DE602004005654T2

DE602004005654T2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Mehrbandvermittlung mit parametrischer Vorrichtung mit mehreren Pumpen

Info

Publication number: DE602004005654T2
Application number: DE602004005654T
Authority: DE
Inventors: Joseph C. Oceanport Centanni; Andrew R. Matawan Chraplyvy; Alan H. Middletown Gnauck; Robert M. Rumson Jopson; Colin J. Manalapan McKinstrie; Stojan Solana Beach Radic
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: KR20050058974A; JP4813791B2; US8032024B2; US20050129412A1; EP1542494A2; KR101052425B1; EP1542494B1; DE602004005654D1; JP2005173614A; EP1542494A3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Umschaltung und insbesondere der mehrbandigen optischen Umschaltung unter Verwendung von parametrischen Mehrfach-Pumpen-Einrichtungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die meisten Kommunikationsnetze verwenden bisher optische Faser als Punkt-zu-Punkt-Versorger mit elektrooptischen Sendern und Empfängern, die die Umsetzung optischer Signale in elektrische Signale an wichtigen Punkten, z.B. Umschaltern, in dem Netz bereitstellen. Da der Netzdurchsatz durch die Elektronik begrenzt wird, nutzen solche Architekturen jedoch die verfügbare Bandbreite der für die Übertragung verwendeten optischen Fasern nicht effektiv aus.
Das Wellenlängen-Multiplexverfahren (WDM), angewandt auf optische Kommunikation, bringt mehrere Datensignale auf jeweilige optische Träger verschiedener Wellenlängen auf. Die optischen Signale werden auf eine einzige optische Faser an ihrem Sendeende kombiniert. Am Empfangsende der optischen Faser werden die optischen Träger optisch zu Strahlen gedemultiplext, die jeweils ein einziges Datensignal führen, und jedem dieser Strahlen sind herkömmliche optische Detektoren fest zugeordnet. Obwohl diese einfache WDM-Architektur den Faserdurchsatz um den Faktor der Anzahl der optischen Träger vergrößert, werden die Knoten des Netzes aufgrund der Notwendigkeit, optische Signale an verschiedenen Punkten in dem Netz in elektrische Signale umzusetzen, komplex und kostspielig. Folglich werden kostengünstige hocheffiziente durchweg optische Umschalter benötigt.
Es wurden verschiedene vorbekannte Konzepte für durchweg optische WDM-Netze entwickelt, in denen die Knoten des Netzes verschiedene der WDM-Wellenlängenkanäle in verschiedene Richtungen umschalten, ohne jemals die optischen Signale in elektronische Form umzusetzen. Zum Beispiel enthalten frühe Implementierungen transparenter durchweg optischer Netze Umschalter mit Wellenlängen-Multiplex (WDM), die die Wellenlängen gemultiplexten optischen Signale abhängig von ihren Wellenlängen selektiv in verschiedene Richtungen umschalten können. Die Signale werden in den Umschaltern nicht in elektrische Form umgesetzt, sondern bleiben durchweg in optischer Form. In solchen transparenten durchweg optischen Netzen werden Zugangsknoten durch die WDM-Umschalter verbunden, wobei die Zielzugangsknoten eines Signals, das einen Ursprungs-Zugangsknoten verläßt, durch die Wellenlänge seines optischen Trägers bestimmt wird. Die WDM-Umschalter sind innerhalb von Sekunden umkonfigurierbar und bleiben Minuten- oder sogar tagelang in einer eingestellten Konfiguration. Die Umkonfigurierbarkeit ermöglicht ein Neuzuteilen der optischen Wellenlängen zu der Verbindung verschiedener Paare der Zugangsknoten. Ein solches Umschalten von WDM-Signalen wird als Raumumschaltung bezeichnet, obwohl die Signale in verschiedene Richtungen umgeschaltet werden, wobei die Richtungen durch die Wellenlänge bestimmt werden.
Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die Anzahl der diskreten Wellenlängenkanäle begrenzt ist. Zum Beispiel erfordert ein Netz ausreichender Größe Verstärkung, die zur Zeit von erbiumdotierten Faserverstärkern mit einer Verstärkungsbandbreite von etwa 40 nm abhängt. Mit einem realistischen optischen Kanalabstand von etwa 4 nm in einer mäßig einfachen Architektur kann eine solche Bandbreite nur etwa 10 optische Kanäle unterbringen. Daher wird die Wellenlängenwiederverwendung erforderlich, aber die Wellenlängenwiederverwendung in solchen Netzen ist begrenzt. Eine solche begrenzte Wiederverwendung ist für ein Netz, das dafür bestimmt ist, große Anzahlen von Benutzern in einem öffentlichen Netz zu verbinden, unzureichend. Es ist eine extensivere Wellenlängenwiederverwendung erforderlich. Vielleicht noch wichtiger ist auf einem größeren Maßstab, daß einer oder mehrere der Zugangsknoten gleichzeitig mit einem anderen transparenten durchweg optischen Netz verbunden werden kann, wobei zusätzliche Zugangsknoten an das zweite Netz angeschlossen sind. Diese Architektur ermöglicht ein Skalieren des Gesamtnetzes auf sehr große Größen, die Skalierbarbeit erfordert jedoch, daß ein die beiden Netze verbindender Zugangsknoten in der Lage ist, die Wellenlänge für den optischen Träger des zwischen den beiden durchweg optischen Netzen transferierten Datensignals in eine von dem zweiten Netz vorgeschriebene Wellenlänge zu übersetzen. Das heißt, große WDM-Netze erfordern an vielen Punkten in dem Netz Wellenlängenübersetzung eines Signals.
Es wurden mehrere Umschalter für Wellenlängenübersetzung eines Signals in einem WDM-System vorgeschlagen. Ein zuvor für die Wellenlängenübersetzung eines Signals vorgeschlagener durchweg optischer Umschalter ist zum Beispiel ein optischer Vierwellenmischer. Vierwellenmischung hat jedoch gegenüber Differenzfrequenzerzeugung mehrere Nachteile. Bei einem einzigen Pumpsignal liegt die Pumpfrequenz ω_p zwischen den beiden optischen Trägerfrequenzen ω₁, ω₂, und die Nachspänne des Pumpsignals, die für eine nichtlineare Umsetzung der dritten Ordnung groß sein müssen, überlappen die optischen Trägerfrequenzen. Die Vierwellenmischung, die komplexer ist, erzeugt darüber hinaus mehr Mischterme, die die optischen Trägersignale stören können. Folglich eignet sie sich mehr für das Umsetzen einer einzigen Wellenlänge und ist auf die massenweise Umsetzung, d.h. die gleichzeitige Umsetzung mehrerer Wellenlängen, nur schwierig anzuwenden.
Ein weiterer bereits vorgeschlagener durchweg optischer Umschalter ist ein parametrisches Einzelpumpen-Wellenlängen-Crossconnect. Ein solches parametrisches Wellenlängen-Crossconnect ist jedoch auf die Umsetzung einer einzigen Wellenlänge für jedes bereitgestellte nichtlineare optische Element begrenzt.
Im allgemeinen ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 202 478 A1 eine Anordnung zur Verwendung von durch ein optisches Netz von dem Standpunkt A zu den Standpunkten B1, B2, B3 gesendeten optischen Informationen bekannt. Die Anordnung enthält einen optischen parametrischen Verstärker (OPA) zum Empfangen der bei einer Menge von Eingangswellenlängen gesendeten optischen Informationen. Die Anordnung enthält außerdem einen Mischer in dem OPA zum Mischen der Wellenlänge mit einer optischen Pumpwellenlänge und Mittel zum Erzeugen einer Menge von aus der Menge von Eingangswellenlängen extrahierten optischen konjugierten Wellenlängen. Ein WDM-Verzweiger trennt die Menge von Eingangswellenlängen von der Menge von konjugierten Wellenlängen. Fasern leiten die Menge von Eingangswellenlängen und/oder die Menge von konjugierten Wellenlängen einzeln zu mindestens einem der Standpunkte B1, B2, B3 weiter.
Im allgemeinen beschreibt "New Class of Continuous Wave Parametric Amplifiers" von Radic et al., OPTICAL FIBER COMMUNICATION CONFERENCE AND EXHIBIT. (OFC). TECHNICAL DIGEST. POST CONFERENCE DIGEST. ANAHEIM, CA; 17.–22.3.2002; TRENDS IN OPTICS AND PHOTONIC SERIES (TOPS), WASHINGTON, DC: OSA, USA; Band TOPS. Vol. 70, 17.3.2002, Seiten 850–852, XP010628153 ISBN 1-55752-701-6, eine Klasse faseroptischer parametrischer Verstärker. Es wird Modulationsinstabilitätskopplung zwischen in dem anomalen und normalen Dispersionsregime arbeitenden optischen Pumpen zur Erzielung einer breiten, flachen, parametrischen CW-Verstärkung von mehr als 40 dB verwendet.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum mehrbandigen optischen Umschalten zum Beispiel unter Verwendung einer parametrischen Mehrpumpen-Umschalttechnik. Die Umschaltarchitektur kombiniert Bandverstärkung, Wellenlängenumsetzung und selektive Signalkonjugation, die durch zeitliche Steuerung mindestens einer optischen Pumpe ermöglicht wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum optischen Umschalten unter Verwendung einer Faserparametrikeinrichtung, die ein optisches Pumpsignal von mindestens zwei optischen Pumpquellen empfängt, die folgenden Schritte: Kombinieren eines Signals aus jeder der mindestens zwei optischen Pumpquellen und eines Eingangsdatensignals, um ein kombiniertes Signal zu produzieren, wobei mindestens eines der optischen Signale aus den mindestens zwei optischen Funkquellen steuerbar moduliert ist. Das Verfahren umfaßt ferner das Aufbringen eines nichtlinearen Effekts zweiter Ordnung auf das kombinierte Signal, so daß ein mehrbandiges umgeschaltetes optisches Signal resultiert. Das mehrbandige umgeschaltete optische Signal enthält mindestens ein Duplikat des Eingangsdatensignals und mindestens drei distinkte Leerlaufbänder. Folglich kann das Verfahren ferner umfassen, das kombinierte mehrbandige umgeschaltete optische Signal in mindestens vier Bänder aufzutrennen, die das Duplikat des Eingangsdatensignals und die drei distinkten Leerlaufbänder umfassen.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein optischer Umschalter mindestens zwei optische Pumpquellen und einen optischen Kombinierer zum Kombinieren eines Signals aus jeder der optischen Pumpquellen und eines Eingangsdatensignals, um ein kombiniertes Signal zu produzieren. Der optische Umschalter enthält ferner ein nichtlineares optisches Element zum Aufbringen eines nichtlinearen Effekts zweiter Ordnung auf das kombinierte Signal und mindestens einen optischen Verzweiger zum Auftrennen des kombinierten Signals. In dem optischen Umschalter der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der optischen Pumpquellen dafür ausgelegt, steuerbar moduliert zu werden, so daß, wenn die optischen Signale kombiniert werden, eine logische Sequenz des Eingangsdatensignals steuerbar umgeschaltet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Lehren der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres verständlich. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild auf hoher Ebene einer Ausführungsform eines Zweipumpen-Faserparametrikumschalters (FPS) gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 graphisch eine beispielhafte Ausgabe des FPS von 1, wobei ein Signal von beiden optischen Pumpen vorliegt;
3 graphisch ein Eingangssignalband und die verschiedenen erzeugten Leerlaufbänder für Mehrfachkombinationen der optischen Pumpen in einem FPS gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a graphisch eine Ausgabe einer Ausführungsform eines FPS bei Abwesenheit eines Eingangsdatensignals;
4b graphisch eine Ausgabe des FPS von 4a mit einem angelegten Eingangsdatensignal und einer L-Band-Pumpe sowohl im OFF- als auch im ON-Zustand mit zwei verschiedenen Pumpleistungen für eine C-Band-Pumpe und die L-Band-Pumpe; und
5 graphisch eine Ausgabe einer Ausführungsform eines FPS der vorliegenden Erfindung, der sowohl Wellenlängenumsetzung als auch Umschaltung durchführt.
Um das Verständnis zu erleichtern, wurden, wenn möglich, identische Bezugszeichen verwendet, um den Figuren gemeinsame identische Elemente zu kennzeichnen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf einen Zweipumpen-Parametrikumschalter beschrieben werden, versteht sich, daß der Zweipumpen-Parametrikumschalter lediglich als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angegeben wird und nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung behandelt werden soll. Für Fachleute, die durch die Lehre der vorliegenden Erfindung informiert sind, ist erkennbar, daß die Konzepte der vorliegenden Erfindung auf parametrische Umschalter mit im wesentlichen beliebiger Anzahl optischer Pumpen oder allgemeiner einer beliebigen Anzahl optischer Quellen erweitert werden kann, mit denen man optische Signale auf hier beschriebene Weise mit Bezug auf die optischen Pumpen modulieren kann.
1 zeigt ein Blockschaltbild auf hoher Ebene einer Ausführungsform eines Zweipumpen-Faserparametrikum schalters (FPS) gemäß der vorliegenden Erfindung. Der FPS 100 von 1 umfaßt zwei optische Pumpen 110₁ und 110₂ (zusammen optische Pumpen 110), ein nichtlineares optisches Element, das eine nichtlineare Suszeptibilität zweiter Ordnung X² aufweist (beispielsweise eine stark nichtlineare Faser (HNLF)) 120, fünf Bandverzweiger 130₁ –130₅ (zusammen Bandverzweiger 130) und eine Pumpensteuerung 135. wahlweise kann der FPS 100 ferner einen (nicht gezeigten) gemeinsamen Verstärker oder (nicht gezeigte) mehrere Booster-Verstärker zum Verstärken der Leistung der optischen Pumpen 110 auf einen gewünschten Pegel enthalten. Zusätzlich kann der FPS 100 ferner eine variable elektrische Verzögerungsleitung zur Verwendung zum Synchronisieren eines Eingangsdatensignals und einer gepulsten Pumpe (später ausführlicher beschrieben) umfassen. Obwohl der FPS 100 von 1 als eine einzige Pumpensteuerung 135 für beide optische Pumpen 110 aufweisend abgebildet ist, kann bei anderen Ausführungsformen ein FPS gemäß der vorliegenden Erfindung für jede vorliegende optische Pumpe eine separate Pumpensteuerung umfassen. Die Pumpensteuerung bzw. Pumpensteuerungen können, obwohl sie als in dem FPS 100 von 1 befindlich abgebildet sind, bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung separate Komponenten außerhalb eines FPS der vorliegenden Erfindung umfassen.
In dem FPS 100 von 1 steuert die Pumpensteuerung 135 die Ausgabe der optischen Pumpen 110. Das heißt, die optischen Pumpen können mit konstantem Pegel betrieben werden oder können gepulst (moduliert) werden, um die Umschaltung eines optischen Eingangssignals gemäß der vorliegenden Erfindung (wie später ausführlicher beschrieben) durchzuführen. Die Pumpensignale aus den optischen Pumpen 110 werden durch den Bandverzweiger 130₁ kombiniert. Die kombinierten Pumpsignale werden zu dem zweiten Bandverzweiger 130₂ übermittelt und dort weiter mit einem Eingangsdaten signal, wie zum Beispiel dem dargestellten WDM-Signal, kombiniert. Die kombinierten Pumpsignale und das Datensignal werden zu der HNLF 120 übermittelt. In der HNLF 120 erfahren die kombinierten Signale eine Nichtlinearität zweiter Ordnung und eine parametrische Verstärkung, die ein Duplikat des Eingangsdatensignals und drei distinkte Leerlaufbänder produziert. Das Eingangsdatensignal und die drei Leerlaufbänder werden nachfolgend durch die übrigen Bandverzweiger 130₃ –130₅ wie in 1 abgebildet aufgetrennt. Folglich können eines oder mehrere der Signale an den Ausgangsbandverzweigern 130₃ –130₅ als das umgesetzte/umgeschaltete Ausgangssignal ausgewählt werden.
Das Prinzip parametrischer Einrichtungen, die durch zwei Pumpwellen angesteuert werden, das in einem FPS gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird, wird in "Parametric amplifiers driven by two pump waves", C.J. McKinstrie, S. Radic und A. R. Chraplyvy, IEEE J. Sel. Top., Quantum Electron. 8, 538–547, (2002), beschrieben, worauf hiermit insgesamt ausdrücklich Bezug genommen wird. Kurz gefaßt werden in einem FPS der vorliegenden Erfindung die Frequenzen der optischen Pumpen so konfiguriert, daß eine Eingangssignalfrequenz höher als die niedrigere Pumpfrequenz (im folgenden "die L-Band-Pumpe") ist und die primäre Leerlauffrequenz niedriger als die höhere Pumpfrequenz (im folgenden "die C-Band-Pumpe") ist. Die optischen Pumpfrequenzen werden außerdem so gewählt, daß die L-Band-Pumpenfrequenz und die C-Band-Pumpenfrequenz im wesentlichen um die Nulldispersionswellenlänge des nichtlinearen optischen Elements (z.B. der HNLF) herum symmetrisch liegen. Bei dieser Konfiguration überlappen die Bereiche sekundärer Leerlauffrequenzen nicht die Eingangssignal- und Primärleerlaufbereiche, und folglich besteht im wesentlichen kein Übersprechen in der wellenlängengemultiplexten (WDM-)Übertragung. Die Erfinder haben bestimmt, daß die Effekte von Dispersion vierter Ordnung bei dieser Konfiguration schwächer sind, weil die Signalfrequenzen näher bei der mittleren Pumpfrequenz liegen. Im Vergleich zu herkömmlichen Einpumpen-Faserparametrikeinrichtungen bietet die Zweipumpenkonfiguration des FPS 100 der vorliegenden Erfindung Polarisationsinvarianz, Breitbandbetrieb, die Möglichkeit, unbeeinträchtigte Leerlaufsignale ungeachtet der Signalspektralposition zu erzeugen und eine vergrößerte Brillouin-Schwelle.
Ein FPS gemäß der vorliegenden Erfindung, wie zum Beispiel der FPS 100 in 1, liefert Wellenlängen(Frequenz-)Umsetzung eines Eingangsdatensignals sowie Umschaltfähigkeiten. Genauer gesagt wird in dem FPS 100 von 1 ein Eingangsdatensignal von einer Wellenlänge (oder Frequenz) über den nichtlinearen Effekt zweiter Ordnung, den die kombinierten optischen Signale in der HNLF 120 erfahren, und die durch die in dem FPS 100 erzeugte Zweipumpen-Parametrikverstärkung bereitgestellte parametrische Verstärkung in vier distinkte Wellenlängen (oder Frequenzen) umgesetzt. Das heißt, die Verwendung der zwei optischen Pumpen 110 in dem FPS 100 von 1 produziert drei distinkte Leerlaufbänder (d.h. das Signal wird in das entsprechende Leerlaufband entweder gespiegelt oder übersetzt), die alle gleichzeitig umgeschaltet werden können. Die erforderliche Zeit für die Umsetzung vom äußeren in das innere Band (z.B. 2+ zu 2–) ist im wesentlichen dieselbe wie die Dauer der Umsetzung vom äußeren in das äußere Band (z.B. 2+ zu 1–), wobei Dispersion nur eine kleine wellenlängenabhängige Latenz beiträgt.
2 zeigt graphisch eine beispielhafte umgesetzte Ausgabe des FPS 100 von 1. In 2 wird ein Eingangssignal zu dem FPS 100 übermittelt. Das Signalband (1–) wird gleichzeitig verstärkt und in vier Spektralfenstern dupliziert. Die erzeugten Leerläufer sind entweder spektral gespiegelte (Leerlaufbänder 1+ und 2+) oder übersetzte (Leerlaufband 2–) Duplikate.
Spektral gespiegelte Leerläufer sind Signalkonjugierte, die das Potential bieten, Übertragungskostenfaktoren zu mindern, indem das ursprüngliche Eingangssignal nach der Übertragung aus dem Konjugat regeneriert wird. Die vierbandige Beschaffenheit des Zweipumpen-FPS 100 ermöglicht beträchtliche Flexibilität bei der Auswahl der Eigenschaften eines umgesetzten Bandes. Die Außerbandplazierung des Signals (1–), das in 2 abgebildet ist, führt zu einem Innerband-Nichtkonjugat (2–). Ein in einem beliebigen der zwei inneren Bänder (1+ und 2–) positioniertes Signal erzeugt ein Außerband-Nichtkonjugat.
In einem FPS der vorliegenden Erfindung, wie zum Beispiel dem FPS 100 von 1, haben die Erfinder bestimmt, daß die Entfernung des Signals aus einer der beiden optischen Pumpen 110 den gleichzeitigen Kollaps der entsprechenden Leerlaufbänder und einen Verlust an Signalverstärkung verursacht. Mit diesem Prinzip im Auge haben die Erfinder bestimmt, daß die zeitliche Steuerung einer der beiden optischen Pumpen 110 alleine oder die gleichzeitige Steuerung beider optischer Pumpen 110 durchgeführt werden kann, um effizientes Mehrband-Umschalten durchzuführen. Genauer gesagt wird in dem FPS 100 von 1 die Pumpensteuerung 135 verwendet, um eine einzige optische Pumpe oder eine Kombination der optischen Pumpen 110 iterativ EIN und AUS zu schalten (d.h. Modulation der optischen Pumpen), um ein gewünschtes mehrbandiges umgeschaltetes Ausgangssignal zu produzieren.
3 zeigt graphisch ein Eingangssignalband und die verschiedenen erzeugten Leerlaufbänder für mehrere Kombinationen der optischen Pumpen eines FPS gemäß der vorliegenden Erfindung. In 3 sind die relativen Signal- und Leerlaufbandbeträge unter Annahme von vernachlässigbarer HNLF-Dispersion höherer Ordnung und Doppelbrechung aufgetragen. Die optischen Pumpen sind mit dem Eingangssignal entweder kopolarisiert oder kreuzpolarisiert. Auf der linken Seite in 3 ist das Eingangssignalband in der Umgebung der Betriebswellenlänge der im normalen Dispersionsregime arbeitenden optischen Pumpe (der C-Band-Pumpe) positioniert. Auf der rechten Seite ist das Eingangssignalband in der Umgebung der Betriebswellenlänge der in dem anomalen Regime arbeitenden optischen Pumpe (der L-Band-Pumpe) positioniert. λ₀ bildet die Nulldispersionswellenlänge ab. Mit Bezug auf 3 ist offensichtlich, daß es bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorzuziehen wäre, die L-Band-Pumpe als die optische Pumpe der vorliegenden Erfindung so zu konfigurieren, daß sie moduliert wird, um ein gewünschtes umgeschaltetes Ausgangssignal gemäß der vorliegenden Erfindung zu produzieren, weil das Konstantlassen der C-Band-Pumpe zu weniger Rauschen führt, als die L-Band-Pumpe konstant zu lassen und die C-Band-Pumpe zu modulieren, um die Umschaltung der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Zum Beispiel und mit Bezug auf 1 schaltet, wenn die erste optische Pumpe 110₁ eine C-Band-Pumpe und die zweite optische Pumpe 110₂ eine L-Band-Pumpe ist, das Halten der C-Band-Pumpe auf einem konstanten Pegel, während die L-Band-Pumpe moduliert wird, eine Logiksequenz eines Eingangsdatensignals in eine gewünschte Ausgangslogiksequenz um. Wenn zum Beispiel ein Eingangsdatensignal, das unter Verwendung einer 10-Gb/s-Sequenz 1100110111010111001 moduliert wird, in den FPS 100 von 1 eingegeben wird und die L-Band-Pumpe unter Verwendung einer 10 Gb/s-Sequenz 1000011110000000001 gepulst wird, wird eine umgeschaltete Signal-/Leerlaufsequenz produziert, die im wesentlichen die Boolsche AND-Verknüpfung des Eingangsdatensignals und des gepulsten Pumpsignals ist, und führt zu der Sequenz 1000010110000000001. Folglich werden die umgesetzten vier Bänder eines Eingangsdatensignals alle umgeschaltet und führen dementsprechend zu einem mehrbandigen umgeschalteten optischen Signal.
Die Geschwindigkeit des Umschaltschemas eines FPS gemäß der vorliegenden Erfindung, wie zum Beispiel des FPS 100 von 1, hängt wesentlich von der Möglichkeit ab, die optischen Pumpen 110 EIN und AUS zu schalten (d.h. Modulation der optischen Pumpe). Der Grund dafür besteht darin, daß die Sub-Picosekunden-Zeitkonstanten des parametrischen Prozesses in Silika im Vergleich zu aktuellen Datenraten (< 1 Tb/s) nahezu augenblicklich sind. Obwohl in der oben angegebenen Beschreibung die Steuerung 135 als eine optische Pumpe 110 EIN oder AUS (d.h. eine optische Pumpe modulierend) abgebildet ist, um ein gewünschtes umgeschaltetes Ausgangssignal zu produzieren, ist für durch die Lehren der vorliegenden Erfindung informierte Fachleute erkennbar, daß der EIN-Zustand einem Signal entsprechen kann, das über einer vorbestimmten Schwelle liegt, und der AUS-Zustand einem Signal, das unter einer vorbestimmten Schwelle liegt (oder umgekehrt), und die vorliegende Erfindung dementsprechend nicht auf Fälle beschränkt ist, bei denen eine optische Pumpe(n) vollständig EIN oder vollständig AUS geschaltet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kombination eines breitbandigen FPS der vorliegenden Erfindung und langsamer optischer Modulatoren (z.B. ~10 Gb/s) verwendet werden, um Sub-Nanosekunden-Umschaltung bzw. -Umsetzung über Bandbreiten hinweg zu erzielen, die kombinierte C- und L-Bänder überschreiten. Die Verwendung orthogonal polarisierter Pumpen in einem FPS der vorliegenden Erfindung stellt weiterhin polarisationsinvariante Bandumschaltung bereit. Umgekehrt kann man kopolarisierte Pumpen verwenden, wenn polarisationsabhängiges Umschalten gewünscht wird, zum Beispiel um eine vorbestimmte Signalpolarisation zu unterscheiden und dergleichen.
In einem experimentellen Aufbau eines FPS der vorliegenden Erfindung wurden zwei Laser (optische Pumpen) bei 1567,0 und 1596,8 nm positioniert und unter Verwendung einer 5-Gb/s-(2³¹-1)-Pseudozufallsbitsequenz phasenmoduliert, um die Brillouin-Schwelle auf mehr als 400 mW zu steigern. Es wurde ein Null-Chirp-Mach-Zehnder-Amplitudenmodulator verwendet, um eine L-Band-Quelle (1596,0 nm) mit einer programmierten 10-Gb/s-NRZ-Sequenz zu modulieren. Das Extinktionsverhältnis betrug 12 dB. Die optischen Pumpen wurden unter Verwendung eines einzigen optischen Verstärkers verstärkt. Die Verwendung eines einzigen Verstärkers anstelle von zwei getrennten Verstärkern vereinfacht die Konstruktion eines FPS der vorliegenden Erfindung und vereinfacht den für die Erzeugung schmaler Leerläufer erforderlichen Weglängenausgleich. Die verstärkten Signale aus den optischen Pumpen breiten sich durch zwei identische, 0,6 nm breite Filter zur Dämpfung von optischem Rauschen in den Signal- und Leerlaufbändern aus. Die gemessenen Leistungen am Eingang der HNLF betrugen 180 und 320 mW für die L- bzw. die C-Band-Pumpe. Die optischen Pumpen und das optische Signal wurden am Eingang einer 1 km langen HNLF mit Null-Dispersionswellenlänge bei 1580 nm, Dispersionssteigung von 0,03 ps/nm² und einem nichtlinearen Koeffizienten γ = 10 km^–1W^–1 kombiniert.
4a zeigt graphisch die Ausgabe des FPS des oben beschriebenen experimentellen Aufbaus bei Abwesenheit eines Eingangssignals. Gleichzeitiger Pumpenbetrieb (L-Band-Pumpe im EIN-Zustand) führt zu starker ASE-Erzeugung über alle vier parametrische Bänder hinweg, wie durch die obere Kurve abgebildet. Bei Abwesenheit der anomalen Pumpe (d.h. L-Band-Pumpe im AUS-Zustand) wird dagegen die C-Band-Pumpleistung mehr als verdoppelt, wie durch die untere Kurve abgebildet, da ein Boosterverstärker im Konstantleistungsregime betrieben wird. Ferner ist der AUS-Zustand durch den Kollaps der vier parametrischen Bänder gekennzeichnet, wie auch durch die untere Kurve in 4a abgebildet wird. Der breitbandige Sockel mit einer Spitze bei 1605 nm wird im AUS-Zustand von 4a beobachtet. Der Sockel repräsentiert ASE aus dem Boosterverstärker, das nicht durch die 0,6-nm-Reinigungsfilter unterdrückt wird.
In dem experimentellen Aufbau wurde ein kleines Datensignal (Pin = –20 dBm) mit 10 Gb/s RZ-moduliert und in dem inneren parametrischen Band (d.h. λ = 1576,1 nm) positioniert. 4b zeigt graphisch die Ausgabe des FPS des experimentellen Aufbaus mit angelegtem Eingangsdatensignal und der L-Band-Pumpe im AUS-Zustand (untere Kurve), wobei das Eingangsdatensignal angelegt ist und die C-Band-Pumpe und die L-Band-Pumpe eine Leistung von 280 mW bzw. 120 mW (mittlere Kurve) aufweisen, und mit angelegtem Eingangsdatensignal und C-Band-Pumpe und L-Band-Pumpe mit einer Leistung von 320 mW bzw. 180 mW (obere Kurve). Das Eingangsdatensignal wurde in der HNLF des FPS gleichzeitig bis auf eine Ausgangsverstärkung von 29 dB verstärkt und mit Effizienzen von 24,6, 30,5 bzw. 26 dB relativ zu der Signaleingangsleistung der HNLF in die Wellenlängen 1557,7, 1587,2 bzw. 1606,2 nm umgesetzt (d.h. die erzeugten Leerläuferbänder). 4b zeigt einen effektiven Umsetzungsbereich für den FPS von mehr als 50 nm mit einer Abstimmgeschwindigkeit, die mit der Anstiegszeit des Modulators vergleichbar ist, die 30 ps beträgt. Das Extinktionsverhältnis zwischen EIN- und AUS-Zustand wurde bei 1557,7 nm als 19 dB und bei Signalwellenlänge als 29 dB und bei 1587,2 und 1606,2 nm als besser als 50 dB gemessen. Durch Konstanthalten der C-Band-Pumpleistung (d.h. separate C- und L-Band-Booster) wurde die 1557,7-nm-Leerläuferextinktion um 6,3 dB vergrößert, wodurch das Extinktionsverhältnis des ungünstigsten Falls auf 25,3 dB verbessert wurde.
5a–5e zeigt graphisch die Umschaltung der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel und mit Bezug auf den vorherigen experimentellen Aufbau würde, wenn ein empfangenes Datensignal unter Verwendung der 10-Gb/s-Sequenz 1100110111010111001 moduliert wird und die L-Band-Pumpe des FPS unter Verwendung der 10-Gb/s-Sequenz 1000011110000000001 gepulst wird, ein Ausgangsdatensignal die Sequenz 1000010110000000001 aufweisen. 5a zeigt graphisch das oben beschriebene Eingangsdatensignal und spezifisch die 10 Gb/s-Sequenz. 5b zeigt graphisch das umgeschaltete 1576,1-nm-Eingangsdatensignal. Aus 5b ist ersichtlich, daß ein resultierendes umgesetztes Ausgangssignal des FPS eine umgeschaltete Sequenz umfaßt, die wie oben beschrieben im wesentlichen eine Boolsche AND-Verknüpfung der Logiksequenz des Eingangsdatensignals und der Logiksequenz des gepulsten optischen Pumpsignals (des Signals der L-Band-Pumpen) ist.
5c–5e zeigen graphisch den erzeugten und umgeschalteten 1557,7-nm-Leerläufer, den 1587,2-nm-Leerläufer bzw. den 1606,2-nm-Leerläufer. Wieder ist aus 5c–5e ersichtlich, daß die resultierenden erzeugten Leerläufer eine umgeschaltete Sequenz umfassen, die im wesentlichen eine Boolsche AND-Verknüpfung der Logiksequenz des Eingangsdatensignals und der Logiksequenz des gepulsten optischen Pumpsignals (des Signals der L-Band-Pumpen) ist.
Wie bereits erwähnt, wird die Leistungsfähigkeit der Umschaltung der vorliegenden Erfindung durch Geschwindigkeit und Extinktionsverhältnis der Modulation der optischen Pumpe(n) begrenzt. Der Einfachheit halber kann angenommen werden, daß Signalverstärkung und Leerläufererzeugung durch den nichtdegenerierten phasenkonjugierten Prozeß dominiert wird (d.h. die spektrale Trennung des Eingangsdatensignals und der optischen Pumpen ist groß). Als eine Extinktionsschätzung im ungünstigsten Fall kann angenommen werden, daß a) teilweise degenerierte (Einpumpen-)Phasenkonjugation Verstärkung im AUS-Pumpzustand bereitstellt und b) das Signal und der Leerläufer maximale Verstärkung (einen Idealphasen-Anpassungszustand) sowohl für EIN- als auch für AUS-Zustände erfahren. Das Extinktionsverhältnis kann dann gemäß der folgenden Gleichung eins (1) charakterisiert werden:
wobei p^ON,OFF die Pumpleistungen in der EIN- und AUS-Stellung und L_eff die effektive HNLF-Wechselwirkungslänge² ist. wenn nur die L-Band-Pumpe umgeschaltet und ein einziger Booster mit konstanter Ausgangsleistung von 2 P für die C-Band- und die L-Band-Pumpe verwendet wird, betragen die Pumpleistungen P_C ^OFF ≅ 2P_C ^ON ≅ 2P und P_L ^OFF ≅ aP_L ^ON ≅ aP, wobei a das Extinktionsverhältnis der L-Band-Pumpe abbildet. Die Raman-Wechselwirkung zwischen den Pumpen wird vernachlässigt. Die Extinktion im ungünstigsten Fall für das umgeschaltete Signal wird somit nun gemäß der folgenden Gleichung zwei (2) charakterisiert:
Für die Parameter des zuvor beschriebenen experimentellen Aufbaus (γ = 10 km^–1W^–1, a = –12 dB, L_eff~1 km und P_1,2 = 250 mW) wird geschätzt, daß das Extinktionsverhältnis im ungünstigsten Fall –14 dB beträgt. Die Maximalverstärkungsannahme ist hier naturgemäß achromatisch und sollte zur Unterschrankenschätzung des Extinktionsverhältnis verwendet werden. Tatsächlich sind die beobachteten Extinktionen von Signal-Leerläufer besser als –14 dB. Es sollte beachtet werden, daß die ungünstigste Extinktion während den Pumpenanstiegs-/Abfallzeiten erwartet werden sollte.
Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf einen Faserparametrikschalter (FPS), der zwei optische Pumpen umfaßt, beschrieben und dargestellt wurden, ist für durch die Lehre der vorliegenden Erfindung informierte Fachleute erkennbar, daß andere Ausführungsformen eines Faserparametrikumschalters (FPS) gemäß der vorliegenden Erfindung mehr als zwei optische Pumpen umfassen können. Zum Beispiel kann ein Faserparametrikumschalter (FPS) gemäß der vorliegenden Erfindung drei optische Pumpen umfassen, und folglich produziert ein Eingangsdatensignal, wenn es mit den drei optischen Pumpen in dem nichtlinearen Medium der vorliegenden Erfindung kombiniert wird, mindestens sechs Umsetzungsbänder. Bei dieser Ausführungsform können entweder eine einzige Pumpe oder im wesentlichen eine beliebige Kombination der optischen Pumpen moduliert werden, um die optische Umschaltung der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Obwohl das obige verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung konzipiert werden, ohne von ihrem grundlegenden Schutzumfang abzuweichen. Folglich ist der entsprechende Schutzumfang der Erfindung gemäß den folgenden Ansprüchen zu bestimmen.

Claims

Optischer Umschalter (100), gekennzeichnet durch mindestens einen optischen Kombinierer (130₂ ) zum Kombinieren von mindestens zwei optischen Pumpsignalen und einem Eingangsdatensignal, um ein kombiniertes Signal zu produzieren; ein nichtlineares optisches Element (120) zum Aufbringen eines nichtlinearen Effekts zweiter Ordnung auf das kombinierte Signal; und mindestens einen optischen Verzweiger (130₅ ) zum Auftrennen des kombinierten Signals aus dem nichtlinearen optischen Element in jeweilige erzeugte optische Bänder; wobei die mindestens zwei optischen Pumpsignale steuerbar so moduliert werden (135), daß eine logische Sequenz des Eingangsdatensignals steuerbar umgeschaltet wird.
Optischer Umschalter nach Anspruch 1, ferner mit mindestens zwei optischen Pumpquellen, wobei jede der Quellen eines der mindestens zwei optischen Pumpsignale liefert, wobei mindestens eine der mindestens zwei optischen Pumpquellen dafür ausgelegt ist, ihr jeweiliges optisches Signal steuerbar so zu modulieren, daß eine logische Sequenz des Eingangsdatensignals steuerbar umgeschaltet wird und ein Ausgangssignal des optischen Umschalters ein mehrbandig umgeschaltetes optisches Signal umfaßt.
Optischer Umschalter nach Anspruch 1, ferner mit einer Steuerung zum Steuern der Modulation der mindestens einen optischen Pumpquelle.
Optischer Umschalter nach Anspruch 1, wobei die Frequenz des Eingangsdatensignals im wesentlichen gleich dem Mittelwert der Frequenzen der mindestens zwei optischen Pumpquellen ist.
Optischer Umschalter nach Anspruch 1, wobei ein resultierendes mehrbandig umgeschaltetes Ausgangssignal im wesentlichen eine Boolsche AND-Verknüpfung der logischen Sequenz des Eingangsdatensignals und der logischen Sequenz des modulierten optischen Pumpsignals ist.
Optischer Umschalter nach Anspruch 1, ferner mit einer variablen Verzögerungsleitung zum Synchronisieren des Eingangsdatensignals und des modulierten optischen Pumpsignals.
Optischer Umschalter nach Anspruch 1, wobei der Ausgang des optischen Umschalters ein Duplikat von dem Eingangsdatensignal und mindestens drei Idler-Signalen umfaßt.
Verfahren zum optischen Umschalten unter Verwendung einer Faserparametrikeinrichtung (100) mit mindestens zwei optischen Pumpquellen (110₁ ), (110₂ ), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Kombinieren (130₂ ) eines Signals aus jeder der mindestens zwei optischen Pumpquellen und eines Eingangsdatensignals, um ein kombiniertes Signal zu produzieren; Aufbringen (120) eines nichtlinearen Effekts zweiter Ordnung auf das kombinierte Signal; und steuerbares Modulieren (135) der mindestens zwei optischen Pumpquellen dergestalt, daß eine logische Sequenz des Eingangsdatensignals steuerbar umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt des Auftrennens des kombinierten Signals in jeweilige erzeugte optische Bänder.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der nichtlineare Effekt zweiter Ordnung eine parametrische Verstärkung des kombinierten Signals dergestalt erzeugt, daß eine Ausgabe der Faserparametrikeinrichtung ein mehrbandig umgeschaltetes optisches Signal umfaßt.