DE69633291T2

DE69633291T2 - Optische pulsübertragung

Info

Publication number: DE69633291T2
Application number: DE69633291T
Authority: DE
Inventors: Neil David Hamble PAYNE; Anatoly Bassett GRUDININ; Igor Andreevich Goncharenko
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: University of Southampton
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: GB2346025B; EP0850515B1; GB0007939D0; DE69633291D1; GB2346025A; CA2231422A1; CA2231422C; WO1997010652A3; EP0850515A2; US6498669B1; AU6935196A; WO1997010652A2; JPH11512536A; AU707426B2

Description

Diese Erfindung betrifft die optische Pulsausbreitung.
Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) ist das Hauptphänomen, das die maximal nutzbare Bitrate von optischen Faserübertragungssystemen beschränkt. Wenn ein kurzer Puls sich entlang der Faser ausbreitet, wandern unterschiedliche spektrale Komponenten des Pulses mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (aufgrund der GVD), was zu einer Pulsverbreiterung führt.
Betrachtet man einen spektralen Bereich, in dem sich „Blau"-Komponenten (kürzere Wellenlänge) schneller als „rote" (längere Wellenlänge) ausbreiten (und solch eine Situation tritt für Wellenlängen größer als 1300 nm in konventionellen nicht-dispersionsverschobenen Single-Mode-Fasern auf), dann enthält die führende Flanke des Pulses die kürzerwelligen spektralen Komponenten, während die längeren auf der nachfolgenden Flanke des Pulses zu finden sind. Mit anderen Worten, variiert die momentane Frequenz innerhalb des Pulses und der Puls wird „gechirped".
Die Pulsverbreiterung Δτ kann ausgedrückt werden in der Form Δτ = Dzδλwobei D die Farbdispersion in ps/nm·km ist, z die Länger der Faser ist und δλ die spektrale Breite des Pulses ist. Es ist dieser Pulsverbreiterungseffekt, der die maximale Pulswiederholungsfrequenz in einem Übertragungssystem begrenzt.
Ein anerkannter Weg der Minimierung oder Reduzierung der Pulsverbreiterung ist die Verwendung von „dispersions-shifted" Fasern mit einem Parameter D nahe null. Ein anderer Weg, hohe Bitraten zu erreichen, ist es, die Gruppengeschwindigkeitsdispersion unter Verwendung der nicht-linearen Eigenschaften des Glases aus der die Faser gemacht ist (üblicherweise dotiertes Quarzglas) zu kompensieren (statt zu versuchen, sie zu minimieren).
Es ist bekannt, daß der Brechungsindex von Quarzglas als Kombination von linearen und nicht-linearen Komponenten ausgedrückt werden kann. Letzteres kann in der Form geschrieben werden nnI = n2I,wobei n₂ der sogenannte nicht-lineare Brechungsindex (der in Quarzglas gleich 2,6·10^–16 cm²/W beträgt) ist und I die Lichtintensität ist. Der nicht-lineare Teil des Brechungsindex verursacht eine Phasenveränderung ϕnΙ = kn2 = 2πn2Iz/λ(wobei λ die Wellenlänge ist) und, falls die Lichtintensität I von der Zeit abhängt (wie es bei Lichtpulsen der Fall ist), dann führt die Nicht-Linearität des Brechungsindex zu einer Variation der Momentanfrequenz innerhalb des Pulses. In der Tat kann die Pulsphase geschrieben werden in der Form ϕ = ω0t – ϕ1 – ϕnI = ω0t – knz – kn2I(t)z,wobei wo die zentrale Pulsfrequenz ist und Φ₁ eine lineare Phasenverschiebung ist. Die erste Ableitung der Pulsphase ist die momentane Pulsfrequenz dϕ/dt = ω = ω0t – kn2zdI(t)/dt.
Somit führt die Nichtlinearität des Brechungsindex zu einem Pulschirp mit einem zu dem dispersionsinduzierten Chirp entgegengesetztem Vorzeichen (unter der Annahme einer positiven Faserdispersion in dem Bereich von größer als 1300 nm). Eine physikalische Interpretation ist die, daß die Faser-Nichtlinearität veranlaßt, daß sich die Rotkomponenten des Pulsspektrums schneller als die blauen bewegen und dieser Effekt kann verwendet werden, um die dispersionsinduzierte Pulverbreiterung zu kompensieren.
Es ist klar, daß man, um die Dispersionsverbreiterung des Pulses unter Verwendung der Nichtlinearität des Brechungsindex auszuschalten, eine bestimmte Pulsintensität für eine gegebene Pulsbreite τ₁₀ und Dispersion benötigt. Solche Pulse mit Dispersionsverbreiterung, die durch nicht-lineare Kompression ausgeglichen sind, werden Solitonen genannt. Ihre Intensität entspricht der Intensität des sogenannten Fundamental-Soliton I_S und kann geschrieben werden in der Form IS = 0,322λ3D/(4π2τ2 c)
Somit benötigt man, je geringer die Dispersion und je breiter der Puls ist um so weniger Intensität, um die dispersionsinduzierte Verbreiterung zu kompensieren.
Solitonen haben eine Anzahl von interessanten Eigenschaften, aber die wichtigsten Solitoneigenschaften (für praktische Anwendungen) sind unten aufgelistet. Diese werden später als die Eigenschaften #1 bis #7 bezeichnet.

1. Ein Soliton ist ein bandbreitenbegrenzter Puls mit dem Zeitbandbreitenprodukt τΔν = 0,315, wobei Δν = cδλ/λ² die spektrale Bandbreite des Solitons ist.
2. Die Phase des Solitons ist konstant entlang des Pulses.
3. Die temporäre Form des Solitons ist sech²t (wobei t die Zeit ist).
4. Die Intensität und Pulsbreite des Solitons stehen miteinander in Bezug, nämlich Pτ2 = Const·D.(typischerweise ist P = 10 mW für τ = 5 ps und D = 1 ps/nm·km).
5. Nach einem Ausbreitungsabstand entwickelt sich ein (sech²t) Solitonpuls und eine Nicht-Soliton-Komponente.
6. Ein Soliton begleitet von unechter Strahlung wird in ein anderes Soliton mit modifizierten Parametern (Zentralfrequenz, Intensität, Pulsbreite) und eine Nicht-Soliton-Komponente transformiert.
7. Zwei Solitonen, die zeitlich eng beabstandet sind, wechselwirken miteinander über sich überlappende optische Felder. Um Soliton-Wechselwirkungen zu verhindern, sollte die Separationszeit zwischen Solitonen fünfmal ihre Pulsbreite überschreiten.

Wenn sich ein Soliton entlang einer Faser mit Verlust ausbreitet, dann wird seine Intensität geringer und es wird, in Übereinstimmung mit der Solitoneigenschaft #4, breiter. Wenn das Soliton breiter wird, beginnt es, mit benachbarten Pulsen zu interagieren, was für Übertragungssysteme nicht akzeptabel ist.
Ein anderes ernstes Problem ist mit der Solitoneigenschaft #5 verbunden. Während der Ausbreitung in einer verlustbehafteten Faser bleibt das Soliton ein im wesentlichen nicht-linearer Puls für einen gewissen Abstand, was zu einer Einengung seiner spektralen Bandbreite führt, nach diesem Abstand jedoch ist seine Intensität nicht ausreichend für den kompressiven Effekt des nicht-linearen Brechungsindex, um die Faserdispersion adäquat auszugleichen und das Soliton erfährt nur eine temporäre Verbreiterung ohne signifikante Veränderungen in der spektralen Bandbreite. Dies bedeutet, daß der ursprüngliche bandbreitenbeschränkte Puls ein gechirpter Puls wird. Je länger die Wegstrecke, entlang der sich das Soliton ausbreitet, um so mehr unterscheidet es sich von der idealen sech²t-Form und um so größer ist daher der Bruchteil der Nicht-Soliton-Komponente in dem sich ausbreitenden Puls. Nach der Verstärkung wird diese Nicht-Soliton-Komponente von dem Soliton gemäß der Solitoneigenschaft #5 verschüttet. Physikalisch ist die Nicht-Soliton-Komponente ein dispersiver Puls, der sich schneller oder langsamer als das Soliton ausbreiten kann und der mit dem Hauptpuls wechselwirken kann, was dessen Parameter verändert oder ihn sogar zerstört. Die Stärke dieser nicht-linearen Kopplung hängt von der Intensität der Nicht-Soliton-Komponente ab und somit wird, je mehr sich die Solitonform von dem „Ideal-Soliton" unterscheidet, die Nicht-Soliton-Komponente um so stärker die Ausbreitung des Hauptpulses beeinflussen.
Die Situation wird viel schlimmer, wenn sich ein Soliton in einem Transmissionssystem ausbreitet, was normalerweise eine Kette von Faserverbindungen und optischen Verstärkern aufweist. In jeder Stufe emittiert das Soliton die Nicht-Soliton-Komponente und nach verschiedenen Verstärkungsstufen wird der Grad der Nicht-Soliton-Komponente so groß, daß die nicht-lineare Kopplung zwischen den beiden Feldern ein Aufbrechen des Solitons verursacht.
Somit führt die Wechselwirkung zwischen Solitonpulsen und der begleitenden Nicht-Soliton- Komponente zu einer Soliton-Instabilität. Ein vorher vorgeschlagener Weg zur Reduzierung dieses Effekts ist es, den Verstärkungsabstand viel kürzer als die Soliton-Dispersionslänge z_d zu halten, die näherungsweise gleich τ²/D ist. Führt man dies durch, so reduziert sich die Menge der ausgestrahlten Nicht-Soliton-Komponente zu Lasten einer Verkürzung des erforderlichen Verstärkungsabstandes. Letzteres ist teuer und ist somit kommerziell unerwünscht.
Beispielsweise ist in Standard-Telekom-Fasern mit einer Gruppengeschwindigkeitsdispersi on um 17 ps/nm·km die Dispersionslänge in der Größenordnung von 0,5 km für 5 ps Pulse und 40 km für 50 ps Pulse und normalerweise sollte der Verstärkungsabstand kleiner als dieser Abstand sein. Eine Verbesserung wird in „dispersions-shifted" Fasern mit einer typischen Dispersion von 1 ps/nm·km erhalten, wobei in diesem Fall die Dispersionslänge und somit der geeignete Verstärkungsabstand 7 km für 5 ps Pulse und 700 km für 50 ps Pulse sein kann. Somit stellt praktisch gesprochen, der Effekt der Soliton-Instabilität nicht nur eine Begrenzung der Pulsbreite und des Verstärkerabstandes dar, sondern diktiert ebenso die Verwendung von „dispersions-shifted" Fasern in Soliton-Übertragungssystemen.
Es gibt ein anderes ernstes Problem, das mit der Soliton-Eigenschaft #6 verbunden ist. Bei jedem Verstärker wird eine kleine Menge verstärkter spontaner Emission zu dem Soliton hinzugefügt. Dieses Rauschen verursacht zufällige Variationen der Soliton-Parameter, einschließlich der Soliton-Zentralfrequenz, was zu einer Unsicherheit in der Soliton-Ankunftszeit führt, was ein Zeit-Jitter bzw. Zeitflackem verursacht.
Zusammenfassend ist die nicht-lineare Kupplung zwischen dem Soliton und der Nicht-Soliton-Komponente ein Schlüsselparameter, der die Soliton-Stabilität beeinflußt und der beste Weg, um eine stabile Soliton-Ausbreitung in einem System mit vernünftig langem Verstärkerabstand beizubehalten, liegt darin, die Größe der Nicht-Soliton-Komponente zu reduzieren. Aus diesem Grund haben eine Anzahl von praktischen Soliton-Übertragungssystemen die Verwendung von sogenannten Soliton-Übertragungssteuertechniken vorgeschlagen.
Es gibt zwei Hauptstrategien in der Soliton-Übertragungssteuerung. Das Hauptziel der ersten ist es, einen höheren Übertragungsverlust für die Nicht-Soliton-Komponente als für das Soliton bereitzustellen, was somit die Nicht-Soliton-Komponente reduziert. Verschiedene Verfahren wurden vorgeschlagen, um die Nicht-Soliton-Komponente zu minimieren oder zu reduzieren.
In dem ersten Verfahren (siehe Veröffentlichungsreferenz 1 unten, bezeichnet als [1]) wurde ein Amplitudenmodulator zeitlich ausgerichtet, um die Solitonen am Scheitelwert ihrer Transmission abzupassen. Die Pulse, die außerhalb ihres zugewiesenen Zeitslots positioniert waren, wurden erneut mit der Zeit ausgerichtet. Der Hauptnachteil dieses Schemas ist die Anforderung, den zusätzlichen Modulator periodisch entlang der Länge des Übertragungssystems aufzunehmen.
Ein anderer Ansatz wurde in [2] gezeigt, wo die Scheitelwertübertragungsfrequenzen von optischen Filtern (sogenannten Führungsfiltern) graduell an jeder Filterstation entlang der Faserverbindung versetzt werden. Dies macht die Verbindung im wesentlichen opak gegenüber Rauschen und transparent für Solitonen. Die Verschiebefrequenztechnik erfordert jedoch einen sehr präzisen Satz von optischen Filtern, die in der korrekten Reihenfolge entlang der optischen Faserverbindung plaziert sein müssen.
Eine dritte vorher vorgeschlagene Technik ist die Verwendung der nicht-linearen Verstärkung (oder des Verlusts). Die Hauptidee ist es, zusätzliche Verluste für lineare Strahlung relativ zu der, der die Solitonen ausgesetzt sind, unter Verwendung von sowohl Filterung als auch sättigbare Absorber einzuführen. Falls eine lineare Überschußverstärkung an einer Faserverstärker/sättigbare Absorber-Kombination groß genug ist, um den Soliton-Verlust, der in der vorherigen Fasersektion aufgetreten ist, zu kompensieren, jedoch nicht ausreichend für die Kompensation des linearen Strahlungsverlusts ist, dann kann man eine stabile Soliton-Ausbreitung mit einer unterdrückten lowlevel Nicht-Soliton-Komponente erwarten. Das Hauptproblem, das mit diesem Verfahren verknüpft ist, ist die endliche Erholungszeit des sättigbaren Absorbers.
Chandrakumar et al. in Journal of Lightwave Technology, Band 12, Nr. 6, Juni 1994, Seiten 1047–1052 beschreibt eine theoretische Analyse und eine Simulation eines Jitters in einem longhaul Telekommunikationssystem, basierend auf Soliton-Übertragung. Chandrakumar modelliert ein Telekommunikationssystem, das eine Anzahl von Verstärkungsrepeatern mit einer einzelnen Länge einer dispersionskompensierenden Faser am Ende der Verbindung hat.
Es besteht somit die Notwendigkeit nach einer verbesserten Technik für die Stabilisierung der optischen Soliton-Ausbreitung entlang einer optischen Faserkommunikationsverbindung. Solch eine Technik könnte potentiell höhere Bitraten und/oder größere Verstärkerabstände, die verwendet werden, ermöglichen.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren der optischen Pulsausbreitung über eine dispersive optische Faser bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Einkoppeln der optischen Pulse in die Faser mit einer Pulsintensität, die ausreichend ist, die nicht-lineare Dispersion während der Ausbreitung durch einen ersten Abschnitt der Faser bereitzustellen, und
Bereitstellen von ein oder mehreren Gegen-Chirping-Einrichtungen, um im wesentlichen die Dispersion eines verbleibenden, zweiten Abschnitts der Faser zu kompensieren.
Die Erfindung stellt eine neue Hybrid-Technik für die Pulsausbreitung entlang einer optischen Faser bereit. Ursprünglich sind in einem ersten Abschnitt der Faser die Pulse, die in die Faser eingekoppelt werden, ausreichend intensiv, um eine nicht-lineare Dispersionskompensation der Faserdispersion bereitzustellen. Wenn in einem zweiten Abschnitt der Faser durch Faserverluste und Pulsverbreiterung die Pulsintensität nicht länger ausreichend ist, um diesen Effekt bereitzustellen, wird eine Gegen-Chirping-Einrichtung bereitgestellt, um die Dispersion des zweiten Abschnitts zu kompensieren.
Dieser lineare/nicht-lineare Hybrid-Technik kann mit Vorteil den möglichen Verstärkerabstand in einer Übertragungsverbindung vergrößern.
Die Gegen-Chirping-Einrichtung kann irgendwo entlang des zweiten Abschnitts befestigt werden, ist jedoch vorzugsweise ein Teil des Verstärkerpakets am Ausgang des zweiten Abschnitts. Es versteht sich, das der Einkoppelschritt durchgeführt werden könnte durch Einkoppeln der Pulse von einem optischen Transmitter, einer anderen Faser, einem Verstärker usw.
Ausführungsformen der Erfindung adressieren die Probleme des Erhaltens einer stabilen Soliton-Ausbreitung durch Steuern der Größe der Nicht-Soliton-Komponente. Diese Technik wird als gechirpte, bandbreitenlimitierte Verstärkung (CBLA) bezeichnet.
Wie oben erwähnt, wird, wenn sich ein Soliton in einer Faser mit Verlust ausbreitet, seine Intensität geringer und es wird somit breiter und transformiert sich von einem bandbreitenbegrenzten Puls in einen gechirpten Puls. Nach der Verstärkung tendiert ein gechirpter nicht-linearer Puls dazu, sich in ein Fundamental-Soliton und eine Nicht-Soliton-Komponente aufzusplitten und daher wird nach einigen Verstärkungsstufen der Anteil der Nicht-Soliton-Komponente nicht akzeptierbar groß und veranlaßt, daß das Soliton aufbricht (es sollte betont werden, daß das Injizieren eines Pulses mit höherer Intensität in die Faser, um die Faserverluste zu kompensieren und das Verwenden des Multi-Soliton-Komprimierungseffekts, für die Kompensation der Soliton-Verbreiterung, ineffizient ist, was an der Erzeugung eines gleichförmigen größeren Grads der Nicht-Soliton-Komponente liegt, die erneut das Soliton schnell zerstört).
Wenn jedoch ein Gegen-Chirp absichtlich über das Soliton gestellt wird, um den Faserdispersions-induzierten Chirp zu kompensieren, dann emittiert das Soliton viel weniger lineare Strahlung und kann sich entlang viel längerer Strecken ausbreiten, ohne aufzubrechen. Somit führt die Verwendung einer gechirpten bandbreitenbegrenzten Verstärkung in Ausführungsformen der Erfindung zu einer stabilen Soliton-Ausbreitung.
Die Erfindung stellt ebenso ein Verfahren der optischen Kommunikation bereit, das aufweist:
Einkoppeln optischer Pulse in eine dispersive optische Faserverbindung mit einer Pulsintensität, die ausreicht, um eine nicht-lineare Dispersionskompensation während der Ausbreitung durch eine erste Länge der Faser bereitzustellen, und
Bereitstellen einer Reihe von Verstärkereinheiten, die entlang der Faser mit einem Abstand beabstandet sind, der größer als die erste Länge der Faser ist, wobei jede Verstärkereinheit eine Gegen-Chirping-Einrichtung für das im wesentlichen Kompensieren der Dispersion eines zweiten Abschnitts der Faser aufweist, wobei der zweite Abschnitt die Differenz zwischen der ersten Länge und dem Verstärkerabstand ist, und einen Verstärker für das Einkoppeln von verstärkten optischen Pulsen in die optische Faser mit einer Pulsintensität aufweist, die ausreichend ist, um während der Ausbreitung durch die erste Länge der Faser eine nicht-lineare Dispersionskompensation bereitzustellen.
Andere Aspekte und bevorzugte Merkmale der Erfindung werden in den angefügten Ansprüchen festgelegt. Es versteht sich, daß bevorzugte Merkmale, die in Bezug auf einen Aspekt der Erfindung definiert sind, bei anderen Aspekten der Erfindung anwendbar sind.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet werden, und in denen:
die 1a bis 1c schematische Graphen sind, die das Phänomen der Gruppengeschwindigkeitsdispersion und Nicht-Linearität darstellen,
die 2a und 2b schematische Graphen sind, welche die Soliton-Verbreiterung, die durch Faserverlust verursacht wird, veranschaulichen,
3a ein schematisches Diagramm einer Kette von Faserverbindungen und konventionellen Verstärkern ist,
3b ein schematischer Graph ist, der das Aufbrechen von Solitonen darstellt, welche die Kette von 3a passieren,
4 ein schematisches Diagramm eines optischen Übertragungssystems ist,
die 5a und 5b schematische Diagramme sind, welche die Soliton-Ausbreitung ohne bzw. mit CBLA darstellen,
6 ein schematischer Graph ist, der die Soliton-Phase vor und nach CBLA darstellt,
7 ein schematisches Diagramm eine gechirpten bandbreitenbegrenzten Verstärkers ist,
8 ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform eines gechirpten, bandbreitenbegrenzten Verstärkers ist,
9 ein schematisches Diagramm einer optischen Kommunikationsvorrichtung ist, die ein CBLA verwendet,
10a eine schematische Konturabbildung ist, welche die Pulspaarausbreitung in einem 40 Gbit/Sekunde-System mit teilweiser Dispersionskompensation und Spektralfilterung darstellt,
10b eine schematische Konturabbildung ist, welche die Pulspaarausbreitung in einem 40 Gbit/Sekunde-System ohne teilweise Dispersionskompensation und spektraler Filterung darstellt,
11a ein schematischer Graph ist, der die temporäre Form eines optischen Pulses unmittelbar nach dem Passieren eines Verstärkers zeigt,
11b ein schematischer Graph ist, der die Pulsphasenvariation zwischen den Verstärkern darstellt, und
12 ein schematischer Graph ist, der den Zeitjitter und eine Anzahl von Rauschphotonen als eine Funktion des Abstands darstellt.
Die 1a bis 1c sind schematische Graphen, die das Phänomen der Gruppengeschwindigkeitsdispersion und der Nicht-Linearität, die in der Einleitung beschrieben ist, darstellen. Insbesondere 1a stellt die zeitabhängige Intensität eines Pulses dar, der über eine optische Faserverbindung übertragen wird; 1b stellt ein Chirp dar, das durch GVD induziert wird und 1c stellt einen im wesentlichen entgegengesetzten Chirp dar, der durch die Nicht-Linearität der Faser induziert wird.
Die 2a und 2b sind schematische Graphen, welche die Soliton-Verbreiterung darstellen, die durch einen Faserverlust verursacht wird. Beide Figuren zeigen, daß die Intensität eines Soliton-Pulses verschwindet und sich die Pulsbreite mit durchlaufendem Abstand erhöht. Zeit ist in Einheiten normalisiert auf die Soliton-Pulsbreite, der Abstand ist in willkürlichen Einheiten aufgetragen.
3a ist ein schematisches Diagramm einer Kette von Faserverbindungen 10 und konventionellen Verstärkern 20, wie in der Einführung beschrieben. 3b ist ein schematischer Graph, der das Aufbrechen von Solitonen darstellt, die durch solch eine Kette geleitet werden. Die Zeit ist in auf Soliton-Pulsbreiten normalisierte Einheiten dargestellt; der Abstand ist in Einheiten normalisiert auf die Faserdispersionslänge dargestellt.
4 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Übertragungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Um das Verfahren der Soliton-Steuerung unter Verwendung von CBLAs zu demonstrieren, wird nun das Transmissionssystem, das in 4 dargestellt ist, unter Verwendung von Simulationsmodellen beschrieben.
In 4 weist das System eine Länge einer optischen Faser 30, einen optischen Bandpaßfilter 40 mit einer Amplitudentransmissionsfunktion H(ω) = (1 + 2iωB)^–1, wobei ω die optische Frequenz relativ zu der Pulszentralfrequenz ist und B die optische Filterbandbreite ist, einen optischen Verstärker 50 und eine Chirping-Einrichtung 60 auf.
Die Ausbreitung in der Faser 30 wurde unter Verwendung der split-step Fourier-Methode modelliert, um die nicht-lineare Schrödinger-Gleichung zu lösen. Für die Chirping-Einrichtung wurde ein Modell verwendet, das den ankommenden Puls gemäß A(ω) → A(ω)exp(iαω²) transformiert, wobei α eine dimensionslose Größe ist, welche die Chirp-Stärke anzeigt. Die gewählte spektrale Filterbandbreite war viermal breiter als die Soliton-Bandbreite.
Die Modellierung wurde mit und ohne den Filter 40 und der Chirping-Einrichtung 60 durchgeführt, um die Vorzüge der Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
5a zeigt die Soliton-Ausbreitung in Abwesenheit von sowohl der spektralen Filterung als auch des Gegen-Chirpings. Das Soliton ist instabil und bricht nach einigen Stufen der Verstärkung auf.
In einem System mit CBLA (5b) ist das Soliton viel stabiler und ist in der Lage, sich über 10.000 km in einer „dispersions-shifted" Faser ohne eine signifikante Verschlechterung auszubreiten. Der Verlust zwischen den Verstärkern beträgt 10 dB und der Verstärkerabstand ist gleich der dreifachen Dispersionslänge. Die zusätzliche Verstärkung aufgrund des Filters beträgt 0,2 dB und der optimale Chirp-Stärken-Parameter α = 0,6 oder in physikalischen Einheiten 4 ps² für 5 ps Pulse.
Der Effekt des Chirpings führt zu Pulsbreitenvariationen zwischen den Verstärkern von weniger als 20%, was einen Verstärkerabstand gleich der dreifachen Dispersionslänge erlaubt, was mit den Anforderungen nach einem Abstand von weniger als einer Dispersionslänge für konventionelle Soliton-Systeme verglichen werden sollte.
6 ist ein schematischer Graph, der die Soliton-Phase vor und nach dem CBLA darstellt und tatsächlich die Pulsphase vor und nach dem Chirping-Element 60 zeigt. 6 zeigt die nahezu vollständige Kompensation des verlustinduzierten Chirps an.
Es sollte betont werden, daß eine ähnliche Soliton-Stabilität für einen 20-dB-Verlust zwischen den Verstärkern erhalten werden kann, die Chirp-Stärke jedoch erhöht werden muß.
Für die folgenden Erörterungen wird nun ein Abstand, über den ein Soliton seine nicht-linearen Eigenschaften beibehält, als z_n = N²/Γ festgelegt, wobei Γ der optische Verlust über einer Dispersionslänge ist und N die Ordnung des Eingangs-Solitons ist (diese Definition solch einer nicht-linearen Länge ist nahe derjenigen, die in [4] angegeben ist im Kontext der Anwendbarkeit von Störungsverfahren bei der nicht-linearen Schrödinger-Gleichung mit Verlust). Um die Dispersionsverbreiterung innerhalb der verbleibenden Faserlänge zwischen den Verstärkern, in denen sich das Soliton als ein linearer Puls ausbreitet, zu minimieren, hat man eine Dispersions-Kompensationstechnik anzuwenden. Die Größe der Dispersion (in normalisierten Einheiten), die kompensiert werden muß, ist gleich 0,5(z_a – z_n) (für Werte von z_n ≤ z_a).
Absichtliches Puls-Gegenchirping führt zu einer effektiven Reduktion der Faserdispersion um eine Länge δ = α. Wählt man beide Größen gleich, so ergibt sich eine einfache Relation zwischen dem Verstärkerabstand, dem Faserverlust und der erforderlichen Chirp-Stärke, d. h. 2α = (za – N²/Γ). Im vorliegenden Fall ist T = 0,77 für einen 10-dB-Verlust und 1,54 für 20 dB, was theoretische Werte der erforderlichen Gegen-Chirp-Stärke von 0,56 bzw. 0,82 ergibt, was nahe dem ist, was durch numerische Berechnungen (0,59 bzw. 0,83) herausgefunden wurde. Somit wird in den vorliegenden Ausführungsformen die teilweise Dispersionskompensation verwendet.
Unter Verwendung von CBLA gibt es vier wichtige Parameter, die eingestellt werden können, um die Soliton-Stabilität zu verändern. Dies sind (i) die Filterbandbreite, (ii) die Verstärkung des Ver stärkers, (iii) der Verstärkerabstand und (iv) die Chirp-Stärke. Die oben beschriebenen Computersimulationen zeigen an, daß die Filterbandbreite vorzugsweise drei- bis zehnmal breiter als die der Solitonen sein sollte, während die Chirp-Stärke von dem Verstärkungsabstand und dem Verlust zwischen den Verstärkern abhängt und vorzugsweise in Übereinstimmung mit dem Ausdruck: α = 0,5za(1 – (1 + 0,02Γ)2/0,23Γ)gewählt werden sollte, wobei z_a der Verstärkerabstand in Dispersionslängen (d. h. z_a = z/z_d) ist und Γ der optische Verlust zwischen den Verstärkern in dB ist. Wenn beispielsweise der Verstärkungsabschnitt gleich der dreifachen Dispersionslänge ist, dann erfordert ein System mit einem 10 dB Verlust zwischen den Verstärkern eine Gegen-Chirp-Stärke gleich 0,6, während in einem System mit einem 20 dB Verlust man ein Gegen-Chirping über die Solitonen einführen muß mit einer Stärke gleich 0,83. Mit anderen Worten, kompensieren wir im ersten Fall 40% der Faserdispersion und im zweiten Fall 55%.
Es sollte verstanden werden, daß das Vergrößern des Verstärkerabstands zu einer Vergrößerung der Größe der Nicht-Soliton-Komponente führt, die von den sich ausbreitenden Solitonen emittiert wird, und diese Menge hängt nicht nur von dem physikalischen Abstand zwischen den Verstärkern, sondern ebenso von der Soliton-Pulsbreite und der Faserdispersion ab und unsere Computersimulationen offenbaren, daß für eine stabile Soliton-Ausbreitung die folgende Ungleichung erfüllt sein sollte: za = z/zd ≤ 3 oder z ≤ (2τ2/Dλ2)wobei z der Verstärkerabstand in km, τ die Soliton-Pulsbreite in ps, D die Faserdispersion in ps/nm·km und λ die Betriebswellenlänge in Mikrometern ist.
Es sollte verstanden werden, daß die Chirp-Stärke in physikalischen Einheiten von der tatsächlichen Pulsbreite abhängt und in Übereinstimmung mit dem Ausdruck gewählt werden sollte αph = ατ2/4worin α_ph eine physikalische Chirp-Stärke in ps² ist, α eine normalisierte Chirp-Stärke, gegeben durch α = 0,5z_a(1 – (1 + 0,02Γ)²/0,23Γ) und τ die Soliton-Pulsbreite in ps ist.
Somit stellt im Gegensatz zu der Veröffentlichung [8], wo eine Länge einer dispersionskompensierten Faser eingesetzt wurde, um eine Gesamtdispersion von null zu erreichen (und ein Zeitfluktuieren zu reduzieren), die vorliegenden Ausführungsformen eine teilweise Dispersionskompensation in Soliton-Übertragungssystemen durch eine Gegen-Chirp-Verstärkung bereit, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Soliton-Stabilität führen kann und eine Reduktion in der Pulsbreite, eine Erweiterung des Verstärkerabstands und eine Vergrößerung der übertragenen Bitrate erlaubt.
Eine mögliche Implementierung dieser Technik ist in 7 gezeigt. Eine Verstärkereinheit besteht aus einem optischen Verstärker 70, einem optischen Schmalbandfilter 80, einem optischen Zirkulator 90 und einem gechirpten Fasergitter 100. Die Solitonen laufen, nachdem sie sich entlang einer Länge einer optischen Faser 110 ausgebreitet haben, durch den optischen Zirkulator, werden an dem gechirpten Gitter (3) reflektiert, um den verlustinduzierten Chirp zu kompensieren und erfah ren, nachdem sie durch den optischen Zirkulator und den optischen Bandpaßfilter geleitet wurden, in der Faserverstärkung eine Verstärkung.
Beispielsweise führt in einem 20 Gb/Sek. System, basierend auf einer „dispersions-shifted" Faser mit einer Dispersion von 0,5 ps/nm·km (die Soliton-Pulsbreite beträgt 10 ps und das Markierungs-Abstandsverhältnis beträgt 1 : 5), dann die Anwendung der vorliegenden Technik zu einem Anstieg des Verstärkerabstandes bis zu 100 km (von einem typischen 40 km Abstand ohne CBLA). Die erforderliche Chirp-Stärke beträgt 14 ps². Ein 40 Gb/Sek. System erfordert eine Pulsbreite von 5 ps, der Verstärkerabstand kann bis auf 50 km erweitert werden und die Chirp-Stärke beträgt 4 ps².
Ein anderes relevantes Beispiel der Anwendung der vorliegenden Technik ist ein System, basierend auf einer nicht-dispersions-shifted Standard-Telekom-Faser mit typischerweise 17 ps/nm km Gruppengeschwindigkeitsdispersion. In diesem Fall kann für ein 10 Gb/Sek. System (Pulsbreite 22 ps) der Verstärkungsabstand auf 25 km erweitert werden und die erforderliche Chirp-Stärke beträgt um 40 ps².
Eine andere mögliche Ausführungsform eines CBLA ist in 8 gezeigt, wo ein optischer Verstärker 70 und ein Bandpaßfilter 80 von einem nicht-linearen Verstärkungsschleifenspiegel (NOLM) 120 gefolgt wird, der die Chirp-Wirkung bereitstellt.
9 ist ein schematisches Diagramm einer optischen Kommunikationsvorrichtung, die einen optischen Transmitter 130 für das Erzeugen eines optischen Signals, das sukzessive im wesentlichen solitonartige Pulse, optische Faserverbindungen 110, CBLAs 140 und einen optischen Empfänger 150 aufweist.
Es sollte betont werden, daß die Anordnung der Komponenten innerhalb der Verstärkungseinheit (d. h. Verstärker, Filter und Chirp-Einrichtung) willkürlich sein kann und von der speziellen Konfiguration der Einheit abhängt. Darüber hinaus können in einigen Fällen zwei oder mehrere Komponenten in einer multifunktionalen Einheit zusammengesetzt sein, welche dieselbe Aktion erzeugt, d. h. gechirpte bandbreitenbegrenzte Verstärkung.
Es sollte ebenso verstanden werden, daß es einige weitere Implementierungen der Grundidee innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung gibt, von denen einige wie folgt umrissen werden. Einige der getrennt bekannten Techniken für das Erzeugen von Chirp können in der Verstärkungseinheit aufgenommen werden. Dies kann beispielsweise die Verwendung von Halbleitervorverstärkern, Fasern oder ebenen Wellenleitern mit einem großen nicht-linearen Brechungsindex beinhalten.
Während die obige Erörterung sich auf Solitonen bei einer Wellenlänge von 1550 nm bezieht, ist das Konzept der Soliton-Übertragungssteuerung auf jedes Soliton-Übertragungssystem anwendbar, das beispielsweise bei 1300 nm arbeitet.
Die Ergebnisse der Soliton-Übertragungsexperimente unter Verwendung von unterschiedlichen Verfahren für die Solitonsteuerung sind in Tabelle 1 unten zusammengefaßt. Die vorliegende Technik erlaubt nicht nur die Verwendung der kürzesten Pulse, sondern bietet ebenso den höchsten Wert des Produkts hinsichtlich des Verstärkerabstands und der Bitrate. Die Technik erlaub ebenso ein Upgrade bzw. eine Aufrüstung bereits existierender Übertragungssysteme auf eine 10 Gb/Sek. Bitrate.
Einige weitere Merkmale dieses Typs der Datenübertragung werden unten unter Bezug auf die 10a, 10b, 11a, 11b und 12 dargestellt.
Die Ergebnisse basieren auf numerischer Modellbildung eines Übertragungssystems, das eine optische Faser und eine Verstärkereinheit aufweist. Die Ausbreitung in der Faser wurde unter Verwendung des sogenannten split-step Fourier-Verfahrens modelliert, um die nicht-lineare Schrödinger-Gleichung (NSE) zu lösen. Der Verstärkerabstand in dem Modell wurde zu 100 km, der Faserverlust zu 0,2 dB/km, die Faserdispersion zu 0,17 ps/nm·km und die Dispersion dritter Ordnung zu 0,07 ps/nm·km ausgewählt.
Jede Verstärkereinheit wurde als ein konzentrierter Verstärker und ein linear gechirptes Fasergitter modelliert, das in der Lage ist 60% der Faserbereichsdispersion zu kompensieren. Die Reflexionskurve eines typischen gechirpten Fasergitters hat eine flache Oberseite und steile Schultern und daher wurde eine Butterworth-Typ Form verwendet, um die Ortsabhängigkeit der Fasergitterreflektivität zu beschreiben:
wobei ω die optische Frequenz ist, B die spektrale Bandbreite des Gitters ist und m die Ordnung des Butterworth-Filters ist.
Um ein 40 Gbit/s-Übertragungssystem abzubilden, wurde eine 4,5 ps Pulsbreite und eine 25 ps Pulsseparation verwendet. Die zusätzliche Verstärkung an jedem Gitter, die von seinen Filtereigenschaften herrührt, betrug 0,12 dB für m = 3, während eine Fabry-Perot-Form (m = 1) eine zusätzliche Verstärkung von 0,4 dB übernimmt.
Die 10a ist eine schematische Konturabbildung einer Pulspaarausbreitung, die unter Verwendung dieses Modells erhalten wurde, was eine stabile Soliton-Ausbreitung über einen (idealerweise) unbegrenzten Abstand anzeigt. 10b ist eine ähnliche Abbildung in Abwesenheit einer Chirp-Kompensation.
Diese Daten zeigen, daß in einem System mit Dispersionsteilkompensation der Bruchteil der emittierten Nicht-Soliton-Komponente sehr klein wird, was nur zu einer schwachen nicht-linearen Kopplung zwischen den Soliton- und der Nicht-Soliton-Komponenten führt; das Soliton bleibt im wesentlichen intakt über (idealerweise) unbegrenzte Abstände.
In einem Papier, veröffentlicht nach dem ersten Prioritätsdatum dieser Anmeldung [10], wurde darauf hingewiesen, daß die Pulsform in solch einem System nicht der Sekanthyperbolikus von regulären Solitonen ist, sondern eine Gaußsche Kurve ist. Dasselbe Merkmal wurde in dem vorliegenden Modell beobachtet, wie schematisch in 11a dargestellt ist, was die temporäre Pulsform unmittelbar nach der Verstärkung zeigt. Eine mögliche Erklärung für solch eine ungewöhnliche Pulsform ist, daß mit steileren Flanken der Gaußpuls eine größere Selbstphasenmodulation in dem ersten Teil der Faserspannweite erreicht, was ihm erlaubt, den Bruchteil der emittierten Nicht-Soliton-Komponente zu minimieren oder zu reduzieren. Die Phasenvariation zwischen den Verstärkern ist schematisch in 11b dargestellt.
Ein unvermeidbarer Effekt der inkohärenten Verstärkung ist der, daß jeder Verstärker dem Signal Rauschen hinzufügt. Da das System nicht-linear ist, verändert das spontane Emissionsrauschen nicht nur die Soliton-Amplituden, sondern ebenso die Trägerfrequenzen, was zu dem sogenannten Puls-Walk-Off (Gordon-Haus-Schwankung) führt. Es wurde gezeigt, daß Inline-Frequenzfilter leistungsfähige Mittel zur Reduzierung der Gordon-Haus-Schwankung sind [11]. Die Stärke der Filter wird jedoch durch das Wachsen der CW-Strahlung nahe der Filterzentralfrequenz beschränkt, und um somit diesen Effekt zu minimieren oder zu reduzieren, wurde die Verwendung von Butterworth-Filtern vorgeschlagen [12]. In diesem Kontext erlaubt die Anwendung von Fasergittern als Chirping-Einrichtungen, daß das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems mit Inline-Filtern verbessert wird, während dieselbe Unterdrückung des Puls-Walk-Off beibehalten wird.
12 stellt die Standardabweichung der Pulsposition dar, wenn jeder Verstärker den Pulsen eine zufällige Frequenzverschiebung mit der Varianz [13] einfügt
wobei A_eff der effektive Faserkernbereich, η_sp der Rauschfaktor des Verstärkers und P|P_f das Verhältnis der eingekoppelten Peakleistung zu der fundamentalen Soliton-Peakleistung ist (was gleich 2,5 in dem vorliegenden Modell ist).
Nach 7500 km Ausbreitung beträgt die Standardabweichung des Jitters 1,24 ps (für eine Bitfehlerrate von 10^–9 sollte der Puls-Jitter geringer als 25/(3 × 6.1) = 1,36 ps sein).
Die Gesamtzahl von spontan emittierten Photonen innerhalb des Zeitfensters T kann mit der Verwendung der Gleichung 6,18 von [11] berechnet werden:
wobei Γ der Faserverlust ist, f = (G – 1)²/(GInG) der Rauschverstärkungsfaktor ist, D (x) die Dawson-Funktion ist und δg der Überschußfilterverlust ist.
12 stellt ebenso das Anwachsen der Rauschphotonen in einem System mit einer Überschußverstärkung von 0,4 dB (ein konventionelles Fabry-Perot-Filter) und von 0,12 dB (ein Butterworth-Filter mit m = 3) dar. Da ein durchschnittliches 4,5 ps Soliton in dem modellierten System 10⁶ Photonen aufweist, erlaubt die Verwendung von konventionellen Filtern dann für ein SNR von 20 dB eine Ausbreitung frei von Bitfehlern für 3500 km, wobei für Butterworth-Typ-Filter der Abstand mehr als 7500 km ist.
Zusammenfassend stellen Ausführungsformen der Erfindung einen optischen Verstärker für das Verstärken von im wesentlichen solitonartigen optischen Pulsen bereit, wobei der Verstärker eine Gegen-Chirping-Einrichtung und ein bandbreitenbegrenzendes optisches Filter aufweist.
Literaturnachweise

1. Kubota, H. et al: "Soliton transmission control in time and frequency domains", IEEE J. Quantum Electron., 29, 2189, (1993)
2. Widdowson, T. et al, Electronics Letters, 30, 1866, (1994)
3. Mollenauer, L. F. et al: "The sliding-frequency guiding filter: an improved form of soliton jitter control", Opt. Lett., 17, 1575, (1992)
4. Matsumoto, M. et al: "Numerical study of the reduction of instability in bandwidth-limited amplified soliton transmission", Opt. Lett. 18, 891, (1993)
5. Atkinson, D. et al, Opt. Lett., 19, 1514, (1994)
6. Blow, K. J. et al: "The asymptotic dispersion of soliton pulses in lossy fibres". Optica Communications, 52, 367, (1983)
7. Desern, C. et al: "Effect of chirping on soliton propagation in single-mode optical fibres", Opt. Lett. 21, 248, (1986)
8. Suzuki, M. et al: "Timing jitter reduction by periodic dispersion compensation in soliton transmission", OFC'95, paper PD20, (1995)
9. Edagawa, N. et al: "20 Gbit/s 8100 km straight-line single-channel solicon-based RZ transmission experiment using periodic dispersion compensation", ECOC '95, paper Th.A3.5 (1995)
10. Smith, N. J. et al: "Enhanced power solitons in optical fibres with periodic dispersion management" Electron Lett, 1996, 32, 54
11. Mecozzi, A., "Long distance soliton transmission with filtering, JOSA B, 1992, 10, 2321
12. Mecozzi, A., "Soliton transmission control by Butterworth filters" Opt Lett, 1995, 20, 1859
13. Marcuse, D., "An alternative derivation of the Gordon-Haus effect", J Lighrwave Techn, 1992, 10, 273

Claims

Vorrichtung für die optische Kommunikation, die aufweist: ein Lichtleiterdispersionsglied (110), einen optischen Übertrager (130) für das Einkoppeln optischer Pulse in die optische Faser mit einer Pulsintensität, die ausreichend ist, um eine Kompensation der nicht-linearen Dispersion während der Ausbreitung durch eine erste Länge der Faser bereitzustellen, eine Reihe von Verstärkereinheiten (140), die entlang der Faser mit einem Abstand, der größer als die erste Länge der Faser ist, voneinander beabstandet sind, wobei jede Verstärkereinheit eine Gegen-Chirping-Einrichtung (100) für das im wesentlichen Kompensieren der Dispersion eines zweiten Abschnitts der Faser, der die Differenz zwischen der ersten Länge und dem Verstärkerabstand ist, und einen Verstärker (70) für das Einkoppeln verstärkter optischer Pulse in die optische Faser mit einer Pulsintensität, die ausreichend ist, um eine Kompensation der nicht-linearen Dispersion während des Ausbreitens durch die erste Länge der Faser bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Chirp-Stärke α der Gegen-Chirping-Einrichtung im wesentlichen gegeben wird durch: α = 0,5za(1 – (1 + 0,02Γ)2/0,23Γ)wobei z_a die Faserlänge als ein Mehrfaches der Dispersionslänge der Faser ist und Γ der optische Verlust der Faser in Dezibel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der die eingekoppelten Pulse solitonartige Pulse sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dem jede Verstärkereinheit einen bandbegrenzenden optischen Filter (80) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der bandbegrenzende Filter eine Bandbreite von zwischen etwa dreimal und etwa zehnmal der optischen Bandbreite der Solitonpulse, die in die Faser eingekoppelt werden, hat.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Gegen-Chirping-Einrichtung ein Reflektor ist, der entlang der Faser mit einem optischen Zirkulator in den optischen Signalpfad gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Gegen-Chirping-Vorrichtung eine Übertragungsvorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der die Gegen-Chirping-Vorrichtung ein oder mehrere gechirpte Gitter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der die Gegen-Chirping-Vorrichtung ein nicht-lineares Faser-Sagnac-Interferometer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Gegen-Chirping-Vorrichtung eine Länge einer Faser mit einem nicht-linearen Brechungsindex aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Gegen-Chirping-Vorrichtung eine Länge einer zweiten optischen Faser aufweist, die in Reihe mit der ersterwähnten Faser verbunden ist, mit einer Dispersion der entgegengesetzten Richtung zu der der ersterwähnten Faser.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der die Gegen-Chirping-Vorrichtung einen Halbleiterverstärker mit einem nicht-linearen Brechungsindex aufweist.
Verfahren der optischen Kommunikation, das aufweist: das Einkoppeln (130) von optischen Pulsen in ein Lichtleiterdispersionsglied (110) mit einer Pulsintensität, die ausreichend ist, um eine Kompensation der nicht-linearen Dispersion während der Ausbreitung durch eine erste Länge der Faser bereitzustellen, und Bereitstellen einer Reihe von Verstärkereinheiten (140), die entlang der Faser mit einem Abstand beabstandet sind, der größer als die erste Länge der Faser ist, wobei jede Verstärkereinheit eine Gegen-Chirping-Einrichtung (100) für das im wesentlichen Kompensieren der Dispersion eines zweiten Faserabschnitts, der die Differenz zwischen der ersten Länge des Verstärkerabstands ist, und einen Verstärker (70) aufweist für das Einkoppeln verstärkter optischer Pulse in die optische Faser mit einer Pulsintensität, die ausreichend ist, um während der Ausbreitung durch die erste Länge der Faser eine Kompensation der nicht-linearen Dispersion bereitrustellen.