DE60200944T2

DE60200944T2 - Gerät zur erzeugung einer taktfluktuationstoleranten optischen modulation eines ersten signals durch ein zweites signal

Info

Publication number: DE60200944T2
Application number: DE60200944T
Authority: DE
Inventors: David John Richardson; Ju Han Suwon LEE; Morten Ibsen; Periklis Petropoulos; Peh Choing 34600 Kamunting THE
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: University of Southampton
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: WO2002075446A3; ATE273528T1; US7003180B2; WO2002075446A2; EP1368701A2; GB0106553D0; WO2002075446A8; DE60200944D1; CA2441173C; EP1368701B1; CA2441173A1; US20040156572A1; AU2002251164B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf optische Modulatoren, die Impulsformungs-Faser-Bragg-Gitter umfassen und taktfluktuationstolerant sind.
Hintergrund der Erfindung
Zur "Synthetisierung" einer bestimmten optischen Impulsform ist es notwendig, in der Lage zu sein, zuverlässig das Amplitude- und Phasenprofil eines optischen Feldes zu definieren. Der allgemeine Ansatz ist das Erzeugen von Impulsen mit einer genau definierten Impulsform und anschließend den Impuls durch irgendein Impulsformungs-Element mit einer entsprechend entwickelten Transferfunktion zu leiten, um das inzidente Spektrum in der Weise in bezug auf die Phase zu verändern und umzuformen, dass das gewünschte optische Ausgabefeld erhalten wird. Das Impulsformungs-Element kann eine rein lineare Antwort haben, wie z. B. ein Filter mit einer entsprechend komplexen Antwort, oder kann zusätzlich ein nichtlineares Element, beispielsweise eine optische Faser oder eine aperiodische Quasiphasenanpassungs-Struktur, umfassen, um die kontrollierte Erzeugung von Frequenzkomponenten außerhalb des Frequenzspektrums der Eingangs-Impulsform zu erlauben.
Die am häufigsten verwendete Technik ist eine einfache lineare Filterungstechnik, bei der die Frequenzkomponenten eines kurzen Impulses im Raum unter Verwendung von Volumen-Gittern dispergiert werden und anschließend durch Amplituden und Phasenmasken gefiltert werden, die innerhalb eines optischen Fourier-4f-Aufbaus positioniert sind. Mikrolithographisch hergestellte Spatialmasken, segmentierte Flüssigkristallmodu latoren oder Akusto-Optikmodulatoren wurden als Spatialfilter genutzt, wobei die letzten beiden Ansätze die Programmierbarkeit und die dynamische Rekonfigurierbarkeit der Impulsform-Antwort erlauben. Während beeindruckende Ergebnisse mit diesem Ansatz erzielt wurden, ist die Hardware selbst ein wenig sperrig, verlustbehaftet und teuer und eignet sich nicht für eine bequeme Integration mit Wellenleiter-Vorrichtungen. Diese Fragen lösten die Suche nach anderen technischen Ansätzen zu dem Problem aus, wie z. B. die Verwendung von strukturierten Wellenleitungs-Gittern oder Strukturen von Faserverzögerungsleitungen.
Einkanaldatenraten, die sich dem Tbit/s-Niveau annähern, wurden nun für optische Zeitbereichsmultiplex(OTDM)-Systeme berichtet. Diese Einkanaldatenraten bedingen erhöhte Anforderungen und verbesserte Toleranzen bei den für zu multiplexende und demultiplexende optische Datenbits verwendeten Techniken. Es sei beispielsweise der Fall des optischen Demultiplexen betrachtet. In dem Maße, wie die OTDM-Datenraten zunehmen und die Impulse entsprechend kürzer werden, können die Synchronisationsanforderungen hinsichtlich der für die Steuerung des Schaltvorgangs verwendeten lokal generierten Impulse eine einschränkende praktische Frage werden. Der Schlüssel für die Minderung der Taktfluktuationstoleranz bei solchen Vorrichtungen liegt darin, ein rechteckiges temporales Schalt-Fenster zu erstellen. Dies reduziert die absolute Genauigkeit für das temporale Bit-Alignment und stellt eine optimale Ausrichtung für durch Taktfluktuation erzeugte Fehler dar. Schemata für faserbasierte, nichtlineare, optische Schleifenspiegel(NOLM)-Demultiplexverfahren, die sowohl gute ultraschnelle Leistung als auch Toleranz zu Taktfluktuation entweder von den Steuer- oder den Datensignalen oder von beiden bereitstellen, wurden bereits früher nachgewiesen. Diese Schemata verwenden die Differenz in der Gruppengeschwindigkeit und das resultierende "walk-off" zwischen den Steuer- und den Datensignalen innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung zur Definition des rechteckigen Schalt-Fensters. Dies erfordert entsprechend eine enge Spezifikation und Steuerung sowohl der Daten- als auch der Signalwellenlängen und der Dispersionseigenschaften der Faser. Dieser Ansatz ist zwar auf faserbasierte Schalter anwendbar, er ist aber komplex und kann nicht auf Schalter Anwendung finden, die auf hoch nichtlinearen Halbleitern basieren und bei denen es über die relevanten Längenskalen keine bemerkenswerten dispersiven Propagationseffekte gibt. Einfache robuste Techniken, die dazu beitragen können, Taktfluktuationstoleranzen zu mindern, und die auf eine Reihe von Schaltmechanismen anwendbar sind, sind demzufolge von großem Interesse.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu vermeiden oder zu mindern. Optische Einrichtungen, die sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Kombination aufweisen, werden in WO9955038, WO9921037 und WO9850824 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine optische Vorrichtung zur taktfluktuationstoleranten optischen Modulation eines ersten optischen Signals durch ein zweites optisches Signal bereitgestellt, wobei das erste optische Signal eine erste Wellenlänge besitzt, das zweite optische Signal mehrere zweite optische Signalimpulse umfasst, die eine zweite Impulsform und eine zweite Wellenlänge besitzen und die Vorrichtung einen ersten Signal-Eingangskanal, einen zweiten Signal-Eingangskanal, einen Koppler, ein Gitter und eine nichtlineare optische Einrichtung umfasst, wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass das zweite optische Signal am zweiten Signal-Eingangskanal über den Koppler und das Gitter zur nichtlinearen optischen Einrichtung gelangt, und das erste optische Signal am ersten Signal-Eingangskanal zur nichtlinearen optischen Einrichtung gelangt, wobei das Gitter ein Über berstruktur-Faser-Bragg-Gitter in einer Anordnung ist, um die zweiten optischen Signalimpulse in optische Zwischen-Impulse umzusetzen, die jeweils eine Zwischen-Impulsform besitzen, und die Zwischen-Impulsform so ausgestaltet ist, dass diese innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung ein Schalt-Fenster bereitstellt.
Das erste Signal kann mehrere erste Signalimpulse umfassen. Das erste Signal kann ein kontinuierliches Wellensignal, wie z. B. ein nichtmodulierter Laserstrahl, sein. Das Schalt-Fenster kann gaußisch, rechteckig sein oder eine beliebige vom Benutzer definierte Form aufweisen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das erste Signal mehrere erste Signalimpulse, das Gitter wird durch eine Gitterimpulsantwort definiert, die Zwischen-Impulsform wird durch die Faltung der zweiten Impulsform und die Gitterimpulsantwort definiert, und das Schalt-Fenster ist ein im Wesentlichen rechteckiges Schalt-Fenster, das hinsichtlich einer Schwankung der Ankunftszeit des ersten Signalimpulses beim ersten Signal-Eingangskanal und des zweiten Signalimpulses beim zweiten Signal-Eingangskanal eine Toleranz im Wesentlichen gleich der Breite des rechteckigen Schalt-Fensters bereitstellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das erste Signal mehrere erste Signalimpulse auf, die jeweils eine Breite aufweisen, das Gitter wird durch die Gitterimpulsantwort definiert, die Zwischen-Impulsform wird durch die Faltung der zweiten Impulsform und die Gitterimpulsantwort definiert, wobei das Gitter so gestaltet ist, dass die Zwischen-Impulsform ein im Wesentlichen rechteckiger Impuls ist, bei dem die Vorrichtung hinsichtlich einer Schwankung bei der Ankunftszeit des ersten Impulses beim ersten Eingangskanal und des zweiten Impulses beim zweiten Eingangskanal eine Toleranz im Wesentlichen gleich der Breite des im Wesentlichen rechteckigen Impulses abzüglich der Breite des ersten Signalimpulses aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine solche sein, bei der der Koppler ein Zirkulator ist. Der Koppler kann ein optischer Faserkoppler sein.
Die Vorrichtung kann einen optischen Schalter umfassen, wobei der optische Schalter so gestaltet ist, dass er die nichtlineare optische Einrichtung umfasst.
Die nichtlineare optische Einrichtung kann eine löchrige Faser sein. Die löchrige Faser kann Glas umfassen. Das Glas kann Silica, Silikatglas oder ein Verbundglas sein. Alternativ kann die löchrige Faser ein Polymer umfassen.
Die löchrige Faser kann einen Kern und einen Mantel aufweisen, wobei der Mantel mehrere um den Kern herum angeordnete Löcher aufweist und wobei der Kern einen Durchmesser von weniger als 10 μm hat. Der Kern kann einen Durchmesser von weniger als 5 μm haben. Der Kern kann einen Durchmesser von weniger als 2 μm haben.
Die löchrige Faser kann eine Dotierungssubstanz umfassen, wobei die Dotierungssubstanz aus der Gruppe ausgewählt wird, die Ytterbium, Erbium, Neodymium, Praseodymium, Thulium, Samarium, Holmium, Dysprosium, Zinn, Germanium, Phosphor, Aluminium, Bor, Antimon, Uran, Gold, Silber, Wismut, Blei, ein Übergangselement und einen Halbleiter umfasst. Die obige Aufzählung von Elementen umfasst verbundene chemische Zusammensetzungen des Elements und insbesondere alle Oxid umfassenden Formen.
Die nichtlineare optische Einrichtung kann ein optischer Verstärker auf Halbleiterbasis sein oder einen solchen umfassen.
Die nichtlineare optische Einrichtung kann einen Lithiumniobat-Kanal-Wellenleiter oder einen Lithiumniobat-Planar-Wellenleiter umfassen.
Die nichtlineare optische Einrichtung kann einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Kanal-Wellenleiter oder einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Planar-Wellenleiter umfassen.
Die nichtlineare optische Einrichtung kann ein optischer Schalter, eine löchrige Faser, eine gepolte Faser, ein Kaliumtitanylphosphat (KTP) oder ein sonstiger kristalliner Wellenleiter, ein periodisch gepolter KTP oder sonstiger kristalliner Wellenleiter, ein nichtlinearer optischer Schleifenspiegel, ein Kerr-Gitter, eine optische Faser oder ein nichtlinearer optischer Schleifenspiegel sein.
Die in der nichtlinearen optischen Einrichtung verwendete optische Nichtlinearität kann auf nichtlinearen Wirkungen der zweiten Ordnung (χ(2)) oder der dritten Ordnung (χ(3)) beruhen. Die spezifische Manifestation/Nutzung der Nichtlnearität kann erfolgen durch Selbstphasenmodulation (SPM), Kreuzphasenmodulation (CPM), Vierwellenmischtechniken (FWM), parametrische Frequenzumwandlung, Erzeugung der zweiten Harmonischen, Erzeugung der dritten Harmonischen, Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung, Erzeugung von Supercontinua, kaskadierte Effekte der zweiten Ordnung oder irgendeine Kombination derselben. Sonstige optische Nichtlinearitäten, die verwendet werden können, umfassen Raman- und Brillouin-Effekte, Kreuzverstärkungs-Modulation und Zweiphotonenabsorption.
Die Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie das erste Signal moduliert.
Die Vorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie das erste Signal demultiplext.
Die Vorrichtung kann einen aktiv modusverriegelten Faser-Laser umfassen.
Die Vorrichtung kann ein Interferometer umfassen, das einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfasst und bei dem der erste Arm die nichtlineare optische Einrichtung aufweist.
Die Vorrichtung kann einen Filter umfassen, bei dem der Filter ein wellenlängenselektiver Filter ist.
Die Vorrichtung kann ein Polarisationselement umfassen, bei dem das Polarisationselement ein Polarisator oder ein Polarisations-Strahlenteiler ist.
Die Vorrichtung kann einen Taktgenerator umfassen. Der Taktgenerator kann ein Kurzimpulsgenerator sein, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die einen modusverriegelten Faser-Laser, einen aktiv modusverriegelten Faser-Laser, einen Generator mit einem Elektroabsorptionsmodulator und einem Laser, einen Generator mit einem elektrooptischen Modulator und einem Laser, und eine verstärkungsgetastete Laserdiode umfasst.
Der Taktgenerator kann Mittel zur Pulskomprimierung, wie z. B. eine Dispersions-Kompensator-Faser, ein Chirp-(Verlaufs-)Faser-Bragg-Gitter, eine Dispersions-Minderungs-Faser, einen optischen Verstärker, einen Raman-Verstärker, einen optischen Schalter, einen optischen Impuls-Komprimierer oder irgendeine Kombination der genannten Einrichtungen umfassen.
Die Vorrichtung kann aus mehreren nichtlinearen optischen Einrichtungen bestehen und so konfiguriert sein, dass das zweite Signal am ersten Signal-Eingangskanal zu jeder der nichtlinearen optischen Einrichtungen geführt wird. Die Vorrichtung kann als ein optischer Multiplexer ausgelegt sein. Die Vorrichtung kann als ein optischer Demultiplexer ausgelegt sein. Die Vorrichtung kann als ein inverser Multiplexer ausgelegt sein. Die Vorrichtung kann einen Schalter und einen Steuereingang zur Steuerung des Schalters umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung einer taktfluktuationstoleranten Modulation eines ersten Signals durch ein zweites Signal;
2 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der die Zwischen-Impulsform durch die Faltung der zweiten Impulsform und die Gitterimpulsantwort definiert wird;
3 eine Gitterimpulsantwort;
4 eine Zwischen-Impulsform;
5 ein im Wesentlichen quadratisches Schalt-Fenster;
6 einen vor einem zweiten Signalimpuls eintreffenden ersten Signalimpuls;
7 einen nach einem zweiten Signalimpuls eintreffenden ersten Signalimpuls;
8 die Impulsantwort eines optischen Schalters;
9 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, die so ausgelegt ist, dass sie einen im Wesentlichen rechteckigen Impuls bereitstellt;
10 eine Gitterimpulsantwort;
11 eine einen optischen Schalter umfassende Ausführungsform;
12 die Endfläche einer löchrigen Faser;
13 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine löchrige Faser aufweist;
14 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Interferometer aufweist;
15 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die als optischer Demultiplexer ausgelegt ist;
16 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die als optischer Multiplexer ausgelegt ist;
17 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die als inverser Multiplexer ausgelegt ist;
18 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die ferner einen Schalter umfasst;
19 einen Multiplexer gemäß der vorliegenden Erfindung mit regenerativen Eigenschaften;
20 einen DWDM-Multiplexer gemäß der vorliegenden Erfindung;
21 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine kontinuierliche Wellenschaltung verwendet;
22 bis 30 die Ergebnisse einer Berechnung an Filtern für die Impulsformung gemäß der vorliegenden Erfindung;
31 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen modusverriegelten Ringlaser umfasst;
32 bis 39 experimentelle und theoretische Ergebnisse der Leistung eines Filters für die Formung eines Rechteckimpulses gemäß der vorliegenden Erfindung;
40 eine Testanordnung für die Kennzeichnung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
41 bis 44 die theoretische und experimentelle Leistung von Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
45 eine Testanordnung für die Kennzeichnung einer Vorrichtung, die einen optischen Verstärker auf Halbleiterbasis gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
46 und 47 experimentelle Ergebnisse des optischen Verstärkers auf Halbleiterbasis;
48 eine Definition eines Schalt-Fensters; und
49 eine typische Übertragungsantwort einer faserbasierten nichtlinearen optischen Einrichtung.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Vorrichtung zur taktfluktuationstoleranten optischen Modulation eines ersten Signals 1 durch ein zweites Signal 2. Das erste Signal 1 besitzt eine erste Wellenlänge 3. Das zweite Signal 2 umfasst mehrere zweite Signalimpulse 4, die eine zweite Impulsform 5 und eine zweite Wellenlänge 6 besitzen. Die Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Signal-Eingangskanal 8, einen zweiten Signal-Eingangskanal 9, einen Koppler 10, ein Gitter 11 und eine nichtlineare optische Ein richtung 12. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, dass das zweite optische Signal 2 am zweiten Signal-Eingangskanal 9 über den Koppler 10 und das Gitter 11 zur nichtlinearen optischen Einrichtung 12 gelangt, und das erste Signal 1 am ersten Signal-Eingangskanal 8 zur nichtlinearen optischen Einrichtung 12 gelangt. Das Gitter 11 ist ein Überstruktur-Faser-Bragg-Gitter, das die zweiten Signalimpulse 4 in Zwischen-Impulse 13 umsetzt, die jeweils eine Zwischen-Impulsform 14 besitzen. Die Zwischen-Impulsform 14 ist so ausgelegt, dass sie innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 ein Schalt-Fenster 19 bereitstellt.
Das Schalt-Fenster 19 kann ein im Wesentlichen rechteckiges Schalt-Fenster 50 sein, das anhand von 5 gezeigt wird. Das Schalt-Fenster 19 kann alternativ vom Gauß'schen Typ sein oder jede andere benutzerdefinierte Form haben.
Die Vorrichtung kann so ausgelegt sein, dass die Vorrichtung einen einzelnen optischen Eingangskanal aufweist, so dass das erste und das zweite Signal 1 und 2 durch den gleichen Eingangskanal in die Vorrichtung eintreten.
Die Vorrichtung kann ferner, wie in 1 gezeigt, einen Filter 21 aufweisen.
Der Koppler 10 kann ein Zirkulator, ein optischer Faserkoppler oder ein Strahlenteiler sein.
Das erste Signal 1 wird so dargestellt, dass es mehrere erste Signalimpulse 15 aufweist. Diese ersten Signalimpulse 15 interagieren innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 mit den Zwischenimpulsen 13 und stellen ein Signal 18 bereit, das am Ausgangskanal 17 mehrere Ausgangsimpulse 16 aufweist. Das erste Signal 1 wird so dargestellt, dass es Impulse in Zeitfenstern t1, t3 und t5 aufweist, das zweite Signal 2 wird so dargestellt, dass es Impulse in Zeitfenstern t1, t3 und t5 aufweist, und das Ausgangssignal 18 wird so dargestellt, dass es Impulse in Zeitfenstern t1, t3 und t5 aufweist, d. h. entsprechend der Zeitüberlappung der ersten Signalimpulse 15 und des Zwischenimpulses 13 innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung 12. Das im Wesentlichen rechteckige Schalt-Fenster 50, das durch die Zwischen-Impulsform 14 bereitgestellt wird, trägt dazu bei, die Verzerrung der ersten Signalimpulse 15 innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 zu mindern, und stellt Taktfluktuationstoleranz bei den Ankunftszeiten der ersten Signalimpulse 15 bereit.
Obwohl 1 das erste Signal 1 so dargestellt, dass es mehrere erste Signalimpulse 15 umfasst, kann das erste Signal 1 alternativ ein kontinuierliches Wellensignal, wie z. B. ein nichtmodulierter Laserstrahl, sein.
Die erste Wellenlänge 3 kann zur zweiten Wellenlänge 6 unterschiedlich sein. In diesem Fall ist die nichtlineare optische Einrichtung 12 vorzugsweise ein aktives Halbleiterelement oder eine optische Faser, wie z. B. die löchrige Faser 120, und der Filter 21 ist vorzugsweise ein wellenlängen-selektiver Filter, wie z. B. ein Faser-Bragg-Gitter oder ein Dünnschichtfilter.
Die erste Wellenlänge 3 kann die gleiche sein wie die zweite Wellenlänge 6. In diesem Fall ist die nichtlineare optische Einrichtung 12 vorzugsweise so ausgelegt, dass ihr Ausgangszustand der Polarisierung sich als Antwort auf die Zwischenimpulse 13 verändert, und der Ausgangsfilter 21 ist vorzugsweise ein Polarisator oder Polarisations-Strahlenteiler.
Das erste Signal 1 kann ein Datensignal sein, und das zweite Signal 2 kann ein Taktsignal sein. In diesem Fall stellt die Vorrichtung eine Demultiplex-Funktion bereit. Alternativ kann das erste Signal 1 ein Taktsignal sein, und das zweite Signal 2 kann ein Datensignal sein, worauf die Vorrichtung eine Multiplexer-Funktion bereitstellt.
2 zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung, bei der das erste Signal 1 mehrere erste Signalimpulse 15 aufweist. Das Gitter 11 wird, wie in 3 gezeigt, durch eine Gitterimpulsantwort 30 definiert. Wie in 4 gezeigt, wird die Zwischen-Impulsform 14 durch die Faltung der zweiten Impulsform 5 und die Gitterimpulsantwort 30 definiert. Die Gitterimpulsantwort 30 wird so gewählt, dass das in 5 gezeigte Schalt-Fenster 50 in der nichtlinearen Einrichtung 12 bereitgestellt wird, welche in 2 so dargestellt wird, dass sie einen optischen Verstärker auf Halbleiterbasis 20 umfasst.
Die Vorrichtung kann ferner den Filter 21 umfassen.
Der optische Verstärker auf Halbleiterbasis 20 kann Teil eines optischen asymmetrischen Terahertz-Demultiplexers (TOAD), eines optischen Verstärkers auf Halbleiterbasis in einem Schleifenspiegel (SLALOM), eines ultraschnellen nichtlinearen Interferometers (UNI), eines transparenten ultraschnellen nichtlinearen Verstärkungs-Interferometers (GT-UNI) sein.
Das rechteckige Schalt-Fenster 50 stellt hinsichtlich einer Schwankung der Ankunftszeit des ersten Signalimpulses 15 am ersten Eingangskanal 8 und des zweiten Signalimpulses 4 beim zweiten Signal-Eingangskanal 9 eine Toleranz im Wesentlichen gleich der Breite 51 des rechteckigen Schalt-Fensters 50 abzüglich der Breite des ersten Signalimpulses 15 bereit.
6 zeigt ein Beispiel, bei dem der erste Signalimpuls 15 zu einem Zeitpunkt 61 eintrifft, der zweite Signalimpuls 4 zu einem Zeitpunkt 62 eintrifft und bei dem das rechteckige Schalt-Fenster die Breite 51 ist. 7 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem der erste Signalimpuls 15 zu einem Zeitpunkt 71 eintrifft, der zweite Signalimpuls 4 zu einem Zeit punkt 72 eintrifft und bei dem das rechteckige Schalt-Fenster die Breite 51 ist. Die 6 und 7 zeigen die maximal mögliche Schwankung bei den Ankunftszeiten 61 und 62 in der Weise, dass die nichtlineare optische Einrichtung 12 den ersten Signalimpuls 15 aufgrund von Taktfluktuation nicht verzerrt.
Der Ausdruck Schalt-Fenster kann auf verschiedene Weise definiert werden. Eine erste in 21 gezeigte Definition ist die, dass das "kontinuierliche Wellen-Schalt-Fenster" 210 durch die Impulsform 210 definiert wird, wenn sie durch den Zwischenimpuls 13 als Antwort auf die zweiten Signalimpulse 4 getrieben wird, und bei dem das erste Signal 1 bei der Wellenlänge 3 ein kontinuierlicher Wellenstrahl ist. Bei Einsatz einer Vorrichtung mit einem ersten Signal 1, das die ersten Signalimpulse 15 umfasst, ergibt sich das Schalt-Fenster durch die Breite des "kontinuierlichen Wellen-Schalt-Fensters" 210 abzüglich der Breite des ersten Signalimpulses 15. Eine zweite Definition kann hinsichtlich der Bedingungen der Systemleistung selbst direkter formuliert werden, wie dies in 48 gezeigt wird, die eine Graphik der Bitfehlerrate (BER) 480 gegenüber der relativen Zeitverzögerung 481 der mit den ersten und zweiten Signalimpulsen 15, 4 verbundenen Impulse zeigt. Bitfehlerratenmessungen liefern eine Maßgröße der Qualität der durch die Vorrichtung gelieferten Impulsschaltung, je höher die Bitfehlerrate ist, desto schlechter ist die Schaltleistung. Eine Fehlerrate von 1 in 10^–9 wird häufig als fehlerfrei bezeichnet und herangezogen, um die untere Grenze hinsichtlich akzeptabler Leistungen von Telekommunikationsvorrichtungen darzustellen. Damit ist eine alternative Systembeschreibung des Zeitfensters für den Schalter die Gesamtlänge der relativen Zeitverzögerung 482, über die eine fehlerfreie Leistung erreicht werden kann. Die BER nimmt schnell an den ansteigenden und abfallenden Kanten des Zeitfensters ab. In der Praxis ergeben die beiden Definitionen von Zeitwerten ungefähr äquivalente Werte nach den beiden De finitionen, insbesondere für rechteckige Schalt-Fenster, und es werden bei der Erfindung beide Definitionen verwendet. Spezifisch wird dahin tendiert, die erste Definition heranzuziehen, wenn die Zwischen-Impulsform als solche im Wesentlichen in der Form rechteckig ist, und die zweite Definition für den eher allgemeinen Fall.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist für Schaltansätze charakteristisch, bei denen die erforderliche Zwischen-Impulsform, die notwendig ist, um ein im Wesentlichen rechteckiges Schalt-Fenster bereitzustellen, kein Rechteckimpuls ist, sondern irgendeine andere Impulsform, die nicht augenblickliche nichtlineare Antworten (wie z. B. Kreuzverstärkungsmodulation) und Streuungseffekte innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung 20 kompensiert.
Um die Zwischen-Impulsform 14 festzusetzen, ist es zunächst erforderlich, die in 8 gezeigte Impulsantwort 80 der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 als Funktion inzidenter Puls/Energieleistung zu charakterisieren und anschließend diese Information heranzuziehen, um die erforderliche Form der Zwischen-Impulsform 14 zu ermitteln, welche erforderlich ist, um das rechteckige Schalt-Fenster 50 zu definieren. Die Impulsantwort 30 des Gitters 11, die erforderlich ist, um die zweiten Signalimpulse 4 umzuwandeln, kann anschließend evaluiert werden, und die erforderliche Überstruktur-Gitter-Konstruktion selbst kann unter Verwendung eines geeigneten inversen Gitter-Konstruktions-Algorithmus, wie z. B. nach R. Feced, M. N. Zervas und M. A. Muriel, "An efficient inverse scattering algorithm for the design of non-uniform fibre Bragg gratings", IEEE J. Quantum Electron., Band 35, Seiten 1105–1111, 1999, abgeleitet werden.
Um die Impulsantwort 80 der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 (als Funktion inzidenter Impulsleistung) zu ermitteln, kann es notwendig sein, eine experimentelle Impuls- Charakterisierungstechnik heranzuziehen, die in der Lage ist, sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformationen zu liefern. Entsprechende Techniken werden in B. C. Thomson, P. Petropoulos, H. L. Offerhaus, D. J. Richardson und J. D. Harvey, "Characterization of a 10 GHz harmonically mode-locked erbium fibre ring laser using second harmonic generation frequency resolved optical gating", Technical Digest CLEO '99, Baltimore, 23.–28. Mai 1999, Papier CtuJS, beschrieben. Weitere Mittel zur Bereitstellung einer solchen Charakterisierung wurden beschrieben in "Measuring ultrashort laser pulses in the time domain using frequency resolved optical gating" von R. Trebino, K. W. DeLong, D. N. Fittinghoff, J. N. Sweetser, M. A. Krumbugel, B. A. Richman, D. J. Kane in Review of Scientific Instruments, Band 68, 3277–3295 (1997).
Weiter wird in 2 ein Filter 21 beschrieben, der notwendig sein kann, um den Ausgang der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 zu filtern. Der Filter 21 kann ein Polarisationselement sein, wie z. B. ein Polarisator oder ein Polarisations-Strahlenteiler, ein wellenlängen-selektiver Filter, wie z. B. bei optisches Faser-Bragg-Gitter oder ein Dünnschichtfilter. Soweit in Verbindung mit einem optischen Verstärker auf Halbleiterbasis, wie in 2 gezeigt, verwendet, ist der Filter 21 vorzugsweise ein wellenlängen-selektiver Filter.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das erste Signal 1 mehrere erste Signalimpulse 15 aufweist. Das Gitter 11 wird durch die Gitterimpulsantwort 100 definiert. Wie in 10 gezeigt, wird die Zwischen-Impulsform 14 durch die Faltung der zweiten Impulsform 5 und die Gitterimpulsantwort 100 definiert. Das Gitter 11 ist so ausgelegt, dass die Zwischen-Impulsform 14 ein im Wesentlichen Rechteckimpuls 95 ist, und bei dem die Vorrichtung hinsichtlich einer Schwankung der Ankunftszeit des ersten Impulses 15 beim ersten Eingangskanal 8 und des zweiten Impulses 4 beim zweiten Eingangskanal 9 eine Toleranz im Wesentlichen gleich der Breite 101 des im Wesentlichen rechteckigen Impulses 95 abzüglich der Breite des ersten Signalimpulses 15 aufweist. Die in 9 gezeigte nichtlineare optische Einrichtung 12 ist ein nichtlinearer Schleifenspiegel (NOLM) 90, der eine dispersionsverschobene optische Faser (DSF) 91 und zwei Koppler 92 umfasst. Die Koppler sind vorzugsweise optische 3 dB-Faser-Koppler. Die DSF 91 ist so ausgelegt, dass sie bei der ersten Wellenlänge 3 eine normale Dispersion aufweist, und sie kann abhängig von dem Umfang der vorhandenen Nichtlinearität eine Länge im Bereich von 1 m bis 10.000 m haben. Der NOLM 90 kann ferner einen Polarisationscontroller 93 aufweisen. Die erste Wellenlänge 3 ist zur zweiten Wellenlänge 6 unterschiedlich. Die erste Wellenlänge 3 liegt bei faserbasierten Einrichtungen üblicherweise bei einer kürzeren Wellenlänge als die zweite Signalwellenlänge 6, da (a) es häufig wichtig ist, den durch die Gruppengeschwindigkeit hervorgerufenen "Walk-off" zwischen den ersten und Zwischen-Signalimpulsen 15, 13 in dem Maße zu minimieren, wie sie sich durch die nichtlineare Faser ausbreiten, und dies wird am besten dadurch erreicht, dass die beiden Signalwellenlängen so angeordnet werden, dass sie um die Nulldispersionswellenlänge der Faser herum ungefähr symmetrisch liegen, und (b) das geschaltete oder modulierte Signal 1 muss in dem normalen Dispersionsbereich liegen, um die Auswirkungen induzierter Rauschzahl aufgrund von Solitonen-Effekten zu vermeiden. Der Filter 21 ist vorzugsweise ein wellenlängen-selektiver Filter, der ein Faser-Bragg-Gitter oder ein Dünnschichtfilter sein kann.
Die Toleranz hinsichtlich der Ankunftszeiten und demzufolge die Taktfluktuation der ersten und zweiten optischen Signale 1 und 2 wird durch die Breiten 50 und 101 des im Wesentlichen rechteckigen Schalt-Fensters 50 bzw. des im Wesentlichen rechteckigen Impulses 95 bestimmt. Es wird in Aussicht genommen, dass durch Einsatz entsprechend hergestellter Gitter 11 diese Toleranz bis zu 200 ps groß sein könnte. Diese Toleranz ist für optische Bearbeitung mit hoher optischer Taktfluktuationstoleranz mit Raten geeignet, die niedrig, d. h. bei bis zu 5 Gbit/s, liegen können. Beim anderen Extrem nehmen die Erfinder in Aussicht, dass die Technologie auch die Erzeugung der Zwischenimpulse 13 mit Breiten erlauben sollte, die so klein wie 100 fs sind, was sie für optische Verarbeitung mit Datenraten zwischen 1 Tbit/s bis mindestens 10 Tbit/s geeignet macht. Die Technologie sollte auch das Verarbeiten bei dazwischen liegenden Datenraten ermöglichen.
11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Vorrichtung einen optischen Schalter 110 aufweist, wobei der optische Schalter 110 so ausgelegt ist, dass er die nichtlineare optische Einrichtung 12 umfasst. Der optische Schalter 110 kann in jeder der in den 1, 2 und 9 gezeigten Ausführungsformen verwendet werden. Die nichtlineare optische Einrichtung 12 kann einen Lithiumniobat-Kanal-Wellenleiter oder einen Lithiumniobat-Planar-Wellenleiter umfassen. Die nichtlineare optische Einrichtung 12 kann einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Kanal-Wellenleiter oder einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Planar-Wellenleiter umfassen. Die nichtlineare optische Einrichtung kann eine löchrige Faser, eine gepolte Faser, ein Kaliumtitanylphosphat (KTP) oder einen sonstigen kristallinen Wellenleiter, ein periodisch gepoltes KTP oder einen sonstigen kristallinen Wellenleiter, einen nichtlinearen optischen Schleifenspiegel, ein Kerr-Gitter, eine optische Faser, einen nichtlinearen verstärkenden Schleifenspiegel oder einen nichtlinearen optischen Modulator umfassen.
12 zeigt den Querschnitt einer löchrigen Faser 120, die nach den Ausführungsformen nach den 1, 2 und 9 als die nichtlineare optische Einrichtung 12 ausgelegt werden kann. Die löchrige Faser 120 umfasst einen Kern 121 und einen Mantel 122, wobei der Mantel 122 mehrere um den Kern 121 her um angeordnete Löcher 125 aufweist. Die löchrige Faser 120 hat einen Kerndurchmesser 123 von 2 μm. Der Kern 121 und der Mantel 122 werden in dem Einsatz als vergrößert gezeigt. Der Kern 121 kann einen Durchmesser 123 zwischen 2 μm und 10 μm haben. Vorzugsweise hat der Kern 121 einen Durchmesser 123 unter 2 μm. Mit löchriger Faser meinen die Erfinder eine Faser, die sich in Längsrichtung erstreckende Löcher aufweist, die entlang der Länge der Faser verdreht werden können, und ähnliche oder alternativ bezeichnete Fasern, wie z. B. mikrostrukturierte Fasern und photonische Kristallfasern sind hierin eingeschlossen.
Die löchrige Faser 120 wird aus einem einzigen transparenten Material 124 (unter Vernachlässigung von Luft als konstituierendes Material) hergestellt. Das transparente Material 124 ist Silica. Löchrige Fasern können auch aus anderen Formen von Silikatglas (beispielsweise Bleigläser, wie z. B. Schott Gläser SF57, SF58, SF59, oder Gläser auf Wismutoxidbasis), oder letztlich jeder anderen Form von Glas, einschließlich beliebiger Verbundgläser (z. B. Multi-Komponenten-Gläser, wie z. B. Chalcogenid-Gläser). Vorzugsweise würde das Glas einen großen nichtlinearen Koeffizienten der dritten Ordnung (Kerr) (> 2·10^–20 m²/W) haben und einen geringeren Verlust bei der Betriebswellenlänge für die nichtlineare optische Einrichtung (< 10 dB/m). Das Material kann auch ein Polymer sein, wie z. B. Polymethyl-Methacrylat (PMMA), wiewohl ein beliebiges Polymer mit einem signifikanten nichtlinearen Koeffizienten der zweiten Ordnung (> 0,01 pm/V) oder einem nichtlinearen Koeffizienten der dritten Ordnung (> 2·10^–20 m²/W) in Aussicht genommen werden könnte. Die löchrige Faser 120 kann auch eine Dotierungssubstanz entweder im Kern 121 oder im Mantel 122 oder in beiden umfassen. Die Dotierungssubstanz kann Ytterbium, Erbium, Neodymium, Praseodymium, Thulium, Samarium, Holmium, Dysprosium, Zinn, Germanium, Phosphor, Aluminium, Bor, Antimon, Uran, Gold, Silber, Wismut, Blei, ein Übergangsmetall und einen Halbleiter umfassen.
13 zeigt eine Vorrichtung, die die löchrige Faser 120 und Kopplungsmittel 131 für die Kopplung der optischen Energie in die löchrige Faser 120 hinein und aus dieser heraus umfasst. Die Länge der löchrigen Faser 120 kann zwischen 0,1 m und 10 km liegen. Die Dispersion kann bei der ersten Signalwellenlänge 3 normal oder anormal sein. Unter bestimmten Umständen ist es zu vorzuziehen, dass die Dispersion bei der ersten Signalwellenlänge 3 normal und bei der zweiten Signalwellenlänge 6 anormal ist, um den Impuls-Walk-off zu minimieren. Eine normale Dispersion der ersten Signalwellenlänge ist vorteilhaft, um von Solitonen induzierte Rauscheffekte zu vermeiden. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, sowohl die erste als auch die zweite Signalwellenlänge 3, 6 in dem normalen Dispersionsbereich zu haben, um von Solitonen induzierte Intensitätsrauscheffekte zu vermeiden.
14 zeigt eine Vorrichtung, die ein Interferometer 140 aufweist, das einen ersten Arm 141 und einen zweiten Arm 142 aufweist. Der erste Arm 141 umfasst die nichtlineare optische Einrichtung 12. Das Interferometer 140 ist ein Mach Zehnder-Interferometer. Die Vorrichtung kann auch unter Verwendung eines Michelson-Interferometers, eines Sagnac-Interferometers oder einer anderen Auslegung eines optischen Interferometers konstruiert werden.
15 zeigt eine als optischer Demultiplexer 1500 ausgelegte Vorrichtung. Die Vorrichtung demultiplext das erste Signal 1 in mehrere Datensignale 157 mit geringerer Rate. Die Vorrichtung umfasst einen Taktgenerator 151, die Koppler 152, mehrere nichtlinearen optischen Einrichtungen (NOD) 12 und die Filter 21, die durch erste optische Fasern 153 und zweite optische Fasern 154 vernetzt sind. Die ersten und zweiten optischen Fasern 153, 154 haben Längen, die so ausgelegt sind, dass die nichtlineare optische Einrichtung 12 das erste optische Signal 1 in verschiedene der Datensignale 157 mit geringerer Rate demultiplext. Es ist vorzuziehen, dass der Taktge nerator 151 mit dem ersten optischen Signal 1 unter Verwendung einer Verbindung 150 synchronisiert wird, welche ein Optokoppler sein kann. Bei dem gezeigten Beispiel wird der Taktgenerator 151 ein zweites optisches Signal 2 abgeben, das eine Frequenz hat, die viermal geringer ist als die Frequenz des ersten optischen Signals 1. Die Filter 21 weisen Filterausgangskanäle 155 auf, die mit optischen Kommunikationsleitungen 156 verbunden dargestellt sind, die mindestens einen optischen Verstärker 158 aufweisen können.
Der Taktgenerator 151 kann einen Kurzimpulsgenerator umfassen. Der Kurzimpulsgenerator kann ein modusverriegelter Faser-Laser, ein aktiv modusverriegelter Faser-Laser, ein einen Elektroabsorptionsmodulator und einen Laser umfassender Generator, ein einen elektrooptischen Modulator und einen Laser umfassenden Generator und eine verstärkungsgetastete Laserdiode sein. Der Kurzimpulsgenerator kann auch Mittel zur Impulskomprimierung, wie z. B. eine Dispersionskompensator-Faser, ein Verlaufs-Faser-Bragg-Gitter, eine Faser mit über die Länge abnehmender Dispersion, ein optischer Verstärker, ein Raman-Verstärker, ein optischer Schalter, ein optischer Impulskompressor oder irgendeine Kombination dieser Einrichtungen umfassen.
16 zeigt eine als optischer Multiplexer 1600 ausgelegte Vorrichtung. Die Vorrichtung multiplext mehrere erste optische Signale 1 in ein Datensignal 161 mit höherer Rate. Die Vorrichtung umfasst einen Multiplexer 160, einen Ausgangskanal 162 und mehrere optische Fasern 161. Die optischen Fasern 161 haben Längen, die so ausgelegt sind, dass die nichtlinearen optischen Einrichtungen 12 die ersten optischen Signale 1 in Datensignale 161 mit höherer Rate ohne Übersprechen multiplexen. Es ist vorzuziehen, dass der Taktgenerator 151 mit zumindest einem der ersten optischen Signale 1 unter Verwendung einer Verbindung 150, die ein Optokoppler sein kann, synchronisiert wird. Bei dem gezeigten Beispiel gibt der Taktgenerator 151 ein zweites optisches Signal 2 ab, das eine viermal größere Frequenz als die Frequenz des ersten optischen Signals 1 hat. Die Vorrichtung kann ferner einen Wellenlängen-Konverter für die Umwandlung der Wellenlänge eines oder mehrerer der ersten optischen Signale 1 umfassen.
17 zeigt eine als inverser Multiplexer 1700 ausgelegte Vorrichtung. Der inverse Multiplexer demultiplext ein erstes optisches Signal 1 in mehrere Datensignale 179 mit geringerer Rate, welche verschiedene Wellenlängen zur Übertragung über eine optische Wellenlängenmultiplex(WDM)-Übertragungsleitung 172 aufweist. Diese Anwendung hat Vorteile für das Demultiplexen eines 40 Gb/s-Signals in vier 10 Gb/s-Signale, die auf vier Wellenlängen-Kanälen in einem WDM-System arbeiten. Die optische Übertragungsleitung 172 kann zwischen 100 m und tausend Kilometern lang sein und kann mindestens einen optischen Verstärker 158 aufweisen. Die Demultiplexing-Stufe 1701 ist zu der in 15 gezeigten Vorrichtung ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Datensignale 179 mit geringerer Rate unterschiedliche Wellenlängen haben. Die Vorrichtung enthält demzufolge Wellenlängen-Konverter 170, die so ausgelegt sind, dass die Datensignale 179 mit geringeren Raten zueinander unterschiedliche Wellenlängen haben. Die Wellenlängen-Konverter werden als mit den zweiten optischen Fasern 154 verbunden dargestellt. Sie können auch mit den ersten optischen Fasern 153 oder den Filtern 21 verbunden werden. Alternativ können sie ein integraler Bestandteil der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 sein. Die Wellenlängen-Konverter 170 können einen Verstärker auf Halbleiterbasis, einen NOLM, eine dispersionsverschobene Faser, eine optische Faser, eine löchrige Faser oder eine Lithiumniobatvorrichtung umfassen.
Die Datensignale 179 mit geringeren Raten werden mit einem Multiplexer 171 in ein Wellenlängenmultiplex-Signal 178 gemultiplext, welches über eine optische Wellenlängenmultiplex-Übertragungsleitung 172 weitergeleitet wird.
Die auf die optische Übertragungsleitung 172 folgende Multiplexstufe 1702 ist ähnlich zu der Vorrichtung nach 16, mit der Ausnahme, dass sie einen Wellenlängendemultiplexer 173 aufweist, der die Datensignale 179 mit geringerer Rate demultiplext. Die Multiplexstufe 1702 kann gegen einen elektronischen Multiplexer ausgetauscht werden.
Der inverse Multiplexer 1700 kann Dispersionskompensatoren erforderlich machen, um die Gesamtgruppenverzögerungen zwischen den verschiedenen Wellenlängen-Kanälen auszugleichen, die sich über die optische Übertragungsleitung 172 verbreiten. Differentialverzögerungen können auch zwischen den verschiedenen Wellenlängen-Kanälen erforderlich sein, um das erste Signal 1 ordnungsgemäß an den Ausgang 162 neu aufzubauen. Die Differentialverzögerungen können eingeführt werden, indem große Sorgfalt bei den optischen Weglängen in den Demultiplexstufen 1701 und Multiplexstufen 1702 aufgewendet wird. Differentialverzögerungen können auch beim Empfänger elektronisch hinzugefügt werden, indem bei den erhaltenen Daten irgendeine Form von Mustererkennung verwendet wird.
18 zeigt eine Vorrichtung, die eine Steuerleitung 180 und einen Schalter 181 aufweist. Die Steuerleitung 180 kann eine optische Steuerleitung 180 sein, und der Schalter 181 kann ein optischer Schalter sein. Der Schalter 181 kann auch am ersten optischen Eingang 8 angeordnet oder mit dem Filter 21 verbunden sein. Die Vorrichtung ist für das Ein- und Ausschalten der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 sinnvoll und kann verwendet werden, um ein intelligentes Routing von optischen Signalen durch optische Telekommunikationsnetze zu ermöglichen. Die in 18 gezeigte Vorrichtung kann in einer beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung eingebaut werden, beispielsweise um zu einem optischen Netz Intelligenz hinzuzufügen.
19 zeigt eine als optischer Multiplexer 1900 mit Signalregenerationsfähigkeit ausgelegte Vorrichtung. Die Vorrichtung multiplext mehrere erste optische Signale 1 in ein Datensignal 193 mit höherer Rate und kann dazu dienen, sowohl Zeit- als auch Amplitudenfluktuationen bei den ersten optischen Signalen 1 zu mindern. Die Vorrichtung umfasst einen Multiplexer 190, der dazu dient, die eingehenden ersten optischen Signale 1 in ein Datensignal 191 mit höherer Rate ohne die Einführung substantiellen Übersprechens umzusetzen. Dies zuverlässig zu bewirken bedeutet, dass die einzelnen ersten optischen Signale 1 gegenseitig synchronisiert werden müssen und dass in einigen Fällen irgendeine Form dynamischer Steuerung möglicherweise erforderlich ist, um dies sicherzustellen. Der Multiplexer 190 kann eine Anordnung von optischen Faserkopplern oder ein planarer Lichtwellenkreis mit entsprechenden Verzögerungen für die verschiedenen optischen Weglängen durch das System sein. Es ist vorzuziehen, dass der Taktgenerator 151 mit mindestens einem der ersten optischen Signale unter Verwendung einer Verbindung 150, die ein Optokoppler sein kann, synchronisiert wird. Bei dem gezeigten Beispiel gibt der Taktgenerator 151 ein zweites optisches Signal 2 ab, das eine viermal größere Frequenz hat als die Frequenz des ersten optischen Signals 1. Das optische Signal 191 wird anschließend in ein hochfrequentes optisches Datensignal 192 umgewandelt, in dem die einzelnen Impulse die Zwischen-Impulsform 194 haben, die erforderlich ist, eine quadratische Schaltantwort aus der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 zu erhalten. Das optische Signal 192 wird anschließend in die nichtlineare optische Einrichtung 12 eingegeben. Das quadratische Zeitschaltfenster 159 der nichtlinearen optischen Einrichtung 12 und die nichtlineare intensitätsabhängige Übertragungsantwort 490 der nichtlinearen optischen Einrichtung (siehe 49) dienen dann dazu, etwaige Zeit- oder Amplitudenstörungen in Verbindung mit eingehenden Datensignalen 1 mit vergleichsweise niedrigerer Rate zu mindern, was ein weniger störungsbelastetes überlapptes Signal 193 bereitstellt.
20 zeigt eine als optischer Signalmultiplexer 2000 mit Signalregenerierungsfähigkeiten ausgelegte Vorrichtung. Die Vorrichtung multiplext mehrere erste optische Fasern 1 jeweils mit unterschiedlicher Wellenlänge (beispielsweise getrennte WDM-Kanäle) in ein Datensignal 193 mit höherer Rate und kann dazu dienen, bei den ersten optischen Signalen 1 sowohl Zeit- als auch Amplitudenfluktuationen zu mindern. Wellenlängen-Konverter 170 werden dazu verwendet, jedes der eingehenden Signale hinsichtlich der Wellenlänge umzuwandeln, um an dem Eingang zum Multiplexer 190, der dazu dient, die eingehenden ersten optischen Signale mit einem Datensignal 191 mit höherer Rate ohne Einführung wesentlichen Übersprechens zu verbinden, die gleiche Wellenlänge zu haben. Dies zuverlässig zu bewirken bedeutet, dass die einzelnen ersten optischen Signale 1 gegenseitig synchronisiert werden müssen und dass in einigen Fällen irgendeine Form dynamischer Steuerung möglicherweise erforderlich ist, um dies sicherzustellen. Der Multiplexer 190 kann eine Anordnung von optischen Faserkopplern sein oder ein planarer Lichtwellenkreis mit entsprechenden Verzögerungen für die verschiedenen optischen Weglängen durch das System. Es ist vorzuziehen, dass der Taktgenerator 151 mit mindestens einem der ersten optischen Signale 1 unter Verwendung einer Verbindung 150, die ein Optokoppler sein kann, synchronisiert wird. Bei dem gezeigten Beispiel gibt der Taktgenerator 151 ein zweites optisches Signal 2 ab, das eine viermal größere Frequenz hat als die Frequenz des ersten optischen Signals 1. Das optische Signal 191 wird anschließend in ein hochfrequentes optisches Datensignal 192 umgewandelt, in dem die einzelnen Impulse die Zwischen-Impulsform 179 haben, die erforderlich ist, eine quadratische Schaltantwort aus dem Schalter zu erhalten. Das optische Signal 192 wird anschließend in die nichtlineare optische Einrichtung 12 eingegeben. Das quadratische Zeitschaltfenster 195 der nichtlinearen Einrichtung 12 und die periodische nichtlineare intensitätsabhängige Übertragungsantwort 490 des Schalters (siehe 49) dienen dann dazu, etwaige Zeit- oder Amplitu denfluktuationen in Verbindung mit eingehenden Datensignalen 1 mit vergleichsweise niedrigerer Rate zu mindern, was ein weniger störungsbelastetes überlapptes Signal 193 bereitstellt.
Die folgenden Beispiele beschreiben den Einsatz von Überstruktur-Faser-Bragg-Gittern (SSFBGs) zur Umwandlung eines aktiv modusverriegelten 2,5 ps-Faser-Lasers, einer zuverlässigen Quelle von kurzen Impulsen einer genau definierten Solitonen-Form in rechteckige 20 ps-Impulse. Diese Impulse werden anschließend dazu verwendet, den Betrieb von zwei Arten von nichtlinearen Schaltern zu steuern. Rechteckige Schalt-Fenster hoher Qualität von ungefähr 15 bis 20 ps werden erhalten und stellen eine Zeitfluktuationstoleranz von +/– 7 ps, 15 ps in Schaltern, die sowohl auf dem Kerr-Effekt bei dispersionsverschobenen Fasern (DSF) als auch bei Vierwellenmischtechniken in einem Verstärker auf Halbleiterbasis (SOA) bereit.
Überstruktur-Faser-Bragg-Gitter (SSFBGs) können in Aussicht genommen und als Spektralfilter für steuerbare Phase und Amplitude verwendet werden. Der Ausdruck SSFBG bezieht sich auf ein Faser-Bragg-Gitter (FBG), dessen Brenungsindexprofil in der Amplitude oder in der Phase über seine Länge nicht gleichmäßig ist. Zur erleichterten Erörterung wird die folgende Diskussion auf die schwache Gittergrenze beschränkt, bei der die relativen Veränderungen ihres Brechungsindex gering genug sind, um es dem einfallenden Licht zu erlauben, über die volle Länge in die Vorrichtung einzudringen, so dass das gesamte Gitter in gleichem Maße zum reflektierten Signal beiträgt. Es sollte jedoch klar sein, dass aufgrund der neuesten Fortschritte bei Gitterkonstruktions-Algorithmen die allgemeinen nachstehend beschriebenen Grundsätze nunmehr ohne weiteres auf die hohe Reflektivität, non-Fourier-Konstruktionsgrenze, angewandt werden können – siehe beispielsweise R. Feced, M. N. Zervas und M. A. Muriel, "An effi cient inverse scatterin algorithm for the design of nonuniform fibre Bragg gratings", IEEE J. Quantum Electron., Band 35, Seiten 1105–1111, 1999. Bei einem schwachen SSFBG ergibt sich die Wellenvektorantwort F(k) durch die Fourier-Umwandlung des Spatial-Brechungsindex-Modulationsprofils A(x), das verwendet wird, um das Gitter zu schreiben, wobei K der Wellenvektor ist, der proportional zur Frequenz ω ist, d. h.
Die Impulsantwort h(t) eines Fasergitters ergibt sich durch die umgekehrte Fourier-Umwandlung seiner Frequenzantwort H(ω)
Diese Gleichung gilt für jedes Fasergitter, d. h. sowohl für schwache als auch für starke SSFBGs.
Daraus folgt, dass die Impulsantwort h(t) eines schwachen FBG ein Impuls mit dem gleichen temporalen Profil ist wie das spatiale Modulationsprofil A(x) des Gitters (mit einer entsprechenden Umwandlung vom Raum auf den Zeitrahmen über t = 2x·n/c, wobei n der Brechungsindex des Faserkerns ist). Die (reflektierte) optische Antwort y(t) des Gitters auf einen Impuls von finiter Zeitdauer x(t) ergibt sich durch die Faltung des Eingangssignals mit der Gitterimpulsantwort, d. h. y(t) = x(t)*h(t). (Gleichung 3)
Alternativ, wie in der Frequenzdomäne zum Ausdruck gebracht, ist das reflektierte Signal Y(ω) das Produkt des inzidenten Signals X(ω) mit H(ω) Y(ω) = X(ω)H(ω) (Gleichung 4)worin Y(ω) und X(ω) die Fourier-Umwandlungen von y(t) bzw. x(t) implizieren. So kann festgestellt werden, dass bei genau spezifizierten Eingangs- und Soll-Ausgangs-Impulsformen die Möglichkeit besteht (vorbehaltlich der üblichen Kausalitätsgesetze und der Einschränkungen der Faser-Bragg-Gitter-FBG-Technologie), ein FBG so zu konstruieren und herzustellen, dass der erforderliche Vorgang des Formens geleistet wird. SSFBGs sind für viele Impulsform-Anwendungen deshalb attraktiv, weil sie sämtliche Vorteile in Verbindung mit Faserkomponenten, wie z. B. mühelose Integration in Fasersysteme und geringe Kopplungsverluste, bieten. Darüber hinaus sind sie potentiell preiswerte Vorrichtungen.
Fortschritte bei der Herstellung von FBGs erlauben es nunmehr, Gitter mit wirklich komplizierten Amplituden- und Phasencharakteristika herzustellen, die das Potential und den Anwendungsbereich dieses Ansatzes wesentlich erweitern.
Die folgenden Experimente zeigen die Herstellung und Nutzung einer wirklich komplizierten Überstruktur-Gitteranordnung, die dazu bestimmt ist, kurze optische Impulse (2,5 ps bei 10 GHz) in einen entsprechenden Zug von 20 ps-Rechteckimpulsen umzuwandeln. Die erzielten Ergebnisse unterstreichen die Qualität der "kontinuierlichen Gitterschreibtechnik" und etablieren die Überstrukturtechnik als ein einsetzbares Mittel zur Erreichung eines breiteren Fächers von Impulsformungsfunktionen, als dies im Allgemeinen vorher als technologisch machbar betrachtet wurde.
Es wird auf die 22 und 23 Bezug genommen. Da die Impulsformung, die durch das Gitter 11 bereitgestellt wird, ein rein passiver Filterprozess ist, ist es notwendig, eine gut definierte Eingangs-Impulsform 230 bereitzustellen, um zu filtern und entsprechend zuverlässig umzuformen. Bei der fol genden Erörterung bezieht sich "Eingangsimpulse" auf die zweiten Signalimpulse 4, und "Ausgangsimpulse, Sollimpulse und Ausgangswellenformen" bezieht sich auf die Zwischen-Impulse 13. Eingangsimpulse wurden unter Verwendung eines aktiv modusverriegelten erbiumdotierten Faserringlasers erzeugt, der eine anormal dispersive Faser enthielt, die aufgrund ihres Funktionsprinzips auf natürliche Weise optische Solitonen hoher Qualität erzeugt. Die Soll-Ausgangswellenform 231 war ein Rechteckimpuls mit 20 ps Dauer. Diese bestimmte Impulsdauer wurde gewählt, um sicherzustellen, dass eine adäquate Anzahl von spektralen Features im Bereich der durch die Eingabe-Impulsform 230 und die SSFBG-Reflektivitäts-Bandbreite definierten verfügbaren finiten Spektralbandbreite vorgesehen werden konnte. (Die Eingangs-Impulsdauer betrug 2,5 ps (volle Breite bei halber Höhe – FWHM) und die SSFBG-Bandbreite wurde auf 6 nm eingeschränkt, was die –40 dB-Spektral-Bandbreite für solche Impulse darstellt).
22 zeigt das Eingabe-Impulsspektrum 220 und das Ausgabe-Impulsspektrum 221 in Verbindung mit der Wahl von Eingangs- und Ausgangs-Impulsformen 230, 231. Das Spektrum eines idealisierten Rechteckimpulses ist eine Sinc-Funktion, welche "lobed Features" alternierender optischer Phasen aufweist. Für die besondere Wahl der relativen Impulsdauern können 13 Spektral-Lobes innerhalb der verfügbaren spektralen Bandbreite von 6 nm untergebracht werden. Durch Sicherung einer signifikanten Anzahl von Features (und damit verbundener Breitband-Spektral-Komponenten) können schnelle Anstiegszeiten 232 und Abfallzeiten 233 an dem Ausgangsimpuls 231 erhalten werden. Das spektrale Abschneiden führt zur Entwicklung einer "Ringing-Struktur" 234 in der Nähe der rechteckigen Impulskanten in der Zeitdomäne (Gibbsches Phänomen). Die Konstruktion des Gitters 11 versucht, diese Effekte zu minimieren, indem unter Verwendung eines Gauß'schen Profils das Ausgangsspektrum 221 apodisiert wird, so dass das angestrebte Signal spektrum 221 der folgenden mathematischen Spezifikation folgt:
Der Faktor p in dieser Gleichung bestimmt die Spektralbreite, und diese wurde in diesem Fall auf 9,87 THz^–1 eingestellt. Der Preis der Einführung der Apodisierung ist eine leichte Zunahme bei den Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse 232, 233. Der Apodisierungsfaktor a wurde ziemlich klein gehalten, nämlich bei 0,55 THz^–1, um einen zufriedenstellenden Ausgleich zwischen den beiden unerwünschten Effekten zu erzielen. Die 10–90% Anstiegs-/Abfallzeiten des Soll-Impulses 231 waren 1,6 ps, und die relative Tiefe der Welligkeit 235, wie in 23 gezeigt, betrug 0,03. Die entsprechenden Zahlen für nicht-apodisierte Impulse sind Anstiegs-/Abfallzeiten von 1,0 ps und eine relative Tiefe der Welligkeit von 0,24. Anzumerken ist, dass wir die relative Tiefe der Welligkeit als das Verhältnis der Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Intensitätspunkten der Welligkeit an der Spitze der Rechteckimpulse 231 zur maximalen Intensität der Impulse definieren.
Wenn das Eingangssignal ein Impuls wäre, dann wären das Modulationsprofil des SSFBG und das temporale Profil des Ausgangssignals identisch. Wegen der finiten Dauer der Eingangsimpulse 230 müssen jedoch sowohl die Formen des Sollsignals 231 y(t) (oder Y(ω)) und des Eingangssignals 230 x(t) (oder X(ω)) während des Prozesses der Konstruktion des SSFBG Berücksichtigung finden. Die erforderliche Antwort des Gitters 11 in der Frequenzdomäne H(ω) kann aus Gleichung 4 als Quotient des (gewünschten) Ausgangsfrequenzspektrums 221 Y(ω) zum Eingangsfrequenzspektrums 220 der idealen Solitonen-Impulse 230 X(ω) berechnet werden. Ein Diagramm der gewünschten Reflektivitätsantwort 240 wird in 24 durch die gestrichelte Linie gezeigt. Die entsprechende Brechungsindex-Überstruktur 250 des Gitters 11, die erforderlich ist, um die Antwort 240 zu erreichen, wird durch Umkehrung der Gleichung 1 erhalten und in 25 gezeigt. Die detaillierte Struktur der gewünschten Reflektivitätsantwort 240 unterstreicht die erforderliche Präzision des Prozesses des Schreibens des Gitters. Anzumerken ist, dass die Bereiche des negativ induzierten Index 251 dadurch erreicht werden, dass zusätzliche diskrete positive und negative Phasenverschiebungen 241, 242 in die Struktur 250 eingesetzt werden, so dass eine positive Indexveränderung ausgehend vom Basislinienlevel über die gesamte Länge des Gitters 11 genutzt werden kann – siehe beispielsweise M. Ibsen, M. K. Durkin, M. J. Cole und R. I. Laming, "Optimised rectangular passband fibre Bragg grating filter with in-band flat group delay response", Electron. Lett., Band 34, Seiten 800–802, 1998. Die Länge des Gitters in der Zeitdomäne war t = 100 ps entsprechend einer Gitterlänge von 0,5·t·c/n = 10,3 mm.
Die Sensibilität des Formungsprozesses gegenüber einer Reihe von nicht idealen optischen Erregungszuständen und Mängeln bei der Gitterherstellung wurde anschließend numerisch getestet. Unter nicht ideal versteht man bestimmte Abweichungen von der konstruierten Eingangs-Impulsform 230.
Zunächst wurde die Wirkung der Verwendung von Impulsen mit einer Solitonen-Impulsform, jedoch mit einer von der für die SSFBG-Konstruktion 250 verwendeten Dauer abweichenden Dauer ermittelt. 27 zeigt die Intensität 271, 272, 273 für Solitonen-Impulse mit Breiten von 2,0 ps, 2,3 ps bzw. 3,0 ps. Die gestrichelte Linie ist die Intensität 231, die für die Intensität des anhand von 23 beschriebenen 2,5 ps-Solitonen-Impulseingangs charakteristisch ist. Die Analyse zeigte, dass kleine (+/– 20%) Abweichungen der Impulsbreite von den idealen 2,5 ps die Abwägung zwischen der Intensität der Welligkeit und den Anstiegs-/Abfallzeiten beeinflusste.
Insbesondere wird die Ringing-Struktur auf den gefilterten Impulse bei kürzeren Impulsen dominanter wird, während bei breiteren Impulsen die ansteigenden und abfallenden Kanten der Ausgangsimpulse weniger scharf werden, und sie beginnen ihre "Flat-top"-Eigenschaft zu verlieren. Dieses Verhalten kann dadurch verstanden werden, dass die Signale in der Frequenzdomäne visualisiert werden. Das Ergebnis der Verwendung kürzerer Impulse, die eine größere Bandbreite aufweisen, ist eine teilweise Aufhebung der Aposidierung. Analog erzwingt die Verwendung breiterer Impulse, die eine geringere Bandbreite aufweisen, eine zusätzliche Apodisierung der Ausgangsimpulse.
Zweitens wurde die Verwendung von Impulsen mit der gewünschten Breite, jedoch mit Impulsformen, die signifikant von der gewünschten "Transform limited"-Solitonen-Form 230 abweichen, ermittelt. Die zur Erzeugung der in 28 gezeigten Antworten verwendeten Impulse entsprechen linear gechirpten 2,5 ps-Solitonen-Impulsen mit einem unterschiedlichen Chirp-Parameter C entsprechend der nachstehenden Definition:
worin ΔT die volle Breite bei halber Höhe FWHM der Impulse ist. 28 zeigt die Ausgangsimpulse 281, 282, 283 entsprechend den gechirpten 2,5 ps-Solitonen-Impulsen mit C = 0,1, TBP = 0,342, C = 0,2, TBP = 0,420 und C = 0,45 bzw. TBP = 0,518. Die gestrichelte Linie ist die Intensität 231, die für die anhand von 23 beschriebene Intensität des 2,5 ps-Solitonen-Impulseingangs charakteristisch ist. Die Leistung des Filters wurde als angemessen gut bei relativ geringen Chirp-Werten (C ≤ 0,1) festgestellt, bei extremeren Chirps wird jedoch die Impulsdeformation stärker, und es beginnen sich an den ansteigenden und abfallenden Kanten Spitzen zu entwickeln.
29 zeigt die Ausgangsimpulse 291, 292, die "Transformlimited" Gauß'schen Eingangsimpulsen mit Breiten von 2,5 ps bzw. 3,55 ps entsprechen. Die gestrichelte Linie ist die Intensität 231, die für die anhand von 23 beschriebene Intensität des 2,5 ps-Solitonen-Impulseingangs charakteristisch ist. Gauß'sche Impulse sind durch ein im Vergleich zu den Solitonen-Impulsen der gleichen FWHM breiteres Spektrum gekennzeichnet. Bei 2,5 ps-Gauß'schen Eingangsimpulsen ist die Deformation des gefilterten Ausgangs recht signifikant und ist gekennzeichnet durch die Ausbildung scharfer Spitzen an den Impulskanten. Dagegen ähnelt die Antwort 292 sehr weitgehend dem idealisierten Fall 231, wo Gauß'sche Impulse mit der gleichen 3 dB-Spektralbreite wie bei einem 2,5 ps-Solitonen verwendet werden: Die Impulsdauer ist in diesem Fall 3,55 ps. Dies ist bei den Anstiegs- und Abfallzeiten jedoch ein leichter Kompromiss, und die Impulse zeigen in der Nähe der Kanten leichte Spitzen.
Das bei der Analyse verwendete SSFBG hatte eine zentrale reflektierende Wellenlänge von 1550 nm. 30 zeigt die Auswirkung einer Fehlanpassung zwischen der zentralen Wellenlänge des SSFBG im Vergleich zu derjenigen der eintreffenden 2,5 ps-Solitonen-Impulse. Der Impuls 301 entspricht einer Fehlanpassung von 0,4 nm, Impuls 302 entspricht einer Fehlanpassung von 0,7 nm, und Impuls 303 entspricht einer Fehlanpassung von 1,4 nm. Die gestrichelte Linie ist die Intensität 231, die für die anhand von 23 beschriebene Intensität des 2,5 ps-Solitonen-Impulseingangs, d. h. ohne Wellenlängenfehlanpassung, charakteristisch ist. Eine signifikante Verzerrung der Impulse wird nur evident für Wellenlängenfehlanpassungen größer als ~0,3 nm und manifestiert sich wiederum als Ausbildung dominanter Spitzen an den Impulskanten. Darüber hinaus geht die Intensität des mittleren Teils des Impulses zurück. Bei Fällen extremerer Fehlanpassungen (beispielsweise 1,5 nm) ist die Spitzenbildung so stark ausgeprägt, dass die reflektierte Wellenform sich effektiv in zwei getrennte Impulse aufteilt. Es ist demzufolge vorzuziehen, dass die Fehlanpassung bei einem SSFBG mit einer zentralen reflektierenden Wellenlänge im Bereich von ca. 1500 nm bis ca. 1650 nm weniger als 0,3 nm beträgt.
Schließlich wurde die Wirkung, die potentielle Mängel in der SSFBG-Struktur auf die Formungswirkung haben könnte, numerisch geprüft. Gittermängel können entweder aufgrund von Fehlern in Verbindung mit der UV-Exposition selbst (beispielsweise Laserleistungsschwankungen, Phasenmaskenfehler) oder aus kleinen Schwankungen des Faserkerndurchmessers entstehen. Solche Mängel zeigen sich in der komplexen SSFBG-Überstrukturfunktion sowohl als Phasen- als auch als Amplitudenfehler. Es ist schwierig, den Beitrag dieser Mängel zuverlässig zu schätzen. Um jedoch einen Einblick zu gewinnen, wurde ihre Wirkung dadurch simuliert, dass Störungen (sowohl bei der Phase als auch bei der Amplitude) beim SSFBG-Brechungsindex-Profil 250 eingeführt wurden. Für die Zwecke der Berechnungen wurde angenommen, dass die Phasen- und Amplitudenstörung voneinander unabhängig war und dass sie vorbehaltlich einer normalen Verteilung mit genau definiertem Mittelwert und Varianz zufallsbedingt über die Gitterlänge verteilt war. Die lokalen Werte der idealen Gitter-Überstrukturfunktion 250 wurden mathematisch modifiziert durch:
worin A₀(x) die ideale Überstrukturfunktion ist und n₁(x) und n₂(x) jeweils die zufallsbedingten Amplituden- und Phasenstörparameter sind. Die temporalen Formen von zwei Fällen verzerrter Impulse 321, 322 werden in 32 gezeigt, bei der die Störung aus einer computergenerierten Störfunktion hinzugefügt wurde. Der Wert des Phasenstörparameters n₂(x), der für die beiden Impulse 321, 322 verwendet wurde, hatte einen Mittelwert von 0 und eine Standardabweichung von 0,04, wogegen der Amplitudenstörung n₁(x) für beide Impulse 321, 322 ein Mittelwert von 1 und eine Standardabweichung von 0,02 zugeordnet wurde. Anzumerken ist, dass diese Werte der Standardabweichung als für ein so kurzes FBG und die verwendete "kontinuierliche Gitterschreibtechnik" als extrem groß betrachtet werden sollten. Aber selbst mit einer so großen Störungshinzufügung kann jedoch gesehen werden, dass deren Wirkungen nach wie vor irgendwo minimal sind, was weiter die Robustheit der Formungswirkung bestätigt.
Bei der Prüfung der verschiedenen in den 27 bis 30 und 32 dargestellten Graphiken wird klar, dass der Formungsmechanismus angemessen robust und gegenüber den präzisen Impulserregungsparametern oder kleinen Abweichungen bei dem Design der Gitter nicht besonders empfindlich ist. In der Tat liegen alle geschätzten Toleranzen durchaus innerhalb mühelos erreichbarer experimenteller Grenzen, wie nachstehend bewiesen wird.
Die verwendete Versuchsanordnung wird in 31 gezeigt. Ein sämtliche Polarisierungen haltender harmonisch modusverriegelter Erbium-Faser-Ringlaser EFRL 310, der mit einer Wiederholungsrate von 10 GHz arbeitet, wurde verwendet, um 2,5 ps-Solitonen-Impulse 317 zu erzeugen, die durch einen Spektrumanalysator 311 über einen Koppler 316 überwacht werden konnten. Das Gitter 11 war ein hinsichtlich der Verzerrung abstimmbares SSFBG 315, das über einen Zirkulator 312 reflektierte Impulse 318 ausgab. Diese wurden durch einen erbiumdotierten Faserverstärker (EDFA) 313 verstärkt, um einen geformten Ausgang 314 herzustellen. Hinsichtlich weiterer Details der Konstruktion des EFRL siehe B. C. Thomsen, P. Petropoulos, H. L. Offerhaus, D. J. Richardson und J. D. Harvey, "Characterization of a 10 GHz harmonically mode-locked erbium fibre ring laser using second harmonic generation frequency resolved optical gating", Technical Digest CLEO '99, Baltimore, 23.–28. Mai 1999, Papier CtuJS. Die zentrale Wellenlän ge des Lasers 310 konnte durch die Verwendung eines (nicht gezeigten) Intracavity-Bandpassfilters eingestellt werden. Der Einsatz der 33 zeigt das optische Spektrum 330 der Impulse – diese weisen eine 3 dB-Bandbreite von 1,0 nm auf. Das Eingangsspektrum besteht aus diskreten, im Wesentlichen unendlich engen Spektrallinien 331, welche durch ca. 0,08 nm entsprechend der Signalwiederholungsrate getrennt werden – diese Linien werden in diesem hochauflösenden Scan (Auflösung: ungefähr 25 pm) klar aufgelöst. Die entsprechende Autokorrelationsspur der Eingangsimpulse wird in 34 gezeigt, welche die gemessene Autokorrelationsspur 341 der 2,5 ps-Solitonen-Impulse 317, die gemessene Autokorrelationsspur 342 der reflektierten Impulse 318 mit der berechneten Autokorrelationsfunktion 343 (gestrichelte Linie) der Rechteckimpulse 231 vergleicht. Es ist zu sehen, dass die Solitonen-Impulse eine FWHM von 2,5 ps haben. Dies ergibt ein geschätztes Zeitbandbreitenprodukt (TBP) von ungefähr 0,32, was das Vertrauen ergibt, dass die Impulse in der Tat in der Nähe von in der "transform limited" Solitonen liegen. Die Impulse wurden durch eine kurze Länge von Fasern über einen optischen 3-Kanal-Zirkulator 312 auf den SSFBG 315 geworfen. Die daraus resultierenden Impulsformungs-Effekte wurden nach Reflexion aus dem SSFBG 315 in dem Zirkulator-Ausgangskanal auf den Zeit- und Frequenzdomänen geprüft. Das SSFBG 315 wurde auf einem Gestell montiert, um ein feines Abstimmen der Verzerrung seiner zentralen Wellenlänge relativ zu derjenigen des Lasers 310 zu erlauben. Das SSFBG 315 wurde in einer 0,12 NA-Germanosilikatfaser mit einer 100 mW-, 244 nm-CW-UV-Quelle unter Verwendung der "kontinuierlichen Gitterherstellungstechik", wie im US-Patent 6.072.926 beschrieben, geschrieben. Die Herstellungstechnik schreibt in der Tat Gitterebene für Gitterebene, und die Apodisierung wird dadurch erhalten, dass eine Gitterperiode hinsichtlich der jeweils nächsten versetzt wird oder in anderen Worten durch Auffüllung der Lücken zwischen den Gitterebenen, um in der Tat die Indextiefe n zu mindern und gleichzeitig den durchschnittlichen Brechungsin dex n_ave konstant zu halten. Um eine vollständige Kontrolle der Apodisierung zu erhalten, wurden die Gitter in der Weise hergestellt, bei der der Index sich mit der Dosis in linearer Weise ändert. Ein Interferometer wird verwendet, um die Position der Faser während des Schreibens zu überwachen und damit sicherzustellen, dass die einzelnen Gitterebenen mit einer Positionsgenauigkeit von ungefähr 1,0 nm geschrieben werden. Die Spitzenreflektivität der Gitter wurde relativ niedrig gehalten (ungefähr 10%), um sicherzustellen, dass der Betrieb innerhalb der Fourier-Grenze stattfindet. Auf der Grundlage dieser Zahl wurde die Energieeffizienz des gesamten Impulsformungs-Systems mit ungefähr 3,5% berechnet. Eine Graphik der Amplituden- und Zeitverzögerungsreaktion 243, 260 des resultierenden SSFBG 315 wird in den 24 bzw. 26 wie mit einem optischen Netzwerk-Analysator gemessen gezeigt. In 24 zeigt die gestrichelte Linie die berechnete Spektralantwort 240 der konstruierten Struktur. Die Übereinstimmung mit der experimentell gemessenen Amplitudenantwort 243 wird als exzellent festgestellt. Direkte Evidenz der diskreten Phasensprünge zwischen den einzelnen Reflektivitäts-Lobes des Gitters ergibt sich aus der Beobachtung scharfer Features in der Zeitverzögerungsantwort 260 an den Lobe-Kanten, wie in 26 zu sehen ist. Die Flachheit der Zeitverzögerungsantwort 260 innerhalb des Lobe-Passbandes wurde zwar begrenzt durch Systemmessung Störungen/Auflösung, liefert jedoch gleichwohl einen guten Hinweis auf eine einheitliche Phasenantwort über den Hauptkörper der einzelnen Lobes, wie dies gewünscht wird.
Das gemessene Leistungsspektrum 332 der reflektierten Impulse 318 wird in 33 gezeigt. Dies wird mit dem aufgrund des Konstruktionsverfahrens erwarteten einzelnen Rechteckimpulses 231 verglichen. Es besteht eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Grenzbereichen der beiden Spektren sogar bei Werten von ca. 25 dB unterhalb der Hauptspektralspitze. (Die getrennten Spektrallinien der experimentellen Spur ergeben sich aus der hohen Wiederholungsrate des Signals, die bei der berechneten Filterantwort nicht berücksichtigt wurden und ohne weiteres von dem Spektrumanalysator aufgelöst werden). Die temporale Form der reflektierten Impulse 18 wurde ursprünglich unter Verwendung eines Autokorrelators evaluiert. Die Intensitäts-Autokorrelations-Funktion eines Rechteckimpulses der Dauer T ist ein Dreieckimpuls mit der Gesamtdauer 2T. 34 zeigt die gemessene Autokorrelationsspur 342 der reflektierten Impulse 318, die berechnete Autokorrelationsfunktion 343 der Soll-Wellenform 318 und eine Autokorrelationsspur 341 der Eingangsimpulse 317. Die Formungswirkung des SSFBG ist leicht zu sehen. Die volle Breite der dreieckigen Autokorrelationsfunktion 342 beträgt wie bei einer 20 ps-Impulsform erwartet ca. 40 ps.
Um die Qualität der Formung unmittelbarer festzustellen, wurden Messungen unter Verwendung eines optischen Abtastoszillografen durchgeführt. Das System verwendete einen Elektroabsorptionsmodulator und eine elektronisch angetriebene Verzögerungsschaltung, um das optische Signal zu verzögerten Zeitpunkten relativ zu dem festgesetzten RF-Antrieb an den Laser abzutasten – hinsichtlich einer umfassenderen Erklärung dieser Technik siehe A. D. Ellis, J. K. Lucek, D. Pitcher, D. G. Moodie und D. Cotter, "Full 10 × 10 Gbit/s OTDM data generation and demultiplexing using eleoctroabsorption modulators", Electron. Lett., Band 34, Seiten 1766–1767, 1998.
35 zeigt gemessene Spuren 350 des optischen Abtastoszillografen der Eingangsimpulse 317, und 36 zeigt gemessene Spuren des optischen Abtastoszillografen 360 der reflektierten Impulse 318. Die Auflösung des Oszillografen betrug ca. 7 ps, wie durch Messungen der in 35 gezeigten inzidenten 2,5 ps-Impulsformen bestimmt wurde. Die Messungen zeigen, dass der reflektierte Impuls 318 eine im Wesentlichen rechteckige Impulsform hat. Eine genaue Schätzung der Anstiegs- und Abfahlzeiten des Impulses wird durch die temporale 7 ps- Auflösung des Messgerätes begrenzt. Es scheint eine leichte Amplitudenschwankung (ca. 5–10%) über die Spitze der Impulse 360 zu geben. In diesem Stadium ist noch nicht klar, ob diese Schwankung auf Gitterungenauigkeiten beruht oder ein Werkzeug der optischen Abtasteinstellung ist. Jedoch wird die Erreichung der Hauptziele des Formungsvorgangs, d. h. die Erzeugung einer fast flachen Oberfläche und scharfer Kanten eindeutig nachgewiesen.
Bei zusätzlichen Versuchen wurde die zentrale Wellenlänge des Lasers 310 im Vergleich zu der des SSFBG 315 verdrosselt, und das gefilterte Signal 318 wurde unter Verwendung des optischen Abtastoszillografen und eines optischen Spektrumanalysators diagnostiziert. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in 37, welche die gemessenen Leistungsspektren 370, 371 für Wellenlängenfehlanpassungen von 0,4 nm bzw. 1,4 nm zeigt, und in 38, die die Spuren 380, 381 des optischen Abtastoszillografen für die Wellenlängenfehlanpassungen von 0,4 nm bzw. 1,4 nm zeigt, zusammengefasst. Die in den 37 und 38 gezeigten Ergebnisse sollten mit den in 30 vorgestellten numerischen Berechnungen verglichen werden (natürlich unter Berücksichtigung der eingeschränkten Auflösung des optischen Oszillografen). Die beiden in den 37 und 38 gezeigten Fälle gelten für ein Eingangssignal mit einer zentralen Wellenlänge von 0,4 bzw. in 1,4 nm Entfernung von der zentralen Wellenlänge des SSFBG 315. In beiden Fällen waren die Eingangsimpulse 317 "transform limited" Solitonen von 2,5 ps Dauer. Das allgemeine in 30 vorhergesagte Verhalten wird hier bestätigt, wobei der zentrale Teil des Impulses so lange abnimmt, bis sich der Impuls in zwei Teile aufteilt.
Es wird auf 31 Bezug genommen. Bit-Fehlerraten(BER)-Messungen wurden bei 10 Gbit/s unter Verwendung der Rechteckimpulse 318 durchgeführt. Bei diesen Messungen wurde der Laser 310 bei der zentralen Wellenlänge des SSFBG 315 betrieben und ergab "transform limited" 2,5 ps-Solitonen-Impulse 317.
Das 10 GHz-Lasersignal 317 wurde unter Verwendung einer 2³¹-1-Pseudorandum-Bit-Sequenz moduliert, bevor es an das SSFBG 315 angekoppelt wurde. Das reflektierte Signal 318 wurde unter Verwendung eines handelsüblichen 10 Gbit/s-RZ-Fotoempfängers detektiert und in den BER-Tester eingespeist. Die BER-Messungen werden in 39 zusammengefasst. Die Kurve 391 zeigt die BER-Messungen unter Verwendung der Rechteckimpulse 318, und die Kurve 392 zeigt die BER-Messungen, die mit den Solitonen-Impulsen 317 durchgeführt wurden, ohne die Solitonen-Impulse 317 durch das SSFBG 315 zu leiten (sogenannte Back-to-Back-Messungen). Die Ergebnisse zeigen an, dass im Wesentlichen fehlerfreier Betrieb ohne weiteres bis hinunter zum Bereich 10^–11 mit lediglich einem geringen (< 0,5 dB) Leistungsnachteil relativ zu den Back-to-Back-Messungen erzielt wurde.
Die Nützlichkeit der Produktion der Impulsumwandlung von Solitonen in Rechteckimpulse mit hoher Qualität unter Verwendung der Reflexion aus einer komplexen Gitter-Überstruktur mit entsprechend ausgelegter Amplituden- und Phasenantwort wurde klar nachgewiesen, und die erreichte Leistung stimmt gut mit der Theorie überein. Darüber hinaus ist die Toleranz der vorgeschlagenen Anordnung hinsichtlich verschiedener nicht-idealer Erregungsbedingungen und hinsichtlich zufälliger Fehler beim Schreiben der Gitter bezüglich der beiden Kriterien als angemessen robust nachgewiesen. Die Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit fortschrittlicher Gitterschreibtechnologie zum Einsatz in Impulsformungs-Anwendungen auf dem Gebiet der Kommunikationssysteme.
Die in 40 gezeigte Versuchsanordnung wurde zur Demonstration des Einsatzes des oben beschriebenen SSFBG 315 bei nichtlinearen Schaltanwendungen verwendet. Die Anordnung umfasst den regenerativen modusverriegelten 2,5 ps-10 GHz-Erbium-Faser-Ringlaser (EFRL) 310, 50:50-Koppler 401, erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA) 405, einen durch einen Mustergenerator 404 angetriebenen Modulator 403, einen Zirkulator 406, ein Gitter 305, Polarisierungscontroller 407, 1 km dispersionsverschobene Faser 408 mit einer Nulldispersions-Wellenlänge von 1550 nm, 1 km dispersionsverschobene Faser 409 mit einer Nulldispersions-Wellenlänge von 1554 nm, einen Ausgangskanal 410, Diagnosen 411, eine abstimmbare Verzögerungsleitung 412 und einen kontinuierlichen Wellenlaser 413.
Die 2,5 ps-10 GHz-Solitonen 317 aus dem EFRL 310 hatten eine Wellenlänge von 1557 nm. Die Solitonen 317 wurden in einen ersten und einen zweiten Kanal 415 und 416 aufgetrennt. Der erste Kanal wurde durch den von dem 1 bis 10 GHz-Mustergenerator angetriebenen Modulator 403 moduliert, um eine Pseudorandom-Datensequenz 417 der 2,5 ps-Impulse bei 2,5 Gbit/s bereitzustellen. Diese Impulse wurden anschließend in das Impulsformungs-SSFBG 315 eingespeist, welches mit dem korrekten Phasen- und Amplituden-Reflektivitätsprofil hergestellt wurde, um die 2,5 ps-Solitonen in 20 ps-Rechteckimpulse 418 umzuwandeln.
Der zweite Kanal 416 wurde zunächst verstärkt und anschließend in den Steuereingang eines Doppel-Wellenlängen-NOLM 419, der als ein Wellenlängen-Konverter verwendet wurde, eingespeist. Der NOLM 419 umfasste eine 1 km lange dispersionsverschobene Faser DSF 408 mit einer Nulldispersions-Wellenlänge von λ₀ = 1550 nm. Der NOLM 419 wirkte als nichtlinearer Schalter, der den Ausgang des bei 1544 nm arbeitenden Lasers 413 mit kontinuierlichen Wellen DFB ermöglichte, um unter Verwendung der 1557 nm-Steuerimpulse 317 moduliert zu werden. Durch entsprechendes Einstellen des Verlustes und der Polarisierung von Licht innerhalb des NOLM 419 und Herausfiltern der 1557 nm-Steuerimpulse am Ausgang des NOLM 419 wurde eine 10 GHz-Serie hochqualitativer, 3,5 ps-Impulse 420 bei 1544 nm erhalten. Wichtig ist, dass bei dieser Demonstration die genannte wellenlängenverschobene 10 GHz-Impulsserie 420 mit dem innerhalb des ersten Kanals 415 generierten 2,5 Gbit/s-Datenstrom 418 synchronisiert wurde.
41 zeigt die gemessenen dreieckigen Autokorrelationsprofile 4100, 4111, 4112 der Impulse 418, 417 bzw. 420. 42 zeigt die optischen Spektren 4200, 4210 der Impulse 418 bzw. 420. Nach dem Generieren dieser beiden synchronisierten Impulsströme 418 und 420 bei zwei verschiedenen Wellenlängen und zwei verschiedenen Impuls-Wiederholungsfrequenzen wurden die Eigenschaften des NOLM 421 gemessen, wenn diese durch die 2,5 Gbit/s-20 ps-1557 nm-Rechteckimpulse 418 bzw. die 2,5 ps-1557 nm-Solitonen-Impulse 317 gesteuert wurden (d. h. mit dem SSFBG 315 bzw. ohne dem SSFBG 315).
Bei bestimmten Implementierungen des fluktuationstoleranten Schalters ist es erforderlich, den Polarisierungszustand der auf den SSFBG 315 inzidenten Impulse zu steuern, da es möglich ist, eine andere Impulsantwort bei rechtwinkeligen Polarisierungskomponenten zu erhalten, wenn die für die Herstellung des SSFBG verwendete Faser doppelbrechend ist (entweder inhärent oder aufgrund des Gitterschreibprozesses), und dies kann die Leistung des Schalters verschlechtern. Üblicherweise wird dies dadurch erreicht, dass ein Polarisierungscontroller irgendwo in der optischen Weglänge des SSFBG 315 platziert wird. Weiter ist anzumerken, dass häufig die Reaktion des nichtlinearen Schalters selbst polarisierungsabhängig ist. In bestimmten Fällen ist es wünschenswert, dass die Signale 1 und 2 (hier durch die Signale 418 und 420 dargestellt) kopolarisiert werden, wenn sie auf den Schalter auftreffen, in anderen Fällen ist es vorzuziehen, dass sie kreuzpolarisiert werden. Ferner können zusätzliche Polarisierungscontroller im Schaltkreis erforderlich sein, um sicherzustellen, dass eine geeignete Polarisierungsanpassung erreicht werden kann.
49 zeigt die Übertragungseigenschaften 490 einer typischen faserbasierten nichtlinearen optischen Vorrichtung als Funktion der Spitzenintensität des Steuersignals, das das Schalten steuert. Die Eigenschaft 490 hat eine nichtlineare Intensitäts-Übertragungs-Antwort mit einem ersten Betriebsbereich 491, über den sich die Übertragung bei Spitzenintensität wenig ändert, und einen Betriebsbereich 492, bei dem die Übertragung bei einem substantiellen Spitzenintensitätsbereich niedrig bleibt. Eine solche Eigenschaft kann Amplituden-Störungs-Unterdrückung und optische Schwellenwertbildung bieten, wenn sie als nichtlineare optische Einrichtung 12 genutzt wird, dies insbesondere dann, wenn ein Rechteck-Steuerimpuls benutzt wird, der die nichtlineare optische Einrichtung 12 zwischen den ersten und zweiten Betriebsbereichen 491 und 492 betreibt.
Der erste geprüfte Schalter war der Doppel-Wellenlängen-NOLM 421. In diesem Fall war jedoch nun das Steuersignal ein datenmoduliertes Signal 417, und das zu schaltende Signal war eine 10 GHz-Serie von optischen 3,5 ps-1544 nm-Impulsen 420. Das System arbeitete also in diesem Fall als ein rein optischer Modulator in dieser Konfiguration und der bequemlichkeitshalber manchmal als M-NOLM bezeichnet wird. Anzumerken ist, dass durch Umkehrung der Eingangs- und Steuersignale 417 und 420 das System so neu ausgelegt werden kann, dass es als ein rein optischer Demultiplexer arbeitet. Die 1544 nm-Impulsserie 420, die auf den Schalter auftrifft, wurde zunächst durch eine abstimmbare Verzögerungsleitung 412 geleitet, um die relative Ankunftszeit der 1544 nm-Impulse 420 relativ zu den Rechteck-Steuerimpulsen 418 anpassen zu können. Durch Anpassen und Messen dieser relativen Ankunftszeitverzögerung und Überwachung des Schleifenausgangs 410 bei 1544 nm (wegen einer geeigneten Steuerimpulsleistung) war es möglich, das Schalt-Fenster der Vorrichtung zu ermitteln und seine Empfindlichkeit gegenüber Zeitfluktuationen festzustellen.
43 zeigt das theoretisch vorausgesagte Schalt-Fenster 430 und das experimentell beobachtete Schalt-Fenster 432 des durch die 20 ps-Rechteckimpulse 418 getriebenen NOLM 421. Diese werden mit dem theoretisch vorhergesagten Schalt-Fenster 431 und dem experimentell beobachteten Schalt-Fensters 433 des durch den 2,5 ps-Steuerimpuls 417 getriebenen NOLM 421 verglichen (d. h. also ohne vorhandenes SSFBG 315). Eine gute rechteckige Schalteigenschaft 430 mit einer 3 dB-Breite von 20 ps wird unter Verwendung der Rechteck-Steuerimpulse im Gegensatz zu einem Wert von 4 ps erhalten, wenn der Schalter ohne das SSFBG 315 angetrieben wird. Anzumerken ist die leichte Asymmetrie beim Schalt-Fenster, die sowohl theoretisch vorausgesagt als auch experimentell beobachtet wird. Dies ergibt sich aus den Impuls-Walk-off-Effekten zwischen den Pump- und Probenstrahlen innerhalb des NOLM 421. Der Effekt ist jedoch gering, da die in dem NOLM 421 verwendete dispersionsverschobene Faser 409 eine Länge von nur 1 km, eine Nulldispersions-Wellenlänge von 1554 nm und eine Dispersionskurve von 0,07 ps/nm²-km hatte. Diese Ergebnisse zeigen, dass erwartet werden kann, dass eine ca. 5 mal größere Toleranz gegenüber Zeitfluktuation dadurch erreicht wird, dass in diesem Fall die Steuerimpulse in Rechteckimpulse umgewandelt werden.
Um die Systemauswirkung des Einsatzes von Rechteck-Steuerimpulsen zu bestätigen, wurden Bitfehlerraten(BER)-Messungen an der NOLM 421-Schaltleistung durchgeführt. Diese Ergebnisse werden in 44 zusammengefasst, die die BER 440, 441 gegenüber Zeitverzögerung 442 zeigt, wenn der NOLM 421 durch die Rechteckimpulse 418 und durch die Solitonen-Impulse 417 angetrieben wurde. Die Zeitverzögerung 442 wurde mit der abstimmbaren Verzögerungslinie 412 variiert. Fehlerfreie beeinträchtigungslose Leistung wurde mühelos erreicht über einen +/– 7 ps-Verzögerungsbereich bei dem von dem Rechteckimpuls 418 angetriebenen NOLM 421 gegenüber einem +/– 1 ps-Bereich bei dem direkt durch die 2,5 ps-Laserimpulse 417 angetriebenen NOLM 421. Weder bei dem NOLM 419 noch bei dem NOLM 421 wurden signifikante Leistungsbeeinträchtigungen hinsichtlich der BER beobachtet.
45 zeigt die Vorrichtung nach 40, wobei der NOLM 421 durch einen Verstärker auf Halbleiterbasis SOA 451 ersetzt wird, bei dem Vierwellenmischtechniken als optische Schaltmechanismen verwendet werden. Die Versuchsanordnung war im Wesentlichen die gleiche wie die bei dem NOLM 421 verwendete. Es muss jedoch festgehalten werden, dass die für die auf dem SOA 451 basierende Anordnung erforderlichen optimalen Schaltleistungen (ca. 7 dBm Durchschnittsleistung bei 10 Gbit/s) substantiell geringer waren als die für den NOLM 421 erforderlichen (ca. 15 dBm bei 2,5 Gbit/s). Weiter ist anzumerken, dass die Wellenlänge der 10 GHz-Schaltimpulse von 1544 nm auf 1550 nm geändert werden mussten, um eine adäquate Phasenanpassungs-Bedingung und ausreichende geschaltete Leistung zu erreichen. Ein demultiplexiertes Vierwellenmischsignal 460 wird bei einer Wellenlänge von 1543 nm beobachtet, wie dies in dem SOA-Ausgangsspektrum 461 der 46 gezeigt wird. 47 zeigt das experimentell gemessene Schalt-Fenster 470. Ebenso wie bei dem NOLM 421 wird ein ausgezeichnetes rechteckiges Schalt-Fenster erhalten, was eine Zeitfluktuationstoleranz von +/– 7 ps ermöglicht.
Die obigen Versuche zeigen, dass die SSFBGs eingesetzt werden können, um zuverlässig ultrakurze optische Impulse mit dem Ziel umzustrukturieren, eher optimalen und fluktuationstoleranten Betrieb nichtlinearer optischer Schalter zu erhalten, und zwar sowohl wenn diese auf Faser basieren als auch wenn sie auf nichtlinearen Halbleiterkomponenten basieren. Dieser Ansatz ist insbesondere interessant bei SOA-basierten Schaltvorrichtungen, bei denen es keine mühelose Möglichkeit gibt, das Schalt-Fenster zu formen, außer durch direkte Steuerung der Impulsform.
Der SSFBG-Ansatz stellt einen extrem leistungsfähigen und flexiblen Ansatz zur Manipulation der temporalen Eigenschaften von Impulsen dar und könnte bei zukünftigen optischen Kommunikationssystemen und Netzen mit hoher Geschwindigkeit und Kapazität eine wesentliche Rolle spielen.
Es ist festzuhalten, dass die oben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich Beispielcharakter haben und dass Änderungen und zusätzliche Komponenten bereitgestellt werden können, um die Leistung der Vorrichtung zu verbessern. Insbesondere können bei vielen der Ausführungsformen und insbesondere insoweit, als auf die 15, 16, 17, 19 und 20 Bezug genommen wird, planare Wellenleiterkomponenten faserbasierte Komponenten vorteilhafterweise ersetzen.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf die oben erwähnten einzelnen Merkmale und beliebige Kombinationen derselben.
1

12: nichtlineare optische Einrichtung

2

20: optischer Verstärker auf Halbleiterbasis

5

transmission = Übertragung

15

151: Taktgenerator

16

151: Taktgenerator

17

151: Taktgenerator

18

181: Schalter

21

Intensity = Intensität

19

151: Taktgenerator

20

151: Taktgenerator

22

Electric field = elektrisches Feld
Frequency = Frequenz

23

Electric field = elektrisches Feld
Time = Zeit

24

Reflectivity = Reflektivität

25

Length = Länge

26

Time Delay = Zeitverzögerung
Wavelength = Wellenlänge

27, 28, 29, 30

Intensity = Intensität
Time = Zeit

31

311: Spektrumanalysator
312: Zirkulator
314: geformter Ausgang
315: hinsichtlich der Verzerrung abstimmbares SSFBG

32

Intensity = Intensität
Time = Zeit

33

Power = Leistung
Wavelength = Wellenlänge

34

Time = Zeit

35, 36

Intensity = Intensität
Time = Zeit

37

Reflected Power = reflektierte Leistung
Wavelength = Wellenlänge

38

Intensity = Intensität
Time = Zeit

39

Back-to-back = Back-to-Back
Square pulses = quadratische Impulse
Received optical power = erhaltene optische Leistung

40

50:50 coupler: 50:50-Koppler
Square Pulse Generator: Generator für quadratische Impulse
403: Modulator
404: Mustergenerator
315: Quadratimpulsgitter
406: Zirkulator
411: Diagnosen
Wavelength Converter: Wellenlängen-Konverter
CW Laser: CW-Laser
Tuneable Delay line: abstimmbare Verzögerungsleitung

41

SGH Intensity = SGH-Intensität
(arb. unit) = beliebige Einheit
Time Delay = Zeitverzögerung

42

Arb. Amplitude = beliebige Amplitude
Wavelength = Wellenlänge

43

(arb. unit) = (beliebige Einheit)
Time Delay = Zeitverzögerung

44

BER = BER (Bitfehlerrate)
Time Delay = Zeitverzögerung

45

50:50 coupler: 50:50-Koppler
Square Pulse Generator: Generator für quadratische Impulse
403: Modulator
404: Mustergenerator
315: Quadratimpulsgitter
411: Diagnosen
Wavelength Converter: Wellenlängen-Konverter
CW Laser: CW-Laser
Tuneable Delay line: abstimmbare Verzögerungsleitung
Circulator: Zirkulator
451: optischer Verstärker auf Halbleiterbasis

46

Arb. Amplitude = beliebige Amplitude
Wavelength = Wellenlänge

47

(arb. unit) = (beliebige Einheit)
Time Delay = Zeitverzögerung

48

Relative Time Delay = relative Zeitverzögerung

49

Transmission = Übertragung
Peak Intensity of Control Signal = Spitzenintensität des Steuersignals

Claims

Vorrichtung zur taktfluktuationstoleranten optischen Modulation eines ersten optischen Signales (1), das eine erste Wellenlänge (3) besitzt, mit einem zweiten optischen Signal (2), das mehrere zweite optische Signalimpulse (4) umfaßt, die eine zweite Impulsform (5) und eine zweite Wellenlänge (6) besitzen, welche Vorrichtung einen ersten Signal-Eingangskanal (8), einen zweiten Signal-Eingangskanal (9), und eine nichtlineare optische Einrichtung (12) umfaßt und so ausgelegt ist, daß das erste optische Signal (1) am ersten Signal-Eingangskanal (8) zur nichtlinearen optischen Einrichtung (12) gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter einen Koppler (10) und ein Gitter (11) umfasst und so ausgelegt ist, daß das zweite optische Signal (2) am zweiten Signal-Eingangskanal (9) über den Koppler (10) und das Gitter (11) zur nichtlinearen optischen Einrichtung (12) gelangt, wobei das Gitter (11) ein Überstruktur-Faser-Bragg-Gitter in einer Anordnung ist, um die zweiten optischen Signalimpulse (4) in optische Zwischen-Impulse (15) umzusetzen, die jeweils eine Zwischen-Impulsform (14) besitzen dergestalt, daß diese innerhalb der nichtlinearen optischen Einrichtung (12) ein Schalt-Fenster (19) liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das erste optische Signal (1) mehrere erste optische Signalimpulse (15) umfaßt, das Gitter (11) durch eine Gitterimpulsantwort (14) definiert ist, die Zwischen-Impulsform (14) durch die Faltung der zweiten Impulsform (5) und die Gitterimpulsantwort definiert ist, und das Schaltfenster (19) ein im wesentlichen rechteckiges Schaltfenster und so angeordnet ist, daß sich Toleranz ergibt gegenüber einer Schwankung der Ankunftszeit der ersten optischen Signalimpulse (15) am ersten Signal-Eingangskanal (8) und der zweiten optischen Signalimpulse (4) am zweiten Signal-Eingangskanal (9), die im wesentlichen gleich ist der Breite des im wesentlichen rechteckigen Schaltfensters minus der Breite der ersten optischen Signalimpulse (15), wobei die Zwischen-Impulsform (14) sich unterscheidet von der Form der Schaltfensters (19).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das erste optische Signal (1) mehrere erste optische Signalimpulse (15) umfaßt, das Gitter (11) durch eine Gitterimpulsantwort definiert ist, die Zwischen-Impulsform (14) durch die Faltung der zweiten Impulsform (5) und die Gitterimpulsantwort definiert ist, und das Gitter (11) so ausgelegt ist, daß die Zwischen-Impulsform (14) ein im wesentlichen rechteckiger Impuls ist, wobei die Vorrichtung eine Toleranz gegenüber Schwankungen der Ankunftszeit der ersten optischen Signalimpulse am ersten Eingangskanal (8) und der zweiten Signalimpulse (4) am zweiten Eingangskanal (9) hat, die im wesentlichen gleich ist der Breite des im wesentlichen rechteckigen Impulses minus der Breite der ersten Signalimpulse (15).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Koppler (10) ein Zirkulator oder ein optischer Faserkoppler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen optischen Schalter umfaßt, der derart ausgelegt ist, daß er die nichtlineare optische Einrichtung (12) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die nichtlineare optische Einrichtung (12) eine löchrige Faser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die löchrige Faser Glas umfaßt und bei welcher das Glas Silica, ein Silikatglas oder ein zusammengesetztes Glas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die löchrige Faser einen Polymer umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die löchrige Faser einen Kern und einen Mantel umfaßt, und bei welcher der Mantel eine Vielzahl von Löchern aufweist, die um den Kern herum angeordnet sind, und bei welcher der Kern einen Durchmesser von weniger als 10 μm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Kern einen Durchmesser von weniger als 5 μm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Kern einen Durchmesser von weniger als 2 μm hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei welcher die löchrige Faser eine Dotierungssubstanz umfaßt, und bei welcher die Dotierungssubstanz aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ytterbium, Erbium, Neodym, Praseodym, Thulium, Samarium, Holmium, Dysprosium, Zinn, Germanium, Phosphor, Aluminium, Bor, Antimon, Uran, Gold, Silber, Wismuth, Blei, ein Übergangselement und einen Halbleiter umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die nichtlineare optische Einrichtung (12) einen optischen Verstärker auf Halbleiterbasis umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die nichtlineare optische Einrichtung (12) einen Lithiumniobat-Kanal-Wellenleiter oder einen Lithiumniobat-Planar-Wellenleiter umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher die nichtlineare optische Einrichtung (12) einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Kanal-Wellenleiter oder einen periodisch gepolten Lithiumniobat-Planar-Wellenleiter umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die nichtlineare optische Einrichtung (12) aus der Gruppe ausgewählt ist, die einen optischen Schalter, eine löchrige Faser, eine gepolte Faser, ein Kaliumtitanylphosphat (KTP) oder anderen kristallinen Wellenleiter, ein periodisch gepoltes KTP oder anderen kristallinen Wellenleiter, einen nichtlinearen optischen Schleifenspiegel, ein Kerr-Gitter, eine optische Faser, einen nichtlinear verstärkenden Schleifenspiegel oder einen nichtlinearen optischen Modulator umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welche so ausgelegt ist, daß das erste optische Signal (1) demultiplexiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen aktiv modusverriegelten Faser-Laser umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ein Interferometer umfaßt, das einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfaßt, und bei welchem der erste Arm die nichtlineare optische Einrichtung (12) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Filter umfaßt, bei dem es sich um einen Wellenlängen-selektiven Filter handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, welche ein Polarisationselement umfaßt, bei welcher das Polarisationselement ein Polarisator oder ein Polarisations-Strahlenteiler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Taktgenerator umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher der Taktgenerator ein Kurzimpulsgenerator ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche einen modusverriegelten Faser-Laser, einen aktiv modusverriegelten Faser-Laser, einen Generator mit einem Elektroabsorptionsmodulator und einem Laser, einen Generator mit einem elektrooptischen Modulator und einem Laser, und eine verstärkungsgetastete Laserdiode umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, bei welcher der Taktgenerator Mittel zur Pulskomprimierung umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher die Mittel zur Pulskomprimierung eine Dispersions-Kompensator-Faser, ein Chirp-(Verlaufs-)Faser-Bragg-Gitter, eine Dispersions-Minderungs-Faser, einen optischen Verstärker, einen Raman-Verstärker, einen optischen Schalter oder einen optischen Impuls-Komprimierer umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Vielzahl nichtlinearer optischer Einrichtungen (12) umfaßt und so ausgelegt ist, daß das zweite optische Signal (2) am zweiten Signal-Eingangskanal (9) jeder der nichtlinearen optischen Einrichtungen (12) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 26, welche als optischer Multiplexer ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, welche als optischer Demultiplexer ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, welche als inverser Multiplexer ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Schalter und einen Steuereingang zur Steuerung des Schalters umfaßt.