DE69327201T2

DE69327201T2 - Optisches Nachrichten Übertragungssystem mit optischen Relaisstationen und Regeneratoren

Info

Publication number: DE69327201T2
Application number: DE69327201T
Authority: DE
Inventors: Martin Chown; Jeffrey Graham Farrington; Paul Anthony Kirkby
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1992-06-27
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2013-06-26
Also published as: GB2268349A; EP0579401B1; AU4154393A; GB9213696D0; EP0579401A1; AU662635B2; JPH0749420A; CA2099218A1; DE69327201D1

Description

Diese Erfindung betrifft optische Weitverkehrs-, z. B. Übersee-, Übertragungssysteme.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein herkömmliches optisches Weitverkehrs-Übertragungssystem, z. B. ein Unterwassersystem, enthält ein Lichtwellenleiterkabel, das in Abständen mit Regeneratoren oder Zwischenverstärkern ausgerüstet ist, wodurch das Sendesignal entlang des Übertragungsweges regeneriert wird. Jeder Zwischenverstärker wandelt ankommende optische Signale in entsprechende elektrische Signale um, die dann verarbeitet und wieder zusammengefügt werden, bevor sie zur Übertragung entlang der nächsten Teilstrecke des Weges in optische Signale rückumgewandelt werden.
Da die Regeneratoren zusätzlich zu ihrer grundlegenden Regenerations- oder Verstärkungsfunktion mehrere Signalabwicklungsfunktionen auszuführen haben, ist ihre Bauweise kompliziert und sind sie folglich verhältnismäßig kostspielig. In der Tat können die Kosten der Regeneratoren einen sehr wesentlichen Anteil der Kosten des installierten Systems darstellen.
Während der letzten Jahre ist man das Problem der Systemkosten auf zwei Weisen angegangen. Zuerst hat man die Systembitrate erhöht, um die Bereitstellung einer größeren Anzahl von Schaltkreisen zu ermöglichen und folglich die Kosten pro Schaltkreis zu senken. Dies hat man durch Verbesserungen der Faserqualität und durch Fortschritte bei der Schaltkreisentwicklung erreicht. Jegliche zukünftigen Zunahmen der Bitrate hängen natürlich von weiteren solchen Entwicklungen ab. Weiter nimmt man an, daß es eine grundsätzliche Grenze der Bitrate gibt, jenseits der es nicht möglich ist, eine wirksame Signalübertragung zu liefern. Man ist der Meinung, daß für eine große Länge einer dispersiven Faser diese grundsätzliche Grenze in der Größenordnung von 5 Gbit/sec liegt.
Ein alternativer Lösungsweg, der kürzlich vorschlagen worden ist, ist die Verwendung von optischen Verstärkersystemen. In einem solchen System sind die herkömmlichen Zwischenverstärker durch lineare optische Verstärker, z. B. Erbiumverstärker, ersetzt. Dies führt zu einer sehr wesentlichen Verringerung der Systemkosten, da die Verstärker verhältnismäßig einfache Vorrichtungen sind. Jedoch ist die Folge einer Verwendung von linearen Verstärkern anstelle von Zwischenverstärkern, daß sich Beeinträchtigungen, wie z. B. Rauschen, Verzerrung und Nichtlinearität, durch das System hindurch akkumulieren. Ein besonderes Problem ist die Dispersion der Faser. In einem Weitverkehrssystem muß die Faserdispersion sehr niedrig sein, um die kummulativen Wirkungen der chromatischen Dispersion zu verringern.
Aus der Veröffentlichung "Over 10 Gbit/s regenerators using monolith ICs for lightwave communication systems", Hagimoto et al., IEEE Journal of Selected Areas in Communications, 9/5, 1991 ist es bekannt, daß optische Verstärker mit optoelektronischen Zwischenverstärkern kombiniert werden können, um bessere Bitfehlerraten zu erhalten. Glasfaserverstärker werden wegen ihrer Verstärkungsbandbreite und ihrer Hochgeschwindigkeitsleistungsfähigkeit verwendet. Das Problem ist die Qualität der Signale, die im Übertragungssystem verbreitert werden.
"Optical Amplifiers in Future Optical Communication Systems", Nakagawa et al., IEEE Lightwave Communication System, 1/4, 1990 offenbart eine Kombination von optischen Verstärkern und Zwischenverstärkern für ein Übertragungssystem. Zur Erhöhung des Signalpegels wird ein optisches Signal durch bis zu 25 Glasfaserverstärker verstärkt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme zu minimieren oder zu überwinden und eine Lösung anzugeben, um die Signalqualität, z. B. das Signal-Rausch-Verhältnis, die Impulsformung, den Signalpegel, über große Entfernungen aufrechtzuerhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein optisches Übertragungssystem bereitgestellt.
Ein optisches Übertragungssubsystem, umfassend einen Eingangsregenerator (15a), einen Ausgangsregenerator (15b), einen Lichtwellenleiterübertragungsweg dazwischen und eine Mehrzahl von optischen Verstärkern (14), die im wesentlichen gleichmäßig entlang des Weges angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Regeneratoren (15a, 15b) so gewählt ist, daß am Eingang des Ausgangsregenerators (15b) ein vorbestimmtes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird, das der Beziehung
P&sub2;/N = P&sub1; · S/G · L · NS
folgt, mit
P&sub1; abgegebene Leistung jedes Verstärkers
P&sub2; Leistung am Eingang des Regenerators 15a
S Abstand zwischen Verstärkern
G Verstärkung der Verstärker
L Gesamtweglänge
N Gesamtrauschen
NS Rauschen jedes Verstärkers
Dies bedeutet eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Regeneratoren, die für ein periodisches "Reinigen" der Sendesignale sorgt und folglich eine Übertragung über große Entfernungen ohne die Notwendigkeit ermöglicht, eine kostspielige Niedrigdispersionsfaser bereitzustellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines optischen Übertragungssystem, das sowohl optische Verstärker als auch optoelektronische Regeneratoren enthält;
Fig. 2 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Zwischenraumabstand von Regeneratoren und dem Zwischenraumabstand von optischen Verstärkern für das System von Fig. 1;
Fig. 3 veranschaulicht ein grundlegendes Subsystem, aus dem das System von Fig. 1 aufgebaut sein kann;
Fig. 4 veranschaulicht die Wirkungen einer Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierung im System von Fig. 1; und
die Fig. 5 und 6 veranschaulichen jeweilige Überwachungsanordnungen für das System von Fig. 1.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Mit Bezug auf Fig. 1 umfaßt das System einen optischen Sender 11, der über einen Lichtwellenleiterweg 13, z. B. ein Unterwasserkabel, mit einem entfernten Empfänger 12 verbunden ist. Der Weg 13 enthält eine Anzahl von linearen optischen Verstärkern 14, z. B. Erbiumverstärkern, die entlang des Weges in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Verstärker 14 können jeweils eine Länge einer verstärkenden Faser umfassen, die von einem Laser gepumpt wird. Das System umfaßt weiter eine Anzahl von Zwischenverstärkern oder Regeneratoren 15, die entlang des Weges in Abständen angeordnet sind. Der Klarheit halber zeigt Fig. 1 nur einen einzigen Lichtweg zwischen den Regeneratoren 15, aber es ist ersichtlich, daß dieser Weg im allgemeinen eine Anzahl von Lichtwellenleitern umfaßt, von denen jeder seine eigenen verketteten Reihen von Verstärkern aufweist. Typischerweise gibt es sechs Faserwege, aber diese Anzahl ist natürlich nicht kritisch. Eine solche Anordnung liefert sowohl eine hohe Verkehrskapazität als auch eine Einrichtung zur Leitungsführung um Fehler. Diese letztere Einrichtung ist in einem herkömmlichen verstärkten System nicht vorhanden. Die Anzahl von Regeneratoren 15 ist wesentlich kleiner als diejenige der Verstärker 14, wobei typischerweise ein Zwischenverstärker 15 auf jeweils 7 bis 10 Verstärker kommt. Für transatlantische Entfernungen würden wir etwa 10 Regeneratoren und zwischen 70 und 100 Verstärker benötigen.
Es ist ersichtlich, daß ein Signal, das wiederholt durch eine Anzahl von linearen Verstärkern verstärkt wird, durch die kummulativen Effekte von z. B. Rauschen und optischer Dispersion verschlechtert wird. Der letztere Effekt bewirkt eine Verbreiterung der Signalimpulse. Der Zweck der Zwischenverstärker 15 ist folglich, das Signal periodisch einer Formregeneration und Weiterübertragung zu unterziehen, um diese kummulativen Effekte zu überwinden. Die Zwischenverstärker können '3R'-Zwischenverstärker umfassen, die empfangene optische Signale in entsprechende elektrische Signale umwandeln. Diese elektrischen Signale werden dann einer Formregeneration und Zeitregeneration unterzogen, bevor sie als regenerierte optische Signale weiterübertragen werden. Bei einigen Anwendungen kann man ohne Zeitregenerieren der Signale auskommen, wie unten erörtert wird.
Die oben beschriebene Verstärker/Zwischenverstärker- Hybridanordnung weist wichtige und unerwartete Vorteile gegenüber herkömmlichen Nicht-Hybrid-Systemen auf. Zuerst ermöglicht sie eine wesentliche Verringerung der Kosten der verwendeten optischen Faser im Vergleich zu einem Nur- Verstärker-System. Wenn das übertragene Signal in regelmäßigen Abständen regeneriert wird, werden die Wirkungen der Faserdispersion stark verringert, und es ist folglich möglich, eine Faser von günstigen Kosten und geringer Gütenorm zu verwenden. Dies steht im Gegensatz zu den teuren Niedrigdispersionsfasern, von denen man annimmt, daß sie für eine Verwendung in Nur-Verstärker-Systemen wesentlich sind. Zweitens erlaubt die Verwendung von Regeneratoren eine bemerkenswerte Vergrößerung des Abstandes zwischen Verstärkern, verglichen mit einem Nur- Verstärker-System. Diese Wirkung ist in Fig. 2 veranschaulicht, die die Beziehung zwischen Verstärkerabstand und zwischenverstärkerfreier Übertragungsentfernung für Übertragungsbitraten von 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s zeigt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, nimmt die Entfernung zwischen Verstärkern ab, wenn der regeneratorfreie Abstand ansteigt, wobei dieser Effekt am deutlichsten bei hohen Bitraten ist. Beispielsweise würde ein Weitverkehrssystem von 6000 km Länge einen Verstärkerabstand von nur 45 km für eine Bitrate von 5 Gbit/s in Abwesenheit jeglicher Regeneration erfordern. Der Einbau einer kleinen Anzahl von Regeneratoren, z. B. eines Regenerators bei jeweils 1000 km, so daß ein Hybridsystem bereitgestellt wird, ermöglicht, daß der Abstand zwischen Verstärkern erhöht wird, z. B. auf etwa 125 km, was folglich zu einer wesentlichen Kostenersparnis führt. Drittens erlaubt die verhältnismäßig kleine Anzahl von Regeneratoren die Einführung von Wellenlängenmultiplexen. Dies kann das effektive Leistungsvermögen des Systems wesentlich erhöhen. Die Bereitstellung von Wellenlängenmultiplexen in einem herkömmlichen System mit einer verhältnismäßig großen Anzahl von Regeneratoren ist ökonomisch nicht tragbar, da die Gesamtsystemkosten für eine Bereitstellung von Schaltungsanordnungen für jede Wellenlänge in jedem Regenerator dann untragbar sein würden.
Wie oben erörtert, liefert die Bereitstellung von Regeneratoren zusätzlich eine Einrichtung zur Leitungsführung um Systemfehler. Wo ein verstärkter Faserweg zwischen zwei Regeneratoren defekt wird, z. B. als Ergebnis eines Faserbruchs oder eines Verstärkerausfalls, kann der zuvor auf diesem Weg übertragene Verkehr zu einem oder mehreren der anderen Faserwege zwischen den Regeneratoren umdirigiert werden. Dies liefert einen wesentlichen Anstieg der Systemzuverlässigkeit, verglichen mit einem äquivalenten Nur-Verstärker-System.
Anhand eines Beispiels wird die Konstruktion eines Hybridsystems mit besonderem Bezug auf Fig. 3 erörtert, die eine verstärkte Spannweite oder einen verstärkten Weg einer Gesamtlänge L zwischen zwei Regeneratoren (15a, 15b) veranschaulicht. Es wird angenommen, daß jeder optische Verstärker (14) im Weg eine Verstärkung G und eine optimale abgegebene Leistung P&sub1; aufweist. Das System ist konstruiert, um eine Bitfehlerrate zu liefern, die kleiner ist als ein vorbestimmter Wert.
Im Verstärkerweg von Fig. 3 wird die Bitfehlerrate durch das Signal-Rausch-Verhältnis P/N am Eingang des Regenerators 15b bestimmt. Man nimmt an, daß spontanes Rauschen NS am Eingang jedes Verstärkers vorhanden ist. Für jeden verstärkten Abschnitt wird dieses spontane Rauschen durch die Verstärker- Verstärkung G erhöht, und sie wird durch die Faserdämpfung 1/G verringert. Das spontane Rauschen steigt folglich linear an, und das Gesamtrauschen N am Eingang des Zwischenverstärker 15b ist durch:
N = n NS
gegeben, wobei n die Anzahl von Verstärkern im Weg ist.
Weiter n = L/ΔS,
wobei ΔS der Abstand zwischen Verstärkern ist und L die Gesamtweglänge ist.
Auch haben wir
P&sub2; = P&sub1;/G
Wobei P&sub2; die Leistung am Eingang des Regenerators 15b ist.
Folglich haben wir
P&sub2;/N = P&sub1;/G · S/LNS
jedoch ist die Verstärkung G gleich exp{αS}, wobei α die Faserdämpfung ist, typischerweise 0,2 dB pro Kilometer;
d. h. S. exp{-αS} =
Die Lösung dieser Gleichung ergibt den erforderlichen Abstand zwischen Verstärkern für eine bestimmte Spannlänge L und für ein spezielles Signal-Rausch-Verhältnis.
Das Verhältnis P&sub2;/N wird durch die Systemcodier/Entscheidungs- Schaltungsanordnung festgelegt, und NS hängt von der Verstärkerkonstruktion ab.
Der Abstand zwischen Verstärkern kann durch die Verwendung von Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierverfahren erhöht werden, die die Bitfehlerrate verringern und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Diese Wirkung ist in Fig. 4 veranschaulicht, die die typische Beziehung zwischen Verstärkerabstand und Systemlänge für nicht codierte Übertragung (Kurve B) und Übertragung mit Vorwärtsfehlerkorrektur (Kurve A) zeigt. In der Praxis hängt die erzielte Verbesserung von der Kompliziertheit des Codes ab. Im allgemeinen gibt es einen Kompromiß zwischen der Kompliziertheit des Codes und den Kosten, Verstärker bereitzustellen.
Es ist ersichtlich, daß der Übertragungsweg oder die Übertragungsspannweite, die oben erörtert wurden, tatsächlich ein Subsystem eines längeren Übertragungsweges ist oder daß man in einigen Anwendungen eine einzige Spannweite als Mittelstrecken-Übertragungsweg verwenden kann. Die Anordnung hat den Vorteil, daß sie ein Standard-Subsystem, z. B. von etwa 1000 km Länge, bereitstellen kann, das auf allen Übertragungsstrecken verwendbar ist, wobei man eine geeignete Anzahl von solchen Subsystemen verkettet, um die gewünschte Übertragungsentfernung zu realisieren.
Es ist auch ersichtlich, daß es notwendig ist, eine Einrichtung einer Überwachung des Systems bereitzustellen, z. B. zur Fehlererkennung, so daß eine Hilfsmaßnahme ergriffen werden kann. Insbesondere ist es notwendig, den Betrieb sowohl der Regeneratoren als auch Verstärker zu überwachen. Die Regeneratoren können durch herkömmliche Verfahren über einen Überwachungskanal überwacht werden, aber eine Überwachung der Verstärker muß die periodische Umwandlung der informationstragenden optischen Signale in elektrische Signale zur Verarbeitung durch die Regeneratoren berücksichtigen.
Eine geeignete Überwachungsmethode ist in Fig. 5 der Zeichnungen veranschaulicht. Diese zeigt ein System, in dem eine Regeneration des signalübertragenden optischen Nachrichtenverkehrs durch 3R-Regeneratoren 45 bereitgestellt wird. Dieser Nachrichtenverkehr wird auf dem Lichtweg bei einer ersten Wellenlänge λ1 (oder einem Satz von Wellenlängen) übertragen, und der Überwachungskanal wird bei einer weiteren Wellenlänge λ2 übertragen. Am Eingang jedes Regenerators 45 wird der Überwachungskanal durch einen Wellenlängendemultiplexer 46 herausgefiltert und einer Regeneratorvorrichtung 47 zugeführt, die einen Photodetektor und einen elektronischen Verstärker umfaßt. Der Ausgang der Regeneratorvorrichtung 47 wird der Ausgangsseite des Regenerators 45 zur Rückumwandlung in entsprechende Lichtsignale der Wellenlänge λ2 für eine Weiterübertragung auf dem Faserweg zugeführt. Die Signale des optischen Verstärkers weisen folglich einen effektiv transparenten Weg durch das System auf.
Eine alternative Anordnung ist in Fig. 6 veranschaulicht, in der die herkömmlichen 3R-Regeneratoren durch einfache (2R) Regeneratorvorrichtungen 55 ersetzt sind, die Signale regenerieren und weiterübertragen, die aber keine Zeitregeneration der Signale durchführen. Eine Beseitigung des Zeiterfordernisses verringert die Kosten des Regenerators und macht auch das System im wesentlichen unabhängig von der Bitrate.
In der Anordnung von Fig. 6 laufen die Überwachungssignale effektiv transparent durch das System hindurch. Da es keine Zeitregeneration gibt, kann insbesondere das Überwachungssystem eine Pulsbreitenmodulation verwenden, um die notwendige Information zu übertragen. Wir haben gefunden, daß im oben beschriebenen Hybridsystem eine Signal-Zeitregeneration nicht kritisch ist und daß die Verwendung von z. B. einem Begrenzerverstärker im Regenerator eine ausreichende Reinigung der übertragenen Signale liefert. Es ist auch ersichtlich, daß die Beseitigung des Zeitregenerationszwangs ein zukünftiges Umrüstung des Systems ermöglicht, z. B. um sich hohen Bitraten anzupassen, wodurch das Verkehrsabwicklungs-Leistungsvermögen des Systems erhöht wird.
Es versteht sich, daß obwohl das Hybrid-Übertragungssystem mit besonderem Bezug auf eine Überseeanwendung beschrieben worden ist, es auch auf einen Landleitungseinsatz anwendbar ist.

Claims

1. Optisches Übertragungssubsystem, umfassend einen Eingangsregenerator (15a), einen Ausgangsregenerator (15b), einen Lichtwellenleiterübertragungsweg dazwischen und eine Mehrzahl von optischen Verstärkern (14), die im wesentlichen gleichmäßig entlang des Weges angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Regeneratoren (15a, 15b) so gewählt ist, daß am Eingang des Ausgangsregenerators (15b) ein vorbestimmtes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird, das der Beziehung

P&sub2;/N = P&sub1; · S/G · L · NS

folgt, mit

P&sub1; abgegebene Leistung jedes Verstärkers

P&sub2; Leistung am Eingang des Regenerators 15a

S Abstand zwischen Verstärkern

G Verstärkung der Verstärker

L Gesamtweglänge

N Gesamtrauschen

NS Rauschen jedes Verstärkers

2. Optisches Übertragungssystem, umfassend eine verkettete Anordnung von Subsystemen nach Anspruch 1.

3. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Verstärkern (14) zwischen dem Sieben- und Zehnfachen der Anzahl der Regeneratoren (15) beträgt.

4. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Regenerator (15) für eine Formregeneration und Weiterübertragung der optischen Signale sorgt.

5. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 4 und umfassend eine Einrichtung zur Pulsbreitenmodulation von im System übertragenen Impulsen.

6. Optisches Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Regenerator (15) mit einer Einrichtung zum Verarbeiten von Wellenlängenmultiplex- Signalen versehen ist.

7. Optisches Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder optische Verstärker (14) ein lasergepumptes verstärkendes Faserelement enthält.

8. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes besagte verstärkende Faserelement eine Länge von mit Erbium dotierter Siliciumdioxidfaser umfaßt.