DE2624365B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausgleichung der chromatischen Impulsdispersion eines Lichtbündels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausgleichung der chromatischen Impulsdispersion eines LichtbUndels in einer optischen Faser.

Dabei handelt es sich insbesondere um Lichtbündel mit großer spektraler Bandbreite, wie sie von lichtemittierenden Dioden, den sogenannten Leuchtdioden bzw. LED's ausgesandt werden.

Aus der US-PS 38 32 030 sind optische Fasern bekannt, bei denen die sogenannte »Modenverzögerung« das heißt, die Änderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit bei einer Änderung der Mode, verringert werden kann. Diese Modenverzögerung macht sich insbesondere bei optischen Fasern bemerkbar, bei denen sich der Brechungsindex schrittweise ändert. Um diese Modenverzögerung zu verhindern, werden zwischen zwei optischen Fasern zwei konische Linsen angeordnet, welche die Moden mit großem Winkel in Moden mit kleinem Winkel und umgekehrt umwandeln; dadurch läßt sich die Änderung der Gesamtverzögerung aller Fortpflanzungsmoden durch die beiden Fasern, das heißt, die Modenverzögerungsdispersion, verringern.

Diese Einrichtung läßt sich nur bei optischen Fasern einsetzen, bei denen sich der Brechungsindex schrittweise ändert, da nur hier die Beziehung 1 :1 zwischen Mode und Winkel gilt

Die Gruppengeschwindigkeit eines längs einer optischen Faser verlaufenden, optischen Impulses ändert sich mit der Wellenlänge, so daß ein polychromatisches Lichtsignal dispersiv verzerrt wird. Diese chromatische Dispersion hängt im wesentlichen von der Änderung der gruppengeschwindigkeit des Lichtes mit mit der Frequenz ab.

Eine der Ursachen dieser Dispersion ist in dem

Material fur die optische Faser zu sehen, wobei sich dieser Einfluß insbesondere bei polychromatischen Lichtsignalen sehr stark bemerkbar macht Für einen Bereich von 8500 bis 9000 A beträgt somit die differenzierte Verzögerung über 100 A spektraler Bandbreite ungefähr 1 ns/km für Quarzglas bzw. Hartfeuerporzellan, während andere Gläser eine Dispersion verursachen können, die bis zum Doppelten dieses Wertes reicht

Bei einem Impuls, wie er von einer lichtemittierenden Diode erzeugt wird, kann sich bei einer optischen Faser eine Verbreiterung des Impulses von 2 bis 10 ns/km ergeben.

Der Erfindung lieg\ deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der sich auf konstruktiv einfache Weise die chromatische Impulsdispersion ausgleichen läßt

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der angegebenen Gattung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und bei einer Vorrichtung der angegebenen Gattung durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß die einzelnen, spektralen Komponenten des Lichtbündels selektiv verzögert und dann wieder kombiniert werden, wodurch sich ein neues Lichtbündel mit vernachlässigbarer chromatischer tmpulsdispersion ergibt Dabei ist kein großer apparativer Aufwand erforderlich, da beispielsweise das eintreffen- «1 de Lichtbündel durch Reflexion an einer ebenen Fläche in eine fächerförmige Anordnung von Lichtstrahlen aufgespaltet werden kann; dabei liegen die einzelnen Abschnitte an verschiedenen Stellen der ebenen Fläche.

Als Alternative hierzu können die Strahlen auf r> mehrere optische Filter oder auf einen Fotodetektor mit mehreren Abschnitten auftreffen.

Das Spektrum kann auch an den Enden von mehreren optischen Verzögerungsleitungen mit jeweils unterschiedlicher Länge ausgebildet werden. Es können auch w elektronische Verzögerungseinrichtungen eingesetzt werden. Und schließlich kann das aufgespaltene Lichtbündel auf die oberste Schicht eines PIN-Detektors mit einer ladungsverarmten I-Schicht auftreffen, deren Dicke auf ihrer Länge zunimmt. 4 ί

Zur Aufspaltung des Lichtbündels können außerdem Spektrometer, optische Gitter und ähnliche Bauteile eingesetzt werden. Als Detektoren können auch optische Filter oder mehrere optische 'Fasern verwendet werden. Beim Einsatz von optischen Fasern läßt sich ■'■» die Verzögerung durch Änderung der Länge der Fasern erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt v<

F i g. 1 eine spektrographische Anordnung zur Erzeugung einer räumlichen Abbildung des Wellenlängenspektrums;

F i g. 2 eine alternative Anordnung zur Erzielung der Aufspaltung eines Lichtbündels in ein Wellenlängsspek- mi trum;

F i g. 3 eine Ansicht der Anordnung der F i g. 2 in Richtung des Pfeiles A;

F i g. 4 eine alternative Anordnung der Abbildung;

F i g. 5 eine Verzögerungsstruktur; t> >

F i g. 6 eine alternative Verzögerungsstruktur; und

F i g. 7 eine weitere alternative Verzögerungsform.

In der Fig. 1 ist eine optische Faser oder ein Bündel von Fasern 10 dargestellt von dem ein divergierendes Lichtbündel 11 ausgeht Das Bündel 11 wird durch das Linsensystem 12 kollimiert, wonach das Bündel durch ein Prisma 14 hindurchtritt Das Prisma 13 dispergiert oder streut das Bündel winkelmäSig in der Ebene der Zeichnung, um einen divergierenden Fächer von Strahlen 14 zu bilden. Ein Lichtstrahl innerhalb des Fächers von Strahlen 14 weist eine Winkelrichtung bezüglich der anderen Strahlen auf, die von seiner Wellenlänge abhängt Bei Anwendung eines Prismas nimmt die Winkelabweichung zu bei kürzeren Wellenlängen.

Ein alternativer Weg zur Erzielung eines divergierenden Fächers von Strahlen 14 ist durch Verwendung planarer Beugungsgitter gegeben, weiche entweder durchlassen oder reflektieren.

Der divergierende Fächer von Strahlen 14 tritt durch das Linsensystem 15 hindurch und wird als Spektrogramm auf der Ebene 16 abgebildet Innerhalb des Fächers von Strahlen 14 werden der Randstrahl 17 und alle zu ihm parallelen Strahlen an die Stelle 18 fokussiert und ähnlich werden der Randstrahl 19 und alle zu ihm parallelen Strahlen nach unten zur Stelle 20 fokussiert

Die obige Beschreibung eines einfachen Spektrometers soll nur als Beispiel gelten und andere bekannte Formen, die ein planares oder konkaves Beugungsgitter und zylindrische Linsen verwenden können z. B. verwendet werden.

Eine weitere Alternative zur Erzeugung der winkelmäßigen Streuung bzw. Aufspaltung eines Lichtbündels besteht darin, daß das Licht in bekannter Weise in einen Dünnfilm-Wellenleiter eingekoppelt und ein Beugungsgitter mit in einer Ebene variabler Teilung über oder innerhalb der Führungsschicht angeordnet wird (US-PS 38 14 498).

Das Spektrum eines Lichtbündels kann auch durch Filterung analysiert werden. Die F i g. 2, 3 und 4 stellen ein System dar, in dem ein Lichtbündel aus einer optischen Faser oder einem Bündel von Fasern 10 auf eine Vielzahl von optischen Filtern 25 bis 30 in einem vorbstimmten Muster auftrifft. Jeder Filter ist von· Bandpaß-Typ und überträgt ein unterschiedliches Intervall des Spektrums. Verfahren zum Entwurf solcher Filter sind wohlbekannt, beispielsweise können Mehrschicht-Filter mit dielektrischer Interferenz verwendet werden. In den F i g. 2 und 3 formt das Lichtbündel ein kreisförmiges Muster auf einer kreisförmigen Anordnung von Filtern, während in der F i g. 4 ein lineares Muster und eine lineare Anordnung von Filtern verwendet wird, wobei ein solches lineares Muster durch eine geeignete Optik erzeugt wird. Anstelle einer Reihe von individuellen oder diskreten Filtern in der Fig.4 könnte ein einziger Filter verwendet werden, dessen Durchlaßband sich kontinuierlich entlang der Länge des Filters ändert.

Eine gleichzeitige Filterung des Bündels und der Nachweis des bestimmten Teiles des Spektrums an vorbestimmten Positionen im Spektrum kann mit einem Mehrfachabschnitt-Fotodetektor erreicht werden, wie er z. B. in der gleichzeitig anhängigen kanadischen Patentanmeldung 2 09 401 dargestellt und beschrieben ist. Bei einer solchen Vorrichtung erfährt jeder Abschnl't eine Spannung, welche die örtlichen Eigenschaften der Elektroabsorption (Filterung) und der Fotoleitung (Nachweis) beeinflußt. Jeder Anschnitt reagiert nur auf ein selektiv absorbiertes Wellenlängsband mit einem entsprechenden Ausgangssignal.

Nachdem das Lichtbündel räumlich abgebildet oder

das Spektrum auf andere Weise analysiert worden ist, werden die verschiedenen Spektralkomponenten verzögert und dann wieder zusammengeführt. Dies kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Die Fig.5 zeigt eine diskrete optische Verzögerung mittels Fasern. Eine faseroptische Verzögerung für andere Zwecke ist in der US-PS 37 85 719 beschrieben. Wie in der Fig.5 dargestellt ist, ist eine Vielzahl von Fasern 31,32,33,34, 35 und 36 hinter einem Spektrum in der Ebene 16 angeordnet. Dieses Spektrum in der Ebene 16 kann ein kontinuierliches Spektrum wie in der F i g. 1 sein oder ein diskretes Spektrum wie in den F i g. 2, 3 und 4. Die am ersten eintreffenden Komponenten mit der längsten Wellenlänge an der Stelle 20 treten durch die größte Länge der optischen Verzögerungsleitung 36 und das Umgekehrte gilit für die kürzesten Wellenlängen an der Stelle 16, die durch die geringste Länge der optischen Verzögerungsleitung 31 hindurchgehen. Die kompensierten optischen Signale werden schließlich am Detektor 37 wieder kombiniert.

Beispielsweise können 6 Verzögerungsleitungen verwendet werden, um 3 ns chromatischer Impulsstreuung auf 3:5 = 0,6 ns zu reduzieren. Da die optische Verzögerung etwa 1 ns pro 20 cm Faser beträgt, wäre eine Längenabstufung von 12 cm geeignet. Das heißt, wenn die Leitung 31 12 cm lang ist beispielsweise, dann hat die Leitung 32 2 χ 12 cm, die Leitung 33 3 χ 12 cm usw. Solch kurze Faserlängen würden abgesehen von Einkopplungsverlusten zu geringen Verlusten führen, die für alle Fasern gleich sind. Wahlweise kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Verluste vorzusehen, um die Wellenlängen-Variationen des Quellenausgangs,. der Fasertransmission oder der Dietektorempfindlichkeit zu kompensieren.

Eine diskrete elektronische Verzögerung kann erreicht werden, wenn die Fasern 31 bis 36 in der F i g. 5 durch individuelle Detektoren, wie in der F i g. 6, ersetzt werden. In der F i g. 6 sind die Detektoren bei 38 bis 43 angedeutet und der Verzögerungsmechanismus kann beispielsweise ein elektrisches Kabel, piezo- und akusto-optische Kristalle, Halbleitsr-Ladungsverzögerungseinrichtungen, Mikrostrip-Verzögerungsleitungen oder aktive Verzögerungsschaltungen umfassen. Solche Verzögerungsmechanismen können auch den Ausgangssignalen des Mehrfachabschnitts-Fotodetektors wie oben erwähnt, auferlegt werden. Nach der Verzögerung der Signale werden sie bei 44 wieder zusammengeführt bzw. rekombiniert.

Eine optische Verzögerung kann auch für ein kontinuierliches Spektrum, wie in der F i g. 1 beispielsweise, mit einem Resonanzhohlraumsystem erreicht werden. Dabei würden jedoch die Pfad-Längenunterschiede in Luft, bei Verzögerungen von 1 ns pro 30 cm, einen ziemlich voluminösen Aufbau von Linsen und Spiegeln erfordern. Faserverzögerungsleitungen wie in der F i g. 5 beispielsweise können kompakt zu Spulen gewickelt werden, obwohl sie auf eine diskrete Anordnung begrenzt sind.

Eine Ausführung einer kontinuierlichen elektronischen Verzögerung kann durch einen modifizierten PIN-Detektor erzielt werden. So ein Detektor ist in der

F i g. 7 dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Ein Standard-PIN-Detektor wird geometrisch neu entworfen, so daß seine Dicke entlang seiner Länge zunimmt. Man läßt das Spektrum wie bei 16 in der F i g. 1 beispielsweise auf die oberste n-Schicht 51 auftreffen. Dadurch wird ein Elektron-Loch-Paar innerhalb des ladungsverarmten Intrinsic-Bereiches 52 erzeugt: die Elektronen und die Löcher driften zur obersten n-Schicht 51 bzw. zur untersten p-Schicht 53. Wenn die Komponenten mit den längsten Wellenlängen (20 in Fig. 1), die am schnellsten durch die Faser 10 gewandert sind, Paare in der Nähe des dicksten Teiles 54 des Detektors erzeugen, sind die zugeordneten Drift-Transit-Zeiten länger als für Paare, die durch die kürzeren Komponenten (18 in Fig. 1) in der Nähe des dünnsten Teils 55 des Detektors 55 erzeugt werden.

Diese kompensierende relative Verzögerung wird durch zwei Faktoren verursacht: Die niedrigere elektrische Feldstärke (und die sich daraus ergebenden geringeren Driftgeschwindigkeiten) bei 54 im Vergleich zu 55 und überdies durch die größere Entfernung der Ladungwanderung.

Als einfaches numerisches Beispiel sei eine beliebige mittlere Dicke D entlang des Detektors 50 betrachtet. Wenn V die an den oberen und den unteren Kontakt 56 bzw. 57 angelegte Sperrspannung ist, dann beträgt das (vertikal gleichförmige) elektrische Feld im Querschnitt V _ v D ~ « '

wobei μ die Ladungsträgerbeweglichkeit und ν die Driftgeschwindigkeit sind. Die Transitzeit beträgt dann

V V

in praktischen Einheiten ergibt sich die für eine vorgegebene Verzögerung erforderliche Dicke zu

D [um] = 0.1 ·ι [cirr/Vs] V [V] T [ns] .

Für μ = 10³, V = 10, T = 0 bis 4 ergibt sich D=O bis 63. Die Variationen von rentlang der Detektorlänge muß nicht linear sein, wie in der Fig.7 dargestellt, sondern kann eine geeignete Form für die Beschaffenheit des jeweiligen Spektrums bei 16 in der F i g. 1 annehmen.

Die Verwendung eines PIN-Detektors unterteilt tatsächlich das Spektrum in eine unendliche Anzahl von Sektoren oder Abschnitten.

Man wird erkennen, daß mehrere Systeme zur Kompensierung der chromatischen Dispersion optischer Fasern vorgeschlagen sind. Vier Einrichtungen zur Spektraltrennung können verwendet werden: Spektrometrie, integrierte Optik, Filterung und gleichzeitiger Filterungsnachweis. Die spektralen Komponenten werden dann selektiv optisch über Resonanzhohlräume oder Fasern oder auf verschiedenerlei elektronische Weise verzögert Die rekombinierten Signale weisen eine beträchtlich verminderte chromatische Impulsdispersion auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ausgleichung der chromatographischen Impulsdispersion eines Lichtbündels in einer optischen Faser, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene Lichtbündel (11) in ein Spektrum aus Abschnitten mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgespalten wird, daß die Abschnitte nachgewiesen werden und ein Signal aus jedem Abschnitt erzeugt wird, daß jedem Signal eine vorbestimmte Zeitverzögerung erteilt wird und daß die Signale zur Bildung eines einzigen Ausgangssignals kombiniert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel (11) in ein Spektrum umgeformt wird, um einen divergierenden Fächer von Stahlen (17, 19) zu formen, daß man die Strahlen (17, 19) auf eine ebene Fläche (16) auftreffen läßt, wobei die Abschnitte an unterschiedliehen Stellen der ebenen Fläche liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strahlen (17, 19) auf eine Vielzahl von optischen Filtern (25 bis 30) auftreffen läßt wobei jeder Filter einen unterschiedlichen Abschnitt des Spektrums des Lichtbündels (11) durchläßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strahlen (17, 19) auf einen Mehrfachabschnitt-Fotodetektor auftreffen läßt m wobei jeder Abschnitt des Fotodetektors auf einen unterschiedlichen Abschnitt des Spektrums des Lichtbündels (11) anspricht

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aus den Abschnitten in eine r> Vielzahl von optischen Verzögerungsleitungen (31 bis 36) eingeführt wird, daß jedes Signal einer unterschiedlichen Verzögerungsleitung zugeführt wird, daß die Verzögerungsleitungen unterschiedliche Längen aufweisen, und daß sie am längsten für den Abschnitt der längsten Wellenlänge und am kürzesten für den Abschnitt der kürzesten Wellenlänge sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aus den Abschnitten einer elektronischen Verzögerungseinrichtung zugeführt werden, wobei für jeden Abschnitt eine getrennte elektronische Verzögerungseinrichtung vorgesehen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Lichtbündel auf eine oberste Schicht (51) eines PIN-Detektors (50) auftreffen läßt, der eine ladungsverarmte I-Schicht (52) aufweist, deren Dicke entlang ihrer Länge zunimmt, wobei die Strahlen mit kürzester Wellenlänge auf das Ende mit der geringsten Dicke (55) des PIN-Detektors (50) und die Strahlen mit der längsten Wellenlänge auf das Ende mit der größten Dicke (54) des PIN-Detektors (50) auftrefftn.

8. Vorrichtung zur Ausgleichung der chromati- bo sehen Impulsdispersion eines Lichtbündels in einer optischen Faser, gekennzeichnet durch Einrichtung (12, 13,15) zur Aufspaltung des Lichtbündels (11) in ein Spektrum, Einrichtungen (25 bis 30, 31 bis 36,38 bis 43) zum Nachweis unterschiedlicher Abschnitte b5 des Spektrums, um ein jedem Abschnitt entsprechendes Signal zu erzeugen, Einrichtungen (31 bis 36, 50), die jedem Signal eine Zeitverzögerung aufprä gen, und durch Einrichtungen (37,44) zur Kombinierung der Signale in einem einzigen AusgangssignaL

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (12, 13, 15) zur Aufspaltung des Lichtbündels (11) ein Spektrometer umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Nachweis unterschiedlicher Abschnitte des Spektrums eine Vielzahl von optischen Filtern (25 bis 30) oder einen Mehrfachabschnitts-Fotodetektor oder eine Vielzahl von optischen Fasern (31 bis 36) aufweist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung zur Auferlegung der Zeitverzögerung optische Fasern (31 bis 36) aufweist, wobei die Fasern von unterschiedlicher Länge sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufprägung der Zeitverzögerung eine elektronische Zeitverzögerungseinrichtung umfaßt

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung zum Nachweis unterschiedlicher Abschnitte des Spektrums und zur Aufprägung der Zeitverzögerung einen PIN-Detektor (50) aufweist wobei der Detektor von unterschiedlicher Dicke ist und das Spektrum auf eine Oberfläche (51) des Detektors (50) auftrifft, wobei die kürzesten Wellenlängen am dünnsten Ende (55) des Detektors auftreffen.