PL215040B1 - Generator dyspersji polaryzacyjnej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest generator dyspersji polaryzacyjnej stosowany do badania urządzeń transmisyjnych dla sieci światłowodowych, sprawdzania i wzorcowania przyrządów pomiarowych oraz do budowy kompensatorów dyspersji polaryzacyjnej (PMD).

Kable światłowodowe z włóknami jednomodowymi są szeroko stosowane w sieciach telekomunikacyjnych, teleinformatycznych i telewizji kablowej, gdzie jest niezbędne szerokie pasmo transmisji i brak zakłóceń, jednak istotną przeszkodę w przesyłaniu sygnałów cyfrowych o wysokich przepływnościach, szczególnie na duże odległości z użyciem przelotowych wzmacniaczy optycznych stanowi zjawisko dyspersji polaryzacyjnej (PMD). PMD polega na tym, że czas propagacji promieniowania we włóknie światłowodowym zmienia się z polaryzacją wskutek istnienia dwójłomności optycznej, co prowadzi do rozszerzania i zniekształcania impulsów tym włóknem przesyłanych. Każde włókno światłowodowe posiada pewną losową wartość PMD spowodowaną przez odstępstwa od kołowego przekroju rdzenia, naprężenia wewnętrzne, niejednorodności materiału oraz oddziaływania zewnętrzne takie jak zginanie i ściskanie włókna lub zmiany temperatury.

W sieciach międzymiastowych i metropolitalnych o przepływności kanału 10 Gbit/s lub wyższej, wymagane są pomiary, a w niektórych przypadkach również kompensacja PMD. Z kolei urządzenia transmisyjne powinny być testowane pod kątem tolerowanej PMD zgodnie z wymaganiami odpowiednich norm.

Badania urządzeń transmisyjnych, sprawdzanie analizatorów PMD i budowa wielu wersji kompensatorów PMD wymagają użycia generatorów PMD, wprowadzających w jednomodowym torze światłowodowym dyspersję polaryzacyjną o znanych i powtarzalnych parametrach. Pożądana jest przy tym możliwość zmiany wartości różnicowego opóźnienia grupowego (DGD) i PMD definiowanej jako średnia wartość DGD w określonym przedziale widma i czasu, prosta budowa generatora, minimalne straty wprowadzane przez przyrząd oraz, w przypadku badania urządzeń transmisyjnych - symulacja charakterystyk DGD w funkcji czasu i długości fali typowych dla torów optycznych w liniach kablowych.

Typowe dla badań urządzeń transmisyjnych 10 Gbit/s i 40 Gbit/s oraz pomiarów współpracujących linii kablowych wartości DGD i PMD zawierają się w granicach 0,25-10 ps.

Znany z publikacji C.H. Prola, Jr.; J.A. Pereira da Silva; A.O. Dal Forno; R. Passy; J.P. von der Weid; N. Gisin: PMD emulators and signal distortion in 2.48-Gb/s IM-DD lightwave systems, IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 9, No. 6, 1997, s. 842-844 generator PMD zawiera co najmniej jeden krótki odcinek jednomodowego włókna światłowodowego typu PANDA lub Bow-Tie o wysokiej, stałej dwójłomności optycznej wprowadzonej przez naprężenia mechaniczne pochodzące od umieszczonych po bokach rdzenia elementów ze szkła o innym niż materiał pozostałej części płaszcza współczynniku rozszerzalności termicznej, alternatywnie zawiera co najmniej jeden krótki odcinek włókna światłowodowego mikrostrukturalnego (PCF), w którym rdzeń jest otoczony strukturą drobnych otworów pozbawioną symetrii promieniowej.

Rozwiązania powyższe zapewniają wytworzenie DGD o odpowiedniej wartości, ale wymagają używania specjalnych włókien światłowodowych o wysokiej dwójłomności. Generator DGD z włóknem PANDA, Bow-Tie lub podobnym odznacza się zmiennością DGD z temperaturą, około -0,1%/K. Włókno PCF może mieć dobrą stabilność DGD w funkcji temperatury, znaną z publikacji K. Borzycki, M. Jaworski: PMD Stability in Small-Core Photonic Crystal Fiber During Mechanical and Thermal Tests, Proc. ICTON-2008, Th.P1.21, vol. 4, s. 280-283, Athens, June 22-26, 2008, lecz włókna PCF mają wysoką tłumienność, a złącza PCF ze standardowymi włóknami jednomodowymi niezbędne dla połączeń z aparaturą pomiarową lub innym wyposażeniem są trudne do wykonania i wnoszą znaczne straty.

Znane jest z publikacji R. Ulrich, S.C. Rashleigh, W. Eickhoff: Bendinginduced birefringence in single-mode fibers, Opt. Lett., vol. 5, No. 6, 1980, s. 60-62 zjawisko powstawania wymuszonej mechanicznie dwójłomności w jednomodowym włóknie światłowodowym pod wpływem zginania, które wprowadza anizotropowe naprężenia w rdzeniu włókna; DGD tak uzyskana jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu promienia zginania i proporcjonalna do długości zginanego włókna światłowodowego.

Znane jest z publikacji N. Gisin, J.P. von der Weid, J.P. Pellaux: Polarization mode dispersion of short and long single mode fibers, J. Lightwave Technol., Vol. 9, No. 7, 1991, s. 821-827 że zwiększaPL 215 040 B1 nie długości włókna ponad długość drogi korelacji, zawierającej się zwykle w granicach 10-100 m nie prowadzi do proporcjonalnego wzrostu DGD z powodu sprzęgania modów polaryzacyjnych.

Wytworzenie metodą zginania DGD o wartości 0,5 ps przy długości fali 1550 nm wymaga nawinięcia około 30 m jednomodowego włókna telekomunikacyjnego na walcu o promieniu 10 mm, a dla otrzymania DGD o wartości 1 ps przy identycznej długości włókna promień zginania należy zmniejszyć do 7 mm. Zginanie standardowego włókna jednomodowego w tych warunkach powoduje ucieczkę promieniowania z rdzenia i wprowadza wysokie straty szybko wzrastające z długością fali, które przy nawinięciu 30 m włókna na walcu o średnicy 20 mm wynoszą 30-60 dB dla długości fali 1550 nm.

Znane są z patentu US 7228040 oraz publikacji Corning ClearCurve Optical Fiber, dokument CO9600, Corning Inc., 01/2008 jednomodowe włókna światłowodowe, posiadające rdzeń o budowie i wymiarach podobnych jak w standardowych włóknach telekomunikacyjnych, otoczony barierą wykonaną w postaci struktury fotonicznej z otworkami (HAF) lub zwierciadła z szeregu koncentrycznych warstw (ClearCurve), która zapobiega ucieczce promieniowania ze rdzenia i zapewnia niskie straty makrozgięciowe w warunkach zwijania włókna na prowadnicach o średnicy 10-15 mm.

Generator dyspersji polaryzacyjnej złożony z jednego lub więcej modułów, połączonych ze sobą optycznie i zawierających odcinki jednomodowego włókna światłowodowego, w którym dwójłomność jest wymuszona mechanicznie pod wpływem zginania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że każdy z modułów dwójłomnych zawiera odcinek włókna światłowodowego nawiniętego na co najmniej jednej prowadnicy, a moduły dwójłomne są włączone szeregowo w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora, do których dołączone są urządzenia współpracujące z generatorem, przy czym moduły dwójłomne są korzystnie włączone w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora poprzez przełączniki światłowodowe sterowane za pomocą sterownika cyfrowego, posiadającego interfejs wprowadzania parametrów generatora, a w szereg z modułami dwójłomnymi jest korzystnie włączony tłumik optyczny regulowany lub filtr optyczny regulowany o parametrach zmienianych przez sterownik, względnie każdy z modułów dwójłomnych zawiera połączony szeregowo z odcinkiem zginanego włókna światłowodowego filtr optyczny stały, a ponadto generator korzystnie zawiera co najmniej jeden moduł dwójłomny, w którym włókno światłowodowe jest nawinięte na co najmniej dwóch prowadnicach ruchomych względem siebie lub na jednej lub więcej prowadnicy o zmiennej geometrii.

Zaletą generatora dyspersji polaryzacyjnej według wynalazku jest to, że jego moduł dwójłomny wytwarzający DGD jest wykonany z ciągłego odcinka jednomodowego włókna światłowodowego o niskiej naturalnej dwójłomności optycznej, w którym dwójłomność optyczna wymuszona przez zginanie o kontrolowanej krzywiźnie, korzystnie z włókna posiadającego barierę mikrostrukturalną wokół rdzenia, eliminującą wzrost tłumienności włókna pod wpływem zginania. Ponieważ konieczne dla otrzymania dwójłomności i DGD naprężenia zależą od promienia zginania ustalonego przez zewnętrzne prowadnice, można wyeliminować zależność DGD od temperatury typową dla generatorów DGD zbudowanych z włókien PANDA i podobnych. Równocześnie, stosując ciągły odcinek włókna telekomunikacyjnego, unika się problemów związanych z łączeniem włókien PCF i potencjalnie wysokimi stratami złączy. Brak włókien specjalnych i dodatkowych podzespołów optycznych zapewnia prostą konstrukcję urządzenia i niski koszt jego wykonania. Zastosowanie zespołu ruchomych prowadnic lub innego układu o zmiennej krzywiźnie zginania włókna umożliwia płynną regulację wytwarzanej DGD bez rozłączania włókien światłowodowych, na przykład w celu kalibracji przyrządu. Rozwiązanie według wynalazku daje możliwość regulacji wprowadzanej dyspersji oraz tłumienności i jej charakterystyki spektralnej.

Generator dyspersji polaryzacyjnej według wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 stanowi schemat blokowy generatora wytwarzającego DGD o wartości regulowanej skokowo (ziarniście) i mającego możliwość zachowania wymaganej tłumienności i charakterystyki spektralnej strat w całym zakresie regulacji DGD, fig. 2 przedstawia budowę pojedynczego modułu dwójłomnego, fig. 3 przedstawia budowę pojedynczego modułu dwójłomnego z filtrem optycznym stałym do wyrównywania charakterystyki spektralnej strat, fig. 4 pokazuje przekrój modułu dwójłomnego z ruchomymi prowadnicami, o regulowanej DGD, z kolei fig. 5 przedstawia charakterystykę spektralną DGD wytwarzanej przez nawinięcie krótkiego odcinka włókna, w której nie występuje istotne sprzęganie modów polaryzacyjnych, natomiast fig. 6 pokazuje charakterystykę spektralną DGD wytwarzanej przez nawinięcie długiego odcinka włókna, w której zachodzi wyraźne sprzęganie modów polaryzacyjnych.

Generator dyspersji polaryzacyjnej według wynalazku posiada co najmniej jeden moduł dwójłomny M zawierający odcinek jednomodowego włókna światłowodowego WS, nawiniętego w postaci

PL 215 040 B1 zwojów ZW na prowadnicach PR, włączony szeregowo w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora ZK, korzystnie za pomocą zestawu przełączników optycznych P, uruchamianych przez sterownik ST odpowiednio do nastaw wprowadzanych przez interfejs INT i sterujących włączeniem lub obejściem każdego z modułów dwójłomnych M. Generator dyspersji polaryzacyjnej wytwarzający regulowaną skokowo DGD zawiera korzystnie dwa lub więcej moduły dwójłomne M, których DGD tworzą ciąg geometryczny: 1x, 2x, 4x, 8x, 16x, ..., gdzie x stanowi krok (ziarnistość) regulacji DGD, na przykład o różnych długościach nawiniętego włókna światłowodowego wewnątrz modułu. W obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora ZK korzystnie może być włączony tłumik optyczny regulowany TR lub filtr optyczny regulowany FR o charakterystyce dobieranej przez sterownik cyfrowy ST.

Moduł dwójłomny M o stałej DGD korzystnie zawiera włączony w szereg z odcinkiem włókna światłowodowego WS filtr optyczny stały FS.

Moduł dwójłomny M o płynnie regulowanej DGD zawiera co najmniej jeden odcinek włókna światłowodowego WS nawiniętego na prowadnicach PR ruchomych lub o zmiennej geometrii.

Generator dyspersji polaryzacyjnej według wynalazku posiada co najmniej jeden moduł dwójłomny M zawierający odcinek jednomodowego włókna światłowodowego WS, które odznacza się niską dwójłomnością optyczną przy braku zewnętrznych oddziaływań, i jest zginane z krzywizną kontr olowaną przez wymiary elementów zewnętrznych, korzystnie przez nawinięcie pewnej liczby zwojów ZW na prowadnicach PR, co prowadzi do pojawienia się we włóknie światłowodowym dwójłomności optycznej wymuszonej przez naprężenia mechaniczne i dyspersji polaryzacyjnej.

Jednokierunkowe nawinięcie odcinka jednomodowego włókna światłowodowego ze stałym promieniem zginania r [mm] przy braku sprzęgania modów polaryzacyjnych wprowadza DGD i identyczną co do wartości dyspersję polaryzacyjną PMD, której współczynnik kPMD [ps/km] i całkowitą wartość PMD [ps] wytworzoną w odcinku włókna o długości L [km] określają wzory:

k k-PMD = oraz k

DGD = PMD = L —

Współczynnik k zależy od budowy włókna światłowodowego i dla telekomunikacyjnych włókien jednomodowych ze szkła krzemionkowego o średnicy rdzenia 5-9 μm, pracujących w zakresie długości fal 1300-1600 nm zawiera się w granicach 1500-4000 ps/(km*mm ), co ilustrują wyniki pomiarów przedstawione przez fig. 5 i fig. 6. Sprzęganie modów polaryzacyjnych w dłuższym odcinku włókna lub jego skręcenie prowadzi do zmniejszenia wprowadzanej PMD.

Promień zginania włókna, zawarty w granicach 5-15 mm dla włókien o średnicy płaszcza 125 μm, należy dobierać uwzględniając wartość strat makrozgięciowych, zależną od konstrukcji używanego włókna światłowodowego. Jednomodowe włókno światłowodowe użyte do budowy generatora powinno odznaczać się minimalną tłumiennością dodatkową wprowadzaną przez zginanie, korzystnie posiadając budowę z barierą mikrostrukturalną, np. włókno typu HAF lub ze specjalnie profilowanym obniżeniem współczynnika załamania wokół rdzenia - włókno typu TAF.

Promień zginania włókna światłowodowego, zawierający się w granicach 5-15 mm należy dobrać uwzględniając także prawdopodobieństwo pęknięcia włókna w ciągu założonego czasu pracy, zależnie od długości zginanego odcinka, średnicy płaszcza, poziomu naprężeń w czasie testu przesiewczego (proof-test), parametru korozji naprężeniowej (n), średnicy i materiału pokrycia ochronnego oraz innych parametrów używanego włókna światłowodowego.

Regulacja DGD wytwarzanej przez generator dyspersji polaryzacyjnej według wynalazku odbywa się płynnie przez zmianę promienia zginania zwojów włókna światłowodowego ZW za pomocą prowadnic PR ruchomych lub o zmiennej geometrii, przykładowo przez zmianę odległości pomiędzy równoległymi prowadnicami walcowymi, prowadzącą do zmiany kształtu zwojów ZW i wartości wprowadzanej DGD, względnie ziarniście (skokowo) przez szeregowe włączenie w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora ZK jednego lub więcej modułów dwójłomnych M zawierających odcinki zginanych włókien światłowodowych wytwarzających DGD o stałych wartościach, korzystnie za pomocą zestawu przełączników optycznych P, sterujących włączeniem lub obejściem każdego z modułów dwójłomnych M, uruchamianych przez sterownik ST odpowiednio do nastaw wprowadzanych przez interfejs INT. Generator dyspersji polaryzacyjnej wytwarzający DGD o wartości nie zmieniającej się istotnie z długością fali, bez sprzęgania modów polaryzacyjnych, zawiera korzystnie dwa lub więcej moduły dwójłomne M, których DGD tworzą ciąg geometryczny: 1x, 2x, 4x, 8x, 16x, ..., gdzie

PL 215 040 B1 x stanowi krok (ziarnistość) regulacji DGD, na przykład o różnych długościach nawiniętego włókna światłowodowego wewnątrz modułu.

W zastosowaniach wymagających zachowania stałej tłumienności wprowadzanej przez generator dyspersji polaryzacyjnej według wynalazku przy zmianie długości fali promieniowania i wprowadzanej DGD, w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora ZK włączony jest tłumik optyczny regulowany TR lub filtr optyczny regulowany FR, o charakterystyce przepustowej dobieranej tak, by kompensować zmiany z długością fali strat modułów dwójłomnych M i innych elementów obwodu optycznego między zakończeniami generatora ZK.

Moduł dwójłomny o płaskiej charakterystyce tłumienności w funkcji długości fali zawiera co najmniej jeden odcinek zginanego jednomodowego włókna światłowodowego WS i filtr optyczny stały FS o takiej charakterystyce przepustowej, by suma strat włókna światłowodowego WS i filtra optycznego stałego FS była w określonym zakresie spektralnym wielkością stałą.

Claims (7)

1. Generator dyspersji polaryzacyjnej, złożony z jednego lub więcej modułów połączonych ze sobą optycznie i zawierających odcinki jednomodowego włókna światłowodowego, w którym dwójłomność jest wymuszona mechanicznie pod wpływem zginania, znamienny tym, że każdy z modułów dwójłomnych (M) jest zbudowany z odcinka włókna światłowodowego (WS) nawiniętego na co najmniej jednej prowadnicy (PR), a moduły są włączone szeregowo w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora (ZK).

2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że moduły dwójłomne (M) są włączone w obwód optyczny pomiędzy zakończeniami generatora (ZK) poprzez przełączniki światłowodowe (P) sterowane za pomocą sterownika cyfrowego (ST), posiadającego interfejs (INT) wprowadzania parametrów generatora.

3. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że w szereg z modułami dwójłomnymi (M) jest włączony tłumik optyczny regulowany (TR) o parametrach zmienianych przez sterownik (ST).

4. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że w szereg z modułami dwójłomnymi (M) jest włączony filtr optyczny regulowany (FR) o parametrach zmienianych przez sterownik (ST).

5. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z modułów dwójłomnych (M) zawiera połączony szeregowo z odcinkiem zginanego włókna światłowodowego (WS) filtr optyczny stały (FS).

6. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden moduł dwójłomny (M), w którym włókno światłowodowe (WS) jest nawinięte na co najmniej dwóch prowadnicach (PR), ruchomych względem siebie.

7. Generator według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden moduł dwójłomny (M), w którym włókno światłowodowe (WS) jest nawinięte na jednej lub więcej prowadnicy (PR) o zmiennej geometrii.