Волоконно-оптический усилитель для усиления слабого падающего оптического сигнала

 

Волоконно-оптический усилитель включает в себя лазерный диод (ЛД) накачки для подачи светового пучка накачки, мультиплексор с разделением по длинам волн (МРДВ) для связывания падающего оптического сигнала и светового пучка накачки, который подается из ЛД накачки в оптическое волокно, волоконную усилительную среду для усиления падающего оптического сигнала, выходящего из МРДВ, с использованием светового пучка накачки ЛД накачки, ответвитель, присоединенный в виде зеркала обратной связи для отражения падающего оптического сигнала, который ранее был усилен с помощью волоконной усилительной среды, в виде обратной связи и для подачи отраженного оптического сигнала обратно в волоконную усилительную среду, и циркулятор, размещенный перед МРДВ, для приема слабого падающего оптического сигнала и передачи слабого падающего оптического сигнала в МРДВ и вывода оптического сигнала обратной связи, усиленного с помощью волоконной усилительной среды и прошедшего через МРДВ. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления малого сигнала во всем диапазоне длин волн 1530 и 1560 нм. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическому усилителю, а более конкретно к волоконно-оптическому усилителю, который позволяет повысить коэффициент усиления слабого сигнала, имеющего низкую интенсивность, за счет подсоединения оптического ответвителя в виде зеркала обратной связи.

В ретрансляторе дальней оптической связи, известном из патента США 5 119 229 от 2.06.92, ретрансляция обычно выполняется таким способом, что слабый оптический сигнал преобразовывается в электрический сигнал, электрический сигнал усиливается, и затем этот усиленный электрический сигнал преобразовывается обратно в оптический сигнал. Такой способ повторения чрезмерно увеличивает размер системы ретрансляционного усилителя и сильно зависит от скорости передачи. Волоконно-оптический усилитель, предназначенный для усиления оптического сигнала, необходимо использовать в качестве ретранслятора для того, чтобы решить вышеупомянутую проблему и обеспечить эффективное усиление оптического сигнала.

Волоконный усилитель, легированный эрбием (ВУЛЭ), являющийся волоконным усилительным ретранслятором, привлекает внимание прежде всего как оптический ретранслятор следующего поколения для оптической связи. ВУЛЭ периодически усиливает оптический сигнал, предотвращая ослабление оптического сигнала, которое возникает при передаче на большие расстояния, когда большой объем информации передается на дальние расстояния через оптическое волокно.

На фиг. 1 изображена блок-схема, показывающая конфигурацию нормального одиночного ретрансляционного ВУЛЭ, содержащего волокно, легированное эрбием (ВЛЭ) 130 и являющееся усилительной средой для оптических сигналов, лазерный диод (ЛД) 120 накачки, мультиплексор с разделением по длинам волн (МРДВ) 110 и устройства 100 и 140 развязки. Здесь ЛД 120 накачки функционирует как источник света для возбуждения ионов эрбия, находящихся в ВЛЭ 130 в нижнем энергетическом состоянии. МРДВ 110 связывает в волокне оптический сигнал и световой пучок накачки и передает его в одиночный канал. Устройства 100 и 140 развязки защищают от обратного прохождения оптического сигнала.

МРДВ 110 связывает в волокне оптический сигнал и световой пучок накачки и передает его по волокну в ВЛЭ 130. Оптические устройства 100 развязки, расположенные перед МРДВ 110, защищают оптический сигнал от неэффективного усиления за счет усиленной спонтанной эмиссии (УСИ), возникающей в ВЛЭ, которая отражается при помощи оптического устройства, такого как соединитель входных сигналов, и повторно вводится в ВЛЭ 130. Аналогично, устройство 140 развязки, расположенное после ВЛЭ 130, предотвращает снижение эффективности усиления ВУЛЭ за счет УСИ, которая отражается с помощью оптического устройства, такого как соединитель выходных сигналов, и снова подается в ВЛЭ 130. ЛД 120 накачки имеет длину волны 980 нм, лазерную накачку, выполняемую в прямом направлении (то есть, в направлении, в котором проходит оптический сигнал), и генерирует излучение с постоянной мощностью 120 мВт. ВЛЭ 130 представляет собой легированное ВЛЭ с высоким содержанием алюминия и концентрацией эрбия 0,299 · 10^-3.

Между тем, в волоконно-оптическом усилителе преобразование энергии светового пучка накачки в энергию оптического сигнала основывается на принципах работы лазера. Соответственно, когда интенсивность оптического сигнала является достаточно низкой, известный волоконно-оптический усилитель не позволяет эффективно переводить эрбий, находящийся в возбужденном состоянии за счет действия светового пучка накачки высокой интенсивности, в нижнее энергетическое состояние, поскольку оптический сигнал проходит через ВЛЭ один раз. Таким образом, эффективность усиления известного волоконно-оптического усилителя не является высокой. То есть энергия светового пучка накачки не может быть эффективно преобразована в энергию оптического сигнала. Поэтому существует ограничение по усилению малого сигнала, и различие по усилению в пределах длин волны оптического сигнала сравнительно широк.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы выполнить волоконный усилитель, легированный эрбием (ВУЛЭ), для достижения высокого усиления слабого сигнала, включающий в себя оптический ответвитель, установленный позади ВЛЭ в виде зеркала обратной связи, для повторного усиления оптического сигнала, который выходит через зеркало обратной связи с использованием ВЛЭ, и окончательного вывода усиленного оптического сигнала с использованием оптического циркулятора для того, чтобы увеличить коэффициент усиления малого сигнала во всем диапазоне длин волн ВУЛЭ и уменьшить разность коэффициентов усиления в диапазоне длин волн оптического сигнала.

Соответственно, для решения вышеуказанной задачи выполнен волоконно-оптический усилитель, позволяющий получить высокий коэффициент усиления малого сигнала, который усиливает слабый падающий оптический сигнал, содержащий лазерный диод (ЛД) накачки для подачи светового пучка накачки для того, чтобы усиливать падающий оптический сигнал, мультиплексор с разделением по длинам волн (МРДВ) для связывания падающего оптического сигнала и светового пучка накачки, который подается из ЛД накачки в оптическое волокно, волоконную усилительную среду для усиления падающего оптического сигнала, выходящего из МРДВ, с использованием светового пучка накачки ЛД накачки, а также оптический сигнал обратной связи, который повторно вводится в волоконную усилительную среду из ответвителя, ответвитель, присоединенный в виде зеркала обратной связи, для отражения падающего оптического сигнала, который ранее был усилен с помощью волоконной усилительной среды, в виде обратной связи и для подачи отраженного оптического сигнала обратно в волоконную усилительную среду, и циркулятор, размещенный перед МРДВ, для приема слабого падающего оптического сигнала и передачи слабого падающего оптического сигнала в МРДВ, и вывод оптического сигнала обратной связи, усиленный с помощью волоконной усилительной среды и прошедший через МРДВ.

Предпочтительно, что волоконно-оптический усилитель дополнительно содержит фильтр, установленный в ответвителе, который функционирует как зеркало обратной связи, или между волоконной усилительной средой и ответвителем для предотвращения усиленной спонтанной эмиссии (УСИ) для того, чтобы получить более высокое усиление малого сигнала.

Также, предпочтительно, что волоконно-оптический усилитель дополнительно содержит эквалайзер усиления, установленный в ответвителе, который функционирует как зеркало обратной связи, или между волоконной усилительной средой и ответвителем для выравнивания коэффициентов усиления волоконно-оптического усилителя.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1 изображает блок-схему конфигурации известного одиночного направленного волоконного усилителя, легированного эрбием (ВУЛЭ); фиг. 2 изображает блок-схему конфигурации волоконно-оптического усилителя для достижения высокого коэффициента усиления слабого сигнала, согласно варианту осуществления настоящего изобретения и фиг. 3 изображает график коэффициента усиления от длины волны, позволяющий сравнить коэффициенты усиления малых сигналов двух видов ВУЛЭ.

На фиг. 2 волоконно-оптический усилитель, позволяющий получить высокий коэффициент усиления малого сигнала, согласно варианту осуществления настоящего изобретения содержит лазерный диод (ЛД) 210 накачки, мультиплексор с разделением по длинам волн (МРДВ) 220, волокно, легированное эрбием (ВЛЭ) 230, ответвитель 240 и циркулятор 200.

С ЛД 210 накачки, который является источником света для возбуждения ионов эрбия, находящихся в нижнем (основном) энергетическом состоянии, световой пучок накачки подается в ВЛЭ, являющееся усилительной средой, которая позволяет усиливать входной оптический сигнал с низкой интенсивностью.

МРДВ 220 обеспечивает связь входного оптического сигнала и светового пучка накачки, который выходит из ЛД 210 накачки, в одном оптическом волокне и подачу связанного входного оптического сигнала в ВЛЭ 230.

ВЛЭ 230 усиливает входной оптический сигнал, подаваемый из МРДВ 220, с использованием светового пучка накачки ЛД 210 накачки, а также усиливает оптический сигнал обратной связи, который повторно вводится в ВЛЭ 230 из ответвителя 240.

Ответвитель 240, например, ответвитель с коэффициентом ответвления 50:50 и рабочей длиной волной 1550 нм, присоединяется в виде зеркала обратной связи и отражает падающий оптический сигнал, который ранее был усилен за счет прохождения через ВЛЭ 230, в ВЛЭ 230 в виде обратной связи.

Циркулятор 200 размещается перед МРДВ 220 и принимает падающий оптический сигнал низкой интенсивности и передает его в МРДВ 220, и окончательно выводит оптический сигнал обратной связи, усиленный с помощью ВЛЭ 230 и переданный через МРДВ 220.

Порты 1 и 2 циркулятора 200 передают входной оптический сигнал, и порты 2 и 3 передают выходной оптический сигнал. Потери при вводе до и после составляют соответственно 1,2 и 1,73 дБ. Порты 2--->1 и порты 3--->2 имеют коэффициент развязки 40 дБ или выше и служат в качестве устройства развязки, у которого входной и выходной порты используются так же, как и в известном ВУЛЭ. Соответственно, нет необходимости в использовании дополнительного устройства развязки.

Для сравнения результата настоящего изобретения с известным одиночным направленным ВУЛЭ, показанным на фиг. 1, ЛД 210 накачки имеет длину волны 980 нм, мощность 120 мВт, как и в известном ВУЛЭ, и лазерную накачку, выполненную в прямом направлении, то есть в направлении распространения оптического сигнала. МРДВ 220 является устройством сплавленного типа, и используемое ВЛЭ представляет собой ВЛЭ, легированный A1 с высоким содержанием и длиной 5 м, у которого концентрация эрбия составляет 0,290·10^-3.

Ниже описывается работа настоящего изобретения на основе вышеописанной конфигурации.

Сначала падающий оптический сигнал проходит через порты 1 и 2 циркулятора 200, связывается со световым пучком накачки с помощью МРДВ 220 и в основном усиливается с помощью ВЛЭ 230. Усиленный оптический сигнал разделяется с коэффициентом ответвления 50:50, и разделенные световые пучки проходят круг и связываются друг с другом в ответвителе 240. Оптический сигнал, прошедший обратно через зеркало обратной связи, снова усиливается с помощью ВЛЭ 230, и усиленный оптический сигнал в итоге выводится через порты 2 и 3 циркулятора 200.

В настоящем изобретении интенсивность входного оптического сигнала, используемая для измерения свойств ВУЛЭ, составляет -30 дБ и длина волны и интенсивность светового пучка накачки равны соответственно 980 нм и 120 мВт. Оптическое устройство, такое как МРДВ, и ВЛЭ в настоящем изобретении являются такими же, как и те, которые используются в известном ВУЛЭ, и два ВЛЭ имеют ту же самую длину. Коэффициент усиления измеряется в интервалах длин волн 5 нм входного оптического сигнала в пределах 1530 и 1560 нм, и результат измерения показан на фиг.3 вместе с измеренными коэффициентами усиления известной ВУЛЭ. Как показано на фиг.3, ВУЛЭ, использующее способ, основанный на зеркале обратной связи, имеет коэффициент усиления малого сигнала, который выше для длин волн в пределах 1530 нм и 1560 нм, чем известный одиночный направленный ВУЛЭ, и малую разность коэффициентов усиления для соответствующих длин волн, то есть между 6 дБ и 13 дБ. ВУЛЭ, согласно настоящему изобретению, достигает коэффициента усиления малого сигнала, который выше на 7 дБ или более, особенно на длине волны 1560 нм.

Между тем, фильтр (не показан), размещенный в ответвителе 240, который служит в качестве зеркала обратной связи, или между ВЛЭ 230 и ответвителем 240, и может достигать высокого коэффициента усиления малого сигнала с защитой от УСИ. Также, эквалайзер усиления (не показан) можно установить в ответвителе 240, работающий как зеркало обратной связи, или между волоконной усилительной средой и ответвителем для того, чтобы выровнять коэффициенты усиления волоконно-оптического усилителя.

Согласно настоящему изобретению, высокий коэффициент усиления малого сигнала можно достигнуть во всем диапазоне длин волн в пределах 1530 и 1560 нм с помощью использования ответвителя с коэффициентом ответвления 50:50 и рабочей длиной волны 1550 нм в качестве зеркала обратной связи.

Разность коэффициентов усиления в диапазоне длин волн может быть значительно ниже в ВУЛЭ, согласно настоящему изобретению, чем у известного ВУЛЭ, использующего ВЛЭ, которое имеет ту же самую длину, как и у ВЛЭ настоящего изобретения.

Способ на основе зеркала обратной связи, являющийся структурой ВУЛЭ, которая используется в настоящем изобретении, является двухпроходовым способом, что позволяет таким образом уменьшить длину ВЛЭ по сравнению с существующими однопроходовыми способами, поскольку оптический сигнал проходит через ВЛЭ дважды.

Более того, поскольку расстояние между усилителями становится более большим благодаря увеличению коэффициента усиления ВУЛЭ при передаче на дальние расстояния, меньшее количество усилителей можно использовать для данного расстояния. Таким образом, способ с зеркалом обратной связи, согласно настоящему изобретению является экономичным и может уменьшить вероятность ошибок, возникающих в усилителях.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический усилитель для достижения высокого коэффициента усиления малого сигнала, который усиливает слабый падающий оптический сигнал, содержащий лазерный диод (ЛД) накачки для подачи светового пучка накачки для того, чтобы усиливать падающий оптический сигнал, мультиплексор с разделением по длинам волн (МРДВ) для связывания падающего оптического сигнала и светового пучка накачки, который подается из ЛД накачки в оптическое волокно, волоконную усилительную среду для усиления падающего оптического сигнала, выходящего из МРДВ, с использованием светового пучка накачки ЛД накачки, отличающийся тем, что содержит ответвитель, присоединенный в виде зеркала обратной связи для отражения падающего оптического сигнала, который ранее был усилен с помощью волоконной усилительной среды, в виде петли ответвителя и для подачи отраженного оптического сигнала обратно в волоконную усилительную среду, и циркулятор, размещенный перед МРДВ, для приема слабого оптического сигнала и передачи слабого падающего оптического сигнала в МРДВ и вывода оптического сигнала обратной связи, усиленного с помощью волоконной усилительной среды и прошедшего через МРДВ.

2. Волоконно-оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что содержит фильтр, установленный в ответвителе и выполненный с возможностью функционирования как зеркало обратной связи или между волоконной усилительной средой и ответвителем для защиты от усиленной спонтанной эмиссии (УСИ) для того, чтобы получить более высокий коэффициент усиления малого сигнала.

3. Волоконно-оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что содержит эквалайзер усиления, установленный в ответвителе и который выполнен с возможностью функционирования как зеркало обратной связи или между волоконной усилительной средой и ответвителем для выравнивания коэффициентов усиления волоконно-оптического усилителя.

4. Волоконно-оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что волоконная усилительная среда представляет собой волокно, легированное эрбием.

5. Волоконно-оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что ответвитель представляет собой ответвитель с коэффициентом ответвления 50:50 и рабочей длиной волны 1550 нм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3