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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine optische Übertragung
mit Wellenlängenmultiplex
(WDM) und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Erzeugen
mehrstufig codierter, optischer Signale.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
mehrstufige Amplitudenumtastung (M-ary ASK) stellt ein Mittel zum
Steigern der spektralen Informationsdichte oder der Kapazität eines Übertragungssystems
bereit. M-ary ASK verbessert auch die Systemtoleranz gegenüber chromatischer Dispersion
und Polarisationsmodendispersion (PMD) durch Absenken der Symbolrate
für eine
gegebene Bitrate wesentlich.
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Nach
dem Stand der Technik wurden quaternäre (4-ary) ASK-Modulationsformate vorgeschlagen und
gezeigt. Bei einem 4-ary ASK-Format weist jedes Symbol vier verschiedene
optische Intensitäten
jedoch die gleiche Phase auf. Ein derartiges Format wird bei Walklin
und Conradi, „Multilevel
Signaling For Increasing The Reach of 10 Gb/s Lightwave Systems", Journal of Lightwave
Technologies, Bd. 17, Seiten 2235 bis 2248 (1999), diskutiert, was
durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird. Dieses Format
leidet jedoch im Vergleich zu einem herkömmlichen binären Format
mit der gleichen Gesamtdatengeschwindigkeit unter einem großen Leistungsverlust,
welcher die Verwendung von 4-ary ASK für herkömmliche DWDM-Übertragungen
ausschließt.
Das Leistungsvermögen
dieses Formats wird im Vergleich zu herkömmlichen Formaten von Conradi
in Kapitel 16 von Optical Fiber Telecommunications IVB, Academic
Press, ausführlich
diskutiert, was durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet
wird.
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Differenz-Quadratur-Phasenumtastung (DQPSK)
ist ein anderes mehrstufiges Modulationsformat, welches eine verbesserte
Toleranz gegenüber
Dispersion und PMD bei guter Empfängerempfindlichkeit bietet.
DQPSK erfordert jedoch im Vergleich zu anderen Formaten komplexere
Sender und Empfänger.
Bei dem DQPSK-Format weist jedes Symbol vier gleich beabstandete
Phasen auf, jedoch die gleiche Intensität. Dieses Format wird bei R.
A. Griffin et al., „Optical
Differential Quadrature Phase-Shift
Key (oDQPSK) For High Capacity Optical Transmission", Proceedings of
OFC 2002, Seiten 367 bis 368 (2002), diskutiert.
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Ein
quaternäres,
optisches Modulationsschema, welches eine Kombination aus ASK und DPSK
mit unmittelbarer Erkennung (DD) ist, wird bei M. Ohm et al., „Quaternary
Optical ASK-DPSK and Receivers With Direct Detection," IEEE Photonics Tech.
Letters, Bd. 15, Nr. 1, Januar 2003, Seiten 159 bis 161 beschrieben.
Sowohl die Modulator- und als auch die Demodulatorstruktur, welche
gemäß diesem
Schema arbeiten, werden darin beschrieben.
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KURZFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
werden in den selbständigen
Ansprüchen
ausgeführt,
auf welche nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Erzeugen
eines mehrstufigen, optischen Signals durch Differenzphasenmodulation mit
Amplitudenumtastung (DP-ASK) bereit, bei welcher zwei Datensätze, von
welcher einer unter Verwendung von differenzieller Phasenumtastung (DPSK)
moduliert und der andere unter Verwendung von Amplitudenumtastung
(ASK) moduliert ist, gleichzeitig moduliert und übertragen werden, jedoch unabhängig auf
einer einzelnen Wellenlänge.
Sowohl die Intensität
als auch die Phase eines CW-Trägers werden
moduliert, um vier mögliche
Symbole für
ein gegebenes Informationsbit bereitzustellen.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst ein Verfahren den Schritt des Ansteuerns von mindestens zwei
Modulatoren mit mindestens zwei synchronen Datensignalen, welche
die gleiche Datengeschwindigkeit aufweisen, um ein optisches Signal
unter Verwendung einer Modulation mit differenzieller Phasenumtastung
und mit Amplitudenumtastung zu erzeugen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
wird ein optisches Übertragungssystem
bereitgestellt, welches einen optischen 4-ary DP-ASK-Sender umfasst, welcher
mindestens zwei Modulatoren aufweist, welche eingerichtet sind,
ein 4-ary DP-ASK-moduliertes, optisches Signal bereitzustellen.
Das System weist auch einen optischen Empfänger auf, welcher einen DPSK-Empfänger umfasst,
welcher ein Verzögerungsinterferometer
und einen symmetrischen Empfänger
aufweist, um einen DPSK-modulierten Abschnitt des 4-ary DP-ASK-modulierten
Signals zu erkennen. Der Empfänger
weist auch einen optischen Intensitätsempfänger auf, um einen ASK-modulierten Abschnitt
des 4-ary DP-ASK-modulierten Signals zu erkennen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein Diagramm, welches eine Ausführungsform
eines optischen Systems gemäß der Erfindung
darstellt.
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2 ist
eine grafische Darstellung, welche ein Konstellationsdiagramm von
4-ary DP-ASK-Symbolen illustriert.
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3a bis
b sind die empfangenen elektrischen Augendiagramme eines DPSK-Abschnitts
und eines ASK-Abschnitts
einer DP-ASK-Antiparallelübertragung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
eine grafische Darstellung, welche die gemessene BER-Leistung eines
Systems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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5a bis
b sind Diagramme, welche die gemessene BER-Leistung und das gemessene
Signalspektrum eines Systems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigen.
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6a bis
b sind die empfangenen elektrischen Augendiagramme eines DPSK-Abschnitts
und eines ASK-Abschnitts
einer Rückkehr-zu-Null-(RZ)-DP-ASK-Antiparallelübertragung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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7 ist
eine grafische Darstellung, welche die gemessene BER-Leistung eines
Systems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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8 ist
ein Schemadiagramm, welches die Verwendung von Preemphasis durch
gechirpte ASK illustriert, um eine Verschlechterung der Differenzphasenaugenöffnung zu
bekämpfen,
welche aus Phasenselbstmodulation (SPM) während nichtlinearen Übertragungen
resultiert.
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9 ist
ein Schemadiagramm, welches die Verwendung einer nichtlinearen Nachkompensation der
Phasenverschiebung (Post-NPSC) illustriert, um die Differenzphasenverschlechterung
zu kompensieren, welche aus SPM während nichtlinearen Übertragungen
resultiert.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Erzeugen
optischer 4-ary DP-ASK-Signale zur Übertragung in einem optischen Übertragungssystem
unter Verwendung von zwei Modulatoren bereit, von welchen einer
für eine
DPSK-Modulation und der andere für
eine ASK-Modulation ist. Ein derartiges System gestattet die gleichzeitige
aber unabhängige Übertragung
und den Empfang der beiden Datenströme. Vorzugsweise weisen die
beiden Datenströme
die gleiche Datengeschwindigkeit auf und werden derartig synchron
moduliert, dass die Bit-Mitten der beiden Ströme zeitlich ausgerichtet werden (um
die Verzerrung in der Mitte von ASK-Bits während des Übergangs zwischen benachbarten DPSK-Bits
zu vermeiden).
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Ein
4-ary DP-ASK-Sender 110 einer Ausführungsform eines Systems 100 gemäß der Erfindung wird
in 1 illustriert. Das Licht aus einem Laser 120 wird
zuerst unter Verwendung eines Datenstroms 135 unter Verwendung
eines Phasenmodulators 130 DPSK-moduliert, welcher ein
Einzelwellenleiter-Phasenmodulator, ein Mach-Zehnder-Modulator (MZM),
welcher bei null vorgespannt ist, um eine Phasenmodulation zu erzielen,
oder dergleichen sein kann. Der MZM kann aus verschiedenen elektrooptischen
Materialien, beispielsweise LiNbO3, angefertigt
werden und wird vorzugsweise an seinem Nullpunkt vorgespannt, um
die Phase des Lichtsignals zwischen 0 und π umzuschalten. Ein chirp-freier MZM
ist bevorzugt, weil er das DPSK-Signal mit vollkommenen Phasenwerten
(0 und π)
herstellt.
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Eine
DPSK-Codierung wird vorzugsweise unter Verwendung eines Differenzialcodierers 140 vor
einer Modulation durchgeführt.
Ein Intensitätsmodulator 150 moduliert
dann das DPSK-Signal unter Verwendung eines zweiten Datenstroms 155.
Vorzugsweise wird der Intensitätsmodulator 150 angesteuert,
ein Auslöschungsverhältnis (ER)
von ungefähr
6 bis 9 dB zu produzieren. Der Intensitätsmodulator 150 kann
ein MZM, ein Elektroabsorptionsmodulator (EAM) oder dergleichen
sein. Für
einen MZM kann ein geringes ER durch Untersteuern des MZM und Verschieben
des Vorspannungspunkts von dem Quadraturpunkt weg erzielt werden.
Für eine
Modulation mit einem EAM kann ein geringes ER durch Verschieben
des Vorspannungspunkts erzielt werden. Die Reihenfolge der DPSK-
und ASK-Modulation eines optischen Signals kann umgekehrt werden, wobei
immer noch ein DP-ASK-Signal
gemäß der Erfindung
bereitgestellt wird.
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Das
System 100 weist vorzugsweise auch einen Empfänger 175 auf.
Ein Erbium-dotierter Faserverstärker 180 (EDFA)
wird vorzugsweise als ein optischer Vorverstärker in dem Empfänger 175 verwendet.
Ein optischer Filter 181 wird vorzugsweise nach dem Vorverstärker 180 bereitgestellt,
um den Verlust durch Störgeräusche durch
verstärkte
Spontanemission (ASE) zu reduzieren. Das verstärkte Signal wird dann vorzugsweise
auf zwei Wege 183, 184 aufgetrennt. Ein Weg 183 überträgt das Signal
an einen DPSK-Empfänger 190.
Der DPSK-Empfänger 190 umfasst
vorzugsweise ein Ein-Bit-Verzögerungsinterferometer 192,
einen symmetrischen Detektor 194 und einen HF-Differenzverstärker 196 zur
Erkennung des DPSK-Stroms (d.h. des DPSK-modulierten Abschnitts
oder der DPSK-modulierten Komponente des Signals). Das Ein-Bit-Verzögerungsinterferometer 192 wird
vorzugsweise bereitgestellt, das Licht auf dem Weg 183 in
zwei Zweige zu teilen und einen Zweig um ungefähr eine Bitperiode zu verzögern. Durchschnittsfachleute
verstehen, dass die Verzögerung,
welche von dem Verzögerungsinterferometer 192 bereitgestellt
wird, von genau einer Bitperiode abweichen kann, während sie
immer noch eine ausreichende Verzögerung gemäß der Erfindung bereitstellt.
Vorzugsweise liegt die Verzögerung,
welche von dem Verzögerungsinterferometer 192 bereitgestellt
wird, zwischen dem ungefähr
0,8- und ungefähr 1,2-fachen
der Bitperiode.
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Der
andere Weg 184 überträgt das Signal
an einen ASK-Detektor 198 zur Erkennung des ASK-Stromabschnitts
des Signals.
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2 ist
eine grafische Darstellung, welche ein Konstellationsdiagramm von
4-ary DP-ASK-Symbolen illustriert. In dem Diagramm repräsentiert
die x-Achse den realen Teil des optischen Felds, und die y-Achse
repräsentiert
den imaginären
Teil des optischen Felds. Der DPSK-Datenstrom wird durch Einstellen
der Entscheidungsschwelle auf der y-Achse zum Vergleichen der Vorzeichen
(oder Phasen) benachbarter Bits wiedererlangt, was unter Verwendung
eines Verzögerungsinterferometers 192 und
eines symmetrischen Detektors 194 und Einstellen der Entscheidungsschwelle
auf 0 realisiert werden kann. Falls beispielsweise zwei benachbarte
Bits die gleichen (oder entgegengesetzte) Vorzeichen aufweisen,
wird dann „1" (oder „–1") bestimmt. Der ASK-Datenstrom
wird vorzugsweise durch Einstellen der Entscheidungsschwelle auf
den Kreis 210 mit einem Radius wiedererlangt, welcher der
Mittelwert der größeren und
der kleineren Amplitude der Symbole ist.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wurde mit einem 20-Gb/s Ohne-Rückkehr-zu-Null-(NRZ)- 4-ary
DP-ASK-Gesamtsignal
experimentell vorgestellt. Die verwendete CW-Quelle 120 war
ein abstimmbarer Laser, welcher bei 1550 nm betrieben wurde. Ein
10-Gb/s DPSK-Strom wurde auf dem CW-Licht durch einen MZM moduliert,
welcher bei null vorgespannt war und mit 2Vπ angesteuert
wurde, um eine Phasenmodulation zu erzielen. Das Licht wurde dann
mit ~8 dB ER intensitätsmoduliert,
um einen 10-Gb/s ASK-Strom zu tragen. Es wurde herausgefunden, dass
die ER der ASK-Modulation besonders bevorzugt ungefähr 9,5 dB
beträgt,
um eine gleiche Empfängerempfindlichkeit
für die
beiden Datenströme
zu erzielen. Es wurde festgestellt, dass der erforderliche optische
Störabstand
(OSNR) bei einer gegebenen BER für
ein 4-ary DP-ASK
nur ungefähr 1
dB höher
ist als der für
ein binäres
Ein-Aus-Tastungs-(OOK)-Format mit der gleichen Gesamtdatengeschwindigkeit.
Verglichen mit 4-ary ASK mit quadratischer Leistungsebnung, erfordert
4-ary DP-ASK ungefähr
4,5 dB weniger OSNR für
eine gegebene BER.
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Aufgrund
des begrenzten Dynamikbereichs des DPSK-Empfängers,
welcher bei dem Experiment verwendet wurde, wurde festgestellt,
dass die bevorzugte ER ungefähr
8 dB beträgt.
Die geringe ER wurde durch Untersteuern des MZM bei ungefähr 0,9 Vπ und
Verschieben des Vorspannungspunkts weg von dem Quadraturpunkt des
MZM um ungefähr
0,05 Vπ erzielt.
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Um
den Sender zu vereinfachen, wurde ein handelsüblicher chirp-freier integrierter
Zweistufen-MZ-Modulator
verwendet. Die Bandbreiten der beiden MZM betrugen ungefähr 10 GHz.
Der gesamte Einfügungsverlust
des Senders betrug ungefähr 5,5
dB.
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An
dem Empfänger 175 wurde
ein EDFA mit ungefähr
4,5 dB NF als der optische Vorverstärker 180 verwendet.
Der optische Filter 181 nach dem Vorverstärker 180 wies
eine 3-dB-Bandbreite von 100-GHz auf. Das verstärkte Signal wurde in zwei Signale
aufgespaltet, wobei das eine in einen DPSK-Empfänger 190 eintritt,
welcher ein 100-ps Verzögerungsinterferometer 192,
einen symmetrischen Detektor 194 und einen HF-Differenzverstärker 196 umfasst,
und das andere in einen ASK-Detektor eintritt. Die wirksamen HF-Bandbreiten
der beiden Empfänger
betrugen ungefähr
7 GHz.
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3a bis
b zeigen die Augendiagramme, welche an dem DPSK- und an dem ASK-Empfänger 190, 198 erfasst
werden. Für
den DPSK-Strom wurde bei der Verwendung des symmetrischen Detektors 194 der
Entscheidungspegel auf 0 festgelegt. 4 zeigt
die BER-Leistung sowohl von DPSK als auch von ASK versus der empfangenen
optischen Leistung (vor dem Vorverstärker).
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Es
wurde ein Impulsbildgenerator verwendet, um einen Datenstrom zu
produzieren, welcher aus pseudozufälligen Bit-Sequenzen (PRBS)
mit einer Bildlänge
von 27 – 1
und ihren invertierten Kopien bestand. Der DPSK-Modulator 130 wurde durch die Daten
und der ASK-Modulator 150 durch die invertierten Daten
angesteuert, welche um ~30 Bits verzögert wurden, um die beiden
Datenströme
an die Modulatoren 130, 150 zu dekorrelieren.
Es versteht sich, dass die invertierten/verzögerten Daten nur für den experimentellen
Zweck der Erzeugung von zwei Datenströmen verwendet wurden.
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Es
wurde eine Empfängerempfindlichkeit (bei
BER = 10–9)
von –30,5
dBm sowohl für
den DPSK- als auch für
den ASK-Empfänger 190, 198 erzielt.
Die Empfindlichkeit war ungefähr
6 dB schlechter als die des 10-Gb/s
binären
NRZ (für
die experimentelle Ausführungsform)
oder, hauptsächlich
aufgrund des begrenzten Dynamikbereichs des DPSK-Empfängers 190,
ungefähr
2 dB schlechter als das theoretisch vorausgesagte Leistungsvermögen.
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Es
ist bekannt, dass 4-ary DP-ASK eine hohe Toleranz gegenüber chromatischer
Dispersion und optischer Filterung aufweist. 5a bis
b zeigen das Leistungsvermögen
des 20-Gb/s 4-ary DP-ASK unter 425 ps/nm Dispersion und unter einer
engen Filterung durch ein strukturiertes Wellenleitergitter (AWG)
mit 25-GHz-Kanalabstand
und ~20-GHz-Durchlassband. Die Dispersionsverluste für die DPSK-
und ASK-Ströme
betrugen beide, ähnlich
der binären
10-Gb/s NRZ-Übertragung,
weniger als 1 dB. Mit der Filterung wurden die Empfängerempfindlichkeiten
der DPSK- und ASK-Ströme
um 1 dB bzw. um 0,7 dB verbessert. Das AWG begrenzt die Bandbreite
der ASE-Störgeräusche wirksam
und verbessert folglich die Empfängerempfindlichkeit.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen auch weniger als 1 dB Verlust,
wenn die Bandbreite weiterhin auf 16 GHz reduziert wird, was nahe
legt, dass 4-ary DP-ASK bei mehr als ungefähr 100 % spektraler Effizienz übertragen
werden kann. Das Experiment wird in einem Aufsatz, welcher von X.
Liu et al. an ECOC'03
eingereicht wurde, mit dem Titel „Quaternary Differential-Phase
Amplitude-Shift-Keying
For DWDM Transmission" ausführlich beschrieben.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann die 4-ary DP-ASK-Modulation auf einem Rückkehr-zu-Null-(RZ)-Impulsformat
begründet werden.
RZ 4-ary DP-ASK
kann eine verbesserte Empfängerempfindlichkeit
im Vergleich zu NRZ 4-ary DP-ASK bereitstellen. RZ 4-ary DP-ASK
kann entweder optisch unter Verwendung beispielsweise eines anderen
Modulators (nicht gezeigt), um einen Impuls in jedem Bit-Schlitz
zu erzeugen, oder elektrisch unter Verwendung beispielsweise eines
RZ-Impulsgenerators
realisiert werden, um RZ-HF-Daten bereitzustellen, um den Intensitätsmodulator 150 anzusteuern.
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6a bis
b zeigen die empfangenen elektrischen Augendiagramme des DPSK-Datenstroms und
des ASK-Datenstroms einer 20-Gb/s RZ 4-ary DP-ASK-Antiparallelübertragung
mit elektronisch vorgenommener Impulserzeugung. 7 ist
eine grafische Darstellung, welche die gemessene BER-Leistung des
DPSK-Stroms und des ASK-Stroms
der 20-Gb/s RZ 4-ary DP-ASK-Antiparallelübertragung zeigt. Die gesamte
Empfängerempfindlichkeit
der RZ 4-ary DP-ASK-Übertragung
ist ungefähr
2 dB besser als der NRZ 4-ary DP-ASK-Übertragung.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung einer 4-ary DP-ASK-Modulation bei
nichtlinearen Übertragungen,
bei welchen Phasenselbstmodulation (SPM) verschiedene Phasenverschiebungen
für Signale
mit verschiedenen Intensitäten
veranlasst und die Verschlechterung der Differenzphasenaugenöffnung bewirkt,
welche das Leistungsvermögen
des DPSK-Stroms verschlechtert, wird Preemphasis verwendet, um den SPM-Verlust zu bekämpfen. 8 ist
ein Schemadiagramm, welches die Verwendung von Preemphasis durch
gechirptes ASK illustriert, um den SPM-Verlust zu bekämpfen. Die
gechirpte ASK-Modulation kann durch Ansteuern eines Zweigs eines
dual angesteuerten MZM auf eine derartige Weise realisiert werden,
dass jede hohe Intensität „1" eine Phasenverschiebung
aufweist, welche kleiner ist als die Phasenverschiebung einer geringen
Intensität „0". Dadurch liegen
nach einer nichtlinearen Übertragung, während welcher
SPM mehr Phasenverschiebungen zu „1" als zu „0" einführt, die gesamten Phasen von „1" und „0" nahe denjenigen
bei dem idealen Fall (wie in 2 gezeigt)
optimaler Empfängerempfindlichkeit.
Da eine optimale, nichtlineare Phasenverschiebung ungefähr 1 Radiant
bei einer nichtlinearen DPSK-Übertragung
beträgt,
wird eine gechirpte ASK-Modulation mit einer ER zwischen ungefähr 5 dB
und 9 dB bevorzugt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung 4-ary DP-ASK-Modulation bei nichtlinearen Übertragungen,
wird eine nichtlineare Nachkompensation der Phasenverschiebung (Post-NPSC)
verwendet, um die durch SPM eingeführte Verschlechterung der Differenzphasenaugenöffnung zu
kompensieren. Ein Verfahren für Post-NPSC,
welches gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, wird in US-Patentanmeldung, Aktenzeichen
Nr. 10/331,217, mit dem Titel „Nonlinear
Phase-Shift Compensation Method And Apparatus" offenbart. Ausführliche Beschreibungen des
Post-NPSC-Verfahrens können
auch in X. Liu et al., „Improving
Transmission Performance In Differential Phase-Shift-Keyed Systems
By Use of Lumped Nonlinear Phase-Shift Compensation", Optics Letters,
Bd. 27, Seiten 1616 bis 1618, (2002), und in C. Xu und X. Liu, „Postnonlinearity
Compensation With Data-Driven Phase Modulators In Phase-Shift Keying
Transmission", Optics
Letters, Bd. 27, Seiten 1619 bis 1621 (2002), gefunden werden. 9 ist das
schematische Diagramm, welches die Verwendung des Post-NPSC illustriert,
um die Verschlechterung der Differenzphasenaugenöffnung zu kompensieren, welche
während
nichtlinearer Übertragungen durch
SPM resultiert.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung gemäß den gezeigten
Ausführungsformen
beschrieben wurde, werden Durchschnittsfachleute unmittelbar erkennen,
dass es Variationen an den Ausführungsformen
geben kann und dass diese Variationen innerhalb des Schutzumfangs
der vorliegenden Erfindung liegen würden, wie durch die angefügten Ansprüche definiert.