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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Datenübertragung
in einem Wellenlängenmultiplex(WDM)-Schema,
und im Einzelnen auf ein spektral effizientes Datenformat.
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Hintergrund der Erfindung
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Übertragung
von optischen Daten mit hohen Bitraten, z.B. 40 Gb/s, profitiert
generell von der Benutzung optischer Daten mit schmaler Pulsbreite. Schmalere
zeitliche Pulsbreite bedeutet ein breiteres Frequenzspektrum für jeden
Datenimpuls, was die Anzahl der Kanäle, die mit einem WDM-Schema benutzt werden
können,
beschränkt.
Zum Beispiel wird ein Return-to-Zero(RZ)-Impuls mit 10 Gb/s eine spektrale
Breite von ungefähr
40 Ghz haben, während
ein RZ-Impuls mit 40 Gb/s eine spektrale Breite von ungefähr 160 GHz
haben wird.
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WDM-Schemen
erhöhen
das Faserleistungsvermögen,
indem über
mehrere Kanäle,
alle mit unterschiedlichen Wellenlängen, über eine einzige Faser übertragen
wird. Allerdings haben optisch verstärkte Systeme eine beschränkte nutzbare
Bandbreite. Die Benutzung einer höheren Bitrate erhöht die Bandbreite
eines jeden Kanals und reduziert daher die Anzahl der Kanäle, die
genutzt werden können.
Das Ergebnis ist, daß eine
Bitrate von 40 Gb/s keinen Vorteil gegenüber einer geringeren Bitrate von
zum Beispiel 10 Gb/s bietet, da die maximale Menge von Information,
die in einer bestimmten Zeit über
eine optische Faserverbindung bei jeder Rate übertragen werden kann, ungefähr die gleiche
ist.
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Es
gibt eine Anzahl von Schemen, welche entwickelt wurden, um die spektrale
Effizienz bei hohen Bitraten zu steigern, sowie Restseitenband(VSB)-Filterung
und Polarisationsmultiplexverfahren, wobei alle eine weitere Verarbeitung
des optischen Datensignals mit einbeziehen. Die internationale Publikationsnummer
WO 01/50663 offenbart ein Filterungsschema,
welches Signale zur Folge hat, welche eine schnell abnehmende Autokorrelationsfunktion
und einen reduzierten Nebensignaleffektebetrag haben. Das Ziel der
vorliegenden Erfindung ist ein Datenformat und ein Transmitter und
ein Verfahren zur Erzeugung desselben, welches eine verbesserte
spektrale Effizienz gegenüber
herkömmlichen Datenformaten
bietet, zu bieten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur optischen Kodierung von Daten zur Übertragung über ein
optisches Wellenlängenmultiplexkommunikationssystem
mit den Schritten:
Erzeugung einer periodischen Serie von optischen Impulsen,
welche eine Serie von Zeitfenstern bestimmen, wobei ein Impuls in
jedem Zeitfenster auftritt;
Filtern der Impulse, um Trägerimpulse
zu erzeugen, welche sich über
mehr als ein Zeitfenster erstrecken; und
Modulieren der Impulse
mit Daten zur Übertragung, wobei
der Filter Impulse zur Folge hat, welche ein seitliches Profil aufweisen,
deren Minimum im wesentlichen im Zentrum jedes der Zeitfenster liegt,
die zu dem Zeitfenster für
diesen Impuls benachbart sind; und
der Filter wird abgestimmt,
um Übertragungsverhalten
zu optimieren.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Impulse über
mehr als ein Zeitfenster, in einer Weise, daß die Impulse unter Beachtung
der benachbarten Impulse gegenseitig bemessen werden. In anderen
Worten, die Filterbandbreite ist so gewählt, daß die oszillierenden Ausläufer der
Impulse Minima in den benachbarten Zeitfenstern haben. Vorzugsweise
hat der Filter Impulse zur Folge, welche ein zeitliches Profil aufweisen,
deren Minimum im wesentlichen im Zentrum jedes der Zeitfenster liegt,
die zu dem Zeitfenster für diesen
Impuls benachbart sind. Der Entscheidungspunkt für jedes Bit ist typischerweise
im Zentrum des jeweiligen Zeitfensters und daher sollte der Effekt
des benachbarten Bits an diesem Punkt minimalisiert sein. Vorzugsweise
weisen die gefilterten Trägerimpulse
ein im wesentlichen flaches oberes spektrales Profil auf. Der Schritt
des Modulierens der Impulse mit Daten kann entweder vor oder nach
dem Filterungsschritt durchgeführt
werden, wird aber vorzugsweise vor dem Filterungsschritt durchgeführt.
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Die
Daten, welche aus dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hervorgehen,
haben eine verhältnismäßig schmale
Bandbreite. Der Effekt der Überlappung
zwischen benachbarten Bits wird durch gegenseitige Positionierung
der Minima jeden Impulses in dem Zentrum des benachbarten Impulses
gemildert.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Transmitter
zur Erzeugung eines optischen Datensignals zur Übertragung über ein optisches Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem
umfaßt:
Ein
Mittel zur Erzeugung einer periodischen Serie von optischen Impulsen,
welche eine Serie von Zeitfenstern bestimmt, wobei ein Impuls in
jedem Zeitfenster auftritt;
einen Filter mit einem spektralen
Profil, welcher Impulse mit einem zeitlichen Profil zur Folge hat,
welche sich über
mehr als ein Zeitfenster erstreckt, wobei das zeitliche Profil ein
Minimum im wesentlichen im Zentrum jedes der Zeitfenster aufweist,
welches zu dem Zeitfenster zu diesem Impuls benachbart ist; und
ein
Modulationsmittel zur Modulierung der Impulse mit Daten zur Übertragung,
wobei der Filter abgestimmt ist, um Übertragungsverhalten zu optimieren.
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Vorzugsweise
hat der Filter ein im wesentlichen flaches oberes spektrales Profil.
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Vorzugsweise
umfaßt
der Transmitter Steuerungsmittel zur optischen Dekodierung des optischen Filters,
um das Übertragungsverhalten
zu optimieren.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Beispiele
der vorliegenden Erfindung werden jetzt im Detail unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer optischen Transmitterarchitektur
in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik;
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2 zeigt
ein Beispiel einer Transmitterarchitektur entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt das Spektrum eines Signals, welches
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde;
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4 zeigt das zeitliche Profil eines Signals, welches
entsprechend der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde; und
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5 zeigt
eine alternative Ausführung
eines Transmitters in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist
eine schematische Darstellung einer grundsätzlichen Architektur für eine optischen Transmitter
entsprechend dem Stand der Technik. Eine kohärente Lichtquelle 10,
sowie ein CW-Laser, produziert einen optischen Strahl, welcher zuerst
mit einem elektrischen Uhrsignal mit einem ersten Modulator 11 moduliert
wird und anschließend
mit einem Datensignal durch einen zweiten Modulator 12 moduliert
wird. Der erste und zweite Modulator können Mach-Zehnder(MZ)-Modulatoren
sein oder ein anderer Typ eines elektro-optischen Modulators.
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Der
erste Modulator 11 erzeugt eine Serie von Impulsen mit
einer bestimmten Bitrate, die dem Zeitsignal entspricht. Der zweite
Modulator 12 beaufschlagt die Serie von Impulsen mit Daten,
indem er es mit elektrischen NRZ-Daten moduliert. Die resultierende
Ausgabe sind Daten, die als optisches RZ-Signal kodiert sind. Ein RZ-Datenformat
wird generell NRZ-Datenformaten
für weite
optische Übertragungen
vorgezogen, da es eine bessere Datenübertragungseigenschaft bewirkt.
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In
WDM-Übertragungsschemen
muß jeder Kanal
von benachbarten Kanälen
im Frequenzbereich getrennt sein, um Nebensignaleffekte zwischen den
Kanälen
und andere schädliche
Mechanismen zu vermeiden. Jeder RZ-Impuls im Datenstrom eines Kanals
hat eine zugeordnete spektrale Breite. Umso kürzer der Impuls, d.h. umso
höher die
Bitrate, umso breiter die Frequenz des Impulses. Umgekehrt umso schmaler
das Spektrum von jedem Impuls, umso breiter ist der Impuls im Zeitbereich,
was potentiell zum Überlappen
zwischen benachbarten Impulsen führen
kann, was zu Mustereffekten führt.
Es muß immer
eine Balance zwischen Bandbreite und Bitrate gefunden werden.
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2 zeigt
einen Transmitter entsprechend der vorliegenden Erfindung, welche
Mittel zur Erzeugung optischer Signale mit einer schmalen Bandbreite
bei einer bestimmten Bitrate bietet, wobei die starken Mustereffekte
vermieden werden, die bei der Benutzung konventioneller RZ-Daten
derselben spektralen Breite und Bitrate beobachtet würden.
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Für den Transmitter
in 2 wird eine gepulste Laserlichtquelle genutzt,
zum Beispiel ein aktiver modengekoppelter Laser 20. Ein
aktiver modengekoppelter Laser kann dazu gebracht werden, eine Serie
schmaler Impulse bei einer bestimmten Bitrate zu erzeugen. 40 GHz
aktive modengekoppelte Laser können
von einer Anzahl von Herstellern erworben werden, zum Beispiel produzieren
Pritel Inc. aus Naperville, Illinois, USA, eine UOC Serie von ultraschnellen
optischen Uhren, welche geeignet sind, um in der vorliegenden Erfindung
verwendet zu werden.
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Das
gepulste Licht der Lichtquelle wird mit Daten moduliert, indem ein
elektro-optischer Modulator 21 genutzt wird. Elektrische
NRZ-Daten werden auf den gepulsten Lichtstrahl geschrieben, indem
ein Mach Zehnder Modulator, der durch eine elektrische NRZ-Datenquelle 22 gesteuert
wird, welche mit der gleichen Bitrate wie die Lichtquelle 20 arbeitet.
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Die
Impulse von der Lichtquelle sind extrem schmal im Verhältnis zu
der Bitrate und haben ein breites spektrales Profil. Allerdings
umfaßt
der Transmitter, der in 2 gezeigt wird, ein Filterelement 23, welches
das spektrale Profil der Impulse verändert. Um zu ermöglichen,
daß so
viele Kanäle
wie möglich in
der vorhandenen Bandbreite untergebracht werden können, muß die spektrale
Breite der Impulse verlängert
werden und hat vorzugsweise eine scharfe Beschränkung, d.h. ein im wesentlichen
flaches oberes spektrales Profil mit einem scharfen Abfall außerhalb
des gewünschten
Frequenzbands.
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3 zeigt das Spektrum eines Impulses vor und
nach der Filterung. 3a zeigt das Spektrum eines
Impulses vor der Filterung. Die gezeigten Impulse sind 1,7 ps lang
und haben eine Frequenz, die sich über mehrere hundert GHz erstreckt. 3b zeigt
das Profil des optischen Filters, der in 2 gezeigt
wird. Der Filter ist ein super-gaußförmiger Bandpaßfilter 6.
Ordnung mit einer Bandbreite von 40 GHz. Gezeigt wird auch das ideale
Filterprofil, welches ein rechteckiges Profil ist.
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3c zeigt
das Trägerspektrum
des Impulses nach der Filterung mit dem Filter, der in 2 gezeigt
wird. Der Impuls hat ein spektrales Profil, welches sich über nur
40 GHz mit einem scharfen Abfall an jedem Ende erstreckt. 3d zeigt
wie eine Serie von Kanälen
mit diesem spektralen Profil in einem WDM-Schema genutzt werden
kann. Jeder Kanal nutzt gefilterte Impulse mit einer spektralen
Breite von 40 GHz und jeder Kanal ist von den benachbarten Kanälen 50 GHz
entfernt, was einen Abstand von 10 GHz zwischen den Kanten benachbarter
Kanäle ergibt.
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4 zeigt das zeitliche Profil eines Impulses
vor und nach der Filterung. 4a zeigt
den Impuls 40 vor der Filterung. 4b zeigt
das zeitliche Profil des Impulses 41 nach der Filterung.
Die vertikalen Linien 42 in 4b zeigen
auch, wann jedes Zeitfenster beginnt und endet relativ zum gezeigten Impuls.
Die Impulse werden bei 40 GHz in diesem Beispiel erzeugt und damit
dauert jedes Zeitfenster 25 ps. Es ist klar zu sehen, daß sich der
gefilterte Impuls über
mehrere Zeitfenster erstreckt und daß die Minima 43 des
gefilterten Impulses in das Zentrum der Zeitfenster fällt, die
zu dem Zeitfenster, in dem der Impuls liegt, benachbart sind. Dies
gewährleistet, daß der Effekt
des Überlappens
in benachbarte Bits oder Impulse minimiert wird.
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Das
ideale Filterprofil, das in 3b gezeigt wird,
erzeugt ein spaltfunktionsförmiges
zeitliches Profil für
den Trägerimpuls,
welcher Minima im benachbarten Zeitfenster hat. Wenn die Bandbreite
gefilterter Impulse B ist, ist das zeitliche Profil von der Form
sinc(πBt).
Allerdings ist es nicht notwendig, Impulse mit einem vollkommen
flachen oberen spektralen Profil zu erzeugen, um den Vorteil der
vorliegenden Erfindung zu erhalten, nur etwas, daß sich daran annähert, sowie
ein super-gaußförmiger Filter,
welcher oben beschrieben wurde, welcher einen Träger erzeugt, der sich über mehr
als ein Zeitfenster erstreckt aber der lokale Minima hat, welche
in den Zentren der Zeitfenster positioniert werden können, die
zu dem Zeitfenster, in dem der Impuls liegt, benachbart sind.
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Der
Transmitter, der in 2 gezeigt ist, kann zur Erzeugung
optischer Daten zur Übertragung über einen
einzigen Kanal in einem WDM-System genutzt werden. Eine Mehrzahl
von Transmittern kann in einem WDM-Transmitter genutzt werden, einen
für jeden
Kanal, wobei die Datenströme
nachfolgend gemultiplext werden. Die Datenimpulse können direkt
am Receiverende 25 detektiert werden, indem Standardfilter
genutzt werden.
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Die
fehlerfreie Übertragungsdistanz
der Datenimpulse nach der vorliegenden Erfindung ist eine Funktion
der Filterabstimmung, d.h. des asymmetrischen Filterversatzes. Idealerweise
werden die Anfangsimpulse nicht symmetrisch um ihre zentrale Frequenz
gefiltert. Die optimale Abstimmung reagiert empfindlich auf die
optische Filterform. Wenn beispielsweise ein super-gaußförmiger Filter
der sechsten Ordnung benutzt wird, kann erkannt werden, daß die optimale
Abstimmung auf 6 GHz verschoben wird. Entsprechend umfaßt das System,
das in 2 gezeigt wird, einen Regelkreis 24 und
einen variablen Bandpaßfilter.
Die Bitfehlerrate (BER) wird am Empfängerausgang 25 durch
den Regler überwacht
und die Filterabstimmung optimiert um die BER zu minimieren.
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5 zeigt
ein alternatives Transmitterdesign in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Eine kohärente
Lichtquelle 50 erzeugt einen optischen Strahl. Der Strahl
wird mittels MZ-Modulator 51 moduliert, welcher mit elektrischen
RZ-Daten 51(52?) bei der erforderlichen Bitrate
betrieben wird. Die Datenimpulse werden dann mit einem Verstärker 53 verstärkt und
durch eine lange nicht lineare hochdispersive Faser 54 geführt, um
die Impulse zu komprimieren. Die komprimierten, d.h. verschmälerten, Impulse
werden dann mittels super-gaussförmigen Filter 55 wie
in dem Transmitter aus 2 gefiltert. Der Regelkreis
zur Abstimmung des Filters wird nicht gezeigt, ist aber ebenso auf
diesen Transmitter wie auf den Transmitter aus 2 anwendbar.
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Es
sollte erwähnt
sein, daß das
System, das in 1 gezeigt wird, geeignet sein
könnte,
um schmale Impulse zu erzeugen, welche nachfolgend in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gefiltert werden könnten. Um
die benötigten
schmalen Impulse zu erzeugen, müßte der
Modulator 11 in der Lage sein, sehr schnell ein- und auszuschalten. Geeignete
Modulatoren könnten
in naher Zukunft zu erwerben sein.
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Die
vorliegende Erfindung bietet ein Datenformat, das gegenüber Überlappung
zwischen benachbarten Bits tolerant ist, was eine größere spektrale
Effizienz in einer WDM-Übertragung
zuläßt. Die Tatsache,
daß jeder
Datenimpuls über
mehr als ein Zeitfenster hinausragt, zerstört nicht die Daten. Die Impulsform
kann für
besondere Anwendungen so gewählt
werden, daß die Überlappung
tolerierbar ist, wobei die spektrale Effizienz maximiert wird.