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Die vorliegende Erfindung betrifft optische Uebertragungssysteme
und insbesondere solche Systeme, in welchen zu einem Empfänger
uber optische Fasermittel zu übertragende Daten effektiv an
einer Mehrzahl von verschiedenen Datenübertragungspunkten entlang
des optischen Fasermittels in dieses eingespiesen werden, um
Veränderungen im sich fortpflanzenden Lichtsignal zu erzeugen,
welche an einem Empfänger zur Rückgewinnung dieser Daten
analysiert werden können.
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Ein vorbekanntes System ist in "Electronics Letters" Band 21, Nr
25/26, 5. Dezember 1985, Seiten 1224, 1225, von J P Dakin et al.
beschrieben. Dieses System sieht eine nicht-eingreifende "Dyne"-
Faser-Vielfachleitung vor. Eine Laserquelle ist mit einem Ende
der Faser verbunden und eine Empfangsstation ist mit dem
gegenüberliegenden Faserende verbunden. Eine Anzahl Signalquellen
speisen Daten in die Faser in Multiplexform ein, und ein
Demultiplexer ist an die Empfangsstation angeschlossen, um die
eingespiesenen Signale zu demultiplexen. Das System hat die optische
Effizienz stark verbessert und ist geeignet für den Gebrauch mit
Semiconductor-Laserquellen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Faser-
Datenübertragungssystem vorgesehen, welches
Faser-Polarisationsmodulation und Frequenzteiler-Multiplex-Techniken verwendet,
beinhaltend eine Lichtquelle, um eben-polarisiertes Licht zu
erzeugen, eine Vielzahl von Sendern, um modulierte Trägersignale
mit verschiedenen Trägerfrequenzen zu erzeugen, und ein
Empfangsmittel, welches polarisationsanalysierende Mittel
beinhaltet, gekennzeichnet durch mit der Lichtquelle durch Faseroptik
verbundene Modulationsmittel, um kontinuierlich den
Polarisationszustand des eben-polarisierten Lichtes zu modulieren, eine
Viehlzahl von Umwandlern, im Abstand an Datenübertragungspunkten
entlang einer fortlaufenden Länge von mono-modus-Faseroptik
angeordnet, welche einen mono-modus-Uebertragunsweg bilden, um
mechanische Deformationen der mono-modus-Faseroptik zu erzeugen,
wobei der Uebertragunspfad die Modulationsmittel und das
Empfangsmittel verbindet; die Viehlzahl von Sendern sind jeder mit
einem entsprechenden Umwandler verbunden, um modulierte
Trägersignale mit verschiedenen Trägerfrequenzen zu erzeugen, wobei
die Umwandler, welche mit den entsprechend modulierten Träger-
Datensignalen versorgt werden, immer den Status der
Polarisationsmodulation während des grössten Teils des Modulationszyklus
beinhalten, un die Polarisations-Analysemittel angeordnet sind,
um den genauen Status der Polarisation von empfangenem Licht zu
bestimmen und die Modulationinformationen und damit folglich die
übertragenen Daten herzuleiten.
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Durch die Ausführung der vorliegenden Erfindung können die von
den Sendern zu den entsprechenden Umwandlungsmitteln verwendeten
Signale frequenz- oder amplitudenmodulierte Trägersignale
besitzen, welche verschiedene Trägerfrequenzen aufweisen, um das
Herausfiltern der verschiedenen Modulationssignale im Empfänger zu
erleichtern oder können getaktete Signale aufweisen, welche
geeignet getaktete Auftretensperioden im Verhältnis zu anderen
Uebertragungspunkten besitzen, um Zeitteiler-Mehrfachbetrieb am
Empfänger zu ermöglichen.
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Um sicherzustellen, dass der Polarisationszustand des sich
entlang der optischen Faser (vorzugsweise sogenannte mono-modus-
Faser, welche in Wirklichkeit zwei rechtwinklig-polarisierte
Modi unterstützt, welche ansonsten identische
Ausbreitungscharakteristiken aufweisen) fortpflanzenden eben-polarisierten
Lichtes tatsächlich durch die faserspannende oder -verformende
Bewegung der Umwandlungsmittel auf der Faser moduliert ist, ist
es wichtig, dass die auf die Faser applizierte Beanspruchung
durch die Umwandlungsmittel nicht bei 0º (d.h. parallel) oder
90º (rechtwinklig) auf die momentane Polarisationsebene des
fortschreitenden Lichtes an der Position erfolgt, an welcher das
Umwandlungsmittel an die Faseroptik angebracht ist, sonst wird
der Polarisationszustand des fortschreitenden Lichtes nicht
moduliert.
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Da der Polarisationszustand des sich fortpflanzenden Lichtes mit
der Zeit und Position entlang der Faser als Folge von
Umgebungseffekten variieren kann, ist es notwendig, Anordnungen für die
Verhinderung des Verlustes von Informationstransfer über den
Uebertragunspfad in das Uebertragunssystem entsprechend dem
Polarisationszustand des variierenden fortschreitenden Lichtes
einzuführen, so dass dieser parallel oder rechtwinklig zur
Richtung der durch das Modulations-Umwandlungsmittels aufgebrachten
Kräfte zu liegen kommt.
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Ein einzelner Umwandler kann an jedem der
Datenübertragungspunkte entlang von mono-modus-Faseroptik verwendet werden, und
Modulationsmittel können vor dem ersten Datenübermittlungspunkt
entlang des Uebertragungspfades vorgesehen sein, um kontinuierliche
Modulation des Polarisationszustandes des eben-polarisierten
Lichtes zu erzeugen, welches in den optischen
Faser-Uebertragungspfad eingespiesen wird, um dort sicherzustellen, dass
Umwandler an den entsprechenden Datenübertragunspunkten mit
geeignet modulierten Trägersignalen, vielleicht mit von den ihnen
zugehörigen Sendern unterschiedlichen Frequenzen, immer den
Polarisationszustand während des grössten Teils des Modulationszylus
anzeigen. Mit erfindungsgemässen Einzel-Umwandler-Anordnungen
wird der Polarisationszustand des Lichtes im optischen
Faserübertragunspfad kontinuierlich verändert und darausfolgend kann
die Richtung der auf die optische Faser durch den Umwandler
ausgeübte Kraft niemals parallel oder rechtwinklig zur
Polarisationsebene des fortschreitenden Lichtes bleiben, wodurch die
Modulation des Polaristionszustandes des Letzteren verhindert
wird. Folglich muss die Modulation des Polarisationszustandes
durch die modulierten Trägersignale des Senders an irgendeinem
Punkt im Modulationszyklus des eben-polarisierten
fortschreitenden Lichtsignales auftreten.
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Die vorliegende Erfindung wird nun aufgrund eines Beispieles
anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines bekannten
optischen Uebertragungssystems;
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Fig. 2 ein Diagramm, die Betriebsposition des
Umwandlungsmittels von Fig. 1 im Verhältnis zur optischen
Faser-Uebertragunslinie darstellend;
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Fig. 3 ein Diagrammm, die Betriebsposition des
Umwandlungsmittels von Fig. 1 entsprechend der Polarisationsrichtung
des fortschreitenden Lichtes in der optischen Faser
darstellend;
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Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm eines optischen
Uebertragungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung;
und
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Fig. 5 ein erklärendes Diagramm des Zustandes des in Fig. 4
vorhandenen Polarisationsmodulators.
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In Fig. 1 ist ein optisches Uebertragunssystem dargestellt,
enthaltend eine kontinuierliche mono-modus-Faseroptik 1, welche
eine optische Uebertragungslinie zwischen einer optischen Quelle
2, welche eben polarisiertes Licht für die Fortpflanzung entlang
der optischen Faser erzeugt, und einem Empfänger 3 bildet.
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Eine Viehlzahl von Sendern, wie die Sender 4, 5, 6 und 7, an
entfernten Sendestationen sind angeordnet, um Datensignale,
welche modulierte Trägerfrequenzsignale aufweisen, in entsprechende
Umwandlungsmittel 8,9,10 und 11 einzuspeisen. Die modulierten
Signale von den entprechenden Sendern weisen verschiedene
Trägerfrequenzen auf. Die modulierten Datensignale, welche
frequenz-, puls- oder amplitudenmodulierte Signale sein können,
werden mittels der Umwandlungsmittel 8 bis 11 in mechanische
Kraftsignale umgewandelt, welche durch die Umwandlungsmittel auf
die optische Faser 1 in im Abstand angeordneten Punkten
aufgebracht werden. Diese mechanischen Kraftsignale bewirken, dass
die optische Faser 1 physisch gespannt oder deformiert wird,
wodurch die Eigenschaften der optischen Faser an diesen
betroffenen Punkten in Uebereinstimmung mit den durch die Sender 4 bis
7 erzeugten modulierten Datensignalen verändert werden. Diese
Veränderungen der Eigenschaften der optischen Faser 1 erzeugt
eine Modulation des Polarisationszustandes des sich entlang der
optischen Faser 1 fortpflanzenden Lichtes. Der
Polarisationszustand des beim Empfänger 3 ankommenden moduliert polarisierten
Lichtes kann analysiert werden, beispielsweise durch Messung der
Stokes-Parameter, welche den genauen Polarisationszustand des
sich entlang der Faser 1 fortpflanzenden Lichtes definieren, und
die im Empfänger-Eingangsignale enthaltende
Modulationsinformation, welche durch Herausfiltern gewonnen wird, um die durch die
entsprechenden Sender 4, 5, 7 und 7 übertragenen Datensignale zu
gewinnen.
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Es kann hier bemerkt werden, dass die radial-winkligen
Richtungen, in welchen die Kräfte auf die optische Faser 1 durch die
Umwandlungsmittel aufgebracht werden, nicht 0º (d.h. parallel
zur Polarisationsebene) oder 90º (d.h. senkrecht zur
Polarisationsebene) sein sollen, da sonst der Polarisationszustand des
fortschreitenden Lichtes nicht durch den Eingang der
Umwandlungsmittel moduliert wird. Um Verluste von Datensignalen zu
verhindern, wenn die Richtung der durch den Umwandler
aufgebrachten Kraft annähernd parallel oder rechtwinklig zur
Polarisationsebene des sich fortpflanzenden Lichtes wird, infolge von
zeitlichen Veränderungen der Richtung der Polarisationsebene,
herrührend von gewissen äusseren Einflüssen (bsp. seitlicher
Druck der Faserverkleidung oder durch Kabelmontage verursachte
Doppelberechnung), können verschiedene Einrichtungen in das
System von Fig. 1 integriert werden.
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Figur 2 der Zeichnungen zeigt eine Einrichtung zur Vermeidung
von Datensignalverlust, wie gerade vorgängig darauf Bezug
genommen wurde. In der dargestellten Anordnung weist jedes
Umwandlungsmittel von Figur 1 zwei separate Umwandler 12 und 13 auf,
welchen beiden modulierte Datensignale vom zugehörigen Sender 14
eingespiesen werden. Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die
beiden Umwandler 12 und 13 derart relativ zur optischen Faser 1
angeordnet, dass zwischen ihnen ein Winkel θ vorhanden ist,
welcher weder 0º noch 90º beträgt, und welcher vorzugsweise 45º
beträgt. Die auf die Umwandler 12 und 13 angewandten modulierten
Trägersignale besitzen verschiedene Trägerfrequenzen, aber beide
werden durch dieselbe Information moduliert, um zu
gewährleisten, dass wenigstens ein Träger des Signales auch wirklich
übertragen wird. Daraus folgt, dass unabhängig vom Abwandern der
Polarisationsebene des sich fortpflanzenden Lichtes dieses immer
durch die in der optischen Faser 1 erzeugte Belastung wenigstens
eines der zwei modulierten Trägersignale moduliert wird. In
dieser Ausführungsform wird die Polarisationsanalyse und Filterung
im Empfänger üblicherweise zwei Signale von jeder Sendestation
ergeben (aber nur ein Signal, wenn ein Signal infolge
ungünstiger Polarisationsrichtung abklingt).
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In einer modifizierten Ausführungsform, in Fig. 2 dargestellt,
kann ein einziges moduliertes Trägersignal wechselweise in die
zwei Umwandler 12 und 13 eingespiesen werden. Die Frequenz des
Wechselns ist generell grösser als die Datendurchsatzrate aber
tiefer als die Trägerfrequenz des modulierten Signales.
Kraftstösse mit Trägerfrequenz werden daher wechselweise durch die
Umwandler 12 und 13 auf die optische Faser 1 aufgebracht. In den
meisten Fällen werden beide umwandler die Polarisation des
fortschreitenden Lichtes modulieren, aber im Falle einer ungünstigen
Orientierung der Polarisationsebene relativ zu den Richtungen
der aufgebrachten Kraft wird nur einer der beiden Umwandler 12
und 13 wirksam. Solange die Datendurchsatzrate kleiner als die
Wechselfrequenz der den zwei Umwandlern eingespiesenen Signale
ist, können die übertragenen Daten immer noch durch
Herausfiltern im Empfänger gewonnen werden.
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In einer anderen Ausführungsform, in Figur 3 dargestellt, sind
zwei Umwandler, wie z.B. die Umwandler 15 und 16, der optischen
Faser 1 an jeder Sendestation, wie z.B. an der Station 17,
angeschlossen. Diese Umwandler sind angeordnet, um mechanische
Kräfte auf die optische Faser 1 in annähernd
radial-rechtwinkliger Richtung aufzubringen. Die effektive oder resultierende
Richtung des aufgebrachten Kraftvektors kann auf irgendeinen
radialen Winkel einfach durch Einstellen der relativen Grösse
und Polarität der sonst identischen (d.h. gleiche
Trägerfrequenz), auf die beiden Umwandler angewandten Signale eingestellt
werden. Diese Ausführungsform basiert darauf, dass die Richtung
des polarisierten Lichtes in der optischen Faser 1 hergeleitet
wird und dass danach das resultierende Kraftmodulationssignal in
45º zur Richtung der Polarisation angeordnet wird, um eine hohe
Effizienz zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, kann die
nicht-isotropische Eigenschaft von Rayleigh-gestreutem Licht
verwendet werden. Das ist ein kleiner Anteil desjenigen Lichtes,
welches normalerweise aus der optischen Faser streut und eine
maximale Intensität rechtwinklig zur Polarisationsebene des sich
in der optischen Faser fortpflanzenden Lichtes besitzt, wie
unter 18 in Figur 3 dargestellt. Damit kann durch das Erfassen der
Winkelverteilung des gestreuten Lichtes (in einer Ebene
rechtwinklig zur Faserachse) die Polarisationsrichtung erhalten
werden, und indem die Grössenordnung und Polarität der auf die
Umwandler 15 und 16 angewandten modulierten Trägersignale
eingestellt werden, können die Kräfte in die geeigneten Richtungen
zur Erzielung maximaler Modulation des Polarisationszustandes in
der optischen Faser gerichtet werden. Damit wird der Verlust von
Daten infolge unvorteilhafter Lage der Polarisationsebene des
Lichtes relativ zu den angewandten Kräften verhindert.
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Nochmals in einer anderen Ausführungsform kann der
Eingangs-Polarisationszustand des in die optische Faser eingespiesenen
Lichtes zeitlich abgelenkt werden, um diskontinuierlich, aber
garantiert wiederholt Polarisationsmudulation an den
Uebertragungspunkten zu erlauben. Diese Ausführungsform erlaubt, einen
Einzel-Umwandler an jeder der Daten-Einspeisungspunkte entlang
der Faseroptik zu verwenden.
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Figur 4 der Zeichnungen zeigt nun eine erfindungsgemässe
Ausführungsform, welche Einzel-Umwandler an den Uebertragunspunkten
entlang der optischen Faser verwendet.
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Das dargestellte optische Uebertragungssystem weist eine
optische Quelle 21 auf, welche eben-polarisiertes Licht erzeugt, das
vorgesehen ist, um in die Faseroptik 22 eingespiesen zu werden,
bevor es einem Modulator 23 zugeführt wird, welcher
kontinuierlich den Polarisationszustand des durch die optische Quelle 21
erzeugten eben-polarisierten Lichtes moduliert. Das modulierte
eben-polarisierte Licht wird dann in eine kontinuierliche
monomodus-Uebertragunspfad-Faseroptik 24 eingespiesen, welche sich
bis zu einem entfernten Polarisations-Analyseempfänger 25
erstreckt. An verschiedenen Standorten entlang der
Uebertragungspfad-Faseroptik 24 erzeugen Signalsender 26, 27, 28 und 29
modulierte Trägersignale mit verschiedenen Trägerfrequenzen,
welche zugehörigen elektro-mechanischen Umwandlern 30, 31, 32
und 33 eingespiesen werden. Diese Umwandler erzeugen eine
Beanspruchung der Uebertragungspfad-Faseroptik 24, um eine
Modulation
des kontinuierlich modulierten, sich in der Faseroptik 24
fortpflanzenden Lichtes zu erzeugen.
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Figur 5 der Zeichnungen zeigt ein erläuterndes Diagramm des
Modulators 23 von Figur 4, und es ist ersichtlich, dass das
ebenpolarisierte Licht der optischen Quelle 21 durch ein
elektro-optisches Gerät 34 moduliert wird, an welchem eine
Modulationsspannung 35 anliegt, um einen Polarisationsmodulationsausgang zu
erzeugen. Dies ermöglicht direkte Polarisationsmodulation, wobei
hierzu bemerkt werden kann, dass die Modulation des
Polarisationszustandes auch dadurch erreicht werden kann, dass zwei
Lichtstrahlen in die Faseroptik 22 eingespiesen werden, welche
durch eine Differenzfrequenz in verschiedene
Polarisationszustände der Faseroptik 24 getrennt, unterschiedliche optische
Frequenzen aufweisen.
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Durch kontinuierliche Modulation des Polarisationszustandes des
sich entlang der Faseroptik 24 fortpflanzenden Lichtes können
die durch die Umwandler 30 bis 33 aufgebrachten Kräfte nie
länger als eine sehr kurze Zeitperiode während jedes
Modulationszyklus parall oder senkrecht zur Polarisationsebene des sich
fortpflanzenden Lichtes sein. Daher wird jeder signifikante
Ausfall der Modulationssignale zur Modulation des
eben-polarisierten Lichtes verhindert, wobei nur ein einzelner Umwandler an den
Datenübertragunspunkten verwendet wird, wodurch eine spürbare
Reduzierung der Kosten erzielt werden kann, insbesondere wenn
die Anzahl der Datenübertragungspunkte relativ hoch ist, wobei
die vorgängig geschilderten Nachteile bei der Verwendung von
Umwandler-Paaren an den Datenübertragunspunkten, unter
geeigneten Winkeln vermieden werden, um zu vermeiden, dass die Kräfte
parallel oder senkrecht zur Polarisationsebene des sich
ausbreitenden Lichtes sind.
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Für die Erläuterung des Betriebsmodus des erfindungsgemässen
Systems sind folgende Daten vorgesehen.
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Wenn die Modulationsfrequenz FD ist und die
Signal-Trägerfrequenz FS, dann wird das empfangene Signal in FS und auch in den
Seitenbändern der Eingangsfrequzenz FD erscheinen. Die genaue
Form der Seitenbänder hängt von der Art ab, wie der
Polarisationszustand am Eingang moduliert ist. FD kann typischerweise
derart angeordnet sein, dass sie breiter als FS ist, um zu
verhindern, dass die Seitenbänder mit den Signalen von FS
interferrieren. Geeignete Auswahl der Polarisationszustands-Analyse und
-Demodulationstechniken beim Empfänger gewährleistet, dass immer
ein Signal ohne die Möglichkeit des Signalverlustes empfangen
wird.