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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Telekommunikationsdiensten
und ist insbesondere auf Verbesserungen des Betriebsverhaltens und
der Funktionalität
für Broadcast-
und Multicast-Diensten unter Verwendung von mehreren Eingängen eines
Wellenleitergitter-Routers (Verzweigers) gerichtet.
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Wie
in dem Stand der Technik bekannt fallen Telekommunikationsdienste
allgemein in zwei Hauptkategorien. Es gibt die sogenannten Broadcast-Dienste,
bei denen sämtliche
Benutzer die gleiche Information empfangen, und die sogenannten geschalteten
(switchted) Dienste, bei denen jeder Benutzer Information empfängt, die
spezifisch für den
spezifischen Benutzer ist. Allgemein können Netz-Infrastrukturen auch in der gleichen
Weise klassifiziert werden. Ein Beispiel einer Broadcast-Infrastruktur
ist das klassische CATV Netz und ein Beispiel einer geschalteten
Infrastruktur ist das öffentliche
Telefonvermittlungsnetz (Public Switched Telephone Network; PSTN).
Es ist gewöhnlicherweise wirtschaftlicher
Broadcast-Dienste über
ein Broadcast-Netz und geschaltete Dienste über geschaltete Netze zuzuführen.
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Die
jüngsten
Arbeiten haben gezeigt, dass die optischen Eigenschaften von bestimmten
passiven Einrichtungen ausgenutzt werden können, um einer gegebene Infrastruktur
zu erlauben, sowohl eine Broadcast- als auch eine geschaltete Emulation
auszuführen;
siehe zum Beispiel das U.S. Patent Nr. 5.742.414 mit dem Titel „Multiplicity
of Services Via a Wavelength Division Router", welches am 21. April 1998 erteilt
wurde. Dieses Patent lehrt, dass die zyklischen Eigenschaften eines
Wellenlängengitter-Routers (Waveguide
Grating Router; WGR) in Verbindung mit einer Wellenlängenteilungs-Multiplexierung (Wavelength
Division Multiplexing; WDM) auf mehreren Graden einer Granularität verwendet
werden können,
um eine flexible Aufteilung von beiden Typen von Netzen (Broadcast
und geschaltet) unter Verwendung der gleichen physikalischen Infrastruktur
bereitzustellen. Insbesondere wird offenbart, dass durch Verwendung
der zyklischen oder periodischen Eigenschaften des WGRs (der manchmal
auch als „Arrayed
Waveguide Grating" (AWG), „Phased
Array" (Phasar),
oder der „Dragone
Router" bezeichnet wird),
zusammen mit einer optischen Quelle mit einer breiten spektralen
Emission eine Broadcast-Zuführung
begünstigt,
während „Linienquellen" mit schmalen Spektren
die Zuführung
eines geschalteten Diensts begünstigen.
Die Verwendung eines breiten optischen Spektrums flutet die optischen
Ausgangskanäle,
sodass jeder Ausgangsport eine Nachbildung, eine spektrale Scheibe,
oder das Signal auf dem Eingangsport führt. Die linearen Eigenschaften von
dieser passiven Einrichtung ermöglicht
es sowohl Broadcast- als auch geschaltete Dienste gleichzeitig auf
der gleichen Infrastruktur zu überlagern.
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Die
Fähigkeit,
derartige Dienste zu trennen, ist als „WDM-auf-WDM" („WDM-on-WDM") bezeichnet worden,
und zwar in der Erkenntnis, dass ein groberer Grad von WDM (in der
Größenordnung
der Periode, oder einem „freien
spektralen Bereich" des WGRs)
verwendet werden kann, um eine Vielzahl von sowohl Broadcast- als
auch Punkt-zu-Punkt Diensten auf einer eigentümlichen „dichten" WDM Infrastruktur zu trennen, die traditionell
für "Punkt-zu-Punkt" geschaltete Dienste
verwendet wird.
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Die
jüngsten
Arbeiten haben die Möglichkeiten
eines derartigen Systems gezeigt, um große Mengen von digitalen TV
Trägern
unter Verwendung eines besonders robusten QPSK (Quadraturphasenumtastung;
Quadrature Phase Shift Keying) Übertragungsformat
liefern kann, dass die Verwendung von optischen Quellen, die potentiell
billig sind und eine geringe Qualität aufweisen, mit breiten optischen
Bandbreiten erlaubt. Insbesondere ist gezeigt worden, dass sowohl
die Wellenlängendomäne als auch
die HF Domäne
verwendet werden kann, um „Blöcke" einer Fernsehprogrammierung
zuzuführen. Diese
Demonstrationen haben mehrere 500 MHz Blöcke von QPSK modulierten Trägem von
einem Satellitendienst unter Verwendung des Orts des optischen Bands
und des Orts des HF Blocks als einen Multiplexierungsindex zugeführt.
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Wahrscheinlich
würde der
Benutzer diesen großen
Videoinhalt durch Verwenden einer herkömmlichen Satelliten-Settopbox
(Zusatzgerät)
zugreifen. Die Settopbox würde
ein vorderes Ende aufweisen, das aus einem optischen Filter zum
Wählen der
geeigneten optischen Bänder
und einem HF Wandler zum Wählen
der geeigneten HF Trägerblöcke gebildet
ist. Der Benutzer kann für
eine moderate Erhöhung
der Kosten als Folge der Hinzufügung
des optischen Filters und der HF Umwandlung eine herkömmliche
Settoppbox verwenden, um größenordnungsmäßig auf
mehr Video zuzugreifen, als ansonsten für den Benutzer verfügbar wäre. Diese
Technik ist in 1 dargestellt, wobei jedes Rechteck 1 einen „Block" eines Dienstes darstellt,
der zum Beispiel an einer herkömmlichen
Settopbox bereitgestellt werden könnte. Die Fähigkeit derartiger Erhöhungen in der
Kapazität
für geringe
marginale Kosten bereitzustellen, wird weitläufig als eine notwendigere
Charakteristik für
den Erfolg in der Zukunft für
Telekommunikationsbetreiber angesehen.
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2 zeigt,
wie die Rechtecke 1 der 1 erzeugt
werden. Das WDM 2 auf der linken Seite trennt das optische
Spektrum von der Breitbandquelle 16 in vier optische Bänder 3, 4, 5 und 6 entsprechend
zu den vertikalen Spalten 7, 8, 9 und 10 der 1.
Jedes der optischen Bänder
wird dann mit Modulatoren 11, 12, 13 bzw. 14 HF
moduliert, und zwar mit einem zusammengesetzten Signal, das die Daten
in 4 unabhängigen
HF Blöcken
darstellt, entsprechend zu einem vertikalen Stapel von Blöcken in 1.
Das kombinierte Broadcast-Signal an dem Ausgang des zweiten WDM 15 in 2 wird
an die Endbenutzer durch einen WGR in dem Feld verteilt. Es sei
darauf hingewiesen, dass das Broadcast-Signal gewöhnlicherweise
optisch verstärkt,
aufgesplittet und mit mehreren WGRs verbunden wird, um die maximale
Kostenteilung des Headenden-Geräts
zu erzielen. 3a zeigt allgemein die Broadcastsignal-Verteilung an Endbenutzer
durch WGRs.
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Eine
mögliche
Komplikation dieser Vorgehensweise ergibt sich aus der Tatsache,
dass dann, wenn mehrere Träger
in derartigen Systemen verwendet werden, es Verschlechterungen gibt,
die durch die Art des Lichts selbst erzeugt werden. Insbesondere
verschlimmert die Verwendung von nicht kohärentem Licht mit einem breiten
optischen Spektrum und einer Hochfrequenzmodulation eine Verschlechterung,
die als „Spontan-Spontan
Schwebungsrauschen" („Spontaneous-Spontaneous
Beat Noise") bekannt
ist und die manchmal als „Überschussrauschen" („Excess
Noise") bezeichnet
wird. Allgemein gesagt wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio;
SNR), das durch das Spontan-Spontan Schwebungsrauschen der Blöcke begrenzt
ist, wie in 1 gezeigt, proportional sein zu: m2(Bo/Be)wobei m der Modulationsindex (pro
Nebenträger)
des zusammengesetzten (4 Blöcke)
Signals ist, B0 die optische Bandbreite
der Quellen (die horizontale Breite der Box), und Be die
elektrische Bandbreite des erfassten Signals (ein Nebenträger innerhalb
von einer der Boxen in 1) ist.
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In
einem kommerziellen System ist die Bandbreite der QPSK Nebenträger ungefähr 30 MHz.
Be wird in Übereinstimmung mit den normalen
Fernsehstandards gegeben. Systembetrachtungen veranlassen einen
B0 zu verringern (um mehr Blöcke in die gegebene
optische Bandbreite des Transportsystems einzubringen) und m zu
reduzieren (um mehr Nebenträger
in einen vertikalen Stapel von Blöcken einzubringen). Betrachtungen
des optischen Rauschens bedingen, dass sämtliche Blöcke auf jedem vertikalen Stapel
insgesamt moduliert werden, anstelle dass sie weiter optisch multiplexiert
werden. Diese Faktoren wirken zusammen, um die Signalqualität zu einer
Verschlechterung zu veranlassen. Was benötigt wird ist eine Vorgehensweise,
um das SNR durch Erhöhen
der optischen Bandbreite des Signals zu erhöhen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demzufolge
ist es eine gesamte Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehend
erwähnten Unzulänglichkeiten
und Nachteile der Telekommunikationsdienste, die in dem Stand der
Technik bekannt sind, zu vermeiden.
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Das
US Patent Nr. 5912749 offenbart ein optisches Kommunikationssystem,
das ein Bit-verschachteltes
WDM Signal bereitstellt. Das System weist einen Sender auf, der
eine Bit-verschachtelte Mehrfrequenz-Lichtquelle einschließt. Der
Ausgang von der Lichtquelle wird in eine kaskadierende Serie von
Leistungssplittern eingegeben, und die Ausgänge von der Serie von Leistungssplittern
werden Datenkodierungs-Modulatoren eingegeben. Der Ausgang von den
Modulatoren wird an frequenzabhängige
Empfänger übertragen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein verbessertes
Netz für
Telekommunikationsdienste bereitzustellen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein verbessertes
Netz für
Telekommunikationsdienste bereitzustellen, das leicht und kostengünstig implementiert
werden kann.
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Eine
noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein verbessertes
Telekommunikationsnetz unter Verwendung einer optischen Technologie
bereitzustellen.
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Es
ist eine spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Telekommunikationsnetz unter Verwendung einer optischen Technologie
mit einer erhöhten
Bandbreite gegenüber
derartigen Netzen, die in dem Stand der Technik bekannt sind, bereitzustellen.
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Es
ist eine andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
verbessertes Telekommunikationsnetz unter Verwendung einer optischen Technologie
bereitzustellen, die ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis gegenüber derartigen Netzen,
die in dem Stand der Technik bekannt sind, aufweist.
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Diese
anderen Zielrichtungen der vorliegenden Erfindung werden durch die
vorliegende Erfindung, wie nachstehend beschrieben, erzielt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Ansprüche
erläutert,
aber die Erfindung lässt sich
vollständig
und deutlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung,
wie in den beigefügten
Zeichnungen aufgeführt,
verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Frequenzplan für
WDM und HF multiplexierte Dienste;
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2 das
System, das zum Erzeugen des in 1 dargestellten
Wellenlängen-Frequenz-Plans eingerichtet
ist:
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3a und 3b die
Effekte einer Verwendung von mehreren Eingängen zu einem WGR;
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4a–4c verschiedene
Ausführungsformen
der WGR/Leistungssplitter-Verbindungen zum Zuführen sowohl von geschalteten
(switched) als auch Broadcast-Diensten; und
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5 einen
WGR/Leistungssplitter unter Verwendung von mehreren Eingängen, um
eine Wiederverwendung des optischen Spektrums und verbesserte Signal-zu-Rausch-Verhältnisse
zu erzielen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird eine optische Bandbreite durch
Installieren eines Leistungssplitterkopplers in einem Eingangsarm
und Anbringen der Ausgänge
des Leistungssplitterkopplers an getrennte Eingangsports des WGRs
erhöht.
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In 3a stellen
dicke vertikale Linien, z. B. mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet,
die spektralen Bänder
dar, die durch das System in 2 definiert
werden. Die kleineren Rechtecke, z. B. mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet,
entsprechen den WDM Kanälen,
die durch den WDM Demultiplexer definiert werden, der in der Nähe der Wohnung
des Teilnehmers angeordnet ist. Dieser WDM Demultiplexer ist ein
WGR und in einer illustrativen Weise gehen die Ausgangsfasern zum
Beispiel zu den einzelnen Teilnehmern.
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3a illustriert
die Konfiguration, die in dem voranstehend erwähnten U.S. Patent Nr. 5.742.414
erwähnt
ist. Jedes kleine Rechteck 31 ist eine spektrale Scheibe,
angeordnet in einem der Dienstbänder
und jede Scheibe führt
eine Nachbildung der vier HF Blöcke,
die wie in 2 dargestellt moduliert wurden.
Eine grobe WDM (nicht gezeigt), ähnlich
zu denjenigen, die in 2 dargestellt sind, wird ebenfalls
an dem Benutzerende benötigt,
um die Vielzahl von unterschiedlichen Diensten (entweder Broadcast
oder geschaltet) in individuelle optische spektrale Bänder neu
aufzuteilen.
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3b illustriert
die vorliegende Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass der ursprüngliche Eingangsport
noch angebracht ist, sodass die Bänder auf dem Ausgangsport an
der gleichen Stelle angeordnet sind, aber reduziert in der optischen
Leistung um 3 dB. Da ein benachbarter Eingangsport mit dem gleichen
optischen Inhalt verbunden ist, sind dessen Ausgänge angrenzend (oder herumgewickelt).
Somit bleibt die optische Leistung in jedem der Bänder (auch
getrennt durch dicke vertikale Linien, z. B. wie mit dem Bezugszeichen 32 angedeutet)
an den Ausgängen
die gleiche, ist aber um einen Faktor von zwei in der Leistung für jeden
Kanal, aber mit einer Belegung von zweimal so vielen Kanälen, verringert.
Infolge dessen ist der gesamte Fotostrom, der erzeugt wird, an dem
optischen Detektor unverändert.
Mit anderen Worten, das elektrische Signal ist das gleiche, aber
das Spontan-Spontan optische Schwebungsrauschen ist um eine Hälfte verringert. Mit
anderen Worten, weil die optische Bandbreite verdoppelt wird, wird
das SNR in jedem Band um zwei erhöht. Ein entsprechendes Ergebnis
wird erreicht, wenn drei Eingangsports verwendet werden.
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Die
oben beschriebene Technik der vorliegenden Erfindung ist besonders
nützlich
bei der Verbesserung des Betriebsverhaltens von digitalen Diensten
wegen mehrer Gründe.
Zunächst
kann durch Verwendung eines Leistungssplitters mit sogar einer moderaten
Anzahl von Ports, wie beispielsweise vier das SNR vervierfacht werden.
In digitalen Systemen ist die Bitfehlerrate eine sehr starke Funktion
des SNR. Ein moderates SNR kann zu einer BER (Bitfehlerrate) von
2 × 10–4 führen, zum
Beispiel zu einer Bitrate, die zu einem relativ schlechten Kanal gehört. Wenn
dieses SNR vervierfacht wird, fällt
die BER auf 1,3 × 10–12 ab,
d. h. dies führt
zu einer Verbesserung des BER um einen Faktor von ungefähr 100.000.000.
Zusätzlich
ist es in digitalen Systemen möglich
eine Vorwärtsfehlerkorrektur
(Forward Error Correction) zu verwenden, was die Übertragung noch
robuster und die BER Verbesserung eine noch stärkere Funktion der SNR Verbesserung
macht. Da beide Eigenschaften in existierenden Digitalvideo-Zuführungssystemen
vorhanden sind, hat die Technik der vorliegenden Erfindung eine
große
Verwendbarkeit. Wegen dieser Gründe
ist es möglich LEDs
(Leuchtdioden) anstelle von sehr linearen DFB Lasern zu verwenden,
um Video in einer noch kostengünstigeren
Weise zuzuführen.
Sobald das Spontan-Spontan Schwebungsrauschen mit einer gegebenen
Verschlechterung vernichtet ist, gibt es keine weitere Notwendigkeit
für einen
Spielraum, da B0, Be, und
m fest sind.
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Die
Techniken und Konzepte der vorliegenden Erfindung führen automatisch
zu der Integration auf eine Siliziumbanktechnologie, im Vergleich
zum Beispiel mit einer „ 2
PONs in 1" Einrichtungen.
Eine derartige Einrichtung ist in 4a dargestellt.
In dieser Einrichtung gehen geschaltete Dienste direkt an einen
Port auf dem WGR, sodass sie an individuelle Ausgangsports als eine
Funktion der Wellenlänge geleitet
werden können.
Broadcast-Dienste werden jedoch von der Eingangsfaser durch einen
WDM abgestreift, der gewählt
ist, um diese Broadcastdienst-Grenzen herauszunehmen. Das Licht
wird an einen Leistungssplitter (P/S) gerichtet und dann wird das
Licht auf jedem Ausgangsarm des Splitters erneut mit dem Licht auf
den Ausgangsarmen des WGRs durch Verwenden einer WDM auf jedem Arm multiplexiert.
Vorteile dieses Ansatzes umfassen die Tatsache, dass die Broadcast-Dienste
durch einen Laser zugeführt
werden können
und somit höhere Leistungen
bei relativ geringen Kosten aufweisen können. Nachteile dieser Einrichtung
umfasst die Tatsache, dass Wellenleiter vorhanden sind, die andere Wellenleiter
kreuzen, und dass jeder Arm eine WDM einschließen muss. Somit wird das Betriebsverhalten verschlechtert
und die größere Komplexität wird zusammen
mit den Kosten des optischen Chips ansteigen.
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Die
Einrichtung der vorliegenden Erfindung ist in 4b dargestellt.
Beide Einrichtungen, 4a und 4b, teilen
gemeinsam einen WDM, um Verkehr zu trennen, und beide weisen einen
Leistungssplitter (Leistungsteiler) auf. Bei der Einrichtung der
Erfindung gehen die Leistungssplitter-Ausgangsleitungen jedoch in die WGR
Eingangsleitungen. Dieser Ansatz erfordert nicht N WDMs in den Ausgangsarmen
und führt
dennoch die gleiche Funktionalität aus.
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Wenn
alle oder die meisten Ports mit dem Ausgang des Leistungssplitters
abgedeckt werden, wird ein Broadband (Breitband) nicht mehr benötigt, um
eine Broadcast-Übertragung
auszuführen,
da ein DFB, wenn er zu dem WGR ausgerichtet ist, ebenfalls die gleiche
Funktion bereitstellen würde.
Jedoch sei darauf hingewiesen, dass wenn sämtliche WGR Eingangsports mit
den Ausgängen
des Leistungssplitters abgedeckt werden, ein WDM (der in 4b nicht
gezeigt ist) benötigt
wird, um geschaltete Wellenlängen
mit Broadcast-Wellenlängen
in einen der WGR Eingangsports hinein zu kombinieren. Ferner können optische
Schalter auch zwischen jedem WGR Eingangsport und Leistungssplitterkoppler-Ausgängen eingebaut
werden, um einen selektiven Multicasting-Dienst bereitzustellen,
wenn eine Linienquelle verwendet wird. Optische Schalter, die einen
thermooptischen Effekt oder eine MEMS (mikroelektromechanisches
System) Technologie verwenden, können
mit der WGR Einrichtung integriert werden. Die Multicast-Laserwellenlänge und
die Zustände
der optischen Schalter bestimmen, welche Benutzer den Dienst erhalten,
und zwar in Übereinstimmung
mit dem Verbindungsdiagramm des WGRs. Dies ist in 4c dargestellt.
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Die
mehreren Leistungssplitterausgänge können auch
mit den WGR Eingängen
verbunden werden, die mehrere Ports entfernt sind, wie in 5 gezeigt.
Als Folge der zyklischen Wegleitungs-Eigenschaft (Routing-Eigenschaft)
des WGR, kann das optische Spektrum „wieder verwendet" werden, um das optische
Signal an sämtliche
WGR Ausgangsports unter Verwendung nur eines Teils des WGR freien spektralen
Bereichs (Free Spectral Range; FSR) als Broadcast auszusenden. In 5 wird
jeder FSR (der durch fette Linien getrennt wird, z. B. wie mit dem
Bezugszeichen 33 angedeutet) weiter in zwei Anteile aufgeteilt,
die durch die gestrichelten Linien getrennt sind, z. B. wie mit
dem Bezugszeichen 34 angedeutet. Jeder bruchteilartige
FSR unterstützt
einen anderen Broadcast-Dienst (in 5 als unterschiedliche
schraffierte Muster gezeigt). Die mehreren WGR Eingangsverbindungen
stellen sicher, dass jeder Routerausgang eine Kopie von sämtlichen Broadcast-Signalen
aufweisen wird, obwohl jeder von diesen nur einen Bruchteil des
FSRs belegt.
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Eine
Implikation einer Broadcast-Übertragung
auf einem kleineren Teil des optischen Spektrums ist, dass Dienste
auf einer feineren Granularität getrennt
werden. Dies erfordert eine Technologie mit steileren optischen
Filtern. Jedoch muss man für
die gleiche Zielkapazität
nicht soviele Broadcast-Signale in der HF Domäne aufstapeln, da das optische
Spektrum effizienter verwendet wird. Somit wird eine Multiplexierung
in der elektrischen Domäne
einfacher gemacht. Das Nettoergebnis einer Modulation des optischen
Trägers
mit dem weniger HF Nebenträgers ist,
dass der Modulationsindex nun erhöht werden kann. Für eine Verringerung
der Anzahl von modulierenden HF Nebenträgem um einen Faktor von 2, kann
der Modulationsindex m durch die Quadratwurzel von 2 erhöht werden.
Beispielsweise sei angenommen, dass ein Wiederverwendungsfaktor
des optischen Spektrums von 2 erreicht werden kann, wie in 5 dargestellt.
Obwohl jeder Dienst nur in einem WGR Kanalschlitz geführt wird,
wird das Spontan-Spontan emissions-begrenzte SNR um einen Faktor
von 2 verbessert. Dies ist äquivalent
zu der Verbesserung, die durch Verwendung von zwei WGR Kanalschlitzen
erreicht wird, wie voranstehend diskutiert. Die Tatsache, dass jeder
Broadcast-Dienst nun nur einen einzelnen WGR Kanalschlitz, anstelle
von mehreren von diesen, belegt, hat jedoch den Vorteil, dass das
System gegenüber
einer chromatischen Dispersion toleranter ist.
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Aus
der voranstehend diskutierten Vorrichtungsausführungsform sollte ersichtlich
sein, dass zahlreiche andere Variationen und Modifikationen der Vorrichtung
dieser Erfindung möglich
sind und derartige Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet
leicht einfallen werden. Demzufolge soll der Umfang dieser Erfindung
nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt
werden, sondern soll derartige Ausführungsformen einschließen, sowie
sie in den Umfang der hier angehängten
Ansprüche
fallen.