DE60220731T2

DE60220731T2 - Optisches übertragungssystem unter verwendung einer vorrichtung für optische phasenkonjugation

Info

Publication number: DE60220731T2
Application number: DE60220731T
Authority: DE
Inventors: Paolo Minzioni; Francesco Alberti; Alessandro Schiffini
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: US20060250678A1; AU2002368477A1; EP1576747A1; ATE364937T1; DE60220731D1; EP1576747B1; WO2004057779A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Übertragungssystem, das eine optische Phasenkonjugationsvorrichtung verwendet.
Es sind optische Fernübertragungssysteme gebaut worden, indem Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) als optische Inline-Zwischenverstärker (in-line optical repeaters) verwendet werden. Die Signalabschwächung aufgrund von Faserverlusten wird periodisch durch die vom optischen Versträker bewirkte Verstärkung kompensiert, um Einschränkungen der Übertragungsentfernung zu überwinden. Da in solchen Systemen die Signalleistung aufgrund der periodischen Verstärkung entlang der gesamten Systemlänge auf einem hohen Niveau gehalten wird, kann die Abhängigkeit des Brechungsindex der Faser auf die optische Leistung nicht länger ignoriert werden. Dieser nichtlineare Effekt, genannt der Kerr-Effekt, führt zur Selbstphasenmodulation (SPM) der optischen Impulse, welche wiederum mit der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD, group-velocity dispersion) oder der chromatischen Dispersion in der Faser zusammenwirkt und dabei eine nichtlineare Wellenformverzerrung bewirkt. Um eine Signalfernübertragung (z. B. über 1000 bis 2000 km oder mehr) bei hohen Datenübertragungsraten (z. B. 40 Gbit/s oder mehr) zu realisieren, muss dieser Wellenformverzerrung entgegengewirkt werden.
Die optische Phasenkonjugation (OPC) ist eine bekannte Technik für die Kompensation der chromatischen Dispersion. Details können in G. P. Agrawal, „Fiber-Optic Communication Systems", A Wiley Interscience Publication, (1997), im Abschnitt 9.7 gefunden werden. Wie von Agrawal erläutert, kann die OPC unter gewissen Bedingungen gleichzeitig sowohl die GVD als auch die SPM kompensieren. Die Impulsausbreitung in verlustbehafteten optischen Fasern wird von der nichtlinearen Schrödinger Gleichung (NLSE, Non-Linear Schrödinger Equation) bestimmt.
wobei A = A (z, t) eine langsam variierende Amplitude einer Impulseinhüllenden darstellt, β₂ der GVD-Koeffizient der optischen Faser ist, der zum Dispersionsparameter D durch die folgende Gleichung in Beziehung steht
γ der nichtlineare Koeffizient der optischen Faser ist, d. h. die SPM bestimmt, und α den Faseverlust berücksichtigt. Wenn α = 0 (verlustfreier Fall), erfüllt A* dieselbe Gleichung, wenn man das komplexkonjugierte der Gleichung [1] nimmt und z mit –z vertauscht. Als Ergebnis kann die Feldmitten-OPC (Spannenmitten-OPC) gleichzeitig die SPM und die GVD kompensieren. Natürlich ist ein solcher Fall nicht von Bedeutung, da die Faserverluste in der Praxis nicht vermieden werden können.
Um die Auswirkung der Faserverluste zu untersuchen, kann die folgende Ersetzung gemacht werden A (z, t) = B (z, t) exp (–αz/2) [3]so dass Gleichung [1] geschrieben werden kann als
wobei γ(z) = γexp(–αz). Indem das komplexkonjugierte der Gleichung [4] genommen wird und z mit –z vertauscht wird, kann man sehen, dass eine perfekte SPM-Kompensation nur auftreten kann, wenn γ(z) = γ(L–z), wobei L die Gesamtsystemlänge ist. Diese Bedingung kann für α ≠ 0 nicht erfüllt werden.
Man könnte denken, dass das Problem gelöst werden kann, indem das Signal nach der Spannenmitten-OPC verstärkt wird, so dass die Signalleistung gleich der Eingangsleistung wird, bevor das Signal in den zweiten Halbabschnitt der Faserverbindung eingespeist wird. Obwohl ein solcher Ansatz die Auswirkungen der SPM verringern kann, führt er in der Tat nicht zu einer zufriedenstellenden Kompensierung der SPM. Eine perfekte SPM-Kompensierung kann nur auftreten, wenn die Leistungsvariationen um den Spannenmitten-Punkt symmetrisch sind, wobei die OPC so durchgeführt wird, dass in Gleichung [4] γ(z) = γ(L–z). In der Praxis erfüllt die Signalübertragung diese Eigenschaft nicht. Man kann sich der SPM-Kompensierung annähern, wenn das Signal häufig genug verstärkt wird, so dass die Leistung während jeder Verstärkerstufe nicht um einen großen Betrag variiert. Dieser Ansatz ist jedoch unpraktisch, da er nah beabstandete Verstärker benötigt.
S. Watanabe betrachtet im US-Patent 6,175,435 einen Phasenkonjugator, der zwischen einer Übertragungsleitung I (mit Länge L₁) und einer Übertragungsleitung II (der Länge L₂) angeordnet ist. Nach einer Reihe von Berechnungen erhält er die folgenden Gleichungen für die GVD- und SPM-Kompensierung: D1L1 = D2L2 [5] γ1 P 1L1 = γ2 P 2L2 [6]wobei P 1 und P 2 die Durchschnittsleistungen in den Übertragungsleitungen I bzw. II bezeichnen. Auch bezeichnen D₁ und γ₁ jeweils den Dispersionsparameter und den nichtlinearen Koeffizienten in der Übertragungsleitung I; und D₂ und γ₂ bezeichnen jeweils den Dispersionsparameter und den nichtlinearen Koeffizienten in der Übertragungsleitung II. Gemäß dem Patent kann eine vollständige Kompensierung realisiert werden, indem an äquivalent symmetrischen Positionen in Bezug auf den Phasenkonjugator dasselbe Verhältnis von optischem Kerr-Effekt zur Dispersion bereitgestellt wird. Ein Anstieg dieses Verhältnisses entlang der Übertragungsleitung kann erhalten werden, indem die Dispersion allmählich verringert oder der optische Kerr-Effekt allmählich vergrößert wird. Es ist möglich, den Dispersionswert zu ändern, indem man die Faser geeignet konzipiert. Z. B. kann das obige Verhältnis verändert werden, indem die Nulldispersionswellenlänge einer Dispersionsverschiebungsfaser (DSF, dispersion shift fiber) geändert wird oder indem der relative Brechungsindex zwischen dem Kern und der Ummantelung der Faser oder ihr Kerndurchmesser geändert wird. Unterdessen kann eine Änderung des optischen Kerr-Effekts erzielt werden, indem der nichtlineare Brechungsindex der Lichtintensität geändert wird. Gemäß Watanabe kann eine geeignete optische Faser hergestellt werden, indem zumindest ein Faserparameter kontinuierlich geändert wird, der ausgewählt ist aus Verlust, nichtlinearem Brechungsindex, Feldmodendurchmesser und Dispersion.
Nach Ansicht des Anmelders stellt die Verwendung solcher Arten von „speziellen" Fasern keine optimale Lösung dar, da solche Fasern kompliziert herzustellen sein können. Weiterhin ist ein solches Verfahren nicht auf bereits installierte optische Systeme anwendbar, es sei denn eine Ersetzung aller Fasern des Systems wird durchgeführt.
C. Lorattanasane et al. beschreiben in „Design Theory of Long-Distance Optical Transmission Systems Using Midway Optical Phase Conjugation", Journal of Lightwave Technology, Band 15, Nr. 6, Seiten 948–955 (1997) ein Designverfahren, um die verbleibende Wellenformverzerrung aufgrund der periodischen Leistungsvariation in einer optischen Verstärkerkette und aufgrund der Dispersionswertfluktuation von Spanne zu Spanne entlang eines in der Mitte angeordneten optischen Phasenkonjugationssystems zu unterdrücken. Gemäß den Autoren muss der Verstärkerabstand relativ zur Nichtlinearitätslänge kurz sein und die Signalimpulse müssen in geeigneten Fenstern der Faserdispersion übertragen werden. Ergebnisse von Computersimulationen, die in dem Artikel wiedergegeben sind, zeigen, dass ein kurzer Verstärkerabstand (40–50 km) für Fernübertragungssysteme notwendig ist, während für Nahübertragungssysteme mit weniger als 1000 km Länge die Verstärkerbeabstandung bis zu 100 km betragen kann.
Nach Ansicht des Anmelders ist eine Verstärkerbeabstandung von bis zu 100 km auch für Fernübertragungssysteme mit einer Länge von mehr als 1000 km bevorzugt, um die Anzahl der installierten Verstärker zu verringern.
Die französische Patentanmeldung Nr. 2,757,720 an Alcatel Alstom offenbart eine Anpassungsvorrichtung mit einem Kompensationsabschnitt, der mit einem spektralen Inverter verbunden ist. Der Inverter ist mit einem Übertragungsabschnitt verbunden, der aus einer Vielzahl von Übertragungsfasersegmenten gebildet wird, die mithilfe optischer Verstärker in Reihe miteinander verbunden sind. Um einen Kompensationsabschnitt zur Korrektur der chromatischen Dispersion und der Nichtlinearitäten zu realisieren, werden zu den Übertragungssegmenten zugehörige Segmente der dispersiven Fasern aneinander gekoppelt. Die optischen Parameter der Übertragungssegmente und ihre optische Eingangsleistung werden berücksichtigt, um die Kompensationssegmente zu dimensionieren. Die Anpassungsvorrichtung ist als letzte Stufe einer Sendestation und/oder als erste Stufe einer Empfangsstation angeordnet. In einem offenbarten Beispiel wird eine optische Verbindung von 1.000 km aus 20 gleich langen Segmenten von 50 km Länge in Betracht gezogen. Die Übertragungsfaser besitzt eine Dispersion mit einem Wert von –0,22 ps/nm/km, einen Abschwächungskoeffizienten von 0,216 dB/km und einen Nichtlinearitätskoeffizienten von 2,5 W^–1·km^–1. Die Vorkompensationsfasern besitzen eine Abschwächung von 0,6 dB/km und einen Nichtlinearitätskoeffizienten von 18 W^–1·km^–1. Die Eingangsleistung in die Übertragungssegmente und in die Vorkompensierungssegmente beträgt jeweils 6,0 dBm und 7,0 dBm. Die Dispersionswerte der Vorkompensierungssegmente liegen im Bereich von ungefähr –160 ps/nm/km bis ungefähr –20 ps/nm/km und eine Gesamtlänge von ungefähr 14 km an Vorkompensationsfaser wird in der Anpassungsvorrichtung verwendet. Gemäß den Autoren kann in einer vereinfachten Ausführungsform ein einzelnes Fasersegment verwendet werden, das eine Länge besitzt, die gleich der Summe der Längen der Vorkompensierungssegmente ist, und das eine durchschnittliche Dispersion aufweist.
Der Anmelder merkt an, dass die in der französischen Patentanmeldung '720 offenbarte Lösung kaum auf eine optische Verbindung angewendet werden kann, die typische Nicht-Null-Dispersionsfasern zur Übertragung verwendet, d.h. Fasern mit einer Dispersion von mehr als ungefähr 1,5 ps/nm/km in Absolutwert. Tatsächlich würde einer höheren Dispersion der Übertragungsfaser eine größere Länge der Vorkompensationssegmente entsprechen. Z.B. sollte bei Übertragungsfasern mit einem Dispersionskoeffizienten, dessen Wert zehn Mal höher in Bezug auf den in der französischen Patentanmeldung '720 offenbarten beispielhaften Wert ist (d.h. –2,2 ps/nm/km) eine Gesamtlänge von 140 km für den Vorkompensationsabschnitt vorgesehen werden, unter Verwendung derselben Vorkompensationsfasern, die in der französischen Patentanmeldung '270 offenbart sind. Dieses Ergebnis ist aufgrund der hohen zusätzlichen Abschwächung, die von einem so langen Vorkompensationsabschnitt eingeführt würde, ziemlich unpraktisch. Fasern mit einer höheren Dispersion könnten im Prinzip im Vorkompensationsabschnitt verwendet werden. Jedoch ist das Dispersionsniveau, das mit derzeit erhältlichen Fasern erreichbar ist, nicht unbegrenzt, insbesondere wenn Fasern mit positiver Dispersion verwendet werden. Es muss bemerkt werden, dass Nicht-Null-Dispersionsfasern mit einer Dispersion von noch mehr als 3,5 bis 4,0 ps/nm/km gegenwärtig in optischen Systemen eingesetzt werden, um dem Auftreten von schädlichen nichtlinearen Effekten wie z.B. four-wave mixing in optischen Wellenlängenteilungs-Multiplexsystemen (wavelength division mutliplex optical systems) entgegenzuwirken.
Die WO-Patentanmeldung Nr. 99/05805 an British Telecommunciations PLC offenbart ein Verfahren zur symmetrisierten spektralen Spannenmitteninversion (MMSI, midspan spectral inversion), wobei die Bereiche hoher Leistung im optischen Kommunikationssystem um die MMSI-Vorrichtung herum symmetrisiert werden. Die Verstärker sind so positioniert, dass sie Bereiche hoher Leistung in den beiden Abschnitten der Übertragungsleitung symmetrisch um den Mittelpunkt des Übertragungsnetzwerks aufweisen, wo die MMSI durchgeführt wird. Diese Bereiche hoher Leistung sind die Faserlängen unmittelbar nach dem Faserverstärker, was im Wesentlichen gleich der effektiven nichtlinearen Länge (L_eff) der optischen Übertragungsleitung ist. Der Abstand von dem dem Phasenkonjugator vorangehenden Verstärker zum Phasenkonjugator ist L_A und der Abstand vom Phasenkonjugator zum nachfolgenden Verstärker ist L_B. Die Abstände L_A und L_B sind gegeben durch
wobei L_amp = L_A + L_B der Verstärkerabstand ist. In einem Beispiel beträgt L_amp 80 km, L_eff beträgt 21,5 km, so dass die MSSI-Einrichtung an einer Entfernung von ungefähr 51 km von dem vorangehenden Verstärker platziert werden würde. Wenn es bei einer ungeraden Anzahl von Spannen nicht möglich ist, die MSSI-Einrichtung an einer anderen Stelle als der Stelle des Verstärkers zu platzieren, schlägt der Autor vor, eine Faserlänge L_amp–L_eff unmittelbar nach der MSSI-Einrichtung an der Verstärkerposition hinzuzufügen. Somit würde eine Faserlänge von 58,5 km hinzugefügt. Bei einer gleichen Anzahl von Spannen wird die MSSI-Einrichtung unmittelbar stromaufwärts des optischen Verstärkers platziert und eine Faserlänge L_eff wird unmittelbar stromaufwärts der MSSI-Einrichtung platziert. Der Autor gibt zu, dass es notwendig sein kann, zusätzliche Verstärker einzufügen, um die symmetrische Positionierung der Bereiche hoher Leistung zu gewährleisten oder wenn die optischen Signalniveaus niedrig genug sind, um eine Bit-Fehlerratenverschlechterung zu bewirken.
Nach Ansicht des Anmelders besitzt die Positionierung des optischen Phasenkonjugators sehr weit weg von einem Verstärker (z. B. ungefähr 50 km) den Nachteil, dass die optische Leitung mit einer eigenen Stelle für die MSSI-Einrichtung versehen werden muss, und zwar zusätzlich zu den Verstärkerstellen. Selbst wenn Faserlängen hinzugefügt werden, wie in der '805 Patentanmeldung vorgeschlagen, um die MSSI-Einrichtung bei einem Verstärker zu positionieren, wird eine zusätzliche starke Abschwächung in das System eingeführt (insbesondere bei einer ungeraden Anzahl von Spannen), und zwar aufgrund der großen Länge der hinzugefügten Fasern, wobei zusätzliche Verstärker vorgesehen werden müssen, um einer solchen Abschwächung entgegenzuwirken. Solche zusätzlichen Verstärker können wiederum die Leistungsverteilung entlang der Leitung aus der Balance bringen, so dass die Nichtlinearitäts-Kompensierung gestört werden kann.
Der Anmelder hat verstanden, dass diese Probleme aufgrund der Tatsache auftreten können, dass lediglich räumlich symmetrische, d.h. bezüglich der physikalischen Faserlänge symmetrische Anordnungen, in der Patentanmeldung '805 für die Bereiche hoher Leistung in Bezug auf die Position der OPC-Vorrichtung in Betracht gezogen wurden. Der Anmelder hat herausgefunden, dass vorteilhaftere Systemkonfigurationen zur Verringerung der Nichtlinearität unter Ausnutzung einer OPC-Vorrichtung umgesetzt werden können, indem symmetrisierte Anordnungen der Bereiche hoher Leistung in Bezug auf die entlang des Faserwegs angesammelte Dispersion in Betracht gezogen werden anstatt in Bezug auf den Faserweg selbst.
Insbesondere hat der Anmelder herausgefunden, dass die Auswirkungen der Nichtlinearität in einem System, das von optischen Leitungsverstärken getrennte Spannen an optischer Übertragungsfaser umfasst, wesentlich verringert werden können, indem stromaufwärts von einem optischen Leitungsverstärker eine optische Phasenkonjugationsvorrichtung angeschlossen wird. Eine optische Faserlänge mit demselben Dispersionsvorzeichen wie die optische Übertragungsfaser und einem im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten wird stromaufwärts von der optischen Phasenkonjugationsvorrichtung angeschlossen: die optische Faserlänge führt eine zusätzliche angesammelte Dispersion ein, die fast gleich der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion ist. Ein weiterer Verstärker wird auch mit der optischen Faserlänge verbunden, um die optische Signalleistung in der optischen Faserlänge vor der Phasenkonjugation zu erhöhen. Vorteilhafterweise kann die optische Phasenkonjugationsvorrichtung, die optische Faserlänge und der weitere optische Verstärker an derselben Stelle mit dem optischen Leitungsverstärker angeordnet werden.
In einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein optisches System, umfassend:

– einen faseroptischen Weg, der zur Ausbreitung eines faseroptischen Signals mindestens in einer ersten Richtung geeignet ist;
– eine Vielzahl M optischer Leitungsverstärker, die entlang des faseroptischen Wegs angeordnet sind, um so den faseroptischen Weg in N Spannen optischer Faser zu unterteilen, wobei die Spannen optischer Faser mindestens eine optische Übertragungsfaser mit einer effektiven Länge L_eff umfassen, und
– eine optische Phasenkonjugationsvorrichtung, die mit einem Verstärker der Vielzahl von Verstärkern verbunden ist,

– eine optische Faserlänge, die stromaufwärts von der optischen Phasenkonjugationsvorrichtung angeordnet ist, und einen weiteren optischen Verstärker, der mit der optischen Faserlänge verbunden ist, wobei die optische Faserlänge dasselbe Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser sowie einen im Absolutwert höheren Koeffizienten an einer Wellenlänge des optischen Signals besitzt und die optische Faserlänge geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion zwischen dem 0,6- und dem 1,5-fachen einer in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen.

Bevorzugt besitzt die optische Faserlänge einen Absolutwert des Dispersionskoeffizienten, der größer oder gleich dem Zweifachen des Dispersionskoeffizienten der optischen Übertragungsfaser ist. Besonders bevorzugt besitzt die optische Faserlänge einen Absolutwert des Dispersionskoeffizienten, der größer oder gleich dem Dreifachen des Dispersionskoeffizienten der optischen Übertragungsfaser ist.
Typischerweise umfassen die optischen Leitungsverstärker erbiumdotierte Faserverstärker.
In bevorzugten Ausführungsformen stellt der weitere optische Verstärker eine Ausgangsleistung bereit, die höher als eine durchschnittlich Ausgangsleistung der Vielzahl der Leitungsverstärker ist. Alternativ oder in Kombination kann eine optische Faserlänge verwendet werden, die einen nichtlinearen Koeffizienten besitzt, der größer als ein nichtlinearer Koeffizient der optischen Übertragungsfaser ist.
Bevorzugt ist die optische Faserlänge geeignet, um eine angesammelte Dispersion größer oder gleich dem 0,8-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen.
Bevorzugt ist die optische Faserlänge geeignet, um eine angesammelte Dispersion kleiner oder gleich dem 1,2-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen.
Um das Auftreten des four-wave mixing im Falle der WDM-Übertragung zu verringern, kann die optische Übertragungsfaser eine Dispersion besitzen, die an der Signalwellenlänge im Absolutwert größer oder gleich 0,5 ps/nm/km ist.
Typischerweise umfasst das optische System gemäß der Erfindung auch eine Sendestation und eine Empfangsstation. Die Sendestation ist mit einem Eingangsende des faseroptischen Weges verbunden und die Empfangsstation ist mit einem Ausgangsende des faseroptischen Wegs verbunden.
In einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Zusammenbau eines optischen Systems, das zur Ausbreitung eines optischen Signals geeignet ist, umfassend die folgenden Schritte:

– Bereitstellen einer Vielzahl M optischer Leitungsverstärker;
– Verbinden der Vielzahl optischer Leitungsverstärker mit N Spannen optischer Faser, um einen faseroptischen Weg zu bilden, wobei die Spannen optischer Faser mindestens eine optische Übertragungsfaser mit einer effektiven Länge L_eff umfassen;
– Verbinden einer Phasenkonjugationsvorrichtung mit einem der optischen Leitungsverstärker;

– Anschließen einer optischen Faserlänge stromaufwärts von der optischen Phasenkonjugationsvorrichtung, wobei die optische Faserlänge dasselbe Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser und einen im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten an einer Wellenlänge des optischen Signals besitzt, und die optische Faserlänge geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion zwischen dem 0,6- und dem 1,5-fachen einer in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen, und
– Verbinden eines weiteren optischen Verstärkers mit der optischen Faserlänge.

In einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Übertragungssystems mit einem optischen Faserweg, der mindestens eine optische Übertragungsfaser mit einer effektiven Länge L_eff und eine Vielzahl von optischen Leitungsverstärkern umfasst, die entlang des faseroptischen Wegs angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst:

– Einführen eines optischen Signals an einem Eingangsende des faseroptischen Wegs;
– Verstärken des optischen Signals entlang des Faserwegs durch die Vielzahl der optischen Leitungsverstärker;
– Phasenkonjugieren des optischen Signals an einem der Leitungsverstärker;

– Einführen des optischen Signals vor dem Schritt des Phasenkonjugierens an einem Eingangsende einer optischen Faserlänge mit demselben Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser und einem im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten an einer Wellenlänge des optischen Signals, wobei die optische Faserlänge geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion zwischen dem 0,6- und dem 1,5-fachen einer in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen, und
– Verstärken des optischen Signals in Verbindung mit der optischen Faserlänge.

In einem vierten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Aufrüsten eines optischen Übertragungssystems, mit einem faseroptischen Weg, wobei der faseroptische Weg mindestens eine optische Übertragungsfaser mit einer effektiven Länge L_eff und eine Vielzahl von optischen Leitungsverstärkern umfasst, die entlang des faseroptischen Wegs angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst:

– Verbinden einer Phasenkonjugationsvorrichtung mit einem der Vielzahl der optischen Verstärker;
– Anschließen einer optischen Faserlänge stromaufwärts von der Phasenkonjugationsvorrichtung, wobei die optische Faserlänge dasselbe Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser sowie einen im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten an einer Wellenlänge des optischen Signals besitzt, wobei die optische Faserlänge geeignet ist, eine angesammelte Dispersion zwischen dem 0,6- und dem 1,5-fachen einer in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen
– Verbinden eines weiteren optischen Verstärkers mit der optischen Faserlänge.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden Beschreibung besser veranschaulicht, die hier mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in welchen:
1 schematisch ein optisches Übertragungssystem gemäß der Erfindung zeigt;
2a und 2b schematisch zwei Leistungsprofile zeigen, die entlang des faseroptischen Wegs des Systems der 1 erhalten werden können, und zwar jeweils für einen konzentrierten Erbium-dotierten Faserverstärker und mit einem sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden Raman-Pumpen;
3a und 3b zeigen, wie die Augenöffnung sich aufgrund des Einsetzens der Nichtlinearität in einem Hochleistungsübertragungssystem verschlechtern kann;
4 schematisch die Leistungspegel in einer Spanne eines Systems zeigt, welches die sich in Gegenrichtung ausbreitende verteilte Raman-Verstärkung verwendet;
5a und 5b Graphen von zwei Parametern zeigen, die zur Berechnung der effektiven Länge L_eff im Fall der Verwendung der verteilten Verstärkung geeignet sind;
6a und 6b Graphen zweier Funktionen zeigen, deren Schnittpunkte verwendet werden können, um die effektive Länge L_eff im Fall der Verwendung der verteilten Verstärkung zu berechnen;
7 einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8a und 8b schematisch Graphen der optischen Leistung aufgetragen gegen die angesammelte Dispersion zeigen, und zwar jeweils für ein System gemäß dem Stand der Technik und für ein System gemäß der Erfindung;
9 Bereiche möglicher Paarungen von Länge und Dispersionskoeffizient der hinzugefügten Faser zeigt, die geeignet sind, um eine maximale Augöffnungsverschlechterung von 0,5 dB am Empfangsende eines optischen Systems gemäß der Erfindung zu erhalten, wie vom Anmelder in einer ersten Simulationsserie erhalten;
10 Bereiche möglicher Paarungen von Länge und Dispersionskoeffizient der hinzugefügten Faser zeigt, die geeignet sind, um eine maximale Augenöffnungsverschlechterung von 0,5 dB am Empfangsende eines optischen Systems gemäß der Erfindung zu erzielen, wie vom Anmelder in einer zweiten Simulationsserie erhalten;
11a bis 11b Augendiagramme von NRZ-Impulsen zeigen, die am Empfangsende jeweils eines optischen Systems ohne eine OPC und eines optischen Systems mit einer OPC, einer hinzugefügten Faserlänge und eines weiteren Verstärkers gemäß der Erfindung erhalten werden;
12a bis 12b Augendiagramme von RZ-Impulsen zeigen, die am Empfangsende von jeweils einem optischen System ohne OPC und einem optischen System mit OPC, einer hinzugefügten Faserlänge und einem weiteren Verstärker gemäß der Erfindung erhalten werden;
13 einen Vergleich zwischen den Bereichen möglicher Paarungen von Länge und Dispersionskoeffizient der hinzugefügten Faser zeigt, die geeignet sind, um eine maximale Augenöffnungsverschlechterung von 0,5 dB am Empfangsende eines optischen Systems gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik zu erhalten.
1 zeigt schematisch ein optisches Übertragungssystem 10 gemäß der Erfindung, das eine zur Übertragung von optischen Signalen über einen optischen Faserweg 12 geeignete optische Übertragungsstation (Sendestation) 11a und eine zum Empfang der vom faseroptischen Weg 12 kommenden Signale geeignete Empfangsstation 11b umfasst. Die Sendestation 11a umfasst zumindest einen Sender (Transmitter). Die Empfangsstation 11b umfasst zumindest einen Empfänger. Für die WDM-Übertragung umfassen die Stationen 11a, 11b eine Vielzahl von Sendern und Empfängern, z. B. 20 oder 32 oder 64 oder 100 Sender und Empfänger. Das Übertragungssystem kann Sende- und Empfangsstationen und einen faseroptischen Weg zur Übertragung der Signale in einer Richtung entgegengesetzt zu jener des faseroptischen Wegs 12 umfassen. Abschluss- und Leitungsvorrichtungen, die in den beiden Richtungen arbeiten, können sich die Stellen und Einrichtungen teilen.
Der Sender oder die Sender, die in der Sendestation 11a enthalten sind, sorgen dafür, dass ein optisches Signal in den faseroptischen Weg 12 eingekoppelt wird. Das optische Signal umfasst ein Informationssignal. Typischerweise kann jeder Sender eine Laserquelle umfassen, die geeignet ist, um ein optisches CW-Signal (Dauerstrichsignal) mit einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren, und kann einen externen optischen Modulator umfassen, Z. B. einen Lithium-Niobat-Modulator, der geeignet ist, um dem von der Laserquelle emittierten optischen CW-Signal ein Informationssignal mit einer vorbestimmten hohen Frequenz oder Bit-Rate zu überlagern, wie z. B. 10 Gbit/s oder 40 Gbit/s. Alternativ kann die Laserquelle direkt mit dem Informationssignal moduliert werden. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich für die optische Signalstrahlung liegt zwischen ungefähr 1460 nm und ungefähr 1650 nm. Ein besonders bevorzugter Wellenlängenbereich für die optische Signalstrahlung liegt zwischen ungefähr 1520 nm und ungefähr 1630 nm. Die optischen Signale können das Return-to-zero (RZ-)Format oder das Non-return-to-zero (NRZ-)Format besitzen. Typischerweise kann im Fall der WDM-Übertragung jeder Sender auch einen variablen optischen Abschwächer (Attenuator) umfassen, der geeignet ist, um für jede Signalwellenlänge einen vorbestimmten Leistungspegel festzulegen (Pre-Emphasis-Niveau). Im Fall der WDM-Übertragung werden die unterschiedlichen Signalwellenlängen, die von der Vielzahl der Sender emittiert werden, von einer geeigneten Multiplexvorrichtung auf dem faseroptischen Weg 12 gemultiplext. Solch eine Multiplexvorrichtung kann jeder Art sein, wie z. B. eine verschmolzene Faser (fused fiber) oder ein planarer optischer Koppler, eine Mach-Zehnder-Vorrichtung, ein AWG (Arrayed Waveguide Grating), ein Interferenzfilter, ein mikrooptischer Filter und ähnliches. Eine Kombination von Multiplexvorrichtungen kann auch verwendet werden.
Jeder Empfänger ist geeignet, ein ankommendes optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Typischerweise kann diese Aufgabe von einem Fotodetektor versehen werden. Der Empfänger kann auch das Informationssignal aus dem elektrischen Signal extrahieren. Für eine WDM-Übertragung wird eine Vielzahl von Fotodetektoren vorgesehen. Eine Demultiplex-Vorrichtung erlaubt es, die unterschiedlichen Signalwellenlängen von einem einzigen optischen Weg in eine Vielzahl von optischen Wegen aufzutrennen, die jeweils mit einem Empfänger terminiert werden. Die Demultiplex-Vorrichtung kann jeder Art sein, wie z. B. eine verschmolzene Faser oder ein planarer optischer Koppler, eine Mach-Zehnder-Vorrichtung, ein AWG (Arrayed Waveguide Grating), ein Interferenzfilter, ein mikrooptischer Filter und ähnliches. Eine Kombination von Demultiplex-Vorrichtungen kann auch verwendet werden.
Der faseroptische Weg 12 umfasst mindestens eine optische Übertragungsfaser. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung soll mit „optischer Übertragungsfaser" eine Faser gemeint sein, die zum Transport optischer Signale zwischen unter einem Abstand voneinander liegenden Punkten (zum Beispiel Abstände im zweistelligen Meterbereich) geeignet ist und eine geringe Abschwächung besitzt (z.B. weniger als 0,3 dB/km). Die optische Übertragungsfaser, die im faseroptischen Weg 12 verwendet wird, ist eine Single-Mode-Faser. Z. B. kann sie eine standardmäßige optische Single-Mode-Faser (SMF) sein, die eine chromatische Dispersion zwischen ungefähr +16 ps/(nm·km) und +20 ps/(nm·km) bei einer Wellenlänge von 1550 nm besitzt, oder sie kann eine dispersionsverschobene Faser (DSF) sein, die eine sich Null annähernde Dispersion bei einer Wellenlänge von 1550 nm besitzt oder sie kann eine nicht-Null-Dispersionsfaser (NZD) sein, mit einem Absolutwert der Dispersion zwischen ungefähr 0,5 ps/(nm·km) und 4 ps/(nm·km) bei einer Wellenlänge von 1550 nm, oder sie kann eine Faser der halbdispersionsverschobenen Art (HDS) sein, die eine positive Dispersion aufweist, welche zwischen jener einer NZD-Faser und einer standardmäßigen Single-Mode-Faser liegt. Um das Auftreten des Four-Wave-Mixing (FWM) zu verringern, kann/können die optische Übertragungsfaser oder -fasern, die im faseroptischen Weg 12 enthalten ist/sind, bevorzugt eine Dispersion besitzen, welche im Absolutwert größer oder gleich ungefähr 0,5 ps/(nm·km) ist, besonders bevorzugt größer gleich 1 ps/(nm·km) ist, äußerst bevorzugt größer gleich 1,5 ps/(nm·km) und zwar bei der Signalwellenlänge. Wenn die optischen Signale das RZ-Format besitzen, kann bevorzugt eine Übertragungsfaser mit einer chromatischen Dispersion von mehr als 15 ps/(nm·km) im Absolutwert bei der Signalwellenlänge verwendet werden, Z. B. eine SMF-Faser. Wenn die optischen Signale das NRZ-Format besitzen, kann bevorzugt eine Übertragungsfaser mit einer negativen chromatischen Dispersion von weniger als 10 ps/(nm·km) im Absolutwert bei der Signalwellenlänge verwendet werden.
Eine Vielzahl von M optischen Leitungsverstärkern ist entlang des faseroptischen Wegs 12 angeordnet, um so den faseroptischen Weg 12 in eine Vielzahl von Faserspannen aufzuteilen. In 1 sind sechs optische Leitungsverstärker 13¹ , 13² ... 13⁶ entlang des faseroptischen Wegs 12 angeordnet, so dass fünf Faserspannen 14¹ , 14² ... 14⁵ identifiziert werden können. Typischerweise sind die optischen Leitungsverstärker an geeigneten Verstärkungspositionen entlang des faseroptischen Wegs enthalten.
Z. B. ist ein optischer Leitungsverstärker, der zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ein Erbium-dotierter Faserverstärker, der mindestens eine Pumpquelle zum Bereitstellen einer optischen Pumpstrahlung, mindestens eine Erbium-dotierte Faser und mindestens eine Kopplungsvorrichtung umfasst, welche zum Einkoppeln der Pumpstrahlung und eines zu verstärkenden optischen Signals in die Erbium-dotierte Faser oder Fasern geeignet ist, z. B. einen WDM-Koppler. Eine geeignete Pumpstrahlung kann bevorzugt eine Wellenlänge in einem Bereich um 1480 nm oder in einem Bereich um 980 nm besitzen.
Ein weiterer beispielhafter optischer Leitungsverstärker, der zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist ein Halbleiterverstärker, der eine zum Bereitstellen von elektrischer Leistung geeignete elektrische Pumpquelle und ein optisches Halbleiterverstärkungselement umfasst, welches eine Elektrodenstruktur besitzt, die zur Verbindung mit der elektrischen Pumpquelle geeignet ist.
Ein weiteres Beispiel eines optischen Verstärkermoduls, das zur Verwendung in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist ein konzentrierter Raman-Verstärker, der mindestens eine Pumpquelle umfasst, die geeignet ist, um eine optische Pumpstrahlung mit einer Leistung und einer Wellenlänge bereitzustellen, welche geeignet sind, um eine Raman-Verstärkung in einem Stück optischer Faser zu bewirken, das speziell dafür geeignet ist, in einer Länge von mehreren km eine hohe Ramanverstärkung zu erzielen (Raman-Faser), typischerweise eine geringe effektive Fläche besitzt und im optischen Leitungsverstärker enthalten ist, und die mindestens eine Kopplungsvorrichtung umfasst, welche geeignet ist, um eine solche Pumpstrahlung in die Raman-Faser einzukoppeln, z. B. einen WDM-Koppler. Um eine Raman-Verstärkung zu erhalten, sollte die Wellenlänge der Pumpstrahlung in Bezug auf die Wellenlänge der Signalstrahlung in einen Bereich des Spektrums mit kleineren Wellenlängen verschoben werden, wobei eine solche Verschiebung im Wesentlichen gleich der Raman-Verschiebung des Materials ist (siehe G. P. Agrawal „Nonlinear Fiber Optics", Academic Press Inc. (1995, Seiten 317–319), welches im Kern der Raman-Faser vorhanden ist. Für typische Silica/Germania-basierte Fasern beträgt die Raman-Verschiebung ungefähr 13,2 THz. Für Signalwellenlängen um 1550 nm können die Pumpstrahlungswellenlängen, die für die Raman-Verstärkung geeignet sind, eine Wellenlänge um 1450 nm besitzen. Als Beispiel ist eine für einen konzentrierten Raman-Verstärker geeignete Faser in dem Artikel T. Tsuzaki et al., „Broadband Discrete Fiber Raman Amplifier with High Differential Gain Operating Over 1.65 μm-band", OFC2001, MA3-1, offenbart.
Ein weiteres Beispiel eines optischen Leitungsverstärkers, das zur Verwendung in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist ein optisches Verstärkermodul, das mindestens eine Pumpquelle umfasst, die geeignet ist, um eine optische Pumpstrahlung mit einer Leistung und einer Wellenlänge bereitzustellen, die geeignet sind, um in zumindest einem Stück des faseroptischen Wegs 12 eine verteilte Raman-Verstärkung zu bewirken, und die mindestens eine Kopplungsvorrichtung umfasst, welche geeignet ist, um eine solche Pumpstrahlung in den faseroptischen Weg 12 einzukoppeln, z. B. einen WDM-Koppler. Um eine Raman-Verstärkung zu erhalten, sollte die Wellenlänge der Pumpstrahlung in Bezug auf die Wellenlänge der Signalstrahlung in einen Bereich des Spektrums mit kleineren Wellenlängen verschoben werden, wobei eine solche Verschiebung im Wesentlichen gleich der Raman-Verschiebung des Materials ist. Bevorzugt wird die Pumpstrahlung in einer zur Richtung des optischen Signals entgegengesetzten Richtung in den faseroptischen Weg 12 eingekoppelt (sich entgegengesetzt ausbreitende Raman-Verstärkung).
N Faserspannen 14¹ , 14² ... 14^N wedren zwischen der Sendestation 11a und der Empfangsstation 11b als Abschnitte des faseroptischen Wegs 12 identifiziert, die zwischen den M optischen Leitungsverstärkern 13¹ , 13² ... 13^M liegen. Wenn der letzte optische Leitungsverstärker, der entlang des faseroptischen Wegs 12 angeordnet ist, unmittelbar stromaufwärts von der Empfangsstation 11b angeordnet wird, um die Leistung des optischen Signals auf ein geeignetes Niveau zu bringen, bevor es in die Empfangsstation 11b eingeführt wird, ist die Anzahl M der optischen Leitungsverstärker um eins größer als die Anzahl N der Spannen (M = N + 1). Wenn eine Spanne der Faser zwischen dem letzten optischen Leitungsverstärker und der Empfangsstation 11b platziert wird, gilt M = N. Bevorzugt umfasst der faseroptische Weg 12 eine ungerade Anzahl von Faserspannen N.
Zusätzlich zur optischen Übertragungsfaser können die Spannen 14¹ , 14² ... 14^N Kompensatoren umfassen, wie zum Beispiel Längen an Dispersionskompensierenden Fasern und/oder Dispersionskompensierenden Gittern, um eine teilweise oder vollständige Kompensierung der chromatischen Dispersions des optischen Signals entlang der optischen Leitung und/oder stromaufwärts der Empfangsstation 11b bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Vorkompensator an der Sendestation 11a vorgesehen werden.
Bevorzugt ist die Länge jeder Spanne größer oder gleich 40 km, besonders bevorzugt größer oder gleich 80 km. Kleinere Spannenlängen können vorgesehen werden, insbesondere in Long-Haul-Systemen (Langstreckensystemen), d. h. Systemen mit einer Gesamtlänge, die mehrere tausend km übertrifft, z. B. 10.000 km, in welchen das Einsetzen der nichtlinearen Effekte sich entlang des faseroptischen Wegs bis auf hohe Niveaus summieren kann. Andererseits sind höhere Spannenlängen jenseits der 80 km für Systeme erwünscht, welche eine Gesamtlänge von nicht mehr als 2–3000 km besitzen, in denen das Einsetzen der nichtlinearen Effekte aufgrund eines Anstiegs der optischen Gesamtleistung des in den faseroptischen Weg geschickten Signals (beispielsweise aufgrund eines Anstiegs der in ein WDM-System eingespeisten Kanäle) und/oder aufgrund der Bit-Rate des Systems auftreten kann.
Bevorzugt sind die optischen Verstärkermodule 13¹ ... 13^M im Wesentlichen periodisch entlang des faseroptischen Wegs 12 angeordnet, d. h., dass die Länge der Faserspannen 14¹ ... 14^N im Wesentlichen dieselbe ist. Praktisch kann dies einer Variation der Länge der Spannen im System von höchstens 10%, bevorzugt 5% der durchschnittlichen Länge der Spannen entsprechen. Insbesondere kann eine geringere Variation für Systeme erwünscht sein, die beispielsweise eine Gesamtlänge jenseits von 1500 km besitzen und/oder eine Bit-Rate von 40 Gbit/s oder mehr verwenden und/oder eine hohe Anzahl von Kanälen verwenden.
Eine optische Phasenkonjugationsvorrichtung (OPC-Vorrichtung) 15 ist entlang des faseroptischen Wegs 12 angeordnet und ist mit einem der optischen Leitungsverstärker 13⁴ verbunden. Die OPC-Vorrichtung 15 kann stromaufwärts oder stromabwärts des optischen Leitungsverstärkers angeschlossen werden. Die OPC-Vorrichtung 15 kann eine Vorrichtung sein, die in der Lage ist das Spektrum der entlang der Leitung übertragenen Kanäle zu invertieren, d. h. eine Vorrichtung zur spektralen Inversion. Zusätzlich kann eine solche Vorrichtung die mittlere Wellenlänge der invertierten Kanäle modifizieren. Bevorzugt ist die OPC-Vorrichtung 15 eine Polarisationsunabhängige Vorrichtung, das heißt eine Vorrichtung mit einer maximalen Leistungsschwankung des erhaltenen Phasenkonjugationssignals von 1 dB gegenüber einer Änderung des Polarisationszustands eines ankommenden optischen Signals. Bevorzugt umfasst sie ein nichtlineares Medium, durch welches die optischen Kanäle und zumindest eine linear polarisierte Pumpstrahlung zweimal durchtreten, in einer Richtung beim ersten Durchgang und in der entgegengesetzten Richtung beim zweiten Durchgang. Beim zweiten Durchgang treten die optischen Kanäle durch das nichtlineare Medium, nachdem sie eine Drehung ihres Polarisationszustands um π/2 erfahren haben. Ein Beispiel einer Vorrichtung dieser Art ist in dem Artikel von C. R. Giles, V. Mizrahi und T. Erdogan, „Polarization-Independent Phase Conjugation in a Reflective Optical Mixer", IEEE Photonics Technology Letters, Band 7, Nr. 1, Seiten 126–128 (1995) beschrieben. Ein weiteres Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in der Pantentanmeldung EP 0 987 583 offenbart. Typischerweise kann die OPC-Vorrichtung 15 eine oder mehrere Vorrichtungen zum Filtern der übrigen Wellenlängen des nichtlinearen Wellenlängenkonvertierungsvorgangs umfassen. Zusätzlich kann die OPC-Vorrichtung eine oder mehrere Vorrichtungen zur Verstärkung der phasenkonjugierten Kanäle oder allgemein zur totalen oder partiellen Kompensierung der Abschwächung des Phasenkonjugators umfassen. Um die Phasenkonjugation der vielen unterschiedlichen Kanäle durchzuführen, kann eine Mehrkanal-OPC-Vorrichtung der in dem US-Patent 5,365,362 beschriebenen Art verwendet werden. Die Anordnung der OPC-Vorrichtung unmittelbar stromaufwärts des optischen Leitungsverstärkers wird in großem Detail im Folgenden besprochen.
Am Ausgang jedes optischen Leitungsverstärkers ist die Leistung des optischen Signals auf ein Niveau erhöht worden, das von der optischen Verstärkung bestimmt wird, welche von dem im optischen Leitungsverstärker verwendeten Verstärkungsmedium bereitgestellt wird. 2a und 2b zeigen schematisch zwei optische Leistungsprofile, die entlang eines Abschnitts des faseroptischen Wegs 12, des Systems der 1 erhalten werden können, jeweils mit einer Kette konzentrierter Verstärker (z. B. EDFAs) und mit einer Kette optischer Verstärkermodule zur verteilten, sich entgegengesetzt ausbreitenden Raman-Verstärkung: die Position der optischen Leitungsverstärker ist mit den gestrichelten vertikalen Linien gezeigt. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung umfassen die Begriffe „optischer Leitungsverstärker" auch optische Verstärkermodule zur verteilten Ramanverstärkung. In 2a ist gezeigt, dass die Leistung abrupt in einer sehr kleinen Länge zunimmt, die der Gesamtlänge des konzentrierten Verstärkers entspricht (z. B. einige Meter für ein EDFA, einige mm oder sogar weniger in einem Halbleiterverstärker, einige km in einem konzentrierten Raman-Verstärker), und dann progressiv aufgrund der Abschwächung abnimmt, die von der optischen Faser eingeführt wird, welche in der Spanne stromabwärts vom Verstärkermodul enthalten ist, bis zum nächsten optischen Leitungsverstärker, in welchem die Leistung ein weiteres Mal abrupt zunimmt usw. In 2b ist gezeigt, dass die Leistung bei Annäherung an das optische Verstärkermodul aufgrund der sich entgegengesetzt ausbreitenden Raman-Verstärkung progressiv zunimmt und zwar bis zu einem Maximum in Übereinstimmung mit der Position des optischen Verstärkermoduls, dann progressiv aufgrund der Abschwächung abnimmt, die von der optischen Faser eingeführt wird, welche in der stromabwärts vom Verstärkermodul in einer ersten Position gelegenen Spanne enthalten ist, dann bei Annäherung an das nächste optische Verstärkermodul zunimmt usw. Man könnte eine Figur ähnlich der 2b erhalten, indem man eine gemischte sich entgegengesetzt ausbreitende Raman + EDFA-Verstärkung in Betracht zieht, bei der der stromabwärts vom optischen Verstärkermodul erreichte Leistungswert geringer als die Maximalleistung ist, die von der EDFA-Verstärkung gegeben ist. Wie von den 2a–2b gezeigt wird, sind in jedem Fall die Leistungsprofile stromaufwärts und stromabwärts von den optischen Verstärkermodulen typischerweise nicht symmetrisch in Bezug auf die optischen Verstärkermodule. Z. B. hat der Anmelder bestimmt, dass bei der sich entgegengesetzt ausbreitenden Raman-Verstärkung in typischen Übertragungsfasern der Absolutwert der Steigung des Anstiegs des Leistungspegels aufgrund der Raman-Verstärkung im letzten Abschnitt der Spannen typischerweise dreimal den Absolutwert der Steigung der Abnahme des Leistungspegels aufgrund der Faserabschwächung im ersten Abschnitt der Spannen beträgt.
Das Maximalniveau der optischen Leistung entlang des faseroptischen Wegs, d. h. die Höhe der Spitzen in 2a–2b, hängt von vielen Faktoren ab. Typischerweise hängt sie von der von den optischen Leitungsverstärkern eingeführten optischen Verstärkung ab: eine solche optische Verstärkung kann z. B. als Funktion der Gesamtlänge des Systems und/oder Spannenlängen und/oder Anzahl der Kanäle in einem WDM-System geregelt werden. Ein System mit einer höheren Bit-Rate kann entlang des faseroptischen Wegs höhere Leistungspegel erreichen als ein System mit einer geringeren Bit-Rate, da die verfügbare Zeitnische für jedes Bit an Information kleiner ist. Heute besteht großes Interesse an der Erhöhung der Bit-Rate von optischen Systemen von Werten von ungefähr 2,5 Gbit/s oder 10 Gbit/s auf höhere Werte, wie z. B. 40 Gbit/s oder mehr. Ein Anstieg der Bit-Rate kann einen entsprechenden Anstieg der Auswirkungen der nichtlinearen Effekte bewirken, da die erreichten Leistungspegel entlang der Leitung sehr hoch sein können. Als Beispiel zeigen die 3a und 3b das Ergebnis zweier Simulationen, die erstellt wurden, indem das Einspeisen eines einzigen optischen Kanals bei 40 Gbit/s mit einer Durchschnittsleistung von 10 dBm in einem System mit einer Länge von 400 km und perfekter Kompensierung der chromatischen Dispersion in Betracht gezogen wird. In 3a wurden die nichtlinearen Effekte dadurch ausgelöscht, dass der nichtlineare Koeffizient der Faser auf Null gesetzt wurde. In 3b wurde ein nichtlinearer Koeffizient von 1,3 1/(W·km) eingeführt. Wie ersichtlich ist, ist die Augenöffnung viel kleiner in 3b, selbst in einem System mit einer relativ geringen Länge, und zwar aufgrund des Einsetzens der nichtlinearen Effekte. Es ist zu bemerken, dass der Wert der Durchschnittsleistung von 10 dBm des optischen Kanals lediglich zu Simulationszwecken gewählt wurde: es ist zu verstehen, dass die Erfindung auch auf Systeme anwendbar ist, die Signale mit geringerer durchschnittlicher Leistung verwenden.
Um die Teile des faseroptischen Wegs zu lokalisieren, in denen der Leistungspegel des optischen Signals hohe Werte erreicht, kann die effektive Länge L_eff verwendet werden:
wobei L_amp die durchschnittliche Spannenlänge ist und α der Abschwchungskoeffizient der Übertragungsfaser an der Signalwellenlänge ist, ausgedrückt in Nepers·km^–1 anstatt der herkömmlicheren Einheiten dB/km: die Abschwächung in Neper·km^–1 kann erhalten werden, indem die in dB/km ausgedrückte Abschwächung mit einem Faktor log_e(10)/10 multipliziert wird. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung kann die effektive Länge, die mit der Formel [9] berechnet wird, nämlich so approximiert werden: Leff = 1α [9]da der Exponentialwert des Zählers der Formel [8] für typische Werte der Abschwächung und der Spannenlängen fast Null ist.
In der Praxis beträgt die mit Formel [9] berechnete effektive Länge ungefähr 20 km für typische Übertragungsfasern, die einen Abschwächungskoeffizienten von 0,2 dB/km besitzen. Die mit den Formeln [8] und [9] berechnete effektive Länge kann grob als Mass des Abschnitts der Faserspanne verwendet werden, in welchem der Leistungspegel des optischen Signals Werte erreicht, die verursachen können, dass sich die Nicht-Linearität negartiv auf die korrekte Übertragung auswirkt. In anderen Worten kann man sagen, dass in einem Teil der Faserspanne stromabwärts des Ausgangs des optischen Leitungsverstärkers bei einem Abstand von mehr als einer effektiven Länge die nicht-linearen Effekte keine wesentliche Rolle spielen, so dass die Verzerrung des Signals in dem Spannenabschnitt im Wesentlichen nur durch lineare Effekte bewirkt wird, wie zum Beispiel die chromatische Dispersion. Genauer gesagt identifiziert die mit der Formel [8] berechnete effektive Länge L_eff mathematisch die Punkte entlang der Leitung, in denen die Leistung unter 1/e der maxmalen optischen Leistung absinkt, wenn nur die konzentrierte Verstärkung verwendet wird. Weiter kann gemäß dem Anmelder die effektive Länge als Mass der Asymmetrie der optischen Leistungsverteilung entlang der optsichen Leitung verwedet werden: je höher die effektive Länge, desto größer die Asymmetrie.
Wenn die verteilte sich entgegengesetzt ausbreitende Raman-Verstärkung verwendet wird (alternativ zu oder in Verbindung mit der konzentrierten Verstärkung) können die Punkte der optischen Spannen, in denen die Leistung unterhalb von 1 / e der maximalen optischen Leistung fällt, zwei sein, da die Leistung in einem ersten Abschnitt der Spanne aufgrund der Faserabschwächung abnimmt und dann in einem letzten Abschnitt der Spanne aufgrund der Raman-Verstärkung zunimmt (siehe 4). Seien z₁ und z₂ zwei solche Punkte. Wir definieren die effektive Länge in diesem Fall als: Leff = Z1 – (Lamp – z2) [10]wobei L_amp die durchschnittliche Spannenlänge ist. Die obige Definition für L_eff ist spezifisch für jede Spanne. In der Praxis kann der Durchschnitt über alle Spannen als effektive Länge L_eff für den Faserweg oder für das optische System in Betracht gezogen werden.
Wenn lediglich die sich entgegengesetzte ausbreitende Raman-Verstärkung verwendet wird, ist der Leistungspegel am Ausgang der Faserspanne P_s(L_amp) gleich dem Leistungspegel am Eingang der Faserpspanne P_s(0). Wenn die sich entgegengesetzt ausbreitende Raman-Vestärkung in Kombination mit der konzentrierten Verstärkung verwendet wird, ist der Leistungspegel am Ausgang der Faserspanne P_s(L_amp) geringer als der Leistungspegel am Eingang der Faserspanne P_s(0), da die konzentrierte Verstärkung einen zusätzlichen Betrag an optischer Verstärkung einführt. Der folgende Ausdruck kann verwendet werden, um die optische Leistung entlang der Spanne zu beschreiben:
wobei α_s und α_P die Abschwächungskoeffizienten (in Nepers/km) jeweils an der Signalwellenlänge und an der Raman-Pumpwellenlänge sind, g_R der Raman-Verstärkungskoeffizient ist und A_eff die effektive Fläche der in der Spanne enthaltenen Übertragungsfaser ist, während P_P(L_amp) die am Ausgangsende der Spanne in die Übertragungsfaser eingeführte Raman-Pumpleistung ist.
P_P(L_amp) kann berechnet werden, indem die Formel [11] am Ausgang der Spanne ausgewertet wird (d. h. indem P_s(z) = P_s(L_amp) eingesetzt wird) und nach P_P(L_amp) aufgelöst wird, so dass:
Die Formel [12] kann in die Formel [11] eingesetzt werden, um so folgendes zu erhalten:
Um somit die Punkte z₁, z₂ der optischen Spannen zu finden, an denen der Leistungspegel unter 1 / e der maximalen optischen Leistung P_s(0) abfällt, sollte die folgende Gleichung gelöst werden:
wobei K das Verhältnis zwischen P_s(L_amp) und P_s(0) (ausgedrückt in Watt) ist. Die Gleichung [14] kann numerisch gelöst werden, um die Lösungen z₁ und z₂ zu finden.
Es kann nützlich sein z₁ und (L_amp–z₂) als Mehrfache der approximierten effektiven Länge mit konzentrierter Verstärkung (L_eff)^lumped = 1/α_s auszudrücken. 5a und 5b zeigen jeweils die Änderung z₁ und (L_amp–z₂) gegenüber dem K-Parameter für einen Verstärkerabstand L_amp von 100 km und α_s = α_P = 0,2 dB/km, wobei sowohl z₁ als auch (L_amp–z₂) als mehrfaches von 1/α_s ausgedrückt sind. Wie aus 5a ersichtlich ist, ist der Wert z₁ stets ungefähr gleich 1/α_s für jeden Wert K-Parameters (eine Variation zwischen 1,055 und 1,095-mal 1/α_s). Wie aus 5b ersichtlich ist, variiert der Wert von (L_amp–z₂) gegenüber dem K-Parameter: wenn z. B. lediglich die sich entgegengesetzt ausbreitende Raman-Verstärkung verwendet wird (K = 1) gilt
so dass in einem solchen Fall die effektive Länge, die mit der Formel [10] berechnet wird, zu folgendem wird:
Wie zu sehen ist, verringert die Einführung der sich entgegengesetzt ausbreitenden Verstärkung den Wert der effektiven Länge.
Wenn die konzentrierte Verstärkung und die sich entgegengesetzt ausbreitende verteilte Raman-Verstärkung beide verwendet werden, kann die effektive Länge ähnlicher 1/α_s werden. Indem nämlich z. B. K = 0,5 betrachtet wird, gilt (siehe 5b):
Die Gleichung [14] kann grafisch gelöst werden. Indem der Einfachheit halber α = α_s = α_P gesetzt wird (für eine Standard-SMF-Faser gilt α_s = 0,046 Neper/km @ 1550 nm, α_P = 0,064 Neper/km @ 1450 nm) kann die Gleichung [14] geschrieben werden als e–αz·exp⌊C·(eαz – 1)⌋ = e–1 [15]wobei
Indem y1 = eαz y2 = αC ·z + 1 – 1C gesetzt wird, können die Lösungen für die Gleichung [15], d. h. die Punkte z₁ und z₂ als die Abszisse der Schnittpunkte zwischen den Funktionen y₁(z) und y₂(z) gefunden werden, welchen von den gewählten Werten für L_amp und K abhängen können. Wenn insbesondere die Spannenlänge L_amp kleiner als ungefähr 50–60 km wird, kann die Verwendung der sich entgegengesetzt ausbreitenden Raman-Verstärkung bewirken, dass der optische Leistungspegel entlang der gesamten Spanne stets über
bleibt: in einem solchen Fall kann die effektive Länge nicht berechnet werden. Jedoch würde dies im Wesentlichen einem „verlustlosen" System ähnlich sein. Z. B. zeigt die 6a die Graphen der beiden Funktionen y₁(z) (gestrichelte Linie) und y₂(z) (durchgehende Linie) aufgetragen gegen z für K = 1 und L_amp 50 km. Wie ersichtlich ist, schneiden sich die beiden Funktionen nie miteinander, so dass keine Lösung für die Gleichung [15] gefunden werden kann. Im Gegensatz dazu zeigt 6b die Graphen der beiden Funktionen y₁(z) (gestrichelte Linie) und y₂(z) (durchgehende Linie) aufgetragen gegen z für K = 0,5 und L_amp 70 km: wie ersichtlich ist, können immer noch zwei Schnittpunkte gefunden werden (z₁ ≅ 27 km, z₂ ≅ 65 km), die zu L_eff ≅ 22 km führen. Man würde einen Graphen ähnlich der 6b (nicht gezeigt) erhalten für K = 1 und L_amp = 70 km mit Schnittpunkten bei z₁ ≅ 30 km, z₂ ≅ 55 km, was zu L_eff von ≅ 15 km führt.
Es ist bekannt, dass das Einbringen einer OPC 15 in einem optischen System die negativen Auswirkungen verringern kann, die im optischen System durch die Nichtlinearität erzeugt werden. Die Positionierung der OPC-Vorrichtung wurde im Stand der Technik mit der Kompensierung der chromatischen Dispersion in Beziehung gesetzt, sodass die OPC-Vorrichtung sich am Spannenmittenpunkt des Systems befand, in der Nähe des dem Spannenmittenpunkt näher liegenden Verstärkers. Jedoch hat der Anmelder herausgefunden, dass wenn man sich nur auf eine solche Positionierung verlässt, man in vielen Fällen keine ausreichende Verringerung der Auswirkungen der nichtlinearen Effekte garantieren kann, insbesondere für Systeme mit einer hohen Bitrate (z.B. 40 Gbit/s) und/oder langen Spannenlängen. Selbst wenn die Positionierung der OPC-Vorrichtung in der Nähe des Spannenmittenpunkts des Systems die Nichtlinearität verringern kann, da die Bereiche hoher Leistung ungefähr symmetrisch in Bezug auf die OPC-Vorrichtung angeordnet sind, kann gemäß dem Anmelder die intrinsische Asymmetrie der Bereiche hoher Leistung immer noch am Empfänger hohe Verschlechterungspegel bewirken. Insbesondere kann dieses Problem bei langen durchschnittlichen Spannenlängen auftreten, d.h. bei mehr als dem Zwei- bis Dreifachen der effektiven Länge, bei denen die Leistungsverteilung entlang jeder Spanne eine große Auslenkung zwischen Werten sehr hoher Leistung (am Ausgang der Leitungsverstärker) und Werten sehr niedriger Leistung (am Ende der Spannen) besitzt, d.h. mehr als ungefähr 3 dB unterhalb des maximalen Leistungspegels.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass ein solches Problem dadurch gelöst werden kann, dass eine optische Faserlänge mit demselben Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser und mit einem im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten D stromaufwärts der optischen Phasenkonjugationsvorrichtung 15 angeschlossen wird. Ein weitere Verstärker wird ebenfalls an der optischen Faserlänge angeschlossen, um die optische Signalleistung in der optischen Faserlänge zu erhöhen. Die optische Faserlänge führt eine zusätzliche angesammelte Dispersion ein, die fast gleich der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion ist, und die insbesondere zwischen dem 0,6- und dem 1,5-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion ist. Bevorzugt ist die zusätzliche angesammelte Dispersion größer oder gleich dem 0,8-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion. Bevorzugt ist die zusätzliche angesammelte Dispersion kleiner oder gleich dem 1,2-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung wird mit „angesammelter Dispersion" das Produkt von (Dispersionskoeffizient × physikalischer Faserlänge) gemeint, wobei der Dispersionskoeffizient an der Signalwellenlänge und im Absolutwert ausgewertet wird. Für die WDM-Übertragung kann der Durchschnitt der Wellenlängenkanäle zur Auswertung des Dispersionskoeffizienten verwendet werden. Die geringe Menge der angesammelten Dispersion, die von der optischen Faserlänge 16 hinzugefügt wird, kann mit einem geeigneten Dispersionskompensator linear kompensiert werden, z.B. am Ende des optischen Wegs 12.
Der mit der optischen Faserlänge verbundene weitere optische Verstärker kann jede Art von konzentriertem Verstärker sein, Z.B. ein EDFA, oder ein optischer Halbleiterverstärker, oder ein konzentrierter Raman-Verstärker. Im letzteren Fall kann die optische Faserlänge selbst als optisches Verstärkungsmedium zur Erzeugung der Raman-Verstärkung verwendet werden, wenn die hinzugefügte Faser für den Zweck geeignet ist. In solch einem Fall kann das optische Verstärkermodul mit einem Ende der optischen Faserlänge verbunden werden, das mindestens eine Pumpquelle umfasst, die zur Bereitstellung einer optischen Pumpstrahlung mit einer Leistung und einer Wellenlänge geeignet ist, die zur Erzeugung der Raman-Verstärkung in mindestens einem Teil der optischen Faserlänge geeignet ist, und die mindestens eine Kopplungsvorrichtung umfasst, die zum Einkoppeln einer solchen Pumpstrahlung in die optische Faserlänge geeignet ist, z.B. einen WDM-Koppler. Das Verstärkungsmodul kann am stromaufwärts liegenden Ende angeschlossen werden (für sich gleichsinnig ausbreitende Raman-Verstärkung innerhalb der optischen Faserlänge) oder am stromabwärts liegenden Ende (für sich entgegengesetzt Gegenrichtung ausbreitende Raman-Verstärkung in der optischen Faserlänge). Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung kann das Hinzufügen des weiteren optischen Verstärkers zur hinzufügten optischen Faserlänge stromaufwärts von der OPC-Vorrichtung das Anschließen eines optischen Verstärkungsmoduls an einem Ende der hinzugefügten optischen Faserlänge umfassen, um eine Raman-Verstärkung in zumindest einem Teil der hinzugefügten optischen Faserlänge zu bewirken.
7 ist eine schematische Vergrößerung des Teils des optischen Weges 12 mit der OPC-Vorrichtung 15 des Systems 10 in 1. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die OPC-Vorrichtung 15, die optische Faserlänge 16 und der weitere optische Verstärker 19 unmittelbar stromaufwärts von einem optischen Leitungsverstärker 13⁴ angeordnet, der entlang der optischen Leitung liegt. Insbesondere kann die OPC-Vorrichtung 15 mit dem Eingang des optischen Leitungsverstärkers 13⁴ verbunden werden, während die optischen Faserlänge 16 zwischen dem weiteren optischen Verstärker 19 und der OPC-Vorrichtung 15 angeschlossen wird. Die optische Faserlänge 16 kann ein erstes Ende 17, das mit dem Ausgang des weiteren optischen Verstärkers 19 verbunden ist, und ein zweites Ende 18, das mit der OPC-Vorrichtung 15 verbunden ist, besitzen. In einer alternativen Ausgestaltung, die nicht gezeigt ist, kann die OPC-Vorrichtung 15 unmittelbar stromabwärts vom optischen Leitungsverstärker 13⁴ angeschlossen werden, sodass die optische Faserlänge 16 zwischen dem Ausgangsende des weiteren optischen Verstärkers 19 und dem Eingangsende des optischen Leitungsverstärkers 13⁴ abgeschlossen wird. In solch einem Fall sollte die aus der OPC-Vorrichtung 15 austretende optische Ausgangsleistung im Wesentlichen gleich der Ausgangsleistung (oder dem Durchschnitt der Ausgangsleistung) der weiteren optischen Leitungsverstärker sein. Vorteilhafterweise können die optische Phasenkonjugationsvorrichtung, die optische Faserlänge und der weitere optische Verstärker an derselben Stelle mit dem optischen Leitungsverstärker 13⁴ angeordnet werden. In bevorzugten Ausführungsformen kann die optische Phasenkonjugationsvorrichtung 15, die optische Faserlänge 16 und der weitere optische Verstärker 19 zusammen in einem einzigen Gehäuse 20 untergebracht werden.
Voreilhafterweise ist die Länge L_N der optischen Faserlänge 16 kleiner als die effektive Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser. Somit wird eine sehr geringe Länge hinzugefügt. Insbesondere kann die Länge L_N unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: DNLN = DLeff [16]wobei D_N und D der Dispersionskoeffizient der optischen Faserlänge 16 bzw. Dispersionskoeffizient der Übertragungsfaser sind. Für die Berechnung der effektiven Länge können die Gleichungen [8], [9], [10], [10'] verwendet werden, abhängig von der verwendeten Verstärkung (konzentriert und/oder verteilt). Bevorzugt beträgt der Absolutwert des Dispersionskoeffizienten der optischen Faserlänge mindestens das Zweifache des Dispersionskoeffizienten der optischen Übertragungsfaser, besonders bevorzugt mindestens das Dreifache. Z.B. kann die optische Faserlänge aus einer dispersionskompensierenden Faser hergestellt sein oder aus einer Faser, die zur Übertragung optischer Signale geeignet ist und einen im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten besitzt als der Dispersionskoeffizient der in den Spannen enthaltenen Übertragungsfaser. Der Zweck des weiteren optischen Verstärkers 19 ist es, einen ausreichenden optischen Leistungspegel in der optischen Faserlänge 16 bereitzustellen, um das Auftreten der nichtlinearen Effekte darin zu erleichtern. Insbesondere kann die Ausgangsleistung P_N des Weiteren optischen Verstärkers 19 mit der folgenden Formel berechnet werden, und zwar im Falle der konzentrierten Verstärkung:
wobei B₀ die durchschnittliche Ausgangsleistung der optischen Leitungsverstärker 13¹ ... 13^M ist, γ und α jeweils der nichtlineare Koeffizient und der Abschwächungskoeffizient der optischen Übertragungsfaser sind, γ_N und α_N jeweils der nichtlineare Koeffizient und der Abschwächungskoeffizient der optischen Faserlänge 16 sind.
Nach der Berechnung der Länge der hinzugefügten optischen Faserlänge 16 (unter Verwendung der Gleichung [16] kann in der Praxis die Gleichung [17] als grober Anhaltspunkt zum Festlegen der optischen Leistung des weiteren Verstärkers 19 verwendet werden. Jedoch kann eine Feinabstimmung der Ausgangsleistung des weiteren Verstärkers 19 um einen von der Gleichung [17] gegebenen Wert herum bereitgestellt werden, um an der Empfangsstation 11b eine niedrige Verschlechterung zu erhalten.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass das Vorsehen der OPC 15 in Kombination mit der optischen Faserlänge 16 und dem weiteren optischen Verstärker 19 gemäß den obigen Ausführungen es erlaubt, die Auswirkungen der Nichtlinearität in einem optischen System zu verringern. Gemäß dem Anmelder kann dies von der Tatsache abhängen, dass eine bessere symmetrische Anordnung der Bereiche hoher Leistung in Bezug auf die angesammelte Dispersion erhalten wird, wenn die OPC-Vorrichtung, die optische Faserlänge und der weitere Verstärker gemäß dem oben gesagten hinzugefügt werden. Gemäß dem Anmelder können positive Ergebnisse sowohl im Fall der Verwendung von konzentrierten optischen Leitungsverstärkern als auch im Fall von verteilter Verstärkung entlang der optischen Leitung (alternativ oder in Verbindung mit konzentrierter Verstärkung) erhalten werden.
8a und 8b zeigen schematisch Graphen der optischen Leistung eines optischen Signals, die erhalten werden können, indem man dasselbe entlang einer optischen Leitung ausbreitet, welche vier Spannen optischer Faser und vier konzentrierte Leitungsverstärker umfasst, wobei die Graphen aufgetragen sind gegen die vom selben optischen Signal angesammelte Dispersion. In beiden Figuren wird angenommen, dass eine OPC-Vorrichtung vor dem dritten Verstärker positioniert wird. In 8a wird angenommen, dass keine optische Faserlänge und kein weiterer optischer Verstärker stromaufwärts von der OPC-Vorrichtung vorhanden sind, während in 8b angenommen wird, dass der weitere Verstärker und die optische Faserlänge zwischen dem Ende der zweiten Spanne und der OPC-Vorrichtung angeordnet sind. Die optische Faserlänge führt eine zusätzliche angesammelte Dispersion gleich der in einem Spannenabschnitt mit einer Länge L_eff angesammelten Dispersion ein. Des Weiteren wird der Einfachheit halber angenommen, dass die Ausgangsleistung des weiteren optischen Verstärkers gleich der durchschnittlichen Ausgangsleistung der optischen Leitungsverstärker ist. In beiden Figuren sind die Bereiche hoher Leistung mit einer Länge L_eff hervorgehoben.
Zuerst die 8a betrachtend ist die von einem optischen Signal am Eingang des Systems angesammelte Dispersion Null (oder auf einem vorbestimmten Wert, wenn pre-chirp verwendet wird) und der erste Leitungsverstärker (AMP#1) stellt die optische Leistung des optischen Signals auf einen vorbestimmten hohen Pegel ein. Während der Ausbreitung in der ersten Spanne sammelt das Signal einen Dispersionsbetrag (Dacc SP #1) an, und zwar in Abhängigkeit vom Dispersionskoeffizienten der verwendeten Übertragungsfaser, während gleichzeitig die optische Leistung aufgrund der Faserabschwächung abnimmt. Am Ende der ersten Spanne wird das optische Signal vom zweiten Verstärker (AMP#2) verstärkt, der die optische Leistung im Wesentlichen auf denselben vom AMP#1 festgelegten Pegel bringt. Während der Ausbreitung in der zweiten Spanne sammelt das Signal weiter Dispersion an (Dacc SP #2), während die Leistung abnimmt, und zwar bis zur OPC-Vorrichtung. Die OPC-Vorrichtung führt die optische Phasenkonjugation durch, sodass die angesammelte Dispersion am Ende der zweiten Spanne im Wesentlichen an eine symmetrische Position auf der gegenüberliegenden Seite des Graphen gespiegelt wird. Am Ausgang der OPC-Vorrichtung wird das phasenkonjugierte optische Signal vom dritten Verstärker (AMP#3) verstärkt, der die optische Leistung im Wesentlichen auf den vom AMP#1 und/oder AMP#2 festgelegten Pegel bringt. Während der Ausbreitung in der dritten Spanne verringert das phasenkonjugierte Signal seine angesammelte Dispersion (Dacc SP #3) im Absolutwert, während die Leistung abnimmt. Dann wird das phasenkonjugierte optische Signal vom vierten Verstärker (AMP#4) verstärkt und in die vierte Spanne übertragen, wo es seine angesammelte Dispersion am Ende des Systems bis auf im Wesentlichen Null verringert. Wie aus 8a ersichtlich ist, sind die hervorgehobenen Bereiche hoher Leistung nicht in Bezug auf den Nullwert der angesammelten Dispersion symmetrisch.
In dem in 8b gezeigten Fall verhält sich das System in den ersten beiden Spannen auf dieselbe Weise wie in dem in 8a gezeigten Fall. Jedoch bringt diesmal der weitere Verstärker (AMP add) am Ende der zweiten Spanne die optische Leistung auf denselben vom AMP#1 und/oder AMP#2 festgelegten Pegel und die zusätzliche optische Faserlänge führt eine zusätzliche angesammelte Dispersion (Dacc add fiber) ein, die im Wesentlichen gleich der in einer effektiven Länge der Übertragungsfaser angesammelten Dispersion ist. Dann führt die OPC-Vorrichtung die Phasenkonjugierung des optischen Signals durch und ändert dabei das Vorzeichen der in der Nähe des dritten Verstärkers (AMP#3) angesammelten Dispersion. Während der Ausbreitung in der dritten Spanne verringert das phasenkonjugierte Signal seine angesammelte Dispersion (Dacc SP #3) im Absolutwert, während die Leistung abnimmt. Dann wird das phasenkonjugierte optische Signal vom vierten Verstärker (AMP#4) verstärkt und in die vierte Spanne übertragen, wo es seine angesammelte Dispersion weiter verringert. Nach der vierten Spanne kann ein Dispersionskompensator die angesammelte Restdispersion (Dacc comp) kompensieren, die von der hinzugefügten optischen Faserlänge eingeführt wurde. Wie aus 8b ersichtlich ist, sind die Bereiche hoher Leistung, die sich weit entfernt vom Nullpunkt der angesammelten Dispersion befinden, im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnet. Gemäß den vom Anmelder erhaltenen Ergebnissen ist dies positiv für die Verringerung der Nichtlinearität.
Bevorzugt ist die OPC-Vorrichtung in der Nähe des optischen Leitungsverstärkers in der Spannenmitte angeordnet. Wenn das optische System N Spannen zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang besitzt, ist der optische Leitungsverstärker an der Spannenmitte der [N/2+1]-te (zu verstehen als der ganzzahlige Teil von N/2+1) optische Leitungsverstärker, wobei man die optischen Verstärker vom Eingang des faseroptischen Wegs zu zählen beginnt. Diese besondere Positionierung ist insofern bevorzugt, als dass sie es erlaubt, gleichzeitig auf sehr effektive Weise die Auswirkungen der Nichtlinearitäten zu verringern und die chromatische Dispersion in großem Ausmaß zu kompensieren, außer der durch das Hinzufügen der optischen Faserlänge eingeführten chromatischen Restdispersion, die separat kompensiert werden kann, z.B. am Ende des faseroptischen Wegs. Weiter kann die Verringerung der Auswirkungen der Nichtlinearitäten mit einer Positionierung in der Nähe der Spannenmitte sehr effektiv sein, da in diesem Fall die Bereiche hoher Leistung im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf die OPC angeordnet sein werden. Jedoch glaubt der Anmelder, dass positive Effekte bei der Verringerung der Auswirkungen der Nichtlinearität erhalten werden können, indem die OPC in der Nähe eines optischen Leitungsverstärkers positioniert wird, der in einem Spannenmittenabschnitt des faseroptischen Wegs von ±L/5, bevorzugt ±L/6 um den Spannenmittenpunkt des faseroptischen Wegs angeordnet ist, wobei L die Gesamtlänge des faseroptischen Wegs ist. In jedem Fall ist zu bedenken, dass wenn die Positionierung der OPC-Vorrichtung entfernt vom optischen Leitungsverstärker an der Spannenmitte durchgeführt wird, dann ein wesentlicher Betrag der von der OPC-Vorrichtung nicht kompensierten chromatischen Dispersion kompensiert werden muss. Dies kann am Ende des faseroptischen Wegs getan werden, bevorzugt mit einem oder mehreren kompensierenden Gittern, oder schrittweise entlang des faseroptischen Wegs mit geeigneten Kompensationsvorrichtungen, die z.B. in zumindest einigen optischen Verstärkern enthalten sind, vorausgesetzt, dass die Symmetrie der Verteilung der Bereiche hoher Leistung entlang des optischen Wegs des Systems in Bezug auf die angesammelte Dispersion beibehalten wird.
Beispiel 1
In einer ersten Reihe von Simulationen hat der Anmelder das Leistungsverhalten einer optischen Leitung mit sechs Spannen ausgewertet, die eine Länge von 100 km besitzen und lediglich konzentrierte Verstärkung verwenden. Ein mit einer Bitrate von 40 GB/s moduliertes NRZ-Signal wurde für die Auswertung in Betracht gezogen. Ein optischer Phasenkonjugator, eine optische Faserlänge und ein weiterer Verstärker wurden am Ende der dritten Spanne gemäß der Erfindung hinzugefügt. Der nichtlineare Koeffizient sowohl der Übertragungsfaser als auch der hinzugefügten optischen Faserlänge betrug 1,3 W^–1 km^–1, wobei der Abschwächungskoeffizient von sowohl der Übertragungsfaser als auch der hinzugefügten optischen Faserlänge 0,25 dB/km betrug. Die Ausgangsleistung der konzentrierten Verstärker, die entlang der Leitung angeordnet waren, betrug 10 dBm, wohingegen die Ausgangsleistung des weiteren Verstärkers 13 dBm betrug. Drei unterschiedliche Dispersionskoeffizienten wurden für die Übertragungsfaser in Betracht gezogen, die in den Spannen in den drei unterschiedlichen Simulationen enthalten waren, nämlich: +1,6 ps/nm/km, +4,0 ps/nm/km, +6,5 ps/nm/km. Das von den konzentrierten Verstärkern eingeführte Rauschen wurde vernachlässigt. 9 zeigt die Ergebnisse der drei Simulationen. Die mit den drei Kurven der 9 enthaltenen Punkte identifizieren die Paarungen von Länge/Dispersionskoeffizient der hinzugefügten optischen Faserlänge, die zu einer Augenöffnungsverschlechterung (EOP, eye opening penalty) von nicht mehr als 0,5 dB am Ende des optischen Wegs führen. Die Werte für die Länge und den Dispersionskoeffizienten der hinzugefügten Faser sind gegen die effektive Länge bzw. den Dispersionskoeffizienten der Übertragungsfaser normalisiert. Um geringe Verschlechterungen zu erzielen, sollte, wie ersichtlich ist, die hinzugefügte Faser einen Dispersionskoeffizienten besitzen, der größer als der Dispersionskoeffizient der Übertragungsfaser ist, und entsprechend eine kleinere Länge besitzen (nach Gleichung [16]). Z.B. könnte eine SMF-Faser mit einer Dispersion von +16 ps/nm/km als zusätzliche Faserlänge mit einer OPC und einem zusätzlichen Verstärker in einem System mit einer Übertragungsfaser mit einer Dispersion von +4 ps/nm/km verwendet werden. Die Länge der zusätzlichen Faser könnte ein Viertel der effektiven Länge der Übertragungsfaser betragen. Vorteilhafterweise ist eine breite Toleranz im Hinblick auf den Dispersionskoeffizienten der hinzugefügten optischen Faserlänge erlaubt. Insbesondere kann die Toleranz des Dispersionskoeffizienten von großer Wichtigkeit in Bezug auf die Umsetzung in einem optischen WDM-System sein. Gemäß dem Anmelder können ähnliche Kurven erhalten werden, indem auch die Ausgangsleistung des weiteren optischen Verstärkers auf 10 dBm festgelegt wird und indem ein nichtlinearer Koeffizient der hinzugefügten Faser in Betracht gezogen wird, der in Bezug auf jene der Übertragungsfaser verdoppelt ist, gemäß Gleichung [17]. Andererseits können die Kurven zu höheren Werten des Dispersionskoeffizienten hin verschoben werden (in dementsprechend kleineren Längen), indem eine höhere Ausgangsleistung des weiteren Verstärkers eingestellt wird, wobei die anderen Parameter gleich bleiben.
Beispiel 2
In einer zweiten Simulationsserie hat der Anmelder die Leistungsfähigkeit einer optischen Leitung mit denselben mit Bezug auf das Beispiel 1 beschriebenen Charakteristiken ausgewertet: jedoch wurde in der zweiten Simulationsserie die Ausgangsleistung der konzentrierten Verstärker variiert, während der Dispersionskoeffizient der Übertragungsfaser auf –4 ps/nm/km festgelegt wurde. Die Leistung des weiteren mit der optischen Faserlänge und der OPC hinzugefügten Verstärkers wurde um 3 dB in Bezug auf die Ausgangsleistung der konzentrierten Verstärker höher gehalten. Drei unterschiedliche Werte der Ausgangsleistung der konzentrierten Verstärker wurden in den drei unterschiedlichen Simulationen in Betracht gezogen, nämlich: 8 dBm, 9 dBm, 10 dBm. Dementsprechend betrugen die Werte der in den drei Simulationen für den weiteren Verstärker festgelegten Ausgangsleistung 11 dBm, 12 dBm, 13 dBm. Das von den konzentrierten Verstärkern eingeführte Rauschen wurde vernachlässigt. 10 zeigt die Ergebnisse der drei Simulationen. Die in den drei Kurven der 10 enthaltenen Punkte identifizieren die Paarungen von Länge/Dispersionskoeffizient der hinzugefügten optischen Faserlänge, die zu einer Augenöffnungsverschlechterung (EOP) am Ende des optischen Wegs von ≤ 0,5 dBm führen. Die Werte der Länge und des Dispersionskoeffizienten der hinzugefügten Faser sind gegen die effektive Länge bzw. den Dispersionskoeffizienten der Übertragungsfaser normalisiert. Wie ersichtlich ist, sind die Kurven umso breiter, je geringer die Ausgangsleistung der Verstärker ist. Gemäß dem Erfinder kann dies von der Tatsache abhängen, dass nichtlineare Effekte häufiger auftreten, wenn die optische Leistung in der optischen Leitung höher ist.
Beispiel 3
Die 11a bis 11b zeigen die Augendiagramme, die von den Simulationen am Empfangsende eines optischen Systems mit fünf Spannen erhalten werden, die von konzentrierten Verstärkern getrennt sind, welche eine Eingangsleistung in jede Spanne von je 10 dBm bereitstellen, und zwar mit einer Übertragungsfaser mit einem Dispersionskoeffizienten von +4 ps/nm/km, einer Abschwächung von 0,25 dB/km und einem nichtlinearen Koeffizienten von 1,3 W^–1 km^–1. Insbesondere zeigt die 11a die Augenöffnung des obigen Systems ohne OPC, jedoch mit einem Kompensator für die chromatische Dispersion, während die 11b die Augenöffnung des obigen optischen Systems zeigt, bei dem eine OPC, eine optische Faser mit einer Länge L_eff/4 und einem Dispersionskoeffizienten von 16 ps/nm/km und ein weiterer optischer Verstärker, der eine Ausgangsleistung von 14,5 dBm am Eingang der optischen Faserlänge bereitstellt, am Ende der dritten Spanne erfindungsgemäß hinzugefügt wurden. Die Ausbreitung eines mit 40 Gbit/s modulierten NRZ-Signals wurde simuliert. Wie aus der 11a ersichtlich ist, stört die Nichtlinearität das Signals am Empfangsende des optischen Systems, während die 11b eine erhaltene Augöffnung zeigt, die fast vollständig geöffnet ist.
Beispiel 4
12a bis 12b zeigen die Augendiagramme, die von den Simulationen am Empfangsende desselben optischen Systems erhalten wurden, die in Bezug auf Beispiel 3 beschrieben wurden, jedoch mit RZ-Impulsen anstatt der NRZ-Impulse. Die RZ-Impulse besaßen eine Gauß'sche Form mit einer Halbwärtsbreite T_FWHM von 5 ps. 12a zeigt die Augenöffnung, die am Empfangsende des Systems ohne die OPC erhalten wurde, während 12b die Augenöffnung zeigt, die am Empfangsende des Systems mit OPC, der hinzugefügten Faser und dem weiteren Verstärker erhalten wurde. Wie ersichtlich ist, ist in 12b ein fast vollständig geöffnetes Auge gezeigt.
Beispiel 5 (Vergleich):
In einer dritten Simulationsserie hat der Anmelder die Leistungsfähigkeit einer optischen Leitung mit denselben Eigenschaften ausgewertet, die in Bezug auf Beispiel 2 beschrieben wurden: Jedoch hat in dieser Simulationsserie der weitere Verstärker eine optische Leistung am Eingang der optischen Faserlänge bereitgestellt, die gleich der optischen Leistung der Leitungsverstärker war (10 dBm). Die Übertragungsfaser besaß einen Dispersionskoeffizienten von –4 ps/nm/km an der Signalwellenlänge. Der nichtlineare Koeffizient und die Abschwächung der hinzugefügten optischen Faserlänge waren gleich den entsprechenden Parametern der Übertragungsfaser (1,3 W^–1 km^–1 bzw. 0,25 dB/km). Die in 13 aufgezeichnete gestrichelte Linie identifiziert die Paarungen Länge/Dispersionskoeffizient der hinzugefügten optischen Faserlänge, die zu einer maximalen Augöffnungsverschlechterung (EOP) von 0,5 dB am Ende des optischen Wegs führt. Wie ersichtlich ist, entsprechen die in der gestrichelten Linie der 13 enthaltenen Punkte einem Dispersionskoeffizienten, der im Wesentlichen gleich jenem der Übertragungsfaser ist und dementsprechend einer Länge, die größer oder gleich der effektiven Länge der Übertragungsfaser ist. Eine Konfiguration mit einer hinzugefügten effektiven Länge an optischer Faser gleich der Übertragungsfaser (entsprechend dem Punkt 1:1 im Graphen der 13) ist z.B. in der oben zitierten WO-Patentveröffentlichung Nr. 99/05805 offenbart. Jedoch muss bemerkt werden, dass der von der gestrichelten Linie in 13 eingeschlossene Bereich sehr dünn ist, sodass Variationen des Dispersionskoeffizienten der hinzugefügten Faserlänge (z.B. aufgrund der Verwendung mehrerer Wellenlängen in einem WDM-System) kaum toleriert werden können. Im Gegenteil zeigt die durchgezogene Linie in 13 die einem der in Bezug auf das Beispiel 2 beschriebenen Fälle entspricht (siehe durchgezogene Linie der 10) und die zu Vergleichszwecken in 13 wiedergegeben ist, eine von den Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubte höhere Toleranz.
Das System gemäß der Erfindung wurde mit Bezug auf einen faseroptischen Weg erläutert, der zwischen einer Sendestation und einer Empfangsstation enthalten ist. Dies soll nicht als die Erfindung einschränkend angesehen werden, da eine optische Leitung mit einem faseroptischen Weg gemäß dem oben gesagten in einem komplexeren Netzwerk zwischen zwei beliebigen Knotenpunkten des Netzwerks selbst angeordnet werden kann, z.B. zwei Knotenpunkten eines optischen Netzwerks, die keine Sende- und/oder Empfangsfunktion sondern lediglich eine Routing-Funktion besitzen.
Das System oder die optische Leitung gemäß der Erfindung kann ex novo umgesetzt werden, indem die verschiedenen mit Bezug auf 1 und 7 beschriebenen Komponenten verbunden werden, wobei bevorzugt sichergestellt wird, dass die optische Faserlänge 16, der weitere Verstärker 19 und die OPC-Vorrichtung 15 an derselben Verstärkungsstelle des zugehörigen Leitungsverstärkers eingegliedert werden. Weniger bevorzugt kann die optische Faserlänge 16, der weitere Verstärker 19 und die OPC-Vorrichtung 15 an einer separaten Stelle eingegliedert werden.
Das System oder die optische Leitung gemäß der Erfindung kann des Weiteren eine Aufrüstung eines bereits installierten Systems sein. In solch einem Fall kann es möglich sein, die optische Faserlänge 16, den weiteren Verstärker 19 und die OPC-Vorrichtung 15, die gemäß der Erfindung angeordnet sind, so bereitzustellen, dass sie an derselben Verstärkungsstelle des zugehörigen Leitungsverstärkers eingegliedert werden.
Weniger bevorzugt können die optische Faserlänge 16, der weitere Verstärker 19 und die OPC-Vorrichtung 15 an einer separaten Stelle eingegliedert werden.

Claims

Optisches System (10), umfassend: – einen faseroptischen Weg (12), der zur Ausbreitung eines optischen Signals mindestens in einer ersten Richtung geeignet ist; – eine Vielzahl M optischer Leitungsverstärker (13¹ ... 13⁶ ), die entlang des faseroptischen Wegs (12) angeordnet sind, um so den faseroptischen Weg in N Spannen optischer Fasern (14¹ ... 14⁵ ) zu unterteilen, wobei die Spannen optischer Faser mindestens eine optische Übertragungsfaser mit einer effektiven Länge L_eff umfassen, und – eine optische Phasenkonjugationsvorrichtung (15), die mit einem Verstärker der Vielzahl von Verstärkern verbunden ist; eine optische Faserlänge (16), die stomaufwärts von der optischen Phasenkonjugationsvorrichtung (15) angeordnet ist; – einen weiteren optischen Verstärker (19), der mit der optischen Faserlänge (16) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – die optische Faserlänge (16) dasselbe Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser sowie einen im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten an einer Wellenlänge des optischen Signals besitzt, und – die optische Faserlänge (16) geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion zwischen dem 0,6- und 1,5-fachen einer in einer effektiven Länge L_eff angesammelten Dispersion der optischen Übertragungsfaser einzuführen.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faserlänge (16) einen Absolutwert des Dispersionskoeffizienten besitzt, der größer oder gleich dem zweifachen des Dispersionskoeffizienten der optischen Übertragungsfaser ist.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faserlänge (16) einen Absolutwert des Dispersionskoeffizienten besitzt, der größer oder gleich dem dreifachen des Dispersionskoeffizienten der optischen Übertragungsfaser ist.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Leitungsverstärker (13¹ ... 13⁶ ) erbiumdotierte Faserverstärker umfassen.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere optische Verstärker (19) eine Ausgangsleistung bereitstellt, die höher als eine durchschnittliche Ausgangsleistung der Vielzahl der Leistungsverstärker (13¹ ... 13⁶ ) ist.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlänge (16) einen nichtlinearen Koeffizienten besitzt, der größer als ein nichtlinearer Koeffizient der optischen Übertragungsfaser ist.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faserlänge (16) geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion größer oder gleich dem 0,8-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faserlänge (16) geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion kleiner oder gleich dem 1,2-fachen der in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Übertragungsfaser eine Dispersion besitzt, die an der Signalwellenlänge im Absolutwert größer oder gleich 0,5 ps/nm/km ist.
Optisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, umfassend eine Übertragungsstation (11a), eine Empfangsstation (11b), wobei die Übertragungsstation (11a) mit einem Eingangsende und die Empfangsstation (11b) mit einem Ausgangsende des faseroptischen Wegs (12) verbunden ist.
Verfahren zum Zusammenbau eines optischen Systems (10), das zur Ausbreitung eines optischen Signals geeignet ist, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Vielzahl M optischer Leitungsverstärker (13¹ ... 13⁶ ); – Verbinden der Vielzahl optischer Leitungsverstärker (13¹ ... 13⁶ ) mit N Spannen optischer Faser (14¹ ... 14⁵ ), um einen faseroptischen Weg (12) zu bilden, wobei die Spannen optischer Faser (14¹ ... 14⁵ ) mindestens eine optische Übertragungsfaser mit einer effektiven Länge L_eff umfassen; – Verbinden einer Phasenkonjugationsvorrichtung (15) mit einem der optischen Leitungsverstärker; – Verbinden einer optischen Faserlänge (16) stromaufwärts von der optischen Phasenkonjugationsvorrichtung (15); – Verbinden eines weiteren optischen Verstärkers (19) mit der optischen Faserlänge (16); dadurch gekennzeichnet, dass – die optische Faserlänge dasselbe Dispersionsvorzeichen der optischen Übertragungsfaser und einen im Absolutwert höheren Dispersionskoeffizienten an einer Wellenlänge des optischen Signals besitzt; und – die optische Faserlänge geeignet ist, um eine angesammelte Dispersion zwischen dem 0,6- und 1,5-fachen einer in einer effektiven Länge L_eff der optischen Übertragungsfaser angesammelten Dispersion einzuführen.