DE2815115A1

DE2815115A1 - Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE2815115A1
Application number: DE19782815115
Authority: DE
Inventors: Michael Eve
Original assignee: Post Office
Current assignee: Post Office
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1978-10-19
Also published as: SE7803863L; SE439388B; CA1104853A; US4205900A; GB1585893A

Description

— ■*) —

THE POST OFFICE
23 Howland Street
London WlP 6HQ
(Großbritannien)

Lichtleitfaser

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser und ein Lichtleitfaser-Kabel zur Verwendung als breitbandiger dielektrischer Lichtwellenleiter für eine Nachrichtenübertragungsanordnung.

Der im folgenden verwendete Ausdruck "Lichtwellenleiter" bezeichnet dielektrische Wellenleiter, die elektromagnetische Energie im Ultraviolett-, sichtbaren und Infrarotbereich des Spektrums übertragen.

Der Einsatz von Multimode-Wellenleitern zur Nachrichten-Übertragung unterliegt im allgemeinen einer wesentlichen Beschränkung, d^e durch die differentlelle Laufzeitdispersion bzw. -Streuung zwischen den Moden gegeben ist. Die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Moden in e'ner Paser bewirken eine Verbreiterung der Tmpuls-

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antwort und damit eine Verringerung der übertragbaren Bandbreite.

Um diesen Machteil wenigstens teilweise zu vermeiden, wurden bereits zwei Verfahren entwickelt. Bei der sogenannten "Stufen-Brechzahl-Faser" (d. h. bei einer Faser, deren Kern und Mantel unterschiedliche Brechzahlen aufweisen) kann durch Wahl des Materials und der Abmessungen des Kerns ein Tnhärent- bzw. Eigenmoden-Filter hergestellt werden. Je kleiner der Kerndurchmesser ist, desto kleiner ist die Anzahl der Moden, die sich in der Faser ausbreiten können; bei einem Kerndurchmesser von etwa 2,5 /um kann sich nur e^ne Schwingungsart bzw. ein Modus ausbreiten. Die Verbindung bzw. Kopplung von Fasern mit derartig kleinen Kerndurchmessern ist jedoch äußerst schwierig.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer sogenannten "Gradienten-Faser", bei der sich die Brechzahl von der Achse zum Rand hin kontinuierlich ändert. Theoretisch soll die radiale Änderung der Brechzahl derart sein, daß die Laufzeiten aller in der Faser laufenden Moden im wesentlichen gleichgroß sind. Tn der Praxis ist es jedoch nicht möglich, die Brechzahlanderung ausreichend genau zu steuern, um so eine Faser mit idealem Verhalten herzustellen, so daß die reale Faser praktisch unveränderlich entweder über- oder unterkompensiert ist, wodurch sich Moden höherer Ordnung schneller oder langsamer als andere Moden ausbreiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bandbreite einer aus einer Gradienten-Faser gebildeten Licht-Übertragungsstrecke wesentlich zu erhöhen.

Diese Arufgabe wird für eine Lichtleitfaser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch mehrere mit den

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Enden aneinander gekoppelte Grad'enten-Lichtleltfaser-Abschnitte, cMe derart angeordnet sind, daß Abschnitte, in denen sich eine erste Lichtmoden-Gruppe mit höherer Ausbrei tungsgeschwindlgkelt als eine zweite Lichtmoden-Gruppe ausbreitet, irr" t Abschnitten abwechseln, in denen sich die zweite Lichtmoden-Gruppe mit höherer Ausbreitungsgeschw'ndigkeit als die erste Lichtmoden-Gruppe ausbreitet.

Durch dieses abwechselnde Hintereinanderschalten von über- und unterkompensierten Faserabschnitten wird erreicht, daß in jedem Abschnitt die im vorhergehenden Abschnitt erzeugte dlfferentielle Laufzeitdispersion wieder korrigiert wird. Zu diesem Zweck werden die Längen zweier aufeinanderfolgender Abschnitte vorteilhaft derart gewählt, daß sich die Laufzeiten der ersten und der zweiten Lichtmoden-Gruppe ^!n den beiden Abschnitten ausgleichen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Lichtleitfaser e'nen ersten und einen zweiten, mit den Enden anelnandergekoppelten Grad'enten-Lichtle'tfaser-A"bschni tt aufweist; daß die Ausbrei, tungsgeschw'ndigke ^; t e'ner ersten Lichtmoden-Gruppe im ersten Abschnitt höher ist als jene einer zweiten Lichtmoden-Gruppe; daß die Ausbre¹' tungsgeschwindigkei t der zweiten Lichtmoden-Gruppe 'm zweiten Abschnitt höher ist als jene der ersten Lichtmoden-Gruppe; und daß die Längen des ersten und des zweiten Abschnitts derart gewählt sind,daß sich die Laufzeiten beider Lichtmoden-Gruppen inJden beiden Abschnitten ausgleichen.

Wie bereits erwähnt, werden die beiden Fasertypen, die alternierend ane'nandergekoppelt sind, als "überkompensiert" oder "unterkompensiert" bezeichnet. Bei der

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überkompens--'erten Paser breiten sich die höheren Moden schneller als die anderen Moden aus, dagegen breiten sich die höheren Moden bei der unterkompensierten Faser langsamer als andere Moden aus.

Das Aneinanderkoppeln bzw. Verbinden von einzelnen Faser-Abschnitten zu erfindungsgemäßen Lichtleitfasern kann nach einem der in den GB-PS 1 430 979, 1 447 317 und 1 448 74l beschriebenen Verfahren zur Verbindung von Gradienten-Lichtleitfasern erfolgen.

Lichtleitfasern gemäß der Erfindung können zu MultiFaser-Kabeln zusammengefaßt werden. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Lichtleitfaser-Kabel mit mehreren Lichtleitfasern, die in geeigneter Weise um einen Träger bzw. Trägerdraht (der die Zugfestigkeit verbessert) angeordnet sein.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird dadurch erzielt,- daß gleichartige Fasern zu Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitten zusammengefaßt werden, in denen alle Fasern vom gleichen Kompensationstyp sind (d. h. alle Fasern- sind über- oder unterkompensiert). Derartig gebildete Kabel-Abschnitte können dann so aneinandergekoppelt werden, daß über- und unterkompensierte Abschnitte abwechseln. Die Verbindung oder Kopplung kann nach e^'nern in den GB-PS 1 4^0 979, 1 447 317 und 1 448 74l beschriebenen Verfahren erfolgen. Tn einem auf diese Art hergestellten Lichtleitfaser-Kabel besteht jede einzelne Faser aus alternierend über- und unterkompensierten Abschnitten.

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Ein weiteres vorteilhaftes Äusführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt aus ■': mehreren parallel angeordneten Gradienten-Lichtleitfasern, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer ersten Lichtmoden-Gruppe in jeder Lichtleitfaser höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer zweiten Lichtmoden-Gruppe ist.

Ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf ein Lichtleitfaser-Kabel oder einen Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt mit einem ersten Lichtleitfaser-Kabel-Äbschnitt, der an einen zweiten Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt aus mehreren parallel angeordneten Grad'enten-Lichtleitfasern angekoppelt ist, wobei die Ausbreitungsgeschw¹ndigkeit der zweiten Lichtmoden-Gruppe in jeder Lichtleitfaser höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten Lichtmoden-Gruppe ist. ;

Schließlich ist vorteilhaft, wenn die Längen des ersten und des zwei ten Kabel-Abschnitts derart gewählt sind, daß sich die Laufzeiten beider Lichtmoden-Gruppen in den beiden Kabel-Abschnitten ausgleichen. Dies ist jedoch nicht wesentlich, da auch ohne e^ne derartige Längenanpassung die Verbesserung gegenüber einer zufälligen Anordnung von über- und unterkompensierten Abschnitten beträchtlich ist.

Durch d^Te Erfindung können die Toleranzanforderungen an Gradienten-Lichtleitfasern auf Kosten einer etwas komplizierteren Verkabelung und installation erheblich verringert werden.

Damit Lichtleitfasern und Lichtleitfaser-Kabel gemäß der Erfindung hergestellt werden können, muß selbstver-

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ständlich eine Möglichkeit vorhanden sein, festzustellen, ob eine bestimmte Faser über- oder unterkompensiert ist. Dies kann in verschiedenster Weise erfolgen, z. B. durch e⁴ne räumliche Filterung. Bei diesem Verfahren wird ein Lichtimpuls über die Faser übertragen und beobachtet, wie der ausgangsseitige Strahl beeinflußt wird, wenn die Strahlen mit großem Winkel ("Hochwinkel-Strahlen") und damit teilweise auch die höheren Ausbreitungsmoden entfernt werden.

Die Art der Kompensation kann auch theoretisch aus dem gemessenen Brechzahlprofil.der Faser bestimmt werden. Das Profil e^ner Gradienten-Brechzahl-Faser (kurz Gradienten-Faser genannt) läßt sich durch folgende Gleichung darstellen:

(T)

mit: η = Brechzahl an der Achse,

η = Brechzahl im Abstand a von der Achse, r = Halbmesser der Faser,

Λ- iL·^-

η = Brechzahl des Mantels, und oC' = Konstante mit dem Wert von etwa 2.

«C ist die charakteristische Konstante der Faser und bestimmt die Moden-Dispersion. Wenn «C einen bestimmten optimalen Wert aufweist, verhält sich die Faser ideal, wenn eC- größer als dieser Wert ist, ist die Faser überkompensiert, und wenn oC unter diesem Wert liegt, ist die Faser unterkompensiert. Unter der Voraussetzung, daß der optimale Wert von

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bekannt ist, kann aus der Bestimmung des Brechzahlprofils und damit des oC -Werts die Art der Kompensation abgeleitet werden. Der optimale Wert für oC hängt von der Wellenlänge der Lichtquelle ab; bei. 850 nm beträgt oC etwa 2,05.

Durch Anwendung eines statistischen Modells ist es möglich, theoretisch nachzuweisen, daß eine abwechselnde Verbindung von über- und unterkompensierten Pasern gemäß der Erfindung eine Verringerung der Modendispersion ergibt.

Wenn eine Lichtleitfaser als Verzögerungsleitung angesehen wird, läßt sich die Wahrscheinlichkeitdichte für die Ankunft eines am fernen Ende der Faser eingespeisten monochromatischen Photons aus der Impulsantwort der Faser am nahen Faserende bestimmen. Wenn t d^'e Laufzeit des Photons ist, ist die Varianz vonT der quadratische Mittelwert 2 der Breite der Impulsantwort. Die Größe <f ist somit ein Maß für die Modendispersion und soll so klein wie möglich sein.

Wenn zwei Fasern 1 und 2, deren quadratischen Impulsbreiten-Mittelwerte der Impulsantwort mit σ und ο bezeichnet werden, miteinander verbunden werden, besagt e^'n bekanntes Varianz-Gesetz:

2= <^² + <f₂ ² + 2 (T₁ O-₂ r₁₂ (II)

= quadratischer Gesamt-Impulsbreiten-Mittelwert der Impulsantwort des verbundenen Faserpaars, und = Korrelationskoeffizient zwischen Τ', und X , den Laufzeiten in den Fasern 1 und 2.

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- ίο -

Man sieht, daß or" umso kleiner ist, je kleiner c und G^ sind. Allerdings wird ein kleiner Wert für GT" auch dann gebildet, wenn O^-", und C' nicht ausgesprochen klein s^nd, dagegen v. groß und negativ ist.

Wie bereits gesagt, stellt r.p den Korrelationskoeffizienten zwischen *C. und Tf^ dar, d. h. das Ausmaß, mit dem % die Größe 'Cp beeinflußt. Wenn innerhalb der Faser oder an den Verbindungspunkten der Energieaustausch zwischen Moden (auch Moden-Mischung genannt) gering ist, ist r₁₂ groß und positiv, wenn beide Pasern demselben Kompensationstyp angehören, dagegen negativ, wenn eine Faser überkompensiert und di.e andere Faser unterkompensiert ist. Wenn eine Moden-Mischung auftritt, ist r.p klein.

Bei der Verbindung von mehr als zwei Fasern und unter Vernachlässigung der Korrelation zwischen nichtbenachbarten Fasern gilt folgende Gleichung

<^ΐτΐ>

mit: C = quadratischer Impulsbreiten-Mittelwert der Impulsantwort jeder einzelnen Faser, wobei k und k+1 benac hbarte Fasern bezeichnen.

Der Wert für O" ist minimal, wenn der Wert für r. ■/. ^ ' groß und negativ ist, d. ti. wenn sich über- und unterkompensierte Fasern abwechseln. Mit modernen verlustarmen Fasern, die zudem keine Moden-Mischung aufweisen, ist der Betrag der Möden-Mischung ausreichend klein, um einen großen Wert ^rkA+l ^{ZU er}S^eben·

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Durch alternierendes Hintereinanderschalten von Abschnitten aus über- und unterkompensierten Pasern ergibt sich ein weiterer Vorteil, nämlich die Tatsache, daß die Änderung der Modendispersion bei Änderung der Wellenlänge der Lichtouelle über einen bestimmten Wellenlängenbereich im Vergleich zu einer einzelnen Faser oder zu einer zufällig verschalteten Übertragungsstrecke erheblich verringert werden kann. Dies ist/ von Bedeutung, wenn die Kapazität einer optischen Übertragungsstrecke durch Verwendung von zwei oder mehreren mit verschiedenen Wellenlängen erhöht werden soll. Außerdem wird dadurch der Einfluß einer Drift der Wellenlänge der Lichtquelle auf die Bandbreite verringert.

Wie bereits gesagt, ist der oC-Wert einer Faser unabhängig von der Lichtauellen-Wellenlänge, doch hängt der optimale Wert"für <C sehr stark von der Wellenlänge ab,so daß eine gegebene Faser nur bei einer bestimmten Wellenlänge ein optimales Verhalten zeigt, bei anderen Wellenlängen dagegen entweder über- oder unterkompensiert ist.

Der quadratische Impulsbreiten-Mittelwert σ" der Impulsantwort, der ein Maß für die Modendispersion darstellt, hängt somit sowohl vom oC -Wert der Faser als auch von der Lichtauellen-Wellenlänge ab. Der Zusammenhang ist komplex, eine Näherung der Ergebnisse findet sich bei Olshansky und Keck, Williamsburg 1975 Comm. Tue 5-1. Wenn alle Moden gleich erregt sind, gilt folgende Gleichung:

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mit: e (A) - -²

Es bedeuten: c = Lichtgeschv/indigkeit im Vakuum,

X, = Lichtquellen-Wellenlänge, η = axiale Brechzahl,

N = axialer Gruppenindex, und η = Brechzahl des Mantels.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit von 6~* von der Lichtquellen-Wellenlänge A, für einige Einzel-Fasern; und

Fig. 2 die Abhängigkeit des gesamten G~~ von der Lichtquellen-Wellenlänge Λ- für zwei aneinandergekoppelte Faserpaare.

Fig. 1 zeigt Werte für C" für fünf ]|km lange cC--Fasern, wobei die Berechnung anhand der obigen Gleichung durchgeführt wurde, unter Verwendung der t (Λ.)-Werte nach Presby H.M. und Kaminow I.O., Applied Optics 15, Nummer 12, Seite 3029 bis 3036. Alle fünf Fasern sind aus Siliziumdioxid-Germanium-Glas hergestellt und die oO-Werte betragen 1,8; 1,9;

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■2,0; 2,1 und 2,2. Die 6~-Werte in ns/krn s^;nd aufgetragen über der Li chtnuellen-Wellenlänge P\^ in nra.

Fig. 2 ist eine entsprechende Darstellung für zwei gekoppelte 2 km-Paare, wobei das erste Paar aus einer Paser mit ijkm Länge und einem ⁰^-= 2,2 besteht, das an eine Paser der Länge ijkra mitd\^ = 1,9 angekoppelt ist, während das zweite Paar aus einer l'km-Faser mit °C = 2,1 besteht, die mit einer 1-km-Faser mit oC = 2,0 verbunden ist. Wie ersichtlich ist, ist die Änderung von O"" mit A. sehr viel geringer alspel e^ner einzelnen Faser. Mit dieser speziellen Wahl von Fasern ist die Steigung dö~/dÄ_ näherungsweise Null bei einer Wellenlänge von 850 nm, d. h. diese beiden Anordnungen zeigen bei 850 nm ein optimales Verhalten. Bei einer geeigneten Wahl deroC-Werte für die Fasern kann auch bei einer anderen Wellenlänge ein optimales Verhalten erzielt werden. Aus Fig. 1 geht hervor, daß bei überkompensierten Fasern (tAy y 2) d^e Steigung d<fc"/dA.positiv ist, während diese Größe bei unterkompensierten Fasern («£< 2) negativ ist. Dies hängt damit zusammen, daß das optimale oC für diese Fasern mit der Wellenlänge abnimmt; dies gilt für alle heute bekannten Fasern. Durch Wahl eines Faserpaars, für das die Werte von dö~/dA, bei einer bestimmten Wellenlänge Λ. betragsgleich und vorzeichenungleich sind (de~%/dA. = - do-^/d/L ), kann die Änderung der Bandbreite mit der Wellenlänge sehr klein gehalten werden.

Diese Ergebnisse können auf das bereits genannte statistische Modell angewandt werden. Für ein gekoppeltes Paar aus Fasern und Fasern 2 gilt:

2 = ^₁ ² + <5~₂ ² + 2 ^₁ ^₂P₁₂ (H)

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Das gewünschte Ergebnis soll derart se->n,daß gilt

4^s1- ⁼ o

Durch Differentiation der Gleichung IV erhält man:

ι/(

Wenn die beiden Pasern auf verschiedenen Seiten des Optimums sind, gilt:

ο °

Wenn die beiden Fasern eine ähnliche Bandbreite aufweisen, d. h.wenn ihre G"*"-Werte näherungsweise gleichgroß sind, nimmt dieser Ausdruck wie gewünscht im wesentlichen den Wert Null an. Durch die Erfindung werden also besonders günstige Ergebnisse hinsichtlichder Wellenlängen-Abhängigkeit

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ί -

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erzielt, indem Fasern mit unterschiedlichem Kompensationstyp und im wesentlichen gleichgroßen ■<T' miteinander verbunden werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei folgendes experimentell erzielte. Ergebnis näher beschreiben: Es wurden zwei Übertragungsstrecken mit 8 Mbit/s übertragungsgeschwindigkeit untersucht, wobei jede Übertragungsstrecke 5,75 km lang war und aus jeweils 6 Längen einer Gradienten-Lichtleitfaser bestand, die an fünf Verbindungsstellen miteinander verbunden waren. Die erste Übertragungsstrecke hatte drei Verbindungsstellen, wobei eine überkompensierte Faserlänge von einer Uberkompensierten Faserlänge bzw. eine unterkompensierte Faserlänge von einer ebenfalls unter-4 kompensierten Faserlänge gefolgt wurde. Bei einer mittleren Bandbreite von 248 MHz pro Faser wies die Ubertragungsstre'eke eine Bandbreite von 110 MHz auf. Die zweite Übertragungsstrecke wies nur eine Verbindungsstelle wie beschrieben auf, während die übrigen Verbindungsstellen in beiden Fällen eine an eine unterkompensierte Faserlänge angekoppelte überkompensierte Faserlänge aufwies. Die zweite Übertragungsstrecke ergab eine Bandbreite von l40 MHz bei einer mittleren Bandbreite von 2j59 MHz pro Faser. Dies zeigt deutlich, daß durch Auswahl der Fasern in einer Übertragungsstrecke die Bandbreite der Übertragungsstrecke beträchtlich verbessert werden kann.

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Claims

Patentansprüche

gekennzeichnet durch

mehrere mit den Enden aneinander gekoppelte Gradienten-Lichtleitfaser-Abschnitte, die derart angeordnet sind, daß Abschnitte, in denen sich eine erste Lichtmoden-Gruppe mit höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit als eine zweite Lichtmoden-Gruppe ausbreitet, mit Abschnitten abwechseln, in denen sich die zweite Lichtmoden-Gruppe, mit höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit als die erste Lichtmoden-Gruppe ausbreitet.
2. Lichtleitfaser, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser einen ersten und einen zweiten, mit den Enden aneinander gekoppelten Gradienten-Lichtleitfaser-Abschnitt aufweist; daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer ersten Lichtmoden-Gruppe im ersten Abschnitt höher ist als jene einer zweiten Lichtmoden-Gruppe; daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der zweiten Lichtmoden-Gruppe im zweiten Abschnitt hoher ist als jene der ersten Lichtmoden-Gruppe; und daß die Längen des ersten und desjzweiten Abschnitts derart gewählt sind, daß sich die Laufzeiten beider Lichtmoden-Gruppen in den beiden Abschnitten ausgleichen.
3. Lichtleitfaser, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser einen ersten und einen zweiten, mit den Enden aneinander gekoppelten Gradienten-Lichtleitfaser-Abschnitt aufweist;

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daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer ersten LLchtmoden-G-ruppe im ersten Abschnitt höher ist als jene e'ner zweiten Lichtmoden-Gruppe; daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der zweiten Lichtmoden-Gruppe im zweiten Abschnitt höher Ist als jene der ersten Lichtmoden-Gruppe; und daß die Längen des ersten und des zweiten Abschnitts derart gewählt sind, daß sich die quadratischen Impulsbreiten-Mittelwerte der Tmpulsantworten beider Abschnitte ausgleichen.
4. Lichtleitfaser-Kabel mit mehreren Lichtleitfasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern parallel um einen zentralen Träger angeordnet sind.
5. Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt in einem Lichtleitfaser-Kabel, gekennzeichnet durch mehrere parallel angeordnete Gradienten-Lichtleitfasern, wobei die Ausbre^!tungsgeschwindigkeit einer ersten L^;chtmoden-Gruppe ^!n jeder Lichtleitfaser höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer zweiten Lichtmoden-Gruppe ist.
6. Lichtleitfaser-Kabel oder Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt in einem Lichtleitfaser-Kabel, gekennzeichnet durch einen ersten Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt nach Anspruch 5, der an einen zweiten Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt aus mehreren parallel angeordneten Gradienten-Lichtleitfasern angekoppelt ist, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der zweiten Liehtmoden-Gruppe in jeder Lichtleitfaser höher als d?e Ausbreitungsgeschwindlgke't der ersten Liehtmoden-Gruppe 1st.
7. Lichtleitfaser-Nachrichtenübertragungsanordnung mit einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder mit einem Lichtleitfaser-Kabel oder einem Lichtleitfaser-Kabel-Abschnitt nach einem der Ansprüche 4 bis 6.

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