Оптическая система связи, волоконно-оптический усилитель и способ определения длины оптического активного волокна

 

Изобретение относится к оптическим системам связи с уплотнением по длинам волн. Технический результат состоит в повышении скорости передачи сигналов с уплотнением и обеспечении условий равномерного усиления в различных каналах. Оптическая система связи содержит в себе передающую станцию и принимающую станцию для оптических сигналов, соединенные одна с другой волоконно-оптической линией, включающей в себя оптические линейные усилители, имеющие легированное редкоземельным материалом активное волокно и соединенные последовательно, в которой передающая станция содержит в себе средство генерирования, предназначенное для вырабатывания сигналов на нескольких заранее заданных длинах волн, и средство переноса, предназначенное для переноса упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, а упомянутая станция приема оптического сигнала содержит в себе средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых сигналов, в которой по меньшей мере один из упомянутых оптических линейных усилителей имеет легирующие примеси, длину волокна и мощность накачки. 3 с. и 21 з.п.ф-лы, 29 ил., 4 табл.

Настоящее изобретение касается системы связи, включающей в себя оптические усилители, в частности приспособление для передачи с уплотнением по длинам волн (УДВ) (в последующем называемой передачей с УДВ).

При передаче с уплотнением по длинам волн требуется передавать несколько каналов или передаваемых сигналов, независимо друг от друга по одной и той же линии, состоящей из оптического волокна, посредством уплотнения в области оптических частот; передаваемые каналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми, и отличаются друг от друга потому, что каждый из них связан с определенной частотой.

При каждой передаче разные каналы должны быть по существу эквивалентными друг друга, то есть ни один из них не должен быть более или менее привилегированным по отношению к другим с точки зрения уровня или качества сигнала.

При наличии усилителей, в частности оптических усилителей, необходимо, чтобы по существу они имели одинаковые характеристики для всех передаваемых каналов; кроме того, чтобы обеспечить возможность передачи большого количества каналов, требуется широкая полоса, в которой может работать усилитель.

Оптические усилители базируются на свойствах флуоресцирующей легирующей примеси, и в частности эрбия, вводимого в качестве легирующей примеси в сердцевину оптического волокна. На самом деле, эрбий, возбуждаемый световым источником энергии накачки, проявляет высокое излучение в диапазоне длин волн, соответствующем диапазону минимального ослабления света в основанных на двуокиси кремния оптических волокон.

Когда по легированному эрбием волокну, где эрбий поддерживается в возбужденном состоянии, пропускается световой сигнал с длиной волны, соответствующей такому высокому излучению, сигнал вызывает переход атомов эрбия, возбужденных до более низкого уровня световым излучением, возбуждаемым до длины волны самого сигнала, вырабатывая, таким образом, усиление сигнала.

Начиная от возбужденного состояния происходит также спонтанный распад атомов эрбия, который генерирует хаотическое излучение, составляющее "фоновый шум", перекрывающий стимулированное излучение, соответствующее усиленному сигналу.

Световое излучение, генерируемое посредством введения световой энергии накачки в "легированное" или активное волокно, может появляться на нескольких длинах волн типичного легирующего вещества, обеспечивая тем самым происхождение спектра флуоресценции в волокне.

Чтобы добиться наибольшего усиления сигнала посредством оптического волокна выше описанного типа, в месте с высоким отношением сигнала к шуму, подходящим для правильного приема самого сигнала, в оптических системах связи обычно используется сигнала, который генерируется лазерным излучателем и имеет длину волны, соответствующую максимуму в предполагаемой полосе кривой спектра флуоресценции волокна, включающего используемое легирующее вещество, или максимум излучения.

С другой стороны, легированные эрбием волокна имеют спектр излучения с пиком ограниченной ширины, характеристики которого сильно зависят от стекловолоконной системы, в которую вводят эрбий в качестве легирующей примеси, и спектральной области такой интенсивности в диапазоне длин волн, примыкающем к вышеупомянутому пику, в интересующем диапазоне длин волн, что считается возможным использование оптических усилителей, предназначенных для усиления сигнала в широком диапазоне.

Однако известные легированные эрбием оптические волокна проявляют неровный ход спектра излучения. Этот неровный ход действует на возможность достижения равномерного усиления по всей выбранной полосе.

Чтобы получить по существу "пологую" кривую усиления, то есть, по возможности, более постоянное усиление на различных длинах волн, посредством устранения источников помех из-за спонтанного излучения, можно использовать фильтрующие элементы, типа элементов, описанных, например, в патентах EP 426.222, EP 441.211, EP 417.441, выданных тому же заявителю.

Однако в этих патентах работа усилителей при наличии уплотнения по длинам волн не описывается и, кроме того, не рассматривается работа при наличии нескольких усилителей, соединенных между собой по каскадной схеме.

Профиль спектра излучения сильно зависит от имеющихся в сердцевине оптического волокна легирующих примесей, чтобы увеличивать его показатель преломления, как показано, например, в патенте США N 5.282.079, в котором показано, что спектр флуоресценции оптического волокна, легированного алюминием и эрбием, имеет менее заметный пик и перемещен к нижней части длин волн, чем у оптического волокна, легированного германием и эрбием (максимум находится на длине волны примерно 1532 нанометра). Такое оптическое волокон имеет числовую апертуру (ЧА), равную 0,15.

В работе ECOC 1993 г., Th C 12.1 на стр. 1-4 описывается волокно для оптического усилителя, легированное алюминием и лантаном, имеющее очень низкую чувствительность к водороду. Описанное легированное алюминием оптическое волокно имеет числовую апертуру, равную 0,16, а волокно, легированное алюминием и лантаном, имеет числовую апертуру, равную 0,30.

В работе ECOC 1993 г., Tu 4, на стр. 181-184 раскрыты оптические усилители, имеющие легированные эрбием волокна. Описаны эксперименты, выполненные на волокнах, сердцевины которых легированы алюминием, алюминием с германием и лантаном с алюминием, и лучшие результаты были получены в случае волокон, легированных алюминием с лантаном.

В Документах по электронике от 6 июня 1991 г., том 27, N 12, на стр. 1065-1067 указано, что в оптических усилителях, имеющих легированное эрбием волокно, при одновременном добавлении окиси алюминия, обеспечена возможность получения более высокого и более пологого профиля усиления. В статье описаны усилители, имеющие оптическое волокно, легированное окисью алюминия, германием и эрбием, при сравнении с усилителями, имеющими оптическое волокно, легированное лантаном, германием и эрбием, и в ней установлено, что в первом случае получается самое большое уплощение характеристики усиления.

В работе ECOC 1991 г. , TuPs1-3 на стр. 285-288 описано волокно типа Al₂O₃-SiO₂, легированное эрбием и лантаном, для цели получения более высокого показателя преломления и снижения образования сгустков, содержащих ионы эрбия. Показано, что спектры флуоресценции и поглощения оптического волокна, легированного эрбием и лантаном, очень сходны с такими же спектрами оптического волокна из Al₂O₃-SiO₂ с эрбиевой примесью. Была получена числовая апертура 0,31, а также концентрация эрбия, равная 23·10¹⁸ см^-3.

В документах ECOC 1989 г., поступивших после последнего срока, РДА-8, на стр. 33-36, от 10-14 сентября 1989 г., описан эксперимент, произведенный на двенадцати оптических усилителях, соединенных по каскадной схеме, в которых использовали легированное эрбием волокно. Была использована одна длина волны сигнала, равная 1,536 мкм, и было отмечено, что для устойчивой работы требуется управление длиной волны сигнала 0,01 нанометра (нм) ввиду того, что при изменении длины волны сигнала быстро уменьшаются характеристики частотных ошибок.

В патенте США N 5.117.303 раскрыта оптическая система передачи, содержащая последовательно соединенные оптические усилители, которые на основании принятых расчетов дают высокое отношение сигнал-шум при работе в насыщенном режиме.

Описанные усилители имеют оптическое волокно, легированное эрбием, и сердцевину из Al₂O₃-SiO₂. Обеспечено использование фильтров. Расчетная характеристика достигается на одной длине волны, а подаваемый сигнал в широком диапазоне длин волн, создающий такую же характеристику, не обеспечивается.

В патенте США N 5.111.334 описан многокаскадный усилитель, в котором волокно в каждом каскаде отличается друг от друга по длине, легирующей примеси или исходному материалу, чтобы получить максимальное усиление в широком диапазоне длин волн. Для получения характеристики с низкой пульсацией обеспечено использование большого количества каскадов, соответствующих различным длинам волн сигналов.

В соответствии с этим патентом обеспечена возможность получения равномерного усиления в широком диапазоне длин волн в случае сигналов, одновременно подаваемых однотипными волокнами, имеющими одну и ту же длину волны максимального усиления при изменении длины волокна.

В этой связи следует отметить, что легированные эрбием оптические волокна обнаруживают одну длину волны максимального усиления, которая не зависит от длины оптического волокна. Кроме того, в этом патенте рассмотрена проблема выполнения передачи через несколько соединенных по каскадной схеме усилителей.

В Документах по фотонной технике Института инженеров по электротехнике и электронике, том 4, N 8 за август 1992 г. на стр. 920 - 922 А.Р. Крапливи и др. описана система уплотнения по длинам волн с усилением, в которой выравнивание усиления выполняется с помощью информации, передаваемой по телеметрии. В этой системе обеспечивается выравнивание характеристики, с точки зрения отношения сигнала к шуму, посредством итеративного регулирования сигнала при ослаблении, на основании сигналов, полученных при приеме. Обратная информация передается телеметрическим способом.

В Журнале по технике световых волн, том 8, N 9 за сентябрь 1990 г., М. Мидом и др. описываются действия смешивания между сигналами в системе с большим количеством длин волн, которое происходит из-за нелинейного характера оптических одномодовых волокон; не обеспечены соединенные по каскадной схеме линейные усилители.

В патенте США N 5.088.095 и Документах по Электронике от 28 марта 1991 года, том 27, N 7 теми же авторами описан способ управления усилением в усилителе на легированном эрбием волокне, при котором усилитель расположен в форме лазерного контура с обратной связью по длине волны, отличной от длины волны и подлежащего усилению сигнала.

Обеспечивается цепь обратной связи для использования в рабочих условиях усилителя, и такое применение не относится к критериям конструкции усилителей.

В патенте США N 5.280.383 описан двухкаскадный усилитель, в котором первый каскад работает в условиях малого сигнала, а второй каскад работает в условиях насыщения, обеспечивая тем самым нелинейность амплитудной характеристики, происходит уменьшение требуемой мощности накачки.

Было обнаружено, что в соответствии с настоящим изобретением связь можно осуществлять посредством передачи с уплотнением по длинам волн с высокой общей скоростью по оптической линии с усилением с помощью средств размещения на станциях передачи и приема, предназначенных для выполнения преобразования внешних сигналов на нескольких длинах волн и восстановления этих же сигналов таким образом, чтобы у них оказались характеристики, подходящие для приемного устройства или приемных устройств, совместно с линейными усилителями, имеющими структурные и операционные характеристики, приспособленные для обеспечения условий равномерного усиления в различных каналах.

В оптической системе связи, включающей в себя: - станцию передачи оптических сигналов; - станцию приема упомянутых оптических сигналов; - волоконно-оптическую линию, соединяющую упомянутые станции передачи и приема, где упомянутая волоконно-оптическая линия включает в себя по меньшей мере два волоконно-оптических активных линейных усилителя, легированных редкоземельным материалом, соединенных последовательно и обеспеченных средствами накачки для упомянутого активного оптического волокна, согласно изобретению - упомянутая станция передачи оптического сигнала содержит в себе средство генерирования, предназначенное для вырабатывания сигналов передачи по меньшей мере на двух длинах волн, находящихся в полосе заранее заданной ширины, и средство, предназначенное для переноса упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, - упомянутая станция приема оптического сигнала содержит в себе средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых сигналов передачи из упомянутой одной волоконно-оптической линии, в которой по меньшей мере один из упомянутых оптических линейных усилителей имеет легирующие примеси в активном оптическом волокне, данную длину активного оптического волокна и заранее заданную мощность средства накачки, так что в сочетании они дают увеличение на входе упомянутой принимающей станции отношения оптического сигнала к шуму для упомянутых сигналов, которое для сигналов с различными длинами волн имеет различие меньше 2 дБ и составляет более 15 дБ для каждого одного из упомянутых сигналов (в полосе 0,5 нм), когда упомянутые сигналы одновременно передаются при наличии общей оптической энергии, поступающей в упомянутые оптические линейные усилители, которая равна по меньшей мере 16 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт.

В предпочтительном варианте осуществления система связи на большом количестве длин волн отличается тем, что упомянутая передающая станция содержит в себе: - средство приема, предназначенное для приема внешних оптических сигналов по меньшей мере в два независимых канала, - средство преобразования, предназначенное для преобразования упомянутых оптических сигналов в электрическую форму, - средство генерирования, предназначенное для вырабатывания сигналов передачи на различных длинах волн, в зависимости от количества независимых каналов упомянутых внешних сигналов, которые воспроизводят упомянутые внешние оптические сигналы и
- средство переноса, предназначенное для переноса упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, и
упомянутая принимающая станция содержит в себе:
- средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых сигналов передачи из упомянутой одной волоконно-оптической линии,
- средство преобразования, предназначенное для преобразования упомянутых принятых сигналов в электрическую форму, и
- средство выделения, предназначенное для выполнения выделенного излучения упомянутых принятых сигналов.

Упомянутая заранее заданная полоса длин волн предпочтительно простирается по меньшей мере на 20 нм.

Упомянутое средство генерирования, предназначенное для вырабатывания сигналов передачи, предпочтительно включает в себя средство, предназначенное для вырабатывания сигналов по меньшей мере на четырех различных длинах волн, находящихся в упомянутой заранее заданной полосе длин волн.

Упомянутые сигналы предпочтительно расположены в полосе между 1536 и 1555 нм.

В предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере один из упомянутых оптических усилителей имеет активное оптическое волокно, общая длина которого на заранее заданную величину меньше длины при максимальном усилении для мощности накачки, подаваемой соединенным с ним средством накачки.

Более предпочтительно, упомянутая длина оптического волокна такая, что когда усилитель соединен в контуре, в котором по меньшей мере одна часть выходящего сигнала поступает в усилитель, излучение из усилителя обеспечивает два устойчивых пика эмиссии на двух различных длинах волн, находящихся в упомянутой полосе с заранее заданной мощностью упомянутого выходящего сигнала, согласованной с рабочей мощностью усилителя.

В частности, упомянутое средство генерирования, предназначенное для вырабатывания сигналов передачи, состоит для каждого из упомянутых сигналов передачи из лазера, работающего в режиме непрерывного излучения, связанного с внешним модулятором. В свою очередь, упомянутое средство переносчика, предназначенное для переноса упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, содержит в себе соответственные оптические соединители, выбираемые на длину волны.

Дополнительно и в частности, упомянутое средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых сигналов передачи из упомянутой одной волоконно-оптической линии упомянутой станции приема оптического сигнала, содержит в себе соответствующие волоконно-оптический делитель и полосовой фильтр для каждой из длин волн упомянутых передаваемых сигналов.

Упомянутые легированные редкоземельным материалом оптические линейные усилители предпочтительно содержат в себе по меньшей мере одно легированное эрбием активное волокно.

Более предпочтительно упомянутое активное волокно содержит в себе в качестве изменяющих индекс легирующих примесей лантан, германий и окись алюминия.

В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение касается волоконно-оптического усилителя, содержащего:
- легированное редкоземельным элементом активное волокно, приспособленное для генерирования светового излучения в диапазоне длин волн сигналов под действием светового источника на длине волны накачки,
- средство накачки для упомянутого активного волокна, имеющее оптическую мощность заранее заданной величины на упомянутой длине волны накачки,
отличающегося тем, что упомянутое активное волокно имеет такую длину, что когда часть сигнала из упомянутого активного волокна подается на вход самого активного волокна, то при наличии светового источника накачки появляется устойчивое излучение на двух различных длинах волн в упомянутом одном диапазоне длин волн с заранее заданной общей оптической мощностью упомянутого выходного сигнала.

В частности, упомянутая заранее заданная мощность связана с рабочей мощностью усилителя.

В этом варианте осуществления соответствующий настоящему изобретению волоконно-оптический усилитель содержит в себе один каскад усиления.

В качестве альтернативы соответствующий настоящему изобретению волоконно-оптический усилитель содержит в себе по меньшей мере два последовательно соединенных каскада усиления, каждый из которых обеспечен соответственными средствами удлинения и накачки активного волокна, и отличается тем, что упомянутая длина активного волокна представляет сумму длин упомянутых удлинений активного волокна, а упомянутая оптическая мощность накачки заранее заданной величины представляет сумму оптических мощностей, подаваемых упомянутым средством накачки в соответственные удлинения активного волокна.

В этом случае, в частности упомянутая длина активного волокна представляет собой длину волокна по меньшей мере одного каскада, определяемую на основании мощности накачки, подаваемой в сам каскад.

В соответствии еще с одним аспектом настоящее изобретение касается способа определения оптической длины активного волокна в оптическом усилителе, в частности для работы по каскадной схеме в системе с большим количеством длин волн, согласно изобретению содержит следующие этапы:
- располагают оптический усилитель, имеющий вход и выход для оптического сигнала, содержащий в себе легированное редкоземельным материалом активное волокно и средство накачки для упомянутого активного волокна, имеющее заранее заданную мощность накачки,
- осуществляют оптическое соединение выхода упомянутого усилителя с его входом,
- снабжают упомянутое активное волокно световой энергией накачки посредством упомянутого средства накачки, вызывающей световое излучение в упомянутом активном волокне, составляющее сигнал излучения из усилителя,
- управляют спектром и оптической мощностью упомянутого сигнала излучения,
- осуществляют выбор длины упомянутого активного волокна, при которой упомянутый спектр обнаруживает два устойчивых пика излучения на двух различных длинах волн в заранее заданном диапазоне длин волн с заранее заданной мощностью упомянутого сигнала излучения.

В соответствии с вышеупомянутым способом между оптически соединенными выходом и входом упомянутого усилителя предпочтительно обеспечивают размещение средства оптического ослабления, имеющее регулируемое ослабление, причем упомянутое средство ослабления настраивают таким образом, чтобы и вызывать такое ослабление упомянутого сигнала излучения между выходом и входом упомянутого усилителя, при котором мощность упомянутого сигнала излучения оказывается равной упомянутому заранее заданному значению. В частности, упомянутая заранее заданная величина мощности упомянутого сигнала излучения связывается с обеспеченной рабочей мощностью излучения.

В частности, соответствующий изобретению способ, если в нем упомянутый усилитель представляет собой двухкаскадный или многокаскадный усилитель, отличается тем, что выбирается длина волокна по меньшей мере одного из упомянутых каскадов.

В том случае, если упомянутый усилитель представляет собой двухкаскадный или многокаскадный усилитель, способ согласно настоящему изобретению содержит в себе следующие этапы:
- располагают усилитель таким образом, что длину активного волокна по меньшей мере одного каскада выбирают на максимальное усиление в отношении снабжаемой его мощности накачки,
- осуществляют соединение выхода усилителя с его входом;
- управляют спектром и оптической мощностью сигнала излучения упомянутого усилителя при наличии соответственных мощностей накачки, подаваемых в каждый из упомянутых каскадов, и
- выбирают длину активного волокна по меньшей мере одного из каскадов усилителей, при которой упомянутый спектр обнаруживает два устойчивых пика излучения на двух различных длинах волн в заранее заданном диапазоне длин волн с заранее заданной мощностью упомянутого сигнала излучения.

Более конкретно, выбирают длину активного волокна только одного конечного каскада усилителя.

В качестве альтернативы в соответствующем изобретению способе при наличии конкретных требований к применению упомянутый выбор длины активного волокна выполняют для всех каскадов по отдельности, причем каждый из них испытывается отдельно.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения.

Дополнительные подробности приведены в последующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет схему соответствующей настоящему изобретению системы связи на большом количестве длин волн.

Фиг. 2 представляет оптический линейный усилитель, предназначенный для использования в показанной на фиг. 1 системе, соответствующей первой конфигурации.

Фиг. 3 представляет оптический линейный усилитель, предназначенный для использования в показанной на фиг. 1 системе, соответствующий второй конфигурации.

Фиг. 4 представляет оптический усилитель, обеспеченный фильтром с двумя сердецевинами.

Фиг. 5 представляет экспериментальную конфигурацию, предназначенную для определения спектрального излучения легированных эрбием оптических волокон для использования в оптических усилителях.

Фиг. 6 представляет графики спектрального излучения волокон, сравниваемые друг с другом.

Фиг. 7 представляет уровни мощности сигналов, подаваемых на вход бустера в экспериментах, выполняемых с использованием соответствующей показанной на фиг. 1 схеме системы связи.

Фиг. 8-13 представляют уровни мощности сигналов в последующих каскадах усиления, полученные в экспериментах, в которых использованы соответствующие изобретению усилители.

Фиг. 14-18 представляют уровни мощности сигналов в последующих каскадах усиления, полученные в экспериментах, в которых использованы соответствующие изобретению усилители, активное волокно которых имеет неоптическую длину и предварительное выравнивание.

Фиг. 19-23 представляют уровни мощности сигналов в последующих каскадах усиления, полученные в эксперименте, в котором использованы соответствующие известным в технике усилители.

Фиг. 24 является качественным представлением условий оптического выбора длины активного волокна в линейном усилителе.

Фиг. 25 представляет схему устройства, предназначенного для определения оптической длины активного волокна в линейных усилителях.

Фиг. 26 представляет спектр излучения показанного на фиг. 25 устройства в случае недостаточной длины волокна.

Фиг. 27 представляет спектр излучения показанного на фиг. 25 устройства в случае оптимальной длины волокна.

Фиг. 28 представляет спектр излучения показанного на фиг. 25 устройства в случае чрезмерной длины волокна.

Фиг. 29 представляет схему устройства сопряжения с передающей стороны.

Как показано на фиг. 1, соответствующая настоящему изобретению оптическая многоканальная система связи с уплотнением по длине волн обеспечивается несколькими (четырьмя в показанном примере) источниками оптических исходных сигналов 1a, 1b, 1c, 1d, где каждый из упомянутых сигналов, называемых "внешними сигналами", обладает своими собственными характеристиками передачи, такими как длина волны, тип модуляции, мощность. Вырабатываемые такими источниками сигналы поступают на передающую станцию 1, причем каждый из них подается на соответствующее согласующее устройство 2a, 2b, 2c, 2d, приспособленное для приема внешних оптических исходных сигналов, детектирования их и вновь восстановления их с новыми характеристиками, приспособленными для системы передачи.

В частности, упомянутые устройства сопряжения вырабатывают соответственные рабочие сигналы длин волн, находящихся в полезной рабочей полосе усилителей, последовательно расположенных в системе.

В патенте США N 5.267.073, выданный тому же заявителю, описание которого включено в настоящую заявку путем ссылки, описаны устройства сопряжения, которые, в частности, содержат передающее переходное устройство, сконструированное для преобразования оптического входного сигнала в форму, приспособленную для оптической линии передачи, и принимающее переходное устройство, сконструированное для восстановления переданного сигнала в форму, подходящую для принимающего устройства.

Для использования в соответствующей настоящему изобретению системе передающее переходное устройство содержит в себе лазер внешнего типа модуляции в качестве лазера, предназначенного для генерирования выходного сигнала.

Схема устройства сопряжения для передачи такого типа, который приспособлен для использования в настоящем изобретении, показана на фиг. 29. На этом чертежи для ясности оптические соединения представлены сплошной линией, тогда как соединения электрического типа представлены пунктирной линией.

Оптический сигнал от одного из источников 1a, 1b, 1c, 1d, например, от источника 1a, как показано на чертеже, принимает фотоприемник (фотодиод) 41, испускающий электрический сигнал, который подается на электронный усилитель 42.

Электрический выходной сигнал с усилителя 42 подается в управляющую цепь 43 модулируемого лазерного излучателя, в общем показанного позицией 44, приспособленную для генерирования оптического сигнала на выбранной длине волны, содержащего информацию входного сигнала.

К схеме управления 43 подходящим образом подсоединена также проводящая схема 45 служебного канала.

Модулируемый лазерный излучатель содержит в себе лазер 46 и внешний модулятор 47, например, Мэк-Зендерного типа, управляемый выходным сигналом схемы 43.

Схема 48 управляет длиной волны излучения лазера 46, поддерживая ее постоянной, соответствующей ранее выбранному значению, и компенсируя возможные внешние возмущения типа температурных и им подобных.

Устройства сопряжения вышеупомянутого типа для приема описаны в вышеупомянутом патенте и указаны заявителем под фирменным названием ТХТ/Е-ЕМ.

После этого упомянутые оптические рабочие сигналы подаются на схему объединения сигналов 3, приспособленную для одновременной посылки по одному оптическому выходному волокну 4 рабочих сигналов на длинах волн.

Обычно схема объединения сигналов 3 представляет собой оптическое пассивное устройство, с помощью которого оптические сигналы, передаваемые по отдельным оптическим волокнам, складываются в одном оптическом волокне; устройства этого типа состоят, например, из соединителей типа сплавных волокон, плоской оптики, интегральной оптики и так далее.

В качестве примера подходящей схемой объединения является объединитель типа 1х4 SMTC-0104-1550-A-H, имеющийся у фирмы "Е-ТЕК ДАЙНЕМИК, Инк." 1885 Ланди Авеню, г. Сан-Хосе, штат Калифорния (США).

По оптическому волокну 4 упомянутые рабочие сигналы, в последующем называемые сигналами S1, S2, S3, S4, поступают на усилитель мощности 5, который увеличивает их уровень до достижения ими значения, достаточного для обеспечения возможности прохождения ими по последующей части оптического волокна, имеющейся перед новым средством усиления, поддерживая достаточный уровень мощности в конце для обеспечения требуемого качества передачи.

Следовательно, первая часть 6a оптической линии соединена с усилителем мощности 5. Эту первую часть обычно изготавливают из одномодового оптического волокна, типа волокна со ступенчатым законом коэффициента преломления по поперечному сечению, введенного в соответственный волоконно-оптический кабель, имеющий длину несколько десятков (или сотен) километров, например, длину около 100 км.

Хотя в некоторых случаях можно использовать также оптические волокна типа волокон со смещением дисперсии, нашли, что для соединений вышеупомянутого типа обычно предпочитают волокна типа волокон со ступенчатым законом коэффициента преломления по поперечному сечению вследствие того, что в волокнах со смещением дисперсии возможно появление действий нелинейной интермодуляции между близкорасположенными каналами, и эти действия имеют высокую степень, если расстояние между упомянутыми каналами очень маленькое.

В конце упомянутой первой части 6a оптической линии расположен первый оптический усилитель 7a, приспособленный для приема сигналов, ослабленных во время их прохождения по волокну, и усиливает их до уровня, достаточного для подачи на вторую часть оптического волокна 6b, имеющего такие же характеристики, как и у предыдущего волокна.

Последующие линейные усилители 7b, 7c, 7d и соответственные части оптического волокна 6c, 6d, 6e перекрывают требуемое общее расстояние передачи, пока не будет достигнута принимающая станция 8, которая включает в себя предварительный усилитель 9, приспособленный для приема сигналов и их усиления, компенсируя потери, происходящие в результате прохождения через последующие демультиплексирующие устройства, пока не будет получен уровень мощности, подходящий для чувствительности принимающих устройств.

С предварительного усилителя 9 сигналы поступают на аппаратуру разуплотнения 10, в которой эти сигналы разделяются в зависимости от соответственных длин волн, и затем подаются на устройства сопряжения 10a, 10b, 10c, 10d, приспособленные для приема оптических сигналов, имеющих характеристики, подходящие для системы передачи, и для восстановления их до оптических характеристик или других характеристик, во всяком случае приспособленных к соответствующей принимающей аппаратуре 11a, 11b, 11c, 11d.

Устройство разуплотнения 10 представляет собой устройство, приспособленное для распределения по нескольким оптическим волокнам оптических сигналов, подаваемых во входное волокно, разделения их в зависимости от соответственных длин волн. Каждое из устройств разуплотнения может состоять из разветвителя со сварными волокнами, делящего входной сигнал на сигналы по нескольким выходным волокнам, в частности по четырем волокнам. Каждый из упомянутых сигналов подается на полосовой фильтр, центрированный на каждой из интересующих длин волн. Например, можно использовать элемент, аналогичный уже описанному устройству объединения сигналов 3, смонтированный в обратной конфигурации в сочетании с соответственными полосовыми фильтрами. Полосовые фильтры вышеупомянутого типа имеются, например, у фирмы "Микроноптикс, Инк", 2901 Бафорд Хви, Свит 100, г. Атланта, шт. Джорджия (США). Подходящей моделью является FFP-100.

Описанная конфигурация, в частности, дает удовлетворительные результаты при передачах на расстояния, примерно равные 500 км, с высокой скоростью передачи, например, порядка 2,5 Гбит в секунду (при четырех объединенных длинах волн получается способность передачи, соответствующая 10 Гбит в секунду на каждой отдельной длине волны), используя четыре линейных усилителя, усилитель мощности и предварительный усилитель. В настоящем изобретении и для вышеупомянутого использования усилитель мощности 5 представляет собой, например, волоконно-оптический усилитель промышленного типа, имеющий следующие характеристики:
- входная мощность - 5 - +2 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт,
- выходная мощность 13 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт,
- рабочая длина волны 1530 - 1560 нм.

В усилителе мощности не используется узкополосный режекторный фильтр.

Подходящей моделью является ТРА/Е-12, запущенный заявителем в серийное производство.

В упомянутом предварительном усилителе используется легированное эрбием активное оптическое волокно типа волокна с легирующими примесями алюминия, германия, эрбия.

Под термином "усилитель мощности" подразумевается усилитель, работающий в режиме насыщения, в котором выходная мощность зависит от мощности накачки, как подробно описано в Европейском патенте N EP-439.867, включенном в настоящее описание путем ссылки.

В настоящем изобретении и для вышеописанного использования под термином "предварительный усилитель" подразумевается усилитель, расположенный на конце линии, способный усиливать подлежащий подаче на приемное устройство сигнал, до значения обычно выше порога чувствительности самого приемного устройства (например, от -26 до -11 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт, на входе приемного устройства), в то же время внося более низкий возможный шум и сохраняя выравнивание сигнала.

В описанном эксперименте для изготовления предварительного усилителя 9 был использован однокаскадный линейный усилитель, в котором использовано такое же активное волокно, как и в описанных ниже усилителях 7a-7c, и смонтирован в конфигурации совместного распространения. Для конкретных практических реализаций можно выбрать предварительный усилитель, специально сконструированный для конкретной цели.

Конфигурацию вышеописанной системы передачи, в частности, приспосабливают для обеспечения требуемой характеристики, особенно для передачи с уплотнением по длинам волн по нескольким каналам, при наличии конкретного выбора характеристик линейного усилителя, составляющего ее часть, в частности, в отношении способности передачи выбранных длин волн без нанесения ими какого-либо ущерба другим.

В частности, при наличии усилителей, приспособленных для работы по каскадной схеме, можно обеспечить одинаковый режим для всех каналов, используя линейные усилители, способные обеспечивать по существу равномерную (или "плоскую") амплитудно-частотную характеристику на различных длинах волн, при работе в случае соединения по каскадной схеме.

Согласно настоящему изобретению усилитель, предназначенный для использования в качестве линейного усилителя, можно изготовить по схеме, показанной на фиг. 2, и он содержит в себе легированное эрбием активное волокно и подсоединенный к нему через дихроичный соединитель 14 соответственный лазер накачки 13. Выше волокна 12 расположен первый оптический вентиль 15 по пути прохождения подлежащего усилению сигнала, тогда как второй оптический вентиль 16 расположен ниже по ходу самого активного волокна.

Для использования в качестве линейного усилителя, подходящим образом, как показано на чертеже (хотя и не обязательно так), ниже по ходу активного волокна 12 расположен дихроичный соединитель 14, предназначенный для снабжения его энергией накачки, направленной против сигнала.

В конкретном варианте осуществления, как показано на фиг. 3, линейный усилитель можно, на основе определенных требований к использованию, сделать в соответствии с двухкаскадной конфигурацией, как описано и показано ниже.

В таком варианте осуществления линейный усилитель содержит в себе первое легированное эрбием активное волокно 17 и соответственный подсоединенный к нему через дихроичный соединитель 19 лазер накачки 18. Выше волокна 17 по пути прохождения подлежащего усилению сигнала расположен первый оптический вентиль 20, тогда как второй оптический вентиль 21 расположен ниже по ходу самого активного волокна.

Как показано на чертеже, в этой конфигурации подходящим способом (но не обязательно таким) подсоединен лазер накачки 18 для того, чтобы снабжать энергией накачки, противоположной сигналу.

Усилитель дополнительно содержит в себе легированное эрбием активное волокно 22, связанное с соответственным лазером накачки 23 через дихроичный соединитель 24, в показанном примере, также подсоединенным для противоточной накачки. Далее ниже по ходу волокна 22 имеется другой оптический вентиль 25.

Лазеры накачки 13 или 18, 23 предпочтительно представляют собой лазеры типа потенциальной ямы, имеющие следующие характеристики:
- длина волны излучения λ_p = 980 нм;
- максимальная оптическая выходная мощность Pu = 80 мВт (для двухкаскадного варианта).

Лазеры вышеуказанного типа изготавливают, например, фирма "Лазертрон Инк", 37 Северная Авеню, г. Берлингтон, шт. Миннесота (США).

Дихроичные соединители 14 или 19, 24 представляют собой соединители со сплавными волокнами, изготовленные из однородных волокон на длину волны 980 нм и в пределах длины волны, находящейся между 1530 и 1560 нм, с изменением оптической выходной мощности на величину менее 0,2 дБ, в зависимости от поляризации.

Дихроичные соединители вышеупомянутого типа известны и имеются и изготавливаются, например, фирмой "Гоулд Инк", Отделением волоконной оптики, Беймедев Драйв, г. Глем Бенай, шт. Мэриленд (США) и фирмой "Сифам лимитед", Отделением волоконной оптики, Будленд Роуд Токвай Девон (Великобритания).

Оптические вентили 15, 16 или 20, 21, 25 представляют собой оптические вентили такого типа, которые не зависят от поляризации передаваемого сигнала, с развязкой более 35 дБ и отражательной способностью ниже -50 дБ.

Используются вентили модели MDL1-15, PIPT-AS/N 1016, имеющиеся у фирмы "Изовайв", 64 Хардинг Авеню, г. Довер, шт. Нью-Джерси (США).

В описанной системе линейные усилители обеспечиваются для работы на оптической предельной выходной мощности порядка 14 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт, с усилением 30 дБ.

Другой вариант осуществления усилителя, предназначенного для использования в качестве линейного усилителя, показан на схеме фиг. 4, на которой соответствующие элементы обозначены такими же ссылочными позициями, как и на фиг. 3.

В этом усилителе, элементы которого имеют такие же характеристики, как описано выше, имеется узкополосный режекторный фильтр 26, состоящий из части оптического волокна, имеющей две сердцевины, оптически связанные друг с другом на заранее заданной длине волны. Одна из сердцевин расположена коаксиально с подсоединенными оптическими волокнами, а другая смещена и образована на концах, как описано в патентах EP 441.211 и EP 417.441, описание которых включено в описание настоящей заявки путем ссылки.

Упомянутый фильтр калибруют таким образом, что он связывает в смещенной сердцевине длину волны (или диапазон длин волн), соответствующую одной части спектра излучения усилителя. Обрезание смещенной сердцевины на концах позволяет передаваемой в нее длине волны рассеиваться в оболочке волокна, так что она больше снова не связывается в главной сердцевине.

В показанном варианте фильтр 26 с двумя сердцевинами имеет следующие характеристики:
- ширина полосы длин волн, связанных во второй сердцевине (на уровне - 3 дБ), равна 8-10 нм;
- длина фильтра 35 мм.

Фильтр был сконструирован таким образом, что имел максимальное ослабление на пике излучения используемого активного волокна, и нацелен на то, чтобы сделать характеристику усиления отдельно используемого усилителя плоской.

В описываемых ниже примерах в качестве альтернативы были использованы фильтры, имеющие следующие характеристики:
- ослабление на λ_s = 1530 нм 5 дБ или
- ослабление на λ_s = 1532 нм 11 дБ.

Для использования в вышеописанных усилителях были изготовлены различные типы легированных эрбием активных волокон, как подробно описано в итальянской заявке на патент N M 194A 000712, зарегистрированной 14 апреля 1994 года на имя того же заявителя, включенной в описание настоящей заявки путем ссылки, и содержание которой описано ниже.

Был произведен анализ составов (табл. 1) на заголовке (перед вытягиванием волокна) посредством микрозонда, объединенного с растровым электронным микроскопом (Хитачи SEM).

Анализ проводили при 1300-кратном увеличении в дискретных точках, расположенных по диаметру и разнесенных друг от друга на 200 мкм.

Установленные оптические волокна были изготовлены после осуществления вакуумного гальванического покрытия в трубке из кварцевого стекла.

В установленных волокнах введение германия в качестве легирующей примеси в матрицу из двуокиси кремния в сердцевине оптического волокна выполнили во время этапа анализа.

Введение эрбия, алюминия и лантана в сердцевину оптического волокна осуществляли методом "легирования раствором", при котором водный раствор хлоридов легирующей примеси приводится в соприкосновение с синтезируемым веществом сердцевины оптического волокна, когда оно находится в форме частиц до закалки заготовки.

Более подробные сведения о методе легирования раствором можно найти, например, в патенте США N 5.282.078, который вводится в описание настоящей заявки путем ссылки.

Экспериментальная форма, выбранная для определения спектрального излучения в рассматриваемых оптических волокнах, схематически показана на фиг. 5, тогда как на фиг. 6 показаны графики, представляющие полученное в результате измерений спектральное излучение, произведенных на активных оптических волокнах A, B, C, D.

К испытываемым оптическим волокнам 29 через дихроичный соединитель 980/1550, обозначенный позицией 28, подсоединен лазерный диод накачки 27, работающий на длине волны 980 нм. Излучение волокна определяли посредством анализатора оптического спектра.

Лазерный диод имеет мощность порядка 60 мВт (в оптическом волокне 29). Длина активного волокна 29 составляла примерно 11 м.

Для различных содержаний эрбия в оптических волокнах и различной полезной мощности накачки можно для целей измерений экспериментальным путем определить подходящую длину посредством опробования различных длин оптических волокон с целью доведения до максимума мощности выходного сигнала.

В качестве анализатора оптического спектра использовали модель TQ 8345, изготавливаемую фирмой "Эдвантест корпорейшн", Шицзуки, строение - NS2-4-1 Ниши-Шидзуки, Шицзуки-ку, Токио (Япония).

Измерения выполняли посредством поддержания накачиваемого оптического волокна до длины волны 980 нм и определения спектра спонтанного излучения волокна.

Полученные результаты показаны на фиг. 6, где кривая 31 соответствует оптическому волокну A, кривая 32 соответствует волокну B, кривая 33 соответствует волокну C, а кривая 34 соответствует волокну D.

Как можно видеть из графиков, спектральное излучение волокон B, C и D имеет основной пик большой интенсивности с максимумом на длине волны порядка 1532,5 нм и последующий участок высокого излучения на более высоких длинах волн примерно до длин волн 1560 - 1565 нм, где имеется весьма расширенный вторичный пик.

Сравнение между кривыми 32 и 33 (волокна B и C, соответственно) показывает, что более высокое содержание окиси алюминия в оптическом волокне повышает уровень упомянутого участка высокой эмиссии. Замена германия лантаном (волокно D, кривая 34) все еще дает возможность получить более высокий уровень в диапазоне длин волн 1535 - 1560 нм.

С другой стороны, во всех волокнах B, C, D наличие снижения интенсивности излучения наблюдалось в зоне d спектра (расположенной примерно между длинами волн 1535 и 1540 нм), находящейся между основным пиком излучения и прилегающим к нему участком вторичного пика излучения. В таком понижении величина излучения оказывается ниже по меньшей мере на 2 дБ, чем максимальная величина излучения на соседних участках (то есть основного пика и вторичного пика), как показано на рисунке ссылочной позицией h для одной кривой 32, но также четко идентифицируемое на кривых 33, 34.

Напротив, кривая 31 иллюстрирует, что в показанных экспериментальных условиях волокно A в зоне d не обнаруживает значительного понижения спектра (или, если можно обнаружить понижение, то оно во всяком случае меньше примерно 0,5 дБ).

Кривая 31 показывает также, что пик максимального излучения в волокне A находится на более низких длинах волн, чем в волокнах B, C, D, и расположен на длине волны примерно 1530 нм, и что волокно сохраняет высокий уровень излучения до длин волн ближе к 1520 нм.

Используя оптическое волокно A, изготовили усилители показанной на фиг. 3 конструкции для изменения в качестве линейных усилителей в системе связи, изображенной на фиг. 1, посредством выбора различных длин волокна (эксперименты 1, 2). Для сравнения были проведены испытания усилителей, изготовленных с волокном C совместно с фильтром (конструкция, показанная на фиг. 3).

В проведенных экспериментах длина первого активного волокна 17 составила примерно 8 м, для второго активного волокна 22 подвергли испытаниям длины, показанные в табл. 2.

Для экспериментов 2 и 3 общую длину активного волокна определяли посредством нахождения оптимального значения одного усилителя в соответствии с этапами 1, 2 описываемых ниже способов. Для эксперимента 1 длину волокна линейных усилителей определяли в соответствии с этапами 1, 2, 3 описываемых ниже технических способов.

На фиг. 7 показан спектр сигналов, подаваемых на вход усилителя мощности 5 в трех выполненных экспериментах.

Эксперимент 1
На фиг. 8, 9, 10, 11, 12, 13 показаны спектры сигналов, соответственно, на входе линейного усилителя 7a (фиг. 8), на входе линейного усилителя 7b (фиг. 9), на входе линейного усилителя 7c (фиг. 10), на входе линейного усилителя 7d (фиг. 11), на входе предварительного усилителя 9 (фиг. 12) и на выходе предварительного усилителя 9 (фиг. 13).

На входе предварительного усилителя были произведены измерения отношений оптического сигнала к шуму для различных каналов (по всей оптической полосе 0,5 нм фильтра анализатора спектра). Получены результаты, приведенные в табл. 3.

Следует отметить, что отношение сигнала к шуму для различных каналов отличается меньше чем на 2 дБ и, кроме того, они имеют очень высокие значения. Необходимо также отметить, что отношение сигнала к шуму, равное 13-14 дБ, оказывается уже достаточным для обеспечения уровня ошибок (частоты ошибок по битам), равно 10^-12 (опорное значение, обычно выбираемое для сравнения систем передачи).

Эксперимент 2
Эксперимент 2 проводили посредством применения предварительного выравнивания сигналов с помощью соответственных, не показанных на фиг. 1, аттенюаторов (оптическое волокно второго каскада не было оптимизировано по длине), и на входе линейного усилителя 7a был получен показанный на фиг. 14 спектр.

На фиг. 15, 16, 17, 18 представлены спектры сигналов, соответственно, на входе линейного усилителя 7a (фиг. 15), на входе линейного усилителя 7b (фиг. 16), на входе линейного усилителя 7c (фиг. 17), на входе линейного усилителя 7d (фиг. 18) и на входе предварительного усилителя 9 (фиг. 18).

Примененный предварительный выравниватель обеспечивает первоначальное предварительное выравнивание 7 дБ между различными каналами, как показано на фиг. 14. Это предварительное выравнивание предназначено для компенсации действий насыщения на более коротких длинах волн, появляющихся в каскадных усилителях.

Предварительное выравнивание выполняли таким образом, чтобы выровнять отношения оптического сигнала к шуму на выходе предварительного усилителя 9.

В различных каскадах усиления можно видеть понижение характеристики усиления в области более коротких длин волн вследствие вышеописанного явления насыщения, тогда как отношение оптического сигнала к шуму каждого из каскадов сохраняется высоким (больше 15 дБ при Δλ = 0,5 нм) до входа предварительного усилителя 9.

Эта характеристика оказывается приемлемой при описанных экспериментальных условиях. Однако, поскольку требуется предварительное выравнивание сигнала, система становится чувствительной к изменению входного сигнала, в частности, если будет пропущен один из них, появится дисбаланс из-за явления конкуренции усиления в оптических волокнах линейного усилителя вследствие того, что в волокнах с эрбием при проверке преобладал эффект гомогенного излучения.

Короче говоря, в соответствии с явлением конкурирования усиления, наличие сигнала на данной длине волны в волокнах вычитает энергию накачки для сигналов, подаваемых на других длинах волн, оказывая тем самым влияние на их усиление. Поскольку один из упомянутых сигналов пропадет, имеющаяся мощность распределяется по другим имеющимся сигналам, оказывая тем самым влияние на усиление.

Далее, поскольку предварительное выравнивание было выполнено для всех четырех каналов, оно оказывается больше не действительным и может создавать вместо действия уменьшения действие увеличения дисбаланса между различными каналами.

Более того, при отсутствии предварительного выравнивания отношение сигнала к шуму при приеме для некоторых каналов по существу меньше 12 дБ может оказаться неприемлемым.

Эксперимент 3
Эксперимент 3 проводили при отсутствии предварительного выравнивания сигналов, с обеспечением усилителя узкополосным режекторным фильтром, соответствующим показанной на фиг. 4 схеме, и использованием волокна типа C.

На фиг. 19, 20, 21, 22, 23 показаны спектры сигналов, соответственно, на входе линейного усилителя 7a (фиг. 19), на входе линейного усилителя 7b (фиг. 20), на входе линейного усилителя 7c (фиг. 21), на входе линейного усилителя 7d (фиг. 22) и на входе предварительного усилителя 9 (фиг. 23).

Были выполнены измерения отношения оптического сигнала к шуму на входе предварительного усилителя для различных каналов (по всему оптическому диапазону 0,5 нм фильтра спектроанализатора). Результаты приведены в табл. 4.

Как можно заметить, между каналами существует очень большой дисбаланс с точки зрения отношения сигнал-шум, причем более благоприятный канал отличается более чем на 7 дБ от более неблагоприятного канала, и, кроме того, для двух из упомянутых каналов отношение сигнал-шум было гораздо ниже значения 14 дБ, и, следовательно, недостаточным для создания уровня ошибок (отношения сигнал-шум) 10^-12. Такой высокий дисбаланс нельзя компенсировать предварительным выравниванием.

На основании предыдущих экспериментов следует отметить, что волокно A способно само по себе обеспечить возможность выполнения усилителей, подходящих для передачи с уплотнением по длинам волн, посредством аннулирования одного или более каналов, ухудшенных до неприемлемой степени, тогда как волокно C неспособно обеспечивать такую же характеристику.

Кроме того, как можно видеть из сравнения эксперимента 1 с экспериментом 2, изменение длины активного волокна, в частности активного волокна второго каскада усиления, ведет к получению усилителей, способных работать, в случае соединения по каскадной схеме, по существу в условиях равномерного усиления на различных длинах волн, в частности при отсутствии ухудшений для каналов, находящихся между 1535 и 1540 нм, без необходимости предварительных выравниваний или внешних вмешательств по выравниванию сигналов во время приема, обеспечивая тем самым высокое значение отношения оптического сигнала к шуму.

Фактически было замечено, что имеется критическая величина длины активного волокна в усилителе, обеспеченном для передачи с уплотнением по длинам волн с несколькими соединенными по каскадной схеме усилителями. При этом значении можно получить равномерную характеристику для различных каналов. Тогда как в случае отличающихся величин длин активного волокна, одна или более подаваемых длин волн, в частности на концах требуемой рабочей полосы, оказываются подвергаемыми ограничениям усиления. Кроме того, неожиданно оказывается, что критическая величина длины сильно отличается от предпочтительной величины для усиления откалиброванного для одного использования.

Оптимальная длина оптического волокна усиления усилителя, предназначенного для одного использования, обычно идентифицируется посредством определения экспериментальным путем длины, при которой имеется максимальная выходная мощность (для данной мощности накачки) в условиях малого сигнала (то есть при отсутствии явления насыщения).

Например, на фиг. 24 представлена кривая эффективности, иллюстрирующая зависимость выходной мощности от длины волокна второго каскада усилителя в ранее описанном примере. Кривая была получена экспериментальным путем с помощью блока, включающего в себя часть активного волокна, несколько длин которого было испытано, в которое подавали входной сигнал мощности 20 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт, с длиной волны 1557 нм, с накачкой лазерным диодом мощности 80 мВт (такой же мощности накачки, которая обеспечена для соответствующего каскада в линейном усилителе).

Как можно видеть из этой кривой, имеется довольно широкий диапазон длин волокна, в котором существует высокая величина выходной мощности. В этом диапазоне можно идентифицировать соответствующее значение длины, как показано на чертеже между 15 и 20 м.

Однако использование усилителя, калиброванного как такового, как показано в экспериментах 2 и 3, не позволяет получить удовлетворительный режим работы в случае каскадных усилителей в системах с большим количеством длин волн.

Однако в соответствии с настоящим изобретением нашли, что посредством выбора другой величины длины активного волокна, и в частности меньше, чем величина, считающаяся оптимальной для усилителя одного использования, результаты сильно улучшаются, и связь при большом количестве длин волн можно осуществлять без использования предварительных выравниваний сигналов.

Для идентификации оптимальной длины активного волокна испытываемый усилитель вводят в экспериментальную конструкцию, показанную на фиг. 25.

Усилитель 35 располагают в кольце оптического волокна, включающем в себя оптический аттенюатор 36, обеспечивающий регулируемое ослабление, и направленный ответвитель 37, имеющий отношение деления 50/50 на длине волны 1550 нм. Такая конструкция образует кольцевой лазер, излучение которого извлекается из ветви 38 ответвителя 37.

Излучение, извлекаемое из ветви 38, можно посылать по соответственному оптическому волокну 39 на ваттметр 40 и оптический анализатор спектра 41.

Испытание выполняется следующим образом.

После установки станины для испытания выход из ответвителя вначале соединяют с ваттметром 40, затем приводят в действие усилитель (то есть в соответственное активное волокно или волокна подают мощность накачки) и вызывают постепенное изменение ослабления, обеспечиваемого переменным аттенюатором, поскольку ваттметр 40 обнаруживает значение выходной мощности, соответствующее значению, для которого обеспечивается усилитель.

Затем волокна 39 соединяют с анализатором спектра 41. На фиг. 26, 27, 28 показан получающийся спектр для различных длин оптического волокна. Эти чертежи касаются испытаний, выполняемых с ранее описанным линейным усилителем, для трех различных длин волокна второго каскада, то есть для 10, 11 и 12 метров, соответственно. В результате этого, поскольку затухания, вносимые в кольцо аттенюатором 36 и соединителем 37, ниже, чем максимальное усиление волокна испытываемого усилителя, усилитель имеет тенденцию создавать периодические изменения, давая тем самым увеличение лазерного излучения в тех областях спектра, которые обладают максимальным значением усилителя.

Различные значения длин активного волокна создают область, преобладающую над другой.

В показанном на фиг. 26 случае (слишком короткое волокно, в примере равное примерно 10 м) система имеет устойчивое излучение с пиком на низкой длине волны ( λ ≈ 1531 нм). В показанном на фиг. 28 случае (слишком длинное волокно, в примере равное примерно 12 м), система имеет устойчивое излучение с пиком на большой длине волны ( λ ≈ 1557 нм).

Посредством выполнения нескольких испытаний, начиная, например, с "длинного" волокна и постепенно укорачивая его, можно добиться показанного на фиг. 27 положения (соответствующего длине активного волокна, равной примерно 11 м), при котором спектр излучения дает два устойчивых пика, по существу одинаковой высоты, на малой и большой длинах волн.

Такое состояние соответствует длине волокна, приспособленной для обеспечения передачи по нескольким длинам волн с каскадными усилителями, сохраняя выравнивание между различными каналами.

Следует отметить, что состояние излучения с двумя устойчивыми пиками может иметь место даже при различных значениях длины волокна, но можно заметить, что такое состояние является однозначным для цели определения оптимальной длины активного волокна в усилителе в случае каскадной работы на нескольких длинах волн, когда фиксируются эксплуатационные условия самого усилителя, в частности его выходная мощность.

Если выходная мощность по существу соответствует рабочей мощности, обеспеченной для усилителя, длина волокна, дающая появление двух устойчивых пиков, является длиной, подходящей для применения в каскадной системе с большим количеством длин волн.

В случае вышеописанного типа волокна для описываемого применения считается достаточной точность определения длины волокна в диапазоне примерно 0,5 м. Аналогичные соображения применимы к рабочей мощности усилителя.

Соответствующее соображение необходимо применять для такого случая, когда во время полезного срока службы усилителя и системы, в которой установлен упомянутый усилитель, различного характера явления могут снижать мощность сигналов, поступающих в усилитель или усилители, например, в результате увеличений ослабления передаваемых сигналов и, следовательно, снижения рабочей мощности в самих линейных усилителях, видоизменяя тем самым рабочие характеристики и окончательную характеристику усилителей на принимающей станции.

Например, если определение длины оптического волокна выполняют со ссылкой на оптическую входную мощность усилителя, равную -16 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт (или выше), соответствующую выходную мощность порядка 14 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт, при общем усилении, равном примерно 30 дБ, то получаемое при приеме отношение сигнала к шуму оказывается лучше 15 дБ, поскольку условия в линии остаются неизмененными. Когда входная мощность линейных усилителей уменьшается во время срока службы системы передачи, например, в результате явления ослабления и в оптических волокнах или других элементах, например, до величины 18 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт, отношение сигнал-шум при приеме будет ниже, хотя все еще больше 13 дБ, достаточного для обеспечения отношения сигнал-шум, равного 10^-12.

Следует отметить, что наличие одного или более усилителей в линии, в которой оптическая входная мощность ниже заданного значения, может оказать действие на характеристику системы в целом и оказаться причиной локального увеличения шума, которое оказывает влияние до принимающей станции.

Следует отметить, что найденная длина при таком испытании гораздо меньше, чем длина, считающаяся подходящей в случае испытаний, основанных на анализе одного усилителя, через который пропускается сигнал только один раз. В примере длина волокна, найденная посредством последнего упомянутого испытания (около 11 метров), была меньше примерно на 30%, чем минимальное значение, получающееся только в результате нахождения длины при максимальном коэффициенте усиления (15-20 м).

Оказалось, что лучшие результаты получены при использовании усилителей с длиной волокна, определяемой в соответствии с вышеизложенным способом, вследствие того, что определения и испытания эффективности на основе пропускания оптического сигнала через один усилитель при одном прохождении не могут выявить явление, возникающее при прохождении сигнала через большое количество каскадов, при котором любой сигнал без выравнивания имеет тенденцию становиться все более различимым. Наоборот, вышеописанное испытание позволяет определять длину волокна в усилителе, который способен обеспечить работу с выравниванием при прохождении через большое количество усилителей.

Замечено, что оптимальная длина активного волокна в усилителе для настоящего изобретения зависит от нескольких параметров, к которым относятся содержание эрбия и мощность сигналов, проходящих через усилитель. Однако вышеописанное испытание дало возможность идентифицировать оптимальную длину волокна для определенной конструкции проверяемого усилителя, и, следовательно, дало возможность установить значение, при котором уже учтены определенные характеристики усилителя.

В случае изменений характеристик усилителя, таких например, как различное содержание эрбия в волокне (обычно идентифицируемое как ослабление волокна на длине волны сигнала), может оказаться необходимым снова проверить, как описано выше, значение оптимальной длины волокна для каскадной работы в системе с большим количеством длин волн.

Предположения в отношении интерпретирования наблюдаемого явления основаны на том, что из-за особенностей излучения эрбия, более низкие длины волн (например, 1530 - 1535 нм в системе из Si-Ge-Al-La-Er) обнаруживают высокое усиление малого сигнала, так что сигнал λ_в на малой длине волны после сравнительно короткой длины волокна l₁ достигает величины мощности, вызывающей состояния насыщения в усилителе.

Такие состояния насыщения (при которых выходная мощность сигнала по существу больше и совсем не зависит от его входной мощности) сохраняются в волокне до тех пор, пока мощность накачки в волокне остается на достаточно высоком уровне, то есть пока длина l₂, за пределами которой мощность накачки в волокне оказывается недостаточной для обеспечения усиления и начинается ослабление сигнала вследствие трехуровневого характера энергии системы излучения эрбия, введенного в качестве легирующей примеси в волокно.

И наоборот, сигнал на большой длине волны λ_a действует в зоне спектра эрбия, в которой существует более низкий коэффициент усиления, так что мощности насыщения он достигает после того, как длина l₃ волокна окажется больше длины λ₁.

Таким образом, как описано выше, состояние насыщения сохраняется до тех пор, пока значение длины волны l₄ окажется больше длины l₃.

После этого появляется состояние равномерной характеристики для различных каналов (то есть для всех уплотненных и поданных в усилитель различных длин волн) для всей длины активного волокна в усилителе (как однокаскадного, так и многокаскадного типа), которая достаточно высокая, чтобы дать возможность сигналам на самых больших длинах волн уже достигать максимального усиления, но не настолько высокая, чтобы дать возможность сигналам на самых малых длинах волн начать ослабляться из-за недостаточной мощности накачки в концевой части оптического волокна.

Промежуточные длины волн между λ_в и λ_a имеют промежуточное поведение и, следовательно, для них также подходит обнаруженная длина волокна.

В вышеописанных примерах ссылка осуществляется на усилители двухкаскадного типа. В упомянутых примерах длину оптического волокна в усилителе выбирали посредством установления, на основании вышеприведенных соображений в отношении максимального коэффициента усиления, длины волокна, используемого в первом каскаде, а затем определения оптимальной длины волокна в усилителе посредством изменения длины только второго каскада во время испытания, при котором к испытательному кольцу подсоединяют весь усилитель (то есть двухкаскадный с добавлением соответственного средства накачки).

Однако вышеприведенные соображения относятся также к однокаскадным усилителям, то есть усилителям, в которых используется одна часть активного волокна с соответственным средством накачки, для которого выбор оптимальной длины осуществляют только по волокну.

Хотя в случае многокаскадного усилителя установку оптимальной длины волокна для предполагаемых целей предпочтительно выполняют путем испытания всего усилителя в описанной экспериментальной конструкции и выбора длины волокна только одного из упомянутых каскадов, более предпочтительно выходного каскада, однако в некоторых случаях можно также, следуя вышеупомянутой методике, устанавливать длину волокна каждого из каскадов усиления либо одного или более из них, кажущихся критическими, когда речь идет о требуемой характеристике передачи, посредством специальных испытаний, проводимых по отдельности на интересующем каскаде или каскадах.

Выбор между двухкаскадными или многокаскадными усилителями и однокаскадными усилителями можно осуществлять на основании конкретных требований к применению, например, относительно типа и мощности используемых лазеров накачки, и выбранных для них эксплуатационных условий.

Например, может оказаться удобным использовать конфигурацию, обеспечивающую два отдельно накачиваемых каскада, при желании использовать два лазера накачки, работающих на пониженных мощностях.

В качестве альтернативы в усилителях, требующих относительно низких уровней мощности накачки, или когда имеется один лазер накачки, работающий при излучении большой мощности (например, 100 мВт), можно выбрать конфигурацию, обеспечивающую один каскад усиления.

В качестве еще одной альтернативы можно также выбрать усилитель с двунаправленной накачкой.

Во всех случаях для работы большинства каскадных усилителей в системе с большим количеством длин волн длину активного волокна удобно выбирать на основании критериев, определяемых в объеме настоящего изобретения.

Кроме того, оказалось, что в соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения соответствующая изобретению система передачи особенно выгодна для цели осуществления высококачественного оптического соединения, нечувствительного к количеству передаваемых каналов.

Кроме того, можно наращивать количество каналов без необходимости дорогостоящих вмешательств в уже установленную линейную аппаратуру просто посредством приспосабливания к ней передающих и принимающих блоков.

Например, можно выполнить соответствующую показанной на фиг. 1 схеме систему, то есть систему, включающую в себя устройства сопряжения и линейные усилители большого количества длин волн, посредством первоначального обеспечения одного канала, с повышением расходов примерно на 10% относительно решения традиционного типа, без устройства сопряжения и оборудованного усилителями, обеспеченными для работы на одной длине волны.

Однако такую систему впоследствии можно развить для передачи, например, по четырем каналам, то есть способностью передачи, умноженной на четыре, посредством добавления только необходимых устройств сопряжения на передающей и принимающей станциях, что предполагает расходы на наращивание такого же порядка, как и первоначальное капиталовложение. Напротив, в случае системы традиционного типа такой же тип наращивания потребует новую специальную линию, включающую в себя соответственные усилители и кабели для каждого нового предполагаемого канала, что вызывает расходы на развитие до четырех каналов, соответствующие увеличению примерно в четыре раза первоначального капиталовложения, дополнительно к затратам на прокладку новых необходимых кабелей и возникающие проблемы, связанные с необходимостью работы по всей соединяющей линии.

Оказывается, что в соответствии с настоящим изобретением фактически часть системы, вызывающая самые высокие затраты, совершенно не реагируют на количество каналов, передаваемых на различных длинах волн и, следовательно, не требует корректировок и дополнительных модификаций, чтобы обеспечить требования большого количества передач, тогда как использование устройств сопряжения описанного типа позволяет подавать в линию требуемое количество каналов с весьма подходящими характеристиками работы в системе.

Формула изобретения

1. Оптическая система связи, включающая в себя станцию передачи оптических сигналов, станцию приема упомянутых оптических сигналов, волоконно-оптическую линию, соединяющую упомянутые передающую и принимающую станции, причем волоконно-оптическая линия включает в себя, по меньшей мере, два линейных усилителя на оптических активных волокнах, легированных редкоземельным веществом, соединенных последовательно и снабженных средством накачки для упомянутого активного вещества, отличающаяся тем, что упомянутая станция передачи оптических сигналов содержит в себе средство генерирования, предназначенное для вырабатывания сигналов передачи, по меньшей мере, на двух длинах волн, находящихся в полосе заранее заданной ширины, и средство, предназначенное для перенесения упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, упомянутая принимающая станция оптических сигналов содержит в себя средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых передаваемых сигналов из упомянутой одной волоконно-оптической линии, в которой, по меньшей мере, один из упомянутых оптических линейных усилителей имеет такие легирующие примеси в активном волокне, заданную длину активного волокна и заранее заданную мощность средства накачки, что в сочетании они дают увеличение на входе упомянутой принимающей станции отношения оптического сигнала к шуму для упомянутых сигналов, которое в различных сигналах различных длин волн имеет различие ниже 2 дБ и составляет более 15 дБ с полосой 0,5 нм для каждого одного из упомянутых сигналов, когда упомянутые сигналы одновременно передаются при наличии общей оптической мощности, поступающей в упомянутые оптические линейные усилители, которая равна, по меньшей мере, 16 дБ, отсчитываемых относительно уровня 1 мВт.

2. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая передающая станция включает в себя принимающее средство, предназначенное для приема внешних оптических сигналов, по меньшей мере, в два независимых каскада, средство преобразования, предназначенное для преобразования упомянутых сигналов в электронную форму, средство генерирования, предназначенное для вырабатывания передаваемых сигналов на различных длинах волн в зависимости от количества независимых каналов упомянутых внешних сигналов, которые воспроизводят упомянутые внешние оптические сигналы, и средство переноса, предназначенное для переноса упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, и упомянутая принимающая станция включает в себя средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых передаваемых сигналов из упомянутой одной волоконно-оптической линии, средство преобразования, предназначенное для преобразования упомянутых принятых сигналов в электрическую форму, и средство, предназначенное для проведения выделенного излучения упомянутых принятых сигналов.

3. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая заранее заданная полоса длин волн простирается, по меньшей мере, на 20 нм.

4. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое средство генерирования, предназначенное для вырабатывания передаваемых сигналов, содержит в себе средство, предназначенное для генерирования сигналов, по меньшей мере, на четырех различных длинах волн, находящихся в упомянутой заранее заданной полосе длин волн.

5. Система связи по п.4, отличающаяся тем, что упомянутые сигналы находятся между 1536 и 1555 нм.

6. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из упомянутых оптических усилителей имеет активное волокно, общая длина которого меньше на заранее заданную величину, чем длина при максимальном усилении для мощности накачки, подаваемой соединенным с ним средством накачки.

7. Система связи по п.6, отличающаяся тем, что упомянутая длина волокна такова, что усилитель соединен в контуре, в котором, по меньшей мере, одна часть выходящих сигналов вводится в усилитель с возможностью излучения из усилителя двух устойчивых пиков на двух различных длинах волн, находящихся в упомянутой полосе, на заранее заданной мощности упомянутого выходящего сигнала, связанной с рабочей мощностью усилителя.

8. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое средство генерирования, предназначенное для вырабатывания передаваемых сигналов, включает в себя, для каждого из упомянутых передаваемых сигналов, лазер с непрерывным излучением, связанный с внешним модулятором.

9. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое средство переноса, предназначенное для переноса упомянутых сигналов в одну волоконно-оптическую линию, включает в себя соответственные оптические соединители, которые являются селективными по длине волны.

10. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое средство выделения, предназначенное для выделения упомянутых передаваемых сигналов из упомянутой одной волоконно-оптической линии упомянутой станции приема оптических сигналов, включает в себя соответствующий волоконный делитель и полосовой фильтр для каждой из длин волн упомянутых передаваемых сигналов.

11. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый оптический линейный усилитель, легированный редкоземельным материалом, содержит в себе, по меньшей мере, одно легированное эрбием волокно.

12. Система связи по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое активное волокно содержит в себя лантан, германий и окись алюминия в качестве легирующих примесей изменения индекса.

13. Волоконно-оптический усилитель, включающий в себя легированное редкоземельным материалом активное волокно, приспособленное для вырабатывания светового излучения в одном диапазоне длин волн под действием подачи света на длине волны накачки, средство накачки для упомянутого активного волокна, имеющее оптическую мощность заранее заданной величины на упомянутой длине волны накачки, отличающийся тем, что упомянутое активное волокно имеет такую длину, что при подаче части сигнала из упомянутого активного волокна на вход самого активного волокна при наличии источника световой накачки появляется устойчивое излучение на двух различных длинах волн в упомянутом диапазоне длин волн сигналов при заранее заданной общей оптической мощности упомянутого выходящего сигнала.

14. Волоконно-оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что упомянутая заранее заданная мощность коррелируется рабочей мощностью усилителя.

15. Волоконно-оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что содержит в себе один каскад усилителя.

16. Волоконно-оптический усилитель по п.13, отличающийся тем, что содержит в себе, по меньшей мере, два соединенных последовательно каскада усилителей, каждый из которых обеспечен соответственным отрезком активного волокна и средством накачки, а упомянутая длина активного волокна представляет сумму длин упомянутых отрезков активного волокна, упомянутая оптическая мощность накачки заранее заданной величины представляет собой сумму оптических мощностей, снабжаемых упомянутым средством накачки в соответственные отрезки активного волокна.

17. Волоконно-оптический усилитель по п.16, отличающийся тем, что упомянутая длина активного волокна представляет собой длину волокна, по меньшей мере, одного каскада, определяемую на основании мощности накачки, подаваемой в каскад.

18. Способ определения длины оптического активного волокна в оптическом усилителе, в частности для работы по каскадной схеме в системе с большим количеством длин волн, отличающийся тем, что содержит следующие этапы: располагают оптический усилитель, имеющий вход и выход для оптического сигнала, содержащий легированное редкоземельным материалом активное волокно и средство накачки заранее заданной мощности накачки для упомянутого активного вещества, соединяют оптический выход упомянутого усилителя с его входом, снабжают упомянутое активное волокно энергией световой накачки посредством упомянутого средства накачки, вызывающей световое излучение в упомянутом активном волокне, составляющее излучение сигнала из усилителя, управляют спектром и оптической мощностью упомянутого сигнала излучения, выбирают длину упомянутого активного волокна, при которой упомянутый спектр обнаруживает два устойчивых пика излучения на двух различных длинах волн в заранее заданном диапазоне длин волн при заранее заданной мощности упомянутого сигнала излучения.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что между оптически соединенными входом и выходом упомянутого усилителя располагают средство оптического ослабления, имеющее регулируемое ослабление, где осуществляют регулировку упомянутого средства ослабления таким образом, что вызывает такое ослабление упомянутого сигнала излучения между выходом и входом упомянутого усилителя, чтобы мощность упомянутого сигнала излучения была равна упомянутой заранее заданной величине.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что упомянутую заранее заданную величину мощности сигнала излучения корректируют рабочей мощностью усилителя.

21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что при использовании двухкаскадного или многокаскадного усилителя выбирают длину волокна, по меньшей мере, одного из упомянутых каскадов.

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что при использовании двухкаскадного или многокаскадного усилителя осуществляют следующие этапы: располагают усилитель таким образом, что длину активного волокна, по меньшей мере, одного из каскадов выбирают на максимальное усиление для подаваемой в него мощности накачки, соединяют выход усилителя с его входом, управляют спектром и оптической мощностью излучаемого сигнала упомянутого усилителя при наличии соответственных мощностей накачки, подаваемых в каждый из упомянутых каскадов, и выбирают длину активного волокна, по меньшей мере, одного из каскадов усилителей, при которой упомянутый спектр обнаруживает два устойчивых пика излучения на двух различных длинах волн в заранее заданном диапазоне длин волн на заранее заданной мощности упомянутого излучаемого сигнала.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что выбирают длину активного волокна такого конечного каскада усилителя.

24. Способ по п.18, отличающийся тем, что упомянутый выбор длины активного волокна осуществляют по отдельности для всех каскадов, причем каждый из них испытывают отдельно.

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, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33