DE19538017A1 - Schaltungsanordnung zur Dispersionskompensation in optischen Übertragungssystemen mit Hilfe von gechirpten Bragg-Gittern - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Dispersionskompensation in optischen Übertragungssystemen mit Hilfe von gechirpten Bragg-Gittern

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Description

Bei optischer Nachrichtenübertragung mit im Gbit/s-Bereich liegenden Datenraten über einen Lichtwellenleiter wird die Faserdispersion bestimmend für die überbrückbare Strecken­ länge. Dies gilt insbesondere auch im Wellenlängenfenster um 1.55 µm, da hier die Dämpfung mittels optischer Verstär­ ker eliminiert werden kann, während die Dispersion der Standardfaser mit etwa 17 ps/nm/km recht große positive Werte aufweist. Es besteht daher ein Interesse an Komponen­ ten, die eine negative Dispersion aufweisen und so zusammen mit der Standardfaser ein dispersionsfreies Übertragungsme­ dium bilden können.
Die entscheidenden Parameter einer dispersionskompensieren­ den Komponente sind die Dispersion D (in ps/nm oder ps/GHz), welche die Länge der kompensierbaren Strecke festlegt, die optische Bandbreite B, innerhalb derer die Kompensation mög­ lich ist, und die durch die Dispersionskompensation bedingte zusätzliche Dämpfung. Sinnvollerweise muß die Kompensations- Bandbreite B mindestens gleich der Bandbreite des zu über­ tragenden Signales sein. Wünschenswert ist jedoch eine mög­ lichst große Kompensations-Bandbreite, um die Anforderungen an die spektrale Stabilität des Sendelasers zu verringern.
Im Zusammenhang mit einer Dispersionskompensation sind ne­ ben (heute auch kommerziell erhältlichen) dispersionskom­ pensierenden Fasern bereits verschiedene Komponenten vor­ gestellt worden: Fabry-Perot-Interferometer, Ringresonato­ ren, kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer, kaskadierte doppelbrechende Kristalle, Freistrahloptiken mit Gittern; ein neuerer Vorschlag [DE-195 15 158.5] zielt auf ein opti­ sches Transversalfilter.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung negativer Disper­ sionen bieten sog. Chirped Gratings (gechirpte Gitter), das sind Bragg-Gitter mit ortsabhängiger Gitterperiode [Francois Quellette: "Dispersion cancellation using lineary chirped Bragg grating filters in optical waveguides", Optics Let­ ters, 12 (1987), 847 . . . 849; K. O. Hill et al.: "Chirped In- Fiber Bragg Gratings for Compensation of Optical Fiber Dis­ persion, Optics Letters, 19 (1994), 1314 . . . 1316]. Ein sol­ ches gechirptes Bragg-Gitter besteht aus einem optischen Wellenleiter, dessen Brechzahl n sich in Ausbreitungsrich­ tung periodisch ändert, wobei die Periodenlänge vom Ort z abhängig ist. Jeweils dort, wo für eine spektrale Komponente λ des eingestrahlten Lichtes die Bragg-Bedingung
λ = 2 · neff · Λ(z) (1)
(worin neff die mittlere effektive Brechzahl des Wellenlei­ ters und Λ(z) die vom Ort z abhängige Periodenlänge ist) erfüllt ist, wirkt das Gitter für diese spektrale Komponen­ te als Spiegel und reflektiert das Licht dieser Wellenlän­ ge, wie dies in Fig. 1 für zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ ange­ deutet ist.
Die beim gechirpten Gitter vom Ort z abhängige Periodenlän­ ge λ(z) wird über die Filterlänge LG hinweg z. B. linear verändert:
worin ΔΛG der Unterschied zwischen der Gitterperiode Λ(0) am Anfang und der Gitterperiode am Ende des Filters ist. Die örtliche Veränderung der Gitterperiode führt dazu, daß Licht verschiedener Wellenlänge an verschiedenen Orten re­ flektiert wird und somit verschiedene Laufzeiten erhält. Dies macht es möglich, gezielt bestimmte Dispersionen zu realisieren.
Die optische Bandbreite, d. h. der Frequenzbereich B (in GHz) bzw. der Wellenlängenbereich Δλ (in nm), in dem die gewünschte Dispersion gegeben ist, ergibt sich zu
Darin ist λ₀ die Mittenwellenlänge des Filters.
Die Gruppenlaufzeit ergibt sich aus dem wellenlängenabhän­ gigen Umweg 2·zB(λ) und der Lichtgeschwindigkeit c/neff im Medium zu
worin zB(λ) den Ort im gechirpten Bragg-Gitter bezeichnet, an dem die Bragg-Bedingung (1) für λ erfüllt ist. Mit Gl. (1), (2) und (3) gilt dann für die Dispersion D(λ)
und damit
Große Bandbreite B und große Dispersion D lassen sich somit nicht unabhängig voneinander erreichen; sie sind gleichzei­ tig nur bei großer Länge LG des Wellenleiters erreichbar.
Folgende Zahlenbeispiele verdeutlichen diesen Zusammenhang. Um eine Dispersion von D = - 1000 ps/nm über eine Bandbreite B = 10 GHz zu erreichen, ist mit neff ≈ 1,5 und λ₀ = 1,55 µm eine Filterlänge LG von 8 mm erforderlich. Für größere Band­ breiten, die eine Stabilisierung des Filters auf die Sender­ wellenlänge erübrigen würden, ergeben sich deutlich größere hängen. So wird für D = - 1000 ps/nm und Δλ = 10 nm eine Filterlänge LG von 1 m benötigt.
Der Länge der Komponenten sind aber technologische Grenzen gesetzt, und zwar bei einer integriert-optischen Realisie­ rung durch die Dimensionen des Wafers; bei einer faseropti­ schen Realisierung setzt die Gittererzeugung Grenzen. Bei Verwendung einer (Phasen-)Maske wirken die Dimensionen der Maske begrenzend und in einem holographischen Aufbau die Stabilität der Aufnahmeanordnung.
Zur Erzielung großer Dispersion bei großer Bandbreite meh­ rere Gitter hintereinander vorzusehen, führt wegen der un­ bestimmten Phasenlage zwischen den einzelnen Teilgittern zu unüberschaubaren Effekten, so daß diese an sich einfache Möglichkeit praktisch ausscheidet. Es ist in diesem Zusam­ menhang (aus Optics Letters, (19) 1994, 1314 . . . 1316) be­ kannt, zur Dispersionskompensation für jeden Kanal eines WDM-Systems ein eigenes Gitter vorzusehen, wobei die Gitter hintereinander angeordnet und jeweils für alle anderen Ka­ näle transparent sind; dadurch wird die Bandbreite der ein­ zelnen Kanäle des Dispersionskompensators jedoch nicht er­ höht.
Die Erfindung zeigt demgegenüber einen anderen Weg zu einer Dispersionskompensation in optischen Übertragungssystemen.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Disper­ sionskompensation in optischen Übertragungssystemen mit Hilfe von gechirpten Bragg-Gittern; diese Schaltungsanord­ nung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Michelson-Interferometer-Stufen, die jeweils mit einem optischen (zumindest-angenähert-) 3-dB-Richtungs­ koppler (Strahlteiler) und zwei gechirpten Bragg-Gittern als Reflektoren gebildet sind, welche das über den Eingangs- Lichtwellenleiter eintretende Licht (zumindest nahezu) voll­ ständig zum Ausgangs-Lichtwellenleiter reflektieren, zu einer Kaskade zusammengeschaltet sind, in der jeweils der Ausgangs-Lichtwellenleiter des Interferometers einer Stufe in den Eingangs-Lichtwellenleiter des Interferometers der jeweils nachfolgenden Stufe übergeht.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß ein Michelson-Interfe­ rometer, das mit einem optischen 3-dB-Koppler und zwei ge­ chirpten Bragg-Gittern als Reflektoren gebildet ist, wobei ein Phasenabgleich in dem Lichtwellenleiterabschnitt zwi­ schen dem Strahlteiler und dem einen Bragg-Gitter eine vollständige Reflexion des über den Eingangs-Lichtwellen­ leiter eintretenden Lichts zum Ausgangs-Lichtwellenleiter ermöglicht, für sich (aus D.C. Johnson et al.: "New design concept for a narrowband wavelength selective optical tap and combiner", Electronics Letters, 23(1987), 668 . . . 669) bekannt ist, ohne daß aber nähere Berührungspunkte mit der Erfindung gegeben sind.
Die Erfindung ermöglicht es vorteilhafterweise, jeweils relativ kurze und damit nur eine geringe Dispersionskompen­ sation bewirkende, aber breitbandig reflektierende Bragg- Gitter vorsehen zu können und zugleich zu einer proportio­ nal zur Anzahl hintereinandergeschalteter Interferometer- Stufen erhöhten Dispersionskompensation zu gelangen.
Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nach­ folgenden näheren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen ersichtlich. Dabei verdeutlicht
Fig. 1 die Wirkungsweise eines Bragg-Gitters;
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Michelson-Interfe­ rometers, wie es bei der Erfindung Anwendung findet, und
Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Dispersionskompen­ sators gemäß der Erfindung.
Die durch Fig. 1 verdeutlichte Wirkungsweise eines gechirp­ ten Bragg-Filters wurde oben bereits erläutert, so daß sich weitere Erläuterungen an dieser Stelle erübrigen.
In Fig. 2 ist schematisch eine ein integriert-optisches Mi­ chelson-Interferometer bildende Anordnung dargestellt, die mit einem optischen (zumindest-angenähert-) 3-dB-Richtungs­ koppler (Strahlteiler) RK und zwei gechirpten Bragg-Gittern G als Reflektoren gebildet ist, welche das über den Ein­ gangs-Lichtwellenleiter E eintretende Licht (nahezu) voll­ ständig zum Ausgangs-Lichtwellenleiter A hin reflektieren. Zu einer solchen vollständigen Reflexion des eingetretenen Lichts zum Ausgang hin kommt es bei entsprechender Phasen­ lage der von den beiden Reflektoren reflektierten Lichtwel­ len; eine solche Phasenlage wird in der in Fig. 2 skizzierten Anordnung in dem dort schematisch angedeuteten Bereich Ph für den Phasenabgleich herbeigeführt. Ein Michelson-Interfe­ rometer, das mit einem optischen 3-dB-Koppler und zwei ge­ chirpten Bragg-Gittern als Reflektoren gebildet ist, wobei ein Phasenabgleich in dem Lichtwellenleiterabschnitt zwi­ schen dem Strahlteiler und dem einen Bragg-Gitter eine voll­ ständige Reflexion des über den Eingangs-Lichtwellenleiter eintretenden Lichts zum Ausgangs-Lichtwellenleiter ermög­ licht, ist an sich bereits (aus D.C. Johnson et al.: "New design concept for a narrowband wavelength selective optical tap and combiner", Electronics Letters, 23(1987), 668 669) bekannt, so daß es hier insoweit keiner weiteren Er­ läuterungen mehr bedarf.
In Fig. 3 ist nun schematisch in einem zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Umfang ein Ausführungsbeispiel ei­ ner Schaltungsanordnung zur Dispersionskompensation gemäß der Erfindung dargestellt. In dieser Schaltungsanordnung, die als IO-(Integrierte-Optik-)Schaltung ausgebildet sein kann, ist eine Mehrzahl von Michelson-Interferometer-Stufen I1, I2, I3, . . , IN vorgesehen, die jeweils mit einem opti­ schen Richtungskoppler RK und zwei gechirpten Bragg-Gittern G gebildet sind, von denen her das über den jeweiligen Eingangs-Lichtwellenleiter E, E2, E3, . . . , EN eintretende Licht vollständig zum jeweiligen Ausgang-Lichtwellenleiter A1, A2, A3, . . . , A reflektiert wird. Zu einer solchen voll­ ständigen Reflexion des eingetretenen Lichts zum Ausgang hin kommt es, wie schon bei der Erläuterung der Fig. 2 dar­ gelegt, bei entsprechender Phasenlage der beiden von den beiden Bragg-Gitter G reflektierten Lichtstrahlen, wobei eine solche Phasenlage durch einen Phasenabgleich in dem Phasenabgleichbereich Ph zwischen dem Strahlteiler RK und dem einen Bragg-Gitter herbeigeführt wird. Die Interfero­ meter-Stufen I1, I2, I3, . . . , IN sind zu einer Kaskade zu­ sammengeschaltet, ,in der jeweils der Ausgang-Lichtwellen­ leiter des Interferometers einer Stufe, beispielsweise der Ausgangs-Lichtwellenleiter A1 des Interferometers I1, in den Eingangs-Lichtwellenleiter des Interferometers der je­ weils nachfolgenden Stufe, im Beispiel in den Eingangs- Lichtwellenleiter E2 des Interferometers I2, übergeht.
Durch eine solche Wellenleiteranordnung werden Rückreflexi­ onen in die jeweils vorhergehende Stufe vermieden, so daß es nicht zu Mehrfachreflexionen kommt. Von Vorteil ist auch, daß diese Anordnung keinen besonderen Anforderungen an die relative Positionierung der einzelnen Bragg-Gitter zueinander genügen muß. Die einzelnen, relativ kurzen Bragg-Gitter (G) sind zweckmäßigerweise so dimensioniert, daß sie einen großen Chirp ΔΛG haben, d. h. daß sie jeweils breitbandig reflektieren. Sie haben daher nur eine geringe (negative) Dispersion und tragen somit jeweils auch nur in geringem Ausmaß zu einer Dispersionskompensation bei. Die skizzierte Hintereinanderschaltung einer Mehrzahl solcher Interferometer-Stufen in einem optischen Netzwerk ermög­ licht dennoch eine proportional zur Anzahl hintereinander­ geschalteter Interferometer-Stufen erhöhte Dispersionskom­ pensation.
Bei praktisch realisierten (oder auch numerisch simulier­ ten) gechirpten Bragg-Gittern kann die spektrale Darstel­ lung von Reflexionsfaktor und Dispersion unerwünschte Wel­ ligkeiten aufweisen, die mit einer unerwünschten Beein­ trächtigung der Tauglichkeit der Chirped Gratings zur Dis­ persionskompensation einhergehen. Die Größe der Welligkeit ist abhängig von zwei Designgrößen der gechirpten Gitter, nämlich vom Verlauf der Gitterperiode Λ(z) und vom Verlauf des - in den Differentialgleichungen der Coupled Wave The­ orie die Verknüpfung zwischen hin- und rücklaufender Welle darstellenden - Koppelfaktors κ(z), der von der Brechzahl­ differenz Δn(z) des mit Λ(z) periodischen Brechzahlver­ laufs abhängig ist. Geht man, wie dies bei Herstellung von gechirpten Gittern im Wege einer UV-Licht-Bestrahlung von photosensitiven Wellenleitern durch eine Phasenmaske üblich ist, von einem cosinus-(bzw. sinus-)förmigen Brechzahl­ verlauf n(z)
aus, so ergibt sich der Koppelfaktor κ(z) zu
Da die Gitterperiode Λ(z) sich gegenüber ihrem Mittelwert nur geringfügig ändert, ist der Koppelfaktor κ(z) im we­ sentlichen proportional zur Brechzahldifferenz Δn(z).
Solche Welligkeiten, die bei linear vom Ort z abhängiger Periodenlänge Λ(z) (sog. linearer Chirp) und ortsunabhän­ gigem Koppelfaktor κ(z) relativ groß sein können, lassen sich in der Praxis dadurch reduzieren, daß die beim ge­ chirpten Bragg-Gitter ortsabhängige Periodenlänge Λ(z) über die Filterlänge LG hinweg einen entsprechenden nicht­ linearen Verlauf erhält und daß auch der Koppelfaktor κ(z) einen geeigneten ortsabhängigen Verlauf erhält. In der Li­ teratur wird zur Reduzierung der Welligkeit ein sanfter, oft gaußkurvenförmiger Abfall des Koppelfaktors zu den beiden Enden des Gitters hin vorgesehen. Durch rechnerge­ stützte gleichzeitige Optimierung von Periodenlänge Λ(z) und Koppelfaktor κ(z) läßt sich, ausgehend von relativ ein­ fachen Anfangsverläufen, die Welligkeit merklich weiter re­ duzieren.
Um zu vermeiden, daß eine (etwa auf Grund fertigungstech­ nischer Randbedingungen) verbleibende Restwelligkeit sich bei einer Kaskadierung von untereinander gleichen Michelson- Interferometer-Stufen verstärkt, werden zweckmäßigerweise Michelson-Interferometer-Stufen vorgesehen, die zueinander bezüglich des Verlaufs der Periodenlänge Λ(z) und des Kopp­ lungsfaktors κ(z) unterschiedlich sind, so daß sie Restwel­ ligkeiten von (einer) anderen Michelson-Interferometer- Stufe(n) kompensieren.
So können beispielsweise zwei zueinander unterschiedliche Typen von Michelson-Interferometer-Stufen vorgesehen sein, die (jeweils zusätzlich zu ihrer eigentlichen Funktion) die Restwelligkeit des jeweils anderen Typs weitgehend kompen­ sieren. Hierzu sind im Optimierungsprogramm als Ziel nicht völlig ebene spektrale Verläufe von Reflexionsfaktor und Dispersion vorzugeben, sondern eine Überlagerung aus diesen Verläufen und solchen, mit denen die Restwelligkeit des je­ weils anderen Typs gerade kompensiert wird. Im Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 3 folgen dann jeweils Interferometer- Stufen unterschiedlichen Typs aufeinander.
Es ist auch möglich, z. B. einen dritten Typ von Michelson- Interferometer-Stufe vorzusehen, der (zusätzlich zu seiner eigentlichen Funktion) der Restwelligkeit von Michelson- Interferometer-Stufen des ersten und zweiten Typs entgegen­ wirkt. So kann im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 beispiels­ weise die Michelson-Interferometer-Stufe I1 vom ersten Typ sein, die Michelson-Interferometer-Stufe I2 vom zweiten Typ und die Michelson-Interferometer-Stufe I3 vom dritten Typ, wonach sich zweckmäßigerweise diese Reihenfolge bis hin zur letzten Michelson-Interferometer-Stufe IN ggf. wiederholt. Die Anzahl unterschiedlicher Typen von Interferometer-Stu­ fen, die im Dispersionskompensator vorgesehen werden, hängt dabei ab von der für den Dispersionskompensator als Ganzes zugelassenen Restwelligkeit, der Anzahl der kaskadierten Interferometer-Stufen und der (ggf. auf Grund fertigungs­ technischer Randbedingungen) verbleibenden Restwelligkeit der einzelnen Michelson-Interferometer-Stufen.
Abschließend sei noch bemerkt, daß mit Hilfe von optischen Schaltern zwischen den einzelnen Stufen oder durch Unter­ teilen des Bauteiles die Anzahl der wirksamen Kompensator­ stufen in einfacher Weise auch an eine gegebene kleinere zu kompensierende Dispersion, ggf. also an eine kürzere Über­ tragungsstreckenlänge, angepaßt werden kann, ohne daß dies hier noch weiterer Erläuterungen bedarf.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Dispersionskompensation in opti­ schen Übertragungssystemen mit Hilfe von gechirpten Bragg- Gittern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Michelson-Interferometer-Stufen (I1, I2, I3, . . . , IN), die jeweils mit einem optischen Richtungs­ koppler (RK) und zwei gechirpten Bragg-Gittern (G) als das über den Eingangs-Lichtwellenleiter (E, E2, E3, . . . , EN) eintretende Licht zum Ausgangs-Lichtwellenleiter (A1, A2, A3, . . . , A) reflektierenden Reflektoren gebildet sind, zu einer Kaskade zusammengeschaltet sind, in der jeweils der Ausgangs-Lichtwellenleiter (A1) des Interferometers einer Stufe (I1) in den Eingangs-Lichtwellenleiter (E2) des Inter­ ferometers der jeweils nachfolgenden Stufe (I2) übergeht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Interferometer-Stufe (I1, I2, I3, . . . , IN) im Lichtwellenleiterabschnitt zwischen dem Strahlteiler (RK) und dem einen Bragg-Gitter (G) ein Phasenabgleichbereich (Ph) zum Phasenabgleich zur möglichst vollständigen Refle­ xion des über den jeweiligen Eingangs-Lichtwellenleiter (E, E2, E3, . . , EN) eintretenden Lichts zum jeweiligen Ausgangs- Lichtwellenleiter (A1, A2, A3, . . . , A ) hin vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zueinander unterschiedliche, Restwelligkeiten spektra­ ler Eigenschaften von (einer) anderen Michelson-Interfero­ meter-Stufe(n) (I1, . . . ) kompensierende Michelson-Interfe­ rometer-Stufen ( . . . , IN) vorgesehen sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folge von zueinander unterschiedlichen, Restwel­ ligkeiten von (einer) anderen Michelson-Interferometer- Stufe(n) (I1, . . . ) kompensierenden Michelson-Interfero­ meter-Stufen ( . . . , IN) sich ein- oder mehrmals wiederholt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, gekennzeichnet durch die gemeinsame Optimierung von Periodenlänge (Λ(z)) und Koppelfaktor (κ(z)) der Bragg-Gitter (G) einer Michelson- Interferometer-Stufe (13) zur Kompensation der Restwellig­ keiten von (einer) anderen Michelson-Interferometer- Stufe(n) (I1, I2).
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation einer kleineren Dispersion nur ein Teil der Interferometer-Stufen (I1, I2, I3, . . . , IN) wirk­ sam ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als IO-(Integrierte-Optik-)Schaltung ausgebildet ist.
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