DE19911182A1 - Allfaser-Transmissionsbauelement zur Erzeugung chromatischer Dispersion - Google Patents
Allfaser-Transmissionsbauelement zur Erzeugung chromatischer DispersionInfo
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Abstract
In einem Allfaser-Transmissionsbauelement zur Erzeugung chromatischer Dispersion werden zwei Paare von Faser-Bragg-Gittern angeoednet, wobei die Gitter eines Paares unterschiedliche Gitterkonstanten und entgegengesetzte Chirp aufweisen. Im zu nutzenden Wellenlängenbereich passiert der eingangsseitig eingespeiste Grundmodus das erste Gitter unbeeinflußt, im zweiten Gitter wird er in einen Zwischenmodus kontradirektional modengekoppelt, der im ersten Gitter kontradirektional wieder in Vorwärtsrichtung in einen dritten Modus modengekoppelt wird, welcher das zweite Gitter unbeeinflußt passiert und somit ausgangsseitig, infolge des Chirps der Gitter dispersionsbeaufschlagt, das Gitterpaar verläßt. Durch ein analog aufgebautes Gitterpaar wird der dritte Modus zurück in den Grundmodus gekoppelt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Allfaserelement mit gechirpten Faser-Bragg-Gittern zur Erzeugung
chromatischer Dispersion entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dispersionskompensation, d. h. Erzeugung normaler Dispersion (mit negativem Dispersions
parameter D), ist z. B. notwendig, um im Wellenlängenbereich des Erbium-Faserverstärkers um λ
= 1550 nm die anomale Dispersion mit D ≈ 17 ps pro nm Bandbreite und km Faserlänge von
Standardfasern aufzuheben.
Bekannt hierfür sind neben Kompensationsfasern gechirpte Faser-Bragg-Gitter nach DE 35 24 527 A1.
Gechirpt heißt, daß der Reflexionsort im Faser-Bragg-Gitter wellenlängenabhängig ist, so
daß wellenlängenabhängige Laufwege und damit Laufzeiten (die gewünschte Dispersion)
entstehen. Nach DE 35 24 527 A1 wird das dispersionsbeaufschlagte reflektierte Signal durch
einen 3 dB-Faserkoppler abgezweigt, in der Regel aber durch einen Zirkulator. Der zusätzliche
Faserkoppler hat den gravierenden Nachteil von 6 dB Leistungsverlust optisch, entsprechend 12 dB
elektrisch. Der Zirkulator wiederum ist ein teures Zusatzelement.
Bekannt sind auch Untersuchungen, z. B. von N. M. Litchinitser et al. "Fiber Bragg gratings for
dispersion compensation in transmission" in J. Lightwave Technol. 15 (1997) S. 1303, um die an
den Bandgrenzen der Faser-Bragg-Gitter in Transmission auftretenden Dispersionseffekte
auszunutzen, das Faser-Bragg-Gitter also als Zweitor zu verwenden. Dabei sind jedoch gegenüber
der Reflexion an gechirpten Gittern nur bescheidene Ergebnisse zu erwarten.
Bekannt ist auch, daß Faser-Bragg-Gitter, die (als die klassische Anwendung) bei einer
Wellenlänge die Fasergrundwelle reflektieren, bei anderen Wellenlängen in andere Moden
reflektieren. Das wird als kontradirektionale Modenkopplung bezeichnet, es liegt bei
entsprechender Dimensionierung eine reflektierende Modenwandlung vor. Kontradirektionale
Modenkopplung in Mantelmoden wird in EP 0 826 990 A1 zur Erzielung von Dämpfungseffekten
vorgeschlagen und in EP 0 829 740 A3 in geführte Moden, z. B. in den LP11-Modus, zur
Realisierung von Dämpfungselementen mit unterschiedlichen Frequenzcharakteristiken.
Bekannt sind ferner sogenannte langperiodische Fasergitter, die kodirektionale Modenkopplung,
Modenwandlung in Transmissionsrichtung, bewirken. Kodirektionale Kopplung in Mantelmoden
wird in US 5 430 817 und in geführte Moden in US 5 818 987 jeweils zur Erzielung von
Filtereffekten vorgeschlagen.
In dem Vortrag "Dispersion compensation using only fiber Bragg gratings" von P. Petruzzi et al
zur Optical Fiber Conference (OFC) 1999, Vortrag FA5, S. 14 des Konferenzbandes, wird
gezeigt, daß durch drei Gitter, von denen mindestens eines gechirpt ist, statt des reflektierenden
Dispersionseintores ein transmittierendes Dispersionszweitor realisiert werden kann und so der
Zirkulator vermieden werden kann. Hiernach koppelt das zweite Gitter die eingespeiste LP01-
Welle unter kontradirektionaler Modenwandlung in einen ersten Mantelmodus zurück zum ersten
Gitter, wo eine kontradirektionale Modenwandlung (nun wieder in Vorwärtsrichtung) in einen
zweiten Mantelmodus erfolgt, der im dritten Gitter kodirektional (es muß sich also um ein
langperiodisches Gitter handeln) in die LP01-Grundwelle gekoppelt wird. Es wird offensichtlich
eine Standard-Singlemodefaser verwendet.
Ein erster zumindest für die vorliegende experimentelle Ausführung auch angeführten Mangel ist
die geringe Koppeleffizienz zu den Mantelmoden sowie insbesondere auch die zwischen den
Mantelmoden, ein zweiter Mangel ist überhaupt die Benutzung der zwei Mantelmoden, da diese
durch Umgebungseffekte und insbesondere auch Faserkrümmungen viel stärker beeinflußt werden
als geführte Moden, ein dritter Mangel ist die Benutzung eines langperiodischen Gitters, dessen
Filtercharakteristik nicht so gut beherrschbar ist wie die von Bragg-Gittern und die wesentlich
höhere Baulängen erfordern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein analog wirkendes Bauelement aufzubauen, bei dem alle oder ein
Teil der aufgeführten Mängel vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß Spezialfasern verwendet werden, in denen nicht nur
der LP01-Grundmodus, sondern einige Moden geführt werden und deren Dotierungsprofil sowohl
zu einer hohen Koppeleffizienz der durch die Faser-Bragg-Gitter zu koppelnden Moden als auch
zu einer großen, möglichst äquidistanten Spreizung der Phasenkoeffizienten der zu koppelnden
Moden und eventueller Störmoden führt und daß zwei Paare von Faser-Bragg-Gittern mit den
Gittern 1 und 2 bzw. 3 und 4 verwendet werden, wobei die Gitter eines Paares unterschiedliche
Gitterkonstanten und entgegengesetzten Chirp aufweisen und wobei im zu nutzenden
Wellenlängenbereich die eingangsseitig eingespeiste LP01-Grundwelle erst im zweiten Gitter in
einen Zwischenmodus kontradirektional modengekoppelt wird, welcher im ersten Gitter
kontradirektional, also wieder in Vorwärtsrichtung, in einen dritten Modus modengekoppelt wird,
welcher erst im vierten Gitter kontradirektional wieder in einen Zwischenmodus modengekoppelt
wird, welcher im dritten Gitter kontradirektional, also wieder in Vorwärtsrichtung, in die LP01-
Grundwelle modengekoppelt wird, welche nach Passage des vierten Gitters, infolge des Chirps
der Gitter dispersionsbeaufschlagt, ausgangsseitig austritt.
Es werden also Spezialfaser mit zwei Paaren von Faser-Bragg-Gittern benutzt und in jedem Paar
erfolgt eine zweimalige unbeeinflußte Transmission der Signalwelle durch Faser-Bragg-Gitter und
eine zweimalige Richtungsumkehr durch zweimalige kontradirektionale Modenkopplung. Dafür
müssen drei unterschiedliche Moden benutzt werden. Im ersten Gitterpaar erfolgt die Kopplung
vom LP01-Grundmodus über einen Zwischenmodus in einen dritten Modus, im zweiten vom
dritten Modus über z. B. den gleichen Zwischenmodus zurück in die LP01-Grundwelle.
Dimensionierungshinweise werden im Ausführungsbeispiel gegeben.
Vorteilhaft werden in dem mehrmodigen Glasfaser-Lichtwellenleiter die rotationssymmetrischen
Moden LP01, LP02 und LP03 benutzt. Es können auch nichtrotationssymmetrische Moden, wie der
LP11-Modus benutzt werden. Dann sind die Faser-Bragg-Gitter geringfügig schräg zur Faserachse
zu erzeugen. Neben zwei geführten Moden kann auch ein Mantelmodus benutzt werden.
Gegenüber dem im zitierten Vortrag von P. Petruzzi et al gemachten Vorschlag wird immerhin
die Modenkopplung zwischen Mantelmoden vermieden.
Große Bandbreite des Bauelements erfordert eine große und möglichst äquidistante Spreizung der
Phasenkoeffizienten der zu koppelnden Moden und eventueller Störmoden. Diese liegt beim
parabolischen LWL vor. In dessen Kern nimmt das Quadrat der Brechzahl quadratisch über dem
Radius ab.
Die Koppeleffektivität unterschiedlicher Moden in Faser-Bragg-Gittern kann verbessert werden,
wenn neben radialen Bereichen mit der üblichen GeO2-Dotierung auch Bereiche mit F- und/oder
B2O3-Dotierung benutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel an Hand der einzigen Fig. 1 näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Faser mit Kern und Mantel mit vier im Kern erzeugten Faser-Bragg-Gittern.
Gitter 1 und 2 bilden das erste, Gitter 3 und 4 das zweite Paar. Die Faser-Bragg-Gitter eines
Paares weisen unterschiedliche Gitterkonstanten auf und sind mit einem Chirp dargestellt, der in
einem Paar jeweils entgegengesetzt ist. Ferner ist der Modendurchlauf durch das
erfindungsgemäße Bauelement dargestellt.
Kontradirektionale Modenkopplung erfolgt, wenn zwischen den Phasenkoeffizienten β1 und β2
der zu koppelnden Moden und der Gitterperiodenlänge Λ die Beziehung
Λ = 2π/(β1 + β2)
gilt. In Fig. 1 passiert die einlaufende LP01-Grundwelle als Modus I das Gitter 1 unbeeinflußt, da
Λ1 ≠ 2π/(β1 + βi) i beliebig
gilt. Sie wird wegen
Λ2 = 2π/(βI + βII)
am Gitter 2 als Modus II reflektiert, der am Gitter 1 wegen
Λ1 = 2π/(βII + βIII)
als Modus III wieder in Vorwärtsrichtung reflektiert wird und das Gitter 2 wegen
Λ2 ≠ 2π/(βIII + βi) i beliebig
unbeeinflußt passiert. Im zweiten Gitterpaar von Fig. 1 mit Λ4 = Λ1 und Λ3 = Λ2 wiederholen sich
die beschriebenen Passagen und Modenkopplungen in umgekehrter Reihenfolge und Richtung.
Vom Modus III wird in Gitter 4 kontradirektional in den Zwischenmodus II und von diesem in
Gitter 3 kontradirektional (wieder in Vorwärtsrichtung) in die LP01-Grundwelle gekoppelt.
Erfolgt ein entgegengesetzter Chirp der Gitter wie in Fig. 1 angedeutet, so erkennt man, daß in
allen Gittern für die niedrigste Wellenlänge λ1 der weiteste, für die höchste Wellenlänge λ2 der
kürzeste Weg zurückzulegen ist. Es addiert sich die Wirkung aller Gitter, die Gesamtlänge
entspricht etwa der eines konventionellen, reflektierenden Dispersionskompensationsgitters. Da
die Weglänge etwa proportional der Gruppenlaufzeit tg ist, wird dtg/dλ < 0. Das bedeutet, es wird
eine normale Dispersion erzeugt.
Claims (9)
1. Allfaser-Transmissionsbauelement zur Erzeugung chromatischer Dispersion, bestehend aus
einem Glasfaser-Lichtwellenleiter mit in ihm erzeugten kontradirektional modenkoppelnden
Faser-Bragg-Gittern, von denen alle oder ein Teil gechirpt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß Spezialfasern verwendet werden, in denen nicht nur der LP01-Grundmodus, sondern
einige Moden geführt werden und deren Dotierungsprofil sowohl zu einer hohen
Koppeleffizienz der durch die Faser-Bragg-Gitter zu koppelnden Moden als auch zu einer
großen, möglichst äquidistanten Spreizung der Phasenkoeffizienten der zu koppelnden Moden
und eventueller Störmoden führt und daß zwei Paare von Faser-Bragg-Gittern mit den Gittern
1 und 2 bzw. 3 und 4 verwendet werden, wobei die Gitter eines Paares unterschiedliche
Gitterkonstanten und entgegengesetzten Chirp aufweisen und wobei im zu nutzenden
Wellenlängenbereich die eingangsseitig eingespeiste LP01-Grundwelle erst im zweiten Gitter in
einen Zwischenmodus kontradirektional modengekoppelt wird, welcher im ersten Gitter
kontradirektional, also wieder in Vorwärtsrichtung, in einen dritten Modus modengekoppelt
wird, welcher erst im vierten Gitter kontradirektional wieder in einen Zwischenmodus
modengekoppelt wird, welcher im dritten Gitter kontradirektional, also wieder in
Vorwärtsrichtung, in die LP01-Grundwelle modengekoppelt wird, welche nach Passage des
vierten Gitters, infolge des Chirps der Gitter dispersionsbeaufschlagt, ausgangsseitig austritt.
2. Allfaser-Transmissionsbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzielung einer etwa äquidistanten und großen Spreizung der Phasenkonstanten im Kern ein
etwa parabolisches Brechzahlprofil und eine relativ große relative Brechzahldifferenz Δ reali
siert werden.
3. Allfaser-Transmissionsbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzielung einer hohen Koppeleffizienz nicht nur GeO2-Dotierung, sondern auch F- und/oder
B2O3-Dotierung erfolgt.
4. Allfaser-Transmissionsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die speziell dimensionierten Fasern näherungsweise den gleichen
Modenfeldradius wie die anzuschließenden Standardfasern haben.
5. Allfaser-Transmissionsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die geführten rotationssymmetrischen Moden LP01, LP02 und LP03 benutzt
werden.
6. Allfaser-Transmissionsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß auch nichtrotationssymmetrische geführte Moden, namentlich der LP11-Modus,
benutzt werden, wobei die Bragg-Gitter in der Faser nicht senkrecht, sondern etwas schräg
zur Faserachse erzeugt werden.
7. Allfaser-Transmissionsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß neben zwei geführten Moden auch ein Mantelmodus benutzt wird.
8. Allfaser-Transmissionsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Dispersionskompensation 1. Ordnung die Gitter linear gechirpt sind oder zur
Dispersionskompensation auch höherer Ordnung eines oder auch mehrere der Gitter
abweichend von der Linearität gechirpt sind.
9. Allfaser-Transmissionselement mit erhöhter chromatischer Dispersion, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere der Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 8 einfach in Kette
geschaltet werden.
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