-
Technisches
Gebiet der Erfindung
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Erhöhen
der Kapazität von
Lichtwellenübertragungssystemen
und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren
der Komplexität
und Kosten von Lichtwellensystemen auf Polymer-Optikfaser-Basis.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Kommunikationsverbindungen
zur Verbindung eines Computers mit anderen Computern, einer Peripheriegerätausrüstung, lokalen
Netzen, dem Internet usw. werden ständig weiterentwickelt. Diese Kommunikationsverbindungen
verwenden üblicherweise
ein Kupferkabel, eine optische Faser oder ein drahtloses Medium
als Übertragungsmedium.
Aufgrund von Bandbreiten-, Kosten- und Interferenzproblemen wurde
die optische Faser zu einem der bevorzugten gewählten Medien. Aufgrund der
geringeren Verbindungskosten und der Robustheit ist eine Mehrmoden-Glasfaser
heute stärker
erwünscht
als eine Einmoden-Glasfaser. Darstellend für derartige optische Mehrmoden-Kommunikationsverbindungen
ist das Lichtwellenübertragungssystem,
das in dem U.S.-Patent 5,416,862, ausgegeben an Haas u.a. am 16.
May 1995 mit dem Titel „LIGHTWAVE TRANSMISSION
SYSTEM USING SELECTED OPTICAL MODES" (Lichtwellenübertragungssystem unter Verwendung
ausgewählter
optischer Moden) beschrieben ist. In 1 gezeigt
ist ein darstellendes optisches Mehrmoden-Fasersystem, das demjenigen ähnelt, das
in dem Patent offenbart ist. Um die Kapazität des optischen Mehrmoden-Fasersystems zu
erhöhen,
ist eine Einmodenfaser 104 durch ein Kopplungselement 105 mit
der Mehrmodenfaser 107 verbunden. Das Kopplungselement 105 wird
verwendet, um selektiv nur Moden höherer Ordnung über die Mehrmodenfaser 107 weiterzuleiten.
-
Andere
Anordnungen spleißen
die Einmodenfaser 104 mit der Mehrmodenfaser 107,
um das Einkoppeln nur der Moden niedrigerer Ordnung über die
Mehrmodenfaser 107 zu ermöglichen.
-
In
einer Bemühung,
Kosten weiter zu senken, wurde eine Polymer- (Kunststoff-) Optikfaser
(im Folgenden auch als POF bezeichnet) zur Verwendung in optischen Übertragungssystemen
entwickelt. Aufgrund ihres großen
Durchmessers fördert
eine Polymerfaser auch eine Mehrmodenübertragung. Aufgrund ihrer
relativ hohen Übertragungsverlustcharakteristika
und ihrer weniger wünschenswerten Übertragungswellenlänge, etwa
650 Nanometer, wurde die Polymerfaser jedoch üblicherweise bisher nur in
Kurzdistanzanwendungen eingesetzt. In letzter Zeit wurde die POF
auch zur Verwendung in optischen Übertragungssystemen vorgeschlagen.
Ein darstellendes System ist in dem Artikel von H. Imai mit dem
Titel „APPLICATIONS
OF PERFLUORINATED POLYMER FIBERS TO OPTICAL TRANSMISSION" (Anwendungen perfluorierter
Polymerfasern auf eine optische Übertragung),
veröffentlicht
am 22. September 1997 in Proceedings of Seventh International Plastics
Optical Fiber Conference, Seiten 29 bis 30 beschrieben. 1 ist
eine vereinfachte Darstellung des optischen Systems auf PF-Faser-Basis, das
in dem Imai-Artikel beschrieben ist. Wieder ist eine Einmodenfaser 104 vor
die POF 107 geschaltet und wird verwendet, um selektiv
nur eine Übertragung
einer Mode niedrigerer Ordnung über
die Mehrmoden-POF weiterzuleiten.
-
Während der
obige Artikel darstellt, dass wesentliche Verbesserungen bei der
Verwendung einer POF in optischen Übertragungssystemen erzielt
wurden, besteht andauernder Bedarf, derartige Systeme zu vereinfachen
und dieselben kostengünstiger
zu machen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung haben wir festgestellt dass im Gegensatz zu anderen Silika-Fasern
eine bestimmte Polymerfaser, POF, eine Verzögerungscharakteristik zeigt,
die eine breite Niederdispersionsregion oder einen „Fleck
mit guten Eigenschaften" aufweist,
an der/dem eine Ausbreitungsverzögerung
eines räumlich
eingeschränkten optischen
Pulses relativ konstant als eine Funktion einer Injektionsposition
bleibt. Dieser Fleck mit guten Eigenschaften ist mittig um die Mittelachse
des Faserkerns. Wir haben festgestellt, dass durch ein Leiten eines übertragenen
optischen Pulses in diese Region die Dispersion eines optischen
Pulses wesentlich reduziert werden kann, ohne den Bedarf eines Einsatzes
der Technik des Stands der Technik einer Verwendung einer Einmodenfaser,
die in Serie mit der POF gespleißt ist, um eine Dispersion
zu reduzieren. Ein optisches Übertragungssystem
auf Polymerfaserbasis, das diese Anordnung verwendet, zeigt lockere
Ausrichtungstoleranzen zwischen der optischen Quelle und der Polymerfaser,
während
eine Dispersion reduziert wird und ein Bandbreite-Länge-Produkt erhöht wird.
-
Gemäß der Erfindung
wird eine optische Übertragungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
In
den Zeichnungen zeigen
-
1 ein
darstellendes Blockdiagramm eines optischen Übertragungssystems auf Mehrmodenfaserbasis
des Stands der Technik;
-
2 gemäß der vorliegenden
Erfindung ein darstellendes Blockdiagramm unseres verbesserten optischen Übertragungssystems
auf Polymerfaserbasis; und
-
3 ein
darstellendes Diagramm der Verzögerungscharakteristika
in der Kernregion der Polymerfaser.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
In
der folgenden Beschreibung weist jeder Gegenstand oder Block jeder
Figur ein ihm zugeordnetes Bezugszeichen auf, dessen erste Zahl
sich auf die Figur bezieht, in der dieser Gegenstand zuerst beschrieben
wird (z.B. wird 101 zuerst in 1 beschrieben).
-
1 zeigt
ein darstellendes Blockdiagramm eines optischen Übertragungssystems des Stands
der Technik, das eine Polymerfaser 107 verwendet. Es hat
sich gezeigt, dass die Polymerfaser mit einem Gradientenindex einen
geringen Wellenlängenverlust
bei der wünschenswerten
Laserwellenlänge
von 1,3 μm
aufweist. Darstellend könnte
die Polymerfaser von dem gleichen Typ sein, der in unserem System
aus 2 verwendet wird, nämlich eine perfluorierte optische
Gradientenindex-Kunststofffaser.
-
Wie
in 1 gezeigt ist, ist eine modulierte optische Quelle 101,
wie z.B. eine Fabry-Perot-Laserdiode, durch eine Einkoppeleinschränkungsvorrichtung 102 mit
einer Einmoden- (SM-) Glasoptikfaser 104 gekoppelt. Darstellend
für unsere
Beschreibung nehmen wir an, dass die optische Quelle 101 eine
1,3-μm-Fabry-Perot-Laserdiode
ist, und dass die Einkoppeleinschränkungseinrichtung 102 eine Kugellinse
ist. Die SM-Faser 104 ist mit der Polymerfaser 107 gekoppelt
oder an diese gespleißt 105.
Die Einmodenfaser 104 ermöglicht ein selektives Einkoppeln
von Moden niedriger Ordnung in die Polymerfaser 107. Die
Ausgabe der Polymerfaser 107 ist über eine Linse 108 mit
einem weiteren SM-Faserabschnitt 109 gekoppelt.
Die Einmodenfaser 109 filtert unerwünschte Moden höherer Ordnung
aus den erwünschten
Moden niedriger Ordnung heraus. Ein Detektor 110 empfängt und
demoduliert das optische Signal auf Basis einer Mode niedrigerer
Ordnung, das über
die SM-Faser 109 empfangen wird. Die Linse 108 könnte eine
halbkugelförmig
endende Linse sein und der Detektor 110 könnte eine
Lawinenphotodiode (APD) sein.
-
In
Betrieb wird das Lasersignal von der Quelle 101 durch die
Kugellinse 102 auf einen Punkt 103 mit vordefiniertem
Durchmesser fokussiert, der kleiner ist als oder in etwa die gleiche
Größe aufweist
wie der Kerndurchmesser 104a der SM-Faser 104.
Da die SM-Faser 104 und die Polymerfaser 107 den
gleichen Außendurchmesser
aufweisen, ist es relativ einfach, dieselben aneinander zu spleißen, so
dass der Kern 104a der SM-Faser 104 mit der Mitte
des Kerns 107a der Polymerfaser 107 ausgerichtet
ist. Üblicherweise
beträgt
der Durchmesser des Kerns 104a der SM-Faser 104 etwa
50 μm und
der Kern 107a der Polymerfaser 107 beträgt etwa
120 μm bis 1
mm. Es ist von Nachteil, dass ein wesentlicher Spleißungs- oder
Kopplungsverlust von etwa 1 dB zwischen der SM-Faser 104 und der Polymerfaser 107 vorliegen
könnte.
-
Mehrmodenfasern,
wie z.B. die Polymerfaser 107, leiden unter einem Phänomen, das
als „Modendispersion" bekannt ist. Diese
Modendispersion wird verursacht, wenn der optische Eingangssignalpuls
von der Quelle mehrere Moden der Polymerfaser 107 anregt.
Diese mehreren Moden bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
in der Polymerfaser 107 und bewirken, dass der Puls dispergiert
wird oder sich verteilt, wenn er sich die Faser entlang ausbreitet.
Diese Verteilung des Pulses bürdet
eine Einschränkung
hinsichtlich dessen auf, wie nahe benachbarte Pulse über die
Polymerfaser gesendet werden können,
und reduziert so die maximale Datenrate, die über die Polymerfaser gesendet werden
kann. Da eine Pulsdispersion mit der Entfernung zunimmt, wird ein „Bandbreite-Entfernung"-Produkt verwendet,
um zu bestimmen, ob ein bestimmtes Übertragungssystem geeignet
für eine
bestimmte Anwendung ist.
-
Da
eine SM-Faser 104 das optische Signal auf eine kleine Fläche begrenzt,
könnte
sie verwendet werden um das Einkoppeln von Moden niedrigerer Ordnung
in die Polymerfaser 107 zu ermöglichen. Der Ausdruck Moden „niedrigerer
Ordnung" bedeutet,
dass ein Großteil
der optischen Energie in der Mittelregion des Faserkerns lokalisiert
ist. Der Ausdruck Moden „höherer Ordnung" bedeutet, dass ein Großteil der
optischen Energie außerhalb
der Mittelregion des Faserkerns liegt.
-
Bezug
nehmend auf den oberen Teil von 3 ist ein
Querschnitt einer Kernregion 304 einer typischen Polymerfaser
gezeigt. Der untere Teil von 3 zeigt
die typische Variation der Verzögerungscharakteristik 301 über die
Kernregion 304, die Polymerfasern zeigen. Es wird angemerkt,
dass alle Gradientenindexfasern ein nominell parabolisches Indexprofil
aufweisen, ihre Verzögerungscharakteristika jedoch
sind üblicherweise
nicht parabolisch. Verzögerungscharakteristika
hängen
von Nichtidealzuständen
des Profils und von einer Modenkopplung ab. Wie gezeigt ist, verändert sich
die Verzögerung, wenn
man sich radial von der Mitte des Kerns 304 nach außen bewegt.
Da die Verzögerung über die Kernregion 304 stark
variiert, resultiert eine wesentliche Pulsdispersion zwischen den
Moden niedrigerer Ordnung, die sich in der Mittelregion 303 bewegen, und
den Moden höherer
Ordnung, die sich außerhalb der
Mittelregion 303 bewegen. Bei der Anordnung des Stands
der Technik aus 1 hat ein Beseitigen der Moden
höherer
Ordnung durch Einmodenfasern 104 und 109 die in
dem sich ausbreitenden Puls verteilte Dispersion reduziert (da nur
die Moden niedrigerer Ordnung verbleiben). So reduziert ein Reduzieren
des Bereichs von Moden, die weitergeleitet werden, die Dispersion
in dem sich ausbreitenden Puls. Diese reduzierte Dispersion erhöht die Datenübertragungsrate
des Systems.
-
Wir
haben entdeckt, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung, im Gegensatz zu einer Silikafaser, die Polymerfaser,
wenn sie mit einer optischen Wellenlänge von 1,3 μm betrieben wird,
eine Verzögerungscharakteristik 302 zeigt,
die eine breite und relativ flache Region oder „Fleck mit guten Eigenschaften" 303 aufweist.
Dieser Fleck mit guten Eigenschaften (auch als Niederdispersionsregion
bezeichnet) 303 ist eine Region, die mittig um die Längsachse des
Faserkerns 304 ist. Wir haben erkannt, dass der „Durchmesser" der Niederdispersionsregion 303 üblicherweise
ein wesentlicher Teil des Durchmessers (z.B. etwa die Hälfte) des
Kerns 304 ist. Wir haben ermittelt, dass durch ein Leiten
des übertragenen
optischen Pulses zu dieser Region 303 die resultierende Dispersion
der Moden niedrigerer Ordnung wesentlich gegenüber der der Polymerfasercharakteristik 301 reduziert
wird. Als ein Ergebnis wird die Verbreiterung des empfangenen optischen
Pulses minimiert. So beheben wir unter Verwendung dieses Ansatzes den
Bedarf, dass die Einmodenfaserabschnitte 104 aus 1 die
Moden höherer
Ordnung herausfiltern müssen.
Während
wir ein 1,3 μm-Wellenlängenlasersignal
für unsere
Messungen aus 3 verwendet haben, könnten auch
andere Wellenlängen
innerhalb des 0,5 bis 1,3 μm-Betriebsbereichs
der Polymerfaser eingesetzt werden, solange dieselben mit dem Fleck
mit guten Eigenschaften der Polymerfaser gekoppelt sind.
-
Bezug
nehmend auf 2 ist gemäß der vorliegenden Erfindung
ein darstellendes Blockdiagramm unseres verbesserten optischen Übertragungssystems
auf POF-Faserbasis gezeigt. Wie gezeigt ist, umfasst das System
alle Elemente aus 1, mit der Ausnahme, dass kein
SM-Fasersegment 104 verwendet wird. Die optische Signalquelle 101 ist über eine
Linse 202 mit dem Fleck mit guten Eigenschaften 203 des
Kerns 107a der Polymerfaser 107 gekoppelt. Da
der Fleck mit guten Eigenschaften für eine Polymerfaser mit einem
Kerndurchmesser von 250 μm
in der Größenordnung
von 120 μm
liegt, ist er wesentlich größer als
der 50 μm-Kerndurchmesser
der SM-Faser 104.
So kann die Linse 202 eine reduzierte Ausrichtungs- und
Fokussierungsanforderung mit der PF-Faser 107 aufweisen.
Da der Fleck mit guten Eigenschaften von 120 μm über die Hälfte des Kerndurchmessers beträgt, kann
die Übertragungskapazität selbst
dann hoch bleiben, wenn das optische Signal (etwa 50 μm) etwas
von der Mitte weg liegt. So könnten
andere Typen von Fokussierungsvorrichtungen 202 verwendet
werden, wie z.B. Mehrlinsensysteme. An dem Empfänger 210 könnte darstellend
ein Lawinenphotodiodendetektor (APD) mit eingebauter Linse als die
Linse 209 und der Detektor 211 aus 2 verwendet
werden. Offensichtlich können
auch andere Typen optischer Detektoren in dem Empfänger 210 verwendet
werden. Ferner könnte
es, da APDs Durchmesser in der Größenordnung des Durchmessers
des Flecks mit guten Eigenschaften aufweisen, möglich sein, die Linse 209 zu
beseitigen und direkt den APD an den Fleck mit guten Eigenschaften
angrenzen zu lassen, d.h. in der Mitte des Kerns 304.
-
Unter
Verwendung der Anordnung des optischen Übertragungssystems aus 2 haben
wir das Bandbreite-Länge-Produkt
gegenüber
Systemen des Stands der Technik, die eine Kunststofffaser in der
Anordnung aus 1 verwenden, wesentlich erhöht. Zusätzlich wird,
da unser Übertragungssystem auf
PF-Faserbasis keine Abschnitte einer SM-Faser 104 benötigt, die
Anordnung im Vergleich zu Übertragungssystemen
auf POF-Basis des Stands der Technik in Komplexität und Kosten
reduziert. Ferner zeigt ein optisches Übertragungssystem auf Polymerfaserbasis
unter Verwendung unserer Anordnung lockere Ausrichtungstoleranzen
zwischen der optischen Quelle und der Polymerfaser, während auch
eine Dispersion reduziert wird und das Bandbreite-Länge-Produkt
erhöht
wird. Während
wir angemerkt haben, dass ein Fleck mit guten Eigenschaften auch
in Mehrmodenglasfasern existiert, weist dieser eine viel kleinere
Größe auf,
wodurch die Möglichkeit
einer praktischen Verwendung unserer Technik in Systemen auf Mehrmodenglasfaserbasis
reduziert wird.
-
Was
beschrieben wurde, ist lediglich darstellend für die Anwendung der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung. So sollte angemerkt werden, dass die optische
Quelle 101 auch eine Leuchtdiode (LED) anstelle einer Fabry-Perot-Laser diode
sein könnte. Zusätzlich kann
die Linse 202 eine andere als eine Kugellinse sein. Ferner
könnte
die Kugellinse 202 als Teil der Laserdiode 101 befestigt
oder gehäust
sein. So können
andere Anordnungen durch Fachleute auf diesem Gebiet implementiert
werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.