DE69613269T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Kerr-Nichtlinearitätskoeffizienten in einer optischen Einmodenfaser - Google Patents

Description

• Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf die Charakterisierung von Lichtleitfasern und betrifft speziell die Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Messen des Nichtlinearitätskoeffizienten in einer Einmode-Lichtleitfaser.
• Bei den meisten im Rahmen der optischen Kommunikation interessierenden Materialien ist eine der hauptsächlichsten Nichtlinearitätserscheinungen der optische Kerr-Effekt, der den Brechungsindex beeinflußt, indem er ihn von der Lichtintensität I nach der folgenden Formel abhängig macht:
• n(I) = n&sub0; + n&sub2; · I (1)
• wobei n(I) der Brechungsindex als Funktion der Intensität (und somit von der Leistung) der in die Faser eingeleiteten Strahlung ist und n&sub0; der lineare Brechungsindex ist (konstant), während n&sub2; der sogenannte Nichtlinearitätskoeffizient des Brechungsindex ist (auch einfach unter der Bezeichnung bekannt: nichtlinearer Brechungsindex).
• Aufgrund der Einführung von optischen Verstärkern in die optischen Kommunikationssysteme führt die entlang einer Faser übertragene Leistung dazu, daß die mit n&sub2; zusammenhängenden Nichtlinearitätseffekte nicht mehr vernachlässigbar sind: Da diese Effekte eine erhebliche Verschlechterung im Betriebsverhalten eines Systems bewirken können oder umgedreht für neue technische Lösungen ausgenützt werden können, ist es wichtig, sie genau zu kennen. Im Fall von Lichtleitfasern werden Nichtlinearitätseffekte allgemein durch den sogenannten Kerr- Nichtlinearitäts-Koeffizient γ charakterisiert, der auch Lichteinschnürungen innerhalb der Faser in Betracht zieht und deshalb eine Information erbringt, die vom Betriebsgesichtspunkt aus nützlicher ist als die, die durch den Nichtlinearitäts- Brechungsindex n&sub2; gegeben ist, wobei dieser Index ein Parameter ist, der nur vom Material abhängt. Der Koeffizient γ ist durch die Beziehung gegeben
• γ = (2π/λ) · (n&sub2;/Aeff) (2)
• wobei λ die Wellenlänge ist und Aeff die effektive Fläche des Faserkerns ist, was ein Parameter ist, der ein Maß für die optische Einschnürung des Lichts innerhalb der Faser ist. Für den Wert von γ ist es deshalb möglich, den Wert von n&sub2; zu erhalten, sobald Aeff bekannt ist. Der mathematische Ausdruck des Parameters Aeff ist dem Fachmann bekannt und braucht deshalb hier nicht angegeben zu werden.
• Es sind verschiedene Verfahren zum Bestimmen von γ oder n&sub2; bekannt. Die am meisten angewandten Verfahren umfassen den Schritt, daß man Lichtimpulse hoher Leistung in die Faser sendet und das Spektrum der aus der Faser kommenden Impulse analysiert, um eine nichtlineare Phasenverschiebung ΦNL, zu messen, die von jedem Impuls an sich selbst erzeugt wird (Phasenselbstmodulation). Diesen Phasenverschiebung ergibt sich daraus, daß der Impuls den Brechungsindex der Faser modifiziert, wie es durch die Beziehung (1) angegeben ist, und hängt mit dem Koeffizienten durch die Beziehung ΦNL = γ · P · L zusammen, wobei P die Impulsleistung und L die Faserlänge sind. Die aufgewandten Impulse sind im allgemeinen sehr kurz, um die geforderte Spitzenleistung zu erzielen, und das Produkt zwischen der Impulsbreite Δτ und der Spektrallinienbreite Δν muß so sein, daß die Impulstransformation beschränkt wird.
• Beispiele solcher Verfahren sind beschrieben in den Artikeln "Measurement of nonlinear index of silica-core and dispersion shifted fibers" von K. S. Kim u. a., Optics Letters, Jahrgang 19, Nr. 4, 15. Februar 1994, Seiten 257 ff.; "Nonlinear coefficient measurements for dispersion shifted fibres using self-phase modulation method at 1.55 um", von Y Namihira u. a., Electronics Letters, Jahrgang 30, Nr. 14, 7. Juli 1994, Seiten 1171-1172; und im Aufsatz "Nonhinear-index measurement by SPM at 1.55 um" von R. H. Stolen u. a., vorgelegt auf der OFC'95, San Diego (USA), 26. Februar - 2. März 1995, Papier FD1.
• Verfahren, die auf der Selbstphasenmodulation beruhen, setzen voraus, daß im Verlauf des Fortschreitens das Zeitprofil des Impulses unverändert bleibt. Im allgemeinen kann jedoch der Effekt der durch die Faser eingeführten Dispersion nicht vernachlässigt werden: Tatsächlich ist es zum Erhalten leicht feststellbarer Phasenverschiebungen angesichts der begrenzten Leistungen der Quellen oft notwendig, relativ lange Faserabschnitte und/oder sehr schmale Impulse zu verwenden. Durch die Messung erhaltene Werte müssen dann numerisch verarbeitet werden, um den Dispersionseffekt zu berücksichtigen, und diese Verarbeitung macht nicht nur die Bestimmung von γ komplexer, sondern gibt auch ihrerseits Anlaß zu Fehlern, da sie auf vereinfachten Modellen des Faserverhaltens beruht.
• Demgegenüber schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, die nur die durch die Faser eingeführte Dispersion auswerten, um eine genaue Messung von γ zu ergeben.
• Genauer dargestellt, basiert die Erfindung auf einer typischen Manifestation des optischen Kerr-Effekts, nämlich auf der sogenannten Modulationsinstabilität. Diese Erscheinung tritt auf, wenn ein kontinuierliches Lichtsignal hoher Leistung durch eine Faser unter anomalen Dispersionsbedingungen gesendet wirt (nämlich wenn die Wellenlänge λ des Signals die Null-Dispersions Wellenlänge λ&sub0; der Faser überschreitet). Als Ergebnis dieses Phänomens wird die kontinuierliche Welle unstabil (daher der Name des Effekts) und im optischen Spektrum werden zwei Verstärkungs-Seitenbänder erzeugt; diese Seitenbänder sind in Bezug zum Träger symmetrisch und ihre Maxima sind vom Träger um eine Frequenz ΩM separiert. Sofern die Signalleistung P als konstant angesehen werden kann (nämlich wenn die durch die Faser eingeführte Dämpfung vernachlässigt werden kann), ist die maximale Verstärkung G in diesen Bändern durch γ nur mit der Leistung P verknüpft und ist gegeben durch
• G = e²γPL (3)
• wobei L die Länger der Faser ist. Ist jedoch die Dämpfung nicht vernachlässigbar, dann gilt eine Beziehung analog der Beziehung (3), bei der die tatsächliche Länge L ersetzt ist durch a · Leff, wobei Leff die effektive Faserlänge ist, gegeben durch Leff = (1 - e-αL)/α (α = linearer Dämpfungskoeffizient), und a ein Koeffizient ist, der ungefähr gleich 1 ist und in kleinem Umfang von α und L unter Standard-Meßbedingung abhängt.
• Gemäß dem Verfahren wird in die Faser eine Folge von rechteckigen Impulsen gesendet, die eine solche Wellenlänge haben, daß die Faserfunktionen unter anomalen Dispersionsbedingungen arbeiten, eine solche Spitzenleistung haben, daß Modulationsinstabilität in der Faser verursacht wird, und ein solches Verhältnis zwischen der Dauer und der Wiederholungsperiode haben, daß die mittlere Leistung niedriger ist als die Schwelle ab der der stimulierte Brillouin-Effekt stattfindet. Man mißt den Maximalwert der Modulationsinstabilität Verstärkung innerhalb des Spektrums der aus der Faser austretenden Impulse für eine Anzahl von Werten der Impuls-Spitzenleistung; und man erhält den Nichtlinearitätskoeffizienten γ aus den gemessenen Maximalwerten der Modulationsinstabilität Verstärkung durch Minimierung des Fehlers im Bereich von Leistungswerten, die für die Messung verwendet werden, in Bezug zu einer theoretischen Kurve, die diese maximale Verstärkung als eine Funktion der Spitzenleistung wiedergibt.
• Bisher sind keine auf der Modulationsinstabilität basierenden Verfahren zum Messen von γ vorgeschlagen worden. Es ist in der Tat schwierig, für die Messung ein stetiges Signal zu verwenden, da bei den zur Verursachung der Modulationsinstabilität erforderlichen Leistungen der sogenannte stimulierte Brillouin-Effekt in der Faser auftreten würde, wodurch nur der Leistungsbruchteil in die Faser eingekoppelt würde, der einer gewissen Schwellenleistung entspricht, während die restliche Leistung zurückgestreut würde. Durch Verwendung von Folgen von Gauß'schen oder Hyperbelsekanten-Impulsen, wie es bis jetzt zum Studium der Erscheinung durchgeführt wurde, ist es einerseits schwierig, die Impulsspitzenleistung genau festzulegen, und gibt es andererseits keine einfache Beziehung zwischen G, P und γ mehr, die eine leichte Bestimmung von γ erlauben würde.
• Die Erfindung schafft auch die Vorrichtung, die das Verfahren realisiert.
• Zur weiteren Klärung wird auf die anliegende Zeichnung verwiesen, in der zeigen:
• - Fig. 1 eine schematische diagrammatische Ansicht der Vorrichtung, die das Verfahren durchführt,
• - Fig. 2 ein typisches Spektrum des aus der Faser austretenden Signals; und
• - Fig. 3 eine grafische Darstellung, die experimentelle Daten mit der theoretischen Kurve der Modulationsinstabilitäts Verstärkung vergleicht.
• In der Zeichnung geben dünne Linie den Weg der optischen Signale an und dicke Linien stellen elektrische Verbindungen dar. Eine Quelle 1, beispielsweise ein Laser mit verteilter Rückkopplung, erzeugt ein kontinuierliches Signal, das zu einem Amplitudenmodulator 2 gesendet wird, der das stetige Signal in eine Folge von Rechteckimpulsen mit einer Dauer t und einer Wiederholungsperiode T umwandelt. Die Folge der Rechteckimpulse wird in einer optischen Verstärkungsstufe 3 verstärkt, die die Impulse auf einen solchen Leistungspegel bringt, daß in der getesteten Faser 5 Modulationsinstabilität bewirkt wird. Das verstärkte Signal wird in die Faser 5 über ein variables Dämpfungsglied 4 eingeleitet, das die Wahl verschiedener Werte für die mittlere Leistung ermöglicht. Am Ausgang der Faser wird ein Signal mit einem optischen Spektrum wie dem in Fig. 2 dargestellten erhalten: Es hat zwei Seitenbänder, die in Bezug zur Linie des Trägers symmetrisch sind und auf der nichtlinearen Verstärkung des vom optischen Verstärker 3 erzeugten Hintergrundrauschens beruhen. Das die Faser 5 verlassende Signal wird von einem optischen Spektrumsanalysator 6 oder von einem anderen Instrument aufgenommen, das die maximale Verstärkung G in Übereinstimmung mit den beiden Seitenbändern bestimmen kann, während sich die Spitzenleistung P (gegeben als das Produkt der mittleren Leistung mit dem Kehrwert T/t des Tastverhältnisses) ändert. Ein Verarbeitungssystem 7, das dem Analysator 6 zugeordnet ist und den Modulator 2 steuert, bestimmt den Wert von γ dadurch, daß im Bereich der Variation der Leistung P die Differenzen zwischen den experimentellen Werten und der theoretischen Kurve
• G(P) = 1 + η(e²γaPLeff - 1) (4)
• minimiert werden, wobei η ein Proportionalitätskoeffizient ist, der vom Impuls- Tastverhältnis abhängt und dessen Wert den Polarisationszustand des Signals berücksichtigt; a ist der oben beschriebene Koeffizient, und Leff ist die effektive Länge der Faser 5, wie sie oben definiert wurde.
• Die Beziehung (4), die für den Fall einer Folge von Rechteckimpulsen zutrifft, kann aus der Beziehung (3), die für ein kontinuierliches Signal zutrifft, durch einfache physikalische Betrachtungen erhalten werden, indem in Betracht gezogen wird, daß das Spektrum des Lichts, das in die Faser eintritt, das vom Laser 1 emittierte monochromatische Signal, das vom Verstärker 3 verstärkt wurde, und die verstärkte spontane Emission des Verstärkers umfaßt, und außerdem, daß das Rauschen der verstärkten spontanen Emission tatsächlich als ein Effekt der Modulationsinstabilität nur dann tatsächlich verstärkt wird, wenn es zeitlich einem Impuls überlagert ist (also für die Zeit t während der Periode T) und es den gleichen Polaritätszustand wie der Impuls hat. Es ist auch zu spezifizieren, daß G(P) ein Mittelwert der maximalen Modulationsinstabilitäts Verstärkung ist, da die im Spektrumsanalysator 6 vorhandenen Radiometer die mittlere Leistung messen.
• Damit die Erscheinung der Modulationsinstabilität stattfindet, muß die Faser 5 unter anomalen Dispersionsbedingungen arbeiten, d. h. die Wellenlänge λ der Strahlung, die in die Faser gesendet wird, muß höher sein als die Nulldispersions Wellenlänge λ&sub0;. Dies kann leicht erreicht werden mit Quellen, die Strahlungen mit Wellenlängen innerhalb des dritten Fensters emittieren (etwa 1,55 um), wie es von Erbiumdotierten Faserverstärkern gefordert wird, die die am häufigsten verwendeten Verstärker sind.
• Ein weiterer wichtiger Faktor für die Verwendung von Rechteckimpulsen ist das Verhältnis zwischen der Dauer t und der Periode T der den Modulator erregenden Impulse. Speziell muß die Periode T viel kleiner sein als die Relaxationszeit des optischen Verstärkers 3, um Impulsverzerrungen aufgrund der Verstärkungsdynamik des Verstärkers zu vermeiden. Ist diese Bedingung für T erfüllt, so reagieren die Verstärker nur auf die mittlere Leistung des Signals. Die hohen Spitzenleistungen, die erforderlich sind, um die Nichtlinearitätserscheinungen zu beobachten, werden insofern dadurch erhalten, daß man das Verhältnis t/T verringert. Geeignete Werte sind einige hundert Nanosekunden für T und einige zig Nanosekunden für t. Sowohl für t als auch für T sind weite Toleranzen möglich.
• Bei einer beispielshaften Ausführungsform der Erfindung war die Faser 10,1 km lang und ihre Nulldispersions Wellenlänge λ&sub0; war 1.539 nm; die Quellenwellenlänge war λ = 1.553 nm, die Impulsdauer t war 25 ns und die Periode T war 250 ns; die Spitzenleistung ließ man von 60 bis 200 mW variieren. Fig. 2 zeigt das Spektrum eines Impulses am Faserausgang für eine Spitzenleistung von 180 mW. Das Maß bezieht sich nur auf die Polarisation parallel zum Signal. Fig. 3 zeigt eine bestimmte Anzahl von gemessenen Werten von G unter den oben dargestellten Bedingungen, sowie die theoretische Kurve. Die durch die Erfindung ermöglichte Meßgenauigkeit ist klar erkennbar. Eine Faser der oben angegebenen Länge erlaubt zusammen mit der Modulation der Quelle, daß der stimulierte Brillouin-Effekt unterdrückt werden kann.
• Es ist ersichtlich, daß die oben gegebene Beschreibung nur ein nichtbeschränkendes Beispiel betrifft und daß Variationen und Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Wenn so z. B. auf die Faser 5 ein Abtaster 8 folgt, der synchron mit dem Modulator 2 vom Verarbeitungssystem 7 getrieben wird, und weiterhin eine Polarisationssteuervorrichtung mit einem Polarisator (die schematisch zusammen durch einen Block 9 dargestellt sind) folgt, um nur die Strahlung auszuwählen, die wie das Eingangssignal polarisiert ist, so kann die Beziehung (3) zum direkten Erhalten von γ verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, nur den Abtaster 8 oder nur die Polarisationssteuervorrichtung und den Polarisator zu verwenden: Hierbei ändert sich nur die theoretische Beziehung, die G(P) mit γ verknüpft.

Claims (4)

1. Verfahren zum Messen des Kerr-Nichtlinearitätskoeffizienten in einer Einmode-Lichtleitfaser, bei dem man ein Signal, das aus einer Kette von Lichtimpulsen hoher Leistung besteht, in die Faser (5) sendet und das Spektrum der aus der Faser (5) austretenden Impulse analysiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse Rechteckimpulse sind, mit einer solchen Wellenlänge, daß die Faser unter anomalen Dispersionsbedingungen arbeitet, und einer solchen Spitzenleistung, daß in der Faser Modulationsinstabilität erzeugt wird; daß man den Maximalwert der Modulationsinstabilitäts Verstärkung im Spektrum der aus der Faser (5) austretenden Signale für eine Anzahl von Werten der Impuls-Spitzenleistung mißt; und daß man den Nichtlinearitätskoeffizienten γ aus den gemessenen Maximalwerten der Modulationsinstabilitäts Verstärkung erhält, indem man im Bereich der für die Messung verwendeten Leistungswerte den Fehler in Bezug zu einer theoretischen Kurve, die diese maximale Verstärkung als eine Funktion der Spitzenleistung wiedergibt, minimalisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Signal am Ausgang der Faser (5) synchron mit der Erzeugung der Rechteckimpulse abtastet und/oder nur die gleiche Polarisation in diesem Ausgangssignal, wie die des in die Faser (5) eingeleiteten Signals, auswählt.

3. Vorrichtung zum Messen des Kerr-Nichtlinearitätskoeffizienten in einer Einmode-lichtleitfaser, mit:

- Einrichtungen (1, 2, 3) zum Erzeugen einer Folge von Lichtimpulsen so hoher Leistung, daß in der Faser nichtlineare Effekte induziert werden, und zu deren Einleiten in die Faser, und

- einer Einrichtung (6) zum Analysieren des optischen Spektrums der aus der Faser austretenden Impulse;

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Einrichtungen (1, 2, 3) zum Erzeugen der Folge von Impulsen und zu deren Einleiten in die Faser (5) dazu ausgebildet sind, eine Folge von Rechteckimpulsen mit einer solchen Wellenlänge, daß die Faser (5) unter anomalen Dispersionsbedingungen arbeitet, und mit einer solchen Spitzenleistung, daß in der Faser (5) Modulationsinstabilität entsteht, zu erzeugen, und diesen Einrichtungen eine Einrichtung (4) zum Verändern der Leistung der Impulse zugeordnet ist; und

- die Einrichtung (6) zum Analysieren des optischen Spektrums der aus der Faser austretenden Impulse dazu ausgebildet sind, den Maximalwert der Modulationsinstabilitäts Verstärkung über der Veränderung der Impulsleistung zu bestimmen, und ihr ein Verarbeitungssystem (7) zugeordnet ist, das den Kerr-Nichtlinearitätskoeffizienten γ aus den gemessenen Werten dieser Maximalverstärkung durch Minimalisierung des Fehlers im Bereich der für die Messung verwendeten Leistungswerte in Bezug zu einer theoretischen Kurve, die diese maximale Verstärkung als eine Funktion der Spitzenleistung wiedergibt, erhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen der Faser (5) und den Einrichtungen (6) zum Analysieren des optischen Spektrums einen Abtaster (7), der synchron mit der Einrichtung (2) zum Erzeugen der Rechteckimpulse arbeitet, und eine Einrichtung (9), die im Signal am Ausgang der Faser (5) nur das Licht auswählt, das die gleiche Polarisation wie die Impulsfolge hat, enthält.