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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Kompensation der Polarisationsmodendispersion (PMD) eines übertragenen
optischen Signals mittels eines Polarisationscontrollers, der mit
einem Generator für
die differentielle Gruppenlaufzeit gekoppelt ist, wodurch der Polarisationscontroller über ein
von einem Regelungsalgorithmus berechnetes Rückkopplungssignal geregelt
wird.
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Stand der Technik
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind in der Fachwelt durch
EP-0 853 395 bekannt.
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Alle
Arten von Faserverbindungen weisen das Phänomen der Polarisationsmodendispersion auf,
d.h. der Impuls oder das Signal, der bzw. das von einem Senderendgerät ausgesendet
und über
eine Faserverbindung übertragen
wird, wird von einem Empfängerendgerät in einem
deformierten Zustand empfangen. Er bzw. es weist eine längere Dauer
auf als die ursprüngliche
Dauer. Diese Deformation ist auf den Umstand zurückzuführen, dass das optische Signal
während
der Übertragung
eine Depolarisation erfährt.
Das am anderen Ende der Faserverbindung empfangene Signal kann als
zwei zueinander senkrechte Komponenten betrachtet werden, wobei
eine einem Polarisationszustand (SOP für „State of Polarization") mit maximaler Ausbreitungsgeschwindigkeit
entspricht, und wobei die andere einem SOP mit minimaler Ausbreitungsgeschwindigkeit
entspricht. Mit anderen Worten: Das am anderen Ende der Faserverbindung
empfangene Signal kann so betrachtet werden, dass es sich aus einem
ersten Signal, das mit einem bevorzugten SOP polarisiert ist und zuerst
ankommt, und einem zweiten Signal zusammensetzt, das sich mit einem
zweiten verzögerten SOP
ausbreitet und mit einer als differentielle Gruppenlaufzeit bezeichneten
Verzögerung
ankommt, welche insbesondere von der Länge der Faserverbindung abhängt.
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Wenn
das Senderendgerät
ein optisches Signal mit einem sehr kurzen Impuls sendet, besteht das
vom Empfängerendgerät empfangene
Signal aus zwei aufein ander folgenden Impulsen, die senkrecht zueinander
polarisiert sind und die eine der differentiellen Gruppenlaufzeit
entsprechende Zeitverzögerung
aufweisen. Diese Verzögerung
kann für eine
Verbindung von 100 Kilometern, die aus einer vor wenigen Jahren
hergestellten Einmodenfaser besteht, in der Größenordnung von 20 Pikosekunden liegen.
Die Deformation der vom Empfängerendgerät empfangenen
Impulse kann Fehler beim Decodieren der übertragenen Daten verursachen,
daher ist die Polarisationsmodendispersion ein begrenzender Faktor
für die
Leistung von analogen ebenso wie digitalen optischen Verbindungen.
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Fasern
mit einer starken Polarisationsmodendispersion, die auch als polarisationserhaltende Fasern
bezeichnet werden, sind bekannt; sie ermöglichen die Bereitstellung
einer festen differentiellen Gruppenlaufzeit durch Verwendung kurzer
Faserabschnitte. Die optische Kompensation der Polarisationsmodendispersion
kann realisiert werden, indem eine solche Komponente oder ein gesamter
Generator der differentiellen Gruppenlaufzeit zwischen zwei senkrechten
Polarisationsmoden angeordnet wird, die aus einer Faserverbindung
mit starker Polarisationsmodendispersion resultieren. Dies kann
entweder durch die Verwendung einer polarisationserhaltenden Faser
(PMF für „Polarization
Maintaining Fibre")
mit derselben differentiellen Gruppenlaufzeit wie die Faserverbindung
erfolgen, wobei jedoch der langsame und der schnelle Haupt-SOP ausgetauscht werden,
oder indem man einen Haupt-SOP des aus der Faserverbindung und der
PMF bestehenden Systems zwingt, mit dem SOP der Sendequelle übereinzustimmen.
Hierfür
wird ein Polarisationscontroller zwischen der Faserverbindung und
der PMF angeordnet.
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Der
Wert der differentiellen Gruppenlaufzeit und der Haupt-SOPs einer
Verbindung unterliegt im Lauf der Zeit starken von Temperatur und
Schwingungen abhängigen
Schwankungen. Eine Kompensationsvorrichtung muss daher anpassungsfähig sein,
und die differentielle Gruppenlaufzeit der PMF muss so gewählt werden,
dass sie mindestens gleich allen Werten der differentiellen Laufzeit
ist, die kompensiert werden sollen.
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Eine
solche Vorrichtung zur Kompensation der PMD in einem optischen Übertragungssystem wurde
durch
EP 0853 395 A1 bekannt.
Die Vorrichtung umfasst einen Polarisationscontroller und einen Generator
der differentiellen Gruppenlaufzeit. Der Controller und der Generator
sind zwischen der Faserverbindung und dem Empfängerendgerät angeordnet. Eine Rückkopplungsschleife
misst den Polarisationsgrad (DOP für „Degree of Polarization") des vom Generator
der differentiellen Gruppenlaufzeit (DGD für „Differential Group Delay") gelieferten optischen
Signals und speist den Polarisationscontroller so, dass der gemessene
DOP optimiert wird. Die Verwendung des DOP als Rückkopplungsvariable erfordert
jedoch einen komplizierten Algorithmus zur Berechnung der Regelung
des Polarisationscontrollers. Darüber hinaus stellt das Rückspulen
(„Rewinding") doppelbrechender
Elemente in dem Polarisationscontroller ein größeres Problem dar.
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Ein
Dokument unter dem Titel „Remote
State-Of-Polarization Control In Polarization-Maintaining Fibre" von den Autoren
Johnson, M. u. a.; Optics Communications, Ni, North-Holland Publishing
Co., Amsterdam, Band 90, Nr. 1/02/03, 1. Juni 1992, Seite 32-34,
XP000274833, ISSN: 0030-4018, offenbart ein Verfahren zur Fernsteuerung
des Polarisationszustands (SOP), wobei man sich die reziproke Natur der
Faser über
ein durch die Faser rückreflektiertes Licht
zunutze macht. Dieses Dokument geht jedoch nicht auf das Problem
der Kompensation der Polarisationsmodendispersion eines übertragenen
optischen Signals unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus
ein, um einen Rückkopplungsparameter
des Ausgangssignals eines Polarisationscontrollers oder des Ausgangssignals
eines Generators für
die differentielle Gruppenlaufzeit zu optimieren, und ebenso wenig
erörtert
es, dass die Entfernung eines Eingangs-Polarisationszustands eines
optischen Signals von einer Rotationsachse auf einer Poincaré-Kugel
in dem Algorithmus zu berücksichtigen
ist.
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Gegenstand der Erfindung
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Vorrichtung für
eine schnellere und genauere Regelung des Polarisationscontrollers
bereitzustellen.
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Lehre der Erfindung
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In
einem ersten Aspekt der Erfindung wird das Problem durch ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Kompensation der Polarisationsmodendispersion
(PMD) eines übertragenen
optischen Signals mittels eines mit einem Generator der differentiellen Gruppenlaufzeit
(DGD) gekoppelten Polarisationscontrollers gelöst, wobei der Polarisationscontroller durch
eine Rückkopplungsschleife
geregelt wird, wobei die Rückkopplungsschleife
einen Optimierungsalgorithmus implementiert, um einen Rückkopplungsparameter
des Ausgangssignals des DGD-Generators zu optimieren. Der Algorithmus
berücksichtigt den
Polarisationszustand (SOP) eines optischen Signals, der aus dem
Ausgangssignal des Polarisationscontrollers oder aus dem Ausgangssignal
des DGD-Generators bestimmt wird. Der Rückkopplungsparameter kann der
Polarisationsgrad (DOP) oder ein Maß der elektrischen Spektralbreite
oder ein Maß der
Augenöffnung
usw. sein. Vorzugsweise ist es der DOP, da das Messverfahren allgemein üblich ist.
Wenn der verwendete Rückkopplungsparameter der
DOP ist, ist es praktischer, ihn am Ausgang des DGD-Generators zu
messen (da dieselbe Einrichtung verwendet wird), die Theorie bestätigt sich
aber auch, wenn er an dessen Eingang gemessen wird.
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In
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der SOP aus den Stokes-Parametern berechnet, die aus dem Ausgangssignal
des DGD-Generators gemessen werden. Für die Rückkopplungsschleife ist eine
sehr hohe Geschwindigkeit erforderlich. Die Stokes-Parameter können einfach
gemessen werden, und aus den gemessenen Werten kann die Position
des SOP auf der Poincaré-Kugel
problemlos berechnet werden. Daher ist die Messung der Stokes-Parameter
besonders für
eine schnelle und genaue Rückkopplung
an den Polarisationscontroller geeignet. Die durch den Algorithmus berechneten
Regelungssignale werden in den Polarisationscontroller rückgekoppelt.
Die Messung der Stokes-Parameter ermöglicht, den Algorithmus einfacher
und schneller zu machen. Somit wird die Verarbeitung hoher Bitraten
in Einmodenfaser-Verbindungen möglich.
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In
einer bevorzugten Variante des Verfahrens umfasst der Polarisationscontroller
mindestens ein doppelbrechendes Element, und für jedes doppelbrechende Element
ist ein Winkel α fest
und ein Rotationswinkel β ist
variabel, wobei der Winkel α der Winkel
zwischen einer Rotationsachse auf der Äquatorebene der Poincaré-Kugel
und der x-Achse eines Koordinatensystems ist und wobei der Rotationswinkel β die Rotation
um die Rotationsachse definiert. Ein doppelbrechendes Element ändert den
SOP an seinem Eingang in einen anderen SOP an seinem Ausgang durch
eine Rotation des SOP auf der Poincaré-Kugel.
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Ein
Polarisationscontroller besteht aus einer Kaskade doppelbrechender
Elemente mit entweder einer Variablen α oder einer Variablen β oder beiden. Wenn
ein doppelbrechendes Element eine Variable β zulassen soll, muss das doppelbrechende
Element „zurückgespult" werden, sobald der
maximale [Winkel] β erreicht
ist, da er nicht unendliche Werte erreichen kann und die anderen
doppelbrechenden Elemente dieses Element kompensieren müssten. Der Rückspulprozess
(„Rewinding
Process") erfordert
einen komplizierten Algorithmus. Wenn dagegen der Winkel α variabel
und β fest
ist, kann der komplizierte Rückspulprozess
(„Rewinding
Process") der doppelbrechenden
Elemente erleichtert oder sogar vermieden werden.
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Vorteilhafterweise
wird die Auswirkung jedes doppelbrechenden Elements auf die Position
des SOP auf der Poincaré-Kugel
bestimmt. Wenn die Position oder die Änderung des SOP auf der Poincaré-Kugel
bekannt ist, kann der Algorithmus in der Rückkopplungsschleife dies berücksichtigen
und seinen Schritt entsprechend variieren. Der Algorithmus führt einen
größeren Schritt
aus, wenn der SOP nahe an der Rotationsachse liegt, und einen kleineren Schritt,
wenn der SOP weiter von der Rotationsachse entfernt ist. Zusätzlich dazu
ermöglicht
die Kenntnis der SOP-Änderung,
die durch jedes doppelbrechende Element im Polarisationscontroller
hervorgerufen wird, die doppelbrechenden Elemente so zu kombinieren,
dass die an sie angelegten Spannungen und somit ihre Position geändert werden
können,
ohne den SOP zu ändern.
Dies erhöht
die Geschwindigkeit des Rückspulprozesses
(„Rewinding
Process"). Die Bestimmung
des SOP und seine Verwendung im Algorithmus in der Rückkopplungsschleife
könnte
auch in Verbindung mit Polarisationscontrollern nach dem Stand der
Technik zum Einsatz kommen, d.h. dort, wo β fest und α variabel ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst der Polarisationscontroller mindestens ein doppelbrechendes Element.
Die durch den Algorithmus in der Rückkopplungsschleife bestimmten
Regelungssignale werden in den Polarisationscontroller rückgekoppelt, und
die Positionen der doppelbrechenden Elemente in dem Polarisationscontroller
werden so eingestellt, dass sie die PMD durch Maximieren des DOP
kompensieren. Die Anforderungen an die doppelbrechenden Elemente
können
durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelockert werden,
da der zur Kompensation von Unvollkommenheiten der doppelbrechenden
Elemente benötigte
Algorithmus weniger kompliziert wird.
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Vorzugsweise
umfasst der DGD-Generator mindestens eine polarisationserhaltende
Faser (PMF). Die polarisationserhaltende Faser kompensiert eine
durch die Faserverbindung verursachte differenzielle Gruppenlaufzeit,
indem sie den schnellen Teil des Signals in den langsamen Eigenzustand
einer polarisationserhaltenden hoch doppelbrechenden Faser einkoppelt,
und umgekehrt.
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Zeichnung
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Zusätzliche
Vorteile der Erfindung können aus
der Beschreibung und der Zeichnung entnommen werden. Ebenso können die
zuvor erwähnten und
die folgenden Merkmale im Einklang mit der Erfindung jeweils einzeln
oder gemeinsam in jeder beliebigen Kombination genutzt werden. Die
dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern sie haben beispielhaften Charakter für die Beschreibung
der Erfindung. Darauf zeigt
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1 eine
schematische Darstellung eines optischen Kommunikationssystems,
umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Kompensation der Polarisationsmodendispersion;
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2 eine
Darstellung des Polarisationszustands auf der Poincaré-Kugel.
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Beschreibung einer Ausführungsform
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In 1 bezeichnet
Ziffer 1 ein Senderendgerät, das Daten als optisches
Signal überträgt, beispielsweise
durch Modulieren der Stärke
von einer oder mehreren vollständig
polarisierten optischen Trägerwellen,
die von einem Laser geliefert werden. Dieses optische Signal wird
in eine mit einem Polarisationscontroller 3 verbundene
Faserverbindung 2 eingespeist. Der Polarisationscontroller 3 umfasst mehrere
in Kaskade geschaltete doppelbrechende Elemente 4 zur Regelung
des Polarisationszustands (SOP). Der Polarisationscontroller 3 wird
dazu genutzt, den Polarisationswinkel aller Komponenten des vom
Polarisationscontroller 3 empfangenen optischen Signals
zu drehen. Ein Generator 5 für die differentielle Gruppenlaufzeit
(DGD) ist nachgeschaltet zum Polarisationscontroller 3 angeordnet.
Der DGD-Generator 5 umfasst
polarisationserhaltende Fasern 6 (PMF) von unterschiedlichen Längen, um die
durch die Faserverbindung 2 verursachte differentielle
Gruppenlaufzeit zu kompensieren.
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Das
optische Ausgangssignal aus dem DGD-Generator 5 wird an
ein Empfängerendgerät 7 und
an eine Rückkopplungsschleife 8 übertragen. Die
Rückkopplungsschleife
besitzt eine Vorrichtung 9 zur Messung der Stokes-Parameter
des Ausgangssignals des DGD-Generators und eine Recheneinheit 10,
welche das Regelungssignal für
den Polarisationscontroller 3 unter Berücksichtigung der von der Vorrichtung 9 gemessenen
Stokes-Parameter berechnet.
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2 zeigt
eine Darstellung des Polarisationszustands (SOP), zum Beispiel A,
auf der Poincaré-Kugel 20.
Die Poincaré-Kugel 20 stellt
alle Übergangszustände dar,
die unpolarisiertes Licht mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen
kann. In 2 wird eine Einheitskugel (Radius
= 1) mit einem Koordinatensystem gezeichnet, dessen Ursprung 21 in der
Mitte der Poincaré-Kugel 20 liegt.
Ein doppelbrechendes Element 4 ändert den SOP A, A', A'' an seinem Eingang in einen anderen
SOP an seinem Ausgang B, B',
B'' durch eine Rotation
des SOP auf der Poincaré-Kugel 20.
Die Position auf der Poincaré-Kugel 20 eines
SOP B, B', B'' von polarisiertem Licht ist definiert
durch einen Winkel α zwischen
der x-Achse 22 des Koordinatensystems und einer Rotationsachse 23 und
einen Winkel β zwischen
der Äquatorebene 24 der
Poincaré-Kugel 20 und
einer Linie 25, welche den SOP B, B', B'' am Ausgang und die
Rotationsachse 23 verbindet, wobei die Linie 25 senkrecht zur
Rotationsachse steht.
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In 2 ist
der Winkel α fest
und der Winkel β ist
variabel. Die SOPs A, A',
A'' am Eingang liegen in
diesem Fall alle auf der Äquatorlinie
der Poincaré-Kugel.
Jeder hat eine andere Entfernung zur Rotationsachse 23.
Wenn das doppelbrechende Element die SOPs A, A', A'' am Eingang um den
Winkel β um die
Rotationsachse 23 rotiert, ergeben sich die SOPs B, B', B''. Wenn die Entfernung eines SOP A, A', A'' am Eingang zur Rotationsachse groß ist, ist
die Entfernung des SOP B, B',
B'' am Ausgang ebenfalls groß. Dadurch
kann der Algorithmus in der Rückkopplungsschleife
seinen Schritt entsprechend der Entfernung eines Eingangs-SOP A, A', A'' von der Rotationsachse 23 anpassen,
d.h. einen größeren Schritt
ausführen,
wenn A, A', A'' nahe an der Rotationsachse liegen,
und umgekehrt.
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Zur
praktischen Umsetzung des Algorithmus und der Messung der Stokes-Parameter verwendet die
Ausführungsform
Polarisatoren und Photodioden. Ein Beispiel für die Ausführung ist „Polarization measurement
of signal and components",
Agilent Technologies, Application Note 8509-1, zu entnehmen.
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Die
Rotationsachse wird lokal durch eine kleine Ausgleichsmodulation
von β bestimmt.
Aus dem gemessenen SOP kann die Rotationsmatrix ermittelt werden.
Die Berechnung der Rotationsachse berücksichtigt die Theorie, die
in „Polarization
control for coherent communications", N. Walker u. a., IEEE Journal of Lightwave
Technology, Band 8, Nr. 3, entwickelt wurde.
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Der
Algorithmus arbeitet wie folgt: Angenommen, der Polarisationscontroller
im PMD-Kompensator besteht aus vier als Zellen bezeichneten doppelbrechenden
Elementen. In einem Standardalgorithmus werden die Steuerspannungen
der Zellen nacheinander einer Ausgleichsmodulation unterzogen. Für jede Zelle
ist die Sequenz wie folgt:
- – Die Spannung wird um einen
festen Betrag Δ V erhöht.
- – Das
Rückkopplungssignal
(DOP oder ein anderes) wird gemessen.
- – Wenn
das Rückkopplungssignal
ansteigt, wird die Spannung erneut um Δ V erhöht, wenn nicht, wird sie auf
den Anfangswert zurückgesetzt.
- – Dieselbe
Vorgehensweise wird mit einer verringerten Spannung durchgeführt.
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Unter
Berücksichtigung
der Erfindung kann der Algorithmus nun die Spannung einer Ausgleichsmodulation
mit einem variablen Schritt Δ V
unterziehen, der zu einem konstanten Winkelschritt auf der Poincaré-Kugel
führt.
Für jede
Zelle wird die Rotationsachse lokal bestimmt. Die an die Zelle anzulegende
Spannung hängt
daher von der Entfernung zwischen dem SOP und der Rotationsachse
der Zelle sowie dem Soll-Winkelschritt ab. Der Hauptvorteil besteht
darin, dass die Auswirkung jeder Zelle quantitativ bekannt ist:
Wenn der SOP sich auf der Rotationsachse einer Zelle befindet, ist
es Zeitverschwendung, diese Zelle zu steuern, da sie keine Auswirkung
auf die Polarisationsregelung haben wird.
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Im
Fall eines „Rückspulens" („Rewinding"), wenn die Auswirkung
jeder Zelle formell bekannt ist, ist es möglich, die beste Kombination
von Rotationen zu finden, die mit angemessenen Spannungen an den
Zellen zum anfänglichen
SOP zurückführt.