FI74371C - Optisk oeverfoering. - Google Patents

Description

1 74371

Optinen siirto. - Optisk överföring.

Esillä oleva keksintö kohdistuu optiseen siirtoon ja erityisesti menetelmään ja laitteeseen dielektrisiä aaltojohtoja pitkin tapahtuvaan optiseen siirtoon sekä optista siirtoa hyväksi käyttäviin tietoliikennejärjestelmiin.

Optisessa siirrossa käytetään hyväksi sähkömagneettisia aaltoja aallonpituusspektrialueella, joka sisältää niin näkyvän valon kuin huomattavasti sen ulkopuolella olevan alueen, ja tässä esille tulevat ilmaisut kuten "optinen", "valo" ja niihin liittyvät termit tulee siten ymmärtää laajemmassa mielessä niin että ne viittaavat sähkömagneettisiin aaltoihin tämän leveämmän aallonpituusspektrialueen puitteissa.

Optisissa tietoliikennejärjestelmissä valoa, joka on moduloitu kuljetettavan informaation mukaisesti, siirretään pitkin dielektrisiä aaltojohtoja.

Tällä hetkellä käytössä olevien optisten tietoliikennejärjestelmien enemmistö, joista teleliikennejärjestelmät ovat tärkeä esimerkki, käyttävät hyväksi epäkoherentin valon siirron ja suoran intensiteettimodulaation yhdistelmää digitaalisen informaation kuljettamiseksi.

Huomattavia etuja muiden muassa kaistenleveyden hyväksikäytön, siirtokainstaleveyksien, sopivan modulointitekniikan valinnan ja vastaanottimen herkkyyden suhteen voidaan katsoa aikaansaatavan käyttämällä siirrossa koherenttia valoa. Päinvastoin kuin epäkoherenttia valoa siirrossa käyttävissä optisissa tietolii-kennejärjelstemissä, koherenttia valoa käyttävissä järjestelmissä (joihin tästä eteenpäin viitataan myös "koherentteina järjestelminä") voidaan käyttää hyväksi kapean viivaleveyden omaavia valolähteitä ja erityisesti pitkän matkan tietoliikenteessä niissä käytetään tavallisesti pienihäviöisiä yksimuo-muotoisia optisia kuituja dielektrisinä optisina aaltojohtoina.

2 74371

On jo jonkin aikaa tiedetty, että jos kapean viivaleveyden omaava valo, joka saadaan esimerkiksi laservalolähteestä, johdetaan optiseen kuituun, ja erityisesti pienihäviöiseen optiseen kuituun, niin on olemassa kynnysteho, jonka yläpuolella kuidussa esiintyy stimuloitua Brillouin-sirontaa (SBS, Stimulated Brillouin Scattering)(katso esimerkiksi R.G. Smith, "Optical Power Handling Capacity of Low Loss Optical Fibres as Determined by Stimulated Raman and Brillouin Scattering", Appi. Opt., 1972, II, sivut 2489-2494; E. P. Ippen ja R. H. Stolen, "Stimulated Brillouin Scattering in Optical Fibres", Appi. Phys. Lett., vol. 21, no. 11, 1.12.1972; "Optical Fibre Telecommunications", 1979, Academic Press,

New York (US), toim. S. E. Miller et ai, kappale 5 "Non Linear Properties of Optical Fibres", sivut 125-150, kohta 5.3; P. Labudde et al, "Transmission of Narrow Band High Power Laser Radiation Through Optical Fibres", Optics Communications, vol. 32, no. 3, maaliskuu 1980, sivut 385-390; N. Uesugi et ai, "Macimum Single Frequency Input Power in a Long Optical Fibre Determined by Stimulated Brillouin Scattering", Electronics Letters, 28.5.1981, vol. 17, no. 11).

Kuten näissä viitteissä on esitetty, stimuloitu Brillouin-sironta on stimuloitu sirontaprosessi, joka muuttaa eteenpäin kulkevan optisen aallon takaisinpäin kulkevaksi optiseksi aalloksi, aallon siirtyessä samalla taajuudeltaan. Syötetyn valotehon ylittäessä edellä mainitun kynnystehon sironnan määrä kavaa jyrkästi kunnes kuidun kautta eteenpäin siirtyvä teho tulee syötetystä tehosta lähes riippumattomaksi. Lähetettyyn tehooin kohdistuvan vaimennuksen lisäksi SBS:llä on muita haitallisia vaikutuksia, kuten moninkertaisten taajuussiir-tymien aiheutuminen, lisääntynyt kytkeytyminen takaisinpäin laservalon lähteeseen ja riittävän suurilla syöttötehoilla vieläpä pysyvän fyysisen vahingon aiheutuminen kuituun.

Tulee huomata, että vaikka SBS on hyvin merkittävä tekijä ko-herenteissa järjestelmissä, joissa on käytettävä kapean viiva-leveyden omaavia lähteitä, se ei luonnollisesti rajoitu vain 3 74371 koherentteihin järjestelmiin. SBS voi esiintyä milloin tahansa, kun sopivat ehdot viivaleveyden, syöttötehon, optisen aalto johdon ominaisuuksien jne. suhteen ovat täytetyt.

SBS on vain yksi useista epälineaarisista prosesseista, jotka voivat esiintyä optisissa aaltojohdoissa, ja se on yleensä vähemmän merkittävä laajan viivaleveyden omaavassa valossa kuin kapean viivaleveyden omaavassa valossa. Kuitenkin, koska sen kynnysarvo on tavallisesti pienempi kuin muiden epälineaaristen prosessien kynnysarvot, on SBS:n katsottu aikaansaavan merkittävimmän rajoituksen optisille tietoliikennejärjestelmille (katso viitejulkaisut, ja erityisesti R. G. Smith, P. Labudde ja N. Uesugi). Tällä rajoituksella, joka esiintyy suurimman käyttökelpoisen syöttötehon muodossa, on erityinen merkitys koherenteissa järjestelmissä, joissa kuten aikaisemmin on osoitettu, ei ole mahdollista käyttää laajan viivaleveyden omaavaa valoa. Syöttötehon rajoitusvaatimuksella on luonnollisesti suora vaikutus suurimpaan siirtopituuteen, joka voidaan saavuttaa ilman välivahvistimiin tai regeneraattorei-hin turvautumista.

Mainittujen viitejulkaisujen enemmistössä esitetään edellä mainitun syöttötehon rajoitusvaatimuksen nostamista vain vähän suuremmille tasoille, ja edullisesti SBS-kynnysarvoa pienemmäksi, mutta yhdessäkään viitteessä ei ehdoteta tämän rajoituksen voittamista ja sitä miten se tapahtuisi. Siten esimerkiksi viitteessä N. Uesugi et ai (viitattu edellä) esitetään, että lähellä infrapuna-aluetta SBS esiintyy pitkissä yksimuotoisis-sa piioksidikuiduissa niin pienillä syöttötehoilla kuin muutamilla milliwateilla. Siten, vaikka heidän tutkimuksensa on suoritettu SBS:n merkitys kohentereille tietoliikennejärjestelmille tietäen, tekijät eivät ole onnistuneet ehdottamaan edes sopivan parannuskeinon olemassaoloa.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on aikaansaada valon siirto dielektrisiä aaltojohtoja pitkin käyttäen menetelmiä, jotka estävät ainakin osa stimuloidun Brillouin-sironnan vahingolli- 4 74371 sista vaikutuksista.

Esillä olevan keksinnön toisena tavoitteena on aikaansaada valon siirtämiseksi dielektrisiä optisia aaltojohtoja pitkin menetelmiä, jotka johtavat stimuloidun Brillouin-sironnan oleelliseen vaimenemiseen.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on edelleen aikaansaada dielektrisiä optisia aaltojohtoja käyttävä optinen siirtojärjestelmä, jossa stimuloitu Brillouin-sironta on oleellisesti vaimennettu.

Esillä olevan keksinnön erään näkökohdan mukaisesti käsittää menetelmä valon siirtämiseksi dielektristä optista aaltojoh-toa pitkin yhdestä tai useammasta kapean viivaleveyden omaavan valon lähteestä tulevan suuritehoisen optisen aallon syöttämisen optiseen aaltojohtoon, mainitun optisen aallon omatessa vaihekulman, joka muuttuu ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta oleellisesti vaimenee .

Esillä olevan keksinnön toisen näkökohdan mukaisesti käsittää optinen siirtojärjestelmä yhden tai useamman kapean viivaleveyden omaavan valon lähteen, ja optisen aaltojohdon, mainitun lähteen tai lähteiden ollessa sovitettu syöttämään optiseen aaltojohtoon suuritehoisen optisen aallon, jonka vaihekulma muuttuu ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta oleellisesti vaimenee.

Termien "suuritehoinen" ja "kapea viivaleveys" tulee tässä yhteydessä ymmärtää tarkoittavan riittävän suurta ja riittävän kapeata, jotta SBS olisi merkittävä vastaavalle vaihekulmaltaan muuttumattomalle optiselle aallolle, SBS:n merkittävyyden mainitulle vastaavalle optiselle aallolle ollessa helposti määritetty yrityksen ja erehdyksen tekniikkaan perustuvan kokeen avulla.

74371

Hieman opastusta koetta suoritettaessa voidaan saada siitä huomiosta, että tietyllä optisella aaltojohdolla ja aallonpituudella viivaleveyden kapenemista seuraa tavallisesti sen tehon pienentyminen jolla SBS tulee merkittäväksi. Tähän voidaan lisätä, että teho jolla SBS tulee merkittäväksi riippuu myös dielektrisen optisen aaltojohdon ominaisuuksista ja käytettävästä aallonpituudesta. Siten pitkät pienihäviöiset kuidut ovat tavallisesti taipuvaisempia SBSrlle, ja SBS-kynnys-arvo pyrkii laskemaan aallonpituuden kasvaessa.

Vaadittava vaihekulman muuttuminen ajan suhteen stimuloidun Brillouin-sironnan oleelliseksi vaimentamiseksi määritetään myös helposti yrityksen ja erehdyksen tekniikkaan perustuvalla kokeella. Tapa, jolla kyseisen tyyppiset kokeet voidaan suunnitella, käyvät ilmi suoraan ja myös analogian kautta edempänä olevasta yksityiskohtaisemmasta selostuksesta.

Hieman opastusta kokeiden suorittamiseksi voidaan saada edempänä esitetystä teoreettisesta mallista.

Optinen aaltojohto on edullisesti yksimuotoinen kuitu, jolla on yksi tai useampi siirtohäviöminimi aallonpituuden suhteen, ja mainittu yksi tai useampi kapean viivaleveyden omaava valolähde on sovitettu toimimaan aallonpituuksilla, jotka ovat siirtohäviöminimin tai yhden niistä kohdalla tai lähellä sitä.

Valolähde tai kukin niistä on edullisesti laservalolähde, joka on järjestetty toimimaan allonpituudella, joka on pitempi kuin 1 ym.

Keksintö toteutetaan edullisesti esimerkiksi yhden tai useamman kapean viivaleveyden omaavan laservalolähteen yhdiste mällä, jotka toimivat lähellä infrapuna-aluetta välillä 1,2 yma ja 1,7 ym, koko puolimaksimileveyden (FWHM, full width half maximum) viivaleveyden ollessa pienempi kuin 1 MHz, ja yksi-muotoisella optisella piioksidikuidulla.

6 74371

Optisella piioksidikuidulla on usein absorptiivinen häviöminimi suuruudeltaan 0,5 dB/km tai vähemmän aallonpituudella 1,3 ym tai 1,5 ym tai molemmilla niistä. Suuritehoinen arvoltaan 10 mW tai enemmän oleva optinen aalto syötetään edullisesti esillä olevan keksinnön mukaisesti kuituun. Yli 10 km:n suuruisia jatkuvia kuitupituuksia voidaan hyvin käyttää.

Käytettäessä pitempiä aallonpituuksia kuiduilla, joilla on pieni absorptiohäviö kyseisillä aallonpituuksilla (vertaa Goodman, Soi. State and Electronic Device 1978, 2, 129-137), olisivat mahdolliset välivahvistuksettomat pituudet yleensä suurempia, ja SBS-kynnysarvo jatkuva-aaltoiselle säteilylle ja pienimmät tehot, joita edullisesti voidaan käyttää esillä olevan keksinnön mukaisesti, olisivat yleensä pienimpiä. Kyseiset kuidut voivat olla esimerkiksi fluoridilasikuituja ja vastaavia, jotka on äskettäin kokeiltu 3 ym:n ja sitä suuremmilla aallonpituuksilla.

Esillä oleva keksintö aikaansaa myös informaation siirtämiseksi menetelmän, joka käsittää suuritehoisen optisen kantoaallon syöttämisen optiseen kuituun, joka kantoaalto saadaan yhdestä tai useammasta kapean viivaleveyden omaavasta lähteestä ja joka moduloidaan siirrettävää informaatiota vastaavasti, moduloidun aallon vaihekulman muuttuessa ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

Esillä oleva keksintö aikaansaa edelleen siirtojärjestelmän, joka käsittää yhden tai useamman kapean viivaleveyden omaavan valolähteen, modulointilaitteen ja optisen kuidun, mainitun lähteen tai lähteiden ja laitteen ollessa sovitettu syöttämään kuituun suuritehoisen informaation suhteen moduloidun optisen kantoaallon, jonka vaihekulma muuttuu ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

Kaiken mahdollisen epäselvyyden välttämiseksi huomautetaan i 7 74371 tässä yhteydessä, että viitattu vaihekulman muuttuminen voi olla, mutta ei välttämättä tarvitse olla, suora seuraus pelkästään informaatiota vastaavasta moduloinnista.

Mahdollisen epäselvyyden edelleen välttämiseksi huomautetaan tässä yhteydessä, että koko tässä hakemuksessa termi "modulaatio" tulee ymmärtää siten, että se kattaa piiriinsä termin "avainnus", kuten on tavallista tämän jälkimmäisen ollessa modulaation erityistapaus, jota yleisesti käytetään digitaalisen informaation siirtämisessä.

Kyseisten kantoaaltojen demodulointi suoritetaan edullisesti koherentisti.

Esillä olevaa keksintöä voidaan edullisesti soveltaa digitaalisen informaation siirtoon suurilla bittitaajuuksilla optisen kantoaallon binääristä vaiheavainnusta käyttäen. Tässä tapauksessa voidaan SBS:n oleellinen vaimennus saavuttaa käyttä-mällä avainnettua vaihesiirtymää (2n + 1)π# missä n on 0 tai kokonaisluku, tai avainnettua vaihesiirtymää, joka on riittävän lähellä kyseisiä π:η parittomia monikertoja SBS:n oleellisen vaimennuksen saavuttamiseksi.

Esillä olevaa keksintöä voidaan myös edullisesti käyttää digitaalisen informaation siirtoon, edullisesti binäärimuodossa, suurilla bittitaajuuksilla vaihtotaajuusavainnusta käyttäen. Tässä tapauksessa SBS:n oleellinen vaimennus voidaan saavuttaa käyttämällä riittävän suurta avainnettua taajuussiirty-mää.

Kyseiset kaksi äsken mainittua tapausta, vaiheavainnus ja vaihtotaajuusavainnus, selvittävät sopivasti yrityksen ja erehdyksen tekniikkaan perustuvien kokeiden käyttöä seuraavasti. Nämä kokeet voivat käsittää tietyllä bittitaajuudella, syötetyllä valoteholla, viivaleveydellä ja kuidulla sen määrittämisen, onko mikään avainnetun vaihesiirtymän lähtöarvo riittävän lähellä arvoa (2n + 1)π SBS:n oleelliseksi vaimen- 8 74371 tamiseksi, tai onko mikään taajuussiirtymän lähtöarvo riittävän suuri. Kokeissa voidaan SBS:ää valvoa joko heijastuneen aallon avulla tai kuidun antotehon avulla.

Esillä oleva keksintö on erityisen edullinen näissä kahdessa tapauksessa, silloin kun bittitaajuudet ylittävät 100 MBit/s ja ovat pikemminkin luokkaa lGBit/s. Se ei käytännössä ole sopiva hyvin pienillä bittitaajuuksilla, kuten voidaan havaita tarkastelemalla pienen bittitaajuuden rajaa, toisin sanoen vaihe- tai vaihtotaajuusavainnus bittitaajuudella 1 Bit/s ei vaikuta niin lyhyen aikamittakaavan omaavaan prosessiin kuin SBS.

Kun, kuten edellä mainituissa kahdessa tapauksessa, modulointitekniikka itsessään perustuu muutoksien aikaansaamiseen kantoaallon vaiheeseen, voidaan informaation modulointia käyttää SBS:n oleelliseksi vaimentamiseksi. Tämä ei kuitenkaan luonnollisesti sulje pois ylimääräisten informaation modulointien tai ylimääräisten avustavien mittausten mahdollisuuta SBS:n vaimentamiseksi keksinnön mukaisesti.

Jos kuitenkin halutaan käyttää amplitudimodulaatiota (esimerkiksi siirtoavainnusta) siirrettävää informaatiota vastaavasti, niin silloin informaation moduloinnilla on yleensä pieni vaikutus SBS:ään. Siten esimerkiksi vaihtoamplitudiavainnetus-sa järjestelmässä on SBS-kynnysarvo keskimääräisen "valo pääl-lä"-tehon termeinä tyypillisesti vain siinä tekijän keksi kertaa korkeampi kuin jatkuva-aaltoisella lähteellä. Samanlainen ongelma muodostuu, jos jostain syystä halutaan käyttää sellaista vaihe- tai taajuusmodulaatiota, joka itsestään ei kykene vaimentamaan SBS:ää, tai jos halutaan varmistaa järjestelmä niitä mahdollisia vahingoittavia seurauksia vastaan, joita SBS:ää vaimentavan informaation moduloinnin lakkaaminen aiheuttaa.

Esillä olevaa keksintöä voidaan edellisen mukaisesti soveltaa käyttämällä jaksottaisesti ohjattua optista vaihemodulaattoria, 9 74371 esimerkiksi laservalolähteen ja optisen kuidun välillä, modulaation aikaansaamiseksi informaation moduloinnin lisäksi niin, että saavutetaan vaadittava SBS:n oleellinen vaimennus. Useita modulointimuotoja voidaan käyttää, esimerkiksi sakara-ja siniaaltomuotoisia.

SBS voidaan vaimentaa myös käyttämällä kantoaaltona eritaajuis-ten komponenttiaaltojen yhdistelmää.

Olosuhteissa, joissa käytetään jaksottaisesti ohjattua vaihe-modulaattoria tai juuri määriteltyä kantoaaltoa, voidaan suorittaa hyödyllisiä alustavia yritys- ja erehdyskokeita ilman informaation moduloinnin käyttämistä. Nämä kokeet on tarkoitettu tietyllä syötetyllä valoteholla, viivaleveydellä ja kuidulla vaihemodulointiparametrien tai taajuuseron määrittämiseksi, joka on tarpeen SBS:n vaimentamiseksi. Vielä kerran mainittakoon, että teoreettista mallia voidaan mahdollisesti käyttää ohjaamaan näitä kokeita.

Kantoaalto, joka on tulos eritaajuisten komponenttiaaltojen yhdistämisestä, voidaan sopivasti kehittää yhdessä lähteessä, esimerkiksi järjestämällä yksittäinen laser toimimaan kahdessa pitkittäisessä muodossa, joilla on hieman eri aallonpituudet, jolloin tuloksena saadaan beat-taajuinen muoto. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää kahta yksitaajuista laseria.

Kantoaallon informaation modulointi voidaan s orittaa joko eritaajuisten komponenttiaaltojen yhdistämisen jälkeen tai se voidaan suorittaa moduloimalla yksittäiset komponenttiaallot ennen yhdistämistä tai juuri yhdistämishetkellä. Tämä viimeisin tapa on erityisen sopiva silloin, kun komponenttiaallot kehitetään yhdestä lähteestä, jolloin ne voidaan yhdessä moduloida lähdettä ohjaamalla, esimerkiksi vaihtoamplitudiavain-nusperiaatteen mukaisesti.

Moduloidun kantoaallon ilmaisu silloin, kun kantoaalto on kahden eritaajuisen komponenttiaallon yhdistämisen tulos, voidaan 10 74371 suorittaa vain yhdelle näistä taajuuksista ilmaisimella, jonka koherentti ilmaisukaistanleveys on pienempi kuin beat-taajuus. Vain puolet siirretystä optisesta tehosta käytetään siten datan siirrossa hyväksi, jolloin seurauksena on 3 dB:n tehon menetys. Kuitenkin verrattuna aikaisemmin ehdotettuihin koherentteihin vaihtoamplitudiavainnettuihin järjestelmiin, on tällä tavoin toimivilla vaihtoamplitudiavainnusjärjestelmillä mahdollisuus suurempiin välivahvistimien etäisyyksiin, koska SBS:n vaimennuksesta johtuen ovat suuremmat syöttötehot sallittuja.

Toinen tapa käyttää aaltoa, joka on moduloitu jaksottaisesti ohjatulla vaihemodulaattorilla tai joka on eritaajuisten kom-ponenttiaaltojen yhdistämisen tulos, on optisena vaihevertai-luaaltona käyttäminen erillisen vaihe- tai taajuusinformaa-tiomoduloidun aallon demoduloimiseksi. Siten joissakin vaihe-avainnus- tai vaihtotaajuusavainnusjärjestelmissä saattaa olla tarpeen siirtää samanaikaisesti jatkuva kantoaaltokomponentti optisen vaihvertailun aikaansaamiseksi, ja esillä olevalla keksinnöllä on käyttöä silloin, kun kantoaaltokomponent-ti johtaa SBS:n esiintymiseen tietyissä tilanteissa.

Jaksottaisesti ohjatulla vaihemodulaattorilla moduloitua aaltoa tai eritaajuisten komponenttiaaltojen yhdistämisen tuloksena olevaa aaltoa voidaan luonnollisesti käyttää jatkuvan aallon siirtoon yleisesti eikä vain teleliikenteessä.

Esillä olevaa keksintöä selostetaan seuraavassa edelleen esimerkkien avulla ja mukana seuraaviin piirustuksiin viitaten, joissa:

Kuva 1 esittää kaaviokuvana esillä olevan keksinnön toteuttavaa laitetta; kuvat 2, 4 ja 5 ovat graafisia käyriä, jotka esittävät optisten siirtojärjestelmien ottotehojen ja antotehojen välistä suhdetta; ja 11 74371

Kuva 3 esittää oskilloskoopin jälkeä, joka kuvaa syötetyn ja sironneen valon välistä aallonpituussuhdetta optisessa siirtojärjestelmässä.

Viitaten nyt kuvaan 1 koejärjestely SBS:n havaitsemiseksi käsittää laservalolähteen 1, testikuidun 4 ja tehon tai taajuuden valvontalaitteet 7, 8 ja 9. Muuttuva vaimennin 2 toimii laserista 1 kuituun 4 tulevan valon vaimentamiseksi ja polarisaatio-suodatin 5 ja neljännesaaltolevy 6 on sijoitettu laserin 1 ja optisen kuidun 4 väliin.

Laitteet 8 ja 9 ovat joko tehon tarkkailulaitteita, kuten kalibroituja Ge-valodiodeja tai Fabry-Perot -interferometrejä testi-kuidun 4 läpi kulkevan valon taajuusspektrin tarkkailemiseksi, suoritettavasta mittauksesta riippuen.

Viitaten nyt myös kuviin 2...5 ovat seuraavat laboratoriokokeet SBSrn ja sen vaimennuksen demonstroimiseksi.

Koe 1 Käytetään jatkuva-aaltoista yksitaajuista Nd^+:YAG (yttrium-alumiini-garnet) laseria, joka toimii 1,319 ym:n siirtymällä. Tämä laser tuottaa noin 100 mW:n suuruisen antotehon yksittäisessä pitkittäisessä muodossa ja diffraktiorajoitteisessa TEMoo~poikittaismuodossa. Laserin viivaleveys mitattiin käyttämällä 300 MHz:n vapaan spektrialueen omaavaa pyyhkäisevää samapolttopisteistä Fabry-Perot -interferometriä, ja sen havaittiin olevan pienmpi kuin 1,6 MHz, joka vastaa mittalaitteen erotuskykyä. Tämä on luokkaa kymmenen kertaa kapeampi kuin spontaani Brillouin-viivaleveys Δν_,.

O

Kuva 1 esittää koejärjestelyä, jota käytetään SBS:n havaitsemiseen pienihäväiöisessä piioksidikuidussa.

Laserin 1 anto vaimennetaan ympyrän muotoista muuttuvatiheyk-sistä suodatinta 2 käyttäen ja fokusoidaan testikuituun 4 mik- 12 74371 roskoopin objektiivia 3 käyttäen. Kuidun sekä lähi- että kauko-päästä emittoimaa optista tehoa voidaan tarkkailla kalibroituja Ge-valodiodeja käyttämällä. Pyyhkäisevää samapolttopisteistä 7,5 GHz:n vapaan spektrialueen omaavaa Fabry-Perot -interfero-metriä käytetään emittoidun valon taajuusspektrin tallentamiseksi. Kuidulla suoritettavien kokeiden päätteeksi kuitu voidaan leikata takaisin muutaman metrin päähän syöttävästä objektiivista ohjatussa muodossa etenevän tehon mittaamiseksi.

Lineaarinen polarisaattori 5 ja neljännesaaltolevy 6 olivat tarkoitetut optisen eristyksen aikaansaamiseksi laserin ja kuidun välille. SBS:n ollessa voimakas tämä järjestely osoittautui kuitenkin tehottomaksi laserin eristämisessä takaisin-sironneesta signaalista johtuen kuidussa tapahtuvasta polarisaation muokkauksesta. Kaikesta huolimatta laser 1 jatkoi toimimistaan stabiilissa yksittäisessä pitkittäismuodossa kaikissa tilanteissa johtuen luultavasti siitä, että takai-sinsironneen valon taajuus oli siirtynyt riittävästi sivuun Nd:YAG-laserin vahvistuskäyrän huipusta.

Kokeet suoritettiin 13,6 km:n pituisella Ge02-seostetulla yksimuotoisella piidoksidikuidulla, jonka ytimen halkaisija oli 9 μ, ytimen ja kuoren taitekerroinero 0,3 %, raja-aallonpituus 1,21 ym ja häviö aallonpituudella 1,32 ym suuruudeltaan 0,41 dB/km. Mitattua taitekerrroinprofiilia käyttäen ohjatun muodon jakaumaksi tietokoneratkaisu antaa tulokseksi -11 2 A = 4,7x10 m aallonpituudella 1,32 ym. Kuva 2 esittää kuidun kummastakin päästä saatavan antotehon syötetyn tehon funktiona. Pienellä ottoteholla mitattu antoteho takaisin tulevassa suunnassa johtuu vain kuidun halkaistusta päätypinnas-ta tulevasta Fresnel-heijastuksesta. Kuitenkin ottotehon ylittäessä 5 mW havaittiin takaisinpäin suuntautuvan antotehon kasvavan nopeasti epälineaarisella tavalla, ja muunnon hyötysuhde takaisinsironnassa saavutti 65 %. Pienillä ottotehoilla kuidun kaukopäästä emittoitunut teho oli lineaarisessa suhteessa ottotehoon, jonka suhteen määräsi lineaarinen häviö suuruudeltaan 5,6 dB. Ottotehon ylittäessä 6 mW antoteho tuli i 13 74371 kuitenkin epälineaariseksi. Ottotehon ollessa suurempi kuin 10 mW saavutti eteenpäin suuntautuva antoteho noin 2 mW:n suuruisen suurimman kyllästyneen arvonsa.

Kuva 3 esittää takaisinsironneen valon Fabry-Perot -spektriä. Pieni määrä laservaloa on tahallisesti kytketty interferomet-riin kalibrointimerkin aikaansaamiseksi. Merkinnällä "Stokes" merkitty spektrikomponentti esiintyi vain silloin, kun kuituun syötetty teho ylitti 5 mW:n suuruisen kynnysarvon. Jos, kuten kuvassa 3 on esitetty, oletetaan laser- ja takaisin-sirontasignaalien olevan toisistaan erillään kahden inter-ferometriluokan verran (vapaa spektrialue 7,5 GHz), niin silloin Stokes-siirtymä on 12,7 ± 0,2 GHz. Tämä on hyvin sopusoinnussa ennustetun arvon 13,1 GHz kanssa, joka on laskettu lausekkeesta 2Van/A, jossa symbolit ovat kuten edempänä on 3 -1 esitetty määritelty käyttäen arvoa 5,96x10 ms sulan pii-oksidin akustiselle nopeudelle.

Kuidun kaukopäästä emittoituneen valon taajuusspektri käsittää voimakkaan komponentin lasertaajuudella ja heikomman komponentin Stokes-taajuudella, jälkimmäisen johtuen todennäköisesti laserin antopeilistä tapahtuvasta heijastuksesta. Yllättäen mitään anti-Stokes tai korkeamman asteen Stokes-emissiota ei havaittu tässä kokeessa laserin optiikasta apthvuan takaisinkytkennän olemassaolosta huolimatta (vertaa P. Labudde et ai, Optics Comm., 1980, 32.» sivut 385-390).

Koe 2

Samalla laitteella kuin kokeessa 1 suoritettiin koe 31,6 km:n pituiselle kaapeloidulle yksimuotoiselle kuidulle, jonka lineaarinen kokonaishäviö oli 17,4 dB aallonpituudella 1,32 ym. Kokeelliset tulokset olivat samanlaisia kuin ne, jotka havaittiin 13,6 km:n kuidulla, SBS havaittiin 6 mW:ia suuremmilla syöttötehoilla. Pitemmästä fyysisestä pituudesta huolimatta 7,7 km:n tehollinen kytkentäpituus Lg (yhtälö 1.3 edempänä) 31,6 km:n kaapeloidulle kuidulle on melkein identtinen 14 74371 13,6 km:n kuidun kanssa. Muut kuituparametrit ovat samanlaisia ja siten voidaan yhtälöstä (1.1) odottaa, että SBS-kynnystehot ovat kyseisellä kahdella kuidulla hyvin samanlaisia.

Koe 3

Laite oli sama kuin kokeissa 1 ja 2, mutta laser toimi peräkkäin kummassakin kahdessa muodossa. Ensimmäisess yksitaajui-sessa muodossa laser tuotti noin 100 mW:n suuruisen antotehon yksittäisessä pitkittäismuodossa viivalevedeyllä, joksi mitattiin vähemmän kuin 1,6 MHz, joka on mittauksissa käytetyn Fabry-Perot -interferometrin erotuskyky. Toisessa kaksoistaa-juisessa muodossa laser-toiminta tapahtui kahdessa vierekkäisessä pitkittäismuodossa, jotka erosivat toisistaan 270 MHz:n verran. Tässä tapauksessa laser tuotti noin 250 mW:n suuruisen antotehon jakautuneena tasan kyseisten kahden viivan välille, ja kummankin viivan leveydeksi mitattiin vähemmän kuin 20 MHz, joka on mittauslaitteen erotuskyky. Kummassakin muodossa laser-anto esiintyi diffraktiorajoitteisessa TEMoo~poikittaismuodossa.

Käytetty kuitu oli 31,6 km:n pituinen kaapeloitu yksimuotoinen piioksidikuitu, jonka lineaarinen kokonaishäviö oli 17,4 dB aallonpituudella 1,32 ym. Teoreettisesti ennustettu kynnysarvo SBS:lle tässä kuidussa yksitaajuista laseria käyttäen on 6 mW. Kuva 4 esittää kuidun kummankin pään antotehon syöttötehon funktiona laseri toimiessa yksitaajuisessa muodossa. SBS:n epälineaarinen heijastus- ja siirto-ominaiskäyrä havaittiin 6 mW:ia suuremmilla ottotehoilla, mikä on hyvässä sopusoinnussa teorian kanssa. Kuva 5 esittää identtisen mittauksen, joka tehtiin laserin toimiessa kaksoistaajuusmuodossa. Mitään poikkeamaa optisesta lineaarisuudesta niin eteenpäiseen kuin ta-kaisinpäiseen suuntaan ei voitu havaita aina 90 mW:n syöttöte-hoihin saakka, joka oli suurin mahdollinen tässä kokeessa.

Näin on havaittu SBS-kynnystehossa ainakin 12 dB:n suuruinen kasvu. Yhtälö (3.2) ennustaa, että käytettäessä 270 MHz:n beat-taajuutta SBS esiintyisi tässä kuidussa 850 mW:ia suuremmilla ottotehon tasoilla, mikä edustaa 21 dB:n suuruista kyn-nystehon kasvua.

is 74371

Seuraava esitys keksinnön toiminnan teoreettisesta mallista on tarkoitettu auttamaan ja ohjaamaan suunniteltaessa ja suoritettaessa edellä selostetun kaltaisia yritys- ja erehdyskokeita.

On helposti ymmärrettävissä, että edempänä selostettu teoreettinen malli perustuu tietthyn, ensisijaiseen yksinkertaistavaan oletukseen ja sen ei siten tule käsittää asettavan tarkkoja rajoja keksinnön puitteille.

Lähtien pienimittakaavaisesta jatkuvan tilan teoriasta, kuten on esitetty esimerkiksi julkaisuissa R. G. Smith (viitattu aikaisemmin) ja W. Kaier ja M. Maier ("Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman Spectroscopy", Laser Handbook voi. 2, toim. F. I. Arrecchi ja E. 0. Schulz-Dubois, North Holland,

Amsterdam 1972, sivut 1077-1150), suurin jatkuva-aaltoinen laserteho P , joka voidaan syöttää optiseen kuituun ennen kuin SBS tulee havaittavaksi, määritetään yhtälöllä GLe^ 21 (1.1) missä G on SBS-vahvistuskerroin 2π n p12 K / PL \ m"1 (1.2) cX2 ρΛ Va V. V a /

O B

ja missä n on taittokerroin, p on aineen tiheys, V on akus-tinen nopeus ja p^ on kuituväliaineen pitkittäinen elasto-optinen tekijä. "A" on ohjatun muodon efektiivinen poikkileik-kausala siten, että huipun intensiteetti saadaan kaavalla PjVA. Oletuksena tässä on se, että laseriin viivaleveys on pieni verrattuna Av0:hen, joka on spontaanin Brillouin-siron-nan viivaleveys (Hz, FWHM) ympäristön lämpötilassa. Tekijä K on yksi kuidulle, joka ylläpitää optisen polarisaation, ja on muulloin 1/2 (vertaa R. H. Stolen, IEE J. Quart, Elec. 1979, QE-15, 1157-1160). Efektiivinen kytkentäpituus Le saadaan yhtälöstä 74371 16

Lg = α ^ (1 - exp (~aL J ) (1.3) missä a on absorptiokerroin (m 1) ja L on kuidun pituus. Tietoliikenteessä käytetyille pitkille kuidun pituuksille pätee tavallisesti L >>> a-1, ja siten LQ cx_1. Pienihäviöisillä kuidulla on pitemmät kytkentäpituudet ja siten niillä on pienemmät SBS-kynnysarvot.

Näissä yhtälöissä on aineparametreiksi sulalle piioksidille (vertaa R. J. Pressley (toim.), "Handbook of Lasers", Chemical Rubber Company, Cleveland, 1971 ja J. Schroeder et ai, J. Amer., Ceram. Soc., 1973, 5j5, sivut 510-514): n = 1,451; o_ = 2,21xl03 kg m 3; V = 5,96xl03 m s_1; O cl p^2 = 0,286.

Koska spontaani viivaleveys Δνβ ib 38,4 MHz aallonpituudella λ = 1,0 pm ja muuttuu kuten λ"^ (vertaa D. Heinman et ai,

Phys. Rev., 1979, B19, sivut 6583-6592) esitetään tässä, että Δνβ = 22 MHz aallonpituudella 1,32 pm. Edelleen erityisesti 13,6 km:n testikuidulle sopivina on asetettu seuraavat arvot: a = 9,5x10 3 m ^ (häviö 0,41 dB/km), Le = 7,6 km, A = 4,7xl0-11 m2 ja K = 1/2.

Siten SBS:n kynnysarvon voidaan ennustaa tässä kuidussa aallonpituudella 1,32 pm olevan P^ ~ 5,6 mW. Edellä oleva koe 1 liittyy tähän kuituun.

Transienttisirontaprosessin analysoimiseksi käytetään kytkettyjä yhtälöitä otpisten sähkökenttien E ja tiheysaallon p hitaasti muuttuville kompleksisille Fourier-amplitudeille ytimen akselilla.

74371 17 3ES * —- = -ίΚ,ρ E. + αΕ /2 (2.1) 3z 2 L s 3p* = -ΐΚχ E* Eg-rpjt (2.2) 3τ (Näitä yhtölöitä voidaan verrata yhtälöihin, jotka on esitetty julkaisussa R. L. Carman, F. Shimizu, C. S. Wang ja N. Bloem-bergen, "Theory of Stokes pulse shapes in transient stimulated Raman Scattering", Phys. Rev. A, 1970, 2, 60-72.) Laser-kenttä (indeksi L) syötetään kuituun kohdassa z = 0 ja se kulkee +z -suuntaan. Suuntaan -z kulkeva Stokes-kenttä (indeksi S) muodostuu spontaanista sironnasta? tämä voidaan esittää paikassa z = zQ injektoituneena Stokes-kenttänä, missä zQ d 3a-^ ja a on optinen absorptiokerroin (vertaa aikaisemmin viitattuun julkaisuun R. G. Smith). Liikkuva koordinaatti τ = t ± z/v, missä negatiivinen (positiivinen) merkki viittaa laser (Stokes)-kenttään ja v on optinen ryhmänopeus (joka on oletettu paljon suuremmaksi kuin akustinen ryhmänopeus. Γ ^ on akustisen fotonin elinaika (spontaanin Brillouin-sironnan viivaleveys (Hz, FWHM) on Γ/π). Kytkentäkertoimet ovat

o n2 G

*1 - K2 —-2-

X 2V

d πη3 p12 K2 - -- λρο missä n = βλ / 2tt, 8 = optinen etenemisvakio, p^ on pitkittäinen elasto-optinen tekijä, λ = optinen aallonpituus, pQ = keskimääräinen tiheys, V& = akustinen nopeus, eQ = vapaan tilan permittiivisyys (Sl-yksiköt).

Voidaan esittää (vertaa aikaisemmin viitattuun julkaisuun R. G. Smith), että ilmaistavissa oleva SBS esiintyy niillä 1 p 7 4 3 71 syötetyillä lasertehoilla, jotka ylittävät kriittisen arvon, jolle seuraava epäyhtälö pätee:

In | Es(0,t)/Es(zo,t) |2 >, 18 (2.3)

Niille syöttötehoille, jotka eivät ylitä kriittistä arvoa olisi laser-kentän tyhjennys SBS:n johdosta mitätön, ja oletettavasti myös muiden kilpailevien epälineaaristen prosessien johdosta.

Oletamme, että kuidussa oleva laser-kenttä määräytyy oleellisesti vain syötetystä kentästä ja lineraarisesta absorptiosta,

El(z,t) = El(0,t) exp (-az/2) (2.4)

Edellä olevat yhtälöt (2.1) ja (2.2) (vertaa jo aikaisemmin viitattuun julkaisuun Carman et ai, sekä julkaisuun K. Daree, "Transient effects in stimulated light scatterin'', Opt. Quant. Electr., 1975, 7./ sivut 263-279) voidaan ratkaista Riemannin menetelmällä lausekkeen saamiseksi Stokes-kentälle E (ζ,τ) ,

S

joka herää paikassa z = 0, Εβ(0,τ) = (Κχ K2 ze)1/2 exp (-az/2) EL (Ο,τ) x exp [--Πτ-τ'Γ] EL* (Ο,τ') Eg (ζ,τ') []w-wj ~1//2 x Ιλ jT(4Kl K2 ze (W-W')}1/^] dr' missä ze = [l - exp (-αζΓ] /a W(t) = fl" |El (Ο,τ")|2 dx" , (2.5) W merkitsee termiä W(x')/ ja 1^ on modifioitu Besselin funktio. Yhtälöä (2.5) voidaan käyttää sen selville saamiseksi, onko kynnystila (2.3) ylitetty mille tahansa mielivaltaiselle ottokentälle.

19 74 3 71

Kehitämme nyt yhtälön (2.5) tietyille tapauksille, jotka ovat relevantteja optisessa tietoliikenteessä, nimittäin niille, joissa laser-kenttä moduloidaan binäärisen datavirran siirtämiseksi, jota edustaa funktio m(t), joka voi saada arvoja 0 ja 1. Tehdään kaksi merkittävää yksinkertaistusta. Ensimmäiseksi oletetaan, että modulaatiofunktion m(t) aikakeskiarvo

At-1 -^t-At ** rö joka konvergoi riittävän suurella Atrllä, tekee niin kun At < Γ Koska Γ/π = 22 MHz sulassa piioksidissa huoneen lämpötilassa ja aallonpituudella 1,32 ym (katso aikaisemmin — 2 viitattua julkaisua R. G. Smith) ja koska Γ muuttuu kuten λ , uskomme että edellä oleva oletus on pätevä optiselle siirrolle, joka käyttää alhaisimman eriävyyden linjakoodeja sadan Mbit/s:n tai sitä suuremmilla bittitaajuuksilla. (Huomaa, että vieläpä tasapainotetulle koodille voi m erota arvosta 1/2 jos käytetään "return-to-zero"- tai muuta erityistä tekniikkaa.) Toinen oletus on, että a ^ >> νΓ Huomaamme, että näin on todennäköisesti asian laita pienihäviöisille piioksidikuiduille, koska esimerkiksi « 8,7 km aallonpituudella 1,3 ym (häviöllä 0,5 dB/km) ja νΓ ^ = 3,5 m. Nämä yksinkertaistukset mahdollistavat integraaliyhtälön (2.5) eksaktien analyyttisten ratkaisujen saavuttamisen m:n termeinä.

Eri modulointitekniikkojen tarkastelemiseksi vaihtoamplitudi-, vaihe- ja vaih otaajuusavainnuksen muodossa aloitamme erottamalla ottokentän amplitudi- ja vaihefluktuaatiot, EL(o,t) = El0 a (t) exp (j-0(t)J (2.6)

missä ET on vakio, ja a ja 0 ovat reaalisia ja jatkuvia funk-L

tioita. Yhtälö (2.5) ratkaistaan vahvistuskertoimen G löytämiseksi, missä

In | Eg (0,-r)/Eg (ζ,τ) |2 = Gz& - az (2.7) 20 7 4 3 71 SBS-kynnysarvo voidaan kehittää kussakin tapauksessa ja, koska zQ - 3a~l, kynnysarvokriteerioksi (2.3) saadaan

GcT1 £ 21 (2.8)

Siinä tapauksessa, että mitään modulointia ei ole, ehdotetaan että G = G 2V2'Elo'2 .

SS Γ ηε οΓ \ A / o missä PL on kuituun syötetty laser-teho ja A on kuitumuodon efektiivinen ala. Tämä on yhtäpitävä yhtälöiden (2.1) ja (2.2) kanssa kun Op* / 3τ) -* 0.

Siinä tapauksessa kun on olemassa amplitudimodulaatio a(t) = 1 - [jL-m(t)J Jl-(l-ka) 1/2] (2.10) missä k intensiteettimodulaation syvyys (0<k £100 %) , ehdote-

cl cL

taan, että G = [j5 + (1-rä) (l-ka)1/2^]2 Ggs (2.11) missä G „ saadaan yhtälöstä (2.9) ja tässä tapauksessa P_ edustaa kuituun syötettyä huipputehoa. (Keskimääräinen teho on Jjm+(l-m) (l-ka)"J PL·) Yhtälön (2.11) mukaisesti G on minimoitu kun k = 100 %. Tässä tapauksessa G = G m 2 ja m on laserin toimintakerroin (tyypillisesti 0,5).

Siinä tapauksessa kun on olemassa vaihemodulaatio a(t) =1 (2.12) 0(t) = kp J^m(t) -m Ί missä k on avainnettu vaihesiirtymä, ehdotetaan, että 74371 21 G = j^l-2m(l-m) (l-cos kp)jGss (2.13) ja että vaihesiirtymän tietyillä arvoilla G lähestyy nollaa. Jos esimerkiksi m = 1/2, niin G on nolla kun k = (2n+l)ir; n = 0, 1, 2, ... . Ehdotetaan, että tällä m:n arvolla ja näillä k :n arvoilla voidaan SBS vaimentaa niin, että voidaan sai- Γ lia suurempien tehojen syöttäminen kuituun.

Nyt tarkastellaan tapausta, jossa käytetään taajuusmodulaatio-ta a(t) =1 0(t) = kf [_m(t)-mjdt (2.14) missä k^/2-π on avainnettu taajuussiirtymä (Hz), joka käytännön syistä tulisi olla ainakin yhtä suuri kuin bittitaajuus. Tässä on tarkoituksellisesti valittu Fourier-taajuus, jolle 0(t):n aikakeskiarvo on nolla, koska vastaava Stokes-taajuus on sellainen, jossa saavutetaan suurin SBS-vahvistus. Yhtälössä (2.14), päinvastoin kuin vaihtoamplitudi- ja vaiheavainnuksen yhtälöissä, moduloidut parametrit riippuvat datavirran menneistä arvoista ja koodausstatistiikasta. Jos ρ(ψ)ΰψ edustaa todennäköisyyttä sille, että minä tiettynä aikana tahansa vaihekulma 0 (t) sijaitsee alueella ψ, ψ + di|> (-ττ<ψ$π) , kehitetty käyttäen yhtälöä (2.14), ehdotetaan (ottaen yhtälö (2.5) huomioon) , että G = pp*Gss (2.15) missä π P = /p (ψ) exp (1ψ) άψ (2.16) -π

Jos esimerkiksi m(t) on jakson 2/B omaava yksikkösakara-aalto, joka edustaa datajonoa 010101 ..., missä B on bittitaajuus ja m on 1/2, ehdotetaan että P = sinc(k^/2B). Esitämme, että yleisesti, kuten tässä esimerkissä, G + Ggg kun k^ -> 0, ja 22 74371 että G + O, kun kf/2B >> 1. SBS:n vaimennus esitetään käyttämällä riittävän suurta taajuussiirtymää k^, ja esitetään että SBS-vahvistus on yleensä pienempi käytettäessä suuren eriä-vyyden omaavaa koodia verrattuna tasapainoitettuun koodiin, jolla vaihepoikkeamat (14) ovat kapeampien rajojen puitteissa.

Kvalitatiivisemmin esitettynä ehdotetaan, että merkittävän SBS:n esiintymiseksi optisen kentän täytyy kyetä muodostamaan (elektrostriktion avulla) voimakas koherenttinen akustinen aalto, jonka laskuaika on Γ ^. Amplitudiavainnuksen tapauksessa uskomme, että optiset pulssit ovat additiivia kehittäessään koherentin akustisen aallon. Vaiheavainnuksessa kuitenkin, edellyttäen että sopiva vaihesiirtymä on valittu, esitetään että optisen kentän tuottama akustinen netto viritys voidaan saada nollaksi huolehtimalla siitä, että kentän tuottama akustinen viritys aikajaksoina, jotka edustavat binääristä numeroa nolla, vastapainoitetaan vaihesiirretyllä kentällä jaksoina, jotka edustavat numeroa yksi (tapauksessa, jossa m = 1/2, optisten kenttien ollessa jaksoina, jotka edustavat nollia ja ykkösiä, tarkasti vastakkaisvaiheisia). Samalla tavoin vaihto-taajuusavainnuksessa, edellyttäen että taajuussirtymä on riittävän suuri, ehdotetaan, että optisen kentän jatkuvat vaihemuu-tokset johtavat vain pieneen akustiseen nettoviritykseen ja että SBS on vaimennettu.

Esitämme siten, huolimatta hyvin matalista kynnysarvoista SBS:lie, jotka äskettäin on havaittu pienihäviöisissä piiok-sidikuiduissa jatkuva-aaltoisia lasereita käytettäessä, että koherentit optiset siirtojärjestelmät suunnitellaan käyttämään modulointitekniikkaa, joka eliminoi minkä tahansa SBSrstä johtuvan käytännön rajoituksen tehotasoille ja välivahvistimien etäisyydelle. Kun vaihtoamplitudiavainnuksen järjestelmille SBS-kynnysarvo eroaa vain pienellä numeerisella tekijällä jatkuvan aallon tapauksesta, sopivien toimintaparametrien valinta vaihe- ja vaihtotaajuusavainnuksen järjestelmissä pystyy vaimentamaan SBS:n siinä määrin, ettei se enää aiheuta merkittävää rajoitusta.

23 7 4 3 71

Tarkastellaan nyt tapausta, jossa kuituun syötetään laser-kenttä, joka koostuu kahdesta optisesta taajuudesta, joiden ero on Δν^ ja joilla on yhtä suuret amplitudit 1/2 Eq. Kunkin viivan spektrileveyden oletetaan olevan pienen verrattuna AvB:hen, joka ori spontaanin Brillouin-sironnan viivaleveys (FWHM) ympäristön lämpötilassa. Siten syötetyn kokonaislaser-kentän Fourier-amplitudi ajan t funktiona on ET(t) = E cos (πΔν t + Θ) (3.1) L» o ro missä Θ on vakio. Jos tämä sijoitetaan aikaisempiin kytkettyihin aaltoyhtälöihin sähkökentälle ja tiheysaallolle kuidussa, saadaan tuloksena lauseke SBS-vahvistuskertoimelle G ΔνΒ2 G = _ (3.2) 2 + Δ^2] missä G on SBS:n vahvistuskerroin, joka saataisiin kenttä-S s amplitudin Eq omaavalla yksitaajuisella laserilla. Tässä laskussa on tehty oletus >> aV, missä V on optinen ryhmä-nopeus ja a on tehon absorptiokerroin. Huomaa myös, että a 1 on efektiivinen kytkentäpituus SBSrlle. Ehdotetaan, että kun beat-taajuus Δν^ on paljon suurempi kuin Δνβ. niin vahvistus G on pienempi. Koska SBS-kynnysarvo on kääntäen verrannollinen G:hen (vertaa edellä olevaan ja myös aikaisemmin viitattuun julkaisuun R. G. Smith), kasvaa kynnysarvo vastaavasti. Esitetään, että tämä johtuu siitä, että kuidussa olevan laser-kentän Fourier-amplitudi käy läpi π:n vaihesiirtymiä taajuudella, joka on yhtä suuri kuin beat-taajuus. Merkittävän SBS:n esiintymiseksi täytyy laser-kentän kyetä muodostamaan (elektrostriktion avulla) voimakas koherentti akustinen aalto vaihesiirron Δν_ ^ puitteissa. Mutta jos optisen vaiheen suun-

D

nanvaihtoja esiintyy useammin kuin spontaania akustista vaihe-siirtoa niin, silloin akustinen aalto on kykenemätön muodostamaan suurta ammplitudia ja siten SBS-vahvistus on pienempi.

24 74371 (Erottava kerroin 2 G :n ja G:n välillä rajoituksessa

O O

Δν^ << Δνη yhtälössä (2) johtuu oletuksesta Δν >> aV).

ITI a ITI

Spontaani Brillouin-viivaleveys piioksidikuidussa on 38,4 MHz _2 aallonpituudella λ = 1,0 ym ja muuttuu kuten λ (katso D. Heineman et ai, "Brillouin scattering measurements on optical glasses", Phys . Rev., 1979, B19, sivut 6583-6592); siksi arvot aallonpituudella λ = 1,3 ja 1,55 ym ovat vastaavasti 23 ja 16 MHz. Esitämme siksi, että tarvitaan ainakin useiden kymmeninen megahertzien suuruiset beat-taajuudet Avm käytännössä kiinnostavan SBS:n vaimennuksen saauvttami- seksi. Kuiduille, joiden häviöt ovat 1 dB/km tai vähemmän, -4 -1 a on vähemmän kuin 2 x 10 m ja siten aikaisempi oletus Δν >> aV on täysin oikeutettu, m SBS:n vaimennuksen odotetaan tulevan kuitenkin vähemmän tehokkaaksi hyvin suurilla Δν :n arvoilla. Tässä suhteessa huomani taan, että kyseistä kahta laser-taajuutta vastaavien fotoni-taajuuksien välisen eron tulisi olla paljon pienempi kuin Δνβ täydellisen aaltokytkennän varmistamiseksi, ja niin 2V Δ\> a (n- λ dn/dX) << Δνβ (3.3)

C

missä V on akustinen nopeus ja X on optinen aallonpituus,

CL

Asettamalla tyypilliset arvot piioksidikuidulle (n = 1,5, V = 6 x 103 m.s 1, Δν_ = 16 MHz, Xdn/dX = 0,02) vaaditaan, cl o että Δν^ << 270 GHz, mikä on tyydytetty Avulle, joka ei ylitä muutamia kymmeniä gigahertzejä.

Periaatteessa on olemassa toinen tekijä, joka voi johtaa vähemmän tehokkaaseen SBSrn vaimennukseen hyvin suurilla Δν :n m arvoilla. Niin kauan kuin ryhmäviiveiden välinen ero kyseisellä kahdella taajuudella on pieni verrattuna pienimpään pulssin kestoon, odotetaan pulssin limityksen kyseisellä kahdella taajuudella (ja siten beat-muodon) esiintyvän koko kuidun pi- 25 7 4 3 71 tuudelta: mutta hyvin suurilla Δν :n arvoilla tämä ei enää m periaatteessa välttämättä pätisi dispersiosta johtuen. Tällä ei kuitenkaan näytä olevan suurta käytännön merkitystä, kuten on esitetty 300 km:n pituisen piioksidikuidun tapauksessa, joka toimii aallonpituudella 1,55 ym ja jolle ryhmänopeusdispersio on 20 ps/nm/km. Jos beat-taajuus Avm on 1 GHz, niin silloin laskettu ero ryhmäviiveessä näillä kahdella taajuudella on vain 50 ps.

Vieläpä esimerkissä 4 esitetyn tyyppiselle pitkälle kuidulle SBS-kynnysarvo kun Avm = 1 GHz olisi tyypillisesti yli 15 W.

Edellä olevaan analyysiin sisältyy epäsuorasti oletus siitä, että moduloimattoman laserin viivaleveys on pieni verrattuna T:aan; tämä kattaa alueen, joka on koherentin optisen siirron kannalta kiinnostava. SBSjlle, joka aiheutuu epähomogeenisesti levinneistä lähteistä, tarvittaisiin nähdäksemme stimuloidun valosironnan tilastollinen käsittely.

Seuraavat laskennalliset esimerkit selvittävät esillä olevan keksinnön teoreettista mallia.

Esimerkki 1

Piioksidikuidulla on seuraavat ominaisuudet (kaikki numeroarvot ovat likimääräisiä arvioita):

Optinen absorptiokerroin a aallonpituudella 1,3 ym on (1,1 x 4 -1 -1 1 10 ) m , missä a on määritelty lausekkeena — ln(Pn/P ), Z v z missä Pn ja P ovat valotehoja etäisyyksillä 0 ja z kuitua u z pitkin siirron suunnassa epälineaaristen ilmiöiden ollessa poissa.

Tiheys, p = 2,21xl03 kg m 3 ° 3 _ i Äänen nopeus ytimessä, V, = 6,0x10 m s cl

Ytimen taitekerroin, = 1,47

Muodon ohjausala 1,3 ym:n säteilylle, A = 1,4x10 ^ m3, 26 74371 missä A = P/I , ollessa suurin valointensiteetti yti-

IUqX lUaX

men keskustassa valoteholle P epälineaaristen ilmiöiden ollessa poissa.

Pitkittäinen elasto-optinen tekijä p12 = 02,7, missä p12 on kuten on määritelty julkaisussa J. Saprial, "Acousto-Optics", kappale V, Wiley (1979).

Stimuloidun Brillouin-sironnan viivaleveys aallonpituudella 1,3 ym, Γ = 7,1 x 107 rad s”1, missä Γ on vakio yhtälössä (2.2). (Γ määrää nopeuden, jolla tiheysaalto kuoleutuu ulkopuolisen stimulaation poissa ollessa (El = 0 yhtälössä (2)) lausekkeen Op / 9τ) = -Γρ* mukaisesti) . Tätä on käsitelty yksityiskohtaisesti esimerkiksi julkaisussa W. Kaiser ja M. Maier, "Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman Spectroscopy", Laser Handbook Volume 2, toim.

F. I. Arrecchi ja E. O. Schulz-Dubois, North-Holland, Amesterdam, 1972, sivut 1077-1150).

Vaiheavainnetut valosignaalit (aallonpituus 1,3 ym) syötetään 30 km:n mittaiseen kuituun. Moduloimattoman valolähteen viiva-leveys on pienempi kuin 1 MHz, ja kuituun syötetty teho on 100 mW. Modulaatiofunktion m(t) edustaman binäärisen datavirran, joka voi saada arvoja 0 ja 1, siirto suoritetaan sellaisella tavalla, että modulaatiofunktion keskiarvo m on lähellä l/2:lta vieläpä aikajaksoina, jotka ovat lyhyempiä kuin Γ Siirron bittitaajuus on 1 GBit s ^ ja käytetään 180°teen avain-nettua vaihetta. Havaitaan vain merkityksetöntä stimuloitua Brillouin-sirontaa.

Esimerkki 2 Tässä esimerkissä valolähteen teho ja viivaleveys ja myös kuidun ominaisuudet ja pituus ovat samoja kuin esimerkissä 1, mutta binäärinen datavirta siirretään vaihtotaajuusavainnuk- 27 7 4 3 71 sella sellaisella tavalla, että m on jälleen lähellä arvoa 1/2 vieläpä aikajaksoina, jotka ovat lyhyempiä kuin Γ Siirron bittitaajuus on 140 MBit s ^ ja käytetään 8 GHz:n suuruista avainnettua taajuussiirtymää k^. Havaitaan merkityksetöntä stimuloitua Brillouin-sirontaa.

Esimerkki 3

Esimerkki 2 toistetaan bittitaajuudella 1 GBit s-^ ja käytetään 35 GHz:n suuruista avainnettua vaihesiirtymää. Jälleen havaitaan merkityksetöntä stimuloitua Brillouin-sirontaa.

Esimerkki 4 Tässä esimerkissä käytetyn piioksidikuidun kaapelointi- ja liitoshäviö on suuruudeltaan 0,3 dB/km aallonpituudella 1,3 ym epälineaaristen ilmiöiden ollessa poissa, ja muut kuidun ominaisuudet paitsi a ovat samanlaisia kuin esimerkissä 1. Optinen kantoaalto syötetään kuituun moduloituna vaihtoampli-tudiavainnusperiaatteella taajuudella 140 MBit s-1. Kun aalto on "päällä" teho on 1 W jakautuneena kahden taajuuden välille, jotka eroavat toisistaan 1 GHz verran ja joiden viivaleveys on vähemmän kuin 1 MHz. m on 1/2. Molemmat taajuudet vastaavat aallonpituutta, joka on lähellä 1,3 ym:iä. Mitään stimuloitua Brillouin-sirontaa ei havaita.

Voidaan arvioida, että vastaanottimen herkkyyden ollessa -9 -60 dBm (sopiva virhetaajuudella 10 - katso julkaisua Y. Yamamoto, "Receiver Performance evaluation of various digital optical modulation-demodulation systems in the 0,5 - 10 ym wavelength region", IEEE J. Quant. Elec., 1980, QE-16, sivut 1251-1259) tämä sallisi datasiirron noin 300 km:n mittaisilla etäisyyksillä ilman välivahvistimia.

Claims (25)

28 74371

1. Menetelmä valon siirtämiseksi pitkin optista kuitua, tunnettu siitä, että se käsittää yhdestä tai useammasta kapean viivaleveyden omaavasta lähteestä (1) saatavan suuritehoisen optisen aallon syöttämisen kuituun (4), mainitulla optisella aallolla ollessa vaihekulma, joka muuttuu ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä digitaalisen informaation siirtämiseksi suurella bittitaajuudella, tunnettu siitä, että optinen aalto on kantoaalto, joka on moduloitu siirrettävää informaatiota vastaten, moduloidun kantoaallon vaihekulman muuttuessa ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä digitaalisen informaation siirtämiseksi suurilla bittitaajuuksilla, tunnettu siitä, että optinen kantoaalto binäärivaihe-avainnetaan siirrettävää informaatiota vastaavasti, avainne-tun vaihesiirtymän ollessa (2n + 1)tt tai riittävän lähellä tätä (n:n ollessa nolla tai kokonaisluku) niin, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä digitaalisen informaation siirtämiseksi suurilla bittitaajuuksilla, tunnettu siitä, että optinen kantoaalto vaihtotaajuu-savainnetaan mainittua informaatiota vastaavasti, avainnetun taajuussiirtymän suuruuden ollessa riittävän suuri niin, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihtotaajuusavainnus on binääristä vaihtotaajuu-savainnusta. 29 74371

6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 3-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että bittitaajuus on ainakin

100 M3it s-1.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähde (lähteet) (1) tuottaa eritaajuisia aaltoja, joiden avulla vaihekulman muuttuminen saavutetaan.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eritaajuiset aallot saadaan samanaikaisesti yhdestä lähteestä tai kustakin useasta lähteestä (1).

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kukin mainittu lähde (1) on laser ja aallot ovat laserin eri pitkittäismuotoja.

10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 7-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siirrettävän informaation mukainen modulointi on amplitudimodulaatio.

11. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 2-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siirrettävää informaatiota vastaava modulointi suoritetaan ohjaamalla mainittua lähdettä (mainittuja lähteitä) (1).

12. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä informaation siirtämiseksi, tunnettu siitä, että lähde (lähteet) (1) tuottaa eri taajuisia aaltoja, että vähintään yksi mainituista aalloista on optinen kantoaalto, joka on vaihe- tai vaihtotaajuusmoduloitu siirrettävää informaatiota vastaavaksi, ja että vähintään yksi mainituista aalloista on vertailuaalto, mainitun vertailuaallon vaihekulman muuttuessa ajan suhteen sellaisella tavalla, että aallon stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- 74371 t u siitä, että sillä on patenttivaatimuksen 7, 8 tai 9 tunnusomaiset piirteet.

14. Menetelmä informaation lähettämiseksi ja vastaanottamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää informaation lähettämisen minkä tahansa patenttivaatimuksien 1-12 mukaisella menetelmällä, ja lisäksi kuidusta tulevan signaalin vastaanoton, koherentin ilmaisun ja demoduloinnin.

15. Siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää yhden tai useamman kapean viivaleveyden omaavan valolähteen (1) ja optisen kuidun (4), mainitun lähteen tai mainittujen lähteiden (1) ollessa sovitettu syöttämäään kuituun (4) suuritehoinen optinen aalto, jonka vaihekulma muuttuu ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi modulointi-laitteen mainitun lähteen tai lähteiden (1) ja laitteen ollessa sovitettu syöttämään kuituun (4) suuritehoinen informaatiomoduloitu optinen kantoaalto, jonka vaihekulma muuttuu ajan suhteen sellaisella tavalla, että stimuloitu Brillouin-sironta vaimenee oleellisesti.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen siirtojärjestelmä suuren bittitaajuuden omaavan informaation siirtämiseksi, tunnettu siitä, että modulointilaite käsittää vaihea-vainnuslaitteen, mainitun lähteen tai lähteiden (1) ja vaihe-avainnuslaitteen ollessa sovitettu syöttämään kuituun (4) suuritehoinen optinen kantoaalto, joka on binäärisesti vaihe-avainnettu suurella bittitaajuudella ja avainnetun vaihesiir-tymän ollessa (2n + 1) tai niitä riittävän lähellä oleva arvo (n on nolla tai kokonaisluku) stimuloidun Brillouin-sironnan oleelliseksi vaimentimeksi. 74371

18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen siirtojärjestelmä suuren bittitaajuuden omaavan informaation siirtämiseksi, tunnettu siitä, että modulaatiolaite käsittää vaihto-taajuusavainnuslaitteen, mainitun lähteen tai lähteiden (1) ja laitteen ollessa sovitettu syöttämään kuituuun (4) suuritehoinen optinen kantoaalto, joka on vaihtotaajuusavainnettu suurella bittitaajuudella ja avainnetun taajuussiirtymän ollessa riittävän suuri, stimuloidun Brillouin-sironnan oleelliseksi vaimentamiseksi.

19. Patenttivaatimuksen 16 mukainen siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että lähde (lähteet) (1) on sovitettu tuottamaan eritaajuisia aaltoja, joiden avulla vaihekulman muuttuminen saavutetaan.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että yksittäinen lähde (1) tai kukin useasta lähteestä (1) on sovitettu tuottamaan eritaajuisia aaltoja.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että kukin mainittu lähde (1) on laser, joka on sovitettu toimimaan samanaikaisesti eri pitkit-täismuodoissa.

22. Patenttivaatimuksen 19 - 21 mukainen siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että modulointilaite on amplitudimo-dulointilaite.

23. Jonkin patenttivaatimuksen 16 - 22 mukainen siirtojärjestelmä, tunnettu siitä, että modulointilaite ohjaa mainittua lähdettä (mainittuja lähteitä) (1).

24. Tietoliikennejärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää minkä tahansa patenttivaatimuksen 15 - 23 mukaisen siirtojärjestelmän ja lisäksi vastaanottolaitteen, joka 32 74371 on sovitettu koherentisti ilmaisemaan kuidusta (4) tulevia signaaleja paikassa, joka on etäällä mainitusta valolähteestä/valolähteistä (1).

25. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 16 - 24 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kuitu (4) on piioksi-dikuitu, jonka häviö ei ylitä 0,5 dB/km toiminta-aallonpituudella ja jonka pituus on ainakin 10 km. 74371