DE60036891T2

DE60036891T2 - Lichtwellenübertragungssysteme unter Verwendung von optischen Halbleiterverstärkern

Info

Publication number: DE60036891T2
Application number: DE60036891T
Authority: DE
Inventors: Andrew Roman Matawan Chraplyvy; Robert Meachem Rumson Jopson; Atul Kumar Eatontown Srivastava; James William Ocean Sulhoff; Yan Middletown Sun
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: CA2298272A1; CN1264056A; JP2000244399A; EP1030470A3; EP1030470A2; AU1643000A; JP3734999B2; CA2298272C; US6473212B1; EP1030470B1; DE60036891D1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein optische Halbleiterverstärker und insbesondere Lichtwellensysteme und solche Verstärker nutzende Netze.
STAND DER TECHNIK
Optische Verstärker werden gewöhnlich in Lichtwellenübertragungssystemen als Reihenverstärker zum Anheben von Signalpegeln zum Kompensieren von Verlusten auf einem Übertragungsweg, als Leistungsverstärker zum Erhöhen der Senderleistung und als Vorverstärker zum Anheben von Signalpegeln vor Empfängern benutzt. In WDM-Systemen (Wavelength Division Multiplex – Wellenlängenmultiplex), die viele optische Kanäle auf unterschiedlichen Wellenlängen zur Übertragung als zusammengesetztes Signal in einer Lichtleitfaser kombinieren, sind optische Verstärker aufgrund ihrer Fähigkeit zur gleichzeitigen Verstärkung aller Kanäle besonders nützlich.
In gegenwärtigen WDM-Kommunikationssystemen werden vorwiegend erbium-dotierte Faserverstärker aufgrund ihrer Verstärkungseigenschaften und Leichtigkeit der Ankopplung an Lichtleitfasern benutzt. Erbium-dotierte Faserverstärker sind besonders für intensitätsmodulierte digitale optische Kommunikationssysteme wünschenswert, wobei die Lichtintensität von Signalkanälen zur Darstellung der „1en" und „0en" von digitalen Daten moduliert ist. Insbesondere erlaubt eine langsame Verstärkungsdynamik erbium-dotierten Faserverstärkern die Bereitstellung einer konstanten Verstärkung für alle Signalkanäle in einem WDM-System ungeachtet der Bitübergänge in den intensitätsmodulierten Bitmustern. Trotz ihrer Nützlichkeit in Langstreckenübertragungsanwendungen sind jedoch die Nachteile erbium-dotierter Faserverstärker wohlbekannt. Beispielsweise sind erbium-dotierte Faserverstärker kostspielig und bieten infolgedessen nicht die kostengünstigste Lösung für Anwendungen wie beispielsweise optische Stadtnetze und dergleichen. Darüber hinaus weisen erbium-dotierte Faserverstärker eine relativ schmale nutzbare Verstärkungsbandbreite auf, was bei entstehenden Langstreckensystemen zu einem größeren Problem werden wird, die höhere Kanalzahlen aufweisen und neue Lichtleitfasern mit breiterer nutzbarer Bandbreite benutzen werden.
Demgegenüber sind optische Halbleiterverstärker verhältnismäßig kostengünstig, weisen eine große Verstärkungsbandbreite auf und können leicht mit anderen Vorrichtungen integriert werden. Optische Halbleiterverstärker weisen jedoch mehrere Begrenzungen auf, die bislang ihre Verwendung in optischen Kommunikationssystemen begrenzt haben. Insbesondere können sich schnelle Verstärkungsdynamik und die nichtlinearen Verstärkungseigenschaften von optischen Halbleiterverstärkern als Problem erweisen. Beispielsweise ändert sich die Verstärkung schnell mit sich ändernder Eingangsleistung und ist für die Modulationsgeschwindigkeit gegenwärtiger Kommunikationssysteme nicht konstant, woraus Probleme wie beispielsweise Intermodenverzerrung und durch Sättigung bewirktes Nebensprechen, d. h. Kreuzsättigung, entstehen.
Kurz gesagt entsteht Kreuzsättigung, wenn Intensitätsmodulation in einem Kanal zur Modulation der für andere Kanäle verfügbaren Verstärkung führt. Beispielsweise wird die Verstärkung eines bestimmten Kanals nicht nur durch seine eigene Leistung gesättigt, sondern auch durch die Leistung der anderen Kanäle im System. Kreuzsättigung ist besonders problematisch in intensitätsmodulierten Systemen, da sich die Kanalleistung in Abhängigkeit vom Bitmuster zeitlich ändert. Die Signalverstärkung eines Kanals ändert sich dann von Bit zu Bit und die Änderung ist von den Bitmustern der anderen Kanäle abhängig. Solche Verstärkungsschwankungen können Erkennungsfehler bewirken, die die Gesamt-Bitfehlerratenleistung verschlechtern. Kreuzsättigung läßt sich durch Arbeiten im Kleinsignalgebiet, d. h. dem ungesättigten Gebiet vermeiden. Diese Lösung ist jedoch für WDM-Systeme nicht praktisch, die herkömmlicherweise im Sättigungsgebiet arbeiten, aufgrund von Pumpwirkungsgraden und sonstigen Systemerwägungen, z. B. hohe gesättigte Leistung, erforderlich für einen breiten Dynamikbereich, und hohe Signal-Rausch-Verhältnisse.
Weitere Informationen über nichtlineare Verzerrungswirkungen in optischen Halbleiterverstärkern sind ersichtlich aus, z. B. Inoue, „Crosstalk and Its Power Penalty in Multichannel Transmission due to Gain Saturation in a Semiconductor Laser Amplifier" (Nebensprechen und sein Leistungsnachteil in Mehrkanalübertragung aufgrund von Verstärkungssättigung in einem Laser-Halbleiterverstärker), Journal of Lightwave Technology, Band 7, Nr. 7, Juli 1989, Saleh et al., „Effects of Semiconductor-Optical-Amplifier Nonlinearity on the Performance of High-Speed Intensity-Modulation Lightwave Systems" (Auswirkungen von Nichtlinearität optischer Halbleiterverstärker auf die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Intensitätsmodulations-Lichtwellensystmen), IEEE Transactions an Communications, Band 38, Nr. 6, Juni 1990; Simon et al., „Travelling Wave Semiconductor Optical Amplifier with Reduced Nonlinear Distortions" (Optischer Wanderwellen-Halbleiterverstärker mit verringerten nichtlinearen Verzerrungen), Electronics Letters, Band 30, Nr. 1, Januar 1994; und Tiemeijer et al., „Reduced Intermodulation Distortion in 1300 nm Gain-Clamped MOW Laser Amplifiers" (Verringerte Intermodulationsverzerrung in 1300-nm-MOW-Laserverstärkern mit Verstärkungshaltung), IEEE Photonics Technology Letters, Band 7, Nr. 3, März 1995.
Bis heute sind die meisten Versuche zum Lösen der obigen Probleme auf vorrichtungsorientierte Lösungen begrenzt gewesen und sind vorwiegend auf Probleme für das Kleinsignalmodell gerichtet gewesen, d. h. Übertragungen im Kleinsignal-Verstärkungsgebiet. Infolgedessen sind diese Ansätze nicht besonders nützlich für WDM-Systeme und dergleichen gewesen.
Ein Artikel mit dem Titel „Crosstalk and Its Power Penalty and Multichannel Transmission due to Gain Saturation in a Semiconductor Laser Amplifier" (Nebensprechen und sein Leistungsnachteil in Mehrkanalübertragung aufgrund von Verstärkungssättigung in einem Laser-Halbleiterverstärker) IEEE Journal of Lightwave Technology, Band 7, Nr. 7, 1.7.89., Seiten 1118–1124 von Inoue lehrt, daß, wenn der Verstärker verstärkungsgesättigt ist, die Verstärkung jedes Kanals durch die Lichtintensität der anderen Kanäle beeinflußt wird, was in intensitätsmodulierter Multiplexübertragung Kanalnebensprechen verursacht.
In einem zweiten Artikel mit dem Titel „Effects of Semiconductor-Optical-Amplifier Nonlinearity an the Performance of High-Speed Intensity-Modulation Lightwave Systems" (Auswirkungen von Nichtlinearität optischer Halbleiterverstärker auf die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Intensitätsmodulations-Lichtwellensystemen), IEEE Transactions an Communications, Bd. 38, Nr. 6, Juni 1990, Seiten 839–846 von Saleh et al. sind die Auswirkungen der Nichtlinearität von optischen Halbleiterleistungsverstärkern auf Leistung von digitalen Hochgeschwindigkeits-Intensitätsmodulations-Lichtwellensystmen offenbart.
In einem dritten Artikel mit dem Titel „BER Performance of Digital Optical Burst-Mode Receiver in TDMA All Optical Multiaccess Networks" (BER-Leistung eines digitalen optischen Burst-Modus-Empfängers in rein optischen TDMA-Mehrzugangsnetzen), 8341 IEEE Photonics Technology Letters 7 (1995), Nr. 1, Seiten 132–134 von Su et al. sind vorgeschlagene theoretische Modelle von Burst-Modus-Empfängern zur Berechnung von BER-Leistung unter adaptiven Schwellwertänderungen offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im wesentlichen fehlerfreie Kommunikationen werden in einem optischen Kommunikationssystem mit optischen Verstärkern gemäß den Grundsätzen der Erfindung durch Erkennen von übertragenen Bit im verstärkten optischen Signal gemäß einem Erkennungsschwellwert, der als Funktion eines einem ersten Bitwert, z. B. Bit „0" zugeordneten maximalen Leistungspegels und als einen zweiten Bitwert, z. B. Bit „1" zugeordneten minimalen Leistungspegels abgeleitet ist, erreicht. Bedeutsamerweise kann dieses Erkennungsverfahren zur genauen Erkennung der Bitmuster im verstärkten Signal selbst in der Gegenwart nichtlinearer Verzerrungen wie beispielsweise Intermodenverzerrung und sättigungsbedingtem Nebensprechen benutzt werden. Insbesondere ist eine genaue Erkennung einzelner Bit in jedem der Kanäle selbst bei der nichtlinearen Leistungsverteilung in jedem der Kanäle möglich, die sich aus durch die nichtlinearen Verzerrungen verursachten Verstärkungsänderungen ergibt.
Nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung in einem WDM-System (Wellenlängenmultiplex) mit optischen Halbleiterverstärkern ist der Erkennungsschwellwert auf einen Pegel entsprechend P_TOTAL/2N eingestellt, wobei P_TOTAL die Gesamtleistung im WDM-Signal darstellt und N die Anzahl optischer Kanäle im WDM-Signal darstellt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist erkannt worden, daß die Auswirkung von Verstärkungsänderungen mit steigender Anzahl optischer Kanäle innerhalb des Wellenlängenmultiplexsignals geringer wird. Insbesondere wird für die gesamte effektive Sättigungsleistung mit als Funktion einer Erhöhung der Anzahl von Kanälen abnehmenden Verstärkungsänderungen ein Glättungseffekt realisiert. Damit nähert sich die Leistung eines optischen Halbleiterverstärkers gemäß den Grundsätzen der Erfindung mit zunehmender Anzahl von Kanälen der linearen Leistung von Faserverstärkern.
Ein entsprechend den Grundsätzen der Erfindung betriebenes System enthält daher alle Vorteile von optischen Halbleiterverstärkern, z. B. geringere Kosten und große Verstärkungsbandbreite und vermeidet dabei die der nichtlinearen Leistung von optischen Halbleiterverstärkern zugeordneten Probleme und ohne, wie im Stand der Technik angedeutet, bedeutsamen Bauelementänderungen zu erfordern. Infolgedessen kann eine solche Lösung leicht implementiert und vorteilhaft benutzt werden, besonders in optischen Stadtnetzanwendungen, wo Kosten einen wesentlichen Faktor darstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung ist aus der Betrachtung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung erhältlich, in der:
1 und 2 graphische Darstellungen in der Form von Augendiagrammen sind, die die Auswirkungen von Intermodenverzerrung bzw. Kreuzsättigung in einem auf einem optischen Halbleiterverstärker basierenden System zeigen;
3 eine graphische Darstellung der Leistungsverteilung in einzelnen Kanälen eines typischen WDM-Systems mit erbium-dotierten Faserverstärkern und des zugehörigen Leistungsschwellwerts zur Erkennung ist;
4 eine graphische Darstellung der Leistungsverteilung in einzelnen Kanälen eines WDM-Systems mit optischen Halbleiterverstärkern und des zugehörigen Leistungsschwellwerts zur Erkennung gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist;
5–8 graphische Darstellungen in der Form von Augendiagrammen sind, die die Leistungsverteilung und die Kreuzsättigungsauswirkungen darauf für WDM-Systeme mit unterschiedlichen beispielhaften Kanalzahlen gemäß den Grundsätzen der Erfindung zeigen;
9–12 graphische Darstellungen in der Form von Histogrammen sind, die weiterhin die Leistungsverteilung und die Kreuzsättigungsauswirkungen darauf für die entsprechenden, in 5–8 gezeigten Beispiele darstellen;
13 ein vereinfachtes Schaltschema ist, das eine beispielhafte Ausführungsform eines WDM-Systems zeigt, in dem die Grundsätze der Erfindung angewandt werden können; und
14 Bitfehlerratenmessungen entsprechend einer experimentellen Demonstration der Grundsätze der Erfindung unter Verwendung des Systemsaufbaus der 13 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen besonders gut zur Verwendung in einem Wellenlängenmultiplexsystem (WDM-System) mit optischen Halbleiterverstärkern geeignet sind und in diesem beispielhaften Zusammenhang beschrieben werden, wird der Fachmann aus der vorliegenden Lehre verstehen, daß die Grundsätze der Erfindung auch in Verbindung mit anderen Arten von optischen Kommunikationssystemen und anderen Arten von optischen Verstärkern eingesetzt werden können. Beispielsweise können die Grundsätze der Erfindung auf optische Einkanal-Kommunikationssysteme und auch auf Systeme mit anderen Arten von optischen Verstärkern mit einer die oben erwähnten Probleme bewirkenden Verstärkungsdynamik angewandt werden. Obwohl weiterhin die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf digitale Kommunikationen beschrieben sind, in denen Daten unter Verwendung von „0" und „1" Bit übertragen werden, versteht es sich, daß die erfinderischen Aspekte auch auf andere Codierungs- und Modulationsverfahren anwendbar sind. Dementsprechend sollen die hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft und nicht begrenzend sein.
Als Grundlage zum Verständnis der Grundsätze der Erfindung wird eine kurze Übersicht von verstärkungsbezogenen Problemen in WDM-Systemen geboten. Wie wohlbekannt ist arbeiten für Reihenverstärkung in WDM-Systemen benutzte optische Verstärker typischerweise im Sättigungsgebiet aufgrund von Pumpwirkungsgrad und Systemerwägungen. Im Sättigungsgebiet ist die Ausgangsleistung des Verstärkers im wesentlichen für einen gewissen Bereich von Eingangsleistungsänderungen festgelegt. Im Ergebnis bleibt die Verstärkung des Verstärkers bei den Änderungen der Eingangsleistung nicht konstant. Auch muß die Ausgangsleistung des Verstärkers hoch genug sein, so daß das Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger hoch genug ist, genaue Erkennung der in dem intensitätsmodulierten Signal übertragenen Bitmuster zu erlauben.
Wie schon bemerkt kann die Systemleistung durch die den optischen Halbleiterverstärkern eigene Nichtlinearität möglicherweise verschlechtert werden. Insbesondere entstehen durch die nichtlinearen Eigenschaften optischer Halbleiterverstärker zwei sehr bedeutende und möglicherweise schädliche Auswirkungen, Intermodenverzerrung und sättigungsbewirktes Nebensprechen, d. h. Kreuzsättigung. 1 ist ein Augendiagramm eines Signalkanals, in dem die Ausgangsleistung P_OUT Intermodenverzerrung aufweist. Insbesondere stellt der Leistungspegel 101 einen stationären Leistungspegel für ein Bit „0" dar und der Leistungspegel 102 stellt einen stationären Leistungspegel eines Bits „1" im Kanal dar. Wenn in dem übertragenen Bitmuster ein Übergang von einer „0" zu einer „1" auftritt, was hier als Übergangspunkt 103 dargestellt ist, überschreitet der Leistungspegel des Bits „1" tatsächlich den stationären Wert 102 für eine gewisse Zeitdauer, woraus sich Verstärkungsschwankungen im verstärkten Signal ergeben. Infolgedessen kann diese Art nichtlinearer Verzerrung, die von der Intensitätsmodulation im Signalkanal abhängig ist, Probleme in der Erkennung von Bit verursachen und damit die Gesamt-Bitfehlerratenleistung des Systems verschlechtern.
2 ist ein Augendiagramm für einen der Signalkanäle in einem 2-Kanal-System. Es ist zu bemerken, daß ein 2-Kanal-System nur der Darstellungseinfachheit halber gezeigt wird. Im vorliegenden Beispiel ist die Ausgangsleistung P_OUT in einem Signalkanal von dem Zustand der anderen Kanäle durch Kreuzsättigung abhängig, die den sogenannten Nebensprecheffekt in WDM-Systemen darstellt. Insbesondere wird die Ausgangsleistung P_OUT in einem Signalkanal durch Intensitätsmodulation im anderen Kanal im System beeinflußt und ändert sich zufallsmäßig, da jeder Kanal unabhängig moduliert ist. Nach der Darstellung stellt der Leistungspegel 201 einen Leistungspegel für ein Bit „0" dar und der Leistungspegel 202 stellt einen Bereich von Leistungspegeln für ein Bit „1" in dem Kanal dar. Insbesondere wird sich der Leistungspegel eines Bits „1" im Kanal entsprechend dem Leistungspegel im anderen Kanal des Systems verändern.
Wenn beispielsweise der andere Kanal ein Bit „0" überträgt, dann wird der Leistungspegel eines Bits „1" in dem in 2 gezeigten Kanal am höheren Ende des Bereichs 202 liegen, da er im wesentlichen die gesamte Leistung im System aufweisen wird. Auf ähnliche Weise wird, wenn der andere Kanal ein Bit „1" überträgt, der Leistungspegel eines Bits „1" in dem in 2 gezeigten Kanal am unteren Ende des Bereichs 202 liegen, da die Gesamtleistung im System zwischen jedem der Kanäle geteilt ist. Insgesamt kann, da die Signalausgabe für einen Kanal gemäß durch Modulation in den anderen Kanälen induzierte Signalverstärkungsschwankung schwankt, diese Art nichtlinearer Verzerrung Probleme bei der Erkennung von Bit verursachen und damit die Gesamtbitfehlerratenleistung des Systems verschlechtern.
In jedem der obigen Beispiele wurde eine Eingangsleistung von 2 dBm benutzt. Weiterhin wurde in dem in 1 gezeigten Beispiel eine Kanalrate von 1,25 Gb/s benutzt, während in dem in 2 gezeigten Beispiel eine Kanalrate von 2,5 Gb/s benutzt wurde. Diese Parameter sollen nur beispielhaft sein.
In Systemen mit erbium-dotierten Faserverstärkern bietet die langsame Verstärkungsdynamik der erbium-dotierten Faserverstärker einen Vorteil für interessierende Modulationsgeschwindigkeiten, da der Verstärker nicht auf die Übergänge in Bit „1" und „0" in den optischen Kanälen „reagiert". Infolgedessen sieht der erbium-dotierte Faserverstärker nur die Durchschnittsleistung und bietet den Signalkanälen daher eine konstante Verstärkung. Als solches weist die Verstärkung eines erbium-dotierten Faserverstärkers eine lineare Charakteristik auf, so daß Intermodenverzerrung und Kreuzsättigung keine bedeutsamen Probleme sind.
Im Gegensatz dazu ist die Verstärkungsdynamik eines optischen Halbleiterverstärkers viel schneller als die eines erbium-dotierten Faserverstärkers. Insbesondere ändert sich die Verstärkung eines optischen Halbleiterverstärkers schnell mit sich ändernder Eingangsleistung und die Verstärkung ist infolgedessen für die Modulationsgeschwindigkeit gegenwärtiger Kommunikationssysteme nicht konstant. So weist die Verstärkung eines optischen Halbleiterverstärkers eine nichtlineare Eigenschaft auf, die die oben erwähnten Probleme der Intermodenverzerrung und Kreuzsättigung verursacht, die wiederum Fehler bei der Erkennung von in den Kanälen eines optischen Kommunikationssystems übertragenen Bit verursachen kann. Infolgedessen ist eine Notwendigkeit identifiziert worden, die oben erwähnten Probleme so zu lösen, daß optische Halbleiterverstärker statt der kostspieligeren und bandbreitenbegrenzten erbium-dotierten Faserverstärker zu einer geeigneten Alternative für Einkanal- und WDM-Systeme werden können.
Gemäß den Grundsätzen der Erfindung ist erkannt worden, daß optische Halbleiterverstärker selbst in der Gegenwart von Intermodenverzerrung und Kreuzsättigung effektiv als Reihenverstärker in Wellenlängenmultiplexsystemen benutzt werden können. Insbesondere ist erkannt worden, daß im wesentlichen fehlerfreie Erkennung von Bitmustern in der Gegenwart solcher Verzerrung durch Auswählen eines Erkennungsschwellwertpegels erreicht werden kann, der optimal als Funktion eines maximalen Leistungspegels für ein Bit „0" und eines minimalen Leistungspegels eines Bits „1" abgeleitet ist. Für ein optisches WDM- Signal mit N optischen Kanälen entspricht der Erkennungsschwellwertpegel nach einer beispielhaften Ausführungsform der Gesamt-Ausgangsleistung des verstärkten WDM-Signals geteilt durch das Zweifache der Anzahl optischer Kanäle im verstärkten WDM-Signal.
3 zeigt, wie Schwellwerte typischerweise für erbium-dotierte Faserverstärkersysteme zugewiesen werden, was ein besseres Verständnis vermitteln wird, wie Erkennungsschwellwerte für optische Halbleiterverstärker gemäß den in 4 gezeigten Grundsätzen der Erfindung ausgewählt werden. In beiden Fällen wird angenommen, daß zutreffende Biterkennung unter Verwendung von Schwellwertbildungsverfahren ausgeführt wird. Auch wird für beide Beispiele angenommen, daß die Verstärker stark gesättigt sind, wie es für WDM-Systeme typisch ist, daß die Sättigungsleistung aller N Kanäle die gleiche ist und daß eine gleiche Wahrscheinlichkeit von „1en" und „0en" im Codierungsverfahren besteht. Die Gesamt-Ausgangsleistung ist als P_TOTAL dargestellt. Für die Zwecke der vorliegenden Beispiele wird Rauschen vom Sender und Empfänger nicht in Betracht gezogen. Auch ist zu bemerken, daß 3 und 4 die Verteilung von Ausgangsleistung aus der Perspektive nur eines der Kanäle im System zeigt. Unter Verwendung von 4 als Beispiel ist die Verteilung von Ausgangsleistung P_OUT für einen der zwei Kanäle im Segment 301 gezeigt, die Ausgangsleistung P_OUT für einen der vier Kanäle im Segment 302 gezeigt, und so fort.
Wie in 3 für einen erbium-dotierten Faserverstärker gezeigt, der N Kanäle in einem WDM-System verstärkt, bewirkt die lineare Leistung, daß jeder Kanal einen gleichen Anteil der Gesamt-Ausgangsleistung aufnimmt, dargestellt als P_TOTAL/N. Infolgedessen kann dann der Schwellwert für Erkennung bei einer Durchschnittsleistung von P_TOTAL/N eingestellt werden, mit einiger Variation, die durch andere praktische Erwägungen diktiert sein könnte. Bei gegebenen linearen Verstärkungseigenschaften von erbium-dotierten Faserverstärkern wird es nur einen möglichen Wert für das Bit „1" geben.
Im Gegensatz dazu und wie in 4 für einen optischen Halbleiterverstärker dargestellt, der N Kanäle in einem WDM-System verstärkt, wird die Verstärkerausgangsleistung eines beliebigen der Kanäle aufgrund der oben erwähnten Kreuzsättigungseffekte mit irgendeiner Wahrscheinlichkeitsverteilung gemäß der Modulation der anderen Kanäle schwanken. Insbesondere wird es für N Kanäle N mögliche Werte für das Bit „1" in irgendeinem gegebenen Kanal geben. Beispielsweise wird es zwei mögliche Werte für ein Bit „1" für ein 2-Kanal-System, vier mögliche Werte für ein 4-Kanal-System und so weiter geben. Unter Verwendung der 2-Kanal-Darstellung 301 als Beispiel wird ein Bit „0" im Kanal einen Ausgangsleistungspegel entsprechend dem Pegel 305 aufweisen, während ein Bit „1" in dem Kanal einen von zwei Werten aufweisen könnte. Wenn nämlich der andere der zwei Kanäle ein Bit „0" aufweist, dann wird ein Bit „1" in dem in 4 gezeigten Kanal einen Ausgangsleistungspegel 306 aufweisen, der im wesentlichen der Gesamtleistung P_TOTAL des Systems gleich ist. Wenn der andere der zwei Kanäle ein Bit „1" aufweist, dann wird ein Bit „1" in dem in 4 gezeigten Kanal einen Ausgangsleistungspegel 307 gleich der Gesamtleistung P_TOTAL des Systems geteilt durch die Anzahl von Kanälen aufweisen, die im vorliegenden Fall zwei ist. Nach der Beschreibung ist diese Verteilung das Ergebnis der durch Kreuzsättigungseffekte verursachten Leistungsteilung.
Infolgedessen wird der höchstmögliche Ausgangsleistungswert für ein Bit „1" in einem Kanal P_TOTAL sein, wenn alle anderen Kanäle gleichzeitig ein Bit „0" aufweisen. Auf ähnliche Weise wird der mindestmögliche Ausgangsleistungswert für ein Bit „1" stets P_TOTAL/N sein, wenn alle Kanäle gleichzeitig ein Bit „1" aufweisen. Die anderen Ausgangsleistungs-Zwischenwerte eines Bits „1", z. B. Ausgangsleistungspegel 315 werden Werte innerhalb einer Wahrscheinlichkeitsverteilung annehmen, wenn es eine Kombination von „0en" und „1en" in den anderen Kanälen gibt. Dieser Fall wird deutlich für die 4-Kanal-Leistungsverteilung (302) wie auch die anderen beispielhaften Leistungsverteilungen in der 4 gezeigt.
Es ist erkannt, daß wenn der Erkennungsschwellwert 310 (P_th) auf die Hälfte des geringstmöglichen Wertes (P_TOTAL/N) eingestellt ist, das heißt P_th = P_TOTAL/2N, dann kann genaue Erkennung, und damit fehlerfreie Kommunikation trotz der Kreuzsättigungseffekte und in der Annahme, daß die Detektorvorrichtung einen ausreichenden Dynamikbereich aufweist, erreicht werden. Unter Verwendung des 2-Kanal-Systems 301 als Beispiel, wobei N = 2, würde der Erkennungsschwellwert 310 (P_th) daher auf ¼ der Gesamt-Ausgangsleistung P_TOTAL eingestellt werden. Durch Vergleichen der Erkennungsschwellwerte in 3 und 4 wird deutlich, daß der Erkennungsschwellwert in einem auf einem optischen Halbleiterverstärker basierenden System daher die Hälfte des eines auf einem erbium-dotierten Faserverstärker basierenden Systems ist. Wie ausführlicher unten beschrieben ist zu bemerken, daß der Erkennungsschwellwertpegel P_th in Abhängigkeit von anderen Systemerwägungen auf annähernd ≥ P_TOTAL/2N eingestellt werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist festgestellt worden, daß der Effekt von Verstärkungsschwankungen mit zunehmender Anzahl von Kanälen geringer wird und dadurch einen geglätteten gesamten effektiven Leistungseffekt ergibt. Da insbesondere die Bitmuster in den Kanälen eines WDM-Signals pseudozufallsmäßig sind und unabhängig voneinander sind, ist die Gesamtleistung in einem WDM-System mit mehreren Kanälen glatter. Dieser Effekt geglätteter Leistung ist aus 4 ersichtlich, wo die Verteilungsspitze von Ausgangsleistungspegeln für ein Bit „1" mit zunehmender Anzahl von Kanälen schmaler und konzentrierter wird. Beispielsweise ist die Verteilungsspitze 325 für ein 16-Kanal-System schmaler als das der Systeme mit einer geringeren Anzahl von Kanälen. Durch diese geglättete gesamte effektive Leistung wird die Eingangsleistungsänderung und infolgedessen die zugehörige Verstärkungswelligkeit verringert. In der Tat nähert sich die Leistung eines optischen Halbleiterverstärkers für eine äußerst große Anzahl von Kanälen der linearen Leistung eines erbium-dotierten Faserverstärkers.
Der Leistungsglättungseffekt ist auch angesichts der Augendiagramme in 5–8 wie auch in den Histogrammen in 9–12 offenbar. 5–8 zeigen die Leistungsverteilung in nur einem der Kanäle, um den Kreuzsättigungseffekt von den anderen Kanälen darzustellen. Nach der Darstellung zeigen 5–8, wie Gebiete 400–403, die die Ausgangsleistungsverteilung eines Bits „1" darstellen, definierter werden (z. B. verringert sich die Verteilungsbreite des Bits „1"), während die Augenöffnung mit zunehmender Anzahl von Kanälen von 2 auf 32 Kanäle größer wird. In dem in 5 gezeigten 2-Kanal-Fall weist das Bit „1" beispielsweise zwei mögliche Werte auf. Für den in 6 gezeigten 4-Kanal-Fall weist das Bit „1" vier mögliche Werte auf, die auch durch Rauschen verwischt sind. Wenn die Kanalanzahl wie in 7 und 8 gezeigt auf 8 und 32 erhöht wird, wird das Bit „1" deutlicher definiert und die Augenöffnung wird größer.
Auf ähnliche Weise zeigen die Histogramme in 9–12 weiterhin die definierteren und schmaleren Verteilungsspitzen 410–413 der Ausgangsleistungsverteilung von Bit „1" mit zunehmender Anzahl von Kanälen von 2 auf 16 Kanäle. Es ist zu bemerken, daß in der Praxis Rauschen von dem Sender und Empfänger in einem System ebenfalls zu der Breite des Bits „1" beitragen könnte und die Bitfehlerraten-Leistung (BER – Bit-Error-Rate) verschlechtern könnte. Zusätzlich kann die Linienbreite des Bits „1" ebenfalls aufgrund nichtlinearer Effekte in der Übertragungsfaser bedeutend gesteigert werden.
Kurz gesagt werden mit fortwährender Zunahme der Anzahl von WDM-Kanälen in optischen Kommunikationssystemen gemäß den Grundsätzen der Erfindung benutzte optische Halbleiterverstärker daher in der Lage sein, glättere gesamte effektive Sättigungsleistung mit kleineren Verstärkungsänderungen bereitzustellen. Weiterhin kann der Leistungsglättungseffekt effektiv nicht nur zur Konstruktion und Kontrolle von optischen Kommunikationssystemen und Netzen benutzt werden, sondern sind die Grundsätze auch auf mit mehr als zwei Ebenen arbeitende Digitalsysteme anwendbar. Auch kann die geglättete gesamte effektive Leistung die Leistung von analogen Kommunikationssystemen verbessern.
In den obigen Besprechungen wird angenommen, daß die Leistung im Bit „1" eine Konstante für alle Signalkanäle ist. Wenn optische Halbleiterverstärker in optischen Kommunikationssystemen in Kaskade geschaltet sind, wird die Leistung im Bit „1" nach dem ersten Verstärker wahrscheinlich nicht gleichförmig. Beispielsweise kann bei in Kaskade geschalteten Verstärkern die Streuung in der Übertragungsfaser relative Verschiebungen in den Bit unterschiedlicher Signalkanäle verursachen. Da insbesondere die Übertragungsfaser eine endliche Streuung aufweist, laufen die Bit in unterschiedlichen Kanälen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wodurch sich die Bit während der Übertragung zueinander verschieben. Im Ergebnis könnte die äquivalente Eingangsleistung an einem nachfolgenden optischen Halbleiterverstärker in der in Kaskade geschalteten Kette höher oder niedriger als die Eingangsnennleistung sein. In der Folge kann die Gesamt-Eingangsleistung in nachfolgende optische Halbleiterverstärker in der in Kaskade geschalteten Kette schwanken und weitere Verzerrung verursachen. Die hier beschriebenen erfinderischen Aspekte können dafür angewandt werden, dieses Problem zu adressieren, beispielsweise durch Einstellen eines niedrigeren Erkennungsschwellwerts P_th, d. h. um einen vorgeschriebenen Pegel unter P_TOTAL/2N, zur Sicherstellung genauer Erkennung. Zusätzlich können auch wohlbekannte Streuungskompensationsverfahren in Verbindung mit der Erfindung benutzt werden, um die Effekte von Streuung in einer Faser zu lindern.
Auch ist zu bemerken, daß in den obigen Besprechungen angenommen wurde, daß der optische Halbleiterverstärker unter starken Sättigungsbedingungen funkioniert. Wenn der Verstärker unter geringerer Sättigung oder sogar im linearen Gebiet betrieben wird, werden die Verzerrung und das Nebensprechen geringer sein. Dementsprechend kann auch der Erkennungsschwellwertpegel P_th wie in diesen Fällen benötigt eingestellt werden.
Es gibt weitere Parameter in optischen Halbleiterverstärkern, die möglicherweise in Verbindung mit der Lehre der Erfindung in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung adressiert werden müssen. Beispielsweise muß möglicherweise die Rauschzahl für optische Halbleiterverstärker (z. B. typischerweise 6 dB oder höher) und die Ausgangsleistung (z. B. typischerweise 15 dBm oder niedriger) mit weiteren komplementären Verfahren für Langstreckenanwendungen adressiert werden. Weiterhin könnten andere Verfahren zum Adressieren einiger der sonstigen nichtlinearen Effekte von auf Faser basierenden Systemen wie beispielsweise Vierwellenmischung, Phaseneigenmodulation und Phasenkreuzmodulation, um nur einige zu nennen, benutzt werden. Zusammengefaßt befassen sich die Grundsätze der Erfindung mit den sättigungsbedingten Nebensprecheffekten, die eine weitläufige Verwendung von optischen Halbleiterverstärkern in WDM-Anwendungen verhindert haben. Mit der Lösung dieser Probleme können die Grundsätze der Erfindung daher leicht zur Bereitstellung einer kostengünstigen Lösung für WDM-Übertragung wie beispielsweise in Stadtanwendungen und dergleichen angewandt werden.
Das folgende Beispiel beschreibt ein Experiment, das zur Demonstration der oben beschriebenen Grundsätze der Erfindung durchgeführt wird. Es ist jedoch zu beachten, daß die verschiedenen Anordnungen, Vorrichtungen, Materialien, Abmessungen, Parameter, Betriebsbedingungen usw. nur beispielhafterweise bereitgestellt werden und den Rahmen der Erfindung nicht begrenzen sollen.
BEISPIEL
In der 13 ist ein beispielhaftes Wellenlängenmultiplexsystem 600 dargestellt, das in Verbindung mit den Grundsätzen der Erfindung benutzt werden kann. Für dieses Beispiel enthielt das System 600 einen Senderteil 601, einen Übertragungsabschnitt 625 und einen Empfängerteil 650. Im Senderteil 601 wurde ein Wellenleiterrouter (Multiplexer) 602 zum Kombinieren von durch (nicht gezeigte) externe Hohlraumlaser (ECLs – External Cavaty Lasers) zugeführten 32 Signalkanälen (N = 32) mit Wellenlängen im Bereich von 1538 nm bis 1562 nm mit einem Kanalraster von 100 GHz benutzt. Alle Kanäle wurden mit LiNbO₃-Modulator 605 moduliert und danach mit zwei Segmenten von Streuungkompensationsfaser (DCF – Dispersion Compensating Fiber) 610 dekorreliert. Die Datenrate betrug 2,5 Gb/s für jeden der Kanäle. Auch wurden im Senderteil 601 gemäß wohlbekannten Verfahren und Betriebsgrundsätzen ein Polarisationswähler 615, ein Kreuzpolarisationsmonitor 616, erbium-dotierter Faserverstärker 617 und optisches Dämpfungsglied 618 benutzt.
Der Übertragungsabschnitt 625 enthielt zwei optische Halbleiterverstärker 626–627, von denen jeder an seinem Ausgang an ein 55-km-Segment einer TrueWave-Lichtleitfaser 628 von Lucent Technologies angekoppelt war. Für das Experiment wurden einstufige optische Halbleiterverstärker ohne Verstärkungsregelung benutzt. Für die Verstärker 626–627 wurde die Eingangsleistung auf –5 dBm gehalten, die Verstärkung betrug 13 dB und die Ausgangsleistung betrug 8 dBm. Beide Verstärker wurden stark gesättigt. Der Pumpenstrom betrug 200 mA für beide Verstärker 626–627.
Am Empfängerteil 650 wurde das Bandpaßfilter 651 zum Auswählen eines Kanals zu einer Zeit für entsprechende Messung, z. B. BER- und Augenmessung benutzt. Insbesondere wurde der Detektor 652 zum Erkennen von Bit in den 32 Kanälen unter Verwendung eines optimalen Erkennungsschwellwertpegels gemäß den Grundsätzen der Erfindung benutzt. Weitere Bauteile im Empfängerteil 650 wurden gemäß wohlbekannten Betriebsgrundsätzen benutzt. Beispielsweise wurde der erbium-dotierte Faserverstärker 660 zur Bereitstellung entsprechender Vorverstärkung benutzt. Das optische Dämpfungsglied 661 und der Augenmonitor 662 wurden zum Erleichtern der Messung der ankommenden Signalmuster benutzt. Dämpfungsglied 663, Leistungsmesser 664, Taktrückgewinnungsschaltung 665 und Bitfehlerratentester 666 wurden zum Erleichtern der Messung von Leistung und Bitfehlerrate in den Empfangssignalen benutzt.
Durch Einstellen des entsprechenden Schwellwertpegels P_th gemäß den Grundsätzen der Erfindung wurden im wesentlichen fehlerfreie Übertragungen beobachtet. Die BER-Meßdaten für alle in der beispielhaften Konfiguration der 13 übertragenen 32 Kanäle sind in 14 dargestellt. Nach der Darstellung wurden fehlerfreie Übertragungen von der Größenordnung von 10^–9 für alle 32 Kanäle erreicht.
Das Obige ist nur beispielhaft für die Grundsätze der Erfindung. Der Fachmann wird in der Lage sein, zahlreiche Anordnungen auszuarbeiten, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind, trotzdem die Grundsätze verkörpern, die im Rahmen der Erfindung liegen. Obwohl beispielsweise viele der hier beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen auf Reihenverstärkeranwendungen gerichtet waren, können die Grundsätze der Erfindung auch auf Anwendungen angewendet werden, wo optische Verstärker als Leistungsverstärker nach Sendern oder als Vorverstärker vor Empfängern in entweder optischen Einkanal-Kommunikationssystemen oder Wellenlängenmultiplexsystemen benutzt werden. Weiterhin sind die hier beschriebenen erfinderischen Grundsätze auf optische Halbleiterverstärker wie auch eine beliebige Art optischer Verstärker anwendbar, in denen die Verstärkungsdynamik die oben erwähnten Probleme verursachen kann, die durch die Erfindung gelöst werden. Dementsprechend ist der Rahmen der Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Verfahren zum Erkennen von Bit in einem optischen Kommunikationssystem (600) mit mindestens einem optischen Halbleiterverstärker (626), oder einer sonstigen optischen Verstärkerart mit einer im wesentlichen identischen Verstärkungsdynamik wie optische Halbleiterverstärker, zum Verstärken eines optischen Signals, wobei das optische Signal eine Mehrzahl von optischen Kanälen oder jeweiligen Wellenlängen aufweist, die zur Übertragung von Informationen als Bit moduliert werden können, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch folgenden Schritt: in der Gegenwart von durch Verstärkungsänderungen verursachter Verzerrung Erkennen von im verstärkten Signal übertragenen Bit unter Verwendung eines Erkennungsschwellwertpegels (310), der annähernd gleich der Gesamt-Ausgangsleistung des verstärkten Signals geteilt durch das Zweifache der Anzahl optischer Kanäle im verstärkten Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schwellwertpegel als Funktion des dem ersten Bit zugeordneten maximalen Leistungspegels und eines dem zweiten Bit zugeordneten minimalen Leistungspegels abgeleitet ist und das erste Bit ein digitales Bit "0" umfaßt und das zweite Bit ein digitales Bit "1" umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Kommunikationssystem ein Wellenlängenmultiplexsystem (600) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Verstärkungsänderungen als Funktion einer Erhöhung der Anzahl optischer Kanäle abnehmen, so daß für die gesamte effektive Sättigungsleistung im optischen Verstärker ein Glättungseffekt realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die optischen Kanäle im verstärkten Signal zur Übertragung von Bit digitaler Daten intensitätsmoduliert sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Leistungspegel sich in einem der Mehrzahl von optischen Kanälen als Funktion sowohl der Intensitätsmodulation in diesem Kanal als auch der Intensitätsmodulation in anderen der Mehrzahl von optischen Kanälen ändert, wobei die Änderungen für sättigungsbedingtes Nebensprechen repräsentativ sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Leistungspegel sich in einem der Mehrzahl von optischen Kanälen als Funktion der Intensitätsmodulation in diesem Kanal ändert, wobei die Änderungen für Intermodenverzerrung repräsentativ sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommunikation im optischen Kommunikationssystem im wesentlichen fehlerfrei ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei im wesentlichen fehlerfreie Kommunikation mit einer Bitfehlerrate von annähernd 10^–9 erreicht wird.
Optisches Kommunikationssystem mit mindestens einem optischen Halbleiterverstärker (626), oder einer sonstigen optischen Verstärkerart mit einer im wesentlichen identischen Verstärkungsdynamik wie optische Halbleiterverstärker, zum Verstärken eines optischen Signals, wobei das optische Signal zur Übertragung von Informationen als Bit moduliert werden kann, wobei ein erstes Bit einem ersten Zustand und ein zweites Bit einem zweiten Zustand entspricht, gekennzeichnet durch Erkennungsmittel zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.