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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der optischen
Kommunikation und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Demodulieren von optischen differenziellen Phasenumtastungssignalen.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Optische
differenzielle Phasenumtastung (differential phase-shift keying – DPSK)
ist ein viel versprechendes Modulationsformat, das eine hohe Empfängerempfindlichkeit,
eine hohe Toleranz gegenüber
größeren nichtlinearen
Effekten bei Hochgeschwindigkeitsübertragung, und eine hohe Toleranz gegenüber kohärenten Nebensignaleffekten
bietet. Die optische DPSK-Modulation weist differenzielle Binärphasenumtastung
(DQPSK), differenzielle Quadraturphasenumtastung (DQPSK) und andere
verwandte Formatvarianten auf.
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Bei
der optischen DPSK-Übertragung
wird Dateninformation von der optischen Phasendifferenz zwischen
benachbarten Bits getragen. Zum direkten Erfassen eines optischen
DPSK-Signals durch übliche
Intensitätsdetektoren
wird ein Demodulator zum Umwandeln des phasencodierten Signals in
ein intensitätscodiertes
Signal benötigt.
Ein solcher Demodulator ist typischerweise ein Verzögerungsinterferometer.
Der freie Spektralbereich (free spectral range – FSR) des Interferometers
ist die Umkehrung der Verzögerung.
Bei optischen 1-Bit-Verzögerungsinterferometern
(0-1Bit-DI) ist der FSR gleich der SR, wobei SR die Symbolrate des
zu demodulierenden DPSK-Signals ist.
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Die
SR eines OC-768-DBPSK-Signals beträgt normalerweise 40 GHz (oder
42,7 GHz, wenn ein Overhead von 7% für eine Vorwärtsfehlerkorrektur benutzt
wird), und die SR eines OC-768-DQPSK-Signals beträgt normalerweise
20 GHz (oder 21,3 GHz). Bei Wellenmultiplex-(WDM)-Systemen, die
der ITU-T-Empfehlung G.692 folgen, beträgt der minimale Frequenzkanalabstand
zwischen zwei WDM-Kanälen
des ITU-Gitters 50 GHz, was nicht dem FSR eines O-1Bit-DI entspricht, der üblicherweise
zum Decodieren von OC-768-DBPSK-Signalen
benutzt wird, wie oben erörtert.
Deshalb kann ein O-1Bit-DI nicht zum Demodulieren eines Kanals des
ITU-Gitters benutzt werden, ohne die Durchlassbandzentralfrequenz
des O-1Bit-DI neu anzupassen (d.h. einzustellen). Die Neuanpassung
der Zentralfrequenz erfordert eine ausgeklügelte Überwachung und Rückkopplungssteuerung,
was die Komplexität
und die Kosten der DPSK-Demodulation erhöht.
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Übliche O-1Bit-DIs
basieren typischerweise auf Ganzfaserauslegungen oder Auslegungen
mit ebenen Lichtwellenschaltkreisen (planar lightwave circuit – PLC).
Diese Auslegungen sind intrinsisch temperaturempfindlich, da der
Brechungsindex des Materials, das benutzt wird, um diese Interferometer (d.h.
die optischen Wege) auszubilden, temperaturabhängig ist. Auf diese Weise sind
die temperaturinduzierten optischen Phasenveränderungen von Signalen, die
sich in den optischen Wegen des ODI ausbreiten, welche eine unterschiedliche
Länge aufweisen,
um die Verzögerung
von 1 Bit zu erzielen, unterschiedlich. Deshalb ist eine genaue
Steuerung der Phasendifferenz zwischen den zwei optischen Wegen
des ODI notwendig. Um die Phasendifferenz zwischen den optischen
Wegen genau zu steuern, sind eine präzise Temperatursteuerung und
-stabilisierung des ODI erforderlich, was die Kosten und die Komplexität des ODI
wesentlich erhöht.
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Die
US-Patentanmeldung Nr. 2003/000058504 betrifft ein Verfahren zum Übertragen
von Daten, wobei ein optischer Impulsstrom, der mehrere optische
Return-to-Zero-Impulse aufweist, erzeugt wird, indem eine Phase
eines Lichtausgangs von einer optischen Quelle moduliert wird, um
auf diese Weise Daten von einer Datenquelle zu codieren. Das Licht
des optischen Impulsstroms weist eine Wellenlänge auf. Der optische Impulsstrom
wird entlang einer optischen Faser eines optischen Netzwerks übertragen.
Optische Impulsströme
der Erfindung verstärken
die Übertragungsleistung
wenigstens teilweise, indem sie Rauschen am Empfänger reduzieren, das von Faser-Nichtlinearitäten erzeugt wird.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind in
den unabhängigen
Ansprüchen
dargelegt, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale
sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Demodulieren optischer DPSK-Signale bereit. Ein Aspekt der Erfindung
betrifft die Erkenntnis, dass der FSR eines ODI zum Demodulieren
optischer DPSK-Signale nicht unbedingt gleich der SR des DPSK-Signals ist, und
trotzdem immer noch eine akzeptable Demodulationsleistung bereitgestellt
wird. Genauer ausgedrückt,
können
der FSR und die SR um etwa ±25%
voneinander abweichen, ohne eine wesentliche Degradierung der Demodulationsqualität zu verursachen.
So kann der FSR eines ODI beispielsweise auf 50/2N GHz
gesetzt werden (wobei N = 0, 1, 2...), um die Demodulation unterschiedlicher
WDM-Kanäle
mit Frequenzabständen
zuzulassen, die Vielfache von 50 GHz sind, ohne dass das ODI neu
angepasst wird.
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Ein
anderer Aspekt einer Ausführungsform der
Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass ein ODI mit einem FSR, der
größer ist
als die SR des zu demodulierenden Signals, eine höhere Toleranz
gegenüber Frequenzabweichung
(aufgrund einer Signal-Laser-Frequenzabweichung und/oder eines Fehlabgleichs
des ODI-Durchlassbands) aufweist.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass es bei
praktisch eingesetzten Systemen wünschenswert ist, das ODI „nicht
einstellbar" zu
gestal ten, damit eine Überwachung
und Rückkopplungssteuerung
unnötig
sind, und die Komplexität
und Kosten des Systems reduziert werden können. Das nicht einstellbare
ODI kann erzielt werden, indem beispielsweise auf Freiraumoptik
beruhende Auslegungen benutzt werden.
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Es
wurde auch erkannt, dass nicht einstellbare ODIs zwar Einfachheit
und Kosteneffektivität bieten,
ihre Durchlassbänder
jedoch nicht eingestellt oder angepasst werden können, was ihre Benutzung auf
das Demodulieren einer vorbestimmten Gruppe von Kanälen beschränkt. Eine
Ausführungsform
der Erfindung stellt ein nicht einstellbares ODI bereit, das dazu
ausgebildet ist, eine Phasendifferenz zwischen den optischen Wegen
des ODI zu erzeugen, die ein Vielfaches von π mit einer Genauigkeit von ± π/6 bei 193,100
THz ist (wobei 193,100 THz die Bezugsfrequenz für das Frequenzgitter ist, das
von der ITU übernommen
wurde). Dies erlaubt es dem ODI, für alle ITU-Gitterkanäle zu arbeiten.
(Im hier verwendeten Sinne wird ein solches ODI mit einem FSR von
50 GHz, dessen Durchlassband an das ITU-Gitter gekoppelt ist, als „50-GHz-ODI" bezeichnet.)
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Außerdem kann
ein ODI gemäß der Erfindung
eine Vielzahl von DPSK-WDM-Kanälen
zugleich demodulieren. Ferner kann es auch dazu benutzt werden,
ein DPSK-Signal zu demodulieren, dessen Zentralfrequenz dynamisch
auf verschiedene ITU-Kanäle
eingestellt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das ODI eine athermale Auslegung, die im Wesentlichen
temperaturunabhängig
ist, weshalb keine Temperatursteuerung und -stabilisierung nötig sind.
Die athermale Auslegung kann beispielsweise auf einem Freiraumoptik-Michelson-Interferometer basieren,
dessen zwei optische Wege sich im freien Raum oder in Material(ien)
befinden, die extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient(en)
aufweisen. Im Effekt erlaubt es die Benutzung der Freiraumoptik, Materialien
mit einem wesentlich niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als SiO2 (wie bei faser- und PLC-basierten
Vorrichtungen) zu benutzen.
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Zu
den möglichen
Vorteilen der Benutzung eines ODI gemäß Ausführungsformen der Erfindung gehören auch
die Möglichkeit,
die Daten und die umgekehrten Datenausgänge des ODI unzweideutig zu bestimmen,
das Wegfallen der Notwendigkeit ausgeklügelter Überwachung und Rückkopplungssteuerung
zum Koppeln an Kanalfrequenzen, und die Kompatibilität mit einer
Signalübertragung
mit dynamisch eingestellten Wellenlängen. Außerdem können ODIs gemäß Ausführungsformen
der Erfindung in Systemen benutzt werden, bei denen die Kanalanzahl
in einfacher Weise erhöht
wird, indem mittels Verschachteler weitere Kanäle zwischen den existierenden
ITU-Gitterkanälen
eingefügt
werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
vorstehende Kurzdarstellung sowie die nachfolgende detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren
deutlicher. Zur Veranschaulichung der Erfindung sind in den Figuren
Ausführungsformen
gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt
werden. Man wird jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht auf
die dargestellten genauen Anordnungen und Mittel beschränkt ist.
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In
den Figuren sind:
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1 eine
Darstellung, die eine Vorrichtung für ein ODI gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
Diagramm, das die Transmittanz an dem konstruktiven Anschluss eines
ODI gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3A und
B jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-NRZ-DBPSK-Signals nach der Demodulation
durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI gemäß einer Ausführungs form
der vorliegenden Erfindung;
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4A und
B jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-NRZ-DBPSK-Signals (mit 67% Tastverhältnis) nach
der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5A und
B jeweils das Augendiagramm eines duobinären 42,7-Gb/s-Signals, das
nach der Demodulation eines NRZ-DBPSK-Signals durch einen O-1Bit-DI
bzw. durch ein ODI gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erzielt wurde;
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6 ein
Diagramm, das einen optischen Abzweigmultiplexer (OADM) mit ODIs
zum gleichzeitigen Umwandeln einer Vielzahl von DBPSK-Signalen in
optische duobinäre
Signale gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 ein
Diagramm, das einen OADM mit ODIs zum gleichzeitigen Umwandeln einer
Vielzahl von DBPSK-Signalen
in optische duobinäre
Signale gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ein
Diagramm, das einen OADM mit ODIs zum gleichzeitigen Empfangen einer
Vielzahl von DBPSK-Signalen
durch abgeglichene Erfassung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Ein
ODI
100 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist in
1 gezeigt. Der freie Spektralbereich
(FSR) des ODI
100 ist:
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Beispielsweise
erfordert ein FSR = 50 GHz (z.B. ein 50-GHz-ODI) eine Verzögerung von (Δt) = 20 ps.
Es wurde erkannt, dass der FSR eines ODI zum Demodulieren optischer
DPSK-Signale nicht unbedingt gleich der SR des DPSK-Signals ist,
und trotzdem immer noch eine akzeptable Demodulationsleistung bereitgestellt
wird. Der FSR und die SR können
um etwa ±25%
voneinander abwei chen, ohne eine wesentliche Degradierung der Demodulationsqualität zu verursachen.
Der FSR für
ein ODI gemäß der Erfindung
liegt deshalb vorzugsweise zwischen etwa 0,8 SR und 1,3 SR, oder: (0,8 × SR) < FSR < (1,3 × SR).
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Um
das Transmittanzspektrum des ODI richtig abzugleichen, sollte die
Verzögerung Δt Folgendes
erfüllen: ω0Δt
= Mπ,wobei
beispielsweise ω0 = 2π × 193,100
THz (wobei 193,100 THz die Bezugsfrequenz des ITU-Gitters ist),
und M eine große
Ganzzahl ist (z.B. ist M für Δt = 20 ps
Verzögerung
etwa 7724. M kann variieren (z.B. ±8), wenn Δt um etwa 1 × 10–3 variieren
darf).
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Das
ODI 100 weist vorzugsweise einen Eingangsanschluss 130 und
zwei Ausgangsanschlüsse 140, 150 (Ausgang
1, Ausgang 2) auf, die üblicherweise
als der konstruktive und der destruktiven Anschluss bezeichnet werden.
Wenn ein DBPSK-Signal in das ODI 100 eingegeben wird, ist
das Ausgangssignal von dem konstruktiven Anschluss ein Signal mit einem
optischen duobinären
Format, und das Ausgangssignal von dem destruktiven Anschluss ist
ein Signal mit einem alternierenden Markierungsumpolungs(AMI – alternate
mark inversion)-Format.
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Vorzugsweise
ist das ODI 100 athermal, und basiert auf einer Freiraumoptikauslegung
(wie in 1 gezeigt), damit sein Durchlassband
nicht mit der Temperatur abweicht, und deshalb keine Temperaturstabilisierung
benötigt.
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Um
die durch den Frequenzversatz induzierte Degradierung der Demodulationsqualität für die DBPSK-Signalübertragung
auf unter ein 1 dB zu reduzieren, liegt der Frequenzversatz (d.h.
die Frequenzdifferenz zwischen der Zentralfrequenz eines optischen
Signals und der entsprechenden Position der Transmittanzspitze des
ODI) vorzugsweise im Bereich von ±5% der Bitrate (z.B. ±2 GHz
für Signale von
40 Gb/s). Es wurde festgestellt, dass beim Demodulieren eines DBPSK-Signals
von 40 Gb/s ein ODI gemäß der vorliegenden
Erfindung einen O-1Bit-DI
in Bezug auf die Toleranz gegenüber
dem Frequenzversatz überbietet,
da die differenzielle Länge
geringer ist als die des O-1Bit-DI. Es ist deshalb nutzbringend,
den FSR eines ODI höher
als die SR einzustellen, um eine höhere Toleranz gegenüber der Frequenzabweichung
(aufgrund einer Signal-Laser-Frequenzabweichung und/oder eines Fehlabgleichs
des ODI-Durchlassbands) zu erreichen. Vorzugsweise liegt der FSR
zwischen etwa 1,1 SR und etwa 1,3 SR, oder: (1,1 × SR) < FSR < (1,3 × SR).
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Beispielsweise
haben wir bei SR = 42,7 Gb/s und FSR = 50 GHz (Δt = 20 ps) FSR = 1,17 SR. In diesem
Fall setzen wir den maximal tolerierbaren Frequenzversatz auf etwa ±4 GHz
(für eine
Qualitätsdegradierung
von etwa 2 dB). Der entsprechende maximale Frequenzversatz der Phasendifferenz
der zwei Wege des ODI ist dann 2π × 4 GHz × 20 ps ≈ π/6.
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Es
wurde auch festgestellt, dass die Temperaturvariationen auch einen
zusätzlichen
Frequenzversatz erzeugen können.
Ein typischer Betriebstemperaturbereich für Telekommunikationsvorrichtungen liegt
zwischen 0 und 70 C. So liegt die temperaturabhängige Frequenzabweichung eines
ODI gemäß der Erfindung
vorzugsweise unter etwa 0,05 GHz/°C, was
mittels athermaler Auslegungen realisierbar ist, wie oben erörtert.
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2 zeigt
die Übertragungskurve
(d.h. die Transmittanz in Gegenüberstellung
zur Frequenz) an einem konstruktiven Anschluss eines ODI (z.B. ODI 100)
einer Ausführungsform
der Erfindung. Aus der Figur geht hervor, dass für dieses ODI (ein 50-GHz-ODI)
die Transmittanzspitzen an das 50-GHz-ITU-Gitter gekoppelt sind
(d.h. um 50 GHz beabstandet sind, wobei jede Spitze an einer Frequenz
angeordnet ist, die ein Vielfaches von 50 GHz von der Bezugsfrequenz
193,100 THz ist). Fachleute werden verstehen, dass ein solches ODI
benutzt werden kann, um jeden Kanal des ITU-Gitters zu demodulieren.
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Es
wurden Simulationen durchgeführt,
um eine NRZ-DBPSK-Signalübertragung
von 42,7 Gb/s unter Benutzung eines O-1Bit-DI des Stands der Technik
und eines 50-GHz-ODI gemäß Ausführungsformen
der Erfindung zu vergleichen. 3A und
B sind jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-NRZ-DBPSK-Signals
nach der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI, gefolgt von
Detektionsabgleich. Aus 3A und
B geht hervor, dass die Verschlechterung der Augenöffnung (Eye
Closure Penalty) für
die NRZ-DBPSK-Signalübertragung
unter Benutzung eines 50-GHz-ODI (mit einer nicht genauen Verzögerung von
1 Bitperiode) vernachlässigenswert
ist.
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4A und
B sind jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-RZ-DBPSK-Signals
(mit einem Tastverhältnis
von 67%) nach der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein
50-GHz-ODI gemäß Ausführungsformen
der Erfindung, gefolgt von einem Detektionsabgleich. Wie bei den
oben erörterten
Simulationen geht aus 4A und B hervor, dass die Verschlechterung
der Augenöffnung
für die RZ-DBPSK-Signalübertragung
unter Benutzung eines 50-GHz-ODI vernachlässigenswert ist.
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5A und
B sind jeweils das Augendiagramm eines duobinären 42,7-Gb/s-Signals, das nach
der Demodulation eines NRZ-DBPSK-Signals durch ein O-1Bit-DI bzw.
durch ein 50-GHz-ODI gemäß Ausführungsformen
der Erfindung erzielt wurde. Wie bei den oben erörterten Simulationen ist die
Verschlechterung der Augenöffnung
des 50-GHz-ODI vernachlässigenswert.
Außerdem
kann festgestellt werden, dass das duobinäre Signal, das unter Benutzung
des 50-GHz-ODI erzeugt wurde, die chromatische Dispersionstoleranz
im Vergleich zu dem O-1Bit-DI verbessert hat.
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Ein
ODI gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auch nutzbringend verwendet werden, um eine Vielzahl
von Kanälen
eines WDM-Signals von einem Sender oder an einen Empfänger zu
demodulieren. Wie aus 6 hervorgeht, die einen beispielhaften OADM 600 eines
WDM-Übertragungssystems 601 darstellt,
können
ODIs 610, 620 benutzt werden, um gleichzeitig
eine Vielzahl von WDM-Kanälen von DBPSK-Signalen 630 in
optische duobinäre
Signale 640 zur Übertragung
umzuwandeln. Wenn ein ODI (610, 620) durch eine
Gruppe von DBPSK-Kanälen 630 von
einem Sender gemeinsam genutzt wird, werden optische duobinäre Signale 640 über das Übertragungssystem 601 übertragen,
und übliche
Empfänger,
die zur On-Off-Umtastung
(On-Off-Keying – OOK)
benutzt werden, können
zur Signaldetektion benutzt werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung, gezeigt in 7, werden
ODIs 710, 720 verwendet, um eine Vielzahl von
WDM-Kanälen
von DBPSK-Signalen 740, die über eine Übertragungsverbindung 760 übertragen
werden, in duobinäre
Signale 730 zum Empfang/zur üblichen OOK-Detektion umzuwandeln.
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In
einer anderen alternativen Ausführungsform
der Erfindung, gezeigt in 8, werden
ODIs 810, 820 verwendet, um eine Vielzahl von
WDM-Kanälen
von DBPSK-Signalen 840,
die über
eine Übertragungsverbindung 860 übertragen
werden, in duobinäre
und AMI-Signale 830 zum Empfang/zur ausgeglichenen OOK-Erfassung
umzuwandeln. Zwei Demultiplexer 825 sind jeweils an ODI 810, 820 gekoppelt,
um zwei komplementäre
Signale für
jeden WDM-Kanal
zu erzeugen. Die komplementären
Signale können
abgeglichen und von abgeglichenen Empfängern 850 empfangen
(wodurch der Vorteil der Empfängerempfindlich keit
von 3 dB von DBPSK gegenüber
OOK realisiert wird).
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Um
sicherzustellen, dass der Frequenzversatz von ODIs gemäß der vorliegenden
Erfindung über
das gesamte Wellenlängenband
eines WDM-Systems unter 4 GHz liegt, wird der FSR vorzugsweise gesteuert.
Das üblicherweise
benutzte C-Band deckt den Frequenzbereich von 191,000 THz bis 195,950
THz ab. Unter der Annahme, dass der Frequenzversatz an 193,100 THz
genau null beträgt,
und an der Kantenfrequenz 195,950 THz ±4 GHz beträgt, stellen
wir fest, dass der maximale relative Fehler des FSR in etwa wie
folgt sein sollte:
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Das
bedeutet, dass die Zeitverzögerung Δt mit einer
Genauigkeit von etwa 28 fs gesteuert werden muss.
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In
Verallgemeinerung der oben stehenden Analyse, wenn der FSR als 50/2
N GHz (wobei N = 0, 1, 2...) ausgewählt wird,
und wenn der maximale Frequenzversatz 8% des FSR beträgt, sollte
der maximale relative Fehler des FSR in etwa wie folgt sein:
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht im begrenzenden
Sinne zu verstehen. Verschiedene Modifikationen der beschriebenen
Ausführungsformen
sowie anderer Ausführungsformen
der Erfindung, zu denen Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung gelangen, liegen
im Grundgedanken und Umfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden
Ansprüchen
ausgedrückt
ist.
