DE10055189A1 - Add-Drop-Multiplexer in All-Faser-Anordnung - Google Patents

Add-Drop-Multiplexer in All-Faser-Anordnung

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Abstract

Beschrieben wird ein Multiplexer als Add/Drop-Multiplexer in All-Faser-Multiplexer, mit DOLLAR A - einem oder mehreren Faser-Bragg-Gittern DOLLAR A - einem oder mehreren modenselektiven Faserkopplern DOLLAR A - mit wahlweise einem Add-Eingang oder einem Drop-Ausgang oder mit einem Add-Eingang und einem Drop-Ausgang. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist damit ein Add/Drop-Multiplexer auf Basis eines Faser-Bragg-Gitters ohne optischen Zirkulator realisiert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen optischen Add/Drop-Multi­ plexer in All-Faser-Ausführung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der optischen Nachrichtentechnik tritt das Wellenlän­ genmultiplex, d. h. die Übertragung mehrerer Signalwel­ lenlängen über eine Glasfaser, in den Vordergrund. Insbe­ sondere dafür werden optische Add/Drop-Multiplexer benö­ tigt. Sie dienen dazu, aus dem Bündel der vielen Signal­ kanäle einen oder einige Kanäle auszukoppeln (to drop) und einen oder einige Kanäle bevorzugt bei den freigewor­ denen Wellenlängen wieder einzukoppeln (to add). Es kann auch die bloße Auskopplung (Drop-Multiplexer) oder Ein­ kopplung (Add-Multiplexer) gefordert sein.
Stand der Technik
Bekannt sind hierfür neben AWGs (Arrayed Waveguide Gra­ tings) diverse Anordnungen aus GRIN-Linsen und dichroiti­ schen Filterschichten sowie Faser-Bragg-Gitter in Kombi­ nation mit einem optischen Zirkulator. Alle diese Anord­ nungen können sowohl zum Einkoppeln als auch zum Auskop­ peln einer oder mehrerer Wellenlängen benutzt werden. Prinzipiell haben Anordnungen mit Zusatzbauelementen wie Zirkulatoren, Freiraumgittern und Linsen Preis-, Volumen- und Gewichtsnachteile gegenüber integriert-optischen oder All-Faser-Ausführungen.
Ein bekannter Add/Drop-Multiplexer in All-Faser-Ausfüh­ rung besteht aus zwei 3 dB-Kopplern und zwei in deren Verbindungsfasern angeordneten gleichen Faser-Bragg- Gittern [F. Bilodau et al.: An all-fiber dense-wave- length-division multiplexer/demultiplexer using photoin­ printed Bragg gratings. IEEE Phot. Techn. Lett., Vol 7., No 4, S. 388-390 (1995)]. Nachteile dieser Anordnung sind die Erfordernis zweier gleicher Faser-Bragg-Gitter und die Notwendigkeit der exakten 3 dB-Kopplung, vor allem aber die äußerst kritische Phasenempfindlichkeit, die daraus resultiert, daß zwei gleich große Teilwellen nach Transmission und Reflexion phasenrichtig nicht nur ad­ diert, sondern auch subtrahiert werden müssen. Diese Emp­ findlichkeit läßt sich durch Justagemaßnahmen höchstens bei sehr kompakter Ausführung beherrschen, was aber mit großen Herstellungsproblemen verbunden ist.
Eine weitere bekannte Ausführungsform eines Add/Drop- Multiplexers ist ein Faserkoppler mit einem in der Kop­ pelzone angeordneten Faser-Bragg-Gitter [I. Baumann, J. Seifert, M. Sauer, W. Nowak: Photonics Techn. Lett., Vol. 8, Nr. 10, S. 1331 (1996)]. Diese Variante ist jedoch technologisch sehr schwer zu realisieren, da die Kop­ pelzone sehr lang und homogen sein muß. Bisher wurde erst eine praktische Realisierung eines solchen Bauelements publiziert [F. Bakhti et al., Optical add/drop multiple­ xer based on UV-written Bragg grating in a fused 100% coupler, Electronics Letters, Vol. 33, No. 9, S. 803- 804, (1997)].
Bekannt ist auch, daß Faser-Bragg-Gitter, die (als klas­ sische Anwendung) bei einer Wellenlänge die Fasergrund­ welle reflektieren, bei anderen Wellenlängen in andere Moden reflektieren. Das wird als kontradirektionale Mo­ denwandlung bezeichnet, es liegt bei entsprechender Di­ mensionierung eine reflektierende Modenwandlung vor. Aus Reziprozitätsgründen erfolgt auch eine Rückwandlung des anderen Mode in die LP01-Welle.
Kontradirektionale Modenwandlung in Mantelmoden wird in EP 0826 990 A1 zur Erzielung von Dämpfungseffekten vorge­ schlagen und in EP 0 829 740 A3 in geführte Moden, z. B. in den LP11-Modus, zur Realisierung von Dämpfungselemen­ ten mit unterschiedlichen Frequenzcharakteristiken.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen und gegenüber herkömmlichen Lösungen technisch verbesserten Add/Drop-Multiplexer in All-Faser-Ausführung zu realisie­ ren.
Erfindungsgemäß wird dies auf der Basis modenselektiver Faserkoppler und kontradirektional modenkoppelnder Faser- Bragg-Gitter vorgeschlagen.
Die verwendeten Faserkoppler bestehen aus einer Ein- und einer Mehrmoden-Faser bestehen, wobei die Koppler so aus­ gebildet sind, daß ein nahezu vollständiges Überkoppeln infolge der Gleichheit der Phasenkoeffizienten nur zwischen der LP01-Grundwelle der Einmoden-Faser und einem be­ stimmten Mode der Mehrmoden-Faser erfolgt, daß ein Über­ koppeln zwischen anderen Moden, insbesondere zwischen dem LP01 der Einmoden-Faser und dem LP01 der Mehrmoden-Faser nahezu vollständig unterdrückt wird, und daß das Dotie­ rungsprofil der Mehrmoden-Faser so ausgeführt ist, daß zwei oder mehrere Moden geführt werden und eine hohe Kop­ peleffizienz der durch das Faser-Bragg-Gitter zu koppeln­ den Moden erzielt wird.
In einer vorteilhaften Variante wird als Mehrmoden-Faser eine Zweimoden-Faser, in der neben dem Grundmode LP01 auch der LP11 ausbreitungsfähig ist, verwendet. Bei einem be­ stimmten Winkel zwischen Faserachse und Gitterebene des Faser-Bragg-Gitters kommt es zu nahezu vollständiger kon­ tradirektionaler Modenkopplung von LP01 in LP11, wobei eine Kopplung in den gleichen Mode (LP01) nahezu vollständig vermieden werden kann. Die modenselektiven Faserkoppler werden so hergestellt, daß eine nahezu vollständige Kopp­ lung infolge Gleichheit der Phasenkoeffizienten des LP11 der Zweimoden-Faser und des LP01 der Einmoden-Faser er­ folgt.
In einer weiteren vorteilhaften Variante wird als Mehrmo­ den-Faser eine Faser verwendet, in der sowohl der LP01 als auch der LP02 geführt werden. Die modenselektiven Koppler werden entsprechend dimensioniert (Kopplung zwischen LP02 und LP01). Bei Verwendung rotationssymmetrischer Moden kann eine kontradirektionale Modenkopplung auch durch ein senkrecht zur Faserachse eingeschriebenes Faser-Bragg- Gitter erzielt werden. Dies kann insbesondere Vorteile bei der Unterdrückung störender Mantelmodenkopplungen ha­ ben.
In einer weiteren vorteilhaften Variante werden zur Er­ zielung großer Abstände der Phasenkoeffizienten der ein­ zelnen Moden und damit hoher Bandbreite des Bauelements Fasern mit hohen Brechzahldifferenzen oder auch mikro­ strukturierte Fasern, sogenannte holey fibers oder photo­ nic crystal fibers, verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Variante werden apodi­ sierte Faser-Bragg-Gitter einsetzt, um eine definierte spektrale Funktion zu erhalten und Nebensprechen von Nachbarkanälen entsprechend zu unterdrücken. Es werden weiterhin geeignete Maßnahmen ergriffen, um die bekannte thermische Drift der Bragg-Wellenlänge zu kompensieren.
In einer weiteren vorteilhaften Variante werden statt ei­ nes Faser-Bragg-Gitters mehrere Teil- bzw. Einzelgitter verwendet. Bei entsprechender Wahl der Gitterparameter wird dadurch das gleichzeitige Auskoppeln oder Einkoppeln mehrerer Signalwellenlängen möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Variante wird mindestens ein in der Wellenlänge durch Temperatursteuerung oder durch mechanischen Stress abstimmbares Faser-Bragg-Gitter eingesetzt. Dadurch erhält man einen abstimmbaren Add/­ Drop-Multiplexer, der es gestattet, eine beliebige Signalwellenlänge aus- bzw. einzukoppeln.
In einer weiteren vorteilhaften Variante wird mindestens ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter eingesetzt, wobei so­ wohl der Chirp und damit die Dispersion sowie die Bragg- Wellenlänge einstellbar sind. Der Einsatz eines solchen Bauelementes ist insbesondere auf der Senderseite beim Multiplexen mehrerer Sendelaser für eine Signalvorverzer­ rung als auch auf der Empfängerseite für eine gezielte Kompensation der chromatischen Dispersion der Übertra­ gungsfaser sinnvoll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme von Zeichnungen näher erläu­ tert.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen dabei:
Fig. 1
Prinzipielle Darstellung der Anordnung eines Add/Drop- Multiplexers
Fig. 2
Prinzipielle Darstellung der Anordnung eines Drop- Multiplexers
Fig. 3
Prinzipielle Darstellung der Anordnung eines Add- Multiplexers
Fig. 4
Prinzipielle Darstellung der Anordnung eines abstimmbaren Add/Drop-Multiplexers
Darstellung von Ausführungsbeispielen
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Add/Drop-Multiplexers. Der Add/Drop-Multiplexer be­ steht aus zwei modenselektiven Kopplern und einem in de­ ren zweimodiger Verbindungsfaser angeordneten kontradi­ rektional modenkoppelnden Faser-Bragg-Gitter.
Die Funktionsweise der Anordnung ist folgende:
Das über die als Eingang des Bauelements 1 fungierende Standardfaser (Einmoden-Faser) einlaufende Kanalbündel aus mehreren Signalwellenlängen passiert den refle­ xionsarmen Übergang 8 von der Standardfaser zur Zweimo­ den-Faser 10 ohne Wandlung der LP01-Grundwellen und durch­ läuft die modenselektiven Koppler 5 und 6 unbeeinflußt, da der Phasenkoeffizient β für die Grundwellen der beiden Fasern unterschiedlich ist. Die Periodenlänge des kontra­ direktional modenkoppelnden Faser-Bragg-Gitters 7 ist so gewählt, daß nur für die Wellenlänge des Add/Drop-Kanals die Reflexion in die LP11-Welle erfolgt, während der Rest des Kanalbündels den zweiten Übergang 9 passiert und un­ beeinflußt in der als Ausgang des Bauelementes 2 fungie­ renden Standardfaser austritt. Die reflektierte LP11-Welle wird im modenselektiven Koppler 5 unter Modenwandlung in die LP01-Welle der Einmoden-Faser übergekoppelt, so das dieses Signal am Dropausgang 3 zur Verfügung steht. Wird ein Kanal bei der Add/Drop-Wellenlänge am Add-Eingang 4 des modenselektiven Kopplers 6 zugeführt, so wird es in diesem Koppler unter Modenwandlung in die LP11-Welle über­ gekoppelt, vom Gitter 7 als LP01-Welle reflektiert und da­ mit dem auslaufenden Bündel 2 hinzugefügt. Der jeweils ungenutzte Port 13, 14 der modenselektiven Koppler 5, 6 ist reflexionsarm abgeschlossen.
Da keine Leistungsteilungen und Überlagerungen erfolgen, bestehen keinerlei Phasenbedingungen. Ein voll überkop­ pelnder Koppler ist toleranzunempfindlicher und damit technologisch einfacher herstellbar als ein 3-dB-Koppler, da die Kopplung mit dem Sinusquadrat des Produktes aus optischer Frequenz, Koppelfaktor und Baulänge geht und der erstere im flachen Maximum, der zweite aber beim steilsten Anstieg der Sinusquadratkurve arbeitet. Ein weiterer gravierender Vorteil dieser Anordnung ist die Verwendung nur eines Faser-Bragg-Gitters, welches separat hergestellt werden kann und nicht wie bei der als Stand der Technik zitierten Variante in die Koppelzone des Fa­ serkopplers eingeschrieben werden muß.
Durch Weglassen eines modenselektiven Kopplers erhält man einen Drop-Multiplexer (Fig. 2) bzw. einen Add-Multi­ plexer (Fig. 3).
Fig. 4 zeigt schematisch den Einsatz eines abstimmbaren Faser-Bragg-Gitters zur Realisierung eines abstimmbaren Add/Drop-Multiplexers. Analog kann auch ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter zur Erzielung von Dispersionseffekten bzw. ein in Bragg-Wellenlänge und/oder Chirp einstellba­ res Faser-Bragg-Gitter verwendet werden. Gleiches gilt natürlich auch für bloße Drop- und bloße Add-Multiplexer.
Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen beschrieben worden. Selbstverständlich sind verschiedene Abwandlungen möglich. So kann diese Anord­ nung aus ein oder mehreren Kopplern und Bragg-Gittern beispielsweise auch integriert-optisch realisiert werden.
Bezugszeichenliste
1
Eingang des Add/Drop-Multiplexers
2
Ausgang des Add/Drop-Multiplexers
3
Drop-Ausgang
4
Add-Eingang
5
,
6
Modenselektive Faserkoppler
7
Faser-Bragg-Gitter
8
,
9
Übergang Einmoden-Zweimoden-Faser
10
Zweimoden-Faser
11
,
12
Einmoden-Faser
13
,
14
Reflexionsfreie Abschlüsse

Claims (19)

1. Add/Drop-Multiplexer in All-Faser-Ausführung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zwei­ ter modenselektiver Faserkoppler vorhanden sind, die jeweils aus einer mehrmodigen und einer einmodigen Faser bestehen, und bei denen eine Kopplung nur zwi­ schen der LP01-Grundwelle der Einmoden-Faser und einem bestimmten Mode der Mehrmoden-Faser erfolgt, und daß mindestens ein Faser-Bragg-Gitter in der Mehr­ moden-Verbindungsfaser zwischen den modenselektiven Faserkopplern derart angeordnet ist, daß bei den Wel­ lenlängen von einem oder mehreren Add/Drop-Kanälen die Grundwelle durch kontradirektionale Moden­ wandlung in den bestimmten Mode reflektiert wird.
2. Multiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu übertragende opti­ sche Kanalbündel als LP01-Grundwellen in der durchge­ henden Mehrmoden-Faser in Vorwärtsrichtung alle drei Bauelemente unbeeinflusst passiert, wobei lediglich die Add/Drop-Kanäle durch kontradirektionale Moden­ wandlung vom Gitter reflektiert und vom ersten Kopp­ ler in dessen Einmoden-Faser zum Drop-Ausgang überge­ koppelt werden.
3. Multiplexer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinzuzufügende Kanäle dem Add-Eingang der Einmoden-Faser des zweiten Kopplers zugeführt, von ihm in einen bestimmten Mode der Mehr­ moden-Faser gekoppelt und vom Gitter durch kontradi­ rektionale Modenwandlung als LP01-Welle zum gleichen Ausgang wie die nichtbeeinflussten Kanäle reflektiert werden,
daß für einen bloßen Drop-Multiplexer der zweite Koppler, für einem bloßen Add-Multiplexer der erste Koppler entfallen kann und
daß durch die Verwendung von gechirpten Gittern zu­ sätzlich auch die Eigenschaft eines Dispersionskom­ pensators für chromatische Dispersion erzielt werden kann.
4. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Mehrmoden-Faser eine Zweimoden-Faser mit einem speziellen Dotierungsprofil verwendet wird und in dieser Faser neben dem LP01 auch der LP11 geführt wird.
5. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer ef­ fektiven kontradirektionalen Modenwandlung das Faser- Bragg-Gitter unter einem bestimmten Winkel zur Faser­ achse eingeschrieben wird.
6. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mehrmoden-Faser die LP02-Welle ausbreitungsfähig ist und verwendet wird.
7. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mikrostrukturierte Fa­ sern, sogenannte holey fibers oder photonic crystal fibers, verwendet werden.
8. Multiplexer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser-Bragg-Gitter für einen oder mehrere benachbarte Übertragungskanäle ausgelegt ist oder aus Teilgittern für beliebige op­ tische Kanäle besteht.
9. Multiplexer nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter oder die Teil­ gitter apodisiert sind.
10. Multiplexer nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß gechirpte Gitter oder ge­ chirpte Teilgitter zur gezielten Erzeugung von Dis­ persionseffekten für den Drop- bzw. Add-Kanal verwen­ det werden.
11. Multiplexer nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter oder minde­ stens ein Teilgitter abstimmbar ist.
12. Multiplexer nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mehrmoden-Faser eine möglichst hohe Germaniumdotierung verwendet wird und das Dotierungsprofil so dimensioniert wird, um die im Hauptanspruch genannte Bedingung für die Pha­ senkoeffizienten, eine möglichst große Gesamtband­ breite des Add/Drop-Multiplexers und ein nahezu voll­ ständiges Überkoppeln zwischen den verwendeten Moden zu erzielen und störende Kopplungen in andere Moden nahezu vollständig zu vermeiden.
13. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrmoden-Faser so dimensioniert wird, daß die Modenfeldradien der Ein­ moden-Eingangsfaser und der Mehrmoden-Faser angepaßt sind und damit die Koppelverluste und die Einfüge­ dämpfung des Bauelements gering sind.
14. Multiplexer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Einmoden-Fasern Stan­ dardfasern benutzt werden.
15. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der durchgehenden Mehrmoden-Faser mit reflexionsarmen und die LP01-Reinheit nicht störenden Übergängen auf Ein­ moden-Fasern versehen werden.
16. Multiplexer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Ein­ moden-Faser an den modenselektiven Faserkopplern re­ flexionsfrei abgeschlossen werden.
17. Multiplexer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexer aus nur einem modenselektiven Koppler und einem dem Koppler folgenden Faser-Bragg-Gitter besteht und die Funktion eines Drop-Multiplexers hat.
18. Multiplexer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexer aus nur einem Faser-Bragg-Gitter und einem darauf folgenden modenselektiven Koppler besteht und die Funktion ei­ nes Add-Multiplexers hat.
19. Multiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplexer aus einem oder mehreren Koppler und ein oder mehreren Bragg- Gittern integriert-optisch realisiert ist.
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