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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Modulation eines optischen
Signals und einen optischen Sender zur Durchführung des Verfahrens.
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In
der Literatur sind mehrere Verfahren zur Modulation optischer Übertragungssignale
bekannt. Eines der bekanntesten ist die Technik der Modulation ohne
Rückkehr
zu Null (NRZ; "Non-Return
to Zero"), die in 2 dargestellt ist. Beim NRZ-Verfahren wird
jedes logische Bit (logisch "1"-Impuls) mit einer Pulsweite
gleich der vollen Bitperiode T = 1/B übertragen, wobei B die Bitrate
ist, bei der die Impulse zu übertragen
sind (in Bit/s).
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2a stellt
ein Diagramm der Intensität (durchgehende
Linie) und der Phase (gestrichelte Linie) eines typischen NRZ-modulierten
optischen Signals eines Bitsignals von 16 aufeinander folgenden Bits
mit drei Paaren aufeinander folgender "1"-Bit-Impulse
dar. Die Intensität
des optischen Signals zwischen zwei aufeinander folgenden "1"-Impulsen jedes Paars bleibt konstant
und kehrt nicht zu Null zurück. 2b stellt
das optische Spektrum des optischen NRZ-Signals von 2a dar.
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2c stellt
in schematischer Form die häufigste
Methode zur Erzeugung eines optischen NRZ-Signals dar: Eine Laserquelle 1 erzeugt
ein optisches Dauerstrichsignal (Trägersignal), das durch ein elektrisches
NRZ-Bitsignal mit der Bitrate B in einem folgenden ersten Mach-Zehnder-Modulator 2 moduliert
wird. Der Modulator 2 wandelt das elektrische Bitsignal
in eine Intensitätsmodulation
des optischen Signals um, sodass ein optisches Ausgangssignal des
NRZ-Typs erzeugt wird.
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3 zeigt das Modulationsverfahren mit Rückkehr zu
Null (RZ, "Return
to Zero") als alternative
Möglichkeit
zur Modulation eines optischen Signals. Beim RZ-Verfahren kehrt die Intensität des optischen
Signals zwischen zwei aufeinander folgenden "1"-Impulsen
zu Null zurück,
vgl. 3a. Infolgedessen ist die Pulsweite nicht länger gleich
der vollen Bitperiode T. Die Bandbreite des optischen Spektrums
des optischen RZ-Signals, die in 3b dargestellt
ist, ist breiter als diejenige des optischen NRZ-Signals von 2b.
Die häufigste
Methode zur Erzeugung eines RZ-Signals wird in 3c dargestellt.
Zuerst wird ein NRZ auf die in 2c dargestellte
Weise erzeugt, und anschließend
tritt das NRZ-Signal in einen zweiten Mach-Zehnder-Modulator 3 ein,
an den ein sinusförmiges
elektrisches Signal angelegt wird, wodurch eine sinusförmige Intensitätsmodulation
des NRZ-Signals mit einer Informationsfrequenz (in Hz) erzeugt wird,
die der Bitrate B (in Bits) entspricht. Infolgedessen wird das NRZ-Eingangssignal
des zweiten Modulators 3 in ein RZ-Ausgangssignal umgewandelt.
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Bei
einer Kanalrate von 40 Gb/s haben zahlreiche Studien gezeigt, dass
[die Methode,] von den oben beschriebenen herkömmlichen Modulationstechniken
auszugehen, die nur auf der Intensitätsmodulation beruhen, ein leistungsfähiges Mittel ist,
um Ausbreitungsbeeinträchtigungen
zu beherrschen und dadurch die Spielräume des Systems auszuweiten.
Unter diesen Beeinträchtigungen
stellen nichtlineare Effekte innerhalb des Kanals anerkanntermaßen bei
40 Gb/s den größten Nachteil
dar.
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Beim Übergang
in eine (inhärent
dispersive) Lichtwellenleiterverbindung wird ein optischer Impuls innerhalb
eines gegebenen Wellenlängenmultiplex-(WDM)Kanals
verbreitert und neigt, falls er von benachbarten Impulsen umgeben
sein sollte, dazu, diese zu überlagern.
Infolgedessen treten musterabhängige
Interaktionen auf. Diese Interaktionen können durch die Impulskompression
nicht vollständig rückgängig gemacht
werden, da sie nichtlinear sind. Sie werden normalerweise als kanalinterne
nichtlineare Effekte bezeichnet.
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Mehrere
Modulationsformate sind wegen ihrer hervorragenden Festigkeit gegenüber nichtlinearen
Effekten im Vergleich zu herkömmlichen
intensitätsmodulierten
RZ-(mit Rückkehr
zu Null) und NRZ-(ohne Rückkehr
zu Null)Verfahren lobend erwähnt
worden. Eine grundlegende Lösung
gegen kanalinterne Effekte besteht darin, die Impulsverbreiterung
einzudämmen,
was durch die Kombination von Intensitäts- und Phasenmodulation erreicht
werden kann.
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Das
in 4 dargestellte CSRZ ("Carrier-Suppressed
RZ") wurde zu diesem
Zweck vorgeschlagen. In diesem Format wird die Phase jedes Bits eines
RZ-Signals um π gedreht,
siehe 4a (gestrichelte Linie). Das
optische Spektrum des CSRZ-Signals
ist in 4b dargestellt.
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Eine
herkömmliche
Vorrichtung zur Erzeugung eines CSRZ-Signals ist in 4c dargestellt, die
der in 3c dargestellten ähnlich ist.
Im Gegensatz zu 3c weist das sinusförmige Signal,
das den Modulator steuert, die halbe Informationsfrequenz auf, sodass
sowohl Frequenz als auch Phase eines NRZ-Eingangssignals vom ersten
Modulator 2 geändert
werden. Darüber
hinaus ist der zweite Mach-Zehnder-Modulator 3 vorzugsweise,
jedoch nicht notwendigerweise, ein zweiarmiger Modulator. In der
zweiarmigen Konfiguration wird das Sinussignal mit der Hälfe der
Frequenz, die der Bitrate B entspricht, an beide Arme angelegt.
Obwohl es besser als RZ ist, ist das CSRZ-Verfahren nicht sehr wirksam
gegen kanalinterne nichtlineare Effekte.
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Eine
weitere Lösung
besteht darin, eine sinusförmige
Phase auf ein RZ-Signal anzuwenden, um CRZ-Signale ("Chirped RZ") zu erzeugen; CRZ geht
jedoch mit einer erhöhten
Spektralbreite des Kanals einher, die jenseits dessen liegt, was
für WDM-Anwendungen
mit 40 Gb/s akzeptabel ist.
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Noch
ein weiteres Verfahren zur Abschwächung der kanalinternen nichtlinearen
Effekte ist das in 5 dargestellte
PAPRZ ("Pair-wise
Alternate Phase RZ"),
das im Grundsatz ähnlich
wie CSRZ ist, jedoch mit einer Phasenrotation um π bei jedem zweiten
Bit statt bei jedem Bit; siehe hierzu 5a zur
Phasenrotation und 5b zum optischen Spektrum. Eine
herkömmliche
Vorrichtung zur Erzeugung eines PAPRZ-Signals wird in 5c dargestellt.
Das Verfahren umfasst die in 3c dargestellte
Anordnung zur Erzeugung eines RZ-Signals, gefolgt von einem dritten
Modulator 4 zur Erzeugung einer Phasenverschiebung jedes
zweiten Bits des RZ-Signals, auf
das ein rechteckähnliches
Taktsignal mit einer Frequenz gleich einem Viertel der Informationsfrequenz
B angewendet wird. Das PAPRZ-Verfahren ist wirksamer gegen kanalinterne
Effekte als CSRZ, hat jedoch den Nachteil, dass drei Modulatoren 2, 3, 4 benötigt werden.
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Es
gibt noch weitere Ansätze
zur Rotation der Phase eines optischen Signals in einer stärker zufallsabhängigen (musterabhängigen)
Weise, z. B. die Familie der Phasendifferenzmodulation (DPSK, für "Differential Phase
Shift Keying"),
namentlich DPSK mit Rückkehr
zu Null (RZ-DPSK) oder DPSK ohne Rückkehr zu Null (NRZ-DPSK). Der Nachteil der
Modulationstechniken aus der DPSK-Familie besteht darin, dass ein
elektrischer Vorcodierer, ein temperaturstabilisierter Mach-Zehnder-Differentialdecodierer
und ein abgeglichener Empfänger
erforderlich sind. Ein weiteres Verfahren der musterabhängigen Phasenverschiebung
ist die so genannte Binärübertragung
mit geglättetem
Phasenverlauf (PSBT für "Phase Shaped Binary
Transmission"),
für deren
Anwendung ein elektrischer Vorcodierer und eine sorgfältige Steuerung
der HF-Signalkette erforderlich sind.
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Ein
System nach dem bisherigen Stand der Technik ist aus US 2002/0005975
bekannt.
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Gegenstand
der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist die Bereitstellung eines Modulationsverfahrens,
das besonders gegen nichtlineare kanalinterne Effekte wirksam ist,
sowie eines optischen Senders zur Durchführung des Verfahrens.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der obigen Beschreibung erreicht,
bei dem die Intensität
des optischen Signals mit einem NRZ-Bitsignal moduliert wird und
bei dem die Phase des optischen Signals mit einem periodischen Phasenverschiebungssignal
moduliert wird, das für
jedes zweite, dritte oder weitere folgende Bit eine alternierende
Phasenverschiebung um π erzeugt.
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Alle
oben beschriebenen Lösungen
sind entweder nicht so leistungsfähig oder erfordern kostspieligere
Erzeugungstechniken als die Erfindung. Das Verfahren der Erfindung
verbindet den größten Teil
der hervorragenden Festigkeit des PAPRZ-Verfahrens gegenüber kanalinternen Effekten
mit der relativen Einfachheit des CSRZ-Verfahrens.
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Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass die Reihenfolge der Schritte des Verfahrens
gemäß der Erfindung
umgekehrt werden kann, d.h., dass das Verfahren gemäß der Erfindung
auch durchgeführt werden
kann, indem zuerst die Phase des optischen Signals mit einer Phasenverschiebung
um π für jedes zweite,
dritte usw. Bit moduliert wird und anschließend die Intensität des optischen
Signals mit einem NRZ-Bitsignal
moduliert wird.
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In
einer bevorzugten Variante erzeugt das Phasenverschiebungssignal
jedes zweite Bit eine alternierende Phasenverschiebung um π, wodurch
ein optisches NRZ-Signal
mit paarweise alternierender Phase (PAPNRZ) entsteht. Das PAPNRZ-Modulationsverfahren
ist dadurch besonders vorteilhaft, dass die Komplexität des PAPNRZ-Erzeugungsverfahrens ähnlich derjenigen
der RZ- und CSRZ-Formate ist, jedoch geringer als die des PAPRZ-Formats.
Das PAPNRZ-Spektrum ist fast so schmal wie das von NRZ, was nahelegt,
dass Anwendungen mit hoher Spektraldichte erreicht werden können (größer als
0,4 Bit/s/Hz, Obergrenze ist noch zu definieren). Die Intensität der Wellenform
des optischen PAPNRZ-Signals liegt zwischen der Intensität eines
NRZ-Signals und eines RZ-Signals.
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Die
Erfindung wird auch in einem optischen Sender zur Durchführung des
obigen Verfahrens ausgeführt;
er umfasst einen ersten Modulator, der die Intensität des optischen
Signals mit einem NRZ-Bitsignal moduliert, und einen zweiten Modulator,
der die Phase des optischen Signals mit einem periodischen Phasenverschiebungssignal
moduliert, das jeweils jedes zweite, dritte oder weitere folgende Bit
eine alternierende Phasenverschiebung um π erzeugt.
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Die
Modulation kann unter Verwendung von nur zwei in Kaskade geschalteten
Modulatoren durchgeführt
werden. Der erste Modulator erzeugt ein optisches NRZ-Signal aus einem
kontinuierlichen optischen Signal, und der zweite sorgt für den Phasenwechsel
um π bei
aufeinander folgenden Bits des Signals. Das optische Signal kann
zuerst den ersten Modulator und anschließend den zweiten Modulator durchlaufen
oder umgekehrt.
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In
einer stark bevorzugten Ausführungsform moduliert
der zweite Modulator die Phase des optischen Signals mit einem Phasenverschiebungssignal,
das jeweils jedes zweite Bit eine alternierende Phasenverschiebung
um π erzeugt.
Das auf diese Weise erzeugte PAPNRZ-modulierte Signal hat die weiter
oben erwähnten
vorteilhaften Eigenschaften.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird der erste Modulator mit der Bitrate mit einem elektrischen NRZ-Bitsignal
gespeist. Die Bitrate B für
eine Übertragung
von Informationsdaten mit 40 GBit/s beträgt 43 GBit/s, wenn der üblichste
Kopfteil (Overhead) mit Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC) eingeschlossen ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der zweite Modulator mit mindestens einem rechteckartigen Phasenverschiebungssignal
mit wenigstens einem Viertel der Informationsfrequenz getaktet.
Bei einer Übertragung
mit 40 GBit/s beträgt
die Informationsfrequenz des Phasenverschiebungssignals 40 GHz/4
= 10 GHz (Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)
nicht eingeschlossen).
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In
einer weiteren Ausführungsform
liefert eine kontinuierliche Lichtquelle, insbesondere eine Laserquelle,
das optische Signal. Die Laserquelle erzeugt ein optisches Dauerstrichsignal
als Trägersignal.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
entsprechen der erste und/oder der zweite Modulator dem Mach-Zehnder-Typ,
welches ein Typ ist, der vorteilhaft in Anwendungen mit hoher Bitrate
eingesetzt wird.
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In
einer stark bevorzugten Ausführungsform ist
der zweite Modulator ein zweiarmiger Mach-Zehnder-Modulator. Der
zweiarmige Mach-Zehnder-Modulator besitzt im wesentlichen dieselbe
Transferfunktion wie ein einarmiger Modulator, der erforderliche
Spannungshub ist jedoch zweimal so klein (weil er in zwei [Arme]
unterteilt ist). Der doppelarmige Ansatz ist besonders nützlich,
wenn die Elektronik noch nicht genug ausgereift ist, um eine ausreichend
hohe Spannung mit guten Eigenschaften bereitzustellen, z.B. bei
heutigen Bitraten von ungefähr
40 GBit/s.
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Weitere
Vorteile können
der Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung entnommen werden. Die oben und weiter unten erwähnten Merkmale
können
im Einklang mit der Erfindung entweder einzeln oder gemeinsam in
jeder beliebigen Kombination genutzt werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind
nicht als erschöpfende
Aufzählung
zu verstehen, sondern sie haben vielmehr beispielhaften Charakter
für die
Beschreibung der Erfindung.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt.
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1 stellt eine typische 16-Bit-Intensitäts-/Phasen-Wellenform
(1a) und das optische Spektrum (1b)
eines optischen NRZ-Signals mit paarweise alternierender Phase (PAPNRZ)
dar, das nach einer Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung erzeugt wird,
und umfasst auch eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
des optischen Senders gemäß der Erfindung
(1c);
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2 zeigt eine entsprechende Darstellung für ein optisches
NRZ-Signal (ohne Rückkehr
zu Null);
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3 zeigt eine entsprechende Darstellung für ein optisches
RZ-Signal (mit Rückkehr
zu Null);
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4 zeigt eine entsprechende Darstellung für ein optisches
CSRZ-Signal (mit Trägerunterdrückung und
Rückkehr
zu Null);
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5 zeigt eine entsprechende Darstellung für ein optisches
PAPRZ-Signal (mit paarweise alternierender Phase und Rückkehr zu
Null);
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6 zeigt
vier Diagramme, in denen der Q-Faktor über der Eingangsleistung der
optischen Signale aufgetragen ist, die mit dem PAPNRZ-, dem NRZ-,
dem RZ- und dem CSRZ-Modulationsverfahren erzeugt wurden.
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1c stellt
einen optischen Sender dar, der eine Laserquelle 1 umfasst,
auf die ein erster und ein zweiter Mach-Zehnder-Modulator 2, 3 folgen.
Die Laserquelle 1 erzeugt ein optisches Dauerstrichsignal, dessen
Intensität
im ersten Mach-Zehnder-Modulator 2 mit
einem elektrischen NRZ- (ohne Rückkehr
zu Null) Bitsignal moduliert wird, das eine Bitrate von B = 40 GBit/s
aufweist (Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC) nicht eingeschlossen), die der Bitrate einer (nicht dargestellten),
sich daran anschließenden
optischen Übertragungsleitung
entspricht. Das Ausgangssignal des ersten Modulators 2 ist
das in 2a dargestellte optische NRZ-Signal.
Das optische NRZ-Signal dient als Eingang für den zweiten zweiarmigen Mach-Zehnder-Modulator 3.
Der zweite Modulator 3 moduliert die Phase des optischen
NRZ-Signals, indem
er an jeweils jedem zweiten Bit des optischen NRZ-Signals eine alternierende
Phasenverschiebung um π erzeugt.
Zwischen aufeinander folgenden Bitpaaren wird ein Phasensprung von ± π ausgeführt, sodass
aufeinander folgende Bitpaare eine alternierende Phasenfolge von
0, π, 0, π usw. aufweisen.
Die Phasenverschiebung wird erzeugt, indem beide Arme des zweiten
Mach-Zehnder- Modulators 3 mit einem
Taktsignal mit einer Frequenz getaktet werden, die gleich einem
Viertel der Informationsfrequenz B ist (d.h., 40/4 = 10 GHz, Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC) nicht eingeschlossen). Das auf diese Weise im zweiten Mach-Zehnder-Modulator 3 erzeugte
Ausgangssignal ist ein optisches Signal mit paarweise alternierender
Phase ohne Rückkehr
zu Null (PAPNRZ).
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Von
dem ersten Mach-Zehnder-Modulator 2 von 1c wird
angenommen, dass er Chirp-frei ist. Der zweite Mach-Zehnder-Modulator 3 von 1c ist
ein zweiarmiger Modulator mit einer Gesamtsteuerspannung von 2 Vπ,
und zwar unabhängig
von der tatsächlichen
Bauweise des Mach-Zehnder-Modulators (ein- oder zweiarmige Konfiguration).
Selbstverständlich
ist das in 1c dargstellte Verfahren zur Erzeugung
von PAPNRZ-Signalen nur eines von mehreren möglichen Erzeugungsverfahren
für dieses
Format. Als Alternative besteht die Möglichkeit, eine Phasenverschiebung
um π nur
jedes dritte, vierte, usw. Signal durchzuführen.
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Die
Eigenschaften des in der oben beschriebenen Weise erzeugten PAPNRZ-Signals sind in 1a und 1b dargestellt.
Die Intensität
der Wellenform des optischen PAPNRZ-Signals liegt zwischen der Intensität eines
NRZ-Signals und eines RZ-Signals. Das PAPNRZ-Spektrum ist fast so schmal
wie das von NRZ, was nahelegt, dass Anwendungen mit hoher Spektraldichte
erzielt werden können.
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Die
Leistung des PAPNRZ-Verfahrens wird in 6 mit anderen
Verfahren verglichen; in dieser Figur ist der berechnete Q-Faktor
(in dB) nach 1.500 km über
eine Einmodenfaser (SMF für "Single Mode Fiber") für ein optisches
PAPNRZ-, NRZ-, RZ- und CSRZ-Signal (Vorkompensation und Nachkompensation
optimiert, Kompensationsverhältnis
in der Leitung pro Abschnitt = 97 %) in Abhängigkeit von der Leitung am
Fasereingang dargestellt (in dBm) (hierbei werden sowohl Rausch- als auch nichtlineare
Effekte berücksichtigt).
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Man
kann sehen, dass die optimale Leistung für ein PAPNRZ-Signal ungefähr 2 dB
höher ist
als diejenige eines NRZ-, RZ- und CSRZ-Signals, was die hervorragende
Festigkeit des PAPNRZ-Formats gegenüber nichtlinearen Effekten
veranschaulicht. Dieses Merkmal äußert sich
in einem Spielraum des Q-Faktors, der im Vergleich zu den RZ- und
CSRZ-Formaten um mehr als 1 dB und im Vergleich zum NRZ-Format um
1,5 dB verbessert ist.
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In
jedem Fall ist in 6 die Ausbreitung nur eines
einzigen Kanals eines WDM-Signals simuliert. Zahlreiche Studien
haben jedoch gezeigt, dass das nichtlineare Nebensprechen in WDM-Systemen
bei 40 GBit/s vernachlässigbar
ist, was zu dem Schluss führt,
dass die Kurven von 6 ohne weiteres auf eine WDM-Umgebung
angewendet werden können.