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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Übermittlung digitaler Daten
durch optische Mittel. Es betrifft insbesondere die Übermittlung
hoher Bitraten mit effektivem Bandbreitenmanagement.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
einer solchen Übermittlung
kommt ein optischer Sender zur Anwendung, der über eine Faser mit einem optischen
Empfänger
verbunden ist. Der Sender moduliert allgemein die Leistung einer von
einem Laseroszillator gelieferten optischen Trägerwelle als Funktion der zu übertragenden
Information. Dafür
wird sehr häufig
die NRZ-Modulation angewandt, bei der die Leistung der Trägerwelle
zwischen zwei Niveaus variiert wird, nämlich einem Low-Niveau, das
einer Auslöschung
der Welle entspricht, und einem High-Niveau, das einem Maximum der
optischen Leistung entspricht. Die Niveauänderungen werden zu Zeitpunkten
ausgelöst, die
durch eine Taktrate vorgegeben sind, und diese definiert aufeinanderfolgende
Zeitintervalle, die den zu übertragenden
binären
Daten zugeordnet sind. Konventionsgemäß repräsentieren die Low- und High-Niveaus
die binären
Werte "0" und "1".
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Die
maximal überbrückbare Übertragungsentfernung
ist allgemein durch die Fähigkeit
der Empfänger
vorgegeben, diese beiden Leistungsniveaus fehlerfrei zu detektieren,
nachdem die optische Welle die optische Verbindung durchlaufen hat.
Das übliche Verfahren
zur Vergrößerung dieser
Entfernung besteht darin, das Verhältnis zwischen der mittleren
optischen Leistung der High-Niveaus und derjenigen der Low-Niveaus
zu erhöhen,
wobei dieses Verhältnis
das "Auslöschungsverhältnis" bestimmt, das einen
der charakteristischen Modulationsparameter bildet.
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In
der Technik sind verschiedene Modulationsverfahren für optische
Kommunikationssysteme bekannt. In der optischen Kommunikationstechnologie
kommen neben der Intensitäts-
oder Amplitudenmodulation auch die Frequenz- oder die Phasenmodulation
zur Anwendung.
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Das
Non-Return-to-Zero- (NRZ-) Signalformat bei der Übertragung von Daten liegt
vor, wenn während
der gesamten Dauer einer Bit-Periode T die Bedingung d(t)=0 für eine binäre "0" und die Bedingung d(t)=1 für ein übertragenes
binäres
Symbol "1" gilt (siehe beispielsweise
R.S. Vodhanel, Electronics Letters, Vol. 24, Nr. 3, S. 163–165 (1988).
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Mit
steigender Nachfrage nach schnellerer Kommunikation hat eine natürliche Entwicklung
hin zu einer besseren Ausnutzung der Kanalbandbreite eingesetzt.
Die Kommunikation über
Lichtleitfasern bietet eine so große nutzbare Bandbreite, daß eine effiziente
Kanalnutzung noch bis vor kurzem kein Thema war. Eines der Modulationsverfahren,
mit denen der Herausforderung des Bandbreitenmanagements begegnet
werden kann, ist die duobinäre
Modulation. Diese Modulation kann der nächste Schritt auf dem Weg zu Übertragungsformaten
sein, mit denen sich höhere
spektrale Wirkungsgrade in Lichtleitfasern erzielen lassen. Das
duobinäre
Format ist ein NRZ-Signal, das aufgrund einer Korrelation benachbarter
Bits spektral geformt ist. Diese Modulationsart zeichnet sich durch
vier attraktive Eigenschaften aus, nämlich (1) eine geringere Bandbreite
als beim binären
Format und somit eine geringere Anfälligkeit für Dispersionseffekte, (2) einen
größeren spektralen Wirkungsgrad
als beim binären
Format, was eine dichtere Bündelung
von Kanälen
gestattet, die im Wellenlängenmultiplexverfahren übertragen
werden, (3) eine geringere angeregte Brillouin-Rückstreuung, die
den größten begrenzenden
Faktor bei einer Übertragung
ohne Repeater bildet, und (4) eine einfache Implementierung. Das
duobinäre
Format ist in der optischen Kommunikationstechnik neu und deshalb noch
mit zahlreichen ungelösten
Problemen verbunden. Es ist eine relativ komplizierte Modulationsart, dessen
Vorteile bezüglich
der Dispersion von der Modulation und Phasenvariation abhängen.
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Ein
anderer Ansatz zur Verwirklichung eines effektiven Bandbreitenmanagements
ist das als Phase Shaped Binary Transmission (PSBT) bezeichnete Verfahren,
das in D. Penninckx, "Enhanced
Phase Shape Binary Transmission",
Electronics Letters, März
2000, Seiten 478–480,
beschrieben wird. In dieser Veröffentlichung
wird eine Variante der duobinären Übertragung
beschrieben, die gegenüber
chromatischer Dispersion eine größere Toleranz
als eine reine NRZ-Modulation aufweist. Bei dieser Modulationsart
ist die Toleranz gegenüber
einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses
reduziert.
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Im
US-Patent 5,917,538 wird zum Modulieren eines Datensignals ein zweifach
angesteuerter Mach-Zehnder-Modulator verwendet. In einer Ausführungsform
wird eine Verzögerung
zwischen den beiden Signalzweigen eines 1-Bits angewandt. Dies gestattet
jedoch nur eine Phasenmodulation mit einer Bandbreite, die nicht
den Anforderungen eines engen Wellenlängenrasters entspricht.
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In
einem Wellenlängenmultiplex-Übertragungsverfahren
mit einem ITU-Wellenlängenraster wird
beispielsweise mit 16 verschiedenen Wellenlängen, zwischen denen ein Rasterabstand
von 50 GHz liegt, eine Datenübertragungsrate
von 40 Gbit/s erreicht.
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Nach
den ITU-Empfehlungen sind Wellenlängenraster mit Rasterabständen von
50 GHz oder 100 GHz zulässig.
Da die Bandbreite pro Wellenlängenkanal
von der Datenrate abhängt,
kann bei einem Rasterabstand von 50 GHz eine Datenrate von 10 Gbit/s übertragen
werden. Mit steigenden Bitraten erhöht sich jedoch auch die Bandbreite
pro Kanal.
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Eine
Grenze wird erreicht, wenn der Rasterabstand von 50 GHz bei hohen
Bitraten für
die Anwendung der reinen NRZ-Modulation
gemäß der Beschreibung
nach dem Stand der Technik nicht mehr ausreicht. Eine Lösung bestünde also
darin, den Rasterabstand zwischen den einzelnen Wellenlängen auf
100 GHz zu erhöhen.
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Ziele und zusammenfassende
Beschreibung der Erfindung
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, ein Modulationsverfahren vorzuschlagen,
das auf einer NRZ-Amplitudenmodulation
basiert, aber die Bandbreite pro Wellenlängenkanal verringert.
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Dieses
neue Modulationsverfahren entspricht dem ITU-Wellenlängenraster für WDM-Übertragungen über eine
Faser in einem Bitratenbereich von 40 Gbit/s und mehr. Bei der neuen
NRZ-Modulation ist die Bandbreite der einzelnen Kanäle reduziert. Das
neue NRZ-Modulationsverfahren weist zudem eine größere Toleranz
gegenüber
einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses auf.
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Zeichnungen
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der restlichen Beschreibung
deutlich, in denen auf die Abbildungen Bezug genommen wird.
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1 zeigt
einen optischen Sender.
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2 zeigt
das Ergebnis des Modulationsverfahrens.
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3 zeigt
einen Vergleich der Spektren dreier Wellenlängenkanäle.
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4 zeigt
ein Zeitdiagramm der Phase und der Intensität.
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Beschreibung
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1 zeigt
einen optischen Sender. Der Sender enthält eine mit einem Wellenleiter 1 verbundene
Laserquelle 6. Der Wellenleiter 1 ist mit einer Mach-Zehnder-Struktur 4 verbunden.
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Ein
Mach-Zehnder-Modulator beinhaltet prinzipiell eine Interferometerstruktur
mit einem eingangsseitigen Wellenleiter, der sich in zwei Signalwege
verzweigt, die anschließend
wieder zusammengeführt
werden und einen ausgangsseitigen Wellenleiter bilden. Über Elektroden
werden die beiden Signalwege jeweils elektrischen Feldern ausgesetzt.
Wenn der eingangsseitige Wellenleiter eine Trägerwelle konstanter Leistung
empfängt,
breiten sich die beiden Teilwellen über die beiden Signalwege aus
und überlagern
sich am Ausgang. Der ausgangsseitige Wellenleiter liefert anschließend eine
Welle, deren Leistung und Phase von den Werten der an die Elektroden
angelegten elektrischen Spannungen abhängen.
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Der
elektrooptische Mach-Zehnder-Modulator in 1 besteht
aus einer Interferometerstruktur 7, 8 und einer
elektrischen Steuerschaltung 3. Die elektrische Steuerschaltung 3 ist
an die Elektroden E1 und E2 angeschlossen. In eine der Verbindungsleitungen
ist eine Verzögerungsschaltung 5 eingebaut.
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Die
Struktur des Mach-Zehnder-Interferometers 4 läßt sich
in bekannter Weise auf einem Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO3) aufbauen. Statt dessen ist auch eine Struktur
mit derselben Konfiguration auf einem Substrat aus III-V-Elementen
wie zum Beispiel Indiumphosphid (InP) verwendbar. Die Struktur 4 beinhaltet
einen eingangsseitigen Wellenleiter 1, der sich in zwei
Signalwege 7, 8 verzweigt, die anschließend wieder
zusammengeführt
werden und einen ausgangsseitigen Wellenleiter 2 bilden.
Die jeweiligen Elektroden E1 und E2 in den beiden Signalwegen 7, 8 werden
von der Steuerschaltung 3 aus mit den Spannungen V1 beziehungsweise
V2 beaufschlagt. Eine dritte Elektrode auf der Unterseite der Struktur 4 liegt
auf Erdpotential.
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Die
Steuerschaltung 3 liefert das elektrische Eingangssignal
V und das dazu komplementäre
Signal V* an die Elektroden E1 und E2.
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Zusätzlich zum
bekannten Gegentaktmodulator enthält der Sender ein-Zeitverzögerungsmittel 5 in
der Steuerleitung zwischen der Steuerschaltung 3 und der
Elektrode E2.
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Dieses
Zeitverzögerungsmittel
bewirkt eine zeitliche Verschiebung zwischen den Impulsen in den beiden
Signalzweigen des Modulators. Dies verursacht, wie aus 2 ersichtlich,
ein drittes Niveau in den zeitlichen Impulsen und eine Reduktion
der spektralen Breite sowie eine absolute Verschiebung. Die Verzögerung zwischen
den beiden Signalwegen hängt
von der Bitrate des Signals ab. Gute Ergebnisse lassen sich erzielen,
wenn die Bedingung T=Bitrate/2 erfüllt ist. Der Bereich, in dem
sich die Übertragung
optimieren läßt, reicht
von Bitrate/4 bis 3*Bitrate/4.
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2 zeigt
auf der linken Seite die Spektren eines konventionell modulierten
NRZ-Signals. Die drei grafischen Darstellungen zeigen von oben nach
unten das Frequenzspektrum des NRZ-Signals mit dem Spitzenwert für die DC-Komponente
im Basisband, das Augendiagramm am Sender und das Augendiagramm
nach der Rechteckfilterung mit einer Bandbreite von 1.2/T/.
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Die
entsprechenden drei Diagramme auf der rechten Seite zeigen die Ergebnisse
bei Anwendung des neuen Modulationsverfahrens. Das Frequenzspektrum
ist verschoben und die spektrale Breite geringer. Im Augendiagramm
tritt ein drittes Niveau auf, und die Ergebnisse nach dem optischen
Filter sind im Vergleich zur konventionellen NRZ-Modulation weitaus
besser.
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In 3 sind
die Vorteile der NRZ-Modulation mit verzögerten Signalen noch deutlicher
zu erkennen. Dargestellt sind die Spektren eines Wellenlängenrasters
dreier unterschiedlicher Wellenlängen. Die
Spektren der NRZmodulierten Signale überlappen sich im Bereich zwischen
den Basisbandsignalen. Bei der modifizierten NRZ-Modulation ist eine Bandbreitenreduktion
ausreichend, um ein Überlappen
der Bandbreiten der einzelnen Kanäle zu vermeiden.
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Ebenfalls
dargestellt sind die Augendiagramme nach der Übertragung. Hier erkennt man
die Verbesserung der Übertragung
an der besseren Augenöffnung.
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Bei
diesem Modulationsverfahren wird allerdings auch eine gewisse Phasenänderung
erzeugt. Diese kann jedoch die Übertragungsqualität bei einer Signalausbreitung über Standardfasern
positiv beeinflussen. Das einzige Problem besteht dann in der Auswahl
des geeigneten Chirpings (also der Wellenlängenänderung als folge der Modulation)
der Phase.
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Das
Problem der Phasenänderung
läßt sich unter
Verwendung einer anderen Ausführungsform der
Erfindung lösen.
Bei dieser Ausführungsform sind
in beide Zuleitungen zu den Elektroden E1 und E2 zwei Verzögerungsmittel 5 eingebaut.
Die Steuerschaltung 3 besitzt eine weitere Verbindung zum
Verzögerungsmittel 5 und
aktiviert die Zeitverzögerung des
einen oder anderen Verzögerungsmittels.
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Diese
Lösung
gestattet eine Anpassung der Modulation an die Übertragungsleitung. Das Diagramm
in 4 zeigt die Phase und die Intensität von verzögerten Signalen
im NRZ-Format. Durch Verzögern des
anderen Zweiges des Mach-Zehnder-Modulators
werden umgekehrte Phasenverschiebungen erzeugt, ohne daß sich am
Intensitätsdiagramm
etwas ändert.
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Mit
der modifizierten NRZ-Modulation ist ein spektraler Wirkungsgrad
von 0,8 Bit/s/Hz erreichbar. Somit ist eine Datenrate von 40 Gbit/s
bei einem Kanalabstand von 50 GHz möglich.
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Die
beschriebene Ausführungsform
ist eine Lösung
zur Bewerkstelligung einer Modulation mit reduzierter Bandbreite.
Die Erfindung der modifizierten NRZ-Modulation ist jedoch nicht
auf dieses Beispiel beschränkt.
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Der
optische Sender 10 ist in allen Übertragungssystemen und insbesondere
in WDM-Übertragungssystemen
einsetzbar. In einem WDM-System wird das modifizierte NRZ-Signal
jedes einzelnen Senders auf einen optischen Multiplexer gegeben. Das
modifizierte NRZ-Signal ist gegenüber der Filterwirkung der besagten
Multiplexer weniger empfindlich als beispielsweise Phase-Array-Gratings.