DE60130930T2

DE60130930T2 - Polarisationsmodendispersion-kompensator

Info

Publication number: DE60130930T2
Application number: DE60130930T
Authority: DE
Inventors: Jens C. Kawasaki-shi RASMUSSEN; George Kawasaki-shi Ishikawa
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-09-01
Also published as: JP4527396B2; DE60130930D1; EP1421716A1; US20040131298A1; WO2003021821A1; US6865305B2; JP2005502265A; EP1421716B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Polarisationsmodusdispersions-(PMD)Kompensator, der verwendet wird, um Signalverzerrung wegen PMD für optische Signale hoher Geschwindigkeit in dem Fall entgegenzuwirken, wo die Übertragungsstrecke oder Bitrate durch die PMD der Übertragungsspanne (Übertragungsleitung) begrenzt ist.
Stand der Technik
Die Nachfrage nach höherer Kapazität optischer Übertragungssysteme steigt kontinuierlich. Um den Umfang von Daten zu erhöhen, der innerhalb einer spezifischen Zeitperiode durch eine optische Faser übertragen werden kann, existieren prinzipiell zwei Verfahren. Während ein Verfahren Wellenlängenmultiplex (WDM, wavelength division multiplexing) ist, ist das andere Verfahren Zeitmultiplex (TDM, time division multiplexing).
Um Datenraten in der Größenordnung mehrerer Terabit/s zu realisieren, muss eine Kombination von TDM und WDM verwendet werden. Eine Verringerung der Zahl von Kanälen in einem WDM-System, während die Bitrate erhöht wird, die jeder Kanal transportiert, hat mehrere Vorteile. Frühere Systeme haben mit 2,5 Gbit/s gearbeitet, aktuelle Systeme machen von 10 Gbit/s pro Kanal Gebrauch, und zukünftige Systeme werden mit 40 Gbit/s oder sogar noch höheren Datenraten arbeiten.
Bei der Erhöhung von Datenraten wird jedoch eine Erscheinung, die sogenannte Polarisationsmodusdispersion (PMD), eine die Übertragungsstrecke begrenzende physikalische Eigenschaft einer optischen Faser. Ein PMD-Wert von z. B. 5 ps beeinträchtigt ein Signal mit einer Datenrate von 2,5 Gbit/s mit einer Bitdauer von 400 ps in dem Fall nicht, wo ein Nichtrückkehr-zu-Null (NRZ, nonreturn-to-zero) Modulationsformat verwendet wird. Der gleiche PMD-Wert von 5 ps kann aber in dem Fall von 10-Gbit/s-Signalen (NRZ-Bitdauer ist gleich 100 ps) zu Signalverzerrung beitragen, und verzerrt ein 40-Gbit/s-Signal stark (NRZ-Bitdauer ist gleich 25 ps) stark.
Noch schlechter ist, dass PMD eine statistische Eigenschaft wegen der Umweltabhängigkeit von Doppelbrechung und Moduskopplung einer Einzelmodusfaser ist. Dies bedeutet, dass mit einiger Wahrscheinlichkeit die momentane differenzielle Gruppenverzögerung (DGD, differential group delay) viel höher oder geringer als die mittlere DGD, d. h. PMD, der Faser sein kann. Während die momentane DGD nur die sogenannte PMD 1. Ordnung ist, die einer Wahrscheinlichkeitsverteilung nach Maxwell folgt, existiert zusätzlich PMD höherer Ordnung mit einer eigenen statistischen Verteilung wegen der zufälligen Moduskopplung.
Jene sind z. B. die DGD-Neigung und die Rotationsrate der Hauptzustände von Polarisation (PSP, principal states of polarization), die die PMD-Koeffizienten 2. Ordnung sind. Einem Fachmann ist gut bekannt, dass mehrere Definitionen von PMD höherer Ordnung existieren. Es ist hier zu betonen, dass in dem Fall, wo ein Signal nicht akzeptabel hohe Verzerrung wegen akkumulierter PMD über die gewünschte Übertragungsstrecke erfährt, ein aktives und adaptiv abstimmbares Kompensationsverfahren erforderlich ist, um diesem Typ von Signalverschlechterung entgegenzuwirken.
Neben elektrischen und hybriden elektrisch-optischen Kompensationsschemata wurden rein optische Schemata vorgeschlagen. Unter ihnen werden im folgenden die rein optischen Kompensationsschemata erörtert.
Alle Kompensationsschemata erfordern eine Verzerrungsanalyseeinrichtung auf der Empfängerseite. Die Verzerrungsanalyseeinrichtung sieht Rückkopplung zu einer Steuerlogik mit einem dedizierten Algorithmus vor, um die Parameter einer Kompensationseinrichtung derart abzustimmen, dass das Signal eine minimale Verzerrung erfährt. Im allgemeinen kann man rein optische PMD-Kompensationsschemata 1. Ordnung in die folgenden drei Kategorien klassifizieren:

1. Ein Polarisationskonverter, der sich auf der Senderseite befindet

1 zeigt ein System, das diesen Typ eines Kompensators enthält. Das System enthält einen Sender 11 (Tx), einen Polarisationswandler 12 (PC), eine Übertragungsspanne 13, einen Empfänger 14 (Rx) und einen Verzerrungsanalysator 15.
In diesem System analysiert der Verzerrungsanalysator 15 Verzerrung eines optischen Signals in der Übertragungsspanne 13 und gibt ein Rückkopplungssignal zu dem Polarisationswandler 12 aus. Gemäß dem Rückkopplungssignal stimmt der Polarisationswandler 12 den Eingangszustand von Polarisation auf einen der zwei Eingangs-PSP der Übertragungsspanne 13 adaptiv ab (T. Ono, Y. Yano, L. D. Garrett, J. A. Nagel, M. J. Dickerson, und M. Cvijetic, "10 Gb/s PMD compensation filed experiment over 452 km using principal state transmission method, "OFC'99, paper PD44, 1999).
Der Kompensator macht von der Tatsache Gebrauch, dass in dem Fall, wo der Zustand des Signals von Polarisation zu einem der Eingangs-PSP der Übertragungsspanne ausgerichtet ist, der Ausgangszustand von Polarisation nicht von einer Wellenlänge zu der ersten Ordnung abhängt. Dies impliziert ferner, dass unter dieser Startbedingung das Signal geringste Verzerrung erfährt.

2. Ein Polarisationswandler, gefolgt durch eine Polarisationsunterhaltungsfaser (PMF, polarization maintaining fiber), die sich auf der Empfängerseite befindet

2 zeigt ein System, das diesen Typ von Kompensator enthält. Das System enthält den Sender 11, die Übertragungsspanne 13, den Empfänger 14, einen Polarisationswandler 21, eine PMF 22 und einen Verzerrungsanalysator 23. Der Polarisationsmodusdispersionskompensator (PMDC) besteht aus dem Polarisationswandler 21 und der PMF 22.
In diesem System muss der Polarisationswandler 21 den Eingangshauptzustand von Polarisation (PSP) der verketteten Übertragungsspanne 13 und PMDC auf den Zustand von Eingangspolarisation adaptiv abstimmen (C. Francia, F. B. Bruyère, J. P. Thiéry, und D. Penninckx, "Simple dynamic polarisation mode dispersion compensator", Electronics Letters, Vol. 35, Nr. 5, S. 414–415, 1999; H. Ooi, Y. Akiyama und G. Ishikawa, "Automatic polarization-mode dispersion compensation in 40-Gbit/s transmission", OFC'99, paper WE5, S. 86–88, 1999).
Dies zeigt gute Ergebnisse, bis die momentane DGD der Übertragungsspanne geringer als ein Wert ist, der etwas kleiner als die DGD der PMF des PMDC ist. Falls die momentane DGD der Übertragungsspanne höher als dieser Wert wird oder den DGD-Wert der PMF des PMDC überschreitet, besteht ein besseres Verfahren darin, den schnellen Eigenzustand (eigenstate) der PMF auf den langsamen Ausgangs-PSP der Übertragungsspanne abzustimmen. Hier stellt ein Eigenzustand eine Charakteristik eines Mediums dar, und ein Zustand von Polarisation stellt eine Charakteristik eines optischen Signals oder Lichts dar.
Unter jenen Umständen wird die DGD der Übertragungsspanne teilweise kompensiert. Die Rest-DGD der verketteten Übertragungsspanne und des PMDC ist die Differenz zwischen der momentanen DGD der Übertragungsspanne und der DGD der PMF.

3. Ein Polarisationswandler, gefolgt durch einen Polarisationsstrahlensplitter (PBS, polarization beam splitter), eine abstimmbare Differenzialgruppenverzögerungsleitung und eine Polarisationsstrahlenkombinationseinrichtung (PBC, polarization beam combiner), die sich auf der Empfängerseite befinden

3 zeigt ein System, das diesen Typ eines Kompensators enthält. Das System enthält den Sender 11, die Übertragungsspanne 13, den Empfänger 14, einen Polarisationswandler 31, einen PBS 32, eine abstimmbare Verzögerung 33, eine PBC 34 und einen Verzerrungsanalysator 35.
In diesem System muss der Polarisationswandler 31 seinen schnellen Eigenzustand von Polarisation auf den langsamen Ausgangs-PSP der Übertragungsspanne adaptiv abstimmen, und des weiteren seine DGD auf die momentane DGD der Übertragungsspanne abstimmen (F. Heismann, D. A. Fishman und D. L. Wilson, "Automatic compensation of first-order polarization mode dispersion in a 10 Gb/s transmission system", ECOC'98, S. 529–530, 1998).
Alle der oben erwähnten Schemata, um Signalverzerrung wegen PMD entgegenzuwirken, kompensieren nur sogenannte PMD 1. Ordnung. Sie berücksichtigen nicht, dass die DGD und der PSP Funktionen der Wellenlänge sind.
4, 5 und 6 zeigen jeweils typische Funktionen der DGD gegenüber der Wellenlänge von Fasern mit PMD = 5, 10 und 20 ps. In 4, 5 und 6 werden die Funktionen der DGD in einem Wellenlängenbereich zwischen 1545 nm und 1555 nm gezeigt. 7, 8 und 9 zeigen jeweils eine typische Variation des PSP gegenüber der Wellenlänge von Fasern mit PMD = 5, 10 und 20 ps. In 7, 8 und 9 wird die Variation des PSP in einem Bereich einer Wellenlänge λ zwischen 1545 nm und 1555 nm in 0,01-nm-Intervallen unter Verwendung der Poincaré-Kugeldarstellung gezeigt. Ein schwarzer Punkt repräsentiert einen Punkt auf der Vorderseite der Kugel, während ein weißer Punkt einen Punkt auf ihrer Rückseite repräsentiert. Die dargestellten Grafiken der DGD und des PSP sind Simulationsuntersuchungen aus Gründen der Klarheit entnommen.
Die spektrale Breite eines modulierten Signals ist nicht unendlich klein. Während die spektrale Komponente in der mittleren Wellenlänge eines modulierten Signals Verzerrung wegen PMD nach Kompensation 1. Ordnung nicht erfährt, tun es die anderen spektralen Komponenten (C. D. Poole und R. E. Wagner, "Phenomenological approach to polarisation dispersion in long single-mode fibers," Electronics Letters, Vol. 22, No. 19, S. 1029–1030, 1986). Schlechter noch, kompensieren die Kompensationsschemata, die in 2 und 3 gezeigt werden, die sich auf der Empfängerseite befinden, die DGD in der mittleren Wellenlänge, fügen aber zusätzliche PMD für die spektralen Komponenten hinzu, die von der mittleren Wellenlänge weg sind.
Um auch sogenannte PMD höherer Ordnung zu kompensieren, muss die PMD-Charakteristik des Kompensationsschemas umgekehrt zu der PNP-Charakteristik der Übertragungsspanne passen (R. Noé, D. Sandel, M. Yoshida-Dierolf, S. Hinz, V. Mirvoda, A. Schöpflin, C. Glingener, E. Gottwald, C. Scheerer, G. Fischer, T. Weyrauch und W. Haase, "Polarization mode disper sion compensation at 10, 20, and 40 Gb/s with various optical equalizers," Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, Nr. 9, 1999).
Für die oben kurz erörterten Kompensationsschemata 1. Ordnung kann dies nur für die mittlere Wellenlänge des Signals erfüllt werden. Um das Kompensationsleistungsverhalten mittels Anpassung der PMD-Charakteristik der Übertragungsspanne für alle oder mindestens die spektralen Komponenten des Signals nahe der mittleren Wellenlänge weiter zu verbessern, wurden Mehrstufen-PMD-Kompensationsschemata vorgeschlagen.
Jene bestehen entweder aus Stufen, die einen Polarisationswandler und eine Leitung variabler Verzögerung umfassen (D. A. Fishman, F. L. Heismann und D. L. Wilson, "Method and apparatus for automatic compensation of first-order polarization mode dispersion (PMD)", US-Patent Nr. 5,930,414 ) oder einem Polarisationswandler und einer fixierten DGD (z. B. PMF) (S. Hinz, D. Sandel, M. Yoshida-Dierolf, R. Noé, R. Wessel und H. Suche, "Distributed fiberoptic PMD compensation of a 60 ps differential group delay at 40 Gbit/s", ECOC'99, S. II 136–11 137, 1999).
10 zeigt ein System gemäß dem ersteren Mehrstufen-PMD-Kompensationsschema. Dieses System enthält 1. bis n-te Kompensatoren 41 und einen Verzerrungsanalysator 42. Jeder der Kompensatoren 41 besteht aus dem Polarisationswandler 31, dem PBS 32, der abstimmbaren Verzögerung 33 und der PBC 34, die in 3 gezeigt werden. Hingegen zeigt 11 ein System gemäß dem letzteren Mehrstufen-PMD-Kompensationsschema. Dieses System enthält 1. bis n-te Kompensatoren 51 und einen Verzerrungsanalysator 52. Jeder der Kompensatoren 51 besteht aus dem Polarisationswandler 21 und der PMF 22, die in 2 gezeigt werden.
Durch einen Fachmann wird gut verstanden, dass sich mit einer Erhöhung der Zahl von Stufen das prinzipielle Leistungsverhalten erhöhen wird. Je mehr Stufen verwendet werden, desto besser kann die PMD-Charakteristik der Übertragungsspannung durch den PMDC angepasst werden. Es erhöht sich aber auch die Komplexität wegen hinzugefügtem Freiheitsgrad. Die erhöhte Komplexität wird es schwierig machen, die PMD-Charakteristik des Kompensationsschemas adaptiv abzustimmen. Eine mathematische Beschreibung von PMD macht von dem so genannten PMD-Vektor Gebrauch (J. P. Gordon und H. Kogelnik, "PMD fundamentals: Polarization mode dispersion in optical fibers", PNAS, Vol. 97, Nr. 9, S. 4541–4550, 2000). Der PMD-Vektor P → kann in seine zwei Komponenten τ (DGD) und p → (PSP) wie folgt getrennt werden. P →(ω) = τ(ω)·p →(ω)) (1)
Während die DGD auch als PMD 1. Ordnung bezeichnet wird, werden PMD-Parameter 2. Ordnung durch Ableiten von P → mit Bezug auf die Frequenz ω wie folgt kalkuliert.
Die PMD 2. Ordnung besteht aus einer polarisationsabhängigen chromatischen Dispersions- dτ(ω) / d(ω) [ps/nm] (DGD-Neigung) Komponente und der Rotationsrate des PSP
Die Rotationsrate des PSP wird in Einheiten von Radian pro Nanometer gemessen. Es führt zu der Wirkung, dass jede spektrale Komponente eines modulierten Signals ihren eigenen zugehörigen PSP hat. Abhängig von dem Zustand von Eingangspolarisation des modulierten Signals wird die Leistung jeder spektralen Komponente in ihre zugehörigen zwei PSP gesplittet (das Verhältnis von Leistungssplittung hängt von einem Winkel zwischen dem Zustand von Eingangspolarisation des Signals und dem PSP der Faser in der jeweiligen Wellenlänge ab), wodurch die zwei Polarisationskomponenten eine DGD erfahren.
Eine weitere Ableitung führt zu PMD-Parametern 3. Ordnung wie folgt.

repräsentieren die chromatische Dispersionsneigung bzw. die Änderungsrate von PSP-Rotation. In dem Fall, dass die Vektorsumme des PMD-Vektors der Übertragungsspanne und des PMD-Vektors eines PMD-Kompensators mindestens innerhalb der spektralen Bandbreite des modulierten Signals Null ist, wird Signalverzerrung wegen PMD perfekt gemildert.
Da perfekte Milderung eine gewaltige Zahl von DGD-Sektionen erfordert, die durch Polarisationswandler verschachtelt sind (Y. Li, A. Eyal und A. Yariv, "Higher order error of discrete fiber model and asymptotic bound an multistaged PMD compensation", Journal of Lightwave Technology, Vol. 18, Nr. 9, S. 1205–1213, 2000), ist Steuergeschwindigkeit begrenzt und Gesamtgröße und Zahl erforderlicher Komponenten macht diesen Typ eines perfekten oder nahezu perfekten Kompensationsschemas mindestens aus wirtschaftlicher Sicht nicht attraktiv.
Weniger Stufen werden immer eine Restverzerrung wegen PMD höherer Ordnung hinterlassen, für deren Kompensation sie nicht gestaltet sind (P. Ciprut et al., "Second-order polarization mode dispersion: Impact an analog and digital transmissions", Journal of Lightwave Technology, Vol. 16, Nr. 5, S. 757–771, 1998; C. Francia, F. Bruyère, D. Penninckx und M. Chbat, "PMD second-order effects an pulse propagation in single-mode op tical fibers," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, Nr. 12, S. 1739–1741, 1998). Für eine gegebene Übertragungsspannung mit einem spezifischen und nicht zu hohen PMD-Wert sind aber jene Schemata in der Lage, den PMD-Vektor umgekehrt teilweise anzupassen. Dies führt zu irgend einem Rest, aber reduzierter Strafe, die für Systemgestaltungsbetrachtungen zu berücksichtigen ist.
12 gibt ein klares Bild für abgedeckte Bereiche des Auftretens von PMD-Parametern 1. (DGD) und 2. Ordnung (PSP-Rotationsrate) in realen Fasern. Für Einzelmodusfasern (SMFs) mit PMD-Werten von 4, 8 und 16 ps wurden 5 × 10⁵ Realisierungen eines realistischen Fasermodells mit 1000 linearen doppelbrechenden Segmenten untersucht (W. Weiershausen, R. Leppla, F. Köppers, and H. Schöll, "Polarization-mode dispersion in fibre transmission: Theoretical approach, impact an systems, and suppression of signal-degradation effects", ECOC'99, S. II 130–II 133, 1999). 12 zeigt die PSP-Rotationsrate gegen über der momentanen DGD. Während die momentane DGD der gut bekannten Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion nach Maxwell folgt (hier nicht gezeigt), verringert sich die maximale auftretende PSP-Rotationsrate mit steigender DGD.
Literaturstelle XP-000871255 "Automatic polarisation mode dispersion compensation in 40 Gbit/s optical transmission system" von Sandel et al, veröffentlicht in electronic letters volume 34, Nr. 23 vom 12. November 1998, offenbart Korrektur für Polarisationsmodusdispersion unter Verwendung von drei Polarisationsmodusdispersions-Strafextraktionssignalen. Differenzialgruppenverzögerungen von mehr als einer Bitdauer werden in einem 40-Gbit/s-Optikübertragungssystem kompensiert.
Offenbarung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen PMDC vorzusehen, der die PMD 1. und höherer Ordnung einer optischen Übertragungsleitung mit reduzierter Komplexität kompensiert.
Der PMDC gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abstimmungseinrichtung eines Hauptzustands von Polarisation (PSP) und eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung. Die PSP-Abstimmungseinrichtung richtet einen PSP einer Verkettung der optischen Übertragungsleitung und des PMDC zu einem Eingangszustand von Polarisation (SOP, state of polarization) eines optischen Signals, das zu der optischen Übertragungsleitung eingegeben wird, aus. Die Moduskopplungsabstimmungseinrichtung stimmt Moduskopplung in dem PMDC ab.
Die PSP-Abstimmungseinrichtung entspricht z. B. einem Polarisationswandler und wandelt einen beliebigen Eingangs-SOP zu einem beliebigen Ausgangs-SOP. Die Moduskopplungsabstimmungseinrichtung kann sowohl DGD als auch PSP-Rotationsrate des PMDC durch Ändern von Moduskopplung abstimmen. Da die PSP-Abstimmungseinrichtung von der Moduskopplungsabstimmungseinrichtung getrennt und unabhängig steuerbar ist, wird PMD 1. und höherer Ordnung kompensiert. Obwohl die Moduskopplungsabstimmungseinrichtung nicht irgend einen Eingangs-SOP zu einem beliebigen Ausgangs-SOP wandeln kann, wird sie durch eine einfachere Einrichtung als einen Polarisationswandler realisiert.
Somit kompensiert der PMDC gemäß dem ersten Aspekt nicht nur die PMD 1. Ordnung, sondern auch PMD höherer Ordnung mit reduzierter Komplexität.
Der PMDC gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine PSP-Abstimmungseinrichtung, ein erstes doppelbrechendes Element folgend der PSP-Abstimmungseinrichtung, eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung folgend dem ersten doppelbrechenden Element und ein zweites doppelbrechendes Element folgend der Moduskopplungsabstimmungseinrichtung. Die PSP-Abstimmungseinrichtung richtet einen PSP einer Verkettung der optischen Übertragungsleitung und des PMDC zu einem Eingangs-SOP eines optischen Signals, das zu der optischen Übertragungsleitung eingegeben wird, aus. Die Moduskopplungsabstimmungseinrichtung stimmt Moduskopplung in dem PMDC ab.
Die PSP-Abstimmungseinrichtung entspricht z. B. einem Polarisationswandler, und jedes der ersten und zweiten doppelbrechenden Elemente entspricht einer doppelbrechenden Einrichtung, wie etwa einer PMF, die PMD einführt. Die Moduskopplungsabstimmungseinrichtung kann sowohl DGD als auch PSP-Rotationsrate des PMDC durch Ändern von Moduskopplung der ersten und zweiten doppelbrechenden Elemente abstimmen. Die Moduskopplungsabstimmungseinrichtung wird durch eine einfachere Einrichtung als einen Polarisationswandler wie in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung realisiert.
Somit kompensiert der PMDC gemäß dem zweiten Aspekt nicht nur die PMD 1. Ordnung, sondern auch PMD höherer Ordnung mit reduzierter Komplexität.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt das erste PMD-Kompensationsschema 1. Ordnung.
2 zeigt das zweite PMD-Kompensationsschema 1. Ordnung.
3 zeigt das dritte PMD-Kompensationsschema 1. Ordnung.
4 zeigt eine Funktion von DGD einer Faser mit PMD = 5 ps gegenüber der Wellenlänge.
5 zeigt eine Funktion von DGD einer Faser mit PMD = 10 ps gegenüber der Wellenlänge.
6 zeigt eine Funktion von DGD einer Faser mit PMD = 20 ps gegenüber der Wellenlänge.
7 zeigt eine Variation von PSP einer Faser mit PMD = 5 ps gegenüber der Wellenlänge.
8 zeigt eine Variation von PSP einer Faser mit PMD = 10 ps gegenüber der Wellenlänge.
9 zeigt eine Variation von PSP einer Faser mit PMD = 20 ps gegenüber der Wellenlänge.
10 zeigt das erste Mehrstufen-PMD-Kompensationsschema.
11 zeigt das zweite Mehrstufen-PMD-Kompensationsschema.
12 zeigt eine PSP-Rotationsrate gegenüber einer momentanen DGD.
13 zeigt ein zweistufiges PMD-Kompensationsschema.
14 zeigt eine Rotation von Eigenachsen von PMFs, wobei der relative Winkel zwischen ihnen unverändert ist.
15 zeigt eine Beziehung zwischen abgestimmter DGD und PSP-Rotationsrate.
16 zeigt eine Abhängigkeit von DGDs von dem Winkel zwischen Eigenachsen von PMFs.
17 zeigt eine Abhängigkeit von PSP-Rotationsraten von dem Winkel zwischen Eigenachsen von PMFs.
18 zeigt den ersten zweistufigen PMDC.
19 zeigt den zweiten zweistufigen PMDC.
20 zeigt den dritten zweistufigen PMDC.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Hierin nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung durch Verweisen auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
Ein PMD-Kompensationsschema, das im Prinzip in der Lage ist, seine Charakteristik abzustimmen, derart, dass es die DGD und die PSP-Rotationsrate der Übertragungsspanne in der mittleren Wellenlänge des modulierten Signals umgekehrt abstimmt, besteht aus z. B. zwei Stufen von Polarisationswandler und PMF, wie in 13 gezeigt.
Das in 13 gezeigte System enthält den Sender 11, die Übertragungsspanne 13, den Empfänger 14, den Polarisationswandler der ersten Stufe 61, die PMF der ersten Stufe 62, den Polarisationswandler der zweiten Stufe 63, die PMF der zweiten Stufe 64 und einen Verzerrungsanalysator 65. Der Verzerrungsanalysator 65 analysiert Verzerrung eines optischen Signals nach der PMF der zweiten Stufe 64 und gibt ein Rückkopplungssignal zu den Polarisationswandlern 61 und 63 aus. In diesem Fall bilden die Polarisationswandler 61 und 63 und die PMFs 62 und 64 einen PMDC, und die Polarisationswandler 61 und 63 können durch z. B. die folgenden Mittel realisiert werden.

– viele rotierende Wellenplatten
– viele Faserpressen
– drehbare Faserspulen
– integrierte optische Realisierung (z. B. in einem LiNbO₃-Träger)
– Soleil-Babinet-Kompensator (Kristall oder faseroptisch)
– viele abstimmbare doppelbrechende Platten (z. B. LiNbO₃, spezielle Keramik)
– viele Sektionen von Flüssigkeitskristallen
– temperaturabgestimmte PMF-Sektionen
– viele Fasersektionen, die von dem Faraday-Effekt Gebrauch machen, oder eine Kombination der obigen prinzipiellen Schemata.

In diesem zweistufigen Kompensationsschema arbeitet, während der Polarisationswandler 63 zwischen den PMFs 62 und 64 als eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung arbeitet und die DGD und die PSP-Rotationsrate der PMFs abstimmt, der Polarisationswandler 61 vor der PMF 62 als eine PSP-Abstimmungseinrichtung und stimmt den PSP des PMDC gegenüber dem PSP der Übertragungsspanne 13 ab. Er steuert ferner die Richtung, in der die Hauptzustände des PMDC rotieren. Da dieses Schema nicht nur DGD in der mittleren Wellenlänge kompensiert, sondern auch eine PSP-Rotationsrate abstimmt, ist sein Leistungsverhalten im Prinzip höher als das eines einstufigen Kompensationsschemas.
Bei genauerer Betrachtung eines zweistufigen Kompensationsschemas, wodurch jede Stufe aus einem Polarisationswandler und einer PMF besteht, kann gezeigt werden, dass die Komplexität ohne Begrenzung des Leistungsverhaltens oder Abstimmungsbereiches reduziert werden kann.
Es ist gut bekannt, dass die DGD (PMD 1. Ordnung) der Verkettung von zwei PMFs nur von dem relativen Winkel φ zwischen den Eigenzuständen der PMFs abhängt. Die DGD ist mittels z. B. mechanischer Rotation um den Winkel φ abstimmbar, und folgt der folgenden Gleichung.
wodurch τ₁ und τ₂ die DGD-Werte der ersten bzw. zweiten PMF sind.
Das Hauptergebnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nicht nur die DGD, sondern auch die PSP-Rotationsrate (Teil der PMD 2. Ordnung) nur von dem relativen Winkel φ zwischen den Eigenzuständen der PMFs abhängt. Rotieren der Eigenachsen der PMFs, während der relative Winkel φ zwischen ihnen konstant gehalten wird, ändert nicht die DGD oder PSP-Rotationsrate. Dieses Verhalten wird mit den zwei Poincaré-Kugeln in 14 veranschaulicht.
In 14 repräsentieren schwarze Punkte Eigenzustände einer Verkettung des zweiten Polarisationswandlers und der zweiten PMF mit dem relativen Winkel φ der Werte 0°, 10°, 20°, ..., 80°, und der schwarze Punkt 71 entspricht dem Eigenzustand der ersten PMF. Weiße Punkte repräsentieren Hauptzustände einer Verkettung der ersten PMF, des zweiten Polarisationswandlers und der zweiten PMF mit den gleichen Werten von φ in einem Bereich einer Wellenlänge zwischen 1549,95 nm und 1550,05 nm. Mit einem steigenden Winkel φ (0° ≤ φ ≤ 90°) verringert sich die DGD (von τ₁ + τ₂ zu |τ₁ – τ₂|), und die PSP-Rotationsrate erhöht sich. Von der Kugel auf der linken Seite 72 zu der Kugel auf der rechten Seite 73 ändert sich der absolute Winkel der Eigenachse, während der relative Winkel φ zwischen den Eigenachsen konstant gehalten wird. Mit diesem Typ einer Änderung ändern sich die Funktionen der DGD und PSP-Rotationsrate nicht.
In 15 ist die Beziehung zwischen abgestimmter DGD und PSP-Rotationsrate dargestellt, um den Abstimmungsbereich eines zweistufigen Kompensationsschemas weiter zu verdeutlichen. Beispielhaft gezeigt wird die DGD und PSP-Rotationsratenabhängigkeit für zweistufige Kompensatoren mit einer DGD der Sektionen (Stufen) von 10, 20 und 40 ps. Die DGD pro Sektion ist ungefähr gleich der DGD der PMF, da die DGD des Polarisationswandlers, falls richtig aufgebaut, vernachlässigbar ist. Die gleichen Grafiken werden unabhängig davon erhalten, ob ein vollständig funktionsfähiger Polarisationswandler zwischen den PMF-Sektionen platziert ist oder die PMFs zueinander rotiert werden.
In 16 und 17 wird die Abhängigkeit der DGD bzw. der PSP-Rotationsrate von dem Winkel zwischen den Eigenachsen der PMFs gezeigt. Die Abhängigkeit wird für ein zweistufiges Kompensationsschema mit einer DGD der Sektionen von 10, 20 und 40 ps beispielhaft dargestellt.
Falls z. B. der Polarisationswandler durch Verwenden variabler doppelbrechender (0–2π Retardanzbereich) Platten hergestellt wird, sind mindestens drei Platten erforderlich, um die Wandlung irgend eines Eingangs-SOP zu einem beliebigen Ausgangs-SOP zu erlauben, und es ist ein Steuersignal erforderlich, um jede Platte zu steuern. Dies bedeutet, dass ein zweistufiger PMDC mindestens 6 Rückkopplungssignale von dem Verzerrungsanalysator erfordert. Bei Ersetzung des zweiten Polarisationswandlers zwischen den PMFs durch eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung, wie etwa einen Phasenschieber, was durch Verwenden z. B. einer variablen doppelbrechenden Platte realisiert werden kann, wird die Zahl von notwendigen Steuersignalen von 6 auf 4 reduziert. Da ein Polarisationswandler die Polarisation in einem sphärischen Koordinatensystem rotiert, werden die Freiheitsgrade von 4 auf 3 für den zweistufigen PMDC mit reduzierter Komplexität reduziert.
Für eine Realisierung des oben beschriebenen zweistufigen PMD-Kompensationsschemas mit reduzierter Komplexität sind die folgenden Realisierungen möglich.
1. Mechanische Rotation der PMF
18 zeigt ein System, das diesen Typ eines zweistufigen PMDC enthält. Dieses System hat eine Konfiguration ähnlich zu der, die in 13 gezeigt wird, mit Ausnahme dessen, dass der zweite Polarisationswandler 63 durch eine mechanische Dreheinrichtung 71 ersetzt wird, die als eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung arbeitet.
2. Einfügung einer drehbaren Wellenplatte (Retardationsplatte) zwischen den PMFs
19 zeigt ein System, das diesen Typ eines zweistufigen PMDC enthält. Dieses System hat eine Konfiguration ähnlich zu der, die in 13 gezeigt wird, mit Ausnahme dessen, dass der zweite Polarisationswandler 63 durch eine drehbare Wellenplatte 81 ersetzt wird. Die drehbare Wellenplatte 81 ist ein fixierter Phasenschieber mit abstimmbaren Eigenzuständen und arbeitet als eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung.
3. Einfügung einer variablen doppelbrechende Platte zwischen den PMFs
20 zeigt ein System, das diesen Typ eines zweistufigen PMDC enthält. Dieses System hat eine Konfiguration ähnlich zu der, die in 13 gezeigt wird, mit Ausnahme dessen, dass der zweite Polarisationswandler 63 durch eine variable doppelbrechende Platte 91 ersetzt wird. Die variable doppelbrechende Platte 91 ist ein abstimmbarer Phasenschieber und arbeitet als eine Moduskopplungsabstimmungseinrichtung.
Für die in 19 und 20 gezeigten Systeme ist es am besten, die Polarisationsunterhaltung im Winkel derart auszurichten, dass Eigenachsen übereinstimmen. In dem in 19 gezeigten System ist die Retardation der drehbaren Wellenplatte am besten λ/2. Dies würde sicherstellen, dass der gleiche Abstimmungsbereich mittels mechanischer Rotation realisiert werden kann, wie in 18 gezeigt. Während eine geringere Retardation einen Abstimmungsbereich reduziert, reduziert eine höhere Retardation den Abstimmungsbereich nicht, sondern führt zu einer stärkeren Abhängigkeit von DGD und PSP-Rotationsrate vom Rotationswinkel. In dem in 20 gezeigten System ist es am besten, dass die variable doppelbrechende Platte 91 mit ihrer Eigenachse um einen Winkel von 45° mit Bezug auf die Eigenachse der PMFs ausgerichtet wird. Um den gleichen Abstimmungsbereich wie mittels mechanischer Rotation zu realisieren, sollte die Doppelbrechung zwischen 0 und 2π variabel sein.
Alle drei Realisierungsmöglichkeiten haben den Vorteil reduzierter Komplexität im Vergleich zu Kompensationsschemata, die von einem kaskadierten Polarisationswandler und PMF ohne Begrenzung des Operationsbereiches Gebrauch machen. Dies erlaubt im Prinzip, die notwendige Steuerlogik einfacher zu machen und die Geschwindigkeit zu steigern, in der der Steueralgorithmus die Charakteristik des Kompensators adaptiv ändern kann, um die PMD-Charakteristik der Übertragungsspanne anzupassen.
Obwohl die PMF der zwei Sektionen eine DGD zu einem Lichtstrahl einführt, der sich in ihr ausbreitet, kann auch ein beliebiges doppelbrechendes Element (oder eine DGD-Einrichtung) verwendet werden, um eine DGD einzuführen. Dies kann durch die folgenden Mittel realisiert werden.

1. Doppelbrechende Kristalle (z. B. Titandioxid (TiO₂), Yttriumorthovanadat (YVO₄), natürlicher Calcit (CaCO₃))
2. Eine integrierte optische Einrichtung, wo die Doppelbrechung des Trägers (LiNbO₃) verwendet wird, um die DGD zu realisieren
3. Eine Kombination eines PBS, unterschiedlicher Pfadlängen und einer PBC

Um den Abstimmungsbereich des vorgeschlagenen zweistufigen Kompensationsschemas auf den PMD-Wert der Übertragungsspanne anzupassen, können des weiteren nicht notwendigerweise gleiche DGDs für die zwei Sektionen ausgewählt werden.
Aus einem physikalischen Gesichtspunkt werden mögliche Steueralgorithmen (Operationsverfahren) für den zweistufigen PMDC wie folgt beschrieben.
1. Operationsverfahren:

a) Abstimmen von DGD des PMDC mit einer Moduskopplungsabstimmungseinrichtung derart, dass die DGD maximal ist (PSP-Rotationsrate = 0°/Ghz)
b) Ausrichten eines PSP des gesamten Systems (die Verkettung der Übertragungsspannung und des PMDC) zu dem Eingangs-SOP eines optischen Signals, was zu der Übertragungsspanne durch den Sender eingegeben wird, mit dem ersten Polarisationswandler →1. einfache Kompensation Ordnung
c) Reduzieren der DGD des PMDC mit der Moduskopplungsabstimmungseinrichtung, während dennoch der PSP des gesamten Systems zu dem Eingangs-SOP ausgerichtet ist, bis die PSP- Rotationsrate des gesamten Systems minimiert ist → PSP-Rotationsratenkompensation 2. Ordnung
d) Arbeiten durch das zweite Operationsverfahren, das nachstehend beschrieben wird, bis die DGD des PMDC geringer als die DGD der Übertragungsspanne wird.

2. Operationsverfahren:

a) Abstimmen der DGD des PMDC mit der Moduskopplungsabstimmungseinrichtung, derart, dass die DGD der DGD der Übertragungsspanne gleich ist
b) Rotieren des PSP des PMDC mit dem ersten Polarisationswandler, bis er mit dem Ausgangs-PSP der Übertragungsspanne ausgerichtet ist

Durch Durchführen der Operationen a)–c) des ersten Operationsverfahrens wird der PSP des gesamten Systems zu dem Eingangs-SOP in spektralen Komponenten in einem breiteren Wellenlängenbereich ausgerichtet, d. h. nicht nur in der mittleren Wellenlänge, sondern auch in den anderen spektralen Komponenten in dem Bereich.
Wegen dem statistischen Wesen von PMD kann es jedoch passieren, dass die DGD der Übertragungsspanne höher als die höchste abstimmbare DGD des PMDC wird. In diesem Fall ist das erste Operationsverfahren nicht länger anwendbar, und der PMDC führt eine Operation gemäß dem zweiten Operationsverfahren durch. Es gibt eine gewisse Grauregion, falls die DGD der Übertragung nur etwas höher als die höchste abstimmbare DGD ist.
In dieser Region kann das erste Operationsverfahren zu einer besseren Signalverbesserung als das zweite Operationsverfah ren führen. Je größer die Differenz zwischen maximalen DGDs der Übertragungsspanne und des PMDC ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass das erste Operationsverfahren Erfolg hat. Es wird auch ausgeführt, dass das erste Operationsverfahren besser arbeiten kann, selbst wenn die DGD der Übertragungsspanne geringer als die maximale DGD des PMDC ist. Beide Verfahren können in dieser Region alternativ verwendet werden, und es kann nicht allgemein entschieden werden, welches besser arbeitet.
Während sich die Beschreibung der Ausführungsformen auf ein PMD-Kompensationsschema konzentriert, erfordert ein PMD-Kompensationssystem ferner ein Rückkopplungssignal, das Information über Signalverzerrung überträgt, um einer Steuerlogik zu ermöglichen, variable Parameter des Kompensationsschemas adaptiv abzustimmen. Um einen PMDC mit dem vorgeschlagenen zweistufigen Schema zu realisieren, ist ein beliebiges der bereits vorgeschlagenen Schemata anwendbar. Dies enthält, ist aber nicht darauf begrenzt, spectral hole burning (SHB) (C. Glingener, A. Schöpflin, A. Farbert, G. Fischer, R. Noé, D. Sandel, S. Hinz, M. Yoshida-Dierolf, V. Mirvoda, G. Feise, H. Herrmann, R. Ricken, W. Sohler und F. Wehrmann, "Polarization mode dispersion compensation at 20 Gb/s with a compact distributed equalizer in LiNbO₃", OFC'99, paper PD29, 1999; G. Ishikawa und H. Ooi, "Polarization-mode dispersion sensitivity and monitoring in 40-Gbit/s OTDM and 10-Gbit/s NRZ transmission experiments", OFC'98, paper WC5, S. 117–119, 1998), Grad von Polarisation (N. Kikuchi and S. Sasaki, "Polarization-mode dispersion (PMD) detection sensitivity of degree of polarization method for PMD compensation", ECOC'99, S. II8–11 9, 1999; H. Rosenfeldt, R. Ulrich, U. Feiste, R. Ludwig, H. G. Weber und A. Ehrhardt "PMD compensation in 10 Gbit/s NRZ field experiment using polarimetric errorsignal", Electronics Letters, Vol. 36, Nr. 5, S. 448–450, 2000) oder Augenöffnungsmessung.
In einem derartigen realen PMDC versieht der Verzerrungsanalysator die Steuerlogik mit einem Maß, das zu maximieren ist. Deshalb wird nur das Rückkopplungssignal von dem Verzerrungsanalysator durch Variieren abstimmbarer Parameter des PMDC maximiert. Somit findet die Steuerlogik automatisch das beste Operationsverfahren aus einem physikalischen Gesichtspunkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die PMD 1. Ordnung, sondern auch PMD höherer Ordnung für ein mehrstufiges Kompensationsschema kompensiert, wobei nicht nur PMD in der mittleren Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich, sondern auch die in anderen spektrale Komponenten kompensiert wird. Somit ist das Leistungsverhalten eines PMDC höher als das eines herkömmlichen einstufigen PMDC.
Unter Verwendung einer Moduskopplungsabstimmungseinrichtung an Stelle eines vollständig funktionalen Polarisationswandlers kann ferner die Komplexität des PMDC ohne Begrenzung des Leistungsverhaltens oder Abstimmungsbereiches reduziert werden.

Claims

Ein Polarisationsmodusdispersionskompensator (61, 62, 64) für eine optische Übertragungsleitung, umfassend: eine Einstellvorrichtung des Hauptzustands von Polarisation (61, 71, 65) zum Ausrichten eines Hauptzustands von Polarisation einer Verkettung der optischen Übertragungsleitung (13) und des Polarisationsmodusdispersionskompensators (61, 62, 64) zu einem Eingangszustand von Polarisation eines optischen Signals, das zu der optischen Übertragungsleitung (13) eingegeben wird; und eine Moduskopplungseinstellvorrichtung (71) zum Abstimmen von Moduskopplung in dem Polarisationsmodusdispersionskompensator (61, 62, 64).
Ein Polarisationsmodusdispersionskompensator nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein erstes doppelbrechendes Element (91) folgend der Einstellvorrichtung des Hauptzustands von Polarisation (61, 65); und ein zweites doppelbrechendes Element (91) folgend der Moduskopplungseinstellvorrichtung; wobei die Moduskopplungseinstellvorrichtung dem ersten doppelbrechenden Element folgt.
Der Polarisationsmodusdispersionskompensator nach Anspruch 2, wobei die Einstellvorrichtung des Hauptzustands von Polarisation (61, 91, 65) angepasst ist, den Hauptzustand von Polarisation der Verkettung der Übertragungsleitung (13) und des Kompensators zu dem Eingangszustand von Polarisation des optischen Signals in einer Vielzahl von Spektralkomponenten in einem Wellenlängenbereich auszurichten.
Der Polarisationsmodusdispersionskompensator (61, 62, 91, 64) nach Anspruch 2, wobei die Moduskopplungseinstellvorrichtung (71) angepasst ist, eine Differenzialgruppenverzögerung der ersten und zweiten doppelbrechenden Elemente und eine Drehungsrate eines Hauptzustands von Polarisation der ersten und zweiten doppelbrechenden Elemente abzustimmen.
Der Polarisationsmodusdispersionskompensator nach Anspruch 2, wobei die Moduskopplungseinstellvorrichtung (71) einer von einer mechanischen Drehvorrichtung, einer drehbaren Retardationsplatte (81) und einer variablen doppelbrechenden Platte (91) entspricht.
Der Polarisationsmodusdispersionskompensator nach Anspruch 2, wobei die Moduskopplungseinstellvorrichtung (71) einem festen Winkel zwischen Eigenachsen der ersten und zweiten doppelbrechenden Elemente entspricht, wobei der Winkel und die Differenzialgruppenverzögerungswerte der ersten und zweiten doppelbrechenden Elemente derart ausgewählt sind, dass eine realisierte Drehungsrate eines Hauptzustands von Polarisation des Kompensators nur einen akzeptablen Betrag von Signalverzerrung für einen Fall einführt, wo eine Drehungsrate eines Hauptzustands von Polarisation der optischen Übertragungsleitung wegen Umgebungsschwankungen Null wird.
Ein Verfahren zum Kompensieren von Polarisationsmodusdispersion in einer optischen Übertragungsleitung (13) unter Verwendung eines Polarisationsmodusdispersionskompensators (61, 62, 71, 64), umfassend: Abstimmen einer Differenzialgruppenverzögerung des Polarisationsmodusdispersionskom pensators derart, dass die Differenzialgruppenverzögerung maximal ist; Ausrichten eines Hauptzustands von Polarisation einer Verkettung der optischen Übertragungsleitung (B) und des Polarisationsmodusdispersionskompensators zu einem Eingangszustand von Polarisation eines optischen Signals, das zu der optischen Übertragungsleitung (13) eingegeben wird; und Reduzieren der Differenzialgruppenverzögerung des Polarisationsmodusdispersionskompensators (61, 62, 71, 64), während noch der Hauptzustand von Polarisation der Verkettung der Übertragungsleitung (B) und des Kompensators zu dem Eingangszustand von Polarisation ausgerichtet wird, bis eine Drehungsrate eines Hauptzustands von Polarisation der Verkettung der Übertragungsleitung und des Kompensators minimiert ist.