DE4402428A1 - Optisches Datenübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Datenübertragungs­ system der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem Übertragungssystem mit optischer Verstärkung, das eine nicht-kohärente Detektion verwendet, schließt der optische Über­ tragungspfad zwischen einem optischen Sender und einem an einer entfernten Stelle angeordneten Empfänger eine Kette von opti­ schen Verstärkern ein, die mit Abstand voneinander entlang des Übertragungspfades verteilt sind. Jeder der optischen Verstärker weist ein Verstärkungsmedium mit einer Populationsinversion auf. Ein Eingangssignal mit niedriger Leistung an einen derartigen Verstärker wird auf eine höhere Leistung verstärkt, während es sich durch das Verstärkungsmedium ausbreitet. Das Eingangssignal an den Verstärker tritt mit der Populationsinversion in Wechsel­ wirkung, um eine stimulierte Emission zu erzeugen, wodurch sich eine Signalverstärkung ergibt. Zusätzlich ergibt jedoch die Populationsinversion eine gewisse spontane Emission, die ver­ glichen mit dem Signal breitbandig ist, und diese spontane Emission wird ebenfalls in diesem und in nachfolgenden Verstär­ kern verstärkt. Als Ergebnis erreicht eine verstärkte spontane Emission (ASE) den Empfänger zusammen mit dem Signal. Es wurde gezeigt, beispielsweise in einer Veröffentlichung von N.A. Ohl­ son mit dem Titel "Lightwave Systems with Optical Amplifiers", Journal of Lightwave Technology, Band 7, Nr. 7, Juli 1989, Seiten 1071-1082, daß, wenn das ankommende Signal am Empfänger detektiert wird, die ASE zu einem Rauscheingang als Ergebnis der Überlagerungswechselwirkungen zwischen dem Signal und der spontanen Emission sowie zu einem weiteren Rauscheingang als Ergebnis der Überlagerungswechselwirkungen zwischen einzelnen spontanen Emissionen beiträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die verstärkte spon­ tane Emission (ASE) zu verringern und entsprechend das Signal-/ Rauschverhältnis des an dem Empfänger detektierten Signals zu verbessern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem eine nicht-kohärente Detektion verwendenden optischen Datenübertragungssystem, das einen optischen Sender einschließt, der mit einem nicht-kohären­ ten optischen Empfänger über einen optischen Übertragungspfad gekoppelt ist, der eine Kette von optischen Verstärkern enthält, wobei der Sender einen Datenmodulator einschließt, der zum Auf­ prägen einer Datenmodulation auf das optische Signal ausgebildet ist, das von dem Sender zu dem Empfänger ausgesandt wird, dadurch gelöst, daß der Sender zusätzlich einen zweiten Modula­ tor einschließt, der zur Modulation des Polarisationszustandes des von dem Sender ausgesandten optischen Signals zwischen zwei im wesentlichen orthogonal polarisierten Zuständen ausgebildet ist.

Es sei bemerkt, daß die Verwendung eines zweiten Modulators, der zur Modulation des Polarisationszustandes eines von einem Sender ausgesandten datenmodulierten optischen Signals zwischen zwei im wesentlichen orthogonal polarisierten Zuständen ausge­ bildet ist, bereits in den US-Patenten 4 965 857 und 5 023 494 beschrieben ist, daß sich jedoch diese Patente auf ein System beziehen, das eine kohärente (Superheterodyn-) Detektion verwendet. Das darin beschriebene kohärente Detektorsystem ver­ wendet keine optischen Verstärker und betrifft damit in keiner Weise irgendwelche Probleme des Rauschens aufgrund einer ver­ stärkten spontanen Emission (ASE). Weiterhin ist der zweite Modulator speziell dazu eingefügt, um eine kohärente Detektion zu ermöglichen, so daß diese Patente keinen Hinweis auf Systeme unter Verwendung einer nicht-kohärenten Detektion zu geben vermögen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 und 2 Blockschaltbilder optischer Übertragungssysteme, die zwei Ausführungsformen der Erfindung darstellen.

Das optische Sendersystem nach Fig. 1 weist einen Sender 10, an einer entfernt angeordneten Stelle einen nicht-kohärenten Empfänger 11, und zwischen diesen einen faseroptischen Über­ tragungspfad 12 auf, der eine Kette von optischen Verstärkern 13 einschließt, typischerweise in der Größenordnung von einhundert Verstärkern. Eine bevorzugte Form eines Verstärkers ist ein faseroptischer Verstärker, der ein Seltene-Erden-Dorierungs­ mittel, wie zum Beispiel Erbium enthält. Eine bevorzugte Form eines Senders 10 schließt eine Injektionslaserquelle 10a, einen ersten Modulator 10b, dem Daten von einem Dateneingang 14 zuge­ führt werden, und einen zweiten Modulator 10c ein, der aus einem Oszillator 15 gespeist wird. Der erste Modulator 10b ist typi­ scherweise jedoch nicht notwendigerweise ein Intensitätsmodula­ lator. Wenn die Daten in Form einer Intensitätsmodulation auf­ geprägt werden, können die Funktionen der Laserquelle und des Intensitätsmodulators in der gleichen Einheit kombiniert werden, die einen Injektionslaser umfaßt, der sowohl mit dem Laser- Vorstrom als auch mit einem Datenmodulationsstrom angesteuert wird. Der zweite Modulator 10c ist ein optischer Polarisations­ zustandsmodulator, und die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators reicht aus, um den zweiten Modulator so anzusteuern, daß dessen Ausgang zwischen zwei im wesentlichen orthogonal polarisierten Polarisationszuständen kontinuierlich abgelenkt wird. Eine zweckmäßige Form eines derartigen Polarisations­ modulators 10c weist einen Lithiumniobat-Phasenschieber ein, bei dem der Polarisationszustand seines optischen Eingangs­ signals so ausgebildet ist, daß der Eingang im wesentlichen gleichmäßig auf die TE- und TM-Moden aufgeteilt wird. Alter­ nativ könnte der Modulator beispielsweise so arbeiten, daß das Signal in zwei gleiche Teile aufgeteilt wird, daß ein Teil durch eine akusto-optische Modulation frequenzverschoben wird, und daß dann die beiden Teile mit orthogonalen Polarisationszuständen wieder kombiniert werden.

Es wurde allgemein angenommen, daß die ASE unpolarisiert ist. Anders gesagt, es wurde allgemein angenommen, daß die ASE- Leistung in dem Polarisationszustand orthogonal zum Polarisa­ tionszustand der Signalleistung gleich der ASE-Leistung in dem gleichen Polarisationszustand wie dem der Signalleistung ist. Wir haben jedoch nunmehr experimentell festgestellt, daß bei einem langen System tatsächlich mehr ASE-Leistung senkrecht zu dem Signal als in dem gleich Polarisationszustand wie dem des Signals vorliegt. Es wird angenommen, daß dies auf einem kleinen Unterschied hinsichtlich der Verstärkung zwischen den beiden Polarisationszuständen an jedem Verstärker beruht. Dieser kleine Unterschied wird dann mit der die Anzahl von Verstärkern in dem System multipliziert, was zu einem beträchtlichen Unterschied beispielsweise im Fall eines Systems führen kann, das ungefähr einhundert in Kette geschaltete Verstärker einschließt. Es wurde festgestellt, daß durch Modulation des Polarisationszustandes des Signals derart, daß es in beiden von zwei im wesentlichen orthogonal polarisierten Zuständen eine gewisse Zeit verweilt, die ASE verringert und außerdem die Signalleistung vergrößert wird.

Das Signal-/ASE-Verhältnis und damit auch das empfangene Signal-/Rauschverhältnis wird hierdurch verbessert. Es ist klar, daß zur Maximierung der Verbesserung die Modulation mit einer Rate erfolgen sollte, die wesentlich schneller als die Ansprech­ zeit der Populationsumkehrung in den Verstärkern ist. Wenn die Polarisationsmodulation mit einer Rate erfolgt, die kurz ver­ glichen mit der Zeitkonstante der Populationsumkehrung ist, so ist an einem einzelnen Verstärker die Abweichung von der gesamten Beseitigung des Verstärkungsunterschiedes zwischen den beiden Polarisationszuständen an diesem Verstärker entsprechend klein. Hinsichtlich des Gesamtsystems muß jedoch auch die Anzahl der Verstärker in dem System berücksichtigt werden, weil eine entsprechende Abweichung an jedem der anderen Verstärker auf­ tritt, mit einem entsprechenden kumulativen Effekt. Unter der Annahme einer Populations-Umkehrzeit für einen Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser von ungefähr 10 ms ist zu erkennen, daß die Polarisationsmodulationsfrequenz für ein System mit hundert Verstärkern vorzugsweise oberhalb von 100 kHz liegen sollte. Die Polarisationsmodulation muß nicht periodisch sein.

In Fig. 1 ist der Polarisationsmodulator 10c so dargestellt, als ob er an dem Sender 10 angeordnet ist und einen Teil hiervon bildet, doch ist es verständlich, daß er im Prinzip genau so gut unmittelbar vor dem ersten Verstärker in der Kette angeordnet sein könnte. Die Anordnung des Modulators hinter dem ersten Verstärker oder sogar noch weiter signalabwärts in der Kette würde den Nachteil ergeben, daß der Modulator keine Auswirkung auf die ASE hat, die durch den Verstärker vor dem Modulator erzeugt wird.

Das System hat notwendigerweise einen gewissen polarisations­ abhängigen Verlust (PDL), und daher besteht, wenn der Polarisa­ tionsmodulator 10c so betrieben wird, daß er das Signal weiter hinten in der Übertragungsstrecke 12 zwischen irgendeinem be­ liebigen Paar von im wesentlichen orthogonal polarisierten Zuständen moduliert, die Gefahr, daß diese Polarisationsmodula­ tion am Empfänger als Amplitudenmodulation festgestellt wird. Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Gefahr ist durch das Übertragungssystem nach Fig. 2 gegeben.

Dieses Übertragungssystem nach Fig. 2 weist die gleiche Anord­ nung des Empfängers 11, des Übertragungspfades 12 und der Ver­ stärker 13 wie das System nach Fig. 1 auf. In gleicher Weise weist der Sender 20 dieses Systems die gleichen drei Elemente, nämlich eine Laserquelle 10a und erste und zweite Modulatoren 10b und 10c auf, wie der Sender 10 des Systems nach Fig. 1. Zusätzlich schließt der Sender 20 nach Fig. 2 eine Polarisa­ tionszustands-Einstelleinrichtung 20d ein, die von einem Treiber 26 aus angesteuert wird, der einen Teil einer Rückführungs­ steuerschleife bildet. Die Polarisations-Einstelleinrichtung wird durch die Rückführungsschleife so angesteuert, daß die Amplitudenmodulation, die an dem Detektor des Empfängers er­ scheint und die gleiche Frequenz aufweist, wie die dem Polari­ sationsmodulator 10c zugeführte Modulation, zu einem Minimum gemacht wird. Wenn der Polarisationsmodulator die Form eines Lithiumniobat-Phasenschiebers aufweist, so kann die Polarisa­ tionseinstelleinrichtung zweckmäßigerweise die gleiche Form aufweisen.

Zumindestens hinsichtlich eines digitalen Intensitätsmodula­ tions-Übertragungssystems besteht eine alternative Lösung des möglichen Problems des polarisationsabhängigen Verlustes (PDL) darin, die Einstelleinrichtung und die Rückführungssteuer­ schleife fortzulassen und statt dessen die Polarisation mit einer Rate zu modulieren, die schneller als die Bitrate ist und vorzugsweise der doppelten oder einer größeren ganzzahligen Vielfachen der Bitrate entspricht.

Claims (5)

1. Optisches Datenübertragungssystem unter Verwendung einer nicht-kohärenten Detektion, wobei das System einen optischen Sender (10) einschließt, der optisch mit einem nicht-kohärenten optischen Empfänger (11) über einen optischen Übertragungspfad (12) gekoppelt ist, der eine Kette von optischen Verstärkern (13) einschließt, wobei der Sender einen Datenmodulator (10b) einschließt, der zur Aufprägung einer Datenmodulation auf ein optisches Signal ausgebildet ist, das von dem Sender zum Empfänger übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender zusätzlich einen zweiten Modulator (10c) einschließt, der zur Modulation des Polarisa­ tionszustandes des von dem Sender ausgesandten optischen Signals zwischen zwei im wesentlichen orthogonal polarisierten Zuständen ausgebildet ist.

2. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Datenmodulator zur Aufprägung der Datenmodulation in Form einer Intensitätsmodulation ausgebildet ist.

3. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Modulator zur Modulation mit einer Frequenz ausgebildet ist, die größer als die der Datenmodulation ist.

4. Datenübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Modulator zur Modulation bei einer Frequenz ausgebildet ist, die dem doppelten oder einem größeren ganzzahligen Vielfachen der Frequenz der Datenmodula­ tion entspricht.

5. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Rückführungssteuer­ schleife einschließt, die zur Regelung des Betriebs einer Polarisationszustands-Einstelleinrichtung (20d) ausgebildet ist, die körperlich in Reihe mit dem zweiten Modulator ange­ ordnet ist, um die Komponente des von dem Empfänger empfangenen Signals zu einem Minimum zu machen, die die gleiche Frequenz aufweist, wie die der Modulation, die durch den zweiten Modu­ lator erzeugt wird.