DE10322110B4 - Arrangement for generating multi-wave optical signals and multi-signal source - Google Patents
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Abstract
Anordnung
zur Erzeugung von optischen Mehrwellensignalen, aufweisend mindestens
eine
Pumpquelle, die Pumpimpulse erzeugt, und
eine Mehrkern-Photonische-Kristallfaser
(MF), die aus N Kernen (Ki) und um die Kerne
(Ki) angeordneten Kapillaren (Lij)
aus einem Material mit einer kleineren Brechzahl als der des Kerns
besteht, wobei jeder Kern (Ki) mit den um
ihn angeordneten Kapillaren (Lij) einen
Wellenleiter (Wj) bildet und alle Wellenleiter
(Wj) geringe Unterschiede in der effektiven
Brechzahl aufweisen, wobei
Pumpquelle und Mehrkern-Photonische-Kristallfaser
(MF) derart verbunden sind, dass die Pumpimpulse in die gesamte
Fläche
der Mehrkern-Photonischen-Kristallfaser (MF)
eingestrahlt und beim Durchgang der Pumpimpulse durch die einzelnen
Wellenleiter (Wj) mittels Vierwellenmischung
Idler-Impulse mit unterschiedlichen diskreten Wellenlängen erzeugt
werden.Arrangement for generating multi-wave optical signals, comprising at least
a pump source that generates pump pulses, and
a multi-core photonic crystal fiber (MF) consisting of N cores (K i ) and capillaries (L ij ) arranged around the cores (K i ) of a material having a refractive index less than that of the core, each core (K i ) with the capillaries (L ij ) arranged around it forms a waveguide (W j ) and all waveguides (W j ) have small differences in the effective refractive index, wherein
Pump source and multi-core photonic crystal fiber (MF) are connected such that the pump pulses into the entire surface of the multi-core photonic crystal fiber (MF) irradiated and the passage of the pump pulses through the individual waveguide (W j ) by means of four-wave mixing idler pulses with different discrete wavelengths are generated.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von optischen Mehrwellensignalen und eine Mehrsignal-Quelle.The The invention relates to an arrangement for generating multi-wave optical signals and a multi-signal source.
Für die Erzeugung von Mehrwellensignalen für eine große Anzahl von Kanälen in WDM (wavelength division multiplex)-Übertragungssystemen wurden dem Stand der Technik nach bisher vor allem DFB-Laser (distributed feedback laser) mit fixierter Wellenlänge verwendet. Solche Laser bestehen aus einem Halbleiterlaser mit einem Gitter, das in die aktive Schicht der Diode geätzt wird. Dabei ist für jeden Kanal ein separater Laser mit einer fixierten Wellenlänge notwendig, was bei der hohen Anzahl von bis zu 160 Kanälen zu beträchtlichen Nachteilen und hohen Kosten führt. Gegenwärtig werden solche Laser mit fixierter Wellenlänge zunehmend durch abstimmbare Laser ersetzt, wobei verschiedene Methoden für die Abstimmbarkeit der Wellenlänge realisiert werden, wie z.B. durch Temperaturveränderungen mittels thermo-elektrischer Kühler. Der Abstimmbereich kann bei solchen Lasern dadurch vergrößert werden, dass ein Array von Lasern mit verschiedener Wellenlänge in einen einzigen Chip integriert wird. Fortschritte bei der Entwicklung abstimmbarer Laser in letzter Zeit sowie ihr Vergleich mit den Anforderungen des Marktes in der Telekommunikation werden z.B. durch B. Pezheski in Optics & Photonic News, Bd. 12, Nr. 5, S. 34-38 (2001) beschrieben.For the generation of multi-wave signals for a big Number of channels in WDM (wavelength division multiplex) transmission systems the prior art according to previously mainly DFB laser (distributed feedback laser) with fixed wavelength used. Such lasers consist of a semiconductor laser with a grid, which in the etched active layer of the diode becomes. It is for each channel requires a separate laser with a fixed wavelength, which at the high number of up to 160 channels to considerable disadvantages and high Costs leads. Currently For example, such fixed wavelength lasers are becoming increasingly tunable Laser replaces, using different methods for the tunability of the wavelength realized be such. by temperature changes by means of thermoelectric Cooler. The tuning range can be increased by such lasers, that an array of lasers of different wavelengths into one single chip is integrated. Progress in development tunable laser lately and their comparison with the requirements of the telecommunications market are e.g. by B. Pezheski in Optics & Photonic News, Vol. 12, No. 5, pp. 34-38 (2001).
Diese Lösungen sind technisch sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.These solutions are technically very complicated and high costs.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine kompakte Anordnung zur Erzeugung von optischen Mehrwellensignalen anzugeben, die einfacher und preiswerter in ihrer Herstellung als die dem Stand der Technik nach bekannten Lösungen ist.task The invention is therefore a compact arrangement for the production specify of multi-wave optical signals, the simpler and cheaper in their production as known in the prior art solutions is.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Anordnung zur Erzeugung von optischen Mehrwellensignalen mindestens eine Pumpquelle, die Pumpimpulse erzeugt, und eine Mehrkern-Photonische-Kristallfaser (MCPCF) aufweist, die aus N Kernen und um die Kerne angeordneten Kapillaren aus einem Material mit einer kleineren Brechzahl als der des Kerns besteht, wobei jeder Kern mit den um ihn angeordneten Kapillaren einen Wellenleiter bildet und alle Wellenleiter geringe Unterschiede in der effektiven Brechzahl aufweisen, und Pumpquelle und MCPCF derart verbunden sind, dass die Pumpimpulse in die gesamte Fläche der MCPCF eingestrahlt und beim Durchgang der Pumpimpulse durch die einzelnen Wellenleiter mittels Vierwellenmischung Idler-Impulse mit unterschiedlichen diskreten Wellenlängen erzeugt werden.According to the invention Task solved by that the arrangement for generating multi-wave optical signals at least one pump source that generates pump pulses and a multicore photonic crystal fiber (MCPCF) consisting of N nuclei and arranged around the nuclei Capillaries made of a material with a smaller refractive index than that of the core, with each core arranged around it Capillaries forms a waveguide and all waveguides low Have differences in effective refractive index, and pump source and MCPCF are connected such that the pump pulses into the entire Area of MCPCF radiated and the passage of the pump pulses through the single waveguide using four-wave mixing idler pulses be generated with different discrete wavelengths.
Zwar
sind dem Stand der Technik nach auch Mehrkernfasern bekannt (multicore
fibre), siehe z.B.
Optische Mehrkern-Fasern sind beispielsweise auch in WO 02/088802 A1 und WO 02/16985 A1 beschrieben. So ist aus WO 02/088802 A1 ein zusammengesetztes Material von in einer Matrix eingebetteten Zylindern bekannt, deren Dispersionseigenschaften durch Wahl der Materialien, Durchmesser der Zylinder und ihrer geometrischen Anordnung sowie durch Dotierung mit anderen Materialien in einem großen Bereich variiert und aktiv steuerbar ist. In WO 02/16985 A1 ist eine optische Mehrkern-Faserstruktur beschrieben, deren Struktur sich besonders günstig an andere Bauelemente anpassen lässt. Beiden Veröffentlichungen ist kein Hinweis auf die erfindungsgemäße Lösung zur Erzeugung von Mehrwellensignalen zu entnehmen.optical Multicore fibers are also described, for example, in WO 02/088802 A1 and US Pat WO 02/16985 A1. Thus, WO 02/088802 A1 is a composite Material of embedded in a matrix cylinders known whose Dispersion properties by choice of materials, diameter the cylinder and its geometric arrangement as well as by doping varied and active with other materials in a wide range is controllable. WO 02/16985 A1 discloses a multicore optical fiber structure described, whose structure is particularly favorable to other components can be adjusted. Both publications is not an indication of the inventive solution for generating multi-wave signals refer to.
In erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ist vorgesehen, die unterschiedlichen effektiven Brechzahlen in den Wellenleitern durch unterschiedliche Kernmaterialien oder durch ein Basismaterial mit unterschiedlicher Dotierung oder durch unterschiedliche Größe der Kerndurchmesser oder durch unterschiedliche Abstände und Durchmesser der sie umgebenden Kapillaren zu erzeugen. Das Kernmaterial ist beispielsweise Quarzglas oder ein Material mit großem nichtlinearen Brechzahlkoeffizienten, beispielsweise As2S3-Glas.In embodiments according to the invention, the different effective refractive indices in the waveguides are produced by different core materials or by a base material with different doping or by different sizes of the core diameters or by different distances and diameters of the capillaries surrounding them. The core material is, for example, quartz glass or a material with a large non-linear refractive index coefficient, for example As 2 S 3 glass.
Die Querschnitte der um die Kerne angeordneten Kapillaren können kreisförmig oder elliptisch sein oder andere Formen aufweisen. Wie die Querschnitte der Kapillaren der entsprechenden Anwendung anpassbar sind, sind auch die Abstände zueinander und zu den Kernen einstellbar.The Cross sections of the capillaries arranged around the cores can be circular or be elliptical or have other shapes. Like the cross sections the capillaries of the corresponding application are adaptable also the distances adjustable to each other and to the cores.
Als Pumpquelle ist in Ausführungsformen ein Diodenlaser oder ein Diodenlaser mit mindestens einem Verstärker oder ein Festkörperlaser vorgesehen. Zur Erhöhung der Effizienz kann zusätzlich eine zweite Strahlungsquelle angeordnet sein, beispielsweise ein weiterer Diodenlaser, der eine spektral breite Strahlung im Bereich der Signal-Wellenlänge in die MCPCF einstrahlt.When Pump source is in embodiments a diode laser or a diode laser with at least one amplifier or a solid-state laser intended. To increase The efficiency can be additional a second radiation source may be arranged, for example a Another diode laser, which has a spectrally broad radiation in the range the signal wavelength into the MCPCF.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, einen Faserverstärker am Ausgang der MCPCF anzuordnen. Dieser – beispielsweise nachgeordnete oder integrierte Erbium-dotierte-Faserverstärker verstärkt die Mehrwellensignale, so dass die Leistung der Idler-Impulse die für Langstreckenübertragungssysteme notwendigen Werte erhält.In a further embodiment The invention provides for arranging a fiber amplifier at the output of the MCPCF. This - for example downstream or integrated erbium-doped fiber amplifier amplifies the multi-wave signals, so that the performance of idler pulses is the same for long distance transmission systems necessary values.
Die Erfindung umfasst auch Mehrwellen-Quellen, die mehrere parallel angeordnete MCPFC oder in longitudinaler Anordnung mehrere von gleichen Pumpimpulsen durchlaufende Segmente von MCPFC gemäß der Anordnung zur Erzeugung von optischen Mehrwellensignalen für eine Anzahl von N Kanälen aufweisen. Damit erzeugt die Mehrsignal-Quelle eine noch größere Anzahl von Kanälen.The The invention also encompasses multi-wave sources that are multiple in parallel arranged MCPFC or in the longitudinal arrangement of several of the same Pump pulses passing segments of MCPFC according to the arrangement for generating multi-wave optical signals for a number of N channels. In order to The multi-signal source generates an even larger number of channels.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass zur Erzeugung von Mehrwellensignalen in der MCPCF nur eine Pumpquelle notwendig ist, während bisher dem Stand der Technik nach für jeden Kanal ein einzelner Laser benötigt wird. Eine effiziente Umwandlung von Pumpstrahlung in Idlerstrahlung erfolgt unter der Bedingung der Phasenanpassung.Of the The essential advantage of the solution according to the invention is that for Generation of multi-wave signals in the MCPCF only one pump source is necessary while Previously the state of the art for each channel a single Laser needed becomes. An efficient conversion of pump radiation into idler radiation occurs under the condition of phase matching.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die hohen Anforderungen, die durch gegenwärtig realisierte WDM-Quellen gegeben sind, beträchtlich reduzieren werden.With the solution according to the invention can high demands made by currently realized WDM sources given, considerably reduce.
Die erfindungsgemäße Lösung geht – wie bereits beschrieben – von einer Mehrkern-Photonischen-Kristallfaser (MCPCF) aus.The inventive solution is - as already described - by a multi-core photonic crystal fiber (MCPCF).
Photonische Kristallfasern (PCF) haben in den letzten Jahren ein beträchtliches wissenschaftliches und technisches Interesse hervorgerufen. Derartige Fasern bestehen aus einem Kern aus Quarzglas oder aus einem anderen optischen Material, der von einem Mantel aus Kapillaren umgeben ist, die mit Luft gefüllt sind (siehe beipielsweise J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. Russel and D. M. Atkins, „All-silica single-mode optical Fiber with photonic crystal cladding", Opt. Lett. 21, 1547 (1996); T. A. Birks, W. J. Wadsworth and P. St. J. Russel, „ Endlessly single-mode photonic crystal fiber" Opt. Lett. 25, 1415 (2000); WO 00/60388; WO 01/42831). Der im Mikrometer-Bereich liegende Durchmesser und der Abstand der Kapillaren bestimmen die Ausbreitungseigenschaften des im Kern geführten Lichts. Solche PCF-Strukturen führen zu neuen und applikativ sehr interessanten Fasereigenschaften. Um nur einige zu nennen: Die Fasern können in einem sehr großen Wellenlängenbereich monomodal sein, man kann sehr große oder auch sehr kleine Modenfelddurchmesser für die Grundmode erreichen und es können neuartige Dispersionseigenschaften erzeugt werden, wie z.B. anomale Dispersion bis in den sichtbaren Bereich.Photonic Crystal fibers (PCF) have considerable in recent years scientific and technical interest. such Fibers consist of a core of quartz glass or another optical material surrounded by a sheath of capillaries is that filled with air (See, for example, J.C. Knight, T.A. Birks, P.S. Russel and D.M. Atkins, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding ", Opt. Lett. 21, 1547 (1996); T.A. Birks, W.J. Wadsworth and P.S.J. Russel, "Endlessly single-mode photonic crystal fiber "Opt. Lett. 25, 1415 (2000); WO 00/60388; WO 01/42831). The lying in the micrometer range diameter and The distance between the capillaries determines the propagation properties of the core Light. Such PCF structures to lead to new and applicatively very interesting fiber properties. Around just to name a few: the fibers can be in a very large wavelength range be monomodal, you can have very large or very small modenfelddurchmesser for the Reach and can do basic fashion novel dispersion properties are generated, e.g. abnormal Dispersion into the visible range.
Die in der erfindungsgemäßen Lösung vorgeschlagene Mehrkern-Photonische-Kristallfaser weist im Unterschied zur oben beschriebenen photonischen Kristallfaser mit einem Kern in einem gemeinsamen Mantel eine Vielzahl von N Kernen auf, die jeweils von Kapillaren umgeben sind. Wird in einer photonischen Kristallfaser eine Kapillare ausgelassen, besitzt der photonische Kristall einen Defekt. Der räumliche Bereich der fehlenden Kapillare bildet einen Kern (core) für einen optischen Wellenleiter, da seine Umgebung einen höheren Brechungsindex besitzt. Dadurch wird Licht im Kern analog wie in einer üblichen optischen Faser geleitet. In analoger Weise kann eine photonische Kristallfaser mit mehreren Kernen gebildet werden, indem mehrere Kapillaren ausgelassen werden. Damit ist eine Lichtleitung in Abhängigkeit der Eigenschaften des Kerns und/oder seiner Umgebung in mehreren Wellenleitern, bestehend aus Kern und den ihn umgebenden Kapillaren, gewährleistet. Die Kerne können auch ohne Schwierigkeiten mit zusätzlichen Materialien dotiert werden, wobei unterschiedliche Dotierungskonzentrationen oder Materialien möglich sind. Durch die unterschiedlichen Dotierungsraten entstehen kleine Unterschiede in der effektiven Brechzahl der Wellenleiter, die für die erfindungsgemäße Lösung eine notwendige Voraussetzung sind.The proposed in the solution according to the invention Multi-core photonic crystal fiber differs from the photonic crystal fiber described above with a core in a common coat a variety of N cores each surrounded by capillaries. Is in a photonic Crystal fiber omitted a capillary, the photonic possesses Crystal a defect. The spatial Missing capillary area forms a core for one optical waveguide, because its environment has a higher refractive index has. As a result, light in the core becomes analogous as in a conventional passed optical fiber. In an analogous manner, a photonic Crystal fiber with several cores are formed by several Capillaries are omitted. This is a light pipe in dependence the properties of the core and / or its environment in several Waveguides, consisting of core and surrounding capillaries, guaranteed. The cores can also doped with additional materials without difficulty with different doping concentrations or materials possible are. The different doping rates result in small ones Differences in the effective refractive index of the waveguide, the one for the inventive solution necessary condition.
Die
für die
Anwendung in WDM-Übertragungssystemen
geeigneten Mehrwellenlängensignale
werden gemäß der Erfindung
in der beschriebenen Mehrkern-Photonischen-Kristallfaser durch entartete
Vierwellenmischung erzeugt. Bei der entarteten Vierwellenmischung
(beispielsweise beschrieben von G.P. Agrawal in „Nonlinear Fiber Optics", Academic Press
(1994); pp. 289-314) wird ein Pumpimpuls mit der Frequenz ωp in eine Faser eingekoppelt. Infolge der
nichtlinearen Suszeptibilität
dritter Ordnung erzeugt der Pumpimpuls einen Idler- und einen Signalimpuls
mit den Frequenzen ωi und ωs, wobei zwei Photonen des Pumpimpulses in
je ein Photon der Signal- und
der Idlerwelle umgewandelt werden: 2ωp → ωi + ωs. Eine effiziente Umwandlung erfolgt nur,
wenn die Bedingung der Phasenanpassung erfüllt ist:
Die
Leistung des Idler-Impulses lässt
sich in diesem Fall durch folgende Formel berechnen
In
Für gewöhnliche
Standardfasern führt
die notwendige Erfüllung
der Phasenanpassungsbedingung (
Zur
Erzeugung von optischen Signalen mit einer bestimmten Anzahl diskreter
Wellenlängen
für die Nachrichtenübertragung
mittels Wellenlängenmultiplexverfahren
(WDM) weisen erfindungsgemäß die einzelnen
Wellenleiter der Mehrkern-Photonischen-Kristallfaser kleine, bei
ihrer Herstellung einstellbare Unterschiede in der effektiven Brechzahl
auf. Diese Brechzahldifferenzen können – wie bereits erwähnt – u.a. durch
Dotierungen der Kerne mit einem anderen Material mit variabler Konzentration
erzeugt werden. Im Prinzip würden auch
unterschiedliche Durchmesser der Kerne oder der umgebenden Kapillaren
solche Brechzahldifferenzen erzeugen, die dafür erforderlichen Toleranzgrenzen
sind jedoch relativ hoch. Mittels Vierwellenmischung wird in jedem
Wellenleiter einer solchen Mehrkern-Photonischen-Kristallfaser Strahlung
mit einer bestimmten diskreten Idler-Wellenlänge erzeugt, die durch die
Bedingung der Phasenanpassung (
Die Erfindung wird in folgenden Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.The Invention will be in the following embodiments closer by means of drawings explained.
Dabei zeigen:there demonstrate:
a,
b: Kurven, die die zeitliche Form der Pumpimpulse darstellen;
c,
d: Kurven, die die zeitliche Form der Idler-Impulse darstellen;
e;
f: Kurven, die das Spektrum der Idler-Impulse darstellen;
a, b: curves representing the temporal shape of the pump pulses;
c, d: curves representing the temporal shape of the idler pulses;
e; f: curves representing the spectrum of idler pulses;
Die
in
In
In
der
Wie
bereits erwähnt,
ist es für
die Erzeugung von Mehrwellensignalen im Telekomminikationsfenster durch
eine Mehrkern-PCF notwendig, dass jeder Wellenleiter der MCPCF einen
kleinen Unterschied der effektiven Brechzahl im Verhältnis zu
den anderen Wellenleitern aufweist, wodurch entsprechend der Bedingung zur
Phasenanpassung (
In
In
Für Anwendungszwecke
ist es natürlich
wichtig, die geforderten Anforderungen an die Pumpquelle hinsichtlich
ihrer Impulsparameter wie insbesondere die geforderte Leistung und
die damit realisierbaren Leistungen der Mehrwellensignale der Idler-Impulse
zu berechnen. Zur Demonstration wurde die Ausbreitung von einem
Pumpimpuls mit der Dauer von 40 ps mit geeigneten Wellenlängen durch
die in der
Die
Ergebnisse der numerischen Simulation zur Erzeugung von Idler-Impulsen aus Pumpimpulsen sind
in der
Hier bedeuten Aj die Amplituden der Impulse, α den Verlustkoeffizienten, η = t – z/νg(ωp) die mit dem Pumpimpuls mitbewegte Zeit, z – die Koordinate längs der Faser und γj = n2ω/cAeff. Die übrigen Symbole wurden bereits oben eingeführt.Here, A j are the amplitudes of the pulses, α the loss coefficients, η = t - z / ν g (ω p ) the time along with the pump pulse, z - the coordinate along the fiber and γ j = n 2 ω / cA eff . The other symbols have already been introduced above.
In
Analoge Rechnungen haben wir auch für eine PCF mit einem Kern aus Quarzglas durchgeführt. Um die gleiche Idler-Leistung zu erreichen ist dabei die benötigte Eingangsleistung für den Pumplaser etwa 30 mal höher.analog We also have bills for a PCF performed with a core of quartz glass. To the same idler performance to achieve this is the required Input power for the pump laser about 30 times higher.
Für die Darstellung
der in einer MCPCF enstehenden Spektrallinien in
In den Ausführungsbeispielen konnte gezeigt werden, dass in der erfindungsgemäßen Anordnung mittels geeigneter Pump-Laserquellen eine Phasenanpassung zur Erzeugung von Idler-Strahlung in einer MCPCF im Spektralbereich des Telekommunikationsfensters realisiert werden kann. Durch Verwendung hoch-nichtlinearer Materialien für das Basismaterial des Kerns mit einer wesentlich höheren nichtlinearen Brechzahl (etwa 100 mal größer verglichen mit Quarzglas), aus dem die Mehrkern-Photonische-Kristallfaser gezogen wird, lässt sich die Effizienz der Umwandlung in Idler-Strahlung wesentlich erhöhen, wodurch entsprechend die Anforderungen an die Leistung der Pumpimpulse reduziert werden. Dies ist aus der Formel (2) für die Leistung des Idler-Impulses unmittelbar ersichtlich.In the embodiments could be shown that in the inventive arrangement by means of suitable Pump laser sources a phase matching for the generation of idler radiation in an MCPCF in the spectral range of the telecommunication window can be realized. By using high-nonlinear materials for the Base material of the core with a much higher nonlinear refractive index (compared to about 100 times bigger with quartz glass), from which the multi-core photonic crystal fiber is pulled, can be significantly increase the efficiency of conversion into idler radiation Accordingly, the requirements for the performance of the pump pulses reduced become. This is from the formula (2) for the performance of the idler pulse immediately apparent.
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---|---|---|---|
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