Оптическая система связи, оптический усилитель и способ передачи оптических сигналов по оптической линии связи

Оптическая система связи, оптический усилитель и способ передачи оптических сигналов по оптической линии связи

Реферат

 

Изобретение относится к оптической системе связи. Технический результат состоит в создании линии передачи с широкой рабочей полосой при уровнях спонтанного излучения, сравнимых с уровнем сигнала. Оптическая система связи включают в себя средство, предназначенное для генерирования оптических сигналов, различных длин волн, волоконно-оптическую линию со средством усиления, предварительный усилитель и средство приема, в которой предварительный усилитель содержит оптический волновод, легированный редкоземельным материалом, средство дифференциального ослабления, расположенное в первом положении вдоль легированного волокна, обеспечивающее ослабление в полосе сигналов, превышающее ослабление на длине волны накачки, и средство фильтрации, расположенное во втором положении и предназначенное для ослабления на величину, превышающую заданный минимум, спонтанного излучения в полосе длин волн, прилегающей к полосе сигналов. 4 с. и 59 з.п.ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к оптической системе связи и оптическому усилителю, предназначенному для использования в системе связи. В частности, оно относится к системе связи и усилителю, приспособленных для передачи с мультиплексированием длин волн или для многочастотного режима передачи. При таком режиме передачи сигналы нескольких независимых один от другого каналов передаются по одной и той же линии, обычно состоящей из оптического волокна, посредством мультиплексирования оптических длин волн. Передаваемые каналы могут быть либо цифровыми, либо аналоговыми, и могут селектироваться по конкретным длинам волн.

Чтобы обеспечить возможность передачи на расстояния более нескольких сотен километров, то есть на максимальные расстояния, которые могут обеспечиваться с использованием пассивного волокна, необходимо компенсировать ослабление сигнала посредством использования одного или более оптических усилителей, введенных в канал.

В итальянской заявке на патенте М194А000712 на имя того же заявителя описана передающая линия, включающая в себя оптические усилители, имеющие волокно с легирующей примесью и соединенные каскадно, и эта линия, в частности, приспособлена для передачи в режиме мультиплексирования длин волн, при котором сочетание легирующих примесей в сердцевине волокна обеспечивает возможность достижения высокого отношения сигнал/шум для всех каналов в заранее заданной полосе длин волн, даже при наличии нескольких одновременно передаваемых сигналов.

Вышеупомянутой результат достигается путем применения усиливающих волокон, в которых выбор дополнительных легирующих примесей, используемых вместе с основной легирующей примесью, и их количественное соотношение обеспечивают возможность получения характеристики усиления, не имеющей существенных ослаблений во всей полосе усиления.

В частности, в заявке на патент Италии М194А000712 раскрыта оптическая система связи, содержащая передающее средство, предназначенное для выработки оптических сигналов в заранее заданной полосе длин волн, приемное средство, волоконно-оптическую линию связи между передающим и приемным средствами, средства оптического усиления - из активных волокон, расположенные вдоль упомянутой линии, соединенные друг с другом, предназначенные для передачи оптических сигналов от передающего средства к принимающему средству, и отличающаяся тем, что средства оптического усиления содержит в себе по меньшей мере одно активное оптическое волокно на основе двуокиси кремния, сердцевина которого легирована по меньшей мере одной флюоресцентной основной примесью и по меньшей мере одной дополнительной легирующей примесью в таком соотношении между собой, чтобы обеспечить отношение оптического сигнала к шуму при приеме не ниже 15 дБ (измеряемых при амплитуде сигнала фильтра 0,5 нм) для каждого сигнала на длине волны в рабочей полосе как в случае одного сигнала, так и при наличии по меньшей мере двух сигналов на различных длинах волн в полосе, одновременно поступающих в средства усиления.

В качестве флюоресцентной основной легирующей примеси предпочтительно использован эрбий в виде окиси, а в качестве дополнительных легирующих примесей использованы алюминий, германий, лантан в виде соответствующих окисей. Заранее заданная полоса передачи предпочтительно находится в диапазоне от 1530 до 1560 нм. Упомянутая линия передачи предпочтительно включает в себя по меньшей мере три оптических усилителя, последовательно соединенных вдоль линии, по меньшей мере один из которых имеет активное волокно, сердечник которого легирован алюминием, германием, лантаном и эрбием в виде соответствующих окисей.

Для использования такой линии передачи в оптической системе связи требуется соответствующий предварительный усилитель, который включен между линией передачи и приемным устройством. Предварительный усилитель представляет собой усилитель, рассчитанный на прием сигнала низкого уровня и его усиление, перед подачей на вход приемного устройства, до достижения уровня мощности, соответствующего чувствительности устройства. (В дальнейшем для краткости вместо термина "уровень мощности" будет использоваться термин "уровень".) Предварительный усилитель также ограничивает резкие изменения уровня сигнала посредством уменьшения колебаний уровня сигналов, поступающих в приемное устройство, по отношению к колебаниям уровня сигналов, поступающих из линии передачи. Действительно, изменение условий распространения сигналов в линии передачи может привести к изменениям уровня сигналов на ее выходе. Это изменение может быть обусловлено либо ослаблением в волокне соединяющей линии (которое приводит к потере прозрачности), либо возможными аномалиями в ней (например, локальными ослаблениями, вызванными обращением с кабелем, содержащим оптические волокна), либо затуханием в оптическом усилителе. В случае описываемой линии передачи, изменения уровня могут достигать 20 дБ. С другой стороны, на входе оптического приемного устройства, если это устройство изготовлено в соответствии с европейскими техническими условиями SDH или американскими техническими условиями SONET, уровень сигнала должен находиться в интервале от -26 до -11 дБ относительно уровня 1 мВт. Чтобы обеспечить запас надежности с учетом допусков на изготовление предварительного усилителя, требуется, чтобы уровень сигналов, поступающих в оптическое приемное устройство, находится в диапазоне между -25 и -13 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт. Следовательно, предварительный усилитель должен ограничивать динамические изменения сигнала таким образом, чтобы привести уровень сигнала к значению, находящемуся в этом интервале.

В заявке на патент EP 567.941 того же заявителя описан оптический усилитель с ограничением мощности на выходе, общая схема которого показана на фиг. 1. Этот усилитель состоит из оптического волокна, легированного редкоземельным материалом, разделенного на две части 4, 6, на который поступает сигнал 1 и излучение накачки из лазера накачки 2 через дихроичный элемент связи 3. В волокне установлен элемент 5, поглощающий излучение на длине волны сигнала в большей степени, чем на длине волны накачки.

Принцип работы такого усилителя с ограничением мощности иллюстрируется фиг. 2, на которой показаны кривая мощности накачки (выраженной в мВт по оси ординат слева) и уровень сигнал (выраженный в дБ относительно уровня 1 мВт, по оси ординат справа) в зависимости от нормированной длины волокна (по оси абсцисс). Показаны два случая: для входного сигнала, имеющего уровень -25 дБ относительно уровня 1 мВт ("слабый" сигнал, показанный сплошной линией), и для входного сигнала с уровнем 0 дБ относительно уровня 1 мВт ("сильный" сигнал, показанный пунктирной линией). Входная мощность накачки составляет 20 мВт. Выравнивающее действие обусловлено уравновешиванием мощности накачки и мощности усиленного сигнала в двух каскадах до и после локального ослабления. В первом каскаде (волокно 4) "сильный" сигнал усиливается до уровня, выше "слабого" сигнала. "Слабый" сигнал, однако, использует меньшую мощность накачки, причем остаточный компонент этой мощности во втором каскаде (волокно 6) оказывается достаточным для усиления сигнала до требуемого выходного уровня.

С другой стороны "сильный сигнал" использует энергию накачки в первом каскаде почти полностью. К концу второго каскада остаточная мощность накачки очень низка и сигнал усиливается в малой степени или даже слегка ослабляется, так что он достигает такого же уровня, как и "слабый" сигнал. Входные сигналы с промежуточными уровнями между двумя установленными пределами, поэтому распространяются дальше до такого выходного уровня. За счет выбора соответствующим образом местоположения поглотителя 5 по длине волокна такой усилитель обеспечивает формирование сигналов, имеющих постоянный выходной уровень в пределах 1 дБ при наличии входных сигналов, имеющих переменный уровень в интервале по меньшей мере 15 дБ.

Устройство, описанное в заявке EP 567941, используется в случаях, когда требуется оптический усилитель, обеспечивает сильное ограничение динамического диапазона сигнала, например, в качестве предварительного усилителя в системе связи между двумя пунктами, то есть без промежуточных усилителей вдоль волоконной линии связи между передающим и приемным устройствами. В этом случае устройство располагают между пассивным соединяющим волокном и приемным устройством.

В патенте США N 5280383, выданном на имя Дж. Ф Федеричи и др., описан двухкаскадный оптический усилитель, способный работать при пониженной мощности накачки. Первый каскад работает в условиях линейного усиления, второй каскад - в условиях насыщения, чтобы создать определенное сжатие динамики сигналов. В одном из вариантов два каскада разделены развязывающим устройством, после которого может следовать фильтр, имеющий полосу пропускания порядка 10 нм. Развязывающее устройство устраняет распространяющееся в обратном направлении усиленное спонтанное излучение, а полосовой фильтр подавляет часть усиленного спонтанного излучения, распространяющегося в направлении сигнала, обеспечивая прохождение сигнала и выбранной полосе 10 нм. Однако в отличие от описанного в заявке на патент EP 567941 усилителя, каждый каскад имеет независимый источник накачки, а полосовой фильтр поглощает любую остаточную мощность накачки от первого каскада. Следовательно, этот усилитель базируется не на механизме дифференциального поглощения накачки (в зависимости от уровня сигнала) в первом каскаде и использования остаточной накачки (в случае слабых сигналов) во втором каскаде, который используется в усилителе, описанном в EP 567941. Кроме того, при наличии фильтра этот усилитель может работать только в полосе передачи, ограниченной величиной менее чем 10 нм, недостаточной для передачи с мультиплексированием длин волн.

В статье "REAP: Recycled Erbium Amplifier pump; J. - M.P.Delavaux et al. , IEEE Photonics Technology Letteks, v.6, N. 3, March 3, 1994, p.p.376-379, описан двухкаскадный предварительный усилитель, имеющий волокно, легированное эрбием, во втором каскаде которого используется остаточная мощность накачки от первого каскада, в котором использование оптического вентиля, соединенного последовательно с полосовым фильтром с шириной полосы 6 см (-1 дБ) между двумя каскадами устройства, позволяет получить, дополнительно к определенному ограничению динамического диапазона сигнала, высокое усиление, а также низкий коэффициент шума для сигнала на длине волны в полосе передачи фильтра. В частности, посредством ограничения полосы передачи устройства до полосы пропускания фильтра, устраняется спонтанное излучение на других длинах волн, так что это не ухудшает условие реверсирования первого каскада и не приводит к насыщению второго каскада. В вышеупомянутой статье рассматривается передача по одному каналу на длине волны в полосе пропускания фильтра. При этом не рассматриваются возможности применения устройства в оптической системе связи с мультиплексированием длин волн.

Для обеспечения передачи с использованием множества длин волн заявитель попытался использовать описанное в заявке EP 567941 устройство в качестве предварительного усилителя на конце линии передачи с мультиплексированием длин волн с каскадными усилителями, как описано в заявке на патент Италии ITM194A000712. Однако было обнаружено, что ожидаемое ограничение динамического диапазона сигнала на выходе по отношению к входу происходит в недостаточной степени: при изменении уровня входного сигнала на 20 дБ было получено изменение уровня выходного сигнала на 14 дБ, что превышает значение, предусмотренное вышеупомянутыми стандартами.

Представляется, что этот недостаток связан с самопроизвольным излучением и влиянием усиления этого излучения на поглощение мощности накачки в двух каскадах устройства. В случае оптической связи с мультиплексированием длин волн на выходе широкополосной линии передачи с каскадными усилителями имеется составляющая спонтанного излучения, имеющая вид сигналов различных длин волн, распределенных в виде непрерывного спектра, типичных для волокон с усилением, используемых в линии передачи. Уровень усиленного сигнала выше уровня спонтанного излучения на соответствующей длине волны, что обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум, требуемое для надежного приема. Однако, полная мощность самопроизвольного излучения связана с интенсивностью передаваемых сигналов. Слабые сигналы усиливаются при распределении в линии с умеренным использованием энергии, обеспечиваемой накачкой, так что большая часть этой энергии приходится на усиление спонтанного излучения. Сильные сигналы в большей степени опустошают энергетические уровни, возбуждаемые накачкой, а на спонтанное излучение и его усиление приходится меньше энергии. В дополнение к зависимости от уровня передаваемых сигналов, спонтанное излучение возрастает с увеличением количества соединенных по каскадной схеме усилительных каскадов.

В случае широкополосной линии передачи, имеющей каскадно соединенные усилители, соединенной с устройством, подобном описанному в заявке EP 567941, спонтанное излучение из линии передачи дополнительно усиливается при распространении в активном волокне устройства и складывается со спонтанным излучением, вырабатываемым в самом активном волокне.

Было обнаружено, что спонтанное излучение, даже более низкого уровня, чем сигналы, вследствие рассеяния энергии накачки для слабых и сильных сигналов, на котором основан принцип ограничения динамического диапазона сигналов, реализованный в устройстве по заявке EP 567941. Более конкретно, в случае слабых сигналов, спонтанное излучение относительно велико; и его усиление поглощает энергию, обеспечиваемую накачкой уже в первом каскаде предварительного усилителя. Поэтому второй канал не располагает достаточной энергией накачки для обеспечения возможности усиления слабых сигналов до того же выходного уровня, что и полученный для более сильных входных сигналов, при наложении более низкого спонтанного излучения и с пользованием энергии накачки, имеющейся в первом каскаде предварительного усилителя. Поэтому второй каскад не используется надлежащим образом в случае слабых сигналов из-за недостаточности остаточной энергии накачки.

Удовлетворительная работа описанного в заявке EP 567941 устройства в качестве предварительного усилителя в случае системы связи "между двумя пунктами" объясняется тем, что в этом случае на сигналы линии связи не накладываются относительно сильные шумы со спектральным распределением, аналогичным имеющему место для спонтанного излучения активного волокна устройства. Устройство вводится между пассивным соединяющим волокном и приемным устройством, и единственным спонтанным излучением, имеющимся в предварительном усилителе, является спонтанное относительно низкого уровня, формируемое в активном волокне самого усилителя.

Решение указанных проблем обеспечивается настоящим изобретением, направленным на создание линии передачи, с очень широкой (25-30 нм) рабочей полосой, при уровнях спонтанного излучения, сравнимых с уровнем сигнала.

Заявителем было обнаружено, что за счет ослабления спонтанного излучения в полосе длин волн, примыкающей к полосе сигналов, поглощение накачки, обусловленное усилением спонтанного излучения, ограничивается в степени, достаточной для того, чтобы последний каскад всегда имел мощность накачки, необходимую для усиления сигналов до требуемого уровня. В частности, было обнаружено, что для этой цели нет необходимости полностью устранять спонтанное излучение на всех длинах волн, отличных от длины волны сигнала, как предлагалось раньше: достаточно ослабить на величину, превышающую заранее заданное минимальное значение, спонтанное излучение в заданном интервале длин волн, ближнем к полосе сигнала, спонтанное излучение которого оказывает существенное влияние на ограничение динамического диапазона сигнала.

В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к оптической системе связи, содержащей: - средство передачи, предназначенное для выработки по меньшей мере двух оптических сигналов с различными длинами волн, находящихся в заранее заданной полосе длин волн, - средство приема, - волоконно-оптическую линию, предназначенную для соединения средства передачи со средством приема, - средства оптического усиления на активном оптическом волноводе, расположенные вдоль упомянутой линии и взаимосвязанные между собой для передачи оптических сигналов от средства передачи к средству приема, отличающейся наличием оптического предварительного усилителя, размещенного между волоконно-оптической линией и средством приема, содержащего: - оптический волновод, легированный редкоземельном элементом, выполненный с возможностью подачи на него через средство связи излучения накачки на длине волны накачки и сигналов из волоконно-оптической линии.

- средство дифференциального ослабления, размещенное в первом заранее заданном положении в легированном волноводе, обеспечивающее более высокое ослабление в упомянутой заранее заданной полосе длин волн на заданную величину, чем ослабление на длине волны накачки, - средство фильтрации, размещенное во втором заранее заданном положении в легированном волноводе, имеющее характеристику спектрального ослабления, адаптированную для передачи сигналов в упомянутой заранее заданной полосе длин волн без их ослабления в значительной степени и для ослабления на величину, превышающую заранее заданное минимальное значение спонтанного излучения в полосе длин волн, прилегающей к упомянутой заранее заданной полосе, причем первое и второе заданные положения, заданную величину ослабления средства дифференциального ослабления, заранее заданное минимальное ослабление средства фильтрации и полосу длин волн, прилегающую к заранее заданной полосе, выбирают из условия, что изменения мощности одного из входных сигналов предварительного усилителя в диапазоне 20 дБ обуславливают изменения мощности на входе средства приема в диапазоне не более 12 дБ.

Упомянутая полоса длин волн, прилегающая к заранее заданной сигнальной полосе, предпочтительно содержит относительный максимум спонтанного излучения оптического волновода, легированного редкоземельным материалом, являющегося частью предварительного усилителя.

Упомянутая полоса длин волн, прилегающая к заранее заданной сигнальной полосе, предпочтительно содержит относительный максимум спонтанного излучения активного волокна, являющегося частью средства усиления.

Можно ограничить изменения мощности, подаваемой на средство приема, при изменениях входного уровня одного из сигналов в пределах 20 - 9 дБ, а при соответствующем выборе средства фильтрации до 6 дБ.

Средство фильтрования вводится в легированный волновод предпочтительно в месте между 15% и 50% общей длины упомянутого волновода, более предпочтительно между 20% и до 30%.

Средство дифференциального ослабления вводится в легированный волновод предпочтительно между средством фильтрации и выходом, в частности в месте между 50% и 75% общей длины волновода.

Можно использовать второе средство фильтрации, которое предназначено для передачи сигналов без их существенного ослабления и для ослабления спонтанного излучения по меньшей мере в одной полосе длин волн, прилегающей к полосе длин волн сигналов. Это второе средство фильтрации преимущественно размещено в упомянутом легированном волноводе в месте между 50% и 75% общей длины волновода.

Оптический легированный волновод предпочтительно представляет собой оптическое волокно на основе двуокиси кремния, а редкоземельным материалом, используемым в качестве основной легирующей примеси, предпочтительно служит эрбий. В качестве дополнительной легирующей примеси можно преимущественно использовать алюминий, германий и лантан или алюминий и германий. Длина волны отсечки (на уровне - 3 дБ) средства фильтрации находится в пределах от 1532 до 1534 нм. Полоса длин волн сигналов предпочтительно находится в пределах от 1535 до 1560 нм.

Средство фильтрации может состоять из части оптического волокна, имеющего две сердцевины, оптически связанные между собой для длин волн в полосе спонтанного излучения, прилегающей к полосе сигналов. Одна из этих двух сердцевин размещена коаксиально относительно волокна и соединена двумя концами с легированным волноводом, а другая сердцевина смешена от центра и срезана на концах. Как вариант, средство фильтрации может преимущественно состоять из интерференционного фильтра, используемого при отражении. Средство фильтрации может также содержать предпочтительно канал с низким ослаблением длины волны накачки. Например, средство фильтрации может содержать первый дихроичный элемент связи, ответвляющий излучение в полосе сигнала и спонтанного излучения (на первый вывод) и излучение на длине волны накачки (на второй вывод); фильтр, соединенный с первым выводом, обеспечивающий ослабление спонтанного излучения; второй дихроичный элемент связи, объединяющий излучение от фильтра с излучением на длине волны накачки от второго вывода. Ослабление упомянутого средства фильтрации в полосе длин волн, прилегающей к заранее заданной полосе сигналов, предпочтительно составляет не меньшей мере 6 дБ, более, предпочтительно по меньшей мере 10 дБ.

Средство дифференциального ослабления преимущественно содержит первый дихроичный элемент связи, ответвляющий излучение в полосе сигналов (на первый вывод) и излучение на длине волны накачки (на второй вывод); элемент ослабления, в частности оптическое волокно, соединенное с первым выводом, обеспечивающее ослабление сигналов; второй дихроичный элемент связи, объединяющий излучение от элемента ослабления с излучением на длине волны накачки от второго вывода. Между элементом ослабления и вторым дихроичным элементом связи может быть расположен оптический вентиль.

Средство дифференциального ослабления может содержать в себе также обмотку, имеющую заданный радиус изгиба и состоящую из одного или более витков оптического волокна, часть из этого оптического легированного волокна использована для усилителя.

Ослабление средства дифференциального ослабления в полосе сигналов предпочтительно превышает ослабление на длине волны накачки на величину 5 1 дБ.

Соответствующая изобретению оптическая система связи особенно выгодна в случае, когда средство усиления состоит из трех или более оптических усилителей на активном волокне, каскадно соединенных на длине волоконно-оптической соединяющей линии. В случае каскадно соединенных усилителей, проблема накопления спонтанного излучения вдоль линии особенно ощутима, прежде всего при широкополосной передаче, и на решение этой проблемы в первую очередь направлена соответствующая настоящему изобретению система.

Оптическое средство усиления может содержать активное волокно на основе двуокиси кремния, имеющее сердцевину, легированную по меньшей мере одной флуоресцентной основной примесью и по меньшей мере одной дополнительной легирующей примесью, находящихся в таком соотношении, которое обеспечивает отношение оптического сигнала к шуму при приеме, измеренное при амплитуде сигнала фильтра 0,5 нм, не менее 15 дБ для сигналов длины волны в пределах заранее заданной полосы, когда мощность входного сигнала на каждом из упомянутых активных волоконно-оптических усилителей составляет не менее -16 дБ относительно уровня 1 мВт. В качестве основной легирующей примеси предпочтительно используется эрбий, а в качестве дополнительной легирующей примеси - алюминий, германий и литий.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения оно относится к оптическому усилителю, который содержит - оптический волновод, легированный редкоземельным материалом, - средство ввода одного или более заранее заданной полосы длины волн в заранее заданном диапазоне входных мощностей, - средство накачки легированного волновода, предназначенного для формирования оптической мощности накачки на длине волны накачки, - средство связи внутри легированного волновода для оптической мощности накачки и входного сигнала или сигналов, - средство вывода на заданном выходном уровне одного или более выходных сигналов, усиленных индуцированным излучением редкоземельного материала под воздействием накачки в легированном волноводе, - средство дифференциального ослабления, расположенное в первом заранее заданном положении на длине активного волновода, предназначенное для внесения заданного ослабления, величина которого в заранее заданной полосе длин волн, отличается от ослабления, вносимого на длине волны накачки, и отличается средством фильтрации, расположенным во втором заранее заданном месте на длине легированного волновода и имеющим спектральную характеристику ослабления, обеспечивающую передачу сигналов в заранее заданной полосе длин волн без их значительного ослабления и ослабление на величину, превышающую заранее заданное минимальное значение, спонтанного излучения в полосе длин волн, прилегающей к упомянутой заранее заданной полосе, причем упомянутые первое и второе заранее заданные места расположения, значения ослабления средства дифференциального ослабления, минимальное значение ослабления средства фильтрации и упомянутая полоса длин волн, прилегающая к заранее заданной полосе выбраны из условия, что изменения мощности одного из входных сигналов в диапазоне 30 дБ приводят к изменениям выходной мощности усилителя в диапазоне не более 12 дБ.

Оптический усилитель может быть выполнен в соответствии с одним или более предпочтительными вариантами осуществления, предлагаемый в связи с предварительным усилителем, являющимся частью оптической системы связи, соответствующей первому аспекту настоящего изобретения.

Изобретение поясняется на примерах его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее: Фиг. 1 - схема известного усилителя.

Фиг. 2 - кривые мощности накачки и уровня сигнала в двух каскадных усилителя по фиг. 1 для двух входных сигналов различной мощности.

Фиг. 3 - схема усиления, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг. 4 - спектр спонтанного излучения волокна, легированного эрбием, алюминием, германием и лантаном.

Фиг. 5 - характеристика узкополосного режекторного фильтрата, содержащего оптическое волокно с двумя сердцевинами, предназначенного для использования в усилителе.

Фиг. 6 - схема эксперимента для изменения характеристик усилителя, соответствующего изобретению.

Фиг. 7 - входной (A) и выходной (B) спектры усилителя для четырех сигналов, распространяющихся в линии передачи с каскадными усилителями, имеющими ослабление 20 дБ между каскадами усиления.

Фиг. 8 - входной (A) и выходной (B) спектры усилителя для четырех сигналов, распространяющихся в линии передачи с каскадными усилителями, имеющими ослабление 29 дБ между каскадами усиления.

Фиг. 9 -графики, иллюстрирующие соотношение между входным уровнем и выходным уровнем для сигналов четырех длин волн в случае известного усилителя (A) и усилителя, соответствующего настоящему изобретению (B).

Фиг. 10 - схема альтернативного элемента фильтрации.

Фиг. 11 - схема оптической системы связи, соответствующей настоящему изобретению.

Фиг. 12 - схема двухкаскадного усилителя на оптической линии, выполненного согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 13 - схема двухкаскадного усилителя на оптической линии, выполненного согласно второму варианту осуществления изобретения.

На фиг. 3 показан вариант выполнения усилителя, соответствующего одному из аспектов настоящего изобретения. Усилитель может быть использован в качестве предварительного усилителя оптической системы связи с мультиплексированием длин волн с каскадными усилителями. Он предусматривает использование оптического волокна, легированного редкоземельным материалом, предпочтительно волокна, легированного эрбием, разделенного на три части 5, 7 и 9. На него подается сигнал накачки с лазера 3 через дихроичный элемент связи 4. Сигналы различных длин волн в заданной полосе частот передачи поступают через входной вывод, проходят первый оптический вентиль 2 и через дихроичный элемент связи 4 поступают в первую часть 5 легированного волокна. Часть 5 соединена с частью 7 волокна через узкополосный режекторный фильтр 6, который обеспечивает ослабление спонтанного излучения - в полосе длин волн, прилегающей к полосе передачи сигналов, и вносят незначительное ослабление в полосе длин волн сигналов и на длине волны накачки.

Затем сигналы усиливаются в части 7 волокна, которая оканчивается дифференциальным аттенюатором 8, вызывающим ослабление в полосе сигналов, превышающее на заранее заданную величину ослабление на длине волны накачки.

В показанном примере работа аттенюатора 8 включает в себя разделение падающего излучения в соответствии с длинами волн, ослабление составляющей сигнала и сохранение неизменным сигнала накачки, а затем рекомбинацию двух составляющих. Излучение на длине волн сигнала направляются дихроичным элементом связи 12 к волокну 13, вносящему в него ослабление на определенную величину. После волокна 13 может быть включен оптический вентиль 14, обеспечивающий дополнительное ослабление в направлении распространения сигнала. Излучение накачки (если не учитывать незначительные потери в элементах связи) без ослабления проходит по другой ветви дихроичного элемента связи 12 и объединяется с сигналом в дихроичном элементе связи 15. В показанном примере ослабляющее волокно 13 представляет собой волокно на основе двуокиси кремния длиной 0,4 м, легированного титаном, имеющим числовую апертуру, равную 0,109, длину волны среза 1180 нм и ослабление порядка 5,1 дБ на длине волны 1550 нм.

Вентиль 14 может содержать второе средство фильтрации или может быть заменен им. Это средство включает в себя фильтр типа фильтра 6 и имеет такие же характеристики ослабления и полосу фильтрации. Упомянутое второе средство фильтрации позволяет исключить часть спонтанного излучения, дополнительно формируемого частью 7 волокна в упомянутой полосе, прилегающей к полосе сигнала.

Последняя часть 9 волокна, присоединенная к выходу аттенюатора 8, действует на сигналы, усиливая или ослабляя их, в зависимости от более высокой или более низкой остаточной мощности накачки, то есть, в конечном итоге, воздействует на уровень входного сигнала, что обеспечивает ограничение динамического диапазона выходного сигнала относительно динамического диапазона входного сигнала. Затем сигналы передаются через вентиль 10 на выходной вывод 11.

В качестве активного волокна использовалось волокно на базе двуокиси кремния, легированной эрбием, алюминием, германием и лактаном, типа описанного в итальянской заявке на патент M194A000712, сердцевина которого имеет следующий состав, выраженный в процентах по весу окисей: Er₂O₃ - 0,2%, Al₂O₃ -4%, GeO₂ - 18%, La₂O₃ - 1%.

Такое волокно имеет числовую апертуру 0,219 и длину волны отсечки 911 нм. На фиг. 4 представлена кривая излучения этого типа волокна, полученная для волокна длиной 11 м, при накачке на длине волны 980 м с вводимой в волокно мощностью накачки 60 мВт. Выбранная длина волокна соответствует эффективному использованию выбранной мощности накачки. Как видно из фиг. 4, это волокно имеет спонтанное излучение с пиком на длине волны 1530 нм.

Средство фильтрации предпочтительно расположено в волноводе, в месте, не совпадающем с его входом. Средство фильтрации может устранять не только спонтанное излучение из передающей линии, но также часть спонтанного излучения, генерируемого на длине волновода, и тем самым предотвращать расходование имеющейся мощности накачки на усиление спонтанного излучения, оказывая при этом влияние на способность устройства усиливать слабые сигналы. Расположение средства фильтрации на входе волновода может увеличить потери на входе, ухудшая в такой же степени коэффициент шума на рабочей длине волны фильтра.

В соответствии с вышеизложенным, местоположение фильтра выбирают таким образом, чтобы обеспечить исключение или ослабление пика спонтанного излучения рядом с полосой сигналов и, формируемого на протяжении линии и существенной части пика спонтанного излучения, генерируемого в первой части усилителя, чтобы сделать эффективным вышеописанный механизм ограничения динамического диапазона, отрицательного воздействия на сигнал низкой интенсивности.

В описанной конфигурации фильтр 6 располагается в месте между 15% и 50%, предпочтительно между 20% и 30%, общей длины активного волокна усилителя.

Местоположение дифференциального аттенюатора 8 можно выбирать на основании критериев, описанных в вышеупомянутой заявке на патент EP 567941, в частности между 50% и 75% общей длины волокна.

Специалист в данной области техники при наличии определенных характеристик используемых системы и устройств сможет выбрать наиболее приемлемые местоположения, проверяя их последовательно, для реализации механизма функционирования, соответствующего изобретению.

В показанном примере длины частей 5, 7 и 9 волокна выбраны равными соответственно 3, 5 и 5 м, соответствующими расположению фильтра 6 и дифференциального аттенюатора 8 примерно на расстоянии соответственно 23% и 62% общей длины легированного волокна.

Узкополосной режекторный фильтр 6 имеет волоконно-оптическую часть с двумя сердцевинами, оптически связанными друг с другом на заранее заданной длине волны, причем одна из них является соосной с подсоединенными оптическими волокнами, а другая смещена от центра и срезана на концах, как описано в патентах EP 441211 и EP 417441 на имя того же заявителя. Этот фильтр выполнен таким образом, что он ответвляет в смещенную от центра сердцевину полосу длин волн, соответствующую пику спонтанного излучения легированного волокна, прилегающую к полосе передачи сигналов: срезы на концах смещенной от центра сердцевины обеспечивают рассеяние передаваемых в нее длин волн в оболочке волновода, так что они больше не попадают в основную сердцевину.

В проведенном эксперименте использовалось волокно с двумя сердцевинами описанного типа. Оно представляет собой волокно на основе двуокиси кремния с примесью германия, имеющее следующие значения параметров: ослабление на длине волны 1530 нм 6 дБ, длина волны, соответствующая ослаблению на 3 дБ 1533 нм, длина фильтра 35 мм, расстояние между сердцевинами 18 мм, диаметр центральной сердцевины 4 мкм (числовая апертура 0,195), диаметр смешенной сердцевины 9 мкм (числовая апертура 0,135).

На фиг. 5 представлена спектральная характеристика фильтра с двумя сердцевинами.

Лазер накачки 3 представляет собой лазер Quantum Wel типа, имеющий следующие характеристики: длина волны излучения _p = 980 нм, максимальная оптическая выходная мощность Pu = 70 мВт, Лазеры вышеуказанного типа выпускают, например, фирмой Lasertron Inc., США.

Дихроичные элементы связи 3, 8 представляют собой оптические элементы связи из сплавных волокон,