DE10047901C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Fasernichtlinerarität einer Lichtleitfaser in einer Datenübertragungsstrecke - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Fasernichtlinerarität einer Lichtleitfaser in einer DatenübertragungsstreckeInfo
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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
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 fi, fj ≠ fk erfüllt sein muß. Als entartete FWM wird der Fall
bezeichnet, wenn fi = fj ist, also 2 Pumpsignale eingespeist
werden, und sich (A-1) damit auf fn = 2fi - fk 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 βR, 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 = (fi - fk) variiert, so ergibt
sich der folgende Zusammenhang als Funktion dieser Differenz,
normiert auf die pro Längeneinheit rückgestreute Pumpleistung
βRPi, 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 βR 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 (βR) 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 PR 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 PR 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 (PR 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 (11)
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.
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