DE102005046380A1

DE102005046380A1 - Verfahren zum Korrigieren der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen eines optischen Signals, Sendeeinrichtung, Empfangseinrichtung und optisches System zur Bestimmung polarisationsabhängiger Verluste

Info

Publication number: DE102005046380A1
Application number: DE102005046380A
Authority: DE
Inventors: Michael Eibofner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen eines optischen Signals, in einem mehrere optische Kanäle aufweisenden optischen Übertragungssystem, in dessen optischen Kanälen optische Signale übertragen werden, wobei mindestens ein Kanal als Probekanal zur Übertragung mindestens eines optischen Probesignals verwendet wird. Sendeseitig wird durch Modulation ein optisches Probesignal mit zeitlich variierendem Polarisationszustand erzeugt. Nach Durchlaufen der Übertragungsstrecke wird empfangsseitig durch eine zeitaufgelöste und frequenzaufgelöste Leistungsmessung ein Wert für die polarisationsabhängigen Verluste des optischen Probesignals bestimmt, der zur Korrektur des Leistungspegels des optischen Probesignals verwendet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Sendeeinrichtung, eine Empfangseinrichtung und ein optisches System zur Bestimmung polarisationsabhängiger Verluste. Die empfangsseitige Auswertung der polarisationsabhängigen Verluste des optischen Probesignals erfolgt vorteilhaft rein elektrisch ohne optische Komponenten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen mindestens eines optischen Signals nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, eine Sendeeinrichtung zur Erzeugung optischer Signale, eine Empfangseinrichtung für optische Signale und ein optisches System zur Bestimmung polarisationsabhängiger Verluste optischer Signale.

In optischen Übertragungssystemen werden optische Signale mittels Halbleiterlasern erzeugt, mit Daten moduliert und in Glasfasern respektive Lichtwellenleitern übertragen. Sendeseitig weist jedes optische Signal aufgrund der Laser- oder Modulatoreigenschaften zumeist eine lineare Polarisation auf. Dieser Polarisationszustand des optischen Signals bleibt jedoch bei der Ausbreitung bzw. Propagation in der Übertragungsfaser nicht erhalten. Mechanische Spannungen, Temperaturschwankungen oder andere Umgebungseinflüsse bewirken Änderungen der Doppelbrechung in der Übertragungsfaser wodurch sich die polarisationsabhängigen Wellenleitungseigenschaften der Übertragungsfaser ändern und damit auch der Polarisationszustand des optischen Signals. Zusätzlich tragen einzelne optische Komponenten wie beispielsweise Faserkoppler, optische Filter, optische Schalter, Abschwächer oder Isolatoren zu Polarisationsänderungen und zu polarisationsabhängigen Übertragungseigenschaften bei. Optische Signale unterschiedlicher Polarisationen werden bei der Propagation in einer Übertragungsstrecke unterschiedlich abgeschwächt. Diese polarisationsabhängigen Verluste (engl. „polarization dependent losses", abgekürzt PDL) entstehen als statistische Summenwirkung der einzelnen PDL-Werte der einzelnen optischen Komponenten und verursachen Leistungspegelschwankungen der optischen Signale in einer optischen Übertragungsstrecke. So können zum Beispiel Polarisationsdrehungen durch die Bewegung von Verbindungskabeln zwischen längeren Streckenabschnitten Doppelbrechungsänderungen in der Übertragungsfaser und damit starke durch PDL bedingte Leistungspegelschwankungen innerhalb eines Kanals hervorrufen, die bis zu 5 dB betragen. Die durch PDL verursachten Leistungspegelschwankungen treten in einem breiten dynamischen Zeitbereich ungefähr von Sub-ms bis zu mehreren Minuten auf.

Die gemessene Leistung in einem optischen Kanal hängt somit von den polarisationsabhängigen Verlusten ab. In einem Übertragungsband mit einer Vielzahl von optischen Kanälen ist die Verteilung der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen auf die einzelnen Kanäle rein statistisch. Die polarisationsabhängigen Verluste können zum Beispiel nur bestimmte Kanäle betreffen, während in anderen Kanälen keine polarisationsabhängigen Verluste auftreten.

Für manche Anwendungen ist es notwendig, die Leistung ohne PDL-Einfluss, d.h. einen um den PDL-Wert korrigierten Leistungspegel in einem Kanal zu ermitteln. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn absolute Leistungspegel mehrerer Kanäle unterschiedlicher Wellenlänge verglichen werden sollen, beispielsweise in Übertragungssystemen mit Wellenlängenmultiplex (engl. „wavelength division multiplexing", abgekürzt WDM).

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Korrigieren der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen optischer Signale anzugeben.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung anzugeben, die eine vereinfachte Bestimmung von polarisationsabhängigen Verlusten erlaubt.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch Anordnungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 8, 11 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Korrigieren der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen optischer Signale eignet sich insbesondere für optische Probekanäle oder andere Kanäle, deren Leistungen zu Monitorzwecken entlang einer Übertragungsstrecke kontrolliert werden. Vor allem wenn mehrere Probekanäle zur Kontrolle der Transmission in Übertragungsbändern verwendet werden, ist es vorteilhaft, die absoluten Leistungspegel in den Probekanälen zu kennen, da beispielsweise nur ein Kanal von zwei Probekanälen eine starke Veränderung seiner Leistung durch die polarisationsabhängigen Verluste erfahren kann, während der andere Probekanal wenig oder keine polarisationsabhängigen Verluste erfährt. Ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens für Übertragungskanäle mit Datensignalen ist grundsätzlich ebenfalls denkbar. Sendeseitig wird durch Modulation ein Probesignal mit zeitlich variierendem Polarisationszustand erzeugt. Nach Durchlaufen der Übertragungsstrecke wird empfangsseitig ein Wert für die polarisationsabhängigen Verluste des optischen Probesignals durch eine zeitaufgelöste und frequenzaufgelöste Leistungsmessung bestimmt. Anschließend wird das optische Probesignal um den auf diese Weise ermittelten Wert der polarisationsabhängigen Verluste des optischen Probesignals korrigiert. Durch die Angabe der „unverfälschten" respektive der um die polarisationsabhängigen Verluste korrigierten Leistungspegel der Probesignale werden genauere Aussagen über das Transmissionsverhalten einer Übertragungsstrecke erreicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Korrektur von Leistungspegeln um die polarisationsabhängigen Verluste insbesondere in Verbindung mit Regelvorgängen vorgesehen, i.e. wenn der korrigierte Leistungspegel des Probesig nals als Regelsignal zur Einstellung von optischen Komponenten entlang der Übertragungsstrecke verwendet wird. Je genauer die Leistung des Probekanals und damit die Regelgröße bestimmt wird, desto genauer kann die jeweilige Stellgröße eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsvariante werden mindestens zwei Probekanäle verwendet, deren Wellenlängen sich vorteilhaft jeweils am Rand des Transmissionsspektrums befinden. Durch Messung der um die polarisationsabhängigen Verluste korrigierten Leistungspegel an einer Stelle der Übertragungsstrecke wird aus einem Vergleich der korrigierten Leistungsdaten in den Probekanälen auf ein flaches oder ein verkipptes Transmissionsspektrum geschlossen. Daraus wird ein Wert für die Pegelverkippung der zwischen den Probekanälen liegenden optischen Kanäle ermittelt. Mit der Erfassung dieses Parameters kann ein optisches Stellelement angesteuert werden, dessen Filterwirkung die Pegelverkippung innerhalb des Transmissionsspektrums kompensiert. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist darin zu sehen, dass durch Verwendung der um die polarisationsabhängigen Verluste korrigierten Leistungspegel der Probesignale die Pegelverkippung der Übertragungssignale genauer kompensiert wird und damit die Übertragungsqualität der Strecke merklich verbessert wird. Störeinflüsse innerhalb der Übertragungsstrecke beispielsweise verursacht durch die Bewegung von Verbindungskabeln bei der Streckenwartung, welche polarisationsabhängige Verluste hervorrufen, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeglichen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zur Bestimmung des PDL-Wertes mittels der erfindungsgemäßen Anordnung keine zusätzlichen optischen Komponenten verwendet werden. Weder sendeseitig noch empfangsseitig sind Polarisationsstellelemente, -Controller, -Scrambler oder Polarisationsanalysatoren bzw. Polarimeter mit aufwendiger Ansteuer- bzw. Auswerteelektronik notwendig, um die polarisationsabhängigen Verluste zu bestimmen. Es genügt ausschließlich, bei der Messung der Probe- Kanalleistung allein den Photostrom der empfangsseitigen Photodiode mit elektronischen Methoden auszuwerten.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass zur Ermittlung der minimalen und maximalen Transmission, wie es zur Ermittlung der polarisationsabhängigen Verluste notwendig ist, nicht alle Matrixelemente der ersten Reihe der Müllermatrix getrennt ermittelt werden müssen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhaft aus dem hochfrequenten Leistungsanteil des Probesignals die Summe aus den Quadraten der dritten und vierten Matrixelemente (m13 2+ m14 2) der ersten Reihe der Müller-Matrix bestimmt, ohne dass sendeseitig zuvor festgelegte Polarisationszustände eingestellt werden müssen. Auch letztere Tatsache, dass sendeseitig keine Referenzzustände der Polarisation notwendig sind, erspart vorteilhaft Messaufwand bei der Ermittlung der polarisationsabhängigen Verluste. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist somit eine vereinfachte Methode zur Bestimmung der polarisationsabhängigen Verluste gegeben.

Im Folgenden werden im Zusammenhang mit der Erfindung stehende Grundlagen dargestellt.

Die polarisationsabhängigen Verluste sind definiert als:

wobei es sich bei P_max, P_min um die maximalen bzw. minimalen Leistungspegel eines optischen Signals hinter einer zu untersuchenden Komponente oder Übertragungsstrecke (oft als DUT „device under test" bezeichnet) handelt und bei T_max, T_min um die maximalen bzw. minimalen Transmissionswerte, bezogen auf die Leistungspegel ohne polarisationsabhängige Verluste (ohne die zu untersuchende Anordnung), handelt.

Die bekanntesten Messverfahren, um polarisationsabhängige Verluste zu bestimmen, sind die „Polarization-Scrambing"- Methode und die Müller-Methode. (Es wird in diesem Zusammenhang auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen wie zum Beispiel D. Derickson, „Fiber optic test and measurement", Prentice-Hall, NJ, 1998, Kap. 9 oder Optellios, „PDL measurement with PS2000 and PC1000", Application Note, 2003.) Bei der „Polarization-Scrambing"-Methode werden aus einem polarisierten Ausgangssignal eines Lasers mittels eines Polarisationsverwürflers (Polarization-Scrambler) oder mittels unterschiedlich angesteuerter Polarisations-Controller mehr oder weniger rasch wechselnde Polarisationszustände erzeugt. Der Grundgedanke ist, einen möglichst „depolarisierten" Polarisationszustand eines Sendesignals zu erzeugen und empfangsseitig hinter einem DUT mit einem ausreichend schnell messenden Leistungsmessgerät die maximale Transmission (T_max) und minimale Transmission (T_min) aufzunehmen. Die polarisationsabhängigen Verluste werden durch Einsetzen von T_max und T_min in Glg. (1) berechnet. Je dichter und gleichmäßiger die erzeugten unterschiedlichen Polarisationszustände auf der gesamten Poincaré-Kugel abgescannt werden, desto genauer können die polarisationsabhängigen Verluste bestimmt werden.

Bei der Müller-Methode werden die polarisationsabhängigen Verluste mittels vier unterschiedlicher Polarisationszustände eines Eingangssignals bestimmt. In einer ersten Variante werden folgende Polarisationszustände des Eingangssignals gewählt: linear horizontal (0°), linear vertikal (90°), linear diagonal (+45°) und rechtsdrehend zirkular. In einer zweiten Variante werden vier andere zuvor festgelegte Polarisationszustände erzeugt. Im Müller/Stokes-Formalismus können diese vier Polarisationszustände eines Eingangssignals jeweils durch Stokes-Vektoren S →_in = (S0_in, S1_in, S2_in, S3_in)^T ausgedrückt werden. Die Eigenschaften einer Übertragungsstrecke oder eines DUT werden mittels einer 4 × 4 Müller-Matrix M repräsentiert. Die Wechselwirkung des Polarisationszustands eines Eingangssignals mit der Übertragungsstrecke ergibt den daraus resultierenden Polarisationszustand des Ausgangssignals, ausgedrückt durch den Stokes-Vektor S →_out des Ausgangssignals: S →out = M·S →in (2)

Das erste Element des Stokes-Vektors des Ausgangssignals (erster Stokes-Parameter) entspricht gemäß dem Müller/Stokes-Formalismus der Ausgangsleistung des Ausgangssignals: Pout = Sout,0 = m11S0in + m12S1in + m13S2in + m14S3in (3)

Neben den einzelnen Stokes-Parametern des Eingangs-Stokes-Vektors sind in Glg. (3) die Elemente der ersten Reihe der Müller-Matrix enthalten. Wie unter anderem in S. Schmidt, C. Hentschel: "PDL measurements using the Agilent 8169A polarization Controller", Product Note 5964-9937E gezeigt, werden zur Berechnung der polarisationsabhängigen Verluste nur die Matrixelemente der ersten Reihe (m₁₁ bis m₁₄) benötigt. Bei der Durchführung der Müller-Methode werden in zwei Messreihen die Ausgangsleistungen für die vier unterschiedlichen Polarisationszustände des Eingangssignals ohne und mit DUT aufgenommen. Daraus wird für jeden Polarisationszustand des Eingangssignals eine Transmission bestimmt. Auf diese Weise erhält man für die vier unterschiedlichen Stokes-Vektoren des Eingangssignals vier Gleichungen mit den unbekannten Matrixelementen, so dass die einzelnen Matrixelemente m₁₁ bis m₁₄ berechnet werden können. Die maximalen und minimalen Transmissionswerte T_max und T_min werden in einem nächsten Schritt aus den Gleichungen

berechnet und in Glg. (1) eingesetzt.

Die Erfindung beruht auf folgenden grundsätzlichen Überlegungen: Sendeseitig werden durch Polarisationskombination von zwei orthogonal zueinander polarisierten direkt modulierten Laserdioden unterschiedliche Polarisationszustände eines optischen Eingangssignals erzeugt. Empfangsseitig wird nach opto-elektrischer Wandlung die elektrische Leistung des transmittierten optischen Signals ausgewertet. Bedingt durch die sendeseitige Modulation des optischen Signals zeigt das gewandelte Signal langsame und schnelle zeitliche Variationen (Frequenzen im MHz- und im GHz-Bereich). Mittels Filter wird das elektrische Spektrum des transmittierten Signals ausgewertet. In den unterschiedlichen Frequenzbereichen wird auf die Stokes-Parameter des optischen Eingangssignals zurückgeschlossen und die für die Bestimmung der polarisationsabhängigen Verluste benötigten Matrixelemente der Müller-Matrix berechnet. Die erhöhte zeitliche Auflösung bei der Leistungsdetektion wird daher genutzt, um Depolarisations- bzw. PDL-Informationen eines optischen Signals zu gewinnen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

1 Ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Bestimmung polarisationsabhängiger Verluste für einen optischen Kanal respektive Probekanal

2a-d Frequenz- und zeitabhängige Spektren eines Probesignals ohne und mit PDL-Einfluss

1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der polarisationsabhängigen Verluste. Die Anordnung weist neben der optischen Übertragungsstrecke OL, in der sowohl Probesignale als auch Datensignale übertragen werden, eine Sendeeinrichtung SE zur Erzeugung optischer Signale und eine Empfangseinrichtung EE für optische Signale mit angeschlossenen Auswerteeinheiten zur Berechnung der polarisationsabhängigen Verluste auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Sende- und Empfangseinrichtung nur für Probesignale vorgesehen. Die in 1 gezeigte Anordnung erlaubt die Bestimmung der polarisationsabhängigen Verluste eines Probekanals.

In der Sendeeinrichtung zur Erzeugung optischer Signale, sind zwei Laserdioden (LD1, LD2) vorgesehen, die zumindest annähernd eine gleiche Emissionswellenlänge und Ausgangsleistung aufweisen. Die Ausgangssignale der Laserdioden sind zueinander senkrecht polarisiert. Jede der Laserdioden wird jeweils mit einer unterschiedlichen Frequenz im MHz-Bereich (LD1 mit f1, LD2 mit f2) direkt moduliert. Die erste Laserdiode LD1 ist eingangsseitig mit einem ersten Modulator respektive Oszillator OSC1 und einer ersten Regelung RA1 derart verbunden, dass dem Ausgangssignal der Regelung das Modulationssignal des Oszillators aufgeprägt und der Laserdiode zugeführt wird. Ausgangsseitig ist die erste Laserdiode LD1 mit einem ersten Leistungssplitter SP1 verbunden. Der erste Ausgang dieses Leistungssplitters SP1 ist mit einer ersten Photodiode PD1 verbunden. Diese erste Photodiode PD1 ist sowohl mit der ersten Regelung RA1 und einer ersten weiteren Regelung RAH1 verbunden, die wiederum mit dem ersten Oszillator OSC1 verbunden ist.

Die zweite Laserdiode LD2 ist eingangsseitig ebenfalls mit einem zweiten Modulator respektive Oszillator OSC2 und einer zweiten Regelung RA2 und derart verbunden, dass dem Ausgangssignal der Regelung das Modulationssignal des Oszillators aufgeprägt und der Laserdiode zugeführt wird. Ausgangsseitig ist die zweite Laserdiode LD2 mit einem zweiten Leistungssplitter SP2 verbunden. Der erste Ausgang dieses zweiten Leistungssplitters SP2 ist mit einer zweiten Photodiode PD2 verbunden. Diese zweite Photodiode PD2 ist jeweils mit der zweiten Regelung RA2 und einer zweiten weiteren Regelung RAH2 verbunden, die wiederum mit dem zweiten Oszillator OSC2 verbunden ist.

Die erste und die zweite Regelung RA1 und RA2 erhalten gleiche Sollwerte von einer Referenzstromquelle IA. Daher sind beide Regelungen RA1 und RA2 über eine gemeinsame Verbindung an die Referenzstromquelle IA angeschlossen. Die erste weitere Regelung RAH1 und die zweite weitere Regelung RAH2 erhalten ebenfalls gleiche Sollwerte von einer Referenzstromquelle IAH. Die weiteren Regelungen RAH1 und RAH2 sind daher über eine gemeinsame Verbindung an eine weitere Referenzstromquelle IAH angeschlossen.

Jeweils der zweite Ausgang der ersten und zweiten Leistungssplitter SP1 und SP2 sind mit einem Polarisationskombinierer PBC verbunden, dessen Ausgang an eine optische Übertragungsstrecke OL angeschlossen ist.

Eine Kleinsignalmodulation des Pumpstromes einer Laserdiode mit einer Frequenz f1 oder f2 (um den Arbeitspunkt eines Halbleiterlasers) bewirkt sowohl eine Amplitudenmodulation (AM) als auch eine Frequenzmodulation (FM) des Ausgangssignals der Laserdiode. „Langsame" Modulationsfrequenzen bis einige MHz stören das Probesignal aufgrund einer Amplitudenmodulation. Daher dürfen nur Frequenzen über 10 MHz für Signalmanipulationen verwendet werden. Bei diesen Frequenzen tritt aufgrund von Ladungsträgereffekten eine Änderung der komplexen Brechzahl des Laserresonators auf, was wiederum zur Folge hat, dass sich die Momentanfrequenz des Ausgangssignals des Lasers ändert. Die Frequenzänderung ist wesentlich höher (GHz-Bereich) als die Amplitudenmodulationsfrequenzen und entspricht einer „schnellen" Phasenänderung des Laserausgangssignals. Sie hängt von der Stromamplitude und dem FM-Modulationskoeffizienten ab. Indem das Ausgangssignal des ersten Lasers und des zweiten Lasers auf dieser „schnellen" Zeitskala in ihrer Phase unterschiedlich variieren, wird durch Zusammensetzen der beiden Signale ein resultierendes Signal mit einem schnell variierenden Polarisationszustand erzeugt. Das Zusammenfassen der einzelnen Ausgangssignale der Laserdioden LD1 und LD2 erfolgt mittels des Polarisationskombinierers PBC, über den das zusammengefasste Signal als Probesignal OPS der Übertragungsstrecke OL zugeführt wird. Durch die Modulation der beiden Laserdioden LD1 und LD2 mit den Frequenzen f1 bzw. f2 ist somit sichergestellt, dass der Po larisationszustand des Probesignals stets variiert, auch wenn die Wellenlänge beider Laser gleich ist.

Dies bedeutet, dass das in der Sendeeinheit SE erzeugte optische Probesignal OPS einen zeitlich variierenden Polarisationszustand aufweist. Der Stokes-Vektor des Probesignals wird demnach zeitabhängig und erhält folgende Form:

Damit wird auch die detektierte Leistung des transmittierten Probesignals zeitabhängig: Pout(t) = Sout,0(t) = m11S0in(t) + m12S1in(t) + m13S2in(t) + m14S3in(t) (7)

Die Stokes-Parameter des Probesignals weisen jedoch unterschiedliche zeitliche Variationen auf.

Die Stokes-Parameter S0_in und S1_in variieren in den Frequenzen f1 bzw. f2, d.h. im MHz-Bereich, da S0_in und S1_in nur aus den Intensitäten der linearen Polarisationskomponenten in der x- und y-Ebene zusammengesetzt sind. Diese wurden durch die Frequenzen f1 und f2 der Amplitudenmodulation (AM) markiert.

Die Stokes-Parameter S2_in und S3_in weisen neben Variationen in einem „langsamen" Frequenzbereich (was aus dem Term unter der Quadratwurzel ersichtlich ist) erheblich höhere Frequenzanteile im GHz-Bereich auf, da sich die schnelle Phasenänderung Δϕ nur auf die linear diagonalen (+45°) und zirkularen Polarisationskomponenten auswirkt. Dies bedeutet, dass mittels der „schnellen" Frequenzmodulation (FM) im GHz-Bereich nur die Stokes-Parameter S2_in und S3_in markiert sind.

Durch die Markierung der einzelnen Stokes-Parameter mit verschiedenen Frequenzen zu Beginn der Übertragungsstrecke ist eine Verknüpfung zwischen vorgegebenem Frequenzbereich und den Stokes-Parametern am Ende der Übertragungsstrecke gegeben. Die Leistung P_out(t) des Probesignals hat demnach einen „langsam" variierenden Teil und einen „schnell" variierenden Teil. Gleichung (7) kann demzufolge nach der Zeit separiert werden und in die beiden Teile m₁₁S0_in + m₁₂S1_in für die „langsamen" Frequenzen und m₁₃S2_in + m₁₄S3_in für die „schnellen" Frequenzen aufgeteilt werden. Diese können bei der Auswertung getrennt betrachtet werden.

Mittels der „schnellen" Frequenzmodulation (FM) im GHz-Bereich wird erreicht, dass sich die Phasendifferenz Δϕ der beiden Ausgangssignale der Laserdioden zueinander schnell ändern. Von der schnellen Phasenänderung Δϕ sind nur die Stokes-Parameter S2_in und S3_in betroffen, welche mit den Intensitäten der linear diagonalen und zirkularen Polarisationskomponente eines Signals verknüpft sind. Bildlich lässt sich das durch einen Umlauf der erzeugten Polarisationszustände auf der Poincaré-Kugel in der S2S3-Ebene darstellen. Dabei läuft der Polarisationszustand zunächst einige bis viele Male in die eine Ringrichtung um und danach in umgekehrter Richtung zurück. Die Polarisationszustände durchlaufen dabei Punkte maximaler und minimaler Transmission bzgl. S2_in und S3_in (Die Punkte min. und max. Transmission sind auf der Poincaré-Kugel stets gegenüberliegend angeordnet) und erzeugen dadurch empfangsseitig eine schnelle Intensitätsschwankung. Allerdings können die beiden Stokes-Parameter S2_in und S3_in nicht getrennt voneinander ermittelt werden. Im Hinblick auf die Stokes-Parameter S2_in und S3_in findet demnach ein Scrambling-Verfahren statt. Mit einem hohen Modulationshub treten sehr viele Ereignisse bei hohen Frequenzen auf, bei denen der Polarisationszustand einen beliebigen Punkt des Längenkreises auf der Poincaré-Kugel in der S2S3-Ebene durchfährt.

Voraussetzung für das Messverfahren sind sowohl konstante mittlere Ausgangsleistungen der Laserausgangssignale als auch gleiche Amplitudenhübe der Laserstrommodulation. Dazu sind sowohl die Laserdioden LD1 und LD2 als auch die Modulatoren respektive Oszillatoren OSC1 und OSC2 eingangsseitig jeweils mit den entsprechenden Regeleinheiten RA1, RA2, RAH1, RAH2 verbunden. Zu Regelzwecken sind den Ausgängen der Laserdioden LD1 und LD2 jeweils Signalsplitter SP1 und SP2 nachgeschaltet, über die ein Teil der Signalleistung abgezweigt und jeweils den Photodioden PD1 und PD2 zugeführt wird. Die Photodioden PD1 und PD2 dienen als Signalmonitor für die eingangsseitig der Laserdiode angeschlossenen Regeleinheiten. Von den Photodioden PD1 und PD2 wird jeweils ein Monitorsignal sowohl den Regelungen RA1 und RA2 als auch den weiteren Regelungen RAH1 und RAH2 zugeführt.

Die Regelungen RA1 und RA2 dienen jeweils der Aufrechterhaltung einer konstanten mittleren Leistung des Laserausgangssignals. Eine solche Regelung (RA1 oder RA2) kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass ein erster Eingang mit der Monitorphotodiode (PD1, PD2) und ein zweiter Eingang mit einer Stromquelle IA verbunden sind. Da nur der Gleichanteil des Monitorsignals erfasst werden soll, wird das Monitorsignal über einen Tiefpass LP einer Reglereinheit (REA1, REA2) zugeführt, wo das gefilterte Monitorsignal mit einem Referenzwert der Stromquelle IA verglichen wird.

Die weiteren Regelungen RAH1 und RAH2 dienen jeweils der Aufrechterhaltung eines konstanten Amplitudenhubs zur Modulation eingesetzten Oszillatoren OSC1 und OSC2 und sind beispielsweise analog zu RA1 bzw. RA2 aufgebaut. Ein erster Eingang ist mit der Monitorphotodiode (PD1, PD2) und ein zweiter Eingang ist mit einer weiteren Stromquelle IAH verbunden. Das Monitorsignal wird dabei über einen entsprechenden Bandpassfilter (NBP1, NBP2) geführt, um nur Frequenzanteile des entsprechend amplitudenmodulierten Signals zu erfassen. In einer weiteren Reglereinheit (REAH1, REAH2) wird das gefilterte Monitorsignal mit einem Referenzwert der weiteren Stromquelle IAH verglichen.

Die Empfangseinheit EE weist eingangsseitig eine Photodiode PD auf, die das übertragene optische Probesignal OPS in ein elektrisches Signal wandelt. Der Photodetektor PD sollte polarisationsunempfindlich sein, um weitere Fehlerquellen bei der Messung der polarisationsabhängigen Verluste auszuschließen. Nach der opto-elektrischen Wandlung wird das elektrische Signal einer Analyseeinheit zugeführt. Diese enthält beispielsweise eine Filterbank mit verschiedenen Bandpässen, die das elektrische Spektrum des zu untersuchenden Signals frequenzabhängig auswerten. In der gezeigten Ausführungsvariante werden vier unterschiedliche Frequenzbereiche ausgewertet. Die Filterbank besteht demnach aus einem Tiefpassfilter LP, einem Bandpassfilter NBP1 der Mittenfrequenz f1, einem Bandpassfilter NBP2 der Mittenfrequenz f2 und einem Hochpassfilter HP. An die Filter sind entweder eine einzelne oder mehrere Auswerteeinheiten AE angeschlossen. Diese können in analoger oder digitaler Technik ausgestaltet sein, indem die Filterausgangssignale über Analog/Digital-Wandler digitalen Prozessoren und/oder Speichereinheiten zugeführt werden.

Aufgrund der unterschiedlichen zeitlichen Variationen der einzelnen Polarisationskomponenten des Probesignals, können die für die Bestimmung der polarisationsabhängigen Verluste notwendigen Müller-Matrixelemente m₁₂, m₁₃ und m₁₄ über unterschiedliche Frequenzbereiche getrennt erfasst werden. Insbesondere können die langsam variierenden linearen Polarisationskomponenten des Probesignals S1 getrennt von den schnell variierenden „gescrambelten" Polarisationskomponenten, die einem Umlauf auf der Poincaré-Kugel in der S2S3-Ebene entsprechen, ausgewertet werden.

Zunächst wird durch Messung der Leistung bei den tiefen Frequenzen (LP < 10 MHz) der Gleichanteil I_x(f < 10MHz) + I_y(f < 10MHz) des übertragenen Probesignals oder deren mittlere Leistung gemessen. Diese Messung entspricht im Grunde genommen einer Messung der m₁₁-Komponente der Müller-Matrix, wenn vorausgesetzt wird, dass die S0_i _n-Komponente auf 1 normiert ist. Würden keine polarisationsabhängigen Verluste auf der Strecke auftreten, wären die restlichen Matrixelemen te m₁₂, m₁₃ und m₁₄ gleich Null und man würde nur hinter dem Tiefpassfilter die Gesamttransmission messen.

Hinter den Bandpassfiltern NBP1(f1) und NBP2(f2) werden die mit den Frequenzen f1 und f2 markierten x und y-Anteile der Intensitäten der linear polarisierten Komponenten des Probesignals gemessen. Diese werden ferner über einen Korrekturfaktor an den Gleichanteil angepasst und dementsprechend normiert. Aus der Differenz der beiden normierten Signale erhält man das m₁₂-Element der Müller-Matrix. Aus den nun bekannten Matrixelementen und bei normierten Stokes-Parametern wird nun mittels des ersten Teils von Glg. (3) m₁₁S0_in + m₁₂S1_in eine minimale und maximale Transmission für die langsam variierenden Polarisationskomponenten berechnet.

Mittels des Hochpassfilters HP werden allein die durch die FM-Modulation verursachten zeitlich schnell variierenden Polarisationskomponenten herausgefiltert (beispielsweise indem die langsamen Amplitudenschwankungen unterdrückt werden). Die Matrixelemente m₁₃ und m₁₄ lassen sich dabei nicht getrennt ermitteln. Nach Glg. (4) und (5) genügt es jedoch, die Summe der Quadrate der beiden Matrixelemente (m213 + m214 ) zu berechnen. Dazu werden diesmal nur die letzten beiden Terme von Glg. (3) verwendet. Der Extremwert der Summe m₁₃S2_in + m₁₄S3_in der beiden Terme wird nach der Schwarzschen Ungleichung mit m₁₃ = k·S2_in und m₁₄ = k·S3_in erreicht, die als kurzzeitige Spitzenwerte bei entsprechender Phasendifferenz Δϕ auftreten. Durch eine Spitzenwertdetektion der schnellen Leistungsschwankungen hinter dem Hochpassfilter HP kann die Summe der Quadrate der beiden Matrixelemente (m213 + m214 ) berechnet werden.

Durch Einsetzen der derart gewonnenen Ergebnisse in Glg. (4) und (5) können mittels Glg. (1) die polarisationsabhängigen Verluste des Probesignals berechnet werden.

In dem Ausführungsbeispiel von 1 ist die sich hinter dem Hochpassfilter HP angeordnete Auswerteeinheit derart ausges taltet, dass hinter dem Hochpassfilter HP ein Signalsplitter angeordnet ist, dessen beide Ausgänge jeweils mit den ersten Eingängen eines ersten und eines zweiten Komparators (K1, K2) verbunden sind, dass die Ausgänge der beiden Komparatoren jeweils mit einem integrierenden Gleichrichter (IG1, IG2) verbunden sind und die Ausgänge der Gleichrichter jeweils mit einem Signalsplitter verbunden sind, deren erster Ausgang mit dem zweiten Eingang des Komparators und deren zweiter Ausgang an eine weitere Auswerteeinheit anschließbar ist.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Ermittlung der polarisationsabhängigen Verluste wurden möglichst einfach und modulartig konzipiert, um leicht in ein bestehendes Übertragungssystem integriert zu werden. Ferner stellt der erfindungsgemäße Ansatz eine kostengünstige Lösung dar, da gezielt auf optische Komponenten verzichtet und eine rein elektrische Implementierung gewählt wurde. Somit ist eine kontinuierliche Messung und Überwachung auch langzeitmäßig ohne Unterbrechung der Transportfunktion im Übertragungssystem möglich. Darüber hinaus sind in Verbindung mit Regelprozessen mittels der erfindungsgemäßen Anordnung Regelzeiten unter 10 μs erzielbar.

In 2 sind in verschiedenen Graphen die elektrischen Spektren ohne und mit PDL-Einfluss dargestellt, die auf Simulationsergebnissen mit realistischen Parametern beruhen. Auf der linken Seite sind jeweils die berechneten Spektren ohne polarisationsabhängige Verluste und auf der rechten Seite sind die berechneten Spektren mit polarisationsabhängigen Verlusten dargestellt. Die Modulationsfrequenz des Laserstroms des ersten Lasers LD1 beträgt hier f1 = 12,8 MHz, die des zweiten Lasers f2 = 20 MHz. Der Modulationsindex der Amplitudenmodulation beträgt annähernd 0,3 mW/mA, der der Frequenzmodulation liegt im Bereich von 100 bis 200 MHz/mA. In 2a ist jeweils die an der Photodiode PD detektierte Intensität in Abhängigkeit von der Zeit in linearen Einheiten dargestellt. Es treten Schwankungen aufgrund der Amplitudenmodulation auf. Im rechten Graphen von 2a sind die Fluktuationen des Photostroms zu sehen, die mit polarisationsab hängigen Verlusten in der Übertragungsstrecke auftreten. In 2b sind jeweils die entsprechenden Fouriertransformierten abgebildet. Jeweils am linken Rand sind die Frequenzen der Amplitudenmodulation zu erkennen. In 2c sind jeweils die Spektren nach einer Filterung zur Unterdrückung der AM-Modulationsfrequenzen gezeigt. In dem abgebildeten Beispiel handelt s sich um einen Bandpass zwischen 1 bis 3 GHz. In 2d sind jeweils die in den Zeitbereich zurücktransformierten Spektren aus 2c abgebildet. Es werden Spitzenwerte von nahezu +/– 2,5% erreicht, entsprechend den polarisationsabhängigen Verlusten von 0,2 dB.

Claims

Verfahren zum Korrigieren der durch polarisationsabhängige Verluste verursachten Leistungspegelschwankungen mindestens eines optischen Signals, in einem mehrere optische Kanäle aufweisenden optischen Übertragungssystem, in dessen optischen Kanälen optische Signale übertragen werden, wobei mindestens ein Kanal als Probekanal zur Übertragung mindestens eines optischen Probesignals verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sendeseitig durch Modulation ein optisches Probesignal (OPS) mit zeitlich variierendem Polarisationszustand erzeugt wird, dass nach Durchlaufen der Übertragungsstrecke (OL) empfangsseitig durch eine zeitaufgelöste und frequenzaufgelöste Leistungsmessung ein Wert für die polarisationsabhängigen Verluste des optischen Probesignals (OPS) bestimmt wird, der zur Korrektur des Leistungspegels des optischen Probesignals (OPS) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Leistungspegel des optischen Probesignals (OPS) als Regelsignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den empfangsseitig korrigierten Leistungspegeln optischer Probesignale von mindestens zwei Probekanälen durch Vergleich eine Pegelverkippung der Probesignale ermittelt wird, dass diese Pegelverkippung als Maßstab für die Pegelverkippung in annähernd allen optischen Kanälen verwendet wird, und dass durch Filterung oder Einstellung der Leistungspegel der optischen Signale die Pegelverkippung der empfangseitigen optischen Signale ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander orthogonal polarisierte, annähernd gleiche Emissionswellenlängen aufweisende Laserdioden (LD1, LD2) verwendet werden, deren mittlere Ausgangssignalleistung mindestens annähernd konstant geregelt wird, dass der Pumpstrom der ersten Laserdiode (LD1) mit einer ersten Modulationsfrequenz (f1) moduliert wird, dass der Pumpstrom der zweiten Laserdiode (LD2) mit einer zweiten Modulationsfrequenz (f2) moduliert wird, und dass die derart modulierten Ausgangssignale der Laserdioden (LD1, LD2) zu einem optischen Probesignal (OPS) zusammengefasst werden, so dass sich in Abhängigkeit vom Amplituden- und Frequenzunterschied der Ausgangssignale der Laserdioden der resultierende Polarisationszustand des optischen Probesignals (OPS) zeitlich ändert.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulationshub der Amplitudenmodulation der Pumpströme der Laserdioden mit einer Regelung konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass empfangsseitig das optische Probesignal (OPS) optoelektrisch gewandelt wird, dass das elektrische Spektrum des gewandelten Probesignals (OPS) aufgenommen wird und frequenzabhängig ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzabhängige Auswertung des opto-elektrisch gewandelten Probesignals derart erfolgt, dass bei tiefen Frequenzen ein Mittelwert für die Leistung des Probesignals (OPS) ermittelt wird, dass bei der ersten Modulationsfrequenz (f1) eine Intensität einer linearen Polarisationskomponente des optischen Probesignals (OPS) in einer ersten Ebene ermittelt wird, dass bei der zweiten Modulationsfrequenz (f2) eine Intensität einer linearen Polarisationskomponente des optischen Probesignals (OPS) in einer zur ersten Ebene orthogonalen Ebene ermittelt wird, dass aus diesen Intensitäten und aus dem Mittelwert für die Leistung des optischen Probesignals (OPS) ein erstes Matrixelement (m₁₁) und ein zweites Matrixelement (m₁₂) aus der ersten Reihe der Müller-Matrix bestimmt wird, dass bei hohen Frequenzen über eine Spitzenwertdetektion eine Intensität einer Polarisationskomponente des optischen Probesignals (OPS), die einem Umlauf auf der Poincaré-Kugel in der S2S3-Ebene entspricht, ermittelt wird, dass aus den derart ermittelten Spitzenwerten die Summe aus den Quadraten der dritten und vierten Matrixelemente (m213 + m214 ) der ersten Reihe der Müller-Matrix bestimmt wird, dass aus den derart bestimmten Matrix-Elementen (m₁₁, m₁₂ und (m213 + m214 )) minimale und maximale Transmissionen bestimmt werden, aus denen die polarisationsabhängigen Verluste berechnet werden.
Sendeeinrichtung zur Erzeugung optischer Signale, dadurch gekennzeichnet, dass zwei orthogonal zueinander polarisierte Laserdioden (LD1, LD2) mindestens annähernd gleicher Emissionswellenlänge vorgesehen sind, dass die erste Laserdiode (LD1) eingangsseitig mit einer ersten Regelung (RA1) und einem ersten Modulator (OSC1) derart verbunden ist, dass dem Ausgangssignal der Regelung das Modulationssignal des Modulators aufgeprägt und der Laserdiode zugeführt wird, dass die erste Laserdiode (LD1) ausgangsseitig mit einem ersten Leistungssplitter (SP1) verbunden ist, dass der erste Ausgang dieses Leistungssplitters (SP1) mit einer ersten Photodiode (PD1) verbunden ist, dass diese erste Photodiode (PD1) jeweils mit der ersten Regelung (RA1) und einer ersten weiteren Regelung (RAH1) verbunden ist, dass der Ausgang der ersten weiteren Regelung (RAH1) mit dem ersten Modulator (OSC1) verbunden ist, dass die zweite Laserdiode (LD2) eingangsseitig mit einer zweiten Regelung (RA2) und einem zweiten Modulator (OSC2) derart verbunden ist, dass dem Ausgangssignal der Regelung das Modulationssignal des Modulators aufgeprägt und der Laserdiode zugeführt wird, dass die zweite Laserdiode (LD2) ausgangsseitig mit einem zweiten Leistungssplitter (SP2) verbunden ist, dass der erste Ausgang dieses zweiten Leistungssplitters (LS2) mit einer zweiten Photodiode (PD2) verbunden ist, dass diese zweite Photodiode (PD2) jeweils mit der zweiten Regelung (RA2) und einer zweiten weiteren Regelung (RAH2) verbunden ist, dass der Ausgang der zweiten weiteren Regelung (RAH2) mit dem zweiten Modulator (OSC2) verbunden ist, dass die erste (RA1) und die zweite Regelung (RA2) miteinander verbunden sind und über diese Verbindung an eine Stromquelle (IA) angeschlossen sind, dass die erste weitere Regelung (RAH1) und die zweite weitere Regelung (RAH2) miteinander verbunden sind und über diese Verbindung an eine weitere Stromquelle (IAH) angeschlossen sind, dass jeweils der zweite Ausgang des ersten und zweiten Leistungssplitters (SP1) und (SP2) mit einem Polarisationskombinierer (PBC) verbunden ist, und dass der Ausgang des Polarisationskombinierers (PBC) an eine optische Übertragungsstrecke (OL) anschließbar ist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungen (RA1) und (RA2) jeweils derart ausgestaltet sind, dass das von der Photodiode (PD1, PD2) zugeführte Eingangssignal über einen Tiefpassfilter (LP1, LP2) einem ersten Eingang eines Reglers (REA1, REA2) zugeführt wird, dessen zweiter Eingang mit der Stromquelle (IA) verbunden ist und dass der Ausgang des Reglers (REA1, REA2) ein Regelsignal an die Laserdiode (LD1, LD2) abgibt.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungen (RAH1) und (RAH2) jeweils derart ausgestaltet sind, dass das von der Photodiode (PD1, PD2) zugeführte Eingangssignal über einen Bandpassfilter (BP1, BP2) einem ersten Eingang eines Reglers (REAH1, REAH2) zugeführt wird, dessen zweiter Eingang mit der Stromquelle (IAH) verbunden ist und dass der Ausgang des Reglers (REAH1, REAH2) ein Regelsignal an den Modulator (OSC1, OSC2) abgibt.
Empfangseinrichtung für optische Signale, dadurch gekennzeichnet, dass ein opto-elektrischer Wandler vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal aufgeteilt und einem Tiefpassfilter (LP), einem Bandpassfilter (NBP1) der Mittenfrequenz (f1), einem Bandpassfilter (NBP2) der Mittenfrequenz (f2) und einem Hochpassfilter (HP) zugeführt wird, und dass die Ausgänge des Tiefpassfilters (LP), der Bandpassfilter (NBP1, NBP2) und des Hochpassfilters (HP) mit einer, jeweils einer oder mehreren Auswerteeinheiten (AE) zur Ermittlung der polarisationsabhängigen Verluste der empfangenen Signale verbunden sind.
) Empfangseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Hochpassfilter (HP) ein Signalsplitter angeordnet ist, dessen beide Ausgänge jeweils mit den ersten Eingängen eines ersten und eines zweiten Komparators (K1, K2) verbunden sind, dass jeweils die Ausgänge der beiden Komparatoren (K1, K2) jeweils mit einem integrierenden Gleichrichter (IG1, IG2) verbunden sind und die Ausgänge der Gleichrichter (IG1, IG2) jeweils mit einem Signalsplitter verbunden sind, deren erster Ausgang mit dem zweiten Eingang des Komparators und deren zweiter Ausgang an eine Auswerteeinheit anschließbar ist.
Empfangseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheiten (AE) in Analog-Technik ausgestaltet sind.
Empfangseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheiten (AE) in Digital-Technik und/oder mit einem Mikroprozessor ausgestaltet sind.
Optisches System zur Bestimmung polarisationsabhängiger Verluste optischer Signale, aufweisend eine Sendeeinrichtung (SE) für optische Signale nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dessen Ausgang an eine optische Übertragungsstrecke (OL) angeschlossen ist, die wiederum mit einer Empfangseinrichtung (EE) nach einem der Ansprüche 11 bis 14 verbunden ist, mittels der die polarisationsabhängigen Verluste der optischen Signale bestimmt werden.