DE3135875C2

DE3135875C2 - Optisches Übertragungssystem

Info

Publication number: DE3135875C2
Application number: DE3135875A
Authority: DE
Inventors: Giok Djan Eindhoven Khoe
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-09-12
Filing date: 1981-09-10
Publication date: 1985-12-12
Also published as: GB2083646B; NL8005134A; SE8105355L; FR2490433A1; CA1181488A; FR2490433B1; DE3135875A1; US4440470A; JPS5779908A; GB2083646A

Abstract

Optisches Übertragungssystem mit einer Laserdiode, die über eine Kopplungsstrecke mit einer Multimode-Übertragungsfaser verbunden ist. Die Kopplungsstrecke enthält eine Monomode-Faser oder eine Reihenschaltung aus einer Monomode-Faser und einer Anzahl von Multimode-Faserstücken, deren Durchmesser in Richtung des Strahlungsverlaufs zunimmt. Dadurch wird das Moderauschen und das Reflexionsrauschen in dem optischen System weitgehend verringert.

Description

der Mitte der Faser 10. Die Monomode-Faser 10 ist an der Ausgangsoberfläche 20 mit der Eingangsoberfläche 21 einer Multimode-Übertragungsfaser 13 gekoppelt, die als optische Achse ebenfalls die Achse 11 besitzt In der Halterung 14 ist ein kapillar enger Hohlraum vorgesehen, in dem die Faser 10 mit einem Kopplungsstoff 16 befestigt ist In der Halterung 15 ist ein weiterer kapillar enger Hohlraum vorgesehen, in dem mit einem Kopplungsstoff 17 die Übertragungsfaser 13 befestigt ist Die beiden Halterungen 14 und 15 sind auf einem gemeinsamen Träger 19 angeordnet Der Träger 19 kann beispielsweise mit einer V-förmigen Rille versehen sein, in der die beiden zylinderförmigen Halterungen 14 und 15 befestigt werden, wie dies beispielsweise in der DE-OS 27 23 972 beschrieben worden ist Die Halterungen 14 und 15 werden vorzugsweise an der Stelle der Fläche 18 mit einem transparenten Deckel abgeschlossea Gegebenenfalls können diese Deckel mit einer Antireflexionsschicht versehen werden.

Das an der Endfläche 5 von dem Laser 1 ausgestrahlte Licht wird über die Linse 8 in die Monomode-Faser 10 gestrahlt Durch die Linse 8 wird das aus dem Laser 1 divergierende Licht zu einem Bündel nahezu paralleler Lichtstrahlen umgewandelt wodurch der Kopplungswirkungsgrad zwischen dem Laser 1 und der Monomo- de-Faser 10 vergrößert wird. Die Länge der Monomode-Faser 10 wird mindestens gleich der Kohärenzlänge des Lasers 1 gewählt Dabei wird unter Kohärenzlänge das Produkt aus der Kohärenzzeit und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Strahlung in der Faser 10 verstanden, wobei die Kohärenzzeit diejenige Zeit ist bis zu der eine Lichtwelle verzögert werden darf, so daß diese gerade noch mit der nicht verzögerten Lichtwelle interferiert. Zwischen zwei Lichtwellen wird also keine Interferenz auftreten, wenn die Differenz zwischen den Verzögerungszeiten der beiden Lichtwellen größer ist als die Kohärenzzeit Unterschiedliche Verzögerungszeiten verschiedener Moden entstehen durch entsprechende Wegunterschiede, verursacht durch unterschiedlich häufige Reflexionen.

An Hand der F i g. 2 wird dieser Begriff näher erläutert. In dieser Figur ist 1 eine Laserdiode. Die Multimode-Faser 10 ist auf nicht einwandfreie Weise mit der Multimode-Faser51 an der Stelle der Linie II gekoppelt, während die Multimode-Faser 6 auf nicht einwandfreie Weise mit der Multimode-Faser 13 an der Stelle der Linie III gekoppelt ist Es wird vorausgesetzt, daß an der Stelle der Linie I durch den Laser 1 zwei Fortpflanzungsmoden M1 und M 2 ausgestrahlt werden. Die beiden Moden sind völlig kohärent, weil es zwischen den beiden Moden noch keine Differenz in der Verzögerungszeit gibt. Das Licht pflanzt sich nun in der Faser 10 bis an die Ebene II fort. Dabei erfährt die Mode MX eine Verzögerung entsprechend Fi und die Mode M2 eine Verzögerung entsprechend Γ2. Die Differenz in der Verzögerungszeit der Moden MX und M2 ist kleiner als die Kohärenzzeit t(c) des Lasers 1. Wegen der nicht idealen Kopplung zwischen den Fasern i0 und 51 wird nun zwischen den beiden Moden Interferenz auftreten, was zur Entstehung des bereits genannten Modenrauschens führt Das Licht pflanzt sich nun in der Faser 13 bis an die Ebene IN fort. Dabei erfährt die Mode MX eine Verzögerung entsprechend Γιο und die Mode M2 eine Verzögerung entsprechend Γ20· Die Differenz in der Verzögerungszeit zwischen den Moden M X und M 2 ist nun größer als die Kohärenzzeit t(c) des Lasers 1. Zwischen den beiden Moden M X und M 2 kann nun keine Interferenz auftreten, da die Lichtwellen in den Moden M1 und Af 2 nicht mehr kohärent sind. Es wird daher in der Ebene III kein Modenrauschen auftreten.

Dies bedeutet, daß überhaupt kein Modenrauschen auftreten wird, wenn es keine falschen Kopplungen gibt aber auch dann, wenn iwAjr > tfcjoie Kopplung an der Stelle der Ebene III nicht einwandfrei wäre. Unter Kohärenzlänge wird diejenige Weglänge zwischen dem Laser und einer Ebene verstanden, für die Δτ = t(c) gilt Weil einerseits in der Monomode-Faser 10 niemals Modenrauschen auftreten kann und andererseits die Länge'der Faser 10 größer ist als die Kohärenzlänge des Lasers 1, wird in der Übertragungsfaser 13 kein Modenrauschen auftreten können. Der Kerndurchmesser der Monomode-Faser 10 ist viel kleiner als der der Multimode-Übertragungsfaser 13. Dies bietet den Vorteil, daß die Einstellung der Kopplung zwischen den Fasern 10 und 13 in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 11 viel weniger kritisch ist als dies der Fall ist beim Koppeln von Fasern mit gleichen Kerndurchmessern, wie beispielsweise in F i g. 2 auf schematische Weise dargestellt ist Ferner bietet dies den Vorteil, daß die Gefahr, daß durch die Endfläche 18 Licht zu dem Laser 1 reflektiert wird, vernachlässigbar klein ist Der Kopplungswirkungsgrad der Multimode-Übertragungsfaser 13 zu der Monomode-Faser 10 ist sehr niedrig. Dies bietet den Vorteil, daß etwaiges aus der Übtrtragungsfaser 13 reflektiertes Licht sehr stark durch die Monomode-Faser 10 gedämpft wird, so daß dieses reflektierte Licht den Laser 1 kaum noch beeinflussen kann.

In F i g. 3 ist angegeben, wie die Kopplung I aus dem System nach F i g. 1 auf eine andere Art und Weise ausgebildet werden kann. Die Kopplungsstrecke wird durch eine Reihenschaltung aus einer Monomode-Faser 10 und einer Multimode-Faser 5i gebildet Der Kerndurchmesser 30 der Monomode-Faser 10 ist kleiner als der Kerndurchmesser 53 der Multimode-Faser 51. Der Kerndurchmesser 40 der Übertragungsfaser 13 ist größer als der Kerndurchmesser 53 der Multimode-Faser 51. Die numerische Apertur auf der optischen Achse de-Faser 10 ist kleiner als die numerische Apertur auf der optischen Achse der Faser 51, und die numerische Apertur auf der optischen Achse der Faser 51 ist kleiner als die numerische Apertur auf der optischen Achse der Übertragungsfaser 13. Eine Begriffsbestimmung der numerischen Apertur ist beispielsweise in »Proceedings IEEE«, Heft 66, Juli 1978, Seite 746, gegeben. In dem Beispiel nach Fig.3 ist nur die Reihenschaltung aus einer Monomode-Faser und nur einer Multimode-Faser angegeben. In der Praxis werden jedoch hinter der Monomode-Faser mehrere Stücke von Multimode-Fasern verwendet. Die Längen der jeweiligen Faserstücke sind z. B. bestimmt durch die gegenseitigen Abstände zwischen Unterbrechungspunkten in einem optischen Übertragungssystem, beispielsweise durch die Abstände zwischen dem Laser und der Außenwand eines ihn umgebenden Gerätes, zwischen dem Gerät und dem Knotenpunkt eines Gebäudes, zwischen dem Knotenpunkt des Gebäudes und dem ersten Mannloch auf der Straße bzw. einem Verteilergebäude usw. Dabei muß dafür gesorgt werden, daß wenigstens über eine Weglänge, die etwa gleich der Kohärenzlänge des verwendeten Laserlichtes ist, die FaserstOcke angeordnet werden, wie dies im Anspruch 2 beschrieben ist.

Die verwendeten Multimode-Fasern können vom »graded-index«-Typ oder vom »step-index«-Typ sein. Die Kombination von »graded-index«-Fasern und »step-index«-Fasern ist auch möglich. Die genannten Faserarten sind beispielsweise in »Proceedings IEEE«.

Heft 66, Juli 1978, Seite 746, beschrieben. Weil nun bei jeder Kopplung die empfangende Faser einen größeren Kern und tine größere numerische Apertur hat als die vorhergehende Faser, ii«t die Gefahr gering, daß nur ein Teil des Lichtflecks der Licht aussendenden Faser in eine nicht ideal und mit Mittensatz dazu gekoppelte Faser (Markierung) abstrahlt, wodurch Modenrauschen entstehen würde, da die Helligkeit dieses Teils des Lichtflecks bei Interfereinz zeitlich variiert, obgleich sich die Gesamthelligkeit des Lichtflecks nicht ändert. Die asymmetrischen Kopplungen bieten außerdem den Vorteil, daß der Kopplungswirkungsgrad entgegen der Strahlrichtung niedrig ist, insbesondere der Rückwärts-Kopplungswirkungsgrad zwischen der Monomode-Faser und der ersten »graded-index«-Faser. Die Kopplungsstrecke arbeitet also wie eine Richtungsleitung oder ein Filter, welches unerwünschte reflektierte Lichtsignale von der Laserdiode fernhält

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

35 40 45 50 55 60 65

Claims

1 2 Licht kann durch das aktive Medium des Lasers in verPatentansprüche: stärktem Maße wieder in die Faser gekoppelt werden und daher das ursprünglich erwünschte optische Signal

1. Optisches Übertragungssystem, mit einer Halb- stark stören, wie beispielsweise in »Electronics Leiters« leiterlaserdiode, die über eine Kopplungsstrecke mit 5 vom 13. März 1980, Heft 16, Nr. 6, Seiten 202—204, bceiner Multimode-Obertragungsfaser verbunden ist, schrieben worden ist

dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp- Die prioritätsältere, als DE-OS 31 31 024 nachvcröf-

lungsstrecke eine Monomode-Faser 2iufweist fentlichte Anmeldung vermittelt zur Verminderung des

2. Optisches Übertragungssystem nach An- Modenrauschens die Lehre, daß eine der Stirnflächen Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopp- io der Halbleiterlaserdiode mit einem Ende eines Ablungsstrecke durch eine Reihenschaltung aus einer Schnitts eines optischen Monomodewellenleilcrs op-Monomode-Faser und einem oder mehreren Multi- tisch gekoppelt ist dessen anderes Ende mindestens leilmode-Faserstücken gebildet wird, wobei die numeri- weise reflektierend abgeschlossen ist Die am Ende versehe Apertur auf der optischen Achse und der Kern- spiegelte Monomode-Faser bildet eine äußerliche optidurchmesser der Multimode-Fasern mit zunehmen- 15 sehe Rückkopplungsstrecke für den Laser.

den Abstand von der Halbleiterlaserdiode zuneh- Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein optisches men, und wobei die numerische Apertur auf der op- Übertragungssystem zu schaffen, bei dem das Modenüschen Achse und der Kerndurchmesser der letzten rauschen und das Reflexionsrauschen verringert wird.
Multimode-Faser in der Kopplungsstrecke kleiner Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Koppsind als die numerische Apertur auf der optischen 20 lungsstrecke eine Monomode-Faser aufweist
Achse und der Kerndurchmesser der Übertragungs- In einer bevorzugten Ausführungsform wird die faser. Kopplungsstrecke durch die Reihenschaltung aus einer

3. Optisches Übertragungssystem nach Anpruch I Monomode-Faser und einem oder mehreren Multimo- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der de-Faserstücken gebildet, wobei die numerische Aper-Kopplungsstrecke größer ist als die Kohärenzlänge 25 tür auf der optischen Achse und der Kerndurchmesser _ der Strahlung der Halbleiterlaserdiode, der Multimode-Fasern mit zunehmendem Abstand von I

4. Optisches Übertragungssystem nach An- der Halbleiterlaserdiode zunehmen, und wobei die nuspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mensche Apertur auf der optischen Achse und der Multimode-Fasern vom »graded-index«-Typ sind. Kerndurchmesser der letzten Faser in der Kopplungs-

5. Optisches Übertragungssystem nach An- 30 strecke kleiner sind als die numerische Apertur auf der spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achse und der Kerndurchmesser der Über-Multimode-Fasern »step-index«-Fasern sind. tragungsfaser. Die Länge der Kopplungsstrecke wird

6. Optisches Übertragungssystem nach An- vorzugsweise größer gewählt als die Kohärenzlänge spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß min- der Halbleiterlaserdiodenstrahlung.

destens die erste Multimode-Faser eine »graded-in- 35 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

dex«-Faser mit mindestens einer nachfolgenden Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher be-

»step-index«- Faser ist schrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch ein opti-

sches Übertragungssystem nach der Erfindung,

40 F i g. 2 eine schematische Zeichnung zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Systems,

Die Erfindung geht aus von einem optischen Übertra- und

gungssystem mit einer Halbleiterlaserdiode, die über ei- F i g. 3 eine andere Kopplungsstrecke des erfindungs-

ne Kopplungsstrecke mit einer Multimode-Übertra- gemäßen Systems.

gungsfaser verbunden ist 45 Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist eine Halblci-Eine derartige Anordnung ist durch die DE-OS terdiode 1 vom Mehrschichttyp auf einem Kühlblock 2 23 972 bekannt. Wenn man in einem solchen opti- angeordnet, der sich in einer Halterung 3 befindet Die sehen Übertragungssystem Laserdioden hoher Qualität aktive Schicht 4 bildet mit den beiden spiegelnden Endmit Multimode-Fasern kombiniert, tritt das Problem des flächen 5 und 6 den Laserresonator. Die Endflächen sind Modenrauschens auf, was insbesondere in Übertra- 50 teilweise durchlässige Spiegel, die einen Teil des auftrcfgungssystemen, in denen eine analoge Modulation er- fenden Lichtes hindurchlassen. Das Licht, das durch die folgt, sehr störend ist Eine große Kohärenzlänge der Endfläche 5 durchgelassen wird, wird über die Kopp-Laserdiodenstrahlung verursacht in der Übertragungs- lungsstrecke I in den Kern 40 der Übertragungsfaser 13 faser bis in große Abstände von der Laserdiode zeitvari- gekoppelt, die den Anfang eines Fernübertragungssyierende Intensitätsverteilungen über den Faserquer- 55 stems bildet Die Kopplungsstrecke I umfaßt eine Linse schnitt, die nach einer nicht idealen Kopplung zu einer 8 und eine Monomode-Faser 10, die eine gemeinsame Intensitätsmodulation des optischen Signals führen kön- optische Achse 11 haben. Dies ist dadurch verwirklicht nen. Diese Intensitätsverteilungen können wegen ihrer worden, daß in der Halterung 7 ein kapillar enger Hohl-Form als Punktmuster bezeichnet werden, wie beispiels- raum vorgesehen ist in den auf der einen Seite die Faser weise in »Proceedings of the Fourth European Confe- 60 10 und auf der anderen Seite die Linse 8 eingeschoben rence on Optical Communication«, September 12—15, wird. Infolge der konvexen Form der Linse 8 wird ein 1978, Genf, Seiten 492—501, angegeben ist. weiteres Ausrichten der Linse 8 gegenüber der Faser 10 Weiterhin tritt in einem optischen Übertragungssy- überflüssig. Zwischen der Linse 8 und der Faser 10 ist stem das Problem des Reflexionsrauschens auf. Dieses ein transparenter Koppelstoff 9 angeordnet, mit dem ,,-,,, Rauschen entsteht infolge einer nicht idealen Kopplung, 65 eine Brechung des Lichtes beim Austritt der Linse 8 und f| bei der ein Teil des in der Intensität variierenden Lichtes Reflexionen an der Eingangsoberfläche 12 der Faser S| reflektiert und zu der Laserdiode zurückgestrahlt wird. vermieden werden. Vorzugsweise hat die Brechzahl des fe Das in den Laser gelangende variierende, reflektierte Kopplungsstoffes 9 denselben Wert wie die Brechzahl