DE69801632T2

DE69801632T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von optischen Mehrwellenlängensystemen

Info

Publication number: DE69801632T2
Application number: DE69801632T
Authority: DE
Inventors: Anatoli A. Abramov; Arturo Hale; Joel Leslie Mock; Thomas A. Strasser; Ashish Madhukar Vengsarkar
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: JP2000066120A; DE69801632D1; EP0917310A2; EP0917310B1; US6078709A; EP0917310A3

Description

Allgemeiner Stand der Technik

1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft Lichtwellenleitereinrichtungen und Systeme mit Wellenlängenmultiplexierung. Die Erfindung betrifft insbesondere die Modenunterscheidungskopplung optischer Signale in derartigen optischen Einrichtungen und Systemen.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Faseroptische WDM-Systeme (WDM = wavelength division multiplexed = wellenlängenmultiplexierte) sind bekannte Systeme, die durch die gleichzeitige Übertragung vieler verschiedener Kommunikationskanäle über verschiedene. Wellenlängen in einem einzelnen Lichtwellenleiter gekennzeichnet sind. So werden Kommunikationskanäle beispielsweise über Wellenlängen übertragen, die in der Regel im Bereich 1530-1565 Nanometer (nm) liegen und durch Mehrfache von 100 Gigahertz (GHz), das heißt etwa 0,8 nm getrennt sind. Bei derartigen Systemen stellt die Fähigkeit, die verschiedenen Wellenlängen des sich durch eine einzelne Faser ausbreitenden Lichts effizient trennen und erfassen zu können, einen extremen Vorteil dar. So ist es beispielsweise wünschenswert, in faseroptischen WDM-Systemen eine spektralselektive Einrichtung zu haben, die die verschiedenen Kanäle und wichtige optische Parameter (wie etwa das Vorliegen oder die Abwesenheit von Kanälen und optischen Signal-Rausch-Verhältnissen) an den Add/Drop-Knoten oder an den Stellen der optischen Verstärker überwacht, siehe z.B. US-A-4749248. Außerdem ist beispielsweise in vor Ort installierten faseroptischen WDM-Systemen die Fähigkeit, beispielsweise mit einem in der Hand gehaltenen Leistungsmeßgerät die Lichtleistungen in einzelnen Kanälen zu überwachen, aus offensichtlichen Gründen extrem nützlich.
Existierende Techniken und Einrichtungen sind bekannt und werden bei dem Versuch, sich mit den oben erwähnten Bedürfnissen zu beschäftigen, berücksichtigt. So wird beispielsweise in dem am 12. September 1995 an Asakura erteilten US-Patent Nr. 5,450,512 ein Mittel erörtert, um die kombinierte Lichtleistung aller Kanäle zu erfassen und sie durch freien Raum zu schicken, wo sie auf ein brechendes Element, wie etwa ein massives Gitter, auftrifft, das die einzelnen Kanäle trennt. Diese räumlich getrennten Kanäle werden dann zur Leistungsüberwachung oder Verarbeitung durch Gradientenindexlinsen wieder in einem Faserende zusammengeführt. Der Prozeß, Licht aus der Faser herauszuholen, es über massiv-optische Komponenten, wie etwa ein brechendes Gitter, zu trennen und es dann wieder zusammenzuführen, ist mit mehreren Nachteilen verbunden. So ist beispielsweise die Ausrichtung und der Zusammenbau teuer und zeitraubend, die Zuverlässigkeit über lange Frist hinweg ist fraglich und die Dämpfungsverluste sind viel zu hoch. Außerdem wird es als Weise angesehen, das Licht solange in der Faser zu halten, bis es auf einen Detektor auftrifft, wie etwa ein Detektorarray. Die Verwendung eines Detektorarrays trägt jedoch zu zusätzlichen Kosten und Schwierigkeiten bei, wie etwa denen, die mit der präzisen Ausrichtung und dem präzisen Zusammenbau verbunden sind.
WDM-Einrichtungen, die verschiedene Moden in einen Lichtwellenleiter einkoppeln, sind bekannt. Siehe z.B. "Wavelength Division Multiplexing Based On Mode- Selective Coupling", Ouellette et al., Proceedings of SPIE, Band 1365, Nr. 10A, 1. Januar 1990, Seiten 25-32.
Es ist deshalb wünschenswert, eine Wellenlängentrennvorrichtung zur Verfügung zu haben, die eine in der Faser befindliche Einrichtung verwendet und die keiner zusätzlichen teuren Komponenten, wie etwa Detektorarrays, bedarf.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Zu Ausführungsformen der Erfindung zählen ein faseroptisches System und eine faseroptische Vorrichtung zum Trennen der verschiedenen Wellenlängen von durch sie übertragenem Licht und zum Überwachen der jeweiligen Lichtleistung in den getrennten spektralen Komponenten. Insbesondere werden durch Ausführungsformen der Erfindung die physikalischen Parameter von in einer Faser befindlichen Gittern, die Licht zwischen räumlich verschiedenen Lichtmoden in einem faseroptischen WDM-System (wellenlängenmultiplexierten System) abgetastet oder modifiziert, die räumlichen Moden unter Verwendung einer Modenunterscheidungseinrichtung (MDD = mode-discriminating device) getrennt und die getrennten spektralen Komponenten mit einem herkömmlichen oder einem anderen geeigneten Detektor überwacht oder erfaßt. Durch Abtasten der in einer Faser liegenden Gitter wird die Spitzenwellenlänge der Ankopplung zwischen zwei ungleichen Moden modifiziert, wodurch die Ankopplung in dem faseroptischen System gesteuert wird. Das Gitter wird beispielsweise durch Ändern der Temperatur oder Modifizieren der physikalischen Abmessungen des Gitters abgetastet. Bei einer Ausführungsform verwendet das System ein Gitter mit langer Periode, das Licht zwischen zwei sich zusammen ausbreitenden, räumlich verschiedenen Moden koppelt. Bei einer alternativen Ausführungsform verwendet das System ein Gitter mit kurzer Periode, das Licht zwischen einem sich vorwärts ausbreitenden Modus und einem räumlich ungleichen, sich rückwärts ausbreitenden Modus koppelt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Verfahrens zum Überwachen von optischen Mehrwellenlängensystemen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
Fig. 2a-c schematische Diagramme der Intensitätsmuster und radialen Verteilungen der ersten drei geführten Moden einer Stufenindexfaser;
Fig. 3 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Modenunterscheidungseinrichtung, die sich zur Verwendung bei Überwachungseinrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung eignet;
Fig. 4 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer in einer Faser liegenden Gittereinrichtung mit langer Periode zur spektralen Trennung und Überwachung von optischen Signalen in faseroptischen Mehrwellenlängensystemen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
Fig. 5 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer in einer Faser liegenden Gittereinrichtung mit kurzer Periode zur spektralen Trennung und Überwachung von optischen Signalen in faseroptischen Mehrwellenlängensystemen gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Spitzenwellenlänge von beispielhaften Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Bei der folgenden Beschreibung wird zum besseren Verständnis der Erfindung durch die Beschreibung der Zeichnungen auf gleiche Komponenten mit der gleichen Bezugszahl Bezug genommen.
Ausführungsformen der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, daß Licht oder andere relevante elektromagnetische Strahlung, die zwischen räumlich ungleichen Moden in faseroptischen Mehrwellenlängensystemen, wie etwa faseroptischen WDM-Systemen gekoppelt werden, spezifische Eigenschaften aufweisen, die ausgenutzt werden, um in einer Faser liegende Einrichtungen zu erzeugen, die Wellenlängen trennen und später die Leistungen in jeder der spektralen Komponenten erfassen. Die spezifischen Konfigurationen gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden unten ausführlicher erörtert.
Bei der vorliegenden Erörterung sollen unter dem Ausdruck "räumlich gleich" dieselben oder gleichen Gebiete, beispielsweise eines Lichtwellenleiters oder anderer relevanter Lichtenergieübertragungsmedien, verstanden werden. So sind beispielsweise räumlich gleiche Moden diejenigen Moden der Lichtenergie, die gleiche Gebiete der optischen Faser belegen, in der sie sich ausbreiten. Analog sind "räumlich ungleiche" Moden diejenigen Moden der Lichtenergie, die verschiedene Gebiete des Lichtwellenleiters belegen, in dem sie sich ausbreiten.
So belegt beispielsweise ein Grundmodus LP&sub0;&sub1; das mittlere Gebiet des Lichtwellenleiterkerns und weist bei r = 0 eine Intensitätsspitze auf, wobei r der Radius des Lichtwellenleiters ist. Doch erscheint ein beispielhafter Modus höherer Ordnung, beispielsweise der Modus LP&sub1;&sub1;, als zwei helle Flecken mit einer Intensität Null (oder einem Minimum) bei r = 0.
Die Ankopplung verschiedener räumlicher Moden eines optischen Signals erfolgt in der Regel über ein Gitter oder eine andere geeignete Ankopplungseinrichtung. Bekannterweise handelt es sich bei Gittern um periodische Änderungen des Brechungsindexes des lichtempfindlichen Kerns eines Lichtwellenleiters oder eines anderen Lichtenergieübertragungsmediums. Die Periodizität der Änderungen wird derart gewählt, daß die Fehlanpassung zwischen den beiden Moden, die das Gitter koppeln soll, hinsichtlich des Moments (Ausbreitungskonstante) überbrückt wird.
Es werden drei verschiedene Arten von Gittern betrachtet: i) ein Bragg-Gitter mit kurzer Periode, das Licht aus einem sich vorwärts ausbreitenden räumlichen Modus einer Faser in einen sich rückwärts ausbreitenden, räumlich gleichen Modus der Faser einkoppelt; ii) ein Bragg-Gitter mit kurzer Periode, das Licht aus einem sich vorwärts ausbreitenden Modus der Faser an einen räumlich ungleichen, sich rückwärts ausbreitenden Modus der Faser einkoppelt; und iii) ein Gitter mit langer Periode, das Licht zwischen zwei sich gleich ausbreitenden Moden einer Faser koppelt. Es sei für die vorliegende Erfindung angemerkt, daß räumliche Moden entweder Kernmoden oder Claddingmoden sind.
Zu der ersten Art von Gitter mit kurzer Periode, die oben erwähnt ist, zählen beispielsweise Gitter mit Periodizitäten Λ im Submikrometerbereich, die bekannt sind. Siehe beispielsweise Kawasaki et al., Optics Letters; Band 3, S. 66, Aug. 1978 und K. O. Hill et al., Appl. Phys. Lett., Band 1, S. 32, 1978). Typische Bragg-Fasergitter mit Λ = 0,55 um sind wellenlängenselektive Reflektoren, die bei Wellenlängen λ 1,55 um arbeiten und die bei wellenlängenmultiplexierten Kommunikationssystemen zum Einfügen und Herausnehmen von Kanälen weit verbreitet sind.
Gitter dieser Art sind außerdem zum Ändern der spektralen Eigenschaften oder zum Einfügen und Herausnehmen verschiedener Kanäle gestreckt und erwärmt worden. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4,636,031 an Schmadl und Goodman, US-Patent Nr. 5,459,799 an Weber, US-Patent Nr. 5,469,520 an Morey und Wilson und US- Patent Nr. 5,579,143 an Huber. Man beachte, daß bei diesen abstimmbaren, in einer Faser liegenden Gittern Licht zwischen gleichen oder identischen räumlichen Moden (die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten) gekoppelt wurde und somit der Wellenlängenbereich, über den die Gitter abgestimmt wurden, beschränkt war.
Das Strecken eines Gitters führt in der Regel zu einer Verschiebung der Mittenwellenlänge von etwa 1,0 Nanometer (nm) für eine ausgeübte Verformung von etwa 0,001 (oder 1 Milliverformung). Die Gesamtverschiebung wird durch die maximale Verformung begrenzt, die die Faser mechanisch aushalten kann, beispielsweise etwa 2%. Wenngleich beispielsweise durch das Komprimieren des Gitters geringfügig größere Verschiebungen der Wellenlänge erhalten werden, sind Verpackungsverfahren, bei denen Komprimierung verwendet wird, relativ schwierig zu implementieren. Analog führt eine Erwärmung des Gitters zu einer Verschiebung von etwa 1 nm bei einer Temperaturänderung von etwa 100º Celsius. Aus diesen Zahlen geht hervor, daß Gitterwellenlängen bei praktischen Anwendungen, bei denen die Festigkeit der Faser und die Betriebstemperaturen einschränkende Faktoren sind, um nicht mehr als einige wenige Nanometer abgestimmt werden können.
Bei der obenerwähnten zweiten Art von Bragg-Gitter handelt es sich um einen Reflektor, der Licht zwischen zwei räumlich ungleichen Moden (die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten) koppelt. Bei diesen reflektierenden Einrichtungen wird Licht in der Regel von einem Grundmodus eines Lichtwellenleiters in einen räumlichen Modus höherer Ordnung gekoppelt. Bei diesem räumlichen Modus höherer Ordnung könnte es sich um einen handeln, der durch den Kern oder das Cladding geführt wird. Es sei angemerkt, daß ein wichtiges Merkmal eines derartigen Gitters darin besteht, daß der reflektierte Modus in der Faser ein anderes räumliches Gebiet belegt als der eintreffende Modus.
Die obenerwähnte dritte Gitterart, Gitter mit langer Periode, sind in einer Faser liegende lichtinduzierte Einrichtungen, die Licht zwischen zwei ungleichen, sich gleich ausbreitenden räumlichen Moden in einer Faser koppeln. Wiederum sind diese Moden verschiedene Moden, die entweder von dem Kern oder von dem Cladding geführt werden (wobei das nächste umgebende Gebiet, beispielsweise Luft oder eine Beschichtung, als das effektive Cladding für diese Moden wirkt). Es wird beispielsweise Licht aus dem Kern aus einem Grundmodus und in das Cladding einer Faser auf einer wellenlängenselektiven Basis gekoppelt. Bisher sind diese Gitter mit langer Periode als einfache Modenumwandler verwendet worden (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5,104,209, am 14. April 1992 an Hill et al. erteilt), als wellenlängenabhängige Verlustelemente in Breitbandverstärkern (siehe beispielsweise Vengsarkar et al., Opt. Lett. Band 21, S. 336, 1996), in Hochleistungsfaserlasern (siehe beispielsweise Grubb und Stentz, Laser Focus World, Februar 1996, S. 127) und als Bandsperrfilter (siehe beispielsweise Vengsarkar et al., Journal of Lightwave Technology, Band 14, S. 58, 1996). Jedoch wird in diesen Fällen nur das Licht innerhalb des Faserkerns verwendet.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Verfahren 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Der erste Schritt 12 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, das Gitter oder eine andere Koppeleinrichtung abzutasten. Zur Erörterung wird in der vorliegenden Beschreibung unter dem Ausdruck "Abtasten" das Ändern der Spitzenwellenlänge der Kopplung zwischen zwei ungleichen Moden durch Modifizieren beliebiger physikalischer Parameter des Gitters verstanden. Zu den Beispielen für das Abtasten zählen das Abstimmen des Gitters entweder durch Ändern der Temperatur oder durch Verformen der Faser unter Verwendung piezoelektrischer oder magnetostriktiver Techniken.
Gitter funktionieren nach dem Grundsatz, daß durch die induzierten periodischen Indexänderungen die Phasendifferenz zwischen zwei räumlichen Moden in einer Faser angepaßt wird. Das heißt, die Periodizität der Störungen wird derart gewählt, daß die Fehlanpassung zwischen den beiden Moden, zu deren Kopplung das Gitter ausgelegt ist, hinsichtlich des Moments (Ausbreitungskonstante) überbrückt wird. Diese Kopplung findet bei einer Spitzenwellenlänge λp statt, die üblicherweise im Vakuum definiert ist.
Beispielsweise ist bei einem Bragg-Gitter mit kurzer Periode, das Licht zwischen einem sich vorwärts ausbreitenden Grundmodus LP&sub0;&sub1; und einem sich zurück ausbreitenden Modus höherer Ordnung LP&sub1;&sub1; koppelt, die Phasenanpassungsbedingung gegeben durch
λp = (n&sub0;&sub1; + n&sub1;&sub1;) Λ, (1)
wobei Λ die Periode des Gitters ist und in der Regel unter etwa 1 um liegt und n1m die effektiven Indizes der Moden LP1m sind. Analog koppelt ein Gitter mit langer Periode mit einer Periode Λ Licht zwischen zwei sich gleich ausbreitenden Moden (LP&sub0;&sub1; und LP&sub0;&sub2;), die folgende Bedingung erfüllen:
λp = (n&sub0;&sub1; - n&sub0;&sub2;) Λ. (2)
Der einzige Unterschied zwischen Gleichung (1) und (2) ist das Vorzeichen (die Polarität) zwischen den effektiven Indizes der Moden. In Gleichung (2) ist die Periode Λ oftmals größer als etwa 10λ und weist in der Regel einen Wert von einigen Hundert Mikrometern auf. Es sollte wieder betont werden, daß die Moden LP1m entweder Kernmoden oder Claddingmoden sind.
Bei den beiden obigen Gleichungen ist ein wichtiger Parameter der effektive Index eines Modus. Der effektive Index eines Modus steht zu der Wellenleitungsbedingung in Beziehung, die den Modus in einer Faser unterstützt, und er wird durch die Brechungsindizes des mittleren Kerns und aller benachbarten Claddingschichten bestimmt. Die die Faser umgebende Beschichtung wird als eine der Claddingschichten angesehen, und ihr Vorliegen ist bei der Analyse von Claddingmoden wichtig. Die Brechungsindizes der verschiedenen radialen Schichten einer Faser sind Materialeigenschaften, und sie werden beispielsweise dadurch geändert, daß verschiedene Materialzusammensetzungen gewählt werden. Die effektiven Indizes sind Wellenleitungseigenschaften der Moden, und sie sind direkt von den physikalischen Abmessungen (beispielsweise Durchmesser) der Faser und den Brechungsindizes aller Schichten abhängig.
Aus den Gleichungen (1) und (2) wird bestimmt, daß das Gitter die spektrale Auswahl vornimmt, weshalb alles auf das Gitter auftreffende Licht nur in einem ausgewählten Band von Wellenlängen, dessen Mitte bei λp liegt, in einen anderen Modus gekoppelt wird. Außerdem ist die resultierende Ausgabe in einem anderen räumlichen Modus, der ein anderes physisches Gebiet in der Faser belegt.
So zeigen beispielsweise Fig. 2a-c die ersten drei geführten Moden einer Stufenindexfaser, die mit LP&sub0;&sub1; (Fig. 2a), LP&sub1;&sub1; (Fig. 2b) und LP&sub0;&sub2; (Fig. 2c) bezeichnet sind. Die Gebiete mit hoher Intensität 22a, 22b und 22c zeigen deutlich, wie die verschiedenen Moden in der (ρ, φ)-Ebene der Faser verschiedene Positionen dominieren. In Fig. 2a-c sind auch die Intensitätsprofile (24a, 24b, 24c) als Funktion des Radius aufgetragen. Ein azimuthalsymmetrischer Claddingmodus ähnelt dem Modus LP&sub0;&sub2;, wobei sich mehrere Ringe bei den Intensitätsmustern weit in das Claddinggebiet hineinerstrecken. Für die Erörterung in der vorliegenden Beschreibung werden im allgemeinen mit den Ausdrücken "stark gebunden" und "schwach gebunden" die beiden ungleichen Moden definiert.
Ein schwach gebundener Modus ist einer, der über externe Störungen, beispielsweise Biegungen in der Faser, aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt werden kann. Ein stark gebundener Modus ist einer, dessen Energie wesentlich auf den Kern des Lichtwellenleiters begrenzt ist, bei dem beispielsweise mehr als etwa 60% des Lichts im Kern geführt wird. Bei einem schwach gebundenen Modus jedoch breitet sich ein kleinerer Anteil seiner Energie in dem Faserkern aus (beispielsweise unter etwa 50%).
Wie oben erörtert, wird durch Abtasten des Gitters die Spitzenwellenlänge der Kopplungsmoden gesteuert und eine spektrale Zerlegung erzielt. Obwohl unten dargelegte Beispiele die Temperaturabtastung in einem Gitter mit langer Periode erörtern [durch Gleichung (2) beschrieben], so ist zu verstehen, daß sich auch andere Abtast- oder Abstimmtechniken und/oder die Verwendung von Gittern mit kurzer Periode [durch Gleichung (1) beschrieben] gleichermaßen anwenden lassen.
Durch Differenzieren von Gleichung (2) nach der Temperatur (T) erhält man
dλp/dT = Λ·(δn&sub0;&sub1;/δT - δn&sub0;&sub2;/δT) + (n&sub0;&sub1; - n&sub0;&sub2;)·(δΛ/δT) (3)
wobei δΛ/δT von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials bestimmt wird. Aus Gleichung (3) geht hervor, daß, damit eine große Änderung der Spitzenwellenlänge durch eine Temperaturänderung beeinflußt wird, das Material des Lichtwellenleiters ein Material sein muß, bei dem δn&sub0;&sub2;/δT sehr hoch ist. Es sei jedoch angemerkt, daß eine Änderung von δn&sub0;&sub1;/δT nicht wünschenswert ist, da n&sub0;&sub1; im wesentlichen durch das Kernmaterial gesteuert wird und das Material des mittleren Kerns anderen optischen Eigenschaften genügen muß, wie etwa der Reaktionsfreudigkeit gegenüber Ultraviolettlicht (UV-Licht) (um beispielsweise das UV-induzierte Gitter zu schreiben). Als Material für den Kern ist dementsprechend ein lichtempfindliches Silikatglas am besten geeignet.
Während eine Codotierung mit Germania, Phosphor und Bor einen lichtempfindlichen Betrieb gestattet, variiert die Wärmeabhängigkeit der Brechungsindizes dieser Gläser nicht sehr stark. Die Aufmerksamkeit wird dadurch auf das Ändern der Materialeigenschaften derjenigen Gebiete gelenkt, die den Kern umgeben oder sich fast an der Peripherie des Kerns befinden. Diese peripheren Gebiete enthalten den größten Teil der Leistung des zweiten Modus, und δn&sub0;&sub2;/δT wird überwiegend durch die Materialeigenschaften dieser Gebiete gesteuert. Es ist wiederum anzumerken, daß eine Ankopplung auf diese Weise gemäß Ausführungsformen der Erfindung zwischen zwei ungleichen Moden erfolgt (das heißt Moden, die überwiegend verschiedene Gebiete des Kerns belegen). Aus dem unten gezeigten und erörterten Beispiel geht hervor, wie der Einsatz polymerer Beschichtungen, wie etwa Acrylat-/Fluoracrylat- Polymeren, in den äußersten Schichten des Lichtwellenleiters helfen, den gewünschten Effekt herbeizuführen.
Wieder unter Bezugnahme auf Fig. 1 besteht ein zweiter Schritt 14 im Verfahren 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darin, das übertragene Licht entsprechend spektralen Komponenten, das heißt nach Wellenlänge, aufzuteilen. Insbesondere betrifft Schritt 14 die Trennung des ausgekoppelten Modus von dem Eingabemodus, der in der Regel der Grundmodus ist. Die Trennung wird beispielsweise mit einer modenunterscheidenden Erfassungseinrichtung durchgeführt.
Modentrenneinrichtungen sind bekannt. Siehe beispielsweise das am 9. Mai 1989 an Kim et al. erteilte US- Patent Nr. 4,828,350, das eine Implementierung einer Modentrenneinrichtung unter Verwendung eines Faserkopplers beschreibt. Da die Moden an dem Detektor mit verschiedenen räumlichen Koordinaten ankommen, sind auch mehrere andere räumliche Filter nützlich.
In bestimmten Fällen, wo es sich bei dem ausgekoppelten Modus um einen Claddingmodus oder einen schwach geführten Modus handelt, besteht eine einfache Technik zum Trennen darin, die Faser zu biegen, oder auf andere Weise eine lokalisierte Biegung zu erzeugen, wodurch das Licht aus der Seite der Faser ausgekoppelt wird. Eine derartige Ausführungsform ist allgemein in Fig. 3 gezeigt, bei der mit einer (allgemein als 32 gezeigten) Biegung in einem Lichtwellenleiter 34 und einem Detektor 36 ein (allgemein als 38 gezeigter) schwach gebundener Modus erfaßt wird. Ein (allgemein als 39 gezeigter) stark gebundener Modus wird durch die Biegung 32 nicht beeinträchtigt und wird von dem Kern des Lichtwellenleiters 34 weitergeführt.
Der nächste Schritt 16 in Verfahren 10 ist die Erfassung von spektral getrenntem Licht. Eine derartige Erfassung wird beispielsweise unter Verwendung eines herkömmlichen Detektors, wie etwa einer Silizium-, Germanium- oder Indium-Gallium-Arsenid-Photodiode (InGaAs-Photodiode) durchgeführt.
Fig. 4 und 5 zeigen vereinfachte schematische Diagramme für spektrale Trenn- und Leistungsüberwachungseinrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 4 zeigt eine in der Faser liegende spektrale Trenn- und Überwachungseinrichtung 42 bei Verwendung in einem optischen Übertragungssystem 40. Unter "in einer Faser liegend" wird verstanden, daß die Einrichtung 42 die bei dem optischen Übertragungssystem 40 verwendeten Lichtwellenleiter 44 nicht unterbricht und das Licht in der Faser 44 in einem geführten Modus der Faser 44 bleibt, ohne sich in den freien Raum auszubreiten.
Die Einrichtung 42 enthält ein Gitter 46 mit langer Periode, bei dem Licht bei der Übertragung aus einem Modus LP&sub0;&sub1; an einen Modus LP&sub0;&sub2; gekoppelt wird (sich gleich ausbreitende Kopplung). Zusätzlich zu dem Gitter 46 mit langer Periode enthält die Überwachungseinrichtung 42 eine Modenunterscheidungseinrichtung (MDD) 47 und einen Detektor 48.
Das Gitter 46 mit langer Periode wird beispielsweise auf herkömmliche Weise derart auf ein ausgewähltes Gebiet des Lichtwellenleiters geschrieben, daß die sich gleich ausbreitenden, räumlich verschiedenen Moden gekoppelt werden. Die MDD 47 ist wie gezeigt an den Lichtwellenleiter 44 angekoppelt, wobei die räumlich gekoppelten Moden beispielsweise auf herkömmliche Weise dadurch spektral getrennt werden. Wie bereits oben erwähnt, sind Modenunterscheidungseinrichtungen bekannt, und dementsprechend ist MDD 47 jede beliebige, für die gegebene Anwendung geeignete Einrichtung.
Der Detektor 48 ist an die MDD 47 angekoppelt, um beispielsweise die Lichtleistung der durch das Gitter 46 gekoppelten und durch die MDD 47 spektral getrennten Lichtenergiemoden zu erfassen. Der Detektor 48 ist je nach der Wellenlänge der Erfassung beispielsweise eine Silizium-, Germanium- oder InGaAs-Photodiode.
Bei Betrieb wird das Gitter 46 mit langer Periode durch einen extern gesteuerten Anreiz, beispielsweise eine Temperaturänderung, abgetastet. Bei Ablauf der Abtastung ändert sich die Spitzenwellenlänge des gekoppelten Lichts, die MDD 47 trennt Licht aus dem gewünschten Modus und die Leistung des ausgekoppelten Modus wird durch den Detektor 48 erfaßt. Informationen über die Wellenlänge und die Leistung werden beispielsweise über einen Prozessor gewonnen, der das Steuersignal und das erfaßte Signal als Funktion der Zeit verfolgt. Der Prozessor enthält beispielsweise ein Entfaltungs- oder anderes geeignetes Programm oder eine andere geeignete Fähigkeit, um die erforderlichen Informationen aus dem durch den Detektor 48 erfaßten optischen Signal zu gewinnen. Zudem werden auf herkömmliche Weise das Wissen über das Auskopplungsspektrum von dem Gitter 46 und einfache Korrelationstechniken dazu verwendet, präzise Wellenlängeninformationen zu gewinnen.
Fig. 5 zeigt ein optisches Übertragungssystem 50 mit einer in einer Faser liegenden, spektral trennenden und überwachenden Einrichtung 52, in die ein kurzperiodiges Gitter 56 integriert ist. Bei einer derartigen Anordnung wird Licht beispielsweise aus einem sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Modus in Reflexion in einen räumlich verschiedenen, sich in Rückwärtsrichtung ausbreitenden Modus gekoppelt. Wie gezeigt unterscheidet sich die Plazierung einer MDD 57 und eines Detektors 58 beispielsweise von der Anordnung der Einrichtung 42 in Fig. 4 dadurch, daß die MDD 57 und der Detektor 58 anstatt an dem übertragenden Ende an dem reflektierenden Ende des Gitters 56 angeordnet sind.

Beispiel

Bei diesem Beispiel wird eine spezifische Auslegung eines Gitters mit langer Periode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben, das ein dλ/dT mit einem großen Wert ergibt. Der gewünschte Effekt wird beispielsweise dadurch erzielt, daß ein Lichtwellenleiter mit einem Polymerbeschichtungsmaterial mit einem hohen negativen δnp/dT verwendet wird. Aus Gleichung (3) geht hervor, daß eine Maximierung der linken Seite eine Erhöhung des Faktors Λ · δn&sub0;&sub2;/δnp · δnp/δT erfordert, wobei np der Brechungsindex des Polymermaterials und δn&sub0;&sub2;/δnp die Abhängigkeit des effektiven Indexes des zweiten Modus von dem Brechungsindex des Polymers bezeichnet. Der Term δn&sub0;&sub2;/δnp wird beispielsweise dadurch erhöht, daß ein Modus gewählt wird, der sich wesentlich in die Beschichtung hin ausbreitet und dadurch durch den Beschichtungsindex stark beeinflußt wird.
Die Wahl eines geeigneten Polymermaterials führt zu einem relativ hohen Wert von δnp/δT. Die Änderung des Brechungsindexes des Polymers mit der Temperatur ist durch den folgenden Ausdruck gegeben (L. Bohn, in "Polymer Handbook" [Polymerhandbuch], J. Brandrup und E. H. Immergut, Hrsg., zweite Auflage, Wiley, 1975, S. 241):
δnp/dT = -[(np² + 2)(np² - 1)/6np]α, (4)
wobei α der Volumenwärmeausdehnungskoeffizient des Polymers ist.
Da α für alle Polymere positiv ist und np > 1, ist δnp/δT negativ. Zur Maximierung δnp/δT werden für np ein hoher Wert und ein hoher Wärmeausdehnungskoeffizient a benötigt. Der Brechungsindex np des Polymers kann jedoch nicht über dem Index des Glascladdings liegen, um eine Ausbreitung von Claddingmoden zu gestatten. Polymere mit hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind in der Regel amorphe Polymere über der Glasübergangstemperatur. Ein geeignetes Polymer für diese Anwendung ist somit im allgemeinen beispielsweise ein amorphes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur, die unter der Einrichtungsgebrauchstemperatur liegt, und mit einem Brechungsindex, der in der Nähe des Indexes vom Glascladding, aber darunter liegt.
Zu Polymeren, die diese Anforderungen erfüllen, zählen beispielsweise fluorierte Polymere, wie etwa Fluoracrylate und Fluormethacrylate und ihre Copolymere mit Acrylaten (und/oder Methacrylaten) auf Kohlenwasserstoffbasis, fluorierte Urethane und Polymere auf Siliziumbasis (beispielsweise Siloxane). Im Fall von fluorhaltigen Polymeren wird der Brechungsindex beispielsweise durch Ändern des relativen Fluorgehalts in dem Polymermolekül eingestellt. Im Fall von Siloxanen wird der Brechungsindex beispielsweise durch Ändern des Verhältnisses von Methyl- zu Phenylgruppen, die an die Siloxankette gebunden sind, eingestellt.
Um ein Material mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur zu erhalten, ist ein Polymer mit flexiblen Ketten und/oder einer geringen Vernetzungsdichte erforderlich. Siloxanpolymere weisen sehr flexible Ketten und deshalb sehr niedrige Glasübergangstemperaturen auf (die beispielsweise bei nur etwa -120ºC liegen). Fluorhaltige Polymere können so formuliert werden, daß sie niedrige Glasübergangstemperaturen aufweisen (beispielsweise unter etwa 0ºC und in einigen Fällen von nur etwa -100ºC), indem flexible Monomere gewählt werden (in der Regel Monomere mit seitenständigen Kohlenwasserstoff- oder Fluorkohlenstoffketten, die 5-16 Kohlenstoffatome enthalten, oder Monomere mit seitenständigen Ethergruppen). Polyperfluorether weisen ebenfalls sehr niedrige Glasübergangstemperaturen auf.
Bei einer praktischen Einrichtung, die in dem Erbiumverstärkerbereich von 1530-1560 nm arbeitet, sollte der Wert δnp/δT bei etwa 1 nm/ºC liegen. Diese Notwendigkeit basiert auf der Verwendung von kommerziell erhältlichen Temperatursteuerungen, die innerhalb einer relativ kurzen Zeit von beispielsweise einigen wenigen Minuten leicht über 30º Celsius abtasten können.
Es soll beispielsweise das spezifische Beispiel einer dispersionsverschobenen Faser betrachtet werden, die einen Kern mit 10 Mol-% Germania, einen Modenfelddurchmesser von etwa 8,25 um (bei einer Wellenlänge von etwa 1550 nrn) und einen Claddingdurchmesser von etwa 125 um aufweist. Ein Gitter mit langer Periode mit einer Länge von etwa 5,5 cm und Λ = 248 um wurde mit einer einen Brechungsindex von etwa 1,454 (bei 633 nm und 23º Celsius gemessen) aufweisenden Acrylatbeschichtung neu beschichtet. Der Wert δnp/δT des Polymers wurde auf der Basis eines gemessenen Volumenwärmeausdehnungskoeffizienten von 9 · 10&supmin;&sup4; pro Grad Celsius auf etwa -4,7 · 10&supmin;&sup4; pro Grad Celsius geschätzt.
Die Spitzenwellenlänge der Kopplung zwischen dem Grundmodus LP&sub0;&sub1; und dem Claddingmodus LP&sub0;&sub5; wurde als Funktion der Temperatur überwacht. Diese Temperaturabhängigkeit ist als Faser Λ in Fig. 6 gezeigt, was auf einen Wert von dλ/dT von etwa 1,32 nm pro Grad Celsius hindeutet. Dieser Wert ist etwa 20mal so groß wie der von in der Literatur angegebenen standardmäßigen Gittern mit langer Periode, und durch diese Eigenschaft läßt sich das Gitter in einer praktischen Einrichtung temperaturmäßig abtasten. Das Licht wird durch ein räumliches Filter am Ausgangsende übertragen, und auf diese Weise wird der Claddingmodus gewonnen. Bei Verwendung eines Aufbaus wie dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau werden spektrale Informationen erhalten.
Die durch ein anderes Experiment bestimmte Temperaturabhängigkeit eines Fasergitters ist als Faser B in Fig. 6 gezeigt. Bei diesem Experiment wurde ein Fasergitter der Periode Λ = 168 um verwendet, das in eine Faser mit einem Modenfelddurchmesser von etwa 10,5 um und etwa 3 Mol-% Germania und einer Nulldispersions-Wellenlänge von etwa 1,31 um geschrieben worden war. Aus der graphischen Darstellung läßt sich ein dλ/dT von etwa -2,14 nm pro Grad Celsius ablesen.
Für den Fachmann ist offensichtlich, daß an Ausführungsformen des faseroptischen WDM-Systems und des faseroptischen WDM-Verfahrens, die hier beschrieben sind, viele Änderungen und Substitutionen vorgenommen werden können.
So ist es beispielsweise möglich, andere geeignete Abtasteinrichtungen und -techniken zu verwenden. Außerdem versteht sich, obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen MDD und ähnliche Einrichtungen zur Wellenlängentrennung verwendet werden, daß sich andere Arten von Wellenlängentrennungstechniken und -einrichtungen gemäß der Erfindung verwenden lassen. Analog sind andere geeignete Detektoren zur Verwendung in Verbindung mit Ausführungsformen der Erfindung geeignet.

Claims

1. Vorrichtung zur spektralen Überwachung der Übertragung von Lichtenergie in einem optischen Mehrwellenlängen-Wellenleitersystem, das folgendes enthält: eine Quelle für Lichtenergie, mindestens einen Empfänger zum Empfangen der Lichtenergie und ein an die Quelle und den Empfänger angekoppeltes Lichtenergieübertragungsmedium zum Übertragen der Lichtenergie dazwischen, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

ein Gitter (46), das an das Lichtenergieübertragungsmedium (44) angekoppelt ist;

eine Modenunterscheidungseinrichtung (47), die an das Lichtenergieübertragungsmedium angekoppelt ist, um die durch das Gitter eingekoppelte Lichtenergie spektral zu trennen; und

mindestens einen Detektor (48), der an die Modenunterscheidungseinrichtung angeschlossen ist, um die spektral getrennte Lichtenergie zu empfangen, wobei der Detektor die Lichtleistung der spektral getrennten Lichtenergie überwacht,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gitter mit einem aus der Gruppe bestehend aus fluorierten Polymeren, fluorierten Urethanen und Polymeren auf Siliziumbasis ausgewählten Polymermaterial derart beschichtet ist, daß das Gitter so konfiguriert ist, daß räumlich verschiedene Ausbreitungsmoden der Lichtenergie gekoppelt werden, und wobei das Gitter abgestimmt werden kann, wobei die Spitzenwellenlänge der gekoppelten Lichtenergie in Relation zu der Abstimmung modifiziert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gitter dadurch abgestimmt werden kann, daß die Temperatur des Lichtenergieübertragungsmediums an der Stelle des Gitters geändert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin mit einem auf dem Lichtenergieübertragungsmedium an der Stelle des Gitters angeordneten Widerstandsheizelement zum Ändern der Temperatur des Lichtenergieübertragungsmediums.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gitter dadurch abgestimmt werden kann, daß das Lichtenergieübertragungsmedium an der Stelle des Gitters axial verformt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gitter so konfiguriert ist, daß sich die gekoppelten Moden in dem Lichtenergieübertragungsmedium in der gleichen Richtung ausbreiten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gitter so konfiguriert ist, daß sich die gekoppelten Moden in dem Lichtenergieübertragungsmedium zueinander in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gitter mit dem Polymermaterial mit einem sich mit der Temperatur ändernden Brechungsindex derart beschichtet ist, daß der Absolutwert der Temperaturabhängigkeit der Spitzenwellenlänge des Gitters ( dλ/dT ) über etwa 1 Nanometer (nm) pro Grad Celsius liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich in dem Lichtenergieübertragungsmedium eine örtliche Biegung befindet, die als die Modenunterscheidungseinrichtung wirkt, um mindestens einen Teil der Lichtenergie aus dem Lichtenergieübertragungsmedium auszukoppeln und bei der der mindestens eine Detektor an das Lichtenergieübertragungsmedium an der Stelle der örtlichen Biegung darin angekoppelt ist, um Lichtenergie aus dem Lichtenergieübertragungsmedium auszukoppeln.