DE102006008748A1

DE102006008748A1 - Anordnung zur Einstellung und Kompensation von Polarisationsmodendispersion erster und zweiter Ordnung

Info

Publication number: DE102006008748A1
Application number: DE200610008748
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Krummrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus mindestens vier in Serie geschalteten doppelbrechenden Elementen, die für eine gegeben Trägerfrequenz neben der Einstellung einer gewünschten Polarisationsmodendispersion (PMD) erster Ordnung eine getrennte Einstellung der beiden Ausprägungen der PMD zweiter Ordnung erlaubt. Erfindungsgemäß weist der mit dem ersten doppelbrechenden Element verknüpfte PMD-Vektor im Stokes-Raum den Betrag der gewünschten differentiellen Gruppenlaufzeit und die Richtung einer Hauptachse des ersten doppelbrechenden Elementes auf. Die PMD zweiter Ordnung wird mittels der mindestens drei weiteren doppelbrechenden Elemente eingestellt. Deren PMD-Vektoren bilden im Stokes-Raum einen geschlossenen Vektorzug. Dadurch wird die Ableitung nach der Frequenz der Resultierenden aller PMD-Vektoren je nach den gewählten Hauptachsen und Laufzeitdifferenzen einer gewünschten polarisationsabhängigen chromatischen Dispersion und/oder Depolarisation entsprechen. Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch zur Kompensation von PMD eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Einstellung von Polarisationsmodendispersion erster und zweiter Ordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Anordnung zur Kompensation von Polarisationsmodendispersion erster und zweiter Ordnung.

Optische Übertragungssysteme für den Weitverkehrsbereich verwenden derzeit Kanaldatenraten von bis zu 10 Gbit/s. Die kommerzielle Verfügbarkeit von Routern mit 40 GBit/s-Schnittstellen stellt die Betreiber vor das Problem, Signale mit höheren Datenraten transportieren zu müssen. Da ein Heruntermultiplexen der Router-Ausgangssignale mit hohen Kosten und hohem Aufwand verbunden wäre, suchen die Betreiber nach Möglichkeiten, 40 GBit/s-Signale in terrestrischen Weitverkehrsnetzen zu übertragen. Beim Aufbau des 40 GBit/s-Netzes sollen bereits verlegte Glasfasern zum Einsatz kommen. Diese wurden vor vielen Jahren hergestellt und zeigen gegenüber den neu hergestellten Glasfasern eine hohe Polarisationsmodendispersion (engl. „polarisation-mode dispersion", abgekürzt PMD).

Polarisationsmodendispersion ist eine Eigenschaft monomodiger optischer Fasern, bei der die Energie eines optischen Eingangssignals einer bestimmten Wellenlänge bzw. Trägerfrequenz in der Faser in einem Modus geführt wird, der in zwei zueinander orthogonalen Polarisationen auftreten kann. Diese beiden Polarisationszustände werden häufig als Polarisationsmoden oder auch als Eigenzustände oder Eigenmoden der Faser bezeichnet. Die Polarisationsmoden besitzen aufgrund der Spannungs-Doppelbrechung oder aufgrund anderer Unregelmäßigkeiten des Brechungsindexes in der Faser unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Die daraus resultierende Laufzeitdifferenz der beiden orthogonalen Polarisationsmoden beim Durch laufen der Faser wird als differentielle Gruppenlaufzeit oder -verzögerung (engl. „differential group delay", abgekürzt DGD) bezeichnet. Ihr Mittelwert wird PMD-Verzögerung Δτ genannt und wird in erster Ordnung in ps angegeben.

Ähnlich wie die chromatische Dispersion führt die PMD in optischen Übertragungssystemen insbesondere mit hohen Datenraten zu Verzerrungen der Impulsform des optischen Signals und zusätzlich zu einer Transformation des Eingangspolarisationszustandes. Allerdings handelt es sich bei der PMD um einen stochastischen dynamischen Effekt, was sowohl die Messung als auch die Kompensation erschwert. PMD variiert in Abhängigkeit von der Zeit und der Wellenlänge. Zum einen ist der Laufzeitunterschied zwischen den beiden Polarisationsmoden und insbesondere die Polarisationstransformationseigenschaft sensibel gegenüber Schwankungen der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, mechanischen Spannungen in der Faser oder beispielsweise Vibrationen der Faser. Dies bewirkt unregelmäßige zeitliche Variationen des Übertragungsverhaltens der Faser. Zum anderen bewirkt die Wellenlängenabhängigkeit, dass sich sowohl die Eigenzustände oder Polarisationsmoden, als auch der Polarisationszustand der Polarisationsmoden in Abhängigkeit von der Wellenlänge des optischen Signals ändern. Handelt es sich bei dem optischen Signal um ein breitbandiges Signal, das aus einer Vielzahl von spektralen Komponenten zusammengesetzt ist, so sieht jede Spektralkomponente eine andere Doppelbrechung und erfährt demnach eine andere Laufzeit und eine andere Polarisationstransformation durch die Faser.

Um der Wellenlängenabhängigkeit bzw. der Frequenzabhängigkeit Rechnung zu tragen, wird für die PMD eine Reihenentwicklung nach der Frequenz des Signallichts angesetzt. Der frequenzunabhängige erste Term der Reihenentwicklung wird als PMD erster Ordnung bezeichnet und entspricht der Gruppenlaufzeitdifferenz der beiden Eigenmoden bei der Trägerfrequenz des optischen Signals. Bei den Termen höherer Ordnung wird die Wellenlängenabhängigkeit bzw. Frequenzabhängigkeit der PMD berücksichtigt. Bei der PMD zweiter Ordnung (engl. „second or der polarisation-mode dispersion", abgekürzt SOPMD) werden zwei Ausprägungen unterschieden: die Depolarisation (engl. „depolarisation", abgekürzt DEP) und die polarisationsabhängige chromatische Dispersion (engl. „polarisation dependent chromatic dispersion", abgekürzt PCD). Die PCD bewirkt ein Auseinanderlaufen der einzelnen Spektralkomponenten der Polarisationsmoden eines Impulses. Die DEP bewirkt eine Änderung der Polarisation der einzelnen Spektralkomponenten. Durch die DEP wird ein ursprünglich polarisiertes Signal teilweise depolarisiert.

Aufgrund der erhöhten Bandbreite der optischen Signale mit zunehmender Datenrate wirkt sich bei einer Datenrate von 40 Gbit/s die PMD höherer Ordnung verstärkt aus. Dies bedeutet, dass beim Übergang auf 40 GBit-Systeme der Bedarf wächst, PMD-bedingte Verzerrungen auch höherer Ordnung zu kompensieren.

Aus der Literatur sind Kompensatoren für PMD höherer Ordnung bekannt, deren Stellglied aus mehreren Polarisationsstellern und mehreren doppelbrechenden Elementen bestehen. Die Regelung dieser PMD-Kompensatoren erweist sich jedoch als sehr schwierig, weil der Zusammenhang zwischen den gewählten Einstellungen der Polarisationssteller und der resultierenden PMD erster und zweiter Ordnung des Stellglieds nicht bekannt ist. Aus diesem Grund kann die Regelung nur mit einem iterativen Ansatz erfolgen, bei dem jeweils ein Polarisationssteller in kleinen Schritten verstellt wird. Bei Verbesserung des Gütekriteriums erfolgt ein weiterer Schritt in dieselbe Richtung. Andernfalls wird der letzte Schritt beim betrachteten Polarisationssteller rückgängig gemacht und zum nächsten Polarisationssteller übergegangen. Aufgrund der vielen Verstellschritte, die bis zum Erreichen des Optimums notwendig sein können, haben PMD-Kompensatoren mit iterativer Regelung Probleme, in der Praxis auftretenden schnellen Änderungen der PMD der Strecke zu folgen. Weiterhin können sie in Nebenmaxima hängen bleiben und das Optimum im ungünstigen Fall gar nicht erreichen.

Statt eines iterativen Abgleichs, besteht die Möglichkeit, eine direkte Einstellung des PMD-Kompensator-Stellglieds in einem Schritt durchzuführen, wenn zuvor die PMD erster und zweiter Ordnung am Ausgang der Strecke mittels eines Polarimeters gemessen wurde. Zu diesem Zweck muss das Stellglied eine gezielte Einstellung der PMD erster und zweiter Ordnung erlauben. Für die Emulation der Strecken-PMD sind Laborgeräte bekannt, bei denen sich die PMD erster und zweiter Ordnung gezielt einstellen lässt, jedoch nicht die Aufteilung zwischen den beiden Ausprägungen der PMD zweiter Ordnung. Für einen Einsatz als Stellglied eines PMD-Kompensators eignen sich diese Geräte damit nicht, weil die beiden Ausprägungen zu unterschiedlichen Signalverzerrungen führen. Verzerrungen eines Signals durch PCD lassen sich mit einem Stellglied, das nur DEP aufweist, nicht kompensieren.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung anzugeben, welche eine gezielte Einstellung der PMD erster Ordnung und der PMD zweiter Ordnung erlaubt, wobei die PMD zweiter Ordnung möglichst getrennt nach ihren beiden Ausprägungen DEP und PCD einstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Neben der Einstellung von PMD erster Ordnung wird für eine gegebene Trägerfrequenz eine getrennte Einstellung von DEP und PCD durch eine Anordnung aus mindestens vier in Serie geschalteten doppelbrechenden Elementen erreicht. Die Auslegung der Parameter der einzelnen doppelbrechenden Elemente erfolgt vorteilhaft auf der Basis des Formalismus der PMD-Vektoren im Stokes-Raum. Erfindungsgemäß wird die PMD erster Ordnung mittels des ersten doppelbrechenden Elementes eingestellt. Dementsprechend weist der mit dem ersten doppelbrechenden Element verknüpfte PMD-Vektor im Stokes-Raum den Betrag der gewünschten differentiellen Gruppenlaufzeit DGD und die Rich tung einer Hauptachse des ersten doppelbrechenden Elementes auf. Die PMD zweiter Ordnung wird mittels mindestens drei weiteren doppelbrechenden Elementen eingestellt. Deren PMD-Vektoren bilden im Stokes-Raum einen geschlossenen Vektorzug. Dadurch wird die Resultierende dieser drei Vektoren zu Null, die Ableitung nach der Frequenz aller vier PMD-Vektoren wird je nach den gewählten Hauptachsen und Laufzeitdifferenzen eine oder beide Komponenten der PMD zweiter Ordnung enthalten. Der erfindungsgemäße PMD-Emulator funktioniert unabhängig von der Polarisation eines optischen Eingangssignals.

Mittels der PMD-Vektoren im Stokes-Raum sind die Hauptachsen der doppelbrechenden Elemente festgelegt, was einen weiteren Vorteil der Erfindung darstellt, da bereits während der Herstellung die Hauptachsen der doppelbrechenden Elemente zueinander ausgerichtet werden können. Zusätzliche Komponenten wie Polarisationsdreher werden dadurch eingespart. Vorteilhaft brauchen nur die differentiellen Laufzeitunterschiede und akkumulierten differentiellen Phasen der einzelnen doppelbrechenden Elemente eingestellt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anordnung aus vier doppelbrechenden Elementen verwendet. Es handelt sich dabei um die minimale Anzahl doppelbrechender Elemente, die notwendig ist, um die beiden Ausprägungen der PMD zweiter Ordnung getrennt einzustellen. In dieser Ausführungsvariante werden für die Winkeldifferenzen zwischen den doppelbrechenden Elementen die Werte 45°, 60° und 60° gewählt. Die Laufzeitdifferenzen werden dabei nach vorgegebenen Vorschriften mittels der gewünschten Beträge der DGD, DEP und PCD berechnet. Die differentiellen Phasen, d.h. die Produkte aus der Kreisfrequenz ω und der jeweiligen Laufzeitdifferenz (Δτ₁, Δτ₂, Δτ₃, Δτ₄, ...) entsprechen dabei einem bestimmten Vielfachen von 2π.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann sowohl zur Emulation als auch zur Kompensation von PMD eingesetzt werden. Im Gegensatz zu adaptiven Verfahren wird mittels des erfindungsgemäßen Stellgliedes vorteilhaft in einem Schritt eine Kompensation erreicht. Dazu wird die PMD mittels eines spektral hochauflösenden Polarimeters bestimmt, das an eine Steuereinheit angeschlossen ist. Diese stellt in Abhängigkeit von den ermittelten Werten die erfindungsgemäße Anordnung ein.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der 1 bis 3 näher erläutert:
Dabei zeigen
1 Skizze des erfindungsgemäßen PMD-Emulators
2
a) Anordnung aus vier verketteten PMD-Vektoren im Stokes-Raum für vier doppelbrechende Elemente zur Erzeugung von PMD erster Ordnung und PCD
b) Anordnung von vier verketteten PMD-Vektoren im Stokes-Raum für vier doppelbrechende Elemente zur Erzeugung von PMD erster Ordnung und DEP
3 Blockschaltbild eines PMD-Kompensators
Es steht fest, dass durch Hintereinanderschaltung einer Mehrzahl doppelbrechender Elemente PMD erzeugt werden und umgekehrt auch kompensiert werden kann. Pro Element ist hierfür eine Einstellung oder Festlegung der schnellen und langsamen Hauptachsen, der differentiellen Gruppenlaufzeit zwischen den Hauptachsen (welche im Folgenden auch als Laufzeitdifferenz zwischen der schnellen und langsamen Hauptachse eines Elements bezeichnet wird) und gegebenenfalls eines Polarisationsdrehers zwischen den doppelbrechenden Elementen notwendig. Um diese Parameter beispielsweise für die Auslegung eines PMD-Emulators zu bestimmen, kann ein geometrischer Ansatz verwendet werden.
PMD wird häufig in Form von Vektoren im Stokes-Raum dargestellt. Über mögliche Darstellungsweisen bzw. Notationen zur Beschreibung von PMD gibt die Veröffentlichung von J. P. Gordon und H. Kogelnik, "PMD fundamentals: Polarisation mode dispersion in optical fibers", in Proc. Nat. Academy Science, Vol. 97, Apr. 25, 200, S. 4541–4550 einen Überblick. Ein PMD-Vektor verknüpft die Information über die Richtung der schnellen und langsamen Hauptachsen eines doppelbrechenden Elements, welche auch als Polarisationshauptachsen (engl. „principal states of polarisation", abgekürzt PSP) am Ein- und Ausgang eines Elementes bezeichnet werden, und über den Laufzeitunterschied der beiden Polarisationsmoden DGD, welcher als Unterschied zwischen maximaler und minimaler Geschwindigkeit der Moden definiert ist. Im Folgenden wird als PMD-Vektor τ → ein Stokes-Vektor bezeichnet, dessen Richtung (hier mittels Einheitsvektor q → ausgedrückt) durch die schnelle Hauptachse eines Elements festgelegt ist und dessen Betrag τ der Länge der DGD entspricht. Im Allgemeinen ist der PMD-Vektor eine Funktion der Frequenz: τ →(ω) = τ(ω)q →(ω). PMD zweiter Ordnung wird in dieser Notation als Ableitung nach der Frequenz des PMD-Vektors definiert. Es gilt:
Die beiden Terme der angegebenen Formel werden oft separat behandelt, indem die PMD zweiter Ordnung in zwei Komponenten aufgeteilt wird.
Bei der ersten Komponente τ →PCDω handelt es sich um die PCD. Der Vektor τ →PCDω weist in die gleiche Richtung wie der Einheitsvektor q → des PMD-Vektors. Bei der zweiten Komponente τ →DEPω handelt es sich um die DEP. Der Vektor τ →DEPω ist senkrecht zum PMD-Vektor ausgerichtet. Er repräsentiert eine frequenzabhängige Drehung der Hauptachsen des Elementes.
Werden mehrere doppelbrechende Elemente hintereinandergeschaltet, so kann aus den PMD-Vektoren der Einzelelemente ein resultierender PMD-Vektor für die Hintereinanderschaltung der Elemente konstruiert werden. Dazu sind bestimmte Verkettungsregeln für die PMD-Vektoren erster und zweiter Ordnung anzuwenden, die ebenfalls der oben genannten Veröffentlichung von J. P. Gordon und H. Kogelnik zu entnehmen sind.
Basierend auf dieser geometrischen Interpretation der PMD, lassen sich geeignete Parameter für die Auslegung eines PMD-Emulators herleiten. In 1 ist eine Skizze eines solchen PMD-Emulators gezeigt. Der PMD-Emulator D weist mindestens vier doppelbrechende Elemente E1 bis E4 auf, die in Serie hintereinander geschaltet sind.
Die Auslegung der Elemente erfolgt aus der Anordnung der entsprechenden PMD-Vektoren im Stokes-Raum. Mittels der Länge der PMD-Vektoren wird die Laufzeitdifferenz Δτ zwischen der schnellen und der langsamen Hauptachse der einzelnen Elemente ermittelt. Anhand der Winkel der PMD-Vektoren zueinander wird die Ausrichtung der Hauptachsen der einzelnen doppelbrechenden Elemente zueinander hergeleitet. Die Winkel zwischen den doppelbrechenden Elementen werden auf diese Weise festgelegt und ein Element zur Polarisationsdrehung wird nicht benötigt. Ferner ist zu beachten, dass pro Element auch eine Feinabstimmung des differentiellen Laufzeitunterschieds im Bereich einer Wellenlänge vorgesehen sein muss, da restliche akkumulierte differentiellen Phasen zwischen den beiden Hauptachsen zu Polarisationsänderungen führt. Eine grundlegende Anleitung zur Auslegung von PMD-Emulatoren ist in der Veröffentlichung von J. N. Damask: „Methods to construct programmable PMD sources-Part I: Technology and Theory", Journal of Lightwave Technology, Vol. 22, No. 4 (2004) auf den Seiten 997 bis 1005 angegeben.
Im Falle des erfindungsgemäßen PMD-Emulators wird mittels des ersten doppelbrechenden Elementes E1 die gewünschte PMD erster Ordnung eingestellt. Unabhängig von der Polarisation des Eingangssignals werden die Hauptachsen des ersten doppelbrechenden Elementes vorgegeben. In den 2a und 2b ist dies durch einen ersten PMD-Vektor τ →₁ im Stokes-Raum veranschaulicht. In den gezeigten Beispielen handelt es jeweils sich um eine Ausrichtung der Hauptachsen parallel zum S1-Vektor, d.h. die beiden Polarisationsmoden eines optischen Signals OS, das in den PMD-Emulator eingekoppelt wird, weisen eine lineare Polarisation auf. Die Länge des PMD-Vektors τ →₁ entspricht der einzustellenden DGD.
In einem nächsten Schritt wird die Anordnung mit weiteren doppelbrechenden Elementen erweitert, so dass zusätzlich zu der bereits fest eingestellten DGD eine beliebige PMD zweiter Ordnung eingestellt werden kann. Dies soll getrennt, nach den Komponenten DEP oder PCD erfolgen oder es soll eine SOPMD mit definiertem Verhältnis PCD/DEP eingestellt werden. Diese Vorgaben werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass mindestens drei weitere doppelbrechende Elemente E2, E3 und E4 ergänzt werden, deren PMD-Vektoren derart angeordnet werden, dass die Resultierende aus den drei PMD-Vektoren Null ergibt und die Ableitung dieser Resultierenden die gewünschte DEP bzw. PCD-Komponente ergibt. Dies kann nur mittels eines geschlossenen Vektorzugs erreicht werden. Zwei Beispiele dafür sind in 2a und 2b dargestellt. In beiden Fällen ist ein PMD-Vektor τ →₁ zur Einstellung einer festen DGD eingezeichnet.
An diesen schließt sich ein geschlossener Vektorzug aus den PMD-Vektoren τ →₂, τ →₃, und τ →₄ an. In 2a sind die PMD-Vektoren derart verkettet, dass sich eine reine PCD einstellt. Die Ableitungen der einzelnen Vektoren sind mittels der dünn eingezeichneten Pfeile angedeutet. Sie entsprechen PMD-Vektoren bei leicht veränderter Frequenz. In diesem Fall, weist die Ableitung nach der Frequenz der Resultierenden aller Vektoren τ →PCDω nur Komponenten in Richtung des ersten PMD-Vektors auf. Da die PCD-Komponente in der gleichen Richtung wie PMD erster Ordnung wirkt, wird der erste PMD-Vektor τ →₁, mit dem ja die DGD eingestellt wurde, – anschaulich gesprochen – verlängert oder verkürzt. In 2b sind die PMD-Vektoren derart verkettet, dass sich am Ausgang der Gesamtanordnung eine reine DEP einstellt. Aus 2b ist zu entnehmen, dass die Ableitung nach der Frequenz der Resultierenden aller Vektoren τ →DEPω keine weitere Komponente in Richtung des ersten PMD-Vektors τ →₁ aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der die doppelbrechenden Elemente mit den in 1 definierten Winkeln zwischen den Hauptachsen angeordnet werden. Andere beliebige aber feste Winkel sind möglich, allerdings mit erhöhten Anforderungen an den Verstellbereich der einzelnen doppelbrechenden Elemente. Ein Einsatz von Polarisationsstellern zwischen den doppelbrechenden Elementen ist wie weiter oben bereits beschrieben nicht erforderlich, die Winkel können bei der Herstellung eingestellt werden. In der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1 wird die schnelle Achse des ersten doppelbrechenden Elementes E1 in einem Winkel von 0 Grad gegenüber der y-Achse des gewählten kartesischen Koordinatensystems angeordnet. Der in E1 eingezeichnete Pfeil soll die schnelle Hauptachse des Elementes andeuten. Das zweite doppelbrechende Element E2 ist derart angeordnet, dass seine schnelle Hauptachse um einen Winkel von 45 Grad gegenüber der des ersten doppelbrechenden Elements E1 verdreht ist. Die schnelle Hauptachse des dritten Elementes E3 wird um –15 Grad gegenüber der des ersten und die des vierten Elementes E4 um –75 Grad gedreht.
Die Laufzeitdifferenz zwischen den Hauptachsen des ersten doppelbrechenden Elements Δτ₁ wird entsprechend der gewünschten DGD eingestellt: Δτ1 = DGD.
Für die Feineinstellung der Laufzeitdifferenz (im Wellenlängenbereich) sollte die akkumulierte differenzielle Phase, definiert als Produkt aus der Kreisfrequenz ω = 2π f₀ und der differenziellen Laufzeit Δτ eines Elementes, ein bestimmtes Vielfaches von 2π aufweisen. Ist Δτ·ω ein ganzzahliges Vielfaches von 2π, so bleibt der Polarisationszustand des einfallenden Signals am Ausgang des jeweiligen Elementes stets erhalten. Bei einer Änderung der differenziellen Phase zwischen den beiden Hauptachsen tritt stets eine Polarisationsänderung ein. Weist das Produkt Δτ·ω ein bestimmtes Vielfaches von 2π auf, kann darüber eine bestimmte Richtung der DEP im Stokes-Raum eingestellt werden. Als Beispiel sei angenommen, dass alle PMD-Vektoren der doppelbrechenden Elemente in der S₁S₂-Ebene liegen. Die DEP ist in diesem Fall in S₃-Richtung ausgerichtet. Wird die differenzielle Laufzeit Δτ₁ erhöht, so dass sich das Produkt Δτ·ω um π/2 vergrößert, wird die Richtung des PMD-Vektors des zweiten doppelbrechenden Elements im Stokes-Raum um 90 Grad gedreht, was in einer DEP in S₂-Richtung resultiert. Im Bild der PMD-Vektoren ist eine Phasenänderung nur durch Verkettung von mindestens zwei PMD-Vektoren zu erreichen.
Für das erste doppelbrechende Element soll sich die akkumulierte Phasendifferenz nicht ändern, d.h. es soll keine DEP eingestellt werden. Daher gilt: Δτ1·ω = n2π mit n = 0, 1, 2 ...
Der Betrag der PMD zweiter Ordnung SOPMD wird über die differenziellen Laufzeiten des zweiten, dritten und vierten doppelbrechenden Elements eingestellt. Dabei wird die Aufteilung der SOPMD auf die DEP und die PCD mit Hilfe der differenziellen Laufzeit des zweiten doppelbrechenden Elements eingestellt. Für das Verhältnis PCD/DEP gilt:
Die differenzielle Gruppenlaufzeit ist nach folgender Vorschrift einzustellen:
und die akkumulierte differentielle Phase ist nun von dem Verhältnis PCD/DEP abhängig und lautet: Δτ2·ω = n2π + β mit n = 0, 1, 2 ...
Um einen geschlossenen Vektorzug in einer Ebene zu erhalten müssen für das dritte und vierte doppelbrechende Element folgende Formeln (bei den fest vorgegebenen Winkeln) verwendet werden. Dabei muss das Produkt aus der Kreisfrequenz und der differenziellen Laufzeit des dritten und vierten doppelbrechenden Elements stets ein ganzzahliges Vielfaches von 2π aufweisen:
Wenn die Laufzeit des zweiten doppelbrechenden Elements genauso groß gewählt wird wie die des dritten und vierten und damit das Produkt aus der Kreisfrequenz und der differenziellen Laufzeit Δτ₂ ein ganzzahliges Vielfaches von 2π aufweist, dann ergibt sich reine DEP (DEP = SOPMD, PCD = 0). Wird die differenzielle Laufzeit des zweiten doppelbrechenden Elements um 1/(4 f₀) erhöht, so ergibt sich reine PCD (PCD = SOPMD, DEP = 0).
Auch eine andere Ausführungsvariante ist denkbar. Beispielsweise können zwischen als Winkeldifferenzen zwischen den einzelnen Elementen auch die Werte 45°, 45° und 90° gewählt werden. Die Formeln für die Laufzeitunterschiede müssen in diesem Fall entsprechend angepasst werden.
Als doppelbrechendes Element kann beispielsweise eine einstellbare Verzögerungsleitung bestehend aus einem eingangsseitigen Polarisationstrahlteiler und zwei Armen mit jeweils einer variablen Verzögerung und einem ausgangsseitigen Polarisationskombinierer verwendet werden. Beim Einstellen der differenziellen Laufzeit dieser doppelbrechenden Elemente ist eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich. Diese lässt sich entweder durch hochpräzise Stellglieder erreichen oder durch eine interferometrische Überwachung des jeweils eingestellten Wertes bei laufendem Betrieb.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird für das in 1 dargestellte Blockschaltbild ein Zahlenbeispiel gegeben. Die einzustellende DGD beträgt 10 ps, die einzustellende PCD 70,7 ps², die einzustellende DEP ebenfalls 70,7 ps², entsprechend einer gesamten PMD zweiter Ordnung von 100 ps² bei einer Trägerfrequenz von 193,0 THz. Der resultierende PMD-Vektor aus den vier PMD-Vektoren der Einzelelemente soll entgegen der S₁-Richtung im Stokes-Raum angeordnet sein. Um diese Vorgaben zu erfüllen, wird die schnelle Hauptachse des ersten doppelbrechenden Elements mit einem Winkel von 0 Grad zur y-Richtung angeordnet und eine differenzielle Laufzeit von 10,0 ps eingestellt. Für die Winkel und differenziellen Laufzeiten des zweiten, dritten und vierten doppelbrechenden Elements werden folgende Wertepaare gewählt: 45 Grad, 10,746762 ps, –15 Grad, 10,746114 ps, –75 Grad, 10,746114 ps.
In 3 ist ein Blockschaltbild für einen PMD-Kompensator unter Verwendung des erfindungsgemäßen PMD-Emulators dargestellt. Ein Koppler K zweigt einen kleinen Teil des optischen Eingangssignals OS zu Steuerungszwecken ab. Das verzerrte und in seinem Polarisationszustand veränderte optische Signal OS wird anschließend einem Polarisationssteller PS und dem erfindungsgemäßen PMD-Emulator D zugeführt. Nach Durchlaufen von D wird das kompensierte Signal wieder an die Strecke abgegeben. Das am Koppler K abgezweigte Signal wird einem spektral hoch auflösenden Polarimeter PM zugeführt. Das Polarimeter misst die PMD am Ausgang der Strecke. Der derart er mittelte PMD-Vektor am Ausgang der Strecke wird neben den Beträgen der DGD, der DEP und der PCD auch eine bestimmte Richtung aufweisen. Mit diesen Informationen werden innerhalb einer dem Polarimeter nachfolgenden Steuereinheit S die Laufzeitdifferenzen Δτ₁, Δτ₂, Δτ₃, Δτ₄, ... zwischen der schnellen und langsamen Hauptachse der doppelbrechenden Elemente gemäß den oben angegebenen Vorschriften ermittelt. Die Steuereinheit stellt den Polarisationssteller derart ein, dass der Polarisationszustand am Eingang der Strecke wieder hergestellt wird. Anschließend werden mittels des Stellglieds D die Beträge der DGD, PCD und DEP eingestellt. Das von der Steuereinheit abgegebene Steuersignal für den Polarisationssteller PS muss daher derart ausgestaltet sein, dass der aus den vier PMD-Vektoren resultierende PMD-Vektor des Stellglieds D orthogonal zu dem der Strecke ausgerichtet wird. Dabei muss insbesondere die DEP berücksichtigt werden. Sie muss in umgekehrter Richtung eingestellt werden. Bei der Einstellung der Beträge von DGD, DEP und PCD mittels des Stellglieds D muss insbesondere der Betrag der PCD ein zur Strecke entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Auf diese Weise wird eine Kompensation in einem Schritt erreicht. Ein langsames und iteratives Vorgehen wird mittels der Anordnung in 3 vermieden.

Claims

Anordnung zur Einstellung von Polarisationsmodendispersion erster und zweiter Ordnung mit mindestens vier in Serie geschalteten doppelbrechenden Elementen (E1, E2, E3, E4, ...), denen im Stokes-Raum jeweils ein PMD-Vektor (τ →₁, τ →₂, τ →₃, τ →₄, ...) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste doppelbrechende Element (E1) einen PMD-Vektor (τ →₁) aufweist, dessen Betrag einer gewünschten differentiellen Gruppenlaufzeit entspricht, und dass die weiteren doppelbrechenden Elemente (E2, E3, E4, ...) PMD-Vektoren (τ →₂, τ →₃, τ →₄, ...) aufweisen, die einen geschlossenen Vektorzug bilden, so dass die Ableitung nach der Frequenz der Resultierenden aller PMD-Vektoren (τ →₁, τ →₂, τ →₃, τ →₄, ...) einer gewünschten polarisationsabhängigen chromatischen Dispersion (PCD) und/oder Depolarisation (DEP) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen doppelbrechenden Elemente (E1, E2, E3, E4, ...) fest eingestellte Hauptachsen und einstellbare Laufzeitdifferenzen (Δτ₁, Δτ₂, Δτ₃, Δτ₄, ...) zwischen der schnellen und langsamen Hauptachse des jeweiligen doppelbrechenden Elementes aufweisen, wobei die Laufzeitdifferenzen so eingestellt sind, dass das Produkt aus der Kreisfrequenz ω und der jeweiligen Laufzeitdifferenz (Δτ₁, Δτ₂, Δτ₃, Δτ₄, ...) ein bestimmtes Vielfaches von 2π ergibt.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das erste doppelbrechende Element (E1) derart ausgestaltet ist, dass seine Hauptachsen entlang eines Referenzsystems ausgerichtet sind und die Laufzeitdifferenz (Δτ₁) zwischen der schnellen und der langsamen Hauptachse der gewünschten differenziellen Gruppenlaufzeit (DGD) entspricht, derart dass Δτ1 = DGD und Δτ1·ω = 2π·n mit n = 0, 1, 2, ... – dass das zweite doppelbrechende Element (E2) derart ausgestaltet ist, dass seine Hauptachsen um 45° im Vergleich zu den Hauptachsen des ersten doppelbrechenden Elementes (E1) gedreht sind und die Laufzeitdifferenz (Δτ₂) zwischen der schnellen und der langsamen Hauptachse nach der Formel
eingestellt ist, – dass das dritte doppelbrechende Element (E3) derart ausgestaltet ist, dass seine Hauptachsen um –15° im Vergleich zu den Hauptachsen des ersten doppelbrechenden Elementes (E1) gedreht sind und die Laufzeitdifferenz (Δτ₃) zwischen der schnellen und der langsamen Hauptachse nach der Formel
eingestellt ist, und – dass das vierte doppelbrechende Element (E4) derart ausgestaltet ist, dass seine Hauptachsen um –75° im Vergleich zu den Hauptachsen des ersten doppelbrechenden Elementes (E1) gedreht sind und die Laufzeitdifferenz (Δτ₄) zwischen der schnellen und der langsamen Hauptachse nach der Formel
eingestellt ist, wobei in den Formeln der Ausdruck ω eine vorgegebene Kreisfrequenz bezeichnet, SOPMD den Betrag der PMD zweiter Ordnung bezeichnet, der sich aus den Beträgen der Komponente der Depolarisation (DEP) und der Komponente der polarisationsabhängigen chromatischen Dispersion (PCD) nach
berechnet.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel zwischen den Hauptachsen der doppelbrechenden Elemente im Vergleich zu Anspruch 3 entgegen gesetzte Vorzeichen aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils als doppelbrechendes Element (E1, E2, E3, ...) eine interferometerähnliche Anordnung aus einem eingangsseitigen Polarisationsstrahlteiler mit angeschlossenen einstellbaren Verzögerungsleitungen und einem ausgangsseitigen Polarisationskombinierer vorgesehen ist.
Anordnung zur Kompensation von Polarisationsmodendispersion erster und zweiter Ordnung, die eingangsseitig einen Koppler (K) aufweist, dessen erster Ausgang mit einem regelbaren Polarisationssteller (PS) und nachfolgend mit einer Anordnung zur Einstellung von PMD erster und zweiter Ordnung (D) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 verbunden ist, dessen zweiter Ausgang mit einem Polarimeter (PM) mit nachfolgend angeschlossener Steuereinheit (S) verbunden ist, die entsprechend der von dem Polarimeter gemessenen Richtungen und Beträge der differentiellen Gruppenlaufzeit (DGD), der polarisationsabhängigen chromatischen Dispersion (PCD) und der Depolarisation (DEP) den Polarisationssteller (PS) und die Anordnung zur Einstellung von PMD ersten und zweiter Ordnung (D) steuert.
Anordnung zur Kompensation von Polarisationsmodendispersion erster und zweiter Ordnung, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationssteller (PS) orthogonal zur Richtung der Resultierenden des PMD-Vektors der Strecke eingestellt ist, dass beim ersten doppelbrechenden Element (E1) die Laufzeitdifferenz (Δτ₁) der gemessenen DGD eingestellt ist, dass beim zweiten bis vierten doppelbrechenden Element (E2, E3, E4) die Laufzeiten (Δτ₂, Δτ₃, Δτ₄) entsprechend dem Betrag der DEP und dem negativen Betrag der PCD eingestellt sind, wobei alle Laufzeitdifferenzen derart eingestellt sind, dass das Produkt aus der Kreisfrequenz ω und der jeweiligen Laufzeitdifferenz (Δτ₁, Δτ₂, Δτ₃, Δτ₄, ...) ein bestimmtes Vielfaches von 2π ergibt.