DE69727271T2

DE69727271T2 - Multimode-kommunikationsverfahren

Info

Publication number: DE69727271T2
Application number: DE1997627271
Authority: DE
Inventors: George David Wickwar CUNNINGHAM; Lutz University Walk RADDATZ; Ian White; Mark Stoke Gifford NOWELL
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: US6064786A; EP0826276A1; GB9605011D0; DE69727271D1; EP0826276B1; JP3921498B2; WO1997033390A1; JPH11505630A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystemen und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Einkoppeln von optischer Strahlung in Mehrmodenfasern.
In den späten 70er und frühen 80er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde viel Arbeit darin investiert, die Leistungsfähigkeit von Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystemen zu verbessern. Als Mehrmodenfasern jedoch durch eine Einmodenfaser als dem Medium der Wahl für die Verwendung bei Langstreckenkommunikationssystemen mit hoher Bitrate ersetzt wurde, endete ein Großteil dieser Arbeit. Mehrmodenfasern wurden weiterhin bei optischer Kommunikation für Systeme verwendet, die bei niedrigeren Bitraten und über kürzere Distanzen arbeiten, beispielsweise bei Gebäude- oder Campus-LANs. Es gibt somit eine riesige installierte Basis von Mehrmodenfasern, die eine wesentliche Investition darstellt.
In den vergangenen Jahren hat sich die Nachfrage nach LANs mit hohen Datenraten drastisch erhöht, beispielsweise auf ein GB/sek und darüber hinaus. Selbst wenn eine Mehrmodenoptikfaser nur über kurze Entfernungen verwendet wird, beispielsweise 500 m, können somit die erforderlichen Datenraten unter Verwendung herkömmlicher Techniken nicht erreicht werden.
Ein Schlüsselaspekt beim Bestimmen der Bandbreite einer Mehrmodenoptikfaserkommunikationsverbindung, der seit vielen Jahren erkannt wird, ist die Anzahl und Verteilung von Moden in der Mehrmodenfaser, die erregt sind, und daher optische Energie tragen. Siehe beispielsweise Kapitel 7 von „Optical Fibres for Transmission" von John E. Midwinter, herausgegeben von John Wiley & Sons im Jahr 1979. Falls ei ne reine Einmode niedriger Ordnung in eine Mehrmodenfaser eingekoppelt wird, und es kein Modenmischen gibt, sind die Bandbreite und andere Charakteristika der optischen Kommunikationsverbindung diejenigen einer Einmodenfaser, d. h. die Verbindung weist eine hohe Bandbreite auf. Falls Modenmischen auftritt, beispielsweise aufgrund von Faserprofilunregelmäßigkeiten oder mechanischen Störungen der Faser, wird Energie von der Einmode niedrigster Ordnung in Moden höherer Ordnung gekoppelt, die geringere Gruppengeschwindigkeiten aufweisen, und unvermeidlicherweise ergibt sich eine zusätzliche Impulsdispersion, was zu einer geringeren Gesamtbandbreite für das Kommunikationssystem führt. Alternativ, falls Licht auf eine Weise in die gleiche Mehrmodenfaser eingekoppelt wird, um alle Moden der Mehrmodenfaser einheitlich zu erregen (eine sogenannte „überfüllte Einkopplung"), und falls kein Modenmischen auftritt, ergibt sich eine maximale Impulsverbreiterung und die Bandbreite des Kommunikationssystem ist bei einem Minimum. Falls in dieser Situation Modenmischen eingeführt wird, weil einzelne Photonen dann einige Zeit in vielen unterschiedlichen Moden verbringen, und viele kurze Distanzen bei unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten zurückgelegt haben, wird weniger Impulsverbreiterung auftreten. Anstatt eine Erhöhung der Impulsverbreiterung zu erleben, die proportional zu der Länge der optischen Kommunikationsverbindung ist, baut sich im Idealfall Impulsverbreiterung nur im Verhältnis zu der Quadratwurzel der Länge der optischen Kommunikationsverbindung auf. Obwohl verschiedene alternative Schemata untersucht wurden (siehe z. B. US 4,050,782 und US 4,067,642 ) wurde es somit in den frühen 80er Jahren allgemein akzeptiert, daß es wünschenswert war, viele Moden in eine Mehrmodenoptikfaser einzukoppeln, und sicherzustellen, daß angemessenes Modenmischen auftritt, um eine vernünftige und vorhersagbare Bandbreite für eine optische Kommunikationsverbindung zu erreichen.
Trotz dieses praktischen Lösungsansatzes wurde jedoch theoretisch vorhergesagt, daß die Bandbreite der Kommunikati onsverbindung verbessert werden könnte, falls die Anzahl und Verteilung von Moden, die einer Mehrmodenfaser erregt sind, genau gesteuert werden könnte. Siehe beispielsweise Abschnitt 7.6, Seite 126 von Midwinters Buch, wo vorgeschlagen wird, daß gesteuertes Modenkoppeln verwendet werden kann, um Koppeln zu den Moden höchster Ordnung der Faser zu vermeiden, um die Faserbandbreite zu erhöhen, ohne eine Verluststrafe hervorzurufen. Trotzdem wird dort angemerkt, daß „gesagt werden muß, daß es experimentell äußerst schwierig ist, eine solche genau gesteuerte Faserumgebung zu erreichen, und zu dem Zeitpunkt, zu dem dies geschrieben wird, sind keine Berichte von experimentellem Testen bekannt".
In den vergangenen Jahren wurden eher Laser statt LEDs (Light Emitting Diodes = lichtemittierende Dioden) bei Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystemen verwendet. Es gibt eine Anzahl von Gründen dafür, erstens können Laser direkt moduliert werden bei höheren Geschwindigkeiten als LEDs. Zweitens, weil Laser nur einige wenige gut gesteuerte Transversalmoden aufweisen, können dieselben verwendet werden, um nur einige ausgewählte wenige Moden der Mehrmodenoptikfaser zu erregen. Das Ziel war, die Einkopplungsbedingungen zu ändern, um die Bandbreite der Mehrmodenfaser über ihre OFL-Bandbreite (OFL = overfilled launch = überfüllte Einkopplung) hinaus zu erhöhen. Die OFL-Bedingungen sind in einem EIA/TIA-Standard spezifiziert (EIA/TIA 455-54A „Mode scrambler requierements for overfilled launching conditions to multimode fibers") und sind entworfen, um sicherzustellen, daß alle Moden der Mehrmodenfaser einheitlich erregt werden. Während eine OFL-Einkopplung eine bestimmte minimale Bandbreite sicherstellt, ist diese Bandbreite im schlimmsten Fall nicht länger ausreichend und es gibt eine Anforderung, die Bandbreite zuverlässig zu erhöhen, von der garantiert werden kann, daß sie jedes Mehrmodenfasersystem erreichbar ist.
Es ist bekannt, einen Laser zu verwenden, um einen kleinen Strahlungserregungspunkt in der Mitte einer Mehrmodenfaser einzukoppeln, beispielsweise durch Verwenden einer Einmodenfaser oder einer Linse zwischen der Laserquelle und der Mehrmodenfaser. Das Ziel einer solchen „Mitteleinkopplung", wie sie hierin bezeichnet wird, ist es, nur die Mode niedrigster Ordnung zu erregen (oder höchstens einige wenige Moden niedriger Ordnung) der Mehrmodenfaser. Wie es oben erörtert wurde, falls nur einige wenige Moden einer Mehrmodenfaser erregt sind, und wenig Modenmischen auftritt, kann die Bandbreite eines Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystems theoretisch drastisch erhöht werden, da Modendispersion effektiv eliminiert wird. Es gibt jedoch mehrere Nachteile bei der Verwendung einer Mitteleinkopplung zum Erhöhen der Bandbreite von Mehrmodenkommunikationssystemen. Enge Toleranzen bei der Position und Größe des Erregungspunktes sind erforderlich, um die Einkopplung von nur einer Einmode oder wenigen Moden niedriger Ordnung sicherzustellen. Zweitens, wie es oben erörtert wurde, falls Modenmischen oder Modenkoppeln aufgrund der Faserumgebung oder an Verbindern in dem Kommunikationssystem auftritt, werden trotz der Verwendung einer Mitteleinkopplung viele weitere Moden erregt. Drittens ist die Mitteleinkopplungstechnik empfindlich gegenüber Defekten in dem Mehrmodenfaserbrechungsindexprofil und insbesondere empfindlich gegenüber jedem „Mitteleinbruch bzw. Mitteldip" in dem Profil. Ein solcher Mitteleinbruch kann beispielsweise auftreten aufgrund der Verdampfung eines Dotiermittels von der inneren Oberfläche einer Faservorform, wenn die Vorform während der Herstellung der Faser zusammensinkt. Schließlich ist bekannt, daß die Verwendung eines Lasers zum Einkoppeln einer kleinen Anzahl von Moden niedriger Ordnung in eine Mehrmodenfaser Modenrauschen erhöht. Die Modenrauschprobleme, die auftreten, wenn Quellen mit hoher Kohärenz mit Mehrmodenfasern verwendet werden, werden verstärkt, wenn nur wenige Moden der Mehrmodenfaser erregt werden. Modenrauschprobleme haben in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit erfahren, siehe beispielsweise „Improved Multimode Fibre Link BER Calcula tions Due To Modal Noise and Non-Self Pulsating Laser Diodes" R. J. S. Bates u. a., Optical and Quantum Electronics 27 (1995) 203–224.
Die US 5,416,862 offenbart die Verwendung einer Einmodenfaser, deren longitudinale Achse in einem vorbestimmten Winkel zu der longitudinalen Achse der Mehrmodenfaser geneigt ist, um eine kleine Anzahl von Moden höherer Ordnung in die Mehrmodenfaser zu koppeln. Obwohl gesagt wird, daß diese abgewinkelte Einkopplung die Modendispersion verringert (und somit die Bandbreite erhöht) und die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Störungen reduziert, bewirkt die Erregung nur von Moden höherer Ordnung einen wesentlichen Verlust von optischer Leistung.
Die EP 361498 offenbart auch das Einkoppeln von optischer Strahlung von einer Einmodenfaser in eine Mehrmodenfaser. Die EP 361498 zielt darauf ab, die Bandbreite der Mehrmodenfaser zu erhöhen, durch Erregen von mehr Moden höherer Ordnung und weniger Moden niedrigerer Ordnung. Es wird jedoch keine Unterscheidung zwischen Moden mittlerer Ordnung und höherer Ordnung getroffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erhöhen der Betriebsbandbreite eines Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystems vorgesehen, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Einkoppeln einer optischen Strahlung durch eine sammelnde Mehrmodenfaser, die mit einer Quelle einer kohärenten optischen Strahlung ausgerichtet ist, so daß nur Moden niedriger Ordnung der sammelnden Mehrmodenfaser in den Kern der Mehrmodenfaser entfernt von der Mitte des Kerns erregt werden, um Moden mittlerer Ordnung der Mehrmodenfaser stark zu erregen, aber Moden niedriger und hoher Ordnung der Mehrmodenfaser nur schwach zu erregen.
Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß durch Einkoppeln von Strahlung in den Kern einer Mehrmodenfaser an einem vorbestimmten radialen Abstand entfernt von der Mitte der Mehrmodenfaser eine Anzahl von Moden mittlerer Ordnung zuverlässig erregt werden kann. Die erregten Moden mittlerer Ordnung sind vorherrschend in einer kleinen Anzahl von Modengruppen und haben somit ähnliche Ausbreitungskonstanten. Dies führt zu einer Reduzierung bei der Modendispersion und somit zu einer wesentlichen Erhöhung bei der Bandbreite im Vergleich zu einer überfüllten Einkopplung. Ferner ist diese „versetzte Einkopplung", wie sie hierin bezeichnet wird, sowohl tolerant gegenüber den Einkopplungsbedingungen als auch jeglichen Ungenauigkeiten bei dem Faserbrechungsindexprofil, d. h. ähnliche Modenprofile sind in der Mehrmodenfaser erregt, trotz Abweichungen bei Einkopplungsbedingungen und trotz eines Mitteleinbruchs in dem Faserbrechungsindexprofil. In der Tat wurde eine durchweg größere Bandbreitenverbesserung beobachtet, wenn eine versetzte Einkopplung verwendet wurde, im Vergleich zu einer Mitteleinkopplung, trotz theoretischen Vorhersagen, daß die Mitteleinkopplung die größere Bandbreitenverbesserung erzielen sollte. Es wird davon ausgegangen, daß dies an Faserbrechungsindexprofildefekten liegt. Es wurde außerdem herausgefunden, daß eine versetzte Einkopplung unter geringerem optischen Leistungsverlust leidet als herkömmliche abgewinkelte Einkopplungstechniken.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine gleichzeitige Verbesserung von sowohl der Bandbreite als auch der Modenrauschleistungsfähigkeit eines Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystems bezüglich einer überfüllten Einkopplung und häufig auch bezüglich einer Mitteleinkopplung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Sender für die Verwendung in einem Mehrmodenfaserkommunikationssystem vorgesehen, wobei der Sender eine optische Quelle umfaßt, die in der Lage ist, eine kohärente optische Strahlung zu emittieren, und eine sammelnde Mehrmodenfaser zum Sammeln optischer Strahlung, die von der optischen Quelle ausgegeben wird, und zum Richten derselben zu einer Endfläche einer leitenden Mehrmodenoptikfaser, wobei die sammelnde Mehrmodenfaser mit der optischen Quelle ausgerichtet ist, so daß nur Moden niedriger Ordnung der sammelnden Mehrmodenfaser erregt werden, und wobei die sammelnde Mehrmodenfaser angepaßt ist, um eine optische Strahlung auf einen Kern der leitenden Mehrmodenfaser zu leiten, im wesentlichen entfernt von der optischen Achse der leitenden Mehrmodenfaser, um die Betriebsbandbreite des Mehrmodenfaserkommunikationssystems zu erhöhen, durch starkes Erregen von Moden mittlerer Ordnung der leitenden Mehrmodenfaser, aber nur schwaches Erregen von Moden niedriger und hoher Ordnung der leitenden Mehrmodenfaser.
Die Punktgröße der optischen Strahlung, die auf den Kern der Mehrmodenfaser gerichtet wird, kann wesentlich kleiner sein als der Kern der Mehrmodenfaser. Vorzugsweise ist der Radius des Punktes weniger als die Hälfte des Radius des Kerns.
Vorzugsweise ist der Abstand der Mitte des Punktes von der Mitte des Kerns, x, ein wesentlicher Bruchteil des Radius des Kerns R. Vorteilhafterweise liegt ^x/R zwischen 0,1 und 0,9, vorzugsweise liegt ^x/R zwischen 0,5 und 0,7.
Der Punkt der optischen Strahlung kann beispielsweise in der Form eines Rings sein, der im wesentlichen den gleichen Abstand von der optischen Achse der Mehrmodenfaser aufweist, aber vorzugsweise eine im wesentlichen runde Form aufweist.
Spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Punkt, der einen Mehrmodenfaserkern gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beleuchtet,
2 ein theoretisches Diagramm des normierten Modenerregungsspektrums für eine Mehrmodenfaser, wenn dieselbe durch eine überfüllte Einkopplung erregt wird,
3a und 3b jeweils theoretische Diagramme des normierten Modenerregungsspektrums für eine Mehrmodenfaser, wenn dieselbe durch eine versetzte Einkopplung und durch eine abgewinkelte Einkopplung erregt wird,
4a und 4b jeweils theoretische Diagramme des Bandbreitengewinns einer versetzten Einkopplung und einer abgewinkelten Einkopplung im Vergleich zu einer überfüllten Einkopplung für verschiedene Versätze und Winkel,
5a und 5b jeweils theoretische Diagramme der Leistung, die in eine Mehrmodenfaser gekoppelt ist, von einer versetzten Einkopplung und einer abgewinkelten Einkopplung für verschiedene Versätze und Winkel,
6, 7 und 8 theoretische Umfangsdiagramme des Bandbreitengewinns (im Vergleich zu einer überfüllten Einkopplung) aufgrund einer versetzten Einkopplung als eine Funktion des versetzten Abstands X und der Punktgröße r für jeweilige Mehrmodenfasern mit g = 1,8, 1,968 und 2,2,
9 eine experimentelle Konfiguration zum Darstellen der vorliegenden Erfindung,
10 einen vergrößerten Abschnitt des Stands der Technik im Querschnitt,
11 experimentelle Ergebnisse, die mit der experimentellen Konfiguration von 9 erzielt wurden,
12 experimentelle Ergebnisse, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Ergebnissen vergleichen, die mit herkömmlichen Techniken erreichbar sind,
13 eine schematische Darstellung einer Sammeleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
14 eine schematische Darstellung einer experimentellen Konfiguration zum Darstellen der vorliegenden Erfindung,
15 zeigt experimentelle Ergebnisse, die mit der experimentellen Konfiguration von 14 erzielt wurden,
16a und 16b Nahfeldstrukturen von Mehrmodenfasern gemäß der vorliegenden Erfindung,
17 Bitfehlerratenmessungen der experimentellen Konfiguration von 14, und
18 weitere experimentelle Ergebnisse, die eine VCSEL-Optikquelle mit der Konfiguration von 14 verwenden.
Obwohl ein vollständiges theoretisches Verständnis der Mechanismen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, bisher noch nicht erreicht wurde, haben die Anmelder der vorliegenden Erfindung ein theoretisches Modell entwickelt, das gewisse Einsicht liefert und die Ausführung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung nicht auf irgend eine Weise durch dieses theoretische Modell begrenzt ist. Das theoretische Modell wird im Anhang am Ende der vorlie genden Beschreibung näher beschrieben, einige Ergebnisse dieses Modells werden jedoch nun gegeben.
1 zeigt die Geometrie eines Beleuchtungspunkts 20 (einen Abstand X) gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, der von der optischen Achse 22 einer optischen Mehrmodenfaser 6 versetzt ist. Der beleuchtete Punkt 20 hat einen Radius r und die Mehrmodenfaser 6 hat einen Kern 21 mit dem Radius R.
2, 3a und 3b sind theoretische Diagramme der normierten Modenerregungsspektren für eine überfüllte Einkopplung (2), eine versetzte Einkopplung (3a) und eine abgewinkelte Einkopplung (3b) in eine Mehrmodenfaser. Die Mehrmodenfaser ist modelliert, um einen Kern von 62,5 μm Durchmesser und eine Umhüllung von 125 μm Durchmesser aufzuweisen, und die Betriebswellenlänge ist 1300 nm. Für die Versatzeinkopplung weist der Beleuchtungspunkt einen Radius von 5 μm auf (Standard für Einmodenfasern bei 1300 nm) und ist um einen Abstand X = 18 μm von der Mehrmodenfaserachse 22 versetzt. Die abgewinkelte Einkopplung wurde so weit wie möglich optimiert. Wie es von diesen Figuren ersichtlich ist, sind die Modenerregungsspektren dieser drei Einkopplungstypen sehr unterschiedlich. Die OFL zeigt die erwartete Erregung einer großen Anzahl von Moden einschließlich der starken Erregung von Moden niedrigerer Ordnung. Die abgewinkelte Einkopplung, wie sie in der US 5,416,862 offenbart ist, zeigt eine starke Erregung der Moden höherer Ordnung und sehr wenig Erregung der Moden niedriger Ordnung. Ferner ist das Modenerregungsprofil relativ flach. Die versetzte Einkopplung zeigt im Gegensatz dazu die starke Erregung einer kleine Gruppe von Moden mittlerer Ordnung, von der angenommen wird, daß dieselbe zu einer hohen Bandbreite und einer guten Modenrauschenleistungsfähigkeit führt. Eine Mitteleinkopplung würde nur die Moden erster oder vielleicht erster und zweiter Ordnung erregen.
4 zeigt den Bandbreitengewinn für die abgewinkelte Einkopplung (4b) und die versetzte Einkopplung (4a) von 3. Der Bandbreitengewinn wird als ein Mehrfaches der Bandbreite für eine OFL berechnet. Beide Einkopplungen zeigen eine erhöhte Bandbreite im Vergleich zu OFL, aber die versetzte Einkopplung hat eine wesentlich größere Bandbreitenverbesserung.
5 ist ein Diagramm der Leistung, die von der Einmodeneinkopplungsfaser für die abgewinkelte Einkopplung (5b) und die versetzte Einkopplung (5a) mit der Mehrmodenfaser gekoppelt ist. Aus 4 und 5 ist ersichtlich, daß für diese speziellen Betriebsbedingungen einen Bereich von Versätzen von zwischen 15 und 25 μm gibt, die sowohl einen hohen Bandbreitengewinn als auch einen geringen Verlust für die versetzte Einkopplung ergeben. Damit die abgewinkelte Einkopplung wesentliche Bandbreitengewinne erzielt, muß jedoch ein Betriebsbereich von hohem Kopplungsverlust eingetreten werden. Es sollte angemerkt werden, daß Winkel zu äquivalenten Versätzen für die abgewinkelte Einkopplung in 4 und 5 umgewandelt wurden, um die beiden Einkopplungstechniken zu vergleichen.
Ferner ist aus 4 und 5 ersichtlich, daß es einen großen Bereich von Versätzen gibt, die diese Vorteile erreichen, und daß somit im Vergleich zu einer Mitteleinkopplung wesentlich niedrigere Toleranzen erforderlich sind.
Wie es am Ende des theoretischen Anhangs der vorliegenden Beschreibung beschrieben ist, variieren die Brechungsindexprofile der Gradientenindexmehrmodenfasern, daher muß jedes Modellieren diese Variationen adressieren. Es wird davon ausgegangen, daß derzeit verfügbare Gradientenindexmehrmodenfasern eine Variation des Indexes des Leistungsgesetzes g von zwischen 2,2 und 1,8 aufweisen, somit wurden Fasern mit g innerhalb dieses Bereichs und Δ = 0,01345 und n₁ = 1,5 modelliert.
Umfangsdiagramme des Bandbreitengewinns im Vergleich zu der überfüllten Einkopplung wurden für verschiedene Werte von g, Versatz und Eingangsstrahlschmalstelle (d. h. Beleuchtungspunktradius) aufgezeichnet. Die y-Achse der Umfangsdiagramme ist die Quellenschmalstellengröße normiert auf w₀ (wo ist die Schmalstellengröße der Moden niedrigster Ordnung, so daß 1 auf der y-Achse eine Schmalstelle gleich der Fundamentalmode anzeigt), die x-Achse ist der Einkopplungsversatz in μm. In 6, 7 und 8 sind drei Umfangsdiagramme gezeigt. Für alle Figuren ist die Wellenlänge 850 nm und der Fasertyp ist 62,5/125 μm. Die drei Figuren sind für unterschiedliche Werte des Profilparameters mit g Werten von 1,8, 1,968 und 2,2 in den 6, 7 bzw. 8. Diese Werte wurden gewählt, um die beiden Begrenzungen von g in modernen Fasern darzustellen, und auch den Wert von g, der die optimale überfüllte Einkopplungsbandbreite ergibt. Nur die Abbildungen von 850 nm und 62,5 μm Fasern sind gezeigt. Die Abbildungen für alle anderen Kombinationen (850 nm/62,5 μm MMF, 1300 nm/62,5 μm MMF, 1300 nm/50 μm MMF) wurden jedoch berechnet und zeigen ähnliche Merkmale.
In allen drei Figuren gibt es eine scharfe Spitze in dem Bandbreitengewinn, wenn der Einkopplungspunkt genau in der Mitte ist und in der Größe mit der Fundamentalmode übereinstimmt. Dies würde nur eine Einmode einkoppeln und daher ist die Modendispersion 0. Es sollte angemerkt werden, daß aufgrund eines theoretischen Gewinns von ∞ an der Spitze die Graphikdarstellung die erste Spalte von Daten ausgelassen hat, wodurch es erscheint, als wäre die Spitze leicht versetzt von der Mitte anstatt an der Mitte.
Von diesen Umrissen erscheint es, als ob die Mitteleinkopplung spektakuläre Bandbreitengewinne liefert. Das analytische Modell, das verwendet wird, basiert jedoch auf quadratischen Medien und kann daher die Auswirkungen von Defekten in der Faser nicht bestimmen. Experimentelle Beweise haben gezeigt, daß es Vorteile haben kann, die Einkopplung zu versetzen, um diese Defekte zu überwinden. Ein zweiter Vor teil beim Verwenden einer versetzten Einkopplung ist das Modenrauschenthema. Es wird davon ausgegangen, daß eine Mitteleinkopplung, die die Anzahl von Moden in der Faser minimiert, nahe dem schlimmsten Fall für Modenrauschen ist.
Durch Versetzen der Einkopplung verringert sich der Gewinn von der Spitze, kann aber relativ hoch bleiben. Während der Profilparameter g nahe zum Optimum wird, erscheint eine zweite Spitze an einem Zwischenversatz, aber es gibt auch eine tiefe Mulde zwischen der versetzten Spitze und der Moden-angepaßten Gewinnspitze. Diese Mulde bei dem Bandbreitengewinn ist jedoch kein Problem, da in der Nähe des Optimums g die OFL-Bandbreite in jedem Fall ziemlich hoch ist und daher führt ein reduzierter relativer Bandbreitengewinn nach wie vor zu einer hohen absoluten Bandbreite.
Von diesen Umrissen kann eine empirische Beziehung zwischen einer Eingangsstrahlschmalstelle und einem Versatz, um einen optimalen Gewinn zu bestimmen, wie folgt bestimmt werden: r ≅ ω₀ – (ω₀/R)X.
Wobei r die Eingangsstrahlschmalstelle ist (oder der Beleuchtungspunktradius), ω₀ die e^–1 Schmalstelle der Mehrmodenfaser niedriger Ordnung ist, R der Kernradius ist und X der Versatz von der Kernmitte ist.
Das Ausmaß, zu dem Defekte oder Störungen in der Faser die Bandbreitenverbesserung beeinträchtigen, wurde durch das vorliegende theoretische Modell noch nicht in Betracht gezogen, es wurden jedoch Arbeiten veröffentlicht, die zeigen, daß Defekte in der Faser die Faserbandbreite wesentlich beeinträchtigen können (K. Yamashita, Y. Koyamada und Y. Hatano „Launching condition dependence of bandwidth in graded-index multimode fibers fabricated by MCVD or VAD method", IEEE J. of Lightwave Tech., Bd. 3, Nr. 3, Juni 1985, S. 601–607) und insbesondere die Bandbreite, die durch Mitteleinkoppeln erfahren wird (K. Suto und T. Kanada, „Dependence of error rate degradation on graded-index-fiber exci tation state", IEEE J. of Lightwave Tech., Bd. 3, Nr. 6, Dezember 1985, S. 1324–1331). Es wird somit davon ausgegangen, daß die geringe Bandbreitenverbesserung, die sich experimentell gezeigt hat (und nachfolgend beschrieben ist) an Defekten in dem Faserbrechungsindexprofil liegt.
Die Verwendung einer Einmodenoptikfaser als Sammeleinrichtung wird nun beschrieben. Mit Bezugnahme auf 9 umfaßt eine Einmodenoptikquelle 1 eine 1300 nm Fabry-Perot-Laser, gekoppelt mit einem Einmodenfaserpigtail 2 mit 9 μm Durchmesser. Ein Datengenerator 3, der bei 1,0625 Gigabit/sek. arbeitet, führt ein Datenmuster zu der Vorspannungs- und Modulationsschaltungsanordnung 4 zu, die die optische Quelle 1 treibt. Der Einmodenfaserpigtail 2 ist bei 5 bis 2,2 km von 62,5/125 μm der Mehrmodenfaser 6 anschlußgekoppelt. Das entfernte Ende der Mehrmodenoptikfaser 6 ist mit einem optischen Empfänger 7 verbunden. Der Ausgang des optischen Empfängers 7 wird zu Takt- und Datenwiedergewinnungsschaltungen 8 gerichtet, die die Datenstruktur wiedergewinnen und dieselbe zu einem abtastenden Oszilloskop 9 weiterleiten. 10 ist eine auseinandergezogene Zeichnung der Anschlußkopplung 5 zwischen der Einmodenfaser 2 und der Mehrmodenfaser 6. Es ist ersichtlich, daß die Mitte des Einmodenfaserkerns um einen Abstand x axial von der Mitte des Mehrmodenfaserkerns versetzt ist.
Die Mehrmodenoptikfaser 6 ist eine Standardgradientenindexfaser mit einem parabolischen Brechungsindex und mit ISO/IEC 793-2 übereinstimmt. Die Herstellerdaten für die Bandbreiten der Faser (gemessen mit einer LED) sind 500 MHz·km bei 1,3 μm und 20°C. Somit sollte dies die Übertragung bei einem Gigabit/sek. im besten Fall auf eine Länge von 1 km beschränken, und wahrscheinlicher auf 700 m, wenn herkömmliche Einkopplungstechniken verwendet werden. 11 zeigt die Datenstruktur und das Augendiagramm, die bei dem Abtastoszilloskop 9 für verschiedene Versätze x zwischen der Einmodenfaserachse und der Mehrmodenfaserachse aufgezeichnet wurden. Aus 11A ist ersichtlich, daß für eine herkömmliche, auf der Achse liegende Einkopplung das Augendiagramm in der Tat beinahe geschlossen ist, nach der Übertragung durch 2,2 km Mehrmodenfaser, und die Datenstruktur eine wesentliche Verzerrung zeigt. Wenn die Einmodenfaser 2 von der Achse der Mehrmodenfaser 6 um 6,35 um versetzt ist (entsprechend einem Verhältnis zwischen dem Versatz x und dem Mehrmodenfaserkernradius R von 0,2), ist es aus 11B ersichtlich, daß sich das Augendiagramm geöffnet hat und die Datenstruktur weniger Verzerrung zeigt. Von 11C mit einem x/R-Verhältnis von 0,4, ist das Augendiagramm fast vollständig offen. Bei einem ^x/R-Verhältnis von 0,6 ist das Augendiagramm nach wie vor offen, aber wesentliches Rauschen ist zu sehen, da die optische Leistung, die den optischen Empfänger erreicht, stark reduziert ist. 11E zeigt die Datenstruktur bei einem X/R-Verhältnis von 0,8. Die Datenstruktur kann nach wie vor wiedergewonnen werden, aber der optische Signalpegel bei dem optischen Empfänger 7 ist nun sehr gering und wesentliches Rauschen liegt vor. Das optimale x/R Verhältnis für eine Einmodenfaser mit einem Kerndurchmesser von 9 μm, die 1,3 μm Strahlung in eine Mehrmodenfaser mit einem Kerndurchmesser von 62,5 μm einkoppelt, beträgt etwa 0,5.
Tabelle 1
Tabelle 1 zeigt die Mitteleinkopplungsleistung und die Augenhöhe für jedes der ^x/R-Verhältnisse. Daraus ist ersicht lich, daß bei ^x/R von 0,6 und 0,8 wesentlicher Verlust erlitten wird. Es wird davon ausgegangen, daß dies daran liegt, daß der Punkt von der Einmodenfaser 2, der die Endfläche der Mehrmodenfaser 6 beleuchtet, zu nah an dem Rand des Kerns der Mehrmodenfaser 6 ist, und verlustbehaftete Moden höherer Ordnung bewirkt, oder daß Mantelmoden in der Mehrmodenfaser 6 erregt werden. Bei einem ^x/R-Verhältnis von 0,4 wird jedoch ein extrem gutes Augendiagramm über 2,2 km Mehrmodenfaser bei 1,0625 Gigabit/sek. empfangen, und sehr wenig zusätzlicher Verlust wird erlitten im Vergleich zu einer herkömmlichen Mitteleinkopplung (^x/R = 0).
Um die Vorteile des obigen näher darzustellen, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei denen die Datenrate des Datengenerators 3 geändert wurde, und ein Vergleich zwischen drei Einkopplungsbedingungen durchgeführt wurde. Zunächst wurde der oben beschriebene Fabry-Perot-Laser verwendet, mit der Einmodenfaser 2 axial ausgerichtet mit der Mehrmodenfaser 6 (^x/R = 0). Zweitens wurde der gleiche 1300 nm Fabry-Perot-Laser verwendet, mit der Einmodenoptikfaser 2 um 15 μm von der Achse der Mehrmodenoptikfaser 6 versetzt (^x/R = 0,5). Drittens wurde der 0,3 μm Fabry Perot Laser durch eine 1,3 um LED ersetzt, die die Mehrmodenfaser 6 direkt beleuchtet. Für alle drei Einkopplungsanordnungen wurde der Datengenerator 3 von 100 Megabit/s zu 700 Megabit/s abgestuft, in Schritten von 100 Megabit/s. 12A bis 12E zeigen die resultierenden Augendiagramme.
Weil die LED einen großen lichtemittierenden Bereich aufweist und direkt an die Mehrmodenfaser 6 anstößt, wird die LED alle Moden der Mehrmodenfaser 6 einheitlich erregen. Die symmetrische Mitteleinkopplung des Fabry-Perot-Lasers bewirkt, daß nur einige wenige Moden niedriger Ordnung der Mehrmodenfaser 6 erregt werden. Es wird davon ausgegangen, daß die Versatzeinkopplungsbedingung (asymmetrische Einkopplung) des Fabry-Perot-Lasers bewirkt, daß eine große Anzahl von Moden erregt wird, aber relativ wenige Moden niedriger Ordnung.
Aus 12 ist ersichtlich, daß bei 500 Megabit/s sowohl das LED-Augendiagramm als auch das Fabry-Perot-Mitteleinkopplungsaugendiagramm einen wesentlichen Verschluß zeigen, während das Fabry-Perot-Versatzeinkopplungsaugendiagramm einen unwesentlichen Verschlußgrad zeigt, und einen geringen Verlust von empfangener Leistung im Vergleich zu der Mitteleinkopplungskonfiguration. Bei 700 Megabit/s ist das Augendiagramm für die LED beinahe geschlossen, die für den Mitteleinkopplungs-Fabry-Perot ist sehr schlecht, während die für den Versatzeinkopplungs-Fabry-Perot nach wie vor vollständig geöffnet ist. Somit hat die Verwendung einer Einkopplungskonfiguration gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Betriebsbandbreite des Mehrmodenkommunikationssystems wesentlich erhöht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf 13 und 9 beschrieben. Es wurde herausgefunden, daß die Sammeleinrichtung, die Einmodenfaser 2, durch eine sammelnde Mehrmodenfaser 10 ersetzt werden kann, falls die Einkopplung optischer Strahlung von der optischen Quelle 1 in die sammelnde Mehrmodenfaser gesteuert ist, um nur Moden niedriger Ordnung zu erregen. 13 zeigt einen Querschnitt einer sammelnden Einkopplungsmehrmodenoptikfaser 10 mit einem Kern 11. Die Einkopplung der optischen Strahlung von der optischen Quelle 1 in die Einkopplungsmehrmodenfaser 10 ist gesteuert, um einen Ausgangspunkt 12 mit kleinem Durchmesser von der Mehrmodenfaser 10 an dem Anstoßkopplungspunkt 5 zu erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch die Verwendung einer Optikquelle mit einzelner Transversalmode.
Alternativ kann eine optische Linse als Sammeleinrichtung verwendet werden, um eine asymmetrische Einkopplung zu erreichen.
14 zeigt die experimentelle Einstellung. Die verwendete Laserdiode ist eine kantenemittierende Fabry-Perot- Vorrichtung die bei 1,3 μm arbeitet. Diese Wellenlänge wurde gewählt, da die spezifizierte Bandbreite von MMF höher ist bei 1,3 μm als bei kürzeren Wellenlängen. Der Schwellenwertstrom des Lasers ist bei etwa 65 mA und es wird keine Temperatursteuerung verwendet. Für die Übertragungsexperimente ist der Laser bei 79 mA vorgespannt und mit einem digitalen Bitstrom von 1,5 V/p-p moduliert. Das Licht von dem Laser wird mit einer Einmodenfaser (SMF = single mode fibre) mit einem mit einer Linse versehenen Ende gesammelt, und dann durch einen optischen Isolator zugeführt, um Rückkopplung zu eliminieren, die durch die Faser-Luft-Grenzfläche bewirkt wird. (In einem vollständig zerfaserten System wird der Isolator nicht benötigt.) Das Einkoppeln des Lichts in die MMF wird erreicht unter Verwendung einer kollimierenden Linse und einer fokussierenden Linse (Mikroskopobjektive). Beide Linsen sind auf xyz-Mikropositionsstufen befestigt. Die verwendete MMF ist von einem 50/125 μm Typ, mit Längen von 2 km (Bandbreite 735 MHz*km) und 1 km (Bandbreite 657 MHz*km). Diese drei dB Optikbandbreiten wurden unter Verwendung einer LED Quelle und einer überfüllten Einkopplung gemessen und stimmen sehr nah mit den Bandbreiten überein, die durch den Hersteller genannt werden. Das Licht wird mit einem herkömmlichen Detektor mit einem MMF-Eingang erfaßt, der bei bis zu 2,4 Gigabit/s arbeitet.
Die Bandbreite des Systems wird bewertet durch Beobachten des Augendiagramms an einem Oszilloskop und durch Beobachten des RF-Spektrums auf einem Spektrumanalysator. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hängt die Qualität des Auges stark von der Ausrichtung der Fokussierlinse bezüglich des MMF-Endes ab. Wenn das Einkopplungssystem ausgerichtet ist, um das Licht in die Mitte der Faser zu fokussieren, ist die Bandbreite der Faserverbindung ungefähr 450 MHz über 2 km. Falls jedoch das Licht nahe dem Rand des Faserkerns eingekoppelt wird, ist die Bandbreite etwa 1,7 GHz (über 2 km), was beinahe eine vierfache Erhöhung darstellt. Die Umfangsspuren in 15 stellen den Effekt dar. Mit einer Verbindungslänge von 3 km werden annehmbare Augendiagramme für Datenraten von bis zu 2,4 Gigabit/s erhalten, der Grenze des Empfängers.
Für die Untersuchung dieses Effekts wurden Messungen des Fasernahfelds und des gekoppelten Leistungsverhältnisses (CPR = coupled-power-ratio) ausgeführt. Es wird allgemein herausgefunden, daß die höchste Bandbreite erreicht wird, wenn das Licht in den Moden höherer Ordnung konzentriert ist (was einem breiten Nahfeld und einem hohen CPR-Wert entspricht). Im Gegensatz dazu erregt das Einkoppeln des Lichts in die Mitte der MMF, was zu einer viel niedrigeren Bandbreite führt, hauptsächlich Moden, die in der Mitte des Faserkerns positioniert sind, was einer schmaleren Nahfeldstruktur und geringen CPR-Werten entspricht. 16 zeigt die Nahfeldstrukturen an dem MMF-Ende.
Dieses Verhalten kann erklärt werden unter der Annahme, daß diese Einkopplungstechnik selektiv Sätze von Fasermoden erregen kann mit hoher (Mitteleinkopplung) und niedriger (Randeinkopplung) Modendispersion.
Der Einfluß des Einkopplungssystems wurde untersucht durch Ändern der kollimierenden und fokussierenden Linsen (die Punktgröße und NA bestimmen), und Messen der Bandbreite und CPR für die besten und schlechtesten Einkopplungsbedingungen. Die Tabelle 2 faßt die Erkenntnisse zusammen. Es ist anzumerken, daß die Bandbreitenwerte Genauigkeiten von 200 MHz geschätzt haben, und daß der höchste Bandbreitenwert von 1,76 GHz durch den Empfänger beschränkt ist.
Tabelle 1: Bandbreite und CPR-Werte für eine × 10 kollimierende Linse (die Punktgrößenwerte nehmen eine Punktgröße von 9 μm an dem SMF-Ende an)
Es ist ersichtlich, daß für einen großen Bereich von Linsenkombinationen eine Bandbreitenverbesserung erhalten wird, die Punktgrößen an dem MMF-Eingang von 3 μm bis 23 μm entsprechen. Die Einkopplungslinse mit der geringsten NA ergibt jedoch keine hohe Bandbreitenverbesserung.
Während die Einkopplungslinse über den MMF-Eingang bewegt wird, von der Position, die die geringste Bandbreite ergibt (Mitte der Faser), zu der Position mit der besten Bandbreite, verringert sich die gekoppelte Leistung. Mit den × 40 und × 10 Linsen ist diese Verringerung geringer als 1,5 dB, während dieselbe mit der × 2,5 Linse etwa 4 dB ist.
Bitfehlerraten wurden für eine 2 km Verbindung gemessen, die bei 2 Gigabit/s arbeitet. 17 zeigt eine 2 dB Strafe für diese Verbindung im Vergleich zu dem Rück-Rück-Betrieb. Ein fehlerfreier Betrieb über eine Stunde ist ebenfalls demonstriert.
Vorläufige Experimente wurden ausgeführt unter Verwendung von anderen Lichtquellen und Fasertypen. Mit einem 850 mm VCSEL (HK2370B-D10-2), der in einem Einzeltransversalmodus arbeitet, findet sich der gleiche Bandbreitenerhöhungseffekt, wenn das Licht vom Zentrum versetzt fokussiert ist an der MMF. Die Änderungen bei dem Ausgang nach 2 km MMF (Bandbreite 828 MHz*km bei 850 nm) sind in 18 gezeigt. Unter optimalen Einkopplungsbedingungen ist die Anstiegszeit etwa 500 ps (Anstiegszeit bei der Rück-Rück-Konfiguration beträgt ~300 ps), während die Mitteleinkopplung zu einer Anstiegszeit von ~1,5 ns führt. Die Leistungsfähigkeit des VCSEL-basierten Systems ist derzeit durch die Charakteristika des Lasers (sehr kleiner Strombereich für Einzeltransversalmodusbetrieb) und die geringe Empfängerempfindlichkeit beschränkt.
Das selektive Einkopplungsschema wurde ebenfalls für 62,5 μm MMF ausgewertet. Durch Verwenden dieses Fasertyps (Bandbreite 506 MHz*km bei 1300 nm) und eines 1,3 μm Lasers wird eine Übertragung von 1 Gigabit/s über 2,2 km erreicht. Bei 2 Gigabit/s ist ebenfalls ein offenes Auge erreichbar, jedoch auf Kosten von ungefähr 20 dB weniger gekoppelter Leistung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erhöhen die Bandbreite von Mehrmodenfaserkommunikationsverbindungen wesentlich. Durch Auswählen erregender Sätze von Fasermoden mit geringer Modendispersion kann eine Bandbreitenverbesserung von mehr als 400% erreicht werden. Einkopplungsschemata gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten mit einem Bereich von Fasertypen und Laserquellen. Unter Verwendung einer 1,3 μm Laserdiode wird eine Übertragung von 2,4 Gigabit/s über 3 km von 50/125 μm Faser erreicht, was es ermöglicht, daß eine Mehrmodenfaser für Gigabit/s Optikkommunikationsverbindungen verwendet wird.
ANHANG-THEORETISCHES MODELL
Ungefähr quadratische Fasern
Moderne Gradientenindexmehrmodenfasern sind ungefähr quadratische Medien. Die Modenfeldverteilung kann daher modelliert werden, zumindest zu einer ersten Näherung, wie die Feldverteilung der Moden eines quadratischen Mediums. Außerdem ist es gut bekannt, daß das WKB-Verfahren verwendet werden kann, um die Verzögerungszeit der Moden zu berechnen. Für Leistungsgesetzbrechungsindexprofile gibt es einfache Analyseausdrücke für die Verzögerung, siehe beispielsweise D. Marcuse, Light Transmission Optics, 2. Ausg., Van Nostrand Reinhold, 1982.
Unter Verwendung der analytischen Ausdrücke für die Feldverteilung und die Verzögerungszeiten ist es möglich, die Impuls-RMS-Breite einer Mehrmodenfaser zu berechnen. Außerdem können andere relevante Parameter, wie z. B. das gekoppelte Leistungsverhältnis, geschätzt werden.
Moden eines quadratischen Mediums
Die Moden einer quadratischen Faser können unter Verwendung von Hermite-Polynomen H(p, x) berechnet werden, definiert als:
wobei p der Modenindex ist.
Die Gesamtmodenfeldverteilung kann dann ausgedrückt werden als das Produkt der Funktionen von x- und y-Koordinaten (x und y in der Ebene der Faserendfläche, z entlang der Faserachse) gemäß J. Saijonmaa und S. J. Halme, „Reduction of modal noise by using reduced spot excitation", Applied Optics, Bd. 20, Nr. 24, 24. Dezember 1981, S. 4302–4306:
wobei p und q Modenindizes sind, wo die e^–t Schmalstelle der Fasermode niedrigster Ordnung ist, gegeben durch
wobei λ die Wellenlänge der Quelle ist.
Eine Einzeltransversalmodenlaserquelle kann modelliert werden als ein Gaußscher Strahl mit einer elektrischen Feldverteilung, die durch die folgenden Gleichungen beschrieben ist.
wobei w_x und w_y die Schmalstellen des Strahls in der x- und y-Richtung sind, δ und ε die Versätze in der x- und y-Achse von der Mitte des Faserkerns sind.
Die Felderregungskoeffizienten, C(p, q, wo, wz, wy, δ, ε) können dann berechnet werden aus dem Überlappungsintegral des Erregungsfelds und den Modenfeldverteilungen der Faser:
Das Doppelintegral kann bewertet werden als das Produkt eines Integrals über x multipliziert mit einem Integral über y, so daß: C(p, q, w0, wx, wy, δ, ε) = Cp(p, w0, wx, δ)·Cq(q, w0, wy, ε)
Die Bewertung des Integrals führt zu den folgenden Lösungen:
Die Leistungskopplung pro Mode, PC(p, q, w₀, w_x, w_y, δ, ε) kann dann wie folgt berechnet werden: PC(p, q, w0, wx, wy, δ, ε) = (Cp(p, w0, wx, δ)·Cq(q, w0, wy, ε))
Modenausbreitungszeiten
Gemäß dem WKB-Verfahren kann die Modenausbreitungszeit r(g, p, q) für Leistungsgesetzfasern berechnet werden als:
wobei L die Faserlänge ist, c die Lichtgeschwindigkeit, g das Leistungsgesetz der Brechungsindexkurve, M(p, q) = (p + q + 1)² und N(g) die Gesamtzahl von geführten Moden:
Die RMS-Breite der Impulsantwort der Faser kann dann berechnet werden gemäß R. Olshansky und D. B. Keck, „Pulse broadening in graded-index optical fibers", Applied Optics, Bd. 15, Nr. 2, Februar 1976, S. 483–491, als:
wobei die Gesamtleistung auf 1 normiert ist. Es sollte angemerkt werden, daß dieses Modell keine anderen Dispersionseffekte umfaßt, da Modendispersion vorherrscht.
Gekoppeltes Leistungsverhältnis aufgrund von Einmodeneinkopplung
Die EIA/TIA hat vorgeschlagen, daß das Verhältnis der optischen Leistung, die durch eine Einmodenfaser erfaßt wird, zu derjenigen, die durch eine Mehrmodenfaser an dem Ausgang einer zu testenden Mehrmodenfaser erfaßt wird, verwendet wird, um die Modenerregung der Testmehrmodenfaser zu charakterisieren. Das Verhältnis wird als gekoppeltes Leistungsverhältnis (CPR) bezeichnet und kann berechnet werden.
Die gekoppelte Leistung pro Mode, die an dem Ausgang einer Mehrmodenfaser beobachtet wurde, die durch eine Eintransversalmodenquelle erregt wurde, kann berechnet werden als: CP(p, q, w0, wx, wy, δ, δ1, ε, ε1) : CP(p, q, w0, wx, wy, δ, δ1, ε, ε1) = (C(p, q, w0, wx, wy, δ, ε)·C(p, q, w0, wx, wy, δ1, ε1))wobei δ, ε und ε₁, δ₁ die Versätze der Eingangseinmodenquelle und der Abtasteinmodenfaser in der x- bzw. der y-Richtung sind.
Falls ε und ε₁ auf 0 gesetzt sind, ist das CPR in dB dann: CPR(w0, wx, wy, δ, δ1) = 10 log Σ pΣ q CP(p, q, w0, wx, wy, δ, δ1, 0, 0)
Faserbrechungsindexprofile
Die Brechungsindexprofile in modernen Gradientenindexfasern, die für Datenkommunikationsanwendungen verwendet werden, folgen in etwa einem Leistungsgesetz, wo der Brechungsindex definiert ist als:
wobei n₁ der Kernbrechungsindex ist, n₂ der Mantelbrechungsindex ist, r der Radius ist, R der Kernradius ist, g der Profilparameter ist und Δ = (n 2 / 1 – n 2 / 2)/2n 2 / 1 die relative Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel ist. Das optimale Profil für minimale Modendispersion ist g ≈ 2. Al le modernen Fasern sind entworfen, um so nahe zum Optimum wie möglich zu sein, aber der tatsächliche Bereich kann bis zu 1,8 < g < 2,2 sein. Störungen in dem Brechungsindex können auftreten. Defekte an der Kern/Mantelschnittfläche, das Ändern von Profilparametern g als der Funktion des Radius oder ein Mittelindexeinbruch wurden von Fachleute auf diesem Gebiet berichtet. Der Mittelindexeinbruch ist wahrscheinlich der schwerwiegendste Defekt und kann während dem Zusammensinken der Vorform bei der Herstellung der Faser auftreten. Die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens dieses Einbruchs bei modernen Fasern ist nicht klar.

Claims

Ein Verfahren zum Erhöhen der Betriebsbandbreite eines Mehrmodenoptikfaserkommunikationssystems, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Einkoppeln einer optischen Strahlung durch eine sammelnde Mehrmodenfaser (10), die mit einer Quelle (1) einer kohärenten optischen Strahlung ausgerichtet ist, so daß nur Moden niedriger Ordnung der sammelnden Mehrmodenfaser in den Kern (21) der Mehrmodenfaser (6) entfernt von der Mitte des Kerns erregt werden, um Moden mittlerer Ordnung der Mehrmodenfaser stark zu erregen, aber Moden niedriger und hoher Ordnung der Mehrmodenfaser nur schwach zu erregen.
Ein Sender für die Verwendung in einem Mehrmodenfaserkommunikationssystem, wobei der Sender eine optische Quelle (1), die in der Lage ist, eine kohärente optische Strahlung zu emittieren, und eine sammelnde Mehrmodenfaser (10) zum Sammeln optischer Strahlung, die von der optischen Quelle ausgegeben wird, und zum Richten derselben zu einer Endfläche einer leitenden Mehrmodenoptikfaser (6) umfaßt, wobei die sammelnde Mehrmodenfaser mit der optischen Quelle ausgerichtet ist, so daß nur Moden niedriger Ordnung der sammelnden Mehrmodenfaser erregt werden, und wobei die sammelnde Mehrmodenfaser angepaßt ist, um eine optische Strahlung auf einen Kern (21) der leitenden Mehrmodenfaser zu leiten, im wesentlichen entfernt von der optischen Achse (22) der leitenden Mehrmodenfaser, um die Betriebsbandbreite des Mehrmodenfaserkommunikationssystems zu erhöhen, durch starkes Erregen von Moden mittlerer Ordnung der leitenden Mehrmodenfaser, aber nur schwaches Erregen von Moden niedriger und hoher Ordnung der leitenden Mehrmodenfaser.
Ein Sender gemäß Anspruch 2, bei dem die optische Quelle ein Laser ist.
Ein Sender gemäß Anspruch 3, bei dem der Laser ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser ist.
Ein Sender gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die sammelnde Mehrmodenfaser (10) angepaßt ist, um den Kern (21) der leitenden Mehrmodenfaser mit einem Strahlungsring (12) zu beleuchten, der die Mitte des Kerns umgibt.
Ein Sender gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die sammelnde Mehrmodenfaser angepaßt ist, um den Kern der leitenden Mehrmodenfaser mit einem im wesentlichen runden Strahlungspunkt (20) mit dem Radius r zu beleuchten.
Ein Sender gemäß Anspruch 6, bei dem der Radius des Punkts r derart ist, daß r/R ≤ 1/2,wobei R der Radius des Kerns (21) der leitenden Mehrmodenfaser (6) ist.
Ein Sender gemäß Anspruch 7, bei dem r/R ≤ 1/4.
Ein Sender gemäß Anspruch 6, bei dem r ≤ 10 λ,wobei λ die Wellenlänge der optischen Strahlung ist, die von der optischen Quelle ausgegeben wird.
Ein Sender gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der Abstand der Mitte des Punkts (20) zu der Mitte des Kerns (21) der leitenden Modenfaser (6), x, derart ist, daß: 0,1 ≤ x/R ≤ 0,9.
Ein Sender gemäß Anspruch 10, bei dem 0,5 ≤ x/R ≤ 0,7.
Ein Sender gemäß Anspruch 10, bei dem x/R im wesentlichen gleich 1/2 ist.
Ein Sender gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem r_ω0 – (ω0/R) Xwobei wo die e^–1 Schmalstelle des Modus niedrigster Ordnung der leitenden Mehrmodenfaser ist.
Ein optisches Kommunikationssystem, das einen Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13, eine Länge einer Mehrmodenoptikfaser und einen Empfänger umfaßt.