DE102004047021B3 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Dispersion einer optischen Übertragungsstrecke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Dispersion von einer optischen Übertragungsstrecke. Durch Ermittlung der Signalqualität wird für ein moduliertes Datensignal die Bitfehlerrate in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz eines Störsignals (STS) gemessen. Aus den sich ergebenden diskreten Minima der Bitfehlerrate wird der Dispersionskoeffizient der Übertragungsstrecke berechnet. Diese Messungen können vorteilhaft während des Betriebs der Datenübertragung erfolgen. Außerdem liefert das Verfahren durch die Ermittlung der nichtlinearen Phasenverschiebung zusätzliche Aussagen hinsichtlich der Qualität der Datenübertragung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 9.
• Die Reichweite und Kapazität von optischen Übertragungssystemen für die Weitverkehrstechnik wird unter anderem durch Signalverzerrungen aufgrund der Dispersion in der Übertragungsfaser begrenzt. Die häufig eingesetzten Standard-Einmodenfasern (SSMF) weisen im Wellenlängenfenster um 1550 nm einen Dispersionskoeffizienten von ca. 17 ps/(nm·km) auf. Bei Kanaldatenraten von 2,5 GBit/s lassen sich ohne kompensierende Maßnahmen dispersionsbegrenzte Regeneratorabstände von ca. 1000 km realisieren. Da die Reichweite umgekehrt proportional zum Quadrat der Kanaldatenrate abnimmt, ergeben sich bei 10 GBit/s und 40 GBit/s entsprechend Regeneratorabstände von ca. 70 km und ca. 3 km. Für die meisten 10 GBit/s-Systeme und praktisch alle 40 GBit/s-Systeme ist daher zur Vermeidung von Signalverzerrungen der Einsatz von dispersionskompensierenden Maßnahmen unerlässlich.
• Dispersionskompensation in optischen Übertragungsstrecken wird häufig mittels Kompensationsfasern erreicht, die in der Übertragungsstrecke vorteilhaft in den optischen Verstärkern untergebracht sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dispersionskompensierende Elemente am Ende einer Übertragungsstrecke einzubringen. In den Veröffentlichungen von Tsuda et al., "Second- and Third-Order Dispersion Compensator Using a High-Resolution Arrayed-Waveguide Grating", IEEE Photonics Technology Letters, (1999) Vol. 11, No.5, S.569, wird ein Wellenleiter-Gitter (Arrayed Waveguide Grating, AWG) verwendet, um dispersionsbedingte Laufzeitunterschiede des Datensignals auszugleichen. Aus K.-M. Feng, V. Grubsky, D.S. Starodubov, J.-X. Cai, A.E. Willner, J. Feinberg, "Tunable nonlinearly-chirped fiber Bragg grating for use as a dispersion compensator with a voltage-controlled dispersion", OFC Technical Digest (1998), paper TuM3, 5.72 und P.L. Mason, J.A.J. Fells, R.V. Penty and I.H. White, "Optical communication system performance using fibre Bragg grating dispersion compensators", ECOC Technical Digest (1994), S. 435, und K.O. Hill, S. Theriault, B. Malo, F. Bilodeau, T. Kitagawa, D.C. Johnson, J. Albert, K. Takiguchi, T. Kataoka and K. Hagimoto, "Chirped in-fibre Bragg grating dispersion compensators: Linearisation of disperision characteristic and demonstration of dispersion compensation in 100 km, 10Gbit/s optical fibre link", Electronics Letters, (1994), Vol. 30, No.21, 5.1755, sind Braggsche Fasergitter zur Dispersionskompensation bekannt.
• Für die Dimensionierung der dispersionskompensierenden Elemente ist insbesondere bei der Auslegung einer optischen Übertragungsstrecke mit hohen Datenraten eine genaue Kenntnis der Dispersion der gesamten Übertragungsstrecke wichtig.
• Zur Bestimmung der Gesamtdispersion einer optischen Übertragungsstrecke wird in der Literatur ein Ansatz von M. Tomizawa, Y.Yamabayashi, Y. Sato and T. Kataoka, "Nonlinear influence on PM-AM conversion measurement of group velocity dispersion in optical fibres", Electronics Letters, (1994), Vol.30, No.17, S.1434, genannt, bei dem ein optisches Signal beispielsweise durch einen externen Phasenmodulator (PM) moduliert wird. Das PM-Signal wird durch die Dispersion der Faserstrecke in eine Amplitudenmodulation (AM) verwandelt (PM-AM-Konversion). Durch den Grad der Umwandlung können Aussagen über die erforderliche Nachführung der Kompensation getroffen werden.
• Aus der US-Patentanmeldung US 2002/0044322 A1 ist eine Methode zur Bestimmung der Dispersion einer optischen Übertragungsstrecke bekannt, die auf dem Multiplexen optischer Zwischenträger („optical subcarrier multiplexing") basiert. Dabei werden sendeseitig die Basisbandsignale und die Zwischenträgersignale mittels eines zweiarmigen Mach-Zehnder-Modulators auf ein Trägersignal moduliert. Die jeweiligen Frequenzen der beiden Zwischenträger sind hierbei festgelegt. Anschließend werden die Signalleistungen bei der ersten und zweiten Zwischenträgerfrequenz gemessen. Aus dem Verhältnis der gemessenen Leistungen wird die Dispersion für einen Datenkanal bestimmt, ohne dass das Basisband demoduliert werden muss.
• Aus dem US-Patent 5,033,846 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Dispersion in einer Monomode-Faser bekannt. Hierbei wird ein cw-Trägersignal mit einem Modulationssignal respektive Störsignal einstellbarer Frequenz moduliert. Die Frequenz des Modulationssignals wird verändert, um die Übertragungsfunktion („AM frequency response") der Übertragungsstrecke zu ermitteln. Aus der Frequenz bei einem Minimum der Übertragungsfunktion wird die Dispersion errechnet.
• In WO 98/57138 wird die Dispersion als Streckenparameter bei der Bestimmung des nichtlinearen Brechungsindex-Koeffizienten n₂ ermittelt. Dabei wird das Licht eines Lasers mit einem Störsignal amplitudenmoduliert. Während die Modulationsfrequenz verändert wird, wird am Ende der Übertragungsstrecke mit einem Netzwerkanalysator und einer Auswerteeinheit die Verschiebung der Übertragungskennlinie |S₁₂| für verschiedene Eingangslichtleistungen ermittelt. Aus der Verschiebung der |S₁₂|-Minima in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz wird der nichtlineare Brechungsindex-Koeffizient n₂ berechnet. Durch Auswerten der Minima der Übertragungskennlinie lässt sich bei bekannter Lichtwellenlänge auch die Gesamtdispersion bestimmen. Allerdings ist bei dem beschriebenen Verfahren nachteilig, dass die Messung nicht während der Datenübertragung in einem optischen Netzwerk stattfinden kann. Die Messung kann nur in einer separaten optischen Übertragungsstrecke mit einem Empfänger mit Netzwerkanalysator und einer zusätzlichen Auswerteeinheit durchgeführt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine möglichst einfache Messanordnung zur Ermittlung der Dispersion einer optischen Übertragungsstrecke bei laufender Datenübertragung anzugeben.
• Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 beschrieben.
• Eine geeignete Anordnung ist im unabhängigen Anspruch 9 angegeben.
• Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass sowohl auf einer Übertragungsstrecke als auch in einem optischen Netzwerk im Betrieb die Gesamtdispersion bzw. die nicht kompensierte Restdispersion gemessen werden kann.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für alle Wellenlängen sendeseitig nur eine Modulationseinheit benötigt wird. Das gleiche gilt für PXCs (optische Cross Connects oder Photonische Crossconnects) für jede Himmelsrichtung.
• Das Verfahren bietet den weiteren Vorteil, dass empfangsseitig nur das Auslesen der Fehlerrate bzw. der Anzahl der durch Forward Error Correction (FEC) korrigierten Fehler notwendig ist. Andere Aussagen über die Signalqualität sind beispielsweise durch den Einsatz von Augendiagramm- und Histogramm-Verfahren gegeben.
• Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Messdurchlauf für alle aktiven Wellenlängen die Restdispersionen liefert.
• Die Erfindung birgt den weiteren Vorteil, dass ohne Einsetzen von Zusatzkomponenten wie einem Netzwerkanalysator und einer Leistungsmesseinheit auch die nichtlineare Phase (Formel 3) einer optischen Übertragungsstrecke gemessen werden kann, was Rückschlüsse hinsichtlich der Qualität der Datenübertragung erlaubt. So kann beispielsweise mit Hilfe der nichtlinearen Phase angegeben werden, wie viele regeneratorfreie Streckenabschnitte in das System integriert werden können und wie stark der Leistungspegel zu größeren Werten hin variiert werden kann, bevor sich die Übertragung durch Nichtlinearitäten wieder verschlechtert.
• Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin, dass bei Verwendung eines fehlerkorrigierenden Codes keine zusätzlichen Fehler des Datensignals auftreten, die Information des Datensignals durch die Messung nicht beeinträchtigt wird und gleichzeitig die Signalqualität parallel zur Messgröße überprüft wird.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der 1 und 2 erläutert.
• 1 zeigt eine mögliche Ausführung der Erfindung für eine Punkt-zu-Punkt Verbindung einer optischen Übertragungsstrecke.
• In 2 ist die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz eines Hilfssignals aufgetragen. Die sich ergebenden Minima sind deutlich zu erkennen.
• In einer optischen Übertragungsstrecke, wie sie in 1 schematisch skizziert ist, werden die zu übertragenden Datensignale D_i zunächst in einem FEC-Codierer FEC_i geschützt. Dann werden mehrere optische Trägersignale in Modulatoren MO_i mit den codierten Datensignalen DS_i moduliert, und die optischen Datensignale DSO_i werden durch den Multiplexer MUX zu einem sendeseitigen Multiplexsignal DS_S zusammengefasst. Allen vom Multiplexer MUX ausgegebenen optischen Datensignalen DS_S wird in der Modulationseinheit ME gemeinsam ein sinusförmiges Störsignal STS auf moduliert (vorzugsweise amplitudenmoduliert) Der Begriff Modulation soll hier auch durch Überlagerung hervorgerufene gleichwirkende Effekte einschließen. Dadurch wird die Signalqualität verschlechtert und die Anzahl der von der FEC zu korrigierenden Bitfehler erhöht. Das Störsignal STS ist sowohl in der Frequenz f_STS als auch in der Amplitude A_STS veränderbar. Beide Modulationsparameter werden mit einer Systemsteuerung S eingestellt. Nach Durchlaufen einer optischen Übertragungsstrecke FI mit mehreren optischen Verstärkern OV und Aufteilung des modulierten Multiplexsignals durch einen Demultiplexer DMUX in einzelne optische Datensignale DSO_i und Rückumsetzung in elektrische Datensignale DSE_i wird empfangsseitig wahlweise für einen einzelnen Kanal oder für alle Kanäle parallel die Signalqualität überprüft. Die Überprüfung der Signalqualität erfolgt bei Verwendung einer Fehlerkorrektur durch Messung der Bitfehlerrate (BER) in einem FEC-Decodierer FECD_i. Wird keine Fehlerkorrektur verwendet, kann die Signalqualität durch Messung von Augendiagrammen oder durch Histogramm-Meßverfahren durchgeführt werden. Diese Verfahren dienen alle der Feststellung von Störeinflüssen auf das Datensignal. Dabei kommt der BER eine besondere Bedeutung zu. Sie geht direkt aus der Anzahl der korrigierten Bits der FEC hervor und wird von den Decodierern an die Systemsteuerung S, die standardmäßig zur Qualitätsüberwachung installiert ist, weitergegeben.
• Zur Bestimmung der Dispersion wird die BER der empfangenen Datensignale DSE_i in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz f_STS aufgenommen. Dabei gilt grundsätzlich: Wird ein mit der Frequenz f amplitudenmoduliertes Licht durch ein dispersives Element geleitet, so weist der Betrag der Übertragungsfunktion |S₁₂| in [dB] bei logarithmischer Auftragung charakteristische Minima für bestimmte diskrete Frequenzen f_k auf, wie in 2 gezeigt ist. Wird angenommen, dass keine Nichtlinearitäten vorhanden sind, so kann durch die Lage des k-ten Minimums mittels folgender Gleichung (siehe z.B. M. Schiess, H. Carlden, Evaluation of the chirp parameter of a Mach-Zehnder intensity modulator', Electronics Letters, (1994) 30, 18, S. 1524) die Gesamtdispersion D_tot berechnet werden:

  

c

Vakuumlichtgeschwindigkeit in [m/s]

λ

Vakuumlichtwellenlänge in [m]

k

= 1, .., n Laufindex der Minima

D_tot

wird zumeist in [ps/nm] angegeben. Es gilt: D_tot [ps/nm] = 1000·D_tot [s/m]

• Anhand der Formel (1) wird deutlich, dass durch Einsetzen der Modulationsfrequenz f_STS an der Stelle eines Minimums k bei bekannter Lichtwellenlänge λ die Gesamtdispersion D_tot eines dispersiven Elementes oder einer dispersiven Übertra gungsstrecke bestimmt werden kann. Die durch das Signal STS verursachte Störung verschwindet für die Frequenzen f_k, für welche die BER minimal ist. Somit ist ein direkter Zusammenhang zwischen den Minima der Bitfehler bzw. den korrigierten Fehlern als Funktion der Modulationsfrequenz und der Gesamtdispersion gegeben.
• Im Folgenden wird die Durchführung einer Dispersionsmessung skizziert.
• Auf der Sendeseite wird entweder ein einzelnes optisches Datensignal DSO_i vor dem Multiplexer MUX moduliert oder es werden durch Anbringen der Modulationseinheit ME hinter dem Multiplexer MUX alle Kanäle gleichzeitig moduliert. Um zusätzliche Störeinflüsse auf das Datensignal zu verhindern, sollte der Modulator keinen Chirp besitzen, da bereits durch die Dispersion eine PM-AM-Konversion stattfindet.
• Die Messung kann entweder mit Modulationsfrequenzen f_STS gestartet werden, die deutlich größer als die Datenrate des Transportnetzes sind, oder mit Modulationsfrequenzen, die sehr klein sind (im Bereich von einigen 10 MHz), da für niedrige Modulationsfrequenzen die sinusförmige Störfrequenz praktisch ungedämpft ist (siehe 2). Zu Beginn der Messung wird die Modulationsamplitude A_STS so gewählt, dass die Fehlerrate BER tolerierbare Werte von beispielsweise 10^–3 bis 10^–5 für alle Kanäle nicht überschreitet.
• Wird die Messung für einen einzelnen Kanal durchgeführt, so wird kanalweise die Modulationsfrequenz f_STS je nach Anfangsbedingung (typisch im 100 MHz bis 1 GHz Raster) herab- bzw. heraufgesetzt und die Bitfehlerrate dieses Kanals gemessen. Die Modulationsamplitude A_STS wird so angepasst, dass die BER für den ausgewählten Kanal in etwa konstant bleibt. Gleichzeitig wird überprüft, ob bei einem der anderen Kanäle die kritische BER überschritten wird. Falls ja, so wird der Messdurchlauf mit einer insgesamt kleineren Modulationsamp litude A_STS von vorne gestartet. Falls nein, so wird die Modulationsfrequenz f_STS weiter herab- bzw. heraufgesetzt (je nach gewählter Anfangsbedingung) und die Modulationsamplitude A_STS des ausgewählten Kanals konstant gehalten während die der anderen Kanäle angepasst wird. Das Verfahren wird solange wiederholt, bis ein Minimum für die BER gefunden ist.
• Wird die Messung für alle Kanäle parallel durchgeführt, so werden alle Kanäle gemeinsam moduliert und die Modulationsfrequenz f_STS wird wie bei der Einzelmessung je nach Anfangsbedingung entweder herab- bzw. heraufgesetzt. Die Bitfehlerraten für alle Kanäle werden gleichzeitig gemessen. Die Modulationsamplitude A_STS wird für alle Kanäle stets so angepasst, dass die BER Obergrenze nicht überschritten wird. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis ein Minimum für die BER gefunden ist.
• Werden mehrere Minima der BER in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz f_STS aufgenommen, wie in 2 angedeutet ist, so kann aus der Verschiebung der Frequenzminima in Anlehnung an das Messverfahren aus WO 98/57138 auch die nichtlineare Phase bestimmt werden. Aus der Frequenzverschiebung von mindestens zwei Minima kann auf die nichtlineare Phasenverschiebung φ_chirp zurück geschlossen werden, wie in folgenden Formeln zu erkennen ist:

  

  mit tan(φchirp) = 2·Leff·γ·Pmean (3)und

  

  wobei

tan(φ_chirp)

die gemessene Verschiebung darstellt,

L_eff

die effektive Länge der Glasfaser in [m]

A_eff

die effektive Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters in [m²] und

P_mean

die mittlere Leistung in [W] und

n₂

der nichtlineare Brechungsindex-Koeffizient in [m²/W]

γ

ist hier ein Hilfsparamter.

• Die Kenntnis der nichtlinearen Phase und damit des Produktes L_eff·γ·P_mean erlaubt ferner Aussagen über das Leistungsverhalten des Gesamtsystems. Überschreitet das Produkt L_eff·γ·P_mean bei gegebener Datenrate und Fasertyp einen Grenzwert (maximaler Wert für die nichtlineare Phase φ max / chirp), so wird der Störeinfluss der nichtlinearen Effekte zu groß und der Datentransport in der optischen Übertragungsstrecke beeinträchtigt.
• Die Messung der nichtlinearen Phase gibt somit eine konkrete Angabe, wie weit der Leistungspegel in der Transmissionsstrecke erhöht werden kann, ohne φ max / chirp zu überschreiten.
• Die Messung der Nichtlinearität wird in einem Kanal bei bekannten Faserparametern unter Einsatz eines Netzwerkanalysators und eines Leistungsmessgerätes vorgenommen und kann während des Betriebs geschehen. Die Genauigkeit der Bestimmung von n₂ kann dadurch erhöht werden, dass die Messung für mehrere Leistungswerte P_mean durchgeführt wird.
• Beim Einsatz der Erfindung in einem optischen Netzwerk kann jeder Ausgang eines optischen Cross Connects (XC) mit einer Modulationseinheit ME versehen werden. Damit wird ermöglicht, die Dispersion auf allen aktiven Wellenlängen zwischen den jeweiligen Cross Connects (XC) und den Endpunkten (gekennzeichnet durch die Empfänger RXi (i = 1, .., n)) bzw. bis zum nächsten Regenerator der jeweiligen Links zu bestimmen. Somit kann das Verfahren beim Aufbau optischer Netze zur Dimensionierung der dispersionskompensierenden Elemente eingesetzt werden oder auch zum Nachmessen der Dispersion beliebiger Streckenabschnitte. In technischer Hinsicht ist hierzu nur das Einbringen der Modulationseinheit in einen freien Einbauplatz (engl. „slot") notwendig.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Dispersion einer optischen Übertragungsstrecke (FI), dadurch gekennzeichnet, dass ein zu übertragendes Datensignal (DS_S) mit einem einstellbaren Störsignal (STS) einstellbarer Frequenz (f_STS) moduliert wird, dass empfangsseitig die Signalqualität des empfangenen Datensignals (DSE_i) ermittelt wird, dass die Frequenz (f_STS) des Störsignals (STS) verändert und die Signalqualität (SQ) erneut gemessen wird, dass dieser Vorgang wiederholt wird, bis bei einer Optimalfrequenz (f_M) des Störsignals (STS) eine maximale Signalqualität (SQ) oder ein minimaler Störeinfluss des Störsignals (STS) festgestellt wird, und dass aus der Optimalfrequenz (f_M) des Störsignals (STS) die Dispersion errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalqualität (SQ) anhand von Bitfehlern des empfangenen Datensignals (DSE_i) oder anhand eines Augendiagramms des empfangenen Datensignals (DSE_i) oder durch Aufnahme eines Histogramms des empfangenen Datensignals (DSE_i) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auszusendende Datensignal (DS_i) durch einen Fehler korrigierenden und/oder Fehler erkennenden Code (FEC_i) geschützt wird und empfangsseitig mit Hilfe des Fehler korrigierenden und/oder Fehler erkennenden Codes (FECD_i) die Bitfehlerrate (BER) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A_STS) des Störsignals (STS) und damit der Modulationsindex nur soweit geändert wird, dass die Korrekturfähigkeit eines verwendeten Fehler korrigierenden Codes nicht überschritten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion (unter Annahme fehlender Nichtlinearitäten) entsprechend

   

   errechnet wird, und f_STS,k die Frequenz des Störsignals in [Hz] bedeutet, c ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit in [m/s], λ ist die Vakuumlichtwellenlänge in [m] und k = 1, ..., M, ... n ist der Laufindex für die aufgenommenen Minima der BER, D_tot in [s/m) ist die Gesamtdispersion der optischen Übertragungsstrecke.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Minima der von der Frequenz (f_STS) des Störsignals (STS) abhängigen Bitfehlerrate (BER) aufgenommen werden und dass daraus die nichtlineare Phasenverschiebung in der optischen Übertragungsstrecke ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sendeseitig die Modulation aller Ausgangssignale eines Wellenlängen-Multiplexers (MUX) gemeinsam in einem Modulator (ME) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f_STS) und/oder die Amplitude (A_STS) des Störsignals (STS) von einer empfangsseitigen Auswerteeinheit über einen Service-Kanal der Systemsteuerung (S) gesteuert werden.
9. Anordnung zur Bestimmung der Dispersion einer optischen Übertragungsstrecke (FI) mit sendeseitigem Wellenlängen-Multiplexer (MUX), bei der sendeseitig eine Modulationseinheit (ME) vorgesehen ist, die mit einem Störsignal (STS) ein Datensignal (DS_S) amplitudenmoduliert, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit (ME) derart ausgestaltet ist, dass sie in Frequenz (f_STS) und Amplitude (A_STS) einstellbar ist, und dass empfangsseitig eine Messeinheit zur Erfassung der Signalqualität des Datensignals (DSE_i) und eine Auswerteeinheit angeordnet sind, und dass die Auswerteeinheit über einen Service-Kanal der Systemsteuerung (S) mit der Modulationseinheit (ME) zwecks Steuerung und Regelung der Frequenz (f_STS) und/oder der Amplitude (A_STS) des Störsignals (STS) verbunden ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit (ME) als steckbare Baugruppe ausgeführt ist, die an beliebiger Stelle vor oder hinter dem Multiplexer (MUX) an den Anfang der optischen Übertragungsstrecke (FI), eingebracht werden kann.