DE10147063A1

DE10147063A1 - Kompensationsanordnung zur adaptiven Entzerrung eines optischen Signals

Info

Publication number: DE10147063A1
Application number: DE2001147063
Authority: DE
Inventors: Marc Bohn; Christoph Glingener; Georg Mohs; Werner Rosenkranz; Christian Scheerer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-24

Abstract

Ein optisches Filter (FI), dessen komplexe Koeffizienten (k1 u. jk1; k2 u. jk2; ...; km u. jkm) einstellbar sind, wird zur Signalentzerrung eingesetzt. Als Regelkriterium wird die Qualität des in ein elektrisches Datensignal (DS) umgesetzten optischen Signals verwendet. DOLLAR A Die Kompensationseinrichtung kann durch Dispersion, Polarisationsmodendispersion oder Selbstphasenmodulation erzeugte Verzerrungen weitgehend kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsanordnung zur adaptiven Entzerrung eines optischen Signals mit einem einstellbaren optischen Filter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Übertragung von optischen Impulsen über eine optische Faser werden diese verzerrt. Diese Verzerrungen reduzieren die Signalqualität und begrenzen insbesondere bei hohen Bitraten die regeneratorfreie Reichweite. Eine wellenlängenabhängige Dämpfung kann durch geeignete Verstärker kompensiert werden. Andere Effekte wie Gruppenlaufzeitdispersion, Polarisationsmodendispersion (PMD) und Selbstphasenmodulation (SPM) versucht man durch geeignete Maßnahmen zu kompensieren.
Zur Kompensation der Gruppenlaufzeitdispersion, im folgenden kurz als Dispersion bezeichnet, werden spezielle Fasern verwendet, deren Gruppenlaufzeiteigenschaften invers zu denen der Übertragungsfasern sind.
In "Optics Communications", Vol. 182, No. 1-3, pp. 135-141 wird ein Verfahren zur PMD-Kompensation durch einen optischen Kompensator erster Ordnung und durch ein einstellbares elektrisches Transversalfilter verglichen.
Aus "ECOC'99" Vol. 2, pp. 138-139, H. Bühlow et al ist ein einstellbares elektrisches Transversalfilter beschrieben, dass zur Kompensation von PMD und Laufzeitdispersion verwendet wird.
Aus der Internationalen Patentanmeldung WO 99/50944 ist eine Anordnung zur Dispersionskompensation bekannt, bei der ein Bragg-Grating-Filter entsprechend der Dispersion gesteuert wird. Ein Dispersionsanalysator bewertet beispielsweise die Augenöffnung oder die Bitfehlerrate. Die ermittelte Signalqualität wird als Regelkriterium verwendet. Die Anordnung kann ebenfalls für PMD-Kompensation verwendet werden.
Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 740 173 A2 ist bekannt, ein optisches Transversalfilter zur Dispersionskompensation zu verwenden, dessen Übertragungsfunktion nach Betrag und Phase vorgegeben wird. Die Feinabstimmung der Phasen erfolgt durch Heizelemente oder Richtungskoppler. Das Filter wird fest eingestellt und kann sich daher an veränderte Übertragungsbedingungen nicht anpassen.
Außerdem ist es an sich bekannt, eine Dispersions- Grundkompensation mit Hilfe einer entsprechenden Faser durchzuführen und diese mit einer Feinkompensation mit elektrischen Filtern zu kombinieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur adaptiven Signalentzerrung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Anpassungsmöglichkeit des optischen Filters an die Verzerrungen, die durch Dispersion, PMD oder SPM verursacht wurden. Eine Kompensation im optischen Bereich führt zu besseren Ergebnissen als im elektrischen Bereich, da vor optoelektrischen Umwandlung entzerrt wird. Die Photodiode als elektrooptischer Wandler ist ein nichtlineares Element mit quadratischer Kennlinie, die eine Einhüllende des übertragenen amplitudenmodulierten Signals als demoduliertes Signal abgibt. Der Träger und jegliche Phaseninformation gehen bei der Umsetzung in ein elektrisches Signal verloren.
Um eine zufriedenstellende Kompensation durchführen zu können, ist es erforderlich, eine optimale komplexe Übertragungsfunktion des Kompensationsfilters einzustellen. Dies heißt, dass bei einem Transversalfilter komplexe Koeffizienten eingestellt werden. Zwar können prinzipiell sowohl FIR- Filter (finite impuls response) als auch IIR-Filter (infinite impuls response) oder eine Kombination beider Filtertypen verwendet werden, Transversalfilter sind jedoch wegen ihrer guten Einstellmöglichkeit vorzuziehen, ggf. in Kombination mit einem rekursiven Filtertyp.
Prinzipiell jede Art der Verzerrung kompensiert werden, unabhängig von ihrer Ursache. Man unterscheidet zwischen einer adaptiven Kompensation und einer Kompensation durch ein inverses System. Bei einem adaptiven Ansatz wird eine optimale Entzerrung durchgeführt, ohne dass das inverse System als Übertragungsfunktion nachgebildet wird.
Bei einem inversen System wird versucht, die inverse Übertragungsfunktion zu bilden. Diese ist zunächst fest eingestellt, kann aber auch eine adaptive Komponente erhalten.
Bei der Dispersions-Kompensation kann eine Grundkompensation der durch eine dispersionskompensierende Faser (DCF) oder ein weiteres (einstellbares) Kompensationsfilter erfolgen, wodurch der benötigte Einstellbereich des Filters verringert wird.
Auch können mehrere adaptive Kompensationseinrichtungen in Serie geschaltet werden, beispielsweise eine Dispersionskompensation für ein Übertragungsband mit mehreren Wellenlängen- Multiplexskanälen und eine kanalindividuelle PMD- Kompensationsanordnung. Zur Kompensationssteuerung wird vorzugsweise die Signalqualität, beispielsweise Augenöffnung oder Bitfehlerrate, oder das Spektrum bewertet und eine Optimierung der Kompensation durch Variation der Koeffizienten durchgeführt.
Ebenso kann eine Kompensation mit optische und elektrischen Filtern durchgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Kompensationsanordnung,
Fig. 2 eine mehrstufige Kompensationsanordnung,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Transversalfilters,
Fig. 4 das Prinzipschaltbild eines IIR-Filters und
Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Übertragungssystems mit der erfindungsgemäßen Kompensationsanordnung FI, OEC, RX, AN, CON. Ein Sender TX gibt ein mit einem binären Signal moduliertes optisches Signal OS ab, dass in einem Verstärker AMP verstärkt und über eine optische Faser FIB übertragen wird. Auf der Übertragungsstrecke können weitere Verstärker und Dispersions-Kompensationseinrichtungen, meist dispersionskompensierende Fasern, eingefügt sein. Das durch Dispersion und nicht lineare Effekte verzerrte optische Signal OSV wird einer im wesentlichen aus einem optischen Kompensationsfilter FI, einem Analysator AN und einer Steuereinrichtung CON Regeleinrichtung zugeführt. Da der Analysator und die Steuereinrichtung elektrisch arbeiten, ist vorher eine Umsetzung durch einen optoelektrischen Wandler OEC erforderlich. Der diesem nachgeschalteten Empfänger RX verstärkt das elektrische Signal linear und gibt an seinem Ausgang das noch nicht begrenzte oder abgetastete Datensignal DS ab. Ein an den Ausgang des Empfängers - oder über einen Splitter am Ausgang des Kompensationsfilters und einem weiteren optoelektrischen Wandler - angeschaltete Analysator AN bewertet die Qualität des Datensignals. Dies kann durch Bewertung der Augenöffnung, der Bitfehlerrate oder des Spektrums erfolgen. Ein der Qualität entsprechendes Regelsignal QS wird der Steuereinrichtung CON zugeführt. Diese verändert nach einem Optimierungsalgorithmus die Koeffizienten des Kompensationsfilters FI bis ein Qualitätsmaximum erreicht ist.
Eine Kompensation durch ein optisches Filter kann durch ein elektrisches Filter EFI ergänzt werden, das fest oder adaptiv einstellbar ist.
Ein optisches Transversalfilter (FIR - finite impulse response), dessen Prinzip in Fig. 2 dargestellt ist, enthält Laufzeitglieder TD, Multiplikatoren "x" und mindestens eine Summierschaltung Σ. Die komplexen Koeffizienten k₁ + jb₁ bis km + jb_m der Multiplikatoren können durch Einstellung der Phase (Laufzeitänderung) und der Dämpfung in den verschiedenen Zweigen geändert werden. Die Feinabstimmung der Phase kann beispielsweise durch eine Änderung des Brechungsindexes aufgrund von Erwärmung erfolgen. Es sind mehrere Realisierungsmöglichkeiten bekannt, so dass hier nicht darauf eingegangen zu werden braucht. Prinzipiell ist jedoch die Filterstruktur gleichgültig.
In Fig. 3 ist ein weiteres Kompensationsfilter (IIR - infinte impulse response) dargestellt, das mit Hilfe von Ringresonatoren RR₁, . . ., RR_M realisiert ist. Über erste Amplituden-Einstellglieder EA₁-EA_M sind die Ringresonatoren an die Faser FIR angekoppelt, in die das verzerrte Signal OSV eingespeist wird. Diese Einstellglieder bestimmen die reellen Koeffizienten, während über in die Fasern FR₁-FR_M der Ringresonatoren eingefügte zweite Phasen-Einstellglieder EP₁-EP_N jeweils die Laufzeit und damit die Phase, d. h. der imaginäre Koeffizient geändert wird. Bei dieser Anordnung sind weniger Koeffizienten zur Kompensation erforderlich.
Die Anordnung bewirkt stets eine Optimierung des Datensignals unabhängig von der Ursache der Verzerrungen. Eine solche Anordnung kann beispielsweise zur Kompensation der chromatischen Dispersion oder Polarisationsmodendispersion verwendet werden. Auch Selbstphasenmodulation kann kompensiert werden, indem die SPM verursachenden Eigenschaften der Übertragungsfaser durch eine inverse Kompensationsfunktion kompensiert wird. Das selbe gilt auch für Verzerrungen, die durch mehrere Ursachen hervorgerufen werden.
Die Kompensationsanordnung kann jeweils für einen Übertragungskanal vorgesehen werden oder bei WDM-Systemen wirtschaftlicher mit einem Filter - wenn die Periodizität des Filters entsprechend dem Kanalabstand des WDM-Systems gewählt ist - für mehrere oder alle Kanäle eines Übertragungsbandes genutzt werden. Diese Anordnung eignet sich insbesondere zur Kompensation von Gruppenlaufzeitdispersion und/oder Selbstphasenmodulation.
Eine vorteilhafte Anordnung speziell zur PMD-Kompensation ist in Fig. 4 dargestellt. Der Reihenschaltung eines Polarisationsstellers POLCON und eines Polarisationssplitter PSPL wird das verzerrte optisch Signal OSV zugeführt, das in zwei orthogonale Signalkomponenten (Polarisationsebenen) OSV1 und OSV2 aufgespalten wird. Der Polarisationsteller sorgt durch eine nicht dargestellte Regelung für eine stabile Aufteilung. Die Signalkomponenten OSV1 und OSV2 werden jeweils einem optischen Kompensationsfilter FIP1 und FIP2 zugeführt, die beide geregelt werden. Prinzipiell kann eines der Kompensationsfilter durch ein fest eingestelltes Filter oder durch ein festes oder gesteuertes Laufzeitglied ersetzt werden, wodurch allerdings der Stellbereich eingeschränkt wird. Die Signalkomponenten OSV1 und OSV2 werden nach der Entzerrung durch einen Multipexer (Combiner) MUX zu einem kompensierten Signal OSK zusammengefasst. Nach der Umsetzung in ein elektrisches Datensignal DS wird die Signalqualität in dem Analysator AN überprüft und die Filterkoeffizienten entsprechend dem Regelsignal QS durch die Steuereinrichtung CON eingestellt. Auch Kompensationsanordnung kann um weitere elektrische Filter zur kanalindividuellen Entzerrung von PMD, SPM oder wellenlängenabhängiger Dispersion ergänzt werden.
In Fig. 5 ist eine erweiterte Kompensationsanordnung insbesondere zur PMD-Entzerrung von WDM-Signalen dargestellt, die statt einem zwei in Serie angeordnete Kompensationsfilter FI1 und FI2 sowie Steuereinrichtungen CON und CON2₁ bis CON2_N enthält.
Als optisches Signal wird ein WDM-Signal OS_1-N übertragen. Den Filtern ist eine dispersionskompensierende Faser DCF vorgeschaltet, da der Stellbereich der Filter begrenzt ist. Ebenso kann eine Vorkompensation gemeinsam für alle Kanäle durch ein weiteres periodisches Filter erfolgen.
Die Vorkompensation bei der Anordnung nach Fig. 2 erfolgt durch die dispersionskompensierende Faser DCF gemeinsam für alle Kanäle. Im einstellbaren Filter 1, vorzugsweise einem Transversalfilter, dessen Periodizität (FSR - free spectral range) vorzugsweise alle WDM-Kanäle umfasst, wird die wellenlängenabhängige Restdispersion kompensiert.
Die Qualitätskriterien QS₁-QS_N (Regelkriterien) werden von mehreren oder allen Kanälen abgeleitet und der ersten Steuereinrichtung CON1 zugeleitet, die die Koeffizienten des ersten Filters einstellt.
Das Kompensationsfilter FI1 kann auch als periodisches Filter ausgebildet sein und die dispersionskompensierende Faser ersetzen. Bei einer Variante kann ein mit dem Kanalabstand periodisches Filter 1 zur Entzerrung bei Vorliegen von Gruppenlaufzeitdispersion und/oder Selbstphasenkompensation eingesetzt werden.
Die Kompensation der Polarisationsmodendispersion muss allerdings kanalweise mit kleiner Zeitkonstante erfolgen. Deshalb ist dem ersten Kompensationsfilter ein optischer Demultiplexer DEMUX nachgeschaltet, der die Kanäle/Einzelsignale des WDM-Signals separiert. Die in den einzelnen Kanälen übertragenen Signale DS₁-DS_N werden in zweiten Kompensationsfiltern FI2₁ bis FI2_N separat PDM-kompensiert, wobei die Qualitätskriterien QS₁, . . ., QS_N für jeden Kanal in einem separaten Analysator AN₁ bis AN_N ermittelt werden. Für die Dispersions- und die PMD-Kompensation können auch unterschiedliche Analysatoren verwendet werden.
Auch diese Kompensationseinrichtung kann durch weitere fest eingestellte oder adaptive Elemente zur Kompensation oder ein weiteres adaptives Kompensationsfilter oder elektrische Filter ergänzt werden.

Claims

1. Kompensationsanordnung zur adaptiven Entzerrung eines verzerrten optischen Signals (OSV) mit einem einstellbaren optischen Kompensationsfilter (FI), das ein kompensiertes optisches Signal (OSK) abgibt, und mit einem Analysator (AN), der die Signalqualität ermittelt und über eine Steuereinrichtung (CON) die Übertragungsfunktion des optischen Kompensationsfilter (FI) derart einstellt, dass die Signalqualität optimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion komplex ist und ihre reellen und imaginären Anteile eingestellt werden.

2. Kompensationsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen Polarisationssplitters ((POL, SP) enthält, der das verzerrte optischen Signal (OSV) in zwei stabile orthogonale Signalkomponenten (OSV1, OSV2) aufteilt, die jeweils einem gesteuerten optischen PMD-Kompensationsfilter (FIP1, FIP2) zugeführt werden, und
dass durch einen Multipexer (MUX) die Signalkomponenten (OSV1, OSV2) zu dem kompensierten optischen Signal (OSK) zusammengefasst werden.

3. Kompensationsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass statt eines der beiden einstellbaren PMD- Kompensationsfilter (FIP1, FIP2) ein fest einstellbares Filter oder ein festes Laufzeitglied oder ein einstellbares Laufzeitglied ersetzt angeordnet ist.

4. Kompensationsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein optoelektrischer Wandler (OEC) vorgesehen ist, dem das kompensierte optische Signal (OSK) zugeführt wird und der dieses in ein elektrisches Datensignal (DS) umsetzt, und dass dem optoelektrischer Wandler (OEC) ein Analysator (AN) nachgeschaltet ist, der aus dem elektrischen Datensignal (DS) ein Qualitätskriterium gewinnt, das als Regelsignal (QS) zur Einstellung des optischen Kompensationsfilters (FI, FIP1, FIP2) dient.

5. Kompensationsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optisches Kompensationsfilter (FI, FIP1, FIP2) ein Transversalfilter ist, dessen komplexe Filterkoeffizienten (k1 + jb1; k2 + jb2; . . .) eingestellt werden.

6. Kompensationsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Kompensationsfilter (FI, FIP1, FIP2) aus der Reihenschaltung eines Transversalfilters und eines rekursiven Filters besteht.

7. Kompensationsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein in Reihe geschaltetes weiteres Kompensationselement (DCF) enthält.

8. Kompensationsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein elektrische Filter (EFI) enthält.

9. Kompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen zur Kompensation von Verzerrungen eines Wellenlängen-Multiplexsignals (OS_1-N), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Kompensationsanordnung mit einem ersten Kompensationsfilter (FI1) eines ersten Regelkreises (FI1, RX₁-RX₁, AN₁-AN_N, CON1) vorzugsweise zur Dispersionskompensation enthält, dass das Ausgangssignal des ersten Kompensationsfilters (FI1) einem optischen Demultiplexer (DMUX) zugeführt ist, der das Wellenlängen-Multiplexsignal in Einzelsignale aufteilt, die jeweils einer funktionsmäßig in Reihe geschalteten weiteren adaptiven Kompensationsanordnung (FI2₁, RX₁, AN₁, CON2₁, . . ., FI2_N, RX_N, AN_N, CON2_N,) mit einem zweiten optischen Kompensationsfilter (FI2₁, . . ., FI2_k) vorzugsweise zur Kompensation der Polarisationsmodendispersion zugeführt werden.

10. Kompensationseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren adaptive Kompensationsanordnungen jeweils ein elektrisches Filter (EFI) enthalten.

11. Kompensationseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7 zur Kompensation von Verzerrungen eines Wellenlängen-Multiplexsignals (OS_1-N), dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine erste Kompensationsanordnung mit einem ersten Kompensationsfilter (FI1) eines ersten Regelkreises (FI1, RX₁ -RX₁, AN₁-AN_N, CON1) vorzugsweise zur Dispersionskompensation enthält,
dass das Ausgangssignal des ersten Kompensationsfilters (FI1) einem optischen Demultiplexer (DMUX) zugeführt ist, der das Wellenlängen-Multiplexsignal in Einzelsignale aufteilt, die jeweils nach einer optoelektrischen Wandlung einem adaptiven elektrischen Filter (EFI) werden.

12. Kompensationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und Kompensationseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Kompensation von Laufzeitdispersion und/oder wellenlängenabhängiger Dispersion und/oder von Polarisationsmodendispersion und/oder von Selbstphasenmodulation verwendet wird.