TW320688B - - Google Patents

Description

經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 320688 A7 -----B7__ 五、發明説明（丨） 發明背景： 本發明係關於平色散單模光學波導織維，其設計作為 孤立波傳輸之用。更進一步，本發明係關於平色散單模光 學波導纖維，其設計作為傳播波長區分多工孤立波。 熟知該技術者了解由於二氧化矽主成份波導之折射率 為非線性，在該波導中孤立波傳播為可能的。一個傳播於 波導纖維中具有預先決定強度及形狀之脈沖將經歷自相調 變(SPM)，其使脈沖擴展,較長波長對著較短波長偏移。假 如波導織維具有適當大小及正值之總色散D(單位為ps/nm-km)(較短波長以較高速度運行而高於較長之波長)，該總色 散作為取消SPM脈沖擴展。孤立波影響另一說明為脈沖非 線性之自相調變，其群體速度變化決定於脈沖強度及形狀， 將有效地去除群體速度改變之頻率相依性。 光學波導孤立波傳送已由數位業界加以說明例如 Mollenhai^Ai"Demonstrationoferror-freesoli-tion transmission over more than 15000 km at 5 Gbits/s, single channel, and over more than 11000 Gbits/s in two channel WDM," Electron Letter 28(8), 792-794(1992)。兩個頻道相隔0. 4nm。波導大的色散斜率 將迫使該小的頻道間隔以及限制波長區分多工性於兩個頻 道。 平色散單模光學波導波長區分ά及頻道間隔數目能夠 增加五倍,提供較大容量，較小頻道交又干擾，以及多工訊 號誤差較寬之範圍。 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) Α4规格（2丨0 X 297公釐） 8 3. 3.10,000 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 # 320688 A7 B7 五、發明説明（2_ ) 經濟部中央梂準局貝工消费合作社印裝 因此，孤立波傳送與平色散單模光學波導纖雉結合將 產生強大功能之工具以提高波導織維容量以及增加轉發器 (regenerator)之距離0 更進一步，具有平坦斜率之波導織維大大地簡化維持 在數個頻道内孤立波傳送所需要強度之處理過程。孤立波 ’形成所需要之訊號強度或功率直接地與群體速度色散成正 比。平色散波導提供均一的群體速度色散於延伸波長範圍 内。因此，孤立波形成之最小功率被減小以及每一頻道功 率實質上為相等的。除此，孤立波脈沖中央頻率之容許誤 差變寬。 在含有光學放大器系統中由於平色散波導與孤立波結 合將產生其他優點。非常長距離不含轉發器，例如說明於 Mol lenhaur等人先前所引述Electron Letters之文獻中需 要光學放大器。目前技術有益於較短距離摻雜餌織維放大 器(EDFA)之技術。不過，業界持續地研究含有餌光學放大 器之較寬波長範圍與較為平坦放大器增益曲線以及具有不 同其他組成份之光學放大器》 在一般波導纖維中，負載不相同中央波長之孤立波，以 及因而速度不相同，孤立波能夠彼此通過。在一個無損耗 波導中，例如加入一個色散光學放大器之波導中，彼此通過 之孤立波實質上並未改變。孤立波脈沖之中央頻率，形狀 及強度並無變化。不過平色散波導纖維仍然提供一項優點 。如先前所說明，孤立波功率直接決定於色散。雖然放大 器增益曲線為波長之函數但是並非平坦的。在非平色散波 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -* 嫁 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉Γ 83, 3,10,000 五、發明説明（？） A7 B7 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 導纖維設計中，不相同的中央波長之孤立波具有不相同的 低限功率，因為色散隨著波長變化以及低限功率決定於色 散。孤立波功率之差異能夠藉由放大器增益對波長之相關 性而加以放大。因此,在相同功率大小下啟始不相同中央 波長之孤立波能夠達成於平色散波導織維中，其將有傾向 使孤立波由於放大器增益隨著波長變化所產生之差異減為 最低。 平色散波導織維優點在較短波長時為較顯著，例如使 用非色散光學放大器時。Moilenauer等人之"Wavelength Division Multiplexing with Sol itions in Ultra-Long Distance Transmission Using Lumped Amplifiers", Joural of Lightwave Tech.，V9，#3，March 1991 文獻 中已說明孤立波在使用較短波長光學放大器系統中當通過 另外一個(碰撞）時並不會相互作用，其假設孤立波碰撞之 波導長度長於光學放大器之間距。 使用平色散波導於孤立波脈沖系統中所產生之優點為 清楚的。因為該波導織維之色散斜率為小的，在不相同中 央波長孤立波間速度之差異小於標準偏移色散波導織維之 情況。其導致孤立波發生碰撞之波導長度將增加，及碰撞 發生於數個放大器間距長度内，因而集總（lumped)放大器 對孤立波中央波長或沿著波導相對位置之影饗減為最低。 總之，使用孤立波脈沖以及平色散波導纖維將產生： -增加波長區分多工之波長範圍； -在使用由於放大器增益隨著波長而變化之色散放大 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 乙 83.3.10,000 五 、發明説明（+ A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 器系統中孤立波脈沖功率變化減為最低； -在使用集總光學放大器系統中孤立波碰撞之暫時性 或中央波長偏移減為最低； -對孤立波中央波長之容許誤差為較大； -更多工化訊號，具有單一頻道間隔足以減小頻道串擾 以及減緩波長區分多工之限制； -減小所需要之功率大小以及對波長區分多工孤立波 脈沖功率大小之控制；以及 -藉由減小強度大小依附於波導雙折射性以減小色散 之影饗，其由於不相同偏極模式所致。 本發明孤立波脈沖以及平色散波導織維之結合能夠預 期在許多計劃高性能長距離波導纖維通訊系統之裝置中將 拌演相當重要之角色。此特別對加入集總光學放大器之高 性能系統中特別有用。 定義： -折射率分佈為由每一處沿著波導中心線至心蕊區域四週 上一點之折射率所組成。折射率分佈能夠具有一組多個顯 著之小區域，小區域分佈係沿著一段心蕊區域半徑界定出。 折射率分佈特性能夠作為區分出分佈小區域與相鄰分 佈小區域之不同，其包含折射率大小之變化，最大或最小折 射率，折射率分佈斜率變化或折射率分佈形狀變化。 -對於在本說明中所提及之發石為主之波導，波長大於13〇〇 nm正值總色散將使短波長運行速度比長波長為快。低於 1300nm通常使用異於先前所採用之符號。在本說明中只 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -尊 本紙張纽制巾η 83. 3.10,000 320688 A7 B7 五、發明説明（^ ) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 考慮大於等於1300nm之波長。 -自相調變，由於梦石為主之玻璃非線性折射率，在脈沖中 較長波長朝著較短波長偏移。波導正值總色散作為補償非 線性自相調變之影響，因而形成孤立波脈沖，即脈沖在通過 波導時，脈沖形狀並不會改變。 發明大要： 本發明一項為平色散單模光學波導，其心蕊玻璃區域 由至少兩個小區域所構成。外圍包層玻璃具有折射率為nc 。對於導引光線之波導結構，至少一部份心蕊之折射率分 佈必需大於折射率m。波導織維特性在於預先選取出正值 總色散以及預先選定總色散斜率界定於特定波長範固内。 選取總色散及總色散斜率以實質上並未改變地傳送中央波 長在特定波長範面内之孤立波脈沖。 在長距離高速度通訊中相當重要之波長範圍為1520nm 至1575nm之操作波長範圍。不過在較大波長範圍例如1300 ran至1600咖具有實質上平坦色散曲竦之波導纖維為可能的 。因此本發明孤立波傳導於平色散波導纖雉中實質上包含 所有高於1300nm作為通訊使用之操作波長範圍。低於1300 nm平色散波導波導纖維設之計亦加以考慮》 高於1300nm,需要用來去除孤立波自相調變小的正值 總色散在0.〗至0.5ps/nm-km範面内（參閱總色散符號定義 部份）。光學波導設計來產生總色散斜率小於〇. lOps/nm2-km使得所有不同中央波長之孤立波脈沖受到實質上相同大 小之總色散。在該情況中，中央波長在一個範圍以及相同 ----------I、1,---訂 -----尊. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) )A4規格（ 210X297公釐） 83.3.10,000 A7 B7

3. 1〇,〇〇〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 尊 « ί n . * n n 五、發明説明（ A7 67 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 之示意圏。 圖3為顯示代表性總色散與波長之關係曲線圖。 圖4為光學放大器增益與波長之曲線圖。 圖5為曲線圔顯示出Tw/D與放大器距離關係曲線困 ，其將提供模式系統最大資料傳輸能力。 附圖數字符號說明： 2,4,6折射率分伟寬度；8,10,12折射率；14光學 波導傳送線；16光學放大器；18,20孤立波脈沖；30直 線；32, 34,40,42 曲線。 詳細說明： 本發明平色散光學波導讖維及孤立波脈沖之結合大大 地使建造轉發器距離非常遠之高傳輸速率通訊系統變為容 易。本發明主要在於了解使用孤立波脈沖以及光學放大器 之高頻道計數波長區分多工系統。 光學放大器與穩定孤立波脈沖連成於光學波導之發明 提供一個特別的機會以使通訊技術進步。光學放大器與孤 立波結合使得實質上無衰減及無色散之通訊系統變為可能 的。由於非完美光學放大器，非完美光源以及波導之噪訊 限制可達成系統之長度。不過，單一頻道以及波長區分多 工系統之轉發器間距離能夠為4¾大以及波導傳輸能量大大 地增加0 具有平坦總色散與波長關係曲線圖之單模光學波導將 -使孤立波之形成變為容易， -使孤立波之維持變為容易， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -se 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 83. 3. 10,000 320688 A7 -_____B7五、發明説明（g> ) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 -使孤立波脈沖之波長區分多工性變為容易， -減小色散放大器系統中放大器增益與波長變化之影 響，以及 -減小發生於加入集總光學放大器系統令孤立波碰撞 負面之影響。 顯示於圖1中單模光學波導折射率分佈顯示具有至少 兩個小區域之折射率分佈。該分佈已詳細說明於Bhagava-tula之美國第4715679號專利以及業界所熟知其他專利及 文獻中。該型式折射率分佈之優點在於其提供充份可變性 以實質上達成任何所需要總色散與波長關係之特性。 美國第4715679號專利顯示出一些折射率數值為8,10, 以及12之折射率分佈寬度為2,4,及6之選擇，其形成平色散 單模光學織維。數個其他平色散纖維之設計說明於相關文 獻中。例如Steib等人之"Dispersion Flattened Single Mode Fibers for the Subsriber Loop", IWCS Procee-dings 1989,說明在1300nm至1550nm波長範圍内實質上具 有平坦色散之波導。 本發明優先使用之操作波長範面為1520nm至1575nm， 雖然操作於較為寬闊波長範圍内例如為1300nm至1600nm之 系統能夠加以考慮。對於該任何一個波長範圍，以及其他 在這些範圍外之範面，熟知此技術者能夠選取出標示圖1中 數字之各別設計特性以在預先決定波長範圍内產生具有預 先決定總色散數值以及非常低色散與波長斜率。 特別是，平色散單模波導之優先使用實施例使用圖1基 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線-

本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS > A4規格（2丨0X297公釐） 83. 3. 10,000 II

經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本設計而可立即達成，在其中總色散在ο. 1至5. Ops/ηπΗαη 範圍内以及總色散斜率不大於〇. 1 〇ps/nm2-km以及通常小 於0.05ps/nm2-km。 一條典型總色散曲線顯示於圈3中。假如設計選擇總 色散在1520nn為lps/nnHon，在1575nm總色散小於4ps/nm-km如直線30所示，其總色散斜率約為〇. 〇5ps/nm2-km。 平色散波導之長的碰撞距離顯示於圖2中。直線14表 示光學波導傳送線，其具有一組多個光學放大器16。在傳 送線14下為解說性之時間直線，其顯示出在傳送線14令運 行之孤立波脈沖18及20之碰撞。脈沖在時間直線上進行方 向為由左至右，脈沖18被顯示為首先接觸脈沖20。在下一 個時間點處脈沖18移動與脈沖20重疊。最後兩個時間點顯 示出脈沖18通過脈沖20。 在碰撞過程中，脈沖被顯示為已經通過三個光學放大 器16。長的碰撞距離是由於低總色散斜率所致，其限制具 有不相同中央波長孤立波脈沖速度上之差異。 為了說明目前摻雜餌之織維放大器，圖4顯示出可能之 波長範圍，其有益於孤立波脈沖之波長區分多工化》 第一相當平坦增益部份24發生在1530nm至1540nm波長 範圍内。假設所需要頻道間隔為1.6nm(200GHz)，其大於八 個波長區分頻道為可能的。較長波長之相當平坦增益頻窗 26包含1545nm至1565咖之範圍，在該範園内增益保持在主 增益(在圈2中所顯示情況約為30dB)±ldB之内。多工訊號 能夠投射至增益頻窗26内同時有充份間距例如200GHz以擴 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -尊 冬紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（2丨Ο X 297公釐） 12 83. 3.10,000 五、發明説明（iD ) A7 B7 經濟部中央梂準局員工消費合作社印製 寬孤立波形狀以及功率誤差以及將跨越頻道之嗓訊減為最 低。 本發明特別之平色散波導纖維與孤立波脈沖結合有效 地迫使孤立波脈沖波長範圍，例如在1520nm至1575nm範圍 内，受到控制之總色散，低總色散斜率，以及相當平坦先學 放大器增益為一致。 系統範例： 以在一半功率處時間宽度表示之孤立波朦沖形狀，總 色散以及放大器間距之影響顯示於圈5中。由於先前所提 及系統並非完美（光源，放大器，波導)所引起之孤立波脈沖 定時及頻率變形，其將對系統長度產生實際之限制。孤立 波限制之一般性說明已討論於"Constraints on the Design of Single-Channel, High-Capacity (>10 Gb/s) Solition Systems' Evans et al.， IEEE Photonics Technology Letters, V. 7，No. 1，Jan 1995 〇 如圈5所顯示的，系統限制良好指標由Tw*/D比值表 示，其中Tw為具有孤立波脈沖最大時間大小之整個寬度 以及D為總色散。曲線32, 34,40及42顦示出該比值由於數 種因素隨著放大器間距而變化。 曲線32表示定時跳動（通常稱為Gordon-Haus跳動)，其 由於放大器中自勵發射以及其他因素例如長距離範圍之孤 立波交互作用所致。 曲線34為訊噪比值對Tf«ta/D比值及放大器間隔之影響 。同樣地，曲線40係關於系統之干擾，包括由於波導織維及 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 尊 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐）13 83. 3.10,000 320688 A7 B7 五、發明説明（H) 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 光學放大器變化所致。曲線42顯示出使用集總放大器系統 中孤立波碰撞之影響。 圈5說明7500km系統以5Gbit/s傳送速率以及光學放大 器間距為25km之作用情況。假如人們選擇目標位元錯誤比 率為109上限，則T«»/D比值必需受限在25至45nm-km範圍内 以及最佳數值為33nia-km(參閱圖5區域38)。假設所有頻道 Tw«為16.5 ps。則Tw*/D=33得到之最佳總色散D=0.5ps/nm -km。採用位元錯誤比率之界限，Τμ·/Ι)=25及Tii-/D=45得到 總色散界限為，0.37ps/nm-kmSDS0.66ps/nm-kiB。對於具 有0.085ps/nm2-km總色散之波導纖維而言，對於D界限使得 多工性波長可使用之頻帶界限為3.5nm。該可使用頻帶允 許17個多工頻道而其間距為25GHz。 平色散織維比較範例： 在上述範例中所說明完全相同之系統，假如使用總色 散斜率為0.01ps/nm2-km之平色散波導織維，可利用波長頻 帶增加至16咖。可使用頻帶能夠支持80頻道，其間距為25 GHz。在該情況下，人們能夠選擇增加頻道間距，因而限制 頻道間之串摱以及緩和孤立波特性所需要之誤差。 雖然本發明特定實施例在此已揭示出以及加以說明， 本發明由下列申請專利範圍所界定。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4規格 210X297公釐） (V· 83. 3. !〇,〇〇〇 I------.-I—r- -I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

、1T

Claims (1)

1. 32〇6g§ A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 經濟部中央榡準局貝工消費合作社印製 1. 一種單模光學波導纖維，其設計使用於採用孤立波脈沖 之通訊光織中，其包含： 心播玻璃區域，其具有折射率分佈，該折射率分佈至少包 含兩個小區域； 包層玻璃層，其具有實質上固定折射率IU,包圍著心蕊玻 璃區域，其中至少一個小區域之至少一部份折射率分佈具 有之折射率大於ne; 其中在預先決定波長範圍内之總色散界於預先決定正值 範圍内，以及在預先決定波長範圍内總色散斜率界於預先 決定數值範面内以保持傳播於波導内孤立波之形狀及強度 ，孤立波中央波長在預先決定波長範圍内》2. 依據申請專利範圍第1項單模波導，其中預先決定波長範 圍為1300nm至1600咖。 3. 依據申請專利範園第1項單模波導，其中在預先決定波長 範®内正值總色傲在〇. 1至5. Ops/nm-kffl範固内。 4. 依據申請專利範圍第1項單模波導，其中在預先決定波長 範面内總色散斜率不大於0. lps/nm2-km。 5. —耠單模光學波導織維，其設計使用於採用孤立波脈沖 之通訊光織中，其包含： 心蕊玻璃區域，其具有折射率分佈，該折射率分佈至少包 含兩個小區域； 包層玻璃層，其具有實質上固定折射率Ik，包圍著心蕊玻 璃區域，其中至少一個小區域之至少一部份折射率分佈具 有之折射率大於Ik; Μ民張尺度逋用中國國家榡準（CNS Μ4規格（2丨OX297公釐）/r n n 1^1 n ϋ ! In I n I .,( : (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) --β »^1— 1^1 n · 六、申請專利範圍 ABCD 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 該車模波導特徵為在預先決定波長範圍内之總色散斜率 ;以及 通訊系統加入至少一個光學放大器，其在操作波長範圍 内具有實質上均一的增益，其在預先決定波長範圍至少一 部份内為一致的，以及與一組多個波長區分多工孤立波脈 沖之中央波長範圍一致;以及 其中在預先決定波長範圍，光學放大器操作波長範圍，以 及孤立波脈沖中央波長範圍之相同部份内總&散斜率不大 於0.10ps/nm2-km。 6. 依據申請專利範圍第5項單模波導，其中光學放大器為色 散光學放大器。 7. 依據申請專利範圍第5項單模波導,其中光學放大器為集 總光學放大器。 8. 依據申請專利範圍第5項單模波導，其中預先決定波長範 面以及至少一個放大器操作波長範圍實質上為相等的。 9·依據申請專利範圍第8項單模波導，其中一組多個波長區 分多工孤立波脈沖為八十個以及孤立波脈沖具有頻道間隔 至少為25GHz。 10.依據申請專利範面第5項單模波導，其中總色教不大於 5ps/nm-km 〇 --------I 艮-- ..f、 . (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 本紙張XJt適用中國國家梯準（CNS ) A4^#· ( 210 X 297公釐） 1^