DE3042896A1

DE3042896A1 - Lichtimpulsleiter

Info

Publication number: DE3042896A1
Application number: DE19803042896
Authority: DE
Inventors: Herwig Werner Rumson N.J. Kogelnik; Chinlon Red Bank N.J. Lin
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1979-11-13
Filing date: 1980-11-13
Publication date: 1981-05-27
Also published as: JPS5687004A; GB2064161A; DE3042896C2; US4261639A; GB2064161B

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Lichtimpulsübertragung über Fasern, insbesondere auf die Lichtübertragung in Monoinode-Fasern.

Bei Multimode-Fasern ist die Übertragungsbandbreite durch Modendispersion begrenzt. Bei Monoinode-Fasern gibt es keine Modendispersion, und letztlich wird die Übertragungskapazität durch Materialdispersion und Wellenleiterdispersion begrenzt (s. hierzu beispiels" Ls^ L. ü. Cohen and Chinlon Lin, "Pulse Delay Measurements in the Zero Material Dispersion Wavelength Region for Optical Fibers", Applied Optics, Vol. 16, fio. 12, December 1977)· Die Gesamtdispersion von Monomode-Fasern enthält somit sowohl die Material- als auch die Wellenleiterauswirkungen. Herkömmlicne Monomode-Fasern besitzen für gewöhnlich sehr geringe Wellenleiterdispersion, die Materialdispersion herrscht vor. Die sich ergebende (ie samt dispers ion ist in dem Wellenlängenbereich in der Nähe von 1,3/um in erster Ordnung Null.

In jüngster Zeit galt besonderes Interesse solchen Monomode-Fasern, die derart ausgebildet sind, daß sie im Spektralbereich von 1,5 - 1,7/um eine üesamtdispersion von Null haben, weil

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BAD ORIGINAL

sowohl Versuchsergebnisse als auch theoretische Berechnungen zeigen, ^daß *^{n dem} Bereich von 1,5 - 1,7/um sehr geringe Verluste (0,2 -0,5 dB/km) erzielbar sind. Eine Langstrecken- Übertragung mit hoher Bandbreite erfordert sowohl eine äußerst geringe Dämpfung als auch eine äußerst geringe Dis persion im selben Viellenlangenbereich. Wie oben bereits er- wMhnt wurde, ist bei herkömmlichen Monomode-Fasern der 1,3/Um- Bereich der Bereich mit Null-Dispersion, jedoch sind die Ver- Itiete in des 1,5 - 1,7/Um-Bereich geringer als in der Nähe von 1#S /***· Der Grund hierfür liegt darin, daß gegenwärtig bei in der Praxis verfügbaren rionomode-Fasern die OH-Absorption in der wähe von 1,39 /Um verursacht, daß das 1,3/um-Verlust- Minimun über 0,5 dB/km liegt.

£· ist daher vorteilhaft, für optische Fernübertragunssysteme mit hoher Bandbreite Monomode-Fasern derart auszubilden, daß das üesamt-Dispersionsminimum in diesen Bereichen geringerer Verluste liegt.

Monomode-Fasern, deren uesamt-Dispersion wull für eine Wellenlänge Λ_ο im 1,5 - 1,6/Um-Bereich ist, lassen sich durcn höhere ue0₂-Dotierung und durch Steuern der Wellenleiterdispersion in Monomode-Fasern herstellen (s. z. B. den Artikel "Tailoring Zero Chromatic Dispersion into the 1,5 - 1,6 /um Low-Loss Spectral Region of Single-Mode Fibers", Electronics Letters. Vol. 15, No. 12, June 7, 1979, Seiten 334 - 335 by L. G. Cohen, Chinlon Lin, and W. G. French). Durch geeignete

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Steuerung der Dotierung, der Dotierstoffkonzentration, des Kerndurchraessers und des Brechungsindexprofils lassen sich Monomode-Fasern herstellen, bei denen die Gesamtdispersion eine Minimum-DispersionswellenlängeA_n irgendwo in dem Bereich zwischen 1,3 und 1,7 /um hat. Unglücklicherweise hängt Aq ziemlich stark sowohl von dem Kerndurchmesser als auch dem Brechungsindexprofil ab. Im Idealfall wäre es wünschenswert, Monomode-Fasern herzustellen, bei denen;\_ in dem Bereich geringen Verlucts liegt,und eine Laserquelle zu verwenden, so z. B. eine Moiiomode-InGaAsP-Laserdiode, deren Wellenlänge λ" der Wellenlänge?^« entspricht. Es bereitet keine allzu große Schwierigkeiten, die Faserherstellung derart zu steuern, daß χ _Q in den ziemlich breiten Bereich geringer Verluste fällt, das Erzielen einer exakten Übereinstimmung zwischen Λ. _s und?>₀ erfordert jedoch größeren technologischen Aufwand. Selbst wenn der Halbleiterlaser in nur einigen Moden schwingt, könnte die übertragung dispersionsbeschränkt sein, falls eine sehr große Bandbreite bei übertragung über sehr große Entfernungen zu verwenden ist, die bei sehr geringen Faserverlusten möglich sind. Es besteht also ein Bedürfnis, die Inipulsdispersion in einem Honomode-Faserübertragungssystem zu beschränken, v/o eine Fehlanpassung zwischen der Wellenlänge der Lichtquelle und derjenigen 'Wellenlänge besteht, bei der eine Monomode-Übertragungsfaser eine JMull-Gesamtdispersion hat. Erfindungsgemäß verwendet ein

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Lichtimpulsleiter die positive und negative Dispersionskennlinie von Monomode-Fasern auf beiden Seiten der Kull-Cesamtdispersionswellenlänge. Als optischer Entzerrer wird eine zweite Monomode-Faser verv/endet. Diese zweite Entzerrer-Konomode-Faser ist derart ausgebildet, daß die Lichtquellenwellenlänge einen Wert hat, der zwischen der Null-Dispersionswellenlänge der Übertragungs-i-Ionomode-Faser und der Entzerrer-Monomode-Faser liegt. Wenn die Lichtquellenwellenlänge größer als die Null-Dispersionswellenlänge der Übertragungsfaser ist, dann muß die Null-Dispersionswellenlänge der Entzerrerfaser größer sein als die Lichtquellenwellenlänge. Wenn die Lichtquellenwellenlänge kleiner ist als die Null-Dispersionswellenlänge der Übertragungsfaser, muß die Null-Dispersionsvellenlänge der Entzerrerfaser kleiner sein als die Lichtquellenwellenlänge. Übertragungs- und Entzerrerfasern werden so· gewählt, daß sie unterschiedliche Dispersionsvorzeichen bei der Lichtquellenwellenlänge aufweisen. Die Länge der Entzerrerfaser wird so gewählt, daß sie gleich ist der Länge der Übertragungsfaser, multipliziert mit dem Verhältnis der Dispersionen für die "übertragungsfaser und die Entzerrerfaser, wobei das Verhältnis für die Lichtquellenwellenlänge errechnet v/ird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der chromatischen Dispersion einer wonomode-Übertragungsfaser,

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Fig. 2 eine graphische Darstellung der chromatischen Dispersion einer Monomode-Entzerrerfaser, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Lichtübertragungssysterns, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Die chromatische Dispersion W(A) einer Faser ist definiert durch die Beziehung

1 d v

L dX (1)

wobeiTTdie Zeitverzögerung eines sich in einer Monomode-Faser der Länge L fortpflanzenden Lichtimpulses ist. Die Zeitverzögerung T hängt mit der Fortpflanzungskonstanten /3 der Faser durch folgende Beziehung zusammen:

,2

' — T

2-rrc IdX J X₃ (2)

die Mittenwellenlänge der Lichtquelle und c die Lichtgeschwindigkeit ist (vergl. die oben genannten Veröffentlichungen von Cohen und Lin;. Das Ausmaß der Impuls verbreiterung aufgrund der Spektralbreite Δ λ. _s einer Licht quelle ist dann durch folgende Beziehung gegeben:

Ar =

(3)

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Für eine kaskadierte Monomode-Faserkette, die aus η Fasern
besteht, ergibt sich die Gesamtimpulsverbreiterung durch die Beziehung:

wobei M. die chromatische Dispersion und L. die Faserlänge
der i-ten Faser ist.

Es wird hier eine Lichtimpuls-Entzerrereinrichtung besenrieben, die dazu dient, die chromatische Dispersion in
i'lonomode-E'aserübertragungssystemen zu minimieren, bei denen eine Fehlanpassung zwischen der Lichtquellenwellenlänge und der Null-Gesamtdispersionwellenlänge einer i-;onomode-Übertragung&· faser besteht. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch die Verwendung einer zweiten Monomode-Faser als Entzerrer die Inpulsverbreiterung in der Monomode-Ubertragungsfaser herabgesetzt werden, wenn die Guellenwellenlänge zwischen den κυΐΐ-Dispersionswellenlängen der beiden Fasern, d.h., der Übertragungsfaser und der Entzerrerfaser liegt.

Es sei zunächst angenommen, daß eine Laserquelle, die derart ausgebildet ist, daß inre Wellenlänge (.Aq) ^mi"t der lMulluesamtdispersionswellenlänge \\ _) einer gegebenen wonomode-Faser, bei der Herstellung ergibt, daß λ,, νοηΛ_η abweicht, und daß giltAs>Ao·

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Die Kurve 100 in Fig. 1 stellt die chromatische Dispersion der Übertragungsfaser dar. Der Unterschied zwischenλ ο υη& _^_₀ kann so gering sein, daß die chromatische Dispersion II (λο klein genug ist, um für einige Systeme geeignet zu sein. Bei verlustarmen Fasern und großen Entfernungen jedoch kann das System dispersionsbegrenzt, und nicht verlustbegrenzt werden. Selbst wenn also die Impulsverbreiterung aufgrund der Dispersion für 1 km klein sein kann, könnte die akkumulierte Impulsverbreiterung, M Olg) χ L χΔλ^ für große Entfernungen, wie beispielsweise 100 km, selbst dann groß werden, wenn die chromatische Dispersion M (Λο) selbst klein ist. In der genannten Beziehung istil^. _Q die Laserquellen-Spektralbreite, und L ist die Faserlänge.

Der Lichtimpulsentzerrer besteht aus einer Honomode-Faser, die eine Null-Dispersionswellenlänge Λ Qe ^^a^» ^so daßAn zwischenA₀ undA,Q_e liegt. Die Kurve 110 in Fig. 2 repräsentiert die chromatische Dispersion der Entzerrerfaser. Man beachte, daß aufgrund der Annahme Λ_s>/U entsprechend Fig. 2 die Beziehung^gK\ _Oe sein muß.

Man beachte, daß die chromatische Dispersion der Übertragungsfaser und der Entzerrerfaser bei der Quellenwellenlänge P\ _o entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Dies ist aus den

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Fig. 1 und 2 ersichtlich. Somit besitzen innerhalb des Anfangs-Lichtimpulses die Spektralanteile längerer Wellenlänge, beispielsweise mit einer Wellenlänge von .Λ_ο +λΛ_ο/2, eine geringere Gruppengeschwindigkeit als die Spektralanteile mit kürzerer Wellenlänge, beispielsweise mit der Wellenlänge A AAq/2, weil Λ s bezüglich Aq auf der Spite größerer Wellenlängen liegt. In der Entzerrerfaser liegen die entgegengesetzten Verhältnisse vor, und die ursprüngliche Impulsbreite wird zurückerhalten, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

K_e (A₈)L^Xs = 0

wobei M (Λ_σ) die chromatische Dispersion der Entzerrerfaser e ο

bei der Quellenwellenlänge und L die Länge der Entzerrerfaser

ti

Fig. 3 zeigt ein Impulsentzerrersystem. Block 1 repräsentiert eine optische oder Lichtquelle, und die Kurve 4 zeigt den von der Quelle erzeugten Impuls. Bei der Faser 2 handelt es sich um die Übertragungsfaser, die Kurve 5 zeigt den nach der Übertragung durch die Faser verbreiterten Lichtimpuls. Faser 3 ist die Entzerrerfaser, und Kurve 6 stellt den optischen Impuls dar. dessen ursprüngliche Gestalt nach der Übertragung wiederhergestellt wurde.

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- ίο -

Durch Auflösen der Gleichung (5) nach L erhält man

L_e/L = - M(A_s)/M_e(A_s).

Man beachte, daß das Verhältnis gemäß Gleichung 2 positiv
ist, da M(A₃) und M₆(X₃) entgegengesetzte Vorzeichen haben.
Bei dem oben erläuterten Faserübertragungssystem kann, obwohl die chromatische Dispersion MOY₃) aufgrund der geringen
Fehlanpassung zwischenA_g undA_Q gering ist, die große Länge L der Übertragungsfaser 2 eine signifikante akkumulierte Impulsverbreiterung verursachen. Die Entzerrerfaser kann so ausgewählt werden, daß sie einen großen Wert für M _Λ(λ_σ) entgegenge-

e ο

setzten Vorzeichens hat, so daß L ganz klein sein kann. Ein
kleiner Wert der Länge L der Entzerrerfaser würde zum Wiederherstellen der Impulsbreite des optischen Signals führen, ohne daß viel Einfügungsdämpfung entstünde.

Man beachte außerdem, daß aufgrund der BeziehungAg^^Q die
Entzerrerfaser die Bedingung AoöCAs ^{erfüllen muß}·

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Beispiel für ein Fernübertragungssystem mittels optischer Faser beschrieben. Es sei angenommen, es würde eine Laserquelle mit λ_σ = 1550 nm (diese
Wellenlänge liegt auf der rechten Seite in der Nähe des
Dämpfungsminimums für Monomode-Fasern) und einer Spektralbreite α = 5 nm (vergl. beispielsweise den Artikel "1,5 /Um Optical

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Transmission Experiments Using Very Low-Loss Single-Mode Fibers", Electronics Letters, Vol. 15, No. 8, April 12, 1979, Seiten 219-221, von S. Machida u. a.) und eine Monomode-Übertragungsfaser mit einer Minimum-Dispersionswellenlänge X = 156O mn vorliegen. Die geringste Dämpfung bei Ag für eine solche Faser kann unterhalb von 0,3 dB/km liegen, entsprechend einer GeOp-Dotierung von etwa 9 Molprozent und Δη = 1 Prozent (vergl. den oben erwähnten Artikel von Cohen). Eine derartige Dämpfung macht eine Übertragungslänge von mehr als 100 km vernünftig. Jedoch wäre M(I_σ), die Gesamtdispersion für eine solche Monomode-Übertragungsfaser, etwa 0,8 ps/nm-km. Folglich beträgt für eine 100 km lange Faser die Impulsverbreiterung M(^_S)£OU;L etwa AOO'ps, was die Übertragungsbandbreite auf etwa 600 MIIz beschränkt. Um die Bandbreite zu erhöhen, kann man als Entzerrer eine Monomode-Faser mitAq₆ — 1350 nm wählen. Bei einer typischen derartigen Faser wäre Fi_Q (^₃) ~ 16 ps/nm-km und M_e(X_g) ~ - 20 M(A₂) · Unter Verwendung von Gleichung (6) und durch Auflösen nach L ergibt sich, daß eine Länge L = 5 km eine Entzerrung schafft. Da es bekannt ist, wie man eine Faser mitA_Q ^ 1350 nm und eine Dämpfung von etwa 0,2 dB/km beiXg herstellt, wird durch die Verwendung der Entzerrerfaser und des Spleißes eine verlustarme Übertragung geschaffen.

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Dem Fachmann ist klar, daß diese Methode in der Praxis dadurch realisierbar ist, daß man die Länge der Entzerrerfaser für eine minimale Gesamtimpulsverbreiterung in dem gesamten Übertragungssystem justiert. Dieses Vermindern oder Eliminieren der dispersionsbegrenzten Impulsverbreiterung in der ersten Ordnung erhöht die Übertragungsbandbreite selbst bei Entfernungen in der Größenordnung von 100 km bis auf mehrere Zehn GHz,

Außerdem sollte aus der obigen Erläuterung der Erfindung klargeworden sein, daß die Dispersions-Minimierung und die Entzerrungen erreicht werden können, indem mehr als zwei Fasern in der Faserkette verwendet werden, solange die Gesarnt-

verbreiterung durch Minimieren von /? M. (^_Q)L. gemäß

j^1 ^{x b 1}

Gleichung (4) minimiert wird, indem beispielsweise die Länge L einer der η Fasern in einem optischen Übertragungssystem gleich - zBZ ' M. (Ao)L-Al gemacht wird, wobei M die chromatische

X ο Ι θ 6

Dispersion der Faser der Länge L ist.

Es sei ferner noch erwähnt, daß der hier an verschiedenen Stellen gebrauchte Ausdruck "Licht" der Einfachheit halber für sämtliche Wellen verwendet wurde, deren Frequenzen im optischen Spektrum liegen.

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Claims

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BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMLR ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex G5-212313 Telegramme Patentconsul! Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Pate.i!co:iS>j!l

Western Electric Company, Incorporated Kogelnik

New York, N. Y. 10038, USA

Licht jrapul sleit er Patentanspruch

Lichtimpulsieiter zum Übertragen eines eine Quellen-Wellenlänge λg aufweisenden Strahlungsimpulses, mit einer Konomode-Faser (2), die eine erste Nulldispersions-Y/ellenlänge, eine Faserlänge L und eine erste chromatische Dispersion M für die Quellenv/ellenlänge aufweist,
gekennzeichnet durch

eine zweite Monomode-Faser (3), die eine zweite, solche J'iulldispersions-V/ellenlänge aufweist, daß die Quellen-V/ellenlänge zwischen der ersten und zweiten Ilulldispersions-Wellenlänge liegt, und die eine zweite chromatische Dispersion M für die Quellen-V/ellenlänge hat, die ein bezüglich der ersten chromatischen Dispersion umgekehrtes Vorzeichen hat, wobei die Länge L der zweiten Monomode-Faser (3) folgende Gleichung erfüllt:

L=- M.L/M . e ' e

München: R. Krame-r Dipl.-Ing. . V/. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer trat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Borgen Prof. Dr. jur. D^rpl.-!ng., Pa!.-Ass., Pat.-Anvv.bis 1979 · &. Zwirr:?r D.j^.-Irig Dipl.-VV.-lrig

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