DE60314210T2

DE60314210T2 - Durchstimmbarer Dispersionskompensator mit Wenigmodenfasern und mit schaltbaren Modenkonvertern

Info

Publication number: DE60314210T2
Application number: DE60314210T
Authority: DE
Inventors: Siddharth Hoboken Ramachandran
Original assignee: Fitel USA Corp
Current assignee: Furukawa Electric North America Inc
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: AU2003244566A1; CA2437877C; JP3875673B2; DE60314210D1; EP1396742A3; AU2003244566B2; KR100941983B1; EP1396742A2; EP1396742B1; CA2437877A1; CN1497279B; JP2004104782A; US20040047551A1; US6937788B2; KR20040021562A; IL157502A0; IL157502A; CN1497279A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme und insbesondere auf ein Steuern einer Differenzdispersion in Breitband-Mehrwellenlängen-(Wellenlängenmultiplex-, WDM-)Übertragungsmedien unter Verwendung abstimmbarer Dispersionskompensationsvorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Dispersionskompensationsvorrichtungen sind wichtige Bausteine optischer Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme. Wichtige Anforderungen umfassen einen geringen Verlust und die Fähigkeit, die Dispersion bei jeder Wellenlänge eines Wellenlängenmultiplex-(WDM-)Lichtwellensystems (WDM = wavelength-division-multiplexed) zu kompensieren. Zusätzlich zu einer statischen Dispersionskompensation erfordern optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme außerdem abstimmbare Dispersionskompensatoren (TDCs; TDC = tunable dispersion-compensators). Sie ermöglichen ein Versetzen von Variationen einer Dispersion in einer faseroptischen Übertragungsleitung. Die Variationen könnten durch Umgebungsveränderungen (variierende Belastung oder Temperatur der Übertragungsfaser und von Komponenten), Leistungsfluktuationen, die zu einem Variieren nicht linearer Phasenverschiebungen führen, oder dynamische Rekonfigurationen von Netzwerken, die die Pfadlängen verschiedener WDM-Kanäle verändern, bedingt sein. Siehe B. J. Eggleton u. a., J. Lightwave Tech., Band 18, Seite 1.419 (2000). Alternativ könnten die Variationen aus statistischen Fluktuationen einer Dispersion in der Übertragungsfaser entstehen, sowie statistischen Variationen bei der Länge einer Übertragungsfaser zwischen benachbarten Verstärkerhütten.
Bisher wurden mehrere abstimmbare oder einstellbare Dispersionskompensatoren vorgeschlagen und dargelegt. Chirp-Faser-Bragg-Gitter (FBGs) wurden weit verbreitet eingesetzt, um die Dispersion von Lichtwellensignalen abzustimmen. Ein FBG mit linearem oder nicht linearem Chirp z. B. kann durch ein Heizelement oder eine verriegelbare magnetische Belastung abgestimmt werden, um die Dispersion der Vorrichtung zu variieren. Siehe Patente der Vereinigten Staaten Nr. 6148127 und 6330383 . Dispersionsabstimmbereiche von etwa 2.000 ps/nm über Bandbreiten von 1 bis 1,5 nm wurden durch diese Technik demonstriert. Die eingeschränkte Bandbreite derartiger abstimmbarer Vorrichtungen beschränkt deren Verwendung bei Einkanalanwendungen. Ein Verwenden dieser Vorrichtung in einem WDM-System würde ein Demultiplexen des Signals in einzelne Wellenlängenkanäle und ein Verwenden eines unterschiedlichen TDC auf FBG-Basis für jeden Kanal beinhalten, was dies sehr kostspielig macht. Alternativen zu Einkanal-FBG-TDCs umfassen abgetastete FBGs, die die Dispersion für drei oder vier Kanäle gleichzeitig kompensieren können. Während dies die Anzahl von Vorrichtungen, die in einem WDM-System benötigt werden, um einen Faktor von drei bis vier reduziert, bleibt dies dennoch ein kostspieliges Mittel zur Implementierung der Handhabung einer abstimmbaren Dispersion. Ferner leiden alle TDCs, die FBGs verwenden, unter Gruppenverzögerungs-(GD-)Welligkeitsbeeinträchtigungen (GD = group-delay), die zu Bitfehlerraten-(BER-)Leistungsnachteilen (BER = bit-error-rate) führen. Ferner erhöht sich die GD-Welligkeit mit einer Bandbreite oder Dispersion der Vorrichtung. Eine zusätzliche Komplikation besteht darin, dass ein praktischer TDC auf FBG-Basis ein Herstellen von FBGs auf Meterlängen von Fasern zur Dispersionskompensation über ein gesamtes Kommunikationsband mit sich bringen würde. Herstellungs- und Abstimmverfahren für derartige lange Gitter würden unpraktisch erscheinen.
Eine alternative Technik besteht darin, die variable Phasenantwort optischer Filter zur Dispersionsabstimmung zu verwenden. Es hat sich gezeigt, dass Allpassfilter auf Planarwellenleiterbasis einen TDC mit Abstimmungsbereichen von bis zu 500 ps/nm bei 40 Gb/s bereitstellen. Siehe C. K. Madsen, Proc. Optical Fiber Conf. 2002, Schriften Nr. TUT-1 und FD-9. Die Dispersion virtuell abgebildeter Phasenarray-(VIPA-)Vorrichtungen kann durch ein Verschieben eines speziell entworfenen Freiraumspiegels abgestimmt werden, wie in dem U.S.-Patent Nr. 6392807 beschrieben ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Vorrichtung einen Abstimmbereich von +/– 800 ps/nm bereitstellt. Siehe Shirasaki, u. a., Proc. European Conf. Optical Comm.-2000, PD-2,3. Diese beiden Technologien sowie mehrere andere, die die Phasenantwort optischer Filter einsetzen, sind periodisch in Bezug auf eine Wellenlänge und können so eine gleichzeitige Kompensation für alle Kanäle bereitstellen, solange diese entworfen sind, um eine Periodizität zu besitzen, die mit den WDM-Kanälen übereinstimmt. Alle derartigen Vorrichtungen leiden jedoch an einer wellenlängenabhängigen Antwort innerhalb jedes „Durchlassbandes". So sind diese Vorrichtungen aufgrund des Kompromisses zwischen Dispersion und Bandbreite unter Umständen nicht geeignet für Anwendungen mit hoher Bitrate. Sie leiden außerdem unter GD-Welligkeitsbeschränkungen, wie TDCs auf FBG-Basis. Schließlich erfordern Vorrichtungen auf Phasenantwortbasis ein Koppeln von Licht in die und aus der Übertragungsfaser, was diese verlustbehaftet macht.
Die WO-A-0148957 bezieht sich auf eine Vorrichtung mit variabler Verzögerung des Typs, der verwendet wird, um eine Polarisationsmodendispersion in einem Signal, das über ein optisches Kommunikationssystem übertragen wird, zu korrigieren. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel verwendet die Vorrichtung mit variabler Verzögerung eine Mehrzahl von Polarisationsdrehern und Verzögerungselementen, die in Serie ausgerichtet sind und einander abwechseln. Die Polarisationsdreher bilden die Schnellpolarisati onsmodenkomponente des eingehenden optischen Signals auf die langsamen Achsen eines oder mehrerer Verzögerungselemente ab, um ein erwünschtes Muster relativer Inkrementverzögerungen zu erzielen, die insgesamt die anfängliche Differenzverzögerung, die gerade kompensiert wird, ergeben. Die Verzögerungselemente könnten einheitliche oder nicht einheitliche Inkrementverzögerungswerte aufweisen und die Polarisationsdreher könnten selektiv betätigt werden, um das erwünschte Muster von Verzögerungswerten zu erzielen, die der beabsichtigten Gesamtverzögerung entsprechen. Beispiele geeigneter Verzögerungsvorrichtungen umfassen Wellenleiter mit relativ hohen Differenzgruppenverzögerungscharakteristika, die zwei orthogonalen Achsen zugeordnet sind, verglichen mit einer herkömmlichen Einmodenübertragungsfaser, und Beispiele geeigneter Polarisationsdreher umfassen nematische Drehflüssigkristall-(TNLC-; TNLC = twisted nematic liquid crystal) oder ferroelektrische Flüssigkristall-(FLC-; FLC = ferroelectric liquid crystal)Zellen, die die Polarisationsmodenkomponenten des optischen Signals bei Betätigung um 90° drehen.
Gemäß der DE-A-19950132 sind mehrere einzeln schaltbare Dispersionskompensatoren in eine Dispersions kompensationseinheit in einem Optiksignalübertragungspfad kombiniert. Die Dispersionskompensatoren könnten unterschiedliche Kompensationsgrade besitzen. Optische Koppler und Schalter sind zwischen einzelnen Dispersionskompensatoren angeordnet, um Dispersionskompensationsmodule zu verbinden oder parallel zu schalten. Ein integrierter Optikchip könnte verwendet werden, um die Dispersionskompensatoren unter Verwendung thermooptischer Elemente zum Schalten des optischen Pfads zu verbinden oder parallel zu schalten. Die Dispersionskompensatoren könnten aus Dispersionskompensationsfasern oder Dispersionskompensatoren auf Chirp-Bragg-Gitter-Basis bestehen.
C. D. Poole u. a., „Optical Fiber-Based Dispersion Compensation Using Higher Order Modes Near Cutoff", Journal of Lightwave Technology, IEEE, New York, US, Band 12, Nr. 10, 1. Oktober 1994, Seiten 1.746 bis 1.758, XP000469528, beschreiben, dass räumliche Moden höherer Ordnung in optischen Fasern eine große negative chromatographische Dispersion zeigen, wenn sie nahe an ihrer Grenzwellenlänge betrieben werden. Durch ein Verwenden eines Räumliche-Mode-Wandlers zur selektiven Anregung einer Mode höherer Ordnung in einer speziell entworfenen Mehrmodenfaser kann diese Dispersion verwendet werden, um die positive Dispersion in herkömmlichen Einmodenfaserspannen zu kompensieren.
So besteht Bedarf nach einer Vorrichtung, die eine abstimmbare oder einstellbare Dispersion mit einem optischen Verhalten bieten kann, das demjenigen von Dispersionskompensationsfasern (DCFs; DCF = dispersion-compensating fiber) oder Dispersionskompensationsmodulen einer Mode höherer Ordnung (HOM-DCMs; HOM-DCM = higher-order-mode dispersion-compensating module), die häufig für eine statische Dispersionskompensation verwendet werden, ähnelt. Die wünschenswerten Merkmale wären geringer Verlust, geringe Mehrpfadinterferenz, vernachlässigbare GD-Welligkeit und, sehr wichtig, eine Antwort, die eine kontinuierliche Wellenlänge besitz.
Darlegung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass jede räumliche Mode einer Faser mit wenigen Moden eine unterschiedliche Modendispersion besitzt. So sammelt Licht, das sich in unterschiedlichen räumlichen Moden in einer derartigen Faser bewegt, abhängig von der Ausbreitungsmode und der Länge der Faser, die verwendet wird, unterschiedliche Dispersionsmengen an. Diese Erkenntnis führt zu neuartigen Vorrichtungsstrukturen zur Implementierung dieses Konzepts. Die grundlegende Vorrichtungsstruktur weist zwei oder mehr Abschnitte einer optischen Faser auf, die die Grundmode sowie eine oder mehrere Moden höherer Ordnung (HOM; HOM = higher-order-modes) unterstützen. Optische Fasern mit dieser Charakteristik werden manchmal als Fasern mit wenigen Moden bezeichnet. Die Fasern mit wenigen Moden sind mittels eines Räumliche-Mode-Wandlers (MC; MC = mode-converter), der umschaltbar ist, miteinander verbunden. Ein Räumliche-Mode-Wandler in seiner allgemeinsten Form transformiert eine eingehende räumliche Mode in eine andere. Ein umschaltbarer Modenwandler führt die Modentransformierung in einem Zustand durch, lässt jedoch in einem anderen Zustand Licht ohne jegliche Transformation durch. Der MC könnte mit Langperiodenfasergittern (LPGs; LPG = long-period fiber-grating), Kopplungswellenleitervorrichtungen, Freiraum-Phasenverzögerungselementen oder Routern und Schaltern auf mikroelektromechanischer (MEM-) Basis hergestellt sein. In der allgemeinsten Form ist der MC derart aufgebaut, dass er jede eingehende räumliche Mode in eine beliebiger anderer geführter Moden in der HOM-Faser transformiert. Das Umschalten wird durch Belastung, Temperatur, den elektrooptischen oder nicht linearen optischen Effekt oder einen beliebigen anderen physischen Effekt erzielt, der dazu dient, den Brechungsindex von oder die physische Pfadlänge in dem optischen Material, das zum Aufbau des MC verwendet wird, zu verändern. Zusätzlich wird in dem Fall von MCs auf MEM-Basis das Umschalten durch eine mechanische Routing-Handlung induziert, die dazu dient, eine beliebige Mode der HOM-Faser in eine anderer Moden, die durch dieselbe unterstützt werden, zu transformieren.
Insbesondere besteht der Dispersionskompensator (DC) mit einstellbaren Eigenschaften einer Mode höherer Ordnung (im Folgenden als AHOM (AHOM = adjustable higher-order-mode) bezeichnet) aus N Längen einer Faser und N+1 MCs, die diese miteinander verbinden, sowie mit der Übertragungsfaser an dem Eingang bzw. Ausgang. Jede Kombination von Schaltzuständen für die N+1 MCs entspricht einem eindeutigen Pfad, der durch das Lichtwellensignal genommen wird. Dies ist so, da sich das Signal abhängig von dem Schaltzustand jedes MC in einer von zwei oder mehr räumlichen Moden der Faser bewegen kann. So führen verschiedene Permutationen von Schaltzuständen für die MCs zu einer Vielzahl von Dispersionswerten, die durch das Signal angesammelt werden. Anders ausgedrückt kann die Menge einer Dispersion, die die Vorrichtung für ein eingehendes Lichtwellensignal ergibt, einfach durch ein Verändern der Schaltzustände eines oder mehrerer der N+1 MCs verändert werden.
Der Hauptvorteil gegenüber früheren TDC-Ansätzen besteht darin, dass die Dispersion durch die Faser selbst bereitgestellt wird und so über das gesamte Spektralband, das durch die MCs abgedeckt wird, eine kontinuierliche Wellenlänge besitzt. Da die Dispersion durch den Faserwellenleiter bedingt ist, werden GD-Welligkeitsprobleme minimiert. Ein Erhöhen des Abstimmbereichs oder Reduzieren der Abstimmstufengröße beinhaltet einfach ein Neukonfigurieren der Längen und der Anzahl von Abschnitten N von Fasern zwischen jedem MC. So leidet diese Vorrichtung nicht unter Dispersionsbandbreite-Kompromissen oder Herstellungsbeschränkungen, die sich mit Abstimmungsbereichen oder Dispersionsgrößen maßstäblich ändern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung des Dispersionskompensators der Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer geeigneten Modenwandlereinheit für den Dispersionskompensator aus 1;
3 ist eine graphische Darstellung von Dispersion gegenüber Wellenlänge, die die gemessenen Dispersionswerte für die LP₀₁- und die LP₀₂-Mode in einer HOM-Faser zeigt;
4 ist eine schematische Darstellung eines spezifischen Ausführungsbeispiels eines AHOM-Elements gemäß der Erfindung;
5 ist eine graphische Darstellung, die die Dispersionswerte für eine Serie von 6 MCs, die in mehrere Konfigurationen geschaltet sind, zeigt (dargestellt durch die Kreise in der Figur);
6 ist eine Darstellung, die einen Entwurfsansatz für einen einstellbaren Dispersionskompensator der Erfindung angesichts einer vorbestimmten Anzahl von Ausbreitungsmoden darstellt;
7 ist eine Darstellung, ähnlich der aus 6, die den Entwurfsansatz für einen einstellbaren Dispersionskompensator der Erfindung angesichts eines Zieldispersionswerts darstellt;
8 zeigt die Breitbanddispersionsabstimmcharakteristika der Vorrichtung aus 4 für verschiedene Schaltzustände;
9 ist eine schematische Ansicht, die eine alternative Form und Anordnung von Modenwandlern für das System aus 4 zeigt;
10 zeigt ein Schema eines optischen Kommunikationssystems, das die Übertragungsfaser aufweist, wobei 10(a) eine AHOM-Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt und 10(b) einen statischen DC zusätzlich zu einer AHOM-Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.
11 zeigt das Schema eines Empfängers in einem optischen Kommunikationssystem, wobei 11(a) eine AHOM-Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt und 11(b) einen statischen DC zusätzlich zu ei ner AHOM-Vorrichtung gemäß der Erfindung aufweist, gefolgt durch ein optisches Erfassungsschema, das das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt.
Detaillierte Beschreibung
Bezug nehmend auf 1 stellt die gezeigte Anordnung die generische Form der AHOM-Vorrichtung dar. Sie zeigt eine Vorrichtung mit N Spulen S₁–S_N von HOM-Fasern einer Länge L₁, wobei jede Spule S sandwichartig zwischen zwei Modenwandlern in der Serie MC₁–MC_1+N von Modenwandlern angeordnet ist. Der Eingang in die Vorrichtung ist bei 11 angezeigt und der Ausgang bei 15. Die MC-Vorrichtungen und die Spulen der Faser S_N sind durch bei 13 gezeigte Spleiße verbunden. Die gestrichelte Linie weist auf zusätzliche Spulen und Modenwandler, falls erwünscht, hin. Wenn die HOM-Fasern M Moden unterschiedlicher Modendispersionswerte unterstützen, kann das Licht M^N unterschiedliche Pfade einschlagen, wobei jeder Pfad einen unterschiedlichen Gesamtdispersionswert ergibt. In diesem Fall ist die Dispersion dieser Vorrichtung folgendermaßen gegeben:
wobei D_AHOM die Gesamtdispersion ist, die sich durch das AHOM-Element ergibt, D_k(i) die Dispersion der k-ten Mode der Faser ist und k(i) die Schaltkonfiguration beschreibt, die bestimmt, welcher MC Licht in welche k-te Mode schaltet (k nimmt Werte von 1 bis M an, die Anzahl von Moden mit unterschiedlichen Dispersionswerten, die durch die Faser unterstützt werden).
Wenn der Bereich von Dispersionswerten, der durch das AHOM-Element erzielbar ist, D_Bereich ist, ermöglicht es diese Konfiguration, dass die Dispersion in Schritten von D_Bereich/(M^N – 1) variiert werden kann. So kann für relativ kleine Werte von M und N eine sehr feine Granularität bei erzielbaren Dispersionswerten realisiert werden. Allgemeiner ergeben unterschiedliche Serienfortschritte von D_k(i), Spulenlängen L_i, Anzahl von Moden M und Anzahl von Segmenten N eine Mehrzahl von Vorrichtungskonfigurationen, die ein Erzielen willkürlicher Dispersionswerte, Dispersionsabstimmbereiche sowie Dispersionsstufengrößen ermöglichen.
Die Modenwandlerkomponenten der AHOM-Vorrichtung der Erfindung könnten eine Vielzahl von Formen annehmen. Ein bevorzugter Modenwandler ist in meiner ebenfalls anhängigen Patentanmeldung, die am gleichen Datum wie die vorliegende eingereicht wurde, mit dem Titel TUNABLE MODE-CONVERTERS USING FEW MODE FIBERS beschrieben und beansprucht. In diesem Modenwandler wird eine Faser mit wenigen Moden verwendet und eine Kopplung wird zwischen einer Grund- oder einer Fast-Grund-Ausbreitungsmode und der nächsten oder eng benachbarten Mode höherer Ordnung (HOM) hergestellt. Beide Moden sind kerngeführt, d. h. sie breiten sich in dem Kern der optischen Faser aus, wobei so eine effiziente Übertragung durch die HOM-Faser beibehalten wird. Eine Modenkopplung wird unter Verwendung eines Langperiodengitters (LPG) bewirkt und die Festigkeit der Modenkopplung wird dynamisch durch ein Verändern der Periode des Gitters oder durch ein Variieren der Ausbreitungskonstanten der beiden gerade gekoppelten Moden variiert. Die Periode des Gitters wird durch ein physisches Verändern der Beabstandung zwischen Gitterelementen variiert, z. B. durch Verändern der Belastung auf dem Gitter zur physischen Dehnung des LPG. Andererseits können die Ausbreitungskonstanten der gerade gekoppelten Moden durch einen beliebigen physischen Effekt variiert werden, wie z. B. den thermooptischen, nichtlinear-optischen, akustooptischen, elektrooptischen, Belastungs- oder einen anderen Effekt, die dazu dienen, den effektiven Brechungsindex einer Mode in einer Faser zu verändern. Wenn die LPGs durch akustooptische Anregung gebildet sind, könnte die Periode des Gitters durch Variieren der Frequenz der akustooptischen Modulation, die auf die Faser eingeprägt wird, verändert werden. Ein wichtiges Merkmal bei der Phasenanpassungskurve für diese optischen Fasern ist das Vorliegen eines Wendepunkts (TAP; TAP = turn-around-point). Wenn die LPG-Gitterperiode ausgewählt ist, um an dem TAP zu koppeln, wird eine Modenkopplung mit großer Bandbreite erzielt. Ein TAP in einer optischen Faser liegt vor, wenn zwei Moden (oder mehr) Gruppenindizes aufweisen, die im Wesentlichen gleich sind. Der Gruppenindex einer Ausbreitungsmode ist ein gut bekannter und gut definierter optischer Parameter. Er könnte folgendermaßen dargestellt sein: ng = n – λdn/dλ (2)wobei n_g der Gruppenindex ist, n der Brechungsindex ist und λ die Wellenlänge ist.
Bei der oben erwähnten Anwendung wird das einstellbare LPG, das in einer Faser mit wenigen Moden gebildet ist, als ein HOM-LPG bezeichnet. Ein schematisches Diagramm eines HOM-LPG ist in 2 gezeigt. Die optische Faser ist mit einem Kern 15 und einer Umhüllung 16 gezeigt. Das LPG ist bei 17 gezeigt. Ein Temperatursteuerelement zum Abstimmen des HOM-LPG ist bei 18 gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 3 zeigen Kurven 21 und 22 die gemessenen Dispersionswerte für die kerngeführte LP₀₁- bzw. die LP₀₂-Mode in der optischen Faser. Bei 1.550 nm weist die LP₀₂-Mode eine Dispersion von D₀₂ = –168,9 ps/nm-km auf, während die LP₀₁-Mode eine Dispersion von D₀₁ = +21,46 ps/nm-km aufweist.
4 ist eine schematische Darstellung einer AHOM-Vorrichtung, die mit dieser Faser aufgebaut sein könnte. Die Anzahl von Fasersegmenten N (Bezugnahme auf Nomenklatur in 1 und Gl. 1) beträgt 6, verbunden durch 7 identische (bei diesem Beispiel) MCs, die von einem „AN"-Zustand in einen „AUS"-Zustand geschaltet werden können. In dem „AN"-Zustand transformiert der MC eine eingehende LP₀₁-Mode in die LP₀₂-Mode oder umgekehrt. Umgekehrt wird in dem „AUS"-Zustand die eingehende Mode ohne jegliche Modenumwandlung übertragen. Die Längen der 6 Segmente von Fasern L_i sind derart angeordnet, dass L_i = 2 × L_i-1 gilt. So ist die in einer beliebigen Mode in jeder Spule angesammelte Dispersion zweimal die Menge, die in der vorherigen Spule angesammelt wird. Das kürzeste Fasersegment weist eine Länge L₁ von 50 Metern auf, was eine Gesamtfaserlänge L_total = 3,15 km in der Vorrichtung ergibt.
Wie bereits gezeigt wurde, beträgt die Anzahl von Dispersionswerten, die diese Vorrichtung annehmen kann, 2⁶ = 64. Ferner kann, da sich jedes Fasersegment längenmäßig von einem benachbarten Segment um einen Faktor 2 unterscheidet, gezeigt werden, dass die Dispersionswerte, die erzielbar sind, gleichmäßig beabstandet sind. Der größte Dispersionswert wird erreicht, wenn sich Licht ausschließlich in der LP₀₁-Mode bewegt. Andererseits wird der kleinste Dispersionswert erhalten, wenn sich Licht ausschließlich in der LP₀₂-Mode bewegt. Dmax = D01 × Ltotal = +67,599 ps/nm (3) Dmin = D02 × Ltotal = –532,035 ps/nm (4)wobei D_min und D_max der minimale bzw. maximale Dispersionswert sind, den das in 4 dargestellte AHOM-Element erzielen kann. So beträgt die minimale Schrittgröße für eine Dispersionsabstimmung, D_Schritt, dieser Vorrichtung:
5 zeigt die Dispersionswerte (bei 1.550 nm), die durch ein Schalten der Serien von 6 MCs in eine von 64 erlaubten Konfigurationen erhalten werden können (jede ist durch einen Kreis dargestellt, z. B. 41). Wie klar ersichtlich ist, zeigt dies, dass ein Abstimmbereich von ganzen 600 ps/nm, in Schritten von weniger als 10 ps/nm, durch ein Aufbauen von 3,15 km einer HOM-Faser in sechs Segmenten, die mit 7 MCs verbunden sind, realisiert werden kann. Die Zustände 0 bis 63 können ohne Weiteres in spezifische Konfigurationen eines „AN"- und „AUS"-Zustands für die MCs umgewandelt werden, und zwar in der folgenden Weise. Unter Realisierung, dass der Satz verketteter Fasern und MCs eine monotone Serie einer ansteigenden Dispersion in Potenzen von 2 darstellt, kann jegliche mögliche Konfiguration für den AHOM durch eine Binärzahl mit 6 Ziffern dargestellt werden. Unter Zuweisung des Werts „0" für ein Segment, bei dem sich Licht in der LP₀₁-Mode ausbreitet und „1" für ein Segment, bei dem sich Licht in der LP₀₂-Mode ausbreitet, kann die Dispersion des AHOM einfach durch Wandeln der resultierenden Binärzahl (aus der oben aufgebauten Sequenz) in eine Dezimalzahl (die von 0 bis 63 variieren würde) hergeleitet werden. Für eine so erhaltene Dezimalzahl d ist die Dispersion der Vorrichtung D_AHOM folgendermaßen gegeben: DAHOM = Dmax – (d × DSchritt) (6)
Das Flussdiagramm, das diese Beziehungen für den Schaltzustand Nr. 53 zeigt, ist in 6 gezeigt, was einem Vorrichtungsdispersionswert D_AHOM = –436,855 ps/nm entspricht. Umgekehrt ergibt unter Annahme der erwünschten Dispersion D_Ziel der Umkehrbetrieb eine Binärzahl, die eindeutig die Schaltzustände für jeden MC definiert. Dieses Flussdiagramm ist in 7 für D_Ziel = –200 ps/nm gezeigt. Die für diesen Wert erhaltene Konfiguration ergibt D_AHOM = –198,9 ps/nm.
8 zeigt die Breitbanddispersionsabstimmcharakteristika dieses AHOM-Elements für verschiedene MC-Schaltzustände: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 bzw. 63. Es wird angemerkt, dass die Bandbreite dieser Vorrichtung nur durch die Bandbreite der MCs eingeschränkt ist. Da LPG-MCs mit einer Bandbreite von mehr als 60 nm gezeigt wurden, ist klar, dass eine derartige Vorrichtung das gesamte C- oder L-Band eines optischen Kommunikationssystems abdecken würde, ohne zusätzliche Beeinträchtigungen, wie z. B. GD-Welligkeit, hinzuzufügen. Zusätzlich kann der Dispersionsabstimmbereich dieser Vorrichtung durch ein Verändern der Länge von HOM-Fasern in den Spulen oder durch ein Hinzufügen mehrerer Segmente verändert werden.
Die oben gezeigten Beispiele verwenden 6 Segmente einer HOM-Faser in einer Binärlängenprogression (N = 6 in Gleichung 1) und 2 Moden (M = 2 in Gleichung 1). Eine große Anzahl alternativer Vorrichtungskonfigurationen könnte verwendet werden. Die Vorrichtung könnte z. B. mehr als zwei Moden (M > 2), eine unterschiedliche Anzahl von Segmenten (N) und eine unterschiedliche HOM-Faserlängenprogressionsserie verwenden, um einen beliebigen erwünschten Dispersionsabstimmbereich, eine beliebige erwünschte Schrittgröße und einen beliebigen erwünschten Dispersionswert zu erzielen. Alternativ könnten die unterschiedlichen Segmente von HOM-Fasern HOM-Fasern mit unterschiedlicher Dispersions-, Dispersionsneigungs- und Dispersions krümmungseigenschaften aufweisen, was zusätzliche Freiheitsgrade beim Aufbauen der Vorrichtung ergibt. All dies kann nicht nur einen Kompensator mit abstimmbarer Breitbanddispersion ergeben, sondern auch einen Kompensator mit abstimmbarer Dispersionssteigung und/oder Dispersionskrümmung. Bei der allgemeinsten Konfiguration kann das AHOM-Element abgestimmt werden, um eine beliebige erwünschte Funktionsvariation einer Dispersion in Bezug auf eine Wellenlänge zu ergeben.
Wie bereits erwähnt wurde, ist eine wichtige Komponente für diese Vorrichtung der schaltbare MC. Während der in meiner ebenfalls anhängigen Anmeldung (auf die oben Bezug genommen wurde) beschriebene und beanspruchte MC besonders geeignet ist, können alternative MC-Vorrichtungen verwendet werden. Diese könnten z. B. unter anderem gekoppelte Wellenleiter, Phasenverzögerungsplatten, MEM-Vorrichtungen verwenden. Diese MC-Vorrichtungen sollten die Fähigkeit einer Umschalthandlung besitzen. Der Schalter könnte durch Beinhaltung in der Vorrichtungsstruktur realisiert sein, sowie eine Schicht eines optischen Materials, deren Brechungsindex durch Belastung, Temperatur oder eine elektrooptische oder nichtlinear-optische Variation verändert werden kann. Alternativ könnte die Umschalthandlung durch ein Belasten oder anderweitiges Verändern der optischen Pfadlänge der Vorrichtungen erzielt werden. Wenn die LPGs durch akustooptische Anregung gebildet sind, könnte die Periode des Gitters durch ein Variieren der Frequenz der akustooptischen Modulation, die auf die Faser aufgeprägt wird, verändert werden.
Eine geeignete Alternative ist auf einer Systemskala in 9 gezeigt. Hier besteht die Aufgabe darin, die MC-Elemente in einem elektrooptischen Material, z. B. Lithiumniobat, zu bilden, in dem große Arrays von Lichtleitern mit herkömmlichen elektrischen Schalteinrichtungen integriert werden können. 9 zeigt ein Substrat 91 aus einem elektrooptischen, nichtlinear-optischen oder akustooptischen Material. Das Substrat 91 beinhaltet sieben Wellenleiter 92a–92g, nämlich einen für jede der MC-Vorrichtungen MC₁–MC₇ in der in 4 gezeigten Vorrichtung. Der Optikfaserpfad weist einen Eingang 93, einen Ausgang 94 und Optikfaserspulen 95a–95f auf. Die Spulen 95a–95f entsprechen Spulen L₁–L₆ in der Vorrichtung aus 4. Die Schaltelemente sind bei 97 gezeigt. Sie weisen Metallfilmelektroden auf, die über Kopplern oder Gittern (nicht gezeigt) in den Wellenleitern liegen. Die Metallfilmelektroden sind durch die gezeigten Laufschienen mit geeigneten Spannungsquellen verbunden.
Langperiodengitter, die in Verbindung mit den Modenwandlern beschrieben wurden, könnten durch verschiedene Techniken gebildet werden. Ein häufiger Ansatz besteht darin, die Gitter unter Verwendung von UV-Licht in eine dotierte Faser zu schreiben. Derartige Gitter können auch durch ein Induzieren periodischer Indexveränderungen aufgrund von Wärme, Druck oder anderem Licht als UV-Licht realisiert werden. Andere Verfahren könnten jedoch ebenso eingesetzt werden. Durch Mikrobiegung induzierte LPGs z. B. sind geeignet. Diese können mit akustooptischen Gittern, lichtbogenspleißer-induzierten periodischen Mikrobiegungen oder durch Pressen der Faser zwischen gewellten Blöcken, die die erforderliche Gitterperiodizität besitzen, realisiert werden.
Die oben beschriebenen AHOM-Vorrichtungen weisen viele Entwurfsfreiheitsgrade auf. Einige derselben sind der Verwendung von Optikfaserspulen mit unterschiedlichen Längen zuzuschreiben. Dies ermöglicht es, dass der Gesamtdispersionswert abhängig von der relativen Pfadlänge, die für die zwei (oder mehr) Ausbreitungsmoden ausgewählt wird, variiert werden kann. Die Optikfaserlängen können ausgewählt oder entworfen sein, um unterschiedliche Dispersionswerte für eine bestimmte Mode zu besitzen, selbst dann, wenn sie gleich lang sind. Ferner könnten, da sich zwei Moden mit unterschiedlichen Dispersionswerten in der gleichen Faser ausbreiten, Vorrichtungen wie diejenige aus 4, bei der die Faserlängen gleich oder nahezu gleich sind, dennoch die Vorteile der Erfindung bereitstellen.
Es sollte zu erkennen sein, dass die Prinzipien der Erfindung auf Systeme, die mehr als zwei Kernführungsmoden verwenden, angewendet werden könnten. Bei den oben beschriebenen Vorrichtungen wurden die gleichen zwei Moden für jede Stufe der Vorrichtung angenommen, d. h. z. B. für jede Länge L₁ bis L₆ aus 4. Alternativ könnten unterschiedliche Faserabschnitte verwendet werden, bei denen die beiden Moden unterschiedlich sind. Wenn z. B. die für eine Stufe der Vorrichtung ausgewählten Moden LP₀₁ und LP₀₂ sind, könnten die für eine andere Stufe der Vorrichtung ausgewählten Moden LP₁₁ und LP₀₂ sein.
Ebenso innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung sind AHOM-Vorrichtungen mit mehreren HOM-Optikfasersegmenten, bei denen unterschiedliche Segmente unterschiedliche Faserentwürfe und Eigenschaften besitzen. In diesem Fall ist die Dispersion aufgrund einer Mode der gleichen Ordnung in den unterschiedlichen HOM-Fasern unterschiedlich. Dies ergibt eine Vorrichtung, die eine abstimmbare Dispersion, Dispersionsneigung, Dispersionskrümmung oder beliebige optische Eigenschaft bereitstellt, die eine beliebige Ableitung höherer Ordnung einer Dispersion als eine Funktion der Wellenlänge ist.
Die AHOM-Vorrichtung gemäß dieser Erfindung besitzt zahlreiche Anwendungen in optischen Kommunikationssystemen. 10 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines optischen Kommunikationssystems, das durch die AHOM-Vorrichtung ermöglicht wird. 10a zeigt das Schema einer Faseroptikübertragungsleitung, in der ein optisches Signal über eine vorbestimmte Länge einer Übertragungsfaser 101 übertragen wird, gefolgt durch ein optisches Verstärkermodul 102. Das optische Verstärkermodul 102 weist Gewinnblöcke 103 an seinem Eingang bzw. Ausgang auf. Die Gewinnblöcke 103 sind miteinander mittels einer AHOM-Vorrichtung gemäß dieser Erfindung 104 und einer statischen Dispersionskompensationsvorrichtung (statischen DC; DC = dispersion compensation) 105 verbunden, die häufig in existierenden Kommunikationssystemen verwendet wird. 10b zeigt ein ähnliches optisches Kommunikationssystem, bei dem die gesamte Dispersionskompensation durch die AHOM-Vorrichtung alleine bereitgestellt wird, was den Bedarf nach einer statischen DC überflüssig macht. Das Signal wird nach einer Übertragung über eine vorbestimmte Länge der Übertragungsfaser gedämpft. Es sammelt außerdem eine wesentliche Dispersionsmenge an, die mit einer Zeit oder den spezifischen Dispersionseigenschaften der Übertragungsfaser variieren könnte. Die Gewinnblöcke stellen die erforderliche Verstärkung zur Kompensation des Verlustes der Signalleistung bereit. Die AHOM-Vorrichtung stellt eine abstimmbare Dispersion zum Kompensieren der durch das Signal angesammelten Dispersion bereit. Die zwei Schemata, 10a und 10b, stellen dar, dass die AHOM-Vorrichtung entweder eine abstimmbare Dispersionskorrektur bereitstellen könnte, wobei der Großteil der Dispersionskompensation durch die statische DC bereitgestellt wird, oder die gesamte für das Signal erforderliche Dispersionskompensation bereitstellen könnte.
11 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines optischen Kommunikationssystems, das durch die AHOM-Vorrichtung ermöglicht wird. 11a zeigt das Schema eines Empfängers, der ein optisches Verstärkermodul 111 aufweist, gefolgt durch eine optische Erfassungsanlage 115, die eingehende optische Signale in elektrische Signale umwandelt. Das optische Verstärkermodul 111 weist Gewinnblöcke 112 an seinem Eingang bzw. Ausgang auf. Die Gewinnblöcke 112 sind miteinander mittels einer AHOM-Vorrichtung gemäß dieser Erfindung 113 und einer statischen DC 114, die in existierenden Kommunikationssystemen häufig verwendet wird, verbunden. 11b zeigt ein ähnliches optisches Kommunikationssystem, bei dem die gesamte Dispersionskompensation durch die AHOM-Vorrichtung alleine bereitgestellt wird, was den Bedarf nach einer statischen DC überflüssig macht. Die beiden Schemata, 11a und 11b, stellen dar, dass die AHOM-Vorrichtung entweder eine abstimmbare Dispersionskorrektur bereitstellen könnte, wobei der Großteil der Dispersionskompensation durch die statische DC bereitgestellt wird, oder die gesamte Dispersionskompensation, die für das Signal erforderlich ist, bereitstellen könnte, bevor dasselbe in die optische Erfassungsvorrichtung gelangt. Der elektronische Teil der optischen Erfassungsanlage 115 könnte mit den elektrischen Steuerungen der AHOM-Vorrichtung 113 in dem optischen Verstärkermodul 111 verbunden sein, derart, dass ein Rückkopplungsmechanismus die Leistung des Empfängers durch ein Verändern der Dispersion der AHOM-Vorrichtung optimiert.
Verschiedene zusätzliche Modifizierungen dieser Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen sein. Alle Abweichungen von den spezifischen Lehren dieser Beschreibung, die im Grunde auf den Prinzipien und deren Äquivalenten beruhen, durch die die Technik weiterentwickelt wurde, werden vollkommen als innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie diese beansprucht wird, betrachtet.

Claims

Eine optische Dispersionskompensationsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: a. eine Serie L₁ bis L_N von Längen einer optischen Faser, wobei jede Länge der optischen Faser zumindest zwei kerngeführte räumliche Moden unterstützt, wobei die Serie L₁ bis L_N von Längen der optischen Faser unterschiedliche Längen aufweist und die Längen Vielfache von L₁ sind, b. eine Serie MC₁ bis MC_N+1 von Räumliche-Mode-Wandlern (MC), die sich zwischen der Serie L₁ bis L_N abwechseln, c. eine Einrichtung zum unabhängigen Schalten jedes MC aus einem Zustand, der eine kerngeführte räumliche Mode weiterleitet, in einen Zustand, der eine kerngeführte räumliche Mode in eine andere räumliche Mode umwandelt.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Räumliche-Mode-Wandler folgende Merkmale aufweisen: i. eine Länge einer optischen Faser mit zumindest einer ersten kerngeführten räumlichen Mode und einer zweiten kerngeführten räumlichen Mode, ii. eine Einrichtung in der Optikfaser zum Umwandeln von Licht in der ersten kerngeführten räumlichen Mode in Licht in der zweiten kerngeführten räumlichen Mode, wobei die Einrichtung ein Langperiodengitter (LPG) aufweist, und wobei das LPG einen Wendepunkt (TAP) aufweist und der TAP äquivalent zu einem Minimum in der Phasenanpassungskurve ist, iii. eine Einrichtung zum Verändern des Brechungsindex zumindest eines Abschnitts der Länge der optischen Faser.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das LPG eine Gitterkonstante Λ aufweist und Λ dem Wendepunkt innerhalb von 5 % entspricht.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Schalten der MCs eine Temperatursteuerung verwendet.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Schalten der MCs eine Belastung verwendet.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Schalten der MCs einen nichtlinear-optischen Effekt verwendet.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Schalten der MCs einen akustooptischen Effekt verwendet.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Schalten der MCs einen spannungsoptischen Effekt verwendet.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Schalten der MCs einen elektrooptischen Effekt verwendet.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die zusätzlich eine Übertragungsfaser umfasst.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine statische Dispersionskompensationsvorrichtung aufweist.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen statischen Dispersionskompensator, gefolgt durch einen Photodetektor, aufweist.
Die optische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der N gleich 2 ist.
Verfahren zum Kompensieren einer Dispersion, das folgende Schritte aufweist: Übertragen eines optischen Signals durch eine Serie L₁ bis L_N von Längen einer optischen Faser, wobei jede Länge der optischen Faser zumindest zwei kerngeführte räumliche Moden unterstützt, wobei die Serie L₁ bis L_N von Längen der optischen Faser unterschiedliche Längen aufweist und die Längen Vielfache von L₁ sind und eine Serie MC₁ bis MC_N+1 von Räumliche-Mode-Wandlern (MC) sich zwischen der Serie L₁ bis L_N abwechselt, und unabhängiges Schalten jedes MC aus einem Zustand, der eine kerngeführte räumliche Mode weiterleitet, in einen Zustand, der eine kerngeführte räumliche Mode in eine andere räumliche Mode umwandelt.