DE60316670T2 - Vorrichtung zur dispersionskompensation eines signals, das sich auf einem signalweg ausbreitet - Google Patents

Vorrichtung zur dispersionskompensation eines signals, das sich auf einem signalweg ausbreitet Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dispersionskompensation eines Signals, das sich längs eines Signalweges ausbreitet. Die Erfindung findet bei Kommunikationssystemen Anwendung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine chromatische Dispersion (d. h. Wellenlängenabhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit) führt zu einer zeitlichen Verbreiterung optischer Impulse, wenn sie sich längs eines Signalweges, wie einer optischen Faser ausbreiten. Dies setzt der maximalen Ausbreitungsstrecke eine Grenze, bevor benachbarte Impulse beginnen sich ernstlich zu überlappen und ununterscheidbar werden. An diesem Punkt sollten optische Impulse wieder auf ihre Anfangsdauer komprimiert werden, wobei die Rekompression elektrisch oder optisch durchgeführt wird. Die Ausbreitungsgrenzen durch chromatische Dispersion hängen vom Ausbreitungsmedium (Fasertyp) sowie von der Anfangsimpulsdauer (Signalbitrate) ab.
  • Die chromatische Dispersion kann durch Dispersionskomponenten erster, zweiter, dritter und höherer Ordnung gekennzeichnet werden [1]. Eine Dispersion erster Ordnung entspricht der durchschnittlichen Zeitverzögerung des Impulses. Wenn sich der Impuls weiter ausbreitet, wird er sich typischerweise verteilen, das heißt, es findet eine Impulsverbreiterung statt und die Länge des Impulses nimmt typischerweise zu. Eine Dispersion zweiter Ordnung entspricht der durchschnittlichen Zunahme der Impulsbreite pro Wellenlänge pro Einheitslänge. Eine Dispersion dritter Ordnung entspricht der Veränderung der Impulsverbreiterung pro Wellenlänge pro Einheitslänge. Bei 1550 nm beträgt die Dispersion erster Ordnung in einer üblichen Einmoden optischen Faser mit Telekommunikationsqualität annähernd 5 × 106 ps/km, die Dispersion zweiter Ordnung beträgt 17 ps/nm/km und die Dispersion dritter Ordnung beträgt 0,06 ps2/nm/km.
  • Eine abstimmbare Dispersionskompensation ist in Hochgeschwindigkeits-, Hochleistungslangstrecken- und lokalen Telekommunikationssystemen wichtig. Obwohl in den lokalen Systemen die Übertragungsstrecken sehr viel kürzer als die in Langstreckensystemen sind, ist es ziemlich wahrscheinlich, daß sie sich wesentlich verändern werden, wenn das System dynamisch rekonfiguriert wird und bestimmte Kanäle an den verschiedenen Knoten umgeschaltet werden. Abstimmbare Dispersionskompensationsmodule (DCMs) werden abhängig von der Systemarchitektur, den Bitraten und Übertragungsstrecken entweder in einer statischen Betriebsart mit einer Abstimmung und Einstellung oder einer vollständig dynamischen Abstimmung verwendet.
  • Es sind etliche unterschiedliche abstimmbare DCMs vorgeschlagen worden, die auf Faser-Bragg-Gittern (FBGs) beruhen. Sie können in zwei Kategorien unterteilt werden. Die erste umfaßt übliche apodisierte Gitter mit einer linear-wellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung, die durch Anwenden einer Störung abgestimmt werden, deren Stärke sich linear längs der Gitterlänge verändert. Die zweite umfaßt Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung, die abgestimmt werden, indem eine Störung angewendet wird, deren Stärke typischerweise längs der Gitterlänge konstant ist (obwohl sie nichtlinear sein kann).
  • Die am weitesten verbreiteten Techniken zur Anwendung einer zusätzlichen linear-wellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung auf ein FBG umfassen einen Temperatur-[2, 3] oder Spannungsgradienten [4, 5] längs der Gitterlänge. Das Hauptproblem bei dieser Technik rührt von den Eigenschaften des Gitters her. Es ist bekannt, daß apodisierte Gitter mit einer linear-wellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung infolge des Vorhandenseins restlicher, verhältnismäßig starker, überlappender Bandlücken im Reflexionsspektrum [6] an einer zugrundeliegenden Nichtlinearität der Gruppenverzögerungsände rung mit der Wellenlänge leiden. Diese Gruppenverzögerungsnichtlinearität kann verbessert werden, indem ein engeres Apodisierungsprofil angewendet wird, obwohl dies auf Kosten der Reflexionsspektrumsrechteckigkeit erreicht wird [6]. Für alle Apodisierungsprofile wird die Gruppenverzögerungsnichtlinearität schlechter, wenn sich die totale (anfängliche + induzierte) wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung und folglich die durchschnittliche lineare Dispersion reduzieren. Dies beeinträchtigt die Leistung und schränkt den Abstimmungsbereich des DCM beträchtlich ein. Das Gitter ist außerdem verhältnismäßig lang und schwierig herzustellen.
  • In der zweiten Kategorie wird ein DCM ausgeführt, indem ein komplexeres Gitter und eine einheitliche Störung verwendet werden (wie eine einheitliche Dehnung/Komprimierung oder einheitliche Erwärmung/Abkühlung). Das Gitter weist eine nichtlinearwellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung auf, so daß es sowohl eine chromatische Dispersion zweiter als auch dritter Ordnung zeigt. Eine solche Vorrichtung zeigt eine linear veränderliche Dispersion über das Reflexionsband. Eine Abstimmung der chromatischen Dispersion wird erreicht, indem das Reflexionsspektrum relativ zur optischen Trägerwellenlänge verschoben wird. In der einfachsten Konfiguration kann ein solches DCM unter Verwendung nur eines Gitters mit einer nichtlinearwellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung ausgeführt werden [7]. Dieser Ansatz führt jedoch unweigerlich einen Betrag chromatischer Dispersion dritter Ordnung ein, der potentiell die Brauchbarkeit der Vorrichtung bei hohen Bitraten (z. B. 40 Gb/s) einschränken kann. Zusätzlich führt jede relative Sender/DCM-Wellenlängendrift zu einer Veränderung der chromatischen Dispersion. Diese Probleme können überwunden werden, indem zwei identische (Zwillings-)Gitter mit einer nichtlinear-wellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung (in einer umgekehrten Weise) in einem Vierport-Zirkulator geschaltet werden [8–9]. Diese Konfiguration hebt die chromatische Dispersion dritter Ordnung der einzelnen Gitter auf und liefert eine reine Kompensation der chromatischen Dispersion zweiter Ordnung (ein sehr wünschenswertes Merkmal). Jedoch ist die im Vergleich zu den anderen Einzelgitteransätzen zu zahlende Strafe die erhöhte Anzahl (doppelt so viele) Gitter und die Verwendung von Vierport- oder zwei Dreiport-Zirkulatoren pro DCM-Einheit. Zusätzlich sind die Gitter außerdem verhältnismäßig lang und schwierig herzustellen.
  • Es gibt eine Vielfalt anderer DCM-Techniken, die Dispersionskompensationsfasern und verschiedene Filter und Vorrichtungstypen, wie verkettete Mach-Zehnder-Interferometer, Ringinterferometer und angeordnete Wellenleitergitter. Mehrere dieser Techniken stellen kostengünstigere Lösungen bereit, jedoch auf Kosten einer reduzierten Leistung, insbesondere in abstimmbaren Konfigurationen.
  • In US-A-2001/048789 wird eine Beugungsgitter-Vorrichtung offenbart, die eine Brechungsindexmodulation aufweist, die in einem optischen Wellenleiterbereich in einem vorgegebenen Bereich in die Längsrichtung des optischen Wellenleiters ausgebildet ist. In der Beugungsgittervorrichtung ist eine Brechungsindexmodulation im Kernbereich in einem vorgegebenen Bereich in die Längsrichtung des optischen Wellenleiters ausgebildet. Die optische Periode der Brechungsindexmodulation ist im wesentlichen konstant, die Phase der Brechungsindexmodulation wird in einem Phasenumkehrabschnitt umgekehrt, und die Anzahl der Phasenumkehrabschnitte beträgt eins oder zwei. Ein weit abstimmbarer Zwillingsfaser-Gitterdispersionskompensator für 80 Gbit/s wird in Optical Fibre Communication Conference. (ofc) Technical Digest Postconference Edition, Anaheim, Ca, 17–22. März, 2001, Trends In Optics and Photonics Series. Tops. Band 54, Washington, Wa: Osa, Us (17-03-2001), 1 OF 4, PD111–PD113 offenbart.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Dispersionskompensation eines Signals herzustellen, das sich längs eines Signalweges ausbreitet, das die obenerwähnten Probleme reduziert.
  • Inhalt der Erfindung
  • Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Dispersionskompensation eines Signals bereitgestellt, das sich längs eines Signalweges ausbreitet, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Gitter, das durch Bereiche definiert ist; ein Abstimmungsmittel zur Störung des Gitters und einen Dispersionskompensator, der konfiguriert ist, eine primäre Kompensation des Signals bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß: das Gitter durch einen Wellenlängenarbeitsbereich und eine Gruppenverzögerung gekennzeichnet ist, die sich mit der Wellenlänge verändert; die Gruppenverzögerung an mehreren Wellenlängenpaaren gleich ist, die im Wellenlängenarbeitsbereich getrennt sind; das Gitter jedes Wellenlängenpaar vom selben Bereich des Gitters und unterschiedliche Wellenlängenpaare von unterschiedlichen Bereichen des Gitters reflektiert; und der Dispersionskompensator abstimmbar ist
  • Kürzere Gitter, die die Dispersion dritter Ordnung kompensieren („gefaltete Gitter") sind in der Literatur beschrieben worden. Jedoch würden sie normalerweise nicht als nützlich zur Aufnahme in eine Vorrichtung zur Dispersionskompensation eines Signals gehalten, das sich längs eines Signalweges ausbreitet, da das gefaltete Gitter in seiner statischen Form konzeptionell sehr schwer zu verstehen ist. Ferner würde von den wenigen Fachleuten, die das Konzept in seiner statischen Form verstehen, niemand an den weiteren Schritt denken, der für die Vorrichtung der Erfindung erforderlich ist, nämlich eine dynamische Konfiguration, in der das gefaltete Gitter abgestimmt ist. Folglich ist das Konzept der Verwendung eines abstimmbaren gefalteten Gitters, um Fehler zu kompensieren, die in einem DCM induziert werden, vollkommen neuartig, insbesondere, wenn das DCM abstimmbar ist. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin erheblich, daß die Vorrichtung die erforderliche Leistung bei niedrigeren Gesamtsystemkosten und niedrigerer Herstellungskomplexität liefert.
  • Das Gitter kann ein Faser-Bragg-Gitter sein.
  • Das Gitter kann durch eine Dispersion zweiter Ordnung und eine Dispersion dritter Ordnung gekennzeichnet sein, in dem die Größe des Produkts der Hälfte der Dispersion dritter Ordnung und des Wellenlängenarbeitsbereichs größer als die Größe der Dispersion zweiter Ordnung ist.
  • Das Gitter kann mehrere Linien aufweisen, die voneinander getrennt sind, und in denen die Trennung zwischen den Linien gleich ist. Das Gitter kann mehrere Linien aufweisen, die voneinander getrennt sind, und in denen sich die Trennung zwischen den Linien verändert
  • Das Abstimmungsmittel kann eine Faserspannvorrichtung, einen Faserverdichter, einen Bieger oder ein Heizelement aufweisen. Das Abstimmungsmittel kann konfiguriert sein, das Gitter so zu stören, daß das Gitter eine einheitliche Spannung aufweist, die mindestens längs eines Abschnitts seiner Länge ausgeübt wird. Das Abstimmungsmittel kann konfiguriert sein, das Gitter linear längs seiner Länge zu stören. Das Abstimmungsmittel kann konfiguriert sein, das Gitter nicht-linear längs seiner Länge zu stören.
  • Der Dispersionskompensator kann eine Dispersionskompensationsfaser aufweisen. Der Dispersionskompensator kann ein Faser-Bragg-Gitter mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung aufweisen. Der Dispersionskompensator kann zwei Faser-Bragg-Gitter mit einer wellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung aufweisen, die wellenlängenabhängige Veränderungen der Zeitverzögerung im entgegengesetzten Sinn aufweisen. Die beiden Faser-Bragg-Gitter können dieselbe Gestaltung oder unterschiedliche Gestaltungen aufweisen.
  • Das Gitter kann durch eine Mittenwellenlänge gekennzeichnet sein, wobei die Mittenwellenlänge einer Wellenlänge entspricht, bei der die Veränderung der Gruppenverzögerung mit der Wellenlänge null ist. Jedes der Wellenlängenpaare, die im Wellenlängenarbeitsbereich getrennt sind, können eine erste Wellenlänge, die kleiner als die Mittenwellenlänge ist, und eine zweite Wellenlänge aufweisen, die größer als die Mittenwellenlänge ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Faser-Bragg-Gitter
  • 2 das Reflexionsvermögen und die Gruppenverzögerung des Gitters;
  • 3 die Veränderung der chromatischen Dispersion mit der Wellenlänge;
  • 4 eine Brechungsindexabbildung eines Gitters des Stands der Technik;
  • 5 und 6 Entwurfskurven für ein Gitter mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung;
  • 7 einen abstimmbaren chromatischen Dispersionskompensator;
  • 8 die Dispersion eines Gitters mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung;
  • 9 eine Abbildung 41 der reflektierten Wellenlänge/Länge eines erfindungsgemäßen Gitters ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen chromatischen Dispersion dritter Ordnung;
  • 10 eine Moire-förmige Struktur, die sich aus der Überlagerung der Brechungsindexveränderungen zweier lokalisierter Gitter ergibt;
  • 11 eine Gittergestaltung, die der Abbildung der 9 entspricht;
  • 12 und 13 die Abbildung der reflektierten Wellenlänge/Länge und die zugehörige Gittergestaltung, die einer Umkehrung der Abbildung der Wellenlänge (lokalen Periode) entspricht;
  • 14 das Reflexionsvermögen des Gitters mit der Wellenlänge;
  • 15 die Dispersion des Gitters mit der Wellenlänge;
  • 16 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die ein reines Dispersionskompensationsgitter 3. Ordnung aufweist;
  • 17 die Dispersionsabbildung der in 16 gezeigten Vorrichtung;
  • 18 bis 20 ein Beispiel des Brechungsindexprofils 180 und die Antwort des Gitters ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung;
  • 21 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zwei Dispersionskompensationsgitter aufweist;
  • 22 die Dispersionsabbildung der in 21 gezeigten Vorrichtung;
  • 23 bis 30 Entwurfs- und Leistungskurven einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung und ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit einer kombinierten Dispersion 2. + 3. Ordnung aufweist;
  • 31 bis 35 Entwurfs- und Leistungskurven für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zwei unterschiedliche Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung aufweist, die eine kombinierten Dispersion 2. + 3. Ordnung zeigen;
  • 36 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
  • 37 die Dispersionsveränderung mit der Wellenlänge der Vorrichtung der 36; und
  • 38 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen Dispersionskompensator aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
  • Unter Bezugnahme auf 36 wird eine Vorrichtung zur Dispersionskompensation eines Signals 18 bereitgestellt, das sich längs eines Signalweges 19 ausbreitet, wobei die Vorrichtung ein Gitter 1 und ein Abstimmungsmittel 2 aufweist. Das Gitter 1 ist durch einen Wellenlängenarbeitsbereich 3 und eine Gruppenverzögerung 4 gekennzeichnet, die sich mit der Wellenlänge 5 ändert, wobei die Gruppenverzögerung 4 an mehreren Wellenlängenpaaren 6, 7 gleich ist, die im Wellenlängenarbeitsbereich 3 getrennt sind, und wobei das Gitter 1 jedes Wellenlängenpaar 6 vom selben Bereich 8 des Gitters 1, und unterschiedliche Wellenlängenpaare 7 von unterschiedlichen Bereichen 9 des Gitters 1 reflektiert. Außerdem wird die Mittenwellenlänge 15 des Gitters 1, ein Zirkulator 360 und eine Ausgangsport 361 gezeigt.
  • Das in 36 gezeigte Gitter 1 kann ein Faser-Bragg-Gitter FBG sein, das in einer Einmoden-Faser ausgebildet ist. Prozeduren inverser Streuung zum Entwerfen von FBGs werden im US-Patent US 6445852 beschrieben, und Techniken, um die Gitter herzustellen, werden im US-Patent US 6072926 beschrieben.
  • Das Gitter 1 kann durch eine Dispersion zweiter Ordnung 370 und eine Dispersion dritter Ordnung 371 gekennzeichnet sein, wie unter Bezugnahme auf 37 gezeigt. Die Dispersion dritter Ordnung 371 ist die Steigung der Dispersion 372 bezüglich der Wellenlänge. Die Größe des Produkts der Hälfte der Dispersion dritter Ordnung 371 und des Wellenlängenarbeitsbereichs 3 ist vorzugsweise größer als die Größe der Dispersion zweiter Ordnung 370.
  • Unter Bezugnahme auf 36 weist das Gitter 1 mehrere Linien 16 auf. Die Trennung zwischen den Linien 16 kann gleich sein oder kann sich längs der Länge des Gitters 1 ändern.
  • Das Abstimmungsmittel 2 kann eine Faserspannvorrichtung zum Ausüben einer Zugspannung auf das Gitter, einen Faserverdichter zum Ausüben einer Druckspannung auf das Gitter, einen Bieger zum Biegen des Gitters oder ein Heizelement zum Erwärmen des Gitters aufweisen. Solche Techniken sind in der Technik zur Abstimmung von Faser-Bragg-Gittern bekannt.
  • Das Abstimmungsmittel 2 kann konfiguriert sein, das Gitter 1 so zu stören, daß das Gitter 1 eine einheitliche Spannung aufweist, die längs mindestens eines Abschnitts seiner Länge ausgeübt wird. Das Abstimmungsmittel 1 kann konfiguriert sein, das Gitter 1 linear längs seiner Länge zu stören. Das Abstimmungsmittel 1 kann konfiguriert sein, das Gitter 1 nicht-linear längs seiner Länge zu stören.
  • 38 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen Dispersionskompensator 380 zum Bereitstellen einer primären Kompensation des Signals 18 aufweist. Der Dispersionskompensator 380 kann eine Dispersionskompensationsfaser, ein Faser-Bragg-Gitter mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung, zwei Faser-Bragg-Gitter mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung aufweisen, die wellenlängenabhängige Veränderungen der Zeitverzögerung im entgegengesetzten Sinn aufweisen. Der Dispersionskompensator 380 abstimmbar sein. Unter primärer Kompensation wird die Kompensation der Dispersion zweiter Ordnung 370 verstanden, die sich längs der Länge des Signalwegs 19 aufbaut. Es wird eine Anzapfung 382 (die z. B. durch einen Schmelzfaserkoppler gebildet wird) verwendet, um ein Steuersignal 383 abzuleiten, indem ein kleiner Anteil des kompensierten Signals 384 entfernt wird. Das Steuersignal 383 wird in eine Steuereinrichtung 381 eingegeben, die ein Rücckopplungssignal an das Abstimmungsmittel 2 liefert, um jede restliche Dispersion zweiter 370 und dritter Ordnung 371 zu reduzieren. Abstimmbare Dispersionskompensatoren und ihre Integration in Telekommunikationssysteme (einschließlich der elektronischen Ableitung der Rückkopplungssignale) werden in den US-Patenten 5943151 , 5982963 , 6266463 und 6271952 beschrieben, die hierdurch durch Verweis aufgenommen sind.
  • Es wird nun eine detaillierte Beschreibung der Lösungen des Stands der Technik zusammen mit verschiedenen Beispielen von Gittern 1 bereitgestellt, die in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es ist wichtig zu beachten, daß diese Beispiele dazu bestimmt sind, nicht einschränkend zu sein, und obwohl sie mit einer detaillierten mathematischen Exaktheit beschrieben werden, nicht dazu bestimmt sind, auf die besondere Vorrichtung beschränkt zu sein, die in jedem der verschiedenen gezeigten Fälle gezeigt wird. Insbesondere können die verschiedenen Anordnungen in verschiedenen Kombinationen und Anordnungen genutzt werden und können zum Beispiel als Ersatz verwendet werden oder zusätzlich zu den verschiede nen Komponenten und Modulen verwendet werden, die in 38 gezeigt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 kann die Brechungsindexänderung längs eines Gitters 11 allgemein beschrieben werden durch:
    Figure 00110001
    wobei n0 der durchschnittliche Grundbrechungsindex ist, Δn(z) die Brechungsindexänderungsamplitude (oder das Brechungsindexprofil) ist und Λ(z) die lokale Periode 14 an der Position z 17 längs des Gitters 11 ist. Das Gitter 11 arbeitet, indem es das Signal 18 reflektiert, um das Ausgangssignal 24 am Ausgangsport 361 zu ergeben.
  • In einer Näherung erster Ordnung werden in einem Gitter mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung, das sich von einem Nahpunkt A 20 zu einem Fernpunkt B 21 erstreckt, unterschiedliche Wellenlängen 13 effektiv an unterschiedlichen Positionen 22 längs der Gitterlänge 17 reflektiert. An jedem effektiven Reflexionspunkt 22 entspricht die reflektierte Wellenlänge 13 der lokalen Gitterperiode 14 durch die Bragg-Relation, d. h.: λn = 2n0Λn (2)
  • Daher gibt es eine direkte Abbildung zwischen jeder reflektierten Wellenlänge 13 und ihrer entsprechenden Position 22 längs der Gitterlänge 17. Das Brechungsindexprofil Δn 12 kann sich ebenfalls längs der Gitterlänge 17 ändern. Die lokale Periode Λ(z) 14 kann eine nicht-lineare Funktion der Position längs der Gitterlänge 17 sein.
  • 2 zeigt das Spektrum 25 des Reflexionsvermögens und die Zeitverzögerung 26 (oder Gruppenverzögerung) als Funktion der Wellenlänge 3 für ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängen abhängiger Veränderung der Zeitverzögerung. Die Reflexionsbandbreite (BWgr) 27 ist ein Maß des Wellenlängenarbeitsbereichs 3, der in 1 gezeigt wird.
  • Die zeitliche Antwort des Gitters 11 kann äquivalent durch die Änderung der chromatischen Dispersion über die Reflexionsbandbreite (BWgr) beschrieben werden. Eine linear chromatische Dispersion D (die auch als Dispersion D2 zweiter Ordnung bekannt ist) ist definiert als:
    Figure 00120001
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der linearen chromatischen Dispersion D 31 und der entsprechenden Zeitverzögerung Δτ 32 als Funktion der Wellenlänge 5 für ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung. In dem Fall, daß sich die lineare chromatische Dispersion D mit der Wellenlänge über die Reflexionsbandbreite ändert, können wir die Steigung der chromatischen Dispersion (oder die chromatische Dispersion dritter Ordnung) einführen als:
    Figure 00120002
  • Als Beispiel entspricht eine quadratische Veränderung der Zeitverzögerung über das Reflexionsband einer sich linear ändernden chromatischen Dispersion 2. Ordnung und einer konstanten chromatischen Dispersion dritter Ordnung (oder Dispersionssteigung).
  • Im Stand der Technik [7, Phaethon] weist das Gitter eine nichtlinear-wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung auf, so daß es sowohl eine chromatische Dispersion zweiter- als auch dritter Ordnung zeigt. Eine solche Vorrichtung zeigt eine sich linear ändernde chromatische Dispersion 2. Ordnung über das Reflexionsband. Eine Abstimmung der chromatischen Dispersion wird erreicht, indem das Reflexionsspektrum relativ zur optischen Trägerwellenlänge verschoben wird. In der einfachsten Konfiguration kann ein solches DCM ausgeführt werden, indem nur ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung verwendet wird [7]. Dieser Ansatz führt jedoch einen Betrag chromatischer Dispersion dritter Ordnung ein, der potentiell die Brauchbarkeit der Vorrichtung bei hohen Bitraten (z. B. 40 Gb/s) einschränken kann. Zusätzlich führt jede relative Sender/DCM-Wellenlängendrift zu einer Veränderung der chromatischen Dispersion.
  • Diese Probleme können überwunden werden, indem zwei identische (Zwillings-)Gitter mit einer nichtlinear-wellenlängenabhängigen Veränderung der Zeitverzögerung (in einer umgekehrten Weise) in einem Vierport-Zirkulator geschaltet werden [8–9]. Diese Konfiguration hebt die chromatische Dispersion dritter Ordnung der einzelnen Gitter auf und liefert eine reine Kompensation der chromatischen Dispersion zweiter Ordnung (ein sehr wünschenswertes Merkmal). 4 zeigt eine schematische Darstellung der Abbildung 40 der reflektierten Wellenlänge (durchgezogene Linie – linke Achse) und des Brechungsindexprofils 41 (rechte Achse) als Funktion der Position 17 der Gitter, die im Stand der Technik offenbart [8, 9] werden. Die Abbildung 40 der reflektierten Wellenlänge zeigt eine quadratische Abhängigkeit von der Gitterposition über den Großteil der Gitterlänge. Eine umgekehrte quadratische Wellenlängenabhängigkeit wird über einen begrenzten Abschnitt am Gittereingang eingeführt, um den Abstimmungsbereich zu erhöhen [9]. Die gepunktete Linie 42 zeigt die Weiterführung der quadratischen Abhängigkeit.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung der entsprechenden Veränderung 51 der lokalen Periode (linke Achse) und des Brechungsindexprofils 40 (rechte Achse) längs der Länge eines realisierbaren Gitters mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung des Reflexionsvermögens 60 (linke Achse) und Zeitverzögerungsänderung 61 Δτ (rechte Achse) als Funktion der Wellenlänge 5 für das Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitver zögerung 70, das in 7 gezeigt wird, dessen Gestaltung in 6 gezeigt wird. Δτ1 bezeichnet die Zeitverzögerungsänderung 61, wenn vom Ende A 20 Licht in das Gitter 71 eintritt (Gitter #1) und Δτ2 bezeichnet die Zeitverzögerungsänderung 62, wenn Licht in ein identisches Gitter 72 vom entgegengesetzten Ende B 21 eintritt (Gitter #2) (siehe 7). Die Zeitverzögerungsänderung 61 zeigt über die gesamte Reflexionsbandbreite BWgr 27 eine quadratische Abhängigkeit von der Wellenlänge 5. Die in 7 gezeigte Vorrichtung ist ein abstimmbarer Kompensator der chromatischen Dispersion, der ein Paar identischer Gitter (mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung) mit Parametern, die in 5 gezeigt werden, und einen Vierport-Zirkulator 75 verwendet. Die beiden Zwillingsgitter 70, 71 sind umgekehrt und mit den jeweiligen Ports durch gegenüberliegende Enden verbunden.
  • Aufgrund der quadratischen Veränderung der Zeitverzögerung über das Reflexionsband ergibt Gleichung (2), daß die lineare Dispersion der Gitter 71 und 72 beschrieben wird durch: D1(λ) = a1 + b1λ (4) D2(λ) = a1 + b2λ (5)
  • Da das Gitter #2 72 mit dem Gitter #1 71 identisch ist und vom entgegengesetzten Ende betrieben wird, sind die beiden Sätze von Koeffizienten einander entgegengesetzt, nämlich a2 = –a1 und b2 = –b1. Die Abstimmung der chromatischen Dispersion kann erreicht werden, indem eine einheitliche Störung, wie eine einheitliche Temperatur oder Spannung, längs der Gitterlänge angewendet wird. Dies führt zu einer Relativverschiebung der Reflexionsbandbreite eines der beiden Gitter, zum Beispiel Gitter #2 (BWgr2), um Δλ0, wie in 8 gezeigt. In diesem Fall, D20(λ) = D2(λ – Δλ0). Die Gesamtdispersion DT(λ) des abgestimmten DCM ist gegeben durch: DT(λ; Δλ0) = D1(λ) + D20(λ) = D1(λ) + D2(λ – Δλ0) = b1Δλ0 (6)
  • Aus der obigen Arbeit wird offenbar, daß die Gesamtdispersion über die Kanalbandbreite (oder Datenbandbreite) BWch konstant ist (die Wellenlängenabhängigkeit ist aufgehoben worden). Bei jeder Abstimmungseinstellung ist die erhaltene lineare Dispersion proportional zur relativen Spektralverschiebung Δλ0. Der Gesamtabstimmungsbereich ist b1(BWgr – BWch).
  • Die vorliegende Erfindung kann ein Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung verwenden, das nur eine chromatische Dispersion dritter Ordnung über sein Reflexionsband 3 zeigt. Ein solches Gitter kann unter Verwendung irgendwelcher Techniken inverser Streuung [10–12] entworfen werden. Die Dispersionsabstimmung kann erreicht werden, indem eine einheitliche Störung, wie eine einheitliche Temperatur oder Spannung, längs der Gitterlänge angewendet wird.
  • Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen chromatischen Dispersion 3. Ordnung
  • 9 zeigt die Abbildung 41 der reflektierten Wellenlänge/Länge eines Gitters ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen chromatischen Dispersion dritter Ordnung, die im Gegensatz zum Stand der Technik [9] (siehe 4) eine vollständig parabelförmige (vollständig quadratische) Abhängigkeit zeigt. Es sollte auch betont werden, daß (durch die Gleichung (2)) die Abbildung 51 der lokalen Periode/Länge dieselbe Abhängigkeit zeigt.
  • Die Abbildung der reflektierten Wellenlänge/Position in 9 ergibt, daß zwei Wellenlängen (z. B. λ1 und λ2), die symmetrisch um die Mittenwellenlänge λ0 angeordnet sind (die dem Wendepunkt entspricht) effektiv von derselben Position z längs des Gitters reflektiert werden. Dies wiederum ergibt, daß die beiden entsprechenden effektiven Gitter mit den lokalen Perioden Λ1 und Λ2 überlagert sind. Wenn die beiden reflektierten Wellenlängen als λ1 = λ0 + Δλ(z) und λ2 = λ0 – Δλ(z) ausgedrückt werden, sind die entsprechenden lokalen Perioden Λ1 = Λ0 + ΔΛ(z) bzw. Λ2 = Λ0 – ΔΛ(z), wobei Λn = λ0/2n0 (n = 0, 1, 2) und ΔΛ(z) = Δλ(z)/2n0. Aus der Gleichung (1) ist die Brechungsindexänderung der beiden lokalisierten Gitter (die in 10 gezeigt werden) gegeben durch:
    Figure 00160001
  • Der Einfachheit halber ist dieselbe konstante Amplitude für beide lokalisierte Gitter vorausgesetzt worden. Die Brechungsindexänderung des resultierenden Gitters, das durch die Überlagerung der einzelnen lokalisierten Gitter erhalten wird, ist gegeben durch: Δn12(z) = Δn01(z) + Δn01(z) (8)was nach einer ausführlichen mathematischen Manipulation wird:
    Figure 00160002
  • Gleichung (9) zeigt, daß die Überlagerung der beiden lokalisierten Gitter zu einer lokalen Moire-förmigen Struktur mit einer zugrundeliegenden Periode Λ0 (siehe den zweiten Kosinus term in Gl. (9)) und einer Hüllperiode ΛM (siehe den ersten Kosinusterm in Gl. (9)) führt. Dies wird schematisch in 10 gezeigt. Gleichung (10) zeigt, daß die Moire-Periode ΛM sehr viel größer [um einen Faktor Λ0/ΔΛ(z)] als die zugrundeliegende Periode Λ0 ist. Aufgrund der Symmetrie der Abbildung der Wellenlänge (lokale Periode) in 9 ist das resultierende Gitter eine verallgemeinerte Moire-Struktur mit derselben zugrundeliegenden Periode Λ0 und einer Hüllperiodizität, die längs der Gitterlänge abnimmt. Eine solche Struktur weist trotz des veränderlichen Brechungsindexprofils keine wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung auf.
  • Die konstante lokale Periode und das veränderliche Brechungsindexprofil einer solchen Struktur werden schematisch in 11 gezeigt. Es werden räumliche Phasenverschiebungen von n an den Positionen längs des Gitters eingeführt, wo das Brechungsindexprofil null wird, um in einer praktischen Weise die negative Indexänderung auszuführen, die längs der Moire-Periode notwendig ist (siehe Gl. (9)). Es wird erwartet, daß sich die Position der π-Phasenverschiebung längs der Gitterlänge in einer quasiparabelförmigen (quasiquadratischen) Weise ändert.
  • Wenn wir ähnlichen Argumenten folgen, können wir ableiten, daß eine Umkehrung der Abbildung der Wellenlänge (lokalen Periode), wie in 12 gezeigt, wieder zu einer verallgemeinerten Moire-Gitter Struktur mit einem umgekehrten Brechungsindexprofil führt. Eine schematische Darstellung der entsprechenden Änderung der lokalen Periode (linke Achse) und des Brechungsindexprofils (rechte Achse) längs der Gitterlänge 17 wird in 13 gezeigt. Da in diesem Fall diese lokale Gitterverstimmung mit dem Abstand abnimmt (siehe 12), nimmt die entsprechende Moire-Periode des Brechungsindexprofils in einer quasiparabelförmigen Weise mit dem Abstand zu (siehe 13).
  • Aus den bisher vorgebrachten Argumenten kann die Zeitverzögerung, die jede reflektierte Wellenlänge erfährt, angenähert werden durch:
    Figure 00180001
    wobei z0 der effektive Reflexionspunkt ist (der in (9) schematisch gezeigt wird) und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Aufgrund der vorausgesetzten parabelförmigen Abbildung der reflektierten Wellenlänge wird auch die Zeitverzögerungsantwort des entsprechenden Gitters (siehe 11) eine parabelförmige Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigen. Da die Bezugswellenlänge λ0 nahe des Gittereingangs reflektiert wird, erleidet sie eine minimale Zeitverzögerung, während Wellenlängen auf jeder Seite zunehmend größere Verzögerungen erleiden. Unter Verwendung ähnlicher Argumente können wir ableiten, daß das Gitter in 13 eine umgekehrte Zeitverzögerungsabhängigkeit zeigen wird, d. h. die Bezugswellenlänge λ0, die in diesem Fall reflektiert wird, nahe des anderen Ende des Gitters eine maximale Zeitverzögerung erleidet.
  • Die Antwort der beiden Gitter, die in 11 und 13 gezeigt werden, wird schematisch in 14 dargestellt. Die beiden Gitter weisen dasselbe Reflexionsspektrum 140 (linke Achse) und umgekehrte parabelförmige Zeitverzögerungsabhängigkeiten 141, 142 (rechte Achse) auf. Δτ1 bezieht sich auf das Gitter #1 (das in 11 gezeigt wird) während Δτ2 sich auf das Gitter #2 bezieht (das in 13 gezeigt wird).
  • Aufgrund der parabelförmigen Veränderung der Zeitverzögerung 141, 142 über das Reflexionsband 3 ergibt Gleichung (2), daß die lineare Dispersion der Gitter #1 und #2 beschrieben werden kann als: D1(λ) = a1 + b1λ (12) D2(λ) = a2 + b2λ (13) wobei a2 = a1 = 0 und b2 = –b1. Diese Art der Änderung der linearen Dispersion mit der Wellenlänge demonstriert, daß diese Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung durch eine reine chromatische Dispersion 3. Ordnung gekennzeichnet sind. Die Komponente 2. Ordnung, die durch die Koeffizienten a1 und a2 beschrieben wird, ist null. Die lineare Dispersionsänderung 151, 152 wird schematisch in 15 gezeigt. Man beachte, daß für beide Gitter die lineare Dispersion 151, 152 in der Mitte der Reflexionsbandbreite durch null geht.
  • Gitter mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung können unter Verwendung irgendwelcher der bekannten exakten Techniken inverser Streuung [10–12] oder anderer Näherungsentwurfsansätze, wie inversen Fourier-Transformationsalgorithmen entworfen werden.
  • Abstimmbare Dispersionskompensationsmodule
  • Es gibt etliche verschiedene Arten, mit denen die Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung mit anderen Gittern ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung (mit einer entgegengesetzten linearen Dispersionssteigung) oder Gittern mit nichtlinearwellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit einer Dispersion 2. und 3. Ordnung kombiniert werden können, um abstimmbare Dispersionskompensatormodule bereitzustellen. Zwei ungleiche Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit Dispersionskomponenten 2. und 3. Ordnung können als Mittel zur Ausführung eines abstimmbaren Dispersionskompensatormoduls verwendet werden.
  • A: Konfiguration eines Einzelgitters ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung
  • In diesem Fall beschreiben wir ein abstimmbares Dispersionskompensationsmodul, das ein einzelnes Gitter 161 ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung verwendet. Das Gitter 161 kann mit einem der Ports eines Dreiport-Zirkulators 162 (siehe 16) verbunden werden. Es kann auch mit einem der Ausgänge einer 2 × 2-Faser oder Wellenleiterkoppler verbunden werden, obgleich auf Kosten höherer Einfügungsverluste.
  • Wenn die Kanal-(Daten-)Bandbreite BWch bezüglich der Gitterbandbreite BWgr ausgerichtet (zentriert) ist, ist die lineare Dispersion in der Mitte der Kanalbandbreite null. Die Abstimmung der chromatischen Dispersion kann erreicht werden, indem einheitliche Störungen, wie eine einheitliche Temperatur oder Spannung längs der Gitterlänge angelegt werden. Eine solche einheitliche Störung führt zu einer Verschiebung des Gitterspektrums BWgr10 bezüglich der Kanal-(Daten-)Bandbreite BWch von zum Beispiel Δλ0. In dieser neuen Einstellung ist die lineare Dispersion über die Kanalbandbreite gegeben durch D10(λ) = D1(λ – Δλ0) = –b1Δλ0 + b1λ (14)
  • Daher ist die lineare Dispersion in der Mitte der Kanalbandbreite durch D0 = –b1Δλ0 gegeben, d. h. proportional zur Relativverschiebung des Gitterspektrums Δλ0. 17 zeigt die lineare Dispersionsabbildung 170 des abstimmbaren chromatischen Dispersionskompensatormoduls 160, das ein einzelnes Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung verwendet, das in 16 gezeigt wird. Aus 17, kann entnommen werden, daß –½(BWgr-BWch) ≤ Δλ0 ≤ +½(BWgr – BWch) und daher der maximale Abstimmungsbereich der linearen Dispersion ΔDmax = b1(BWgr – BWch) ist. Man beachte, daß die durchgezogene Linie die Dispersion 171 zeigt, wenn das Gitter 161 ungestört ist, und die gestrichelte Linie die Dispersion 172 zeigt, wenn das Gitter 162 gestört ist.
  • Die 18 bis 20 zeigen Beispiel des Brechungsindexprofils 180 und der Antwort eines Gitters ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung, das durch eine Technik inverser Streuung und der Schichtschälung [10–12] entworfen ist. Das Gitter ist so gestaltet, daß es ein Spitzenreflexionsvermögen (Rmax) von 90%, eine –0,5dB-Bandbreite (BW–0,5db) von 0,8 nm, eine –30dB-Bandbreite (BW–30dB) von 1 nm und einen Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung D3 = b1 = +2000 ps/nm2 aufweist. Man beachte, daß der Dispersionskoeffizient zweiter Ordnung null ist, d. h. D2 = a1 = 0 ps/nm. Die Mittenwellenlänge 15 ist λ0 = 1550 nm.
  • 18 zeigt das Brechungsindexprofil des oben beschriebenen Gitters. Das Gitter weist keine wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung auf, d. h. es weist eine konstante zugrundeliegende Periode Λ0 = λ0/2n0 auf, wobei λ0 die Wellenlänge an der Gitterbandbreitenmitte ist. Wie vorhergehend erläutert, werden räumliche Phasenverschiebungen von n (die in der Figur nicht gezeigt werden) an den Punkten längs der Gitterlänge eingeführt, wo sich das Brechungsindexprofil null nähert. Das Brechungsindexprofil besteht aus einem Moire-Typ mit einer veränderlichen Moire-Periode. Die Brechungsindexprofilspitzen nehmen längs der Gitterlänge allmählich ab, wenn sich die entsprechenden reflektierten Wellenlängen von der Mitte zu den Rändern der Reflexionsbandbreite bewegen. Man beachte außerdem, daß die Moire-Periodizität längs der Gitterlänge abnimmt.
  • 19 zeigt das Reflexionsspektrum 140 des Gitters, das in 18 gezeigt wird, das gegen die Wellenlängenverstimmung 190 aufgetragen ist. 20 zeigt die entsprechende Zeitverzögerung 141 (durchgezogene Linie – linke Achse) und lineare Dispersionsänderung 171 (gestrichelte Linie – rechte Achse) über die Reflexionsbandbreite.
  • B: Zwei-Gitterkonfigurationen
  • Aus 17 und Gleichung (14) ist offenbar, daß das abstimmbare Einzelgittermodul 160, das in 16 gezeigt wird, immer zu einer Veränderung der linearen Dispersion über die Kanalbandbreite führt (die proportional zum Koeffizienten b1 ist). Obwohl eine solche Änderung bei Bitraten von ≤ 10 Gbit/s keine großen Folgen haben braucht, sollte sie beseitigt werden, wenn ein solches abstimmbares Dispersionskompensationsmodul bei Bitraten über 10 Gbit/s verwendet wird. Um dies zu erreichen, wird ein zusätzliches Gitter mit einem entgegengesetzten Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung verwendet, d. h. b2 = –b1 (siehe die in 21 gezeigte Vorrichtung). Das zweite Gitter kann entweder ein Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung sein (Fall 1) oder ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit einer Dispersion 2. + 3. Ordnung mit a2 ≠ 0 (Fall 2). Wir betonen auch, daß beide Gitter eine nichtlinear-wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer Dispersion 2. + 3. Ordnung mit b2= –b1 und a2 ≠ –a1 aufweisen können (Fall 3).
  • 21 zeigt eine schematische Darstellung eines abstimmbaren Kompensatormoduls 210 der chromatischen Dispersion, das zwei Gitter 211, 212 mit einem entgegengesetzten Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung, d. h. b2 = –b1, und einen Vierport-Zirkulator 213 verwendet. Der Vierport-Zirkulator 213 kann durch eine Kaskade von zwei Dreiport-Zirkulatoren oder zwei 2 × 2-Faser- oder Wellenleiterkopplern ersetzt werden, wobei das letztgenannte sehr viel mehr verlustbehaftet ist.
  • Fall 1: Zwei Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung
  • 22 zeigt die lineare Dispersionsabbildung 220 des abstimmbaren Kompensatormoduls 210 der chromatischen Dispersion. Wenn die Kanalbandbreite BWch bezüglich beider Gitterbandbreiten BWgr ausgerichtet (zentriert) ist, ist die lineare Dispersion in der Mitte der Kanalbandbreite null. Die Abstimmung der chromatischen Dispersion kann erreicht werden, indem einheitliche Störungen, wie eine einheitliche Temperatur oder Spannung, längs der Gitterlänge angewendet werden. Solche einheitlichen Störungen führen zu einer Relativverschiebung eines der Gitterspektren (z. B. Gitter #2 – BWgr20) bezüglich der Kanalbandbreite BWch um Δλ0. Wenn wir ohne Beschränkung der Allgemeinheit vor aussetzen, daß das Gitter #1 unverändert bleibt, ist die lineare Dispersion des Gitters #2 durch D20(λ) = D2(λ – Δλ0) gegeben.
  • Die Gesamtdispersion DT(λ; Δλ0) 225 des abgestimmten DCM 210 ist die Summe der beiden einzelnen Dispersionen 221, 222, die gegeben ist durch: DT(λ; Δλ0) = D20(λ) + D20(λ) = D1(λ) + D2(λ – Δλ0) = b1Δλ0 (15)
  • Aus Gleichung (15) kann entnommen werden, daß die Gesamtdispersion 225 über die Kanalbandbreite BWch konstant ist. Bei jeder Abstimmungseinstellung ist die erhaltene lineare Dispersion proportional zur relativen Spektralverschiebung Δλ0. Aus 22 kann entnommen werden, daß die relative Spektralverschiebung auf den Bereich –½(BWgr – BWch) ≤ Δλ0 ≤ +½(BWgr – BWch) begrenzt ist und daher der maximale Abstimmungsbereich der linearen Dispersion ΔDmax = b1(BWgr – BWch) ist. Die tatsächliche Gesamtdispersion ändert sich in einem Bereich –½ΔDmax ≤ DT ≤ +½ΔDmax. Obwohl die tatsächliche Dispersion und der Abstimmungsbereich ähnlich zu denen des Stands der Technik sind (die mit Gittern mit denselben b1-Parametern erhalten werden), sind die vorliegenden Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung sehr viel kürzer. Die Verwendung von kürzeren Gittern ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung wird bevorzugt, da diese Gittern leichter herzustellen sind, wobei gegenwärtige Schreibtechniken verwendet werden, die zu höheren Ausbeuten und niedrigeren Kosten führen. Zusätzlich sind kürzere Gitter leichter zusammenzupacken. Anders formuliert liefert die vorgeschlagene Gestaltung für dieselbe Gitterlänge einen größeren Abstimmungsbereich.
  • In dem Fall, daß die beiden Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung geringfügig unterschiedlich sind, d. h. b2 ≈ –b1, wird die Gesamtdispersion DT(λ) des abgestimmten DCM: DT(λ; Δλ0) = D1(λ) + D2(λ – Δλ0) = (b1 + b2)λ – b2Δλ0 (16)wobei (b1 + b2) ≈ 0. Aus Gleichung (16) kann entnommen werden, daß es in diesem Fall eine leichte Wellenlängenabhängigkeit der linearen Dispersion über die Kanalbandbreite gibt. Jedoch ist diese Abhängigkeit sehr viel kleiner als die in 17 gezeigte (Ein-Gitterfall) und wird eine minimale Verschlechterung der Vorrichtungsleistung verursachen.
  • Wenn das Gitter #1 im abstimmbaren Dispersionskompensationsmodul 210, das in 21 gezeigt wird, als identisch mit dem vorher verwendeten Gitter angesehen wird, das in den 18 bis 20 gezeigt wird, dann können wir das komplementäre Gitter #2 so gestalten, daß es ein Spitzenreflexionsvermögen (Rmax) von 90%, eine –0,5dB-Bandbreite (BW–05dB) von 0,8 nm, eine –30dB-Bandbreite (BW–30dB) von 1 nm und einen Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung D3 = b2 = –2000 ps/nm2 aufweist. Man beachte, daß erneut der Dispersionskoeffizient zweiter Ordnung null ist, d. h. D2 = a2 = 0 ps/nm. Die Mittenwellenlänge beträgt λ0 = 1550 nm. Das Gitter #2 wird unter Verwendung eines Algorithmus inverser Streuung und Schichtschälung [10–12] entworfen.
  • 23 zeigt das Brechungsindexprofil 231 des oben beschriebenen Gitters. Das Gitter weist keine wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung auf, d. h. es weist eine konstante zugrundeliegende Periode Λ0 = λ0/2n0 auf, wobei λ0 die Wellenlänge in der Gitterbandbreitenmitte ist. Es werden räumliche Phasenverschiebungen n (die in der Figur nicht gezeigt werden) an den Punkten längs der Gitterlänge eingeführt, wo sich das Brechungsindexprofil null nähert. Das Brechungsindexprofil besteht aus einem Moire-Typ mit veränderlicher Moire-Periode (ΛM). Die Brechungsindexprofilspitzen nehmen längs der Gitterlänge allmählich zu, wenn sich die entsprechenden reflektierten Wellenlängen von den Rändern weg zur Mitte der Reflexionsbandbreite bewegen. Man beachte außerdem, daß die Moire-Periodizität längs der Gitterlänge zunimmt.
  • 24 zeigt das Reflexionsspektrum 241 des in 23 gezeigten Gitters. Dieses ist identisch mit dem in 19 gezeigten. 25 zeigt die entsprechende Zeitverzögerung 251 (durchgezogene Linie – linke Achse) und lineare Dispersionsänderung 252 (gestrichelte Linie – rechte Achse) über die Reflexionsbandbreite. Es sollte betont werden, daß obwohl das Gitter #1 (18) und das Gitter #2 (23) dasselbe Reflexionsvermögen (vergl. 19 & 24) und entgegengesetzte Dispersionsspektren (vergl. 20 & 25) aufweisen, ihre Brechungsindexprofile keine Spiegelbilder voneinander sind (vergl. 18 & 23).
  • Fall 2: Ein Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung und ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit kombinierter Dispersion 2. + 3. Ordnung
  • Eine andere abstimmbare Dispersionskompensationsmodulvariante kann erreicht werden, indem ein Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion 3. Ordnung, das im in Fall 1 beschrieben wird, in der in 21 gezeigten Vorrichtung durch ein Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit einer Dispersion 2. + 3. Ordnung (das ähnlich zu den im Stand der Technik verwendeten ist) ersetzt wird. 26 zeigt eine schematische Darstellung des Reflexionsvermögens 260 (linke Achse) und der Zeitverzögerungsänderung Δτ 261, 262 (rechte Achse) als Funktion der Wellenlänge. Δτ1 261 und Δτ2 262 beziehen sich auf das Gitter #1 bzw. das Gitter #2 (siehe 21). Die entsprechenden Abbildungen der linearen Dispersion werden in 27 gezeigt. Die Dispersionsänderung über die Gitterbandbreite wird durch die Gleichungen (12) und (13) mit den Koeffizienten beschrieben, wobei a2 ≠ a1 = 0 und b2 = –b1.
  • Wenn die Kanalbandbreite BWch bezüglich beider Gitterbandbreiten BWgr ausgerichtet (zentriert) ist, beträgt die gesamte lineare Dispersion 271 in der Mitte der Kanalbandbreite D0 = a2.
  • Die Abstimmung der chromatischen Dispersion kann erreicht werden, indem einheitliche Störungen, wie eine einheitliche Temperatur oder Spannung, längs der Gitterlänge angewendet werden. Solche einheitlichen Störungen führen zu einer Relativverschiebung eines der Gitterspektren (z. B. Gitter #2 – BWgr20) bezüglich der Kanalbandbreite BWch um Δλ0. Wenn wir ohne Beschränkung der Allgemeinheit voraussetzen, daß das Gitter #1 unverschoben bleibt, ist die lineare Dispersion des Gitters #2 gegeben durch D20(λ) = D2(λ – Δλ0)
  • Die Gesamtdispersion DT(λ; Δλ0) des abgestimmten DCM ist die Summe der beiden einzelnen Dispersionen, die gegeben ist durch: DT(λ; Δλ0) = D1(λ) + D20(λ) = D2(λ) + D2(λ – Δλ0) = D0 + b1Δλ0 (17)
  • Aus Gleichung (17) kann entnommen werden, daß die Gesamtdispersion über die Kanalbandbreite BWch konstant ist. Bei jeder Abstimmungseinstellung ist die erhaltene lineare Dispersion proportional zur relativen Spektralverschiebung Δλ0. Aus 22 kann entnommen werden, daß die relative Spektralverschiebung auf den Bereich –½(BWgr – BWch) ≤ Δλ0 ≤ +½(BWgr – BWch) begrenzt ist und daher der maximale Abstimmungsbereich der linearen Dispersion ΔDmax = b1(BWgr – BWch) ist. Die tatsächliche Gesamtdispersion ändert sich in einem Bereich D0 – ½ΔDmax ≤ DT ≤ D0 + ΔDmax. Im Vergleich zum Stand der Technik und dem vorhergehenden Fall 1 bietet ein solches abstimmbares DCM, obwohl es einen ähnlichen Dynamikbereich zeigt, größere Absolutwerte der Gesamtdispersion. Eine solche Vorrichtung kann daher verwendet werden, um die Dispersion längerer optischer Verbindungen zu kompensieren.
  • In dem Fall, daß sich die beiden Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung geringfügig unterscheiden, d. h. b2 ≈ –b1, wird die Gesamtdispersion DT(λ) des abgestimmten DCM: DT(λ; Δλ0) = D1(λ) + D2(λ – Δλ0) = (b1 + b2)λ – b2Δλ0 + D0 (18) wobei (b1 + b2) ≈ 0. Aus Gleichung (18) kann entnommen werden, daß es diesem Fall eine leichte Wellenlängenabhängigkeit der linearen Dispersion über die Kanalbandbreite gibt. Jedoch ist diese Abhängigkeit sehr viel kleiner als die in 17 gezeigte (Ein-Gitterfall) und wird eine minimale Verschlechterung der Vorrichtungsleistung verursachen.
  • Wenn das Gitter #1 im abstimmbaren Dispersionskompensationsmodul 210, das in 21 gezeigt wird, als identisch mit dem vorher verwendeten Gitter angesehen wird, das in den 18 bis 20 gezeigt wird, dann können wir das komplementäre Gitter #2 so gestalten, daß es ein Spitzenreflexionsvermögen (Rmax) von 90%, eine –0,5dB-Bandbreite (BW–0,5dB) von 0,8 nm und eine –30dB-Bandbreite (BW–30bB) von 1 nm aufweist. Der Dispersionskoeffizient dritter Ordnung ist D3 = b2 = +2000 ps/nm2 und der Dispersionskoeffizienten zweiter Ordnung ist D0 = a2 = +1000 ps/nm. Die Mittenwellenlänge ist λ0 = 1550 nm. Das Gitter #2 wird unter Verwendung eines Algorithmus inverser Streuung und Schichtschälung [10–12] entworfen. Das Brechungsindexprofil des Gitters #2 mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung (durchgezogene Linie – linke Achse). 28 zeigt das Brechungsindexprofil 281 und die lokale Periodenänderung 282, die einem Gitter mit einem Spitzenreflexionsvermögen Rmax = 0,90, BW–0,5dB = 0,8 nm, BW–30bB =1 nm entspricht. Der Dispersionskoeffizient zweiter Ordnung beträgt D0 = a2 = +1000 ps/nm und der Dispersionskoeffizient dritter Ordnung beträgt D3 = b2 = +2000 ps/nm2.
  • 29 zeigt das Reflexionsspektrum 291 des in 28 gezeigten Gitters. Dieses ist mit dem in 19 gezeigten identisch. 30 zeigt die entsprechende Zeitverzögerung 301 (durchgezogene Linie – linke Achse) und lineare Dispersionsänderung 302 (gestrichelte Linie – rechte Achse) über die Reflexionsbandbreite 3.
  • Fall 3: Zwei unterschiedliche Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung mit einer kombinierten Dispersion 2. + 3. Ordnung
  • Es wird nun der Fall eines abstimmbaren DCM beschrieben, das zwei unterschiedliche Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung verwendet, die eine kombinierte Dispersion 2. + 3. Ordnung zeigen. 31 zeigt eine schematische Darstellung des Reflexionsvermögens 310 (linke Achse) und der Zeitverzögerungsänderung 311, 312 Δτ (rechte Achse) als Funktion der Wellenlänge. Δτ1 und Δτ2 beziehen sich auf das Gitter #1 bzw. das Gitter #2 (siehe 21). Die entsprechenden Abbildungen 320 der linearen Dispersion werden in 32 gezeigt. Die Dispersionsänderung über die Gitterbandbreite wird durch die Gleichungen (12) und (13) mit den Koeffizienten beschrieben, wobei a2 ≠ a1 ≠ 0 und b2 = –b1.
  • Wenn die Kanalbandbreite BWch bezüglich beider Gitterbandbreiten BWgr ausgerichtet (zentriert) ist, beträgt die gesamte lineare Dispersion in der Mitte der Kanalbandbreite D0 = a1 + a2. Die Abstimmung der chromatischen Dispersion kann erreicht werden, indem einheitliche Störungen, wie eine einheitliche Temperatur oder Spannung, längs der Gitterlänge angewendet werden. Solche einheitlichen Störungen führen zu einer Relativverschiebung eines der Gitterspektren (z. B. Gitter #2 – BWgr20) bezüglich der Kanalbandbreite BWch um Δλ0. Wenn wir ohne Beschränkung der Allgemeinheit voraussetzen, daß das Gitter #1 unverschoben bleibt, ist die lineare Dispersion des Gitters #2 gegeben durch D20(λ) = D2(λ – Δλ0)
  • Die Gesamtdispersion DT(λ; Δλ0) des abgestimmten DCM ist die Summe der beiden einzelnen Dispersionen, die gegeben ist durch: DT(λ; Δλ0) = D3(λ) + D20(λ) = D1(λ) + D2(λ – Δλ0) = (a1 + a2) + b1Δλ0 (19)
  • Aus Gleichung (19) kann entnommen werden, daß die Gesamtdispersion über die Kanalbandbreite BWch konstant ist. Der Ab weichungsterm ist in diesem Fall (a1 + a2). Der in 32 gezeigte Fall entspricht a1 = a2 = D0. Bei jeder Abstimmungseinstellung ist die erhaltene lineare Dispersion proportional zur relativen Spektralverschiebung Δλ0. Aus 32 kann entnommen werden, daß die relative Spektralverschiebung auf den Bereich – (BWgrBWch) ≤ Δλ0 ≤ +½(BWgr – BWch) begrenzt ist und daher der maximale Abstimmungsbereich der linearen Dispersion ΔDmax = b1(BWgr – BWch) ist. Die tatsächliche Gesamtdispersion ändert sich in einem Bereich 2D0 – ½ΔDmax ≤ DT ≤ 2D0 + ½ΔDmax. Im Vergleich zum Stand der Technik und den vorhergehenden Fällen 1 & 2 bietet ein solches abstimmbares DCM, das auf ungleichen Gittern mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung beruht, obwohl es einen ähnlichen Dynamikbereich zeigt, noch größere Absolutwerte der Gesamtdispersion. Eine solche Vorrichtung kann daher verwendet werden, um die Dispersion noch längerer optischer Verbindungen zu kompensieren.
  • In dem Fall, daß sich die beiden Dispersionskoeffizienten dritter Ordnung geringfügig unterscheiden, d. h. b2 ≈ –b1, wird die Gesamtdispersion DT(λ) des abgestimmten DCM: DT(λ; Δλ0) = D1(λ) + D2(λ – Δλ0) = (b1 + b2)λ – b2Δλ0 + 2D0 (20)wobei (b1 + b2) ≈ 0. Aus Gleichung (20) kann entnommen werden, daß es in diesem Fall eine leichte Wellenlängenabhängigkeit der linearen Dispersion über die Kanalbandbreite gibt. Jedoch ist diese Abhängigkeit sehr viel kleiner als die in 17 gezeigte (Ein-Gitterfall) und wird eine minimale Verschlechterung der Vorrichtungsleistung verursachen.
  • Wenn das Gitter #1 im abstimmbaren Dispersionskompensationsmodul, das in 21 gezeigt wird, als identisch mit dem vorher verwendeten Gitter angesehen wird, das in den 28 bis 30 gezeigt wird, dann können wir das komplementäre Gitter #2 so gestalten, daß es ein Spitzenreflexionsvermögen (Rmax) von 90%, eine –0,5dB-Bandbreite (BW–0,5dB) von 0,8 nm und eine –30dB- Bandbreite (BW–30dB) von 1 nm aufweist. Der Dispersionskoeffizient dritter Ordnung sollte D3 = b2 = –2000 ps/nm2 sein und der Dispersionskoeffizient zweiter Ordnung bleibt D0 = a2 = +1000 ps/nm.
  • Die Mittenwellenlänge ist λ0 = 1550 nm. Das Gitter #2 wird unter Verwendung eines Algorithmus inverser Streuung und Schichtschälung entworfen [10–12].
  • 34 zeigt das Reflexionsspektrum 340 des Gitters, das das Brechungsindexprofil 331 und die lokale Periodenänderung 332 aufweist, die in 33 gezeigt werden. Das Reflexionsspektrum 340 ist identisch zum in 29 gezeigten. 35 zeigt die entsprechende Zeitverzögerung 351 (durchgezogene Linie – linke Achse) und lineare Dispersionsänderung 352 (gestrichelte Linie – rechte Achse) über die Reflexionsbandbreite. Die in der Analyse verwendete Mittenwellenlänge beträgt λ0 = 1550 nm, das Spitzenreflexionsvermögen Rmax = 0,90, BW–0,5dB = 0,8 nm, BW–30dB = 1 nm. Der Dispersionskoeffizient zweiter Ordnung ist D0 = a2 = +1000 ps/nm und der Dispersionskoeffizient dritter Ordnung D3 = b2 = –2000 ps/nm2.
  • Abstimmbare Mehrkanal-DCMs
  • Die Gitter ohne wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung mit einer reinen Dispersion dritter Ordnung, und die passenden Gitter mit nichtlinear-wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung können so gestaltet und hergestellt werden, daß sie spektrale Mehrkanaleigenschaften aufweisen, wobei die Techniken verwendet werden, die in der Patentanmeldung beschrieben werden, die gemäß PCT mit der Patentveröffentlichungsnummer WO0231552A1 veröffentlicht wurde, das hierdurch durch Verweis aufgenommen ist. Mehrkanalgitter können unter Verwendung irgendeiner der exakten Techniken mit inverser Streuung und Schichtschälung oder irgendeinem auf inverser Fourier-Transformation beruhenden Näherungsalgorithmus entworfen werden. Die Mehrkanalgitter können ihre jeweiligen Gegenstücke in allen der vorher offenbarten Ausführungsformen ersetzen, um abstimmbare Mehrkanal-DCMs bereitzustellen.
  • Es ist zu erkennen, daß die oben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft angegeben worden sind und daß Modifikationen und zusätzliche Komponenten bereitgestellt werden können, um die Leistung der Vorrichtung zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf die obenerwähnten Merkmale, die einzeln oder in jeder Kombination genommen werden, und die in den Figuren gezeigte Ausführungsformen sind dazu bestimmt, nichteinschränkende Ausführungsformen zu sein.
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Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Dispersionskompensation eines Signals (18), das sich längs eines Signalweges (19) ausbreitet, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Gitter (1), das durch Bereiche längs des Signalweges definiert ist; ein Abstimmungsmittel (2) zur Störung des Gitters (1); und einen Dispersionskompensator (380), der konfiguriert ist, eine prim äre Kompensation des Signals (18) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß: das Gitter (1) durch einen Wellenlängenarbeitsbereich (3) und eine Gruppenverzögerung (4) gekennzeichnet ist, die eingerichtet ist, sich mit der Wellenlänge (5) zu verändern; die Gruppenverzögerung (4) an mehreren Wellenlängenpaaren (6, 7) gleich ist, die im Wellenlängenarbeitsbereich (3) getrennt sind; das Gitter (1) durch eine zugrundeliegende Periode (Λ0) und eine Hüllperiode (ΛM) definiert ist, wobei die zugrundeliegende Periode (Λ0) im wesentlichen keine wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung (unchirped) längs der Länge des Gitters (1) aufweist, und wobei sich die Hüllperiode (ΛM) monoton längs der Länge des Gitters (1) verändert, so daß das Gitter (1) eingerichtet ist, jedes Wellenlängenpaar (6) vom selben Bereich des Gitters (1) und unterschiedliche Wellenlängenpaare (7) von unterschiedlichen Bereichen des Gitters (1) zu reflektieren; und der Dispersionskompensator (380) abstimmbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gitter (1) ein Faser-Bragg-Gitter ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gitter (1) durch eine Dispersion zweiter Ordnung und eine Dispersion dritter Ordnung gekennzeichnet ist, und in dem die Größe des Produkts der Hälfte der Dispersion dritter Ordnung und des Wellenlängenarbeitsbereichs größer als die Größe der Dispersion zweiter Ordnung ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gitter (1) mehrere Linien aufweist, die zugrundeliegende Perioden repräsentieren, die voneinander getrennt sind, und in denen die Trennung zwischen den Linien gleich ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gitter (1) mehrere Linien aufweist, die Hüllperioden repräsentieren, die voneinander getrennt sind, und in denen sich die Trennung zwischen den Linien verändert.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstimmungsmittel (2) eine Faserspannvorrichtung, einen Faserverdichter, einen Sieger oder ein Heizelement aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstimmungsmittel (2) das Gitter (1) so stört, daß das Gitter (1) eine einheitliche Belastung aufweist, die mindestens längs eines Abschnitts seiner Länge ausgeübt wird.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstimmungsmittel (2) das Gitter (1) mindestens längs eines Abschnitts seiner Länge linear stört.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Abstimmungsmittel (2) das Gitter (1) mindestens längs eines Abschnitts seiner Länge nicht-linear stört.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dispersionskompensator (380) eine Dispersionskompensationsfaser aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dispersionskompensator (380) ein Faser-Bragg-Gitter mit wellenlängenabhängiger Veränderung der Zeitverzögerung (Chirp) aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dispersionskompensator (380) zwei Faser-Bragg-Gitter aufweist, die durch eine wellenlängenabhängige Veränderung der Zeitverzögerung (Chirp) gekennzeichnet sind, die eine lineare Komponente und eine nicht-lineare Komponente aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die beiden Faser-Bragg-Gitter dieselbe Gestaltung aufweisen.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die beiden Faser-Bragg-Gitter unterschiedliche Gestaltungen aufweisen.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gitter (1) durch eine Mittenwellenlänge (15) gekennzeichnet ist, wobei die Mittenwellenlänge (15) einer Wellenlänge entspricht, an der die Veränderung der Gruppenverzögerung (4) mit der Wellenlänge null ist, und jedes der Wellenlängenpaare (6), die im Wellenlängenarbeitsbereich (3) getrennt sind, eine erste Wellenlänge, die kleiner als die Mittenwellenlänge (15) ist, und eine zweite Wellenlänge aufweist, die größer als die Mittenwellenlänge (15) ist.
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