DE69636334T2

DE69636334T2 - Kammverteilungsanordnung für optisches Mehrkanalnetz

Info

Publication number: DE69636334T2
Application number: DE69636334T
Authority: DE
Inventors: Leonard George Atlanta Cohen; Yuan P. Duluth Li
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: EP0762690A2; JPH09105833A; DE69636334D1; US5680490A; CA2179843C; EP0762690A3; AU6448296A; CA2179843A1; AU703880B2; EP0762690B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lichtleiter-Kommunikationsnetzwerke und insbesondere ein Kammverteilungssystem und ein Verfahren für ein Mehrkanal-Lichtleiter-Kommunikationsnetzwerk zum Multiplexieren und/oder Demultiplexieren eines optischen Signals mit einer Vielzahl einzelner Kanäle mit verschiedenen Wellenlängen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die aktuelle Forschung und Entwicklung konzentriert sich auf die Verwirklichung optischer Kommunikationsnetzwerke, um Daten von Zentralstellen zu einzelnen aktiven Einheiten (z.B. dem Haus eines Teilnehmers) und von den aktiven Einheiten zu den Zentralstellen zu übermitteln. Es sind verschiedene Netzwerk-Ansätze möglich, darunter zum Beispiel ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk, ein Leistungsteilungs-Netzwerk oder ein Wellenlängenmultiplexnetzwerk, welche im Folgenden weiter beschrieben werden.
In einem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk verbinden eine oder mehrere optische Fasern direkt die Zentralstelle mit jeder aktiven Einheit. Dieser Ansatz ist möglicherweise der direkteste und einfachste. Es ist jedoch offensichtlich, dass diese Lösung sogar im kleinsten Netzwerk eine wirtschaftlich unrentable Anzahl an Verbindungen, optischen Fasern, Gräben, Sendern und Empfängern mit sich bringen würde.
In einem Leistungsteilungs-Netzwerk, wie es zum Beispiel in US-A-4,483,582 von Sheem dargestellt ist, wird ein Sender, ein Empfänger und ein Teil einer optischen Faser in der Teilnehmerleitung unter Anwendung von Leistungsteilern von vielen aktiven Einheiten geteilt. Bei der Sheem-Anordnung wird in einer ersten Stufe ein erster Leistungsteiler, ein Phasenschieber und ein zweiter Leistungsteiler verwendet, um Ausgaben gleicher Leistung für alle in den ersten Leistungsteiler eingegebenen Frequenzen zu erzeugen, obwohl sie in der Phase verschoben sind. Die Ausgaben gleicher Leistung werden dann in der zweiten Stufe, welche offensichtlich breitere Bandpasseigenschaften als die erste Stufe aufweist, an die Eingänge zweier Leistungsteiler angelegt. Ein zweiter Phasenschieber am Ausgang jedes der zwei Leistungsteiler erzeugt Phasenverschiebungen, welche zu Phasenauslöschungen in dritten und vierten Leistungsteilern führen, um Ausgaben einer einzelnen Frequenz zu erzeugen. Auf dem Fachgebiet ist eine breite Vielfalt an Leistungsteilern wohlbekannt. Als Beispiel wird in US-A-4,904,042 an Dragone ein Sternkoppler beschrieben, bei welchem es sich um einen typischen Leistungsteiler (PS) handelt. In einem Sinn bewirkt ein Leistungsteiler, dass jedes Signal über verschiedene Fasern gesendet wird, so dass jede aktive Einheit jedes Signal empfängt. Obwohl diese Netzwerkarchitektur einfach und kostengünstig ist, weist sie große Leistungsverluste aufgrund der Leistungsteilung auf, eine kleine Bandbreite aufgrund des Time Sharing und eine schlechte Diagnose- und Prüffähigkeit dadurch, dass einzelne Teilnehmerleitungen nicht angemessen diagnostiziert und geprüft werden können.
Ein Wellenlängenmultiplexnetzwerk verwendet Wellenlängenmultiplexer (WDM). In diesem Netzwerk ist jeder aktiven Einheit ein bestimmter Kanal (Wellenläge des Trägers) zugeordnet. Ferner werden unter Verwendung von WDM verschiedene Kanäle über eine einzelne optische Faser multiplexiert und auf einzelne Fasern demultiplexiert, welche mit einer jeweiligen aktiven Einheit verbunden sind, so dass eine virtuelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen der Zentralstelle und jeder aktiven Einheit erreicht wird. WDM, manchmal als Filter oder Router bezeichnet, sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt und sind im Allgemeinen eine Einheit, welche die Wellenlängen optischer Signale multiplexieren und/oder demultiplexieren kann. Im Allgemeinen ist ein WDM gewöhnlich ein passives optisches Netzwerk (PON) oder eine Einheit mit mehreren optischen Wegen, von welchen jeder ein bestimmtes Durchlassband aufweist, ähnlich wie ein elektrischer Signalverarbeitungsfilter. Das Durchlassband erlaubt den Durchtritt einer oder mehrerer bestimmter Wellenlängen entlag des entsprechenden optischen Weges unter wesentlichem Ausschluss anderer Wellenlängen. Daher kann der WDM verwendet werden, um Wellenlängen (oder Kanäle) eines optischen Mehrkanalsignals aufzuteilen, oder um verschiedene Wellenlängen (oder Kanäle) auf entsprechenden optischen Wegen zu einem optischen Mehrkanalsignal auf einem optischen Weg zu vereinigen. Als Beispiel für einen WDM siehe C. Dragone u.a., „Integrated Optics N × N Multiplexer on Silicon", IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 3, S. 896 (1989), welcher auch in US-Patentschrift 5,136,671 an Dragone offenbart wird.
Ein WDM-Netzwerk weist prinzipiell einen geringeren Leistungsverlust als das Leistungsteilungs-Netzwerk auf, und bietet ferner dadurch eine Privatsphäre, dass jede aktive Einheit nur ihren jeweiligen Kanal empfängt. Obwohl das WDM-Netzwerk, verglichen mit dem Leistungsteilungs-Netzwerk, eine technisch überlegene Lösung bietet, erforderte das WDM-Netzwerk früher teure, durch die Kosten hinderliche, Komponenten, nämlich die WDM und wellenlängengerichtete Sender und Empfänger. Die jüngste Entwicklung weniger teurer Schlüsselkomponenten macht jedoch das WDM-Netzwerk zu einem attraktiveren Ansatz. Beispiele für diese Schlüsselkomponenten sind integrierte WDM, wie z.B. ein Wellenleiter-Gitter-Router (WGR), wie er offenbart wird bei C. Dragone u.a., „Integrated Optics N × N Multiplexer on Silicon", IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 3, S. 896 (1989) (welcher auch in US-Patentschrift 5,136,671 an Dragone offenbart wird), und auf Fouriertransformation basierende Wellenleiterfilter (FF), wie sie in der anhängigen US-Patentanmeldung von Y.P. Li u.a. mit der Bezeichnung „A Monolithic Optical Waveguide Filter Based On Fourier Expansion" und der Seriennummer 08/365,618, eingereicht am 28. Dezember 1994, offenbart sind.
In einem praktischen WDM-Netzwerk wird aus den folgenden Gründen eine zweistufige Teilung der Kanäle gegenüber einer einstufigen Teilung bevorzugt. Einerseits ist ein WDM-Netzwerk wirtschaftlich, wenn die Anzahl der Teilungen groß ist. WGR mit großen Teilungsverhältnissen (z.B. 1 × 32) und guter Leistungsfähigkeit sind jedoch kostspielig in der Herstellung. Andererseits gibt es typischerweise mindestens zwei natürliche Verbindungsknoten in einem typischen Zugriffsnetzwerk. Ein einzelnes Faserkabel, welches viele Fasern beinhaltet, läuft von der Zentralstelle zu einem Außenknoten (RN1), welcher sich etwa drei km entfernt und nahe dem Zentrum eines Versorgungsgebiets befindet. Diese Fasern werden dann in kleinere Gruppen geteilt, von welchen jede zu einem anderen Knoten oder Sockel (RN2) läuft, welcher typischerweise vier bis sechzehn aktive Einheiten bedient. Der Außenknoten (RN1) und der Sockel (RN2) stellen bereits existierende Orte dar, um WDM zu installieren. Durch Installieren zweier Stufen von WDM, um das Teilungsverhältnis zu erhöhen, können die Faseranzahl ebenso wie die Systemkosten verringert werden.
In einem bandteilenden mehrstufigen WDM-Netzwerk, wird in der ersten Stufe eine grobe Teilung vorgenommen, und in den folgenden Stufen werden feinere und feinere Teilungen vorgenommen. In diesem Schema sind die WDM der folgenden Stufen die meisten in der Anzahl, sind aber die am teuersten herzustellenden, weil sie den kleinsten Kanalabstand aufweisen. Ein anderer Nachteil ist es, dass die WDM, um für alle Kanäle einen geringen Verlust zu aufrecht zu erhalten, in den folgenden Stufen nahezu ebene Durchlassbänder mit scharfen Abfällen aufweisen müssen. Ferner sollten sich die Durchlassbänder der WDM der folgenden Stufen mit den Sendern und Empfängern der Zentralstelle abgleichen, was schwierig ist, weil die WDM der folgenden Stufen an verschiedenen Orten installiert sind und verschiedene Temperaturverschiebungen des Sendespektrums erfahren (gewöhnlich etwa 0,012 nm/°C).
Somit besteht in der Industrie ein zuvor nicht angesprochener Bedarf für ein System und Verfahren zum Multiplexieren und Demultiplexieren einer Vielzahl optischer Signalkanäle mit den jeweiligen Wellenlängen unter Verwendung eines mehrstufigen WDM-Netzwerks, welches, wenn gewünscht, in zwei Stufen verwirklicht werden kann, und welches nicht die zuvor erwähnten Probleme und Nachteile mit sich bringt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Kurz ausgedrückt stellt die vorliegende Erfindung ein Kammverteilungssystem und -verfahren zur Verwirklichung eines mehrstufigen WDM-Netzwerks bereit. Das Kammverteilungssystem und -verfahren kann in einem Demultiplex-Modus angewendet werden, um ein optisches Signal, welches eine Vielzahl von multiplexierten Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen aufweist, in eine Vielzahl einzelner Kanäle zu demultiplexieren, und/oder in einem Multiplex-Modus, um eine Vielzahl von Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen in ein einzelnes optisches Signal zu multiplexieren.
Strukturell weist das Kammverteilungssystem mindestens zwei verbundene aufeinander folgende Stufen von WDM auf. Das System wird mit Bezug auf zwei Stufen beschreiben, es versteht sich jedoch, dass auch mehr als zwei verwirklicht werden können. Ein WDM für die erste Stufe ist mit einem optischen Weg verbunden, zum Beispiel mit einer optischen Faser, einem Wellenleiter oder einem anderen optischen Signalträger, welcher ein optisches Mehrkanalsignal mit einer Vielzahl von einzelnen Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen trägt. Der WDM der ersten Stufe überträgt über geeignete optische Wege Kanalbänder zu entsprechenden WDM der zweiten Stufe. Jedes der Bänder weist eine Vielzahl der einzelnen Kanäle auf, welche durch mindestens einen anderen der Kanäle getrennt sind. Jeder WDM der zweiten Stufe, welcher einem bestimmten Band zugeordnet ist, ist mit optischen Wegen verbunden, jeder zum Tragen eines oder mehrerer einzelner Kanäle. Ferner sind gemäß einem kennzeichnenden Merkmal der vorliegenden Erfindung die Bandpässe, die zu dem WDM der ersten Stufe gehören, enger als die Bandpässe, die zu den WDM der zweiten Stufe gehören.
Die WDM der ersten und zweiten Stufe können sich auf einer einzelnen integrierten Schaltung befinden, zum Beispiel einer spezifischen integrierten Schaltung für Optikanwendungen (OASIC). Sie können sich auch in einzelnen getrennten elektronischen Komponenten befinden, welche an einem Knoten eines Lichtleiter-Netzwerks lokal verbunden sind. Überdies können sie auch auf Entfernung getrennt sein. Zum Beispiel können sie sich an verschiedenen Knoten eines Lichtleiter-Netzwerks befinden und über ein Faserkabel verbunden sein, so dass ein Verteilungsnetzwerk gebildet wird.
Die Arbeitsweise des Kammverteilungssystems ist die folgende. Weil die Arbeitsweise des Kammverteilungssystems im Multiplex-Modus im Allgemeinen der des Demultiplex-Modus analog ist, jedoch in umgekehrter Reihenfolge, ist der Einfachheit halber nur die Arbeitsweise im Demultiplex-Modus ausgeführt. Der WDM der ersten Stufe empfängt das optische Mehrkanalsignal, welches die Vielzahl einzelner Kanäle mit verschiedenen Wellenlängen aufweist. Der WDM der ersten Stufe demultiplexiert das optische Signal in eine Vielzahl von Bändern, indem es enge Bandpässe verwendet. Jedes der Bänder weist eine Vielzahl der einzelnen Kanäle auf, welche durch mindestens einen anderen der Kanäle getrennt sind. Ferner ist in der zweiten Stufe jedem der Bänder ein WDM zugeordnet, zum Demultiplexieren der einzelnen Kanäle aus jedem der Bänder mit breiten Bandpassfiltern, welche einen breiteren Bandpass aufweisen als die engen Bandpassfilter, die zu dem WDM der ersten Stufe gehören.
Das neue Verfahren, welches durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, kann wie folgt grob zusammengefasst werden. Im Demultiplex-Modus wird zuerst von einem WDM der ersten Stufe ein optisches Signal empfangen, welches eine Vielzahl von einzelnen Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen aufweist, und unter Verwendung der ersten Bandpässe in dem WDM der ersten Stufe werden aus der Vielzahl Bänder einzelner Kanäle demultiplexiert. Die Kanäle in jedem der Bänder sind durch mindestens einen anderen der Kanäle getrennt. Zweitens werden die Bänder an entsprechende WDM der zweiten Stufe übermittelt, und aus jedem der Bänder werden durch die WDM der zweiten Stufe mit Bandpässen, welche breiter sind als die Bandpässe der WDM der ersten Stufe, einzelne Kanäle demultiplexiert.
In ähnlicher Weise, aber in umgekehrter Reihenfolge, läuft das neue Verfahren, durchgeführt im Multiplex-Modus, wie folgt ab. Zuerst wird eine Vielzahl einzelner Kanäle über die Bandpässe, die zu den WDM der zweiten Stufe gehören, in Bänder multiplexiert. Die Kanäle in jedem der Bänder sind durch mindestens einen anderen Kanal getrennt. Zweitens werden die Bänder aus der Vielzahl multiplexiert, um durch Verwendung eines WDM der ersten Stufe und seiner zugehörigen Bandpässe, welche enger sind als die Bandpässe der WDM der zweiten Stufe, ein einzelnes Mehrkanalsignal zu bilden.
Die vorliegende Erfindung hat zahlreiche Vorteile, von welchen hier im Folgenden lediglich als Beispiele einige aufgeführt werden.
Ein Vorteil des Kammverteilungssystems ist seine Kosteneffektivität. In der zweiten und in folgenden Stufen können preiswerte WDM benutzt werden, während ein teurerer WDM mit engeren Bandpässen in der ersten Stufe benutzt wird.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es wirksam das summierte Nebensprechen zwischen Kanälen verringert. In der Tat haben die Erfinder ermittelt, dass in einem 32-Kanalsystem eine Verringerung des Nebensprechens von ungefähr 8 Dezibel (dB) erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es im Wesentlichen unempfindlich für Temperaturschwankungen ist, insbesondere wenn es in einem Verteilungsnetzwerk verwirklicht wird, wo sich die erste und die zweite Stufe an verschiedenen physischen Knotenpunkten befinden.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es, zum Beispiel unter Anwendung der optischen Laufzeit-Reflexionsmessung (OTDR) die Prüfung einzelner optischer Wege ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es eine einfache Struktur aufweist, einfach zu verwirklichen und in Massenproduktion herzustellen ist und im Betrieb zuverlässig ist.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es auf einer einzelnen integrierten Schaltung (IC) oder in IC-Stufen verwirklicht werden kann.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es mit völlig passiven Elementen verwirklicht werden kann, um ein PON zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil des Kammverteilungssystems ist, dass es mit einer Einheit verwirklicht werden kann, welche sowohl einen WDM als auch einen Leistungsteilungsmechanismus aufweist. Ein Beispiel für solch eine Einheit ist in US-Patentschrift 5,285,305 an Cohen u.a. beschrieben.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann nach dem Studium der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung ersichtlich. Alle solchen zusätzlichen Merkmale und Eigenschaften sollen vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, erfasst sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist besser mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen zu verstehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, das Hauptaugenmerk wurde stattdessen auf die deutliche Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelegt. Außerdem bezeichnen gleiche Bezugsziffern entsprechende Teile über die verschiedenen Ansichten hinweg.
1 ist ein Blockdiagramm, welches das Kammverteilungssystem und -verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei das System einen 1 × M-WDM (1 optischer Weg hinein/hinaus; M optische Wege hinaus/hinein) in der ersten Stufe, M 1 × N-WDM in der zweiten Stufe und NM Kanäle aufweist;
2 ist ein Blockdiagramm, welches eine erste Ausführungsform des Kammverteilungssystems der 1 veranschaulicht, wobei die erste Ausführungsform zwei Stufen, einen 1 × 2-WDM in der ersten Stufe, zwei 1 × 2-WDM in der zweiten Stufe und vier Kanäle aufweist;
3 ist ein Schaubild, welches Kanal-Durchlassbänder in dem speziellen Kammverteilungssystem der 2 veranschaulicht;
4 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Kammverteilungssystems der 1, wobei die zweite Ausführungsform zwei Stufen, einen 1 × 8-WDM/PS-Mechanismus in der ersten Stufe, acht 1 × 4-WDM/PS-Mechanismen in der zweiten Stufe, 32 WDM-Kanäle und 32 PS-Kanäle aufweist;
5 ist ein Blockdiagramm, welches den WDM/PS-Mechanismus in der ersten Stufe der 4 veranschaulicht;
6 ist ein Blockdiagramm, welches den WDM/PS-Mechanismus in der zweiten Stufe der 4 veranschaulicht;
7 ist ein Schaubild, welches Kanal-Durchlassbänder in dem speziellen Kammverteilungssystem der 4 veranschaulicht; und
8 ist ein Schaubild, welches die Kanaltrennung, die Filterung und das Nebensprechen entlang des Wellenlängenspektrums in dem speziellen Kammverteilungssystem der 4 veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Das verallgemeinerte Kammverteilungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 veranschaulicht und ist mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Kammverteilungssystem 10 weist mindestens zwei miteinander verbundene aufeinander folgende Stufen 12, 14 auf. Die erste Stufe 12 weist einen 1 × M-WDM 16 mit einem optischen Eingabe/Ausgabe-Weg 17 zum Tragen des optischen Signals mit NM Kanälen und M optischen Aus gabe/Eingabe-Wegen 18 auf. Der WDM 16 demultiplexiert und/oder multiplexiert das optische Signal auf dem optischen Weg 17 in/aus M Bänder(n), indem er enge Bandpässe verwendet. Jedes der M Bänder weist eine Vielzahl von einzelnen Kanälen auf, welche durch mindestens einen anderen der Kanäle getrennt sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Bänder wie folgt definiert. Ein erstes Band mit den Kanälen 1, M + 1, 2M + 1 ..., (N – 1)M + 1 wird auf dem Zweig B₁ übertragen. Ein zweites Band mit den Kanälen 2, M + 2, 2M + 2 ..., (N – 1)M + 2 wird auf dem Zweig B₂ übertragen. Das vorstehende Muster wiederholt sich, bis der M-te Zweig B_M mit den Kanälen M, 2M, 3M ..., NM erreicht ist.
Die zweite Stufe 14 weist M parallele 1 × N-WDM 22 auf. Jeder der WDM 22 ist so konfiguriert, dass er ein jeweiliges der M Bänder auf einem jeweiligen optischen Weg 18 übermittelt. Jeder WDM 22 demultiplexiert und/oder multiplexiert einzelne Kanäle aus seinem entsprechenden Band. In der bevorzugten Ausführungsform demultiplexieren und/oder multiplexieren die M WDM 22 die einzelnen Kanäle wie folgt: 1, M + 1, ..., (N – 1)M + 1; 2, M + 2, ..., (N – 1)M + 2; und M, 2M, ..., NM.
Man beachte, dass das Kammverteilungssystem 10 der 1 periodisch mit einer Periodizität N₁N₂Δ ausgestaltet sein kann, wobei N₁ das erste Stufenteilungsverhältnis und N₂ das zweite Stufenteilungsverhältnis ist. Entlang dieser Leitungen geht eine Wellenlänge λ', welche N₁N₂Δ von λ₁ entfernt ist, zu demselben Ausgang wie λ₁. Somit kann das System 10 mit mehr als zwei Stufen konstruiert werden, wenn gewünscht. Zum Beispiel kann der 1×M-WDM 16 der ersten Stufe als das gesamte 1×NM-System 10 verwirklicht werden, welches in 1 dargestellt ist, so dass M durch NM ersetzt wird und ein dreistufiges 1 × N²M-System 10 gebildet wird.
Bei den WDM 16, 22 kann es sich um jeden geeigneten WDM handeln. Ein Beispiel für einen geeigneten WDM ist offenbart bei C. Dragone u.a., „Integrated Optics N × N Multiplexer on Silicon", IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 3, S. 896 (1989), welches auch in US-Patentschrift 5,136,671 an Dragone offenbart wird. Als ein anderes Beispiel können die WDM 16, 22 auch als Fourier-Filter verwirklicht werden, wie es in US-A-559661 ausgeführt ist.
Bei den optischen Wegen 17, 18, 24 kann es sich um irgendein geeignetes Medium zum Übermitteln von optischen Signalen handeln, darunter, aber nicht darauf beschränkt, optische Fasern oder Wellenleiter.
Das Kammverteilungssystem 10 kann auf mehrere verschiedene Weisen physisch eingebaut werden. Die WDM 16, 22 des Kammverteilungssystems 10 können sich auf einer einzelnen integrierten Schaltung befinden, zum Beispiel auf einer spezifischen integrierten Schaltung für Optikanwendungen (OASIC). Mit dieser Konfiguration können die optischen Wege 18 optische Wellenleiter einer integrierten Schaltung sein. Sie können sich auch in einzelnen getrennten elektronischen Komponenten befinden, die an einem Knoten (z.B. RN1, RN2) eines Lichtleiter-Netzwerks lokal verbunden sind. Überdies können sie auch auf Entfernung getrennt sein. Sie können sich zum Beispiel an verschiedenen Knoten (z.B. RN1, RN2) eines Lichtleiter-Netzwerks befinden und über (ein) Faserkabel 18 oder (einen) Wellenleiter 18 verbunden sein, so dass ein Verteilungsnetzwerk gebildet wird.
Gemäß einem kennzeichnenden Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die WDM 22 der zweiten Stufe so konfiguriert, dass sie Bandpässe verwenden, welche breiter sind als die Bandpässe, die von dem WDM 16 der ersten Stufe verwendet werden, und die Periodizität der Kanäle (also der freie Spektralbereich, FSR) ist in den WDM 22 der zweiten Stufe größer als in dem WDM 16 der ersten Stufe.
Als Ergebnis der vorstehenden Konfiguration besitzt das System 10 zahlreiche Vorteile, von denen einige im Folgenden aufgeführt werden. Erstens sind die WDM 22 der ersten Stufe preisgünstiger und körperlich kleiner als der WDM 16 der ersten Stufe. Zweitens verringert die Trennung und Leitung der Kanäle in dem System 10 das Nebensprechen zwischen den Kanälen oder die Störungen, welche durch das Koppeln von Kanälen verursacht werden. Im Einzelnen wird im Demultiplex-Modus jegliches Nebensprechen, das aus der ersten Stufe 12 stammt, in der zweiten Stufe 14 bereinigt, und im Multiplex-Modus wird jegliches Nebensprechen, das aus der zweiten Stufe 14 stammt, in der ersten Stufe 12 bereinigt. Drittens ist auch die Synchronisierung der WDM-Durchlassbänder mit den Wellenlängen der Sender/Empfänger in der Zentralstelle viel einfacher, weil nur der WDM 12 der ersten Stufe, welcher sich an einer einzelnen Stelle (RN1) nahe der Zentralstelle befindet, synchronisiert werden muss. Viertens können die WDM späterer Stufen wegen ihrer viel breiteren Durchlassbänder und FSR größere Fabrikationsfehler zulassen, machen keine ebenen Durchlassbänder und keine Doppelbrechungskompensation erforderlich und können sämtliche Schwankungen der Umgebungstemperatur ohne Rückführregelung in der Zentralstelle vertragen. Diese und andere Vorteile werden in späteren Ausführungen, welche spezielle Verwirklichungen betreffen, noch deutlicher werden.
Erste Ausführungsform des Kammverteilungssystems
2 veranschaulicht eine erste Ausführungsform 30 des verallgemeinerten Kammverteilungssystems 10 der 1 und soll ein nichtbeschränkendes Beispiel sein, und 3 veranschaulicht graphisch die Durchlassbänder, welche mit den WDM 16, 22 der ersten und zweiten Stufe der 1 in Zusammenhang stehen. Wie in 1 dargestellt, handelt es sich bei dem Kammverteilungssystem 30 um eine 1 × 4-Einheit mit einem 1 × 2-WDM 12 in ihrer ersten Stufe 12 und zwei 1 × 2-WDM 22a, 22b in ihrer zweiten Stufe 14.
Der WDM 16 der ersten Stufe kommuniziert mit einem optischen Signal auf dem optischen Weg 17, welches vier Kanäle λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ aufweist, welche vorzugsweise den gleichen Frequenzabstand aufweisen, wie bei der Bezugsziffer 31 in 31 mit dem Abstand Δ von zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, Δ = 400 Gigahertz (GHz) dargestellt. Der WDM 16 der ersten Stufe weist einen Kanalabstand auf, welcher der gleiche wie Δ ist, und eine Periodizität (also freien Spektralbereich, FSR) MΔ, wobei M = 2 das Teilungsverhältnis der ersten Stufe ist. Somit teilt im Demultiplex-Modus der WDM 16 der ersten Stufe die vier Kanäle in zwei Kämme mit λ₁, λ₃ in einem Ausgang und λ₂, λ₄ im anderen, wie es in 3 bei Bezugsziffer 32 weiter veranschaulicht ist.
Die WDM 22a, 22b der zweiten Stufe weisen einen Kanalabstand MΔ und einen FSR MNΔ auf, wobei N = 2 das Teilungsverhältnis der zweiten Stufe ist. Das Sendespektrum des WDM 22b der zweiten Stufe ist um Δ relativ zu dem des WDM 22a der zweiten Stufe verschoben, so dass die Zentren der Durchlassbänder der beiden WDM 22 sich immer an den Eingangskanälen λ₁ bis λ₄ ausrichten, wie bei den Bezugsziffern 33, 34 in 3 veranschaulicht. Die WDM 22 der zweiten Stufe teilen somit die Kämme aus dem WDM 16 der ersten Stufe weiter in getrennte Kanäle.
Zweite Ausführungsform des Kammverteilungssystems
Eine zweite Ausführungsform des Kammverteilungssystems 10 der 1 ist in 4 veranschaulicht und allgemein mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet. Das Kammverteilungssystem 40 ist eine 1 × 32-Einheit zum Demultiplexieren eines Mehrkanalsignals in 32 WDM-Kanäle und 32 PS-Signale. Strukturell weist das Kammverteilungssystem 40 eine erste Stufe 12 mit einem einzelnen kombinierten 1 × 8-WDM/PS-Mechanismus 16 auf, welche an eine zweite Stufe 14 mit acht 1 × 8-WDM/PS-Mechanismen 22 angeschlossen ist. Im Kern dient jeder der kombinierten WDM/PS-Mechanismen 16, 22 sowohl als WDM als auch als PS, abhängig von der Wellenlänge eines Kanals.
Zu Beschreibungszwecken ist im Folgenden ein „grober WDM" (oder „CWDM") ein WDM mit einem breiteren Bandpass und größerem FSR als ein anderer WDM (also „dichter WDM"), und ein „dichter WDM" (oder „DWDM") ist ein WDM mit einem engeren Bandpass und kleineren FSR als ein anderer WDM (also „grober WDM"). Außerdem wird der grobe WDM (oder CWDM) benutzt, um das PS-Band und das WDM-Band zu trennen oder zu kombinieren.
Es ist zumindest aus den folgenden Gründen vorteilhaft, einen PS mit einem WDM zu verbinden. Erstens benötigen einige Verteilungsschemen Leistungsteiler, z.B. das Senden von Kabelfernseh(TV)-Signalen unter Verwendung leistungsstarker linearisierter Lichtleiterverstärker (LOFA). Zweitens wäre es ökonomisch rentabler, in preiswerten langsamen nicht-wellenlängenselektiven Sendern und Empfängern anfänglich PS zu verwenden, wenn die benötigte Bandbreite klein ist, und das System dann zu einem vollwertigen WDM-Netzwerk zu erweitern, wenn die benötigte Bandbreite groß wird. Ein geeigneter WDM/PS-Mechanismus 16, 22 ist in US-Patentschrift 5,285,305 an Cohen u.a. beschrieben.
Das Kammverteilungssystem 40 wird wie folgt als Demultiplexer verwendet. Ein grober WDM (nicht dargestellt) kombiniert ein PS-Signal und die WDM-Kanäle an der Zentralstelle und leitet das kombinierte optische Signal an den WDM/PS-Mechanismus 16 der ersten Stufe über den optischen Weg 17 weiter, wie in 4 dargestellt. Vorzugsweise ist der WDM/PS-Mechanismus 16 der ersten Stufe im ersten Außenknoten (RN1) untergebracht, der sich nahe dem Zentrum eines Versorgungsgebiets von typischerweise bis zu etwa 480 aktiven Einheiten (LU) befindet. Jeder RN1 bedient bis zu 480 LU, und deswegen gibt es typischerweise fünfzehn WDM/PS-Mechanismen 16 in einer einzelnen RN1-Hülle, wobei ein einfach ummanteltes (Bündel)-Mehrfaserkabel von der Zentralstelle zum RN1 verläuft. Jeder der acht RN1-Ausgänge dient als getrennter Sockel (RN2), welcher einen WDM/PS-Mechanismus 22 der zweiten Stufe beherbergt, der vier LU bedient.
5 veranschaulicht weitere Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform des WDM/PS-Mechanismus 16 (4). In 5 weist der WDM/PS-Mechanismus 16 einen CWDM 42 an seinem Eingang auf. Der CWDM 42 teilt die zwei Wellenlängenbänder und führt diese jeweils einem 1 × 4-DWDM 44 und einem 1 × 4-PS 46 zu. Jede Ausgabe des DWDM 44 wird danach unter Verwendung eines anderen CWDM 48, welcher dieselbe Spektralkurve wie der CWDM 42 aufweist, mit einer Ausgabe des PS 46 kombiniert. Somit fungiert der WDM/PS-Mechanismus 16 für ein Wellenlängenband (bezeichnet als das WDM-Band) als WDM, und für das andere Wellenlängenband (das PS-Band) fungiert der WDM/PS-Mechanismus 16 ersichtlich als ein PS. Wenn beide Wellenlängenbänder am optischen Eingangsweg 17 vorliegen, dann erhält jeder optische Ausgangsweg 24 1/8 der Leistung des PS-Bandes und einen Wellenlängenkanal des WDM-Bandes.
Für diagnostische Zwecke können zusätzliche Anschlüsse 52 hinzugefügt werden. Zum Beispiel können statt 1 × 4-Einheiten ein 2 × 5-DWDM und ein 2 × 5-PS verwendet werden, wobei der zusätzliche Ausgang einen Teil (z.B. 1/10) der Leistung der regulären Ausgänge aufweist, wodurch ein direkter lokaler Zugriff auf die PS- und WDM-Signale bereitgestellt wird.
6 veranschaulicht weitere Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform des WDM/PS-Mechanismus 22 (4). Jeder WDM/PS-Mechanismus 22 umfasst einen CWDM 54, welcher über den optischen Weg 55 mit einem DWDM 56 und über den optischen Weg 57 mit einem PS 58 verbunden ist. Der DWDM 56 empfängt auf dem optischen Weg 55 eine Ansammlung von vier WDM-Signalen und filtert und trennt diese Kanäle, um auf jedem optischen Weg 24 jeweils einen Kanal bereitzustellen. Weiter empfängt der PS 58 auf dem optischen Weg 57 eine Ansammlung von vier Sendesignalen und filtert und trennt die Sendesignale, um auf jedem der vier optischen Wege 24 jeweils ein Sendesignal bereitzustellen.
In einigen Fällen, z.B. in einer Einheit eines optischen Netzwerks (ONU), wo der WDM/PS-Mechanismus 22 der 6 getrennten Detektoren für die PS- und WDM-Bänder zugeführt wird, werden die CWDM 42 (5) nicht benötigt.
Ein Beispiel für einen Zuordnungsplan für die zweiunddreißig WDM-Kanäle, welche von dem Kammverteilungssystem 40 betrieben werden, ist bei Bezugsziffer 61 in 7 dargestellt. Ebenfalls in 7 an den entsprechenden Bezugsziffern 62, 63 dargestellt sind die idealen DWDM-Durchlassbänder der WDM/PS-Mechanismen 16 der ersten Stufe und eines der WDM/PS-Mechanismen 22 der zweiten Stufe. Das WDM-Band liegt vorzugsweise um 1,5 μm herum, und das PS-Band liegt vorzugsweise um 1,3 μm herum, sie können aber auch vertauscht sein oder bei anderen Wellenlängen liegen. Der Kanalabstand beträgt etwa 400 GHz (eine Wellenlänge von etwa 3,2 nm). Der WDM/PS-Mechanismus 16 der ersten Stufe (4) weist einen Durchlassband-Abstand von etwa 400 GHz und einen FSR von etwa 8 × 400 GHz auf und benötigt keine Doppelbrechungskompensation und nur ein geringes Maß an Durchlassband-Entzerrung. Die DWDM 56 der zweiten Stufe (6) weisen einen Durchlassband-Abstand von etwa 8 × 400 GHz und einen FSR von 32 × 400 GHz auf und benötigen keine Durchlassband-Entzerrung und keine Rückführregelung. Wegen des großen Durchlassband-Abstandes und der kleinen Anzahl von Teilungen für den DWDM 56 der zweiten Stufe wird statt eines WGR vorzugsweise ein Wellenleiterfilter verwendet, der auf Fouriertransformation basiert (FF).
Die 32 Kanäle belegen eine Gesamtbadbreite von etwa Einhundert nm von 1,48 μm bis 1,58 μm. Die Wellenlängen außerhalb dieses Wellenlängenbereichs, namentlich von 1,43 μm bis 1,88 μm und von 1,58 μm bis 1,63 μm, können wahlweise benutzt werden, um jeder LU einen weiteren Kanal zur Verfügung zu stellen, oder sie können für Prüfzwecke benutzt werden. Wenn jeder LU zwei Kanäle zur Verfügung gestellt werden, dann kann in jeder ONU ein einfacher CWDM, z.B. ein wohlbekanntes Mach-Zehnder-Interferometer, verwendet werden, um die zwei Kanäle zu trennen. Wenn die zusätzlichen Kanäle für Prüfzwecke benutzt werden, dann kann der FSR der DWDM 56 der zweiten Stufe (6) auf etwa 64 × 400 GHz vergrößert werden, wodurch das Prüfsignal blockiert wird, so dass es die ONU nicht erreicht.
Das Kammverteilungssystem 40 (4) verringert merklich das Nebensprechen zwischen den Kanälen. Diesbezüglich stellt 8 bei Bezugsziffer 71 das Leistungsspektrum am Eingang des WDM/PS-Mechanismus 16 der ersten Stufe dar, wenn alle der zweiunddreißig Kanäle und ein Prüfkanal mit denselben Leistungsniveaus aktiv aber nicht korreliert sind. 8 stellt ferner bei den jeweiligen Bezugsziffern 72, 73 das Spektrum der Ausgänge 18, 24 (4) der ersten und zweiten Stufe dar. Ferner stellt in 8 der Bereich der gestrichelten Linie 65 das ideale Durchlassband des WDM/PS-Mechanismus 16 der ersten Stufe (4) dar, und der Bereich der gestrichelten Linie 66 stellt das ideale Durchlassband des WDM/PS-Mechanismus 22 der zweiten Stufe (4) dar.
Wenn zwei Stufen von WDM mit den Nebensprechniveaus δ₁ und δ₂ in dem Kammverteilungssystem 40 hintereinander geschaltet werden, dann wird das Nebensprechsignal aus der ersten Stufe (der relativen Größe δ₁) in der zweiten Stufe um einen Faktor δ₂ verringert, außer für Kanäle, die mit den Durchlaufkanälen benachbart sind. Die Kanäle an den Rändern des Durchlassbands des WDM der zweiten Stufe weisen eine Verringerung des Nebensprechens von etwa 0,5 auf. Somit sind in der letzten Ausgabe, die Kanal 9 durchläuft, die Nebensprechsignale die Kanäle 8 und 10 der relativen Größe δ₁, die Kanäle 7 und 11 de relativen Größe δ₁/2, die Kanäle 1, 17, 25 und der Prüfkanal relativen Größe δ₂ und die Kanäle 2 bis 6, 12 bis 16, 18 bis 24 und 26 bis 32 der relativen Größe δ₁δ₂. Das aufsummierte Nebensprechen beträgt deswegen 3δ₁ + 4δ₂ + 24δ₁δ₂. Realistische Nebensprechniveaus, welche mit unserer derzeitigen Wellenleitertechnologie erreichbar sind, sind δ₁ = 0,005 und δ₂= 0,0025 (also –23 und –26 dB), und das aufsummierte Nebensprechen beträgt etwa 0,025 oder –16 dB. Man beachte, dass dann, wenn einstufiger 1 × 32-WDM benutzt würde, das aufsummierte Nebensprechniveau 31δ₁≈ 0,15 (–7,5 dB) betrüge, und deswegen bietet das mehrstufige Kammverteilungsschema eine wirksame Verringerung des Nebensprechens, welches einen wichtiger Faktor darstellt, der diese praktisch macht. Wenn vierundsechzig Kanäle aktiv sind, dann geht das aufsummierte Nebensprechen um drei dB zurück, es liegt jedoch immer noch unterhalb des erforderlichen Nebensprechniveaus für die digitale Videoübertragung.
Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass viele Veränderungen und Variationen der beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen ausgeführt ist.

Claims

Kammverteilungssystem (10) zum Demultiplexieren eines optischen Signals in eine Vielzahl einzelner Kanäle mit verschiedenen Wellenlängen, aufweisend: einen Demultiplexer (16) für eine erste Stufe der Wellenlängenaufteilung zum Empfangen des optischen Signals mit der Vielzahl von einzelnen Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen und zum gleichzeitigen Demultiplexieren der Vielzahl in Bänder durch die Verwendung erster Bandpassfilter, wobei jedes der Bänder eine Vielzahl der einzelnen Kanäle aufweist, welche voneinander getrennt sind; und eine Vielzahl von Demultiplexern für eine zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung zum gleichzeitigen Demultiplexieren der einzelnen Kanäle aus jedem der Bänder mit zweiten Bandpassfiltern; wobei die einzelnen Kanäle in jedem Band durch mindestens einen anderen Kanal voneinander getrennt sind; und wobei die zweiten Bandpassfilter breiter sind als die ersten Bandpassfilter; DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS: mindestens einer der Demultiplexer für die erste und zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung jeweils ferner einen Dragone-Leitwegrechner aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei es NM der einzelnen Kanäle und M Demultiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung gibt, wobei jeder I-te Demultiplexer für die Wellenlängenaufteilung der M Demultiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängen aufteilung einen Kanal I und einen Kanal M + I der NM Kanäle empfängt und demultiplexiert.
System nach Anspruch 2, wobei N = 2 und M = 2.
System nach Anspruch 2, wobei N = 4 und M = B.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner optische Fasern aufweist, die derart gestaltet sind, dass sie die Bänder von dem Demultiplexer für die erste Stufe der Wellenlängenaufteilung auf die Demultiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung übertragen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches ferner Wellenleiter aufweist, die derart gestaltet sind, dass sie die Bänder von dem Demultiplexer für die erste Stufe der Wellenlängenaufteilung auf die Demultiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung übertragen.
System (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Signal die multiplexierten WDM-Kanäle und eine Vielzahl von leistungsteilenden Signalen enthält; DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS ein Leistungsteiler mit jedem WDM (22a, 22b) der zweiten Stufe verbunden ist, wobei die Leistungsteiler so gestaltet sind, dass sie gemeinsam die Vielzahl von Leistungskanälen demultiplexieren, welche auf dem optischen Signal multiplexiert sind.
Kammverteilungssystem zum Multiplexieren einer Vielzahl einzelner Kanäle mit verschiedenen Wellenlängen in ein optisches Signal, aufweisend: eine Vielzahl von Multiplexern (22a, 22b) für eine erste Stufe der Wellenlängenaufteilung zum Erzeugen von Bändern durch gleichzeitiges Multiplexieren der einzelnen Kanäle mit ersten Bandpassfiltern, wobei jedes der Bänder eine Vielzahl der einzelnen Kanäle aufweist, welche voneinander getrennt sind; und einen Multiplexer (16) für eine zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung zum Bereitstellen des optischen Signals mit der Vielzahl von einzelnen Kanälen mit verschiedenen Wellenlängen durch gleichzeitiges Multiplexieren der Bänder durch die Verwendung zweiter Bandpassfilter; wobei die Kanäle in den Bändern durch mindestens einen anderen der Kanäle getrennt sind; und wobei die zweiten Bandpassfilter enger sind als die ersten Bandpassfilter; DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS: mindestens einer der Multiplexer für die erste und zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung jeweils ferner einen Dragone-Leitwegrechner aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei es NM der einzelnen Kanäle und M Multiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung gibt, wobei jeder I-te Multiplexer für die Wellenlängenaufteilung der M Multiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung einen Kanal I und einen Kanal M + I der NM Kanäle multiplexiert.
System nach Anspruch 9, wobei N = 2 und M = 2.
System nach Anspruch 9, wobei N = 4 und M = 8.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, welches ferner optische Fasern aufweist, die derart gestaltet sind, dass sie die Bänder von dem Multiplexer für die erste Stufe der Wellenlängenaufteilung auf die Multiplexer für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung übertragen.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, welches ferner Wellenleiter aufweist, die derart gestaltet sind, dass sie die Bänder vom den Multiplexern für die zweite Stufe der Wellenlängenaufteilung auf den Multiplexer für die erste Stufe der Wellenlängenaufteilung übertragen.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, welches ferner einen Leistungsteiler aufweist, welcher mit jedem Multiplexer für die Wellenlängenaufteilung der ersten Stufe verbunden ist, wobei die Leistungsteiler so gestaltet sind, dass sie gemeinsam eine Vielzahl von Leistungssignalen multiplexieren, welche auf das optische Signal multiplexiert werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Multiplexer für die Wellenlängenaufteilung der ersten und zweiten Stufe auf einer einzigen integrierten Schaltung befinden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei sich die Multiplexer für die Wellenlängenaufteilung der ersten und zweiten Stufe in einzelnen getrennten elektronischen Bauteilen befinden, welche an einem Knotenpunkt eines faseroptischen Netzwerks lokal verbunden sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Multiplexer für die Wellenlängenaufteilung der ersten und zweiten Stufe getrennt sind und sich an verschiedenen Knotenpunkten eines faseroptischen Netzwerks befinden und über ein Faserkabel verbunden sind, so dass ein Verteilungsnetz gebildet wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beabstandeten Kanäle voneinander durch entlang eines Frequenzspektrums etwa gleich beabstandete Wellenlängenkanäle getrennt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Multiplexern für die Wellenlängenaufteilung der ersten und zweiten Stufe um passive Elemente handelt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei mindestens einer der Multiplexer für die Wellenlängenaufteilung der ersten und zweiten Stufe einen Fourierfilter aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei es sich bei der ersten und der zweiten Stufe um passive Netzwerke handelt.