DE60036989T2 - Faseroptisches Übertragungssystem unter Verwendung eines Wellenlängenwandlers für eine Breitbandübertrangung - Google Patents

Description

• ERFINDUNGSGEBIET
• Diese Erfindung betrifft ein faseroptisches Übertragungssystem und insbesondere ein Übertragungssystem, welches Wellenlängenumwandler zur Verstärkung der Sendebandbreite einsetzt.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Faseroptische Übertragungssysteme beginnen, ihr großes Potenzial für die schnelle Sendung großer Informationsmengen zu erzielen. Im Wesentlichen umfasst ein faseroptisches System eine Lichtquelle, einen Modulator zum Einprägen von Informationen in das Licht, einen optischen Sendungswellenleiter zum Tragen der optischen Signale und einen Empfänger zum Erfassen der Signale und zum Demodulieren der von ihnen getragenen Informationen. In der Regel umfasst der Sendungswellenleiter eine Vielzahl von Segmenten von optischen Fasern, die durch optische Elemente untereinander verbunden sind, wie beispielsweise mit Seltenerdmetallen dotierte Faserverstärker. Zunehmend handelt es sich bei den optischen Signalen um WDM-(Wavelength Division Multiplexed)-Signale, die eine Vielzahl getrennter Wellenlängensignalkanäle umfassen.
• Eine wichtige Einschränkung für herkömmliche Fasersysteme ist die beschränkte Bandbreite der optischen Komponenten, die bei der Langstreckensendung verwendet werden. Während optische Fasern aus Silizium ein großes Bandbreitenfenster mit geringem Sendeverlust aufweisen, weisen einige Zwischenfasersegmente für optische Elemente, wie Erbium-dotierte Faserverstärker engere Bandbreiten auf, was eine volle Ausnutzung des Sendungsfaserfensters verhindert.
• Optische Fasern aus Silizium haben einen Absorptionskoeffizienten von weniger als 0,4 dB/km für Wellenlängen zwischen 1250 und 1650 nm, was Siliziumfasern für Langstreckenübertragungen über dieses gesamte Spektrum geeignet macht. Die aktuellen Systeme sind in der Regel aber auf den Wellenlängenbereich von 1530–1560 nm beschränkt, in dem die herkömmlichen Erbium-dotierten Siliziumfaserverstärker (EDFAs) eine gute Leistung erbringen. Während prototypische EDFAs über den Wellenlängenbereich von 1530–1610 nm demonstriert wurden (siehe beispielsweise A. K. Srivastava et al., „1Tb/s Transmission of 100 WDM 10Gb/s Channels Over 400 KM of TrueWave^TM Fiber", OFC '98 Post Deadline Paper PD10 (1998)), ist es zweifelhaft, dass der Betriebsbereich der EDFAS über einen viel größeren Wellenlängenbereich ausgedehnt werden wird.
• Verlustreiche Elemente, wie beispielsweise Dispersionsausgleichsfilter, Verstärkungsfilter und variable Dämpfer, sind üblicherweise in diskrete Verstärker enthalten. Der Verlust in diesen Elementen kann 20 dB überschreiten, so dass ein EDFA mit einer externen Verstärkung von 25 dB eine interne Verstärkung von 45 dB haben wird. Die Rauschzahl dieser Verstärker ist in der Regel geringer als 6 dB. Verstärker müssen solche Anforderungen erfüllen, um für viele Anwendungen nützlich zu sein.
• Ein alternativer Verstärker ist der Raman-Verstärker. Dieser Verstärker kann bei jeder Wellenlänge Verstärkung bereitstellen und wurde bei 1300 nm und im Bereich von 1500 nm demonstriert (siehe beispielsweise P.B. Hansen et al., „High Sensitivity 1.3 μm Optically Preamplified Receiver Using Raman Amplification", Electron. Lett., Bd. 32, S. 2164 (1996) und K. Rottwitt et al., „A 92 nm Bandwidth Raman Amplifier", OFC '98 Post Deadline Paper PD6 (1998)). Nachteilhafterweise erfordern Raman-Verstärker hohe Pumpenleistungen. Dies gilt vor allem für Verstärker mit großer Verstärkung.
• Ein weiterer Verstärker ist ein parametrischer Verstärker (siehe beispielsweise E. Desurvire, Erbium Doped Fiber Amplifiers, S. 451) (Wiley, 1994). Diese Verstärker basieren typischerweise auf Vierwellenmischung (FWM). Sie weisen die Nachteile auf, dass sie sehr hohe Pumpenleistungen und eine genaue Steuerung der Faserverteilung erfordern, um über große Faserlängen Phasenanpassung zu erzielen.
• Vierwellenmischung (FWM) kann auch für die Wellenlängenumwandlung und Spektralinversion verwendet werden. Zu vorgeschlagenen Anwendungen dieser Technologie gehören Wellenlängenrouter (S. J. B Yoo, „Wavelength Conversion Technologies for WDM Network Applications J. Lightwave Technology, Bd. 14, S. 955 (1996)), optisches Schalten und Midspan-Spektralinversion (S. Watanabe et al., „Exact Compensation for Both Chromatic Dispersion and Kerr Effect in a Transmission Fiber Using Optical Phase Conjugation", J. Lightwave Technology, Bd. 14, S. 243 (1996)). Es sind Übertragungssystem gezeigt wurden, die FWM für die Spektralinversion über große Bandbreiten (z. B. > 70 nm) einsetzen, jedoch ohne Signalverstärkung (Umwandlungseffizienz von ~-16 dB) (S. Watanabe et al.; „Interband Wavelength Conversion of 320 Gb/s WDM Signal Using a Polarization-Insensitive Fiber Four-Wave Mixer", ECOC '98 (1998)). Bei Verwendung von effektiven Flächenfasern sind Umwandlungseffizienzen von bis zu 28 dB über 40 nm möglich (G. A. Nowak et al., „Low-Power High-Efficiency Wavelength Conversion Based an Modulational Instability in High-Nonlinearity Fiber", Opt. Lett., Bd. 23, S. 936 (1998)), obwohl dafür Pumpleistungen von 28 dBm erforderlich sind. In Standarddispersionsfasern wurde eine Einfachkanalverstärkung von ~0 dB bei einer Pumpenleistung von 17 dBm berichtet, obwohl der Faserverlust zu einem Nettoverlust in dem konvertierten Signal fürhte (S. Watanabe et al., „Highly Efficient Conversion and Parametric Gain of Nondegenerate Forward Four-Wave Mixing in a Singlemode Fibre", Electron. Lett., Bd. 30, S. 163 (1994)). Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass parametrische Verstärkung allein in Siliziumfasern unter Verwendung von Pumpenleistung von weniger als 30 dBm nicht in der Lage sein wird, die für einen diskreten Verstärker in einem herkömmlichen terrestrischen Kommunikationssystemen erforderliche Verstärkung bereitzustellen. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer neuen Art von optischem Kommunikationssystem für Breitbandsendung.
• In der US-Patentschrift Nr. 6,583,905 mit dem Titel „Apparatus and Method for Reducing SPM/GVD in Optical Systems" wird eine optische Verbindung beschrieben, die einen Sender zum Bereitstellen von Signalen bei einer ersten optischen Wellenlänge, einen Transponder zum Umwandeln der ersten optischen Wellenlänge in eine zweite optische Wellenlänge, eine Vielzahl von Spannen optischer Sendungsfasern und optischer Faserverstärker, eine Vorrichtung zum Ausgleichen der Dispersion und einen Empfänger enthält. Beispielhafte Transponder umfassen eine Photodiode, einen elektrischen Verstärker und einen elektro-optischen Modulator mit einem elektrischen Dämpfer oder einem Niedrigpassfilter, der zwischen der Photodiode und dem elektrischen Verstärker positioniert ist.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung verwendet Wellenlängenumwandlung zur Erhöhung der Bandbreite optischer Übertragungssysteme. In einer beispielhaften Ausführungsform wird durch eine Kombination aus Wellenlängenumwandlung und Verstärkung mit einem diskreten optischen Verstärker (OA) der Betrieb von Übertragungssystemen in Wellenlängenbändern λ' außerhalb der Verstärkungsbandbreite des OA ermöglicht. Ein Sender startet Signalkanäle (λ₁', λ₂', ... λ'_N), die außerhalb der Verstärkungsbandbreite λ liegen. Eine Wellenlängenumwandlungsvorrichtung stromaufwärts der Verstärker bildet die Kanäle λ₁', λ₂', ... λ'_N auf entsprechende Wellenlängen λ₁, λ₂, ..., λ_N in λ ab. Der OA verstärkt die konvertierten Signale direkt und eine zweite Wellenlängenumwandlungsvorrichtung stromabwärts des Verstärkers bildet die verstärkten Signale zurück auf die Originalkanäle λ₁', λ₂', ... λ'_N ab. Dadurch wird die Kapazität der optischen Kommunikationssysteme erhöht, indem die Verwendung beider Signale erleichtert wird, die in der OA-Verstärkungsbandbreite λ liegen und die in Wellenlängen in λ umgewandelt werden können. Zugeordnete Wellenlängenumwandler, Sender und Empfänger werden ebenfalls beschrieben.
• Dieser Ansatz gilt nicht nur für die Verwendung von EDFA, sondern auch für Elemente zur Abflachung der Verstärkung, Fasern zum Ausgleich der Dispersion, variable Dämpfer und Zwischenbauteile mit geringeren Bandbreiten als die Sendungsfaser.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Vorteile, Eigenschaften und verschiedene zusätzlichen Merkmale der Erfindung werden bei Betrachtung der nun ausführlich in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu beschreibenden veranschaulichenden Ausführungsformen vollständiger ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:
• 1 ein schematisches Schaubild eines herkömmlichen faseroptischen Übertragungssystems;
• 2 ein faseroptisches Übertragungssystem, das eine Verstärkeranordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet;
• 3 zeigt einen Wellenlängenumwandler für das Übertragungssystem aus 2;
• 4 zeigt ein alternatives faseroptisches Übertragungssystem;
• 5 zeigt einen beispielhaften Sender für die Systeme aus 2 und 4; und
• 6 zeigt einen beispielhaften Empfänger für die Systeme aus 2 und 4.
• Es versteht sich, dass diese Zeichnungen die Konzepte der Erfindung veranschaulichen sollen und nicht maßstabsgerecht sind.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• 1 zeigt schematisch einen faseroptisches Übertragungssystem 10 aus dem Stand der Technik umfassend einen WDM-(Wavelength Division Multiplexed)-Transmitter 11, eine Länge einer Sendungsfaser 12, einen optischen EDFA-Verstärker 13 und einen WDM-Empfänger 14. Der Sender 11 startet die Signale λ₁ ... λ_N, die in der Erbium-Verstärkungsbandbreite λ liegen. Die Signale werden direkt durch den EDFA 13 verstärkt und an den Empfänger 14 übertragen.
• 2 zeigt ein optisches Übertragungssystem 20, das zur Vergrößerung der Bandbreite einen Wellenlängenumwandler einsetzt. Hier startet der Sender 11 Signale, die die Kanäle λ'₁ ... λ'_N enthalten, welche sich in dem Wellenlängenband λ' außerhalb der Bandbreite λ eines optischen Zwischenbauteils, wie OA 13, befinden. Nach einem Sendungsfasersegment 12 werden die Signale λ₁', ... λ'_N von dem Wellenlängenumwandler 21 auf entsprechende Wellenlängen λ₁ ... λ_N in der OA-Verstärkungsbandbreite λ abgebildet. Ein herkömmlicher optischer EDFA-Verstärker 13 wird verwendet, um die Signale λ₁ ... λ_N direkt zu verstärken und ein zweiter Wellenlängenumwandler 22 kann verwendet werden, um die verstärkten Signale der Wellenlängen λ₁ ... λ_N zurück auf die Originalkanäle λ'₁ ... λ'_N abzubilden. Der Wellenlängenumwandler kann auf Vierwellenmischung auf nicht-lineare Materialien zweiter Ordnung, wie periodischem Lithiumniobat oder auf optischen Halbleiterverstärkern basieren. Siehe S. Yoo, „Wavelength Conversion Technologies for WDM Network Applications", IEEE J. Of Lightwave Technol., Bd. 14, S. 955 (1996).
• Um die Rauschzahl des vorgeschlagenen Kompositverstärkers ausreichend gering zu halten, kann es notwendig sein, dass der Wellenlängenumwandler eine Verstärkung zwischen eins und 10 dB bereitstellt. Die Verstärkung würde jedoch zumeist durch den diskreten OA bereitgestellt werden. Dieser Umstand verringert die an den Wellenlängenumwandler gestellten Anforderungen erheblich, wodurch ermöglicht wird, dass praktische Pumpleistungen die notwendige Wellenlängenumwandlung in optischen Fasern über FWM erzielt.
• Optional und vorteilhafterweise könnte eine verhältnismäßig geringe Menge von Raman-Verstärkung vor der Wellenlängenumwandlung durch einen Raman-Faservorverstarker 23 der Faserspanne zugefügt werden. Diese vorverstärkung verringert die Beschränkungen der Rauschzahl und der Umwandlungseffizienz des ersten Wellenlängenumwandlers 21. Sie beispielsweise P. B. Hansen et al., „Capacity Upgrades of Transmission Systems by Raman Amplification", IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 9, S. 262 (1997) für weitere Einzelheiten zu Raman-Vorverstärkung.
• In 3 wird eine bevorzugte Wellenlängenumwandlungsvorrichtung zur Verwendung in dem System aus 2 gezeigt, die eine ko-propagierende Pumpenquelle 30, einen stromaufwärtigen WDM (Wavelength Division Multiplexer) 31 zur Mischung der Signale in λ' mit der Pumpe bei λ_p und eine Vielzahl von Vierwellenmischabschnitten (hier drei), wobei jeder eine Länge sich verjüngender Fasern 32A, 328, 32C umfasst. Zwischenstufenisolatoren 33 trennen die Mischabschnitte von einander und von dem übrigen System, um den Aufbau rückgestrahlten Lichts zu verhindern. Die Ausgabe in λ wird am Ausgang von einem Demultiplexer 34 genommen.
• Bei Betrieb wird eine starke ko-propagierende Pumpe bei λ_p am stromaufwärtigen WDM 31 mit Signalband λ' gemischt. Die Vierwellenmischung zwischen λ_p und λ' in optischen Faserabschnitten 32A, 32B, 32C (typische Gesamtlänge L = 15 Km) wird verwendet, um ein Signal an der verschobenen Wellenlänge λ zu erzeugen. Aufgrund von Erwägungen bezüglich Phasenabgleichsollte sich die Pumpenwellenlänge λ_p nahe der Null-Dispersions-Wellenlänge der Faserabschnitte 32A, 32B, 32C befinden. Um die in dem Anfangskonverter erforderliche Verstärkung zu erhalten, sind Pumpenleistungen von über 20 dBm erforderlich. Bei diesem Leistungsniveau und dieser Faserlänge kann die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) einer Pumpe mit enger Leitungsbreite signifikant sein und führt zu einer Pumpenleerung durch die Erzeugung einer rückgestrahlten Welle (siehe beispielsweise G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics).
• Zur Unterdrückung von SBS werden zwei Techniken gezeigt:
• 1) Die Gesamtlänge L der Mischfaser wird in drei Abschnitte der Länge L/3 (32A, 32B, 32C) geteilt, die durch Zwischenstufenisolatoren 33 getrennt werden, um den Aufbau des zurückgestrahlten Licht zu verhindern.
• 2) Die Frequenz des zurückgestrahlten Lichts (~10 GHz Stokes Shift) ist proportional zu dem effektiven Index der Faser und der Pumpenfrequenz. Durch Variieren des Faserdurchmessers in jeder Stufe (siehe beispielsweise K. Shiraki et al., „Suppression of Stimulated Brillouin Scattering in a Fibre by Changing the Core Radius", Electron. Lett., Bd. 31, S. 668 (1995) und K. Tsujikawa et al., „New SBS Supression Fiber with Uniform Chroma tic Dispersion to Enhance Four-Wave Mixing", IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 10, S. 1139 (1998)) und durch Verbreiterung der zeitintegrierten Frequenzleitungsbreite der Pumpe 30, kann die Frequenz der erzeugten rückgestrahlten Welle über mehrere GHz moduliert werden. Da die Brillouin-Leitungsbreite ~20 MHz beträgt, führt die Modulation zu einer Erhöhung des SBS-Schwellwerts.
• FWM zwischen Kanälen in dieser Stufe wäre aufgrund der niedrigen Signalpegel vor der Verstärkung nicht kritisch. Der Umwandler kann durch Verwendung einer depolarisierten Pumpe 30 von der Eingabesignalpolarisation unabhängig gemacht werden (siehe beispielsweise M. M. Howerton et al., „SBS Suppression Using a Depolarized Source for High Power Fiber Applications", J. Lightwave Technol., Bd. 14, S. 417 (1996)).
• 4 zeigt ein alternatives Übertragungssystem 40, in dem der Sender 11 beide Wellenlängen startet, die innerhalb der EDFA-Verstärkungsbandbreite λ und der Welllängen λ' außerhalb der EDFA-Bandbreite liegen. Die beiden Wellenlängenbänder (λ, λ') werden von einem Demultiplexer 43 in parallele Strecken 41, 42 getrennt. Die Kanäle in λ in Strecke 42 werden unter Verwendung eines EDFA 13B direkt verstärkt und die Kanäle in λ' in Strecke 41 werden zunächst von einem ersten Umwandler 21 auf Wellenlängen in λ umgewandelt und dann unter Verwendung eines zweiten EDFA 13A verstärkt. Die Wellenlängen λ werden durch einen zweiten Umwandler 22 auf Wellenlängen in λ' zurück umgewandelt. Die beiden Wellenlängenbänder werden dann von einem Multiplexer 44 wieder kombiniert und folgen der Sendungsleitung 12 zu Empfänger 14.
• Die herkömmlichen optischen Verstärker in den Systemen der 2 und 4 können eine Signalverstärkung von mehr als 20 dB bereitstellen und Elemente zur Abflachung der Verstärkung und zum Ausgleichen der Dispersion enthal ten. Die zweiten Wellenlängenumwandler 22 würden eine Verstärkung nahe eins erfordern, um eine hohe Gesamtsystemeffizienz zu erhalten. Aufgrund der verstärkten Signalpegel in dieser Stufe ist die Rauschzahl des zweiten Wellenlängenumwandlers 22 im Vergleich zu dem ersten Umwandler 21 nicht so wichtig. FWM zwischen Kanälen müsste durch die Verwendung einer Faser mit hoher Dispersionsneigung 12 minimiert werden.
• 5 zeigt einen beispielhaften Sender 11, der in der Lage ist, beide Wellenlängenkanäle zu starten, die innerhalb der EDFA-Verstärkungsbandbreite λ und der Wellenlängen λ' außerhalb λ liegen. Der Sender 11 umfasst eine Quelle 50 von Wellenlängenkanälen in λ und eine zweite Quelle 51 von Kanälen in λ. Die Quelle 51 umfasst im Wesentlichen einen herkömmlichen Sender 52 in λ, einen EDFA 53 zum Verstärken der Ausgabe von Sender 52 und einen Wellenlängenumwandler 54 zum Abbilden der λ Wellenlängenkanäle auf Kanäle in λ'. Ein Multiplexer 55 kombiniert die λ Kanäle von Quelle 50 mit den λ' von Quelle 51. Ein optionaler Raman-Verstärker 56 (z. B. 2 km Fasern bei 5–10 dB) kann zwischen dem Sender 52 und dem Multiplexer angeordnet sein.
• 6 veranschaulicht einen beispielhaften Empfänger 14, der in der Lage ist, Wellenlängenkanäle in λ und λ' Kanälen zu empfangen. Der Empfänger umfasst einen Demultiplexer 60 zum Trennen der λ und λ' Kanäle. Die λ Kanäle sind auf einen ersten herkömmlichen Empfänger 61 für Wellenlängen in λ gerichtet. Die λ' Kanäle sind auf einen Empfänger 62 für Wellenlängen in λ' gerichtet. Der Empfänger 62 kann einen Wellenlängenumwandler 63 zum Umwandeln der λ' Kanäle auf λ und einen EDFA 64 zum Verstärken der umgewandelten Kanäle umfassen. Die verstärkten umgewandelten Kanäle werden dann auf einen zweiten herkömmlichen Empfänger 65 gerichtet. Vorteilhafterweise werden die λ' Kanäle durch einen optionalen Raman-Verstärker 66 vor der Umwandlung in 63 vorverstärkt.

Claims (3)

1. Faseroptisches Übertragungssystem (20), umfassend: eine optische Sendestrecke enthaltend eine Vielzahl von Segmenten (12) eines optischen Wellenleiters mit einer ersten Sendebandbreite; mindestens ein optisches Bauteil (13), das zwischen aufeinanderfolgende Segmente des Wellenleiters gekoppelt ist, wobei das Bauteil eine zweite Bandbreite aufweist, die enger als die erste ist; einen optischen Übertrager (11) zur Einführung optischer Signale in die optische Sendestrecke, wobei die optischen Signale mindestens ein optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge innerhalb der ersten Bandbreite (λ'), aber außerhalb der zweiten Bandbreite (λ), enthalten; und mindestens einen Wellenlängenumwandler (21) stromaufwärts des optischen Bauteils zum Umwandeln des mindestens einen optischen Signals auf eine Wellenlänge innerhalb der zweiten Bandbreite, wobei der Umwandler durch mindestens drei sich verjüngende Mischfasern (32A, 32B, 32C) gekennzeichnet ist, die dazu ausgelegt sind, die Wellenlängenumwandlung durch Vierwellenmischung zu erzeugen, wobei die Mischfasern durch Isolatoren (33) zum Einschränken des Aufbaus von zurückgestreutem Licht gekennzeichnet sind.
2. System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zusätzlichen Wellenlängenumwandler (22) stromabwärts von dem optischen Bauteil zum Umwandeln des mindestens einen optischen Signals von dem optischen Bauteil auf eine Wellenlänge außerhalb der zweiten Bandbreite, aber innerhalb der ersten Bandbreite.
3. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Raman-Verstärker (23), der in der optischen Sendestrecke stromaufwärts des Wellenlängenumwandlers angeordnet ist.