DE60201569T2

DE60201569T2 - Phasengesteuertes optisches Signalübertragungssystem

Info

Publication number: DE60201569T2
Application number: DE60201569T
Authority: DE
Inventors: Hans Bissessur
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: FR2832228A1; US7123841B2; CN1419348A; US20030090770A1; DE60201569D1; ATE279820T1; EP1311079B1; EP1311079A1; FR2832228B1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet optischer Telekommunikationssysteme zur Übertragung digitaler Daten. Sie betrifft insbesondere Übertragungstechniken für digitale optische Signale mit hohen Übertragungsraten über Langstreckenverbindungen unter Einsatz von Lichtwellenleitern und/oder über optische Vermittlungseinrichtungen.
Ein optisches Übertragungssystem umfasst typischerweise mindestens einen optischen Sender, der über eine optische Verbindung mit einem optischen Empfänger verbunden ist, wobei diese Verbindung aus einer einfachen Lichtleitfaser oder mehreren Faserabschnitten bestehen kann, die untereinander durch optische Verstärker und/oder durch komplexere Koppelumgebungen verbunden sind, die zum Beispiel Vermittlungseinrichtungen aufweisen, die mit Hilfe von optischen Kopplern, Lichtwellenleitern und Gattern ausgeführt werden.
Ein Sender weist eine optische Signalquelle auf, deren Aufgabe es ist, auf eine optische Trägerwelle eine Modulation anzuwenden, die von der zu sendenden Information abhängt. Dieselbe Verbindung kann mehrere von Trägerwellen unterschiedlicher Wellenlängen getragene Signale transportieren. In diesem Fall wird hierfür ein Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystem, abgekürzt "WDM" (für englisch "Wavelength Division Multiplexing") aufgebaut.
Unter den verschiedenen verzeichneten Modulationstechniken ist die Amplitudenmodulation die heute am häufigsten eingesetzte. Die im Allgemeinen gewählten Modulationsformate entsprechen dem Typ NRZ oder RZ. Sie bestehen darin, dass binäre Informationen durch eine Veränderung der Trägerwellenleistung zwischen zwei Werten bzw. Pegeln codiert werden: einem unteren Pegel, der einer Auslöschung der Welle entspricht, und einem oberen Pegel, der einer maximalen optischen Leistung entspricht. Diese Pegeländerungen werden zu Zeitpunkten ausgelöst, die durch einen Taktgeberrhythmus mit fester Periode T vorgegeben werden, der so aufeinanderfolgende Zeitzellen definiert, die den zu übertragenden Binärdaten zugewiesen werden. Vereinbarungsgemäß entsprechen die unteren und obern Pegel normalerweise den Binärwerten "0" beziehungsweise "1".
Die Technik der Amplitudenmodulation, die oft mit "ASK" bezeichnet wird (für englisch "Amplitude-Shift Keying") bietet den Vorteil einer relativ einfachen Umsetzung mit Hilfe bewährter optischer Bauteile, sie hat jedoch den Nachteil, in Bezug auf die chromatische Dispersion empfindlich zu sein. Obwohl es Vorrichtungen zur Kompensation der chromatischen Dispersion gibt, beispielsweise sogenannte DCF-Fasern (für englisch "Dispersion Compensation Fiber"), sind die erzielten Kompensationswirkungen oft unvollkommen, insbesondere dann, wenn es darum geht, über ein großes Spektralband verteile WDM-Kanäle zu kompensieren.
Aus diesem Grund wurde ein in Bezug auf die chromatische Dispersion weniger empfindliches Modulationsformat vorgeschlagen. Das optische Übertragungsverfahren, das dieses Format anwendet, wird als "Binärübertragung mit geglättetem Phasenverlauf" oder PSBT (für englisch "Phase-Shaped Binary Transmission") bezeichnet. Dieses Verfahren wird insbesondere in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 792 036 beschrieben, die am 17. Februar 1997 eingereicht und am 27. August 1997 veröffentlicht wurde und die dem am 6. Juli 1999 erteilten amerikanischen Patent UA-A-5 920 416 entspricht.
Nach diesem Verfahren wird beim Senden auf eine Trägerwelle eine optische Phasenverschiebung in der Größenordnung von 180° im Absolutwert im Innern jeder Zelle angewendet, die einer logischen "0" entspricht, und die jeder Zelle, welche eine logische "1" enthält, vorausgeht oder auf sie folgt. Beim Empfangen kann das empfangene optische Signal auf dieselbe Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt werden wie bei einem im NRZ-Format modulierten Signal, das heißt mit Hilfe eines einfachen Fotodetektors.
Um die Widerstandsfähigkeit gegen die chromatische Dispersion weiter zu verbessern, weist die PSBT-Modulation auch die Eigenschaft auf, dass das Spektrum des Signals, das sich daraus ergibt, zwei Mal schmaler ist als jenes der NRZ-Modulation, was für sogenannte dichte WDM-Übertragungen, d. h. mit einem geringen Spektralintervall zwischen den WDM-Kanälen, von Vorteil ist.
Die PSBT-Modulation stößt allerdings an ihre Grenzen, sobald nichtlineare optische Phänomene an Bedeutung gewinnen. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn man die optische Leistung des Signals erhöht, um die Übertragungsentfernungen zu vergrößern. Man stellt dann fest, dass für einen kumulierten Wert der chromatischen Dispersion der Verbindung die Qualität des empfangenen Signals eine Verschlechterung erfährt, die sehr stark von der Wellenlänge der optischen Trägerwelle des Signals abhängt. Das System wird folglich weniger tolerant gegenüber der chromatischen Dispersion, was die Möglichkeiten zur Übertragung von in einem großen Spektralband verteilten WDM-Signalen über große Entfernungen und ohne Zwischenverstärker einschränkt.
Ein anderer Fall, in dem sich das Problem stellt, ist jener, in dem die Übertragung über optische Koppelumgebungen erfolgt, die nichtlineare Bauteile aufweisen, selbst wenn sie nur eine geringe Leistung haben, wie beispielsweise optische Gatter auf Basis optischer Halbleiterverstärker. Dieser letztgenannte Fall tritt typischerweise in Netzen auf, die mit Vermittlungseinrichtungen ausgerüstet sind, die solche optischen Gatter einsetzen.
Eine Lösung für dieses Problem der Verschlechterung des PSBT-Signals aufgrund des Kerr-Effekts (Eigen-Phasenmodulation, gekreuzte Phasen- oder Verstärkungsmodulation) wurde in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 975 107 vorgestellt, die am 20. Juli 1998 eingereicht und am 26. Januar 2000 veröffentlicht wurde. Die Lösung besteht darin, eine modifizierte PSBT-Modulation zu verwenden, um einen kurzzeitigen "Chirp" einzuführen, dessen Vorzeichen und optimaler Wert insbesondere von der in der Verbindung kumulierten Dispersion und von nichtlinearen Effekten abhängen. Allerdings ist die Einführung eines optimalen kurzzeiteigen "Chirp" nicht einfach zu bestimmen, und sie führt außerdem dazu, dass optische Signalspektrum zu verbreitern, was die Vorteile der PSBT-Modulation für dichte WDM-Übertragungen verringert.
Um den nichtlinearen Phänomenen teilweise zu entkommen, besteht ein anderer Ansatz darin, Modulationstechniken zu wählen, welche die optische Leistung des Signals konstant halten. Dies ist bei den optischen Frequenz- oder Phasenmodulationen der Fall. Die optische Frequenzmodulation bzw. Frequenzumtastung oder "FSK" (für englisch "Frequency-Shift Keying") hat allerdings den Nachteil, dass das sich daraus ergebende Signal in Bezug auf die chromatische Dispersion empfindlich ist. Die optische Phasenmodulation bzw. Phasenumtastung oder "PSK" (für englisch "Phase-Shift Keying") ist gegenüber der chromatischen Dispersion weniger empfindlich, sie erfordert jedoch eine vollkommene Stabilität der Phase des Signals, um eine gute Erkennung an den Empfängern zu ermöglichen. Dagegen bietet eine als Phasendifferenzmodulation oder "DPSK" (für englisch "Differential Phase-Shift Keying") bezeichnete Variante den Vorteil, diese letztgenannte Anforderung zu verringern. Allerdings führen die PSK- oder DPSK-Modulationen zu einer Spektralbreite des Signals, welche dieselbe ist wie beim Format der NRZ-Modulation und somit für dichte WDM-Übertragungen weniger günstig als die PSBT-Modulation.
Ziel der Erfindung ist es daher, ein Übertragungssystem vorzustellen, das die PSBT-Modulation ohne kurzzeitigen "Chirp" einsetzt, das jedoch dafür geeignet ist, das übertragene Signal gleichzeitig gegenüber der chromatischen Dispersion wie auch gegenüber dem Kerr-Effekt und speziell gegenüber der Phasen-Eigenmodulation weniger empfindlich zu machen.
Genauer ausgedrückt, hat die Erfindung ein phasengesteuertes optisches Signalübertragungssystem zum Ziel, wobei dieses Signal im Rhythmus eines Uhrentakts mit Periode T moduliert wird, welcher aufeinanderfolgende Zeitzellen definiert, die im Signal untere und obere Modulationspegel einer optischen Trägerwelle mit der optischen Frequenz f0 begrenzen, wobei das Signal eine optische Phasenverschiebung im Innern jeder Zeitzelle aufweist, die einen unteren Leistungspegel begrenzt und die einer Zelle vorausgeht oder auf sie folgt, welche einen oberen Leitungspegel begrenzt, wobei das System eine optische Verbindung aufweist, welche geeignet ist, das phasengesteuerte Signal von einem Eingangsende bis zu einem Ausgangsende zu übertragen, um dort ein entsprechendes Ausgangssignal zu liefern; hierbei ist das System dadurch gekennzeichnet, dass es optische Korrekturvorrichtungen aufweist, die mit dem Ausgangsende gekoppelt sind und/oder in einen oder mehrere Punkte der optischen Verbindung eingefügt sind, wobei diese Korrekturvorrichtungen eine optische Filterung auf das an diesem Ausgangsende und/oder an diesen Punkten der optischen Verbindung vorhandene Signal anwenden, wobei diese Filterung so kalibriert wird, dass sie eine Verbreiterung des Spektrums kompensiert, welche dieses phasengesteuerte Signal durch Phasen-Eigenmodulation während seiner Übertragung in der optischen Verbindung erfahren kann.
Die Erfindung berücksichtigt die Beobachtung, dass ein im Format der PSBT-Modulation in einer nichtlinearen Umgebung übertragenes Signal durch Phasen-Eigenmodulation im Zuge seiner fortschreitenden Ausbreitung in dieser Umgebung eine Verbreiterung seines Spektrums erfährt, sowie dass die Anwendung einer optischen Filterung, die so konzipiert ist, dass die Spektralbreite des übertragenen Signals entsprechend jener des ursprünglichen PSBT-Signals wiederhergestellt wird, die Möglichkeit bietet, die Qualität des Signals zu verbessern.
Somit wird die Filterungsübertragungsfunktion so kalibriert, dass sie eine ausreichende Verringerung der Spektralbreite bewirkt, um einen Teil der Spektralkomponenten zu beseitigen, die durch die Phasen-Eigenmodulation erzeugt werden, ohne jedoch den zentralen Teil des Spektrums übermäßig abzuschwächen, denn dies würde zu einem Verlust der in dem Signal enthaltenen Informationen führen, was im Gegensatz zu dem angestrebten Ziel stehen würde. Generell kann die Wahl der Filterung als Kompromiss zwischen der Kompensation der Spektrumsverbreiterung und dem daraus entstehenden Informationsverlust betrachtet werden.
Simulationen für mehrere Einzelfälle, gefolgt von experimentellen Überprüfungen, haben es ermöglicht, ein Filterungsprofil zu finden, das sich in der Praxis für die üblichen Fälle eigenen kann. Im Übrigen wurde festgestellt, dass die Kompensation der Spektrumsverbreiterung umso günstiger ist, je mehr die Filterung entlang der Verbindung hinter den Elementen verteilt ist, welche den Sitz nichtlinearer Phänomene darstellen. Diese Beobachtung führt insbesondere dazu, dass je nachdem, ob die Verbindung aus einem oder mehreren Abschnitten besteht, eine unterschiedliche Filterung zum Einsatz kommt.
Genauer gesagt, bestehen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die für den Fall geeignet ist, dass die Verbindung einen einzigen mit einer Übertragungs-Lichtleitfaser ausgerüsteten Abschnitt aufweist, diese optischen Korrekturvorrichtungen aus einem optischen Filter, der mit dem Ausgangsende gekoppelt ist und eine Übertragungsfunktion besitzt, welche die Veränderungen in Abhängigkeit von der optischen Frequenz f ihres Übertragungskoeffizienten ausdrückt, in der Nähe von f0 ungefähr dem gaußschen Typ entsprechend, zentriert auf f0, mit einer Spektralbreite auf halber Höhe zwischen 0,5/T und 1,25/T und vorteilhafter Weise ungefähr gleich 0,75/T.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die für den Fall geeignet ist, dass die Verbindung N Abschnitte aufweist, die N Eingangsenden und N Ausgangsenden besitzen und die mit N optischen Verstärkern ausgerüstet sind, gefolgt von N Übertragungs-Lichtleitfasern, bestehen diese optischen Korrekturvorrichtungen aus N optischen Filtern, die jeweils mit den N Ausgangsenden dieser Abschnitte gekoppelt sind, und zwar so, dass die Übertragungsfunktion eines äquivalenten, durch die kaskadenartige Koppelung dieser N Filter gebildeten Filters, welche die Änderungen in Abhängigkeit von der optischen Frequenz f ihres Übertragungskoeffizienten ausdrückt, in der Nähe von f0 ungefähr eine gaußsche Funktion ist, zentriert auf f0, mit einer Spektralbreite auf halber Höhe zwischen 0,5/T und 1,25/T, und vorteilhafter Weise ungefähr gleich 0,75/T.
Nach einem anderen Ausführungsaspekt der Erfindung, unabhängig vom Verbindungstyp (einer oder mehrere Abschnitte) ist der oder jeder der optischen Filter (FG) ein periodischer Filter, der ein in Frequenzen ausgedrücktes freies Spektralintervall größer als 1/T aufweist.
Die Erfindung wird auch auf optische Übertragungssysteme für Signale im PSBT-Format mit Wellenlängen-Multiplexing angewendet. Ein solches System ist daher für die Übertragung eines aus mehreren phasengesteuerten optischen Signalen gebildeten Multiplex vorgesehen, wobei die Signale jeweils von mehreren optischen Trägerwellen mit aufeinanderfolgenden optischen Frequenzen getragen werden, die eine gegebene Frequenzverschiebung aufweisen. In diesem Fall und nach einem anderen Ausführungsaspekt der Erfindung ist der oder ist jeder der optischen Filter vorteilhafter Weise ein periodischer Filter, der ein in Frequenzen ausgedrücktes freies Zeitintervall aufweist, welches gleich der Frequenzverschiebung ist. Dank dieser Anordnung reicht ein einziger Filter aus, um gleichzeitig die verschiedenen Signale zu verarbeiten, die das Multiplex bilden.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Lauf der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Abbildungen ersichtlich werden.
1 stellt schematisch ein Übertragungssystem gemäß der Erfindung für den Fall einer optischen Verbindung dar, die aus einem einzigen Abschnitt besteht.
2 stellt schematisch ein Übertragungssystem gemäß der Erfindung für den Fall einer optischen Verbindung dar, die aus mehreren Abschnitten besteht.
3 stellt schematisch im PSBT-Format modulierte Signale dar, die im Fall eines konventionellen Übertragungssystems gesendet und empfangen werden.
4 stellt eine Filterübertragungsfunktion dar, die in einem Übertragungssystem gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.
5 stellt eine periodische Filterübertragungsfunktion dar, die in einem WDM-Übertragungssystem gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.
Die 6 und 7 stellen für verschiedene optische Signalleistungswerte die Veränderungen der Empfindlichkeit eines Empfängers in Abhängigkeit von der chromatischen Dispersion für ein konventionelles Übertragungssystem bzw. eines gemäß der Erfindung für den Fall einer optischen Verbindung dar, die aus einem einzigen Abschnitt besteht.
Die 8 und 9 stellen für verschiedene optische Signalleistungswerte die Veränderungen der Empfindlichkeit eines Empfängers in Abhängigkeit von der chromatischen Dispersion für ein konventionelles Übertragungssystem bzw. eines gemäß der Erfindung für den Fall einer optischen Verbindung dar, die aus einem einzigen Abschnitt besteht.
Die 1 und 2 zeigen in schematischer Form und als Beispiel zwei optische Übertragungssysteme gemäß der Erfindung.
Im Fall von 1 weist das System eine optische Verbindung L auf, die aus einem einzigen Abschnitt besteht und zwischen einem Sender TX und einem Empfänger RX angeordnet ist. In Abhängigkeit von einem Quellensignal, zum Beispiel einem im Format NRZ im Rhythmus eines Uhrentakts mit Periode T modulierten elektrischen Signals E, ist der Sender TX in der Lage, ein phasengesteuertes optisches Signal S zu liefern, das im selben Uhrentaktrhythmus im PSBT-Format moduliert wird, wie in den zuvor genannten Dokumenten im Detail erläutert. Der Empfänger RX weist im Wesentlichen einen optischen Vorverstärker, gefolgt von einem Fotodetektor, auf.
Die Verbindung L weist ein Eingangsende A auf, das zum Empfangen des Signals S vorgesehen ist, und ein Ausgangsende B, das in der Nähe des Empfängers RX angeordnet ist, und dafür vorgesehen ist, ein entsprechendes Ausgangssignal R zu liefern. Die Verbindung L besteht im Wesentlichen aus einer Übertragungs-Lichtleitfaser LF und einem optischen Sendeverstärker OA, der zwischen dem Sender TX und der Lichtleitfaser LF angeordnet ist. Um das Verhältnis von Signal zu Rauschen beim Empfang zu verbessern, kann außerdem ein optischer Empfangsvorverstärker OA' nach der Lichtleitfaser LF vorgesehen werden.
In einem konventionellen System wäre das Ausgangssignal R direkt mit dem Empfänger RX gekoppelt oder eventuell über ein Element zur Kompensation der chromatischen Dispersion DCF. Ein Bandpassfilter, der auf der Frequenz einer Signalträgerwelle zentriert ist, kann ebenfall vor dem Empfänger vorgesehen werden, zum Beispiel, um im Fall einer WDM-Übertragung einen Kanal herauszuziehen oder um Rauschen zu dämpfen, das außerhalb des Signalbands vorhanden ist. In diesem Fall hat der Übertragungskoeffizient des Filters in Abhängigkeit von der optischen Frequenz immer eine Spektralbreite, die sehr viel größer ist als die Uhrentaktfrequenz 1/T für die Modulation des Signals.
Um die Übertragungsentfernung mit Hilfe eines einzigen Abschnitts zu erhöhen, muss man die Länge der Lichtleitfaser LF erhöhen, aber auch die erhöhte Dämpfung kompensieren, die sich daraus ergibt, indem die optische Leistung des in die Lichtleitfaser LF eingespeisten Signals erhöht wird. Jenseits einer bestimmten Leistung wird die Faser zum Ort für bedeutende nichtlineare optische Phänomene (Kerr-Effekt).
Insbesondere im Fall eines im PSBT-Format modulierten Signals, das dann, wenn keine nichtlinearen Effekte vorhanden sind, nur eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der chromatischen Dispersion besitzt, beobachtet man eine geringere Toleranz gegenüber der in der Verbindung kumulierten chromatischen Dispersion. Daraus ergibt sich eine Einschränkung der Übertragungskapazität, zum Beispiel im Fall von WDM-Signalen.
Durch eine detailliertere Analyse dieses Phänomens konnte festgestellt werden, dass diese Verschlechterung in Korrelation zu einer Verbreiterung des Spektrums des Signals im Zuge seiner fortschreitenden Ausbreitung in der Lichtleitfaser steht. Dies wird in 3 veranschaulicht.
3 zeigt in der durchgezogenen Linie eine näherungsweise Kurve des Spektrums des im PSBT-Format gesendeten Signals S. Dieses Spektrum, das Schwankungen der genormten Leistungsspektraldichte FT²(S) in Abhängigkeit von der optischen Frequenz f ausdrückt, entspricht einem PSBT-Signal mit optischer Trägerfrequenz f0 und Bitperiode T. 3 zeigt auch in einer gestrichelten Linie die Kurve FT²(R), die für das Spektrum des empfangenen Signals (R) im Fall einer konventionellen Verbindung repräsentativ ist. Das Spektrum des Signals erfährt folglich im Verlauf seiner Übertragung in der Verbindung eine Verbreiterung, die hauptsächliche einer Phasen-Eigenmodulation des Signals zuzuschreiben ist.
Gemäß der Erfindung ist ein optischer Filter FG mit dem Ausgangsende B in der Weise gekoppelt, dass er sich zwischen diesem Ende B und dem Empfänger RX einfügt. Der Filter ist so kalibriert, dass auf das Signal R eine Breitenverringerung seines Spektrums in der Weise angewendet wird, dass die von der Lichtleitfaser hervorgerufene Verbreiterung kompensiert oder sogar überkompensiert wird.
Simulationen und Experimente ermöglichen, für jeden Einzelfall einer Verbindung ein geeignetes ideales Filterungsprofil zu finden. Die Filter, die sich in der Praxis eignen, entsprechen typischerweise dem gaußschen Typ (oder nähern sich ihm an) und haben eine Übertragungsfunktion (welche die Veränderungen des Übertragungskoeffizienten des Filters in Abhängigkeit von der optischen Frequenz f ausdrückt), die über f0 zentriert ist und auf halber Höhe eine Spektralbreite aufweist, die zwischen 0,5/T und 1,25/T liegt.
Vorzugsweise liegt diese Spektralbreite auf halber Höhe in der Nähe von 0,75/T.
4 zeigt eine Kurve, die für die genormte Übertragungsfunktion G(f) repräsentativ ist und die diesem letztgenannten Fall entspricht. Man kann diese Übertragungsfunktion auch ausdrücken durch: G(f) = exp[–a2·(f – f0)2·T2]
So stellt man, da f und f0 in Hertz und T in Sekunden angegeben werden, fest, dass a² ungefähr gleich 4,93 ist.
In anderen Übertragungssystemen besteht die Verbindung aus mehreren Abschnitten. Als Beispiel wird in 2 der Fall einer Verbindung mit drei Abschnitten dargestellt.
Da Untersuchungen gezeigt haben, dass es vorteilhaft ist, die Filterung entlang der Verbindung zu verteilen, führt die Anwendung der Filterung im Fall einer Verbindung mit mehreren Abschnitten zu einer Lösung, die sich von dem oben erläuterten ersten Fall unterscheidet.
Wie 2 zeigt, besteht die Verbindung aus einer Aufeinanderfolge der Abschnitte L1, L2, L3. Jeder Abschnitt ist identisch aufgebaut wie die Verbindung L von 1. Man findet für jeden Abschnitt L1–L3 ein Eingangsende A1–A3 und ein Ausgangsende B1–B3, einen optischen Sendeverstärker OA1–OA3, gefolgt von einer Übertragungs-Lichtleitfaser LF1–LF3, einem optischen Empfangsvorverstärker OA'1–OA'3 und einem Element zur Kompensation der chromatischen Dispersion DCF1–DCF3. Das Eingangsende des ersten Abschnitts L1 ist dafür vorgesehen, vom Sender TX (nicht dargestellt) das Signal S zu empfangen, während das Ausgangsende B3 des letzten Abschnitts L3 neben dem Empfänger RX angeordnet und dafür vorgesehen ist, ein entsprechende Ausgangssignal R zu liefern.
Gemäß der Erfindung bestehen optische Korrekturvorrichtungen aus mehreren optischen Filtern FG1, FG2, FG3, die jeweils mit den Ausgangsenden B1, B2, B3 der Abschnitte so gekoppelt sind, dass sie jeweils zwischen diesen Ausgangsenden B1, B2 und den Eingangsenden A2, A3 der folgenden Abschnitte eingefügt sind, mit Ausnahme des letzten Filters, der zwischen dem Ausgangsende B3 des letzten Abschnitts und dem Empfänger RX eingefügt ist.
Wie zuvor kann mit Hilfe von Simulationen und Experimenten für jeden Einzelfall einer Verbindung ein geeignetes optimales Filterprofil gefunden werden.
In der Praxis werden die Filter FG1, FG2, FG3 vorzugsweise so gewählt, dass die äquivalente Übertragungsfunktion des Filters, die durch die kaskadenartige Koppelung dieser Filter gebildet würde, in der Nähe von f0 ungefähr dem gaußschen Typ entspricht, zentriert auf f0, mit einer Spektralbreite auf halber Höhe zwischen 0,5/T und 1,25/T. Vorzugsweise ist diese Spektralbreite auf halber Höhe ungefähr gleich 0,75/T.
Somit ist im Fall einer Verbindung mit N Abschnitten, wobei N identische gaußsche Filter mit einer Übertragungsfunktion Gi(f) = exp[–b²·(f – f0)²·T²] genommen werden, die äquivalente Übertragungsfunktion für diese kaskadenartig angeordneten N Filter gleich: Ge(f) = exp[–N·b2·(f – f0)2·T2].
Man hat somit N·b² = a², was bedeutet, dass jeder der Filter eine Spektralbreite auf halber Höhe hat, die N Mal größer ist als für den geeigneten Filter in dem Fall, in dem die Verbindung einen einzigen Abschnitt aufweist.
Unabhängig vom Typ der Verbindung (nur ein oder mehrere Abschnitte) kann jeder der optischen Filter ein periodischer Filter wie beispielsweise ein Fabry-Pérot-Filter sein, der die zuvor genannten Kriterien einhält, allerdings unter der Voraussetzung, dass sein in Frequenzen angegebenes freies Spektralintervall größer als 1/T ist.
Die gerade beschriebenen Systeme sind auch für WDM-Signalübertragungen im PSBT-Format einsetzbar. Der Sender TX kann dann (nicht dargestellte) Vorrichtungen aufweisen, um mehrere Signale im PSBT-Format zu modulieren und zu kombinieren, die jeweils von mehreren optischen Trägerwellen mit unterschiedlichen optischen Frequenzen getragen werden. Der Empfänger RX weist dann (nicht dargestellte) Vorrichtungen auf, um das empfangene Signal so zu demultiplexen, dass seine verschiedenen Spektralkomponenten getrennt werden.
In diesem Fall besteht eine besonders leicht umzusetzende Ausführungsform der Erfindung darin, als optische Filter periodische Filter zu verwenden, die ein freies Spektralintervall gleich der Verschiebung zwischen den aufeinanderfolgenden optischen Frequenzen der optischen Trägerwellen des Multiplex besitzen.
Dieser Fall ist schematisch in 5 dargestellt, welche die Übertragungsfunktion G(f) eines periodischen Filters zeigt, der für eine Multiplex-Übertragung von Kanälen geeignet ist, die von Trägerwellen mit optischen Frequenzen f0, f1, f2, f3, f4 getragen werden.
Um die Wirksamkeit der Erfindung zu beurteilen, wurde die Qualität der empfangenen Signale mit konventionellen Übertragungssystemen bewertet und auch dann, wenn dieselben Systeme mit optischen Korrekturvorrichtungen gemäß der Erfindung ausgestattet waren.
Die 6 bis 9 bieten die Möglichkeit, einige erzielte Ergebnisse in Form von Empfindlichkeitskurven zu erläutern, welche die Veränderungen der Empfindlichkeit eines Empfängers in Abhängigkeit von der chromatischen Dispersion sowie für verschiedene optische Leistungswerte P des gesendeten Signals darzustellen. Die chromatische Dispersion ist die sogenannte chromatische "Restdispersion", das heißt, die kumulierte Dispersion, die von allen Elementen eingeführt wird, aus denen die Verbindung besteht, insbesondere einer oder mehreren Übertragungs-Lichtleitfaser(n), Elementen zur Kompensation der chromatischen Dispersion, gegebenenfalls einschließlich der Korrekturvorrichtungen (Filter) gemäß der Erfindung.
Die Empfindlichkeit, die in einer Bewertung der Qualität der Übertragung besteht, ist hier als der Minimalwert der mittleren optischen Signalleistung (in dBM) definiert, die auf den Empfänger angewendet werden muss, um eine auf 10^–9 festgelegte Fehlerquote zu erzielen.
Die dargestellten Kurven wurden mit Verbindungen erzielt, die mit Standard-Lichtleitfasern von 100 km ausgerüstet sind, sowie für im PSBT-Format mit 10 GBit/s modulierte Signale. Der verwendete elektrooptische Modulator ist ein Mach-Zehnder-Modulator, der im "Push-Pull-Modus" durch ein von einem Bessel-Filter mit einem Durchlassbereich von 2,9 GHz gefiltertes Signal gefiltert wird.
Die 6 und 7 betreffen zunächst den Fall einer aus einem einzigen Abschnitt von 100 km bestehenden optischen Verbindung, wie sie in 1 dargestellt ist. 6 entspricht einem konventionellen, das heißt nicht mit dem Filter FG ausgestatteten System. 7 entspricht einem System gemäß der Erfindung, das heißt einem System, bei dem die Verbindung am Ausgang mit dem Filter FG mit einer Spektralbreite auf halber Höhe gleich 7,5 GH gekoppelt ist, oder, als Wellenlänge angegeben, gleich 0,06 nm für eine Trägerwellenlänge von 1,55 μm.
Jede dieser Abbildungen zeigt drei Empfindlichkeitskurven, und zwar jeweils für Leistungen P des Signals, das vom Sendeverstärker OA an die Lichtleitfaser LF mit 0 dBm, 6 dBm und 12 dBm geliefert wird.
Wenn man sich zunächst die Kurven von 6 ansieht, bemerkt man, dass jenseits von 6 dBm das empfangene Signal eine bedeutende Verschlechterung für Werte der kumulierten Dispersion unter +500 ps/nm erfährt. Mit anderen Worten, bei einer hohen optischen Sendeleistung ist das System nicht gegenüber der chromatischen Dispersion tolerant, was die Möglichkeiten zur Breitband-Übertragung von WDM-Signalen über große Entfernungen und ohne Zwischenverstärker einschränkt.
Wenn man diese Kurven mit denen von 7 vergleicht, stellt man fest, dass die Erfindung eine bedeutende Verbesserung der Toleranz gegenüber der chromatischen Dispersion bewirkt, und zwar sogar für negative Dispersionswerte.
Die 8 und 9 betreffen den Fall einer optischen Verbindung, die aus drei Abschnitten von 100 km besteht, wie in 2 dargestellt. 8 betrifft ein konventionelles, das heißt nicht mit den Filtern FG1, FG2, FG3 ausgestattetes System. 9 entspricht einem System gemäß der Erfindung, das heißt einem System, bei dem jeder der drei Abschnitte am Ausgang mit einem Filter FG1, FG2, FG3 mit einer Spektralbreite auf halber Höhe gleich 13 GHz ausgerüstet ist, oder, als Wellenlänge angegeben, gleich 0,10 nm für eine Trägerwellenlänge von 1,55 μm.
Jede dieser Abbildungen zeigt vier Empfindlichkeitskurven, und zwar jeweils für Leistungen P des Signals, das auf jede Lichtleitfaser LF1, LF2, LF3 mit 0 dBm, 6 dBm 9 dBm und 12 dBm angewendet wird.
Wenn man die Kurven von 8 betrachtet, sieht man, dass für die Werte der kumulierten Dispersion unter +500 ps/nm die Verschlechterung des empfangenen Signals ab 9 dBm bedeutend wird und für 12 dBm sehr bedeutend ist. Wenn man diese Kurven mit denen von 9 vergleicht, kann man die dank der Erfindung erzielte Verbesserung feststellen.
Es ist interessant, darauf hinzuweisen, dass das Vorhandensein des Filters bzw. der Filter gemäß der Erfindung keine Beeinträchtigung für geringere Leistungen mit sich bringt.
Diese Kurven zeigen auch, welchen Nutzen es bringt, über eine Verbindung zu verfügen, die eine positive kumulierte chromatische Dispersion aufweist, was im Allgemeinen bedeutet, dass Vorrichtungen zur Kompensation der chromatischen Dispersion eingeführt werden. In diesem Fall wurde außerdem überprüft, dass diese Kompensationsvorrichtungen vorzugsweise über die verschiedenen Abschnitte verteilt werden sollen, aus denen die Verbindung besteht.
Genauer ausgedrückt, weist das Übertragungssystem, wie in 2 dargestellt, dann Elemente zur Kompensation der chromatischen Dispersion DCF1, DCF2, DCF3 auf, die jeweils mit den Abschnitten L1, L2, L3 in der Weise gekoppelt sind, dass die kumulierte chromatische Dispersion, die durch diese Abschnitte (L1, L2, L3), durch die dazugehörigen optischen Filter (FG1, FG2, FG3) und durch die dazugehörigen Elemente zur Kompensation der chromatischen Dispersion DCF1, DCF2, DCF3 eingeführt wird, für die optische Frequenz f0 der optischen Trägerwelle des phasengesteuerten optischen Signals S positiv ist; oder, im Fall einer WDM-Multiplexübertragung, für die mittlere optische Frequenz der optischen Trägerwellen der phasengesteuerten optischen Signale, die diesen Multiplex bilden.

Claims

Übertragungssystem für ein phasengesteuertes optisches Signal (S), wobei dieses Signal im Rhythmus eines Uhrentakts mit Periode T moduliert wird, welcher aufeinanderfolgende Zeitzellen definiert, die im Signal (S) untere und obere Modulationspegel einer optischen Trägerwelle mit der optischen Frequenz f0 begrenzen, wobei das Signal (S) eine optische Phasenverschiebung im Innern jeder Zeitzelle aufweist, die einen unteren Leistungspegel begrenzt und die einer Zelle vorausgeht oder auf sie folgt, welche einen oberen Leitungspegel begrenzt, wobei das System eine optische Verbindung (L) aufweist, welche geeignet ist, das phasengesteuerte Signal (S) von einem Eingangsende (A, A1) bis zu einem Ausgangsende (B, B3) zu übertragen; hierbei ist das System dadurch gekennzeichnet, dass es optische Korrekturvorrichtungen (FG, FG1, FG2, FG3) aufweist, die mit dem Ausgangsende (B, B3) gekoppelt sind und/oder in einen oder mehrere Punkte (B1, B2) der optischen Verbindung (L) eingefügt sind, wobei diese Korrekturvorrichtungen eine optische Filterung auf das an diesem Ausgangsende (B, B3) und/oder an diesen Punkten (B1, B2) der optischen Verbindung (L) vorhandene Signal (R) anwenden, wobei diese Filterung so kalibriert wird, dass sie eine Spektrumsverbreiterung kompensiert, welche dieses phasengesteuerte Signal (S) durch Phasen-Eigenmodulation während seiner Übertragung in der optischen Verbindung (L) erfahren kann.
Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (L) einen einzigen Abschnitt aufweist, der mit einer Übertragungs-Lichtleitfaser (LF) ausgerüstet ist, wobei die optischen Korrekturvorrichtungen aus einem optischen Filter (FG) bestehen, der mit dem Ausgangsende (B) gekoppelt ist und eine Übertragungsfunktion (G(f)) besitzen, welche die Veränderungen in Abhängigkeit von der optischen Frequenz f ihres Übertragungskoeffizienten ausdrückt, in der Nähe von f0 ungefähr dem gaußschen Typ entsprechend, zentriert auf f0, mit einer Spektralbreite auf halber Höhe zwischen 0,5/T und 1,25/T.
Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralbreite auf halber Höhe ungefähr gleich 0,75/T ist.
Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Filter (FG) ein periodischer Filter ist, der ein in Frequenzen ausgedrücktes freies Spektralintervall größer 1/T aufweist.
Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System dafür vorgesehen ist, einen Wellenlängenmultiplex zu übertragen, der von mehreren phasengesteuerten optischen Signalen gebildet wird, die jeweils von mehreren optischen Trägerwellen mit aufeinanderfolgenden optischen Frequenzen (F0, F1, f2, f3) getragen werden, welche eine gegebene Frequenzverschiebung aufweisen, wobei das freie Spektralintervall (ISL) gleich dieser Frequenzverschiebung ist.
Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung N Abschnitte (L1, L2, L3) aufweist, die N Eingangsenden (A1, A2, A3) und N Ausgangsenden (B1, B2, B3) besitzen und die mit N optischen Verstärkern (OA1, OA2, OA3) ausgerüstet sind, gefolgt von N Übertragungs-Lichtleitfasern (LF1, LF2, LF3); hierbei bestehen diese optischen Korrekturvorrichtungen aus N optischen Filtern (FG1, FG2, FG3), die jeweils mit den N Ausgangsenden (B1, B2, B3) dieser Abschnitte gekoppelt sind, und zwar so, dass die Übertragungsfunktion (G(f)) des äquivalenten, durch die kaskadenartige Koppelung dieser N Filter (FG1, FG2, FG3) gebildeten Filters, welche die Änderungen in Abhängigkeit von der optischen Frequenz f ihres Übertragungskoeffizienten ausgedrückt, in der Nähe von f0 ungefähr eine gaußsche Funktion ist, zentriert auf f0, mit einer Spektralbreite auf halber Höhe zwischen 0,5/T und 1,25/T.
Übertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralbreite auf halber Höhe ungefähr gleich 0,75/T ist.
Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der optischen Filter (FG1, FG2, FG3) ein periodischer Filter ist, der ein in Frequenzen ausgedrücktes freies Spektralintervall größer 1/T aufweist.
Übertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System für die Übertragung eines Wellenlängenmultiplex vorgesehen ist, der aus mehreren phasengesteuerten optischen Signalen gebildet wird, die jeweils von mehreren optischen Trägerwellen mit aufeinanderfolgenden optischen Frequenzen (f0–f4) getragen werden, welche eine gegebene Frequenzverschiebung aufweisen, wobei das freie Spektralintervall (ISL) gleich dieser Frequenzverschiebung ist.
Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es Elemente zur Kompensation der chromatischen Dispersion (DCF1, DCF2, DCF3) aufweist, die jeweils mit den N Abschnitten (L1, L2, L3) in der Weise gekoppelt sind, dass die kumulierte chromatische Dispersion, die durch diese Abschnitte (L1, L2, L3), durch die dazugehörigen optischen Filter (FG1, FG2, FG3) und durch die dazugehörigen Elemente zur Kompensation der chromatischen Dispersion (DCF1, DCF2, DCF3) eingeführt wird, für die optische Frequenz (f0) der optischen Trägerwelle des phasengesteuerten optischen Signals (S) positiv ist; oder gegebenenfalls für die mittlere optische Frequenz der optischen Trägerwellen der phasengesteuerten optischen Signale, die den Multiplex bilden.