DE2418534B2 - Modenmischer zum modenmischen in einem dielektrischen lichtwellenleiter - Google Patents

Description

R, =

und kleiner ist als

mit

a = Radius des Kerns,

H₁ = Brechungsindex des Kerns,
H₂ = Brechungsindex des Mantels,
Z₀ = Freiraum-Wellenlänge des Lichts.

2. Modenmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsabschnitt (2) einen zu einer Achterschleife gebogenen Abschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters (4, 5) enthält (Fig. 4c).

3. Modenmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (2) einen mäanderformig gewundenen Abschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters (4, 5) enthält (Fig. 4a).

4. Modenmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsabschnitt (2) einen als Wendel mit variabler Steigung gebogenen Abschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters(4.5) enthält (Fig. 4b).

45

Die Erfindung betrifft einen Modenmischer zum Ausbreitungsmoden-Mischen von sich in einem dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter aus Kern und Mantel ausbreitendem Licht mittels Führung durch einen Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters.

Die hier verwendeten Begriffe »Licht« und »optisch« beziehen sich auf jene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, die üblicherweise als Infrarot-, sichtbarer tnd Ultraviolett-Bereich bezeichnet werden.

Wenn sich Licht längs eines dielektrischen Lichtfc'Cllenleiters ausbreitet, kann es im dielektrischen Itchtwellenleiter im allgemeinen mehrere verschiedene flektromagnelische Feldverteilungen haben. Das phyfikalischc Verhalten des Lichts im dielektrischen Lkhtwellenleiter hängt von der speziellen elektrotiagnctischen Feldvcrtcilung. d. h. vom Ausbreitungs-(tode.ab. So hängt z. B. die Gruppengeschwindigkeit 4es sich längs eines dielektrischen Lichtwellenleiters tusbreitendcn Lichts vom Aushreitungsmode ab.

Wenn die Abmessungen des dielektrischen Lichtwellenleiters ausreichend klein sind, ist das Licht beim Durchlaufen des dielektrischen Lichtwellenleiters auf nur einen einzigen Ausbreitungsmode beschränkt; ein derartiger dielektrischer Lichtwellenleiter heißt dielektrischer Monomode-Lichtwellenleiter. Bei größeren dielektrischen Lichtwellenleitern kann sich jedoch das Licht in mehreren Moden ausbreiten, auf die das Licht beim Durchlaufen des dielektrischen Lichtwellenleiters beschränkt ist; ein derartiger dielektrischer Lichtwellenleiter heißt dielektrischer Multimode-Lichtwellenleiter.

Sich in einem dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter ursprünglich in einem Mode ausbreitendes Licht breitet sich in diesem Mode so lange aus, bis eine Störung in der Geometrie oder Struktur des dielektrischen Lichtwellenleiters auftritt. Durch eine solche Störung können sich die elektromagnetischen Felder des Lichts ändern und bewirken, daß das gesamte Licht seinen Ausbreitungsmode in einen oder mehrere neue Moden ändert. Diese Änderung des Ausbreitungsmodes heißt Modenmischen, und eine Anordnung, die dieses Modenmischen bewirkt, heißt Modenmischer. Ein Modenmischer ist nicht auf einen diskreten Punkt in einem dielektrischen Lichtwellenleiter beschränkt, vielmehr kann er einen Längenabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters umfassen, in dem eine Störung der Struktur entweder periodisch oder allmählich kontinuierlich über eine beträchtliche Länge hinweg auftritt.

Eines der Hauptprobleme beim Einsatz eines dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiters für die Nachrichtenübertragung ist die Begrenzung der Bandbreite durch die Gruppenlaufzeit-Dispersion, verursacht durch eine Änderung der Gruppengeschwindigkeit für verschiedene Ausbreitungsmoden. Dadurch kann sich eine in einem Mode ausbreitende logische »Eins« mit einer vorausgehenden, sich in einem anderen Mode ausbreitenden logischen »Null« überschneiden. Dieser Effekt kann durch gezieltes Modenmischen beherrscht werden. Bei kontinuierlichem Modenmischen bzw. bei Modenmischen in gleichmäßigen Abständen bleibt ein gegebenes Energiepaket beim Ausbreiten gleich lang in jedem Mode. Dadurch wird sichergestellt, daß jedes Energiepaket beim Durchlaufen des gesamten dielektrischen Lichtwellenleiters dieselbe Zeit beansprucht, wodurch der Einfluß der Gruppenlaufzeit-Dispersion minimisicrt wird.

Die Lichtausbreitung in gekrümmten dielektrischen Wellenleitern mit Rechteckquerschnitt und insbesondere die dabei auftretenden Strahlungsverluste wurden bereits untersucht (vgl. Bell System Techn. .L Bd. 4K [Sept. 1969]. S. 2103 2132). Dabei wurde lediglich beiläufig festgestellt, daß gekrümmte dielektrische Lichtwellenleiter großer Querschnittsfläche, die viele Moden übertragen können, eher einer Modenwandlung als Strahlungsverlusten unterliegen, d. h.. daß das Krümmen eines Multimoden-Lichtwellenleiters /u einer Modenmischung führen kann. Wie ein solches Modenmischen gezielt erfolgen könnte, wird nicht angegeben.

Weiler ist bekannt, daß ein Modenmischen durch periodisches Ändern der Achsrichtung des l.ichtwcllcnleilers herbeigeführt weiden kann (vgl. US-PS 36 87 514 und US-PS 36 66 348). Im wesentlichen wird eine Streuung im Miillimode-Lichtwellcnleiler dadurch verringert, daß das, Mi dcnumset/en im Wellenleiter

erhöht wird. Dazu wird vor allem der Radius bzw. Durchmesser des Wellenleiters durch Ändern der Zieh-Geschwindigkeit bei dessen Herstellung moduliert. Darüber hinaus ist zusätzlich auch euie Verschiebung der Achsrichtung des Lichtwellenleiters möglich, wodurch eine Wendel konstanter Steigung und konstanten Krümmungsradius des Wellenleiters entsteht. Die Periode der Krümmung des Wellenleiters entspricht der Differenz der Ausbreitungskonstanten der beiden zu koppelnden Moden (vgl Gleichung (2) der US-PS 36 87 514). Wenn die Ampli tude der Verschiebung der Lichtwellenleiter-Achse ausreichen soll, um ein Modenmischen hervorzurufen, erzeugt jedoch eine derartige Steigung der Wendel eine Krümmung des Lichtwellenleiters, deren Krümmungsradius nachteilig zu einer erheblichen Dämpfung des den Lichtwellenleiter durchlaufenden Lichts fuhrt. Eine derart durchgeführte Modenmischung ruft also Energieverluste durch Strahlung aus dem Wellenleiter hervor.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen paktisch anwendbaren Modenmischer anzugeben, bei dem einen Kreisquerschnitt - Licht wellenleiter durchlaufendes Licht praktisch ungedämpft übertragbar ist.

Die Aufgabe wird bei einem Modenmischer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil des Krümmungsabschnitts einen sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius hat. der überall größer ist als

4 a²«,

und kleiner ist als

6.4a³/if

R, = -μ

a = Radius des Kerns.
π, = Brechungsindex des Kerns.
»2 = Brechungsindex des Mantels.
/.„ = Freiraum-Wellenlänge des Lichts.

Das Modenmischen wird also erfindungsgcmäß mit Hilfe eines Krümmungsabschnittes des dielektrischen Lichtwcllenleitcrs durchgeführt, der mindestens zum Teil sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius aufweist. Der Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters weist einen Wegunterschied /wischen der durch die Wellenfront auf der Innenseite und auf der Außenseite der Krümmung zurückgelegten Entfernung auf. Dieser Wegunterschicd entspricht einem Unterschied der Phascngeschwindigkcit. was einen Übergang des Lichts zwischen Moden bewirkt.

Wenn der Krümmungsradius urößer ist

eingekoppelt, d. h. in Moden, bei denen das Licht nicht an den dielektrischen Lichtwellenleiter gebunden ist. Dadurch ergibt sich eine starke Dämpfung des den dielektrischen Lichtwellenleiter durchlaufenden Lichts, was für eine Nachrichtenverbindung nicht zulässig ist. Wenn der Krümmungsradius erfindungsgemäß größer als R₂ ist, muß zwar mit einer gewissen Dämpfung gerechnet werden, die aber vernachlässigbar gering ist.

Der erfindungsgemäße Modenmischer enthält also einen Krümmungsabschnitt eines dielektrischen Lichtwellenleiters, und zwar zum kontinuierlichen Modenmischen mit einem sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius. Dies kann auf verschiedene vorteilhafte Arten erfolgen, z. B. durch eine Biegung mit langsam anwachsender Krümmung, gefolgt von einem Bereich mit konstanter Krümmung und einem Bereich mit langsam abnehmender Krümmung, wie eine Achlerschleife, oder durch einen mäanderförmig gewundenen Abschnitt des dielektrischen Liduwellenleiters oder durch einen als Wendel mit variabler Steigung gebogenen Abschilt des dielektrischen Lichtwellenleiters.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig I schematisch eine optische oder Lichi-Nachrichtenübertragungsverbindung mit einem Modenmischer.

F i g. 2 einen Krümmunusabschniu eines dielektrischen Lichlwellenleiters,

Fig. 3 einen Lichtstrahlweg eines sich durch den Kern eines Krümmungsabschnitts eines dielektrischen Lichtwellenleiters ausbreitenden Lichts.

F i g. 4a bis 4c verschiedene Krümmungsarten eines dielektrischen Lichtwellcnlciters zum Modenmischen und

Fig. 5 und 6 Signalantworten aus einer optischen Nachrichtenübertragungsverbindung mit einem Modenmischer.

Gemäß F i g. 1 wird Licht aus einer Quelle 1 in einen Abschnitt eines dielektrischen Multimode-Lichtwellenle^if.ers 4 eingespeist. Das Licht läuft dann über einen Modenmischer 2 und einen weiteren dielektrischen Multimode-Lichlwellenleitcr 5 zu einem Detektor 3. Der Modenmischer 2 enthält einen Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtweileiileiters. In der Praxis kann die gesamte Verbindung /wischen der Lichtquelle 1 und dem Detektor 3 im wesentlichen so aus Krümmungsabschnitten des dielektrischen Lichtwellenleiteis bestehen, daß der Modenmischer 2 die gesamte Verbindung darstellt. Die Arbeitsweise des Modenmischers ergibt sich aus der folgenden Theorie.

Eine Welle in einem geraden dielektrischen Lichtwellenleiter besitzt eine einzige Phasengeschwindigkeit

Wert R₁. erfolgt kein Modenmischen. da der durch die Bicnunü erzeugte Unterschied in der Phu^enjiesehwindigkcit nicht ausreicht, um den PhasengochwiiKli'-ikeiis-Unlcrschied zwischen Moden auszugleichen. Wenn andererseits der Krümmungsradius kleiner als der Wert R, ist. werden Ausbreitungsmoden, d. h. Moden, bei denen das Licht an den dielektrischen Lichtwellenleiter uebuiv.len ist. in Abslrahhinusmodcn

mit:

der Kreisfrequenz..

,; = "' -. Wcllcnausbrcituniiskonstante.

'■ f! ~

Leiter-Wellenlänge.

Wenn der Lichtweücnleitcr nach I·' i u. 1 zu einem Radius ueboeen wird, entsteht ein Unterschied 111

den Wegen der Phasenfront auf dem äußeren und dem inneren Krümmungsradius des Wellenleiters. Die Länge auf dem äußeren Weg der Wellenfront ist (r + a) u und auf dem inneren Weg (/· — «)«. Der Wegunterschied beträgt also Ir- u = 2a«, mit einem mittleren Weg r u und einem normierten Wegunter

Dieser normierte Wegunterschied

schied —- = —-

1 V.

ist einem normierten Unterschied --p-" der Phasen-

geschwindigkeit äquivalent.

Bei einer festen Frequenz r.j entspricht jeder Phasengeschwindigkeit ein Wert der Ausbreitungskonstanten ist, mit c = Lichtgeschwindigkeit im freien Raun oder Vakuum.

Für kontinuierliches Modenmischen muß der Licht wellenleiter abwechselnd gebogen und nicht gebogcr sein, um einen mäanderförmigen Weg zu ergeben Der Krümmungsradius der Biegungen muß kleir genug sein, um alle Moden zu mischen, jedoch nichi so klein, daß der Mode höchster Ordnung in da; Strahlungsfeld eingekoppelt wird. Der kritische Krüm mungsradius entspricht einem kritischen I//.

β kann geschrieben werden als

it. weiien:

1/2

— _r —► -——E- =. — —-!— wobei

Pn P

so daß am Ende des Lichtwellenleiters bei gegebenem Krümmungsradius zwei Werte Tür β bei jedem Mode entstehen:

Aß 2a

ή = 1 - -A-

mit:

25 μ = Argument von JJu), der die Felder innerhalt des Kerns darstellenden Besselfunktion.

Für die Moden höchster Ordnung gilt u =t I unc Tür den Unterschied zwischen aufeinanderfolgender Nullstellen von JJu) gilt Iu * π Daraus folgt, di

35

1 ß = - ~7

—— = - Λ ι β

-1/2

lud

U Λ

Die durch dieses Aufspalten von β erzeugten Nebenmoden sind eng miteinander verkoppelt und entartet. Dies ist gleichbedeutend mit dem Berechnen des gebogenen Lichtwellenleiters in Termen oder Ausdrücken des geraden Lichtwellenleiters, vorausgesetzt, daß der Krümmungsradius der Biegung immer wesentlich größer als der Radius der Faser ist; diese Bedingung wird ausschließlich durch Materialgrößen bestimmt. Die Energie schwingt kontinuierlich von einem Nebenmode in den anderen, wenn die Welle um die Biegung herum fortschreitet. Durch allmähliches Einfügen einer Biegung in die Faser werden alle Moden, die um weniger als \ß auseinanderliegen, eingekoppelt, d. h.. durch Hineinlaufen in eine Biegung oder durch Herauslaufe/) aus dieser wird ein Modenmischen bis zur Größe des Grenz-Krümmungsradius der Biegung bewirkt. Wenn jedoch der Lichtwellenleiter mit konstantem Krümmungsradius gebogen ist. tritt kein weiteres Modenmischen auf. In diesem Sinn bewirkt das Biegen eines Lichtwellenleiters zu einem Radius denselben Effekt wie das Einführen einer Raumfrequenz in die Faserabmessungen, wodurch alle Moden eingekoppelt werden, deren Frequenzen

sich um die Raumfrequenz unterscheiden. Wenn die Mit r >R₂ erfolgt unvollständiges Modenmischen Raumwellenlänge oder die Steigung der ein Ein- ~ ' *" koppeln bewirkenden Änderung λ_ρ ist, gilt:

-ψ- für kleine A.

2 a V

45 mit R₁ = kritische Krümmungsradius. Wenn r < R ist. erfolgt eine Einkopplung in das Strahlungsfeld Mit r > R₂ erfolgt unvollständige:
Durch Einsetzen von V ergibt sich

2a

2a 2 ac

wodurch eine Raumfrequenz /,= —τ- dargestellt 55 Für die Moden niedrigster Ordnung folgt:

- ßi =

V r/ ,/ \i/2 / „2 .

wobei u, und U₁ die Werte von u für den Mode der u₂

niedrigsten und der zweitniedrigsten Ordnung sind. Bei hohen K-Werten können u, und U₂ dargestellt mit werden durch:

U₁ = u,„ c ' ' ; uj =

«02 β

erste Nullstelle von J₀(u) = 2,4048.
zweite Nullstelle von J₀ (u) = 5.5201.

Daraus folgt

5.783

Für große I- gilt

t i> —

a W¹-
= 12,34 e ^2I

% ,/* (30.47 - 5.783)1

a V

und da

= 12.34

-2.89

'' = 1134 - c- - 'L- .

Wegen

⁸^ ^■•"-^ΐ

Mit OB -- r 4- α und 0.-1 -■ r - α folgt:

r + α

COS W
2(J _

COS (W -*- ,,)
COS (W + Hl

cos w
cos H ■ cos ι; - sin <->

COS W

sin

Durch Gleichsetzen von sin n = <i für kleine Winkel folgt:

■ -■■ = 1 — (cos η — .ι · tan W)

- 1 -Π -υ")¹'- + '/ ■ tan W .

, 2a

π" -t- «ι · tan W - — = (ι.

Für bei Multimodc-Fasern übliche große V und kleine >) rriiibt sich

/ 4ίί

= - tan W ± tan- W +

1 2

35

= I tan- η -τ J - ti

tan w .

Wenn w = 0 beträet. ist I W = 2

wobei 1W

40

oder, durch Einsetzen von V und <i R₁ = 6.4 «-¹»]²//.¹,.

mit: R₁ = minimaler Krümmungsradius, bevor ein Modenmischen unter den Moden niedrigster Ordnung beginnt.

Es sei nun der geometrische Weg eines Lichtstrahls im Kern eines dielektrischen Lichtwellenleiters betrachtet (vgl. Fig. 3). Ein Strahl in einer Lichtfaser wird unter einem Winkel θ von der Innenfläche des Kerns reflektiert. Wenn die Faser gebogen ist, wird der Reflexionswinkel geändert. Wenn der Strahl einmal in einem Wellenleiter läuft, der mit konstantem Krümmungsradius gebogen ist, erfolgt keine weitere Gesamtänderung von W (keine weitere Modenänderung). Die Reflexionswinkel auf der Innen- und der Außenfläche sind jedoch verschieden, und ein Strahl wird abwechselnd von jeder Fläche unter verschiedenen Winkeln reflektiert. Dies entspricht den ent- arteten Moden mit den beiden Weiten für ß.

Im Dreieck OAB (vgl. Fig. 3) ist a= IW der Winkel, um den W geändert wird, und es gilt:

der Winkel ist. mit dem ein axialer Strahl durch die Biegung gedreht wird. Der Winkel eines axialen Strahls kann nur erhöht werden (da er stets von der Außenseite der Biegung reflektiert wird), d. h. der Mode niedrigster Ordnung kann nur in Moden höherer Ordnung umgewandelt werden.

Damit ein Strahl reflektiert wird, muß die Faser um einen minimalen Bogen gebogen sein. Für einen axialen Strahl (vgl. Fig. 3) gilt:

cos κ = , sin u =

r + α

r + a

-Ll

r + a

AB

sin 11

OB

sin (90 + W)

OA

65

sin

ABO = 180 - (90 + w 4- „) = 90 - W - .. .

Bei kontinuierlichem Modenmischen muß deshalb die Faser durch eine Reihe von Bögen gekrümmt werden, deren jeder wenigstens einen Winkel « aufweist. Die besten Ergebnisse werden für einen Krümmungsradius erzielt, der exakt gleich R₁ ist. Wegen dieses Mäanderns wird die Faser etwas verlängert. Die Verlängerung berechnet sich aus Länge des Bogens Länge der Faser = a/sin a.

Bei einer Biegung ist der Zwischenmode-Kopplungsabstand, d. h. der Abstand, über den die Energie aus einem der beiden Moden in den anderen übergeht, gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen von der Innen- zur Außenseite der Krümmung (oder umgekehrt), da der Winkel (bzw. Mode) bei jeder Reflexion von einem Wert zum anderen geändert wird. Dieser Abstand L_m ist gleich χ

609 534/256

10

in der Fig. 3. Unter Vernachlässigung der Einflüsse auf L_n. des Krümmungsradius der Biegung gilt:

= lan H * sin H =t -. (Λ)' \ Y

2a V

4α² π /ι.

Beispiel

Für eine Faser mit folgenden Kenndaten: Kerndurehmesser = 50 μΐη = 2«: n₂

R₁ = 1.5563. Freiraum-Wellenlänge = 0.85

= 1.5100:

V= ~'^1U n,

69,26,

^4t'".K = 1.90cm: L_n, = O.2O7mm

(für Moden höchster Ordnung, u * V) al²

R₁ = 0.162 ■ "■- · e^2r = 34.47: L„, = 5.9S mm

(für Moden niedrigster Ordnung, u = 2.405).

„ = ■■ ^2a- = 2.93 .

r + ii

Für die Längenzunahme für eine Faser, die mit einem Radius R₂ mäanderförrmg über eine Reihe von Bögen mit dem Winkel <i gewunden ist. gilt:

1 = 4.38 ■ ΙΟ"⁴ = 0.0438%.

sin a

Ein dielektrischer Lichtwellenleiter kann in eine geeignete Mäanderkurve nach Fig. 4a gebracht werden, indem er in ein Plastikträgermaterial eingebettet wird. Dadurch wird ein kontinuierliches Modenmischen längs der gesamten Länge des dielektrischen Lichtwellenleiters sichergestellt. Andernfalls, wenn ein Kabel aus einem Bündel von dielektrischen Lichtwellenleitern gebildet wird, kann eine kontinuierliche Änderung im Krümmungsradius jedes dielektrischen Lichtwellenleiters durch Ändern des Dralls des dielektrischen Lichtwellenleiters im Kabel erzeugt werden, so daß jeder dielektrische Lichtwellenleiter

ίο des Kabels die Form einer Wendel mit veränderlicher Steigung nach Fig. 4b hat. Wenn an einem diskreten Punkt im Kabel ein Modenmischen erfolgen soll, kann dies dadurch erreicht werden, daß der dielektrische Lichtwellenleiter in eine geeignete geometrische An-Ordnung gebracht wird, z. B. durch Bilden einer Achterschleifc auf einem ueeigneten Trauer nach Fig. 4c.

Wenn ein Modenmischen über alle nichtstrahlenden Moden hinweg erfolgt, besitzt ein in ein Ende eines dielektrischen Lichtwellenleiters eingespeister schmaler Impuls die in Fig. 5 gezeigte Impulsform. Wenn ein Modenmischen in einer Modengruppe aus weniger Moden erfolgt, deren Anzahl kleiner als die Anzahl der nichtstrahlenden Moden ist. wie z. B. in einer kontinuierlichen Mäanderfaser mit einem maximalen Mäander-Krümmungsradius, der wesentlich größer ist. als es zum vollständigen Modenmischen erforderlich ist. besitzt der Ausgangsimpuls einen Doppelhöcker, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Dieser Doppelhocker wird durch einen Modenmisch-lmpuls 6 bewirkt, der auf eine kürzere als die mittlere Ankunftszeil zentriert ist. gefolgt von dem später ankommenden Block aus ungemischten Moden 7. Da es in der Praxis schwierig ist. alle Moden zu mischen und eine maximale Bandbreite ohne Energieverlust aus dem dielektrischen Lichtwellenleiter zu erhalten, muß damit gerechnet werden, daß der Ausgangsimpuls eine Doppelhöcker-Charakteristik hat. da die Krümmungsradien wesentlich größer sind als der kritische Radius.

Insbesondere jedoch bei digitalen Signalen, wie z.B. bei der Pulscodemodulation (PCM), hat der zweite Hocker nur einen geringen Einfluß. Es ist also möglich, die tatsächliche Bandbreite einer Multimodefaser ohne übermäßig starke Verluste oder Beschränkung der wirksamen Fascraperlur zu verbessern.

Hierzu 4 Blatt Zeichnuneen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Modenmischer zum Ausbreitungsmoden-Mischen von sich in einem dielektrischen Multimode-Lichtwellenleiter aus Kern und Mantel ausbreitendem Licht mittels Führung durch einen Krümmungsabschnitt des dielektrischen Lichtwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Krümmungiabschnittes (2) einen sich kontinuierlich ändernden Krümmungsradius hat, der überall größer ist als