DE10333127B4

DE10333127B4 - Verfahren und Anordnung zur Taktrückgewinnung eines hochbitratigen optischen Datensignals

Info

Publication number: DE10333127B4
Application number: DE2003133127
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr. Lehmann; Harald Dr. Rohde; Wolfgang Schairer
Original assignee: Nokia Siemens Networks GmbH and Co KG
Current assignee: Xieon Networks SARL
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: DE10333127A1

Abstract

Verfahren zur Taktrückgewinnung eines optischen Datensignals (DS), das eine Datenrate (f_D) aufweist, in einem optischen Übertragungssystem
dadurch gekennzeichnet,
dass sendeseitig das zu übertragende optische Datensignal (DS) mit einem Taktsignal (TS) mit niedrigerer Taktfrequenz (f_G) als der Datenrate (f_D) moduliert wird,
dass das modulierte optische Datensignal übertragen wird, und dass empfangsseitig ein Anteil des übertragenen modulierten optischen Datensignals im Bereich der Taktfrequenz (f_G) gefiltert wird und das gefilterte Datensignal als empfangsseitiges Taktsignal verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und mehrere Anordnungen zur Taktrückgewinnung eines hochbitratigen optischen Datensignals nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 10, 11 und 12.
Ein wichtiger Aspekt bei der Realisierung optischer Übertragungssysteme ist die Rückgewinnung des Systemtakts aus einem übertragenen optischen Datensignal. Bei sehr hochbitratigen OTDM Übertragungssystemen (OTDM = Optical Time Domain Multiplex) mit Datenbitraten im Bereich von 80 Gbit/s und höher ist beim heutigen Stand der Technik eine elektronische Rückgewinnung des Datentaktes praktisch unmöglich. Daher wird zur Rückgewinnung eines einzelnen Kanalsignals aus dem übertragenen optischen ODTM-Datensignal als Systemtakt eine gewählte oder angepasste Taktfrequenz verwendet.
Die bisherigen Lösungsvorschläge basieren auf einer Demultiplexierung des hochbitratigen Datensignals. Der Takt eines entsprechenden Demultiplexers wird über verschiedene Regelkriterien – meist mit Hilfe einer PLL-Schaltung (PLL = Phase Lock Loop) – gesteuert. Ein optisches Demultiplexen bei hohen Datenraten benötigt fast immer optische Kontrollpulse, vor allem, wenn der verwendete Demultiplexer Teil eines Add-Drop-Multiplexers ist. Die Erzeugung dieser Kontrollpulse erfordert eine stabile Taktquelle z. B. mit einem zu stabilisierenden Kontrolllaser, ohne die, wie die bisherigen Lösungen zeigen, das Einschwingen der Regelschleife zur Taktrückgewinnung erheblich erschwert wird.
Es kommt dann z. B. zu störenden Jitter-Effekten, wie sie in der Literaturstelle D. T. K. Tong, "160 GBit/s clock recovery using electroabsorption modulator-based Phase-locked-loop", Electronic Letters, Vol. 36, No 23, pp. 1951–1952, November 9, 2000 beschrieben sind.
Aus WO 02/091660 A1 ist eine Methode zur Rückgewinnung eines hochbitratigen Datensignals beschrieben, bei der ein Taktsignal bis zur Rückgewinnungsstelle des optischen Datensignals übertragen wird. Dabei wird das Taktsignal nicht aber das optische Datensignal amplitudenmoduliert, da letzteres Signal z. B. phasenmoduliert wird. Aufgrund dieser zusätzlichen Phasenmodulation ist die Methode aufwendiger.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, das bzw. die bei einer sehr hohen Datenrate, vorzugsweise ab 40 GBit/s, eines übertragenen optischen Datensignals eine einfache und stabile Taktrückgewinnung ermöglicht.
Eine Lösung dieser Aufgabe ergibt sich hinsichtlich ihres Verfahrensaspekts durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich ihres Vorrichtungsaspekts durch eine Anordnung mit den Merkmalen der Patentansprüche 10, 11 und 12.
Erfindungsgemäß wird das übertragene optische Datensignal bei einer Datenrate f_D zusätzlich mit einer kleineren Frequenz f_G moduliert. Idealerweise wird die kleinere Frequenz f_G derart gewählt, dass f_D = f_G × N, wobei N eine natürliche Zahl bezeichnet. Dabei wird die Modulation so erfolgen, dass ein möglichst kleiner Modulationsindex verwendet wird, damit die Modulation mit der Frequenz f_G die Daten im optischen Datensignal nicht beeinträchtigt. Empfangsseitig wird ein Taktsignal bei der Frequenz f_G aus mindestens eines Teils des übertragenen optischen Datensignals isoliert. Dieses kann mittels eines Filters, z. B. eines Tiefpassfilters, erfolgen. Eine langsame Fotodiode ist ebenfalls als Filter geeignet, so dass das Datensignal tiefpassgefiltert wird und nur die Taktfrequenz bleibt. Eine optisch-elektrische Umwandlung des Takt signals schliesst sich ebenfalls an die Filterung an, so dass weiterhin das elektrisch konvertierte Taktsignal mit einer herkömmlichen PLL-Schaltung regeneriert wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass eine Modulation mit einer Frequenz f_G, die deutlich kleiner ist als der Taktfrequenz f_D des Datensignals, es ermöglicht, die gleiche Modulationsart wie für Datenbits zu verwenden, d. h. z. B. sowohl für die Daten als auch für die Taktinformation bei einer Amplitudenmodulation.
Beliebig hohe Datenraten z. B. 40, 80, 160 GBit/s oder mehr des optischen Datensignals sind gestattet, ohne dass aufwendige oder teure Taktrückgewinnungsmittel erforderlich sind. Als typische Taktfrequenz zur Aufmodulierung des zu übertragenden optischen Datensignals kann z. B. 10 GHz gewählt werden. Eine andere Taktfrequenz kann ebenfalls gewählt werden, die wenigstens mit einfachen Mitteln wie eine Tiefpassfilterung rückgewonnen werden kann. Für diese Erzeugung/Modulation/Rückgewinnung dieser Taktfrequenz ist sowohl die optische als auch die elektronische Technik einfach und preiswert.
Dieser Aspekt stellt den entscheidenden Unterschied und die entscheidende Vereinfachung im Gegensatz zu ähnlichen Verfahren dar, welche den Datentakt auf das Datensignal aufmodulieren, dabei aber den Takt mit anderen Modulationsverfahren aufprägen müssen. Ein Beispiel hierfür wäre eine Datenübertragung mit einem Phasenmodulationsverfahren, bei dem die Taktinformation auf die Amplitude aufgeprägt wird.
Das in der Erfindung vorgestellte Verfahren kommt mit einer einzigen Modulationsart aus, so dass im Gegensatz zu den vorigen beschriebenen ähnlichen Verfahren z. B. auf aufwendige Phasendetektionsverfahren verzichtet werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch die Verwendung mehrerer Modulationsmethoden möglich.
Die Amplitudenmodulation dient zur Aufprägung einer Welle mit leicht detektierbarer kleiner Taktfrequenz auf dem hochbitratigen Signal. Eine Alternative besteht auch darin, anstelle einer kompletten Amplitudenmodulation des kompletten hochbitratigen Signals, mindestens eine Übertragungseigenschaft – wie einen Amplitudenwert – eines der im hochbitratigen Signal zusammenzufassenden Signals zu ändern. Damit weist auch das zusammengefasste hochbitratige Signal eine niedrige zusätzlich aufgeprägte Taktfrequenz auf, die bei einem anschliessenden Demultiplexen einfach zu detektieren bleibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1: ein 160 GBit/s übertragenes optisches Datensignal mit aufmoduliertem 10 GHz Taktsignal,
2: eine Anordnung zur Taktrückgewinnung eines übertragenen optischen Signals.
3: ein weiteres 160 GBit/s übertragenes optisches Datensignal mit aufmoduliertem 10 GHz Taktsignal,
4: eine weitere Anordnung zur Taktrückgewinnung eines übertragenen optischen Signals.
In 1 ist ein übertragenes optisches Datensignal DS mit einer Datenrate f_D von 160 GBit/s mit einem aufmodulierten Taktsignal TS dargestellt, dessen Taktfrequenz f_G = 10 GHz beträgt. Der Modulationsindex von ca. 5% bis 20% wurde derart klein gewählt, dass die Dynamik der Daten im optischen Datensignal DS nicht beeinträchtigt wird.
2 zeigt ein Übertragungssystem mit einer empfangseitigen Taktrückgewinnung des übertragenen optischen Datensignals DS bei der Datenrate 160 GBit/s. Am Eingang des Datensignals DS in die Übertragungsstrecke LWL ist ein Modulator MOD angeschlossen, dem Daten des optischen Datensignals DS aus einer OTDM-Sendereinheit Tx mit der Taktfrequenz f_G = 10 GHz aufmoduliert werden. Dabei bleibt der Modulationsindex gering gemäß 1. Am Ende der Übertragungsstrecke LWL wird ein Anteil des übertragenen Datensignals DS mittels einer Auskoppeleinrichtung KO abgezweigt und einem optisch-elektrischen Umwandler OEW, z. B. einer Photodiode, zugeführt. Ein Bandpassfilter F, dessen Zentralfrequenz die Taktfrequenz f_G umfasst, ist dem Ausgang des optisch-elektrischen Umwandlers OEW nachgeschaltet, damit das bisher aufmodulierte Taktsignal TS isoliert und somit rückgewonnen wird. Aus dem rückgewonnenen Taktsignal wird die Taktfrequenz f_G ebenfalls z. B. mittels eines PLL-basierten Regenerators REG rückgewonnen und weiterhin als Referenzfrequenz für die Steuerung eines regelbaren Spannungsoszillators VCO verwendet. Der Spannungsoszillator VCO steuert eine Synchronisation einer am Ende der Übertragungsstrecke LWL geschalteten Demutiplexierungseinrichtung DEMUX, damit eine Trennung des ursprünglichen optischen Datensignals DS in Multiplex-Kanälen erfolgt. Die Multiplex-Kanäle weisen nun Datensignale mit einer Datenrate von 10 GHz auf.
Gemäß 2 wird zur Taktrückgewinnung im Spektrum des Datensignales einen scharf von dem Datensignal getrennten Anteil bei der Frequenz der Grunddatenrate benötigt. Dieser spektrale Anteil wird durch einen externen Modulator erzeugt.
Eine alternative Möglichkeit, diesen Spektralanteil zu generieren, besteht in der Verwendung verschieden hoher Amplituden der einzelnen Datenkanäle vor der Zusammensetzung von zu verschaltenden Datensignalen mit zeitlichen Versätzen wie z. B. bei einem OTDM-Multiplexer für mehrere 10 Gbit/s-Sendereinheiten. Dabei wird die Amplitude mindestens eines zu multiplexierenden Kanals so eingestellt, dass sie einen anderen Wert als die Amplitude seiner Nachbarkanäle hat. In 3 wird ein Kanal mit einer Taktfrequenz von 10 GHz zur Taktrückgewinnung eines übertragenen 160 GBit/s-OTDM-Signals als notwendiger Spektralanteil vorgesehen. Die Amplitude des Signals bei diesem Kanal ist höher als die Amplitudewerte von Signalen anderer benachbarter Kanäle.
Einige optische Komponenten, z. B. Add-Drop Multiplexer auf, Basis von optischen Halbleiterverstärkern, fügen prinzipbedingt eine Amplitudenmodulation zu dem Datensignal zu, da z. B. der dem „gedroppten und geaddeten" nachfolgende Kanal durch Relaxationsprozesse im Halbleiter eine andere Amplitude als die Nachbarkanäle bekommt. Die Kanäle, die zeitlich direkt hinter einem gedroppten oder geaddeteten Kanal vorgesehen sind, werden stärker abgeschwächt als die darauf folgenden, so dass automatisch eine Amplitudenmodulation mit z. B. 10 GHz eingefügt oder mehr geprägt wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, eine Phaseninvertierung bei einem Kanal – z. B. bei der ersten Sendereinheit bei 10 GHz – des mit Kanälen zusammenzufassenden OTDM-Signals DS zu erzeugen. Derzeit werden allerdings viele Untersuchungen zur Herstellung von Lasern mit stabiler Phasenkontrolle als Sendereinheiten durchgeführt. Bei einer Phasenverstellung eines Kanals ist aber die relative Phasenlage der Lichtfelder der einzelnen Kanäle untereinander, schwer zu kontrollieren. Deshalb eignen sich aus Aufwandgründen die Amplitudenmodulation mit einer niedrigen Taktfrequenz oder die Amplitudenverstellung eines einzelnen Kanals noch besser. Wenn die Technologie zur sicheren Kontrolle der relativen Phase einzelner Kanäle vereinfacht wird, wird die Lösung mit Phaseninvertierung eines Kanals relativ zu den Phasen der anderen Kanäle auch attraktiv.
In beiden oben genannten Ausführungsbeispielen gemäß 3 kann der externe Modulator MOD gemäß 2 bei der niedrigen Taktfrequenz entfallen.
Nun zeigt 4 eine einfache Realisierung zur Erzeugung eines Taktsignals bei niedriger Taktfrequenz 10 GHz eines 160 GBit/s OTDM-Signals gemäß 3. Einer – hier SE16 – von sechszehn Sendereinheiten SE1, ..., SE16 mit Ausgangsignalen Si, ..., S16 jeweils bei einer 10 GHz-Taktfrequenz wird ein Amplitudenversteller wie hier ein Dämpfungsglied DG nachgeschaltet und dessen Dämpfung so eingestellt, dass sich annähernd gleiche Amplitudenwerten von fünfzehn Kanalsignalen S1, ..., S15 mit der Amplitude des gedämpften Kanalsignals S16 unterscheiden. Dabei werden auch Maßnahmen berücksichtigt, so dass keine konsequenten Signalverschlechterungen im gedämpften Kanal auftreten. Anschliessend werden alle Signale S1, ..., S16 als Kanäle mittels eines OTDM-Multiplexers MUX zur Erzeugung des 160 GBit/s-OTDM-Signals mit einer neuen aufgeprägten Taktfrequenz bei 10 GHz zusammengefasst. Die Taktrückgewinnung zur Steuerung des OTDM-Demultiplexers DEMUX erfolgt zwischen dem Koppler KO und dem OTDM-Demultiplexer DEMUX wie in 2.
Zur alternativen Phasenverstellung z. B. durch Invertierung der Phase eines Kanals zu den anderen Kanälen wird der Amplitudenversteller mit einem Phasenversteller ersetzt. Zur Taktrückgewinnung des Taktsignals kann demgemäss ein Phasendetektor anstelle des Filters F verwendet.
Es könnten ebenfalls Amplituden bzw. Phasenwerte von mehreren Kanälen geändert werden, z. B. in Form von Sub-Bändern. Selbstverständlich wird nicht immer im Kanal mit verstelltem Amplitudenwert ein Signal mit Einsen als Daten übertragen. Dieses Verfahren erfolgt jedoch durch zeitliche Mittelung der aufgenommenen niedriger Taktfrequenz. Bei komplettem Ausfall des Kanals mit verstelltem Amplitudenwert und jedoch nicht der anderen benachbarten Kanäle wird die niedrige Taktfre quenz bei 10 GHz trotzdem übertragen und damit die Taktrückgewinnung gewährleistet.

Claims

Verfahren zur Taktrückgewinnung eines optischen Datensignals (DS), das eine Datenrate (f_D) aufweist, in einem optischen Übertragungssystem dadurch gekennzeichnet, dass sendeseitig das zu übertragende optische Datensignal (DS) mit einem Taktsignal (TS) mit niedrigerer Taktfrequenz (f_G) als der Datenrate (f_D) moduliert wird, dass das modulierte optische Datensignal übertragen wird, und dass empfangsseitig ein Anteil des übertragenen modulierten optischen Datensignals im Bereich der Taktfrequenz (f_G) gefiltert wird und das gefilterte Datensignal als empfangsseitiges Taktsignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz (f_G) so gewählt wird, dass die Datenrate (f_D) ein Vielfaches der Taktfrequenz (f_G) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulationsindex für die Modulation des übertragenen optischen Signals (DS) mit dem Taktsignal (TS) verwendet wird, der möglichst klein ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung des Taktsignals mittels einer Tiefpassfilterung oder einer Bandpassfilterung durchgeführt wird, deren Durchlassbereich höchstens bis zur Taktfrequenz (f_G) reicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Datensignal (DS) als OTDM-Signal vor der Taktrückgewinnung übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Amplitudenwert eines Datensignals in einem Kanal des OTDM-Signals so eingestellt wird, dass Datensignale in anderen Kanälen unterschiedliche Amplitudenwerte aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktrückgewinnung bei der Taktfrequenz (f_G) zur Synchronisation einer zeitlichen Trennung des optischen Datensignals (DS) in Multiplex-Kanälen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase-Lock-Loop-Schaltung (PLL) zur Regenerierung der Taktfrequenz (f_G) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz (f_G) bei 10 GHz verwendet wird und die Datenrate (f_D) 40, 80, 160 GBit/s oder mehr beträgt.
Optisches Übertragungssystem, aufweisend eine Sendestelle (Tx), eine Übertragungsstrecke (LWL) und eine Empfangsstelle, in dem optische Datensignale mit einer Datenrate (f_D) übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendestelle (Tx), die ein zu übertragendes optisches Datensignal abgibt, mit einem Modulator (MOD) verbunden ist, der wiederum mit einem Taktgenerator verbunden ist, und der Modulator das zu übertragende optische Datensignal (DS) mit einem Taktsignal (TS) mit einer Taktfrequenz (f_G), die kleiner als die Datenrate (f_D) ist, moduliert und an seinem Ausgang der Übertragungsstrecke zuführt, dass die Empfangsstelle einen Koppler (KO) aufweist, der einen Teil des übertragenen modulierten optischen Datensignals auskoppelt, dass ein Ausgang des Kopplers über eine optisch-elektrische Wandlerstufe (OEW) mit einem Filter (F) verbunden ist, der das übertragene modulierte Datensignal im Bereich der Taktfrequenz (f_G) filtert, und dass das gefilterte Datensignal als empfangsseitiges Taktsignal verwendbar ist.
Optisches Übertragungssystem, aufweisend mehrere Sendereinheiten (SE1, SE2, ...), die optische Signale (S1, S2, ...) erzeugen, deren Ausgänge mit Eingängen eines Multiplexers verbunden sind, der die optischen Signale (S1, S2, ...) zu einem optischen Datensignal (DS) mit einer Datenrate (f_D) zusammenfasst, an dessen Ausgang eine Übertragungsstrecke angeschlossen ist, die das optische Datensignal (DS) überträgt, die wiederum mit einer Empfangsstelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Ausgang der Sendereinheiten (SE1, SE2, ...) ein Amplitudenversteller (DG) angeordnet ist, so dass die Amplitude mindestens eines optischen Signals (S1, S2, ...) verändert wird, und somit mindestens einem Teil des optischen Datensignals (DS) damit ein sendeseitiges Taktsignal (TS), mit einer niedrigeren Taktfrequenz (f_G) als der Datenrate (f_D), aufgeprägt wird, und dass die Empfangsstelle einen Koppler aufweist, dem das empfangene optische Datensignal (DS) zugeführt wird, an dessen einem Ausgang eine Serienschaltung eines optischelektrischen Wandlers und eines Filters angeschlossen ist, das im Bereich der Taktfrequenz (f_G) des Taktsignals (TS) filtert und an seinen Ausgang ein empfangsseitiges Taktsignal abgibt.
Optisches Übertragungssystem, aufweisend mehrere Sendereinheiten (SE1, SE2, ...), die optische Signale (S1, S2, erzeugen, deren Ausgänge mit Eingängen eines Multiplexers verbunden sind, der die optischen Signale (S1, S2, ...) zu einem optischen Datensignal (DS) mit einer Datenrate (f_D) zusammenfasst, an dessen Ausgang eine Übertragungsstrecke angeschlossen ist, die das optische Datensignal (DS) überträgt, die wiederum mit einer Empfangsstelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Ausgang der Sendereinheiten (SE1, SE2, ...) ein Phasenversteller (DG) angeordnet ist, so dass die Phase mindestens eines optischen Signals (S1, S2, ...) verändert wird, und somit mindestens einem Teil des optischen Datensignals (DS) damit ein sendeseitiges Taktsignal (TS), mit einer niedrigeren Taktfrequenz (f_G) als der Datenrate (f_D), aufgeprägt wird, und dass die Empfangsstelle einen Koppler aufweist, dem das empfangene optische Datensignal (DS) zugeführt wird, an dessen einem Ausgang eine Serienschaltung eines optischelektrischen Wandlers und eines Filters angeschlossen ist, das im Bereich der Taktfrequenz (f_G) des Taktsignals (TS) filtert und an seinen Ausgang ein empfangsseitiges Taktsignal abgibt.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, das dem Filter (F) ein Regenerator (REG) der rückgewonnenen Taktfrequenz (f_G) nachgeschaltet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das übertragene optische Datensignal (DS) in einen Demutiplexer (DEMUX) eingespeist wird, dessen Demultiplex-Takt vom Ausgangssignal des Filters (F) oder des Regenerators (REG) gesteuert ist.