DE10037745A1 - Optical signal transmission method, uses damping of Stokes frequencies by filter inserted in transmission path for allowing higher transmission power - Google Patents
Optical signal transmission method, uses damping of Stokes frequencies by filter inserted in transmission path for allowing higher transmission powerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen eines op tischen Signals mit höherer Leistung über eine optische Faser durch Erhöhung der Raman-Schwelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und hierzu geeignete Anordnungen nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 2, 7 und 9.The invention relates to a method for transmitting an op table signal with higher power via an optical fiber by increasing the Raman threshold according to the generic term of Claim 1 and suitable arrangements for this Preamble of claims 2, 7 and 9.
Durch Laserlicht können in einer optischen Übertragungsfaser Molekülschwingungen angeregt werden. Hierbei entsteht Licht bei der sogenannten Stokesschen Frequenz. Dieser Bereich wird hier mit Stokesschen Frequenzen bezeichnet. Das bei den Sto kes-Frequenzen vorhandenes Licht wird durch eine Lichtquelle einer etwas höheren Frequenz induziert verstärkt. Dieser Vor gang führt dazu, daß stets ein Teil der Pump-Leistung in Sto kes-Wellen, der induzierten Raman-Streuung (Stimulated Raman Scattering - SRS), umgesetzt wird. Bei der sogenannten Raman- Schwelle erreicht die Eingangsleistung einen Wert, bei dem die Anteile des empfangenen Signals und der SRS gleich groß sind (bzw. die Hälfte der Pumpleistung in SRS umgesetzt wird). Für übliche Übertragungsfasern liegt die Raman- Schwelle bei etwa 1 Watt Pumpleistung.Laser light can be used in an optical transmission fiber Molecular vibrations are excited. This creates light at the so-called Stokes frequency. This area will referred to here as Stokes' frequencies. The Sto kes frequencies existing light is through a light source a slightly higher frequency induces amplified. This before gang means that part of the pump power in Sto kes waves, the induced Raman scattering (Stimulated Raman Scattering - SRS), is implemented. With the so-called Raman The input power reaches a value at which threshold the proportions of the received signal and the SRS are the same (or half of the pumping capacity is implemented in SRS becomes). For normal transmission fibers, the Raman Threshold at around 1 watt pump power.
SRS kann verwendet werden, um optische Übertragungsfasern als Breitbandverstärker zu nutzten. Andererseits kann die Funkti on von Wellenlängenmultiplex-Systemen stark durch das Über sprechen zwischen den Kanälen beeinträchtigt werden. Auch die Übertragung von Pumpleistung zu ferngepumpten Faserverstär kern wird durch die Frequenzumsetzung aufgrund der Raman- Streuung beeinträchtigt. In "Non-Linear-Fiber-Optics", Second Edition, Govind P. Agrawal, Academic Press, Seiten 316 bis 323 ist der Raman-Effekt ausführlich beschrieben. SRS can be used to make optical transmission fibers To use broadband amplifiers. On the other hand, the functi on of wavelength division multiplex systems strongly through the over speaking between channels will be affected. Also the Transfer of pump power to remote pumped fiber amplifiers core is the frequency conversion due to the Raman Scattering impaired. In "Non-Linear-Fiber-Optics", Second Edition, Govind P. Agrawal, Academic Press, pages 316 to 323, the Raman effect is described in detail.
Aus "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 26, No. 10, Oct. 1990, Seite 1815 bis 1820, "Mutual Influence of the Pa rametric Effects and Stimulating Raman-Scaturing in Optical Fibers" ist es bekannt, durch Phasenanpassung von Pump-, Sto kes- und Anti-Stokes-Signal die Auswirkungen des Raman- Effektes zu dämpfen.From "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 26, No. 10, Oct. 1990, pages 1815 to 1820, "Mutual Influence of the Pa Rametric Effects and Stimulating Raman Scaturing in Optical Fibers "it is known by phase adjustment of pump, Sto kes- and anti-stokes signal the effects of Raman Dampen effect.
Aus Optical Communication 159 (1999), Seite 32 bis 36 "Sup pression of Stimulated Raman-Scattering in optical Fibers by Power Control Multifrequency Pumping" ist bekannt, durch Ü bertragung von weiteren leistungsstarken optischen Signalen die Raman-Streuung zu dämpfen.From Optical Communication 159 (1999), pages 32 to 36 "Sup pression of stimulated Raman scattering in optical fibers by Power Control Multifrequency Pumping "is known from Ü Transmission of further powerful optical signals dampen the Raman scatter.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 538 879 A1 ist ein Wellenlängenfilter beschrieben, bei dem ein Lichtwellenleiter spulenförmig aufgewickelt ist, wobei der an sich zulässige Biegeradius unterschritten wird, um eine Filterwirkung zu er zielen.In European patent application EP 0 538 879 A1 there is a Wavelength filter described in which an optical fiber is wound in a coil, the permissible per se Bending radius is undershot in order to achieve a filter effect aim.
Die bisher bekannten Verfahren erfordern einen erheblichen Aufwand und führen nicht zu optimalen Ergebnissen.The previously known methods require a considerable amount Effort and do not lead to optimal results.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das insbesondere zur Übertragung höherer Pumpleistungen ge eignet ist. Außerdem sind geeignete Anordnungen anzugeben. Ein zur Lösung dieser Aufgabe geeignetes Verfahren ist in An spruch 1 angegeben, das auf der Filterung der Stokes-Strah lung beruht. Geeignete Anordnungen zur Filterung sind in den unabhängigen Patenansprüchen 2, 7 und 9 angegeben.The object of the invention is therefore to specify a method especially for the transmission of higher pumping power is suitable. Suitable arrangements must also be specified. A suitable method for solving this problem is in An Proverb 1 indicated that on the filtering of the Stokes beam lung is based. Suitable arrangements for filtering are in the independent patent claims 2, 7 and 9 specified.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den unabhängigen Ansprü chen angegeben.Advantageous further developments are in the independent claims Chen specified.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nur passive Bauelemente benötigt werden, deren Anzahl kann durch Optimierung der Filterpositionen minimiert werden. Eine beson ders vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß die Übertra gungsfaser selbst als Filter für die Stokes-Welle konzipiert wird. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen nä her erläutert.The main advantage of the invention is that only Passive components are required, the number of which can be changed Optimization of the filter positions can be minimized. A special ders advantageous training is that the transfer fiber itself designed as a filter for the Stokes wave becomes. The invention is based on exemplary embodiments ago explained.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Übertragungsfaser mit einem Filter, Fig. 1 shows a transmission fiber with a filter,
Fig. 2 den Verlauf der übertagenen Leistung und der Ra man-Streuung, Fig. 2 shows the course of the übertagenen performance and Ra is scattering,
Fig. 3 eine Übertragungsfaser mit zwei Filtern, Fig. 3 is a transmission fiber with two filters,
Fig. 4 eine Ausführungsform des Filters, Fig. 4 shows an embodiment of the filter,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Filters, Fig. 5 shows a second embodiment of the filter,
Fig. 6 eine LWL-Ader mit gekrümmten Lichtwellenleiter und Fig. 6 is a fiber optic core with curved optical fiber and
Fig. 7 eine Variante hierzu. Fig. 7 shows a variant of this.
In Fig. 1 ist eine Lichtwellenleiter(LWL)-Übertragungsfaser LWL dargestellt, an deren Eingang 1 ein optisches Signal OSI eingespeist wird. Durch Dämpfungen und nichtlineare Effekte vermindert sich die Amplitude des optischen Signals, so daß am Ausgang 2 ein verringertes optisches Signal OSO ausgegeben wird. Außerdem wird, wie einleitend beschrieben, Raman- Strahlung RA erzeugt, die ebenfalls am Ausgang 2 abgegeben wird. Die Verläufe der Signalleistung PS und der Leistung der Ramanstreuung PRA sind in Abhängigkeit von der Faserlänge L dargestellt. Sind die Amplituden beider Ausgangssignale bei einer bestimmten Eingangsleistung PCR des optischen Signals OSI gleich, dann spricht man vom Erreichen der Raman- Schwelle.In Fig. 1, an optical waveguide (LWL) -Übertragungsfaser fiber is shown, an optical signal OS I is fed in at the input 1. Attenuations and nonlinear effects reduce the amplitude of the optical signal, so that a reduced optical signal OS O is output at output 2 . In addition, as described in the introduction, Raman radiation RA is generated, which is also emitted at output 2 . The curves of the signal power P S and the power of the Raman scattering P RA are shown as a function of the fiber length L. If the amplitudes of both output signals are the same for a certain input power P CR of the optical signal OS I , then one speaks of reaching the Raman threshold.
Wird nun ein auf die Wellenlänge des Stokes-Signals abge stimmtes Filter FI1 eingesetzt, kann sich die Stokes-Welle nicht mehr ausbreiten, wodurch es möglich wird, höhere Sig nalleistungen zu übertragen, was gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Raman-Schwelle ist. Die Positionierung eines Filters erfolgt bei kurzen Leitungen etwa in der Mitte der Übertragungsfaser, bei langen Leitungen näher bei der Signal quelle.Now a is abge on the wavelength of the Stokes signal correct filter FI1 used, the Stokes wave can no longer spread, making it possible to get higher sig to transmit nal services, which is tantamount to a Raman threshold is increasing. The positioning of a In the case of short lines, the filter takes place approximately in the middle of the Transmission fiber, with long lines closer to the signal source.
Fig. 3 zeigt dieselbe Übertragungsfaser, in die jedoch zwei Filter FI1 und FI2 eingesetzt wurden, um die Raman-Schwelle noch weiter zu erhöhen. Fig. 3 shows the same transmission fiber, but in which two filters FI1 and FI2 have been inserted in order to further increase the Raman threshold.
In den Fig. 1 und 3 sind statt der Längen der Faserab schnitte L1, L2, L3 deren Dämpfungen angegeben. Die optimale Positionierung wird zunächst anhand von Fig. 1 erläutert. Eine Erhöhung der Raman-Schwelle bzw. Vergrößerung des Ab standes zur SRS-Schwelle bei gleichbleibendem Eingangssignal ergibt sich durch zwei Effekte:In Figs. 1 and 3 of Faserab, instead of the length sections L1, L2, L3 whose attenuation specified. The optimal positioning is first explained with reference to FIG. 1. An increase in the Raman threshold or an increase in the distance from the SRS threshold with a constant input signal results from two effects:
Die einzelnen Faser-Abschnitte sind kürzer als die Ge
samtstrecke. Entsprechend
The individual fiber sections are shorter than the total distance. Corresponding
Aeff = effektiver Querschnitt, gR = Raman-Verstärkungsfaktor,
Leff = effektive Länge, L = Länge der Faser, α0 = Dämpfungsko
effizient,
ergibt sich bei kürzeren Faserabschnitten eine Erhöhung der
kritischen Eingangsleistung PCR. Für den m-ten Faser-
Abschnitt läßt sich die Verbesserung durch einen Faktor
A eff = effective cross-section, g R = Raman gain factor, L eff = effective length, L = length of the fiber, α0 = damping coefficient efficient,
With shorter fiber sections there is an increase in the critical input power P CR . For the mth fiber section, the improvement can be made by one factor
Lm = Länge des m-ten Faserabschnitts
beschreiben. Die Eingangsleistung eines hinteren Faserab
schnitts ist aufgrund der Faserdämpfung kleiner als die der
vorderen Faserabschnitte. Wird nur eine mit der Leitungslänge
zunehmende Dämpfung berücksichtigt, dann eerrechnet sich für
den m-ten Faserabschnitt eine um den Faktor Dm+1 geringere
Eingangsleistung aus dem Produkt:
L m = length of the m-th fiber section
describe. The input power of a rear fiber section is smaller than that of the front fiber sections due to the fiber attenuation. If only attenuation that increases with the cable length is taken into account, the input power from the product, which is lower by a factor of D m + 1 , is calculated for the mth fiber section:
Die Positionierung der Filter ist dann optimal, wenn die je
weiligen Produkt aus PCRm × Leffm gleich sind, bzw. gleiche re
lative Abstände der jeweiligen Pumpeingangsleitung zur Raman-
Schwelle bestehen. Die in den Gleichungen (2) und (3) angege
benen Verbesserungen sind dann gleich. Entsprechend den Glei
chungen (2) und (3) ergibt sich für ein zwischengeschaltetes
Filter für die Faserabschnitte L1 und L2:
The positioning of the filters is optimal if the respective product of P CRm × L effm are the same, or if there are equal relative distances between the respective pump input line and the Raman threshold. The improvements given in equations (2) and (3) are then the same. According to equations (2) and (3), the following results for an interposed filter for fiber sections L1 and L2:
(4) K1D1 = K2D2
(4) K 1 D 1 = K 2 D 2
und somit
and thus
hieraus ergibt sich
this results in
(6) 1-e- α L1 = (1 e- α L2) e- α L1 hieraus folgt
(6) 1-e - α L1 = (1 e - α L2 ) e - α L1 follows from this
(7) 1 = 2 e- α L1 - e- α L2 × e- α L1
(7) 1 = 2 e - α L1 - e - α L2 × e - α L1
Für längere Fasern kann das Produkt e- α L2 × e- α L1 vernachläs
sigt werden. Somit
For longer fibers, the product e - α L2 × e - α L1 can be neglected. Consequently
(8) 1 = 2e- α L1,
(8) 1 = 2e - α L1 ,
daraus folgt:
it follows:
(9) e- α L1 = 0,5,
(9) e - α L1 = 0.5,
d. h. bei einer Dämpfung auf den halben Wert des Eingangspe gels (3 dB) ergibt sich die optimale Position des Filters, un abhängig von der Gesamtdämpfung DG einer Übertragungsstrecke (Fig. 1).ie with an attenuation to half the value of the input level (3 dB), the optimal position of the filter is obtained, regardless of the total attenuation D G of a transmission link ( FIG. 1).
Entsprechend lassen sich die Dämpfungwerte und damit die Fa serabschnitte für mehr als 2 Filter berechnen. Mit N Filtern läßt sich die Raman-Schwelle um 10log(N+1)[dB] erhöhen. The damping values and thus the company Calculate sections for more than 2 filters. With N filters the Raman threshold can be increased by 10log (N + 1) [dB].
Fig. 4 zeigt ein aus der Beschreibungseinleitung bekanntes Biegefilter FC. Durch die sehr engen Windungen werden Signale mit größerer Wellenlänge ausgekoppelt. Fig. 4 shows a process known from the introductory bending filter FC. Due to the very narrow turns, signals with a longer wavelength are coupled out.
Fig. 5 zeigt die Verwendung eines Bragg-Filters FB, das zweckmäßigerweise als Fasergitter realisiert ist. Die reflek tierte Stokes-Welle ST wird in den Fasermantel ausgekoppelt. Andere Lösungen, bei denen die Stokes-Welle ST in einem Sumpf vernichtet wird, sind ebenfalls möglich. Fig. 5 shows the use of a Bragg filter FB, which is advantageously implemented as a fiber grating. The reflected Stokes wave ST is coupled out into the fiber cladding. Other solutions in which the Stokes wave ST is destroyed in a sump are also possible.
Fig. 6 zeigt eine LWL-Ader, deren Lichtwellenleiter LWL (Fa ser) fortlaufend gekrümmt ist. Die Krümmung kann bereits auf grund der unterschiedlichen Längen von der Faser LWL und dem Mantel MA erfolgen. Die Krümmung kann jedoch auch durch einen Adernkern AK oder gemäß Fig. 7 durch Innennoppen N des A dernmantels erreicht werden. Durch die Krümmung der Faser wird ebenfalls eine Filterwirkung gegenüber tieferen Frequen zen erreicht. Der Lichtwellenleiter wirkt als Filter mit ver teilter Dämpfung und reduziert damit die Stokes-Welle bereits an ihrem Entstehungsort. Fig. 6 shows an optical fiber core, the optical fiber LWL (Fa ser) is continuously curved. The curvature can already be due to the different lengths of the fiber and the cladding MA. However, the curvature can also be achieved by a core AK or, according to FIG. 7, by inner knobs N of the outer jacket. The curvature of the fiber also achieves a filter effect against lower frequencies. The optical fiber acts as a filter with distributed attenuation and thus reduces the Stokes wave at its point of origin.
Die Übertragungsfaser kann auch so gestaltet werden, daß sie die Stokes-Frequenzen absorbiert und nur Signale mit höheren für die Übertragung genutzten Frequenzen weiterleitet. Hin weise zur Dimensionierung solcher Fasern können aus "Optische Nachrichtentechnik, Teil 1: Optische Wellenleiter", H.-G. Un ger, Seiten 161-170 entnommen werden. Die Dämpfungseigen schaften solcher Fasen können natürlich durch den Einsatz diskreter Filter ergänzt werden. The transmission fiber can also be designed so that it the Stokes frequencies are absorbed and only signals with higher ones for the frequencies used for transmission. There How to dimension such fibers can from "Optical Telecommunications, Part 1: Optical Waveguides ", H.-G. Un ger, pages 161-170. The damping properties Such chamfers can, of course, be used discrete filter can be added.
11
Eingang
entrance
22nd
Ausgang
OS optisches Signal
RA Raman Strahlung
L1, L2, . . . Faserabschnitte
D Gesamtdämpfung der Faser
FI1, FI2, . . . erstes, zweites Filter
LWL Faser/Lichtwellenleiter
FC Biegefilter
FB Bragg-Filter
ZI Zirkulator
PCR Raman-Schwelle
PS output
OS optical signal
RA Raman radiation
L1, L2,. , , Fiber sections
D Total attenuation of the fiber
FI1, FI2,. , , first, second filter
FO fiber / optical fiber
FC bending filter
FB Bragg filter
ZI circulator
PCR Raman threshold
P S
Signalleistung
PRA Signal power
P RA
Leistung der Ramanstrahlung
M Adermantel
N Noppen
AK Aderkern
Power of the Raman radiation
M wire jacket
N pimples
AK core
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---|---|---|---|
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8130 | Withdrawal |