DE3524527C2 - Einrichtung zum Ausgleichen der chromatischen Dispersion von optischen Signalen - Google Patents

Einrichtung zum Ausgleichen der chromatischen Dispersion von optischen Signalen

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Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Ausgleichen der chromatischen Dispersion von optischen Signalen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 wie sie aus der DE 30 42 896 A1 bekannt ist, und umfaßt auch ein Verfahren zum Herstellen eines Bragg-Reflektors, der in der Einrichtung verwendet wird.
Die chromatische Dispersion verursacht bei der optischen Nach­ richtenübertragung über Glasfaser-Lichtwellenleiter Signalver­ zerrungen und Instabilitäten, wenn optische Signale übertragen werden, deren Spektrum beispielsweise einen breiten Spektral­ bereich umfaßt oder aus vielen Spektrallinien besteht.
Bei der Einrichtung gemäß DE 30 42 896 A1 wird die chromatische Dispersion eines ersten Lichtwellenleiterabschnittes dadurch ausgeglichen, daß eine Dispersion mit gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichen zu der des Lichtwellenleiters entlang des optischen Übertragungspfades erzeugt wird. Bei der DE 30 42 896 A1 wird diese Dispersion mit gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichen durch einen zweiten Lichtwellenleiterabschnitt erzeugt.
Weiterhin ist es aus der DE 32 12 590 A1 bekannt, das durch den Lichtwellenleiterabschnitt verzerrte Signal in einzelne Signal­ anteile zu zerlegen und diese Signalanteile einer jeweiligen Signalverzögerung derart zu unterwerfen, daß sich für alle Sig­ nalanteile dieselbe Gesamtlaufzeit ergibt, worauf diese Signal­ anteile wieder miteinander vereinigt werden. Diese Lösungen sind jedoch aufwendig und benötigen einen großen Raumbedarf.
Eine weitere bekannte Möglichkeit, die Auswirkungen der chroma­ tischen Dispersion zumindestens teilweise zu beseitigen, besteht darin, daß eine solche Wellenlänge des optischen Signals ge­ wählt wird, bei der oder in deren Nähe die chromatische Disper­ sion ein Minimum hat, beispielsweise eine Wellenlänge von 1,3 µm bei einem konventionellen Siliziumdioxid-Lichtwellenleiter. Bei den üblichen Wellenleitern entspricht aber die für eine ge­ ringe chromatische Dispersion optimale Wellenlänge nicht der Wellenlänge, bei der die geringste Übertragungsdämpfung auf­ tritt. Aus der Literaturstelle "TAILORING ZERO CHROMATIC DISPERSION INTO THE 1.5-1.6 µm LOW-LOSS SPECTRAL REGION OF SINGLE-MODE FIBRES" von Cohen, Lin und French in ELECTRONIC LETTERS, 7. Juni 1979, Band 15, Nr. 12, Seiten 334, 335 ist es weiterhin bekannt, durch entsprechende Dotierung und Bemessung der Lichtleitfaser den Bereich minimaler chromatischer Disper­ sion auf den Bereich minimaler Dämpfung zu verschieben. Hierbei ergibt sich jedoch eine Erhöhung der Dämpfung gegenüber anderen Lichtleitfasern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen geringen Raumbe­ darf aufweist und einen extrem breitbandigen Ausgleich der chromatischen Dispersion ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Ein Verfahren zum Herstellen des bei dieser Einrichtung verwendeten Bragg-Reflektors ist im Patentanspruch 11 angegeben.
Die Herstellung eines Bragg-Reflektors in einem Glasfaser- Lichtwellenleiter ist bereits aus der Literaturstelle "Fiber­ optic integrated interference filters", J. Lapierre et al, OPTICS LETTERS, Januar 1982 Vol. 7 Nr. 1, pp 37-39 beschrieben. Hierbei wird ein Bragg-Reflektor in einen Glasfaser-Lichtwellen­ leiter dadurch "eingeschrieben" oder "eingespeichert", daß man einen Lichtstrahl mit hoher Leistung in den Lichtwellenleiter einstrahlt und sicherstellt, daß eine zur Bildung einer stehen­ den Welle in der Faser ausreichende Endflächenreflexion statt­ findet. Nach einer kurzen Zeit (Sekunden bis Minuten) steigt das Reflexionsvermögen bei der angewendeten Pump-Wellenlänge dramatisch an, weil ein Bragg-Reflektor gebildet wird, der genau an die Pump-Wellenlänge angepaßt ist. Dieses Gitter ist dauerhaft und funktioniert später bei irgendeinem Pegel der optischen Lichtleistung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert:
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der Einrichtung zur Entzerrung der chromatischen Dispersion, verwendet bei einem Glasfaser-Nachrichtenübertragungs­ system,
Fig. 2 eine charakteristische Dispersionskurve eines Glasfaser- Lichtwellenleiters,
Fig. 3 die Darstellung von charakteristischen Eigenschaften der Ausführungsform der Einrichtung,
Fig. 4a die schematische Darstellung einer Ausführungsform der Einrichtung zur Entzerrung der chromatischen Disper­ sion,
Fig. 4b eine vergrößerte Darstellung eines Teils des in der Einrichtung nach Fig. 4a enthaltenen Bragg-Reflektors,
Fig. 5a bis Fig. 5b schematisch, vier mögliche Ausführungsformen eines Richtungskopplers, die in der Ausführungsform der Ein­ richtung verwendbar sind, und
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Dorn, auf dem ein Glas­ faser-Lichtwellenleiter aufgewickelt ist.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen besteht der Grundgedanke darin, die chromatische Dispersion durch ein Ele­ ment mit entgegengesetzt gleicher Dispersion auszugleichen, d. h. zu entzerren. Da das Übertragungssystem linear ist, kann ein solches Element 1 (Fig. 1) an irgendeiner Stelle entlang der Länge eines dispersiven Monomode-Glasfaser-Lichtwellenleiters 2 zwischen der Lichtquelle 3, beispielsweise einer unvoll­ kommenen Laser-Lichtquelle, und einem Empfänger 4 ange­ ordnet sein. Die Einrichtung 1, die nachstehend ge­ nauer beschrieben wird, besteht im Grunde aus einem Richt­ koppler 6 und einem Bragg-Reflektor 5.
Fig. 2 zeigt die Kennlinie der chromatischen Dispersion für eine konventionelle Monomode-Siliziumdioxid-Faser. Diese Kennlinie ist eine Kurve der relativen Ver­ zögerung τ in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ (µm). Die minimale chromatische Dispersion wird bei einer Wellen­ länge von 1,3 µm erreicht, wogegen die minimale Übertra­ gungsdämpfung bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,55 µm erreicht werden kann. Im markierten Wellenlängenbereich A mit einem entsprechenden Bereich B einer Verzögerungs­ änderung ist das Spektrum instabil. Erforderlich ist daher ein Element, das im Wellenlängenbereich A und im zugehöri­ gen Bereich B der relativen Verzögerung die Kurve der von der Wellenlänge abhängigen relativen Verzögerung korri­ giert, d. h. entzerrt. Dies läßt sich erreichen durch eine Anordnung mit mindestens zwei Anschlüssen die so ausgelegt ist, daß ihre wellenlängenabhängige relative Verzögerung so einstellbar ist, daß sie die im optischen Übertragungs­ weg auftretende chromatische Dispersion kompensiert.
Fig. 3 zeigt die charakteristischen Eigenschaften der Ausführungsform der Entzerrer-Einrichtung.
Die gestrichelte Kurve C zeigt die zu entzerrende von der Wellenlänge λ abhängige relative Verzögerung der disper­ siven Faser. Die punktierte Kurve D zeigt die Kennlinie der von der Wellenlänge λ abhängigen relativen Verzögerung des Entzerrers, und die durchgezogene Kurve E zeigt das über der Wellenlänge aufgetragene Verhältnis der in den Entzerrer eingekoppelten optischen Leistung zur aus dem Entzerrer ausgekoppelten optischen Leistung. Dieses Ver­ hältnis hat, wie die Kurve E zeigt, über dem entzerrten Wellenlängenbereich ein Maximum.
Einrichtung 1 besteht aus einem Medium 5, das eine stark mit der Wellenlänge variierende optische Verzögerung derart bewirkt, daß die chromatische Dispersion entzerrt wird und aus einem Richtungskoppler 6, der die in das ent­ zerrende Medium eingekoppelten Wellen von den aus dem ent­ zerrenden Medium austretenden Wellen voneinander trennt. Das entzerrende Medium wird gebildet durch einen in einer Faser 5 ausgebildeten Bragg-Re­ flektor, dessen Gitterabstand und damit dessen Reflexions­ wellenlänge in Längsrichtung unterschiedlich ist. Dieses Medium ist in den Fig. 4a und 4b gezeigt.
Der Richtungskoppler 6 kann beispielsweise ein optischer Zirkulator oder ein optischer Isolator oder ein einfacher Faserkoppler sein. Jegliche Art eines optischen Richtungs­ kopplers kann verwendet werden, beispielsweise ein halb­ versilberter Spiegel oder eine integrierte optische Anord­ nung, beispielsweise auf der Basis von Lithiumniobat. Spe­ zifische Beispiele einer Richtungskoppler-Technik sind in Fig. 5 gezeigt. Idealerweise ist der Koppler dämpfungsarm, was z. B. durch Verwendung eines optischen Zirkulators (Fig. 5a) oder eines optischen Isolators (Fig. 5b) er­ reichbar ist. Bei jedem dieser Koppler wird die Fara­ day-Rotation angewendet, um entgegenlaufende optische Wellen voneinander zu trennen. Der einfache Faserkoppler (Fig. 5c) kann auch angewendet werden, aber er wurde min­ destens eine Dämpfung von 6dB in das System einbringen (3dB für jede Überkopplung). Wenn das Eingangslicht einen stabilen Polarisationszustand hat, könnten die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Wellen unter Verwendung eines Viertelwellenlängen-Abschnitts 7 und eines polarisationstrennenden Elements 8 (Fig. 5b) vonein­ ander getrennt werden. Dann wäre im Bragg-Reflektor ein zirkularer Polarisationszustand vorhanden bei einem Li­ nearen Polarisationszustand des Eingangssignals. Der Vier­ telwellenlängen-Koppler ist auch dämpfungsarm.
Wie in Fig. 4a angedeutet, ist der Lichtweg, den das Licht entlang der Bragg-Reflektor-Faser 5 zurücklegt, bevor es reflektiert wird, abhängig von der Wellenlänge λ und wird bestimmt durch den in Längsrichtung variierenden Gitterab­ stand.
Wie schematisch in Fig. 4b dargestellt, hat die Faser 5, nachdem die Gitterstruktur beispielsweise nach dem eingangs erwähnten Verfahren erzeugt worden ist, eine perio­ dische Struktur infolge einer fotoinduzierten Brechungs­ indexänderung. Dabei ist die Periode ungefähr gleich der halben Wellenlänge der verwendeten Pump-Lichtquelle, und aus dieser periodischen Struktur ist eine Bragg-Reflexion erhältlich. Die Länge des erzeugten Gitters hängt von der zum "Einschreiben" verwendeten optischen Leistung ab, sie kann nur 0,1 cm betragen bei sehr hohen Leistungen oder mehrere Meter bei niedrigen Leistungen.
Zur Verwendung in einer Einrichtung der beschriebenen Art ist ein solcher Bragg-Reflektor erforderlich, bei dem die Periodizität des Gitters und damit die Wellenlänge, bei der er reflektiert, sich in vorgegebener Weise entlang der Faserlänge ändert. Um diese Änderung zu erreichen, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, wofür die folgenden Beispiele angegeben werden.
Unter Verwendung eines abstimmbaren Lasers mit hoher Leistung werden mehrere voneinander getrennte Abschnitte eines Glasfaser-Lichtwellenleiters unterschiedlichen op­ tischen Wellenlängen ausgesetzt und anschließend mitein­ ander verbunden (gespleißt), so daß sie zusammen eine ein­ zige Faser bilden. Die damit erreichte Längenvariation des Gitterabstands wäre dann diskontinuierlich, was aber nur einen geringen Nachteil bedeutet, wenn die Anzahl solcher Abschnitte groß genug ist.
Alternativ hierzu kann auch ein Laser mit einer einzigen Wellenlänge verwendet werden, und mehrere voneinander ge­ trennte Faserabschnitte können dem von ihm ausgestrahlten Licht ausgesetzt werden, während diese Faserabschnitte unterschiedlich stark in ihrer Länge ausgedehnt werden, beispielsweise durch Spannung, Dehnung, Temperaturänderung oder irgendeine Kombination davon. Wenn ein Faserabschnitt in seinen Normalzustand zurückgebracht worden ist, hat das induzierte Gitter seine Resonanzfrequenz geändert. Eine Anzahl solcher Faserabschnitte können miteinander ver­ bunden werden, um daraus eine einzige Faser zu machen.
Alternativ hierzu kann auch das umgekehrte Verfahren ange­ wendet werden, d. h. der Faserabschnitt kann gedehnt oder erhitzt werden, nachdem das Gitter erzeugt worden ist, d. h. während des Betriebs, jedoch ist dies aus Gründen der Faserermüdung wenig attraktiv. Es wird für akzeptabel ge­ halten, die längenabhängige Variation des Gitterabstandes einer Feinabstimmung zu unterziehen, bevor der Faserab­ schnitt geringen Dehnungen unterworfen wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine einzige zu­ sammenhängende Länge einer optischen Faser der Strahlung eines Lasers der einzigen Frequenz auszusetzen und dabei entlang der Faserlange einen Dehnungs-/Spannungs-/Tempera­ turgradienten aufrecht zu erhalten. Wenn dieser Gradient anschließend nach dem Induzieren des Gitters entfernt wird, hat das Gitter einen in Längsrichtung variierenden Gitterabstand angenommen. Ein Spannungs-/Dehnungsgradient kann in einem Glasfaser-Lichtwellenleiter 11 erzeugt wer­ den, indem man den Glasfaser-Lichtwellenleiter auf einen verformbaren Dorn aufwickelt. Ein solcher Dorn ist in Fig. 6 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Ein Hohlraum 13 im Dorn ist so geformt, daß bei einer Druckerhöhung im Hohlraum zur Ausdehnung des Dorns die da­ rauf aufgewickelte Faser 11 in ihrer Längsrichtung gedehnt wird, wobei aufgrund des Verlaufs der Wanddicke des Dorns ein Dehnungsgradient entlang der Faserlänge besteht. Der Druck im Hohlraum 13 wird aufrechterhalten, während das Gitter in die Faser "eingeschrieben" wird. Auf ähnliche Weise kann auch erst nach dem "Einschreiben" des Gitters (d. h. erst vor dem Gebrauch) die längenabhängige Varia­ tion des Gitterabstandes durch Erzeugen eines steuerbaren Dehnungsgradienten eingestellt werden. Falls das Übertra­ gungssystem eine Faser mit einer zu entzerrenden chroma­ tischen Dispersion hat, deren Verlauf dem in Fig. 3 mit der gestrichelten Kurve dargestellten gleicht, ist ein Bragg-Reflektor mit in Längsrichtung variierendem Gitter­ abstand erforderlich, der innerhalb der Reflektor-Faser die kürzeren Wellenlängen einen weiteren Weg zurück legen läßt, bevor sie reflektiert werden, als die längeren Wellenlängen, um dadurch die unterschiedlichen Verzöge­ rungen zu kompensieren. Die fallweise erforderliche Varia­ tion des Gitterabstandes wird bestimmt durch den jeweils vorhandenen optischen Übertragungsweg.
Aufgrund der beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung ist es möglich, in einer Wellenleiterstruktur mit geringer Gesamtgröße eine sehr starke Dispersion zu erhalten, die im Betrieb eine mit der Betriebswellenlänge stark variierende optische Verzögerung bewirkt. Durch geeignete Konstruktion des in Längsrichtung verteilten Bragg-Reflektors mit in Längs­ richtung variierenden Reflexionswellenlängen, kann die Dispersion so eingestellt werden, daß sie die in einem vorgegebenen optischen Übertragungsweg auftretende chroma­ tische Dispersion kompensiert.

Claims (16)

1. Einrichtung zum Ausgleichen der chromatischen Dispersion von optischen Signalen, die von einer Lichtquelle über einen Licht­ wellenleiter zu einem Empfänger übertragen werden, wobei sich die Dispersion auf­ grund der Eigenschaften des Lichtwellenleiters ergibt und der Ausgleich dadurch erzielt wird, daß eine Dispersion mit gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen zu der in dem Lichtwel­ lenleiter auftretenden Dispersion erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Bragg-Reflek­ tor (5) aufweist der so beschaffen ist, daß die Strecke, die ein in den Bragg-Reflektor eingekoppeltes optisches Signal vor der Reflexion durchläuft, von der optischen Frequenz des Signals abhängt, so daß das Signal einer frequenzabhängigen optischen Verzögerung unterworfen wird, und einen Richtkoppler , (6) umfaßt, der das dispersionsbehaftete optische Signal vom Lichtwellenleiter Bragg-Reflektor zugeführt und das dem Bragg-Reflektor reflektierte Signal an den Empfänger abgibt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bragg-Reflektor ein in einem Glasfaser-Lichtwellenleiter erzeugter Bragg-Reflektor ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler (6) ein optischer Zirkulator-Koppler ist (Fig. 5a).
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler (6) ein optischer Isolator-Koppler ist (Fig. 5b).
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler (6) ein Faser­ koppler ist (Fig. 5c).
6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler aus einem polarisa­ tionstrennenden Element (8) und aus einem Viertelwellenlängen- Element (7) besteht (Fig. 5d).
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler (6) ein halbver­ silberter Spiegel ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Richtkoppler (6) ein Aufbau in integrierter Optik ist.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bragg-Reflektor (5) aus mehreren miteinander verbundenen Lichtwellenleiterabschnitten besteht, wobei jeder Lichtwellenleiterabschnitt optische Signale mit einer vorbestimmten individuellen Wellenlänge reflektiert.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bragg-Reflektor (5) aus einem einzigen Lichtwellenleiterabschnitt besteht, dessen Reflexionseigenschaften sich graduell entlang seiner Länge ändern.
11. Verfahren zum Herstellen eines in einem Glasfaser-Licht­ wellenleiter erzeugten Bragg-Reflektors, dessen Reflexionsver­ zögerung sich mit der optischen Frequenz ändert, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Lichtwellenleiterab­ schnitten jeweils ein Bragg-Reflektor mit einer individuellen Reflexionswellenlänge erzeugt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterabschnitte zunächst voneinander getrennt sind und jeweils dem eine vorgege­ benen optische Frequenz aufweisenden Ausgangssignal eines abstimmbaren Lasers hoher Leistung ausgesetzt werden, um einen Bragg-Reflektor in ihnen zu erzeugen, und daß die Lichtwellen­ leiterabschnitte mit jeweils einem darin erzeugten Bragg- Reflektor miteinander zu einem einzigen Lichtwellenleiter verbunden werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterabschnitte zunächst voneinander getrennt sind und jeweils dem Ausgangssig­ nal eines bei einer einzigen Frequenz arbeitenden Lasers ausge­ setzt werden und dabei verschiedenen Bedingungen unterworfen werden, derart, daß jeder in einem dem Laser ausgesetzten Licht­ wellenleiterabschnitt erzeugte Bragg-Reflektor eine individuelle Reflexionswellenlänge erhält.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einzigen zusammenhängenden Lichtwellenleiterabschnitt ein Bragg-Reflektor mit in Längsrich­ tung unterschiedlichen Reflexionswellenlängen dadurch erzeugt wird, daß dieser Lichtwellenleiterabschnitt einem Laser mit ei­ ner einzigen Frequenz ausgesetzt wird, während entlang der Länge des Lichtwellenleiterabschnittes ein Zustandsgradient besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustandsgradient ein Gradient der Dehnung, der Spannung und/oder der Temperatur ist.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Lichtwellenleiterab­ schnitt bestehende Zustandsgradient durch Aufwickeln des Licht­ wellenleiterabschnittes auf einen hohlen verformbaren Dorn (12) mit ungleichmäßiger Wandstärke und Ausüben eines Druckes auf die Innenwand des Dorns bewirkt wird, um einen Dehnungsgradienten in dem Lichtwellenleiterabschnitt zu erzeugen.
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