DE60130357T2

DE60130357T2 - Optisches Übertragungssystem

Info

Publication number: DE60130357T2
Application number: DE60130357T
Authority: DE
Inventors: Kazunori Numata; Satoshi Osaka-shi Furusawa; Susumu Yawata-shi Morikura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: DE60119878T2; EP1335223B1; EP1211538A2; US7212745B2; EP1335223A1; DE60130357D1; US20020105704A1; DE60119878D1; EP1211538B1; EP1211538A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Übertragungssystem, und genauer auf ein System zur Übertragung eines optischen Signals von einem Sender zu einem Empfänger durch eine Multimodefaser.
Beschreibung des Stands der Technik
Die technologische Entwicklung hat in den letzten Jahren optische Fasern hervorgebracht, welche sowohl Breitbandanforderungen als auch Forderungen nach geringen Verlusten erfüllen. Als Resultat werden optische Fasern in den grundlegenden Systemen zur Verbindung von Austauschsystemen in einem Netzwerk (z. B. dem Internet) eingeführt. Optische Fasern werden als vielversprechend für zukünftige Anwendungen in Zugangssystemen zur Verbindung von Austauschen mit Haushalten und auch für Anwendungen in Heimnetzwerken angesehen.
Optische Fasern können generell entsprechend ihren Charakteristiken in zwei Typen klassifiziert werden: Einzelmodefasern (im Weiteren als "SMFs" bezeichnet) und Multimodefasern (im Weiteren als "MMFs" bezeichnet). In einer SMF sind sowohl der Kern, als auch der Mantel aus Silikat (SiO₂) hergestellt. Eine SMF hat einen Kerndurchmesser, der so klein ist, wie etwa 10 μm. Weiterhin hat eine SMF eine breite Übertragungsbandbreite, denn sie erlaubt nur, dass ein bestimmter Modus durch sie ausgebreitet wird. Deshalb haben SMFs hauptsächlich Entwicklungen für Fern- und Breitbandübertragungszwecke in den grundlegenden Systemen erfahren und haben dort eine weitgehende Vorherrschaft erlangt.
Andererseits hat eine MMF einen Kerndurchmesser von 50 μm bis 1 mm, welcher größer ist, als der Kerndurchmesser einer SMF. MMFs können gemäß den Materialien des Kerns und der Ummantelung in mehrere Typen eingeteilt werden. MMFs, deren Kern und Ummantelung beide aus Silikat hergestellt sind, werden GOFs (Optische Glasfasern) genannt. MMFs, deren Kern aus Silikat hergestellt ist und deren Ummantelung aus Polymer hergestellt ist, werden PCFs (Polymer-ummantelte Fasern) genannt. MMFs, deren Kern und Ummantelung beide aus Plastik sind, werden POFs (Optische Plastikfasern) genannt.
Eine MMF hat eine Mehrzahl von Ausbreitungsmodi (d. h., optische Pfade). 8 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Mehrzahl von Ausbreitungsmodi darstellt. In 8 hat eine MMF 73 einen Kern 71 und eine Ummantelung 72. Das gesamte Licht bewegt sich durch den Kern 71, wobei es mehrfach an der Grenze F_bd zwischen dem Kern 71 und der Ummantelung 72 (TIR Totale Interne Reflexion) reflektiert wird. Deshalb bewegen sich Modi, welche eher mit der Grenze F_bd parallel sind, zwischen einer Reflexion und der nächsten Reflexion über längere Strecken entlang der Faserachse fort. Solche Modi (mit strichpunktierten Linien gekennzeichnet) werden als Modi niedrigerer Ordnung (M_LO) bezeichnet. Andererseits werden Modi, welche sich über kürzere Entfernungen zwischen einer Reflexion und der nächsten Reflexion entlang der Faserachse fortbewegen (gekennzeichnet durch strichdoppeltpunktierte Linien) als Modi höherer Ordnung bezeichnet (M_HI). Ein Modus höherer Ordnung stellt einen relativ großen Winkel in Bezug auf die Faserachse dar. Deshalb wird, unter der Voraussetzung einer festen Länge der MMF 73, ein Modus höherer Ordnung M_HI eine größere Anzahl von Reflexionen an der Grenze F_bd erfahren, als ein Modus M_LO von niedrigerer Ordnung und damit einen optischen Pfad aufweisen, der sich von der niedrigerer Ordnung M_LO unterscheidet ("Optischer Pfadunterschied"). Wegen der optischen Pfadunterschiede benötigen verschiedene Modi verschiedene Zeitspannen, um sich von einer Eintrittsfläche zu einer Austrittsfläche der MMF 73 zu bewegen.
Ein optisches Signal wird durch eine optische Faser in Form einer Pulssequenz übertragen. Da jeder Modus im optischen Signal seine eigene Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, werden eine Pulssequenz, die in einem Modus niederer Ordnung M_LO (der eine relativ kurze Leitungszeit hat) enthalten ist und eine Pulssequenz, welche in einem Modus höherer Ordnung (der eine relativ lange Fortpflanzungszeit hat) enthalten ist, am empfangenden Ende zu verschiedenen Zeiten ankommen, obwohl sie sich auf die gleiche Information beziehen. Als Resultat kann das empfangende Ende der Information nicht in der Lage sein, das Signal korrekt zu empfangen. Dieses Phänomen, als Modusdispersion bekannt, ist ein Faktor, welcher die Übertragungsbandbreite einer MMF im Vergleich zu einer SMF beträchtlich einschränkt.
Eine Übertragungsbandbreite einer optischen Faser wird üblicherweise als ein Produkt einer Datenrate für dadurch übertragene optische Signale und einer Übertragungsentfernung (z. B. Mbps × km) dargestellt. Die Übertragungsentfernung muss verringert werden, wenn die Datenrate erhöht wird. Um die Übertragungsentfernung zu erhöhen, muss die Datenrate verringert werden. Der Einfluss der Modusdispersion wird auch bedeutsamer, wenn die Datenrate erhöht wird, oder wenn die Übertragungsentfernung erhöht wird. Daher haben herkömmliche optische Übertragungssysteme, die MMFs verwenden, ein Problem, da die Übertragungsentfernung eingeschränkt werden muss, um eine notwendige Datenrate zu erreichen.
Jedoch sind MMFs billiger als SMFs. Im einfachen Vergleich sollte daher ein optisches Übertragungssystem mit MMFs biliger herzustellen sein, als ein System, welches SMFs verwendet. Da zudem der Kerndurchmesser einer MMF größer ist, als der Kerndurchmesser einer SMF, ist es relativ einfach, die Achsen von zwei MMFs koaxial zueinander auszurichten. Dies trägt zur Reduzierung der erforderlichen Montagepräzision eines Verbinders zur Verbindung von MMFs bei. Damit können MMFs in hohem Masse zum Bau eines preisgünstigen optischen Übertragungssystems beitragen. Daher werden MMFs zur optischen Übertragung über eine Entfernung vorgezogen, welche kurz genug ist, so dass die Modusdispersionseffekte vernachlässigbar sind.
Um die oben genannten Eigenschaften von MMFs zu nutzen, wurde eine Anzahl von Techniken zur Verringerung des Einflusses der Modusdispersion in MMFs und zur Verbesserung der Bandweite eines optischen Übertragungssystems vorgeschlagen. Mit Bezug auf die 9 und 14 wird ein Verfahren beschrieben, welches in dem japanischen Patent mit der Veröffentlichungsnummer 10-227935 offenbart wurde. 9 ist ein Blockdiagramm, welches die gesamte Struktur eines konventionellen optischen Übertragungssystems S_cv darstellt. Wie in 9 gezeigt, enthält das optische Übertragungssystem S_cv eine Lichtquelle 82 mit einer Linse, einer MMF 83, einer Modustrennvorrichtung 84, und einem Empfänger 85. 10 ist ein Schemadiagramm, welches die optische Kopplung zwischen einer Linse 81 und der MMF 83 darstellt, die in 9 gezeigt werden. Wie in 10 gezeigt, sind die Linse 81 und die MMF 83 so angelegt, dass sie einen maximalen Kopplungswirkungsgrad erreichen. Insbesondere ist die MMF 83 in einer Weise angebracht, dass eine optische Achse A_lz (durch eine Strich-Punkt-Linie ge kennzeichnet) der Linse 81 und eine Faserachse A_fr (durch eine Doppel-Punkt-Strich-Linie gekennzeichnet) der MMF 83 sich auf einer einzelnen geraden Linie befinden und der Schnittpunkt mit der Eintrittsfläche F_in (das heißt eine der Endflächen der MMF 83) und der Faserachse A_fr mit einem Brennpunkt Z_fp der Linse 81 übereinstimmt.
In dem oben beschriebenen optischen Übertragungssystem S_cv wird ein optisches Signal von der Linse 81 auf die Eintrittsfläche F_in der MMF 83 fokussiert und gelangt deshalb in die MMF 83 mit nur geringen Kopplungsverlusten. Danach erleidet das optische Signal mit der Fortpflanzung durch den Kern der MMF 83 zunehmend mehr Einflüsse der Modusaufteilung. Als Ergebnis verlässt ein optisches Signal mit einer Mehrzahl von Modi, welche verschiedene Leitungsverzögerungen bedingen, die MMF 83 an einer Austrittsfläche F_out (d. h. das Ende gegenüber der Eingangsebene F_in). Das optische Signal, welches von der MMF 83 ausgegeben wird, tritt in den Modusseparator 84 ein, wo nur der erforderliche Modus/die erforderlichen Modi ausgewählt werden. Danach empfängt der Empfänger 85 das optische Signal, welches die Selektion an dem Modusseparator 84 durchlaufen hat. Damit kann der Empfänger 85 ein optisches Signal mit reduziertem Einfluss von Modusdispersion empfangen, wobei die Übertragungsbandbreite der MMF 83 verbessert wird.
Jedoch kann der Modusseparator 84, der im Grunde ein optisches System ist, welches eine Anzahl von Linsen und Spiegeln umfasst, teuer sein. Zudem kompliziert der Gebrauch eines solchen optischen Systems die Gesamtstruktur des optischen Übertragungssystems S_cv. Weiterhin erfordert die Ausrichtung der optischen Achsen zwischen den Komponenten des Modusseparators 84 eine große Präzision. Dies stellt ein Problem dar, denn es verursacht beträchtliche Kosten, ein konventionelles optisches Übertragungssystem S_cv herzustellen und in Stand zu halten.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass es schwierig ist, die Modusauswahleffizienz des Modusseparators 84 zu erhöhen. Wie hierin verwendet, ist die "Modusauswahleffizienz" das Verhältnis von der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung des Modusseparators 84, für einen bestimmten Modus. Wenn die Modusauswahleffizienz schlecht ist, dann wird die Eingangsleistung für den Empfänger 85 reduziert, so dass es erforderlich werden kann, die Leistung des optischen Signals, welche von der Lichtquelle 82 ausgeht, und/oder die Lichtempfindlichkeit des Empfängers 85 zu erhöhen, oder einen optischen Verstärker nach dem Modusseparator 84 zur Verfügung zu stellen, was zur Steigerung der Kosten zur Herstellung und Wartung des herkömmlichen optischen Übertragungssystems S_cv führt.
Die EP 1 001 292 A1 , DE-OS 25 17 019 A1 und US 4,732,488 beschreiben jeweils ein optisches Polymerfaserübertragungssystem, wobei ein Sender zum Erzeugen und Ausgeben eines optischen Signals an eine Multimodefaser mit einer Eintrittsfläche mit einem Kerndurchmesser zur Verfügung gestellt wird, wobei der Sender ein Lichtemissionselement zum Erzeugen eines optischen Signals und zumindest eine Linse zum Bündeln des vom Lichtemissionselement erzeugten optischen Signals umfasst. Die Linse ist gegenüber der Eintrittsebene so angeordnet, dass ein Ausbreitungsquerschnitt für einfallendes Licht in der Ebene senkrecht zu einer optischen Achse gleich oder kleiner ist, als der Kernquerschnitt in der Fasereintrittsfläche.
Die US 3,780,295 bezieht sich auf einen Lichtkuppler mit einer verbesserten Kopplungswirksamkeit eines optischen Sig nals. Die Kopplungswirksamkeit wird zum Beispiel durch das Zurverfügungstellen eines Spiegels verbessert. Deshalb ist eine Eintrittsfläche der optischen Faser vom Lichtdetektor abgesetzt.
Die EP 0 301 841 A2 offenbart, dass in einer Vorrichtung eine optische Netzwerkleistung auf effizientere Weise bewahrt werden kann, wenn die Mitte einer Intensitätsverteilung einer Faser von der zentralen Achse eines Kerns der Faser abgesetzt ist. In gleicher Weise schlägt die US 6,046,786 vor, einen erleuchteten Punkt von der optischen Achse einer optischen Multimodefaser abzusetzen.
Die DE 39 16 813 A1 offenbart eine Buchse, um eine Multimodefaser in einer bestimmten Entfernung von einer Linse anzubringen.
Douglas P. Karim "Multimode dispersion in step-index polymer optical fibers", SPIE Vol. 1799, Seiten 57 bis 66, 1992 beschreibt, dass durch eine Beschränkung des emittierten Lichts auf Modi niedriger Ordnung, die Bandbreite verbessert werden kann. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, eine parallel emittierende Laserdiode, anstatt einer diffus emittierenden LED zu verwenden und nur die Modi niedriger Ordnung zu detektieren.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges optisches Übertragungssystem unter Verwendung von Multimodefasern zur Verfügung zu stellen, welches den Einfluss von Modusdispersion, wie im vorliegenden Anspruch 1 definiert, minimieren kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, welches die Gesamtstruktur eines optischen Übertragungssystems S_a gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein schematisches Diagramm, welches die optische Kopplung in dem optischen Übertragungssystem S_a gemäß 1 zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Augenmuster eines optischen Signals OS_out1 gemäß 1 zeigt;
4 ist ein Graf, welcher den Augenöffnungsfaktor (R) und die Ausgangsleistung P des optischen Signals OS_out1 im Vergleich zu der in 2 gezeigten Distanz Z₁ zeigt;
5 ist ein schematisches Diagramm, welches die nummerische Apertur (= sin α) eines Senders 11 gemäß 1 zeigt;
6 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Ausbreitungsquerschnitt F_ipr für einfallendes Licht darstellt;
7 ist ein Blockdiagramm, welches die Gesamtstruktur eines optischen Übertragungssystems S_c gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist ein schematisches Diagramm, welches allgemeine Beispiele eines Modus höherer Ordnung M_HI und eines Modus niederer Ordnung M_LO darstellt;
9 ist ein Blockdiagramm, welches die gesamte Struktur eines konventionellen optischen Übertragungssystems S_cv darstellt; und
10 ist ein schematisches Diagramm, welches die optische Kopplung zwischen einer Lichtquelle 82 und einer Multimodefaser 83 gemäß 9 zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (erste Ausführungsform)
1 ist ein Blockdiagramm, welches insgesamt die Struktur eines optischen Übertragungssystems S_a gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist ein schematisches Diagramm, welches die optische Kopplung in dem optischen Übertragungssystem S_a gemäß 1 zeigt. Das optische Übertragungssystem S_a enthält einen Sender 11, eine Multimodefaser (MMF) 12, und einen Empfänger 13.
Wie in 1 gezeigt, enthält der Sender 11 ein Lichtemissionselement 111, zumindest eine Linse 112 und eine Buchse 113. Das Lichtemissionselement 111, welches üblicherweise eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode umfasst, wird von einem elektrischen Eingangssignal ES_in dazu angeregt, ein optisches Signal OS_in zu erzeugen. Die Linse 112, deren optische Achse mit der des Lichtemissionselements 111 ausgerichtet ist, lässt das optische Signal OS_in, welches von dem Lichtemissionselement 111 erzeugt wird, passieren. Wie in 2 gezeigt, ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Scheitel punkt Z₀ der Linse 112 als derjenige von den beiden Schnittpunkten zwischen der optischen Achse A_lz und der Fläche F_lz der Linse 112 bezeichnet, welcher von dem Lichtemissionselement 111 weiter entfernt ist. Ein Brennpunkt Z_fp der Linse 112 wird als eine Position entlang der optischen Achse A_lz bezeichnet, wo das optische Signal OS_in, welches durch die Linse 112 passiert ist, fokussiert. Die Buchse 113, welche in 1 gezeigt ist, wird später beschrieben.
In 1 ist die MMF 12 eine Glasfaser von dem Typ mit einem Gradienten im Index, eine Polymermantelfaser, oder eine optische Plastikfaser. Wie in 2 gezeigt, enthält die MMF 12 einen Kern 121 und eine Ummantelung 122. Ein Verbindungsstecker 123 ist an einem Ende der MMF 12 am äußeren Umfang befestigt. Der Verbindungsstecker 123 ist in die Buchse 113 des Senders 11 eingepasst. Im Ergebnis sind, wie in 2 gezeigt, die Faserachse A_fr der MMF 12 und die optische Achse der Linse 112, koaxial ausgerichtet, und eine der Endflächen des Kerns 121 (im Weiteren "Eintrittsfläche F_in" bezeichnet) ist in einer bestimmten Entfernung Z₁ von dem Scheitel Z₀ der Linse 112 entlang der Faserachse A_fr positioniert. Die Entfernung Z₁ wird auf einen Wert eingestellt, der nicht gleich der Entfernung von dem Scheitel Z₀ zum Brennpunkt Z_fp ist und wird vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der größer ist, als die Entfernung vom Scheitel Z₀ zum Brennpunkt Z_fp.
Wie in 2 gezeigt, wird ein Verbindungsstecker 124 an dem anderen Ende des Kerns 121 um dessen äußeren Umfang herum befestigt. Das optische Signal OS_in, welches durch die Linse 112 passiert ist, tritt durch die Eintrittsebene F_in der MMF ein, welche die oben beschriebene Struktur hat. Wie später genauer beschrieben, da die Eintrittsfläche F_in sich in der Entfernung Z₁ von dem Scheitel Z₀ befindet, breitet sich das optische Signal OS_in durch den Kern 121 aus, ohne wesentlich durch den Einfluss von Modusdispersion beeinträchtigt zu werden, so dass es von dem anderen Ende (nachfolgend als "Austrittsfläche F_out" bezeichnet) des Kerns 121 als optisches Signal OS_out1 austritt.
Nun wieder bezogen auf 1, enthält der Empfänger 13 eine Buchse 131 und ein Lichtempfangselement 132. Der Verbindungsstecker 124, welcher an der MMF 12 angebracht ist, ist in die Buchse 131 eingepasst und verbindet damit den Empfänger 13 mit der MMF 12. Das Lichtempfangselement 132, welches vorzugsweise eine Si PIN Fotodiode umfasst (im Weiteren als "Si PIN PD") bezeichnet, hat eine Vorderseite (im Weiteren als "Lichtempfangsfläche F_PD1" bezeichnet), bei der das optische Signal O_sout1 _, welches von der MMF 12 ausgegeben wird, eintritt. Die Lichtempfangsfläche F_PD1 hat eine Oberfläche, die annähernd gleich oder größer ist, als die Austrittsfläche F_out. Wenn der Empfänger 13 mit der MMF 12 verbunden ist, dann ist die Lichtempfangsfläche F_PD1 so angeordnet, dass sie der Austrittsebene F_out der MMF 12 parallel gegenüberliegt. Das Lichtempfangselement 132 mit der oben beschriebenen Struktur wandelt das optische Signal O_sout, welches in die lichtempfangende Ebene eintritt, in ein elektrisches Signal E_sout1 um, welches die gleiche Information repräsentiert, wie sie von dem elektrischen Signal ES_in repräsentiert wird.
Der Grund, warum eine Si PIN PD bevorzugt als Lichtempfangselement 132 verwendet wird ist, dass eine Si PIN PD üblicherweise eine große Lichtempfangsfläche F_PD1 hat. Jedoch kann das Lichtempfangselement 132 aus einer anderen Fotodiode, als einer Si PIN PD bestehen, weil die Größe der Lichtempfangsebene F_PD1 für die vorliegende Ausführungsform nicht wichtig ist.
Als Nächstes wird die Entfernung Z₁, welche auf charakteristische Weise in der vorliegenden Ausführungsform angewandt wird, beschrieben. Um die Entfernung Z₁ zu bestimmen, hat der Anmelder das folgende Experiment unter Verwendung des oben beschriebenen optischen Übertragungssystems S_a durchgeführt. Das Experiment wurde unter den folgenden Bedingungen ausgeführt: Als Lichtemissionselement 111 wurde ein Lichtemissionselement mit der Fähigkeit Licht mit einer Leistung von 1,8 mW zu emittieren, wenn ein eingebrachter Gleichstrom von 30 mA eingebracht wurde, verwendet. Zwei PCFs (Polymer-ummantelte Fasern) mit jeweils verschiedenen Längen wurden als MMFs 12 vorbereitet, um Experimente zur Kurzstreckenübertragung und zur Langstreckenübertragung zu ermöglichen. Genauer noch, hatte die MMF 12 zur Kurzstreckenübertragung eine Länge L_fr von 2,0 m und die MMF 12 zur Langstreckenübertragung hatte eine Länge L_fr von 100 m. Der Kern 121 einer jeden MMF 12 bestand aus Silikat (SiO₂) und hatte einen Durchmesser (im Weiteren als "Kerndurchmesser" bezeichnet) Φ_cr (siehe 2) von 200 μm. Die Ummantelung 122 bestand aus einem Polymer, wie einem Methacryl Harz (PMMA), mit einem Durchmesser von 230 μm.
Als Nächstes werden ein Augenöffnungsfaktor R und eine Ausgangsleistung P, welche beim Experiment des Anmelders zu bestimmende Messgrößen waren, beschrieben. 3 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Augenmuster des optischen Signals O_sout1 der MMF 12 zeigt. Der Augenöffnungsfaktor R ist definiert als ein Verhältnis eines Minimalwerts V_pp1 zu einem Maximalwert V_pp2 der Höhe des Augenmusters, wie in 3 gezeigt, oder V_pp1/V_pp2. Aus dem oben definierten Augenöffnungsfaktor kann eine Übertragungsbandbreite des optischen Übertragungssystems S_a bestimmt werden. Die Ausgangsleistung P ist eine Lichtleistung des optischen Signals O_sout1 von der MMF 12.
Unter den obigen Versuchsbedingungen hat der Anmelder die Charakteristika des Augenöffnungsfaktors R und die Ausgangsleistung P mit Bezug auf die Position Z₁ der Eintrittsfläche F_in mit Messvorrichtungen, wie z. B. einem Leistungsmessgerät, gemessen. Als Ergebnis wurden Messergebnisse, wie in 4 gezeigt, erhalten. In 4 repräsentiert die horizontale Achse Z₁, welche mit der oben beschriebenen optischen Achse A_lz identisch ist, die Entfernung zur Eintrittsfläche F_in, wie gemessen von der Position des Scheitels Z₀ der Linse 112. Hierbei ist die Position des Scheitels Z₀ der Linse 112 definiert als Z₁ = 0. In anderen Worten, 4 zeigt die Art und Weise, mit der der Augenöffnungsfaktor R und die Ausgangsleistung P sich ändern, wenn die Eintrittsebene F_in der MMF 12 zunehmend entlang der optischen Achse A_lz (d. h. der "Z₁" Achse) von dem Scheitel Z₀ weggezogen wird.
Genauer zeigt 4 den Augenöffnungsfaktor R (im Weiteren als "Augenöffnungsfaktor R_sd" bezeichnet; dargestellt durch "•" Symbole) und die Ausgangsleistung P (im Weiteren als "Ausgangsleistung P_sd" bezeichnet; dargestellt durch "o" Symbole) des optischen Signals O_sout1, wenn die Länge L_fr der MMF 12 2 m ist. 4 zeigt auch den Augenöffnungsfaktor R (im Weiteren als "Augenöffnungsfaktor R_ld" bezeichnet; dargestellt durch "A" Symbole und die Ausgangsleistung P (im Weiteren als "Ausgangsleistung P_ld" bezeichnet; dargestellt durch "Δ" Symbole) des optischen Signals O_sout1, wenn die Länge L_fr 100 m beträgt.
Da die Maximalwerte der Ausgangsleistung P_sd und P_ld beide eingehalten werden, wenn Z₁ sich im Bereich von 1,0 mm bis 1,5 mm befindet, ist erkennbar, dass das optische Signal OS_in, welches durch die Linse 112 gelangt ist, auf den Brennpunkt Z_fp fokussiert ist, welcher sich in diesem Bereich befindet. In diesem Sinne wird der Bereich von Z₁ von 1,0 mm bis 1,5 mm als "Brennpunktbereich D_fp" (siehe punktierter Bereich in 4) bezeichnet. Anzumerken ist jedoch, dass der Augenöffnungsfaktor R_ld im Brennpunktbereich D_fp beträchtlich verschlechtert ist. Dass das Augenmuster (3) des optischen Signals O_sout1 einen verschlechterten Augenöffnungsfaktor R_ld hat, offenbart einen entscheidenden Amplitudenunterschied zwischen dem Minimalwert V_pp1 und dem Maximalwert V_pp2. Dies bedeutet, dass es schwierig ist, das optische Signal OS_in über eine weite Entfernung (z. B. 100 m) zu übertragen, wenn die Eintrittsebene F_in der MMF 12 innerhalb des Brennpunktbereichs D_fp eingestellt ist.
Andererseits ist in 4 der Augenöffnungsfaktor R_sd im Wesentlichen konstant, unabhängig von dem Wert Z₁, im Gegensatz zu dem Augenöffnungsfaktor R_ld. Solche Unterschiede in den Charakteristika des Augenöffnungsfaktors R deuten auf die Tatsache hin, dass sich der Einfluss der Modusdispersion in Abhängigkeit von Z₁ verändert und dass der Einfluss der Modusdispersion mehr hervortritt, wenn die Übertragungsentfernung des optischen Signals OS_in ansteigt.
Mit Bezug auf 14 ist in dem konventionellen optischen Übertragungssystem S_cv, die Eintrittsebene F_in der MMF 83 am Brennpunkt Z_fp angeordnet, um die Verbindungswirksamkeit mit der MMF 83 zu maximieren (das heißt, um es dem optischen Signal zu ermöglichen, in die MMF 83 mit minimalen Kopplungsverlusten einzutreten). Jedoch sollte es nun von den in 4 gezeigten charakteristischen Kurven klar sein, dass, wenn die Eintrittsebene F_in am Brennpunkt Z_fp positioniert wird, das optische Signal OS_in erheblichen Einflüssen von Modusdispersion unterliegt, wenn die MMF 12 länger wird. Dies deutet darauf hin, dass in dem herkömmlichen optischen Übertragungssystem die Übertragungsbandbreite unter den Beschränkungen der Modusdispersion steht.
Die obigen Ergebnisse können wie folgt erklärt werden. Vor den nun folgenden Erklärungen werden drei darin verwendete Parameter, das heißt die numerische Apertur (im Weiteren "NA_s") des Senders 11, die numerische Apertur (im Weiteren "NA_f") der MMF 12 und die numerische Apertur (im Weiteren "NA_in") des optischen Signals OS_in, welches in die MMF 12 eintritt und sich ausbreitet, zuerst beschrieben.
5 ist ein schematisches Diagramm, welches die NA_s des Empfängers 11, der in 1 gezeigt wird, darstellt. Wie in 5 gezeigt, breitet sich das optische Signal OS_in, welches einmal an der Position Z_fp fokussiert ist, mit einem Winkel α in Bezug auf die optische Achse A_lz aus. Die NA_s, die ein Maßstab für eine solche Ausbreitung ist, kann durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden: NAs = sin α (1)
Der Wert von NA_s erhöht sich, wenn das einmal fokussierte optische Signal OS_in eine größere Ausbreitung hat. Der Wert von NA_s liegt innerhalb des Bereichs 0 < NAs ≤ 1.
Im Licht, welches in die MMF 12 eintritt, sind die einzigen Komponenten, die sich zur Ausgangsfläche F_out ausbreiten, diejenigen mit einem bestimmten Winkelbereich (im Weiteren als Ausbreitungswinkel der MMF 12 bezeichnet). Ausgehend vom größten Ausbreitungswinkel der MMF 12, genannt β_max, kann die Na_f durch die folgende Gleichung (2) beschrieben werden: Naf = sin βmax (2)
Üblicherweise wird die oben beschriebene NA_f durch die Brechungsindizes des Kerns 121 und der Ummantelung 122 beschrieben und ist ein Parameter, der von den vorgenannten NA_s unabhängig ist. Falls Licht mit einer größeren numerischen Apertur, als Na_f in die Eintrittsebene F_in eintritt, dann werden alle Bestandteile, die außerhalb des vorher genannten Bereichs von Ausbreitungswinkeln der MMF 12 liegen, ins Äußere des MMF 12 durchübertragen. Andererseits, falls das optische Signal OS_in eine numerische Apertur hat, die kleiner ist, als NA_f, dann breiten sich alle Lichtkomponenten durch den Kern 121 aus, wie oben erklärt. Da zudem das optische Signal OS_in eine kleinere numerische Apertur hat als die NA_f in diesem Fall, werden die Modi höherer Ordnung in dem optischen Signal verringert, so dass die Modusdispersion reduziert werden kann.
Wenn zudem in dem optischen Übertragungssystem S_a einmal die Position Z₁ der Eintrittsfläche F_in festgelegt ist, dann können nur diejenigen Komponenten des optischen Signals OS_in mit NA_s innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs (welche in der vorliegenden Ausführungsform als "erreichbare Winkel", das heißt für MMF 12 erreichbare Winkel bezeichnet werden) tatsächlich in die Eintrittsfläche F_in eintreten. Jegliche Lichtkomponenten, die außerhalb des Bereichs der erreichbaren Winkel liegen, die nicht in die Eingangsebene F_in eintreten, werden nicht durch den Kern 121 geleitet. Weiterhin, in Folge der NA_f der MMF 12, breiten sich nicht alle Komponenten des optischen Signals OS_in immer zu der Ausgangsebene F_out aus, sogar wenn sie in die Eintrittsebene F_in eintreten. Unter der Annahme, dass die Komponenten des optischen Signals OS_in, welche in die Eintrittsebene F_in eintreten und welche sich durch die MMF 12 zu der Austrittsebene F_out ausbreiten, den größten Einfallswinkel β_th haben, können die vorgenannten NA_in durch die folgende Gleichung (3) beschrieben werden: NAin = sin βth (3)
Im Allgemeinen wird die Modusdispersion weiter reduziert, wenn die NA_in, welche durch die Gleichung (3) beschrieben wird, reduziert wird.
6 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Ausbreitungsquerschnitt des einfallenden Lichts F_ipr darstellt (im Folgenden erläutert), welches die detaillierte Erklärung der NA_in erleichtert. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die Eintrittsfläche F_in (in 6 mit schrägen Linien schraffiert) einen Bereich S_f hat; die Eingangsfläche F_in einen Durchmesser (d. h. Kerndurchmesser) Φ_cr hat, wie in 2 gezeigt; und der Ausbreitungsquerschnitt des einfallenden Lichts F_ipr (in 6 punktiert gezeigt) eine Fläche S(Z₁) hat. Zuerst wird eine geometrische Definition des Ausbreitungsquerschnitts F_ipr des einfallenden Lichts gegeben. Das optische Signal OS_in, welches durch die Linse 112 (nicht gezeigt) gelangt ist, konvergiert, bis es den Brennpunkt Z_fp erreicht und divergiert danach in einer konischen Form. Wenn man in einer Entfernung Z₁ von dem Scheitel Z₀ eine imaginäre Ebene zeichnet, so dass die imaginäre Ebene senkrecht zur optischen Achse A_lz ist, dann ist die Ausbreitungsfläche des einfallenden Lichts F_ipr als ein Querschnitt des optischen Signals OS_in in der imaginären Ebene definiert. Wie aus 6 ersichtlich ist, ändert sich das Verhältnis der Fläche S(Z₁) in Abhängigkeit von der Position Z₁ der Eingangsebene F_in. Damit ist es möglich, NA_in durch Änderung der Position Z₁ der Eintrittsebene F_in einzustellen; mit anderen Worten, NA_in ist eine Funktion von Z₁ und kann als NA_in (Z₁) ausgedrückt werden. Somit ist es durch Veränderung der Position Z₁ der Eintrittsebene F_in möglich, die Modusdispersion zu steuern, was die Übertragungsentfernung und die Datenrate des optischen Signals OS_in beeinflusst.
Zuerst wird derjenige Fall betrachtet, worin NA_s kleiner oder gleich NA_f ist. In diesem Fall breiten sich alle Komponenten des optischen Signals OS_in, die durch die Linse 112 gelangt sind und die in den Kern eintreten, zur Austrittsebene F_out aus. Falls S(Z₁) gleich oder größer als S_f ist, dann sinkt NA_in(Z1), wenn Z₁ ansteigt, wie in der folgenden Gleichung (4) ausgedrückt.
Wenn andererseits S(Z₁) kleiner ist als S_f, dann tritt das gesamte optische Signal OS_in, welches durch die Linse 112 gelangt ist, in die Eintrittsfläche F_in ein und breitet sich zur Austrittsfläche F_out aus. In diesem Fall kann NA_in durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt werden. NAin (Z1) = sin βth = NAs; S (Z1) < Sf (5)
Nun wird der Fall, dass NA_s größer als NA_f ist, betrachtet. In diesem Fall, sogar wenn das gesamte optische Signal OS_in, das durch die Linse 112 gelangt ist, in die Eintrittsebene F_in eintritt, können jegliche Komponenten (Modi) davon, die außerhalb von NA_f fallen, nicht durch den Kern 121 fortgepflanzt werden. Daher ist NA_in(Z₁) festgelegt, so dass NA_in(Z1) = NA_f. Wenn jedoch Z₁ von hier ansteigt, so dass NA_in (Z₁) < NA_f erfüllt ist, sinkt NA_in (Z₁) danach, wenn Z₁ ansteigt, was von der folgenden Gleichung (6) ausgedrückt werden kann.
Wie oben beschrieben ist, es möglich, die NA_in (d. h. NA_in(Z1)) durch Einstellung der Position Z₁ zu reduzieren. Damit kann der Einfluss der Modusdispersion, welcher ein Problem ist, das mit einer Langstreckenübertragung des optischen Signals OS_in verbunden ist, minimiert werden.
Bei einer praktischen Anwendung des optischen Übertragungssystems Sa, muss die Bestimmung der Position Z₁ durchgeführt werden, während beides, die Ausgangsleistung P von der MMF 12 und der Augenöffnungsfaktor R als Konstruktionserfordernisse, berücksichtigt werden. Der Grund ist, dass wenn der Einfluss der Modusdispersion durch Steigerung des Wertes Z₁ verringert wird, die Verbindungsverluste zwischen dem Sender 11 und der MMF 12 ansteigen, was das Erreichen der notwendigen Ausgangsleistung schwierig macht.
Zum Beispiel wollen wir annehmen, dass die drei folgenden Konstruktionsanforderungen in dem optische Übertragungssystem S_a vorgegeben sind, welches in 1 gezeigt wird: Die MMF 12 hat eine Länge L_fr von 100 m; die Ausgangsleistung P ist größer oder gleich 0,1 mW; und der Augenöffnungsfaktor ist größer oder gleich 50%. Unter dieser Annahme sieht man von den Charakteristiken (durch
dargestellt) des Augenöffnungsfaktors R_ld und von den Ausgangsleistungscharakteristiken P_ld (durch Δ dargestellt), welche in 4 gezeigt werden, dass der Wert Z₁ vorzugsweise im Bereich von 2,0 mm bis 2,5 mm (siehe mit schrägen Linien schraffiertes Gebiet in 4) ist. Anzumerken ist, dass ein Z₁ Wert von mindestens 2,0 mm oder mehr verwendet werden kann, um einfach den Einfluss von Modusdispersion zu verringern, ohne jegliche andere Konstruktionsanforderungen zu berücksichtigen. Somit ermöglicht das vorliegende optische Übertragungssystem S_a eine Reduzierung des Einflusses der Modusdispersion in der MMF 12 mittels einer Einstellung der Position Z₁, wobei die Übertragungsbandbreite der MMF 12 verbreitert werden kann. Dies eliminiert die Notwendigkeit für einen Modusseparator 84 (siehe 9) in dem optischen Übertragungssystem S_a, anders als in dem konventionellen optischen Übertragungssystem S_cv. Somit kann ein optisches Übertragungssystem S_a gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zur Verfügung gestellt werden.
Anzumerken ist, dass der Wert Z₁ nicht immer auf 2,0 mm oder darüber beschränkt ist, sondern in Abhängigkeit von Konstruktionserfordernissen, wie z. B. der Länge L_fr des MMF 12, der Ausgangsleistung P und dem Augenöffnungsfaktor R, variieren kann. Im Allgemeinen tritt der Einfluss von Modusdispersion weiter hervor, wenn die Übertragungsentfernung (Länge L_fr) ansteigt. Anders herum gesagt, der Wert Z₁ sinkt, wenn die Übertragungslänge sinkt.
7 ist ein Blockdiagramm, welches die Gesamtstruktur des optischen Übertragungssystems S_c gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In Kürze gesagt, verbindet das optische Übertragungssystem S_c, welches in 7 gezeigt ist, die Merkmale der ersten Ausführungsform und umfasst den Sender 11, die MMF 12, und einen Empfänger 22. Entsprechend werden jegliche Komponenten in 7, die entsprechende Teile in 1 haben, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die dort verwendet werden, um die Beschreibung zu vereinfachen.
Wie in 7 gezeigt, ist der Verbindungsstecker 123 in die Buchse 113 des Senders 11 eingepasst. Als Ergebnis, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, sind die Faserachse A_fr der MMF 12 und die optische Achse A_lz der Linse 112 koaxial zueinander ausgerichtet und die Eintrittsfläche F_in des Kerns 121 ist in einem bestimmten Abstand Z₁ vom Scheitel Z₀ der Linse 112 angeordnet. Die Entfernung Z₁ ist auf einen Wert eingestellt, der nicht gleich der Entfernung vom Scheitel Z₀ zum Brennpunkt Z_fp ist.
Der Verbindungsstecker 124, welcher an dem MMF 12 angebracht ist, ist in die Buchse 221 eingepasst. Als Ergebnis liegt die Lichtempfangsfläche F_PD2 der Austrittsfläche F_out der MMF 12 in einer Entfernung Z₂ gegenüber. Weiterhin ist die zentrale Achse A_PD der Lichtempfangsfläche F_PD2 zu der Faserachse A_fr koaxial ausgerichtet.
In dem optischen Übertragungssystem, wie oben beschrieben, ist das optische Signal OS_out2 von der MMF 12 im Wesentlichen frei von dem Einfluss von Modusdispersion, weil die Eintrittsfläche F_in in einer Entfernung Z₁ vom Scheitel Z₀ angeordnet ist. Wenn überhaupt ein Einfluss von Modusdispersion auftritt, dann wird nur der Modus niederer Ordnung M_LO des optischen Signals OS_out2 selektiv empfangen, da die Lichtempfangsebene F_PD2 in einer Entfernung Z₂ von der Austrittsebene F_out angeordnet ist, welche so eingestellt werden kann, dass die Modi höherer Ordnung daran gehindert werden, in die Lichtempfangsfläche F_PD2 einzutreten. Daher ist das optische Übertragungssystem S_c in der Lage, die Modusdispersion in der MMF 12 im Vergleich zu den optischen Übertragungssystemen Sa und S_b weiter zu reduzieren, wobei das Erfordernis nach einem Modusseparator 84 (siehe 9) eliminiert wird. Damit kann ein preisgünstigeres und eher breitbandorientiertes optisches Übertragungssystem S_c zur Verfügung gestellt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail beschrieben wurde, ist die Beschreibung in allen Aspekten erläuternd und nicht einschränkend. Es ist verständlich, dass viele andere Modifikationen und Variationen entwickelt werden können, ohne über den Umfang der Erfindung hinauszugehen, wie er in den angefügten Patentansprüchen festgelegt wird.

Claims

Optisches Übertragungssystem zur Übertragung eines optischen Signals von einem Sender an einen Empfänger durch eine Multimodefaser, umfassend: a) einen Sender (11) zur Erzeugung und Ausgabe eines optischen Signals in Richtung einer Multimodefaser (12) mit einer Eingabefläche (F_in) mit einem Kerndurchmesser (Φ), wobei der Sender (11) umfasst: ein Lichtemissionselement (111) zur Erzeugung eines optischen Signals, wenigstens eine Linse (112) zum Konvergieren des durch das Lichtemissionselement (111) erzeugten optischen Singals, wobei: eine optische Achse (A_lz) der wenigstens einen Linse (112) koaxial mit einer Faserachse (A_fr) der Multimodefaser (12) ausgerichtet ist; wobei ein Scheitelpunkt (Z₀) der wenigstens einen Linse (112) in einem vorgegebenen Abstand (Z₁) von der Eingabefläche (F_in) der Multimodefaser (12) angeordnet ist, wobei der vorgegebene Abstand (Z₁) größer oder kleiner als ein Abstand vom Scheitelpunkt (Z₀) der wenigstens einen Linse (112) zu einem Brennpunkt (Z_fp) der wenigstens einen Linse (112) ist; wobei ein einfallender Lichtfortpflanzungsquerschnitt (F_ipr) des optischen Signals in einer Ebene definiert ist, die senkrecht zur optischen Achse (A_lz) in einem Abstand (Z₁) vom Scheitelpunkt (Z₀) ist; wobei ein Abstand zwischen dem Brennpunkt (Z_fp) und der Eingabefläche (F_in) so gewählt ist, dass der einfallende Lichtfortpflanzungsquerschnitt (F_ipr) größer als der durch den Kerndurchmesser (Φ) bei der Eingangsfläche (F_in) definierte Kernquerschnitt ist; b) die Multimodefaser (12); und c) einen Empfänger (22) zum Empfangen des von der Multimodefaser (12) ausgegebenen optischen Signals.
Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, wobei der Empfänger (22) umfasst: ein Lichtempfangselement (222) mit einer Lichtempfangsfläche (F_PD2) mit einer vorgegebenen Form zum Empfangen des optischen Signals von einer Ausgabefläche (F_out) der Multimodefaser (12); einen Anschluss (221) zum Verbinden der Multimodefaser (12), um die Lichtempfangsfläche (F_PD2) in einem vorgegebenen Abstand (Z₂) von der Ausgabefläche (F_out) zu befestigen, wobei der Abstand (Z₂) derart bestimmt ist, dass eine Fläche (S(Z₂)) der Ausgabelichtfortpflanzungsfläche eines von der Multimodefaser (12) in dem Abstand (Z₂) ausgegebenen optischen Signals größer ist als eine Fläche (S_PD) der Lichtempfangsfläche, und derart, dass ausgewählte Moden (M_LO) geringerer Ordnung des optischen Signals durch das Lichtempfangselement (222) empfangen werden und wenigstens die Moden höchster Ordnung an einem Eintritt in die Lichtempfangsfläche (F_PD2) gehindert werden.
Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 2, wobei die Lichtempfangsfläche (F_PD2) eine kreisförmige Form hat.
Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lichtempfangselement (222) eine Si PIN Fotodiode ist.
Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, wobei der Empfänger (22) des Weiteren einen Anschluss (113) zum Verbinden mit der Multimodefaser (12) umfasst, um die Eingabefläche (F_in) in einer von dem Brennpunkt (Z_fp) verschiedenen Position zu befestigen.
Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Abstand (Z₁) im Hinblick auf die vom Sender (11) ausgegebene optische Signalleistung P und einen Augöffnungsfaktor R als ein Ausführungserfordernis bestimmt ist.