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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die optische Signalverarbeitung. Insbesondere
betrifft die Erfindung das Füllen
leerer Kanäle
eines wellenlängenmultiplexierten
Signals mit Rauschen, um eine Übersteuerung der übrigen Kanäle, die
reale Daten übertragen,
zu verhindern, während
das wellenlängenmultiplexierte Signal
einen optischen Leistungsverstärker
durchläuft.
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Technischer Hintergrund
der Erfindung
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Die Übertragungsdistanz
jedes Lichtwellenleiter-Kommunikationssystems
wird durch Lichtwellenleiterdämpfung
und Dispersion begrenzt. Für Langstrecken-Lichtwellenleitersysteme
(zum Beispiel Unterwassersysteme) wird diese Beschränkung mit
optischen Verstärkern überwunden.
Optische Verstärker
verstärken
einfallendes Licht durch stimulierte Emission, den gleichen Mechanismus,
der durch Laser genutzt wird. Wie in 4 dargestellt,
ist ein Verstärker
so konstruiert, daß er
die Verstärkung eines
Signals über
seinen Arbeitspunktschwellwert anhebt, wenn die Signalleistung unter
diesen Schwellwert abfällt.
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Ein
Vorteil optischer Verstärker
ist, daß sie eingesetzt
werden können,
um mehrere Kommunikationskanäle
gleichzeitig zu verstärken,
wie z. B. diejenigen, die mit einem wellenlängenmultiplexierten (WDM-)
Signal übertragen
werden. Ein Problem entsteht jedoch, wenn ein WDM-Signal leere Kanäle enthält. Während das
WDM-Signal einen optischen Verstärker
durchläuft,
wie z. B. einen erbiumdotierten Faserverstärker (EDFA), übersteuert
der EDFA den bzw. die übrigen
Kanäle.
Die erhöhte
Leistung des übrigen
Kanals bzw. der übrigen
Kanäle
führt zu nichtlinearen
Effekten, wie z. B. zur stimulierten Raman-Streuung (SRS), stimulierten Brillouin-Streuung (SBS)
und zur Phaseneigenmodulation (SPM). SRS und SBS können zu
beträchtlicher
Lichtwellenleiterdämpfung
führen.
SPM führt
zur Frequenz/Wellenlängen-Verschiebung
von Teilen der Informationsimpulse, die zu einem Fehleranstieg führt.
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Eine
derartige Situation tritt in Lichtwellenleitersystemen auf, die
Abzweig-Multiplexer (ADMs) oder andere Typen von Verzweigungseinheiten
nutzen. Eine Verzweigungseinheit ist als ein Schlüsselgerät zur Verwendung
beim Trennen und Einfügen von
WDM-Signalen bekannt. Zum Beispiel demultiplexiert ein ADM ein WDM-Signal
und lenkt eine Wellenlänge
Lambda (λ)i
zu einem gewünschten
Ziel. Dann addiert er eine Wellenlänge λi zu den übrigen Wellenlängen und
multiplexiert sie, um ein neues WDM-Signal zu bilden.
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Wenn
vor dem Eingangskanal eines ADM eine Fasertrennung auftritt, geht
das WDM-Signal verloren, und in den ADM wird ein Nullsignal eingegeben.
Der ADM addiert λi
und multiplexiert λi
mit dem Nullsignal und sendet es in das Übertragungsmedium. Daher enthält das multiplexierte
Signal einen einzigen Informationskanal während die übrigen leer bleiben. Wenn dieses
Signal durch einen optischen Verstärker verarbeitet wird, erhöht der Verstärker die
Leistung für
den Kanal λi
weit über
seinen normalen Arbeitspunkt hinaus. Dieses Problem wird durch herkömmliche
Lichtwellenleitersysteme nicht angegangen.
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Desurvire
et al., "Dynamic
Gain Compensation in Saturated Erbium-Doped Fiber Amplifiers" (Dynamische Verstärkungskompensation
in gesättigten erbiumdotierten
Faserverstärkern),
IEEE Photonics Technology Letters, IEEE Inc., New York, US, Bd.
3, Nr. 5, 1. Mai 1991, S. 453–455,
beschreibt eine Kompensation, die auf einem einfachen Rückkopplungsschleifenschema
basiert, das es ermöglicht,
kurzzeitige Verstärkungsschwankungen
wirksam zu vermindern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
Anbetracht des Vorstehenden besteht in der Technik ein Bedarf für ein Verfahren
und eine Vorrichtung, die verhindern, daß ein optischer Verstärker die
Informationskanäle
eines WDM-Signals, das außerdem
eine Reihe von leeren Kanälen
enthält, übersteuert.
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Die
Erfindung führt
diese Funktion aus, indem leere Kanäle eines WDM-Signals mit Rauschen gefüllt werden,
das die Verstärkerkette
sättigt
und dadurch bewirkt, daß ein
Verstärker
die Verstärkung
für die
Informationskanäle
eines WDM-Signals
auf ihren richtigen Arbeitspunkt erhöht und dabei die Anzahl optischer
Komponenten minimiert, die für
den Rauschmechanismus notwendig sind.
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Die
Erfindung stellt eine Rauschrückkopplungsschleife
bereit, die vorhandenes Rauschen innerhalb des optischen Systems
nutzt, um eine Kette von Verstärkern
hinter einer Verzweigungseinheit zu sättigen. Die Erfindung bewerkstelligt
dies unter Verwendung eines gefilterten Rauschens mit verstärkter spontaner
Emission (ASE). ASE-Rauschen entsteht im Verstärkungsprozeß. Das Resonanzmedium, das die
Verstärkung
durch den Prozeß der
stimulierten Emission liefert, erzeugt auch spontane Emission. Das
aus spontaner Emission entstehende Licht stellt ein Grundrauschen
des Laserverstärkerrauschens dar.
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Die
Erfindung nutzt einen vorhandenen Ausstiegs- bzw. Drop-Verstärker, der
als Nebenwirkung ASE-Rauschen emittiert. Ein Koppler verbindet das ASE-Rauschen
mit einem Filter. Das gefilterte ASE-Rauschen wird durch einen zweiten
Koppler in einen vorhandenen Streckenverstärker eingespeist. Der Streckenverstärker erhöht die Verstärkung für das gefilterte
ASE-Rauschen auf
einen Pegel, der hoch genug ist, um die Verstärkerkette zu sättigen. Daher
erfordert die Erfindung keinen externen Rauschgenerator.
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Mit
diesen und weiteren Vorteilen und Merkmalen, die im folgenden ersichtlich
werden, wird die Natur der Erfindung unter Bezugnahme auf die nachstehende
ausführliche
Beschreibung, die beigefügten
Ansprüche
und die verschiedenen, hier beigefügten Zeichnungen besser verständlich.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
ein Diagramm eines Systems, bei dem eine Ausführungsform der Erfindung genutzt werden
kann.
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2 zeigt
ein Diagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3(a) zeigt eine Aufzeichnung der Wellenlänge als
Funktion der Leistung eines verstärkten ASE-Rauschsignals, das
in einer Ausführungsform der
Erfindung verwendet wird.
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3(b) zeigt eine Aufzeichnung der Wellenlänge als
Funktion der Leistung eines einzelnen Kanals λi, der zu einem durch eine Fasertrennung
erzeugten Nullsignal addiert wird.
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3(c) zeigt eine Aufzeichnung der Wellenlänge als
Funktion der Leistung eines einzelnen Kanals λi, der zu einem in einer Ausführungsform
der Erfindung verwendeten verstärkten
ASE-Rauschsignal addiert wird.
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4 zeigt
eine Aufzeichnung der Verstärkung
als Funktion der Gesamtleistung eines Signals, die seinen Arbeitspunktschwellwert
darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Unter
ausführlicher
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleich Teile durch gleiche
Bezugszeichen bezeichnet sind, ist in 1 ein Blockdiagramm
eines Systems dargestellt, in dem eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann.
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1 zeigt
ein typisches Lichtwellenleiter-Kommunikationssystem
mit einem übertragenen wellenlängenmultiplexierten
(WDM-) Signal 10, das in einen optischen Kommunikationssender 12 eintritt. Der
Sender 12 weist einen Lichtquellentreiber 14 auf, der
das WDM-Signal 10 in einen Steuerstrom umwandelt, der die
Intensität
der Quelle moduliert. Der Lichtquellentreiber 14 erzeugt
die Energie, die in das Übertragungsmedium 15 eingekoppelt
wird, das typischerweise ein Lichtwellenleiter ist. Die Energie
breitet sich durch das Übertragungsmedium 15 aus
und wird bis zu einem gewissen Grade gedämpft. Um diese Dämpfung zu
kompensieren, wird die Energie in optische Verstärker 16 und 18 eingespeist,
welche die Amplitude des optischen Feldes erhöhen und dabei seine Phase aufrechterhalten.
Die verstärkte
Energie wird in eine Verzweigungseinheit 20 gelenkt, die λi herausnimmt
und λi einfügt. Nach
dem Durchgang durch die Verzweigungseinheit 20 wird die
Energie durch optische Verstärker 22 und 24 geleitet und
wieder in das Übertragungsmedium 15 eingespeist.
Die Energie tritt am anderen Ende aus dem Übertragungsmedium 15 aus,
und ein großer
Teil wird in den Photodetektor 26 eingekoppelt. Die im Photodetektor 26 absorbierte
Lichtenergie wird in einen Photostrom umgewandelt. Dieser Photostrom wird
dann im Empfänger 28 verstärkt und
in das richtige Signalformat für
das am Ausgang empfangene WDM-Signal 30 umgewandelt.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Eingangsleitung 46 leitet
optische Energie zum Leitungsverstärker 32. Ein Beispiel
eines Leitungsverstärkers 32 ist
ein erbiumdotierter Faserverstärker
(EDFA). Die Energie wird in eine Verzweigungseinheit 34 eingeleitet,
die λi unter Verwendung
der Herausnahmeleitung 52 aus dem in die Verzweigungseinheit
eingegebenen Signal herausnimmt und λi unter Verwendung der Einfügeleitung 54 in
das an die Ausgangsleitung 48 ausgegebene Signal einfügt. Mit
der Herausnahmeleitung 52 ist der Drop-Verstärker 42 verbunden.
Ein Beispiel eines Drop-Verstärkers 42 ist
ein erbiumdotierter Faserverstärker
(EDFA). Mit der Herausnahmeleitung 52 ist außerdem über den
Koppler 40 ein Filter 38 zum Optokoppler 39 verbunden.
Ein Beispiel des Kopplers 40 ist ein herkömmlicher
Koppler von 3 Dezibel (dB). Das Filter 38 ist durch den
Koppler 36 mit der Eingangsleitung 46 verbunden.
Ein Beispiel des Kopplers 36 ist ein herkömmlicher
10 dB-Koppler.
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Die
Erfindung funktioniert auf die folgende Weise. Ein WDM-Signal wird
auf der Eingangsleitung 46 zum Leitungsverstärker 32 übertragen.
Die Fasertrennung 50 bewirkt, daß das WDM-Signal verloren geht.
Ein Nullsignal fließt
durch den Leitungsverstärker 32,
der seine Verstärkung
gegenüber
dem komprimierten Betrieb erhöht.
Das verstärkte
Nullsignal wird in die Verzweigungseinheit 34 eingegeben.
Die Verzweigungseinheit 34 nimmt λi unter Verwendung der Herausnahmeleitung 52 aus
dem verstärkten Nullsignal
heraus. Der Optokoppler 46 stellt sicher, daß das optische
Signal nur in einer Richtung fortschreitet. Die Herausnahmeleitung 52 leitet λi durch den
Drop-Verstärker 42.
Beim Durchgang von λi durch
den Drop-Verstärker 42 emittiert
der Verstärker ASE-Rückwärtsrauschen.
Dies tritt auf, weil der Drop-Verstärker 42 auch in nominaler
Kompression arbeitet, und da eine Fasertrennung zum Verlust des Drop- Signals führt, kippt
der Drop-Verstärker 42 aus der
Kompression und erzeugt ein stärkeres ASE-Rückwärtsrauschen.
Dieses ASE-Rauschen wird durch den Koppler 40 zum Filter 38 gelenkt.
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In
dieser Ausführungsform
ist das Filter 38 ein Bandfilter von etwa 10 Nanometer
(nm) mit einer Mittenwellenlänge
von etwa 1557 nm. Alternativ könnte
das Filter 38 im Verstärkungs-Durchlaßbereich
der Verstärkerkette,
aber außerhalb
des Bandes für
Signalkanäle
untergebracht werden. Wenn beispielsweise ein WDM-Signal acht Signalkanäle von 1554
nm bis 1561 nm aufweisen würde,
wäre die Mittenwellenlänge (λf) des Filters
1550 nm bei einer Filterbandbreite (Δλf) von etwa 8 nm.
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Das
gefilterte ASE-Rauschen passiert den Koppler 40 und wird
durch den Leitungsverstärker 32 verstärkt. Das
verstärkte
ASE-Rauschen passiert die Verzweigungseinheit 34, die λi herausnimmt
und auf diese Weise das Rauschen in einer Bandbreite (bw) um λi herum auf
dem Weg zur Ausgangsleitung 48 sperrt. Die Einfügeleitung 54 überträgt λi in die
Verzweigungseinheit 34, die λi in das verstärkte ASE-Rauschen
einfügt.
Das Ergebnis ist ein WDM-Signal, bei dem alle Kanäle, mit
Ausnahme von λi,
mit verstärktem
ASE-Rauschen gefüllt
sind. Infolgedessen sättigt
das WDM-Signal einen nachgeschalteten Verstärker der Verstärkerkette
und vermindert dadurch den Signalverstärkungsfaktor für den Kanal λi, wenn das
Signal den nachgeschalteten Verstärker passiert. Dementsprechend
wird der Kanal λi
so verstärkt,
daß er
seinen normalen Arbeitspunkt wie vor der Fasertrennung beibehält.
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Dann
wird das Ausgangssignal des Leitungsverstärkers 32 über den
Drop-Verstärker 42 und
das Filter 48 zurückgekoppelt
und wieder in den Leitungsverstärker 32 eingegeben.
Wenn die realen Signalkanäle
vorhanden sind, ist der Rückkopplungsverlust
höher als
die Verstärkung.
Dies gilt auch, wenn das Leitungseingangssignal den Verstärker sättigt. Daher
wird die Einleitung von übermäßigem Rauschen
in das WDM-Signal minimiert. Wenn jedoch keine Kanäle vorhanden
sind, ist der Rückkopplungsverlust
niedriger als die Verstärkung
(kleine Signalverstärkung)
und das RSE-Rückwärtsrauschen vom
Drop-Verstärker 42 wird
erhöht.
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Erwähnenswert
ist, daß die
Erzielung des richtigen Rauschpegels auf der Eingangsleitung 46 entscheidend
ist, um die Verstärkerkette
zu sättigen, d.
h. um in allen Verstärkern
der Kette die gleiche Verstärkung
aufrechtzuerhalten. Der Leitungsverstärker, der Drop-Verstärker, Koppler
und Filter können
so konstruiert werden, daß sie
automatisch die richtige Ausgangsleistung liefern (Signal oder Rauschen).
Ferner muß die
Verzweigungseinheit 34 so konfiguriert werden, daß sie ungeachtet
der durch die Verzweigungseinheit 34 empfangenen Gesamtleistung,
z. B. bei vollständiger
gegenüber
teilweiser Fasertrennung, ein konstantes Ausgangssignal aufrechterhält.
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3(a) zeigt eine Aufzeichnung der Wellenlänge als
Funktion der Leistung eines verstärkten ASE-Rauschsignals, das
in einer Ausführungsform der
Erfindung verwendet wird. Die Amplitude des ASE-Rauschsignals ist
eine Funktion der Leistung vom Leitungsverstärker 32 plus Drop-Verstärker 42 plus
Rückkopplungsverlust
und Verstärkungskompression
vom Leitungsverstärker.
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3(b) zeigt eine Aufzeichnung der Wellenlänge als
Funktion der Leistung eines einzelnen Kanals λi, der in ein Nullsignal eingefügt wird,
das durch eine Fasertrennung erzeugt wird. Beim Durchgang dieses
Signals durch einen nachgeschalteten Verstärker wird sein Leistungspegel
wegen erhöhter Verstärkungskompression
stärker
als normale Pegel erhöht.
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3(c) zeigt eine Aufzeichnung der Wellenlänge als
Funktion der Leistung eines einzelnen Kanals λi, der in ein verstärktes ASE-Rauschsignal eingefügt worden
ist, das in einer Ausführungsform der
Erfindung verwendet wird. Beim Durchgang des Signals durch einen
nachgeschalteten Verstärker sättigt es
den Verstärker
und reduziert dadurch die Signalverstärkung für den Kanal λi. Der nachgeschaltete
Verstärker
erhöht
die Leistung des Kanals λi
auf seinen normalen Arbeitspunkt.
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Obwohl
hierin eine bevorzugte Ausführungsform
konkret dargestellt und beschrieben wird, wird man erkennen, daß Modifikationen
und Veränderungen
der vorliegenden Erfindung durch die obigen Lehren behandelt werden
und im Rahmen der beigefügten
Ansprüche
liegen. Zum Beispiel diskutiert zwar eine Aus führungsform der Erfindung ein WDM-Signal,
das einen einzelnen Informationskanal λi enthält, aber man wird erkennen,
daß die
Erfindung für
eine beliebige Anzahl von Informationskanälen funktioniert, die nach
einer Fasertrennung übrig
bleiben. Entsprechend könnte
die ASE-Rauschquelle auch ein Verstärker an Detektionselement-Ereignis Einfügungsleitung 54 (in 2 nicht
dargestellt), ein selbständiger
Verstärker
oder eine weitere Lichtquelle sein, wie z. B. ein DFB-Laser (Laserdiode
mit verteilter Rückkopplung).