DE602005000168T2

DE602005000168T2 - Verfahren und Vorrichtung zu Verringerung der Effekte von PMD/PDL/PDG

Info

Publication number: DE602005000168T2
Application number: DE602005000168T
Authority: DE
Inventors: Liu Marlboro Xiang
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: US7283752B2; JP4436779B2; EP1583263A1; DE602005000168D1; CN1677903B; EP1583263B1; JP2005295559A; US20050226633A1; CN1677903A

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung ist mit den US-Patentanmeldungen mit dem Titel „System And Method For Multi-Channel Mitigation of PMD/PDL/PDG" eingereicht am 31. Juli 2003 und am 13. August 2003 als US-Patentanmeldung Nr. 10/639,824 verwandt, auf der die Europäische Patentanmeldung Nr. 1 507 346 A1 basiert.
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Kommunikationen und im Speziellen Verfahren und eine Vorrichtung für Polarisationsverwürfelung zur Minderung der Polarisationsmodendispersions-(PMD), Polarisationsabhängigen Verlust-(PDL) und Polarisationsabhängige Verstärkungs-(PDG) Penalties in optischen Kommunikationssystemen.
Stand der Technik
PMD, PDL und PDG sind wichtige Penalty-Quellen in Hochgeschwindigkeitsübertragungen (zum Beispiel 10 Gb/s und 40 Gb/s). PMD-Kompensation (PMDC) ist normalerweise wünschenswert, um die Systemtoleranz gegenüber PMD zu erhöhen. Doch auf Grund der stochastischen Natur der PMD und ihrer Wellenlängenabhängigkeit wird PMDC normalerweise für jeden Wellenlängenkanal einzeln umgesetzt und ist somit im Allgemeinen nicht kosteneffektiv. Es wurden verschiedene Verfahren des Stands der Technik vorgeschlagen, um PMDC für mehrere Kanäle gleichzeitig zu erreichen. Kanalumschaltung ist eine Technik, die zur Milderung der gesamten PMD-Penalty in einem WDM-System vorgeschlagen wurde. Diese Systeme geben jedoch auf Grund der Verwendung zusätzlicher Kanäle für PMD-Schutz Systemkapazität auf. Es wurde ebenfalls Multikanal-PMDC vor Wellenlängen-Demultiplexierung vorgeschlagen, um die PMD-Abschwächung in dem WDM-Kanal, der die schwerwiegendsten PMD aufweist, zu kompensieren. Ein solches Minderungsschema kann jedoch zur Abschwächung anderer Kanäle führen.
Es wurde ein weiteres Schema für eine geteilte PMDC mit Multikanälen vorgeschlagen, in dem die meisten abgeschwächten Kanäle durch optische oder elektrische Mittel auf einen Pfad umgeschaltet werden, der mit der geteilten PMDC verbunden ist. Doch die Geschwindigkeit einer PMDC-Lösung ist durch die Geschwindigkeit der optischen oder elektrischen Umschaltung begrenzt.
In jedem der oben beschriebenen PMDC-Schemata des Stands der Technik liegen unerwünschte durch PMD hervorgerufene Systemausfälle vor (während derer die PMD-Penalty ihre vorher zugewiesene Systembegrenzung übersteigt), wenngleich diese reduziert sind.
Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ist eine effektive Technik zur kosteneffizienten Erhöhung der Systemgrenze. Es wurde jedoch festgelegt, dass FEC die tolerierbare PMD für eine feste PMD-Penalty bei einer bestimmten durchschnittlichen Bitfehlerrate (BER) nicht übersteigen kann, obwohl die zusätzliche Begrenzung, die durch FEC bereitgestellt wurde, zum Erhöhen der PMD-Toleranz verwendet werden kann. Es wurde vorgeschlagen, dass ausreichendes Verschachteln bei der FEC die PMD-Toleranz erhöhen könnte. Es gibt jedoch kein bekanntes praktisches Verfahren zum Bereitstellen des tiefen Verschachtelns, das benötigt wird, um einen PMD-Ausfall zu vermeiden, das in praktischen Systemen Minuten oder länger dauern kann.
Eine Anordnung zur Abminderung der Auswirkungen der Polarisationsmodendispersion (PMD), die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) in Verbindung mit verteilter, schneller Polarisationsverwürfelung (D-FPS) wird beschrieben in X. Liu et al., „Multichannel PMD mitigation through forward-error-correction with distributed fast PMD scrambling", Optical Fiber Communication Conference 2004, OFC 2004, Band 1, 23.-27. Februar 2004. Die DFPSs dienen zum Verschachteln der Verbindungs-PMD an einem Zeitintervall, das kürzer ist als der Burstfehler-Korrekturzeitraum (BECP) der FEC. Wie darin beschrieben sollte die Verwürfelungsgeschwindigkeit geringer sein als BR/(8xID) und größer als ~BR/BECL, wobei BR die Bitrate des optischen Signals und BECL die Burstfehler-Korrekturlänge (in Bits) ist, wobei eine Byte-basierte FEC mit einer Verschachtelungstiefe von ID angenommen wird.
Obwohl die verteilte Polarisationsverwürfelung als effektive Technik zur Abminderung der PMD/PDL/PDG-Penalties vorgeschlagen wurde, besteht ein Bedarf an Optimierung und kosteneffektiven Anordnungen zur Bereitstellung von Polarisationsverwürfelung, um PMD/PDL/PDG zu verringern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung für Polarisationsverwürfelung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren für die Abschwächung der Effekte von Multikanal-PMD/PDL/PDG gemäß Anspruch 8 bereit.
Gemäß einer Ausführungsform wird in der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung für Polarisationsverwürfelung für die Verwendung in Knoten eines optischen Kommunikationssystems bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst M Polarisationssteuerungen und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die M Polarisationssteuerungen bei mindestens einer von mehreren Frequenzen f₁ ... f_M zu steuern, wobei gilt f₁ ≥ f₂ ... ≥ f_M und f₁ ≥ etwa BR/(BECL x N). BR ist die höchste Bitrate des optischen Signals, BECL ist eine maximale Burstfehler-Korrekturlänge der Vorwärtsfehlerkorrektur, die in dem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, und N ist die Anzahl der Knoten, die eine oder mehrere Polarisationssteuerungen aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein optisches Kommunikationsverfahren für die Verwendung in mindestens einem von N Knoten eines optischen Kommunikationssystems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Steuern der M Polarisationssteuerungen bei mindestens einer von mehreren Frequenzen f₁ – f_M derart, dass f_l ≥ f₂ ... > f_M und f₁ ≥ etwa BR/(BECL x N). BR ist die höchste Bitrate des optischen Signals, das übertragen wird, und BECL ist eine maximale Fehlerkorrekturlänge der Vorwärtsfehlerkorrektur, die in dem optischen Kommunikationssystem verwendet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorangegangenen und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung deutlicher, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gesetzt wird.
Es sollte bemerkt werden, dass die beiliegenden Zeichnungen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen und sollten daher nicht als den Geltungsbereich der Erfindung einschränkend betrachtet werden.
1A-D sind grafische Darstellungen eines Arbeitsprinzips der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
2 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung darstellt,
3 ist ein Diagramm, das eine andere Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung darstellt,
4 ist ein Diagramm einer Ausführungsform des Polarisationsverwürfelungsmoduls gemäß der Erfindung,
5 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der Steuerschaltung zeigt, die gemäß der Erfindung verwendet werden kann,
6A-D sind grafische Darstellungen, die jeweils die Maxwellsche Verteilung einer differenziellen Verbindungsgruppenlaufzeit (DGD), die DGD-Verteilungen der Verbindung während eines Ausfallereignisses mit einem Polarisationsverwürfelungsmodul (PSM) in der Mitte der Verbindung und die DGD-Verteilungen der ersten und zweiten Hälfte der Verbindung während des Ausfalls zeigen,
7A-B sind jeweils grafische Darstellungen der Verteilung der DGD-Verteilungen der Verbindung während eines Ausfalls mit 2 und 6 PSMs,
8 ist eine grafische Darstellung der Ausfallwahrscheinlichkeit gegenüber der Anzahl der PSMs, die idealisierte PMD-Verwürfelung (gepunktete Linie) übernehmen, und mit ungenügender Verwürfelungsgeschwindigkeit (gestrichelte Linie),
9A-B sind grafische Darstellungen, die relative erforderliche OSNR zeigen, um BER = 10^–15 als eine Funktion der PMD in NRZ-OOK-(links) und NRZ-DPSK-(rechts) Systemen ohne FEC (Kreise), mit FEC und keinen PSMs (Quadrate) und mit FEC und PSMs (Karos) zeigt, und
10 ist eine grafische Darstellung, die die Abhängigkeit der korrigierten BER (durch FEC) von unkorrigierter BER zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In einem Aspekt der Erfindung werden die Verfahren und die Vorrichtung verwendet, um Polarisationsverwürfelung (für die Verwendung in Verbindung mit FEC) bereitzustellen, um die Polarisation des Signals zwischen mindestens zwei Zuständen während jedem Burstfehler- Korrekturzeitraum (BECP) der FEC zu ändern. Durch Ändern der Polarisation mindestens ein Mal während jedem BECP wird die PMD, die durch ein Signal erfahren wird, während jedem BECP variiert und die durch PMD verursachten „Ausfälle" werden effektiv auf mindestens einen Zeitraum beschränkt, der gleichzeitig kürzer ist als der Korrekturzeitraum für alle Wellenlängenkanäle. Die FEC kann die dominierenden Fehler, die auftreten, effektiv korrigieren und dadurch die Systemtoleranz gegenüber PMD verbessern und Systemausfälle verhindern. (BECP ist in Zeiteinheiten, was Burstfehler-Korrekturlänge (BECL) multipliziert mit dem Bitzeitraum entspricht. Für den ITU-Standard gilt BECL = 1024 Bits. Somit beträgt in einem nach G.709 standardisierten System mit 10,7GB/s der BECP ungefähr 1024 x 100ps 0,1μs.)
1A-D stellen ein Arbeitsprinzip der vorliegenden Erfindung dar. 1A-B zeigen den Fall ohne Polarisationsverwürfelungsmodule (PSMs). Wie in 1A-B gezeigt verursacht PMD gelegentlich schwerwiegende Signalwellenformabschwächung, die zu aufeinander folgenden oder sehr häufigen Fehlern führt. Diese durch PMD hervorgerufene Abschwächung dauert normalerweise von Millisekunden bis zu Minuten.
Für jeden bestimmten FEC-Code gibt es eine maximale Anzahl korrigierbarer Fehler pro FEC-Rahmen (oder -Block), N_{max_frame}. Es gibt auch eine maximale Anzahl korrigierbarer aufeinander folgender Burstfehler pro FEC-Rahmen, N_{max_burst}, (hierin bezeichnet als die BECL, die im Allgemeinen geringer oder gleich N_{max_frame} ist). FEC kann die Fehler nicht korrigieren (und kann eventuell sogar mehr Fehler erzeugen), wenn die Fehler so häufig auftreten, dass während jedes FEC-Rahmenzeitraums (normalerweise im Bereich von Millisekunden) die Anzahl der Fehler N_{max_frame} übersteigt oder dass nacheinander mehr als N_{max_burst} Zeiten auftreten. Diese Ereignisse, während denen ein System auf Grund von PMD ausfällt (selbst mit einer zugewiesenen Begrenzung), werden durch PMD hervorgerufene Ausfallereignisse genannt und sind in 1B dargestellt.
Unter Verwendung von PSMs gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verschachteln der PMD (erfahren durch ein Signa während der Übertragung) während jedes FEC-Rahmens, wird die PMD nahe hin zu ihrer ursprünglichen Maxwellschen Verteilung derart neu verteilt, dass keine aufeinander folgenden Fehler (auf Grund von PMD) länger dauern als N_{max_burst}, wie in 1C gezeigt. Dadurch werden die Fehler im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, wenn eine Zeitauflösung eines FEC-Rahmenzeitraums betrachtet wird, und somit können sie durch FEC effektiv korrigiert werden, wodurch eine angemessene Systembegrenzung für PMD zugewiesen wird. Es wird verstanden, dass die Gesamtanzahl der Fehler (vor FEC-Korrektur) über einen unendlichen Zeitraum für die zwei Fälle ohne und mit PSMs dieselbe ist. Die Neuverteilung der PMD erlaubt es der FEC effektiv, während eines andernfalls stattfindenden PMD-Ausfallereignisses, Fehler zu korrigieren, wodurch OP wesentlich verringert wird, wie in 1B gezeigt.
Eine Ausführungsform eines Systems 20 gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 2 gezeigt. In Betrieb wird zunächst ein Hochgeschwindigkeitssignal (zum Beispiel OC192) durch einen FEC-Kodierer 201 FEC-kodiert und dann verwendet, um Licht von einer Lichtquelle 202 zu modulieren, wodurch ein Wellenlängenkanal 203 eines optischen Signals ausgebildet wird. Mehrere dieser Kanäle werden auf gleiche Art kodiert und in einem Wellenlängen-Teilungsmultiplexierer (WMD) 204 multiplexiert, um ein optisches Signal zum Senden über eine Verbindung auszubilden. Die Verbindung umfasst eine oder mehrere Übertragungslängen 205. Die Übertragungslängen 205 umfassen vorzugsweise eine oder mehrere Übertragungsfaserlängen 206, einen oder mehrere optische Verstärker 207 (zum Beispiel EDAFs) und wenn nötig Streuungskompensierungsmodule (DCMs, nicht dargestellt).
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist ein Polarisationsverwürfelungsmodul (PSM) 208 innerhalb der Länge 205 positioniert. Der Fachmann wird verstehen, dass ein oder mehrere PSMs 208 entlang einer Verbindung verteilt sein können (zum Beispiel können ein oder mehrere PSMs in einer oder mehreren verstärkten Längen hinzugefügt werden.)
Eine andere Ausführungsform eines Systems, das Feg-Kodierung (unter Verwendung von 2 PSMs pro Knoten in einem System mit N Knoten) gemäß der Erfindung einsetzt, wird in 3 gezeigt. Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Knoten" auf einem Punkt in einem System oder Netzwerk, das ein oder mehr PSMs aufweist. Die zwei PSMs jedes Knoten werden ferner vorzugsweise bei zwei verschiedenen Frequenzen gesteuert (wie weiter unten beschrieben).
Eine Ausführungsform eines PSM 400 gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 4 gezeigt. Wie in 4 gezeigt kann das PSM 400 eine drehbare Halbwellenplattenvorrichtung 410 und eine Steuerschaltung 420 umfassen. Der Fachmann wird auch verstehen, dass die drehbare Halbwellenplattenvorrichtung 410 effektiv als eine Vorrichtung zur Variierung der Polarisation oder als Polarisationssteuerung dient. Alternativ können andere Vorrichtungen zur Steuerung der Polarisation der übertragenen optischen Signale verwendet werden, einschließlich Phasenmodulatoren, drehbare Viertelwellenplatten und ähnliches. Wie hierin verwendet bezieht sich „Polarisationssteuerung" auf jede Art der Vorrichtung zur Variierung der Polarisation, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf die oben beschriebenen.
5 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der Steuerschaltung 500 zeigt, die gemäß den Ausführungs formen der Erfindung verwendet werden kann. Wie aus 5 hervorgeht wird ein Referenztaktsignal 501 in einen Prozessor 502 ausgegeben, um im Wesentlichen sinusförmige hochfrequente Steuersignale 504, 505 zu erzeugen. Der Prozessor 502 kann eine integrierte Schaltung oder jede andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, ein oder mehrere Steuersignale 504, 505 zu erzeugen.
Die Steuersignale 504, 505 weisen vorzugsweise die gleiche Frequenz auf und können eine variabel Verzögerung in Bezug auf einander aufweisen. Die Steuersignale 504, 505 können verwendet werden, um die Polarisationssteuerungen gemäß der Erfindung zu steuern.
Optische Verstärker 506, 507 können verwendet werden, um die Steuersignale 504, 505 zu verstärken, bevor eine Polarisationssteuerung 510 (in Phantomzeichnung dargestellt) gesteuert wird. Es versteht sich, dass die Steuerschaltung 500 mit der Polarisationssteuerung 510 integriert oder eine separate Vorrichtung/Komponente sein kann.
Zusätzlich wird der Fachmann verstehen, dass die Steuerschaltung 500 eingerichtet sein kann, ein einzelnes sinusförmiges Steuersignal zur Steuerung eines Phasenmodulators basierend auf der Polarisationssteuervorrichtung gemäß hierin beschriebenen alternativen Ausführungsformen der Erfindung zu erzeugen.
Wieder Bezug nehmend auf 2, sind die FSMs 208 vorzugsweise entlang einer Verbindung positioniert, wo die Signalleistung relativ hoch ist (zum Beispiel nach einem optischen Verstärker), derart, dass die OSNR-Verringerung auf Grund des Verlusts von den PSMs im Wesentlichen minimiert wird. Außerdem sind die PSMs 208 vorzugsweise im Wesentlichen gleichmäßig auf der Verbindung verteilt (zum Beispiel im Abstand entlang der Verbindung basierend auf PMD-Werten der Längen inner halb der Verbindung), derart, dass die PMD effektiver neu verteilt wird.
Das PSM 208 kann beispielsweise einen einstufigen Phasenmodulator basierend auf LiNbO₃ umfassen oder jede andere Vorrichtung, die ausreichend Polarisationsverwürfelung bereitstellt. Vorzugsweise werden mindestens zwei PSMs bei unterschiedlichen Frequenzen gesteuert (die zueinander „relativ teilerfremd" sind) und werden zusammen in einem bestimmten Knoten verwendet, um die Signalpolarisation willkürlich unabhängig von dem Polarisationszustand des Eingabesignals anzuordnen. „Relativ teilerfremd" wie hierin verwendet bezieht sich auf relativ teilerfremd sein (das heißt sie haben außer 1 keine Faktoren gemein) in Bezug auf die ersten zwei signifikanten Stellen (nach dem Runden) der höheren Frequenz. Zum Beispiel werden 10,9MHz und 8,2MHz hierin nach dem Runden als relativ teilerfremd erachtet, da 10,9 zu 11 wird und 8,2 zu 8 wird und 11 und 8 relativ teilerfremd sind. Als zusätzliches Beispiel werden 15,2 und 30,1 nicht als relativ teilerfremd erachtet, da nach dem Runden 15 und 30 nicht relativ teilerfremd sind.
Auf der Empfängerseite des Systems 20 werden WDM-Kanäle des übertragenen optischen Signals durch den Demultiplexierer 210 demultiplexiert und dann einzeln an einem Empfänger 220 detektiert. Die Signale werden dann mit einem FEC-Dekodierer 230 FEC-dekodiert, um das Ausgangsdatensignal zu ermitteln.
Die sofortige PMD einer Verbindung kann durch einen Vektor, Ω, dargestellt werden, dessen Länge der DGD zwischen zwei Hauptzuständen der Polarisierung (PSPs) der Faserverbindung gleicht, und dessen Richtung mit der maximalen Verzögerung PNP ausgerichtet ist. Im Allgemeinen folgt die Verteilung der DGD der Maxwellschen Verteilung, wie in 6A gezeigt. Bei einigen seltenen Anlässen (gegen das Ende der Maxwellschen Verteilung) kann das augenblickliche |Ω| viel größer sein als die durchschnittliche Verbindungs-DGD, Ω - (oder DGD), was zu einer großen Penalty führt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit (OP) wird normalerweise verwendet, um die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins einer PMD-Penalty größer als der zuvor zugewiesene Wert einzuschätzen (zum Beispiel 2dB in der erforderten OSNR). Es ist wünschenswert eine so geringe OP wie möglich zu haben.
Numerische Lösungen haben gezeigt, dass die OP durch Verwendung verteilter PSMs gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verringert werden kann. Wie in 6B dargestellt wird ein Ausfallereignis bereitgestellt, während dessen das augenblickliche |Ω₀| = 3Ω -, |Ω| durch Einfügen eines PSM in der Mitte der Verbindung neu verteilt. Die Neuverteilung wird folgendermaßen ermittelt. Zunächst werden alle möglichen Paare der PMD-Vektoren der ersten und zweiten Hälfte der Verbindung, Ω₁ und Ω₂, die Ω₁ + Ω₂ = Ω erfüllen, und ihre Erscheinungswahrscheinlichkeiten aufgefunden. Die Verteilungen von |Ω₁| und |Ω₂| werden in den 6C-D gezeigt. Für jede Strafe (Ω₁, Ω₂) wird Ω₁ auf der Poincaré-Sphäre gedreht, wobei alle möglichen Zustände einheitlich abgetastet werden (um die Funktion des PSM nachzubilden), und wird mit Ω₂ summiert, um einen neuen PMD-Vektor, Ω_new, zu ermitteln. Die Verteilung von |Ω_new| wird dann durch Berechnen der relativen Wahrscheinlichkeiten aller abgetasteten DGD-Werte und deren Normalisierung ermittelt. Offensichtlich ist die neue Verteilung nicht länger um 3Ω - herum isoliert, sondern hat einen wesentlichen Teil um Ω herum.
Das oben beschriebene Verfahren wurde für Fälle mit 2 oder mehreren verteilten PSMs 208 wiederholt. 7A-B zeigen die neue DGD-Verteilung mit jeweils 2 und 6 einheitlich verteilten PSMs. Mit der erhöhten Anzahl der PSMs 208 nähert sich die DGD-Verteilung der ursprünglichen Maxwellschen Verteilung an. Das Fachmann wird verstehen, dass die DGD-Verteilung des Abschnitt i-th, |Ω₁|, eine Wahrscheinlichkeit hat, um |Ω₁|/(N + 1) (wobei N die Gesamtanzahl der PSMs ist) verteilt zu werden, vorausgesetzt dass |Ω|/(N + 1) > Ω/(N + 1)^1/2, da die Maxwellsche Verteilung stark begünstigt, dass |Ω₁| nahe Ω -/(N + 1)^1/2 ist. Mit verteilter Polarisationsverwürfelung kann das neue Ω als quadratische Summierung aller sektionalen PMD-Vektoren betrachtet werden und ihr Mittelwert kann wie folgt angenähert werden Ω -new ≈ max(Ω -|Ω0|/√N + 1) (1)
Wenn N ausreichend groß wird, nähert sich die neue Mittel-PMD Ω - an. Das erklärt qualitativ die Konvergenz der neuen DGD-Verteilung der Verbindung von einem Ausfallereignis zu ihrer ursprünglichen Maxwellschen Verteilung durch die Verwendung der verteilten PSMs.
Anforderung an die PSM-Geschwindigkeit für die Ausfallverhinderung
Um die neue DGD der Verbindung während eines Ausfällereignisses zu der ursprünglichen Maxwellschen Verteilung neu zu verteilen, ist die Geschwindigkeitsanforderung der PSMs 208 (eng verwandt mit dem verwendeten FEC-Code und der Systemdatengeschwindigkeit), ein wichtiger Parameter. Im Allgemeinen kann ein FEC-Code die maximale Anzahl der Fehler pro FEC-Rahmen, N_{max_frame}, und die maximale Anzahl der aufeinander folgenden Burstfehler, N_{max_burst}, korrigieren. RS-FEC hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass N_{roax_burst} N_{max_frame} gleicht. In einer Version der von ITU empfohlenen FEC (G.709-Standard) wird der RS (255.239) Code mit einer Verschachtelungstiefe von 16 verwendet, Was zu N_{max_burst} = N_{max_frame} = 8xl6 Bytes (oder 1024 Bits) führt. Der entsprechende Burstfehler-Korrekturzeitraum (BECP) beträgt etwa 0,1μs für 10Gb/s Systeme (0,025μs für 40Gb/s Systeme). Um den Zustand der Polarisation mindestens ein Mal während jedem BECP zu ändern, muss die Geschwindigkeit des PSM für 10GB/s und 40GB/s Systeme jeweils größer als etwa 10MHz und größer als etwa 40MHz sein. In Systemen, in denen multiple Daten koexistieren (zum Beispiel ein System mit einem 10GB/s Kanal vermischt mit 40GB/s Kanälen), wird eine Mindestanforderung an die Geschwindigkeit vorzugsweise durch die höchste Datenrate bestimmt. Die Geschwindigkeitsanforderung kann gelockert werden, wenn PSMs in vielen Knoten entlang der Übertragungsverbindung verteilt sind. Je größer die Anzahl der Knoten (N) umso geringer ist die erforderliche Mindestgeschwindigkeit jedes PSM. LiNbO₃-basierte PSMs können Polarisationsverwürfelung mit Geschwindigkeiten von bis zu einigen GHz durchführen und können gemäß der Erfindung verwendet werden. Durch die Verwendung fortschrittlicher FEC-Codes mit großer Burstfehler-Korrekturfähigkeit können die Anforderungen an die Geschwindigkeit der PSMs 208 gelockert werden.
Die Leistungsverbesserung durch die Verwendung verteilter PSMs wurde dargelegt und wird unten beschrieben. Die durch PMD hervorgerufene OP unter Annahme idealisierter oder ausreichender PMD-Verwürfelung, die die DGD der Verbindung auf die ursprüngliche Maxwellsche Verteilung neu verteilte, wurde dargelegt. Es wurde gezeigt, dass es eine kleine Wahrscheinlichkeit gibt, dass PMD-Ausfälle selbst nach der PMD-Verwürfelung durch N Knoten mit PSM auftreten können, wobei die neue DGD der Verbindung noch immer ausreichend groß ist, Systemausfall hervorzurufen (oder sie ist noch immer größer als das spezielle |Ω|). Die neue OP (nach ausreichender PMD-Verwürfelung OP_sufficient) kann folgendermaßen geschrieben werden OPsufficient(N) = M{Ω - + [M–1(OP0) – Ω -] – √N + 1}, (2)
Wobei M(x) die Wahrscheinlichkeit der Ermittlung von DGD ist, die größer als s ist, unter der Annahme, dass die DGD durch Maxwellsche Verteilung mit einem Mittelwert von Ω - verteilt ist, oder
M¹(y) ist die umgekehrte Funktion von M(x). 8 zeigt die Abhängigkeit der neuen OP von N für die Annahme, dass die ursprüngliche OP 10^–3 ist (gepunktete Linie für ausreichende PMD-Verwürfelung). Die neue OP wird mit der Zunahme von N wesentlich verringert. Mehr als zehn Zehnerpotenzen der Verringerung in der OP können m etwa 10 PSMs erreicht werden.
Die Leistung der Ausfallverhinderung unter ausreichender Geschwindigkeit der Polarisationsverschlüsselung ist von praktischem Interesse. Die Auswirkung unzureichender Verwürfelungsgeschwindigkeit besteht in der Reduzierung der effektiven Anzahl der PSMs. Unter der Annahme, dass die Änderung der Polarisierung, die durch PSMs hervorgerufen wird, sinusförmig und additiv ist, kann Gleichung (3) erweitert werden, um die Auswirkung folgendermaßen in Betracht zu ziehen OPsufficient (N) ≈ OPsuficient(N·p), (4)wobei p das Verhältnis zwischen der tatsächlichen OSM-Geschwindigkeit und der erforderlichen Geschwindigkeit ist. Zum Beispiel gilt p = 0,8 für ein PSM mit einer Geschwindigkeit von 8-MHz in 10Gb Systemen, die standardmäßige RS-FEC verwenden. Die Ausfallverhinderung mit p = 0,8 wird in 8 durch eine gestrichelte Linie gezeigt. Während ungenügende PSM-Geschwindigkeit die Leistung herabsetzt, kann die OP noch immer wesentlich von 10^–3 auf < 10^–12 verringert werden, wobei ~10 Knoten PSM installieren. Wie aus den oben aufgeführten Ergebnissen hervorgeht, stellt die vorliegende Erfindung effektive Eliminierung der durch PMD hervorgerufenen Systemausfälle bereit.
Verbesserung der PMD-Toleranz
Die Abhängigkeit der OSNR-Penalty von PMD ist für die Einschätzung der Systemtoleranz gegenüber PMD wichtig. 9A-B zeigen die relative erforderliche OSNR (im Vergleich zu der ohne FEC und ohne PMD) zum Erreichen einer BER von 10^–15 als eine Funktion der Mittel-PMD jeweils in Non-Return-to-Zero (NRZ) Ein-Aus-getasteten (OOK) und differenziellen Phasenumtastungs-(DPSK) Übertragungssystemen. Wenn keine FEC verwendet wird, werden der Entscheidungsgrenzwert und die Phase auf einer Bit-für-Bit-Basis optimiert oder für jeden Fall augenblicklicher PMD optimiert, unter der Annahme, dass die PMD langsam variiert und der Empfänger die Änderung verfolgen kann. Eine OSNR-Penalty von 2dB tritt auf, wenn die mittlere System-DGD etwa 17% des Bitzeitraums (t) erreicht. Wenn RS-FEC verwendet wird, werden der Entscheidungsgrenzwert und die Phase auf einer Rahmen-für-Rahmen-Basis für jede PMD optimiert. FEC stellt eine Verbesserung von etwa 6,5dB über der OSNR-Anforderung bereit. Mit der Zunahme der PMD gibt es einen wesentlichen Unterschied in der PMD-Toleranz zwischen den Fällen ohne und mit PSMs. Die PMD-Toleranz (bei einer 2dB Penalty) des NRZ-OOK-Systems mit FEC und PSMs beträgt etwa 0,24T, etwa 70% größer als die mit FEC aber ohne PSMs. Wenn RS-FEC in dem NRZ-DPSK-System verwendet wird, betragen die PMD-Toleranzen jeweils etwa 0,17T und etwa 0,31T ohne und mit verteilten PSMs. Die Verwendung der verteilten PSMs verdoppelt die PMD-Toleranz in Systemen mit FEC beinahe. Es wird darauf hingewiesen, dass eine solche Leistungsverbesserung nicht durch einfaches Einfügen eines PSM an einem Sender erreicht werden kann, der keine „schlechten" PMDs vermeiden kann. Auch ist die PMD-Toleranz mit FEC aber ohne PSMs kleiner als ohne FEC. Das liegt an der „nicht linearen" Abhängigkeit der korrigierten BER (durch FEC) von der nicht korrigierten BER, die normalerweise zu einer viel größeren Erhöhung der korrigierten BER führt, wenn die unkorrigierte BER nur leicht erhöht wird, wie in 10 gezeigt. Es ist somit sehr förderlich, den durch PSMs gebotenen Vorteil in Systemen, in denen FEC eingesetzt wird, zu nutzen.
PMD-Toleranz kann ferner erhöht werden, wenn leistungsstärkere FEC-Codes (das heißt die einen höheren unkorrigierten BER-Grenzwert als RS-FEC für eine bestimmte korrigierte BER aufweisen) mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt die Kriterien für ausreichende PMD-Verwürfelung werden eingehalten. Der Fachmann versteht, dass die vorliegende Erfindung auf Systeme und Übertragungsverfahren angewendet werden kann, die verschiedene FEC-Codes einsetzen, einschließlich jedoch nicht darauf beschränkt Reed-Solomon-Codes, verkettete Blockcodes, Faltungscodes und mit verschiedenen verschachtelten Tiefen.
Zusätzlich kann die Erfindung auch auf Systeme angewendet werden, die NRZ oder Return-to-Zero (RZ) Signalformatierung und/oder OOK, DPSK, Differentielle Quaternäre Phasenumtastung (DQPSK) Modulationsformatierung und ähnliches einsetzen.
Zusätzlich kann die Toleranz gegenüber PDL und PDG mit der Verwendung von PSMs in Systemen mit FEC wesentlich erhöht werden. Wie oben in Bezug auf PMD-Abschwächung beschrieben, ist die vorliegende Erfindung bei der wesentlichen Verringerung der durch PDL und PDG hervorgerufenen Ausfälle durch schnelles Neuverteilen der PDL und PDG effektiv, um der FEC das Korrigieren von Übertragungsfehlern zu ermöglichen, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit wesentlich verringert wird.
Vorzugsweise liegt die PSM-Geschwindigkeit (das heißt die Frequenz der sinusförmigen Steuersignale) über etwa BR/(FEC-BECL x N) (zum Beispiel 2MHz für ein 10Gb/s System oder 8MHz für ein 40Gb/s System mit 5 Knoten, mit einem oder mehreren PSMs und ITU G.709 empfohlener RS-FEC).
Es wird darauf hingewiesen, dass Polarisationsverwürfelungsmodule gemäß der Erfindung auch die Phasen der Signalbits verschachteln und dass Polarisation mit sehr hoher Geschwindigkeit (vergleichbar mit der Datenrate, BR) eine große Verbreiterung des Signalspektrums (zum Beispiel etwa zwei Mal das Spektrum des übertragenen Signals) und Penalty erhöhen kann. Vorzugsweise liegt die PSM-Geschwindigkeit unter etwa BR/N (das heißt 1GHz für ein 10Gb/s System oder 4GHz für ein 40Gb/s System mit 10 Knoten).
Um die Möglichkeit der FEC vorteilhaft zu nutzen, ist es wünschenswert, die Verwürfelungsgeschwindigkeit auf unter etwa BR/(8xID) zu begrenzen, wobei ID die in dem System verwendete Verschachtelungstiefe der FEC ist (Hinweis: 8 ist das Verhältnis zwischen einem Byte (auf dem FEC Daten verarbeitet) und einem Bit). Beispielsweise empfiehlt der ITU-Standard G.709 (ITU-T Empfehlung G.709/Y.1331, „Interfaces for the optical transport network", Februar, 2001) ID = 16. Das heißt für ein 40Gb/s System ist die Steuerfrequenz vorzugsweise niedriger als etwa 300MHz.
Zusammenfassend liegt die Steuerfrequenz zwischen etwa BR/(FEC-BECLxN) und dem niedrigeren von etwa BR/(8xID) und BR/N.
Zusätzlich wird der Fachmann erkennen, dass ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber PMDC darin besteht, dass die vorliegende Erfindung keine Polarisationsüberwachung und Rückkopplungssteuerung erfordert und in einem Set-and-Forget-Modus arbeiten kann.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf darstellende Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden. Verschiedene Anpassungen der beschriebenen Ausführungsformen ebenso wie andere Ausführungsformen der Erfindung, die dem Fachmann offensichtlich sind, werden als innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung liegend betrachtet, der durch die folgenden Ansprüche ausgedrückt wird.

Claims

Vorrichtung zur Polarisationsverwürfelung (208; 400) zur Verwendung in einem Knoten eines optischen Kommunikationssystems zum Übertragen optischer Signale mittels Vorwärtsfehlerkorrektur, wobei das System N Knoten, N > 1, umfasst und wobei jeder Knoten mindestens eine Polarisationssteuerung (410) umfasst, die angepasst ist, bei einer Frequenz f_i > 0 gesteuert zu werden, wobei die Vorrichtung zur Polarisationsverwürfelung Folgendes umfasst: – M Polarisationssteuerungen (410), wobei M ≥ 2, – Steuerschaltung (420), die angepasst ist, die M Polarisationssteuerungen bei mehreren jeweiligen Frequenzen f₁ ... f_M so zu steuern, dass: (a) f₁ ≥ ca. BR/(BECLxN), wobei BR die höchste Bitrate des optischen Signals ist und BECL eine maximale Signalfolgen-Fehlerkorrekturlänge der Vorwärtsfehlerkorrektur ist, die in dem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, und (b) f₁ > f₂ > ... f_M > 0
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei f₁ ≤ ca. BR/(ID x 8), wobei ID die Verschachtelungstiefe der Vorwärtsfehlerkorrektur ist, die in dem optischen Kommunikationssystem verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polarisationssteuerung (410) eine Wellenplatte umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wellenplatte feste langsame und schnelle Achsen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wellenplatte drehbare langsame und schnelle Achsen und anpassbare Phasenverzögerung zwischen den zwei Hauptzuständen der Polarisation der Wellenplatte aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aufgerundeten ganzzahligen Werte der Frequenzen, bei denen die mindestens zwei Polarisationssteuerungen, die sich an dem gleichen Knoten befinden, gesteuert werden, relativ teilerfremd sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei N ≥ 5.
Verfahren zur Verringerung der PMD-bezogenen Effekte in einem optischen Kommunikationssystem mittels Vorwärtsfehlerkorrektur zum Übertragen optischer Signale, wobei das System N Knoten, N > 1, umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst – an jedem Knoten Bereitstellen mindestens einer Polarisationssteuerung (410), die mit einer Frequenz f_i > 0 gesteuert wird, – an mindestens einem der Knoten Bereitstellen von M Polarisationssteuerungen (410), wobei M ≥ 2 ist, und – Steuern der M Polarisationssteuerungen mit mehreren jeweiligen Frequenzen f₁ ... f_M so, dass: (a) f₁ ≥ ca. BR/(BECLxN), wobei BR die höchste Bitrate des optischen Signals ist und BECL eine maximale Signalfolgen-Fehlerkorrekturlänge der Vorwärtsfehlerkorrektur ist, die in dem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, und (b) f₁ > f₂ > ... f_M > 0
Verfahren nach Anspruch 8, wobei f₁ ≤ ca. BR/(ID x 8), wobei ID die Verschachtelungstiefe der Vorwärtsfehlerkorrektur ist, die in dem optischen Kommunikationssystem verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die aufgerundeten ganzzahligen Werte der Frequenzen, bei denen die mindestens zwei Polarisationssteuerungen, die sich an dem gleichen Knoten befinden, gesteuert werden, relativ teilerfremd sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei N ≥ 5.