DE4430821A1

DE4430821A1 - Optische Kommunikationsvorrichtung

Info

Publication number: DE4430821A1
Application number: DE4430821A
Authority: DE
Inventors: Naoya Henmi
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1995-03-02
Also published as: AU683278B2; JPH0764131A; AU7161394A; US5675428A

Description

Die Erfindung betrifft optische Kommunikation bzw. Nachrichtentechnik und insbesondere optische Kommunikation mit hoher Bitrate und Langstrecken-Fernleitungen.

In einem optischen Kommunikationssystem laufen heute intensitätsmodulierte Lichtsignale, die in einem Halbleiter laser direkt moduliert werden, durch eine optische Faser in einem Kabel und werden von einer Lichtempfangsvorrichtung mit fotoelektrischen Umwandlungsvorrichtungen auf einer Empfangs seite eines Kabels empfangen. Solche Systeme werden für optische Kommunikation in Fernleitungen angewendet und als Kommunikationsvorrichtungen für Datenübertragungssysteme für lange Strecken und große Kapazitäten verwendet. Ein System mit einer Datenrate von etwa 500 Mb/s ist z. B. in die Praxis umgesetzt worden für Datenübertragung über Strecken von über 150 km ohne Verstärker bzw. Repeater. Außerdem sind Forschun gen und Entwicklungen über Datenübertragungssysteme mit extrem großen Kapazitäten, z. B. 10 Gb/s, mit Erfolg durchgeführt worden. Dies wird z. B. in einem Fachbericht berichtet, nämlich in Fujita et al. "10 Gb/s, 100 km optical fiber transmission experiment using high-speed MQW DFB-LD and back-illuminated GaInAs APD", der in Elektronics Letters, Bd. 25, Nr. 11, 1989, Seite 702 bis 703 veröffentlicht ist.

Neuerdings wird optische Faserübertragung bzw. Glasfa serübertragung über lange Strecken, nämlich über eine Strecke von fast 10 000 km, intensiv erforscht und experimentell untersucht. Über eine dieser Studien wird z. B. berichtet in einem Fachbericht, nämlich H. Taga et al. "10 Gb/s, 9000 km IM- DD transmission experiments using 274 ER-doped fiber amplifier repeaters", der in Optical Fiber Communication Conference 1993, Postdate-line Paper PD-1, veröffentlicht worden ist. Bei diesem Experiment werden erbiumdotierte Fasern aufweisende op tische Verstärker als direkte optische Verstärker verwendet, die im 1,5-µm-Band ausgezeichnete Leistungen aufweisen.

Forschungen und Entwicklungen schreiten einerseits voran, wie oben beschrieben, und optische Kommunikation wird andererseits in verschiedenen Bereichen in die Praxis umge setzt. Bei der optischen Kommunikation in Fernleitungen arbeiten Systeme mit einer Datenrate von 2,5 Gb/s im 1,3-µm- Bereich. Der Mindestverlust der optischen Faser beträgt jedoch bei 1,5 µm naturgemäß 0,2 dB/km, und somit ist die Kommunika tion bei 1,5 Uni unter dem Aspekt der Langstreckenübertragung in Fernleitungen sehr zweckmäßig. Bei üblichen optischen Fasern mit "normaler Dispersion", die gegenwärtig verwendet werden, ist die Gruppengeschwindigkeitsdispersion bei 1,3 µm null, und große Gruppengeschwindigkeitsdispersion ist im 1,5- µm-Band vorhanden.

Dadurch sind die Verzerrungen von Signalwellen nach Übertragung groß, und die Übertragungsstrecke ist beträchtlich begrenzt.

Bei einer Datenübertragung von 10 Gb/s unter Verwendung eines optischen Transmitters mit einem Halbleiterlaser, der optische Signale direkt moduliert, ist eine Übertragungs strecke auf mehrere Kilometer beschränkt, und selbst unter Verwendung eines optischen Transmitters mit einem externen Modulator, der gegenwärtig intensiv erforscht und entwickelt wird, ist die Übertragungsstrecke auf 30 bis 40 km beschränkt.

Um solche Signalverzerrungen, die von Gruppenge schwindigkeitsdispersion verursacht werden, zu unterdrücken, ist die Verwendung von "auf 1,5 µm optimierten" Fasern, bei denen eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von Null in den 1,5-µm-Bereich verschoben ist, aussichtsreich. Die meisten installierten optischen Fasern in der Welt sind jedoch übliche Fasern mit "normaler Dispersion", und deshalb ist es nicht wirtschaftlich, die installierten Fasern durch "auf 1,5 µm optimierte" Fasern zu ersetzen. Folglich wird ein Fortschritt der Dispersionskompensationstechnologie, die die Dispersionen der installierten, üblichen optischen Fasern mit "normaler Dispersion" kompensiert, sehr erwartet. Mit Blick in die Zukunft wird angenommen, daß ein Ultramultiplex-Kommuni kationssystem mit "auf 1,5 µm optimierter" Einmodenfaser unter gleichzeitiger Verwendung von 1,3-µm- und 1,5-µm-Lichtwellen in naher Zukunft realisiert werden kann. Unter diesem Gesichtspunkt ist es wichtig, eine Dispersionskom pensationstechnologie für das oben erwähnte System zu entwickeln, weil eine "auf 1,5 µm optimierte" Faser im 1,3-µm- Bereich große Dispersion aufweist.

Als ein Verfahren zur Kompensation von Dispersion in einer Übertragungsleitung wird die Verwendung einer optischen Faser mit normaler Dispersion als Dispersionskom pensationsfaser vorgeschlagen und beschrieben, nämlich in H. Izadpanah et al., "Dispersion compensation for upgrading interoffice networks built with 1313 nm optimised SMFs using an equalized fiber, EDFAs and 1310/1550 mm WDM", der in Optical Fiber Communication Conference 1992, Postdate-line Paper PD- 15, veröffentlicht worden ist. Ein Disper sionskompensationsverfahren unter Verwendung eines Pre-Chirp- Signals bzw. sinusförmigen Signals mit schneller Frequenzänderung, das in einem optischen Transmitter erzeugt wird, ist beschrieben in N. Henmi et al., "A novel dispersion compensation technique for multi-gigabit transmission with normal optical fiber at 1.5 micron wavelength", das in Optical Fiber Communication Conf erence 1990, Postdate-line Paper PD-8, veröffentlicht worden ist.

Es gibt einen Vorschlag, nämlich die Dispersion unter Verwendung einer phasenkonjugierten Lichtwelle zu kompensieren, was in einem Artikel beschrieben ist, nämlich in A. Yariv et al., "Compensation for channel dispersion by nonlinear optical phase conjugation", der in Optics Letters, Band 4, Nr. 2, 1979, Seite 52 bis 54, erschien. Außerdem liegen verschiedene Fachberichte über Übertragungen von optischen Signalen unter Verwendung von phasenkonjugierten Lichtwellen vor, die durch Vierwellenmischung in optischen Fasern erzeugt werden. Ein solcher Fachbericht liegt z. B. vor in der japanischen Patentschrift Kokai Nr. 3-125 124 und ein weiterer in einem Artikel, nämlich in R. M. Jopson et al., "Compensation of fiber chromatic dispersion by spectral inversion", der in Electronics Letters Bd. 29, Nr. 7, 1993, Seite 576 bis 578 veröffentlicht worden ist.

Wie oben beschrieben, sind diese verschiedenen Mög lichkeiten als Dispersionskompensationsverfahren vorgeschlagen worden, obwohl diese Verfahren jeweils Nachteile haben, die nachstehend beschrieben werden.

Es ist schwierig, eine normale Dispersion aufweisende optische Faser herzustellen, die eine große Dispersion kompensieren kann, und es ist eine optische Faser er forderlich, um den Verlust zu kompensieren, der von einer Faser mit normaler Dispersion verursacht wird, und dadurch steigen die Systemkosten, und ihr Aufbau wird kompliziert.

Es ist zwar einfach, ein Pre-Chirp-Verfahren anzu wenden, aber der Umfang der Kompensation bei diesem Verfahren ist begrenzt, und deshalb ist es schwierig, dieses Verfahren für eine Übertragung über eine extrem lange Strecke mit großer Dispersion, insbesondere für ein optisches Verstärkersystem, das sich über eine extrem lange Strecke erstreckt, anzuwenden.

Bei Dispersionskompensation unter Verwendung einer phasenkonjugierten Lichtwelle besteht zwar keine Beschränkung für den Umfang der Kompensation, aber dieses Verfahren hat bestimmte Nachteile, die nachstehend beschrieben werden. Wir haben nur wenige Einrichtungen, um phasenkonjugierte Lichtwellen angemessen zu erzeugen, und Vorrichtungen, die für diesen Zweck verwendet werden, sind stark abhängig von den Polarisationen der Lichtwellen.

Da außerdem eine Lichtquelle zur Übertragung von Signalen und eine Lichtquelle für ein Probensignal, die beide zur Erzeugung von phasenkonjugierten Lichtwellen zwingend erforderlich sind, an getrennten Stellen angeordnet sein müssen, d. h. die erstere und die letztere in einem Transmitter bzw. einen Verstärker angeordnet sein muß, sind zwei verschiedene Normen an zwei verschiedenen Stellen erforderlich, und dadurch müssen zwei Wellenlängen unabhängig voneinander stabilisiert werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, phasenkonjugierte Wellen bereitzustellen zum Kompensieren der Dispersion von Si gnalwellen unter Beibehaltung der Stabilität und ohne Schwie rigkeiten und eine optische Kommunikationsvorrichtung bereit zustellen, mit der Signalwellen mit geringen Verzerrungen auch nach Übertragung über eine Übertragungsleitung mit großer Dispersion empfangen werden können.

Entsprechend den Merkmalen der Erfindung weist eine optische Kommunikationsvorrichtung auf:
einen optischen Transmitter, optische Übertragungs leitungen, einen optischen Empfänger und einen nichtlinearen optischen Abschnitt, wobei:
der optische Transmitter und der Empfänger die Funktionen von optischen Leitungsabschlüssen haben und die optischen Leitungsabschlüsse in Kaskadenschaltung mit den optischen Übertragungsleitungen und dem nichtlinearen op tischen Abschnitt verbunden sind,
die optische Kommunikationsvorrichtung aufweist:
den optischen Transmitter, der mindestens zwei Lichtwellen überträgt, die eine Signallichtwelle und eine Probenlichtwelle umfassen,
den nichtlinearen optischen Abschnitt, der eine op tische Spektrum-Komponente erzeugt, die aus dem Zusammenwirken zwischen Signalwelle und Probenlichtwelle entsteht, und
den optischen Empfänger, der nur die optische Spektrum- Komponente empfängt, die aus der nichtlinearen optischen Wechselwirkung entsteht.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlich in Ver bindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erste bevorzugte erfindungsgemäße Aus führungsform;

Fig. 2A und 2B den Betrieb der ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 3 eine zweite bevorzugte erfindungsgemäße Aus führungsform;

Fig. 4 ein dritte bevorzugte erfindungsgemäße Aus führungsform;

Fig. 5 eine vierte bevorzugte erfindungsgemäße Aus führungsform; und

Fig. 6 eine fünfte bevorzugte erfindungsgemäße Aus führungsform.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachstehend wird die erste bevorzugte Ausführungsform einer optischen Kommunikationsvorrichtung mit Bezug auf Fig. 1 bis 2 beschrieben.

Eine Signallichtwelle und eine Probenlichtwelle werden gleichzeitig von einer Sendeseite einer optischen Übertragungsleitung abgegeben, wobei die Wellenlängentrennung zwischen den beiden Lichtwellen sehr gering ist. Die Signallichtwelle und die Probenlichtwelle, die oben erwähnt worden sind, werden einem nichtlinearen optischen Abschnitt zugeführt, nachdem sie durch eine Übertragungsleitung oder ei ne Übertragungsleitung mit mindestens einem optischen Verstärker gelaufen sind. In dem nichtlinearen optischen Abschnitt wird eine Lichtwelle mit invertiertem Spektrum bzw. eine Inversionsspektrum-Lichtwelle in bezug auf die Signallichtwelle infolge des nichtlinearen Zusammenwirkens zwischen der Signallichtwelle und der Probenlichtwelle erzeugt, was als Vierwellenmischeffekt bekannt ist. Bei einer Inversionsspektrum-Welle wird eine hoch-(niedrig-)frequente Komponente des Spektrums einer Signallichtwelle, die von der Sendeseite geliefert wird, zu einer niedrig-(hoch-)frequenten Komponente ihres Spektrums verschoben. Somit kann eine Inversionsspektrum-Welle als phasenkonjugierte Welle bezeichnet werden.

Wellenverzerrungen einer Signallichtwelle werden von einer Spektrumspreizung einer Lichtquelle und von Gruppengeschwindigkeitsdispersion einer Übertragungsleitung verursacht. Das heißt, die Wellenverzerrung einer Signalwelle ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß eine Differenz zwischen den Laufzeiten der hochfrequenten und der niedrigfrequenten Komponenten einer Signalwelle besteht. Wenn wir also hochfrequente und niedrigfrequente Komponenten am Mittelpunkt einer Übertragungsleitung miteinander vertauschen, kann demzufolge die Wellenverzerrung, die durch die Leitungsübertragung verursacht wird, aufgehoben werden.

Eine im nichtlinearen optischen Abschnitt durchgeführte Inversion des Spektrums ist mit Sicherheit der Vorgang, mit dem man hochfrequente und niedrigfrequente Komponenten der optischen Signalwelle miteinander vertauschen kann.

Wenn wir also dafür sorgen, daß die Dispersion der Übertragungsleitung zwischen dem Transmitter und dem nichtlinearen optischen Abschnitt fast gleich der Dispersion zwischen dem nichtlinearen optischen Abschnitt und dem optischen Empfänger ist, werden somit Verzerrungen von Signalwellenformen ausgeschlossen. Außerdem sind die Si gnallichtquelle und die Probenlichtquelle auf der Sendeseite der Übertragungsleitung vorhanden, und die Wellenlängen der beiden Lichtquellen können unter Verwendung einer bekannten optischen Frequenznormal-Vorrichtung, z. B. einem optischen Filter usw., das an einem Punkt positioniert ist, gesteuert werden, und die Wellenlänge der für die Übertragung zu verwendenden Lichtwelle kann auf der Sendeseite festgelegt werden.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Transmitter 100 zwei optische Quellen, die eine 101 erzeugt eine Signallichtwelle von 1,550 µm, und die andere 102 erzeugt eine Probenlichtwelle von 1,553 µm. Jede der Ausgangsleistungen der beiden Lichtquellen ist auf etwa +3 dBm eingestellt. Diese Lichtwellen werden von einem optischen Faserkoppler 103 multiplexiert und einer optische Übertragungsleitung 601 zugeführt. Die Lichtquelle 102 für eine Probenlichtwelle wird durch eine normale Temperatur und ein Injektionsstromsteuersystem 104 stabilisiert.

Die Lichtquelle 101 für eine Lichtsignalwelle wird durch eine Steuerschaltung 105 so stabilisiert, daß die Wellenlängentrennung der beiden oben erwähnten Lichtwellen in Stufen von 2 nm verändert wird, und zwar unter Verwendung eines normal verwendeten Fabry-Perot-Etalon-Filters als das Frequenznormal. Die Lichtquelle 101 für ein Lichtwellensignal umfaßt den Halbleiter-Laser mit verteilter Rückkopplung 102, die in einem einfachen Längsmodus schwingt und durch einen Injektionsstrom, der von einer Signalquelle 202 mit 10 Gb/s zugeführt wird, direkt moduliert wird. Ein optischer Empfänger 300 verwendet einen eine erbiumdotierte Faser aufweisenden optischen Verstärker 301 als optischen Vorverstärker und ist mit einem Bandpaßfilter mit variabler Wellenlänge 302 mit einer Bandbreite von 1 nm ausgestattet. Eine InGaAs-PIN- Fotodiode 303 wird als fotoelektrische Umwandlungsvorrichtung verwendet. Die Empfindlichkeit des Empfängers 300 beträgt bei 10 Gb/s -30 dBm. Der nichtlineare optische Abschnitt 500 besteht aus einem eine erbiumdotierte Faser aufweisenden optischen Verstärker 501, einer auf 1,55 µm optimierten optischen Faser 502 von 10 km Länge und einem eine erbiumdotierte Faser aufweisenden optischen Verstärker 503, der die Lichtwellen verstärkt, die von einer optischen Faser 502 kommen. Die optischen Fasern für Übertragungszwecke 601 und 602 sind 50 km lange übliche optische Fasern. Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion jeder Faser ist bei 1,3 µm fast gleich null, hat jedoch im 1,5-µm-Bereich einen größeren Wert, nämlich 18 ps/km/nm.

Die Signallichtwelle mit der mittleren Wellenlänge von 1,55 µm und dem Spektrumspreizung von 1 nm an Punkten mit -10 dB und die 1,553-µm-Probenlichtwelle werden multiplexiert und vom optischen Transmitter 100 übertragen. Das Spektrum der übertragenen Wellen 700 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Lichtwellen werden dem nichtlinearen optischen Abschnitt 500 zugeführt, nachdem sie durch die optische Faser 601 gelaufen sind. Jede dieser optischen Leistungen ist an diesem Punkt auf -12 dBm verringert. Im nichtlinearen optischen Abschnitt 500 wird jede dieser Lichtwellen vom einem eine erbiumdotierte Faser aufweisenden optischen Verstärker 501 um 20 dB verstärkt, und ihr Leistungspegel ist dann +8 dBm. Danach werden diese optischen Wellen der auf 1,5 µm optimierten optischen Faser 502 zugeführt. In der optischen Faser 502 wird durch den Vierwellenmischeffekt eine Inversionsspektrum-Welle 702 mit einem Leistungspegel von -5 dBm erzeugt und von dem eine erbiumdotierte Faser aufweisenden optischen Verstärker 503 zusammen mit anderen Lichtwellen um etwa 10 dB verstärkt. Die Ausgangslichtwellen des nichtlinearen optischen Abschnitts 500 sind mit 701 bezeichnet. Das Leistungsspektrum einer Eingangs- und einer Ausgangslichtwelle sind in Fig. 2A bzw. Fig. 2B dargestellt. Die Ausgangsleistung 701 wird vom optischen Empfänger 300 empfangen. Die Lichtwelle 700 und die Inversionsspektrum-Lichtwelle 702 werden vom optischen Verstärker 301 gleichzeitig verstärkt, und nur die Inversi onsspektrum-Welle 702 wird vom optischen Bandpaßfilter mit variabler Wellenlänge 302 aus den anderen Lichtwellen ausgewählt und von der PIN-Diode 303 detektiert. Vor dem Experiment wird der nichtlineare optische Abschnitt 500 entfernt, und die optischen Fasern 601 und 602 werden in einer Kaskadenschaltung verbunden, und die Gesamtlänge der Übertragungsleitung beträgt dann 100 km. In diesem Zustand entstehen große Wellenverzerrungen nach der Übertragung, und die übertragenen Signale können nicht empfangen werden. Wenn dagegen die Inversionsspektrum-Welle auf der Empfangsseite der Übertragungsleitung empfangen wird, sind die Wellenverzerrungen beseitigt, und eine Verringerung der Empfindlichkeit durch Dispersionen kann nicht beobachtet werden.

Außerdem können die Wellenlängen der Signal- und Probenlichtwelle im Transmitter gesteuert werden, und der zu verwendende Wellenbereich kann auf einfache Weise auf der Sendeseite der Übertragungsleitung gewählt werden.

Nachstehend wird die zweite bevorzugte Ausführungsform einer optischen Kommunikationsvorrichtung mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden Polarisationen einer Signal- und einer Probenlichtwelle einer optischen Faser mit vorgeschriebenen Polarisationen jeweils auf der Sendeseite einer Übertragungsleitung zugeführt. In einer normalen optischen Faser für Übertragungszwecke kann die Polarisation einer zugeführten Welle während der Laufzeit nicht aufrecht erhalten werden. Das heißt, der Zustand der Polarisation der Lichtwelle auf der Sendeseite unterscheidet sich vom Polarisationszustand nach der Laufzeit. Dies ist zurückzuführen auf die Tatsache, daß es eine Schwankung der Polarisation einer Lichtwelle, die durch eine optische Faser läuft, gibt. Wenn jedoch zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen und gleichen Polarisationen optischen Fasern zugeführt werden, wird das relative Verhältnis zwischen den Polarisationen der beiden Lichtwellen für eine beträchtliche Strecke beibehalten, obwohl in einer optischen Faser Schwankungen der Polarisation auftreten. Wenn z. B. angenommen wird, daß eine Polarisationsdispersion τm einer optischen Faser mit der Länge von 100 km 1 ps beträgt, und wenn die Frequenztrennung zwischen den beiden verschiedenen Lichtwellen 150 GHz beträgt, dann liegt folgende Relation vor:

f_b < 1/(2τm)
(150 GHz) (500 GHz)

Dementsprechend können diese Lichtwellen 100 km laufen und dabei das relative Verhältnis zwischen ihren Polarisationen nahezu auf den gleichen Stand halten. Wenn man diese Tatsache berücksichtigt, kann man erwarten, daß, wenn die Signal- und die Probenlichtwelle von der Sendeseite in bestimmten Polarisationszuständen zugeführt werden, diese Wellen dem nichtlinearen Abschnitt zugeführt werden, der eine starke Abhängigkeit vom relativen Verhältnis zwischen den Polarisationen der Eingangswellen aufweist, wobei nahezu die gleichen Polarisationen oder das vorgeschriebene Verhältnis zwischen ihnen vorliegt. Dadurch kann ein stabiler nichtlinearer optischer Effekt mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht werden.

Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform liegt im unterschiedlichen Aufbau der op tischen Transmitter. Im optischen Transmitter 151 liefern die Lichtquelle 161 für die Signallichtwelle mit der Wellenlänge λ₁ = 1,552 µm und die Lichtquelle 162 für die Probelichtwelle mit der Wellenlänge λ₁ = 1,554 µm die optischen Leistungen über eine polarisationserhaltende optische Faser 171 bzw. 172, die durch den polarisationserhaltenden optischen Faserkoppler 181 multiplexiert werden.

Bei dieser Ausführungsform wird die intensitätsmo dulierte, linear polarisierte 10-Gb/s-Lichtwelle von der Lichtquelle 161 für die Signallichtwelle geliefert. Ein externer Absorptionsmodulator in Halbleiterausführung wird verwendet, um die 10-Gb/s-Intensitätsmodulation durchzuführen. Diese Signallichtwelle läuft durch die polarisationserhaltende optische Faser (nachstehend PMOF genannt) 171 und wird dem polarisationserhaltenden optischen Phasenkoppler (nachstehend PMOF-Koppler genannt) 181 zugeführt. Ebenso wird die linear polarisierte Lichtwelle, die von der Lichtquelle 162 für die Probenlichtwelle geliefert wird, über die PMOF 172 dem PMOF- Koppler 181 zugeführt. Dann werden die Eingangslichtwellen von den optischen Quellen 161 und 162 dem PMOF-Koppler 181 zugeführt, so daß die Polarisationen der Eingangs- und der Ausgangslichtwelle des PMOF-Kopplers 181 gleich sind. Die optischen Ausgangsleistungen der Lichtquellen 161 und 162 betragen jeweils +5 dBm. Die übertragenen Lichtwellen 700 werden nach dem Durchlaufen der 50 km langen, üblichen optischen Faser mit "normaler Dispersion" dem nichtlinearen optischen Abschnitt 500 zugeführt. Die optische Signal- und die optische Probenlichtleistung, die dem nichtlinearen optischen Abschnitt 500 zugeführt werden, betragen jeweils -10 dBm. Dort beträgt die Polarisationsdispersion der Übertragungsleitung 601 etwa 0,7 ps, was nahezu der Polarisationsdispersion entspricht, die bei einer normalen optischen Faser von 50 km Länge angenommen wird. Der Zustand, der sich auf die Wellenlängentrennung der Signal- und der Probenlichtwelle auswirkt, nämlich daß die Polarisationen dieser Lichtwellen, die der optischen Faser 601 für Übertragungszwecke auf der Sendeseite mit den gleichen Polarisationen zugeführt werden, annähernd miteinander übereinstimmen, nachdem diese Wellen über eine Strecke von 50 km gelaufen sind, erfordert, daß die Wellenlängentrennung kleiner als 5,3 nm (700 GHz) sein sollte, wenn der Wert der Polarisationsdispersion von 0,7 ps zur Grundlage genommen wird. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Wellenlängentren nung 2 nm (260 GHz), und eine senkrecht polarisierte Kom ponente der Probenlichtwelle liegt unter 20%, und eine gleich polarisierte Komponente liegt über 80%, auch im schlechtesten Fall. Allgemein gesagt, wird bei einer optischen Faser der Wirkungsgrad des Vierwellenmischeffekts zwischen zwei senkrecht polarisierten Lichtwellen auf etwa 1/10 verringert. In dem Experiment gemäß dieser Ausführungsform beträgt die Verringerung des Wirkungsgrads jedoch weniger als -1 dB. Folglich kann der stabile Vierwellenmischeffekt erreicht werden, und die stabile Kommunikation ohne Wellenformver zerrung kann für lange Zeit beibehalten werden.

Nachstehend wird die dritte bevorzugte Ausführungsform gemäß Fig. 4 beschrieben. Wenn bei dieser Ausführungsform die Dispersion einer Übertragungsleitung groß ist, wird der Wirkungsgrad der optischen Linearität in einem nichtlinearen optischen Abschnitt ermittelt und auf irgendeine Weise an einen optischen Transmitter zurückübertragen, und dort werden die Polarisationen der Signal- und der Probenlichtwelle gesteuert. Wie bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform erläutert, kann bei einer Übertragungsleitung mit kleiner Dispersion bei einer kurzen Strecke das relative Verhältnis zwischen den Polarisationen der Signal- und der Probenlichtwelle zwar im gewünschten Zustand gehalten werden, aber wenn eine Übertragungsleitung verlängert wird oder ihre Dispersion groß ist, ist oben erwähnte Verfahren nicht anwendbar. Es ist dann ein Merkmal dieser Ausführungsform, einen Wirkungsgrad der Nichtlinearität in einem nichtlinearen optischen Abschnitt zu ermitteln und ihn an den Polarisationscontroller in einem optischen Transmitter zurückzuführen, um einen stabilen Wirkungsgrad der optischen Nichtlinearität zu erhalten.

Wenn die optischen Fasern 1001 und 1002 jeweils op tische Direktverstärker umfassen und die Gesamtlänge der optischen Fasern größer als 1000 km ist, wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Einfluß der Polarisationsdispersion nicht vernachlässigt werden. Der Detektor 1100, der die Leistung der Inversionsspektrum-Welle ermittelt, ist auf der Ausgangsseite des nichtlinearen optischen Abschnitts 500 angeordnet, und ein Signal, das vom Detektor 1100 abgeleitet wird, wird über die andere Übertragungsleitung 1200 zum Transmitter zurückübertragen und dem Steuersystem 1101 zugeführt, das den Polarisationscontroller 1102 steuert. Allgemein gesagt, weist die optische Faser für Übertra gungszwecke zwei Grundpolarisationsarten auf, die nicht durch Polarisationsdispersion beeinflußt werden. Wenn die übertragenen Lichtwellen in einer der Grundpolarisationsarten unter Verwendung des Polarisationscontrollers 1102 gleich polarisiert werden, kann der beste Wirkungsgrad im nicht linearen optischen Abschnitt 500 erzielt werden. In dem Experiment gemäß dieser Ausführungsform tritt bei einer Frequenz von weniger als mehrere 10 Hz, die hinreichend unter der Bandbreite der Rückkopplungsschleife von 300 Hz für eine Übertragungsverzögerung liegt, eine beobachtbare Polarisationsschwankung auf. Dementsprechend wird bei der praktischen Verwendung die Bandbreite der Rückkopplungs schleife auf 150 Hz eingestellt, und die Inversionsspektrum- Welle kann immer mit dem besten Wirkungsgrad erzielt werden, und die stabile Übertragungscharakteristik mit geringen Wellenverzerrungen kann erreicht werden.

Bei der vierten bevorzugten erfindungsgemäßen Aus führungsform sorgen wir dafür, daß eine phasenkonjugierte Welle, d. h. eine Inversionsspektrum-Welle, in einer optischen Faser entsteht, die als Lichtwellenübertragungsleitung fungiert. Der Vierwellenmischeffekt der Lichtwellen entsteht bei einem hohen Wirkungsgrad in einem Wellenlängenbereich, in dem die Dispersion einer signallichtwelle klein ist und der Wirkungsgrad sich verringert, wenn die Dispersion groß ist. Wenn dementsprechend eine Übertragungsleitung mit optischen Fasern installiert wird, werden optische Fasern mit geringer Dispersion vorher als Teil einer Übertragungsleitung verlegt, die die Funktion der Übertragung von Lichtwellen und der Erzeugung von Inversionsspektrum-Wellen hat.

Fig. 5 zeigt eine typische Art der Installation von optischen Fasern in einer bestimmten Übertragungsleitung. Gemäß dieser Zeichnung verbinden übliche Fasern 2001, 2002, 2003 und 2004 die Punkte A-B, B-C, D-E bzw. E-F, und die Länge jedes Faserabschnitts beträgt etwa 40 km. Eine auf 1,5 µm optimierte optische Faser 2100 von 40 km Länge ist zwischen den Punkten C-D verlegt. Dann werden eine Lichtwelle, die mit einem 10-Gb/s-Signal moduliert ist, und eine Probenwelle einer optischen Faser 2001 in einem Punkt A zugeführt und in den Punkten B, C, D und E verstärkt, und beide treffen am Leitungsabschlußpunkt F ein. Ein optischer Transmitter gemäß Fig. 3 ist im Punkt A vorhanden. Im Punkt B werden die Lichtwellen, die vom Punkt A übertragen werden, von einem optischen Direktverstärker bis auf etwa 0 dBm verstärkt und an den Punkt C übertragen. Im Punkt C werden die Lichtwellen, die vom Punkt B kommen, bis auf +10 dBm verstärkt und einer auf 1,5 µm optimierten optischen Faser 2100 zugeführt. Da in der optischen Faser 2100 für Übertragungszwecke die Übertragungsleistungen groß sind und die Dispersion gering ist, erzeugen die Lichtwellen beim Laufen eine inversionsspektrum-Welle, die am Knoten D ankommt. Die in den Knoten D und E empfangenen optischen Signale werden direkt verstärkt und an den Knoten F übertragen. Im Knoten F wird lediglich von einem optischen Bandpaßfilter eine Inversionsspektrum-Welle aus den übrigen empfangenen Wellen ausgewählt. Durch Herstellung einer Übertragungsleitung zwischen den Punkten A und F auf die oben beschriebene Art und Weise kann ein stabiles Übertragungssystem mit einer geringen Wellenformverzerrung realisiert werden.

Eine auf 1,5 µm optimierte optische Faser für Lichtwellenübertragungszwecke, die zwischen den Punkten C und D verlegt ist, wird als Teil eines nichtlinearen optischen Abschnitts verwendet, und die Gesamtkosten des Systems können verringert werden. Außerdem wird die Forderung nach sehr langen optischen Fasern in einem nichtlinearen optischen Abschnitt überflüssig, was zu einer Verkleinerung der Hardware beiträgt.

Nachstehend wird die fünfte bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Diese Ausführungsform stellt eine Einrichtung dar, die die Probleme lösen soll, die aus den Sättigungen der optischen Ausgangsleistungen der optischen Verstärker entstehen, wenn die erste erfindungsgemäße Ausführungsform für ein mehrstufiges optisches Verstärkersystem angewendet wird, das aus verschiedenen optischen Verstärkern besteht. Wenn die erste erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 1 für ein tatsächliches optisches direktverstärkendes Verstärkersystem verwendet wird, werden Lichtwellen, die von einem optischen Transmitter abgegeben werden, einem nichtlinearen optischen Abschnitt zugeführt. Wir wollen den Fall betrachten, wo z. B. eine optische Faser als nichtlineares optisches Medium verwendet wird. In einem nichtlinearen optischen Abschnitt werden zwar Eingangslichtwellen im allgemeinen verstärkt und als optische Leistungen mit hohen Pegeln abgegeben, aber der Leistungspegel einer Inversionsspektrum-Welle ist niedrig. Folglich kommt es bei optischen Verstärkern, die entlang einem hinteren Abschnitt einer optischen Übertragungsleitung angeordnet sind, durch eine Signal- und eine Lichtwelle, die von einer Sendeseite geliefert werden, zu Sättigungen der Verstärker, und deshalb ist dann die Verstärkung einer Inversionsspektrum-Welle gering.

Die bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform stellt eine Einrichtung dar zum Wählen lediglich einer In versionsspektrum-Welle für einen nichtlinearen Abschnitt zum Zweck der Unterdrückung der Sättigungen der optischen Verstärker, die entlang der Übertragungsleitung positioniert sind.

Wie oben beschrieben, beschränkt die fünfte bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform eine Lichtwelle, die durch einen nichtlinearen optischen Abschnitt läuft, auf lediglich eine Inversionsspektrum-Welle. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Bei diesem Aufbau ist ein Bandpaßfilter mit variabler Wellenlänge 3001 mit einem schmalen Durchlaßbereich vorhanden und in einer Kaskadenschaltung mit dem nichtlinearen optischen Abschnitt verbunden. Der optische Ausgangsleistungspegel des optischen Filters 3001 wird ermittelt, und die Steuerschaltung 3002 steuert das optische Filter 3001 derartig, daß die optische Ausgangsleistung dieses Filters am höchsten wird. Da das optische Filter 3001 gemäß dieser Ausführungsform einen variablen Bereich der Wellenlänge hat, der im 1,5-µm-Band liegt, und die Breite seines Durchlaßbereichs geringer ist als 1 nm, kann nun die Inversionsspektrum-Welle extrahiert werden, und das optische Bandpaßfilter 3001 zeigt einen stabilen Betrieb, so daß die Wellenlänge der Inversionsspektrum-Welle mit der mittleren Wellenlänge des optischen Filters 3001 übereinstimmt. Folglich ist die Lichtwelle, die durch einen nichtlinearen optischen Abschnitt läuft, nur die Inversi onsspektrum-Welle, und andere Lichtwellen sind ausgeschlossen.

Demzufolge kann bei dem optischen Direktverstärkersystem hinter dem nichtlinearen optischen Abschnitt eine Sättigung der optischen Verstärker verhindert werden. Außerdem kann der Wellenlängenbereich, der für eine Signalübertragung im Leitungsabschnitt vor dem nichtlinearen optischen Abschnitt verwendet worden ist, als neuer Wellenlängenbereich für eine andere Signalübertragung im Leitungsabschnitt hinter dem nichtlinearen optischen Abschnitt verwendet werden.

Es gibt neben den in Fig. 1 bis 6 gezeigten Modifi kationen viele andere Modifikationen von erfindungsgemäßen Ausführungsformen.

Verschiedene Modifikationen sind bei der ersten be vorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 1 möglich. Im Transmitter sind die Wellenlängen der übertragenen Lichtwellen niemals auf den 1,5-µm-Bereich beschränkt und können Wellenlängen im 1,3-µm-Bereich oder andere Wellenlängen sein. Im 1,5-µm-Bereich ist eine Wellenlänge niemals auf 1,551 µm oder 1,553 µm beschränkt und kann eine andere Wellenlänge sein. Ein Wellenlängenstabilisierungsverfahren ist niemals auf ein Verfahren nach Fabry-Perot-Etalon beschränkt und kann ein anderes Verfahren sein, das ein Beugungsgitter, ein Mach- Zehnder-Interferometer o. dgl. verwendet. Eine übertragene Signalwelle ist niemals auf eine durch Veränderung des Injektionsstroms direkt intensitätsmodulierte Signalwelle beschränkt und kann eine Signalwelle sein, die von einem externen Modulator moduliert worden ist. Die Bitrate einer Signallichtwelle ist niemals auf 10 Gb/s beschränkt und kann 5 Gb/s, 20 Gb/s oder mehr oder weniger als diese Werte betragen.

Optische Fasern für Übertragungszwecke 601 und 602 sind niemals auf übliche optische Fasern beschränkt und können eine auf 1,5 µm optimierte optische Faser oder optische Fasern mit einer anderen Dispersionscharakteristik sein. Die Länge der optischen Faser ist niemals auf 50 km beschränkt und kann 25 km, 100 km oder größer oder kleiner als diese Längen sein. Die Längen der optischen Fasern 601 und 602 müssen nicht vollkommen gleich sein und können unterschiedlich lang sein. Ein nichtlineares optisches Medium, das in einem nichtlinearen optischen Abschnitt verwendet wird, ist niemals auf eine optische Faser beschränkt und kann ein Halbleiterlaser- Verstärker oder ein anderes nichtlineares optisches Medium, z. B. eine optische Chalkogenid-Faser oder andere organische nichtlineare optische Medien sein. Ein optischer Empfänger ist niemals auf einen sehr empfindlichen Empfänger mit einem optischen Vorverstärker beschränkt und kann ein sehr empfindlicher optischer Empfänger sein, der eine Lawinen- Fotodiode oder eine PIN-Diode ohne optischen Vorverstärker verwendet. Ein optischer Verstärker ist niemals auf einen eine erbiumdotierte Faser aufweisenden optischen Verstärker beschränkt und kann ein Halbleiterlaser-Verstärker oder ein eine optische Faser aufweisender Raman-Verstärker sein.

Es gibt neben der ersten modifizierten erfindungs gemäßen Ausführungsform viele Modifikationen der zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In der be vorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 3 werden eine Signal- und eine Probenlichtwelle mit den gleichen Polarisationen übertragen. Diese Wellen können allerdings mit verschiedenen, jedoch festgelegten Polarisationen gemäß einer Charakteristik eines nichtlinearen Mediums in einem nichtlinearen optischen Abschnitt übertragen werden. Die Übertragungsstrecke ist nicht auf 50 km beschränkt und kann länger oder kürzer als 50 km sein.

Die Polarisationsdispersion ist nicht auf 0,7 ps beschränkt und kann größer oder kleiner als 0,7 ps sein. Außerdem ist eine Wellenlängentrennung nicht auf 3 nm (1,553 µm - 1,550 µm) beschränkt und kann größer oder kleiner als dieser Wert sein.

Es gibt viele Modifikationen der dritten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 4. Außer den Modifikationen, die denen der ersten bevorzugten Aus führungsformen entsprechen, gibt es einige Modifikationen, die nachstehend beschrieben werden.

Die Länge einer optischen Faser ist niemals auf 1000 km beschränkt und kann länger oder kürzer als 1000 km sein. Die Strecke von einem Transmitter bis zu einem nichtlinearen optischen Abschnitt ist niemals auf 500 km beschränkt und kann 550 km, 600 km oder länger oder kürzer als diese Strecken sein, wenn ein ausreichender Dispersionskompensationseffekt erreicht werden kann.

Es gibt viele Modifikationen der vierten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 5. Die Art einer Installation ist niemals auf diejenige beschränkt, die in Fig. 5 dargestellt ist, und jede andere Art der Installation ist möglich. Die auf 1,5 µm optimierten optischen Fasern können in einem bestimmten Abschnitt neu installiert sein und schon verwendet worden sein. Die oben erwähnte Möglichkeit hat einen großen ökonomischen Vorteil im Vergleich zu dem Fall, wo die gesamten installierten optischen Fasern durch auf 1,5 µm optimierte optische Fasern ersetzt werden. Ferner kann unter Verwendung eines noch nicht verwendeten Wellenlängenbereichs Wellenlängenmultiplex-Kommunikation durchgeführt werden. Zum Beispiel kann unter Verwendung von auf 1,5 µm optimierten optischen Fasern Wellenlängenmultiplex-Kommunikation im 1,5- µm-Wellenlängenbereich und 1,3-µm-Übertragung durchgeführt werden. Unter Verwendung einer üblichen optischen Faser ist Wellenlängenmultiplex-Kommunikation im 1,3-µm-Wellenlängenbe reich möglich.

In bezug auf die fünfte bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 6, bei der eine Inversionsspektrum- Welle unter Verwendung eines optischen Bandpaßfilters extrahiert wird, ist eine Modifikation möglich. Zum Beispiel werden unter Ausnutzung des entstandenen Brillouin- Streueffekts eine Signal- und eine Probenlichtwelle mit hohen Ausgangsleistungspegeln in eine Rückwärtsrichtung geleitet, und nur eine Inversionsspektrum-Welle kann weiterlaufen.

Erfindungsgemäß kann die optische Kommunikation, die mit Dispersionsbeschränkung nicht realisiert werden kann, zur praktischen Anwendung gebracht werden. Die Erfindung stellt ein optisches Kommunikationssystem bereit, das eine Inversionsspektrum-Lichtwelle verwendet, mit der ein stabiles und wirtschaftliches System aufgebaut wird.

Obwohl die Erfindung zum Zweck der vollständigen und eindeutigen Offenlegung mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben worden ist, sind die beigefügten Ansprüche nicht darauf beschränkt, sondern sind so zu verstehen, daß sie alle Modifikationen und alternativen Konstruktionsmöglichkeiten umfassen, die dem Fachmann möglich erscheinen, und in die grundsätzliche Lehre, die hier vorge schlagen wird, fallen.

Claims

1. Optische Kommunikationsvorrichtung mit einem op tischen Transmitter, optischen Übertragungsleitungen, einem optischen Empfänger und einem nichtlinearen optischen Abschnitt, wobei:
der optische Transmitter und Empfänger die Funktionen von optischen Leitungsabschlüssen haben und die optischen Leitungsabschlüsse in Kaskadenschaltung durch die optischen Übertragungsleitungen und den nichtlinearen optischen Abschnitt verbunden sind,
die optische Kommunikationsvorrichtung aufweist:
den optischen Transmitter, der mindestens zwei Lichtwellen überträgt, die eine Signallichtwelle und eine Probenlichtwelle umfassen,
den nichtlinearen optischen Abschnitt, der eine op tische Spektralkomponente erzeugt, die aus dem nichtlinearen optischen Zusammenwirken zwischen der Signal- und der Probenlichtwelle entsteht, und
den optischen Empfänger, der lediglich die optische Spektralkomponente empfängt, die aus dem nichtlinearen optischen Zusammenwirken entsteht.

2. Optische Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:
der optische Transmitter eine Signallichtwelle und eine Probenlichtwelle mit jeweils vorbestimmten Polarisationen überträgt.

3. Optische Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei:
der optische Transmitter eine Einrichtung aufweist, um Polarisationen der Signal- bzw. der Probenlichtwelle so zu steuern, daß ein Verhältnis zwischen den Polarisationen dieser Wellen in dem nichtlinearen optischen Abschnitt ein vorbestimmtes Verhältnis bleibt.

4. Optische Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei:
der nichtlineare optische Abschnitt eine optische Faser aufweist, durch die die Lichtwellen als nichtlineares Element tatsächlich laufen.

5. Optische Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei:
der nichtlineare Abschnitt eine Einrichtung aufweist, um eine optische Spektralkomponente selektiv zu übertragen, die aus dem nichtlinearen optischen Zusammenwirken entsteht.

6. Optische Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei:
die optischen Übertragungsleitungen mindestens einen optischen Verstärker umfassen.

7. Optische Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei:
die Signal- und die Probenlichtwelle die gleichen Polarisationen haben.

8. Optische Kommunikationsvorrichtung mit:
einem ersten optischen Transmitter zum Übertragen eines Signals einer ersten vorbestimmten Wellenlänge;
einem zweiten optischen Transmitter zum Übertragen eines Probenlichts einer zweiten vorbestimmten Wellenlänge;
einem optischen Koppler zum Koppeln des Signallichts und des Probenlichts, um ein Koppellicht einer optischen Faser zuzuführen;
einem nichtlinearen optischen Abschnitt zum Erzeugen einer optischen Spektralkomponente, die aus dem nichtlinearen optischen Zusammenwirken zwischen dem Signal- und dem Probenlicht des Koppellichts entsteht, wobei der nichtlineare optische Abschnitt an einer vorbestimmten Stelle der optischen Faser positioniert ist; und
einem optischen Empfänger zum Empfangen lediglich der optischen Spektralkomponente über die optische Faser von dem nichtlinearen optischen Abschnitt.