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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet
optischer Kommunikationssysteme, wie beispielsweise Wellenlängen-Multiplex
(abgekürzt
WDM) Optik-Kommunikationssysteme.
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Auf
dem Gebiet der optischen Kommunikation ist eine allgemeine Technik,
welche zur Übertragung von
einer Information angenommen ist, eine Intensitätsmodulation von einem optischen
Träger,
welcher typischerweise durch eine Laserquelle erzeugt wird.
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Der
Vorteil von dieser Technik liegt in der Tatsache begründet, dass
eine Modulation von der Intensität eines
optischen Trägers
und ein Extrahieren der Information aus dem intensitätsmodulierten
optischen Träger relativ
unkomplizierte Prozesse sind, insbesondere kann die Information
mittels eines Intensitätserfassers,
wie beispielsweise eine Fotodiode, durch eine Direkterfassungs-Annäherung extrahiert
werden.
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Intensitätsmodulierte
optische Signale sind jedoch sehr empfindlich auf nicht-lineare
Effekte, welche während
der Verbreitung von den Signalen in optischen Fasern auftreten.
Daraus folgend sind intensitätsmodulierte
optische Signale einer relativ hohen Störung während der Verbreitung durch
eine optische Verbindung von einer Übertrager-Sektion zu einer
Empfänger-Sektion
unterworfen.
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Die
auf intensitätsmodulierte
optische Signale auferlegten Störungen
durch nicht-lineare Effekte in den optischen Kommunikationsverbindungen
setzten ein Limit bei der Erhöhung
in der Datenübertragungsrate und,
in WDM-Systemen, auf die Dichte von WDM-Kanälen.
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Daher
wurden und werden, angesichts der konstanten Marktanforderung nach
zunehmender Bandbreite, Übertragungsverfahren,
welche sich von der Intensitätsmodulation
unterscheiden, untersucht.
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Tatsächlich wurden
in frühen
Zeiten der optischen Kommunikation Übertragungsverfahren, wie beispielsweise
die Phasenmodulation, weitreichend untersucht, jedoch im Kontext
einer synchronen oder kohärenten
Erfassungsannäherung,
gemäß derer
die Information erlangt wird, indem ein empfangenes Signal mit einem
lokalen Signal schlägt,
welches durch einen Lokaloszillator erzeugt wird. Jedoch legt die
kohärente
Erfassung von phasenmodulierten Signalen mehrere Probleme auf. Beispielsweise
ist es bekannt, dass bei einer Homodyne- und Heterodyne-Erfassung
eine optimale Phasenbeziehung zwischen dem lokalen Signal und dem
empfangenen Signal beibehalten werden muss. Es ist somit notwendig,
Lokaloszillatoren mit schmaler Linienbreite und komplizierte phasenstarre
Schleifen (Phase Locked Loop's,
PLLs) zu verwenden, deren Instabilitäten leicht Erfassungsfehler
verursachen können.
Zusätzlich
sind aufgrund des Phasenrauschens im Zusammenhang mit optischen
Signalen einige Anforderungen auf die Laserquellen-Linienbreite oder
bestimmte Steuertechniken notwendig, um zu vermeiden, dass die Bitfehlerrate
(BER) zu Boden geht. Darüber
hinaus können
Polarisationsprobleme auftreten.
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Es
wurde ebenfalls eine direkte Erfassung von Differenz-Phasenverschiebung
(Differential Phase-Shift Keyed D-PSK) Signalen vorgeschlagen, welche
unbalancierte Interferometer ausnutzen. In diesem Fall werden jedoch
die Probleme der Instabilität
lediglich auf den Interferometer übertragen, und die Laserquellen-Linienbreiten-
und Frequenzstabilitäts-Anforderungen
sind genauso wie bei der kohärenten
Erfassung.
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Die
US 4,817,207 beschreibt
ein optisches Kommunikationssystem, bei welchem eine Phasenmodulation
auf ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal überlagert wird und ein kohärentes Erfassungs-Schema
ausgenutzt wird.
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Der
Anmelder hat beobachtet, dass das modulierte Signal, wenn es durch
eine optische Verbindung übertragen
wird, ebenfalls in diesem Fall Störungen unterworfen wird, und
zwar aufgrund der oben erwähnten relativ
hohen Empfindlichkeit von amplitudenmodulierten Signalen auf nicht-lineare
Effekte von Fasern. Zusätzlich
wird auf alle Probleme, welche der kohärenten Erfassung inhärent sind,
gestoßen.
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In
B. Wedding, „New
Massed for Optical Transmission Beyond Dispersion Limit", Electronic Letters,
2. Juli 1992, Vol. 28, No. 14, Seiten 1298-1300, ist ein optisches
Signalübertragungsverfahren
offenbart, welches eine Erzeugung eines frequenzmodulierten optischen
Signals durch ein direktes Modulieren der Laserquelle bereitstellt,
wobei eine zerstreuende Faserverbindung (insbesondere eine Einzelmodus-Faser)
dazu ausgenutzt wird, um die Frequenzmodulation in eine Amplitudenmodulation
umzuwandeln.
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Der
Anmelder hat beobachtet, dass ein Erzeugen des frequenzmodulierten
Signals durch ein direktes Modulieren des Laser-Antriebstroms ein
Rauschen aufgrund der zugehörigen
Amplitudenmodulation und des Restrauschens induziert. Zusätzlich sind
Laserquellen, welche eine gute, breitbandige FM-Antwort unterstützen, nicht
einfach aufzufinden. Darüber
hinaus werden die Probleme der Signalstörung, welche durch nicht-lineare
Effekte in den Fasern induziert wird, nicht gelöst.
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Die
US 5,400,165 offenbart ein
optisches Kommunikationssystem, basierend auf einer dispersionsinduzierten
FM-zu-AM Umwandlung mit Nicht-Linearität induzierter
AM-Stabilisierung. Das System verwendet einen frequenzmodulierten
optischen Signalübertrager,
einen Faserbereich, einen optischen Empfänger, welcher das übertragene
optische Signal empfängt,
und ein AM-Signal erfasst, welches daraus herrührt, dass sich eine dispersionsinduzierte
Energie im optischen Signal überlappt
und aufgehoben wird, und einen oder mehrere optische Verstärker, welche
innerhalb des optischen Faserbereichs beabstandet sind. Es wird
eine Drei-Pegel-Erfassung im Empfänger verwendet, um das AM-Signal zu erfassen.
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Die
AU-B-13472/95 offenbart ein optisches Übertragungsverfahren, bei welchem
ein phasenmoduliertes optisches Signal unter Verwendung eines nicht-Rückkehr-nach-Null (NRZ)-Format
erzeugt wird und durch einen Glasfaser-Übertragungspfad, welcher durch
Standard Einzelmodus-Fasern ausgebildet wird, verbreitet wird, wobei
damit das Signal eine Amplitudenmodulation aufgrund der Gruppengeschwindigkeits-Dispersion von
dem Übertragungspfad
erfährt.
Auf der Empfangsseite wird das Signal mit Bezug auf seine Amplitudenmodulation
erfasst.
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Der
Anmelder hat beobachtet, dass die Probleme der Signalstörung aufgrund
von nicht-linearen Effekten in den Fasern nicht gelöst werden.
Zusätzlich
dazu gestaltet die Verwendung des NRZ-Formats die Signalerfassung
relativ kompliziert, wodurch zwei elektrische (Spannungs-) Schwellwerte
erforderlich sind.
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Y.
Awaji et al., „Error-free
coherent detection of OC-192 phase-modulated data using Phase-to-Amplitude
Conversion (PAC) based an optical injection locking", Optical Fiber Communication
Conference 2001, Paper ThHl, schlägt eine Technik einer optischen
Phasenerfassung basierend auf einer Phase-zu-Amplitude Umwandlung
durch eine Injektionsverriegelung von einem Laser vor.
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Der
Anmelder hat beobachtet, dass diese Technik durch die Laser-Hohlraum-Dynamiken
begrenzt ist, welche kompliziert und auf die Signalbitrate nicht
transparent sind.
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Die
US 4,983,024 offenbart ein
Verfahren einer optischen Phase-zu-Amplitude Demodulation unter Ausnutzung
eines nicht-linearen Kerr-Mediums.
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Der
Anmelder hat beobachtet, dass der nicht-lineare Kerr-Koeffizient des nicht-linearen
Kerr-Mediums die Umwandlungs-Wirksamkeit beeinflusst, während die
Kerr-Medium Antwortzeit
die Umwandlungsgeschwindigkeit bestimmt. Darüber hinaus sind induzierte
Massengitter zu verwenden.
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In
H. Takenouchi et al., „An
Optical Phase-Shift Keying Direct Detection Receiver using a High-Resolution
Arrayed-Waveguide
Grating", Optical
Fiber Communication Conference 1999, Paper TuO4, Seiten 213-215,
wird eine Phasenmodulation-zu-Amplitudenmodulation Umwandlung durch
ein angeordnetes Wellenleiter-Gitter (AWG) erlangt.
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Der
Anmelder hat beobachtet, dass diese Technik angesichts einer Übertragungsfunktion ähnlich zu der
Technik ist, welche unbalancierte Interferometer ausnutzt. Der Anmelder
hat ebenfalls beobachtet, dass diese Technik an mehreren Nachteilen
leidet. Insbesondere kann der Kompensationspegel der Dispersion durch
die optische Verbindung ernsthaft die Empfänger-Wirksamkeit beeinflussen:
chromatische Dispersion, in Kombination mit einer Modulationsinstabilität und Eigenphasenmodulation
können
das Spektrum des Eingangssignals beträchtlich verändern, welches das umgewandelte
Signal verschlechtert. Darüber
hinaus sind zusätzliche
Bauteile, wie beispielsweise Tiefpass-Elektrofilter und optische
Raumfilter notwendig, deren Phasenfehlertoleranz größtenteils
die Phasenmodulation-zu-Amplitudenmodulation Umwandlung beeinflusst.
Angesichts des umrissenen Standes der Technik, ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein neues optisches Kommunikationssystem
und Verfahren bereitzustellen.
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Die
EP 381,341 offenbart ein
Frequenz Shift-Keying (FSK) Optik-Kommunikationssystem. Eine Lichtquelle
wird durch eine direkte Strommodulation ohne Vorentzerrung oder
Vorverformung des Signals frequenzmoduliert, und das optische Signal
wird an eine optische Faser gekoppelt und durch diese an einen entfernten Ort
befördert.
An dem entfernten Ort kann ein optischer Diskriminator, wie beispielsweise
ein Faser Fabry-Perot Interferometer, sowohl zur Kanalauswahl, wenn
mehr als ein Kanal durch die optische Faser befördert wird, als auch zum Umwandeln
des frequenzmodulierten Signals vom jedem Kanal auf ein amplitudenmoduliertes Signal
verwendet werden. Das amplitudenmodulierte Signal kann durch einen
Direkterfassungs-Empfänger
erfasst werden.
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Die
DE 196,28,321-C1 offenbart einen Prozess zum Multiplexen von zwei
Unterträgern
von einem Optik- oder Mikrowellen-Träger mit der gleichen oder im
Wesentlichen gleichen Frequenz. Das Verfahren enthält ein Modulieren
des Trägers
mit den Unterträgern
am Eingangsende. Auf diese Weise werden eine Intensität und ein
phasenmoduliertes Signal gleichzeitig über den Übertragungspfad übertragen.
An der Ausgangsseite wird das Signal zur Maximum-Erfassbarkeit für jeden Empfängertyp
umgewandelt. Die Signalverarbeitung und Umwandlung werden unter
Verwendung von Dispersionselementen durchgeführt, welche die Phasenmodulation
in eine Intensitätsmodulation
umwandeln oder umgekehrt.
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Über die
vorliegende Beschreibung und Ansprüche hinweg, werden die Ausdrücke „im Wesentlichen konstante
optische Leistung" und „beinahe
konstante optische Leistung" austauschbar
verwendet, um sich auf eine Leistung von einem optischen Signal
zu beziehen, welche bei einer vorgegebenen Verbindungsposition während einer
Zeit im Bereich von einer Bit-Periode im Wesentlichen konstant ist.
Vorzugsweise entspricht dies einer Bedingung, bei welcher das sich
verbreitende optische Signal an einer vorgegebenen Verbindungsposition
Leistungsschwankungen über
die Bit-Periode
von weniger als –8
dB hat. Weiter bevorzugt sind Leistungsschwankungen über die
Bit-Periode kleiner als –12
dB.
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Der
Anmelder hat herausgefunden, dass durch ein Zusammenfassen von einer
Phasenmodulation, als ein Mittel zum Endcodieren einer Information
auf optische Signale, zusammen mit der Übertragung der optischen Signale
bei einer im Wesentlichen konstanten optischen Leistung entlang
einer dispersionsverwalteten optischen Verbindung eine einfache
und wirksame Erfassung der Signale am Ende der Verbindung durch
eine konzentrierte Dispersion, welche sich am Empfänger befindet,
ermöglicht
wird.
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Gemäß eines
ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Kommunikationssystem, wie
im anliegenden Anspruch 1 dargelegt, bereitgestellt.
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Kurz
zusammengefasst enthält
das optische Kommunikationssystem: einen Übertrager zum Erzeugen eines
phasenmodulierten optischen Signals;
einen Empfänger zum
Empfangen des phasenmodulierten optischen Signals;
eine optische
Kommunikationsverbindung zwischen dem Übertrager und dem Empfänger.
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Die
optische Kommunikationsverbindung ist eine dispersionsgesteuerte
optische Kommunikationsverbindung, welche dispersionskompensierende
Elemente enthält,
welche das phasenmodulierte optische Signal auf einer im wesentlichen
konstanten optischen Leistung verbreiten.
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Der
Empfänger
enthält
ein dispersives Element, welches eine vorgeschriebene Dispersion
hat, wobei das dispersive Element das phasenmodulierte optische
Signal empfängt
und in ein entsprechendes intensitätsmoduliertes optisches Signal
umwandelt, und einen optischen Intensitätserfasser, welchem das intensitätsmodulierte
optische Signal zugeführt
wird.
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Insbesondere
enthält
der Übertrager
eine optische Trägerquelle,
welche einen optischen Träger
erzeugt, und einen Phasenmodulator, welcher durch ein Modulationssignal
angetrieben wird, um eine Phasenmodulation auf den optischen Träger zu vermitteln.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
die optische Trägerquelle
einen Laser. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
der Phasenmodulator einen LiNbO3-Modulator.
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Vorzugsweise
ist das Modulationssignal in einem Rückkehr-nach-Null-Format codiert.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
der Empfänger
einen optischen Energie-Splitter, ein erstes und ein zweites dispersives
Element mit einer gegenseitig entgegengesetzten Dispersions-Zuführung durch
den Energie-Splitter,
einen ersten und einen zweiten optischen Intensitäts-Erfasser,
welche jeweils durch das erste und zweite dispersive Element zugeführt werden
und ein erstes und zweites elektrisches Signal erzeugen, und einen Subtrahierer
(605) zum Subtrahieren des ersten elektrischen Signals
vom zweiten elektrischen Signal.
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Das
dispersive Element enthält
eine dispersionskompensierende optische Vorrichtung, wie beispielsweise
eine optische Faser-Sektion oder ein Faser-Bragg-Gitter.
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Die
optische Kommunikationsverbindung enthält zumindest eine optische
Kommunikationsverbindungs-Sektion, welche einen dispersionskompensierten
optischen Faserbereich und einen optischen Verstärker enthält.
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Der
dispersionskompensierte optische Faserbereich enthält vorzugsweise
eines aus einer Stufenindex Optik-Faser oder nicht-Null dispersionsverschobene
Optik-Faser. Der dispersionskompensierte optische Faserbereich enthält vorzugsweise
eine Faser mit einer Dispersion von größer als 1 ps/nm km im absoluten Wert.
Weniger bevorzugt wird eine dispersionsverschobene Faser innerhalb
des dispersionskompensierten optischen Faserbereichs verwendet.
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Der
dispersionskompensierte optische Faserbereich enthält zumindest
ein dispersionskompensierendes Element, wie beispielsweise eine
dispersionskompensierte optische Faser, eine Übertragungsfaser oder ein Faser-Bragg-Gitter.
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Der
optische Verstärker
kann beispielsweise ein Erbiumdotierter Faser-Verstärker, ein
Halbleiteroptik-Verstärker, ein
optischer parametrischer Verstärker
oder ein Raman-Optik-Verstärker
sein. Es können
weitere optische Verstärkervorrichtungen
ausgenutzt werden.
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Im
Kontext der WDM-Kommunikation enthält der Übertrager zumindest zwei Übertragereinheiten,
wobei jede ein jeweiliges phasenmoduliertes optisches Signal erzeugt,
wobei die phasenmodulierten optischen Signale, welche durch unterschiedliche Übertragereinheiten
erzeugt sind, durch ihre Wellenlänge
differenziert sind, und einen Wellenlängen-Multiplexer, welcher die
phasenmodulierten optischen Signale, welche durch unterschiedliche Übertragereinheiten
erzeugt sind, empfängt
und ein Wellenlängen-Multiplex-Optiksignal
erzeugt. Der Empfänger
enthält
einen Wellenlängen-Demultiplexer,
welcher das Wellenlängen-Multiplex-Optiksignal
empfängt
und demultiplext.
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Das
dispersive Element kann in der Lichtausbreitungsrichtung stromaufwärts des
Wellenlängen-Demultiplexers oder
stromabwärts
des Wellenlängen-Demultiplexers platziert
sein, wobei der Empfänger
im letzten Fall zumindest zwei Empfängereinheiten enthält, wobei
jede ein jeweiliges dispersives Element in der Lichtausbreitungsrichtung
stromabwärts
des Wellenlängen-Demultiplexers enthält.
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Gemäß eines
weiteren Aspektes der Erfindung ist ein Verfahren zur optischen
Informationsübertragung
bereitgestellt.
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Kurz
zusammengefasst enthält
das Verfahren:
Erzeugen eines phasenmodulierten optischen Trägers gemäß der zu übertragenden
Information;
Verbreiten des phasenmodulierten optischen Trägers durch
eine optische Verbindung;
Empfangen und Demodulieren des phasenmodulierten
optischen Trägers.
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Das
Verbreiten des phasenmodulierten optischen Trägers enthält eine Steuerung von einer
Dispersion der optischen Verbindung, um eine optische Leistung des
phasenmodulierten optischen Trägers
stets konstant beizubehalten.
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Das
Empfangen und Demodulieren des phasenmodulierten optischen Trägers enthalten
ein Umwandeln des phasenmodulierten optischen Trägers in einen entsprechend
intensitätsmodulierten
optischen Träger, indem
der phasenmodulierte optische Träger
einer vorgeschriebenen Dispersion unterworfen wird, und ein Demodulieren
des intensitätsmodulierten
optischen Trägers.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende detaillierte Beschreibung von einigen Ausführungsformen
derer, welche lediglich mittels nicht-beschränkender Beispiele bereitgestellt
sind, welche in Verbindung mit den anliegenden Figurenseiten in
Verbindung stehen, deutlich, in denen:
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1 schematisch
ein optisches Kommunikationssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 Beispiele
von Phasenmodulations-Signalen zeigt, welche in optischen Kommunikationssystemen
von 1 verwendet werden;
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3 ein
Schaubild ist, welches die Ergebnisse von Simulationen zeigt, welche
durch den Anmelder durchgeführt
wurden;
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4 schematisch
eine optische Übertragungsverbindungs-Sektion gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 schematisch
einen Abschnitt von einem optischen Kommunikationssystem gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 schematisch
eine Empfängereinheit
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 das
Augendiagramm von einem empfangenen Signal in einer durch den Anmelder
durchgeführten
Simulation zeigt;
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8 schematisch
einen Experimentaufbau zeigt, welcher zum Testen des optischen Kommunikationssystems
von 1 verwendet wird;
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9 hinsichtlich
eines Augendiagramms die Ergebnisse der auf dem Aufbau von 9 durchgeführten Experimente
zeigt;
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10 schematisch
einen weiteren Experimentaufbau zeigt, welcher für Bitfehlerraten-Messungen verwendet
wird;
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11 die
gemessene Bitfehlerrate verglichen mit einer simulierten Bitfehlerrate
zeigt;
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12 den
Q-Faktor in dB-Einheiten zur Dispersion am Empfänger in einer weiteren durch
den Anmelder durchgeführten
Simulation mit einer Signaleingangsleistung von 10 dBm zeigt; und
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13 den
Q-Faktor in dB-Einheiten zur Dispersion am Empfänger in einer weiteren durch
den Anmelder durchgeführten
Simulation mit einer Signaleingangsleistung von 13 dBm zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1 ein optisches
Kommunikationssystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch angezeigt. Das System enthält eine Übertrager-Sektion 100,
eine Empfänger-Sektion 105 und
eine optische Kommunikationsverbindung 110, welche die Übertrager-Sektion 100 mit
der Empfänger-Sektion 105 verbindet.
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In
der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das optische Kommunikationssystem ein Wellenlängen-Multiplex (WDM) Optik-Kommunikationssystem,
bei welchem eine Mehrzahl (zwei oder mehr) von unabhängigen optischen
Signalen, welche sich in ihrer Wellenlänge unterscheiden, in der optischen
Wellenlängen-Domäne gemultiplext
werden und entlang der gleichen optischen Kommunikationsverbindung
gesendet werden. Insbesondere sind spezifische Wellenlängenbänder einer
vorbestimmten Breite, welche auf die jeweiligen zentralen Wellenlängen zentriert
sind, welche ebenfalls als Kanäle
bezeichnet werden, jedem der Signale bei unterschiedlichen Wellenlängen zugewiesen.
Typische Werte einer Spektraltrennung zwischen angrenzenden Kanälen sind
etwa 1,6 nm oder 0,8 nm für
das sogenannte Dichte-WDM (abgekürzt
DWDM), und 20 nm für
das Grob-WDM (CWDM-ITU Recommendation No. G.694.2).
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Die Übertrager-Sektion 100 enthält eine
Mehrzahl von Übertragereinheiten 115a, 115b,
..., 115k, wobei jede mit einem jeweiligen WDM-Kanal in
Zusammenhang steht. Jede Übertragereinheit 115a, 115b,
..., 115k erzeugt ein jeweiliges optisches Signal Sa, Sb,
..., Sk in einem jeweiligen Kanal einer zentralen Wellenlänge λa, λb, ..., λk.
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Die
unterschiedlichen optischen Signale Sa, Sb, ...,Sk werden einem
optischen Multiplexer 120 zugeführt, welcher beispielsweise
optische Koppler, optische Add/Drop Multiplex-Vorrichtungen (OADMs),
angeordnete Wellenleiter-Gitter
(AWGs) enthält.
Der Multiplexer 120 multiplext die unterschiedlichen optischen
Signale Sa, Sb, ..., Sk in der Wellenlängen-Domaine, wobei ein Multiplex-Optiksignal
S(Sa, Sb, ..., Sk) erzeugt wird, und sendet das Multiplex-Optiksignal S(Sa,
Sb, ..., Sk) über
die optische Kommunikationsverbindung 110. Das Multiplex-Optiksignal S(Sa,
Sb, ..., Sk) verbreitet sich durch die optische Kommunikationsverbindung 110 zur
Empfänger-Sektion 105.
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In
der Empfänger-Sektion 105 wird
das Multiplex-Optiksignal S(Sa, Sb, ..., Sk) einem optischen Demultiplexer 125 zugeführt, welcher
beispielsweise optische Filter, OADMs oder AWGs enthält. Die
unterschiedlichen Signale Sa, Sb, Sk werden somit aus dem Multiplex-Signal
S(Sa, Sb, ..., Sk) extrahiert und den jeweiligen Empfängereinheiten 130a, 130b,
..., 130k zugeführt.
Jede Empfängereinheit 130a, 130b,
..., 130k verarbeitet das jeweilige optische Signal, indem
es beispielsweise in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
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Es
ist zu erwähnen,
dass die Anzahl von WDM-Kanälen,
und somit die Anzahl von Übertragereinheiten und
Empfängereinheiten
in der Übertrager-Sektion
und Empfänger-Sektion, von lediglich
einem Kanal zu einer sehr hohen Anzahl von Kanälen, beispielsweise 80 oder
sogar 240 Kanäle,
in Abhängigkeit
von der spezifischen Anwendung variieren kann.
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1 zeigt
ebenfalls schematisch den Aufbau der Übertragereinheiten, der optischen
Kommunikationsverbindung und der Empfängereinheiten, in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Jede Übertragereinheit 115a, 115b,
..., 115k enthält
eine Laserquelle 135. Die Laserquelle 135 kann in
der Wellenlänge
fixiert oder abstimmbar sein, und ist beispielsweise eine Laserdiode
für Telekommunikationsanwendungen,
deren Linienbreite typischerweise im Bereich von 100 Kilohertz bis
10 Megahertz ist. Die Laserquelle 135 erzeugt einen optischen
Träger
bei der vorgeschriebenen Wellenlänge λa, λb, ..., λk. Der optische
Träger
wird einem Phasenmodulator 140 zugeführt, beispielsweise ein elektrooptischer
Phasenmodulator, wie beispielsweise ein LiNbO3- Phasenmodulator,
welcher durch ein modulierendes elektrisches Signal Smod angetrieben
wird, welches durch eine elektronische Schaltung 145 erzeugt
wird. Der Phasenmodulator 140 moduliert die optische Trägerphase
gemäß dem modulierenden
Signal Smod, welches die zu übertragende
Information trägt,
wodurch das phasenmodulierte optische Signal Sa, Sb, ..., Sk erzeugt
wird. Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das modulierende elektrische Signal
Smod ein Rückkehr-nach-Null
(RZ) codiertes Signal.
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Insbesondere
enthält
das modulierende elektrische Signal Smod Phasenmodulations-Impulse.
Die Phasenmodulations-Impulse
können
beispielsweise in ihrer Form rechteckig, gaußförmig oder super-gaußförmig sein.
Bezugnehmend auf 2(A), (B) und (C)
ist eine Sequenz aus rechteckig (2(B))
und gaußförmig (2(C)) RZ-codierten Phasenmodulations-Impulsen
für einen
beispielhaften Datenstrom (2(A)) gezeigt. Δϕ zeigt
die augenblickliche Phasenabweichung, welche auf den optischen Träger vermittelt
wird, an, und Δϕmax
ist die maximale Phasenverschiebung oder Phasenmodulations-Tiefe.
Die Zeitdauer und Wiederholungsrate der Phasenmodulations-Impulse hängen von
der gewünschten
Bitrate ab. Bezogen auf die Phasenmodulations-Tiefe, wenngleich
keine theoretischen Beschränkungen
vorliegen, ist es ratsam, dass die maximale Phasenverschiebung nicht
zu hoch ist, um die modulierte Signal-Bandbreite zu beschränken, praktische
Erwägungen
legen nahe, dass die Phasenmodulations-Tiefe nicht höher als ¶ sein sollte.
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Optional
ist ein variabler optischer Dämpfer
(VOA) oder eine ähnliche
Vorrichtung, welche in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, am Ausgang
des Phasenmodulators 140 bereitgestellt, um somit die Leistung der
unterschiedlichen WDM-Kanäle
zu entzerren oder ihnen eine zuvor ausgewählte Preemphasis zu geben.
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Die
optische Kommunikationsverbindung 110 ist derart entworfen,
dass die optischen Signale Sa, Sb, ..., Sk am Empfänger-Sektionsende
im Wesentlichen die gleiche Phase wie die entsprechenden Signale
am Übertrager-Sektionsende
haben. Eine detailliertere Beschreibung des Aufbaus der optischen
Kommunikationsverbindung wird später
bereitgestellt.
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Jede
Empfängereinheit 130a, 130b,
..., 130k enthält
ein dispersives Element 150, welches dazu entworfen ist,
einen vorgeschriebenen Grad von Dispersion einzuführen. Das
dispersive Element 150 wandelt das eingehende phasenmodulierte
Optik-Signal Sa, Sb, ..., Sk in ein entsprechend amplitudenmoduliertes
(und somit intensitätsmoduliertes)
Optik-Signal um (in 1 wird Bezugszeichen Sk, am
dazu verwendet, um das amplitudenmodulierte Optik-Signal entsprechend
dem phasenmodulierten Optik-Signal Sk zu kennzeichnen). Das dispersive
Element 150 kann beispielsweise ein diskretes Bauteil sein,
wie beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter (FBG) oder ein optischer
Faserbereich.
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Die
Phasen-zu-Intensitätsmodulation
Umwandlung, welche im dispersiven Element
150 stattfindet, wird
nun beschrieben, indem beispielsweise der Fall eines optischen Faserbereichs
in Betracht gezogen wird. Unter Vernachlässigung nicht-linearer Effekte
und Verluste innerhalb der Faser, kann die optische Faserübertragungsfunktion
H(ω) durch
den folgenden Ausdruck angenähert
werden:
H(ω)
= e-jβ(ω)z wobei β(ω) die Verbreitungskonstante
ist und z die Länge
des optischen Faserbereichs ist. Durch ein Erweitern der Verbreitungskonstante β(ω) ins Basisband,
kann der folgende Ausdruck hergeleitet werden:
welcher für kleine Werte von β
2ω
2 angenähert
werden kann durch:
H'(ω) ≈ 1 – jβ2(ω2/2)dz. -
Somit
ist nach der Verbreitung durch eine kleine Sektion der Länge dz der
optischen Faser, das Ausgabefeld-Modul eines eingehenden phasenmodulierten
Signals in der Frequenz-Domäne: S(ω)Aus ≈ S(ω)Ein – S(ω)Einjβ2(ω2/2)dz
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In
der Zeitdomäne
führt dies
unter Vernachlässigung
von Ausdrücken
zweiter Ordnung zu: SAus(t) ≈ SEin(t)[1 – j(β2/2)φ''(t)dz]wobei φ''(t)
die Zeitableitung zweiter Ordnung der modulierten Phase ist.
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Da
die optische Faser-Dispersion bestimmt ist als: D
= –(2Πc/λ2)β2 kann
angenommen werden, dass die optische Faserdispersion eine Phase-zu-Amplitude
Umwandlung bewirkt.
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Ähnliche
Betrachtungen liegen in dem Fall vor, bei welchem das dispersive
Element ein FBG oder ein weiteres dispersives Bauteil enthält, welches
dazu angepasst ist, eine vorgeschriebene Dispersionsmenge einzuführen.
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Das
intensitätsmodulierte
optische Signal, welches das dispersive Modul 150 verlässt, wird
einem Element 155 zugeführt,
welches empfindlich auf die Lichtintensität ist, wie beispielsweise ein
Fotodetektor 155. Der Fotodetektor 155 wandelt
das optische Signal in ein elektrisches Signal um, welches einer
elektronischen Schaltung 160 zugeführt wird und durch diese verarbeitet
wird. Der Fotodetektor 155 kann beispielsweise eine Fotodiode
mit einer geeigneten Bandbreite enthalten, möglicherweise gefolgt durch
ein Element, beispielsweise eine Vorspann-Verzweigung, welche dazu
in der Lage ist, die DC-Komponente entsprechend der mittleren übertragenen
optischen Leistung zu unterdrücken.
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Es
ist zu beobachten, dass beim Verwenden von RZ-codierten phasenmodulierten
Signalen die elektronische Schaltung, welche die empfangenen Signale
verarbeitet, eine einfache Direkterfassungs-Einrichtung unter Verwendung
eines einzelnen Spannungsschwellwertes ausnutzen kann.
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Vom
praktischen Gesichtspunkt aus kann es beim Verwenden eines optischen
Faserbereichs als ein dispersives Element bevorzugt sein, ein FBG
zu verwenden, weil der Dispersionswert für den Großteil des dritten Telekommunikationsfensters
(1550 nm) konstant verbleibt, obwohl FBGs normalerweise für relativ
kleine Bandbreiten um eine bestimmte zentrale Frequenz entworfen
sind. Insbesondere kann ein positives dispersives Element mittels
einer Einzelmodus (SM) Faserspule mit einer typischen Dispersion
D von 17 ps/nm km realisiert werden; ein negatives dispersives Element
kann mittels einer Dispersions-Kompensations-Faser (DCF) Spule mit
einer typischen Dispersion D von –75 ps/nm km realisiert werden.
Ein Nachteil der Verwendung von optischen Fasern als dispersive
Elemente liegt in der Tatsache begründet, dass, wenn lange Spulen von
Fasern benötigt
werden, nicht-lineare Effekte innerhalb der Fasern nicht vernachlässigt werden
können.
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Das
dispersive Element 150 ist dazu entworfen, um intensitätsmodulierte
Signale von ausreichender Intensität zu erlangen, wodurch zu diesem
Zweck die Form, Zeitdauer und Modulations-Tiefe der phasenmodulierten
Impulse in Betracht gezogen werden müssen. Insbesondere, da die
Umwandlung von Phasenmodulation zur Intensitätsmodulation durch die Zeitableitung
zweiter Ordnung von der Phase stattfindet, führen unterschiedliche Phasenmodulations-Impulsformen und
Anstiegszeiten zu unterschiedlichen Augendiagrammen, und optimierte
dispersive Elemente müssen
sich leicht voneinander unterscheiden.
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Wenn
beispielsweise der Fall von gaußförmig phasenmodulierten
Impulsen in Betracht gezogen wird, führt, aus Gleichung (1), wie
oben angegeben, die maximale Phasen-zu-Intensitätsmodulation Umwandlung zu: (p·|β2|·L)/τ20 wobei
p die Phasenmodulations-Tiefe ist, τ0 die
Impulszeitdauer ist und L die Länge
des Faserbereichs ist, welcher das dispersive Element bildet. Wenn
dieser Wert kleiner als ungefähr
0,5 ist, erzeugt eine dispersionsinduzierte Phasenmodulation-zu-Intensitätsmodulation
Umwandlung im Wesentlichen unverzerrte intensitätsmodulierte Impulse. Numerische
Optimierungstechniken oder Simulationen können verwendet werden, beginnend
von einem Wert von |β2|L der Ordnung τ0 2/p. Die gleiche Formel kann als eine erste
Annäherung
im Falle von Phasenmodulations-Impulsen von unterschiedlichen Formen
ausgenutzt werden.
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Die
Phasenmodulations-Tiefe ist ein zusätzlicher Systementwurfparameter,
welcher in Betracht gezogen wird, wenn das dispersive Element optimiert
wird: Tatsächlich,
indem die Phasenmodulations-Tiefe geändert wird, kann die Signal
Carson Bandbreite geändert
werden. Es wurde bereits beobachtet, dass, um die Bandbreite des
modulierten Signals zu begrenzen, die Phasenmodulations-Tiefe niedrig
sein sollte; wenn die Modulations-Tiefe kleiner als Π/2 ist, ist
die Bandbreite des phasenmodulierten Signals vergleichbar mit der Signal-Bandbreite
in Systemen, welche auf Intensitätsmodulation
des optischen Trägers
beruhen. Um jedoch die notwendige Größe der Dispersion einigermaßen gering
zu halten, sollte eine relativ hohe Phasenmodulations-Tiefe ins
Auge gefasst werden. Um diese entgegengesetzten Anforderungen auszubalancieren,
sollte die Phasenmodulations-Tiefe im Bereich von Π/20 bis Π sein, insbesondere
ist eine Modulations-Tiefe von Π/2 eine
gute Abstimmung unter der Signal-Bandbreite, Nachteilen aufgrund
von nicht-linearen Effekten während der
Verbreitung und der wirksamen Phasenmodulation-zu-Intensitätsmodulation
Umwandlung.
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Die
optische Kommunikationsverbindung 110 enthält eine
oder mehrere optische Verbindungs-Sektionen 165a, 165b,
..., 165n, in einer kaskadenförmigen Anordnung. Jede optische
Verbindungs-Sektion 165a, 165b, ..., 165n enthält einen
optischen Faserbereich 170, ein Dispersions-Kompensationselement 175,
wobei es in dem gezeigten Beispiel am Ende des Faserbereichs 170 in
der Lichtausbreitungsrichtung platziert ist, und einen optischen
Verstärker 180.
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Die
optische Faser kann eine Stufenindex-Faser oder eine nicht-Null
dispersionsverschobene (NZDZ) Faser, weniger bevorzugt eine dispersionsverschobene
(DS) Faser sein. Die Dispersion der optischen Faser ist vorzugsweise
größer als
1 ps/nm km im absoluten Wert. Die Länge des Faserbereichs und die
Anzahl von optischen Verbindungs-Sektionen können auf die Systemanforderungen
zugeschnitten sein, und hängen
beispielsweise von der Distanz zwischen der Übertrager-Sektion und der Empfänger-Sektion ab, wobei sich
optische Fasern, welche sich im Bereich von mehreren zehntausende
Kilometern erstrecken, typisch sind.
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Das
dispersionskompensierende Element 175 kann Faser-Bragg-Gitter (FBGs), dispersionskompensierende
Fasern (DCFs), Übertragungsfasern,
welche eine geeignete Dispersion und Länge haben, löchrige Faser
basierende Vorrichtungen oder irgendein weiteres dispersionskompensierendes
Bauteil enthalten.
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Der
optische Verstärker 180 kann
ein Erbiumdotierter Faserverstärker
(EDFA), ein Halbleiteroptik-Verstärker (SOA), ein optischer parametrischer
Verstärker
(OPA), ein Raman-Verstärker oder
irgendein weiteres geeignetes optisches Verstärkerbauteil sein.
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Wie
bekannt, ist ein optisches Signal, welches sich durch eine optische
Faser verbreitet, Störungen aufgrund
von Verlusten, einer chromatischen Dispersion und nicht-linearen Effekten
(beispielsweise der Kerr-Effekt) unterworfen.
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Verluste
in der optischen Faser bewirken eine Dämpfung des verbreiteten Signals.
Diese Wirkung kann mittels des optischen Verstärkers 180 kompensiert
werden, indem der Gewinn dessen zugeschnitten wird.
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Eine
chromatische Dispersion bewirkt, dass die Phasenmodulation, welche
dem optischen Träger
vermittelt wird, in eine Intensitätsmodulation umgewandelt wird,
wie oben in Verbindung mit dem dispersiven Element 150 in
den Empfängereinheiten 130a, 130b,
..., 130k beschrieben. In der Hypothese einer linearen
Verbreitung des Signals durch die Faser (das heißt in Abwesenheit der nicht-linearen
Effekte), kann der Effekt der chromatischen Dispersion vollständig kompensiert
werden, indem am Ende von einem optischen Faserbereich ein dispersionskompensierendes Element
platziert wird, welches eine Dispersion einführt, welche gleich oder entgegengesetzt
der Dispersion ist, welche durch den optischen Faserbereich eingeführt wird,
wobei mittels dieser Technik, welche ebenfalls als exakte oder perfekte
Kompensation bezeichnet wird, die ursprüngliche Phasenmodulation und
Amplitude der optischen Signale im Prinzip wiederhergestellt werden
können.
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Jedoch,
aufgrund nicht-linearer Effekte, und insbesondere des Kerr-Effekts,
erlaubt eine perfekte Kompensation von der Dispersion, welche durch
den optischen Faserbereich eingeführt wird, keine Wiederherstellung
der ursprünglichen
Phase und Amplitude des Signals, und es besteht eine restliche Intensitätsmodulation.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die optische Kommunikationsverbindung 110 eine
quasi lineare dispersionskompensierte optische Verbindung, in welcher
eine Dispersionssteuerung implementiert ist, um die chromatische
Dispersion und ebenfalls die Phasenmodulation-zu-Intensitätsmodulation Störung (restliche
Intensitätsmodulation),
welche durch nicht-lineare Effekte induziert wird, zu kompensieren,
so dass die optische Leistung über
die Verbindung im Wesentlichen konstant ist.
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Im
Kontext der vorliegenden Beschreibung bedeutet Dispersionssteuerung
eine Dispersionskompensations-Technik, welche nicht nur lediglich
beim Kompensieren der Effekte der chromatischen Dispersion unterstützt, sondern
dazu entworfen ist, ebenfalls die Störung zu kompensieren, welche
durch nicht-lineare Effekte induziert werden. Dispersionskompensations-Techniken,
welche sich von der perfekten Kompensation unterscheiden, können in
Betracht gezogen werden, beispielsweise eine Unterkompensation (eine
Dispersionskompensations-Technik, bei welcher das Dispersionskompensations-Element
weniger als die gesamte chromatische Dispersion kompensiert, welche
durch den optischen Faserbereich eingeführt wird) oder eine zusammengefasste
Dispersionssteuerung, nämlich
eine Technik, welche eine Vorkompensation und Nachkompensation des
optischen Faserbereichs zusammenfasst, so dass der gesamte Dispersionskompensations-Wert
entgegengesetzt der optischen Faserbereich-Dispersion ist.
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Der
spezifische Typ der Dispersionskompensations-Technik variiert in
Abhängigkeit
von mehreren Faktoren, wie beispielsweise die Länge des optischen Faserbereichs.
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Von
einem praktischen Gesichtspunkt aus kann die bevorzugte Dispersionskompensations-Technik, welche
anzuwenden ist, auf die folgende Art und Weise bestimmt werden.
Ein Ausnutzen der restlichen Intensitätsmodulation von einem optischen
Signal am Ende von einer optischen Kommunikationsverbindungs-Sektion,
um ein Maß der
Störung
bereitzustellen, welche durch den Kerr-Effekt induziert wird, kann
ein Störindex (ID)
bestimmt werden. Insbesondere wird der Störindex ID als das Integral über eine
Bit-Zeit des Quadrat-Modulus der restlichen Intensitätsmodulation
bestimmt:
wobei R die Differenz ist,
welche auf das mittlere Gebiet normalisiert ist, zwischen einem
Signal opt-fld
linear, welches sich in einem
virtuell linearen System verbreitet, und einem Signal opt-fld
nicht-linear, welches sich im tatsächlichen
nicht-linearen System verbreitet. Mit anderen Worten stellt der
Störindex
ID ein Maß der
Störung
zur gesamten Bit-Energie dar. Wenn eine optische Faserbereich-Lange und ein spezifischer
Typ von einer optischen Faser vorgegeben sind, können unterschiedliche Dispersionskompensations-Techniken
dann experimentiert werden, um den Störindex ID zu reduzieren oder
zu minimieren.
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Das
Diagramm in 3 zeigt die Ergebnisse von Simulationen,
welche durch den Anmelder auf einem Mehrfachbereich Optik-Kommunikationssystem
des in 1 angezeigten Typs mit Bereichen von 100 Kilometern
durchgeführt
wurden, wobei jede der NZDS Optik-Fasern eine Gesamtdispersion (β2L)
von 200 ps2, betrieben bei einer 10 Gbit/s
Bitrate, und mit einer Phasenmodulations-Tiefe von Π/2 hat. Es
wurden vier unterschiedliche Dispersionskompensations-Techniken
experimentiert, nämlich
eine exakte Kompensation, eine 2% Unter-Kompensation, eine 4% Unter-Kompensation
und kombinierte Dispersions-Verwaltungstechniken. Es
kann erkannt werden, dass die optimale Dispersionskompensations-Technik
von der Gesamtlänge
der optischen Kommunikationsverbindung, das heißt von der Anzahl von Bereichen,
abhängt,
obwohl sogar mit einer einfachen exakten Nachkompensationstechnik
(Kurvenverlauf A) der Index der Störung unterhalb von 0,1 verbleibt.
Insbesondere haben die Simulationen bewiesen, dass im Falle eines
langen Zug-Systems (engl. long-haul system), beispielsweise von
einer Länge,
welche 600 Kilometer übersteigt
(beispielsweise ein unterseeisches optisches Kommunikationssystem),
die bessere Leistung mittels einen niedrigen Nach Unter-Kompensationstechnik
erreicht wird, bei welcher das Kompensations-Dispersionselement 160, welches
am Ende des optischen Faserbereichs platziert ist, leicht weniger
kompensiert als die Gesamtdispersion, welche durch den optischen
Faserbereich eingeführt
wird (5% oder weniger Unter-Kompensation,
Kurvenverläufe
B und C); im Falle von optischen Kommunikationssystemen von weniger
als 600 Kilometer (typische terrestrische Systeme) zeigt der Kurvenverlauf
D, dass die Leistung unter Verwendung eines kombinierten Dispersionsverwaltungs-Schemas
des in 4 angezeigten Typs zunimmt, bei welchem eine exakte Kompensation
für jeden
Bereich mittels Vor- und Nach-Kompensationselemente 175a, 175b durchgeführt wird.
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Es
können
weitere Kompensationstechniken ausgenutzt werden, beispielsweise
die Bereitstellung einer Vorkompensation zu Beginn der optischen
Kommunikationsverbindung 110 und einer In-Reihe-Kompensation
innerhalb jeder optischen Kommunikationsverbindungs-Sektion 165a, 165b,
..., 165n.
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Ähnliche
Betrachtungen können
für unterschiedliche
Typen von optischen Fasern vorgenommen werden. Im Allgemeinen kann
eine optimale Dispersionskompensations-Technik ebenfalls mittels
Simulationen oder Experimente gefunden werden, welche den Störindex und
somit die Phasen-zu-Intensitätsmodulation Umwandlung,
welche durch nicht-lineare
Effekte induziert wird, minimiert. In der Praxis wird bei langen
Zug (typischerweise unterseeisch)-Übertragungsverbindungen
ein gewisser Stör-Prozentanteil
(ein Wert des Störindex
ID von ungefähr
0,05) bevorzugt, wohingegen für
mittlere oder kurze Zug (typischerweise terrestrisch)-Systeme ein
ID-Wert von weniger als 0,1 toleriert werden kann.
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Es
wird beobachtet, dass im Falle eines Mehrfachbereich Optik-Kommunikationssystems
die Dispersionskompensation vorzugsweise (obwohl nicht notwendigerweise)
an jedem Bereich vorgenommen wird, da sie einfacher in Abhängigkeit
von der Bereichslänge,
der Natur des optischen Kommunikationssystems (unterseeisch oder
terrestrisch) und von der optischen Signalleistung optimiert werden
kann.
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5 zeigt
schematisch ein optisches Kommunikationssystem gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform
ist das dispersive Element nicht in jeder Empfängereinheit bereitgestellt.
Ein einzelnes dispersives Element 550 ist stromaufwärts des optischen
Demultiplexers 125 bereitgestellt, um die Phase-zu-Intensität Modulationsumwandlung
durchzuführen,
und die Empfängereinheiten
enthalten nur den Fotodetektor 155 zum Umwandeln des intensitätsmodulierten
Signals in ein elektrisches Signal, und die elektronische Schaltung 160 zur
Verarbeitung des elektrischen Signals. In diesem Fall muss das dispersive
Element 550 in Anbetracht aller WDM-Kanäle,
und nicht nur eines einzelnen Kanals, wie in der vorherigen Ausführungsform,
optimiert werden. Insbesondere wird die Verwendung einer optischen
Faser-Sektion als ein dispersives Element dank des relativ breiten
Kompensationsbandes, verglichen mit derzeit erhältlichen FBGs, bevorzugt, wobei
im letzten Fall eine vorausgehende Division des WDM-Signals S(Sa,
Sb, ..., Sk) in Gruppen von angrenzenden Kanälen ins Auge gefasst werden kann,
welche beispielsweise mittels Interleavern durchgeführt werden
kann, und eine Anzahl von FBG dispersiven Elementen kann bereitgestellt
werden, und zwar eines für
jede Gruppe von WDM-Kanälen.
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Die
Ausführungsform
von 5 erlaubt eine Reduzierung der Anzahl von dispersiven
Elementen.
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Bezugnehmend
auf 6 ist eine Empfängereinheit 630a, 630b,
..., 630k gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Insbesondere ist
die Empfängereinheit 630a, 630b,
..., 630k eine Differenz-Empfängereinheit. Das eingehende
Signal Sa, Sb, ..., Sk wird einem 50/50 Optik-Koppler 600 oder ähnlichem
Element zugeführt,
welches das Signal Sa, Sb, ..., Sk in zwei Halbleistungs-Signale
teilt. Die zwei Halbleistungs-Signale werden einem positiven dispersiven
Element 650a und einem negativen dispersiven Element 650b zugeführt. Das
positive dispersive Element führt
eine positive Dispersion ein und wandelt das jeweils phasenmodulierte
Halbleistungs-Signal in ein erstes intensitätsmoduliertes Signal Sam,a
um, während
das negative dispersive Element eine negative Dispersion einführt und
das jeweils phasenmodulierte Signal in ein zweites intensitätsmoduliertes
Signal Sam,b umwandelt. Die Signale Sam,a und Sam,b werden jeweiligen
Fotodetektoren 655a, 655b zugeführt, und
die resultierenden elektrischen Signale werden durch einen Subtrahierer 605 subtrahiert.
Das aus der Subtraktion resultierende elektrische Signal wird der
elektronischen Schaltung 160 zugeführt. Dies erlaubt eine Zunahme
der Augenöffnung
des empfangenen Signals, welches die DG-Komponenten beinahe auf
Null reduziert und die Gleichtakt-Rauschunterdrückung erhöht.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
wird das modulierende Signal Smod in ein entgegengesetztes RZ-Format
codiert, mit Logik „1"-Daten entsprechend
einer positiven Phasenverschiebung, beispielsweise Π/2, und Logik „0"-Daten entsprechend einer negativen Phasenverschiebung,
beispielsweise –Π/2, wobei
dies beispielsweise in 2(D) in Verbindung
mit gaußförmigen Phasenmodulations-Impulsen gezeigt
ist. Die Empfängereinheiten 130a, 130b, 130k enthalten
ein negatives dispersives Element 150, welches eine vorgeschriebene
negative Dispersion einführt.
Diese Lösung
erlaubt eine Zunahme der Augenöffnung
des empfangenen Signals und erfordert immer noch einen einzelnen
Fotodetektor 155.
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Experimentier-Arbeit
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Der
Anmelder führt
Experimente und Simulationen durch, um das Verhalten des optischen
Kommunikationssystems bei unterschiedlichen Bedingungen zu charakterisieren.
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Insbesondere
wird ein WDM, Lang-Zug optisches Kommunikationssystem simuliert.
Das simulierte System enthält
acht WDM-Kanäle
im Fenster, welches auf 1550 nm zentriert ist, mit einem Kanalabstand
von 100 GHz. Es werden acht DFB-Laser mit 2 MHz Linienbreite verwendet.
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Acht
optische Träger,
welche durch 0 dBm Laser erzeugt werden, werden durch 10 Gbit/s
RZ Rechteck-Impulse von (4/5)π Modulations-Tiefe
moduliert.
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Die
optische Kommunikationsverbindung ist 800 Kilometer lang und enthält acht
Sektionen von jeweils 100 Kilometer. Die optischen Fasern sind NZDS,
mit einer Dispersion D = –1,6
ps2/km, bei einer Wellenlänge von
1550 nm, einem Kernbereich von gleich 60 μm2 und
einem λ0
von gleich 1563 nm. Ein Vorkompensations-Element einer gesamten
Dispersion von 150 ps2 ist zu Beginn der
Verbindung bereitgestellt, zusammen mit einer In-Reihe-Kompensation
von –250
ps2 vor jedem optischen Verstärker. Es
werden EDFA optische Verstärker
verwendet, wobei jeder einen Gewinn von 20 dB, gleich den Faserbereich-Verlusten,
und ein NF von gleich 5 dB hat, mit Ausnahme des letzten, welcher
ein NF von 4 dB hat.
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Die
Empfängereinheiten
haben ein dispersives Element, welches eine 300 ps2 Dispersion
einführt.
Die Fotodetektoren sind PIN-Fotodioden mit einer Ansprechempfindlichkeit
von 0,87 A/W und einem Dunkelstrom von 0,1 nA.
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7 zeigt
das Augendiagramm des empfangenen Signals für die Schlechtesten der acht
Kanäle.
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Diese
Simulation zeigt, dass der Q (Linear-) Faktor ungefähr 6,16
beträgt.
Somit zeigt die Simulation, dass der Q (Linear-) Faktor höher als
6 (entsprechend der fehlerfreien Bedingung einer BER von weniger
als 10–9)
für alle
acht Kanäle
ist.
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Der
Anmelder hat ebenfalls Experimentier-Probeläufe durchgeführt.
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Insbesondere,
unter Verwendung des Experimentier-Aufbaus, welcher schematisch
in 8 gezeigt ist, werden die Übertrager- und Empfänger-Sektionen
getestet. Die Übertrager-Sektion
enthält
einen typischen Telekommunikations-DFB-Laser mit 10 MHz FWHM Linienbreite
bei 1555,7 nm und einen Raman-Phasen-Modulator mit einer Bandbreite
von 7 GHz; wobei eine 5 Gbit/s RZ Modulation verwendet wird, mit
rechteckigen Modulations-Impulsen mit einer Modulations-Tiefe von Π/8. Eine
Feldübertragung
wird unter Verwendung von Polarisations-Steuerungen (PC) optimiert.
Das modulierte Signal wird einem 11 Km Dispersionskompensations-Optikfaser-(DCF)-Modul
mit einer Dispersion D = –75
ps/nm km, mit einer Gesamtheit β2L von 1070 ps2, zugeführt. Das
phasenmodulierte Signal, welches sich durch das DCF-Modul verbreitet,
wird in ein intensitätsmoduliertes
Signal umgewandelt. Es wird ein 17 GHz-Empfänger verwendet, gefolgt durch
einen EDFA zur Vorverstärkung
des Signals. 9 zeigt das Augendiagramm, welches
auf einem 20 GHz Bandbreite Abtast-Oszilloskop, welches mit dem Empfänger verbunden
ist, angezeigt wird.
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Ein
weiteres Experiment, welches durch den Anmelder durchgeführt wird,
ist darauf gerichtet, eine Messung der BER bereitzustellen. Der
Experimentier-Aufbau ist schematisch in 10 gezeigt.
Ein typischer Telekommunikations-DFB-Laser mit einer 10 MHz FWHM
Linienbreite bei 1555,7 nm wird als Quelle verwendet, und der erzeugte
Träger
wird bei 5 Gbit/s in ein RZ-Format mit rechteckigen Impulsen mittels
eines 7 GHz Bandbreite Ramar-Phasenmodulators
phasenmoduliert, welches die Feldübertragung durch Polarisations-Steuerungen
optimiert und eine Modulationstiefe von Π/8 ergibt. Das phasenmodulierte
Signal wird dann den drei aufeinanderfolgenden DCF-Modulen mit insgesamt β2L
von 2290 ps2 zugeführt. Ein EDFA (MF = 4 dB) wird
mit einem Vorverstärker
verwendet, wobei die Eingangsleistung in den DCF-Modulen konstant
(innerhalb 3 dBm) beibehalten wird, wohingegen die empfangene Leistung
mittels eines variablen optischen Dämpfers (VOA) variiert wird. 11 ist
ein Schaubild, welches den erlangten BER-Kurvenverlauf (Kurvenverlauf
A) als eine Funktion der empfangenen Leistung zeigt; wobei Kurvenverlauf
B anstelle dessen den simulierten BER-Kurvenverlauf zeigt: Eine
gute Übereinstimmung
wird zwischen dem simulierten BER-Kurvenverlauf und dem Experimentier-Kurvenverlauf
gefunden. Ein Q (linear)-Faktor von 7,34 wird unter Verwendung der
Bergano et al. Technik (beschrieben in N.S. Bergano, F.W. Kerfoot,
C.R. Davidson, „Marging
measurement in optical amplifier systems" Photon. Technol. Lett. vol. 5, no.
3, Seiten 304 und folgende, 1993) für eine empfangene Leistung
von –16
dBm erlangt.
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In
einer weiteren, durch den Anmelder durchgeführten Simulation, wird eine
Einzel-Sektion Optikverbindung zur Übertragung bei 40 Gbit/s mit
RZ-Format getestet. Die Verbindungs-Sektion enthält einen Faserbereich mit β2 = –1,54 ps2/km, bei 1550 nm, einem λ0 =
1523 nm und einem effektiven Bereich von 60 μm2,
und einem Dispersionskompensationselement am Ende des Faserbereichs,
um die Dispersion des Faserbereichs exakt zu kompensieren. Der Simulations-Aufbau
enthält
ein dispersives Element am Ende der Verbindung vor dem Empfänger. Die
Dispersion des dispersiven Elements ist auf unterschiedliche Werte
im Bereich 5-52 ps2 eingestellt. Das übertrage
40 Gbit/s Signal enthält
10 ps Impulse einer Gaußform
bei 1550 nm, phasenmoduliert mit einer Modulations-Tiefe von Π/2. In zwei
Folgen von Simulationen, deren Ergebnisse jeweils in 12 und 13 gezeigt
sind, ist die am Eingang der Verbindung übertragene optische Leistung
jeweils bei 10 dBm und 13 dBm eingestellt. In jeder aus der 12 und 13 ist
der Q-Faktor (in dB-Einheiten) als eine Funktion der Dispersion
des dispersiven Elements vor dem Empfänger gezeigt. Eine kontinuierlich
horizontale Linie zeigt in beiden Kurvenverläufen den Q-Faktor in dB-Einheiten
entsprechend einem linearen Q-Faktor von 6. Wie in den Kurvenverläufen gezeigt,
können
lange Bereichslängen
(von zumindest 100 Kilometer oder länger) bei 40 Gbit/s mit einem
linearen Q-Faktor von höher
als 6 (BER niedriger als 10–9) erreicht werden.
