DE69012334T2 - Fasermodulatoren. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Modulationstechniken für optische Kommunikationssysteme, insbesondere die Modulation von in einer optischen Faser geführtem Licht.
• Häufig ist es erwünscht, Licht in einer optischen Faser modulieren zu können, ohne Licht aus der Faser durch ein getrenntes Modulatorelement zu führen. Eine solche Technik, bei der ein anklemmbarer Überwachungskanal vorgesehen wird, ist in der Beschreibung unserer gleichzeitig mit der vorliegenden anhängigen Patentanmeldung 8909944.4 offenbart, bei der die bevorzugte Ausgestaltung einen Dorn von kleinem Durchmesser umfaßt, der auf eine Lautsprecherspule montiert ist und eine optische Faser anstößt, um die Faser entsprechend der Spulenbewegung transient zu verformen. Dies bewirkt eine Amplitudenmodulation des Lichts in der Faser aufgrund der verformungsabhängigen differentiellen Verluste der Faser.
• Ein erhebliches Problem bei einem optischen Kommunikationsnetz ist die Anbringung von Flexibilitätspunkten, an denen eine spätere Erweiterung oder Umordnung des Netzes durchgeführt werden kann. Für die Flexibilität ist es wünschenswert, die Anzahl der möglichen Kopplungs- oder Abgriffpunkte zu maximieren. Dies ist nicht möglich, wenn an den nicht benutzten Abgriffpunkten signifikante Verluste auftreten.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Modulation in der Faser zu ermöglichen und potentielle Abgriffpunkte anzugeben, die einen geringen Verlust aufweisen.
• Erfindungsgemäß ist ein optischer Signalmodulator vorgesehen, der aus einer Anordnung optischer Fasern gebildet ist, die eine optische Faser zum Führen eines zu modulierenden optischen Signals umfaßt, wobei die optische Faser einen zwischen zwei Halterteilen ohne zwischenhalterung aufgehängten verjüngten Abschnitt aufweist, und Mittel zum Aufbringen einer Modulationssignalstörung direkt auf den aufgehängten verjüngten Abschnitt umfaßt, um die prozentuale Transmission durch die Faser durch Verzerren der Wellenleitergeometrie des aufgehängten verjüngten Abschnitts zu variieren und dadurch eine Kopplung der Moden des vom verjüngten Abschnitt geführten optischen Signals an gebundene Moden höherer Ordnung gemäß dem Modulationssignal zu bewirken.
• Vorzugsweise ist der aufgehängte verjüngte Bereich der optischen Faser unter Spannung zwischen den zwei Halterteilen gehaltert.
• Vorteilhafterweise umfaßt der verjüngte Bereich eine durch Erhitzen und Ziehen verjüngte Faser, wobei der minimale Radius des verjüngten Abschnitts 20 um beträgt. Alternativ dazu ist die optische Faseranordnung aus zwei optischen Fasern gebildet, die miteinander verschmolzen sind, um einen verschmolzenen Faserkoppler zu bilden.
• Vorzugsweise umfaßt das Mittel zum Aufbringen von Störungen ein schwingfähiges Glied wie etwa eine piezoelektrische Vorrichtung. Das schwingfähige Glied kann eine Seitwärtsdeformation oder Spannungsänderungen auf den verjüngten Abschnitt ausüben. Der verjüngte Abschnitt kann auf seiner Oberfläche mit einem geätzten Gitter versehen sein.
• Ferner sieht die Erfindung ein Modulationsverfahren vor, wie in Anspruch 14 definiert.
• Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
• Figur 1 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine verjüngte Faser einer Seitwärtsdeformation unterworfen wird;
• Figur 2 eine Ausgestaltung, bei der ein Schmelzfaserkoppler variierender Längsspannung ausgesetzt wird und
• Figur 3 eine abgewandelte Form der Ausgestaltung aus Figur 2, bei der ein Schmelzfaserkoppler mit einer Reflektorschleife verbunden ist.
• Bezogen auf die Zeichnungen zeigt Figur 1 eine optische Faser 1, die einen optischen Strahl wie etwa einen CW-Laserstrahl führt. Ein Abschnitt 2 der Faser 1, der vorher verjüngt worden ist, beispielsweise auf einen Minimalradius von ca. 20 um (obwohl größere oder kleinere Minimalradien möglich sind) ist gehaltert auf einem Substrat 3 mit Armen 3a, die z.B. durch Klebstoff oder Kitt beiderseits des verjüngten Abschnitts an der Faser befestigt sind, so daß der verjüngte Abschnitt zwischen den Armen aufgehängt ist. Es wurde festgestellt, daß ein geeigneter verjüngter Abschnitt 2 mit verringertem Durchmesser auf einer Gesamtlänge von ca. 27 mm hergestellt werden kann durch Erhitzen und Ziehen einer üblichen optischen Faser bei 1700 ºC. Der Einfügungsverlust eines solchen verjüngten Abschnitts 2 beträgt typischerweise 0,05 dB. Das Trägersubstrat 3 kann aus einem beliebigen geeigneten Material sein, vorzugsweise besteht es aus Siliciumdioxid oder einem anderen Material mit zu derjenigen der Faser 1 passender thermischer Ausdehnung.
• Der verjüngte Abschnitt 2 der Faser 1 ist benachbart zu einem Modulationsmittel positioniert, das dadurch wirkt, daß es den verjüngten Abschnitt der Fässer mehr oder weniger stark deformiert und so einen mehr oder weniger großen Leistungsverlust aus der Faser verursacht. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausgestaltung wird die Deformation bewirkt, indem ein schwingfähiges Glied 4 den verjüngten Abschnitt 2 der Faser 1 körperlich berührt, um eine Seitwärtsdeformation zu erzeugen, doch eine analoge Seitwärtsdeformation ließe sich auch mit elektrostatischen Mitteln erreichen. Bei der Ausgestaltung aus Figur 1 ist das schwingfähige Glied 4 aus einem auf einem piezoelektrischen Kristall 5 montierten Stift gebildet, doch andere Strukturen wie etwa ein geformter piezoelektrischer Kristall wäre genauso gut einsetzbar. Der piezoelektrische Kristall 5 wird angetrieben von einem Signalgenerator 6, der eine Treibereinheit 7 mit veränderbarer Spannung steuert. Bei Treiberspannungen der Größenordnung von 3 bis 40 V wird typischerweise eine Längsbewegung des piezoelektrischen Kristalls 5 von 5 bis 15 um erreicht.
• Für eine effiziente Modulation ist es wünschenswert, den piezoelektrischen Kristall 5 so zu betreiben, daß er bei oder nahe bei seiner Resonanzfrequenz schwingt. Die Frequenz, bei der der piezoelektrische Kristall 5 schwingt, hängt für ein gegebenes Material ab von Dicke und Durchmesser des Piezokristalls. Diese Resonanzfrequenz wird auf eine nachfolgend beschriebene Weise als Trägerfrequenz zur Modulation mit einem Informationssignal benutzt. Die (resonante) Trägerfrequenz kann geringfügig (um bis ca. 5 kHz) verändert werden, indem die Kraft des schwingfähigen Glieds 4 gegen die Faser 1 verändert wird.
• Wenn der verjüngte Abschnitt 2 der Faser 1, durch Kontakt mit dem schwingfähigen Glied 4 angetrieben, bei der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls schwingt, wird ein optisches Ausgangssignal mit harmonisch oszillierender Amplitude im optischen Ausgangsstrahl erzeugt. Dieses Ausgangssignal bildet eine Trägerfrequenz, die mit einem Informationssignal moduliert werden kann, indem die Schwingung des schwingfähigen Glieds 4 moduliert wird. Eine einfache Amplitudenmodulation, die der Spannungsschwingung der Treibereinheit 7 überlagert wird, bewirkt eine entsprechende Modulation der Amplitude der piezoelektrischen Schwingung, die ihrerseits den Krümmungsgrad moduliert, zu dem die piezoelektrische Bewegung den verjüngten Abschnitt 2 der Faser 1 zwingt, und dies führt zu einer entsprechenden, dem optischen Ausgangsstrahl überlagerten Amplitudenmodulation. Eine andere Modulationstechnik besteht darin, die Frequenz der piezoelektrischen Schwingung zu variieren, z.B. im Abstand von bis zu 5 kHz von der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Kristalls. Dies kann geschehen durch Frequenzmodulation der Spannungsschwingungen der Treibereinheit 7. Sowohl Frequenzmodulation als auch Amplitudenmodulation des verjüngten Abschnitts 2 können gleichzeitig eingesetzt werden. Auch andere Modulationstechniken können verwendet werden.
• Die Modulation im verjüngten Abschnitt 2 der Faser 1 wird verursacht durch den Verlust in diesem Abschnitt, der aus der Verformung durch das schwingfähige Glied 4 resultiert. Wenn die Wirkung des Kerns des verjüngten Abschnitts 2 der Faser 1 vernachlässigt wird, kann diese als stark geführter Multimodenwellenleiter mit normalisierter Frequenz V 100 angesehen werden, dessen gebundene Moden von der Mantel- Luft-Grenzschicht geführt werden. Die Verjüngung ist so gering, daß nur die HE&sub1;&sub1;-Mode angeregt wird.
• Im Betrieb wird der verjüngte Abschnitt 2 der Faser 1 deformiert durch Aktivierung des schwingfähigen Glieds 4. Dies verzerrt die Geometrie des Wellenleiters und verursacht Kopplung an gebundene Moden höherer Ordnung. Diese Moden höherer Ordnung werden am fernen Ende des verjüngten Abschnitts 2 der Faser 1 zu Leckmoden, und nur Licht in der lokalen HR&sub1;&sub1;-Mode wird in den Faserkern zurückgeführt. Dies liefert also ein Verfahren für die Amplitudenmodulation eines Signals durch den verjüngten Abschnitt 2 der Faser 1. Der Einfügungsverlust des verjüngten Abschnitts 2 kann erhöht werden, indem mehr Licht in Moden höherer Ordnung gekoppelt wird.
• Bei der Ausgestaltung aus Figur 1 wird die Faser 1 seitwärts deformiert, um ein verlustmoduliertes Ausgangssignal zu liefern. Auch longitudinale Deformation, d.h. Spannung, kann verwendet werden. In diesem Fall wird die Faser 1 vorzugsweise mit Hilfe eines Faserkopplers gegen die Spannungsänderungen empfindlich gemacht. Figur 2 zeigt ein System mit einem verschmolzenen oder verdrillten Faserkoppler, doch kann eine analoge Technik auch auf andere empfindlich gemachte Fasern angewandt werden.
• Bezogen auf Figur 2 ist ein verschmolzener (oder verdrillter und verschmolzener) Faserkoppler 10 über Siliciumdioxidkanäle 15 und zwischen an einem Substratblock 11 befestigten Armen 11a montiert. Der verschmolzene Faserkoppler 10 ist gebildet durch Verschmelzung zweier optischer Fasern, die mit den Bezugszeichen 13 und 14 auf einer Seite des Kopplers und den Bezugszeichen 13' und 14' auf der anderen Seite des Kopplers belegt sind. Der Substratblock 11 enthält eine piezoelektrische Vorrichtung 16, die in ähnlicher Weise betrieben wird wie die mit Bezug auf Figur 1 beschriebene. Der verschmolzene Koppler 10 ist unter Spannung hergestellt, so daß Licht entlang des verjüngten Abschnitts 12 direkt von der Faser 13 zur Faser 13' durchgekoppelt wird. Änderungen der Spannung des Kopplers 10 durch Strekkung oder Zusammenziehung ändern das Kopplungsverhältnis, so daß etwas von dem Licht in die Faser 14' gekoppelt wird, die als Hilfsfaser angesehen werden kann. Eine longitudinal auf den Faserkoppler 10 übertragene piezoelektrische Schwingung führt also aufgrund zyklischer Änderungen im Kopplungsverhältnis zu einem zyklisch amplitudenmodulierten Ausgangssignal in der Übertragungsfaser 13'. Eine gegensinnige Modulation tritt in der Hilfsfaser 14' auf, und auch diese kann verwendet werden, insbesondere wenn das ursprüngliche Kopplungsverhältnis nicht auf Null, sondern z.B. auf 50 % eingestellt ist. Frequenzmodulierte oder amplitudenmodulierte Informationssignale können mit der piezoelektrischen (oder anderen) Schwingung in ähnlicher Weise wie oben beschrieben überlagert werden, um eine entsprechende Modulation des Ausgangssignals zu erzeugen.
• Bei einer Abwandlung der Ausgestaltung aus Figur 2 ist ein Mittel zum Einstellen der Grundspannung des Kopplers 10 vorgesehen. Auf diese Weise können Koppler, die in einer Übertragungsleitung an unterschiedlichen Zugriffspunkten angeordnet sind, so unter Spannung gesetzt werden, daß keine Nettoauskopplung aus der Hauptübertragungsfaser stattfindet. Wenn eine zeitweilige oder dauerhafte Erweiterung des Netzes vorgesehen ist, wird die Kopplerspannung so angepaßt, daß ein gewünschter Abgriffsanteil erreicht wird. Alternativ dazu kann die relative Leistungsverteilung zwischen Zweigen durch Variieren der Spannung erhöht werden, um die Kapazität eines der Zweige zu erhöhen. Die Spannungsänderung kann hervorgerufen werden durch eine Longitudinalbewegung der Trägerarme 11a oder durch Krümmen der Anordnung mit dem Koppler 10 an der Innenseite der Krümmung.
• Figur 3 zeigt eine Abwandlung des in Figur 2 gezeigten Systems. Bei dieser Abwandlung grenzt ein Schleifenreflektor 20 an die Fasern 13' und 14'. In der Praxis wird die Vorrichtung aus Figur 3 aus einer einzigen Faser gebildet, die in sich zurückgeführt wird, um die Schleife 20 zu bilden.
• Der verschmolzene Koppler 10 wird dann in herkömmlicher Weise durch Heizen und Ziehen der Fasern gebildet, wodurch die Fasern 13 und 14 auf einer Seite des Kopplers und die Fasern 13' und 14' auf der anderen Seite des Kopplers definiert werden.
• Der verschmolzene Koppler 10 ist auf ein Kopplungsverhältnis von 50/50 eingestellt, so daß wenn der verjüngte Abschnitt des Kopplers nicht verzerrt ist, alles entlang der Faser 13 laufende Licht in dieselbe Faser zurückreflektiert wird, so daß der Schleifenreflektor 20 als perfekter Spiegel wirkt.
• Wenn der verjüngte Abschnitt 12 durch Modulation verzerrt wird, kommen aufgrund von Änderungen des Kopplungsverhältnisses des Kopplers 10 zusätzliche Verlustmechanismen ins Spiel. Ein schwingfähiges Glied 24 (ähnlich dem schwingfähigen Glied 4 aus der Ausgestaltung von Figur 1) ist vorgesehen, um den verjüngten Abschnitt 12 des Kopplers 10 zu deformieren. Die Änderungen im Kopplungsverhältnis bedeuten, daß nicht alles Licht in die Faser 13 zurückgekoppelt wird, nachdem es die Schleife 20 durchlaufen hat, und daß etwas Licht in die Faser 14 gekoppelt wird. Die Faser 14 hat einen Abschluß, um zu verhüten, daß in diese Faser gekoppeltes Licht zurück in den verjüngten Abschnitt 12 reflektiert wird. Da das Signal am verjüngten Abschnitt 12 zweimal entlangläuft, ist die Modulationstiefe erhöht.
• Modulation durch Seitwärtsdeformation, wie in Figuren 1 und 3 gezeigt, ist gegenüber dem Längsmodulationsverfahren aus Figur 2 bevorzugt, da sie leichter zu erzielen ist und höhere Modulationsfrequenzen möglich sind.
• Erfindungsgemäß aufgebaute Modulatoren können mit Trägerfrequenzen von bis zu 3 MHz und Bandbreiten von 30 kHz arbeiten. Durch Verwendung von bei unterschiedlichen Frequenzen arbeitenden Piezovorrichtungen können mehrere Kanäle auf einer einzelnen Faser geführt werden und durch elektrisches Filtern zurückgewonnen werden.
• Ein Vorteil der Ausgestaltung aus Figur 3 ist, daß derartige Modulatoren als kundenseitige Sender in einem TPON- System (telephony on the passive optical network) verwendet werden können. So brauchen kundenseitig keine kostspieligen und möglicherweise gefährlichen Laser vorgesehen zu werden, was die Kosten eines TPON-Systems verringert und seine Sicherheit erhöht.
• Die Verjüngung der einzelnen Faser bei der Ausgestaltung aus Figur 1 kann auch mechanisch, und möglicherweise asymmetrisch, hergestellt werden. Eine weitere Sensibilisierung konnte erreicht werden durch Ätzen eines Gitters auf dem verjüngten Abschnitt 2.

Claims (14)

1. Optischer Signalmodulator, gebildet aus einer Anordnung optischer Fasern mit einer optischen Faser zum Führen eines zu modulierenden optischen Signals, wobei die optische Faser einen zwischen zwei Halterteilen ohne Zwischenhalterung aufgehängten verjüngten Abschnitt aufweist, und mit Mitteln zum Aufbringen einer Modulationssignalstörung direkt auf den aufgehängten verjüngten Abschnitt, um die prozentuale Transmission durch die Faser durch Verzerren der Wellenleitergeometrie des aufgehängten verjüngten Abschnitts zu variieren und dadurch eine Kopplung der Moden des vom verjüngten Abschnitt geführten optischen Signals an gebundene Moden höherer Ordnung gemäß dem Modulationssignal zu bewirken.

2. Modulator nach Anspruch 1, bei dem der aufgehängte verjüngte Abschnitt der optischen Faser unter Spannung zwischen den zwei Halterteilen gehaltert ist.

3. Modulator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der minimal Radius des verjüngten Abschnitts 20 um ist.

4. Modulator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die optische Faseranordnung aus zwei optischen Fasern gebildet ist, die miteinander verschmolzen sind, um einen verschmolzenen Faserkoppler zu bilden.

5. Modulator nach Anspruch 4, bei dem die zwei Fasern zusammen verdrillt worden sind.

6. Modulator nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem eine Reflektorschleife an den verschmozenen Koppler angrenzt.

7. Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verschmolzene Koppler und die Reflektorschleife aus einer einzigen Faser gebildet sind.

8. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Mittel zum Aufbringen von Störungen ein schwingfähiges Glied umfaßt.

9. Modulator nach Anspruch 8, bei dem das schwingfähige Glied auf den verjüngten Abschnitt eine Seitwärtsdeformation ausübt.

10. Modulatoranordnung nach Anspruch 8, bei der das schwingfähige Glied Spannungsänderungen auf den verjüngten Abschnitt ausübt.

11. Modulator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das schwingfähige Glied eine piezoelektrische Vorrichtung umfaßt.

12. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der aufgehängte verjüngte Abschnitt auf seiner Oberfläche mit einem geätzten Gitter versehen ist.

13. Modulator nach einem der Ansprüche 4 bis 11, verwendet als Schalter zum Ändern des Kopplungsverhältnisses zwischen den Fasern des Kopplers, um den Betrieb einer mit dem Koppler verbundenen Zweigleitung zu schalten.

14. Verfahren zum Modulieren der Transmission von optischer Leistung durch eine optische Faser, mit dem Schritt des Ausübens einer Störung direkt auf einen zwischen zwei Haltepunkten ohne Zwischenhalterung aufgehängten verjüngten Abschnitt der Faser, wodurch die Wellenleitergeometrie des verjüngten Abschnitts verzerrt wird, wodurch im Gebrauch Kopplung von vom verjüngten Abschnitt geführten optischen Signalmoden in gebundene Signalmoden höherer Ordnung verursacht wird.