УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ШУМА, ВОЗНИКАЮЩЕГО ИЗ-ЗА ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОГО СМЕЩЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H04B10/18 H01S3/16 

Изобретение относится к оптической схеме для ослабления оптического шума, являющегося результатом взаимодействия оптических сигналов вдоль оптической линии связи, к оптическому усилителю, включающему указанную схему для ослабления четырехволнового взаимодействия, к оптической системе связи, имеющей пониженный уровень шума от четырехволнового взаимодействия, которая включает линию передачи с каскадными усилителями, и способу для передачи оптических сигналов, имеющих пониженный уровень шума из-за четырехволнового взаимодействия.

Четырехволновое взаимодействие, известное также как четырехфотонное взаимодействие или четырехволновое смешение (FWM), является нелинейным эффектом третьего порядка, сопровождающимся генерированием нового сигнала, возникающего от взаимодействия трех существующих сигиалов. Частота f_F вновь генерируемого сигнала связана с частотами f_i, f_j и f_k взаимодействующих сигиалов соотношением:
f_F = f_i, f_j, f_k.

Наибольшая эффективность при генерировании нового сигнала или четвертой волны имеет место тогда, когда поляризации взаимодействующих сигналов выровнены и в то же время выполняется условие согласования фаз
Δβ = β(f_i)+β(f_j)-β(f_k)-β(f_F) = 0,
где β(f) - - постоянная распространения сигнала на частоте f.

Взаимодействующие сигналы необязательно являются тремя отдельными сигналами. Четырехволновое смешение может также иметь место как результат взаимодействия сигналов от двух источников (вырожденный случай). При наличии только двух взаимодействующих сигналов, например, на частотах f_i и f_k могут возникнуть сигналы с частотами f_F = 2 • f_i-f_k и f_F = 2 • f_k - f_i,
Четырехволновое смешение является препятствием для волоконно-оптической связи, использующей способ уплотнения спектра (WDM). Согласно этому способу несколько независящих друг от друга каналов связи, имеющих каждый конкретную длину волны, одновременно передаются по линии связи, обычно состоящей из оптического волокна (волоконного световода).

Благодаря вышеупомянутому нелинейному явлению третьего порядка при наличии высокоинтенсивного излучения в сердцевине волокна (особенно при наличии усиления) и больших длин взаимодействия между сигналами может иметь место генерирование сигналов из-за эффекта интермодуляции между парами или тройками сигналов благодаря FWM. Такое явление описано, например, в журнале Journal of Lightwave Technology, том 8, 9, сентябрь 1990, стр. 1402-1408.

Длины волн генерируемых сигналов могут попасть внутрь диапазона, используемого для каналов связи, и, в частности, могут совпасть или быть очень близки к длине волны одного из каналов; вероятность этого быстро растет с ростом количества каналов, используемых для связи.

Известно, что световые сигналы, посылаемые по оптоволоконной линии, на своем пути ослабляются, что вызывает необходимость их усиления с помощью соответствующих усилителей, размещаемых вдоль линии с заданными интервалами.

С этой целью удобно использовать оптические усилители, посредством которых сигнал усиливается, оставаясь оптическим по форме, то есть при отсутствии детектирования и восстановления. Указанные оптические усилители основаны на использовании свойств флуоресцентных примесей, например эрбия, который, будучи возбужденным посредством подачи оптической энергии накачки, вызывает интенсивную эмиссию в диапазоне длин волн, соответствующем минимальному затуханию света в оптических волокнах на основе кремния.

В случае многоступенчатой линии связи с оптическими каскадными усилителями сигналы, генерируемые на каждой ступени благодаря четырехволновому смешению и усиленные таким же образом, как и сигналы связи, суммируются с сигналами, генерируемыми посредством четырехволнового смешения на других ступенях, и способствуют возникновению перекрестных помех между различными каналами. На конце линии сигналы, образованные благодаря четырехволновому смешению на каждой ступени, суммируются вместе: если отдельные FWM сигналы имеют сильное фазовое перекрытие, все FWM сигналы, являющиеся результатом этого суммирования, могут иметь такую интенсивность, которая исказит правильный прием сигналов связи.

Оптические волокна, используемые в линии связи, обладают хроматической дисперсией, являющейся результатом сочетания свойств, связанных с профилем распределения показателя преломления, и материала указанных волокон, причем дисперсия зависит от изменений длины волны в передаваемом сигнале и становится равной нулю при заданном значении λ_o указанной длины волны.

Этот эффект хроматической дисперсии по существу состоит в уширении (увеличении длительности) импульсов, формирующих сигнал, когда они проходят вдоль волокна, причем уширение происходит благодаря тому, что в каждом импульсе различные хроматические составляющие, каждая из которых характеризуется собственной длиной волны, проходят вдоль волокна с различными скоростями.

Из-за этого уширения импульсы, поступающие вовремя и хорошо различаемые в момент излучения, могут, после их прохождения по волокну, прийти на приемную сторону частично перекрытыми и стать неразличимыми как отдельные объекты, вызывая тем самым ошибку при приеме.

Известны так называемые DS (со смещенной дисперсией) волокна, оптические свойства которых формируются так, что точка подавления хроматической дисперсии попадает па длину волны, находящуюся между 1500 и 1600 нм, обычно используемую для дальней связи.

Волокна этого типа описаны в Recommendation ITU-TG. 653, март 1993 г., где хроматическая дисперсия в волокне становится нулевой при значении длины волны λ_o равной 1550 нм, при допустимом отклонении 50 нм от вышеуказанного значения.

DS волокна описаны, например, в патентах США 4 715 679; 4 822 399; 4 755 022 и выпускаются фирмой CORNING Inc., Corning, NY (US) под фирменным названием SMF/DS (зарегистрированная торговая марка) и FIBRE OTTICHE SUD S.p.A, Bettipaglia (IT) под фирменным названием JMDS.

В частности, было замечено, что определенное выше условие согласования фаз Δβ = 0 выполняется и сигналы, генерируемые FWM, имеют большую интенсивность, если длина волны одного из сигналов связи совпадает или близка к длине волны λ_o, при которой дисперсия волокна становится равной нулю, или если длины волн двух сигналов связи располагаются симметрично по отношению к λ_o.
Способ, предлагаемый для решения проблемы шума от FWM из-за интермодуляции между сигналами в многоканальных системах, описанный в IEEE Photonics Technology Letters, том 3, 6, июнь 1991, стр. 560-563, состоит в использовании сигналов связи, имеющих различную поляризацию. Этот способ очень сложен, поскольку требует подстройки поляризации каждого входного сигнала по отношению к линии связи; эффективность этого способа, кроме того, ограничивается тем, что обычно используемые оптические волокна не обеспечивают передачу без изменения поляризации сигнала.

В статье FС4, опубликованной в OFC/100C'93 Technical Digest стр. 252-253, предлагается использовать для каналов связи оптические частоты, отстоящие друг от друга на неодинаковые интервалы. Эти частоты выбираются таким образом, что сигналы, генерируемые из-за четырехволнового смешения между возможными парами или тройками сигналов связи, имеют частоты, достаточно удаленные от частот сигналов связи, так что они могут быть отделены от последних с помощью фильтров. Однако этот способ приводит к значительному недоиспользованию (по сравнению со случаем равноотстоящих каналов) диапазонов частот (или длин волн), предоставленных для связи; вдобавок, необходима высокая стабильность длины волны сигнала, что вызывает необходимость использования дополнительных устройств для поддержания такой стабильности.

Неодинаковые интервалы между длинами волн каналов в оптической системе связи KDM предложены также в патенте США 5410624 Р.R. Morkel для уменьшения эффекта FWM в сочетании со средством для спектрального восстановления оптических сигналов, включающим оптический циркулятор и систему сцепленных волоконных решеток, имеющих отражательную способность в узком диапазоне, причем каждая настроена на одну из мультиплексированных длин воли, где указанная система сцепленных решеток подсоединяется к промежуточному порту оптического циркулятора.

Третий способ, раскрытый в Electroniсs Letters, том 30, 11, 26/05/95, страницы 876-878, состоит в использовании для линии связи частей волоконного световода, имеющих небольшую по абсолютной величине дисперсию, попеременно принимающую положительные и отрицательные значения.

При реализации этого способа нельзя использовать уже существующие линии связи и необходимо проложить новые линии. Вдобавок, выполнение необходимых новых линий затруднено, поскольку необходим отбор после изготовления, чтобы получить оптические волокна, имеющие дисперсные характеристики, подходящие для использования в различных частях, имея в виду трудности, связанные с непосредственным изготовлением волоконных световодов, имеющих постоянные дисперсные характеристики, лежащие в пределах требуемой точности.

Предложение другого рода раскрыто в статье K.Inoue, опубликованной в обзоре Journal of Lighwave Technology, март, 1993, том 11, 3, страницы 455-461. Здесь предлагается обеспечить, чтобы соотношение между фазами генерируемых FWM сигналов вдоль различных ступеней многоканальной линии связи было случайным, так чтобы предотвратить суммирование каналов по фазе.

Для того чтобы сделать соотношение между фазами случайным, предлагается использовать оптическую схему, которая подсоединяется непосредственно перед или за каждым усилителем вдоль линии связи, состоящей из М частей оптического волокна и (M-1) линейных усилителей.

Оптическая схема содержит демультиплексор, способный разделять сигналы связи в зависимости от частоты по оптическим трактам различной длины, и мультиплексор, способный рекомбинировать оптические сигналы на одном выходе. Оптические тракты, соединяющие выходы демультиплексора с входами мультиплексора, подбираются так, что разность между длинами двух любых волн была больше, чем длина когерентности I_c= Δ/πΔν источника передаваемых сигналов, где v - скорость света в среде, а Δν - ширина линии (излучения) источника сигнала связи. Сигналы, генерируемые на каждой ступени благодаря эффекту четырехволнового смешения, некоррелированы друг с другом и, следовательно, они складываются на конце линии в зависимости от мощности, а не амплитуды, как это имеет место и известных системах. При выполнении условия согласования фаз (Δβ = 0) вся мощность создаваемого FWM излучения вдоль линии передачи, снабженной данной оптической схемой, уменьшается по сравнению со случаем, когда оптическая схема отсутствует, в число раз, соответствующее количеству оптоволоконных частей в лииии.

В вышеупомянутой статье утверждается, что описанный способ можно использовать в многоканальных оптических системах связи, в которых отдельные каналы связи извлекаются из линии связи посредством демультиплексирования каналов с различными длинами волн по разным оптическим трактам, соединяющим канал, предназначенный для отвода, с приемником, и мультиплексирования оставшихся каналов снова по общему тракту.

В статье исключается возможность непосредственного использования описанного способа в многоканальных оптических системах связи, оборудованных демультиплексорами, способными выделять отдельные каналы из линии, в то время как другие каналы продолжают распространяться по общему оптическому тракту. В качестве примера демультиплексоров этого типа упоминаются демультиплексоры, использующие фильтр Fabry-Perot в сочетании с оптическим циркулятором.

Следует отметить, что предложенная в статье оптическая схема для уменьшения четырехволнового смешения и, в частности, демультиплексоры, необходимые для выделения сигналов с различными длинами волн, на практике трудно реализовать, особенно при наличии большого количества каналов. Возможное решение по каскадному расположению нескольких демультиплексоров с уменьшенным количеством выходов сделало бы устройство более сложным, увеличило его размеры и привело бы к разной степени затухания для разных каналов.

Значительные размеры также могут явиться результатом большой общей длины оптоволоконных частей, соединяющих мультиплексор и демультиплексор, особенно в случае большого количества каналов связи. Действительно, поскольку волокно, необходимое для n каналов, должно быть, по меньшей мере, в n раз длиннее длины когерентности источника излучения, суммарная длина этих частей, по меньшей мере, в N (N + 1)/2 раз больше длины когерентности, где N - общее количество каналов связи.

Вдобавок, схема, сконструированная согласно положениям вышеупомянутой статьи, не подлежит изменению конфигурации, когда необходимо добавить один или более каналов, либо требуется изменить длину волны одного или нескольких каналов. В этом случае возникает необходимость замены демультиплексора и мультиплексора.

В патенте США 5,283,686 (D.R. Huben) раскрывается оптическая система связи с WDM, содержащая оптический усилитель, оптический циркулятор и оптоволоконные фильтры с решеткой Брэгга, по одному для каждого используемого канала связи. Система позволяет исключить спонтанное излучение на длинах волн, отличных от длин волн канала связи. Патент не затрагивает проблему шума, генерируемого посредством четырехволнового смешения вдоль линии связи.

Патентная заявка M194A002556, поданная 16 декабря 1994 г. на имя того же заявителя, касается среди прочего оптической системы дальней связи, содержащей:
- по меньшей мере два источника оптических сигналов, модулируемых различными длинами волн, входящими в заданный диапазон длин волн передачи при заданной скорости передачи,
- средство для мультиплексирования указанных сигналов для ввода в один волоконный световод,
- оптоволоконную линию, подсоединенную одним концом к средству мультиплексирования,
- средство для приема сигналов, включающее средство оптического демультиплексирования для самих сигналов в зависимости от соответствующей длины волны,
при этом указанные сигналы имеют значения оптической мощности больше заранее заданной величины, по меньшей мере, в одной части оптоволоконной линии, при этом линия включает оптическое волокно со значением хроматической дисперсии, меньшим заданной величины в указанном диапазоне длин волн, в котором ведется передача, отличающаяся тем, что указанное оптическое волокно обладает хроматической дисперсией, которая возрастает по мере увеличения длины волны, достигая нулевого значения на длине волны, меньшей нижней границы указанного диапазона, на такую величину, что нет значения длины волны, отвечающего локальной компенсации (занулению) дисперсии и благодаря чему имеется возможность существования явления четырехволнового смешения в указанном диапазоне.

Возникает проблема практического воплощения оптического устройства, способного уменьшить мощность излучения из-за четырехволнового смешения сигналов, распространяющихся по линии связи, и в котором не требуется использовать вдоль линии связи оптических волокон, отличающихся от известных световодов для цифровых сигналов (DS).

Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к оптической системе дальней связи, содержащей:
по меньшей мере, два источника оптических сигналов, модулированных на разных длинах волн, имеющих соответствующие времена когерентности,
мультиплексор для мультиплексирования указанных сигналов в один общий волоконный световод,
оптоволоконную линию, подсоединенную одним концом к общему волоконному световоду мультиплексора,
средство для приема сигналов, подсоединенное ко второму концу оптоволоконной линии и включающее демультиплексор для оптических сигналов,
элемент для ослабления четырехволнового смешения сигналов, оптически связанный последовательно вдоль оптоволоконной линии,
при этом элемент для ослабления FWM содержит оптическую схему, содержащую, по меньшей мере, два селективных фильтра, каждый из которых относится к диапазону длин волн, включающему один из оптических сигналов, причем указанные фильтры последовательно оптически соединены друг с другом через оптический тракт, а длина, по меньшей мере, одной секции оптического тракта, включенного между двумя следующими друг за другом фильтрами, больше длины, соответствующей времени когерентности, по меньшей мере, одного из источников оптических сигналов.

Предпочтительно, чтобы оптическая схема для каждого оптического сигнала содержала селективный фильтр, соответствующий диапазону длин волн, содержащему соответствующий оптический сигнал и не содержащему остальные оптические сигналы, причем указанные фильтры должны быть оптически соединены друг с другом через оптический тракт, при этом длина секций оптического тракта между двумя следующими друг за другом фильтрами должна быть больше, чем длина, соответствующая времени когерентности каждого из источников оптических сигналов.

В частности, оптическая схема содержит оптический циркулятор, имеющий входной порт и выходной порт, соединенные с оптоволоконной линией, и по меньшей мере, один порт входа/выхода, подсоединенный к одному из селективных фильтров.

В частности, селективные фильтры являются фильтрами с решеткой Брэгга, изготовленные из оптического волокна.

В одном варианте вдоль оптоволоконной линии располагается, по меньшей мере, один оптический усилитель, который преимущественно включает один активный волоконный световод, легированный флуоресцентной примесью, например эрбием, и источник излучения накачки.

Указанный элемент ослабления FWM по преимуществу может быть оптически подсоединен последовательно в некотором промежуточном месте вдоль активного волоконного световода.

В этом случае может быть создан оптический путь для излучения накачки вне элемента ослабления FWM между двумя частями, на которые активный световод делится указанным элементом.

Как вариант, оптический усилитель может содержать две части активного волоконного световода, каждая из которых снабжена источником излучения накачки.

В частности, длина частей активного волоконного световода, концентрация флуоресцентной примеси в активном световоде и мощность источника накачки оперативно подбираются таким образом, чтобы общий коэффициент усиления усилителя отличался менее чем на 2 Дб от коэффициента усиления того же усилителя без элемента ослабления FWM, чтобы восстановить оптическую неразрывность между двумя частями активного волоконного световода.

Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к способу передачи оптических сигналов, содержащему следующие приемы:
генерирование двух модулированных оптических сигналов, имеющих соответствующие длины волн,
мультиплексирование этих сигналов на одном конце оптической линии связи, включающей по меньшей мере, одну часть одномодового волоконного световода, внутри которой возникает интермодуляция благодаря четырехволновому смешению сигналов, прием сигналов на втором конце оптической линии связи,
селективную задержку сигналов в промежуточном месте вдоль оптической линии связи, при этом операция селективной задержки содержит
селективную передачу сигналов по соответствующим оптическим трактам заданной длины, причем эти длины подбираются так, чтобы сигналы друг с другом не были коррелированы по фазе,
повторное объединение сигналов на выходе оптических трактов, причем, по меньшей мере, одна секция указанных оптических трактов является общей.

В частности, указанный способ включает шаг оптического усиления сигналов, по меньшей мере, один раз вдоль линии связи. Лучше всего, чтобы непосредственно перед и после шага селективной задержки сигналов выполнялись шаги оптического усиления этих сигналов.

Согласно третьему аспекту настоящее изобретение относится к оптическому усилителю, содержащему
первый и второй активные волоконные световоды, легированные флуоресцентной примесью,
средство накачки для первого и второго активных волоконных световодов, приспособленные для подачи оптической мощности накачки,
средство сопряжения в пределах первого активного волоконного световода для объединения оптической мощности накачки и, по меньшей море, двух сигналов передачи на различных длинах волн, имеющих соответствующие времена когерентности,
элемент для ослабления четырехволнового смешения сигналов, который оптически подсоединен последовательно между первым и вторым активными волоконными световодами, причем указанный элемент ослабления FWM включает оптическую схему, содержащую оптические тракты различной длины, в которые селективно посылаются сигналы передачи, а указанные длины имеют такие значения, что по меньшей мере два сигнала подвергаются соответствующей задержке, большей соответствующего времени когерентности.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна секция оптических трактов являлась бы для сигналов общей.

В частности, указанная флуоресцентная примесь является эрбием, а активный волоконный световод по преимуществу содержит в качестве дополнительных примесей алюминий, германий и лантан.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему оптической системы связи со спектральным уплотнением согласно изобретению;
фиг. 2 изображает схему двухступенчатого оптического линейного усилителя согласно изобретению;
фиг. 3 изображает оптическую схему для ослабления оптического шума, возникающего в результате FWM согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - схему эксперимента, проведенного с устройством согласно изобретению;
фиг. 5 - спектральное распределение мощности, передаваемой через два оптоволоконных фильтра типа решетки Брэгга, соединенных друг с другом последовательно и использованных в экспериментальном устройстве на фиг.4 согласно изобретению;
фиг. 6А, 6В - диаграммы результатов эксперимента и численного моделирования, относящиеся к нормализованной мощности FWM сигнала, генерируемого при наличии двух сигналов связи, в зависимости от длины волны одного из сигналов, в первой (А) и второй (В) ступенях экспериментального устройства на фиг.4 согласно изобретению;
фиг. 7 - диаграмму, показывающую изменение нормализованной мощности FWM сигнала, измеренного во время эксперимента в зависимости от длины волны одного из каналов передачи при наличии и отсутствии оптической схемы ослабления шума, по сравнению с численным моделированием, относящимся к случаю, когда в линии связи отсутствует оптическая схема для ослабления шума согласно изобретению;
фиг.8 - схему линейного усилителя с двухступенчатой накачкой, включающую оптическую схему для ослабления оптического шума, возникающего в результате FWM согласно изобретению;
фиг.9 - схему линейного усилителя с одноступенчатой накачкой, включающую оптическую схему для ослабления оптического шума, являющегося результатом FWM согласно изобретению;
фиг. 10 - оптическую схему для ослабления оптического шума, являющегося результатом FWM вдоль двунаправленной оптической линии связи согласно изобретению.

Ниже описана оптическая телекоммуникационная система со спектральным уплотнением.

Описание относится к варианту телекоммуникационной системы, в которой используются четыре независимых канала связи, имеющие разные длины волн. Однако этот частный случай используется только в качестве примера. Последующее описание раскрывает использование устройства в общем случае с любым количеством каналов связи, имеющим различные длины волн.

Система связи содержит передающую станцию 3 (фиг.1), содержащую источники оптических сигналов 1,2,2', 2'', каждый из которых имеет разную длину волны λ₁, λ₂, λ_2′, λ_2″, входящую в используемый рабочий диапазон усилителей, расположенных последовательно в системе, и ширину линии Δν₁, Δν₂, Δν_2′, Δν_2″.
Оптические сигналы подаются на сигнальный сумматор 81, предназначенный для одновременной передачи сигналов на длинах волн λ₁, λ₂, λ_2′, λ_2″ по одному выходному волоконному световоду 82.

Обычно сигнальный сумматор 81 представляет собой пассивное оптическое устройство, посредством которого оптические сигналы, передаваемые по соответствующим световодам, подвергаются суперпозиции в одном световоде. Устройства такого типа состоят, например, из сплавленных световодных соединителей, плоских оптических, микрооптических и тому подобных устройств, имеющихся в продаже.

Через световод 82 оптические сигналы посылаются на добавочный усилитель 83, который поднимает уровень сигнала до величины, достаточной для прохождения оптических сигналов по следующей соседней части световода, простирающейся до очередного усилительного устройства, поддерживая на конце уровень мощности, достаточный для обеспечения требуемого качества передачи.

Таким образом подсоединенная к добавочному усилителю 83 одна часть 84а волоконного световода обычно состоит из оптического волокна с одиночной модой со ступенчатым профилем показателя преломления, вмонтированного в соответствующий оптический кабель длиной несколько десятков (или сотен) километров, например около 100 км.

Далее описывается подсоединенная к концу первой части 84а оптической линии первая оптическая схема 10а, которая предназначена для ослабления оптического шума, являющегося результатом интермодуляции между каналами связи благодаря эффекту четырехволнового смешения. К выходу оптической схемы 10а подсоединен первый линейный усилитель 85а, предназначенный для приема сигналов, ослабленных по мере их прохождения по световоду, и усиления их до уровня, достаточного для подачи на вторую часть волоконного световода 84b, имеющую те же самые характеристики, что и предыдущая часть.

Следующие далее схемы для ослабления оптического шума 10b, 10с, 10d, линейные усилители 85b, 85с, 85d и части световода 84с, 84d, 84е покрывают весь путь передачи вплоть до приемной станции 6, которая включает предусилитель 87, предназначенный для приема сигналов и усиления их по мощности до уровня, соответствующего чувствительности приемных устройств, что компенсирует потери, возникающие в последующих демультиплексирующих устройствах.

От предусилителя 87 сигналы поступают на демультиплексор 88, посредством которого сигналы разделяются в зависимости от соответствующей длины волны и направляются затем в соответствующие приемные устройства 89, 90, 90', 90''.

Демультиплексор 88 является устройством, предназначенным для распределения оптических сигналов, подаваемых на входной волоконный световод, по нескольким выходным световодам, разделяя их в зависимости от соответствующей длины волны. Этот демультиплексор может состоять из делителя, выполненного из сплавленого волокна, разделяющего входной сигнал на сигналы по нескольким выходным световодам, причем каждый сигнал подается на соответствующий полосовой фильтр, настроенный на каждую из соответствующих длин волн.

Например, можно использовать элемент, подобный уже описанному сигнальному сумматору 81, который устанавливается на противоположном конце и соединяется с соответствующими полосовыми фильтрами.

Полосовые фильтры вышеуказанного типа выпускаются, например, фирмой MICRON-OPTIES, INC. , 2801 Buford Hwy, Suite 140, Атланта, Джорджия, США. Подходящей моделью является модель FFР-100.

Описанная конфигурация дает в какой-то мере удовлетворительные результаты при передаче на расстояния порядка 500 км при высокой скорости передачи, например 2,5 Гбит/с, путем использования четырех линейных усилителей, одного добавочного усилителя и одного предусилителя. Тем самым при четырех мультиплексируемых длинах волн достигается пропускная способность передачи, соответствующая 10 Гбит/с на одной длине волны.

На концах системы согласно изобретению в качестве добавочного усилителя 83 используют, например, имеющийся в продаже оптический волоконный усилитель со следующими характеристиками:
входная мощность, дБм - -13,5 - 3,5
выходная мощность, дБм - 12 - 14
рабочая длина волны, нм - 1534 - 1560
Добавочный усилитель лишен узкополосного фильтра.

Подходящую модель ТРА/Е-МW поставляет заявитель.

В указанном дополнительном усилителе используется активное оптическое волокно с примесью эрбия типа Аl/Ge/Er.

В качестве дополнительного усилителя предлагается использовать усилитель, работающий в условиях насыщения, когда выходная мощность зависит от мощности накачки, как это подробно описано в Европейском Патенте ЕР 439,867.

Под предусилителем, предлагаемым для использования на концах системы согласно изобретению, подразумевается усилитель, установленный на конце линии, который способен усилить сигнал, подаваемый к приемнику, до значения, превышающего порог чувствительности самого приемника (например, от -26 до -11 дБм на входе приемника), в то же время обеспечивая по возможности самый низкий шум и компенсацию сигнала.

Например, в качестве предусилителя 87 можно использовать либо линейный усилитель, в котором используется то же самое активное волокно, как и в линейных усилителях 85а-85d, описанных далее, либо предусилитель, специально предназначенный для этой цели, исходя из конкретных требований.

Подходящей для этого является модель RPA/Е-MW, поставляемая заявителем.

Конфигурация вышеописанной системы передачи, в частности, подходит для получения желаемых характеристик функционирования, особенно для передачи по нескольким VDM каналам, если сделан конкретный выбор характеристик линейных усилителей, являющихся ее частью, в частности, с учетом пропускной способности передачи выбранных длин волн, чтобы не поставить некоторые длины волн в невыгодное положение по отношению к другим.

В частности, можно обеспечить единообразный режим для всех каналов в диапазоне длин волн между 1530 и 1560 нм при наличии усилителей, способных работать в каскаде посредством использования линейных усилителей, имеющих по существу постоянную (или "плоскую") амплитудно-частотную характеристику на нескольких различных длинах волн при работе в каскаде.

Для достижения вышеуказанной цели был изготовлен усилитель, предназначенный для использования в качестве линейного усилителя, согласно схеме, показанной на фиг.2. Этот усилитель содержит один активный волоконный световод с примесью эрбия 62 и соответствующий лазер накачки 64, подсоединенный с помощью дихроичного соединителя 63. Один оптический вентиль 61 располагается в начале световода 62 в направлении распространения сигнала, подлежащего усилению, в то время как второй оптический вентиль 65 расположен в конце активного световода.

Указанный усилитель, кроме того, включает второй активный волоконный световод, легированный эрбием 66, связанный с лазером накачки 68 посредством дихроичного соединителя 67. Следующий оптический вентиль 69 находится в конце световода 66.

Согласно альтернативному варианту реализации (на фиг.2 не показан) линейный усилитель можно также выполнить в виде одноступенчатого усилителя, исходя из конкретных требований.

В предпочтительном варианте выполнения в линейном усилителе вышеописанного типа используется активное волокно с примесью эрбия, как подробно описано в патентной заявке Италии М194А000712 от 14 апреля 1994 года.

Состав и предпочтительные оптические характеристики активных волоконных световодов в линейном усилителе представлены в таблице.

Анализы состава выполнялись на заготовке (перед намоткой волокна) посредством микропробы с использованием электронного сканирующего микроскопа (SEM HITACHI).

Анализы проводились при 1300-кратном увеличении в дискретных точках, расположенных вдоль диаметра и отделенных друг от друга интервалами 200 мкм. Исследуемые волокна были изготовлены с использованием технологии вакуумного покрытия внутри трубки из кварцевого стекла.

В исследуемых волокнах на стадии синтеза производится введение германия в качестве примеси в матрицу SiO₂ в сердцевину волокна.

Включение в сердцевину волокна эрбия, алюминия и лантана было произведено способом "растворения-лигирования (допирования)", при котором водный раствор хлоридов примеси вводится в соприкосновение с синтезируемым материалом сердцевины волокна, пока он существует в виде частиц перед затвердеванием заготовки.

Более подробно способ "растворения-легирования" описан в патенте США N 5,282,079.

Лазеры 64,68 накачки предпочтительно являются лазерами типа Kuantum Well (квантовая яма) и имеют следующие характеристики:
длина волны излучения λ_c= 980 нм
максимальная выходная оптическая мощность Pu = 80 мВт.

Лазеры вышеуказанного типа производятся, например, фирмой LASERTRON Inc. , 37 North Avenue, Бирлингтон, США.

Дихроичные соединители 63, 67 - это соединители из сплавленного волокна, сделанные из волокон с одиночной модой при длине волны 980 нм и внутри диапазона длин воли между 1530 и 1560 нм при отклонении выходной оптической мощности < 0,2 дБ в зависимости от поляризации.

Дихроичные соединители вышеуказанного типа хорошо известны и имеются в продаже, они выпускаются, например, GOLD Inc., Fidre Optic Division, Baymeadow, Drive, Gelm Burnie, США и SIFAM Ltd., Fibre Optic Division, Woodland Road Torquay Devon, Великобритания.

Оптические вентили 61, 65, 69 являются оптическими вентилями, независящими от поляризации сигнала передачи, со способностью выделения сигнала, большей 35 дБ, и отражательной способностью ниже -50 дБ.

Можно использовать изоляторы, например, модели MDL I-15 PIPT-A-S/N 1016, предлагаемые фирмой ISOWAVE, 64 Hurding Avenue, Довер, США или модели PIFT 1550 1Р02, предлагаемые Е-Tek Dynamics Inc., 1885 Lundy Ave, Sunjose, США. Описанный линейный усилитель предназначен для работы с полной оптической выходной мощностью (сигналы плюс спонтанное излучение) порядка 14 дБм с коэффициентом усиления для малых сигналов порядка 30 дБ.

При обеспечении рабочих условий вся входная мощность на второй ступени предпочтительно имеет значение около 10 дБм, а вторая ступень работает в условиях насыщения. Вся выходная мощность предпочтительно изменяется на величину, меньшую чем примерно 0,2 дБм на каждое дБ изменения всей входной мощности на второй ступени.

Ниже описано устройство согласно изобретению для ослабления оптического шума из-за четырехволнового смещения.

Оптическая схема 10 (фиг. 3) включает оптический циркулятор 15, снабженный тремя портами доступа, обозначенных по порядку 11, 12, 13, оптический фильтр 16, имеющий избирательное отражение на длине волны λ₁, подсоединенной к порту 12 оптического циркулятора, и схему селективной задержки на длине волны λ₂, включающую часть одномодового световода 18, один конец которого подсоединен к выходу фильтра 16, и оптический фильтр 19, имеющий избирательное отражение на длине волны λ₂ и подсоединенный к другому концу части волоконного световода 18. Часть одномодового световода 18 имеет ту же самую или большую длину, чем половина максимального значения I_c из длин когерентности v/Δγ₁, v/Δγ₂, v/Δγ_2′ источников 1,2,2' и 2'', где V обозначает скорость распространения светового излучения в волокне.

Под фильтром, имеющим избирательное отражение на длине волны λ для одного из сигналов связи в системе связи WDM, подразумевается оптический элемент, способный отражать значительную составляющую излучения на длине волны, входящей в заданный диапазон длин волн, и передавать значительную составляющую излучения, имеющего длину волны вне указанного заданного диапазона, причем этот заданный диапазон длин волн включает указанную длину волны λ и не включает длины волн других сигналов связи.

Оптическая схема 10, кроме того, включает схемы селективной задержки 17', 17", каждая из которых состоит из части одномодового световода 18', 18" длины, одинаковой или большей чем I_c/2, один конец которого подсоединен к выходу фильтра предыдущей схемы селективной задержки, а другой конец подсоединен к входу оптического фильтра 19', 19", имеющего избирательное отражение на длине волны λ_1′, λ_2″.
Порты 11 и 13 оптического циркулятора 15 предусмотрены для подсоединения вдоль оптоволоконной линии связи, предназначенной для передачи оптических сигналов на длинах волн λ₁, λ₂, λ_2′, λ_2″.
В частности, схема 10 предусмотрена для каскадного соединения вдоль линии связи оптических усилителей, например вдоль линии, показанной на фиг.1. В этом случае порты 11 и 13 оптического циркулятора 15 подсоединяют к выходу одного из световодов 84а-84d и входу одного из линейных усилителей 85а-85d соответственно.

Выход последнего фильтра с избирательным отражением (самого дальнего от оптического циркулятора) должен быть соответствующим образом нагружен так, чтобы избежать отражений паразитного излучения к оптическому циркулятору. С этой целью можно использовать один из способов, известных специалистам, например оконечная нагрузка посредством углового разъема с низкой отражательной способностью 24. Подходящим разъемом является, например, модель РС/APC, выпускаемая SEIKOH GIKEN, 296-1 Matsuhidai, Matsudo, Chiba, Япония. Если оптическая схема 10 расположена вдоль линии связи с оптическими усилителями в каскаде, оконечная нагрузка может также состоять из дихроичного соединителя, предназначенного для отделения остаточного излучения накачки усилителя, подсоединенного перед схемой 10, от спонтанного излучения того же усилителя, что позволяет непрерывно контролировать соответствующие интенсивности.

Оптические соединения между различными элементами оптической схемы могут быть выполнены одним из известных способов, например сваркой встык. Оптические соединения между различными схемами селективной задержки 17, 17', 17" также могут быть выполнены с помощью оптических разъемов предпочтительно с низкой отражательной способностью так, чтобы без труда можно было бы удалять или добавлять другие схемы селективной задержки.

Как вариант, линию селективной задержки, включающую оптический фильтр 16 и схемы селективной задержки 17, 17', 17" вдоль одной части волоконного световода, можно выполнить, разместив фильтры 16, 19, 19', 19" на расстоянии друг от друга, большем I_c/2, вдоль указанной одной части световода, следуя способу, описанному далее. Часть световода таким образом подсоединяется к порту 12 оптического циркулятора. Это альтернативное решение имеет преимущество, заключающееся в том, что здесь не требуются оптические соединения между различными элементами линии селективной задержки, так что возможные затухания полиостью исключены.

Эта линия селективной задержки может быть также выполнена по модульному принципу согласно другому альтернативному решению посредством установки заданного количества фильтров с избирательным отражением вдоль частей волоконного световода, следуя способу, описанному ниже, при расстояниях между ними, меньших чем I_c/2. Части волоконного световода этого типа можно установить для другой длины волны и других сочетаний ширины диапазона фильтров и либо, как вариант, подсоединить к порту 12 оптического разъема, или соединить последовательно друг с другом в зависимости от количества и характеристик каналов, предназначенных для использования в системе связи.

В каждом из описанных вариантов порядок расположения фильтров с избирательным отражением 16, 19, 19', 19" вдоль линии селективной задержки не критичен для настоящего изобретения. Этот порядок может быть изменен при создании этой линии.

Оптические циркуляторы представляют собой пассивные оптические элементы, снабженные обычно тремя или четырьмя портами, расположенными в определенной последовательности, однонаправлено передающие входное излучение от каждого порта на один из других портов и, в частности, на следующий соседний порт в последовательности. Используемые циркуляторы предпочтительно должны иметь характеристику, не зависящую от поляризации. Оптические циркуляторы широко представлены на рынке. Для использования в настоящем изобретении подходит, например, модель CP 1500, выпускаемая IDS FITEL Inc., 570, Heston Drive, Nepean, Ontario, США или модель P1PC-l00, выпускаемая Е-ТЕК DYNAMICS (которая уже упоминалась).

Фильтрами избирательного отражения, приспособленными для использования в настоящем изобретении, могут выть, например, волноводные фильтры на решетке Брэгга. Они отражают излучение в узком диапазоне длин волн и передают излучение вне этого диапазона. Они состоят из части оптического волновода, например волоконного световода, вдоль которого показатель преломления периодически изменяется. Если части сигнала, отраженные при каждом изменении показателя преломления, находятся друг с другом в фазе, появляется конструктивная интерференция и падающий сигнал отражается. Условие конструктивной интерференции, соответствующей максимуму отражения, выражается соотношением 2,1 = λ_c/n, где 1 - шаг решетки, выполненной путем изменения показателя преломления, λ_c - длина волны падающего излучения, а n - показатель преломления сердцевины оптического волновода. Данное явление описано в соответствующей литературе как решетка Брэгга.

Периодическое изменение показателя преломления может быть достигнуто известными способами, например посредством облучения части оптического волокна, лишенного защитной оболочки, интерференционными полосами, создаваемыми интенсивным ультрафиолетовым (uv) излучением (например, которое генерируется эксимерным лазером, частотно-дублированным аргоновым лазером и частотно-квадрупольным лазером на иттрий-алюминевом гранате с неодимом (ND : YAG), которое заставляют интерферировать самим с собой с помощью соответствующей интерферометрической системы, например кремниевой фазовой маски, как описано в патенте США 5,351,321. Таким образом волокно и, в частности, его сердцевина облучаются uv излучением периодически изменяющейся интенсивности вдоль оптической оси. В частях сердцевины, куда достигает uv излучение, возникает частичный разрыв GE-O связей, что вызывает перманентное изменение показателя преломления.

Выбирая шаг решетки таким образом, чтобы можно было выполнить условие возникновения конструктивной интерференции, можно, если это необходимо, определить центральную длину волны диапазона отраженных волн. С помощью этого способа можно создать фильтры, имеющие диапазон длин волн, отражаемых с -3 дБ, обычно только 0,2 : 0,3 нм, отражательную способность в середине диапазона вплоть до 99%, с центральной длиной волны отражаемого диапазона, которую можно определить на шаге изготовления в пределах порядка ±0,1 нм и изменением нейтральной длины волны диапазона от температуры не менее 0,02 нм/С°.

Если длины волн источников 1, 2, 2', 2'' имеют допуск в интервале шире чем 0,2 ± 0,3, должны быть обеспечены фильтры, имеющие полосу пропускания соответствующей ширины. Для источников, состоящих, например, из используемых в настоящее время полупроводниковых лазеров, длина волны излучения обычно определяется с точностью ± 1 нм.

Могут быть изготовлены волоконно-оптические фильтры на решетке Брэгга, имеющие установленные характеристики: ширину диапазона отражения можно сделать большей чем 0,2 : 0,3 нм путем введения переменного шага в решетку, используя способ, известный, например, из статьи P.C. Hill и др., опубликованной в "Electronics Letters", том 30, 14, 07/0794, стр. 1172-1174.

Если условия работы в оптической линии связи, в которой используется заявляемое устройство (фиг.3), требуют компенсации хроматической дисперсии на длинах волн сигналов связи, то в качестве фильтров селективного отражения 16, 19, 19', 19'' можно использовать волоконно-оптические фильтры на решетке Брэгга, имеющие переменный шаг решетки и изготовленные в соответствии с характеристиками, известными, например, из статьи F. Ouellette, опубликованной в Optics Letters, том 12, 10, стр. 847-849, октябрь 1987.

Если обеспечено использование оптической схемы 10 в условиях, включающих значительные изменения температуры, то может потребоваться стабилизация волоконно-оптических фильтров 16, 19, 19', 19''.

Функционирование устройства происходит следующим образом: сигналы на длинах волн λ₁, λ₂, λ_2′, λ_2″ достигают порта 11 оптического циркулятора 15 и выходят из него на порт циркулятора 12. Затем сигналы достигают фильтра селективного отражения 16. Сигнал с длиной волны λ₁ отражается на порт циркулятора 12 и распространяется на порт циркулятора 13. Излучения, имеющие длину волны, лежащую вне узкого диапазона с центром λ₁ (среди этих излучений содержатся остальные сигналы на длинах волн λ₂, λ_2′, λ_2″), передаются вместо этого из фильтра 16 и через одномодовую волоконно-оптическую часть 18 достигают фильтра селективного отражения 19, отражающего излучение на длине волны λ₂ и передающего другие сигналы. Сигнал на длине волны λ₂ возвращается через световод 18 и фильтр 16 на порт оптического циркулятора 12, где он перекрывается сигналом с длиной волны λ₁. Благодаря эффекту двойного прохождения через волоконно-оптическую часть 18, сигнал на длине волны λ₂ не коррелирован по фазе с сигналом на длине волны λ₁, то есть сдвинут по фазе на длину I_c, большую длины когерентности источников 1 и 2. Сигналы на других длинах воли λ_2′, λ_2″, передаваемые через фильтр 19 и волоконно-оптическую часть 18, достигают фильтра 19', посредством которого отражается сигнал с длиной волны λ_2′. Затем этот сигнал возвращается на порт 12 оптического циркулятора, сдвинутый по фазе на длину, большую чем 2,1_c по отношению к сигналу на длине волны λ₁, и на длину, большую чем 1_c по отношению к сигналу на длине волны λ₂, то ость сдвинут по фазе на длину, большую, чем длина когерентности по отношению к каждому из двух сигналов, и, следовательно, он не коррелирован по фазе с обоими сигналами.

И, наконец, сигнал на длине волны λ_2″ отражается фильтром 19''. Благодаря эффекту двойного прохождения через волоконно-оптическую часть 18'', он перекрывается с другими сигналами, будучи сдвинутым по фазе на длину, большую, чем длина когерентности, по отношению к каждому из них, и, следовательно, некоррелирован по фазе с ними.

В конце концов сигналы распространяются от порта 12 оптического циркулятора на порт циркулятора 13, который подсоединен к оптической линии связи, как показано на фиг. 1.

Вышеприведенное описание можно непосредственно распространить на большее количество сигналов с другими длинами волн. Устройство можно легко приспособить для работы как с множеством сигналов связи с различными длинами волн, так и с одним, подсоединив по одной схеме селективной задержки для каждого последующего канала связи в любой последовательности.

Это устройство можно легко видоизменить даже после его изготовления, то есть можно изменить его конфигурацию для желаемого количества каналов.

Вышеприведенное описание устройства для ослабления оптического шума относится к предпочтительной конфигурации, где устройство включает один фильтр селективного отражения для каждого передаваемого через него сигнала связи.

Кроме этой предпочтительной конфигурации может быть выполнена альтернативная конфигурация устройства, в которой лишь несколько каналов связи обеспечены фильтрами селективного отражения, отделенными друг от друга одномодовыми световодными частями с длиной волны, большей половины максимальной длины когерентности сигналов, где остальные сигналы связи отражаются одним или несколькими средствами отражения, имеющими весьма широкий диапазон длин волн при отражении. Эта конфигурация обеспечивает некоррелированность по фазе некоторых РWМ сигналов, генерируемых до устройства ослабления оптического шума, с соответствующими РWМ сигналами, генерируемыми после этого устройства.

Эксперимент
Для того чтобы убедиться в работоспособности устройства для ослабления оптического шума, заявитель в ходе эксперимента сравнил оптическую линию связи согласно настоящему изобретению с оптической линией связи известного типа.

Схема эксперимента описана ниже со ссылкой на фиг. 4.

Два когерентных оптических источника обозначены номерами 31 (фиг.4) и 32. Они представляют собой два регулируемых полупроводниковых лазера с внешним объемным резонатором модели НР81678А, выпускаемой Hewlett Packvd Co., Rockwell, JM США и модели ISL-80, выпускаемой SANTEC Micom Valley Tohkada; Kamsue, Komaki, Aichi, 485, Япония соответственно. Ширина линии этих источников составляет порядка Δv = 100 кГц. Из соотношения I_c= v/πΔν, где v обозначает скорость распространения излучения по волокну, получено значение Г_c = 650 м для длины когерентности в волокне используемых источников.

Поляризация сигнала, производимого источником 32, выравнивалась с поляризацией сигнала, производимого источником 31, с помощью устройства регулирования поляризации 33, расположенного на выходе источника 32 и состоящего на двух элементов, качающихся относительно оси и выполненных на витков одномодового оптического волокна диаметром порядка 2:40 мм. Два сигнала с выравненными поляризациями объединялись с помощью соединителя (-3 дВ) 34 и направлялись на добавочный усилитель 35 уже упоминавшейся модели ТРА/Е-МW, поставляемый заявителем.

Усиленные сигналы направлялись по первой ступени линии передачи, состоящей на одномодового волоконного световода со смещенной дисперсией 36 длиной L₁ = 13,8 км. Волокно имеет нулевую дисперсию в окрестности длины волны 1543 нм, спад кривой дисперсии порядка 0,1 пс/(нм² • км) и поглощение порядка 0,21 дВ/км при используемых длинах волн.

Схема 20 для ослабления оптического шума подсоединялась к концу световода 36. Она содержит оптический циркулятор 15 модели CR1500, выпускаемый уже упомянутой фирмой JDS FITE, соединенного через порт 11 со световодом 36, волоконно-оптический фильтр на решетке Брэгга 16, подсоединенный к порту 12 оптического циркулятора и имеющий максимальную отражательную способность па длине волны 1543,7 нм, одномодовый световод 18, подсоединенный к выходу фильтра 16 и имеющий длину 460 м, причем его длина больше половины длины когерентности (около 325 м для случая источников, которые здесь используются), волоконно-оптический фильтр на решетке Брэгга 19, подсоединенный к световоду 18, подобранный с соответствующими спектральными характеристиками, которые каждый раз настраивались на длины воли сигналов в ходе эксперимента.

На фиг.5 показано спектральное распределение 47 мощности, отраженной упомянутым фильтром 16, последовательно соединенным с одним из фильтров 19, которые использовались в эксперименте. Для осуществления этих измерений фильтры были подсоединены к центральному порту оптического циркулятора, как это показано в экспериментальной установке. Кривая 47, масштаб шкалы которой указан слева от графика, показывает мощность, которая измерялась на выходном порту оптического циркулятора, а сигнал спектральной мощности, воспроизведенный на фиг. 5 в виде кривой 48 со ссылкой на масштабную шкалу слева от графика, имел место на входном порту самого циркулятора.

Оптическая схема 20, фиг.4, кроме того, содержит регулируемый интерференционный фильтр 21, подсоединенный к выходу фильтра 19 и настроенный таким образом, чтобы передавать длину волны сигнала, генерируемого FWM, и подавлять составляющие на длинах волн остаточного сигнала после прохождения излучения через фильтры 16 и 19. Фильтр 21 подсоединялся к входу соединителя (-3 дВ) 22, другой вход которого был подсоединен к порту 13 оптического циркулятора 15. Соединения между оптическими элементами выполнялись с помощью сварки встык.

Через фильтр 21 и соединитель 22, которые на общей схеме устройства подавления шума 10 (фиг.3) отсутствуют, дается возможность прохождения на вторую ступень линии связи излучения, возникающем благодаря FWМ на первой ступени.

Прохождение этого излучения допускается по следующей причине. Эксперимент имеет отношение для варианта сигналов связи только с двумя длинами волн. При этих условиях сигнал, генерируемый FWM, имеет длину волны, отличающуюся от длин волн этих двух сигналов, и проблема его распространения по линии связи могла быть решена с помощью фильтров. Однако способ фильтрации FWМ излучения, как отмечалось ранее, не может быть использован в более общем случае при большем количестве каналов связи, когда длины воли сигналов, генерируемых FWM, могут совпадать с длинами волн самих каналов и, следовательно, не смогут быть отфильтрованы. Для того чтобы иметь возможность выполнить эксперимент только с двумя сигналами связи и убедиться в том, что сигналы, являющиеся результатом FWМ в двух ступенях, суммируются (этот эксперимент имеет значение также и для более общего случая), необходимо обеспечить прохождение во вторую ступень излучения, создаваемого FWM в первой ступени. Фильтр 21 и соединитель 22 выполняют функции, описанные выше.

Соединители 22 и 34 (-дВ) выполнены из сплавленного волокна, выпускаемого уже упомянутой фирмой GOLD.

Вслед за схемой 20 располагался линейный усилитель 37, в частности, модели OLA/E-MW, выпускаемый заявителем, выполненный из активного волокна, легированного эрбием, который подвергается оптической накачке на длине волны λ_p= 980 нм. Этот линейный усилитель, при общей мощности входных каналов -20 дБм, имеет коэффициент усиления около 30 дБ. А вся оптическая выходная мощность (сигналы плюс усиленное спонтанное излучение) составляет порядка 12:14 дБм.

Сигналы, выходящие из линейного усилителя 37, направлялись во вторую ступень линии передачи, состоящую из одномодового волоконного световода со смещенной дисперсией длиной L₂ = 5,1 км. Волокно имеет нулевую дисперсию на длину волны 1545 нм, спад кривой дисперсии порядка 0,1 пс/(нм² • км) и поглощение на используемых длинах волн порядка 0,21 дБ/км.

После распространения по световоду 38 сигналы анализировались оптическим спектральным анализатором 39 модели MS 9030A/MS 9701В, выпускаемым ANRITSU Corp., 5-10-27 Minatoku, Токио, Япония.

На фигурах 6А и 6В представлены графики мощности FWМ сигнала, генерируемого вдоль световодов 36 и 38 соответственно, которые измерялись при фиксированной длине волны источника 31, в зависимости от длины волны источника 32. При этом измерении каждый из двух световодов был непосредственно подсоединен между регулируемым аттенюатором, подсоединенным к выходу усилителя 35, и спектральным анализатором 39 при временном исключении других элементов оптической схемы и передаче мощности 2:4 мВт для каждого из двух каналов на вход световода. Однако значения мощности в мВт, показанные на фигурах 6А и 6В, нормализованы по отношению к входным сигналам с мощностью 1 мВт (О дБм) на канал согласно соотношению:
P_FWM(norm) = P_FWM/(p₃₁ⁱⁿ • p₃₂ⁱⁿ²),
где p₃₁ⁱⁿ и p₃₂ⁱⁿ - значения мощности оптических входных несущих сигналов. Поляризация сигнала от источника 32 поворачивалась устройством 33, пока сигнал FWМ, измеряемый на выходе световода 36 или выходе световода 38 соответственно, не стал максимальным.

Для световода 36 (фиг.6А) длина волны λ₁ для оптического источника 31 была зафиксирована на значении 1533.58 нм, а измерение мощности, генерируемой FWМ, выполнялось путем изменения длины волны λ₂ оптического источника 32 между значениями 1542.80 им и 1543.80 нм с шагом порядка 0,05 нм. Результаты измерений отмечены зачерненными квадратиками на фиг.6А, которые соединены линией 41. На длинах волн 1543.05 нм, 1543.51 нм и 1543.66 нм отчетливо видны три пика. По мнению заявителя это можно объяснить тем обстоятельством, что на вышеуказанных длинах волн значение дисперсии для волоконного световода 36, использованного в эксперименте, снижается до нуля и выполняется условие согласования фаз.

Было проведено моделирование на основе численной модели, описанной в Jounnal of Lightwave Technology, том 10, 11, ноябрь 1992, стр. 1553-1561, где световод 36 рассматривался как сформированный на трех DS волоконных сегментов, имеющих нулевую дисперсию на следующих длинах волн соответственно: λ_o1=1543.05 нм, λ_o2=1543.51 нм и λ_o3=1543.66 нм.
В модель для трех волоконных сегментов были введены, кроме того, следующие параметры:
затухание, дБ/км - α = 0,21
показатель преломления стекла - n = 1,45
диаметр моды, мкм - MFD = 8
чувствительность нелинейного эффекта третьего порядка, м³/Дж - x₁₁₁₁ = 4,26710^-14
спад кривой хроматической дисперсии, пс/(нм² • км) - Dс' = 0,1
Расчетная нормализованная мощность пиков интермодуляции Р_FWM на длинах волн сигнала λ₁= 1533.58 нм и λ₂, лежащей между 1542.80 нм и 1543.80 нм, представлена на фиг.6A кривой 42.

Сравнивая кривые 41 и 42, можно видеть, что для оптического волокна 36 характер пиков интермодуляции FWM полученный в результате моделирования, качественно весьма схож с характером пиков, полученных экспериментально. Это наводит на мысль, что волоконный световод, имеющий характеристики дисперсии, заданны при моделировании, представляет точную модель действительного световода 36 в исследуемом диапазоне длин волн, в частности, что касается генерирования FWM сигналов.

На фиг. 6В представлены соответствующие результаты, относящиеся к световоду 38, использованному на второй ступени экспериментальной установки. Кривая 43, соединяющая точки экспериментальных измерений, характеризует нормализованную мощность генерируемых FWM сигналов, возникающих из-за интермодуляции между сигналом с длиной волны λ₁= 1534.84 нм и сигналом с длиной волны λ_2, изменяющейся от 1544.10 нм до 1546.00 нм с шагом 0,1 нм. На длинах волн 1544.80 нм и 1545.40 нм имеются два пика.

В этом случае также имеется хорошее соответствие между экспериментальной кривой 43 и кривой 44, относящейся к численному моделированию, при котором световод 38 был представлен как состоящий из двух волоконных сегментов, имеющих нулевую дисперсию на длинах волн λ_o1=1544.80 нм и λ_o2=1545.40 нм соответственно, а другие параметры имели те же самые значения, что и параметры, использованные для моделирования, относящегося к световоду 36.

Полученные таким образом данные по дисперсии волоконных световодов 36 и 38 были использованы для последующего численного моделирования работы в целом устройства для ослабления оптического шума, показанного на фиг.4. На фиг.7 сравниваются данные моделирования с результатами эксперимента.

Фиг. 7 воспроизводит нормализованные мощности p сигналов FWM, генерируемых посредством интермодуляции между первым сигналом с длиной волны λ₁= 1533.7 нм и вторым сигналом с длиной волны λ₂, которая могла принимать различные значения. Полученные результаты воспроизводятся как при отсутствии, так и при наличии схемы 20 на фиг.4 для ослабления оптического шума.

Эксперименты выполнялись для трех значений длины волны второго сигнала: λ₂₁= 1545.50 нм, λ₂₂= 1546.70 нм и λ₂₃= 1547.80 нм соответственно. Вместо фильтра 19, показанного в схеме на фиг.4, поочередно путем сварки встык подсоединялся оптический фильтр ранее описанного типа, который имел диапазон длин отраженных волн с центром на соответствующей длине волны.

Численное моделирование выполнялось для значений λ₂, лежащих между 1544 нм и 1549 нм.

По оси Х на фиг.7 откладывались значения λ₂.
Значения по оси y - это значения параметра p, соответствующее нормализованному значению разности между мощностью P_FWM(tot) (вся мощность Р_FWM) сигналов FWM, измеренных на выходе устройства, и суммы мощностей P_FWM (1) и P_FWM (2), последние представляют измеренные на выходе второй ступени мощности FWM сигналов, генерируемых отдельно вдоль первой и второй ступени, то есть вдоль световодов 36 и 38 схемы на фиг.4.

Более конкретно параметр p определяется следующим выражением:
Для того чтобы оценить p, необходимо для каждой длины волны, используемой в эксперименте, вдобавок к измерению всей мощности FWM сигнала на выходе устройства, измерять на выходе второй ступени мощности FWМ сигналов, которые бы независимо генерировались на первой и второй ступенях при отсутствии взаимодействия.

Оптическая мощность Р_FWM⁽¹⁾ на выходе устройства сигнала FWМ вдоль первой ступени может быть непосредственно измерена путем временного подсоединения спектрального анализатора 39 к выходу усилителя 37 или входу второй ступени и деления этого значения на известную величину затухания световода 38, образующего вторую ступень.

Оптическая мощность Р_FWM⁽²⁾ сигнала, являющегося результатом FWM вдоль второй ступени, измеряется при наличии оптической схемы ослабления шума 20 путем временного разрыва оптической связи между выходом оптического фильтра 21 и соединителя 22 так, чтобы не допустить прохождения FWМ сигнала, генерируемого в первой ступени, на вторую ступень, без изменения канальной мощности, поступающей на вход второй ступени.

При отсутствии схемы ослабления шума 20 оптическая мощность Р_FWM⁽²⁾ измеряется вместо этого путем временной замены световода 36 первой ступени на аттенюатор с соответствующим затуханием так, чтобы исключить генерирование FWМ сигналов без изменения канальной мощности, вводимой во вторую ступень.

Точки 51, 52, 53 на фиг.7 представляют результаты эксперимента для трех установленных длин волн λ₂₁, λ₂₂ и λ₂₃, относящихся к случаю, когда между первой и второй ступенями устройства на фиг.4 находилась схема 20 для ослабления оптического шума.

Следует заметить, что параметр p постоянно принимает нулевое значение.

Вся мощность, генерируемая FWM, соответствует для каждой длины волны λ₂ второй ступени сумме мощностей FWM сигналов, генерируемых в двух ступенях. Таким образом можно избежать дополнительного эффекта от взаимодействия двух FWM сигналов, генерируемых в отдельных ступенях.

При отсутствии схемы ослабления шума 20, то есть при прямом подсоединении световода 36 к входу усилителя 37 в устройстве (фиг.4), вышеупомянутое взаимодействие, наоборот, имеет место, что подтверждается измерениями, воспроизведенными на фиг.7 в точках 54, 55, 56. В двух первых случаях вся мощность FWM сигнала на выходе устройства больше суммы мощностей FWM сигналов, генерируемых в первой и второй ступени, примерно на 80%.

В случае с измерением 56, относящимся к длине волны второго сигнала λ₂= λ₂₃, вся мощность FWM сигнала на выходе устройства меньше суммы мощностей FWM сигналов в двух ступенях. В этом случае взаимодействие двух FWM сигналов первой и второй ступени вредит, и подсоединение оптической схемы 20 для ослабления шума делает шум из-за FWM более высоким, чем в случае, когда схема 20 отсутствует.

Однако расхождение очевидно только в том, что в общем случае длины волн сигналов и характеристики дисперсии оптического волокна не могут быть определены точно. В общем случае, как было пояснено выше, невозможно обеспечить наиболее благоприятные характеристики. Наоборот, всегда вероятно, что из-за неопределенности или наличия даже небольших изменений одного из параметров, появляются условия, вызывающие взаимодействие между FWM сигналами, генерируемыми в отдельных ступенях.

В настоящем изобретении возникновение этих неблагоприятных условий не допускается путем ограничения мощности всего FWM сигнала до суммы мощностей, генерируемых в отдельных ступенях усиления.

Кривые 57 и 58 на фиг.7 воспроизводят результаты численного моделирования всей мощности FWM сигналов в двухступенчатом устройстве, лишенном схемы ослабления шума.

Для получения кривой 57 были использованы ранее описанные модели и соответствующие численные параметры для световодов 36 и 38 двух ступеней устройства.

Кривая 58 в свою очередь представляет результаты численного моделирования, при котором для сведения дисперсии к нулю были взяты для расчета для световода 36 первой ступени следующие длины волн (все другие параметры те же самые):

λ₀₂= 1543,6 нм и

Эти значения слегка отличаются от значений дисперсии, использованных при первом численном моделировании. Различия, которые можно увидеть между кривыми 57 и 58, говорят о высокой степени взаимодействия между FWM сигналами, генерируемыми в двух ступенях при относительно небольших отличиях в точках зануления дисперсии вдоль световодов. Эта высокая степень взаимодействия вместе с соответственно недостаточной точностью, реализуемой при формировании характеристик дисперсии известных оптических волокон, возможно объясняет, по мнению заявителя, недостаточное соответствие результатов экспериментальных измерений (в частности, измерения 56) и результатов численного моделирования (кривая 58).

Схема ослабления оптического шума согласно настоящему изобретению частично подходит для использования вдоль многоступенчатой оптической линии связи. В частности, она годится для использования в комбинации с линейным усилителем, например, в комбинации с линейным усилителем (фиг.2).

Одним из возможных вариантов расположения является вариант, показанный на фиг.1, где схема ослабления оптического шума размещена после усилителя в направлении распространения оптических сигналов.

Линейный усилитель с двухступенчатой накачкой, включающий схему для ослабления оптического шума, возникающего из-за четырехволнового смешения, показан на фиг.8.

Этот усилитель содержит один активный волоконный световод 62, легированный эрбием, и соответствующий лазер накачки 64, подсоединенный к нему через дихроичный соединитель 63, первый оптический вентиль 61, расположенный перед активным световодом 62 по направлению распространения сигнала, подлежащего усилению, причем одна схема ослабления оптического шума 10, описанная ранее со ссылками на фиг.3, располагается за активным световодом 62.

Оптический циркулятор, находящийся внутри оптической схемы 10, препятствует распространению отраженных назад сигналов или оптического шума любого рода в направлении, противоположном по отношению к направлению распространения сигналов связи.

Усилитель содержит также второй легированный эрбием активный волоконный световод 66, связанный с соответствующим лазером накачки 68 через дихроичный соединитель 67, а оптический вентиль 69 находится за световодом 66.

Могут быть подобраны улучшенные характеристики и типы элементов, соответствующих элементам, имеющимся в двухкаскадном усилителе на фиг.2, с сохранением тех же модальностей, что и в том случае.

Длины волн активных световодов 62 и 66 двух ступеней и мощность, излучаемая лазерами накачки 64 и 68, подбираются предпочтительно таким образом, чтобы для полной входной мощности (сигналы плюс спонтанное излучение) порядка -16 дБм, вся мощность, вводимая во вторую ступень, составляла порядка 7 дБм, а вся выходная мощность из второй ступени составляла порядка 13 дБм.

Расположение оптической схемы 10 между двумя ступенями усилителя дает возможность минимизировать увеличение коэффициента шума и потерь, связанных с подсоединением оптической схемы; благодаря наличию второй ступени, работающей в условиях насыщения, в действительности затухание в схеме 10 в основном компенсируется и уменьшение общей выходной мощности усилителя в результате подсоединения оптической схемы ограничивается величиной порядка 1 дБ. В случае подсоединения оптической схемы 10 перед или за линейным усилителем возможно компенсировать затухание, являющееся результатом ее использования, подсоединив последовательно с самой оптической схемой короткий отрезок активного световода, подпитываемого через дихроичный соединитель маломощным излучением накачки (подаваемым, например, небольшим полупроводниковым лазером), так чтобы усилить сигналы на величину, соответствующую затуханию оптической схемы 10.

Независимо от того, как оптическая схема 10 расположена по отношению к линейному усилителю, указанная схема имеет преимущество, заключающееся в фильтрации спонтанного излучения, распространяющегося вдоль оптической линии связи и возможно генерируемого внутри самого усилителя. Усилитель в сочетании со схемой ослабления шума усиливает в действительности сигналы связи и ослабляет излучение на других длинах волн, лежащих вне диапазонов отражения фильтров, имеющихся в схеме 10. Линейный усилитель может быть также выполнен в конфигурации с одноступенчатой накачкой, исходя из конкретных требований пользователя. В этом случае схема для ослабления оптического шума из-за FWM для улучшения характеристик также может быть скомбинирована с усилителем. В конфигурации, показанной на фиг.9, схема 10 того же типа, который показан на фиг. 3, подсоединяется вдоль волоконного световода 114 усилителя. Сигналы связи, передаваемые через оптический вентиль 111, комбинируются посредством дихроичного соединителя 112 с излучением накачки от источника 113. В промежуточном месте вдоль активного световода 114 делается соответствующий обходной путь для накачки посредством дихроичных соединителей 115 и 116, в то время как излучение в диапазоне длин волн сигналов посылается через оптическую схему 10. Второй оптический вентиль 117 устанавливается на конце активного световода 114.

Схема ослабления оптического шума 10, описанная со ссылками на фиг.3, обеспечивает некоррелированность РWF сигналов, генерируемых в различных ступенях оптической линии связи благодаря интермодуляции между сигналами связи, распространяющимися в заданном направлении по самой линии.

На фиг. 10 показана схема ослабления оптического шума 10' в двунаправленной системе связи с WDМ согласно альтернативному варианту выполнения.

Схема 10' предназначена для подсоединения вдоль двунаправленной оптической линии связи, в частности вдоль линии связи, содержащей пассивные волоконно-оптические части, перемежающиеся двунаправленными оптическими усилителями.

Схема, показанная на фиг.10, предназначена для случая четырех каналов связи в каждом направлении. Однако показанное устройство может быть отрегулировано таким же образом, как и однонаправленная схема на фиг.3, в зависимости от количества каналов, действительно используемых для передачи в каждом направлении.

Оптическая схема 10' включает оптический циркулятор 15', снабженный четырьмя портами доступа, обозначенными по порядку 11, 12, 13, 14.

Теперь рассмотрим схему 10' для случая с четырьмя оптическими сигналами, выходящими из части линии связи, подсоединенной к порту оптического циркулятора 11 с длинами волн λ₁, λ₂, λ_2′, λ_2″, соответственно, и четыре других оптических сигнала, выходящих из части линии связи, подсоединенной к порту 13 оптического циркулятора с длинами волн λ₇, λ₈, λ_8′, λ_8″ соответственно. Ширина линии сигналов обозначена Δv₁, Δv₂, Δv_2′, Δv_2″, Δv₇, Δv₈, Δv_8′, Δv_8″ соответственно.

К порту 12 оптического циркулятора 15' подсоединен оптический фильтр 16, имеющий избирательное отражение на длине волны λ₁. К оптическому фильтру 16 подсоединена схема селективной задержки 17 на длине волны λ₂, которая включает одномодовую волоконно-оптическую часть 18, один конец которой подсоединен к выходу фильтра 16, а другой конец подсоединен к оптическому фильтру 19, имеющему избирательное отражение на длине волны λ₂. Часть одномодового волоконного световода 18 имеет такую же или большую длину, чем половина максимального значения I_c среди длин когерентности источников 1, 2, 2', 2'', 7, 8, 8', 8'' в световоде, где v - скорость распространения светового излучения в волокне.

К порту 14 оптического циркулятора 15' подсоединен оптический фильтр 76, имеющий избирательное отражение на длине волны λ₇. К оптическому фильтру 76 подсоединена схема селективной задержки 77 на длине волны λ₈, включающая часть одномодового волоконного световода 78, один конец которого подсоединен к выходу фильтра 76, а другой конец к оптическому фильтру 79, имеющему избирательное отражение на длине волны λ₈. Часть одномодового световода 78 имеет такую же длину или длиннее чем I_c/2.

Оптическая схема 10' содержит и другие схемы селективной задержки 17', 17'', 77', 77'', каждая из которых состоит из части одномодового волоконного световода 18', 18'', 78', 78'' с длиной, равной или большей чем I_c/2, с одним концом, подсоединенным к выходу фильтра предыдущей схемы селективной задержки, а другим концом, подсоединенным к входу оптического фильтра 19', 19'', 79", 70'', имеющему избирательное отражение на длине волны λ_2′, λ_2″, λ_8′, λ_8″.
Порты 11 и 13 оптического циркулятора 15' предназначены для подсоединения вдоль линии связи предпочтительно рядом с двунаправленными оптическими усилителями.

С сигналами с длинами волн λ₁, λ₂, λ_2′, λ_2″, выходящими из части линии связи, подсоединенной к порту 11 оптического циркулятора, схема работает так же, как и схема 10 на фиг.3.

Тракт прохождения сигналов на длинах волн λ₇, λ₈, λ_8′, λ_8″, выходящих из части линии связи, подсоединенной к порту 13 оптического циркулятора, включает выход из порта 14 оптического циркулятора, возвращение в тот же самый порт после отражения фильтром 76 или схемами селективной задержки 77, 77', 77'' соответственно и вывода из порта 11 оптического циркулятора. С другой стороны, сигналы, имеющие длины волн, лежащие вне диапазона отражения фильтров 76, 79, 79', 79'', выходят из оптической схемы 10' через оконечное устройство 24.

С помощью этой схемы ограничивается взаимодействие между FWM сигналами, генерируемыми в обоих направлениях вдоль линии связи.

Изобретение относится к оптической схеме для ослабления оптического шума. Оптическая телекоммуникационная система содержит, по меньшей мере, два источника оптических сигналов, модулированных на равных длинах волн, имеющих соответствующие времена когерентности, мультиплексор для мультиплексирования сигналов в один общий волоконный световод, волоконно-оптическую линию, подсоединенную одним концом к общему волоконному световоду мультиплексора, средство для приема сигналов, элемент для ослабления четырехволнового смешения (PwM) между сигналами, оптически связанный последовательно вдоль волоконно-оптической линии. Элемент ослабления РwМ содержит оптическую схему. Схема включает в себя, по меньшей мере, два селективных фильтра, настроенный каждый на диапазон длин волн, содержащий один из оптических сигналов. Фильтры оптически соединены последовательно друг с другом через оптический тракт. Длина, по меньшей мере, одной секции оптического тракта между двумя следующими друг за другом фильтрами больше длины, соответствующей времени когерентности, по меньшей мере, одного из источников оптических сигналов. Изобретение позволяет на практике уменьшать мощность излучения, возникающего из-за четырехволнового смешения. 3 с. и 16 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Оптическая телекоммуникационная система, содержащая по меньшей мере, два источника оптических сигналов, модулированных на различных длинах волн и имеющих соответствующие времена когерентности, мультиплексор для мультиплексирования сигналов в один общий волоконный световод, волоконно-оптическую линию, подсоединенную одним концом к общему волоконному световоду мультиплексора, средство для приема сигналов, подсоединенное ко второму концу волоконно-оптической линии, включающее демультиплексор для оптических сигналов, отличающаяся тем, что содержит элемент для ослабления четырехволнового смешения сигналов, причем этот элемент размещен вдоль волоконно-оптической линии и содержит оптическую схему, содержащую по меньшей мере, два селективных фильтра, настроенный каждый на диапазон длин волн, включающий один из оптических сигналов, при этом фильтры оптически соединены друг с другом последовательно через оптический тракт, причем длина, по меньшей мере, одной секции оптического тракта, включенного между двумя следующими друг за другом фильтрами больше длины, соответствующей времени когерентности, по меньшей мере, одного из источников оптических сигналов. 2. Оптическая телекоммуникационная система по п.1, отличающаяся тем, что оптическая схема для каждого оптического сигнала содержит селективный фильтр, настроенный на диапазон длин волн, включающий соответствующий оптический сигнал и исключающий остальные оптические сигналы, причем эти фильтры оптически соединены друг с другом последовательно через оптических тракт, при этом длина секции оптического тракта между двумя следующими друг за другом фильтрами больше длины, соответствующей времени когерентности каждого из источников оптических сигналов. 3. Оптическая телекоммуникационная система по п.1, отличающаяся тем, что оптическая схема содержит оптический циркулятор, имеющий входной порт и выходной порт, соединенные с волоконно-оптической линией, и по меньшей мере, один порт ввода/вывода, соединенный с одним из селективных фильтров. 4. Оптическая телекоммуникационная система по п.1, отличающаяся тем, что селективные фильтры представляют собой фильтры на решетке Брэгга. 5. Оптическая телекоммуникационная система по п.4, отличающаяся тем, что фильтры на решетке Брэгга выполнены из оптического волокна. 6. Оптическая телекоммуникационная система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере, один оптический усилитель размещается вдоль волоконно-оптической линии. 7. Оптическая телекоммуникационная система по п.6, отличающаяся тем, что оптический усилитель включает один активный волоконный световод, легированный флуоресцентной примесью, и источник излучения накачки. 8. Оптическая телекоммуникационная система по п.7, отличающаяся тем, что флуоресцентная примесь является эрбием. 9. Оптическая телекоммуникационная система по п.7, отличающаяся тем, что оптический усилитель содержит два участка активного волоконного световода, при этом элемент ослабления четырехволнового смешения расположен в промежуточном месте между участками активного волоконного световода. 10. Оптическая телекоммуникационная система по п.1, отличающаяся тем, что между двумя частями, на которые элементом ослабления Pw М делится активный волоконный световод , вне этого элемента предусмотрен оптический передающий тракт для излучения накачки. 11. Оптическая телекоммуникационная система по п.9, отличающаяся тем, что каждая из двух частей активного волоконного световода снабжена источником излучения накачки.

11а. Оптическая телекоммуникационная система по п.7, отличающаяся тем, что элемент ослабления четырехволнового смешения оптически связан с активным оптическим волокном.