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Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Übertragung
und spezieller auf ein Verfahren zur Übertragung eines optischen Signals
unter Verwendung der optischen Frequenzumtastungs-Modulation (Frequency
Shift Keying, FSK).
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
optischen Übertragungssystemen
wird typischerweise die Intensitätsmodulation
(IM) verwendet, d. h. ein digitales Signal wird auf ein optisches
Trägersignal
moduliert, indem die Amplitude des optischen Trägers moduliert wird. Solche
Systeme haben bestimmte Einschränkungen,
die durch Faser-Dispersion
auf der Übertragungsstrecke
und Laser-Chirp von direkt modulierten Lasern in den Sendern hervorgerufen
werden. Zusätzlich
dazu haben solche Systeme weitere Einschränkungen durch Faser-Nichtlinearitäten.
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Bei
fortschrittlicheren Übertragungsverfahren
wird jedoch die Frequenzumtastung (FSK) verwendet, d. h. die optische
Frequenz des Trägers
wird durch das zu übertragene
digitale Signal moduliert. Ein Verfahren, das als DST (Dispersion
Supported Transmission) bekannt ist und bei dem die optische FSK-Modulation verwendet
wird, ist in ITU-T G.691e, Anhang III definiert. Die optische FSK
erlaubt längere Faserstrecken
zwischen den Signal-Regeneratoren und ein vereinfachtes Sender-Design,
da der Chirp-Effekt von direkt modulierten Lasern benutzt wird.
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Ein
charakterisierender Parameter der FSK-Modulation ist der Modulationsindex
h, der als der maximale Frequenzabstand dividiert durch die Bitrate
des digitalen Signals definiert ist. Typischerweise wird dieser
Parameter h so gewählt,
dass er größer als
0,5 ist. Eine FSK-Modulation mit h = 0,5 ist auch als MSK (Minimum
Shift Keying) bekannt, da 0,5 typischerweise der kleinste Wert von
h ist, der verwendet werden sollte, da unter linearen Übertragungseinflüssen die
Empfänger-Empfindlichkeit bei kleineren
Werten von h drastisch verringert wird.
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Im
Dokument EP-A-0643497 wird ein Verfahren zur Übertragung von FSK-Signalen über eine optische
Faserstrecke beschrieben. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung
ist der benutzte Modulationsindex größer als 1/2.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Übertragungsverfahren
und ein System bereitzustellen, das eine erhöhte maximale eingespeiste Leistung
des optischen Signals, eine erhöhte
Empfänger-Empfindlichkeit
und einen höheren spektralen
Wirkungsgrad hat.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
und andere Ziele werden durch ein Verfahren erreicht, mit dem ein
digitales Signal über eine
optische Faserstrecke übertragen
wird, wozu die Frequenzumtastungs-Modulation mit einem Modulationsindex
h < 0,5 verwendet
wird und eine solche optische Leistung in die optische Faser eingespeist
wird, dass die Faser in einem nichtlinearen Übertragungsbereich arbeitet.
Unter dem Einfluss eines nichtlinearen Übertragungs-Effektes in der
optischen Faser führt
dies erstaunlicherweise zu einem Anstieg der maximal zulässigen Leistung
des optischen Signals, einer erhöhten
Empfänger-Empfindlichkeit
und einem erhöhten
spektralen Wirkungsgrad.
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Verwendet
man einen direkt modulierten Laser im optischen Sender, kann die
maximal überbrückbare Verbindungs-Dämpfung für h < 0,5 bezogen auf
die herkömmliche
MSK (h = 0,5) bei einer Übertragungs-Bitrate
von 10 GBit/s auf einer Standard-Einmoden-Faser
um ungefähr
3 dB erhöht
werden. Die Verbesserung im Vergleich zu Übertragungssystemen bei denen
Intensitätsmodulation
verwendet wird, ist sogar noch größer.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Eine
bevorzugte Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 ein optisches Übertragungssystem zeigt, in
dem die FSK-Modulation verwendet wird;
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2 in einem Messwert-Diagramm einen Vergleich
des erforderlichen optischen Signal-Störabstandes (OSNR) zwischen
MSK- (h = 0,5) und FSK-Modulation gemäß der Erfindung zeigt;
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3 in einem Messwert-Diagramm den Anstieg
der Streckendämpfung
der FSK-Modulation gemäß der Erfindung
zeigt;
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4 eine Messung eines optischen Spektrums
bei Verwendung der MSK-Modulation nach dem bisherigen Stand der
Technik zeigt;
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5 eine Messung eines optischen Spektrums
bei Verwendung der FSK-Modulation gemäß der Erfindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine Ausführung eines optischen Übertragungssystems,
in dem die FSK-Modulation verwendet wird. Ein optischer Sender TX
erzeugt ein optisches FSK-Signal OS, d. h. ein optisches Trägersignal,
dessen Frequenz mit einem zu übertragenen Digitalsignal
DS moduliert wird. Das Digitalsignal DS hat eine Bitrate von 10,7
GBit/s, was die Bitrate des Signals OTU2 ist, wie in dem neuen Standard
für optische Übertragungsnetze
(ITU-T G.709) definiert, das in der Lage ist, ein STM-64-Signal
der Synchronous Digital Hierarchy zu übertragen.
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In
der Ausführung
wird eine direct modulierte Laserdiode als optischer Sender TX benutzt.
Dies ist eine sehr einfache und kostengünstige Implementation eines
optischen Senders, da sie den Chirp-Effekt der Laserdiode benutzt,
um die Frequenz des vom Laser erzeugten optischen Trägers zu
modulieren. Der zugrunde liegende physikalische Effekt ist, dass der
Vorstrom den Brechungsindex der Laserdiode moduliert. Dies verursacht
eine Modulation der optischen Länge
des Laser-Resonators und somit eine Modulation der Wellenlänge des
optischen Signals, was einer Frequenzmodulation entspricht. Die
Modulation des Vorstroms verursacht weiterhin eine ungewünschte Intensitätsmodulation.
Wenn die DC-Vorstrom-Komponente im Vergleich zur AC-Vorstrom-Komponente
des Digitalsignals DS jedoch groß ist, ist die Intensitätsmodulation
im Vergleich zur Frequenzmodulation relativ klein. In der Ausführung wird
die DC-Vorstrom-Komponente mit 60 mA gewählt, während das Digitalsignal eine
AC-Vorstrom-Komponente von 13 mA Spitze-Spitze (für einen typischen Laser-FM-Wirkungsgrad
von 400 MHz/mA) hinzufügt.
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Das
optische Signal OS wird über
eine optische Faser SMF übertragen,
die in der Ausführung eine
Standard-Einmoden-Faser ist. Auf der Empfangsseite der optischen
Faser SMF wird das optische Signal OS an einen optischen Empfänger ORX angelegt,
der eine optische Demodulation durchführt, um das Digitalsignal DS' wieder herzustellen.
Wie in 1 gezeigt, enthält der optische
Empfänger
ORX ein optisches Filter F, ein Paar Fotodioden PD1, PD2, die mit
dem Filter gekoppelt sind und einen Differenzempfänger RX.
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Das
optische Filter wandelt die FSK-Modulation in eine IM-Modulation um. In
der Ausführung
ist das optische Filter ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das
auf der Basis von Fasern, z. B. mit verschmolzenen Faser-Kopplern,
oder auf der Basis von integrierter Optik realisiert werden kann.
Das Ausgangssignal der beiden Interferometer-Arme des MZI wird an
die Fotodioden PD1, PD2 angelegt. Der Vorteil eines MZI-Filters wie in der
bevorzugten Ausführung
ist, dass die beiden Interferometer-Arme über entsprechende Fotodioden
PD1, PD2 an einen Differenzverstärker
RX angeschlossen werden können.
In dieser Konfiguration können
die restliche Intensitätsmodulation
und das optische Intensitäts-Rauschen, wie
es z. B. durch optische Verstärker
eingeführt wird,
verringert werden, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit des Empfängers führt.
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In
einer noch mehr bevorzugten Ausführung ist
der optische Empfänger
OR anstelle eines herkömmlichen
optischen Empfängers
ein adaptiver Empfänger,
zum Beispiel ein Empfänger
mit adaptiver elektronischer Entzerrung. Die Vorteile der Differenz-Demodulation
und der adaptiven elektronischen Entzerrung können in einer bevorzugten Weise
kombiniert werden, indem getrennte adaptive elektronische lineare
Entzerrungs-Filter verwendet werden und die Signale vor der Regeneration
kombiniert werden. Anstelle eines MZI können auch andere Arten von
optischen Filtern, wie z. B. Faser-Gitter oder Bragg-Gitter angewendet
werden.
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Optional
kann die Faser-Dispersion durch eine optische Disperions-Kompensations-Einheit (DCU)
kompensiert werden. Optische Verstärker (in 1 nicht
gezeigt) können
im System entlang der Übertragungsstrecke
SMF ebenfalls angewendet werden. Zum Beispiel können optische Verstärker nach
dem Sender TX als optische Nachverstärker und vor dem optischen
Demodulations-Filter F als optische Vorverstärker angeordnet werden.
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Es
wurden Messungen mit einer Bitrate von 10,7 GBit/s durchgeführt, wobei
ein direkt modulierter Laser als optischer Sender, ein Booster-EDFA
(Erbium-dotierter Faserverstärker), eine
Einmoden-Faser mit optischer Dispersionskompensation auf der Empfangsseite,
ein optischer Vorverstärker
(EDFA), ein ASE-Rauschfilter, ein auf Fasern basierendes MZI als
optischer Demodulator und ein adaptiver optischer Empfänger mit
nur einem einzigen Fotodioden-Eingang (im Gegensatz zum doppelten
Fotodioden-Eingang in 1) verwendet
wurden. ASE bedeutet Amplified Spontaneous Emission (verstärkte spontane
Emission). Optische Verstärker
erzeugen zusätzlich
zu dem verstärkten
optischen Signal ein Breitband-Rauschsignal, das durch ASE verursacht wird.
Ein EDFA zum Beispiel erzeugt ein ASE-Rauschen, das typischerweise im Bereich
zwischen 1530 nm und 1560 nm liegt. Das ASE-Rauschfilter ist ein schmales
Bandpassfilter mit einer Spektralbreite von ungefähr 1 nm
und dient dazu, dieses ASE-Rauschsignal in einem Empfänger zu
verringern.
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Als
ein Ergebnis der Experimente ist in 2 der
optische Signal-Störabstand
(OSNR), der dazu erforderlich ist, eine Bitfehlerrate (BER) von
10–5 zu erhalten, über der
optischen Leistung PSMF, die in die Faser
eingespeist wird, für
verschiedene Werte des Modulationsindex h als Parameter gezeigt.
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Es
war in der Technik allgemein akzeptiert, dass der minimale Wert
des Modulationsindex h, der angewendet werden kann, h = 1/2 ist,
d. h. der FSK-Frequenzabstand ist die Hälfte der Bitrate. Es war in
der Technik allgemein anerkannt, dass dies erforderlich ist, um
die Orthogonalität
der Signale für Mark
und Space sicherzustellen (siehe zum Beispiel das bekannte Buch "Digital Communications" von John G. Proakis,
dritte Auflage 1995, Seite 197). Eine FSK-Modulation mit h = 1/2
wird daher Minimum Steift Keying (MSK) genannt. Für eine lineare
Umwandlung, d. h. im Bereich einer Übertragung mit geringer Leistung
(PSMF ≈ 0
dBm) zeigen die Ergebnisse der Experimente in 2 in
der Tat die beste Leistungsfähigkeit,
d. h. den niedrigsten OSNR-Wert für h ≈ 1,2 (MSK). Für einen kleineren Modulationsindex
h ≈ 1/3 ist
bei geringer Leistung ein größerer OSNR
erforderlich, um dieselbe BER zu erreichen.
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Im
nichtlinearen Bereich bei PSMF ≈ 20 dBm, d.
h. unter dem Einfluss der Faser-Nichtlinearität, ist die Situation jedoch
völlig
anders: Die in 2 gezeigten Ergebnisse
zeigen deutlich, dass die Leistungsfähigkeit bei Verwendung eines
verringerten Modulationsindex von h ≈ 1/3 viel besser als bei h ≈ 1/2 (MSK)
ist. Die Nichtlinearitäts-Grenze,
d. h. die maximal mögliche
PSMF für
ein bestimmtes OSNR wird beträchtlich
erhöht.
In 2 wird auch eine dritte Messkurve
gezeigt, bei der für
jeden Wert von PSMF der beste Modulationsindex
h = hmin benutzt wurde, um den Minimalwert
von OSNR zu erhalten. Der beste Modulationsindex hmin in
dieser Kurve liegt im Bereich zwischen 1/2 und 1/3. Diese Ergebnisse
zeigen, dass hmin < 1/2 ist und dass eine bessere Empfänger-Empfindlichkeit
(d. h. ein kleinerer OSNR) und eine größere Nichtlinearitätsgrenze
erreicht werden als bei h ≈ 1/2
(MSK).
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Die
Verbesserung der Übertragungseigenschaften
erfolgt durch einen nichtlinearen Effekt in der optischen Faser,
der als optischer Kerr-Effekt bekannt ist und der bei höheren Leistungspegeln
(> 10 dBm) eine Modulation
des Brechungsindex in der optischen Faser durch das optische Signal
verursacht, wodurch das optische Signal verzerrt wird. Durch diesen
Effekt wird die maximale optische Leistung begrenzt, die in die
Faser eingespeist werden kann, da der Effekt ab einem bestimmten
Punkt überwiegt
und das optische Signal auf seinem Weg durch die optische Faser
so viel verzerrt, dass eine Signal-Wiedergewinnung auf der Empfängerseite
nicht mehr ohne eine unakzeptabel hohe Bitfehlerrate erreicht werden kann.
Durch Verwendung eines kleineren Modulationsindex h < 1/2 wird nun die
Signalverzerrung bei höheren
Leistungspegeln (zwischen 10 dBm und 20 dBm) überraschenderweise verringert
und die Grenze für
die maximal einzuspeisende Leistung in Richtung höherer Pegel
(> 20 dBm) verschoben.
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Offensichtlich
kann ein Signal mit einer höheren
Eingangsleistung eine längere
Faserstrecke ohne Verstärkung
und Signal-Regeneration durchlaufen. Um die Verbesserung durch die
Erfindung bezüglich
der Faser-Dämpfung
zu demonstrieren, wird in 3 die Dämpfung der überbrückbaren
Strecke über
der eingespeisten Leistung PSMF gezeigt.
Wie man sehen kann, zeigen die Messungen, dass für einen reduzierten Modulationsindex
h < 1/2 die maximal überbrückbare Streckendämpfung im
Vergleich zu h ≈ 1/2
(MSK) vergrößert werden
kann. In diesem Experiment war die gemessene Verbesserung der Streckendämpfung 3,2
dB. Die eingespeiste Leistung PSMF kann
um 2,6 dB erhöht
werden.
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Wie
man in den 4 und 5 sehen
kann, wird die Spektralbreite des optischen Signals vom Sender auch
reduziert, wenn ein reduzierter Modulationsindex angewendet wird
(man beachte die unterschiedlichen Maßstäbe in horizontaler Richtung). Zum
Beispiel wird die –10
dB-Breite auf ungefähr 60%
des MSK-Wertes reduziert. Daher erhöht die Erfindung auch den spektralen
Wirkungsgrad, da mehr Frequenzkanäle in ein gegebenes Spektralband
passen.
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Zusammenfassend
kann man sagen, dass während
es in der Technik allgemein akzeptiert war, dass h = 1/2 der minimale
Modulationsindex für
FSK ist, der angewendet werden sollte, wir herausgefunden haben,
dass im nichtlinearen Bereich die Leistungsfähigkeit durch die Verwendung
eines verringerten Modulationsindex h < 1/2 verbessert wird. Hierdurch werden
bestimmte Übertragungseigenschaften
verbessert: Wegen der Faser-Nichtlinearitäten wird die maximale eingespeiste
Leistung erhöht. Die
Empfänger-Empfindlichkeit
wird erhöht (geringerer
OSNR), die überbrücbare Streckendämpfung wird
erhöht,
und die Spektralbreite wird verringert (höherer spektraler Wirkungsgrad).