NL9201130A

NL9201130A - Optische menginrichting met een fotodetector voor een heterodyne ontvanger.

Info

Publication number: NL9201130A
Application number: NL9201130A
Authority: NL
Original assignee: Nederland Ptt
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1994-01-17
Also published as: JPH06112899A; JP2591706B2; DE69317472T2; US5457563A; ES2113995T3; EP0576060A1; DE69317472D1; ATE164276T1; EP0576060B1

Description

Optische menginrichting met één fotodetector voor een heterodyne ontvanger

Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van de coherente detectie zoals toege-past in optische communicatiesystemen. Meer in het bijzonder betreft zij een optische menginrichting met één fotodetector voor een heterodyne ontvanger en een heterodyne ontvanger voorzien van een dergelijk optische menginrichting.

2. Stand van de techniek

In een coherente optische heterodyne ontvanger wordt een ontvangen optisch signaal in een menginrichting gemengd met een optisch signaal afkomstig van een lokale oscillator. Daarbij is het een bekend probleem, dat zowel het lokale oscillator signaal als het ontvangen optische signaal ongewenste amplitude-variaties vertonen, welke worden aangeduid met relatieve intensiteitsruis (eng.: Relative Intensity Noise (RIN)). Een eerste techniek om deze intensiteitsruis te onderdrukken is bekend als gebalanceerde detectie. Een heterodyne ontvanger, waarin dergelijke gebalanceerde detectie is toegepast is bijvoorbeeld bekend uit de referenties [1] en [2], Volgens de hieruit bekende techniek worden de beide uitgangssignalen van een gecombineerde koppe-laar/bundelsplitser gedetecteerd met afzonderlijke fotodetectoren en vervolgens in een achterliggend voorversterkercircuit óf eerst afzonderlijk versterkt en daarna van elkaar afgetrokken, of eerst in tegenfase opgeteld en daarna versterkt. Daarbij wordt ervan gebruik gemaakt, dat aan de uitgangen van een dergelijke koppelaar/bundelsplitser de coherente mengproducten in tegenfase zijn. Aangezien de intensiteitsruis aan beide uitgangen van het mengorgaan gelijk is, wordt deze aldus, zo niet volledig dan toch aanzienlijk, onderdrukt. Bovendien wordt zo een qua intensiteit tweemaal zo sterk middenfrekwent signaal verkregen.

Een dergelijke gebalanceerde detectie heeft het voordeel, dat intensiteitsruis onderdrukking wordt verkregen zonder een noemenswaardig verlies aan signaalvermogen. Zij heeft echter het bezwaar, dat zij is gebaseerd op twee fotodetectoren, welke, eventueel inclusief bijbehorende voorversterkers, in hoge mate aan elkaar gelijk moeten zijn, hetgeen een kwaliteitseis inhoudt met een sterk kostenverhogend effect.

Een tweede techniek van intensiteitsruis-onderdrukking, zoals bekend uit referenties [3] en [4], komt aan het genoemde bezwaar tegemoet. Volgens deze tweede techniek wordt althans een deel van het totale, aan de uitgangs-zijde van een koppelaar/bundelsplitser beschikbare signaal gesplitst in twee signaalcomponenten met gelijk vermogen en onderling loodrechte polarisaties. Deze twee signaalcomponenten worden naar één en de zelfde fotodetector geleid, echter zodanig dat zij daar aankomen als één lichtsignaalbundel, maar met een onderling faseverschil tengevolge van een verschil in optische weglengte. Dit faseverschil is zo gekozen, dat op de fotodetector de midden-frekwente mengproducten in de twee signaalcomponenten in fase zijn, i.e. elkaar versterken, terwijl de ruiscomponenten, althans in een relevant gebied rondom de middenfrekwentie, de middenfrekwentieband, juist in tegenfase zijn, elkaar derhalve uitdoven. Signalen buiten de middenfrekwentieband worden met electrische filters weggefilterd. De techniek volgens referentie [3] bereikt dit door het aan één uitgang.van de koppelaar/bundelsplitser beschikbare lichtsignaal via een stuk sterk dubbelbrekende (Hi-bi) glasvezel met een geschikt gekozen lengte naar de fotodetector te leiden. Het bezwaar hiervan is, dat slechts de helft van het aan de uitgang van de koppelaar/bundelsplitser beschikbare signaalvermogen wordt gebruikt, en dat bovendien een stuk, relatief dure Hi-bi vezel nodig is. De techniek volgens referentie [4] wordt toegelicht aan de hand van FIG. 1. Volgens deze bekende techniek worden een optisch ingangssignaal Es en een optisch lokaal oscillator signaal EL met onderling gelijke polarisaties respectievelijk toegevoerd aan de ingangen 1 en 2 van een 3dB-bundelsplitser 3. Beide in hoofdzaak gelijke uitgangssignalen (Es + El) van de 3dB-bundelsplitser 3 worden vervolgens langs afzonderlijke lichtpaden 4 en 5, respectievelijk via reflecterende spiegels 6 en 7, en rechtstreeks geleid naar ingangen 8 en 9 van een 'polariserende'(of polarisatie-gevoelige?) bundelsplitser 10, waarvan een uitgang 11 op een fotodetector 12 is gericht. In een van de lichtpaden, i.c. lichtpad 4, is een π/2-polarisatiedraaier 13 is opgenomen, zodat beide lichtsignalen met onderling orthogonale polarisaties de polariserende bundelsplitser 10 bereiken en via de uitgang 11 uittreden als één signaalbundel. Hoewel deze bekende techniek een menginrichting met slechts één fotodetector verschaft, die dezelfde 'performance' biedt als de hierboven beschreven techniek van gebalanceerde detectie met twee fotode-tectoren, heeft zij toch het bezwaar, dat de menginrichting polarisatie-afhanke-lijke en polarisatie-gevoelige componenten nodig heeft, en dat als gevolg daarvan een optische vezel-uitvoering of een geïntegreerde uitvoering van de menginrichting niet eenvoudig is te realiseren.

B. Samenvatting van de uitvinding

Met de uitvinding wordt beoogd te voorzien in een optische menginrichting voor een heterodyne ontvanger welke in hoofdzaak dezelfde 'performance' heeft als, maar eenvoudiger is dan de uit referentie [4] bekende menginrichting en zonder de hierboven genoemde bezwaren. De uitvinding berust op het inzicht, dat voor het bereiken van dezelfde 'performance' het niet nodig is, dat de beide uit de koppelaar/bundelsplitser afkomstige signaalcomponenten van gelijk vermogen eerst moeten worden gebundeld tot één iichtsignaalbundel alvorens de fotodetector te treffen. Noodzakelijk en voldoende is, dat de beide [in hoofdzaak gelijke?] signaalcomponenten de fotodetector treffen met het juiste onderlinge faseverschil. Aangezien aan de uitgang van de koppelaar/bun-delsplitser de coherente mengproducten in de beide uittredende signaalcomponenten in tegenfase zijn, terwijl de intensiteitsruissignalen in die beide componenten juist in fase zijn, althans in de middenfrekwentieband, is voor het bereiken van een dergelijk faseverschil slechts een overeenkomstig verschil in optische weglengte nodig tussen de lichtpaden, waarlangs de beide signaalcomponenten naar de fotodetector worden geleid.

Een menginrichting voor een coherent optische ontvanger volgens de aanhef van conclusie 1 heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk volgens conclusie 1.

Aangezien er voor de beide uit de koppelaar/bundelsplitser tredende signaalcomponenten slechts verschil in optische weglengte nodig is, eer zij de fotodetector bereiken, heeft de menginrichting volgens de uitvinding een eenvoudige glasvezeluitvoering. In een voorkeursuitvoering heeft de menginrichting het kenmerk volgens conclusie 2.

Voorts wordt met de uitvinding beoogd een coherent optische ontvanger te verschaffen voorzien van een dergelijke menginrichting.

C. Referenties [1] [2] [3] [4] C.J. Mahon, et al.:"Relative intensity noise suppression with high-birefringence fibre in a 2.5 Gbit/s CP-FSK optical communication system with heterodyne receiver", lOOC-ECOC '91, Paris, 9-12 sept. 1991, pp. 473-476.

D. Korte beschrijving van de tekening

Voor toelichting van de uitvinding is gebruik gemaakt van een tekening, welke de volgende figuren omvat: FIG. 1 toont schematisch een (uit referentie [4]) bekende optische menginrichting met één fotodetector voor een heterodyne ontvanger; FIG. 2 toont schematisch een optische menginrichting met één fotodetector voor een heterodyne ontvanger volgens de uitvinding; FIG. 3 toont schematisch een glasvezeluitvoering van de menginrichting volgens de uitvinding.

E. Beschrijving van uitvoerinasvoorbeelden

In FIG. 2 is een optische menginrichting met één fotodetector als fotodetectie-element voor een heterodyne ontvanger weergegeven. Evenals in de menginrichting volgens FIG. 1, wordt een optisch ingangssignaal Es en een optisch lokaal oscillator signaal EL met onderling gelijke polarisaties respectievelijk toegevoerd aan de ingangen 21 en 22 van een 3dB-bundelsplitser 23. Beide in hoofdzaak gelijke uitgangssignalen (Es + EL) van de 3dB-bundelsplit-ser 23 worden vervolgens langs afzonderlijke lichtpaden 24 en 25, respectievelijk via reflecterende spiegels 26, 27 en 28, en rechtstreeks geleid naar het lichtgevoelige oppervlak van een fotodetector 29. De reflecterende spiegel 28 is daarbij zo opgesteld, dat deze het uitgangssignaal in het lichtpad 25 onbein-vloed laat passeren, terwijl het lichtsignaal in het lichtpad 24 wordt gereflecteerd in de richting van de fotodetector. Door instelling van de onderlinge afstand tussen de 3dB-bundelsplitser 23 en de spiegel 26, en de onderlinge afstand tussen de spiegels 27 en 28 kan worden gezorgd, dat de beide uitgangssignalen de fotodetector met een geschikt optisch weglengteverschil de fotodetector 29 bereiken. Hetzelfde kan, onder weglating van de spiegels 27 en 28, worden bereikt alleen door instelling van de onderlinge afstand tussen de 3dB-koppelaar 23 en de spiegel 26, als deze rechtstreeks naar de fotodetector 29 reflecteert. Eventueel kan nabij de fotodetector 29 een lens 30 zijn opgesteld, waarmee de via de lichtpaden 24 en 25 propagerende signaal-componenten op het lichtgevoelige oppervlak van de fotodetector 29 worden gefocusseerd. Vanzelfsprekend kan voor het verkrijgen van het gewenste optische weglengteverschil het lichtpad 24 over een geschikt gekozen lengte voeren door een optisch dichter medium.

Om op de fotodetector enerzijds een versterking van de middenfrekwen-te coherente producten te verkrijgen, en anderzijds de gewenste uitdoving van de intensiteitsruis aanwezig in elk van beide signaalcomponenten, moet het optische weglengteverschil zodanig zijn, dat de signaalcomponent, die via het lichtpad 24 propageert, met een vertragingstijd T ten opzichte van de signaalcomponent, die via het lichtpad 25 propageert, bij de fotodetector 30 aankomt, waarbij het verband tussen de vertragingstijd T en de middenfrekwentie IF is gegeven door de relatie T*IF = y2(2k+1), waarin k = 0, ±1, ±2,....

[Vraag: Hoe kenmerkt dit een ontvanger?]

Een eenvoudige realisatie van de menginrichting wordt verkregen, als voor de 3dB-koppelaar een vezel-koppelaar wordt toegepast, gebaseerd op twee gekoppelde optische vezels, waarbij het gewenste optische weglengteverschil wordt bereikt door een geschikt lengteverschil tussen de uitgaande vezels, in FIG. 3 is schematisch een dergelijke uitvoering van de menginrichting weergegeven. Een vezel-koppelaar 31 heeft ingangsvezels 32 en 33 en uitgangsvezels 34 en 35, waarvan de uiteinden 34' en 35' respectievelijk op een fotodetector 36 zijn gericht. Uitgangsvezel 34 heeft ten opzichte van de uitgangsvezel 35 een geschikt gekozen overlengte, in de figuur aangeduid door een lus 37. Standaard monomode optische vezels bezitten een mantel (doorsnede ca. 125//m) met daarin centraal gelegen een kern (doorsnede ca. 8//m), de eigenlijke lichtgeleider. Om de kernen in de uiteinden 34' en 35' van de uitgangsvezels 34 en 35 dichter bij elkaar te brengen en ten opzichte van elkaar te fixeren, zijn de mantels van de vezels terplaatse van de uiteinden bijvoorkeur met elkaar versmolten. Uit de kernen tredende lichtsignalen kunnen zo met een geringere spreiding het lichtgevoelige oppervlak treffen. De doorsnede van het lichtgevoelige oppervlak van gangbare fotodetectoren is ca. ?mm. Derhalve is in principe detectie van al het uit de vezeluiteinden tredende licht mogelijk.

Ook een geïntegreerde optische uitvoering van de menginrichting is mogelijk, waarbij in het lichtpad 24 een vertragingsgeleider van geschikte lengte kan worden toegepast, welke voert door een optisch medium met hogere brekingsindex, dan het optisch medium, waarin de koppelaar/bundel-spiitser 23 en het andere lichtpad 25 zijn gerealiseerd.

Claims

1. Optische menginrichting voor een heterodyne ontvanger, omvattende een gecombineerde vermogenskoppelaar/splitser met twee optische ingangspoorten respectievelijk voor een ontvangen signaal en een lokaal oscillator signaal, en twee optische uitgangspoorten, middelen voor het creëren van een optisch wegiengteverschil tussen uit de twee uitgangspoorten tredende lichtsignalen, en een fotodetectie-element, waarbij de genoemde lichtsignalen bestemd zijn voor het fotodetectie-element, met het kenmerk, dat de mengin-richting verder middelen omvat voor het toevoeren van genoemde lichtsignalen aan het fotodetectie-element in afzonderlijke bundels.

2. Menginrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de gecombineerde vermogenskoppelaar/bundelsplitser en de toevoermiddelen worden gevormd door een optische vezel koppelaar met optische vezelstukken als de uitgangspoorten, welke vezelstukken ongelijk van lengte zijn voor het creëren van genoemd wegiengteverschil, en van welke vezelstukken de uiteinden nabij het fotodetectie-element met elkaar zijn versmolten.

3. Coherente optische ontvanger omvattende: - een signaalingang voor het ontvangen van een eerste optische signaal, - generatiemiddelen, de lokale oscillatormiddelen, voor het genereren van een tweede optisch signaal, - een mengorgaan voor het mengen van het eerste en het tweede optische signaal en voor het afgeven van twee in hoofdzaak gelijke coherente optische mengsignalen met een middenfrekwentie IF op een eerste uitgangs-poort en een tweede uitgangspoort, - middelen voor het creëren van een optisch wegiengteverschil tussen de uit genoemde uitgangspoorten uittredende mengsignalen, en - een fotodetectie-element, waarbij de uittredende mengsignalen zijn bestemd voor het fotodetectie-element, met het kenmerk, dat de ontvanger voorts omvat middelen voor het in afzonderlijke bundels toevoeren van de mengsignalen aan het fotodetectie-element met genoemd optisch weglengteverschil, waarbij de met het optische weglengteverschil corresponderende signaalvertragingstijd T (sec) en de middenfrekwentie IF{sec'1) van het coherente mengsignaal althans bij benadering voldoen aan de relatie

4. Coherente optische ontvanger volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de gecombineerde vermogenskoppelaar/bundelsplitser en de toevoermiddelen worden gevormd door een optische vezel koppelaar met optische vezelstukken als de uitgangspoorten, welke vezelstukken ongelijk van lengte zijn voor het creëren van genoemd weglengteverschil, en van welke vezelstukken de uiteinden nabij het fotodetectie-element met elkaar zijn versmolten.