DE19622010A1

DE19622010A1 - Optical transmission path esp. for high data rates and signal levels

Info

Publication number: DE19622010A1
Application number: DE19622010A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Krummrich
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-04

Abstract

An optical phase conjugator (OPK) is sited midway between the start (A) and finish (E) of the transmission path. An optical amplifier is distributed over the entire first half of the path. A passive optical fibre (PF) in the second half is equal in length to the active fibre of the distributed amplifier, which provides for a quasilinear increase in signal level with distance from the start. This is achieved by a special distribution of dopant concn. along the active fibre.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Übertragungsstrecke ent sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical transmission link ent speaking the preamble of claim 1.

Bei optischen Übertragungsstrecken mit hohen Datenraten größer als ca. 2,5 Gbit/s sowie hohen optischen Signalpegeln wirken sich neben den linearen Signalverzerrungen durch chro matische Dispersion zunehmend auch nicht lineare Effekte in der Übertragungsfaser, wie z. B. die Selbstphasenmodulation, störend aus. Die durch die nichtlinearen Effekte verursachten Signalverzerrungen schränken die maximal mögliche Datenrate bzw. die erzielbare Streckenlänge erheblich ein. Die nicht linearen Effekte treten dabei nur bei hohen Signalpegeln spürbar in Erscheinung. Die von der Selbstphasenmodulation verursachten Signalverzerrungen lassen sich daher grundsätz lich durch die Wahl ausreichend kleiner Signalleistungen in Grenzen halten. Eine reine Begrenzung des Signalpegels schränkt jedoch bei hohen Datenraten die erzielbar Strecken länge und den Systementwurf insgesamt unzulässig stark ein.For optical transmission links with high data rates greater than approx. 2.5 Gbit / s and high optical signal levels act alongside the linear signal distortion caused by chro matic dispersion increasingly nonlinear effects in the transmission fiber, such as. B. the self-phase modulation, annoying. The caused by the nonlinear effects Signal distortion limits the maximum possible data rate or the achievable route length considerably. They don't linear effects only occur at high signal levels noticeable in appearance. The self phase modulation signal distortions caused can therefore be fundamentally Lich by choosing sufficiently small signal powers in Keep boundaries. A pure limitation of the signal level however, limits the distances that can be achieved at high data rates length and the overall system design is impermissibly strong.

Eine Möglichkeit zur Behebung dieser Probleme bietet die gegenseitige Kompensation von Selbstphasenmodulation und Gruppenlaufzeitdispersion in Form sogenannter Solitonen impulse. Solitonensysteme erfordern jedoch bei hohen Daten raten eine sehr genaue Einstellung der Signalpegel sowie relativ kurze Verstärkerabstände und damit einen hohen Auf wand, so daß der praktische Einsatz derartiger Systeme bisher vergleichsweise gering ist.One way to fix these problems is through the mutual compensation of self phase modulation and Group delay dispersion in the form of so-called solitons impulses. Soliton systems, however, require high data advise a very precise adjustment of the signal level as well relatively short amplifier distances and thus a high up wall, so that the practical use of such systems so far is comparatively small.

Eine weitere Möglichkeit zur Behebung der obengenannten Pro bleme bietet der Einsatz eines sogenannten optischen Phasen konjugators, der beispielsweise in der Veröffentlichung zur 20. European Conference on Optical Communication (ECOC 94), September 25-29, 1994 Florenz, Italien, auf den Seiten 729 bis 732 beschrieben ist. Zur Kompensation der Gruppenlauf zeitdispersion und der Selbstphasenmodulation mit Hilfe eines optischen Phasenkonjugators müssen die Streckenabschnitte vor und hinter dem optischen Phasenkonjugator idealerweise die gleiche chromatische Dispersion aufweisen. Zusätzlich müssen die Signalpegelverläufe entlang der Faser symmetrisch sein in bezug auf den Phasenkonjugator.Another way to fix the above pro bleme offers the use of a so-called optical phase conjugators, for example in the publication on 20th European Conference on Optical Communication (ECOC 94), September 25-29, 1994 Florence, Italy, at pages 729 to 732. To compensate for the group run time dispersion and self-phase modulation with the help of a Optical phase conjugator must precede the route sections and ideally behind the optical phase conjugator have the same chromatic dispersion. In addition must the signal level curves along the fiber be symmetrical in with respect to the phase conjugator.

Bei Verwendung von konzentrierten optischen Verstärkern ent sprechend dem in Fig. 4a dargestellten Stand der Technik ergeben sich prinzipbedingt allerdings in bezug auf den opti schen Phasenkonjugator OPK asymmetrische Signalpegelverläufe. Damit diese Asymmetrie nicht zu stark stört, werden ver gleichsweise kleine Abstände zwischen den verwendeten konzen trierten Verstärker KZV vorgesehen. Dabei nimmt die Signal leistung in den konzentrierten Verstärkern zunächst stark zu und in den passiven Übertragungsfaserabschnitten langsam ab. Der Signalpegel weist als Folge einen in Fig. 4b dargestell ten sägezahnförmigen Verlauf auf. Innerhalb dieses Verlaufs läßt sich nun keine Position für den optischen Phasenkonjuga tor finden, die einen exakt spiegelsymmetrischen Signalpegel verlauf in bezug auf den optischen Phasenkonjugator ergibt, was zumindest näherungsweise durch die erwähnten kleinen Verstärkerabstände und auch durch eine Begrenzung der Signalamplitude ausgeglichen wird. Der näherungsweise Aus gleich dieser störenden Effekte führt aber wiederum zur Begrenzung der maximalen möglichen Datenrate bzw. der erziel baren Streckenlänge und damit zur Erhöhung des Aufwandes.When using concentrated optical amplifiers corresponding to the state of the art shown in FIG. 4a, however, there are, in principle, asymmetrical signal level curves with respect to the optical phase conjugator OPK. So that this asymmetry does not interfere too much, comparatively small distances between the concentrated amplifier KZV used are provided. The signal power initially increases strongly in the concentrated amplifiers and slowly decreases in the passive transmission fiber sections. As a result, the signal level has a sawtooth-shaped course shown in FIG. 4b. Within this course, no position can now be found for the optical phase conjugator which produces an exactly mirror-symmetrical signal level with respect to the optical phase conjugator, which is at least approximately compensated for by the small amplifier spacings mentioned and also by a limitation of the signal amplitude. However, the approximate amount of these disruptive effects in turn leads to the limitation of the maximum possible data rate or the achievable route length and thus to an increase in effort.

Die Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung besteht also darin, für eine optische Übertragungsstrecke der eingangs erwähnten Art eine Möglichkeit zur Erhöhung der maximal mög lichen Datenrate bzw. der erzielbaren Streckenlänge zu fin den. The object of the present invention is therefore in it, for an optical transmission link at the beginning mentioned type a way to increase the maximum possible data rate or the achievable route length the.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine optische Übertra gungsstrecke der eingangs erwähnten Art gelöst, die durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale weitergebildet ist. Dabei ergibt sich in besonders vorteil hafter Weise ein vergleichsweise einfacher und übersicht licher Aufbau der optischen Übertragungsstrecke, sowie die Möglichkeit der optimalen Anpassung an die jeweils gewünschte Streckenlänge.According to the invention, the object is achieved by an optical transmission supply route of the type mentioned solved by the features specified in the characterizing part of patent claim 1 is trained. This is particularly advantageous comparatively simple and clear Liche structure of the optical transmission path, as well as the Possibility of optimal adaptation to the desired one Track length.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen optischen Übertragungsstrecke sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 detailliert beschrieben.Advantageous further developments of the optical device according to the invention Transmission path are in claims 2 to 9 described in detail.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention is intended to be based on one in the drawing illustrated embodiment are explained in more detail.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1a eine erfindungsgemäße optische Übertragungsstrecke bzw. einen Teil einer solchen, Figure 1a is an optical transmission line according to the invention or a part of such.,

Fig. 1b den Signalpegelverlauf über die Übertragungsstrecke nach Fig. 1a, FIG. 1b, the signal level progression over the transmission link according to Fig. 1a,

Fig. 2 den Verlauf der Pumpleistung entlang der ersten Hälfte der Übertragungsstrecke von Fig. 1a, Fig. 2 shows the course of the pump power along the first half of the transmission path of Fig. 1a,

Fig. 3 den Signalpegelverlauf entlang der ersten Hälfte der Übertragungsstrecke von Fig. 1a, Fig. 3 shows the signal level curve along the first half of the transmission path of Fig. 1a,

Fig. 4a eine Übertragungsstrecke nach dem Stand der Technik und FIG. 4a is a transmission path according to the prior art, and

Fig. 4b den Signalpegelverlauf über die Übertragungsstrecke nach Fig. 4a. FIG. 4b, the signal level progression over the transmission link according to Fig. 4a.

In der Fig. 1a ist eine optische Übertragungsstrecke nach der Erfindung dargestellt, die genau in der Mitte zwischen Anfang A und Ende E in bekannter Weise einen optischen Phasenkonjugator OPK enthält. Zwischen Anfang der Übertra gungsstrecke A und optischen Phasenkonjugator OPK ist erfin dungsgemäß ein verteilter optischer Verstärker VOV angeord net, der sich damit über die erste Hälfte der optischen Über tragungsstrecke erstreckt. Zwischen optischen Phasenkonjuga tor OPK und Ende der Übertragungsstrecke ist eine passive Faser PF angeordnet, deren hänge der der aktiven Faser im verteilten optischen Verstärker VOV entspricht. Dieser ver teilte optische Verstärker VOV sorgt für einen - bei log arithmischer Darstellung - quasi linearen Anstieg des Signal pegels. Zusammen mit der linearen Abnahme des Signalpegels in der passiven Faser ergibt sich bezüglich des optischen Phasenkonjugators OPK ein fast vollständig symmetrischer Pegelverlauf. Die Länge des gesamten Streckenabschnittes und die damit zusammenhängende Amplitude des Signalpegelhubs wer den dabei praktisch von der zur Verfügung stehenden Pumplei stung bestimmt. Für den maximalen und den minimalen Signal pegel gelten in erster Näherung die gleichen Einschränkungen hinsichtlich Rauschen, stimulierter Brillouin-Streuung etc., wie bei der in Fig. 4a dargestellten Strecke mit konzen trierten Verstärkern nach dem Stand der Technik.In Fig. 1a, an optical transmission path is depicted according to the invention, which in a known manner contains exactly in the middle between the top end A and E to an optical phase conjugator OPK. Between the beginning of the transmission path A and the optical phase conjugator OPK, a distributed optical amplifier VOV is arranged according to the invention, which thus extends over the first half of the optical transmission path. A passive fiber PF is arranged between the optical phase conjugator OPK and the end of the transmission path, the slope of which corresponds to that of the active fiber in the distributed optical amplifier VOV. This distributed optical amplifier VOV ensures a - with log arithmic representation - quasi-linear increase in the signal level. Together with the linear decrease in the signal level in the passive fiber, an almost completely symmetrical level curve results with respect to the optical phase conjugator OPK. The length of the entire section of the route and the associated amplitude of the signal level swing who the practically determined by the available Pumplei stung. For the maximum and the minimum signal level, the same restrictions apply to noise, stimulated Brillouin scattering, etc., as in the first approximation, as in the case of the line shown in FIG. 4a with concentrated amplifiers according to the prior art.

Damit der verteilte Verstärker VOV den gewünschten Signal pegelanstieg erzielt, muß er eine spezielle Verteilung der Dotierionenkonzentration entlang der aktiven Faser aufweisen. Die am Anfang des verteilten optischen Verstärkers in dessen aktiver Faser eingekoppelte Pumpleistung nimmt entlang der Faser kontinuierlich ab. Für eine konstante Verstärkung pro Längeneinheit muß deshalb die Konzentration der Dotierionen entlang der Faser zunehmen. Die Herstellung derartiger opti scher Fasern mit einem speziellen Konzentrationsverlauf der Dotierionen ist relativ schwierig. Eine gute Annäherung an den gewünschten Pegelanstieg läßt sich mit einer abschnitts weise konstanten Dotierung gut erreichen. Beim Ausführungs beispiel sind deshalb sechs Abschnitte unterschiedlicher Dotierionenkonzentration vorgesehen. Als Glastyp des Kerngla ses, also als Wirtsmaterial, wird ein Standardmaterial und zwar Germano-Silikatglas verwendet, das mit Erbiumionen unterschiedlicher Konzentration dotiert ist. Bei einer Gesamtlänge von 50 km ergeben sich die aus Tabelle 1 ersicht lichen Längen und Dotierungen der einzelnen Abschnitte.So that the distributed amplifier VOV the desired signal achieved level increase, it must have a special distribution of the Have dopant ion concentration along the active fiber. At the beginning of the distributed optical amplifier in its active fiber coupled pump power increases along the Fiber continuously. For a constant gain per The unit of length must therefore be the concentration of the doping ions increase along the fiber. The production of such opti shear fibers with a special concentration curve of the Doping ions are relatively difficult. A good approximation the desired level increase can be done with a section wise constant doping well. When executing six sections are therefore different, for example Dopant ion concentration provided. As a type of Kerngla glass ses, as host material, becomes a standard material and Germano-silicate glass is used, that with erbium ions different concentration is endowed. At a Total length of 50 km are shown in Table 1 lengths and endowments of the individual sections.

Tabelle 1 Table 1

Bei der Pumpwellenlänge von 1480 nm weist die gewählte Faser einen Modenfeld-Durchmesser von 7,0 µm auf, bei der Signal wellenlänge von 1554 nm ergibt sich ein Modenfeld-Durchmesser von 7,2 µm, der Dotier-Radius beträgt dabei 0,83 µm und das Dotierprofil in radialer Richtung ist rechteckförmig. Die nicht ionische Dämpfung bei der Signalwellenlänge von 1554 nm beträgt 0,2 dB/km, die Pumpleistung beträgt 230 mW und der Signalpegel am Eingang des verteilten optischen Verstärkers 0 dBm sowie am Ende 10 dBm.At the pump wavelength of 1480 nm, the selected fiber shows a mode field diameter of 7.0 µm on the signal wavelength of 1554 nm results in a mode field diameter of 7.2 µm, the doping radius is 0.83 µm and that Doping profile in the radial direction is rectangular. The non-ionic attenuation at the signal wavelength of 1554 nm is 0.2 dB / km, the pump power is 230 mW and the Signal level at the input of the distributed optical amplifier 0 dBm and at the end 10 dBm.

In der Fig. 2 ist der Verlauf der Pumpleistung über der Koordinate Z des verteilten optischen Verstärkers VOV mit einer Länge von 50 km dargestellt.In FIG. 2, the course of the pumping power is shown km above the Z coordinate of the distributed optical amplifier with a length of 50 VOV.

Die abschnittsweise Änderung der Dotierionenkonzentration ergibt den in Fig. 3 dargestellten Verlauf der Signallei stung über der Koordinate Z des verteilten optischen Verstär kers VOV. Es zeigt sich, daß die abschnittsweise Veränderung der Dotierionenkonzentration völlig ausreicht, um eine nahezu linear ansteigende Signalleistung entlang des verteilten optischen Verstärkers zu erreichen.The section-wise change of the doping ion concentration results in the course of the signal power shown in FIG. 3 over the coordinate Z of the distributed optical amplifier VOV. It turns out that the section-wise change in the doping ion concentration is completely sufficient to achieve an almost linearly increasing signal power along the distributed optical amplifier.

Als zusätzliche Option bietet sich die Einkopplung der Pumpleistung an anderer Stelle als am Verstärkeranfang oder sogar an mehreren Stellen längs des verteilten optischen Ver stärkers an, wobei die Verteilung der Dotierionenkonzentra tion entsprechend angepaßt werden muß. Bei einer Einspeisung der Pumpleistung am Ende des verteilten optischen Verstär kers, also dem sogenannten kontradirektionalen Pumpschema, ergab sich dabei sogar ein besserer Pumpwirkungsgrad bei leicht verschlechterten Rauscheigenschaften als bei kodirek tionalem Pumpen. Zu beachten ist dabei, daß die übrigen Para meter der aktiven Faser des verteilten optischen Verstärkers in jedem Fall denen der nach dem optischen Phasenkonjugator folgenden passiven Faser entsprechen müssen. Speziell das Dispersionsverhalten der aktiven Faser muß dem der passiven Faser entsprechen. Die passive Faser weist beim Ausführungs beispiel ebenfalls eine Länge von 50 km auf, die Dämpfung bei der Signalwellenlänge von 1554 nm beträgt 0,2 dB/km. Der Signalpegel am Anfang der passiven Faser betrug 10 dBm, der am Ausgang 0 dBm.The coupling in of the Pump power elsewhere than at the beginning of the amplifier or even in several places along the distributed optical ver stronger, the distribution of the dopant ion concentration tion must be adjusted accordingly. With an infeed the pump power at the end of the distributed optical amplifier kers, i.e. the so-called contradirectional pumping scheme, there was even a better pump efficiency slightly worse noise properties than kodirek tional pumping. It should be noted that the other Para meters of the active fiber of the distributed optical amplifier in any case those after the optical phase conjugator following passive fiber. Especially that Dispersion behavior of the active fiber must be that of the passive Match fiber. The passive fiber shows the execution example also a length of 50 km, the damping at the signal wavelength of 1554 nm is 0.2 dB / km. Of the Signal level at the beginning of the passive fiber was 10 dBm at the output 0 dBm.

Für den Aufbau längerer Übertragungsstrecken unter Zugrunde legung der im Ausführungsbeispiel vorgeschlagenen Übertra gungsstrecke bestehen mehrere Möglichkeiten. Die erste Alter native besteht in der wiederholten Hintereinanderschaltung von mehreren gleichartigen Übertragungsabschnitten, die aus je einem verteilten optischen Verstärker VOV und einem passi ven Übertragungsfaserabschnitt bestehen. Vorteilhaft ist dabei die Aufwandsverringerung hinsichtlich der optischen Phasenkonjugatoren, da nur in der Mitte der zu ihm bezüglich des Signalpegelverlaufs symmetrisch aufgebauten Gesamtstrecke ein einziger optischer Phasenkonjugator OPK angeordnet werden muß.For the construction of longer transmission lines on the basis laying the proposed in the exemplary embodiment there are several options. The first age native consists of repeated series connection of several similar transmission sections, which each a distributed optical amplifier VOV and a passi ven transmission fiber section exist. It is advantageous thereby reducing the effort with regard to the optical Phase conjugators, since only in the middle of it related to it of the signal level curve symmetrically constructed total distance a single optical phase conjugator OPK can be arranged got to.

Eine weitere Alternative für längere Übertragungsstrecken stellt der Einsatz eines einzigen verteilten optischen Ver stärkers mit besonders großem Gewinn dar. Hinter diesem folgen zunächst der optische Phasenkonjugator und danach ein Streckenabschnitt mit passiver Übertragungsfaser, deren Länge der des verteilten optischen Verstärkers entspricht. Die Signalpegel sind dabei so zu wählen, daß am Ende des passiven Faserabschnittes keine nichtlinearer Effekte mehr auftreten, was im allgemeinen bei einem Signalpegel um 0 dBm gesichert ist. Der folgende Übertragungsabschnitt aus passiver Faser, der eventuell noch einen ferngepumpten, konzentrierten opti schen Verstärker enthalten kann, läßt sich dann rein linear entzerren, da nur eine lineare Dispersionskompensation erfor derlich ist.Another alternative for longer transmission distances represents the use of a single distributed optical Ver stronger with a particularly large profit. Behind this follow first the optical phase conjugator and then one Section with passive transmission fiber, its length corresponds to that of the distributed optical amplifier. The Signal levels should be chosen so that at the end of the passive Non-linear effects no longer occur which is generally assured at a signal level around 0 dBm is. The following passive fiber transmission section, possibly a remote pumped, concentrated opti can contain the amplifier, can then be purely linear equalize, since only linear dispersion compensation is required is such.

Zur Steigerung der Datenrate bietet sich zusätzlich Wellen längen-Multiplexbetrieb an. In diesem Falle kompensiert der optische Phasenkonjugator nicht nur die Selbstphasenmodula tion der einzelnen Kanäle, sondern auch die Kreuzphasenmodu lation und die Vierwellenmischung. Bei im Hinblick auf die speziellen Gegebenheiten passender Wahl der Pumpleistung und der verwendeten Signalwellenlängen kann der verteilte opti sche Verstärker mehrere Signal gleichzeitig verstärken und damit für alle Kanäle den notwendigen symmetrischen Signal pegelverlauf herstellen.Waves are also available to increase the data rate length multiplex operation. In this case the optical phase conjugator not only the self-phase modules tion of the individual channels, but also the cross-phase mod lation and the four-wave mixing. With regard to the special circumstances appropriate choice of pumping capacity and of the signal wavelengths used, the distributed opti cal amplifiers amplify several signals simultaneously and thus the necessary symmetrical signal for all channels Establish level curve.

Claims

1. Optical transmission path, in particular for high data rates and high signal levels at the beginning of the path, with at least one optical repeater and with an optical phase conjugator to compensate for the group delay dispersion and the self-phase modulation, characterized in that
that between the beginning of the line and the optical phase conjugator (OPK) a distributed optical repeater (VOV) is inserted
and that the dispersion behavior of the active fiber of the distributed optical repeater (VOV) corresponds to that of the passive fiber (PF) of the transmission link.

2. Optical transmission link according to claim 1, characterized, that an erbium-doped fiber amplifier with comparatively long and lightly doped fiber as a distributed optical Intermediate amplifier (VOV) is provided and the active one Fiber has the same dispersion behavior as that of the optical Phase conjugator (OPK) following passive fiber (PF) points.

3. Optical transmission link according to claim 2, characterized, that in the active fiber of the distributed optical intermediate ver starters (VOV) the dopant ions from the beginning to the end concentration increases monotonously.

4. Optical transmission link according to claim 3, characterized, that the active fiber of the fiber amplifier into individual Sections of constant dopant ion concentration is divided and the dopant ion concentration of the individual Sections increase from the beginning of the route.

5. Optical transmission link according to claim 1, characterized, that the coupling of pump power at several points of the active fiber of the distributed optical repeater (VOV) can take place.

6. Optical transmission link according to claim 5, characterized, that alternatively follow a contradirectional pumping scheme becomes.

7. Optical transmission link according to claim 1, marked by the repeated series connection of several the same like, each a distributed optical amplifier and a via containing a passive transmission fiber section support sections, with only an optical phase con jugator (OPK) in the middle of it towards it regarding the signal arranged overall symmetrical level course is not.

8. Optical transmission link according to claim 1, characterized in
that the only optical intermediate amplifier is arranged with great gain, which is followed in the route by the optical phase conjugator (OPK) and a section of passive transmission fiber, the length of which corresponds to that of the distributed amplifier,
that the signal levels are chosen so that no non-linear effects occur at the end of the passive fiber section and that another transmission section follows with a passive fiber, which can contain a remote-pumped con-centered amplifier and is linearly equalized with respect to the linear dispersion compensation.

9. Optical transmission link according to claim 1, characterized in that
that several signals are transmitted over the transmission link by means of wavelength division multiplexing and the optical phase conjugator (OPK) not only compensates for the self-phase modulation of the individual channels, but also for cross-phase modulation and four-wave mixing and
that the pump power for the distributed optical intermediate amplifier (VOV) and the signal wavelengths used are selected so that the distributed optical intermediate amplifier amplifies several signals simultaneously and produces the necessary symmetrical signal level curve for all channels.