DE60106860T2

DE60106860T2 - Modulierungsschema und Übertragungssystem für NRZ-Signale mit links- und rechtsseitiger Filterung

Info

Publication number: DE60106860T2
Application number: DE60106860T
Authority: DE
Inventors: Sebastien Bigo; Yann Frignac; Wilfried Idler; Dr. Eugen Lach
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: EP1233562B1; US7319823B2; EP1233562A1; CN1262084C; US20020109888A1; CN1371193A; DE60106860D1; ATE281721T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Übertragung digitaler Daten mit optischen Mitteln. Es betrifft spezieller die Übertragung mit hohen Bitraten auf optischen Weitverkehrsstrecken auf der Grundlage von Wellenlängen-Multiplex (WDM).
Spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein Modulationsschema für ein Signal, das über eine WDM-Übertragungsleitung mit abwechselnder linksseitiger und rechtsseitiger Filterung für benachbarte Kanäle am Empfänger übertragen wird, wobei die Kanäle den abwechselnden Abstand von A und B haben und die Kanäle für die rechtsseitige Filterung mit einem Modulator mit positivem Chirp moduliert werden und die Kanäle für die linksseitige Filterung mit einem Modulator mit negativem Chirp moduliert werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Übertragungssystem mit einer Senderfunktion, einer Übertragungsfaser und einer Empfängerfunktion: Hierbei umfasst die Senderfunktion Laserquellen, externe Modulatoren und einen Multiplexer, während der Empfänger mindestens einen Demultiplexer, Filter und Empfänger enthält, und die Kanäle für die linksseitige Filterung mit Modulatoren mit negativem Chirp moduliert werden und die Kanäle für die rechtsseitige Filterung mit Modulatoren mit positivem Chirp moduliert werden.
Auf der Senderseite wird jeder Kanal moduliert, indem er in einen Modulator mit einem gegebenen Chirp eingespeist wird. Im Vergleich zu einer chirp-freien Einrichtung (Chirp Null) entspricht die Verwendung eines Modulators mit negativem Chirp dem Durchlaufen eines kleinen Faserabschnittes mit einer negativen Dispersion (z.B. einer DCF-Faser). Umgekehrt entspricht die Verwendung eines Modulators mit positivem Chirp dem Durchlaufen eines kleinen Faserabschnittes mit einer positiven Dispersion (z.B. einer Standard-Einmoden-Faser G652).
Nach der Modulation besteht das optische Spektrum eines gegebenen Kanals aus einem Träger und zwei optischen Seitenbändern neben dem Träger. Das Seitenband mit der kleineren Wellenlänge wird als "linksseitig" bezeichnet, und das Seitenband mit der größeren Wellenlänge wird als "rechtsseitig" bezeichnet.
Bei einem solchen Übertragungsverfahren wird ein optischer Sender verwendet, der über die Faser mit einem optischen Empfänger verbunden ist. Der Sender moduliert im Allgemeinen die Leistung einer optischen Trägerwelle eines Laser-Oszillators als Funktion der zu sendenden Information. Die NRZ- oder RZ-Modulation wird sehr häufig verwendet, und umfasst die Änderung der Leistung der Trägerwelle zwischen zwei Pegeln: einem niedrigen Pegel, der einer Auslöschung der Welle entspricht, und einem hohen Pegel, der einer maximalen optischen Leistung entspricht. Die Änderungen der Pegel werden zu Zeiten ausgelöst, die durch eine Taktrate vorgegeben sind und die definiert, wann den zu sendenden Binärdaten zugeordnete, aufeinander folgende Zeit-Zellen zu senden sind. Per Übereinkunft entsprechen die geringen und hohen Pegel den Binärwerten "0" und "1". Die maximale Übertragungsentfernung wird im Allgemeinen durch die Fähigkeit der Empfänger begrenzt, diese beiden Leistungspegel fehlerfrei zu erkennen, nachdem die modulierte Welle sich in der optischen Verbindung ausgebreitet hat. Der übliche Weg, diese Entfernung zu erhöhen, ist die Erhöhung des Verhältnisse zwischen der mittleren optischen Leistung der hohen Pegel und der der geringen Pegel, wobei dieses Verhältnis das "Extinktionsverhältnis" definiert, das eine der charakteristischen Größen der Modulation ist.
Für eine gegebene Entfernung und ein gegebenes Extinktionsverhältnis ist die Informations-Bitrate durch die in den Fasern erzeugte chromatische Dispersion begrenzt. Die Dispersion tritt auf, weil der effektive Brechungsindex der Faser von der Wellenlänge der übertragenen Welle abhängt und hat zur Folge, dass die Breite der gesendeten Impulse sich erhöht, wenn sie sich entlang der Faser ausbreiten. Dieses Phänomen wird durch den Dispersionskoeffizienten D der Faser charakterisiert, der als Funktion der Ausbreitungskonstanten β durch die Gleichung D = – (2πc/λ²)d²β/dω² definiert ist, wobei λ und ω die Wellenlänge, bzw. die Kreisfrequenz der Welle sind. Der Wert und das Vorzeichen des Dispersionskoeffizienten D sind vom Typ der Glasfaser und von der Übertragungswellenlänge abhängig. Zum Beispiel ist für die regelmäßig verwendeten "Standard"-Einmoden-Fasern und für λ = 1,55μm der Koeffizient D positiv und hat den Wert von 17 ps/(nm.km). Im Gegensatz dazu ist der Koeffizient D für λ = 1,30 μm Null. Der Koeffizient D kann allgemein positiv, Null oder negativ sein, abhängig von der Wellenlänge und dem Typ der verwendeten Faser.
Wenn der Koeffizient D einen Wert ungleich Null hat, wurde bereits vorgeschlagen, um das Phänomen der Impulsverbreiterung im Fall von NRZ- oder RZ-Modulation zu kompensieren, die Phase φ (und daher die Frequenz oder die Kreisfrequenz) der Trägerwelle auf eine Weise zu modulieren, die der Modulation der Leistung entspricht. Die Phase φ entspricht der Übereinkunft, wonach das elektrische Feld der Trägerwelle als Funktion der Zeit t durch einen komplexen Ausdruck des Typs Ap exp (jω₀t) dargestellt wird, und das Feld einer gesendeten Welle S einer Amplitude A wird durch S = A exp [(j(ω₀t+φ)] dargestellt. Hierbei ist ω₀ die Kreisfrequenz der Trägerwelle und φ ist die Phase der gesendeten Welle.
Um es präziser auszudrücken, muss um die chromatische Dispersion zu kompensieren, wenn der Koeffizient D positiv ist, die Phase an den steigenden Flanken der Impulse verringert und an den fallenden Flanken erhöht werden. Die modulierte Welle wird dann als mit einem transienten negativen "Chirp" versehen bezeichnet. Wenn im Gegensatz dazu der Koeffizient D negativ ist, muss die Phasenmodulation umgekehrt werden, und der transiente "Chirp" ist positiv.
Es wird ein transienter "Chirp"-Parameter α eingeführt, um diese Modulation zu kennzeichnen, und er wird durch die Gleichung α = 2P(dφ/dt)/(dP/dt) definiert, wobei P die Leistung der modulierten Welle und φ ihre Phase in Radiant ist.
Für die oben erwähnten Standard-Fasern und für Werte von λ in der Nähe von 1,55μm muss der Wert des Parameters α zum Beispiel konstant und im Wesentlichen gleich –1 sein, wenn α näherungsweise als konstant betrachtet wird. In einem optimierten System kann der Chip des Modulators die chromatische Dispersion der Faser kompensieren.
Das Problem des Chirps einer Laserquelle kann bis zu einem gewissen Grad durch Einsatz eines externen Modulationsverfahrens gelöst werden. Neben anderen externen Modulatoren zeigt ein Modulator vom Absorptions-Typ im Vergleich zu Halbleiter-Lasern einen geringeren Chirp, jedoch nicht Null. Wenn andererseits ein Mach-Zehnder-Modulator, der die optische Interferenz als Operationsprinzip benutzt, als externer Modulator verwendet wird, der mit einem Gegentakt-Modulationschema arbeitet, kann der Wellenlängen-Chirp theoretisch vollständig beseitigt werden. Demgemäß wird erwartet, dass Mach-Zehnder-Modulatoren die wichtigsten externen Modulatoren für den Einsatz in optischen Kommunikationssystemen mit extrem hoher Datenrate und großen Entfernungen sein werden.
Einige Mach-Zehnder-Modulatoren haben dielektrische Substanzen, wie z.B. LiNbO₃. Andererseits werden Halbleiter-Mach-Zehnder-Modulatoren gegenüber Mach-Zehnder-Modulatoren vom dielektrischen Typ als vorteilhaft angesehen, da sie mit optischen Elementen, wie Halbleiter-Lasern oder optischen Halbleiterverstärkern und elektrischen Elementen, wie FETs integriert werden können, und kleinere Abmessungen und einen geringeren Leistungsverbrauch haben.
Ein Mach-Zehnder-Modulator dieser Art enthält eine Interferometer-Struktur mit einem optischen Eingangs-Wellenleiter, der sich in zwei Teile aufteilt, die so kombiniert werden, dass sie einen Ausgangs-Wellenleiter bilden. Elektroden legen elektrische Felder an die beiden Zweige an. Der Halbleiter-Mach-Zehnder-Modulator verwendet im Allgemeinen Änderungen im Brechungsindex, die durch eine Rückwärtsspannung erzeugt werden, die an einen PN-Übergang angelegt wird. Wenn der optische Eingangs-Wellenleiter eine Trägerowelle mit konstanter Leistung empfängt, breiten sich zwei Teilwellen in den beiden Zweigen aus und überlagern sich dann am Ausgang. Der Ausgangs-Wellenleiter liefert dann eine Welle, deren Leistung und Phase von den Werten der an die Elektroden angelegten elektrischen Steuerspannungen abhängig ist. Phasenverschiebungen von ungefähr 180° können zu den Zeiten erzeugt werden, wenn die Momentanleistung der gesendeten Welle Null ist.
Wenn das modulierte Steuersignal nur an eine der Elektroden angelegt wird, und die andere Elektrode eine feste Vorspannung erhält, weist das vom Modulator ausgegebene optische Signal einen transienten, von Null verschiedenen "Chirp" auf, der positiv oder negativ sein kann, abhängig von der Sequenz der Binärdaten und davon, ob es sich um eine steigende oder fallende Flanke handelt.
In US 6,122,414 zeigen Experimente, dass mit der Gegentakt-Modulation wegen der Impuls-Komprimierung eine kleine Verzerrung des Signals und somit eine Halbwertsbreite erzielt wird, die besser als bei der Einzel-Arm-Modulation ist. Aus diesen Ergebnissen wird berücksichtigt dass mit der Gegentakt-Modulation im Vergleich zur Einzel-Arm-Modulation eine doppelte oder dreifache Übertragungsentfernung erzielt werden kann.
Ein im Gegentakt angesteuerter Halbleiter-Mach-Zehnder-Modulator erfordert im Allgemeinen ein Paar Treiber zum Anlegen der Ansteuerspannung an Elektroden der entsprechenden Phasenmodulatoren und einen Zeitsteuerungs-Generator, um die Phasenmodulatoren exakt mit entgegengesetzten Phasen anzusteuern. Es ist schwierig, die Zeitsteuerung durch den Zeitsteuerungs-Generator exakt zu justieren, speziell bei höheren Frequenzen, zum Beispiel über 2,5 GBit/s, so dass der Betrieb der Phasenmodulator-Arme bei so hohen Frequenzen sich als schwierig erweist.
Die Erfindung löst die Probleme der Übertragung mit hoher Bitrate, die mindestens höher als 10 GBit/s ist, durch Verwendung eines Einzel-Arm-Modulators zur Modulation und gleichzeitig eines optimierten Modulationsverfahrens zur Reduktion der Bandbreite.
Ein als VSB (Vestigal Side Band Modulation, Restseitenband-Modulation) bekanntes Modulationsverfahren wird in "5.12 Tbit/s Transmission over 3×100km of Teralight fiber", Bigo, S. et al. Beitrag PD2, Seite 40–41, ECOC 2000 und in der Veröffentlichung BIGO, S. et al. "Multiterabit/s transmission over Alcatel Teralight Fiber", Alcatel Telecommunication Review, 2000, Seite 288–296 erläutert. Die beiden Seitenbänder eines NRZ-Spektrums enthalten im Allgemeinen redundante Informationen. Es ist daher verlockend, eines von ihnen herauszufiltern, um den spektralen Wirkungsgrad zu erhöhen, ein als VSB bekanntes Verfahren. VSB ist jedoch im Sender schwierig zu implementieren, da sich die unterdrückten Seitenbänder durch Faser-Nichtlinearitäten schnell wieder aufbauen. Somit wird eine VSB-Filterung auf der Empfängerseite vorgeschlagen.
Ein Prechirping über das gesamte WDM-Spektrum ist zur Kompensation der chromatischen Dispersion bekannt. Aus EP0901244 ist auch bekannt, einzelne WDM-Kanäle mit einem Prechirp zu versehen, um die Selbst-Phasenmodulation zu kompensieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Lösung der Erfindung umfasst ein VSB-Filter-Verfahren mit alternierender Seitenband-Filterung für eine beste Verwaltung der Bandbreite. Die benutzte Bandbreite bei einem Übertragungssystem mit einem VSB-Filter-Verfahren sinkt drastisch ab. Die Lösung benutzt das Chirp-Verhalten der sehr schnellen Modulatoren und erhöht die Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems.
Die Lösung der Erfindung für das Übertragungssystem hat den Vorteil, dass die Kombination der rechtsseitig gefilterten Kanäle mit Modulatoren mit positivem Chirp und der linksseitig gefilterten Kanäle mit Modulatoren mit negativem Chirp die beste Leistungsfähigkeit zeigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 Spektrum von benachbarten Kanälen in DWDM
2 Restseitenband-Filterung für nicht äquidistante Kanäle
3 Übertragungssystem mit Modulatoren mit Chirp
4 Übertragungssystem mit zweistufigem Kanal- Demultiplex
5 Spektrum von VSB-Kanälen
6 Experimentelle Ergebnisse für die VSB-Übertragung und Filterung: Optimale restliche chromatische Dispersion als Funktion der Kanalzahl.
Das Spektrum eines intensitätsmodulierten Signals ist symmetrisch zur Trägerfrequenz der Wellenlängen-Kanäle. In 1 wird der Träger durch eine Linie markiert. Die rechte und die linke Seite des Signals enthalten im Allgemeinen dieselbe Information. In den überlappenden Bereichen, die durch einen Pfeil markiert sind, kann die Information eines Kanals nicht mehr deutlich von der Information der Nachbarkanäle unterschieden werden. Für den Fall, dass sich der Kanalabstand verringert, erhöht sich der Überlappungsbereich.
2 zeigt eine Kanalverteilung, die nicht äquidistant ist Die ersten beiden Kanäle CH 1 und CH 2 sind durch den Spektralabstand A getrennt. Der Abstand zum nächsten Kanal CH3 ist dann B. Dann werden Kanalpaare übertragen, die einen größeren Abstand haben als die Kanäle untereinander. Nun filtert die Filterfunktion F die linke Seite von Kanal CH1 und die rechte Seite von Kanal CH2. CH3 wird wieder linksseitig gefiltert, und CH4 auf der rechten Seite. In einer bevorzugten Ausführung können die Werte von A und B so gewählt werden, dass die Filterfunktionen ihre Maxima mit einem Abstand von C haben, der von einem Kanal zum anderen konstant ist. Die Bandbreite kann auf optimale Weise genutzt werden.
Eine erste Ausführung der Erfindung ist in 3 gezeigt. Die Senderfunktion ist mit Lasern 1 realisiert, die an Modulatoren 2 angeschlossen sind. Die Modulatoren haben abwechselnd positiven oder negativen Chirp und sind an einen Multiplexer 3 angeschlossen. Der Multiplexer ist an die Übertragungsleitung 4 angeschlossen. Die Empfängerfunktion wird mit einem Demultiplexer 5 realisiert, der an die Übertragungsleitung 4 und an die Filter 6 angeschlossen ist. Die Filter sind mit den Empfängern 7 verbunden.
Ein erster Wellenlängen-Kanal wird von Laser 1 gesendet. Dieser Kanal wird durch einen externen Modulator 2 moduliert. Für hohe Bitraten ist ein Einzel-Arm-Modulator der bevorzugte Modulator. Einzel-Arm-Mach-Zehnder-Modulatoren (der einzige heute für 40 GBit/s erhältliche Modulator-Typ) zeigen abhängig von den Vorspannungs-Bedingungen einen positiven oder negativen Chirp. Der erste Kanal CHl verwendet einen Modulator, der negativen Chirp zeigt. Das Signal wird zusammen mit den anderen Kanälen im Multiplexer 3 gemultiplext. Der zweite Kanal CH2 verwendet einen Modulator mit einer positiven Chirp-Funktion und so weiter.
Die gemultiplexten Signale werden über die Übertragungsleitung 4 an den Demultiplexer 5 gesendet. Hier wird das DWDM-Signal in die verschiedenen Wellenlängen-Kanäle gedemultiplext. Der erste Wellenlängen-Kanal wird dann durch eine linksseitige Filterung gefiltert, der zweite durch eine rechtsseitige Filterung, und so weiter.
Mit den Parametern des in Bigo et al. Beitrag PD2, Seite 40-41, EOC 2000 beschriebenen Experimentes zeigt 5 die optimale restliche Dispersion, die nach einer Entfernung von 300km für den gesamten Multiplex nach der Optimierung in Schritten von 10ps/nm erhalten wird. Diese restliche Dispersion wurde aus der kompletten Charakterisierung der im Experiment verwendeten Fasern erhalten. Für einen gegebenen Kanal (d.h. eine gegebene Richtung der Seitenkeule) wurden sowohl positive als auch negative Chirps auf der Senderseite getestet, wobei die Dispersion am Ende der Verbindung entsprechend geändert wurde, um eine optimale Leistungsfähigkeit zu erreichen. Die Übertragung erfolgte mit Kanälen im Abstand von 50 GHz und 75 GHz voneinander. Das Spektrum zeigt die empfangene Struktur ohne Filterung, sowie einen linksseitig gefilterten einzelnen Kanal und einen rechtsseitig gefilterten einzelnen Kanal.
Unter optimalen Bedingungen kann man in 6 sehen, dass linksseitig gefilterte Kanäle als Folge einer anfänglichen Einstellung des Anfangs-Bias-Point auf negativen Chirp immer eine höhere restliche optimale Dispersion zeigen (um ungefähr 100ps/nm bezüglich rechtsseitiger Filterung). Andererseits zeigen rechtsseitig gefilterte Kanäle eine geringere restliche Dispersion, um einen anfänglichen positiven Modulator-Chirp zu kompensieren.
Dieses Ergebnis zeigt, dass die zweite Ausführung der Erfindung, wie in 4 gezeigt, vorteilhaft ist.
Die Senderfunktion arbeitet wie für 3 beschrieben. Auf der Empfängerseite wird ein erster Demultiplexer 5 zum Demultiplexen von Kanälen für die linksseitige Filterung und für die rechtsseitige Filterung verwendet. Die Kanäle für die linksseitige Filterung werden an eine Faser mit Dispersionskompensation 8 angelegt. Dann werden die Kanäle in einem zweiten Demultiplexer 9 gedemultiplext und in den Empfängern 7 analysiert.

Claims

Modulationsverfahren für ein NRZ-Signal, das über eine DWDM-Übertragungsleitung übertragen wird, mit abwechselnder linksseitiger und rechtsseitiger Filterung für benachbarte Kanäle am Empfänger, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Verwendung von Kanälen mit abwechselndem Kanalabstand A und B mit abwechselnder linksseitiger und rechtsseitiger Filterung, die durch folgende Schritte gekennzeichnet sind: Kanäle für rechtsseitige Filterung werden durch einen Modulator mit positivem Chirp moduliert, und Kanäle für linksseitige Filterung werden durch einen Modulator mit negativem Chirp moduliert.
Modulationsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentralen Frequenzen von zwei aufeinander folgenden Filtern – linksseitig oder rechtsseitig – im Frequenzbereich äquidistant sind.
Übertragungssystem zur Übertragung von NRZ-Signalen mit einer Senderseite, einer Faser und einer Empfängerseite, wobei die Senderseite über die Faser mit der Empfängerseite verbunden ist: Wobei die Senderseite Lichtquellen (1), Modulatoren (2) und einen Multiplexer (3) enthält und wobei jede Lichtquelle an einen Modulator angeschlossen ist und das Ausgangssignal der Modulatoren das Eingangssignal des Multiplexers ist, wobei die Empfängerseite mindestens einen Demultiplexer (5), Filter (6) und Empfänger (7) enthält, wobei jeder Ausgang des Demultiplexers an einen Eingang eines Filters angeschlossen ist und wobei jeder Ausgang eines Filters an einen Empfänger angeschlossen ist, wobei die Senderseite so angepasst ist, dass sie für benachbarte Kanäle mit abwechselnder linksseitiger und rechtsseitiger Filterung sendet, und das System dadurch gekennzeichnet ist, dass die Modulatoren auf der Senderseite so angepasst sind, dass sie die Kanäle für die linksseitige Filterung mit einem negativen Chirp modulieren und die Kanäle für die rechtsseitige Filterung mit positivem Chirp modulieren.
Übertragungssystem gemäß Anspruch 3, das auf der Empfängerseite einen ersten Demultiplexer (5) zum Demultiplexen der linksseitig zu filternden Kanäle von den rechtsseitig zu filternden Kanälen hat, wobei die Kanäle, die linksseitig zu filtern sind, an ein Kompensations-Faserstück mit positiver chromatischer Dispersion (8) angeschlossen sind, sowie einen zweiten Demultiplexer (9) zum Demultiplex aller Kanäle hat.
Übertragungssystem gemäß Anspruch 3, das auf der Empfängerseite einen ersten Demultiplexer (5) zum Demultiplexen der linksseitig zu filternden Kanäle von den rechtsseitig zu filternden Kanälen hat, wobei die Kanäle, die rechtsseitig zu filtern sind, an ein Faserstück mit negativer chromatischer Dispersion (8), z.B. an eine DCF, angeschlossen sind, sowie einen zweiten Demultiplexer (9) zum Demultiplex aller Kanäle hat.