DE3035095C2

DE3035095C2 - Dispersionsmeßverfahren und -meßeinrichtung für Multimodefasern

Info

Publication number: DE3035095C2
Application number: DE19803035095
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Phys. Dr. 1000 Berlin Fußgänger; Shigeyuki Dr. Ibaraki Seikai
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Current assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Priority date: 1980-09-15
Filing date: 1980-09-15
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE3035095A1

Description

ermittelt und als Punkte (1, 2, 3,..., n) in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem (x, j^und mittels der geraden Verbindung aller Punkte (1, 2, 3, .., n) entsprechend der Funktion y=a ■ x+b mit y=T² _gcs und χ=(Δλ)² quadratische Werte repräsentierende, separat zu entnehmende, Streckenlängen als Größen für

— die gesamte Dispersion (Länge y=a ■ x+b)

— für den auf die Modendispersion entfallenden Anteil (Länge b=y-a ■ x)

— für den auf die Materialdispersion entfallenden Anteil (Länge ax=y-b)

dargestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Lichtimpulse der Lichtquelle mit maximal 280 ps Pulsbreite, einer Spitzenleistung zwischen 0,1 W und 1 W, einer Folgefrequenz von 1OkH^ einer zentralen Wellenlänge von etwa 850 nm und einer spektralen Halbwertsbreite von 1,9 nm.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Halbwertsbreite der Lichtimpulse mittels eines Spektrometer auf Werte von ca. 1,3 nm und ca. 0,65 nm verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsspalt des Spektrometer mittels einer Faser mit ca. 65 μΐη Kerndurchmesser beleuchtet wird.

5. Dispersionsmeßeinrichtung für Multimodefasem mit einem elektrischen Pulsgenerator, einer vom Pulsgenerator angesteuerten Laser-Lichtquelle, einem Gitterspektrometer und einem optischen Linsensystem vor dem Eingang der zu messenden Faser sowie einem optischen Linsensystem, einem opto-elektrischen Wandler, einem Breitbandverstärker unu einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung hinter dem Ausgang der Faser, gekennzeichnet durch

einen gepulsten GaAlAs-SHS-Laser mit einer zentralen Wellenlänge bei 0,85 μνη,
ein Gitterspektrometer mit zwischen 5,0 mm und 0,25 mm veränderlicher Spaltbreite
ein optisches Linsensystem zwischen der Lichtquelle und dem Gitterspektrometer, bestehend aus einem System zweier durch eine Faser gekoppelter Mikroskopobjektive,

einen Breitbandverstärker mit einer oberen Grenzfrequenz von 3,15 GHz und

ein Digital-Datenverarbeitungs- und Anzeigegerät mit einem angeschlossenen Drucker.

Die Erfindung betrifft ein Dispersionsmeßverfahren, bei dem mit mindestens zwei sich unterscheidenden Lichtimpulsen aus der Impulsverbreiterung in der Faser zwischen ihrem Ausgang und Eingang eine Größe für den auf die Materialdispersion entfallenden Anteil bestimmbar ist. Sie betrifft auch eine Dispersionsmeßeinrichtung für Multimodefasem mit einem elektrischen Pulsgenerator, einer vom Pulsgenerator angesteuerten Laser-Lichtquelle, einem Gitterspektrometer und einem optischen Linsensystem vor dem Eingang der zu messenden Faser sowie einem optischen Linsensystem, einem opto-elektronischen Wandler, einem Breitbandverstärker und einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung hinter dem Ausgang der Faser.

In »Applied Optics Bd. 18, No. 13, 1. Juli 1979, S. 2223 bis 2228« ist eine einfache und leicht anzupassende Meßtechnik beschrieben für die Bestimmung der Materialdispersion einer Gradientenfaser und weiterer Eigenschaften einer solchen Faser auf analytischem Wege mit Hilfe der gemessenen Materialdispersion.

Dabei wird in einem breiten Wellenlängenbereich

so zwischen 0,5 μπι bis 1,7 μπι ein optischer Pulsradiator für inkohärente Impulse im Nanosekundenbereich eingesetzt. Die Messung der Materialdispersion beruht dabei auf folgendem Konzept:

Monochromatisches Licht mit einer spektralen Bandbreite von etwa 5 nm wird mit Hilfe eines Gitter-Monochromators ausgesiebt. Das Licht mit einer zentralen Wellenlänge bei 0,75 μηι wird als Impuls von 1,5 ns Dauer und einer Folgefrequeiiz von 3 kHz in die zu messende Faser eingekoppelt.

Die betreffenden Differenzen der Pulsverzögerung zwischen den Spitzen der übertragenen Impulse werden gemessen. Ausgangsimpulse nach Übertragung durch die Testfaser bei 5 unterschiedlichen Wellenlängen zwischen 0,6 μπι und 1,2 μΐη dienen dabei als Referenz-

b) zeitmarken. Die zeitliche Verschiebung zwischen den Spitzen der übertragenen Impulse bei unterschiedlichen Wellenlängen können aus einer Photographie abgelesen werden, die auch die Referenzzeitmarken enthält. Die

gemessenen Pulsverbreiterungen hängen von der Auflösung des Meßsystems ab und betragen etwa 0,9 ns bei einer Pulsbreite von etwa 1,5 ns. Bei einer Gradientenfaser, die zu den Testzeiten eingesetzt wurde, wurde eine Pulsspitzenverzögerun^ von etwa > 0,2 ns festgestellt

In »Electronics Letters Bd. 14 Nr. 12, 8.6. 1978, S. 367—369« ist eine einfache Methode für die Messung der Materialdispersion in optischen Fasern beschrieben. Hierbei wird eine zentrale Wellenlänge der Lichtquelle κι von mehr ?.!s 1 μπι, d. h. 1,03 μπι und eine spektrale Halbwertsbreite von 5 nm benutzt Diese Methode eignet sich für Fasern eines bereits verbesserten Qualitätsstandards, bei dem die Modendispersion von Gradientenfasern verringert wurde und die gleiche r> Größenordnung wie die Materialdispersion aufweist.

In optischen Nachrichtensystemen mit Glasfasern als Übertragungsmedium können immer bessere Ergebnisse, z. B. größere Repeaterabstände erreicht werden, wenn die Dispersion der Faser gering Lt und die 2» Lichtquelle am Eingang der Faser sowie der opto-elektronischen Wandler am Ausgang der Faser höhere Bitraten zulassen.

Insbesondere schmalere spektrale Bandbreiten bei den Lasern führen dazu, daß nicht nur die Modendisper- 2 > sion relativ gering ist, sondern auch die Materialdispersion um Größenordnungen gegenüber Lichtquellen mit höherer Spektralhalbwertsbreite sinkt. Sowohl bei der Planung als auch beim Aufbau optischer Übertragungsstrecken ist es deshalb erforderlich, nicht nur die so Gesamtdispersion feststellen zu können, sondern auch deren Anteile, nämlich die Moden- und die Materialdispersion getrennt voneinander beurteilen zu können. Während die Materialdispersion von der zentralen Wellenlänge der Lichtquelle, ihrer spektralen Halb- ü wertsbreite und natürlich von der Länge der Faser abhängt, ist die Modendispersion im wesentlichen nur eine Funktion der zentralen Wellenlänge der Lichtquelle und der Länge der Faser. Um eine Bitfehlerrate von z. B. weniger als iO~⁹ bei 560 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen, darf die Impulsverbreiterung nicht mehr als 0,5 ns betragen. Bei spektralen Halbwertsbreiten bis herab zu 0,8 nm, in der Hauptsache bei etwa 2 nm und einer zentralen Wellenlänge von etwa 0,85 μπι haben die bekannten Meßmethoden allein mit der Bestimmung der Materialdispersion keine ausreichende Aussagekraft.

Für die Lösung der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich bei verhältnismäßig geringer spektraler Halbwertsbreite der verwendeten Lichtquellen, die Material- und die Modendispersion getrennt voneinander auf einfache Weise feststellen zu können, wird gemäß der Erfindung folgender Weg eingeschlagen:

— Lichtimpulse gleicher zentraler Wellenlänge und sich unterscheidender spektraler Bandbreiten werden durch die Faser geleitet.

Von einer elektronischen Auswerte- und Anzeigenrichtung werden

— bei der jeweiligen spektralen Bandbreite aus den ω zeitlichen Halbwertsbreiten der Impulse am Ausgang und am Eingang der Faser dazugehörige Inipulsverbreiterungswerte nach der Formel

— mittels der geraden Verbinüung aller Punkte entsprechend der Funktion y — a ■ χ + b, mit y=i²ges und χ=(Δλψ quadratische Werte repräsentierende, separat zu entnehmende Streckenlängen als Größen für

— die gesamte Dispersion (Länge:y= a ■ x+b)

— für den auf die Modendispersion entfallender. Anteil (Länge: b=y— a · χ)

— für den auf die Materialdispersicn entfallenden Anteil (Länge: a - x=y~b)

dargestellt

Der Anteil der Materialdispersion einer Multimodefaser, insbesondere einer Gradientenfaser, hängt — wie bereits oben erwähnt — von der zentralen Wellenlänge und der spektralen Halbwertsbreite sowie von der Länge der Faser ab. Der optische Dispersionskoeffizient bei der Materialdispersion kann ausgedrückt werden als

g-/i \
c λ² ),

Damit ergibt sich für die Materialdispersion folgender Ausdruck:

r_ma,=(A/cb) · Δλ

■ L

Dividiert man diesen Ausdruck durch die Länge der Faser und die spektrale Halbwertsbreite, erhält man für den Parameter der Materialdispersion

Mi = TmJ(L ■ Δλ)=(λ/ο>) ■ (δ²η/δλ²)>.

Die Gesamtdispersion setzt sich im wesentlichen aus den beiden Anteilen:

Materialdispersion x_mat
und

Modendispersion x_mod
zusammen. Dafür gilt:

ermittelt und als Punkte in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem und

Aus diesen Zusammenhängen ist zu erkennen, daß bei der Messung der gesamten Dispersion mit zwei unterschiedlichen spektralen Halbwertsbreiten Verhältnisse entstehen, die durch die Funktion y= a ■ x+b, der Gleichung einer Geraden, beschrieben werden können. Dabei entsprechen der gesamten Dispersion das y, der Modendispersion das b und der Materialdispersidn das a · χ der Geradengleichung.

Für die Materialdispersion herrschen insbesondere in Abhängigkeit von der Länge der Faser lineare Verhältnisse. Dies gilt nicht für die Modendispersion. Da sich jedoch die Gesamtdispersion und die Materialdispersion bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren gleichzeitig und separat ermitteln lassen, folgt ohne weiteres der auf die Modendispersion entfallende Anteil als Differenz der beiden erstgenannten Meßwerte.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gelten für die Werte der Lichtquelle folgende Angaben:

Die Lichtimpulse weisen maximal eine Pulsbreite von 280 ps auf, haben eine Spitzenleistung zwischen 0,1 W und 1 W und eine Folgefrequenz von 10 kHz, eine zentule Wellenlänge von etwa 850 nm und eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 1,9 nm. Hieraus ist zu erkennen, daß ein Laser mit einer Al-Dotierung eingesetzt wird, bei dem die zentrale Wellenlänge

kürzer ist als bei anderen bekannten Lasern. Die Tendenzen der technischen Entwicklung optischer Nachrichtensysteme weisen in die Richtung geringer spektraler Halbwertsbreite für Digitaltechnik.

Ebenfalls von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist die Möglichkeit, die spekrale Halbwertsbreite der Lichtimpulse mittels eines Spektrometers auf Werte von ca. 1,3 nm und ca. 0,65 nm zu verringern. Sofern mehr als 2 unterschiedliche Lichtimpulse für die Bestimmung der die Gesamtdispersion charakterisierenden Punkte auf der Geraden y=a ■ x + b ermittelt werden sollen, können am Spektrometer beliebige Zwischenwerte für die Spaltbreiten eingestellt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der Eingangsspalt des Spektrometers mittels einer Faser mit ca. 65 μπη iCcrndurchrnesser beleuchtet werden. Diese Größenverhältnisse Kerndurchmesser/ Eingangsspalt bewirken energiemäßig eine gute Ausnutzung der einzelnen angeschlossenen Systemkomponenten, da vom eingestrahlten Licht nichts abgedeckt wird.

Die Dispersionsmeßeinrichtung für Multimodefasern geht aus von einer Anordnung, wie sie aus der oben bereits erwähnten Veröffentlichung »Appl. Opt., I. 7. 79 S. 2223 ff. bekannt ist. Sie ist gekennzeichnet durch
einen gepulsten GaAlAs-SHS-Laser mit einer zentralen Wellenlänge bei 0,85 μπι,

ein Gitterspektrometer mit zwischen 5,0 mm und 0,25 mm veränderlicher Spaltbreite,
ein optisches Linsensystem zwischen der Lichtquelle und dem Gitterspektrometer, bestehend aus einem System zweier durch eine Faser gekoppelter Mikroskopobjektive,

einen Breitbandverstärker mit einer obersten Grenzfrequenz von 3,15 GHz und

Eine derartige Meßeinrichtung ist sowohl im Laborbetrieb als auch im Feld einsetzbar. Während im Laborbetrieb Anfang und Ende der zu messenden Faser örtlich nicht getrennt zur Verfügung stehen können, also ohne Schwierigkeit zur Bestimmung der Pulsbreiten am Eingang und Ausgang demselben opto-elektronischen Wandler zugeführt werden können, ist bei Messungen im Feld zunächst am einen Ende der Faser mit den unterschiedlichen spektralen Bandbreiten zu messen und sodann mit den jeweiligen spektralen Bandbreiten am anderen Ende der Faser. Die gemessenen Werte lassen sich im Datenverarbeitungsgerät unabhängig von der Reihenfolge der einzelnen Messungen speichern und bestimmungsgemäß auswerten.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Dispersionsmeßeinrichtung für Multimodefasern

F i g. 2 Schaubilder der dynamischen Spektren:

a) des Lasers

b) hinter dem Spektrometer bei der Spaltbreite <i= 5,0 mm

c) hinter dem Spektrometer bei der Spaltbreite d= 0,25 mm

F i g. 3 Schaubilder der Impulsformen über der Zeit aufgetragen:

a) vor dem Spektrometer

b) entsprechend F i g. 2b)

c) entsprechend F i g. 2)

Fig.4 ein Schaubild für die Auswertung der Dispersionsmessung und

F i g. 5 Schaubilder (grafische Darstellung) gemessener Dispersionswerte.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Meßeinrichtung ist ein gepulster 0,85 μπι (GaAI)As-SHS-Laser-Modul (Hersteller: Optel CL 5003 A) eingesetzt. Ein Gitterspektrometer (Modell Spex Model 1670 Minimate) wird als Λλ-Filter für die unterschiedlichen spektralen Halbwertsbreiten verwendet. Die Lichtimpulse weisen eine Spitzenleistung zwischen 0,1 W bis 1 W auf, haben eine Folgefrequenz von 1OkHz, eine Halbwertbreite von 270 ps und eine zentrale Wellenlänge von 851 nm. Die spektrale Halbwertsbreite des Laser-Moduls beträgt 1,90 nm. Zur Ansteuerung der Lichtquelle dient ein TTL-Pulsgenerator. Das Spektrometer hat auf der Ausgangsseite auf unterschiedliche Werte zwischen 5,0 mm und 0,25 mm einstellbare Spaltbreiten, wodurch die spektrale Halbwertsbreite der vom Lasermodul erzeugten Lichtimpulse auf 1,28 nm bzw. 0,64 ηm verringert wird (s. a. F i g. 2 b, c). Die Eingangsschlitzbreite des Spektrometers beträgt 0,25 mm und wird beleuchtet von einer Gradientenfaser mit einem Kerndurchmesser von 62,5 μπι. Dazu werden 2 Mikroskopobjektive vor und hinter dieser Faser angeordnet. Ebenfalls mittels optischer Linsensysteme wird der Spektrometerausgangsspalt auf die zu messende Faser fokussiert. Als opto-elektronischer Wandler ist eine Si-APD (Hersteller: AEG-Telefunken BPW 28) eingesetzt. Die in elektrische Signale umgewandelten Lichtimpulse gelangen über einen Vorverstärker mit einer oberen Grenzfrequenz von 3,15 GHz (Typ: B&H Type DC 3002 MIC-A) zur Anzeige- und Auswerteeinrichtung. Hierfür kann im einfachsten Fall ein Oszilloskop (Tektronix Type 7904 mit den Einheiten 7S12. S-4 und S-53) eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch hierfür ein Digital-Datenverarbeitungs- und Anzeigegerät — DPO — mit einem angeschlossenen Drucker.

Die F i g. 2 zeigt die Spektren der Pulsformen. Der von der Lichtquelle erzeugte Impuls (a), der Impuls vor dem Spektrometer (b) und dahinter (c) wurden mit einem zweiten Spektrometer (Modell Spex 1702) bei hoher spektraler Auflösung von 0,01 nm gemessen. Hierbei ist zu erkennen, daß die unterschiedlichen Spaltbreiten des Gitterspektrometers die spektrale Halbwertsbreite des Laserlichts von 1,90 nm auf 1,28 nm bzw. 0,64 nm bei einer konstanten zentralen Wellenlänge von 851 nm verringern. Die Fi g. 3 a, b, c zeigen die entsprechenden Impulsformen mit exakt konstanter zeitlicher Halbwertsbreite von 261 ps hinter dem Spektrometer (b, c), und 270 ps vor dem Spektrometer, s.(a).

Die F i g. 4 zeigt in welcher Weise der Wert für die gesamte Dispersion in ihre Anteile für die Material- und die Modendispersion aufzuteilen ist Gradientenfasern der Firma CORNING, die von der Firma Siemens verkabelt und von der Firma SIECOR geliefert wurden, können in einer Ortstrasse für 280 Mbit/s und in einer Ferntrasse für 560 Mbit/s eingesetzt werden. Der Parameter der Materialdispersion wurde mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren bzw. mit der hier vorgeschlagenen Meßeinrichtung mit einem Wert von Afi=(107±4) ps/km · nm bei 851 nm zentraler Wellenlänge ermittelt Die charakteristischen Werte für die gesamte Dispersion, der Materialdispersion und der Modendispersion eines 1374 km langen Ortstrassenkabels und eines 1,577 km langen Femtrassenkabels mit Gradientenfasern sind nachfolgend in Tabelle 1 aufgeführt

Tabelle

*A λ*	[nm]	IPs]	KlUlI	I ps\|	j M/.
\|nm\|	1,574 km		[P-S]		[ps/km · mm)
Ortstrasse, L =	851,1	323		303
0,64	850,6	376	IH	303	110
1,28	1,577 km		222		110
Ferntrasse, L =	851,1	241		215
0,64	850,6	308	110	215	109
1,28		220	109

Hieraus ist zu ersehen, daß die verkabelten Fasern bezüglich der gesamten Dispersion, wie die Messungen zeigen, unterschiedliche absolute Werte aufweisen, während der Parameter der Materialdispersion überall bei einer konstanten zentralen Wellenlänge (ca. 851 nm) nahezu derselbe ist. Bei einer spektralen Halbwertsbreite von 1,28 nm ist die Materialdispersion geringer als die Modendispersion (Ortstrasse) bzw. etwa gleich groß (Ferntrasse), was auf die qualitativ besseren Fasern in der Ferntrasse deutet, die bei der vorgesehenen höheren Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber der Ortstrasse ein besseres Auflösungsvermögen haben. In der F i g. 5 sind die gesamte Dispersion und ihre Anteile in Abhängigkeit von der Faserlänge bei der Orts- bzw. der Ferntrasse mit Gradientenfasern aufgetragen. Durch Subtraktion des auf die Materialdispersion entfallenden Anteils von der gesamten Dispersion ist für die Modendispersion zu erkennen, daß diese sich nicht linear mit der Länge der Faser verändert. So gilt bis zu einer Länge von 3 km

τwod(L)~ L°" bzw. Z°"
und einer Länge zwischen 3 km und 8 km

r_moJ(L)~L!>"
Überschlägig kann über die gesamte Länge

angesetzt werden. Die Änderung der Modendispersion in Abhängigkeit von der Faserlänge kann durch die Änderungen der Modenmischung erklärt werden.

Das erfindungsgemäße Dispersionsmeßverfalr-en und die erfindungsgemäße Dispersionsmeßeinrichtung sind Thema eines Vortrages bei der Veranstaltung 6. ECOC vom 16. bis 19. September 1980 in York/Großbritannien.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dispersionsmeßverfahren für Multimodefasem, bei dem mit mindestens zwei sich unterscheidenden Lichtimpulsen aus der Impulsverbreiterung in der Faser zwischen ihrem Ausgang und Eingang eine Größe für den auf die Materialdispersion entfallenden Anteil bestimmbar ist, dadurch gekennzeichne t.daß

— Lichtimpulse gleicher zentraler Wellenlänge (Ao) und sich unterscheidender spektraler Bandbreiten (Δλ\, Δλ₂, AX₃, ..., Δλ_η) durch die Faser geleitet werden und

von einer elektronischen Auswerte- und Anzeigeeinrichtung

— bei der jeweiligen spektralen Bandbreite (Δλ) aus den zeitlichen Halbwertsbreiteri der Impulse am Ausgang und am Eingang der Faser dazugehörige Impulsverbreiterungswerte (v⁷ges) nach der Formel