Hintergrund der Erfindung
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Für ein lokales Netzwerk (LAN) mit optischen Fasern ist eine
Hauptgütezahl die Gesamtzahl von Stationen, die ohne aktiven
Wiederholverstärker an das Netzwerk angeschlossen werden können. In den
meisten Fällen ist diese Zahl durch die Notwendigkeit begrenzt, daß eine
ausreichende optische Leistung von jedem Sender an jeden Empfänger am Bus
abgegeben werden kann. Bei dem betrachteten Typ eines lokalen Netzwerkes
sind ein Sender 12 und ein Empfänger 13 entsprechend der Darstellung in
Fig. 1 der Zeichnungen über eine optische Faseranzapfung 10 an einen
optischen Faserbus 11 angeschlossen. Um die Leistung jedes Senders an alle
Empfänger im lokalen Netz anzukoppeln, ist es wünschenswert, daß jeder
Sender in den Bus mit dem Wirkungsgrad Eins einkoppeln und daß jeder
Empfänger an den Bus mit einem Koppelwirkungsgrad der Größenordnung 1/N
ankoppelt, wobei N die Anzahl der Stationen am Bus ist. Leider ist dies
wegen des Grundsatzes der Reziprozität unmöglich, da dieser Grundsatz
fordert, daß die beiden Kopplungskoeffizienten in passiven Kopplern gleich
sind. Dies führt zu einer unwirksamen Ankopplung, einer Vergeudung
optischer Leistung und schwerwiegenden Einschränkungen hinsichtlich der
Zahl von Stationen, die an den Bus angekoppelt werden können.
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Kürzlich wurde vorgeschlagen, daß dieses Problem bei optischen
Multimode-Faserbussen überwunden werden kann, und zwar durch Verwendung
einer modenselektiven Kopplung zwischen einer Einzelmodenfaser und der
Multimode-Busfaser. Dazu wird verwiesen auf einen Aufsatz "Increased
powerinjection in multimode optical fiber busses through mode-selective
coupling", IEEE Journal Lightwave Technology, LT-3 537 (1985) von T.H.
Wood. Durch feste Ankopplung der Einzelmodenfaser an eine oder wenige Moden
der Busfaser kann das Licht vom örtlichen Sender mit gutem Wirkungsgrad in
die Busfaser eingekoppelt werden. Wenn jedoch das Licht auf dem Bus eine
einheitliche Leistungsverteilung zwischen den Moden besitzt, so wird die
Leistung nur schwach ausgekoppelt. Berechnungen zeigen, daß dieser
Lösungsversuch zu einer Erhöhung der eingeführten Leistung von etwa 7 dB
und nahezu einer Verdoppelung der Anzahl möglicher Stationen am Bus führen
kann. Eine solche Kopplung wurde experimentell in einem abstrahlenden
Richtungskoppler zwischen einer Multimodefaser mit einem Kern von 50 um
und
einer AT&T 5D-Standard-Einzelmodenfaser demonstriert. Dazu wird hingewiesen
auf den Aufsatz "Effectively nonreciprocal evanescent-wave optical-fiber
directional coupler", Electronic Letters, 21, 175 (1985) von M. S. Whalen
und T. H. Wood. Ein Eingangs-Kopplungswirkungsgrad von -0,2 dB und ein
Ausgangs-Kopplungswirkungsgrad von -18 dB wurden gezeigt.
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Der oben beschriebene Lösungsversuch hat jedoch den
schwerwiegenden Nachteil, daß er sich nur auf Multimode-Faserbusse anwenden
läßt. Zukünftige lokale Netze verwenden gegebenenfalls Einzelmodenfasern,
bei denen wesentlich höhere Bandbreiten möglich sind.
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In der EP-A-0 143 561 wird eine Anzapfung in einem optischen
Faserverstärker zur Verwendung in einem umlaufenden System beschrieben. Das
Pumplicht besitzt eine unterschiedliche Welle gegenüber dem
Signalführenden Licht und der bei der Anzapfung verwendete Koppler koppelt Licht
bei der Pumpwellenlänge mit hohem Wirkungsgrad und Licht bei der
Signalführenden Wellenlänge mit niedrigem Wirkungsgrad. Das Signal-führende Licht
wird demgemäß mit niedrigem Wirkungsgrad ein- und aus gekoppelt und das
Pumplicht mit hohem Wirkungsgrad.
Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine optische Faseranzapfung
für ein lokales Netzwerk oder einen Faserbus unter Verwendung einer
optischen Einzelmodenfaser entsprechend den Merkmalen gemäß Fig. 1
bereitgestellt. Dazu wird ein Wellenlängen-selektiver Koppler mit einem
Wellenlängen-selektiven optischen Frequenzschieber kombiniert, die zusammen
eine wirkungsvolle nichtreziproke Einführung und Abnahme von Leistung in
jedem Knoten des lokalen Netzwerks ermöglichen. Der Wellenlängen-selektive
Koppler ist so ausgelegt, daß er Leistung vom Sender bei einer ersten
Wellenlänge mit maximalem Wirkungsgrad in den optischen Faserbus einkoppelt
und Leistung bei einer zweiten Wellenlänge aus dem Bus in einen Empfänger
mit wesentlich niedrigerem Wirkungsgrad auskoppelt. Die Leistung am Ausgang
des Wellenlängen-selektiven Kopplers vom Sender wird bezüglich der Frequenz
durch den Wellenlängen-selektiven Frequenzschieber zur zweiten Wellenlänge
verschoben, während die Frequenz der zweiten Wellenlänge unverändert
bleibt.
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Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel wird ein
Wellenlängenselektiver Koppler mit einer Neodym-dotierten Quarzglasfaser kombiniert,
die als nichtlineares Material bei der Umwandlung von Licht von einer
ersten Wellenlänge in Licht einer zweiten Wellenlänge wirkt, während Licht
mit der zweiten Wellenlänge unverändert bleibt. Licht am Ausgang der
Neodym-dotierten Faser hat nur die zweite Wellenlänge und kann in den
nächsten Wellenlängen-selektiven Koppler im lokalen Netzwerk eingekoppelt
werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der
nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
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Fig. 1 das Blockschaltbild eines Knotens in einem lokalen
Netzwerk, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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Fig. 2 das Blockschaltbild einer optischen Faseranzapfung, die
entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist;
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Fig. 3 ein genaueres Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung, das eine Neodym-dotierte Quarzglasfaser als
Wellenlängenselektiven Frequenzschieber benutzt;
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Fig. 4 bis 6 Kurven und Energiediagramme zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Erfindung.
Ins einzelne gehende Beschreibung
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Eine optische Faseranzapfung, die in einem optischen Einzelmoden-
Fasersystem verwendet werden kann, ist als Blockschaltbild in Fig. 2
gezeigt. Der Wellenlängen-selektiven Koppler 21 gemäß Fig. 2 empfängt ein
Lichtsignal mit einer Wellenlänge λ&sub2; auf einem optischen Faserbus 11 an
einem seiner Eingangsports und ein Lichtsignal mit der Wellenlänge λ&sub1; vom
Sender über eine optische Faser 14 an einem zweiten Eingangsport. Der
Wellenlängen-selektive Koppler 21 ist so ausgelegt, daß er eine starke
Kopplung nt bei einer Wellenlänge λ&sub1; und eine schwache, aber von Null
verschiedene Kopplung nr bei einer Wellenlänge λ&sub2; besitzt. Demgemäß wird
Licht der Wellenlänge λ&sub1; vom Sender stark zum Ausgangsport des
Wellenlängen-selektiven Kopplers 21 gekoppelt, der mit der optischen Faser
23 verbunden ist, und Licht der Wellenlänge λ&sub2; auf dem optischen Faserbus
11 wird nur schwach an einen zweiten Ausgangsport des
Wellenlängenselektiven Kopplers 21 angekoppelt, der über die optische Faser 15 mit dem
Empfänger verbunden ist. Die optische Faser 23, die sowohl Licht der
Wellenlänge λ&sub1; als auch das restliche Licht der Wellenlänge λ&sub2; führt, ist
mit dem Wellenlängen-selektiven Frequenzschieber 22 verbunden. Dieser
Frequenzschieber 22 hat die Eigenschaft, daß er Licht der Wellenlänge λ&sub1;
wirksam in Licht der Wellenlänge λ&sub2; umwandelt, Licht der Wellenlänge λ&sub2;
aber unverändert läßt.
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Die optische Faseranzapfung gemäß Fig. 2 ermöglicht eine wirksame,
nicht reziproke Kopplung von Licht in den und aus dem optischen Faserbus.
Licht der Wellenlänge λ&sub1; vom Sender wird über den Wellenlängen-selektiven
Koppler 21 mit einem Wirkungsgrad nt, der dicht bei Eins liegt, auf den Bus
gekoppelt. Dieses Licht der Wellenlänge λ&sub1; wird dann durch den
Wellenlängen-selektiv Frequenzschieber 22 in Licht der Wellenlänge λ&sub2;
umgewandelt. Wie oben angegeben, durchläuft Licht der Wellenlänge λ&sub2; den
Frequenzschieber 22 scheinbar unverändert und kann daher am nächsten Knoten
an einen lokalen Empfänger ausgekoppelt werden. Als Ergebnis kann Licht vom
Sender auf der optischen Faser 14 wirksam auf den optischen Faserbus 23
gegeben und in die Wellenlänge λ&sub2; umgewandelt werden, so daß nur ein
kleiner Bruchteil des Lichtes an jedem Knoten in einem lokalen Netzwerk
entfernt wird.
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Gemäß Fig. 2 braucht die optische Faseranzapfung 10 nur mit zwei
Komponenten aufgebaut zu werden: einem Wellenlängen-selektiven
Richtungskoppler und einem Wellenlängen-selektiven Frequenzschieber.
Verschiedene Typen von Bauteilen lassen sich zur Verwirklichung dieser
beiden Hauptfunktionen in der optischen Faseranzapfung 10 verwenden. Ein
spezielles Ausführungsbeispiel der optischen Faseranzapfung ist in Fig. 3
gezeigt.
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Gemäß Fig. 3 ist der Wellenlängen-selektive Koppler 21 durch einen
polierten Richtungskoppler verwirklicht worden, der aus zwei
unterschiedlichen Einzelmodenfasern hergestellt ist. Ein solcher Koppler
findet sich in einem Aufsatz "In-line optical-fiber filter for wavelength
multiplexing", Electronic Letters, 21, 724 (1985) von M. S. Whalen und K. L.
Walker. Eine Analyse dieses Kopplertyps wird in einem Aufsatz
"Directionalcoupler filter using dissimilar optical fibres", Electronic Letters, 21,
726 (1985) von D. Marcuse gegeben. Diese Analyse erlaubt dem Konstrukteur,
die Wellenlänge, bei der maximale Kopplung erwünscht ist, zu positionieren,
und die ab fallenden Bereiche der Kurve für den Kopplungswirkungsgrad so zu
formen, daß der gewünschte niedrige Wirkungsgrad für eine Kreuzkopplung bei
der Wellenlänge λ&sub2; erreicht werden kann. Eine typische Kurvenform für den
Kopplungswirkungsgrad abhängig von der Wellenlänge für diesen Typ eines
Richtungskopplers ist in Fig. 4 gezeigt. Gemäß Fig. 4 wird Licht der
Wellenlänge λ&sub1; mit einem Wirkungsgrad nt, der dicht bei Eins liegt,
kreuzgekoppelt, während Licht der Wellenlänge λ&sub2; mit einem niedrigeren
Wirkungsgrad kreuzgekoppelt wird, der dicht bei Null liegt, aber nicht
gleich Null ist. Bei dem System gemäß Fig. 3 ist der Koppler so ausgelegt
worden, daß er eine maximale Kreuzkopplung bei einer Wellenlänge von 0,8 um
besitzt und einen niedrigeren Koppelwirkungsgrad bei einer Wellenlänge λ&sub2;
gleich 1,06 um
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Zur Erzielung der Wellenlängen-selektiven Frequenzverschiebung
beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist eine Neodym-dotierte optische
Einzelmoden-Quarzglasfaser 32 vorgesehen. Diese Neodym-dotierten Gläser
besitzen ein starkes Absorptionsband bei einer Wellenlänge gleich 0,8 pm
und können so hergestellt werden, daß sie Licht bei einer Wellenlänge
gleich 1,066 um emittieren. Wie in der nachfolgenden Analyse gezeigt wird,
kann eine ausreichende Lichtmenge bei 0,8 um zu einem hohen
Umwandlungswirkungsgrad der Photonen bei λ&sub1; in Photonen bei λ&sub2; führen.
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Das Energiepegeldiagramm für Neodym-dotiertes Quarzglas ist in
Fig. 5 gezeigt. Dort stellen die Pegel a und b das Absorptionsband für die
Wellenlänge λ&sub1; gleich 0,8 um dar, in welchem Licht der Wellenlänge λ&sub1;
bewirkt, daß die Neodym-dotierten Ionen ihren Zustand vom Energiepegel a
auf den Energiepegel b ändern. Diese Ionen unterliegen dann einem
nichtstrahlenden schnellen Abfall vom Pegel b auf den Pegel c und
emittieren dann Licht, wenn sie vom Pegel c auf den Pegel d übergehen.
Schließlich unterliegen die Ionen einem schnellen, nichtstrahlenden Abfall
vom Pegel d auf den Pegel a. Diese nichtstrahlenden Abfallvorgänge treten
zeitlich wesentlich schneller als die beiden anderen, hier betrachteten
Prozesse auf.
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Wenn I&sub1;(x) den Photonenfluß bei einer Position x in der Faser für
die Wellenlänge λ&sub1; darstellt und I&sub2;(x) den Photonenfluß bei einer Position
x in der Faser für die Wellenlänge λ&sub2;, so lassen sich Ausdrücke für den
Photonenfluß und die Population der angeregten Ionen N(x) für den Pegel c
angeben. Es sei angenommen, daß der Pumpübergang nicht gesättigt ist und
daher die Population No beim Pegel a nicht wesentlich durch den
Umwandlungsvorgang geändert wird. Dann können die Gleichungen wie folgt
dargestellt werden:
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I&sub1; (x) = I&sub1;&sub0; exp(-Noa&sub1;x) (1)
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wobei α&sub1; und α&sub2; die Kleinsignal-Absorptionskoeffizienten für den Pump- bzw.
Laserübergang sind, t&sub2; die spontane Emissionszeit für den Pegel c, N der
Quantenwirkungsgrad für den Pumpübergang, I&sub1;&sub0; der in die Faser bei x = 0
injizierte Photonenfluß bei der Wellenlänge λ&sub1; und f der fraktionelle
Festwinkel, den der Faserkern zeigt. Eine Dämpfung durch die Faser ist in
diesen Gleichungen nicht enthalten.
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Um den Umwandlungswirkungsgrad dieses Prozesses zu bestimmen,
werden die Gleichungen 1-3 zur Gewinnung einer Beziehung zwischen dem
umgewandelten Fluß I&sub2;(x) und dem Eingangsfluß I&sub1;&sub0; gelöst.
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wobei I&sub2;&sub0; der Eingangsfluß bei der Laserwellenlänge ist. Ein kleiner Betrag
des bei λ&sub2; (I&sub2;&sub0;) injizierten Flusses kann den Betrag an Pumpleistung
wesentlich verringern, der für einen gegebenen Umwandlungswirkungsgrad
erforderlich ist. Man beachte, daß in Gleichung (4) alle Flüsse I&sub1;&sub0;, I&sub1;,
I&sub2;&sub0; mit t&sub2;α&sub2; multipliziert sind, wodurch angezeigt wird, daß
Ic = eine natürliche Einheit zur Messung des Photonenflusses bei diesem
Problem ist. Physikalisch stellt Ic den minimalen Eingangsfluß dar, der bei
der Pumpwellenlänge erforderlich ist, damit die stimulierte Emission den
Umwandlungsprozeß in der Faser beherrscht. Gleichung (4) kann dann in Form
dimensionsloser Leistungen umgeschrieben werden, wodurch sich die folgende
Gleichung ergibt:
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wobei P&sub1;&sub0; = I&sub1;&sub0;/Ic, P&sub2;&sub0; = I&sub2;&sub0;/Ic, P&sub2; = I&sub2;/Ic und die Grenze (x ) gewählt
ist, um die Umwandlungsfrequenz abzuschätzen.
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Ein sinnvoller Wert von f für eine Einzelmodenfaser ist 1,9 ·
10³ (= fo). Dies entspricht der Faser, die einem Winkel von 10º (volle
Breite) unterliegt. In Fig. 6 ist Gleichung 5 dargestellt. Die normierte
umgewandelte Leistung P&sub2; ist als Funktion der normierten Eingangsleistung
ηp&sub1;&sub0; für verschiedene Werte von P&sub2;&sub0; und f gezeigt. Der Schnitt der geraden
Linie 61 mit diesen Kurven zeigt diejenige Eingangsleistung ηp&sub1;&sub0;, bei der
ein 3-dB-Umwandlungswirkungsgrad auftritt. Ohne injizierte Leistung bei λ&sub2;
(P&sub2;&sub0; = 0), beträgt ηp&sub1;&sub0; bei 3 dB etwa 16,5 für f = fo und ηp&sub1;&sub0; bei 3 dB etwa
14,5 für f = 2fo. Dadurch ergibt sich, daß die Berechnung nicht empfindlich
für den genauen Wert von f ist. Wenn jedoch eine kleine Lichtmenge bei
injiziert wird, derart, daß P&sub2;&sub0; = 0,1 wird, so ist ηp&sub1;&sub0; bei 3 dB kleiner als
8 (für fo = fo), wodurch sich eine Abnahme von nahezu 3 dB für die
erforderliche Eingangspumpleistung ergibt. Dies zeigt, daß die Einführung
eines "Idler"-Strahl bei λ&sub2; eine bequeme Möglichkeit ist, um die
erforderliche Eingangspumpleistung zu erniedrigen.
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Zur Umwandlung der normierten Leistungen gemäß Fig. 6 in Milliwatt
benötigt man t&sub2;α&sub2;, das sich anhand der folgenden Gleichung ausdrücken läßt:
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wobei Δv die Linienbreite der Verstärkung in s&supmin;¹ und n der Brechungsindex
des Mediums sind. Für eine mit Nd&spplus;³-dotierte Quarzglasfaser ist Δv = 200 cm&supmin;¹.
Das ergibt Ic = = 3,39·10²² Ψ. Für eine Faser mit einem Durchmesser von
9 um stellt dies bei einer Pumpwellenlänge von 0,8 um eine Leistung von
Pc = 5,36 mW dar. Ein geeigneter Wert für den Absorptions-Quantenwirkungsgrad
(η) beträgt etwa 0,4. Die im letzten Absatz erläuterten Werte von P&sub1;&sub0; bei 3
dB lassen sich jetzt in Milliwatt umrechnen. Wenn kein Idler-Strahl bei λ&sub2;
vorhanden ist, ist P&sub1;&sub0; bei 3 dB gleich 225 mW. Dieser Wert läßt sich auf
100 mW durch Einführen eines Idler-Strahls mit einer Leistung von etwa
0,5 mW verringern.
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Es ist zwar ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben worden,
es können aber zahlreiche andere Bauteile zur Verwirklichung der
Richtungskoppler- und Frequenzschiebefunktionen benutzt werden, die bei der
optischen Faseranzapfung erforderlich sind. Beispielsweise können andere
Arten von Wellenlängen-selektiven Kopplern benutzt werden und die
Frequenzschiebefunktion kann durch eine Modenumwandlung in einem
doppelbrechenden Kristall verwirklicht werden, beispielsweise
Lithiumniobat. Dazu wird beispielsweise auf einen Aufsatz
"Integratedoptical frequency translator with strips waveguide", Applied Physics
Letters, 45 (5), 1. September 1984, von F. Heismann und R. Ulrich
verwiesen. Die Modenumwandlungsbauteile des im vorgenannten Aufsatz
beschriebenen Typs erfordern periodische Elektroden und sind demgemäß von
Natur aus Wellenlängen-selektiv. Demgemäß können sie so aufgebaut werden,
daß sie die Frequenz im Band ihrer Wirksamkeit verschieben, Frequenzen
außerhalb des Bandes aber unverändert lassen.