Двунаправленный оптический усилитель и способ двунаправленной связи

 

Изобретение относится к технике электросвязи. Двунаправленный оптический усилитель, содержащий однонаправленный оптический усилительный блок, характеризуемый одной полосой длин волн усиления; два порта ввода и вывода по меньшей мере для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, имеющих первую и вторую длины волн соответственно, отличающиеся одна от другой и входящие в полосу длин волн усиления; два первых и два вторых селективных к длинам волн оптических элемента связи, имеющих первую полосу пропускания, включающую упомянутую первую длину волны, и вторую полосу пропускания, включающую вторую длину волны, соответственно, причем упомянутые первая и вторая полосы пропускания взаимно не перекрываются, усилительный блок подсоединен между противоположными узлами оптической мостовой схемы, в узлах которой находятся упомянутые первый и второй селективные оптические элементы связи, которые размещены симметрично относительно усилительного блока и портов ввода и вывода упомянутых оптических сигналов. Техническим результатом является упрощение конструкции усилителя. 4 с. и 7 з.п.ф-лы, 16 ил., 2 табл.

Настоящее изобретение относится к оптиковолоконной двунаправленной системе связи и к двунаправленному оптическому усилителю.

В последнее время в технике электросвязи стали широко использоваться оптические волокна для передачи оптических информационных сигналов на большие расстояния.

Известно, что оптические сигналы, передаваемые по оптическому волокну, испытывают ослабление при их распространении, что приводит к необходимости усиления сигнала до уровня, обеспечивающего его передачу на необходимое расстояние до приемной станции с уровнем мощности, достаточным для корректного приема передаваемых сообщений.

Такое усиление может быть обеспечено соответствующими усилителями, расположенными с заданными интервалами вдоль линии, при этом усилители периодически повышают мощность передаваемого оптического сигнала.

Для этой цели обычно используют оптические усилители, в которых сигнал усиливается, сохраняя оптическую форму, т.е. без оптоэлектронного детектирования сигнала и обратного электрооптического его преобразования.

Такие оптические усилители основываются на свойствах флюоресцентной легирующей примеси (например, эрбия), которая при соответствующем возбуждении управляемой световой энергией формирует высокий уровень излучения в диапазоне длин волн, соответствующем минимальному ослаблению света в оптических волокнах на основе диоксида кремния.

Такие усилители представляют собой устройства однонаправленного типа, т. е. в таких усилителях оптический сигнал имеет предварительно определенное направление распространения. Это объясняется тем, что, как описано, например, в патенте США N 5204923 и в патенте США N 5210808 того же Заявителя, оптические усилители, в частности, если требуется обеспечить высокое усиление, содержат компоненты однонаправленного типа, предназначенные для того, чтобы предотвратить возврат к усилителю сигналов, отраженных вне усилителя, например, вследствие рэлеевского рассеяния в оптических волокнах, соединенных с усилителями.

Вследствие этого, двунаправленная передача требует использования двух отдельных каналов связи, снабженных соответствующими усилителями, каждый из которых используется для осуществления связи в одном направлении, что приводит к высоким затратам на осуществление связи.

Делались попытки получить двунаправленное усиление с использованием одного однонаправленного усилителя за счет использования возможности, предоставляемой усилителями с флюоресцентными легирующими примесями, усиливать сигнал на различных длинах волн независимым образом. Двунаправленный усилитель, основанный на этом принципе, описан в статье S.Seikai et al. "Novel Optical Circuirt Suitable for Wevelength Division Bidirectional Optical Amplification", опубликованной в журнале Electronics Letters, Vol 29, N 14, July 8, 1993, p.p. 1268-1270. В этом устройстве, расположенном в оптиковолоконной линии передачи, два сигнала на различных длинах волн передаются в противоположных направлениях. Это устройство содержит элементы связи, селективные к длинам волн, и однонаправленный усилительный блок на легированном оптическом волокне, соединенные между собой участками пассивного оптического волокна. Обе длины волн сигналов находятся в пределах полосы усиления легированного оптического волокна. Посредством селективных к длинам волн элементов связи два сигнала с различными длинами волн пропускают в различные оптические каналы распространения. Два оптических канала распространения совпадают только на участке, соответствующем усилительному блоку на легированном оптическом волокне, по которому распространяются два сигнала в одном и том же направлении. Устройство, которое более подробно будет описано ниже, имеет недостаток, заключающийся в нестабильности, обусловленной внутренними отражениями на длине волн, промежуточной между длинами волн двух распространяющихся сигналов. Эта проблема может быть решена только за счет использования дополнительных фильтров, причем некоторые из них должны быть перестраиваемыми. В результате требуется весьма сложная конструкция и необходимо использовать устройства для постоянной высокоточной настройки упомянутых фильтров.

В соответствии с одним аспектом, изобретение относится к двунаправленному оптическому усилителю, содержащему - оптический усилительный блок, включающий в себя по меньшей мере один оптический элемент развязки, характеризуемый полосой длин волн усиления, - два оптических порта ввода и вывода по меньшей мере для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, причем эти сигналы имеют соответственно первую и вторую длины волн, эти длины волн отличны одни от другой и находятся в полосе длин волн усиления, - два первых и два вторых селективных к длинам волн оптических элемента связи, имеющих первую полосу пропускания, включающую упомянутую первую длину волны, и вторую полосу пропускания, включающую упомянутую вторую длину волны, причем упомянутые первая и вторая полосы пропускания взаимно не перекрываются, при этом упомянутый усилительный блок соединен с двумя противоположными узлами оптической мостовой схемы, с другими противоположными узлами которой соединены упомянутые входной и выходной порты, причем в узлах мостовой схемы включены упомянутые оптические селективные элементы связи, отличающемуся тем, что первый и второй селективные элементы связи размещены симметрично относительно усилительного блока и упомянутых входного и выходного портов оптических сигналов.

В предпочтительном примере выполнения усилительный блок включает в себя, по меньшей мере, одно легированное эрбием оптическое волокно.

Предпочтительно оптическое волокно в числе легирующих примесей содержит оксид алюминия, германий, и наиболее предпочтительно оптическое волокно содержит в числе легирующих примесей оксид алюминия, германий и лантан.

Упомянутая полоса пропускания селективных элементов связи предпочтительно имеет ширину по меньшей мере 10 нм.

В возможном варианте выполнения по меньшей мере одна из упомянутых полос пропускания содержит по меньшей мере два сигнала различных длин волн.

В предпочтительном варианте выполнения селективные к длине волн элементы связи имеют добротность, равную или большую 0,5.

В соответствии со вторым аспектом, настоящее изобретение относится к двунаправленному оптическому усилителю, содержащему - оптический усилительный блок, включающий по меньшей мере один оптический элемент развязки, характеризуемый полосой длин волн усиления, - два оптических порта ввода и вывода по меньшей мере для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, причем упомянутые сигналы имеют соответственно первую и вторую длину волны, отличные одна от другой; - по меньшей мере два селективных к длинам волн оптических элемента связи, имеющие полосу пропускания, включающую упомянутую первую длину волны, и полосу отражения, включающую упомянутую вторую длину волны, причем упомянутые полосы взаимно не перекрываются, - при этом упомянутый усилительный блок соединен с двумя противоположными узлами оптической мостовой схемы, с двумя другими противоположными узлами которой соединены упомянутые входной и выходной порты, причем мостовая схема образует по меньшей мере одну цепь обратной связи, включающую упомянутый усилительный блок и не более трех из упомянутых элементов связи,
отличающемуся тем, что выполнение упомянутых селективных к длинам волн элементов связи таково, что каждая из упомянутых цепей обратной связи имеет полное ослабление, превышающее усиление усилителя на каждой длине волны в пределах полосы усиления, в присутствии отражений по меньшей мере, 15 дБ на одном из упомянутых портов ввода и вывода и при отсутствии средств фильтрации.

В предпочтительном варианте, согласно этому второму аспекту изобретения, двунаправленный оптический усилитель отличается тем, что оптическая мостовая схема содержит два селективных к длинам волн элемента связи с первой полосой пропускания и два селективных к длинам волн элемента связи с второй полосой пропускания, расположенные в узлах упомянутой схемы, причем элементы связи расположены симметрично относительно усилительного блока.

Согласно другому аспекту, настоящее изобретение относится к двунаправленному оптическому усилителю, содержащему
- оптический усилительный блок, включающий по меньшей мере один оптический элемент развязки, характеризуемый полосой длин волн усиления,
- два порта ввода и вывода по меньшей мере для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, эти сигналы имеют соответственно первую и вторую длину волны соответственно, причем упомянутые длины волн отличны одна от другой и находятся в пределах упомянутой полосы длин волн усиления,
- два селективных к длинам волн оптических элемента связи одного типа и два селективных к длинам волн оптических элемента связи второго типа,
- соответственно имеющих первую полосу пропускания, включающую упомянутую первую длину волны, и полосу пропускания, включающую упомянутую вторую длину волны, причем упомянутые полосы пропускания первой и второй длин волн взаимно не перекрываются;
- и соответственно имеющих первую полосу отражения, включающую упомянутую вторую длину волны, и вторую полосу отражения, включающую упомянутую первую длину волны;
- и имеющих каждый одно волокно общего доступа, одно волокно доступа, передающее на свой выход сигналы в упомянутой полосе пропускания, и одно волокно доступа, передающее на свой выход сигналы в упомянутой полосе отражения,
отличающемуся тем, что первый порт ввода/вывода соединен с общим оптическим волокном первого селективного элемента связи первого типа; оптическое волокно, передающее на свой выход сигналы в упомянутой полосе пропускания первого селективного элемента связи первого типа, соединено с оптическим волокном, передающим на свой выход сигналы в упомянутой полосе отражения первого селективного элемента связи второго типа; оптическое волокно, передающее на свой выход сигналы в полосе отражения первого селективного элемента связи первого типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в упомянутой полосе пропускания второго селективного элемента связи второго типа, однонаправленный усилительный блок включен между общим оптическим волокном первого селективного элемента связи второго типа и общим оптическим волокном второго селективного элемента связи второго типа, так, что оптический элемент развязки обеспечивает прохождение излучения в направлении от первого к второму селективному элементу связи второго типа; оптическое волокно, передающее на свой выход сигналы в полосе пропускания первого селективного элемента связи второго типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в упомянутой полосе отражения второго селективного элемента связи первого типа; оптическое волокно, передающее на свой выход сигналы в упомянутой полосе отражения второго селективного элемента связи второго типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в упомянутой полосе пропускания второго селективного элемента связи первого типа; общее волокно второго селективного элемента связи первого типа соединено с вторым портом ввода/вывода.

Согласно еще одному аспекту, настоящее изобретение относится к способу двунаправленной связи, включающему
- генерирование первого оптического сигнала и второго оптического сигнала соответственно с первой и второй длинами волн в первой и второй передающих станциях;
- введение упомянутого первого и второго сигналов в противоположные концы оптического волокна линии связи соответственно,
- усиление упомянутых первого и второго сигналов по меньшей мере однократно в оптическом усилителе, введенном в линию связи,
- прием упомянутых первого и второго сигналов соответственно первой и второй приемными станциями на противоположных концах оптического волокна канала связи относительно упомянутых первой и второй передающих станций, причем операция усиления упомянутых первого и второго сигналов осуществляется одним оптическим усилителем, содержащим оптико- волоконный усилительный блок с оптическим элементом развязки, и включает
- передачу каждого из упомянутых сигналов по меньшей мере однократно через первый селективный к длинам волн оптический элемент связи,
- отражение каждого из упомянутых сигналов, по меньшей мере, однократно посредством второго селективного к длинам волн оптический элемент связи, как в одном направлении, так и в противоположном направлении усилительного блока,
- отличающемуся тем, что операции передачи и отражения осуществляются в одной и той же последовательности для каждого из сигналов.

Фиг. 1 - блок-схема двунаправленной линии передачи согласно изобретению,
Фиг. 2 - блок-схема блока сопряжения линии, выполненного согласно изобретению,
Фиг. 3 - блок-схема элемента связи с селективным отражением, предназначенного для использования в двунаправленных усилителях, и его спектральная характеристика передачи,
Фиг. 4 - характеристика спектрального ослабления сигналов, передаваемых между двумя парами волокон доступа элемента связи с селективным отражением первого типа,
Фиг. 5 - блок-схема двунаправленного оптического усилителя, известного из предшествующего уровня техники,
Фиг. 6 - блок-схема двунаправленного оптического усилителя, экспериментально опробованного заявителем,
Фиг. 7 - схема дополнительного двунаправленного оптического усилителя, экспериментально опробованного заявителем,
Фиг. 8 - характеристика спектрального ослабления сигналов, передаваемых между двумя парами оптических волокон доступа элемента связи с селективным отражением второго типа,
Фиг. 9 - блок-схема линии передачи, содержащей устройство, выполненное согласно одному варианту осуществления изобретения,
Фиг. 10 - график, иллюстрирующий перекрывающиеся спектр сигналов на двух выходах двунаправленного оптического усилителя в линии передачи по фиг. 9;
Фиг. 11 - график частоты ошибок по битам в зависимости от ослабления между усилителями в линии передачи по фиг. 9,
Фиг. 12 - детальная блок-схема двунаправленного оптического усилителя, выполненного согласно второму варианту осуществления изобретения,
Фиг. 13 - график, иллюстрирующий перекрытие спектров, измеренных на двух выходах двунаправленного оптического усилителя в отсутствие оптических входных сигналов,
Фиг. 14 - график, иллюстрирующий перекрытие спектров, измеренных на двух выходах двунаправленного оптического усилителя в присутствии оптических входных сигналов,
Фиг. 15 - блок-схема однонаправленного усилительного блока, который может быть использован в двунаправленном усилителе, соответствующем изобретению,
Фиг. 16 - блок-схема системы контроля и управления для двунаправленного оптического усилителя.

Как показано на фиг. 1, двунаправленная оптическая система связи, соответственно изобретению, содержит две оконечные станции А и В, каждая из которых содержит соответствующую передающую станцию 1A, 1B и соответствующую приемную станцию 2A, 2B.

В частности, передающая станция 1A содержит лазерный передатчик с первой длиной волны λ₁ (например, 1533 нм), а передающая станция 1B содержит лазерный передатчик с длиной λ₂ волны (например, 1556 нм).

Передатчики 1A, 1B представляют собой передатчики, модулированные непосредственно или посредством внешней модуляции, согласно требованиям линии связи, в частности во взаимосвязи с хроматической дисперсией оптиковолоконной линии, ее длиной и предусмотренной скоростью передачи.

Выходной сигнал каждого из передатчиков 1A, 1B поступает на вход соответствующего усилителя 3 и затем на вход элемента связи 4, который является селективным к соответствующим длинам волн указанных лазерных передатчиков 1A, 1B.

Выходной сигнал селективного элемента связи 4, в котором две длины волны λ₁ и λ₂ мультиплексированы совместно в одном волокне, подается в оконечную часть оптической линии 5, содержащей оптическое волокно, соединяющее две оконечные станции A и B друг с другом.

Оптическое волокно оптической линии связи 5 обычно представляет собой одномодовое оптическое волокно типа со ступенчатым индексом (S1) или типа с дисперсионным смещением, обычным образом введенное в соответствующий оптический кабель. Его длина составляет несколько десятков (или сотен) километров между каждым из усилителей, обеспечивая перекрытие требуемой дистанции связи.

В линию передачи 5 введен двунаправленный оптический усилитель 6, соответствующий настоящему изобретению.

Хотя в настоящем описании показан только один оптический усилитель, могут использоваться несколько последовательно соединенных оптических усилителей, в зависимости от общей длины оптической линии связи и уровней мощности в различных ее частях. Например, участок оптического волокна между оконечным пунктом и усилителем или между двумя последовательными усилителями может составить до 100 км.

Если передаваемые оптические сигналы должны генерироваться источниками сигналов, имеющими свойственные им характеристики передачи (например, длину волны, тип модуляции, мощность), отличные от тех, которые указаны в описываемой системе связи, каждая передающая станция 1A, 1B должна содержать соответствующий блок сопряжения, предназначенный для приема внешних исходных оптических сигналов и для детектирования и регенерирования их повторно с новыми характеристиками, адаптированными к передающей системе.

В частности, упомянутые блоки сопряжения генерируют соответствующие оптические рабочие сигналы с длинами волн λ₁,λ₂ (также называемые для краткости λ₁ - сигнал и λ₂ - сигнал), адаптированные к требованиям системы, как поясняется ниже.

В патенте США N 5267073 того же Заявителя, приведенном здесь для ссылки, описаны блоки сопряжения, которые, в частности, содержат передающий преобразователь, предназначенный для преобразования оптического входного сигнала в оптический сигнал, форма которого соответствует оптической линии передачи, а также приемный преобразователь, предназначенный для преобразования передаваемого сигнала в форму, соответствующую приемному блоку.

Для использования в системе, соответствующей изобретению, передающий преобразователь предпочтительно содержит лазер с внешним типом модуляции в качестве лазера, генерирующего выходной сигнал.

Блок-схема предназначенного для сопряжения передающего блока, выполненная в соответствии с изобретением, представлена на фиг. 2, на которой для наглядности линии оптической связи представлены сплошной линией, а линии электрической связи - прерывистой линией.

Оптический сигнал от внешнего источника 7 принимается фотодетектором (фотодиодом) 8, излучающим электрический сигнал, поступающий на электронный усилитель 9.

Электрический выходной сигнал с усилителя 9 подается на схему управления 10 модулируемого лазерного излучателя 11, предназначенного для генерирования оптического сигнала с предварительно выбранной длиной волны, содержащего информацию входного сигнала.

В необходимом случае разрешающая схема 12 канала обслуживания может быть подсоединена к схеме управления 10.

Модулированный лазерный излучатель 11 содержит лазер непрерывного излучения 13 и внешний модулятор 14, например, типа Маха-Зендера, управляемый выходным сигналом схемы 10.

Схема 15 контролирует длину волны излучения лазера 13, поддерживает ее постоянной, соответствующей предварительно выбранному значению, за счет компенсации возможных внешних возмущений, например, обусловленных температурой и т.п.

Предназначенные для сопряжения приемные блоки вышеуказанного типа описаны в упомянутом патенте и поставляются Заявителем с торговой маркой TXT/E-EM.

Как вариант, лазерные передатчики 1A, 1B могут представлять собой лазерные передатчики, работающие на выбранных длинах волн, использующие лазеры с распределенной обратной связью (DFB-лазеры) с длиной волны 1533 и 1556 нм. В экспериментах по передаче сигнала, описанных ниже, в частности, использовался лазер с распределенной обратной связью с длиной волны 1533 нм, непосредственно модулированный с частотой 2,5 Гбит/с, включенный с приемником в оконечное устройство SDH модели SLX-1/16, введенной в коммерческий оборот компанией PHILIPS NEDERLAND BV, 2500 BV, 's Gravenhage (Нидерланды), лазер с распределенной обратной связью с длиной волны 1556 нм непрерывного излучения, изготавливаемый компанией ANRITSU CORP. , 5-10-27 Minato-ku, Токио (Япония).

Как показано на фиг. 1, усилители 3 повышают уровень сигналов, генерируемых передатчиками 1A, 1B, до значения, достаточного для обеспечения распространения сигналов на участке оптического волокна до приемной станции или средства усиления, при сохранении достаточного уровня мощности на приемном конце, чтобы обеспечить требуемое качество передачи.

Для выполнения целей изобретения и вышеуказанного его использования усилитель 3 выполнен, например, в виде оптиковолоконного усилителя коммерчески доступного типа со следующими характеристиками:
- входная мощность от -5 до +2 дБмВт
- выходная мощность 13 дБмВт
- рабочая длина волны 1530-1560 нм
Соответствующей моделью является ТРА/Е-12, выпускаемая Заявителем.

Селективные элементы связи 4 являются оптическими компонентами, предназначенными для передачи оптических сигналов на различных длинах волн в единое выходное оптическое волокно и для разделения двух перекрывающихся сигналов в едином входном оптическом волокне на два оптических выходных волокна соответственно, в зависимости от конкретных длин волн. Указанные селективные элементы связи необходимы для получения ширины полосы пропускания, обеспечивающей разделение сигналов в двух направлениях, в отсутствие перекрестных помех.

Селективные элементы связи 21, 22 могут предпочтительно иметь вид, схематично представленный на фиг. 3A. Они имеют четыре оптических волокна доступа (входные или выходные порты) 101, 102, 103, 104 соответственно и содержат селективно отражающий элемент 105 в средней части, причем отражающий элемент действует подобно полосно пропускающему элементу при передаче и подобно полосно режектирующему элементу при отражении. Таким образом этот элемент предназначен для обеспечения прохождения сигналов с длиной волны в предварительно определенной полосе и для отражения сигналов с длиной волны, вне этой полосы. Входной сигнал, поступающий в оптическое волокно 101 селективного элемента связи, с длиной волны λ_p внутри полосы пропускания элемента 105 передается без значительного ослабления в оптическое волокно 103, и, аналогично, сигналы с длиной волны λ_p передаются из оптического волокна 104 в оптическое волокно 102 или симметричным образом из оптического волокна 103 в оптическое волокно 101 и из оптического волокна 102 в оптическое волокно 104. Входной сигнал, поступающий в оптическое волокно 101, с длиной волны λ_r за предела ми такой полосы, наоборот, отражается в оптическое волокно 104, и, аналогично, сигналы с длиной волны λ_r проходят из оптического волокна 102 в оптическое волокно 103 и симметричным образом - из оптического волокна 104 в оптическое волокно 101 и из оптического волокна 103 - в оптическое волокно 102.

На фиг. 3B представлена рассмотренная ниже полоса пропускания селективно отражающего элемента 105 или, более широко, полоса пропускания селективного элемента связи; полоса, длины волн которой близки к волне с минимальным ослаблением при передаче и которой при передаче через селективно отражающий элемент 105 соответствует ослабление не более 0,5 дБ дополнительно к минимальному ослаблению. Ширина этой полосы пропускания представлена на фиг. 3B как ширина полосы на уровне - 0,5 дБ ("-0,5 dB BW").

Аналогичным образом ниже будет рассмотрена в качестве полосы отражения селективно отражающего элемента 105 или, более широко, в качестве полосы отражения селективного элемента связи, полоса, длины волн которой близки к длине волны минимального ослабления при отражении и которой при отражении селективным отражающим элементом 105, соответствует ослабление не более 0,5 дБ в дополнение к минимальному ослаблению.

Селективные элементы связи выбраны таким образом, что, по меньшей мере, часть их полосы пропускания и, по меньшей мере, часть их полосы отражения находятся в полосе усиления двунаправленного усилительного блока, и что длины волн λ₁ и λ₂ входят соответственно в упомянутые полосу пропускания и полосу отражения.

В то время как описаны четыре оптических волокна доступа, могут быть использованы селективные элементы связи только с тремя оптическими волокнами доступа, при этом четвертое из них (например, 104) остается неиспользованным.

К примеру, пригодным для применения селективным элементом связи является модель WD 1515AY-A3, введенная в коммерческий оборот компанией JDS FITEL INC., Hesion Drive Hepean, Онтарио (Канада), структура которой соответствует приведенному описанию со ссылками на фиг. 3A, в варианте использования только трех оптических волокон доступа 101, 102, 103.

Характеристики относительного спектрального ослабления приведены на фиг. 4A и 4B. Приведенные кривые показывают ослабление при изменении длины волны, испытываемое сигналом, введенным в данное оптическое волокно селективного элемента связи, при его распространении до достижения конкретного выходного оптического волокна. Кривая 4A, в частности, относится к случаю распространения сигналов между оптическими волокнами 102 и 103 и показывает значительное ослабление ( > 20 дБ) для длин волн в пределах полосы около 10 нм с центральной длиной волны 1533 нм и очень малое ослабление (около 0,5 дБ) для длин волн, превышающих 1543 нм. Кривая 4B, относящаяся к случаю распространения сигналов между оптическими волокнами 101 и 103, симметрична относительно предыдущей кривой и проявляет очень малое ослабление (около 0,7 дБ) для длин волн в полосе около 10 нм с центральной длиной волны 1533 нм и значительное ослабление ( > 20 дБ) для длин волн, превышающих 1543 нм.

Для селективного элемента связи указанной модели ширина определенной выше полосы пропускания составляет около 10 нм.

По аналогии, возвращаясь к фиг. 3B, отметим, что на ней представлена полоса пропускания на уровне - 20 дБ селективного элемента связи; полоса длин волн, которой соответствует ослабление не более 20 дБ дополнительно к минимальному ослаблению, при передаче через селективный элемент связи.

Ширина этой полосы пропускания на уровне - 20 дБ ("-20 dB BW" на фиг. 3B) соответствует ширине около 20 нм для селективного элемента связи упомянутой модели.

Добротность селективного элемента связи, определяемая как отношение ширины полосы пропускания к ширине полосы пропускания на уровне -20 дБ, составляет около 0,5 для селективного элемента связи указанной модели.

На фиг. 5 представлена блок-схема известного двунаправленного усилителя с разделением длин волн, описанного в упомянутой выше статье в журнале Electronics Letters авторов S.Seikai и др. Эта блок-схема приведена на фиг. 1 указанной статьи.

Устройство содержит оптический однонаправленный усилительный блок EDFA, четыре селективных к длинам волн оптических элемента связи WSC1, WSC8, WSC9, WSC2 и два оптических соединителя 106, 107.

Усилительный блок, представленный на чертеже в упомянутой статье, содержит два каскада легированного эрбием оптического волокна, причем первый оптический элемент развязки введен между двумя каскадами, а второй оптический элемент развязки введен на выходе второго каскада, оба они на блок-схеме имеют обозначение ISO.

В качестве селективных к длинам волн оптических элементов связи в статье указаны элементы типов JDS1535 (WSC1, WSC2) и JDS1550 (WSC8, WSC9).

В соответствии с указанной статьей оба типа элементов при их использовании не выявляют никаких различий.

Селективные элементы связи WSC имеют два канала с длинами волн λ_a и λ_b в окрестности 1,533 и 1,550 мкм.

Схема усиления, включенная между соединителями 106, 107, представляет собой мостовую схему, в которой, ввиду свойств селективных элементов связи WSC, оба противоположно распространяющихся оптических сигнала на разных длинах волн проходят через усилительный блок EDFA в одном и том же направлении.

В упомянутой статье утверждается, что такая простая конфигурация, использующая четыре коммерчески доступных (не отличающихся друг от друга) селективных элемента связи WSC, может работать в случае усилителей с усилением ниже 25 дБ, в то время как для усилений, превышающих 30 дБ, схема становится неустойчивой, вследствие потерь при прохождении через селективные элементы связи. Для решения этой проблемы в статье предлагается использовать селективный элемент WSC4 типа JDS 1535, во входной ветви на длине волны 1,55 мкм петли, и два оптических перестраиваемых фильтра TOF1 и TOF2 во входных ветвях для снижения шумов спонтанного излучения; если упомянутые фильтры заменить селективными элементами связи WSC, система становится неустойчивой на длине волны 1,54 мкм в области пересечения полос пропускания селективных элементов связи.

Использование дополнительных селективных оптических элементов связи, как это предложено, существенно усложняет структуру системы. Кроме того, использование фильтров перестраиваемого типа, которые требуют высокоточной и непрерывной настройки, а также использование других средств контроля, делает практическое осуществление предложенной конфигурации еще более трудным.

Устройство, обозначенное на блок-схеме по фиг. 6, позицией 6, соответствует двунаправленному усилителю, соответствующему одной из конфигураций, исследованных Заявителем.

Он содержит один однонаправленный усилительный блок 20, который будет описан ниже, два селективных к длинам волн оптических элемента связи 21 и 22, два оптических соединителя 106, 107 и участки 23, 29 пассивного оптического волокна.

Как показано на фиг. 6, соединитель 106 подсоединен к оптическому волокну 101 селективного элемента связи 21. Соединение между оптическим волокном 102 селективного элемента связи 21 и оптическим волокном 102 селективного элемента связи 22 осуществлено посредством оптического волокна 23, а соединение между оптическим волокном 104 селективного элемента связи 21 и оптическим волокном 104 селективного элемента связи 22 осуществлено посредством оптического волокна 29. Однонаправленный усилительный блок 20 включен между оптическим волокном 103 селективного элемента связи 21 и оптическим волокном 101 селективного элемента связи 22, так что рабочее направление этого блока соответствует направлению от селективного элемента связи 21 к селективному элементу связи 22. Наконец соединитель 107 подсоединен к оптическому волокну 103 селективного элемента связи 22.

Однонаправленный усилительный блок 20 представляет собой оптический усилительный блок предпочтительно типа оптического линейного усилителя, характеризуемый полосой длин волн усиления, в пределах которой выбраны рабочие длины волн λ₁ и λ₂ в обоих направлениях двунаправленного усилителя 6. Соответствующим линейным усилителем является, например, усилитель, введенный в коммерческий оборот Заявителем с торговой маркой OLA/EMW, детально описываемый ниже. Селективные элементы связи 21, 22 такие, как описано со ссылками на фиг. 3A.

Селективные элементы связи подбираются таким образом, что по меньшей мере часть их полосы пропускания и по меньшей мере часть их полосы отражения находятся в пределах полосы усиления усилительного блока, при этом длина волны λ₁ находится в пределах их полосы пропускания, а длины волны λ₂ - в пределах их полосы отражения.

Соответствующими селективными элементами связи являются, например элементы связи модели WD 1557AY-4, изготавливаемые вышеупомянутой компанией JDS FITEL; эта модель подобна ранее упомянутой модели WD 1515AY-A3, которая, однако, снабжена четырьмя оптическими волокнами доступа 101, 102, 103, 104. Соответствующие характеристики спектрального ослабления между оптическими волокнами 101 и 104 и между оптическими волокна ми 102 и 103 практически идентичны показанным на фиг. 4A. Аналогично, характеристики спектрального ослабления между оптическими 101 и 103 и между оптическими волокнами 102 и 104 практически идентичны показанным на фиг. 4B. Для этой модели селективной связи добротность также имеет значение около 0,5.

Оптические соединители 106, 107 могут быть серии SPC, производимой компанией SEIKON GIKEN, 296-1 Matsuhidal, Matsudo, Chiba (Япония).

Как показано на фиг. 6, в случае селективного элемента связи 21 входной сигнал с длиной волны λ₁ , поступающий на вход оптического волокна доступа 101, проходит через селективный элемент связи без изменений и выходит из оптического волокна 103. Входной сигнал с длиной волны λ₂ , поступающий на вход оптического волокна 104, отражается и передается на выход оптического волокна 101. Входной сигнал с длиной волны λ₂ поступающий на вход оптического волокна 102, отражается и передается на выход оптического волокна 103. Аналогично, для селективного элемента связи 22 при наличии входных сигналов, поступающих на вход оптического волокна доступа 101 с длиной волны λ₁ и длиной волны λ₂ , сигнал с длиной волны λ₁ проходит через этот селективный элемент связи без изменений и выходит из оптического волокна 103, в то время как сигнал с длиной волны λ₂ отражается и передается на выход к оптическому волокну 104; входной сигнал с длиной волны λ₂ поступающий на вход оптического волокна 103, отражается и передается на выход в оптическое волокно 102. Сигнал с длиной волны λ₂ из линии передачи, проходящий через соединитель 107, поэтому претерпевает два отражения (22 и 21), усиливается в усилительном блоке 20 и претерпевает два последующих отражения (22 и 21) перед выходом из соединителя 106. Сигнал волны λ₁ из линии передачи, проходящий через соединитель 106, передается через селективный элемент связи 21, усиливается и затем передается через селективный элемент связи 22.

Таким образом, устройство обеспечивает одновременное усиление сигналов двух длин волн в каждом направлении.

Селективный элемент связи при каждом прохождении через него сигнала действует как полосовой фильтр (как показано на фиг. 4В), устраняя при этом спонтанное излучение на длинах волн между λ₁ и λ₂, распространяющееся вместе с сигналами. В противоположность этому, при каждом отражении селективный элемент связи действует как режекторный фильтр (фиг. 4) и не ослабляет спонтанное излучение.

При введении вышеописанного двунаправленного усилителя 6 в оптическую линию связи, согласно схеме по фиг. 1, в которой передатчик 1A работает на длине волны 1533 нм, а передатчик 1B работает на длине волны 1556 нм, при ослаблении 26,7 дБ в каждом из оптических волокон 5, определялись мощности в точках I, II, III, IV, V, VI, показанных на фиг. 1. Результаты сведены в табл. 1.

Альтернативный вариант двунаправленного оптического усилителя, согласно предложенной первой его конфигурации, получают путем изменения предложенной конфигурации за счет использования селективных элементов связи 21', 22', выбранных таким образом, что длины волн λ₁ и λ₂ включены в соответствующие полосы отражения и пропускания, и за счет одновременного изменения на обратное направления распространения сигналов с длинами волн λ₁ и λ₂, т.е. путем соединения оптического соединителя 106 с сегментом линии передачи, из которого приходит сигнал с длиной волны λ₂, и оптического соединителя 107 с сегментом линии передачи, из которого приходит сигнал с длиной волны λ₁.
Согласно фиг. 7, вторая конфигурация двунаправленного усилителя, исследованная Заявителем, включает два селективных оптических элемента связи 31 и 32, однонаправленный усилительный блок 20, два оптических соединителя 106 и 107, оптический элемент развязки 33 и участки 34, 35 пассивного оптического волокна.

Как показано на фиг. 7, соединитель 106 соединен с оптическим волокном 101 селективного элемента связи 31. Соединение между оптическим волокном 102 селективного элемента связи 32 и оптическим волокном 102 селективного элемента связи 31 осуществлено посредством оптического волокна 34, в которое введен оптический элемент развязки 33, предназначенный для обеспечения распространения излучения только в направлении от селективного элемента связи 32 к селективному элементу связи 31. Соединение между оптическим волокном 103 селективного элемента связи 31 и оптическим волокном 104 селективного элемента связи 32 осуществлено посредством оптического волокна 35. Однонаправленный усилительный блок 20 включен между оптическим волокном 104 селективного элемента связи 31 и оптическим волокном 101 селективного элемента связи 32 таким образом, что рабочее направление упомянутого блока соответствует направлению от селективного элемента связи 31 к селективному элементу связи 32. И, наконец, соединитель 107 подключен к оптическому волокну 103 селективного элемента связи 32.

Однонаправленный усилительный блок 20 и оптические усилители 106, 107 выбраны того же типа, что и в устройстве, описанном со ссылками на фиг. 6.

Рабочие длины волн λ₁ и λ₂ в каждом направлении двунаправленного усилителя выбраны в пределах полосы усиления однонаправленного усилительного блока 20.

Оптический элемент развязки 33 является нечувствительным к поляризации передаваемого сигнала и обеспечивает развязку более 35 дБ и отражение ниже - 50 дБ.

Соответствующими элементами развязки являются элементы развязки модели DML 1-15 PIPT-A S/N 1016, поставляемые компанией ISIWAVE, 64 Harding Avenue, Dover, Нью-Джерси (США).

Селективные элементы связи 31 и 32 представляют собой элементы связи отражательного типа, подобные описанным со ссылками на фиг. 3A, и выбраны таким образом, что соответствующие полосы пропускания находятся в полосе усиления однонаправленного усилительного блока 20. Полосы пропускания селективных элементов связи 31 и 32 включают длины волн λ₁ и λ₂ соответственно. Полосы пропускания двух селективных элементов связи, кроме того не перекрываются. Длины волн λ₁ и λ₂ входят в полосы отражения селективных элементов связи 32, 31 соответственно.

В качестве селективного элемента связи 31 может быть использован элемент связи модели WD1515AX-4, а в качестве селективного элемента связи 32 - модели WD1557AY-4, выпускаемые компанией JDS FITEL. Характеристики последнего, аналогично характеристикам селективного элемента связи, предназначенные для использования в устройстве по фиг. 6 были описаны выше. Селективные характеристики первого из упомянутых элементов связи представлены кривыми, подобными показанным на фиг. 4A и 4B, поэтому здесь уместна отсылка на их описание, приведенное выше. В частности, добротность селективного элемента связи в этом случае также имеет значение 0,5. В отличие от случая, иллюстрируемого на фиг. 4A и 4B, центральная длина волны полосы пропускания селективного элемента связи, если рассматривается модель WD1515AX-4, равна около 1557 нм.

Как указано на фиг. 7, в случае селективного элемента связи 31 сигнал с длиной волны λ₁ в полосе селективного элемента связи, введенный в оптическое волокно доступа 101, отражается селективным элементом связи и выходит из оптического волокна 104. Сигнал с длиной волны λ₂ в полосе селективного элемента связи 32 (и поэтому за пределами полосы селективного элемента связи 31), введенный в оптическое волокно 103, пропускается и передается на выход к оптическому волокну 101; входной сигнал в оптическом волокне 102 с длиной волны λ₂ пропускается и передается на выход в оптическое волокно 104.

В случае селективного элемента связи 32 в присутствии входных сигналов с длинами волн λ₁ и λ₂, поступающих в оптическое волокно доступа 101, сигнал с длиной волны λ₁ проходит без изменений через селективный элемент связи и выходит из оптического волокна 103, в то время как сигнал с длиной волны λ₂ отражается и выводится из оптического волокна 104. Входной сигнал с длиной волны λ₂ на входе оптического волокна 103 отражается и выводится из оптического волокна 102.

Сигнал с длиной волны λ₂, поступающий из линии связи через соединитель 107, претерпев отражение (32) и пропускание (31), усиливается в усилительном блоке 20 и вновь подвергается отражению (32) и пропусканию (31) перед выводом через соединитель 106. Сигнал с длиной волны λ₁, поступающий из линии связи через соединитель 106, отражается в селективном элементе связи 31, усиливается и затем пропускается через селективный элемент связи 32 на соединитель 107.

И в этом случае, таким образом, устройство обеспечивает одновременное усиление сигналов с двумя длинами волн в каждом направлении.

Селективные элементы связи при каждом пропускании проходящих через них сигналов действуют как полосовые фильтры, как показано на фиг. 4B, 8B, устраняя при этом спонтанное излучение на длинах волн между λ₁ и λ₂ распространяющееся вместе с сигналами. В противоположность этому, при каждом отражении селективные элементы связи действуют как режекторные фильтры (фиг. 4A, 8A) и не ослабляют спонтанное излучение.

Таким образом, для каждого направления распространения имеется по меньшей мере один путь прохождения сигнала для элемента, ослабляющего спонтанное излучение.

Кроме того, оптический элемент развязки препятствует распространению спонтанного излучения из оптического волокна 102 селективного элемента связи 31 в оптическое волокно 102 селективного элемента связи 32, которое в противном случае после отражения добавилось бы к выходному сигналу с длиной волны λ₂ из оптического волокна 103 селективного элемента связи, поступающему на соединитель 107.

Вышеописанное устройство было исследовано в схеме, моделирующей линию связи, подобную описанной со ссылками на фиг. 1. Принятая экспериментальная конфигурация, показанная на фиг. 9 (на которой элементы, соответствующие показанным на фиг. 1, обозначены теми же позициями), содержат две оконечные станции A и В, три двунаправленных усилителя 6 и четыре переменных аттенюатора 5'.

В частности, использовались усилители, обозначенные позицией 6, представляющие собой двунаправленные усилители, соответствующие изобретению в варианте, описанном со ссылками на фиг. 7. Четыре переменных аттенюатора имитировали ослабление на участке пассивного оптического волокна. Использовались аттенюаторы моделей VA5, производимые компанией JDS FITEL, и в первом эксперименте они настраивались так, чтобы обеспечить ослабление 27 дБ каждый.

Мощность сигналов, распространяющихся в двух направлениях, с длинами волн 1533 нм и 1556 нм, измеренная на соответствующих входах 11 и 111 усилителя 6, размещенного в промежуточном положении, составила - 14 дБмВт.

На фиг. 10 представлены спектры выходных сигналов двунаправленного усилителя. Эти графики были получены наложением продетектированных спектров в точках 11 и 111 соответственно с помощью оптического спектроанализатора модели MS9030A (центральный процессор) и MS 9701B (оптический блок), производимого компанией ANRITSU CORP.

Отношение сигнал/шум, измеренное в полосе шириной 0,5 нм, составило 24,2 дБ для сигналов с длиной волны 1533 нм и 28 дБ для сигналов с длиной волны 1556 нм.

Другой эксперимент проводился при изменении ослабления переменных аттенюаторов 5' при неизменных значениях всех других параметров. Для одного набора значений ослабления была измерена частота ошибок по битам линии связи для сигнала с длиной волны 1533 нм, модулированного с частотой 2,5 Гбит/с. Результаты показаны на фиг. 11, причем частота ошибок по битам представлена по оси У в зависимости от ослабления (в дБ) между каждой парой двунаправленных усилителей последовательно. Можно видеть, что для значений ослабления менее 27 дБ частота ошибок по битам меньше 10^-12.

Другой вариант двунаправленного оптического усилителя, соответствующий предложенной второй конфигурации, получен путем изменения предложенной конфигурации за счет использования селективных элементов связи 31', 32', выбранных таким образом, что длины волн λ₁,λ₂ входят в соответствующие полосы пропускания, а длины волн λ₁,λ₂ входят в соответствующие полосы отражения, и за счет одновременного изменения на обратное направление распространения сигналов с длинами волн λ₁ и λ₂, т.е. путем подсоединения оптического соединителя 106 к сегменту линии передачи, из которого приходит сигнал длиной волны λ₂ , а оптического соединителя 107 - к сегменту линии передачи, из которого поступает сигнал с длиной волны λ₁.
Как показано на фиг. 12, третья конфигурация двунаправленного усилителя, исследованная Заявителем, содержит четыре селективных оптических элемента связи 121, 122, 123, 124, один однонаправленный усилительный блок 20, два оптических соединителя 106, 107 и участки пассивного оптического волокна 125, 126, 127, 128, причем эти компоненты соединены друг
с другом с образованием оптической мостовой схемы.

Как показано на фиг. 12, соединитель 106 соединен с оптическим волокном 103 селективного элемента связи 121. Соединение между оптическим волокном 101 селективного элемента связи 121 и волокном 102 селективного элемента связи 122 осуществлено посредством оптического волокна 125. Соединение между оптическим волокном 102 селективного элемента связи 121 и волокном 101 селективного элемента связи 124 осуществлено посредством оптического волокна 128. Однонаправленный усилительный блок 20 подсоединен между волокном 103 селективного элемента связи 122 и волокном 103 селективного элемента связи 124 таким образом, что рабочее направление для этого блока соответствует направлению от селективного элемента связи 122 к селективному элементу связи 124. Соединение между оптическим волокном 101 селективного элемента связи 122 и волокном 102 селективного элемента связи 123 осуществлено посредством оптического волокна 126. Соединение между оптическим волокном 102 селективного элемента связи 124 и волокном 101 селективного элемента связи 123 осуществлено с помощью оптического волокна 127. Наконец, соединитель 107 подключен к оптическому волокну 103 селективного элемента связи 123. Однонаправленный усилительный блок 20 и оптические соединители 106, 107 того же типа, что и в устройствах, описанных со ссылками на фиг. 6 и 7.

Рабочие длины волн λ₁ и λ₂ в каждом направлении для двунаправленного усилителя выбраны в пределах полосы усиления однонаправленного усилительного блока 20.

Селективные элементы связи 121, 122, 123, 124 представляют собой элементы связи отражательного типа, как описано со ссылками на фиг. 3A, и снабжены тремя оптическими волокнами доступа 101, 102, 103. Элементы связи выбраны таким образом, что по меньшей мере часть соответствующих полос пропускания и по меньшей мере часть соответствующих полос отражения находятся в пределах полосы усиления однонаправленного усилительного блока 20. Элементы связи 121 и 123 идентичны друг другу, и элементы связи 122 и 124 также идентичны друг другу. Полоса пропускания селективных элементов связи 121, 123 содержит длину волны λ₁. Полоса пропускания селективных элементов связи 122, 124 содержит длину волны λ₂. Полоса пропускания селективных элементов связи 121, 123 на перекрывается с полосой пропускания селективных элементов связи 122, 124. Длина волны λ₁ входит в полосу отражения селективных элементов связи 122, 124, а длина волны λ₂ входит в полосу отражения селективных элементов связи 121, 123.

Как показано на чертеже, поэтому элементы связи идентичны друг другу, расположены симметрично относительно двух направлений распространения сигналов, в оптической мостовой схеме, в которую они введены. Селективные элементы связи 122, 124 находятся в узлах оптической мостовой схемы, с которыми соединены две оконечные части однонаправленного усилителя 20, а селективные элементы связи 121, 123 находится в узлах оптической мостовой схемы, к которым подключены соединители для подключения линии передач.

В качестве селективных элементов связи 121, 123 могут использоваться элементы связи модели WD1515AY-A3, а в качестве селективных элементов связи 122, 124 - элементы связи модели WD1515AX-A3, изготавливаемые компанией JDS FITEL . Moдель WD 1515AY-A3 уже описывалась и ее спектральные характеристики представлены на фиг. 4A, 4B. Модель WD1515AX-A3 отличается от модели 1515AX-4, описанной со ссылками на вторую конфигурацию оптического усилителя, исследованную Заявителем, только числом оптических волокон доступа; соответствующие спектральные характеристики представлены на фиг. 8А, 8В. Обе использованные модели имеют добротность около 0,5.

В соответствии с фиг. 12, в случае селективного элемента связи 121 входной сигнал, поступающий в оптическое волокно доступа с длиной волны λ₁ селективного элемента связи, передается в оптическое волокно 101 а входной сигнал, поступающий в оптическое волокно 102 с длиной волны λ₂ , отражается в направлении к оптическому волокну 103.

В случае селективного элемента связи 122 входной сигнал, поступающий в оптическое волокно доступа 102 с длиной волны λ₁ вне полосы селективного элемента связи, отражается к оптическому волокну 103, а входной сигнал, поступающий в оптическое волокно 101 с длиной волны λ₂ , передается в оптическое волокно 103.

В случае селективного элемента связи 123 входной сигнал, поступающий в оптическое волокно доступа 101 с длиной волны λ₁, в полосе селективного элемента связи передается к оптическому волокну 103, а входной сигнал, поступающий в оптическое волокно 103 с длиной волны λ₂, отражается в оптическое волокно 102.

В случае селективного элемента связи 124 входной сигнал, поступающий в оптическое волокно доступа 103 с длиной волны λ₁ вне полосы селективного элемента связи, отражается в волокно 102, а входной сигнал, поступающий в оптическое волокно 103 с длиной волны λ₂ передается в оптическое волокно 101.

Сигнал с длиной волны λ₁ из линии передачи через соединитель 106 пропускается селективным элементом связи 121, отражается селективным элементом связи 122, усиливается однонаправленным усилительным блоком 20, отражается селективным элементом связи 124 и передается к соединителю 107 через селективный элемент связи 123.

Сигнал с длиной волны λ₂, поступающий из линии передачи через соединитель 107, отражается селективным элементом связи 123, пропускается селективным элементом связи 122, усиливается однонаправленным усилительным блоком 20, пропускается селективным элементом 124 и отражается селективным элементом связи 121 через соединитель 106.

Таким образом и в этом случае данное устройство обеспечивает одновременное усиление сигналов с двумя длинами волн в каждом направлении.

Сигналы с обеими длинами волн претерпевают в каждом двунаправленном усилителе два пропускания и два отражения каждый. Поскольку каждому отражению и пропусканию соответствует малое ослабление (около 0,5 дБ и 0,7 дБ соответственно, для использованных в данном случае компонентов), указанное равенство числа проходов через селективные элементы связи обеспечивает одинаковый отклик для усилителя в каждом направлении распространения.

Селективные элементы связи при каждом прохождении через них сигналов действуют как полосовые фильтры, как показано на фиг. 4B, 8B, устраняя при этом спонтанное излучение на длинах волн, промежуточных между λ₁ и λ₂ распространяющееся вместе с сигналами. При каждом отражении, в противоположность этому, селективные элементы связи действуют как режекторные фильтры (фиг. 4A, 8A) и не ослабляют спонтанное излучение.

Поэтому, ввиду симметричного расположения селективных элементов связи относительно двух направлений распространения, в каждом направлении для элемента, ослабляющего спонтанное излучение, имеет место по меньшей мере двукратное прохождение излучения.

Предложенная конфигурация двунаправленного усилителя отличается особой устойчивостью и исключает колебания с длинами волн, отличными от сигнальных, не требуя при этом использования дополнительных фильтров. В частности, данный усилитель обладает устойчивостью по отношению к возможным частичным обратным отражениям излучения от оптических соединителей 106, 107.

Вышеописанный усилитель, в частности, имеет преимущества в случае использования в оптиковолоконных линиях передачи, в которых усилитель соединен с оптическим волокном линии передачи посредством оптических соединителей, которые могут быть таковы, что обеспечивают передачу большей части мощности проходящих через них сигналов и тем самым обеспечивают оптическую непрерывность сигналов, и при некоторых условиях отражают назад малую часть этих сигналов (например, в случае ненадлежащего зажима, вследствие некачественного позиционирования двух выводов оптических волокон в таких соединителях).

Вышеописанное устройство было испытано при понижении мощности входного сигнала до достижения значения - 28 дБ на канал и измерении соответствующего усиления, чтобы выявить максимальную мощность в условиях ненасыщенного состояния усилителя. Значение усиления слабого сигнала, полученное на основе этих измерений, составило около 32 дБ.

В одном эксперименте усилитель испытывался при размыкании оптических соединителей 106, 107, т. е. без подключения к линиям передачи. При таких условиях соединители использованного типа имели обратное отражение излучения от усилителя с ослаблением 14 дБ.

На фиг. 13 представлены спектры выходных сигналов из оптического волокна 103 селективного элемента связи 121 и оптического волокна 103 селективного элемента связи 123, продетектированных селективными к длинам волн элементами связи того же типа, как описано выше, размещенными вдоль оптического волокна (не показано на фиг. 12), разделяющими соответствующие полосы передачи, подаваемые на оптический спектроанализатор (вышеуказанного типа).

Эксперименты подтвердили полное отсутствие явлений неустойчивости.

Представляется, что это обусловлено тем обстоятельством, что возможные цепи обратной связи, включающие усилительный блок, которые могут быть образованы для промежуточных значений длин волн между полосами пропускания двух типов селективных элементов связи, вследствие неполного разделения полос за счет самих селективных элементов связи и в присутствии отражений, поступающих на соединители, в каждом случае включают по меньшей мере двукратное прохождение через компоненты устройства (селективные элементы связи), ослабляющие сигналы упомянутых длин волн по меньшей мере на 20 дБ. При этих условиях даже в присутствии очень больших отражений в соединителях, условия возникновения колебаний практически не достижимы.

Представляется, что при использованных селективных элементов связи даже усилители с усилением 40 дБ не вызовут проблем генерации колебаний, даже при использовании соединителей с высокими отражениями.

Вышеописанное устройство исследовалось во втором эксперименте, в схеме, моделирующей линию передачи того же типа, что описанная со ссылками на фиг. 1. Использованная экспериментальная конфигурация была такой же, что и приведенная на фиг. 9, поэтому отсылки делаются на ее описание.

Использованные усилители 6 представляли собой двунаправленные усилители, соответствующие настоящему изобретению, в конфигурации, описанной со ссылками на фиг. 12.

Аттенюаторы 5' настраивались так, чтобы обеспечить ослабление 27 дБ каждый.

Мощность сигналов, распространяющихся в двух направлениях с длинами волн 1535 нм и 1555 нм, измеренная на соответствующих входах II и III усилителя 6, находящегося в среднем положении, составила - 13 дБмВт на каждом.

На фиг. 14 представлены спектры выходных сигналов с двунаправленного усилителя: график был получен наложением спектров, продетектированных в положениях II и III соответственно, с помощью оптического спектроанализатора вышеуказанного типа.

Отношение сигнал/шум, измеренное в полосе шириной 0,5 нм, составило около 26., 7 дБ для сигнала с длиной волны 1535 нм и около 25,2 дБ для сигнала с длиной волны 1255 нм.

Альтернативный вариант двунаправленного оптического усилителя, соответствующего третьей предложенной конфигурации, получен путем изменения предложенной конфигурации за счет использования селективных элементов связи 121', 122', 123', 124', выбранных так, что полоса пропускания селективных элементов связи 122', 124' содержит длину волны λ₁, полоса пропускания селективных элементов связи 121', 122' содержит длину волны λ₂, полоса пропускания селективных элементов связи 121', 123', кроме того, не перекрывается с полосой пропускания селективных элементов связи 122', 124'; длина волны λ₁ входит в полосу отражения селективных элементов связи 121', 123', а длина волны λ₂ входит в полосу отражения селективных элементов связи 122', 124'; а также за счет одновременного изменения на противоположное направления распространения сигналов с длинами волн λ₁ и λ₂ (т.е. путем соединения оптического соединителя 106 с сегментом линии передачи, из которого поступает сигнал с длиной волны λ₂ и оптического соединителя 107 с сегментом линии передачи, из которого поступает сигнал с длиной волны λ₁).

Двунаправленные усилители и двунаправленные системы связи, соответствующие изобретению, до сих пор описывались как предназначенные для передачи сигналов с различными длинами волн в каждом направлении.

Те же самые устройства и системы, однако, могут быть также использованы для двунаправленного усиления сигналов, передаваемых в режиме уплотнения длин волн, т.е., когда в каждом направлении передаются соответственно кодированные сигналы с различными длинами волн.

В этом случае необходимо, чтобы используемые селективные элементы связи были выбраны таким образом, чтобы соответствующие полосы пропускания имели ширину, достаточную для включения двух групп длин волн передаваемых сигналов в каждом направлении.

Кроме того, добротность селективных элементов связи должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить возможность разделения сигналов этих двух групп длин волн, предпочтительно больше, чем 0,5.

Кроме селективных к отражению элементов связи, описанных со ссылками на фиг. 3A, настоящее изобретение может предусматривать использование селективных элементов связи другого типа, при условии, что они обеспечивают в достаточной мере разделение используемых длин волн и следовательно, достаточно высокую добротность.

Более детально, как показано на фиг. 15, однонаправленный усилительный блок 20, предназначенный для использования в двунаправленном оптическом усилителе, содержит легированное эрбием активное оптическое волокно 24 и соответствующий лазер накачки 25, соединенный с ним посредством дихроичного элемента связи 26. Оптический элемент развязки 27 размещен на входе усилителя выше по оптическому волокну 24 в направлении распространения усиливаемого сигнала, в то время как второй оптический элемент развязки 28 размещен на выходе усилителя.

В альтернативном варианте усилитель может быть выполнен в виде двухкаскадного усилителя. В этом случае он содержит второе модулированное эрбием активное оптическое волокно, связанное с соответствующим лазером накачки через дихроичный элемент связи. Обычно еще один элемент развязки включают между двумя каскадами.

В вышеописанном предпочтительном примере выполнения лазер накачки 25 представляет собой лазер типа "с квантовой ямой", имеющий следующие характеристики:
- длина волны излучения λ_p= 980 нм.
- максимальная оптическая выходная мощность Pu = 65 мВт.

Лазеры вышеуказанного типа производятся, например, компанией LA-SERTRON INC., 37 North Avenue, Берлингтон, шт. Миннесота (США).

В этом примере дихроичный элемент связи 26 представляет собой элемент связи на сплавленном оптическом волокне, выполненной на одномодовых волокнах на длине волны 980 нм и в полосе 1530-1560 нм, при колебаниях оптической выходной мощности менее 0,2 дБ в зависимости от поляризации.

Дихроичные элементы связи вышеуказанного типа хорошо известны и коммерчески доступны. Они производятся, например, Отделением оптических волокон компании GOULD INC., Baymeadow Drive, Glem Burnie, шт. Мериленд (США) и Отделением оптических волокон компании SIFAM LTD., Woodland Road Torquay, Devon (Великобритания).

Оптические элементы развязки 27 и 28 представляют собой элементы развязки, которые не зависят от поляризации, передаваемого сигнала и обеспечивают развязку больше 35 дБ и отражения ниже - 50 дБ. Использовались элементы развязки модели MDLI-15PIPT-A S/N 1016 вышеупомянутой компании ISOWAVE.

Вышеописанный линейный усилитель имеет усиление около 25 дБ при нормальных рабочих условиях (входные сигналы с мощностью - 23 дБмВт в каждом направлении, соответственно - 20 дБмВт всего). Полная оптическая мощность в условиях насыщения около 11 дБ.

В предпочтительном варианте в линейных усилителях вышеописанного типа использовано легированное эрбием активное волокно, как описано детально в заявке на патент Италии N М194А 000712 от 14 апреля 1994 г. того же заявителя, которая приведена здесь для ссылки и содержание которой здесь кратко рассмотрено.

Состав и оптические характеристики использованных оптических волокон сведены в табл. 2.

Анализ состава проводился на заготовке (до вытяжки волокна) посредством микрозонда совместно со сканирующим электронным микроскопом (SEM, компании Хитачи). Анализ проводился при 1300-кратном увеличении по дискретным точкам, расположенным по диаметру и разнесенным на 200 мкм одна от другой.

Указанное оптическое волокно изготавливалось методом вакуумного электроосаждения в трубке из кварцевого стекла.

Введение германия в качестве легирующей примеси в матрицу SiO₂ в сердцевине оптического волокна осуществлено на этапе синтеза.

Введение эрбия, оксида алюминия и лантана в сердцевину оптического волокна было осуществлено методом "легирования в растворе", при котором водный раствор хлоридов легирующего вещества приводится в контакт с синтезированным материалом с сердцевиной оптического волокна, находящимся в состоянии микрочастиц перед отверждением в заготовке.

Детальное описание метода "легирования в растворе" содержится, например, в патенте США N 56282079, который приведен здесь для ссылки.

В вышеописанных примерах активное оптическое волокно 24 имело длину около 12 м.

Хотя наилучшие результаты были достигнуты при использовании вышеуказанного волокна, ввиду плоского характера кривой усиления, свойственного ему на различных длинах волн, эксперименты, проведенные Заявителем с усилителями, использующими оптические волокна Al/Ge-типа, показали приемлемые результаты.

Для выполнения проверки функциональных возможностей усилительного блока и обеспечения обычно требуемых сигналов проверки и надежности, обычно усилительный блок на входе содержит первый направленный ответвитель 150, предпочтительно с коэффициентом деления 95/5, выходной сигнал которого, содержащий 5% входной мощности, передается на соответствующий фотодиод 151. Второй направленный ответвитель 152, предпочтительно с коэффициентом деления 99/1, имеется на выходе усилительного блока, причем оптическое волокно, передающее 1% сигнала, соединено соответствующим фотодиодом 153.

Соответствующие направленные ответвители представляют собой элементы связи на сплавленном оптическом волокне, поставляемые, например, компанией Е-ТЕК DYNAMICS INC., 1885, Lundy ave., Сан-Хосе, шт.Калифорния (США).

Электрические выводы фотодиодов 151 и 153 соединены, как обычно, с электронным блоком управления (не показано).

Данная конфигурация обеспечивает проверку функциональных возможностей усилительного блока, которые должны достигаться, и требуемых для управления устройств защиты. Однако при использовании вышеописанной двунаправленной конфигурации в этом случае не обеспечивается раздельно информация о распространении сигналов в двух направлениях.

В целях обеспечения одновременной проверки оптической входной и выходной мощности усилителя в двух направлениях, предусмотрено использование структуры, представленной на фиг. 16.

Как показано на фиг. 16, двунаправленный усилитель 6 вышеописанного типа, содержащий оптический усилительный блок, не имеющий контрольных устройств, как показано в блоке 154 на фиг. 15, подсоединен между двумя направленными ответвителями обычно с коэффициентом деления 98/2. Выходы направленных ответвителей, передающие наименьшую оптическую мощность (2%), соединены с соответствующими контрольными фотодиодами 157, 158, 159, 169.

Соответствующие направленные ответвители могут представлять собой ответвители на сплавленном оптическом волокне, поставляемые, например, вышеупомянутой компанией E-TEK DYNAMICS.

Как показано на схеме по фиг. 16, направленные ответвители имеют четыре порта ввода/вывода, расположенные симметрично, при этом сигнал с длиной волны λ₁ распространяющийся слева направо на схеме), вводимый в направленный ответвитель 155, разделяется в указанном соотношении между выходным портом, соединенным с усилителем 6 (98%), и выходным портом, соединенным с фотодиодом 158 (2%). Аналогично, тот же самый сигнал с длиной волны λ₁ , вводимый в направленный ответвитель 156, разделяется между выходным портом, соединенным с линией передачи (98%), и выходным портом, соединенным с фотодиодом 159 (2%).

Это обеспечивает то, что величина оптической мощности на длине волны λ₁ , вводимой в усилитель, измеряется в фотодиоде 158, а величина оптической мощности с длиной волны λ₁ , выводимой из усилителя, измеряется в фотодиоде 159, при этом обеспечивается получение всей информации о функциональных возможностях канала с направлением распространения справа налево. Аналогично, в фотодиодах 160 и 157 измеряется входная и выходная оптическая мощность с длиной волны сигнала λ₂ , распространяющегося, как показано на схеме, справа налево.

Коэффициент деления каждого направленного ответвителя имеет одно и то же значение для обоих направлений, ввиду симметрии свойств направленных ответвителей. Это значение выбрано так, чтобы ответвлять достаточную мощность из линии передачи на фотодиоды 158, 160, детектирующие относительно низкую мощность, вводимую в усилитель в каждом направлении, не приводя к очень высокой выходной мощности усилителя (если на выходе усилителя имеется очень высокая полная мощность, достаточно выделить малую ее долю для того, чтобы на фотодиоды 157, 159 поступила мощность, достаточная для их работы).

Когда в каналах с противоположными направлениями распространения сигналов используются длины волн λ₁ и λ₂ в окрестности 1533 и 1556 нм и используются селективные к длине волны элементы связи с полосой пропускания шириной около 10 нм, желательно, чтобы упомянутые селективные элементы связи имели добротность около 0,5.

При ширине полосы пропускания на уровне - 0,5 дБ, превышающей 10 нм, потребуется соответственно более высокая добротность селективных элементов связи.

Поэтому, в соответствии с одним аспектом изобретения, было найдено, что двунаправленный оптиковолоконный усилитель вышеописанного типа для двух или более каналов с разделением по длинам волн с противоположным направлением распространения может обеспечивать исключение неустойчивости или возбуждения колебаний за счет включения усилительного блока, содержащего оптический элемент развязки, в мостовую схему, содержащую два селективных к длинам волн элемента связи с первой полосой пропускания и два селективных к длинам волн элемента связи со второй полосой пропускания, причем селективные элементы связи расположены симметрично относительно усилителя.

В конкретном варианте изобретения настоящее изобретение может быть использовано в линии передачи, включающей несколько каналов для каждого направления распространения, при условии, что каналы для каждого направления входят в полосу пропускания селективных элементов связи при достаточном разнесении между этими каналами.

Согласно одному из аспектов изобретения, было найдено, что возникновение возбуждения колебаний в усилителе двунаправленного типа может быть предотвращено даже при высоких значениях коэффициентов усиления включенного в него усилительного блока и при наличии локальных отражений в конкретных точках оптической цепи, например, из-за использования оптических соединителей с относительно высокими отражениями, если использованные селективные элементы связи выполнены таким образом, что для любой длины волны не образуются цепи, которые включают усилительный блок, с общим ослаблением меньшим или равным максимальному усилению усилителя или включенного в него усилительного блока.

В частности, это может быть достигнуто при таком размещении компонентов схемы оптического усилителя, что каждый сигнал, распространяющийся в одном направлении, претерпевает отражения и пропускания в селективных оптических элементах связи в одной и той же последовательности.

Формула изобретения

1. Двунаправленный оптический усилитель, содержащий оптический усилительный блок, включающий по меньшей мере один оптический элемент развязки с полосой, равной полосе длин волн усиления, два оптических порта ввода и вывода, по меньшей мере, для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, причем эти сигналы имеют первую и вторую длины волн соответственно, отличающиеся одна от другой и входящие в упомянутую полосу длин волн усиления, два первых и два вторых селективных к длинам волн оптических элемента связи, имеющих первую полосу пропускания, включающую первую длину волны, и вторую полосу пропускания, включающую вторую длину волны, причем первая и вторая полосы пропускания взаимно не перекрываются, усилительный блок подсоединен к двум противоположным узлам оптической мостовой схемы, к двум другим противоположным узлам которой подключены упомянутые порты ввода и вывода, причем в узлах мостовой схемы размещены первые и вторые селективные к длинам волн оптические элементы связи, отличающийся тем, что первые и вторые селективные к длинам волн оптические элементы связи размещены симметрично относительно усилительного блока и портов ввода и вывода оптических сигналов.

2. Оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что усилительный блок включает, по меньшей мере, одно легированное эрбием оптическое волокно.

3. Оптический усилитель по п.2, отличающийся тем, что легированное оптическое волокно в числе легирующих примесей содержит оксид алюминия и германий.

4. Оптический усилитель по п.3, отличающийся тем, что легированное оптическое волокно в числе легирующих примесей содержит оксид алюминия, германий и лантан.

5. Оптический усилитель по п.2, отличающийся тем, что полоса пропускания селективных к длинам волн оптических элементов связи предпочтительно имеет ширину по меньшей мере 10 нм.

6. Оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из полос пропускания содержит, по меньшей мере, два сигнала с различными длинами волн.

7. Оптический усилитель по п.1, отличающийся тем, что селективные к длинам волн оптические элементы связи имеют добротность, равную или большую 0,5.

8. Двунаправленный оптический усилитель, содержащий оптический усилительный блок, включающий в себя, по меньшей мере, один оптический элемент развязки, имеющий полосу длин волн усиления, два оптических порта ввода и вывода, по меньшей мере, для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, причем эти сигналы имеют первую и вторую длину волны, соответственно, отличающиеся одна от другой, по меньшей мере, два селективных к длинам волн оптических элемента связи, размещенных в соответствующих узлах оптической мостовой схемы и имеющих первую полосу пропускания длин волн, включающую упомянутую первую длину волны, и полосу отражения длин волн, включающую упомянутую вторую длину волны, причем полосы длин волн взаимно не перекрываются, усилительный блок включен между двумя противоположными узлами упомянутой оптической мостовой схемы, с двумя другими противоположными узлами которой соединены упомянутые порты ввода и вывода, при этом мостовая схема образует, по меньшей мере, одну цепь обратной связи, включающую в себя упомянутый усилительный блок и от одного до трех упомянутых элементов связи, отличающийся тем, что упомянутые селективные к длинам волн оптические элементы связи выполнены таким образом, что каждая из упомянутых цепей обратной связи имеет полное ослабление, превышающее усиление усилителя на каждой из длин волн в полосе усиления, в присутствии отражений на уровне, по меньшей мере, 15 дБ на одном из упомянутых портов ввода и вывода и в отсутствие средств фильтрации.

9. Оптический усилитель по п.8, отличающийся тем, что оптическая мостовая схема содержит два селективных к длинам волн оптических элемента связи с первой полосой пропускания и два селективных к длинам волн оптических элемента связи со второй полосой пропускания, размещенных в узлах схемы, причем селективные к длинам волн оптические элементы связи размещены симметрично относительно усилительного блока.

10. Двунаправленный оптический усилитель, содержащий оптический усилительный блок, содержащий по меньшей мере один оптический элемент развязки с полосой, равной полосе длин волн усиления, два порта ввода и вывода по меньшей мере для двух оптических сигналов с противоположными направлениями распространения, имеющих соответственно первую и вторую длины волн, отличающиеся одна от другой и входящие в полосу длин волн усиления, два селективных к длинам волн оптических элемента связи первого типа и два селективных к длинам волн оптических элемента связи второго типа, соответственно имеющих первую полосу пропускания, включающую первую длину волны, и вторую полосу пропускания, включающую вторую длину волны, причем первая и вторая полосы пропускания взаимно не перекрываются, и соответственно имеющих первую полосу отражения, включающую упомянутую вторую длину волны, и вторую полосу отражения, включающую первую длину волны, имеющих каждый одно общее волокно доступа, одно волокно доступа, передающее на свой выход сигналы, входящие в упомянутую полосу пропускания, и одно волокно доступа, передающее на свой выход сигналы, входящие в полосу отражения, отличающийся тем, что первый порт ввода и вывода соединен с общим волокном первого селективного элемента связи первого типа; волокно, передающее на свой выход сигналы в полосе пропускания первого селективного элемента связи первого типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в полосе отражения первого селективного элемента связи второго типа; волокно, передающее на свой выход сигналы в полосе отражения первого селективного элемента связи первого типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в полосе пропускания второго селективного элемента связи второго типа; однонаправленный усилительный блок включен между общим волокном первого селективного элемента связи второго типа и общим волокном второго селективного элемента связи второго типа, так что оптический элемент развязки обеспечивает прохождение излучения в направлении от первого ко второму селективному элементу связи второго типа; волокно, передающее на свой выход сигналы в полосе пропускания первого селективного элемента связи второго типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в полосе отражения второго селективного элемента связи первого типа; волокно, передающее на свой выход сигналы в полосе отражения второго селективного элемента связи второго типа, соединено с волокном, передающим на свой выход сигналы в полосе пропускания второго селективного элемента связи первого типа; общее волокно второго селективного элемента связи первого типа соединено со вторым портом ввода и вывода.

11. Способ двунаправленной связи, включающий генерацию первого оптического сигнала и второго оптического сигнала с первой и второй длинами волн соответственно в первой и второй передающих станциях; введение первого и второго сигналов в противоположные концы оптиковолоконной линии передачи соответственно; усиление первого и второго сигналов, по меньшей мере, однократно в оптическом усилителе, включенном в оптическую линию передачи; прием первого и второго сигналов в соответствующие первую и вторую приемные станции на противоположном конце оптиковолоконной линии передачи относительно первой и второй передающих станций, причем усиление первого и второго сигналов осуществляют с помощью одного оптического усилителя, включающего оптиковолоконный усилительный блок, содержащий оптический элемент развязки и обеспечивающий пропускание каждого из сигналов, по меньшей мере, однократно через первый селективный к длинам волн оптический элемент связи и отражение каждого из сигналов, по меньшей мере, однократно посредством второго селективного к длинам волн оптического элемента связи как в одном направлении, так и в противоположном направлении относительно усилительного блока, отличающийся тем, что операции пропускания и отражения сигналов осуществляют в одной и той же последовательности для каждого из упомянутых сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18