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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein modifiziertes, optisches DPSK-Übertragungssystem
mit einem Modulator und dem entsprechenden Demodulator.
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Die
differentielle Phasenumtastung (DPSK) ist ein spezielles Phasenumtastungsformat,
das zur digitalen Übertragung
eingesetzt wird, bei dem die Phase des Trägers diskret verändert wird,
und zwar (a) im Verhältnis
zur Phase des unmittelbar vorhergehenden Signalelements und (b)
in Übereinstimung mit
den übertragenen
Daten. Die Phasenumtastung wird bei der digitalen Übertragung
eingesetzt und besteht in einer Winkelmodulation, in der die Phase
des Trägers
diskret im Verhältnis
entweder zu einer Referenzphase oder zur Phase des unmittelbar vorhergehenden
Signalelements in Übereinstimmung
mit den übertragenen
Daten verändert
wird. In einem Kommunikationssystem erfolgt die Darstellung von
Zeichen, wie z.B. einem Bit oder quaternären Zahlen, durch Umtastung
der Phase einer elektromagnetischen Trägerwelle in Bezug zu einer
Referenz um einen dem codierten Symbol entsprechenden Betrag. Bei
der Codierung von Bits könnte
die Phasenumtastung beispielsweise 0° für die Codierung einer „0" und 180° für die Codierung
einer „1" betragen oder die
Phasenumtastung könnte –90° für eine „0" und +90° für eine „1" betragen, wodurch
auf diese Weise bei der Darstellung einer „0" und einer „1" eine Gesamtsumme von 180° entsteht.
In PSK-Systemen, die so ausgelegt sind, dass der Träger nur
zwei verschiedene Phasenwinkel einnehmen kann, beinhaltet jede Phasenänderung
ein Informationsbit, d.h. die Bitrate entspricht der Modulationsrate.
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Die
derzeit installierten WDM-Systeme zur Übertragung von optischen Signalen
nutzen die Intensitätsmodulation
zur optischen Übertragung.
Dennoch ermöglicht
die Phasenmodulation den Einsatz eines symmetrischen Demodulators
auf Empfängerseite
und verbessert die OSNR-Empfindlichkeit um 2 bis 3 dB, wodurch die
Systemreichweite erhöht
wird.
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Der
Einsatz eines symmetrischen Demodulators ist beispielsweise in dem
Artikel von Eric A. Swanson, Jeffrey C. Livas und Roy S. Bondurant
mit dem Titel „High
Sensitivity Optically Preamplified Direct Detection DPSK Receiver
With Active Delay-Line Stabilization", in IEEE Photonics Technology Letters,
Band 6, Nr. 2, Feb. 1994, beschrieben. Dieser Artikel beschreibt
ein optisches Kommunikationssystem, in dem digitale Informationen
im übertragenen
Licht mittels Differential-Phasenumtastung (DPSK) moduliert und
diese Informationen anschließend
mit einem aktiv abgestimmten, unsymmetrischen, optischen Mach-Zehnder-Interferometer
demoduliert werden, das mit Hilfe einer dem Fachmann bekannten Vorrichtung
und einem bekannten Verfahren abgestimmt wird. Das unsymmetrische,
optische Mach-Zehnder-Interferometer weist in einem Leitungszweig
eine zusätzliche
optische Weglänge
auf, die eine Laufzeitverzögerung
von einem Datenbit bietet. Das Ungleichgewicht im optischen Mach-Zehnder-Interferometer
bietet die Möglichkeit, das
Licht in einem Datenbit optisch mit dem Licht in dem unmittelbar
auf dieses Datenbit folgenden Datenbit zu überlagern. Der relative Status
der optischen Phase zwischen diesen beiden DPSK-Datenbits bestimmt,
in welchem der beiden Ausgangszweige des Interferometers Licht produziert
wird, unter der Voraussetzung, dass das unsymmetrische, optische
Mach-Zehnder-Interferometer innerhalb des Bruchteils einer Wellenlänge des
Lichts richtig abgestimmt ist. Das in einem Leitungszweig produzierte Licht
stellt digitale „Einsen" dar, während das
im anderen Leitungszweig produzierte Licht digitale „Nullen" in dem übertragenen,
digitalen Informationssignal darstellt. Dieser Artikel beschreibt
außerdem
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzung der optischen Verstärkung zur
Verbesserung der Empfänger-Empfindlichkeit,
in dem ein Verstärker
mit einer dotierten Lichtleitfaser zur Verstärkung des Signalpegels sowie
ein Fabry-Perot-Schmalbandfilter zur Entfernung der verstärkten Außerband-Spontanemissionen
(ASE), die von dem Faserverstärker
verursacht werden, eingesetzt werden.
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Die
in diesem Artikel beschriebene Vorrichtung umfasst einen Laser und
einen Phasenmodulator zur Erzeugung eines optischen DPSK-Signals mit einer
voreingestellten Wellenlänge,
einen 10 GHz Fabry- Perot-Filter
mit abstimmbarer Faser und einen automatischen Controller zum Dithering
der Durchlasswellenlänge
des Filters, um den Spitzenwert des Filter auf der optischen Signalwellenlänge zu halten, ein
abstimmbares, unsymmetrisches, optisches Mach-Zehnder-Interferometer, einen
zweifach symmetrischen Demodulator und eine elektronische Rückkopplungsschaltung,
die das Signal, das über einem
Demodulator des symmetrischen Demodulators entwickelt wird, mit
einem Leitungszweig des Mach-Zehnder-Interferometers koppelt. Es
werden zwei verschiedene Methoden zur Abstimmung der optischen Weglänge im unsymmetrischen,
optischen Mach-Zehnder-Interferometer beschrieben. Bei der ersten
Methode besteht das Interferometer aus einer Lichtleitfaser und
ein Leitungszweig des Interferometers ist um einen piezoelektrischen
Wandler (PZT) gewickelt, der einem elektronischen Signal ermöglicht,
die Faser zu strecken, und dadurch die optische Weglänge zu erhöhen. Bei
der zweiten Methode umfasst das Interferometer einen Siliziumdioxid-haltigen,
optischen Wellenleiter mit integriertem Heizfaden, der einem elektronischen
Signal ermöglicht,
die Temperatur eines Leitungszweigs des Interferometers zu erhöhen, und
dadurch die optische Weglänge zu
erhöhen.
Um das Mach-Zehnder-Interferometer abzustimmen, wird ein kleines,
elektronisches Zittersignal auf die aktiv abgestimmte optische Weglänge angewandt,
um ein Rückkopplungssignal
an den elektronischen Controller zu liefern. Auf diese Weise wird
die korrekte Einstellung der optischen Weglänge ermöglicht. Die Weglänge wird
dann auf etwa 1 Bit Verzögerung
eingestellt, mit einer Genauigkeit, die deutlich unter 1% liegt.
Auf dieses Zittersignal werden elektronisch synchrone Demodulationstechniken angewandt,
um eine entsprechende Korrektur der optischen Weglänge zu bieten,
so dass der Abstimmungsfehler unter einem akzeptablen Grenzwert liegt.
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DPSK
gilt derzeit als ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Systeme mit 10 oder
40 GB/s, mit denen im Labor Rekord-Übertragungsstrecken
bei 40 GB/s über
10 000 km möglich
waren.
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DPSK
erfordert jedoch eine Vorcodierung im Sender. Diese Funktion wird
elektronisch umgesetzt und erfordert typischerweise eine EXOR-Funktion mit
einer Verzögerungsdauer
von einem Bit, wie in
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2 auf
der linken Seite dargestellt. Bei 40 GB/s ist diese Verzögerung aufgrund
des kurzen Bittakts (25 ps) schwer umzusetzen; dies bedeutet, dass
die Verzögerung
zwischen Eingabe und Ausgabe der EXOR-Funktion unter 25 ps liegen
muss, und dass die externe „Rückkopplungsleitung" ebenfalls mit einer
Verzögerung
unter 25 ps hergestellt werden muss, so dass die Summe der Verzögerungen
durch die EXOR-Funktion und die Verzögerungsleitung genau bei 25
ps liegt.
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In
einer bekannten Lösung
kann die Vorcodierungsfunktion in einem Differentialcodierer bei einer
geringeren Bitrate (10 GB/s) nach dem Demultiplexen des 40 GB/s-Signals
in 4 Nebenkanäle durchgeführt werden.
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Diese
Lösung
beinhaltet jedoch einige Probleme, da die 4 Nebenkanäle mit 10
GB/s zur Codierung synchronisiert und ohne Jitter wieder zusammengesetzt
werden müssen.
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Eine
andere Lösung
wird im Patent WO 03/092237 beschrieben. Eine ASK-Modulation wird mit
einer PSK-Modulation kombiniert und die daraus resultierende DPSK
wird eingesetzt, um die Bandausnutzung zu verbessern. Im Patent
US 6.388.786 wird ein duobinäres Signal
eingesetzt, während
die Phasenmodulation des Signals durch Anwendung einer Verzögerung von
0,5 Bit auf den Ausgang des Vorcodierers umgesetzt wird. Bei beiden
Verfahren besteht das Problem, dass die Komponenten bei hohen Bitraten
arbeiten müssen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung löst
das Problem, indem sie einen modifizierten Modulator für das DPSK-Format mit
einem Differential-Codierer bietet, der eine Verzögerung in
der Rückkopplungsschleife
aufweist, die länger
ist als ein Bitintervall T.
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Ein
Beispiel ist 2T anstelle von T (wobei T das Bitintervall darstellt).
In diesem Fall muss die Verzögerungszeit
zwischen dem Ausgang und dem Eingang der EXOR-Funktion bei 50 GB/s
nur unter 50 ps betragen und die externe „Rückkopplungsleitung" kann mit einer Verzögerung von
50 ps gefertigt werden. Somit ist die Fertigungstoleranz des Differential-Codierers
weniger eingeschränkt.
Die Erfindung wird anhand der Abbildungen und der Beschreibung der
Abbildungen erläutert,
in denen:
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1:
Eine Ausführungsvariante
eines DPSK-Übertragungssystems.
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2:
Allgemeiner (linke Abbildung) und Differential-Codierer gemäß der Erfindung
(rechte Abbildung)
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3:
Allgemeine Ausführung
und Lösung gemäß der Erfindung
mit einem Mach-Zehnder-Filter
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4:
Interferenz-Ergebnis eines Mach-Zehnder-Filters mit einem Bit Verzögerung (Stand
der Technik). Das Eingangssignal ist in der Phase codiert (PM =
Phasenmodulation). Das Ausgangssignal ist in der Intensität codiert
(IM = Intensitätsmodulation).
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5:
Schleifendiagramm der DPSK nach dem Mach-Zehnder-Filter (links)
und Vergleich zwischen optischen Filtern mit einer Verzögerungsleitung
mit T und 2T (Berechnung der durch die Verschiebung des Mach-Zehnder-Filters
in der Empfängerstufe
induzierten Penalty, entweder durch Standard-DPSK oder eine DPSK
mit einer Verzögerung von
2T entsprechend der neuen Erfindung).
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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In 1 ist
ein Blockdiagramm eines möglichen
DPSK-Übertragungssystems
dargestellt. Auf Senderseite bezeichnet die Referenznummer 201 eine Übertragungslichtquelle,
die aus einem Halbleiterlaser besteht, der mit fester Amplitude
und Frequenz oszilliert, die Nummer 202 bezeichnet einen Phasenmodulator.
Tatsächlich
kann ein Mach-Zehnder-Modulator, der auf seinen minimalen Übertragungspunkt
eingestellt ist, auch zur Erzeugung einer Phasenmodulation eingesetzt
werden; dies ist der heute am häufigsten
zur Phasenmodulation des Lichts von der Übertragungslichtquelle 201 verwendete
DPSK-Modulator. Damit die Demodulation auf Empfängerseite mit Hilfe des um
ein Bit verzögerten Signals
durchgeführt
wird, werden die Eingangsdaten, die zuvor auf Senderseite von einem
Differential-Codierer 203 in einen Differentialcode modifiziert wurden,
und der Code über
einen Verstärker 204 an den
Phasenmodulator 202 übertragen.
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Das über eine
Lichtleitfaserverbindung 205 an die Empfängerseite übertragene
Licht wird an einen Mach-Zehnder-Filter 214 auf der Empfängerseite
geliefert. Die übertragenen
Daten werden im Mach-Zehnder-Filter 214 gefiltert,
ehe sie von optischen in elektrische Signale umgewandelt werden. Bei
dem Demodulator 215 handelt es sich beispielsweise um einen
doppelt symmetrischen Demodulator, wie er im aktuellen Stand der
Technik beschrieben wurde. Die Rückkopplungsschleife
am Demodulator 215 ist mit dem Mach-Zehnder-Filter über eine Steuervorrichtung 216 verbunden,
die ein Signal zur Stabilisierung des unsymmetrischen Mach-Zehnder-Filters
anlegt. Zur elektronischen Stabilisierung der Filterfunktion ist
eine Dithering-Technik
nützlich.
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Für Systeme
mit höherer
Bitrate ist eine optische Filterung von Vorteil. Zwingend erforderlich
für den
Einsatz von DPSK in einem WDM-System ist eine optische Filterung
zur Kanalauswahl.
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In
einem DPSK-System ändert
ein Differential-Codierer 203 die elektrischen Eingangsdaten
in einen anderen Datenstrom. Bei der herkömmlichen DPSK benötigt dieser
Differential-Codierer 203 eine Verzögerungsleitung 212 mit
genau einem Bitintervall T zwischen dem Ausgang der EXOR-Funktion und
ihrem Eingang. Dies bedeutet, dass die EXOR-Funktion zwischen dem
aktuellen Bit des Original-Signals und dem vorhergehenden Bit des
neuen Signals durchgeführt
wird. Das resultierende Signal wird an einen elektrisch-optischen
Phasenmodulator 202 angelegt, der es in ein phasencodiertes
optisches Signal umwandelt. Beispielsweise werden die „0"-Bits mit der Phase π und die „1"-Bits mit der Phase
0 codiert. Das Signal wird über
eine Faserverbindung 205 übertragen, die aus Lichtwellenleiter-Strecken
und Verstärkern
besteht.
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Am
Empfangsende wird das optische, phasencodierte Signal von einem
Mach-Zehnder-Filter (MZ) 214 in ein amplitudencodiertes
Signal umgewandelt.
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Der
Filter funktioniert folgendermaßen:
Einer seiner Zweige wird in der Verzögerungsleitung 213 in Bezug
auf den anderen Zweig um ein Bitintervall verzögert; daher wird am Ausgang
des Filters die Interferenz des Signals mit sich selbst, das um
ein Bitintervall verzögert
ist, erfasst. Wenn beide Bits die gleiche Phase aufweisen, ergibt
die konstruktive Interferenz die maximale Leistung („1"). Wenn beide Bits entgegengesetzte
Phasen aufweisen, ergibt die destruktive Interferenz die minimale
Leistung („0").
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Gemäß der Erfindung
wird ein DPSK-Format mit einer Verzögerung von 2 Bit vorgeschlagen.
Der Differential-Codierer 203 erfordert in diesem Fall
eine 2T-Schleife 212 und ist einfacher herzustellen. Der MZ-Filter
erfordert jedoch ebenfalls in einem Zweig eine Verzögerung um
2 Bit 213, siehe 3, infolgedessen
ist die Positionierungstoleranz des Filters geringer, wie aus der
Leistungsmessung in 5 ersichtlich ist. Die Toleranz
ist nur halb so groß wie bei
der klassischen DPSK. Bei 10 GB/s ist der Differential-Codierer
einfacher herzustellen, die Filterpositionierung stellt jedoch ein
Problem dar. Daher ist diese neue Lösung für Bitraten von 40 GB/s und
darüber interessant,
wo der Differential-Codierer schwer herzustellen und die Toleranz
des optischen Filters in Bezug auf die absolute Frequenzumtastung
größer ist.
Bei dieser Lösung
ergibt sich auch eine offene Schleife auf Empfängerseite.
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Legende zu den Abbildungen
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- Data output Datenausgang
- Data input Dateneingang
- Amp. Verstärker
- Output Ausgang
- Penalty (dB) Penalty (dB)
- 2T delay Verzögerung
um 2T
- MZ shift MZ-Verschiebung
- % of bit frequency % der Bitfrequenz