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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein hochratiges optisches Übertragungssystem
und insbesondere ein optisches Übertragungssystem
mit optischer Phasenkonjugation mit darin enthaltener Raman-Verstärkung zum
Verringern der Gegenwart von Vierwellenmischung und anderen Kerr-Effekt-Nichtlinearitäten in der Übertragungsfaser.
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Stand der Technik
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In
optischen Kommunikationssystemen, bei denen optische Fasern als Übertragungsmedium
benutzt werden, stellen chromatische Dispersion und Faser-Nichtlinearitäten bedeutende
Hindernisse beim Erreichen höherer
Systemdatenraten und längerer
zwischenverstärkerloser Übertragungsentfernungen
dar. Chromatische Dispersion, die häufig einfach als "Dispersion" bezeichnet wird,
bezieht sich auf ein Phänomen,
bei dem sich die Geschwindigkeit eines optischen Signals durch ein
optisches Übertragungsmedium
(wie eine Faser) als Funktion der optischen Signalwellenlänge verändert. Das
Problem chromatischer Dispersion ist besonders bedeutsam in der
standardmäßigen Einmodenfaser
(SMF – single
mode fiber), die einen Großteil
der bestehenden optischen Übertragungssysteminfrastruktur
der Welt ausmacht. Standard-SMF weist typischerweise eine Dispersion
Null bei einer Wellenlänge
von rund 1330 nm auf, mit positiver Dispersion für längere Wellenlängen als
bei Dispersion Null.
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Dispersion
läßt sich
als Variationen in der Ausbreitungskonstante der Faser in bezug
auf Frequenz ausdrücken.
Gruppengeschwindigkeitsdispersion erster und zweiter Ordnung bezieht
sich auf die zweiten und dritten Derivierten der Faserausbreitungskonstante β in bezug
auf Winkelfrequenz ω oder β2 bzw. β3.
Dispersions glieder höherer
Ordnung können
in den meisten Anwendungen als Null angenähert werden. Bei Verwendung
im Zusammenhang mit Lichtwellenübertragungssystemen
wird Dispersion der ersten und zweiten Ordnung im allgemeinen als
Derivierte in bezug auf Wellenlänge
ausgedrückt. So
wird Gruppengeschwindigkeitsdispersion der ersten Ordnung typischerweise
als eine Änderung
der Impulsausbreitungszeit über
eine Längeneinheit
von Faser in bezug auf eine Änderung
der Impulswellenlänge
ausgedrückt.
In diesem Fall wird oft das Symbol D(λ) als Bezugnahme auf Gruppengeschwindigkeitsdispersion
der ersten Ordnung benutzt und die Einheiten sind typischerweise
Picosekunden pro Nanometer- Kilometer (ps'nm-km). Gruppengeschwindigkeitsdispersion
der zweiten Ordnung wird dann unter Verwendung von Einheiten von λps/nm2-km als Derivierte in bezug auf die Wellenlänge von
D(λ) ausgedrückt.
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Neben
chromatischer Dispersion können
der Glasfaser eigene Kerr-Effekt-Nichtlinearitäten ihre Übertragungsfähigkeiten
begrenzen. Bei diesen Nichtlinearitäten erhöht sich der Brechungsindex
mit der Stärke
eines angelegten optischen Signals. Durch Änderungen des Faser-Brechungsindexes wird
die Phase eines die Faser durchlaufenden optischen Signals moduliert
und damit das Signalfrequenzspektrum neu verteilt. In Mehrkanalsystemen, in
denen ein Signal die Modulation anderer Signale veranlaßt, zeigt
sich dieses Phänomen
als die Signalwellenlänge
umgebende unerwünschte
spektrale Seitenbänder.
Diese Nichtlinearitäten
werden gewöhnlich
als Vierwellenmischung (FWM – four-wave mixing),
Phaseneigenmodulation (SPM – self-phase modulation)
und Phasenquermodulation (XPM – cross-phase
modulation) eingestuft. Für
Fernkommunikation über
optische Faser müssen
Dispersion und Nichtlinearitäten
geregelt, kompensiert oder unterdrückt werden.
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Weiterhin
werden diese Nichtlinearitäten noch
schlimmer, wenn die in die Faser eingekoppelte optische Leistung
ansteigt. Wenn die entlang den optischen Fasern entlanggeführten Informationen
mit immer schnelleren Raten moduliert werden, steigt die pro Kanal
benutzte Leistung mit entsprechender Verschlechterung optischer
Nichtlinearitäten
an. Zur gleichen Zeit werden auch Fasern mit niedriger Dispersion
weitläufig
eingesetzt und optische Systeme mit dichten Wellenlängenmultiplex
(DWDM – dense wavelength
division multiplexing) werden als die Lösung für einen steigenden Bedarf an
Informationskapazität
betrachtet. Diese letzten zwei Faktoren tragen auch zum Verschlimmern
der Erzeugung der oben erwähnten
unerwünschten
spektralen Seitenbänder aufgrund
von FWM bei. Darüber
hinaus steigen bei Verwendung von Fasern mit geringer Dispersion
wie auch bei Verringerung des Kanalabstandes die XPM- und SPM-Nachteile
an. Verfahren zum Erniedrigen der in diesen Seitenbändern vorhandenen
optischen Leistung und zum Verringern dieser Nichtlinearitäten sind
daher für
optische Telekommunikationssysteme sehr erwünscht.
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Ein
Verfahren des Standes der Technik zum Überwinden der Gegenwart dieser
Nichtlinearitäten ist
die Verwendung von optischer Phasenkonjugation in Spannenmitte.
Da die Phasenkonjugierte eines optischen Impulses im Effekt eine
Zeitumkehr des Impulses ist, erlaubt ein am Mittelpunkt einer optischen Faserspanne
angebrachter optischer Phasenkonjugator die Kompensation einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion
der ersten Ordnung der ersten Spannenhälfte durch die identische Gruppengeschwindigkeitsdispersion
der ersten Ordnung bei Ausbreitung des konjugierten Signals entlang
der zweiten Spannenhälfte.
In dem S. Watanabe am 25. August 1998 erteilten
US-Patent 5,798,853 wird eine solche
optische Phasenkonjugationsanordnung des Standes der Technik beschrieben.
Wie besprochen kann optische Phasenkonjugation (OPC – optical
phase conjugation) in Spannenmitte die Gesamtnichtlinearitäten in der
Faser auf Grundlage des gleichen Arguments der Zeitumkehr verringern,
solange die Absorption in der Faser gering ist.
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Ein
weiteres Übertragungssystem
mit optischer Phasenkonjugation ist aus
EP-A-0 776 103 bekannt.
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Ein
verbleibendes Problem bei dieser und anderen Lösungen des Standes der Technik
für das Problem
der Fasernichtlinearität
besteht darin, daß optische
Phasenkonjugation nur in Situationen mit niedriger Faserabsoption
anwendbar ist. Da Absorption naturgemäß eine Funktion der Faserlänge ist,
ist das optische Phasenkonjugationsverfahren des Standes der Technik
am besten für
Situationen mit kurzer Spanne geeignet. Da die Tendenz in der Industrie
zu immer längeren
Spannen neigt (und da Nichtlinearitäten in der Tat für längere Spannen
problematischer sind) verbleibt ein Bedarf, sich mit den Fasernichtlinearitäten in Langstrecken-Kommunikationssystemen
zu befassen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der
im Stand der Technik verbleibende Bedarf wird durch die vorliegende
Erfindung nach Anspruch 1 angesprochen, die sich auf ein optisches Übertragungssystem
mit optischer Phasenkonjugation mit darin enthaltener Raman-Verstärkung zum Verringern
der Gegenwart von Vierwellenmischung und anderen Kerr- Effekt-Nichtlinearitäten in der Übertragungsfaser
bezieht.
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Gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung wird die Phasenkonjugationskompensation durch
Einfügen
von Raman-Verstärkung
in jede Faserspanne (oder in alternative Faserspannen in einer anderen
Ausführungsform)
verbessert, um symmetrische Leistungsverteilung entlang der Faserlänge zu ermöglichen.
Durch Bereitstellen dieser Verstärkung in
den angegebenen Spannen werden Vierwellenmischung und sonstige Nichtlinearitäten bedeutsam verringert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird jedes Raman-Verstärkungssignal
als in bezug auf die Ausbreitungsrichtung des (der) Informationssignal(e)
entgegengesetzt ausbreitendes Signal angelegt. Als Alternative können entgegengesetzt
ausbreitende Raman-Pumpen nur in denjenigen Faserspannen benutzt
werden, die der OPC-Vorrichtung folgen.
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Es
ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß das Raman-Verstärkungsverfahren
zur Bereitstellung symmetrischer Leistungsverteilung um einen optischen
Phasenkonjugator herum mit praktisch jeder Konjugatoranordnung benutzt
werden kann.
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Sonstige
und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Verlauf
der nachfolgenden Besprechung und mit Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen offenbar werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nunmehr auf die Zeichnungen
bezugnehmend zeigt
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1 ein
optisches Übertragungssystem des
Standes der Technik mit einer Darstellung der optischen Leistungsverteilung
entlang der Länge
des Systems;
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2 einen
beispielhaften optischen Phasenkonjugator;
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3 eine
graphische Darstellung der Ergebnisse optischer Phasenkonjugation
unter Verwendung des in Kaskade geschalteten optischen χ(2) Phasenkonjugators der 2;
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4 eine
Darstellung eines hypothetischen optischen Übertragungssystems mit symmetrischer Leistungsverteilung
entlang der Länge
des Übertragungssystems;
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5 ein
beispielhaftes Übertragungssystem
der vorliegenden Erfindung mit Raman-Verstärkung in jeder Faserspanne,
wo sich entgegengesetzt ausbreitende Raman-Verstärkung zur Bereitstellung symmetrischer Leistungsverstärkung eingeführt wird;
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6 eine
graphische Darstellung der Verbesserung der symmetrischen Leistungsverteilung Dank
der Aufnahme von Raman-Verstärkung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; 7(a)-7(c) einem 10-Gb/s-WDM-Netz
zugeordnete Augendiagramme, die die Leistungsverbesserung bei Verwendung
von Raman-Verstärkung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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8(a)-8(c) einem
40-Gb/s-WDM-Netz zugeordnete Augendiagramme, die die Leistungsverbesserung
bei Verwendung von Raman-Verstärkung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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9 eine
graphische Darstellung eines Vergleichs von optischer Ausgangsleistung
als Funktion von Wellenlänge
für ein
System des Standes der Technik mit der Anordnung der vorliegenden
Erfindung, die besonders die mit der vorliegenden Erfindung mögliche Seitenkeulenverringerung
darstellt; und
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10 eine
beispielhafte "Raman-Verstärkungseinheit" mit Raman-Verstärkung nur
in der dem OPC folgenden Spanne, wobei diese Einheit mehrfach wiederholt
werden kann, um die gewünschte Länge eines
optischen Übertragungssystems
zu erreichen.
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Ausführliche Beschreibung
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In 1 ist
ein optisches Übertragungssystem 10 mit
optischer Phasenkonjugation des Standes der Technik dargestellt.
Das System 10 enthält
einen optischen Signalsender 12 an einem Ende eines aus einer
Anzahl von zwischen aufeinanderfolgenden optischen Faserabschnitten 16 angeordneten
Faserverstärkern 14 bestehenden
optischen Faserübertragungsweges.
Die Verstärker
können
beispielsweise erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA – erbium-doped fiber amplifiers)
sein, die die Dämpfung
der optischen Faser kompensieren und so beabstandet sind, daß sie eine
verlustlose Leistungsverteilung über
den gesamten Übertragungsweg
annähern.
Nach der Darstellung ist am entgegengesetzten Ende des Übertragungsweges
ein optischer Empfänger 18 angeordnet.
Auch enthält
das System 10 einen in "Spannenmitte" des Systems befindlichen
optischen Phasenkonjugator (OPC – optical phase conjugator) 20,
der eine Phasenkonjugierte eines Eingangssignals zum Kompensieren
der Effekte chromatischer Dispersion und sonstiger Nichtlinearitäten in der
Faser erzeugt. Der OPC 20 erfordert keine genaue Kenntnis
der Dispersion jeder Faserspanne solange der Mittelpunkt zugängig ist
und die zwei sich ergebenden Hälften ähnliche
Summendispersion erzeugen. Auch ist in 1 eine (vereinfachte)
graphische Darstellung der optischen Leistungsverteilung entlang
jeder Hälfte
des Übertragungssystems
dargestellt.
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2 zeigt
einen beispielhaften OPC 20, der als in Kaskade geschaltete,
in einem hochwirksamen nichtlinearen Material ausgebildete Nichtlinearitäts-(χ(2))-Vorrichtung
zweiter Ordnung wie beispielsweise periodisch polarisierte LiNbO3-(PPLN)-Wellenleiter definiert ist. Es versteht
sich, daß dieser
bestimmte optische Phasenkonjugator nur beispielhaft ist und es
in der Technik verschiedene Anordnungen zur Bereitstellung optischer
Phasenkonjugation gibt. Im allgemeinen benutzt ein optischer Phasenkonjugator
ein starkes Pumpsignal bei ωp, das gleichzeitig mit Informationssignalen
bei verschiedenen ωs eingekoppelt wird. Bei dieser bestimmten
OPC-Vorrichtung liegen sowohl Pumpe als auch Signale im 1,5-μm-Band. Die
Pumpfrequenz wird im Wellenleiter auf 2ωp verdoppelt
und gleichzeitig mit den Signalen Differenzfrequenz gemischt, um
wellenlängenverschobene
Ausgaben ωout = 2ωp-ωs zu erzeugen. Das umgewandelte elektrische
Feld ist die komplexe Konjugierte des elektrischen Eingangssignalfeldes,
ein Merkmal, das zur Umkehr des Chirpens der Eingangssignale benutzt
werden kann.
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Bezugnehmend
auf 2 ist der OPC 20 als ein periodisch polarisiertes
LiNbO3-Wellenleitersubstrat 22 enthaltend
dargestellt, in das sowohl ein Pumpsignal mit vorbestimmter Wellenlänge λP als auch
(im vorliegenden Beispiel) eine Mehrzahl von mit Wellenlängen λA-λD modulierten
Informationssignalen eingekoppelt wird. Insbesondere benutzt eine χ(2)-basierende
Vorrichtung für
1,5-μm-Band-Wellenlängenumwandlung
eine Pumpe im Bereich 1550 nm. Das Pumpsignal wird zuerst durch
einen erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) 24 verstärkt und
dann zum Unterdrücken
etwaiger vorhandener verstärkter
spontaner Emission (ASE) durch ein optisches Bandpaßfilter 26 gefiltert.
Dieses verstärkte und
gefilterte Pumpsignal wird dann mit den vier verschiedenen optischen
Signalen kombiniert und in den PPLN-Wellenleiter 22 eingekoppelt. 3 zeigt die
Ausgabe von PPLN-Wellenleiter 22 und zeigt sowohl den Eingangssignalen
(A, B, C und D) zugeordnete Spektra und die vom PPLN-Wellenleiter 22 erzeugten
phasenkonjugierten Signale (D',
C', B', A'). Aus der graphischen
Darstellung der 3 ist klar, daß der Umwandlungswirkungsgrad
für jede
Wellenlänge/jeden
Kanal im wesentlichen identisch ist. Weitere Einzelheiten der Eigenschaften
und Funktionsweisen eines optischen Phasenkonjugators können an
anderer Stelle in der Literatur eingesehen werden und werden nicht
als für
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bedeutsam erachtet.
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Wie
oben erwähnt
besteht ein Problem bei der in 1 gezeigten
Anordnung des Standes der Technik darin, daß optische Phasenkonjugation
am besten für
Systeme geeignet ist, wo die Faserabsorption gering ist (aus dem
Standpunkt der Beseitigung von Nichtlinearitäten), wodurch die Nützlichkeit
von OPC auf relativ kurze Faserspannen begrenzt wird. Bezugnehmend
auf 1 ist klar, daß zum Zeitpunkt, wenn das Signal
OPC 20 erreicht, die optische Leistung bedeutsam verringert
ist. Im Idealfall ist OPC am wirkungsvollsten in Systemen, die "symmetrische" Leistungsverteilung
wie in 4 gezeigt aufweisen. Dies ist eindeutig eine hypothetische
Situation, da Faserabsorption stets eine Leistungsverringerung bewirken
wird.
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Durch
die Anordnung der vorliegenden Erfindung wird diese Begrenzung durch
Einfügen
von Raman-Verstärkung
in jede Faserspanne zur Bereitstellung von "symmetrischer" Leistungsverteilung in beiden Hälften des Übertragungssystems überwunden. 5 zeigt
ein beispielhaftes entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildetes
optisches System 100, wo den in 1 dargestellten ähnliche
Bestandteile eine zusätzliche "0" in ihrer Bezugsziffer enthalten. Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist in dem System 100 eine erste
Raman-Quelle 2201 enthalten und
zur Bereitstellung von Verstärkung
entlang dem ersten Faserabschnitt 1601 benutzt,
und eine zweite Raman-Quelle 2202 ist
wie gezeigt angeordnet, um Verstärkung
entlang des zweiten Faserabschnitts 1602 bereitzustellen.
Als Ergebnis der Raman-Verstärkung
wird die optische Leistung entlang jeder getrennten Spanne wie in
den in 6 enthaltenen graphischen optischen Leistungsverteilungsdarstellungen
gezeigt im wesentlichen "symmetrisch" sein. Die Leistung
des OPC 200 wird daher bedeutsam verbessert und kann nunmehr
allgemein für Spannen
beliebiger Länge
benutzt werden.
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7 und 8 zeigen
die Linearitätsverbesserung,
die durch Einschließen
von Raman-Verstärkung
nach dem OPC gemäß der vorliegenden
Erfindung erreicht werden kann. Insbesondere zeigt 7(a) das
dem Mittenkanal eines WDM-Netzes mit 10-Gb/s und 10 × 80 km
zugeordnete Augendiagramm des "Standes
der Technik". Es
wurde der Mittenkanal zur Auswertung gewählt, da dieses Gebiet den höchsten Pegel
von Kreuzphasenmodulation aufweist. 7(b) zeigt
das dem gleichen Kanal zugeordnete Augendiagramm bei Verwendung
einer herkömmlichen
OPC-Vorrichtung
in Spannenmitte. Nach der Darstellung verbleibt ein relativ großer Betrag
Rauschen entlang dem Pegel der "logischen
1" des Augendiagramms. 7(c) enthält demgegenüber ein Augendiagramm für den gleichen
Mittelkanal des 10-Gb/s-Systems, diesmal mit Raman-Verstärkung in
der OPC-Vorrichtung folgenden Faserspanne. 8(a)-8(c) enthalten ähnliche Augendiagramme für ein WDM-Netz
mit 40-Gb/s und 10 × 80 km.
In beiden Fällen
ist gezeigt, daß das
Einschließen
von Raman-Verstärkung
die Gegenwart von sowohl Phaseneigenmodulation als auch Kreuzphasenmodulation
bedeutsam verringert.
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Die
mit der Implementierung der vorliegenden Erfindung erreichten Ergebnisse
sind in der graphischen Darstellung der 9 dargestellt.
Die in 9 dargestellten Spitzen A bezeichnen unveränderte WDM-Kanäle bei ihrer
Ausbreitung durch 160 km Faser. Die stärkeren Spitzen (1)
sind die gewünschten
WDM-Kanäle,
schwächere
Spitzen (2) sind das Ergebnis von Vierwellenmischung und
sonstigen Nichtlinearitäten.
Demgegenüber
sind Spitzen B einem System der vorliegenden Erfindung zugeordnet
und zeigen deutlich die bedeutsame Verringerung von Vierwellenmischungs-Seitenbändern (d.h. die
schwächeren
Spitzen (2) bezüglich
der Stärke und
Spitzen (2) der gewünschten
WDM-Kanäle.
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In
der Anordnung der vorliegenden Erfindung nach der Darstellung in 5 sind
Raman-Quellen 220 so angeordnet, daß sie sich entgegengesetzt
ausbreitende Verstärkungssignale
für beide
Faserspannen 1601 und 1602 ermöglichen. In ihrer allgemeinsten
Form können
jedoch Kerr- Effekt -Nichtlinearitäten gemäß der vorliegenden Erfindung durch
Einschließen
einer Raman-Pumpe nur in der einer OPC-Vorrichtung folgenden Faserspanne
kompensiert werden. 10 zeigt diese verallgemeinerte Anordnung
der vorliegenden Erfindung wie auch die zugehörigen Leistungsverteilungsspektren.
Nach der Darstellung durchläuft
ein optisches Signal zuerst einen Verstärker 300 (vorzugsweise
einen EDFA) und wird an einen ersten Abschnitt optischer Übertragungsfaser 310 angekoppelt.
Die mit dem die Spanne 310 durchlaufenden Signal angesammelte
nichtlineare Phase ist durch den schattierten Teil der der Spanne 310 zugeordneten
Leistungsverteilung dargestellt. Das optische Signal durchläuft dann
einen (dem oben beschriebenen funktionsähnlichen) OPC 320 und
ist in einen zweiten Abschnitt optischer Übertragungsfaser 330 eingekoppelt.
Zum Einkoppeln des Verstärkungssignals
in das Ausgangsende der Faser 330 wird eine Raman-Pumpenquelle 340 benutzt.
Die dieser zweiten Faserspanne 330 zugeordnete Leistungsverteilung
ist auch in 10 dargestellt, die im schattierten
Gebiet deutlich die Kompensation – am Faserende durch die die
im Eingangsteil des Faserabschnitts 310 gegenwärtige Nichtlinearität ausgeglichen
wird. Im allgemeinen läßt sich
eine Anordnung wie die der 10 viele Male
wiederholen, um die gewünschte
Gesamtlänge eines
vollständigen Übertragungssystems
zu erreichen.
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Es
versteht sich, daß diese
und andere Anordnungen der vorliegenden Erfindung bei einem beliebigen
Typ optischer Phasenkonjugationsanordnung nützlich sind, und die in 2 gezeigte
bestimmte Ausführungsform
nur als beispielhaft anzusehen ist. Im allgemeinen wird erachtet,
daß der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung nur durch den Umfang der hier
beigefügten
Ansprüche
begrenzt ist.