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Die
Erfindung befindet sich im Bereich der optischen Kommunikationsnetze,
in denen das Wellenlängenmultiplexverfahren
zur Anwendung kommt.
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Diese
Netze bestehen aus mehreren Knoten, die durch optische Verbindungen
miteinander verbunden sind. Jeder Knoten beinhaltet "Benutzer"-Eingänge und
ist jeweils über
optische Verbindungen mit einem oder mehreren anderen Knoten verbunden.
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Die Übertragung
einer Benutzermeldung von einem Senderknoten zu einem Empfängerknoten
erfolgt über
eine optische Verbindung, welche Leitungen und gegebenenfalls Zwischenknoten
beinhaltet, auf einem Leitweg, der allgemein abhängig von der Wellenlänge ist,
welche diese Meldung transportiert. Diese spektrale Leitwegfunktion
wird von einem Netzcontroller gesteuert, der auf jedem Senderknoten
und in Abhängigkeit
von den Zielknoten die Wellenlängen
zuweist, auf welcher die Meldungen transportiert werden.
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Die
Leistungsfähigkeit
eines solchen Netzes, insbesondere im Hinblick auf die Signalqualität und die
Datenrate, wird indessen durch die optischen Eigenschaften der Verbindungen
begrenzt, da sich hier physikalische Phänomene bemerkbar machen, welche
die optischen Signale beeinträchtigen.
Diese Phänomene
sind insbesondere die chromatische Dispersion und die Nichtlinearität in den
Fasern, welche die Leitungen bilden, sowie die Dämpfung der optischen Leistung
in den Fasern und in bestimmten Bauelementen wie etwa Kopplern,
Schaltern, Multiplexern, Demultiplexern oder Wellenlängenumsetzern,
die in den Knotenpunkten und entlang allen Leitungen eingesetzt
werden.
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Es
sind allerdings Mittel bekannt, mit denen sich die Beeinträchtigungen,
die diese Phänomene mit
sich bringen, zumindest teilweise beheben lassen. So kann beispielsweise
die Dämpfung
in den Fasern durch Verstärker
kompensiert werden, die im Signalweg vor oder hinter den Leitungen
oder auch auf der gesamten Länge
der Leitungen angeordnet sind. Eine andere bekannte Technik, die
als "spektrale Inversion" oder "Phasenkonjugation" bezeichnet wird,
kann vorteilhaft angewandt werden, um die Auswirkungen der chromatischen
Dispersion sowie die Nichtlinearitäten aufgrund des Kerr-Effekts (der linearen
Abhängigkeit
der Änderungen
der Brechzahl eines Mediums gegenüber Änderungen der Lichtintensität) zu korrigieren.
Das Prinzip der Kompensation unter Anwendung der spektralen Inversion
wird im Artikel "Compensation
for channel dispersion by nonlinear optical phase conjugation" von Ammon Yariv
et al. in OPTICS LETTERS, Vol. 4, Nr. 2, Februar 1979, beschrieben.
Die Bedingungen, die erfüllt
sein müssen,
damit die spektrale Inversion sowohl die chromatische Dispersion
als auch die Nichtlinearitäten korrigiert,
wurden von S. Watanabe auf der Konferenz IOOC 95 präsentiert,
die vom 26. bis zum 30. Juni 1995 in Hongkong stattfand.
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Der
Einfachheit halber ist man allgemein bestrebt, die Leistungsfähigkeit
eines Netzes zu steigern, indem man eine Kompensation oder Vorkompensation
der vorgenannten Phänomene
an den Enden der Leitungen bewerkstelligt. Bei dieser Art der Korrektur,
die als "Punkt-zu-Punkt-Kompensation" bezeichnet wird,
wird allerdings angenommen, daß die
Faserenden so weit zugänglich
sind, daß man zwischen
diesen Enden und den Knotenpunkten Kompensationsvorrichtungen anordnen
kann. Nun sind solche Modifikationen kostspielig und in bereits installierten
Netzen nicht immer möglich,
vor allem dann, wenn es sich um ausgedehnte Netze handelt.
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Die
Dokumente US-A-5 224 183 (DUGAN JOHN M) vom 29. Juni 1993 und EP-A-0
539 177 (NIPPON ELECTRIC CO.) vom 28. April 1993 beschreiben Systeme
zur "Punkt-zu-Punkt-Kompensation" für optische
Kommunikationsnetze.
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Ziel
der Erfindung ist es, diese Unzulänglichkeiten zu beheben. Um
dieses Ziel zu erreichen, ist ein Gegenstand der Erfindung eine
Anpassungsvorrichtung für
ein optisches Kommunikationsnetz, beinhaltend mehrere Knoten, welche untereinander über optische
Verbindungen verbunden sind, wobei die besagten Knoten geeignet
sind, spektrale Wellenlängenmultiplexkomponenten
selektiv zu übertragen, wobei
die besagten Übertragungen
jeweils von mindestens einem Eingang mindestens eines Senderknotens
zu Zielknoten mittels besagter Verbindungen des Netzes und auf vordefinierten
Leitwegen erfolgen können,
wobei die besagte Anpassungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist,
daß sie
Mittel beinhaltet, die geeignet sind, um selektiv Transformationen
auf die Spektralkomponenten eines Eingangs-Multiplexsignals anzuwenden, um jeweils
vorkompensierte Spektralkomponenten zu erzeugen, wobei die besagten
Transformationen dafür
vorgesehen sind, die Signalverformungen vorzukompensieren, die jeweils
bei Übertragungen
entlang der möglichen
vordefinierten Leitwege zwischen einem Senderknoten und den besagten
Zielknoten verursacht werden, wobei die besagten vorkompensierten
Spektralkomponenten dafür
vorgesehen sind, dem Eingang des besagten Senderknotens zugeführt zu werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der praktischen Ausführung ist die Anpassungsvorrichtung
ferner dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes beinhaltet:
- – Vorkompensationsmodule,
die jeweils den besagten Transformationen zugeordnet sind, wobei jedes
Modul zur Vorkompensation der chromatischen Dispersionen und/oder
der Nichtlinearitätseffekte
aufgrund der optischen Verbindungen beiträgt, welche einen der besagten
möglichen
vordefinierten Leitwege bilden, und
- – Abzweigvorrichtungen
zur selektiven Kopplung jeder Spektralkomponente des Eingangs-Multiplexsignals
mit einem der besagten Module.
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Gemäß einem
speziellen Realisierungsfall, mit dem im wesentlichen die chromatische
Dispersion kompensiert werden soll, ist die Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet, daß jedes
Vorkompensationsmodul eine dispersive Faser enthält, welche ein erstes Ende,
das mit den besagten Abzweigvorrichtungen verbunden ist, und ein
mit einem Spektralinverter verbundenes zweites Ende aufweist, sowie
dadurch, daß die
Dispersionseigenschaften und die Länge der besagten dispersiven
Faser derart eine Funktion einer der besagten möglichen vordefinierten Leitwege
sind, daß die
kumulierten Dispersionen, die jeweils von der dispersiven Faser
und den optischen Verbindungen, welche den besagten Leitweg bilden,
hervorgerufen werden, gleich sind.
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Gemäß einer
anderen Variante zur gleichzeitigen Korrektur der chromatischen
Dispersion und der Nichtlinearitäten
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß jedes Vorkompensationsmodul eine
dispersive Faser enthält,
die ein erstes Ende, welches mittels eines optischen Verstärkers mit
den besagten Abzweigvorrichtungen verbunden ist, und ein mit einem
Spektralinverter gekoppeltes zweites Ende aufweist, sowie dadurch,
daß die
Verstärkung des
besagten Verstärkers
und die Eigenschaften der besagten dispersiven Faser derart eine
Funktion eines der besagten möglichen
vordefinierten Leitwege sind, daß die kumulierten Dispersionen
und Phasennichtlinearitäten,
die jeweils von der dispersiven Faser und den optischen Verbindungen,
welche den besagten Leitweg bilden, hervorgerufen werden, gleich sind.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein optisches Kommunikationsnetz
der oben definierten Art, in welchem mindestens einer der Senderknoten
am Eingang mit einer erfindungsgemäßen Anpassungsvorrichtung gekoppelt
ist.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
deutlich werden, in welchen auf die Abbildungen Bezug genommen wird.
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1 zeigt
in schematischer Form ein Übertragungsnetz,
welches einer erfindungsgemäßen Anpassungsvorrichtung
zugeordnet ist.
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2 zeigt
ein Realisierungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anpassungsvorrichtung.
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3 zeigt
eine Realisierungsform eines Spektralinverters, der in der erfindungsgemäßen Anpassungsvorrichtung
einsetzbar ist.
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4 zeigt
eine Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Anpassungsvorrichtung.
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1 zeigt
ein optisches Kommunikationsnetz, welches aus mehreren Knoten N1-N6
besteht. Die Netzknoten sind untereinander direkt oder auch nicht
mittels optischer Leitungen L12-L56 verbunden. Die Knoten sind ferner über geeignete
Verbindungen (die hier durch bidirektionale Pfeile symbolisiert
werden) mit Benutzern verbunden, die sich außerhalb des Netzes befinden.
Diese Benutzer liefern ihnen Meldungen in Form von modulierten optischen
Trägerwellen,
welche Wellenlängenmultiplexsignale
bilden. Jeder der Knoten ist normalerweise dafür vorgesehen, die Spektralkomponenten
der von den Benutzern oder anderen Knoten empfangenen Multiplexsignale
selektiv an die Netzleitungen zu übertragen, mit denen er verbunden
ist.
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Somit
besitzt jeder Knoten, beispielsweise N1, einen Eingang e, der dafür geeignet
ist, ein Benutzer-Multiplexsignal
zu empfangen, das für
die Übertragung über das
Netz vorgesehen ist. Der Knoten beinhaltet einen mit diesem Eingang
verbundenen Spektralschalter, um selektiv die Spektralkomponenten
des empfangenen Multiplexsignals zu den Leitungen L12, L13 und L14
zu verzweigen.
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Das
Netz 1 wird von einem Netzcontroller 2 gesteuert,
der dafür
sorgt, daß die
Benutzermeldungen von Trägerwellen
transportiert werden, die den Zielknoten zugeordnet sind. Dieselben
Wellenlängen entsprechen
zugleich festgelegten Leitwegen zwischen den Senderknoten und den
Empfängerknoten dieser
Meldungen.
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In
einem normalen Netz wird das Benutzer-Multiplexsignal, dessen Netzzugang
beispielsweise den Knoten N1 nutzt, direkt auf den Eingang e dieses
Knotens gegeben. Dagegen wird das Benutzer-Multiplexsignal erfindungsgemäß nicht
direkt auf den Eingang e des Knotens N1 gegeben, sondern mittels
einer Anpassungsvorrichtung PC. Das Benutzer-Multiplexsignal bildet
also ein Eingangs-Multiplexsignal We der Vorrichtung PC, welche
ein vorkompensiertes Multiplexsignal Ws liefert, das dazu bestimmt
ist, auf den Eingang e gegeben zu werden. Wie in 1 dargestellt,
müßte für den Fall,
daß das Eingangs-Multiplexsignal We
nicht in Form von räumlich
getrennten Spektralkomponenten λ1-λn verfügbar wäre, ein
Demultiplexer DM am Eingang der Anpassungsvorrichtung PC angeordnet
werden.
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2 zeigt
als Beispiel eine Realisierungsform der Anpassungsvorrichtung PC,
welche eine Vorkompensation der chromatischen Dispersion und der
Nichtlinearitätseffekte
gestattet, die von den optischen Verbindungen verursacht werden,
welche die verschiedenen möglichen
Leitwege zwischen einem Senderknoten und den anderen Knoten des
Netzes bilden. Die Vorrichtung beinhaltet Verzweigungsmittel X,
die mit k Vorkompensationsmodulen MP1, MP2, MPk verbunden sind,
sowie einen Koppler C, dessen Eingänge mit den Modulen MP1, MP2,
MPk verbunden sind und dessen Ausgang mittels eines optischen Verstärkers AS
mit einem Spektralinverter IS verbunden ist. Der Ausgang des Spektralinverters ist
mit einem Filter F verbunden.
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Die
Vorkompensationsmodule MP1, MP2, MPk entsprechen jeweils k vordefinierten
Leitwegen zwischen dem betrachteten Knoten und den anderen Knoten
des Netzes. Ein und dasselbe Modul kann einem einzigen Leitweg oder
mehreren Leitwegen zugeordnet werden, wenn diese dieselben vorzukompensierenden
Eigenschaften aufweisen.
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Die
Verzweigungsmittel X beinhalten n Raumdurchschalter SW1, SW2, SWn,
die jeweils die n Spektralkomponenten λ1, λ2, λn empfangen, welche beispielsweise
von dem in 1 dargestellten Demultiplexer
abgegeben werden. Jeder Schalter besitzt eine Anzahl k von Ausgängen A1,
A2, Ak.
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Die
Verzweigungsmittel X beinhalten weiterhin k Multiplexer M1, M2,
Mk, deren Ausgänge
jeweils mit Vorkompensationsmodulen MP1, MP2, MPk gekoppelt sind.
Jeder der Multiplexer M1-Mk beinhaltet n Eingänge B1, B2, Bn, die jeweils
fest auf die Wellenlängen λ1, λ2, λn der Spektralkomponenten λ1, λ2, λn des Eingangs-Multiplexsignals
We abgestimmt sind. Für
jeden Multiplexer ist derjenige seiner Eingänge B1-Bn, der fest auf eine
der Wellenlängen λ1-λn eingestellt
ist, mit einem der Ausgänge A1-Ak
desjenigen Raumdurchschalters SW1-SWn gekoppelt, der dafür vorgesehen
ist, die Spektralkomponente zu empfangen, welche jeweils dieselbe Wellenlänge aufweist.
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Im
hier gezeigten Beispiel besteht jedes Vorkompensationsmodul MP1,
MP2, MPk im wesentlichen aus einer dispersiven Faser CF1, CF2, CFk,
die jeweils mit dem Ausgang eines zugeordneten Multiplexers M1,
M2, Nk verbunden sind. Um die Nichtlinearitätseffekte vorzukompensieren,
bietet es sich an, diese Kopplung mittels eines optischen Verstärkers AE1,
AE2, AEk zu bewerkstelligen, der jeweils eine geeignet eingestellte
Verstärkung
aufweist, die groß genug
ist, um geeignete Nichtlinearitätseffekte
in der zugeordneten dispersiven Faser hervorzurufen. Das andere
Ende jeder dispersiven Faser ist direkt mit dem Eingang des Kopplers
C verbunden.
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Für den Fall,
daß man
lediglich die chromatische Dispersion kompensieren möchte, wird
jede dispersive Faser eine Länge
sowie Dispersionseigenschaften aufweisen, die so bemessen sind,
daß die
in dieser Faser kumulierte Dispersion gleich derjenigen ist, die
durch die optischen Verbindungen entstehen, die durch den Leitweg
(die Leitwege), der (die) dem Modul zugeordnet ist (sind), verursacht werden.
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Diese
Bedingung läßt sich
auch mathematisch durch folgende Formel ausdrücken: ∫ D1(z1)dz1 = ∫ D2(z2)dz2 (1)wobei z1 und z2 jeweils
die Abszissen entlang der dispersiven Faser und entlang der zugehörigen Verbindung
sind, während
D1 und D2 die jeweiligen
Dispersionsparameter der Abszissen z1 und
z2 der dispersiven Faser und der Verbindung
sind.
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Bekanntlich
ist der Dispersionsparameter D mit der Fortpflanzungskonstante β durch folgenden Zusammenhang
verbunden: d2β/dω2 = –(2πc/ω2)D,wobei ω die Kreisfrequenz der Welle
und c die Lichtgeschwindigkeit im luftleeren Raum sind.
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Um
gleichzeitig die chromatische Dispersion und die Nichtlinearitätsphänomene kompensieren
zu können,
empfiehlt es sich, für
den der Faser zugeordneten Verstärker
AE1, AE2, AEk eine Verstärkung, eine
Faserlänge
sowie Dispersionseigenschaften dieser Faser so zu wählen, daß die in
dieser Faser kumulierte Phasennichtlinearität gleich der kumulierten Phasennichtlinearität in der
zugehörigen
optischen Verbindung ist.
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Diese
andere Bedingung läßt sich
mathematisch durch folgende Formel ausdrücken: ∫ γ1(z1)P1(z1)dz1 = ∫ γ2(z2)P2(z2)dz2, (2)wobei γ1(z1) und γ2(z2) jeweils die
Nichtlinearitätskoeffizienten
für die
Abszissen z1 und z2 der
dispersiven Faser und der Verbindung sind. P1(z1) und P2(z2) sind die jeweiligen optischen Leistungen
auf den Abszissen z1 und z2 der
dispersiven Faser und der Verbindung.
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In
erster Näherung
kann man homogene dispersive Fasern verwenden. In diesem Fall lautet
die Formel (1): L1·d2β1/dω2 = L2·d2β2/dω2, (3)wobei
L1 und L2 jeweils
die Längen
der dispersiven Faser und der Verbindung und β1 und β2 jeweils
die Fortpflanzungskonstanten der dispersiven Faser und der Verbindung
sind.
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Gleichwohl
werden die dispersiven Fasern vorteilhafterweise aus mehreren aneinandergefügten Segmenten
bestehen, welche derartige Längen
und optische Eigenschaften aufweisen, daß die vorgenannten Bedingungen
(1) und (2) optimal erfüllt
sind. Als Variante dazu können
diese Segmente über
Verstärker
miteinander verbunden werden.
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Damit
in der Praxis ein gegebenes Signal-Rausch-Verhältnis garantiert ist, stellt
man das Leistungsniveau kanalweise am Eingang des Spektralinverters
ein. Dazu empfiehlt es sich, einen Verstärker AS mit geeigneter Verstärkung im
Signalweg vor dem Inverter anzuordnen. Die Verstärkungen der Verstärker AE1,
AE2, AEk werden in Abhängigkeit von
den Leistungen der Spektralkomponenten des Eingangs-Multiplexsignals
We und von den Verlusten eingestellt, die durch die Verzweigungsmittel
X verursacht werden.
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Im
Betrieb empfangen die Raumdurchschalter SW1, SW2, SWn vom Netzcontroller 2 die
Verzweigungsbefehle r1, r2, rn, die von den für die Spektralkomponenten λ1, λ2, λn jeweils
vorgesehenen Leitwegen abhängen.
Die Spektralkomponenten werden somit zu den Vorkompensationsmodulen
verzweigt und anschließend
von diesen Modulen transformiert, bevor sie vom gemeinsamen Spektralinverter
IS der Phasenkonjugation unterzogen werden. Die vom Spektralinverter
abgegebenen Wellen Wb' werden anschließend vom
Filter F so gefiltert, daß nur
die Wellenlängen λ1'-λn' der Spektralkomponenten übertragen
werden, bei denen es sich um die Konjugierten der Eingangs-Spektralkomponenten
handelt.
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3 zeigt
eine mögliche
Realisierungsform des Spektralinverters IS. Der Spektralinverter
IS besteht im wesentlichen aus einem optischen Halbleiterverstärker OA,
der von einem Pumpstrom I gespeist wird. Mittels des Kopplers C1
und des Polarisationskopplers C2 empfängt das Verstärkerelement des
Verstärkers
OA die vom Verstärker
AS gelieferten Spektralkomponenten des Multiplexsignals Wb und zwei
Pumpwellen, die von den beiden Laserquellen LP1 und LP2 geliefert
werden. Die beiden Laserquellen LP1 und LP2 liefern Wellen in Kreuzpolarisation
mit den Kreisfequenzen ω1
und ω2.
Der Verstärker
OA liefert somit eine Welle Wb',
welche die zu den Spektralkomponenten des Multiplexsignals Wb konjugierten
Spektralkomponenten enthält,
und die Welle Wb' enthält für jede Spektralkomponente
der Kreisfrequenz ωs
des Multiplexsignals Wb eine konjugierte Spektralkomponente der
Kreisfrequenz ωc unter
Erfüllung
des Zusammenhangs ω1
+ ω2 – ωs = ωc.
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Somit
müßte das
Filter F alle Wellenlängen der
konjugierten Spektralkomponenten passieren lassen und zugleich die
Wellenlängen
der beiden Pumpwellen und der Spektralkomponenten λ1-λn des Eingangs-Multiplexsignals
sperren. Daraus folgt in der Praxis, daß die Wellenlängen der
Pumpwellen außerhalb
des Bandes des Eingangs-Multiplexsignals liegen müssen.
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Die
Spektralinversion in einem nichtliniearen Medium bringt allerdings
Beschränkungen
mit sich, was die Anzahl der Spektralkomponenten betrifft, die invertiert
werden können.
Diese Beschränkung
ist auf das Übersprechen
zwischen den im Medium entstehenden Wellen zurückzuführen. Diese Beschränkung kann
jedoch umgangen werden, indem man gemäß der in Abbildung 4 veranschaulichten
Anordnung mehrere nichtlineare Medien verwendet. Der Aufbau besteht
aus mehreren Anpassungsvorrichtungen PC1-PC4, von denen jede dem
in 2 gezeigten Schema entspricht. Das Eingangs-Multiplexsignal We
wird von einem Demultiplexer DM in mehrere Gruppen von Spektralkomponenten λ1-λ4, λ5-λ8, λ9-λ12, λ13-λ16 unterteilt.
Die Spektralkomponenten jeder Gruppe werden auf die Eingänge einer zugehörigen Anpassungsvorichtung
PC1-PC4 gegeben. Die Ausgangswellenlängen Ws1-Ws4 der Anpassungsvorichtungen
PC1-PC4 werden somit zum endgültigen
vorkompensierten Multiplexsignal Ws gemultiplext. Dies läßt sich
mit Demultiplexern DM1-DM4 realisieren, die jeweils die Wellen Ws1-Ws4
empfangen und ausgangsseitig mit einem Ausgangsmultiplexer M verbunden
sind. In diesem Aufbau können
unter Berücksichtigung
der Filtereigenschaften der Demultiplexer DM1-DM4 die Filter am
Ausgang der Anpassungsvorichtungen PC1-PC4 entfallen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Realisierungsformen
beschränkt.
Insbesondere kann die spektrale Inversion auch mittels einer Faser
mit verteilter Dispersion bewerkstelligt werden, die vorzugsweise
so gewählt
wird, daß sie
einen Dispersionsparameter D von null bei einer Wellenlänge aufweist,
die gleich der mittleren Wellenlänge
der Spektralkomponenten λ1-λn des Eingangs-Multiplexsignals
und der konjugierten Spektralkomponenten λ1'-λn' ist.
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Die
Erfindung deckt auch die Fälle
ab, in denen andere Verfahren zur Vorkompensation angewandt werden.
So kann die chromatische Dispersion beispielsweise auch mittels
einer Vorkompensationsfaser bewerkstelligt werden, deren Dispersionsparameter
entgegengesetzt gleich dem der zugehörigen Verbindung ist. Man kann
somit einen Aufbau verwenden, der mit dem in 2 übereinstimmt
und den spektralen Inverter IS nicht enthält. Ebenso werden die Vorkompensationsmodule,
wenn man nur die Verluste kompensieren möchte, aus einfachen optischen
Verstärkern
bestehen, deren Verstärkungen
in Abhängigkeit
von den Verlusten in den zugehörigen Verbindungen
eingestellt sind.