ITTO950455A1

ITTO950455A1 - Procedimento e apparecchiatura per la misura dell'indice di rifrazione non lineare in una fibra ottica monomodo.

Info

Publication number: ITTO950455A1
Application number: IT95TO000455A
Authority: IT
Inventors: Riccardo Calvani; Renato Caponi; Claudio Naddeo; Diego Roccato
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telecom
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1996-12-02
Also published as: DE69629248D1; JP2739686B2; ITTO950455A0; DE69629248T2; JPH08334435A; IT1276400B1; DE745837T1; EP0745837B1; US5661554A; EP0745837A3; CA2177906C; EP0745837A2; CA2177906A1

Abstract

SI INVIA UNA FIBRA (2) UNA TRENO D'IMPULSI OTTICI LIMITATI IN BANDA AVENTI UNA LUNGHEZZA D'ONDA PROSSIMA ALLA LUNGHEZZA D'ONDA DI DISPERSIONE NULLA DELLA FIBRA (2) E UNA POTENZA DI PICCO ELEVATA E VARIABILE TALE DA DARE ORIGINE A MODULAZIONE DI FASE AUTOINDOTTA, SI MISURA L'ALLARGAMENTO SPETTRALE DEL SEGNALE USCENTE DALLA FIBRA (2) PER UNA PLURALITA' DI VALORI DELLA POTENZA DI PICCO DEGLI IMPULSI E SI RICAVA L'INDICE DI RIFRAZIONE NON LINEARE DAL COEFFICIENTE ANGOLARE DELLA RETTA RAPPRESENTATIVA DELL'ALLARGAMENTO SPETTRALE IN FUNZIONE DELLA POTENZA DI PICCO. SI FORNISCE ANHE L'APPARECCHIATURA PER REALIZZARE IL PROCEDIMENTO.(FIG. 1)

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

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

La presente invenzione concerne la caratterizzazione delle fibre ottiche e in particolare riguarda un procedimento e un'apparecchiatura per la misura del coefficiente di non linearità Kerr (o dell'indice di rifrazione non lineare) in una fibra ottica monomodo.

Nella maggior parte dei materiali di interesse per le comunicazioni ottiche uno dei principali fenomeni non lineari è l'effetto Kerr ottico, che agisce sull'Indice di rifrazione rendendolo dipendente dall'intensità ottica I secondo la formula:

dove n(l) 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, mentre n2 è il cosiddetto coefficiente non lineare dell'indice di rifrazione (chiamato anche semplicemente indice di rifrazione non 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 legati a 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, è importante la loro accurata conoscenza. Nel caso delle fibre ottiche l'indice di rifrazione non lineare Π2 è In generale ricavato Indirettamente, attraverso una misura dei cosiddetto coefficiente di non linearità Kerr γ, che è proporzionale a n2 e in più tiene conto anche del confinamento della luce nella fibra, cosicché dà informazioni più complete, dal punto di vista operativo, di quelle fornite da Π2 , che è un parametro del solo materiale, ti coefficiente γ è dato dalla relazione

dove λρ e ωρ sono rispettivamente Sa lunghezza d'onda e la pulsazione della radiazione inviata in fibra, c è la velocità della luce e Aeff è l'area efficace dei nucleo della fibra, che è un parametro che dà una misura del confinamento ottico della luce airintemo della fibra. Dal valore di ysi può quindi risalire a quello di n2, una volta noto Aeff, che deve essere ricavata con una misura indipendente.

Sono noti numerosi metodi per la determinazione di γ ο di n2. Quelli usati più comunemente prevedono l'invio nella fibra di impulsi ottici di potenza elevata e l'analisi delio spettro degli impulsi uscenti dalla fibra per misurare lo sfasamento non lineare ΦΝΙ. prodotto da ogni impulso su se stesso (modulazione di fase autoindotta). Questo sfasamento è dovuto al fatto che l'impulso cambia l'indice di rifrazione della fibra, come indicato dalla relazione (1), ed è legato al coefficiente γ dalla relazione ΦΝL_ - yP L, dove P è la potenza dell'impulso e L la lunghezza della fibra. Gli impulsi utilizzati sono in generale impulsi molto brevi, per ottenere le alte potenze di picco necessarie dato che n2 nella silice è molto basso (ordine di grandezza: 10'20 m2/W).

Esempi di tali metodi sono descritti negli articoli: "Measurement of non linear index of silica-core and dispersion-shifted fibers", di K.S. Kim e altri, Optics Lettere, Voi. 19, n. 4, 15 Febbraio 1994, pagg. 257 e segg., "Nonlinear coefficient measurements for dispersori shifted fibres using self-phase modulation method at 1.55 μm , di Y. Namihira e altri, Electronics Letters, Voi. 30, N. 14, 7 Luglio 1994, pagg. 1171-1172, e nella memoria "Nonlinear-index measurement by SPM at 1.55 μιτΓ, di R.H. Stolen e altri, presentata alla conferenza OFC'95, San Diego (USA), 26 Febbraio - 2 Marzo 1995, memoria FD1. In particolare, secondo questi metodi, si sfrutta il fatto che lo spettro dell'Impulso all'uscita della fibra presenta una successione di massimi e minimi, il cui numero dipende dalla potenza istantanea dell'impulso e la cui posizione corrisponde a valori di ΦΝL multipli dispari di π/2. Misurando la potenza P in questi punti si ricava ΦΝΙ. Θ quindi γ.

Una misura di questo tipo ha una precisione limitata, in quanto è difficile definire esattamente i punti di massimo e minimo e quindi, date le ridotte dimensioni dei picchi, il valore di potenza misurato può essere affetto da errori anche alquanto elevati.

L'invenzione fornisce invece un procedimento e un'apparecchiatura che, non richiedendo la valutazione dei massimi e minimi di potenza, permettono di ottenere una misura precisa di n2 o γ.

Più precisamente l'invenzione si basa su una misura dell'allargamento spettrale subito da un impulso di alta potenza a causa dell'effetto Kerr. E' stato dimostrato (v. Q.Z. Wang e altri: "Supercontinuum Generation in Condensed Matter", in "The Supercontinuum Laser", a cura di R. R.AIfano, Springer-Verlag 1989, Cap. 2, par. 2, pagg. 34-40) che, se si opera in condizioni in cui si possono trascurare nella fibra la dispersione di velocità di gruppo, l'assorbimento e l'effetto Raman, l'impulso ha caratteristiche tali da dare origine solo alla modulazione di fase autoindotta. In tal caso il campo elettrico in ogni posizione temporale τ lungo l'impulso ha una frequenza istantanea

dove F{x) è l'inviluppo dell'impulso lanciato in fibra, z è la distanza dall'imbocco della fibra e P è la potenza di picco dell'impulso. All'uscita della fibra, lo spettro dell'impulso avrà subito un allargamento complessivo dato dal massimo della funzione (4) che, come si può dedurre facilmente derivando la (4) e uguagliando a 0 la derivata, è dato da

dove 3i , 32 indicano i valori di 3F2 (τ)/3τ nei due punti di flesso dell'intensità F2(x). L'allargamento è quindi una funzione lineare della potenza dell'impulso attraverso una costante che dipende dalle caratteristiche dell'impulso, dal parametro γβ dalla lunghezza della fibra. Dalla misura dell'allargamento spettrale si può risalire facilmente a ye n2. Si noti che le relazioni date sopra valgono a partire da valori di potenza tali da dare origine a uno sdoppiamento del picco nello spettro dell'impulso.

Pertanto, secondo l'invenzione si fornisce un procedimento in cui si invia nella fibra un segnale costituito da un treno d'impulsi ottici limitati in banda, aventi una lunghezza d'onda prossima alla lunghezza d'onda di dispersione nulla delia fibra e una potenza elevata e variabile tale da dare origine a modulazione di fase autoindotta, e si analizza lo spettro degli impulsi uscenti dalla fibra; il procedimento è caratterizzato dal fatto che si misura l'allargamento spettrale del segnale uscente dalla fibra per una pluralità di valori della potenza di picco degli impulsi, tale allargamento spettrale essendo una funzione lineare della potenza di picco secondo un fattore dipendente dall'indice di rifrazione non lineare; si ricava il coefficiente angolare della retta rappresentativa di detta funzione e si ricava l'indice di rifrazione non lineare da tale coefficiente angolare.

E' da notare che gli impulsi devono avere una durata breve (p. es. 5 - 8 ps) ma non devono essere eccessivamente corti, poiché in tal caso occuperebbero uno spettro molto esteso che potrebbe interessare zone della fibra a dispersione di velocità di gruppo elevata, vanificando cosi una delle condizioni di validità delle relazioni (3) - (6).

Come detto, la modulazione di fase autoindotta fa sì che nello spettro dell'impulso all'uscita della fibra siano presenti un certo numero di picchi il cui numero dipende dalla potenza istantanea dell'Impulso. La misura dell'allargamento spettrale può essere effettuata o misurando la larghezza a metà altezza dello spettro o la distanza tra i picchi estremi. Preferibilmente secondo l'invenzione si misura tale distanza: infatti, come dimostrato da Q.Z. Wang nell'opera citata, tali picchi, che si presentano in corrispondenza dei punti di flesso dell'Inviluppo dell'Impulso ottico inviato in fibra, sono massimi assoluti dello spettro e ne delimitano l'estensione fra -ΔωΜ/2 Θ Δ<ωΒΜ/2. La misura effettuata in questo modo dà risultati precisi.

E' anche oggetto dell'invenzione l'apparecchiatura che realizza il procedimento, la quale comprende: mezzi per generare e inviare nella fibra una sequenza d'impulsi ottici limitati in banda, con una potenza elevata tale da dare origine a modulazione di fase autoindotta e con lunghezza d'onda prossima alla lunghezza d'onda di dispersione nulla della fibra; mezzi per variare la potenza degli impulsi inviati in fibra e per misurare tale potenza; mezzi per analizzare lo spettro ottico degli impulsi uscenti dalla fibra; e un sistema elaborativo per ricavare l’indice di rifrazione non lineare dallo spettro ottico; ed é caratterizzata dai fatto che: i mezzi per analizzare io spettro ottico degli impulsi uscenti dalla fibra sono atti a determinare l'allargamento spettrale degli impulsi al variare della potenza di picco; e il sistema elaborativo è atto a ricavare l'indice di rifrazione non lineare dal coefficiente angolare della retta che rappresenta l'allargamento spettrale in funzione della potenza di picco.

A maggior chiarimento si fa riferimento al disegno allegato, in cui:

- ta fig. 1 mostra in forma schematica l'apparecchiatura che realizza il procedimento; e - le figure 2A - 2D sono grafici dello spettro, all'uscita dalla fibra, di un impulso a secante iperbolica per diversi valori della potenza di picco

- la fig. 3 è un grafico dell'allargamento spettrale In funzione della potenza di picco per i valori di potenza considerati in Fig. 2.

Nei disegno le linee a tratto sottile indicano il percorso dei segnali ottici e quelle a tratto doppio connessioni elettriche.

Una sorgente 1 , p. es. un laser a centri di colore slntonizzabile in lunghezza d'onda, genera una successione d'impulsi aventi durata At e periodo di ripetizione T, lunghezza d'onda λρ prossima alla lunghezza d'onda λο di dispersione nulla di una fibra 2 di cui si deve misurare il coefficiente di non linearità Kenr e potenza di picco tale da dare origine a modulazione di fase autoindotta. Gli impulsi sono impulsi limitati in banda, indicando con questa espressione che il prodotto tra la larghezza (o durata) a metà altezza At e la larghezza di banda Av deve avere un certo valore, corrispondente al minimo teorico, che dipende dalla forma dell’impulso (impulsi cosiddetti "transform limited" o “quasi transform limited“).

Impulsi che hanno queste caratteristiche sono p. es. impulsi a secante iperbolica (At-Av = 0,314), gaussiani (At-Av = 0,441) o lorentzianl (At-Av = 0,11). La successione di impulsi viene lanciata nella fibra tramite un attenuatore variabile 3 che permette di selezionare valori diversi per la potenza media. Un separatore di fascio 4 disposto tra l'attenuatore e la fibra permette di prelevare una frazione della potenza associata a ciascun impulso e di fornirla a un radiometro 5 o altro dispositivo di misura della potenza, li segnale uscente dalla fibra 2 viene raccolto da un analizzatore di spettro ottico 6 o altro strumento in grado di misurare l'allargamento dello spettro degli impulsi al variare della potenza di picco P. Vantaggiosamente, per le ragioni sopra esposte, il dispositivo 6 misura l'allargamento massimo come distanza ΔλΜ (a cui corrisponde Δω\ι) tra i picchi estremi dello spettro di uscita. Un sistema elaborativo 7, collegato all'analizzatore 6 e al radiometro 5, ricava dai singoli valori di potenza media i valori di P (dati dal prodotto della potenza media per l'inverso T/At del duty cycle), memorizza I valori di ACOM in corrispondenza dei diversi valori di P, determina il coefficiente angolare delia retta rappresentativa dell'andamento di AOOM in funzione di P e ricava da tale coefficiente il valore di γβ quindi di n2, che tenendo conto della (5) e delia (2') è dato da

dove di e d2 sono calcolati analiticamente per ogni tipo d'impulso (dt = -32 per impulsi simmetrici come quelli menzionati sopra).

I valori della potenza di picco P devono essere sufficientemente elevati da dare origine ad automodulazione di fase ma non così elevati da provocare effetto Raman nella fibra, il valore minimo può essere deli'ordine di 1 W, che è un valore per cui si comincia ad osservare uno sdoppiamento del picco nello spettro dell'impulso. Tenendo conto che la soglia per cui si verifica l'effetto Raman è dell'ordine dei centinaio di Watt di picco, un valore massimo per P può essere di qualche decina di Watt, per esempio circa 20 W.

In un esempio di realizzazione dell'invenzione, la fibra era una fibra a dispersione spostata con una lunghezza di 0,5 Km e una lunghezza d'onda di dispersione nulla λο = 1558 nm, la sorgente aveva una lunghezza d’onda λ = 1549,5 nm (e quindi una pulsazione ωρ = 12.15-10<14 >s<'1>) e un'area efficace Aeff = 43-10'<12 >m<2>; gli impulsi erano impulsi a secante iperbolica con larghezza di banda Av « 55 GHz e larghezza a metà altezza At = 5,7 ps (e quindi prodotto At-Av = 0,314), e frequenza di ripetizione 76 MHz. Per questi impulsi, si può facilmente vedere che la (4) e la (6) diventano rispettivamente

I parametri che compaiono nella (8), per una data configurazione di sistema, sono tutti delle costanti e il sistema elaborativo 7 può quindi immediatamente ricavare li valore cercato.

Nelle figure 2A - 2D sono rappresentati gli spettri di uscita corrispondenti a quattro valori di potenza di picco (rispettivamente 4,05 W, 7,45 W, 11,04 W e 14,95 W). In tali figure ogni divisione corrisponde a 2 nm (ascisse) e a 50 nW (ordinate). Le figure mostrano chiaramente ì picchi dovuti alla modulazione di fase autoindotta. L'allargamento spettrale, determinato misurando la distanza tra i due picchi estremi dello spettro, aveva rispettivamente i valori di 848-10<9 >s<-1 >, 1900-10<9 >s<_1>, 2535, 5-10<9 >s<'1 >e 4259, 7-10<9 >s<’1>. Questi valori, approssimati con una retta (v. Fig. 3), hanno dato per n2 un valore di 2,46-10-20 m 2/W, quindi ben in accordo con i valori teorici e con quelli misurati con metodi differenti.

E' evidente che quanto descritto è dato unicamente a titolo di esempio non [imitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione.

Claims

Rivendicazioni 1. Procedimento per la misura dell'indice di rifrazione non lineare in una fibra ottica monomodo (2), in cui si invia nella fibra (2) un segnale costituito da un treno d'impulsi ottici limitati In banda (impulsi "transform limited" o 'quasi transform limited"), aventi una lunghezza d’onda prossima alla lunghezza d'onda di dispersione nulla della fibra (2) e una potenza elevata e variabile tale da dare origine a modulazione di fase autoindotta, e si analizza lo spettro degli impulsi uscenti dalla fibra (2), caratterizzato dal fatto che si misura l'allargamento spettrale dei segnale uscente dalla fibra (2) per una pluralità di valori della potenza di picco degli impulsi, tale allargamento spettrale essendo una funzione lineare delia potenza di picco secondo un fattore dipendente dall'indice di rifrazione non lineare; si ricava il coefficiente angolare della retta rappresentativa di detta funzione e si ricava l'indice di rifrazione non lineare da tale coefficiente angolare.
2. Procedimento secondo la riv. 1 , caratterizzato dai fatto che l'allargamento spettrale è misurato come distanza tra i picchi estremi dello spettro di uscita.
3. Apparecchiatura per la misura dell'Indice di rifrazione non lineare in una fibra ottica monomodo (2), comprendente: - mezzi (1) per generare e inviare nella fibra (2) una sequenza d'impulsi ottici limitati in banda, con potenza tale da indurre nella fibra modulazione di fase autoindotta e con lunghezza d'onda prossima alla lunghezza d’onda di dispersione nulla della fibra (2); - mezzi (3, 5) per variare la potenza degli impulsi inviati in fibra e per misurare tale potenza; e - mezzi (6) per analizzare lo spettro ottico degli impulsi uscenti dalla fibra; e - un sistema elaborativo (7) per ricavare l'indice di rifrazione non lineare dallo spettro ottico; caratterizzata dal fato che: - i mezzi (6) per analizzare lo spettro ottico degli impulsi uscenti dalla fibra sono atti a determinare l'allargamento spettrale degli impulsi al variare della potenza di picco; e - il sistema elaboralo (7) è atto a ricavare l'indice di rifrazione non lineare dal coefficiente angolare della retta che rappresenta t’allargamento spettrale in funzione della potenza di picco.