DE69831214T2

DE69831214T2 - Remodulatoren für optische wdm-übertragungssysteme

Info

Publication number: DE69831214T2
Application number: DE69831214T
Authority: DE
Inventors: B. Stephen ALEXANDER; W. Steve CHADDICK; C. Roy LITZ; D. Cecil SMITH
Original assignee: Ciena Corp
Current assignee: Ciena Corp
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2018-10-22
Also published as: CA2275700A1; WO1999021316A9; EP0951765B1; EP1903709A3; AU1272599A; DE69831214D1; EP1903708B1; EP1434377A3; EP1903707A2; EP1903709A2; DE69840134D1; EP1903708A2; EP1903707B1; EP1434377A2; WO1999021316A1; EP1903708A3; EP1903707A3; EP0951765A1; EP1903709B1; EP1434377B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel betrifft optische Wellenlängenmultiplex-Kommunikation im Allgemeinen, und insbesondere eine Remodulation von Kanalwählern zum Auswählen einer jeweiligen Kanalwellenlänge und zum Umsetzen der Information von dieser Kanalwellenlänge auf einen neu erzeugten optischen Kanal.
Optische Kommunikationssysteme sind ein substantieller und schnell wachsender Bestandteil von Kommunikations-Netzwerken. Der Ausdruck „optisches Kommunikationssystem", wie er hier verwendet wird, betrifft jedes System, das optische Signale verwendet, um Informationen über ein optisches wellenleitendes Medium zu übertragen. Zu solchen optischen Systemen zählen, ohne Beschränkung, Telekommunikationssysteme, Kabelfernsehsysteme und lokale Datennetze (local area networks, LANs). Optische Systeme werden beschrieben in Gowar, Hrsg. Optical Communications Systems (Prentice Hall, NY) c. 1993. Derzeit ist die Mehrheit optischer Kommunikationssysteme konfiguriert, einen optischen Kanal mit einer einzelnen Wellenlänge über einen oder mehrere optische Wellenleiter zu führen. Um Informationen von vielen Quellen zu übertragen, wird oft ein Zeitmultiplexverfahren (time-division multiplexing, TDM) verwendet. Beim Zeitmultiplexverfahren wird jeder Signalquelle ein jeweiliger Zeitschlitz zugewiesen, wobei das vollständige Signal aus den Signalabschnitten aufgebaut wird, die aus jedem Zeitschlitz gesammelt werden. Während dies eine nützliche Technik zum Transportieren einer Mehrzahl Informationsquellen auf einem einzelnen Kanal ist, ist ihre Kapazität durch Faserdispersion und die Notwendigkeit, Pulse mit hohen Spitzenleistungen zu erzeugen, begrenzt.
Während der Bedarf an Kommunikationsdienstleistungen ansteigt, ist die derzeitige Kapazität existierender Wellenleiter-Medien begrenzt. Obwohl Kapazität erweitert werden kann, beispielsweise durch Verlegen von mehr faseroptischen Kabeln, sind die Kosten einer solchen Erweiterung unerschwinglich hoch. Daher besteht ein Bedarf an einem kosteneffektiven Weg, die Kapazität existierender optischer Wellenleiter zu erhöhen.
Das Wellenlängenmultiplexverfahren (wavelength division multiplexing, WDM) ist als Ansatz zur Erhöhung der Kapazität existierender faseroptischer Netzwerke erforscht worden. In einem WDM-System wird eine Mehrzahl optischer Signalkanäle über einen einzelnen Wellenleiter transportiert, wobei jedem Kanal eine jeweilige Wellenlänge zugewiesen ist. Durch die Verwendung optischer Verstärker, wie etwa dotierter Faserverstärker, wird eine Mehrzahl optischer Kanäle zugleich direkt verstärkt, was die Verwendung von WDM-Systemen in optischen Fernnetzwerken erleichtert.
Um Kompatibilität von WDM-Systemen mit existierenden Netzwerken zu schaffen, ist es wünschenswert, ein Signal von einer empfangenen Übertragungswellenlänge eines Kunden auf eine spezifische Kanalwellenlänge innerhalb des WDM-Systems zu konvertieren. Dies trifft insbesondere in WDM-Systemen zu, die viele Kanäle verwenden, oft auch als „dichtes" WDM bezeichnet, wo Kanalabstände in der Größenordnung von einem Nanometer oder weniger sind. Solche WDM-Systeme erfordern eine präzise Steuerung der optischen Signalwellenlänge für jeden Kanal, um ein „Übersprechen" zu vermeiden, d. h. Interferenz zwischen benachbarten Kanälen. Ein optisches WDM-System zum Konvertieren von Signalen empfangener Übertragungswellenlängen auf spezifische Kanalwellenlängen unter Verwendung optischer Remodulatoren wird im U.S.-Patent 5,504,609 beschrieben. Ein optisches WDM-System, das sowohl Remodulatoren als auch diverse optische Quellen verwendet (beispielsweise, um Signalen Rechnung zu tragen, die bei der korrekten Kanalwellenlänge erzeugt werden oder optischen Kanälen, die von einem anderen optischen Pfad her geleitet werden), wird in der US 08/624,269 beschrieben.
Während die beiden beschriebenen Ansätze vorteilhafterweise Kompatibilität mit existierenden Kommunikationssystemen anbieten, insbesondere mit denjenigen Systemen, die SONET-Endempfänger verwenden, die dem SONET„Fernbereich"-Standard entsprechen, d. h. Endgeräte, die konfiguriert sind, niedrige optische Signalniveaus zu detektieren, wäre es wünschenswert, ein Ausgangskanalsignal bereitzustellen, das den SONET-„Nahbereich"-Schnittstellenstandards entspricht, d. h. Endgeräte, die konfiguriert sind, optische Signale mit höheren Signalniveaus zu detektieren.
Bisher war die Aufmerksamkeit auf eine Konversion eines einzelnen Übertragungskanals von einer Wellenlänge außerhalb des Wellenlängenbandes, das von optischen Verstärkern verstärkt wird, auf eine Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbandes, das von optischen Verstärkern verstärkt wird, und anschließend zurück auf die originale Übertragungswellenlänge zum Empfang durch einen optischen Empfänger fokussiert. Das US-Patent 5,267,073 beschreibt eine Wellenlängenkonversion in einem konventionellen einkanaligen optischen System, um eine Signalverstärkung durch optische Verstärker zu ermöglichen. In diesem System wird ein Adapter bereitgestellt, um ein optisches Übertragungssignal zu empfangen, das eine Wellenlänge hat, die außerhalb der Betriebsparameter des optischen Verstärkers liegt. Das Signal wird an ein optoelektronisches Konvertierungsmodul geleitet. Das resultierende elektrische Signal wird an Anpassungsmittel ausgegeben, die eine Laserpilotschaltung für das direkte Modulieren eines Signallasers umfassen. Das Ausgangssignal des Signallasers wird nachfolgend von einem optischen Verstärker verstärkt. Auf der Empfängerseite ist ein Adapter bereitgestellt, der die optischen Signale des Verstärkers in elektrische Signale wandelt, die in ein Anpassungsmodul geleitet werden. Das Anpassungsmodul umfasst eine Laserpilotschaltung, die einen Lasersender steuert. Das Patent behauptet, das auf diese Weise Probleme vermieden werden, bei denen normale optische Leitungsempfänger Probleme mit der Frequenzantwort haben, wenn sie an optische Verstärker in optischen Faserleitungen gekoppelt sind.
Es gibt auf diesem Gebiet einen Bedarf für WDM-Kanalwähler, die sowohl eine jeweilige Kanalwellenlänge aus einem optischen Multiplex-Signal auswählen können, als auch die Information dieses Kanals auf ein neu erzeugtes optisches Signal umsetzen können, wobei das optische Signal ausgewählt ist, die gewünschten Charakteristika zu haben, die es mit der ausgewählten Endempfänger-Ausrüstung kompatibel machen. Solche Kanalwähler würden die Verwendung weniger teurer Endgeräte erlauben, was die Verwendung des Wellenlängenmultiplex-Verfahrens in einer größeren Vielfalt von Telekommunikationsanwendungen erleichtern würde.
Die vorliegende Erfindung stellt einen remodulierenden Kanalwähler für ein optisches Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem bereit. Der remodulierende Wähler empfängt ein WDM-Eingangssignal, wählt einen jeweiligen optischen Kanal des WDM-Signals aus und setzt die Information des ausgewählten Signals auf ein neu erzeugtes optisches Ausgangssignal um. Der remodulierende Wähler umfasst typischerweise einen optischen Eingangsanschluss, der konfiguriert ist, ein optisches Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssignal von einem optischen Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem zu empfangen. Ein optischer Kanalwähler kommuniziert optisch mit dem optischen Eingangsanschluss, um einen einzelnen optischen Kanal des WDM-Eingangssignals auszuwählen. Ein Optisch-zu-elektrisch-Wandler kommuniziert optisch mit dem optischen Kanalwähler, um den ausgewählten Kanal zu empfangen und ein elektrisches Signal auszugeben, das Information aus dem ausgewählten optischen Kanal entspricht. Diese Information wird auf ein optisches Signal umgesetzt, das von einem optischen Signalemitter, wie etwa einem Laser oder einer lichtemittierenden Diode (LED), erzeugt wird. Bei Verwendung in einem optischen WDM-Kommunikationssystem mit Remodulatoren am Sendeeingang liefern die remodulierenden Wähler eine vollständige Kontrolle der Schnittstellen mit optischen Sendern und Empfängern, was es einem WDM-System ermöglicht, mit einem breiten Bereich optischer Sende- und Empfangsausrüstung eine Schnittstelle zu bilden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben, ausschließlich im Sinne von Beispielen, und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, bei denen:
1 schematisch ein optisches Kommunikationssystem darstellt, das remodulierende Kanalwähler gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet.
2 schematisch einen Remodulator darstellt, der im optischen Kommunikationssystem der 1 verwendet wird.
3 ein Blockdiagramm eines Vorwärts-Fehlerkorrektur-Kodierers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel illustriert.
4 schematisch einen remodulierenden Kanalwähler darstellt, der im optischen Kommunikationssystem der 1 verwendet wird.
5 ein Blockdiagramm eines Vorwärts-Fehlerkorrektur-Dekodierers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel illustriert.
In den Zeichnungen zeigen gleiche Bezugsziffern die selben oder ähnliche Elemente in jeder der verschiedenen Ansichten an. 1 stellt ein optisches Kommunikationssystem 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Das optische Kommunikationssystem 10 wird betrieben, um optische Sendesignale verschiedener optischer Sender und anderer optischer Signalquellen aufzunehmen und die Signalquellen auf ein optisches Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem abzubilden, d. h., ein Kommunikationssystem, in dem individuelle optische Signale optischen Kanälen innerhalb eines optischen Wellenlängenmultiplex-Signals entsprechen, das auf einem optischen Wellenleiter transportiert wird. Das optische Kommunikationssystem 10 enthält einen ersten Satz eines oder mehrerer optischer Sender 22, 24, wobei jeder optische Sender ein informationstragendes optisches Signal bei einer ersten Sendewellenlänge emittiert.
Die optischen Sender 22, 24 beinhalten im Allgemeinen einen Laser, wie etwa einen DFB-Halbleiterlaser, und einen Modulator zum Erzeugen eines informationstragenden optischen Sendesignals. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die optischen Sender 22 und 24 SONET OC-48-Sender. Wenn eine Mehrzahl optischer Sender bereitsteht, kann die Sendewellenlänge jedes Senders dieselbe sein oder unterschiedlich sein. Da die Sender 22, 24 einen Teil eines existierenden optischen Systems bilden können, kann eine große Vielzahl unterschiedlicher Sender, die in einem breiten Wellenlängenbereich emittieren, im optischen Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden, wodurch eine Kompatibilität mit derzeit verwendeter Sendeausrüstung sichergestellt wird. Typische Sendeelemente emittieren Wellenlängen, die im Bereich von 1300 bis 1600 nm liegen. Sendeelemente in derzeitigen optischen Kommunikationssystemen und verschiedene darin verwendete optische Modulationstechniken sind beschrieben in Gowar, Optical Communication Systems. Im abgebildeten exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der optische Sender 22 ein optischer Sender bei 1310 nm und der optische Sender 24 ein optischer Sender bei 1550 nm, kommerziell erhältlich von NEC, Fujitsu, Alcatel und Nortel.
Das optische Kommunikationssystem 10 enthält eine Mehrzahl Remodulatoren 30 zum Empfangen des gesendeten informationstragenden optischen Signals bei der Sendewellenlänge vom ersten Satz optischer Sender, und zum Senden eines informationstragenden optischen Signals bei einer Kanalwellenlänge des optischen WDM-Systems. Der Ausdruck „informationstragendes optisches Signal", wie hier verwendet, bezieht sich auf ein optisches Signal, das mit Informationen kodiert worden ist, beinhaltend, jedoch ohne Einschränkung, Audiosignale, Videosignale und Computerdaten, im Allgemeinen durch Modulation. In ähnlicher Weise bezieht sich der Ausdruck „nicht informationstragendes optisches Signal", wie hier verwendet, auf ein optisches CW-Signal, das nicht mit Informationen kodiert worden ist, beispielsweise einen optischen Träger, der nicht moduliert worden ist. Typischerweise sind die Wellenlängen, die von den Remodulatoren emittiert werden, so ausgewählt, dass sie im Bereich von 1500 Nanometern liegen, der Bereich, in dem die minimale Signalabschwächung für Quarz-basierte Fasern auftritt. Insbesondere sind die Wellenlängen, die von den Remodulatoren emittiert werden, ausgewählt, im Bereich von 1530 bis 1560 Nanometer zu liegen. Andere Wellenlängenbänder können jedoch entsprechend dem Gesamtsystemerfordernissen ausgewählt werden.
Für ein optisches 16-Kanal-Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem ist ein beispielhafter Kanalplan in der untenstehenden Tabelle 1 angegeben. Der optische Kanalplan schreibt sowohl die Wellenlängen der optischen Remodulatoren als auch die entsprechenden Wellenlängen vor, die von den Wellenlängenwählern in den optischen Empfangssystemen ausgewählt werden.
Tabelle 1
Das optische Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem 10 enthält optional einen zweiten Satz eines oder mehrerer optischer Sender 25, die direkt ein optisches Signal ausgeben, das eine Wellenlänge hat, die einem optischen Kanal innerhalb des Kanalplans des Kommunikationssystems entspricht. Konsequenterweise kommunizieren die optischen Sender 25 mit einem optischen Multiplexer oder Kombinierer 50 ohne die Notwendigkeit einer Remodulation durch die Remodulatoren 30. Die optischen Sender 25 sind kommerziell von einer Vielzahl Lieferanten erhältlich, einschließlich der Serie optischer Sender OCT-204 von Alcatel, der optischen Sender HT2H-LR1 N von Fujitsu und der optischen Sender ITS-2400 von NEC.
Das optische Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem 10 enthält weiterhin optional zusätzliche Quellen optischer Signale, beispielsweise optischer Signale von Add/Drop-Multiplexern oder Demultiplexern anderer optischer Systeme.
Ein beispielhafter Remodulator 30 für die Verwendung in dem optischen Kommunikationssystem 10 ist schematisch in 2 dargestellt. Im Remodulator 30 wird das gesendete optische Signal von einem elektro-optischen Wandler 31, typischerweise einer Fotodiode, in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird von einem Transimpedanz-Verstärker 32 verstärkt, durch einen Filter 33 geleitet, um die Rauschbandbreite und Wellenform des Signals zu begrenzen, und wird von einem begrenzendem Verstärker 34 weiter verstärkt. Optional kann der Remodulator 30 eine Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung 40 zur Verwendung mit Signalen hoher Datenrate enthalten. Ein Schalter 41 wählt automatisch Signale hoher Datenrate aus und leitet sie durch ein Takt-/Daten-Rückgewinnungselement 43. Die ausgewählten Signale werden einem Retiming unterzogen, was vorzugsweise Jitter verringert. Das Signal verlässt nach seinem Retiming die Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung durch einen Schalter 42.
Das resultierende elektrische Signal wird verwendet, um einen externen Modulator 36 durch einen Modulatortreiber 37 zu steuern. Wie hier verwendet, schließt der Ausdruck „externer Modulator" jeglichen Modulator ein, der auf einem optischen Träger arbeitet, der von einer Dauerstrich(continuous wave, CW)-Quelle, wie etwa einem Laser emittiert wird. Solche externen Modulatoren können im selben Gehäuse wie die optische Quelle oder in einem von der optischen Quelle separaten Gehäuse vorgesehen sein.
Der Remodulator 30 enthält auch eine optische Quelle, wie etwa einen Laser 37, zum Ausgeben eines nicht informationstragenden Trägersignals an einen Laser-Ausgabe-Wellenleiter. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der Laser 37 ein DFB-Halbleiterdiodenlaser, der im Allgemeinen ein oder mehrere III–V-Halbleitermaterialien umfasst, kommerziell erhältlich von einer großen Vielzahl von Lieferanten, wie etwa Fujitsu, GEC Marconi, Alcatel und Hewlett-Packard. Der Laser gibt ein optisches Trägersignal bei einer Kanalwellenlänge aus, wobei die Wellenlänge einer Kanalwählerwellenlänge entspricht, die im remodulierenden Kanalwähler enthalten ist. Eine Lasersteuerung 38 stellt den erforderlichen Laserstellstrom bereit, wie auch eine thermische Steuerung des Lasers. Durch Verwendung einer thermischen Steuerung wird die genaue Betriebswellenlänge des Lasers aufrecht erhalten, typischerweise innerhalb einer Bandbreite von einem Angström.
Der externe Modulator 36 wirkt auf das optische Trägersignal, das vom Laser 37 ausgegeben worden ist, im Gegensatz zur Wirkung auf den Laser selbst oder auf einen Lasertreiber, wie es bei direkten Modulationssystemen geschieht. Ein exemplarischer externer Modulator verwendet ein Wellenleitermedium, dessen Brechungsindex sich entsprechend dem angelegten elektrischen Feld ändert, d. h., ein Material, das einen elektro-optischen Effekt zeigt. Konsequenterweise wird die Phase optischer Eingangs-Trägersignale als Ergebnis der Änderung des Bre chungsindexes des optischen Wellenleiters verändert. Ein geeignetes elektrooptisches Wellenleitermaterial für die externen Modulatoren der vorliegenden Erfindung ist Lithiumniobat, LiNbO₃. Ein exemplarischer elektro-optischer Modulator zur Verwendung als externer Modulator 36 ist ein interferometrischer Mach-Zehnder-Modulator, der eine Hochgeschwindigkeits-Intensitätsmodulation optischer Träger liefert. In der Mach-Zehnder-Konfiguration werden zwei optische Pfade bereitgestellt. Ein eingehender optischer Träger wird in die zwei Pfade des Interferometers aufgespalten. Mindestens ein Pfad des Interferometers wird phasenmoduliert. Wenn das Signal am Ausgang rekombiniert wird, interferiert das Licht der Pfade entweder konstruktiv oder destruktiv, in Abhängigkeit vom elektrischen Feld, das an die umgebenden Elektroden während der Durchlaufzeit des Trägers angelegt wird, wodurch ein amplitudenmoduliertes Ausgangssignal erzeugt wird. Weitere Details elektro-optischer Modulatoren sind beschrieben in: Becker, „Broad-Band Guided Wave Electrooptic Modulators", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-20, Nr. 7, Juli 1984, Seiten 723–727. Mach-Zehnder-Interferometer, die für eine Verwendung im externen elektro-optischen Modulator 36 geeignet sind, sind kommerziell erhältlich von United Technologies und IOC. Das modulierte Ausgangssignal ist der informationstragende optische Kanal, dessen Wellenlänge einer bestimmten Kanalwähler-Wellenlänge im optischen Kommunikationssystem entspricht.
Alternativ kann der externe Modulator, der in den Remodulatoren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, aus externen Elektro-Absorptionsmodulatoren ausgewählt werden. Elektro-Absorptionsmodulatoren funktionieren aufgrund einer Änderung der Bandlücke des modulierenden Materials, um Informationen auf das optische Trägersignal aufzuprägen. Exemplarische Elektro-Absorptionsmodulatoren sind beschrieben in Wood, „Multiple Quantum Well (MQW) Waveguide Modulators", Journal of Lightwave Technology, Vol. 6, Nr. 6, Juni 1988, Seiten 743–757.
Optional enthalten die Modulatoren 30 Vorwärts-Fehlerkorrektur (forward error correction, FEC)-Kodierer 45. Die Hinzufügung einer Vorwärts-Fehlerkorrektur zu einem optischen WDM-Kommunikationssystem verringert vorteilhafter Weise die Bit-Fehlerrate (bit error rate, BER) durch Hinzufügen von Redundanz, beispielsweise von Kodierungsbits, zu den individuellen optischen Kanälen, die das WDM-Signal umfassen. Insbesondere erlaubt die Hinzufügung von FEC dem WDM-System, eine im Wesentlichen fehlerfreie Arbeitsleistung in der Gegenwart von Nichtlinearitäten im optischen Kommunikationssystem zu erzielen. Auf der Empfängerseite prüft ein Vorwärts-Fehlerkorrektur-Dekodierer die Kodierungsbits, um die gesendete Information genau zu rekonstruieren. Eine Vielzahl von Kodierungsalgorithmen kann verwendet werden, um eine Vorwärts-Fehlerkorrektur in den optischen WDM-Systemen der vorliegenden Erfindung zu bewerkstelligen. Exemplarische Algorithmen sind eine Faltungskodierung mit Schwellendekodierung, Viterbi-Dekodierung oder Reed-Solomon-Kodierung/Dekodierung. Detaillierte Beschreibungen dieser und anderer Kodierungsalgorithmen sind zu finden in Wiggert, Error-Control Coding and Applications, (Artech House, c. 1978).
Ein FEC-kodiertes optisches Übertragungsexperiment unter Verwendung von Hamming-Codes wird von Tomizawa et al. beschrieben in „Forward Error Correcting Codes in Synchronous Fiber Optic Transmission Systems", Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, Nr. 1, Januar 1997, Seiten 43–51.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Vorwärts-Fehlerkorrektur in den optischen WDM-Systemen der vorliegenden Erfindung eine „Kanalverfolgungs"-Funktion, die die Kanal-ID, den Ausgangspunkt und das Ziel in einen kleinen Overhead-Bitstrom kodiert, der es dem remodulierenden Kanalwähler erlauben würde, nur auf ein eingehendes Signal mit der korrekten Adressierung zu antworten. Die Verwendung einer Kanalverfolgung durch die Vorwärts-Fehlerkorrektur erlaubt zusätzlich eine Kanalpfadverfolgung durch das WDM-System, ein besonders nützliches Merkmal für komplexe Systemtopologien und WDM-Systeme mit extensivem Add/Drop-Multiplexverfahren oder Verzweigungseinrichtungen.
Ein exemplarischer Kodierer 45 ist in 3 in näheren Einzelheiten dargestellt. Signale, die von der Takt-/Datenrückgewinnungsschaltung 43 her empfangen worden sind, werden an den Kodierer 45 auf einer Eingangsleitung 410 geliefert. Ein Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis 412 wandelt die empfangenen seriellen Daten in parallele Daten. Der Ausgang des Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreises 412 wird auf einer Mehrzahl Leitungen 413 an einen FEC-Kodierer-Kernschaltkreis 414 geliefert, wie beispielsweise in der U.S.-Patentanmeldung „Parallel Spectral Reed-Solomon Encoder and Decoder", von Neifeld et al., angemeldet am 7. Oktober 1997, US-Anmeldenummer: 08/946,166 beschrieben.
Der FEC-Kodierungskernschaltkreis 414 kodiert die empfangenen Daten parallel gemäß einem Reed-Solomon-Code, in dem eine Vielzahl von Syndromsymbolen oder Bit-Gruppierungen angehängt werden, denen eine inverse Fouriertransformation der Daten und der Syndrome folgt. Der FEC-Kodierungskernschaltkreis 414 gibt kodierte Daten parallel an einen Parallel-Seriell-Wandler 416 aus, der die Daten für eine Ausgabe an den Modulatortreiber 35 serialisiert.
Zurück in 1, bildet jedes informationstragende optische Signal, das von einem Remodulator produziert wird, einen Kanal im optischen System 10, dessen Wellenlänge einer Kanalwähler-Wellenlänge entspricht. Die optischen Signalkanäle, die aus den Remodulatoren 30 ausgegeben werden, werden in einem optischen Kombinierer 50 für eine Übertragung an einen optischen Wellenleiter 60 zusammengebracht. Der optische Kombinierer 50 wird aus beliebigen passiven optischen Komponenten ausgewählt, die eine Mehrzahl Wellenlängen in ein einzelnes Ausgabemedium kombinieren können. Oft werden optische Splitter, die verwendet werden, um ein Signal zwischen einer Mehrzahl Ausgängen aufzuteilen, als optische Kombinierer verwendet, wobei sie in einer gegenüber dem Splitter umgekehrten Weise betrieben werden. Exemplarische optische Kombinierer schließen passive 1 × N Splitter ein, die erhältlich sind von Corning, Inc., Corning, NY, 1 × N-Breitbandeinzelmodensplitter, die erhältlich sind von IOT Integrierte Optik GmbH, Waghausel-Kirrlach, Deutschland, und fused-fiber-Kombinatoren, die von Gould, Inc., Millersville, MD, erhältlich sind. Die Kombination von Kanälen bildet ein optisches Multiplexsignal, das an einen Wellenleiter 60 ausgegeben wird. Der optische Wellenleiter 60 ist typischerweise eine optische Einzelmodenfaser, wie etwa SMF-28, erhältlich von Corning, und TRUEWAVE, erhältlich von AT & T Corp./Lucent Technologies, und ist das Hauptübertragungsmedium für das optische Kommunikationssystem. Jedoch kann jeder optische Wellenleiter, der in der Lage ist, eine Vielzahl optischer Wellenlängen zu transportieren, als Wellenleiter 60 im optischen System 10 verwendet werden.
Entlang dem optischen Wellenleiter 60 sind ein oder mehrere optische Verstärker 70 zwischengeschaltet. Die optischen Verstärker 70 sind ausgewählt der Gruppe beliebiger Geräte, die direkt die Stärke einer Mehrzahl optischer Signale ohne die Notwendigkeit einer Optisch-zu-elektrisch-Wandlung erhöhen. Im Allgemeinen sind die optischen Verstärker 70 ausgewählt aus optischen Wellenleitern, die mit Selten-Erd-Ionen wie etwa Erbium, Neodym, Praseodym, Ytterbium oder Mi schungen davon dotiert sind. Optische Verstärker, ihre Materialien und ihr Betrieb sind näher beschrieben in Gowar, Hrsg.: Optical Communication Systems, und in Desurvire, Erbium-Droped Fiber Amplifiers, (John Wiley & Sons, Inc., NY), c. 1994. Weitere Beschreibungen von optischen Dotierte-Faser-Verstärkerkonfigurationen, die für die Verwendung im optischen Kommunikationssystem der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind beschrieben in Bjarklev, Optical Fiber Amplifiers: Design and System Applications, (Artech House, Norwood, MA) c. 1993.
Im Anschluss an die Übertragung und Verstärkung der optischen Multiplexsignale entlang dem Wellenleiter 60 muss ein Teil des optischen Multiplexsignals an jeden der remodulierenden Kanalwähler gesendet werden, zum Auswählen eines geeigneten optischen Verstärkers und zur Weiterleitung dorthin. Das Multiplexsignal wird einem optischen Splitter 90 eingegeben, der einen Teil eines Multiplexsignals auf eine Mehrzahl Ausgangspfade 92 umsetzt. Jeder Ausgangspfad 92 kommuniziert optisch mit einem Remodulationskanalwähler 100. Der optische Splitter 90 ist ausgewählt aus der Gruppe jeglichen optischen Geräts, das ein optisches Eingangssignal aufteilen und auf eine Mehrzahl Ausgangspfade umsetzen kann. Exemplarische Splitter schließen passive optische Komponenten ein, wie diejenigen Komponenten, die für die Verwendung als optischer Kombinierer 50 beschrieben wurden. Der Splitter 90 bildet in Kombination mit remodulierenden Kanalwählern 100 einen exemplarischen Wellenlängen-Demultiplexer.
4 zeigt schematisch einen exemplarischen remodulierenden Kanalwähler 100 zur Verwendung im optischen WDM-Kommunikationssystem 10. Der remodulierende Kanalwähler 100 beinhaltet einen optischen Eingangsanschluss 101 zum Empfangen des optischen WDM-Signals vom Splitterausgangspfad 92. Das optische WDM-Signal durchläuft einen optischen Pfad 105 durch einen Splitter 103 zu einem Kanalwähler 102. Der Kanalwähler 102 lässt optische Signale mit anderen Wellenlängen als der Kanalwellenlänge, die vom remodulierenden Kanalwähler zu verarbeiten ist, durch. Diese nicht-ausgewählten Kanäle durchlaufen einen Anschluss 104 mit niedriger Reflektivität und verlassen das optische Kommunikationssystem. Der Anschluss 104 mit niedriger Reflektivität kann ein gewinkelter Faserschnitt sein, obwohl jede Wellenleiterabschlusstechnik mit niedriger Reflektivität verwendet werden kann. Die ausgewählte Kanalwellenlänge wird vom Kanalwähler 102 durch den Splitter 103 auf einen optischen Pfad 106 reflektiert. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der optische Splitter 103 ein fused-fiber-Koppler, und umfasst der Kanalwähler 102 ein Bragg-Gitter-Element, das konfiguriert ist, die ausgewählte Kanalwellenlänge zu reflektieren. Vorzugsweise umfasst das Bragg-Gitter eine Abfolge fotoinduzierter Störungen des Brechungsindizes in einer optischen Faser, was die Reflexion optischer Signale innerhalb eines ausgewählten Wellenlängenbandes verursacht. Bragg-Gitter, die für den Gebrauch im optischen System der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind beschrieben in Morey et al. „Photoinduced Bragg Gratings in Optical Fibers", Optics and Photonics News, Februar 1994, Seiten 8–14.
Obwohl ein Bragg-Gitter als das Kanalwählerelement abgebildet ist, versteht es sich, dass zahlreiche optische Komponenten als Kanalwähler 102 verwendet werden können. Solche optischen Komponenten schließen ein, sind jedoch nicht begrenzt auf: Vielschicht-Interferenzfilter, abstimmbare Fabry-Perot-Wähler und Wellenlängen-Router. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird die optische Bandbreite ausreichend eng ausgewählt, um die schädlichen Effekte verstärkter spontaner Emission (amplified spontaneous emission, ASE) zu minimieren.
Der ausgewählte optische Kanal wird durch einen elektro-optischen Wandler 108, typischerweise eine Fotodiode, in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird von einem Transimpedanzverstärker 110 verstärkt und für ein Retiming durch einen Takt- und Datenrückgewinnungsschaltkreis 112 geleitet. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die elektrische Bandbreite des Optisch-zu-elektrisch-Wandlers und des Transimpedanzverstärkers so gewählt, dass sie an die Datenrate des eingehenden Signals angepasst ist. Optional beinhaltet der remodulierende Kanalwähler einen FEC-Dekodierungsschaltkreis 114 für eine akkurate Rekonstruktion des gesendeten Signals, wie oben erörtert.
Wie in 5 dargestellt, beinhaltet der FEC-Dekodierer 114 einen Seriell-Parallel-Wandler 510, und einen FEC-Dekodiererkernschaltkreis 512 sowie einen Parallel-Seriell-Wandlerschaltkreis 514. Daten vom Takt-/Datenrückgewinnungsschaltkreis 112 werden an den Seriell-Parallel-Wandler 510 geliefert, der eine parallele Ausgabe an den FEC-Dekodiererkernschaltkreis 512 liefert, wie beispielsweise in Neifeld et al. (vgl. oben) beschrieben. Wie weiterhin von Neifeld et al. beschrieben, enthält der FEC-Dekodiererkernschaltkreis 512 einen Fouriertransformationsschaltkreis, einen Berlekamp-Algorithmus-Schaltkreis und einen Rekursive-Erweiterung-Schaltkreis (nicht dargestellt). Empfangene Daten werden dekodiert, indem anfänglich die Fouriertransformation durchgeführt wird. Die Daten werden als nächstes typischerweise sowohl an einen temporären Speicher als auch an den Berlekamp-Algorithmus-Schaltkreis geliefert, der parallel auf die Daten wirkt, um eine parallele Ausgabe an den Rekursive-Erweiterung-Schaltkreis zu liefern. Der Rekursive-Erweiterung-Schaltkreis arbeitet ebenso parallel, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das mit den empfangenen Daten verglichen wird, die in einem Speicher abgelegt sind. Als Ergebnis werden beispielsweise Fehler korrigiert, die während der Übertragung aufgetreten sein können. Die resultierende parallele Ausgabe des FEC-Dekodiererkernschaltkreises 512 wird an einen Parallel-Seriell-Wandler 514 geliefert und an den Modulator 118 weitergeleitet. Der parallele Aufbau des FEC-Dekodierers 114, sowie des FEC-Kodierers 45, der oben beschrieben wurde, erlaubt eine Kodierung und Dekodierung von Daten mit hohen Geschwindigkeiten.
Zurück zu 4, wird nachfolgend die direkte Modulation des optischen Senders 116 durch den Modulator 118 beschrieben. Obwohl der „Modulator" 118 als ein getrenntes Gerät dargestellt ist, kann es tatsächlich aus der Gleichstromenergieversorgung 119 bestehen, die mit einem elektronischen Schalter verbunden ist. Der elektronische Schalter wiederum kommuniziert optisch mit dem elektrischen Signal, das die Information des ausgewählten Kanals enthält, die durch den Optisch-zu-elektrisch-Wandler ausgegeben wurde und von den nachfolgenden Elementen verarbeitet wird. Der elektronische Schalter steuert den Stromfluss von der Gleichstromversorgung zum optischen Emitter, in Antwort auf die Information, die vom elektrischen Signal empfangen wurde. Alternativ kann die direkte Modulation des Emitters durchgeführt werden, indem eine spannungsgesteuerte Stromquelle für die Elemente mit den Bezugszeichen 118 und 119 in 3 verwendet wird. Eine solche Stromquelle für den optischen Emitter liefert einen Strom, dessen Wert direkt auf die angelegte Spannung bezogen ist. Die angelegte Spannung repräsentiert die Information, die vom Optisch-zu-elektrisch-Wandler empfangen wurde; alternativ kann der Strom direkt von der modulierenden Spannung abgeleitet werden.
Der optische Sender 116 ist aus einer Vielzahl optischer Geräte ausgewählt, in Abhängigkeit von der optischen Schnittstelle, die für den Empfänger 130 erforderlich ist. Wenn das vom remodulierenden Kanalwähler emittierte Signal für eine Fernübertragung bestimmt ist (beispielsweise durch den optischen Kombinierer eines weiteren optischen WDM-Systems (wie in 1 abgebildet), ist der ausgewählte optische Emitter ein DFB-Laser. Wenn das Signal vom remodulierenden Kanalwähler für einen angrenzenden Empfänger bestimmt ist, ist der ausgewählte optische Emitter innerhalb des optischen Senders ein kostengünstigerer, kürzer reichweitiger optischer Emitter, wie etwa ein Fabry-Perot-Laser, eine Licht emittierende Diode oder eine Superlumineszenz-Diode.
Die Wellenlänge des im optischen Sender 116 verwendeten optischen Emitters kann dieselbe Wellenlänge sein wie die Wellenlänge des optischen Kanals, die vom jeweiligen Kanalwähler ausgewählt wurde, oder sie kann eine andere Wellenlänge sein. Wenn der optische Kanal direkt an einen Empfänger ausgegeben wird, ist die Wellenlänge des optischen Signals nicht kritisch. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann dieselbe Wellenlänge von allen optischen Sendern 116 ausgegeben werden. Da ein optisches Signal, das direkt an einen optischen Empfänger ausgegeben wird, nicht optisch verstärkt werden muss, kann der optische Emitter so gewählt werden, dass er eine beliebige Wellenlänge hat, die vom optischen Empfänger detektiert werden kann (beispielsweise eine Wellenlänge außerhalb des Verstärkungsbandes von mit seltenen Erden dotierten Faserverstärkern, wie etwa 1310 nm). Wenn jedoch das optische Signal, das vom remodulierenden Kanalwähler emittiert wird, für eine Übertragung im selben oder in einem anderen WDM-System bestimmt ist, wird die Wellenlänge des optischen Emitters ausgewählt, mit dem Kanalplan dieses Systems kompatibel zu sein. Beispielsweise kann der optische Emitter ein Signal erzeugen, dass dieselbe Wellenlänge hat wie das ausgewählte optische Signal, oder er kann ein optisches Signal produzieren, dass eine Wellenlänge hat, die einem anderen Kanal des eingegebenen optischen WDM-Signals entspricht. Wenn die remodulierenden Kanalwähler in einer Schaltmatrix vereinigt sind, kann ein optischer Emitter mit variabler Wellenlänge verwendet werden, um eine erhältliche Wellenlänge innerhalb eines optischen WDM-Kanalplans dynamisch auszuwählen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) wird der optische Signalemitter extern moduliert, d. h., wie in den Remodulatoren der 2. Eine externe Modulation ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Signalausgabe vom remodulierenden Kanalwähler für eine Fernübertragung bestimmt ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel können die remodulierenden Kanalwähler dazu dienen, ein optisches Signal einer Neuformung und einem Retimeing zu unterziehen, beispielsweise ein optisches Signal, das eine maximale dispersionsbegrenzte Übertragungsdistanz durchlaufen hat (beispielsweise eine Distanz von etwa 600 km für optische Fasern wie etwa SMF-28).
Auf diese Weise wird ein optisches Signal vom optischen Sender 116 durch den Ausgangsanschluss 113 des remodulierenden Kanalwählers ausgegeben. Das Ausgangssignal des remodulierenden Kanalwählers wird zum optischen Empfänger 130 übertragen. Der Empfänger 130 detektiert im Allgemeinen das optische Signal und konvertiert es in ein elektrisches Signal, typischerweise durch die Verwendung einer Fotodiodenvorrichtung. Verschiedene optische Empfänger, die für die Verwendung im optischen System geeignet sind, sind beschrieben in Gowar, Opical Communication Systems, wie oben erörtert. Im optischen Kommunikationssystem 10 wird der Empfänger 130 oft ein Teil eines existierenden optischen Kommunikationssystems sein, zu dem das remodulierte optische Signal geführt wird. Konsequenterweise kann das optische System mit zahlreichen Typen von Empfängern arbeiten, um Kompatibilität mit existierender optischer Ausrüstung sicherzustellen. Insbesondere ermöglicht die Gegenwart der remodulierenden Kanalwähler 100 dem optischen WDM-Kommunikationssystem, mit optischen Empfängern zu kommunizieren, die dem Standard SONET „Nahbereich" entsprechen. Weitere Beschreibungen von SONET-Schnittstellenstandards sind zu finden in SONET Transport Systems: Common Criteria, (GR-253-CORE, Issue 1. Dezember 1994).
Alternativ wird, wie in 1 dargestellt, die Ausgabe eines remodulierenden Kanalwählers an ein anderes optisches WDM-System übertragen, oder wird ein Teil desselben optischen WDM-Signals durch einen Eingang an einen optischen Kombinierer für ein Multiplexen mit anderen optischen Signalen oder für ein Führen durch beispielsweise einen Add-/Drop-Multiplexer übertragen.
Optional werden Kanalselektoren 120 zum Auswählen eines optischen Kanals aus einem optischen WDM-Eingabesignal bereitgestellt. Solche Kanalwähler wählen einen optischen Kanal aus und geben direkt den ausgewählten Kanal ohne Remodulation aus. Solche Kanalwähler werden insbesondere verwendet, wenn die optischen Empfänger, mit denen sie kommunizieren, dem SONET„Fernbereich"-Standard entsprechen. Solche „nichtremodulierenden" Kanalwähler können auch ihre ausgewählten optischen Kanäle zu einem optischen Kombinierer leiten, zur weiteren Übertragung im selben optischen WDM-System oder in einem anderen optischen WDM-System.
Während die vorstehende Erfindung anhand der oben erörterten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sind zahlreiche Variationen möglich. Entsprechend werden Modifikationen und Änderungen, wie die oben vorgeschlagenen, jedoch ohne Beschränkung darauf, als innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Ansprüche befindlich betrachtet.

Claims

Optische Vorrichtung (30), mit: einem Photodetektorschaltkreis (31) zum Empfangen erster optischer Signale und zum Ausgeben serieller erster elektrischer Signale in Reaktion darauf; einem Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis (412), der mit dem Photodetektorschaltkreis (31) verkoppelt ist und zum Empfangen der seriellen ersten elektrischen Signale sowie zum parallelen Ausgeben der ersten elektrischen Signale dient; einem Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierungsschaltkreis (414), der mit dem Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis (412) verkoppelt ist und der konfiguriert ist, die ersten elektrischen Signale parallel zu empfangen, wobei der Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierungsschaltkreis (414) zum Kodieren der ersten elektrischen Signale gemäß einem Code dient, um parallele zweite elektrische Signale zu erzeugen; einem Parallel-Seriell-Wandlerschaltkreis (416), der mit dem Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierungsschaltkreis (414) verkoppelt ist und zum Empfangen der parallelen zweiten elektrischen Signale sowie zum seriellen Ausgeben der zweiten elektrischen Signale dient; und einem optischen Emitter (35, 36, 37), der mit dem Parallel-Seriell-Wandlerschaltkreis (416) verkoppelt ist und zum Empfangen der zweiten elektrischen Signale sowie zum Ausgeben zweiter optischer Signale dient, die den zweiten elektrischen Signalen entsprechen; dadurch gekennzeichnet, dass der Code ein Reed-Solomon Code ist; und dass die ersten optischen Signale bei einer ersten Wellenlänge liegen und die zweiten optischen Signale bei einer zweiten Wellenlänge liegen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich einen Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltkreis (43) enthält, der zwischen dem Photodetektorschaltkreis (31) und dem Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis (412) verkoppelt ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Vorwärtsfehlerkorrektur-Kodierungsschaltkreis (414) zum Kodieren der ersten elektrischen Signale in einer Frequenzdomäne dient.
Optische Vorrichtung (100), mit: einem Photodetektorschaltkreis (108) zum Empfangen erster optischer Signale und zum Ausgeben erster elektrischer Signale in Reaktion darauf; einem Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis (510), der mit dem Photodetektor (108) verkoppelt ist und zum Empfangen der ersten elektrischen Signale sowie zum parallelen Ausgeben der ersten elektrischen Signale dient; einem Vorwärtsfehlerkorrektur-Dekodierungsschaltkreis (512), der mit dem Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis (510) verkoppelt ist und der konfiguriert ist, die ersten elektrischen Signale parallel zu empfangen, wobei der Vorwärtsfehlerkorrektur-Dekodierungsschaltkreis (512) die ersten elektrischen Signale gemäß einem Code dekodiert, um parallele zweite elektrische Signale zu erzeugen; einem Parallel-Seriell-Wandlerschaltkreis (514), der mit dem Vorwärtsfehlerkorrektur-Dekodierungsschaltkreis (512) verkoppelt ist und zum Empfangen der zweiten elektrischen Signale sowie zum seriellen Ausgeben der zweiten elektrischen Signale dient; und einem optischen Emitter (116), der mit dem Parallel-Seriell-Wandlerschaltkreis (514) verkoppelt ist und zum Empfangen der zweiten elektrischen Signale sowie zum Ausgeben zweiter optischer Signale dient, die den zweiten elektrischen Signalen entsprechen; dadurch gekennzeichnet, dass der Code ein Reed-Solomon Code ist; und dass die ersten optischen Signale bei einer ersten Wellenlänge liegen und die zweiten optischen Signale bei einer zweiten Wellenlänge liegen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, die zusätzlich einen Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltkreis (112) enthält, der zwischen dem Photodetektorschaltkreis (108) und dem Seriell-Parallel-Wandlerschaltkreis (510) verkoppelt ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Vorwärtsfehlerkorrektur-Dekodierungsschaltkreis (512) zum Dekodieren der ersten elektrischen Signale in einer Frequenzdomäne dient.