DE69903896T2

DE69903896T2 - Methode zur Kompensation der chromatischen Dispersion und der Polarisationsdispersion eines LWL-Systems

Info

Publication number: DE69903896T2
Application number: DE69903896T
Authority: DE
Inventors: Thomas Andrew Strasser; Jefferson Lynn Wagener
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: KR100661255B1; KR20000022867A; US6137924A; JP2000089055A; EP0984306B1; JP3634205B2; EP0984306A1; CA2278902A1; AU4588699A; DE69903896D1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kompensieren einer Dispersion unter Verwendung von Dispersionskompensationsgittern (DCGs) und Elementen (z. B. ein Optische-Faser-Kommunikationssystem), das ein DCG aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Dispersionskompensationsgitter (DCGs) sind bekannt. Siehe z. B. Ennser u. a., IEEE J. of Quantum Electronics, Bd. 34, S. 770-778 (1998). Kurz gesagt, ist ein DCG auf ein Bragg-Gitter, das über zumindest einen Teil seiner Länge gechirpt ist, wodurch für ein auffallendes Licht unterschiedliche Weglängen und daher unterschiedliche Verzögerungen als eine Funktion der Wellenlänge geschaffen werden. Dies ist schematisch in Fig. 1 gezeigt, in der sich ein Bezugszeichen 10 auf einen optischen Einmodenwellenleiter bezieht (typischerweise eine herkömmliche silikabasierte optische Faser) und sich das Bezugszeichen 11 auf ein Chirp-Bragg-Gitter in der Faser bezieht. Das Bezugszeichen 12 bezieht sich auf eine Mehrfachwellenlängen-Strahlung, die sich in den Wellenleiter zum Gitter hin ausbreitet, und sich 13 und 14 auf eine reflektierte Strahlung beziehen. Unter der Annahme, daß die Gitterbeabstandung als eine Funktion der Entfernung vom Eingangsende des Gitters abnimmt, ist die Wellenlänge der Strahlung 13 dann größer als die Wellenlänge der Strahlung 14. Da die Strahlung 14 im Gitter eine größere Entfernung zurücklegt als die Strahlung 13, weist erstere typischerweise eine längere Verzögerung auf als letztere.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, schafft ein DCG eine chromatische Dispersion. Das Zeichen und der Betrag der chromatischen Dispersion können nach Wunsch gewählt werden (z. B. durch Wahl des Chirps), und das DCG kann verwendet werden, um die chromatische Dispersion in einem Kommunikationssystem zu kompensieren.
Obwohl die bekannten DCGs grundsätzlich sehr nützlich sind, weisen sie eine nachteilige Eigenschaft auf, die bisher ihre weit verbreitete Verwendung verhindert hat. Speziell weisen bekannte DCGs eine relativ hohe Polarisierungsmoden- Dispersion (PMD) auf, die im wesentlichen nicht vorherzusehen ist.
Die PMD tritt auf, wenn eine Polarisierung der Strahlung (die ungeachtet der Wellenlänge als "Licht" bezeichnet wird) bei einer gegebenen Wellenlänge eine andere Verzögerung in einem Bauelement aufweist als die andere Polarisierung des Lichts bei der gleichen Wellenlänge. Der Begriff "Bauelement" soll im weitesten Sinne beispielsweise eine herkömmliche optische Faser umfassen.
Die meisten Bauelemente weisen eine gewisse PMD auf, und die Faser an sich weist eine intrinsische PMD unter anderem aufgrund eines Verdrillens während des Faserziehens und/oder einer azimuthalen Asymmetrie des Faserbrechungsindex. Es ist allgemein schwierig, die PMD der optischen Faser unter etwa 2 · 10&supmin;&sup7; zu halten.
Mittels eines Beispiels erfordern häufig anzutreffende Spezifikationen für ein optisches Bauelement aufgrund der PMD weniger als 1 ps Verzögerung. Ein 1 m langer Abschnitt einer optischen Faser kann eine PMD von 5 fs aufweisen, was im wesentlichen weniger als der zulässige Höchstwert ist. Jedoch weist die gleiche Länge der Faser bei einem Gitter mit -1.000 ps/nm Dispersion im 1,55 um Wellenlängenbereich eine PMD von über 1,5 ps auf, was mehr als der zulässige Höchstwert ist.
Das vorstehende Beispiel demonstriert, daß das Vorhandensein eines DCG in einer Faser die intrinsische PMD der Faser beträchtlich verschlechtern kann.
Das Verdrillen während des Faserziehens und die azimuthale Asymmetrie sind nicht die einzigen PMD-erzeugenden Mechanismen. Ein weiterer solcher Mechanismus ist eine UVinduzierte Doppelbrechung aufgrund einer nichtsymmetrischen Belichtung der optischen Faser durch UV während der Gitterherstellung. Die UV-induzierte Doppelbrechung beträgt typischerweise etwa 10&supmin;&sup6; fast das Doppelte der Doppelbrechung der intrinsischen Faser.
Die Kombination aus ungesteuerter Faserdoppelbrechung und ungesteuerter UV-induzierter Doppelbrechung eines gitter- enthaltenden Bauelement bedeutet, daß die PMD des Bauelements im wesentlichen nicht vorherzusehen ist und nicht ohne weiteres aufgehoben werden kann. Das Dokument des Stands der Technik GB2316761 beschreibt die Aufhebung der PMD durch Eingrenzung auf nur eine Polarisierungsmode gemäß der Präambel von Anspruch 1.
Im weiteren Stand der Technik bestehen Versuche, um das PMD-Problem in DCGs durch Minimierung der Doppelbrechung im Gitter zu bewältigen. Es ist jedoch schwierig, eine Doppelbrechung von weniger als etwa 10&supmin;&sup6; zu erreichen, und daher schwierig, eine PMD von weniger als etwa 10 ps in einem DCG zu erreichen.
Die vorstehenden Überlegungen können wie folgt quantifiziert werden: Die Polarisierungsmodenverzögerung TpMD in einer Länge Lf der Faser mit einer Faserdoppelbrechung B und einer Fasergruppengeschwindigkeit Vg beträgt etwa
BLt/Vg.
Andererseits beträgt die Polarisierungsmodenverzögerung für Licht von einer Wellenlänge Ä in einem DCG, bei dem die Penetrationslänge vor der Reflektion z ist und bei dem die Dispersion D ist, etwa
B[(2z/Vg) + Dλ].
Bei dem letzteren Ausdruck dominiert der Dispersionsterm BDλ nahezu ständig den Penetrationstiefenterm 2Bz/Vg, und die PMD-Verzögerung des Gitters wird durch den Dispersionsterm dominiert.
Es besteht eindeutig ein Bedarf an einer Technik zum Reduzieren der PMD in einem DCG, die sich nicht auf die Minimierung der Doppelbrechung im DCG stützt. Diese Anmeldung offenbart eine solche Technik.

Glossar und Definitionen

Der hierin verwendete Begriff "Doppelbrechung" wird herkömmlichen Sinn verwendet. Ein Medium weist eine Doppelbrechung auf, wenn das Medium zwei (Nichtdegenerations-) Ausbreitungsmoden von Licht einer gegebenen Wellenlänge unterstützt, wobei die Moden, abhängig vom Polarisierungszustand, unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen.
Der Begriff "Dispersion" bezieht sich hierin auf die chromatische Dispersion eines Übertragungsmediums. Ein Übertragungsmedium weist eine chromatische Dispersion auf, wenn die Geschwindigkeit des Lichts im Medium von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Abhängig vom Vorzeichen der Dispersion und des Chirp (Wellenlängenkomposition) eines Pulses von Licht verlängert oder verkürzt die Dispersion die Zeitdauer des Pulses.
Ein DCG weist hierin eine "adiabatisch zunehmende Festigkeit" auf, wenn die Amplitude der Brechungsindexvariation des Gitters relativ langsam von der Eingangskante des Gitters ansteigt, um das DCG im wesentlichen zu apodizieren. Siehe beispielsweise das vorstehend zitierte Papier von Ennser u. a.
Mit dem Begriff "polarisierungserhaltende" (PM-) Faser ist hierin eine doppelbrechende Faser gemeint, die zwei eindeutig definierte orthogonale Ausbreitungsmoden eines Lichts unterstützt, deren effektive Brechungsindizes sich um 102 oder mehr unterscheiden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung behandelt ein Verfahren zum Kompensieren der chromatischen Dispersion und der Polarisierungsmodendispersion in einem optischen Fasersystem gemäß Anspruch 1.
Das Verfahren basiert auf einem Dispersionskompensator, der eine Länge einer optischen Faser und ein Chirp-Bragg-Gitter (das DCG) in der Faser aufweist. Bedeutsamerweise weist die optische Faser eine polarisierungserhaltende (PM-) Faser mit einer vorbestimmten ersten und zweiten Richtung der Polarisierung auf, wobei die Doppelbrechung 10&supmin;&sup6; oder mehr, vorzugsweise 10&supmin;&sup5; oder mehr beträgt. Der Dispersionskompensator weist ferner einen PMD-Kompensator auf, der ausgewählt ist, um die PMD des DCG im wesentlichen aufzuheben. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das DCG eine adiabatisch variierende Festigkeit auf.
Der Dispersionskompensator (der typischerweise in ein Gehäuse gepackt ist) kann Teil eines Optische-Faser- Kommunikationssystems mit einem oder mehreren DCGs sein, die in dem Optisches-Signal-Übertragungsweg zwischen dem Sender und dem Empfänger angeordnet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten DCGs;
Fig. 2 zeigt einen relevanten Abschnitt eines bekannten Kommunikationssystems mit einem DCG;
Fig. 3 bis 5 sind schematische Darstellungen von exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
Die Zeichnungen sind weder maßstabsgetreu noch in einem Verhältnis zueinander dargestellt.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 2 stellt schematisch einen Abschnitt eines bekannten Optische-Faser-Kommunikationssystems mit einer Dispersionskompensation mittels eines DCG 11 in einer herkömmlichen optischen Faser 10 dar. Ein eingegebenes Licht 20 tritt in einen Eingangsport 23 eines Zirkulators 22 ein, tritt an einem Zirkulatorport 24 aus, breitet sich zu einem DCG 11 hin aus, wo es reflektiert wird, tritt in den Zirkulatorport 24 ein und tritt am Zirkulator bei einem Port 25 aus. Im Idealfall ist das DCG 11 so ausgewählt, daß die ausgegebene Strahlung 21 bei einer minimalen PMD dispersionskompensiert ist. In der Praxis ist eine minimale PMD jedoch schwierig zu erreichen, was einen Bedarf an einem anderen Lösungsansatz erzeugt.
Ein Zirkulator ist ein spezielles Bauglied einer Klasse von Bauelementen, die als "direktionale Transferbauelemente" bezeichnet werden, die dazu dienen, ein Licht, das sich in eine Richtung bewegt, von einem Licht zu trennen, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Ein weiteres direktionale Transferbauelement, das in der Praxis der Erfindung verwendet werden könnte, ist ein Koppler.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weichen von der bekannten Praxis dardurch ab, indem eine optische Faser mit einer vorbestimmten ersten und zweiten Richtung der Polarisierung mit einer relativ hohen Doppelbrechung verwendet wird und indem typischerweise ein geeigneter Betrag einer PMD vor dem DCG hinzugefügt wird.
Die optische Faser mit der vorbestimmten ersten und zweiten Polarisierungsrichtung und mit einer relativ hohen Doppelbrechung wird allgemein als eine polarisierungserhaltende (PM-) Faser bezeichnet und ist hinreichend bekannt. Kurz gesagt, definiert die Doppelbrechung der PM-Faser ein Achsensystem, so daß das Licht, das in die PM-Faser mit einer Polarisierung entlang einer der Achsen eingebracht wird, entlang dieser Achse polarisiert erhalten wird.
Die erforderliche Doppelbrechung der PM-Faser wird unter anderem durch die zuvor erörterte UV-induzierte Doppelbrechung und den Betrag der Doppelbrechung bestimmt, der während des Verpackens des Bauelements eingebracht wird, und sollte beträchtlich größer als beide sein. In vielen Fällen beträgt die untere Grenze einer nützlichen Doppelbrechung 10&supmin;&sup6;, und die Doppelbrechung beträgt vorzugsweise 10&supmin;&sup5; oder mehr. Die optische Faser mit B > 10&supmin;³ ist typischerweise schwierig herzustellen, und ein Gitter in einer Faser mit B > 10&supmin;³ kann bis zu 1 nm Gitterbandbreite aufbrauchen. So beträgt die obere Grenze der nützlichen Doppelbrechung typischerweise etwa 10&supmin;³.
Ein beträchtliches Merkmal eines Elements gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen des DCG in einer Hochdoppelbrechungs- (PM-) Faser. Da die PMD im Gitter auf eindeutig definierten Achsen und bei einem hinreichend definierten Wert auftritt, ist es möglich, die PMD zu kompensieren. Diese Situation wird durch den nachstehenden Ausdruck quantifiziert, wobei L die Länge der PM-Faser vor dem Gitter ist, und alle anderen Terme wie vorstehend spezifiziert sind.
τPMD ~ B[2(z ± L)V + Dλ]
Um die gewünschte Verringerung der PMD zu erreichen, wird L so ausgewählt, daß DA im wesentlichen die gleiche Größenordnung und ein entgegengesetztes Zeichen, wie 2LVλ aufweist.
Daher erfährt das Licht, das sich durch die. Länge L der PM- Faser ausbreitet, einen Betrag X von PMD. Das Licht reflektiert dann vom DCG weg, wobei es dabei einen Betrag -2X der PMD erfährt, was die Gesamt-PMD auf -X bringt. Während sich das Licht zurück, durch die Länge L der PM-Faser, ausbreitet, erfährt das Licht einen weiteren Betrag X der PDM, was zu einer Netto-PMD von null führt.
In dem vorstehenden Ausdruck wurde das Zeichen von L so gewählt, um das Gegenteil des Zeichens von D zu betragen, so daß eine Aufhebung vorgenommen werden kann. Daher, wenn das DCG eine negative Dispersion aufweist, dann wird L zu z hinzugefügt, was anzeigt, daß kein Bedarf an einer Rotation der Achsen der PM-Faser vor dem Gitter besteht. Andererseits, wenn das Gitter eine positive Dispersion aufweist, dann wird L von z subtrahiert, was den Bedarf an einer 90- Grad-Rotation der Achsen der PM-Faser vor dem Gitter anzeigt. Eine solche Rotation wird ohne weiteres erreicht, z. B. mittels eines Splice oder eines ausgerichteten APC- (angled physical contact = winkelmäßiger physischer Kontakt) Faserverbinders vor dem Gitter.
Die Aufhebung des Gitterdispersionsterms Dλ durch den PM- Easerterm 2L/Vg hinterläßt einen typischerweise kleinen Rest der PMD, der sich proportional zur Penetrationstiefe des Lichts in das DCG verhält. Die Größenordnung dieser Residual-PMD kann ohne weiteres kleiner als etwa 0,1 ps gemacht werden, was beträchtlich geringer als die typischen Anforderungen der aktuellen Spezifikationen ist.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Elements, das bei dem Verfahren der Erfindung verwendet wird, wobei sich das Bezugszeichen 32 auf eine PM-Faser bezieht. Die "PMD-VERZÖGERUNG" 31 weist typischerweise eine vorbestimmte Länge der PM-Faser auf, die ausgewählt ist, um die PMD des DCG, wie vorstehend erörtert, zu versetzen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Optische-Faser-Kommunikationssystems 40, das bei dem Verfahren der Erfindung verwendet wird. Der Sender 41 und der Detektor 43 sind herkömmlich und sind signalübertragend durch einen Optische-Faser-Übertragungsweg verbunden, der eine Länge (z. B. etwa 50 km) der optischen Übertragungsfaser 42 aufweist, die eine Dispersion in das System einführt. An einer geeigneten Position (z. B. dem Detektor knapp vorgeschaltet) ist ein Zirkulator 22 angeordnet. Das Licht der Wellenlänge λ (z. B. 1.550 nm) tritt in den Port 23 des Zirkulators ein, tritt am Port 24 am Zirkulator aus, breitet sich durch die PM-Faser 32 zum DCG 11 aus, wird durch das Gitter reflektiert, breitet sich zurück zum Port 24 durch die PM-Faser aus, tritt in den Zirkulator durch den Port 24 ein, tritt aus dem Zirkulator am Port 25 aus und wird durch den Detektor 43 erfaßt. Ein direktionales Übertragungsbauelement außer einem Zirkulator könnte ebenfalls verwendet werden.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren exemplarischen Optische-Faser-Kommunikationssystems, das bei dem Verfahren der Erfindung verwendet wird. Das System von Fig. 5 ist im wesentlichen mit dem System von Fig. 4 identisch, außer daß ersteres ein DCG 110 mit einer positiven Dispersion aufweist (d. h. ein, Gitter, bei dem die kürzeren Wellenlängen vor den längeren Wellenlängen reflektiert werden), wohingegen letzteres ein Gitter mit einer negativen Dispersion aufweist und ersteres ferner einen 90- Grad-Splice 51 aufweist, der die zwei Polarisierungsachsen der PM-Faser miteinander austauscht. Der Splice ist kurz vor dem Gitter plaziert. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die DCGs apodiziert, um Gitter mit adiabatisch variierender Festigkeit zu liefern. Ein APC-Faserverbinder könnte verwendet werden, um die Polarisierungsrichtungen untereinander auszutauschen.

Beispiel 1

Bei einem Optische-Faser-Kommunikationssystem wird ein herkömmlicher Sender mit einem herkömmlichen Empfänger durch 60 km von einer Standard-5D-Faser verbunden. Die Faserverknüpfung weist eine nominale chromatische Dispersion von 1.020 ps/nm in dem 1.550-nm-Band auf. Ein Chirp- Bragg-Gitter wird verwendet, um die chromatische Dispersion zu kompensieren.
Eine Einmoden-PM-Faser (mit einer intrinsischen Faserdoppelbrechung des Werts 10&supmin;&sup5; und einer Gruppengeschwindigkeit von 2,05 · 10&supmin;&sup4; m/ps) mit einem Ge-dotierten Kern wird mit Deuterium in herkömmlicher Weise beladen, und ein Chirp- Bragg-Gitter wird in den Faserkern durch UV-Belichtung durch ein Phasengitter geschrieben. Das Gitter wird bei einer Wellenlänge 1.550 nm zentriert, weist eine Länge von 8 cm und eine Chirp-Rate von -10,455 cm/nm auf. Das Gitter wird in der PM-Faser so angeordnet, daß die Faserlänge von der Gittermitte zum Ende der PM-Faser 162 m beträgt.
Bei einer Anordnung, die im wesentlichen in Fig. 4 gezeigt ist, tritt ein 1.550 nm langes Licht vom Sender in den ersten Port eines Drei-Port-Zirkulators ein. Das Licht tritt aus dem zweiten Port aus und tritt in die PM-Faser ein. Däs Licht breitet sich zum Gitter hin aus, wird durch das Gitter reflektiert, breitet sich zurück zum zweiten Zirkulatorport hin aus, tritt in den zweiten Port ein und tritt aus dem dritten Zirkulatorport aus.
Das Chirp-Gitter ist konzipiert, um eine -1.020-ps/nm- Dispersion für Licht von einer Wellenlänge von 1.550 nm zu schaffen, und kompensiert so die chromatische Dispersion der 60 km der 5D®-Faser. Die Verwendung der PM-Faser für sowohl das Gitter als auch die 162 m lange Faser zwischen dem Gitter und dem Zirkulator macht die Gesamt-PMD des DCG kleiner als etwa 10 fs, und die Anordnung hebt so im wesentlichen die Signaldispersion im System bei einer minimalen akkumulierten PMD auf.

Beispiel 2

Ein optisches Kommunikationssystem, das im wesentlichen vorstehend beschrieben ist, außer daß das DCG eine adiabatisch variierende Festigkeit aufweist.

Beispiel 3

Ein System, das im wesentlichen im Beispiel 1 beschrieben ist, außer daß das DCG eine positive Dispersion aufweist und daß die PM-Faser des DCG um 90º im Hinblick auf die PM- Faser rotiert wird, die das Gitter mit dem Zirkulator verbindet.

Claims

1. Ein Verfahren zum Kompensieren der chromatischen Dispersion und der Polarisationsmodendispersion eines Optische-Faser-Kommunikationssystems, wobei das Optische-Faser-Kommunikationssystem einen Dispersionskommunikator mit einer Richtungstransfervorrichtung (22) mit einem ersten, zweiten und dritten Tor (23, 24, 25), wobei das erste Tor (23) ein Eingangstor ist und das dritte Tor (25) ein Ausgangstor ist, eine polarisationserhaltende optische Faser (32), die eine vorbestimmte erste und zweite Polarisationsachse aufweist, mit einer intrinsischen Faser-Doppelbrechung von 10&supmin;&sup6; oder mehr, wobei die polarisationserhaltende optische Faser mit dem zweiten Tor (24) der Richtungstransfervorrichtung signalübertragend verbunden ist und ein Chirp-Bragg-Gitter (11), das in der polarisationserhaltenden optischen Faser angeordnet ist, aufweist;

gekennzeichnet durch den Schritt des:

Kompensierens der Polarisationsmodendispersion des Bragg-Gitters (11) durch Kombinieren des Bragg-Gitters mit einer Länge L der polarsierungserhaltenden Faser, so daß 2·(z ± L)/Vg zumindest näherungsweise gleich D·λ ist, wobei z die Eindringtiefe der Signalstrahlung λ in das Chirp-Bragg-Gitter (11) und Vg die Gruppengeschwindigkeit der Signalstrahlung in der polarisationserhaltenden Faser (32) ist, wobei L zu z hinzugefügt wird, wenn die Gitterdispersion negativ ist, und L von z subtrahiert wird, wenn die Gitterdispersion positiv ist, und wobei D die Dispersion in dem gechirpten Braggschen Gitter (11) ist.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die intrinsische Doppelbrechung in dem Bereich von 10&supmin;&sup5;-10&supmin;³ ist.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Chirp- Bragg-Gitter (11) apodiziert ist, um eine adiabatisch variierende Gitterstärke zu zeigen.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Bereitstellens eines Senders (41) und eines Detektors (43), der mit dem Sender durch einen Optische- Faser-Übertragungsweg (42) verbunden ist, aufweist, wobei die Richtungstransfervorrichtung (22) in dem Übertragungsweg angeordnet ist.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Richtungstransfervorrichtung (22) ein Zirkulator oder ein Koppler ist.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem: das Chirp- Bragg-Gitter (11) eine positive Dispersion aufweist; die polarisationserhaltende optische Faser (32), die eine Länge L zwischen dem zweiten Tor der Richtungstransfervorrichtung und dem Chirp-Bragg-Gitter (11) aufweist, zwei Abschnitte aufweist, die so angeordnet sind, daß bei einer Verbindung (51) zwischen den Abschnitten die jeweiligen Richtungen der ersten und der zweiten Polarisationsachse wirksam ausgetauscht werden; und bei dem der Schritt des Kompensierens der Polarisationsmodendispersion den Schritt des Auswählens der Länge L aufweist, so daß 2·(z-L)/Vg zumindest näherungsweise gleich D·λ ist.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem λ etwa 1,5 um ist.