DE60128756T2

DE60128756T2 - Verfahren zur Bestimmung der Eingangsleistung eines optischen Wellenlängenmultiplexierten Übertragungssystems

Info

Publication number: DE60128756T2
Application number: DE60128756T
Authority: DE
Inventors: Fabio 87046 Montalto Uffugo Cavaliere; Edoardo Mongiardini
Original assignee: Ericsson AB
Current assignee: Ericsson AB
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: EP1180861B1; EP1180861A3; DE60128756D1; EP1180861A2; US6657779B2; NO20013999L; US20020044340A1; RU2001123251A; JP2002141868A; AU6187601A; IT1320596B1; ATE364264T1; ITTO20000808A0; NO20013999D0; ITTO20000808A1; ZA200106216B

Description

Diese Erfindung betrifft ein optisches Übertragungssystem, in dem Datenübertragungssignale über einen gemeinsamen Lichtwellenleiterweg mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Farben gesendet werden. Ein derartiges System wird als Wellenlängenmultiplex (wavelength division multiplex – WDM) bezeichnet, und es erlaubt die effiziente Nutzung eines Lichtwellenleiterwegs.
Fasergruppengeschwindigkeitsdispersion war das bedeutendste Problem, als vor einigen Jahren Einkanalsysteme eingeführt wurden, die nahe dem Minimum der Faserdämpfung (ca. 1550 nm) arbeiten. Um dieses Problem zu überwinden, wurde dispersionsverschobene Lichtwellenleiter konzipiert, bei denen das Minimum der Gruppengeschwindigkeitsdispersion nahe 1550 nm auftritt. Fasern dieser Art wurden für optische Übertragungsnetze in großem Umfang installiert. Die Einführung des optischen Verstärkers sowie Fortschritte bei der Laserherstellung ermöglichen nunmehr die Beförderung vieler Kanäle mit hohen Bitraten über sehr lange Entfernungen mit unterschiedlichen Wellenlängen (WDM). Leider sind nichtlineare Lichtwellenleitereigenschaften bei hohen Leistungen, die von optischen Verstärkern in die Faser eingeführt werden, beträchtlich und beeinträchtigen die Funktion von Bitfehlerraten (bit error rates – BER) in großem Maße, wodurch ein Kanalnebensprechen hervorgerufen wird.
In der US 5,446,812 ist ein System offenbart, umfassend einen Sender und einen Empfänger, die über einen optischen Übertragungsweg gekoppelt sind. Periodische Verstärkung wird durch eine Reihe optischer Verstärker bewirkt. Der Verstärker und der Empfänger sind jeweils mit einem entsprechenden Bandpassfilter ausgestattet, dessen Bandpass dem Extinktionsband des Kerbfilters entspricht. Die Bandpassfilter bilden jeweils Teil einer entsprechenden optischen Rauschmessschaltung, die diesem Verstärker zugeordnet ist. Ein Überwachungssystem steuert jeden Systemverstärker als Antwort auf Signale, die über einen Überwachungskanal von jedem Verstärker zurückempfangen werden. Das Überwachungssystem stellt insbesondere die selektive Steuerung der Verstärkung jedes Verstärkers auf einen Wert bereit, der seinem Signal-Rausch-Verhältnis entspricht, wobei das Summensignal-Rausch-Verhältnis des Übertragungssystems maximiert werden soll.
Es hat sich im Wesentlichen als schwierig herausgestellt, die Leistung optischer Signale, die in ein WDM-System eingekoppelt werden, zu erhöhen, ohne eine inakzeptable Bitfehlerrate zu verursachen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens für den Betrieb eines optischen Übertragungssystems auf effizientere Art und Weise.
Gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen der Einkoppelleistung eines optischen WDM-Übertragungssystems mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender verstärkter Bereiche, die gemeinsam eine Übertragungsstrecke bilden, den Schritt des Setzens der Verstärkerleistung an jedem Verstärker auf den oder nahe demselben Maximalwert, bei dem sowohl das optische Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund der verstärkten Spontanemission (OSNR_ase) als auch das optische Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund von Vierwellenmischung (OSNR_fwm) jeweils über entsprechenden vorbestimmten Schwellenwerten am Ende der Übertragungsstrecke liegen.
Bei einer gegebenen Einkoppelleistung am Anfang jedes Bereiches der Übertragungsstrecke sind die aktuellen Werte von OSNR_ase und OSNR_fwm gegenseitig abhängig, und es wird vorzugsweise ein iterativer Prozess verwendet, um die optimale maximale Einkoppelleistung zu bestimmen, die nicht zu einer inakzeptabel hohen Bitfehlerrate führt.
Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen der Einkoppelleistung eines optischen WDM-Übertragungssystems mit einer verstärkten Übertragungsstrecke, die Schritte:

(a) Setzen der Verstärkerleistung am Anfang der Übertragungsstrecke,
(b) Bestimmen des Signal-Rausch-Verhältnisses aufgrund verstärkter Spontanemission (OSNR_ase) und des optischen Signal-Rausch- Verhältnisses aufgrund von Vierwellenmischung (OSNR_fwm) am Ende der Übertragungsstrecke,
(c) Vergleichen des OSNR_ase bzw. OSNR_fwm mit einem jeweiligen vorbestimmten Schwellenwert,
(d) Ändern der Verstärkerleistung,
(e) Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d), bis sich die Verstärkerleistung auf oder nahe einem Maximalwert befindet, während sowohl OSNR_ase als auch OSNR_fwm die jeweiligen Schwellenwerte überschreiten.

Die Übertragungsstrecke umfasst vorzugsweise eine Vielzahl aufeinanderfolgender verstärkter Bereiche. In diesem Fall befindet sich jede Verstärkerleistung vorzugsweise auf demselben Wert.
Die Erfindung soll weiter anhand eines Beispieles mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Darin zeigen:
1 ein optisches WDM-Übertragungssystem,
2 ein derartiges zur Durchführung der Erfindung angepasstes System,
3 und 4 erklärende Diagramme
5 und 6 Diagramme, bezogen auf die Berechnung des OSNR_fwm und
7 ein Diagramm bezogen auf die Berechnung des OSNR_ase.
Gemäß 1 besteht das optische WDM-Übertragungssystem aus einer optischen Senderanordnung 1, die ein optisches WDM-Signal über eine aus drei Bereichen 2, 3, 4 bestehende Übertragungsstrecke an eine optische Empfängeranordnung 5 überträgt. Die Senderanordnung weist eine Anzahl individueller optischer Signalgeber 6 auf, die jeweils ein optisches Kanalsignal mit unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen. Diese Kanalsignale werden über Fasern 7 eines Multiplexers 8 gesendet, wo sie zusammengeführt werden, während die Trägerwellenlänge jedes Kanals beibehalten wird, und werden von einem Hochleistungsverstärker 9 über den den ersten Bereich 2 aufweisenden Lichtwellenleiter eingekoppelt. Optische Verstärker 10 und 11 verstärken die optischen Signale für eine Weiterübertragung über die Bereiche 3 bzw. 4 zum Empfang an der Empfängeranordnung 5.
Ein Eingangsverstärker 12 verstärkt die empfangenen optischen Kanäle, bevor diese vom Demultiplexer 13 demultiplexiert, d.h. ausgekoppelt und über separate Fasern 14, von welchen jede einen einzigen optischen Kanal befördert, an entsprechende Empfänger 15 gesendet werden.
Es ist häufig erforderlich, dass die Bereiche 2, 3, 4 eine beträchtliche Länge aufweisen, vielleicht mehrere hundert Kilometer, so dass es notwendig ist, die optischen Signale mit hoher Leistung über jeden Bereich einzukoppeln, um für die Signaldämpfung zu sorgen, die zwangsweise in einer langen Faser auftritt. Optische Signale unterliegen einer Verzerrung und Dispersion, wenn sie über eine optische Faser übertragen werden.
Gemäß 2 wird an der optischen Empfängeranordnung 5 das empfangene optische Signal von einem OSNR-Monitor 20 überwacht, der die Werte von OSNR_ase und OSNR_fwm berechnet. Diese Werte werden an den Komparatoren 21 und 22 mit entsprechenden Schwellenwerten von OSNR_ase und OSNR_fwm verglichen, welche die minimal akzeptablen Werte für die Übertragungsstrecke darstellen. Die Ergebnisse der Vergleiche werden an eine Verstärkersteuereinheit 23 weitergegeben, die eine Anpassung der Verstärkerleistung der Verstärker 9, 10 und 11 bewirkt.
FWM ist der dominante nichtlineare Effekt in WDM-Systemen, die auf der Basis von dispersionsverschobenen Fasern arbeiten. Es ist ein nichtlinearer Prozess, in dem drei Wellen mit Frequenzen f_i, f_j, f_k (k ≠ i, j) in der optischen Faser miteinander in Wechselwirkung stehen, um eine neue Welle mit der Frequenz fijk = fi + fj – fk zu erzeugen.
Die 3 zeigt neue Frequenzen, die durch Vierwellenmischung (four wave mixing – FWM) erzeugt werden. Zwei Phänomene können die Erkennung des digitalen Signals beeinflussen:

1) Leistungsverarmung: Kanalleistung geht teilweise zur FWM-Frequenz über.
2) Nebensprechen: Die FWM-Frequenz deckt sich mit einem oder mehreren der übertragenen Kanäle.

Das Nebensprechen stellt eine wesentliche Beeinträchtigung in WDM-Systemen dar, und es kann aufgezeigt werden, dass es ansteigt, wenn die Faserdispersion niedrig ist, wie es in dispersionsverschobenen Fasern vorkommt, und das Nebensprechen ist proportional der dritten Potenz der Kanalleistung.
Eine derzeit angewendete Lösung zur Vermeidung von FWM-Nebensprechen besteht in der Anordnung der Kanalfrequenzen derart, dass keine Produktmischung auf einen der Kanäle fällt. Dieses Erfordernis kann nur dann erfüllt werden, wenn die Kanäle ungleichmäßig beabstandet sind. Die Verwendung eines ungleichen Kanalabstandes erforderte für eine gegebene Anzahl von Kanälen eine größere Bandbreite als bei gleichmäßig beabstandeten Kanälen.
Die Erfindung erlaubt das Befördern einer größeren Anzahl von Kanälen als diejenige, die aus einer Berücksichtigung des FWM-Effekts hervorgeht, wobei die gleichen Verstärker auf Standardsystemen verwendet werden, ohne dass eine Änderung von Übertragungs- Lind Lichtwellenleiterspezifikationen erforderlich ist.
Die vorgeschlagene Regel, um zu entscheiden, welches Maß von Nebensprechen in WDM-Systemen, die auf einer dispersionsverschobenen Faser arbeiten, toleriert werden kann, basiert auf der folgenden Gleichung: OSNR = (OSNRase -1 + OSNRfwm -1)-1 wobei
OSNR_ase das Verhältnis zwischen der Kanalleistung und der verstärkten spontanen Emissionsleistung ist. Es steigt linear mit der Leistung der Kanäle.
OSNR_fwm das Verhältnis zwischen der Kanalleistung und der Leistungssumme sämtlicher FWM-Produkte ist, die auf den Kanal fällt. Auf Standardfasern ist sein Wert Null. Es sinkt mit der zweiten Potenz der Leistung der Kanäle.
Diese Gleichung berücksichtigt ASE und FWM als zusätzliche unabhängige Rauschbeiträge. Es ist ein Ausgleich notwendig, um die Leistung der Kanäle herauszufinden, die beide minimiert.
Um die maximal erlaubte Leistung am Anfang jedes Bereiches zu bestimmen, sind die Schritte wie folgt:

1. Wähle einen OSNR-Wert, damit das System mit einem ausreichenden Spielraum arbeiten kann, um mit einem ausgewählten BER-Wert zu arbeiten. Dies geschieht durch die Auswahl desselben Arbeitspunktes auf der Standardfaser. Die 4 zeigt eine Arbeitskurve für einen festen Wert von OSNR, welche die Beiträge aus OSNR_ase und OSNR_fwm zeigt. Ein akzeptables System arbeitet zur oberen rechten Seite der Kurve. Für Stabilität ist eine Funktion bis nahe des oberen Endes 30 der Kurve bevorzugt.
2. Setze die Verstärkerausgangsleistungen für die Verstärker 9, 10, 11 auf beliebige Pegel. Vorzugsweise ist jede Ausgangsleistung für sämtliche Verstärker dieselbe und befindet sich nahe bei oder auf ihrem maximalen Wert.
3. Berechne das OSNR_ase am Empfänger 5.
4. Überprüfe, dass der OSNR_ase-Wert größer ist als der in Schritt 1 ausgewählte OSNR-Sollwert. Ist dies der Fall, gehe weiter zu Schritt 5. Anderenfalls erhöhe die Verstärkerausgangsleistungen und gehe zu Schritt 3 zurück.
5. Berechne das OSNR_fwm.
6. Überprüfe, dass es größer ist als der in Schritt 1 ausgewählte OSNR-Sollwert. Ist dies der Fall, gehe weiter zu Schritt 8; anderenfalls zu Schritt 7.
7. Tausche einen Verstärker gegen einen Regenerator aus, wodurch die Übertragungsstrecke in zwei Abschnitte geteilt wird, und starte die Prozedur bei Schritt 1 erneut. Ist dies unmöglich, ist die Übertragungsstrecke nicht realisierbar.
8. Berechne das OSNR aus den Werten von OSNR_ase und OSNR_fwm.
9. Ist es gleich oder größer als der Soll-OSNR-Wert, ist die Übertragungsstrecke realisierbar. Anderenfalls, wenn OSNR_ase größer ist als der OSNR-Sollwert, senke die Verstärkerausgangsleistungen und gehe zu Schritt 3 zurück, oder, wenn OSNR_ase kleiner ist als der OSNR-Sollwert, gehe zu Schritt 7.

Mit Bezugnahme auf die 5 und 6 für die Berechnung des OSNR_fwm, besteht die gesamte Übertragungsleitung aus M Abschnitten sowie (M-1) in Reihe angeordneten Verstärkern. Der Repeaterabstand ist über die Übertragung hinweg derselbe: Dies ist eine gute Näherung, weil die FWM nur in den ersten Kilometern jedes Bereiches effizient ist, wo die Kanalleistung höher ist. Damit ist sie nicht von der Länge des Bereiches abhängig. Der Gewinn jedes Verstärkers wird angepasst, um die Übertragungsdämpfung des Bereiches direkt vor dem Verstärker auszugleichen: Dies ist die eigentliche Situation, wenn sämtliche Verstärker in einem Sättigungsbereich arbeiten. Somit ist der Signalleistungssausgang von einem in Reihe angeordneten Verstärker, d.h. die Fasereingangsleistung, für jeden Abschnitt gleich. Ein Abschnitt besteht aus N Faserlängen mit unterschiedlicher Nulldispersionswellenlänge, die als gleichmäßig entlang einer Länge vorausgesetzt wird. Die Länge jeder Faser ist gleich. Für diese Systemkonfiguration wird FWM-Licht bei f_F = f₁ + f₂ – f₃ bewertet, wobei f₁, f₂ und f₃ die Lichtfrequenzen übertragener Signale sind. Die Polarisationszustände jedes Lichtes werden als über die Übertragung hinweg angepasst vorausgesetzt.
Die folgenden Bezeichnungen sind für die obige Systemkonfiguration vorgesehen:

1. M Anzahl der Abschnitte
2. N Anzahl der Fasern in einem Abschnitt
3. L₀ Länge einer Faser
4. L = NL₀ Länge eines Abschnitts
5. α Lichtwellenleiterdämpfungskoeffizient
6. κ Konstante Darstellung der FWM-Effizienz im phasenangepassten Zustand
7. E₁ ^(mn) f₁ Lichtfeld am Anfang der Faser n in Abschnitt m.
8. E₂ ^(mn) f₂ Lichtfeld am Anfang der Faser n in Abschnitt m.
9. E₃ ^(mn) f₃ Lichtfeld am Anfang der Faser n in Abschnitt m.
10. E_F ^(mn) FWM-Lichtfeld am Anfang der Faser n in Abschnitt m.
11. β₁ ^(mn) Ausbreitungskonstante für f₁ in der Faser n im Abschnitt m
12. β₂ ^(mn) Ausbreitungskonstante für f₂ in der Faser n im Abschnitt m
13. β₃ ^(mn) Ausbreitungskonstante für f₃ in der Faser n im Abschnitt m
14. β_F ^(mn) Ausbreitungskonstante für FWM in der Faser n im Abschnitt m
15. Δβ^(mn) = β₁ ^(mn) – β₂ ^(mn) – β₂ ^(mn) – β_F ^(mn) =
17. S ist die Dispersionssteilheit
18. f₀ ^(nm ⁾ Nulldispersionsfrequenz der Faser n in Abschnitt m.

Die endgültige FWM-Leistung ist:
Gewöhnlich werden f₀ ^(mn) als Gauß-verteilte Zufallsvariablen gebildet. Deshalb ist auch P_fwm eine Zufallsvariable, deren Verteilung durch Verwendung einer Monte-Carlo-Methode festgestellt werden kann.
In DWDM-Systemen mit Nch-Kanälen ist das OSNR_fwm bezogen auf den m'ten Kanal:
wobei

• P^(m) die Leistung des m'ten Kanal ist
• P_fwm ^(i,j,k) die von den Kanälen i'ter, j'ter und k'ter erzeugte FWM-Leistung ist, berechnet gemäß

Mit Bezugnahme auf die 7 für die Berechnung des OSNR_ase, erzeugt jeder optische Verstärker ASE-Rauschen gemäß
wobei

• ASE die verstärkte spontane Emissionsrauschleistung (W) ist;
• h die plancksche Konstante (J·s) ist;
• f₀ die Arbeitsfrequenz (Hz) ist;
• NF die optische Verstärker-Rauschzahl ist;
• G der optische Verstärkungsfaktor ist;
• M_t die Anzahl der Polarisationszustände (M_t = 1 or 2) ist;
• B_o die optische Bandbreite (Hz) ist.

Sowohl NF als auch G sind von der Wellenlänge sowie der Gesamteingangsleistung abhängig.
Die Signal- und Rauschausbreitung in einer optischen Übertragungsstrecke bei in Reihe angeordneten Verstärkern lässt sich gemäß den folgenden Gleichungen berechnen:
Signalausbreitung: S_i = G_i{S_i-1 – L_i) – L_i + S_i-1 dBm;
Rauschausbreitung: N_i = G_i{S_i-1 – Li) – Li + N_i-1 + ASE_i dBm; (i = 1, ..., n)
wobei

• S_i die Kanalleistung in dBm hinter dem i'ten optischen Leitungsverstärker ist (i = 1, ..., n-1);
• S₀ die Kanalleistung in dBm hinter dem Einkoppelungsbooster ist;
• S_n die Kanalleistung in dBm hinter dem letzten Vorverstärker ist;
• N_i die Rauschleistung in dBm hinter dem i'ten optischen Leitungsverstärker auf einer B₀-Bandbreite um einen Kanal herum ist (i = 1, ..., n-1);
• N₀ die Rauschsignalleistung in dBm pro durch den Booster erzeugten Kanal ist, wie in Gleichung 4 berechnet;
• N_n die Rauschleistung in dBm pro Kanal hinter dem letzten Vorverstärker ist;
• ASE_i das durch den i'ten Verstärker erzeugte Rauschen ist, wie in Gleichung 4 berechnet;
• L_i die i'te Bereichsdämpfung ist (in dB);
• G_i{.} der i'te optische Verstärkungsfaktor in dB ist, in Abhängigkeit der Gesamteingangsleistung;
• n die Anzahl der Bereiche ist.

Schließlich, OSNR (dB) = Sn – Nn

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Einkoppelleistung eines optischen WDM-Übertragungssystems mit einer verstärkten Übertragungsstrecke, umfassend die Schritte: (a) Setzen der Verstärkerausgangsleistung für die Weiterübertragung am Anfang der Übertragungsstrecke, (b) Bestimmen des Signal-Rausch-Verhältnisses aufgrund verstärkter Spontanemission (OSNR_ase) und des Signal-Rausch-Verhältnisses aufgrund von Vierwellenmischung (OSNR_fwm) am Ende der Übertragungsstrecke, (c) Vergleichen des OSNR_ase bzw. OSNR_fwm mit einem jeweiligen vorbestimmten Schwellenwert, (d) Ändern der Verstärkerausgangsleistung, (e) Wiederholen der Schritte (b), (c) und (d), bis sich die Verstärkerleistung auf oder nahe einem Maximalwert befindet, während sowohl OSNR_ase als auch OSNR_fwm die jeweiligen Schwellenwerte überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsstrecke eine Vielzahl aufeinanderfolgender verstärkter Bereiche (2–4) umfasst und Schritt (d) auf jedem Verstärker (9–11) am Anfang eines Bereiches (2–4) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich die in jeden Bereich (2–4) eingekoppelte verstärkte Leistung auf demselben Wert befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein iterativer Prozess verwendet wird, um die optimale maximale Einkoppelleistung zu bestimmen, die nicht zu einer Bitfehlerrate führt, die höher als ein ausgewählter Wert liegt.