Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der optischen Kommunikation und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Demodulieren von optischen differenziellen Phasenumtastungssignalen.

Optische differenzielle Phasenumtastung (differential phase-shift keying – DPSK) ist ein viel versprechendes Modulationsformat, das eine hohe Empfängerempfindlichkeit, eine hohe Toleranz gegenüber größeren nichtlinearen Effekten bei Hochgeschwindigkeitsübertragung, und eine hohe Toleranz gegenüber kohärenten Nebensignaleffekten bietet. Die optische DPSK-Modulation weist differenzielle Binärphasenumtastung (DQPSK), differenzielle Quadraturphasenumtastung (DQPSK) und andere verwandte Formatvarianten auf.

Bei der optischen DPSK-Übertragung wird Dateninformation von der optischen Phasendifferenz zwischen benachbarten Bits getragen. Zum direkten Erfassen eines optischen DPSK-Signals durch übliche Intensitätsdetektoren wird ein Demodulator zum Umwandeln des phasencodierten Signals in ein intensitätscodiertes Signal benötigt. Ein solcher Demodulator ist typischerweise ein Verzögerungsinterferometer. Der freie Spektralbereich (free spectral range – FSR) des Interferometers ist die Umkehrung der Verzögerung. Bei optischen 1-Bit-Verzögerungsinterferometern (0-1Bit-DI) ist der FSR gleich der SR, wobei SR die Symbolrate des zu demodulierenden DPSK-Signals ist.

Die SR eines OC-768-DBPSK-Signals beträgt normalerweise 40 GHz (oder 42,7 GHz, wenn ein Overhead von 7% für eine Vorwärtsfehlerkorrektur benutzt wird), und die SR eines OC-768-DQPSK-Signals beträgt normalerweise 20 GHz (oder 21,3 GHz). Bei Wellenmultiplex-(WDM)-Systemen, die der ITU-T-Empfehlung G.692 folgen, beträgt der minimale Frequenzkanalabstand zwischen zwei WDM-Kanälen des ITU-Gitters 50 GHz, was nicht dem FSR eines O-1Bit-DI entspricht, der üblicherweise zum Decodieren von OC-768-DBPSK-Signalen benutzt wird, wie oben erörtert. Deshalb kann ein O-1Bit-DI nicht zum Demodulieren eines Kanals des ITU-Gitters benutzt werden, ohne die Durchlassbandzentralfrequenz des O-1Bit-DI neu anzupassen (d.h. einzustellen). Die Neuanpassung der Zentralfrequenz erfordert eine ausgeklügelte Überwachung und Rückkopplungssteuerung, was die Komplexität und die Kosten der DPSK-Demodulation erhöht.

Übliche O-1Bit-DIs basieren typischerweise auf Ganzfaserauslegungen oder Auslegungen mit ebenen Lichtwellenschaltkreisen (planar lightwave circuit – PLC). Diese Auslegungen sind intrinsisch temperaturempfindlich, da der Brechungsindex des Materials, das benutzt wird, um diese Interferometer (d.h. die optischen Wege) auszubilden, temperaturabhängig ist. Auf diese Weise sind die temperaturinduzierten optischen Phasenveränderungen von Signalen, die sich in den optischen Wegen des ODI ausbreiten, welche eine unterschiedliche Länge aufweisen, um die Verzögerung von 1 Bit zu erzielen, unterschiedlich. Deshalb ist eine genaue Steuerung der Phasendifferenz zwischen den zwei optischen Wegen des ODI notwendig. Um die Phasendifferenz zwischen den optischen Wegen genau zu steuern, sind eine präzise Temperatursteuerung und -stabilisierung des ODI erforderlich, was die Kosten und die Komplexität des ODI wesentlich erhöht.

Die US-Patentanmeldung Nr. 2003/000058504 betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein optischer Impulsstrom, der mehrere optische Return-to-Zero-Impulse aufweist, erzeugt wird, indem eine Phase eines Lichtausgangs von einer optischen Quelle moduliert wird, um auf diese Weise Daten von einer Datenquelle zu codieren. Das Licht des optischen Impulsstroms weist eine Wellenlänge auf. Der optische Impulsstrom wird entlang einer optischen Faser eines optischen Netzwerks übertragen. Optische Impulsströme der Erfindung verstärken die Übertragungsleistung wenigstens teilweise, indem sie Rauschen am Empfänger reduzieren, das von Faser-Nichtlinearitäten erzeugt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Demodulieren optischer DPSK-Signale bereit. Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass der FSR eines ODI zum Demodulieren optischer DPSK-Signale nicht unbedingt gleich der SR des DPSK-Signals ist, und trotzdem immer noch eine akzeptable Demodulationsleistung bereitgestellt wird. Genauer ausgedrückt, können der FSR und die SR um etwa ±25% voneinander abweichen, ohne eine wesentliche Degradierung der Demodulationsqualität zu verursachen. So kann der FSR eines ODI beispielsweise auf 50/2^N GHz gesetzt werden (wobei N = 0, 1, 2...), um die Demodulation unterschiedlicher WDM-Kanäle mit Frequenzabständen zuzulassen, die Vielfache von 50 GHz sind, ohne dass das ODI neu angepasst wird.

Ein anderer Aspekt einer Ausführungsform der Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass ein ODI mit einem FSR, der größer ist als die SR des zu demodulierenden Signals, eine höhere Toleranz gegenüber Frequenzabweichung (aufgrund einer Signal-Laser-Frequenzabweichung und/oder eines Fehlabgleichs des ODI-Durchlassbands) aufweist.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft die Erkenntnis, dass es bei praktisch eingesetzten Systemen wünschenswert ist, das ODI „nicht einstellbar" zu gestalten, damit eine Überwachung und Rückkopplungssteuerung unnötig sind, und die Komplexität und Kosten des Systems reduziert werden können. Das nicht einstellbare ODI kann erzielt werden, indem beispielsweise auf Freiraumoptik beruhende Auslegungen benutzt werden.

Es wurde auch erkannt, dass nicht einstellbare ODIs zwar Einfachheit und Kosteneffektivität bieten, ihre Durchlassbänder jedoch nicht eingestellt oder angepasst werden können, was ihre Benutzung auf das Demodulieren einer vorbestimmten Gruppe von Kanälen beschränkt. Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein nicht einstellbares ODI bereit, das dazu ausgebildet ist, eine Phasendifferenz zwischen den optischen Wegen des ODI zu erzeugen, die ein Vielfaches von &pgr; mit einer Genauigkeit von ± &pgr;/6 bei 193,100 THz ist (wobei 193,100 THz die Bezugsfrequenz für das Frequenzgitter ist, das von der ITU übernommen wurde). Dies erlaubt es dem ODI, für alle ITU-Gitterkanäle zu arbeiten. (Im hier verwendeten Sinne wird ein solches ODI mit einem FSR von 50 GHz, dessen Durchlassband an das ITU-Gitter gekoppelt ist, als „50-GHz-ODI" bezeichnet.)

Außerdem kann ein ODI gemäß der Erfindung eine Vielzahl von DPSK-WDM-Kanälen zugleich demodulieren. Ferner kann es auch dazu benutzt werden, ein DPSK-Signal zu demodulieren, dessen Zentralfrequenz dynamisch auf verschiedene ITU-Kanäle eingestellt wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das ODI eine athermale Auslegung, die im Wesentlichen temperaturunabhängig ist, weshalb keine Temperatursteuerung und -stabilisierung nötig sind. Die athermale Auslegung kann beispielsweise auf einem Freiraumoptik-Michelson-Interferometer basieren, dessen zwei optische Wege sich im freien Raum oder in Material(ien) befinden, die extrem niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient(en) aufweisen. Im Effekt erlaubt es die Benutzung der Freiraumoptik, Materialien mit einem wesentlich niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als SiO₂ (wie bei faser- und PLC-basierten Vorrichtungen) zu benutzen.

Zu den möglichen Vorteilen der Benutzung eines ODI gemäß Ausführungsformen der Erfindung gehören auch die Möglichkeit, die Daten und die umgekehrten Datenausgänge des ODI unzweideutig zu bestimmen, das Wegfallen der Notwendigkeit ausgeklügelter Überwachung und Rückkopplungssteuerung zum Koppeln an Kanalfrequenzen, und die Kompatibilität mit einer Signalübertragung mit dynamisch eingestellten Wellenlängen. Außerdem können ODIs gemäß Ausführungsformen der Erfindung in Systemen benutzt werden, bei denen die Kanalanzahl in einfacher Weise erhöht wird, indem mittels Verschachteler weitere Kanäle zwischen den existierenden ITU-Gitterkanälen eingefügt werden.

Die vorstehende Kurzdarstellung sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren deutlicher. Zur Veranschaulichung der Erfindung sind in den Figuren Ausführungsformen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden. Man wird jedoch verstehen, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten genauen Anordnungen und Mittel beschränkt ist.

In den Figuren sind:

1 eine Darstellung, die eine Vorrichtung für ein ODI gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ein Diagramm, das die Transmittanz an dem konstruktiven Anschluss eines ODI gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

3A und B jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-NRZ-DBPSK-Signals nach der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4A und B jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-NRZ-DBPSK-Signals (mit 67% Tastverhältnis) nach der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5A und B jeweils das Augendiagramm eines duobinären 42,7-Gb/s-Signals, das nach der Demodulation eines NRZ-DBPSK-Signals durch einen O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielt wurde;

6 ein Diagramm, das einen optischen Abzweigmultiplexer (OADM) mit ODIs zum gleichzeitigen Umwandeln einer Vielzahl von DBPSK-Signalen in optische duobinäre Signale gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

7 ein Diagramm, das einen OADM mit ODIs zum gleichzeitigen Umwandeln einer Vielzahl von DBPSK-Signalen in optische duobinäre Signale gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

8 ein Diagramm, das einen OADM mit ODIs zum gleichzeitigen Empfangen einer Vielzahl von DBPSK-Signalen durch abgeglichene Erfassung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ein ODI 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in 1 gezeigt. Der freie Spektralbereich (FSR) des ODI 100 ist:

Beispielsweise erfordert ein FSR = 50 GHz (z.B. ein 50-GHz-ODI) eine Verzögerung von (&Dgr;t) = 20 ps. Es wurde erkannt, dass der FSR eines ODI zum Demodulieren optischer DPSK-Signale nicht unbedingt gleich der SR des DPSK-Signals ist, und trotzdem immer noch eine akzeptable Demodulationsleistung bereitgestellt wird. Der FSR und die SR können um etwa ±25% voneinander abweichen, ohne eine wesentliche Degradierung der Demodulationsqualität zu verursachen. Der FSR für ein ODI gemäß der Erfindung liegt deshalb vorzugsweise zwischen etwa 0,8 SR und 1,3 SR, oder: (0,8 × SR) < FSR < (1,3 × SR).

Um das Transmittanzspektrum des ODI richtig abzugleichen, sollte die Verzögerung &Dgr;t Folgendes erfüllen: &ohgr;₀&Dgr;t = M&pgr;, wobei beispielsweise &ohgr;₀ = 2&pgr; × 193,100 THz (wobei 193,100 THz die Bezugsfrequenz des ITU-Gitters ist), und M eine große Ganzzahl ist (z.B. ist M für &Dgr;t = 20 ps Verzögerung etwa 7724. M kann variieren (z.B. ±8), wenn &Dgr;t um etwa 1 × 10^–3 variieren darf).

Das ODI 100 weist vorzugsweise einen Eingangsanschluss 130 und zwei Ausgangsanschlüsse 140, 150 (Ausgang 1, Ausgang 2) auf, die üblicherweise als der konstruktive und der destruktiven Anschluss bezeichnet werden. Wenn ein DBPSK-Signal in das ODI 100 eingegeben wird, ist das Ausgangssignal von dem konstruktiven Anschluss ein Signal mit einem optischen duobinären Format, und das Ausgangssignal von dem destruktiven Anschluss ist ein Signal mit einem alternierenden Markierungsumpolungs(AMI – alternate mark inversion)-Format.

Vorzugsweise ist das ODI 100 athermal, und basiert auf einer Freiraumoptikauslegung (wie in 1 gezeigt), damit sein Durchlassband nicht mit der Temperatur abweicht, und deshalb keine Temperaturstabilisierung benötigt.

Um die durch den Frequenzversatz induzierte Degradierung der Demodulationsqualität für die DBPSK-Signalübertragung auf unter ein 1 dB zu reduzieren, liegt der Frequenzversatz (d.h. die Frequenzdifferenz zwischen der Zentralfrequenz eines optischen Signals und der entsprechenden Position der Transmittanzspitze des ODI) vorzugsweise im Bereich von ±5% der Bitrate (z.B. ±2 GHz für Signale von 40 Gb/s). Es wurde festgestellt, dass beim Demodulieren eines DBPSK-Signals von 40 Gb/s ein ODI gemäß der vorliegenden Erfindung einen O-1Bit-DI in Bezug auf die Toleranz gegenüber dem Frequenzversatz überbietet, da die differenzielle Länge geringer ist als die des O-1Bit-DI. Es ist deshalb nutzbringend, den FSR eines ODI höher als die SR einzustellen, um eine höhere Toleranz gegenüber der Frequenzabweichung (aufgrund einer Signal-Laser-Frequenzabweichung und/oder eines Fehlabgleichs des ODI-Durchlassbands) zu erreichen. Vorzugsweise liegt der FSR zwischen etwa 1,1 SR und etwa 1,3 SR, oder: (1,1 × SR) < FSR < (1,3 × SR).

Beispielsweise haben wir bei SR = 42,7 Gb/s und FSR = 50 GHz (&Dgr;t = 20 ps) FSR = 1,17 SR. In diesem Fall setzen wir den maximal tolerierbaren Frequenzversatz auf etwa ±4 GHz (für eine Qualitätsdegradierung von etwa 2 dB). Der entsprechende maximale Frequenzversatz der Phasendifferenz der zwei Wege des ODI ist dann 2&pgr; × 4 GHz × 20 ps ≈ &pgr;/6.

Es wurde auch festgestellt, dass die Temperaturvariationen auch einen zusätzlichen Frequenzversatz erzeugen können. Ein typischer Betriebstemperaturbereich für Telekommunikationsvorrichtungen liegt zwischen 0 und 70 C. So liegt die temperaturabhängige Frequenzabweichung eines ODI gemäß der Erfindung vorzugsweise unter etwa 0,05 GHz/°C, was mittels athermaler Auslegungen realisierbar ist, wie oben erörtert.

2 zeigt die Übertragungskurve (d.h. die Transmittanz in Gegenüberstellung zur Frequenz) an einem konstruktiven Anschluss eines ODI (z.B. ODI 100) einer Ausführungsform der Erfindung. Aus der Figur geht hervor, dass für dieses ODI (ein 50-GHz-ODI) die Transmittanzspitzen an das 50-GHz-ITU-Gitter gekoppelt sind (d.h. um 50 GHz beabstandet sind, wobei jede Spitze an einer Frequenz angeordnet ist, die ein Vielfaches von 50 GHz von der Bezugsfrequenz 193,100 THz ist). Fachleute werden verstehen, dass ein solches ODI benutzt werden kann, um jeden Kanal des ITU-Gitters zu demodulieren.

Es wurden Simulationen durchgeführt, um eine NRZ-DBPSK-Signalübertragung von 42,7 Gb/s unter Benutzung eines O-1Bit-DI des Stands der Technik und eines 50-GHz-ODI gemäß Ausführungsformen der Erfindung zu vergleichen. 3A und B sind jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-NRZ-DBPSK-Signals nach der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein ODI, gefolgt von Detektionsabgleich. Aus 3A und B geht hervor, dass die Verschlechterung der Augenöffnung (Eye Closure Penalty) für die NRZ-DBPSK-Signalübertragung unter Benutzung eines 50-GHz-ODI (mit einer nicht genauen Verzögerung von 1 Bitperiode) vernachlässigenswert ist.

4A und B sind jeweils das Augendiagramm eines 42,7-Gb/s-RZ-DBPSK-Signals (mit einem Tastverhältnis von 67%) nach der Demodulation durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein 50-GHz-ODI gemäß Ausführungsformen der Erfindung, gefolgt von einem Detektionsabgleich. Wie bei den oben erörterten Simulationen geht aus 4A und B hervor, dass die Verschlechterung der Augenöffnung für die RZ-DBPSK-Signalübertragung unter Benutzung eines 50-GHz-ODI vernachlässigenswert ist.

5A und B sind jeweils das Augendiagramm eines duobinären 42,7-Gb/s-Signals, das nach der Demodulation eines NRZ-DBPSK-Signals durch ein O-1Bit-DI bzw. durch ein 50-GHz-ODI gemäß Ausführungsformen der Erfindung erzielt wurde. Wie bei den oben erörterten Simulationen ist die Verschlechterung der Augenöffnung des 50-GHz-ODI vernachlässigenswert. Außerdem kann festgestellt werden, dass das duobinäre Signal, das unter Benutzung des 50-GHz-ODI erzeugt wurde, die chromatische Dispersionstoleranz im Vergleich zu dem O-1Bit-DI verbessert hat.

Ein ODI gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch nutzbringend verwendet werden, um eine Vielzahl von Kanälen eines WDM-Signals von einem Sender oder an einen Empfänger zu demodulieren. Wie aus 6 hervorgeht, die einen beispielhaften OADM 600 eines WDM-Übertragungssystems 601 darstellt, können ODIs 610, 620 benutzt werden, um gleichzeitig eine Vielzahl von WDM-Kanälen von DBPSK-Signalen 630 in optische duobinäre Signale 640 zur Übertragung umzuwandeln. Wenn ein ODI (610, 620) durch eine Gruppe von DBPSK-Kanälen 630 von einem Sender gemeinsam genutzt wird, werden optische duobinäre Signale 640 über das Übertragungssystem 601 übertragen, und übliche Empfänger, die zur On-Off-Umtastung (On-Off-Keying – OOK) benutzt werden, können zur Signaldetektion benutzt werden.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, gezeigt in 7, werden ODIs 710, 720 verwendet, um eine Vielzahl von WDM-Kanälen von DBPSK-Signalen 740, die über eine Übertragungsverbindung 760 übertragen werden, in duobinäre Signale 730 zum Empfang/zur üblichen OOK-Detektion umzuwandeln.

In einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung, gezeigt in 8, werden ODIs 810, 820 verwendet, um eine Vielzahl von WDM-Kanälen von DBPSK-Signalen 840, die über eine Übertragungsverbindung 860 übertragen werden, in duobinäre und AMI-Signale 830 zum Empfang/zur ausgeglichenen OOK-Erfassung umzuwandeln. Zwei Demultiplexer 825 sind jeweils an ODI 810, 820 gekoppelt, um zwei komplementäre Signale für jeden WDM-Kanal zu erzeugen. Die komplementären Signale können abgeglichen und von abgeglichenen Empfängern 850 empfangen (wodurch der Vorteil der Empfängerempfindlichkeit von 3 dB von DBPSK gegenüber OOK realisiert wird).

Um sicherzustellen, dass der Frequenzversatz von ODIs gemäß der vorliegenden Erfindung über das gesamte Wellenlängenband eines WDM-Systems unter 4 GHz liegt, wird der FSR vorzugsweise gesteuert. Das üblicherweise benutzte C-Band deckt den Frequenzbereich von 191,000 THz bis 195,950 THz ab. Unter der Annahme, dass der Frequenzversatz an 193,100 THz genau null beträgt, und an der Kantenfrequenz 195,950 THz ±4 GHz beträgt, stellen wir fest, dass der maximale relative Fehler des FSR in etwa wie folgt sein sollte:

Das bedeutet, dass die Zeitverzögerung &Dgr;t mit einer Genauigkeit von etwa 28 fs gesteuert werden muss.

In Verallgemeinerung der oben stehenden Analyse, wenn der FSR als 50/2^N GHz (wobei N = 0, 1, 2...) ausgewählt wird, und wenn der maximale Frequenzversatz 8% des FSR beträgt, sollte der maximale relative Fehler des FSR in etwa wie folgt sein:

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht im begrenzenden Sinne zu verstehen. Verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen sowie anderer Ausführungsformen der Erfindung, zu denen Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung gelangen, liegen im Grundgedanken und Umfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen ausgedrückt ist.