DE2248211C3

DE2248211C3 - Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem

Info

Publication number: DE2248211C3
Application number: DE19722248211
Authority: DE
Inventors: Arnold Dr. 6100 Darmstadt Sander
Original assignee: ALLGEMEINE ELEKTRICITAETS-GESELLSCHAFT AEG-TELEFUNKEN 1000 BERLIN und 6000 FRANKFURT
Current assignee: ALLGEMEINE ELEKTRICITAETS-GESELLSCHAFT AEG-TELEFUNKEN 1000 BERLIN und 6000 FRANKFURT
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1972-10-02
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2248211A1; DE2248211B2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Nachrichtenübertragungssystem mit einer Faserleitung. Es ist bekannt, daß bei PCM/IM (Pulscodeintensi tätsmodulatk>n)-Faserleitungssysternen mit aus schließlich regenerativen Wiederholverstärkern die Verstärkerfeldlange u. a. durch das zusätzliche Schrotrauschen im optischen Detektor (Lawinenphotodiode) und das Schrotrauschen des Signalphoto-

Stroms begrenzt fet. Das Schrotrauschen ist durch die Quantenstruktur des Lichtes und der elektrischen Ladung bedingt. (M. Chown, K. C Kao: Breitband-Nachrichtensystem mit optischen Faser-Wellenleitern, Elektr. Nachrichtenwesen 46 (1971) Nr. 2, S.

μ, 129-136].

Dagegen hängt bei PCM/IM (Pulscodeintensitätsmodulation)-Faserlehungssystemen mit ausschließlich analogen Wiederholverstärkern (z. B. Nd: Glas-Laserverstärkern) die maximale Verstärkerfeldlange

u. a. vom Rauschen der optischen Verstärker ab, das auf spontaner Emission in ihnen beruht [A. Uekii: Considerations on an optical repeater system employing light-focusing glass laser amplifiers, IEEE Jt.

Quantum Electronics QU-7 (Juni 1971) Nr, 6, S, 35-361,

Die Begrenzung der Systemleistungfähigkejt durch die Rauscherscheinungen bringt folgende Nachteile bei den genannten Systemen mit sich;

Bei den bekannten PCM/IM (PulscodeintensitätsmoduIation)-Faserleitungssystemen mit regenerativen Wiederbnlverstärkern beträgt die Dämpfung eines Kabelfeldes maximal 40 dB, Diese Begrenzung ergibt sich aus dem kleinsten nachweisbaren Signal- <° wert und aus der Strahlungsenergie des Lasers. Bei einer Kabeldämpfung von 20 dB/km ist daher eine Kabelfeldlänge von maximal 2 km möglich. Um die Kabellänge einen Kilometer zu vergrößern, wäre es nötig, die Strahlungsenergie der Laserdiode um das '5 Hundertfache zu steigern. Dem steht u. a. der Umstand entgegen, daß diese Diode miniaturisiert ausgeführt sein muß, und deshalb die nötige Wärmeabfuhr nicht mehr möglich ist.

Bei den bekannten PCM/IM (Pulscodeintenshätsmodulation)-FaserIeitungssystemen mit analogen Wiederholverstärkern andererseits besteht der Nachteil, daß die Zahl der Kabelfelder u. a. durch die Rauscherscheinungen in den optischen Wiederholverstärkern begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einflüsse des Rauschens auf die Leistungsfähigkeit von Faserleitungs-Nachrjchtensystemen zu verringern, um dadurch neben einem genügend hohen Informationsfluß einerseits auch noch eine hohe Verstärkerfeld- jo länge andererseits zu ermöglichen und schließlich eine möglichst hohe Verstärkerfeldzahl zu erzielen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daS das System mit pulsgetasteter Binännodulation (PGBM) not im Verhältnis zur Puls- « periode sehr kleiner Pulsdauer arbeitet, daß als optische Wiederholverstärker sowohl digitale regenerative Verstärker als auch Analogverstärker verwendet werden, wobei zwischen jeweils zwei digitalen regenerativen Verstärkern mehrere Analogverstärker an- geordnet sind (Hybrid-System), und daß wenigstens die Analogverstärker des Systems nur während der für die zu übertragende Information vorgesehenen Zeitintervalle in Betrieb gesetzt werden.

Die Verwendung der pubgetasteten Binärmodulation (PGBM) ist an sich aus der Technik der Laser-Sa- ■ tellitenübertragungssysteme bekannt. Dort kommt es auf eine möglichst hohe Sendeleistung an, und es ist keine Vielzahl von Wiederholverstärkern in die Strecke eingeschattet. (M. Ross: Jupiter Calling, Laser Focus, Okt. 1969, S. 32-38).

Auch das zweite Merkmal der erfindungsgemäßen Kombination, die Ausbildung als hybrides System, ist an sich aus der konventionellen Nachrichtenübertragungstechnik bekannt. Die bekannten Systeme arbei- ten jedoch mit Pulscodeamplitudenmodulation (PCM/AM) (R. W. Chang, S. L. Freeny: Hybrid Digital Transmission System, Bell Syst. Tech. j. 1968, S. 1663-1711).

Die Anwendung der pulsgetasteten Binärmodula- wi tion (PGBM) bei einem optischen Hybridübertragungssystem ermöglicht gegenüber der PCM/ AM eine zeitliche Rauschunterdrückung, welche nur bei Verwendung gerade dieser Modulationsart möglich ist. Der Erfolg des Zusammenwirkens der genannten b5 Merkmale besteht in finer Steigerung der gesamten Leistungsfähigkeit des Systems.

Es ist entweder ein höherer Informationsfluß oder

eine höhere Verstärkerfeldlänge des Systems möglich oder es können Faserleitungen höherer Dämpfung verwendet werden. Bekanntlich läßt sich die Verstärkerfeldlänge bzw, dieFaserleitungsdäropfunp auf Kosten des Informationsflusses steigern.

Das Faserleitungssystem nach der Erfindung kann mit 3 Arten von optischen Wiederholverstärkern betrieben werden:

a) optischen Analogverstärkern mit Verstärkung im optischen Bereich

b) optischen Analogverstärkern mit Umsetzung in das Basisband und dort vorgenommener elektrischer Verstärkung

c) optischen digitalen Regeneratiwerstärkern mit Umsetzung in das Basisband und dort vorgenommener ImpUlsregenerienjng.

Wenn auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems insbesondere bei den optischen Analogverstärkern zur Geltung kommen, so treten Rauschprobleme auch bei den übrigen Wie<Serholverstärkertypen, die zuvor in das Basisband umsetzen, und bei den Endstellen auf, so daß die Vorteile der Erfindung auch dort genutzt werden können.

Die Inbetriebsetzung der optischen Wiederholverstärkti nur während der Informationsimpulse kann auf verschiedene Weise erfolgen.

Die analogen optischen Wiederholverstärker werden vorteilhaft nur während der Dauer der Zeitkanäle der Informations-Impulse gepumpt. In der übrigen Zeit wird die Pumpenergiequelle abgeschaltet Bei Festkörperlaserverstärkern (ζ. Β. Nd: Glas-Dünnfilmlaserverstärkern) und Farbstofflaserverstärkern (z. B. Dünnfilmfarbstofflaserverstärkernmit in einem festen Kunststoff verteiltem Kunststoff verteiltem Farbstoff) ist das Pumplicht zeitlich auf die Zeitintervalle beschränkt, in denen zu verstärkende Informations-Impulse auftreten können. Bei Halbleiterlaserverstärkern ist der Pumpstrom (Diodenstrom) auf diese Zeitintervalle beschränkt.

Zusätzlich kann zweckmäßig der optische Detektor im optischen Empfänger und in den digitalen Wiederholverstärkern in der Pause zwischen zwei Informations-Impulsen durch ein Austastsignal gesperrt werden. Es läßt sich u. U. auch db elektronische Verstärkerstufe hinter dem optischen Detektor sperren. Unter Umständen genügt es aber, nur einen Teil der genannten Stufen in den Intervallen zwischen den Zeitkanälen der Informationsimpulse zu sperren.

Zur Veranschaulichung der Erfindung ist ein Ausführungsbeispiel durch folgende Figuren dargestellt:

Fig. 1 Teilausschnitt eines PGBM-Faserleitungs« Hybridsystems,

Fig. 2 Blockschaltbild eines PGBM-Faserleitungs-Hybridsystems,

Fig. 3 Optischer Sender desselben (mit Lumineszenzdiode),

Fig. 4 Analoger Wiederholverstärker desselben,

Fig. 5 Digtes'er Wiederholverstärker desselben (mit Lumineszenzdiode),

Fig. 6 Optischer Empfänger desselben,

Fig. 7 Festkörperlaserverstärker, miniaturisiert (Prinzip),

Fig. 8 optischer Sender (mit Laserdiode und externem Modulator),

Fig. 9 digitaler Wiederholverstärker (mit Laserdiode und externem Modulator).

Im folgenden wird eine Beschreibung eines Ausf ührunßsbeispiels der Erfindung gegeben. Fig. 1 zeigt

das Prinzip eines PGBM-Hybridsystems. Es ist der zwischen zwei regenerativen Wiederholverstärkern gelegene Teil des Systems dargestellt, der von links nach rechts überträgt. Es sind F₁ bis F„ die Kabelfelder, AR₁ bis AR_n _, die analogen und DR die regenerativen Wiederholverstärker. Fig. 2 stellt das Blockschaltbild des vollständigen Systems dar, das Telephongespräche, Daten und Fernsehen überträgt. In der linken Hälfte des Systems verläuft die Übertragungsrichtung von oben nach unten, in der rechten von unten nach oben. In der Figur sind zwei gleiche Endstelleneinrichtungen TM, zwei gleiche optische Sendestufen TX, zwei gleiche optische Empfangsstufen RX, acht gleiche analoge Wiederhol verstärker AR und zwei gleiche digitale Wiederholverstärker DR dargestellt. Von den Kabelfeldern des Systems sind nur sechs in der Figur zu sehen, von den durchlässigen Fasern nur vier. Die Fig. 3 bis 9 zeigen die einzelnen Baustufen des Systems. Es sind jeweils nur zwei durchlässige Fasern zu sehen; die Öbertragungsrichtung verläuft von links nach rechts.

Im folgenden beschränkt sich die Darstellung auf nur eine Faser. Fig. 3 zeigt die optische Sendestufe TX. Auf eine Treiberstufe folgt die mit pulsgetasteter binärer Modulation direkt modulierte Lumineszenzdiode LED. Deren Lichtimpulse gelangen über die durchlässige Faser zum ersten analogen Wiederholverstärker AR (Fig. 4). Er besitzt einen optischen Verstärker, der während der Dauer der Zeitkanäle der Inforrnationsimpulse gepumpt wird. Dessen Rausehen in der Rückwärtsrichtung wird durch einen vorgeschalteten optischen Isolator unterdrückt. Das Rauschen in der Vorwärtsrichtung begrenzt ein optisches Filter. Der digitale Wiederholverstärker DR (Fig. 5) besteht aus dem optischen Detektor, z. B. einer Lawinenphotodiode, einem Verstärker, dem Regenerator, einer Treiberstufe und der damit betriebenen Lumineszenzdiode. Der optische Detektor im digitalen Wiederholverstärker wird mit Hilfe einer Austaststufe getastet. Fig. 6 zeigt den optischen Empfänger. Er enthält den optischen Detektor, z. B. eien Lawinenphotodiode, einen Verstärker und einen Regenerator.

Falls als Strahlungsquelle im optischen Sender TX ein Injektionslaser eingesetzt wird, empfiehlt sich u. U. die Verwendung eines externen optischen Modulators (Fig. 8). Das gleiche gilt für den digitalen Wiederholverstärker mit einem Injektionslaser (Fig. 9).

Während die bisher besprochenen Baustufen (optische Sender und Empfänger, analoge und digitale Wiederholverstärker) nur in einer Übertragungsrichtung beansprucht werden, sind die Endstelleneinrichtungen TM in beiden Übertragungsrichtungen eingesetzt. Jede Endstelleneinrichtung besitzt Anschlüsse für an- und abgehende Telephon-, Bild- und Datenkanäle. Die ankommenden Telephonsignale werden durch Analog/Digital-Wandler in digitale Signale verwandelt. Diese faßt ein Multiplexer mit den gleichfalls digital umgewandelten Bildsignalen und den Datensignalen zu einem Gesamtmultiplexsignal zusammen, das dem optischen Sender TX zugeführt wird.

Umgekehrt zerlegt ein Demultiplexer in der Endstelleneinrichtung TM das vom optischen Empfänger RX gelieferte Multiplexsignal in Daten-, Bild- und Telephonsignale und verteilt diese auf die abgehenden Kanäle. Dabei werden digitale Signale durch Digital/ Analogwandler in analoge Signale zurückverwandelt.

Die Endstelleneinrichtungen enthalten ferner Generatoren für das Taktsignal (Bitsynchronisation), Impulsgeneratoren für das Pump- und das Austastsignal und Stromzuführungen der Wiederholverstärker.

Das Faserleitungssystem arbeitet nach dem Raummultiplexverfahren. Zur Nachrichtenübertragung werden räumlich getrennte optische Kanäle, d. h. transparente Fasern, benutzt. Der gesamte Informationsfluß des Systems nimmt in dem Maß zu, in dem die Zahl der Fasern im Faserleitungskabel gesteigert wird.

Das Faserleitungssystem ist ein Duplexsystem. Ein Teil der Fasern überträgt in der einen Richtung, ein anderer Teil in ^er Gegenrichtung.

Das Taktsignal für die Regeneratoren, das Pumpsignal für die optischen Verstärker und das Austastsignal für die optischen Detektoren können durch besondere durchlässige Fasern optisch übertragen werden. Diese Signale lassen sich aber u. U. auch mit Informationssignalen gemeinsam über eine Faser übertragen. Es besteht auch die Möglichkeit, sie aus dem Informationssignal zu gewinnen, oder ferner das Pump- und das Austastsignal aus dem Taktsignal zu erzeugen. Im Kabel sind metallische Adern als Stromzuführung für die Wiederholverstärker vorzusehen.

Als optische analoge Wiederhol verstärker lassensich Nd-Glaslaserverstärker verwenden. Die lasernde Substanz ist dabei ein Nd: Glasfilm oder eine Nd: Glasfaser. Zur Unterdrückung ihres Rauschens in der Rückwärtsrichtung dienen vorgeschaltete optische Isolatoren, in der Vcrwärtsrichtung nachgeschaltete optische Filter. Die Festkörper-Laserverstärker in einem analogen Wiederholverstärker können aus einem gemeinsamen Stromerzeuger (Gleich- bzw. Wechselstrom) die Energie für ihr Pumplicht entnehmen.

Ferner kommen Farbstofflaserverstärker in Betracht. Bei diesen besteht das lasernde Medium aus einem festen organischen Kunststoff, in den ein Iasernder Farbstoff eingebracht wurde.

Fig. 7 zeigt das Prinzip eines miniaturisierten opti-

an'icii ν crautfKcfa. j-.iiiC ι latte äüä ituViii"ic.aZici*ci~iucriJ Material befindet sich zwischen zwei Kondensatorplatten, an die ein Stromgenerator angeschlosen ist. Letzterer liefert die Energie (Gleich- oder Wechselstrom) zur Erzeugung des Lumineszenzlichtes. In die Platte mit dem Brechungsindex n, ist ein Lichtleiter mit dem Brechungsindex n₂ eingesetzt. Er besteht aus einem lasernden Material, das durch das Lumineszenzlicht gepumpt wird. Hierdurch kommt die Verstärkerwirkung im Lichtleiter zustande.

Bei Verwendung von Halbleiterlaserverstärkern, ζ. B. GaAs-Ga^jALAs-Verstärkern, entfällt eine besondere Pumplichtquelle. Der Verstärker läßt sich durch Einschalten des Diodenstroms in Betrieb setzen. Schließlich sind miniaturisierte Glaslaserverstärker als optische Wiederholverstärker in Betracht zu ziehen.

Bei digitalen regenerativen Wiederholverstärkern empfiehlt sich u. U. die Verwendung eines analogen optischen Vorverstärkers, der dem optischen Detektor vorgeschaltet wird.

Durch die Tastung wird das Rauschen der Wiederholverstärker von der Ausbreitung und Verstärkung in nachgeschalteten Verstärkern während der Pausen zwischen den Impulsen ausgeschlossen. Es ergibt sich ein günstigeres Signal/Rauschverhältnis bzw. eine geringere Fehlerrate. Falls das thermische Rauschen des optischen Detektors eine Rolle spielen sollte, besteht

gleichfalls die Möglichkeit zur Unterdrückung mit Hilfe der Austastung.

Infolge des besseren Signal/Rauschverhältnisses ergeben sich außer den bereits genannten folgende Vorteile des Systems gemäß der Erfindung:

1. Has Faserleitungssystem hat einen einfachen Aufbau. Es werden nämlich nur verhältnismäßig wenig digitale regenerative Wiederholverstärker verwendet. Bei einem Hybridsystem rechnet man im allgemeinen mit 5 bis 10 analugen Wiederholverstärkern auf einen regenerativen Wiederholverstärker. Nimmt man eine Kabelfeldlänge von 2 km an, so wäre alle 10 bis 20 km ein regenerativer Wiederholverstärker vorzusehen.

2. Es lassen sich beliebig viele Verstärkerfelder hintereinanderschalten. Dagegen ist die Zahl der Verstärkerfelder bei den bekannten Faserleitungssystemen mit analogen Wiederholverstärkern begrenzt.

. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssysteme werden voraussichtlich in Großstädten zur Verbindung von Vermittlungsämtern dienen, da hier große Informationsflüsse auftreten. Berücksichtigt man die Entfernung zwischen den Vermittlungsämtern, die 10 bis 20 km nicht überschreiten dürfte, so ergibt sich, daß Hybrid-Faserleitungssysteme mit einer Reihe analoger Wiederholverstärker und nur zwei regenerativen Wiederholverstärkern in vielen Fällen genügen dürften. Letztere ließen sich in den beiden Vermittlungsämtern an den beiden Enden der Faserleitung unterbringen.

. Dort dürfte im Vergleich zu anderen Anlagen der Platzbedarf für die regenerativen Wiederholverstärker eine geringere Rolle spielen. Man könnte also u. U. regenerative Wiederholverstärker in normaler Ausführung (ohne Miniaturisierung) verwenden.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Faserleitungs-Nachaichtenübertragungssystem nut einer Vielzahl von optischen Wiederholverstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß

1. das System mit pulsgetasteter Binärmodulation (PGBM) mit im Verhältnis zur Pulsperiode sehr kleiner Pulsdauer arbeitet, daß

2. als optische Wiederholverstärker sowohl digitale regenerative Verstärker (DR) als auch Analogverstärker (AR) verwendet werden, wobei zwischen jeweils zwei digitalen regenerativen Verstärkern (DR) mehrere Analogverstärker (AR) angeordnet sind (Hybrid-System), und

3. daß wenigstens die optischen Analogverstärker (AR) des Systems nur während der für die 5tu Obertragende Information vorgesehene Zeitintervalle in Betrieb gesetzt werden (Fig-1).

2. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssy-

stem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inbetriebsetzung bei optischen Analogverstärkern durch Anschauen der Pumpenergie erfolgt.

3. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Detektoren in den digitalen Wiederholvj»3tärkern (DR) und den optischen Empfängern (Rx) in den beiden Endstellen durch ein Austastsignal im Intervall zwischen den Informationsimpuisen gesperrt werden.

4. Faserleitungs-Nachriciitenübertragungssystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen Lumineszenzdioden sind.

5. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungäquellen Laserdioden sind.

6. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Detektoren Lawinenphotodioden sind.

7. Faserleitüngs-Nachrichtenübeftragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zeitmultiplexverfahren gearbeitet wird.

8. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Raummulttplexverfahren, d. h. mit mehreren durchlässigen Fasern, in denen Informations-, Takt', Pump- und Austastsignale übertragen werden, gearbeitet wird.

9. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der durchlässigen Fasern in der Vor* wärtsrichtung und ein Teil in der Gegenrichtung optisch überträgt (Duplex).

10. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pump-, Austast- und Taktsignal über eine besondere durchlässige Faser des Faserleitungssystems optisch übertragen wird.

11. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Pump-, Austast- und Taktsignal zusammen mit Informationssignalen in

einer durchlässigen Faser gemeinsam optisch übertragen wird,

12_r Faserlertungs-Nachrichtenöbertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Pump- und/oder Austastsignal aus dem Taktsignal erzeugt wird.

13. Faserlejtungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1,2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker Festkörperlaserverstärker, ζ. Β. Nd: Glaslaserverstärker, sind.

14. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1,2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker Farbstofflaserverstärker sind, z. B. mit einem Iasernden Medium aus einem festen Kunststoff, in dem der Farbstoff verteilt ist.

15. Faserleitungs-Nachrichteniibertragungssystem nach Anspruch 1,2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker Halbleiterlaserverstärker, ζ. Β. GaAs-Ga,__xAl_xAs-Verstärker sind.

16. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1,2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen optischen Wiederholverstärker miniaturisierte Glaslaserverstärker sind.

17. Faserlehungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß den optischen Detektoren optische Vorverstärker vorgeschaltet sind.

18. Faserleitungs-Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauschen der analogen optischen Verstärker in der Rückwärtsrichtung durch optische Isolatoren unterdrückt wird.

19. Faserleitungs-Nachrjchtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauschen der analogen optischen Verstärker in Vorwärtsrichtung durch optische Filter verringert wird.