DE3042896C2

DE3042896C2 -

Info

Publication number: DE3042896C2
Application number: DE3042896A
Authority: DE
Inventors: Herwig Werner Rumson N.J. Us Kogelnik; Chinlon Red Bank N.J. Us Lin
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1979-11-13
Filing date: 1980-11-13
Publication date: 1990-02-22
Also published as: DE3042896A1; JPS5687004A; GB2064161A; US4261639A; GB2064161B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Lichtimpuls entzerrer-Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei Multimode-Fasern ist die Übertragungsbandbreite durch Modendispersion begrenzt. Bei Monomode-Fasern gibt es keine Modendispersion, und letztlich wird die Übertragungskapazität durch Materialdispersion und Wellenleiterdispersion begrenzt (s. hierzu und zum Oberbegriff des Patentanspruchs "Pulse Delay Measurements in the Zero Material Dispersion Wavelength Region for Optical Fibers" Applied Optics, Vol. 16, No. 12, December 1977). Die Gesamtdispersion von Monomode-Fasern ent hält somit sowohl die Material- als auch die Wellenleiter auswirkungen. Herkömmliche Monomode-Fasern besitzen für ge wöhnlich sehr geringe Wellenleiterdispersion, die Material dispersion herrscht vor. Die sich ergebende Gesamtdispersion ist in dem Wellenlängenbereich in der Nähe von 1,3 µm in erster Ordnung Null.

In jüngster Zeit galt besonderes Interesse solchen Monomode- Fasern, die derart ausgebildet sind, daß sie im Spektralbereich von 1,5-1,7 µm eine Gesamtdispersion von Null habe, weil sowohl Versuchsergebnisse als auch theoretische Berechnungen zeigen, daß in dem Bereich von 1,5-1,7 µm sehr geringe Verluste (0,2-0,5 dB/km) erzielbar sind. Eine Langstrecken übertragung mit hoher Bandbreite erfordert sowohl eine äußerst geringe Dämpfung als auch eine äußerst geringe Dis persion im selben Wellenlängenbereich. Wie oben bereits er wähnt wurde, ist bei herkömmlichen Monomode-Fasern der 1,3 µm- Bereich der Bereich mit Null-Dispersion, jedoch sind die Ver luste in dem 1,5-1,7 µm-Bereich geringer als in der Nähe von 1,3 µm. Der Grund hierfür liegt darin, daß gegenwärtig bei in der Praxis verfügbaren Monomode-Fasern die OH-Absorption in der Nähe von 1,39 µm verursacht, daß das 1,3 µm-Verlust minimum über 0,5 dB/km liegt.

Es ist daher vorteilhaft, für optische Fernübertragungssysteme mit hoher Bandbreite Monomode-Fasern derart auszubilden, daß das Gesamt-Dispersionsminimum in diesen Bereichen geringerer Verluste liegt.

Monomode-Fasern, deren Gesamt-Dispersion Null für eine Wellen länge λ₀ im 1,5-1,6 µm-Bereich ist, lassen sich durch höhere GeO₂-Dotierung und durch Steuern der Wellenleiter dispersion in Monomode-Fasern herstellen (s. z. B. den Artikel "Tailoring Zero Chromatic Dispersion into the 1,5-1,6 µm Low-Loss Spectral Region of Single-Mode Fibers", Electronics Letters, Vol. 15, No. 12, June 7, 1979, Seiten 334-335 by L. G. Cohen, Chinlon Lin, and W. G. French). Durch geeignete Steuerung der Dotierung, der Dotierstoffkonzentration, des Kerndurchmessers und des Brechungsindexprofils lassen sich Monomode-Fasern herstellen, bei denen die Gesamtdispersion eine Minimum-Dispersionswellenlänge (oder Nulldispersions-Wellenlänge) λ₀ irgendwo in dem Bereich zwischen 1,3 und 1,7 µm hat. Unglücklicherweise hängt λ₀ ziemlich stark sowohl von dem Kerndurchmesser als auch dem Brechungsindexprofil ab. Im Idealfall wäre es wünschenswert, Monomode-Fasern herzustellen, bei denen λ₀ in dem Bereich geringen Verlusts liegt, und eine Laserquelle zu verwenden, so z. B. eine Monomode-InGaAsP-Laserdiode, deren Wellenlänge λ _S der Wellenlänge λ₀ entspricht. Es bereitet keine allzu große Schwierigkeiten, die Faserherstellung der art zu steuern, daß g₀ in den ziemlich breiten Bereich geringer Verluste fällt, das Erzielen einer exakten Überein stimmung zwischen λ _S und λ₀ erfordert jedoch größeren techno logischen Aufwand. Selbst wenn der Halbleiterlaser in nur einigen Moden schwingt, könnte die Übertragung dispersions beschränkt sein, falls eine sehr große Bandbreite bei Über tragung über sehr große Entfernungen zu verwenden ist, die bei sehr geringen Faserverlusten möglich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtimpulsentzerrer- Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die eine Dispersionsbeschränkung besonders dort bewirkt wird, wo eine Fehlanpassung zwischen der Quellen-Wellenlänge und derjenigen Wellenlänge besteht, bei der eine Monomode-Über tragungsfaser eine Null-Gesamtdispersion hat.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäße Lichtimpulsentzerrer-Einrichtung ver wendet eine positive und eine negative Dispersionskenn linie von Monomode-Fasern auf beiden Seiten der Null-Gesamt dispersionswellenlänge. Die zweite Monomode-Faser ist der art beschaffen, daß die Quellen-Wellenlänge zwischen der Null-Dispersionswellenlänge der zur Übertragung dienenden Faser (ersten Faser) und derjenigen der Entzerrer-Faser (zweiten Faser) liegt. Liegt die Quellen-Wellenlänge z. B. oberhalb der Null-Dispersionswellenlänge der Übertragungs faser, so muß die Null-Dispersionswellenlänge der (zweiten) Entzerrerfaser größer sein als die Quellen-Wellenlänge, und umgekehrt. Die erste und die zweite Monomode-Faser (Über tragungs- bzw. Entzerrerfaser) weisen unterschiedliche Dispersionsvorzeichen bei der Quellen-Wellenlänge auf. Zudem wird die Länge der Entzerrerfaser so gewählt, daß sie der Länge der Übertragungsfaser gleicht, multipliziert mit dem Verhältnis der Dispersion für die Übertragungsfaser und die Entzerrerfaser. Das Verhältnis wird für die Quellen- Lichtwellenlänge errechnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der chromatischen Dis persion einer Monomode-Übertragungsfaser (ersten Faser),

Fig. 2 eine graphische Darstellung der chromatischen Dispersion einer Monomode-Entzerrerfaser (zweite Faser), und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Lichtimpulsübertragungssystems, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Die chromatische Dispersion M( λ ) einer Faser ist definiert durch die Beziehung

wobei τ die Gruppenlaufzeit eines sich in einer Monomode- Faser der Länge L ausbreitenden Lichtimpulses ist. Die Gruppenlaufzeit τ hängt mit der Ausbreitungskonstanten β der Faser durch folgende Beziehung zusammen:

wobei λ _S die Mittenwellenlänge der Lichtquelle und c die Lichtgeschwindigkeit ist (vergl. die obengenannten Ver öffentlichungen von Cohen und Lin). Das Ausmaß der Impuls verbreiterung aufgrund der Spektralbreite Δλ _S einer Licht quelle ist dann durch folgende Beziehung gegeben:

Für eine kaskadierte Monomode-Faserkette, die aus n Fasern besteht, ergibt sich die Gesamtimpulsverbreiterung durch die Beziehung:

wobei M _i die chromatische Dispersion und L _i die Faserlänge der i-ten Faser ist.

Es wird hier eine Lichtimpuls-Entzerrereinrichtung be schrieben, die dazu dient, die chromatische Dispersion in Monomode-Faserübertragungssystemen zu minimieren, bei denen eine Fehlanpassung zwischen der Lichtquellenwellenlänge und der Null-Gesamtdispersionwellenlänge einer Monomode-Übertragungs faser besteht. Gemäß der Erfindung kann durch die Verwendung einer zweiten Monomode-Faser als Entzerrer die Im pulsverbreiterung in der Monomode-Übertragungsfaser herabge setzt werden, wenn die Quellenwellenlänge zwischen den Null- Dispersionswellenlängen der beiden Fasern, d. h., der Übertra gungsfaser und der Entzerrerfaser liegt.

Es sei zunächst angenommen, daß sich nach der Herstellung einer Laserquelle, deren Wellenlänge ( λ _S) mit der Null- Gesamtdispersionswellenlänge ( λ₀) einer gegebenen Monomode- Faser übereinstimmen soll, ergibt, daß λ _S von λ₀ abweicht, und daß gilt λ _S < λ₀.

Die Kurve 100 in Fig. 1 stellt die chromatische Dispersion der Übertragungsfaser dar. Der Unterschied zwischen λ _S und λ₀ kann so gering sein, daß die chromatische Dispersion M( λ _S) klein genug ist, um für einige Systeme geeignet zu sein. Bei verlustarmen Fasern und großen Entfernungen jedoch kann das System dispersionsbegrenzt, und nicht verlustbegrenzt werden. Selbst wenn also die Impulsverbreiterung aufgrund der Disper sion für 1 km klein sein kann, könnte die akkumulierte Im pulsverbreiterung, M( λ _S) × L × Δλ _S für große Entfernungen, wie beispielsweise 100 km, selbst dann groß werden, wenn die chromatische Dispersion M( λ _S) selbst klein ist. In der ge nannten Beziehung ist Δλ _S die Laserquellen-Spektralbreite, und L ist die Faserlänge.

Der Lichtimpulsentzerrer besteht aus einer Monomode-Faser, die eine Null-Dispersionswellenlänge λ _0e hat, so daß λ _S zwischen λ₀ und λ _0e liegt. Die Kurve 110 in Fig. 2 repräsen tiert die chromatische Dispersion der Entzerrerfaser. Man beachte, daß aufgrund der Annahme λ _S < λ₀ entsprechend Fig. 2 die Beziehung g _S < λ₀ sein muß.

Man beachte, daß die chromatische Dispersion der Übertragungs faser und der Entzerrerfaser bei der Quellenwellenlänge g _S entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Dies ist aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich. Somit besitzen innerhalb des Anfangs-Lichtimpulses die Spektralanteile längerer Wellen länge, beispielsweise mit einer Wellenlänge von λ _S + Δλ _S/2, eine geringere Gruppengeschwindigkeit als die Spektralanteile mit kürzerer Wellenlänge, beispielsweise mit der Wellenlänge λ _S - Δλ _S/2, weil λ _S bezüglich λ₀ auf der Seite größerer Wellen längen liegt. In der Entzerrerfaser liegen die entgegenge setzten Verhältnisse vor, und die ursprüngliche Impulsbreite wird zurückerhalten, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

M( λ _S )L Δλ _S + M _e ( g _S)L_e Δλ _S = 0

wobei M _e ( λ _S) die chromatische Dispersion der Entzerrerfaser bei der Quellenwellenlänge und L _e die Länge der Entzerrerfaser ist.

Fig. 3 zeigt ein Impulsentzerrersystem. Block 1 repräsentiert eine optische oder Lichtquelle, und die Kurve 4 zeigt den von der Quelle erzeugten Impuls. Bei der Faser 2 handelt es sich um die Übertragungsfaser, die Kurve 5 zeigt den nach der Über tragung durch die Faser verbreiterten Lichtimpuls. Faser 3 ist die Entzerrerfaser, und Kurve 6 stellt den optischen Impuls dar, dessen ursprüngliche Gestalt nach der Übertragung wiederherge stellt wurde.

Durch Auflösen der Gleichung (5) nach L _e erhält man

L _e/L = - M( g _S)/M _e(λ _S).

Man beachte, daß das Verhältnis gemäß Gleichung 2 positiv ist, da M( λ _S) und M _e(λ _S) entegengesetzte Vorzeichen haben. Bei dem oben erläuterten Faserübertragungssystem kann, ob wohl die chromatische Dispersion M( λ _S) aufgrund der geringen Fehlanpassung zwischen λ _S und λ₀ gering ist, die große Länge L der Übertragungsfaser 2 eine signifikante akkumulierte Impuls verbreiterung verursachen. Die Entzerrerfaser kann so ausge wählt werden, daß sie einen großen Wert für M _e(λ _S) entgegenge setzten Vorzeichens hat, so daß L _e ganz klein sein kann. Ein kleiner Wert der Länge L _e der Entzerrerfaser würde zum Wieder herstellen der Impulsbreite des optischen Signals führen, ohne daß viel Einfügungsdämpfung entstünde.

Man beachte außderdem, daß aufgrund der Beziehung λ _S < λ₀ die Entzerrerfaser die Bedingung λ _0e < λ _S erfüllen muß.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Beispiel für ein Fern übertragungssystem mittels optischer Faser beschrieben. Es sei angenommen, es würde eine Laserquelle mit λ _S = 1550 nm (diese Wellenlänge liegt auf der rechten Seite in der Nähe des Dämpfungsminimums für Monomode-Fasern) und einer Spektralbreite Δλ _S = 5 nm (vergl. beispielsweise den Artikel ′′1,5 µm Optical Transmission Experiments Using Very Low-Loss Single-Mode Fibers", Electronics Letters, Vol. 15, No. 8, April 12, 1979, Seiten 219-221, von S. Machida u. a.) und eine Monomode- Übertragungsfaser mit einer Minimum-Dispersionswellenlänge λ₀ = 1560 nm vorliegen. Die geringste Dämfung bei λ _S für eine solche Faser kann unterhalb von 0,3 dB/km liegen, ent sprechend einer GeO₂-Dotierung von etwa 9 Molprozent und Δ _n = 1 Prozent (vergl. den oben erwähnten Artikel von Cohen). Eine derartige Dämpfung macht eine Übertragungslänge von mehr als 100 km vernünftig. Jedoch wäre M( g _S), die Gesamtdispersion für eine solche Monomode-Übertragungsfaser, etwa 0,8 ps/nm-km. Folglich beträgt für eine 100 km lange Faser die Impulsverbreiterung M( g _S)Δλ _SL etwa 400 ps, was die Übertragungsbandbreite auf etwa 600 MHz beschränkt. Um die Bandbreite zu erhöhen, kann man als Entzerrer eine Monomode- Faser mit λ _0e ∼ 1350 nm wählen. Bei einer typischen derartigen Faser wäre M _e(λ _S) ∼ 16 ps/nm-km und M _e(λ _S) ≃ - 20 M( λ _S). Unter Verwendung von Gleichung (6) und durch Auflösen nach L _e ergibt sich, daß eine Länge L _e = 5 km eine Entzerrung schafft. Da es bekannt ist, wie man eine Faser mit λ _0e ∼ 1350 nm und eine Dämpfung von etwa 0,2 dB/km bei λ _S herstellt, wird durch die Verwendung der Entzerrerfaser und des Spleißes eine ver lustarme Übertragung geschaffen.

Dem Fachmann ist klar, daß diese Methode in der Praxis da durch realisierbar ist, daß man die Länge der Entzerrerfaser für eine minimale Gesamtimpulsverbreiterung in dem gesamten Übertragungssystem justiert. Dieses Vermindern oder Elimi nieren der dispersionsbegrenzten Impulsverbreiterung in der ersten Ordnung erhöht die Übertragungsbandbreite selbst bei Ent fernungen in der Größenordnung von 100 km bis auf mehrere Zehn GHz.

Außerdem sollte aus der obigen Erläuterung der Erfindung klargeworden sein, daß die Dispersions-Minimierung und die Entzerrungen erreicht werden können, indem mehr als zwei Fasern in der Faserkette verwendet werden, solange die Gesamt verbreiterung durch Minimieren von

gemäß Gleichung (4) minimiert wird, indem beispielsweise die Länge L _e einer der n Fasern in einem optischen Übertragungssystem gleich

gemacht wird, wobei M _e die chromatische Dispersion der Faser der Länge L _e ist.

Es sei ferner noch erwähnt, daß der hier an verschiedenen Stellen gebrauchte Ausdruck "Licht" der Einfachheit halber für sämtliche Wellen verwendet wurde, deren Frequenzen im optischen Spektrum liegen.

Claims

Lichtimpulsentzerrer-Einrichtung für eine Strahlungsquellen- Wellenlänge ( λ _S) mit einer Monomode-Faser (2), die eine erste Nulldispersions-Wellenlänge ( λ₀), eine Faserlänge L und eine erste chromatische Dispersion M( λ ) für die Strah lungsquellen-Wellenlänge aufweist, gekennzeichnet durch eine zweite Monomode-Faser (3), die eine zweite Nulldis persions-Wellenlänge ( λ _0e ) aufweist, die derart ausgewählt ist, daß die Quellen-Wellenlänge ( λ _S) zwischen der ersten und der zweiten Nulldispersions-Wellenlänge ( λ₀, g _0e) liegt, und die für die Strahlungsquellen-Wellenlänge ( λ _S) eine zweite chromatische Dispersion M _e(λ ) hat, die ein bezüglich der ersten chromatischen Dispersion umgekehrtes Vorzeichen hat, und die eine zweite Faserlänge L _e hat, wobei die Länge L _e der zweiten Monomode-Faser (3) folgende Gleichung erfüllt: L _e = -M · L/M _e.