DE10337994B4 - Faseroptische Filtereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Faseroptische Filtereinrichtung für optische Signalübertragungssysteme mit ausgewählten abstimmbaren Modenkonvertern, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer optischen Faser (3) m (m = 3, ..., n) Modenkonverter (6, 7, 7', 7'', 8, 26, 31) in Folge mit dazwischen befindlichen abstandsvorgegebenen und damit Laufzeitdifferenz erzeugenden Faserstücken (11, 12; 23; 29, 30) enthalten sind, wobei davon ausgewählte Faserstücke (11, 12; 23; 29, 30) abstimmbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine faseroptische Filtereinrichtung für optische Signalübertragungssysteme mit ausgewählten abstimmbaren Modenkonvertern.
  • Ein allgemeines Problem bekannter faseroptischer Filter besteht darin, dass die Dispersion bei der Übertragung optischer Signale ein limitierender Faktor ist. Insbesondere in einem optischen Signalübertragungssystem mit einer Kanalbitrate von 40 Gbit/s oder höher stellt die zeitliche Veränderung der Dispersion eine starke Einschränkung dar. Bei den hochbitratigen Signalübertragungssystemen ist die tolerierbare Abweichung der Dispersion deutlich geringer als die zeitliche Veränderung der Dispersion der Übertragungsstrecke. Zeitliche Schwankungen bedürfen aber einer dynamischen Kompensation der Dispersion.
  • Es sind Muster von komplexen faseroptischen Filtern zur Dispersionskompensation in der Druckschrift EP 0 897 124 A1 beschrieben, die langperiodische Gitter nutzen. Die übertragenden Filter schließen ein langperiodisches Gitter ein, das einen ersten Gitterabschnitt und einen zweiten Gitterabschnitt aufweist, das vom ersten Gitterabschnitt durch einen Abstand getrennt ist. Dabei können die Gitterabschnitte zumindest zwei langperiodische Gitter, insbesondere zwei gechirpte langperiodische Filter darstellen, wobei zumindest die beiden langperiodischen Gitter jeweils eine vorgegebene Länge und eine vorgegebene Chirpperiodizität aufweisen können, zwischen denen ein Faserstück der optischen Faser mit einem vorgegebenen Abstand im Bereich von etwa 1 cm bis ungefähr 80 cm liegt.
  • Der Einsatz von gechirpten langperiodischen Gittern in einer anderen Einrichtung und einem Verfahren zur Kompensation der chromatischen Dispersion in einem optischen Signal ist auch in der Druckschrift US 2002/0191909 A1 beschrieben.
  • Die Vorrichtung umfasst ein langperiodisches optisches Gitter, das entlang der Länge des optischen Wellenleiters platziert ist. Das Gitter ist entlang des optischen Wellenleiters derart gechirpt, dass die unterschiedlichen Wellenlängen des optischen Signals bei unterschiedlichen Punkten entlang der Länge des Gitters vom Grundmode in den höheren Mode gekoppelt sind, dass die chromatische Dispersion am übertragenden Ende korrigiert wird.
  • Ein Problem der beiden vorgenannten faseroptischen Filtereinrichtungen besteht darin, dass der durch die festgelegte Periodizität der gechirpten Gitter vorgegebene feste Laufzeitunterschied nicht zur variablen Dispersionskompensation geeignet ist.
  • Es ist ein Faser-Transmissionsbauelement zur Erzeugung einer chromatischen Dispersion in der Druckschrift WO 00/54083 A1 beschrieben, wobei das Faser-Transmissionsbauelement einen Glasfaser-Lichtwellenleiter aufweist, in dem nicht nur der LP01-Grundmodus, sondern auch zumindest ein LPmn-Mode geführt wird. Die Struktur besteht aus zwei nebeneinander angeordneten Paaren von Faser-Bragg-Gittern, von denen wenigstens ein Paar ein gechirptes Gitter aufweist. In jedem Paar reflektiert das eine Bragg-Gitter den auftreffenden Lichtstrahl in etwa entgegen der Einfallsrichtung zurück auf das andere Bragg-Gitter, aus dem der Lichtstrahl in oder zumindest parallel zur ursprünglichen Einfallsrichtung austritt. Die gechirpten Faser-Bragg-Gitter sorgen für die Weg- und damit Laufzeitdifferenz, während die ungechirpten Faser-Bragg-Gitter lediglich die Transformation zwischen den verschiedenen Moden bewirken. Eine einstellbare Dispersion und damit eine variable Einstellung der Laufzeitdifferenz der Komponente können durch Abstimmung des Faser-Bragg-Gitters erfolgen.
  • Ein Problem besteht darin, dass die Laufzeitdifferenz nur durch den Chirp der Gitter erzeugt werden kann. Die Faser-Bragg-Gitter weisen dabei eine Änderung der Periode über der Länge (Chirp) auf.
  • Ein anderes optisches Filter ist in der Druckschrift US 2003/0002794 A1 beschrieben, wobei im Filter langperiodische Gitter in einer neuen Konfiguration genutzt werden, um eine Bandpassfilterung der optischen Signale durchzuführen. In der Grundausrüstung sind zwei verschiedene langperiodische Gitter in verschiedenen Wellenleitern eingebracht. Das erste langperiodische Gitter wandelt Licht über einen breiten Wellenlängenbereich, in dem der LP01-Grundmode der optischen Faserübertragungsstrecke in einen höher geordneten Mode der optischen Faser konvertiert wird. Das modenkonvertierte Signal mit dem LPmn-Mode wird dann gekoppelt mit einem zweiten Wellenleiter, wobei der zweite Wellenleiter eine Übertragungscharakteristik hat, die verschieden von jener des ersten Wellenleiters ist. Das modenkonvertierte Signal wird dann durch das zweite langperiodische Gitter hindurch übertragen, wobei das Signal über ein ausgewähltes schmales Wellenlängenband, das durch das zweite langperiodische Gitter aufgenommen wird, zurück in den LP01-Mode konvertiert wird.
  • Ein Problem besteht darin, dass das optische Filter mit den beiden Wellenleitern unterschiedlicher Übertragungscharakteristik nur eine nicht steuerbare Bandpassfilterung durchführt.
  • In der Druckschrift WO 02/095886 A2 ist eine Modenkopplungsvorrichtung mit komplexen Spektralprofilen beschrieben, die für die Kopplung von gemeinsam sich ausbreitenden Moden in einer optischen Faser vorgesehen ist, um ein Filter für den Aus gleich der nicht konstanten Verstärkung eines optischen Verstärkers, wie z.B. bei einem mit Erbium dotierten Faserverstärker ("gain flattening"), bereitzustellen. Die Modenkopplungsvorrichtung enthält mehrere langperiodische Gitter mit einer gleichen Anzahl von Perioden und gleicher Brechungsstärke, wobei jedes Gitter durch einen Abstand von kleiner als 10 Wellenlängenperioden voneinander getrennt ist.
  • Ein Problem besteht darin, dass nur eine Amplitudenfilterung ("gain flattening") durch die Modenkopplungsvorrichtung durchgeführt wird, welche nur bei der Herstellung durch gezielte UV-Belichtung eingestellt wird. Eine Einstellung der Phase (Dispersionseigenschaften) ist nicht vorgesehen.
  • Ein weiteres faseroptisches Filter mit zwei langperiodischen Gittern ist in der Druckschrift US 2002/0067884 A1 beschrieben, wobei die Gitter innerhalb einer optischen Faser ausgebildet sind. Der Abstand der Resonanzwellenlängen gleicher Ordnung zwischen den Gittern soll nicht kleiner als 100 nm sein, um unerwünschte Rückkopplungen zu vermeiden, welche zu Störungen der gewünschten Amplitudenfilterung führen. Das optische Filter kann in kompakter Form aufgebaut werden.
  • Ein Problem besteht darin, dass mit dem optischen Filter, ähnlich der vorgenannten Modenkopplungsvorrichtung, nur eine breitbandige Amplitudenfilterung ("gain flattening") durchgeführt werden soll.
  • In der Druckschrift US 5,596,661 A ist ein optischer Lichtwellenfilter mit einer planaren, monolithischen Struktur beschrieben. Der Filter enthält eine Kette optischer Koppler mit unterschiedlichen effektiven Längen, zwischen denen jeweils entsprechend ausgebildete Verzögerungsleitungen liegen. Die vorgegebene Übertragungsfunktion wird durch eine entsprechende Auslegung der Längen der Koppler und der Verzögerungsleitungen erhalten.
  • Auch sind in der Druckschrift "Tunable Dispersion Compensators Realized in High-Refractive-Index-Contrast SiON Technology" G.L.Bona et. al., optische FIR- bzw. IIR-Filter zur Dispersionskompensation in Gitter-Struktur beschrieben, die in planarer Technik ausgebildet sind. Dabei werden die beiden planaren Lichtwellenleiterstrukturen in FIR (finite impulse response)-Strukturen und in IIR (infinite impulse response)-Strukturen unterschieden und vorgestellt.
  • Probleme der genannten planaren Strukturen bestehen darin, dass bei den planaren IIR-Strukturen sich zwar große werte der Dispersion ohne Verluste ergeben, doch nachteilig sind notwendige Rückkoppelschleifen, deren Radius limitiert ist. Da es nicht möglich ist, sehr kleine Laufzeitunterschiede, d.h. große freie Spektralbereiche (FSR – free spectral range) zu realisieren, können die planaren IIR-Strukturen nicht bei sehr hohen Bitraten (z.B. bei 160 Gbit/s je Kanal) eingesetzt werden. Planare FIR-Lichtwellenleiterstrukturen hingegen lassen sich mit einem genügend großen freien Spektralbereich (FSR) herstellen, doch weisen sie die Nachteile einer insgesamt kleineren Dispersion und wellenlängenabhängiger Verluste auf.
  • Ein Problem besteht darin, dass neben den relativ hohen typischen Verlusten planarer Wellenleiter in der Größenordnung von 0,1 dB/cm die planaren Lichtwellenleiterstrukturen durch den notwendigen Übergang Faser – planare Struktur – Faser Koppelverluste auftreten. Weiterhin weisen aufgrund der nicht rota tionssymmetrischen Ausführung des Wellenleiters planare Strukturen eine signifikante Polarisationsmodendispersion (PMD) und nicht zu vernachlässigende polarisationsabhängige Verluste (PDL – polarization dependent loss) auf.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Filtereinrichtung anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass in einfacher Weise die Amplitude und die Phase der optischen Signale verlustarm eingestellt werden.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. In der Filtereinrichtung sind gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 innerhalb einer optischen Faser m (m = 3, ..., n) Modenkonverter in Folge mit dazwischen befindlichen abstandsvorgegebenen und damit Laufzeitdifferenz erzeugenden Faserstücken enthalten, wobei davon ausgewählte Faserstücke abstimmbar sind.
  • Die Modenkonverter sind als langperiodische Gitter (LPG) und die Faserstücke sind gitterlos ausgebildet.
  • In der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung sind mindestens zwei verschiedene Moden zur Signalverarbeitung vorgesehen.
  • Von Modenkonverter zu Modenkonverter ist jeweils konvertermittenbezogen ein Faserteil mit einer Faserteillänge pL (p = 1, 2, ... k) derart vorgegeben ausgebildet, dass zumindest eine konstant vorgegebene Laufzeitdifferenz ΔT oder ein davon stetig steigendes Vielfaches 2ΔT, 3ΔT, ..., kΔT erzielt wird.
  • Die Faserstücke dienen wahlweise als Phasenelemente, mit denen jeweils eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals einstellbar ist.
  • Die Modenkonverter können vorzugsweise einen gleich langen Faserabschnitt mit der Faserabschnittslänge LK in der optischen Faser belegen.
  • Die langperiodischen Gitter können uniform ausgebildet sein.
  • In Bereichen der Faserabschnitte mit den langperiodischen Gittern kann mindestens eine Gitter-Abstimmeinrichtung zur Einstellung der Amplitude der Modenkonversion vorzugsweise in Form von gesteuerten Heiz- und/oder Kühlelementen vorgesehen sein, wobei die Gitter-Abstimmeinrichtungen in unmittelbarer Nähe und/oder an der Oberfläche des das Gitter enthaltenden Faserabschnitts angeordnet sind.
  • Den Bereichen der Faserstücke kann wahlweise mindestens eine Phasen-Abstimmeinrichtung vorzugsweise in Form von gesteuerten Heiz- und/oder Kühlelementen zur Einstellung der differentiellen Laufzeit TPhase zugeordnet sein, wobei die Phasen-Abstimmeinrichtungen in unmittelbarer Nähe und/oder an der Oberfläche der Faserstücke angeordnet sind.
  • Die als Metall aufgebrachten bzw. aufgedampften Heiz- und/oder Kühlelemente für die Gitter- und Phasen-Abstimmeinrichtungen können einschließlich der zugehörigen Temperatursensoren mit einer Steuer- und Regelungseinrichtung der optischen Übertragungsstrecke in Verbindung stehen.
  • Mindestens ein Modenkonverter kann durch mindestens zwei separate Modenkonverterteile und dazwischen ein im Vergleich zur vorgegebenen Faserstücklänge LS wesentlich kürzeres Faserstück mit einer kurzen Faserstücklänge LSK ausgebildet sein, wobei in dem kürzeren Faserstück eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals einstellbar ist.
  • Die Modenkonverter können breitbandig ausgebildet sein und demzufolge ist die Restdispersion für mehr als einen Wellenlängenmultiplex-Kanal kompensierbar.
  • Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung kann in hochbitratigen optischen Signalübertragungssystemen eingesetzt werden, wobei vorzugsweise als Ein- und Ausgangsmode der Grundmode LP01 verwendet wird.
  • Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung weist eine hohe Eigenstabilität auf und kann leicht mit anderen optischen Fasern verbunden werden.
  • Durch die Einstellung der Filtereinrichtung kann eine veränderliche Dispersionkompensation mit niedrigem Einfügeverlust erreicht werden.
  • Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass die Filtereinrichtung bei Auftreten von zeitlichen Schwankungen der Streckendispersion adaptiv eingestellt werden kann. In diesem Fall wird die Restdispersion der Übertragungsstrecke kompensiert.
    •
  • Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung mit drei Modenkonvertern in einer optischen Übertragungsstrecke,
  • 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der optischen Faser im Bereich der Filtereinrichtung nach 1,
  • 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Filtereinrichtung mit einem zwei separate Modenkonverterteile aufweisenden Modenkonverter mit einem kürzeren Faserstück dazwischen,
  • 4 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer dritten Filtereinrichtung mit längenvervielfachten, Modenkonverter enthaltenden Faserteilen,
  • 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung nach 2 mit thermischen Gitter-Abstimmeinrichtungen und thermischen Phasen-Abstimmeinrichtungen,
  • 6a eine vereinfachte Darstellung der Filtereinrichtung mit abstimmbaren Modenkonvertern nach 2,
  • 6b eine schematische Darstellung des Signalverlaufs innerhalb der Filtereinrichtung bezogen auf die 6a,
  • 7 eine Darstellung eines typischen Spektrums (Transmission des LP01) eines der wahlweise vorhandenen langperiodischen Gitter, wobei die Verlustspitzen die Konversion in höhere Moden kennzeichnen,
  • 8 eine Darstellung der Verstimmung der LP01-LP02-Resonanzwellenlänge eines wahlweise vorhandenen langperiodischen Gitters mit einer Periode von 552 μm in Abhängigkeit von der Temperatur nach 3,
  • 9 Verlust(dB)-Wellenlängen(nm)-Kurven einer weiteren Filtereinrichtung mit vier Modenkonvertern (m = 4) für fünf Dispersionswerte (= Anstieg der Gruppenlaufzeit),
  • 10 Gruppenlaufzeit(ps)-Wellenlängen(nm)-Kurven einer Filtereinrichtung nach 9,
  • 11 Verlust(dB)-Wellenlängen(nm)-Kurven eines Modenkonverter aus zwei separaten Modenkonverterteilen mit einem dazwischen befindlichen kürzeren Faserstück in Abhängigkeit von der Temperatur mit Beziehung zur 3,
  • 12 einen vergrößerten Ausschnitt aus den Verlust(dB)-Wellenlängen(nm)-Kurven nach 11,
  • 13 Transmission(dB)-Wellenlängen(nm)-Kurve einer Filtereinrichtung (m = 3) nach 3 für zwei Dispersionswerte (= Anstieg der Gruppenlaufzeit) und
  • 14 Gruppenlaufzeit(ps)-Wellenlängen(nm)-Kurven einer Filtereinrichtung nach 13.
  • Im Folgenden werden die 1, 2 gemeinsam erläutert. In der faseroptischen Filtereinrichtung 1 für optische Signalübertragungssysteme mit ausgewählten abstimmbaren Modenkonvertern 6, 7, 8 sind in einer optischen Übertragungsstrecke 2 erfindungsgemäß innerhalb der optischen Faser 3 drei (m = 3) Modenkonverter 6, 7, 8 in Folge mit dazwischen befindlichen abstandsvorgegebenen und damit Laufzeitdifferenz erzeugenden Faserstücken 11, 12 enthalten, wobei davon ausgewählte Faserstücke 11, 12 abstimmbar sind.
  • Zur optischen Übertragungsstrecke 2 gehören, wie in 1 gezeigt ist, neben der optischen Faser 3 zur Übertragung eines optischen Signals 9 des Weiteren ein Sender 4 und ein Empfänger 5, wobei innerhalb der optischen Faser 3 zur Filtereinrichtung 1 ein erster Modenkonverter 6 und ein dritter Modenkonverter 8 vorhanden sind. Dazwischen können sich weitere Modenkonverter 7 befinden. In 2 ist bei Vorhandensein von m Modenkonvertern in der Filtereinrichtung 1 der letzte Modenkonverter mit dem Bezugszeichen 31 versehen und mit einem letzten Faserabschnitt 32 dargestellt.
  • Die Modenkonverter 6, 7, 8 und 31 können als langperiodische Gitter (LPG) ausgebildet sein. Die Faserstücke 11, 12 sind gitterlos.
  • Die Modenkonverter 6, 7, 8 und 31 selbst bilden in der optischen Faser 3, bedingt durch die Länge der langperiodischen Gitter, Faserabschnitte 13, 14, 15 und 32 aus.
  • In der Filtereinrichtung 1 ist von Modenkonverter zu Modenkonverter 6–7, 7–8 jeweils definitionsgemäß konvertermittenbezogen ein Faserteil 24, 25 mit einer Faserteillänge pL (p = 1, 2, ... k) derart vorgegeben ausgebildet, dass zumindest eine konstant vorgegebene Laufzeitdifferenz ΔT, wie in 2 gezeigt ist, oder ein davon stetig steigendes Vielfaches 2ΔT, 3ΔT, ..., kΔT, wie vorausschauend in 4 gezeigt ist, davon in Übertragungsrichtung 22 erreichbar sind. Ein Faserstück 11, 12 ist dabei jeweils Teil eines Faserteils 24, 25.
  • Teile der Faserstücke 11, 12 oder deren gesamte Länge dienen wahlweise als Phasenelemente, mit denen jeweils eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals einstellbar ist.
  • Die langperiodischen Gitter 6, 7, 8 und 31 können uniform ausgebildet sein, d.h., dass sie jeweils die gleichen Eigenschaften aufweisen und dass die Modenkonverter 6, 7, 8 und 31 vorzugsweise einen gleich langen Faserabschnitt 13, 14, 15 und 32 mit der Faserabschnittslänge LK in der optischen Faser 3 belegen können.
  • Die Faserstücke 11, 12 weisen z.B. in 2 vorzugsweise eine gleiche Faserstücklänge LS auf. Die Faserstücke 11, 29, 30 können auch, wie z.B. in 4 gezeigt ist, eine von Faserstück zu Faserstück zunehmend größere Faserstücklänge haben.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann der Modenkonverter 7 aus der Filtereinrichtung 1 in einer zweiten erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 33 wahlweise zwei separate Modenkonverterteile 7', 7'' enthaltende Faserabschnitte 14', 14'' und ein dazwischen ein im Vergleich zur vorgegebenen Faserstücklänge LS wesentlich kürzeres Faserstück 23 mit einer kurzen Faserstücklänge LSK aufweisen, wobei in dem vorgegebenen kürzeren Faserstück 23 eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals einstellbar ist.
  • Das dem ersten Faserteil 24 in 2 nachfolgende Faserteil 25 der ersten Filtereinrichtung 1 kann in einer weiteren erfindungsgemäßen dritten Filtereinrichtung 34 von der ersten Faserteillänge L auf 2L und nachfolgend auf 3L, wie in 4 gezeigt ist, verlängert sein. Der im 2L-Abstand eingebrachte dritte Modenkonverter 8 verlängert das zugehörige Faserteil 27 und damit die Laufzeitdifferenz auf 2ΔT. Das verlängerte Faserteil 28 in 4 mit dem Modenkonverter 26 verschiebt sich auf eine Faserteillänge 3L, die gleich eine Laufzeitdifferenz von 3ΔT bedeutet. Bei weiterer steigender Faserteillänge 4L, ..., kL kann ein Vielfaches der Länge L des ersten Faserteils 24 zur Laufzeitvergrößerung 4ΔT, ..., kΔT in Bezug auf die Laufzeit ΔT des ersten Faserteils 24 erreicht werden.
  • Stellvertretend für alle Filtereinrichtungen 1, 33, 34 wird anhand der 5 die Ausbildung der Abstimmbarkeit in der Filtereinrichtung 1 erläutert:
    In den Bereichen der Faserabschnitte 13, 14, 15 mit den langperiodischen Gittern ist mindestens eine Gitter-Abstimmeinrichtung 16, 17, 18 zur Einstellung der Amplitude der Modenkonversion vorzugsweise in Form von gesteuerten Heiz- und/oder Kühlelementen vorgesehen, wobei die Gitter-Abstimmeinrichtungen 16, 17, 18 in unmittelbarer Nähe und/oder an der Oberfläche des das Gitter enthaltenden Faserabschnitts 13, 14, 15 angeordnet sein können.
  • Den Bereichen der Faserstücke 11, 12 kann, wie in 5 gezeigt ist, wahlweise mindestens eine Phasen-Abstimmeinrichtung 19, 20 vorzugsweise in Form von gesteuerten Heiz- und/oder Kühlelementen zur Einstellung der differentiellen Laufzeit TPhase zugeordnet sein, wobei die Phasen-Abstimmeinrichtungen 19, 20 in unmittelbarer Nähe und/oder an der Oberfläche der Faserstücke 11, 12 angeordnet sein können.
  • Die z.B. als Metall aufgebrachten bzw. aufgedampften Heiz- und/oder Kühlelemente für die Gitter- und Phasen-Abstimmeinrichtungen 16, 17, 18; 19, 20 einschließlich der zugehörigen Temperatursensoren (nicht eingezeichnet) können mit einer Steuer- und Regelungseinrichtung 21 des optischen Signalübertragungssystems 2 in Verbindung stehen.
  • Bei Änderungen der Eigenschaften der Übertragungsstrecke 2 kommt es zur Verschlechterung der Signalqualität, welche durch Übermittlung von elektrischen Informationssignalen vom Empfänger 5 aus über Signalleitungen 35 an die Steuer- und Regelungseinrichtung 21 mitgeteilt werden und danach adaptiv mit Hilfe der Filtereinrichtung 1 (wie in 5 gezeigt) korrigiert werden. D.h., dass z.B. durch das Ändern der Temperatur in den Modenkonvertern 6, 7, 8 als auch in den Faserstücken 11, 12 die Modenkonversion bzw. eine differentielle Laufzeit TPhase eingestellt werden kann.
  • Außer der beschriebenen thermischen Beeinflussung kann die Phase zwischen den Signalteilen, dem LP01-Grundmode und den LP0a-Moden, z.B. auch durch mechanische und elektrische Beeinflussungsmöglichkeiten verändert werden.
  • Stellvertretend für alle erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen 1, 33, 34 wird die Funktionsweise anhand der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 1 mit drei Modenkonvertern 6, 7, 8 mittels der 2, 6a, 6b erläutert:
    In der 6a ist eine vereinfachte und in der 6b ist die dazugehörige schematische Darstellung der optischen Faser 3 mit den drei Modenkonvertern 6, 7, 31 und der Faserteillänge L, bezogen jeweils auf den Gitterschwerpunkt bzw. konvertermittenbezogen, gezeigt.
  • In der 6b setzt sich die Laufzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden langperiodischen Gittern 6–7 für den höheren LP02-Mode 10 aus der Grundlaufzeit T sowie der differentiellen Laufzeit TPhase (notwendiger Wertebereich für ωTPhase: 0 bis 2π) zusammen. Im Gegensatz dazu setzt sich die Gruppenlaufzeit des LP01-Grundmodes 9 aus der Grundlaufzeit T und der fest vorgegebenen Laufzeitdifferenz ΔT zwischen den Moden zusammen. Die Zeitdifferenz ΔT bestimmt dabei den freien Spektralbereich (FSR) der Filtereinrichtung 1: FSR = 1/ΔT.
  • Wird in 6b z.B. in der Filtereinrichtung 1 am ersten Modenkonverter 6 der LP01-Grundmode 9 in den höheren LP02-Mode 10 konvertiert und am letzten Modenkonverter 31 zurückkonvertiert, durchläuft das optische Signal die optische Faser 3 mit der minimalen Zeitverzögerung. Auf der anderen Seite wird die maximale Zeitverzögerung im LP01-Grundmode 9 erreicht, wenn es zu keiner Konversion in den höheren LP02-Mode kommt. Dieser Effekt beruht auf der Feldverteilung des benutzten LP01-Grundmodes 9 und des LP02-Modes 10. Das Feld des LP01-Grundmodes 9 ist hauptsächlich im Kern der optischen Faser 3 enthalten. Demzufolge wird die Gruppenlaufzeit T + ΔT des LP01-Grundmodes 9 vornehmlich durch die höhere Kernbrechzahl bestimmt. Im Gegensatz dazu reicht das Feld des höheren LP02-Modes 10 weit in den Mantel der optischen Faser 3 hinein. Für die Laufzeit T + TPhase des höheren LP02-Modes 10 ist dann die niedrigere Mantelbrechzahl maßgeblich.
  • Die in den Filtereinrichtungen 1, 33, 34 vorhandenen langperiodischen Gitter 6, 7, 8, 31; 7', 7''; 26 können z.B. die in 7 und 8 aufgezeigten Eigenschaften aufweisen:
    Die wesentlichen Eigenschaften der in der optischen Faser 3 vorhandenen langperiodischen Gitter werden dabei durch die Form ihrer typischen Transmissionsspektren dargestellt. In 7 ist als eine der Eigenschaften der als Modenkonverter ausgebildeten, vorhandenen langperiodischen Gitter z.B. die Form eines Spektrums des Grundmodes LP01 gezeigt, wobei die Konversion in verschiedene höhere Moden als Verlustspitzen (hier LP02 bis LP05) sichtbar ist. Die Messung erfolgte mit einem optischen Spektralanalysator in Verbindung mit einer Halogenweißlichtquelle. Die Auflösung betrug bei dieser Messung 2nm. Dabei ist nur der LP01-Grundmode 9 gemessen worden, wobei vor der Messung ohne Gitter auf 0dB normiert wurde. Die Gleichung der für die optische Signalübertragung vorgesehenen Resonanzwellenlänge λres, bei der die Konversion des LP0X-Modes in den LP0Y-Mode in einem Gitter erfolgt, kann folgendermaßen angegeben werden: λres = (neff,LP0X – neff,LP0Y)·Λ,wobei
    neff,LP0X die effektive Brechzahl des LP0X-Modes und
    neff,LP0Y die effektive Brechzahl des LP0Y-Modes sowie
    Λ die Gitterperiode der langperiodischen Gitter bezeichnen.
  • In 8 ist als eine weitere Eigenschaft der vorhandenen langperiodischen Gitter 6, 7, 8; 7', 7''; 26, 31 die Verstimmung der Resonanzwellenlänge (z.B. des LP02-Modes) in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Unter Temperatureinfluss ver schiebt sich im angegebenen Temperaturbereich die Verlustspitze mit steigenden Temperaturen zu höheren Wellenlängen.
  • In den erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen 1, 33, 34 treten jeweils mindestens zwei verschiedene LP0X- und LP0Y-Moden unterschiedlicher Ordnung auf.
  • In den 9, 10 ist die Möglichkeit der Restdispersionskompensation für eine Filtereinrichtung mit vier Modenkonvertern (m = 4) dargestellt. Dafür sind verschiedene Werte der Dispersion (= Anstieg der Gruppenlaufzeit) gezeigt. Die Dispersion konnte kontinuierlich von –23 ps/nm bis +23 ps/nm in einer Bandbreite > 50 GHz (0,4 nm) eingestellt werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Maßangaben wird die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 33 (analog 3) erläutert.
  • Um die Einstellung der differentiellen Laufzeitdifferenz TPhase in Abhängigkeit von der Temperatur mittels der Phasen-Abstimmungseinrichtung aus angebrachten Heizelementen aufzuzeigen, sind in 11, 12 die Verlust(dB)-Wellenlängen(nm)-Kurven in Abhängigkeit von der angelegten Temperatur als Parameter dargestellt.
  • Dabei werden zwei in eine Faser (SMF 28) eingebrachte Modenkonverterteile z.B. 7', 7'', analog zur 3, als uniforme langperiodische Gitter ausgebildet, deren Periode 559 μm, Faserabschnittlänge 20 mm und Einschreibzeit 400 s betragen. Das Einschreiben erfolgt programmtechnisch gesteuert mit einem 244 nm-Laser (UV-Laser) in eine optische Faser, hier SMF 28. Die Resonanzwellenlänge beträgt dann rund 1565 nm.
  • Die Gitter 7', 7'' weisen dazwischen ein SMF 28-Faserstück 23 von 4 cm auf. Die mit dem Faserstück 23 in Verbindung stehen den Heizelemente haben eine Länge von 2,5 cm. Die Stärke der Modenkonversion bei einer festgelegten Wellenlänge wird durch die Temperatur über die differentielle Laufzeit TPhase eingestellt. Die Spektren zeigen, dass durch einen Temperaturhub von 100 K eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen dem LP02-Mode und dem LP01-Mode erreicht wird, die etwas mehr als π beträgt. Die Amplitude der Modenkonversion konnte bei dieser Realisierung um bis zu 14 dB variiert werden.
  • Um die Möglichkeit der Restdispersionskompensation aufzuzeigen, wurden verschiedene Werte der Dispersion (= Anstieg der Gruppenlaufzeit) in der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung 33 (analog 3) eingestellt (13, 14). Die Dispersion konnte kontinuierlich von –6 ps/nm bis +7 ps/nm in einer Bandbreite > 50 GHz (0,4 nm) eingestellt werden. Der Einfügeverlust betrug weniger als 0,5 dB.
  • Die erfindungsgemäßen faseroptischen Filtereinrichtungen 1, 33, 34 können deshalb vorzugsweise in optischen Übertragungsstrecken 2 von hochbitratigen optischen Signalübertragungssystemen (≥ 40 GBit/s) verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Erste Filtereinrichtung
    2
    Optische Übertragungsstrecke
    3
    Optische Faser
    4
    Sender
    5
    Empfänger
    6
    Erster Modenkonverter
    7
    Zwischenmodenkonverter
    7'
    Erster Modenkonverterteil
    7''
    Zweiter Modenkonverterteil
    8
    Dritter Modenkonverter
    9
    LP01-Grundmode
    10
    LP0a-Mode (a = 2, ..., b) höherer Ordnung
    11
    Erstes Faserstück
    12
    Zweites Faserstück
    13
    Erster Faserabschnitt
    14
    Zweiter Faserabschnitt
    14'
    Erster Faserabschnitt des Modenkonverterteils 7'
    14''
    Zweiter Faserabschnitt des Modenkonverterteils 7''
    15
    Dritter Faserabschnitt
    16
    Erste Gitter-Abstimmeinrichtung
    17
    Zweite Gitter-Abstimmeinrichtung
    18
    Dritte Gitter-Abstimmeinrichtung
    19
    Erste Phasen-Abstimmeinrichtung
    20
    Zweite Phasen-Abstimmeinrichtung
    21
    Steuer- und Regelungseinrichtung
    22
    Übertragungsrichtung (Pfeil)
    23
    Kurzes Faserstück
    24
    Erstes Faserteil
    25
    Zweites Faserteil
    26
    Vierter Modenkonverter
    27
    Drittes Faserteil
    28
    Viertes Faserteil
    29
    Drittes Faserstück
    30
    Viertes Faserstück
    31
    Letzter Modenkonverter
    32
    Letzter Faserabschnitt
    33
    Zweite Filtereinrichtung
    34
    Dritte Filtereinrichtung
    35
    Signalleitung
    T
    Laufzeit
    ΔT
    Laufzeitdifferenz zwischen den Moden
    TPhase
    variable differentielle Laufzeit zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals
    L
    Faserteillänge
    LK
    Faserabschnittslänge
    LS
    Faserstücklänge
    LSK
    kurze Faserstücklänge
    LP01
    Grundmode
    LP0a
    Mode (a = 2, ..., b) höherer Ordnung

Claims (12)

  1. Faseroptische Filtereinrichtung für optische Signalübertragungssysteme mit ausgewählten abstimmbaren Modenkonvertern, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer optischen Faser (3) m (m = 3, ..., n) Modenkonverter (6, 7, 7', 7'', 8, 26, 31) in Folge mit dazwischen befindlichen abstandsvorgegebenen und damit Laufzeitdifferenz erzeugenden Faserstücken (11, 12; 23; 29, 30) enthalten sind, wobei davon ausgewählte Faserstücke (11, 12; 23; 29, 30) abstimmbar sind.
  2. Faseroptische Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenkonverter (6, 7, 7', 7'', 8, 26, 31) als langperiodische Gitter (LPG) und die Faserstücke (11, 12; 23; 29, 30) gitterlos ausgebildet sind.
  3. Faseroptische Filtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in ihr mindestens zwei verschiedene Moden zur Signalverarbeitung vorgesehen sind.
  4. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von Modenkonverter (6, 7, 8) zu Modenkonverter (7, 8, 26) jeweils konvertermittenbezogen ein Faserteil (24, 27, 28) mit einer Faserteillänge pL (p = 1, 2, ... k) derart vorgegeben ausgebildet ist, dass zumindest eine konstant vorgegebene einfache Laufzeitdifferenz ΔT oder ein davon stetig steigendes Vielfaches 2ΔT, 3ΔT, ..., kΔT erzielt wird.
  5. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstücke (11, 12; 23; 29, 30) wahlweise als Phasenelemente dienen, mit denen jeweils eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals einstellbar ist.
  6. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenkonverter (6, 7, 8, 31) vorzugsweise einen gleich langen Faserabschnitt (13, 14, 15, 32) mit der Faserabschnittslänge LK in der optischen Faser (3) belegen.
  7. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die langperiodischen Gitter (6, 7, 8, 26, 31) uniform ausgebildet sind.
  8. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Modenkonverter (7) durch mindestens zwei separate Modenkonverterteile (7', 7'') und dazwischen ein im Vergleich zur vorgegebenen Faserstücklänge LS wesentlich kürzeres Faserstück (23) mit einer kurzen Faserstücklänge LSK ausgebildet ist, wobei in dem Faserstück (23) eine differentielle Laufzeit TPhase zwischen den Moden in der Größenordnung der Periodendauer des optischen Signals einstellbar ist.
  9. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen der Faserabschnitte (13, 14, 15) mit den langperiodischen Gittern mindestens eine Gitter-Abstimmeinrichtung (16, 17, 18) zur Einstellung der Amplitude der Modenkonversion vorzugsweise in Form von gesteuerten Heiz- und/oder Kühlelementen vorgesehen ist, wobei die Gitter-Abstimmeinrichtungen (16, 17, 18) in unmittelbarer Nähe und/oder an der Oberfläche des das Gitter enthaltenden Faserabschnitts (13, 14, 15) angeordnet sind.
  10. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Bereichen der Faserstücke (11, 12) wahlweise mindestens eine Phasen-Abstimmeinrichtung (19, 20) vorzugsweise in Form von gesteuerten Heiz- und/oder Kühlelementen zur Einstellung der differentiellen Laufzeit TPhase zugeordnet ist, wobei die Phasen-Abstimmeinrichtungen (19, 20) in unmittelbarer Nähe und/oder an der Oberfläche der Faserstücke (11, 12) angeordnet sind.
  11. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Metall aufgebrachten oder aufgedampften Heiz- und/oder Kühlelemente für die Gitter- und Phasen-Abstimmeinrichtungen (16, 17, 18; 19, 20) einschließlich der zugehörigen Temperatursensoren mit einer Steuer- und Regelungseinrichtung (21) der optischen Übertragungsstrecke (2) in Verbindung stehen.
  12. Faseroptische Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modenkonverter (6, 7, 7', 7'', 8, 26, 31) breitbandig ausgebildet sind und demzufolge für mehr als einen Wellenlängenmultiplex-Kanal die Restdispersion kompensierbar ist.
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