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Gebiet der Erfindung
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Verstärktes, faseroptisches
Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem
zum Minimieren von Raman-Nebensprechen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Zur
Geschichte von Fortschritten, welche faseroptische Kommunikationssysteme
gemäß dem Stand
der Technik ermöglichen,
gehören:
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Einzelmodusfaser,
die Kapazitätsbegrenzungen
vermeidet, die aufgrund von Modusdispersion vorkommen;
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Zusammensetzungen,
Entwürfe
und Herstellungsart, um Fasereinlegeverluste auf die heutigen Größen von
0,2 dB/km–0,25
dB/km zu verringern;
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Feststellen
des Transparenzfensters λ = 1550
nm in Siliziumfasern;
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Design
einer dispersionsverschobenen Faser (DSF), um chromatische Dispersion
zu eliminieren und hohe Bitraten bei nominalen Systemwellenlängen von
1550 nm zu ermöglichen;
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Verkettung
und Dispersionsausgleich, um in dispersiven Fasern hohe Signalbitraten
aufrechtzuerhalten;
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Wellenlängenmultiplexen
(WDM), um einen Vielkanalbetrieb in einer Einzelfaser zu ermöglichen;
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Erbiumdotierter
Faserverstärker
(EDFA), um sowohl die Spannenlänge
zwischen den Regeneratoren zu erhöhen und gleichzeitig die zugehörigen Kanäle eines
WDM-Satzes bei der nominalen Systemwellenlänge von λ = 1550 nm zu verstärken;
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Raman-Verstärkung als
Alternative zum EDFA oder zum Einsatz bei anderen Wellenlängen;
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Erkennen
der Unfähigkeit
der DSF für
WDM hoher Dichte wegen 4-Wellen-Mischen (4WM), und
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Einführung von
endlicher Dispersionsfaser zum Überwinden
des 4WM, siehe U.S. Pat. 5,327,516 vom 5. Juli 1994 und U.S. Patentanmeldung
S/N 08/069952, eingereicht am 28. Mai 1993, die verwandte Systeme
und Alternativen beanspruchen, die DSF vermeiden.
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Typische,
sich in der Planung befindlichen Systeme im Stand der Technik stellen
360 km Faserspannenlängen
bereit, und zwar einschließlich
von zwei EDFAs, 4-Kanal-WDM-Betrieb
und 2,5 Gbit-Betrieb pro Kanal, was zu einer Systemkapazität von 10 Gb
führt.
Größere Systemkapazität – mehr Kanäle und/oder
höhere
Bitraten pro Kanal – sind
zugelassen.
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Es
sollen nun noch größere Systeme
betrachtet werden, die nicht mehr durch die 4WM-Kapazität begrenzt
sind. Fernübertragungssysteme
ultrahoher Kapazität
können
durch Nebensprechen, das von Raman-Streuung (SRS) stimuliert wird,
erheblich begrenzt werden. Bei diesem scheinbar unlösbaren, nichtlinearen
Phänomen
ergibt sich zwischen nebeneinanderliegenden Impulsen ein Energietransfer
von Hochfrequenz- zu Niederfrequenzkanälen.
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In
einer Abhandlung mit dem Titel „Compensation of nonuniform
gain induced by Raman scattering and EDFAs in ultralong-distance
WDM links" [„Ausgleich
von nichtgleichförmigem
Gewinn, der bei Ultralangstrecken-WDM-Verbindungsabschnitten durch Raman-Streuung
und EDFA's eingeleitet
wird"] von X Y Zou
et al, OFC Conference Paters '95
Seite 152–153
IEEE, beschreiben die Autoren ein WDM-System, das eine Kaskade von
EDFAs zum Verstärken
einsetzt. Obwohl sie angeben, daß EDFA-Verstärkung allgemein
von der Wellenlänge
abhängig
ist, wobei längere
Wellenlängen
einen höheren
Verstärkungsfaktor
aufweisen, weist die Abhandlung auf einen schmalen Wellenlängen-Betriebsbereich
zwischen 1560nm und 1564nm hin, in welchem die Abhängigkeit
umgekehrt ist. Es wird postuliert, daß sich bei einem Betrieb innerhalb
dieses Wellenlängenbereichs
ein Teilausgleich für
wahrscheinlich vorzufindende SRS-Verstärkung ergibt, da der spektrumabhängige Verstärkungsfaktor
die längeren
Wellenlängen
favorisiert.
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Weiterhin
werden in einem Artikel mit dem Titel „Transmission of many WDM
channels through a cascade of EDFA's in long-distance links and ring networks" [„Übertragung
vieler WDM-Kanäle über eine
Kaskade von EDFA's
in Langstrecken-Verbindungsabschnitten und Ringnetzwerken"] von Alan E Willner
und Syang-Myau Hwang, Journal of Lightwave Technology Vol 13, No
5, Seite 802–816,
die Übertragungeigenschaften
eines WDM-Systems
beschrieben, das eine Kaskade von EDFAs verwendet. Die Empfindlichkeit
des EDFA-Verstärkungsfaktor-Spektrums gegenüber der
Wellenlänge
wird beschrieben, sowie auch der Einsatz eines Kerbfilters, um die
SNR-Leistung auszugleichen.
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Terminologie
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WDM
(Wellenlängenmultiplexen) – Vielkanalbetrieb,
allgemein dicht beieinanderliegend, typischerweise ≤ 5 nm, so
daß ein
WDM-Satz von der spektralen Breite eines einzelnen optischen Verstärkers aufgenommen
werden kann (z.B. ein 10-Kanalsatz mit einer Kanaltrennung von 0,5–1,5nm,
um in die 10–20nm
spektrale Breite eines erbiumdotierten Faserverstärkers zu
passen).
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Faserspannenlänge oder „Spannenlänge" – Länge einer Faser ohne elektronische
Umwandlung. Innerhalb des Zusammenhangs der Erfindung kann eine
Spannenlänge
einen oder mehrere Verstärker enthalten.
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SRS-Nebensprechen – Stimulierte
Raman-Streuung, wobei ein Hochfrequenz-WDM-Kanal durch den Energietransfer
zu einem Niederfrequenz-Kanal aufgrund von molekularer Vibration
verarmt wird.
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EDFA – erbiumdotierter
Faserverstärker.
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Chromatische
Streuung oder „Streuung" – wellenlängenabhängige Geschwindigkeit für elektromagnetische
Wellenenergie.
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DSF – dispersionsverschobene
Faser, bei welcher die Streuung im wesentlichen bei der Systemwellenlänge von λs =
1550nm auf Null reduziert wird.
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Nichtverschobene
oder „herkömmliche" Faser – Der Ausdruck,
der auf die handelsüblich
verbreitete Form einer Einzelmodusfaser angewendet wird, bei welcher
die Streuung bei einer Wellenlänge von λ = 1310nm
gleich Null ist.
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Endliche
Streuungsfaser – Faser
mit einer Streuung eines absoluten Wertes von 1,5–4 ps/nm-km
(z.B. die für
den Betrieb bei λs
= 1550nm entwickelte Faser gemäß US Patent
5,327,516 vom 5. Juli 1994).
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Verkettung – Fasersystem,
bei welchem die Streuung durch aufeinanderfolgende Faserlängen mit
entgegengesetzten Vorzeichen der Streuung gemäß US Patent 4,261,639 vom 14.
April 1981 ausgeglichen ist.
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Streuungsausgleich – Fasersystem,
bei welchem die Streuung durch den Einsatz einer Länge von
Streuungsausgleichsfaser (DCF) ausgeglichen ist – unterscheidet sich von der
Verkettung dadurch, daß die
Größe der DCF
gewöhnlich
mindestens fünfmal
so groß ist
wie die der Übertragungsfaser,
die ausgeglichen wird.
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SNR – Signal-Rausch-Verhältnis
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Systemwellenlänge – Allgemein
als spezifischer Wert ausgedrückt,
z.B. λs = 1550nm; repräsentiert gemäß dem Zusammenhang
einen Bereich von Wellenlängen.
Gewöhnlich
bezieht sie sich auf die Spektralbreite des Silizium-Transparenzfensters oder
auf das EDFA-Durchlaßband.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein optisches Wellenlängenmultiplex-Wellenleitersystem
bereit, das die in Anspruch 1 der beiliegenden Ansprüche zitierten
Merkmale aufweist.
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SRS-Nebensprechen
in WDM-Fasersystemen enthält
gewöhnlich
eine signifikante, deterministische Durchschnittskomponente, die
der vorherrschende SRS-Beitrag sein kann. Geeignetes spektrales
Formen unterdrückt
diese Komponente.
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In
der üblichen
Form der Erfindung wird die Ausgabe von optischen Verstärkern geformt
durch das Bereitstellen von abnehmendem Verstärkungsverhältnis für Kanäle mit zunehmender Wellenlänge. Formen
kann durch einen fest eingestellten Filter erfolgen, ohne die Notwendigkeit
für stetiges
Nachstellen.
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Die
Erfindung findet Anwendung bei Systemen mit einem Produkt aus Kapazität und Länge, das groß genug
ist, daß sie
durch SRS in ihrer Kapazität beschränkt werden.
Ein Schwellenwert für
Systeme vom Stand der Technik mit repräsentativen Parametern, bei
denen die Erfindung nützlich
angewendet werden kann, wird ausgedrückt als das Produkt der Kanalbitrate,
Anzahl der Kanäle
und Spannenlänge. Bei
einem Produkt von mindestens 320 000 km-Gbit/s ist es für Systeme
erwägenswert,
entweder von Anfang an so betrieben zu werden oder eine derartige
Nachrüstung
in Betracht zu ziehen.
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Eine
für eine
bevorzugte Ausführungsform geeignete
Filterauslegung kann sich an die Konstruktionsgrundsätze halten,
die zum Abflachen von EDFA-Spektralausgaben eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltplan eines
entsprechenden Faser-Kommunikationssystems.
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2 ist ein Schaubild für die zulässige Anzahl
von WDM-Kanälen
bei verschiedenen Systemlängen.
Die Schwellenanzahl von Kanälen
gründet sich
auf einer SNR-Verschlechterung
von 0,5dB.
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3 ist ein Schaubild, in
dem die Anzahl der Kanäle über der
Streuung aufgetragen sind, wobei die Abhängigkeit der Verbesserung der
Faserstreuung bei drei verschiedenen Bitraten dargestellt ist.
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Detaillierte
Beschreibung
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Allgemein
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Es
versteht sich, daß nichtlineare
Auswirkungen letztendlich die Begrenzung von optischen Faserlichtwellen-Systemen darstellen.
Siehe Optical Fiber Telecommunications II, von S.E. Miller und I.P. Kaminow,
Academic Press, Inc. Seite 809 (1988). Durch verschiedene Techniken
zum Handhaben chromatischer Streuung, durch das Aufkommen des erbiumdotierten
Faserverstärkers
(EDFA), und durch Laser, die Einkoppelungsleistungen von vielen
Milliwatt bereitstellen, werden optische Nichtlinearitäten zu bestimmenden
Faktoren. Dazu gehören
stimulierte Raman-Streuung (SRS), stimulierte Brillouin-Streuung (SBS), Selbstphasenmodulation (SPM),
Querphasenmodulation (CPM) und 4-Wellen-Mischen (4WM).
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IEEE
Photo. Technol. Lett., vol. 5, Seiten 666–668 (1993) beurteilt die Auswirkung
von Nichtlinearitäten
auf Systeme im Stand der Technik. Wenn Nichtlineari täten nicht
berücksichtigt
werden, ermöglicht
ein WDM-Betrieb
bei nominalen Systemwellenlängen
von 1550nm eine Kapazität
von zehn, zwanzig oder mehr Terabits/s; werden Nichtlinearitäten berücksichtigt,
wird die Kapazität
auf zehn, zwanzig oder mehr Gigabits/s verringert. Vorgehensweisen zum
Minimieren der meisten Nichtlinearitäten sind bekannt, womit nur
SRS als das Hauptproblem übrigbleibt,
so daß sie
letztendlich für
die Verminderung der Kapazität
verantwortlich ist. Die Auswirkung von SRS ist bislang als rein
statistisch angesehen worden, wobei das Auftreten und die Größenordnung
der Streuung völlig
auf sofortige Übereinstimmung
der Impulse in den Teilnehmerkanälen
gegründet
sind und daher als unergründlich
angesehen wird.
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Es
hat sich nun herausgestellt, daß durch SRS
verursachte Verarmung eine durchschnittliche deterministische Komponente
aufweist, die unter vielen Bedingungen einen hohen Wert aufweist
und die vorherrschende Quelle der SNR-Verschlechterung werden kann.
Es hat sich nun herausgestellt, daß statistische Schwankungen
dieser von SRS verursachten Verschlechterung durch das Vorhandensein von
ausreichender chromatischer Streuung und/oder einer großen Anzahl
von Kanälen
erheblich verringert werden kann. Somit kann durch SRS verursachte
SNR-Verschlechterung erheblich durch spektrales Formen des aus einem
WDM-Kanalsatz zusammengestellten Spektrums verringert werden – z.B. durch Formen
des Verstärkergewinns,
um SRS-verarmte Kanäle
höherer
Frequenz zu begünstigen.
Eine typische Systemauslegung erlaubt eine Verbesserung der Kapazität um das
Fünffache
oder mehr, womit eine Systemkapazität von einhundert bis eintausend oder
mehr Gigabits/s ermöglicht
wird. Frühere
Forscher haben Verfahren zum Energieausgleich entwickelt, zum Beispiel
um gleichförmige Kanal-zu-Kanal-Verstärkung durch
einen EDFA sicherzustellen. Die Grundsätze der Filterauslegung zum „Abflachen" des Verstärkungsspektrums
sind geeignet für
das Erzeugen des Steigungsspektrums, das zum Formen erforderlich
ist, um SRS zu verringern.
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Die
Auslegung von Langstreckensystemen ist ein Kompromiß zwischen „Einkoppelungsleistung" (Leistung, die an
jedem Verstärker
in das System eingespeist wird) und der Verstärkung. Beim Erhöhen der
Einkoppelungsleistung werden Systeme anfälliger gegenüber SRS-Verarmung.
Die Alternative einer niedrigeren Leistung führt zu Systemen, die durch
Verstärkerrauschen
beschränkt
sind. EDFA-Abstände
von 100 km und mehr, die in den heutigen Systemen verwendet werden,
sind nicht optimal – besser
integrierte SNR ergeben sich aus kürzeren Abständen von 40 km–60 km.
Diese Betrachtungen führen
allgemein zu Spannenlängen
von 1000 km und mehr.
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Das System
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1 steht repräsentativ
für Systeme,
die das erfindungsgemäße Verfahren
einsetzen. Es beinhaltet einen Sender 10 und einen Empfänger 11 in Verbindung
mit einer sie verbindenden Übertragungsleitung 12,
die eine Anzahl von Verstärkern
enthält.
Jeder Verstärker
ist anschaulich auch mit einem Filterelement 14 versehen.
Wahlweise eingesetzte Regeneratoren 15 sind mit gestrichelten
Linien dargestellt. Die Implikationen der Erfindung gelten für jede einzelne
Spannenlänge,
wobei die Anzahl der Spannenlängen
ohne Bedeutung ist. Aufeinanderfolgende Spannenlängen in Systemen mit Vielfach-Spannenlängen werden
von Regeneratoren begrenzt. In den meisten Fällen beinhalten Sender, Empfänger und
Regeneratoren Mittel zur optisch-elektronischen und/oder elektronisch-optischen Signalumwandlung,
wobei diese Funktionen Multiplexen und/oder Demultiplexen erfordern.
Im Sender 10 werden Kanalträger durch Laser 16 erzeugt,
Signalinformationen werden von Modulatoren 17 eingespeist
und die Signale werden im Multiplexer 18 kombiniert. Funktionen
des Empfängers 11 werden
vom Demultiplexer 19 und von einzelnen Kanalerfassern (optisch-elektronische
Umwandler) 20 ausgeführt. Regeneratoren
fungieren als kombinierte Empfänger/Sender-Paare.
Einzelne Regeneratorenelemente sind nicht dargestellt. Verstärker sollten
als wahlweise Elemente angesehen werden – die Anwendung der Erfindung
auf visualisierte Langstrecken-Zwischenverstärkersysteme wird in Betracht gezogen.
Unter solchen Umständen
können
passive Filterelemente 14 wie dargestellt positioniert
werden.
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Die
Systemparameter sind durch ein dreiteiliges Produkt verallgemeinert
worden – pro
Kanal Bitrate * Anzahl der Kanäle
* Spannenlänge.
Für einen in
Betracht gezogenen Satz von Parametern ist der numerische Wert des
Produkts 320 000 km-Gbit/s. Dabei wird angenommen: eine Verstärker-Rauschzahl
von 6dB; ein Verstärker-zu-Verstärker-Abstand von
50 km; und gleiche Kanalabstände,
die dem Produkt von 6,25 * Bitrate in Gbit/s entsprechen. Ein Produkt
mit dem Wert 320 000 km-Gbit/s wird als der Schwellenwert angesehen,
bei dem Systeme die erfindungsgemäße Lehre nützlich einsetzen können. Bei
diesem speziellen numerischen Wert und unter Annahme der erwähnten Systemparameter
liegt die Schwelle in der Nähe,
bei welcher der Betrieb unmittelbar verbessert wird. Für wahrscheinliche
Verbesserungen dieser Parameter, woraus sich ein numerisch größeres Produkt
ergibt, ist Formen dazu geeignet, um SRS-Begrenzungen zu vermeiden,
die beim Nachrüsten
eingebracht werden könnten – was eine noch
weiter erhöhte
Kapazität
durch Formen erlaubt.
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Andere Überlegungen
führen
zu einer wahrscheinlichen Mindest-Spannenlänge von 1000 km und schließlich zu
Spannenlängen
von vielen tausend Kilometern. Für
EDFA's stimmt das
minimale integrierte Verstärkerrauschen
mit den Verstärkerabständen von
40 km-60 km überein,
so daß eine
Spannenlänge
von 1000 km typischerweise 25 Verstärker enthält.
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Der
EDFA wird wahrscheinlich der bevorzugte Verstärker für 1550nm Systeme für Nicht-Soliton-Betrieb
bleiben. Der Betrieb bei dieser oder anderen Wellenlängen könnte andere
Faserverstärker
ersetzen – z.B.
Praseodymium in Silizium oder in Glas auf Fluoridbasis. Kristallmedien
können
Glas ersetzen und Raman-Verstärker
können
eingesetzt werden. Alternative Verstärkerauslegungen sollten sich idealerweise
die innewohnenden Verlusteigenschaften des Verstärkers annähern, so daß Faserverlust die abstandbestimmende
Größe wird.
Der Abstandsbereich von 40 km–60
km wird wahrscheinlich eine allgemeine Bedingung darstellen, solange
Fasereinlegeverluste im derzeitigen Bereich von etwa 0,2–0,25dB/km
bleiben. Verbesserungen beim Faserverlust werden zu größeren Abständen führen – z.B. verdoppelt
sich der wünschenswerte
Abstandsbereich, wenn der Verlust in dB halbiert wird.
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Relative
Werte von Bitraten und Kanalanzahlen sind von den speziellen Systembedürfnissen
abhängig.
Es gibt Umstände,
bei denen Zweikanalsysteme – sehr
große
Längen
and sehr hohe Bitraten – wünschenswert
sind. Zu den geplanten Systemen gehört auch das andere Extrem -
sie weisen 100 oder mehr Kanäle
und niedrigere Bitraten auf. Die Wahl der Kanalabstände hat
gewisse Folgen bezüglich des
Raman-Austauschs – kleine
Abstände
ergeben eine geringere Antriebskraft und kleinere SRS-Verschlechterung.
Allgemein werden Kanalabstände von
anderen Systembedürfnissen
bestimmt – z.B. vorhandenes
Verstärker-Durchlaßband; Typ
des Transparenz-„Fensters" der Faser; und Minimierung des
4WM (was maßgeschneiderte,
unregelmäßige Abstände gemäß U.S. Patentanmeldung
SN 08/199,364, eingereicht am 18. Februar 1994, heißen kann).
Es wird erwartet, daß geplante
Langstreckensysteme mit hohen Bitraten pro Kanal arbeiten werden.
Diese neue Vorgehensweise lohnt sich gewiß für 2,5 Gb/s, aber in Zukunft
arbeiten Systeme wahrscheinlich bei höheren Raten – bei 5
Gb/s-10 Gb/s oder höher.
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Die
Kombination eines jeden Verstärkers
mit einem Filter wird wahrscheinlich unter den meisten Umständen die
bevorzugte Anordnung sein. Es hat sich herausgestellt, daß es wünschenswert
ist, die Durchschnittverarmung zwischen den Filtern bei oder unter
ein paar dB zu halten – vorzugsweise
bei einem Maximum von 1dB. Für
geplante Auslegungen entspricht das der SRS-Verarmung von Verstärker zu Verstärker. Bei
vielen Kanälen,
und folglich hoher Leistung, wird die Verarmung wahrscheinlich überhöht sein.
Das führt
zu Filterabständen,
die kleiner als die erforderlichen Verstärkerabstände sind, und das könnte ungeeignet
sein. In sehr langen Systemen – d.h.
in Systemen mit relativ niedriger Gesamtleistung – könnte dieselbe Überlegung
Filteranordnungen abwechselnd bei jedem zweiten Verstärker oder
in sogar größeren Abständen erlauben.
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Der
SRS-Mechanismus als eine Nicht-Linearität legt die „Linearisierung" als wünschenswert
nahe: d.h. Ausglei chen ehe ihr Beitrag sich zu einer unbändigen Größe erhöht. Dieses
intuitive Vorgehen wird durch die Simulationen und Berechnungen
unterstützt,
die zur Entwicklung des Großteils
der vorgelegten Daten verwendet wurden. Es bleibt die Tatsache,
daß ein
deterministischer Bruchteil, der sich jetzt als von erheblicher
Größe herausgestellt
hat, ausgeglichen werden kann. Die Größe der SRS-Auswirkung kann
sich oberhalb einer niedrigen („linearen") Schwelle tatsächlich schneller erhöhen, so
daß es
als schlechte Arbeitspraxis anzusehen ist, das Erlangen von überhöhten Werten
zu erlauben. Dennoch ist es möglich,
durch den Einsatz anderer Algorithmen oder durch empirische Bestimmung,
z.B. die Ausgabe eines Verstärkers
spektral bis auf das Ausmaß zu
formen, das notwendig ist, einen Verarmungsverlust, der den formalisierten,
praktischen 0,5dB-1,0dB
Bereich überschreitet,
auszugleichen. Die Implikation ist von Bedeutung für kurze
Spannenlängen
mit Leistungspegel, die für
die Bitraten erforderlich und die Kanalzahlen notwendig sind, um
das mathematische Schwellenprodukt von 320 000 km-Gbit/s zu erreichen.
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Eine
Anzahl von Schaltkreiselementen sind nicht dargestellt worden. Dazu
gehören
die Möglichkeiten
zum Hinzufügen
von Kanälen,
zum Wegnehmen von Kanälen,
zur Fernmessung etc. Der dargestellte Schaltkreis ist repräsentativ
für einen
voraussichtlichen Ersteinsatz. Bei den zur Zeit vorhandenen Faserverlusten
und Leistungspegel sind große
Spannenlängen
von optischer Verstärkung
abhängig.
Unter diesen Umständen
ist es, wie erwähnt,
günstig, Filter
an den Verstärkerstellen
anzuordnen (obschon kürzere
Filterabstände
nützlich
sein können).
Die Möglichkeit
sehr großer
Spannenlängen
ohne Verstärkung – Spannenlängen von
300 km oder mehr - ergibt eine relative Erhöhung im Wert des eingekoppel ten
Raman-Rauschens. Unter diesen Umständen könnte erwogen werden, ob Formen
unabhängig
von der Verstärkung
wünschenswert
ist.
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2 ist auf der Grundlage
von Systemsimulationen und analytischen Berechnungen aufgezeichnet,
und sie enthält
Daten für
die Beispiele. Alle Systeme arbeiten mit einer nominalen Systemwellenlänge von
1550nm bei Verstärkerabständen von
50 km, und sie sind etwas konservativ, da sie die Spannenlänge dem
Abstand gleichsetzen, über
dessen Länge
die SNR-Verschlechterung den Wert von 0,5dB erreicht. Der Empfängerspielraum
von 10dB und die Verstärkerrauschzahl
von 6dB sind ziemlich repräsentativ.
Die Bitrate pro Kanal ist 10 Gb/s. WDM-Kanalabstände sind gleichförmig mit
0,5nm und der Fasereinlegeverlust beträgt 0,2dB/km. Damit ergibt sich
eine durchschnittliche Einkoppelungsleistung von ein paar mW pro
Kanal für
eine Spannenlänge
von 5000 km (bei 2,3dB/Kanal). Alle angenommenen Werte sind typische
Werte für
den Stand der Technik. In der Zukunft wahrscheinliche Verbesserungen
werden die erreichbaren Spannenlängen
und die Kapazität
noch weiter erhöhen.
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Kurven
sind für
drei exemplarische Fasertypen mit aufgenommen: DSF, nominal mit
einer Dispersion von null bei einer Systemwellenlänge von λS =
1550nm; endliche Dispersionsfasern mit einer Dispersion im Bereich
von 1,5–4ps/nm–km; und
herkömmliche
Fasern mit einer Dispersion von etwa 16–17ps/nm–km. Die Auswirkung der Dispersion liegt
darin, daß eine
Abwanderung zwischen den Impulsen eingeführt wird, die auf verschiedenen
Kanälen übertragen
werden, wodurch mehr Bits dazu veranlaßt werden, aufeinander einzuwirken.
Der Effekt ist einer Erhöhung
in der Anzahl der Kanäle ähnlich.
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Die
Auswirkung der Erfindung ist höchst
signifikant für
dispersive Systeme, da der Effekt einer sich erhöhenden Dispersion darin liegt,
den Bruchteil von SRS zu verringern, der statistisch ist (d.h. den nichtdeterministischen
Bruchteil zu verringern). Daher erhöht die Dispersion den bruchteilmäßigen Anteil
der deterministischen SRS, der für
Formen zugänglich
ist, bei einer relativen Verbesserung der SRS-begrenzten Kapazität. Eine
Dispersion von mindestens etwa 1,0ps/nm–km bedeutet Versicherung einer
ausreichenden Verbesserung 3x um den Einsatz der Erfindung unter
den meisten Umständen
zu rechtfertigen. Fasern von einer Dispersion mit negativem Vorzeichen
mit einem Wert von 1,0ps/nm–km oder
weniger sind für Überseeleitungssysteme
vorgegeben worden – ein
Nachrüsten
auf WDM-Einsatz wird durch die erfindungsgemäßen Verfahren erleichtert.
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Obwohl
es durch den Einsatz von DSF eine zweifache Verbesserung geben kann,
wie aus 2 ersichtlich,
erwägen
bevorzugte Ausführungsformen minimale
Dispersionswerte von 1,0ps/nm–km
oder mehr, wobei 1,5ps/nm–km
wünschenswert
ist. Der Einbezug von erheblichen Längen an Fasern mit niedriger
Dispersion wirkt sich, in einer ersten Annäherung, nicht auf Verbesserungen
aus, die an anderen Stellen im System verwirklicht werden können. Für die erfindungsgemäßen Zwecke
werden Übertragungsleitungen
mit minimalen Dispersionswerten bei einem Gesamtabstand von mindestens
1000 km für den
Einsatz von spektralem Formen als geeignet angesehen.
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Systemdarstellungen
in 2 gelten für die drei
Fasertypen, sowohl mit als auch ohne Formen. Die gestrichelten Kurven 30, 31 und 32 stellen
dar: DSF; Fasern mit endlicher Dispersion; und herkömmliche
Fasern, jeweils ohne Filterung. Entsprechende geformte Systeme sind
als durchgezogenen Kurven 33, 34 und 35 dargestellt.
Bei den durchgezogenen Kurven wird Filteranordnung angenommen, die
unabhängig
von den Verstärkern
ist – wobei
die Filter bei Faserintervallen angeordnet sind, bei denen SRS-Verarmung
0,5dB erreicht. Da aufgezeichnete große Längen mit relativ kleiner Leistungseinspeisung
korrespondieren (mit relativ kleinen Kanalzahlen korrespondieren),
die 40 km–60
km Abstände,
die sich bei EDFA's
als wünschenswert
herausgestellt haben, korrespondieren mit den Verarmungswerten um
oder unter 0,5dB, können
Filter günstig
an den Verstärkerstellen
angeordnet werden. Bei den aufgezeichneten, relativ kurzen Längen überschreitet
die Verstärker-zu-Verstärker-Verarmung
diesen Wert. Demgemäß sind die
Kurven 33, 34 und 35 eventuell nicht
realistisch. Die Kurve 36 zieht das in Betracht und zeigt
Betriebseigenschaften mit dem weiteren Erfordernis, daß Filter
nicht mit kürzeren
Abständen angeordnet
werden als Verstärker.
Die Kurve 36 setzt eine Obergrenze für eine verwirklichbare SNR-Verbesserung
(von SRS-Herkunft), die unabhängig
von der Faserdispersion ist. Die Kurve 37 ist für Vergleichszwecke
mit aufgenommen worden und zeigt das Verhältnis für eine „Analyse des schlimmsten Falls" – bei welchem eine Phasenübereinstimmung der
Impulse auf allen Kanälen
sichergestellt ist. (Diesem Zustand wird sich angenähert, wenn
eine hypothetische Faser mit einer Kanal-zu-Kanal-Dispersion von
genau null und mit Impulsen, die sich bei der Einspeisung in Phase
befinden, vorliegen.)
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Alle
Kurven ziehen andere nicht-lineare Beschränkungen der Kapazität nicht
in Betracht. Während
die meisten anderen Nicht-Linearitäten ausgeglichen werden können, könnte 4WM
signifikant sein. Es hat sich gezeigt, daß DSF-Systeme im üblichen Beispiel
4WM-begrenzt sind, bei welchem die Kanal-zu-Kanal-Abstände konstant
sind. Es ist jedoch aufgezeigt worden, daß Kanal-Abstände individuell bestimmt
werden können,
um den Zufall des Vermischens von Produkten auf den Kanalträgern zu
vermeiden. Siehe die ebenfalls anhängige U.S. Patentanmeldung
S/N 08/199,364, die oben angegeben ist. Nur unter diesen letzteren
Umständen
ist die Auswirkung der Erfindung allgemein signifikant, wenn Systeme
mit zumindest vier oder mehr Kanälen DSF-Fasern
einsetzen (so daß die
auf der Kurve 33 angegebenen Ergebnisse realistisch werden).
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Die
in 3 aufgetragenen Daten
illustrieren eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der deterministische
Bruchteil der SRS-Verarmung mindestens 90% der gesamten SRS-Verarmung
beträgt. Die
Figur zeigt die Mindestzahl an benötigten Kanälen, um die statistische Fluktuation
von Nebensprechen ausreichend zu verringern, um diesen erwünschten
Zustand zu erreichen (wobei sich ein Verhältnis von 10% oder weniger
zwischen der Standardabweichung und dem Durchschnitt ergibt). Die Daten
beziehen sich auf: eine Faser-Spannenlänge von 50 km; mit einem Faserverlust
von 0,25dB/km; Kanalabstände,
die gleich dem Produkt von 6,25 und der Bitrate pro Kanal sind,
für drei
Bitraten – 5
Gb/s, 10 Gb/s, 20 Gb/s (jeweils die Kurven 40, 41, 42).
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Die
Beschreibung bezieht sich weitgehend auf Fasern mit gleichförmiger Dispersion.
Da die 4WM-Beeinträchtigung
des WDM erkannt worden ist, werden DSF-Systeme, Verkettung und Dispersionsausgleich
für den
WDM-Einsatz in Betracht gezogen. Die Grundlage der vorliegenden
Lehre - verwirklichbares Herabsetzen der SRS-Verschlechterung aufgrund
seiner deterministischen Eigenart – trifft weiterhin zu. Ein
Maß der
Verbesserung läßt sich
aus
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2 ersehen (wobei die Längen verschiedener
Fasertypen separat betrachtet werden).
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In Übereinstimmung
mit der allgemein vertretenen Ansicht ist der Solitonbetrieb sowohl
für die SRS-Verschlechterung
als auch die erfindungsgemäße Abhilfe
zugänglich.
Die wesentliche Art des Soliton, Benötigen von Unterstützung innerhalb
vorgegebener Leistungsgrenzen, könnte
in der Tat einen weiteren Vorteil aus der Erfindung gewinnen.
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Filterauslegung
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Die
Konstruktion langperiodischer Fasergitter der erwähnten U.S.
Patentanmeldung SN 08/220,866 befindet sich in einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium
und wird als wünschenswert angesehen.
Gitterlinien werden in germaniadotierten Siliziumfasern durch UV-Lichtbestrahlung
erzeugt – der
Wert KrFλ =
248nm ist wirksam. Das Funktionsprinzip ist von den Gitterperiodizitäten abhängig, welche
den fundamentalen Kernmodus mit den vorwärtstreibenden Mantelmodi koppeln.
Gekoppelte Energie fällt
schnell ab, was in der verlustreichen Mantel-Beschichtung-Schnittstelle
und den Biegungen in der Faser begründet ist. Die Wellenlängen-Abhängigkeit
des Koppelungs-Wirkungsgrads ist für das Formen verantwortlich.
Konstruktionskriterien wurden in einer nach Abgabefrist eingereichten
Abhandlung PD4-1-PD4-5 bei OFC '95
(26. Februar bis 3. März 1995)
vorgelegt. Eine erweiterte Version der Abhandlung ist für Publikation
im J. of Lightwave Tech. unter dem Titel „Long Period Fiber Gratings
as Band-Rejection Filters" [Langperiodische
Fasergitter als Bandabweisfilter] im September 1995 vorgesehen.
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In
der Annahme, daß gleichförmig abnehmende
Verluste auf einem flachen Verstärkungsspektrum
zu überlagern
sind, sollte die Filterverlustspitze allgemein auf der langen Wellenlängenseite des
WDM-Kanalsatzes angeordnet werden. Diese Annahme gilt für Konstruktionen,
bei denen Standardanordnungen getroffen worden sind, um die Unregelmäßigkeiten
im Spektrum zu beseitigen und eine flache Ausgabe sicherzustellen.
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Die
benötigte
Steigung zum Ausgleichen der SRS-Verarmung kann leicht vom Faser-Verarmungsverlust
bestimmt werden. Das geformte Verstärker-Ausgabespektrum sollte
eine Steigung aufweisen, die einem Höchstfrequenzkanal-Gewinn entspricht,
der größer als
der Niedrigstfrequenzkanal-Gewinn ist, und zwar um den Verarmungsverlust für die auszugleichende
Faserlänge.
Für den 0,5dB–1,0dB Abstand,
der für
Fasern nach dem Stand der Technik als wünschenswert angesehen wird,
soll die Steigung demgemäß 0,5dB–1,0dB sein, wobei
sie sich im Wert in Richtung abnehmender Wellenlänge erhöht, wie zwischen den extremen
Kanalwellenlängen.
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Alternative
Filterkonstruktionen sind in Electron. Lett., vol. 29, Seite 154–156 (1993)
und Electron. Lett., vol. 29, Seite 1025–1026 (1993) beschrieben, wobei
Bragg-Gitterkonstruktionen beschrieben sind. Die ebenfalls anhängige U.S.
Patentanmeldung SN 08/365,618, eingereicht am 28. Dezember 1994, beschreibt
das Filtern mit einer Kette optischer Koppler verschiedener effektiver
Längen,
wobei sie zusammen eine Fourier-Serie
bilden, welche die erwünschte
Reaktion erzeugt. Dieser Konstruktionsansatz kann geeigneterweise
für die
erfindungsgemäßen Zwecke
eingesetzt werden.
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Diskussionen über Filter
haben sich allgemein mit einem einzelnen, individuellen Element
beschäftigt,
das zum Formen einer Verstärkerausgabe von
einem zunächst
flachen Spektrum eingesetzt wird. Es kann aus zwei oder mehreren
Elementen bestehen, wiederum mit dem Ziel, ein zunächst flaches Verstärkungsspektrum
zu verändern.
Auch wenn dieser Ansatz günstig
ist, so können
doch ein oder mehrere kombinierte Elemente zusätzliche Funktionen ausführen, z.B.
das Unterdrücken
von Störungen. Ein
weiterer Ansatz dämpft
den Kanal separat und erwägt
Multiplexen vor dem Filtern.
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Es
ist ein Vorteil der Erfindung, daß der beobachtete, korrigierbare
Bruchteil von SRS und seine Korrektur im wesentlichen zeitlich unveränderlich sind.
Es gibt Umstände,
bei denen die Systemkapazität
geändert
werden kann, z.B. durch Addition oder Subtraktion von Kanälen bei
sich änderndem
Datenverkehr. Unter diesen Umständen
kann es wünschenswert
sein, im Filter gelegentlich eine Nachstellung vorzunehmen. Es ist
nicht vorgesehen, daß ein Nachstellen
in Echtzeit erforderlich sein wird, sondern eher daß ein Nachstellen
nach einer längeren Betriebszeit
erforderlich sein könnte – nach Tagen oder
Monaten. Das U.S. Patent Nr. 5,225,922 beschreibt eine Echtzeitanordnung
mit Rückkoppelung zum
Aufrechterhalten der Systemausgabe innerhalb erwünschter Pegel. Es ist denkbar,
daß es
in Verbindung mit Filtern eingesetzt wird, um kurzfristige Änderungen
zu korrigieren.
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Größtenteils
findet optische Langstrecken-Faserkommunikation auf der Basis digitaler Übertragung
statt. Die Erfindung ist in diesem Sinne erörtert worden. Die zugrundeliegenden
Prinzipien sind auf analoge Übertragung
anwendbar, obwohl die SNR-Implikationen dabei zu berücksichtigen sind,
die für
analoge Systeme von Natur aus ungünstig sind. Abgesehen von der
Tatsache, daß mit
besonderer Sorgfalt vorgegangen werden sollte, um die relative Auswirkung
des deterministischen Bereichs von SRS zu maximieren, gelten die
erfindungsgemäßen Prinzipien.
Demgemäß werden
geformte analoge Systeme auf einem Betrieb mit einer großen Anzahl
von Kanälen
unter Einsatz von dispersiven Fasern basieren. Es könnte sein,
daß solche
Systeme vorzugsweise mit DCF oder Verkettung arbeiten.
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Beispiele
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Die
vorgelegten Daten basieren auf Informationen, die in 2 und 3 aufgezeichnet sind.
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Beispiel
1 – Systembetrieb,
wie in 2 beschrieben,
mit unverschobener Faser der Dispersion 16ps/nm–km erlaubt 9 Kanäle vor dem
Formen und 60 Kanäle
mit Formen. Die Kapazität
ist um einen Faktor von 6,7 erhöht.
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Beispiel
2 – Systembetrieb
ist für
eine Spannenlänge
von 2000 km mit endlicher Dispersionsfaser von 2,5ps/nm–km. Die
Einkoppelungsleistung beträgt
0,66mW/Kanal (–1,8dBm/Kanal).
Ohne Formen beträgt
die Systemkapazität 18 Kanäle – 80 Kanäle mit Formen
(eine Kapazitätserhöhung um
einen Faktor von 4,4).
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Beispiel
3 – Systembetrieb
ist für
eine Spannenlänge
von 1000 km an DSF mit einer nominalen Dispersion von null. Die
Einkoppelungsleistung beträgt
0,33mW/Kanal (– 4,8dBm/Kanal).
Ohne Formen beträgt
die Systemkapazität 30 Kanäle – 60 Kanäle mit Formen
(eine Kapazitätserhöhung um
einen Faktor von 2).