DE69627374T2

DE69627374T2 - Nichtlinearer optischer ringreflektor mit einer optischen faser mit abnehmender dispersion

Info

Publication number: DE69627374T2
Application number: DE69627374T
Authority: DE
Inventors: F. Alan EVANS
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2016-12-14
Also published as: EP0868671A4; CA2236470A1; WO1997023793A1; EP0868671A1; AU717275B2; JP2000502465A; KR19990076713A; US5655039A; AU1413697A; US5717797A; US5689596A; EP0868671B1; DE69627374D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf nicht-lineare optische Ringreflektoren und beschäftigt sich speziell mit nichtlinearen optischen Ringreflektoren, welche optische Fasern beinhalten, welche Dispersionen aufweisen, die monoton entlang deren Länge abnehmen.
Nicht-lineare optische Ringreflektoren (NOLMs) und entsprechende nicht-lineare verstärkende Ringreflektoren (NALMs) wurden zu bedeutenden Installationseinheiten entwickelt, welche weit verbreitet zum Schalten, Gestalten und anderen Verarbeiten von optischen Pulsen benutzt werden. In derartigen Ringreflektoren werden optische Pulse in einen Ring einer optischen Faser über einen Koppler gekoppelt, welcher sie in zwei Teilpulse aufteilt, welche sich im Ring in entgegengesetzter Richtung ausbreiten und welche von dem Ringreflektor durchgelassen und reflektiert werden, abhängig von den Phasen, mit welchen die Teilpulse zum Koppler zurückkehren. Ein NOLM vom allgemeinen Typ wird in "Nonlinear Optical Loop Mirror" von N. Doran und D. Wood beschrieben. Ein NALM vom allgemeinen Typ wird in "Nonlinear Optical Loop Mirror von M. Fermann, et al., Optical Letters, Band 15, Nr. 13, S. 752-754, Juli 1990, beschrieben.
Wenn ein Koppler einen Eingangspuls in zwei gleiche Teilpulse aufteilt und wenn der Ring diese Teilpulse in der gleichen Weise beeinflusst, d. h. symmetrisch, so werden die Teilpulse bei ihrer Rückkehr zum Koppler konstruktiv interferieren und folglich durch den Koppleranschluss, durch welchen sie eintraten, zurückreflektiert werden. Wenn die Pulse in ungleiche Teilpulse aufgeteilt werden und/oder wenn der Ring die Teilpulse in unterschiedlicher Weise beeinträchtigt, d. h. unsymme trisch oder asymmetrisch, können die Pulse entweder konstruktiv, destruktiv oder teilweise konstruktiv und teilweise destruktiv interferieren. In derartigen Fällen können die Pulse, welche zum Koppler zurückkehren, reflektiert, durchgelassen oder teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen werden. Da NOLMs, welche asymmetrische Eigenschaften aufweisen, größere Möglichkeiten für eine nutzvolle Signalverarbeitung liefern, werden asymmetrische NOLMs häufiger genutzt als symmetrische NOLMs.
Asymmetrische NOLMs unterscheiden sich voneinander in erster Linie in den Verfahren oder Strukturen, welche genutzt werden, um sie asymmetrisch zu machen. Ein Verfahren, Asymmetrie in einen Ring einzuführen, besteht darin, einen Eingangspuls in den Ring mit einem Leistungskoppelverhältnis einzugeben, welches sich von 50 : 50 unterscheidet. Ein Beispiel für einen NOLM, welcher diese Form von Asymmetrie nutzt, wird in den oben zitierten Veröffentlichen von Doran und Wood beschrieben.
Andere Verfahren zum Einführen einer Asymmetrie in einen Ring beinhalten das Platzieren gedrehter Bereiche einer doppelbrechenden Faser in diesen oder das asymmetrische Positionieren eines optischen Verstärkers in diesen. Ein Beispiel des vorherigen Vorgehens wird in "Optical Switching Using Fiber Ring Reflectors", J. Mores, et al., J. Opt. Soc. Am B Band 8, Nr. 3, S. 594–601, März 1991, beschrieben. Ein Beispiel des letzteren Vorgehens wird in dem oben zitierten Artikel von Fernann et al. beschrieben.
Eine andere Installationseinheit bzw. -biock von optischen Fasersystemen beinhaltet optische Fasern, welche Dispersionen aufweisen, welche sich entlang deren Länge verändern. Wenn die Änderungsrate dieser Dispersion derartig ist, den Amplitudenverlust und das Verbreitern der Pulse, welches sich aus der Übertragung entlang der Faser ergibt, ausgeglichen zu halten, können optische Pulse über die Faser übertragen werden, ohne dass deren Amplitude oder zeitliche Breite geändert wird. Pulse, welche sich in dieser Weise ausbreiten, sind als optische Solitone oder einfach als Solitone bekannt. Ein Beispiel einer optischen Faser, welche solch eine variable Dispersion besitzt, wird in dem US-Patent Nr. 4,962,987 (Doran) und in "A Single-Mode Fiber with Chromatic Dispersion Varying Along the Length", V. Bogatyryer, et al., Journal of Lightwave Technology, Band 9, Nr. 5, S. 561–566, Mai 1991, beschrieben.
Optische Fasern, welche eine Dispersion besitzen, die in Richtung der Ausbreitung abnimmt, werden allgemein als (DD)-Fasern, Fasern mit abnehmender Dispersion, bezeichnet, während jene, welche Dispersionen besitzen, die in Richtung der Ausbreitung anwachsen, gewöhnlich als (DI)-Fasern, Fasern mit zunehmender Dispersion, bekannt sind. Wie in dem oben zitierten Patent von Doran und dem Artikel von Bogatyrev erklärt, können solche Fasern durch Ändern der axialen Dotierstoffkonzentration der Faser, des Durchmessers des Faserkerns oder anderer Faserparameter hergestellt werden.
Vor der vorliegenden Erfindung wurden DD-Fasern benutzt, um die Form der optischen Solitone in optischen Faserwellenleitern, welche optische Verluste aufweisen, welche zu groß waren, um vernachlässigt werden, beizubehalten. Dies rührt daher, da DD-Fasern einen Ausgleich gestatten, welcher zwischen der Dispersion und nicht-linearer Terme der Gleichung beibehalten werden kann, welche im Allgemeinen als die nichtlineare Schrödinger-Gleichung bekannt ist, welche die Übertragung von Lichtpulsen durch optische Fasern beschreibt. DD-Fasern haben auch eine Anwendung als Soliton-Puls-Kompressoren und -Dekompressoren gefunden und in Vorrichtungen, welche vom Raman-Streueffekt Gebrauch machen.
Vor der vorliegenden Erfindung jedoch wurden Dispersions-DD- und -DI-Fasern für das Aufprägen von gerichteter Asymmetrie in NOLMs und NALMs nicht genutzt. Als Ergebnis haben NOLMs und NALMs nicht den Vorteil vieler Gegebenheiten bzw. Möglichkeiten genutzt, welche DD- und DI-Fasern zum Gebrauchen von NOLMs und NALMs bieten, um neue optische Funktionen auszuführen oder um bekannte optische Funktionen auf neue und bessere Weise auszuführen.
Steele beschreibt in "Pulse compression by an optical fibre loop mirror constructed from two different fibres", Electronics Letters, Band 29 (1993), Seiten 1972 bis 1974, einen nicht-linearen optischen Ringreflektor, welcher als optische Faser den Ring eines Paares von Fasern nutzt, mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, welche zusammengespleißt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden NOLM- und NALM-Einrichtungen (nachfolgend allgemein als Ringreflektoranordnungen oder Ringreflektoren bezeichnet) mit Fasern mit abnehmender Dispersion vereinigt, um neue und leistungsstarke optische Verarbeitungseinrichtungen herzustellen, welche genutzt werden können, um neue optische Verarbeitungsfunktionen auszuführen oder um bekannte optische Verarbeitungsfunktionen effizienter und/oder kostengünstiger auszuführen.
Entsprechend der Erfindung wird ein optisches Gerät, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird, geliefert.
Allgemein gesprochen, weist die vorliegende Erfindung einen Ring einer optischen Faser auf, welche ein erstes Ende hat, welches einen verhältnismäßig hohen Dispersionswert besitzt, und ein zweites Ende, welches einen verhältnismäßig niedrigen Dispersionswert besitzt, und welches eine Dispersion besitzt, die als Funktion der Entfernung von ihrem Ende mit hoher Dispersion abnimmt. Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch einen optischen Koppler, wie z. B. einen interferometrischen Koppler, welcher erste und zweite Ringanschlüsse besitzt, die mit den jeweiligen Enden des Ringes verbunden sind und welche erste und zweite E/A-Anschlüsse besitzen, durch welche optische Pulse in den und aus dem Ring gekoppelt werden können. Zusammen ergeben der Koppler und der DD-Faserring einen Ringreflektor, welcher eine verteilte gerichtete Asymmetrie hat, welche gestattet, dass der Ringreflektor in einer Weise genutzt wird, dass der Ringreflektor mit nicht verteilter oder konzentrierter Asymmetriestruktur nicht genutzt werden kann, so dass dadurch die Leistungsfähigkeit neuer optischer Verarbeitungsfunktionen und die verbesserte Leistung bekannter optischer Verarbeitungsfunktionen ermöglicht werden.
Entsprechend einem bedeutenden Merkmal der Erfindung besitzt die DD-Faser einen Dispersionswert, welcher monoton von dem Ende mit hoher Dispersion des Ringes hin zum Ende derselben mit niedriger Dispersion monoton abfällt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Änderung der Dispersion nahezu kontinuierlich entlang der Länge des Ringes verteilt, d. h. ohne stufenähnliche Änderungen weder des Durchmessers des Kerns, der Faser oder der Konzentration der Dotierstoffanteile. Für viele Anwendungen ist es jedoch akzeptabel, die Änderung der Dispersion über eine Vielzahl diskreter Schritte verteilt zu haben, welche an voreingestellten Intervallen entlang der Länge der Faser platziert sind.
Nützlicherweise kann die Dispersion der Faser eine Funktion der Entfernung sein, d. h. ein Dispersionsprofil besitzen, welches speziell für die einzelnen Ringreflektoranwendungen optimiert ist. Das axiale Dispersionsprofil kann z. B. so gewählt werden, dass eine voreingestellte Beziehung zwischen den Längen der Stufen und den Soliton-Perioden oder Reaktionslängen des Solitons besteht, mit welchen der Ringreflektor benutzt wird. Ferner können die Anzahl und die Abmessungen der Stufen so gewählt werden, dass das Dispersionsprofil der Faser nichtlinear ist, z. B. diese eine Dispersion hat, welche nahezu exponentiell abfällt. Dadurch gestattet das Dispersionsprofil der benutzten Faser im Ringreflektor der Erfindung, dass im Ringreflektor eine Vielfalt von asymmetrischen Effekten erzeugt werden, welche mit Ringreflektoren, die vor dieser Erfindung bekannt waren, nicht erzeugt werden können.
Das Anwenden einer DD-Faser in einem Ringreflektor liefert auch den Vorteil, dass damit für die Anschlüsse seines Kopplers sowohl ein erstes Ende mit hoher Dispersion und ein zweites Ende mit niedriger Dispersion geliefert werden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Dispersionswerte können optische Pulse, welche in den Ring eingekoppelt werden, optische Solitone unterschiedlicher Ordnungen aufweisen, auch wenn der Koppler ein Koppelverhältnis von 50 : 50 liefert. Ein Eingangspuls kann z. B. in ein Grund-Soliton oder ein Soliton erster Ordnung aufgeteilt werden, welches sich in der DD-Richtung ausbreitet. Da sich Solitone hoher Ordnung in ihrer Form ändern oder in einer periodischen Weise evolvieren, wenn sie entlang einer Faser sich ausbreiten, beeinflussen die Ringparameter, wie z. B. die Länge, die effektive Fläche, das Dispersionsprofil, etc. der Faser die Art und Weise, in welcher Solitone, welche sich entlang des Ranges ausgebreitet haben, miteinander bei ihrer Rückkehr zum Koppler wechselwirken. Dies gestattet umgekehrt dem Ringreflektor, unterschiedliche Effekte für unterschiedliche Arten von Eingangspulsen zu generieren, wodurch einige dazu gebracht werden, konstruktiv zu interferieren und reflektiert zu werden, während andere dazu gebracht werden, destruktiv zu interferieren und durchgelassen zu werden, abhängig von den Eingangspulsparametern, wie z. B. Amplitude, zeitliche Breite, etc.. Mit anderen Worten, mit den oben erwähnten Variablen werden u. a. Sätze von Ringparametern definiert, welche es gestatten, dass der Ringreflektor der Erfindung zwischen unterschiedlichen Typen von Eingangspulsen auf der Basis von Unterschieden in ihren Pulsparametern unterscheiden kann.
Wegen ihrer Fähigkeit, miteinander wechselzuwirken und/oder einander zu versetzen, definiert der Ring des Reflektorspiegels der Erfindung zusammen einen multidimensionalen Raum von Ringparametern, aus dem Kombinationen von Ringparametern ausgewählt werden können, welche im Wesentlichen ähnliche Effekte auf Eingangspulse besitzen. Da z. B. der Punkt entlang einer Faser, bei welchem ein Soliton hoher Ordnung dessen Originalbreite wiederherstellt und/oder einen 180-Grad-Phasenshift akkumuliert, sowohl von dem Dispersionsprofil als auch der effektiven Fläche einer Faser abhängt, kann dieser Punkt dazu gebracht werden, bei einem speziellen Punkt in einer Faser durch verschiedene unterschiedliche Kombinationen von Dispersionsprofil und effektiver Fläche aufzutreten. In ähnlicher Weise können andere Kombinationen von Ringparametern, wie z. B. Anfangs- und Enddispersionswerte, die Änderungsrate der Dispersion, der Dämpfung, etc. benutzt werden, um einen ähnlichen Effekt am gleichen oder an einem anderen Punkt in der Faser zu erzeugen. Man wird daher verstehen, dass, während die vorliegende Beschreibung spezielle vorteilhafte Kombinationen von Ringreflektorparametern darstellt, diese Kombinationen nur beispielhaft sind und gleichbedeutend sind zu anderen Kombinationen, welche im Wesentlichen ähnliche Effekte in im Wesentlichen ähnlicher Weise erzeugen.
In einer speziellen bedeutenden Ausführungsform der Erfindung werden die Ringparameter so ausgewählt, dass der Ringreflektor genutzt werden kann, um zwischen optischen Pulsen zu unterscheiden und sie zu trennen, auf der Basis, ob die zeitliche Breiten dieser Pulse größer oder kleiner sind als eine Breite. In dieser Ausführungsform, welche als die Ausführungsform zur Pulsbreitensuche (PWS) bezeichnet wird, wird ein 50 : 50-Koppler benutzt, um Eingangspulse in zwei gegenläufige Teilpulse mit gleicher Energie zu teilen. Die Ringlänge und die Änderungsrate der Dispersion werden so ausgewählt, dass der Ring unterschiedliche Auswirkungen auf diese Teilpulse hat, abhängig davon, ob der Eingangspuls, von welchem sie abgeleitet werden, eine größere oder kleinere zeitliche Breite als die voreingestellte zeitliche Breite hat.
Spezieller ausgedrückt, die Ringlänge und die Änderungsrate der Dispersion werden so ausgewählt, dass relativ breite Pulse Reaktionslängen aufweisen, welche so lang sind, dass sie nur auf den Durchschnittswert der Dispersion entlang des Ringes reagieren und folglich keine Solitone unterschiedlicher Ordnung bilden können. Als Ergebnis werden die zwei Pulse in der gleichen Weise durch ihre Ausbreitung entlang des Ringes beeinflusst und kehren zum Koppler nicht mit einer Richtungsphasendifferenz zurück. Bei diesen Bedingungen sind die zurückkehrenden Pulse nahezu in Phase und werden daher von dem Ringreflektor reflektiert. Verhältnismäßig kleine Pulse, auf der anderen Seite, haben Reaktionslängen, die kurz genug sind, dass sie auf den momentanen Wert der Dispersion entlang des Ringes reagieren können, und sind in der Lage, Solitone verschiedener Ordnung zu bilden. Als Ergebnis, vorausgesetzt, dass ihre Amplituden hoch genug sind, werden die zwei Pulse unterschiedlich durch ihre Ausbreitung entlang des Ringes beeinflusst und kehren mit einer gerichteten Phasendifferenz von ungefähr 180 Grad (pi Radian) zurück. Unter diesen Bedingungen werden die zurückkehrenden Pulse eher durchgelassen als von dem Ringreflektor reflektiert.
Eine Anwendung der Ausführungsform der Pulsbreitenschaltung der Erfindung beinhaltet Ringreflektoren, welche in der Lage sind, Kanäle hoher und niedriger Datenrate zu trennen, welche die gleiche Faser nutzen. Eine andere Anwendung ist ein Pulssortierer, welcher Pulse trennt, die eine Dispersionskompensa tion von denen erfordern, welche keine benötigen, so dass die Dispersion nur für die Pulse geliefert wird, welche solch eine Kompensation erfordern.
In einer anderen wichtigen Ausführungsform der Erfindung werden die Ringparameter so ausgewählt, dass der Ringreflektor der Erfindung genutzt werden kann, zwischen optischen Pulsen zu unterscheiden und diese zu trennen, auf der Basis, ob diese Impulse Amplituden besitzen, welche größer oder kleiner als eine vorher eingestellt Amplitude sind. In dieser Ausführungsform der Erfindung, welche als die Ausführungsform des Pulsamplitudenschaltens (PAS) bezeichnet wird, wird auch ein 50 : 50-Koppler genutzt, um die Eingangspulse in zwei im Gegensinn umlaufende Teilpulse aufzuteilen. In diesem Fall jedoch werden die Ringparameter so ausgewählt, dass Solitone verschiedener Ordnungen nur gebildet werden, wenn die Eingangspulse eine Amplitude größer als eine vorher eingestellte minimale Amplitude besitzen.
Spezieller ausgedrückt, für Eingangspulse, welche Amplituden größer als das voreingestellte Minimum haben, werden Solitone unterschiedlicher Ordnungen gebildet und sie sind in der Lage, eine Phasendifferenz von 180 Grad zu akkumulieren, wenn sie zum Koppler zurückkommen, vorausgesetzt, dass sie nicht zeitliche Breiten aufweisen, welche zu groß sind. Unter dieser Bedingung überträgt der Ringreflektor der Erfindung den Eingangspuls. Für Eingangspulse, welche eine Amplitude besitzen, die kleiner als das voreingestellte Minimum ist, werden jedoch Solitone unterschiedlicher Ordnung nicht erzeugt. Als Ergebnis sind die gegeneinander umlaufenden Pulse nicht in der Lage, als Ergebnis ihrer Ausbreitung entlang des Ringes irgendeine substanzielle Phasendifferenz zu akkumulieren. Unter diesen Bedingungen reflektiert der Ringreflektor der Erfindung den Eingangspuls.
Eine Anwendung der Ausführungsform zum Pulsamplitudenschalten der Erfindung beinhaltet ein Rauschfilter, welches Datenpulse hoher Amplitude von Rauschpulsen niedriger Amplitude trennt und dadurch effektiv das Signalrauschverhältnis eines optischen Systems erhöht.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich, in welchen zeigen:
1 einen nicht-linearen optischen Ringreflektor, der entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2A und 2B Graphen, welche die Dispersion als eine Funktion der Entfernung für zwei Fasern mit abnehmender Dispersion zeigen, welche für den Gebrauch in dem Ringreflektor der 1 geeignet sind;
3 ist eine Tabelle, welche Gleichungen zeigt, welche die Funktion des Ringreflektors der Erfindung beschreiben;
4 ein Ausbreitungsdiagramm, welches die gegenläufige Ausbreitung von Solitonen unterschiedlicher Ordnungen entlang des Ringreflektors der 1 zeigt; und
5, 6 und 7 die spezifischen Anwendungen des Ringreflektors der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1 wird ein nicht-linearer optischer Ringreflektor (NOhMs) 10 gezeigt, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde. Der Ringreflektor 10 beinhaltet eine optische Faser 20, wobei die Faser 20 ein erstes Ende 20-1 und ein zweites Ende 20-2 besitzt. Der Ringreflektor 10 beinhaltet auch einen optischen Koppler 30, welcher ein erstes Paar von E/A-Anschlüssen 30-1 und 30-2 besitzt, und ein zweites Paar von 30-3 und 30-4. Wenn die Faser 20 und der Koppler 30 als Ringreflektor verbunden werden, wird die Faser 20 in einem Ring 25 angeordnet, dessen Enden 20-1 und 20-2 jeweils mit den Koppler-E/A-Anschlüssen 30-3 und 30-4 verbunden werden. Die verbleibenden E/A-Anschlüsse 30-1 und 30-2 werden mit den externen Einrichtungen der Faser verbunden, mit welchen der Ringreflektor 10 benutzt wird. Wegen ihrer Verbindung mit den Enden des Ringes 25 werden die E/A-Anschlüsse 30-3 und 30-4 nachfolgend als Ringanschlüsse bezeichnet.
Der Koppler 30 ist vorzugsweise ein Koppler vom interferometrischen Typ, wie z. B. ein Strahlteiler, welcher dazu dient, optische Pulse in zwei Richtungen zwischen den E/A-Anschlüssen 30-1 und 30-2 und dem Ring 25 zu koppeln. Spezieller ausgedrückt, der Koppler 30 dient dazu, die optischen Pulse, welche entweder in die E/A-Anschlüsse 30-1 und 30-2 einlaufen, in zwei optische Teilpulse zu trennen, welche entlang der Faser 25 in entgegengesetzte Richtungen laufen, d. h. sich gegenläufig ausbreiten. Der Koppler 30 dient auch dazu, die zurückkehrenden Teilpulse zu empfangen und die Energie dieser zwischen den E/A-Anschlüssen 30-1 und 30-2 entsprechend der relativen Amplituden, der Breiten und Phasen derselben aufzuteilen. In dem Ausmaß, in dem zurückkehrende Pulse zu dem gleiche E/A ausgeleitet werden, durch welchen sie eintraten, werden sie als "reflektiert" oder "ungeschaltet" bezeichnet. In dem Maß, in dem zurückkehrende Pulse aus dem anderen E/A-Anschluss ausgeleitet werden, werden sie als "durchgelassen" oder "geschaltet" bezeichnet. Da der Koppler 30 von einem Typ ist, welcher für Fachleute bekannt ist, wird er hier nicht im Detail beschrieben.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist die Faser 20 eine Faser auf, welche eine Dispersion D besitzt (oft als Gruppengeschwindigkeitsdispersion oder GVD bezeichnet), welche sich entsprechend einer vorher definierten Funktion des Abstandes Z von einem der Enden derselben ändert. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt die Dispersion D einen Maximalwert D_max am Ende 20-1 der Faser 20 und einen Minimalwert D_min am Ende 20-2 derselben und hat eine Größe, welche monoton als Funktion der Entfernung vom Ende 20-1 abfällt. Entsprechend kann man sehen, dass die Faser 20 die (DD-)Faser mit abfallender Dispersion für optische Pulse aufweist, welche entlang des Ringes 25 im Uhrzeigersinn oder in Richtung DD sich ausbreiten, wie dies in 1 gezeigt ist, und eine (DI-)Faser mit anwachsender Dispersion aufweist für optische Pulse, welche entlang des Ringes 25 gegen den Uhrzeigersinn oder in DI-Richtung umlaufen, wie dies in 1 gezeigt wird. Als Ergebnis führt die Faser 20 der Erfindung in den Ringreflektor der 1 eine richtungsmäßige Asymmetrie ein, welche dazu führt, dass gegenläufig sich ausbreitende optische Pulse unterschiedlich beim Laufen entlang des Ringes 25 beeinflusst werden. Wie später mehr im Detail erklärt werden wird, gestattet diese Richtungsasymmetrie dem Ringreflektor der Erfindung nicht nur, optische Funktionen auszuführen, welche vorher mit anderen Asymmetry bewirkenden Strukturen ausgeführt wurden, wie z. B. doppelbrechenden Fasern, jedoch diese Funktionen besser auszuführen.
In der bevorzugten Ausführungsform nimmt die Dispersion der Faser 20 exponentiell als eine Funktion der Entfernung z ab, ungefähr entsprechend der Gleichung 1 der 3. Wenn die Dispersion D als eine Funktion des Abstandes aufgetragen wird, ergibt sich im Allgemeinen das Bild, wie es in den 2A und 2B gezeigt wird, im Fall der 2A nimmt die Dispersion D monoton in einer Vielzahl von diskreten Schritten ab, welche Segmente der Faser betreffen, welche eine vorher festgelegte jeweilige Länge und vorher festgelegte, nahezu konstante jeweilige Dispersionen besitzen. Im Falle der 2B fällt die Dispersion monoton in einer nahezu kontinuierlichen Weise ab. In beiden Fällen jedoch ist das Abfallen der Dispersion im Wesentlichen entlang der gesamten Länge der Faser 25 verteilt. Als ein Ergebnis werden die entlang der Faser 25 sich ausbreitenden Pulse einem variablen Dispersionsgradienten oder Dispersionsprofil ausgesetzt, welches sich von einem Ende des Ringes 25 zum anderen erstreckt.
Eine Faser, welche das variable Dispersionsprofil, wie es in 2A gezeigt wird, besitzt, kann auf vielfältige Weise hergestellt werden. Eine davon beinhaltet das Ziehen der Faser aus einer speziell gestalteten Vorform in der Weise, dass die Faser einen konstanten Außendurchmesser besitzt, jedoch eine Kernfläche, welche in der FF-Richtung abnimmt. Eine andere davon beinhaltet das Ziehen der Faser von einer speziell gestalteten Vorform, welche so aufgebaut ist, dass die Faser einen Dotierstoffpegel bzw. -grad besitzt und folglich einen Brechungsindex; welcher sich als Funktion der Entfernung entlang der Länge derselben ändert.
Unter den Fasern, welche Dispersionsprofile besitzen, wie jene, die in den 2A und 2B gezeigt werden, gibt es viele mögliche Kombinationen von Ringparametern, welche die Art beeinflussen, in welcher der Ring die optischen Pulse, die sich ausbreiten, beeinflusst. Unter diesen Ringparametern sind folgende beinhaltet: Die Länge der Faser, die Dämpfung der Faser, die Dispersionswerte an den Enden der Faser; die mathematische Form und Koeffizienten der Dispersionsfunktion, die Anzahl und Längen der Abschnitte, welche die Schritte ausmachen (bei gestuften Ausführungsformen, wie z. B. jener, welche in 2A gezeigt wird), die effektive Fläche der Phase und die Querschnittsfläche des Kernes der Faser. Bei den zuletzt erwähnten Flächen ist die Kernfläche einfach die geometrische Querschnittsfläche des Kernteils der Faser. Die effektive Fläche der Faser, auf der anderen Seite, berücksichtigt nicht nur die geometrische Fläche des Kernes, sondern auch die Nichtlinearität der Faser. Zusammen mit dem nicht-linearen Brechungsindex N2 der Faser bestimmt die effektive Fläche der Faser den nicht-linearen Koeffizienten der Faser, eine Größe, welche als G in Gleichung 2 der 3 gezeigt wird.
Abhängig davon, ob der Koppler 20 als ein Teil des Ringes betrachtet wird oder nicht, können die Ringparameter betrachtet werden, als wenn sie das Koppelverhältnis des Kopplers 30 beinhalten oder nicht. Da die verbleibenden Ringparameter selbst irgendeine notwendige Richtungsasymmetrie aufweisen, wird es gewöhnlich nicht notwendig sein, Koppelverhältnisse anders als ein Koppelverhältnis 50 : 50 für diesen Zweck anzuwenden. Als Ergebnis wird die vorliegende Erfindung gewöhnlich ein Koppelverhältnis von 50 : 50 benutzen (wodurch effektiv das Koppelverhältnis als ein Ringparameter eliminiert wird), obwohl andere Koppelverhältnisse genutzt werden können, wenn dies gewünscht wird.
Zusätzlich gibt es eine Anzahl von möglichen Kombinationen von zeitlichen und spektralen Pulsparametern, welche die Art beeinflussen, in welcher ein Puls durch spezielle Kombinationen von Ringparametern beeinflusst wird. Bei den zeitlichen Parametern eines Pulses sind dessen Amplituden- oder Spitzenleistungen, seine Ordnung (für Solitone) und seine zeitliche Breite eingeschlossen, letzteres oft als "volle Halbwertsbreite" oder "FWHM" bezeichnet. Von den spektralen Parametern eines Pulses sind seine Zentralwellenlänge, seine spektrale Breite und sein Chirp bzw. seine Wellenlängenänderung eingeschlossen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass spezielle Kombinationen von Ringparametern verwendet werden können, um optische Pulse, welche einen Satz von Pulsparametern besitzen, von denen zu unterscheiden, welche einen anderen Satz von Pulsparametern besitzen. Diese Fähigkeit, zwischen Pulsen unterschiedlicher Pulsparameter zu unterscheiden, gestattet umgekehrt dem Ringreflektor der Erfindung, Pulse auf der Grundlage dieser Unterschiede zu trennen, zu sortieren oder zu leiten. Wenn dies einmal gemacht wurde, können die getrennten Pulse weiter differenziell bearbeitet werden, z. B. durch Verstärken eines und nicht des anderen, durch Komprimieren des einen und nicht des anderen, etc.. Damit besitzt der Ringreflektor der Erfindung eine optische Verarbeitungseinrichtung von leistungsfähigem, allgemeinem Nutzen, welche bei einer Vielfalt von unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden kann.
Bei einer ersten Ausführung der Pulsbreitenschaltung wird der Ringreflektor der Erfindung dazu benutzt, Pulse auf der Basis der Unterschiede in ihrer zeitlichen Breite zu trennen, vorausgesetzt, dass ihre Amplituden groß genug sind, um im Soliton-System zu sein. Spezieller ausgedrückt, der Ringreflektor wird benutzt, um Eingangspulse zu reflektieren (oder nicht zu schalten), welche zeitliche Breiten größer als eine voreingestellte minimale Breite besitzen, und wenigstens einen wesentlichen Bruchteil an Energie der Eingangspulse durchzulassen (oder zu schalten), welche zeitliche Breiten besitzen, welche kleiner als diese Minimalbreite sind. Die Art und Weise, in welcher dies ausgeführt wird, wird nun mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben.
Beim Konfigurieren des Reflektorspiegels der 1 für die Anwendung als Pulsbreiten-abhängiger Schalter werden dessen Ringparameter auf der Grundlage der Pulsparameter, welche zu schalten sind, ausgewählt. Diese Auswahl kann wie folgt zusammengefasst werden: Die Länge des Ringes und die Anzahl und Längen der Dispersionsschritte werden so ausgewählt, dass Pulse, welche Breiten größer als die minimale Breite (Pulsbreite) besitzen, eine Reaktionslänge aufweisen, welche lang im Vergleich zu den Längen der Stufen sind, aber so sind, dass Pulse, welche eine kleinere als die Minimalbreite haben (enge Pulse), eine Reaktionslänge besitzen, welche kurz im Vergleich zu den Längen der Stufen ist. Für Pulse, welche Amplituden aufweisen, welche groß genug sind, um im Soliton-System zu sein, ist dies vergleichbar zu sagen, dass breite Pulse Soliton-Perioden Z₀ besitzen, welche lang im Vergleich zu der Länge des Ringes sind, während dies bei engen Pulsen nicht der Fall ist.
Wenn man z. B. annimmt, dass die minimale Pulsbreite 7,5 Pikosekunden (ps) ist, kann der Ring eine Länge von 8,8 km mit einer Dispersion, die von –9 auf –1 ps²/km in 8 Stufen abnimmt, besitzen, wobei jede Stufe ein Fasersegment beinhaltet, das eine Länge von 1 km und eine Dispersion besitzt, welche ungefähr entlang der Länge der Faser konstant ist. Mit einem derartigen Puls und einem derartigen Ring hat man herausgefunden, dass der Prozentsatz an Energie eines Pulses, welcher am E/A-Anschluss 30-1 einläuft, welcher zum E/A-Anschluss 30-2 durchgelassen wird, im Wesentlichen abfällt, wenn die Breite des Eingangspulses über 7,5 ps ansteigt, und auf weniger als 8% abfällt, wenn sich die Pulsbreite 9 ps nähert. Umgekehrt wurde herausgefunden, dass der Prozentsatz an Eingangssignalenergie, welche durchgelassen wird, wesentlich ansteigt, wenn die Breite des Eingangspulses auf unter 7,5 ps abfällt, und auf mehr als 50% anwächst, wenn die Pulsbreite sich 5 ps nähert. Pulse, welche Amplituden aufweisen, die zu niedrig sind, um im Soli ton-System zu sein (d. h. welche im linearen System sind), werden ungeachtet ihrer Breiten reflektiert. Aus Gründen, welche später mehr im Detail beschrieben werden, ist die soeben beschriebenen Kombination von Ringparametern aus einer Anzahl von möglichen Kombinationen von Ringparametern nur exemplarisch, welche das soeben beschriebene Ergebnis erzeugen können.
Die Gründe, warum der Ringreflektor der Erfindung den oben beschriebenen Effekt der Pulsbreitenschaltung erzeugt, werden nun beschrieben. Sind die oben beschriebenen Beziehungen der Segmentlänge und zeitlichen Breite gegeben, haben verhältnismäßig breite Pulse, wie z. B. jene mit zeitlichen Breiten größer als 7,5 ps, eine Reaktionslänge, welche zu groß ist, um zu gestatten, dass sie mit den einzelnen Stufen der DD-Faser reagieren. Dies sichert, dass, wenn der Koppler 30 einen Eingangspuls am E/A-Anschluss 30-1 in zwei gegenläufige Teilpulse aufteilt, die zwei Teilpulse beide eher auf den Mittelwert der Dispersionswerte der Stufen reagieren, als auf die einzelnen Dispersionswerte derselben. Dies verursacht umgekehrt bei den gegenläufigen Teilpulsen, dass sie in ähnlicher Weise durch ihr Laufen entlang des Ringes beeinflusst werden. Als Ergebnis kehren die beiden breiten Teilpulse zu dem Koppler mit ähnlichen Amplituden und Breiten und in einer nahezu In-Phase-Beziehung im Bezug aufeinander zurück und werden folglich reflektiert.
Da jedoch verhältnismäßig enge Eingangspulse an dem E/A-Anschluss 30-1 angelegt werden, gestattet dann deren kürzere Reaktionslänge, auf die einzelnen Stufen der DD-Faser zu reagieren. Dann, vorausgesetzt, dass ein Eingangspuls eine Amplitude in dem Soliton-System besitzt, wird er in zwei gegenläufige Solitone von unterschiedlicher Ordnung geteilt, welche unterschiedlich durch ihren Lauf entlang des Ringes beeinflusst werden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung bringt eine geeignete Kombination von Ringparametern die zurückkehrenden Solitone unterschiedlicher Ordnung dazu, zum Koppler 30 mit ähnlichen Amplituden und Breiten, aber in einer im Allgemeinen Außer-Phase-Beziehung zum Koppler zurückzukehren (z. B. mit einer Phasendifferenz der Größenordnung von 180 Grad oder pi Radian). Als Ergebnis neigen die zwei zurückkehrenden Solitone dazu, eher durchgelassen zu werden, als reflektiert zu werden.
Das oben erwähnte Ergebnis wird am besten mit Bezug auf die Gleichung (2) der 3 verstanden. Letztere Gleichung zeigt die Beziehung zwischen der Ordnungszahl N des Solitons, der Spitzenleistung Po und der zeitlichen Breite T₀ derselben und der lokalen Dispersion D der Faser, in welcher das Soliton sich ausbreitet. Diese Gleichung zeigt, dass, wenn ein Puls, der eine Kombination von Amplitude und Breite innerhalb des Soliton-Systems aufweist, in zwei Teilpulse mit gleichen Energien aufgespalten wird und an die Faser angelegt wird, welche Enden mit unterschiedlicher Dispersion besitzt, das Ergebnis ein Paar von gegenläufigen Teil-Solitonen sein kann, welche unterschiedliche Ordnungszahlen besitzen, wobei die Differenz in der Ordnung von der Differenz in den Dispersionswerten abhängt, welche von den Teilpulsen gesehen werden. Wenn Solitone unterschiedlicher Ordnung erzeugt werden, werden sie, wenigstens am Anfang, gleiche Amplituden mit gleichen Breiten aufweisen. Während der Ausbreitung jedoch werden Solitone höherer Ordnung eine Änderung in ihrer Form erfahren, wobei sie periodisch ihre Ursprungsform wieder bekommen bei Abständen, welche auf ihre Soliton-Perioden bezogen sind, während Solitone erster Ordnung einer solchen periodischen Änderung in der Form nicht ausgesetzt sind. Dieser Unterschied in der Entwicklung wird in 4 dargestellt.
Im Falle der Pulse, welche relativ breit sind, "sehen" beide Teilpulse einen Ring, welcher den gleichen Dispersionswert be sitzt. Dies ist der Fall, weil ihre Reaktionslängen zu groß sind, als dass sie durch die einzelnen Dispersionsstufen beeinflusst werden, und folglich sehen beide Teilpulse einen Ring, welcher eine Dispersion aufweist, welche gleich der durchschnittlichen Dispersion der Stufen ist. Unter diesen Bedingungen werden keine Solitone unterschiedlicher Ordnung gebildet. Als Ergebnis werden die Teilpulse in der gleichen Weise während ihres Laufes entlang des Ringes beeinflusst, und folglich kehren sie zum Koppler 30 in einer im Allgemeinen In-Phase-Beziehung zurück. Unter diesen Bedingungen führt der Koppler 30 das meiste der zurückkehrenden Energie an den E/A-Anschluss 30-1, und von dem Eingangspuls kann gesagt werden, dass er reflektiert wird.
Im Fall der Pulse, welche relativ eng sind, auf der anderen Seite, "sehen" die Teilpulse Ringe, welche unterschiedliche Dispersion besitzen. Dies rührt daher, dass ihre kurzen Reaktionslängen gestatten, dass sie durch die einzelnen Dispersionsstufen beeinflusst werden, wobei erlaubt wird, dass ein Teilpuls D_max sieht, während der andere D_min sieht. Als Ergebnis wird der Eingangspuls in zwei Teil-Solitone aufgeteilt, welche gleiche Energien, aber unterschiedliche Ordnungen haben. Einer von diesen kann z. B. ein Soliton erster Ordnung sein, welches sich in DD- oder CW-Richtung ausbreitet und keine wesentliche Änderung in der Amplitude oder Breite erfährt. Das andere kann ein Soliton dritter Ordnung sein, welches sich in DI- oder CCW-Richtung ausbreitet, und verbringt viel seiner Ausbreitungszeit mit einer Amplitude größer als jenes, mit welchen es in den Ring lief, und mit einer Breite, welche sich mit einer periodischen Funktion der Entfernung ändert. Dieses periodische Ändern der Amplitude und Breite kann in 4 gesehen werden.
Da das Soliton dritter Ordnung einen wesentlichen Teil seiner Ausbreitungszeit mit einer höheren Amplitude als das Soliton erster Ordnung verbringt, wird es mehr durch die nichtlinearen optischen Eigenschaften der Fasern beeinflusst als das Soliton erster Ordnung. Als Ergebnis unterliegt es einem größeren Grad an Selbstphasenmodulation als das Soliton erster Ordnung. Dies führt umgekehrt dazu, dass die Solitone erster und dritter Ordnung zum Koppler in einer im Allgemeinen Außer-Phase-Beziehung zurückkehren. Bei einer geeigneten Wahl der Länge des Ringes und der Änderungsrate der Dispersion kann der Unterschied in der Phase dieser Solitone ungefähr gleich 180 Grad sein, während die zeitliche Breite davon zu den gleichen Breiten zurückkehrt, mit welchen sie in den Ring liefen. In dem Maße, in dem diese Bedingungen erfüllt werden, wird die Energie des Eingangspulses durch den Koppler E/A-Anschluss 30-2 durchgelassen, und der Eingangspuls kann als durchgelassen betrachtet werden.
Unter Berücksichtigung des Vorausgegangenen wird man sehen, dass die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung Eingangspulse steuerbar reflektieren oder durchlassen wird, basierend auf den Unterschieden in ihrer zeitlichen Breite, vorausgesetzt, dass ihre Amplituden innerhalb des Soliton-Systems liegen.
Mit Bezug auf 5 wird ein Beispiel einer speziellen Applikation der Ausführungsform des Pulsbreitenschaltens des Ringreflektors der Erfindung gezeigt, nämlich: Ein Rauschfilter zum Filtern von Rauschen verstärkter spontaner Emissionen (ASE). Der Ringreflektor der 5 soll so verstanden werden, dass er im Allgemeinen ähnlich zu dem ist, welcher in 1 gezeigt wird, ähnliche Funktionsteile werden ähnlich beziffert, müssen jedoch eine Kombination von Ringparametern aufweisen, welche es gestatten, zwischen Pulsen auf der Grundlage ihrer Differenzen in ihrer Breite zu unterscheiden.
In 5 weist der Eingang des Ringreflektors 10 ein optisches Signal OS1 auf, welches einen relativ engen Datenpuls D1 und eine ASE-Rauschkomponente N1 beinhaltet, welche als ein verhältnismäßig breiter Puls dargestellt werden kann. Vorausgesetzt, dass die Form eine zeitliche Breite hat, welche kleiner als die Minimalbreite ist, bei welcher der Ringreflektor 10 Eingangspulse durchlässt, und dass letzterer eine Breite hat, welche größer als die der Minimalbreite ist, werden diese beiden Komponenten als ein Ergebnis ihrer Begegnung mit dem Ringreflektor 10 getrennt werden. Spezieller ausgedrückt, der Datenpuls D1 wird groß vom Ringreflektor 10 durchgelassen und wird den Koppler 30 am E/A-Anschluss 30-2 als ein Puls D1¹ verlassen, von welchem das meiste an ASE-Rauschen gefiltert wurde. Zur gleichen Zeit wird der Rausch-"Puls" N1 groß vom Ringreflektor 10 reflektiert und wird den Koppler 20 am E/A-Anschluss 30-1 als ein Rauschpuls N1¹ verlassen, von welchem das meiste des Datenpulses entfernt wurde. Da die Trennaktion des Ringreflektors 10 auch erfordert, dass der Puls, der durchgelassen wird, eine Amplitude im Soliton-System besitzt, tendiert der Ringreflektor der 5 auch dazu, zu reflektieren und dadurch von dem durchgelassenen Signal am E/A-Anschluss 30-2 Rauschpulse niedriger Amplitude zu entfernen, welche unbeabsichtigt in dem Eingangssignal OSI mitgeschleppt haben werden können. Dadurch kann der Ringreflektor der 5 angesehen werden, dass er wie ein Filter sowohl für das ASE-Rauschen als auch für das Pulsrauschen mit niedriger Amplitude dienen kann.
Mit Bezug auf 6 wird eine andere exemplarische Anwendung der Ausführungsform zum Pulsbreitenschalten des Ringreflektors der Erfindung gezeigt. In der gezeigten Anwendung in 6 dient der Ringreflektor als ein Demultiplexer mit Rückkehr zu null (RZ), welcher zwei Datenkanäle trennt, welche aus Pulszügen bestehen, welche Pulse mit unterschiedlichen Breiten und unterschiedlichen Wiederholraten beinhalten.
In 6 weist der Eingang des Ringreflektors 10 ein optisches Signal OS2 auf, welches einen ersten Datenkanal einschließt, welcher die Form eines Pulszuges OS2A hat, der aus Pulsen besteht, welche verhältnismäßig breit sind und eine verhältnismäßig niedrige Wiederholrate aufweisen, und einen zweiten Datenkanal, welcher die Form eines Pulszuges OS2B annimmt, der aus Pulsen besteht, welche verhältnismäßig eng sind und eine relativ hohe Wiederholrate besitzen. Beim Eintreten in den Ringreflektor 10 werden die Pulse, welche diese beiden Kanäle darstellen, auf der Grundlage ihrer Breiten getrennt, vorausgesetzt, dass die Pulse des Pulszuges, die durchzulassen sind, Amplituden besitzen, welche im Soliton-System sind. Spezieller ausgedrückt, die verhältnismäßig breiten Pulse des Eingangspulszuges OS2A werden sich entlang des Ringes ausbreite und am E/A-Anschluss 30-1 des Kopplers ausreflektiert werden, während die verhältnismäßig engen Pulse des Eingangspulszuges OS2B sich entlang des Ringes ausbreiten und am E/A-Anschluss 30-2 des Kopplers durchgelassen werden. Da die Art, in welcher diese Auftrennung stattfindet, bereits beschrieben wurde, wird hier die Ausführungsform der 6 nicht weiter diskutiert.
In einer zweiten Ausführungsform der Pulsamplitudenschaltung wird die Fähigkeit des Ringreflektors der Erfindung, zwischen Pulsen auf der Grundlage ihrer Pulsparameter zu unterscheiden, benutzt, um Pulse auf der Grundlage der Unterschiede in der Amplitude oder Spitzenleistung derselben zu trennen. Spezieller ausgedrückt, der Ringreflektor wird benutzt, um Eingangspulse zu reflektieren, welche Amplituden besitzen, die kleiner als ein voreingestellter wert sind, und Pulse durchzulassen, welche Amplituden besitzen, die größer als der vorbestimmte Wert sind, vorausgesetzt, dass ihre Breiten nicht zu groß sind, dass der Effekt der oben beschriebenen Pulsweitenschaltung ins Spiel kommt.
Schließlich, damit die Ausführungsform der Pulsamplitudenschaltung Pulse auf der Basis der Unterschiede in ihren Amplituden trennen kann, werden die Parameter des Ringes 25 so ausgewählt, dass ein Eingangspuls, welcher eine Amplitude kleiner als der Minimalwert besitzt (Pulse niedriger Intensität oder schwache Pulse), in Teilpulse aufgeteilt wird, welche nicht Solitone unterschiedlicher Ordnung sind oder auch Solitone der gleichen Ordnung sind. Da derartige Pulse in der gleichen Weise durch ihr Laufen entlang des Ringes beeinflusst werden, kehren sie zum Koppler in einer im Allgemeinen In-Phase-Beziehung zurück. Unter diesen Bedingungen wird der Eingangspuls zum E/A-Anschluss 30-1 geführt, d. h. er wird eher reflektiert als durchgelassen.
Die Parameter des Ringes werden auch so ausgewählt, dass Eingangspulse, die Amplituden größer als der Minimalwert besitzen (Pulse mit hoher Intensität oder helle Pulse), in Teilpulse aufgeteilt werden, welche Solitone unterschiedlicher Ordnung sind, und so die Teil-Solitone zum Koppler in einer im Allgemeinen Außer-Phase-Beziehung zurückkehren, aber mit ähnlichen Amplituden und zeitlichen Breiten. Unter der Maßgabe, dass diese Bedingungen erfüllt werden, wird der Eingangspuls zum E/A-Anschluss 30-2 geführt, d. h. er wird eher durchgelassen als reflektiert.
Beim Erreichen des oben beschriebenen Ergebnisses werden die Parameter des Ringes ausgewählt, dass sie etwas verschieden von denen der vorher beschriebenen Ausführungsform des Pulsbreitenschaltens sind. Im Einzelnen wird die Dispersion der Faser so gewählt, dass der Ring eine niedrige Änderungsrate der Dispersion besitzt. Dies sichert, dass Teilpulse, welche keine Solitone sind, nicht in wesentlich unterschiedlicher Weise durch ihr Laufen entlang des Ringes beeinflusst werden. Zusätzlich werden andere Ringparameter, wie z. B. die Länge des Ringes und die effektive Fläche der Faser mit Bezug zur Änderungsrate der Dispersion der Faser so ausgewählt, dass für Teilpulse, welche Solitone unterschiedlicher Ordnung sind, die Teilpulse zum Koppler mit gleichen Breiten zurückkehren. Wegen ihrer anfangs gleichen Energien und gleichen Ausbreitungsverluste kehren solche Teilpulse auch zum Koppler mit gleichen Amplituden zurück. Dieses Anpassen der Amplitude und Breite sichert hohes Kontrastschalten, vorausgesetzt, dass die zurückkehrenden Pulse auch destruktiv bei ihrer Rückkehr zum Koppler interferieren. Wie vorher in Zusammenhang mit der Ausführungsform des Pulsbreitenschaltens erklärt, wird diese Außer-Phase-Beziehung aufgebaut, indem die Tatsache genutzt wird, dass das Soliton höherer Ordnung einen höheren Teil seiner Ausbreitungszeit mit einem Spitzenwert verbringt, welcher den des Solitons erster Ordnung übersteigt, und unterliegt folglich einer unterschiedlichen Phasenverschiebung als Ergebnis der Eigenphasenmodulation. Da dieser Effekt bereits in Zusammenhang mit 4 und der Ausführungsform des Pulsbreitenschaltens beschrieben wurde, wird dies hier nicht weiter diskutiert.
Mit Bezug auf 7 wird ein Beispiel einer speziellen Anwendung der Ausführungsform des Pulsamplitudenschaltens des Ringreflektors der Erfindung gezeigt, nämlich: Ein Rauschfilter zum Filtern von Rausch-"Pulsen" aus einem Zug von Datenpulsen. Der Ringreflektor der 7 ist im Allgemeinen ähnlich zu dem, welcher in 1 gezeigt wird, aber er hat Ringparameter, welche ausgewählt werden, ihn zum Differenzieren der Pulse auf der Basis der Unterschiede in ihren Amplituden zu veranlassen, d. h. in ihren Spitzenleistungen oder Intensitäten.
In 7 weist das Eingangssignal des Ringreflektors ein optisches Signal OS3 auf, welches einen Datenpuls D3 beinhaltet, welcher eine Amplitude A3 besitzt, welche die Minimalamplitude A_MIN übersteigt, bei der Pulse durch den Ringreflektor durchge lassen werden können (diese Minimalamplitude kann als der Schwellwert betrachtet werden, welcher die Kombinationen der Amplitude und Pulsbreite trennt, welche das Celation-System von dem linearen System trennt; der Klarheit wegen werden alle dargestellten Pulse so gezeigt, als hätten sie ähnliche zeitliche Breiten). Das optische Signal OS3 beinhaltet auch zwei Rauschpulse N2 und N3, welche Amplituden besitzen, die kleiner als A_MIN sind. Solche Pulse können z. B. Pulse, die keine Daten tragen, aufweisen, welche das Ergebnis von unbeabsichtigtem Kreuzkoppeln zwischen Fasern oder das Ergebnis von Verstärkungseffekten sind.
Da der Datenpuls D3 eine Amplitude besitzt, welche die Minimalamplitude des Ringreflektors übersteigt, wird er in Teil-Solitone unterschiedlicher Ordnung aufgeteilt, welche zum Koppler 30 in einer im Allgemeinen Außer-Phase-Beziehung zurückkehren, als ein Ergebnis ihrer unterschiedlichen zeitlichen Entwicklung, wie dies in 4 gezeigt wird. Dies zusammen mit Ähnlichkeiten in der Amplitude und Breite der zurückkehrenden Teil-Solitone sichert, dass der Puls D3 am E/A-Anschluss 30-2 durchgelassen wird. Rauschpulse N2 und N3 jedoch werden nicht in solche Teil-Solitone aufgeteilt. Als Ergebnis laufen die Teilpulse entlang des Ringes, ohne irgendeine wesentliche Differenz in der Phase zu akkumulieren, und folglich werden sie durch den E/A-Anschluss 30-1 reflektiert. Dadurch dient der Ringreflektor der 7 als ein Rauschfilter, welches gestattet, dass Rauschpulse niedriger Amplitude wirkungsvoll von Datenpulsen hoher Amplitude getrennt werden.
In Anbetracht des Vorausgehenden kann man sehen, dass trotz der unterschiedlichen Anwendungen, für welche sie genutzt werden, die Ausführungsformen des Pulsamplituden- und des Pulsbreitenschaltens des Ringreflektors der Erfindung im Wesentlichen den gleichen Effekt des richtungsabhängigen Phasenschiebens gebrauchen. Unterschiedlich angegeben bzw. festgelegt, führen die Ausführungsformen des Pulsamplituden- und Pulsbreitenschaltens der Erfindung zu unterschiedlichen Endergebnissen, da sie den gleichen Effekt der richtungsabhängigen Phasenverschiebung in Zusammenhang mit verschiedenen Kombinationen der Ring- und Pulsparameter nutzen.
Beim Auswählen der Kombinationen von Ring- und Pulsparametern, welche beim Anwenden der vorliegenden Erfindung genutzt werden, muss man Vorsicht üben, die Wechselwirkungen und das mögliche Abwägen zwischen den verschiedenen Ringparametern zu berücksichtigen. Im Falle der Ausführungsform des Pulsamplitudenschaltens z. B. wechselwirken die Länge der Faser und die effektive Fläche derselben so, dass die zwei gegeneinander in der Art und Weise abgewogen werden, welche gestattet, dass sich das Soliton höherer Ordnung beim Zurückkehren zum Koppler auf seine originale Breite wieder aufbaut. Beide dieser Parameter werden umgekehrt durch die Dispersionswerte an dem ersten und zweien Ende der Faser und die mathematische Form und die Koeffizienten der Dispersion als Funktion der Entfernung entlang der Faser beeinflusst. Es wird deshalb im Allgemeinen notwendig sein, einen Satz von Ringparametern auf der Grundlage eines Satzes von simultanen Gleichungen zu berechnen, welche zusammen all die Erfordernisse, welche zutreffen müssen, definieren. Da Computerprogramme (numerische Approximationsprogramme eingeschlossen), welche zum Anwenden des Lösens solcher Sätze von simultanen Gleichungen geeignet sind, Fachleuten bekannt sind, werden derartige Solitone nicht hier im Detail diskutiert.
Zusätzlich muss das Berechnen eines Satzes von Ringparametern die dynamischen Änderungen berücksichtigen, welche bei den Pulsparametern auftreten, wenn ein Puls entlang des Ringes läuft. Mit Bezug auf Gleichung (2) der 3 z. B. kann man sehen, dass ein Soliton-Puls einer Folge von unterschiedlichen lokalen Dispersionswerte während seiner Ausbreitung begegnet, wobei sich sowohl seine Soliton-Periode als auch seine Ordnungszahl ändern können. Ein Soliton, welches als ein Soliton dritter Ordnung seine Ausbreitung beginnt, kann deshalb in ein Soliton erster Ordnung umgewandelt werden, bevor es zum Koppler zurückkehrt.
Ausbreitungsabhängige Effekte des oben beschriebenen Typs sind speziell komplex in den Fällen, bei welchen die beiden in Gegenrichtung laufenden Solitone Solitone hoher Ordnung sind. Dies rührt daher, dass in solchen Fällen beide der Solitone Wellenformen aufweisen, welche sich als periodische Funktionen der Variablen z/z₀ ändern, welche die Bruchteile oder Vielfache einer Soliton-Periode anzeigt, welche einem einzelnen Ort innerhalb des Ringes entspricht. Entsprechend, da die vorliegende Erfindung in ihrem weitesten Gesichtspunkt Solitone unterschiedlicher Ordnung jeder Kombination von Ordnungen umfasst, umfasst sie vorzugsweise Solitone unterschiedlicher Ordnung, bei welchen eines der Solitone ein Soliton erster Ordnung oder ein Grund-Soliton ist.
Während die Erfindung mit Bezug auf die hier veröffentliche Struktur erklärt wurden, ist sie nicht auf die hier dargestellten Details begrenzt, und diese Anwendung soll irgendwelche Modifikationen und Änderungen abdecken, wie sie innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche fallen können:

Claims

Optische Faservorrichtung zur Verwendung mit optischen Impulsen, welche aufweist: a) eine optische Faser, welche ein erstes Ende enthält, welches eine relativ hohe Dispersion hat, und ein zweites Ende enthält, welches eine relativ niedrige Dispersion aufweist, b) einen optischer Koppler, welcher erste und zweite E/A-Anschlüsse und erste und zweite Ringanschlüsse hat, wobei die ersten und zweiten Ringanschlüsse mit den ersten und zweiten Enden der Faser verbunden sind, um die Faser zu einem Ring zu formen, welcher durch einen Satz von Ringparametern beschrieben wird, welche die Länge, die effektive Fläche und die Dispersionswerte an dem ersten und zweiten Ende der Faser, die den Ring aufweist, und die mathematische Form der monotonen Funktion aufweist, welche die Dispersion der Faser beschreibt, wobei der Koppler als Vorrichtung dient zum: i) Aufteilen eines Eingangsimpulses, welcher durch einen Satz von Pulsparametern beschrieben wird, welcher die Amplitude und die zeitliche Breite des Eingangspulses aufweist, welcher in einen der E/A-Anschlüsse eintritt, in zwei Teilpulse, welche in Gegenrichtung in dem Ring umlaufen und ii) Empfangen von Teilpulsen, welche zu dem Koppler zurückkehren, nachdem sie in dem Ring umgelaufen sind und Aufteilen der Energie der zurückkehrenden Teilpulse zwischen den ersten und zweiten E/A-Anschlüssen entsprechend ihrer relativen Phasen. c) dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser eine Dispersion hat, welche als eine monotone Funktion der Entfernung von dem ersten Ende der Faser abnimmt; d) wobei der Ring differentiell die gegeneinander laufenden Pulse so beeinflusst, dass die Ringparameter die Energie der empfangenen Pulse dazu bringen, dass sie zwischen den E/A-Anschlüssen entsprechend der Pulsparameter aufgeteilt werden.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der optische Koppler ein Koppelverhältnis von ungefähr 50 : 50 liefert.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Dispersion der Faser ungefähr exponentiell vom ersten Ende bis zum zweiten Ende abnimmt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 3, in welcher sich die Dispersion D der Faser mit der Entfernung Z vom ersten Ende der Faser ungefähr entsprechend der Gleichung ändert:
wobei D_MAX die Dispersion der Faser am ersten Ende ist, R das exponentielle Änderungsverhältnis der Dispersion der Faser ist und K eine Konstante ist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Dispersion der Faser in einer Vielzahl von Schritten von dem ersten bis zum zweiten Ende abnimmt, wobei jeder Schritt ein Fasersegment beinhaltet, welches eine vorher festgelegte, jeweilige Länge und eine ungefähr konstante jeweilige Dispersion hat.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Dispersion der Faser ungefähr kontinuierlich vom ersten bis zum zweiten Ende abnimmt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Faser einen Kernteil, welcher einen ersten Brechungsindex hat, und einen Durchmesser und ein Ummantelungsteil hat, welches einen zweiten Brechungswinkel hat, und einen Außendurchmesser hat, welcher ungefähr konstant ist, wobei der Durchmesser des Kernteils monoton vom ersten Ende bis zum zweiten Ende abnimmt.
0ptische Faservorrichtung nach Anspruch 7, in welcher die Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Brechungsindex aus dem Unterschied zwischen den Konzentrationen der Dotiermittel in dem Kernteil und dem Mantelteil herrühren, und wobei sich der Pegel bzw. Grad an Dotiermittel von wenigstens einem der Teile monoton vom ersten bis zum zweiten Ende ändert.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Dispersionen am ersten und zweiten Ende der Faser derartige Werte haben, so dass Eingangspulse, welche gebräuchliche Kombinationen von Spitzenleistung und zeitlicher Breite haben, in diesem Ring als Solitone umlaufen.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 5, in welcher die Dispersion am ersten und zweiten Ende der Faser derartige Werte hat, so dass Eingangspulse, welche gebräuchliche Kombinationen von Spitzenleistung und zeitlicher Breite aufweisen in dem Ring als Solitone umlaufen.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 10, in welcher die Länge der Segmente klein im Verhältnis zu den lokalen Perioden der Solitone sind.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 10, in welcher die Anzahl der Segmente groß in Bezug auf die lokalen Perioden der Solitone sind.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Faser eine Dispersion in dem anormalen Dispersionssystem hat.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens die Dispersionswerte am ersten und zweiten Ende der Faser, die den Ring aufweist, und die mathematische Form der monotonen Funktion, welche die Dispersion der Faser beschreibt, so gewählt werden, so dass ein Ring geliefert wird, in welchem ein Puls, welcher eine zeitliche Breite größer als eine vorher ausgewählte Breite hat, beim Eintreten in den Ring eine Phase hat, welche im wesentlichen die gleiche Pulsphase nach dem Lauf durch den Ring ist, und ein Puls, welcher eine zeitliche Breite kleiner als die vorher ausgewählte Breite hat, eine Phase beim Eintreten in den Ring hat, welche unterschiedlich von der Pulsphase nach dem Lauf durch den Ring ist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 14, in welcher die Breiten der Pulse, welche zeitliche Breiten größer als die vorher festgelegten zeitlichen Breiten haben, groß im Vergleich zur Länge des Ringes sind.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 14, in welcher die Eingangspulse, welche zeitliche Breiten kleiner als die vorher festgelegte zeitliche Breite haben, eine Reaktionslänge haben, welche verhältnismäßig kurz im Vergleich zur Länge des Ringes ist, und in welcher Eingangspulse, welche zeitliche Breiten größer als die vorher festgelegte zeitliche Breite haben, eine Reaktionslänge haben, welche verhältnismäßig lang im Verhältnis zur Länge des Ringes ist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 14, in welcher der Koppler einen Eingangspuls, welcher eine zeitliche Breite kleiner als die vorher festgelegte zeitliche Breite hat, in ein Einzelsoliton mit niedrigerer Ordnung und ein Einzelsoliton mit höherer Ordnung aufteilt, wobei das Einzelsoliton mit höherer Ordnung, eine Amplitude aufweist, welche das Einzelsoliton der niedrigeren Ordnung während eines wesentlichen Teils an Zeit, bei welcher die Solitone in den Ring umlaufen, übersteigt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 17, in welcher der Koppler einen Eingangspuls, welcher eine zeitliche Breite größer als die vorher festgelegte zeitliche Breite hat, in Solitone mit der gleichen Ordnung aufteilt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 17, in welcher die Dispersion der Faser ungefähr kontinuierlich von dem ersten bis zum zweiten Ende abnimmt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 17, in welcher die Dispersion der Faser sich in einer Vielzahl von Schritten ändert, wobei jeder Schritt ein Fasersegment aufweist, welches eine vorher festgelegte jeweilige Länge und eine ungefähr konstante jeweilige Dispersion aufweist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 20, in welcher die Längen der Segmente klein im Verhältnis zu den lokalen Perioden der Solitone sind.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 20, in welcher die Eingangspulse, welche zeitliche Breiten größer als die vorher festgelegte zeitliche Breite haben, im wesentlichen auf die durchschnittlichen Dispersionswerte der Stufen reagieren, und die Eingangspulse, welche zeitliche Breiten kleiner als die vorher festgelegte zeitliche Breite haben, auf die individuellen Dispersionswerte der Stufen reagieren.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 20, in welcher die Dispersionswerte der Schritte exponentiell vom ersten bis zum zweiten Ende abnehmen.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 14, in welcher die Faser eine Dispersion im anomalen Dispersionssystem aufweist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Teilpulse, welche eine zeitliche Breite kleiner als die vorher ausgewählte Breite haben, Solitone der gleichen oder unterschiedlicher Ordnung sind.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 25, in welcher die Solitone ein Soliton niedrigerer Ordnung und ein Soliton höherer Ordnung beinhalten und wobei das Soliton höherer Ordnung eine Amplitude aufweist, welche die des Solitons niedrigerer Ordnung während einem wesentlichen Teil an Zeit, während der die Solitone in dem Ring umlaufen, übersteigt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 25, in welcher die Dispersionswerte der Schritte exponentiell von dem ersten Ende bis zu dem zweiten Ende abnehmen.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ringparameter ferner die Dämpfung und die effektive Fläche der Faser und die Beziehung zwischen den Parametern, welche die Dämpfung, die effektive Fläche, die Dispersion der Faserenden beinhalten, und die Abhängigkeit der Dispersion von der Entfernung vom ersten Faserende beinhalten, derart, dass, Pulse, welche eine Amplitude unterhalb einer vorausgewählten Amplitude haben, in zwei Teilpulse aufgeteilt werden, welche nicht Solitone sind und welche eine Phase haben, welche im wesentlichen die gleiche vor und nach dem Umlauf durch den Ring bleibt und Pulse, welche eine Amplitude oberhalb der vorausgewählten Amplitude haben, in Teilpulse aufgeteilt werden, welche Solitone von verschiedener oder der gleichen Ordnung sind und welche eine Phase haben, welche sich beim Umlauf durch den Ring ändert.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 28, in welcher die Solitone unterschiedlicher Ordnung ein Einzelsoliton niedrigerer Ordnung beinhalten und ein Einzelsoliton höherer Ordnung, wobei das Einzelsolitone niedrigerer Ordnung zum Koppler mit einer zeitlichen Breite zurückkehrt, welche ungefähr gleich der ist, mit welcher es in den Kreis eintrat, wobei das Einzelsoliton höherer Ordnung zum Koppler mit einer Breite zurückkehrt, welche ungefähr gleich der des Einzelsolitons mit niedrigerer Ordnung ist und wobei das Soliton niedrigerer und höherer Ordnung zum Koppler in einer im allgemeinen nicht in Phase Beziehung zurückkehrt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 29, wobei eines der Solitone eine Spitzenleistung hat, welche die des anderen der Solitone innerhalb eines wesentlichen Teils an Zeit, währenddem die Solitone innerhalb des Ringes umlaufen, übersteigt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 29, wobei das Soliton niedrigerer Ordnung ein Soliton nahezu erster Ordnung ist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Dispersion der Faser ungefähr kontinuierlich vom ersten Ende bis zum zweiten Ende abnimmt.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Dispersion der Faser in einer Vielzahl von diskreten Schritten vom ersten Ende bis zum zweiten Ende abnimmt, wobei jeder Schritt ein Fasersegment aufweist, welches eine vorher festgelegte jeweilige Länge und eine ungefähr konstante jeweilige Dispersion aufweist.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Längen der Segmente klein im Verhältnis zu den lokalen Perioden der Solitone sind.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Dispersion der Faser in ps/nn-km einen positiven Wert in allen Teilen des Ringes hat.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Pulsparameter ferner die Ausbreitungsrichtung der entgegengesetzt umlaufenden Pulse einschliessen.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Solitone unterschiedlicher Ordnung ein Einzelsoliton niedrigerer Ordnung und ein Einzelsoliton höherer Ordnung beinhalten, wobei die Ringparameter derart sind, dass das Einzelsoliton niedrigerer Ordnung zu dem Koppler mit einer zeitlichen Breite zurückkehrt, welche ungefähr gleich derjenigen ist, mi welcher es in den Ring eintritt, wobei das Soliton höherer Ordnung zu dem Koppler mit einer zeitlichen Breite zurückkehrt, welche ungefähr gleich dem Soliton niedrigerer Ordnung ist und wobei die Solitone niedrigerer und höherer Ordnung zu dem Koppler im allgemeinen in einer nicht in Phase Beziehung zurückkehren.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 37, wobei eines der Solitone eine Amplitude hat, welche die des anderen der Solitone um ausreichend seiner Ausbreitungszeit bzw. Laufzeit übersteigt, um allgemein diese nicht in Phase Beziehung hervorzurufen.
Optische Faservorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Soliton niedrigerer Ordnung nahezu ein Soliton erster Ordnung ist.