DE69319970T2

DE69319970T2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Übertragung von Solitonen über lange Abstände

Info

Publication number: DE69319970T2
Application number: DE69319970T
Authority: DE
Inventors: Izo F-92210 Saint-Cloud Abram
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2013-06-24
Also published as: JPH0787027A; EP0576358A1; EP0576358B1; US5502588A; JP3501824B2; DE69319970D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Übertragung von Solitonen über sehr lange Distanz sowie ein entsprechendes Übertragungssystem.
Die Übertragung von Lichtpulsen in Lichtfasern kann zur Zeit interkontinentale Distanzen erreichen, dank der Entwicklung optischer Verstärker, wie den Verstärkern mit einer dotierten Faser oder den Halbleiter- Verstärkern, den Raman-Verstärkern, den parametrischen Verstärkern, etc. Diese Verstärker ermöglichen die Übertragung von Daten mit gegenüber den elektronischen Regeneratoren stark erhöhten Raten und stark erniedrigten Kosten. Eine schematische Darstellung eines Übertragungssystems zwischen einem Sender E und einem Empfänger R, das optische Verstärker AO aufweist, ist in Fig. 1 gezeigt. Das System besteht aus mehreren Einwellen-Lichtfaserabschnitten Tf die zum Übertragen von Lichtpulsen untereinander verbunden sind. Das System enthält in gleicher Weise Einrichtungen, welche diese Lichtpulse verstärkt, indem sie ihnen Lichtenergie eingeben ohne sie in elektronische Pulse zu transformieren. Die optische Verstärkung kann entlang der Faser "verteilt" (dies ist der Fall beispielsweise bei Raman- Verstärkern oder Verstärkern mit einer geringen Dotierung der Faser) oder in 25 bis 150 km voneinander entfernte Module geringer Ausmaße "gruppiert" werden, je nach den angestrebten Eigenschaften des Übertragungssystem.
Jedoch stellt die optische Verstärkung das übertragene Signal nicht wieder in seiner Form her und folglich akkumulieren sich die Deformationen, die jeder Puls im Verlauf seiner Ausbreitung erfährt, was folglich die Zuverlässigkeit der Übertragung begrenzt. Die Lichtpulse sind im allgemeinen zwei physikalischen, Deformationen verursachenden Phänomenen ausgesetzt, nämlich die chromatische Dispersion und die optische Nichtlinearität der Faser.
Es existieren jedoch spezielle Lichtpulse, die "Solitonen", deren Eigenschaften in Form und Intensität derart sind, daß die zwei Deformationstypen (chromatische und nicht-lineare) sich gegenseitig auslöschen. Diese Auslöschung wird erzeugt, wenn die chromatischen Dispersion der Faser "anormaler" Art ist mit einem negativen Koeffizienten für die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit des Lichtes. Für die zur Zeit verwendeten Fasern aus Silizium ist diese Bedingung in dem "mit minimaler Dämpfung" genannten Spektralfenster im Wellenlängenbereich um 1,5 um verifiziert.
Im allgemeinen wird die Ausbreitung von Lichtpulsen in den Lichtfasern durch die nicht-lineare Schrödinger- Gleichung beschrieben. Die Lichtpulse, deren Zeitprofil des elektrischen Feldes die Form einer hyperbolischen Sekante aufweist (sech x = 1/ cosh x), sind die Eigenfunktionen dieser Gleichung sind und bilden Solitonen aus. Diese Lichtsolitonen können sich daher in einer Lichtfaser über interkontinentale Distanzen ohne jegliche Deformation ausbreiten unter der Bedingung, daß ihre Dämpfung durch periodische Verstärkungen kompensiert wird. Der Stand der Technik und die aktuellen Leistungen der optischen Kommunikationssysteme mittels Solitonenpulsen sind in den Referenzen zusammengestellt: [1] S. G. Evangelides, L. F. Mollenauer, J. P. Gordon, und N. S. Bergano, "Polarization multiplexing with solitons", Journal of Lightwave Technology, vol. 10, 28-35 (1992).
[2] M. Nakazawa, K. Suzuki, E. Yamada, und H. Kubota, "Observation of nonlinear interactions in 20 Gbits/s soliton transmission over 500 km using erbium-doped fiber amplifiers", Electronics Letters, vol. 27, 1662-1663 (1991).
[3] L. F. Mollenauer, M. J. Neubelt, S. G. Evangelides, J. P. Gordon, J. R. Simpson, und L. G. Cohen, "Experimental study of soliton transmission over more than 10000 km in dispersion-shifted fiber", Optics Letters, vol. 15, 1203-1205 (1990).
Diese bekannte Technik weist nachstehend beschriebene Nachteile auf.
Die zur Zeit für die Übertragungen per Soliton angewendete Codierung mittels Amplitudenmodulation ist vom Typ alles oder nichts (OOK): Das Vorliegen eines Pulses in einem Zeitfenster (d. h. eines Zeitintervalls, das durch die Taktfolge eines Taktgebers definiert ist, eines in gleicher Weise "Zeitbit" genannten Intervalls) entspricht der binären Zahl 1, während seine Abwesenheit die 0 bezeichnet. Die Übertragung der binären Zahl 11 erfordert also das Aussenden von zwei Solitonen in die Faser, in zwei aufeinanderfolgende Zeit-Bits. Für jeden der beiden Solitonen stört die Präsenz des anderen das heikle Gleichgewicht zwischen der chromatischen Deformation und der nicht-linearen Deformation, was sich in einer Wechselwirkung zwischen den Solitonen niederschlägt: Im Verlauf ihrer Ausbreitung wachsen die beiden Solitonen zusammen und trennen sich anschließend periodisch. Wenn die anfängliche Trennung q&sub0; zwischen den Solitonen in der Größenordnung von 3 Solitonenbreiten LS ist (q&sub0; = 3LS, wobei die Solitonenbreite als die lichte Breite des Pulses bei mittlerer Höhe definiert ist), wachsen die Pulse nach einer Ausbreitung von 450 km zusammen, was die Zuverlässigkeit der Decodierung oberhalb von 350 km gefährdet (vgl. Referenz [2]) so daß eine zuverlässige Übertragung über 10000 km (entspricht einer Zusammenwachsdistanz von 13000 km) anfängliche Trennungen von q&sub0; = 6 LS erfordert (vgl. Ref. [3]). Folglich geben zusätzlich zu der Begreschränkung der Übertragungsreichweite die Wechselwirkungen zwischen Solitonen dem Zeit-Bit einen minimalen Wert, was eine Beschränkung der Übertragungsrate darstellt.
Eine zweite Beschränkung der Übertragungsrate und der Reichweite der Übertragung durch Solitonen rührt von dem Rauschen her, das während der optischen Verstärkung des Pulszuges eingeführt wird. Aufgrund der Kopplung zwischen der Geschwindigkeit und der Amplitude der Solitonen manifestiert sich dieses Rauschen im allgemeinen in einer Zufallskomponente der Solitonengeschwindigkeit, was sich beim Empfang als eine Positionsungenauigkeit des Solitons in dem Raster der Zeit-Bits darstellt. Die zuverlässige Reichweite und Übertragungsrate sind daher auf Werte beschränkt, für die das durch das Verstärkungsrauschen hervorgerufene Jittern des Solitons nicht einen Bruchteil des Zeit-Bits überschreitet (Gordon-Haus-Schranke, vgl. Ref. [4]):
[4] J. P. Gordon und H. A. Haus, "Random walk of coherently amplified solitons in optical fiber transmission", Optics Letters, vol. 11, 665-667 (1986).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Kommunikationsverfahren mittels Solitonen zu schaffen, das die Wechselwirkungen zwischen den Solitonen kompensieren kann, mit dem Ziel, die Reichweite und/oder die Übertragungsrate der Daten zu erhöhen. Die Kompensation der Wechselwirkungen unterdrückt das Zusammenwachsen benachbarter Pulse und erzeugt robuste Solitonenzüge, die gegen zufällige Fluktuationen der Geschwindigkeit und der Position sowie dem durch das Verstärkungsrauschen auf isolierten Solitonen erzeugte Jittern resistent sind.
Das Verfahren beinhaltet Verfahren zum Codieren von Informationen, welche die Kompensation von Wechselwirkungen zwischen Solitonen beibehält und die stabile Eigenschaft eines Pulszuges im großen Bereich erhält.
Es werden ebenfalls Ausführungsbeispiele von Sendern und Empfängern von Lichtpulsen beschrieben, die für die Anforderungen an eine Übertragung stabilisierter Solitonenzüge ausgelegt sind.
Die Durchführung optischer Kommunikationen mittels eines Zuges stabilisierter Solitonen kann einen oder mehrere Datenübertragungskanäle aufweisen. Wenn das System mehr als einen Übertragungskanal aufweist, werden diese Kanäle zeitlich gemultiplext.
Es ist bereits in der Veröffentlichung "Amplifier noise jitter of two interacting solitons", T. Georges, Optics Communications, Vol. 85, no. 2/3, 1 September 1991, Amsterdam NL, Seiten 195-201, gezeigt worden, daß das Jittern eines Solitonenzuges modifiziert werden kann, indem an der Wechselwirkung zwischen Solitonen "gedreht" wird.
Die vorliegende Erfindung hat, was sie betrifft, ein Verfahren zur optischen Übertragung wenigstens eines Solitonenzuges über sehr lange Distanz zum Gegenstand, welches folgende Schritte umfaßt:
- Erzeugung wenigstens eines Zuges an Lichtpulsen, wobei jeder Puls in das Innere eines Zeitfensters ausgesendet wird, die aufeinanderfolgenden Zeitfenster benachbart und von gleicher Dauer sind, die Lichtpulse außerdem von gleicher Form und gleicher Amplitude sind, die Amplitude größer als ein Schwellwert ist, der zum Erhalt von Pulsen mit einer Solitoneneigenschaft während der Ausbreitung des Zuges in einer Einwellen-Lichtfaser erforderlich ist;
- Kodierung der Lichtpulse des Zuges, um darin zu übertragende Informationen einzubringen;
- Einbringen oder Koppeln des Zuges codierter Lichtpulse in die Lichtfaser;
- Ausbreitung des Zuges codierter Pulse in der Einwellen-Lichtfaser in Form von Solitonenpulsen, wobei die Einwellen-Lichtfaser über die Lichtwellenlänge der Pulse einen nicht-linearen Brechungsindex und eine anormale Dispersion für die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse aufweist;
- optische Verstärkung der Solitonenpulse während ihrer Ausbreitung in der Faser;
- Empfang und Decodierung des Zuges an Solitonenpulsen;
dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Erzeugungsschritt, in gleicher Weise einen Schritt für die Stabilisierung jedes Solitons im Inneren seines Zeitfensters umfaßt, und damit eine Stabilisierung des Solitonenzuges, durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, das unmittelbar Vorhergehende und das unmittelbar Nachfolgende, wobei die repulsive Wechselwirkung durch Modulation der optischen Phase (MPP) der Solitonen erhalten wird, die eine Alternierung der Phase 0 und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung des vorgenannten Ausführungsbeispiel wird die Codierung durch Polarisationsmodulation der Solitonen durchgeführt, um die stabilisierte Eigenschaft des Solitonenzuges zu erhalten, d. h. die repulsive Eigenschaft, welche die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Solitonen stabilisiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der vorstehenden Vorrichtung wird die Codierung aus der Gruppe ausgewählt, welche die binäre Codierung mit zwei Modulationswerten, die diskrete Codierung mit M Modulationswerten, wobei M > 2 ist, oder die kontinuierliche Codierung mit kontinuierlichen Modulationswerten umfaßt.
Gemäß der Erfindung umfaßt der Empfang des Solitonenzuges einen Schritt zur Diskrimination zwischen der die Codierung der Solitonen erzeugenden Modulation und der die Stabilisierung der Solitonen erzeugenden Modulation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wert der er zeugten Rate, wenn die Erzeugung des Zuges an Lichtpulsen eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugt, mit den folgenden Schritten auf den Wert der gewünschten Übertragungsrate erhöht:
i) Aufteilung des erzeugten Zuges in N identische Wege, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist;
ii) Einführung einer relativen Verzögerung zwischen den N Wegen, wobei diese Verzögerung gleich qL/N ist, und qL das zwischen den Pulsen des erzeugten Zuges vorliegende Zeitintervall ist, und
iii) Rekombinierung der N Wege, was zu einem Pulszug führt, dessen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen, q&sub0; = gL/N dem Zeitfenster der gewünschten Rate entspricht,
wobei die Stabilisierung, mittels APH, des Zuges mit der gewünschten Rate vor der Rekombinierung durchgeführt wird, d. h. auf jedem der N Wege getrennt, und das gemäß einem Protokoll, das nach Rekombinierung der N Wege den Erhalt einer Alternierung jeweils der Phasen oder Polarisationen zuläßt.
Erfindungsgemäß wird die Codierung jedes der N Wege getrennt vor der Rekombinierung gemäß dem Protokoll durchgeführt, so daß nach der Rekombinierung der N Wege in einen einzigen Zug ein einziger Informationskanal erhalten wird.
In gleicher Weise wird erfindungsgemäß die Codierung der N Wege vor der Rekombinierung unabhängig auf jedem der N Wege durchgeführt, wobei jeder Weg folglich einen unabhängigen Informationskanal bildet, so daß nach Rekombinierung der N Wege die N Informationskanäle verflochten sind und die Übertragung der unabhängigen Kanäle in Form eines Zeitmultiplex zulassen, wobei der Empfang des Impulszuges mit der gewünschten Pulsrate mittels eines Erfassungsschrittes auf N Kanälen erhalten wird, und der Empfang der N unabhängigen Erfassungskanäle mittels eines zeitlichen Demultiplexens durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung hat in gleicher Weise ein System für die optische Übertragung wenigstens eines Solitonenzuges über sehr lange Distanz zum Gegenstand, mit:
- Mitteln zum Erzeugen wenigstens eines Zuges von Lichtpulsen, wobei jeder Puls in das Innere eines Zeitfensters ausgesendet wird, die aufeinanderfolgenden Zeitfenster benachbart und von gleicher Dauer sind, die Lichtpulse außerdem von gleicher Form und gleicher Amplitude sind, die Amplitude größer als ein Schwellwert ist, der zum Erhalt von Pulsen mit einer Solitoneneigenschaft während der Ausbreitung des Zuges in einer Einwellen-Lichtfaser erforderlich ist;
- Mittel zum Codieren der Lichtpulse des Zuges, um darin zu übertragende Informationen einzugeben;
- Mittel zum Eingeben oder zum Koppeln des Zuges codierter Pulse in die Lichtfaser;
- Mittel zur Ausbreitung der Lichtpulse in Form von Solitonenpulsen, wobei diese Ausbreitungsmittel durch die Einwellen-Lichtfaser gebildet werden, die über die Lichtwellenlänge der Pulse einen nicht-linearen Brechungsindex und eine anormale Dispersion für die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse aufweisen;
- Mittel zur optischen Verstärkung der Solitonenpulse während ihrer Ausbreitung in der Faser;
- Mittel zum Empfang und zur Decodierung des Zuges von Solitonenpulsen,
dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Mittel zur Stabilisierung jedes Solltons im Inneren seines Zeitfensters aufweist, und damit zur Stabilisierung des Solitonenzuges, durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, das unmittelbar Vorhergehende und das unmittelbar Nachfolgende, wobei diese Stabilisierungsmittel durch wenigstens einen Modulator der optischen Phase der Solitonen gebildet werden, der eine Alternie rung der Phasen O und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des vorgenannten Ausführungsbeispiel weisen die Codierungsmittel wenigstens einen Modulator der Polarisation der Solitonen auf, um die stabilisierte Eigenschaft des Solitonenzuges zu erhalten, d. h. die repulsive Eigenschaft, welche die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Solitonen stabilisiert.
Erfindungsgemäß weisen die Empfangsmittel des Solitonenzuges Mittel zur Diskriminierung zwischen der die Codierung der Solitonen erzeugenden Modulation und der die Stabilisierung der Solitonen erzeugenden Modulation auf.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems, wird der Wert der erzeugten Rate, wenn die Mittel zum Erzeugen des Zuges von Lichtpulsen eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugen, mit folgenden Mitteln auf den Wert der gewünschten Übertragungsrate angehoben:
i) Mittel zum Aufteilen des erzeugten Zuges in N identische Wege, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist;
ii) Mittel, die eine relative Verzögerung zwischen den N Wegen einführen, wobei diese Verzögerung gleich qL/N ist, und qL das Zeitintervall ist, das zwischen den Pulsen des erzeugten Zuges vorliegt, und
iii) Mittel zur Rekombinierung der N Wege, was zu einem Pulszug führt, dessen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen, q&sub0; = qL/N, dem Zeitfenster der gewünschten Rate entspricht, wobei die Mittel zur Stabilisierung, durch APH, des Zuges mit der gewünschten Rate vor den Rekombinierungsmitteln wirksam werden, d. h. auf jedem der N Wege getrennt, und das gemäß einem Protokoll, das den Erhalt, nach Rekombinierung der N Wege, einer Alternierung jeweils der Phasen oder der Polarisationen zuläßt.
Erfindungsgemäß werden die Codierungsmittel vor Rekombinierung auf jedem der N Wege getrennt gemäß dem Protokoll wirksam, so daß nach Rekombinierung der N Wege in einen einzigen Zug, sie einen einzigen Informationskanal ergeben.
Ebenfalls erfindungsgemäß werden die Mittel zur Codierung der N Wege vor Rekombinierung unabhängig auf jedem der N Wege wirksam, wobei jeder Weg damit einen unabhängigen Informationskanal aufstellt, so daß die Rekombinierungsmittel insofern als Multiplexer der N unabhängigen Informationskanäle wirksam werden, die Mittel zum Empfang des Pulszuges mit der gewünschten Pulsrate Erfassungseinrichtungen auf N Kanälen aufweisen, und ein Demultiplexer den Empfang der N unabhängigen Erfassungskanäle bewirkt.
Die vorliegende Erfindung hat in gleicher Weise einen Sender wenigstens eines Solitonenzuges zum Gegenstand, mit:
- Mitteln zum Erzeugen wenigstens eines Zuges von Lichtpulsen, wobei jeder Puls in das Innere eines Zeitfensters eingegeben wird, die aufeinanderfolgenden Zeitfenster benachbart und von gleicher Dauer sind, die Lichtpulse außerdem von gleicher Form und gleicher Amplitude sind, die Amplitude größer als ein Schwellwert ist, der zum Erhalt von Pulsen mit einer Solitoneneigenschaft während der Ausbreitung des Zuges in einer Einwellen- Lichtfaser erforderlich ist;
- Mittel zum Codieren der Lichtpulse des Zuges, um darin zu übertragende Informationen einzugeben;
- Mittel zum Eingeben oder zur Kopplung des Zuges codierter Pulse in die Lichtfaser;
dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem Mittel zur Stabilisierung jedes Solitons im Inneren seines Zeitfensters aufweist, und damit zur Stabilisierung des Soli tonenzuges, durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, dem unmittelbar Vorhergehenden und dem unmittelbar Nachfolgenden, wobei diese Stabilisierungsmittel durch wenigstens einen Modulator der optischen Phase der Solitonen gebildet werden, der eine Alternierung der Phase 0 und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des vorgenannten Senderausführungsbeispiel weisen die Codierungsmittel wenigstens einen Modulator der Polarisation der Solitonen auf, um die stabilisierte Eigenschaft des Solitonenzuges zu erhalten, d. h. die repulsive Eigenschaft, welche die Wechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen stabilisiert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Senders, wird der Wert der erzeugten Rate, wenn die Mittel zur Erzeugung des Zuges von Lichtpulsen eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugen, mit folgenden Mitteln auf den Wert der gewünschten Übertragungsrate angehoben:
i) Mittel zum Aufteilen des erzeugten Zuges in N identische Wege, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist;
ii) Mittel, die eine relative Verzögerung zwischen den N Wegen einführen, wobei diese Verzögerung gleich qL/N ist, und qL das Zeitintervall ist, das zwischen den Pulsen des erzeugten Zuges vorliegt, und
iii) Mittel zur Rekombinierung der N Wege, was zu einem Pulszug führt, dessen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen, q&sub0; = qL/N, dem Zeitfenster der gewünschten Rate entspricht, wobei die Mittel zur Stabilisierung, durch APH, des Zuges mit der gewünschten Rate vor den Rekombinierungsmitteln wirksam werden, d. h. auf jedem der N Wege getrennt, und das gemäß einem Protokoll, das den Erhalt, nach Rekombinierung der N Wege, einer Alternierung jeweils der Phasen oder der Polarisationen zuläßt.
Erfindungsgemäß werden die Codierungsmittel vor Rekombinierung auf jedem der N Wege getrennt gemäß dem Protokoll wirksam, so daß, nach Rekombinierung der N Wege in einen einzigen Zug, sie einen einzigen Informationskanal ergeben.
Ebenfalls erfindungsgemäß werden die Codierungsmittel der N Wege vor Rekombinierung unabhängig auf jedem der N Wege wirksam, wobei jeder Weg damit einen unabhängigen Informationskanal bildet, so daß die Rekombinierungsmittel insofern als Multiplexer der N unabhängigen Informationskanäle wirksam werden, wobei die Mittel zum Empfang des Pulszuges mit der gewünschten Pulsrate Erfassungseinrichtungen auf N Kanälen aufweisen, und ein Demultiplexer den Empfang der N unabhängigen Erfassungskanäle durchführt.
Die vorliegende Erfindung hat außerdem in gleicher Weise einen Empfänger wenigstens eines Solitonenzuges zum Gegenstand, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er Mittel zur Diskrimination zwischen einer die Decodierung der Solitonen erzeugenden Modulation und einer eine Stabilisierung des Solitonenzuges durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, dem unmittelbar Vorhergehenden und dem unmittelbar Nachfolgenden, aufweist, die durch Modulation der optischen Phase der Solitonen erhalten wird, die eine Alternierung der Phasen 0 und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt, wobei der Zug durch Phasenalternierung, APH, stabilisiert wird, und die Codierung der Solitonen durch Modulation der Polarisation erhalten wird, und die Diskriminationsmittel durch ein Polarisationstrennmittel gebildet werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Empfängers weist dieser, wenn der Empfänger einen Zug mit einer Übertragungsrate von Solitonen größer als eine gewünschte Empfangsrate empfängt, einerseits Empfangsmittel mit Erfassungseinrichtungen auf N Wegen, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist, und andererseits einen den Empfang der N unabhängigen Erfassungswege bewirkenden Demultiplexer auf.
Die Erfindung wird nunmehr anhand nicht einschränkender Ausführungsbeispiele mit Bezug auf das folgende Beschreibungsteil sowie die beigefügte Zeichnung näher erläutert; in dieser Zeichnung zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschema einer optischen Verbindung mittels Solitonenzügen zwischen einem Sender und einem Empfänger, wobei diese Figur bereits oben mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Solitonenzügen, die erfindungsgemäß mittels einer Kompensierung ihrer Wechelwirkungen derart stabilisiert werden, daß die Abstoßung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen ihre relative Distanz stabilisiert;
wobei der Solitonenzug durch eine Alternierung der Phase (APH) stabilisiert wird, und π die optische Phasenverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen ist;
Fig. 3 schematisch einen APH-Zug zeigt, der mittels einer Polarisationsmodulation codiert ist;
Fig. 4 schematisch die allgemeine Ausbildung eines Senders, der das Erzeugen und Codieren eines erfindungsgemäß stabilisierten Solitonenzuges ermöglicht, ausgehend von einem Modem- Blockierlaser, der eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugt;
Fig. 5 ebenfalls schematisch den Empfang der mittels einer Polarisationsmodulation codierten APH- Zügen und entspricht der Fig. 3.
Das Übertragungsverfahren, das Gegenstand dieser Erfindung ist, beruht auf der Entdeckung von repulsiven Kräften zwischen Solitonen, wenn diese gegenphasig sind. Die Repulsion zwischen benachbarten Solitonen ermöglicht die Realisierung periodischer und robuster Impulszüge, mit einer stabilen Laufbreite und mit einer Unanfälligkeit gegen das Zusammenwachsen von Solitonen und gegen das Verstärkungs-Jittern.
Das vorgeschlagene Verfahren weist zwei Verbesserungen bezüglich der bekannten Übertragungen mittels Solitonenzügen auf:
(1) Es hat eine höhere Rate, da es ein Annäherung der Solitonen ermöglicht, typischerweise um einen Faktor in der Größenordnung von 3 bezüglich der Abstände, wie sie in den bekannten Systemen vorliegen,
(2) es hat eine verlängerte Reichweite, da die repulsive Stabilisierung von Zügen das Zusammenwachsen der Solitonen verhindert und das Verstärkungs- Jittern vermindert. Diese beiden Phänomene stellen daher keine begrenzenden Faktoren mehr bei der Übertragung dar und die maximale Reichweite der stabilisierten Zügen wird von anderen physikalischen Phänomenen begrenzt, wie die Dispersion oder die Nichtlinearitäten höherer Ordnung, deren Bedeutung noch nicht genügend erfaßt ist.
Was das Prinzip der Übertragung mittels Kompensation von Wechselwirkungen zwischen Solitonen betrifft, muß man sich zuerst in Erinnerung rufen, daß die nichtlineare Schrödinger-Gleichung, welche die Entwicklung des Solitons in der Lichtfaser bestimmt, in gleicher Weise die Beschreibung von Wechselwirkungen ermöglicht, die in einem Zug mit mehreren Solitonen stattfinden. Jedoch erfordert die exakte Lösung dieser Gleichung einen schwierigen mathematischen Formalismus (die Methode der inversen Diffusion) oder stattdessen numerische Simulationen auf dem Computer. Der Nachteil dieser beiden ex akten Verfahren liegt darin, daß sie zu keinen einfachen Interpretationen führen, die auf intuitive Art einfache Tendenzen anzeigen können. Jedoch gibt es für den Fall der Ausbreitung zweier wohl getrennter Solitonen (wenn ihre Trennung gleich q > 2LS ist) Näherungsformeln, die eine einfache und relativ genaue Beschreibung dieser Wechselwirkungen liefern. Wenn diese Formeln für stark angenäherte Solitonen verwendet werden, können sie keine quantitativen genauen Ergebnisse liefern (für q = 2 ist die Abweichung von der exakten Lösung bereits einige Prozent), können aber einfache und qualitative Hinweise über die Entwicklung der Solitonen geben. Wegen ihrer Transparenz werden diese Näherungsformeln bei der Erläuterung dieses Vorschlages verwendet.
Wenn man die Ausbreitung zweier Solitonen gleicher Amplitude betrachtet, hängt ihre Wechselwirkung von zwei relativen Parametern ab: ihrem Abstand q und ihrer Phasendifferenz φ. Während ihrer Wechselwirkung bewegen die Solitonen sich durch Ändern dieser beiden Parameter. In den Spezialfällen φ = 0 und φ = π bleibt die Phasendifferenz entlang der Ausbreitung des Paares unverändert, so daß die Wechselwirkung sich an eine "Newtonsche Kraft" zwischen den beiden Solitonen anpassen kann, die eine Beschleunigung q erzeugt (vgl. Referenz [5]:
[5] J. P. Gordon, "Interaction forces among solitons in optical fibers", Optics Letters, vol. 8, 596-598 (1983)):
(1) q = -2e-1,76q
für φ = 0 und
(2) q = 2e-1,76q
für φ = π. Die Solitonen-"Kraft" ist damit anziehend, wenn die Solitonen in Phase sind, und abstoßend, wenn sie gegenphasig sind, und sinkt exponentiell mit dem Abstand zwischen den beiden Pulsen.
Wenn die Solitonen unterschiedliche lineare Polarisationen haben, variiert die repulsive Wechselwirkung zwischen zwei gegenphasigen Solitonen als Funktion des Winkels zwischen den beiden Polarisationen. Die entsprechende Beschleunigung lautet:
(3) q = -4e-3,52q +2e-1,76qcosa
wobei cosa der Cosinus des Winkels a zwischen den beiden Polarisationen ist.
Was die Zusammensetzung der stabilisierten Solitonenzüge betrifft, liefert die Analogie mit den bekannten Newtonschen Kräften ein einfaches Bild der komplexen Wechselwirkungen in einem Zug, der eine große Anzahl an Solitonen aufweist. Unter Ausnutzung der bekannten additiven Eigenschaft der Newtonschen Kräfte läßt sich die gesamte Wechselwirkung in einem Solitonenzug als eine Summe binärer Kräfte zwischen allen möglichen Solitonenpaaren schreiben. Diese Analyse schließt mit ein, daß ein unendlicher Zug von äquidistanten Solitonen gleicher Amplitude stabilisiert werden kann, wenn diese Kräfte symmetrisch im Gleichgewichtspunkt jedes Solitons kompensiert werden. Diese Stabilisierung tritt bei Zügen von Solitonen gleicher Polarisation auf, deren optische Phase allerdings um π zwischen benachbarten Solitonen alterniert, was man als APH bezeichnet (durch Alternierung der Phase stabilisierte Züge, vgl. Fig. 2).
In diesem Fall wird der Zug durch die repulsiven Kräfte benachbarter Solitonen stabilisiert, was ein stabiles Gleichgewicht herbeiführt. Tatsächlich wirkt die Abstossung, wenn sich ein Soliton während der Ausbreitung einem seiner Nachbarn nähert, wie eine Rückstellkraft, die das Soliton an seinem Gleichgewichtspunkt zurückholt und den mittleren Abstand zwischen Solitonen im wesentlichen konstant hält. Folglich führen in einem APH-Zug die Pulse im allgemeinen Oszillationen geringer Auslenkung um ihren jeweiligen Gleichgewichtspunkt aus. Die Amplitude dieser Oszillationen ist umso schwächer, je näher die Solitonen einander kommen, da die Rückstellkraft exponentiell abhängig von der Verschiebung ist. Das schließt mit ein, daß aufgrund der Rückstellkraft in einem durch Alternierung der Phase oder der Polarisation stabilisierten Solitonenzug die Auswirkungen des Verstärkungs-Jittern sehr begrenzt sind.
Ein Zug, der Pulse gleicher Phase und gleicher Polarisation enthielte, würde durch anziehende Kräfte zwischen benachbarten Solitonen stabilisiert werden (G1. 1). Jedoch würde es sich in diesem Fall um ein instabiles Gleichgewicht handeln. Tatsächlich wird, wenn ein Soliton sich während seiner Ausbreitung einem seiner Nachbarn nähert (beispielsweise dem vorhergehenden Soliton), die Anziehung zu diesem Nachbarn stärker, während die Anziehung zu dem anderen Nachbarn (d. h. dem nachfolgenden Soliton) schwächer wird: das Soliton würde sich damit weiter dem ersten Nachbarn nähern (dem vorhergehenden Soliton), bis die beiden Solitonen zusammenwuchsen, was folglich eine Destabilisierung des Zuges auslösen würde.
Kürzlich vorgenommene Untersuchungen haben gezeigt, daß die Phasen- und Polarisationsbeziehungen zwischen Solitonen unverändert entlang der Ausbreitung bleiben, trotz der Fluktuationen und der Inhomogenitäten der Fasern, wenn die Solitonen eine gemeinsame Geschichte haben (vgl. Referenz [1]). Dies setzt voraus, daß die Alternierungen der APH-Züge während der Ausbreitung erhalten bleiben. Folglich weist die Kompensation der Wechselwirkungen zwischen Solitonen und die Unanfälligkeit gegenüber dem Jittern darauf hin, daß sich die APH-Züge aufgrund der exponentiellen Rückstellkraft der kompakten Züge über interkontinentale Entfernungen ausbreiten können, und dabei den Abstand zwischen Solitonen konstant halten.
Was die Codierung stabilisierter Solitonenzüge betrifft, führt die Anwendung der bekannten Codierung OOK an den APH-Solitonenzügen Lücken ein, welche die Kompensierung der Kräfte zwischen den Solitonen zerstören. Folglich würde diese Codierung alle Vorteile zunichte machen, die einen kompakten stabilisierten Zug ausmachen, und ließe die durch die Wechselwirkungen und das Jittern hervorgerufenen Einschränkungen wiederaufkommen, an denen zur Zeit die Kommunikationen per Soliton leiden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden an den stabilisierten Zug angepaßte Codierverfahren vorgeschlagen. Das Prinzip der adaptierten Codierung basiert auf der Aufrechterhaltung repulsiver Kräfte zwischen nächsten Nachbarn, indem die Polarisation eines Solitons um einen geeigneten Winkel gedreht wird. Dies erhält das Gleichgewicht der Kräfte über einen großen Bereich, und damit können die codierten Züge sich über interkontinentale Entfernungen ausbreiten, ohne Verschlechterung der Information. Nachstehend wird anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels das adaptierte Codierprinzip erläutert, indem die Dynamik binär codierter Züge kurz untersucht wird. Auf jeden Fall läßt sich die nachfolgende Beschreibung von ihrem Prinzip nicht nur bei einer binären Codierung anwenden, sondern auch bei einer Codierung mit M > 2 diskreten Werten sowie einer kontinuierlichen Codierung mit kontinuierlichen Werten.
Die binäre Codierung der APH-Züge kann durch die Rotation der Polarisation der Solitonen, die der Ziffer 1 entsprechen, um einen geeigneten Winkel erfolgen (dessen optimaler Wert abhängig von der Rate und der Dauer der Solitonen und der Reichweite der Übertragung bestimmt wird), während die Solitonen, die ihre ur sprüngliche Polarisation beibehalten, der Ziffer 0 entsprechen. Beispielsweise wird beim Kodieren der Binärfolge ...00100 ... auf einem APH-Zug die Polarisation eines Solitons um 45º gedreht; die Folge der Solitonen in Nachbarschaft des codierten Bits kann dargestellt werden durch
(4)... 0(-3) π(-2) 0(-1) P(0) 0(1) cao π(2) 0(3)...
wobei 0 und π die Solitonenpulse jeweils mit Phase 0 und π darstellen, P das Soliton darstellt, dessen Polarisation gedreht wird, und die Indizes im Exponenten die Position jedes Solitons bezüglich des codierten Bits bezeichnen.
Das Ersetzen der repulsiven Wechselwirkungen vom "Phasen"-Typ (Gl. 2) durch repulsive Wechselwirkungen vom Polarisationstyp (Gl. 3) während der Codierung ändert das Gleichgewicht der Solitonenkräfte. Insbesondere bei einer Rotation der Polarisation um 45º kann sich der Gleichgewichtspunkt des Pulses an Position 1 aufgrund dieser Substitution im Mittel um 0,17 LS verschieben. Für eine anfängliche Trennung der Solitonen um q0 = 3 LS kann diese Verschiebung beim Empfang als eine Ungenauigkeit der Position des Solitons (Jittern) in der Größenordnung von 6% des Zeit-Bits auftreten, unabhängig von der Übertragungsdistanz. In Anbetracht der relativ kurzen Reichweite der Solitonenkraft werden die zweiten Nachbarn während der Codierung nicht stark gestört: Die Verschiebung ihres Gleichgewichtspunktes ist im allgemeinen kleiner als 1% des Zeit-Bits. Die Dynamik der codierten Züge mit längeren Folgen beruht auf den gleichen Prinzipien und liefert ähnliche Ergebnisse. Ein Codierungsbeispiel auf einem APH-Zug einer längeren und damit komplexeren Folge, nämlich der Folge ...011010..., ist in Fig. 3 dargestellt, wobei das Basisraster durch Solitonen gebildet wird, deren Phase um π alterniert, während die Codierung durch Zurückdrehen der Polarisation des zweiten, dritten und fünften Soli tons um 45º durchgeführt wird, die in Fig. 3 dargestellt sind.
In dem Fall einer Codierung mit M > 2 diskreten Werten (0, 1, 2, ...,(M-1)), wird die Codierung des m-ten Wertes durch Rotation der Polarisation um [(m-1) / (M - 1)].amax durchgeführt (amax ist ein geeigneter maximaler Winkel), während bei der analogen Codierung für die Polarisation alle Rotationswerte zwischen 0 und amax erlaubt sind. Diese Analyse zeigt, daß die APH-Züge ihre Stabilität nach der Codierung beibehalten und sich daher über weite Entfernungen ohne Verschlechterung der Information ausbreiten können. Es versteht sich von selbst, daß für einen in der Länge oder Dauer begrenzten Zug die allerersten und die allerletzten Pulse nicht gut stabilisiert sind und daher keine Codierung tragen dürfen. Die Durchführung des optischen Kommunikationsverfahrens mittels stabilisierter Solitonenzüge kann mit bereits existierenden integrierten (oder räumlichen) optischen Bauteilen durchgeführt werden, obgleich die Entwicklung spezialisierten Materials bestimmte Schritte optimieren kann. Anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels für die Möglichkeiten der Durchführung wird nachstehend die Implementierung dieses Verfahrens durch grundsätzlich verfügbare optoelektronische Bauteile untersucht.
Was die Emission eines Zuges von Lichtpulsen betrifft, der eine große Anzahl äquidistanter Pulse trägt, deren Form, Amplitude und Phase im wesentlichen identisch sind, kann diese am Ausgang eines Modenblockier-Lasers erhalten werden. Es ist bekannt, daß es zum Ausstoßen von Solitonen in eine Lichtfaser nicht erforderlich ist, daß die von dem Laser gelieferten Pulse ein Zeitprofil einer hyperbolischen Sekante haben, so wie die exakte Form des Grundsolitons. Pulse ähnlicher Form (wie die Gauss-Form, die gewöhnlich durch die Modenblockier-Laser erzeugt wird) können in gleicher Weise in die Faser ausgestoßen werden: in diesem Fall entwikkeln sich diese Pulse während ihrer Ausbreitung durch die Faser in Richtung der Form einer hyperbolischen Sekante des Grundsolitons, wenn ihre Intensität eine bestimmte Schwelle überschreitet.
Im allgemeinen ist der Abstand qL, d. h. das Zeitintervall, das zwischen den Pulsen des von dem Modenblokkier-Laser ausgesandten Zuges vorliegt, gleich mehrere Pulsbreiten. Dieser Abstand kann um einen Faktor N (N > 1 ist eine ganze Zahl) mit einem Verfahren in drei Schritten verkürzt werden:
(1) Aufteilung des Zuges in N identische Wege,
(2) Einführung einer relativen Verzögerung um qL/N zwischen den N Wegen
(3) Rekombinierung der N Wege, dieses Verfahren erzeugt einen Zug an Pulsen, die um q&sub0; = qL/N voneinander beabstandet sind, wobei q&sub0; das Zeitfenster der gewünschten Pulsrate ist.
Es ist möglich, diesen APH-Zug zu stabilisieren, indem die Phase alternierender Pulse auf dem rekombinierten Zug moduliert wird, mit Hilfe elektrooptischer Phasenmodulatoren. Es wird jedoch bevorzugt, diese Phasenmodulation auf jedem der N Wege getrennt durchzuführen, gemäß einem Protokoll, das nach Rekombinierung der N Wege den Erhalt einer Phasenalternierung ermöglicht. Der einfachste Fall entsteht, wenn N eine gerade Zahl ist.
Die Codierung binärer Informationen kann entweder auf dem rekombinierten Zug oder auf jedem Weg individuell vor Rekombinierung durchgeführt werden. Die letztere Möglichkeit hat mehrere Vorteile:
(a) Sie kombiniert die beiden Modulationsverfahren (Stabilisierung und Codierung) in einem.
(b) Jeder Weg kann unabhängig von den anderen codiert werden, unter der Bedingung, daß das Protokoll der für die Stabilisierung erforderlichen Alternierungen eingehalten wird. Dieses eröffnet nach Rekom binierung die Möglichkeit, die Übertragung von N unabhängigen, zeitlich gemultiplexten Kanälen zu erhalten.
(c) Die Codierung jedes individuellen Weges ist N mal langsamer als die Übertragungsrate, was die Anpassung an die Übertragungsbandbreiten bzw. Durchlaßbereiche bzw. Basisbänder verfügbarer elektrooptischer Bauteile zuläßt.
(d) Wenn der Abstand der Solitonen in dem rekombinierten Zug in der Größenordnung von q&sub0; ≤ 2LS ist, haben die benachbarten Solitonen eine nicht vernachlässigbare Überlappung, was die Modulation der Phase- oder der Polarisation eines Solitons im ganzen schwierig, ja sogar unmöglich macht. Die Codierung eines N mal weniger dichten Zuges ermöglicht, die Unversehrtheit der Solitonenpulse während der Modulation aufrechtzuerhalten.
Fig. 4 zeigt schematisch den allgemeinen Fall, bei dem ein Zug von Lichtpulsen von einem Modenblockier-Laser Lbm ausgesandt wird, mit einer Rate, die einen Abstand qL zwischen den Pulsen definiert und die kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate ist, wobei dieser Zug durch ein Aufteilmittel Sp in N Wege aufgeteilt wird. Auf jedem Weg wird die Phasenmodulation und die Polarisationsmodulation durchgeführt, die erfindungsgemäß für die Stabilisierung und die Codierung der Pulse oder umgekehrt gefordert wird, und das mit Hilfe eines einzigen Elementes MPP, das gleichzeitig beide Funktionen erfüllt. Einrichtungen Rt führen eine relative Verzögerung qL/N zwischen einem Weg und dem vorhergehenden Weg ein, so daß für den n-ten Weg diese Verzögerung gleich (n - 1) qL/N ist. Ein·Rekombinator R~ ermöglicht den Erhalt eines Zuges mit der gewünschten Übertragungsrate, d. h. um q&sub0; = qL/N beabstandete Pulse.
Um die Struktur und die Codierung der stabilisierten Solitonenzüge besser zu verstehen, wird der Fall N = 4 untersucht, beidem das Zeitintervall zwischen den von dem Modenblockier-Laser gelieferten Pulsen qL 4 mal so lang wie das Intervall zwischen Solitonen des Zuges ist, der am Ausgang des Sendemoduls erhalten wird. Alle in der folgenden Beschreibung genannten materiellen Elemente sind den Wissenschaftlern und den Technikern wohlbekannt, die auf dem Gebiet arbeiten, und ihre Funktionsweise wird nicht weiter erläutert.
Der von dem Modenblockier-Laser ausgesandte Zug wird in vier Wege aufgetrennt - nachfolgend als V&sub1;, V&sub2;, V&sub3;, V&sub4; bezeichnet - mit Hilfe beispielsweise eines "Sternkopplers", der zur Zeit in der Faserverbindungstechnik verwendet wird. Jeder Weg weist einen Phasenmodulator, einen Polarisationsmodulator und eine optische Verzögerungslinie auf. Die beiden Modulatoren können separat vorliegen oder ein einzelnes Element bilden, das die beiden Funktionen gleichzeitig erfüllt. Die Verzögerungslinie jedes Weges muß auf den erforderlichen Verzögerungswert festgelegt sein: Für den Weg V&sub1; kann die Verzögerung Null sein (R&sub1; = 0), für V&sub2; ist die Verzögerung auf R&sub2; = qL/4 festgelegt, für V&sub3; ist die Verzögerung gleich R&sub3; = qL/2, während sie für V&sub4; gleich R&sub4; = 3qL/4 ist. Jede Verzögerungslinie kann beispielsweise als eine Lichtfaser geeigneter Länge ausgebildet sein; für den Weg i ist die Länge Li durch Li-vRi gegeben, wobei v die Gruppengeschwindigkeit der Pulse ist. Nach Einführung der Verzögerung wird, wenn die vier Wege mit Hilfe eines zweiten "Sternkopplers" rekombiniert sind, ein einzelner Pulszug viermal höherer Dichte gebildet.
Zum Bilden eines APH-Zuges müssen die Phasenmodulatoren der Wege V&sub2; und V&sub4; die Phase aller sie durchquerenden Pulse um π verzögern, während die Phase der Pulse auf den Wegen V&sub1; und V&sub3; unverändert bleiben muß. Wenn eine Folge binärer Informationen ("Bits") auf dem APH-Zug codiert werden muß, wird die Folge in aufeinanderfolgende Abschnitte von 4 Bits aufgeteilt, die nachstehend als (B&sub1;, B&sub2;, B&sub3;, B&sub4;, B&sub1;, B&sub2;, ...) bezeichnet sind. In jedem Abschnitt wird das erste Bit B&sub1; durch den Polarisa tionsmodulator des Weges V&sub1; codiert, das zweite Bit B&sub2; durch den Modulator des Weges V&sub2;, das dritte B&sub3; durch den Weg V&sub3;, während B&sub4; durch den Modulator von V&sub4; kodiert wird, usw. für die nachfolgenden Folgen. Nach Rekombinierung der vier Wege durch den zweiten "Sternkoppler" kann der APH-stabilisierte und durch Polarisationsmodulation codierte Zug durch das Einwellen- Fasersystem bis zum Empfänger übertragen werden.
Der Empfang der APH-codierten Züge kann mit einem ähnlichen Material durchgeführt werden, wie es für den Empfang von in der Polarisation gemultiplexten Solitonen verwendet wird (vgl. Ref. [1]), und zwar von wenigstens einer Polarisationssteuerungseinheit (welche die zufälligen Polarisationsdrehungen des Zuges kompensiert), das jeweils von einem Polarisationselement gefolgt wird, welches den ursprünglichen Zug in zwei Züge orthogonaler Polarisation aufteilt, seinerseits gefolgt jeweils von einer Erfassungseinrichtung. Einer der beiden von jedem Polarisationselement ausgesandten Züge wird in die Erfassungseinrichtung eingeführt. Der zweite Zug kann in eine zweite Erfassungseinrichtung eingeführt werden, um beispielsweise Überprüfungszwecken der Polarisation verwendet zu dienen, oder er kann ebenso verworfen werden, da er im wesentlichen die gleiche Information wie der erste Zug trägt.
Die Auftrennung der beiden Polarisationen wandelt die Polarisationsmodulation des anfänglichen Impulszuges in eine Amplitudenmodulation auf jedem der beiden Züge am Ausgang um und diskriminiert (vernachlässigbar in erster Näherung) die Phasenmodulation, die den anfänglichen Zug stabilisiert. Die Ausrichtung des Polarisationstrennmittels kann entsprechend der Kriterien ausgewählt werden, einerseits das Signal-Rausch-Verhältnis des erfaßten Zuges zu maximieren und andererseits die Funktionsweise der Polarisationssteuerungseinheit sowie der anderen Elemente des Empfangsmodules zu optimieren. Anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels wird die Funktionsweise des Empfangsmoduls beschrieben, wenn die beiden Achsen des Polarisationselementes jeweils als orthogonal und parallel zu der Polarisation der Pulse gewählt werden, die der binären Ziffer 0 entsprechen. In diesem Fall bestehen die beiden vom Polarisator ausgesandten Wege jeweils aus einem Pulszug, welcher die gleiche Folge über eine Amplitudenmodulation codierter Bits aufweist, jedoch komplementär zueinander: Auf dem ersten Zug (dessen Polarisation orthogonal zu derjenigen der Pulse ist, die der Ziffer 0 entsprechen) entspricht das Vorliegen eines Pulses der binären Ziffer 1, während eine Lücke in dem Raster der Ziffer 0 entspricht, wie in der bekannten Codierung OOK; auf dem zweiten Zug (dessen Polarisation parallel zu derjenigen der Pulse ist, die der Ziffer 0 entsprechen) entspricht die Ziffer 0 einem Puls der Intensität I, während für den Fall der Codierung, die durch eine Rotation der Polarisation um 45º bewirkt wird, die binäre Ziffer 1 einem Puls der Intensität I/2 entspricht. Fig. 5 stellt das empfangene Signal in zwei Polarisationen getrennt dar (orthogonal und parallel zu der Polarisation der Pulse, die der. Ziffer 0 entsprechen) während des Empfangs der Folge ... 011010 ..., die von dem im Zusammenhang mit Fig. 3 genannten Zug getragen wird.
Die Erfassungseinrichtung dieser Züge- kann auf dem "über eine direkte Erfassung" genannten Prinzip basieren, das im wesentlichen in der Messung der Lichtintensität besteht, welche bei dem Detektor über die Dauer jedes Zeit-Bits ankommt. Dies kann mit Hilfe eines Fotodetektors erfüllt werden, wie mit einer Fotodiode, deren Empfindlichkeitskurve die Lichtwellenlänge der Solitonen mit einschließt.
Es sei bemerkt, daß während des Empfangs der APH-Züge die von dem Polarisationselement ausgesandten Züge in gleicher Weise in der Phase moduliert sind, wobei die Phase jedes Impulses 0 oder π entsprechend seiner Position in dem Zug ist. Diese Modulation stammt von dem Stabilisationsraster des APH-Zuges, während die Codierung der Bits in dem Zug einer Amplitudenmodulation entspricht. Die optische Phasenmodulation dieser Pulse ermöglicht die Verwendung eines zweiten Detektortypes, anstelle des vorstehend genannten Fotodetektors. Dieser zweite Typ kann ein abgeglichener homodyner Detektor sein, dessen lokaler Oszillator aus einem APH-Zug der Periodizität qL/N besteht (identisch zu demjenigen des empfangenen APH-Zuges) und dessen Raster mit demjenigen des empfangenen Zuges synchronisiert ist. In diesem Aufbau wirkt der abgeglichene homodyne Detektor als ein "logisches UND-Gatter", das ein elektrisches Signal ungleich Null erzeugt, wenn ein Puls des codierten Zuges an dem Detektor ankommt, und ein elektrisches Signal gleich Null, wenn eine Lücke des codierten Zuges erfaßt wird.
Nachfolgend wird der Fall von Erfassungseinrichtungen auf mehreren Ausgangswegen untersucht, wobei jeder Ausgangsweg ein einzelnes Detektorelement aufweist. Anhand eines Ausführungsbeispiels wird der Fall untersucht, bei welchem die Gesamtzahl der Wege gleich 4 ist (V&sub1;, V&sub2;, V&sub3;, V&sub4;), in Übereinstimmung mit den vier Wegen des Ausführungsbeispiels des Sendemoduls. Die vier Wege der Erfassungseinrichtung können entweder durch Verwendung eines "Sternkopplers" mit vier Ausgangsanschlüssen gebildet werden, auf einem der beiden Ausgänge des Polarisationselementes, oder durch Verwendung eines "Y- Kopplers" mit zwei Ausgangsanschlüssen, auf jedem der beiden Ausgänge des Polarisationselementes.
Jeder der vier Wege weist ein geeignetes Detektorelement auf. Wie für den Empfang auf einem Weg eignet sich ein abgeglichener homodyner Detektor in gleicher Weise für den Empfang der APH-Züge. Jedoch muß für den Empfang auf vier Wegen der lokale Oszillator aus einem Zug kohärenter und um qL beabstandeter Pulse bestehen, d. h. viermal größer sein als der Abstand der empfangenen Züge. Die Pulse des lokalen Oszillators können mit den Pulsen des empfangenen Zuges synchronisiert sein, auf folgende Weise:
Auf dem Weg V&sub1; sind die Pulse des lokalen Oszillators mit dem Pulsen des empfangenen Zuges synchronisiert, welcher die Information des Bits B&sub1; trägt, das bei dem Senden definiert wurde. Der abgeglichene homodyne Detektor funktioniert somit als ein "logisches UND- Gatter", das ein elektrisches Signal gibt, das für das Bit B&sub1; ungleich 0 sein kann, und ein elektrisches Nullsignal für alle anderen Bits.
Für den Empfang der APH-Züge kann das elektrische Signal der Spannung E (oder -E) entsprechen, wenn ein Puls erfaßt wird, und der Spannung Null entsprechen, wenn eine Lücke in dem Raster erfaßt wird.
Auf dem Weg V&sub2; wird die Synchronisation des lokalen Oszillators mit dem Bit B&sub2; durchgeführt, und dieses Bit wird daher während der Erfassung ausgewählt. Dieselbe Überlegung gilt in gleicher Weise für die Wege V&sub3; und V&sub4;.
Wie für das Senden hat der Empfang auf mehreren Wegen den Vorteil, N mal langsamer zu sein als die Übertragungsrate, was folglich eine Anpassung des Empfangs an die Übertragungsbereiche der verfügbaren optoelektronischen Bauteile zuläßt. Er erlaubt auf gleiche Weise die Übertragung der N zeitlich gemultiplexten unabhängigen Kanäle während des Sendens über optische Mittel zu demultiplexen.

Claims

1. Verfahren zum optischen Übertragen von wenigstens einem Solitonenzug über sehr lange Distanz, welches folgende Schritte umfaßt:

- Erzeugung (E) wenigstens eines Zuges an Lichtpulsen, wobei jeder Puls in das Innere eines Zeitfensters ausgesendet wird, die aufeinanderfolgenden Zeitfenster benachbart und von gleicher Dauer sind, die Lichtpulse außerdem von gleicher Form und gleicher Amplitude sind, die Amplitude größer als ein Schwellwert ist, der zum Erhalt von Pulsen mit einer Solitoneneigenschaft während der Ausbreitung des Zuges in einer Einwellen-Lichtfaser erforderlich ist;

- Kodierung der Lichtpulse des Zuges, um darin zu übertragende Informationen einzubringen;

- Einbringen oder Koppeln des Zuges codierter Lichtpulse in die Lichtfaser;

- Ausbreitung (Tf) des Zuges codierter Pulse in der Einwellen-Lichtfaser in Form von Solitonenpulsen, wobei die Einwellen-Lichtfaser über die Lichtwellenlänge der Pulse einen nichtlinearen Brechungsindex und eine anormale Dispersion für die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse aufweist;

- optische Verstärkung (A0) der Solitonenpulse während ihrer Ausbreitung in der Faser;

- Empfang und Decodierung (R) des Zuges an Solitonenpulsen;

dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Erzeugungsschritt, ebenfalls einen Schritt für die Stabilisierung jedes Solitons im Inneren seines Zeitfensters umfaßt, und damit eine Stabilisierung des Solitonenzuges, durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, das unmittelbar Vorhergehende und das unmittelbar Nachfolgende, wobei die repulsive Wechselwirkung durch Modulation der optischen Phase (MPP) der Solitonen erhalten wird, die eine Alternierung der Phase 0 und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung durch Modulation der Polarisation der Solitonen durchgeführt wird, um die stabilisierte Eigenschaft des Solitonenzuges zu erhalten, d. h. die repulsive Eigenschaft, welche die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Solitonen stabilisiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung aus der Gruppe ausgewählt wird, welche·die binäre Codierung mit zwei Modulationswerten, die diskrete Codierung mit M Modulationswerten, wobei M > 2 ist, oder die kontinuierliche Codierung mit kontinuierlichen Modulationswerten umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfang des Solitonenzuges einen Schritt zur Diskrimination zwischen der die Codierung der Solitonen erzeugenden Modulation und der die Stabilisierung der Solitonen erzeugenden Modulation umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der erzeugten Rate, wenn die Erzeugung des Zuges an Lichtpulsen eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugt, mit den folgenden Schritten auf den Wert der gewünschten Übertragungsrate erhöht wird:

i) Aufteilung des erzeugten Zuges in N identische Wege, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist;

ii) Einführung einer relativen Verzögerung zwischen den N Wegen, wobei diese Verzögerung gleich qL/N ist, und qLdas zwischen den Pulsen des erzeugten Zuges vorliegende Zeitintervall ist, und

iii) Rekombinierung der NWege, was zu einem Pulszug führt, dessen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen, q&sub0; = qL/N dem Zeitfenster der gewünschten Rate entspricht,

wobei die Stabilisierung, mittels APH, des Zuges mit der die gewünschten Rate vor der Rekombinierung durchgeführt wird, d. h. auf jedem der N Wege getrennt, und das gemäß einem Protokoll, das nach Rekombinierung der N Wege den Erhalt einer Alternierung jeweils der Phasen oder Polarisationen zuläßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung jedes der N Wege getrennt vor der Rekombinierung gemäß dem Protokoll durchgeführt wird, so daß nach der Rekombinierung der N Wege in einen einzigen Zug ein einziger Informationskanal erhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung der N Wege vor der Rekombinierung unabhängig auf jedem der N Wege durchgeführt wird, wobei jeder Weg folglich einen unabhängigen Informationskanal aufstellt, so daß nach Rekombinierung der N Wege die N Informationskanäle verflochten sind und die Übertragung der unabhängigen Kanäle in Form eines Zeitmultiplex ermöglichen, wobei der Empfang des Pulszuges mit der gewünschten Pulsrate mittels eines Erfassungsschrittes auf N Kanälen erhalten wird, und der Empfang der N unabhängigen Erfassungskanäle mittels eines zeitlichen Demultiplexens durchgeführt wird.

8. System für die optische Übertragung wenigstens eines Solitonenzuges über sehr lange Distanz, mit:

- Mitteln zum Erzeugen (E) wenigstens eines Zuges von Lichtpulsen, wobei jeder Puls in das Innere eines Zeitfensters ausgesendet wird, die aufeinanderfolgenden Zeitfenster benachbart und von gleicher Dauer sind, die Lichtpulse außerdem von gleicher Form und gleicher Amplitude sind, die Amplitude größer als ein Schwellwert ist, der zum Erhalt von Pulsen mit einer Solitoneneigenschaft während der Ausbreitung des Zuges in einer Einwellen-Lichtfaser erforderlich ist;

- Mittel zum Codieren der Lichtpulse des Zuges, um darin zu übertragende Informationen einzugeben;

- Mittel zum Eingeben oder zum Koppeln des Zuges codierter Pulse in die Lichtfaser;

- Mittel (Tf) zur Ausbreitung der Lichtpulse in Form von Solitonenpulsen, wobei diese Ausbreitungsmittel durch die Einwellen-Lichtfaser gebildet werden, die über die Lichtwellenlänge der Pulse einen nichtlinearen Brechungsindex und eine anormale Dispersion für die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse aufweisen;

- Mittel zur optischen Verstärkung (AO) der Solitonenpulse während ihrer Ausbreitung in der Faser;

- Mittel (R) zum Empfang und zur Decodierung des Zuges von Solitonenpulsen,

dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Mittel für die Stabilisierung jedes Solitons im Inneren seines Zeitfensters aufweist, und damit zur Stabilisierung des Solitonenzuges, durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, das unmittelbar Vorhergehende und das unmittelbar Nachfolgende, wobei diese Stabilisierungsmittel durch wenigstens einen Modulator der optischen Phase (MPO) der Solitonen gebildet werden, der eine Alternierung der Phasen O und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmittel wenigstens einen Modulator der Polarisation der Solitonen (MPP) aufweisen, um die stabilisierte Eigenschaft des Solitonenzuges zu erhalten, d. h. die repulsive Eigenschaft, welche die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Solitonen stabilisiert.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsmittel (R) des Solitonenzuges Mittel zur Diskrimination zwischen der die Codierung der Solitonen erzeugenden Modulation und der die Stabilisierung der Solitonen erzeugenden Modulation aufweisen.

11. System nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der erzeugten Rate, wenn die Mittel zum Erzeugen des Zuges von Lichtpulsen eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugen, mit folgenden Mitteln auf den Wert der gewünschten Übertragungsrate angehoben wird:

i) Mittel (Sp) zum Aufteilen des erzeugten Zuges in N identische Wege, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist;

ii) Mittel (Rt), die eine relative Verzögerung zwischen den N Wegen einführen, wobei diese Verzögerung gleich qL/N ist, und qL das Zeitintervall ist, das zwischen den Pulsen des erzeugten Zuges vorliegt, und

iii) Mittel (Rc) zur Rekombinierung der N Wege, was zu einem Pulszug führt, dessen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen, q&sub0; = qL/N, dem Zeitfenster der gewünschten Rate entspricht,

wobei die Mittel zur Stabilisierung, durch APH, des Zuges mit der gewünschten Rate vor den Rekombinierungsmitteln wirksam werden, d. h. auf jedem der N Wege getrennt, und das gemäß einem Protokoll, das den Erhalt, nach Rekombinierung der N Wege, einer Alternierung jeweils der Phasen oder der Polarisationen zuläßt.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmittel vor Rekombinierung auf jedem der N Wege getrennt gemäß dem Protokoll wirksam werden, so daß nach Rekombinierung der N Wege in einen einzigen Zug, sie einen einzigen Informationskanal ergeben.

13. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Codierung der N Wege vor Rekombinierung unabhängig auf jedem der N Wege wirksam werden, wobei jeder Weg damit einen unabhängigen Informationskanal aufstellt, so daß die Rekombinierungsmittel insofern als Multiplexer der N unabhängigen Informationskanäle wirksam werden, die Mittel zum Empfang des Pulszuges mit der gewünschten Pulsrate Erfassungseinrichtungen auf N Kanälen aufweisen, und ein Demultiplexer den Empfang der N unabhängigen Erfassungskanäle bewirkt.

14. Sender (E) wenigstens eines Solitonenzuges, mit:

- Mitteln zum Erzeugen wenigstens eines Zuges von Lichtpulsen, wobei jeder Puls in das Innere eines Zeitfensters eingegeben wird, die aufeinanderfolgen den Zeitfenster benachbart und von gleicher Dauer sind, die Lichtpulse außerdem von gleicher Form und gleicher Amplitude sind, die Amplitude größer als ein Schwellwert ist, der zum Erhalt von Pulsen mit einer Solitoneneigenschaft während der Ausbreitung des Zuges in einer Einwellen-Lichtfaser erforderlich ist;

- Mitteln zum Codieren der Lichtpulse des Zuges, um darin zu übertragende Informationen einzugeben;

- Mitteln zum Eingeben oder zur Kopplung des Zuges codierter Pulse in die Lichtfaser;

dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem Mittel für die Stabilisierung jedes Solitons im Inneren seines Zeitfensters aufweist, und damit zur Stabilisierung des Solitonenzuges, durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und seinen beiden benachbarten Solitonen, dem unmittelbar Vorhergehenden und dem unmittelbar Nachfolgenden, wobei diese Stabilisierungsmittel durch wenigstens einen Modulator der optischen Phase der Solitonen gebildet werden, der eine Phasenalternierung 0 und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt.

15. Sender (E) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmittel wenigstens einen Modulator der Polarisation der Solitonen aufweisen, um die stabilisierte Eigenschaft des Solitonenzuges zu erhalten, d. h. die repulsive Eigenschaft, welche die Wechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen stabilisiert.

16. Sender (E) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der erzeugten Rate, wenn die Mittel zur Erzeugung des Zuges von Lichtpulsen eine Pulsrate kleiner als eine gewünschte Übertragungsrate erzeugen, mit folgenden Mitteln auf den Wert der gewünschten Übertragungsrate angehoben wird:

ii) Mittel (Rt), die eine relative Verzögerung zwischen den N Wegen einführen, wobei diese Verzögerung gleich qL/N ist, und qLdas Zeitintervall ist, das zwischen den Pulsen des erzeugten Zuges vorliegt, und

17. Sender (E) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmittel vor Rekombinierung auf jedem der N Wege getrennt gemäß dem Protokoll wirksam werden, so daß, nach Rekombinierung der N Wege in einen einzigen Zug, dies einen einzigen Informationskanal ergibt.

18. Sender (E) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmittel der N Wege vor Rekombinierung unabhängig auf jedem der N Wege wirksam werden, wobei jeder Weg damit einen unabhängigen Informationskanal bildet, so daß die Rekombinierungsmittel insofern als Multiplexer der N unabhängigen Informationskanäle wirksam werden, wobei die Mittel zum Empfang des Pulszuges mit der gewünschten Pulsrate Erfassungseinrichtungen auf N Kanälen aufweisen, und ein Demultiplexer den Empfang der N unabhängigen Erfassungskanäle durchführt.

19. Empfänger (R) wenigstens eines Solitonenzuges, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Diskrimination zwischen einer die Decodierung der Solitonen erzeugenden Modulation und einer eine Stabilisierung des Solitonenzuges erzeugenden Modulation aufweist durch Einführung einer repulsiven Wechselwirkung zwischen jedem Soliton und den beiden benachbarten Solitonen, dem unmittelbar Vorhergehenden und dem unmittelbar Nachfolgenden, die durch Modulation der optischen Phase der Solitonen erhalten wird, die eine Al ternierung der Phasen 0 und π zwischen aufeinanderfolgenden Solitonen erzeugt, wobei der Zug durch Alternierung der Phase, APH, stabilisiert wird, und die Codierung der Solitonen durch Modulation der Polarisation erhalten wird, und die Diskriminationsmittel durch ein Polarisationstrennmittel gebildet werden.

Empfänger (R) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß er, wenn er einen Zug mit einer Solitonenübertragungsrate größer als eine gewünschte Empfangsrate empfängt, einerseits Empfangsmittel mit Erfassungseinrichtungen auf N Wegen, wobei N > 1 eine ganze Zahl ist, und andererseits einen den Empfang der N unabhängigen Erfassungswege bewirkenden Demultiplexer aufweist.