DE19724678A1

DE19724678A1 - Meßanordnung und Verfahren zur Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung von Signalen in optischen Komponenten

Info

Publication number: DE19724678A1
Application number: DE1997124678
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Gaubatz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-06-10

Description

Die präzise Kenntnis der Dispersionseigenschaft einer Glasfa ser oder einer optischen Wellenleiterstruktur ist für eine Dimensionierung einer optischen Nachrichtenstrecke von großer Bedeutung. Die Dispersion in optischen Elementen führt zu Laufzeiteffekten und Signalverzerrungen.

In optischen Nachrichtensystemen entsprechen die Gruppenge schwindigkeiten v_g's den Signalgeschwindigkeiten der einzel nen Kanäle. In Wellenlängenmultiplexsystemen bestimmen die Gruppengeschwindigkeiten v_g's damit ganz wesentlich Kreuzkopplungseffekte zwischen den Kanälen. Eine Gruppenge schwindigkeits-Dispersionssteigung trägt bei optischen Nach richtenstrecken, die am Dispersionsnullpunkt betrieben werden, maßgeblich zu einer Signalverzerrung bei.

Verfahren zur Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit und eines Gruppenindexes n_g sind aus L. G. Cohen, "Comparison of Single-Mode Fiber Dispersion Measurement Techniques", J. Lightwave Technol., Vol.-3, No. 5, Seite 958-966, (Okt. 1985) bekannt. Der Gruppenindex n_g wird aus dem Quotient aus der Vakuumlichtgeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeit v_g gebildet.

Die aus der Veröffentlichung bekannten Verfahren zur Bestim mung der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung beruhen darauf, die Gruppengeschwindigkeit v_g als Funktion der opti schen Wellenlänge zu messen und diese Werte dann durch eine geeignete Funktion wie beispielsweise durch ein Sellmeier-Fit anzupassen. Die zweifache Ableitung dieser Fitfunktion nach der Wellenlänge liefert dann die Gruppengeschwindigkeits-Dis persionssteigung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Meß verfahren anzugeben, mit dem die Gruppengeschwindigkeit sowie die Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung ermittelt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1 und 6.

Die Erfindung bringt neben dem Vorteil, daß sie unempfindlich auf einem beliebige Arbeitspunkte bzw. Chirp eines Modulators eingestellt werden kann, sofern die Ansteuerparameter des Mo dulators bei der Messung nicht verändert werden, den weiteren Vorteil mit sich, daß jeder Modulatortyp geeignet ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist es, daß es nicht auf einen bestimmten Gruppengeschwindig keitsbereich eines Bauelementes oder einer Leitung begrenzt ist, da der Frequenzdurchstimmbereich angepaßt werden kann.

Die Meßanordnung bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß sie für alle Wellenlängen geeignet ist.

Alternativ zur Gruppengeschwindigkeit v_g wird oft der Grup penindex n_g als Quotient aus der Vakuumlichtgeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit v_g angegeben. Die Gruppengeschwin digkeit v_g erhält man aus der Ausbreitungskonstanten β durch die erste Ableitung nach der Frequenz 1/v_g = dβ/dω. Die zweite Ableitung ergibt die Gruppengeschwindigkeitsdispersion β₂ = d²β/dω² und die dritte Ableitung ergibt die Gruppenge schwindigkeits-Dispersionssteigung β₃ = d³β/dω³. Die Gruppen geschwindigkeitsdispersion und die Gruppengeschwindigkeits- Dispersionssteigung führen zu Pulsverzerrungen entlang einer optisch dispersiven Strecke. Die Verzerrungen auf Grund der Gruppengeschwindigkeitsdispersion bzw. die Gruppengeschwin digkeits-Dispersionssteigung skalieren mit der 2. bzw. mit der 3. Potenz der Signalfrequenz β² ω₂ bzw. β₃ ω³, so daß die Gruppengeschwindigkeit-Dispersionssteigung-Effekte dann be merkbar werden, wenn das Verhältnis aus der Ausbreitungskon stanten β₃ ω/β₂ nicht mehr klein gegen 1 ist. Dies ist bei optischen Glasfaserstrecken, die nahe an der Dispersionsnull stelle (β₂ = 0) betrieben werden, der Fall.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus den nachfol genden näheren Erläuterungen von Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung anhand der Figuren ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung,

Fig. 2 eine weitere Meßanordnung und

Fig. 3 ein Flußdiagramm.

In Fig. 1 ist zum Verständnis der Erfindung ein schemati scher Meßaufbau einer Meßanordnung zur Bestimmung der Grup pengeschwindigkeit v_g gezeigt. Monochromatisches Licht eines Lasers L wird durch einen Modulator M, der ein beliebiger Mo dulator-Typ sein kann, mit einem harmonischen Signal S1 bei einer kontinuierlich durchstimmbaren Frequenz f=f₀+Δf, das z. B. von einer Signalerzeugungseinheit SG erzeugt wird, modu liert.

Die Frequenz des Meßsignals wird z. B. bei f₀=1 GHz um Δf=1 kHz variiert. Der Modulator kann beispielsweise ein LiNbO₃-Mach-Zehnder Modulator mit einem Bias-T zur Ar beitspunkteinstellung sein. Zur Erhöhung der Meßempfindlich keit kann wie in Fig. 1 gezeigt, nach einer Teststrecke TS ein optischer Vorverstärker FV mit Bandpaßfilter OF eingefügt werden. Das Meßsignal S1 wird über eine Photodiode PD und einem HF-Verstärker V einer Signalerfassungseinheit z. B. einem Netzwerkanalysator NWA zugeführt, der mit einem einge bauten Hochfrequenzfilter und einem Hochfrequenz - Leistungs meßgerät, die Werte der Phase der Übertragungsfunktion S₂₁ bei der Modulationsfrequenz f bestimmt. Die Teststrecke TS kann z. B. eine Standard-Einmodenfaser sein.

Die Ausgestaltung der Auswerteeinheit AE beruht auf dem Zu sammenhang, daß sich die Werte der Phase der Übertragungs funktion S₂₁ eines optischen Elementes bei der Modulations frequenz f wie folgt ändert:

Die Abkürzungen haben folgende Bedeutung:
L Länge der Teststrecke TS,
Gruppengeschwindigkeit v_g = 1/β₁,
Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung β₃,
weitere höhere ungerade Dispersionsterme β_2k-1 (k=3,4,. . .),
Phasenoffset ϕ₀ und
a₁, a₃, a_2k-1 Reihenentwicklungskoeffizienten.

Durch Messung der Phase ϕ_n und der Modulationsfrequenz f_n erhält man nach einem Polynomfit mit den gemessenen Datenpaa ren (f_m,ϕ_m) die Reihenentwicklungskoeffizienten a_k und erhält daraus nach (1) die ungeraden Dispersionskoeffizienten β₁, β₃.

Da Phasenänderungen größer als 2π wegen der Eindeutigkeit vermieden werden müssen, ergeben sich kleine Frequenzhübe Δf um eine Mittenfrequenz f₀ und eine nahezu lineare Phasenände rung in diesem Intervall. In diesem Fall läßt sich die Ge setzmäßigkeit (1) in eine von Δf=f₂-f₁abhängige Phasendiffe renz Δϕ(Δf)=ϕ(f₂)-ϕ(f₁) umrechnen und dann wie folgt approxi mieren:

Bei kleinem v_g β₃ kann der 2. Summand vernachlässigt werden und die Steigung b₁ ist proportional zu 1/v_g. Ein Beispiel hierzu verdeutlicht dies: Für eine Standard-Einmodenfaser SMF ist der effektive Gruppenindex bei 1550 nm etwa 1.470 und die Gruppengeschwindigkeit v_g = 2.039 10⁵ km/s (bzw. β₁ = 4.903 10^-6 ps/km). Bei einer Faserlänge von 100 km benötigt man für einen Phasenhub von 2π nur einen Frequenzhub (Δf = v_g/L) von 2 kHz.

Auch bei kleinen Frequenzhüben Δf und damit geringer kubi scher Abhängigkeit der Phase von f in (1) läßt sich nach For mel (2) auf β₃ schließen, da man bei konstantem Frequenzhub Δ f die Mittenfrequenz f₀ variieren kann. Die Steigungen b_1m als Funktion der verschiedenen Mittenfrequenzen f_0m liefern dann die Gruppengeschwindigkeit v_g und die Dispersionssteigung β₃.

Bei der oben beschriebenen Meßanordnung kann die Teststrecke TS eine Wellenleiterstruktur oder eine OEIC Komponente wie z. B. multiple Quantum Well Strukturen MWQ oder semiconductor optical amplifier SOAs sein.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung der Meßanordnung zur Ermittlung der Gruppengeschwindigkeit und der Gruppenge schwindigkeits-Dispersionssteigung dargestellt.

Bei diesem, einem Zwei- oder Mehrton-Meßverfahren wird ein Modulator simultan mit zwei oder mehreren diskreten harmoni schen Signalen S₁, S₂, S_n mit den Frequenz f₁,f₂,. .f_n, die in den Sinusgeneratoren SG erzeugt werden, angesteuert. Diese harmonischen Signale S₁,S₂ werden nach der Photodiode durch HF-Filter HF wieder aus dem Übertragungssignal herausfiltert und die Phasenlagen ϕ₁. . .ϕ_n bei den jeweiligen Frequenzen f₁, f₂,. . .,f_n zu den harmonischen Signalen S₁, S₂ , S_n mit einer Signalerfassungseinheit wie z. B. mit einem Vektorvoltmetern VV bestimmt. Die gemessenen Datenpaare (f_n,ϕ_n) können dann ebenfalls wieder durch ein Polynomfit angefittet werden und ergeben dann nach Formel (1) oder (2) in analoger Weise wie in Fig. 1 die Gruppengeschwindigkeit v_g bzw. die weiteren Koeffizienten β_2k-1. Da bei der Meßanordnung nach Fig. 2 wird die Messung der Datenpaare (f_n,ϕ_n) simultan bei mehreren Fre quenzen erfolgt, geht die Polarisationsmodendispersion nicht als Meßfehler in die Ermittlung der Gruppengeschwindigkeit mit ein.

Statt eines Mach-Zender Modulators (siehe Fig. 1) kann der Laser L auch direkt durch ein von einer Signalerzeugungsein heit SG erzeugtes Signal moduliert werden.

Die Auswerteeinheit AE speichert die gemessenen Frequenz- und Phasenwerte. Durch ein Polynomfit an den Datenpaaren (f_m,ϕ_m) bzw. (Δf,Δϕ) werden die Reihenentwicklungskoeffizienten a_k bzw. b_k ermittelt. Unter Berücksichtigung der als bekannt vorausgesetzten Länge L der Teststrecke TS wird die Gruppen geschwindigkeit v_g und die Gruppengeschwindigkeits-Dispersi onssteigung β₃ und falls möglich noch höhere Terme β₅ ermit telt.

Falls die Länge L der Teststrecke TS nicht bekannt ist, wird statt β_j das Produkt β_j.L bestimmt.

In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm zur Meßwerterfassung wiederge geben. Die Länge L der Teststrecke TS wird in einer separaten Messung bestimmt. Eine Mittenfrequenz f₀ und der Durchstimm bereich Δf eines Testsignals S1 wird z. B. in einer Signaler fassungseinheit eines Netzwerkanalysators NWA festgelegt. Mit Hilfe einer Bildschirmeinheit des Netzwerkanalysators NWA wird die Phase der Übertragungsfunktion S₂₁ über die Frequenz des Sinussignals aufgetragen. Der Durchstimmbereich Δf wird solange verändert, bis die Differenz zwischen gemessener ma ximaler Phasenverschiebung und minimaler Phasenverschiebung kleiner als 2π ist. Daraufhin speichert man die gemessenen Datenpaare (f_m,ϕ_m) in einer Auswerteeinheit AE ab. In einem ersten Verarbeitungsmodul E der Auswerteeinheit AE wird durch einen geeigneten Algorithmus ein Polynomfit an die Datenpaare gelegt und erste, zweite sowie weitere Koeffizienten a_2k-1 be stimmt. Ist die Meßgenauigkeit ausreichend, um aus einem zweiten Koeffizienten a₃ den zweiten Dispersionskoeffizienten β₃ zu erhalten, können in einem zweiten Modul B in der Aus werteeinheit AE die Gruppengeschwindigkeit v_g und die Disper sionssteigung aus den Koeffizienten a1, a3 ermittelt werden.

Ist die Meßgenauigkeit nicht ausreichend, so werden in der Auswerteeinheit AE alle möglichen Differenzpaare (Δf,Δϕ) ge bildet, daran ein Polynomfit gelegt und die Steigung b₁ er mittelt und die Mittenfrequenz f₀ sowie die Steigung b₁ in der Auswerteeinheit AE abgespeichert. Daraufhin wird f₀ so lange variiert und jeweils b₁ ermittelt, bis der Datensatz (f₀,b₁) ausreicht, um daraus nach Formel (2) v_g und β₃ zu be stimmen.

Claims

1. Meßanordnung zur Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit (v_g) und der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung (β₃) von Signalen in optischen Elementen (TS), insbesondere in Glasfaserleitungen, mit

- einem Laser (L) am Eingang des optischen Elementes (TS), wobei das durch den Laser (L) erzeugte optische Signal durch mindestens ein Meßsignal (S1, S2) moduliert wird,
gekennzeichnet durch,
- mindestens eine Signalerfassungseinheit (VV, NWA) am Ausgang des optischen Elementes (TS) zur Messung der Phasenlage (ϕ) der Übertragungsfunktion (S₂₁) in Abhängigkeit der Frequenz (f) des Meßsignals (S1, S2),
- eine ein erstes und zweites Modul (E, B) aufweisende Auswerteeinheit (AE) die der Signalerfassungseinheit (VV, NWA) nachgeordnet ist, wobei
- im ersten Modul (E) Datenpaare gebildet aus den Werten der Phase (ϕm) der Übertragungsfunktion (S₂₁) mit dazugehörigen Frequenzwerten (fm) abgespeichert und mit diesen ein Polynom-Fit ϕ=ϕ₀-a₁.f-a₃.f³-. . .-a_2k-1.f^2k-1 zur Bestimmung eines ersten und zweiten Reihenentwicklungskoeffizienten (a₁, a₃,. . .) durchgeführt wird und
- im zweiten Modul (B) nach einer ersten Gleichung
die Gruppengeschwindigkeit (v_g) und nach einer zweiten Gleichung
die Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung (β₃) bestimmt wird, wobei die Abkürzung L die Länge des optischen Elementes (TS) angibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerfassungseinheit mindestens ein Vektorvoltme ter (VV) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerfassungseinheit ein Netzwerkanalysator (NWA) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ende des optischen Elementes (TS) mindestens ein optischer Faserverstärker (FV) und ein optisches Filter (OF) zur Verstärkung des Meßsignals (S1, S2) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einspeisung von mindestens zwei Meßsignalen (S1, S2) diese durch Hochfrequenzfilter (HF) am Ende des optischen Elementes getrennt einem ersten und zweiten Vektorvoltmeter (VV) zugeführt werden.

6. Meßverfahren zur Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit (v_g) und der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionssteigung (β₃) von Signalen in optischen Elementen (TS), insbesondere in Glasfaserleitungen, mit einem Laser (L) am Eingang des optischen Elementes (TS), wobei das durch den Laser (L) er zeugte optische Signal durch mindestens ein Meßsignal (S1, S2) moduliert wird und diese durch mindestens eine Signalerfassungseinheit (VV, NWA) am Ausgang des optischen Elementes (TS) das modulierte optische Signal erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß Datenpaare aus einer Phasenlage (ϕm) bei verschiedenen Frequenzen (fm) des Meßsignals (S1, S2) gebildet und zwischengespeichert werden,
daß nach Maßgabe von Programmprozeduren aus den Datenpaaren (ϕ(f)) ein Polynom mit der Formel ϕ=ϕ₀-a₁.f-a₃.f³-. . .-a_2k-1.f^2k-1 gebildet wird und
daß aus dem ersten Reihenentwicklungskoeffizienten (a₁) des Polynoms die Gruppengeschwindigkeit (v_g) und aus dem zweiten Reihenentwicklungskoeffizienten (a3) die Gruppengeschwindig keits-Dispersionssteigung (β₃) ermittelt wird.