DK161928B

DK161928B - Fremgangsmaade og anlaeg til optisk transmission, med undertrykkelse af stimuleret brillouin-spredning.

Info

Publication number: DK161928B
Application number: DK248383A
Authority: DK
Inventors: David Cotter
Original assignee: British Telecomm
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1983-06-01
Publication date: 1991-08-26
Also published as: DK248383D0; FI831915L; DK248383A; KR850000688A; FI74371C; AU559570B2; CA1216029A; EP0099632B1; HK50888A; FI74371B; JPS5911045A; JPH0993191A; US4560246A; JP2849700B2; KR920000163B1; US4560246B1; NO167340C; DK161928C; BR8302963A; NO831970L

Description

DK 161928 B

A

i

Den foreliggende opfince'se ar. går en fremgangsmåde, og et transmissionsanlæg, til ?.t transmittere lys langs en lysleder de fiber, ved hvilken fremgangsmåde en lysbølge med høj effekt indsendes i fiberen, hvilken lysbølge stammer fra en el-5 ler flere kilder med en smal liniebredde.

Optisk transmission anvender elektromagnetiske bølger med et bølgelængdespektrum, som ikke alene indbefatter, men strækker sig et godt stykke ud over synligt lys, og udtryk heri såsom "optisk", "lys" og hermed forbundne udtryk skal følgelig 10 forstås i en bredere betydning, som refererende til elektromagnetiske bølger i dette brede bølgelængdespektrum.

I optiske kommunikationssystemer, transmitteres lys moduleret i afhængighed af en information, som skal transmitteres langs dielektriske bølgeledere.

Størstedelen af de optiske kommunikationssystemer, som i øjeblikket er i drift, hvoriblandt optiske telekommunikationsanlæg er et vigtigt eksempel, anvender en kombination af 20 transmission af ikke-kohærent lys og direkte intensitetsmodulation til transport af digital information.

Væsentlige fordele med hensyn til bl.a. båndbreddeudnyttelse, ^ transmissionsbåndbredder, valg af passende modulationsteknik og modtager-følsomhed, forventes at kunne udledes ved anvendelse af kohærent lys til transmissionen. I modsætning til optiske kommunikationsanlæg,som anvender ikke-kohærent lys til transmission, må anlæg,som anvender kohærent lys (i det følgende betegnet som"kohærente anlæg") anvende lyskilder 30 f med en smal liniebredde, og vil især til langdistancekommunikation sædvanligvis anvende optiske fibre, der har lave tab og er beregnet til at transmittere en enkelt mode, dvs. bølgetype, såsom dielektriske optiske bølgeledere.

35

Det har i nogen tid været erkendt, at hvis lyset fra en kilde med smal liniebredde, f.eks. fra en laserlyskilde,sendes ind i en

DK 161928 B

2 optisk fiber, og især ind i en optisk fiber med små tab, vil der være en tærskeleffekt over hvilken stimuleret Brillouin spredning (i det følgende betegnet som SBS) opstår i fiberen 5 (se f.eks. R. G. Smith, "Optical Power Handling Capacity of

Low Loss Optical Fibres as Determined by Stimulated Raman and Brillouin Scattering", Appl. Opt., 1982, II, siderne 2489-2494; E. P. Ippen og R. H. Stolen "Stimulated Brillouin Scattering in Optical Fibres", Appl. Phys Lett, Vol. 21, nr.

11, 1. december 1972; "Optical Fibre Telecommunications", 1979, Academic Press, New York (US), S.'E. Miller et al, kapitel 5 "Non Linear Properties of Optical Fibres", siderne 125-150, para 5.3; P. Labudde et al, "Transmission of Narrow Band High Power Laser Radiation Through Optical Fibres", Optics Communications, Vol.32, nr. 3, marts 1980, siderne 385-390; N. Uesugi et aj. "Maximum Single Frequency Input Power in a Long Optical Fibre Determined by Stimulated Brillouin Scattering", Electronics Letters, 28. maj 1981, Vol. 17, nr. 11).

20 Som det er forklaret i disse referencer, er stimuleret Bril- louin-spredning en stimuleret spredningsproces, som konverterer en fremadgående optisk bølge til en bagudgående optisk bølge, som også er forskudt i frekvens. Ved udsendte lyseffekter, som overskrider der. ovennævnte tærskeleffekt, stiger 25 spredningen stejlt, indtil den effekt, som transmitteres frem ad gennem fiberen, bliver næten uafhængig af den indsendte effekt. Udover selve den uønskede dæmpning af den transmitterede effekt har SBS andre ødelæggende virkninger, såsom at den forårsager flere frekvensændringer, en forøget tilbagekobling til 30 laserlyskilden og i tilfælde af tilstrækkelig kraftig udsendt effekt endog en fysisk ødelæggelse af fiberen.

Det skal bemærkes, at selv om det har meget stor betydning for kohærente anlæg, for hvilke anvendelsen af lyskilder med smal liniebredde er nødvendig, er SBS naturligvis ikke be-grænset til kohærente anlæg. SBS kan snarest siges at opstå, når som helst visse betingelser er opfyldt med hensyn til

DK 161928 B

3 liniebredde, indsendt effekt, karakteristika for den optiske bølgeleder osv.

SBS er kun én af flere u-lineære processer, som kan forekomme 5 i optiske bølgeledere, og er sædvanligvis mindre signifikant i forbindelse med en bred liniebrede, end det er tilfældet med lys med en smal liniebredde. Ikke desto mindre har SBS i betragtning af, at dens tærskelværdi sædvanligvis er lavere end tærskelværdierne i forbindelse med andre ulineære processer, 10 været anset for at udgøre en væsentlig begrænsning i anvendelsen af optiske kommunikationsanlæg (se de omtalte referencer og i særdeleshed R. 6. Smith, P. Labudde og N. Uesugi). Denne begrænsni ng, som manifesterer sig selv ved begrænsni nger for den maksimalt i praksis anvendelige indsendte effekt, har sær-15 lig beytdning for kohærente anlæg, hvor der ikke er nogen alternativ mulighed for at anvende lys ved en bred liniebredde, således som omtalt i det foregående. En begræsning af den indsendte effekt har naturligvis en direkte virkning på den maksimale transmissionslængde, som kan opnås uden anvendelse af 20 repeatere eller regeneratorer.

Størstedelen af de nævnte referencer omtaler den fornævnte begrænsning på den indsendte effekt til niveauer, der ikke er meget større og fortrinsvis mindre end SBS-tærskelen, men i 25 ingen af referencerne er det foreslået, endsige nævnt, hvorledes denne begrænsning kan undgås. Således viser N. Uesugi et al. (omtalt ovenfor) f.eks. at i det nære infrarøde område, vil SBS opstå i lange single mode silicafibre med indgangseffekter så lave som nogle få milliwatt. Selv om deres undersø-30 gelser har været udført mhå betydningen af SBS for kohærente kommunikationsanlæg, har forfatterne end ikke foreslået eksistensen af et passende hjælpemiddel.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilveje-35 bringe transmission af lys langs dielektriske bølgeledere ved fremgangsmåder, som undgår i hvert fald nogle af de ødelæggende virkninger af stimuleret Brillouin-spredning.

DK 161928 B

4

Det er endvidere tilsigtet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe fremgangsmåder til transmission af lys langs dielektriske optiske bølgeledere, således at fremgangsmåden medfører en væsentlig undertrykkelse af en stimuleret

Brillouin spredning.

5

Det er ligeledes tilsigtet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe et optisk transmissionsanlæg ved anvendelse af dielektriske optiske bølgeledere og forsynet med organer til en væsentlig undertrykkelse af en stimuleret Brillouin-spredning.

Ifølge den foreliggende opfindelse omfatter fremgangsmåden til transmission af lys langs en dielektrisk optisk belgeleder, 15 indsendelse i den optiske bølgeleder af en optisk bølge med høj effekt kommende fra en eller flere lyskilder med en smal liniebredde, hvilken optisk bølge har en fasevinkel, som varierer med tiden på en sådan måde, at stimuleret Brillouin-spredning i det væsentlige undertrykkes.

20

Ifølge den foreliggende opfindelse omfatter et optisk transmissionsanlæg en eller flere lyskilder med en smal liniebredde og en optisk bølgeleder, hvor kilden eller kilderne er indrettet til i den optiske bølgeleder at indsende en optisk bølge med stor effekt, hvis fasevinklen varierer med tiden på en sådan måde, at en stimuleret Brillouin-spredning i det væsentlige undertrykkes.

Udtrykkene "stor effekt" og "smal liniebredde" skal opfattes 30 som en effekt, der er tilstrækkelig stor og en liniebredde, der er tilstrækkelig snæver til at SBS ville være markant for en tilsvarende optisk bølge med en ikke varierende fasevinkel, idet forekomsten af SBS for den tilsvarende optiske bølge umiddelbart kan bestemmes ved eksperimenter.

35 ,

En vis vejledning ved udførelsen af eksperimentet kan hentes fra den observation, at for en given optisk bølgeleder og bølgelængde er en indsnævring af liniebredden sædvanligvis ledsaget af en reduktion af den effekt, ved hvilken SBS bli-

DK 161928 B

5 ver markant. Til dette kan tilføjes, at den effekt,ved hvilken SBS bliver markant,også afhænger af de karakteristiske egenskaber for dendielektriske optiske bølgeleder og den anvendte bølgelængde. Således er lange fibre med små tab 5 sædvanligvis mere tilbøjelige til SBS, og SBS-tærskelværdien har en tendens til at falde med voksende bølgelængder.

Den tidsvariation af fasevinklen, som er nødvendig for en væsentlig undertrykkelse af en stimuleret Brillouin-spredning, kan også umiddelbart bestemmes eksperimentelt. Den måde, hvorpå sådanne eksperimenter kan udføres, vil fremgå direkte af, eller ved analogier med, den følgende detaljerede beskrivelse .

15 En vis vejledning ved udførelsen af eksperimenterne kan opnås ved hjælp af en teoretisk model, som omtales i det følgende.

Den optiske bølgeleder kan passende være en enkelt-mode-fiber med et eller flere transmissionstabsminima, som funktion af 2 Λ bølgelængden, og én eller flere lyskilder med en smal liniebredde er indrettet til at arbejde ved bølgelængder på eller nær ved det eller de pågældende transmissionstabsminima.

Lyskilden eller hver lyskilde er fortrinsvis en laserkilde, 2 5 der er indrettet til at arbejde ved en bølgelængde, der er længere end 1 ym.

Opfindelsen kan passende realiseres ved hjælp af en kombination af en eller flere laser-lyskilder med smal liniebredde, som arbejder i det nære infrarøde område mellem 1,2 ym og 1,7 ym med en liniebredde (FWHM, målt mellem 3 dB punkterne) på mindre end 1 MHz, og en optisk monomode silicafiber.

35 Optiske silicafibre har ofte minima for absorptionstab på 0,5 dB/km eller mindre ved 1,3 ym, 1,5 ym eller på begge disse bølgelængder. En høj-effekt,optisk bølge ifølge den

DK 161928 B

6 foreliggende opfindelse på 10 mW eller mere kan med fordel indsendes i fiberen. Der kan anvendes kontinuerte fiberlængder større end 10 km.

5 Når der arbejdes med længere bølgelængder i fibre, der har lave absorptionstab ved sådanne bølgelængder (sammenlign Goodman, Sol. State and Electronic Device 1978, 2, 129-137), vil de mulige længder af strækninger uden repeater stationer i 10 almindelighed være længere og SBS-tærsklen for udstråling af en kontinuert bølge og de minimale effekter, som med fordel kan anvendes ifølge den foreliggende opfindelse, ville generelt være mindre. Sådanne fibre kan f.eks. være fluoridglasfibre og lignende, som i øjeblikket forventes at arbejde ved 15 bølgelængder på 3 μηι eller mere.

Den foreliggende opfindelse anviser endvidere en fremgangsmåde til at transmittere information, idet lysbølgen er en bærebølge, som moduleres svarende til den information, som skal 20 transmitteres, idet fasevinklen af den modulerede bærebølge varierer med tiden på en sådan måde, at en stimuleret Bril-1ouin-spredning i det væsentlige undertrykkes.

Den foreliggende opfindelse tilvejebringer endvidere et trans-25 missionsanlæg omfattende en eller flere lyskilder med en smal liniebredde og en lysledende fiber, idet kilden eller kilderne er indrettet til i fiberen at indsende en lysbølge med en høj effekt, hvis fasevinkel varierer med tiden på en sådan måde, at en stimuleret Bri1louin-spredning i det væsentlige under-30 trykkes.

For at undgå enhver mulig tvivl fastslås det hermed, at den omtalte variation af fasevinklen muligvis, men ikke nødvnedig-vis kun er en direkte konsekvens af modulationen i overens-35 stemmelse med informationen.

For yderligere at udelukke mulig tvivl, fastslås det endvidere, at i hele denne beskrivelse skal udtrykket "modulation"

DK 161928 B

7 forstås således, at det indbefatter en "kodning" (eng: "keying") som er en speciel form for modulation, som i vid udstrækning anvendes til transmission af digital information.

5 En demodulation af sådanne bærebølger kan med fordel ske kohærent.

Den foreliggende opfindelse kan med fordel anvendes til transmission af digital information med store bit-hastigheder med 10 en binær faseforskydningsmodulation, som betegnes PSK (=£hase s;hift J<eying) af den optiske bærebølge. I dette tilfælde kan den væsentlige undertrykkelse af SBS opnås ved at anvende en moduleret faseforskydning på (2n + 1)π, hvor n er 0 eller et helt tal, eller ved at anvende en moduleret faseforskydning, 15 der er tilstrækkelig nær på et sådant ulige multiplum af n for at opnå en væsentlig undetrykkelse af SBS.

Den foreliggende opfindelse kan også med fordel anvendes til transmission af digital information, f.eks. i binær form med 20 høje bit-hastigheder med frekvensforskydn ingsmodulation, som betegnes FSK (^frequency £hift keying). I dette tilfælde kan den væsentlige undertrykkelse af SBS opnås ved at anvende en tilstrækkelig stor frekvensforskydning.

25 De netop refererede to tilfælde, henholdsvis faseforskydningsmodulation (PSK) og frekvensforskydningsmodulation (FSK) illustrerer på bekvem måde den anvendelse af eksperimenter, hvor man prøver sig frem, som vil blive beskrevet i det følgende. Disse eksperimenter kan tage form af en bestemmelse af, hvor-30 vidt en forsøgsvis fastsat faseforskydning er tæt nok på (2n + 1)7T til i væsentlig grad at undertrykke SBS, eller hvorvidt en given frekvensforskydning er stor nok ved en given bit-hastighed, indsendt lyseffekt, liniebredde og fiber. Under forsøgene kan SBS vises enten ved hjælp af den reflekterede bølge eller 35 ved hjælp af fiberens udgangseffekt.

Den foreliggende opfindelse er især fordelagtig for de to tilfælde, hvor bit-hastighederne overstiger 100 MBit s og især af størrelsesordenen 1 GBit s Den er ikke anvendelig

DK 161928B

8 i praktisk forbindelse ved meget lave bit-hastigheder, således som det kan ses ved at betragte den nedre bit-grænse, dvs. en fase eller frekvensmodulation med en bit-hastighed på 5 1 Bit s ^ ville ikke påvirke en sådan kort-tidsproces som SBS.

Når modul at i onstekni kken i sig selv, som i de foregående to tilfælde, er basere’t på' at påføre bærebølge-fasen var i at-i o-ner, 10 kan informationsmodulationen anvendes til den væsentlige undertrykkelse af SBS. Dette udelukker imidlertid naturligvis ikke muligheden af at anvende yderligere i nformat ioonsmodula-t i oner eller at tage yder 1igere midler i brug ifølge opfindelsen ved undertrykkelsen af SBS.

15

Hvis det imidlertid er ønskeligt at anvende amplitudemodulation (f.eks. "shift keying") i overensstemmelse med den information, som skal afsendes, har informationsmodulationen i almindelighed kun en lille effekt på SBS. I et ampi itudemodule-20 ret system vil SBS tærskelværdierne udtrykt ved middelværdien af effekten, når lyset er på, typisk kun være en faktor eller to højere end for en kontinuert lyskilde. Et lignende problem opstår, hvis det af en eller anden årsag ønskes at anvende en fase- eller frekvensmodulation, som i sig selv ikke er i stand 25 til at undertrykke SBS, eller hvis man ønsker at sikre syste met imod de mulige ødelæggende virkninger ved standmngen af en SBS-undertrykkende informationsmodulation.

Den foreliggende opfindelse kan følgelig realiseres ved an- 30 vendelse af en periodisk drevet optisk fasemodulator, f.eks. mellem en laser-lyskiide og den optiske fiber for at tilvejebringe en ekstra modulation ud over informationsmodulationen for derved at opnå den nødvendige væsentlige undertrykkelse af SBS. Forskellige former for modulation kan an-35 vendes, f.eks. firkantbølge og sinusbølge.

DK 161928 B

9 SBS kan også undertrykkes ved som bærebølge at anvende den resulterende bølge, der dannes ved addition af bølgekomponenter af forskellige frekvenser.

5 Under omstændigheder, hvor der anvendes en periodisk drevet fasemodu1 ator eller bærebølge, som netop specificeret, kan nyttige indledende eksperimenter udføres uden påtrykning af en informationsmodulation. Disse eksperimenter ville være rettede imod bestemmelsen af de fasemodulationsparametre eller den

10 frekvensdifferens, der er nødvendige for at undertrykke SBS

for en given indsendt lyseffekt, liniebredde og i en given fiber. Endnu en gang kan en teoretisk model eventuelt anvendes for at lede disse eksperimenter.

15 En bærebølge, som er resultatet af en addition af bølgekomponenter med forskellige frekvenser, kan passende frembringes af en enkelt kilde, f.eks. ved at indrette en enkelt laser til at arbejde i to longitudinale modes med lidt forskellige bølgelængder, der tilsammen danner en resulterende mode med en 20 stødtoneeffekt. Alternativt kan der anvendes to lasere med hver sin frekvens.

Informationsmodulationen af bærebølgen kan enten udføres efter addition af bølgekomponenterne med forskellige frekvenser el-25 1 er ved modul at i on af de individuelle bølgekomponenter før el ler samtidig med deres addition. Denne sidste mulighed er særlig bekvem, hvor bølgekomponenterne kommer fra en enkelt kilde, således at de kan moduleres samtidig ved at styre kilden, f.eks. i overensstemmelse med et ampiitudemodulationsske-30 ma.

Detektion af en moduleret bærebølge, hvor bærebølgen er den resulterende bølge ved addition af to bølgekomponenter af forskellige frekvenser, kan udføres på den ene af disse frekven-35 ser med en detektor, hvis kohærente detektionsbåndbredde er mindre end beat-frekvensen, også kaldet stødfrekvensen. I så fald udnyttes kun halvdelen af den transmitterede, optiske ef-

DK 161928 B

10 fekt til datatransmission, og der er således en straf på 3 dB i effekt. Sammenlignet med tidligere foreslåede kohærente am-pl itudeforskydningsmodulationsanlæg, vil et ampi i tudeforskyd-ningsmoduleret anlæg, der arbejder på denne måde, alligevel 5 have muligheden for større repeater-afstande, fordi større indgangseffekter er tilladelige takket være undertrykkelsen af SBS.

En anden måde at anvende en bølge, som er blevet moduleret med 10 en periodisk drevet fasemodul ator, eller som er den resulterende bølge ved addition af bølgekomponenter med forskellige frekvenser, er at anvende en optisk fasereference ved demodulationen af en separqat bølge, som har en fase- eller frekvensinformationsmodulation. I visse fase- eller frekvensmodu-15 lerede anlæg, kan det derfor være nødvendigt samtidig at sende en kontinuerlig bærebølgekomponent for at tilvejebringe en optisk fasereference, og den foreliggende opfindelse firrder for så vidt også anvendelse, hvis bærebølgekomponenten kunne give anledning til SBS i visse tilfælde.

20

En bølge, som moduleres med en periodisk drevet fasemodul ator, eller som er den resulterende bølge ved addition af bølgekomponenter af forskellige frekvenser, kan naturligvis anvendes til en generel kontinuerlig bølgetransmission og ikke alene 25 til telekommunikationer.

Den foreliggende opfindelse skal i det følgende beskrives nærmere ud fra eksempler og under henvisning til de ledsagende tegninger, hvor 30 fig. 1 viser et skematisk diagram af et apparatur til udøvelse af den foreliggende opfindelse, fig. 2, 4 og 5 er kurver, som viser forholdet mellem indgangs-35 effekter og udgangseffekter af optiske transmissionsanlæg, og fig. 3 er et oscilloskopbillede, der viser bølgelængdeforhol-

DK 161928 B

11 dene mellem indfaldende og spredt lys i et optisk transmissionsanlæg.

I fig. 1 ses en eksperimentel opstilling for at observere SBS. Opstillingen består af en laserlyskilde 1, en prøvefiber 5 4, og effekt- eller frekvensvisende måleapparater 7, 8, 9.

Et variabelt dæmpningsled 2 tjener til at dæmpe lyset, som sendes ind i fiberen 4 fra laseren l,og et polarisationsfilter 5 og en kvartbølgeplade 6 er indsat mellem laseren 1 og den optiske fiber 4.

10 Måle apparaterne 8 og 9 er enten effektmåleapparater, såsom kalibredede Ge-fotodioder eller Fabry-Perot interferometrer som viser frekvensspektret af lyset, som passerer igennem tastfiberen 4, afhængig af den måling, som skal udføres.

15 I det følgende refereres også til fig. 2 til 5, og følgende laboratorieeksperimenter blev udført for at demonstrere SBS og undertrykning af SBS.

20 Eksperiment 1 34*

Der blev anvendt en kontinuert, énfrekvens Nd : YAG (yttrium aluminium garnet) laser, der arbejder ved 1,319 pm overgangen. Denne laser frembringer en udgangseffekt på ca. 100 mW i en 25 enkelt longitudinal mode og en diffraktions-begrænset TEM

transversalmode. Laserliniebredden blev målt ved anvendelse af et skanderende konfokal Fabry-Perot interferometer med 300 MHz fri spektralbredde, og viste sig at være mindre end 1,6 MHz, som er instrumentets opløsningsevne. Dette er mere 3 0 end ti gange mindre end den spontane Brillouin liniebredde Δν

Fig. 1 viser den eksperimentelle opstilling, som blev anvendt til at observere SBS i silicafibre med små tab.

3 5

Lyset fra laseren 1 blev dæmpet ved anvendelse af et cirkulært variabelt densitetsfilter 2 og fokuseret på prøvefibren 4 ved anvendelse af et mikroskopobjektiv 3. Den optiske effekt,

DK 161928 B

12 udsendt såvel fra den nærmeste som fra den fjerneste ende af fibren,blev vist ved anvendelse af kalibrerede Ge fotodioder.

Et skanderende konfokalt Fabry-Perot interferometer med 7,5 5 GHz frit spektralt område blev anvendt til at registrere frekvensspektret for det udsendte lys. Ved afslutningen af eksperimenterne på en fiber, kan fiberen skæres tilbage til nogle få meter fra indgangsobjektivet for at måle den effekt, der udbreder sig i mode, som fiberen leder.

10

Den lineære polarisator 5 og kvartbølgepladen 6 skulle tilvejebringe en optisk isolation mellem laseren og fibren.

Under tilstande med en kraftig SBS viste dette arrangement sig dog ret ineffektivt som isolation af laseren fra det bag-15 ud spredte signal på grund af polårisationsforstyrrelser i fiberen. Ikke desto mindre fortsatte laseren 1 med at arbejde i en stabil enkel longitudinal mode under alle tilstande, sandsynligvis fordi frekvensen af det bagud spredte signal blev forskudt tilstrækkeligt i forhold til spidsen af for-20 stærkningskurven for NdsYAG-laseren.

Eksperimenter blev udført med en 13,6 km lang Ge02-doped mono mode silicafeber med en J<ore-diameter på 9 Mm, en kore/kappe-(c1 add ing)-(brydnings}-indeksdifferens på 0,3%, en afskæ-25 ringsbølgelængde på 1,21 pm og tab ved 1,32 pm på 0,41 dB/km.

Anvendes den målte brydningsindeksprofil, giver en computerberegning af modefordelingen A = 4,7x10 'm^ ved 1,32 μιη.

Fig. 2 viser udgangseffekten fra hver ende af fiberen som en 30 funktion af indgangseffekten. Ved lave indgangseffekter var den bagudrettede udgangseffekt kun forårsaget af Fresnel-re-f1ekti on fra den spaltede endeflade af fiberen. Ved indgangs-effekter over 5 mW steg den bagudrettede udgangseffekt hurtigt på en ulineær måde, og virkningsgraden for konvertering til 35 den bagudrettede eller bagudspredte (backscattered) bølge nåede op på 65%. Ved lave indgangseffekter havde den effekt, der blev udsendt fra den fjerne ende af fibren, en lineær re-

DK 161928B

13 lation til indgangseffekten bestemt af det lineære tab på 5,6 dB. Ved indgangseffekter over 6 mW blev udgangseffekten ulineær. Ved indgangseffekter større end 10 mW nåede udgangseffekten i den fremadgående retning et mættet maksimum på ca. 2 mW.

5

Fig. 3 viser Fabry-Perot-spektret for det bagudspredte lys. En lille mængde laserlys blev frit koblet til interferometeret for at give en kalibreringsmarkering. Spektralkomponenten betegnet Stoke-bølge var kun til stede, når indgangseffekten i 10 fiberen overskred tærskelværdien på 5 mW. Hvis det som vist i fig. 3 antages, at laseren og de bagudspredte signaler er adskilt af to interferometrale størrelsesordener (fri spektral-bredde 7,5 GHz} er forskydningen Stoke-bølge 12,7 ± 0,2 GHz. Dette er i god overensstemmelse med den forudbestemte værdi på 15 13,1 GHz beregnet ud fra udtrykket 2Van/X, hvor symbolerne er defineret nedenfor, idet lydhastigheden i kvarts sættes til 5,96 x 103m s“l. De viste liniebredder er begrænsede af målingens opløselighed.

20 Frekvensspektret for lys udsendt fra den fjerne ende af fiberen består af en intens komponent ved 1 aserfrekvensen og en svagere komponent ved Stoke-frekvensen og den sidste skyldes sandsynligvis reflektion fra laserens udgangsspejl. Overraskende nok blev der ikke observeret nogen ant i-Stoke-bøl ger el -25 ler højere ordensStoke-bølge-emissi oner ved dette eksperiment, bortset fra tilstedeværelsen af en tilbagekobling fra laseroptikken. (Sammenlign P. Labudde et al, Optics Comm., 1980, 32, 385-390) .

3Q Eksperiment 2

Med det samme apparatur som i eksperiment 1, blev et eksperiment udført på en 31,6 km lang fiber i form af et singlemode kabel med et samlet lineært tab på 17,5 dB ved 1,32 ym.

35 De eksperimentelle resultater lignede dem, der blev fundet i 13,6 km fiberen, og SBS blev observeret ved indgangseffekter større end 6 mW.

DK 161928B

:4

Bortset fra den større fysiske længde, er den effektive vekselvirkningslængde (interaction) L (ligning 1.3 nedenfor)

C

på 7,7 km for den 31,6 km lange kabelfiber næsten identisk med vekselvirkningslængden for den 13,6 km lange fiber. De 5 andre fiberparametre er tilsvarende, og det kan således forventes ud fra ligning (1.1), at SBS-tærskeleffekten vil være næsten ens på de to fibre.

Eksperiment 3 10

Apparaturet var det samme som i eksperiment 1 og 2, men laseren arbejde successivt i to forskellige konfigurationer. I den første én-frekvens-konfiguration frembragte laseren en udgangseffekt på ca. 100 mW i en enkelt longitudinalt mode 15 med en liniebredde, som blev målt som mindre end 1,6 MHz, der er opløsningsevnen for det Fabry-Perot interferometer, der blev anvendt ved målingen. I den anden,dobbelt-frekvens-konfi-guration arbejdede laseren med to ved siden af hinanden liggende longitudinale modes adskilt af 270 MHz. I dette til-20 fælde frembragte laseren en udgangseffekt på ca. 250 mW ligeligt fordelt mellem de to linier, og bredden af hver linie blev målt til mindre end 20 MHz svarende til den instrumentale opløsningsevne. I begge konfigurationer fremkom laserens udgangssignal i en diffraktionsbegrænset TEMqo transversal 2 5 mode.

Den anvendte fiber var en 31,6 km lang silicafiber i form af et single-mode kabel med et totalt lineært tab på 17,4 dB ved 1,32 μπι. Den teoretiske tærskel for SBS i denne fiber 30 véc anvendelse af én-frekvens laseren er 6 mW.

Fi g. 4 viser udgangseffekten fra hver ende af fiberen, som en funktion af indgangseffekten, når laseren arbejdede i én-fre-kvenskonfigurationen. Ulineær reflektion og transmission ty-35 pisk for SBS blev observeret for indgangseffekter større end 6 mW i god overensstemmelse med teorien.

DK 161928 B

15

Fig. 5 viser den tilsvarende måling foretaget med laseren i dobbe11-frekvenskonfi gurat ionen . Ingen afvigelser fra optisk linearitet, hverken i fremadgående eller tilbagegående retning, kunne observeres for indgangseffekter og til 90 mW, der 5 er det maksimalt mulige i dette eksperiment. Der er således observeret forøgelse af SBS-tærskeleffekten på mindst 12 dB. Ligning (3.2) forudsiger, at ved anvendelse af 270 MHz beatfrekvensen visse SBS optræde i denne fiber ved indgangseffektniveauer større end 850 mW, hvilket repræsenterer en forøgelse 10 af tærskelværdien på 21 dB.

Den følgende omtale af en teoretisk model af virkningen ifølge opfindelsen har til formål at lette - og at give nogle retningenslinier for - planlægning og udførelse af eksperimenter, 15 som beskrevet ovenfor. Det er klart, at den neden for beskrevne teoretiske model er baseret på nogle s iomp1 ificerende antagelser, og derfor ikke skal betragtes som en begrænsning af opfindelsens rækkevidde.

20 Tager man udgangspunkt i den såkaldte "small-scale, steady-state "-teori, som f.eks. er beskrevet af R, G. Smith (omtalt tidligere) og W. Kaier og M. Maier ("Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman Spectroscopy", Laser Handbook Vol. 2, redigeret af F.I, Arrecchi og E.O. Schulz-Dubois, North Hol-25 land, Amsterdam 1972, siderne 1077-1150), er den maksimale kontinuerlige lasereffekt PL, som kan indsendes i en optisk fiber før SBS kan detekteres, bestemt af GL ~ 21 (1.1) e — 30 hvor G er SBS forstærkningsfaktoren.

n7 p212 k / PL \ 35 G ---I _j m (1.2) c A2 po Va νβ \ A / 16

DK 161928 B

hvor n er brydningsindeks, pq er materialets densitet også kaldet massefylde, Va er den akustiske hastighed og P^2 er den langsgående elastisk-optiske koefficient for fibermediet.

"A" er et effektivt tværsnitsareal for den udbredte bølge-5 type, således at spidsintensiteten er bestemt af P_/A. Der er her gjort den antagelse, at laserliniebredden er lille sammenlignet med Δν^, som er liniebredden for spontan Bril-louin-spredning (Hz, FWHM) ved omgivelsestemperatur. Faktoren K er en for en fiber, som opretholder den optiske pola-risation, og er ellers 1/2 (sammenlign R.H. Stolen, IEE J.

Quart, Elec. 1979, QE-15, 1157-1160). Den effektive vekselvirkningslængde L er bestemt af

C

L = a ^ (1 - exp [ -aL]) (1.3) 15 e hvor a er absorptionskoefficienten (m ^) og L er fiberlæng-den. For længere fiberlængder anvendt i kommunikation gælder sædvanligvis L»a”1, og følgelig er L -V1. Lavtabsfibre , har længere vekselvirkningslængder og således lavere SBS- i 20 tærskelværdier.

I disse linier kan man indsætte det typiske parametre for kvarts (sammenlign R.J. Presley (ed), "Handbook of Lasers"

Chemical Rubber Company, Cleveland, 1971 og J. Schroeder et 25 al, J. Amer, Ceram. Soc., 1973, 56, 510-514): n = 1,451, pQ = 2,21xl03 kg m "3, V& = 5,96xl03 m s-1, p12 = 0,286.

Eftersom den spontane liniebredde Δν„ er 38,4 MHz ved bølge- 30 -2 længden λ = 1,0 p og variere;· som λ (sammenlign D. Hein- man et al, Phys. Rev., 1979, B19, 6583-6592), sættes Vv^ =

B

22 MHz ved 1,32 ym. Endvidere er der indsat følgende værdier, der specielt passer til en 13,6 km testfiber: 35 ar = 9,5xl0_5m “1 (0,41 dB/km i tab),

Le = 7,6 km, A = 4,7xl0~ll og K = 1/2. Heraf kan man forudse, at tærskelværdien for SBS i denne testfiber ved 1,32 ym

DK 161928 B

17 vil være P|_ - 5,6 mW. Ovenstsående eksperiment 1 har relation t ' denne test fiber.

For at analysere en transient spredningsproces har vi anvendt de koblede ligninger for de langsomt varierende komplekse 5

Fourier amplituder for de optiske elektriske felter E og densitetsbølgen p på korens akse.

= - i k 2 P * Ei + α Es/2 (2.1) 6z 10 δ£_ = -i <i E* Es - Γp" (2.2) ότ 'sse ligninger kan sammenlignes med ligninger anført i R.L.

15 Carman, F. Shimizu, C.S. Wang og N. Bloembergen, "Theory of

Stokes pulse shapes in transient stimulated Raman scattering", Phys. Rev. A, 1970, 2, 60-72). Laserfeltet (betegnet L) ind sendes i fiberen ved z = 0 og vandrer i z~aksens retning. Stoke-bølgefeltet (betegnet med S, vandrer imod z-aksens ret-2o ning og opbygges af spontan spredning. Dette kan repræsente res af et Stokes-bølgefelt injiceret ved en position z = zq, hvor zq * 3 α-* og α er den optiske absorptions koefficient (sammenlign R. G. Smith, nævnt ovenfor). Den vandrende koordinat t = t - z/v, hvor det negative fortegn refererer til la-25 serfeltet og det positive fortegn til Stoke-bølgefeltet, og v er den optiske gruppe hastighed (som antages at være langt større end den akustiske gruppe hastighed). er levetiden for den akustiske phonon (den spontane Brilloui n-spredning’s liniebredde (Hz, FWHM) er Γ/η. Koblingskoefficienterne er

30 p n2 G

K1 ~ K2 Q o 2Va k2 = ™3 p12 λΡο 35 ° hvor η = βλ/2ιτ, idet β er den optiske udbredelseskonstant, p^2 = er den longitudinale elasto-optiske koefficient, λ = optisk bølgelængde, p = middel massefylde, V = akustisk hastighed, = det frie rums permittivitet.

DK 161928 B

18

Det kan påstås (jvf„ R.G. Smith, nævnt ovenfor), at et de-5 tekterbart SBS kun vil forekomme for indgangslasereffekter, som overskrider den kritiske værdi, for hvilke den følgende uligehed gælder: 1η|Ε8(0,τ)/Ε5(ζο,τ)| 2 > 18 (2.3) 10

For indgangseffekter, som ikke overskrider denne kritiske værdi, vil formindskelsen af laserfeltet på grund af SBS kunne negligeres og antagelig også formindskelser på grund af andre indgående ul'ineære processer.

15

Vi postulerer, at laserfeltet i fiberen i det væsentlige kun bestemmes af det indsendte felt og den lineære absorption,

El(z,t) = El(0,t) exp (-az/2) (2.4) 20

Ligningerne (2.1) og (2.2) oven for (sammenlign Carman et al, nævnt oven for og K. Daree "Transient effects in stimulated light scattering", Opt. Quant Electr, 1975, siderne 263-279) kan løses ved Riemann's metode for at opnå et udtryk for 25 Stoke-bølge feltet Es (ζ,τ), som viser sig ved z = 0,

Eg (Ο,τ) =(κ1 k2 ze)1//2 exp ( t z/2) EL (Ο,τ)

rT

x j-co exp [- Γ(τ-τ ')] Ε^* (Ο,τ1) E (ζ,τ*) [W-W] ”1/2

30 J

x { (4^^ ze (W-W) } 1/2 ] di' hvor zq = [1 - exp ( - αζ)]/α W(t) =/^|el (Ο,τ") I 2 dT" , (2.5) 35 W betegner W (τ'), og 1^ er en modificeret Bessel-funktion. Ligning (2.5) kan anvendes til at undersøge om tærskelbetingelsen (2.3) er overskredet for et arbitrært indgangsfelt.

DK 161928 B

IS

Vi skal nu vurdere formlen (2.5) for specielle tilfælde, der er relevante for optisk kommunikation, nemlig i de tilfælde, hvori laserfeltet moduleres for at sende en binær datastrøm 5 givet ved funktionen m(t), som kan antage værdierne 0 og 1.

Der vil blive foretaget to store simplificerende antagelser.

For det første antages det, at tidsmiddelværdien af modulationsfunktionen m(t) Δ t”·^ f m(t) dt^r m J t-s'-At som konvergerer for tilstrækkelig store værdier af åt, også gør det for At< r ~^ · Eftersom r/ir =22 MHz i kvarts ved 1C stuetemperatur og ved 1,32 ym (se R.G. Smith, omtalt ovenfor) 1J -2 og eftersomΓ varierer som λ , mener vi, at den ovenstående antagelse er gyldig for optisk transmission ved anvendelse af de fleste lavdisparitets- (eller uligheds)-liniekoder ved bithastigheder på et hundrede Mbit/s eller højere. (Bemærk, 2q at selv for en balanceret kode, kan m afvige fra 1/2, hvis der anvendes "return-to-zero" eller anden form for special teknik). Den anden antagelse er, at α >> v 1 .Vi observerer, at dette ser ud til at være tilfældet for lavtabssili-cafibre, f.eks. gælder der a ^-8,7 km ved 1,3 m (for 0,5 25 dB/km tab) og v Γ ^ -23,5 m. Disse forenklende antagelser, gør det muligt at opnå nøjagtige analytiske løsninger af integralligningen 2.5 udtrykt ved m.

fo, at betragte forskellige former for modulation, såsom am-3g plitude-, fase- og frekvensforskydningsmodulation, begynder vi med at separere amplitude og fasefluktuationerne for indgangsfeltet,

El (0,t) = El0 a(t) exp[i0(t)3 (2·6) 35 hvor er konstant, og a og 0 er reelle og kontinuerte funktioner. Ligning (2.5) løses for at finde forstærkningsfaktoren G, hvor

DK 161928 B

20 ln ί Es (0,r)/Es(z,r) i 2 = Gze - az (2.7) CBS tærskelværdien kan findes i hvert tilfælde, og eftersom z - 3 a-^ bliver tærskelværdikriteriet (2.3) 5 ° G a _1 £21 (2·8) I det tilfælde, hvor der ikke er nogen modulation, antager vi, at 6LOl*.-^W (2-9) Γ ne0cr \ A / hvor er lasereffekten indsendt i fiberen, og A er det effektive areal af den udbredte bølgetype. Dette er i over-*·5 ens stemme Ise med ligningerne (2.1) og (2.2) for (dp */ckr)-*0.

I det tilfælde, hvor der er en amplitude modulation bestemt af 20 a(t) = 1 - [l-m(t)] [ l-(l-ka)l/2] (2.10) hvor ka er dybden af intensitetsmodulationen (0<ka^100%), anger vi, at 25 G = [ m + (1-m) <l-ka) 1/2 ] 2 Gss (2.11) hvor Gss er givet ved (2.9), og hvor P[_ i dette tilfælde re præsenterer spidseffekten, som indsendes i fiberen.

30

Middeleffekten er [m+(l-m) (l-ka)] P|_)·

Ifølge (2.11) er G mindst for ka = 100¾. I dette tilfælde er G=Gssm-2 og m er laser "duty" faktoren (der typisk er 0,5 (dvs. at laseren er i drift i 50% af tiden)).

35 I tilfælde af at der er fasemodulation bestemt ved a(t) = 1 (2.12) 0(t) = k [m(t)-m ]

DK 161928 B

21 hvor kp er den modulerede faseforskydning, antager vi, at 5 G = [l-2m (1-m ) (1-cos k )] G (2.13) P ss for specielle værdier af faseforskydningen k , går G imod Γ nul. Hvis m = 1/2 er G f.eks. nul for k = (2η+1)·π·, ir 10 hvor n = 0, 1, 2 ... Vi postulerer, at for denne værdi af m og for disse værdier kp, kan SBS undertrykkes for at tillade hc-iere effekter at blive indsendt i fibre.

Vi betragter nu det tilfælde, hvor der ^nyendes frekyensmpdula- tion bestemt ved 15 a (t) =1 0(t) = kf [m(t)-m ] dt (2.14)

; vor kf/2ir er den modulerede frekvensforskydning (Hz) , som 20 E

til praktiske anvendelser må være mindst lige så stor som bit-hastigheden. Vi har her frit valgt den Fourier-frekvens for hvilken tidsmiddelværdien af 0(t) er nul, eftersom den tilsvarende Stoke-bølge frekvenser er den, som viser den stør-25 ste SBS-forstærkning. I ligningen (2.14) i modsætning til lig ningerne for amplitude- og faseforskydningsmodu1 kat ionen afhænger den modulerede parameter af forhistorien for datastrømmen og af kodningsstatistikken. Hvis p($)diif svarer til sandsynligheden for, at fasevinkeln ø (t) på et hvilket som 30 helst specielt tidspunkt ligger i intervallet ψ,ψ + di|»(-7r < ψ ζ n), og ved anvendelse af ligningen (2.14), antager vi (under hensyntagen til ligning (2.5) at G = PP*GSS (2.15) 36 hvor ir P = / p (ψ) exp (1ψ) άψ (2.16) -v

DK 161928 B

22

Hvis m(t) f.eks. er en enheds-firkantbølge med perioden 2/B og 5 repræsenterer datasekvensen 010101 hvor B er bit-hastig heden og M = 1/2, antager vi, at P = sinc(kf/2B). Vi antager det generelt, da G - Gss, når kf - = 0 i dette eksempel, og at G - 0 for kf/2B>>l. Vi foreslår at opnå undertrykkelsen af SBS ved at anvende en til strækkel i g stor frekvensforskydning kf, 10 og mener at SBS-forstærkningen ville være generelt lavere ved anvendelse af en høj-disparitetskode sammenlignet med en balanceret kode, hvis faseudsving (14) ligger indenfor mere snævre grænser.

15 Idtrykt mere kvalitativt postuleres, at for at en mærkbar SBS

skal opstå, må det optiske felt kunne opbygge (ved elektro-striktion) en stærk kohærent akustisk bølge inden for henfalds-tiden Γ I tilfælde af amplitudemodulation mener vi, at de optiske impulser er additive i deres virkning ved genere-20 ringen af en kohærent akustisk bølge. I tilfælde af fasemodulation og under forudsætning af, at en passende faseforskydning vælges, antager vi, at den nettoakustiske excitation, som frembringes af det optiske felt, vælges som nul ved at sikre, at den akustiske excitation, som frembringes 25 af feltet i de tidsperioder, der repræsenterer det binære ciffer nul, modvirkes af det faseforskudte felt i de perioder, der repræsenterer cifret et (i det tilfælde hvor m = 1/2, er de optiske felter i de perioder, der repræsenterer nul og et i nøjagtig modfase). På tilsvarende måde ved frekvensmodula-30 tion, under forudsætning af, at frekvensforskydningen er r„ „lstrækkelig stor, mener vi, at de kontinuerlige fase-i idringer af det optiske felt kun vil medføre en lille netto akustisk excitation, og at SBS således undertrykkes.

3 c

Det foreslås følgelig, trods de meget lave tærskelværdier for SBS som nylig er blevet observeret i lav-tabs-silicafi-bre ved anvendelse af kontinuerte lasere, at kohærente optiske transmissionssystemer konstrueres til at anvende mo-

DK 161928 B

23 dulationsteknik, som vil eliminerer enhver praktisk begrænsning af effektniveauerne og afstandene mellem repeatersta-tionerne på grund af SBS. Mens SBS-tærskelværdien for amplitudemodulerede anlæg kun afviger med en mindre nummerisk 5 faktor fra tilfældet med den kontinuerte bølge,kan valget af passende driftparametre for fase-og frekvensmodulerede systemer undertrykke SBS i en sådan grad, at det ikke længere udgør en væsentlig begrænsning.

I det følgende betragtes det tilfælde, hvor et laserfelt indsendes i fiberen, og hvor feltet består af to optiske frekvenser adskilt af Avm og med samme amplitude \ EQ. Spek-tralbredden for hver linie antages at være lille sammenlignet med Δν ,, som er den spontane Brillouin sprednings linie-15 bredde (FWHM) ved omgivelsestemperaturen. Fourier-amplituden for det totale indgangs-laserfelt, som funktion af tiden, er givet ved EL(t) ' = Eo cos (^vmt +8) (3.1) 20 hvorΘer en konstant. Hvis der indsættes i de tidligere opgivne koblede bølgeligninger for det elektriske felt og densitetsbølgen i fiberen, er resultatet et udtryk for SBS-for- stærkningskoefficienten.

25 G = Gss AVB (3.2) 2 [AVj + 3o hvor Ggs er forstærkningskoefficienten for den SBS, som ville blive frembragt af en én-frekvens-laser med feltstyrkeamplituden Eq. En antagelse i denne beregning er Δν^>>αν, hvor V er den optiske gruppehastighed, og α er effektabsorptionskoefficienten. Bemærk også, at α ^ er den effektive vekselvirkningslængde for SBS. Vi gør opmærksom på, at når stød-3 5 frekvensen Avm er meget større end Δν&, reduceres forstærkningen G. Eftersom SBS-tærsklen er omvendt proportional med G (jvf. oven for og R.G. Smith omtalt oven for),forøges tær- 21

DK 161928B

skelværdien tilsvarende. Vi mener, at dette sker, fordi fasen gennemgår ændringer på ir med en hastighed lig med beat-frekvensen i overensstemmelse med Fourier-amplituden for laserfeltet i fiberen. For at en markant SBS skal opstå, må la-5 serfeltet kunne opbygge (ved elektrostriktion) en stærk kohærent akustisk bølge inden for tiden Δν^1 (dephasing time).

Men hvis de optiske fasevendinger sker oftere end den spontane akustiske affasning,er den akustiske bølge ude af stand til at opbygge en stor amplitude, og således er SBS 10 forstærkningen mindre. (Den tilsyneladende faktor på 2, der udgør en uoverensstemmelse mellem G og G i begrænsningen

Avm <<Δν i ligning (2), stammer fra vores antagelse, at S

hvm»aV).

15 Den spontane Brillouin-liniebredde i silicafibre er 38,4 MHz -2 ved bølgelængden λ = 1,0 μιη og varierer som λ (se D. Hei-man et al, "Brillouin scattering measurements on optical glasses", PhysG Rev., 1979, B19, siderne 6583-6592), derfor er værdierne ved λ = 1,3 og 1,55 ym henholdsvis 23 og 16 20 MHz. Vi foreslår derfor, at stedfrekvenserne åvm skal være i hvert fald nogen gange ti megahertz for at opnå en i praksis interessant undertry) v.else af SBS. For fibre med tab på 1 dB/km eller mindre, er α mindre end 2 x 10-4 mf1 og den tidligere antagelse, at Avm >>aV er således rigelig 25 opfyldt.

Undertrykkelsen af SBS forventes imidlertid at blive mindre effektiv for meget store værdier af Δν . I denne henseende m skal det bemærkes, at forskellen mellem phononfrekvenserne 30 svarende til de to laserfrekvenser skal være meget mindre end Δνβ for at sikre en fuldstændig bølgekobling, og således

2V /[V

35 ---5L (η-λ dn/dA) <<· Δνβ (3.3) 0 25

DK 161928B

hvor V er den akustiske hastighed og λ er den optiske bøl- d gelængde. Indsættes typiske værdier for silicafibre (n = 1,5, V = 6 x 103 m.s _1, Δν„ = 16 MHz, λάη/άλ = 0,02)

cl D

5 betyder det, at vi forlanger, at Avm << 270 Ghz, hvilket er opfyldt for &\>m, når den ikke overstiger nogle få gange ti gigahertz.

I princippet er der en anden faktor, som kan føre til en 10 mindre effektiv undertrykkelse af SBS for meget høje værdier af Δν^. Så længe forskellen i gruppeforsinkelser for de to frekvenser er lille sammenlignet med den minimale impulslængde, forventes impulsoverlap for de to frekvenser (og dermed en stødvirkning mellem bølgetyperne) at opstå i 15 hele fiberen længde. Men for meget høje værdier af Δνπι kan det være, at man i princippet ikke opnår det på grund af dispersion. Dette synes dog imidlertid ikke at være af stor praktisk vigtighed, således som det kan ses af tilfældet med en 300 km lang silicafiber, der anvendes ved en 20 bølgelængde på 1,55 ym,og for hvilken gruppehastighedsdispersionen er 20 ps/nm/km. Hvis beatfrekvensen Avm er 1 GHz, er den beregnede forskel i gruppeforsinkelse for de to frekvenser kun 50 ps.

25 Vi gør opmærksom på, at selv for en lang fiber af den art, der er beskrevet i eksempel 4 oven for, vil SBS-tærskelvær- dien for åvm = 1 GHz typisk ligge over 15 W.

I vores ovennævnte analyse indgår den antagelse, at den 30 umodulerede laserliniebredde er lille sammenlignet med Γ.

Dette indbefatter interesseområdet for kohærent optisk transmission. For SBS frembragt ved inhomogent udbredte kilder, vil en statistisk behandling af den stimulerede lysspredning være nødvendig.

De følgende beregnede eksempler illustrerer den teoretiske model for den foreliggende opfindelse.

35 26

DK 1619 2 8 B

Eksempel 1

En silicafiber har følgende egenskaber (alle tal er tilnærmede værdier): 5

Optisk absorptionskoefficient, 4 ""i - i α ved 1,3 ym = (1,1 x 10 ) m 10 hvor α er defineret som ~ ln(P_/P ), hvor P_ og P er lysef-fekterne henholdsvis i afstanden 0 og z fra fiberens begyndelsesende målt langs fiberen i udbredelsesretningen og uden ulineære effekter.

15

Massefylde, p - 2,21 x 10^ kg m ^ ° 3-1

Lydhastighed i koren, Va = 6,0 x 10 m sek.

Brydningsindeks for koren, = 1,47 Bølgetypeareal for en udstråling 20 -112 på 1,3 ym,A = 1,4 X 10 m , hvor A = P/I , I er den maksimale lysintensitet i ko-max max rens centrum for en lyseffekt P uden ulineære effekter.

25

Den longitudinale elasto-optiske koefficient, p12 = 0,27, hvor P12 er defineret i J. Saprial, "Acousto-Optics", kapitel V, Wiley (1979).

Den stimulerede Brillouin sprednings liniebredde ved 30 1,3 ym er Γ= 7,1 x 10^ rad s \ 35 hvor Γ er konstanten i ligning (2.2) i det følgende. (Γ styrer den hastighed, hvormed en densitetsbølge henfalder uden ekstern stimulering (EL = 0 i ligning (2)) ifølge

DK 161928 B

27 ff--ry 5 Dette er i detaljer omtalt f.eks. i W. Kaiser og M. Maier, "Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman Spectroscopy",

Laser Handbook Volume 2, red. F.I. Arrecchi og E.O. Schulz-Dubois (Nordholland, Amsterdam, 1972) siderne 1077-1150).

j0 I 30 km af denne fiber, indsendes fasemodulerede lyssignaler med en bølgelængde på 1,3 ym. Liniebredden for den umodule-rede lyskilde er mindre end 1 MHz, og den i fibren indsendte effekt er 100 mW. Transmissionen af en binær datastrøm givet ved en modulationsfunktion m(t), som kan antage værdierne, 15 0 og 1 foregår på en sådan måde, at middelværdien af m for modulationsfunktionen er tæt på 1/2 selv i løbet af tider kortere end Γ-1. Bithastigheden for transmissionen er 1 GBit s-1, og der anvendes en moduleret fase k^ på 180°. Der observeres en negligerbar stimuleret Brillouin-spredning.

20 I dette eksempel er lyskildeeffekten og liniebredden samt fiberegenskaberne og længden som i eksempel 1, men den binære datastrøm afsendes med frekvensmodulation på en sådan måde, at m igen er tæt på 1/2 selv over tider, der er kortere end Γ"1.

25 Bithastigheden for transmissionen er 140 MBit s”l, og der anvendes en moduleret ("keyed") frekvensforskydning på 8 GHz.

Der observeres en negligernar stimuleret Brillouin-spredning.

Eksempel 3 30

Eksempel 2 gentages med en bithastighed på 1 GBit s"l og en moduleret ("keyed") frekvensforskydning på 35 GHz. Igen observeres en negligibel stimuleret Brillouin-spredning.

35 Eksempel 4 I dette eksempel har den anvendte silicafiber, når den er udformet som kabel og er forbundet, et tab uden ulineær ef-

Claims

1. Fremgangsmåde til at transmittere lys langs en lysledende fiber, ved hvilken fremgangsmåde der i fiberen indsendes en høj-effekt lysbølge, der stammer fra en eller flere kilder med en smal liniebredde, kendetegnet ved, at lysbølgen 25 har en fasevinkel, som varierer med tiden på en sådan måde, at en stimuleret Brillouin-spredning i det væsentlige undertrykkes .

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1 til at transmittere informa-30 tion, kendetegnet ved, at lysbølgen er en bærebølge, som moduleres svarende til den information, som skal transmitteres, idet fasevinklen af den modulerede bærebølge varierer med tiden på en sådan måde, at en stimuleret Brillouin-spredning i det væsentlige undertrykkes. 35

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2 til at transmittere digital information med høje bit-hastigheder, k e n d e t e g n e t DK 161928 B ved, at lysbærebølgen moduleres med en binær faseforskydning (PSK = Phase shift keying) svarende til den information, som skal transmitteres, idet størrelsen af de modulerede faseforskydninger er (2n + 1)π eller tilstrækkelig tæt derpå til, at 5 en stimuleret Bri 11ouin-spredning i det væsentlige undertrykkes (n = 0 eller et helt tal).

4. Fremgangsmåde ifølge krav 2 til at transmittere digital information med høje bit-hastigheder, k e n d e t e g n e t 10 ved, at lysbærebølgen moduleres med en frekvensforskydning (FSK frequency shift keying) svarende til den information, som skal transmitteres, idet størrelsen af den modulerede frekvensforskydning er tilstrækkelig stor til at en stimuleret Bri 11ouin-spredning i det væsentlige undertrykkes. 15

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at frekvensforskydningsmodulationen er en binær frekvensforskydningsmodulation (FSK = eng. frequency shift keying).

6. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 3-5, kendetegnet ved, at informationen transmitteres med en bit-hastighed på mindst 100 MBit/s.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, 25 at kilden eller kilderne frembringer bølger af forskellige frekvenser, og at ændringen af fasevinklen opnås ved addition af disse.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, 30 at bølgerne med forskellige frekvenser frembringes samtidig i en enkelt kilde eller i hver kilde blandt flere kilder.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 7 eller 8, kendeteg net ved, at hver kilde er en laser, og at bølgerne er for- 35 skellige longitudinale bølgetyper for laseren.

10. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 7-9, kendetegnet ved, at modulationen svarende til in- DK 161928B formationen, som skal transmitteres, er en ampi i tudemodulation.

10 Med en modtagerfølsomhed på -60 dBm (passende for en 10"9 fejlrate - se Y. Yamamoto, "Receiver Performance evaluation of various digital optical modulation-demodulation systems in the 0. 5.10 ym wavelength region", IEEE J. Quant. Elec., 1980, QE-16, siderne 1251-1259). forventes at dette vil tillade da- 15 tatransmission over afstande på ca. 300 km uden anvendelse af repeaterstationer. Patentkrav. 20

11. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 2-10, 5 kendetegnet ved, at modulationen svarende til in formationen, som skal transmitteres, foretages ved styring af den eller de pågældende kilder.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2 til transmission af 10 information, kendetegnet ved, at kilden eller kilderne frembringer bølger med forskellige frekvenser, og at mindst en af bølgerne er en lysbærebølge, som fase- eller fre-kvensmoduleres svarende til den information, som skal transmitteres, og at mindst en af de andre bølger er en reference-15 bølge, hvis fasevinkel varierer med tiden på en sådan måde, at en stimuleret Brillouin-spredning for bølgen i det væsentlige undgås.

13. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved 20 det i krav 7, 8 eller 9 angivne.

14. Fremgangsmåde til transmission og modtagelse af information, kendetegnet ved, at informationen transmitteres ved en fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 25 2-12, og at signalet, som udgår fra fiberen, modtages, detekt- eres kohærent og demoduleres.

15. Transmissionsanlæg omfattende en eller flere lyskilder (1) med en smal liniebredde og en lysledende fiber (4), k e n - 30 detegnet ved, at kilden eller kilderne er indrettet til i fiberen (4) at indsende en lysbølge med en høj effekt, hvis fasevinkel varierer med tiden på en sådan måde, at stimuleret Bri1louin-spredning i det væsentlige undertrykkes.

16. Transmissionsanlæg ifølge krav 15 til transmission af information og med modulationsorganer, kendetegnet ved, at kilden eller kilderne (1) og modulationsorganerne er DK 161928 B indrettet til i fiberen at indsende en i nformationsmodu1eret lysbærebølge med en høj effekt, hvis fasevinkel varierer med tiden på en sådan måde, at stimuleret Brillouin-spredning i det væsentlige undertrykkes. 5

17. Transmissionsanlæg ifølge krav 16 til transmission af information med en bithastighed, og hvor modulationsorganerne omfatter PSK-faseforskydn i ngsmodula t ionsorganer (phase-shift-keying), kendetegnet ved, at kilden eller kilderne 10 (1) og PSK-faseforskydningsmodu1 at i onsorganerne er indrettet til i fiberen at indsende en lysbærebølge med en høj effekt, som er binært faseforskydningsmoduleret og med en moduleret faseforskydning på (2n + 1)π, hvor n er nul eller et helt tal, eller af en værdi, der er tilstrækkelig tæt derpå til, at en 15 stimuleret Brillouin-spredning i det væsentlige undertrykkes.

18. Transmissionsanlæg ifølge krav 16 til transmission af information med en høj bithastighed, kendetegnet ved, at modu-lationsorganerne omfatter FSK-frekvensforskyd- 20 ningsmodulati onsorganer, og at kilden eller kilderne (1) og FSK-frekvensforskydningsmodulationsorganerne er indrettede til i fiberen (4) at indsende en bærebølge af lys med en høj effekt, der er frekvensforskydningsmodu1eret med en hoj bithastighed og med moduleret frekvensforskydning, der er tilstræk-25 kelig stor til at en stimuleret Bri 11ouin-spredning i det væsentlige undertrykkes.

19. Transmissionsanlæg ifølge krav 17, kendetegnet ved, at kilden eller kilderne (1) er indrettet til at frem- 30 bringe bølger med forskellige frekvenser, ved addition hvilke der opnås en variation af fasevinkelen.

20. Transmissionsanlæg ifølge krav 19, k e n d e t e g n e t ved, at en enkelt kilde (i) eller hver kilde blandt flere k i ] - 35 der (1) er indrettet til at frembringe bølger med forskellige frekvenser. DK 161928 B

21. Transmissionsanlæg ifølge krav 20, kendetegnet ved, at hver kilde (1) er en laser, som er indrettet til at arbejde samtidigt på forskellige longitudinale bølgetyper.

22. Transmissionsanlæg ifølge et eller flere af kravene 19-21, kendetegnet ved, at modulationsorganerne er amplitudemodulerende organer.

23. Transmissionsanlæg ifølge et eller flere af kravene 16-22, 10 kendetegnet ved, at modulationsorganerne styrer kilden (1) eller kilderne (1).

24. Transmissionsanlæg ifølge krav 15, kendetegnet ved det i krav 19, 20 eller 21 angivne. 15

25. Kommunikationsanlæg, kendetegnet ved, at det omfatter et transmissionsanlæg ifølge et eller flere af kravene 15-24 og omfattende modtagerorganer indrettet til kohærent at detektere signaler, som forlader fiberen (4) ved en posi- 20 tion i afstand fra lyskilden (1).

26. Transmissionsanlæg ifølge et eller flere af kravene 16-25, kendetegnet ved, at fiberen (4) er en silicafiber med et tab, som ikke overskrider 0,5 dB/km ved arbejdsbølge- 25 længden og med en længde på mindst 10 km. 30 35