Это изобретение относится к оптическим усилителям и, в частности, к управлению работой оптических усилителей, используемых в волоконно-оптических системах передачи. Более конкретно, изобретение относится к оптическим усилителям, в которых существует проблема дифференциального усиления сигнала, и к системе передачи со спектральным уплотнением, имеющей множество таких оптических усилителей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. Оптические усилители
Основными элементами системы связи являются передатчик, приемник и передающая среда. Сегодня оптические волокна являются распространенной средой для передачи сигналов речи, видеосигналов и сигналов данных на большие расстояния. Хотя современные волокна имеют очень низкие потери на единицу длины, длинные волоконные участки, например междугородные кабели, требуют периодического усиления передаваемого сигнала для обеспечения качественного приема в приемнике.
Для удовлетворения этой потребности были разработаны волоконные усилители, легированные эрбием. Такие усилители состоят из оптического волокна длиной, например, от 5 до 30 метров, легированного эрбием. Квантомеханическая структура ионов эрбия в стеклянной матрице допускает вынужденное излучение в диапазоне примерно от 1500 до 1600 нм, который является одним из диапазонов, в котором волоконно-оптические волноводы, изготовленные из диоксида кремния, имеют малые потери. В результате такого вынужденного излучения слабый входной сигнал при прохождении через волоконный усилитель может усиливаться более чем в сотни раз.
Для достижения такого вынужденного излучения ионы эрбия нужно подвергнуть накачке с переводом их в возбужденное электронное состояние. Такая накачка может происходить в различных полосах накачки, наиболее эффективные из которых имеют центральные длины волн около 980 нм и 1480 нм. Эффективные полупроводниковые лазерные источники имеются для обеих этих полос накачки. Как и следовало ожидать, каждая из этих полос имеет свои преимущества. Так, полоса 980 нм обеспечивает меньшие шумы в усиленном сигнале, а полоса 1480 нм обеспечивает более низкие потери распространения для света накачки, что важно при дистанционной накачке.
Хотя вынужденное излучение происходит во всем диапазоне от 1500 до 1600 нм, усиление в этом диапазоне не является равномерным. Эти изменения коэффициента усиления создают проблемы в системах с мультиплексированием (уплотнением), где для одновременной передачи нескольких сигналов вдоль оптического волокна используется группа длин волн. Такое мультиплексирование имеет большую коммерческую ценность, так как оно позволяет значительно увеличить пропускную способность волокна. Действительно, в настоящее время в области связи приоритетной является экономически эффективная модернизация существующих одноволновых систем передачи для их преобразования в многоволновые среды для удовлетворения все возрастающих потребностей в пропускной способности линий связи.
В типичном применении многоволновый сигнал, идущий по оптическому волокну, по мере прохождения от передатчика к приемнику будет подвергнут неоднократному усилению. Любые возможные различия усиления на различных длинах волн в каждом таком каскаде сложатся, в результате чего сигнал с длиной волны, соответствующей большему усилению, станет больше по сравнению с сигналами тех длин волн, которые усиливаются слабее. Для решения этой проблемы неравномерного усиления были предложены разные подходы.
Один из наиболее основополагающих подходов включает выбор длин волн, используемых для передачи множества сигналов. Как хорошо известно, спектральная характеристика усиления усилителя из волокон, легированных эрбием, является более плоской в "красной полосе", то есть в более длинноволновом диапазоне от приблизительно 1540-1545 нм до приблизительно 1565 нм, чем в "синей полосе", то есть в более коротковолновом диапазоне от приблизительно 1525 нм до приблизительно 1535-1540 нм В частности, очень равномерный коэффициент усиления в красной полосе может быть достигнут за счет выбора доли ионов эрбия в возбужденном ("инвертированном") состоянии путем выбора длины волоконного усилителя и уровня накачки, подаваемой в волокно.
Чтобы воспользоваться преимуществом, которое дает эта равномерность, системы со спектральным уплотнением, использующие усилители, легированные эрбием, имеют каналы передачи сигналов, расположенные в красной полосе. Кроме того, чтобы нейтрализовать остаточное неравномерное усиление, входные сигналы в передатчике должны быть заранее подобраны с учетом различного усиления, которое будет иметь место при неоднократном усилении сигнала на его пути от передатчика к приемнику.
Чтобы расширить рабочий диапазон длин волн, предоставляемый волоконными усилителями, легированными эрбием, на синюю полосу, были предложены фильтры для выравнивания спектральной характеристики усиления. При разработке практически пригодного для этой цели фильтра делается стандартное предположение, что поведение коэффициента усиления усилителя является по существу "однородным", то есть коэффициент усиления может быть описан однородной моделью, обсуждаемой, например, в работах "С.R.Giles et al. Modeling erbium-doped fiber amplifiers, J. Lightwave Tech, vol. 9, pp. 271-283, 1991" и "C. R. Giles et al. Optical amplifiers transform long-distance lightwave telecommunications, Proc. IEEE, vol. 84, pp. 870-883, 1996". Сущность этого предположения заключается в том, что коэффициент усиления определяется усредненной инверсией активных веществ, например ионов эрбия в волоконном усилителе, легированном эрбием, независимо от конкретных длин волн сигнала, мощности сигнала, длины волны накачки и мощности накачки, которая создает эту усредненную инверсию. С другой стороны, предположение об однородном расширении означает, что если коэффициент усиления на какой-либо длине волны каким-то способом установлен равным некоторому конкретному значению, то и коэффициент усиления на других длинах волн также стабилизирован (установленная величина усиления на других длинах волн является другой).
На основе этого предположения рассчитывают спектральную характеристику коэффициента усиления для усилителя при заданной средней инверсии и эту спектральную характеристику усиления используют при разработке фильтра, который способен сгладить эту характеристику. Если на вход усилителя подать множество сигналов с различными длинами волн, то для них спектральная характеристика усиления станет плоской при условии, что усредненная инверсия для сигналов этих длин волн равна усредненной инверсии, использованной при разработке фильтра. Степень равномерности будет, конечно, зависеть от того, насколько спектральная характеристика фактически изготовленного фильтра совпадает с желаемой характеристикой ослабления.
Вместо того, чтобы вычислять спектральную характеристику усиления, используя однородную модель, можно, например, измерить спектральную характеристику усиления реального усилителя и использовать ее при разработке фильтра. Однако этот эмпирический подход также неявно использует однородную модель, в которой предполагается, что спектр усиления будет сделан плоским для сигналов любого множества длин волн и энергий в пределах рабочего диапазона усилителя, при котором имеет место такая же усредненная инверсия, как и та, что существовала при измерении эмпирической спектральной характеристики усиления.
Вышеупомянутые подходы к созданию фильтра, выравнивающего коэффициент усиления, хорошо работают для сигналов красной полосы длин волн. Однако авторами изобретения было обнаружено, что однородная модель неудовлетворительно работает в синей полосе. Напротив, эта полоса демонстрирует существенно неоднородное поведение. А именно, когда в этой полосе присутствует сигнал по меньшей мере одной длины волны, спектральная характеристика усиления больше не может быть описана единой усредненной инверсией, которая относится ко всем активным веществам. Эта неоднородность приводит к разным важным последствиям в связи с разработкой, внедрением и использованием оптических усилителей, компонентов таких усилителей и систем, использующих такие усилители.
В литературе описано неоднородное расширение линий в волоконных усилителях, легированных эрбием, в частности так называемое "прожигание дыры". Как описано, этот эффект имеет ширину линии (часть спектра, которая подвергается воздействию) приблизительно 10 нм. Эффект зависит от степени насыщения усилителя и всегда проявляется на центральной длине волны насыщенного сигнала. Обсуждение эффекта "прожигания дыры" можно найти в работах "M.Tachibana et al. Gain cross saturation and spectral hole burning in wideband erbium-doped fiber amplifiers. Opt. Lett, vol. 16, pp. 1499-1501, 1991"; "H. Chou et al. Inhomogeneous gain saturation of erbium-doped fiber amplifiers, Proc. Optical Amplifiers and their Application, Davos, Switzerland, 1995, pp.92-95" и "A.K. Srivastava et al. Room temperature spectral holeburning in erbium-doped fiber amplifiers, Proc. Optical Fiber Communication Conference, San Jose, CA, 1996 (Tu G7), pp.33-34". Другие рассмотрения эффектов неоднородности в волоконных усилителях, легированных эрбием, можно найти в работах "Е. Desurvire et al. Gain hole-burning at 1.53J мкм in erbium-doped fiber amplifiers, IEEE Phot. Tech. Let., vol. 2, pp. 246-248, 1990"; "J.L. Zyskind et al. Determination of homogenous line-width by spectral gain hole-burning in an erbium-doped fiber amplifier with GeO2:SiO2 core, IEEE Phot. Tech. Let. , vol. 2, pp. 869-871, 1990" и "E.Desurvire et al. Study of spectral dependence of gain saturation and effect of inhomogeneous broadening in erbiumdoped aluminosi1icate fiber amplifiers", IEEE Phot. Tech. Let. , vol. 2, pp. 653-655, 1990".
Важно отметить, что в опубликованных работах влияние неоднородности мало, например не более 1 дБ. Напротив, согласно изобретению в результате присутствия сигнала по меньшей мере одной длины волны в синей полосе происходит искажение спектральной характеристики усиления волоконного усилителя, легированного эрбием, на несколько децибел.
II. Наклон спектральной характеристики усиления в системах передачи со спектральным уплотнением, в системах передачи со спектральным уплотнением, в передающих трактах которых используются известные оптические усилители с оптической накачкой, динамический наклон спектральной характеристики усиления создает проблемы. В различных режимах эксплуатации усилитель по-разному усиливает различные каналы, так что любая пассивная система, которая разработана для выравнивания мощностей выходных сигналов каналов для одного конкретного ряда режимов эксплуатации, не сможет обеспечить выравнивание, если эти состояния изменятся. Один из аспектов изобретения касается уменьшения неблагоприятных последствий этого явления наклона спектра коэффициента усиления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нами наблюдался новый и до настоящего времени неопубликованный эффект, а именно в оптическом усилителе с оптической накачкой, имеющем насыщение на конкретной длине волны в пределах спектральной характеристики усиления, например в усилителе с волокном, легированным эрбием, накачка которого осуществляется в полосе 980 нм, а усиление происходит в полосе от 1525 до 1570 нм, форма спектра усиления существенно изменяется в зависимости от длины волны накачки, изменяющейся в пределах спектрального диапазона, в пределах которого не происходит существенного изменения поглощения мощности накачки усилителем.
Этот эффект наблюдали, устанавливая мощность накачки усилителя равной фиксированному уровню, а затем изменяя длину волны накачки приблизительно на 5 нм. В пределах этого диапазона длин волн относительное изменение поглощения мощности накачки волоконным усилителем равно приблизительно 8%. Важно отметить, что согласно изобретению было обнаружено, что форма спектра усиления в диапазоне длин волн от 1525 нм до 1540 нм изменилась существенно, причем сильнее, чем в красной полосе (от 1540 нм до 1570 нм). Поэтому описываемый эффект намного более чувствителен к длине волны накачки, чем известные эффекты.
При изменении длины волны накачки на 0,8 нм форма спектральной характеристики усиления в диапазоне длин волн от 1525 нм до 1540 изменилась на 0,5 дБ. Поэтому отсутствие должного управления длиной волны накачки может серьезно ухудшить работу оптических усилителей системы передачи с оптическим усилением, усиливающей спектрально уплотненные каналы в пределах этой полосы длин волн.
До настоящего времени этот эффект не был обнаружен и в настоящее время длины волн накачки выбирают случайным образом, обычно следя лишь за тем, чтобы эти длины волн лежали в пределах полосы поглощения волокна, легированного эрбием, как иллюстрируется на фиг.9. Кроме того, считается, что для уменьшения длины волокна, необходимого для обеспечения заранее заданного коэффициента усиления, наиболее предпочтительными являются источники, длина волны которых близка к пику поглощения.
Одной возможной причиной нового эффекта может быть неоднородное расширение в полосе поглощения волокна, легированного эрбием. Это может произойти из-за того, что разные ионы эрбия, расположенные в различных участках волокна, подвергаются различному воздействию поля. Таким образом, сигналы накачки с различными длинами волн будут осуществлять выборочную накачку ионов в различных участках, а эти ионы будут излучать свет селективно с определенными длинами волн. Таким образом, разные длины волны накачки обусловливают различный коэффициент усиления для сигналов различных длин волн.
Согласно некоторым аспектам изобретения в нем используется точное управление (точная настройка) центральной длины волны сигнала накачки, например управление с точностью приблизительно 2 нм, более предпочтительно в пределах приблизительно 1 нм, а наиболее предпочтительно в пределах приблизительно 1/2 нм или меньше для управления существенно неоднородным усилением оптических усилителей сигналов синей полосы. Таким образом, форма спектральной характеристики усиления оптического усилителя может быть отрегулирована для достижения желательных уровней усиления для желательного множества длин волн, мощностей сигналов и мощности накачки.
До настоящего изобретения считалось, что основными переменными/параметрами, которые влияют на спектральную характеристику усиления оптического усилителя, являются: (1) длины волн усиливаемого сигнала; (2) уровни мощности входных сигналов для этих длин волн; (3) характеристики среды усиления, например ее состав, длина и уровень легирования; (4) спектральные характеристики вносимых потерь компонентов усилителя, включая любой фильтр (фильтры), используемый для выравнивания коэффициента усиления; (5) полоса накачки, выбранная для накачки среды усиления; и (6) общая мощность накачки в выбранной полосе накачки.
Как обсуждалось выше, согласно изобретению была выявлена дополнительная фундаментальная переменная, которая может использоваться для управления спектральной характеристикой усиления оптического усилителя. Эта переменная - центральная длина волны спектра выходной мощности накачки в пределах выбранной полосы накачки. Использование этой переменной в комбинации с другими переменными/параметрами, перечисленными выше, улучшает работу усилителя.
Для простоты регулировку центральной длины волны спектра выходной мощности накачки в пределах выбранной полосы накачки, то есть точную регулировку центральной длины волны, будем здесь называть "регулировкой длины волны накачки".
В некоторых вариантах выполнения изобретения регулировка длины волны накачки объединена с подбором компонентов, а именно: подбором источников накачки и выравнивающих фильтров для улучшения работы усилителя в целом. Конкретно, из-за технологических допусков центральные длины волн излучения разных источников накачки на полупроводниковых лазерах неодинаковы. Подобным же образом спектр ослабления фильтра для выравнивания спектра усиления меняется от образца к образцу. В некоторых случаях эти изменения в компонентах накладываются так, что величина регулировки длины волны накачки, необходимая для получения желаемой спектральной характеристики усиления для оптического усилителя, не может быть легко достигнута для конкретного источника накачки и фильтра. Согласно изобретению эта проблема решена путем предварительного отбора источников накачки и фильтров так, чтобы их комбинация для использования в конкретном усилителе смогла обеспечить желаемую спектральную характеристику усиления с помощью регулировки длины волны накачки. Таким образом сокращается уровень производственной отбраковки.
Компоненты, например фильтры, используемые для выравнивания коэффициента усиления, могут изменять свои параметры, помимо прочего, из-за старения и изменения условий окружающей среды, в которой они используются. Например, пик ослабления фильтра для выравнивания коэффициента усиления меняется с температурой. Это изменение можно скомпенсировать регулировкой длины волны накачки.
В другом варианте выполнения изобретения регулировка длины волны накачки может использоваться для компенсации влияния изменений спектральной характеристики усиления из-за изменений уровня входного сигнала и его спектра.
В других вариантах выполнения изобретения для обеспечения дальнейшего управления формой спектральной характеристики усиления вместо использования одного источника накачки с единственной центральной длиной волны используется множество источников накачки с различными центральными длинами волн в пределах выбранной полосы накачки. Таким образом могут быть разработаны оптические усилители, осуществляющие работу в более широких диапазонах длин волн сигнала, мощности сигнала и мощности накачки.
Для достижения высоких характеристик системы в целом, в дополнение к управлению центральной длиной волны накачки или длинами волн накачки одного усилителя, можно производить точную регулировку центральных длин волн накачки каскадно соединенных усилителей, например, центральные длины волн накачки последовательных усилителей можно настроить с учетом влияния усиленного спонтанного излучения, которое создается усилителями, расположенными выше и/или ниже по передающему тракту.
Другие аспекты настоящего изобретения включают:
- Способ работы оптического усилителя, имеющего среду оптического усиления, накачку которой осуществляют с помощью полупроводникового лазера, причем форму спектра усиления регулируют с помощью динамического управления длиной волны излучения лазера.
- Оптический усилитель, имеющий среду оптического усиления, накачку которой осуществляют с помощью полупроводникового лазера, причем усилитель содержит управляющее устройство для регулировки формы спектральной характеристики усиления с помощью динамического управления длиной волны излучения лазера.
- Способ работы оптического усилителя, имеющего среду оптического усиления, накачку которой осуществляют с помощью полупроводникового лазера, причем в этом способе используется управляющая петля обратной связи для управления величиной мощности накачки, подаваемой в среду усиления с помощью лазера, и регулирующее устройство для модификации изменения длины волны излучения, которое непосредственно обусловлено изменениями указанной мощности накачки.
- Оптический усилитель, имеющий среду оптического усиления, накачку которой осуществляют с помощью полупроводникового лазера, причем усилитель содержит управляющую петлю обратной связи для управления величиной мощности накачки, подаваемой в среду усиления с помощью лазера, и регулирующее устройство для модификации изменения длины волны излучения, которое непосредственно обусловлено изменениями указанной мощности накачки.
Один способ осуществления динамического управления длиной волны излучения полупроводникового лазера согласно вышеупомянутым аспектам изобретения включает использование динамически перестраиваемого по длине волны узкополосного лазерного оптического резонатора, образующего отражатель, работающий в качестве внешнего отражателя внешнего резонатора полупроводникового лазера. Такой отражатель может быть выполнен из дифракционной решетки с брэгговским отражением на некотором участке одномодового оптического волокна, который динамически удлиняется, например, с помощью пьезоэлектрических средств. Альтернативный способ включает использование полупроводникового лазера с тремя выводами типа, описанного в работе "Y.Yoshikuni, G.Motosugi. Multielectrode Distributed Feedback Laser for Pure Frequency Modulation and Chirping Suppressed Amplitude Modulation, Journal of Lightwave Technology, Vol. LT5, 4, April 1987, pp. 516-522". Предпочтительный способ включает использование динамического управления температурой полупроводникового лазера.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения описан оптический усилитель, имеющий среду оптического усиления, которую подвергают оптической накачке с помощью лазерного диода, температура которого по меньшей мере частично динамически регулируется с помощью сигнала, полученного путем измерения рабочего параметра усилителя.
Согласно другому аспекту изобретения для передающей системы со спектральным уплотнением, имеющей приемник, оптически соединенный с передатчиком через передающий тракт с оптическим уплотнением каналов, который включает каскадно соединенные оптические усилители с накачкой от лазерных диодов, причем каждый из усилителей характеризуется спектральной характеристикой усиления, изобретение обеспечивает способ регулировки спектра усиления по меньшей мере одного из указанных усилителей за счет динамической регулировки температуры лазерного диода накачки в ответ на величину измеренного рабочего параметра указанного усилителя или указанной системы.
У типичного лазерного диода, излучающего на длине волны 980 нм, эта длина волны излучения может быть смещена на 0,8 нм при изменении температуры на 2,5oС или изменении тока возбуждения на 40 мА. Это соответствует коэффициентам изменения длины волны 0,32 нм/oС и 0,02 нм/мА соответственно и представляет собственные свойства диодного лазера. Соответственно, если усилитель требует, чтобы ток возбуждения при накачке регулировался в пределах 200 мА, то при постоянной температуре диода длина волны излучения остается постоянной в диапазоне 5 нм, таким образом обеспечивая по существу постоянное поглощение мощности накачки в усилителе. С другой стороны, при этом не гарантируется, что эффекты изменения усиления за счет изменения длины волны накачки, рассмотренные выше, останутся незначительными. Другими словами, когда стабилизация температуры диодного лазера для накачки достаточна для устранения проблем работы усилителя, связанных с эффективностью поглощения мощности накачки, она ни в коей мере не достаточна для устранения недавно обнаруженных эффектов, связанных с изменением коэффициента усиления за счет изменения длины волны накачки.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения сигнал регулировки температуры источника накачки получают измерением тока возбуждения накачки.
Согласно альтернативному предпочтительному варианту выполнения изобретения этот сигнал получают измерением длины волны излучения накачки.
Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения этот сигнал получают измерением дифференциального усиления для каналов графика на различных длинах волн.
В системе передачи, имеющей каскадно соединенные оптические усилители в передающем тракте, сигнал, полученный измерением дифференциального усиления для каналов трафика на различных длинах волн, может использоваться не просто для регулирования температуры диодного лазера в конкретном усилителе, но и для регулирования температуры других или всех диодных лазеров в передающем тракте и особенно в усилителях, расположенных выше в передающем тракте (ближе к его началу).
Другие аспекты изобретения включают:
- Систему передачи, имеющую передатчик и приемник, соединенные оптическим волокном, и множество оптических усилителей, расположенных вдоль указанного оптического волокна для усиления каналов передачи сигналов между передатчиком и приемником, причем все указанные усилители имеют источник световой накачки с такой длиной волны, что дифференциальное усиление, обусловленное эффектами, связанными с длиной волны накачки, по существу, уменьшается.
- Систему передачи, имеющую множество оптических усилителей, каждый из которых содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, причем длина волны источника лежит в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в диапазоне от 974 нм до 975 нм или от 981 нм до 983 нм. Наиболее предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в диапазоне от 974,5 нм до 975 нм или от 982 нм до 983 нм.
- Систему передачи, имеющую множество оптических усилителей, предназначенных для усиления сигналов, длины волн которых лежат в диапазоне от 1530 нм до 1565 нм, причем каждый оптический усилитель содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, а длина волны источника лежит в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в диапазоне от 974 нм до 975 нм или от 981 нм до 983 нм. Наиболее предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в диапазоне от 974,5 нм до 975 нм или от 982 нм до 983 нм.
- Систему передачи, имеющую множество оптических усилителей, каждый из которых содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, причем длина волны источника лежит в пределах полосы шириной 2 нм в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в пределах полосы шириной 1 нм в диапазоне от 970 нм до 975 нм или от 981 нм до 986 нм. Наиболее предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в пределах полосы шириной 0,5 нм в диапазоне от 970 нм до 976 нм или от 981 нм до 986 нм.
- Систему передачи, имеющую множество оптических усилителей, предназначенных для усиления сигналов, длины волн которых лежат в пределах полосы шириной 2 нм в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в пределах полосы шириной 1 нм в диапазоне от 970 нм до 975 нм или от 981 нм до 986 нм. Наиболее предпочтительно, чтобы длина волны источника лежала в пределах полосы шириной 0,5 нм в диапазоне от 970 нм до 976 нм или от 981 нм до 986 нм.
Согласно вышеизложенным аспектам наиболее предпочтительно, чтобы все источники оптической накачки были полупроводниковыми лазерами.
Дополнительные аспекты изобретения включают:
- Способ накачки волокна из диоксида кремния, легированного эрбием, включающий выбор источника оптической накачки, имеющего такую длину волны, что влияние дифференциального усиления, обусловленного эффектами, связанными с длиной волны накачки, по существу уменьшено.
- Способ работы системы передачи, имеющей передатчик и приемник, соединенные оптическим волокном, и множество оптических усилителей, расположенных вдоль указанного оптического волокна для усиления каналов передачи сигнала между указанными передатчиком и приемником, причем каждый усилитель имеет источник оптической накачки, а указанный способ включает такой выбор длины волны указанного источника, что влияние дифференциального усиления, обусловленного эффектами, связанными с длиной волны накачки, существенно уменьшено.
- Способ работы системы передачи, имеющей множество оптических усилителей, причем каждый оптический усилитель содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, а указанный способ включает выбор длины волны источника в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в диапазоне от 974 нм до 975 нм или от 981 нм до 983 нм. Наиболее предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в диапазоне от 974,5 нм до 975 нм или от 982 нм до 983 нм.
- Способ работы системы передачи, имеющей множество оптических усилителей для усиления сигналов, длины волн которых лежат в диапазоне от 1530 нм до 1565 нм, причем каждый оптический усилитель содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, указанный способ включает выбор длины волны источника в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в диапазоне от 974 нм до 976 нм или от 981 нм до 984 нм. Наиболее предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в диапазоне от 974 нм до 975 нм или от 982 нм до 983 нм.
- Способ работы системы передачи, имеющей множество оптических усилителей, причем каждый оптический усилитель содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, а указанный способ включает выбор длины волны источника в полосе 2 нм в диапазоне от 970 нм до 975 нм или от 982 нм до 986 нм. Более предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в полосе 1 нм в диапазоне от 970 нм до 975 нм или от 981 нм до 986 нм. Наиболее предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в полосе 0,5 нм в диапазоне от 970 нм до 976 нм или от 981 нм до 986 нм.
- Способ работы системы передачи, имеющей множество оптических усилителей для усиления сигналов, длины волн которых лежат в диапазоне от 1530 нм до 1565 нм, причем каждый оптический усилитель содержит волокно из диоксида кремния, легированного эрбием, и источник оптической накачки, а указанный способ включает выбор длины волны источника в полосе 2 нм в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Более предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в полосе 1 нм в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Наиболее предпочтительно, способ включает выбор длины волны источника в полосе 0,5 нм в диапазоне от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм.
Из вышеизложенного понятно, что цели изобретения включают: (1) создание улучшенных оптических усилителей для использования в системах оптической передачи, например в волоконно-оптических системах связи; (2) создание улучшенных оптических усилителей для использования в системах со спектральным уплотнением; (3) создание улучшенных оптических усилителей для работы с сигналами, лежащими в синей полосе; (4) создание улучшенных способов накачки оптических усилителей; (5) создание улучшенных комбинаций источника накачки/фильтра для оптических усилителей и (6) создание улучшенных комбинаций сигнал/накачка для оптических усилителей.
В частности, цели изобретения включают создание (1) оптического усилителя, приспособленного путем наложения ограничений на длину волны накачки для использования вышеупомянутого недавно обнаруженного влияния длины волны накачки на спектральную характеристику усиления, и (2) системы передачи со спектральным уплотнением, имеющей множество оптических усилителей, которые приспособлены для работы в соответствии с обнаруженным эффектом также за счет ограничений на длины волн накачки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже дано описание оптических усилителей и систем передачи со спектральным уплотнением, обладающих некоторыми предпочтительными, но не ограничивающими изобретение признаками. Описание имеет ссылки на чертежи, где:
На фиг. 1А и 1В показано изменение спектральных характеристик усиления усилителя с волокнами, легированными эрбием, в зависимости от длины волны накачки. Кривые на этих чертежах соответствуют спектральным характеристикам усиления в режиме малого сигнала, полученным в присутствии насыщающего сигнала (λsat), длина волны которого равна 1535 нм на фиг.1А и 1561 нм на фиг. 1В. Спектры были измерены на оборудовании компании Hewlett-Packard для измерения усиления с подавлением шума во временной области. По горизонтальной оси на каждом из этих графиков отложена длина волны в нанометрах, а по вертикальной оси - коэффициент усиления в децибелах. Сплошные линии относятся к длине волны накачки 975 нм, пунктирные - к длине волны накачки 977 нм, линии из чередующихся длинных и коротких штрихов - к длине волны накачки 978 нм и штрих-пунктирные линии - к длине волны накачки 979 нм.
На фиг. 2А иллюстрируется динамический наклон характеристики усиления и использование изобретения для уменьшения пульсаций в красной полосе для усилителя с волокном, легированным эрбием, работающего с разными коэффициентами усиления на заданной длине волны сигнала. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - пульсации в децибелах. Кривые с квадратиками соответствуют коэффициенту усиления 24 дБ, а с ромбиками - коэффициенту усиления 33 дБ.
На фиг.2В показана спектральная характеристика усиления усилителя красной полосы с волокном, легированным эрбием, для нескольких длин волн накачки (λp) между 975 нм и 981 нм. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - коэффициент усиления в децибелах. Для каждой кривой коэффициент усиления на длине волны 1555,7 нм был равен приблизительно 24 дБ.
На фиг. 3 представлено изменение коэффициента усиления для четырех длин волн сигнала 1529, 1530,3, 1533,5 и 1535,0 нм при изменении длины волны накачки от 975 нм до 985 нм. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - коэффициент усиления в децибелах.
На фиг.4 изображена блок-схема устройства, с помощью которого были получены данные, представленные на фиг.3, 5, 11 и 12.
На этом чертеже: 100 - перестраиваемые лазеры; 102 - развязывающее устройство; 104 - источник накачки; 106 - первый регулируемый оптический аттенюатор; 108 - регулируемый оптический аттенюатор для сигнала накачки; 110 - соединитель; 112 - усилитель с волокном, легированным эрбием; 114 - соединитель; 116 - развязывающее устройство; 118 - второй регулируемый оптический аттенюатор и 120 - оптический анализатор спектра.
На фиг. 5 представлен график зависимости коэффициента усиления от длины волны накачки для сигналов четырех длин волн 1529 нм (сплошная линия), 1530,3 нм (штриховая линия с треугольниками), 1533,5 нм (сплошная линия с квадратиками) и 1535,0 нм (штриховая линия). Данные для этого графика были получены с помощью устройства, изображенного на фиг.4, и оптического усилителя такого типа, какой использовался для получения данных для фиг.3, как описано ниже. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - коэффициент усиления в децибелах.
На фиг. 6 схематично представлен оптический усилитель, в котором можно осуществлять регулировку длины волны накачки.
На фиг.7 представлен график коэффициента усиления волокна, легированного эрбием, при температуре жидкого азота в диапазоне длин волн от 1525 нм до 1575 нм при различных длинах волн накачки. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - коэффициент усиления в децибелах. Для различных кривых на этом графике длины волн накачки следующие: А - 981,7 нм; В - 980,9 нм; С - 980,1 нм; D - 979,15 нм; Е - 978,2 нм; F - 977,45 нм; G - 976,7 нм; Н - 975,9 нм; I - 975,1 нм.
На фиг.8 представлен коэффициент усиления в усилителе с волокном, легированным эрбием, при различных длинах волн сигнала и при различных длинах волн накачки. По горизонтальной оси отложена длина волны накачки в нм, а по вертикальной оси - коэффициент усиления. Длины волн сигнала для различных кривых на этом графике следующие: А - 1526,96 нм; В - 1528,02 нм; С - 1529,07 нм; D - 1530,13 нм; Е - 1531,18 нм; F - 1532,24 нм; G - 1532,94 нм; Н - 1533,99 нм; I - 1535,05 нм; J - 1536,11 нм; К - 1539,97 нм; L - 1550,18 нм; М - 1560,03 нм; N - 1565,30 нм.
На фиг. 9 иллюстрируется график зависимости поглощения света накачки от длины волны для усилителя с волокном, легированным эрбием, в диапазоне длин волн 980 нм. По горизонтальной оси отложена длина волны накачки в нм, а по вертикальной оси - коэффициент усиления в дБ/м.
На фиг. 10 представлен график зависящих от длины волны составляющих пассивных потерь в двух усилительных модулях. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - вносимые потери в децибелах. Сплошная линия показывает вносимые потери для первого модуля "N", а пунктирная линия - потери для второго модуля "L".
На фиг.11 иллюстрируется использование изобретения для уменьшения влияния на работу усилителя зависящих от длины волны различий составляющих пассивных потерь в двух усилительных модулях, изображенных на фиг.10. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - разность коэффициентов усиления в децибелах. Сплошная линия показывает разность коэффициента усиления для модуля "L", а пунктирная линия - для модуля "N". Стрелки 122 и 124 показывают оптимальные длины волн накачки для модулей "N" и "L" соответственно.
На фиг. 12 иллюстрируется использование изобретения для сигналов нескольких множеств длин волн, когда каждое множество включает две длины волны сигнала. По горизонтальной оси отложена длина волны в нм, а по вертикальной оси - разность коэффициентов усиления в децибелах. Сплошная линия показывает разность коэффициентов усиления для сигналов длин волн 1529 и 1533 нм, а пунктирная линия - для сигналов длин волн 1535,4 и 1541 нм. Стрелки 126 и 128 показывают оптимальные длины волн накачки для комбинаций длин волн 1529/1533 и 1535,4/1541 соответственно.
На фиг. 13 схематично изображена система передачи со спектральным уплотнением, имеющая приемник, соединенный с передатчиком через передающий тракт, включающий каскадное соединение (множество) оптических усилителей.
На фиг. 14, 15 и 16 схематично изображены альтернативные варианты выполнения оптического усилителя для использования в системе, показанной на фиг.13.
На фиг. 17 схематично изображен модифицированный вариант выполнения системы передачи со спектральным уплотнением, показанной на фиг.13.
Вышеприведенные чертежи, которые являются частью описания, иллюстрируют предпочтительные варианты выполнения изобретения и совместно с описанием служат для объяснения принципов изобретения. Как чертежи, так и описание служат только для пояснения и не ограничивают объем изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Оптические усилители с настройкой длины волны накачки.
Как обсуждалось выше, настоящее изобретение связано с использованием регулировки длины волны накачки для управления спектральной характеристикой усиления оптического усилителя.
Изобретение может быть использовано в оптических усилителях разных конструкций. Во всех случаях усилитель включает среду усиления и источник накачки и может включать фильтр, выравнивающий коэффициент усиления. Предпочтительной средой усиления являются материалы, легированные редкоземельными элементами, например стекла, легированные эрбием. Среда усиления предпочтительно имеет вид волновода, например волоконно-оптического волновода. Источником накачки предпочтительно является полупроводниковый лазер, работающий в полосе накачки 980 нм. Выравнивающий фильтр, если таковой используется, может быть, например, интерференционным фильтром или дифракционной решеткой с большой постоянной решетки.
Регулировку длины волны накачки наиболее удобно осуществлять, управляя температурой источника накачки, например, с помощью термоэлектрического охладителя, использующего эффект Пельтье. Такие охладители часто входят в состав коммерчески поставляемых лазеров. Ранее термоэлектрические охладители использовались для грубой регулировки длины волны, т.е. они обычно использовались для установки длины волны накачки в пределах выбранной полосы накачки, например полосы 980 нм. Однако для точной регулировки, аналогичной описанной здесь, термоэлектрические охладители раньше не использовались. Другие подходы к регулировке длины волны предусматривают использование дифракционных решеток, включая настраиваемые дифракционные решетки как часть внешнего лазерного резонатора. Любой выбранный подход должен обеспечивать достижение точного управления длиной волны накачки. Как обсуждалось выше, такое управление обычно должно осуществляться в пределах 2 нм, предпочтительно - в пределах 1 нм, а наиболее предпочтительно - в пределах 0,5 нм и меньше. Уровень требуемого управления будет зависеть от чувствительности к изменению длины волны накачки спектральной характеристики усиления или ее части, формой которой управляют путем изменения длины волны накачки. Управление в пределах 0,25 нм легко может быть обеспечено с помощью термоэлектрического охладителя.
Следует отметить, что регулировку длины волны накачки можно осуществлять или во время разработки и/или на стадии изготовления оптического усилителя или в режиме реального времени при эксплуатации усилителя. Когда регулировку длины волны накачки используют во время разработки и/или на стадии производства, выбирают конкретную длину волны накачки или множество длин волн накачки для достижения желаемых спектральных характеристик усиления для одного или более множеств длин волн сигнала, мощностей сигнала и мощностей накачки. В этом случае эту выбранную длину волны накачки или одну из множества выбранных длин волны накачки получают, например, подбором температуры лазера накачки. При регулировке в режиме реального времени длину волны накачки устанавливают вручную или автоматически, например, исходя из текущего множества длин волн сигнала, которое нужно усилить. Следует еще раз отметить, что регулировка с помощью длины волны накачки может использоваться как в процессе проектирования/производства, так и в режиме реального времени.
На фиг. 1А и 1В показано изменение спектральной характеристики усиления усилителя с волокном, легированным эрбием, в зависимости от длины волны накачки. Эти графики были построены при подаче сигнала с уровнем -16 дБм и длиной волны 1535 нм (фиг.1А) или 1561 нм (фиг.1В) в однокаскадный усилитель с волокном, легированным эрбием, встроенный в волокно марки Corning Type IID (Corning Incorporated, Corning, New York), которое подвергалось прямой накачке в полосе 980 нм с использованием полупроводникового лазера, снабженного термоэлектрическим охладителем для регулировки длины волны накачки. Усилитель не содержал фильтра, выравнивающего коэффициент усиления. Выходной сигнал усилителя анализировался с использованием оборудования компании Hewlett-Packard для измерения усиления с подавлением шума во временной области. Для каждой длины волны накачки величины коэффициента усиления выравнивались в пределах приблизительно 0,15 дБ для 1555 нм (фиг.1А) и 1529 нм (фиг.1В) с использованием аттенюатора, расположенного между лазером накачки и волокном, легированным эрбием.
Как видно на этих чертежах, спектральная характеристика усиления в синей полосе значительно меняется при изменении длины волны накачки, например, примерно на 2-3 дБ как для насыщающего сигнала в синей полосе (фиг.1А), так и в красной полосе (фиг.1В). Изменение в красной полосе на фиг.1В обусловлено выравниванием величины коэффициента усиления при длине волны 1529 нм, которая является одной из длин волн сигнала, наиболее чувствительных к изменению длины волны накачки. Соответственно, изменения в красной полосе на этом чертеже отражают изменение коэффициента усиления в синей полосе, а именно изменение коэффициента усиления при длине волны 1529 нм в противоположность изменениям коэффициента усиления в красной полосе. Действительно, изменения коэффициента усиления при 1529 нм могут быть непосредственно получены из почти параллельных кривых в области красной полосы на фиг.1В. Важно, что однородная модель не предсказывает по существу никакого разброса между кривыми усиления, изображенными на фиг.1А и 1В как в синей, так и в красной полосах.
Непосредственный вывод состоит в том, что кривые на этих чертежах демонстрируют, что спектральная характеристика усиления может быть сделана более плоской путем регулировки длины волны накачки. На обоих чертежах спектральная характеристика усиления при накачке на длине волны 975 нм является более плоской, чем при накачке на длине волны 979 нм, причем разность длин волн накачки составляет всего лишь 4 нм.
Более сложный вывод состоит в следующем. Тот факт, что эффект от регулировки длины волны накачки сильнее проявляется в синей полосе, чем в красной полосе, означает, что регулировка длины волны накачки может использоваться для положительного воздействия на эффекты динамического наклона коэффициента усиления. Как известно, динамический наклон коэффициента усиления - это изменение формы спектральной характеристики усиления оптического усилителя в результате изменения величины его коэффициента усиления на конкретных длинах волн в пределах рабочего диапазона усилителя. Это можно видеть на фиг.2А, где показаны пульсации коэффициента усиления в зависимости от длины волны накачки для усилителя с волокном, легированным эрбием, работающего при усилении 24 дБ и 33 дБ на длине волны 1555,7 нм. Кривая на фиг.2А, соответствующая усилению 24 дБ (то есть кривая с квадратиками), была получена из кривых, аналогичных показанным на фиг.2В, которые демонстрируют усиление в красной полосе для различных длин волн накачки, лежащих между 975 нм и 981 нм. Кривая на фиг.2А, соответствующая усилению 33 дБ (то есть кривая с ромбиками), получена из спектральной характеристики усиления в красной полосе (не показана) для усиления 33 дБ на длине волны 1555,7 нм, также для различных длин волны накачки в полосе накачки 980 нм.
Как и регулировка длины волны накачки, динамический наклон усиления сильнее проявляется в синей полосе, чем в красной полосе. Соответственно, регулировка длины волны накачки может использоваться для нейтрализации по меньшей мере некоторых эффектов динамического наклона усиления. Эта нейтрализация обычно будет полнее для системы, использующей небольшое число длин волн сигнала, например две длины волны.
Эффект выравнивания, показанный на фиг.1, дополнительно иллюстрируется на фиг. 3. Этот чертеж был подготовлен с использованием устройства, изображенного на фиг.4. Это устройство включает четыре настраиваемых лазера (100), чьи длины волн ("длины волн сигнала") могут перестраиваться в полосе усиления волокна, легированного эрбием. Лазеры были отрегулированы так, чтобы их мощность была одинакова (с точностью до нескольких сотых дБ), что измерялось оптическим анализатором спектра 120 при замене усилителя короткой секцией волокна с низкими потерями.
Полная мощность, падающая на усилитель, регулировалась с помощью регулируемого оптического аттенюатора 106. Чтобы в условиях эксперимента поддерживать величину мощности, падающей на оптический анализатор спектра, относительно постоянной, использовался регулируемый оптический аттенюатор 118 для внесения ослабления, равного номинальному коэффициенту усиления усилителя. Коэффициент усиления усилителя для каждой из длин волн сигнала определялся с использованием оптического анализатора спектра путем измерения выходного сигнала усилителя после ослабления в регулируемом оптическом аттенюаторе в зависимости от длины волны. Величины усиления на фиг.3 определены по уровню выходной мощности, измеренному в оптическом анализаторе спектра, плюс ослабление в регулируемом оптическом аттенюаторе, минус входная мощность (все величины в дБ).
Регулируемый оптический аттенюатор 108 в цепи накачки использовался для регулировки мощности в полосе длин волн 980 нм, поданной в усилитель, без регулировки тока возбуждения источника накачки и, таким образом, влияния на длину волны накачки. В частности, мощность накачки была отрегулирована так, чтобы коэффициент усиления для длины волны сигнала 1529 нм поддерживался постоянным в пределах 0,15 дБ при изменении длины волны накачки. Как на фиг.1, длина волны накачки изменялась за счет изменения температуры лазера накачки.
Усилитель, используемый для снятия кривых, изображенных на фиг.3, был двухкаскадным усилителем с промежуточным выравнивающим фильтром, предназначенным для обеспечения по существу однородного усиления в диапазоне длин волн от 1528 нм до 1542 нм.
Как показано на фиг.3, спектр усиления, полученный для длины волны накачки 977 нм, существенно более равномерен для четырех длин волн сигнала, чем спектр усиления, полученный для длины волны накачки 981 нм. В частности, усиление при четырех длинах волн сигнала лежит в пределах 1,5 дБ для длины волны накачки 977 нм, в то время как для длины волны накачки 981 нм разброс превышает 3,5 дБ. Понятно, что для получения одинакового уровня усиления для сигналов всех длин волн в этой системе накачка на длине волны 977 нм предпочтительнее накачки на длине волны 981 нм. Кроме того, как обсуждалось выше, эта способность выравнивать коэффициент усиления посредством выбора длины волны накачки станет еще более важной для каскадного соединения усилителей.
В связи с фиг. 3 следует дополнительно отметить, что эффект изменения длины волны накачки весьма нелинеен. Например, усиление при длине волны накачки 979 нм больше, чем усиление при длине волны накачки 981 нм для длины волны сигнала 1530,3 нм, в то же время для длины волны сигнала 1535,0 нм эти соотношения меняются на противоположные. Это разнообразие эффектов, связанных с регулировкой накачки, означает, что форму спектра усиления оптического усилителя можно отрегулировать для устранения разнообразных практических проблем, связанных с усилением при передаче.
На фиг.5 повторно показаны данные, аналогичные представленным на фиг.3, в виде, более удобном для выбора такой длины волны накачки, для которой разности в коэффициенте усиления сигналов различных длин волн минимизированы. Из этого чертежа понятно, что использование длины волны накачки приблизительно 977 нм обеспечит наиболее однородный коэффициент усиления для множества длин волн сигнала, показанного на этом графике.
Аналогичные графики могут быть построены для усилителей других конструкций и могут использоваться для выбора оптимальной длины волны накачки для любого желаемого множества длин волны сигнала и любых желаемых соотношений между уровнями выходной и входной мощностей. В тех же координатах графики, аналогичные приведенным на фиг.5, могут быть построены для различных уровней мощности накачки. Кроме того, при выборе длины волны накачки могут быть учтены эффекты усиленного спонтанного излучения, например усиленного спонтанного излучения от оптимизируемого усилителя и/или от предшествующего или последующего усилителя в каскадном соединении усилителей, если рассматривать усиленное спонтанное излучение как дополнительное множество входных сигналов, поступающих на усилитель.
На фиг.6 изображен усилитель 13, имеющий отрезок оптического волокна 20, легированного эрбием, которое через соединитель 22 соединено с волокном 12. Имеется источник света 21 для создания оптической накачки, этот свет вдоль волокна 61 через соединитель 22 подается для накачки оптического волокна 20, легированного эрбием. Источник накачки 21 представляет собой лазерный диод 62, который выбран так, чтобы его длина волны соответствовала настоящему изобретению.
Выходной конец оптического волокна 20, легированного эрбием, через соединитель 26 соединен с оптическим волокном 12. Ниже описаны средства выбора длины волны лазерно-диодной накачки со ссылками на фиг.7 и 8.
На фиг. 7 ясно видно, что спектр усиления оптического усилителя в диапазоне 1,5 мкм при накачке в полосе поглощения 980 нм зависит от конкретной длины волны лазерной накачки. Эта зависимость является неожиданной, если исходить из обычной теории работы усилителей с волокном, легированным эрбием. Полоса поглощения для волокон, легированных эрбием, имеет разброс в диапазоне от приблизительно 974 нм до 986 нм. Обычно изготавливают лазерные диоды с длиной волны накачки приблизительно 980 нм, способные генерировать стимулированное когерентное излучение с разбросом центральных длин волн около пика поглощения с длиной волны приблизительно 979 нм.
В частности, длины волн между 1528 нм и 1540 нм (синяя полоса) имеют неожиданно более сильное изменение коэффициента усиления (пульсации коэффициента усиления), в то время как длины волн, превышающие 1540 нм (красная полоса), имеют значительно меньшее дифференциальное усиление. На фиг.7 можно также видеть, что с ростом длины волны накачки область спектральной характеристики усиления, зависящая от длины волны, перемещается от меньших к большим длинам волн.
Кроме того, на фиг.8 иллюстрируется влияние длины волны накачки на коэффициент усиления при различных длинах волн сигнала во всем спектре длин волн накачки (от 975 нм до 982 нм). Этот график также ясно иллюстрирует тот факт, что при увеличении длины волны накачки в сторону пика поглощения дифференциальное усиление растет. Поэтому в полном противоречии с предыдущими критериями выбора лазерные диоды, которые излучают в диапазоне длин волн, близком к 979 нм, и в частности в полосе от 977 нм до 981 нм, нежелательно использовать в качестве источников накачки, несмотря на хорошее поглощение света таких длин волн. Табл. 1 и 2 иллюстрируют этот эффект в цифрах.
Как видно из табл.1, этот эффект обеспечивает тем лучший результат по уменьшению пульсации, то есть более равномерное усиление во всех каналах передачи сигналов, чем дальше длина волны накачки смещается от пика поглощения. Поскольку изменение пульсации в зависимости от длины волны накачки имеет наибольшую величину в пике поглощения, в общем случае лучшее управление может быть достигнуто, когда длина волны накачки не совпадает с длиной волны пика поглощения.
Как видно из табл.2, предпочтительно также, чтобы длина волны накачки лежала в пределах очень маленького окна, таким образом предотвращая дополнительную пульсацию коэффициента усиления из-за его зависимости от длины волны накачки. Если это окно длин волн не превышает 0,5 нм, тогда край разрешенного диапазона может быть перемещен ближе к пику поглощения. Кроме того, понятно, что эффект тем больше, чем меньше длина волны сигнала. Поэтому, если желательно иметь сигналы в диапазоне 1528 нм и выше, тогда выбор длины волны накачки более критичен и запрещенный диапазон должен быть больше, особенно в диапазоне меньших длин волн накачки. Поэтому из табл. 2 понятно, что если для сигнала с длиной волны 1528 нм и выше должно использоваться окно длин волн накачки 2 нм, то это окно шириной 2 нм должно лежать в пределах диапазона от 970 нм до 975 нм или от 982 нм до 986 нм, в то время, как если сигнал лежит в диапазоне длин волн от 1530 нм и выше, это окно может попадать в диапазон от 970 нм до 977 нм или от 981 нм до 986 нм. Аналогично, если для сигнала с длиной волны 1528 нм и выше должно использоваться окно длин волн накачки 1 нм, то разрешенное окно должно лежать в пределах диапазона от 970 нм до 975 нм или от 982 нм до 986 нм. Наконец, если окно имеет ширину 0,5 нм и сигнал находится в диапазоне длин волн 1528 нм, то окно должно лежать в пределах от 970 нм до 976 нм или от 981 нм до 986 нм. Понятно, что если разрешенное окно сузить, его край может быть сдвинут ближе к пику поглощения.
Кроме того, существенным является именно край разрешенной полосы (полос), ближайший к пику поглощения, а дальний край полосы (полос) частично определяют, исходя из полосы поглощения волокна, легированного эрбием, в диапазоне длин волн 980 нм.
Специалисту в данной области должно быть понятно, что желательно работать как можно ближе к пику поглощения для уменьшения длины волокна, легированного эрбием, необходимого для конкретной величины усиления сигнала. Однако это преимущество не перевешивает увеличения дифференциального усиления при использовании длин волн накачки, лежащих в вышеупомянутых запрещенных диапазонах.
На фиг.10 и 11 иллюстрируется другой вариант регулировки длины волны накачки, а именно оптимизация работы фильтров, выравнивающих коэффициент усиления. Изготовление фильтров, выравнивающих коэффициент усиления, неизбежно ведет к некоторому различию спектральных характеристик фильтра, включая изменения формы спектральной характеристики ослабления фильтра и длины волны максимума ослабления. Поскольку спектральная характеристика усиления усилителя может быть изменена регулировкой длины волны накачки, особенно в синей полосе, где равномерность спектра усиления наиболее важна, можно использовать длину волны накачки для компенсации различий фильтров.
На фиг. 10 показана зависящая от длины волны компонента пассивных вносимых потерь для двух оптических усилителей (модулей), от которых отсоединены волокна, легированные эрбием, и заменены сплавным соединением с низкими потерями. Эти два модуля содержали различные выравнивающие фильтры. Как показано на фиг. 10, потери в модуле L (пунктирная линия) смещены в длинноволновую сторону спектра по сравнению с потерями в модуле N (сплошная линия).
На фиг.11 показана зависимость пульсаций (разности коэффициентов усиления сигналов двух тестовых длин волн) для двух усилительных модулей (в которые снова установлены волокна, легированные эрбием) как функция длины волны накачки. В обоих случаях тестовые длины волн были 1529 и 1535,4 нм, а коэффициент усиления измерялся при общей входной мощности -12 дБм. Как видно из этого графика, оптимальная длина волны накачки для модуля N (пунктирная линия) с выравнивающим фильтром, пик затухания которого смещен в сторону более коротких длин волн, равна приблизительно 977 нм (см. точку 122). С другой стороны, для модуля L (сплошная линия) оптимальная длина волны накачки равна приблизительно 981 нм (см. точку 124), поскольку выравнивающий фильтр этого модуля имеет максимальное ослабление при больших длинах волн. Ясно, что работа обоих модулей при фиксированной длине волны накачки привела бы к существенному ухудшению работы одного или обоих модулей. Настройка длины волны накачки на оптимальную величину устраняет этот недостаток.
Пик ослабления выравнивающего фильтра меняется также с изменением температуры. Как понятно из фиг.1В, изменение ослабления в максимуме может быть скомпенсировано управлением длиной волны накачки.
Как и в случае фильтров, рабочий диапазон длин волн полупроводниковых лазеров изменяется от образца к образцу в результате изменений в производственном процессе. Соответственно, процедура оптимизации, описанная в связи с фиг. 11, может быть невозможной для конкретной комбинации источник накачки/фильтр, например, может оказаться невозможным изменить длину волны накачки конкретного источника накачки до величины, необходимой для конкретного фильтра. На производстве эту проблему можно решить, сортируя источники накачки и фильтры до их установки в усилитель так, чтобы комбинации, для которых компенсация затруднена или невозможна, не появлялись или появлялись редко. Таким образом, уровень отбраковки может быть снижен.
Например, в одном из аспектов этого варианта выполнения изобретения с учетом воздействия обусловленных технологией изменений длины волны накачки на спектральную характеристику усиления разделяют изготавливаемые устройства на две группы, то есть группы с большой длиной волны и малой длиной волны, например больше 978 нм и меньше 978 нм соответственно, и поставляют один источник из каждой группы или на одну эрбиевую катушку с двойной накачкой или на две катушки. Два лазера накачки могут быть связаны с единственным волокном, легированным эрбием, осуществляя его накачку в противоположных направлениях. Предпочтительно, чтобы выходное излучение от двух источников накачки с различными длинами волн смешивалось с помощью 3-децибельного ответвителя, а затем мощность подавалась на одну или две катушки аналогичным образом.
На фиг. 5 иллюстрируется вариант выполнения изобретения для случая единственного множества длин волн сигнала. Пользователи оптических усилителей могут захотеть использовать конкретный усилитель для нескольких множеств длин волн сигнала. В этом случае работа усилителя может быть оптимизирована изменением длины волны накачки при изменении множества длин волн сигнала. Альтернативно может быть выбрана компромиссная длина волны накачки, которая, хотя и не является оптимальной для всех или любого из множеств длин волн сигнала, с которыми усилитель должен использоваться, но обеспечивает приемлемую работу для этих множеств длин волн без необходимости регулировки "в полевых условиях".
Эти варианты выполнения изобретения иллюстрируются на фиг.12. Данные для построения этого графика были получены с использованием устройства, изображенного на фиг.4, но только с двумя сигнальными лазерами, работающими одновременно. Результирующая мощность сигнала, подаваемого на усилитель, была -11 дБм для обоих множеств длин волн. Пульсация сигнала, представленная на этом графике, является разностью между измеренным усилением для двух тестовых длин волн.
Для случая, когда сигналы имели длину волны 1529 и 1533 нм (сплошная линия), длина волны накачки, обеспечивающая самые низкие пульсации, равна приблизительно 977 нм (см. точку 126). С другой стороны, минимальная пульсация для случая длины волны 1535,4/1541 нм (пунктирная линия) соответствует длине волны приблизительно 980,5 нм (см. точку 128). Соответственно, при изменении длины волны сигнала, подаваемого в усилитель, для достижения оптимальной работы усилителя может быть выполнена регулировка длины волны накачки "в полевых условиях". Альтернативно длина волны накачки может быть установлена в виде компромиссной длины волны, равной приблизительно 979 нм, что обеспечивает работу не слишком далеко от оптимального уровня для обоих множеств длин волн.
Аналогично тому, как показано на фиг.2А для усилителя, работающего в красной полосе, пульсация усиления для двух различных значений коэффициента усиления при одной длине волны 1555,7 нм может быть минимизирована за счет управления длиной волны накачки.
В дополнение к регулировке длины волны накачки для среды оптического усиления, которую подвергают накачке одним источником накачки, регулировка длины волны накачки может также использоваться при накачке среды усиления несколькими источниками накачки. Например, если нужно усилить сигналы "n" длин волн, можно использовать "n-1" источников накачки с длинами волн накачки, которые выбраны для оптимизации формы спектральной характеристики усиления для всех "n" длин волн. Альтернативно может быть использовано меньшее количество источников накачки для достижения компромиссного уровня оптимизации. Обсуждение использования нескольких источников накачки для увеличения полной мощности накачки и обеспечения избыточности можно найти в работе "С. R. Giles et al. Simultaneous wavelength-stabilization of 980-nm pump lasers, IEEE Phot. Tech. Let., vol. 6, pp. 907-909, 1994".
II. Системы передачи со спектральным уплотнением, использующие регулировку длины волны накачки
На фиг. 13 приемник сигнала со спектральным уплотнением, обозначенный в целом позицией 10, оптически соединен с передатчиком сигнала со спектральным уплотнением, обозначенным в целом позицией 11, посредством передающего тракта 12 в виде оптического волокна, которое включает каскадно соединенные оптические усилители 13, расположенные вдоль волокна для усиления сигналов, передаваемых между передатчиком 11 и приемником 10.
Передатчик 11 имеет множество источников 14 сигнала, промодулированного данными (для удобства иллюстрации на чертеже показаны только четыре таких источника), работающих на различных длинах волн, обычно в диапазоне приблизительно от 1525 нм до 1570 нм. Также для простоты изобретение описано для приемника и передатчика, хотя конечно могли быть использованы два приемопередатчика.
Сигналы этих длин волн мультиплексированы в общий передающий тракт 12 с помощью мультиплексора 15 спектрального уплотнения. Как вариант, передатчик может включать один из каскадно соединенных усилителей 13. Приемник имеет демультиплексор 16 сигнала со спектральным уплотнением и является ответной частью для мультиплексора 15 в передатчике. Выходы демультиплексора 16 через индивидуальные каналы демультиплексированных сигналов подключены к соответствующим детекторам 17. Аналогично приемник может включать один из каскадно соединенных усилителей 13 в качестве предусилителя, расположенного до демультиплексора.
Каждый из усилителей 13 предпочтительно включает среду усиления, подвергаемую накачке лазерным диодом, температуру которого динамически регулируют по меньшей мере частично за счет сигнала, полученного из измеренного рабочего параметра усилителя или системы.
На фиг.14 изображен усилитель 13, в котором этим измеренным рабочим параметром является ток возбуждения лазерного диода накачки. Усилитель имеет оптически проводящую среду 20 усиления. Обычно она представляет собой участок оптического волокна, легированного эрбием. Среду усиления подвергают оптической накачке посредством источника 21 накачки в виде лазерного диода, обычно излучающего свет с длиной волны приблизительно 980 нм. Выход источника 21 соединен с общим передающим трактом посредством ответвителя 22 спектрального уплотнения. Полный коэффициент усиления среды усиления 20 стабилизирован с помощью управления током возбуждения, текущим через лазерный диод накачки.
Ток возбуждения для лазерного диода источника 21 накачки поступает через контроллер 24 тока, управляемый управляющим сигналом из петли 25 обратной связи, которая вырабатывает сигнал рассогласования с помощью оптического ответвителя 26, который отводит небольшую часть оптической мощности с выхода усилителя. Температура лазерного диода источника 21 накачки регулируется, например, с помощью охладителя Пельтье. Регулировка осуществляется контроллером 27 температуры, управляемым блоком 28 управления длиной волны. На вход блока 28 управления длиной волны поступает сигнал из контроллера 24 тока, который обеспечивает подачу тока возбуждения лазерного диода в источник накачки и использует хранимые данные для определения температуры лазерного диода, которая требуется при этой величине тока возбуждения лазерного диода для того, чтобы он излучал свет конкретной длины волны. Данные могут храниться в форме таблицы для поиска, значения для которой получены до установки путем снятия зависимостей длины волны излучения лазерного диода от тока возбуждения для различных температур лазерного диода. Альтернативный способ получения этих значений состоит в том, чтобы использовать меньшее количество измерительных точек и производить интерполяцию для требуемой рабочей точки.
Усилитель, изображенный на фиг.14, использует ток возбуждения лазерного диода накачки в качестве регулировочного параметра для управления температурой лазера. Недостаток этого подхода состоит в том, что в нем предполагается, что соотношение между длиной волны излучения, током возбуждения и температурой не меняются по мере старения лазера. Эта проблема лучше решается в усилителе, изображенном на фиг.15.
Усилитель, изображенный на фиг. 15, имеет много компонентов, общих с усилителем, изображенным на фиг.14, и эти компоненты обозначены на фиг.15 теми же позициями, что и их аналоги на фиг.14. Различие между этими двумя усилителями состоит в том, что блок 28 управления длиной волны, имеющийся на фиг.14, заменен на вторую петлю 30 обратной связи, которая управляет работой терморегулятора 27 и получает сигнал рассогласования с выхода оптического дискриминатора 31 длин волн, на вход которого поступает сигнал из оптического ответвителя 32, который отводит небольшую часть оптического сигнала, поданного в ответвитель 22 спектрального уплотнения из источника 21 накачки. Вместо использования оптического ответвителя 32 для отвода мощности, испускаемой передней гранью лазерного диода, на вход дискриминатора 31 может подаваться мощность, испускаемая тыльной гранью лазерного диода. Оптический дискриминатор 31 длин волн может быть выполнен, например, известным способом в виде параллельной конструкции из двух устройств Mach Zehnder. Одно из них выполнено так, что имеет спад характеристики на желаемой длине волны излучения, в то время как другое выполнено так, что имеет подъем характеристики на той же длине волны.
Усилитель, изображенный на фиг.15, работает так, чтобы стабилизировать по длине волны излучение лазерного диода накачки. Таким образом, изменения спектральной характеристики усиления, связанные с изменением длины волны накачки, подавлены. Основная причина стремления к стабильности спектральной характеристики усиления состоит в том, чтобы избежать проблем, связанных с отношением сигнал/шум, которые возникают, если величины сигналов, поданных в различные каналы передающей системы со спектральным уплотнением, становятся все более и более несоизмеримыми при их усилении по мере прохождения по передающему тракту.
Усилитель, изображенный на фиг. 16, регулирует температуру лазерного диода в источнике 21 накачки не для стабилизации длины волны излучения, а для минимизации неравенства сигналов на выходе усилителя в спектральных полосах двух или более усиливаемых мультиплексированных каналов. Усилитель на фиг. 16 имеет те же самые компоненты, что и усилитель на фиг.14, за исключением того, что петля 25 обратной связи 25 и блок 28 управления длиной волны заменены детектором 40 и микропроцессором 41. Сигнал, отведенный с выхода усилителя оптическим ответвителем 26 и поданный в детектор 40, демультиплексируется в нем и детектируется с формированием независимых выходных сигналов P(λ1), P(λ2)...P(λn), подаваемых в микропроцессор 41 и представляющих, обычно в цифровом виде, относительные мощности в каждой из канальных полос λ1, λ2...λn спектрального уплотнения.
С этой целью детектор 40 может содержать демультиплексирующий фильтр для выделения спектрально уплотненных сигналов, который распределяет каналы со спектральным уплотнением по отдельным оптическим волокнам, каждое из которых оканчивается p-i-n диодом, за которым включен усилитель напряжения, управляемый током. Выходной сигнал напряжения каждого усилителя напряжения, управляемого током, преобразуется в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, работающем, например, с частотой 1 кГц. В альтернативном варианте выполнения изобретения детектор 40 выполнен согласно патенту США N 5513029 и содержит ортогональные вибраторы, модулируемые каждым из каналов сигнала со спектральным уплотнением для определения уровня сигнала в каждом канале без использования избирательных фильтров или множества p-i-n диодов.
Первый выходной сигнал из микропроцессора 41 подается в контроллер 24 тока для регулировки выходной мощности источника 21 накачки, а второй выходной сигнал подается в терморегулятор 27 для регулировки температуры лазерного диода в источнике 21 накачки таким способом, чтобы минимизировать неравенство величин некоторых или всех сигналов от P(λ1) до P(λn). Обычно это делают так, чтобы учитывать только те сигналы P(λ1)...P(λn), которые превышают некоторую пороговую величину. То есть не учитываются каналы, не работающие из-за повреждения или вследствие их выключения.
В передающей системе, изображенной на фиг. 17, оконечный оптический усилитель передающего тракта 12 является частью приемника 10 и осуществляет по существу такую же температурную регулировку, какая используется в усилителе на фиг. 16. В этом случае выходной сигнал из микропроцессора 41 используется не только для управления терморегулятором лазерного диода в источнике накачки 21, связанном с этим усилителем, но и для управления температурами источников 21 накачки во всех усилителях в передающем тракте 12 с помощью блока 50 управления системой.
Вариант выполнения детектора 40 в усилительном блоке, изображенном на фиг. 16, который использует множество p-i-n диодов, выполняет три функции. Во-первых, он демультиплексирует каналы, во-вторых, независимо детектирует демультиплексированные каналы и, наконец, преобразует эти детектированные сигналы в сигналы измерения мощности для подачи их в микропроцессор 41. В случае системы передачи, показанной на фиг.17, первые две из этих функций уже выполнены соответственно демультиплексором 16 и детекторами 17 приемника, в то время как третья функция включена в микропроцессор 41, чтобы отпала потребность в отдельном детекторе 40.
Система передачи, показанная на фиг.17, работает по существу так же, несмотря на то, что оконечный усилитель каскада расположен не в приемнике, а в некоторой точке передающего тракта, физически удаленной от приемника. При этом правильнее сказать, что для регулирования температуры диодов лазера в источнике накачки используется не неравенство уровней сигнала в различных спектральных полосах на выходе оконечного усилителя, а аналогичное неравенство в приемнике.
Хотя были описаны и проиллюстрированы конкретные варианты выполнения изобретения, могут быть сделаны различные модификации без отхода от сущности изобретения. Например, в дополнение к вышеупомянутым критериям выбора длины волны накачки тот факт, что рабочая длина волны полупроводниковых лазеров меняется со временем, может также быть включен в процесс выбора. Таким образом, может быть выбрана такая длина волны накачки, которая первоначально не является оптимальной, но при старении лазера смещается, проходя через оптимальную длину волны, и при этом не удаляется чрезмерно от оптимальной длины волны в течение всего срока службы лазера.
Точно так же известно, что выходной спектр лазера накачки может флуктуировать, например, из-за перескоков мод. Чтобы свести к минимуму этот эффект, можно выбрать компромиссную длину волны накачки, которая не обязательно является оптимальной для желаемой формы спектральной характеристики усиления, но относительно нечувствительна к флуктуациям лазерного излучения накачки.
В другом варианте в аналоговой оптической системе передачи, например, системе, использующей мультиплексирование поднесущих, крутизна характеристики усиления (то есть ΔG/Δλ) является важным параметром, который можно оптимизировать для осуществления управления. Соответственно, в этом случае вместо критериев, рассмотренных выше, для выбора длины волны накачки в пределах полосы накачки можно использовать крутизну спектральной характеристики усиления.
Еще в одном варианте в системе передачи, имеющей множество оптических усилителей, лазерные диоды накачки могут иметь различные длины волн, но они должны лежать в пределах разрешенных окон.
Множество других модификаций изобретения будут очевидны для специалистов в данной области из этого описания. Нижеследующая формула изобретения предназначена для обобщения конкретных вариантов выполнения изобретения, сформулированных здесь, а также их модификаций, вариантов и эквивалентов.
Изобретение относится к оптическим усилителям, а именно к устройствам и способам регулировки работы оптических усилителей. Разработаны способы регулировки спектральной характеристики усиления оптического усилителя, содержащего среду оптического усиления и источник накачки, который подает в среду сигнал накачки в полосе накачки. Сигнал накачки характеризуется спектром, который имеет центральную длину волны. Регулируют значение центральной длины волны в пределах полосы накачки для изменения формы спектральной характеристики усиления оптического усилителя. Предлагается система передачи, включающая множество усилителей, использующая данный способ. Технический результат изобретения - повышение эксплуатационных характеристик оптических усилителей, в частности стабильности рабочих параметров. 9 с. и 22 з.п. ф-лы, 17 ил., 2 табл.
Приоритет по пунктам:
17.02.1997 - по пп.1-4, 6, 10-15, 17, 18, 20, 23-28;
21.04.1997 - по пп.5, 16, 19, 21, 22;
16.07.1997 - по пп.7-9, 29-31.
| АВТОМАТ ДЛЯ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ СТЫКОВ ТРУБ | 0 |
|
SU287216A1 |
| US 5260823, 09.11.1993 | |||
| ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО УСИЛИТЕЛЯ | 1993 |
|
RU2062540C1 |
| US 5239607 24.08.1993. | |||
