ОПТИЧЕСКАЯ УСИЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2002 года по МПК H04B10/12 

Настоящее изобретение относится к оптическим усилителям и, в частности, к многоволновым оптическим усилителям.

Предполагается, что оптические усилители (OA) будут широко использоваться в будущих телекоммуникационных системах. В частности, в настоящее время используются усилители из оптического волокна, легированного эрбием (EDFA). Они служат для периодического (вдоль линии) усиления оптического сигнала, передаваемого на большие расстояния по оптоволоконным линиям, возможно образующим сложные сети, без восстановления оптического сигнала с целью компенсации его затухания, вызванного передачей на большие расстояния.

Однако при высоких скоростях передачи данных и/или больших расстояниях возникает ряд новых проблем (например, дисперсия), которые типичны для линий передачи с периодическим усилением сигнала. Спектральное разделение (уплотнение) (WDM) представляет собой способ решения некоторых из этих проблем. При использовании WDM данные с высокой скоростью передаются на нескольких оптических несущих, каждая из которых имеет отличную от другой длину волны, и таким путем увеличиваются скорость передачи и пропускная способность.

Для сохранения краткости описания заявитель описывает одну оптическую несущую, представляющую один канал. Оптические мощности, представляющие уровень сигналов, могут отличаться в разных каналах. Эти отличия в мощности в системах с оптическими усилителями могут быть достаточно большими, если сигналы ослабляются и вновь усиливаются многократно или если они проходят по разным трактам в оптической сети.

Различия в мощности могут возникнуть по следующим причинам.

(1) Коэффициент усиления в разных каналах может быть различным. Дополнительные трудности возникают из-за того, что, если коэффициент усиления в OA с однородно уширенным спектром типа EDFA изменяется, то коэффициенты усиления на разных длинах волн обычно изменяются на разную величину. Кроме того, может оказаться затруднительным или даже невозможным узнать, с каким коэффициентом усиления работает OA, особенно если степень усиления может со временем изменяться. До сих пор рассматривались EDFA со сглаженным или выровненным коэффициентом усиления, не зависящим от длины волны, включая усилители, которые работают со сглаженным или выровненным коэффициентом усиления независимо от условий эксплуатации. Однако коэффициент усиления не может быть сглажен или выровнен полностью. В системах с множеством последовательно соединенных OA даже небольшие различия в коэффициентах усиления каналов могут ухудшить систему и привести к значительным различиям в мощности.

(2) Затухание сигнала (например, потери) между усилителями в различных каналах может быть разным, что приводит к значительным различиям в мощности. Как и в случае с усилением, ослабление также может со временем изменяться, и это изменение может быть разным и непредсказуемым для различных длин волн.

Можно сделать вывод, что маловероятно совпадение друг с другом степени усиления и ослабления на нескольких длинах волн одновременно для всего множества условий эксплуатации. (В противоположность этому, для систем с одной длиной волны это происходит автоматически на некоторой длине волны, коль скоро потери не превышают усиление, обеспечиваемое OA). Это происходит главным образом потому, что затухание между усилителями предположительно изменяется по различным причинам, причем по-разному в зависимости от длины волны. Этими причинами могут быть, например, ухудшение характеристик сростков, включение в линию передачи делителей мощности или других оптических элементов, включение волокон, компенсирующих дисперсию, и увеличенные потери из-за микроизгибов. В действительности, в связи с такой неопределенностью в предсказании мощности сигнала из-за зависимости потерь мощности сигнала от длины волны, при использовании усилителей с однородно уширенным спектром типа EDFA невозможно обеспечить равномерное усиление, так как потери между усилителями изменяются.

Даже если усиление и потери будут всегда сбалансированы во всех каналах, то есть, если суммарное усиление и ослабление (включая отрицательные значения) будет равно 0 дБ для всех каналов, это не обеспечит равенство мощностей во всех каналах. Неравенство мощностей может иметь еще и следующие причины.

(1) Мощность сигнала, подаваемого в систему, может быть разной на различных длинах волн.

(2) При прохождении маршрута разные сигналы могут проходить в сложной сети по разным каналам. Когда эти сигналы вновь суммируются, их мощности с очень большой вероятностью отличаются друг от друга, если для каждого отдельного сигнала не используется некоторый вариант управления мощностью.

(3) Могут использоваться регулируемые оптические отводы, которые непредсказуемым образом возможно увеличат затухание в каналах.

Для многих систем было бы лучше всего, если OA могли бы выравнивать мощности разных каналов (автоматическое выравнивание мощности, APE), а не выравнивать коэффициенты усиления. По меньшей мере различия в мощности должны поддерживаться в некоторых границах. Это требует, чтобы коэффициент усиления канала с низким уровнем входной мощности, находящимся вне указанных границ, должен быть выше, чем коэффициент усиления для каналов с мощностями, лежащими внутри этих границ. Такой процесс называется "многоканальное автоматическое управление мощностью" (MAPC). Если MAPC используется в системе передачи с периодическим усилением, усиление компенсирует потери для всех без исключения каналов, обеспечивая в них подходящие мощности. Это называется "многоканальное автоматическое управление усилением" (MAGC). Таким образом система получает относительную защиту от вариаций потерь между усилителями, хотя и тогда равновесие мощностей сигналов возможно будет изменяться.

Хорошо известно, что MAPC может быть достигнуто в усилителях с неоднородным уширением спектра. Однако коммерчески доступные EDFA при комнатной температуре имеют преимущественно однородное уширение спектра. Следовательно, коэффициент усиления на одной длине волны принимает приближенное значение, единственным образом связанное с коэффициентом усиления на всех других длинах волн. Таким образом, нельзя сказать, что коэффициент усиления канала с высокой мощностью меньше, чем у канала с низкой мощностью. Другими словами, коэффициенты усиления зависят от длин волн каналов.

В противоположность этому у усилителей с неоднородным уширением спектра коэффициент усиления на одной длине волны частично не зависит от коэффициента усиления на других длинах волн. При WDM на больших расстояниях, если коэффициент усиления на других длинах волн не подвергается по меньшей мере до некоторой степени какому-либо воздействию, то коэффициент усиления на одной длине волны уменьшается, если мощность на этой длине волны стала больше. Это явление называется нелинейным искажением или насыщением при усилении. С другой стороны, если имеет место сильный сигнал, искажающий коэффициент усиления на другой длине волны, то коэффициент усиления на первой длине волны может оставаться высоким.

Для реализации MAPC или MAGC в EDFA было предложено несколько способов.

1. Способ основан на охлаждении усилительной среды, то есть EDF, до очень низких температур. Хотя этот способ достаточно хорошо известен, дополнительные технические сложности, связанные с охлаждением, являются его существенным недостатком.

2. В другом способе для пространственного разделения тракта, по которому проходят волны разной длины, используется EDFA с двойным сердечником, что приводит к эффективному неоднородному уширению спектра усилительной среды в целом, хотя каждая любая точка в усилительной среде сама по себе имеет однородное спектральное уширение. Этот способ также имеет ряд недостатков, а именно: известно, что EDFA с двойным сердечником генерирует более высокий уровень шума, чем EDFA с одиночными сердечниками; может возрасти нежелательная поляризация; теряется значительная часть мощности и производство волокна с двойным сердечником может оказаться весьма сложным.

3. В еще одном способе мультиплексированные волны разной длины разделяются в распределителях длины волны (WSC) и усиливаются в разных EDF. Таким образом, коэффициенты усиления в разных каналах могут быть не связаны друг с другом, что соответствует неоднородному уширению спектра. Недостатки такого подхода заключаются в том, что усилитель получается гораздо более сложным, а энергия накачки используется неэффективно.

С учетом вышеуказанных проблем целью предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения является создание многоволнового многоступенчатого оптического усилителя, позволяющего применить MAPG/MAGC, в котором используются различные типы усилительных сред, для системы, которой свойственны большие потери, например системы для передачи на большие расстояния.

Другой целью является создание оптического усилительного каскада, в котором оптические усилители для передачи многоволнового оптического сигнала соединены последовательно, тем самым давая возможность использовать MAPC/MAGC для каскада в целом.

Еще одной целью является создание многоволнового оптического усилительного каскада для автоматической компенсации отклонения потерь (ALTC) внутри заданного волнового диапазона в противоположность известной усилительной системе с WDM.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается оптическая усилительная система, содержащая множество усилительных сред, соединенных последовательно и установленных для усиления сигнала, имеющего множество длин волн, в которой по меньшей мере несколько из указанных усилительных сред работают в режиме насыщения и разные усилительные среды имеют спектральные различия, так что они взаимодействуют прежде всего с разными длинами волн, и в случае отклонения (из-за возмущения) мощностей сигналов от равновесного распределения по длинам волн, оптическая усилительная система возвращает мощности сигналов к равновесному распределению.

Оптическая усилительная система может содержать один оптический усилитель, в котором множество усилительных сред соединены последовательно.

Вышеуказанная оптическая усилительная система может содержать множество оптических усилителей, соединенных последовательно, причем каждый оптический усилитель имеет по меньшей мере одну из указанного множества усилительных сред.

Предпочтительно, чтобы одна из указанных усилительных сред содержала волокно, легированное эрбием.

Одна из указанных усилительных сред может содержать волокно, легированное эрбий-алюмосиликатом.

Волокно, легированное эрбием, не обязательно должно быть из абсолютно чистого алюмосиликата, поскольку небольшое количество германия в волокне из алюмосиликата не может значительно повлиять на спектр.

Одна из указанных усилительных сред может содержать волокно, легированное эрбий-германосиликатом.

Волокно, легированное эрбием, не обязательно должно быть абсолютно чистым германосиликатом, поскольку небольшое количество алюминия в волокне из германосиликата не может значительно повлиять на спектр.

Одна из указанных усилительных сред может содержать волокно, легированное эрбий-фосфосиликатом или эрбий-алюмофосфосиликатом.

Как вариант возможно, что у одной из указанных усилительных сред качание усиления на первой длине волны больше, чем качание усиления на второй длине волны, в то время как для другой из указанных усилительных сред верно противоположное.

Предпочтительно, чтобы первая и вторая из указанных усилительных сред последовательно чередовались.

Оптическая усилительная система, указанная выше, может быть установлена для многоволновой передачи в диапазоне длин волн, где первая и вторая из указанных усилительных сред взаимодействуют прежде всего с длинами волн, соответствующими противоположным концам диапазона длин волн.

Предпочтительно, чтобы указанная усилительная среда была с однородным расширением.

Вышеуказанная оптическая усилительная система может содержать оптические усилители-ограничители (OLA) для компенсации мощности сигнала, наведенного нелинейным искажением.

Вышеуказанная оптическая усилительная система может включать фильтры для получения разных характеристик усиления в разных усилительных средах, так что соответствующие потери, связанные с каждой из этих усилительных сред, будут больше на длинах волн, где меньше соответствующее качание усиления.

Предпочтительно, чтобы спектральные зависимости качаний усиления в разных усилительных средах существенно подавляли друг друга на заранее заданных длинах волн или диапазонах длин волн.

Одна из усилительных сред может быть волокном, легированным эрбий-германосиликатом с небольшим содержанием алюминия или его отсутствием, так что качание усиления gp-p возрастает вместе с длиной волны в диапазоне от 1543 до 1549 нм, а качание усиления по меньшей мере одной другой усилительной среды уменьшается в этом же диапазоне.

Такая оптическая усилительная система может быть пригодна для передачи длин волн в диапазоне от 1540 до 1552 нм.

Другая усилительная среда может быть выбрана из группы, включающей волокно, легированное эрбий-алюмогерманосиликатом с высоким содержанием алюминия, волокна, легированного эрбий-силикатом, легированным фосфором, и волокна, легированного эрбий-фосфатом.

Фиг. 1 демонстрирует пример оптического усилителя или системы с множеством усилительных сред;
фиг. 2 показывает пример двухволнового кольцевого лазера на основе усилителей из волокна, легированного эрбием (EDFA);
фиг. 3 показывает спектр передачи блока, состоящего из фильтра подавления низких частот и аттенюатора, от входа 14 до выхода 19 в лазере на фиг. 2;
фиг. 4 показывает выходной спектр двухволнового кольцевого лазера, в который включены два EDFA на основе волокон, легированных эрбий-алюмогерманосиликатом с высоким содержанием алюминия (EDF);
фиг. 5 показывает выходной спектр двухволнового кольцевого лазера, когда ослабление уменьшается на 3 дБ во всех аттенюаторах устройства, чей выход показан на фиг. 4;
фиг. 6 показывает выходной спектр двухволнового кольцевого лазера, когда ослабление возрастает на 2 дБ во всех аттенюаторах устройства, чей выход показан на фиг. 4;
фиг. 7 показывает сводный выходной спектр, содержащий спектры фиг. 4 - 6;
фиг. 8 показывает выходную мощность для двух различных длин волн 1551.8 нм и 1559.8 нм в двухволновом кольцевом лазере на основе двух EDFA, использующих EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, когда все аттенюаторы перенастраиваются единообразно;
фиг. 9 показывает выходную мощность для двух различных длин волн 1551.8 нм и 1559.8 нм в двухволновом кольцевом лазере на основе EDFA, использующего EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, и EDFA, использующего EDF из германосиликата, практически свободного от алюминия, когда все аттенюаторы перенастраиваются единообразно;
фиг. 10 показывает выходную мощность для двух различных длин волн 1541.9 нм и 1549.8 нм в двухволновом кольцевом лазере на основе EDFA, использующего EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, и EDFA, использующего EDF из германосиликата, свободного от алюминия, когда все аттенюаторы перенастраиваются единообразно;
фиг. 11 показывает выходную мощность для двух различных длин волн 1541.9 нм и 1549.8 нм в двухволновом кольцевом лазере на основе двух EDFA, использующих EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, когда все аттенюаторы перенастраиваются единообразно;
фиг. 12 - сводное изображение графиков выходной мощности фиг. 8 - 11;
фиг. 13 показывает выходной спектр для эталонной настройки аттенюатора (соответствующей изменению 0 дБ во всех аттенюаторах) устройства, чья выходная мощность показана на фиг. 10;
фиг. 14 показывает выходной спектр, когда ослабление изменяется на -3.0 дБ во всех аттенюаторах устройства, чья выходная мощность показана на фиг. 10;
фиг. 15 показывает выходной спектр, когда ослабление изменяется на +3.0 дБ во всех аттенюаторах устройства, чья выходная мощность показана на фиг. 10;
фиг. 16 показывает сводный выходной спектр двухволнового кольцевого лазера, когда ослабление изменяется на 1.0 и 2.0 дБ соответственно во всех аттенюаторах устройства, чья выходная мощность показана на фиг. 10, вместе с выходными спектрами фиг. 13 - 15;
фиг. 17 показывает выходную мощность двухволнового кольцевого лазера на основе двух EDFA, использующих EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия для двух различных длин волн 1551.8 нм и 1559.8 нм, когда только один из аттенюаторов на фиг. 2 перенастраивается по отношению к эталонному положению, тем самым оказывая влияние только на одну из двух длин волн;
фиг. 18 показывает выходную мощность двухволнового кольцевого лазера на основе EDFA, использующего EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия и EDFA, использующего EDF из германосиликата, свободного от алюминия, для двух различных длин волн 1551.8 нм и 1559.8 нм, когда только один из аттенюаторов на фиг. 2 перенастраивается по отношению к эталонному положению, тем самым оказывая влияние только на одну из двух длин волн;
фиг. 19 показывает выходную мощность двухволнового кольцевого лазера на основе EDFA, использующего EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, и EDFA, использующего EDF из германосиликата, свободного от алюминия, для двух различных длин волн 1541.9 нм и 1549.8 нм, когда только один из аттенюаторов на фиг. 2 перенастраивается по отношению к эталонному положению, тем самым оказывая влияние только на одну из двух длин волн;
фиг. 20 показывает выходную мощность двухволнового кольцевого лазера на основе двух EDFA, использующих EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия для двух различных длин волн 1541.9 нм и 1549.8 нм, когда только один из аттенюаторов на фиг. 2 перенастраивается по отношению к эталонному положению, тем самым оказывая влияние только на одну из двух длин волн;
фиг. 21 показывает выходную мощность двухволнового кольцевого лазера на основе EDFA, использующего EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, и EDFA, использующего EDF из германосиликата, свободного от алюминия, для двух различных длин волн 1529.4 нм и 1536.2 нм, когда только один из аттенюаторов на фиг. 2 перенастраивается по отношению к эталонному положению, тем самым оказывая влияние только на одну из двух длин волн;
фиг. 22 - сводный график, показывающий отводимую выходную мощность в соответствии с вариациями затухания только на одной длине волны, полученный из фиг. 17 - 21;
фиг. 23, 24 показывают выходной спектр для эталонной настройки аттенюатора (соответствующей изменению ослабления 0 дБ во всех аттенюаторах) устройства, чья выходная мощность показана на фиг. 21;
фиг. 25 показывает выходной спектр, когда ослабление изменяется на +3.0 дБ во всех аттенюаторах на фиг. 21;
фиг. 26 - сводный график, иллюстрирующий выходной спектр двухволнового кольцевого лазера, полученный из фиг. 23 - 25;
фиг. 27 - схема исследуемого каскада, в котором k различных длин волн проходит через каскад из 150 различных последовательных элементов (CE), каждый из которых состоит из двух субэлементов (суб-CE), в результате чего длина каскада в целом составляет 300 EDFA;
фиг. 28 показывает SNR (отношение сигнал-шум) для наихудшего канала в функции изменения отклонения потерь; здесь представлены результаты для системы C с (точечная кривая) и без (пунктирная кривая) смещения отклонения потерь и показаны результаты для системы B без смещения отклонения потерь (сплошная кривая);
фиг. 29 показывает SNR для наихудшего канала в функции потерь в линии; здесь представлены результаты для системы C с (точечная кривая) и без (пунктирная кривая) смещения отклонения потерь и представлены результаты для системы B (сплошная кривая) и системы A (штрихпунктирная кривая) - оба без смещения отклонения потерь;
фиг. 30 показывает выходную мощность в функции входной мощности для обычного OA и оптического усилителя-ограничителя (OLA);
фиг. 31 демонстрирует двухволновую передачу в каскаде из чередующихся OA обычного (не OLA) типа при нормальной работе;
фиг. 32 демонстрирует двухволновую передачу в каскаде из чередующихся OA обычного (не OLA) типа при работе с возмущениями;
фиг. 33 демонстрирует двухволновую передачу в каскаде из чередующихся OLA при нормальной работе;
фиг. 34 демонстрирует двухволновую передачу в каскаде из чередующихся OLA при работе с возмущениями.

Теперь будут описаны оптическая линия передачи, оптическая сеть передачи, оптический усилитель и многоволновой лазер для обеспечения MAPC/MAGC путем использования различных типов усилительных сред в соответствии с примерами реализации настоящего изобретения.

На фиг. 1 представлена схема одного из примеров реализации настоящего изобретения. Он включает по меньшей мере две усилительные среды (GM) по меньшей мере двух различных типов, зависящих от длины волны. Усилительная среда, каждая в отдельности или все вместе, накачивается оптическим или другим средством и отделяется от другой среды линейной или нелинейной средой с затуханием, например, передающим оптическим волокном. Кроме того, как возможный вариант, элементы затухания помещаются внутрь усилительной среды.

Фиг. 1 является системообразующей фигурой. Все ее компоненты можно рассматривать как части одного оптического усилителя. В таком случае фиг. 1 представляет оптический усилитель для MAPC/MAGC. Усилитель может быть реализован в виде одного физического блока. Другими словами, можно взять все компоненты фиг. 1 и поместить их в корпус, который и будет OA для MAPC/MAGC. Как возможный вариант, по меньшей мере часть потерь между усилительными средами может быть вызвана передающим оптическим волокном. В этом случае фиг. 1 может представлять три оптических усилителя (каждый из которых обычно образует физический блок с индивидуальной накачкой), отделенные двумя отрезками передающего оптического волокна. Тогда фиг. 1 по существу эквивалентна части линии или сети передачи с присущими ей возможностями реализации MAGC/MAPC/ALTC. Как возможный вариант, если выходной сигнальный порт на фиг. 1 подсоединен к его сигнальному входному порту (с помощью выходного ответвителя и возможно другого элемента затухания между этими точками), образуется резонатор лазера кольцевого типа, и тогда фиг. 1 представляет многоволновой лазер с MAPC.

Для конкретных либо изменяющихся рабочих условий имеет место автоматическое распределение или перераспределение коэффициента усиления между различными усилительными средами, так что устройство удовлетворяет требованиям MAPC для лазера, а также MAPC или ALTC для WDM. Далее следует краткое изложение требований для примера реализации настоящего изобретения.

1. MAPC или ALTC для WDM
Если конфигурация на фиг. 1 (или комбинация из различных конфигураций) представляет собой каскадное соединение (с передающим оптическим волокном между каскадами), то получившаяся в результате линия передачи способна поддерживать передачу по меньшей мере на двух длинах волн одновременно. В частности, передача в каскадном соединении до некоторой степени устойчива к изменениям потерь, не зависящих от длины волны, и потерь, зависящих от длины волны, между усилителями. Кроме того, такая конфигурация обладает некоторой способностью выравнивания мощности.

2. MAPC для лазера
Если OA на фиг. 1 или комбинация из различных OA согласно фиг. 1 образуют основу для лазера, то такой лазер способен эмитировать (генерировать когерентное оптическое излучение) одновременно более чем на одной длине волны. В частности, лазер до некоторой степени устойчив к изменениям потерь в резонаторе, не зависящих от длины волны, и потерь, зависящих от длины волны.

Этот критерий требует, чтобы коэффициент усиления на одной длине волны не был каким-то конкретным образом связан с коэффициентом усиления на другой длине волны. Полагается, что усилительная среда имеет однородно уширенный спектр.

Далее следует описание того, как можно рассчитать коэффициент усиления в усилительной среде с однородно уширенным спектром. На основе этого описания будет показано, как можно сконструировать устройство так, чтобы общий коэффициент усиления можно было перераспределять между различными усилительными средами с однородно уширенным спектром таким образом, чтобы удовлетворить вышеуказанному критерию.

Для OA, построенного на одной усилительной среде с однородно уширенным спектром, коэффициент усиления G (в дБ) на длине волны λ может быть записан как

где L - длина усилительной среды, α(λ) - спектр поглощения усилительной среды, в децибелах на метр; g^*( (λ) ) - коэффициент усиления среды, в децибелах на метр, при полной инверсии,
g_p-p(λ) ≡ [g^*(λ)+α(λ)] - качание усиления, в децибелах на метр, n₂ - степень возбуждения, то есть отношение усиливающих (то есть активных) центров (например, Er³⁺ ионов) в возбужденном метастабильном состоянии к общему количеству центров; f(λ) - дополнительные потери, вызванные, например, фильтром, установленным перед, после или внутри OA. В сети f(λ) может также представлять потери при передаче в оптическом волокне перед или после OA, а также потери на отвод или другие типы потерь. Если n₂ соответствующим образом усреднена по поперечной и продольной координатам распространяющегося светового луча, то уравнение (1) эквивалентно точным, но более сложным выражениям, включающим в явном виде поперечное и продольное интегрирование. Для поставленных целей и для данного OA L, α(λ) и g^*(λ) представляют собой собственные свойства среды, которые не изменяются во времени. Таким образом, для данного OA с однородно уширенным спектром коэффициент усиления на любой длине волны определяется значением n₂, которое, в свою очередь, зависит от вводимой накачки и спектра мощности входного сигнала. Усиление (спектр) при фиксированном значении n₂ известно как фиксированное (инверсионное) (LI) усиление (спектр). В уравнении (1) предполагается, что заполнены только основное (квантовое) состояние и метастабильное состояние активных центров. Это является разумным допущением для многих реальных усилительных сред. Если возможно существенное заполнение других уровней, то необходимо ввести дополнительную степень свободы. Эта дополнительная степень свободы не изменит значительно однородный характер усиления, и представленные здесь основные результаты останутся действительными.

Хотя в приведенном выше описании подразумевалось, что потери изменяются и что α и g^* являются константами, специалисты поймут, что описанный пример будет также устойчив к вариациям α и g^*, например, под влиянием изменений температуры. Из уравнений (6) и (7), приведенных ниже, очевидно, что α и g^* могут также изменяться на некоторую величину, без того чтобы либо G_2.1 или G_1.2, стали меньше нуля.

В этом описании полагается, что n₂ не зависит от длины волны. Это является нормальным допущением для реальных EDFA, если усиливающие ионы эрбия удерживаются в сердечнике одномодового волокна. Неоднородность, которую можно ввести с помощью n₂, зависящей от длины волны, как и все другие неоднородности, повышает качество MAPC.

Следовательно, при n₂, не зависящей от длины волны, из уравнения (1) вытекает, что для заданного значения коэффициента усиления сигнала на одной длине волны на другой длине волны возможно только одно, зависящее от длины волны, значение коэффициента усиления. Такой коэффициент усиления может быть выше или ниже, чем коэффициент усиления на первой длине волны, и если коэффициент усиления на первой длине волны зафиксирован, то распределение мощности между каналами не имеет значения. Как следствие этого, MAPC, MAGC и ALTC реализовать невозможно.

Если все OA в линии или сети сделаны из усилительной среды с идентичными спектрами g^*( λ ) и α(λ) , то тогда уравнение (1) можно применить к линии или сети в целом. Таким образом в сети, в которой имеет место усиление в усилительной среде с однородно уширенным спектром одного и того же типа, нельзя реализовать MAPC, MAGC и ALTC.

Из уравнения (1) следует, что коэффициент усиления изменяется с изменением ng согласно выражению:
δG(n₂,λ)/δn₂= [g^*(λ)+α(λ)]L = g_p-p (λ)L... (2)
Следовательно, изменение фиксированного (инверсионного) коэффициента усиления ΔG₁ на одной длине волны λ₁ относится к изменению (LI) коэффициента усиления ΔG₂ на другой длине волны λ₂ согласно выражению:
ΔG₁/ΔG₂= g_p-p(λ₁)/g_p-p(λ₂)... (3)
В случае, если используется несколько различных типов усилительных сред с однородно уширенным спектром, общий коэффициент усиления не может быть описан выражением (1) или одним значением n₂. Тогда вместо этого можно каждой из k различных усилительных сред или типов усилительных сред приписать свой коэффициент усиления. Коэффициент усиления может быть выражен как:

где символы имеют те же самые значения, что и в уравнении (1), кроме того, что добавлен индекс, чтобы различать величины, относящиеся к разным типам усилительных сред. Например, f( λ ) - это общее затухание, в децибелах, для рассматриваемого передающего тракта из возможных здесь фильтров и/или потери из-за естественных помех и т. п. , в децибелах. Из элементарных правил линейной алгебры следует, что уравнение (4) в общем случае допускает произвольные независимые значения коэффициента усиления при наличии k различных длинах волн, коль скоро условие 0<n_2.i<1 выполняется для всех i ∈ [1, k] . Степень возбуждения в усилительной среде определяется мощностью входного сигнала и мощностью накачки. В каскаде из OA эти мощности, в свою очередь, зависят как от самих OA, так и от потерь между ними.

Сердечник в данном примере воплощения изобретения должен обеспечивать автоматическое распределение (перераспределение) коэффициента усиления между различными усилительными средами системы из OA, так чтобы удовлетворять критерию для MAPC и ALTC, не полагаясь на какой-либо непрерывный контроль за мощностью светового излучения или электронное управление некоторыми компонентами.

Такая система будет описана ниже.

На фиг. 2 показан кольцевой лазер на основе EDFA. Два регулируемых узкополосных фильтра 15 и 16 управляют излучаемыми когерентными волнами, и путем настройки аттенюаторов может быть получено когерентное лазерное излучение на одной, двух, либо ни на одной возможной длине волны. На фиг. 3 показан результат прохождения сигнала через комбинацию из фильтров подавления низких частот и аттенюаторов от Y-ветви 14 до Y-ветви 19 на фиг. 2.

Аттенюаторы были настроены так, что когерентное излучение появлялось одновременно на двух длинах волн, причем с примерно одной и той же отводимой мощностью для обеих длин волн. Затем ослабление регулировалось в нескольких аттенюаторах и измерялось изменение отводимой мощности. На фиг. 4-6 показано, как изменялись выходные спектры, когда все аттенюаторы перенастраивались вместе на одинаковую величину. В этом случае оба EDFA построены на усилительной среде одного и того же типа, а именно, на EDF из германосиликата с высоким содержанием алюминия. Длины волн когерентного излучения составляли 1551.8 нм и 1559.8 нм. На фиг. 4 эти мощности примерно равны. На фиг. 5 ослабление во всех аттенюаторах было уменьшено на 3 дБ, что привело к возрастанию мощности на большей длине волны (1559.8 нм), а также существенному уменьшению мощности на меньшей длине волны (1551.8 нм). С другой стороны, на фиг. 6 ослабление во всех аттенюаторах было уменьшено на 2.0 дБ по сравнению с фиг. 4, что привело к противоположным эффектам для этих связанных друг с другом мощностей. На фиг. 7 показан выходной спектр двухволнового кольцевого лазера, полученный наложением спектров на фиг. 4-6.

На фиг. 8 изображены мощности на двух длинах волн в зависимости от изменения ослабления. Ослабление изменялось на одинаковую величину во всех аттенюаторах относительно эталонного положения фиг. 4. Следует заметить, что увеличенные потери в резонаторе сдвигают когерентное излучение (пиковое усиление EDFA) в сторону более коротких волн. Это обычное явление для каскадно соединенных EDFA, построенных на основе одной и той же усилительной среды. Это означает, что когерентное излучение на двух разных длинах волн не может поддерживаться в диапазоне различных значений ослабления между EDFA.

На фиг. 9 показана выходная мощность в зависимости от вариаций ослабления двухволнового кольцевого лазера в случае EDFA, выполненных на основе разных усилительных сред, то есть, EDFA А, выполненного на основе EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия, и EDFA В, выполненного на основе EDF из германосиликата, свободного от алюминия. Кривые на фиг. 9 похожи и даже хуже, чем кривые на фиг. 8.

На фиг. 10 показана выходная мощность для случая, когда длины волн когерентного излучения были изменены до значений 1541.9 нм и 1549.8 нм. Здесь, несмотря на изменение ослабления, когерентное излучение поддерживается на обеих волнах, пока мощности на обеих длинах волн не станут пренебрежимо малы примерно в одно и то же время.

На фиг. 12, полученной в результате наложения графиков на фиг. 8 - 10, показана выходная мощность отведенного светового излучения в зависимости от вариаций ослабления.

На фиг. 13 - 15 показаны некоторые примеры спектров отводимого светового излучения для устройства по фиг. 10. Фиг. 13 показывает результирующий спектр выходной мощности, когда ослабление аттенюаторов перенастраивается так, чтобы получить практически одинаковые мощности на обеих длинах волн. На фиг. 14 ослабление аттенюаторов было уменьшено одинаково, на 3 дБ, а на фиг. 15 оно было увеличено по сравнению с фиг. 13 на 3 дБ. Хотя когерентное излучение на фиг. 15 практически прекратилось, ничто не указывает на то, что когерентное излучение будет прекращено при более низких уровнях ослабления, как это имеет место на фиг. 8 и 9. Это является новым и неожиданным результатом.

На фиг. 11 показан результат поддержания излучения одних и тех же длин волн, что и на фиг. 10 и 13 - 15, на основе использования двух EDF с высоким содержанием алюминия. По сравнению с фиг. 8 наблюдается улучшение, хотя оно и не такое значительное, как на фиг. 10.

На фиг. 16 показан выходной спектр двухволнового кольцевого лазера с вариациями затухания 1.0 и 2.0 дБ во всех аттенюаторах устройств, соответствующих фиг. 13 - 15.

Таким образом, можно сделать вывод, что для устройства на фиг. 10 и для фиг. 13 - 16 мощность на обеих длинах волн остается примерно той же самой, если затухание между усилителями изменяется на обеих длинах волн на равные величины. Это устройство демонстрирует новый подход в получении указанного важного свойства.

Чтобы выяснить, что случится, если затухание изменится только на одной длине волны, были сняты кривые на фиг. 17 при тех же самых условиях, что и на фиг. 8, за исключением того, что здесь перенастраивался только один аттенюатор путем воздействия на затухание только на одной из двух длин волн когерентного излучения. На обеих длинах волн в диапазоне затухания 1 дБ поддерживалась значительная мощность. Фиг. 18, соответствующая фиг. 9, не показывает улучшения по сравнению с фиг. 17. Однако на фиг. 19, соответствующей фиг. 10, видно значительное улучшение, заключающееся в том, что диапазон затуханий, для которого имеет место генерирование когерентного излучения на обеих длинах волн, примерно в два раза больше, чем на фиг. 17 и 18. Как и на фиг. 7, схема чередующихся EDFA с длинами волн 1541.9 нм и 1549.8 нм демонстрирует значительное лучшие характеристики. Фиг. 20 соответствует фиг. 11, и здесь опять сдвиг длин волн показывает улучшение, но не такое значительное, как на фиг. 19.

И наконец, были использованы те же самые комбинации EDFA, что и в устройствах согласно фиг. 9, 10, 18 и 19, но на длинах волн 1529.4 нм и 1536.2 нм. Это подразумевает, что при одной длине волны максимальное значение качания усиления было практически достигнуто в одном EDF, в то время как на другой длине волны пиковое значение качания усиления было практически достигнуто в другом EDF. Таким образом, как показано на фиг. 21, теперь можно наблюдать значительное улучшение. Хотя в одном канале ослабление изменялось на 8 дБ, мощности когерентного излучения изменились не более чем на 9 дБ. Это новый и неожиданный результат для усилительной среды с однородно уширенным спектром, который явно демонстрирует возможности данного устройства компенсировать потери, зависящие от длины волны.

Следует отметить, что сводное изображение на фиг. 22 показывает результаты непосредственного измерения с ростом затухания (G_2.1 определен ниже в связи с уравнением (5)) (см. в конце описания).

На фиг. 23 - 25 показан ряд выходных спектров устройства, соответствующего фиг. 21, когда используются различные настройки аттенюаторов.

В итоге можно сделать вывод о том, что нечувствительность двухволнового когерентного излучения к потерям в резонаторе может быть значительно улучшена путем использования двух EDFA на основе EDF различных типов и сильно зависит от выбора длин волн.

Теперь будет описан способ, которому необходимо следовать при построении OA в случае двухволнового когерентного излучения с двумя различными усилительными средами. В этом примере каждый OA строится с использованием усилительной среды только одного типа. На фиг. 2 показан пример такой системы, причем потери между усилителями могут иметь любой спектральный вид. Полагается, что система может генерировать когерентное излучение либо на одной, либо на двух, либо ни на одной из двух рассматриваемых длин волн и создавать условия, при которых система должна генерировать когерентное излучение на обеих длинах волн. Для подавления мощности на других длинах волн может понадобиться фильтрация, что обеспечит отсутствие генерирования системой когерентного излучения на этих длинах волн.

Если усиление слабого сигнала в усилительной среде достаточно велико, чтобы компенсировать потери на обеих длинах волн, то превышается порог генерации, и лазер будет выдавать когерентное излучение, по меньшей мере, на одной длине волны, а возможно и на обеих. Предполагается, что лазер когерентно излучает только на λ₁ . Хотелось бы определить резонаторы, для которых это состояние не является стабильным. Это будет в случае, если усиление на λ₂ выше, чем потери. Таким образом определены резонаторы, в которых когерентное излучение, генерируемое только на λ₁, означает, что усиление на λ₂ превышает порог генерации когерентного излучения, и наоборот. Используя уравнение (1) с f(λ), представляющей все дополнительные потери от выхода одного OA до выхода следующего OA, степень возбуждения n₂ может быть получена отдельно в двух OA следующим образом:
nA,B2

= (fA,B1+αA,B1L^A,B+GA,B1,1)/L^A,Bg_p-p,1^A,B... (5)
где индекс "1" указывает на величину, относящуюся к λ₁ . Здесь G_1.1 ^A(B) - общий коэффициент усиления в дБ от выхода OA B(A) до выхода OA A(B). Следовательно, G_1.1 ^A обозначает разность выходных мощностей в дБм между OA A и OA B. Эта разность может считаться небольшой для усилителей, работающих в режиме насыщения, в типичном случае одинаковой мощности накачки для обеих усилительных сред. Более того, поскольку полагается, что лазер когерентно излучает на λ₁ , то G_1.1 ^A должен быть равен -G_1.1 ^B, для того чтобы усиление было равно потерям на λ₁ .

Здесь "дополнительные потери" означает все потери, которые не включены в резонансное Er³⁺ поглощение αL.

Предположив, что когерентное излучение происходит на λ₁, коэффициент усиления резонатора G_2.1 на λ₂ в двух каскадно соединенных OA можно определить как:

Здесь, если G_2.1>0, то световое излучение на λ₂ будет усилено, а предположение о когерентном излучении только на λ₁ следует отменить. Затем предположим, что вместо этого лазер когерентно излучает только на λ₂.
Коэффициент обратной связи G_1.2 на λ₁ определяется как

Здесь, если также G_1.2>0, то когерентное световое излучение на λ₁ будет усиливаться, а предположение о когерентном излучении только на λ₂ также дает нестабильное решение. Таким образом, очевидно, что лазер должен излучать на обеих длинах волн. Ясно, что для того, чтобы происходило когерентное излучение, оба уравнения (6) и (7) должны приводить к результату больше 0 для обеих длин волн.

Ниже следует описание того, как можно достичь больших значений G_1.2 и G_2.1. Из уравнений следует, что для резонатора, у которого G_1.2 и G_2.1 большие, другие параметры (потери) могут существенно варьироваться, при этом ни G_1.2, ни G_2.1 не становятся отрицательными, в случае, когда когерентное излучение будет генерироваться только на одной волне. Далее рассмотрим ряд способов, с помощью которых можно увеличить G_1.2 и G_2.1.

1. Для одной усилительной среды поглощение а на одной длине волны должно быть больше, если качание усиления на ней меньше, чем на другой длине волны. Кроме того, в этом случае длина L должна быть больше. В противном случае, с этой точки зрения длина L должна быть меньше.

2. Потери f до и внутри OA должны быть больше там, где g_р-р меньше. Этого можно добиться, используя фильтрацию. Это означает, что для получения усиления, имеющего пики в различных усилителях, следует использовать фильтры, вместо того, чтобы иметь равномерный коэффициент усиления в каждом отдельном усилителе. Пики в разных OA должны появляться на разных длинах волн.

3. Если лазер выполнен для генерирования когерентного излучения только на одной длине волны, например, путем блокирования светового излучения на другой длине волны, коэффициент усиления на длине волны когерентного излучения должен возрасти в том OA, для которого g_р-рlasingr(генерация)/g_р-рblocked (блокирование)велико (по сравнению с другим OA) и значит уменьшится в другом OA. Другими словами, усиление должно быть перераспределено на тот OA, у которого качание
усиления относительно мало на длине волны когерентного излучения. Математически это может быть выражено так, что в уравнении (6) слагаемое

должно быть как можно больше. (Эквивалентное выражение в уравнении (7) также должно быть как можно больше). Однако для многих конструкций усилителей эта величина будет отрицательной. В этих случаях конструкция усилителя может быть видоизменена так, чтобы получить так называемый оптический усилитель-ограничитель (OLA) путем ослабления сигналов на пути к усилителю. Таким образом OLA могут быть использованы при коррекции мощности сигнала, вызванной нелинейным искажением.

4. Другой очень простой способ выравнивания коэффициентов усиления между различными типами OA, когда имеется только один сигнал, состоит в последовательном соединении нескольких OA одного типа, за которыми следует несколько OA другого типа. Как уже упоминалось, величина
G_1.1 ^A(g_р-р.2 ^A/g_р-р.1 ^A - g_р-р.2 ^B/g_р-р.1 ^B)
будет отрицательной для многих усилительных каскадов. Если такие усилители соединены в каскад с периодом, скажем, десять усилителей вместо периода из двух усилителей (OA A - OA B - OA A - OA B . . . последовательность), разница между коэффициентами усиления G_1.1 ^A станет значительно меньше в каждом усилителе, поскольку теперь эта разность становится равной разности выходных мощностей, деленной на пять.

5. Спектры усилительных сред должны удовлетворять следующему неравенству
(g_р-р.2 ^A - g_р-р.1 ^A)(g_р-р.2 ^B - g_р-р.1 ^B) < 0 . . . (8)
Если неравенство (8) удовлетворяется, то легко оптимизировать одновременно G_1.2 и G_2.1. Очень важный момент состоит в том, что если g_р-р.2 ^A/g_р-р.1 ^A = g_р-р.1 ^B/g_р-р.2 ^B), тогда потери между усилителями, независящие от длины волны, могут изменяться на большую (но равную) величину, без того чтобы результаты выражений (6) или (7) стали отрицательными. Следовательно, усилительная среда должна выбираться так, чтобы для каждой длины волны качание усиления было больше в одной усилительной среде и меньше в другой усилительной среде по сравнению с качаниями усиления на других длинах волн.

1) Один способ достижения этого состоит в выборе одной длины волны близко с качанием пикового усиления в одной усилительной среде, а другой длины волны - близко с качанием пикового усиления в другой среде.

2) При использовании EDFA желательно работать со стороны длинной волны пикового усиления малого сигнала. Здесь качание усиления постоянно уменьшается с ростом длины волны в большинстве типов EDF. Однако это не так для EDF из германосиликата; он имеет второй пик качания на 1550 нм. Между, скажем, 1542 нм и 1550 нм качание усиления возрастает с ростом длины волны. Следовательно, неравенство (8) может быть удовлетворено, если длины волн лежат, скажем, внутри диапазона от 1540 нм до 1552 нм и один из EDF выполнен из германосиликата. Другой усилительной средой может быть, например, EDF из алюмогерманосиликата с высоким содержанием алюминия или EDF, легированное фосфором.

3) Обычно OA на активной кристаллической основе имеют спектр с пиками, который может оказаться подходящим для MAPC. Если один сигнал совпадает с пиком, а другой сигнал попадает между пиками, а в другой усилительной среде преобладает противоположная ситуация, то коэффициенты усиления на двух длинах волн в значительной степени потеряют связь друг с другом. Острый характер пиков позволяет использовать много разных активных основ с множеством разных, несовпадающих пиков.

В вышеуказанных рассуждениях было сделано предположение, что во всех типах OA мощность накачки была одинакова. Однако это не является обязательным. В разных типах EDFA могут быть использованы различные мощности накачки. В этом случае G_1.1 ^A, G_1.1 ^B, G_2.2 ^A и G_2.2 ^B теперь не будут малыми, так как выходная мощность насыщения сильно зависит (в дБм, приблизительно линейно) от мощности накачки. Если разница в мощностях насыщения подобрана должным образом, то приведенный выше анализ может быть использован также и в этом случае. В действительности, в расчете, который оптимизирует уравнения (6) и (7), выходные мощности насыщения, а также мощности накачки OA с большой вероятностью будут разными. Для простоты в любом случае полагается, что мощности насыщения равны.

А теперь будет описана передача с высоким уровнем потерь, а именно передача на большие расстояния с WDM. Для WDM передачи, где потери в тракте передачи высоки, необходимо каскадное соединение множества OA для компенсации этих потерь. Для того чтобы поддерживать уровень мощности сигналов, усиление должно точно компенсировать потери как и для кольцевого лазера, описанного выше. Следовательно, способы, используемые для достижения устойчивого многоволнового когерентного излучения, можно применить также и для WDM передачи. Тогда OA на фиг. 1 повторяется с некоторой периодичностью. Если используются разные типы OA, они могут быть вставлены в тракт передачи, чередуясь некоторым образом. Например, кольцевой лазер на фиг. 2 может быть "вскрыт" в произвольной точке. Затем получившийся так называемый последовательный элемент (CE) может быть последовательно включен в линию передачи. Тогда некоторые либо все затухания, обеспечиваемые аттенюаторами, могут быть заменены затуханием в передающем волокне.

Кроме вопросов, рассмотренных в связи с лазером, необходимо рассмотреть ряд других моментов. Прежде всего разности мощностей сигналов в системе могут возрастать, поскольку сигналы на пути в системе включаются и выключаются либо вводятся сигналы с разными мощностями. Неравные мощности приводят к малому значению отношения сигнал-шум (SNR) в каналах с низкой мощностью, а это нежелательно. Следовательно, мощности сигналов необходимо выровнять. Величина выравнивания мощности для пары усилительных сред определяется непосредственно уравнениями (6) и (7), если мощность сигнала в слабом канале настолько мала, что она не вызывает насыщение в усилителях, а мощность сигнала на другой длине волны достаточно велика, чтобы обеспечить усиление в устройстве с двумя усилительными средами на этой длине волны.

Кроме того, при передаче сигнала уровень шума должен быть низким. Далее, хотя распространение сигналов в каскаде из OA имеет сходство с многократным прохождением сигналов по замкнутому контуру в кольцевом лазере, OA и промежуточные потери теперь не должны носить точно периодический характер. Тем не менее, полагаем, что система абсолютно периодическая. Следовательно, критерий конструкции для кольцевого лазера может быть также использован и в этом случае. Хотя отклонение от периодических схем вносит возмущение в мощность сигнала, MAPC или ALTC при вышеуказанной технологии справляются с этим возмущением. В любом случае шум увеличивается.

Даже в случае с точно периодической схемой SNR возрастет по сравнению с передачей на одной длине волны. SNR обычно определяется преимущественно входными мощностями в OA. Прежде всего, положим, что общая мощность сигналов ограничена и эта мощность должна быть распределена, скажем, по двум каналам в случае WDM. Это уменьшает мощность сигнала на канал на 3 дБ и SNR примерно на ту же величину. Кроме того, SNR ухудшается еще больше, если мощности сигналов неравномерно распределены между каналами. Это будет случай, когда мощности каналов отличаются на некоторую постоянную величину вдоль передающего тракта, и если мощность сигнала варьируется между каналами.

И, наконец, в OA до некоторой степени может возрасти дополнительный шум. Здесь WDM передача выдвигает некоторые дополнительные требования к OA, поскольку степень свободы конструкции усилителя отчасти уменьшается. Это может привести к более высокому уровню дополнительного шума, чем в случае с одноволновой передачей. Тем не менее, для подавления шума можно использовать ряд известных методов, включая уменьшение расстояния, а значит уменьшение потерь между усилителями.

Теперь последует описание того, каким образом можно поддерживать вариации мощности на минимальном уровне.

Предварительно путем перераспределения коэффициента усиления между OA, когда один канал начал замирать, было обеспечено двухволновое когерентное излучение. В случае только с одним каналом коэффициент усиления в обоих OA стал примерно одинаковым на длине волны оставшегося сильного канала (G_1.1 ^A, G_1.1 ^B, G_2.2 ^A и G_2.2 ^B все были малы). Поскольку перераспределение сделало коэффициенты усиления равными, то коэффициенты усиления при нормальных рабочих условиях, когда нет замирания в канале, должны стать разными. Это, в свою очередь, означает, что для данного канала при нормальных рабочих условиях выходные мощности OA должны отличаться у OA типа A и OA типа B. При заданных минимальных потерях между усилителями это означает, что входная мощность у одного OA ниже, чем это могло быть в противном случае. Это приводит к уменьшению SNR.

Было бы гораздо лучше, если бы коэффициент усиления был одним и тем же у обоих типов усилителей и на обеих длинах волн. Однако тогда не было бы перераспределения коэффициента усиления при замирании сигнала, поскольку преобладает обычная ситуация почти равных коэффициентов усиления у OA, когда имеется только один сигнал. OLA дают способ отбросить обычное правило: при замирании одного сигнала (сигнал пренебрежимо мал) и, следовательно, при наличии только одного оставшегося сильного сигнала, большая входная мощность приводит к меньшей выходной мощности в одном OA (скажем, в A), где проявляется существенное ограничение, а при противоположной ситуации это происходит в OA B. Следовательно, OLA при неравных коэффициентах усиления у OA дает возможность развивать работу доминирующего канала, и, следовательно, OLA дают возможность осуществить необходимое распределение коэффициента усиления между OA при нормальных рабочих условиях.

Однако имеется два недостатка, связанных с OLA: прежде всего колебательный характер коэффициента усиления в случае только c одним сигналом делает линию более "шумной", чем в противном случае. По той же причине, когда один канал ослабевает, то оба канала становятся более "шумными", чем было бы в противном случае. Вдобавок использование OLA означает дополнительные потери, вводимые в OA. Таким образом в OLA теряется большое количество мощности. Более низкие уровни мощности приводят к системам с большим шумом.

Ясно, что перераспределение коэффициента усиления между усилителями с необходимостью предполагает, что в линии уровень шума больше, чем это необходимо при некоторых рабочих условиях. С этой точки зрения, было бы лучше, если коэффициент усиления перераспределялся между разными усилительными средами внутри каждого усилителя. Таким образом, использование здесь OA, где каждый из OA состоит из усилительных сред по меньшей мере двух типов (так называемые гибридные OA), может иметь преимущество. Как вариант, усилительная среда может быть скомбинирована различными способами для получения по меньшей мере двух различных OA. Как возможный вариант, OA можно соединить в каскад, чередуя разные OA.

В литературе описано много примеров гибридных EDFA. Однако, за исключением некоторых способов электронного управления, которое, например, изменяет коэффициент усиления в различных усилительных средах путем изменения их энергии накачки, в этих устройствах не показано применение MAPC/MAGC. Кроме того, они были разработаны не в соответствии с данным описанием, так что применение в них MAPC/MAGC и не ожидалось.

Выше приведено описание MAPC для случая, когда имеется как множество длин волн, так и множество усилительных сред. Уравнение (4) дает хорошее объяснение того, почему коэффициент усиления согласно уравнению (4) не может изменяться независимо, когда длин волн больше, чем усилительных сред. Иметь один подходящий тип усилительной среды для каждой длины волны и комбинировать их в линии для стабильной WDM передачи или генерирования когерентного излучения в оптическом диапазоне весьма затруднительно при росте числа длин волн. Однако даже, например, с двумя усилительными средами многоволновая передача или генерирование когерентного излучения может дать выигрыш при описанной схеме. Хотя уравнение (4) не дает возможность, чтобы коэффициент усиления полностью скомпенсировал потери на всех длинах волн, расхождение между усилением и потерями может стать меньше, чем они были бы при передаче согласно известным схемам. Например, потери, которые изменяются от длины волны с некоторым постоянным коэффициентом на всем диапазоне длин волн (постоянное отклонение потерь), могут быть полностью скомпенсированы для всех длин волн в этом диапазоне с помощью усилительной среды, в которой коэффициент усиления изменяется с изменением длины волны с некоторым постоянным коэффициентом (постоянное отклонение усиления). Раскрытые здесь OA могут компенсировать потери, даже если зависимость потерь от длины волны изменяется. По той или иной причине отклонение потерь может отдалиться от значения, принятого при разработке системы. В традиционных каскадах из OA с однородно уширенным спектром это приведет к нарушению требуемого соответствия "усиление - потери" в указанном диапазоне длин волн, так что этот диапазон нельзя будет использовать для WDM передачи. В отличие от известных OA, построенных на основе усилительных сред с однородно уширенным спектром, описываемые здесь OA могут автоматически регулировать свое (полное) отклонение усиления, компенсируя любые вариации отклонения потерь. Заявитель назвал это свойство "автоматическая компенсация отклонения потерь" (ALTC).

Следовательно, согласно предпочтительным вариантам воплощения настоящего изобретения оптический усилитель или каскад на их основе может осуществлять автоматическое управление мощностью и усилением на множестве волн без использования каких-либо внешних электронных схем и автоматическую компенсацию отклонения потерь.

Для иллюстрации этого положения рассматривается еще один пример на фиг. 27. На ней изображена длинная многоволновая линия передачи с оптическим усилением. Множество сигналов подаются в линию, которая состоит всего из 300 EDFA, перед каждым из которых имеется отрезок передающего волокна. В каждый EDFA включен оптический вентиль, препятствующий прохождению света на предшествующий EDFA. Кроме того перед EDFA имеются узкополосные фильтры и фильтры выравнивания усиления. EDFA либо идентичны (построены на основе EDF из алюмосиликата, не содержащего германий), либо каждый второй EDFA построен на основе EDF из германосиликата, в то время как EDF из алюмосиликата используется в других EDFA. В линии передачи в точности повторяется каждый или каждый второй EDFA. Мы делим эту линию на последовательные элементы (CE), так что CE начинается на выходе одного EDFA и заканчивается на выходе следующего EDFA. Следовательно, каскад состоит из 150 CE, каждый из которых содержит два отрезка передающего волокна, два EDFA и несколько фильтров. Подобным же образом разделяется каждый CE на два суб-CE, каждый из которых состоит из отрезка передающего волокна и, возможно, фильтров, за которыми следует EDFA.

Рассмотрим три возможные конфигурации согласно таблице ALTC1. .

Здесь система A - типичная, без чередования, известная система. Система B - это система из чередующихся EDFA, но которая не приводит к положительным значениям уравнений (6) и (7) одновременно для двух длин волн в диапазоне длин волн, передаваемых каскадом. В частности, это не позволяет удовлетворить уравнение (8). И, наконец, система C представляет собой каскад чередующихся EDFA, предложенного здесь типа. Она удовлетворяет уравнению (8) для пар длин волн в передаваемом диапазоне длин волн. Все системы разработаны для потерь в линии 10 дБ без какого-либо отклонения потерь в линии. Во всех случаях мощность сигнала, вводимого в каскад, составляла 0.2 мВт на канал. Разнесение каналов составляло 50 ГГц. В зависимости от ширины полосы используемых узкополосных фильтров общая мощность входного сигнала составляла 3 мВт или 3.2 мВт (15 каналов для систем A и B, 16 каналов для системы C).

На фиг. 28 показаны результаты моделирования, демонстрирующие, как SNR при приеме оптического сигнала для самого шумящего из 15 или 16 каналов зависит от отклонения потерь в линии для систем B и C. (Система A функционирует подобно системе B). Часть потерь в линии, не зависящая от длины волны, составляет 10 дБ. Для системы B на фиг. 28 показано, что ухудшение SNR самого плохого канала, которое вызывается изменением отклонения потерь, меньше 10 дБ в диапазоне отклонений потерь только 0.028 дБ/нм. Для систем C этот диапазон составляет 0.053 дБ/нм, то есть, почти в два раза больше. Кроме того, результаты в системе C могут быть еще улучшены путем реализации нижеприведенного пункта 2 (после формулы (7)) в том виде, который является подходящим для ALTC. Здесь это называется "смещение отклонения потерь". В частности, на фиг. 28 показано, что диапазон отклонений потерь, для которого ухудшение самого плохого канала меньше 10 дБ, может быть с помощью смещения отклонения потерь доведен до 0.88 дБ/нм. Это дает трехкратное улучшение для системы B.

На фиг. 29 показана зависимость SNR самого плохого канала от изменений потерь в линии, не зависящих от длины волны. Качественные различия между системой C и системами A и B очевидны: хотя SNR самого плохого канала первой системы затухает медленно с ростом потерь в линии, имеется быстрое уменьшение SNR для систем А и В, когда потери в линии уходят от расчетного значения 10 дБ. Это подтверждает нижеприведенные пункты 1, 2, 3 после формулы (7).

Выводы
Известный каскад (система A) очень чувствителен как к изменениям потерь в линии, не зависящим от длины волны, так и к изменениям отклонения потерь.

Каскад чередующихся EDFA недостаточен для получения ALTC (сравните с системой B); потребуются также описанные здесь дополнительные меры (система C без или специально со смещением отклонения помех).

Поскольку OLA обеспечивают важные возможности и преимущества, опишем теперь ряд примеров со ссылками на фиг. 27-31. Преимущество OLA заключается в том, что они осуществляют перераспределение усиления между усилительными средами более благоприятным образом, чем это делается в других случаях.

На фиг. 30 показана зависимость выходной мощности от входной мощности для типичного OA и оптического усилителя- ограничителя (OLA). Для OLA выходная мощность может уменьшаться с ростом входной мощности в некотором диапазоне. Для обычного OA выходная мощность всегда возрастает с ростом входной мощности.

На фиг. 31 показана двухволновая передача в каскаде из чередующихся OA обычного, не OLA, типа. На фиг. 31 рассмотрена работа в нормальных условиях. Для канала 1 (сплошная линия) коэффициент усиления в OA B намного больше, чем в OA A (а для канала 2 - наоборот). Однако для обоих каналов минимальная мощность составляет меньше половины от общей минимальной мощности. Эта излишне низкая минимальная канальная мощность ухудшает отношение сигнал-шум по сравнению с идеальной ситуацией, изображенной на фиг. 33.

На фиг. 32 показана двухволновая передача в каскаде из чередующихся OA обычного, не OLA, типа. На фиг. 32 изображена возмущенная работа, в одном канале (# 2) по какой-то причине ослаб сигнал. Теперь, поскольку выходные мощности OA A и OA B подобны, коэффициент усиления канала 1 примерно одинаков для двух разных типов OA. Следовательно, коэффициент усиления был перераспределен от OA B к OA A без изменения общего коэффициента усиления в канале 1 (его мощность постоянна на периоде из двух OA каскада). Предположим, что это перераспределение составляет 2 дБ. Также приблизительно изображена мощность канала 2. При соответствующих характеристиках качания усиления на двух длинах волн в двух OA перераспределение усиления приводит, скажем, к возрастанию на 2.5 дБ коэффициента усиления канала 2 в OA B, но только на, скажем, 1.8 дБ уменьшения коэффициента усиления канала 2 в OA A. Следовательно, мощность в канале 2 возрастает, как это показано на фиг. 32.

На фиг. 33 показана двухволновая передача в каскаде из чередующихся OLA, где изображена нормальная работа, когда коэффициенты усиления одинаковы в обоих OA и на обоих каналах. Следовательно, общая мощность всегда может быть разделена поровну между каналами, что является наилучшей ситуацией с точки зрения отношения сигнал-шум.

На фиг. 34 показана двухволновая передача в каскаде чередующихся OLA, где изображена работа при возмущении, когда сигнал в одном канале (# 2) по какой-то причине ослаб. Характеристики OLA (фиг. 30) приводят к перераспределению коэффициента усиления в доминирующем по мощности канале 1 от OA B к OA A, которое, как и для фиг. 32, приводит к усредненному коэффициенту усиления в канале 2 с дефицитом мощности. С точки зрения SNR преимущество OLA заключается в том, что SNR максимизируется при нормальных условиях работы. Небольшой недостаток состоит в том, что в каскаде уровень шума становится больше, чем необходимо, при ненормальных условиях, как на этой фигуре. Это является результатом низкой выходной мощности OA B, когда входная мощность канала 1 становится выше. (Здесь также полагается, что OA B преимущественно ограничивает канал 1, а OA A преимущественно ограничивает канал 2. Такое ограничение, зависящее от канала (на самом деле от длины волны), легко реализуется на практике).

Необходимо отметить, что в общем случае конструкции и процедуры, приспособленные или предложенные здесь для передачи дискретных волн, могут быть приспособлены для передачи во всем диапазоне частот конкретного волнового диапазона. Также в общем случае конструкции и процедуры, приспособленные или предложенные здесь для многоволновой передачи, могут быть легко приспособлены для использования в многоволновых лазерах.

В этом описании слово "содержит" имеет обычный словарный смысл, обозначая не исключающее (другие элементы) вхождение. То есть, использование слова "содержит", (либо любого производного от него слова) для включения в описание одного или более признаков не исключает возможности включения еще и других признаков.

Cледует обратить внимание на все публикации и документы, поданные вместе с данным описанием или ранее в связи с данной заявкой, которые открыты для всеобщего ознакомления вместе с этим описанием; содержимое всех таких публикаций и документов включено сюда по ссылке.

Все признаки, раскрытые в этом описании (включая любые пункты прилагаемой формулы изобретения, реферат и чертежи), и/или все шаги любого способа или процесса, раскрытые таким образом, можно сочетать в любой комбинации за исключением комбинаций, в которых по меньшей мере несколько из таких признаков и/или шагов взаимно исключают друг друга.

Каждый признак, раскрытый в этом описании (включая любые пункты прилагаемой формулы изобретения, реферат и чертежи), может быть заменен альтернативными признаками, играющими ту же, эквивалентную или подобную роль, если они не устанавливают что-либо иное. Таким образом, если он не устанавливает что-либо иное, каждый раскрытый здесь признак является лишь примером основополагающего ряда эквивалентных или подобных признаков.

Изобретение не ограничивается подробностями предшествующих варианта(ов) воплощения. Изобретение распространяется на любой новый признак или любую новую комбинацию признаков, раскрытых в этом описании (включая любые пункты прилагаемой формулы изобретения, реферат и чертежи), и на любой новый шаг или любую новую комбинацию шагов любого раскрытого здесь способа или процесса.

Изобретение относится к технике оптической связи. Технический результат состоит в получении и существенном увеличении степени автоматического управления мощностью (АРС) многоволнового АРС (МАРС) и многоволнового автоматического управления усилением (МАGС) для по меньшей мере двух длин волн. Многоволновый многоступенчатый оптический усилитель или оптический каскад имеет по меньшей мере две усилительные среды (GM) с разными спектрами, то есть первую и вторую GM, соединенные последовательно, для усиления сигнала, имеющего по меньшей мере две длины волны, то есть первую и вторую длину волны. Первая GM может представлять собой оптическое волокно, легированное эрбий-алюмосиликатом, вторая GM может быть оптическим волокном, легированным эрбий-германосиликатом, причем коэффициент усиления на первой длине волны меньше, чем коэффициент усиления на второй длине волны, в то время когда мощность сигнала на первой длине волны больше, чем мощность сигнала на второй длине волны, и наоборот. 16 з. п. ф-лы, 2 табл. , 34 ил.

1. Оптическая усилительная система, содержащая множество отрезков оптического волокна, соединенных последовательно и установленных для усиления сигнала с множеством длин волн, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из указанных отрезков оптического волокна выполнены с возможностью работы в режиме насыщения, при этом разные отрезки оптического волокна отличаются по спектрам и взаимодействуют с разными длинами волн таким образом, что в случае отклонения мощностей сигналов от равновесного распределения по длинам волн оптическая усилительная система выполнена с возможностью возвращения мощностей сигналов к уровням равновесного распределения. 2. Оптическая усилительная система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит один оптический усилитель, в котором указанное множество отрезков оптического волокна соединено последовательно. 3. Оптическая усилительная система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит множество оптических усилителей, соединенных последовательно, причем каждый оптический усилитель имеет по меньшей мере один из указанных множества отрезков оптического волокна,
4. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что один отрезок оптического волокна является волокном, легированным эрбием. 5. Оптическая усилительная система по п. 4, отличающаяся тем, что один отрезок оптического волокна выполнен из волокна, легированного эрбий-алюмосиликатом. 6. Оптическая усилительная система по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что один из отрезков оптического волокна выполнен из волокна, легированного эрбий-германосиликатом. 7. Оптическая усилительная система по одному из пп. 4-6, отличающаяся тем, что один из отрезков оптического волокна выполнен из волокна, легированного эрбий-фосфосиликатом или эрбий-алюмофосфосиликатом. 8. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-7, отличающаяся тем, что для одного отрезка оптического волокна колебание коэффициента усиления на первой длине волны больше, чем колебание коэффициента усиления на второй длине волны, в то время как для другого отрезка оптического волокна действительно противоположное. 9. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-8, отличающаяся тем, что первый и второй отрезки оптического волокна соединены последовательно и чередуются. 10. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-9, отличающаяся тем, что установлена для многоволновой передачи в диапазоне длин волн, в котором первый и второй отрезки оптического волокна взаимодействуют прежде всего с длинами волн на противоположных концах диапазона длин волн. 11. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-10, отличающаяся тем, что отрезок оптического волокна имеет однородно уширенный спектр. 12. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-11, отличающаяся тем, что содержит оптический усилитель-ограничитель для компенсации мощности сигнала, наведенного нелинейным искажением. 13. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-12, отличающаяся тем, что включает фильтры для обеспечения разных характеристик усиления в различных отрезках оптического волокна, таким образом, что соответствующие потери, связанные с каждым из этих отрезков оптического волокна, больше на тех длинах волн, где соответствующее колебание коэффициента усиления меньше. 14. Оптическая усилительная система по одному из пп. 1-13, отличающаяся тем, что спектральные зависимости колебаний коэффициента усиления в разных отрезках оптического волокна практически подавляют друг друга на предварительно определенной длине волны или в диапазоне длин волн. 15. Оптическая усилительная система по п. 14, отличающаяся тем, что один из отрезков оптического волокна является волокном, легированным эрбий-германосиликатом с малым содержанием или отсутствием алюминия так, что колебание коэффициента усиления g_p-p возрастает с увеличением длины волны в диапазоне от 1543 до 1549 нм, а колебание по меньшей мере в одном другом отрезке оптического волокна уменьшается в том же диапазоне. 16. Оптическая усилительная система по п. 14 или 15, отличающаяся тем, что предназначена для передачи длин волн в диапазоне от 1540 до 1552 нм. 17. Оптическая усилительная система по одному из пп. 14-16, отличающаяся тем, что указанный другой отрезок оптического волокна выбирается из группы, содержащей волокно, легированное эрбий-алюмогерманосиликатом с высоким содержанием алюминия, волокно, легированное эрбий-силикатом, легированным фосфором и волокно, легированное эрбий-фосфатом.