EP1402670A2 - Verfahren und anordnung zur ermittlung und trennung von einzelkanaleffekten bei der optischen übertragung eines wellenlängen-multiplex (-wdm)-signals - Google Patents

Verfahren und anordnung zur ermittlung und trennung von einzelkanaleffekten bei der optischen übertragung eines wellenlängen-multiplex (-wdm)-signals

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Publication number
EP1402670A2
EP1402670A2 EP02760083A EP02760083A EP1402670A2 EP 1402670 A2 EP1402670 A2 EP 1402670A2 EP 02760083 A EP02760083 A EP 02760083A EP 02760083 A EP02760083 A EP 02760083A EP 1402670 A2 EP1402670 A2 EP 1402670A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical
channel
determined
sdi
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02760083A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Bock
Andreas FÄRBERT
Jörg-Peter ELBERS
Christian Scheerer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1402670A2 publication Critical patent/EP1402670A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
    • H04B10/0795—Performance monitoring; Measurement of transmission parameters
    • H04B10/07951—Monitoring or measuring chromatic dispersion or PMD

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for determining and separating single channel effects in the optical transmission of a wavelength division multiplex (-WDM) signal.
  • -WDM wavelength division multiplex
  • Nonlinear interference occurs when WDM signals are transmitted through optical fibers.
  • multi-channel interactions manifest themselves as an increased noise on the signal levels of all or some channels
  • channel signals have deterministic distortions due to single-channel effects.
  • these interference effects must be determined and then minimized.
  • methods for measuring the quality properties of a transmitted signal are known, for example, by determining the Q factor or the bit error rate or the number of corrected bits by means of a forward error correction (-FEC) module (see "Optical Fiber Communications ", IIIA, i ' .P. Kaminow, TL Koch, 1997, p. 316).
  • WDM wavelength division multiplex
  • the Kerr effect mainly causes four-wave mixing (“Four Wave Mixing” FWM) and / or cross-phase modulation (“Cross Phase Modulation” XPM).
  • the nonlinear scattering process causes stimulated Raman scattering ("Stimulated Ra an Scattering” SRS).
  • FIGS. 1 and 2 show two amplitude histograms of a channel with GVD and / or SPM effects or with an ICC effect. Show:
  • Fig. 2 Amplitude histograms with different crosstalk within one wavelength.
  • the amplitude histogram AH shown in FIG. 1 was obtained with different channel powers 0, 6, 12, 15 dBm after 50 km of a standard single-mode fiber with complete dispersion compensation, e.g. B. by means of a dispersion compensation created the (-DCF) fiber.
  • a synchronous sampling of a binary channel signal by means of a variable sampling voltage U s was used. It can be seen that the single-channel effect GVD is completely compensated for by the DCF fiber, so that no signal distortion of a channel can be determined if the channel power is low and SPM does not make any contribution.
  • high channel power on the other hand, due to the increased SPM, there are several maxima or saddle points in the amplitude distribution of the level “1” of a channel. This can be used as a criterion to determine a non-optimized dispersion compensation between GVD and SPM.
  • the object of the present invention is to determine and separate occurring single channel effects GVD, SPM, ICC and SBS, which occur during the optical transmission of wavelength division multiplex signals.
  • the inventive method for determining and separating single channel effects GVD, SPM, ICC and SBS in the optical transmission of a wavelength division multiplex (-WDM) signal, whose channels are separated and converted into electrical signals, is based on the analysis of the amplitude histogram and Spectrum diagram for each electrical signal.
  • the amplitude histogram is determined as the probability density distribution of the amplitudes of the electrical signal, the two levels (0) and (1) being the only maxima in the amplitude histogram with optimal transmission or with un- Different signal-to-noise ratios of a channel are provided.
  • the single channel effects of dispersion and self-phase modulation GVD / SPM, in particular with high channel powers, or the crosstalk ICC are determined by more than two maxima or saddle points in the amplitude histogram.
  • the spectrum diagram is also determined as the power density spectrum of the electrical signal, with several frequencies of transmitted data of the electrical signal being represented in the spectrum diagram over a corresponding data bandwidth.
  • the single channel effect dispersion GVD is determined by at least a minimum within and above the data bandwidth in the spectrum diagram.
  • the single-channel effect of self-phase modulation SPM is determined by at least one minimum within the data bandwidth in the spectrum diagram.
  • the effects GVD and SPM can therefore be advantageously determined and compensated for.
  • the spectrum diagram remains unchanged when the ICC crosstalk occurs.
  • the single-channel effect ICC can therefore be determined by looking at the amplitude histogram obtained to date in conjunction with the corresponding spectrum diagram and separated from the other single-channel effects GVD / SPM.
  • the single-channel effect SBS (stimulated Brillouin scattering) is determined by weakening the channels in the range of low frequencies (below approx. 100 MHz) in the spectrum diagram of the method according to the invention. This effect does not occur for the GVD, SPM and ICC single-channel effects determined so far.
  • the amplitude histogram can also be used to carry out a quality measurement of the transmission, which outputs a quality parameter such as the Q factor, the bit error rate or the eye opening of a signal.
  • the power density in the electrical spectrum drops for small frequencies of the transmitted data of the electrical signal. Through this Attenuation of the carrier at SBS also decreases the signal quality, ie for example the Q factor decreases.
  • FIG. 3 the arrangement according to the invention
  • FIG. 4 the electrical spectrum diagram for different pulse shapes of an NRZ data signal
  • FIG. 5 the electrical spectrum analyzer
  • FIG. 6 the electrical spectrum diagrams for different dispersion values with linear propagation
  • FIG. 7 the electrical spectrum diagrams with complete dispersion compensation with different channel powers
  • FIG. 8 the electrical spectrum diagrams with different crosstalk values ICC
  • Figure 9 the deterioration in transmission quality at SBS.
  • the arrangement according to the invention is shown schematically in FIG.
  • At least a portion of a WDM signal S decoupled from a transmission link LWL is fed to the input of the arrangement as an input signal IS.
  • the input signal IS is passed to a demultiplexer DEMUX, for example a spectrally tunable optical filter, to separate its channels Kj. (I> 0).
  • At least one channel K ⁇ is still by an optical-electrical converter OEW, z. B. a photodiode, converted into an analog electrical signal ESi.
  • the electrical signal ESj. on the one hand electrical amplitude distributor EAS and, on the other hand, an electrical spectrum analyzer ESA.
  • An amplitude histogram AHi of the electrical signal ESi is generated in the electrical amplitude distributor EAS by synchronous sampling.
  • FIGS. 1 and 2 represent such amplitude histograms AHi.
  • a measurement of the Q factor Q, the bit error rate BER or the eye opening of data transmitted by the electrical signal ESi for estimating the transmission quality of a channel K is also possible ⁇ to be carried out.
  • Other methods for measuring the quality of the channel transmission are possible, but are not mentioned further here.
  • the amplitude histogram AHi enables the determination of the individual channel effects GVD, SPM and ICC, but the separation between GVD / SPM and ICC single channel effects cannot be realized.
  • the electrical spectrum analyzer ESA provides a broadband spectrum diagram SDi of the electrical signal ESi with binary coded and broadband data DSi. All or selected frequencies of the data DSi are determined and displayed in the spectrum diagram SDi.
  • the data DSi are usually binary coded at two levels “0 ⁇ and“ l ⁇ and modulated in a data bandwidth limited by the so-called carrier frequency.
  • FIG. 4 shows electrical spectrum diagrams SDi in the frequency range F in each case for two different pulse shapes generated by a simulation - with cosine squared edges deformed in power (solid curve) or in amplitude (dotted curve) - of a non-return-to-zero ( -NRZ) - data signal with a data rate of 10 Gbit / s.
  • PRBS pseudo random sequence
  • the pulse shape has a strong influence on the side lines at 10, 20 GHz and higher orders of the carrier frequency, but has virtually no effect on the course of the spectrum of the data DSi in the data bandwidth. The entire spectrum outside the side lines can therefore be used to determine the individual channel effects. Deviations from the expected form allow conclusions to be drawn about signal distortions and are also not caused by small fluctuations in the transmitters.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the electrical spectrum analyzer ESA for analyzing the electrical signal ESi.
  • ESA electrical spectrum analyzer
  • FIG. 6 shows electrical spectrum diagrams SD ⁇ below and above the first side line 10 GHz for different dispersion values (0, 500, 1000, 1500 ps / nm) with linear propagation, i. h with small channel powers or with so-called small signal approximation.
  • the dispersion GVD and the self-phase modulation SPM are expressed in a change in the received spectrum diagram SDi as an electrical power density spectrum compared to the output signal of an optical one Fiber.
  • This effect can be described analytically by the fiber transfer function, especially with small signal approximation. This effect is known from "S all Signal Analysis for Dispersive Optical Fiber Communication Systems” 1 , Jiammin Wang, Klaus Petermann, Journal of Lightwave Technology, Vol. 10, No. 1, January 1992, pp. 96-99.
  • the curves shown in FIG. 6 are shifted vertically for clarity.
  • the point representation corresponds to the numerical simulation with the electrical signal ESi used in FIG. 4 and the solid line to the analytical calculation for small signal approximation.
  • minima are formed which are completely in agreement between the numerical simulation and the analytical calculation. At the location of these minima, the frequencies corresponding to the data DSi become worse or no longer transferable.
  • the depth of the minima depends on the discretization of the electrical signal ES ⁇ in the numerical simulation.
  • the spectrum diagrams SDi from FIG. 6 are shown in FIG. 7, but with increasing to high channel powers and with complete dispersion compensation.
  • a corresponding non-linear extension of the fiber transfer function was carried out.
  • the curves for different channel powers 0, 5, 13, 15, 18 dBm are vertically shifted for clarity.
  • the optical fiber used for the simulation is a 100 km long standard single-mode fiber with an additional 21.5 km long dispersion-compensating fiber DCF.
  • the spectrum diagram is used for increasing channel outputs ever flatter and has a minimum below the first 10 GHz side line, especially with high channel powers, which reduces the usable data bandwidth. Above the 10 GHz sideline, the spectrum diagram also becomes flatter as the channel power increases.
  • single channel effects of dispersion GVD and self-phase modulation SPM with small and high channel powers are determined by level splitting by occurrence of minima or deformation of the spectrum diagram SDi.
  • a distinction between the two single channel effects GVD and SPM is not necessary, since the two effects work in opposite directions. When these effects occur, an attempt is made to achieve an adequate balance between the two effects in order to improve the data quality in the desired data bandwidth.
  • FIG. 8 shows electrical spectrum diagrams for different crosstalk values ICC (no ICC, -20 dB, -8 dB) in a channel K x by means of a numerical simulation. The curves have been shifted vertically for clarification.
  • the single-channel effect ICC does not change the spectrum diagram SDi int in contrast to GVD and SPM.
  • the spectrum histogram SDi in which the crosstalk ICC is not determined in one channel, provides a means of separating the crosstalk ICC of GVD and SPM single channel effects.
  • FIG. 9 shows the deterioration in the transmission quality with stimulated Brillouin scattering SBS.
  • the fluctuation of the Q factor or known as the so-called Q-
  • Penalty ⁇ (20 log Q), represented as a function of the attenuation D of the wearer.
  • the Q factor can be derived directly from the amplitude histogram AHi can be determined.
  • the Q penalty increases as the wearer's steam increases due to SBS. This can also be determined by narrower eye openings, in particular for small frequencies of the data DS below approximately 100 MHz. Therefore, the spectrum diagram SD ⁇ will have an attenuation of the lowest frequencies with the single channel effect SBS. Therefore, the single channel effect SBS can be determined and further separated from the other line effects GVD, SPM and ICC.
  • the method according to the invention can be carried out on an already installed WDM transmission system during operation or during installation. Integration in a DWDM system and thus in its control concepts is also possible. In future systems, this invention offers control of adaptive dispersion or PMD compensation.

Abstract

Ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung und zur Trennung von Einzelkanaleffekten 'Group Velocity Dispersion' (GVD), 'Self Phase Modulation' (SPM), 'Intra Channel Cross-talk' (ICC) und 'Stimulated Brillouin Scattering' (SBS) bei der optischen Übertragung eines mehrere Kanäle aufweisenden Wellenlängen-Multiplex(-WDM)-Signals ist beschrieben. Die Kanäle werden durch einen Demultiplexer getrennt und in einen elektrisch-optischen Wandler zur Erzeugung elektrischer Signale eingespeist. Die frequenzbreitbandige Daten aufweisenden elektrischen Signale weisen Verzerrungen durch die vorgesehenen Einzelkanaleffekte bei der optischen Übertragung auf. Die elektrischen Signale werden jeweils in einen elektrischen Spektrumanalysator und einen elektrischen Amplitudenverteiler zur Analyse, Ermittlung und Trennung der Einzelkanaleffekten eingespeist.

Description

Beschreibung:
Verfahren und Anordnung zur Ermittlung und Trennung von Einzelkanaleffekten bei der optischen Übertragung eines WelTen- längen-Multiplex (-WDM) -Signals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung und Trennung von Einzelkanaleffekten bei der opti- sehen Übertragung eines Wellenlängen-Multiplex (-WDM) -Signals.
Bei der Übertragung von WDM-Signalen durch optische Fasern treten nichtlineare Störungen auf. Einerseits äußern sich Mehrkanalwechselwirkungen als ein verstärktes Rauschen auf den Signalpegeln aller oder einiger Kanäle, anderseits weisen Kanalsignale deterministische Verzerrungen durch Einzelkanaleffekte auf. Bei einem optischen Übertragungssystem müssen diese Störeffekte ermittelt und anschließend minimiert werden. Dafür sind Verfahren zur Messung der Qualitätseigen- Schäften eines übertragenen Signals beispielweise durch die Ermittlung des Q-Faktors oder der Bitfehlerrate oder der Anzahl der korrigierten Bits mittels eines Forward-Error- Correction (-FEC) -Moduls bekannt (s. "Optical Fiber Communications", IIIA , i'.P. Kaminow, T.L. Koch, 1997, p. 316).
Als Ursache für Wechselwirkungen zwischen den Kanälen, sogenannten Mehrkanalwechselwirkungen, sind bei der Übertragung von Wellenlängen-Multiplex- (WDM) -Signalen über optische Fasern zwei verschiedene Effekte für nichtlineare Störungen maßgeblich. Dies sind zum einen der Kerr-Effekt und zum anderem der nichtlineare Streuprozeß. Der Kerr-Effekt verursacht hauptsächlich Vierwellenmischung ("Four Wave Mixing" FWM) und/oder Kreuzphasenmodulation ("Cross Phase Modulation" XPM) . Der nichtlineare Streuprozeß bewirkt stimulierte Raman- Streuung ("Stimulated Ra an Scattering" SRS) . Diese nichtlinearen Effekte sind in "Fiber-Optic Communication Systems", G.P. Agrawal, 2nd Edition, 1997, pp. 323-328 ausführlich be- schrieben. Diese Mehrkanalwechselwirkungen werden insbesondere bei "Dense-Wavelength-Division-Multiplex"- (DWDM) - Übertragung auftreten, weil dort die Kanalabstände noch geringer sind als bei WDM-Systemen. Für eine optimale Übertra- gung müssen diese Effekte gemessen und minimiert werden, damit der Q-Faktor einen möglichst hohen konstanten Wert für alle Kanäle aufweist. In der alten Patentanmeldung DE 10110270.4 wird ein derartiges Verfahren zur Ermittlung und zur Unterscheidung von insbesondere durch Kerr-Effekte und Streuprozesse hervorgerufenen Mehrkanalwechselwirkungen bei der Übertragung eines WDM-Signals ausführlich beschrieben.
Wie oben beschrieben liefert eine durch Amplitudenhistogramme stammende Qualitätsmessung keine ausreichende Hinweise zur
Ermittlung und Unterscheidung von Einzelkanaleffekten, insbesondere durch Dispersion GVD (für „Group Velocity Dispersion*), Selbstphasenmodulation SPM (für „Seif Phase Modulati- onλ ) , Übersprechen ICC (für „intra Channel crosstalkΛΛ) und stimulierte Brillouin Streuung SBS (für „Stimulated Brillouin Scattering ) .
Als Beispiel für diese Mängel sind in den Figuren 1 und 2 zwei Amplitudenhistogramme eines Kanals mit GVD- und/oder SPM-Effekten bzw. mit ICC-Effekt dargestellt. Dabei zeigen:
Fig. 1: Amplitudenhistogramme bei unterschiedlicher Kanalleistung mit vollständiger Dispersionskompensation,
Fig. 2: Amplitudenhistogramme bei unterschiedlichem Übersprechen innerhalb einer Wellenlänge.
Das in Figur 1 dargestellte Amplitudenhistogramm AH wurde bei unterschiedlichen Kanalleistungen 0, 6, 12, 15 dBm nach 50 km einer Standard-Single-Mode-Faser mit vollständiger Dispersionskompensation z. B. mittels einer dispersionkompensieren- den (-DCF) -Faser erstellt. Dabei wurde ein synchrones Sampling eines binären Kanalsignals mittels einer variablen Abtastspannung Us verwendet. Es zeigt sich, daß der Einzelkanaleffekt GVD durch die DCF-Faser vollständig kompensiert wird, so daß keine Signalverzerrungen eines Kanals festzustellen sind, sofern die Kanalleistung gering ist und somit SPM keinen Beitrag leistet. Bei hoher Kanalleistung entstehen dagegen aufgrund der verstärkt auftretenden SPM mehrere Maxima oder Sattelpunkte in der Amplitudenverteilung des Niveaus „1* eines Kanals. Dies kann als Kriterium verwendet werden, um eine nicht optimierte Dispersionskompensation zwischen GVD und SPM zu ermitteln.
In Figur 2 ist das Amplitudenhistogramm AH für einen Kanal, z. B. am Ausgang eines optischen ADD/DROP-Multiplexers, für verschiedene Pegelwerte des Übersprechen ICC (-10, -20 dB und ohne ICC) in einem Kanal dargestellt. Deutlich ist hier zu sehen, daß die das erhaltene Amplitudenhistogramm quasiidentisch zu dem in Figur 1 ist.
Beide Amplitudenhistogramme der Figuren 1 und 2 weichen von der bei optimaler Übertragung ohne GVD/SPM bzw. ohne ICC erhaltenen gaußförmigen Verteilung der „0λ- und „1*-Kanalwerte, oder sogenannter Niveaus, in derselben Weise ab. Dies ermög- licht daher keine klare Trennung zwischen den auftretenden Einzelkanaleffekten GVD/SPM einerseits und ICC anderseits. Auf die ähnliche Wirkung dieser Einzelkanaleffekte bei dem Amplitudenhistogramm wurde auch bereits in „Histogramm ethod for Performance monitoring of the optical Channel"1, CM. Mei- nert, Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik Berlin GmbH, p.121-122 hingewiesen.
Des weiteren sind Verfahren bekannt, die eine Kompensation zwischen Dispersion GVD und Selbstphasenmodulation SPM ge- währleisten. So ist beispielweise aus EP 0 963 066 AI ein
Verfahren und eine Anordnung zur Reduzierung von SPM und GVD bekannt. Darüber hinaus wird in der alten Anmeldung „Anord- nung und Verfahren zur Optimierung der Signalqualität eines Restdispersion aufweisenden WDM-Signals in einem optischen Übertragungssytem* , Anmeldedatum 26.06.01, der Anmelderin eine Methode zur Ermittlung und zur Kompensation von Dispersion GVD-, SPM- und XPM-Effekten für die Optimierung der Signalqualität eines übertragenen optischen WDM-Signals vorgeschlagen. In dieser früheren Anmeldung wird auf einer Methode zur Ermittlung und Trennung der Einzeleffekte GVD und SPM, jedoch keiner der weiteren Einzeleffekte ICC und SBS hingewiesen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, auftretende Einzelkanaleffekte GVD, SPM, ICC und SBS, die bei der optischen Übertragung von Wellenlängen-Multiplex-Signalen auftreten, zu ermitteln und zu trennen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung und zur Trennung von Einzelkanaleffekten GVD, SPM, ICC und SBS bei der optischen Übertragung eines Wellenlängen-Multiplex (-WDM) - Signals, dessen Kanäle getrennt und in elektrische Signale konvertiert werden, basiert auf der Analyse des Amplitudenhistogramms und des Spektrumdiagramms für jedes elektrische Signal.
Während die Signale eines Kanals für die Übertragung auf zwei Niveaus - (0) und (1) - binär kodiert sind, ist das entsprechend konvertiertes elektrisches Signal analog vorgesehen. Das Amplitudenhistogramm wird als Wahrscheinlichkeitsdichte- Verteilung der Amplituden des elektrischen Signals ermittelt, wobei die zwei Niveaus (0) und (1) als einzige Maxima im Amplitudenhistogramm bei optimaler Übertragung bzw. bei un- terschiedlichen Rauschabständen eines Kanals vorgesehen sind. Die Einzelkanaleffekten Dispersion und Selbstphasenmodulation GVD/SPM, insbesondere bei hohen Kanalleistungen, oder das Ü- bersprechen ICC werden durch mehr als zwei Maxima oder Sat- telpunkte im Amplitudenhistogramm ermittelt.
Das Spektrumdiagramm wird ebenfalls als Leistungsdichtespektrum des elektrischen Signals ermittelt,' wobei mehrere Frequenzen von übertragenen Daten des- elektrischen Signals über eine entsprechende Datenbandbreite im Spektrumdiagramm darge- stellt werden. Insbesondere bei geringen Kanalleistungen wird der Einzelkanaleffekt Dispersion GVD durch wenigstens ein Minimum innerhalb und über der Datenbandbreite im Spektrumdiagramm ermittelt. Ebenso wird insbesondere bei hohen Kanalleistungen der Einzelkanaleffekt Selbstphasenmodulation SPM durch wenigstens ein Minimum innerhalb der Datenbandbreite im Spektrumdiagramm ermittelt. Die Effekte GVD und SPM können daher in vorteilhafter Weise ermittelt und kompensiert werden. Das Spektrumdiagramm bleibt bei Auftritt des Übersprechen ICC in Gegensatz zu GVD/SPM Einzelkanaleffekten unverändert. Daher kann der Einzelkanaleffekt ICC durch das Betrachten des bisher erhaltenen Amplitudenhistogramms in Verbindung mit dem entsprechenden Spektrumdiagramm ermittelt und von den anderen Einzelkanaleffekten GVD/SPM getrennt werden.
Schließlich wird der Einzelkanaleffekt SBS (stimulierte Brillouin Streuung) durch eine Abschwächung der Kanäle im Bereich kleiner Frequenzen (unter ca. 100 MHz) im Spektrumdiagramm der erfindungsgemäßen Methode ermittelt. Dieser Effekt tritt für die bisher ermittelten Einzelkanaleffekten GVD, SPM und ICC nicht auf. Durch das Amplitudenhistogramm kann auch eine Qualitätsmessung der Übertragung durchgeführt werden, die einen Qualitätsparameter wie den Q-Faktor, die Bitfehlerrate oder die Augenöffnung eines Signals ausgibt. Für kleine Fre- quenzen der übertragenen Daten des elektrischen Signals sinkt die Leistungsdichte im elektrischen Spektrum. Durch diese Dämpfung des Trägers bei SBS sinkt auch die Signalqualität, d. h. beispielsweise der Q-Faktor nimmt ab.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich- nung näher beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 3: die erfindungsgemäße Anordnung,
Figur 4: das elektrische Spektrumdiagramm für unterschiedli- ehe Pulsformen eines NRZ-Datensignals,
Figur 5: den elektrischen Spektrumanalysator,
Figur 6: die elektrischen Spektrumdiagramme für unterschied- liehe Dispersionswerte bei linearer Ausbreitung,
Figur 7: die elektrischen Spektrumdiagramme mit vollständiger Dispersionskompensation bei unterschiedlichen Kanalleistungen,
Figur 8: die elektrischen Spektrumdiagramme bei unterschiedlichen Übersprechwerten ICC,
Figur 9: die Verschlechterung der Übertragungsqualität bei SBS.
In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Anordung schematisch dargestellt. Dem Eingang der Anordnung wird wenigstens ein An- teil eines aus einer Übertragungsstrecke LWL ausgekoppelten WDM-Signals S als Eingangssignal IS zugeführt. Das Eingangssignal IS wird einem Demultiplexer DEMUX, beispielweise einem spektral abstimmbaren optischen Filter, zur Trennung seiner Kanäle Kj. (i>0) geführt. Wenigstens ein Kanal K± wird weiter- hin durch einen optischen-elektrischen Wandler OEW, z. B. eine Photodiode, in ein analoges elektrisches Signal ESi konvertiert. Das elektrische Signal ESj. wird einerseits einem elektrischen Amplitudenverteiler EAS und anderseits einem e- lektrischen Spektrumanalysator ESA gefürht.
Im elektrischen Amplitudenverteiler EAS wird durch synchrones Sampling ein Amplitudenhistogramm AHi des elektrischen Signals ESi erzeugt. Die Figuren 1 und 2 stellen solche Amplitudenhistogramme AHi dar. Auf der Grundlage dieses Amplitudenhistogramms AHi ist weiterhin eine Messung des Q-Faktors Q, der Bitfehlerrate BER oder der Augenöffnung von durch das e- lektrische Signal ESi übertragenen Daten zur Abschätzung der Übertragungsqualität eines Kanals K± durchzuführen. Andere Verfahren zur Qualitätsmessung der Kanalübertragung sind möglich, werden aber hier nicht weiter erwähnt. Mit dem Amplitudenhistogramm AHi wird die Ermittlung der Ein- zelkanaleffekte GVD, SPM und ICC ermöglicht, jedoch die Trennung zwischen GVD/SPM- und ICC-Einzelkanaleffekte nicht realisierbar.
Der elektrische Spektrumanalysator ESA liefert ein breitban- diges Spektrumdiagramm SDi des elektrischen Signals ESi mit binär kodierten und breitbandigen Daten DSi. Im Spektrumdiagramm SDi werden alle oder selektierte Frequenzen der Daten DSi ermittelt und dargestellt. Die Daten DSi sind üblicherweise auf zwei Niveaus „0λ und „lλ binär kodiert und in einer durch die sogenannte Trägerfrequenz begrenzten Datenbandbreite moduliert.
Figur 4 zeigt elektrische Spektrumdiagramme SDi im Frequenz- bereich F jeweils für zwei durch eine Simulation erzeugte unterschiedliche Pulsformen - mit Cosinus quadrierten Flanken in Leistung (durchgezogene Kurve) bzw. in Amplitude (punktierte Kurve) verformt - eines Non-Return-To-Zero (-NRZ) - Datensignals mit einer Datenrate von 10 Gbit/s. Die Daten DS werden als Pseudozufallsfolge (PRBS=231-1) für diese Simulation generiert, so daß eine Datenbandbreite bis ca. maximal 10 GHz (oder ca. 7 GHz in der Praxis) zur Datenübertragung verwendet wird. Die Pulsform hat einen starken Einfluß auf die Seitenlinien bei 10, 20 GHz und höheren Ordnungen der Trägerfrequenz, beeinflußt jedoch den Verlauf des Spektrums der Daten DSi in der Datenbandbreite quasi nicht. Zur Ermittlung der Einzelkanaleffekte kann daher das komplette Spektrum außerhalb der Seitenlinien verwendet werden. Abweichungen von der erwarteten Form lassen Rückschlüsse auf Signalverzerrungen zu und werden ebenso durch kleine Fluktuationen der Sender nicht verursacht.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des elektrischen Spektrumanalysators ESA zur Analyse des elektrischen Signals ESi. Es wird keine hochauflösende elektrische Spektrumanalyse geführt, wie sie üblicherweise in Laborgeräten durch einen Frequenzmischer erreicht wird. Bei der Erfindung werden elektrische Filter Fi, ..., Fn, Fιow, Fhigh verwendet, in die das elektrische Signals ESi eingespeist wird. Leistungsdetektoren PDα, ..., PDn, PDαo/ Digh sind den elektrischen Filtern Fi, ..., Fn, Flow, Fhigh nachgeschaltet und geben einer Kontrolleinheit KE spektrale Komponenten des elektrischen
Signal SEi zur Erzeugung des Spektrumdiagramms SDi ab. Dabei wird das elektrische Spektrum durch eine die Filter Fi, ..., Fn, Flow, Fhigh aufweisende Filterbank FB grob aufgelöst und ermittelt. Diese parallele Anordnung bietet eine große Geschwindigkeit und ein um ca. 10 dB verbessertes Sig- nal-zu-Rausch Verhältnis im Vergleich zu einem Frequenzmischer. Diese Anordnung läßt sich außerdem in der in Figur 3 dargestellten Anordnung einfach integrieren.
Figur 6 zeigt elektrische Spektrumdiagramme SD± unterhalb und über der ersten Seitenlinie 10 GHz für unterschiedliche Dispersionswerte (0, 500, 1000, 1500 ps/nm) bei linearer Ausbreitung, d. h bei kleinen Kanalleistungen oder bei sogenannter Kleinsignalnäherung. Die Dispersion GVD und die Selbst- Phasenmodulation SPM äußern sich in einer Veränderung des empfangenen Spektrumdiagramms SDi als elektrisches Leistungdichtespektrum gegenüber dem Ausgangsignal einer optischen Faser. Dieser Effekt läßt sich analytisch durch die Faserübertragungsfunktion beschreiben, insbesondere bei Kleinsignalnäherung. Dieser Effekt ist aus „S all Signal Analysis for Dispersive Optical Fiber Communication Systems"1 , Jiammin Wang, Klaus Petermann, Journal of Lightwave Technilogy, Vol. 10, No. 1, January 1992, pp. 96-99 bekannt.
Die in Figur 6 dargestellten Kurven sind zur Verdeutlichung vertikal verschoben. Die Punktdarstellung entspricht der nu- merischen Simulation mit dem in Figur 4 verwendeten elektrischen Signal ESi und die durchgezogene Linie der analytischen Berechnung bei Kleinsignalnäherung. Durch Erhöhung der Dispersion GVD (0 bis 1500 ps/ m) bilden sich Minima, die zwischen der numerischen Simulation und der analytischen Bere- chung vollkommen übereinstimmen. Am Ort dieser Minima werden die den Daten DSi entsprechenden Frequenzen schlechter bzw. gar nicht mehr übertragbar. Die Tiefe der Minima hängt von der Diskretisierung des elektrischen Signals ES± bei der numerischen Simulation ab. Durch Vergleich zwischen der numeri- sehen Simulation und der analytischen Berechung läßt sich somit bei kleinen Kanalleistungen die Dispersion GVD als akkumulierte Restdispersion im Kanal K± direkt ablesen. Dies ist außerdem eine nutzbare Information für eine weitere Dispersionskompensation.
In Figur 7 sind die Spektrumdiagramme SDi aus Figur 6 dargestellt, aber bei steigenden bis hohen Kanalleistungen und bei vollständiger Dispersionskompensation. Für die dargestellte numerische Simulation für das Wechselspiel zwischen SPM-und GVD-Effekten anhand der analytischen Berechnung wurde eine entsprechende nichtlineare Erweiterung der Faserübertragungsfunktion vorgenommen. Die Kurven für unterschiedliche Kanalleistungen 0, 5, 13, 15, 18 dBm sind zur Verdeutlichung vertikal verschoben. Die zur Simulation verwendete optische Fa- ser ist eine 100 km lang Standard-Single-Mode-Faser mit einer zusätzlichen 21,5 km langen dispersionkompensierenden Faser DCF. Für steigende Kanalleistungen wird das Spektrumdiagramm immer flacher und weist insbesondere bei hohen Kanalleistungen ein Minimum unter der ersten Seitenlinie 10 GHz auf, das die nutzbare Datenbandbreite reduziert. Oberhalb der Seitenlinien 10 GHz wird das Spektrumdiagramm auch flacher durch Zunahme der Kanalleistung.
Somit werden Einzelkanaleffekte Dispersion GVD und Selbstphasenmodulation SPM bei kleinen und hohen Kanalleistungen durch Niveausauspaltung durch Auftritt von Minima oder Verformung des Spektrumdiagramms SDi ermittelt. Eine Unterscheidung zwischen den beiden Einzelkanaleffekten GVD und SPM ist nicht notwendig, da die zwei Effekte entgegengesetzt wirken. Bei Auftritt dieser Effekte wird versucht, eine adäquate Balance zwischen beiden Effekten zur Verbesserung der Datenqualität in der gewünschten Datenbandbreite zu erzielen.
Figur 8 stellt elektrische Spektrumdiagramme für unterschiedliche Übersprechwerte ICC (no ICC, -20 dB, -8 dB) in einem Kanal Kx durch eine numerische Simulation dar. Die Kurven wurden zur Verdeutlichung vertikal verschoben. Es ist festzustellen, daß der Einzelkanaleffekt ICC das Spektrumdiagramm SDi int Gegensatz zu GVD und SPM nicht ändert. In Kombination mit den vorigen Einflüssen auf das Amplitudenhistogramm AHi, bei dem alle Einzelkanaleffekte GVD, SPM und ICC mit derselben Auswirkung ermittelt werden, liefert also das Spektrumhistogramm SDi, bei dem das Übersprechen ICC in einem Kanal nicht ermittelt wird, ein Mittel zur Trennung des Übersprechens ICC von GVD- und SPM-Einzelkanaleffekten.
Figur 9 zeigt die Verschlechterung der Übertragungsqualität bei stimulierter Brillouin Streuung SBS. Als geeigneter Maßstab für die Ermittlung von SBS in einem Kanal wird die Schwankung des Q-Faktors, oder bekannt als sogenannter Q-
Penalty Δ(20 log Q ), als Funktion der Dämpfung D des Trägers dargestellt. Der Q-Faktor kann direkt aus dem Amplituden- histogramm AHi ermittelt werden. Der Q-Penalty nimmt bei steigenden Dampf ngen des Trägers durch SBS zu. Dies kann auch durch engere Augenöffnungen insbesondere für kleine Frequenzen der Daten DS unter ca. 100 MHz festgestellt werden. Deshalb wird das Spektrumdiagramm SD± eine Abschwächung der niedrigsten Frequenzen bei dem Einzelkanaleffekt SBS aufweisen. Daher läßt sich der Einzelkanaleffekt SBS ermitteln und weiterhin von den anderen Enzeileffekten GVD, SPM und ICC trennen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann an einem bereits installierten WDM-ÜbertragungsSystem während des Betriebs oder während der Installation durchgeführt werden. Die Integration in ein DWDM-System und damit in dessen Regelkonzepte ist ebenfalls möglich. In zukünftigen Systemen bietet diese Erfindung eine Regelung von adaptiver Dispersions- oder PMD- kompensation an.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Ermittlung von Einzelkanaleffekten bei der optischen Übertragung eines Wellenlängen-Multiplex (- DM) - Signals (S) , dessen Kanäle (Ki) (i>0) getrennt und in elektrische Signale (ESi) konvertiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelkanaleffekte Dispersion (GVD) oder/und Selbstphasenmodulation (SPM) oder/und Übersprechen (ICC) oder/und stimulierte Brillouin Streuung (SBS) bei der optischen Übertragung festgestellt werden, daß aus wenigstens einem Kanal (Ki) ein Amplitudenhistogramm (AHi) und ein Spektrumdiagramm (SDi) des entsprechenden e- lektrischen Signals (ESi) ermittelt werden, und schließlich durch eine Analyse des Amplitudenhistogramms (AHi) und des Spektrumdiagramms (SDi) jeder der Einzelkanaleffekte (GVD/SPM, ICC, SBS) getrennt ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Datensignal (DSi) des Kanals (Ki) binär kodiert auf zwei Niveaus (0) und (1) übertragen wird, daß die Datensignale (DSi) durch Digital/Analog-Umwandlung in das elektrische Signal (ESX) umgesetzt werden, daß das Amplitudenhistogramm (AHi) als Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung der Amplituden des elektrischen Signals (ESi) ermittelt wird, wobei die zwei Niveaus (0) und (1) als einzige Maxima im Amplitudenhistogramm (AHi) bei optimaler Übertragung bzw. bei unterschiedlichen Rauschabständen (OSNR) eines Kanals (Ki) vorgesehen sind, und daß Einzelkanaleffekten (GVD/SPM) oder (ICC) durch mehr als zwei Maxima oder Sattelpunkte im Amplitudenhistogramm (AHi) bei hohen Kanalleistungen ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrumdiagramm (SDi) als Leistungsdichtespektrum des elektrischen Signals (ESi) ermittelt wird, wobei breit- bandige Frequenzen von übertragenen Datensignalen (DSi) des elektrischen Signals (ESi) innerhalb einer entsprechenden Da- tenbandbreite im Spektrumdiagramm (SDi) dargestellt werden, daß insbesondere bei geringen Kanalleistungen der Einzelkanaleffekt Dispersion (GVD) und/oder, insbesondere bei hohen Kanalleistungen, der Einzelkanaleffekt Selbstphasenmodulation (SPM) durch wenigstens ein Minimum innerhalb der Datenband- breite im Spektrumdiagramm (SDi) ermittelt werden und daß das Spektrumdiagramm (SDi) bei auftretendem Übersprechen (ICC) unverändert bleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrumdiagramm (SDi) als Leistungsdichtespektrum des elektrischen Signals (ESi) ermittelt wird, wobei breit- bandige Frequenzen von übertragenen Datensignalen (DSi) des elektrischen Signals (ESi) innerhalb und oberhalb einer ent- sprechenden Datenbandbreite im Spektrumdiagramm (SDi) dargestellt werden, daß insbesondere bei geringen Kanalleistungen der Einzelkanaleffekt (GVD) durch wenigstens ein Minimum innerhalb und oberhalb der Datenbandbreite im Spektrumdiagramm (SDi) ermit- telt wird, daß insbesondere bei hohen Kanalleistungen der Einzelkanaleffekt (SPM) durch wenigtens ein Minimum innerhalb der Datenbandbreite im Spektrumdiagramm (SDi) ermittelt wird, und daß das Spektrumdiagramm (SDi) bei auftretendem Übersprechen (ICC) unverändert bleibt.
5. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stimulierte Brillouin Streuung (SBS) durch eine Abschwächung der Kanäle im Bereich kleiner Frequenzen unter ca. 100 MHz im Spektrumdiagramm (SD ermittelt wird oder, daß aus dem Amplitudenhistogramm (AHX) ein Qualitätsparameter (Q für jeden Kanal (Kx) errechnet und als Q-Faktor (Q) ermittelt wird und daß die stimulierte Brillouin Streuung (SBS) durch ein zu hohes Q-Penalty des Q-Faktors (Q) ermittelt wird.
6. Anordnung zur Ermittlung von Einzelkanaleffekten bei der optischen Übertragung eines Wellenlängen-Multiplex (-WDM) - Signals (S) , dessen Kanäle (K (i>0) durch einen Demultiplexer (DEMUX) getrennt und in einen elektrisch-optischen Wandler (EOW) zur Erzeugung elektrischer Signale (ESi) eingespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale (ES zur Feststellung und Trennung von durch Dispersion (GVD) oder/und Selbstphasenmodulation (SPM) oder/und Übersprechen (ICC) oder/und stimulierte Brillouin Streuung (SBS) verursachten Einzelkanaleffekten bei der optischen Übertragung jeweils einem elektrischen Spekt- rumanalysator (ESA) und einem elektrischen Amplitudenverteiler (EAS) zugeführt sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (Kx) digital bzw. binär kodierten Datensignale (DSX) aufweisen, daß die aus den Kanälen (K stammenden elektrischen Signale (ESX) analog vorgesehen sind und daß der elektrische Amplitudenverteiler (EAS) ein Modul (AM) zur Erzeugung eines Amplitudenhistogramms (AHX) der elektrischen Signale (ES aufweist.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal (ESi) Datensignale (DSi) aufweist, die innerhalb einer Datenbandbreite übertragen werden und daß der elektrische Spektrumanalysator (ESA) mehrere parallel geschaltete elektrische Filter (Fk) (k>0) zur spektralen Trennung der Datensignale (DSi) innerhalb der Bandbreite und zur spektralen Erfassung von Frequenzen oberhalb der Datenbandbreite aufweist und daß den elektrischen Filtern (Fk) ein Modul (SM) zur Erzeugung eines Spektrumdiagramms (SDi) für jedes elektrische Signal (ESi) nachgeschaltet ist.
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