DE10047901C2

DE10047901C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Fasernichtlinerarität einer Lichtleitfaser in einer Datenübertragungsstrecke

Info

Publication number: DE10047901C2
Application number: DE10047901A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Peter Elbers; Christoph Glingener; Erich Gottwald; Christian Scheerer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: DE10047901A1; US7057713B2; WO2002027292A1; US20040061846A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des nichtlinearen Koeffizienten γ und/oder des Dis persionskoeffizienten β₂ einer Lichtleitfaser einer optischen Datenübertragungsstrecke durch Vierwellenmischung.

Die genaue Kenntnis von nichtlinearen Effekten in Lichtleit fasern ist insbesondere bei der Integration von älteren Fa sern in eine optische Datenübertragungsstrecke mit hohen Da tenraten oder hohen Leistungen oder bei einem WDM-System, we gen der dort auftretenden Signalverzerrung, notwendig.

Ein ähnliches Verfahren und eine ähnliche Vorrichtung ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 98/57138 der Anmelde rin bekannt. In diesem Verfahren werden allerdings Messungen an beiden Enden der betrachteten Lichtleitfaser, einschließ lich der Sammlung der Daten an dem einen oder anderen Ende der Faser, notwendig. Besonders bei bereits über mehrere Ki lometer verlegten Lichtleitfasern ist dies sehr aufwendig, da für eine entsprechende Schleifenbildung gesorgt werden muß, um die Daten gemeinsam auswerten zu können.

Ferner ist aus der US-Patentschrift US 5,956,131 ein Verfah ren und eine Vorrichtung zur Messung der chromatischen Dis persion einer Lichtleitfaser einer optischen Übertragungs strecke bekannt, bei dem einseitig in eine zu vermessenden Lichtleitfaser zwei optische Signale bekannter Intensität mit jeweils einer festgelegten Wellenlänge gleichzeitig einge speist werden. Durch die zwei optischen Signale werden aufgrund des nichtlinearen Effektes der Vierwellenmischung zwei optische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen und Inten sitäten rückgestreut, die auf der Seite der Einspeisung ge messen und zur Bestimmung der chromatischen Faserdiserpersion anhand deren Intensitätsschwankungen ausgewertet werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, bereits bekann te Verfahren, die es ermöglichen, die Messung des nichtlinea ren Koeffizienten γ und/oder des Dispersionskoeffizienten β₂ einer Lichtleitfaser durchzuführen, indem nur an einem Ende der Lichtleitfaser Messungen durchgeführt werden, zu verbes sern.

Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch ge löst.

Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Der intensitätsabhängige Brechungsindex der Faser bewirkt ei ne Frequenzmischung optischer Wellen. Als Vierwellenmischung (FWM: four wave mixing) wird der Mischprozeß bezeichnet, bei dem durch drei einfallende optische Wellen (Pumpsignale) ein neuer Beitrag bei einer vierten Frequenz erzeugt wird, wobei die Frequenzbedingung

mit f_i, f_j ≠ f_k erfüllt sein muß. Als entartete FWM wird der Fall bezeichnet, wenn f_i = f_j ist, also 2 Pumpsignale eingespeist werden, und sich (A-1) damit auf f_n = 2f_i - f_k reduziert.

Die folgende mathematische Beschreibung beschreibt die Aus breitung unmodulierter Wellen (CW) bei gleichem Polarisatidurch ein System aus 4 nichtlinear gekoppelten Differential gleichungen der Form

Hierin ist z die Ausbreitungsrichtung, α die Faserdämpfung, γ der nichtlineare Koeffizient und Δk die weiter unten defi nierte Wellenzahldifferenz. Der erste Term in (A-2) be schreibt die Selbstphasen- und Kreuzphasenmodulation, der zweite Term die Vierwellenmischung.

Im allgemeinen muß das entstehende Gleichungssystem numerisch gelöst werden. Eine Näherungslösung erlaubt aber eine Veran schaulichung des FWM-Effektes. Wird die nichtlineare Leis tungsdegradation der Kanäle i, j, k vernachlässigt, weil die neu erzeugte Leistung in Kanal n nur gering im Vergleich zu den Kanalleistungen i, j, k ist, und darüber hinaus die Selbst phasenmodulation (SPM) und Kreuzphasenmodulation (XPM) für unmodulierte Wellen vernachlässigbar, so gilt

mit dem Entartungsfaktor

Für die, in Ausbreitungsrichtung, durch FWM erzeugte Leistung folgt dann

mit der FWM-Effizienz

Δk ist auf dispersiven Fasern durch die Dispersion dominiert und es gilt unter Vernachlässigung der Dispersion höherer Ordnung

beziehungsweise für entartete FWM

Die durch Rayleigh-Streuung rückgestreute Leistung

auf einer unendlich langen Faser bei einer neu erzeugten Frequenz resultiert aus dem Integral von Gleichung (A-5) gewichtet mit einem Rayleigh-Faktor β_R, der den Anteil geführter rückge streuter Leistung aus einem Faserstück der Länge 1 m bezeich net. Die Annahme einer unendlichen Länge einer Faser ist für typische Übertragungsfasern gerechtfertigt ab etwa 50 km Län ge

Es folgt

Wird nun die Frequenzdifferenz Δf = (f_i - f_k) variiert, so ergibt sich der folgende Zusammenhang als Funktion dieser Differenz, normiert auf die pro Längeneinheit rückgestreute Pumpleistung β_RP_i, mit:

Durch die Kenntnis der Eingangsleistung der Pumpsignale und der Dämpfungskonstante α, die beispielsweise mit einem ge trennten oder gleichen Gerät über ein OTDR-Verfahren (OTDR = optical time domain reflectometry = zeitaufgelöste Rückstreu messung) bestimmt werden kann, läßt sich nun durch Variation der Frequenzdifferenz der Dispersionskoeffizient β₂ und der nichtlineare Koeffizient γ bestimmen.

Vereinfacht ausgedrückt, zeigt der erfindungsgemäße Gedanke also, wie durch die Erzeugung von mindestens zwei neuen Sig nalen mit mindestens zwei Frequenzen durch eine Vierwellenmi schung aus mindestens zwei bekannten Pumpsignalen, unter Kenntnis der Eingangsleistung der Pumpsignale und Messung der zu erwartenden Ausgangsleitung der neuen Signale aus den oben beschriebenen nichtlinearen Gleichungen A-8 oder A-9, ein lösbares Gleichungssystem mit zwei Gleichungen mit den zwei Unbekannten γ und β₂ zu erhalten ist, das als Ergebnis die Werte des nichtlinearen Koeffizienten γ und des Dispersions koeffizienten β₂ ausgibt.

Diese Überlegungen beziehen sich auf parallel polarisierte Pumpsignale. Zusätzlich kann der mögliche Einfluß von Polari sationsänderungen längs der Faser durch die Verwendung eines schnellen Polarisationsstellgliedes in einem der Pfade zwi schen Pumplaser und Zirkulator (zwischen 13 und 9 oder 14 und 9 in Fig. 3) in der Meßanordnung bestimmt werden. Dieses Po larisationsstellglied kann während der Messung laufend die relative Polarisation zwischen den Pumpwellen variieren, wo durch die Polarisationsabhängigkeit der Messung herausgemittelt wird. Die kleinere Effizienz der Vierwellenmischung kann in diesem Fall durch einen aus der Literatur bekannten kon stanten Faktor berücksichtigt werden.

Entsprechend diesem Erfindungsgedanken schlägt der Erfinder vor, ein Verfahren zur Messung des nichtlinearen Koeffizien ten γ und/oder des Dispersionskoeffizienten β₂ einer Licht leitfaser einer optischen Datenübertragungsstrecke durch Vierwellenmischung, dahingehend weiterzuentwickeln, daß in eine zu vermessende Lichtleitfaser einseitig mindestens zwei Pumpsignale bekannter Intensität mit mindestens zwei unter schiedlichen Eingangsfrequenzen fi und fk eingekoppelt wer den, um durch Vierwellenmischung mindestens zwei Signale mit mindestens zwei neuen Frequenzen fn zu erhalten, wobei auf der Seite der Einspeisung die Intensität der rückgestreuten Signale der neuen Frequenz fn gemessen und daraus der nicht lineare Koeffizient γ und/oder der Dispersionskoeffizient β₂ bestimmt wird und daß zumindest eine der Eingangsfrequenzen fi oder fk bei aufeinanderfolgenden Messungen zur Erzeugung von rückgestreuten Signalen mit unterschiedlichen neuen Fre quenzen fn variiert wird.

Der nichtlineare Koeffizient γ kann aus einer Einzelmessung bestimmt werden, wenn f4 - f3 aus Fig. 1 klein genug ist. Soll auch β2 bestimmt werden, so sind mindestens 2 Messungen notwendig, d. h. mindestens eine der Frequenzen f3 oder f4 müssen variiert werden.

Vorteilhaft wird im erfindungsgemäßen Verfahren zumindest ei ne der Eingangsfrequenzen fi oder fk bei aufeinanderfolgenden Messungen variiert, um unterschiedliche rückgestreute Signale mit unterschiedlichen neuen Frequenzen fn zu erhalten. Diese mindestens zwei Signale können dann bezüglich ih rer Intensität vermessen werden und zur Bestimmung des nicht linearen Koeffizienten γ und/oder des Dispersionskoeffizien ten β₂ genutzt werden.

Wie bereits erwähnt, können die Pumpsignale unmoduliert, mo duliert und/oder gepulst sein. Hierdurch kann auch die Dis persion und Nichtlinearität der Lichtleitfaser als Funktion des Ortes auf der Faser gemessen werden, wenn die rückge streute Leistung zeitaufgelöst gemessen wird.

Vorteilhaft sollten die Pumpsignale entweder parallel polari siert sein, wobei zusätzlich auch die Polarisation mindestens eines der Pumpsignale zeitlich verändert werden kann und da mit die Abhängigkeit der gemessenen Effekte von der Polarisa tionsrichtung bestimmt werden kann oder die Polarisation muß verscrambled (= gewürfelt) werden, was bei Fasern mit sehr ge ringer aber von Null verschiedener Doppelbrechung nötig sein kann, um genau definierte Bedingungen für die Auswertung zu schaffen (Faktor 0,7 verglichen mit gleicher Polarisation für alle Signale).

Für das vorgeschlagene Verfahren muß die Eingangsleistung der Pumpsignale bekannt sein. Hierauf kann entweder indirekt durch bekannte Leistungseinstellungen der Pumplaser geschlos sen werden oder es wird bevorzugt eine direkte Messung durch geführt.

Die Dämpfung, definiert durch die Dämpfungskonstante α und der Rayleigh-Faktor β_R der vermessenen Lichtleitfaser, muß ebenfalls direkt oder indirekt bekannt sein und wird vorzugs weise parallel zum erfindungsgemäßen Meßverfahren durch ein OTDR-Verfahren (α) bzw. einfache Messung der rückgestreuten Leistung (β_R) bestimmt.

Neben dem Verfahren schlagen die Erfinder auch eine Vorrich tung zur Messung der optischen Fasernichtlinearität und/oder Faserdispersion in einer optischen Datenübertragungsstrecke mit mindestens einer Lichtleitfaser vor, welche zumindest die folgenden Elemente enthält:

- Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedli chen Frequenzen fi und fk
- ein Mittel zur Einspeisung der Pumpsignale in die min destens eine Lichtfaser der Datenübertragungsstrecke,
- ein Mittel zum Auskoppeln zurückgestreuter Signale,
- ein Mittel zum Ausfiltern zumindest einer durch Vierwel lenmischung entstandener Frequenz fn,
- ein Mittel zur Intensitätsmessung der mindestens einen zurückgestreuten und ausgefilterten Frequenz fn,
- ein Mittel zur Regelung der Leistung der Pumpsignale, und
- ein Mittel zur Auswertung der Nichtlinearität und/oder Dispersion der Lichtleitfaser.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung kann darin lie gen, daß das Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei unter schiedlichen Frequenzen fi und fk ein oder mehrere Ein- oder Mehrmoden-Laser sind, wobei einem Mehrmoden-Laser vorzugswei se Filter nachgeschaltet sind und/oder das Mittel zur Ein speisung der Pumpsignale in die mindestens eine Lichtleitfa ser der Datenübertragungsstrecke ein Zirkulator ist, wobei das Mittel zum Auskoppeln der zurückgestreuten Signale eben falls ein Zirkulator, vorzugsweise der selbe Zirkulator, sein kann.

Weiterhin kann als Mittel zum Ausfiltern zumindest einer durch Vierwellenmischung entstandener Frequenz fn ein Band paßfilter verwendet werden oder das Mittel zur Intensitäts messung der mindestens einen zurückgestreuten und ausgefil terten Frequenz fn ein optischer Leistungsmesser oder eine Photodiode mit geeigneter Beschaltung sein.

Auch schlagen die Erfinder vor, daß das Mittel zur Regelung der Leistung der Pumpsignale, und zur Auswertung der Nichtli nearität und/oder Dispersion der Lichtleitfaser, einen Mikro prozessor mit Programmspeicher und ein Regel- und Auswerte programm enthält.

Außerdem kann mindestens ein Mittel zur Modulation, vorzugs weise ein Mach-Zehnder-Modulator oder ein Elektroabsorptions modulator oder die direkte Modulation über den Laserstrom mindestens eines Pumplasers, vorgesehen werden.

Außerdem kann mindestens ein Mittel zur Erzeugung einer Pul sation bei mindestens einem Pumpsignal, vorzugsweise ein ex terner Modulator vorgesehen werden. Modulation und Pulsation werden zusammen mit einer zeitaufgelösten Messung zur ortsaufgelösten Bestimmung der Fasernichtlinearität einge setzt.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß mindestens ein Mittel zur, vorzugsweise zeit lich veränderlichen, Polarisierung mindestens eines der Pump signale, ein Polarisationsstellelement mit Einstellkonstanten im Sub-Millisekundenbereich ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungs beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben:

Fig. 1: Typisches rückgestreutes Signal für zwei gleich starke Pumpsignale;

Fig. 2: Typische Meßkurve für P^R _n als Funktion von Δf⁴;

Fig. 3: Erfindungsgemäße einseitige Meßanordnung.

In der Fig. 1 sind die typischerweise auftretenden Signale einer Vierwellenmischung mit ihrer Intensität der rückge streuten Leistung P^R über den Frequenzen f aufgetragen. Die beiden Pumpwellen 3 und 4 mit den gemessenen, aus der Faser rückgestreuten Leistungen PR3 und PR4 gleicher Intensität er zeugen durch die bekannte Vierwellenmodulation in erster Ord nung die beiden neuen Signale PR2 und PR5. Zusätzlich sind auch noch die Signale zweiter Ordnung PR1 und PR6 aufgetra gen.

Zur Messung der Nichtlinearität der Faser in einfachster Form reicht es grundsätzlich aus, die Intensitätswerte eines Sig nals erster Ordnung (PR2 oder PR5) für mindestens 2 Werte (f4- f3) zu kennen und in Gleichung (A-9) mit den zwei Unbekann ten, bestehend aus dem nichtlinearen Koeffizienten γ und dem Dispersionskoeffizienten β₂, einzusetzen um den nichtlinearen Koeffizienten γ und den Dispersionskoeffizienten β₂ zu er rechnen. Dies ist wegen der nichtlinearen Abhängigkeit von Gleichung (A-9) von den beiden zu ermittelnden Koeffizienten möglich.

Bevorzugt wird also eine Variation der Frequenz d. h. der Wel lenlänge zumindest eines der Pumpsignale, um auch unter schiedliche, voneinander unabhängige Intensitätswerte der durch Vierwellenmodulation erhaltenen neuen Signale PRn mit unterschiedlichen Frequenzen fn zu erhalten.

Weiterhin können die, die Pumpsignale erzeugenden Laser ent weder geregelt auf ein vorbestimmtes Leistungsniveau gesetzt werden, oder die aktuelle Leistung der Pumplaser wird jeweils individuell gemessen und geht so in die Berechnung ein. Auch können 3 oder mehr Pumpsignale mit unterschiedlichen Frequen zen d. h. Wellenlängen genutzt werden.

Eine typische Meßkurve in der die relative rückgestreute Leistung in dB (P^R _n) als Funktion der Frequenzdifferenz Δf⁴ aus Gleichung A-9 aufgetragen ist, ist in der Fig. 2 darge stellt. Die Steigung der Meßkurve 7 im linearen Teil ist pro portional zum Quadrat des Dispersionskoeffizienten β₂ ².

Die Fig. 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Meßvor richtung für den nichtlinearen Koeffizienten γ und den Dis persionskoeffizienten β₂, der ohne die Rückführung von Meß werten oder Informationen vom anderen Ende der Lichtleitfaser 8 auskommt.

Die Meßvorrichtung besteht, neben den hier nicht gezeigten Leistungsmessungen der rückgestreuten Pumpsignale und der Dämpfung der Lichtleitfaser 8, aus einem Zirkulator 9, über den die Pumpsignale mit den Frequenzen fi und fk der beiden Pumplaser 13 und 14 in die Lichtleitfaser 8 eingespeist wer den. Aus der Lichtleitfaser wird ebenfalls über den Zirkulator das rückgestreute Licht einem Bandpaßfilter 10 für die Frequenz des betrachteten neuen Signals mit der Frequenz fn zugeführt und anschließend in einer Leistungsmeßeinrichtung 11 die Leistung dieser rückgestreuten Frequenz gemessen.

Die so gemessenen Leistungen mindestens zweier rückgestreuter neuer Frequenzen fn werden einer Auswerteeinheit 12 zuge führt, in der über entsprechende Programme der nichtlineare Koeffizient γ und der Dispersionskoeffizient β₂ bestimmt wer den. In der dargestellten Meßvorrichtung wird diese Auswerte einheit 12 auch dazu genutzt die Pumplaser 13 und 14 bezüg lich ihrer Intensität und/oder bezüglich ihrer Frequenz zu regeln.

Insgesamt wird also durch die Erfindung ein Verfahren und ei ne Vorrichtung zur Messung des nichtlinearen Koeffizienten γ und/oder des Dispersionskoeffizienten β₂ einer Lichtleitfaser einer optischen Datenübertragungsstrecke vorgestellt, wobei aus der Änderung der rückgestreuten Leistung mindestens eines durch Vierwellenmischung zweier Pumpsignale erzeugten neuen Signale durch Messung an nur einem Ende der Lichtleitfaser auf den nichtlinearen Koeffizienten γ und/oder den Dispersi onskoeffizienten β₂ geschlossen wird.

Claims

1. Verfahren zur Messung des nichtlinearen Koeffizien ten γ und/oder des Dispersionskoeffizienten β₂ ei ner Lichtleitfaser (8) einer optischen Datenüber tragungsstrecke durch Vierwellenmischung, bei dem in eine zu vermessende Lichtleitfaser (8) einseitig mindestens zwei Pumpsignale (3, 4) bekannter Inten sität mit mindestens zwei unterschiedlichen Ein gangsfrequenzen fi und fk eingekoppelt werden, um durch Vierwellenmischung mindestens zwei Signale mit mindestens zwei neuen Frequenzen fn zu erhal ten, wobei auf der Seite der Einspeisung die Inten sität der rückgestreuten Signale der neuen Frequenz fn gemessen und daraus der nichtlineare Koeffizient γ und/oder der Dispersionskoeffizient β2 bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Eingangsfrequenzen fi oder fk bei aufeinanderfolgenden Messungen zur Erzeugung von rückgestreuten Signalen mit unterschiedlichen neuen Frequenzen fn variiert wird.

2. Verfahren gemäß Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität mindestens zweier rückgestreuter Signale mit unterschiedlichen neuen Frequenzen fn gemessen wird.

3. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der eingespeisten Pumpsignale (3, 4) unmoduliert ist.

4. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der eingespeisten Pumpsignale (3, 4) moduliert ist.

5. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der eingespeisten Pumpsignale (3, 4) gepulst ist.

6. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 4-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion und Nichtlinearität der Licht leitfaser als Funktion des Ortes auf der Faser ge messen wird.

7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpsignale parallel polarisiert sind.

8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestem einem der Pumpsignale (3, 4) die Polarisation verscrambled wird.

9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation mindestens eines der Pumpsig nale (3, 4) zeitlich verändert und damit die Abhän gigkeit der gemessenen Effekte von der Polarisati onsrichtung gemessen wird.

10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsleistung der Pumpsignale gemessen wird.

11. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung der vermessenen Lichtleitfaser, vorzugsweise nach dem OTDR-Verfahren, gemessen wird.