DE19961514A1

DE19961514A1 - Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin-Streuung in einer Lichtwellenleiterfaser

Info

Publication number: DE19961514A1
Application number: DE19961514A
Authority: DE
Inventors: Peter Krummrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-06-21
Also published as: US20010019642A1

Abstract

Durch Aufteilung einer LWL-Übertragungsfaser (1) in verschiedene Abschnitte und deren akustische Entkopplung voneinander wird die Ausbildung einer mechanischen Welle mit größerer Amplitude und damit eine SBS-Rückstrahlung verhindert. Ebenso kann dies durch Störung der Phasenbeziehung zwischen eingespeister und akustischer Welle bzw. rückgestreuter Lichtwelle durch Längsinhomogenitäten der Faser oder durch gezielte destruktive Interferenz erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin Streuung (SBS) in einer Lichtwellen leiterfaser (LWL-Übertragungsfaser).

Die Stimulierte Brillouin Streuung tritt dann auf, wenn Licht mit einer geringen Bandbreite und oberhalb einer kritischen Leistung über eine optische Faser übertragen wird. Durch me chanische Schwingungen der Faser kommt es zur Erzeugung einer optischen Welle mit niedrigerer Frequenz, die zum Faserein gang zurückläuft. Die rückgestreute optischen Welle verhin dert, daß eine höhere Leistung zum Faserende übertragen wird.

Aus dem US-Patent 4,560,246 ist bekannt, daß eine breitban dige Lichtquelle den Brillouin-Effekt reduziert. Diese breit bandige Quelle kann auch durch Modulation einer schmalbandi gen Lichtquelle erzeugt werden.

Nachteil beider Maßnahmen ist eine Verbreiterung des Spek trums, die zu Dispersionsproblemen führt. Für kohärente Sy steme ist eine Modulation ebenfalls problematisch.

Aus Phys. BL 50 (1994), Nr. 12, Seite 1129-1134 ist be kannt, durch geschickte Beeinflussung der Brillouin-Verschie bung eine signifikante Erhöhung der Brillouin-Schwelle zu er reichen. Dazu können periodische Modulationen von Größen be nutzt werden, die über den Brechungsindex oder die Schallge schwindigkeit die Brillouin-Verschiebung beeinflussen. In Frage kommen durch geeignete Verkabelung hervorgerufene me chanische Spannungen, Variationen der Dotierung über die Fa serlänge, das Zusammenspleißen verschiedener Fasertypen oder die Verwendung periodischer Temparaturgradienten.

Aufgabe der Erfindung ist es, konkrete Lösungen zur Erhöhung der Brilloin-Schwelle anzugeben.

Dieser Aufgabe wird durch die in unabhängigen Ansprüchen an gegebenen Anordnungen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Bei einer besonders vorteilhaften Lösung wird die Ausbildung der akustischen Welle durch die Unterteilung der Übertra gungsfaser in akustisch gegeneinander entkoppelte Abschnitte verhindert.

Eine andere Möglichkeit zur SBS-Unterdrückung ist durch sich ständig ändernde Ausbreitungsbedingungen für die akustische Welle gegeben. Es werden Fasergitter mit unterschiedlichen Gitterabständen gebildet, die die Kohärenz zwischen einge speister und Schallwelle bzw. reflektierter Lichtwelle ver hindern.

Derselbe Effekt kann durch das Einfügen von Faserabschnitten mit einer anderen Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Wellen erreicht werden oder durch Einfügen von Faserabschnit ten, in denen beide Wellen andere Ausbreitungskonstanten auf weisen, die jedoch zueinander in einem anderen Verhältnis stehen.

Es ist jedoch auch möglich, die Faserabschnitte so zu wählen, daß sich die reflektierten Wellen möglichst auslöschen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine LWL-Übertragungsfaser mit akustischer Entkopp lung,

Fig. 2 eine LWL-Übertragungsfaser mit variablem Mantel- Durchmesser,

Fig. 3 eine Übertragungsfaser mit eingefügten Faserabschnit ten, die eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit für Licht aufweisen, und

Fig. 4 eine Übertragungsfaser mit eingefügten Faserabschnit ten, die eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit für Schall aufweisen.

Fig. 1 zeigt in nicht maßstäblicher Darstellung eine Über tragungsfaser 1, die in mehrere Faserabschnitte 2, 3, 4, un terteilt ist. Die Faserabschnitte sind gegeneinander aku stisch entkoppelt und werden durch mechanische Spleiße 5 fi xiert. Zwischen den Faserabschnitten befindet sich Luft, Öl oder ein anderes Schallwellen nicht oder nur schlecht leiten des Medium. Die Faserenden 6, 7 sind abgeschrägt, um optische Reflexionen zu vermeiden.

Die akustische Welle AS kann sich nicht über die Spleiße hin weg fortpflanzen, so daß sie sich am Anfang jedes neuen Fa serabschnittes erst langsam wieder aufbauen muß. Die Ampli tude A der akustischen Welle AS ist in Abhängigkeit von der Faserlänge L unterhalb der Faser dargestellt. Insgesamt ist die Amplitude der akustischen Welle viel niedriger, als in einer durchgehenden Faser, was zu einem schwächer ausgebilde ten Brechzahlgitter und damit zu einer geringeren SBS führt. Die Aufgabe der Spleiße kann vom Coating (Beschichtung) oder, wenn bereits mit einem Coating versehene Fasern verwendet werden, von einer die Faser einschließlich Coating umschlie ßenden Schutzummantelung (Schutzhülle, Adernmantel) übernom men werden.

In Fig. 2 ist eine LWL-Übertragungsfaser 8 mit einem Faser kern 10 dargestellt, deren Mantel (Cladding) 9 (und/oder Be schichtung = Coating) in Abhängigkeit von der Länge (nicht maßstabsgerecht) einen sich ändernden Durchmesser oder durch Materialänderungen eine schwankende Ausbreitungsgeschwindig keit für Schallsignale aufweist. Dies hat die Ausbildung ei nes unterschiedlichen Fasergitters zur Folge, durch das die Kohärenz zwischen übertragenem Licht und der sich ausbilden den Schallwelle sowie mit dem rückgestreutem Licht gestört wird. Das sich ausbildende Fasergitter soll die akustische Welle entweder reflektieren oder in Moden überkoppeln, die nicht zur SBS beitragen. Ein entsprechender Effekt kann durch Dotieren des Mantelglases (Claddings), durch Zug- oder Druckspannungen, durch andere Glaszusammensetzungen der Faser und deren Behandlung oder durch Verkabelung hervorgerufene mechanische Spannungen erfolgen. Durch die Längsinhomogenitä ten werden wieder die Phasenbeziehungen zwischen der opti schen Signalwelle und der akustischen Welle bzw. der rückge streuten optischen Welle gestört.

Fig. 3 zeigt im oberen Teil die in eine LWL-Übertragungsfa ser 1 eingespeiste optische Welle OS und die von dieser er zeugte akustische Welle AS in einer Momentaufnahme. Der un tere Teil zeigt eine LWL-Übertragungsfaser 1, in die Faserab schnitte 11 eingefügt sind. Es ist jedoch nur ein eingefügter Faserabschnitt 11 dargestellt, der zwischen einem ersten ein gangsnahen Faserabschnitt 1A und einem zweiten Faserabschitt 1B der Übertragungsfaser 1 eingefügt ist. Dieser Faserab schnitt 11 weist eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit für optische Signale auf, während die akustische Ausbreitungsge schwindigkeit gleich bleibt. Um Probleme mit Reflexionen der optischen Signale zu vermeiden, müssen die Übergänge zwischen den Faserabschnitten entsprechend ausgeführt sein.

Zunächst soll die Entstehung der Rückstreuung kurz erläutert werden. Das eingespeiste optische Signal OS mit der Wellen länge λ_O bewirkt die Ausbildung eines Fasergitters FG1, des sen Wellenlänge λ_A annähernd der halben Wellenlänge der opti schen Welle OS entspricht und in einem angenommenen stationä ren Zustand das optische Signal teilweise reflektiert. Da sich das Fasergitter jedoch mit der sich ausbildende akusti sche Welle zum Faserende hin bewegt, wird das reflektierte optische Signal, die Stimulierte Brillouin Rückstreuung, durch den für das zum Faserende laufende Fasergitter und die rückgestreute Welle zweimal zu berücksichtigenden Doppler- Effekt eine niedrige Frequenz als das optische Signal OS auf weisen. Nun wird der Faserabschnitt 11 eingefügt, dessen op tische Ausbreitungsgeschwindigkeit unterschiedlich - hier hö her - ist und dessen Länge so gewählt ist, daß sich aufgrund der vergrößerten Wellenlänge λ_OF nach dem Durchlaufen dieses Faserabschnitts eine Phasenänderung um ein Viertel der opti schen Wellenlänge (π/2) der phasenverschobenen optischen Welle WOS gegenüber der ursprünglichen optischen Welle (wenn diese unverändert den Faserabschnitt 11 durchlaufen könnte) und damit zum noch nicht veränderten Fasergitter ergibt. Be trachtet man den längeren Hinweg der optischen Welle bis zum Fasergitter FG2 und den Rückweg der rückgestreuten Welle, so wird hierdurch eine Phasenverschiebung von π gegenüber der im eingangsseitigen Faserabschnitt entstandenen rückgestreuten optischen Welle und somit eine optimale destruktive Interfe renz erreicht. Die Längen un die Häufigkeit der Faserab schnitte 1A und 1B, die wesentlich die Amplitude des rückge streuten Signals bestimmen, werden so gewählt, daß es zu ei ner optimalen Reduktion der SBS kommt.

Fig. 4 zeigt wieder die LWL-Übertragungsfaser 1, in die aber jetzt ein Faserabschnitte 12 (oder mehrere) eingefügt ist, der eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Signale aufweisen. Um Probleme mit Reflexionen der optischen Signale zu vermeiden, soll der Kern der Faser und damit die Ausbreitungsbedingungen für ein optisches Signal möglichst konstant sein. Durch das optische Signal OS bildet sich eine akustische Welle mit einer gegenüber der auf den Faserab schnitten 1A und 1B vorhandenen Wellenlänge λ_A veränderten Wellenlänge λ_AF und mit dieser ein Fasergitter FG2 im einge fügten Abschnitt aus, das jedoch gegenüber dem Phasengitter FG1 andere Gitterabstände aufweist. Die Länge des eingefügten Faserabschnittes wird so gewählt, daß gegenüber einer homoge nen Faser eine Phasenänderung von π der phasenverschobenen akustischen Welle WAS gegenüber der ursprünglichen akusti schen Welle (bzw. π/2 der optischen Welle) erfolgt. Betrach tet man wieder den Hinweg des optischen Signals und den Rück weg der rückgestreuten Welle, so wird hierdurch eine optimale destruktive Interferenz der rückgestreuten Wellen erreicht womit die Bedingungen zur Ausbildung einer störenden SBS nachhaltig gestört werden. Die Frequenzdifferenz zwischen dem eingespeisten optischen Signal und dem rückgestreuten opti schen Signal wurde bei den Betrachtungen vernachlässigt.

Es können natürlich ebenfalls Mischsysteme aus den Ausfüh rungsbeispielen nach Fig. 3 und Fig. 4 verwendet werden. Wesentlich ist nur eine Phasenverschiebung der optischen Welle gegenüber der akustischen Welle und damit gegenüber dem Fasergitter im Faserabschnitt 1B.

Die Faserabschnitte 11, 12 mit abweichenden Ausbreitungsge schwindigkeiten können durch Einspleißen, durch Änderungen des Manteldurchmessers oder durch Änderung der Dotierung er zielt werden.

Claims

1. Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin Streuung (SBS) in einer Lichtwellenleiterfaser (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterfaser (LWL-Übertragungsfaser) (1) in akustisch gegeneinander entkoppelte Abschnitte (2, 3, 4), in denen noch keine störende Brillouin Streuung entsteht, unter teilt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LWL-Übertragungsfaser (1) in Abschnitte (2, 3, 4) un terteilt ist, die durch akustisch isolierende mechanische Spleiße (5) miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LWL-Übertragungsfaser (2) in mehrere Abschnitte (2, 3, 4) unterteilt ist, die durch das Coating oder eine weitere Schutzummantelung der LWL-Übertragungsfaser (1) fixiert sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden (6, 7) zur Vermeidung von optischen Refle xionen abgeschrägt sind.

5. Anordnung zur Reduzierung der stimulierten Brillouin- Streuung (SBS) in einer LWL-Übertragungsfaser (1), dadurch gekennzeichnet, daß eine LWL-Übertragungsfaser (8) vorgesehen ist, die zu fallsbedingte oder quasizufallsbedingte Änderungen ihrer Längsinhomogenitäten aufweist, die unterschiedliche Ausbrei tungsgeschwindigkeiten der optischen und/oder akustischen Welle zur Folge haben und die hierdurch die Phasenbeziehung zwischen einer übertragenen optischen Signalwelle und einer hierdurch angeregten akustischen bzw. rückgestreuten opti schen Welle stören.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die LWL-Übertragungsfaser (8) unterschiedliche Ausbrei tungsgeschwindigkeiten für Schallsignale aufweist.

7. Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin- Streuung (SBS) in einer LWL-Übertragungsfaser (1), dadurch gekennzeichnet, daß in die LWL-Übertragungsfaser (1) Faserabschitte (11) mit einer abweichenden Ausbreitungsgeschwindigkeit für optische Wellen eingefügt sind, wobei die Längen und/oder die Ausbrei tungsgeschwindigkeiten der Faserabschnitte so bemessen sind, daß sich destruktive Interferenzen zwischen den reflektierten Lichtwellen ergeben.

8. Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin Streuung (SBS) in einer LWL-Übertragungsfaser (1) nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Übertragungsfaser (1) mindestens ein Faserab schnitt (11) mit einer abweichenden Ausbreitungsgeschwindig keit für optische Wellen eingefügt ist, wobei die Länge des Faserabschnitts (11) so bemessen ist, daß sich nach durchlau fen dieses Faserabschnitts (11) eine Phasenänderung von zu mindest annähernd nπ/2 (n = 1, 3, 5,. . .) der phasenverschobe nen optischen Welle (WOS) gegenüber der ursprünglichen opti schen Welle (OS) und dem Fasergitter (FG1) ergibt.

9. Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin Streuung (SBS) in einer LWL-Übertragungsfaser (1), dadurch gekennzeichnet, daß in die LWL-Übertragungsfaser (1) Faserabschitte (12) mit einer abweichenden Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Wellen (AS) eingefügt sind, wobei die Längen der Faserab schnitte (12) und/oder die Ausbreitungsgeschwindigkeiten so bemessen sind, daß sich destruktive Interferenzen zwischen den reflektierten optischen Wellen ergeben.

10. Anordnung zur Reduzierung der Stimulierten Brillouin- Streuung (SBS) in einer LWL-Übertragungsfaser (1) nach An spruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Übertragungsfaser (1) mindestens ein Faserab schnitt (12) mit einer abweichenden Ausbreitungsgeschwindig keit für akustische Wellen (AS) eingefügt sind, wobei die Länge des Faserabschnitts (12) so bemessen ist, daß sich eine Phasenänderung von nπ (n = 1, 3, 5,. . .) der phasenverschobe nen akustischen Welle (WAS) gegenüber der ursprünglichen aku stischen Welle (OS) ergibt, so daß ein von einer derart pha senverschobenen akustischen Welle (WAS) erzeugtes Fasergitter (FG2) gegenüber der optischen Welle (OS) um zumindest annä hernd nπ/2 der optischen Welle (OS) phasenverschoben ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der eingeführten Faserabschnitte gegen über dem der Übertragungsfaser verändert ist.

12. Anordnung nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einspeisung eines optischen Signals in die LWL-Übertragungsfaser (8) die Faserabschnitte (11) mit unter schiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit häufiger und mit zu nehmender Entfernung seltener eingefügt sind.