DE69710930T2

DE69710930T2 - Dispersionskompensierende wellenleiter für optische übertragungssysteme

Info

Publication number: DE69710930T2
Application number: DE69710930T
Authority: DE
Inventors: Christopher Byron
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1996-07-06
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: GB2315177A8; WO1998001781A1; EP1010026A1; DE69710930D1; CA2259546A1; GB2315177A; EP1010026B1; GB9614244D0; US6215929B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen dispersionskompensierenden Wellenleiter (DCW), der die Eigenschaft hat, eine Frequenzdispersion in übertragene Lichtwellen einzuführen und der allgemein zur Kompensation einer unerwünschten Dispersion auf einen Übertragungspfad verwendet wird, der üblicherweise eine Lichtleitfaser aufweist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein optisches Übertragungssystem, das einen dispersionskompensierten Wellenleiter beinhaltet.
Typischerweise ist der Wellenleiter durch eine dispersionskompensierende Lichtleitfaser (DCF) gebildet.
Damit die erforderliche Dispersion eingeführt wird, ohne daß es erforderlich ist, übermäßig lange Längenabschnitte einer dispersionskompensierenden Lichtleitfaser zu verwenden, kann die Lichtleitfaser stark dotiert sein, beispielsweise mit Germanium dotiertes Silikaglas. Unabhängig davon, ob die Lichtleitfaser stark dotiert ist, ist es üblich, einen geeigneten Längenabschnitt abzuschneiden oder auf andere Weise auszuwählen, um einen Dispersionswert auszuwählen, der in gewisser Hinsicht wenig flexibel ist. Wenn mehr als eine Wellenlänge bei der Übertragung der Information verwendet wird, ergibt sich ein unvermeidbarer Kompromiß im Durchgangsverhalten, der sich aus der Auswahl einer optimalen Länge ergibt, die für alle verwendeten Wellenlängen geeignet sein soll.
Es würde weiterhin wünschenswert sein, wenn Verluste unabhängig von der Kompensation der Dispersion kompensiert werden könnten, um die Verwendung der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser flexibler zu gestalten.
In einer Anordnung, die nachfolgend im Hinblick darauf beschrieben wird, daß sie hilfreich ist, das Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, sind Bragg-Gitter in der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser vorgesehen, und es werden die reflektierten Signale von den Gittern verwendet. Das ankommende Signal durchläuft selektiv unterschiedliche Längen der dispersionskomensierenden Lichtleitfaser, entsprechend der erforderlichen Dispersion aufgrund der geeigneten Positionierung des Gitters entlang der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser.
Wenn verschiedene ausgewählte Dispersionen erforderlich sind, besteht ein Verfahren darin, dispersionkompensierende Lichtleitfasern mit unterschiedlicher Länge oder Lichtleitfasern zu verwenden, die von einer Ausgangslänge aus abgeschnitten wurden. Dieses Verfahren verwendet Reflexionsgitter an derartigen Intervallen, daß unterschiedliche (doppelte) Längen der die Dispersion kompensierenden Lichtleitfaser für eine Durchquerung durch das Signal ausgewählt werden können, so daß unterschiedliche Dispersionen ausgewählt werden können. Die Auswahl würde in der Praxis durch Spleißen oder Schreiben eines Gitters in die Lichtleitfaser an der erforderlichen Länge entlang der Faser erzielt werden.
In der Beschreibung des US-Patents 5 404 413 wurde ein optischer Zirkulator mit drei Ports oder Anschlüssen vorgeschlagen. Die ersten und dritten Ports waren mit Lichtleitfaser-Systemen verbunden. Der zweite Port war mit einer dispersionskompensierenden Lichtleitfaser und Rückführeinrichtungen verbunden. Ein Signal durchlief die dispersionskompensierende Lichtleitfaser zweimal, so daß die Verwendung von kürzeren Kompensations-Lichtleitfasern als bisher ermöglicht wurde.
Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen offenbaren eine früher vorgeschlagene Anordnung und, in Form eines Beispiels, die Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche gekennzeichnet ist, deren Merkmale den Umfang des hierdurch erteilten Schutzes bestimmen.

In den Zeichnungen:

Fig. 1 Ist eine schematische Darstellung, die eine Impulsübertragung durch einen Lichtwellenleiter in Serie mit einem dispersionskompensierenden Lichtleitfaserelement zur Verwendung bei der Erläuterung der Erfindung zeigt:
Fig. 2 zeigt das Pumpen eines dispersionskomensierenden Lichtleitfaserelements, um eine Raman-Verstärkung in einer Anordnung zu ermöglichen, von der angenommen wird, daß sie hilfreich ist; um ein Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, und
Fig. 3 zeigt eine Modifikation der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, die die Erfindung erläutert, und die eine dispersionskompensierende Lichtleitfaser-Einheit aufweist, die mit mehrfachen verteilten Reflexionselementen ausgerüstet ist.
Gemäß Fig. 1 weist ein Silicatglas-Lichtleitfaser-Wellenleiter 1 typischerweise eine Dispersion auf, die die übertragenen Signale verzerrt, die erhebliche Bandbreiten aufweisen. Eine früher vorgeschlagene Lösung, die ziemlich unzureichend ist, besteht darin, bei 1,3 um oder welcher Wellenlänge auch zu arbeiten, um die herum die Dispersion ein Minimum ist. Leider tritt der minimale Leistungsverlust bei einer Wellenlänge auf, die sehr stark von der für eine minimale Dispersion verschieden ist. Allgemein ist jedoch ein Längenabschnitt einer dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 2 in Serie mit der Lichtleitfaser 1 erforderlich ist. Wenn somit die korrekte Länge einer dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 2 eingefügt wird, kann ein Eingangsimpuls mit der Schwingungsform 3 auf die Schwingungsform 4 durch die Übertragungs-Lichtleitfaser 1 verbreitert werden, worauf die Verzerrung durch die korrekte Länge der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 2 kompensiert wird, um die ursprüngliche Impulsbreite und -form zurückzugewinnen, wie dies durch den angenähert quadratischen Impuls 3' gezeigt ist, der in wesentlichen der ursprünglichen Schwingungsform 3 ähnelt.
Der Leistungsverlust kann dadurch kompensiert werden, daß die Tatsache ausgenutzt wird, daß die Raman-Streuung mit einer zunehmenden Germanium-Konzentration ansteigt, so daß eine übliche dispersionskompensierende Lichtleitfaser, beispielsweise aus stark dotiertem Germanium-Silikatglas, ein verstärktes Signal aus Eingangssignalen durch molekulare Streuung mit einer vorgegebenen Frequenzdifferenz gegenüber einer Pump-Frequenz erzeugt. Fig. 2 zeigt einen Wellenleiter 1, dessen Dispersion durch die Verwendung einer dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 5 kompensiert ist. Weil die dispersionskompensierende Lichtleitfaser 5 verlustbehaftet ist, wird sie mit Hilfe eines Diodenlasers 6 mit einer Leistung gepumpt, die gerade ausreicht, um eine stimulierte Raman-Verstärkung bei einer abwärts verschobenen Frequenz hervorzurufen. Signale bei dieser Frequenz werden durch diesen Raman- Effekt verstärkt, und die Energie des Pumpens bestimmt das Ausmaß der Raman- Verstärkung. Damit können Verluste in dem Wellenleiter 1 gerade durch die Raman- Verstärkung in der dispersionskompensierende Lichtleitfaser 5 für diese spezielle abwärts verschobene Signalfrequenz kompensiert werden, die der Raman- Freguenzverschiebung entspricht.
Bei einem typischen Beispiel einer dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 5 haben wir berechnet, daß 100 mW an Pumpleistung erforderlich sind, um den 13,6 dB-Verlust auf einem Abschnitt von 80 km der dispersionskompensierenden Lichitleitfaser 5 zu kompensieren (die Verluste indem Abschnitt des Haupt-Lichtwellenleiters 1 werden getrennt berücksichtigt oder kompensiert). Diese Berechnung nimmt eine Raman- Verstärkung von 10-¹² cm/w an und ist etwas konservativ bei der Annahme einer niedrigen Germanium-Konzentration in dem Material der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser. Unter der Annahme eines höheren Werts der Konzentration des Germanium-Dotierungsmittels zur Erzielung einer gewünschten hohen Dispersion (oder der Notwendigkeit von lediglich einer kürzeren Länge), würde auch der Raman- Verstärkungs-Koeffizient ansteigen, so daß die Pumpleistung für die gleiche Verstärkung verringert werden könnte. Die Verstärkungsbandbreite für die Raman- Verstärkung beträgt ungefähr 10 nm, und Raman-Verstärker haben die nützliche Eigenschaft, daß sie ein quantenbegrenztes Rauschverhalten bei jeder Verstärkung ergeben:
Derartige Raman-Verstärker können bei kürzeren Wellenlängen gepumpt werden, indem vorgesehen wird, daß zwischenliegende Raman-Ordnungen in einem Resonator schwingen, der durch den Verstärker A gebildet ist. Bei einer Anordnung, von der angenommen wird, daß sie hilfreich ist, um es zu ermöglichen, daß die Erfindung verstanden wird, werden Paare von Bragg-Gittern in der Seite der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser verwendet, wobei jedes Paar einen jeweiligen Hohlraum entlang der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser bildet, derart, daß Schwingungen selektiv an den jeweiligen anderen Ordnungen hervorgerufen werden und auf diese Weise eine erhebliche Menge der Leistung bei einer oder mehreren der unerwünschten Ordnungen von dem Pumpsignal auf die gewünschte Ordnung übertragen wird, um eine Verstärkung für das Signal zu erreichen. Beispielsweise überträgt ein diodengepumpter Nd : YAG-Laser eine Pumpleistung mit einer Wellenlänge von 1319 nm auf eine dispersionskompensierende Lichtleitfaser, wie die, die schematisch bei 5 in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die erforderliche Signalverstärkung bei 1,55 um (das heißt 1550 nm) liegen soll, wobei bei dieser Wellenlänge eine übliche dispersionskompensierende Lichtleitfaser sehr stark dispersiv ist, so werden bestimmte unerwünschte Ordnungen bei 1380 nm und 1460 nm durch Schwingungen erzeugt, und sie stehen nicht zu dem einfallenden 1,55 um Signal in Beziehung. Durch die Verwendung von mit Abstand voneinander angeordneten (nicht gezeigten) Gitterpaaren, die bei 1380 nm bzw. 1460 nm reflektierend sind, werden Schwingungshohlräume ausgebildet, die die Energie bei diesen unerwünschten Wellenlängen auf Energie bei der erwünschten Wellenlänge übertragen. Eine dispersionskompensierende Lichtleitfaser schließt Schwingungshohlräume ein, die durch reflektierende Gitter an nicht erforderlichen Schwingungswellenlängen gebildet sind, die in keiner Beziehung zu einer erforderlichen Signalbetriebswellenlänge stehen, wobei alle diese Wellenlängen, erforderlich oder nicht erforderlich, Ramen-Signale sind oder hierzu neigen, die durch das Pumpen der dispersionskompensierenden Leitleitfaser erzeugt werden, beispielsweise mit Hilfe eines üblichen diodengepumpten Nd : YAG-Lasers, und das erforderliche Signal spricht weiterhin auf ein einfallendes Signal an und wird ausreichend verstärkt, um Verluste in der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser und der Leitung 1 zu kompensieren. Das Nutzsignal kann in Übertragungsrichtung hinter dem reflektierenden Gitterpaar oder den Gitterpaaren (nicht gezeigt) zurückgewonnen werden.
Eine weitere, Anordnung, die die Erfindung erläutert, wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, in der das verstärkte Nutzsignal durch eine Reflexion an einem optischen Gitter abgeleitet wird. In Fig. 3 wird bewirkt, daß die dispersionskompensierende Lichtleitfaser 8 das Nutzsignal von der optischen Übertragungsleitung 1 zu einem Zirkulator oder einem anderen Richtkoppler 9 und dann zu einem Detektor oder einer Nutzschaltung 10 reflektiert; unerwünschte Signale können über einen Durchgangspfad 11 der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 8 in Fig. 3 weitergeleitet werden. Alternativ können alle Signale bei 11 reflektiert werden.
Eine Verstärkung zur Kompensation von Verlusten ist in Fig. 2 durch Pumpen und durch ausgewählte Raman-Molekular-Übergänge vorgesehen. Ein Problem mit dispersionskompensierenden Lichtleitfasern besteht in der Auswahl der passenden Länge, in wünschenswerter Weise aus Gründen der Wirtschaftlichkeit von einer vorgegebenen Länge, wodurch das passende Ausmaß an Kompensation für die Dispersion eingeführt wird, die durch vielleicht 50 km oder irgendeine unbekannte Länge des Übertragungs-Lichtwellenleiters 1 hervorgerufen wird. Eine frühere vorgeschlagene Art der Auswahl der Länge der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser bestand in dem Abschneiden von Abschnitten, was sich als unbequem erweist, und was für WDM-Systeme zu einem Kompromiß hinsichtlich des Durchgangsverhaltens führt. Entsprechend werden durch diese Ausführungsform nach Fig. 3 Reflexionspunkte an einer Vielzahl von vorgegebenen Stellen G&sub1;, G&sub2;, G&sub3; mit Hilfe von Bragg-Gittern mit geeignetem Elementenabstand geschaffen, die die Reflexions-Wellenlänge oder Frequenz bestimmen, und die durch geeignete Gitterlängen die Bandbreite und die Wellenlänge der reflektierten Energie bestimmen. Wenn G&sub1;, wirksam ist, so werden die ankommenden Signale bei dieser Frequenz selektiv bei dieser Frequenz reflektiert, und sie durchqueren den ersten Abschnitt, der links von der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 8 gezeigt ist, zweimal, wodurch eine Dispersion entsprechend dieser doppelten Länge eingeführt wird, und sie laufen dann zum Zirkulator 9 und werden zur Nutzschaltung 10 verzweigt. Unterschiedliche reflektierende Gitter G&sub2; oder G&sub3; werden anpassenden Positionen für unterschiedliche Wellenlängen verwendet, wobei diese Wellenlängen an dem Gitter C&sub1; vorbei mit vernachlässigbarer Reflexion übertragen werden. Wenn es wahrscheinlich ist, daß das Gitter G&sub1; nicht erforderlich ist, so kann es in zerstörungsfreier Weise durch Erhitzen oder durch UV-Strahlung gelöscht werden. Neue Reflexionsgitter G können hinzugefügt werden, das heißt sie können an Ort und Stelle gespleißt werden, wie dies erforderlich ist. Die Position eines Gitters G bestimmt die Dispersion, und der Abstand zwischen Gitterelementen in einem Gitter G bestimmt die durch Reflexion ausgewählte Wellenlänge.
Eine Raman-Verstärkung durch Pumpen des Materials der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser ist üblicherweise erforderlich, wie dies für Fig. 2 beschrieben wurde, doch kann es gelegentlich als unnötig betrachtet werden, wenn die dispersionskompensierende Lichtleitfaser 8 oder der der Lichtwellenleiter 1 keine übermäßigen Leistungsverluste einführen.
Variationen der Anordnung nach Fig. 3 können in weiteren Ausführungsformen verwendet werden, um Energie bei unterschiedlichen Wellenlängen in Wellenlängen- Multiplexern (WDM) zu trennen. Die zwei oder mehr Gitter G werden durch Spleißen an Ort und Stelle oder auf andere Weise an geeigneten Abständen entlang der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 8 angeordnet, um die erforderliche Entzerrung für Energie bei jeder der unterschiedlichen Wellenlängen zu erzielen.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 3 ist festzustellen, daß die Verwendung einer Raman-Pumpe wie in Fig. 2 es ermöglicht, daß ein weiteres (nicht gezeigtes) reflektierendes Gitter in Übertragungsrichtung hinter den anderen Bauteilen angeordnet wird, wobei der Gitterelementenabstandes so ausgewählt wird, daß Energie bei der Pumpfrequenz reflektiert wird. Die reflektierte Energie verstärkt die auftreffende Pumpenergie, um zu einer höheren Gesamtverstärkung zu führen.
Ein anderes alternatives Pumpschema besteht darin, eine Pumpquelle an beiden Enden der dispersionskompensierenden Lichtleitfaser 5 nach Fig. 2 anzuordnen, und eine Raman-Verstärkung zu verwenden.

Claims

1. Dispersionskompensierende Einrichtung, die eine Vielzahl von wellenlängen- oder frequenzabhängigen Reflexionseinrichtungen (G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;) einschließt, die jeweils so angeordnet sind, daß sie Signale bei einer vorgegebenen Wellenlänge reflektieren, wobei die Reflexionseinrichtungen (G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;) in Serie an vorgegebenen Stellen entlang eines Raman-verstärkten dispersionskompensierenden Wellenleiter-Elementes (8) angeordnet sind, um Signale bei den vorgegebenen Wellenlängen für doppelte Durchläufe durch zumindest einen Teil des Lichtwellenleiters zu reflektieren, wobei die Position jeder Reflexionseinrichtung (G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;) so gewählt ist, daß sie die Übertragung eines Signals bei einer bestimmten Wellenlänge durch einen vorgegebenen Längenabschnitt des dispersionskompensierenden Wellenleiter- Elements (8) hervorruft, um die Dispersion in dem Signal zu kompensieren und die Energie bei jeder der Wellenlängen zu entzerren, und die einen Zirkulator oder anderen Richtkoppler (9) zur Verzweigung des reflektierten Signals zu einer Nutzeinrichtung (10) einschließt.

2. Dispersionskompensierende Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die oder jede Reflexionseinrichtung ein Beugungsgitter (G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;) ist.

3. Dispersionskompensierende Einrichtung nach Anspruch 2, die Lichtleitfaser-Gitter-Reflektoren einschließt, die so angeordnet sind, daß sie optische Hohlräume in dem dispersionskompensierenden Wellenleiterelement schaffen, wodurch Energie bei unerwünschten Zwischenordnungen bei unerwünschten Wellenlängen auf Energie bei einer anderen Wellenlänge transformiert oder vernichtet werden kann.

4. Verwendung der dispersionskompensierenden Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der unerwünschte Reflexionseinrichtungen (G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;) gelöscht und durch eine oder mehrere Ersatz-Reflexionseinrichtungen, beispielsweise durch Spleißen, in dem dispersionskompensierenden Wellenleiter-Element (8) ersetzt werden, wodurch unterschiedliche Längenabschnitte von Doppeldurchläufen und damit unterschiedliche Dispersionen ausgewählt werden können.

5. Verwendung der dispersionskompensierenden Einrichtung nach Anspruch 4, bei der unerwünschte Reflexionseinrichtungen (G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;) gelöscht werden und bei der ein oder mehrere Ersatz-Reflexionseinrichtungen, die Gitter mit ausgewähltem Elementenabstand sind, in die dispersionskompensierende Fasereinrichtung (8) eingespleißt werden, so daß unterschiedliche gewünschte Wellenlängen selektiv reflektiert werden können.

6. Optisches Übertragungssystem, das einen Übertragungspfad mit ersten und zweiten Teilen einschließt, die eine Dispersion zeigen, wobei die Dispersion des zweiten Teils die Dispersion des ersten Teils kompensiert, wobei der zweite Teil eine dispersionskompensierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einschließt.