Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft die optische
Übertragung von Informationen und insbesondere die
Verbesserung der Übertragungsmöglichkeiten entlang
eines Lichtleitfaserübertragungswegs mit geringen
Verlusten.
Allgemeiner Stand der Technik
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Die Kombination aus Hochleistungs-Laser-
Lichtquellen mit schmaler Linienbreite und Einmoden-
Lichtleitfaser mit geringen Verlusten eröffnet die
Möglichkeit von Signalverschlechterung und erhöhten
Bitfehlerraten, die durch viele nichtlineare,
faserbezogene Phänomene verursacht werden, die bisher
in bezug auf herkömmliche faseroptische Systeme als
belanglos angesehen wurden, Zu diesen nichtlinearen
Phänomenen gehört die stimulierte Brillouin-Streuung
("SBS"), die stimulierte Raman-Streuung,
Eigenphasenmodulation und, wenn zwei oder mehr optische
Kanäle beteiligt sind, die Kreuzphasenmodulation und
Vier-Photonenmischung.
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Die Brillouin-Streuung in einer Faser entsteht
aus der Streuung von Photonen durch örtliche
Brechungsindexvariationen, die durch Schall oder
Schallwellen verursacht werden. Diese
Brechungsindexvariationen werden durch Schallschwingungen in dem
Glasverbund verursacht, aus dem der Faserkern besteht.
Außerdem verursacht die Anwesenheit von intensivem
Licht in der Faser aufgrund der Abhängigkeit des
Brechungsindex von der Lichtintensität in der
nichtlinearen Betriebsart Verbundschwingungen, die
wiederum Schallwellen verursachen, die dann weiteres
Licht streuen. Letztendlich kann Licht aus einem sich
vorwärts ausbreitenden intensiven Signal (das als ein
"Pumpsignal" bezeichnet wird), eine Verstärkung für ein
sich rückwärts ausbreitendes, d. h. "Stokes"-Signal
liefern. Dieses Szenario ist eine klassische
Beschreibung der SBS. Die SBS-Schwellenleistung ("Psas")
wird willkürlich als der Pegel der optischen Eingangs-
Pumpsignalleistung ("Ppump") definiert, bei dem die
Leistung des Rückwärts-Stokes-Signal ("Pstokes") gleich
Ppump in dem Faser-Eingangssignal wird. Die SBS-
Schwellenleistung nimmt mit der Linienbreite des Lichts
zu, das sich entlang einer Faser fortpflanzt. Aus
diesem Grund war die Besorgnis über die nachteiligen
Effekte der SB5 bis zum Aufkommen von Laserquellen mit
schmaler Linienbreite minimal. Da nun jedoch Laser mit
schmaler Linienbreite immer leichter verfügbar werden,
und solche Laser wahrscheinlich bevorzugt als
Lichtquelle für zukünftige Faserübertragungssysteme
eingesetzt werden, kann die SBS potentiell wesentlich
zu der Signalverschlechterung bei relativ niedrigen
Eingangsleistungspegeln beitragen.
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Bei einigen bisherigen
SBS-Unterdrückungsverfahren war die Verwendung exotischer Laser und/oder
der Einsatz besonderer Arten speziell hergestellter
Fasern als Übertragungsmedium erforderlich. Dies ist
offensichtlich keine praktikable Lösung zur Verwendung
bei bestehenden Lichtleitfasersystemen und
handelsüblicher Lasertechnologie. Bei anderen Verfahren
zur Erhöhung der Leistungsschwelle, bei der SBS
auftritt, werden Laser eingesetzt, die vergrößerte
Linienbreiten aufweisen, um die Signale zu erzeugen,
die sich über die Lichtleitfasersysteme fortpflanzen.
Diese Verfahren haben sich jedoch als unerwünscht
erwiesen, weil eine erhöhte Linienbreite typischerweise
zu einer Verschlechterung der Dispersionseigenschaften
des sich ausbreitenden Lichtsignals führt.
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Aus der EP-A-0503579 ist die Verbreiterung der
Linienbreite eines Lichtsignals zur Verringerung der
SBS durch Frequenz- oder Phasenmodulation des Signals
mit einem breitbandigen Rauschsignal oder einer
periodischen Funktion bekannt. Als ein Beispiel wird
eine Phasenmodulation mit einer 1-GHz-Sinusfunktion
verwendet, um die Linie von -1 GHz bis +1 GHz zu
verbreitern. Diese Modulationsfrequenz ist groß genug
in bezug auf das Informationssignal, daß die
Seitenbänder das Informationssignal nicht stören.
Kurze Darstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung überwindet die
Unzulänglichkeiten von SBS-Verringerungsverfahren des
Standes der Technik durch direkte Modulation eines
herkömmlichen Halbleiterlasers, der ein Lichtsignal
erzeugt, das entlang einer Lichtleitfaser ausgebreitet
werden soll. Die Modulation wird erzielt durch Einsatz
einer wechselnden Kurvenform zur Erzeugung eines
Dithers auf dem Laser-Ausgangssignal. Die spezifische
Frequenz der wechselnden Kurvenform wird wesentlich
kleiner als die untere Grenzfrequenz eines etwaigen an
die Lichtleitfaser angekoppelten Empfängers, aber groß
genug zur effizienten Unterdrückung der Brillouin-
Verstärkung gewählt. Durch dieses Dithern wird der
Laser frequenzmoduliert, wodurch die effektive
Linienbreite des Laserausgangssignals verbreitert und
die SBS-Leistungsschwelle erhöht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltbild einer beispielhaften
Schaltung, wobei eine wechselnde Kurvenform, die durch
einen Signalgenerator erzeugt wird, eingesetzt wird, um
den einem Pumplaser durch einen Stromgenerator
zugeführten Vorstrom zu modulieren;
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Fig. 2A eine graphische Darstellung des
optischen Spektrums eines typischen Lasers, der einen
festen Vorstrom Io erhält;
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Fig. 2B eine graphische Darstellung des
optischen Spektrums für den Laser von Fig. 2A mit
festen Vorströmen Io-ΔI und Io+ΔI;
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Fig. 2C eine graphische Darstellung des
optischen Spektrums für den Laser von Fig. 2A während
der Vorstrom gedithert wird, so daß er zyklisch
zwischen Io+ΔI und Io-ΔI schwankt;
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Fig. 3 eine graphische Darstellung der
Bitfehlerrate für optische Signale verschiedener
Leistungspegel mit einer Linienbreite von 35 MHz nach
der Übertragung durch 60 km Lichtleitfaser;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung der
Bitfehlerrate für ein +15,5-dBm-Lichtsignale
verschiedener Linienbreiten nach der Übertragung durch
60 km Lichtleitfaser;
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Fig. 5 eine Tabelle der gemessenen SBS-
Leistung als eine Funktion der
Laservorstromditherfrequenz; und
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der
gemessenen Dauer-SBS-Schwellenleistung für einen
Halbleiterlaser über eine Reihe von
Strommodulationsamplituden bei einer Frequenz von 7 kHz.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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In der Technik ist bekannt (siehe zum Beispiel
Y. Aoki, K. Tajima, I. Mito, "Input Power Limits of
Single-Mode Optical Fibres due to Stimulated Brillouin
Scattering in Optical Communication Systems", J.
Lightwave Technol., Band 6, Nr. 5, S. 710 (Mai 1988)),
daß die SBS-Schwellenleistung für Dauer-Pumplicht
("CW-"-Pumplicht) (PCWSBS) als Funktion der effektiven
Fläche Aeff des Übertragungsfaserkerns, der effektiven
Länge Leff der Übertragungsfaser und des
Verstärkungskoeffizienten für den SBS-Prozeß go ausgedrückt werden
kann. Für lange faseroptische Abschnitte, die ein
CW-Signal übertragen, das aus einem Pumplaser mit einer
endlichen Linienbreite Δνp und einer spontanen
Brillouin-Linienbreite von ΔνB stammt, wird die SBS-
Leistungsschwelle folgendermaßen gegeben:
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In der obigen Gleichung wird angenommen, daß
das Pumpsignal zufällig polarisiert ist, und das Leff
als (1-e-αL)/α 1/α approximiert werden kann; wobei α
die Faser-Dämpfungskonstante und L die tatsächliche
Faserlänge ist. Bei einer typischen Einmodenfaser, bei
der Aeff 80 um², α = 0,22 dB/km, Leff
10log&sub1;&sub0;e/α = 19,74 km und go = 4 · 10&supmin;&sup9; cm/W ist, beträgt die
SBS-Schwellenleistung etwa 4,25 mW (vorausgesetzt, daß
ΔνB/Δνp< 1 ist). Offensichtlich nimmt die SBS-
Schwellenleistung mit zunehmender endlicher
Linienbreite Δνp zu.
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Eine ähnliche Beziehung zwischen der
Linienbreite und der SBS-Schwellenleistung besteht bei
modulierten Lichtsignalen, wie zum Beispiel den digital
kodierten Signalen, die typischerweise in optischen
Telekommunikationsnetzen übertragen werden. Bei solchen
Signalen wird die SBS-Verstärkung in langen
Lichtleitfasern durch eine Faltung zwischen dem
Pumpspektrum und der spontanen Brillouin-Linienbreite
gegeben. Damit kann bei bekanntem Pumpfrequenzspektrum
und unter der Voraussetzung einer Lorentzschen
Brillouin-Linienbreite (ΔνB) die Verstärkung und SBS-
Schwellenleistung für ein moduliertes Lichtsignal
bestimmt werden. Bei digitalen
Telekommunikationssystemen wird das optische Pumpsignal
typischerweise mit Amplitudenumtastung ("ASK") mit
einem Pseudozufallssignal mit Dichte auf halber Marke
moduliert. Für den Spezialfall eines nicht auf Null
zurückkehrenden Datenformats, bei dem die mittlere
Pumpleistung gleich der CW-Leistung ist, wird die SBS-
Schwellenleistung folgendermaßen gegeben:
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wobei fo die Bitwiederholungsrate ist. Bei Systemen mit
hoher Bitrate, bei denen ΔνB/fo 0 ist, sagt die obige
Gleichung eine doppelte Zunahme des SBS-
Schwellenleistungspegels voraus. Intuitiv wäre ein
solches Ergebnis zu erwarten, da der spektral relativ
reine Pumpträger die Hälfte der gesamten CW-Pumpenergie
enthält. Wie im CW-Fall führt eine Zunahme der
spontanen Brillouin-Linienbreite Δνp zu einer Zunahme
der SBS-Schwellenleistung.
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Durch Dithern des Vorstroms eines Pumplasers
kann das optische Ausgangssignal dieses Lasers
unabhängig von oder zusätzlich zu einer etwaigen
anderen Modulation (wie zum Beispiel digitale oder
analoge Informationskodierung) frequenzmoduliert
werden. Diese Frequenzmodulation dient zur Vergrößerung
der effektiven Linienbreite des Lasers. Obwohl die
endliche Linienbreite Δνp, die eine Funktion der festen
physikalischen Eigenschaften des Lasers ist,
tatsächlich konstant bleibt, verursacht das Dithern des
Vorstroms des Lasers, daß die Wellenlänge des
Ausgangssignals des Lasers zyklisch um die durch einen
nichtgeditherten Laser erzeugte natürliche Ausgangs-
Wellenlänge herum hinein verschoben wird. Dadurch wird
die Ausgangs-Linienbreite effektiv über einen Bereich
mit einer Mitte um das nichtgeditherte Δνp herum
gespreizt, und da die Ditherfrequenz außerhalb der
Empfängerbandbreite liegt, wird das Lichtsignal bei
Anwesenheit von Dispersion nicht verschlechtert. Das
Dithern von Laservorstrom kann durch Einsatz einer
wechselnden Kurvenform erzielt werden, um ein Dither
auf dem Laserausgangssignal zu verursachen. Fig. 1
zeigt ein Schaltbild einer beispielhaften Schaltung,
bei der eine wechselnde Kurvenform mit Frequenz f, die
durch den Signalgenerator 101 erzeugt wird, eingesetzt
wird, um den Vorstrom zu modulieren, der dem Pumplaser
102 durch den Stromgenerator 103 zugeführt wird.
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Fig. 2A bis 2C zeigen eine graphische
Darstellung der effektiven Linienbreitenverbreiterung,
die durch das Dithern des Laservorstroms erzielt wird.
Fig. 2A zeigt einen typischen Graph des Lichtspektrums
(Intensität als Funktion der Wellenlänge) für einen
typischen DFB-Laser, der einen bestimmten festen Strom
Io als Vorstrom erhält. Der Laser erzeugt ein optisches
Ausgangssignal mit einer festen Linienbreite, so wie es
durch die besondere Kontur der Kurve 201 dargestellt
wird, deren Mitte bei der Wellenlänge λo liegt. Fig. 2B
zeigt den Graph für das Lichtspektrum des Lasers von
Fig. 2A mit Vorstrompegeln Io-ΔI (Kurve 202) und Io+ΔI
(Kurve 203). Wie dargestellt, ist die Wellenlänge des
Ausgangssignals als Reaktion auf die Änderung des
Vorstroms um Δλ verschoben. Wenn der Vorstrom gedithert
wird, so daß er zyklisch zwischen Io+ΔI und Io-ΔI
schwankt, dann erscheint das optische Ausgangssignal
des Lasers bei zeitlicher Betrachtung mit einer
verbreiterten Linienbreite, deren Mitte bei λ liegt
(siehe Kurve 204 von Fig. 2C).
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Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung von
experimentellen Ergebnissen, die die gemessene
Bitfehlerrate ("BER") für ein mit 5 Gb/s digital
kodiertes 1558-nm-Lichtsignal, das sich durch eine
60 km lange Lichtleitfaser hindurch ausbreitet. Die
durch den DFB-Laser, der das Signal in einem
stationären (nicht geditherten) Vorstrom-Zustand
erzeugt, erzeugte natürliche Linienbreite beträgt
35 MHz. Wie gezeigt, ergibt sich bei einer
Eingangsleistung von +15,5 dBm eine BER von zwischen
1 · 10&supmin;&sup8; und 1 · 10&supmin;&sup9; aus dem die Lichtleitfaser
durchlaufenden Signal, und eine Verringerung des
Eingangsleistungspegels auf +14 dBm verringert die BER
auf zwischen 1 · 10&supmin;¹¹ und 1 · 10&supmin;¹². Mit einer auf +12 dBm
verringerten Eingangsleistung, einem Pegel, der
unterhalb der SBS-Leistungsschwelle der 60 km
Lichtleitfaser liegt, fällt die BER auf 1 · 10&supmin;¹&sup4; ab. Um
SBS-Effekte bei hohen Leistungspegeln zu unterdrücken,
wird die DFB-Laser-Linienbreite durch direkte
Modulation des Laservorstroms mit einem kleinen
Rechtecksignal niedriger Frequenz verbreitert. Fig. 4
zeigt die BER-Leistung für ein Lichtsignal mit
+15.5 dBm und 1558 nm, das durch einen nicht
geditherten Laser erzeugt wird (effektive Linienbreite
35 MHz), und für Signale mit +15,5 dBm mit effektiven
Linienbreiten von 80 MHz und 160 MHz, die als Ergebnis
des Laser-Vorstromditherns erzeugt werden. Wie gezeigt,
wird die BER bei einer effektiven Linienbreite von
160 MHz auf 1 · 10&supmin;¹&sup4; verringert. Dieser Wert ist
vergleichbar mit dem durch Verwendung eines nicht
geditherten Signals bei einem Leistungspegel unterhalb
der SBS-Schwelle der Lichtleitfaser erzielten.
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Um über die gesamte effektive Länge einer
Lichtleitfaser hinweg eine vollständige SBS-
Unterdrückung sicherzustellen, sollte die
Ditherfrequenz nicht unterhalb von c/2nLeff liegen
(wobei n der Brechungsindex der Faser ist). Bei einer
Lichtleitfaser mit einer effektiven Länge von 17 km und
einem Brechungsindex von 1,45 liegt diese minimale
Ditherfrequenz ungefähr bei 6 kHz. Die minimale
Ditherfrequenz stellt sicher, daß die absolute optische
Frequenz der Brillouin-Verstärkung zeitlich gleich der
Laufzeit der Lichtleitfaser verschoben wird, wodurch
verhindert wird, daß eine wesentliche Länge von
Lichtleitfaser eine merkliche Zeitdauer lang einem
Signal mit schmaler Linienbreite und einer bestimmten
Wellenlänge ausgesetzt wird. Dadurch verkürzt sich
effektiv die Wechselwirkungslänge für das Lichtsignal
in der Faser, wodurch die SBS über die Länge der Faser
hinweg verhindert wird. Die maximale
Ditherfrequenzgrenze wird durch minimale durch einen
etwaigen mit der Lichtleitfaser verbundenen
Lichtempfänger erkennbare Frequenz natürlich begrenzt,
so daß die Signalleistung nicht beeinträchtigt wird
(diese Frequenz beträgt bei Empfängern in
intensitätsmodulierten optischen Systemen
typischerweise 100 kHz bis 200 kHz).
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Zusätzlich weisen Laser typischerweise bei
Ditherraten mit sehr hoher Frequenz einen Verlust der
Δν/ΔI-Empfindlichkeit auf. Als Folge ist es oft
notwendig, das Dithern auf eine Frequenz zu
beschränken, die wesentlich niedriger ist als die
Grenzfrequenz von etwaigen Lichtempfängern, um das
ordnungsgemäße optische Ansprechverhalten durch den
geditherten Laser zu garantieren. Fig. 5 zeigt eine
Übersicht experimenteller Messungen, die die Dither-
Frequenzbeschränkungen bestätigen. Wie gezeigt, wird
die gemessene SBS-Leistung ("PSBS") die sich aus einem
Lichtsignal mit +15,4 dBm aus einem DFB-Pumplaser
ergibt, während es durch eine Einmoden-Lichtleitfaser
mit einer effektiven Länge von 40 km übertragen wird,
minimiert, wenn der Pumplaser-Vorstrom mit einer
Frequenz zwischen 7 und 10 kHz gedithert wird.
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Der Betrag des erforderlichen Dither zur
effektiven Unterdrückung von SBS hängt von dem Δν/ΔI-
Frequenzmodulationsansprechverhalten eines einzelnen
Pumplasers ab (d. h. von der Änderung der effektiven
Linienbreite des Ausgangslichts als Funktion der
Änderung des Laservorstroms). Bei einem typischen
Halbleiterlaser beträgt das
Frequenzmodulationsansprechverhalten gewöhnlich zwischen 200 MHz/mA und
1 GHz/mA. Fig. 6 zeigt die gemessene CW-SBS-
Schwellenleistung für einen DFB-Halbleiterlaser über
einen Bereich von Strommodulationsamplituden bei einer
Frequenz von 7 kHz. Der DFB-Laser erhielt anfänglich
einen Vorstrom von 100 mA und erzeugte eine 25 MHz-
Linienbreite. Der Dither-Modulationsindex ist definiert
als ΔIdither/Iinitial.
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Lichtsignale mit breiten Linienbreiten sind
typischerweise Dispersionseffekten unterworfen, wenn
sie über lange Abschnitte von Lichtleitfaser übertragen
werden, weil sich breite natürliche Linienbreiten (Δνp)
aus Phasenrauschen in einem Laser ergeben, und das
Phasenrauschen zu den Dispersionsabstrichen beiträgt,
die durch Konvertierung von Phasen- zu
Amplitudenmodulation über lange Lichtleitfasern
verursacht werden. Das Dithern, das die breiten
effektiven Linienbreiten in der Erfindung verursacht,
vergrößert jedoch das Phasenrauschen nicht, wodurch es
möglich wird, die geditherten Lichtsignale ohne
Verschlechterung als Folge erhöhter
Dispersionsabstriche über lange Faserabschnitte zu
übertragen.