DE19724676A1

DE19724676A1 - Meßanordnung und Verfahren zur Bestimmung der Polarisationsmodendispersion von optischen Elementen

Info

Publication number: DE19724676A1
Application number: DE1997124676
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Gottwald; Ulrich Dr Gaubitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-01-07

Description

Bis vor wenigen Jahren spielte die Polarisationsmodendisper sion in Glasfasern nur eine nebengeordnete Rolle. Mit dem Aufkommen höchstbitratiger Übertragungssysteme von 10 Gbit/s und mehr wird die Polarisationsmodendispersion zu einem be grenzenden Faktor in Übertragungssystemen. Insbesondere gilt dies auf bereits installierten Glasfaserstrecken, die je nach Faserhersteller zum Teil erhebliche Polarisationsmodendis persions-Werte aufweisen.

Die Ursache für die Polarisationsmodendispersion ist eine Doppelbrechung in einer Glasfaser, die sowohl von äußeren Einflüssen wie Druck und Temperatur als auch bereits bei der Faserherstellung durch Unregelmäßigkeiten in der zirkularen Symmetrie hervorgerufen werden kann. Man erhält so zwei Pola risationsmoden mit einer unterschiedlichen Gruppengeschwin digkeit (= Ausbreitungsgeschwindigkeit) für die beiden opti schen Signale, die in den Polarisationsmoden transportiert werden. Die unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten führen zu einer Laufzeitdifferenz (Differential Group Delay) der Polarisationsmoden. Eine fluktuierende Modenkopplung sorgt in stochastischer Weise für ständigen Energieaustausch zwischen den Moden und damit zu statistisch fluktuierenden Laufzeit differenzen und fluktuierenden Signalverzerrungen. Der Mit telwert M der diese Fluktuation beschreibenden Verteilung der Laufzeitdifferenzen wird üblicherweise zur Spezifizierung der Polarisationsmodendispersion herangezogen.

Zur Bestimmung der Polarisationsmodendispersion sind mehrere Meßmethoden bekannt. Einen Überblick über diese Meßmethoden geben die Artikel von A. Girard und J. Guertin "Polarization modedispersion mandates computation an control" in Lightwave, September 1996, S43-47, von Y. Namihira, J. Maeda, "Comparison of various polarisation mode dispersion measure ment methods in optical fibres", Electronics Letters, Vol.28, No.25, S.2265-2266, (1992) und B. Perny, C. Zimmer, F. Prieto, N. Gisin, "Polarisation mode dispersion: Large scale comparison of Jones matrix eigenanalysis against interferome tric measurement techniques", Electronics Letters, Vol.32, No.7, S.680-681, (1996).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung und ein Meßverfahren anzugeben, mit dem die Polarisationsmo dendispersion ermittelt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Pa tentanspruches 1 und 4.

Die Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß an die Frequenz- und Phasenübertragungsfunktion der elektrischen und elektrooptischen Komponenten der Meßanordnung keine besonde ren Anforderungen gestellt werden müssen, da jeweils bei nur einer beliebigen aber festen HF-Frequenz gemessen wird.

Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß bei einer Erhöhung der Modulationsfrequenz die Empfindlichkeit gesteigert wird.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus den nachfol genden näheren Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung und

Fig. 2 ein Flußdiagramm.

In Fig. 1 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der Polarisa tionsmodendispersion wiedergegeben.

Der Meßanordnung liegt nachfolgende Theorie zugrunde, wobei die Polarisationsmodendispersion von der Phase ϕ der Übertra gungsfunktion S₂₁ einer Teststrecke abgeleitet wird, wobei die Phase ϕ bei der Modulationsfrequenz ω_mod = 2πf_mod sich wie in der nachfolgenden Gleichung bestimmen lassen kann:

Die Abkürzungen in der genannten ersten Gleichung (1) bedeu ten dabei:
L: Länge der Teststrecke,
v_g = 1/β₁ = c/n_g : Gruppengeschwindigkeit,
n_g=n-λ_Ln': Gruppenindex,
n: polarisationsabhängiger Brechungsindex,
λ_L: Vakuumlichtwellenlänge,
n' = dn/dλ Ableitung und
ϕ_o Phasenoffset
c Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Da der Brechungsindex n wegen der Doppelbrechung polarisa tionsabhängig ist, verschiebt sich unter der realistischen Annahme, daß die Ableitung n' kaum von λ abhängt, bei fester Modulationsfrequenz f_mod die Phase um einen Betrag:

Die Abkürzungen in der genannten zweiten Gleichung (2) bedeu ten dabei:
n_x,y: Brechungsindizes der beiden Polarisationsmoden und
Δτ: Laufzeitdifferenz auf Grund der Polarisationsmoden dispersion.

Das unmodulierte Licht eines durchstimmbaren Lasers L wird durch einen Modulator M moduliert, der von einer Signaler zeugungseinheit E mit einem harmonischen Meßsignal S1 bei einer festen Frequenz f_mod angesteuert wird. Die Signalerzeu gungseinheit E kann entweder ein Sinusgenerator oder ein Teil einer Signalerfassungseinheit NWA (wie in Fig. 1 dargestellt) sein. Mit einem Polarisationsstellglied P wird bei einer festen Wellenlänge λ die Polarisation des Laserlichtes OS am Eingang der Teststrecke TS variiert, bis man auf einer Anzei gevorrichtung B des Netzwerkanalysators NWA die beiden Ex trema der Phase der Übertragungsfunktion ermittelt hat. Die Einstellung des Polarisationsstellgliedes P kann entweder ma nuell erfolgen oder automatisiert werden.

In der automatisierten Version (wie in Fig. 1 abgebildet) wird nach dem Polarisationsstellglied P mit einem 1 : 1 Teiler ein Teil der optischen Leistung einem Polarimeter POLM zugeführt und die Polarisation SOP des optischen Signals OS gemessen und das Meßergebnis an eine Signalauswerteeinheit (AE) wei tergeleitet. Der andere Teil des optischen Signals OS wird in die Teststrecke TS eingespeist.

Alternativ gibt es auch Polarisationsstellglieder P, die alle Polarisationszustände SOP erzeugen, wenn ein bestimmter Ein gangssteuerspannungszyklus SSP durchlaufen wird. In diesem Fall entfällt der Teiler T und das Polarimeter POLM.

Durch Anpassung der Modulationsfrequenz f_mod ist sicherzu stellen, daß die maximale Phasendifferenz kleiner als 2π ist. Durch Vergrößerung der Modulationsfrequenz f_mod kann die Meßempfindlichkeit so weit gesteigert werden, bis die zuvor genannte Bedingung gerade noch eingehalten wird.

Der gemessene Polarisationszustand SOP im Polarimeter POLM wird an die Signalauswerteeinheit AE übermittelt. Die Aus gangslichtleistung des Lasersignals OS nach der Übertragungs strecke TS wird mit einer Fotodiode PD und einem daran an schließendem Verstärker V als Eingangssignal an einem Eingang (Port 2) der Signalerfassungseinheit, z. B. einem Netzwerka nalysators NWA oder einem Vektorvoltmeter VV zugeführt. Auf grund einer Doppelbrechung des modulierten Signals OS ergeben sich Phasenverschiebungen bei einer Polarisationsänderung. In der automatisierten Version steuert das von einer Steuerein heit SE der Signalauswerteeinheit AE abgegebene Steuersigual SSP das Polarisationsstellglied P derart, daß jeder Polarisa tionszustand während des Meßintervalls eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt je nach Wahl des Polarisationsstellglie des P über die Messung des Polarisationszustandes SOP mit einem Polarimeter POLM oder durch Erzeugung und Durchlaufen eines Spannungszykluses zur Ansteuerung des Polarisations stellgliedes P.

Die Extremwerte des gemessenen Phasenverlaufs werden von der Signalauswerteeinheit AE ermittelt und dann bei gegebener Mo dulationsfrequenz f_mod nach der zweiten Gleichung (2) durch Δτ=(ϕ_max-ϕ_min)/(2πf_mod) direkt in die Laufzeitdifferenz Δτ umge rechnet. Die Wellenlänge λ und die dazugehörige Laufzeitdif ferenz Δτ werden dann in der Signalauswerteeinheit AE abge speichert.

Danach wird durch die Signalauswerteeinheit AE eine Wellen längenänderung Δτ durch ein Steuersignal SL im durchstimmba ren Laser L ausgelöst und die Laufzeitdifferenz Δτ für diese neue Wellenlänge λ bestimmt. Als Funktion der Wellenlänge er gibt sich dann eine statistische Verteilung der Laufzeitdif ferenzen Δτ. Der Mittelwert der Lauf zeitdifferenzen Δτ dieser statistischen Verteilung wird in der Signalauswerteeinheit AE ermittelt und dieser Mittelwert Δτ ergibt dann den zu messen den Wert der Polarisationsmodendispersion.

Ist die Ausgangsleistung des Laserlichts OS nicht groß genug oder die Dämpfung durch die Meßstrecke oder des Meßobjektes TS sehr hoch, können optische Faserverstärker FV mit opti schen Filtern OF eingesetzt werden, um die Empfindlichkeit der Meßanordnung zu steigern.

An Stelle eines Netzwerkanalysators NWA kann auch ein Sinus generator zur Erzeugung des Signals S1 und ein schmalbandiges Vektorvoltmeter für hohe Frequenzen zur Messung der Phase eingesetzt werden kann, da nur die Phase des empfangenen Signals S1 bei einer einzigen festen Frequenz benötigt wird.

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm zur Bestimmung der Polarisa tionsmodendispersion. Das Zusammenwirken der einzelnen Kompo nenten ergibt sich aus den Erläuterungen zu Fig. 1. Das Ver fahren zur Bestimmung der Polarisationsmodendispersion er folgt nach Maßgabe der nachfolgenden Verfahrensschritte ab:

- lege die Wellenlänge λ durch das Steuersignal SL und die Modulationsfrequenz fmod durch das Signal S1 fest,
- variiere die Eingangspolarisation des Signals das in die Teststrecke eingespeist wird durch das Steuersignal SSP und verändere die Modulationsfrequenz f_mod (Signal S1) bis größtmögliche Phasendifferenz Δϕ gemessen wurde,
- beachte, daß Phasensprung Δϕ < π ist,
- stelle Eingangspolarisation SOP der Teststrecke TS mit dem Polarisationsstellglied P durch Variation des Steuersignals SSP ein und bestimme die Phase ϕ der Übertragungsfunktion S21,
- starte Abfrage ob ausreichend viele Eingangspolarisations zustände SOP bei einer Wellenlänge λ vermessen wurden, wird die Abfrage mit Nein beantwortet wird eine weitere Polarisation am Polarisationsstellglied P eingestellt und die Phase ϕ der Übertragungssfunktion S₂₁ ermittelt, sind genügend Eingangspolarisationszustände SOP bei einer Wellenlänge λ vermessen, speichere Wellenlänge λ und zugehö rige Phase ϕ in der Signalauswerteeinheit AE ab und ermittle extremale Phasenwerte (max, min) und berechne die Laufzeitdifferenz nach der Gleichung Δτ(λ) = Δϕ/2πfmod,
- ermittle die der Polarisationsmodendispersion entsprechende Laufzeitdifferenz Δτ wird aus der statischen Verteilung der Laufzeitdifferenzen Δτ mit Hilfe des Mittelwertes.

Claims

1. Meßanordnung zur Bestimmung der Polatisationsmodendisper sion von optischen Elementen (TS), insbesondere in Glasfaser leitungen, mit

- einem Laser (L) und einem Modulator (M) zur optoelektroni schen Konversion eines Meßsignals (S1),
- mindestens einem Polarisationsstellglied (P) am Eingang des optischen Elementes (TS) zur Einstellung der Polarisation des vom Modulator (M) abgegebenen optischen Signals (OS),
- einer Signalerfassungseinheit (NWA) am Ausgang des opti schen Elementes (TS) zur Ermittlung der Phasenlage (ϕ) des optischen Signals (OS) am Ausgang des optischen Elementes (TS),
- einer der Signalerfassungseinheit (NWA) nachgeordneten Signalauswerteeinheit (AE) die
- - zwischen einer maximalen und minimalen Phasenlage (ϕmax, ϕmin) bei unterschiedlichen Polarisations einstellungen (SOP) des Polarisationsstellgliedes (P) bei unterschiedlichen Wellenlängen (λn) die dazugehörige Laufzeitdifferenz (Δτ) berechnet sowie
- - aus einer statistischen Verteilung der Laufzeitdifferenz (Δτ) die Polarisationsmodendispersion ermittelt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teiler (T) zwischen dem Ausgang des Polarisations stellgliedes (P) und dem Eingang der optischen Teststrecke (TS) angeordnet ist und
daß an einem weiteren Ausgang des Teilers (T) ein Polarimeter (POLM) angeordnet ist, wobei der jeweilige Polarisationszu stand (SOP) des optischen Signals (OS) an einen Eingang der Signalauswerteeinheit (AE) weitergeleitet wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem optischen Element (TS) ein optischer Verstärker (FV) und ein optisches Filter (OF) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswerteeinheit (AE) mit einem Steuereingang des Lasers (L) und einen Steuereingang des Polarisators (P) verbunden ist.

5. Verfahren zur Bestimmung der Polarisationsmodendispersion in optischen Elementen (TS), insbesondere in Glasfaserleitun gen, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Verfahrensschritt die Polarisation eines mit einem Signal (51) modulierten optischen Signals (OS) an Eingang des optischen Elementes (TS) kontinuierlich verändert wird, wobei die Phasendifferenz (ϕmax - ϕmin) zwischen den Extremwerten der Phase des optischen Signals (OS) am Ende des optischen Elementes (TS) ermittelt und jeweils in eine Lauf zeitdifferenz M umgerechnet und die zugehörige Wellenlänge (λn) zwischengespeichert wird,
daß in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Verfahrens schritt mit einer veränderten Wellenlänge (λm) des optischen Signals (OS) wiederholt wird und
daß aus der sich ergebenden statischen Verteilung der Lauf zeitdifferenz (Δτ) die Polarisationsmodendispersion ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz des Signals (S1) verändert wird bis die Extremwerte der Phase (Δϕ) nahe dem Grenzwert von 2π sind.