DE69915553T2

DE69915553T2 - Verfahren zur Kompensation der Polarisationsmodendispersion

Info

Publication number: DE69915553T2
Application number: DE69915553T
Authority: DE
Inventors: Kevin Stuart Bishop's Stortford Farley; Richard Edward Sawbridgeworth EPWORTH; Daniel Watley
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-08-07
Also published as: GB9818941D0; EP0982882A3; DE69915553D1; CA2280593C; EP0982882B1; US6559991B1; CA2280593A1; EP0982882A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Wenn eine nominell kreissymmetrische Lichtleitfaser für einen Übertragungspfad über eine lange Strecke von einem optischen Sender zu einem optischen Empfänger verwendet wird, können die Abweichungen von der perfekten Kreissymmetrie dieser Lichtleitfaser eine ausreichende Größe aufweisen, damit die Lichtleitfaser als eine Verkettung von doppelbrechenden Elementen mit zufälliger relativer Ausrichtung wirkt. Weiterhin kann sich diese Ausrichtung mit der Zeit ändern.
Wenn polarisiertes Licht mit irgendeiner bestimmten Wellenlänge über ein einzelnes Element übertragen wird, das eine gleichförmige Doppelbrechung aufweist, so wird dieses Licht im Allgemeinen in zwei Komponenten (Moden) aufgelöst, die sich mit zwei bestimmten unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten und somit unterschiedliche Ausbreitungs-Laufzeiten durch dieses Element aufweisen. Für jeden von zwei bestimmten orthogonalen Polarisationszustände (SOP's), die als die Haupt-SOP's bekannt sind, wird das Licht nicht in unterschiedliche Komponenten aufgelöst sondern breitet sich mit einer einzigen Geschwindigkeit mit einer einzigen Laufzeit aus, das heißt, es breitet sich als eine einzige (Polarisations-) Mode aus. Diese Haupt-SOP's sind mit den Hauptachsen der Doppelbrechung des Elementes ausgerichtet. Für Licht, das in das Element mit irgendeinem anderen SOP eingespeist wird, wird dieses Licht bei seinem Durchlaufen durch das Element in zwei orthogonale Komponenten aufgelöst, die mit den Hauptachsen des Elementes ausgerichtet sind und sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Als Ergebnis des Geschwindigkeitsunterschiedes sind die relativen Phasen der zwei Komponenten an dem entfernten Ende des Elementes allgemein nicht gleich denen an dem Einspeisungs- (Eingangs-) Ende, und daher tritt das an dem entfernten Ende austretende Licht allgemein mit einem SOP aus, der von dem abweicht, mit dem es in das Element eingetreten ist. Diese Charakteristik kann begrifflich so verstanden werden, als ob sich der SOP des Lichtes in einer zyklischen Weise bei seinem Durchlaufen des Elementes entwickelt.
Wenn polarisiertes Licht durch eine Verkettung von Elementen übertragen wird, die jeweils eine gleichförmige Doppelbrechung aufweisen, deren Hauptachsen jedoch nicht alle miteinander ausgerichtet sind, so wird, selbst wenn dieses Licht nicht durch das erste Element der Verkettung in zwei Komponenten aufgelöst wird, es durch ein späteres Element aufgelöst. Dann wird jedes dieser zwei Elemente seinerseits wieder in zwei weitere Komponente durch ein Element weiter entlang der Verkettung aufgelöst usw. Es kann gezeigt werden, dass für irgendeine derartige Verkettung ein bestimmtes Paar von orthogonalen SOP's vorliegt, die die Eigenschaft haben, dass sich mit irgendeinem SOP in die Verkettung eingespeistes Licht durch diese mit einer einzigen Laufzeit ausbreitet. Die Laufzeit ist für eine der SOP's schneller als für den anderen, und der Unterschied der Verzögerungszeit, die differenzielle Gruppenverzögerung (DGD) ist ein Maß der Polarisationsmodendispersion erster Ordnung (PMD) der Verkettung. (Der Ausdruck PMD erster Ordnung wird in dieser Beschreibung dazu verwendet, die DGD bezüglich einer bestimmten Wellenlänge zu bezeichnen, wodurch aus diesem Bereich die Betrachtung von PMD-Effekten zweiter Ordnung ausgeschlossen wird, die die Wellenlängenabhängigkeit dieser DGD beschreiben). Für keinen dieser bestimmten Paares von orthogonalen SOP's wird der Einspeise-SOP beim Durchlaufen des Lichtes durch die Verkettung aufrecht erhalten, und das Licht tritt an dem entfernten Ende mit einem SOP aus, der allgemein von dem abweicht, mit dem es eingestrahlt wird. Der Austritts-SOP für einen der einzelnen Laufzeit-Einspeisungs-SOP's ist zu dem austretenden SOP für den anderer einzelnen Laufzeit-Einspeise-SOP orthogonal. Für irgendeinen eingespeisten SOP, der nicht einer der einzelnen Laufzeit-Einspeise-SOP's ist, besteht das austretende Licht aus zwei Komponenten (Polarisationsmoden), allgemein mit ungleicher Amplitude, die sich durch die Verkettung mit unterschiedlichen Laufzeiten bzw. mit dem vorher erwähnten schnellen und langsamen einzelnen Laufzeiten der Verkettung ausgebreitet haben.
Durch Analogie zu dem Fall eines einzigen, eine gleichförmige Doppelbrechung aufweisenden Elementes werden die zwei eine einige Laufzeit aufweisenden eingespeisten SOP's für die Verkettung in vielen Fällen als die Haupt-SOP's der Verkettung bezeichnet. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass für eine derartige Verkettung die einzelnen Laufzeit-Eingangs- (Einspeise-) SOP's allgemein von den entsprechenden Ausgangs- (Austritts-) SOP's verschieden sind, wird in dieser Beschreibung auf Haupt-Eingangs-SOP's (IPSP's) und Haupt-Ausgangs-SOP's (OPSP's) Bezug genommen. Aus einer Betrachtung der Reziprozitätsprinzipien ist ersichtlich, dass die IPSP's für eine Ausbreitungsrichtung durch die Verkettung die OPSP's für die andere sind, und umgekehrt.
Das Vorhandensein der Polarisationsmodendispersion (PMD) erster Ordnung in einem Übertragungspfad – der Unterschied zwischen den schnellen und langsamen Einzel-Laufzeiten (DGD) – wird zu einem Problem, wenn dessen Größe verglichen mit der Bitperiode des Verkehrs bedeutend wird, der sich in dem Übertragungspfad ausbreitet. Unter diesen Umständen ergibt sich eine erhebliche Impulsverbreiterung an dem Empfänger, wenn die Bits in den Übertragungspfad mit einem SOP eingespeist werden, den der Übertragungspfad in schnelle und langsame Laufzeitkomponenten (Moden) mit gleicher Leistung aufteilt. Im Prinzip könnte dieser Impulsverbreiterungseffekt dadurch vermieden werden, dass Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, dass die Bits immer in den Übertragungspfad mit SOP's eingespeist werden, die mit einem der IPSP's des Übertragungspfades in Übereinstimmung sind, so dass sie sich immer ausschließlich mit der schnellen Laufzeit oder ausschließlich mit der langsamen Laufzeit ausbreiten, das heißt, dass sie sich immer in einer einzigen Mode ausbreiten. Es ergeben sich jedoch Schwierigkeiten, dies in der Praxis zu erzielen. Der Hauptgrund hierfür besteht darin, dass sich die IPSP's mit der Zeit ändern, so dass ein aktives SOP-Ausrichtungssystem erforderlich sein würde. Zusätzlich erfordert die Identifikation der IPSP's typischerweise den Zugang an beide Enden des Übertragungspfades, so dass das aktive SOP-Ausrichtungssystem, das sich am sendeseitigen Ende des Übertragungspfades befindet, ein Rückführungs-Steuersignal von dem empfängerseitigen Ende dieses Übertragungspfades erfordern würde.
Eine alternative Lösung zur Vermeidung der Probleme, die sich aus der PMD erster Ordnung ergeben, besteht in einer Kompensationslösung, die beinhaltet, dass ermöglicht wird, dass die Bits in den Übertragungspfad mit einem SOP eingespeist werden, den der Übertragungspfad in zwei Komponenten (Moden) aufteilt, die sich mit unterschiedlichen (schnellen und langsamen) Laufzeiten ausbreiten, wobei ein aktives System an dem Empfängerende vorgesehen wird, das die zwei Komponenten trennt, die getrennten Komponenten einer gesteuerten variablen unterschiedlichen Verzögerung unterwirft, um die Synchronisation der Komponenten wieder herzustellen, und sie dann erneut kombiniert.
Ein Beispiel der PMD-Kompensationslösung ist in dem US-Patent 5 659 412 beschrieben. An dem Empfänger wird ein von dem Sender über den Übertragungspfad empfangenes Signal einem Polarisations-Strahlteiler über eine Polarisationszustands-Steuereinrichtung zugeführt. Die Ausgänge des Polarisations-Strahlteilers werden getrennten Detektoren zugeführt, die mit zugehörigen Taktableitungsschaltungen versehen sind, und die Phasenbeziehung zwischen den zwei abgeleiteten Taktsignalen wird bestimmt. Das resultierende Phasendifferenzsignal wird zur Steuerung der Polarisationszustands-Steuereinrichtung in einer derartigen Weise verwendet, dass die Phasendifferenz zu einem Maximum gemacht wird. Diese Phasendifferenz ist auf einem Maximum, wenn die Polarisationszustands-Steuereinrichtung so betrieben wird, dass die OPSP's des Übertragungspfades auf die Haupt-Polarisationszustände des Polarisations-Strahlteilers abgebildet werden, und unter diesen Bedingungen ist der Polarisations-Strahlteiler betreibbar, um die Komponente des Signals, das in den Übertragungspfad eingespeist wird und das sich durch diesen mit der „schnellen" Laufzeit ausbreitet, von der Komponente zu trennen, die sich durch den Übertragungspfad mit der „langsamen" Laufzeit ausbreitet. Bei einer der speziell beschriebenen Ausführungsform wird der elektrische Ausgang des Detektors, der das phasenvoreilende Taktsignal liefert, um einen Betrag verzögert, der der gemessenen Phasendifferenz zwischen den zwei abgeleiteten Taktsignalen, der DGD, entspricht, und dann werden die zwei elektrischen Signale miteinander kombiniert. Bei dem anderen speziell beschriebenen Ausführungsbeispiel empfangen die zwei Detektoren lediglich einen angezapften Bruchteil der gesamten optischen Leistungsausgänge von dem Polarisations-Strahlteiler, während der Rest dieser Leistung nach der Aufprägung einer optischen Verzögerung auf die voreilende Komponente optisch kombiniert und unter Verwendung eines dritten Detektors detektiert wird. Somit ist zu erkennen, dass die Lösung nach dem US-Patent 5 659 412 notwendigerweise die Verwendung von zumindest zwei Detektoren erfordert, die in der Lage sind, mit der Bitrate zu arbeiten, wobei einige Ausführungsformen drei derartige Detektoren erfordern. Weiterhin wird die Betriebsweise des Gerätes durch die Notwendigkeit kompliziert gemacht, dass das Auftreten von Fällen zugelassen werden muss, bei dem einer der IPSP's des Übertragungspfades sich dem SOP des Signals nähert, das in diesen Übertragungspfad eingespeist wird und über eine Übereinstimmung mit diesem hinwegläuft. Unter diesen Bedingungen ergibt sich ein großer Unterschied des Leistungspegels zwischen den zwei Ausgängen des Polarisations-Strahlteilers.
Eine weitere Möglichkeit beinhaltet in gleicher Weise, dass man zulässt, dass die Bits in dem Übertragungspfad mit einem derartigen SOP eingespeist werden, dass der Übertragungspfad eine Aufteilung in zwei Komponenten (Moden) ausführt, die sich mit unterschiedlichen (schnellen und langsamen) Laufzeiten ausbreiten, und dass eine aktive Polarisationssteuerung an dem Empfängerende vorgesehen wird. In diesem Fall wird jedoch der Ausgang der Polarisationssteuerung einem doppelbrechenden Element mit einer festen statt einer veränderbaren DGD zugeführt. Unter diesen Umständen werden die nachteiligen Wirkungen der PMD erster Ordnung nicht beseitigt, sondern lediglich verringert. Dies ergibt sich daraus, dass immer dann, wenn die DGD des Übertragungspfades von der des doppelbrechenden Elementes abweicht, das doppelbrechende Element lediglich eine Teilkompensation anstelle einer vollständigen Kompensation liefern kann.
Ein Beispiel dieser Art von teilweiser Kompensation ist in der Beschreibung des US-Patentes 5 473 457 beschrieben. Diese Beschreibung beschreibt die Verwendung eines Längenabschnittes einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser als das eine feste DGD aufweisende doppelbrechende Element, und die Daten werden als Amplitudenmodulation eines optischen Trägers aufgeprägt, der seinerseits frequenzmoduliert wird, um ein Steuersignal an dem Empfänger zu liefern, das zur Regelung der Polarisationssteuerung verwendet wird. Die Frequenzmodulation stellt einen wesentlichen Nachteil dar, nicht zuletzt deshalb, weil sie zur Bandbreite der Daten beiträgt.
Ein anderes Beispiel dieser Möglichkeit einer Teilkompensation wird von T. Takahashi et al in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Automatic compensation technique for timewise fluctuating polarisation mode dispersion in in-line amplifier systems", Electronics Letters, Band 30, Nr. 4, Seiten 348–9, 17. Februar 1994 beschrieben. Diese Autoren verwenden in ähnlicher Weise einen Längenabschnitt einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser als ihr eine feste DGD aufweisendes doppelbrechendes Element, doch erzeugen sie ihr Steuersignal zum Regeln des Betriebs der Polarisationssteuerung durch Ableiten eines Maßes der Größe der Frequenzkomponente des detektierten Signals an dem Empfänger, das der halben Bitrate, speziell der Frequenzkomponente bei 5 GHz für eine 10 Gbit/s-Datenrate entspricht. Der Nachteil dieser Lösung der Erzeugung des Steuersignals, das für die Regelung der Polarisationssteuerung erforderlich ist, ist die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit, die für diese Form von Steuersignal-Erzeugung erzielt werden kann. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass während sich die DGD von Freileitungen und Erdleitungen mit Perioden in der Größenordnung von Minuten oder Stunden ändert, es zu erwarten ist, dass sich die IPSP's mit Perioden in der Größenordnung von Sekunden ändern, während im Fall von freiliegenden Lichtleitfasern, die zufälligen Stoss- oder Schlagbelastungen ausgesetzt sind, die entsprechende Periode wahrscheinlich im Subsekundenbereich liegt.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 630 122 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, das eine schnelle Polarisationsmodulation zur Verringerung der Wirkungen des Polarisations-Locheinbrennens und der polarisationsabhängigen Verluste verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung eines Verfahrens zur PMD-Kompensation unter Verwendung eines veränderbaren doppelbrechenden Elementes gerichtet, jedoch ohne die Notwendigkeit der Verwendung von mehr als einem Detektor zur Erzeugung eines Steuersignals zum Regeln der Polarisationssteuerung und der DGD-Kompensationseinheit, wobei das Verfahren die Möglichkeit von relativ schnellen Regelansprechzeiten ergibt. Das eine veränderliche Doppelbrechung aufweisende Element kann aus einer Polarisationssteuerung in Verbindung mit einem variablen DGD-Kompensationselement bestehen. Alternativ kann es aus einer Polarisationssteuerung in Verbindung mit einem konstanten DGD-Kompensationselement bestehen.
Bei der Erfindung ist die Modulation des Polaristaionszustandes von in den Übertragungspfad eingespeistem Licht vorgesehen. Diese Modulation weist eine derartige Form auf, dass sie, wenn sie auf einer Poincaré-Kugel dargestellt wird, eine schwingende oder oszillierende Drehkomponente mit einer Frequenz f₁ um eine erste Achse der Kugel und eine schwingende oder oszillierende Drehkomponente mit einer Frequenz f₂ um eine zweite Achse der Kugel aufweist, die orthogonal zu der ersten Achse ist, worin f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind ohne weiteres aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, aus den Zeichnungen und aus den Ansprüchen zu erkennen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines optischen Übertragungssystems,
2 und 3 sind schematische Darstellungen des Senders bzw. des Empfängers des optischen Übertragungssystems nach 1,
4, 5 und 6 sind Poincaré-Diagramme, die die SOP-Modulation erläutern, die von dem SOP-Modulator des Senders nach 2 aufgeprägt wird,
7 zeigt einen Satz von Zeitsteuerdiagrammen, die erläutern, wie die Änderung der Aufteilung der Leistung zwischen den schnellen und langsamen Laufzeit-Komponenten von Impulsen, die eine PMD erleiden, die Zeitsteuerung ihrer Schwerpunkte beeinflusst,
8 ist eine Darstellung der Schlimmstfall-Empfängerempfindlichkeits-Einbuße, die als die Funktion der Polarisationspfad-PMD sowohl bezüglich eines unkompensierten Übertragungssystems als auch bezüglich eines PMD-kompensierten Systems unter Verwendung einer PMD-Kompensation mit fester Amplitude dargestellt ist,
9 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Empfängers des Übertragungssystems nach 2 ist, und
10 und 11 schematische Darstellungen von alternativen Ausführungsformen eines eine steuerbare veränderliche Doppelbrechung aufweisenden PMD-Kompensationselementes sind, das in dem Empfänger nach 9 verwendet wird.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Gemäß 1 ist ein optischer Empfänger 10 optisch mit einem optischen Sender 11 über einen Lichtleitfaser-Übertragungspfad 12 gekoppelt, der eine Polarisationsmodendispersion (PMD) aufweist, und der entlang seiner Länge einen oder mehrere optische Verstärker 13 einschließen kann, beispielsweise optisch gepumpte, mit Erbium dotierte Lichtleitfaser-Verstärker. Die Hauptkomponenten des optischen Senders 11 sind schematisch in 2 gezeigt und umfassen eine optische Quelle 20, die polarisiertes Licht emittiert, wie z. B. eine Halbleiter-Laserdiode; einen Polarisationszustands-Modulator 21; und einen Datenmodulator 22, der digital das optische Ausgangssignal der optischen Quelle 20 mit getakteten Daten moduliert, die über einen Anschluss 23 zugeführt werden. (In 2 ist der Polarisationszustands-Modulator 21 speziell so dargestellt, als ob er dem Datenmodulator 22 vorangeht, doch kann es bevorzugt oder sogar notwendig sein, diese Reihenfolge umzukehren. Beispielsweise ist die umgekehrte Reihenfolge erforderlich, wenn der Datenmodulator eine Form aufweist, die einen bestimmten SOP erfordert, wie dies allgemein bezüglich Lithiumniobat-Modulatoren der Fall ist). Der Polarisationsmodulator wird durch zwei Oszillatoren 24 und 25 angesteuert, die jeweils bei Frequenzen von f₁ und f₂ arbeiten, worin f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist. Der Ausgang der Oszillatoren 24 und 25 wird von dem SOP-Modulator 21 dazu verwendet, den SOP des in den Modulator eingespeisten Lichtes in einer Weise zu modulieren, die bei einer Darstellung auf einer Poincaré-Kugel oszillierende Drehkomponenten jeweils bei den Frequenzen f₁ und f₂ jeweils um erste und zweite orthogonale Achsen der Kugeln ergibt.
Entsprechend sind die Hauptkomponenten des optischen Empfängers 10 schematisch in 3 gezeigt und umfassen eine SOP-Einstelleinrichtung 30, ein DGD-Kompensationselement 31 und einen Fotodetektor 32, dessen elektrisches Ausgangssignal einem Ausgangsanschluss 33 des Empfängers über eine Entscheidungsschaltung 34 und außerdem einer Taktableitungsschaltung 35 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der Taktableitungsschaltung liefert ein Takteingangssignal zur Regelung der Betriebsweise der Entscheidungsschaltung 34 und wird weiterhin zwei Filtern 36 zugeführt, die jeweils auf die Frequenzen f₁ und f₂ abgestimmt sind. Die Ausgangssignale dieser zwei Filter werden als Steuersignale einer Steuerelektronik 37 zugeführt, die die Betriebsweise der SOP-Einstelleinrichtung 30 steuert.
Die Art und Weise, wie die SOP-Modulation mit den Frequenzen f₁ und f₂, die von dem SOP-Modulator 21 an den Sender 20 geliefert wird, zu einer Amplitudenmodulation mit den Frequenzen f₁, f₂, 2f₁ und 2f₂ des Taktsignals führt, das an dem Empfänger 10 durch die Taktableitungsschaltung 33 abgeleitet wird, wird zweckmäßigennreise unter Bezugnahme auf die Poincaré-Kugel-Diagramme nach den 4, 5 und 6 erläutert. Eine Poincaré-Kugel ist eine Möglichkeit zur Darstellung aller möglichen Zustände der Polarisation des Lichtes (lineare, zirkulare und elliptisch polarisierte Zustände) als Punkte auf der Oberfläche einer Kugel. Im Fall der Poincaré-Kugel 40 nach 4 stellen die Pole L und R zirkular polarisierte Zustände dar. Auf dem Großkreis-„Äquator" durch HQV und P sind alle die linear polarisierten Zustände dargestellt, und zwischen den Polen und dem Äquator liegen alle die elliptisch polarisierten Zustände. Es ist festzustellen, dass jedes Paar von orthogonal polarisierten Zuständen auf diametral gegenüberliegenden Punkten auf der Poincaré-Kugel liegt. Wenn polarisiertes Licht durch ein Medium übertragen wird, das eine gleichförmige Doppelbrechung aufweist, so weicht der SOP, mit dem das Licht in das Medium eingespeist wird, allgemein von dem ab, mit dem Licht aus diesem Medium austritt. Es gibt jedoch ein bestimmtes Paar von orthogonalen SOP's, für die die eingespeisten und austretenden SOP's identisch sind. Diese zwei orthogonalen SOP's werden als Eigenzustands-SOP's bezeichnet und definieren die Eigenachse dieses Mediums. Die Änderung des SOP, die durch das Durchlaufen des polarisierten Lichtes durch das Medium hervorgerufen wird, wird durch eine Drehung auf der Poincaré-Kugel um die Eigenachse über einen Winkel dargestellt, der durch die Stärke der Doppelbrechung bestimmt ist. In dem Fall von Materialien, die eine lineare Doppelbrechung aufweisen, wie z. B. ein uniaxialer Kristall aus Kalzit, sind die Eigenzustände linear polarisierte SOP's, so dass die Eigenachse in der äquatorialen Ebene der Poincaré-Kugel nach 4 liegt. Eine lineare Doppelbrechung weist auch eine optische Lichtleitfaser auf, die keine perfekte Kreissymmetrie aufweist, beispielsweise als Ergebnis der Tatsache, dass der Faserkern mit einer Struktur versehen ist, die eine nicht-kreissymmetrische laterale Beanspruchungskomponente erzeugt. In diesem Fall ist die Stärke der linearen Doppelbrechung, die die Lichtleitfaser aufweist, durch das Anwenden einer einstellbaren Größe der zusätzlichen seitlichen Beanspruchung einstellbar, beispielsweise durch Quetschen der Lichtleitfaser. Wenn daher das Licht von der Quelle 20 in den SOP-Modulator 21 in Form von linear polarisiertem Licht eintritt, kann der SOP-Modulator aus zwei frequenzmodulierten Quetschelementen bestehen, beispielsweise piezoelektrischen Quetschelementen, die im Tandem auf die Lichtleitfaser einwirken. Bezüglich einer bevorzugten Ausführungsform ist, wenn der SOP des in dem SOP-Modulator 21 eintretenden Lichtes durch den Punkt H auf der Poincaré-Kugel 40 nach 4 dargestellt ist, die Ausrichtung des ersten piezoelektrischen Quetschelementes des SOP-Modulators 21 so ausgerichtet, dass seine Eigenachse entlang der Linie PQ liegt. Die mittlere Verzögerung, die durch dieses Quetschelement geliefert wird, ist zu α/4 gewählt und ist daher auf der Poincaré-Kugel als eine π/2-Drehung im Uhrzeigersinn von dem P-seitigen Ende der Eigenachse dargestellt. Dieser π/2-Drehung ist eine oszillierende oder schwingende Modulation mit der Frequenz f₁ mit einer Amplitude überlagert, die einer Ablenkung über einen Bogen 41 auf der Poincaré-Kugel 40 entspricht, der auf dem Großkreis durch HLV und P liegt, auf L zentriert ist und einen Winkel 2Θ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt. Das zweite piezoelektrische Quetschelement des SOP-Modulators 21 ist dann so ausgerichtet, dass seine Quetschrichtung mit π/4 gegenüber der des ersten Quetschelementes ausgerichtet ist. Die Eigenachse des zweiten Quetschelementes befindet sich daher bei π/2 auf der Poincaré-Kugel bezüglich der des ersten Quetschelementes, das heißt, die Eigenachse des zweiten Quetschelementes liegt entlang der Richtung HV. Die mittlere Drehung, die von diesem zweiten Quetschelement geschaffen wird, ist ebenfalls so gewählt, dass sie α/4 ist, und sie ist auf der Poincaré-Kugel als eine π/2-Drehung im Uhrzeigersinn gesehen vom H-seitigen Ende seiner Eigenachse aus dargestellt. Der Bogen 41 wird daher auf die Position des Bogens 42 abgebildet, der auf dem äquatorialen Großkreis durch HQV und P liegt und auf P zentriert ist und in ähnlicher Weise einen Winkel bei Θ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt. Dieser π/2-Drehung ist eine oszillierende Modulation mit der Frequenz f₂ mit einer Amplitude überlagert, die bei Fehlen der f₁-Modulation des ersten Quetschelementes der Ablenkung über einen Bogen 43 entspricht, der auf dem Großkreis durch QLP und R liegt, auf P zentriert ist und einen Winkel 2φ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt.
Es ist nicht erforderlich, dass beide Verzögerungseinrichtungen des SOP-Modulators eine eine veränderliche Stärke aufweisende lineare doppelbrechende Verzögerungseinrichtungen sind. Entweder eine oder beide können alternativ eine variable Stärke aufweisende zirkulare Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtungen sein. Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise durch eine Faraday-Dreheinrichtung gebildet sein. Eine alternative Form einer eine variable Stärke aufweisenden zirkularen Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtung, eine, die keine massive Optik verwendet, sondern bei der sich das Licht von Ende zu Ende in einer Lichtleitfaser ausbreitet, ist die Art von Bauteil, die in dem US-Patent 5 115 480 unter spezieller Bezugnahme auf deren 1, 2 und 3 beschrieben ist.
Die Betriebsweise einer alternativen Ausführungsform des SOP-Modulators 21, eine, die ein Paar von eine veränderliche Stärke aufweisenden zirkularen Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtungen verwendet, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Poincare-Kugel nach 5 erläutert. Wie vorher ist in den SOP-Modulator eintretendes Licht in einer durch den Punkt H dargestellten Richtung linear polarisiert. Die erste eine veränderliche Stärke aufweisende zirkulare Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtung des SOP-Modulators wird mit einem oszillierenden oder schwingenden Signal mit der Frequenz f₂ mit einer Amplitude angesteuert, die der Ablenkung über einen Bogen 51 auf der Poincaré-Kugel 50 entspricht, der auf dem äquatorialen Großkreis durch HQV und P liegt, auf H zentriert ist und einen Winkel 2φ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt. Zwischen dieser ersten eine veränderliche Stärke aufweisenden zirkularen Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtung und der zweiten sind zwei lineare Viertelwellen-Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtungen (mit fester Stärke) angeordnet. Die erste dieser Viertelwellen-Verzögerungseinrichtungen ist unter 45 Grad zu der ersten ausgerichtet, so dass auf der Poincaré-Kugel ihre Eigenachse in der Richtung PQ ausgerichtet ist, und derart, dass diese Viertelwellen- Verzögerungseinrichtung die Wirkung einer Abbildung des Bogens 51 auf den Bogen 52 hat, der auf dem Großkreis durch HLV und R liegt, auf L zentriert ist und in ähnlicher Weise einen Winkel 2φ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt. Die zweite der linearen Viertelwellen-Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtungen ist so ausgerichtet, dass auf der Poincaré-Kugel ihre Eigenachse in der Richtung HV ausgerichtet ist. Entsprechend hat diese zweite Viertelwellen-Verzögerungseinrichtung die Auswirkung der Abbildung des Bogens 52 auf den Bogen 43, der auf dem Großkreis QLP und R liegt, auf P zentriert ist und ebenfalls einen Winkel 2φ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt. Die zweite eine veränderliche Stärke aufweisende zirkulare Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtung wird mit einem oszillierenden Signal mit der Frequenz f₁ mit einer derartigen Amplitude angesteuert, dass bei Fehlen der f₂-Modulation der ersten eine veränderliche Stärke aufweisenden kreisförmigen Doppelbrechungs-Verzögerungseinrichtung dies der Ablenkung über den Bogen 42 entspricht, der auf dem äquatorialen Großkreis durch HOV und P liegt, auf P zentriert ist und einen Winkel 2Θ am Mittelpunkt der Kugel begrenzt.
Es wird nunmehr auf die Poincaré-Kugel 60 nach 6 Bezug genommen und zur Vereinfachung der Analyse angenommen, dass das Ausgangssignal von dem SOP-Modulator direkt dem Eingang des PMD-Übertragungspfades 12 ohne irgendeine zwischenzeitliche Änderung des SOP zugeführt wird. Entsprechend hat der Eingangs-SOP des Übertragungspfades einen mittleren Zustand, der dem linear polarisierten Zustand P entspricht. Der Übertragungspfad hat schnelle und langsame IPSP's (Haupt-Eingangs-SOP's) die im Verlauf der Zeit dazu neigen, vollständig über die Oberfläche ihrer Kugel zu wandern, während sie zu jeder Zeit diametral entgegengesetzt zueinander bleiben. Zu irgendeinem Zeitpunkt können diese schnellen und langsamen IPSP's in der Poincaré-Kugel jeweils an den Positionen F und S dargestellt werden.
Wenn zunächst die Polarisationszustands-Modulationen mit den Frequenzen f₁ und f₂ ignoriert werden, so wird Licht in den PMD-Übertragungspfad 12 mit einem SOP eingespeist, der durch den Punkt P gegeben ist, und zu diesem Zeitpunkt fällt keiner der IPSP's mit P zusammen. Daher breitet sich ein Teil des Lichtes durch den Übertragungspfad 12 mit der schnellen Laufzeit aus, während sich der Rest durch diesen mit der langsamen Laufzeit ausbreitet. Die Amplituden der schnellen und langsamen Komponenten sind durch den Winkel PÔS = 2ψ zwischen den PQ- und FS-Achsen bestimmt. Die Amplitude der schnellen Komponente ändert sich mit sin 2ψ, während sich die der langsamen Komponente mit cos 2ψ ändert.
Die Wirkung der SOP-Modulationen mit den Frequenzen f₁ und f₂ besteht darin, dass eine Modulation der Aufteilung der elektrischen Leistung zwischen der Komponente, die sich durch den PMD-Übertragungspfad mit der schnellen Laufzeit ausbreitet, und der Komponente hervorgerufen wird, die sich durch den Übertragungspfad mit der langsamen Laufzeit ausbreitet. Die Art und Weise, in der dies entsteht, kann sehr einfach durch Betrachten bestimmter spezieller Ausrichtungen der FS-Achse gesehen werden, die durch die IPSP's definiert ist. Wenn diese Achse mit der HV-Achse ausgerichtet ist, so ist 2ψ = π/2, mit dem Ergebnis, dass die eingespeiste Leistung gleichmäßig auf die Komponente, die sich durch den PMD-Übertragungspfad 12 mit der schnellen Laufzeit ausbreitet, und die Komponente aufgeteilt ist, die sich mit der langsamen Laufzeit ausbreitet. Die SOP-Modulation mit der Frequenz f₂, die durch den Bogen 43 beschrieben ist, beinhaltet keine Modulation des Winkels 2ψ, so dass die Aufteilung der Leistung zwischen den schnellen und langsamen Laufzeit-Komponenten durch diese SOP-Modulation mit der Frequenz f₂ nicht beeinflusst wird. Diese SOP-Modulation mit der Frequenz f₂, die durch den Bogen 43 beschrieben ist, beinhaltet in ähnlicher Weise keine Modulation des Winkels 2ψ für irgendeine Ausrichtung der FS-Achse, die in der äquatorialen Ebene liegt, die HQV und P enthält. Andererseits erzeugt die SOP-Modulation mit der Frequenz f₁, die durch den Bogen 42 beschrieben ist, eine entsprechende Modulation (mit ±Θ) des Winkels 2ψ, und sie erzeugt somit eine entsprechende Modulation der Aufteilung der Leistung auf die schnellen und langsamen Laufzeit-Komponenten, die sich durch den PMD-Übertragungspfad 12 ausbreiten. Wenn zwei 2ψ = π/2 ist (das heißt, wenn die FS- und HV-Achsen ausgerichtet sind), ist die Aufteilung der Leistungsmodulation für kleine Werte von Θ angenähert linear auf die SOP-Modulationsfrequenz f₁ bezogen, so dass das Verhältnis der Leistungsaufteilungsmodulation bei 2f₁ zu der bei f₁ klein ist. Dieses Verhältnis steigt auf ein Maximum an, während die Orientierung der FS-Achse in der äquatorialen Ebene in Ausrichtung mit der PQ-Achse abgelenkt wird (das heißt, während 2ψ von 2ψ = π/2 auf 2ψ = 0 verringert wird).
Die Aufmerksamkeit wird nunmehr auf den Fall zurückgeführt, bei dem die FS-Achse mit der HV-Achse ausgerichtet ist und ein Lichtimpuls mit einer Impulsbreite ω in den PMD-Übertragungspfad 12 von dem Sender 11 eingespeist wird. Der Winkel 2ψ = π/2, und wenn der Impuls am entfernten Ende des PMD-Übertragungspfades 12 austritt, so wird festgestellt, dass er aus zwei eine gleiche Amplitude aufweisenden Komponenten besteht, die sich durch den Übertragungspfad mit unterschiedlichen Laufzeiten ausgebreitet haben. Die SOP-Modulation mit f₁, die durch den Bogen 42 beschrieben ist, moduliert den Winkel ψ über den Bereich π/2 ± Θ. Die Zeitsteuerdiagramme (a) und (b) nach 7 zeigen das Ansprechverhalten des Fotodetektors 30 jeweils auf die Ankunft, an dem Empfänger 10, der schnellen Laufzeitkomponente und der der langsamen Laufzeitkomponente für die Speise-SOP-Bedingung, die dem Ende des Bogens 42 entspricht, der näher an V liegt, das heißt, wenn 2ψ = π/2 + Θ ist. Das Ansprechverhalten auf die schnelle Laufzeit-Komponente liegt um die Differenz-Gruppenverzögerungszeit t_DGD vor der der langsamen Laufzeit-Komponente, wobei t_DGD die Polarisationsmodendispersion des Übertragungspfades 12 ist. Weil in diesem Fall 2ψ > π/2 ist, ist die relative Amplitude des Ansprechverhaltens des Fotodetektors 30 auf die schnelle Laufzeit-Komponente (0,5 – m) kleiner als sein Ansprechverhalten auf die langsame Laufzeit-Komponente (0,5 + m). Die Resultierende dieser zwei Ansprechverhalten ist in dem Zeitdiagramm (c) nach 7 gezeigt, und es ist leicht zu erkennen, dass der Schwerpunkt CofG₁ dieses resultierenden Ansprechverhaltens um m × t_DGD gegenüber dem (nicht gezeigten) Schwerpunkt verzögert ist, der vorherrscht, wenn 2ψ = π/2 ist.
Die Zeitdiagramme (d) und (e) nach 7 zeigen das Ansprechverhalten des Fotodetektors 30 jeweils auf die Ankunft der schnellen und langsamen Laufzeitkomponenten für den Speise-SOP-Zustand, der dem anderen Ende des Bogens 42 entspricht, dem Ende, das näher an H liegt, das heißt, wenn 2ψ = π/2 – Θ ist. Die resultierende dieser beiden Ansprechverhalten ist in dem Zeitdiagramm (f) nach 7 gezeigt, und es kann leicht gezeigt werden, dass der Schwerpunkt C von G₂ dieses resultierenden Ansprechverhaltens um m × t_DGD gegenüber dem Schwerpunkt vorverschoben ist, der gilt, wenn 2ψ = π/2 ist.
Die Taktableitungsschaltung 33 erzeugt Taktimpulse, die einen Schwerpunkt haben, der auf der mittleren Zeitsteuerung einer vorhergehenden Folge von Impulsen zentriert ist, so dass zu erkennen ist, dass vorausgesetzt, dass die Frequenz f₁ lang verglichen mit der Dauer der Impulsfolge gemittelt durch die Taktableitungsschaltung ist, der Taktausgang eine Modulationskomponente mit der Frequenz f₁ hat, deren Amplitude direkt auf die Größe der PMD bezogen ist, die der Übertragungspfad 12 aufweist.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass wenn die SOP-Modulationsamplitude Θ bekannt ist, es im Prinzip möglich ist, die Größe der PMD, die der Übertragungspfad aufweist, aus einem Maß der Größe der f₁-Komponente des abgeleiteten Taktsignals zu bestimmen, wenn bekannt ist, dass die IPSP's mit der HV-Achse ausgerichtet sind. Als solches weist dies keinen praktischen Nutzen bei Fehlen der Kenntnis darüber aus, wann die IPSP's in dieser Weise mit der HV-Achse ausgerichtet sind, doch kann die Situation in gewisser Weise dadurch verallgemeinert werden, dass zusätzlich die Amplituden der Komponenten des Taktausganges bei den Frequenzen f₂ und 2f₂ berücksichtigt werden. Durch Einfügen der Kenntnis der Größen dieser zwei zusätzlichen Variablen ist es möglich, die Größe der PMD für irgendeine Ausrichtung der IPSP-Achse zu bestimmen.
Die vorstehende Analyse beruhte auf der Voraussetzung, dass der SOP des in den SOP-Modulator 21 eingespeisten Lichtes bekannt ist, und ohne eine Einbuße an Allgemeinheit wurde die Analyse mit Hilfe eines speziellen Beispiels für den Fall entwickelt, bei dem dieser bekannte SOP ein linear polarisierter Zustand ist, der in willkürlicher Weise durch einen Punkt P auf der Poincaré-Kugel dargestellt ist. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund der SOP, mit dem das Licht in den SOP-Modulator 21 eingespeist wird, nicht bekannt ist oder sich mit der Zeit ändern kann, so könnte es möglich sein, dass dieser Speise-SOP mit der Eigenachse von einem der zwei eine veränderliche Stärke aufweisenden doppelbrechenden Elemente des SOP-Modulators ausgerichtet wird. Unter diesen Bedingungen würde die Modulation der Doppelbrechungs-Stärke des speziellen Elementes keine entsprechende Modulation des Ausgangs-SOP des SOP-Modulators hervorrufen. Das Problem, das diese Möglichkeit darstellt, kann jedoch dadurch umgangen werden, dass der SOP-Modulator 21 mit einem dritten eine veränderliche Stärke aufweisenden Doppelbrechungselement versehen wird, das mit einer Frequenz f₃ moduliert wird, worin f₁ ≠ f₃ ≠ f₂, 2f₁ ≠ f₃ ≠ 2f₂ und f₁ ≠ 2f₃ ≠ f₂ ist, und das so angeordnet ist. dass seine Eigenachse orthogonal zu dem den Eigenachsen der anderen zwei eine veränderliche Stärke aufweisenden doppelbrechenden Elemente des SOP-Modulators 21 ist.
Die vorstehende Analyse hat nicht die Doppelbrechung der SOP-Einstelleinrichtung 30 und die des DGD-Kompensationselementes 31 berücksichtigt. Eine genaue Analyse behandelt sie unter Einfügung als Teil eines erweiterten Übertragungspfades, eines Pfades, der sich über die gesamte Strecke von dem Sender 11 zu dem Detektor 32 des Empfängers erstreckt. Eine alternative Möglichkeit der Berücksichtigung der Wirkung der Einstelleinrichtung 30 und des Kompensationselementes 31 besteht in der Behandlung der Einstelleinrichtung als ein Element, das die OPSP's des Übertragungspfades 12 auf die IPSP's des Kompensationselementes 31 abbilden kann. Wenn die DGD des Kompensationselementes an die des Übertragungspfades 12 angepasst ist, und wenn die Einstelleinrichtung 30 in der Lage ist, den eine schnelle Laufzeit aufweisenden OPSP des Übertragungspfades 12 auf den die langsame Laufzeit aufweisenden IPSP des Kompensationselementes abzubilden, so hat der erweiterte Übergangspfad zwischen dem Sender 11 und dem Detektor 32 des Empfängers 10 (das heißt die Serienkombination aus dem Übertragungspfad 12, der SOP-Einstelleinrichtung 30 und des Kompensationselementes 31) eine DGD von Null. Somit war der Effekt der SOP-Einstelleinrichtung und des Kompensationselementes unter diesen Umständen derart, dass die PMD erster Ordnung des Übertragungspfades 12 vollständig kompensiert wird.
Eine perfekte Kompensation dieser Art kann mehr sein, als dies wirklich in einer praktischen Situation erforderlich ist, wenn eine weniger perfekte Alternative in einer weniger aufwändigen Weise realisiert werden kann und dennoch ein annehmbares Betriebsverhalten ergibt. Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Abschätzung des Betriebsverhaltens ergibt sich in Ausdrücken der Empfängerempfindlichkeits-Einbuße. Die Kurve 80 nach 8 zeigt eine typische Empfängerempfindlichkeits-Einbußencharakteristik (Vergrößerung der von dem Empfänger empfangenen Signalleistung, die erforderlich ist, um eine vorgegebene Bitfehlerrate einzuhalten), die als eine Funktion der DGD ausgedrückt als ein prozentualer Anteil der Bitperiode dargestellt ist, wobei diese Charakteristik sich auf einen angenommenen unkompensierten Übertragungspfad unter Schlimmstfallbedingungen bezieht (das heißt unter der Bedingung, dass das in diesen angenommenen Übertragungspfad eingespeiste Signal mit einem SOP eingespeist wird, den dieser angenommene Übertragungspfad in schnelle und langsame Laufzeitkomponenten mit gleicher Amplitude aufteilt).
Aus dieser Kurve ist zu erkennen, dass sich eine Einbuße von 1 dB der Empfängerempfindlichkeit ergibt, wenn die DGD ungefähr 30% der Bitperiode erreicht hat, das heißt, dass für ein 10 Gbit/s-System der Leistungsbedarf des Empfängers zur Erzielung einer bestimmten BER (beispielsweise von 10^–9) bei Fehlen irgendeiner DGD um 1 dB vergrößert werden muss.
Es sei nunmehr der Fall betrachtet, bei dem auf den Übertragungspfad 12 die SOP-Einstelleinrichtung 30 folgt und das DGD-Kompensationselement 31 einen bestimmten festen Wert von DGD aufweist, beispielsweise 80%, was beispielsweise durch eine bestimmte Länge einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser gebildet ist. Für den erweiterten Übertragungspfad, der die Serienkombination des Übertragungspfades 12, der SOP-Steuerung 30 und des Kompensationselementes 31 umfasst, ist ersichtlich, dass die optimale Betriebsweise der SOP-Steuerung 30 für DGD-Werte des Übertragungspfades 12 oberhalb der speziellen DGD des (eine feste DGD) aufweisenden Kompensationselementes 31 eine Empfängerempfindlichkeits-Einbußencharakteristik hervorruft, die durch die Kurve 81 gegeben ist. Die Kurve 81 ist eine Wiedergabe der Kurve 80, ist jedoch auf der %-DGD-Achse um 80% verschoben. Auf erstem Blick könnte angenommen werden, dass die entsprechende Charakteristik für DGD-Werte des Übertragungspfades 12, die kleiner als die spezifische DGD des Kompensationselementes 31 sind, ein Spiegelbild der Kurve 81 sein würden, doch ist dies in der Praxis nicht der Fall.
Die Kurve 81 ist eine Wiedergabe der Kurve 80, weil immer dann, wenn die DGD des Übertragungspfades 12 größer als die des Kompensationselementes 31 ist, es ersichtlich ist, dass die beste Kombination, die bewirkt werden kann, diejenige ist, die eintritt, wenn die SOP-Einstelleinrichtung 30 so betrieben wird, dass sie den langsamen OPSP des Übertragungspfades 12 auf den schnellen IPSP des Kompensationselementes 31 abbildet, das heißt, eine Operation, die direkt die DGD des Kompensationselementes 31 von der DGD des Übertragungspfades 12 subtrahiert. Eine unterschiedliche Situation ergibt sich bezüglich der DGD-Werte des Übertragungspfades 12, die beträchtlich kleiner als die des Kompensationselementes 31 sind. Insbesondere ist zu erkennen, dass wenn die DGD des Übertragungspfades 12 sehr klein verglichen mit der der Kompensationseinheit 31 ist, und wenn die SOP-Einstelleinrichtung 30 so betrieben würde, dass sie den langsamen OPSP des Übertragungspfades 12 auf den schnellen IPSP des Kompensationselementes 31 abbildet, der Schlimmstfall in einer Einspeise-SOP in den Übertragungspfad 12 besteht, die gleiche Leistung in die schnellen und langsamen Polarisationsmoden des Übertragungspfades 12 einspeist. Die SOP-Einstelleinrichtung stellt dann sicher, dass eine gleiche Leistung in die langsamen und schnellen Moden des Kompensationselementes 31 eingespeist wird. Die resultierende DGD des erweiterten Übertragungspfades ist somit nur geringfügig kleiner als die des Kompensationselementes 31. Wenn andererseits die Steuerung so betrieben würde, dass sie die gesamte schnelle Polarisationsmoden-Leistung, die aus dem Übertragungspfad 12 austritt, zusammen mit der gesamten langsamen Moden-Leistung in eine der IPSP's des Kompensationselementes 31 einspeist, so hätte die resultierende DGD des erweiterten Übertragungspfades den beträchtlich kleineren Wert des Übertragungspfades 12. Die Empfängerempfindlichkeits-Einbuße ist daher ebenfalls entsprechend kleiner. Eine Modellbildung zeigt an, dass für diesen erweiterten Übertragungspfad (der durch die Serienkombination des Übertragungspfades 12, der SOP-Einstelleinrichtung 30 und das Kompensationselement 31 gebildet ist) die Empfängerempfindlichkeits-Einbußencharakteristik für Werte der DGD des Übertragungspfades 12, die kleiner als die des (einen festen DGD-Wert aufweisenden) Kompensationselementes 31 sind, die allgemeine Form hat, die durch die Kurve 82 gegeben ist. (Die Position und Höhe des Maximums der Kurve 82 ist lediglich repräsentativ und nicht maßstäblich).
8 zeigt eine Kurve 81 und eine Kurve 82 für einen einzigen bestimmten DGD-Wert eines bestimmten einen festen DGD-Wert aufweisenden Kompensationselementes. Für andere spezifische Werte ergeben sich entsprechend unterschiedliche Kurven 81 und 82, die eine Familie derartiger Kurven bilden, wobei die Familie die Eigenschaft hat, dass eine Vergrößerung der bestimmten DGD-Werte das Minimum der Empfängerempfindlichkeits-Einbuße, das an dem Verbindungspunkt zwischen den Kurven 81 und 82 liegt, nach rechts verschiebt (das heißt zu größeren Werten der DGD des Übertragungspfades 12), während gleichzeitig der Maximalwert der Kurve 82 vergrößert wird (das heißt, dass die maximale Schlimmstfall-Empfängerempfindlichkeits-Einbuße, die für DGD-Werte des Übertragungspfades 12, die kleiner als die des Kompensationselementes 31 sind, vergrößert wird). Daher ergibt sich für irgendeinen vorgegebenen Übertragungspfad 12, von dem bekannt ist, dass die DGD einen bestimmten spezifischen Wert erreichen, jedoch niemals überschreiten kann, ein optimaler spezifischer Wert von DGD für das (einen festen Wert aufweisende) Kompensationselement 31, der den Schlimmstfall-Maximalwert der Empfängerempfindlichkeits-Einbuße, die in dem kompensierten System auftreten kann, zu einem Minimum macht. Wenn jedoch der Übertragungspfad 12 einem vergrößerten Wert von DGD ausgesetzt ist, der erreicht werden, jedoch niemals überschritten werden kann, so wird der entsprechende optimale spezifische Wert der DGD für die Kompensationseinheit entsprechend vergrößert. Ein Nebeneffekt hiervon besteht darin, dass der Schlimmstfall-Maximalwert der Empfängerempfindlichkeits-Einbuße, der auftreten kann, ebenfalls vergrößert wird. Es ist klar zu erkennen, dass wenn dieser Schlimmstfall-Maximalwert unter bestimmten Umständen zu groß ist, um annehmbar zu sein, so dass die Lösung, die das Kompensationselement 31 mit einem festen DGD-Wert verwendet, unter diesen speziellen Umständen unzureichend ist. Eine kompliziertere Kompensationslösung ist erforderlich, nämlich eine Lösung, die die Verwendung eines steuerbaren veränderlichen DGD-Kompensationselementes beinhaltet.
Der Empfänger nach 9 unterscheidet sich von dem nach 3 dadurch, dass ein einen veränderlichen DGD-Wert aufweisendes Kompensationselement 31 anstelle des einen festen DGD-Wert aufweisenden Kompensationselementes 31 des Empfängers nach 3 eingesetzt wird. Zusätzlich ist der Empfänger nach 9 mit weiteren zwei Filtern 96, die jeweils auf die Frequenzen 2f₁ und 2f₂ abgestimmt sind, sowie mit einer weiteren Steuerelektronik 97 versehen. Genauso wie die Steuerelektronik 37 die Betriebsweise der SOP-Einstelleinrichtung 30 mit Hilfe von Eingangssignalen regelt, die von der Taktableitschaltung 35 über die Filter 36 empfangen werden, regelt die Steuerelektronik 97 die Betriebsweise des DGD-Kompensationselementes 31 mit Hilfe von Eingangssignalen, die von der Taktableitschaltung 35 über die Filter 96 empfangen werden.
Sowohl bei dem Empfänger nach 3 als auch bei dem nach 9 ist die SOP-Einstelleinrichtung 30 ein eine steuerbare veränderliche Doppelbrechung aufweisendes Element, das durch seine zugehörige Steuerelektronik 37 gesteuert wird, und die Flexibilität einer Veränderbarkeit derart aufweist, dass irgendein vorgegebener SOP des der Einstelleinrichtung zugeführten Lichtes durch dieses in einer endlosen Weise so umgewandelt werden kann, dass es mit irgendeinem erforderlichen Ausgangs-SOP austritt. Die von der Steuerelektronik 37 ausgeübte Steuerung ist eine Doppelbrechungs-Ausforschung, die so ausgelegt ist, dass sie auf dem speziellen Doppelbrechungszustand der SOP-Einstelleinrichtung zur Ruhe kommt, die zu dieser Zeit die Amplituden der Frequenzkomponenten des abgeleiteten Taktsignals von der Taktableitschaltung 35 bei den Frequenzen f₁ und f₂ gleichzeitig zu einem Minimum macht.
In dem Empfänger nach 9 ist das eine steuerbare veränderbare DGD aufweisende Kompensationselement 91 ein Element, das durch seine zugehörige Steuerelektronik 97 gesteuert wird, und die von der Steuerelektronik 97 ausgeführte Steuerung ist eine DGD-Amplituden-Erforschung, die so ausgelegt ist, dass die den speziellen DGD-Wert einstellt, der zu dieser Zeit gleichzeitig die Amplituden der Frequenzkomponenten des abgeleiteten Taktsignals von der Taktableitschaltung 35 bei den Frequenzen 2f₁ und 2f₂ zu einem Minimum macht.
Eine physikalische Form, die das steuerbare veränderbare DGD-Kompensationselement 91 annehmen kann, ist eine Form, die schematisch in 10 gezeigt ist. Diese umfasst einen polarisationsunabhängigen Zirkulator 100 mit Anschlüssen „a", „b" und „c", einen Polarisationsstrahlteiler 101, zwei Lichtleitfasern 102a und 102b, die mit gechirpten Bragg-Reflexionsgittern 103a und 103b versehen sind, und eine steuerbare Dehnung aufweisende Einrichtungen 104 zur unterschiedlichen axialen Dehnung der Lichtleitfasern 102. Diese Dehnungseinrichtung kann beispielsweise die Form eines piezoelektrischen Streckelementes haben. Licht, das in den Anschluss „a" des Zirkulators 100 eingespeist wird, tritt an dem Anschluss „b" aus und wird von dem Polarisationsstrahlteiler 101 in orthogonal polarisierte Komponenten aufgelöst, die sich jeweils in den Lichtleitfasern 102a und 102b ausbreiten. Diese Komponenten werden von den Bragg-Gittern 103a und 103b reflektiert und werden von dem Strahlteiler 101 erneut kompensiert, der sie zurück in den Zirkulator 100 einspeist, damit sie über dessen Anschluss „c" austreten. Wenn die zwei Lichtleitfasern identisch sind und wenn auch die zwei gechirpten Gitter sowohl identisch als auch den gleichen Abstand von dem Polarisationsstrahlteiler haben, so ist bei Fehlen irgendwelcher unterschiedlichen Dehnung der Lichtleitfasern klar, dass das Kompensationselement 91 keine DGD aufweist, weil beide Komponenten an der selben Entfernung entlang ihrer jeweiligen Lichtleitfasern 102a und 102b von dem Polarisationsstrahlteiler reflektiert werden.
Eine differenzielle axiale Dehnung der zwei Lichtleitfasern hat die Wirkung einer differenziellen Änderung der Chirpeffekte der zwei Gitter und bewirkt damit, dass die zwei Komponenten an unterschiedlichen Entfernungen von dem Polarisationsstrahlteiler 101 entlang ihrer jeweiligen Lichtleitfasern reflektiert werden. Unter diesen Umständen weist daher das Kompensationselement eine DGD auf. (Es dürfte klar verständlich sein, dass es für eine Funktion des Kompensationselementes in der erforderlichen Weise nicht notwendig ist, dass identische Lichtleitfasern und identische, einen gleichen Abstand aufweisende Gitter verwendet werden). Die Empfindlichkeit des Kompensationselementes (das heißt die Rate der Änderung der DGD mit unterschiedlicher Dehnung) ist eine umgekehrte Funktion der Chirp-Rate der Bragg-Gitter (das heißt ein graduelleres Chirp ergibt eine größere Empfindlichkeit).
Das Betriebsprinzip, das die Grundlage für die Art und Weise bildet, wie die DGD des Kompensationselementes 91 nach 10 arbeitet, beruht erkennbar auf der Verwendung einer kleinen Änderung der Ausbreitungskonstante eines optischen Wellenleiters, der ein gechirptes Bragg-Reflexionsgitter mit einer langsamen Chirp-Rate beinhaltet, derart, dass eine erhebliche Änderung der Position entlang des Gitters hervorgerufen wird, bei der irgendeine vorgegebene Wellenlänge des Lichtes reflektiert wird. Viele Abänderungen der speziell in 10 dargestellten Ausführungsform sind eindeutig möglich. Beispielsweise könnte der Bragg-Reflektor 103 in der nicht gedehnten Faser 102 durch einen einzigen diskreten Breitband-Reflektor ersetzt werden. Eine weitere Alternative besteht darin, einen Längenabschnitt einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser mit einem einzigen gechirpten Bragg-Reflexionsgitter anstelle des Polarisationsstrahlteilers 101 und dem Paar von Lichtleitfasern 102 mit ihren Gittern 103 einzusetzen und die die Polarisation aufrechterhaltende Lichtleitfaser so zu biegen, dass Änderungen hinsichtlich ihrer Doppelbrechungs-Überlagerungslänge hervorgerufen werden.
Das veränderliche DGD-Kompensationselement nach 10 ist im Prinzip ein Element, dessen DGD kontinuierlich von Null bis zu irgendeinem bestimmten Maximalwert abgestimmt werden kann, der durch die speziellen Parameter seiner Konstruktion bestimmt ist. Ein weniger kompliziertes und damit billiger zu realisierendes Kompensationselement mit veränderlicher DGD wird nunmehr unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Die Verringerung der Kompliziertheit wird unter Inkaufnahme einer gewissen Verringerung der Flexibilität der DGD-Einstellung erzielt, die dieses Element bieten kann. Dieses veränderliche DGD-Kompensationselement nach 11 umfasst einen Längenabschnitt 110 einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser und ein eine einstellbare Stärke aufweisendes Polarisationsmoden-Kopplungselement, das an einem mittleren Punkt seiner Länge angeordnet ist. Das Modenkopplungselement kann zweckmäßigerweise durch zwei Amboss-Teile (111) gebildet sein, die mit veränderlicher Stärke aneinander gedrückt werden. Die zusammenpassenden Stirnflächen der Ambosse weisen zusammenpassende querverlaufende Wellungen auf, deren Periodizität an die Polarisationsmoden-Überlagerungslänge der Lichtleitfaser 110 angepasst ist. Wenn die Ambosse weit genug aneinander entfernt sind, um keine entsprechende Biegung der Lichtleitfaser hervorzurufen, ergibt sich keine Kopplung zwischen den zwei Polarisationsmoden der Lichtleitfaser 110, und entsprechend weist diese Faser ihren maximalen DGD-Wert auf, wie er durch ihre physikalische Länge und ihre Polarisationsmoden-Überlagerungslänge bestimmt ist. Wenn die Ambosse eng genug angepresst werden, um eine 100%ige Kopplung zwischen den Moden hervorzurufen, wird die gesamte sich ursprünglich in der schnellen Polarisationsmode ausbreitende Leistung an dem Kopplungsbereich in Leistung eingekoppelt, die sich danach in der langsamen Polarisationsmode ausbreitet. In ähnlicher Weise wird die gesamte Leistung, die sich ursprünglich in der langsamen Polarisationsmode ausbreitet, übergekoppelt, um sich danach in der schnellen Polarisationsmode auszubreiten. Unter diesen Umständen ist es ersichtlich, dass die DGD dieses Teils der Lichtleitfaser 110 bis zu dem Kopplungsbereich daher durch die DGD des Teils der Lichtleitfaser nach dem Kopplungsbereich ausgeglichen wird. Die auf diese Weise geschaffene DGD-Kompensation ist eine vollständige Kompensation, eine Unterkompensation oder eine Überkompensation in Abhängigkeit davon, ob die Kopplungsbereiche an dem Mittelpunkt der Länge der Lichtleitfaser 110, nach diesem Mittelpunkt oder vor diesem Mittelpunkt liegen. Es ist ersichtlich, dass eine entsprechende Verringerung der DGD, die die Lichtleitfaser 110 insgesamt aufweist, verkleinert wird, wenn die Kopplungsstärke gegenüber dem Wert von 100% verringert wird. Durch Ausüben einer Steuerung über das Zusammendrücken der Ambosse 111 ergibt sich eine Kontrolle über die Stärke der Polarisationsmodenkopplung, die sich an dem Kopplungsbereich ergibt, und damit eine Steuerung des Wertes der DGD, die die Lichtleitfaser 110 ergibt.

Claims

Verfahren zur Aussendung eines getakteten optisch polarisierten Signals, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal in einen Übertragungspfad (12) unter Modulation seines Polarisationszustandes in einer derartigen Weise eingespeist wird, dass dieser bei Darstellung auf einer Poincaré-Kugel (40, 50) eine oszillierende Drehkomponente (42) mit einer Frequenz f₁ um eine erste Achse der Kugel und eine oszillierende Drehkomponente mit einer Frequenz f₂ um eine zweite Achse der Kugel aufweist, die orthogonal zu der ersten Achse ist, und wobei f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Übertragungspfad (12) dazu neigt, eine Polarisationsmodendispersion (PMD) aufzuweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem an dem anderen Ende des Übertragungspfades das aus diesem austretende, getaktete, digitale optische Signal durch ein eine einstellbare Doppelbrechung aufweisendes Element (30) hindurchgeleitet wird, bevor es von einem Fotodetektor (32) detektiert und einer Taktableitungsschaltung (35) zugeführt wird, um ein Taktsignal zu liefern, das Frequenzkomponenten bei f₁ und f₂ aufweist, wobei diese Frequenzkomponenten als Steuersignale in einer Rückführungsregelschleife verwendet werden, die die Doppelbrechung des Doppelbrechungs-Elementes regelt, um die Amplitude der Frequenzkomponenten zu einem Minimum zu machen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das einstellbare Doppelbrechungs-Element die Serienkombination einer Polarisationszustands-Steuerung (30) und eines eine konstante Doppelbrechung aufweisenden Doppelbrechungselementes (31) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das einstellbare Doppelbrechungs-Element die Serienkombination einer Polarisationszustands-Steuerung (30) und eines eine veränderliche Doppelbrechung aufweisenden Doppelbrechungselementes (91) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die f₁- und f₂-Frequenzkomponenten des abgeleiteten Taktsignals als Steuersignale in einer ersten Rückführungsregelschleife verwendet werden, die die Doppelbrechung der Polarisationszustands-Steuerung regelt, um die Amplitude der f₁- und f₂-Komponenten zu einem Minimum zu machen, und bei dem die 2f₁- und 2f₂-Frequenzkomponenten des abgeleiteten Taktsignals als Steuersignale in einer zweiten Rückführungsregelschleife verwendet werden, die die Doppelbrechung des eine veränderliche Doppelbrechung aufweisenden Doppelbrechungselementes regelt, um die Amplitude der 2f₁- und 2f₂-Frequenzkomponenten zu einem Minimum zu machen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem das eine veränderliche Doppelbrechung aufweisende doppelbrechende Element einen Längenabschnitt einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser umfasst, die an einem zwischenliegenden Punkt ihrer Länge mit einem eine steuerbare veränderliche Stärke aufweisenden Polarisationsmodenkoppler versehen ist.
Verfahren zum Empfang eines getakteten optischen Signals, das über einen Übertragungspfad übertragen wird, der dazu neigt, eine Polarisationsmodendispersion (PMD) aufzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal in dem Übertragungspfad unter einer Modulation seines Polarisationszustandes (SOP) in einer derartigen Weise eingespeist wird, dass dieser bei einer Darstellung auf einer Poincaré-Kugel (40, 50) eine oszillierende Drehkomponente (42) mit einer Frequenz f₁ um eine erste Achse der Kugel und eine oszillierende Drehkomponente mit einer Frequenz f₂ um eine zweite Achse der Kugel aufweist, die orthogonal zu der ersten Achse ist, und worin f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist, wobei das getaktete optische Signal durch ein einstellbares Doppelbrechungselement (30) geleitet wird, bevor es durch einen Fotodetektor (32) detektiert wird und einer Taktableitungsschaltung (35) zugeführt wird, um ein Taktsignal mit Frequenzkomponenten bei f₁ und f₂ zu schaffen, wobei diese Frequenzkomponenten als Steuersignale in einer Rückführungsregelschleife verwendet werden, die die Doppelbrechung des doppelbrechenden Elementes regelt, um die Amplitude der Frequenzkomponenten zu einem Minimum zu machen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Taktableitungsschaltung (35) ein Taktsignal mit Frequenzkomponenten bei f₁, 2f₁, f₂ und 2f₂ liefert, wobei diese Frequenzkomponenten als Steuersignale in einer Rückführungsregelschleife verwendet werden, die die Einstellung des doppelbrechenden Elementes so regelt, dass die Größe ihrer PMD erster Ordnung im Wesentlichen an die des Übergangspfades angepasst wird und dass der Eingangs-Hauptpolarisationszustand (IPSP) der schnellen Achse des doppelbrechenden Elementes im Wesentlichen in Ausrichtung mit dem Ausgangs-Hauptpolarisationszustand (OPSP) der langsamen Achse des Übertragungspfades gebracht wird.
Sender, der zur Lieferung eines getakteten, optisch polarisierten Signals ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal in einen Übertragungspfad (12) unter Modulation seines Polarisationszustandes (SOP) in einer derartigen Weise eingespeist wird, dass dieser bei Darstellung auf einer Poincaré-Kugel (40, 50) eine oszillierende Drehkomponente (42) mit einer Frequenz f₁ um eine erste Achse der Kugel und eine oszillierende Drehkomponente mit einer Frequenz f₂ um eine zweite Achse der Kugel aufweist, die orthogonal zu der ersten Achse ist, wobei f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist.
Empfänger zum Empfang eines getakteten optischen Signals, das über einen Übertragungspfad (12) ausgesandt wird, der dazu neigt, eine Polarisationsmodendispersion (PMD) aufzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal in den Übertragungspfad unter Modulation seines Polarisations zustandes (SOP) in einer derartigen Weise eingespeist wird, dass dieser bei Darstellung auf einer Poincaré-Kugel (40, 50) eine oszillierende Drehkomponente (42) mit einer Frequenz f₁ um eine erste Achse der Kugel und eine oszillierende Drehkomponente mit einer Frequenz f₂ um eine zweite Achse der Kugel aufweist, die orthogonal zu der ersten Achse ist, wobei f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist, wobei der Empfänger ein einstellbares doppelbrechendes Element (30), einen Fotodetektor (32), eine Taktableitungsschaltung (35) und eine Rückführungsregelschleife aufweist, wobei das aus dem Übertragungspfad austretende getaktete optische Signal durch das einstellbare doppelbrechende Element hindurchgeleitet wird. bevor durch den Fotodetektor detektiert und der Taktableitungsschaltung zugeführt wird, um ein Taktsignal mit Frequenzkomponenten bei f₁ und f₂ zu liefern, wobei diese Frequenzkomponenten als Steuersignale in einer Rückführungsregelschleife verwendet werden (36), die die Doppelbrechung des doppelbrechenden Elementes derart regelt, dass die Amplitude der Frequenzkomponenten zu einem Minimum gemacht wird.
Optisches Übertragungssystem, mit: einem Sender gemäß Anspruch 10; einem Empfänger gemäß Anspruch 11; einem optischen Übertragungsmedium; wobei der Sender mit dem Empfänger über das optische Übertragungsmedium gekoppelt ist.
Optisch polarisiertes Signal, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Polarisationszustand (SOP) aufweist, der in einer Weise moduliert ist, dass wenn er auf einer Poincaré-Kugel (40, 50) dargestellt wird, eine oszillierende Drehkomponente (42) mit einer Frequenz f₁ um eine erste Achse der Kugel und eine oszillierende Drehkomponente (42) mit einer Frequenz f2 um eine zweite Achse der Kugel aufweist, die orthogonal zu der ersten Achse ist und wobei f₁ ≠ f₂, f₁ ≠ 2f₂ und f₂ ≠ 2f₁ ist.