BESCHREIBUNG Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Er- fassung der Polarisations-Moden-Dispersion (i. f. PMD) von optoelektronischen Übertragungsstrecken.

Stand der Technik Ein bekanntes Verfahren zur Ermittlung der durch Pola- risations-Moden-Dispersion (PMD) in optischen Nachrich- tenübertragungsstrecken, wie z. B. Faserstrecken her- vorgerufenen Verzerrungen bzw. deren Auswirkungen auf die Übertragungsqualität derartiger Strecken ist die Messung der Bitfehlerrate. Diese Methode liefert zwar eine Aussage über die Auswirkung der PMD, jedoch keine Aussagen über die Größe der PMD selbst.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Ermittlung der PMD benutzt nach der optoelektronischen Detektion des Nutz- signals einen Satz von Hochfrequenzfiltern, um die Pha- senverschiebungen ausgewählterer Seitenfrequenzen zu bestimmen. Dabei hängt der Aufwand von der Modulations- bandbreite des Nutzsignales ab. Unterschiedliche Bitra- ten in der digitalen Ubertragung erfordern unterschied- liche Filterkombinationen. Es sind üblicherweise nur ca. 3-4 Filter praktikabel. Die Ermittlung der PMD ist

an eine Signaldemodulation gebunden und für nur jeweils ein Nutzsignal möglich.

Andererseits besteht ein erhebliches kommerzielles In- teresse an der Ermittlung der PMD, um diese beispiels- weise mittels geeigneter Kompensationseinrichtungen kompensieren zu können.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anord- nung zur Ermittlung der PMD anzugeben, die in kurzer Messzeit einen Rückschluss auf die Veränderungen der PMD erlaubt, so dass sie beispielsweise und insbesonde- re als Bestandteil einer PMD-Kompensationseinrichtung verwendbar ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa- tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Polarisations-Moden-Dispersion in opti- schen Nachrichtenübertragungsstrecken.

Das Spektrum eines digitalen optischen Datensignals hat eine definierte spektrale Breite, die von der Bitrate abhängt. Je höher die Bitrate ist, desto breiter ist das zugehörige Spektrum.

Die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen spektralen Anteile mit unterschiedlichen Polarisationszuständen innerhalb der Lichtleitfaser der

Übertragungsstrecke verursachen nach hinreichender Übertragungslänge Signalverzerrungen, die eine Wieder- herstellung der digitalen Information unmöglich machen oder zumindest die Signalqualität nachteilig beeinflus- sen.

Mit Hilfe eines optoelektronischen Heterodynempfängers, dessen Bandbreite ein Bruchteil des Signalspektrums be- trägt, wird dieses Spektrum spektral aufgelöst gemes- sen. Man erhält dann Messwerte, die das Leistungsdich- tespektrum des Empfangssignals widerspiegeln.

Bei dieser optischen Überlagerung hängt die Nutzampli- tude des elektrischen Überlagerungssignals von den bei- den Signalleistungen, aber auch direkt von den Polari- sationsrichtungen des einlaufenden Signals und des lo- kalen Überlagerungslasers ab.

Um die polarisationsunabhängige Leistungsdichte des Eingangsspektrums zu bestimmen, werden zwei orthogonale Polarisationszustände (SOP= state of polarization) z. B. des lokalen Lasers für eine optoelektronische Überlage- rung benutzt. Diese können z. B. die horizontale und die vertikale Polarisation mit den Vektoren (S1, S2, S3) = (1, 0, 0) ; (-1, 0, 0) sein.

SOPH = (1, 0, 0) horizontal SOPv = (-1, 0, 0) vertikal

Die spektrale Verteilung der Gesamtsignalleistung wird unter Benutzung dieser zwei orthogonalen Polarisations- zustände ermittelt.

Puges (A) = (PuH (A) + ? uv (Ä))/2 Um die unterschiedlichen Polarisationszustände inner- halb des Empfangsspektrums spektral aufgelöst messen zu können, werden weitere Polarisationsrichtungen benö- tigt. Dabei ist es vorteilhaft eine unter 45 Grad ste- hende und eine rechts-oder links-zirkulare Polarisati- on zu benutzen, z. B.

SOP+4s = (0, 1, 0) linear, +45° schräg SOPR- (0, 0, 1) rechts-zirkular.

Das Eingangsspektrum wird nun mit den vorgeschlagenen Polarisationszuständen lokalen Lasers überlagert : (S1, S2, S3) SOPH =(1, 0, 0) horizontal SOP (-1, 0, 0) vertikal SOP+45 = (0, 1, 0) linear, +45° schräg SOPR (0, 0, 1 rechts-zirkular Die Leistung jedes Mischproduktes ist proportional zu dem Produkt aus Eingangsleistung und Lokallaserleistung und einem Faktor k, der die Übereinstimmung beider Po- larisationen beschreibt.

Pu = k *PE *PL *a SOP K Konstante PE Eingangsleistung

PL Lokallaserleistung a (#SOP) Polarisations-Übereinstimmungsfaktor Dabei ist der Polarisations-Übereinstimmungsfaktor a (#SOP) vom relativen Abstand der SOP auf der Poincare- Kugel abhängig : a (#SOP) = cos2(α/2) C Winkel zwischen SOPE und SOPL auf der Poincare- Kugel.

Der Amplitudenfaktor a (, 6SOP) ist maximal 1 bei identi- schen Polarisationen (α = 0°) und 0 für orthogonale Po- larisationen (C (= 180°).

Mit Hilfe der drei Polarisationen (S1, S2, S3) = (1, 0, 0) ; (0, 1, 0) ; (0, 0, 1), die die Stokes-Vektoren S1, S2, S3 repräsentieren, wer- den daraus die wellenlängenabhängigen normierten Sto- kes-Parameter Si (A), S2 (A) und S3 (A) des Empfangssig- nals ermittelt : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> S1(#) = PUH(#) / PUges(#)<BR> <BR> <BR> <BR> S2(#) = PU+45(#) / PUges(#)<BR> <BR> <BR> <BR> S3 (A) = Puv (A)/Puges (A) Bei jeder Wellenlänge des Eingangsspektrums ist somit die Polarisationsrichtung des ausgefilterten Spektral- anteils bestimmt.

sopE (A) = [Si (A), S2 (A), S3 (A)] Die PMD zeigt nun ihre Auswirkungen darin, dass die Strahlung der Datenquelle in zwei Leistungsanteile auf- gespalten wird, die den Principal States of Polarizati- on {PSPin) am Eingang der Übertragungsstrecke entspre- chen. Zwischen beiden, in der Regel verschieden großen Leistungsanteilen tritt eine relative Zeitverzögerung, Differential Group Delay {DGD) genannt, auf. Die beiden Leistungsanteile erreichen den erfindungsgemäß ausge- bildeten PMD-Monitor mit Polarisationsrichtungen, die den PSPout entsprechen.

Das Datensignal erleidet durch PMD keine Verzerrungen, wenn die DGD gleich O ist, oder die Polarisation der Eingangsstrahlung identisch zu einem PSPin der Übertra- gungsstrecke ist. In beiden Fällen bleibt die Ausgangs- polarisation an Ende der Übertragungsstrecke konstant, selbst wenn die Wellenlänge geringfügig variiert.

SOPE (A) = konst.

Die verschiedenen Spektralanteile des Signals haben die gleiche Polarisation, ihre akkumulierte Polarisations- änderung über das Spektrum ist gleich 0.

Das Eingangssignal wird jedoch um so stärker verzerrt, je größer die DGD ist und je näher das Leistungsauftei- lungsverhältnis auf die beiden PSPin an den Wert 1 : 1 kommt :

SOPE (A) = variabel Die Messdaten SOPE (A) liegen für den relevanten Wellen- längenbereich durch die vorangegangenen Berechnungen vor. Diese Daten sind ausreichend, um die Bestimmung der PMD nach der Poincare (Arc-Angle) Methode durchzu- führen. Dabei wird in jedem Punkt der Kurve der Diffe- renzenquotient aus SOPE (A)-SOPE (A + bA) auf der Poin- care-Kugel und dem dazugehörigen Wellenlängenabschnitt DA gebildet. Aus rechentechnischen Gründen kann hier der Übergang zu diskreten Schritten vorteilhaft sein.

##(#1) = ## * #02/2# * C * AA AQ = arc (SOPE (Ai), SOPE (Ai+1)) Ao (Ai + #i+1) / 2 AA = Ai+1-A AT DGD in ps Kreisbogen auf de rPoincare-Kugel Die nun vorliegenden Einzelwerte AT (#1) werden sinnvoll zu einem quadratischen Mittelwert zusammengefasst, der ein zuverlässiges Maß für die PMD-Verzerrung darstellt : Gegenüber den bekannten Lösungen der konventionellen PMD-Messgeräte, die entweder nach der interferometri- schen Methode oder nach dem Jones-Matrix Verfahren ar- beiten und pro Messung zwischen einigen zehn Sekunden

oder bzw. einigen Minuten benötigen, sehr voluminös sind und mit während der Messung zu bewegende Bauteilen arbeiten, hat die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, in Quasi-Echtzeit die Veränderungen der PMD z. B. von Faserstrecken, zu detektieren. Die erfindungsgemäße An- ordnung ermöglichen ferner die Berechnung der wellen- längenabhängigen Stokes-Parameter. Durch die Verwendung des schnell und wahlfrei abstimmbaren lokalen Lasers und der Verwendung schnell reagierender Polarisations- Stellelemente ist der Aufbau eines PMD-Monitors mög- lich, der in wahlfrei selektierbaren Teilbereichen in- nerhalb des gesamten Wellenlängenbereichs mit unter- schiedlichen Auflösungen arbeitet. Darüber hinaus han- delt es sich um eine Lösung geringer Baugröße sowie um eine Lösung ohne bewegte Bauelemente, so dass Echtzeit- PMD-Überwachungssysteme mit besonders langer Lebensdau- er realisiert werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be- schrieben, in der zeigen : Fig.-1 ein prinzipielles Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Messung der PMD, Fig. 2 eine Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Aus- führungsbeispiels mit einem Balance-Mischer, Fig. 3 eine Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Aus- führungsbeispiels mit einem Polarisations- steller, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit Polarisationsdi-

versity-Empfänger und Balance-Mischer, Fig. 5a schematisch die Darstellung der spektralen Leistungsverteilung eines Datensignals, Fig. 5b die Wellenlängenabhängigkeit der Polarisati- onszustände für ein Signal ohne PMD- Verzerrungen, Fig. 5c die Wellenlängenabhängigkeit der Polarisati- onszustände bei Vorhandensein von starken PMD-Verzerrungen, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Polarionsstellers des PMD-Monitors, und Fig. 7 ein erfindungsgemäßen PMD-Monitor als zentra- les Bauelement eines PMD-Kompensators.

Darstellung von Ausführungsbeispielen Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Messung der PMD, dem Folgenden auch als PMD-Monitor bezeichnet wird. Ein lokaler, abstimmbarer Laser (2), vorteilhaft ein elektronisch abstimmbarer Distributed-Bragg- Reflector-Laser (DBR-Laser) oder ein elektronisch ab- stimmbarer Distributed-Feedback-Laser (DFB-Laser), wird von einer Steuer-und Regelungseinheit (3) so abge- stimmt, dass der Wellenlängenbereich der Abstimmung das Spektrum eines zu analysierenden Signals (1) einer Ü- bertragungsstrecke überstreicht. Die Polarisation des Lokallasers (2) wird mit Hilfe eines Polarisationsstel- lers (4) auf die zur Bestimmung der PMD notwendigen vier verschiedenen Polarisationszustände eingestellt.

In einem optischen Koppler (5), der zweckmäßigerweise ein 3dB-Koppler ist, wird das zu analysierende Signal (1) mit der Strahlung des lokalen Lasers (2) summiert.

Im folgenden optoelektronische Empfänger (6), vorteil- hafterweise eine Photodiode, entsteht ein elektrisches Überlagerungssignal. Eine HF-Filter-und Bewertungsein- heit (7) begrenzt die Bandbreite des Überlagerungssig- nals, filtert unerwünschte Basisbandsignale aus und stellt das Messsignal der nachfolgenden Steuer-und Re- gel-und Recheneinheit (3) zur Verfügung. Diese analy- siert den Verlauf der Messgröße bei den verschiedenen Polarisationen und Wellenlängen des Lokallasers (2).

Als Ergebnis dieser Berechnungen wird ein Stellsignal (8) generiert, das proportional zur PMD-Verzerrung des zu analysierenden Eingangssignals (1) ist und das zur Steuerung einer PMD-Kompensatoreinheit geeignet ist.

Der Vorteil einer solchen Anordnung mit einem elektro- nisch durchstimmbaren Halbleiterlaser besteht darin, dass die Abstimmung auf die unterschiedlichen Frequen- zen erstens sehr schnell und zweitens mit wählbarer Ab- stimmsteilheit erfolgen kann und somit Bereiche erhöh- ter Informationsdichte mit erhöhter Auflösung behandelt werden können. Dies ist im Sinne eines Smart-Monitors wünschenswert.

In der Anordnung nach Fig. 2 ist der optoelektronische Empfänger durch einen optoelektronischen Balanceempfän- ger (9) ersetzt, in dem die Basisbandanteile der opti- schen Signale weitgehend unterdrückt werden. Diese An- ordnung zeichnet sich durch einen höheren Dynamikbe- reich aus.

In einer dritten Anordnung nach Fig. 3 kann die Bereit- stellung der notwendigen unterschiedlichen Polarisati- onszustände für die optoelektronische Überlagerung da-

durch erreicht werden, dass der Polarisationssteiler (4) nicht im Zweig des lokalen Lasers (2) angeordnet ist, sondern im Zweig des Eingangssignals (1).

In einer Anordnung nach Fig. 4 wird beispielhaft die Umschaltung der Polarisationszustände dadurch umgangen, dass ein Polarisationsdiversity-Empfänger (12) verwen- det wird, der Strahlteiler (10, 11) mit Polarisations- filtereigenschaften enthält.

Figur 5a zeigt sinnbildlich die Darstellung das Spekt- rum PEges (A) des Eingangssignals.

Fig. 5b zeigt die Poarisationskonstanz über den betref- fenden Wellenlängenbereich im Falle fehlender PMD bzw. bei vollständig kompensierter PMD.

In Fig. 5c sind die Verläufe unterschiedlicher Polari- sationen der Spektralanteile im Fall von starker PMD dargestellt.

In Fig. 6 ist der schematische Aufbau des Polarisati- onsstellers (4) innerhalb des PMD-Monitors in einer Ausführung aus Faserquetschern mit Piezo-Elementen dar- gestellt. Das Licht des lokalen Lasers (2) kann mittels zweier, gegeneinander um 45° gedreht angeordneten Pie- zo-Faserquetscher (13) und (14) in jede beliebige Aus- gangspolarisation gebracht werden. Ein Faserkoppler (15) stellt den Hauptteil der Gesamtleistung am Ausgang (21) zur Verfügung und zweigt einen kleinen Teil für die Polarisationskontrolle ab. Ein weiterer Piezo-

Faserquetscher (16) wird von einem Signalgenerator (17) moduliert. Der Polarisator (18) ist gegenüber dem Pie- zo-Faserquetscher (16) um 45° gedreht angebracht. Das in seiner Polarisationsrichtung modulierte Licht er- langt durch den Polarisator (18) eine'Amplitudenmodula- tion, die von dem optischen Empfänger (19) analysiert wird. Das Messsignal, welches die Modulationsamplitude wiederspiegelt, gelangt auf die Auswerte-und Steuer- einheit (20).

Die beiden Piezo-Faserquetscher (13) und (14) werden so angesteuert, dass die Modulationsamplitude am Empfänger (19) zu null wird. Das ist der Fall, wenn die Polarisa- tion am Piezo-Faserquetscher (16) genau horizontal oder vertikal (Eigenmoden des doppelbrechenden Faserelemen- tes) eingestellt ist. Am Ausgang (21) der Anordnung entstehen, bedingt durch die intrinsische Doppelbre- chung von Verbindungsfasern und Koppler (15) zwei ver- änderte Polarisationen, die jedoch in ihrer Orthogona- lität zueinander unverändert sind.

Für das Erreichen der horizontalen (1, 0, 0) bzw. verti- kalen (-1, 0, 0) Polarisation am Piezo-Faserquerscher (16)-sind für die Piezo-Faserquetscher (13) und (14) je zwei definierte Steuerspannungen notwendig. Sind diese Spannungen bekannt, können durch mathematische Ablei- tungen die erforderlichen Steuerspannungen für die Po- larisationen 45° schräg (0, 1, 0) und zirkular rechts (0, 0, 1) berechnet werden.

Die Auswerte-und Steuereinheit (20) fährt für das Aus- führungsbeispiel des Monitors nach Fig. 1 nacheinander

die je 4 Steuerspannungen für die Piezo-Faserquetscher (13) und (14) an und erzeugt somit die 4 erforderlichen Polarisationen für die Bestimmung der Stokes-Parameter nach dem beschriebenen Verfahren.

Figur 7 zeigt beispielhaft die Anwendung des PMD- Monitors als zentrales Bauelement eines PMD-Kompen- sators in einem optischen Übertragungssystem für hohe Datenraten. Das vor einer Datenquelle (22) modulierte Signal des Sendelasers (23) gelangt über eine Übertra- gungsstrecke (24) in diesem Beispiel zu dem Ort, an dem die Stokes-Parameter ermittelt werden sollen, in diesem Beispiel soll das am Empfangsort sein. Eine dort vor dem Demodulator angeordnete PMD-Kompensationseinheit (25) wird bei Ansteuerung von der Regelungseinheit (29) die PMD der Übertragungsfaser (24) kompensieren. Dazu wird, bevor das Signal den Demodulator (27) erreicht, mittels eines Kopplers (26), ein geringer Teil des Nutzsignals abgezweigt, welcher im PMD-Monitor (28) a- nalysiert wird-Das Ausgangssignal des PMD-Monitors (28) steuert über die Regelungseinheit (29) den PMD- Kompensator.