DE69418069T2

DE69418069T2 - Vorrichtung zur Solitonübertragung

Info

Publication number: DE69418069T2
Application number: DE69418069T
Authority: DE
Inventors: Olivier Audouin; Jean-Pierre Hamaide
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1994-01-24
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2014-01-25
Also published as: DE69418069D1; CA2114369A1; JP3519769B2; FR2700901B1; EP0609129A1; US5612808A; ES2131172T3; FR2700901A1; EP0609129B1; JPH06258675A; ATE179560T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Übertragung von Information auf eine Lichtleitfaser in Form von optischen Pulsen. Es ist bekannt, daß bei einer solchen Faser die Kompensation von zwei Arten von Effekten kurzen Pulsen mit geeigneter Form, die "Solitons" genannt werden, gestatten kann, sich ohne Verformung auszubreiten. Der eine dieser Typen besteht aus einem streuenden Effekt, der eine chromatische Dispersion erzeugt, die die Gruppenausbreitungsgeschwindigkeiten dieser Pulse beeinflußt. Der andere besteht aus nichtlinearen optischen Effekten vom Kerr-Typ. Dieses Kompensationsphänomen wird manchmal "Solitoneffekt" genannt.
Damit dieser Solitoneffekt erhalten wird, müssen mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Zuallererst müssen die Pulse kurz sein: Für eine Übertragung mit beispielsweise 10 Gbit/s müssen sie bei mittlerer Intensität eine Dauer von ungefähr 20 ps haben. Die Kurve der Variation ihrer Intensität I in Abhängigkeit von der Zeit t muß eine Form aufweisen, die gemäß dem Ausdruck
I = 4Io / (et/ô + e-t/ô)²
definiert ist, wobei 10 die Spitzenintensität ist und t eine zur Dauer des Pulses in Mitte der Höhe proportionale Dauer ist. Sie müssen dann "nahe der Fourier-Grenze" liegen, das heißt, daß das Produkt ihrer Dauer mit ihrer spektralen Breite kleiner als ein Grenzwert von etwa 0,7 sein muß und sich so weit wie möglich einem theoretischen Grenzwert von 0,32 annähern muß. Schließlich muß ihre Intensität während der Ausbreitung annähernd behalten werden. Was die Faser betrifft, muß zwischen einerseits dem Produkt einer Spitzenintensität der optischen Pulse mit einer den Kerr-Effekt darstellenden Konstanten, andererseits dem Produkt des Quadrats einer spektralen Breite dieser Pulse mit einer den Effekt der chromatischen Dispersion, die in jeder Längeneinheit dieser Faser auftritt, darstellenden Konstante ein geeignetes Verhältnis verwirklicht sein. Diese letztere Konstante ist eine lineare chromatische Dispersion, deren Produkt mit der Länge der Faser eine chromatische Gesamtdispersion dieser bildet, d. h. eine chromatische Dispersion, die sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang dieser Faser äußert. Um den Solitoneffekt zu erhalten, müssen diese linearen und gesamten chromatischen Dispersionen positiv sein, was erhalten wird, wenn die zentrale Wellenlänge des Pulses größer als eine Wellenlänge ist, die für die Faser charakteristisch ist und die dort die Dispersion aufhebt.
Die Nutzung des Solitoneffektes kann in Überseeverbindungen (6000-9000 km) mit hoher Datenrate, die eine Binärcodierung verwenden, bedeutende Vorteile aufweisen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Lichtleitfasern Verluste aufweisen, die eine natürliche Abschwächung der Pulse hervorrufen, können die großen Übertragungsentfernungen durch die Ausbreitung von Solitons in Fasern erreicht werden, deren Verluste durch optische Verstärker kompensiert werden. Diese letzteren bestehen typischerweise aus mit Erbium dotierten Fasern. Sie sind über die Länge der Verbindung verteilt, um die Änderungen der optischen Leistung der Pulse zu begrenzen, um ihnen ihren Solitoncharakter zu erhalten.
Das von diesen Verstärkern unvermeidlich ausgesandte Rauschen begrenzt jedoch die Entfernungen und die erreichbaren Datenraten, weil dieses Rauschen eine Verschlechterung des Verhältnisses Signal zu Rauschen und das Auftreten eines "Zeitjitters" der Pulse am Eingang des Empfangselements hervorruft.
Dieser Zeitjitter wird Gordon-Haus-Jitter genannt. Er resultiert aus der Tatsache, daß die Überlagerung des Verstärkungsrauschens mit einem Soliton zu einer Modifikation der zentralen Wellenlänge dieses Solitons äquivalent ist. Diese Wellenlängenänderung ruft wegen der chromatischen Dispersion der Faser eine Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dieser letzteren hervor. Die regellose Natur des Rauschens ruft eine regellose Variation der Geschwindigkeit der verschiedenen Solitons und somit beim Empfang eine regellose zeitliche Verschiebung der Pulse hervor. Diese Verschiebung, die den Zeitjitter bildet, steht am Anfang einer Zunahme der Übertragungsfehlerrate.
Zu diesem Thema kann in den beiden folgenden Artikeln nachgeschlagen werden:
Gordon und Mollenauer, "Effect of fiber nonlinearities and amplifier spacing on ultra-long distance transmission", J. Ligth. Technol., 9, 170 (1991)
Gordon and Haus, "Random walk of coherently amplified solitons in optical fiber transmission", Optics Lett., 11,665 (1986)
Um die Fehlerrate einer Vorrichtung zur Übertragung von Solitons zu minimieren, müssen zwei entgegenwirkende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein. Nach einer ersten Bedingung muß der Zeitjitter begrenzt werden, was das Auswählen einer Faser zur Folge hat, die eine geringe lineare chromatische Dispersion aufweist. Nach der zweiten Bedingung muß das Verhältnis Signal zu Rauschen auf einem ausreichend hohen Wert gehalten werden. Dafür ist es nötig, daß die übertragenen Pulse eine große Energie aufweisen. Diese letztere ruft starke nichtlineare Effekte hervor. Sie zwingt somit zur Auswahl einer Leitungsfaser, die eine starke lineare chromatische Dispersion aufweist, die notwendig ist, um die Kompensation dieser starken nichtlinearen Effekte auszuführen, wobei diese Kompensation wiederum nötig ist, um den Solitoneffekt zu erhalten.
Diese beiden Bedingungen haben zur Folge, daß ein optimaler Zwischenwert der linearen chromatischen Dispersion ausgewählt wird, um die Gesamtübertragungsfehlerrate zu minimieren. Wenn ein solcher optimaler Wert verwirklicht ist, kommt es vor, daß die Verschlechterung des Verhältnisses Signal zu Rauschen und der Zeitjitter alle beide in bedeutender Weise zu dieser minimierten Gesamtrate beitragen.
Deshalb wurde insbesondere vorgeschlagen, diesen Zeitjitter zu begrenzen. Dafür wurden zwei bekannte Verfahren vorgeschlagen. Sie wirken alle beide an Zwischenpunkten einer Verbindung mit großer Länge, d. h. in einer Entfernung von den Sende- und Empfangsstationen.
Ein erstes Verfahren ist aus der Druckschrift "10 Gb/s soliton data transmission over one million kilometres", NAKAZAWA, YANADA, KUBOTA, SUZIKI, Elect. Letters, 27, 1270 (1991) bekannt. Nach diesem Verfahren wird von Platz zu Platz die Form der Pulse rekonstruiert, um gleichzeitig ihren Solitoncharakter und ihre wechselseitigen zeitlichen Abstände zu erhalten.
Das zweite bekannte Verfahren wurde in einer Druckschrift "Sollton Transmission Control", MECOZZI, MOORES, HAUS, LAI, Optics Letters, 16, 1841 (1992) vorgeschlagen. Es besteht darin, von Platz zu Platz eine Frequenzfilterung der Pulse durchzuführen, um den Wert ihrer zentralen Wellenlänge aufrechtzuerhalten.
Diese beiden bekannten Verfahren sind teuer, weil sie große technische Schwierigkeiten aufweisen:
beim ersten die Synchronisation der Modulatoren und beim zweiten die Regelung der zentralen Wellenlänge der Filter.
Die Druckschrift Patent Abstracts of Japan, Bd. 17, Nr. 182, 8. April 1993 und JP-A-04335619 schlagen bereits vor, auf der Länge der Leitungsfaser eine Vorrichtung mit Solltons Verstärker zu verteilen und Kompensatoren mit negativer Dispersion hinzuzufügen. Diese Druckschrift spricht jedoch nicht die Probleme aufgrund des Zeitjitters an.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere das Ziel, in einfacher Weise die Übertragungsfehlerrate zu begrenzen, die eine Solitons verwendende Verbindung beeinflussen, wenn diese Fehler wenigstens teilweise aus einem Gordon-Haus- Zeitjitter resultieren, der die empfangenen Pulse beeinflußt.
Bei diesem Ziel hat sie insbesondere eine Vorrichtung zur Übertragung von optischen Solitons zum Gegenstand, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Die Tatsache, daß die gesamte chromatische Dispersion und dieses Kompensationselementes negativ ist, bewirkt, daß die von diesem Element empfangenen optischen Pulse dort notwendigerweise ihren Solitoncharakter verlieren, das heißt, daß sie sich dort verformen und insbesondere daß sie sich verbreitern. Dies gilt selbst dann, wenn dieses Element aus einer optischen Faser besteht, die einen zu demjenigen der Leitungsfaser analogen Kerr-Effekt aufweist. Nun ist es bekannt, daß eine solche Verbreiterung dazu neigt, die Übertragungsfehlerrate zu erhöhen. Gemäß dieser Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß in der Tat das Vorhandensein ein solchen Kompensationselements diese Fehlerrate verringern kann.
Mit Hilfe der beigefügten schematischen Figuren wird nachfolgend als nicht begrenzendes Beispiel genauer beschrieben, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt sein kann.
Fig. 1 stellt eine Ansicht einer Übertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, daß die Variation eines optimalen Wertes einer in Ordinaten eingetragenen Kompensationsrate in Abhängigkeit von der in Abszissen eingetragenen linearen chromatischen Dispersion einer Leitungsfaser darstellt.
Fig. 3 zeigt zwei Diagramme, die die Änderungen einer in Ordinaten eingetragenen Fehlerrate in Abhängigkeit von der in Abszissen eingetragenen linearen chromatischen Dispersion einer Leitungsfaser darstellen.
Gemäß Fig. 1 weist eine Vorrichtung gemäß dieser Erfindung die folgenden Elemente auf, die bekannt sind, was ihre Funktionen betrifft, die angegeben werden:
Eine Leitungsfaser 2 besteht aus einer optischen Faser mit großer Länge. Diese Faser hat einen Eingang 2A und einen Ausgang 2B und weist einerseits eine positive lineare chromatische Dispersion DL, andererseits einen Kerr-Effekt auf. Diese Dispersion und dieser Kerr- Effekt kompensieren sich wechselseitig, um die Form eines von dieser Faser geleiteten optischen Pulses zu erhalten, wenn dieser Puls eine Intensität, eine Dauer, eine Variationsform und eine spektrale Breite aufweist die für einen Soliton dieser Faser charakteristisch sind. Andererseits wendet diese Faser eine progressive, natürliche Abschwächung auf die optischen Pulse an, die sie leitet. Deshalb ist sie auf ihrer Länge mit einem Verstärkermittel 3 versehen, das auf diese Pulse eine Verstärkung anwendet, um diese natürliche Abschwächung wenigstens teilweise zu kompensieren. Leider wendet dieses Verstärkermittel gleichzeitig auf diese Pulse eine unerwünschte regellose spektrale Verschiebung an, die in Verbindung mit der chromatischen Dispersion dieser Leitung eine regellose zeitliche Verschiebung zur Folge hat, die einen Zeitjitter dieser Pulse bildet.
Eine optische Quelle 4 liefert auf Befehl an den Eingang der Leitungsfaser 2 Übertragungspulse, die Solitons dieser Faser bilden.
Eine Eingangsschaltung 6 der Vorrichtung empfängt eine zu übertragende Information, die mit 8 dargestellt ist. Sie steuert die optische Quelle 4, um ihr eine Folge von Übertragungspulsen zu liefern. In dieser Folge stellen die Zeitintervalle zwischen den Pulsen die zu übertragende Information dar. Diese Impulse sind typischerweise geeignet, nur zu Taktzeitpunkten geliefert zu werden, die regelmäßig aufeinanderfolgen, wobei die Information durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Pulsen zu diesen Zeitpunkten in binärer Form dargestellt ist.
Es werden Kompensationsmittel für den Zeitjitter vorgesehen.
Schließlich empfängt ein Empfänger 10 die Übertragungspulse aus dem Ausgang 2B der Leitungsfaser. Er verarbeitet die Zeitintervalle zwischen diesen Pulsen, um die Information zu rekonstruieren, die zu übertragen war, und die mit 12 dargestellt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die Kompensationsmittel für den Zeitjitter ein Kompensationselement 14 auf, daß die Übertragungspulse zwischen dem Ausgang 2B der Leitungsfaser und dem Empfänger 10 überträgt, und dieses Element weist eine negative gesamte chromatische Dispersion auf, die diesen Zeitjitter teilweise korrigiert.
Es wird eine Kompensationsrate TC definiert, so daß der Absolutwert dieser negativen gesamten chromatischen Dispersion gleich dem Produkt dieser Kompensationsrate mit der von der Leitungsfaser 2 eingeführten positiven gesamten chromatischen Dispersion ist. Vorzugsweise liegt diese Rate TC zwischen 1% und 50% und noch bevorzugter zwischen 2% und 20%.
Genauer ist die Verringerung des Zeitjitters bei einer Kompensationsrate gleich 50% maximal. Wenn das Kompensationselement jedoch keinen Solitoneffekt aufweisen kann, ruft es eine Verbreiterung der Pulse und somit eine Vermehrung der Fehler hervor, die aus Interferenzen zwischen aufeinanderfolgenden Symbolen resultieren. Deshalb gibt es einen optimalen Wert für die Dispersion des Kompensationselements, der den Zeitjitter wesentlich verringert, ohne die Interferenzen zwischen Symbolen übermäßig zu vermehren.
Nachfolgend wird als Beispiel der Fall einer Verbindung mit 5 Gb/s auf 9000 Kilometern betrachtet, der in bekannter Weise durch die Übertragung von Solitons mit einer Dauer bei mittlerer Höhe von 40 ps (nämlich ein 1/5 der Bitzeit) erhalten wird. Bei Nichtvorhandensein jeglichen Kompensationsmittels für den Zeitjitter ist eine optimale lineare chromatische Dispersion der Leitungsfaser positiv und beträgt: +0,7 ps/nm · km. Eine solche Verbindung weist eine Fehlerrate von etwa 10&supmin;¹&sup5; auf. Mit einem erfindungsgemäßen Kompensationselement, das eine negative gesamte chromatische Dispersion, die -1620 ps/nm beträgt, d. h. eine Kompensationsrate TC = 18% aufweist, wird die optimale lineare chromatische Dispersion der Leitungsfaser 1 ps/nm · km und die Fehlerrate erreicht mit Hilfe eines nicht dargestellten elektrischen Filters, der im Empfänger 10 eingebaut ist und der eine angepaßte Bandbreite, wie 3,2 GHz, aufweist, 10&supmin;²&sup0;.
Dieses Kompensationselement kann einfach aus einer optischen Faser, die "Kompensations"faser genannt wird, bestehen, die eine negative lineare chromatische Dispersion aufweist, die beispielsweise -30 ps/nm · km beträgt. Eine optimale Länge dieser Faser beträgt dann 54 km.
Fig. 2 und 3 beziehen sich auf den vorher erwähnten Fall mit der zusätzlichen Hypothese, daß das verwendete Verstärkermittel aus optischen Verstärkern besteht, die wie der Verstärker 3 angeordnet sind und einen Abstand von 30 km haben. Die linearen chromatischen Dispersionen DL der Leitungsfaser sind in Abszissen in ps/nm · km ausgedrückt.
In Fig. 2 ist die Kompensationsrate in % ausgedrückt.
In Fig. 3 stellen die Ordinaten den Logarithmus der Fehlerrate log(BER) dar. Das Diagramm 20 entspricht dem Nichtvorhandensein jeglichen Kompensationsmittels für den Zeitjitter. Das Diagramm 22 entspricht der Verwendung eines gemäß der vorliegenden Erfindung optimierten Kompensationselements.

Claims

1. Vorrichtung zur Übertragung von optischen Solitons, welches aufweist:

- eine Leitungsfaser mit großer Länge, die eine positive chromatische Dispersion aufweist, um die optischen Pulse zu leiten, die die Form von Solitons dieser Faser aufweisen und eine zu übertragende Information tragen, und

- Verstärkermittel mit Rauschen, die über die Länge dieser Faser verteilt sind, um diese Pulse in der Form der Solitons zu halten,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ein

Kompensationselement (14) für den den Solitons durch die Verstärkermittel auferlegten Zeitjitter aufweist, das stromabwärts der Verstärkermittel (3) angeordnet ist und eine negative chromatische Dispersion aufweist, die die optischen Pulse verbreitert und sie so ihre Solitonform verlieren läßt, wobei der Gesamtabsolutwert dieser negativen Dispersion geringer als derjenige der positiven Dispersion der Leitungsfaser ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche aufweist:

- die Leitungsfaser (2), wobei diese Faser einen Eingang (2A) und einen Ausgang (2B) hat und einerseits eine mit der positiven linearen chromatischen Dispersion (DL) verbundene Streuwirkung, andererseits einen Kerr-Effekt aufweist, so daß sich diese Streuwirkung und dieser Kerr-Effekt gegenseitig kompensieren, um die Form eines von dieser Faser geleiteten optischen Pulses beizubehalten, wenn dieser Puls eine Intensität, eine Dauer, eine Variationsform und eine spektrale Breite aufweist, die für einen Soliton dieser Faser charakteristisch sind, wobei diese Faser auf die optischen Pulse, die sie leitet, eine progressive, natürliche Abschwächung anwendet,

- die Verstärkermittel (3), wobei diese Mittel auf diese Pulse eine Verstärkung anwenden, um wenigstens teilweise die natürliche Abschwächung zu kompensieren, wobei ein Rauschen dieser Verstärkermittel gleichzeitig auf diese Pulse eine unerwünschte regellose spektrale Verschiebung anwendet, die in Verbindung mit der Streuwirkung dieser Leitung eine regellose zeitliche Verschiebung zur Folge hat, die einen Zeitjitter dieser Pulse bildet,

- eine optische Quelle (4), um auf Befehl an den Eingang der Leitungsfaser Übertragungspulse zu liefern, die die Solitons dieser Faser bilden,

- eine Eingangsschaltung (6) der Vorrichtung, die eine zu übertragende Information (8) empfängt und die optische Quelle (4) steuert, um ihr eine Folge von Übertragungspulsen zu liefern, in welcher die Zeitintervalle zwischen den Pulsen die zu übertragende Information darstellen,

- Kompensationsmittel für den Zeitjitter,

und einen Empfänger (10), der die Übertragungspulse aus dem Ausgang der Leitungsfaser aus empfängt, wobei dieser Empfänger die Zeitintervalle zwischen diesen Pulsen verarbeitet, um die zu übertragende Information (12) zu rekonstruieren,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel für den Zeitjitter das Kompensationselement (14) aufweisen, wobei dieses Element die Übertragungsimpulse zwischen dem Ausgang (2B) der Leitungsfaser und dem Empfänger (10) überträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (14) eine gesamte negative chromatische Dispersion aufweist, deren Absolutwert gleich dem Produkt der positiven linearen chromatischen Dispersion der Leitungsfaser (2) mit der Länge dieser Faser und mit einem Kompensationsfaktor (TC) zwischen 1% und 50% ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsfaktor zwischen 2% und 20% liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (14) aus einer Kompensationslichtleitfaser (10) besteht.