NO313606B1 - Bolgelengdekontrollert FBG-filter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et kontrollert fiberoptisk filtersystem og bruk av dette systemet. Systemet omfatter i det minste ett avstembart FBG(fiber Bragg gitter)-filter innpreget i en første optisk fiber, der FBG-filtret omfatter et filter- og et sensorgitter med forskjellige bølgelengder innpreget i en valgt lengde av fiberen, for derved å frem-skaffe refleksjoner ved henholdsvis en første og en andre bølgelengde.

Et fiber Bragg gitter (FBG) er en permanent, foto-indusert periodisk modulasjon av brytningsindeksen i kjernen av en optisk fiber, som reflekterer lys innenfor en smal båndbredde sentrert ved Braggbølgelengden, med neglisjerbart tap utenfor dette bølgelengdebåndet. Braggbølgelenden AB er gitt av

hvor nav er den midlere brytningsindeksen som sett av lyset og A er perioden til gitteret. Ved å være i stand til å endre designparametrene som for eksempel lengden, som typisk er i området 1-100 mm, brytningsindeksmodulasjonen, den midlere brytningsindeksen og perioden på gitteret, kan en stor varia-sjon av gitre lages. Slike bølgelengdeselektive filtre er svært ettertraktede komponenter i tett bølgelengdemultipleks-ede fiberoptiske kommunikasjonssystemer (Dense Wavelength Multiplexed Systems - DWDM) og nettverk, ettersom de er rene fiberkomponenter og gjør det mulig å lage nesten ideelle filterfunksjoner med ekstremt lav krysstale mellom nabobølge-lengdekanaler, som kan ha en separasjon ned til 50GHz (0. 4nm) .

I tillegg kan FBG-filtrenes bølgelengde lett bli avstemt ved å endre strekk/trykk eller temperatur i FBG-en, og derved endre den midlere brytningsindeksen og gitterets periode [ US patent 5, 007, 705," Variable optical fibre Bragg filter arrangement" til W. W. Morey m. fl.] . Slike bølgelengdeavstem-bare FBG-filtre forventes å være sentrale komponenter i frem-tidige rekonfigurerbare/dynamiske optiske adder/dropp moduler (OADM) i adder/dropp knutepunkter i DWDM nettverk, hvor en eller flere bølgelengdekanaler kan bli lagt til eller droppet, noe som vil muliggjøre fleksibilitet og rask til-pasning til endringer i trafikkbelastningen, såvel som rask besørgelse av tjenester. ( Lightwave, August 1999, " Advanced optical- networking components at the add/ drop node"] .

Braggbølgelengden til et avstembart FBG-filter må kontrolleres med en stor grad av stabilitet, typisk <20pm over hele avstemmingsområdet, som kan være opptil flere titalls nanometer. For bruk i 0ADM-er er det viktig med nøyaktig avstemming og låsing av de avstembare FBG-filtrene til forhåndsbestemte bølgelengder (i det såkalte ITU-nettet som har en separasjon på 50 GHz) . Dette gir ekstreme krav til kontroll av FBG-ens strekk og temperatur, som avhenger av styreanordningen, filterpakkingen og festingen/posisjoneringen av fiberen. Med strekkavstemming kan FBG-en bli avstemt ved å feste fiberen i hver ende av gitteret og endre strekket eller sammentrykkingen av FBG-en. Dette kan utføres for eksempel med piezoelektriske styreanordninger. For å kontrollere Braggbølgelengden innenfor 2 0pm, må strekket i fiberen kontrolleres innenfor ca. 17/zstrain (eller kontroll av strekkraften innenfor ca. 15mN) . Ved en avstand på 2 0mm mellom festepunktene (FBG-filtre for DWDM anvendelser er typisk 15-2 0mm lange), er den tilsvarende nøyaktigheten i posisjoneringen ca. 0.3/im. Dette er krevende for en hvilken som helst konvensjonell kontroll av styreanordninger.

I tillegg vil Braggbølgelengdene ha temperaturinduserte endringer, både på grunn av den innebygde temperaturfølsom-heten til FBG-en og temperaturfølsomheten til styreanordningen, f ilterpakkingen og f estepunktene. Dette vil kreve en eller annen form for temperaturkompensasjon.

Styreanordningene og festepunktene vil også være utsatt for mekanisk avdrift og hysterese, noe som forårsaker avdrift av filterbølgelengden.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er således å frem-skaffe midler for nøyaktig kontroll av bølgelengden til ett eller flere bølgelengdemultipleksede avstembare FBG-filtrer, uavhengig av avdrift og hysterese i styreanordningen, filterpakkingen, festepunktene til fiberen og temperatur avdrift.

Ovenfor nevnte formål oppnås med et system og anvendelse som beskrevet ovenfor og karakterisert som spesifisert i de selvstendige kravene.

Et system er således skaffet til veie hvor filtergitteret kan kontrolleres ved å benytte en sensorbølgelengde som er forskjellig fra bølgelengden som benyttes for overføring av

signaler gjennom systemet, men som reflekteres fra det samme FBG-filtret og derfor er utsatt for de samme påvirkninger som filtergitteret. Sensorbølgelengden innvirker ikke på signal-ene som overføres i systemet og kan lett bli filtrert eller fjernet.

Den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen er teknisk beslektet med et system som bruker overlappende FBG gitre, for eksempel som beskrevet av Xu, M. G., m. fl., Electron. Lett., Vol. 30, pp. 1085- 1087, 1994, hvor det benyttes to gitre hvor det ene reflekterer ved filterbølgelengden og det andre reflekterer ved sensorbølgelengden. Sensor- og filter-gitrene kan imidlertid også plasseres ved siden av hverandre i hvert avstembare FBG-filter.

Systemet ifølge den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen fremskaffer et mål for de kombinerte effektene av strekk, trykk og temperatur i de avstembare FBG-filtrene, ettersom FBG-sensorene er utsatt for eksakt samme strekk og temperatur, og dermed vil Braggbølgelengdene til sensor FBG-ene gi direkte mål for Bragg bølgelengdene til de avstembare FBG-filtrene, uavhengig av avdrift og hysterese i styreanordningen, filterpakkingen, festepunktene for fiberen og temperatur avdrift.

Alternativt kan de andreordens refleksjonene fra FBG-filtrene (ved bølgelengder = XB/2) bli brukt til bølgelengde-målinger og derved fjerne behovet for overlappende FBG-er ved at gitterbølgelengden benyttes som filterbølgelengde, mens den andreordens refeksjonen benyttes som sensorbølgelengde, som beskrevet i Kalli, K. m. fl., OFS- 94, Glasgow, post deadline paper.

Systemet ifølge oppfinnelsen er beskrevet under med henvisninger til de vedlagte tegningene som viser eksempeler på utførelser av oppfinnelsen. FIG. 1 viser en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen benyttet i en rekonfigurerbar optisk adder/dropp modul (OADM). FIG. 2 viser et FBG-filter ifølge en foretrukken utførelse

av oppfinnelsen.

FIG. 3 viser et FBG-filter ifølge en alternativ utførelse av oppfinnelsen.

Den rekonfigurerbare OADM vist i Fig. l består av en serie bølgelengdemultipleksede, avstembare FBG-filtre 1 (her fire) i en optisk fiber 2 plassert mellom to optiske sirkulatorer 8. I dette tilfelle benytter det angjeldende optiske nettverket 1550nm bølgelengdeområdet. De avstembare FBG-filtrene 1 kan bli individuelt strekkavstemt ved hjelp av styreanordninger 3, for eksempel piezoelektriske styreanordninger, for å reflektere en eller flere (her maksimalt fire) signalbølgelengder i det innkommende bølgelengdemultipleksede signalet 11 fra det optiske nettverket 10 til dropp-porten 8, eller for å addere en eller flere (her maksimalt fire) signalbølgelengder til det optiske nettverket ved adder-porten 9.

Adder/dropp-portene 8,9 kan være konvensjonelle optiske sirkulatorer, for eksempel som beskrevet i US-patentene 5,400,418 og 5,883,991, og vil ikke bli beskrevet i nærmere detaljer her.

For å innstille og kontrollere de avstembare FBG filter-bølgelengdene i 1550nm bølgelengdebåndet, benyttes FBG-sensorer 1 innskrevet i 13 0 0nm bølgelengdeområdet (eller alternativt i 8 0 0nm bølgelengdebåndet) i samme fiberlengde som de avstembare FBG filtrene for å måle de kombinerte effektene av strekk og temperatur i de avstembare FBG-filtrene. Sensor-gitrene er plassert overlappende med eller ved siden av de avstembare FBG-filtrene som vist i Figur 2 og 3, henholdsvis.

Braggbølgelengden til sensor FBG-ene IA vil gi direkte mål på Braggbølgelengdene til de avstembare FBG-filtrene IB, uavhengig av avdrift og hysterese i styreanordningen, filter pakkingen, festepunktene til fiberen og temperatur avdrift. De målte Braggbølgelengder er således benyttet til å kontrollere styreanordningene 3 til filtrene og til å låse de avstembare FBG-filtrene 1 til de ønskede bølgelengder.

En grov, konvensjonell styreanordning 3 kan benyttes til å avstemme FBG-filtrene 1 til de ønskede bølgelengdekanaler og målingene av sensor FBG-ene kan benyttes til finkontroll og låsing til de eksakt ønskede bølgelengder. Sensor FBG-bølgelengdene i 13OOnm-området måles ved hjelp av en bølge-lengdeavlesingsenhet 4 forbundet til de avstembare filtrene 1 via en 1300/1550nm bølgelengdemultipleks (VIDM)-kopler 13. Lyset ved 13OOnm som går gjennom FBG-ene kan bli filtrert ut av OADM-en ved hjelp av en andre 1300/1550nm WDM-kopler 14, omfattende for eksempel en fiber 15 med en refleksjonsfri terminering.

FBG-sensorene IA vil typisk bli innskrevet ved forskjellige, ikke-overlappende bølgelengder utenfor bølge-lengdebåndet som benyttes av DWDM-systemet, for ikke å forstyrre DWDM-systemet. DWDM-systemet arbeider typisk ved bølgelengder i 1550nm bølgelengdebåndet, mens FBG-sensorene IA kan gjøres reflekterende i 13OOnm bølgelengdebåndet (eller muligens i 8OOnm bølgelengdebåndet). Sensor FBG-ene IA bør ha et smalere refleksjonsspektrum enn de avstembare FBG-filtrene IB for å gi rom for høy oppløsning i Braggbølgelengde-målingene,

Alternativt kan, som beskrevet ovenfor, andreordens refleksjonene fra FBG-filtrene 1 (ved bølgelengder = XB/2) benyttes til bølgelengdemålinger, og derved fjerne behovet for sensor FBG-er.

En bølgelengdeavlesingsenhet 4 omfattende en bredbåndet lyskilde som inkluderer sensor FBG-bølgelengdene, kobles til de avstembare FBG-ene 1 via en optisk bølgelengdemultipleks-er. De målte sensor FBG-bølgelengdene sammenlignes med de ønskede filter FBG-bølgelengdene, og denne informasjonen benyttes til å kontrollere styringsanordningene som avstemmer FBG-ene slik at filter FBG-bølgelengdene låses til de ønskede bølgelengdene.

Avlesingsenheten 4 kan i prinsippet være en nøyaktig spektrumanalysator i kombinasjon med en bredbåndet kilde (for eksempel en ELED) som inkluderer 13OOnm bølgelengdeområdet (eller 800nm bølgelengdeområdet), eller alternativt en nøyaktig avstembar kilde, som inkluderer sensor FBG-bølge-lengdene, slik som avlesingsenheten som beskrevet i PCT-søknaden PCT/NO98/00031 til Kringlebotn m.fl. Ideelt bør avlesingsenheten 4 være en enkel anordning som er liten og rimelig, slik som for eksempel anordningen beskrevet i den norske patentsøknaden 1999.4473. Med denne anordningen benyttes FBG-filtre enkeltvis eller parvis, svarende til de enkelte sensor FBG-er, til å måle sensor- og dermed de avstembare filter Braggbølgelengdene. De analyserende FBG-filtrene bør ha Braggbølgelengder nær sensor FBG-bølge-lengdene, tilsvarende de ønskede ITU-bølgelengder. Dette vil minimalisere den nødvendige avstemming av de analyserende FBG-filtrene, og vesentlig forbedre hastigheten til bølge-lengdelåsingen, noe som er viktig i rekonfigurerbare OADM-er.

De målte sensor FBG-bølgelengdene sammenlignes med de ønskede filter FBG-bølgelengdene i en signalbehandlingsenhet 7 og denne informasjonen benyttes til å kontrollere styreanordningene 2 som avstemmer FBG-ene slik at filter FBG-bølgelengdene er låst til de ønskede bølgelengder. Kontroll-enheten er utstyrt med informasjon 16 vedrørende systemet, slik som de nødvendige gitterbølgelengdene i hvert filter, bølgelengdene som skal droppes eller adderes til systemet, muligens kalibreringsdata for hver styreanordning og informasjon forsynt fra bølgelengdeavlesingsenheten vedrørende de reflekterte sensorbølgelengder.

Claims (6)

1. Kontrollert fiberoptisk filtrerings-system omfattende minst ett avstembart FBG-filter gravert inn i en første optisk fiber, der FBG-filteret inneholder minst ett gitter med en valgt bølgelengde for refleksjon av lys ved en filterbølgelengde, og en aktuator koblet til filteret for påtrykking av en endring i gitterets optiske egenskaper, for eksempel ved å påtrykke strekk/kompresjon og/eller temperaturendringer, for derved å endre filterbølgelengden, karakterisert ved at det nevnte gitteret er innrettet til å reflektere lys også ved en sensorbølgelengde som er forskjellig fra filterbølgelengden, og at systemet videre omfatter: en lyskilde koblet til den første optiske fiberen for emisjon av lys innen et sensorbølgelengde-område som omfatter sensorbølgelengden, en bølgelengdeutlesnings-enhet koblet til den første fiberen for måling av bølgelengden på optiske signaler reflektert innenfor sensorbølgelengde-området, en kontrollinnretning koblet til bølgelengdeutlesnings-enhetens utgang og til aktuatoren for posisjonering av eller kontroll av endringene til bølgelengden innen sensorbølgelengdeområdet som er reflektert fra det nevnte gitteret og som er påtrykket av aktuatoren, og dermed samtidig kontroll av posisjonen til eller endringen i bølgelengde innen både filter- og sensorbølgelengde-områdene.

2. Fiberoptisk filtrerings-system ifølge krav 1, karakterisert ved at gitteret består av ett gitter med en valgt bølgelengde, der sensorbølgelengden er den andre harmoniske av filterbølgelengden.

3. Fiberoptisk filtrerings-system ifølge krav 1, karakterisert ved at det avstambare FBG-filteret omfatter et filter, og et sensorgitter med forskjellige bølgelengder som er innskrevet i samme lengde med fiber, for derved å gi refleksjoner på en filter- og en sensorbølgelengde.

4. Fiberoptisk filtrerings-system ifølge krav 3, karakterisert ved at gitterne er overlappende på samme fiberlengde.

5. Fiberoptisk filtrerings-systen ifølge krav 1, karakterisert ved at lyskilden er plassert i bølgelengde-utlesningsenheten.

6. Anvendelse av et fiberoptisk filtrerings-system ifølge et av kravene 1-5 i en avstembar fiberoptisk tilleggs/ekstraksjons-modul (add/drop modul) (ADM) for ekstrahering eller tilføring av optiske signaler med valgte bølgelengder i den første optiske fiberen, der den første optiske fiberen er del av et optisk nettverk for overføring av informasjon.