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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bidirektionales
Übertragungsnetzwerk mit optischen Fasern zur effizienten Übertragung von
Information zwischen um ein Zentrum zerstreut angeordneten
Teilnehmern.
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Ein solches Netzwerk ist z. B. bekannt von der GLOBECOM'85, IEEE
GLOBAL TELECOMMUNICATIONS CONFERENCE, New Orleans,
Louisiana, 2.-5. Dezember 1985, Band 3, Seite 1201-1205, IEEE, New
York, USA; D.B. PAYNE et al.: "Single mode optical local networks".
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In der Industrie gibt es nun aktive Forschungsanstrengungen, um ein
Verfahren für bidirektionale Übertragung mit optischen Fasern zwischen
Teilnehmern zu entwickeln, welches optische Fasern in
Teilnehmerleitungen einführt, um eine Hochgeschwindigkeits-Breitbandübertragung von
Information einschließlich Videodiensten zu erzielen. Ein derartiges
Übertragungssystem ist z. B. skizziert in einem Artikel mit dem Titel
"Fiber Optic Subscriber Communication System-Overview", Kenkyu
Jitsuyoka Houkoku (E.C.L. Tech. Jour.), NTT; Japan, Band 34, Nr. 7, S. 1049-
1056 von S. Shimada. Fig. 6 ist ein funktionelles Blockdiagran:m,
welches ein Beispiel eines herkömmlichen Kommunikationssystems zeigt.
Dieses Kommunikationssystem verbindet das Zentrum 1a und einen
Teilnehmer 2a durch ein optisches Faserkabel 3, durch welches
Videoinformation, Telefondaten und Hochgeschwindigkeitsdaten in beiden
Richtungen übertragen werden durch Verwendung von Lichtsignalen mit
zwei unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, λ2).
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Genauer gesagt, werden in dem Zentrum 1a Informationssignale von der
Videoauswahl-Anlage, dem Breitband-Schaltsystem und dem digitalen
lokalen Schaltsystem umgewandelt in Lichtsignale der Wellenlänge λ1
durch den optischen Übertrager 5-1, von welchem sie überführt werden
zu dem optischen Multi/Demultiplexer 4-1 und weiter übertragen werden
über das optische Faserkabel 3 zu dem Teilnehmer 2a. Sobald sie den
Teilnehmer 2a erreicht haben, werden die Lichtsignale mit Wellenlänge
λ1 gedemultiplext und dem optischen Empfänger 6-1 eingespeist, wo sie
in elektrische Signale umgewandelt werden, welche dann den
Fernsehgeräten 7-1, 7-1, dem Telefon 7-3 und dem Telefax 7-4 zugeführt werden.
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Gleichermaßen wird Information von dem Teilnehmer 2a, z. B. dem
Fernsehgerät 7-5, dem Telefon 7-6 und dem Telefax 7-7 zu dem
optischen Übertrager 5-2 überführt, von welchem es in Lichtsignale der
Wellenlänge λ2 umgewandelt wird. Die umgewandelten Lichtsignale
werden weiterhin überführt zu dem optischen Multi/Demultiplexer 4-2
und übertragen über das optische Faserkabel 3 zu dem Zentrum 1a, wo
sie durch den optischen Multi/Demulitplexer 4-1 gedemultiplext werden,
in den optischen Empfänger, welcher die empfangenen optischen Signale
in elektrische Signale umwandelt, eingespeist werden, welche dann dem
Schaltsystem zugefährt werden.
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Die Teilnehmer, wie in Fig. 7 gezeigt, sind weit um das Zentrum 1
verteilt, wie durch die Gebiete A1 bis A4 dargestellt. Die Entfernungen
von dem Zentrum zu den Gebieten 1 bis 4 schwanken stark, von
einigen hundert Metern als Minimum in dem Fall von Gebiet A4 bis 10
Kilometer als Maximum für das Gebiet A1. Die Teilnehmerpopulation
schwankt auch von Gebiet zu Gebiet; das eine Gebiet hat eine große
Teilnehmerpopulation und das andere Gebiet eine sehr kleine Anzahl
von Teilnehmern.
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Derartige regionale Unterschiede in der Entfernung von dem Zentrum
führen jedoch zu Unterschieden bei dem Verlust in dem optischen
Faserkabel, wie in Fig. 8 gezeigt. Das heißt, daß die empfangene
Signalleistung von einem Teilnehmer zum anderen schwankt. In dem Fall einer
optischen Einmodenfaser unter Verwendung einer Wellenlänge von 1,3
um von Fig. 8 besteht z. B. ein Unterschied der empfangenen
Signalleistung von ungefähr 18 dB zwischen Teilnehmern, weiche 10 Kilometer
und 200 Meter von dem Zentrum entfernt sind (siehe Fig. 9). Dies
erfordert in den Empfängern des Zentrums und den Teilnehmern den
Einbau eines AGC-(automatische Verstärkungssteuerung)-Schaltkreises,
welcher einen dynamischen Bereich von mehr als 20 dB oder einen
variablen optischen Abschwächer erzeugt. Dieser Nachteil erhöht nicht
nur die Kosten des Systems, sondern senkt auch die
Übertragungseffizienz.
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Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein bidirektionales Übertragungsnetzwerk
mit optischen Fasern bereitzustellen, welches eine wesentliche
Verringerung der Kosten durch effiziente Verwendung von Übertragungsleitungen
erzielt.
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Das obige Ziel wird erreicht, indem man einen Randbereich eines
optischen Übertragungsglieds effektiv benutzt, den man als ein Ergebnis
der Verringerung der Übertragungsentfernung erhalten hat, wie in Fig. 9
dargestellt. Anders ausgedrückt wird für das Gebiet, wo ein großer
Randbereich des optischen Übertragungsglieds erzielt werden kann, ein
optisches Faserkabel zu diesem Gebiet gelegt, bei dem das optische
Faserkabel zu Np Teilnehmern durch einen optischen Sternkoppler vom
1-zu-Np-Typ verzweigt wird mit einem Eingangsanschluß und
Np-Ausgangsanschlüssen. Der optische Sternkoppler kann z. B. derjenige sein,
der durch Imoto et al. in ihrer Patentanmeldung eingeführt wurde mit
dem Titel "Optical Star Coupler and Method for Manufacturing the
Same", US-Seriennummer 772,914, eingereicht am 5. September 1985.
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Das Verfahren zum Senden von Informationssignalen von dem Zentrum
zu Teilnehmern und umgekehrt ist dasjenige, bei dem die Signale zu der
Empfangsseite durch einen Wellenlängen-Wandler übertragen werden,
welcher die Wellenlänge zu jedem gewünschten Wert ändern kann, wobei
die Empfangsseite selektiv die Signale von gewünschten Wellenlängen
empfängt mittels eines Wellenlängen-Auswahlschalters.
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Das Prinzip des bidirektionalen Übertragungsnetzwerks mit optischen
Fasern gemäß dieser Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. In dem Gebiet A1,
dessen Entfernung 1 annähernd 10 Kilometer ist, wird ein optisches
Faserkabel von dem Zentrum 10 individuell zu jeweiligen Teilnehmern
20 verlegt. Da die Entfernung 2, 3, 4 kürzer wird als die maximale
Übertragungsentfernung der optischen Faser von ungefähr 10 Kilometer,
wie bei den Gebieten A2, A3 und A4, nimmt die Anzahl von
Verzweigungen Np in dem optischen Sternkoppler 30 zu. Die maximale
Übertragungsentfernung der optischen Faser hängt von den Merkmalen von
licht-aussendenden und licht-empfangenden Elementen ab und wird auch
beeinflußt durch die Dichte der Teilnehmerpopulation. Die maximale
zulässige Anzahl von Verzweigungen Np hängt von einem Dividierverlust
und Überschußverlust des optischen Sternkopplers 30 ab und ist durch
den folgenden Ausdruck gegeben.
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Randbereich des optischen = Dividierverlust + Überschußverlust
Übertragungsglieds (1)
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Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Dividierzahl N, dem
Dividierverlust und dem (Dividierverlust + Überschußverlust) des optischen
Sternkopplers. (Dies stammt von "Optical Fiber Coupler and Fabrication
Method" in Proc. IECE Tech. Meet. on Opt. and Quantum Electron
(Japan), Band OQE84-107, S. 81-87, Januar 1985, geschrieben von K.
Imoto et al.). Fig. 5 zeigt die maximale zulässige Dividierzahl Np
bezüglich einer Übertragungsentfernung , welche aus den Fig. 4 und 9
bestimmt wird. In Fig. 5 wird Np 20, wenn gleich 2 km ist. Beim
Verlegen optischer Faserkabel zu 20 Kästen von Teilnehmern in dem
Gebiet mit = 2 km erfordert das herkömmliche Verfahren eine
gesamte Kabellänge von 40 km, während diese Erfindung nur ungefähr 2 km
benötigt. Anders ausgedrückt, kostet das Übertragungsnetzwerk mit
optischen Fasern dieser Erfindung ungefähr 1/20 so viel wie das
herkömmliche Verfahren. Vergleicht man Kabelkosten unter der Annahme
von optischer Faser zu 200 Yen pro Meter; kostet das herkömmliche
Verfahren 8 Millionen Yen für 20 Kästen, während die Kabelkosten
dieser Erfindung nur 400.000 Yen für 20 Kästen sind. Dies ist nur ein
vereinfachtes Beispiel, und betrachtet man die Tatsache, daß die
tatsächlichen Kosten des Verlegens und Verbindens optischer Faserkabel stark
schwanken in Abhängigkeit von der Länge und Anzahl der optischen
Fasern, ist es mit dieser Erfindung möglich, ein kostengünstiges System
zu erzielen mit bis zu 1/100 der Kosten des herkömmlichen Verfahrens,
wenn man es mit den Gesamtkosten vergleicht.
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Was das Verfahren der Informationssignalübertragung betrifft, wird ein
Wellenlängen-Wandler auf der Sendeseite verwendet, um die Wellenlänge
zu einem gewünschten Wert zu ändern, bevor das Signal übertragen wird,
und ein Wellenlängen-Auswahlschalter wird auf der Empfangsseite
verwendet, um selektiv Signale einer gewünschten Wellenlänge zu
empfangen, wobei eine Signalinterferenz zwischen Teilnehmern verhindert wird.
Ein anderes Verfahren zum Verhindern der Interferenz besteht darin,
optische Signale derselben Wellenlänge in monodirektionalen Video-
Verteilungsdiensten zu verwenden, und zwar von dem Zentrum zu
Teilnehmern, wie z. B. bei CATV (gewöhnliches Antennenfernsehen oder
Kabelfernsehen), und daß man die Signale in eine willkürliche
Wellenlänge umwandelt für selektiven Empfang nur in bidirektionalen
Leitungsschaltungsdiensten zwischen dem Zentrum und den Teilnehmern, wie
beim Fernseh-Telefon. Es ist auch möglich, eine einzigartige Wellenlänge
jedem Teilnehmer zuzuordnen zur bidirektionalen Kommunikation.
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Fig. 1 ist ein Diagramm der Netzwerkkonfiguration, welches ein
erfindungsgemäßes Beispiel des bidirektionalen
Übertragungsnetzwerkes mit optischen Fasern ist;
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Fig. 2 ist ein funktionales Blockdiagramm des in dem obigen
Ausführungsbeispiel verwendeten Systems an dem Zentrum und
Teilnehmer;
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Fig. 3 ist eine Netzwerkkonfiguration eines anderen
Ausführungsbeispiels dieser Erfindung;
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Fig. 4 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der
Dividierzahl N und dem Verlust in dem optischen Sternkoppler ist,
welcher in den obigen Ausführungsbeispielen verwendet wird;
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Fig. 5 ist ein Schaubild, welches die maximale zulässige Anzahl von
Verzweigungen in dem optischen Sternkoppler zeigt bezüglich
der Übertragungsentfernung;
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Fig. 6 ist ein funktionelles Blockdiagramm des herkömmlichen
Übertragungssystems;
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Fig. 7 ist ein Netzwerkkonfigurationsdiagramm des herkömmlichen
bidirektionalen Übertragungsnetzwerks mit optischen Fasern;
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Fig. 8 ist ein Schaubild, welches die Verlust-Merkmale des optischen
Faserkabels zeigt; und
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Fig. 9 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der
Übertragungsentfernung und dem Randbereich des optischen
Übertragungsglieds zeigt, wobei angenommen wird, daß der
Randbereich des Übertragungsgliedes 0 dB ist für die
Übertragungsentfernung von 10 km.
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Diese Erfindung wird im folgenden beschrieben unter Verwendung von
bevorzugten Ausgestaltungen als Beispielen und unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen. Fig. 1 zeigt eine Netzwerkkonfiguration
eines Ausführungsbeispiels des bidirektionalen Übertragungsnetzwerks mit
optischen Fasern dieser Erfindung; Fig. 2 ein funktionelles
Blockdiagramm des in dem obigen Ausführungsbeispiel verwendeten Systems an
dem Zentrum und dem Teilnehmer; und Fig. 3 eine
Netzwerkkonfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels dieser Erfindung.
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In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind Teilnehmergebiete A1, A2,
A3, A4 verteilt um das Zentrum 10 gezeigt. In dem Gebiet A1 mit
seiner Übertragungsentfernung 1 von dem Zentrum 10 zu seinen
Teilnehmern 20 nahe der maximalen Übertragungsentfernung von ungefähr
10 km, ist ein optisches Faserkabel zu individuellen Teilnehmern verlegt.
In den Gebieten A2, A3, A4, wo die Entfernung 2, 3, 4 von dem
Zentrum 10 zu den Teilnehmern kürzer ist als 10 km, sind optische
Sternkoppler 30 in jedem Gebiet installiert und individuell mit dem
Zentrum 10 durch optische Faserkabel verbunden. Wenn die
Übertragungsentfernung
kürzer wird, nimmt die Dividierzahl des optischen
Sternkopplers 30 zu.
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Fig. 2 zeigt ein funktionelles Blockdiagramm des in dieser Erfindung
verwendeten Systems an dem Zentrum und Teilnehmer. Das Zentrum
10a besitzt eine 1-zu-1-Korrespondenz mit einem Teilnehmer 20a, und
die gleiche Anzahl solcher Zentren 10a ist installiert in dem Zentrum
10, wie diejenige der Teilnehmer 20a. Die Teilnehmeranlage hat eine
Konfiguration wie bei 20a in der Figur gezeigt.
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Zunächst erklären wir den Vorgang der Informationsübertragung von dem
Zentrum 10a. Signale von dem optischen Übertrager 5-1 werden dem
Wellenlänger-Wandler 8-1 eingegeben, welcher gemäß einem
Auswahlsignal von einem Teilnehmer 20a eine gewünschte Wellenlänge aus vielen
Wellenlängen λ1 bis λk auswählt. Das Lichtsignal einer ausgewählten
Wellenlänge wird überführt zu dem optischen Multi/Demultiplexer 4-1
und übertragen über das optische Faserkabel 3 zu dem optischen Multi/
Demultiplexer 4-2 des Teilnehmers 20a. Der wellenlängen-selektive
Schalter 9-2 wählt das optische Signal einer gewünschten Wellenlänge,
welches von dem Zentrum 10a gesendet wird. Das ausgewählte
Lichtsignal wird dem optischen Empfänger 6-1 zugeführt, wo es in ein
elektrisches Signal umgewandelt wird, bevor es dem jeweiligen Endgerät 7-1
bis 7-4 eingespeist wird (Fernsehen, Telefon und Telefax).
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Die wellenlängen-selektiven Schalter 9-1, 9-2 können aus einem
wellenlängen-selektiven Element gebildet werden, welches in der Lage ist, die
ausgewählte Wellenlänge zu ändern. Es kann ein "Wellenlängen-Selektor
vom optischen Resonatortyp unter Verwendung von Flüssigkristallen" sein,
welcher eingeführt wurde durch M. Hashimoto und S. Aoyagi in Annual
Meeting of Elec. Comm. Soc. of Japan (1985), Paper 850, Digest, Seiten
4-21. Dieser Wellenlängen-Selektor mit variabler oszillierender
Wellenlänge wird erzielt, indem man einen Fabry-P rot-Resonator ausbildet,
welcher eine Wellenlängen-Selektivität besitzt und eine die Brechungsrate
variierende Substanz verwendet (Kristall), um die oszillierende
Wellenlänge durch eine angelegte Steuerungsspannung variabel zu machen. Somit
ermöglicht es die Verwendung des wellenlängen-selektiven Elements in
dieser Erfindung, ein optisches Signal einer gewünschten Wellenlänge von
dem Zentrum auszuwählen und es in den optischen Empfänger
einzuspeisen.
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Ein anderes Verfahren zum Ausbilden der wellenlängen-selektiven
Schalter 9-1, 9-2 ist die Verwendung von LD, wie sie eingeführt wurde durch
K. Kikushima, Sanu und Nagai in ihrem Artikel mit dem Titel "Tunable
Amplification Properties of LD", Annuai Meeting of Elec. Comm. Soc.
of Japan (1984), Paper 855, Digest, Seiten 4-9. Dieses Verfahren
verwendet C³-LD, um ein optisches Signal einer gewünschten Wellenlänge
selektiv zu verstärken.
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Der Wellenlängen-Wandler kann realisiert werden durch die Verwendung
von C³-LD, wie eingeführt durch W. T. Tsang, N. A. Olsson und R. A
Logan in ihrem Artikel (Applied Physics Letter; 42(8), 15. April 1983,
Seite 650-652). Die Verwendung dieses Lasers erlaubt es, die
Oszillationswellenlänge in dem Bereich von 1,3 um ± 75Å in Schritten von
10Å/mA zu ändern, indem man den injizierten Steuerungsstrom regelt.
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Als nächstes wird der Vorgang der Informationsübertragung von dem
Teilnehmer 20a beschrieben. Das Signal von dem optischen Übertrager
5-2, welcher an die Anschlußanlage (Fernsehen, Telefon, Telefax) 7-5 bis
7-7 angeschlossen ist, wird in den Wellenlängen-Wandler 8-2 eingegeben.
Gemäß einem Auswahlsignal, welches von einem anderen Teilnehmer
über das Zentrum 10a ausgesendet wird, wählt der Wellenlängen-Wandler
8-2 eine gewünschte Wellenlänge aus den Wellenlängen λk+ 1 bis λz aus
und sendet sie durch den optischen Multi/Demultiplexer 4-2 und das
optische Faserkabel 3 zu dem optischen Multi/Demultiplexer 4-1 des
Zentrums 10a. Das Zentrum 10a nimmt das Lichtsignal der von dem
Teilnehmer spezifizierten Wellenlängen durch den wellenlängen-selektiven
Schalter 9-1 auf und überführt es zu dem optischen Empfänger 6-2, wo
es in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das elektrische Signal
wird weiterhin einem digitalen lokalen Schaltsystem zugeführt oder einem
Breitband-Schaltsystem, von welchem es zu dem anderen Teilnehmer
übertragen wird. Das funktionelle Blockdiagramm von Fig. 2 ist im
wesentlichen ein zwei-wellenlängen-bidirektionales Übertragungssystem mit
optischen Fasern, doch kann es drei oder mehr Wellenlängen enthalten.
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Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. In
Vorwegnahme eines Anstiegs der Anzahl von Teilnehmern in der Zukunft
stellt dieses Ausführungsbeispiel ein optisches Ersatz-Faserkabel 32, einen
optischen Sternkoppler 33 und Verzweigungsanschlüsse 34, 35 in dem
Gebiet A2 und einen Ersatz-Verzweigungsanschluß 31 in dem Gebiet A4
bereit. Auf diese Art ermöglicht die Installation von Ersatz-Einrichtungen,
daß das System mit einem künftigen Anstieg der Anzahl von
Teilnehmern fertig wird. Während in Fig. 1 der verwendete optische
Sternkoppler eine 1-zu-1-Korrespondenz zwischen den optischen Sternkoppler-Ausgangsanschlüssen
und den Teilnehmern besitzt, wobei der Koppler mit N-
Ausgangsanschlüssen mit der gleichen Anzahl von Teilnehmern verbunden
ist, ist es auch möglich, einem Teilnehmer zwei oder mehr Ausgangsanschlüsse
zur Verwendung zu geben, wodurch der
Informationsübertragungsdienst verbessert wird. Dies stellt zwei oder mehr Signalkanäle
einem Teilnehmer zur Auswahl zu einem Zeitpunkt bereit.
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Wie oben beschrieben, werden in dem bidirektionalen
Übertragungsnetzwerk mit optischen Fasern dieser Erfindung, welches das Zentrum
und seine um das Zentrum verstreuten Teilnehmer durch optische
Faserkabel zur Übertragung von Informationssignalen verbindet, ein oder
mehrere optische Faserkabel zu jedem der Gebiete verlegt, welche
innerhalb der maximalen Übertragungsentfernung mit optischen Fasern
liegen, und optische Sternkoppler vom 1-Eingang-zu-N-Ausgang-Typ - an
deren jeden N-Teilnehmer angeschlossen sind - werden an das entfernte
Ende der optischen Faserkabel angeschlossen. Diese Konfiguration
ermöglicht eine wesentliche Verringerung der Gesamtlänge optischer
Faserkabel, welche in dem System verlegt werden, bis unterhalb 1/10 bzw.
mehrerer Zehntel der Kabellänge, welche durch das herkömmliche
Netzwerk benötigt wird, und erzielt dadurch die damit einhergehende
Verringerung der Kosten.
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Optische Überschuß-Faserkabel können verwendet werden als
Ersatz-Kommunikationskanäle, um mit einer vorhergesehenen Zunahme der
Teilnehmer in der Zukunft fertig zu werden, wobei dem System eine
verbesserte Ausbaufähigkeit und Flexibilität verliehen wird, verglichen mit dem
herkömmlichen System.
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Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß, da die Wellenlänge von
Lichtsignalen willkürlich geändert werden kann, d. h. die Wellenlänge für
ein Informationssignal, welches über die Übertragungsleitung übertragen
wird, nicht fest ist, eine externe Interferenz oder ein Abhören verhindert
werden können.