DE2248211A1 - Faserleitungs-nachrichtenuebertragungssystem - Google Patents

Description

• Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem Die Erfindung betrifft ein optisches Nachrichtenübertragungssystem mit einer Faserleitung.
• Ls ist bekannt, daß bei POM/IM-Faserleitungssystemen mit ausschließlich regenerativen Wiederholverstärkern die Verstärkerfeldlänge u.a. durch das zusätzliche Schrotrauschen im optischen Detektor (Lawinenphotodiode) und das Schrotrauschen des Signalfotostroms begrenzt ist. Das Schrotrauschen ist durch die Quantenstruktur des Iichtes und der elektrischen Ladung bedingt. (. Chown, K.C. Kao: Breitband-Nachrichttensysteme mit optischen Faser-Wellenleitern, Elektr. Nachrichtenwesen 46 (1971) Nr. 2, S.
• 129 - 136).
• Dagegen hangt bei PCM/IM-Easerleitungssystemen mit ausscaließlich analogen Wiederholverstärkern (z.B. Nd: Glas-Laserverstärkern) die maximale Verstärkerfeldlänge u.a.
• vom Rauschen der optischen Verstärker ab, das auf spontaner Emission in ihnen beruht (A. Ueki: Considerations on an optical repeater system employing light-focusing glass laser amplifiers, IESE J. Quantum Electronics QE-7 (Juni 1971) Nr. 6, S. 35 - 36).
• Die Begrenzung der vystemleistungsfahigkeit durch die Rauscherscheinungen bringt folgende Nachteile bei den genannten Systemen mit sich: Bei den bekannten PCM/IM-Faserleitungssystemen mit regenerativen Wiederholverstärkern beträgt die Dämpfung eines Kabelfeldes maximal 40 dB. Diese Begrenzung ergibt sich aus dem kleinsten nachweisbaren Signalwert und aus der Strahlungsenergie des Lasers. Bei einer Kabeldampfung von 20 dB,/km ist daher eine Kabelfeldlänge von maximal 2 km möglich. Um die Kabellange einen Kilometer zu vergroßern, ware es nötig, die Strahlungsenergie der Laserdiode um des Hundertfache zu steigern. em steht u.a. der Umstand entgegen, daß diese Diode miniaturisiert ausgeführt sein mu0, und deshalb die nötige Wärmeabfuhr nicht mehr möglich ist.
• Bei den bekannten PCM/IM-Faserleitungssystemen mit halogen Wiederholverstärkern andereseits besteht der Nachteil, daß die Zahl der Kabelfelder u.a. durch die Rauscherscheinungen in den optischen Wiederholverstärkern begrenzt ist.
• Aus dem geschilderten stand der Technik ergibt sich bei Faserleitungssystemen die Aufgabe, neben einem genügend hohen Informationsfluß einerseits auch noch eine möglichst hohe Verstärkerfeldlänge andererseits zu ermöglichen, und schließlich eine möglichst hohe Verstärkerfeldzahl zu erzielen. Die Lösung dieser Aufgabe ist bei optischen Nachrichtenubertragungs-Systemen viel schwieriger als bei den bekannten .CO-Systemen der gewöhnlichen Nachrichtentibertragungstechnik, da die Energie der Kitrahlungsquellen begrenzt und die Dämpfung der Leitungen hoch ist.
• Ferner müssen alle Bauelemente und Baustufen miteinander kompatibel sein. Diese. Bedingung erschwert die Lösung zusätzlich, weil Dtrahlungsquellen für die optische Nachrichtentechnik nur bestimmte Wellenlängen abeben und auch die optischen Verstärker nur bei bestimmten Wellenlängen arbeiten; das gleiche gilt für pptische Detektoren und i-umplichtquellen.
• Als Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem mit einer Vielzahl von optischen Wiederholverstärkern vorgeschlagen, das einmal mit pulsgetasteter Binärmodulation (PGBM) mit im Verhältnis zur Pulsperiode sehr kleiner Pulsdauer arbeitet. weiter sind die optischen Wiederholverstärker in ihrer Minderzahl als digitale regenerative Verstärker und in ihrer Mehrzahl als.
• Analogverstäker ausgebildet, so daß sich ein Hybrid-System ergibt,und schließlich werden wenigstens die optischen nalogverstarker des Systems nur während der für die zu übertragende Information vorgesehenen Zeitkanäle in Betrieb gesetzt.
• Die Verwendung der pulsgetasteten Binarmodulation (PGBM) ist an sich aus der Technik der Laser-Satellitenübertragungssyste ine bekannt. Dort kommt es auf eine möglichst hohe Sendeleistung an, und es ist keine Vielzahl von Wiederholvrestärkern in die Strecke eingeschaltet. (M. Ross: Jupiter Calling, Laser ocus, Okt. 1969, . 32 - 38).
• Auch das zweite erkmal der erfindungsgemäßen Kombination, die Ausbildung als hybrides system, ist an sich aus der konventionellen Nachrichtenübertragungstechnik bekannt. Die bekannten Systeme arbeiten jedoch mit Fulscodeamplitudenmodulation (PCM/AM) (R.W. Chang, S.L. Freeny: Hybrid Digital Transmission system, Bell oyst. Tech. J. 1968, 5. 1663-1711).
• Die Anwendung der pulsgetasteten Binärmodulation (PGBM) bei einem optischen Hybridübertragungssystem ermöglicht gegenüber der PCM/AM eine zeiliche Rauschunterdrückung, welche nur bei Verwendung gerade dieser Modulationsart möglich ist. Der Erfolg des Zusammenwirkens der genannten Merkmale besteht in einer Steigerung der gesamten leistungsfähigkeit des Systems.
• Es ist entweder ein höherer Informationsfluß oder eine höhere Verstärkerfeldlänge des Systems möglich oder es können Faserleitungen höherer Dampfung verwendet werden. Bekanntlich läßt sich die Verstärkerfeldlänge bzw. die Paserleitungsdampfung auf Kosten des Informationsflusses steigern.
• Das raserleitungssystem nach der Erfindung kan mit 3 Arten von optischen Wiederholverstärkern betrieben werden: a) optischen Analogverstärkern mit Verstärkung im optischen Bereich b) optischen nalogverstärkern mit Umsetzung in das Basisband und dort vorgenonmener elektrischen Verstärkung c) optischen digitalen Regenerativverstärkern mit Umsetzung in das Basisband und dort vorgenolnener Impulsregenerierung.
• wenn auch die vorteile des erfindungsgemäßen systems insbesondere bei den optischen Analogverstärkern zur Geltung kommen, 90 treten Rauschprobleme auch bei den Ubrigen Wiederholverstärkertypen, die zuvor in das Basisband umsetzen?und bei d-en endstellen auf, so daß die Vorteile der Erfindung auch dort genutzt werden können.
• Die Inbetriebsetzung der optischen iederholverstärker nur während der Informationimpulse kann auf verschiedene eise erfolgen.
• Die analogen optischen ifiederholverstärker werden vorteilhaft nur während der Dauer der Zeitkanäle der Informations-Impulse gepumpt. In der übrigen Zeit wird die Pumpenergiequelle abgeschaltet. Bei Festkörperlaserverstärkern (z.B.
• d: Glas-Günnfilmlaserverstärkern) und Farbstofflaserverstsrkern (z.B. Dünnfilmfarbstofflaserverstärkern mit in einem festen Kunststoff verteiltem -Farbstoff) ist das Pumplicht zeitlich auf die Zeitintervalle beschränkt, in denen zu verstärkende Informations-Impulse auftreten können. Bei Halbleiterlaserverstärkern ist der pumpstrom (Diodenstrom) auf diese Zeitintervalle beschränkt.
• Zusätzlich kann zweckmäßig der optische Detektor im optischen Empänger und in den digitalen Wiederholverstärkern in der iause zwischen zwei Informations-Impulsen durch ein Austastsignal gesperrt werden. Es läßt sich u.U. auch die elektronische Werstärkerstufe hinter dem optischen Detektor Sperren. U.U. genügt es aber, nur einen Teil der genannten stufen in den Intervallen zwischen den Zeitkanälen der Informationsimpulse zu sperren.
• Zur Veranschaulichung der Erfindung ist ein Ausführungsbei spiel durch folgende Figuren dargestellt: Fig. 1 Teilausschnitt eines PGBM-Faserleitungs-Hybridsystems Fig. 2 Blockschaltbild eines PGBM-Faserleitungs-Hybridsystems Fig. 3 Optischer Sender desselben (mit Lumineszendiode) Fig. 4 Analoger Wiederholverstärker desselben Fig. 5 Digitaler Wiederholverstärker desselben (mit Lumineszenzdiode) Fig. 6 Optischer Empfänger desselben Fig. 7 Festkörperlaserverstärker, miniaturisiert (prinzip) Fig. 8 Optischer Sender (mit Laserdiode und externem Modulator) Fig. 9 Ligitler Wiederholverstärker (mit Laserdiode und externem Modulator).
• Im folgenden wird eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gegeben. Fig. 1 zeigt das Prinzip eines PGBM-Hybridsystems. Es ist der zwischen zwei regenerativen Wiederholverstärkern gelegene Teil des Systems dargestellt, der von links nach rechts überträgt. Es sind F1 bis FN die Kabelfelder, AR1 bis ARn-1 die analogen und die regenerativen Wiederholverstärker. Fig 2 stellt ds Blockschaltbild des vollständigen Systems dar, das Telephongespräche, Daten und hlernsehen überträgt. In der linken Hälfte des Systems verläuft die Übertragungsrichtung von oben nach unten, in der rechten von unten nach oben In der Figur sind zwei gleiche Endstelleneinrichtungen TM, zwei gleiche optische Siendestufen TX, zwei gleiche optische Empfangsstufen RK, acht gleiche analoge Wiederholverstärker AR und zwei gleiche digitale Wiederholverstärker DR dargestellt. Von den Kabelfedern des Systems sind nur sechs in der Figur zu sehen, von den durchlässigen Pasern nur vier. Die Figuren 3 bis 9 zeigen die einzelnen Baustufen des Systems. Es sind jeweils nur zwei durchlässige Fasern zu sehen; die bbertragungsrichtung verlauft von links nach rechts.
• Im folgenden beschränkt sich die Darstellung auf nur eine Faser. Fig. 3 zeigt die optische Sendestufe TX. Auf eine treiberstufe folgt die mit pulsgetasteter binärer Modulation direkt modulierte Lumineszendiode. Deren Lichtimpulse gelangen über die durchlässige Faser zum ersten analogen Wiederholverstärker tli (Fig. 4). Er besitzt einen optischen Verstärker, der während der Dauer der Zeitkanäle der Informationsimpulse gepumpt wird. Dessen Rauschen in der Rückwärtsrichtung wird durch einen vorgeschalteten optischen Isolator unterdrückt. Das Rauschen in der Vorwärts richtung begrenzt ein optisches Filter. Der digitale iederholverstärker DR (Fig. 5) besteht aus dem optischen Detektor, z.B. einer I.awinenphotodiode, einem Verstärker, dem Regenerator, einer Treiberstufe und der damit betriebenen Lumineszendiode. Der optische Detektor im digitalen Wiederholverstärker wird mit Hilfe einer Austaststufe getastet.
• Fig, 6 zeigt den optischen Smpfänger. zur enthält den optischen Detektor, z.B. eine Lawinenphotodiode, einen terstärker und einen Regenerator.
• Falls als Strahlungsquelle im optischen ender IX ein Injektionslaser eingesetzt wird, empfiehlt sich u.U. die Verwendung eines externen optischen Modulators (lig. 8). Das gleiche gilt für den digitalen Wiederholverstärker mit einem Injektionslaser (fig. 9).
• Während die bisher besprochenen Baustufen (optische Sender und Empfänger, analoge und digitale Viederho1verstärker) nur in einer ;lbertragungsrichtung beansprucht werden, sind die Endstelleneinrichtung TM in beiden Übertragungsrichtungen eingesetzt. Jede Endstelleneinrichtung besitzt Anschlüsse für an- und abgehende Telephon-, Bild- und Datenkanäle. Die ankommenden Telephonsignale werden durch Analog/Digital-Wandler in digitale Signale verwandelt. Diese faßt ein multiplexer mit den gleichfalls digital umgewandelten Bildsignalen und den Datensignalen zu einem Gesamtmultiplexsignal zusammen, das dem optischen Sender TX zugeführt wird.
• Umgekehrt zerlegt ein Demultiplexer in der Endstelleneinrichtung TM das vom optischen Empfänger RX gelieferte Multiplexsignal in Daten-, Bild- und Telephonsignale und verteilt diese auf die abgehenden Kanäle Dabei werden digitale Signale durch Digital/Analogwandler in analoge Signale zurückverwandelt.
• Die Endstelleneinrichtungen enthalten ferner Generatoren für das Taktsignal (Bitsynchronisation), Impulsgeneratoren für das Pump- und das Austastsignal und Stromzuführungen der Wiederholverstärker.
• Das Faserleitungssystem arbeitet nach dem Raummultiplexverfahren. Zur Nachrichtenübertragung werden räumlich getrennte optische Kanal, d.h. transparente Fasern, benutzt. Der gesamte Informationsfluß des Systems nimmt in dem lWaß zu, in dem die Zahl der Fasern im Faserleitungekabel gesteigert wird.
• Das Faserleitungssystem ist ein Duplexsystem. Ein Teil der Fasern überträgt in der einen Richtung, ein anderer Teil in der Gegenrichtung.
• Das Taktsignal für die Regeneratoren,das Pumpsignal-für die optischen Verstärker und das Austastsignal für die optischen Detektoren können durch besondere durchlässige Fasern optisch übertragen werden. Diese Signale lassen sich aber u.U. auch mit Informationssignalen gemeinsam über eine Faser übertragen. Es besteht auch die Möglichkeit, sie aus dem Informationssignal zu gewinnen, oder ferner das Pump- und das Austastsignai aus dem Taktsignal zu erzeugen. Im Kabel sind metallische Adern als Stromzuführung für die Wiederholverstärker vorzusehen.
• Als optische analoge \,iederholverstärker lassen sich Nd-Glaslaserverstärker verwenden. Die lasernde Substanz ist dabei ein Nd: Glasfilm oder eine Nd: Glasfaser. Zur Unterdrückung ihres Rauschens in der Rückwärtsrichtung dienen vorgeschaltete optische Isolatoren, in der Vorwärtsrichtung nachgeschaltete optische Filter. Die Bestkörper-Laserverstärker in einem analogen Wiederholverstärker können aus einem gemeinsamen otromerzeuger (Gleich- bzw. Wechselstrom) die Energie für ihr Fumplicht entnehmen.
• Ferner kommen Farbstofflaserverstärker in Betracht. Bei diesen besteht das lasernde Medium aus einem festen organischen Kunststoff, in den ein laserndor Farbstoff eingebracht wurde.
• Fig. 7 zeigt das Prinzip eines miniaturisierten optischen Verstärkers. Sine Platte aus lumineszerenden Material befindet sich zwischen zwei Kondensatorplatten, an die ein Stromgenerator angeschlossen ist. Letzterer liefert die Energie (Gleich- oder Welchselstrom) zur Erzeugung des Lumineszenzlichtes. In die Platte mit dem Brechungsidex n1 ist ein Lichtleiter mit dem Brechungsindex n2 eingesetzt. Er besteht aus einem lasernden Matarlal, das durch das Lumineszenzlicht gepumpt wird. hierdurch kommt die Verstärkerwirkung im Lichtleiter zu stande.
• Bei Verwendung von Halbleiterlaserverstärkern, z.B. GaAs-Ga1-xAlxAs Verstärkern, entfällt eine besondere Pumplichtquelle. Der Verstärker läßt sich durch Sinschalten des Diodenstroms in Betrieb setzen. Schließlich sind miniaturisierte Gaslaserverotärker als optische Wiederholverstärker in Betracht zu ziehen.
• Bei digitalen regenerativen Wiederholverstärkern empfiehlt sich u.U. die Verwendung eines analogen optischen Vorverstärkers, der dem optischen Detektor vorgeschaltet wird.
• Durch die Tastung wird das Rauschen der Wiederholverstärker von der Ausbreitung und Verstärkung in nachgeschalteten Verstarkern während der Pausen zwischen den Impulsen auegeschlossen. Es ergibt sich ein gUnstlgeres Signal/Rauschverhältnis bzw. eine geringere Fehlerrate. Falle das thermische Rauschen des optischen Detektors eine Rolle spielen sollte, besteht gleichfalls die Möglichkeit zur Unterdrückung mit Hilfe der Austastung.
• Infolge des besseren ignal/Rauschverhältnisses ergeben sich außer den bereits genannten folgende Vorteile des Systems gemäß der Erfindung: 1) Das Faserleitungssystem hat einen einfachen Aufbau. Es werden nämlich nur verhältnismäßig wenig digitale regenerative Wiederholverstärker verwendet. Bei einem Hybridsystem rechnet man im allgemeinen mit 5 bis 10 analogen Wiederholverstärker auf einen regenerativen Wiederholverstärker. Nimmt man eine Kabelfeldlänge von 2 km an, so wäre alle 10 bis 20 km ein regenerativer Wiederholverstärker vorzusehen.
• 2) Es lassen sich beliebig viele Verstärkerfelder hintereinander schalten. Dagegen ist die Zahl der Verstärkerfelder bei den bekannten Faserleitungssystemen mit analogen iederholverstärkern begrenzt.
• 3) Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssysteme werden voraussichtlich in Großstädten zur Verbindung von Vermittlungsämtern dienen, da hier große informationsflüsse auftreten. Berücksichtigt man die Entfernung zwischen den Vermittlungsämtern, die 10 bis 20 km nicht überschreiten dürfte, so ergibt sich, daß Hybrid-Faerleitungssysteme mit einer Reihe analoger Wiederholverstärker und nur zwei regenerativen Wiederholverstärkern in vielen Fällen genügen dürften. Letztere ließen sich in den beiden Vermittlungsämtern an den beiden Enden der Faaerleitung unterbringen.
• 4) Dort dürfte im Vergleich zu anderen Aiagen der Platzbedarf für die regenerativen Wiederholverstärker eine geringere Rolle spielen. Man könnte also u.U. regenerative Wiederholverstärker in normaler Ausführung (ohne Miniaturißierung) verwenden.

Claims (19)

Patentansprüche

1. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem mit einer Vielzahl von optischen Wiederholverstärkern, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das System mit pulsgetasteter Binärmodulation (PGBM) mit im Verhältnis zur Sulsperiode sehr kleiner Pulsdauer arbeitet, daß die optischen Wiederholverstärker in ihrer Minderzahl als digitale regenerative Verstärker (DR) und in ihrer Mehrzahl als Analogverstärker (AR) ausgebildet sind (iiybrid-oystem), und daß wenigstens die optischen Analogverstärker (kR) des Systems nur während der für die zu übertragende Information vorgesehenen Zeitkanäle in Betrieb gesetzt werden (Fig. 1)

2. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inbetriebsetzung bei optischen Analogverstärkern durch Anschalten der Fumpenergie erfolgt.

3. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Detektoren in den digitalen Wiederholverstärkern (DR) und den optischen Empfängern (Rx) in den beiden indstellen durch ein Austastsignal im Intervall zwischen den Informationsimpulsen gesperrt werden.

4. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die otrahlungsquellen Lumineszenzdioden sind.

5. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen Laserdioden sind.

6. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Detektoren Lawinenphotodioden sind

7. Paserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zeitmultiplexverfahren gearbeitet wird.

8. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, nach dem Raummultiplexverfahren,d.li. mit mehreren durchlässigen Fasern, in denen lnformetions-, Takt-, Pump- und Austastsignale übertragen werden, gearbeitet wird.

9. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der durchlässigen Fasern in der Vorwärtsrichtung und ein Teil in der Gegenrichtung optisch überträgt (Duplex).

10. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pump-, Austast- und Taktsignal über eine besondere durchmassige Faser des Faserleitungssystems optisch übertragen wird.

11. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach An-oder folgenden spruc, a urch gekennzeichnet, daß das Pump-, Austast- und Taktsignal zusammen mit Informationssignalen in einer durchlässigen Faser gemeinsam optisch übertragen wird.

12, Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden,dadurdh gekennzeichnet, daß das Pump- und/oder Austasteignal aus dem Taktsignal erzeugt wird.

13. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anapruch 1, 2 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wlederholverstarker Festkörperlaserverstärker, z.B. Nd: Glaslaserverstärker, sind.

14. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, 2 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker Parbstofflaserverstärker sind, z.B. mit einem lasernden Medium aus einem festen Xunststoff, in dem der Farbstoff verteilt ist.

15. Faserleitunga-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, 2 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker Halbleiterlaserverstärker, z.B. GaAs-Ga1 xAlxAs-Verstärker sind.

16. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, 2 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker miniaturisierte Gaslaserverstärker sind.

17. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß den optischen Detektoren optische Vorverstärker vorgeschaltet sind.

18. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß das Rauschen der analogen optischen Verstärker in der Rückwärtsrichtung durch optische Isolatoren unterdrückt wird,

19. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden,dadurch gekennzeichnet, daß das tauschen der analogen optischen Verstärker in Vorwärtsrichtung durch optische Filter verringert wird.

L e e r s e i t e