DE69220168T2

DE69220168T2 - Optische Kommunikationssysteme

Info

Publication number: DE69220168T2
Application number: DE69220168T
Authority: DE
Inventors: Anagnostis Hadjifotiou
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: AU2358792A; EP0534644A2; JPH05304502A; AU658919B2; GB2260046A; EP0534644B1; EP0534644A3; GB2260046B; DE69220168D1; GB9120495D0; US5572351A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Kommunikationssysteme und insbesondere auf optische Kommunikationssysteme, die optische Verstärker einschließen.
Optische Kommunikationssysteme, bei denen Daten zwischen Sender- und Empfänger-Endgeräten über optische Verbindungsstrecken, insbesondere Lichtwellenleiterstrecken übertragen werden, können optische Verstärker oder Lichtverstärker, die beispielsweise durch Halbleiterbauteile oder mit Erbium dotierte Silica-Fasern gebildet sind, in den optischen Verbindungsstrecken verwenden. Die Verwendung eines optischen Verstärkers vergrößert die Empfindlichkeit des optischen Empfängers am Empfänger-Endgerät. Das Ausmaß der Verbesserung hängt von dem Ausmaß der optischen Filterung ab, die zwischen dem optischen Verstärker (auch als optischer Vorverstärker bekannt) und dem Empfänger verwendet wird. Im Prinzip ist die Empfindlichkeitsverbesserung um so höher, je schmaler das Filter ist. Die Verwendung von optischen Schmalbandfiltern hat jedoch zwei Nachteile. Der erste besteht in den Anforderungen, die sich hinsichtlich der Auswahl der Sender-Laserwellenlänge ergeben, und der zweite besteht in den Anforderungen, die an die Stabilität der übertragenen wellenlänge mit der Zeit über die Lebensdauer des Systems gestellt werden.
Eine Lösung des Problems der Frequenznachführung in einem optischen übertragungssystem ist in der DE-A1-38 28 200 erläutert, die ein System beschreibt, bei dem ein einstellbares Filter dazu verwendet wird, einen optischen Kanal aus einer Anzahl von in wellenlängen-Multiplex betriebenen optischen Kanälen auszuwählen.
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Sender und einem optischen Empfänger geschaffen, das einen zwischen diesen in Serie angeordneten optischen Verstärker (3) und ein optisches Bandpaßfilter einschließt, wobei die Daten von dem Sender zum Empfänger übertragen werden und das System Einrichtungen einschließt, durch die ein optisches Pilot-Trägersignal den zu übertragenden Signalen himzugefügt wird, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz des optischen Pilot- Trägersignals oberhalb oder unterhalb des von den Daten eingenommenen Frequenzbandes liegt, und daß Steuereinrichtungen, durch die die Position des Durchlaßbereichs des optischen Filters in Abhängigkeit von der empfangenen optischen Pilot- Trägersignalfrequenz einstellbar ist, und Einrichtungen vorgesehen sind, durch die das empfangene Pilot-Trägersignal differentiell an dem Empfänger vom Ausgang des optischen Filters detektiert, verstärkt, zur Beseitigung von durch die Detektion erzeugten Hochfrequenzsignalkomponenten gefiltert und den Steuereinrichtungen für das optische Bandpaßfilter derart zugeführt wird, daß die Position des Durchlaßbereichs Änderungen der übertragenen optischen Signalfrequenzen nachgeführt wird.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Sender und einem optischen Empfänger geschaffen, das einen in Serie zwischen diesen angeordneten optischen Verstärker und ein optisches Bandpaßfilter einschließt, wobei die Daten von dem Sender zum Empfänger übertragen werden und das System Einrichtungen einschließt, durch die ein optisches Pilot-Trägersignal den zu übertragenden Daten hinzugefügt wird, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz des optischen Pilot-Trägersignals oberhalb oder unterhalb des von den Daten eingenommenen Frequenzbandes liegt, und daß der optische Verstärker und das optische Bandpaßfilter in einem optischen Leitungszwischenverstärker enthalten sind, der weiterhin Steuereinrichtungen, durch die die Position des Durchlaßbereiches des optischen Filters in Abhängigkeit von der Frequenz des empfangenen optischen Pilot-Trägersignals einstellbar ist, und Einrichtungen einschließt, durch die das Pilot-Trägersignal an dem Ausgang des optischen Filters detektiert, verstärkt, zur Entfernung von durch die Detektion erzeugten Hochfrequenzsignalen gefiltert und den Steuereinrichtungen für das optische Bandpaßfilter zugeführt wird, wobei die Steuereinrichtungen zur Änderung der Frequenz des maximalen Ansprechverhaltens des optischen Filters derart dienen, daß sie mit der des übertragenen optischen Pilot-Trägersignals übereinstimmt, so daß die Position des Durchlaßbereichs Änderungen der übertragenen Frequenz nachgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 schematisch ein grundlegendes System zeigt, das die vorliegende Erfindung verwendet, und
Figur 2 schematisch einen Teil eines weiteren Systems zeigt, das die vorliegende Erfindung verwendet.
Das in Figur 1 gezeigte grundlegende optische Kommunikationssystem umfaßt einen optischen Sender (Laser 1), eine optische Übertragungsstrecke 2, die einen optischen Vorverstärker 3 und ein optisches Filter 3 in Serie einschließt, und einen Empfänger, der einen Photodetektor 5 einschließt. Um die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen, ist ein adaptives optisches Teilsystem vorgesehen, das sicherstellt, daß das optische Filter 4 einen von dem optischen Sender verwendeten optischen Pilot-Träger erfaßt und diesem nachfolgt. Die Konstruktion und die Betriebsprinzipien dieses Teilsystems werden nunmehr beschrieben.
Der Sender fügt einen Pilot-Träger oder ein Pilotsignal den zu übertragenden Daten hinzu. Die Frequenz des Pilotträgers ist so gewählt, daß sie unterhalb oder oberhalb des von den Daten eingenommenen Frequenzbandes liegt. Die Daten- und Pilotsignale werden zwischen dem Sender und dem Empfänger übertragen und können durch zwischen diesen angeordnete (nicht gezeigte) Verstärker verstärkt werden, bevor sie den optischen Vorverstärker 3 erreichen. Nach dem Durchlaufen des optischen Filters 4 wird das Pilotsignal differentiell von dem den Verstärker 5 einschließenden Empfänger detektiert und in dem Verstärker AM1 verstärkt. Die empfangenen Daten werden von dem Verstärker AM2 verstärkt, der der ein geringes Rauschen aufweisende Verstärker des optischen Empfängers ist. Nach dem Verstärker AM1 wird das Pilotsignal entweder gefiltert und gleichgerichtet, oder es wird in der gezeigten Weise mit einer Überlagerungsbezugsfrequenz Wref gemischt, um synchron durch die quadratischen Detektoren 7 detektiert zu werden. Der Vorteil der synchronen Detektion gegenüber der nichtsynchronen Detektion besteht in der höheren Empfindlichkeit der ersteren. Nach einer dieser Operationen wird das Pilotsignal in einem Filter FL1 gefiltert und einem optischen Filter-Steuergerät 6 zugeführt, das entweder durch einen Computer oder durch speziell hierfür vorgesehene Elektronikschaltungen gebildet sein kann. Das Filter FL1 filtert die Hochfrequenzsignalkomponenten aus, die durch die (synchrone oder nichtsynchrone) Detektion erzeugt werden. Das optische Filter 4 ist ein optisches Filter mit fester Bandbreite, beispielsweise ein Mehrschichtinterferenzfilter. Bei einem derartigen Filter kann die Position des Durchlaßbereiches durch Einstellen des Einfallwinkels der ankommenden Strahlung eingestellt werden. Das Steuergerät 6 für das optische Filter verwendet das Ausgangssignal des Filters FL1 zur Erzeugung eines Signals, das die Frequenz (Wellenlänge) des maximalen Ansprechverhaltens des optischen Filters 4 derart ändert, daß sie mit der des übertragenen optischen Trägersignals übereinstimmt. Auf diese Weise stimmt die Position des Durchlaßbereiches des optischen Filters 4 immer mit dem übertragenen optischen Signal überein, und die Empfindlichkeit des Empfängers wird zu einem Maximum gemacht.
Diese Vorrichtung kann mit einem intensitätsmodulierten Format oder mit einem der kohärenten Modulationsformate verwendet werden, wie z.B. Frequenzumtastung, Phasenumtastung oder Amplitudentastung. Weiterhin kann sie mit einem optischen Vorverstärker, wie vorstehend beschrieben, und/oder mit optischen Leitungsverstärkern (Figur 2) verwendet werden.
Eine ausführlichere Beschreibung einiger Aspekte der Erfindung erfolgt nunmehr unter Bezugnahme auf Figur 2, die sich auf eine optische Leitungsverstärkeranwendung bezieht. Eingangslicht wird dem optischen Verstärker 13 zugeführt, auf den ein optisches Filter 14 folgt, dessen optisches Ausgangssignal in Richtung auf einen entfernt angeordneten Empfänger übertragen wird. Das für die Filtersteuerung erforderliche Licht wird mit Hilfe eines Faserkopplers 15 abgezapft, wie dies dargestellt ist, doch ist dies nicht die einzige Möglichkeit. Die Filtersteueranordnung nach Figur 2 ist die gleiche, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, und sie umfaßt einen Photodetektor 16, Detektoreinrichtungen unter Einschluß eines Quadratdetektors 7 am Ausgang des Filters 18, ein Filter 19 und einen Computer oder eine ausschließlich hierzu bestimmte Elektronik, die das Steuergerät 20 für das optische Filter bilden.
Zwei Betriebsphasen der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnungen können unterschieden werden: Trägererfassung und Trägernachführung. Diese Betriebsarten werden nunmehr anhand der Figur 2 beschrieben.
In der Trägererfassungsphase fällt der Spitzenwert des Durchlaßbereich-Ansprechverhaltens des optischen Filters 14 nicht mit der übertragenen Wellenlänge zusammen, und das Eingangssignal an den Verstärker 18 ist Null. Unter diesen Bedingungen leitet das Steuergerät 20 für das optische Filter eine Suche in dem Sinne ein, daß die Position des Durchlaßbereiches des optischen Filters 14 unter der Steuerung geändert wird, und das Ausgangssignal des Filters 19 wird kontinuierlich überwacht. Wenn die Position des Durchlaßbereichs des optischen Filters 14 mit dem übertragenen Trägersignal zusammenfällt, so vergrößert sich das Ausgangssignal von dem Filter 19, und dies zeigt dem Steuergerät 20 an, daß der optische Träger innerhalb des dann vorliegenden Durchlaßbereiches des optischen Filters 14 liegt. An dieser Stelle wird die Erfassungsphase abgeschlossen, das Suchen wird gestoppt und die Nachführung beginnt. Während der Nachführphase werden irgendwelche kleinen Änderungen der Trägerwellenlänge (Frequenz) von dem Steuergerät kompensiert, das unter Verwendung des Ausgangssignals des Filters 19 für Fehler an das optische Filter 14 gibt, um den Änderungen der Träger-(Pilot-) Wellenlänge zu folgen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß ein Pilot-Träger den Daten hinzugefügt wird, und daß beide über einen optischen Pfad übertragen werden. An dem Empfänger wird nach einem optischen Vorverstärker oder einfach nach einem Leitungs- Zwischenverstärker der Pilot-Träger detektiert und ein von dem detektierten Pilot-Träger angesteuertes Steuersystem stellt sicher, daß die Position des Durchlaßbereiches eines optischen Filters zwischen dem Vorverstärker (oder dem Leitungs-Zwischenverstärker) und einem optischen Empfänger mit dem übertragenen optischen Trägersignal zusammenfällt.
Die Verwendung einer Nachführ-Filteranordnung wie vorstehend beschrieben macht die Auswahl von Lasern für optische Syteme unter Verwendung von optischen Verstärkern sehr einfach, und weiterhin benötigt der Sender keine Frequenzstabilisierung.

Claims

1. Optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Sender (1) und einem optischen Verstärker (5), zwischen denen ein optischer Verstärker (3) und ein optisches Bandpaßfilter (4) in Serie angeordnet sind, wobei Daten von dem Sender zum Empfänger übertragen werden, und mit Einrichtungen, durch die ein optisches Pilot-Trägersignal den zu übertragenden Daten hinzugefügt wird, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz des optischen Pilot-Trägersignals oberhalb oder unterhalb des von den Daten eingenommenen Frequenzbandes liegt, und daß Steuereinrichtungen (6), durch die die Position des Durchlaßbereiches des optischen Filters (4) in Abhängigkeit von der Frequenz des empfangenen optischen Pilot-Trägersignals einstellbar ist, und Einrichtungen vorgesehen sind, durch die das empfangene Pilot-Trägersignal differentiell an dem Empfänger (5) von dem Ausgang des optischen Filters (4) detektiert, verstärkt (AM1), zur Beseitigung von durch die Detektion erzeugten Hochfrequenzsignalkomponenten gefiltert (FL1) und den Steuereinrichtungen (6) für das optische Bandpaßfilter zugeführt wird, derart, daß die Position des Durchlaßbereiches Änderungen der übertragenen optischen Signalfrequenz nachfolgt.

2. Optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Sender (1) und einem optischen Empfänger (5), zwischen denen ein optischer Verstärker (13) und ein optisches Bandpaßfilter (14) in Serie angeordnet sind, wobei Daten von dem Sender zum Empfänger übertragen werden, und mit Einrichtungen, durch die ein optisches Pilot-Trägersignal den zu übertragenden Daten hinzugefügt wird, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenz des optischen Pilot-Trägersignals oberhalb oder unterhalb des von den Daten eingenommenen Frequenzbandes liegt, und daß der optische Verstärker und das optische Bandpaßfilter in einem optischen Leitungszwischenverstärker eingeschlossen sind, der weiterhin Steuereinrichtungen (20), durch die die Position des Durchlaßbereiches des optischen Filters (14) in Abhängigkeit von der Frequenz des empfangenen optischen Pilot-Trägersignals einstellbar ist, und Einrichtungen einschließt, durch die das Pilot-Trägersignal am Ausgang des optischen Filters 14 detektiert (16), verstärkt (18), zur Beseitigung von durch die Detektion erzeugten Hochfrequenzsignalkomponenten gefiltert (19) und den Steuereinrichtungen (20) für das optische Bandpaßfilter zugeführt wird, wobei die Steuereinrichtungen zur Änderung der Frequenz des maximalen Ansprechverhaltens des optischen Filters (14) derart dienen, daß diese Frequenz mit der Frequenz des übertragenen optischen Pilot-Trägersignals übereinstimmt, derart, daß die Position des Durchlaßbereichs Änderungen der übertragenen Frequenz folgt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das detektierte Pilot-Trägersignal vor der Filterung gefiltert und gleichgerichtet wird.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das detektierte Pilot-Trägersignal vor der Filterung mit einer überlagerungs-Bezugsfrequenz gemischt wird.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärker ein Halbleiterbauteil ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärker eine mit Erbium dotierte Silica-Faser ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter ein Mehrschicht- Interferenzfilter oder ein anderes Filter ist, dessen Bandpaßposition einstellbar ist.

8. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter, die Detektionseinrichtungen, die Verstärkereinrichtungen, die Filtereinrichtungen und die Steuereinrichtungen ein Nachführfilter bilden, das dazu dient, um automatisch zu Anfang das Trägersignal zu erfassen und dann dem Trägersignal nachzufolgen.