DE2622570B2

DE2622570B2 - Optisches Nachrichtensystem

Info

Publication number: DE2622570B2
Application number: DE2622570A
Authority: DE
Inventors: Robert Addison N.Y. Olshansky (V.St.A.)
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1976-05-20
Publication date: 1980-10-02
Also published as: AT356932B; JPS51145330A; GB1542935A; FR2312787B1; FR2312787A1; CA1048828A; US4006962A; JPS5649323B2; DE2622570C3; ATA387276A; DE2622570A1

Description

für r < α, wobei I = (H₁ —It₁)Zn₁ ist und n, = Brechungsindex des Kerns längs der

Achse,

n~ — brechungsindex des Mantels, a = Durchmesser des Kernes und * = ein Parameter (Index-Gradient) zwischen

1 und unendlich ist, der aber nicht den

Wert 2 hat,

und wobei Mittel für eine Moainkupplung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Wellenlänge Ao und der Aufbau des Wellenleiters derart gewählt sind, daß die Größe

it η,' = ^

welche die moden unabhängige, von der Bandbreite der Quelle abhän, .ge Material-Dispersion darstellt,

im wesentlichen gleich ist der Größe 2In₁CW (~

welche die modenabhängige, von der Bandbreite der Quelle abhängige Wellcnleiterdispersion darstellt, wobei

IX — 2 Λ

IX +2 T+T

4« A₀ (y +2?

ι λ² 1"

; +2 I

mit

Γ = und I" =

d I

d;

d² I

m die Ordnungszahl der Wellenform und

in

ιϊ

■in

in V-*/ — r\ ι·|η u ι

mit k als Fortpflanzungskonstante im freien Raum wi

Für die Nachrichtenübertragung werden im Hinblick auf die ständige Zunahme des Nachrichtenverkehr* Nachrichtensysteme hoher Übertragungskapazität be nötigt, die mit Frequenzen in der Größenordnung von 10¹⁵ Hz arbeiten. Solche Systeme werden als optische Nacbrichtensysteme bezeichnet, weil die Frequenz von ίο'⁵ Hz innerhalb des Frequenzspektrums des sichtbaren Lichtes liegt Für die Übertragung dieser Frequenzen kommen insbesondere optische Wellenleiter in Betracht, die aus einer optischen Faser mit einem durchsichtigen Kern und einem diesen umgebenden durchsichtigen Mantel bestehen, dessen Brechungsindex niedriger als der des Kernes ist

Die Fortpflanzung von Lichtwellen in optischen Wellenleitern wird von physikalischen Gesetzen beherrscht, die ähnlich den für die Mikrowellenfortpflanzung geltenden sind, und erfolgt in Wellenform mit unterschiedlichen Fortpflanzungs- und Verteilungsmerkmalen. Wellenleiter für eine einzige Wellenform sind insofern vorteilhaft als sie die Übertragung optischer Signale mit sehr geringer Dispersion ermöglichen, doch müssen hierbei wegen der geringeren numerischen Apertur und des kleinen Kerndurchmessers solcher Fasern Laser verwendet werden, um die optischen Signale in die Wellenleiter einzuführen.

Wellenleiter für mehrere Wellenformen haben größeren Kerndurchmesser und eine größere numerisehe Apertur als solche für eine einzige Wellenform und werden häufig zur Übertragung optischer Signale bevorzugt, weil sie auch nichtkohärente Signale von Lichtquellen mit breitem Spektrum, wie beispielsweise von lichtemittierenden Dioden, aufnehmen können.

Die Multimodeir-Wellenleiter sind also weniger empfindlich bzw. anspruchsvoll bezüglich der Lichtquelle am Eingang der Leitung, sie haben aber den Nachteil der Impulsdispersion bzw. Impulsverbreiterung, d. h. ein zeitlich kurzer Impuls am Eingang (Nadelimpuls) verbreitert sich beim Durchgang durch den Wellenleiter. Hierdurch wird die Übertragungskapazität beschränkt denn am Eingang der Leitung können die einzelnen Impulse oder Signale nur so dicht aufeinanderfolgen, daß sie trotz der Verbreiterung am Ausgang noch deutlich voneinander unterschieden werden können.

Es gibt verschiedene Ursachen bzw. verschiedene Arten von Dispersionen, also von Impulsverbreiterungen. Die vorherrschende Art bzw. Ursache beruht darauf, daß ein Lichtimpuls — und zwar auch ein Lichtimpuls mit einer ganz bestimmten Wellenlänge — aus einer Vielzahl von Moden besteht, d. h. sich in einer Vielzahl von Wellenformen fortpflanzt oder aufspaltet Die Wellenformen unterscheiden sich unter anderem darin, daß sie sich unter unterschiedlichen Winkeln zur optischen Achse fortpflanzen. Sie legen daher innerhalb des Wellenleiters — von dessen Anfang bis zu dessen Ende — unterschiedliche Weglängen zurück, wofür unterschiedliche Zeiten benötigt werden, so daß sich eine Impulsverbreiterung ergibt. Diese Art der Impulsverbreiterung ist bereits weitgehend beseitigt worden, und zwar durch zwei unterschiedliche Maßnahmen:

In den US-PS 36 66 348 und 36 87 514 wird zu diesem Zweck eine absichtliche Vermehrung der Möglichkeiten einer Umwandlung der Wellenformen längs des Wellenleiters vorgeschlagen, so daß die Energie gezwungen wird, sich streckenweise in unterschiedlichen Wellenformen fortzupflanzen. Die Energie erreicht dadurch den Ausgang des Wellenleiters mit größerer Näherung im gleichen mittleren Zeitpunkt. Gemäß den beiden genannten Patentschriften wird die Kopplung bzw. Umwandlung der Wellenformen jeweils durch Änderung von Parametern der optischen Fasern,

wie des Kernradius und/oder der Richtung der Faserachse, bewirkt Eine Kopplung der Wellenformen kann aber auch durch äußere Maßnahmen, wie durch Ummantelung, Verkabelung oder Bündelung der Fasern zwecks Erzielung willkürlicher Verformungen der Faserachse, bewirkt werden.

Die andere Maßnahme zur Beseitigung der erwähnten Impulsverbreiterung besteht darin, daß die optische Weglänge der verschiedenen Wellenformen egalisiert wurde, und zwar durch das von der optischen Achse zum Umfang des Kerns parabolisch abfallende Indexprofil gemäß der im Oberbegriff angegebenen Gleichung (vgl. »Multimode Theory of Graded-Core Fibers« von D. Gloge et al in »Bell System Technical Journal«, 1973, Seiten 1563-1578). D«r Kern des Wellenleiters, in dem sich die Wellen oder Impulse fortpflanzen, wird also zu seinem Umfang hin optisch dünner. In dem optisch dünneren Material nimmt die Geschwindigkeit des Lichtes zu. Diejenigen Moden, die sich nun unter einem größeren Winkel zur optischen Achse fortpflanzen, die also an sich einen längeren Weg zucücklegon, legen diesen längeren Weg über eine größere Strecke im Bereich des Umfangs, also in dem optisch dünneren Material, also mit größerer Geschwindigkeit zurück, so daß sie gleichzeitig mit den im wesentlichen längs der optischen Achse verlaufenden Moden am Ziel ankommen.

Nachdem diese Art der Dispersion somit weitgehend beseitigt werden konnte, treten nunmehr andere Arten von Dispersionen in den Vordergrund, nämlich die materialbedingte Dispersion und die Dispersion innerhalb jeder Wellenform infolge der Wellenlängenabhängigkeit ihrer Gruppengeschwindigkeit. Dies gilt insbesondere bei Lichtquellen mit relativ großer Bandbreite, etwa von mehr als 20Ä.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese beiden anderen Arten von Dispersionen zu beseitigen. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs definiert. Gemäß der Erfindung sind also die mittlere Wellenlänge A₀ und der Aufbau des Wellenleiters derart gewählt, daß die Materialdispersion und die Wellenleiterdispersion sich gegenseitig aufheben.

Nachfolgend wird die Erfindung noch näher anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein einfaches, Schematisches Blockschema des Nachrichtensystems;

F i g. 2 veranschaulicht den dabei verwendeten Wellenleiter.

Das Diagramm nach

F i g. 3 zeigt das später erläuterte Matrixelement. M\ ι als Funktion des Indexgradienten <x; das Diagramm nach

Fig.4 zeigt den Indexfaktor Ao η\'/2π\Δ als Funktion der Wellenlänge für zwei verschiedene, mit Titanoxyd dotierte Quarzgläser.

Das in F i g. 1 gezeigte Nachrichtensystem besteht aus einem Sender 10, der über einen optischen Wellenleiter

-2

+ 2

4".

(„+27

v.

worin n\, ni, n'\',A' und Δ" bei der mittleren Wellenlänge A₀ der Lichtquelle auszuwerten sind. In den Gleichungen (6) und (7) sind einige kleine Korrekturglieder vernachlässigt worden.

Die Erfindung basiert nun auf der Beobachtung, daß in Gläsern der Wert λϊ,ηί ungefähr 0,02 beträgt, so daß

ίο

in Form einer Glasfaser 5 der Länge L mit einem Empfänger 11 verbunden ist. Die Erfindung wird mi: besonderem Vorteil in solchen Systemen angewendet, bei welchen auf der Senderseite eine Lichtquelle mit breitem Spektrum vorgesehen ist, doch können im Rahmen der Erfindung natürlich auch Lichtquellen mit schmalem Spektrum, wie insbesondere Laser, verwendet werden.

In Fig.2 ist der Wellenleiter 12 dargestellt; dieser besteht aus einem zylindrischen Kern 14 mit dem Brechungsindex η und dem Radius a und aus einer Mantelschicht 16 mit dem Brechungsindex n>. Erfindungsgemäß hat der Wellenleiter 12 einen örtlich veränderlichen Brechungsindex n, der gemäß den Gleichungen (1) und (2) für von °o abweichende Werte von λ variiert, oder er kann auch ein Stufen-Indexprofil haben, bei welchem die Gleichung (i) für'«=oo ausgewertet wird und der Brechungsindex des Kernes den Wert Πι hat. Die Erfindung ist hingegen nicht anwendbar auf Wellenleiter mit Einern durch die Gleichung (1) definierten Indexprofil, fü« das x = 2 gilt, weil sich gezeigt hat, daß bei solchen Wellenleitern die Auslöschung der wellenlängenabhängigen Dispersion für diesen Wert von α nicht vollständig ist.

Aufgrund der Gleichungen (10) und (12) in der einleitend erwähnten Veröffentlichung von D. Gloge läßt sich die Gleichung für den Fortpflanzungsvektor β wie folgt anschreiben:

worin M[x) = -^y n\k²a²A, k die Fortpflanzungskonstante im freien Raum ist und den Wert 2π/λο hat und m η die Ordnungszahl der Weilenform ist.

Die Laufzeit τ je Längeneinheit ist gegeben durch

c dk

und kann daher wie folgt angeschrieben werden:

worin N\=^_T(n,k). Das Strichzeichen und das später

',I) UK

verwendete Doppelstrichzeichen bedeuten die ers'e bzw. die zweite Ableitung nach A. Die WellenlängenabhLngigkeit von τ ist gegeben durch die Ableitung

₁"+ 2/1, IC»

\Mj

wobei

bei Werten von Δ, die ungefähr IO ² betragen, die beiden Ausdrücke ai f der rechten Seite der Gleichung (6) von gleicher Größenordnung, aber entgegengesetztem Vorzeichen sind.

Wenn eine Kopplung der Wellenformen auftritt, so kann der Wert von (m/M)^yi^y ^{f 2|}, gemittelt über die

Leistungsverteilung in stationärem Zustand, in Gleichung (6) verwendet werden, um den Mittelwert des wellenlängenabhängigen Effektes zu ermitteln. Wenn

«Γ = 2n, ICH

(8)

gilt, dann verschwindet der Mittelwert von dr/dAo. Demgemäß kann der Wellenleiter 12 so ausgebildet werden, daß die Dispersion wesentlich vermindert wird. Um die genaue Breite der Impulswiedergabe zu ermitteln, muß die Theorie der Kopplung der Wellenformen benutzt werden. Zur Bestimmung des quadratischen Mittelwertes der Impulsbreite unter Berücksichtigung des Effektes der Spektralverteilung 5(A) des Lichtes der Lichtquelle, folgt man der üblichen Analyse der Kopplung der Wellenformen, wie sie von D. Gloge Zustand ab, der seinerseits bestimmt wird durch das störende Leistungsspektrum und das Indexprofil. Der Wert von Mn(«), der nachfolgend diskutiert wird, liegt erwartungsgemäß im Bereich 0.1 < Mu(a)< 1.0. Es ist ersichtlich, daß in Gleichung (8) der linear von / abhängige Term im wesentlichen durch geeignete Ausbildung des Wellenleiters eliminiert werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei Wellenleitern für mehrere Wellenformen die Kopplung der Wellenformen so gewählt, daß die Größe

2»,

(10)

.„ ..n„n c....„.,

im wesentlichen auf den Wert 0 reduziert wird. Das kann auf verschiedene Arten erreicht werden: durch geeignete Wahl der Brechungsindizes des Kern- und Mantelmaterials, so daß sich die gewünschten Werte yrvn Λ nnH n."prijphpn· Hnrrh Aiicwahl pinpr ςηΡ7Ϊρ||ρη

801-806, und von R. Olshansky in »Proceedings of Microwave Research Institute International Symposium XXIII on Optical and Acoustical Electronics«, 1974. erläutert wird, wobei die Verzögerungszeit aus Gleichung (5) ermittelt wird. Der einzige Unterschied gegenüber dieser Analyse ergibt sich bei der Berechnung der Momente D_n (z) der Impulswiedergabe. Um diese Momente zu finden, müssen die üblichen wellenlängenabhängigen Momente o„ (ζλ), die in dem Aufsatz »Mode Coupling Effects in Graded-Index Optical Fibers« in »Applied Optics«, 1975. Seiten 935—945 behandelt sind, über alle Wellenlängen integriert werden, wobei 5(A) als Gewichtsfunktion verwendet wird. Diese Analyse zeigt, daß der maßgebliche Term für den quadratischen Mittelwert der Impulsbreite wie folgt lautet:

+Oi₁ z)

(9)

vorausgesetzt, daß die Länge ζ des Wellenleiters 12 groß im Vergleich zur Kopplungslänge ist. Der Ausdruck ολ ist dabei der quadratische Mittelwert der Spektralbreite der Lichtquelle, und das Matrixelement Λ/,, (α) stellt den Wert von (m/M)- ^" ^2|. gemittelt über die Verteilung im stationären Zustand, dar. Dieser Wert hängt vom Verlauf der Verteilung im stationären jo Art von Störung zur Herbeiführung der Kopplung der Wellenformen, wodurch ein gewünschter Wen von Μμ(λ) erzielt werden kann; oder durch Variation der Größe ΑήΠι' durch entsprechende Wahl der mittleren Wellenlänge Aoder Lichtquelle.

_>-, Das Matrixelement Mn spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung eines optischen Wellenleiters mit Dispersionsauslöschung. Aus diesem Grunde werden die Definif'on von Mu, seine theoretische Berechnung und ein Verfahren zu seiner direkten Messung

so nachfolgend erörtert. Grundsätzlich ist Mn ein Integral über das Wellenspektrum des Quadrites der stationären Verteilung der optischen Leistung (optical power). Es wurde von D. Marcuse für einen Wellenleiter mit Stufen-Indexprofil in dem Buch »Theory of Dielectric

π Optical Waveguides«. Academic Press, New York. 1974, Seite 236, definiert.

Für die durch die Gleichung (1) definierte Klasse von Indexprofilen trennen sich die fortgeleiteten Wellenformen in /M"Niveaus, wobei das m-te Niveau 2m-Wellen-

4ii formen enthält, die nahezu gleiche Fortpflanzungsvektoren haben. Wenn man definiert:

x² = m M

(H)

dann kann die Verzögerungszeit für die Indexprofile, die durch die Gleichung (1) definiert sind, wie folgt angegeben werden:

(12)

worin χ als eine kontinuierlich Veränderliche angesehen werden kann, weiche die verschiedenen Wellenform-Niveaus bezeichnet.

Infolge der Kopplung der Wellenformen kann die Leistung im Wellenleiter, ausgedrückt in Ttrmen der Eigen-Verteilungen P/x), die orthonormal sind, wie folgt angegeben werden:

Niveau Ar für die /te Leistungsverteilung ist. Λίη wird dann definiert durch

^{= <}V' O³)

wobei P/x) die mittlere Leistung je Wellenform im M₁₁ =

(14)

P\(x) ist die stationäre Leistungsverteilung und der Faktor (xp^xix ^{+ 2)} rührt von der durch die Gleichung (12) gegebenen Abhängigkeit der Verzögerungszeit von der Wellenform her.

Der tatsächliche numerische Wert von Aiii hängt vom Indexgradienten <x und von der Natur der Störung ab,

welche die Kopplung der Wellenformen bewirkt. Für willkürliche Störungen vom Biegetyp, die gekennzeichnet sind durch Krümmungs-Leistungsspektren p=0,l oder 2, ist M_n nach der Theorie der Kopplung der Wellenformen errechnet worden, die in dem bereits erwähnten Aufsatz in »Applied Optics« erläutert ist. Die

φ) = f

ζ + —

I 2h,

.+2

Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt.

Das Matrixelement Mw kann auch direkt gemessen werden. Bei Vorhandensein einer Kopplung der Wellenformen ist der Eintreffzeitpunkt eines Impulses gegeben durch:

λ ΓΜ,,ζ-f O(z°) + O( I²).

Wenn λ, Δ, N\ und λΔ' bekannt s.nd, kann eine Messung der differentiellen Verzögerungszeit der Impulswiedergabe in Verbindung mit Gleichung(15)zur Ermittlung von M\ ι herangezogen werden.

Die folgenden Beispiele erläutern, wie ein optisches Nachrichtensystem gemäß der Erfindung bemessen werden kann, um minimale Impulsdispersion zu erzielen. Obwohl hierbei Einzelfasern als Wellenleiter angenommen weiden, vciVieiii es sieh, uäu aüLii Bunuel uuci Kabel aus solchen Fasern verwendet werden können.

Es seien die mittleren Wellenlängen der Lichtquellen für zwei verschiedene optische Wellenleiter mit bekannten Eigenschaften zu ermitteln. Beide Wellenleiter haben annahmegemäß ein Stufen-Indexprofil und ein Krümmungs-Leistungsspektrum von p = 2. Ferner haben beide Wellenleiter einen Mantel aus reinem Quarzglas, und der erste hat einen Kern aus Quarzglas (SiO₂). der mit 7,4 Gew.-°/o TiO₂ dotiert ist, der zweite einen Kern aus Quarzglas, der mit 3.4 Gew.-% TiO₂ dotiert ist.

Ls ist bekannt, daß für einen Wellenleiter mit Stufen-Indexprofil λ = co gilt. Wenn man den Klammerausdruck aus Gleichung (9) gleich 0 setzt und für «= » auswertet, so erhält man

(16)

Die Gleichung (16) zeigt an, daß eine Auslöschung der beiden Arten von wellenlängenabhängiger Dispersion, die bezüglich ζ linear sind, und somit minimale Impulsdispersion erhalten wird für

^Μη(^Ύ ) = τ" ', ■ (17)

Der Term auf der rechten Seite von Gleichung (17), der als Indexfaktor bezeichnet wird, ist in Fig.4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Die Größen A^ni'und Δ sind für zwei Titanoxid-Wellenleiter ermittelt worden, wobei nach Angaben von Seilmeier Brechungsindex-Messungen an Proben aus mit TiO₂ dotiertem SiO₂ bei verschiedenen Wellenlängen und Brechungsindexwerte von SiO₂ bei verschiedenen Wellenlängen ausgewertet wurden.

Aus F i g. 3 ergibt sich, daß Af, ι (λ) für ρ = 2 und α = » den Wert 034 hat. Die Gleichung (16) läßt erkennen, daß der Indexfaktor, der im Diagramm nach Fig.4 als

Erfindung sulicii i'iün

Funktion der Wellenlänge dargestellt ist, ebenfalls 0,34 betragen muß. Aus F i g. 4 ist schließlich ersichtlich, daß der Indexfaktor von 0,34 bei einem Wellenleiter mit einem SiO?-Kern. der mit 7,4 Gew.-°/o TiO₂ dotiert ist. einer mittleren Wellenlänge der Lichtquelle von 1,07 μιτι, und bei einem Wellenleiter mit einem SiO₂-Kern, der mit 3,4 Gew.-% TiO₂ dotiert ist, einer mittleren Wellenlänge von 1,17 μηι entspricht.

Zur weiteren Erläuterung u'ci
die mittleren Wellenlängen der Lichtquelle für zwei Wellenleiter ermittelt werden, die örtlich veränderliche Indexprofile nach den Gleichungen (I) und (2) haben, wobei λ =16 ist. Wie beim vorhergehenden Beispiel haben beide Wellenleiter annahmegemäß Mantel aus Quarzglas, und der erste Wellenleiter hat einen Kern aus Quarzglas mit einer maximalen Dotierung von 7,4 Gew.-% TiO₂ in der Mitte, der zweite einen Kern aus Quarzglas mit einer maximalen Dotierung von 3,4 Gew.-%TiO₂ in der Mitte. Das Leistungsspektrum ρ der Störungsfunktion beider Wellenleiter soll wieder 2 betragen.

Mit dem Wert α = 16 ergibt sich

-/£«,"+ 2/I₁ IC(Io)M₁₁(Io) = O.

worin:

8T⁺ 8Ϊ T

Ϊ8

(18)

(19)

Aus den Angaben von Seilmeier über die Brechungsindizes der einschlägigen Wellenleiter-Zusammensetzungen ist entnehmbar, daß im Wellenlängenbereich um 1,1 μιτι und 1,2μΓη, die Werte λΔ'/Δ = 0Λ2 und λ²Δ"/Δ =0.08 gelten. Aus Gleichung (19) kann demnach C(16) mit etwa 0,67 ermittelt werden.

Da die Störungsfunktion das Leistungsspektrum p=2 hat, ergibt sich aus dem Diagramm nach F i g. 3, daß ein Wellenleiter mit einem Indexgradienten von«= 16 dem Wert Afn=036 entspricht. Um eine Auslöschung der beiden Arten von Dispersionen zu erzielen, muß nach Gleichung (18) der Indexfaktor λΙπ[ΐ2η\Δ gleich dem Produkt von C(16) und M_n (16) gewählt werden, das 0 24 beträgt F i g. 4 läßt erkennen, daß dies für einen mit 7,4 Gew.-% T1O2 dotierten SiO2-Kern bei einer mittleren Wellenlänge Ao = 1,15 μπι und für einen mit 3,4 Gew.-% T1O2 dotierten SiO₂-KePi bei einer mittleren Wellenlänge O= 1,12 μπι der Fall ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Optisches Nachrichtensystem mit einer Lichtquelle mit einer mittleren Wellenlänge Ao, einem an die Lichtquelle angeschlossenen, zylindrischen optischen Wellenleiter für mehrere Wellenformen (Moden) mit einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel mit geringerem Brechungsindex als demjenigen des Kerns, wobei die Verteilung des Brechungsindex des Kerns (das Indexprofil des Kerns) bestimmt ist durch die Funktion: