DE4421441A1 - Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren und Zwischenverstärker hierfür - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Nachrichtenübertragungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und Zwischenverstärker mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 10, 11 und 12.

Aus der EP 440 276 A2 ist ein optisches Nachrichtenübertragungssystem bekannt, bei dem ein Nutzsignal mit hoher Bitrate, z. B. mehrere 100 Mbit/s, und ein Zusatzsignal mit niedriger Bitrate, z. B. weniger als 300 kbit/s, übertragen werden. Das Zusatzsignal wird bei einer Wellenlänge übertragen, die verschieden ist von der, mit der das Nutzsignal übertragen wird. In einem Zwischenverstärker wird nur das Nutzsignal mittels eines optischen Verstärkers verstärkt, das Zusatzsignal wird vor dem optischen Verstärker mittels eines Wellenlängenmultiplexers aus der Faser ausgekoppelt, optoelektrisch gewandelt, verarbeitet und nach dem Faserverstärker wieder optisch in die Faser eingekoppelt. Ein solcher Zwischenverstärker erfordert einen relativ hohen technischen Aufwand.

Aus der EP 445 364 A2 ist ein weiteres Nachrichtenübertragungssystem bekannt, bei dem Signale verschiedener Wellenlänge über eine optische Faser übertragen werden. Hier wird ebenfalls ein Signal mittels eines optischen Verstärkers verstärkt, während die anderen Signale über Wellenlängenkoppler und eine Überbrückungsleitung an dem optischen Verstärker vorbeigeführt werden.

Aus der EP 572 890 A1 und der DE 42 12 603 A1 sind optische Nachrichtenübertragungssysteme bekannt, bei denen Signale mit hoher Bitrate in Zeitmultiplexverfahren übertragen werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Nachrichtenübertragungsverfahren und Zwischenverstärker hierfür anzugeben, die mit möglichst geringem technischem Aufwand realisierbar sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruches 1 und bezogen auf die Zwischenverstärker durch die Merkmale der Patentansprüche 10, 11 und 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Für den Betrieb eines optischen Nachrichtenübertragungssystems, das Zwischenverstärker enthält, wird neben einem Nutzsignal in der Regel ein Zusatzsignal, z. B. für Überwachungs- und Ortungszwecke oder als Servicesignal, z. B. für Dienstfernsprecher, benötigt. Das Nutzsignal (NS) dient zur Übertragung der Nutzinformation und ist ein Signal relativ hoher Bitrate. Demgegenüber ist das Zusatzsignal (ZS) in der Regel ein Signal relativ niedriger Bitrate. Bei optischer Übertragung beider Signale ist es notwendig, das Nutzsignal (NS) mittels eines schmalbandigen optischen Trägersignals zu übertragen, da sonst Dispersionseffekte des Lichtwellenleiters die Reichweite des Signals begrenzen. Es wird in der Regel durch einen Lasersender erzeugt. Dagegen darf die optische Bandbreite des für die Übertragung des Zusatzsignals (ZS) benutzten optischen Trägersignals wegen der niedrigen zu übertragenden Bitrate breitbandiger sein. Es kann z. B. durch eine Luminiszenzdiode (Leuchtdiode) oder eine Superluminiszenzdiode erzeugt werden. Beide optischen Trägersignale werden über den gleichen Lichtwellenleiter übertragen, wobei dies bei Gegenrichtungsbetrieb jeweils für jede Übertragungsrichtung gilt.

Für die Übertragung des Zusatzsignals (ZS) wird ein Zeitmultiplexverfahren mit einem Rahmen und einer Anzahl von Zeitschlitzen verwendet. Dabei werden in einer Strecke mit n Zwischenverstärkern (mindestens) n Zeitschlitze vorgesehen, so daß jedem Zwischenverstärker ein Zeitschlitz zugeordnet werden kann. Die Übertragungskapazität jedes Zeitschlitzes muß dabei so groß sein, daß die Summe aller zu übertragenden Informationen aller Zwischenverstärker einer Strecke in einem einzigen Zeitschlitz übertragen werden kann. Das Zusatzsignal (ZS) wird in einem bestimmten Zwischenverstärker in einem bestimmten (davorliegenden) Zeitschlitz empfangen und ausgewertet. Die darin enthaltenen Informationen werden mit den Informationen der eigenen Station zusammengefaßt und im nächsten Zeitschlitz gesendet.

Bei Verwendung des beschriebenen Zeitmultiplexverfahrens ist es dann möglich, den optischen Sender zur Erzeugung des Trägersignals für das Zusatzsignal (ZS) vor und den optischen Empfänger zum Empfang des Zusatzsignals (ZS) hinter dem optischen Faserverstärker des Zwischenverstärkers anzukoppeln, so daß der Faserverstärker sowohl als Vorverstärker als auch als Nachverstärker für das Zusatzsignal (ZS) dient.

Beide optischen Trägersignale können also gemeinsam mittels eines einzigen optischen Faserverstärkers verstärkt werden. Durch die Bildung des beschriebenen zeitlichen Rahmens mit spezifischen Zeitschlitzen können Zwischenverstärker ohne Aufwand einzeln angesprochen werden. Vor allem jedoch wird durch das Zeitmultiplexverfahren verhindert, daß sich die gesendeten und die empfangenen Zusatzsignale in einem Zwischenverstärker gegenseitig stören.

Das Zusatzsignal (ZS) kann mit Hilfe eines einfachen optischen Kopplers, der nicht wellenlängenselektiv zu sein braucht, in die Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke ein- und ausgekoppelt werden.

Das eine geringe Bitrate aufweisende Zusatzsignal (ZS) kann auch bei Verwendung eines breitbandigen optischen Trägersignals in dem optischen Empfänger mit optoelektrischen Wandlern, z. B. mit einem einfachen elektrischen Tiefpaßfilter, von den hochfrequenten Spektralanteilen des eine hohe Bitrate aufweisenden Nutzsignals (NS) getrennt werden. Um das optische Trägersignal des Nutzsignals (NS) von dem optisch breitbandigen Trägerkanal des Zusatzsignals (ZS) zu trennen, ist ein optisches Filter zu verwenden.

Das optische Nachrichtenübertragungsverfahren kann vorteilhafterweise auch in Systemen angewendet werden, die mehrere optische Trägersignale mit mehreren Nutzsignalen (NS) aufweisen. Hier besteht die Möglichkeit, entweder jedem Nutzsignal (NS) ein optisch schmalbandiges Trägersignal für ein eigenes Zusatzsignal (ZS) mit Servicedaten zuzuordnen, oder ein optisch schmalbandiges oder aber das zuvor beschriebene optisch breitbandige Trägersignal für ein gemeinsames Zusatzsignal (ZS) für alle Nutzsignale vorzusehen.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein optisches Nachrichtenübertragungssystem zum Übertragen eines Nutzsignals (NS) mit hoher Bitrate, das Sender und Empfänger zum Übertragen eines Zusatzsignals (ZS) enthält,

Fig. 2 einen Pulsrahmen für ein im Zeitmultiplex gesendetes Zusatzsignal (ZS) und

Fig. 3 ein Diagramm mit der Intensität als Funktion der Wellenlänge eines WDM(Wavelength Division Multiplex)- Systems.

In der Fig. 1 ist ein unidirektionales optisches Nachrichtenübertragungssystem mit einer Sendestation SS, einer Empfangsstation ES, einer Lichtwellenleiterstrecke LWL und optischen Zwischenverstärkern ZV₁, ZV₂, . . . , ZV_n dargestellt. In einer Sendeanordnung SL der Sendestation SS wird ein Nutzsignal (NS) hoher Bitrate, z. B. größer 100 Mbit/s, auf ein optisches schmalbandiges Trägersignal stabiler Wellenlänge aufmoduliert. Das modulierte Trägersignal wird dabei z. B. von einem Halbleiterlaser, der typischerweise eine Bandbreite kleiner 1 nm aufweist, erzeugt. Die Sendestation SS enthält außerdem einen optischen Sender S_ss zum Übertragen eines Zusatzsignals (ZS) mit niedriger Bitrate, der im Vergleich zu dem optisch schmalbandigen Trägersignal des Nutzsignals (NS) optisch breitbandige Signale emittiert. Dieser optische Sender S_ss ist beispielsweise eine Luminiszenz- oder eine Superluminiszenzdiode. Die durch das Zusatzsignal (ZS) übertragenen Daten können z. B. Bitraten zwischen ca. 64 kbit/s und mehreren hundert kbit/s aufweisen und enthalten Service-, Überwachungs- und Ortungsdaten. Die Trägersignale NS und ZS werden in einem Koppler der Sendestation SS zusammengefaßt und anschließend durch einen optischen Faserverstärker OV_ss gemeinsam verstärkt.

In einer Empfangsstation ES werden die auf der Lichtwellenleiterstrecke LWL übertragenen optischen Trägersignale in einem optischen Faserverstärker OV_es verstärkt und anschließend durch einen nichtwellenlängenselektiven Teiler in zwei Signalkomponenten aufgeteilt. Aus der einen Signalkomponente wird in einem Empfänger E_es das Zusatzsignal (ZS) niedriger Bitrate zurückgewonnen, indem das Signal opto-elektrisch gewandelt und vom Nutzsignal (NS), das wegen der hohen Bitrate nur relativ hochfrequente Signalanteile aufweist, z. B. durch ein elektrisches Tiefpaßfilter abgetrennt wird. Aus der anderen Signalkomponente wird in einer Empfangsanordnung EA das Nutzsignal (NS) gewonnen, indem durch ein schmalbandiges optisches Filter, das auf das optische Trägersignal des Nutzsignals (NS) abgestimmt ist, dieses herausgefiltert und das Trägersignal des Zusatzsignals (ZS) abgeschwächt wird. Das optisch breitbandige Trägersignal des Zusatzsignals (ZS) erscheint aufgrund seiner geringen spektralen Dichte nach dem optischen Filter nur noch als geringer rauschartiger Beitrag auf dem schmalbandigen Trägersignal des Nutzsignals (NS) (siehe auch Fig. 3 und zugehörige Beschreibung).

Mit Hilfe des Zusatzsignals (ZS) kann das optische Nachrichtenübertragungssystem gesteuert und überwacht werden, insbesondere die Zwischenverstärker ZV₁ bis ZV_n, die optische Faserverstärker OV₁ bis OV_n enthalten. Die Wellenlängen des optisch schmalbandigen als auch die des optisch breitbandigen Signals (NS und ZS) werden so gewählt, daß sie im wesentlichen innerhalb des Verstärkungsbereichs der optischen Faserverstärker OV_ss, OV₁, . . . OV_n und OV_es liegen. Deshalb können mit diesen beide Signale (NS und ZS) verstärkt werden. Die Bandbreite eines Faserverstärkers, der im Wellenlängenbereich um 1550 nm arbeitet, kann z. B. 35 nm, die Linienbreite einer Superluminiszenzdiode z. B. 30 nm oder weniger betragen. Zum Übertragen von Daten mit hoher Bitrate geeignete Halbleiter-Laser besitzen Linienbreiten von kleiner 1 nm.

In dem Zwischenverstärker ZV₁ wird nach dem Faserverstärker OV₁ z. B. durch einen Strahlteiler ein Teil des optischen Signals einem Empfänger E₁ zugeführt, der aus diesem Signalanteil das Trägersignal des Zusatzsignals (ZS) extrahiert. Dies geschieht in der gleichen Weise, wie schon anhand des Empfängers E_es der Empfangsstation ES beschrieben.

Das Zusatzsignal (ZS) wird in dem Zwischenverstärker ZV₁ regeneriert und zusammen mit Daten des Zwischenverstärkers ZV₁ mittels eines breitbandigen optischen Senders S₁ wieder in die Lichtwellenleiterstrecke LWL vor dem Faserverstärker OV₁ eingekoppelt. Durch diese Anordnung dient der Faserverstärker OV₁ vorteilhafterweise sowohl als empfindlicher Vorverstärker für den Empfänger E₁ als auch als Nachverstärker für den Sender S₁.

Das Zusatzsignal (ZS) wird in einem Zeitmultiplexverfahren gesendet. Hierfür wird in der Sendestation SS ein Pulsrahmen gebildet, und die von dem Sender S_ss gesendeten Daten des Zusatzsignals (ZS) mit niedriger Bitrate werden dem ersten Zeitschlitz zugeordnet. Der Sender S_ss wirkt hierbei als Starter für den Pulsrahmen. Ein beispielhafter Pulsrahmen ist in der Fig. 2 dargestellt. Er ist in (n+1) Zeitschlitze eingeteilt, wobei der Sendestation SS (Fig. 1) der erste Zeitschlitz S und den Zwischenverstärkern ZV₁ bis ZV_n jeweils einer der Zeitschlitze V₁ bis V_n zugeordnet wird.

Der Empfänger E₁ des Zwischenverstärkers ZV₁ empfängt auch das einen vergleichsweise hohen Pegel aufweisende Trägersignal des eigenen Senders S₁, da der Sender S₁ vor und Empfänger E₁ hinter dem optischen Faserverstärker OV₁ angekoppelt ist (siehe Fig. 1). Der Empfänger E₁ muß deshalb für den Zeitraum dieses Zeitschlitzes ausgetastet oder zumindest in seiner Empfindlichkeit heruntergetastet werden. Im letzteren Fall kann eine automatische Verstärkungsregelung des optischen Faserverstärkers OV₁ erfolgen, indem eine Regelschleife gebildet wird. Hierfür wird in dem Empfänger E₁ das von dem eigenen Sender S₁ gesendete Zusatzsignal (ZS) detektiert und als Regelsignal für die Verstärkung des Faserverstärkers OV₁ verwendet. Mit einer entsprechenden automatischen Verstärkungsregelung können natürlich auch die weiteren Zwischenverstärker ZV₂ bis ZV_n mittels des jeweiligen Empfängers E₂ bis E_n im jeweiligen Zeitschlitz geregelt werden.

Das von den Sendern S₁ bis S_n emittierte breitbandige Trägersignal des Zusatzsignals (ZS) muß in den nachfolgenden Zwischenverstärkern nicht ausgeblendet werden, sondern kann ohne Störung der Übertragung in der Lichtwellenleiterstrecke LWL weiterlaufen. Die übertragbare Bitrate wird allerdings durch die Anzahl der Zwischenverstärker ZV₁ bis ZV_n eingeschränkt, da diese die Gesamtzahl der Zeitschlitze bestimmen und die Summe aller zusätzlichen Daten mit niedriger Bitrate in einem Zeitschlitz übertragen werden muß.

Das Zeitmultiplex-Verfahren kann in an sich bekannter Weise zum Lokalisieren einer Streckenunterbrechung oder Störung im optischen Nachrichtenübertragungssystem verwendet werden. Dies wird bewirkt, indem ein Zwischenverstärker einen neuen Pulsrahmen mit einem Zusatzsignal (ZS) erzeugt, wenn sein Empfänger kein Zusatzsignal (ZS) mehr empfängt. Aus diesem neuen Zusatzsignal (ZS) läßt sich bestimmen, ab welchem Zwischenverstärker die Wellenleiterstrecke noch arbeitet.

Es gibt weitere Möglichkeiten, den Sender S₁ und den Empfänger E₁ im Zwischenverstärker ZV₁ anzuordnen, z. B. kann der Empfänger E₁ vor dem Sender S₁ angeordnet sein. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Empfänger E₁ das einen hohen Pegel aufweisende Signal des Senders S₁ sieht. In diesem Fall kann der optische Faserverstärker OV₁ aber nicht mehr als Vorverstärker für den Empfänger E₁ genutzt werden.

Das Nachrichtenübertragungsverfahren kann auch auf optische Nachrichtenübertragungssysteme mit mehreren Nutzkanälen, jeder mit einem schmalbandigen optischen Trägersignal zum Übertragen eines Nutzsignales (NS) hoher Bitrate, angewendet werden. Alle optisch schmalbandigen Trägersignale müssen, dabei im nutzbaren Verstärkungsbereich der optischen Faserverstärker liegen. Anhand der Fig. 3, in der in einem Diagramm die Intensität I gegenüber der Wellenlänge aufgetragen ist, wird ein beispielhaftes WDM(Wavelength Division Multiplex)-System erläutert. Es enthält drei optisch schmalbandige Trägersignale L1, L2 und L3 mit geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen, die z. B. durch Laserdioden erzeugt werden, und ein optisch breitbandiges Zusatzsignal SLD, durch das zusätzliche Daten mit niedriger Bitrate übertragen werden. Das breitbandige Signal SLD wird auch hier z. B. durch eine Superluminiszenzdiode erzeugt; sein Wellenlängenbereich überlappt sich mit denen der optisch schmalbandigen Trägersignale L1, L2 und L3, ist aber in seiner spektralen Intensität vergleichsweise gering.

Die vier optischen Signale L1, L2, L3 und SLD können in einem Empfänger, wie schon vorangehend beschrieben, voneinander separiert werden. Die Signale L1, L2 und L3 werden dabei durch schmalbandige optische Filter, die auf die betreffenden Wellenlängen abgestimmt sind, selektiert. Die Signale L1, L2 und L3 können in einer Sendestation oder in unterschiedlichen Sendestationen erzeugt werden.

In einer anderen Ausgestaltung wird das Zusatzsignal (ZS) im Zeitmultiplex über ein optisch schmalbandiges Trägersignal, das z. B. ebenfalls von einem Halbleiterlaser erzeugt wird, übertragen. Das Zusatzsignal (ZS) muß dann durch ein optisches Filter von dem Nutzsignal (NS) separiert werden.

Claims (14)

1. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren zum Übertragen von mindestens einem Nutzsignal (NS) mit hoher Bitrate über einen LWL mit mindestens einer Sendestation mit einem optischen Sender zum Übertragen von mindestens einem Zusatzsignal (ZS) mit niedriger Bitrate und mit mindestens einem Zwischenverstärker, der einen optischen Verstärker und je einen optischen Empfänger und Sender zum Empfangen und Senden des Zusatzsignals (ZS) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal (ZS) mittels eines optischen Trägersignals in einem Zeitmultiplexverfahren derart übertragen wird, daß die Informationen einzelner Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) getrennt behandelt werden.

2. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) ein spezifischer Zeitschlitz (V₁ bis V_n) zur Übertragung des Zusatzsignals (ZS) zugeordnet wird.

3. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zeitmultiplexverfahren gegenseitige Störungen von optischen Trägersignalen verschiedener Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) auch ohne Verwendung aufwendiger optischer Filter vermieden werden.

4. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den in der Sendestation (SS) angeordneten optischen Sender (S_ss) für das Zusatzsignal (ZS) ein zeitlicher Rahmen gebildet wird, und daß im ersten Zeitschlitz (S) dieses Rahmens das Zusatzsignal (ZS) der Sendestation (SS) eingelagert wird.

5. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal (ZS) in einem Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) empfangen, gewandelt, regeneriert und zusammen mit eigenen Daten in dem diesem Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) zugeordneten Zeitschlitz (V₁ bis V_n) ausgesendet wird.

6. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem optischen Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n), wenn er kein Zusatzsignal (ZS) empfängt, z. B. bei einer Streckenunterbrechung, für das Zusatzsignal (ZS) ein zeitlicher Rahmen gebildet wird und im ersten Zeitschlitz des Rahmens das Zusatzsignal dieses Zwischenverstärkers (ZV₁ bis ZV_n) eingelagert wird.

7. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sender (S_ss, S₁ bis S_n) zum Übertragen des Zusatzsignales ein im Vergleich zu der Bandbreite des Trägersignals für die Nutzsignale (NS) breitbandiges optisches Trägersignal emittieren.

8. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das breitbandige optische Trägersignal von einer Luminiszenzdiode emittiert wird.

9. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das breitbandige und das schmalbandige optische Trägersignal im Verstärkungsbereich des optischen Verstärkers (OV₁ bis OV_n) liegen.

10. Optisches Nachrichtenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sender (S_ss, S₁ bis S_n) ein schmalbandiges optisches Trägersignal zum Übertragen des Zusatzsignals (ZS) emittieren, das z. B. durch einen Halbleiterlaser erzeugt wird.

11. Zwischenverstärker mit einem optischen Verstärker und mit je einem optischen Empfänger und Sender zum Empfangen und Senden eines Zusatzsignals (ZS) mit niedriger Bitrate, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) der optische Sender (S₁ bis S_n) zum Senden des Zusatzsignals (ZS) vor und der optische Empfänger (E₁ bis E_n) zum Empfangen des Zusatzsignals (ZS) hinter dem optischen Verstärker (OV₁ bis OV_n) angeordnet ist.

12. Zwischenverstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger (E₁ bis E_n) dieses Zwischenverstärkers (ZV₁ bis ZV_n) das Zusatzsignal (ZS) des eigenen Senders (S₁ bis S_n) empfängt und zur Verstärkungsregelung seines optischen Verstärkers (OV₁ bis OV_n) nutzt.

13. Zwischenverstärker mit einem optischen Verstärker und mit je einem optischen Empfänger und Sender zum Empfangen und Senden eines Zusatzsignals (ZS) mit niedriger Bitrate, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) der optische Sender (S₁ bis S_n) zum Senden des Zusatzsignals (ZS) und der optische Empfänger (E₁ bis E_n) zum Empfangen des Zusatzsignals (ZS) vor dem optischen Verstärker (OV₁ bis OV_n) angeordnet sind.

14. Zwischenverstärker mit einem optischen Verstärker und mit je einem optischen Empfänger und Sender zum Empfangen und Senden eines Zusatzsignals (ZS) mit niedriger Bitrate, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenverstärker (ZV₁ bis ZV_n) der optische Sender (S₁ bis S_n) zum Senden des Zusatzsignals (ZS) und der optische Empfänger (E₁ bis E_n) zum Empfangen des Zusatzsignals (ZS) hinter dem optischen Verstärker (OV₁ bis OV_n) angeordnet sind.