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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein die Verbesserungen bei optischen Kommunikationssystemen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung optische Mehrwellenlängenkommunikationssysteme.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Gegenwärtig wird die Übertragungskapazität von optischen
Kommunikationssystemen durch die Modulationsbandbreite der optischen
Quelle und streuende und nichtlineare Ausbreitungseffekte begrenzt.
Obwohl die optische Faser eine sehr breite optische Bandbreite (10–20 THz)
aufweist, sind die über
Fasern übertragenen
Systemdatenraten gegenwärtig
für Einkanalkommunihationssysteme,
die typische Einkanalkommunikationsansätze mit herkömmlichen
Quellen wie etwa wellenlängenabgestimmten DFB-Lasern
(Distributed Feedback) verwenden, auf etwa 2,5 Gbit/s begrenzt.
Durch Wellenlängenmultiplexieren
(WDM) wird allgemein die Kapazität
des optischen Systems vergrößert, indem
Daten gleichzeitig auf mehreren optischen Trägersignalen mit verschiedenen
Wellenlängen übertragen
werden. Die Gesamtsystemkapazität
wird um einen Faktor vergrößert, der
gleich der Anzahl verschiedener Wellenlängenkanäle ist. Weitere Vorteile von
WDM liegen bei Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationssystemen, wie etwa bei
FTTH (Fiber-to-the-Home
= Glasfaser ins Haus). In diesem Fall wird durch eine verbesserte Leistungsaufteilungsbilanz,
Sicherheit, Erweiterungsfähigkeit,
Serviceflexibilität
und geringere Anforderungen an die Komponentengeschwindigkeit im Vergleich
zu TDM-(Zeitmultiplex) Punkt-zu-Punkt-Verbindungen WDM attraktiv.
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Der Ausdruck „WDM"-System, wie er hier verwendet wird,
betrifft allgemein ein System, das in der Lage ist, Daten über mehrere
Wellenlängenkanäle zu übertragen.
Andere Systeme können
eine Anzahl von individuellen optisch modulierten Quellen verwenden,
die auf verschiedene Wellenlängen
abgestimmt und dann kombiniert und zusammen übertragen werden.
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WDM-Systeme nach dem Stand der Technik, die
Daten auf vielen Kanälen übertragen,
enthalten deshalb allgemein eine getrennte optische Modulationsquelle
für jeden
Kanal. Beispielsweise kann ein Array von Laserdioden verwendet werden,
wobei jede Laserdiode auf eine andere Frequenz abgestimmt und individuell
moduliert ist. Die Laserfrequenzen sind im allgemeinen gleichmäßig beabstandet,
werden mit einem optischen Koppler kombiniert und dann durch eine
optische Faser übertragen.
Am anderen Ende der Faser werden mit einem Bauelement die Wellenlängenkanäle getrennt,
und im allgemeinen wird für
jeden der Wellenlängenkanäle ein getrennter
optischer Empfänger
verwendet.
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Trotz der wesentlich höheren Bandbreite
bei auf Faser basierenden Kommunikationsverfahren, die mit einem
WDM-Ansatz erhalten
werden könnten,
ist heutiges WDM mit einer Reihe schwieriger technischer Probleme
behaftet, und gegenwärtig
lassen sich WDM-Systeme nicht kommerziell für Anwendungen im Massenmarkt,
wie etwa die Faserverteilung zum Haus einsetzen. Beispielsweise
wären WDM-Systeme
am kosteneffektivsten bei einer großen Anzahl von Kanälen (32–64 oder
sogar 128), doch ist es gegenwärtig
sehr schwierig, Mehrkanal-Laserdioden
mit einer annehmbaren Ausbeute von nur 8 Kanälen herzustellen. Außerdem weisen die
Paßbandkanäle von gegenwärtig erhältlichen passiven
WDM-Splittern eine große
Temperaturschwankung auf, weshalb sie eine durchgehende Abstimmbarkeit
bei den Mehrkanalquellen erfordern, die gegenwärtig noch nicht zur Verfügung steht.
Probleme hinsichtlich der Kapselung und Komplexität/Ausbeute
bei aktuellen WDM-Systemansätzen stellen
deshalb ein erhebliches Problem bei gegenwärtigen WDM-Systemen dar. Diese – Probleme
der Komplexität
und Ausbeute erhöhen
die Kosten der WDM-Implementierung
erheblich.
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Obwohl WDM eine elegante Lösung bietet, um
die Kapazität
und Transparenz optischer Netze zu vergrößern, kann daher WDM für Faserverteilnetze,
wie dies gegenwärtig
in Betracht gezogen wird, kostenmäßig nicht mit einfachen Punkt-zu-Punkt-Verfahren
(eine Faser pro Kunde) konkurrieren, und kosteneffektivere Verfahren
werden benötigt.
Bei optischen FTTH-Kommunikationssystemen
sind preiswerte Verfahren zum Befördern von optischen Signalen
in das Haus hinein und aus dem Haus heraus ein herausforderndes
Problem. Wenngleich das Zeitbereichsmultiplexieren (TDM) von Datenströmen ein
weiteres Verfahren zur Erhöhung
der Übertragungskapazität wäre, ist
es nicht wünschenswert,
ein spezifisches Netz mit teuren elektronischen Hochfrequenzkomponenten
aufzubauen, die sich in der Zukunft schwer erweitern lassen. Um
beispielsweise in ein einziges Haus Datenraten von 50 Mbit/s zu
liefern, würde
ein 32-Kanal-System Sender, Router, Verstärker, Empfänger und Modulatoren mit einer
Kapazität
von 1,5 Gbit/s erfordern. Es ist nicht wünschenswert, derartige teure
und modernste Komponenten in jedem Haus anzuordnen. Außerdem ist
es wünschenswert,
wenn von dem System im Feld und im Haus soviel wie möglich transparent
und passiv ist, d. h. von der Leitungsgeschwindigkeit unabhängig und
ohne Bestromungserfordernis. Zusätzlich
zu den Systemen mit einer niedrigen Datenrate, wie sie für den lokalen
Zugang erforderlich sind (50–155
MHz), würden
auch Systeme mit einer hohen Datenrate (622 MHz–2,5 Gbit/s) von WDM profitieren.
In einem derartigen Fall werden ähnliche
Probleme durch die Schwierigkeit hervorgerufen, eine Mehrfrequenzquelle
mit adäquater
Kanalabstimmung, Stabilität
und Modulationsbandbreite zu erhalten.
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Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht,
besteht ein andauernder Bedarf an einem effizienten und kosteneffektiven
WDM-System, das eine große Anzahl
von Spektralkanälen übertragen
kann.
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Aus EP-A-0 677 902 ist ein verstärktes Telekommunikationssystem
für Wellenlängenmultiplexierübertragungen
bekannt. Das Patent offenbart ein Telekommunikationssystem, das
in Kaskade geschaltete optische Verstärker enthält, die für eine Wellenlängenmultiplexierübertragung
angepaßt
sind, wobei eine Kombination aus Dotierstoffen im Faserkern ermöglicht,
für alle
Kanäle
in einem vorbestimmten Wellenlängenband
ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis
zu erzielen.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beschreibt
die Verwendung eines einzigen Hochgeschwindigkeits-Einkanal-Modulators
zum getrennten Modulieren jeder der Wellenlängen von gechirpten Lichtimpulsen
zur Verwendung in wellenlängengemultiplexten
Kommunikationssystemen, wodurch das Problem der Herstellung großer Arrays
von Modulatoren eliminiert wird, wobei ein Modulator für jede Wellenlänge verwendet
wird.
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Insbesondere stellt die vorliegende
Erfindung eine optische Wellenlängenvorrichtung
bereit, die eine optische Streuvorrichtung zum Empfangen kurzer
Lichtimpulse mit einer ersten Rate und Bilden einer Folge von gechirpten
Lichtimpulsen aus ihnen enthält,
die sich über
mehrere Zeitperioden erstrecken, wobei jede Zeitperiode einem anderen
optischen Wellenlängenkanal
zugeordnet ist. Ein optischer Modulator codiert den optischen Wellenlängenkanal
einer oder mehrerer der Zeitperioden von einzelnen ausgewählten der
gechirpten Lichtimpulsfolge unter Verwendung eines Datensignals,
das mit einer zweiten Rate arbeitet, die gleich oder größer ist
als die erste Rate, um ein codiertes optisches Signal zu bilden.
Bei einer Ausführungsform
reagiert der optische Modulator auch auf ein analoges Eingangssignal
mit einer vordefinierten (z. B. sinusförmigen) Amplituden- oder Phasenkennlinie,
die durch den optischen Modulator moduliert wird, um ein im wesentlichen
amplituden- oder phasenkompensiertes codiertes optisches Signal
zu erzeugen.
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Ein optisches Mehrwellenlängenkommunikationssystem
wird gebildet, indem die Mehrwellenlängenvorrichtung zusammen mit
einem Mehrwellenlängenempfänger verwendet
wird, um das empfangene codierte optische Signal zu mehreren modulierten optischen
Wellenlängenkanälen zu demultiplexieren.
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Eine weitere Ausführungsform stellt ein optisches
Duplexkommunikationssystem bereit, bei dem abwechselnde gechirpte
Lichtimpulse zur Codierung am Ort des Senders ausgewählt und
zusammen mit den nicht codierten gechirpten Lichtimpulsen zum Ort des
Empfängers
geschickt werden, wo sie codiert und dann zum Ort des Senders zurückgeschickt
werden. Alternativ können
die mehreren Zeitperioden der zum Empfänger geschickten gechirpten
Lichtimpulse in mindestens zwei Teile unterteilt werden, wobei ein
Teil mindestens einen optischen Wellenlängenkanal aufweist, der am
Ort des Senders codiert wird, und ein anderer Teil nicht codierte
optische Wellenlängenkanäle aufweist,
die dann am Ort des Empfängers
codiert werden und zum Ort des Senders zurückgeschickt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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In der Zeichnung zeigen:
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1(a) ein
beispielhaftes Frequenzspektrum eines modengekoppelten Laserimpulses;
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1(b) eine
ausführlichere
Ansicht eines beispielhaften Teils des modengekoppelten Impulsfrequenzspektrums
in 1(a), die mehrere
Resonatorlängsmoden
darstellt, die einen einzigen WDM-Kanal umfassen;
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2 ein
Blockschaltbild eines beispielhaften optischen wellenlängenmultiplexierenden Übertragungssystems
mit gechirpten Impulsen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3(a) ein
Diagramm, das die Eingangsfolge kurzer Lichtimpulse zeigt;
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3(b) ein
Diagramm, das zeigt, wie die Folge kurzer Lichtimpulse nach dem
Passieren des linearen Chirpfilters gedehnt und umgeformt wird,
und die Art und Weise, wie einzelne Datenbits auf die gechirpten
Impulse TDM-codiert werden;
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4(a) eine
Darstellung der zeitabhängigen
Frequenz des Lichtimpulses, wobei die einzelnen TDM-Bitpositionen angezeigt
sind;
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4(a) eine
Darstellung der zeitabhängigen
Frequenz des Lichtimpulses, wobei die einzelnen TDM-Bitpositionen angezeigt
sind;
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5 ein
Diagramm, das das Übertragungsspektrum
eines idealen Mehrkanalfilters für
ein WDM-System mit gechirpten Impulsen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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6(a) einen
Wellenleitergitterrouter, der gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden könnte;
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6(b) ein
Diagramm, das das Übertragungsspektrum
eines Mehrwellenlängenfilters
wie etwa eines Wellenleitergitterrouters zeigt, der ein periodisches Wellenlängenpaßbandspektrum
aufweist. Nur die mittleren Kanäle
sollen vom WDM-System unterstützt
werden;
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6(c) ein
Diagramm, das zeigt, daß Quellenkanäle, die
außerhalb
des für
Spektralkanäle
gewünschten
Gebiets fallen, durch TDM-Codierung von Nullen für die Austastkanäle eliminiert
werden können;
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7 ein
Diagramm, das zeigt, wie WDM-Splitterbauelemente mit ungleichem
Kanalabstand gemäß der vorliegenden
Erfindung durch zeitliches Verschieben der einzelnen Datenbits verwendet
werden können;
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8 ein
Blockschaltbild eines beispielhaften optischen Netzes für lokalen
WDM-Zugang gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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9 ein
beispielhaftes Diagramm des Zeigens des Mittels zum Synchronisieren
der TDM-Datenquelle mit dem modengekoppelten Laser unter Verwendung
einer Rückkopplungsschleife
von dem modengekoppelten Laser;
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10 ein
beispielhaftes Diagramm eines weiteren Kopplungsverfahrens zum Implementieren einer
Mehrkanalabstimmung über
Rückkopplung vom
Wellenlängenrouter;
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11 ein
beispielhaftes Diagramm, das eine Ringnetzarchitektur zeigt, bei
der über
Mehrkanal-WDM eine große
Anzahl von Kanälen
(16, 32, 64 oder 128) übertragen
und eine Prüfschleifen-
oder Zwei-Wege-Kommunikation
ermöglicht
wird;
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12(a) bis 12(f) beispielhafte Wellenformen,
die die Verwendung eines analogen Signals zusätzlich zu dem digitalen Datensignal
zeigen, um das Wellenlängenspektrum
von der modengekoppelten optischen Quelle zu kompensieren;
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13(a) eine
Fasergitterbaugruppe zum Erzeugen einer gechirpten Impulsfolge und
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13(b) die
TDM-Codierung der gechirpten Impulsfolge.
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Ausführliche
Beschreibung
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In der folgenden Beschreibung ist
jeder Einheit oder jedem Block jeder Figur eine Bezugsbezeichnung
zugeordnet, deren erste Zahl sich auf die Figur bezieht, in der
diese Einheit zuerst angeordnet ist (z. B. ist 101 in 1 angeordnet).
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein optisches Mehrwellenlängenübertragungs-
und -empfangssystem mit einer einzigen Quelle bereit, das sich zum Einsatz
in einer großen
Vielfalt von Anwendungen eignet. Durch die vorliegende Erfindung
erübrigt
sich die Notwendigkeit mehrerer Lichtquellen in WDM-Breitbandsystemen,
sie verwendet nur einen einzigen optischen Breitbandmodulator und
sorgt für eine
einfache und effiziente Kanalabstimmungsanpassung mit der WDM-Routerkomponente,
die die Datenströme
im Feld trennt. 1(a) zeigt
ein beispielhaftes Spektrum eines kurzen Lichtimpulses. Ein kurzes
Lichtimpulssignal enthält
eine große
optische Bandbreite 101, wie von der Unschärferelation gefordert. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird
als Signalquelle ein 50–100-fs-Impuls von einer modengekoppelten
Laserquelle (z. B. 201 von 2) mit
einer durch die Abwärtsdatenrate
festgelegten Folgefrequenz verwendet. Die Folgefrequenz des Lasers
wird durch die der Anwendung entsprechende Abwärtsdatenrate bestimmt. Bei
einer Anwendung mit lokalem Zugang kann die Rate beispielhaft bei
50 MHz liegen.
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Ein derartiger Impuls weist eine
Bandbreite 101 von etwa 5 THz (5 × 1012 Hz)
auf, die ausreicht, bei einem Kanalabstand 102 von 100 GHz bis zu
50 Datenkanäle
zu unterstützen. 1(b) zeigt eine vergrößerte Ansicht
des Impulsspektrums eines Kanals von 1(a).
Der Längsmodenabstand
103 ist im Ausführungsbeispiel
gleich der Folgefrequenz von 50 MHz. Es wird in der Regel erwartet,
daß WDM-Kanalabstände im Bereich
von 100–200
GHz liegen; deshalb enthält
jeder WDM-Kanal mehrere Tausend Längsmoden. Der modengekoppelte
Laser wirkt als solcher als eine optische „Kontinuum"-Quelle, die jeden WDM-Kanal mit vielen
Längsmoden
füllt,
und die einzelnen Moden brauchen nicht mit den WDM-Kanalfrequenzen „gekoppelt" zu sein. Dies ist
eine höchst
erwünschte
Eigenschaft für
einen WDM-Sender. Es sei angemerkt, daß WDM-Kanäle nach Spezifikation einen
gleichmäßigen Frequenzabstand
wie etwa 100 oder 200 GHz aufweisen. Da die Wellenlänge und
die Frequenz in einer umgekehrten Relation stehen, sind die Wellenlängen der
jeweiligen Kanäle nicht
präzise
gleich. Über
eine 50 nm-Bandbreite hinweg ist der Fehler, wenn man gleiche Wellenlängenabstände annimmt,
gering; deshalb werden, wenn dies zweckmäßig ist, beide Ausdrücke verwendet.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Blockdiagramm eines WDM-Systems mit gechirpten
Impulsen, das einen Sender 200 und einen Empfänger 210 enthält. Ein
kurzer Lichtimpuls vom Laser 201 wird linear gechirpt,
indem er durch eine Streuvorrichtung 202 geschickt wird,
z. B. eine standardmäßige Telekommunikationsfaser
wie etwa eine optische Einknotenfaser, mit einem sorgfältig gewählten Dispersionsparameter
D und einer Länge
im Bereich von etwa 1–20
km. Der linear gechirpte Impuls tritt je nach der Bandbreite der
anfänglichen
Quelle und dem Dispersion-Längen-Produkt
der sich erstreckenden Faser mit einer Impulsbreite von 1–20 ns aus.
Beispielsweise beträgt
der Dispersionsparameter D bei der AT&T-Telekommunikationsfaser 5D 17 ps/nm-km. Diesen
gechirpten Impuls kann man sich so denken, daß er aus einer Reihe von Impulsen
mit jeweils nacheinander zunehmender (oder je nach dem Dispersionsvorzeichen
abnehmender) Wellenlänge
besteht. Mit dem Ausgang der Streuvorrichtung 202 kann
wahlweise ein frequenzabhängiges
Filter 206 (wie etwa ein mantelabwerfendes Fasergitter
oder ein Mehrschichtinterferenzfilter) verbunden sein, damit die
Leistungsspektren von einigen oder allen optischen Wellenlängenkanälen kompensiert
werden.
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Bei einer Ausführungsform erzeugt eine Datenquelle 203 mehrere
niederfrequente Datensignale (in der Regel 32 Kanäle bei 50
Mbit/s), die von einer elektronischen TDM-Einheit 204 bis
zu einer hohen Datenrate (1,6 Gbit/s) 205 zeitgemultiplext
(TDM) werden.
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3(a) zeigt
eine Folge kurzer Lichtimpulse (mit einer Folgefrequenz T = 1/γ = 20 ns),
und 3(b) zeigt, wie
die einzelnen kurzen Lichtimpulse durch die Wirkung der geradlinigen
chirpenden Streuvorrichtung 202 gedehnt werden. 3(b) zeigt als Veranschaulichung
auch, daß nur
die Hälfte 301 aller
Wellenlängenkanäle, die
erzeugt werden, nachdem sie durch ein geradliniges chirpendes Filter
geschickt werden (d. h. die Faser der Streuvorrichtung 202),
verwendet werden (d. h. ΔT
= 1/2γ).
Die Wellenform 302 stellt den kombinierten Frequenzgang der
Elemente 201, 202 und 206 dar. Wegen
der Filterkennlinie wird nur ein Bruchteil (1/2) der verfügbaren Wellenlängenkanäle genutzt.
Dies liefert bei der Amplitude der verwendeten Wellenlängenkanäle eine
größere Gleichförmigkeit
und auch ein Schutzband zwischen benachbarten Gruppen von Wellenlängenkanälen.
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Das in 301 gezeigte Datenmuster
ergibt sich, nachdem die Wellenlängenkanäle des Lichtsignals mit
gechirpten Impulsen vom Modulator 207 unter Verwendung
des eine hohe Datenrate aufweisenden Signals 205 codiert
wurden. Das eine hohe Datenrate aufweisende Signal 205 muß eine Datenrate
aufweisen, die gleich der Rate (γ)
der Rate des gechirpten Impulses multipliziert mit dem Doppelten
der Anzahl der verwendeten Wellenlängenkanäle 301 ist. Wie in 3(b) gezeigt, enthält 301 8
Wellenlängenkanäle. Falls
alle 16 Wellenlängenkanäle verwendet
werden könnten
(mit einer idealen Filterkennlinie 302), würde die
Datenrate natürlich
das Sechzehnfache der Rate des gechirpten Impulses betragen. Falls
außerdem
in jeder Periode T nur ein Wellenlängenkanal verwendet würde, wäre die Datenrate
gleich der Rate des gechirpten Impulses.
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Wie angemerkt, wird das eine hohe
Datenrate aufweisende Signal 205 auf das Lichtsignal mit
einem gechirpten Impuls codiert, indem es durch einen optischen
Breitbandmodulator 207 geschickt wird. Dieser Modulator 207 kann
Lichtsignale über
einen großen
Wellenlängenbereich
(in der Regel eine Bandbreite von 50 nm) modulieren und weist eine
geringe Polarisationsabhängigkeit
auf. Ein InGaAsP-Volumenwellenleitermodulator
ist der bevorzugte Modulator 207 für diese Ausführungsform, doch
könnte
ein beliebiger optischer Breitbandmodulator verwendet werden. Die
Frequenz des modengekoppelten Lasers 201 ist so eingestellt,
daß sie
gleich der gewünschten
Datenrate ist, und mit einem ganzzahligen Bruchteil der Datenquelle 203 synchronisiert.
Der gechirpte Impuls ist nach dem Durchschicken durch den Modulator 207 tatsächlich eine
Folge von modulierten Datenimpulsen 301 mit jeweils einer anderen
Wellenlänge.
Jede andere Wellenlänge
(hier als ein Kanal bezeichnet) wird mit auf diesem jeweiligen Kanal
zu übertragenden
Informationen moduliert. Der Sender 200 der vorliegenden
Erfindung stellt ein Verfahren zum Übertragen von Daten auf vielen
getrennten Wellenlängenkanälen bereit,
wobei nur eine einzige Breitband-Mehrfrequenzquelle verwendet wird,
von denen ein modengekoppelter Laser die bevorzugte Ausführungsform
darstellt.
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Das Ausgangssignal des Modulators 207 wird über ein
optisches Medium 208 (z. B. eine optische Faser) zu einem
Mehrwellenlängenempfänger 210 (z.
B. einem passiven WDM-Splitterrouter) übertragen, der das empfangene
optische Signal zu mehreren modulierten optischen Wellenlängenkanälen 209 (z.
B. 50-MHz-WDM-Kanäle) demultiplexiert.
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Das Übertragungssystem von 2 ist extrem vielseitig,
da die anfängliche
optische Quelle 201 keine festen „Kanäle" aufweist, sie ist vielmehr ein optisches
Kontinuum. Die größte Anzahl übertragener
Kanäle
wird durch die Bandbreite der Quelle und den WDM-Kanalabstand bestimmt. Über die
folgenden Beziehungen kann ein WDM-Sender 210 mit gechirpten
Impulsen ausgelegt werden: τ =
D·L·Δλ und τ = 1/N·νD,
wobei τ der
Zeitschlitz pro Bit, D der Dispersionsparameter der Faser, L die
chirpende Faserlänge, Δλ der Kanalabstand,
N die Anzahl der Kanäle
und νD die Abwärtsdatenrate
ist (im vorliegenden Beispiel 50 MHz). Der WDM-Sender 200 mit
gechirpten Impulsen ist ein vielseitiges Konzept, das mit einer
Vielfalt von Datentypen (z. B. analog oder digital) und Modulationstypen
(Amplitude, Solitonen, Impulsbreite usw.) verwendet werden kann,
die bei einer Vielfalt von Datenraten arbeiten, und für eine Vielfalt von
Anzahlen von Kanälen.
Außerdem
ist zwar beschrieben worden, daß der
Sender 200 als die optische Streuvorrichtung 202 eine
streuende optische Einmodenfaser verwendet, doch versteht sich,
daß auch
ein optisches Prisma oder ein optisches Gitter verwendet werden
könnten.
Die Funktion des optischen Gitters kann beispielhaft durch eine
Folge optischer Gitter wie in 13 gezeigt
bereitgestellt werden, wie in einem späteren Absatz beschrieben.
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Wenngleich beschrieben worden ist,
daß der Empfänger 210 einen
passiven WDM-Splitter oder -Router verwendet, so ist zu verstehen,
daß ein
Wellenleitergitterrouter, ein Beugungsgitter, ein Interferenzfilterarray
oder eine andere Vorrichtung zum Demultiplexieren des empfangenen
optischen Signals zu den mehreren modulierten optischen Wellenlängenkanälen verwendet
werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann, wenn ein WDM-Splitter
im Empfänger 201 aufgerüstet oder
geändert
wird (was Änderungen
bei den Wellenlängenkanälen hervorruft),
die TDM-Quelle beim Sender 200 leicht geändert werden,
um den neuen Wellenlängenkanal
zu berücksichtigen.
Der vorliegende Ansatz ist attraktiv, da sich die Hochgeschwindigkeits-TDM-Elektronik
beim Sender 200 befindet, der sich bei einem Vermittlungsamt
befinden kann, und der einfache passive WDM 211 (beim Empfänger 210)
befindet sich buchstäblich
im Feld, wo er schlechter zugänglich
ist und wo aggressivere Umgebungsbedingungen vorherrschen.
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4(a) zeigt
eine Zeit-Frequenz-Kurve des gechirpten Lichtimpulses. Der auf den
gechirpten Impuls zu codierende Hochgeschwindigkeitsdatenstrom ist
ebenfalls gezeigt. Wie in dieser Figur gezeigt, wird jedes TDM-codierte Bit 401 auf
einer anderen benachbarten Wellenlänge 402 übertragen. Damit
die Datenbit am stromabwärts
gelegenen Ende ordnungsgemäß getrennt
werden, müssen
die Zeitverzögerungen
ordnungsgemäß eingestellt
werden, da die Zeitverzögerung
relativ zu der Hüllkurve der
gechirpten Impulse die Frequenz jedes Kanals bestimmt. Bei eigentlichen
WDM-Bauelementen (beim Empfänger 210)
wird durch Temperaturschwankungen eine signifikante Verschiebung
der Wellenlängenkanäle verursacht.
Falls der Sender 200 die Wellenlängen der Datenkanäle nicht „abstimmen" oder verschieben
kann, so daß sie
dem neuen Kamm von Wellenlängen
im WDM-Bauelement
entsprechen, verlieren die Kanäle
die Anpassung und die Daten gehen verloren oder werden zu den falschen
Stellen übertragen.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß der Sender 200 alle
Wellenlängen 402 zusammen
verschieben kann, um den Wellenlängenkamm
für jede
Temperatur korrekt auf die WDM-Übertragungskanäle 401 anzupassen,
indem lediglich der TDM-Datenstrom phasenverschoben wird, wie in 4(b) gezeigt. In dem ersten
gezeigten Fall wird Datenbit Nr. 4 (λ4) mit
einer bestimmten Wellenlänge übertragen. Im
unteren Teil der Figur wurde Datenbit Nr. 4 später durch Einführen einer
geringen Zeitverzögerung
phasenverschoben, weshalb Datenbit Nr. 4 bei einer geringfügig anderen
Wellenlänge übertragen
wird. Gleichzeitig wird Datenbit Nr. 17 (λ17)
um den gleichen Wellenlängenoffset
verschoben. Deshalb kann der ganze Wellenlängenkamm simultan verschoben werden,
indem ein einziger Parameter nachgestellt wird: die Synchronisation 220 zwischen
dem TDM-Datenstrom und dem Takt der gechirpten optischen Quelle.
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5 zeigt
das Übertragungsspektrum
(den Wellenlängenkamm)
eines idealen Mehrkanalfilterbauelements (z. B. Wellenleitergitterrouter 211),
das beim Empfänger 210 verwendet
werden kann. Dieses Bauelement 211 wählt jeden aufeinanderfolgenden
Wellenlängenkanal
aus und leitet ihn zu einer eigenen optischen Faser (209),
und zwar mit sowenig Verlust auf dem Kanal wie möglich und mit sowenig Nebensprechen
zwischen Kanälen
wie möglich. 6(a) zeigt ein integriert-optisches
WDM-Bauelement,
das herkömmlicherweise
zum Implementieren eines derartigen Wellenleitergitterrouters (WGR) 211 verwendet
wird. 6(b) zeigt die
periodische Paßbandübertragungskennlinie
für ein
derartiges Bauelement. Innerhalb der Bandmitte befindet sich eine Reihe
erwünschter Übertragungskanäle. Außerhalb dieses
Gebiets weisen die integriert-optischen WGR-Komponenten ein periodisches
Paßbandverhalten
auf. 6(c) zeigt ein
typisches Übertragungsintensitätsspektrum.
Man beachte, daß Komponenten,
die außerhalb
des gewünschten
Kanalgebiets 601 liegen, effektiv „ausgetastet" werden können, indem „0"-Datensignale in
den entsprechenden TDM-Zeitschlitzen 602, 603 übertragen
werden. Dadurch verbessert sich das Nebensprech-/Signal-Rausch-Verhältnis des
Systems insgesamt. Dieses WDM-Bauelement 211 liefert, wenn
es in Verbindung mit dem obenbeschriebenen Sender 200 für gechirpte
Impulse verwendet wird, einen passiven WDM-Empfänger 210 für das WDM-Übertragungs-/Empfangssystem
von 1. Integrierte-Optik-Versionen
des WDM-Bauelements 211 sind in Siliciumoxid-auf-Siliciumsubstraten
und mit InGaAsP-Wafern, die Verstärker auf dem Wafer enthalten,
ausgeführt
worden. Damit man einen passiven WDM-Empfänger
erhält,
könnten
auch massive Komponenten, die aus Faserarrays und Gittern bestehen,
oder mehrere Interferenzfilterkomponenten verwendet werden.
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7 zeigt,
daß sogar
WDM-Splitter mit ungleichen Kanalabständen 701 lediglich
durch Phasenverschieben des TDM-Datenstroms dazu gebracht werden
können,
mit dem gegenwärtigen TDM-Sender
zu funktionieren.
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8 zeigt
ein beispielhaftes Netz, in dem ein derartiges WDM-Übertragungssystem
mit gechirpten Impulsen installiert werden würde. Daten treten von einer
Datenquelle oder einem anderen Netz aus in ein Schaltnetz 801 ein.
Das Schaltnetz 801 formatiert die Mehrkanaldaten zu einem
mit dem WDM-Sender zu verwendenden Hochgeschwindigkeits-TDM-Strom.
Der WDM-Sender 803 mit
gechirpten Impulsen codiert dann den Hochgeschwindigkeits-TDM-Datenstrom
auf das breitbandige Ausgangssignal des modengekoppelten Lasers
und überträgt die Daten über eine Übertragung 804 (10– 20 km)
zu der abgesetzten Stelle, wo sich das WDM-Splitterbauelement 805 befindet.
Die einzelnen Wellenlängenkanäle werden
dann bei dem WDM-Bauelement 805 getrennt und jedes Wellenlängensignal
wird zu einer eigenen ONU (optische Netzeinheit) 806 gelenkt,
die die Daten mit einem bei 50 MHz arbeitenden preiswerten niederratigen
Decodierempfänger
empfängt.
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9 zeigt
einen WDM-Sender, der eine elektronische Synchronisierungssteuerschaltung enthält, die
die Folgefrequenz (50 MHz) des modengekoppelten Lasers auf einen
Wert gleich der Abwärtsdatenrate
synchronisiert. Die TDM-Schaltung 901 liefert Daten an
einen Modulationstreiber 905 und einen Modulator 906 zum
Codieren des gechirpten Lasersignals 907. Die TDM-Schaltung 901 verwendet
außerdem
einen Zähler 902,
um ein Synchronisationssignal 903 mit der Abwärtsdatenrate
(50 MHz) zu erzeugen, das an den modengekoppelten Laser 904 angelegt
wird. Der passiv modengekoppelte Laser 904 kann extern
mit diesem externen Standard synchronisiert werden, wobei eine Rückkopplungsschaltung 908 mit
Phasenregelkreis-Servobauelementen und HF-Mischtechniken verwendet wird. Der Vorgang
des Hinzufügens 910 des
analogen Signalbias 909 zu den TDM-Modulierungsdaten 908 wird
in einem späteren
Absatz beschrieben.
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10 zeigt
die Hinzufügung
einer Rückkopplungstechnik
zu dem WDM-Sender von 9, um
sicherzustellen, daß die
korrekten Wellenlängen beim
WDM-Splitter 1010 am Empfängerort demultiplexiert werden,
um eine Temperaturverschiebung der Wellenlängenkanäle beim WDM-Sender zu kompensieren.
Ein Phasenschieber (veränderliche
Zeitverzögerung) 1001 wird
in die Modulatoransteuerleitung geschaltet. Einer der WDM-Kanäle (z. B.
Kanal 1 von 1) wird
nach dem Durchgang durch den WDM-Splitter 1010 durch den
Reflektor 1006 zurückreflektiert,
und das reflektierte Signal wird mit einem Detektor 1002 überwacht,
der durch ein Filter 1003 blickt, das nur die Wellenlängen von
Kanal 1 durchläßt. Dieser
Detektor erzeugt ein Fehlersignal 1004, das zur Steuerschaltung 1005 zurückgeführt wird,
die ein Steuersignal zum Steuern des Phasenschiebers 1001 erzeugt.
Diese Schleife stellt dann sicher, daß der WDM-Splitter 1010 selbst
bei Temperaturschwankungen immer auf den WDM-Sender abgestimmt ist.
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11 zeigt
eine Ringnetzarchitektur, bei der sich die Fähigkeit zum Übertragen
und Zuordnen einer großen
Anzahl von Spektralkanälen
(32, 64 oder 128) als vorteilhaft herausstellen kann. Bei Unterwasserlichtwellenkommunikationsverfahren beispielsweise
ist beim Systemdesign eine größere Granularität wünschenswert.
In diesem Fall werden flexible bidirektionale Mehrkanal-WDM-Verfahren
erforderlich. In 11 ist
eine zentrale Stelle 1101 gezeigt, die über eine bidirektionale Fasereinrichtung 1104 (mit
getrennten Fasern 1104a und 1104b für jede Richtung
gezeigt) mit mehreren Hubstellen (z. B. 1103) verbunden
ist. Wie in 11 gezeigt, überträgt ein Mehrwellenlängen-WDM-Sender 1105 mit
gechirpten Impulsen gemäß der vorliegenden
Erfindung mit dem Doppelten der gewünschten Abwärtsdatenrate, das heißt, er überträgt einen
unmodulierten gechirpten Impuls 1102b nach jedem datenmodulierten gechirpten
Impuls 1102a, wie in 11(b) gezeigt. Bei
einer Reihe von Hubs (z. B. 1103) werden die Signale mit
einem passiven wellenlängenunabhängigen Splitter
abgegriffen, wodurch jeder Hub auf alle Wellenlängenkanäle Zugang hat. Ein Filter (z.
B. 1106) trennt einen oder mehrere der gewünschten Wellenlängenkanäle (z. B.
Kanäle
1, 5, 19) zur Lieferung von Daten zu dem jeweiligen Hub. Einzelne Empfänger 1107 greifen
diese Signale ab und erfassen die Abwärtsdaten. Der Rest der Signale
läuft durch
einen optischen Breitbandmodulator 1108 hindurch, der den
Rest der Abwärtsdaten
absorbiert und die Aufwärtsdaten
(z. B. 1109) überträgt, indem
er sie auf den unmodulierten gechirpten Impuls 1102a codiert.
Der modulierte gechirpte Impuls wird dann in einen getrennten Faserring 1104b gekoppelt
und zurück
zur zentralen Stelle 1101 übertragen, wo ein Empfänger 1110 die
Daten erfaßt.
Diese Architektur weist mehrere Vorzüge auf: keine aktiven Mehrfrequenz-(Laser)-Bauelemente sind
in den Hubs 1103 erforderlich; es besteht keine Notwendigkeit
für Wellenleitergitterrouter
in den Hubs; und es liegt infolge der größeren Anzahl von Wellenlängenkanälen, die durch
den WDM-Sender 1105 mit
einer einzigen Quelle und gechirpten Impulsen zur Verfügung gestellt
werden, eine größere „Granularität" vor.
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Unter gemeinsamer Bezugnahme auf
die 9 und 12 ermöglicht ein weiterer Aspekt
der vorliegenden Erfindung, die getrennten Wellenlängensignale
unter Verwendung eines analogen elektronischen Signals elektronisch
zu kompensieren. Allgemein emittieren modengekoppelte Laser (z.
B. 904) Impulse mit einer Spektralform, die durch eine
Parabel angenähert
werden kann (12(a)).
Nach dem Chirpen weisen diese Impulse eine ungleichmäßige Wellenlängenamplitudenverteilung
auf (12(b)). Nach Modulation
mit digitalen TDM-Daten von Leitung 908 (12(c)) ergibt sich ein unkompensiertes TDM-codiertes
Datensignal (12(d)).
Dies kann kompensiert werden, indem in den digitalen Signalen verschiedene
Spannungsimpulse mit etwa der gleichen Amplitude gewählt werden.
Es kann jedoch möglicherweise
schwierig sein, diesen Ansatz mit elektrischen GB/s-Wellenformen
zu implementieren. 12(f) zeigt,
daß durch
Addieren (unter Verwendung des Addierers 910) eines analogen
Signals auf Leitung 909, 12(e),
wie etwa einer Sinuswelle mit einer Frequenz gleich der zugrundeliegenden
Abwärtsrate
(z. B. 50 MHz) mit korrekter Phase zum digitalen TDM-Datenmodulatorsignal
auf Leitung 908, 12(c),
der optische Breitbandmodulator 906 veranlaßt werden
kann, das ungleiche Laserspektrum, 12(a),
zu einer ersten Ordnung zu korrigieren. Das sich ergebende kompensierte
Datensignal ist in 12(f) gezeigt.
Der Amplitudenverlust kann durch weitere Verstärkung wettgemacht werden. Noch
weitergehend kann durch Addieren von aufeinanderfolgenden HF-Harmonischen
zum analogen Signal, 12(e),
mit korrekter Amplitude und Phase ein optisches Spektrum willkürlicher
Form vollkommen kompensiert werden. Weiterhin kann die HF-Phasenmodulation
auf analoge Weise angewendet werden, um die Frequenzabstände der
Wellenlängenkanäle zu kompensieren.
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Unter Bezugnahme auf 13 wird eine Fasergitteranordnung beschrieben,
die eine Reihe gechirpter Impulse erzeugt, ohne daß die lange
dispergierende Faser verwendet wird, die oben erörtert und in 202 von 2 gezeigt wurde.
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13(a) zeigt
eine alternative Konfiguration für
das Chirpen des kurzen Lichtimpulses. Das in 13(a) gezeigte optische Bauelement ersetzt
Element 202 und ist zwischen die Laserquelle 201 und das
Kompensationsfilter 206 geschaltet. Ein kurzer Impuls wird
durch einen 3 dB-Optokoppler 1301 übertragen und von einer Reihe
von Fasergittern 1302 reflektiert. Wie die Reflexionskennlinie 1303 zeigt,
reflektiert jedes Fasergitter ein schmales, einem individuellen
optischen WDM-Kanal entsprechendes optisches Spektralband. Die Fasergitter 1302 werden
hinsichtlich größtem Reflexionsgrad von
der niedrigsten Wellenlänge λ1 bis
zur höchsten Wellenlänge λn (oder
umgekehrt) angeordnet und an spezifischen Stellen in einer optischen
Faser ausgebildet oder in diese geschrieben. Sie sind physisch um
einen Betrag d beabstandet, der gegeben ist durch die Lichtgeschwindigkeit
c mal dem TDM-Zeitabstand
dividiert durch das Doppelte des effektiven Brechungsindexes der
Faser. Ein 2,5 Gb/s-TDM-Signal beispielsweise würde bei einer typischen optischen
Faser einen physischen Abstand von 4 cm erfordern. Die von einer
derartigen Reihe von Fasergittern reflektierte Impulsfolge 1304 besteht
aus einer Reihe kurzer Lichtimpulse (Dauer –10 ps) bei einer Reihe von
ansteigenden optischen Wellenlängen. Wie
in 13(b) gezeigt, ist
der Zeitabstand der Impulsfolge 1304 gleich dem TDM-Abstand 1305. 13(b) zeigt die Beziehung
zwischen jeder Wellenlänge
(λ1–λn)
und der Stelle ihres Lichtimpulses in der aus dem Koppler 1301 austretenden
Impulsfolge 1304. Diese Impulsfolge wird dann durch den
optischen Modulator 207 geschickt und mit dem TDM-Datenstrom
codiert. Dadurch entsteht eine Reihe von Lichtimpulsen 1304,
die mit den Daten 1305 codiert sind, und diese Impulse
werden übertragen und
vom WDM-Splitter 211 in getrennte Wellenlängen 1306 aufgeteilt,
und zwar auf eine Weise, die mit der vorausgegangenen Erörterung
identisch ist.
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13(b) zeigt
die aus dem 3 dB-Koppler austretenden Zeitsequenz von Lichtimpulsen,
die dem TDM-Datenstrom überlagert
ist. Weiterhin zeigt 13(b) die
Art und Weise, wie die Wellenlängen der
einzelnen Impulse mit der Zeit zunehmen, synchron mit den TDM-Bits.
Kleine Zeitverschiebungen des TDM-Datenstroms 1305 führen bei
dieser Ausführungsform
nicht zu Änderungen
der einzelnen optischen Spektren.
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Es gibt mehrere Hauptunterschiede
bei der Verwendung dieses Ansatzes mit den Fasergittern 1302.
Zunächst
sollte ein derartiges chirpendes Fasergitterbauelement 1302 viel
kompakter sein als eine in 202 gezeigte 16 km-Faserspule;
zweitens sollte es prinzipiell weniger kosten, und drittens sollte es
eine rigoros feste Reihe von WDM-Kanälen erzeugen, die sich nicht
ständig
mit der TDM-Phase verschieben, solange die Phasenverschiebung innerhalb
des TDM-Bit-Zeitabstands bleibt. Eine derartige Kennlinie kann für bestimmte
Anwendungen wünschenswert
sein, bei denen eine rigorose Taktungspräzision unmöglich ist.
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Es sei angemerkt, daß es möglich wäre, die Reihe
von Fasergittern 1302 mit einem einzigen gechirpten langen
Fasergitter zu ersetzen. In einem derartigen Fall wäre das Ausgangssignal
des 3 dB-Kopplers ein einziger langer gechirpter Lichtimpuls, und
dann wird die oben (in 4(b))
erörterte Wellenlängenabstimmung
für den
Fall der chirpenden Faser wiedergewonnen.
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Wenngleich die obige ausführliche
Beschreibung die vorliegende Erfindung hauptsächlich im Hinblick auf bestimmte
Anwendungen von WDM-Systemen mit einer einzigen Quelle beschrieben
hat, ist zu verstehen, daß die
erörterten
Ausführungsformen
nur beispielhaft sind. An den gezeigten Anordnungen können viele
Abänderungen
vorgenommen werden, einschließlich
der Art der optischen Signalquelle, der Art des impulschirpenden
Mediums, der Art des optischen Modulators, der Art des WDM-Splitters
und der Art der Netzarchitektur für die Implementierung eines
WDM-Systems mit gechirpten Impulsen. Dem Fachmann sind diese und
weitere Alternativen und Abänderungen
ohne weiteres ersichtlich, und die vorliegende Erfindung wird deshalb nur
durch die beigefügten
Ansprüche
begrenzt.