DE60029891T2

DE60029891T2 - Verwendung von Mode-gekoppelten optischen Faser in Übertragunssystemen

Info

Publication number: DE60029891T2
Application number: DE60029891T
Authority: DE
Inventors: Whitney R. White
Original assignee: Chromis Fiberoptics LLC
Current assignee: Chromis Fiberoptics LLC
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: US6476951B1; EP1087548B1; EP1087548A3; JP2001119353A; AU5655300A; DE60029891D1; EP1087548A2; CA2317381A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Faseroptik-Kommunikationssysteme, wie beispielsweise Telekommunikationssysteme und Datenkommunikationssysteme.
Beschreibung der verwandten Technik
Wenn die Nachfrage nach Kommunikationssystemen mit hoher Rate in dem heutigen Markt weiter steigt, versuchen Entwickler kommerzieller Kommunikationssysteme weiter, Kosteneinsparungen und technologische Verbesserungen bei Komponenten, Leistungsfähigkeitseffizienzen und Übertragungsraten zu finden. Um diese Systemziele anzusprechen, haben Kommunikationssystementwickler Entwürfe und Lösungen implementiert, die eine Optikfaser als ein Übertragungsmedium verwenden, das eine hohe Bandbreite und einen geringen Übertragungsverlust aufweist. Herkömmliche Faseroptik-Kommunikationssysteme zeigen hervorragende Datenraten und zeigen eine schnelle Wiedergewinnung von Investitionskosten. Wie derselbe hierin verwendet ist, hat der Ausdruck „optische Faser" („Optikfaser") die gewöhnliche Bedeutung desselben einer Faser (einer dünnen Stangenform), die eine oder mehrere Kernregionen, innerhalb derer sich Licht bewegt, und bei bestimmten Fertigungen eine Umhüllungsschicht außerhalb der äußersten Kernregion enthält.
Seit Jahrzehnten ist eine optische Faser das bevorzugte Übertragungsmedium bei Kommunikationsnetzwerken hoher Kapazität und Langstreckenkommunikationssystemen. In jüngerer Zeit wurde begonnen, eine optische Faser bei Kurzstreckenkommunikationsanwendungen zu verwenden, wie beispielsweise lokalen Netzen, integrierten Anwendungen und Intrasystemanwendungen. Im Allgemeinen weisen Langstreckenanwendungen Kommunikationsverbinden auf, die größer als 1 km sind, während typische Kurzstreckenanwendungen Kommunikationsverbinden aufweisen, die kürzer als 1 km und häufig nur zig Meter kurz sind.
Typischerweise setzen optische Implementierungen von Kurzstreckenkommunikationssystemen eine optische Glasfaser ein, die allgemein die erwünschten physischen und Leistungsfähigkeitscharakteristika erfüllt, die vorhergehend erörtert sind. Insbesondere zeigt eine existierende optische Glasfaser geringe Übertragungsverluste, allgemein weniger als 1 dB/km. Wie derselbe hierin verwendet ist, bezieht sich der Ausdruck „optische Glasfaser" auf irgendeine geeignete silikabasierte Faser mit oder ohne optischen Dotierungsfremdstoffen.
Eine technisch überlegene Lösung zum Herstellen von Kurzstreckenverbindungen basiert beispielsweise bekanntlich auf einer optischen Monomodeglasfaser. Dieser Fasertyp bietet eine außergewöhnlich hohe Bandbreite, da derselbe lediglich einen sich ausbreitenden, elektromagnetischen Mode unterstützt. Typischerweise ist der optische Kern einer Monomodefaser lediglich mehrere Mikrometer im Durchmesser. Folglich erfordert ein Verbinden des optischen Kerns der Fasern optische und mechanische Präzisionskopplungen, die die Material- und Arbeitskosten der Verbindungen erheblich erhöhen.
Versuche, die hohen Kosten zu reduzieren, die Monomodeglasoptikfasersystemen zugeordnet sind, umfassen den Ansatz eines Implementierens von Verbindungen basierend auf einer Mehrmodeglasoptikfaser. Eine Mehrmodeglasoptikfaser besitzt einen größeren Kerndurchmesser als eine Monomodefaser, allgemein in dem Bereich von näherungsweise 50 bis 62,5 Mikrometern. Somit sind die mechanischen und optischen Kopplungen, die für Mehrmodefaserverbindungen erforderlich sind, allgemein weniger präzise und deshalb weniger teuer herzustellen und zu installieren als diese, die für Monomodefasern verwendet werden. Die resultierende Bandbreite einer Mehrmodefaser wird jedoch durch eine Dispersion der verschiedenen elektromagnetischen Moden verschlechtert, die sich in der Faser ausbreiten. Während Faserhersteller versuchen, Mehrmodefasern mit einem Indexprofil zu fertigen, das diese Intermodendispersion minimiert, resultieren Herstellungsbeschränkungen häufig in nicht idealen Indexprofilen und einer zugeordneten Bandbreitenverschlechterung.
Um die Kosten optischer Verbindungen weiter zu reduzieren, umfasst der Stand der Technik ferner die Verwendung einer Mehrmodekunststoffoptikfaser. Da Kunststoff weniger brüchig als Glas ist, können Kunststofffasern erheblich größere Kerne als eine Mehrmodeglasfaser aufweisen, wodurch eine weitere Lockerung bei den mechanischen und optischen Toleranzen von Kopplungen an Faserendpunkten ermöglicht wird. Diese gelockerten Toleranzen senken die Kosten der optischen Sende/Empfangsgeräte und Kopplungen in den Verbindungen weiter. Da ferner Verfahren existieren, um Kunststofffaserendflächen mit sehr wenig Können und Aufwand abzuschließen, sind die Kosten, die erforderlich sind, um Kunststofffaserverbindungen zu installieren, eventuell ebenfalls niedriger als vergleichbare Verbindungen, die Glasfasern verwenden. Obwohl Mehrmodekunststofffasern eine Einfachheit und niedrigere Kosten bieten, existieren ernste Beschränkungen bei den Technologien zum Fertigen dieser Fasern. Folglich sind Kunststofffasern gewöhnlich entweder mit einem Stufenbrechungsindexprofil oder einem Gradientenbrechungsindexprofil hergestellt, das sich erheblich von diesem unterscheidet, das für eine maximale Bandbreite erforderlich ist.
Eine Weise, um die Bandbreitenbeschränkungen von Glas- und Kunststoffmehrmodefasern zu überwinden, besteht darin, Uneinheitlichkeiten während einer Herstellung einzubringen, derart, dass eine Leistung zwischen einem oder mehreren Paaren der elektromagnetischen Moden der Faser diffundiert. Das Vorhandensein derartiger Uneinheitlichkeiten wird hierin als eine „Modenkopplung" bezeichnet. Mathematisch kann die Diffusion einer Leistung zwischen einem Paar von Moden (mit i und j etikettiert) mit der Differentialgleichung dP_j(x)/dx = C_ijP_i(x) beschrieben werden, wobei x die räumliche Koordinate parallel zu der Faserachse ist, P_j(x) die Menge an Leistung bei dem j-ten Mode bei einem Punkt x ist, P_i(x) die Menge an Leistung bei dem i-ten Mode bei einem Punkt x ist und C_ij die Kopplungskonstante zwischen den Moden i und j ist. Eine Faser einer Länge L wird hierin als „modengekoppelt" betrachtet, falls irgendwelche der Kopplungskonstanten C_ij ausreichend groß sind, um eine erhebliche Veränderung bei einer Modenleistungsverteilung zu erzeugen, wenn ein Optiksignal die Länge der Faser überquert. Eine Faser, die diese Bedingung nicht einhält, wird hierin als eine „Standard"-Mehrmodefaser bezeichnet. Da die Kopplungskonstanten, die oben erörtert sind, in der Praxis häufig unbekannt sind, wird unten eine einfachere, aber weniger präzise Definition einer Modenkopplungsstärke eingebracht. Es ist zu beachten, dass eine modengekoppelte Faser mit einem gegebenen Satz von Kopplungskonstanten nicht mehr modengekoppelt ist, falls dieselbe auf eine ausreichend kurze Länge geschnitten ist. Umgekehrt wird eine Faser, die bei einer Länge als eine Standardmehrmodefaser wirksam ist, bei einer ausreichend langen Länge modengekoppelt.
Bei modengekoppelten Fasern tasten Photonen, die in die Faser injiziert werden, viele der verschiedenen elektromagnetischen Moden ab, während dieselben durch die Faser laufen. Folglich kommen dieselben an dem Ausgangsende der Faser mit einer engeren Verteilung von Ankunftszeiten an als bei dem Nichtvorhandensein einer derartigen Modenkopplung. Das Nettoergebnis dieser Modenkopplung besteht darin, die wirksame Intermodendispersion der Mehrmodefaser zu reduzieren, wodurch eine Faserbandbreite erhöht wird. Dieses Phänomen wurde sowohl bei Glas- als auch bei Kunststoffmehrmodeoptikfasern gut dokumentiert und kann zweckmäßig verwendet werden, um die Stärke der Modenkopplung zu parametrisieren. Falls hierin eine Mehrmodefaser ein Indexprofil aufweist, derart, dass die Einfarbenbandbreite derselben bei dem Nichtvorhandensein einer Modenkopplung B_o wäre, und falls eine Modenkopplung wirkt, um die beobachtete Einfarbenbandbreite auf einen Wert B_c zu erhöhen, dann kann gesagt werden, dass die Modenkopplung eine Stärke F = B_c/B_o aufweist. Während eine Modenkopplung die Bandbreite von Mehrmodefasern verbessert, erhöht dieselbe auch die Dämpfung derselben verglichen mit vergleichbaren Standardmehrmodefasern. Viele Typen von Modenkopplungsuneinheitlichkeiten resultieren in einem zusätzlichen Verlust, der sich mit einer Modenkopplungsstärke quadratisch erhöht. Mathematisch ausgedrückt beträgt der übermäßige Verlust a_c auf Grund einer Modenkopplung a_c= F²·0,5 dB/km.
Eine Studie und Analyse einer Modenkopplung innerhalb einer Gradientenindexkunststoffoptikfaser wird berichtet in „Origin of high bandwidth performance of graded-index plastic optical fibers" von R. F. Shi, et al., Applied Physics Letter, American Institute of Physics, Band 71 (25), 22. Dezember 1997, Seiten 3625–3627. Die Studie bestimmt, dass bei der Verwendung einer starken Modenkopplung eine Pulsverbreiterung auf Grund einer Modendispersion wesentlich verringert werden kann, mit einer daraus folgenden Erhöhung einer Bandbreitenleistungsfähigkeit. Die Studie zeigt ferner, dass der Gradientenindex lediglich über einem kurzen Abschnitt des Profils desselben parabolisch ist. Es gab zahlreiche andere Studien und resultierende Erfindungen, die sich mit dem Problem einer Modendispersion beschäftigen.
In der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 98/52303 von Cunningham et al., 19. November 1998 (19.11.98) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Moden, die in einer Mehrmodefaser angeregt werden, durch ein Einbringen einer Strahlung in die Faser mittels einer Monomodefaser offenbart, wodurch eine Bandbreitenleistungsfähigkeit durch ein Verwenden ausgewählter Moden der Mehrmodefaser verbessert wird.
In einem Artikel mit dem Titel „Intermodal Dispersions and Mode Coupling in Perfluorinated Graded-Index Plastic Optical Fiber" von W. R. White, et al., IEEE Photonics Technology Letters, New York, USA, Bd. 11, Nr. 8, auf Seiten 997 bis 999, August 1999, (SX860976) sind die Experimentenergebnisse und die Folgerungen aus denselben von Messungen einer Differenzmodenverzögerung bei den Fasern offenbart (in dem Titel des Artikels identifiziert). Eine Folgerung ist, dass bei relativ kurzen Längen der Faser eine Modenkopplung in einer verbesserten Bandbreitenleistungsfähigkeit resultiert.
Während ein erheblicher Teil des Stands der Technik Verfahren zum Erzeugen einer Modenkopplung in Optikfasern lehrt, hat diese Kenntnis auf Grund des erhöhten Verlusts, der eine Modenkopplung begleitet, wenig praktische Anwendung gefunden. Historisch gesehen wurden Optikfasern für eine Verwendung bei Langstreckenverbindungen entwickelt, bei denen die betroffenen großen Längenskalen eine minimale Faserdämpfung zwingend machten. Da selbst eine mäßige Bandbreitenverbesserung, beispielsweise F = 2, einen übermäßigen Verlust von 2 dB/km verlangte, wurden derartige Fasern nicht eingesetzt. In späteren Jahren, als man begann, Mehrmodeoptikfasern für Kurzstreckenverbindungen zu verwenden, wurden Systeme mit einer Annahme entworfen, dass das Fasermedium die sehr niedrigen Verluste zeigen würde, die für eine Langstreckenübertragung erreicht wurden. Somit ermöglichen existierende Verbindungsentwürfe ein sehr geringes Budget für eine Dämpfung in der Optikfaser. Selbst angesichts dieser geringen Dämpfungsbudgets ist die maximale Länge von Optikfasern, die Standardmehrmodefasern verwenden, gewöhnlich durch eine Faserdispersion begrenzt, nicht nur eine Dämpfung. Weil existierende Kurzstreckensysteme sehr niedrige Budgets für eine Faserdämpfung ermöglichen, haben Entwickler ein Kurzstreckenübertragungssystem, das eine sehr stark modengekoppelte Faser verwendet, nicht betrachtet. Folglich bleiben optische Kurzstreckenmehrmodeübertragungssysteme weiterhin beinahe zur Gänze durch eine Intermodendispersion beschränkt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf Kurzstreckenfaseroptikkommunikationssysteme gerichtet, wobei die Systeme entworfen sind, um Fasern mit einer stärkeren Modenkopplung durch ein Erkennen und Kompensieren der allgemein unterschiedlichen und eindeutigen Charakteristika derartiger Fasern verglichen mit diesen einer Standardmehrmodeoptikfaser zu verwenden. Folglich sind diese Kommunikationssysteme konfiguriert, um die Mängel von modengekoppelten Optikfasern zu kompensieren, während die hohe Bandbreite derselben bewahrt wird. Noch vorteilhafter reduzieren derartige Systeme ferner die Komplexitäten (und zugeordneten Kosten), die bei den optischen und mechanischen Kopplungen zwischen aktiven Geräten und Optikfasern betroffen sind.
Primär sieht die vorliegende Erfindung Kommunikationssysteme vor, die Optikfasern mit einer viel stärkeren Modenkopplung und einer höheren optischen Einkopplungsleistung verglichen mit existierenden Systemen verwenden, die Glasoptikfasern verwenden. Die vorliegende Erfindung versieht diese Systeme ferner mit einem Empfänger, der verglichen mit existierenden Kurzstreckenoptikfasersystemen einen größeren Dynamikbereich aufweist. Die vorliegende Erfindung sieht ferner eine Implementierung dieser Systeme basierend auf modengekoppelten Fasern vor, die aus entweder Kunststoff oder Glas gebildet sind. Die vorliegende Erfindung sieht ferner vor, dass diese Fasern Kerndurchmesser in dem Bereich von existierenden Standardmehrmodeoptikfasern (näherungsweise 50–62,5 Mikrometer) aufweisen können oder vorteilhafter erheblich größere Kerndurchmesser aufweisen können.
Die vorliegende Erfindung sieht Kommunikationssysteme vor, die modengekoppelte Optikfasern mit vergleichbarem oder geringerem Aufwand als Systeme benutzen, die eine Standardmehrmodeoptikfaser verwenden. Die vorliegende Erfindung sieht Kommunikationssysteme vor, die modengekoppelte Optikfasern verwenden, die Datenkommunikationen mit sowohl hohen als auch niedrigen Raten liefern. Allgemein ist das Fasermedium, das bei dem System eingesetzt wird, gewählt, um einen hohen Grad einer Modenkopplung aufzuweisen, und die Leistung, die von einem optischen Sender in die Faser gekoppelt wird, ist entworfen, um höher als ein analoges System zu sein, das aus einer Standardglasoptikfaser gebildet ist. Die erhöhte Einkopplungsleistung ist proportional zu der Verlustbudgetzuteilung und überwindet die höheren Dämpfungscharakteristika der modengekoppelten Optikfaser. Zusätzlich ist der Dynamikbereich des Vorverstärkerabschnitts eines optischen Empfängers gewählt, um einen Bereich aufzuweisen, der proportional zu der Einkopplungsleistung ist, derart, dass eine Sättigung des Vorverstärkers nicht auftritt. Vorteilhafter wird auch die räumliche Abhängigkeit der Dispersionscharakteristika einer modengekoppelten Faser ausgenutzt, um vereinfachte optische und mechanische Kopplungen verglichen mit Glasfasersystemen zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung einer modengekoppelten Optikfaser entweder vom Gradientenindex- oder Stufenindextyp implementiert sein, wobei die Fasern aus einem Glas-, perfluourierten oder im Wesentlichen Kunststoff- oder protonierten Kunststoffmaterial hergestellt sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die vorliegende Erfindung in einem Faseroptikkommunikationssystem, das eine optische Verbindung aufweist, die (a) einen Sender; und (b) einen Empfänger aufweist, der gekoppelt ist, um optische Signale zu empfangen, die durch den Sender über eine modengekoppelte Optikfaser gesendet werden, die eine Modenkopp lungsstärke F von etwa 2 oder mehr aufweist. Der Sender ist konfiguriert, um die optischen Signale auf einem Einkopplungsleistungspegel zu senden, der ein Faserdämpfungsbudget von etwa 5 dB oder mehr berücksichtigt; und der Empfänger weist einen Dynamikbereich auf, der basierend auf dem Faserdämpfungsbudget ausgewählt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und den zugehörigen Zeichnungen ersichtlicher, bei denen 1 eine schematische Darstellung einer Optikverbindung für ein Faseroptikkommunikationssystem, das eine modengekoppelte Optikfaser verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung sieht einen Kommunikationssystementwurf für eine Kurzstreckenübertragung vor, die eine Verwendung einer stärker modengekoppelten Optikfaser durch ein Kompensieren der relativ hohen Dämpfung ermöglicht, die derartige Fasern zeigen. Im Vergleich mit existierenden Entwürfen für Kurzstreckenmehrmodefasersysteme ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung von weniger dispergierenden Mehrmodefasermedien durch ein starkes Erhöhen der Menge einer Faserdämpfung, die toleriert werden kann, durch ein Erhöhen der Menge an Leistung, die von dem Sender in die modengekoppelte Faser injiziert wird, und durch ein Erhöhen der Dynamikbereichanforderungen des Empfängers, um eine Sättigung des internen Vorverstärkers desselben zu verhindern. Diese Entwurfsphilosophie unterscheidet sich von dieser existierender Kurzstreckensysteme, die eine Mehrmodefaser einsetzen, da dieselbe ein stark modengekoppeltes Fasermedium umfasst. Als eine Folge eines Verwendens dieses alternativen Mediums erkennt die vorlie gende Erfindung einen Entwurfskompromiss, bei dem man eventuell ein Erfordernis eines größeren Gesamtleistungsbudgets im Austausch für eine Verbesserung von Faserdispersionscharakteristika annimmt. Im Gegensatz dazu sind existierende Kurzstreckenmehrmodefasersysteme um eine Standardmehrmodefaser herum entworfen, die ein dispersionsbegrenztes Medium mit geringem Verlust ist. Bei derartigen Systemen besteht kein Anreiz für ein höheres Leistungsbudget, da eine zusätzliche Leistung keinen Leistungsfähigkeitsvorteil ermöglichen würde. Mit den hierin vorgelegten Modifikationen ergibt die vorliegende Erfindung ein Übertragungssystem, das auf einer Mehrmodefaser basiert, die stark modengekoppelt ist (F ≥ 2, wie oben definiert), mit einem Faserdämpfungsbudget von zumindest 5 dB und gewöhnlich sogar 15–25 dB bei allen Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 12,5 Gb/s.
Ein Einbringen von Uneinheitlichkeiten in eine Mehrmodefaser, um eine „modengekoppelte" Faser zu erzeugen, bewirkt, dass eine Leistung, die an die Faser angelegt ist, zwischen den verschiedenen Moden der Faser diffundiert, einschließlich einiger Moden, die nicht durch die Faser geführt sind. Bei dem Vorhandensein einer Modenkopplung tasten Photonen, die in die Faser injiziert werden, jeweils viele der elektromagnetischen Moden ab, die in der Faser vorhanden sind, während dieselben die Faser überqueren. Deshalb nehmen Energiepakete der injizierten Leistung unterschiedliche Moden zu unterschiedlichen Zeiten bezüglich der Ausbreitung derselben entlang der Faser ein. Bei einer Modenkopplung bewegen sich die Energiepakete bei jedem Mode wirksam mit einer durchschnittlichen Gruppengeschwindigkeit. Auf Grund der Abtastung der vielen Moden in der modengekoppelten Faser kommen daher die Photonen an dem Ausgangsende der Faser mit einer engeren Verteilung von Ankunftszeiten verglichen mit Photonen in einer vergleichbaren Standardmehrmodeglasfaser an. Das Nettoergebnis besteht darin, dass diese Modenkopplung die wirksame Intermodendispersion reduziert, die die Mehrmodefaser zeigt, wodurch sich eine erhöhte Bandbreite ergibt. Während diese Wirkung dazu dient, eine Bandbreite zu erhöhen, erhöht dieselbe ferner eine Dämpfung.
Obwohl die Bandbreite einer Mehrmodefaser bei einer Modenkopplung verbessert wird, begrenzen die größeren Dämpfungscharakteristika verglichen mit einer ähnlichen Faser ohne Modenkopplungsuneinheitlichkeiten stark die Anwendbarkeit einer modengekoppelten Faser bei existierenden Sende/Empfangsgeräteentwürfen. Da im Handel erhältliche Gradientenindexfasern beinahe immer eine vernachlässigbare Modenkopplung über praktisch interessierenden Längen zeigen, wurde den Möglichkeiten von Systementwürfen, die modengekoppelte Fasern einsetzen, wenig Beachtung geschenkt. Da insbesondere gegenwärtige kommerzielle Sende/Empfangsgeräteentwürfe auf den viel niedrigeren Dämpfungscharakteristika von Standardglasoptikfasern basieren, sind dieselben inkompatibel zu vielen Typen einer modengekoppelten Faser. Die vorliegende Erfindung hingegen sieht Sende/Empfangsgeräteentwürfe vor, die eine Nutzung modengekoppelter Fasern bei Kommunikationsdatensystemen über einem stark erhöhten Bereich von Verbindungslängen ermöglichen. Kunststoffoptikfasern zeigen eine erhebliche Modenkopplung an kommerziell wichtigen Längenskalen (~10 Meter).
Bei einem System, das einen idealen Empfänger mit einem unendlichen Dynamikbereich verwendet, wäre das Gesamtleistungsbudget des Systems P(ideal) durch die Differenz zwischen der Einkopplungsleistung und der Empfindlichkeit des Empfängers gegeben. Da jedoch reale Empfänger einen endlichen Dynamikbereich R(d) aufweisen und da es unbedingt erforderlich ist, das System in einer Weise zu betreiben, die eine Sättigung des Empfängervorverstärkers vermeidet, ist die minimal zulässige Leistung eventuell größer als diese, die durch die Empfängerempfindlichkeit festgelegt ist. Bei einem realen System ist somit das Gesamtleistungsbudget durch das geringere von P(ideal) und R(d) gegeben. Für Werte von R(d) kleiner als P(ideal) erhöht somit ein Erhöhen des Dynamikbereichs des Empfängers das Gesamtleistungsbudget und daher das Faserdämpfungsbudget.
Bei Kommunikationssystemen, die eine Faser mit einer Modenkopplungsstärke größer oder gleich etwa F = 2 und einer höheren Einkopplungsleistung einsetzen, kann typischerweise bei Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu näherungsweise 12,5 Gb/s ein Faserdämpfungsbudget von zumindest 5 dB erreicht werden. Vorzugsweise liegt das Faserdämpfungsbudget für diese Systeme in dem Bereich von näherungsweise 15–25 dB. Schnellere Empfänger neigen dazu, weniger empfindlich zu sein, so dass Faserdämpfungsbudgets dazu neigen, sich mit einer Übertragungsgeschwindigkeit zu verringern. Der Zweck des erhöhten Dämpfungsbudgets besteht darin, entweder eine stärker modengekoppelte Faser oder längere Verbindungslängen zu ermöglichen.
Wie es in 1 gezeigt ist, weist eine optische Verbindung 20 eines Faseroptikkommunikationssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine modengekoppelte Optikfaser 24 auf, die an einem Ende mit einer Verbindung 25 an der Ausgangsseite eines Senders 21 und an dem anderen Ende mit einer Verbindung 26 an der Eingangsseite eines Empfängers 22 verbunden ist. Insbesondere weist die Eingangsseite des Empfängers 22 einen Photodetektor 27 und einen Vorverstärker 23 auf. Der Sender 21 und der Empfänger 22 sind vorzugsweise beide in monolithischen Sende/Empfangsgeräten enthalten, die jeweils sowohl zum Empfangen von optischen Signalen von einer vorgelagerten Quelle und Senden von optischen Signalen zu einem nachgelagerten Bestimmungsort in der Lage sind.
Eine Einkopplungsleistung wird bei der Verbindung 25 von dem Sender 21 in die modengekoppelte Faser 24 gesendet. Verglichen mit einer Monomodefaser weist die modengekoppelte Optikfaser 24 einen viel größeren Kerndurchmesser in dem Bereich von näherungsweise 50–62,5 Mikrometern oder noch mehr auf. Somit kann die hohe injizierte Leistung, die für diesen Systementwurf erforderlich ist, mit optischen Quellen erreicht werden, die mit diesen vergleichbar sind, die bei bestehenden Monomodefaser-Sende/Empfangsgeräten verwendet werden. Die injizierten Photonen, die in die Faser eingekoppelt werden, durchlaufen die Verbindung 25 und überqueren den Faserkern 24. Innerhalb der Faser treffen die Photonen auf die Modenkopplungsuneinheitlichkeiten, wobei die verschiedenen elektromagnetischen Moden abgetastet werden, während dieselben durch die Faser laufen, was die Dispersion der Längsausbreitungsgeschwindigkeiten derselben reduziert. Folglich gibt es eine engere Verteilung von Ankunftszeiten von Photonen an dem Empfänger 22 (d.h. eine reduzierte Intermodendispersion), was in einer verbesserten Bandbreite resultiert. Bei einer Ankunft an der Empfängerseite durchlaufen die Photonen die Verbindung 26, die die Faser 24 und den aktiven Bereich des Photodetektors 27 verbindet. Der Photodetektor 27 empfängt die optische Leistung und wandelt dieselbe in einen elektrischen Strom mit einer Rate gemäß der Photoleitfähigkeit des Photodetektors und der Verstärkung des Vorverstärkers 23 um. Je höher die Einkopplungsleistung, desto größer der Dynamikbereich des Vorverstärkers 23 an dem Empfänger 22, um die Möglichkeit zu vermeiden, dass der Vorverstärker auf Grund der höheren übertragenen Leistung gesättigt wird.
Verbindungen für die vorliegende Erfindung, wie beispielsweise die Verbindung 25 und 26, ermöglichen, dass die Faser 24 mit aktiven Bereichen von Systemkomponenten, anderen Fasern und aktiven Geräten, wie beispielsweise dem Sender 21 oder dem Empfänger 22, verbunden wird. Vorzugsweise-wird ein einfaches Verbindungsverfahren, wie beispielsweise eine Muffenkopplung, das keine Zwischenlinsen erfordert, gegenüber diesen verwendet, die für Standardhochgeschwindigkeitsglasfasern verwendet werden. Modengekoppelte Fasern sind besonders zu diesem Typ eines einfachen Verbindungsschemas kompatibel, da die räumliche Abhängigkeit der Dispersionscharakteristika derselben typischerweise nahe der Mitte des Faserkerns relativ einheitlich ist. Im Gegen satz dazu zeigen Standardmehrmodefasern häufig große Dispersionsuneinheitlichkeiten nahe der Kernmitte, was eine sorgfältige Steuerung der Position des optischen Eingangs erforderlich macht, um eine maximale Bandbreite zu erreichen.
Im Allgemeinen weist bei der optischen Verbindung 20 die modengekoppelte Optikfaser einen Pegel einer Modenkopplung von etwa F = 2 oder mehr auf, der Sender ist konfiguriert, um die optischen Signale auf einem Einkopplungsleistungspegel zu senden, der ein Faserdämpfungsbudget von etwa 5 dB oder mehr berücksichtigt, und der Empfänger weist einen Dynamikbereich auf, der basierend auf dem Faserdämpfungsbudget ausgewählt ist. Bei bevorzugten Implementierungen beträgt der Dynamikbereich des Empfängers 20 dB oder mehr, der Sender ist konfiguriert, um optische Signale auf einem Einkopplungsleistungspegel zu senden, der ein Faserdämpfungsbudget von etwa 10 dB oder mehr berücksichtigt, und die Optikfaser ist eine modengekoppelte Gradientenindexoptikfaser aus perfluoriertem Kunststoff, die einen Kerndurchmesser von weniger als etwa 150 Mikrometern und Uneinheitlichkeiten aufweist, die gleichzeitig sowohl zu der Modenkopplung als auch dem hohen Dämpfungspegel der Optikfaser beitragen, um bei dem System eine Leistung gegen eine Bandbreite einzutauschen. Zusätzlich ist der Einkopplungsleistungspegel des Senders größer als S(λ) – G(λ) und kleiner als S(λ), wobei λ die Wellenlänge (in Nanometern) von Licht ist, das durch den Sender emittiert wird. Hier beträgt G(λ) für 550 nm < λ < 1200 nm näherungsweise 6 dBm und beträgt G(λ) für 1200 nm < λ < 1400 nm näherungsweise 10 dBm. Ferner ist S(λ) durch die folgenden Formeln gegeben:
S(λ) = –6,5 dBm 550 nm < λ < 700 nm
S(λ) = (–6,5 + 0,02 (λ – 700)) dBm 700 nm < λ < 1050 nm
S(λ) = 0,44 bBm 1050 nm < λ < 1150 nm
S(λ) = (0,44 + 0,16(λ – 1150)) dBm 1150 nm < λ < 1200 nm
S(λ) = 9,47 bBm 120 nm < λ < 1400 nm
Die Obergrenze ist im Einklang mit einem allgemein anerkannten Standard einer Augensicherheit (d.h. IEC 825-1). Als solches ist bei den bestimmten Wellenlängen, die häufig bei Kurzstreckenübertragungen verwendet werden (d.h. λ = 1300 nm), der Sender konfiguriert, um die optischen Signale auf einem Einkopplungsleistungspegel zu senden, der um bis zu 20 dB höher liegt als dieser, der durch typische Kommunikationsprotokolle (z.B. den Gigabit-Ethernet-Standard) für ein Kommunikationssystem erforderlich ist, das eine Standardoptikfaser von näherungsweise gleicher Länge aufweist.
Obwohl die modengekoppelte Optikfaser, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, vorzugsweise eine Kunststoffoptikfaser ist, können modengekoppelte Glasoptikfasern bei bestimmten Anwendungen alternativ verwendet werden. Ferner ist die Kunststoff- oder Glasoptikfaser vorzugsweise eine Gradientenindexfaser, aber kann auch eine modengekoppelte Stufenindexfaser sein.
Es ist ferner klar, dass an den Einzelheiten, Materialien und Anordnungen der Teile, die beschrieben und dargestellt wurden, um das Wesen dieser Erfindung zu erläutern, durch Fachleute auf dem Gebiet verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der in den folgenden Ansprüchen ausgedrückt ist.

Claims

Ein Faseroptik-Signalkommunikationssystem mit einer Optikverbindung (20), das folgende Merkmale aufweist: einen Signalsender (21); und einen Signalempfänger (22), der gekoppelt ist, um optische Signale zu empfangen, die durch den Sender (21) über eine modengekoppelte optische Mehrmodenfaser (24) gesendet werden, die eine Modenkopplungsstärke F gleich 2 oder größer aufweist, wobei F das Verhältnis der Einfarbenbandbreite einer gekoppelten Faser zu der Einfarbenbandbreite einer nicht modengekoppelten Faser ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (21) einen Einkopplungsleistungspegel einer ausreichenden Signalenergie aufweist, um Modenkopplungsverluste innerhalb eines Faserdämpfungsbudgets von 5 dB oder mehr zu überwinden; und der Empfänger (22) einen Dynamikbereich in einem Vorverstärkerabschnitt (23) desselben aufweist, der ausreichend ist, um eine Sättigung desselben aufgrund der höheren gesendeten Leistung zu verhindern, wobei- der Bereich auf dem Faserdämpfungsbudget basiert und 20 dB oder mehr beträgt; und wobei der Einkopplungsleistungspegel des Senders größer als S(λ) –G(λ) und kleiner als S(λ) ist; λ die Wellenlänge (in Nanometern) von Licht ist, das durch den Sender emittiert wird; G(λ) näherungsweise 6 dBm für 550 nm < λ < 1200 nm beträgt und G(λ) näherungsweise 10 dBm für 1200 nm < λ < 1400 nm beträgt; und S(λ) näherungsweise S(λ) = –6,5 dBm für 550 nm < λ < 700 nm; S(λ) = (–6,5 + 0,02 (λ– 700)) dBm für 700 nm < λ < 1050 nm; S(λ) = 0,44 dBm für 1050 nm < λ < 1150 nm; S(λ) = (0,44 + 0,16 (λ– 1150)) dBm für 1150 nm < λ < 1200 nm; und S(λ) = 9,47 dBm für 1200 nm < λ < 1400 nm beträgt.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem das Faserdämpfungsbudget in etwa 10 dB oder mehr beträgt.
Das System gemäß Anspruch 2, bei dem das Faserdämpfungsbudget etwa 15 dB oder mehr beträgt.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest der Sender oder der Empfänger ein monolithisches Sende-/Empfangsgerät ist.
Das System gemäß Anspruch 4, bei: (1) das Sende-/Empfangsgerät konfiguriert ist, um optische Signale bei einem Einkopplungsleistung-spegel zu senden, der das Faserdämpfungsbudget von etwa 5 dB oder mehr berücksichtigt; und (2) das Sende-/Empfangsgerät einen Empfängerdynamikbereich aufweist, der basierend auf dem Faserdämpfungsbudget ausgewählt ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser eine modengekoppelte Kunststoffoptikfaser ist.
Das System gemäß Anspruch 6, bei dem die Kunststoffoptikfaser einen perfluorierten oder im Wesentlichen fluorierten Kunststoff aufweist.
Das System gemäß Anspruch 6, bei dem die Kunststoffoptikfaser einen protonierten Kunststoff aufweist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser eine modengekoppelte Glasoptikfaser ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser eine Gradientenoptikfaser ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser eine Stufenindexoptikfaser ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser Uneinheitlichkeiten aufweist, die gleichzeitig zu sowohl einer Modenkopplung als auch dem Dämpfungspegel der Optikfaser beitragen, um bei dem Kommunikationssystem Leistung gegen Bandbreite einzutauschen.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser einen Kerndurchmesser von weniger als etwa 150 Mikrometern aufweist.
Das System gemäß Anspruch 13, bei dem die Optikfaser einen Kerndurchmesser von mehr als etwa 50 Mikrometern aufweist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser einen Kerndurchmesser von mehr als etwa 50 Mikrometern aufweist.
Das System gemäß Anspruch 15, bei dem die Optikfaser einen Kerndurchmesser von mehr als etwa 62,5 Mikrometern aufweist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die optische Verbindung dämpfungsbegrenzt ist.
Das System gemäß Anspruch 17, bei dem die optische Verbindung die modengekoppelte Optikfaser mit einer ausreichend hohen Einkopplungsleistung verwendet, um Leistung gegen eine größere Bandbreite einzutauschen.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem der Empfänger ferner einen integrierten Vorverstärker aufweist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser mit dem Sender unter Verwendung einer Muffenkopplung verbunden ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser mit dem Empfänger unter Verwendung einer Muffenkopplung verbunden ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Optikfaser zum Senden mit einer Datenrate von 12,5 Gb/s in der Lage ist.