DE60002177T2

DE60002177T2 - Nichtlinearitätskompensierung in optischen vorrichtungen und ubertragungseinrichtungen

Info

Publication number: DE60002177T2
Application number: DE60002177T
Authority: DE
Inventors: Neil David PAYNE; Shaif-ul Southampton ALAM; Lynn Geoffrey BURDGE; Anatoly Borisovich Southampton GRUDININ
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: University of Southampton
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: GB9903882D0; AU2565500A; CA2362154A1; EP1153332B1; AU772656B2; EP1153332A1; US20020141041A1; DE60002177D1; ATE237828T1; WO2000049458A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kompensation von optischen Nichtlinearitäten in optischen Einrichtungen und Übertragungssystemen. Besonders, aber nicht ausschließlich auf die Kompensation für optische Nichtlinearitäten, die während einer optischen Verstärkung auftreten.
Das nicht in Frage zu stellende Bedürfnis für Übertragungssysteme mit ultrahoher Bitrate diktiert die Entwicklung von optischen Verstärkern einer neuen Generation, die in der Lage sind optische Pikosekundenimpulse über den gesamten Bereich des dritten optischen Fensters zu handhaben. Bisher war die Hauptaktivität in diesem Feld auf die Entwicklung von effizienten Verstärkern mit niedrigen Rauschzahlen, flachen Verstärkungskurven und ultrabreiten Bandbreiten (siehe zum Beispiel [1,2]) konzentriert.
Jedoch wurde ein Thema nicht angemessen angesprochen, nämlich die nichtlineare Verzerrung einer Kerr-Nichtlinearität, die während einer Impulsverstärkung in einem optischen Verstärker auftreten kann.
Der Haupteinfluß der Kerr-Nichtlinearität auf die Übertragungsträger ist der Effekt der Selbstphasenmodulation (self-phase modulation, SPM), die in einer spektralen Anreicherung der propagierenden Impulse resultiert, d. h. in einer Degradierung des Impulses vom Signalübertragungsstandpunkt aus gesehen.
Wie bekannt ist, besteht der Brechungsindex eines jeden Materials aus linearen und nichtlinearen Anteilen. Auf einem fundamentalen Niveau, ist der Ursprung der nichtlinearen Antwort mit der anharmonischen Bewegung von gebundenen Elektronen unter dem Einfluß des angelegten Feldes verbunden. Daher wird die induzierte Polarisation P eine nichtlineare Funktion des angelegten Feldes E und kann geschrieben werden als: P = ϵ0(x(1). E + x(2): EE + x(3)⫶ EEE), (1) . wobei ϵ₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und x⁽¹⁾ die Suszeptibilität i-ter Ordnung ist. Die lineare Suszeptibilität x⁽¹⁾ repräsentiert den Hauptbeitrag zu P. Ihre Effekte sind in dem Brechungsindex und Dämpfungskoeffizienten enthalten. Die Suszeptibilität zweiter Ordnung trägt der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SH) und der Summenfrequenz, die normalerweise in optischen Fasern nicht existieren, Rechnung.
Die Nichtlinearität niedrigster Ordnung in optischen Fasern stammt von der Nichtlinearität dritter Ordnung und führt zu Selbstphasenmodulation (SPM), der Erzeugung der dritten Harmonischen, zu Vier-Wellen-Mischen und zu Raman- und Brillouin-Streuung.
Das Vorliegen von x⁽³⁾ bedeutet, daß das Medium (d. h. Glas) einen Brechungsindex hat, der proportional zu der optischen Intensität |E|² ist und dieser ansonsten kleine Effekt wird merklich bei starker Beleuchtung. Bei intensiver Beleuchtung kann der Brechungsindex geschrieben werden als: n(ω, |E|2) = n(ω) + n2|E|2 (2) .
wobei n(ω) der lineare Anteil ist und n₂ der nichtlineare Koeffizient ist, der mit x⁽³⁾ durch den folgenden Ausdruck verbunden ist:
Hier repräsentiert Re den Realteil und das optische Feld wird als linear polarisiert angenommen. In der Praxis jedoch ist die Polarisation sehr häufig durcheinander gemischt, was den effektiven nichtlinearen Brechungsindex reduziert. In Quarz wird n₂ von dem elektronischen Beitrag dominiert, so daß in guter Näherung der folgende Ausdruck gilt (siehe [3]):
Der intensitätsabhängige Brechungsindex führt zu einer intensitätsabhängigen Phase der propagierenden Welle, d. h. Φ(t, |E|2) = knz = k(n0 + n2|E|2)z = Φhn + Φnl (5) , wobei k = 2π/λ die Wellenzahl ist. In praktischen Berechnungen ist es bequemer eine Lichtintensität zu verwenden als elektrische Felder, so daß Gleichung (5) in der Form Φnl = kn2lz (6) geschrieben werden kann, und wir können eine nichtlineare Länge z_nl definieren als Φnl = kn2lznl = 1 (7) oder znl = (kn2l)–1 (8) , wobei l die Lichtintensität in W/cm² ist und n₂= 2,6·10^–16cm²/W ist. Solch ein kleiner Wert für den nichtlinearen Brechungsindex verursacht vernachlässigbare Veränderungen in dem Wert des Brechungsindexes selbst (sogar Impulse mit 100 kW Spitzenleistung führen zu einer Änderung des Brechungsindexes von ~ 4·10^–5, was ungefähr zwei Größenordnungen kleiner als der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel ist).
Der Haupteffekt, der von dem nichtlinearen Brechungsindex verursacht wird, ist die Erzeugung von neuen spektralen Komponenten aufgrund von Selbstphasenmodulation (SPM), d. h. eine spektrale Anreicherung der propagierenden Impulse. Dies kommt daher, daß die nichtlineare Phase, die durch Gleichung (6) gegeben ist, eine zeitabhängige Variation der instantanen Frequenz ω erleidet, die geschrieben werden kann als
Daher: Je kürzer die Impulse und je höher ihre Intensität ist, desto größer ist die spektrale Anreicherung aufgrund von SPM. Die interessanteste und wichtigste Konsequenz von SPM ist nicht die spektrale Verbreiterung selbst, sondern die nichtlineare Wechselwirkung der spektralen Komponenten in einem Impuls aufgrund von Gruppengeschwindigkeitsdispersion.
1A der begleitenden Zeichnungen zeigt ein Intensitätsprofil eines optischen Impulses, der eine optische Faser entlang propagiert, als eine Funktion der Zeit in willkürlichen Einheiten. SPM neigt dazu, zu einer Frequenzverbreiterung des Impulses zu führen, wie in 1B der begleitenden Zeichnungen dargestellt.
1B stellt dar, wie die niedrigeren Frequenzkomponenten des Impulses an der Vorderflanke des Impulses gesammelt werden, während höhere Frequenzkomponenten des Impulses hauptsächlich an der hinteren Flanke gesammelt werden.
Spektrale Verbreiterung führt nicht nur zu einer zeitlichen Verbreiterung aufgrund chromatischer Dispersion, sondern verursacht auch zusätzliches Rauschen. SPM ist proportional zu der Impulsintensität und der aktiven Länge des Verstärkungselements (gain oder amplification), z. B. der Länge eines Erbium dotieren Faserverstärkers (EDFA).
Ein offensichtlicher Weg, SPM zu bewältigen, ist entweder die Impulsintensität oder die aktive Länge oder beide zu reduzieren. Zum Beispiel haben Richardson et al. die Verwendung von Fasern mit großen Modenbereichen vorgeschlagen [4] und Fermann [5] zeigte die Vorteile von selektiver Anregung von Mehrmodenfasern.
Jedoch lösen diese Ansätze nicht das Problem der Nichtlinearität, sondern vermeiden lediglich Betriebszustände unter welchen die Nichtlinearitäten in dem Verstärkerelement auftreten. Das fundamentale inhärente Problem der Nichtlinearitäten wird daher von diesen Ansätzen aus dem Stand der Technik nicht angesprochen. Keiner der vorgeschlagenen Ansätze ist attraktiv, da in beiden Fällen die Verstärkungs- und Einspeiseintensität begrenzt werden muß, wohingegen hohe Verstärkungs- und/oder hohe Einspeiseintensitäten generell wünschenswert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Wir schlagen einen radikalen Ansatz für das Problem vor. Nämlich, anstatt die SPM zu minimieren, kompensieren wir die SPM durch Ausnutzen einer kaskadierten Nichtlinearität zweiter Ordnung.
Das Kaskadieren von zwei Wechselwirkungen zweiter Ordnung bei der phasenfehlangepaßten Erzeugung der zweiten Harmonischen (second harmonic generation, SHG) resultiert in einer Anhäufung einer nichtlinearen Phasenverschiebung der Grundwelle.
Dieses Phänomen wurde in den späten 60ern vorhergesagt. Unter Verwendung von effizienten Hochleistungsquellen wurde dieser Effekt in den frühen 90iger Jahren weiter untersucht, als große nichtlineare Phasenverschiebungen in quadratischen Medien experimentell demonstriert wurden [6].
Paré et al [7,8] haben vorgeschlagen, kaskadierte Nichtlinearitäten zu verwenden, um die Verzerrung in Übertragungsleitungen, die durch den Kerr-Effekt und die Selbstphasenmodulation verursacht wird, durch Verstärkung eines verzerrten Signals und nachfolgendes Durchleiten durch ein kompensierendes Element, zu kompensieren.
Entsprechend eines Aspektes der Erfindung, wird ein Verfahren zur Kompensation einer optischen Nichtlinearität bereitgestellt, das aufweist:

(a) Bereitstellen eines optischen Signals;
(b) Vorkompensation des optischen Signals für eine nachfolgende nichtlineare Verzerrung in einem aktiven Medium mit einem kompensierenden Medium, das einen negativen effektiven nichtlinearen Brechungsindex hat; und
(c) Liefern des optischen Signals an das aktive Medium mit einem intensitätsabhängigen positiven nichtlinearen Brechungsindex.

Entsprechend eines anderen Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zum Verstärken eines optischen Signal bereitgestellt, das aufweist:

(a) Bereitstellen eines optischen Signalimpulses, der eine Eingangsintensität hat;
(b) Verstärken des optischen Signalimpulses in einem Verstärkungsmedium, das einen intensitätsabhängigen positiven nichtlinearen Brechungsindex hat und das eine nichtlineare Antwort bei der Eingangsintensität hat, wodurch der optische Signalimpuls verstärkt wird; und
(c) Kompensation des optischen Signalimpulses für die Verzerrung in dem Verstärkungsmedium mit einem Kompensationsmedium, das einen negativen effektiven nichtlinearen Brechungsindex hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation vor der Verstärkung auftritt.

Die nichtlineare Vorkompensation kann einen Teil eines Übertragers oder Repeaters bilden. Für optische Faserdispersionskompensation kann ein Vorkompensator ausreichend kurz gehalten werden, so daß die Rolle der Dispersion effektiv vernachlässigbar ist.
Entsprechend eines anderen Aspektes der Erfindung wird eine optische Vorrichtung bereitgestellt, die ein aktives Medium aufweist mit einem intensitätsabhängigen positiven nichtlinearen Brechungsindex und einem Kompensationsmedium mit einem negativen effektiven nichtlinearen Brechungsindex, der auch intensitätsabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium hinter dem kompensierenden Medium angeordnet ist, das als Vorkompensator dient.
Entsprechend eines weiteren Aspektes der Erfindung wird eine optische Vorrichtung bereitgestellt, die ein aktives Medium aufweist mit einem intensitätsabhängigen positiven nichtlinearen Brechungsindex und einem kompensierenden Medium mit einem negativen effektiven nichtlinearen Brechungsindex, der auch intensitätsabhängig ist, die darüber hinaus eine Steuerung zum Steuern des Kompensationsmediums aufweist, so daß ein Betriebszustand erfüllt wird, bei dem der negative effektive nichtlineare Brechungsindex des Kompensationsmediums teilweise oder vollständig den positiven nichtlinearen Brechungsindex des aktiven Mediums aufhebt, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium hinter dem kompensierenden Medium angeordnet ist, das als ein Vorkompensator dient.
Die effektive nichtlineare Brechungsindexkomponente der Vorrichtung ist abhängig von dem Betriebszustand und die entsprechenden Brechungsindexkomponenten der Medien können maßgeschneidert werden, durch teilweises oder vollständiges gegenseitiges Aufheben bei einem bestimmten Betriebszustand der optischen Vorrichtung. Im allgemeinen definiert der Betriebszustand die Phasenfehlanpassung zwischen fundamentaler und zweiter harmonischer Welle in dem kompensierenden Medium, was wiederum den Grad der Kompensation durch den Wert der intensitätsabhängigen Brechungsindexkomponente des kompensierenden Mediums festlegt.
Das aktive Medium kann ein Verstärkungsmedium sein. In einigen Ausführungsformen der Endung ist die optische Vorrichtung ein optischer Verstärker.
Das Kompensationsmedium kann periodisch gepolt sein.
Die Kompensations- und aktiven Medien können optische Fasern oder Festkörpermedien sein.
Entsprechend eines weiteren Aspektes der Erfindung wird eine optische Verstärkereinheit bereitgestellt zum Verstärken eines optischen Signals, die aufweist:
ein Verstärkungsmedium für eine nichtlineare Verstärkung des optischen Signales, mit einem intensitätsabhängigen positiven nichtlinearen Brechungsindex; und
einem Kompensationsmedium mit einem negativen effektiven nichtlinearen Brechungsindex, der ebenfalls intensitätsabhängig ist und eine Größenordnung hat, die ausreichend ist, um eine Signalverzerrung in dem Verstärkungsmedium während der nichtlinear optischen Verstärkung zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium hinter dem kompensierenden Medium, das als Vorkompensator dient, angeordnet ist.
Die optischen Impulse mit hoher Intensität können einen Anstieg eines Brechungsindexes eines optischen Verstärkers verursachen.
Die Impulsintensität kann zwischen 1 W/cm² und 10¹² W/cm² liegen. Die Nichtlinearität des optischen Verstärkers kann eine Kerr-Nichtlinearität sein.
Der optische Verstärker kann ein Faserverstärker, zum Beispiel basierend auf einer Quarzfaser, sein. Alternativ kann der optische Verstärker ein planarer Verstärker, zum Beispiel basierend auf LiNbO₃ oder ein planarer Quarzverstärker, sein.
Wenn ein Faserverstärker verwendet wird, kann die Faser auf verschiedene Arten dotiert sein, zum Beispiel dotiert mit Er, Nd, Pr, Yb, Tm, Ho; co-dotiert mit Er/Yb; und/oder dotiert mit Germanium, Phosphor, Bor, Aluminium oder Fluorid.
Die Faser eines jeden solchen Faserverstärkers kann eine periodisch gepolte Faser mit einer effektiven Nichtlinearität zweiter Ordnung größer als 0,01 pm/V sein. Die periodisch gepolte Faser kann mit Er, Nd, Pr, Yb, Tm, Ho dotiert sein.
In dem Fall eines planaren Verstärkers, kann dieser ein planarer LiNbO₃-Verstärker sein, der periodisch gepolt ist.
Die Verstärkung des Verstärkers kann weniger als 1 betragen. Die Länge des Verstärkers kann zwischen 1 mm und 1 km oder zwischen 1 km und 100 km betragen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen wie diese verwirklicht werden kann, wird nun in Form eines Beispiels auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1A zeigt eine Impulsintensität als eine Funktion der Zeit in willkürlichen Einheiten für einen optischen Impuls;
1B zeigt für den Impuls aus 1A, die instantane Impulsfrequenz als eine Funktion der Zeit in willkürlichen Einheiten;
2 zeigt die Veränderung der Leistung der zweiten Harmonischen (second harmonic Power, SHP), die in einem Kristall als eine Funktion der Temperatur des Kristalls erzeugt wird;
3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, die einen optischen Verstärker mit einem Nichtlinearitätsvorkompensator aufweist;
4A ist ein Spektrum eines Impulses, der an dem Eingang eines EDFAs empfangen wurde;
4B ist ein Spektrum eines Impulses, der von dem Ausgang des EDFAs ohne nichtlineare Kompensation übertragen wurde (Leistung des des Standes der Technik);
4C ist ein Spektrum eines Impulses, der von dem Ausgang des EDFAs übertragen wurde mit nichtlinearer Kompensation (Leistung der ersten Ausführungsform);
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die einen Abschwächer aufweist, der zwischen dem nichtlinearen Vorkompensator und dem optischen Verstärker angeordnet ist.
Detaillierte Beschreibung
Prinzip der Erfindung
Wie oben genannt, basiert die Erfindung auf der Ausnutzung einer kaskadierten Nichtlinearität zweiter Ordnung. Der Kaskadierungseftekt tritt auf, wenn die Phasenanpassungsbedingung nicht erfüllt ist, d. h. Δk = k_2ω – 2kω ≠ 0. Unter diesen Umständen propagiert das Feld der zweiten Harmonischen (SH) mit einer Phasengeschwindigkeit (c₀/n_2ω), die verschieden ist von der Phasengeschwindigkeit der nichtlinearen Polarisation, die es antreibt und von der des fundamentalen Strahls (c₀/n_ω). Dies resultiert in einem periodischen Austausch von Leistung zwischen den zwei propagierenden Feldern, wobei eine halbe Periode als „Kohärenzlänge" (l_c) definiert ist.
Einer „Aufwärtskonvertierung" (ω → 2ω) über eine Kohärenzlänge folgt eine „Abwärtskonvertierung" (2ω → ω), was den Namen „kaskadiert" rechtfertigt, der diesem Phänomen gegeben wurde. Nach einer Kohärenzlänge ist die summierte Phasendifferenz zwischen den Feldern so, daß der Energiefluß sein Vorzeichen wechselt und das Feld beginnt mit doppelter Frequenz, Energie in die Grundschwingung zu übertragen. Nun hat aber das abwärtskonvertierte Feld eine von dem nicht konvertierten Feld abweichende Phase und dies führt zu einer Phasenverschiebung der Grundwelle (sowie des erzeugten Feldes).
Für eine niedrige SHG-Konversionseftizienz ist die resultierende Wechselwirkung gleich dem klassischen Kerr-Effekt, aber mit einem effektiven nichtlinearen Brechungsindex n₂ ^eff, der von dem quadratischen nichtlinearen Koeffizienten abhängt und von ΔkL, wobei Δk die Wellenvektorfehlanpassung ist und der ausgedrückt werden kann in der Form
wobei d_eff der quadratische nichtlineare Koeffizient ist.
Die praktische Bedeutung von Gleichung (11) ist, daß Δk, die Wellenvektorfehlanpassung, kontrollierbar vorgegeben werden kann oder variiert werden kann, um jeden gewünschten effektiven nichtlinearen Brechungsindex n₂ ^eff zu liefern, positiv oder negativ innerhalb eines bestimmten Abstimmungsbereiches. Das Vorzeichen des Brechungsindex wird gewechselt durch Wechseln des Vorzeichens der Phasenfehlanpassung. Das wesentliche der vorliegenden Erfindung ist die Ausnutzung der kaskadierten Nichtlinearität auf eine solche Weise, daß ein effektiver nichtlinearer Brechungsindex, der durch Gleichung (11) gegeben ist, ein negatives Vorzeichen hat und eine Größenordnung, die so eingerichtet ist, daß sie gleich dem realen Brechungsindex ist, der mit der Selbstphasenmodulation verbunden ist, die von der Kerr-Nichtlinearität verursacht wird, oder einem jeden anderen nichtlinearen Effekt, der proportional zu der Lichtintensität skaliert. Es wird daher ein Kompensator bereitgestellt, der ein optisches Übertragungsmedium mit einem signifikanten quadratischen nichtlinearen Koeffizienten deff umfaßt, in dem die Größe der kaskadierten Nichtlinearität so eingerichtet ist, daß sie die SPM von der Kerr-Nichtlinearität aufhebt.
In dieser Hinsicht wird bemerkt, daß die anderen Parameter von Gleichung (11) im wesentlichen Konstanten jedes gegebenen Systems sind. (Für Systeme mit Wellenlängen-Multiplex-Verfahren (wavelength division multiplex, WDM) liegt das Vielfache der Betriebswellenlängen innerhalb eines relativ schmalen Bandes Δλ, das einen Bereich von n₂ ^eff Werten ergibt. Dieser Bereich ist jedoch relativ klein, da Δλ/λ typischerweise groß ist.) Erste Ausführungsform Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
2 zeigt experimentelle Daten, die die Leistung der zweiten Harmonischen als eine Funktion der Temperatur für einen 4 mm langen periodisch gepolten Lithium-Niobat (LiNbO₃) Volumen-Kristall (PPLN) mit einer Höhe von 18,3 μm. Die Abstimmkurve des Kristalls, die in 2 gezeigt ist, deutet darauf hin, daß bei Temperaturen höher als 165°C ein negativer effektiver nichtlinearer Brechungsindex n₂ ^eff vorliegt, wobei unter dieser Temperatur positive Werte auftreten.
3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, die gebaut wurde, um die Funktionsprinzipien experimentell zu zeigen. Die dargestellte Einrichtung weist eine Lichtquelle 6 in Form eines passiv modengekoppelten Faserlasers auf, der mit einem nichtlinearen Vorkompensator 10 in der Form des oben erwähnten 4 mm langen PPLN-Kristalls mit einer Höhe von 18,3 μm verbunden ist. Der Vorkompensator 10 hat eine Eingangsleitung 8, die mit der Lichtquelle 6 verbunden ist und eine Ausgangsleitung 12, die mit einem Eingang eines optischen Verstärkers 20 in der Form eines 2 m langen Erbium dotierten Faserverstärkers (EDFA) verbunden ist, dessen Ausgang an eine Ausgangsleitung 22 für eine weitere Übertragung, zum Beispiel in einer Datenfernübertragungsfaser, geliefert wird.
Die Vorrichtung aus 3 wurde getestet durch Bereitstellen eines Zuges von Pikosekundenimpulsen durch den passiv modengekoppelten Faserlaser 6. Die bandbreitenbegrenzten 1,2 ps Impulse wurden in dem EDFA 20 verstärkt.
4A zeigt die Form des Eingangsimpulses wie er an dem Eingang 8 gemessen wird. Die Eingangsimpulse haben ein sauberes 2,3 nm breites Spektrum.
4B zeigt die Form des Ausgangsimpulses bei Leitung 22 mit einem Aufbau aus dem Stand der Technik, bei dem der Nichtlinearitätsvorkompensator 10 entfernt war (Aufbau ist nicht dargestellt). Mit anderen Worten werden die Eingangsimpulse direkt an den optischen Verstärker 20 geliefert. Wie erwartet führt eine direkte Verstärkung der Pikosekundenimpulse in dem optischen Verstärker 20 zu einer signifikanten spektralen Verbreiterung der verstärkten impulse aufgrund von Selbstphasenmodulation mit einer maximalen Phasenverschiebung von 2,5 n. Die Spitzenleistung der Impulse bei dem Ausgang des Verstärkers war ungefähr 1 kW und der Verstärkungsfaktor betrug 15 dB.
4C zeigt die Form des Ausgangsimpulses bei Leitung 22 mit dem Aufbau aus 3, nämlich wo vor der Verstärkung die Impulse durch den PPLN 10 laufen, der bei einer Temperatur betrieben wird, die ungefähr 10°C höher ist als die, die der Phasenanpassungsbedingung entspricht. Dieser Arbeitspunkt (OP) ist in 2 mit einem Pfeil bezeichnet. 4C zeigt, daß das Spektrum des Ausgangsimpulses annähernd identisch zu dem des Eingangsimpulses, das in 4A dargestellt ist, ist, was deutlich einen effektiven von Nichtlinearitäten freien Betrieb bedeutet.
Daher hat unser Experiment deutlich gezeigt, was wir für den ersten von Kerr-Nichtlinearitäten freien EDFA halten.
Der Bereich von potentiellen Verwendungen eines solches Verstärkers ist breit und umfaßt Telekommunikationssysteme und Leistungsverstärker zum Erzeugen von Impulsen mit hoher Intensität für nichtlineare Anwendungen.
Es versteht sich, daß die Verwendung dieser Technik nicht auf PPLN limitiert ist. Jedes andere Material mit einem d_eff von größer als ungefähr 0,001 pm/V würde eine Kompensation mit einer für typische Anwendungen praktikablen Größe bringen.
Insbesondere sind periodisch gepolte optische Fasern höchst attraktiv aufgrund der Möglichkeit sowohl Verstärkungs- als auch Kompensationsvorgänge in einer einzelnen Fasereinrichtung zu kombinieren.
Es versteht sich, daß beide Vorgänge, Kompensation und Verstärkung, innerhalb der gleichen Verstärkereinrichtung ausgeführt werden können. In der Tat können das Verstärkungs- und Kompensationsmedium das gleiche Medium sein, zum Beispiel eine periodisch gepolte optische Faser mit einer Seltenerdendotierung zur Verstärkung.
Weitere Ausführungsformen
5 stellt eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch das Hinzufügen eines Abschwächers 15, der zwischen dem Vorkompensator 10 und dem optischen Verstärker 20 angeordnet ist. Das Einfügen eines Abschwächers mit einem Abschwächungsfaktor M erlaubt eine kürzere Länge von kompensierendem Material zu verwenden, da die Intensität des Lichtes, das durch den Vorkompensator passiert M mal größer ist als das, das den optischen Verstärker durchläuft.
Dies ist nützlich, da im allgemeinen das Verhältnis zwischen dem effektivem nichtlinearen Brechungsindex n₂ ^eff und der relevanten Komponente des realen Brechungsindex des optischen Verstärkermaterials (typischerweise Quarz) ungefähr 1000 ist. D. h. für jeden 1 Meter an Länge der optischen Verstärkungsfaser wird ungefähr 1 Millimeter an Pfadlänge in dem Kompensatormaterial benötigt, um die Kerr-Nichtlinearität auszugleichen. (Nimmt man nur einen Durchgang durch das Kompensatormaterial an, so gleicht die Pfadlänge der eigentlichen Länge des Kompensatormaterials.) Jedoch werden in der vergleichbaren Situation mit dem Abschwächer nur 1/M Millimeter an Kompensatorlänge benötigt, um die Kerr-Nichtlinearität zu heben.
Der Vorkompensator kann als eine passive oder aktive Komponente an jedem Punkt in einem Übertragungssystem verwendet werden, in dem Kerr-Nichtlinearität oder andere funktional ähnliche nichtlineare Effekte kompensiert werden müssen.
Bei dem oben gesagten wurde implizit angenommen, daß der Vorkompensator eine passive Einrichtung ist. Jedoch macht die Temperaturabhängigkeit des Kaskadeneffekts sie geeignet zur aktiven Steuerung, optional mit Rückkopplung. Als ein passiver Kompensator wird die Einrichtung temperaturstabilisiert. Dies stellt keine zusätzliche Belastung für viele Anwendungen dar, in denen eine strikte Temperaturstabilisierung bereits für einen stabilen Betrieb von anderen Einrichtungen wie zum Beispiel Halbleiterlasern benötigt wird. In einem aktiven Kompensator kann eine konventionelle Temperatursteuerung verwendet werden. Es versteht sich, daß der Effekt mit anderen Parametern als der Temperatur abstimmbar ist, zum Beispiel durch Anwenden von mechanischer Spannung auf das kompensierende Medium. Die Größe der Spannung kann durch eine konventionelle Vorrichtung gesteuert werden. Im Fall eines Festkörperkompensators kann dies mit einer externen Druckzelle erfolgen. In dem Fall eines optischen Faserkompensators kann dies mit einem ausdehnbaren Kern in einer optischen Faserspule erfolgen, wie er in der Fasersensortechnologie verwendet wird.
Ohne Rückkopplung kann die Temperatursteuerung verwendet werden, um den Kompensator zwischen verschiedenen Kompensationsniveaus hin und her zu schalten (einschließlich Nullkompensation, d. h. bei dem Maximum der Betriebskurve, die in 2 gezeigt ist).
Mit Rückkopplung kann eine Temperatursteuerung verwendet werden, um den Kompensator für eine optimale Aufhebung der nichtlinearen Effekte, die an anderer Stelle in dem Übertragungssystem auftreten, abzustimmen. Trainingsdaten, zum Beispiel die Bitfehlerrate in Trainingsdaten, können verwendet werden, um die notwendige Rückkopplung zu liefern, wobei automatisch den Nichtlinearitäten über die gesamte Übertragungsstrecke Rechnung getragen wird. Zum Beispiel können übliche PID Temperatursteuerungen verwendet werden.
Referenzen

1. S. Kawai, H. Masuda, K. -I. Suzuki, K. Aida OFC'98, San Jose, USA, Paper TuG3
2. S. T. Hwang, J. Nilsson, S. Y. Yoon, S. J. Kim, OFC'98, San Jose, USA, Paper WG3
3. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, 1995
4. D. Taverner, D. J. Richardson, L. Dong, J. Caplen, K. Williams and R. V. Penty, Opt. Lett., 22, 378, (1997)
5. M. E. Fermann, Opt. Lett., 23, 52, (1998)
6. P. Vidakovic et al., Optics Letters 22, 277 (1997)
7. C. Pare, A. Villeneuve, P. -A. Bélanger and N. J. Doran, Opt. Lett., 21, 459, (1996).
8. C. Pare, A. Villeneuve, S. LaRochelle, Opt. Comm., 160, 130, (1999)

Claims

Verfahren zum Kompensieren einer optischen Nicht-Linearität mit: (a) Bereitstellen eines optischen Signals; (b) Vorkompensieren des optischen Signals für die nachfolgende, nicht-lineare Verzerrung in einem aktiven Medium (20) mit einem Kompensationsmedium (10), welches einen negativen, effektiven, nicht-linearen Brechungsindex hat; und (c) Zuführen des optischen Signals zu dem aktiven Medium (20) mit einem intensitätsabhängigen, positiven, nicht-linearen Brechungsindex.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Dämpfen des optischen Signals nach dem Vorkompensieren desselben und vor dem Zuführen desselben zu dem aktiven Medium.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das aktive Medium ein Verstärkungsmedium ist.
Verfahren zum Verstärken eines optischen Signals mit: (a) Schalten eines optischen Signalimpulses mit einer Eingangsintensität; (b) Verstärken des optischen Signalimpulses in einem Verstärkungsmedium (20) mit einem intensitätsabhängigen, positiven, nicht-linearen Brechungsindex, wobei das Medium ein nicht-lineares Verhalten bei der Eingangsintensität hat, um dadurch den optischen Signalimpuls zu verstärken; und (c) Kompensieren des optischen Signalimpulses für ein Verzerren in dem Verstärkungsmedium mit einem Kompensationsmedium (10), das einen negativen, effektiven, nicht-linearen Brechungsindex hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensieren vor dem Verstärken erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der negative, effektive, nicht-lineare Brechungsindex durch eine Phasenfehlanpassung zwischen der ersten und zweiten harmonischen Welle in dem Kompensationsmedium gebildet wird.
Optische Vorrichtung mit einem aktiven Medium (20) mit einem intensitätsabhängigen, positiven, nicht-linearen Brechungsindex und einem Kompensationsmedium (10) mit einem negativen, effektiven, nicht-linearen Brechungsindex, der auch intensitätsabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium hinter dem Kompensationsmedium angeordnet ist, welches als Vorkompensator dient.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner mit einem Dämpfungsglied (15), welches zwischen dem Kompensationsmedium und dem aktiven Medium angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Kompensationsmediums, um einer Betriebsbedingung zu genügen, bei welcher der negative, effektive, nicht-lineare Brechungsindex des Kompensationsmediums teilweise oder ganz den positiven, nicht-linearen Brechungsindex des aktiven Mediums aufhebt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Betriebsbedingung durch Einstellen einer Belastungsbedingung des Kompensationsmediums gesteuert wird.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Betriebsbedingung durch Einstellen einer Betriebstemperatur des Kompensationsmediums gesteuert wird.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das aktive Medium ein Verstärkungsmedium ist.
Optische Verstärkereinheit zum Verstärken eines optischen Signals, mit: einem Verstärkungsmedium (20) für eine nicht-lineare Verstärkung des optischen Signals und mit einem intensitätsabhängigen, positiven, nicht-linearen Brechungsindex; und einem Kompensationsmedium (10) mit einem negativen, effektiven, nicht-linearen Brechungsindex, der auch intensitätsabhängig ist und eine Größe hat, die ausreicht, um die Signalverzerrung in dem Verstärkungsmedium während der nicht-linearen, optischen Verstärkung zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium hinter dem Kompensationsmedium angeordnet ist, welches als Vorkompensator dient.
Optische Vorrichtung oder optische Verstärkungseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der effektive, nicht-lineare Brechungsindex durch Phasenfehlanpassung zwischen ersten und zweiten harmonischen Wellen in dem Kompensationsmedium bestimmt wird.
Optische Vorrichtung oder optische Verstärkungseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei das Kompensationsmedium periodisch gepolt wird.
Optische Vorrichtung oder optische Verstärkungseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei das Kompensationsmedium eine Lichtleitfaser ist.
Optische Vorrichtung oder optische Verstärkungseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei das aktive Medium eine Lichtleitfaser ist.