Изобретение относится к оптической системе связи и оптическому усилителю, предназначенному для использования в системе связи. В частности, оно относится к системе связи и усилителю, приспособленных для передачи с мультиплексированием длин волн или для многочастотного режима передачи. При таком режиме передачи сигналы нескольких независимых один от другого каналов передаются по одной и той же линии, обычно состоящей из оптического волокна, посредством мультиплексирования оптических длин волн. Передаваемые каналы могут быть либо цифровыми, либо аналоговыми, и могут селектироваться по конкретным длинам волн.
Чтобы обеспечить возможность передачи на расстояния более нескольких сотен километров, то есть на максимальные расстояния, которые могут обеспечиваться с использованием пассивного волокна, необходимо компенсировать ослабление сигнала посредством использования одного или более оптических усилителей, введенных в канал.
В итальянской заявке на патенте М194А000712 на имя того же заявителя описана передающая линия, включающая в себя оптические усилители, имеющие волокно с легирующей примесью и соединенные каскадно, и эта линия, в частности, приспособлена для передачи в режиме мультиплексирования длин волн, при котором сочетание легирующих примесей в сердцевине волокна обеспечивает возможность достижения высокого отношения сигнал/шум для всех каналов в заранее заданной полосе длин волн, даже при наличии нескольких одновременно передаваемых сигналов.
Вышеупомянутой результат достигается путем применения усиливающих волокон, в которых выбор дополнительных легирующих примесей, используемых вместе с основной легирующей примесью, и их количественное соотношение обеспечивают возможность получения характеристики усиления, не имеющей существенных ослаблений во всей полосе усиления.
В частности, в заявке на патент Италии М194А000712 раскрыта оптическая система связи, содержащая передающее средство, предназначенное для выработки оптических сигналов в заранее заданной полосе длин волн, приемное средство, волоконно-оптическую линию связи между передающим и приемным средствами, средства оптического усиления - из активных волокон, расположенные вдоль упомянутой линии, соединенные друг с другом, предназначенные для передачи оптических сигналов от передающего средства к принимающему средству, и отличающаяся тем, что средства оптического усиления содержит в себе по меньшей мере одно активное оптическое волокно на основе двуокиси кремния, сердцевина которого легирована по меньшей мере одной флюоресцентной основной примесью и по меньшей мере одной дополнительной легирующей примесью в таком соотношении между собой, чтобы обеспечить отношение оптического сигнала к шуму при приеме не ниже 15 дБ (измеряемых при амплитуде сигнала фильтра 0,5 нм) для каждого сигнала на длине волны в рабочей полосе как в случае одного сигнала, так и при наличии по меньшей мере двух сигналов на различных длинах волн в полосе, одновременно поступающих в средства усиления.
В качестве флюоресцентной основной легирующей примеси предпочтительно использован эрбий в виде окиси, а в качестве дополнительных легирующих примесей использованы алюминий, германий, лантан в виде соответствующих окисей. Заранее заданная полоса передачи предпочтительно находится в диапазоне от 1530 до 1560 нм. Упомянутая линия передачи предпочтительно включает в себя по меньшей мере три оптических усилителя, последовательно соединенных вдоль линии, по меньшей мере один из которых имеет активное волокно, сердечник которого легирован алюминием, германием, лантаном и эрбием в виде соответствующих окисей.
Для использования такой линии передачи в оптической системе связи требуется соответствующий предварительный усилитель, который включен между линией передачи и приемным устройством. Предварительный усилитель представляет собой усилитель, рассчитанный на прием сигнала низкого уровня и его усиление, перед подачей на вход приемного устройства, до достижения уровня мощности, соответствующего чувствительности устройства. (В дальнейшем для краткости вместо термина "уровень мощности" будет использоваться термин "уровень".) Предварительный усилитель также ограничивает резкие изменения уровня сигнала посредством уменьшения колебаний уровня сигналов, поступающих в приемное устройство, по отношению к колебаниям уровня сигналов, поступающих из линии передачи. Действительно, изменение условий распространения сигналов в линии передачи может привести к изменениям уровня сигналов на ее выходе. Это изменение может быть обусловлено либо ослаблением в волокне соединяющей линии (которое приводит к потере прозрачности), либо возможными аномалиями в ней (например, локальными ослаблениями, вызванными обращением с кабелем, содержащим оптические волокна), либо затуханием в оптическом усилителе. В случае описываемой линии передачи, изменения уровня могут достигать 20 дБ. С другой стороны, на входе оптического приемного устройства, если это устройство изготовлено в соответствии с европейскими техническими условиями SDH или американскими техническими условиями SONET, уровень сигнала должен находиться в интервале от -26 до -11 дБ относительно уровня 1 мВт. Чтобы обеспечить запас надежности с учетом допусков на изготовление предварительного усилителя, требуется, чтобы уровень сигналов, поступающих в оптическое приемное устройство, находится в диапазоне между -25 и -13 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт. Следовательно, предварительный усилитель должен ограничивать динамические изменения сигнала таким образом, чтобы привести уровень сигнала к значению, находящемуся в этом интервале.
В заявке на патент EP 567.941 того же заявителя описан оптический усилитель с ограничением мощности на выходе, общая схема которого показана на фиг. 1. Этот усилитель состоит из оптического волокна, легированного редкоземельным материалом, разделенного на две части 4, 6, на который поступает сигнал 1 и излучение накачки из лазера накачки 2 через дихроичный элемент связи 3. В волокне установлен элемент 5, поглощающий излучение на длине волны сигнала в большей степени, чем на длине волны накачки.
Принцип работы такого усилителя с ограничением мощности иллюстрируется фиг. 2, на которой показаны кривая мощности накачки (выраженной в мВт по оси ординат слева) и уровень сигнал (выраженный в дБ относительно уровня 1 мВт, по оси ординат справа) в зависимости от нормированной длины волокна (по оси абсцисс). Показаны два случая: для входного сигнала, имеющего уровень -25 дБ относительно уровня 1 мВт ("слабый" сигнал, показанный сплошной линией), и для входного сигнала с уровнем 0 дБ относительно уровня 1 мВт ("сильный" сигнал, показанный пунктирной линией). Входная мощность накачки составляет 20 мВт. Выравнивающее действие обусловлено уравновешиванием мощности накачки и мощности усиленного сигнала в двух каскадах до и после локального ослабления. В первом каскаде (волокно 4) "сильный" сигнал усиливается до уровня, выше "слабого" сигнала. "Слабый" сигнал, однако, использует меньшую мощность накачки, причем остаточный компонент этой мощности во втором каскаде (волокно 6) оказывается достаточным для усиления сигнала до требуемого выходного уровня.
С другой стороны "сильный сигнал" использует энергию накачки в первом каскаде почти полностью. К концу второго каскада остаточная мощность накачки очень низка и сигнал усиливается в малой степени или даже слегка ослабляется, так что он достигает такого же уровня, как и "слабый" сигнал. Входные сигналы с промежуточными уровнями между двумя установленными пределами, поэтому распространяются дальше до такого выходного уровня. За счет выбора соответствующим образом местоположения поглотителя 5 по длине волокна такой усилитель обеспечивает формирование сигналов, имеющих постоянный выходной уровень в пределах 1 дБ при наличии входных сигналов, имеющих переменный уровень в интервале по меньшей мере 15 дБ.
Устройство, описанное в заявке EP 567941, используется в случаях, когда требуется оптический усилитель, обеспечивает сильное ограничение динамического диапазона сигнала, например, в качестве предварительного усилителя в системе связи между двумя пунктами, то есть без промежуточных усилителей вдоль волоконной линии связи между передающим и приемным устройствами. В этом случае устройство располагают между пассивным соединяющим волокном и приемным устройством.
В патенте США N 5280383, выданном на имя Дж. Ф Федеричи и др., описан двухкаскадный оптический усилитель, способный работать при пониженной мощности накачки. Первый каскад работает в условиях линейного усиления, второй каскад - в условиях насыщения, чтобы создать определенное сжатие динамики сигналов. В одном из вариантов два каскада разделены развязывающим устройством, после которого может следовать фильтр, имеющий полосу пропускания порядка 10 нм. Развязывающее устройство устраняет распространяющееся в обратном направлении усиленное спонтанное излучение, а полосовой фильтр подавляет часть усиленного спонтанного излучения, распространяющегося в направлении сигнала, обеспечивая прохождение сигнала и выбранной полосе 10 нм. Однако в отличие от описанного в заявке на патент EP 567941 усилителя, каждый каскад имеет независимый источник накачки, а полосовой фильтр поглощает любую остаточную мощность накачки от первого каскада. Следовательно, этот усилитель базируется не на механизме дифференциального поглощения накачки (в зависимости от уровня сигнала) в первом каскаде и использования остаточной накачки (в случае слабых сигналов) во втором каскаде, который используется в усилителе, описанном в EP 567941. Кроме того, при наличии фильтра этот усилитель может работать только в полосе передачи, ограниченной величиной менее чем 10 нм, недостаточной для передачи с мультиплексированием длин волн.
В статье "REAP: Recycled Erbium Amplifier pump; J. - M.P.Delavaux et al. , IEEE Photonics Technology Letteks, v.6, N. 3, March 3, 1994, p.p.376-379, описан двухкаскадный предварительный усилитель, имеющий волокно, легированное эрбием, во втором каскаде которого используется остаточная мощность накачки от первого каскада, в котором использование оптического вентиля, соединенного последовательно с полосовым фильтром с шириной полосы 6 см (-1 дБ) между двумя каскадами устройства, позволяет получить, дополнительно к определенному ограничению динамического диапазона сигнала, высокое усиление, а также низкий коэффициент шума для сигнала на длине волны в полосе передачи фильтра. В частности, посредством ограничения полосы передачи устройства до полосы пропускания фильтра, устраняется спонтанное излучение на других длинах волн, так что это не ухудшает условие реверсирования первого каскада и не приводит к насыщению второго каскада. В вышеупомянутой статье рассматривается передача по одному каналу на длине волны в полосе пропускания фильтра. При этом не рассматриваются возможности применения устройства в оптической системе связи с мультиплексированием длин волн.
Для обеспечения передачи с использованием множества длин волн заявитель попытался использовать описанное в заявке EP 567941 устройство в качестве предварительного усилителя на конце линии передачи с мультиплексированием длин волн с каскадными усилителями, как описано в заявке на патент Италии ITM194A000712. Однако было обнаружено, что ожидаемое ограничение динамического диапазона сигнала на выходе по отношению к входу происходит в недостаточной степени: при изменении уровня входного сигнала на 20 дБ было получено изменение уровня выходного сигнала на 14 дБ, что превышает значение, предусмотренное вышеупомянутыми стандартами.
Представляется, что этот недостаток связан с самопроизвольным излучением и влиянием усиления этого излучения на поглощение мощности накачки в двух каскадах устройства. В случае оптической связи с мультиплексированием длин волн на выходе широкополосной линии передачи с каскадными усилителями имеется составляющая спонтанного излучения, имеющая вид сигналов различных длин волн, распределенных в виде непрерывного спектра, типичных для волокон с усилением, используемых в линии передачи. Уровень усиленного сигнала выше уровня спонтанного излучения на соответствующей длине волны, что обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум, требуемое для надежного приема. Однако, полная мощность самопроизвольного излучения связана с интенсивностью передаваемых сигналов. Слабые сигналы усиливаются при распределении в линии с умеренным использованием энергии, обеспечиваемой накачкой, так что большая часть этой энергии приходится на усиление спонтанного излучения. Сильные сигналы в большей степени опустошают энергетические уровни, возбуждаемые накачкой, а на спонтанное излучение и его усиление приходится меньше энергии. В дополнение к зависимости от уровня передаваемых сигналов, спонтанное излучение возрастает с увеличением количества соединенных по каскадной схеме усилительных каскадов.
В случае широкополосной линии передачи, имеющей каскадно соединенные усилители, соединенной с устройством, подобном описанному в заявке EP 567941, спонтанное излучение из линии передачи дополнительно усиливается при распространении в активном волокне устройства и складывается со спонтанным излучением, вырабатываемым в самом активном волокне.
Было обнаружено, что спонтанное излучение, даже более низкого уровня, чем сигналы, вследствие рассеяния энергии накачки для слабых и сильных сигналов, на котором основан принцип ограничения динамического диапазона сигналов, реализованный в устройстве по заявке EP 567941. Более конкретно, в случае слабых сигналов, спонтанное излучение относительно велико; и его усиление поглощает энергию, обеспечиваемую накачкой уже в первом каскаде предварительного усилителя. Поэтому второй канал не располагает достаточной энергией накачки для обеспечения возможности усиления слабых сигналов до того же выходного уровня, что и полученный для более сильных входных сигналов, при наложении более низкого спонтанного излучения и с пользованием энергии накачки, имеющейся в первом каскаде предварительного усилителя. Поэтому второй каскад не используется надлежащим образом в случае слабых сигналов из-за недостаточности остаточной энергии накачки.
Удовлетворительная работа описанного в заявке EP 567941 устройства в качестве предварительного усилителя в случае системы связи "между двумя пунктами" объясняется тем, что в этом случае на сигналы линии связи не накладываются относительно сильные шумы со спектральным распределением, аналогичным имеющему место для спонтанного излучения активного волокна устройства. Устройство вводится между пассивным соединяющим волокном и приемным устройством, и единственным спонтанным излучением, имеющимся в предварительном усилителе, является спонтанное относительно низкого уровня, формируемое в активном волокне самого усилителя.
Решение указанных проблем обеспечивается настоящим изобретением, направленным на создание линии передачи, с очень широкой (25-30 нм) рабочей полосой, при уровнях спонтанного излучения, сравнимых с уровнем сигнала.
Заявителем было обнаружено, что за счет ослабления спонтанного излучения в полосе длин волн, примыкающей к полосе сигналов, поглощение накачки, обусловленное усилением спонтанного излучения, ограничивается в степени, достаточной для того, чтобы последний каскад всегда имел мощность накачки, необходимую для усиления сигналов до требуемого уровня. В частности, было обнаружено, что для этой цели нет необходимости полностью устранять спонтанное излучение на всех длинах волн, отличных от длины волны сигнала, как предлагалось раньше: достаточно ослабить на величину, превышающую заранее заданное минимальное значение, спонтанное излучение в заданном интервале длин волн, ближнем к полосе сигнала, спонтанное излучение которого оказывает существенное влияние на ограничение динамического диапазона сигнала.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к оптической системе связи, содержащей:
- средство передачи, предназначенное для выработки по меньшей мере двух оптических сигналов с различными длинами волн, находящихся в заранее заданной полосе длин волн,
- средство приема,
- волоконно-оптическую линию, предназначенную для соединения средства передачи со средством приема,
- средства оптического усиления на активном оптическом волноводе, расположенные вдоль упомянутой линии и взаимосвязанные между собой для передачи оптических сигналов от средства передачи к средству приема,
отличающейся наличием оптического предварительного усилителя, размещенного между волоконно-оптической линией и средством приема, содержащего:
- оптический волновод, легированный редкоземельном элементом, выполненный с возможностью подачи на него через средство связи излучения накачки на длине волны накачки и сигналов из волоконно-оптической линии.
- средство дифференциального ослабления, размещенное в первом заранее заданном положении в легированном волноводе, обеспечивающее более высокое ослабление в упомянутой заранее заданной полосе длин волн на заданную величину, чем ослабление на длине волны накачки,
- средство фильтрации, размещенное во втором заранее заданном положении в легированном волноводе, имеющее характеристику спектрального ослабления, адаптированную для передачи сигналов в упомянутой заранее заданной полосе длин волн без их ослабления в значительной степени и для ослабления на величину, превышающую заранее заданное минимальное значение спонтанного излучения в полосе длин волн, прилегающей к упомянутой заранее заданной полосе,
причем первое и второе заданные положения, заданную величину ослабления средства дифференциального ослабления, заранее заданное минимальное ослабление средства фильтрации и полосу длин волн, прилегающую к заранее заданной полосе, выбирают из условия, что изменения мощности одного из входных сигналов предварительного усилителя в диапазоне 20 дБ обуславливают изменения мощности на входе средства приема в диапазоне не более 12 дБ.
Упомянутая полоса длин волн, прилегающая к заранее заданной сигнальной полосе, предпочтительно содержит относительный максимум спонтанного излучения оптического волновода, легированного редкоземельным материалом, являющегося частью предварительного усилителя.
Упомянутая полоса длин волн, прилегающая к заранее заданной сигнальной полосе, предпочтительно содержит относительный максимум спонтанного излучения активного волокна, являющегося частью средства усиления.
Можно ограничить изменения мощности, подаваемой на средство приема, при изменениях входного уровня одного из сигналов в пределах 20 - 9 дБ, а при соответствующем выборе средства фильтрации до 6 дБ.
Средство фильтрования вводится в легированный волновод предпочтительно в месте между 15% и 50% общей длины упомянутого волновода, более предпочтительно между 20% и до 30%.
Средство дифференциального ослабления вводится в легированный волновод предпочтительно между средством фильтрации и выходом, в частности в месте между 50% и 75% общей длины волновода.
Можно использовать второе средство фильтрации, которое предназначено для передачи сигналов без их существенного ослабления и для ослабления спонтанного излучения по меньшей мере в одной полосе длин волн, прилегающей к полосе длин волн сигналов. Это второе средство фильтрации преимущественно размещено в упомянутом легированном волноводе в месте между 50% и 75% общей длины волновода.
Оптический легированный волновод предпочтительно представляет собой оптическое волокно на основе двуокиси кремния, а редкоземельным материалом, используемым в качестве основной легирующей примеси, предпочтительно служит эрбий. В качестве дополнительной легирующей примеси можно преимущественно использовать алюминий, германий и лантан или алюминий и германий. Длина волны отсечки (на уровне - 3 дБ) средства фильтрации находится в пределах от 1532 до 1534 нм. Полоса длин волн сигналов предпочтительно находится в пределах от 1535 до 1560 нм.
Средство фильтрации может состоять из части оптического волокна, имеющего две сердцевины, оптически связанные между собой для длин волн в полосе спонтанного излучения, прилегающей к полосе сигналов. Одна из этих двух сердцевин размещена коаксиально относительно волокна и соединена двумя концами с легированным волноводом, а другая сердцевина смешена от центра и срезана на концах. Как вариант, средство фильтрации может преимущественно состоять из интерференционного фильтра, используемого при отражении. Средство фильтрации может также содержать предпочтительно канал с низким ослаблением длины волны накачки. Например, средство фильтрации может содержать первый дихроичный элемент связи, ответвляющий излучение в полосе сигнала и спонтанного излучения (на первый вывод) и излучение на длине волны накачки (на второй вывод); фильтр, соединенный с первым выводом, обеспечивающий ослабление спонтанного излучения; второй дихроичный элемент связи, объединяющий излучение от фильтра с излучением на длине волны накачки от второго вывода. Ослабление упомянутого средства фильтрации в полосе длин волн, прилегающей к заранее заданной полосе сигналов, предпочтительно составляет не меньшей мере 6 дБ, более, предпочтительно по меньшей мере 10 дБ.
Средство дифференциального ослабления преимущественно содержит первый дихроичный элемент связи, ответвляющий излучение в полосе сигналов (на первый вывод) и излучение на длине волны накачки (на второй вывод); элемент ослабления, в частности оптическое волокно, соединенное с первым выводом, обеспечивающее ослабление сигналов; второй дихроичный элемент связи, объединяющий излучение от элемента ослабления с излучением на длине волны накачки от второго вывода. Между элементом ослабления и вторым дихроичным элементом связи может быть расположен оптический вентиль.
Средство дифференциального ослабления может содержать в себе также обмотку, имеющую заданный радиус изгиба и состоящую из одного или более витков оптического волокна, часть из этого оптического легированного волокна использована для усилителя.
Ослабление средства дифференциального ослабления в полосе сигналов предпочтительно превышает ослабление на длине волны накачки на величину 5 ± 1 дБ.
Соответствующая изобретению оптическая система связи особенно выгодна в случае, когда средство усиления состоит из трех или более оптических усилителей на активном волокне, каскадно соединенных на длине волоконно-оптической соединяющей линии. В случае каскадно соединенных усилителей, проблема накопления спонтанного излучения вдоль линии особенно ощутима, прежде всего при широкополосной передаче, и на решение этой проблемы в первую очередь направлена соответствующая настоящему изобретению система.
Оптическое средство усиления может содержать активное волокно на основе двуокиси кремния, имеющее сердцевину, легированную по меньшей мере одной флуоресцентной основной примесью и по меньшей мере одной дополнительной легирующей примесью, находящихся в таком соотношении, которое обеспечивает отношение оптического сигнала к шуму при приеме, измеренное при амплитуде сигнала фильтра 0,5 нм, не менее 15 дБ для сигналов длины волны в пределах заранее заданной полосы, когда мощность входного сигнала на каждом из упомянутых активных волоконно-оптических усилителей составляет не менее -16 дБ относительно уровня 1 мВт. В качестве основной легирующей примеси предпочтительно используется эрбий, а в качестве дополнительной легирующей примеси - алюминий, германий и литий.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения оно относится к оптическому усилителю, который содержит
- оптический волновод, легированный редкоземельным материалом,
- средство ввода одного или более заранее заданной полосы длины волн в заранее заданном диапазоне входных мощностей,
- средство накачки легированного волновода, предназначенного для формирования оптической мощности накачки на длине волны накачки,
- средство связи внутри легированного волновода для оптической мощности накачки и входного сигнала или сигналов,
- средство вывода на заданном выходном уровне одного или более выходных сигналов, усиленных индуцированным излучением редкоземельного материала под воздействием накачки в легированном волноводе,
- средство дифференциального ослабления, расположенное в первом заранее заданном положении на длине активного волновода, предназначенное для внесения заданного ослабления, величина которого в заранее заданной полосе длин волн, отличается от ослабления, вносимого на длине волны накачки, и отличается средством фильтрации, расположенным во втором заранее заданном месте на длине легированного волновода и имеющим спектральную характеристику ослабления, обеспечивающую передачу сигналов в заранее заданной полосе длин волн без их значительного ослабления и ослабление на величину, превышающую заранее заданное минимальное значение, спонтанного излучения в полосе длин волн, прилегающей к упомянутой заранее заданной полосе, причем упомянутые первое и второе заранее заданные места расположения, значения ослабления средства дифференциального ослабления, минимальное значение ослабления средства фильтрации и упомянутая полоса длин волн, прилегающая к заранее заданной полосе выбраны из условия, что изменения мощности одного из входных сигналов в диапазоне 30 дБ приводят к изменениям выходной мощности усилителя в диапазоне не более 12 дБ.
Оптический усилитель может быть выполнен в соответствии с одним или более предпочтительными вариантами осуществления, предлагаемый в связи с предварительным усилителем, являющимся частью оптической системы связи, соответствующей первому аспекту настоящего изобретения.
Изобретение поясняется на примерах его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 - схема известного усилителя.
Фиг. 2 - кривые мощности накачки и уровня сигнала в двух каскадных усилителя по фиг. 1 для двух входных сигналов различной мощности.
Фиг. 3 - схема усиления, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг. 4 - спектр спонтанного излучения волокна, легированного эрбием, алюминием, германием и лантаном.
Фиг. 5 - характеристика узкополосного режекторного фильтрата, содержащего оптическое волокно с двумя сердцевинами, предназначенного для использования в усилителе.
Фиг. 6 - схема эксперимента для изменения характеристик усилителя, соответствующего изобретению.
Фиг. 7 - входной (A) и выходной (B) спектры усилителя для четырех сигналов, распространяющихся в линии передачи с каскадными усилителями, имеющими ослабление 20 дБ между каскадами усиления.
Фиг. 8 - входной (A) и выходной (B) спектры усилителя для четырех сигналов, распространяющихся в линии передачи с каскадными усилителями, имеющими ослабление 29 дБ между каскадами усиления.
Фиг. 9 -графики, иллюстрирующие соотношение между входным уровнем и выходным уровнем для сигналов четырех длин волн в случае известного усилителя (A) и усилителя, соответствующего настоящему изобретению (B).
Фиг. 10 - схема альтернативного элемента фильтрации.
Фиг. 11 - схема оптической системы связи, соответствующей настоящему изобретению.
Фиг. 12 - схема двухкаскадного усилителя на оптической линии, выполненного согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 13 - схема двухкаскадного усилителя на оптической линии, выполненного согласно второму варианту осуществления изобретения.
На фиг. 3 показан вариант выполнения усилителя, соответствующего одному из аспектов настоящего изобретения. Усилитель может быть использован в качестве предварительного усилителя оптической системы связи с мультиплексированием длин волн с каскадными усилителями. Он предусматривает использование оптического волокна, легированного редкоземельным материалом, предпочтительно волокна, легированного эрбием, разделенного на три части 5, 7 и 9. На него подается сигнал накачки с лазера 3 через дихроичный элемент связи 4. Сигналы различных длин волн в заданной полосе частот передачи поступают через входной вывод, проходят первый оптический вентиль 2 и через дихроичный элемент связи 4 поступают в первую часть 5 легированного волокна. Часть 5 соединена с частью 7 волокна через узкополосный режекторный фильтр 6, который обеспечивает ослабление спонтанного излучения - в полосе длин волн, прилегающей к полосе передачи сигналов, и вносят незначительное ослабление в полосе длин волн сигналов и на длине волны накачки.
Затем сигналы усиливаются в части 7 волокна, которая оканчивается дифференциальным аттенюатором 8, вызывающим ослабление в полосе сигналов, превышающее на заранее заданную величину ослабление на длине волны накачки.
В показанном примере работа аттенюатора 8 включает в себя разделение падающего излучения в соответствии с длинами волн, ослабление составляющей сигнала и сохранение неизменным сигнала накачки, а затем рекомбинацию двух составляющих. Излучение на длине волн сигнала направляются дихроичным элементом связи 12 к волокну 13, вносящему в него ослабление на определенную величину. После волокна 13 может быть включен оптический вентиль 14, обеспечивающий дополнительное ослабление в направлении распространения сигнала. Излучение накачки (если не учитывать незначительные потери в элементах связи) без ослабления проходит по другой ветви дихроичного элемента связи 12 и объединяется с сигналом в дихроичном элементе связи 15. В показанном примере ослабляющее волокно 13 представляет собой волокно на основе двуокиси кремния длиной 0,4 м, легированного титаном, имеющим числовую апертуру, равную 0,109, длину волны среза 1180 нм и ослабление порядка 5,1 дБ на длине волны 1550 нм.
Вентиль 14 может содержать второе средство фильтрации или может быть заменен им. Это средство включает в себя фильтр типа фильтра 6 и имеет такие же характеристики ослабления и полосу фильтрации. Упомянутое второе средство фильтрации позволяет исключить часть спонтанного излучения, дополнительно формируемого частью 7 волокна в упомянутой полосе, прилегающей к полосе сигнала.
Последняя часть 9 волокна, присоединенная к выходу аттенюатора 8, действует на сигналы, усиливая или ослабляя их, в зависимости от более высокой или более низкой остаточной мощности накачки, то есть, в конечном итоге, воздействует на уровень входного сигнала, что обеспечивает ограничение динамического диапазона выходного сигнала относительно динамического диапазона входного сигнала. Затем сигналы передаются через вентиль 10 на выходной вывод 11.
В качестве активного волокна использовалось волокно на базе двуокиси кремния, легированной эрбием, алюминием, германием и лактаном, типа описанного в итальянской заявке на патент M194A000712, сердцевина которого имеет следующий состав, выраженный в процентах по весу окисей: Er2O3 - 0,2%, Al2O3 -4%, GeO2 - 18%, La2O3 - 1%.
Такое волокно имеет числовую апертуру 0,219 и длину волны отсечки 911 нм. На фиг. 4 представлена кривая излучения этого типа волокна, полученная для волокна длиной 11 м, при накачке на длине волны 980 м с вводимой в волокно мощностью накачки 60 мВт. Выбранная длина волокна соответствует эффективному использованию выбранной мощности накачки. Как видно из фиг. 4, это волокно имеет спонтанное излучение с пиком на длине волны 1530 нм.
Средство фильтрации предпочтительно расположено в волноводе, в месте, не совпадающем с его входом. Средство фильтрации может устранять не только спонтанное излучение из передающей линии, но также часть спонтанного излучения, генерируемого на длине волновода, и тем самым предотвращать расходование имеющейся мощности накачки на усиление спонтанного излучения, оказывая при этом влияние на способность устройства усиливать слабые сигналы. Расположение средства фильтрации на входе волновода может увеличить потери на входе, ухудшая в такой же степени коэффициент шума на рабочей длине волны фильтра.
В соответствии с вышеизложенным, местоположение фильтра выбирают таким образом, чтобы обеспечить исключение или ослабление пика спонтанного излучения рядом с полосой сигналов и, формируемого на протяжении линии и существенной части пика спонтанного излучения, генерируемого в первой части усилителя, чтобы сделать эффективным вышеописанный механизм ограничения динамического диапазона, отрицательного воздействия на сигнал низкой интенсивности.
В описанной конфигурации фильтр 6 располагается в месте между 15% и 50%, предпочтительно между 20% и 30%, общей длины активного волокна усилителя.
Местоположение дифференциального аттенюатора 8 можно выбирать на основании критериев, описанных в вышеупомянутой заявке на патент EP 567941, в частности между 50% и 75% общей длины волокна.
Специалист в данной области техники при наличии определенных характеристик используемых системы и устройств сможет выбрать наиболее приемлемые местоположения, проверяя их последовательно, для реализации механизма функционирования, соответствующего изобретению.
В показанном примере длины частей 5, 7 и 9 волокна выбраны равными соответственно 3, 5 и 5 м, соответствующими расположению фильтра 6 и дифференциального аттенюатора 8 примерно на расстоянии соответственно 23% и 62% общей длины легированного волокна.
Узкополосной режекторный фильтр 6 имеет волоконно-оптическую часть с двумя сердцевинами, оптически связанными друг с другом на заранее заданной длине волны, причем одна из них является соосной с подсоединенными оптическими волокнами, а другая смещена от центра и срезана на концах, как описано в патентах EP 441211 и EP 417441 на имя того же заявителя. Этот фильтр выполнен таким образом, что он ответвляет в смещенную от центра сердцевину полосу длин волн, соответствующую пику спонтанного излучения легированного волокна, прилегающую к полосе передачи сигналов: срезы на концах смещенной от центра сердцевины обеспечивают рассеяние передаваемых в нее длин волн в оболочке волновода, так что они больше не попадают в основную сердцевину.
В проведенном эксперименте использовалось волокно с двумя сердцевинами описанного типа. Оно представляет собой волокно на основе двуокиси кремния с примесью германия, имеющее следующие значения параметров:
ослабление на длине волны 1530 нм 6 дБ,
длина волны, соответствующая ослаблению на 3 дБ 1533 нм,
длина фильтра 35 мм,
расстояние между сердцевинами 18 мм,
диаметр центральной сердцевины 4 мкм (числовая апертура 0,195),
диаметр смешенной сердцевины 9 мкм (числовая апертура 0,135).
На фиг. 5 представлена спектральная характеристика фильтра с двумя сердцевинами.
Лазер накачки 3 представляет собой лазер Quantum Wel типа, имеющий следующие характеристики:
длина волны излучения λp = 980 нм,
максимальная оптическая выходная мощность Pu = 70 мВт,
Лазеры вышеуказанного типа выпускают, например, фирмой Lasertron Inc., США.
Дихроичные элементы связи 3, 8 представляют собой оптические элементы связи из сплавных волокон, изготовленные из одномодовых волокон на длине волны 980 нм и в полосе длин волн 1530-1560 нм с изменениями оптической выходной мощности в зависимости от поляризации меньше 0,2 дБ. Дихроичные элементы связи вышеописанного типа известны и коммерчески доступны; они выпускаются, например, фирмами Gould Inc., США и Sifam Ltd, Великобритания.
Оптопары 2, 10 и 14 представляют собой вентили, в которых управление поляризацией не зависит от поляризации передаваемых сигналов и которые имеют развязку более 35 дБ и отражательную способность ниже -50 дБ. Используемые здесь вентили представляют собой вентили модели MDL 1-15 PIPT-A S/N 1016.
На фиг. 6 показана схема экспериментальной установки, используемая для измерения свойств описанного усилителя. В таких экспериментах в волокно 41 через мультиплексор длин волн 42 вводили четыре сигнала 37, 38, 39, 40 на длинах волн λ1 = 1536 нм, λ2 = 1544 нм, λ3 = 1550 нм и λ4 = 1556 нм, соответственно.
Сигналы генерировались, соответственно, лазером с распределенной обратной связью на волне 1536 нм, их вводили в оконечное устройство, соответствующее приемному устройству. Использовались: лазер непрерывного излучения с логическими схемами на эмиттерных связях с переменной длиной волны, настроенной на 1544 нм, модели HP81678A, выпускаемой фирмой Hewlett Packard Co, США; лазеры непрерывного излучения с распределенной обратной связью на длине волны 1550 нм и 1556 нм компании Anritsu Corp., Япония; мультиплексор 42 был изготовлен с помощью расщепителя 1x4, выпускаемого фирмой E-TEK Dyhamics Inc., США.
Уровень входных сигналов, поступающих в линию, регулировали предварительным выравнивателем 43. После усилителя 44 сигналы поступали в линию передачи, содержащую четыре линейных усилителя 45, 45', 45'', 45''', между которыми расположены соответствующие переменные аттенюаторы 46, предназначенные для имитирования соответствующих частей оптического волокна, имеющих различные условия ослабления. На конце линии передачи размещен оптический усилитель, соответствующий настоящему изобретению и ранее описанный со ссылкой на фиг. 3. Выход усилителя соединен с оптическим спектроанализатором 48.
Предварительный выравниватель 43 состоит из четырех переменных аттенюаторов, выпускаемый фирмой IDS Fitel Inc., Канада. Ослабление регулировалось в зависимости от оптической мощности соответствующего канала. В качестве усилителя 44 использовался усилитель модели TPA/E-12, имеющийся у заявителя. Усилители 45, 45', 45'', 45''' были идентичными друг другу, и каждый из них обеспечивал усиление порядка 30 дБ при общей выходной мощности 214 и дБ относительно уровня 1 мВт. В таких усилителях используется волокно, легированное Er, Al, Ge, La, как описано в заявке на патент IT/M194A000712, упомянутой выше. В качестве оптических аттенюаторов использовались аттенюаторы модели VA5, изготавливаемые вышеупомянутой фирмой IDS Fitel. В качестве оптического спектроанализатора использовался спектроанализатор модели TQ8345, выпускаемый фирмой Advantest Corp., Япония.
Эксперимент 1
В первом эксперименте каждый аттенюатор 46 обеспечивал ослабление 28 дБ, что соответствует примерно 100 км оптического волокна. Проводили измерения полной мощности и мощности сигналов на входе и выходе усилителя 47, содержащего узкополосный режекторный фильтр. Полученная в результате измерений полная мощность на входе составила 25,1 мкВт (-16,0 дБ относительно уровня 1 мВт), из которой мощностью 3,7 мкВт (-24,3 дБ относительно уровня 1 мВт) представляла мощность сигнала. Таким образом, соотношение между мощностью сигнала и полной мощностью составило 0,147. Полная мощность на выходе усилителя равна 2,81 мВт (4,5 дБ относительно уровня 1 мВт), из которой мощность 0,88 мВт (-0,55 дБ относительно уровня 1 мВт) соответствовала мощности сигнала. На выходе соотношение между мощностью сигнала и полной мощностью составило 0,313, и это соотношение оказалось более чем в два раза выше соотношения на входе.
Эксперимент 2
Во втором эксперименте проводили сравнение вышеописанного усилителя 47 с усилителем 47, соответствующим известному уровню техники, образованным из элементов и имеющим технические характеристики, аналогичные используемым для усилителя 47, но без узкополосного инжекторного фильтра 6 и с соединенными между собой частями 5 и 7 волокна.
На фиг. 7A и 7B показаны спектры, полученные в результате измерений на выходе усилителей 47 (без узкополосного режекторного фильтра) и 47 (с узкополосным режекторным фильтром) соответственно, для случая, когда переменные аттенюаторы 46 были отрегулированы таким образом, чтобы каждый обеспечивал ослабление 20 дБ. Эти величины ослабления соответствовали линии передачи при нормальных условиях работы с "сильными" сигналами на входе усилителя 47 и 47. Сравнение графиков показывает, что в случае "сильных" сигналов два усилителя ведут себя аналогичным образом, обеспечивая эквивалентные выходные уровни сигналов. Следует отметить, что разницу выходных уровней сигналов на различных длинах волн, то есть разницу высот пиков сигналов, которая обнаруживается в обоих случаях, можно отнести к различным коэффициентам на различных длинах волн линии передачи с оптическими усилителями 45. Однако эта разница не действует на отношение сигнал/шум, то есть на качество передачи. Напротив, уровни отдельных сигналов в случае использования усилителя с фильтром остаются почти такими же, как и в случае без фильтра. Местоположения линий C и D на оси Y на двух графиках показывают самый высокий и самый низкий выходные уровни для четырех тестовых сигналов соответственно с длинами волн λ4 = 1556 нм и λ1 = 1536 нм. Сигнал на длине волны λ = λ4 имеет выходной уровень 2,6 дБ относительно уровня 1 мВт в случае без фильтра (фиг. 7A) и 3,5 дБ относительно уровня 1 мВт в случае с фильтром (фиг. 7B), тогда как сигнал на длине волны λ = λ1 имеет выходной уровень -7,1 дБ относительно уровня 1 мВт в случае без фильтра и -8,3 дБ относительно уровня 1 мВт в случае с фильтром. Кроме того, можно отметить, что, как и ожидалось, спонтанное излучение с длиной волны, близкой к пику на длине волны 1531 нм, было сильно ослаблено при наличии узкополосного режекторного фильтра по сравнению со случаем без фильтра.
Эксперимент 3
Сравнивая фиг. 8A и 8B, можно оценить преимущества соответствующего изобретению усилителя над известным устройством. Упомянутые графики получены с помощью эксперимента, проведенного в условиях, аналогичных для эксперимента 2, с разницей, заключающейся в значении ослабления переменных аттенюаторов 46, показанных на фиг. 6, которые в новом эксперименте обеспечивали ослабление на уровне 28 дБ для каждого аттенюатора. Посредством выбора этого значения имитировались условия самого сильного ослабления, обеспечиваемого при работе оптической линии связи, подобной описанной в заявке на патент IT/M194A00012, в результате локализованных ослаблений по длине волокна, ослабления из-за старения волокна или потери усиления в оптических усилителях. Эти условия соответствуют "слабым" сигналам на входе усилителя. Фиг. 8A относится к случаю, когда узкополосный режекторный фильтр отсутствует; на этом графике показаны уровни выходного сигнала в пределах от -8,3 дБ относительно уровня 1 мВт (λ = λ1 = 1536 нм, линия C) до -12,9 дБ относительно уровня 1 мВт (λ = λ2 = 1544 нм, линия D). На фиг. 8B, полученной с помощью схемы, соответствующей конфигурации с фильтром, показаны выходные уровни в пределах от -3,7 дБ относительно уровня 1 мВт (λ = λ1, линия C) до -7,2 дБ относительно уровня 1 мВт (λ = λ2, линия D), которые гораздо ближе (по сравнению со случаем, показанным на фиг. 8A) к выходным уровням, получаем при условиях низкого ослабления (то есть в случае "сильных" сигналов на входе усилителя). В этом случае также можно обнаружить действие узкополосного режекторного фильтра в полосе спонтанного излучения, примыкающей к полосе сигнала, которое сильно ослабляется в спектре по фиг. 8B по сравнению со спектром по фиг. 8A. Сравнивая фиг. 7B и 8B, относящиеся к эксперименту с "сильным" и "слабым" входным сигналом, можно видеть, что в первом случае пик спонтанного излучения достиг пониженного уровня относительно сигналов, а во втором случае уровень сопоставим с сигналами. Усилитель гарантирует достаточно высокий выходной уровень даже в случае "слабых" входных сигналов, перекрывающих спонтанное излучение.
Эксперимент 4
На фиг. 9A и 9B представлены данные, полученные для серии испытаний, выполненных при изменении уровня входных сигналов. Эти данные показывают более существенное ограничение динамического диапазона, обеспечиваемое с помощью соответствующего изобретению усилителя, по сравнению с известным устройством. Кривые воспроизводят изменение мощности сигнала на выходе усилителя в зависимости от мощности входного сигнала для каждой из четырех используемых в эксперименте длин волн как в случае использования в усилителе 47 узкополосного режекторного фильтра (фиг. 9B), так и в случае отсутствия в усилителе такого фильтра (фиг. 9A). Следует отметить, что в случае соответствующего изобретению устройства, изменение выходной мощности в значительной степени снижается. В частности, при изменении мощности входного сигнала в диапазоне от -35 дБ до -12 дБ относительно уровня 1 мВт максимальная разница 9 дБ между самой высокой (+3 дБ относительно уровня 1 мВт) и самой низкой (-6 дБ относительно уровня 1 мВт) выходными мощностями на одной из длин волн (λ = λ4 = 1556 нм) была получена для усилителя с узкополосным режекторным фильтром (фиг. 9B). В случае усилителя без фильтра (фиг. 9A), максимальная разница при тех же условиях для входных сигналов между предельными значениями мощности (+3 дБ и -11 дБ относительно уровня 1 мВт) составила 14 дБ. Следует иметь в виду, что уровни мощности на выходе усилителя в случае использования узкополосного режекторного фильтра выше ожидаемых для предварительного усилителя, соответствующего вышеупомянутым стандартам. Однако, учитывая ослабление, вносимое такими компонентами, как демультиплексор (6 дБ в случае четырех сигналов) и фильтры (около 3 дБ по каждому каналу), которые должны быть введены между предварительным усилителем и приемным устройством, может оказаться достаточным дополнительное ослабление порядка 7 дБ для приведения выходных мощностей в требуемый диапазон от -25 до -13 дБ относительно уровня 1 мВт без ухудшения качества приема.
Использование фильтра 6, имеющего более сильное ослабление для пика спонтанного излучения и(или) более сильный наклон спектральной характеристики, может привести к более эффективному устранению спонтанного излучения и более сильному ограничению динамического диапазона сигнала.
В частности, узкополосный режекторный фильтр 6 может представлять собой интерференционный фильтр. Коммерчески доступны интерференционные фильтры, используемые в качестве полосовых фильтров при передаче и узкополосных режекторных фильтров при отражении. В частности, в настоящем изобретении можно использовать фильтры модели WD 1530 TFI, выпускаемые фирмой IDS Fitel. Ниже приводятся характеристики отражательного элемента:
ослабление на длине волны 1530 нм 10 дБ,
длина волны, соответствующая ослаблению 3 дБ, 1534 нм.
Изменение выходного уровня, ожидаемое в случае использования этого фильтра, составляет 6 дБ при изменении входного уровня на 20 дБ.
Дополнительно к вышеупомянутым фильтрам можно использовать фильтры другого типа при условии, что они имеют аналогичные или более жесткие характеристики, касающиеся поглощения спонтанного излучения и обеспечения прозрачности в полосе передачи сигналов и на длине волны накачки.
Как установлено выше, можно выбирать более или менее высокую величину ослабления фильтрующего элемента в соответствии с требуемой степенью ограничения динамического диапазона сигнала. Однако, было обнаружено, что для обеспечения получения с использованием механизма дифференциального поглощения излучения накачки для слабых и сильных сигналов ограничения динамического диапазона сигналов, адаптированного к характеристикам приемного устройства, нет необходимости использовать очень высокую степень фильтрации пика спонтанного излучения в полосе, прилегающей к полосе сигналов, поскольку обеспечиваемое ослабление упомянутого пика уже достаточно для достижения требуемых результатов.
Чтобы дополнительно уменьшить поглощение накачки фильтрующим элементом 6, для накачки моно предусмотреть канал прохождения с низким ослаблением, чтобы избежать прохождения через реальный фильтр. Например, фильтрующий элемент можно заменить показанной на фиг. 10 конструкцией, содержащей два дихроичных элемента связи 1 и 4 ранее описанного типа, где излучение накачки проходит по пунктам 3 без ослабления, тогда как сигналы проходят через фильтр 2.
Как вариант, вместо волокна, легированного эрбием, алюминием, германием и лантаном, можно использовать волокно на основе двуокиси кремния, легированного эрбием, алюминием и германием, с пиком спонтанного излучения на длине волны примерно 1531,5 нм.
Хотя настоящее изобретение описано в связи с легированным волоконно-оптическим усилителем, его можно также применять к усилителям другого типа, используя оптический волновод, легированный резкоземельным веществом, предпочтительно эрбием.
Соответствующую настоящему изобретению оптическую систему связи можно выполнить с использованием показанной на фиг. 11 схемы. Система содержит элементы, использованные в экспериментальной установке по фиг. 6, эти элементы обозначены такими же ссылочными позициями. Вместо переменных аттенюаторов 46 используются части пассивного оптического волокна 46, предпочтительно одномодового типа, а после предварительного усилителя 47, состоящего из соответствующего изобретению оптического усилителя, включен демультиплексор 49, фильтры 50-53 имеют полосу пропускания, центрированную на каждой из длин волн сигнала, а также использованы четыре приемных устройства 54-57.
Очевидно, что количество одновременно передаваемых каналов не ограничивается четырьмя, потому что это зависит от минимального разнесения длин волн соседних каналов связи.
Как описано выше, в соответствующей настоящему изобретению оптической системе связи, в линии передачи с каскадно включенными усилителями составляющая спонтаннного излучения находится близко к сигналам на различных длинах волн и распределяется в виде непрерывного спектра типа, характерного для линейных усилителей, включенных по длине линии передачи.
В патенте США N 5283686 на имя Д.Р. Хьюбера, описан оптический усилитель с фильтром, предназначенным для устранения нежелательных спонтанных излучений. В варианте осуществления, который предназначен для использования в системе с мультиплексированием длин волн, усилитель содержит легированное эрбием оптическое волокно, подсоединенное к лазеру накачки посредством элемента связи для обеспечения мультиплексирования длин волн, фильтр включает в себя оптический циркулятор и брегговские решетчатые отражатели, последовательно подсоединенные к одному порту оптического циркулятора, причем каждый из них отражает по существу лишь узкий диапазон длин волн, включающий длину волны сигналов связи. В таком устройстве сигналы, вначале усиленные в легированном волокне, отражаются решетчатыми отражателями и поступают на выход через оптический циркулятор, в то время как нежелательное спонтанное излучение не отражается решетками и выходит из устройства, не достигая выхода.
В патенте США N 5392153 на имя Дж.П. Делавуа, раскрыт двухкаскадный оптический усилитель, в котором второй каскад накачивается излучением накачки, не используемым в первом каскаде. В одном из вариантов осуществления мультиплексор разветвляет сигнал накачки и усиленный входной сигнал из первого каскада, а затем мультиплексирует усиленный входной сигнал с повторным циклом накачки для последующего усиления вторым каскадом. Усилитель имеет средство, предназначенное для получения усиленного входного сигнала с мультиплексора и обеспечения межкаскадной развязки, в качестве которого можно использовать оптический вентиль, сросток оптического волокна, элемент ослабления или фильтр длины волны.
В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения конкретные типы фильтров на эффекте селективного отражения позволяют вводить дифференциальное ослабление для сигналов и накачки и устранять спонтанное излучение на всех длинах волн в полосе усиления оптического усилителя, где отсутствуют каналы связи.
В соответствии еще с одним аспектом наличие дополнительного усиливающего каскада позволяет осуществлять дополнительное ограничение динамического диапазона сигналов.
Усилители описанного типа обеспечивают особые преимущества в оптических сетях связи, в которых сигналы могут поступать в принимающую станцию, после прохождения различных путей, которые заранее не определяются. Возможность выравнивания мощности усилителя позволяет в этом случае сохранять постоянным уровень сигналов для отдельных частей сети, усиливаемых одновременно, независимо от различных путей распространения сигналов.
Соответствующий настоящему изобретению двухкаскадный оптический линейный усилитель, предназначенный для использования в оптической системе связи с мультиплексированием длин волн, будет описан со ссылками на фиг. 12.
В частности, этот усилитель содержит два каскада, средство дифференциального ослабления и фильтрующее средство, расположенные вдоль первого из двух каскадов, чтобы полностью обеспечит вышеупомянутое сжатие динамического диапазона.
В описании будет дана ссылка на линейный усилитель, который предназначен, в частности в отношении количества связных сигналов, для использования в оптической системе связи такого типа, который описан со ссылкой на фиг. 11, вместо линейных усилителей 45, 45', 45'', 45'''. Однако, количество одновременно усиливаемых сигналов не ограничивается четырьмя, как указано в описании, а определяется только необходимостью сохранять интервал между их длинами волн выше минимального значения, в зависимости от конкретных характеристик выбранной системы. В случае необходимости, специалист в данной области техники может быть адаптировать линейный усилитель в соответствии с определенными характеристиками конкретных систем связи.
Первый каскад устройства обозначен позицией 140. В нем с первого дихроичного элемента связи 103 подаются сигналы связи, поступающие со входа 101 через первый оптический вентиль 102, и излучение накачки, поступающее из первого оптического источника накачки 104, подсоединенного к дихроичного элементу связи 103, на первую секцию 105 легированного редкоземельным материалом активного оптического волокна, конец которого подсоединен ко второму дихроичному элементу связи 106.
Дихроичные элементы связи 106, 103 предназначены для объединения на одном общем выходе излучения на длине волны накачки и излучения на длине волны связных сигналов, подаваемых на два различных входа, и соответственно для разделения на два отдельных выхода излучений накачки и связных сигналов, подаваемых на общий вход.
Один выход дихроичного элемента связи 106 соединен с одним входом дихроичного элемента связи 117 такого же типа для формирования пути низкого ослабления для излучения накачки.
Между другим выходом дихроичного элемента связи 106 и другим входом дихроичного элемента связи 117 включена оптическая схема ослабления и фильтрации 130. Она включает в себя оптический циркулятор 109, к первому порту 107 которого подсоединен выход дихроичного элемента связи 106; к второму порту 108 этого оптического циркулятора последовательно подсоединены ослабляющее волокно 110 и фильтры с селективным отражением 111, 112, 113, 114, за которыми следует оконечная нагрузка с низкими потерями. Третий порт 116 оптического циркулятора 109 подсоединен к дихроичному элементу связи 117.
Выход этого дихроичного элемента связи оканчивается во второй секции 118 легированного редкоземельным материалом активного оптического волокна, после которого следует второй оптический вентиль 119.
Вентиль 119 соединяет первый каскад 140 устройства с вторым каскадом 150.
Второй каскад содержит третью секцию 120 легированного редкоземельным веществом активного оптического волокна, на первый конец которой поступают связные сигналы из первого каскада через вентиль 119.
Излучение накачки, поступающее из второго источника накачки 122, подается в секцию 120 активного волокна через четвертый дихроичный элемент связи 121, подсоединенный ко второму концу секции 120 активного волокна, противоположному первому ее концу. Связные сигналы проходят через дихроичный элемент связи 121 и соединенный с ним третий оптический вентиль 123 на выход 124.
Активное оптическое волокно предпочтительно представляет собой оптическое волокно на основе двуокиси кремния. Используемым в качестве основной легирующей примеси редкоземельным материалом предпочтительно служит эрбий. В качестве вторичных легирующих примесей преимущественно можно использовать алюминий, германий и лантан или алюминий и германий. В качестве активного волокна можно использовать волокно, описанное в вышеупомянутой заявке на патент Т/М194А000712.
Для дихроичных элементов связи 103, 106, 117, 121 и для вентилей 102, 119, 123 можно также использовать соответствующие ранее описанные устройства.
В качестве источников накачки 104 и 122 можно использовать, например, лазеры типа Quantum Well. В частности, в качестве источника 104 можно использовать уже описанный источник со ссылкой на изображенный на фиг. 3 усилитель, а в качестве источника 122 может быть предусмотрен источник с максимальной оптической выходной мощностью 80 мВт на длине волны 980 нм.
Под "фильтром с селективным отражением на длине волны одного из связных сигналов в оптической системе связи мультиплексированием длин волн" подразумевается оптический элемент, который способен отражать значительную часть изучения с длиной волны в заранее заданном диапазоне длин волн и передавать значительную часть излучения с длиной волны вне этого диапазона, где упомянутый диапазон длин волн включает в себя длину волны l и не содержит длины волн других сигналов связи.
Выход фильтра с селективным отражением 114 (наиболее удаленный от оптического циркулятора) должен иметь соответствующую нагрузку, чтобы избежать ложных отражений по направлению к оптическому циркулятору. Для этого можно выбрать любой из известных в данной области техники методов, например, использовать нагрузку в виде оптического соединителя 115, с резанного под углом, с низким отражением, например, модели FC/APC, выпускаемой фирмой Seikon Giken, Япония.
Оптические соединения между различными элементами оптической схемы линейного усилителя можно выполнять одним из известных способов, например, посредством сращивания плавлением. Оптические соединения между фильтрами с селективным отражением 111, 112, 113, 114 можно осуществить с помощью оптических соединителей, предпочтительно имеющих низкое отражение, чтобы обеспечить возможность легкого добавления или отсоединения фильтров с различными длинами волн.
В качестве альтернативы можно все фильтры с селективным отражением 111, 112, 113, 114 образовать на одной секции оптического волокна описанным ниже способом. Затем секцию оптического волокна подсоединяют к порту 108 оптического циркулятора. Этот альтернативный вариант имеет преимущество в том, что не требует оптических соединений между различными оптическими фильтрами, чтобы полностью устранить относительные потери.
В любом из описанных вариантов порядок расположения фильтров селективного отражения 111, 112, 113, 114 не является критичным, его можно изменять, сохраняя выполнение тех же функций.
Оптические циркуляторы представляют собой пассивные оптические элементы, обычно имеющие три или четыре порта, расположенных в необходимой последовательно, однонаправленно передающие излучение, поступающее в один из портов, по направлению, только к одному из остальных портов, а именно, к следующему порту в последовательности. Используются предпочтительно поляризационно-нечувствительные циркуляторы, например такие, как циркуляторы модели CR1500, выпускаемые фирмой IDS Fitel Inc. Япония.
Примером фильтров с селективным отражением, предназначенных для использования согласно настоящему изобретению, являются оптические волноводные фильтры на эффекте распределенного брэгговского отражения. Они отражают излучение в узком диапазоне длин волн и передают излучение, находящееся за пределами этого диапазона. Каждый из них состоит из секции оптического волокна, например, оптического волокна, вдоль которого показатель преломления испытывает периодические изменения, если части сигнала, отражаемые при каждом изменении показателя, находятся в фазе, происходит конструктивная интерференция и падающий сигнал отражается. Условие для конструктивной интерференции, соответствующие максимальному отражению, выражается соотношением 2 • l = ls/n, где l показывает шаг дифракционной решетки, образованной изменениями преломления, ls - длина волны падающего излучения, а n - показатель преломления сердцевины оптического волокна. В литературе описанное выше явление называется распределенным брэгговским отражением.
Периодическое изменение показателя преломления можно получить известным способом, например, посредством воздействия на секции оптического волокна, лишенного защитного покрытия, интерференционными полосами, образованными сильным ультрафиолетовым лучом, подобным лучу, вырабатываемому эксимерным лазером, аргоновым лазером с удвоением частоты или лазером Nd:YAG (лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом, с учетверением частоты), в режиме интерференции с самим собой посредством соответствующей интерферометрической системы, например, посредством кремниевой фазирующей маски, описанной в патенте США N 5351321.
Таким образом, волокно и, в частности, сердцевину подвергают воздействию ультрафиолетового излучения, интенсивность которого периодически изменяется вдоль оптической оси. В частях сердцевины, которых достигает ультрафиолетовое излучение, происходит частичный разрыв связей Ge-O (германия с кислородом), вызывая перманентное видоизменение показателя преломления.
Среднюю длину волны полосы отражения можно определять по желанию посредством выбора шага дифракционной решетки в соответствии с соотношением конструктивной интерференции.
Таким методом можно получить фильтры с полосой отражаемых длин волн на уровне - 3 дБ, которая обычно имеет ширину 0,2-0,3 нм, с отражательной способностью до 99% в центре полосы, среднюю длину волны полосы отражения которого можно определять при изготовлении с точностью примерно ± 0,1 нм и изменением средней длины волны при изменении температуры не более 0,2 нм/oC.
Если длины волн источников связных сигналов имеют интервал допустимых отклонений, превышающий 0,2-0,3 нм, то необходимы фильтры с полосой пропускания соответствующей ширины. Например, длина волны излучения обычно используемых в настоящее время источников, таких как полупроводниковые лазеры, обычно определяется в пределах ± 1 нм, посредством выбора изготавливаемых лазеров.
Волоконно-оптические фильтры с распределенным брэгговским отражением можно изготавливать с требуемыми характеристиками: ширину отражаемой полосы можно сделать больше чем 0,2-0,3 нм, путем изготовления дифракционной решетки с шагом, имеющим заданную степень дисперсии, например, так, как описано в работе:
P. C. Hill et al. , Electronics Letters, vol. 30, N 14, 07.07.94, pp. 1172-1174.
Если условия эксплуатации в оптической линии связи, в которой используется показанный на фиг. 12 усилитель, требуют компенсирования хроматической дисперсии на длинах волн сигналов связи, то в качестве фильтров с селективным отражением 111, 112, 113, 114 можно использовать волоконно-оптические фильтры с распределенными брэгговским отражением с дисперсионными решетками, изготавливаемыми с характеристиками, описанными, например, в работе: F.Ouelette Optics Letters, vol. 12, N 10, pp. 847-849, 1987.
Если предполагается использовать линейный усилитель в условиях значительных изменений температуры, то можно обеспечить соответствующую температурную стабилизацию волоконно-оптических фильтров 111, 112, 113, 114.
Ослабляющее оптическое волокно 110 изготавливают с заданной величиной ослабления сигналов связи. Подходящее ослабление, обеспечиваемое этим волокном, может составлять половину ослабления, необходимого для сигналов, из-за двойного прохождения по волокну 110.
Вдоль оптического пути между концом первой секции 105 активного волокна и началом второй секции 118 активного волокна ослабление, испытываемое связными сигналами (проходящими через дихроичный элемент связи 106, оптическую схему 130 и дихроичный элемент связи 117), предпочтительно выше 5 ± 1 дБ, чем ослабление, испытываемое излучением накачки (проходящим через дихроичные элементы связи 106 и 107).
Дополнительно к использованию ослабляющего волокна 110, например такого типа, которое описано со ссылкой на фиг. 3, локализованное ослабление на длинах волн сигнала может быть обеспечено посредством других известных способов: например, посредством размещения между портом 108 оптического циркулятора и фильтром 111 с селективным отражением сплавного сростка, выполненного таким образом, чтобы обеспечить данное ослабление. Известно выполнение ослабляющих сплавных сростков между концами двух оптических волокон со смещением их соответствующих оптических осей на заданную величину в зависимости от требуемого ослабления.
Локализованное ослабление сигналов связи можно также обеспечить использованием в качестве фильтров с селективным ослаблением 111, 112, 113, 114 элементов с ограниченной отражательной способностью на длине волны сигнала. Волоконно-оптические фильтры на эффекте распределенного брегговского отражения можно изготавливать, например, с более низкой отражательной способностью, чем упомянутый выше максимум.
Описанный линейный усилитель имеет двухкаскадную конструкцию.
Первый каскад 140 состоит из двух волоконно-оптических секций, разделенных дихроичными элементами связи 106, 117 и оптической схемой 130. Он устраняет спонтанное излучение и ограничивает динамический диапазон сигнала. В случае изменения входной мощности на выходе первого каскада не превышает 6 дБ.
Второй каскад 150 усиливает сигналы до мощности, достаточной для передачи по пассивному оптическому волокну после усилителя. Благодаря высокой степени насыщения активного волокна 120, второй каскад дополнительно вносит вклад в сжатие динамического диапазона сигнала. Проведенные измерения в каскаде усиления с характеристиками, соответствующими второму каскаду 150, выявили изменения выходной мощности не более чем на 0,1 дБ при изменении на 1 децибел входной мощности второго каскада для любого сигнала связи. В общем случае это изменение не превысит 0,2 дБ/дБ.
Вентили 102, 119 и 123, установленные на входе и на выходе двух каскадов, снижают помехи, в частности помехи из-за распространяющегося навстречу спонтанного излучения, рэлеевского рассеяния, рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и относительных отражений вдоль линии связи.
Оптическая схема 130 фильтрует сигналы связи относительно спонтанного излучения и в то же время селективно ослабляет сигналы излучения накачки.
Селективное ослабление вызывает, в соответствии с ранее описанным механизмом, дифференциальное поглощение накачки в двух секциях активного волокна первого каскада описанного усилителя в случае сильных или слабых входных сигналов, что обеспечивает сокращение динамического диапазона сигналов.
Наличие усиленного спонтанного излучения с длинами волн, отличными от связных сигналов, уже упоминалось в качестве причины уменьшения ограничения динамического диапазона сигналов, даже в случае различного ослабления сигналов относительно накачки.
В описанном линейном усилителе эта проблема решается посредством объединения механизма дифференциального ослабления сигнала и накачки с механизмом устранения спонтанного излучения на длинах волн, отличных от длин волн сигналов связи, оба эти механизма реализуются оптической схемой 130 вместе с дихроичными элементами связи 106 и 117.
В описанном линейном усилителе спонтанное излучение, вырабатываемое в первой секции активного волокна и распространяющееся в направлении распространения сигнала, устраняется и не распространяется во вторую секцию активного волокна.
Спонтанное излучение вырабатывается также на длине второй секции 118 активного волокна первого каскада и на длине активного волокна 120 второго каскада.
Однако, если вдоль линии связи последовательно подсоединить большее количество усилителей описанного типа, то каждый из них в качестве входного сигнала дополнительно к связным сигналам принимает составляющую спонтанного излучения, вырабатываемую только в предыдущем линейном усилителе. Спонтанное излучение, накапливающееся вдоль линии, ограничивается. В частности, мощность спонтанного излучения с частотой n, которая присутствует вдоль линии после усилителей, выражается следующим уравнением:
PASE = 2hn • nspDn(G-1)NA,
где h - постоянная Планка, nsp - коэффициент инверсии активного волокна, G - общий коэффициент усиления активного волокна и Dn - общая ширина полосы фильтрующего средства, то есть в случае изобретения - суммарная ширина полос фильтров с селективным отражением, соответствующих каждому сигналу связи.
Каждый из соответствующих настоящему изобретению линейных усилителей эффективно сжимает динамический диапазон сигнала описанным способом, при отсутствии спонтанного излучения на его входе с достаточной интенсивностью для противодействия дифференциальному поглощению накачки в двух секциях активного волокна первого каскада.
Местоположение оптической схемы 130 относительно двух секций активного волокна первого каскада линейного усилителя можно выбирать по тем же критериям, которые описаны в упомянутой заявке на патент ЕР567941, для определения расположения фильтрующих средств и, в частности, между 50% и 75% общей длины активного волокна.
Специалист в данной области техники, при наличии определенных характеристик используемых системы и устройств будет иметь возможность выбирать наиболее подходящие местоположения для каждого случая, для обеспечения реализации механизма, лежащего в основе изобретения.
На фиг. 13 показаны схема двухкаскадного линейного усилителя, соответствующего другому варианту осуществления настоящего изобретения. Элементы, соответствующие элементам схемы, представленной на фиг. 12, обозначены теми же ссылочными позициями: их описание приведено выше.
В показанном на фиг. 13 линейном усилителе первая секция активного волокна 105 первого каскада 140 получает сигнал накачки, распространяющийся в направлении, противоположном распространению сигнала; от источника накачки 104, подсоединенного к концу активного волокна 105 дихроичным элементом связи 106.
Дихроичный элемент связи 103, подсоединенный к противоположному концу секции 105 активного волокна, передают остаточное излучение накачки к концу оптического волокна 131, другой конец которого подсоединен к дихроичному элементу связи 117, что обеспечивает подачу остаточного излучения накачки во вторую секцию 118 активного волокна, а связные сигналы распространяются по тому же пути, что и в линейном усилителе, показанном на фиг. 12.
В двухкаскадном линейном усилителе, представленном на фиг. 13, остаточная мощность накачки из первой секции 105 активного волокна, пригодная для накачки второй секции 118 активного волокна, несколько выше, в соответствии с оценкой заявителя, чем в линейном усилителе на фиг. 12.
Поглощение распространяющегося навстречу сигнала накачки вдоль первой секции активного волокна вызывает возбуждения энергетического уровня легирующей примеси в волокне, усиливающееся в направлении распространения сигнала, противоположном направлению в первой секции активного волокна усилителя по фиг. 12. Следовательно, в начале первой секции активного волокна слабый сигнал усиливается меньше по сравнению с случаем сигнала накачки, распространяющегося в том же направлении; сигнал с более низким усилением достигает конечной части первой секции 105 активного волокна и использует в меньшей степени излучения накачки; в этом случае остаточное излучение накачки, пригодное для использования во второй секции активного волокна, оказывается более высоким. Поэтому ожидается несколько более высокая степень сжатия динамического диапазона.
Изобретение относится к оптической системе связи. Технический результат состоит в создании линии передачи с широкой рабочей полосой при уровнях спонтанного излучения, сравнимых с уровнем сигнала. Оптическая система связи включают в себя средство, предназначенное для генерирования оптических сигналов, различных длин волн, волоконно-оптическую линию со средством усиления, предварительный усилитель и средство приема, в которой предварительный усилитель содержит оптический волновод, легированный редкоземельным материалом, средство дифференциального ослабления, расположенное в первом положении вдоль легированного волокна, обеспечивающее ослабление в полосе сигналов, превышающее ослабление на длине волны накачки, и средство фильтрации, расположенное во втором положении и предназначенное для ослабления на величину, превышающую заданный минимум, спонтанного излучения в полосе длин волн, прилегающей к полосе сигналов. 4 с. и 59 з.п.ф-лы, 16 ил.
Приоритет по пунктам:
25.07.94 по пп.1 - 56;
14.07.95 по пп.57 - 63.
| US 5111334 A, 05.05.92 | |||
| ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ | 1991 |
|
RU2063105C1 |
| US 5117303 A, 26.05.92 | |||
| US 5088095 A, 11.02.92 | |||
| ОПТИЧЕСКАЯ ВОЛОКОННАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ | 1991 |
|
RU2081515C1 |
