DE4442655A1 - Lichtwellenleiterübertragung nichtlinear geformter Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Über­ tragung optischer Signale insbesondere mit Gigabitraten ent­ sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Übertragung optischer Signale mit Bitraten über 1 Gbit/s über Standard-Single-Mode-Fasern (SSMF) wird die maxi­ male Reichweite durch die Dispersion von etwa 17 ps/km auf Werte von etwa 60 km bei Signalen in NRZ-Format begrenzt. Auch bei Erzeugung besonders hoher optischer Leistungen größer 0 dBm ist diese Reichweite nicht wesentlich zu erhö­ hen, da dann zusätzlich die Selbstphasenmodulation wirksam wird, die zu einer weiteren Verzerrung der optischen Signal­ impulse führt.

Durch eine Reihe von aufwendigen Verfahren, beispielsweise der Übertragung in Duobinärcode oder der Kompensation der Dispersion mit geeigneten dispersionsverschobenen Fasern sind Reichweiten über 200 km erreichbar. Im Hinblick auf den dabei verwendeten Aufwand hat sich bisher keines dieser Verfahren in der Praxis durchgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist also, ein Verfahren zur optischen Signalübertragung der eingangs erwähnten Art zu finden, das bei vergleichsweise geringem Aufwand auch für optische Signa­ le mit Bitraten im Bereich von einigen Gbit/s einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art gelöst, daß durch die Merkmale des Kenn­ zeichens des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren basiert dabei auf der Erkenntnis, daß es mittels einer nichtlinearen Kennlinie möglich ist, das elektrische Modulationssignal so zu verformen, daß ein Sende­ signal mit einer Kurvenform entsteht, aus dem die Kombina­ tion von Selbstphasenmodulation und Dispersion entlang der Strecke am Eingang des Empfängers das gewünschte Signal erzeugen.

Zweckmäßige Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Lichtwellenleiter-Übertra­ gungsstrecke mit Sender und Empfänger,

Fig. 2 Signale mit einer Bitrate von etwa 5 Gbit/s im Sender der Übertragungsstrecke,

Fig. 3 das optische Signal nach einer Faserstrecke von etwa 100 km,

Fig. 4 das optische Signal am Empfänger nach etwa 210 km,

Fig. 5 das elektrische Signal im Empfänger nach der Demodu­ lation und

Fig. 6 das elektrische Signal am Datenausgang des Empfän­ gers.

In der Fig. 1 ist der optische Sender TM über eine Lichtwel­ lenleiterstrecke LWL mit dem optischen Empfänger REC verbun­ den. Der optische Sender TM erhält an seinem Dateneingang DE die zu übertragenden digitalen Signale mit einer Bitrate von z. B. 5 Gbit/s, die einem elektrischen Modulator EMOD zuge­ führt wird, der außerdem von einem 5 GHz Oszillator OS das zu modulierende elektrische Trägersignal erhält. Der elektrische Modulator EMOD gibt ein entsprechend moduliertes Ausgangs­ signal über einen Baustein NL mit nichtlinearer Kennlinie an den elektrischen Eingang eines Mach-Zehnder-Modulator MZM ab. Zusätzlich speist eine Laserdiode LD ein kontinuierliches optisches Signal in den Mach-Zehnder-Modulator MZM ein, der ein moduliertes optisches Signal über einen optischen Verstärker EDFA an die für die Übertragung vorgesehene Licht­ wellenleiterstrecke LWL abgibt. Als optischer Verstärker wird beim Ausführungsbeispiel ein bekannter erbiumdotierter Faser­ verstärker verwendet.

Zur Erzeugung der nichtlinearen Kennlinie dient ein Baustein NL mit einem Transistor oder einer Halbleiterdiode, deren Arbeitspunkt so eingestellt ist, daß sich eine Kennlinie ergibt, die der Begrenzerkennlinie einer Vakuumtriode entspricht
Nach der Übertragung werden die optischen Signale von einer Photodiode PD im optischen Empfänger REC in ein elektrisches Signal umgewandelt, das nach Verstärkung im Photostromver­ stärker PV einem Demodulator DEMOD zugeführt wird. Da für die Übertragung ein differentieller Phasensprung-Code (DPSK-Code) gewählt wurde, ist empfangsseitig ein entsprechender Demodu­ lator bzw. Decodierer vorgesehen, der sein Ausgangssignal über einen Tiefpaß TP an den Datenausgang DA des optischen Empfängers REC abgibt. Da sowohl die optische Leistung als auch die Signalform des optischen Senders vergleichsweise genau einzuhalten sind, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung eine Regeleinrichtung REG vorgesehen, die ein Ausgangssignal des Demodulators DEMOD des optischen Empfän­ gers REC auswertet und ein entsprechendes Steuersignal über eine in Gegenrichtung betriebene Lichtwellenleiterstrecke an den optischen Verstärker EDFA und den elektrischen Modulator EMOD des optischen Senders TM zurücksendet.

Die Funktion der Schaltung nach Fig. 1 soll im folgenden anhand der Impulsdiagramme nach den Fig. 2 bis 6 weiter erläutert werden. Diese Figuren zeigen jeweils relative Amplituden in Abhängigkeit von der Zeit.

In Fig. 2 sind die Verläufe für das Ausgangssignal AEM des elektrischen Modulators EMOD und das Ausgangssignal AMZM des Mach-Zehnder-Modulators dargestellt. Es ist erkennbar, daß das Ausgangssignal AMZM des Mach-Zehnder-Modulators einen vergleichsweise geringen Wechselanteil aufweist, während der Gleichlichtanteil vergleichsweise sehr hoch ist. Der Wechsel­ anteil entsteht dabei dadurch, daß das Ausgangssignal AEM des elektrischen Modulators EMOD im Baustein NL verformt wird. Die Übertragungskennlinie dieses Bausteins NL entspricht dabei der Begrenzerkennlinie einer Vakuumtriode. Der Baustein wurde mittels eines Transistors realisiert, dessen Arbeits­ punkt entsprechend eingestellt war, eine Realisation mittels einer Halbleiterdiode mit entsprechendem Arbeitspunkt ist ebenfalls möglich. Die Arbeitskennlinie des Bausteins eines NL ergab sich dabei dadurch, daß das Ausgangssignal AMZM des Mach-Zehnder-Modulators eine bestimmte Form aufweisen muß, damit nach der Verformung über die Übertragungsstrecke am Empfängereingang das gewünschte Signal im DPSK-Code auftritt. An das Eingangssignal der Lichtwellenleiter-Übertragungs­ strecke werden dabei nicht nur bestimmte Ansprüche hinsicht­ lich der Form sondern auch der Amplitude gestellt. Die Ampli­ tude ist durch den erbiumdotierten Faserverstärker so einge­ stellt, daß eine bestimmte hohe optische Leistung an die Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke abgegeben wird. Durch diese hohe optische Leistung treten während der ersten 20 km in der Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke nicht-lineare Effekte auf, die zu einer Selbstphasenmodulation führen.

Das in der Fig. 3 dargestellte optische Signal LS der Licht­ wellenleiterstrecke zeigt die Wirkung der Selbstphasenmodula­ tion und der Dispersion nach einer Lichtwellenleiterstrecke mit 104 km Länge, wobei die Dämpfung wie auch bei den Fig. 4 bis 6 nicht berücksichtigt ist. Die hohe optische Leistung während der ersten 20 km bewirkt eine Änderung des Brechungs­ index an den Signalflanken, so daß nur dort die Selbstphasen­ modulations-Effekte auftreten und die Signalflanken verstei­ lern. Mit der Flankensteilheit läßt sich die Stärke der Selbstphasenmodulation auf den jeweils gewünschten Wert ein­ stellen. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, bilden sich durch die Selbstphasenmodulation an den Signalflanken Höcker aus. Im Gegensatz zur Selbstphasenmodulation ist die Dispersion entlang der ganzen Lichtwellenleiterstrecke wirksam und ver­ breitert die Signalimpulse wieder, so daß als Ergebnis beider Effekte ein verbreiterter Impuls mit zwei Maximalamplituden entsteht.

Die Fig. 4 gibt den Verlauf des optischen Empfangssignals ES nach einer Lichtwellenleiterstrecke von etwa 210 km und die zugehörige Bitfolge wieder. Wie ersichtlich, wachsen bei kur­ zem Höckerabstand diese bei weiterer Übertragung wieder zusammen, während bei größerem Höckerabstand diese nur ver­ flacht werden. Außerdem zeigt sich deutlich, daß die Signal­ impulse durch die entsprechend Fig. 2 mit in den Lichtwel­ lenleiter eingespeiste Gleichlichtleistung verstärkt werden, so daß das Verhältnis von Signallichtleistung zu Gleichlicht­ leistung beim Signal nach der Fig. 4 wesentlich günstiger als beim Signal nach der Fig. 2 ist. Eine Verbesserung der Reichweite bei gleicher Datenrate oder eine Erhöhung der Datenrate bei gleicher Reichweite ist durch Verwendung eines Sendesignals möglich, das absichtlich mit Chirp behaftet ist, also eine sich zeitabhängig ändernde Momentanfrequenz aufweist.

Aus dem Signal entsprechend Fig. 4 wird im Empfänger REC durch Multiplikation mit einem Träger das Signal demoduliert und ein Signalverlauf entsprechend Fig. 5 erzeugt.

Aus dem Signal entsprechend Fig. 5 wird durch Filterung in einem Tiefpaß TP ein Signal entsprechend Fig. 6 erzeugt, das der ursprünglichen Bit folge BITF im NRZ-Format entspricht und bei dem die Nullinie die Detektorschwelle ist. Es zeigt sich dabei, daß alle Vorteile der differentiellen Phasensprungmo­ dulation(DPSK), also hohe Empfindlichkeit durch kohärente Demodulation mit großem Träger, leichte Taktrückgewinnung und Wechselstromkopplung beim erfindungsgemäßen Verfahren wirksam sind. Weiterhin zeigt sich, daß trotz der nur geringen Ansteuerung des Mach-Zender-Interfermeters als optische Modu­ lator dennoch große Entfernungen überbrückt werden und große Signalamplituden erreichbar sind, da die Gleichlichtleistung der Signale entlang der Strecke durch Selbstphasenmodulation und Dispersion in Signalleistung verwandelt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung und Übertragung optischer Signale insbesondere mit Gigabitraten, bei dem ein elektrisches Signal ein kohärentes optisches Signal moduliert,
dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Signal vor der Modulation des optischen Signals einer Verformung an einer nichtlinearen Kennlinie (NL)unterworfen wird,
daß das modulierte optische Signal bei der Einspeisung in die Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke (LWL) eine solche Signalleistung aufweist, daß sich während des Durchlauf s der Signale an deren Signalflanken Änderungen des Brechungsindex des Lichtwellenleiters und damit Verformungen der optischen Impulse in der Weise ergeben, daß deren Signalflanken versteilert werden und am Ende der Übertragungsstrecke(LWL) die gewünschte Form aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Übertragungssignal in differentieller Phasensprungmodulation (DPSK) vorliegt.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung des elektrischen Übertragungssignals an einer nichtlinearen Kennlinie erfolgt, deren Form der Begrenzerkennlinie einer Vakuumtriode entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des kohärenten optischen Signals mittels eines Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Signallichtleistung am Anfang der Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke mittels eines erbiumdo­ tierten Faserverstärkers (EDFA) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke(LWL) in einem Empfänger(REC) nach opto-elektrischer Wandlung eine Demodulation der elektrischen Eingangssignale durch Multipli­ kation mit einem Träger erfolgt und anschließend die demodul­ ierten Signale tiefpaßgefiltert werden.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1, 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Amplitude des demodulierten Emp­ fangssignals sendeseitig eine Regelung(REG) der elektrischen Modulation und oder der Verformung des Übertragungssignals und/oder der Signalleistung des Eingangssignals der Lichtwel­ lenleiterstrecke erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Sendesignale absichtlich einen Chirp aufweisen.