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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen optischen Zeitmultiplexer zum Erzeugen
eines Ausgangssignals mit N GBit/s aus n datenmodulierten Eingangsimpulsfolgen
mit einer Impulsfrequenz von N/n GHz, wobei n∈N (N = Menge der natürlichen
Zahlen) und n ≥ 2
gelten, mit einer Combinervorrichtung zum passiven Verschachteln
(Interleaving) der n Eingangsimpulsfolgen, wobei mindestens n-1
erste Phasenschieberelemente die optischen Phasen von mindestens
n-1 Eingangsimpulsfolgen einstellen und mit einer Steuerungsvorrichtung
verbunden sind, die mindestens n-1 Steuersignale aus einem Vergleich der
optischen Phasen der n Eingangsimpulsfolgen ableitet und die mindestens
n-1 ersten Phasenschieberelemente so steuert, daß die optischen Phasen aller
n Eingangsimpulsfolgen starr miteinander gekoppelt sind.
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Ein
optischer Zeitmultiplexer dieser Art und das zugehörige Verfahren
zur Signalübertragung wurde
von M. Nakazawa, T. Yamamoto und K.R. Tamura auf der ECOC 2000,
Präsentation
2.6, beschrieben; siehe auch Electronics Letters 36, Seiten 2027-2028 (2000).
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Die
optische Zeitmultiplextechnik ist ein Verfahren, um mehrere Kanäle als ein
einziges optisches Signal zu übertragen.
Zum Codieren werden die Signale der Kanäle zu dem einzelnen optischen Signal
verschachtelt (Interleaving). Das optische Demultiplexen durch Tastung
des einzelnen optischen Signals nach einem festen Zeitschema gestattet
die Rückgewinnung
der ursprünglichen
Kanalinformation.
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Um
beispielsweise aus vier 40-GHz-Impulsfolgen ein RZ-Signal (mit engl.
RZ = Return to Zero) von 160 Gbit/s Datenrate zu erzeugen, werden
die vier 40-GHz-RZ-Impulsfolgen nach Einfügen geeignet gewählter Verzögerungszeiten
von jeweils 0, 1/4, 1/2 und 3/4 Bitperioden (wobei eine Bitperiode
25 ps beträgt)
in die vier Signale in einem Combiner (Addierer) passiv ineinander
verschachtelt.
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Fertigungstoleranzen
der Komponenten und Temperaturdrift führen gewöhnlich zu nicht konstanten
optischen Phasen zwischen den vier Signalen, was sich wiederum in
Form von nicht konstanter Interferenz zwischen unterschiedlichen
Bits auswirkt und somit zu Drifteffekten und zu einer Worst-Case-Signalverzerrung
führt.
Dies muß durch
die Verwendung sehr kurzer Impulse mit einer 30-dB-Auslöschung an
der Position eines benachbarten Bits berücksichtigt werden, so daß die Interferenz
vernachlässigt
werden kann. Derart kurze Impulse sind allerdings sehr anfällig für Dispersion.
Außerdem
führen die
nicht konstanten optischen Phasen zwischen den vier Signalen zu
starken Einbußen
auf der Empfängerseite
nach der dispersionsbedingten Verbreiterung der Impulse.
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Nazakawa
et al. verwendeten Impulse mit einer sehr geringen Breite in der
Größenordnung
von 200 fs und setzten eine komplexe Technik zur zeitlichen Vorverschleifung
(Pre-Chirping) unter
Anwendung eines Gitterpaares, eines räumlichem Lichtmodulators und
einer Faser mit inverser Dispersion ein, um die beim Multiplexen
auftretende Dispersion zu kompensieren.
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I.
Moita und N. Edagawa, OFC 2002, Präsentation TuA4, Seiten 5–6, zeigten,
daß gute Übertragungseigenschaften
von optischen Zeitmultiplexsignalen (Optical Time Division Multiplex-Signalen, OTDM-Signalen) über große Distanzen
(2000 km) mit trägerunterdrückten RZ-Signalen
erreicht werden können,
die eine Phasenverschiebung von 180° zwischen zwei verschachtelten
Kanälen
aufweisen. Allerdings leidet die Erzeugung trägerunterdrückter RZ-Signale unter denselben
Schwierigkeiten wie die Erzeugung von Zeitmultiplexsignalen allgemein.
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In
US 5 917 628 A wird
ein optischer Zeitmultiplexer beschrieben. Darin wird ein optisches
Signal in zwei Zweige aufgespalten. Diese beiden optischen Signale
der beiden Zweige werden getrennt moduliert, um sie mit der Information
zu versehen, und anschließend
in einem optischen Combiner (Signaladdierer) zusammengeführt. Das
Ausgangssignal des optischen Combiners wird darauf analysiert, welche Phasenverschiebung
die beiden optischen Signale haben. Die Ergebnisse dieser Analyse
werden zum Steuern einer optischen Phaseneinstelleinheit verwendet,
die in einem der Zweige angeordnet ist, um die Phasendifferenz der
beiden optischen Signale am optischen Combiner auf einem festen
Wert zu halten.
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Gegenstand
der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist es, einen optischen Zeitmultiplexer zu präsentieren,
der die durch die Instabilität
von Multiplexern verursachten Drifteffekte bei OTDM-Signalen verringert,
Worst-Case-Verzerrungen vermeidet, die im Fall von breiten RZ-Impulsen
mit nicht konstanten gegenseitigen Phasendifferenzen wahrscheinlich
sind, und die Möglichkeit
bietet, auf einfache Weise trägerunterdrückte RZ-Signale oder ähnliche
Modulationsformate zu erzeugen.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Im
Hinblick auf die Komponenten wird dies durch einen oben vorgestellten
Zeitmultiplexer erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vergleich
der Phasen der n Eingangsimpulsfolgen ein Referenzkoppler vorgesehen
ist, um die Phasenschwankungen zwischen den Phasen der n Eingangsimpulsfolgen
in Schwankungen der Signalamplitude umzuwandeln, die als Eingangssignal
auf die Steuerungsvorrichtung gelangen, sowie dadurch, daß Referenzleitungen
vorgesehen sind, um Anteile der n Eingangsimpulsfolgen abzuzweigen
und dem Referenzkoppler diese Anteile der n Eingangsimpulsfolgen
zuzuführen.
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In
dem erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexer werden die optischen Phasen der einzelnen optischen
Datenströme
miteinander in einem Referenzkoppler verglichen, der die Differenzsignale zwischen
diesen Datenströmen
ausgibt. Nach einer mit geringer Geschwindigkeit durchgeführten optischen
Detektion können
diese Differenzsignale in einer Steuereinheit zum Ansteuern der
ersten Phasenschieberelemente verwendet werden, um die optischen
Phasen der Eingangsdatenströme
zu stabilisieren. Der Referenzkoppler ist ein einfaches Mittel zum
Vergleichen der optischen Phasen der Eingangsimpulsfolgen.
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Dies
gestattet die Verwendung breiterer (d.h.) längerer Impulse des RZ-Signals
für die Übertragung. Überdies
ist eine höhere
chromatische Dispersion des RZ-Signals tolerierbar.
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Insgesamt
lassen sich so eine größere Übertragungsdistanz,
eine höhere
PMD-Toleranz und eine höhere
Toleranz gegenüber
chromatischer Dispersion erzielen.
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Für die Detektion
der Differenzsignale können
langsame (und folglich kostengünstige)
Detektoren wie zum Beispiel Fotodioden zur Stabilisierung verwendet
werden. Ihr bipolares Ausgangsdifferenzsignal hält die nötige Steuerungslogik einfach.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexers ist N ≥ 1,
insbesondere N ≥ 10
und vorzugsweise N ≥ 40. Die
Anzahl der Eingangsimpulsfolgen ist proportional zur Bitrate, also
zum Informationsfluß des
gemultiplexten Ausgangssignal. Für
hohe Werte von N, also für
hohe Bitraten, sind die Vorteile der Erfindung besonders bedeutsam.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Referenzkoppler Bestandteil einer integrierten optischen
Schaltung, welche die Combinervorrichtung und vorzugsweise auch
die mindestens n-1 ersten Phasenschieberelemente beinhaltet. Dies
führt zu
einem kompakten Aufbau.
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In
einer alternativen Variante der besagten Ausführungsform sind langsame Fotodioden
zum Umwandeln der Ausgangssignale des Referenzkopplers in elektrische
Signale vorgesehen, welche der Steuerungsvorrichtung als Eingangssignale
zugeführt
werden.
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Langsame
Fotodioden sind ein besonders kostengünstiges Mittel für die Umwandlung
der Signale des Referenzkopplers.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexers ist mit mindestens n-1 Zeitverzögerungselementen zum Verschachteln
der Signale der n Eingangsimpulsfolgen versehen. Die von den Zeitverzögerungselementen
eingefügten
Zeitverzögerungen
können entweder
variabel – und
insbesondere einstellbar – oder
fest sein. Die Verzögerungszeit
beträgt
typisch eine Bitperiode des Ausgangsdatenstroms mit einer Datenrate
von N Gbit/s. Die Zeitverzögerungselemente
gestatten eine wohldefinierte und zweckmäßige Auswahl von Zeitverzögerungen
ohne vorherige Messungen.
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Eine
ebenfalls erfindungsgemäße Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß vor
dem Eingang der Steuerungsvorrichtung mindestens n-1 Zeitverzögerungselemente
angeordnet sind, um die Signale der n Eingangsimpulsfolgen so an
zeitliche Positionen zu verschieben, daß ein Phasenvergleich zwischen
den Signalen der n Eingangsimpulsfolgen bewerkstelligt werden kann.
Dadurch ist der Vergleich der Phasen zwischen den Eingangssignalen selbst
dann möglich,
wenn die Eingangsimpulsbreiten kleiner als die Differenzen der Zeitpositionen
der Eingangsimpulse sind oder in der Größenordnung dieser Differenzen
liegen.
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Eine
weitere, stark bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexers ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens n-1 zweite Phasenschieberelemente
zum Einstellen der relativen Phasen der n Eingangsimpulsfolgen vorgesehen
sind. Auf diese Weise lassen sich Phasenverschiebungen bewerkstelligen,
die von Null verschieden sind. Die bewirkten Phasenverschiebungen
können
fest oder variabel und/oder einstellbar sein. Eine Phasenverschiebung
von 180° kann
zum Erzeugen eines trägerunterdrückten RZ-Ausgangssignals
verwendet werden, das bessere Übertragungseigenschaften
aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die ersten und/oder zweiten Phasenschieberelemente und/oder
die Zeitverzögerungselemente
als thermooptische Abstimmelemente realisiert und vorzugsweise auf
einem optischen Substrat der Combinervorrichtung integriert.
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Thermooptische
Abstimmelemente sind hochverfügbare
Standardmittel, die sich auf einem optischen Substrat integrieren
lassen und einen kompakten Aufbau erlauben.
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Die
Erfindung wird außerdem
in einem Verfahren zum Betreiben eines optischen Zeitmultiplexers
der oben beschriebenen Art angewandt, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale
der Steuerungsvorrichtung nach einem Differenzverfahren so aufbereitet
werden, daß in
der Steuerungsvorrichtung bipolare Signale zum Erzeugen der mindestens
n-1 Steuersignale an deren Ausgang zur Verfügung stehen. Das bipolare Signal
gestattet die Verwendung einer relativ einfachen Steuerungslogik.
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Weitere
Vorteile lassen sich der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung
entnehmen. Die oben und im folgenden erwähnten Eigenschaften können erfindungsgemäß entweder
einzeln oder zusammen in beliebiger Kombination angewandt werden.
Die erwähnten
Ausführungsformen
sind nicht als erschöpfende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben eher einen exemplarischen Charakter
für die Beschreibung
der Erfindung.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt
die Grundstruktur eines optischen 4:1-Zeitmultiplexers nach dem Stand der Technik,
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Combiners eines aktiv stabilisierten optischen 1:1-Zeitmultiplexers
gemäß der Erfindung,
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform der
Erfindung mit einer anderen Anordnung einer Verzögerungsleitung, und
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung mit einer zusätzlichen
Verzögerungsleitung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt
die Grundstruktur eines optischen 4:1-Zeitmultiplexers nach dem Stand der Technik,
welcher vier Datenströme
miteinander verbindet, um ein RZ-Signal mit N Gbit/s, beispielsweise ein
RZ-Signal mit 160 Gbit/s, zu erzeugen.
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Die
optische Impulsquelle 11 erzeugt eine optische Welle mit
einer Frequenz von N/4 GHz, im gewählten Beispiel also 40 GHz.
Dieses Signal wird auf vier getrennte Leitungen (Wellenleiter) 12a–12d verteilt
und einer Gruppe von vier Modulatoren 13a–13d zugeführt. Die
Modulatoren 13a–13b modulieren
die zu transportierende Information (die aus vier ETDM-Signalen
mit N Gbit/s besteht) auf die Zweige des optischen Signals. Die
Information stammt von außerhalb
des optischen Zeitmultiplexers und wird über eine Gruppe von Informationsleitungen 14 zugeführt. Somit
werden vier optische Datenströme
mit N/4 Gbit/s erzeugt. Die Modulatoren 13a–13d sind
mit Verzögerungsleitungen 15a–15d verbunden,
welche die modulierten optischen Signale empfangen. Die Verzögerungszeit
der Leitung 15b ist ¼ Bitperiode
(der N/4-Gbit/s-Datenströme)
länger als
die Verzögerungszeit
der Leitung 15a, die Verzögerungszeit der Leitung 15c ist
eine halbe Bitperiode länger
als die Verzögerungszeit
der Leitung 15a, und die Verzögerungszeit der Leitung 15d ist ¾ einer
Bitperiode länger
als die Verzögerungszeit
der Leitung 15a. Im gezeigten Beispiel hat eine Bitperiode
des 40-Gbit/s-Datenstroms eine Dauer von 25 ps. Die vier modulierten
und geeignet verzögerten
Datenströme
(Signale) werden einem Combiner 16 zugeführt, der
die Datenströme
zu einem einzigen gemultiplexten Signal mit einer Datenrate von
N Gbit/s verschachtelt, im gezeigten Beispiel also von 160 Gbit/s.
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Durch
Temperaturdrift und Fertigungstoleranzen verlieren die vier Signale
während
der Zeitspanne zwischen ihrer Ausbreitung über die Leitungen 12a–12d und
ihrem Verschachteln im Combiner 16 ihre wohldefinierte
Phasenkorrelation. Dieses Problem läßt sich erfindungsgemäß dadurch
lösen, daß die Phasen
der modulierten Datenströme
unmittelbar vor ihrem Verschachteln im Combiner aktiv stabilisiert
werden.
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Dies
läßt sich
mit einem erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexer erreichen, dessen Combinerteil in 2 dargestellt
ist. Der gesamte Combinerteil kann auf einem integrierten optischen
Chip untergebracht werden. Die hier gezeigte Ausführungsform
gehört
zu einem optischen 2:1-Zeitmultiplexer, d.h.
es werden zwei Eingangsdatenströme 21, 22 verarbeitet.
Diese Eingangssignale 21, 22 mit einer Bitrate
von jeweils M/2 Gbit/s gelangen über
die Eingangsleitungen 23 und 24 in den Combiner.
Das untere Signal wird einem ersten Phasenschieber 25 zugeführt, dessen
Ausgangssignal die Leitung 26 speist. Ein Teil des Signals
von Leitung 26 wird über die
Referenzleitung 27 abgezweigt; ebenso wird ein Teil des
Signals der Eingangsleitung 23 über die Referenzleitung 28 abgezweigt.
Das Signal der Referenzleitung 28 wird einem einstellbaren
zweiten Phasenschieber 29 zugeführt. Dessen Ausgangssignal und
das Signal von Leitung 27 werden beide einem 1:1-Referenzkoppler 30 zugeführt, in
welchem die beiden Signale verschachtelt, d.h. zur Interferenz gebracht
werden. Der 1:1-Referenzkoppler 30 gibt Steuerungs-Differenzsignale
aus, die von zwei langsamen (und folglich kostengünstigen)
Fotodioden 31a, 31b detektiert werden. Das Steuerungs-Differenzsignal wird
in einer elektronischen Steuerungslogik 32 (Controller)
verarbeitet, die den ersten Phasenschieber 25 über die
Steuerungsleitung 33 ansteuert. Als Phasenschieber 25, 29 können beispielsweise
thermooptische Abstimmelemente verwendet werden, die auf dem integrierten
optischen Substrat des Combiners untergebracht sind.
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Wenn
die elektronische Steuerungslogik 32 zwischen den Eingangssignalen 21 und 22 eine
andere Phasenverschiebung als diejenige erkennt, die mit dem einstellbaren
zweiten Phasenschieber 29 gewählt wurde, regelt der gesteuerte
erste Phasenschieber 25 seine Phasenverschiebung so nach,
daß sich
die gewünschte
Phasenkorrelation zwischen diesen beiden Signalen einstellt (oder
wieder einstellt). Mit dem einstellbaren zweiten Phasenschieber 29 läßt sich
ein beliebiger, konstanter und von null verschiedener Wert der optischen
Phase einstellen. Ein Wert von 180° kann für ein Modulationsformat mit unterdrücktem Träger gewählt werden
(Phasendifferenz von 0° und
180° zwischen
Ausgangsbits). Mit den erfindungsgemäßen Mitteln ist die Phase des
unteren Signals in Leitung 26 starr mit der des oberen Signals
in der Eingangsleitung 23 gekoppelt.
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Die
an der Eingangsleitung 23 und der Leitung 26 vorhandenen
Signale haben gemäß der Erfindung
die gewünschte
Phasenkorrelation erreicht. In der in 2 dargestellten
Ausführungsform schaltet
die Leitung 26 auf eine Verzögerungsleitung 34 um.
Die zugehörige
Verzögerungszeit
der Verzögerungsleitung 34 entspricht
typisch einer Bitperiode des gemultiplexten Signals (mit M Gbit/s),
kann aber – falls
gewünscht – auch einstellbar
gemacht werden. Die Signale der Verzögerungsleitung 34 und
der Eingangsleitung 23 werden auf einen 1:1-Signalkoppler 35 gegeben,
an dessen Eingang die beiden Signale verschachtelt werden. Der 1:1-Signalkoppler 35 erzeugt
das gemultiplexte Signal 36 mit einer Bitrate von M Gbit/s.
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3 zeigt
eine Variante des Combinerteils des erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexers aus 2. Hier wurde die auf die Leitung 26 folgende
Verzögerungsleitung 34 entfernt
und statt dessen eine Verzögerungsleitung 37 in
die Referenzleitung 28 eingefügt. Auf diese Weise lassen
sich die Bitpositionen der Referenzsignale in den Referenzleitungen 27 und 28 einstellen,
bevor ihre Phasen im 1:1-Referenzkoppler 30 verglichen
werden.
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4 zeigt
eine weitere Variante des Combinerteils des erfindungsgemäßen optischen
Zeitmultiplexers aus 2. Sie beinhaltet sowohl eine
Verzögerungsleitung 34 in
der Leitung 26 als auch eine Verzögerungsleitung 37 in
der Referenzleitung 28. Während die Verzögerungsleitung 37 die
Einstellung der Bitpositionen der Referenzsignale in den Referenzleitungen 27 und 28 vor
dem Vergleichen ihrer Phasen in dem 1:1-Referenzkoppler 30 gestattet,
gestattet die Verzögerungsleitung 34 die
Einstellung der Bitpositionen des oberen und des unteren Signals, bevor
diese auf den Eingang des 1:1-Signalkopplers 35 gelangen.
Letzterer ist insbesondere erforderlich, wenn die Bitpositionseinstellung
(also die Zeitverzögerung)
der verschiedenen Eingangsdatenströme (Signale) zwischen der Signalmodulation
in den Modulatoren 13a–13d und
der Übergabe
an den Combiner 16 des optischen Zeitmultiplexers nicht
oder nur unvollständig
durchgeführt
wurde. Für
einen 2:1-Multiplexer beträgt
die Zeitverzögerung
zwischen den beiden Eingangssignalen typisch eine halbe Bitperiode
der Eingangssignale.