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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung von optischen dispersionsbedingten
Effekten eines optischen Datensignals nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und
4 und weitere Dispersionskompensatoren nach den Oberbegriffen der
Patentansprüche
15, 17 und 18.
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Polarisationsmodendispersion
begrenzt Reichweite und Bitrate einer optischen Informationsübertragung über Lichtwellenleiter.
Soll(en) Übertragungsreichweite
und/oder Bitrate gesteigert werden, muss die Polarisationsmodendispersion
kompensiert werden. Da sie ein zeitvariantes Verhalten aufweist, muss
es adaptiv geschehen.
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Aus
DE 198 16 178 A1 ist
ein Entzerrer PMDE zur Kompensation der Polarisationsmodendispersion
eines übertragenen
optischen Signals mittels Polarisationsstellern und doppelbrechenden
Elementen bekannt.
1 der
vorliegenden Erfindung zeigt den prinzipiellen Aufbau dieses Entzerrers
PMDE. Der Entzerrer PMDE weist ein oder mehrere in Reihe geschaltete
Gruppen von Polarisationsstellern EPT (Elliptical Polarisation Transformer)
und polarisationshaltenden Lichtwellenleitern PMF (Polarisation
Maintaining Fiber) auf, in die ein optisches Signal OS1 eingespeist
wird. Bei korrekter Regelung des/der Polarisationsstellers) EPT
wird die Polarisationsmodendispersion eines optischen Ausgangssignals
OS2 des Entzerrers PMDE unterdrückt.
Diese Art von Entzerrern wird in der Literatur auch als PMD-Entzerrer
(oder in englisch PMDC = Polarisation Mode Dispersion Controller)
bezeichnet, da er hauptsächlich
zur Kompensation der Polarisationsmodendispersion PMD verwendet
wird.
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In
DE 198 30 990 A1 ist
ebenfalls eine mögliche
integriertoptische Realisierung des oben genannten Entzerrers PMDE
beschrieben.
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Gemäß
US 5930414 oder
EP 0 909 045 A2 wurde
bisher das optische Signal mit einer Fotodiode detektiert und das
gesamte elektrische Spektrum mittels eines Leistungsdetektors aufgenommen.
Die Detektion der Polarisationsmodendispersion PMD ist dabei für große differentielle
Gruppenlaufzeiten oder sogenannte Gruppenlaufzeitunterscheide DGD
nicht mehr eindeutig. Somit ist ein zusätzliches Tiefpassfilter mit
fester oberer Grenzfrequenz erforderlich.
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Aus
DE 198 41 755 A1 ist
ein anderer Aufbau mit einer Filterbank, bestehend aus Bandpassfiltern, für das durch
eine Polarisationsmodendispersion beeinträchtigte optische Signal vorgesehen.
Dabei wird zunächst
das Filter mit der niedrigsten Mittenfrequenz verwendet, anschließend werden
weitere Filter mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen unterhalb der
Taktfrequenz des optischen Signals hinzugenommen.
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In
beiden Fällen
können
PMD-bedingte Asymmetrien oder Überschwingen
im empfangenen Datensignal im elektrischen Spektrum bei der Taktfrequenz
nicht erkannt werden.
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In
DE 198 18 699 A1 wird
zwar eine spektrale Analyse bei der 1,5-fachen, 2,5-fachen usw.
Taktfrequenz verwendet. Dies ist jedoch nicht ausreichend, um ein
störendes Überschwingen
zu detektieren. Ferner ist ein solches Vorgehen bei einer Datenrate
ab etwa 40 Gb/s nicht praktikabel, da eine optische Detektion und
elektrische Filterung bei einer Frequenz von 60 bzw. 100 GHz erfolgen
müsste.
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Ferner
kann mittels eines dem Entzerrer PMDE nachgeschalteten Polarimeters
DOP der Polarisationsgrad des optischen Signals ermittelt werden.
Damit wird eine Polarisationsmodendispersion PMD1 erster Ordnung,
d.h. die differentielle Gruppenlauf zeit DGD, und der depolarisierende
Anteil der Polarisationsmodendispersion PMD2 zweiter Ordnung erkannt.
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Bisher
wird ein Entzerrer PMDE derart geregelt, dass an seinem Ausgang
mindestens ein Leistungsanteil des optischen Signals mittels eines
optischen Kopplers abgezweigt und in einem PMD-Detektor PMDD bewertet
wird. Nach einer kleinen Änderung
der Einstellung des Entzerrers PMDE wird die Signalqualität erneut
gemessen und z. B. mit einem Gradientenverfahren die PMD-Entzerrung
optimiert. Insbesondere bei Entzerrern PMDE, die mehrere Sektionen
fester differentieller Gruppenlaufzeiten DGD aufweisen, besteht
die Gefahr, dass bei der Kompensation der Polarisationsmodendispersion PMD
nur ein lokales Optimum erreicht wird. Ein solches Verfahren ist
aus "Comparison
of optical PMD compensation using a variable and fixed differential group
delays", Konferenzbeitrag
MO2-1 zur OFC2001, und "Performance
Limits of First-Order PMD Compensators Using Fixed and Variable
DGD Elements", IEEE
PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 14, NO. 3, MARCH 2002, beide
von Q. Yu und A. E. Willner bekannt.
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Die
Bewertung der Signalqualität
erfolgt am Ausgang des Entzerrers PMDE. Letzterer wird iterativ
eingestellt, was langsam vonstatten geht. Bei einer schnellen Polarisationsänderung
auf der Übertragungsstrecke
besteht kurzzeitig die Gefahr, dass sich die differentiellen Gruppenlaufzeiten
DGD der Übertragungsstrecke
und die des PMD-Kompensators PMDE addiert. Die Verzerrungen an einem
dem PMD-Kompensator nachgeschaltetem Empfänger sind in diesem Fall größer, als
wenn gar kein Kompensator verwendet würde.
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Ein
Gerät,
welches Polarisationszustände des
Lichts spektral aufgelöst
vermisst, sei im Folgenden als Spektralpolarimeter bezeichnet. Bisher
realisierte Spektralpolarimeter verwenden entweder ein schmalbandiges
Filter vor dem Polarimeter DOP (siehe Final Report on the Joint
Development Project EPCOT: "Experimental
PMD Compensator of Tomorrow" between
Siemens AG, TUHH-Technologie GmbH, and Technische Universität Hamburg
Harburg) oder einen Polarisationssteller (-transformator) mit Polarisator
und optischem Spektralanalysator wie aus WO 01/93465 A1.
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Ein
Ansatz zur PMD-Kompensation benutzt einen Polarisationsverwürfler vor
der Übertragungsstrecke,
um die Messung des Polarisationsgrades zu optimieren (siehe "Automatic PMD Compensation
at 40 Gbit/s and 80 Gbit/s Using a 3-Dimensional DOP Evaluation
for Feedback", H.
Rosenfeldt et. al., Konferenzbeitrag zur OFC2001). Ein weiterer
Ansatz verwendet ihn, um das PMD-Profil der Übertragungsstrecke zu bestimmen
(siehe "Demonstration
of a Feed-Forward PMD Compensation Technique", Patrick C. Chou et. al., IEEE PHOTONICS
TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 14, NO. 2, FEBRUARY 2002) oder zumindest
ihre differentiellen Gruppenlaufzeiten DGD zu bestimmen (siehe "Feed-Forward Approach for
Automatic PMD-Compensation at 80 Gbit/s over 45 km Installed Single
Mode Fiber", H.
Rosenfeldt, R. Ulrich, E. Brinkmeyer, U. Feiste, C. Schubert, J.
Berger, R. Ludwig, H. G. Weber, A. Ehrhardt, Post Deadline Paper
8 zur ECOC2001).
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Ausserdem
wird bei Verwendung eines fehlerkorrigierenden Kodes FEC – forward
error correction – die
Anzahl der im Empfänger
korrigierten Bitfehler bzw. die Bitfehlerquote BER vor der Fehlerkorrektur
nicht zur PMD-Kompensation ausgewertet.
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Unerwünschte chromatische
Dispersionseffekte werden bei RZ-Kodierung
eines optischen Datensignals durch eine Beeinträchtigung bis zur Auslöschung der
Taktlinie bei der Bitrate 1/T auftreten. Mit T sei im Folgenden
die Bitdauer des Datensignals bezeichnet. Bei einer NRZ-Kodierung
tritt der Effekt in einer umgekehrten Weise auf. Beschrieben ist
dieser Effekt und dessen Ermittlung bzw. Kompensation im Konferenzbeitrag
WH5 zur OFC 2000 "Chromatic dispersion
monitoring and automated compensation for NRZ and RZ data using
clock regeneration and fading without adding signaling" von Z. Pan et. al.
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Einflüsse der
chromatischen Dispersion CD wirken jedoch in einer engen Weise mit
einem Teil der Polarisationsmodendispersion PMD 2. Ordnung PMD2
zusammen. Der oben genannte Stand der Technik ergibt Ermittlungs-
bzw. Kompensationsmöglichkeiten
jeweils getrennt für
beide Effekte. In anderen Wörtern
heißt
das, dass bisher Verzerrungen aus Zwischenwirkungen dieser Effekten
noch nicht gemeinsam optimal ermittelt und weiterhin kompensiert wurden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine oder mehrere Anordnungen zur Ermittlung
und Kompensation dispersionsbedingter Effekte eines eine hochbitratige Datenrate
aufweisenden optischen Datensignals anzugeben, bei der die Nachteile
des Standes der Technik unterdrückt
werden.
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Eine
Lösung
der Aufgabe erfolgt hinsichtlich ihres Vorrichtungsaspekts durch
zwei Anordnungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und
4 und durch mehrere Dispersionskompensatoren mit den Merkmalen der
Patentansprüche
15, 17 und 18.
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Ausgehend
von einer Anordnung zur Ermittlung von dispersionsbedingten Effekten
eines eine hochbitratige Datenrate aufweisenden optischen Datensignals
mit einer Messung einer Regelgröße (eines
Gütesignals)
als z. B. eines Polarisationsgrads zur Ermittlung eines Laufzeitunterschieds
wegen differentieller Gruppenlaufzeiten zwischen Hauptpolarisationszuständen des
optischen Datensignals bei Polarisationsmodendispersion, werden
erfindungsgemäß weitere
dispersionsbedingten Effekte ermittelt, die vorzugsweise durch chromatische
und/oder polarisationsbedingte Dispersion auftreten. Es wird erfindungsgemäß angestrebt,
dass alle ermittelten Verzerrungen möglicherweise mittels eines
einzigen Gütesignals
ermittelt werden.
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Ferner
wird eine Ermittlung von wellenlängen-
und polarisationsabhängigen
Dispersionsanteilen ermöglicht,
die sich für
breitbandige optische Datensignale wie in WDM- oder DWDW- und/oder Polarisationsmultiplex-Übertragungstechnik
gut eignet.
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Die
erfindungsgemäße Ermittlung
von dispersionsbedingten Verzerrungen ermöglicht eine gleichzeitige Erfassung
von Polarisationsmoden-basierten und polarisierten chromatischen
Effekten, die in der Praxis eng zusammenwirken. Bei dieser Anordnung
werden beide Effekte gründlich
getrennt und deren ermittelte Messwerte weiterhin derart kombiniert,
dass ein einziger resultierender Messwert eine optimale Güte des durch
umfangreiche Dispersionseffekte betroffenen optischen Signals einfach
darstellt. Anders formuliert ermittelt ebenfalls die erfindungsgemäße Anordnung
die Verzerrungen aus Zwischenwirkungen der obengenannten Dispersionseffekte.
Dieser technische Aspekt geht über
die bisherige Maßnahme,
zwei unabhängigen
Anordnungen für
je eine Ermittlung von Verzerrungen aus einem der Dispersionseffekte
einzusetzen, weit hinaus.
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Mittels
der Messung des Polarisationsgrades werden zunächst Verzerrungen aus der Polarisationsmodendispersion
erster Ordnung und ein depolarisierter Anteil bei Polarisationsmodendispersion zweiter
Ordnung ermittelt. Zusätzlich
weist die erfindungsgemäße Anordnung
ein Filter zur Ermittlung eines spektralen Anteils des elektrischen
Datensignals im Bereich der Datenrate auf, dessen abgegebenes Ausgangsignal
weitere Aussagen über
dispersionsbedingten Effekte, insbesondere bei chromatischer Dispersion,
ergibt.
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In
einem Rechnermodul werden die Signale aus den unterschiedlichen
Filtern linear kombiniert derart, dass das Ausgangsignal des Rechnermoduls als
ein Gütesignal
für die
ermittelten Verzerrungen sowie auch für eine Steuerung eines optionalen
regelbaren Entzerrers des optischen Datensignals dienen kann.
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Eine
optimale Regelung der arithmetischen Eigenschaften des Rechnermoduls
kann mittels einer Messung der Signalqualität des optischen Signals anhand
eines Algorithmus abgeleitet werden.
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Die
erfindungsgemäße Ermittlung
der obengenannten Verzerrungen eignet sich für RZ- und NRZ-Signalformate
durch den einfachen Einsatz eines Invertierers im Rechnermodul.
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Die
Erfindung ermöglicht
es ebenfalls, die Qualität
des optischen Eingangs- und/oder Ausgangssignals eines regelbaren
Entzerrers PMDE mit – als
Steuereinheit – einer
erfindungsgemäßen Anordnung
zur Ermittlung der obengenanten Verzerrungen zu bewerten. Weiterhin
kann die Signalqualität der
Einstellung der arithmetischen Eigenschaft des Rechnermoduls zur
optimalen Entzerrung des Entzerrers dienen.
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Alternativ
dazu kann bereits am Eingang des Entzerrers PMDE eine Informationen
z.B. über
die Polarisationsmodendispersion PMD der Übertragungsstrecke gewonnen
werden.
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Eine
weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, eine frequenzabhängige Erzeugung
des Gütesignals
für eine
Ermittlung der Verzerrungen durch Polarisationsmodendispersion PMD
bzw, durch chromatische Dispersion CD sowie für eine gleichzeitige Ermittlung
der Hauptpolarisationszustände
des optischen Signals zu ermöglichen.
Damit ist eine Einstellung des Entzerrers ohne zusätzlichen Gebrauch
z. B. eines Gradientverfahrens zur Verfolgung der gesuchten Hauptpolarisationszutände des optischen
Datensignals möglich.
Im Rechnermodul werden also ein oder mehrere Gütesignale so erzeugt und weitergeleitet,
dass eine komplette polarisations- und frequenzabhängige Einstellung
eines zu steuernden Entzerrers erfolgt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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2: eine erste erfindungsgemäße Anordnung
zur Ermittlung von dispersionsbedingten Verzerrungen,
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3: eine zweite erfindungsgemäße Anordnung
zur Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen,
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4: spektrale Durchlasskurven
der in der ersten erfindungsgemäßen Anordnung
eingesetzten Tiefpass-Filterung,
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5: Ausgangleistungskurven
der eingesetzten Tiefpass-Filterung,
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6: ein Rechnermodul zur
Erzeugung eines Gütesignals
aus erfassten Regelgrößen,
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7: einen Dispersionskompensator
mit zwei erfindungsgemäßen Anordnungen
gemäß 2 oder 3,
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8: einen Dispersionskompensator
mit zwei frequenzabhängigen
erfindungsgemäßen Anordnungen
zur Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen,
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9: eine erste polarisations-
und frequenzabhängige
Anordnung zur Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen,
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10: eine zweite polarisations-
und frequenzabhängige
Anordnung zur Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen.
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In 2 ist eine erste Anordnung
PMDD zur Ermittlung von dispersionsbedingten Verzerrungen eines
optischen Signals OS2 dargestellt, die außerdem einen Entzerrer PMDE
gemäß 1 regelt. Dem Entzerrer
PMDE ist ein optionaler optischer Verstärker OV vorgeschaltet, an dessen
Eingang EIN ein zu entzerrendes optisches Signal OS1 zugeführt wird.
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In
dieser ersten Ausführungsform
wird die Ermittlung von dispersionsbedingten Verzerrungen aus einem
Anteil des optischen Signals OS2 durchgeführt, das am Ausgang des Entzerrers
PMDE mittels eines ersten optischen Kopplers OK1 ausgekoppelt wird.
Das ausgekoppelte optische Signal wird in einen optisch-elektrischen
Umwandler FD, wie eine Fotodiode, und wei terhin in eine erste Filtereinrichtung
TPF eingespeist. Die Filtereinrichtung TPF mit erstem Ausgangssignal
GST weist wenigstens ein Filter mit Durchlassfrequenz unterhalb
der Datenrate des optischen Datensignals auf. Damit wird eine Ermittlung
aus Verzerrungen durch Polarisationsmodendispersion erster Ordnung
wie Gruppenlaufzeitunterschieden DGD (Differential Group Delay)
erfolgen. Das optisch-elektrische Signal kann ebenfalls an mehrere
innerhalb der Filtereinrichtung TPF vorgesehene Filter mit unterschiedlichen
Durchlassfrequenzen unterhalb der Datenrate des optischen Datensignals
abgegeben werden. Dies hat den Vorteil, dass eine bessere Mess-Eindeutigkeit und
damit ein größerer Messbereich
der Gruppenlaufzeitunterschiede DGD ermöglicht wird. Dadurch erhöht sich auch
die Messempfindlichkeit der Gruppenlaufzeitunterschiede DGD.
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Am
Eingang der Filtereinrichtung TPF oder allgemeiner am Ausgang des
optisch-elektrischen Umwandlers FD wird das elektrische Signal einem zweiten
Filter BPF zugeführt.
Dieses Filter BPF dient der Ermittlung weiterer Verzerrungen aufgrund
vorzugsweise chromatischer und/oder polarisationsbedingter Dispersion
CD, PCD und liefert ein zweites Ausgangssignal GSB, das einen spektralen
Anteil des optisch-elektrischen konvertierten optischen Datensignals
OS2 im Bereich der Datenrate aufweist.
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Die
Abgabe des elektrischen Signals am Ausgang des optisch-elektrischen Umwandlers
FD an die unterschiedliche Filter kann mittels eines Hoch-Tief-Passfilter
HTA erfolgen, das einerseits die Frequenz im Bereich der Datenrate
bzw. Bitrate 1/T von weiteren tieferen Frequenzen (z. B. ca. 0,125 – 0,75-fache der Bitrate
1/T) trennt. Es besteht die Möglichkeit,
dass die weiteren Frequenzen durch Verstellung der Vorspannung einer
Fotodiode als optisch-elektrischem Umwandler FD beliebig variiert werden.
Damit sind eine hohe Anzahl kaskadierter oder parallel angeordneter
Filter in der Filtereinrichtung TPF eingespart. Die Filterübertragungsfunktionen werden
im folgenden dargestellt. Die Auswahl zwischen Bandpassfilter, Hochpassfilter
und/oder Tiefpassfilter liegt im Bereich des Fachmannes, wonach
optimierte Varianten durch Kombination solcher Filterungsformen
möglich
sind.
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Ferner
werden beide Ausgangssignale GSB, GST einem Rechnermodul MP zu ihrer
linearen Kombination zugeführt,
dessen Ausgangssignal ein Gütesignal
GSS aller ermittelten Verzerrungen bildet. Die Art der linearen
Kombination basiert in dieser Ausführungsform auf einer gewichteten
linearen Addition bzw. Subtraktion der Ausgangssignale GSB, GST. Die
Gewichtung erfolgt gemäß einer
Qualitätsmessung
des optischen Datensignals, z. B. durch die gemessene Bitfehlerrate
BER des optischen Datensignals OS2 nach einer ersten Entzerrung
gemäß dem Gütesignal
GSS. Es kann auch ein Gradientverfahren verwendet werden, damit
das Gütesignal
GSS bei einer Entzerrung optimiert wird. Dies bedeutet beispielsweise,
dass ein maximales Gütesignal
GSS für
eine Abwesenheit von dispersionsbedingten Verzerrungen erzielt wird.
Die Regelung des Entzerrers PMDE anhand des Gütesignals GSS kann aus dem Stand
der Technik durch eine mehrfache Einstellung von Elektrodenspannung
erfolgen, die spezifisch von den verwendeten Polarisationskompensationstechnik
abhängig
ist.
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Es
werden optische und/oder elektrische Verstärkungsmittel seitens des Entzerrers
PMDE wie auch seitens der Anordnung zur Ermittlung von dispersionsbedingten
Verzerrungen eingesetzt, damit alle Signalleistungen durch die Dämpfungseigenschaften
der Komponenten möglichst
nicht beeinträchtigt
werden. Eine Normierung oder Kalibrierung jeweiliger Ausgangsleistungen
der Filter TPF, BPF kann mittels einer vorgesehenen ermittelten
Summenleistung erfolgen.
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Bei
der vorliegenden ersten Ausbildung der Erfindung sind im Detail
folgende Filterungsketten zur Ermittlung der Ausgangsignale GST,
GSB vorgesehen: die Fotodiode FD mit nachgeschaltetem elektrischen
Verstärker
EV0; das Hoch-Tief- Passfilter HTA
mit einem am Hochpass-Ausgang angeschlossenen ersten elektrischen
Verstärker
EV1, dem Filter BPF, einem zweiten elektrischen Verstärker EV2,
einem ersten Leistungsdetektor DET1 mit nachgeschaltetem Integrator
INT1 und mit einem am Tiefpass-Ausgang angeschlossenen dritten elektrischen Verstärker EV3,
einem zweiten Leistungsdetektor DET2 mit nachgeschaltetem zweiten
Integrator INT2. Beide Ausgangsignale GST, GSB bilden die Ausgänge der
Integratoren INT1, INT2. Die Verstellung der Grenzfrequenz der Tiefpass-Filterungskette wird
mittels eines vom Rechnermodul MP abgegebenen Regelsignals VS realisiert,
das die Vorspannung der Fotodiode FD direkt einstellt.
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Das
Ausgangsignal GST aus der Filtereinrichtung TPF kann als durch den
Gruppenlaufzeitunterschied DGD reduziert interpretiert werden. D.
h. es ergeben sich bei unterschiedlichen Teilfrequenzen der Bitrate
1/T eine oder mehrere Auslöschungen
im elektrischen Spektrum durch Polarisationsmodendispersion. Aussagen über den
Depolarisationsgrad sind ebenfalls in GST enthalten.
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Die
Filterungskette mit dem vorhandenen Filter BPF dient also einer
Taktliniendetektion des optischen Signals OS2, die eine Erfassung
chromatischer und polarisationsabhängiger Dispersion ermöglicht.
Damit kann ebenfalls durch die Taktliniendetektion ein störendes Überschwingen
beim entzerrten Ausgangssignal AUS des optischen Kopplers OK1 erfasst
und durch die Regelung des Entzerrers PMDE minimiert werden. Das
Filter BPF lässt
sich z.B. mit dielektrischen Resonatoren leicht realisieren. Die
Anforderungen an die verwendeten elektrischen Verstärker EV0,
EV1, EV2 sind gering, da sie nur bei der Taktfrequenz (beispielsweise
40 GHz bei einer Datenrate von 40 Gb/s) arbeiten müssen.
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Erst
durch die Kombination aus Tiefpass- und Taktliniendetektor TPF,
BPF kann die Augenöffnung
bei geeigneter Gewichtung ausreichend genau abgeschätzt werden.
Mittels des Tiefpass filters TPF wird eine absolute Reduktion der
inneren Augenöffnung
durch verminderte Flankensteilheit erfasst. Das Filter BPF erfasst Überschwingen,
welches ebenfalls die relative Augenöffnung bezogen auf die mittlere optische
Leistung reduziert. Das Verfahren liefert schneller einen Messwert
als eine direkte Bestimmung der Augenöffnung z. B. mit Datenentscheidern im
Empfänger.
Bei jener Methode wird die Schwelle bei einem Entscheider fortlaufend
verstellt. Anschließend
werden die Ausgangsdatenströme
verglichen und die unterschiedlich entschiedenen Bit ausgezählt. Die
vollständige
Erfassung der dispersionsbedingten Verzerrungen ermöglicht ihre
Minimierung durch den Entzerrer PMDE. Die Bitfehlerquote BER am
Empfänger
wird reduziert bzw. es ergibt sich eine größere Systemreserve bezüglich des
optischen Signal-Rausch-Abstands. Als Nebeneffekt kann unkompensierte
chromatische Dispersion CD durch polarisierte chromatische Dispersion
PCD am Entzerrer PMDE ausgeglichen werden.
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In 3 ist eine zweite erfindungsgemäße Anordnung
PMDD zur Ermittlung von dispersionsbedingten Verzerrungen gemäß 2 dargestellt, bei der allerdings
die Ermittlung von Polarisationsmodendispersion, d. h. der Gruppenlaufzeitunterscheiden
DGD bzw. eines Polarisationsgrades SoP (State of Polarisation),
optisch erfolgt. Ein Ausgang des in 2 vorgesehenen
optischen Kopplers OK1 mit dem zu gemessenen optischen Signal OS2
wird mit einem Eingang eines zweiten optischen Kopplers OK2 mit
zwei Ausgängen
verbunden. Einer dieser letzten Ausgänge ist mit einem Polarimeter
DOP mit einem Ausgangsignal GSP, das eine identische Information
wie das in 1 vorgesehenen
Ausgangsignal GST ergibt. Der weitere Ausgang des zweiten optischen
Kopplers OK2 ist mit einem derartigen Taktliniendetektor CLD verbunden,
der das optische Datensignal OS2 elektrisch im Bereich der Datenrate demoduliert.
Der Taktliniendetektor CLD weist in geschalteter Reihenfolge wie
in 1 die Fotodiode FD als
optisch-elektrischen Wandler, den ersten elektrischen Verstärker EV1,
das Filter BPF, einen zweiten elektrischen Verstärker EV2, den Leistungsdetektor DET1
und den Integrator INT1 mit dem Ausgangsignal GSB auf.
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Der
Polarimeter DOP erfasst zunächst
die Gruppenlaufzeitunterschiede DGD und den depolarisierenden Anteil
der Polarisationsmodendispersion zweiter Ordnung im optischen Datensignal
OS2. In Verbindung mit dem Taktliniendetektor CLD kann auch der
andere Anteil besser erfasst werden, welcher Verzerrungen aus polarisationsabhängiger Dispersion
aufweist.
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Bei
zusätzlicher
Kompensation wird auf diese Weise z. B. eine resultierende gemessene
Augenöffnung
am Ausgang des Entzerrers PMDE besser erreicht. Als Nebeneffekt
kann unkompensierte chromatische Dispersion CD durch polarisierte
chromatische Dispersion PCD am Entzerrer PMDE ausgeglichen werden.
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In 4 sind spektrale Durchlasskurven
H(f) von als Filtereinrichtung TPF eingesetzten Tiefpass-Filtern
in der ersten erfindungsgemäßen Anordnung
gemäß 1 als Funktion der zur Bitrate
normierten Frequenz f/T dargestellt. Sechs Durchlasskurven mit unterschiedlichen
Tiefpass-Grenzfrequenzen (f/T= 0,125; 0,25; 0,37; 0,5; 0,67; 0,75)
können
einfach durch Verstellung der Vorspannung an der Fotodiode FD eingestellt
werden. Die Durchlasskurven AZ und EZ bezeichnen die respektiven
Randeinstellungen für
f/T = 0,125 und f/T = 0,75. Der Hochpassdurchlassbereich bei f/T
= 1 ist ebenfalls für
das Filter BPF als Bandpassfilter bei der Datenrate dargestellt.
Ein Hochpass-Filter mit einer unteren Grenzfrequenz f/T SYMBOL 163
\f "Symbol" \s 12 1 könnte auch
für die
Taktliniendetektion durch das Filter BPF verwendet werden.
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In 5 sind durch Simulation
ermittelte normierte Ausgangleistungskurven P/Pmax der eingesetzten
Tiefpass-Filterung TPF als Funktion eines zur Bitrate normierten
Gruppenlaufzeitunterschiedes DGD/T gemäß 1 und 4 dargestellt.
Dabei wurde eine gleiche Anregung beider Hauptpolarisationen im optischen
Datensignal OS2 erzeugt.
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Zunächst ist
eine niedrige Bandbreite für
die Durchlasskurve AZ gemäß 4 eingestellt, wodurch große Gruppenlaufzeitunterschiede
DGD eindeutig erkannt werden können.
Wird jeweils eine gewisse, normierte Ausgangsleistung oberhalb einer definierten
Schwelle THR erreicht, wird die Bandbreite schrittweise auf ihren
zur Durchlasskurve EZ entsprechenden Endwert gesteigert.
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Bei 6 wird die Schaltung des
Rechnermoduls MP zur Erzeugung des Gütesignals GSS gemäß 2 oder 3 näher
beschrieben. Dabei müssen zwei
Fälle je
nach dem RZ- oder NRZ-Format
(RZ = Return to Zero; NRZ = Non Return to Zero) der Daten des optischen
Datensignals OS2 betrachtet werden.
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Das
elektrische Filter BPF isoliert in dem elektrischen konvertierten
Datensignal Spektralanteile bei der Bitrate 1/T. Diese sind bei
einem Datensignal im NRZ-Format im unverzerrten Fall nicht vorhanden.
Ist jedoch chromatische oder durch Polarisationsmoden verursachte
chromatische Dispersion CD bzw. polarisierte chromatische Dispersion
PCD vorhanden, wird die mittels des Ausgangsignals GSB ermittelte
Taktlinie bei der Bitrate 1/T regeneriert.
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Das
Ausgangsignal GSB bildet nun ein Eingangsignal des Rechnermoduls
MP, das mit dem Ausgangsignal GST bzw. GSP gemäß 2 oder 3 durch
eine gewichtete Addition bzw. Subtraktion im Rechnermodul MP verknüpft wird.
Dafür wird
das Signal GSB durch einen Invertierer INV und weiterhin einen Multiplikator
MULT wie ein Dämpfungsglied passieren,
nachdem es mit dem Signal GST bzw. GSP in einem Addierer ADD zusammengeführt wird. Das
Ausgangsignal des Addierers ADD bildet das erwartete Gütesignal
GSS, das im optimalem Fall d. h. mit den wenigsten ermittelten Verzerrungen
maximal sein sollte. Die Gewichtung mittels des Multiplikators MULT
wird durch einen den Faktor des Multiplikators MULT steuernden Regelalgorithmus
aus einem Regelmodul MPA dynamisch angepasst. Als Regelkriterium
des Regelalgorithmus kann die gemessene Bitfehlerrate BER oder die
Augenöffnung
dienen, die beispielsweise im Empfänger bestimmt werden kann.
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Für RZ-Datensignale
entfällt
der Invertierer INV, wodurch bei minimalen Verzerrungen die Leistung
im elektrischen Spektrum bei der Bitrate 1/T maximal ist, da unerwünschte chromatische
Dispersionseffekte bzw. PCD bei RZ-Kodierung zu einer Beeinträchtigung
bis zu einer Auslöschung
der Taktlinie bei der Bitrate 1/T führen.
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Das
abgegebene Gütesignal
GSS eignet sich daher für
eine dynamische Regelung eines Elements zur Unterdrückung von
gemeinsamen dispersionsbedingten Verzerrungen.
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In 7 ist ein Dispersionskompensator
für ein
optisches Datensignal OS1 mittels zwei erfindungsgemäßen Anordnungen
PMDD1, PMDD2 zur Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen gemäß 2 oder 3 dargestellt. Der Dispersionskompensator
weist einen regelbaren Entzerrer PMDE1 auf, dessen mindestens ein
Leistungsanteil seines entzerrten Ausgangssignals OS2 der ersten
Anordnung PMDD1 zur Ermittlung von dispersionsbedingten Effekten
zugeschaltet ist. Mindestens ein Leistungsanteil des mit dem ersten
Entzerrer PMDE1 zu entzerrenden optischen Datensignal OS1 ist einem Eingang
eines zweiten Entzerrers PMDE2 mit entzerrtem Ausgangssignal OS3
zugeschaltet. Das entzerrte Ausgangssignal OS3 ist weiterhin das
Eingangsignal einer zweiten Anordnung PMDD2 zur Ermittlung von dispersionsbedingten
Effekten. Ausgangsignale der beiden Anordnungen PMDD1, PMDD2 zur
Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen sind einem Rechnermodul
MP gemäß 2, 3 oder 4 allerdings
mit Doppelschaltungen INV, MULT, ADD zugeführt, dessen Ausgangsignale
als Gütesignale
GSS1, GSS2 zur Regelung der regelbaren Entzerrern PMDE1, PMDE2 vorgesehen
sind. Dabei dient der zweite Entzerrer PMDE2 zur Ermittlung der
Grundeinstellung des ersten Entzerrers PMDE1.
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Ein
endgültig
entzerrtes optisches Datensignal AUS kann mittels eines dem Entzerrer
PMDE1 und der Anordnung PMDD1 zwischengeschalteten optischen Kopplers
OK4 abgegeben werden. Ein optischer Koppler OK3 ist am Eingang und
am Ausgang des Entzerrers PMDE1 geschaltet, dessen beide Ausgänge jeweils
mit einem der beiden Entzerrern PMDE1, PMDE2 geschaltet sind. Am
Eingang des optischen Kopplers OK3 wird das zu entzerrende optische
Datensignal OS1 als Nutzsignal im Signalpfad eingespeist und beim
Bedarf optisch verstärkt.
Der zweite Entzerrer PMDE2 ist damit in einem Nebenpfad angeordnet
und kann im Betrieb probehalber vom Regelalgorithmus MPA verschiedenartig
eingestellt werden und einfach mit z. B. größeren Einfügedämpfungen ausgeführt sein.
Das Verstellen des zweiten Entzerrers PMDE2 beeinträchtigt das
entzerrte Nutzsignal AUS am Ausgang des Dispersionskompensators
nicht. Daher können
bei seiner Einstellung größere Sprünge angelegt
werden. Durch Messen der Signalgüte
mit dem PMDD2 kann der Algorithmus MPA dadurch das globale Optimum
für eine
Kompensation finden. Anschließend
wird der erste Entzerrer PMDE1 in diese Einstellung überführt, bei
der keine Unterbrechungen, d. h. starke Verzerrungen im Ausgangssignal
AUS auftreten. Die Qualität
der Entzerrung wird insgesamt verbessert, d. h. die Ausfallwahrscheinlichkeit
des Übertragungssystems
wird geringer bzw. es werden größere mittlere
Gruppenlaufzeitunterschiede DGD toleriert.
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8 zeigt eine Variante des
Dispersionskompensators gemäß 7, der einen einzigen Entzerrer
PMDE1 und zwei Anordnungen PMDA1, PMDA2 zur Ermittlung dispersionsbedingter
Effekte aufweist. Dabei sind beide Anordnungen PMDA1, PMDA2 eine
weitere Variante der Anordnungen PMDD1, PMDD2 zur Ermittlung dispersionsbedingter Effekte
gemäß 2 und 3, da sie grundsätzlich einen spektralen Polarimeter
anstelle des bisher genannten Polarimeters DOP aufweisen. Solche
Anordnungen werden durch die folgenden 9 und 10 näher erläutert.
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Die
Grundschaltung des Dispersionskompensators bleibt im Hinblick auf
OS1, OV, OK3, PMDE1, OS2, OK4, PMDA1 (anstelle PMDD1), AUS gegenüber 7 unverändert. Jedoch wird einer von beiden
Ausgängen
des optischen Kopplers OK3 mit dem Eingang der zweiten Anordnung
PMDA2 verbunden, d. h. dispersionsbedingte Verzerrungen eines Anteils
des zu entzerrenden optischen Signals OS1 werden schon ein erstes
Mal vor der Entzerrung selber ermittelt. Dies ermöglicht eine
direkte Bestimmung des Profils der optischen Übertragungsstrecke z. B. bei
Polarisationsmodendispersion. Daraus kann eine erste Grundeinstellung
des Entzerrers PMDE1 bestimmt und durchgeführt werden. Insbesondere kann
der gesamte Dispersionskompensator wesentlich schneller Polarisationsänderungen
auf der Übertragungsstrecke
folgen. Als Mittel zur weiteren feineren Optimierung der Dispersionskompensation
dient die erste Anordnung PMDA1, die dem Entzerrer PMDE1 mittels
des optischen Kopplers OK3 nachgeschaltet ist.
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Bei
Verwendung spektraler Polarimeter werden außerdem die Polarisationszustände SOP
(State of Polarisation) zusätzlich
zu dem als Polarisationsgrad vorgesehenen Ausgangsignal GSP gemäß 3 (und 6) ermittelt. Damit werden Gradientenverfahren
für eine
kontinuierliche Bestimmung der Polarisationskompensations-Grundeinstellungen
eines PMDE nicht mehr benötigt,
mindestens bei einem kontinuierlichen Betrieb der Übertragung.
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In 9 wird eine Anordnung PMDA
(bzw. PMDA1, PMDA2 in 8)
zur Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen dargestellt, die
hauptsächlich
gegenüber
den Anordnungen gemäß 2 und 3 einen spektralen Polarimeter SDOP anstelle der
Filtereinrichtung TPF bzw. des Polarimeters DOP aufweist. Eine Taktliniendetektion
CLD gemäß 2 und 3 mit dem Filter BPF ist ebenfalls parallel
zum spektralen Polarimeter SDOP vorgesehen.
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Ein
optisches Koppelnetzwerk OKNW als Leistungsaufteiler weist einen
ersten optischen Koppler OK6 auf, dessen beide Ausgänge jeweils
mit einem Eingang eines weiteren optischen Kopplers OK6, OK7 verbunden
sind. Dies ermöglicht
eine Leistungsaufteilung eines zu ermittelten optischen Datensignals
OS in vier Zweige, andere Anordnungen sind ebenfalls möglich. Von
den Zweigen sind drei an je einen Polarisationstransformator PT1,
PT2, PT3 geschaltet und der vierte mit dem Taktliniendetektor CLD
verbunden. Den Polarisationstransformatoren PT1, PT2, PT3 sind jeweils
Polarisationsstrahlteiler PBS1, PBS2, PBS3 nachgeschaltet, deren
Ausgänge
jeweils mit einem optischen Spektrum Analysator OSA1, OSA2, OSA3,
OSA4, OSA5, OSA6 verbunden sind. Die optischen Spektrum Analysatoren OSA1,
OSA2, OSA3, OSA4, OSA5, OSA6 liefern nun Signale, aus denen ein
Polarisationsgrad aus Stokesparametern S1, S2, S3 berechnet und
als „breitbandiges" Ausgangsignal GSP
wie in 3 (oder 6) vorgesehen wird. Dabei
erfolgt die Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen im Hinblick
auf einer Polarisationsmodendispersion erster Ordnung (d. h. Gruppenlaufzeitunterschied)
sowie auf depolarisierenden Anteilen der Polarisationsmodendispersion zweiter
Ordnung frequenzunabhängig,
da das spektrale Polarimeter SDOP mit folgenden Komponenten PT1,
PT2, PT3, PBS1, PBS2, PBS3, OSA1, OSA2, OSA3, OSA4, OSA5, OSA6 mehrere
Messungen je nach der eingestellten spektralen Auflösung an
den optischen spektralen Analysatoren OSA1, OSA2, OSA3, OSA4, OSA5,
OSA6 ermöglicht.
Anders formuliert werden auch die Hauptpolarisationszustände PSP
(Principal States of Polarisation) des optischen Datensignals OS
sofort erfasst und weiterhin ohne Gradientverfahren verfolgt. Damit
verläuft
die Ermittlung dispersionsbedingter Verzerrungen erheblich schneller
und kurzzeitige starke Verzerrungen an einem Empfänger für das optische
Datensignal OS werden vermieden. Die Verwendung eines Polarisationsverwürflers vor
der Lichtwellenleiterübertragungsstrecke
ist dadurch nicht mehr erforderlich, wodurch Kosten reduziert werden.
Zum anderen werden schnelle Leistungsschwankungen am Empfänger durch
polarisationsabhängige
Dämpfung
PDL (Polarisation Dependent Loss) der Übertragungsstrecke beim Verwürfeln der
Sendepolarisation vermieden.
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Der
Taktliniendetektor CLD liefert das Ausgangsignal GSB gemäß der Filtereinrichtung
mit dem Filter BPF aus 2 oder 3 aufgrund chromatischer Dispersion
und ermöglicht
die Ermittlung der verursachten Verzerrungen zu ihrer möglichen
Minimierung durch das Rechnermodul MP mit dem Regelalgorithmus MPA
gemäß 4. Als Nebeneffekt kann das
optische Signal-Rausch-Verhältnis
des optischen Datensignals OS im Wellenlängen-Multiplexkanal bestimmt
werden, und zwar sowohl mit PMDA1 als auch PMDA2 gemäß 8.
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Eine
Auswertung der Bitfehlerquote durch Auszählen in einem Empfänger ohne
FEC (Forward Error Correction) ist aufgrund der dort geforderten geringen
Bitfehlerrate BER in der Größenordnung von
10–19 nicht
praktikabel, weil es zu lange dauern würde, bis ein Bitfehler auftreten
würde.
Erst bei Anwendung von FEC können
die auftretenden Bitfehlerrate BER vor der FEC bzw. die Zahl der
durch die FEC korrigierten Bits in kurzer Zeit ausgewertet werden.
Mit diesem Messwert der Bitfehlerrate BER in 6 kann einerseits die Einstellung des
Entzerrers wie PMDE aus 1 verbessert
werden. Andererseits kann die Gewichtung der gemessenen Gütekriterien
GSS, MULT, MPA, GST/GSP, GSB (siehe 6)
bzw. Interpretation des polarisationsaufgelösten Spektrums optimiert werden.
Auf diese Weise wird die Bitfehlerquote weiter reduziert, insbesondere im
dynamischen Betrieb, wenn sich das PMD-Profil der Strecke schnell
fortlaufend ändert.
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10 stellt eine Variante
des Dispersionskompensators gemäß 9 dar, bei dem zunächst ein
zusätzlicher
Stokesparameter S0 aus der Summenleistung des optischen Datensignals
OS ermittelt wird und insgesamt nur vier optische spektrale Analysatoren
OSA1, OSA2, OSA3, OSA4 zur Ermittlung der nun vier Stokesparameter
S0, S1, S2, S3 verwendet werden. Dafür werden anstelle der Polarisationsstrahlteiler
PBS1, PBS2, PBS3 in 9 drei
Polarisatoren POL1, POL2, POL3 jeweils einem der Polarisationstransformatoren
PT1, PT2, PT3 nachgeschaltet. Der vierte optische Ausgang des optischen Kopplers
OK7 wird mit einem Eingang eines weiteren optischen Kopplers OK8
verbunden, dessen beide optische Ausgänge je zu dem optischen spektralen Analysator
OSA4 zur Ermittlung des Stokesparameters SO und zu dem Taktliniendetektor
CLD geschaltet sind.
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Dabei
wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Summe der Ausgangsleistungen
eines Polarisationsstrahlteilers (verlustfreies Bauelement) gleich
der Gesamtleistung abzüglich
Einfügedämpfung ist.
Daher kann bei bekannter Leistung in einer Polarisation auf die
in der jeweils orthogonalen geschlossen werden, eine geeignete Kalibrierung
vorausgesetzt.