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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen optischen Empfänger für ein optisches Netzwerk mit
einem Dispersionskompensationsmodul zum Anpassen eines Betrags chromatischer
Dispersion der über
das optische Netzwerk übertragenen
optischen Signale, ein nichtlineares optisches Element zur Spektralaufweitung
eines über
das optische Netzwerk übertragenen Dispersions-Sensorsignals, wobei
dieses Element entlang eines Dispersionsmessungspfads in Downstream-Richtung
hinter dem Dispersionskompensationsmodul angeordnet ist, Leistungsmessungsmittel
zur Messung einer durchschnittlichen Leistung des optischen Dispersions-Sensorsignals über einen vorgegebenen
Frequenzbereich, die entlang des Dispersionsmessungspfads in Downstream-Richtung hinter
dem nichtlinearen optischen Element angeordnet sind, und einen Analysefilter,
der zwischen dem nichtlinearen optischen Element und den Leistungsmessungsmitteln
angeordnet ist.
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In
einem optischen Übertragungssystem führt das
Vorhandensein einer chromatischen Dispersion zu einer Impulsaufweitung,
sodass die Steuerung der chromatischen Dispersion für optische Fernübertragungssysteme
wie auch für
zukünftige Transparent-/Hybrid-Netzwerke,
beispielsweise am Eingang von OADM oder Kreuzverbindungen, einen kritischen
Punkt darstellt. Die Steuerung der Dispersionskompensation erfordert
ein Steuersignal, das zum Betrieb eines Dispersionskompensationsmoduls verwendet
wird, sodass die bei der Übertragung
auf annähernd
Null kumulierte chromatische Dispersion verringert werden kann.
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Zur
Steuerung der chromatischen Dispersion stehen verschiedene Lösungen zur
Verfügung.
Eine der am häufigsten
verwendeten Lösungen
umfasst das Hinzufügen
einer Frequenzmodulation zum optischen Träger vor dem Hinzufügen der
Intensitäts-Datenmodulation (Datenrate
B Gbit/s) und die Analyse der Phasenverschiebung, die während der
Wellenausbreitung über
eine PLL-Schaltung am Taktsignal bei B GHz auftritt. Einer der größten Nachteile
dieser Lösung
liegt darin, dass die PLL-Schaltung
an die Datenrate angepasst werden muss. Darüber hinaus erfordert diese
Lösung
eine sehr schnelle Elektronik.
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Im
Dokument US 2004/0156038 wird eine Anordnung zur Echtzeitmessung
der chromatischen Dispersion beschrieben mit einer neuartigen Technik auf
der Basis der Spektralanalyse der Dispersion verzerrter optischer
Signale. Mit der gemessenen Dispersion wird ein Rückmeldungs-Kontrollsignal
geschaffen für
durchstimmbare Dispersions-Kompensationseinrichtungen, ohne dass
dies eine teure Überwachung
der Bitfehlerrate erfordert.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 1 251 647 beschreibt
einen solchen einstellbaren Kompensator mit einem Rückmeldungspfad.
Im Rückmeldungspfad
wird das Ausgangssignal des Dispersionskompensators über einen
optischen Filter und Leistungsmessungsmittel (Fotodiode) geleitet
und anschließend
durch einen Spektralanalysator, der das Signal in mehrere Pfade
aufspaltet, die jeweils durch verschiedene RF-Schmalbandfilter geleitet werden. Die
Signale der Pfade werden zum Einstellen der Dispersion des Kompensators
auf den erforderlichen Wert verwendet.
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Im
Dokument US 2004/0000635 wird eine Anordnung zum automatischen Einstellen
der akkumulierten chromatischen Dispersion mithilfe einer Messanordnung
auf der Basis der Dispersionsvariation beschrieben. Die Messanordnung
fügt einem empfangenen
optischen Signal einen kleinen Betrag einer zusätzlichen Dispersion hinzu zur
nichtlinearen Erkennung von Amplitude und Vorzeichen der Dispersion
im empfangenen Signal. Diese Information wird anschließend in
einen durchstimmbaren Dispersionskompensator zurückgemeldet zur Bereitstellung einer
automatischen Echtzeit-Korrektur der im System vorliegenden Dispersion.
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Die
chromatische Dispersion umfasst eine lineare chromatische Dispersion
(ein Maß für die Rate der
Gruppenverzögerungsänderung
mit Wellenlänge,
normalerweise in Pikosekunden pro Nanometer gemessen) und übergeordnete
Termen, weil eine lineare chromatische Dispersion im Allgemeinen selbst
eine Funktion der Wellenlänge
darstellt. Somit können
nichtlineare Effekte bei der Wellenausbreitung in realen Systemen
auftreten; der optimierte Wert der linearen chromatischen Dispersion
nach der Kompensation (als chromatische Restdispersion bezeichnet)
ist im Allgemeinen ungleich Null.
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Ziel der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Empfängers und
eines Verfahrens zur Kompensation der chromatischen Dispersion unabhängig von
der Datenrate, sowie die Schaffung einer einfachen Möglichkeit,
die chromatische Restdispersion zu überwachen.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Dieses
Ziel wird mit einem optischen Empfänger der oben beschriebenen
Art erreicht, in dem der Analysefilter einen Übertragungsfrequenzbereich aufweist,
der hinsichtlich einer Basisfrequenz des Dispersions-Sensorsignals
verstimmt ist.
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Der
Ansatz der Erfindung liegt im Extrahieren eines Rückmeldungs-Steuersignals
zum Betrieb des Dispersionskompensationsmoduls oder eines Überwachungssignals
zur Bestimmung des Werts der chromatischen Restdispersion aus einer
gemessenen Durchschnittsleistung des Dispersions-Sensorsignals nach der Wellenausbreitung über das
nichtlineare optische Element (z. B. ein stark nichtlineares Glasfaserkabel).
Dieser Ansatz ist lediglich abhängig von
der vordefinierten Datensequenz, er kann bei jeder Datenrate angelegt
werden und erfordert kein Überlagern
eines Überwachungssignals
auf das Datensignal. Darüber
hinaus erfordert er keine Hochgeschwindigkeitselektronik: Das Rückmeldungs-
oder Überwachungssignal
kann mithilfe einer einfachen optischen Leistungsmessung mit einer
optischen Leistungsmesseinrichtung niedriger Geschwindigkeit extrahiert
werden.
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Die
Erfindung nutzt den Umstand, dass der Impuls des Daten-Sensorsignals wegen
der chromatischen Dispersion während
der Übertragung
aufgeweitet wird. Die durchschnittliche optische Leistung im Übertragungsbereich
des Analysefilters ist ein Maß für die Spektralaufweitung
des Übertragungs-Sensorsignals.
Wenn die Kompensation der chromatischen Dispersion nach der Übertragung
optimiert wird, bilden die Impulse wieder ihre ursprüngliche
Impulsform. Umgekehrt wird die Impulsform bei einer nicht optimierten
Dispersionskompensation vergrößert. Beim
Vergleich der Impuls-Spitzenleistung zwischen den verschiedenen
Fällen
erreicht die Impuls-Spitzenleistung ihr Maximum, wenn die zeitliche
Impulsbreite minimal ist, also im Fall einer optimierten Dispersionskompensation.
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Wird
jetzt berücksichtigt,
dass die Impulse nach der Übertragung
in einem nichtlinearen optischen Element ausgelöst werden, ist die durch die Wellenausbreitung über das
nichtlineare optische Element induzierte Spektralaufweitung abhängig von der
Spitzenleistung des Eingangsimpulses. Je höher die Spitzenleistung ist,
desto größer ist
die Spektralaufweitung. Durch Messen der Durchschnittsleistung eines
Impulsstroms des Dispersions-Sensorsignals in einem vorgegebenen
Frequenzbereich erhält
man somit ein Bild der zeitlichen Form des Eingangsimpulses.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind das Dispersionskompensationsmodul und die Leistungsmessungsmittel über einen
Rückmeldungspfad miteinander
verbunden, sodass der Betrag der chromatischen Dispersion so geändert werden
kann, dass die Durchschnittsleistung maximiert wird. Dank der Relation,
die die Spektralaufweitung im Inneren des nichtlinearen optischen
Elements mit der chromatischen Dispersion verknüpft, ist das Maximieren der
optischen Leistung des Dispersions-Sensorsignals nach dem Passieren
eines nichtlinearen optischen Elements äquivalent mit der Optimierung
der chromatischen Dispersionskompensation.
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In
einer bevorzugten Änderung
dieser Ausführungsform
umfassen die Leistungsmessungsmittel einen Optik/Elektrik-Wandler
zum Umwandeln eines optischen Eingangssignals der Messungsmittel in
ein elektrisches Ausgangssignal der Messungsmittel. Auf diese Weise
kann ein elektrisches Eingangssignal zum Dispersionskompensationsmodul
erzeugt werden, sodass das Einstellen des Dispersionskompensationsmoduls
vereinfacht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind Mittel zur Überwachung
der Restdispersion für
die Berechnung eines Betrags der chromatischen Dispersion des optischen
Sensorsignals wegen der nichtlinearen Effekte im optischen Netzwerk
mit dem Dispersionskompensationsmodul und den Leistungsmessungsmitteln
verbunden. Die chromatische Restdispersion lässt sich berechnen durch Vergleichen
einer Durchschnittsverteilung der optischen Leistung des tatsächlich übertragenen
Dispersions-Sensorsignals mit einer Durchschnittsverteilung der
optischen Leistung eines Dispersions-Sensorsignals mit einer simulierten
linearen Übertragung über das
optische Netzwerk.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist ein selektiver Filter zur Auswahl eines Kanals des optischen
Sensorsignals im Dispersions-Messungspfad in Upstream-Richtung vom
nichtlinearen optischen Element angeordnet. Eine solche Anordnung
ist vorteilhaft, wenn das optische Netzwerk mehrere Kanäle gegenseitig
unterschiedlicher Wellenlängen
umfasst, beispielsweise bei Wavelength Division Multiplexing-Systemen
(WDM).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Verstärker
zur Verstärkung
optischer Signale, die über
das optische Netzwerk übertragen
werden, in einem Übertragungspfad
in Downstream-Richtung vom
Dispersionskompensationsmodul angeordnet, und ein optischer Splitter
zur Verzweigung eines Teils des Dispersions-Sensorsignals vom Übertragungspfad
an den Dispersions-Messungspfad wird im Übertragungspfad in Downstream-Richtung
vom Verstärker
angeordnet. Ein Teil des Dispersions-Sensorsignals wird nach der
Verstärkung
an den Dispersions-Messungspfad verzweigt, während der Großteil des
Signals zur weiteren Analyse durch den Übertragungspfad geleitet wird.
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Die
Erfindung wird außerdem
umgesetzt in einem Verfahren zur Kompensation und/oder Überwachung
der chromatischen Dispersion optischer Signale, die über ein
optisches Netzwerk übertragen werden,
das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Dispersions-Sensorsignals
an einem ersten Standort des optischen Netzwerks, Übertragen des
Dispersions-Sensorsignals über
das optische Netzwerk vom ersten Standort an einen zweiten Standort,
Einstellen eines Betrags für
die chromatische Dispersion des Dispersions-Sensorsignals am zweiten
Standort, Ausbreitung des Dispersions-Sensorsignals über ein
nichtlineares optisches Element, Weiterleiten des ausgebreiteten
Dispersions-Sensorsignals über
einen Analysefilter mit einem Übertragungsfrequenzbereich,
der hinsichtlich einer Basisfrequenz des Dispersions-Sensorsignals
verstimmt ist, und Messen einer optischen Durchschnittsleistung
des Dispersions-Sensorsignals, das über einen vorgegebenen Frequenzbereich
durch den Analysefilter geleitet wurde.
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In
einer bevorzugten Variante wird der Betrag der chromatischen Dispersion
des Dispersions-Sensorsignals eingestellt, sodass die durchschnittliche
optische Leistung des Dispersions-Sensorsignals maximiert wird.
Auf diese Weise wird der optimierte Dispersionswert für die Kompensation durch
die Mittel zur Dispersionskompensation eingestellt.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante wird ein Betrag der chromatischen
Restdispersion berechnet durch den Vergleich einer durchschnittlichen optischen
Leistungsverteilung des über
das optische Netzwerk übertragenen
Dispersions-Sensorsignals mit
einer durchschnittlichen optischen Leistungsverteilung eines Dispersions-Sensorsignals
einer simulierten linearen Übertragung über das
optische Netzwerk.
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Unter
der Annahme einer linearen Übertragung
des Dispersions-Sensorsignals über das
optische Netzwerk würde
die maximale Leistung des Dispersions-Sensorsignals für eine chromatische
Dispersion von Null gemessen, und das Dispersionskompensationsmodul
würde genau
die bei der Wellenausbreitung über
das optische Netzwerk kumulierte chromatische Dispersion kompensieren.
Wegen der nichtlinearen Effekte im optischen Netzwerk weicht der
Wert für
die optimierte Dispersion (Restdispersion) für die Kompensation jedoch von
Null ab. Die Restdispersion lässt
sich messen durch Vergleich der Form der beiden durchschnittlichen
Leistungsverteilungen des optischen Sensorsignals, das ohne nichtlineare
Effekte über
das optische Netzwerk übertragen
wurde. Die Simulation einer linearen Übertragung über das optische Netzwerk ist
möglich, da
die Form des Dispersions-Sensorsignals
vor der Übertragung
bekannt ist.
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Weitere
Vorteile lassen sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
extrahieren. Die weiter oben und weiter unten beschriebenen Vorteile
können
gemäß der Erfindung
individuell oder kollektiv in beliebiger Kombination verwendet werden.
Die aufgeführten
Ausführungsformen
sind nicht als ausschließliche
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben für
die Beschreibung der Erfindung lediglich exemplarischen Charakter.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, wobei:
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1 ein Übertragungssystem
mit einem optischen Empfänger
gemäß der Erfindung
darstellt,
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2 eine
Verteilung der optischen Leistung als Funktion der linearen chromatischen
Dispersion darstellt,
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3 zwei
Verteilungen der optischen Leistung als Funktion der linearen chromatischen
Dispersion mit bzw. ohne nichtlineare Effekte bei der Übertragung
darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Übertragungssystem 1,
das ein optisches Netzwerk 2 umfasst, das zwischen einem
optischen Emitter 3, der an einen ersten Standort 4 des
optischen Netzwerks 2 verzweigt ist, und einem optischen
Empfänger 5,
der an einen zweiten Standort 6 des optischen Netzwerks 2 verzweigt
ist, angeordnet ist.
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Die
Komponenten des optischen Empfängers 5 sind
im Inneren des gestrichelt eingerahmten Bereichs von 1 dargestellt.
Der optische Empfänger 5 umfasst
ein Dispersionskompensationsmodul 7 (DCM) auf der Basis
eines thermisch einstellbaren „Chirped"-Fasergitternetzs in Upstream-Richtung von
einem Erbium-dotierten
Faserverstärker 8 in
einem Übertragungspfad 9.
In Downstream-Richtung vom Verstärker 8 im Übertragungspfad 9 ist
ein optischer Splitter 10 angeordnet, der einen Teil des über den Übertragungspfad 9 übertragenen
optischen Signals in einen Messpfad 11 verzweigt.
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Der
Messpfad 11 umfasst nacheinander: einen selektiven Filter 12 zur
Kanalauswahl, ein 4 km langes nichtlineares Glasfaserkabel mit einer
effektiven Fläche
von 30 μm2 als nichtlineares optisches Element 13,
einen Analysefilter 14, der hinsichtlich des Trägers eines
Dispersions-Sensorsignals (DPS) verstimmt ist, und eines Leistungsmessers
als Leistungsmessungsmittel 15. Für die optischen Filter 12, 14 sind
keine strengen Spezifikationen erforderlich: Die Eigenschaften des
selektiven Filters 12 hängen vom
Kanalabstand ab, während
ein optischer Filter mit 1 nm Bandbreite für den Analysefilter 14 erforderlich
ist. Es kann außerdem
eine chromatische Dispersionsüberwachung
umgesetzt werden durch Verwendung von zwei einstellbaren Filtern
(DPS-Extraktion, Analysefilter)
und einem auf das DPS einstellbaren Laser. Für das nichtlineare optische
Element 13 kann ein anderes nichtlineares Medium (SOA,
Leuchtkristalle, etc. verwendet werden.
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Die
Leistungsmessungsmittel 15 und das Dispersionskompensationsmodul 7 sind über einen Rückmeldungspfad 16 verbunden.
Die Leistungsmessungsmittel 15 bestehen aus preisgünstigen langsamen
(im MHz-Frequenzbereich) Elektronikkomponenten und umfassen eine
Fotodiode als Optik/Elektrik-Wandler 17 zur Umwandlung
eines optischen Ausgangssignals des Analysefilters 14 in
ein elektronisches Eingangssignal für das Dispersionskompensationsmodul 7.
Dispersions-Überwachungsmittel 20 sind
ebenfalls im Rückmeldungspfad 16 angeordnet.
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Nachfolgend
ist das Funktionsprinzip des Übertragungssystems 1 beschrieben.
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Der
Emitter 3 erzeugt ein optisches Signal mit einer niedrigen
Bitrate (312,5 MHz) mit Impulsen einer Gaußschen Form, einer Gesamtbreite
von 50 ps und einem Maximum bei der Impulshälfte (Full Width at Half Maximum,
FWHM) als Dispersions-Sensorsignal.
Das DPS wird mit einem einstellbaren Laser zum Analysieren der verschiedenen Komponenten
eines WDM-Signals („Wavelength
Division Multiplexing",
Wellenlängen-Verteilungs-Multiplexing) erzeugt,
gefolgt von einem Modulator zum Erzeugen der Intensitätsmodulation.
Die optische Leistung des DPS wird so gewählt, dass sie beim Emittieren
innerhalb des nichtlinearen optischen Elements 13 bei 10
dBm liegt. Die optische Leistung kann durch Verwendung eines stark
nichtlinearen Mediums (stark nichtlineare Glasfaser, SOA, Leuchtkristall)
als nichtlineares optisches Element 13 verringert werden.
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Das
optische Sensorsignal wird über
das optische Netzwerk
2 vom ersten Standort
4 an
den zweiten Standort
6 übertragen.
Das am optischen Empfänger
5 eingehende
Dispersions-Sensorsignal wird
durch das Modul
7 zur chromatischen Dispersions-Kompensation
geleitet. Ein Teil des Dispersions-Sensorsignals wird nach der Verstärkung extrahiert
und im nichtlinearen optischen Element
13 emittiert. Der
selektive Filter
12 wird zum Auswählen des Kanals des zu steuernden
DPS verwendet. Die bei der Wellenausbreitung im nichtlinearen optischen Element
13 induzierte
Spektralaufweitung ist definiert als Δω
rms nach
der Wellenausbreitung, geteilt durch die Spektralbreite Δω
0 vor der Wellenausbreitung; sie ist in der
folgenden Gleichung dargestellt:
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Die
Spektralaufweitung kann aus der Messung der durchschnittlichen optischen
Leistung am Ausgang des verstimmten Analysefilters
14 abgeleitet
werden. Wie in Gleichung [1] ersichtlich, gibt es eine lineare Relation zwischen
der Spektralaufweitung Δω
rms/Δω
0 und dem Term ϕ
max(<1), die proportional
ist zu einer Impuls-Leistungsspitze P
peak des
Eingangs-Dispersions-Sensorsignals. Darüber hinaus zeigt Gleichung
[2]
den zeitlichen Impuls, wobei
die Aufweitung definiert ist als Quotient aus einer zeitlichen Impulsbreite
T
1 nach der Übertragung über das optische Netzwerk
2 und
der zeitlichen Impulsbreite T
0 vor der Übertragung.
Der Term β
2 ist proportional zur chromatischen Dispersion,
und Z kennzeichnet den Wellenwiderstand einer Übertragungsleitung im optischen
Netzwerk
2.
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Da
die Leistungsspitze mit zunehmender Impulsbreite abnimmt. lässt sich
aus Gleichung [1] ableiten, dass die Impulsaufweitung niedrig ist,
wenn die chromatische Dispersion nicht optimiert ist. Entsprechend
ist das von den Leistungsmessungsmitteln 15 nach der Filterung
gelieferte Signal für
eine nicht optimierte chromatische Dispersion niedrig. Das Ausgangssignal
der Leistungsmessungsmittel 15 kann daher derart zum Steuern
des DCM 7 verwendet werden, dass die von den Leistungsmessungsmitteln 15 gemessene
durchschnittliche optische Leistung maximiert wird. Ist dies der
Fall, wird eine optimale chromatische Dispersionskompensation erzielt.
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2 zeigt
eine Verteilung der durchschnittlichen Leistung P (gemessen am Ausgang
des Analysefilters 14) in mW gegenüber der chromatischen Dispersion
D in ps/nm, die durch das Verstimmen des DCM 7 erzielt
wird. Das Maximum der durchschnittlichen optischen Leistung Pmax definiert den Punkt, an dem die chromatische
Dispersion D Null beträgt.
Dieser Punkt entspricht dem Fall, bei dem das DCM7 die durch die Übertragung über das
optische Netzwerk 2 verursachte chromatische Dispersion
exakt kompensiert.
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Die
obige Argumentation stimmt, wenn keine nichtlinearen Effekte im
optischen Netzwerk 2 vorliegen. Bei realen Übertragungssystemen
ist der optimierte Kompensationswert für die lineare chromatische
Dispersion (auch als Restdispersion bezeichnet) ungleich Null wegen
der bei der Ausbreitung auftretenden nichtlinearen Effekte.
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Für eine Auswertung
der Auswirkung einer nichtlinearen Übertragung zeigt 3 eine
erste Verteilung 18 der optischen Leistung P nach dem Analysefilter 14 für eine reale Übertragung
und eine zweite Verteilung 19 einer simulierten Übertragung
ohne nichtlineare Effekte. Es ist zu beobachten, dass die Auswirkung
der nichtlinearen Effekte gering ist. Das Prinzip bei der Messung
einer maximalen Durchschnittsleistung bleibt daher auch dann gültig, wenn bei
der Ausbreitung im Übertragungssystem
nichtlineare Effekte auftreten.
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Es
muss unbedingt erwähnt
werden, dass der Unterschied zwischen der Form der ersten Verteilung 18 und
der zweiten Verteilung 19 zur Überwachung des Werts der chromatischen
Restdispersion verwendet werden kann. Für die erforderlichen Berechnungen
werden die Restdispersions-Überwachungsmittel 20 mit
dem DCM 7 und den Leistungsmessungsmittel 15 verbunden.
Da die Form des DPS bekannt ist, können die für die Berechnungen erforderlichen
Werte in einer Tabelle gespeichert werden.
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Für Restdispersionswerte
unter 400 ps/nm kann der absolute Wert der chromatischen Restdispersion
mit einer Genauigkeit von weniger als 40 ps/nm geschätzt werden.
Die Messgenauigkeit lässt sich
verbessern durch ein Dispersions-Sensorsignal mit einem FWHM unter
50 ps, jedoch um den Preis einer Verkleinerung des Dispersions-Betriebsbereichs
durch eine Vergrößerung des
FWHM.
