EP1297316A1 - Messverfahren zur bestimmung der nichtlinearitäten einer optischen faser - Google Patents

Messverfahren zur bestimmung der nichtlinearitäten einer optischen faser

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Publication number
EP1297316A1
EP1297316A1 EP01944955A EP01944955A EP1297316A1 EP 1297316 A1 EP1297316 A1 EP 1297316A1 EP 01944955 A EP01944955 A EP 01944955A EP 01944955 A EP01944955 A EP 01944955A EP 1297316 A1 EP1297316 A1 EP 1297316A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
signal
pump
power
test signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01944955A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Glingener
Erich Gottwald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1297316A1 publication Critical patent/EP1297316A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/319—Reflectometers using stimulated back-scatter, e.g. Raman or fibre amplifiers

Definitions

  • the invention relates to a measuring method for determining the nonlinearities of an optical fiber.
  • nonlinear effects for example self-phase modulation, cross-phase modulation and four-wave mixing, are known, caused by the signal distortions of the optical signal to be transmitted in the optical fiber become.
  • Such nonlinear effects in an optical fiber can be described by the nonlinearity coefficient.
  • the object on which the invention is based is to determine the non-linearities of an optical fiber improve or enable a measurement of the non-linearities of an optical fiber carried out on one side, ie at the beginning or at the end of the optical fiber.
  • the object is achieved by a measuring method according to claim 1 by the features of the characterizing part.
  • the essential aspect of the measuring method according to the invention is to be seen in a first step in which at least one optical test signal is coupled into the optical fiber, the test signal power of which is changed and a first entry threshold of the stimulated Brillouin scattering is determined on the basis of the change in the power of the backscattered optical signal. Furthermore, in a second step, in addition to the optical test signal, at least one modulated optical pump signal with a predetermined pump signal power and a first pump wavelength is coupled into the optical fiber and a second entry threshold of the stimulated Brillouin scatter is determined on the basis of the change in the power of the optical test signal.
  • the non-linearity coefficient of the optical fiber is determined by evaluating at least the first and second entry thresholds, the test and pump signal parameters and the fiber parameters.
  • At least one optical test signal with a test signal power and a test signal wavelength is coupled into the optical fiber in a first step and the power of the backscattered optical signal is measured, as well as a first ratio of the coupled test signal power and the power of the backscattered optical signal. Furthermore, in a second step in addition to the optical test signal having a test signal power and test wavelength, coupling at least one modulated optical pump signal with adjustable pump signal power and a first pump wavelength into the optical fiber and measuring the power of the backscattered optical signal and a second ratio of the coupled test signal power and the power of the backscattered optical signal is determined.
  • the adjustable pump signal power of the modulated optical pump signal is increased or decreased until the second ratio matches the first ratio.
  • the non-linearity coefficient of the optical fiber is then determined by evaluating the test and pump signal parameters as well as the fiber parameters.
  • the variation of the pump signal power of the modulated optical pump signal according to the invention alternatively makes the non-linearity coefficient of the optical by evaluating the existing fiber parameters and test parameters Fiber determinable.
  • test and pump signal parameters evaluated according to the first variant of the measurement method according to the invention provide the test signal wavelength, the predetermined pump signal power, the first pump wavelength and the modulation frequency of the optical pump signal Furthermore, the test signal power, the test signal wavelength, the set pump signal power, the first pump wavelength, the modulation frequency of the optical pump signal are evaluated as the test and pump signal parameters relevant for the second variant of the measuring method according to the invention.
  • 3,705,992 discloses that the entry threshold of the SBS increases in proportion to the ratio of the spectral width ⁇ v s of the optical signal coupled into the optical fiber to the line width ⁇ v B , ie with IS B S - intensity of the injected optical signal at the SBS entry threshold
  • the SBS entry threshold for example for unmodulated optical signals or test signals, is approximately below 10 mW and for binary amplitude-modulated optical signals by a factor of 2 to 3 dB higher.
  • the increase in the case of the binary amplitude-modulated optical signal can be attributed to the distribution of the optical signal power between modulation sidebands and carrier signals, especially since the power of the data signal is distributed over a broad spectral band, in particular at data rates in the Gbit / s range.
  • the SBS leads to signal distortion due to overmodulation, see in particular H.Kawakani, "Overmodulation of Intensity modulated Signals due to stimulated Brillouin scattering", Electronic Letters, Vol. 30, No. 18, pages 1507 to 1508, since essentially the carrier of the amplitude-modulated optical signal, in which the spectral energy density with chip-free modulation is identical to the laser light source, experiences a strong additional attenuation.
  • the SBS entry threshold can be increased considerably by significantly reducing the integrated energy spectral density of the optical signal over a frequency band of width ⁇ v B.
  • the carrier signal power measured with a resolution ⁇ v B , should therefore be reduced to values well below the SBS threshold power. Such a reduction can be achieved by frequency or phase modulation.
  • the SBS effects in the optical fiber essentially take place with a standard single-mode fiber within the first 20 km (effective length L eff ).
  • the optical signal takes the time to pass through the effective length L eff :
  • the optical input power per frequency interval ⁇ v B averaged over a time interval should be much smaller than the transit time ⁇ below the SBS threshold power.
  • the required relationship between the modulation stroke and the modulation frequency for different forms of modulation can be derived from this requirement.
  • Such an amplitude modulation in the optical fiber can be caused, for example, by the non-linear effect of cross-phase modulation (XPM) by an additional coupling in of strongly amplitude-modulated pump signals in addition to the optical signals.
  • the phase modulation along the optical fiber caused by the cross-phase modulation (XPM) shows an RC low-pass behavior.
  • the cut-off frequency ⁇ g of the "low-pass behavior" decreases linearly with increasing channel spacing due to the dispersion-related slip of the WDM transmission channels.
  • the height of the modulation frequency must therefore be chosen to be as low as possible, although this should in no case be below the line width ⁇ v B.
  • J SB S ( ⁇ ) Isas (z) ⁇ exp (g 5 ⁇ I s ⁇ L ejf -a ⁇ z) (Al)
  • the optical signal is increasingly phase-modulated due to the XPM with increasing distance.
  • the phase modulation for example with a phase shift of 1,435 rad, distributes the spectral power of the carrier signal over several frequencies, ie, for example, evenly over the carrier wave and the two first sidebands. If the modulation frequency is greater than the SBS line width ⁇ v B , only about 1/3 of the spectral energy density is available for the formation of the SBS, for example, ie the SBS entry threshold increases by a factor of 3 from the location at which such phase shift is achieved by the XPM.
  • the local SBS entry threshold can thus be calculated as a function of the properties of the injected modulated pump signal and the optical fiber and the injected optical signal, and the resulting SBS entry threshold dependent on the optical pump signal can be determined for the entire fiber.
  • the calculation of the SBS entry threshold in the presence of the optical pump signal is carried out by splitting the fiber into small sections in combination with Eq. (A-l) realized.
  • ISBS (Z / 2) I SBS (z) * exp (g B * I s * exp (- ⁇ * z / 2) * l / ⁇ * (1-exp (- ⁇ * z / 2)) - ⁇ z / 2) (A-3)
  • ISBS (0) I SBS (z / 2) * exp (g B * I s * 1 / ⁇ * (l-exp (- ⁇ * z / 2)) - ⁇ z / 2) (A-
  • Is B s (z / 2) I S Bs (z) * exp [g B * Is * l / ⁇ * (l-exp (- ⁇ * z / 2)) * exp (- ⁇ * z / 2) * o 2 (m (z / 2)) - ⁇ z / 2] (A-7)
  • Equation (A-7) inserted in equation (A-4) provides the intensity of the backscattered optical signal I SBS , taking the XPM into account.
  • I SBS (0) I SBS (z) * exp [g B * I s * l / ⁇ * (l-exp (- ⁇ * z / n)) * (A-9) nl
  • the effective length L eff is, according to equations (A-10) and (A-8), dependent on the non-linearity coefficient ⁇ of the optical fiber and the optical power of the amplitude-modulated optical pump signal I P.
  • Le (k * z / n, ⁇ , D, ⁇ , fmod) describes the variation of the modulation index ⁇ m (kz / n) ⁇ inter alia as a function of the modulation frequency and the wavelength distance between the optical pump signal and the test signal.
  • the wavelength difference between pump and test signal ⁇ and the modulation frequency fmod and the SBS entry threshold P SB ⁇ can be determined from equation (A-II) and equation (A-12).
  • the displacement of the SBS entry threshold P SBS is determined by the change in the spectrum of the coupled-in optical test signal, which is caused by the cross-phase modulation (XPM) resulting from the sinusoidally amplitude-modulated optical pump signal in the optical fiber, to determine the non-linearity coefficient ⁇ and the dispersion D. Equation (A-12) is used.
  • the Brillouin Gain constant g B and the effective area A eff are optical fiber constants, which are naturally available for the optical fiber to be measured or can be determined without considerable technical effort.
  • the effective length L eff (z, ⁇ , I P , D, ⁇ , fmod) can be influenced by the test conditions and, according to formula (A-II), depends on the length of the fiber z, the fiber attenuation ⁇ , from the wavelength difference between the optical pump and test signal ⁇ and the modulation frequency fmod of the amplitude-modulated optical pump signal.
  • Nonlinearity coefficient ⁇ of an optical fiber can with a wavelength difference between the optical pump and test signal ⁇ , for example less than 1 n and a modulation frequency fmod of the amplitude-modulated optical pump signal less than 200 MHz, the influence of dispersion in
  • a first and a second measurement of the backscattered optical power can be carried out, with only the optical test signal with a predetermined power and wavelength being coupled into the optical fiber in the first measurement, and in addition to the optical test signal with the second measurement modulated optical pump signal for generating cross-phase modulation (XPM) is coupled into the optical fiber.
  • the coupled power of the optical test signal is increased until there is a predetermined ratio of the coupled power of the optical test signal and the backscattered power.
  • the powers of the optical test signal and the optical pump signal set together with the test and pump signal parameters and the fiber parameters in the measurement method for the first and second measurement are in turn evaluated according to equations (A-II) and (A-12), the dispersion D is negligible.
  • the wavelength difference between the optical pump and test signal ⁇ is chosen, for example, to be greater than 10 nm, ie the effective length L eff depends on the fiber dispersion D. and the wavelength difference between the optical pump and test signal ⁇ .
  • a third SBS entry threshold P SBS3 which runs differently to the second SBS entry threshold P SBS2 due to the modified pump signal parameters, is determined or with the aid of a third measurement which, in addition to the optical test signal, the modified modulated optical pump signal for generating the Cross-phase modulation (XPM) is injected into the optical fiber, the injected power of the optical test signal is increased until there is a predetermined ratio of the injected power of the optical test signal and the backscattered power.
  • XPM Cross-phase modulation
  • FIG. 1 shows an example of a measuring arrangement for realizing the measuring method according to the invention
  • FIG. 2 shows a shift of the SBS entry thresholds according to the invention
  • FIG. 3 in a further calculated diagram the measurement method according to the invention for determining the non-linearity constants and dispersion constants.
  • FIG. 1 shows a measuring arrangement MAO for implementing the measuring method according to the invention for determining the non-linearities of an optical fiber OF with the aid of a block diagram, an optical standard single-mode fiber OF being selected as the test object in FIG. 1 as an example.
  • the measuring arrangement MAO shown in FIG. 1 has a test signal unit TSU, a pump signal unit PSU, an optical coupler OK, a controllable switching unit S, a circulator Z, a filter unit FU, a measuring transducer MW and a control and evaluation unit CU.
  • the test signal unit TSU has a control input ri and a signal output e which is connected to the circulator Z via the optical coupler OK and via the first optical connecting line VL1.
  • the optical coupler OK is in turn connected to the output e of the controllable switching unit S via a second optical connecting line VL2.
  • the circulator Z is additionally connected via a third optical connecting line VL3 to the test object - the optical fiber OF - and 1975
  • a first feed line ZL1 is connected to the input fi of the filter unit FU, the output fe of which is connected to the input i of the transducer MW via a second feed line ZL2.
  • the output e of the measuring transducer MW is connected via an electrical supply line EZL to the control and evaluation unit CU, which via a control line SL with control input si of the controllable switching unit S, via a first control line RL1 with the control input ri of the test signal unit TSU and via a second Control line RL2 is connected to the control input ri of the pump signal unit PSU.
  • the pump signal unit PSU further has a first and second output el, e2, which are connected to the first and second input il, i2 of the controllable switching unit S.
  • a circulator Z for example an optical coupler OK can be used - not shown in FIG. 1.
  • a first power controller RL1, a second power controller LR2, a switching controller SR, a memory unit MEM, an evaluation unit AE and a control unit MC — for example implemented in a microprocessor — are provided in the control and evaluation unit CU.
  • the memory unit MEM, the first and second power controllers RL1, RL2, the switching controller SR and the evaluation unit AE are connected to the control unit MC, the first and second power controllers LR1, LR2 being additionally connected to the evaluation unit AE.
  • the first power controller LR1 via the first control line RL1 with the test signal unit TSU, the second power controller LR2 via the second control line RL2 with the pump signal unit PSU, and the switching controller SR via the switching line SL with the controllable switching unit S and the evaluation unit AE via the electrical supply line EZL connected to the measuring transducer MW.
  • the measurement method according to the invention is implemented, for example, on the basis of a measurement routine MR and an evaluation routine BWR in the control unit MC, which include the test signal unit TSU, the pump signal unit PSU and the control unit. 1975
  • an optical test signal ots with a predetermined first wavelength ⁇ l and a predetermined power P s is generated in the test signal unit TSU, wherein the optical test signal ots can additionally be amplitude-modulated, for example, with a first modulation frequency vl.
  • the optical test signal ots is thus modulated or unmodulated into the test object, that is, into the optical fiber OF.
  • the optical test signal ots is transmitted to the circulator Z, for example via the optical coupler OK and via the first distributor line VL1, and is coupled into the optical fiber OF by the circulator Z via the third distributor line VL3.
  • the optical test signal ots is coupled into the optical fiber OF, ie none of the optical pump signals ops generated in the pump signal unit PSU is switched through to the optical coupler OK by the controllable switching unit S.
  • the third, unassigned input 13 of the controllable switching module S is switched through to the output e by the controllable switching unit S with the aid of a control command ss generated in the control controller SR.
  • the nonlinear effect of the "stimulated Brillouin scattering (SBS)", ie the stimulated Brillouin scattering, is formed.
  • This narrow-band, non-linear effect of the SBS causes part of the optical test signal ots to be backscattered or reflected in the opposite direction to the coupling direction.
  • This backscattered optical signal ros is fed via the circulator Z and via the first feed line ZL1 to the filter input fi of the filter unit FU.
  • the backscattered optical signal ros is filtered and the filtered backscattered signal largely emitted at filter output fe.
  • the filtered backscattered signal is then largely transmitted via the second feed line ZL2 to the input i of the measuring transducer MW, for example an opto-electrical transducer, and converted into an electrical signal using the measuring transducer MW.
  • the electrical signal is fed to the control and evaluation unit CU or the evaluation unit AE via the electrical feed line EZL, in which the power P ros of the electrical signal es and thus of the backscattered optical signal ros is determined or evaluated.
  • the power P ros of the backscattered optical signal ros is determined by the evaluation unit AE controlled by the control unit MC and the determined backscattered signal power P ros is compared with the power P s of the optical test signal ots stored in the memory unit MEM using the evaluation routine BWR.
  • the first power controller LR1 controlled by the measurement and evaluation routine MR, BWR, is used
  • a first control signal rsl for increasing or possibly reducing the power P s of the optical test signal ots is formed.
  • the power P s of the optical test signal ots is increased, for example, until a first entry threshold SBSi of the stimulated Brillouin scatter is reached, ie the power P ros of the backscattered signal ros corresponds, for example, to 1/10 of the power P s of the coupled test signal ots.
  • the power or first SBS entry threshold P S1 of the optical test signal ots is stored in the memory unit MEM in accordance with the measurement routine MR.
  • At least one modulated optical one Pump signal ops is coupled into the optical fiber OF with a predetermined first pump signal power P P1 and a first wavelength ⁇ l.
  • an optical pump signal ops with a first wavelength ⁇ l and additionally the optical pump signal ops with a first modulation frequency vl are amplitude-modulated in the optical pump signal unit PSU, wherein the amplitude modulation can be designed, for example, as a sine, a rectangular or a sawtooth-shaped amplitude modulation.
  • the modulated optical pump signal ops is emitted at the first output el of the pump signal unit PSU to the first input il of the controllable switching unit S.
  • a control signal ss for switching the first input il of the controllable switching unit S to the output e is generated by the measuring routine MR executed in the control unit MC in the switching regulator SR and transmitted to the controllable switching unit S via the control line SL , Following the connection of the optical pump signal ops from the first input il to the output e of the controllable switching unit S, the optical pump signal ops is passed to the optical coupler OK via the second distribution line VL2.
  • the optical pump signal ops is coupled into the first distribution line VL1 and transmitted to the circulator Z in addition to the optical test signal ots.
  • the circulator Z couples the optical test signal ots and the optical pump signal ops into the optical fiber OF via the third optical distribution line VL3.
  • the additional coupling in of the modulated optical pump signal ops generates the nonlinear effect of the cross-phase modulation (XPM) in the optical fiber OF and thus causes phase modulation of the optical test signal ots, which widens the frequency spectrum of the optical test signal ots.
  • the broadening of the frequency spectrum of the optical test signal ots initially reduces the The power of the backscattered optical signal ros ab, ie the part of the coupled-in optical test signal ots, which is backscattered or reflected opposite to the coupling direction due to the narrow-band nonlinear effect of the SBS, thus decreases.
  • the backscattered optical signal ros is in turn passed via the circulator Z and via the first feed line ZL1 to the filter input fi of the filter unit FU.
  • the backscattered optical signal ros is filtered in the filter unit FU and the filtered backscattered signal is largely emitted at the filter output fe.
  • the filtered backscattered signal is then largely transmitted to the input i of the measuring transducer MW via the second feed line ZL2 and converted into an electrical signal using the measuring transducer MW.
  • the electrical signal is fed to the control and evaluation unit CU or the evaluation unit AE via the electrical feed line EZL, in which the power P ros of the electrical signal es and thus of the backscattered optical signal ros is determined or evaluated.
  • the power unit P ros of the backscattered optical signal ros is determined by the evaluation unit AE controlled by the control unit MC, and the determined backscattered signal power P ros is determined with the power P s of the optical power stored in the memory unit MEM using the evaluation routine BWR Test signal ots compared.
  • the first power controller LR1 controlled by the measurement and evaluation routine MR, BWR of the control unit MC, the first control signal rsl for increasing the power P s of the optical test signal ots is formed.
  • the power P s of the optical test signal ots is increased until a second entry threshold SBS 2 of the stimulated Brillouin scatter, which is higher than the first entry threshold SBSi, is reached, ie the power P ros of the backscattered signal ros in turn corresponds to 1/10 of the power P, for example s of the coupled test signal ots.
  • the value of when the second income Step threshold SBS 2 of the stimulated Brillouin scatter currently output second critical power P s2 or second SBS entry threshold P SBS2 of the optical test signal ots is stored in the memory unit MEM in accordance with the measurement routine MR. Furthermore, the currently set first optical pump signal power P P is stored in the memory unit MEM.
  • FIG. 2 shows an example of the first SBS entry threshold SBSi and the shifted or increased second SBS entry threshold SBS 2 in a diagram.
  • the diagram has a horizontal axis (abscissa) and a vertical axis (ordinate), the power P s of the injected optical test signal ots being plotted along the horizontal axis and the power P ros of the backscattered optical signal ros being plotted in dBm along the vertical axis is.
  • the optical test signal ots was coupled into the optical fiber OF in accordance with the first step of the measurement method according to the invention, the test signal power P s was increasingly increased and the change or increase in the power P ros of the backscattered optical signal ros was recorded , On the basis of the diagram shown in FIG. 2, the occurrence of the non-linear effect of the SBS becomes clear, which, for example in the case shown, is at a test signal power P s of approximately 0.002 watts.
  • SBS entry threshold SBS X results in a band of test signal power P s of approximately 2 dBm and then flattens out again, so that the profile of power P ros of the backscattered optical signal ros over the test signal power P s assumes almost the same slope as immediately before the first SBS entry threshold SBS X.
  • test signal ots an optical pump signal ops is coupled into the optical fiber OF, as a result of which the cross-phase modulation XPM occurring in the optical fiber OF shifts the SBS entry threshold to the right, ie the non-linear effect of the SBS occurs at a higher coupled test signal power P s on.
  • an optical pump signal ops was coupled into the optical fiber OF, which was amplitude-modulated with a modulation frequency of 20 MHz and had a pump signal power of 0.2 watts.
  • the wavelength difference ⁇ between the optical test signal ots and the optical pump signal ops was approx. 10 nm.
  • the shift in the SBS entry thresholds that can be seen from the diagram is approx. 2 dBm, together with the known test and pump signal parameters and the known fiber parameters for determining the Nonlinearity coefficient ⁇ evaluated.
  • a shift of the SBS entry threshold by 1 to 3 dB is required.
  • the diagram shows a first, second and third first, second and third measurement curve MK1, MK2, MK3 determined from the known measurement parameters determined according to the invention.
  • the diagram has a horizontal axis (abscissa) and a vertical axis (ordinate), the product of the polarization-dependent constant ⁇ , the non-linearity constant ⁇ and the pump power Ppi / Pp 2 ⁇ * Y being coupled in along the horizontal axis * P P is plotted on a logarithmic scale and along the vertical axis the product of the dispersion constant D, the wavelength difference ⁇ and the modulation frequency fmod D * ⁇ * fmod.
  • the measurement curves MK1, MK2, MK3 shown result for a 100 km long optical fiber OF with an attenuation constant of 0.2 dB, the product ⁇ * ⁇ * P P on the abscissa having a value range for the pump power P P of approx. 0.1 to 2 watts and the product D * ⁇ * fmod plotted on the ordinate comprises a range of values for the wavelength spacing ⁇ around 10 nm at a modulation frequency of 0 to 1 GHz.
  • the first measurement curve MK1 stands for an increase in the first SBS entry threshold SBSi by 1 dB
  • the pump signal power P P coupled into the optical fiber for this purpose accordingly increased from 0.1 watts to 0.2 watts.
  • a first, second, third and fourth measurement point MP1 to MP4 along the second and third measurement curve MK2, MK3 are marked in FIG. 3, which are selected for the determination of the non-linearity constant ⁇ and the dispersion constant D using an iterative evaluation method, for example.
  • the determination of at least two measurement values is sufficient.
  • the second measurement curve MK2 shown in FIG. 3, in particular the first measurement point MP1 is used, for example, to explain the determination of the nonlinearity constant ⁇ with the aid of the evaluation routine BWR.
  • the first measurement point MP1 denotes the intersection of the second measurement curve MK2 with the abscissa in FIG. 3, which thus takes into account the negligible dispersion constant D and the small wavelength difference ⁇ for the case under consideration.
  • a negligible ordinate value and a logarithmic abscissa value (10 * log10) of -40.9 1 / m / W can thus be read from the diagram in FIG. 3 as coordinates of the first measuring point MP1.
  • the first pump signal power P ⁇ stored in the memory unit MEM is 20 dBm, which corresponds to a first pump signal power P P ⁇ of 100 mW.
  • ⁇ l
  • the dispersion properties, ie the dispersion constant D, of the optical fiber OF are determined in such a way that in a third step, in addition to the optical test signal ots, the amplitude-modulated optical pump signal ops with the first pump signal power P P ⁇ and a second Pump wavelength ⁇ 2 is coupled into the optical fiber OF and again a third shifted entry threshold SBS 3 of the stimulated Brillouin scattering is determined by changing the power of the backscattered optical signal ros by increasing the first pump signal power P P ⁇ until the power P ros of the backscattered signal ros in turn corresponds, for example, to 1/10 of the power P s of the injected test signal ots.
  • the first pump power P PX must be increased by 3 dB in order to again obtain the second SBS entry threshold SBS 2 .
  • the first and third measurement curves MK1, MK3 are used for the determination with the aid of the evaluation routine BWR.
  • a first measured pump signal power P P ⁇ of 20 dBm and in the calculation of the third measurement curve MK3, a third measured pump signal power P P of 26 dBm was evaluated, which increases the pump power P P by 6 dB to compensate for the Increasing the wavelength difference ⁇ corresponds, that is, in order to achieve the second SBS entry threshold SBS 2 , a first pump signal power P Pi is required, for example, in the case of a first optical pump signal opsl with a first pump wavelength ⁇ l and when using a second optical pump signal ops2 with an increased second pump wavelength ⁇ 2 a second pump signal power P P2 increased by 6 dB is required.
  • the third measurement curve MK3 thus obtained which is shifted to the right in the diagram compared to the first measurement curve MK1, is evaluated starting at the second measurement point MP2 to determine the dispersion constant D with the aid of an iterative evaluation method.
  • the data record representing the third measurement curve MK3 and stored in the memory unit MEM is evaluated with the aid of the evaluation routine BWR in such a way that the intersection point between the abscissa and the third measurement curve MK3, the second measurement point MP2 is selected and starting from the abscissa value of the second Measuring point MP2, the abscissa value of the fourth measuring point is determined from the data set by the abscissa value of the second measuring point MP2 being shifted to the right or decreased by the amount of the increase in the pump signal power P P , in the exemplary embodiment under consideration by 6 dB. Based on this, the associated ordinate value of the fourth measuring point MP4 is determined.
  • the first measurement point MPl or starting point of the iterative evaluation method was not precise enough and is improved as follows.
  • the previously determined ordinate value of the fourth measuring point MP4 is divided by the difference between the first and second product, the factor 10, and thus a new improved ordinate value for the first measuring point MPl is determined.
  • the associated new, improved abscissa value of the first measuring point MP1 is determined on the basis of the database and stored in the memory unit MEM for further processing.
  • the new improved abscissa value of the second measurement point MP2 is again shifted or decreased by the amount of the increase in the pump signal power P P , in the exemplary embodiment under consideration by 6 dB, in a second run of the iterative evaluation method.
  • an improved ordinate value of the resulting new fourth measuring point MP4 is determined. In most cases, this evaluation method converges after a few iterations, so that the ordinate value obtained for the fourth measuring point MP4 can be used to determine the dispersion constants in accordance with the following equation:
  • the measuring arrangement according to the invention is in no way limited to a transmission-side implementation, but can be used for bige optical transmission media can also be used at the receiving end.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht einseitig, d.h. am Anfang oder am Ende der optischen Faser (OF), durchgeführ-te Messung der Nichtlinearitäten einer optischen Faser (OF). Hierzu wird ein optisches Testsignal (ots) in die optische Faser (OF) eingekoppelt, dessen Testsignalleistung (PS) geän-dert wird, und anhand der Änderung der Leistung (Pros) des rückgestreuten optischen Signals (ros) eine erste Eintritts-schwelle (SBS1) der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt. Des Weiteren wird in einem zweiten Schritt zusätzlich zu dem optischen Testsignal (ots) zumindest ein moduliertes opti-sches Pumpsignal (ops) in die optische Faser (OF) eingekop-pelt und anhand der Änderung der Leistung (PS) des optischen Testsignals (ots) eine zweite Eintrittsschwelle (SBS2) der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt sowie durch die Aus-wertung zumindest der ersten und zweiten Eintrittsschwel-le(SBS1,SBS2), der Test- und Pumpsignalparameter sowie der Faserparameter der Nichtlinearitätskoeffizient (g) der opti-schen Faser (OF) ermittelt.

Description

Beschreibung
Messverfahren zur Bestimmung der Nichtlinearitäten einer optischen Faser
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Bestimmung der Nichtlinearitäten einer optischen Faser.
In optischen Übertragungssystemen, insbesondere in nach dem DM-Prinzip (Wavelength Division Multiplexing) arbeitenden Übertragungssystemen, sind nichtlineare Effekte, beispielsweise die Selbstphasenmodulation, die Kreuzphasenmodulation und die Vierwellenmischung, bekannt, durch die Signalverzerrungen des zu übertragenden optischen Signals in der opti- sehen Faser hervorgerufen werden. Derartige nichtlineare Effekte in einer optischen Faser können durch den Nichtlineari- tätskoeffizienten beschrieben werden.
Zur Bestimmung des Nichtlinearitätskoeffizienten einer opti- sehen Faser ist beispielsweise aus der Veröffentlichung von Y. Namihira, A. Miyata, N. Tanahashi, "Nonlinear coefficient measurements for dispersion shifted fibres using self-phase modulation method at 1.55 μm" , Electronic Letters, 1994, Vol. 30, No. 14, S. 1171-1172 eine Messanordnung bekannt, bei der durch Anwendung der Selbstphasenmodulationmethode die Nicht- linearitätseigenschaften einer optischen Faser bestimmt werden. Derartige Messverfahren setzen den Zugang auf Anfang und Ende der zu messenden optischen Fasern voraus, welches jedoch bei bereits bestehenden optischen Kommunikationsnetzen, d.h. bei bereits verlegten optischen Fasern, einen erheblichen
Messaufwand erfordert bzw. in Einzelfällen nahezu unmöglich ist. Zusätzlich ist ein getrennter Rückkanal vom Faserende zum Faseranfang zur Übertragung der gemessenen Informationen erforderlich.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Bestimmung der Nichtlinearitäten einer optischen Faser zu verbessern bzw. eine einseitig, d.h. am Anfang oder am Ende der optischen Faser, durchgeführte Messung der Nichtlinearitäten einer optischen Faser zu ermöglichen. Die Aufgabe wird durch ein Messverfahren gemäß dem Patentanspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Messverfahrens ist darin zu sehen, in einem ersten Schritt zumindest ein optisches Testsignal in die optische Faser eingekoppelt wird, dessen Testsignalleistung geändert wird und anhand der Änderung der Leistung des rückgestreuten optischen Signals eine erste Eintrittsschwelle der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt wird. Des Weiteren wird in einem zweiten Schritt zusätzlich zu dem optischen Testsignal zumindest ein modulier- tes optisches Pumpsignal mit einer vorgegebenen Pumpsignalleistung und einer ersten Pumpwellenlänge in die optische Faser eingekoppelt und anhand der Änderung der Leistung des optischen Testsignals eine zweite Eintrittsschwelle der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt. Schließlich wird durch die Auswertung zumindest der ersten und zweiten Eintrittsschwelle, der Test- und Pumpsignalparameter sowie der Faserparameter der Nichtlinearitätskoeffizient der optischen Faser ermittelt. Besonders vorteilhaft wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meßverfahrens eine Bestimmung des Nichtlineari- tätskoeffizienten nur durch eine einseitige, d.h. empfangs- seitig oder sendeseitig, Messung realisierbar. Dies ist insbesondere bei der Bestimmung der Fasernichtlinearitäten von bereits verlegten optischen Fasern von ernormen Vorteil.
In einer zweiten Variante des Meßverfahrens zur Bestimmung der Nichtlinearitäten in einer optischen Faser wird in einem ersten Schritt mindestens ein optisches Testsignal mit einer Testsignalleistung und einer Testsignalwellenlänge in die optische Faser eingekoppelt und die Leistung des rückgestreuten optischen Signals gemessen sowie ein erstes Verhältnis aus eingekoppelter Testsignalleistung und der Leistung des rückgestreuten optischen Signals gebildet. Des Weiteren wird in einem zweiten Schritt zusätzlich zu dem eine Testsignalleis- tung und Testwellenlänge aufweisenden optischen Testsignal mindestens ein moduliertes optisches Pumpsignal mit einstellbarer Pumpsignalleistung und einer ersten Pumpwellenlänge in die optische Faser eingekoppelt und die Leistung des rückgestreuten optischen Signals gemessen sowie ein zweites Verhältnis aus eingekoppelter Testsignalleistung und der Leistung des rückgestreuten optischen Signals ermittelt wird. Hierbei wird die einstellbare Pumpsignalleistung des modu- lierten optischen Pumpsignals solange erhöht oder verringert bis das zweite Verhältnis mit dem ersten Verhältnis übereinstimmt. Anschließend wird durch eine Auswertung der Test- und Pumpsignalparameter sowie der Faserparameter der Nichtlinea- ritätskoeffizient der optischen Faser ermittelt - Anspruch 2. Durch die erfindungsgemäße Variation der Pumpsignalleistung des modulierten optischen Pumpsignals wird alternativ durch Verhältnisbildung unter Auswertung der vorliegenden Faserparameter und Versuchsparamter der Nichtlinearitätskoeffizient der optischen Faser bestimmbar.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Messverfahrens ist darin zu sehen, dass die nach der ersten Variante des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ausgewerteten Test- und Pumpsignalparameter die Testsignalwellenlänge, die vorgegebene Pump- Signalleistung, die erste Pumpwellenlänge und die Modulationsfrequenz des optischen Pumpsignals vorgesehen sind - Anspruch 3. Des Weiteren werden als die für die zweite Variante des erfindungsgemäßen Meßverfahrens maßgeblichen Test- und Pumpsignalparameter die Testsignalleistung, die Testsignal- Wellenlänge, die eingestellte Pumpsignalleistung, die erste Pumpwellenlänge, die Modulationsfrequenz des optischen Pumpsignals ausgewertet - Anspruch 4.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausbildungen des erfindungs- gemäßen Meßverfahrens sind in den weiteren Patentansprüchen beschrieben. Nachfolgend werden theoretische Grundlagen zu dem erfindungsgemäßen Meßverfahren zur Bestimmung der Nichtlinearitäten und der Dispersion in einer optischen Faser erläutert.
In optischen Fasern bildet sich abhängig von der eingekoppelten Leistung eines optischen Testsignals bzw. Signals der nichtlineare Effekt der "Stimulated Brillouin Scattering (SBS)", d.h. der Stimulierten Brillouin Streuung aus. Dieser sch albandige Effekt der SBS mit einer durch die Phononenle- bensdauer bedingten Linienbreite von ΔvB « 25 MHz ist bekannt - siehe hierzu Govind P. Algrawal "Nonlinear Fiber Optics" , Academic Press, 1995, Seiten 370 bis 375. Desweiteren ist aus der US-Patentschrift 3,705,992 bekannt, dass sich die Eintrittsschwelle der SBS proportional zu dem Verhältnis aus spektraler Breite Δvs des in die optische Faser eingekoppelten optischen Signals zu der Linienbreite ΔvB erhöht, d.h. mit ISBS - Intensität des eingekoppelt optischen Signals bei der SBS-Eintrittsschwelle
Hierbei ist maßgeblich für das Erreichen der SBS-Eintrittsschwelle die in einem Frequenzintervall der Breite ΔvB spektral integrierte Energie. In Standard-Einmodenfasern liegt die SBS-Eintrittsschwelle beispielsweise für unmodulierte optische Signale bzw. Testsignale bei ca. unter 10 mW und bei binär amplitudenmodulierten optischen Signalen um einen Faktor 2 bis 3 dB höher. Die Erhöhung im Fall des binär amplitudenmodulierten optischen Signals ist auf die Aufteilung der op- tischen Signalleistung auf Modulationsseitenbänder und Trägersignal zurückzuführen, zumal insbesondere bei Datenraten im Gbit/s-Bereich die Leistung des Datensignals über ein breites Spektralband verteilt wird. Bei amplitudenmodulierten Signalen führt die SBS zu einer Signalverzerrung durch Übermodulation, siehe insbesondere H.Kawakani, "Overmodulation of Intensity modulated Signals due to stimulated Brillouin scattering", Electronic Letters, Vol. 30, No. 18, Seiten 1507 bis 1508, da im wesentlichen der Träger des amplitudenmodulierten optischen Signals, bei dem die spektrale Energiedichte bei chipfreier Modulation identisch mit der Laserlichtquelle ist, durch die SBS eine starke Zusatzdämpfung erfährt.
Die SBS-Eintrittsschwelle kann erheblich erhöht werden, indem die spektrale Energiedichte des optischen Signals integriert über ein Frequenzband der Breite ΔvB deutlich reduziert wird. Bei amplitudenmodulierten optischen Signalen sollte daher die Trägersignalleistung, gemessen mit einer Auflösung ΔvB, auf Werte deutlich unterhalb der SBS-Schwellenleistung reduziert werden. Eine derartige Reduzierung kann durch Frequenz- oder Phasenmodulation erreicht werden.
Die SBS-Effekte in der optischen Faser spielen sich im wesentlichen bei einer Standard-Einmodenfaser innerhalb der ersten 20 km (effektive Länge Leff) ab. Hierbei benötigt das optische Signal zum Durchlaufen der effektiven Länge Leff die Zeit:
Leff ' n
T = ( = 0,1 ms für Leff = 20 km)
C
Zur Reduzierung von SBS-Effekten sollte die optische einge- koppelte Leistung pro Frequenzintervall ΔvB gemittelt über ein Zeitintervall sehr viel kleiner als die Laufzeit τ unterhalb der SBS-Schwellenleistung liegen. Aus dieser Forderung läßt sich bei einer SBS-Unterdrückung durch Frequenzmodulation bzw. Amplitudenmodulation die notwendige Beziehung zwi- sehen Modulationshub und Modulationsfrequenz für verschiedene Formen der Modulation herleiten.
Um die spektral schmale Trägerlinie des optischen Signals zu verkleinern und deren Leistung auf möglichst viele durch die Phasenmodulation neu entstehende Linien mit einem Frequenzabstand größer als ΔvB gleichmäßig zu verteilen, sollte die Phasenmodulation somit mit Modulationsfrequenzen > ΔvB erfolgen. Mit zunehmendem Phasenhub, d.h. Modulationsindex m = 4Λ
J m mit Δfp = Spitzenfrequenzabweichung; fra = Modulationsfrequenz;
nimmt die spektrale Leistung pro Frequenzintervall ab. Eine derartige Amplitudenmodulation in der optischen Faser kann beispielsweise durch den nicht linearen Effekt der Kreuzpha- senmodulation (XPM) durch eine zusätzliche Einkopplung von stark amplitudenmodulierten Pumpsignalen zusätzlich zu den optischen Signalen hervorgerufen werden. Hierbei zeigt die durch die Kreuzphasenmodulation (XPM) hervorgerufene Phasenmodulation entlang der optischen Faser ein RC-Tiefpaß- verhalten. Die Grenzfrequenz ωg des "Tiefpaßverhaltens" nimmt mit zunehmenden Kanalabstand wegen des dispersionsbedingten Schlupfes der WDM-Übertragungskanäle linear ab. Um mit Hilfe der XPM eine effektiv wirksame Phasenmodulation über ein breites Wellenlängenband zu erreichen, muß somit die Höhe der Modulationsfrequenz möglichst gering gewählt werden, wobei diese aber keinesfalls unterhalb der Linienbreite ΔvB liegen sollte.
Die Intensität ISBS des rückgestreuten optischen Signals durch die SBS am Faseranfang steigt in Rückwärtsrichtung mit zunehmender eingekoppelter optischer Signalleistung entsprechend der folgenden exponentiellen Beziehung an - siehe hierzu Go- vind P. Agrawal "Nonlinear Fiber Optics", 1995, Kapitel 9.2.1:
JSBS (θ) = Isas (z) ■ exp(g5 ■ Is ■ Lejf -a ■ z) (A-l )
mit Leff = — (l - exp(-α - z)) (A-2 ) a •
Bei einer gleichzeitigen Ausbreitung des die XPM hervorrufenden amplitudenmodulierten optischen Pumpsignals und des opti- sehen Signals in der Faser wird das optische Signal aufgrund der XPM mit zunehmender Wegstrecke zunehmend phasenmoduliert. Die Phasenmodulation beispielsweise bei einem Phasenhub von 1.435 rad verteilt die spektrale Leistung des Trägersignals hierbei auf mehrere Frequenzen, d.h. beispielsweise gleichmäßig auf die Trägerwelle und die beiden ersten Seitenbänder. Ist hierbei die Modulationsfrequenz größer als die SBS- Linienbreite ΔvB, so steht zur Ausbildung der SBS beispielsweise nur noch knapp 1/3 der spektralen Energiedichte zur Verfügung, d.h. die SBS-Eintrittsschwelle erhöht sich um den Faktor 3 ab dem Ort, an dem ein derartiger Phasenhub durch die XPM erreicht wird. Somit ist die lokale SBS- Eintrittsschwelle als Funktion der Eigenschaften des eingekoppelten modulierten Pumpsignals und der optischen Faser so- wie des eingekoppelten optischen Signals berechenbar und für die gesamte Faser kann die daraus resultierende vom optischen Pumpsignal abhängige SBS-Eintrittsschwelle bestimmt werden.
Die Berechnung der SBS-Eintrittsschwelle in Anwesenheit des optischen Pumpsignales wird durch Zerlegung der Faser in kleine Streckenabschnitte in Kombination mit Gl. (A-l) realisiert. In einer groben Näherung wird die Faser zunächst in n=2 Streckenabschnitte zerlegt, daraus folgt mit Gl. (A-l) und (A-2) für eine Faser der Länge z/2:
ISBS(Z/2) = ISBS(z)*exp(gB*Is* exp (-α*z/2) *l/α* (1-exp (-α*z/2 ) ) - αz/2) (A-3)
und ISBS(0) = ISBS(z/2)*exp(gB*Is* 1/α* (l-exp(-α*z/2) ) - αz/2) (A-
Für eine Zerlegung in n Streckenabschnitte gilt:
exp (-α*k/n*z) }*l/α* (1-exp (- α*z/n) ) - αz] (A-5) Im folgend wird der 2-te Streckenabschnitt - Gleichung (A-3) - betrachtet. Bei Berücksichtigung der spektralen Änderung des optischen Signal Is durch die XPM, die durch ein sinus- för ig amplitudenmoduliertes optisches Pumpsignal IP induziert wird, in der Faser ergibt sich zusätzlich zur Streckendämpfung exp(-α*z/2) noch eine weitere Zusatzdämpfung für den Träger mit dem Dämpfungsfaktor:
Jo2(m) = J0 2(ξ*γ*Ip*l/α*(l-exp(-α*z/2) ) , (A-6)
wobei mit m der auf dem ersten Streckenabschnitt der Länge z/2 durch die XPM hervorgerufene Phasenhub bzw. Modulationsindex bezeichnet wird und ξ eine polarisationsabhängige Kon- stante darstellt. Bei zufällig variierender Polarisation gilt: ξ = 8/9
Untersuchungen zeigen, dass im wesentlichen der Träger des amplitudenmodulierten optischen Pumpsignals (somit J0 2 (m) ) in die Änderung der Intensität des rückgestreuten optischen Sig- nals miteinfließt. Daraus folgt für Gleichung (A-3) mit (A- 6) :
IsBs(z/2) = ISBs(z)*exp[gB*Is*l/α*(l-exp(-α*z/2) )* exp(-α*z/2)* o2 (m(z/2)) - αz/2] (A-7)
mit: m(x) = ξ*γ*IP*l/α* <l-exp(-α*x) ) (A-8)
Gleichung (A-7) in Gleichung (A-4) eingesetzt liefert die In- tensität des rückgestreuten optischen Signals ISBS unter näherungsweiser Berücksichtigung der XPM.
ISBS (0) =ISBS (z) *exp [gB*Is*exp (-α*z/2) *J0 2(m(z/2)) *l/α* *(l-exp(-α*z/2))*l/α*(l-exp(-α*z/2)) - αz/2]* *exp[gB*Is* 1/α* (1-exp (-α*z/2) ) - αz/2] =
= ISBs(z)*exp[gB*Is*l/α*(l-exp(- *z/2) ) * *{1+ exρ(-α*z/2)* J0 2(m(z/2)) } - αz] Zur Erhöhung der Genauigkeit wird die Faser in n Teilstücke (Gleichung (A-5) ) zerlegt und es ergibt sich somit durch analoge Vorgehensweise:
ISBS(0) = ISBS(z)*exp[gB*Is*l/α*(l-exp(-α*z/n) )* (A-9) n-l
*{1+ ∑ exp(-α*k/n*z)* J0 2(m(k*z/n)) } - αz] i=l
Der Vergleich von Gleichung (A-9) mit Gleichung (A-l) zeigt, dass
Leff = 1/α* (l-exp(-α*z) ) durch den Ausdruck
H-l
Leff (z,α,γ,IP) = 1/α* (l-exp(-α*z/n) ) *{1+ T exp (-α*k/n*z;
*=1 J0 2(m(kz/n)) } (A-10)
ersetzt werden kann. Die effektive Länge Leff ist also gemäß Gleichung (A-10) und (A-8) abhängig vom Nich linearitätskoef- fizient γ der optischen Faser und der optischen Leistung des amplitudenmodulierten optischen Pumpsignals IP.
Berücksichtigung der Dispersion
Bei großem Frequenzabstand zwischen optischen Pumpsignal und den eingekoppelten optischen Testsignalen bzw. Signalen treten insbesondere aufgrund des in einer Standard-Einmodenfaser (SSMF) entstehenden, dispersionsbedingten Schlupfes des opti- sehen Signals und des optischen Pumpsignals untereinander weitere Abhängigkeiten zwischen der effektiven Länge Leff und der Faserdispersion, dem Frequenzabstand (Wellenlängenabstand) von optischen Pumpsignal und optischen Testsignal bzw. der Modulationsfrequenz des optischen Pumpsignals auf.
Aus Gleichung (A-10) ergibt sich für Leff (z,α, γ, IP) für einen Streckenabschnitt z bestehend aus n Teilstücken:
Leff (z,α,γ, IP,D,Δλ, fmod) = 1/α* (1-exp (-α*z/n) ) * *{1+ exp(-α*k/n*z)*Jo2(m(kz/n)*Le(k*z/n,α,D, Δλ, f od) ) } k=l
(A-ll) mit Le(k*z/n,α,D,Δλ,fmod)
mit : L = k*z/n, ß = D*Δλ, ω = 2*π* fmod; m(kz/n) = ξ*γ*IP*Le;
Le (k*z/n, α, D,Δλ, fmod) beschreibt die Variation des Modulationsindex {m(kz/n) } unter anderem auch in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz und dem Wellenlängenabstand zwischen optischen Pumpsignal und Testsignal.
Für hohe Dispersionswerte D, hohe Modulationsfrequenzen fmod und großen Wellenlängenabstand Δλ nimmt Leff wieder seine ursprüngliche Form aus Gleichung (A-2) an, d.h. Lef ist nur von der Faserdämpfung α und dem Ort z abhängig und die durch das optische Pumpsignal hervorgerufene SBS-Unterdrückung wird verringert .
Die Variation der SBS-Eintrittsschwelle als Funktion der Pump-, Signal- und Faserparameter ergibt sich durch Einsetzen von Gleichung (A-10) oder Gleichung (A-ll) in:
PSBS = 21*Aeff/gB/Leff (A-12)
Aus Godvind P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics" , Academic Press, 1995, Formel (9.2.6).
Aus der Variation der effektiven Länge Leff(z, α, IP, D,Δλ, fmod) als Funktion von optischen Pumpleistung IP, des Wellenlängen- Unterschiedes zwischen Pump- und Testssignal Δλ sowie der Modulationsfrequenz fmod und der SBS-Eintrittsschwelle PSBΞ kön- nen aus Gleichung (A-ll) und Gleichung (A-12) die Dispersion D und der Nichtlinearitätskoeffizient γ ermittelt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird zur Bestimmung des Nichtlinearitätskoeffizienten γ und der Dispersion D die Verschiebung der SBS-Eintrittsschwelle PSBS durch die Änderung des Spektrums des eingekoppelten optischen TestSignals, welche durch die aufgrund des sinusförmig amplitudenmodulierten optischen Pumpsignals in der optischen Faser entstehende Kreuzphasenmodulation (XPM) hervorgerufen wird, die Gleichung (A-12) herangezogen bzw. verwendet.
Hierbei sind die Brillouin Gain Konstante gB und die effektive Fläche Aeff optische Faserkonstanten, die naturgemäß für die zu messende optische Faser vorliegen bzw. ohne erheblichen technischen Aufwand ermittelt werden können. Jedoch - wie bereits erwähnt - ist die effektive Länge Leff (z, α, IP, D,Δλ, fmod) durch die Versuchsbedingungen beeinflußbar und hängt gemäß Formel (A-ll) von der Länge der Faser z, der Faserdämpfung α, dem Wellenlängenunterschied zwischen optischen Pump- und Testsignal Δλ und der Modulationsfrequenz fmod des amplitudenmodulierten optischen Pumpsignals ab.
Beim erfindungsgemäßen Messverfahren zur Bestimmung des
Nichtlinearitätskoeffizienten γ einer optischen Faser kann bei einem Wellenlängenunterschied zwischen optischen Pump- und Testsignal Δλ beispielsweise kleiner als 1 n und einer Modulationsfrequenz fmod des amplitudenmodulierten optischen Pumpsignals kleiner als 200 MHz der Dispersionseinfluß im
Hinblick auf das Messergebnis vernachlässigt werden, d.h. die effektive Länge Leff hängt in erster Näherung nicht von der Faserdispersion D ab. Erfindungsgemäß wird eine erste SBS- Eintrittschwelle PSBSι und eine zweite SBS-Eintrittsschwelle PSBS2, die aufgrund der durch das eingekoppelte modulierte
Pumpsignal in der optischen Faser hervorgerufene Kreuzphasenmodulation (XPM) verschoben ist, gemessen und diese zusammen mit den Test- und Pumpsignalparametern sowie den Faserparametern gemäß Gleichungen (A-ll) und (A-12) ausgewertet, wobei die Dispersion D vernachlässigbar ist. Alternativ können erfindungsgemäß eine erste und eine zweite Messung der rückge- streuten optischen Leistung durchgeführt werden, wobei bei der ersten Messung ausschließlich das optische Testsignal mit einer vorgegebenen Leistung und Wellenlänge in die optische Faser eingekoppelt wird und bei der zweiten Messung zusätzlich zu dem optischen Testsignal das modulierte optische Pumpsignal zur Erzeugung der Kreuzphasenmodulation (XPM) in die optische Faser eingekoppelt wird. Hierbei wird sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Messung die eingekoppelte Leistung des optischen Testsignals solange erhöht bis ein vorgegebenes Verhältnis aus eingekoppelter Leistung des opti- sehen Testsignals und rückgestreuter Leistung vorliegt. Die beim Messverfahren für die erste und zweite Messung eingestellten Leistungen des optischen Testsignals und des optischen Pumpsignals zusammen mit den Test- und Pumpsignalparametern sowie den Faserparametern werden wiederum gemäß Glei- chungen (A-ll) und (A-12) ausgewertet, wobei die Dispersion D vernachlässigbar ist.
Soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messverfahrens zusätzlich zur Bestimmung des Nichtlinearitätskoeffizienten γ die Dispersionskonstante D einer optischen Faser bestimmt werden, so wird der Wellenlängenunterschied zwischen optischem Pump- und Testsignal Δλ beispielsweise größer als 10 nm gewählt, d.h. die effektive Länge Leff hängt von der Faserdispersion D und dem Wellenlängenunterschied zwischen optischem Pump- und Testsignal Δλ ab. Gemäß dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird zusätzlich zur ersten SBS-Eintrittsschwelle PSBsι - ohne eingekoppeltes moduliertes optisches Pumpsignal - eine dritte, durch die abgeänderten Pumpsignalparameter unterschiedlich zur zweiten SBS-Eintrittsschwelle PSBS2 verlaufende SBS- Eintrittsschwelle PSBS3 ermittelt oder mit Hilfe einer dritten Messung, bei der zusätzlich zu dem optischen Testsignal das veränderte modulierte optische Pumpsignal zur Erzeugung der Kreuzphasenmodulation (XPM) in die optische Faser eingekoppelt wird, die eingekoppelte Leistung des optischen Testsignals solange erhöht bis ein vorgegebenes Verhältnis aus eingekoppelter Leistung des optischen Testsignals und rückge- streuter Leistung vorliegt. Der detaillierte Verlauf des erfindungsgemäßen Messverfahrens und die Bestimmung der Nicht- linearitätskonstanten γ und der Dispersionskonstanten D wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Hierzu zeigen
Figur 1 beispielhaft eine Messanordnung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Messverfahrens und
Figur 2 in einem Diagramm die erfindungsgemäße Verschiebung der SBS-Eintrittsschwellen, und
Figur 3 in einem weiteren berechneten Diagramm das erfindungsgemäße Messverfahren zur Bestimmung der Nicht- linearitätskonstanten und Dispersionskonstanten.
In Figur 1 ist mit Hilfe eines Blockschaltbildes beispielhaft eine Messanordnung MAO zur Realisierung des erfindungsgemäßen Messverfahrens zur Bestimmung der Nichtlinearitäten einer optischen Faser OF dargestellt, wobei beispielhaft in Figur 1 als Testobjekt eine optische Standard-Einmodenfaser OF ge- wählt ist. Die in Figur 1 dargestellte Messanordnung MAO weist eine Testsignaleinheit TSU, eine Pumpsignaleinheit PSU, einen optischen Koppler OK, eine steuerbare Schalteinheit S, einen Zirkulator Z, eine Filtereinheit FU, einen Messwandler MW und eine Steuer- und Auswerteeinheit CU auf. Die Testsig- naleinheit TSU weist einen Regeleingang ri und einen Signalausgang e auf, der über den optischen Koppler OK und über die erste optische Verbindungsleitung VL1 an den Zirkulators Z angeschlossen ist. Der optische Koppler OK ist wiederum über eine zweite optische Verbindungsleitung VL2 an den Ausgang e der steuerbaren Schalteinheit S angeschlossen. Der Zirkulator Z ist zusätzlich über eine dritte optische Verbindungsleitung VL3 mit dem Testobjekt - der optischen Faser OF - und über 1975
14 eine erste Zuleitung ZL1 mit dem Eingang fi der Filtereinheit FU verbunden, dessen Ausgang fe über eine zweite Zuleitung ZL2 an den Eingang i des Messwandlers MW angeschlossen ist. Der Ausgang e des Messwandlers MW ist über eine elektrische Zuleitung EZL an die Steuer- und Auswerteeinheit CU angeschlossen, welche über eine Steuerleitung SL mit Steuereingang si der steuerbaren Schalteinheit S, über eine erste Regelleitung RL1 mit dem Regeleingang ri der Testsignaleinheit TSU und über eine zweite Regelleitung RL2 mit dem Regelein- gang ri der Pumpsignaleinheit PSU verbunden ist. Die Pumpsignaleinheit PSU weist des Weiteren einen ersten und zweiten Ausgang el,e2 auf, die mit dem ersten und zweiten Eingang il,i2 der steuerbaren Schalteinheit S verbunden sind. Anstelle des Zirkulators Z kann beispielsweise ein optischer Kopp- 1er OK verwendet werden - nicht in Figur 1 dargestellt.
In der Steuer- und Auswerteeinheit CU sind ein erster Leistungsregler RL1, ein zweiter Leistungsregler LR2, ein Schaltregler SR, eine Speichereinheit MEM, eine Auswerteeinheit AE und eine Steuereinheit MC - beispielsweise in einem Mikroprozessor realisiert - vorgesehen. Die Speichereinheit MEM, der erste und zweite Leistungsregler RL1,RL2, der Schaltregler SR und die Auswerteeinheit AE sind an die Steuereinheit MC angeschlossen, wobei der erste und zweite Leistungsregler LRl,LR2 zusätzlich mit die Auswerteeinheit AE verbunden ist. Außerdem ist der erste Leistungsregler LR1 über die erste Regelleitung RL1 mit der Testsignaleinheit TSU, der zweite Leistungsregler LR2 über die zweite Regelleitung RL2 mit der Pumpsignaleinheit PSU sowie der Schaltregler SR über die Schaltleitung SL mit der steuerbaren Schalteinheit S und die Auswerteeinheit AE über die elektrische Zuleitung EZL mit dem Messwandler MW verbunden.
Das erfindungsgemäße Messverfahren ist beispielsweise anhand einer Messroutine MR und einer Bewertungsroutine BWR in der Steuereinheit MC realisiert, welche unter anderem die Testsignaleinheit TSU, die Pumpsignaleinheit PSU und die Steuer- 1975
15 bare Schalteinheit S regeln bzw. steuern. So wird in der Testsignaleinheit TSU ein optisches Testsignal ots mit einer vorgegebenen ersten Wellenlänge λl und einer vorgegebenen Leistung Ps erzeugt, wobei das optische Testsignal ots bei- spielsweise zusätzlich mit einer ersten Modulationsfrequenz vl amplitudenmoduliert werden kann. Erfindungsgemäß wird das optische Testsignal ots somit moduliert oder unmoduliert in das Testobjekt, d.h. in die optische Faser OF, eingekoppelt. In der in Figur 1 dargestellten Messanordnung MAO wird das optische Testsignal ots beispielsweise über den optischen Koppler OK und über die erste Verteilerleitung VL1 an den Zirkulator Z übertragen und von dem Zirkulator Z über die dritte Verteilerleitung VL3 in die optische Faser OF eingekoppelt. Für den ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird ausschließlich das optische Testsignal ots in die optische Faser OF eingekoppelt, d.h. durch die steuerbare Schalteinheit S wird keines der in der Pumpsignaleinheit PSU erzeugten optischen Pumpsignale ops auf den optischen Koppler OK durchgeschaltet. Dies bedeutet, dass durch die steuerbare Schalteinheit S mit Hilfe eines im Steuerregler SR erzeugten Steuerbefehls ss der dritte, nicht belegte Eingang 13 des steuerbaren Schaltmoduls S auf den Ausgang e durchgeschaltet wird.
In der optischen Faser OF bildet sich abhängig von der eingekoppelten Testsignalleistung Ps des optischen Testsignals ots der nichtlineare Effekt der "Stimulated Brillouin Scattering (SBS)", d.h. der Stimulierten Brillouin Streuung, aus. Dieser schmalbandige nichtlineare Effekt der SBS bewirkt, dass ein Teil des optischen Testsignals ots entgegengesetzt zur Ein- kopplungsrichtung rückgestreut bzw. reflektiert wird. Dieses rückgestreute optische Signal ros wird über den Zirkulator Z und über die erste Zuleitung ZL1 an den Filtereingang fi der Filtereinheit FU geführt. In der Filtereinheit FU, beispiels- weise ein Bandpaßfilter mit einem schmalen Durchlaßbereich um die erste Wellenlänge λl des optischen Testsignals ots, wird das rückgestreute optische Signal ros gefiltert sowie das ge- filterte rückgestreute Signal gros am Filterausgang fe abgegeben. Das gefilterte rückgestreute Signal gros wird anschließend über die zweite Zuleitung ZL2 zum Eingang i des Messwandlers MW, beispielsweise einem opto-elektrischen Wand- 1er, übertragen und mit Hilfe des Messwandlers MW in ein e- lektrisches Signal es umgesetzt. Das elektrische Signal es wird der Steuer- und Auswerteeinheit CU bzw. der Auswerteeinheit AE über die elektrische Zuleitung EZL zugeführt, in der die Leistung Pros des elektrischen Signals es und somit des rückgestreuten optischen Signals ros ermittelt bzw. bewertet wird.
Durch die von der Steuereinheit MC gesteuerte Auswerteeinheit AE wird die Leistung Pros des rückgestreuten optischen Signals ros ermittelt und mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR wird die ermittelte rückgestreute Signalleistung Pros mit der in der Speichereinheit MEM gespeicherten Leistung Ps des optischen Testsignals ots verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird mit Hilfe des ersten Leistungsreglers LRl, ge- steuert durch die Mess- und Bewertungsroutine MR,BWR der
Steuereinheit MC, ein erstes Regelsignal rsl zur Erhöhung o- der gegebenenfalls Verringerung der Leistung Ps des optischen Testsignals ots gebildet. Hierdurch wird die Leistung Ps des optischen Testsignals ots beispielsweise solange erhöht bis eine erste Eintrittsschwelle SBSi der Stimulierten Brillouin Streuung erreicht ist, d.h. die Leistung Pros des rückgestreuten Signals ros beispielsweise 1/10 der Leistung Ps des eingekoppelten Testsignals ots entspricht. Der Wert der beim Erreichen der ersten Eintrittsschwelle SBSi der Stimulierten Brillouin Streuung aktuell abgegebenen ersten kritischen
Leistung bzw. ersten SBS-Eintrittsschwelle PS1 des optischen Testsignals ots wird gemäß der Messroutine MR in der Speichereinheit MEM abgespeichert.
Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Schritt des Messverfahrens zusätzlich zu dem modulierten oder unmodulierten optischen Testsignal ots zumindest ein moduliertes optisches Pumpsignal ops mit einer vorgegebenen ersten Pumpsignalleistung PP1 und einer ersten Wellenlänge λl in die optische Faser OF eingekoppelt. Hierzu wird in der optischen Pumpsignaleinheit PSU ein optisches Pumpsignal ops mit einer ersten Wellenlänge λl und zusätzlich das optische Pumpsignal ops mit einer ersten Modulationsfrequenz vl amplitudenmoduliert, wobei die Amplitudenmodulation beispielsweise als eine Sinus-, eine Rechteck- oder eine Sägezahnförmige Amplitudenmodulation ausgestaltet sein kann.
Das modulierte optische Pumpsignal ops wird am ersten Ausgang el der Pumpsignaleinheit PSU an den ersten Eingang il der steuerbaren Schalteinheit S abgegeben. Gemäß des zweiten Schrittes des erfindungsgemäßen Messverfahrens wird hierzu durch die in der Steuereinheit MC ausgeführte Messroutine MR im Schaltregler SR ein Steuersignal ss zum Durchschalten des ersten Eingangs il der steuerbaren Schalteinheit S auf den Ausgang e generiert und über die Steuerleitung SL an die steuerbare Schalteinheit S übermittelt. Im Anschluß an die Durchschaltung des optischen Pumpsignals ops vom ersten Eingang il zum Ausgang e der steuerbaren Schalteinheit S wird das optische Pumpsignal ops über die zweite Verteilerleitung VL2 an den optischen Koppler OK geführt. Mit Hilfe des optischen Kopplers OK wird das optische Pumpsignal ops in die erste Verteilerleitung VL1 eingekoppelt und zusätzlich zum optischen Testsignal ots an den Zirkulator Z übermittelt. Durch den Zirkulator Z werden das optische Testsignal ots und das optische Pumpsignal ops über die dritte optische Verteilerleitung VL3 in die optische Faser OF eingekoppelt.
Durch die zusätzliche Einkopplung des modulierten optischen Pumpsignals ops wird der nichtlineare Effekt der Kreuzphasenmodulation (XPM) in der optischen Faser OF erzeugt und somit eine Phasenmodulation des optischen Testsignales ots hervor- gerufen, welche das Frequenzspektrum des optischen Testsignals ots verbreitert. Durch die Verbreiterung des Frequenzspektrums des optischen Testsignals ots nimmt zunächst die Leistung des rückgestreuten optischen Signals ros ab, d.h. der Teil des eingekoppelten optischen Testsignals ots, der aufgrund des schmalbandigen nichtlinearen Effekts der SBS entgegengesetzt zur Einkopplungsrichtung rückgestreut bzw. reflektiert wird, nimmt somit ab. Das rückgestreute optische Signal ros wird wiederum über den Zirkulator Z und über die erste Zuleitung ZL1 an den Filtereingang fi der Filtereinheit FU geführt. In der Filtereinheit FU wird das rückgestreute optische Signal ros gefiltert sowie das gefilterte rückge- streute Signal gros am Filterausgang fe abgegeben. Das gefilterte rückgestreute Signal gros wird anschließend über die zweite Zuleitung ZL2 wiederum zum Eingang i des Messwandlers MW übertragen und mit Hilfe des Messwandlers MW in ein elektrisches Signal es umgesetzt. Das elektrische Signal es wird der Steuer- und Auswerteeinheit CU bzw. der Auswerteeinheit AE über die elektrische Zuleitung EZL zugeführt, in der die Leistung Pros des elektrischen Signals es und somit des rückgestreuten optischen Signals ros ermittelt bzw. bewertet wird.
Durch die von der Steuereinheit MC gesteuerte Auswerteeinheit AE wird wie bereits beschrieben die Leistung Pros des rückgestreuten optischen Signals ros ermittelt und mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR wird die ermittelte rückgestreute Sig- nalleistung Pros mit der in der Speichereinheit MEM gespeicherten Leistung Ps des optischen Testsignals ots verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird mit Hilfe des ersten Leistungsreglers LR1, gesteuert durch die Mess- und Bewertungsroutine MR,BWR der Steuereinheit MC, das erste Regelsig- nal rsl zur Erhöhung der Leistung Ps des optischen Testsignals ots gebildet. Die Leistung Ps des optischen Testsignals ots wird solange erhöht bis eine zweite, im Vergleich zur ersten Eintrittsschwelle SBSi erhöhte Eintrittsschwelle SBS2 der Stimulierten Brillouin Streuung erreicht wird, d.h. die Leistung Pros des rückgestreuten Signals ros entspricht wiederum beispielsweise 1/10 der Leistung Ps des eingekoppelten Testsignals ots. Der Wert der beim Erreichen der zweiten Ein- trittsschwelle SBS2 der Stimulierten Brillouin Streuung aktuell abgegebenen zweiten kritischen Leistung Ps2 bzw. zweiten SBS-Eintrittsschwelle PSBS2 des optischen Testsignals ots wird gemäß der Messroutine MR in der Speichereinheit MEM abgespei- chert. Des Weiteren wird die aktuell eingestellte erste optische Pumpsignalleistung PPι in der Speichereinheit MEM abgespeichert .
In Figur 2 ist beispielhaft in einem Diagramm die erste SBS- Eintrittsschwelle SBSi und die verschobene bzw. erhöhte zweite SBS-Eintrittsschwelle SBS2 dargestellt. Das Diagramm weist eine horizontale Achse (Abszisse) und eine vertikale Achse (Ordinate) auf, wobei entlang der horizontalen Achse die Leistung Ps des eingekoppelten optischen Testsignals ots und entlang der vertikale Achse die Leistung Pros des rückgestreuten optischen Signals ros jeweils in dBm angetragen ist. Zur Messung der dargestellten ersten SBS-Eintrittsschwelle SBSi wurde gemäß des ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Messverfahrens das optische Testsignal ots in die optische Faser OF eingekoppelt und die Testsignalleistung Ps zunehmend erhöht sowie die Änderung bzw. Erhöhung der Leistung Pros des rückgestreuten optischen Signals ros aufgezeichnet. Anhand des in Figur 2 dargestellten Diagramms wird der Eintritt des nichtlinearen Effektes der SBS deutlich, der beispielsweise im dargestellten Fall bei einer Testsignalleistung Ps von ca. 0.002 Watt liegt. Ab dieser kritischen Testsignalleistung Ps ist ein deutlich schnellerer Anstieg der Messkurve beim ersten Messverfahrensschritt bzw. eine deutlicher Anstieg der Leistung Pros des rückgestreuten optischen Signals ros auf- grund der SBS erkennbar. Dieser steile Anstieg der ersten
SBS-Eintrittschwelle SBSX ergibt sich in einem Band der Testsignalleistung Ps von ca. 2 dBm und flacht anschließend wieder ab, so dass der Verlauf der Leistung Pros des rückgestreuten optischen Signals ros über der Testsignalleistung Ps na- hezu dieselbe Steigung annimmt wie unmittelbar vor der ersten SBS-Eintrittsschwelle SBSX. Gemäß dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Messverfahrens wird zusätzlich zu dem opti- 1975
20 sehen Testsignal ots ein optisches Pumpsignal ops in die optische Faser OF eingekoppelt, wodurch aufgrund der sich in der optischen Faser OF einstellenden Kreuzphasenmodulation XPM die SBS-Eintrittsschwelle nach rechts verschoben wird, d.h. der nichtlineare Effekt der SBS tritt bei einer höheren eingekoppelten Testsignalleistung Ps auf. Für die im Diagramm dargestellte, die zweite SBS-Eintrittsschwelle SBS2 enthaltende Messkurve wurde beispielsweise ein optisches Pumpsignal ops in die optische Faser OF eingekoppelt, dass mit einer Mo- dulationsfrequenz von 20 MHz amplitudenmoduliert wurde und eine Pumpsignalleistung von 0,2 Watt aufwies. Des Weiteren betrug der Wellenlängenunterschied Δλ zwischen optischen Testsignal ots und optischen Pumpsignal ops ca. 10 nm. Die aus dem Diagramm entnehmbare Verschiebung der SBS- Eintrittsschwellen um ca. 2 dBm wird gemeinsam mit den bekannten Test- und Pumpsignalparametern sowie den bekannten Faserparametern zur Ermittlung des Nichtlinearitätskoeffizienten γ ausgewertet. Für eine eindeutige Auswertung der SBS-Eintrittschwellen zum Zwecke der Ermittlung des Nichtli- nearitätskoeffizienten γ gemäß der Erfindung ist beispielsweise eine Verschiebung der SBS-Eintrittschwelle um 1 bis 3 dB erforderlich.
Wie bereits in dem die theoretischen Grundlagen zum Verstän- dis der Erfindung umfassenden Beschreibungsteil angedeutet ist, wird durch Kombination der Gleichungen (A-ll, A-12) und durch Verhältnisbildung für die Messwerte der beiden in Figur 2 dargestellten Messkurven die im Beispiel 2 dB umfassende Erhöhung der SBS-Eintrittschwelle von SBSi auf SBS2 bei- spielsweise als Funktion von dem Produkt aus der polarisationsabhängigen Konstanten ξ, der Nichtlinearitätskonstanten γ und der eingekoppelten Pumpleistung PPi, PP2 und dem Produkt aus der Dispersionskonstanten D, dem Wellenlängenunterschied Δλ und der Modulationsfrequenz fmod dargestellt. Eine derar- tige Auswertung der in Figur 2 dargestellten Messkurven ist in Figur 3 beispielsweise in einem Diagramm dargestellt, wobei in Figur 3 insbesondere eine dritte in Figur 2 nicht dar- gestellte Messkurve ausgewertet wird. Das Diagramm zeigt eine erste, zweite und dritte aus den bekannten und erfindungsgemäß bestimmten Messparametern ermittelte erste, zweite und dritte Messkurve MK1, MK2, MK3. Hierzu weist das Diagramm ei- ne horizontale Achse (Abszisse) und eine vertikale Achse (Ordinate) auf, wobei entlang der horizontalen Achse das Produkt der polarisationsabhängigen Konstanten ξ, der Nichtlineari- tätskonstanten γ und der jeweilig eingekoppelten Pumpleistung Ppi/Pp2ξ*Y* PP auf einer logarithmischen Skala und entlang der vertikale Achse das Produkt aus der Dispersionskonstanten D, dem Wellenlängenunterschied Δλ und der Modulationsfrequenz fmod D*Δλ*fmod angetragen ist. Die dargestellten Messkurven MK1, MK2, MK3 ergeben sich für eine 100 km lange optischer Faser OF mit einer Dämpfungskonstante von 0,2 dB, wobei das an der Abszisse angetragene Produkt ξ*γ* PP einen Wertebereich für die Pumpleistung PP von ca. 0.1 bis 2 Watt und das an der Ordinate angetragene Produkt D*Δλ*fmod einen Wertebereich für den Wellenlängenabstand Δλ um 10 nm bei einer Modulationsfrequenz von 0 bis 1 GHz umfaßt. Die erste Messkurve MK1 steht für eine Erhöhung der ersten SBS-Eintrittschwelle SBSi um 1 dB, die zweite Messkurve für eine Erhöhung um 2 dB und die dritte Messkurve für eine Erhöhung um 3 dB, wobei hierzu jeweils die in die optische Faser eingekoppelte Pumpsignalleistung PP dementsprechend von 0.1 Watt auf 0.2 Watt erhöht wird. Des Weiteren sind in Figur 3 ein erster, zweiter, dritter und vierter Messpunkt MP1 bis MP4 entlang der zweiten und dritten Messkurve MK2,MK3 markiert, welche für die Ermittlung der Nichtlinearitätskonstanten γ und der Dispersionkonstanten D anhand eines iterativen Auswerteverfahrens beispielsweise ausgewählt sind. Für das erfindungsgemäße Messverfahren zur Bestimmung der Nichtlinearitäten der optischen Faser OF an sich ist die Ermittlung von zumindest zwei Messwerten ausreichend. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedoch eine ausführlichere Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt. Zur Bestimmung des Nichtlinearitätskoeffizienten γ werden die in der Speichereinheit MEM gespeicherten Messwerte erste, zweite Testsignalleistung PSι,Ps2, erste Pumpsignalleistung PP1 sowie die in Figur 2 und Figur 3 dargestellten Messkurven mit Hilfe der in der Steuereinheit MC ablaufenden Bewertungsroutine BWR bewertet. Bei einem Wellenlängendifferenz Δλ zwischen optischen Testsignal ots und optischen Pumpsignal ops um 1 n und einer geringen Modulationsfrequenz fmod um die 200 MHz ist der Dispersionseinfluß auf das Messergebnis ver- nachlässigbar, so dass gemäß Gleichung (A-12) die effektive Länge Leff in erster Näherung nicht von der Dispersionskonstanten D abhängt und damit durch Auswertung der Gleichung (A-12) mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR die Nichtlineari- tätskonstante γ ermittelt werden kann.
Zur Erläuterung der Ermittlung der Nichtlinearitätskonstante γ mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR wird beispielsweise die in Figur 3 dargestellte zweite Messkurve MK2, insbesondere der erste Messpunkt MPl, herangezogen. Der erste Messpunkt MPl bezeichnet den Schnittpunkt der zweiten Messkurve MK2 mit der Abszisse in Figur 3, der somit die vernachlässigbare Dispersionkonstante D und die geringe Wellenlängendifferenz Δλ für den betrachteten Fall berücksichtigt. Aus dem Diagramm in Figur 3 sind somit ein vernachlässigbarer Ordinatenwert und ein logarithmischer Abszissenwert (10*logl0) von -40,9 1/m/W als Koordinaten des ersten Messpunktes MPl ablesbar. Die in der Speichereinheit MEM gespeicherte erste Pumpsignalleistung Pι beträgt hierbei 20 dBm, welche einer ersten Pumpsignalleistung PPι von 100 mW entspricht. Somit ergibt sich unter Berücksichtigung der polarisationsabhängigen Konstanten ξ=l eine Nichtlinearitätskonstante γ von 0,000813 1/mW nach folgenden Umformungen:
10*logl0(γ*PPι) = -40,9 1/m/W γ = 0,000813 1/m/W In analoger Weise ist die Nichtlinearitätskonstante γ mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR beispielsweise am Schnitt¬ punkt der dritten Messkurve MK3 mit der Abszisse des in Figur 3 dargestellten Diagramms ermittelbar.
Im Weiteren wird gemäß der Erfindung eine Ermittlung der Dispersionseigenschaften, d.h. der Dispersionskonstanten D, der optischen Faser OF derart durchgeführt werden, dass in einem dritten Schritt zusätzlich zu dem optischen Testsignal ots das amplitudenmodulierte optische Pumpsignal ops mit der ersten Pumpsignalleistung PPι und einer zweiten Pumpwellenlänge λ2 in die optische Faser OF eingekoppelt wird und wiederum durch eine Änderung der Leistung des rückgestreuten optischen Signals ros eine dritte verschobene Eintrittsschwelle SBS3 der Stimulierten Brillouin Streuung dadurch bestimmt wird, dass die erste Pumpsignalleistung PPι solange erhöht wird bis das die Leistung Pros des rückgestreuten Signals ros wiederum beispielsweise 1/10 der Leistung Ps des eingekoppelten Testsignals ots entspricht. D.h. wurde die Wellenlängendifferenz Δλ zwischen optischen Testsignal ots und zweiten optischen Pumpsignal ops2 im dritten Schritt beispielsweise von 1 auf 10 nm erhöht, so muß die erste Pumpleistung PPX um 3 dB erhöht werden, um wiederum die zweite SBS-Eintrittsschwelle SBS2 zu erhalten. Somit ergibt sich eine zweite optische Pumpsignal- leistung PP2 bei einer Erhöhung der Wellenlängendifferenz Δλ für das Erreichen der zweiten SBS-Eintrittsschwelle SBS2 oder in anderen Worten: aufgrund der erhöhten Wellenlängendifferenz Δλ zwischen optischen Testsignal ots und zweiten optischen Pumpsignal ops2 wirkt sich die Dispersion derart auf das Messergebnis aus, dass zum Erreichen der zweiten SBS- Eintrittsschwelle SBS2 eine Erhöhung der ersten optischen Pumpsignalleistung PPi erforderlich wird.
Dieser technische Effekt wird erfindungsgemäß zur Ermittlung der Dispersionkonstanten D wie folgt ausgewertet. Eine polarisationsabhängige Konstante ξ = 1 vorausgesetzt, werden- hierzu die in Figur 3 dargestellten Messkurven, insbesondere P T/DE01/01975
24 die erste und dritte Messkurve MK1,MK3, für die Bestimmung mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR herangezogen. Bei der Berechnung der ersten Messkurve MKl wurde eine erste gemessene Pumpsignalleistung PPι von 20 dBm und bei der Berechnung der dritten Messkurve MK3 wurde eine dritte gemessene Pumpsignalleistung PP von 26 dBm ausgewertet, welches einer Erhöhung der Pumpleistung PP von 6 dB zur Kompensation der Erhöhung der Wellenlängendifferenz Δλ entspricht, d.h. um die zweite SBS-Eintrittsschwelle SBS2 zu erreichen ist beispielsweise bei einem ersten optischen Pumpsignal opsl mit einer ersten Pumpwellenlänge λl eine erste Pumpsignalleistung PPi erforderlich und bei Verwendung eines zweiten optischen Pumpsignal ops2 mit einer erhöhten zweiten Pumpwellenlänge λ2 ist eine zweite, um 6 dB erhöhte Pumpsignalleistung PP2 erforderlich. Die somit erhaltene, im Vergleich zu der ersten Messkurve MKl im Diagramm nach rechts verschobene dritte Messkurve MK3 wird beginnend an dem zweiten Messpunkt MP2 zur Bestimmung der Dispersionskonstanten D mit Hilfe eines iterativen Auswertungsverfahrens ausgewertet. Hierzu wird der die dritte Mess- kurve MK3 repräsentierende, in der Speichereinheit MEM gespeicherte Datensatz mit Hilfe der Bewertungsroutine BWR derart ausgewertet, dass zunächst der Schnittpunkt zwischen der Abszisse und der dritten Messkurve MK3 der zweite Messpunkt MP2 ausgewählt wird und ausgehend von dem Abszissenwert des zweiten Messpunktes MP2, der Abszissenwert des vierten Messpunktes aus dem Datensatz ermittelt wird, indem der Abszissenwert des zweiten Messpunktes MP2 um den Betrag der Erhöhung der Pumpsignalleistung PP, im betrachteten Ausführungsbeispiel um 6 dB, nach rechts verschoben wird bzw. erniedrigt wird. Ausgehend davon wird der zugehörige Ordinatenwert des vierten Messpunktes MP4 ermittelt.
Ausgehend von dem im Ausführungsbeispiel betrachtete Differenz zwischen dem ersten Produkt von der Dispersionskonstan- ten D, dem ersten Wellenlängenunterschied Δλl und der Modulationsfrequenz fmod D*Δλl*£ od für die erste Messkurve MKl und dem zweiten Produkt von der Dispersionskonstanten D, dem zweiten Wellenlängenunterschied Δλ2 und der Modulationsfrequenz fmod D*Δλ2*fmod für die dritte Messkurve MK3 von 10 war der erste Messpunkt MPl bzw. Startpunkt des iterativen Bewertungsverfahrens nicht exakt genug und wird wie folgt verbes- sert. Der zuvor ermittelten Ordinatenwert des vierten Messpunktes MP4 wird durch die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Produkt, den Faktor 10, dividiert und somit ein neuer verbesserter Ordinatenwert für den ersten Messpunkt MPl ermittelt. Zu dem neuen verbesserten Ordinatenwert wird anhand der Datenbasis der zugehörige neue verbesserte Abszissenwert des ersten Messpunktes MPl ermittelt und zur Weiterverarbeitung in der Speichereinheit MEM gespeichert. Gemäß des ersten Iterationsschrittes wird in einem zweiten Durchlauf des iterativen Bewertungsverfahrens der neue verbesserte Abszissen- wert des zweiten Messpunktes MP2 wiederum um den Betrag der Erhöhung der Pumpsignalleistung PP, im betrachteten Ausführungsbeispiel um 6 dB, nach rechts verschoben bzw. erniedrigt. Ausgehend davon wird ein verbesserter Ordinatenwert des sich ergebenden neuen vierten Messpunktes MP4 ermittelt. Die- ses Bewertungsverfahren konvergiert in den überwiegenden Anwendungsfällen nach wenigen Iterationen, so dass der erhaltene Ordinatenwert für den vierten Messpunkt MP4 zu Ermittlung der Dispersionskonstanten gemäß der folgenden Gleichung herangezogen werden kann:
D = 4,4*10"4/(Δλ*fmod)
4,4*10-4/(10"8*2*108) ps/nm/km = D = 220 ps/nm/km
Somit ergibt sich für das dargestellte Ausführungsbeispiel eine Dispersionskonstante von D = 220 ps/nm/km. In analoger Weise kann beispielsweise die zweite Messkurve zur Bestimmung der zugehörigen Dispersionskonstante D ausgewertet werden.
Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist keinesfalls auf eine sendeseitige Realisierung beschränkt, sondern kann für belie- bige optische Übertragungsmedien auch empfangsseitig eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Messverfahren zur Bestimmung der Nichtlinearitäten in ei- • ner optischen Faser (OF) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem ersten Schritt zumindest ein optisches Testsignal (ots) in die optische Faser (OF) eingekoppelt wird, dessen Testsignalleistung (Ps) geändert wird und anhand der Änderung der Leistung (Pros) des rückgestreuten optischen Sig- nals (ros) eine erste Eintrittsschwelle (SBSi) der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt wird, dass in einem zweiten Schritt zusätzlich zu dem optischen Testsignal (ots) zumindest ein moduliertes optisches Pumpsignal (ops) mit einer vorgegebenen Pumpsignalleistung (PPi) und einer ersten Pumpwellenlänge (λi) in die optische Faser (OF) eingekoppelt wird und anhand der Änderung der Testsignalleistung (Ps) eine zweite Eintrittsschwelle (SBS2) der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt wird und dass durch die Auswertung zumindest der ersten und zweiten Eintrittsschwelle (SBSi, SBS2) , der Test- und Pumpsignalparameter sowie der Faserparameter der Nichtlinearitätskoeffizient (γ) der optischen Faser (OF) ermittelt wird.
2. Messverfahren zur Bestimmung der Nichtlinearitäten in ei- ner optischen Faser, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem ersten Schritt mindestens ein optisches Testsignal (ots) mit einer Testsignalleistung (Ps) und einer Testsignalwellenlänge (λi) in die optische Faser (OF) einge- koppelt wird und die Leistung (Pros) des rückgestreuten optischen Signals (ros) gemessen sowie ein erstes Verhältnis aus eingekoppelter Testsignalleistung (Ps) und der Leistung (Pros) des rückgestreuten optischen Signals gebildet wird, dass in einem zweiten Schritt zusätzlich zu dem eine Testsig- nalleistung (Ps) und Testwellenlänge (λi) aufweisenden optischen Testsignal (ots) mindestens ein moduliertes optisches Pumpsignal (ops) mit einstellbarer Pumpsignalleistung (PPι) 0101975
28 und einer ersten Pumpwellenlänge (λi) in die optische Faser (OF) eingekoppelt wird und die Leistung (Pros) des rückge¬ streuten optischen Signals (ros) gemessen sowie ein zweites Verhältnis aus eingekoppelter Testsignalleistung (Ps) und der Leistung des rückgestreuten optischen Signals (Pros) ermittelt wird, dass die einstellbare Pumpsignalleistung (PPi) des modulierten optischen Pumpsignals (ops) solange erhöht oder verringert wird bis das zweite Verhältnis mit dem ersten Verhältnis übereinstimmt und dass durch eine Auswertung der Test- und Pumpsignalparameter sowie der Faserparameter der Nichtlinearitätskoeffizient (γ) der optischen Faser (OF) ermittelt wird.
3. Messverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Test- und Pumpsignalparameter die Testsignalwellenlänge (λi) , die vorgegebene Pumpsignalleistung (PPι), die erste Pumpwellenlänge (λi) und die Modulationsfrequenz (υi) des optischen Pumpsignals (ops) ausgewertet werden.
4. Messverfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Test- und Pumpsignalparameter die Testsignalleistung (Ps) , die Testsignalwellenlänge (λi) , die eingestellte Pumpsignalleistung (PPI) , die erste Pumpwellenlänge (λi) , die Modulationsfrequenz (υi) des optischen Pumpsignals (ops) ausgewertet werden.
5. Messverfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Testsignalwellenlänge (λx) und die erste Pumpwellenlänge (λi) eine Wellenlängendifferenz kleiner als 1 nm aufweisen.
6. Messverfahren zur Bestimmung der Dispersion (D) einer optischen Faser (OF) nach Anspruch 1 und 3, 01 01975
29 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem dritten Schritt zusätzlich zu dem optischen Testsignal (ots) das modulierte optische Pumpsignal (ops) mit einer vorgegebenen Pumpsignalleistung (PPι) und einer zweiten Pumpwellenlänge (λ2) in die optische Faser (OF) eingekoppelt wird und wiederum durch eine Änderung der Leistung (Pros) des rückgestreuten optischen Signals (ros) eine dritte verschobene Eintrittsschwelle (MK3) der Stimulierten Brillouin Streuung bestimmt wird, und dass durch die zusätzliche Auswertung zumindest der zweiten und dritten Eintrittsschwelle (SBSX, MK3) , der Testwellenlänge (λi) , der Pumpsignalleistung, der ersten und zweiten Pumpwellenlänge (λι,λ2) , der Modulationsfrequenz (ΌX ) des optischen Pumpsignals (ops) und der Faserparameter die Dispersionskon- stante (D) der optischen Faser (OF) bestimmt wird.
7. Messverfahren zur Bestimmung der Dispersion (D) in einer optischen Faser (OF) nach Anspruch 2 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem dritten Schritt zusätzlich zu dem eine vorgegebene Testsignalleistung (Ps) und Testsignalwellenlänge (λx) aufweisenden optischen Testsignal (ots) das modulierte optische Pumpsignal (ops) mit einer einstellbaren Pumpsignalleistung (Ppi) und einer zweiten Pumpwellenlänge (λ2) in die opti- sehe Faser (OF) eingekoppelt wird und die Leistung (Prθs) des rückgestreuten optischen Signals (ros) gemessen sowie ein drittes Verhältnis aus eingekoppelter Testsignalleistung (Ps) und gemessener Leistung (Pros) des rückgestreuten optischen Signals (ros) ermittelt wird, dass die einstellbare Pumpleistung (PPι) des modulierten optischen, eine zweite Pumpwellenlänge (λ2) aufweisenden Pumpsignals (ops) solange erhöht oder verringert wird bis das dritte Verhältnis mit dem ersten Verhältnis übereinstimmt und dass durch eine zusätzliche Auswertung der Testsignalleistung (Ps) , der Testsignalwellenlänge (λi) , der eingestellten Pumpsignalleistung (Ppi) , der zweiten Pumpwellenlänge (λ2) , der Modulationsfrequenz (υx) des optischen Pumpsignals (ops) und P T/DE01/01975
30 der Faserparameter die Dispersionskonstante (D) der optischen Faser (OF) bestimmt wird.
8. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Faserparameter effektive Faserlänge (Leff) , Dämpfungskonstante (α), Polarisationsfaktor (ξ) bei zufällig variierender Polarisation sowie Brilloin-Verstärkungsfaktor (gB) der optischen Faser (OF) in der Auswertung berücksichtigt werden.
9. Messverfahren nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste, zweite und dritte Eintrittsschwelle (SBSι,SBS2, MK3) der Stimulierten Brillouin Streuung jeweils durch die den Eintritt des Stimulierten Brillouin Effektes hervorrufende eingekoppelte Testsignalleistung (Ps) bestimmt sind.
10. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Modulation des optischen Pumpsignals (ops) durch eine Sinus-, Rechteck- oder Sägezahnförmige Amplitudenmodulation realisiert wird.
11. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Auswertung entsprechend der Formeln
und Leff (z,α,γ, IP, D,Δλ, fmod) = 1/α* (1-exp (-α*z/n) ) *
«-1
•{1+ Σ J exp(-α*k/n*z)*J0 2(m(kz/n)*Le (k*z/n,α,D, Δλ, fmod))}
A=l mit mit : L = k*z/n, ß = D*Δλ, ω = 2*π* fmod; m(kz/n) = ξ*γ*IP*Le;
erfolgt, wobei durch
Ps or = die rückgestreute Leistung bei der Eintrittsschwelle der SBS, gB = die Brillouin Gain Konstante,
Aeff = die effektive Fläche,
Leff = die effektive Länge, z = die Ortsvariable, α = die Faserdämpfungskonstante, D = die Dispersionskonstante,
Δλ = die Wellenlängendifferenz zwischen Test- und Pumpsignal, fmod = die Modulationsfrequenz des Pumpsignals,
IP = die Pumpleistung des eingekoppelten Pumpsignals, n = die Anzahl der Teilstücke für die Näherung, γ = die Nichtlinearitätskoeffizient, ξ = eine polarisationsabhängige Konstante ausgedrückt werden.
12. Messverfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Modulationsfrequenz (υx) des optischen Pumpsignals
(ops) größer als die SBS-Linienbreite (ΔυB) gewählt wird.
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