DE69725930T2

DE69725930T2 - Optisches Kabel mit ausgeglichener Dispersion

Info

Publication number: DE69725930T2
Application number: DE69725930T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Lilburn Fangmann; James Joseph Atlanta Refi; Arthur F. Atlanta Judy
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: KR100281941B1; EP0812076B1; BR9703427B1; US5611016A; KR980003647A; CN1149413C; CN1185589A; JPH1062639A; CA2202591A1; CA2202591C; AU2467097A; BR9703427A; DE69725930D1; EP0812076A1; JP3190598B2; AU712923B2

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Informationsübertragung unter Verwendung von optischen Fasern und insbesondere auf den Entwurf eines optischen Kabels.
Hintergrund der Erfindung
Das Wachstum bei der optischen Kommunikation wurde angetrieben durch die außergewöhnliche Bandbreite, die auf einer optischen Faser erhältlich ist. Eine solche Bandbreite ermöglicht es, daß Tausende von Telefongesprächen und Fernsehkanälen gleichzeitig über eine haardünne Faser übertragen werden, die aus einem qualitativ hochwertigen Glasmaterial hergestellt ist. Licht verläuft hauptsächlich innerhalb der Kernregion der Faser, weil der Kern einen etwas höheren Brechungsindex aufweist als die umgebende Region. Und obwohl die optische Übertragung wesentliche Vorteile im Vergleich zu Metalldrahtleitungen aufweist, haben optische Fasern einen Verlust und keine unendliche Bandbreite.
Aber was den Verlust betrifft, wurden bei der Qualität des Glasmaterials (beinahe reines Silika-SiO₂), das beim Herstellen optischer Fasern verwendet wird, phantastische Fortschritte erzielt. 1970 war ein annehmbarer Verlust für eine Glasfaser in dem Bereich von 20 dB/km, während heutzutage Verluste in dem Bereich von 0,22–0,25 dB/km Routine sind. In der Tat ist der theoretische minimale Verlust für eine Glasfaser etwa 0,16 dB/km und tritt bei einer Wellenlänge von etwa 1.550 Nanometern (nm) auf.
Verschiedene Mechanismen beschränken die Bandbreite einer Faser. Bei einer Mehrmodenfaser gibt es beispielsweise eine Modendispersion, in der Lichtpulse, die in Ende der Faser eindringen, verbreitert werden, wenn sie von dem anderen Ende der Faser austreten. Dies liegt daran, daß eine Mehrmodenfaser hunderte unterschiedliche Moden (Wege) einer speziellen Wellenlänge unterstützt. Und wenn die unterschiedlichen Moden an dem anderen Ende der Faser kombiniert werden, ist das Nettoergebnis Pulsverbreiterung. Eine Faser kann jedoch entworfen sein, um nur die Fundamentalmode einer speziellen Wellenlänge zu unterstützen, und wird als eine Einmodenfaser bezeichnet. Eine solche Faser hat eine äußerst hohe Bandbreite. Aber selbst hier wird ein Lichtpuls, der in ein Ende einer Einmodenfaser eingebracht wird, etwas verbreitert, wenn er von dem anderen Ende austritt. Dies liegt daran, daß der Vorgang des Ein- und Ausschaltens einer Lichtquelle einer einzigen Wellenlänge (d. h. ein Lichtpuls) eine große Anzahl harmonisch verwandter Wellenlängen erzeugt, und unterschiedliche Wellenlängen verlaufen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch Glas. Folglich verbreiten sich Lichtpulse, die in ein Ende einer Glasfaser injiziert werden, wenn sie an dem anderen Ende ankommen, weil die unterschiedlichen Wellenlängen (Farben) zu unterschiedlichen Zeiten ankommen. Dies wird nicht überraschenderweise als chromatische Dispersion bezeichnet, und ist das optische Gegenstück zu dem, was Elektroingenieure als Verzögerungsverzerrung bezeichnen.
Wie es in 1 gezeigt ist, kommt in einer typischen Glasfaser ein Lichtpuls mit einer Wellenlänge von 800 nm etwa 10 Nanosekunden nach einem mit einer Wellenlänge von 900 nm an. Eine übliche Art und Weise zum Ausdrücken der Chromatische-Dispersions-Eigenschaften einer Faser ist es, die Ableitung der Verzögerungskurve in 1 bezüglich der Wellenlänge zu nehmen. Diese Ableitung ist lediglich die Neigung bzw. das Gefälle der Verzögerungskurve als eine Funktion der Wellenlänge und wird als chromatische Dispersion (D) bezeichnet, die in 2 graphisch gezeigt ist. Die Zusammensetzung von Glas, die bei der Herstellung optischer Fasern normalerweise verwendet wird, weist Null Dispersion bei einer Wellenlänge λ₀ in der Region von 1.310 nm auf. Wie es oben angemerkt wurde, ist der theoretische minimale Verlust für eine Glasfaser jedoch in der Region von 1.550 nm. Interessanterweise meint es die Natur jedoch anscheinend gut mit der optischen Übertragung in dieser Wellenlängenregion, da dort der einzige praktische Faserverstärker arbeitet. (Eine erbiumdotierte Faser wird verwendet, um optische Signale zu verstärken, die Wellenlängen in der Region von 1.530–1.565 nm aufweisen, wo es einen Übergang in dem Er³⁺ Dotiermittelion gibt.)
Es wurde herausgefunden, daß eine Einmodenfaser so entworfen werden kann, daß sie ihre Nulldispersionswellenlänge λ₀ irgendwo im allgemeinen in der 1.300–1.700 nm-Region haben kann, durch eine richtige Steuerung des Dotiermittels, der Dotierkonzentration, des Kerndurchmessers und des Brechungsindexprofils. Aufgrund der Erwünschtheit des Betreibens in der 1.550 nm-Region wurden Einmodenfasern entworfen, die eine Nulldispersionswellenlänge λ₀ bei etwa 1.550 nm aufweisen. Solche Fasern sind äußerst beliebt geworden und werden im allgemeinen als dispersionsverschobene Fasern (DSF = Dispersion Shifted Fiber) bezeichnet.
Datenübertragungsraten über eine optische Faser können über Wellenlängenmultiplex (WDM = Wave Division Multiplexing) erhöht werden, wobei mehrere Kanäle auf eine einzige Faser multiplext werden – wobei jeder Kanal bei einer anderen Wellenlänge arbeitet. Unter Verwendung einer bereits eingebauten, nichtverschobenen Faser wurde demonstriert, daß durch Übertragen von vier Kanälen in der 1.550 nm-Region, wobei Kanäle, die durch etwa 1,6 nm getrennt sind, die Kapazität über eine einzige Kanaloperation vierfach erhöht werden kann, auf 4 × 2.5 Gb/s = 10 Gb/s (1 Gb/s = 1 Milliarde Bits pro Sekunde). Es wurde jedoch herausgefunden, daß eine Vier-Kanal-WDM-Operation im wesentlichen durch die Verwendung einer DSF ausgeschlossen ist, und daher ist eine DSF, die bereits installiert ist, entweder auf eine Einkanaloperation oder auf WDM-Systeme beschränkt, die begrenzte Spannweiten, weniger Kanäle oder geringere Bitraten pro Kanal aufweisen.
Das U.S.-Patent 5,327,516 (das '516-Patent) offenbart eine verbesserte optische Faser, die als WDM-Faser bezeichnet wird, die insbesondere effektiv ist für die Übertragung von mehreren Informationskanälen – wobei jeder bei einer anderen Wellenlänge arbeitet. Eine solche Faser ist im Handel erhältlich von Lucent Technologies Inc. als Truewave^®-Optikfaser, und ist in der Lage, zumindest acht Kanäle zu unterstützen, die voneinander um 0,8 nm getrennt sind, über Spannweiten von mehr als 360 km ohne Regeneratoren. Der 1.450 D Dense Wave Division Multiplexer (DWDM) von Lucent ermöglicht es, daß acht Kanäle, die jeweils 2,5 Gb/s-Informationen tragen, zu/von der Truewave-Optikfaser geleitet werden. Bei dieser Rate ist ein System in der Lage, das Äquivalent von beinahe 5.000 Romanen in einer Sekunde zu übertragen – etwa achtmal so viel wie die meisten Fernfaseroptiksysteme. In der Tat, durch Erhöhen der Datenrate der einzelnen Kanäle auf 20 Gb/s, Erhöhen der Anzahl von Kanälen auf 25 und das Übertragen bei zwei unterschiedlichen Polarisierungen wurde die Übertragung von einem Terabit pro Sekunde (1 Tb/s = 1000 Gb/s) über 55 km Truewave-Optikfaser bereits demonstriert. Bisher wurde eine solche Geschwindigkeit ehrfürchtig als der „Heilige Gral" der Datenübertragung bezeichnet.
Kurz gesagt, das '516-Patent reduziert eine nichtlineare Interaktion zwischen Kanälen durch Einführen einer kleinen, aber kritischen Menge an positiver oder negativer chromatischer Dispersion bei 1.550 nm. Eine solche nichtlineare Interaktion ist als Vier-Photonen-Mischen bekannt, und dieselbe beschränkt Systementwürfe und auch Betriebscharakteristika in starkem Maße. Und obwohl die Verwendung einer WDM-Faser äußerst wünschenswert ist, wird ein Dilemma erzeugt. Während die Einführung einer Dispersion für den Zweck des Minimierens von Vier-Photonen-Mischen wünschens wert ist, ist es nicht wünschenswert, weil es Pulsverbreiterung bewirkt, wie es oben erörtert wurde.
Eine Anzahl von Patenten hat bereits das Problem des Kompensierens von Dispersion zum Thema, einschließlich den U.S.-Patenten 4,261,639 (Kogelnik u. a.); 4,969,710 (Tick u. a.); 5,191,631 (Rosenberg); und 5,430,822 (Shigematsu u. a.). Diese Patente kompensieren Dispersion durch Einfügen von Modulen bei geeigneten Intervallen. Die Module enthalten normalerweise eine Dispersionskompensationsfaser (DCF, DC-Faser) einer geeigneten Länge zum Erzeugen einer Dispersion einer geeigneten gleichen Größe (aber mit entgegengesetztem Vorzeichen) zu derjenigen der Übertragungsfaser in der Leitung. Leider verbrauchen diese Module Platz, führen Fremdverlust ein und erhöhen die Kosten.
Es wurden bisher Vorschläge gemacht, Kabel zu entwickeln, bei denen alle Fasern in dem Kabel von einem Typ sind – entweder positive oder negative Dispersion. Kabel, die Fasern eines Typs enthalten, würden an geeigneten Intervallen an Kabel gespleißt, die Fasern des anderen Typs enthalten. Dieser Lösungsansatz hat den Nachteil, daß er erfordert, daß zwei Kabeltypen hergestellt und gelagert werden. Außerdem ergeben sich große Probleme bei der Verwaltung beider Kabeltypen während dem Aufbau, dem Führen genauer Aufzeichnungen darüber, wo jeder Kabeltyp verwendet und gespeichert wird, und dem Durchführen von routinemäßiger Wartung.
Was benötigt wird und was dem Stand der Technik offensichtlich fehlt, ist ein optisches Kabel, das sowohl die Reduzierung von Vier-Photonen-Mischen als auch eine kumulative Dispersion ohne die Verwendung von DCF-Modulen ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein dispersionsausgeglichenes Optikkabel ist offenbart, das Vier-Photonen-Mischen in WDM-Systemen (WDM = Wave Division Multiplex = Wellenlängenmultiplex) reduziert und wirksam ist, um eine kumulative Dispersion im wesentlichen auf Null zu reduzieren. Das dispersionsausgeglichene Optikkabel umfaßt optische Fasern mit einer positiven chromatischen Dispersion – der Mittelwert der absoluten Größen der Dispersionen der Positiv-Dispersionsfasern überschreitet 0,8 ps/nm-km bei λ_s. Das Kabel umfaßt ferner optische Fasern, die eine negative chromatische Dispersion aufweisen – der Mittelwert der absoluten Größen der Dispersionen der negativen Dispersionsfasern überschreitet 0,8 ps/nm-km bei λ_s.
Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Fasern Einmodenfasern und sind für die Übertragung von optischen Signalen in der Region von 1.550 nm geeignet. Bei dieser Wellenlänge haben die Positivdispersionsfasern eine chromatische Dispersion von etwa +2,3 ps/nm-km, und die Negativdispersionsfasern haben eine chromatische Dispersion von etwa –1,6 ps/nm-km, obwohl eine verbesserte Leistungsfähigkeit erreicht wird, wenn die Größe der mittleren chromatischen Dispersion bei 1.550 nm in dem Bereich von 0,8–4,6 ps/nm-km ist.
In darstellenden Ausführungsbeispielen der Erfindung sind verschiedene Kabelkonfigurationen offenbart, die vorzugsweise eine gleiche Anzahl von Positiv- und Negativdispersionsfasern in dem gleichen Kabel umfassen. Darüber hinaus sind verschiedene Kabelkonfigurationen möglich, einschließlich einem planaren Array von optischen Fasern, die durch ein Matrixmaterial miteinander verbunden sind, Gruppen von Fasern, die in einer Plastikröhre umschlossen sind, usw. Ein verbessertes WDM-System ist offenbart, das zwei dispersionsausgeglichene Kabel miteinander verbindet, so daß die Positivdispersionsfasern eines Kabels mit den Negativdispersionsfasern des anderen Kabels verbunden sind – und dadurch gemeinsam kumulative Dispersion und Vier-Photonen-Mischen reduzieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung und ihre Funktionsweise sind besser verständlich durch die folgende detaillierte Beschreibung, wenn dieselbe in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen gelesen wird.
1 ist ein Diagramm, das eine relative Gruppenverzögerung als eine Funktion der Wellenlänge für 1 km einer typischen Glasfaser darstellt;
2 ist ein Diagramm, das eine chromatische Dispersion als eine Funktion der Wellenlänge für die in 1 gezeigte Faser darstellt;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten optischen Faser mit einer Dualschutzbeschichtung;
4 stellt die Verwendung einer Dispersionskompensationsfaser (DCF) dar, um Dispersion gemäß einer bekannten Technik aufzuheben;
5 ist ein Diagramm, das eine chromatische Dispersion als eine Funktion der Wellenlänge für zwei unterschiedliche Fasern darstellt – eine mit einer positiven Dispersion bei der Wellenlänge λ_s und die andere mit einer negativen Dispersion bei λ_s;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Form eines dispersionsausgeglichenen Kabels, das als Band bekannt ist, das Fasern in einem linearen Array enthält, die positive und negative Dispersion aufweisen;
7 zeigt eine Verbindung zwischen Bändern der Art, die in 6 gezeigt ist, um eine minimale kumulative Dispersion zu erreichen;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Form eines dispersionsausgeglichenen Kabels, das verschiedene Bandtypen enthält;
9 offenbart eine perspektivische Ansicht einer weiteren Form eines dispersionsausgeglichenen Kabels, das Gruppen von Fasern mit Positiv- und Negativdispersion enthält; und
10 stellt die Verwendung eines dispersionsausgeglichenen Kabels dar, dessen kumulative Dispersion sich Null nähert, ohne die Notwendigkeit an DCF-Modulen.
Detaillierte Beschreibung
Bei der Herstellung einer optischen Faser ist ein Glasvorformstab vertikal aufgehängt und wird bei einer gesteuerten Rate in einen Ofen bewegt. Die Vorform wird in dem Ofen weich gemacht und eine Glasfaser wird frei von dem geschmolzenen Ende des Vorformstabs gezogen, durch eine Antriebsrolle, die in der Basis eines Ziehturms positioniert ist. Weil die Oberfläche der Glasfaser anfällig ist für Schäden, die durch Abrieb bewirkt werden, ist es notwendig, die Faser zu beschichten, nachdem dieselbe gezogen wird, aber bevor dieselbe in Kontakt mit irgendeiner Oberfläche kommt. Da die Aufbringung eines Beschichtungsmaterials die Glasoberfläche nicht beschädigen soll, wird das Beschichtungsmaterial in einem flüssigen Zustand aufgebracht. Sobald es aufgebracht ist, muß sich das Beschichtungsmaterial festigen, bevor die Glasfaser die Antriebsrolle erreicht. Dies wird typischerweise in einem kurzen Zeitintervall durch Photohärten erreicht – ein Prozeß, bei dem das flüssige Beschichtungsmaterial zu einem festen Stoff umgewandelt wird, indem er einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird.
Genauer gesagt, 3 offenbart eine dualbeschichtete optische Faser 30, deren Struktur für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Wie es gezeigt ist, werden zwei Schichten von Beschichtungsmaterialien auf die gezogene Glasfaser 40 aufgebracht, die einen lichttragenden Kern 41 und eine Umhüllung 42 umfaßt. Die umhüllte Faser 40 weist einen Durchmesser von etwa 125 μm auf. Eine innere Schicht 31, die als ein primäres Beschichtungsmaterial bezeichnet wird, ist auf die Glasfaser 40 aufgebracht, und eine äußere Schicht 32, die als ein sekundäres Beschichtungsmaterial bezeichnet wird, ist auf das primäre Beschichtungsmaterial 31 aufgebracht. Das sekundäre Beschichtungsmaterial weist im allgemeinen einen relativ hohen Modulus auf (z. B. 10⁹ Pa), um der Handhabung standzuhalten, während das primäre Beschichtungsmaterial einen relativ niedrigen Modulus (z. B. 10⁶ Pa) aufweist, um ein Kissen zu liefern, das Mikrobiegeverluste reduziert. Das sekundäre Material kann aufgebracht werden, während die primäre Beschichtung noch naß ist, und dann werden beide Beschichtungen gleichzeitig gehärtet durch Bestrahlung in der Ultraviolettregion des elektromagnetischen Spektrums.
4 offenbart ein herkömmliches Optikfasersystem 10, das eine Länge einer Hybridoptikfaser, eine optische Quelle 18 und einen Verstärker 20 umfaßt. Die Hybridoptikfaser wird aufgebaut durch Spleißen einer ersten vorbestimmten Länge L_x einer ersten optischen Faser 14 an eine zweite vorbestimmte Länge L_y einer zweiten optischen Faser 16. Das Spleißen wird durch herkömmliche Verfahren durchgeführt, die für einen Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind und werden von Stephen C. Mettler u. a. beschrieben in „Optical Fiber Splicing," Optical Fiber Telecommunications II, (Stewart E. Miller et al. editors, 1988), S. 263–300. Die Quelle 18 koppelt Licht bei einer nominalen Wellenlänge λ_s in eine Übertragungsfaser 14 mit positiver Dispersion ein. Nach der Ausbreitung um den Abstand L_x hat sich jedoch eine positive Dispersionsmenge gesammelt, und ein Modul 16 der optischen Faser, das eine negative Dispersion bei λ_s aufweist, wird eingebracht. Dieses Modul umfaßt typischerweise eine Länge L_y einer Dispersionskompensationsfaser (DCF), die kürzer als L_x ist. Durch Hinzufügen einer Länge von DCF wird ein zusätzlicher Verlust eingebracht, der zusammen mit dem Verlust, der durch die Übertragungsfaser 14 eingebracht wird, durch den Verstärker 20 gehandhabt werden muß. Der Bedarf an einem solchen System wurde überwiegend geschaffen durch den Wunsch, bestehende optische Netzwerke aufzurüsten, die derzeit bei 1.310 nm arbeiten, um bei 1.550 nm zu arbeiten, um die Kapazität derselben zu erhöhen. (Es wird angemerkt, daß eine Übertragungsfaser, die normalerweise bei 1.310 nm arbeitet, etwa +17ps/nm-km-Dispersion bei 1.550 nm aufweist, und daher ist es notwendig, eine gleiche aber entgegengesetzte Dispersionsmenge bei 1.550 nm einzuführen, um eine Kompensation zu erreichen). Ein solches System ist in dem U.S.-Patent 5,191,631 gezeigt.
Es wurde vor kurzem herausgefunden, daß bei der Übertragung von WDM-Signalen über optische Fasern ein kleines bißchen chromatische Dispersion eine gute Sache ist, um Vier-Photonen-Mischen zu reduzieren. Folglich zieht die vorliegende Erfindung den Betrieb bei einer nominalen Quellenellenlänge λ_s in Betracht, wo der Mittelwert der absoluten Größen der Dispersionen D₁ der positiven Dispersionsfasern 0,8 ps/nm-km überschreitet, und der Mittelwert der absoluten Größen der Dispersionen D₂ der Negativdispersionsfasern ebenfalls 0,8 ps/nm-km überschreitet.
Wie es in 5 gezeigt ist, hat die Faser 1 eine positive Dispersion D₁ bei λ_s, und die Faser 2 hat eine negative Dispersion D₂ bei λ_s. Und obwohl D₁ und D₂ jeweils so gezeigt sind, daß sie in 5 eine positive Neigung aufweisen, wäre es besser, wenn dieselben entgegengesetzte Neigungen aufwiesen, so daß die Dispersion über das Band aufgehoben werden könnte. Und es wäre am besten, wenn die Neigungen der Faser 1 und der Faser 2 jeweils gleich Null wären. In der Tat wurden Fasern, die als „dispersionsabgeflachte Fasern" bekannt sind, entworfen, um eine Neigung aufzuweisen, die sich über dem Wellenlängenband 1.300–1.550 nm Null nähert, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ideal geeignet scheinen. Ein Beispiel solcher dispersionsabgeflachten Fasern ist in einem Artikel von Bhagavatula u. a. gezeigt, „Segmented-core Single-mode Fibres with Low Loss and Low Dispersion," Electronics Letters, 28. April 1983, Bd. 19 Nr. 9 auf den Seiten 317–318. In diesem Artikel sind dispersionsabgeflachte Fasern mit positiver und negativer Dispersion gezeigt. Um dieselben für die Verwendung bei dem dispersionsausgeglichenen optischen Kabel der vorliegenden Erfindung auszuwählen, muß zumindest eine Faser eine positive Dispersion aufweisen, deren mittlere absolute Größe 0,8 ps/nm-km bei λ_s überschreitet, und zumindest eine Faser muß eine negative Dispersion aufweisen, deren mittlere absolute Größe 0,8 ps/nm-km bei λ_s überschreitet.
Aufgrund nichtlinearer Effekte, wie z. B. Selbstphasenmodulation, wurde bestimmt, daß eine Gesamtleistungsfähigkeit durch Verwenden einer geringeren Größe der negativen Dispersion optimiert werden kann. Und obwohl eine weitere Optimierung möglich ist, ist die bevorzugte Größe der negativen Dispersion in dem Bereich von 65–80% der Größe der positiven Dispersion. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist D₁ etwa +2,3 ps/nm-km und D₂ ist etwa –1,6 ps/nm-km.
Bei der vorliegenden Erfindung werden Einmodenfasern mit einem Kerndurchmesser von etwa 6–8 μm verwendet, und λ_s befindet sich in dem Bereich von 1.530 nm–1.565 nm. Ein geeigneter Kernentwurf zum Unterstützen von zumindest vier Kanälen von WDM ist in dem U.S.-Patent 5,327,516 offenbart.
Eine darstellende WDM-Faser, die eine Dispersion von etwa +2,3 ps/nm-km bei 1.550 nm ergibt, weist einen germaniumdotierten Kern in einer Glasumhüllung auf, deren Index nahe oder gleich dem von undotiertem Silizium ist. Die vorherrschende Praxis verwendet eine Umhüllung mit abgestuftem Index, mit einem „Sockel" eines leicht erhöhten Indexes, um das Modenfeld zu vergrößern. Die Struktur weist einen abgestuften Indexkern auf, der einen Dotierpegel von 7,7 mol-% erreicht, was einem Δ-Wert von etwa 0,8% entspricht.
Die Basis des Kerns weist einen Durchmesser von etwa 6,0 μm auf, wie er auf einem Sockel mit 18 μm Durchmesser zentriert ist, der auf einen Pegel von etwa 0,05 mol-% germaniumdotiert ist. Der Außendurchmesser der Umhüllungsfaser beträgt etwa 125 μm.
Eine darstellende WDM-Faser, die eine Dispersion von etwa –1,6 ps/nm-km bei 1.550 nm ergibt, weist einen germaniumdotierten Kern in einer Glasumhüllung auf, deren Index beinahe oder gleich demjenigen von undotiertem Silizium ist. Die Struktur weist einen abgestuften Indexkern auf, der einen Dotierpegel von 8,6 mol-% erreicht, was einem Δ-Wert von etwa 0,9% entspricht. Die Basis des Kerns weist einen Durchmesser von etwa 5,6 μm auf, wie er auf einem Sockel mit 19 μm Durchmesser zentriert ist, der auf einen Pegel von etwa 0,05 mol-% germaniumdotiert ist. Der Außendurchmesser der Umhüllungsfaser beträgt etwa 125 μm.

Eine Spezifikationstabelle für WDM-Fasern, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wurde entwickelt. Dieselbe soll jedoch nicht den gesamten Bereich annehmbarer Fasern definieren und ist nur zu Darstellungszwecken präsentiert.

Dämpfung bei 1.550 nm	0,22–0,25 dB/km
Dämpfung bei 1.310 nm	< 0,50 dB/km
Modenfelddurchmesser bei 1.550 nm	8,4 ± 0,6 μm
Kernexzentrizität	< 0,8 μm
Umhüllungsdurchmesser	125 ± 1,0 μm
Grenzwellenlänge	< 1450 nm (2 m Bezugslänge)
Dispersion	±[0,8–4,6] ps/nm-km über den Bereich 1540–1560 nm
Dispersionsgefälle	< 0,095 ps/nm²-km (Maximum)
Makrobiegung	< 0,5 dB bei 1550 nm (1 Windung, 32 mm) < 0,05 dB bei 1550 nm (100 Windungen, 75 mm)
Beschichtungsdurchmesser	245 ± 10 μm
Prüftest	100 kpsi

Detaillierte Beschreibungen von geeigneten Prozeduren für die Herstellung sind ohne weiteres erhältlich. Vorformen können monolithisch oder zusammengesetzt sein. Kernregionen werden vorzugsweise durch eine modifizierte chemische Dampfaufbringung gebildet oder durch einen der Prozesse, die Rußchemie verwenden – Außendampfaufbringung oder Dampfaxialaufbringung. Bekannte Prozeduren (z. B. zum Ummanteln, Überummanteln, Beschichten, Verkabeln, usw.) werden durch den Faserentwurf nicht beeinträchtigt. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent 4,900,126 an Jackson u. a. Matrixmaterialien zum Verbinden von optischen Fasern in ein Array, das als ein Bandkabel bezeichnet wird (hierin nachfolgend „Band"). Wie es in 6 gezeigt ist, umfaßt das Band 60 ein planares Array von sich longitudinal erstreckenden optischen Fasern, deren longitudinale Achsen im wesentlichen parallel zueinander sind. Hier sind acht optische Fasern geteilt in zwei Gruppen gezeigt. Zu Darstellungszwecken umfaßt die Gruppe 40-1 vier optische Fasern mit einer positiven Dispersion bei λ_s und die Gruppe 40-2 umfaßt vier optische Fasern mit einer negativen Dispersion bei λ_s. Für eine leichtere Identifikation am Einsatzort hat jede einzelne optische Faser eine andere Farbe. Darüber hinaus kann das Band 60 eine Markierung umfassen, um zu identifizieren, welche Fasern eine positive Dispersion aufweisen und welche eine negative Dispersion aufweisen. Zu Darstellungszwecken enthält der hellgefärbte Abschnitt 60-1 des Bands 60 Positivdispersionsfasern, während der dunkelgefärbte Abschnitt 60-2 des Bands 60 Negativdispersionsfasern enthält. Obwohl es bei der Praxis der Erfindung nicht notwendig ist, gleiche Anzahlen von positiven und negativen Dispersionsoptikfasern in dem gleichen Kabel zu haben, ist dies vorzuziehen. Darüber hinaus, durch Herstellen von Bändern, die gleiche Nummern von positiven und negativen Dispersionsfasern aufweisen, muß nur ein Typ von Band hergestellt werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt das Band 60 ein paralleles coplanares Array von sich longitudinal erstreckenden optischen Fasern. Jede optische Faser ist in inneren und äußeren Schichten von Beschichtungsmaterialien eingehüllt (wie es in 3 dargestellt ist) und ist mit einem Farbidentifizierer versehen. Ein Matrixverbindungsmaterial 65 füllt die Zwischenräume zwischen den optischen Fasern und verbindet dieselben in eine einzige Einheit. Das Verbindungsmaterial 65 hat einen Modulus γ, dessen Wert geringer ist als derjenige der äußeren Beschichtungsschicht auf der Faser und höher als der inneren Beschichtungsschicht (d. h. 10⁹ Pa > γ > 10⁶ Pa). Dies ermöglicht einen Bewegungsgrad zwischen den Fasern, der vorteilhaft ist. Geeignete Verbindungsmaterialien sind in dem U.S.-Patent 4,900,126 offenbart.
Das Reduzieren der kumulativen Dispersion bedeutet das Verbinden von Fasern 40-1, die eine positive Dispersion aufweisen, mit Fasern 40-2, die eine negative Dispersion aufweisen. Eine solche Verbindung wird hierin nachfolgend als Überkreuzung bezeichnet, wie es in 7 dargestellt ist, und wird durch die Verwendung des Bands 60 ermöglicht. In der Tat, durch Verbinden des hellgefärbten Abschnitts 60-1 eines Bandes 60 mit dem dunkelgefärbten Abschnitt 60-2 des anderen Bandes 60 kann eine kumulative Dispersion reduziert werden. Und falls eine solche Überkreuzung am Mittelpunkt einer Länge eines Kabels durchgeführt wird, kann die kumulative Dispersion im wesentlichen auf Null reduziert werden, vorausgesetzt, daß die positive Dispersion, die durch die Fasern 40-1 geliefert wird, im wesentlichen gleich ist wie die negative Dispersion, die durch die Fasern 40-2 geliefert wird. Eine Überkreuzungsverbindung 105 zwischen den optischen Fasern kann durch jede bekannte Faserverbindungstechnik erreicht werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf diejenigen, die in dem oben erwähnten Artikel von Stephen C. Mettler u. a. mit dem Titel „Optical Fiber Splicing" beschrieben sind.
Nachfolgend wird auf 8 Bezug genommen, die eine Mehrzahl von Bändern in einer robusten Optikkabelstruktur 80 offenbart. Bei dieser Zeichnung umfaßt das Band 60 ein planares Array von optischen Fasern, das sowohl positive als auch negative Dispersionsfasern umfaßt. Andererseits umfaßt das Band 61 ein planares Array von Positivdispersionsfasern, während das Band 62 ein planares Array von Negativdispersionsfasern umfaßt. Das Kabel 80 kann innerhalb der vorliegenden Erfindung verschiedene Kombinationen von Bändern 60, 61, 62 umfassen. Beispielsweise kann es ein Band 61 und ein Band 62, aber kein Band 60 umfassen. Was wichtig ist, ist, daß das Kabel zumindest eine Positivdispersionsfaser und zumindest eine Negativdispersionsfaser enthält.
8 liefert nähere Einzelheiten bezüglich des Aufbaus eines praktischen Kabels gemäß der vorliegenden Erfindung. Das optische Kabel 80 umfaßt die Bänder 60 bis 62, wie es oben erörtert ist. Diese Bänder sind in einem Röhrenbauglied 81 angeordnet, das aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, wie z. B. Polyvinylchlorid oder Polyethylen. Ein wasserabsorbierendes Band 83, eine geriffelte Metallabschirmung 84 und eine Kunststoffhülle 86 umgeben das Röhrenbauglied 81. Eine Reißleine 82, die aus Kevlar^®-Kunststoff hergestellt ist, ermöglicht die Entfernung der Umhüllung, und die Hülle 86 aus Polyethylen-Material, beispielsweise, umhüllt die Stärkebauglieder 85–85. Stärkebauglieder werden verwendet, um Belastungen zu elimi nieren oder zu reduzieren, die andernfalls während der Handhabung oder dem normalen Betrieb an den optischen Fasern anliegen, und kann auf eine von vielen zahlreichen Weisen in dem Kabel 80 enthalten sein. Dieser gleiche allgemeine Aufbau ist in 9 gezeigt, wobei die Kabelstruktur 90 optische Fasern umfaßt, die auf unterschiedliche Weise zusammengebaut sind. Beispielsweise ist ein Bündel optischer Fasern locker mit einem Garnbinder 92 umhüllt, um eine identifizierbare Einheit 90-1 zu bilden. Dieses Bündel umfaßt vorzugsweise Positivdispersionsfasern. Darüber hinaus ist ein zweites Bündel optischer Fasern ebenfalls mit dem Garnbinder 92 umwickelt, um eine identifizierbare Einheit 90-2 zu bilden. Dieses zweite Bündel umfaßt vorzugsweise Negativdispersionsfasern. Und obwohl es vorzuziehen ist, Positiv- und Negativdispersionsfasern in getrennte Gruppen oder Einheiten zu unterteilen, ist es bei der Praxis der Erfindung nicht notwendig.
Typischerweise ist ein Füllmaterial in den Röhrenbaugliedern 81, 91 angeordnet, die in 8 und 9 gezeigt sind, das dazu dient, die Fasern, die in denselben enthalten sind, zu polstern und dadurch gegen Mikrobiegeverlust zu schützen. Größere Einzelheiten bezüglich des Aufbaus der Kabel 80, 90 und geeigneter Füllmaterialien sind in dem U.S.-Patent 4,844,575 offenbart.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in einem WDM-System 100, das in 10 gezeigt ist, deutlich dargestellt. Demselben sollte die herkömmliche Technik zum Kompensieren von Dispersion gegenübergestellt werden, die in 4 offenbart ist. Insbesondere verbinden herkömmliche Systeme im allgemeinen ein Modul der DCF an dem Ende der Übertragungsfaser. Weil das Modul der DCF typischerweise eine Faserspule ist, deren tatsächliche Länge (z. B. 3 Kilometer) die Gesamtspannweite um diesen Betrag erhöht, gibt es einen erhöhten Signalverlust, was bedeutet, daß eine zusätzliche Verstärkung erforderlich ist, und somit erhöhte Kosten. Darüber hinaus zeigt die DCF einen höheren Verlust (z. B. 0,5 dB/km) als die Übertragungsfaser, und dadurch wird der Gesamtsystemverlust weiter erhöht. Durch Aufbauen eines Kabels 90 sowohl mit Positivdispersionsfasern 90-1 als auch Negativdispersionsfasern 90-2 und durch Herstellen von Überkreuzungsverbindungen 105 an vorbestimmten Positionen, typischerweise an Mittellängenpunkten, kann jedoch bewirkt werden, daß sich die kumulative Dispersion Null nähert, wie es unten in 10 dargestellt ist. Wichtigerweise vermeidet diese Lösungsansatzübertragung bei der Nulldispersionswellenlänge λ₀ einer optischen Faser und reduziert dadurch Vier-Photonen-Mischen.
Das WDM-System 100 arbeitet bei 10 Gb/s in jeder Richtung und umfaßt eine Lichtquelle 101, die zu Darstellungszwecken vier Lichtwellenkanäle λ_s1, λ_s2, λ_s3, λ_s4 in dem 1.530 nm–1.565 nm-Bereich erzeugt, wobei jeder Kanal durch etwa 1,6 nm getrennt ist und jeder Kanal bei einer Geschwindigkeit von etwa 2,5 Gb/s arbeitet. Licht wird in eine Positivdispersionsfaser 90-1 eingekoppelt, die sich um eine Länge L₁ erstreckt. Dann wird eine Überkreuzungsverbindung 105 durchgeführt, vorzugsweise an der mittleren Länge, zu einer Negativdispersionsfaser 90-2, die sich um eine Länge L₂ erstreckt. Vorteilhafterweise enthält das gleiche Kabel 90 sowohl Positiv- als auch Negativdispersionsfasern, daher kann es an jeder geeigneten Position getrennt werden und eine Überkreuzungsverbindung 105 hergestellt werden. Solche Verbindungen werden ohne weiteres in bekannten Verschlüssen hergestellt, die ähnlich sind wie diejenigen, die in dem U.S.-Patent 5,481,639 gezeigt sind. Da bei diesem System keine DCF-Module verwendet werden, muß der Verstärker 201 nur die Übertragungsverluste handhaben und nicht den zusätzlichen Verlust, der durch eine oder mehrere Faserspulen geliefert wird.
Obwohl verschiedene spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung möglich. Diese Modifikationen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei einem System, dessen Quellenwellenlänge (λ_s) außerhalb der 1.530–1.565-nm-Region liegt; Herstellen von Überkreuzungsverbindungen an anderen Positionen als der mittleren Länge (d. h. L₁ ‡ L₂); die Verwendung von dispersionsausgeglichenem Kabel in nicht-WDM-Systemen; Kabel mit einer anderen Anzahl von Positivdispersionsfasern als Negativdispersionsfasern; Kabel mit Fasern mit unterschiedlichen Größen von positiver und negativer Dispersion an der Quellenwellenlänge; Kabel, die einen oder mehrere Fasertypen zusätzlich zu den Positiv- und Negativdispersionsfasern aufweisen; und Kabel mit anderen Aufbauten als den dargestellten – z. B. optische Kabel ohne Röhrenbauglieder oder Stärkebauglieder.

Claims

Ein optisches Kabel (60, 80, 90), das geeignet ist zum Reduzieren einer kumulativen Dispersion in Faseroptikübertragungssystemen, wobei das Kabel (60, 80, 90) eine oder mehrere optische Fasern eines ersten Typs und eine oder mehrere optische Fasern eines zweiten Typs umfaßt, wobei beide Typen von optischen Fasern geeignet sind zum Übertragen von optischen Signalen bei einer Quellenwellenlänge λ_s, dadurch gekennzeichnet, daß: die optischen Fasern des ersten Typs eine positive chromatische Dispersion aufweisen, wobei der Mittelwert der absoluten Größen der Dispersionen der Positivdispersionsfasern 0,8 ps/nm-km bei λ_s überschreitet; und die optischen Fasern des zweiten Typs eine negative chromatische Dispersion aufweisen, wobei der Mittelwert der absoluten Größen der Dispersionen der Negativdispersionsfasern 0,8 ps/nm-km bei λ_s überschreitet.
Das Kabel (60, 80, 90) gemäß Anspruch 1, bei dem die optischen Fasern des ersten Typs und die optischen Fasern des zweiten Typs in der Anzahl gleich zueinander sind.
Das Kabel (60, 80, 90) gemäß Anspruch 1, bei dem sich die Quellenwellenlänge λ_s in dem Bereich von 1.530 nm < λ_s < 1.565 nm befindet.
Das Kabel (60, 80, 90) gemäß Anspruch 3, bei dem die optischen Fasern des ersten und des zweiten Typs Einmodenfasern sind und folgende Merkmale aufweisen: (i) eine Dämpfung, die geringer ist als 0,26 dB/km bei 1.550 nm; (ii) eine Grenzwellenlänge, die geringer ist als 1.450 nm; und (iii) ein Dispersionsgefälle, das geringer ist als 0,1 ps/(nm²-km), wobei die absolute Größe der mittleren chromatischen Dispersion bei 1.550 nm in dem Bereich von 0,8–4,6 ps/nm-km liegt.
Das Kabel (60, 80, 90) gemäß Anspruch 4, bei dem die optischen Fasern des ersten Typs eine mittlere chromatische Dispersion D₁ aufweisen, und bei dem die optischen Fasern des zweiten Typs eine mittlere chromatische Dispersion D₂ aufweisen, wobei die absolute Größe von D₂ 65–68% der absoluten Größe von D₁ ist.
Das Kabel (60, 80, 90) gemäß Anspruch 5, bei dem die optischen Fasern des ersten Typs eine mittlere chromatische Dispersion von etwa +2,3 ps/nm-km bei 1.550 nm aufweisen.
Das Kabel (60, 80, 90) gemäß Anspruch 4, bei dem die optischen Fasern des zweiten Typs eine negative mittlere chromatische Dispersion von etwa –1,6 ps/nm-km bei 1.550 nm aufweisen.
Das Kabel (z. B. 90) gemäß Anspruch 1, bei dem die optischen Fasern des ersten Typs in einer ersten Einheit (90-1) zusammengebaut sind und mit einem Binder (92) umwickelt sind, und bei dem die optischen Fasern des zweiten Typs in einer zweiten Einheit (90-2) zu sammengebaut sind und mit einem Binder (92) umwickelt sind.
Das Kabel (z. B. 60) gemäß Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Typ von optischen Fasern in einem planaren Array miteinander verbunden sind, wobei die optischen Fasern longitudinale Achsen aufweisen, die im wesentlichen parallel zueinander sind.
Das Kabel (z. B. 80) gemäß Anspruch 1, bei dem das Kabel ferner folgende Merkmale umfaßt: ein Kunststoffröhrenbauglied (81), das die optischen Fasern des ersten und des zweiten Typs (60, 61, 62) umschließt; eine Kunststoffhülle (86), die das Röhrenbauglied umschließt; und ein oder mehrere Festigkeitsbauglieder (85), die in dem Kabel angeordnet sind.
Das Kabel (z. B. 80) gemäß Anspruch 10, bei dem die optischen Fasern des ersten Typs in einem ersten planaren Array (61) miteinander verbunden sind, und die optischen Fasern des zweiten Typs in einem zweiten planaren Array (62) miteinander verbunden sind, wobei jedes planare Array optische Fasern umfaßt, die longitudinale Achsen aufweisen, die im wesentlichen parallel zueinander sind.