ITTO940443A1

ITTO940443A1 - Procedimento per la misura dell'indice di rifrazione non lineare in una fibra ottica monomodo.

Info

Publication number: ITTO940443A1
Application number: IT000443A
Authority: IT
Inventors: Massimo Artiglia; Renato Caponi; Francesco Cisternino; Claudio Naddeo; Diego Roccato
Original assignee: Cselt Oratelecom Italia Lab S P A
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1995-11-30
Also published as: IT1266016B1; JPH07325015A; EP0685722A2; CA2150418A1; EP0685722A3; ITTO940443A0

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"Procedimento per la misura dell'Indice di rifrazione non lineare in una fibra ottica monomodo"

a nome CSELT - Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni S.p.A., Via G. Reiss Romoii 274, 10148 Torino, nazionalità italiana.

Inventori: Massimo ARTIGLIA

Renato CAPONI

.fi Francesco CISTERNINO fi 2

Claudio NADDEO

α>ϋ Diego ROCCATO Og Domanda N. TO 94A000443

«s Depositata il t κ* mh

La presente invenzione concerne la caratterizzazione delle fibre ottiche e in particolare riguarda un procedimento di misura dell'indice di rifrazione non lineare in una fibra ottica monomodo, basato su tecniche interferometriche Nella maggior parte dei materiali di interesse per le comunicazioni ottiche il principale fenomeno non lineare che può agire sull'indice di rifrazione è l’effetto Kerr ottico, la cui influenza su tale parametro è descritta dalla formula:

n(l) = no n2 I (1 ) dove n( I) è l'indice di rifrazione in funzione dell'intensità I (e quindi della potenza) della radiazione inviata nella fibra, no è l'indice di rifrazione lineare (costante), mentre n2 è il cosiddetto coefficiente non lineare dell'indice di rifrazione (nel seguito chiamato più semplicemente "indice di rifrazione ngn lineare").

Con l'introduzione degli amplificatori ottici nei sistemi di comunicazione

ottica, le potenze trasmesse in una fibra rendono non più trascurabili gli

effetti non lineari correlati con n2‘- dal momento che questi effetti possono

significativamente degradare le prestazioni di un sistema o per converso

possono essere sfruttati per realizzare nuove soluzioni tecniche, la accurata

conoscenza dell'indice di rifrazione non lineare η∑ nelle fibre ottiche, alle

lunghezze d'onda operative tipiche delle comunicazioni ottiche, sta assumendo

una importanza crescente.

Sono noti diversi metodi per misurare n2, e i più precisi si basano su

tecniche interferometriche.

Un esempio è fornito da M. Monerie e Y. Durteste nell'articolo "Direct

interferometric measurement of nonlinear refractive index of optical fibres by

crossphase modulation", Electronics Lettere, 23, No. 18, 1987, pagg. 961 -963. In questo lavoro viene descritto un dispositivo di misurazione facente

uso di un interferometro di Mach-Zehnder con due rami di lunghezza diversa,

uno dei quali in aria e l'altro contenente la fibra soggetta a misurazione. Un

fascio di una radiazione emessa da una prima sorgente di radiazione viene LTS CE

SAlìiptei Tontncabt Lwnu Cec Sdiooarttaro eenru. frazionato in due fasci parziali che vengono ricombinati dopo esser stati

inviati rispettivamente nei due rami deil'interferometro. Se si invia in tale

sistema, in verso opposto al fascio emesso dalla prima sorgente, un impulso

di una radiazione di pompa emesso da una ulteriore sorgente, l'indice di

rifrazione del nucleo della fibra soggetta a misurazione aumenta e si osserva

una variazione del livello di interferenza tra i fasci che percorrono differenti

cammini, rappresentata dallo sfasamento relativo che è direttamente proporzionale al coefficianta non lineare dall'indice di rifrazione che si vuole misurare.

La tecnica di cui sopra presenta vari svantaggi. In particolare, la misura è sensibile all'orientamento relativo delle polarizzazioni delle due radiazioni, che ò un fenomeno statistico la cui influenza sul risultato finale può essere valutata soltanto applicando delle ipotesi semplificative, a loro volta in generale dipendenti anche dalle condizioni di lancio degli impulsi. Inoltre, vi sono errori sistematici dovuti al fatto che l'apparecchiatura non ò autocompensata rispetto ai disturbi ambientali di tipo termico e meccanico, in quanto le radiazioni percorrono i rispettivi cammini in un solo senso.

Questi problemi vengono risolti con la tecnica di misurazione descritta da J.E. Meier e W.E. Heinlein nella memoria "Improved self-compensated interferometer method to measure thè effective nonlinearity of an Er-doped fibre”, presentata alla Optical Fibre Measurement Conference '93, Torino, 21-22 Settembre 1993, pubblicato in Technical Digest, pagg. 125-128. In particolare, ogni impulso emesso da una sorgente viene suddiviso in due impulsi ai quali vengono fatti compiere cammini di lunghezza diversa lungo i due rami di un interferometro di Mach-Zehnder, in uno dei quali (p. es. il più lungo) è inserito un attenuatore variabile; al termine dei due differenti cammini CSELT C Siettdn Lbraui T etlaoraoiiri Seecom3⁄4nucazonp.. si ottiene una coppia di impulsi aventi tra loro una differenza di potenza regolabile e un certo ritardo temporale, che vengono inviati nella fibra oggetto di misurazione. All'estremità della fibra la suddetta coppia di impulsi subisce riflessione, e gli impulsi riflessi, uscendo dall'estremità d'ingresso della fibra, vengono nuovamente suddivisi e inviati lungo gli stessi cammini percorsi dalla coppia di impulsi all'andata. Si ottiene quindi una tripletta di impulsi, di cui il primo ha percorso due volte il cammino corto, il terzo ha percorso due volte il cammino lungo e quello di mezzo è la sovrapposizione coerente di due

impulsi che hanno seguito una volta il cammino lungo e una volta quello corto.

Scegliendo opportunamente il valore dell'attenuazione introdotta dall'attenuatore variabile, si ottengono chiare figure di interferenza nella parte

centrale dell'impulso di mezzo: da tali figure di interferenza è possibile risalire

ad n2. I picchi laterali debbono essere eliminati.

L'uso di una singola sorgente elimina i problemi connessi con la

polarizzazione, mentre il fatto che l'apparato di misura e la fibra vengano

attraversati due volte dagli impulsi utilizzati per la misurazione rende

l'apparato autocompensato rispetto ai disturbi ambientali di tipo termico e

meccanico. L'apparato cosi descrìtto risulta però piuttosto complesso,

utilizza varie parti non in fibra ottica e rende l'accuratezza della misurazione

J -ώ dipendente dalla durata degli impulsi utilizzati, in quanto da tale parametro lil'z φ g Q e dipendono le dimensioni dei picchi laterali, i quali debbono essere il più possibile

distanti dal picco centrale per poter essere eliminati senza influire su questo,

che rappresenta il segnale utile. CO> Scopo della presente invenzione ò la realizzazione di un sistema di

misurazione autocompensato al pari della tecnica a doppio passaggio

suddetta, ma che sia di struttura più semplice, non richiedendo un doppio

attraversamento dell'interferometro utilizzato, che sia realizzato tutto in

fibra ottica monomodo, e che permetta di utilizzare impulsi di durata

qualsiasi, a patto che il duty cycle sia abbastanza elevato, consentendo la

misurazione di n2 con arbitraria risoluzione temporale, almeno in linea di

principio.

Secondo l'invenzione, si fornisce un procedimento per la misura dell'indice

di rifrazione non lineare di una fibra ottica, in cui si analizza l'interferenza fra

coppie di impulsi uno solo dei quali ha potenza tale da indurre effetti non

lineari nella fibra e si ricava l'indice di rifrazione non lineare da una misura delle

differenze di fase tra i due impulsi della coppia, e in cui gli impulsi della coppia

sono fatti interferire dopo essersi propagati lungo uno stesso percorso

comprendente la fibra in esame, realizzato mediante un anello interferometrico di Sagnac in fibra ottica in cui si invia, nei due sensi, l'impulso

emesso da una sorgente, uno degli impulsi della coppia essendo attenuato

all'interno dell'anello prima del passaggio nella fibra in esame.

Nell'articolo "Nonlinear-optical loop mirror” di N. J. Doran e D. Wood,

Optics Lettere, Voi. 13, N. 1, Gennaio 1988,.pagg. 56 e segg., si descrive la

possibilità di sfruttare il diverso sfasamento non lineare di due impulsi a

potenza diversa che si propagano in verso opposto lungo un anello

interferometrico di Sagnac in fibra ottica per ottenere un dispositivo di

commutazione. I due impulsi sono ottenuti tramite un accoppiatore a X

sbilanciato sulle cui uscite si chiude l'anello in fibra. Non si dà nessuna

indicazione sulla possibilità di utilizzare un dispositivo de) genere per misurare

TSEL C

l'indice di rifrazione non lineare; d'altra parte, il dispositivo non potrebbe SAiiii Tpl Lbconnazditom C Seecuaortort eaeroun. fornire frange di interferenza alle due uscite in quanto è progettato per

funzionare con impulsi solitonici, che devono venire commutati ai 100% sull’una

o l'altra uscita.

Le caratteristiche della presente invenzione risulteranno più evidenti dalla

descrizione che segue e dai disegni allegati relativi ad un esempio di

realizzazione a carattere non limitativo. Nei disegni;

- la Fig. 1 rappresenta l'esempio preferito di realizzazione dell'apparato di misurazione sul quale si basa il metodo descrìtto, e

- la Fig. 2 rappresenta una possibile variante al suddetto apparato.

In Fig. 1, una sorgente di impulsi ad alta potenza, tipicamente un laser L, emette una successione di impulsi che viene fatta passare in un attenuatore variabile AV1 e viene poi divisa in due treni di impulsi uguali per mezzo di un accoppiatore, indicato con C1, su cui si richiudono le due estremità di un anello interferometrìco di Sagnac in fibra ottica, indicato con AS, nel quale ò inserita la fibra in esame F. La propagazione degli impulsi tra la sorgente e C1 avviene in fibra ottica. Un dispositivo di controllo della polarizzazione PC1 permette di far arrivare nell'anello AS radiazioni con una polarizzazione voluta, se lo si desidera.

Nel caso in cui si desideri utilizzare impulsi molto brevi, la sorgente dovrà 0)

*a o emettere una radiazione a una lunghezza d'onda il più possibile prossima a .3« c ε quella che corrisponde a dispersione nulla nella fibra F. SI w *. « 3⁄4 I due treni di impulsi si propagano in senso opposto lungo l'anello e uno o I dei due treni di impulsi viene pesantemente attenuato in un attenuatore variabile AV2 prima di entrare nella fibra F, mentre l'altro passa attraverso un secondo dispositivo di controllo della polarizzazione PC2, che compensa la birifrangenza dell'anello AS e in particolare fa si che, in condizioni di propagazione lineare, l'intera potenza associata agli impulsi che si ricombinano dopo la propagazione lungo l'anello esca dalla porta 01 dell'accoppiatore C1. L’attenuatore AV2 può essere realizzato mediante un accoppiatore con rapporto di suddivisione tra le due uscite fortemente sbilanciato (p. es. da 90:10 a 99:1). L’attenuazione di un treno di impulsi si rende necessaria per far sì che tali impulsi non diano praticamente luogo a effetti non lineari nella fibra e subiscano quindi un'automodutazione di fase praticamente trascurabile. Per converso, l'altro treno d'impulsi attraversa lo stesso attenuatore AV2 dopo aver subito una propagazione non lineare attraverso la fibra F. In questo modo gli impulsi che ritornano in C1 hanno la stessa intensità e solo uno di essi denuncia un significativo sfasamento dovuto ad automodulazione di fase. Gli impulsi che hanno percorso l'anello nei due sensi sono ricombinati in C1 e sono estratti attraverso la porta 01 di questo, che è collegata a un dispositivo di misura di n2, in particolare un autocorrelatore AC. per la caratterizzazione ad alta risoluzione temporale dell'interferenza tra i treni di impulsi propagantisi nell'anello.

Più in particolare, a causa della propagazione non lineare di uno dei due impulsi ricombinati in C1 , tra questi esiste uno sfasamento che, tenendo conto anche del piccolo valore deM'automodulazione di fase relativa al fascio

ui^ attenuato prima dell'attraversamento della fibra, viene espresso dalla formula

O I

seguente:

Δφ(ί) = (2πη2/λΑθίΟ·[Ρι{1) - P2(t)] L0ff (2)

s dove P1(t) e P2(t) sono le potenze istantanee degli impulsi ad alta e bassa intensità (cioè rispettivamente di quello non attenuato e di quello attenuato A Sìpinioazcnmu. i prima dell’attraversamento della fibra), Aeff è l'area efficace della fibra ed Leff è la lunghezza efficace della fibra. Il significato di queste due grandezze è ben noto ai tecnici e non è necessario riportarne qui le formule che le esprimono. Nella suddetta espressione, gli effetti di modulazione incrociata di fase tra i due fasci di impulsi contropropagantisi sono stati trascurati.

Questa ipotesi è valida per treni di impulsi con alto duty cycle. A partire da Δφ (determinato con {'autocorrelatore AC), n2 può essere ricavato dalla formula (1), a condizione che siano note l'area efficace della fibra e la sua lunghezza

efficace.

Va tenuto presente che, a causa del comportamento non lineare, una

parte della potenza associata agli impulsi ricombinati al termine dell'anello

viene riflessa da C1 verso la sorgente. Negli impulsi riflessi le condizioni di

interferenza distruttiva o costruttiva saranno complementari a quelle esistenti

negli impulsi trasmessi verso la porta 01 di C1. Questo fatto viene sfruttato

in una variante del dispositivo descritto, rappresentata in fig. 2, in cui tra la

sorgente L e l'accoppiatore C1 ò previsto un ulteriore accoppiatore C2 che ha

una porta 02 collegabile all'autocorrelatore AC, in alternativa ad 01, tramite

un commutatore CM.

À

L'uso di un interferometro di Sagnac permette di avere una e> s a configurazione autocompensata dell'apparecchiatura di misura, come nel

metodo descritto nella memoria di J. E. Meier e W. E. Heinlein, ma offre il bi LkJ

(Λ S vantaggio di avere un singolo impulso da analizzare, il che evita di dover OS a> eliminare un impulso spurio di grande potenza e permette quindi di utilizzare

anche impulsi ultracorti. 3 E' evidente che agli esempi di realizzazione precedentemente descritti a

titolo illustrativo e non limitativo potranno essere apportate numerose

modificazioni, adattamenti, integrazioni, varianti e sostituzioni di elementi con

altri funzionalmente equivalenti senza peraltro uscire daH'ambito di protezione

dell'invenzione.

Claims

(1), a condizione che siano note l'area efficace della fibra e la sua lunghezza efficace. Va tenuto presente che, a causa del comportamento non lineare, una parte della potenza associata agli impulsi ricombinati al termine dell'anello viene riflessa da C1 verso la sorgente. Negli impulsi riflessi le condizioni di interferenza distruttiva o costruttiva saranno complementari a quelle esistenti negli impulsi trasmessi verso la porta 01 di C1. Questo fatto viene sfruttato in una variante del dispositivo descritto, rappresentata in fig. 2, in cui tra la sorgente L e l'accoppiatore C1 ò previsto un ulteriore accoppiatore C2 che ha una porta 02 collegabile all'autocorrelatore AC, in alternativa ad 01, tramite un commutatore CM. À L'uso di un interferometro di Sagnac permette di avere una e> s a configurazione autocompensata dell'apparecchiatura di misura, come nel metodo descritto nella memoria di J. E. Meier e W. E. Heinlein, ma offre il bi LkJ (Λ S vantaggio di avere un singolo impulso da analizzare, il che evita di dover OS a> eliminare un impulso spurio di grande potenza e permette quindi di utilizzare anche impulsi ultracorti. 3 E' evidente che agli esempi di realizzazione precedentemente descritti a titolo illustrativo e non limitativo potranno essere apportate numerose modificazioni, adattamenti, integrazioni, varianti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti senza peraltro uscire daH'ambito di protezione dell'invenzione. Rivendicazioni. 1. Procedimento per la misura dell'indice di rifrazione non lineare di una fibra ottica, in cui si analizza l'interferenza fra coppie di impulsi uno solo dei quali ha potenza tale da indurre effetti non lineari nella fibra e si ricava l'indice di rifrazione non lineare da una misura delle differenze di fase tra i due impulsi della coppia, caratterizzato dal fatto che gli impulsi della coppia sono fatti interferire dopo essersi propagati lungo uno stesso percorso comprendente la fibra in esame, realizzato mediante un anello interferometrico di Sagnac (AS) in fibra ottica in cui si inviano, nei due sensi, gli impulsi emessi da una sorgente (L), uno degli impulsi della coppia essendo attenuato all'interno dell'anello prima del passaggio nella fibra in esame.
2. Procedimento secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che si analizza l'interferenza tra gli impulsi della coppia prelevati immediatamente all'uscita dell'anello e gli stessi impulsi prelevati dopo essersi propagati all 'indietro lungo un tratto di un percorso in fibra che collega la sorgente (L) e l'anello (AS).
3. Procedimento secondo la riv. 1 o 2, caratterizzato dal fatto che nella fibra in esame (F) si inviano impulsi la cui lunghezza d'onda è prossima alla lunghezza d'onda di dispersione nulla delia fibra. CSELT Centro Studi e Telecomunicazioni S.p-A. li Re$pona/Sfm Bhvetti e Licenze