DE10118958B4

DE10118958B4 - Optischer 3R Regenerator mit Wellenlängenumsetzung

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Publication number: DE10118958B4
Application number: DE10118958A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.rer.nat.Dipl.-Phys. Sartorius
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2021-04-11
Also published as: CA2443612A1; EP1378076A2; WO2002084900A3; US20040131364A1; WO2002084900A2; DE10118958A1; JP2004530361A

Abstract

Optischer 3R Regenerator mit Wellenlängenumsetzung, aufweisend optische Mittel für die Taktregeneration, einen optischen nichtlinearen Entscheider und Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung der Ausgangswellenlänge,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung der Ausgangswellenlänge ein zusätzlich zum Mittel für die Taktregeneration (1) und zum Entscheider (2) konstant betriebener Laser (5) ist, der mit dem Entscheider (2) verbunden ist und sein Licht mit der gewünschten Wellenlänge in diesen einstrahlt,
zwischen dem Mittel für die Taktregeneration (1) und dem Entscheider (2) eine Verzögerungsleitung (3) angeordnet und jeweils ein Puls des Datensignals (DS) über die optische Verzögerungsleitung (3) um etwa ein halbes Bit verzögert in die zeitliche Lücke zwischen je zwei Pulse des Taktsignals (TS) gesetzt ist, wobei die Pulse des Daten- und Taktsignals (DS, TS) und das konstante Lasersignal zur Vermeidung von Interferenzen unterschiedliche Wellenlängen oder Polarisationen oder Strahlrichtungen aufweisen, und ein Mittel zur Einstellung der Leistung (4) der...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen 3R Regenerator mit Wellenlängenumsetzung, aufweisend optische Mittel für die Taktregeneration, einen optischen nichtlinearen Entscheider und Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung der Ausgangswellenlänge.
Optische 3R Regeneration (Re-amplification/Amplitude des Signals; Re-shaping/Form des Signals; Re-timing/zeitliche Position des Signals) ist eine Schlüsselfunktion für transparente optische Datennetze. Die wichtigen Funktionsblöcke sind die Taktregeneration, die einen Strom von Lichtpulsen erzeugt, der zum Datensignal synchronisiert ist, und das Entscheiderelement, das eine annähernd digitale Schaltfunktion hat, um Rauschen und Signalpulse zu unterscheiden. Ein für die aktuellen WDM-Systeme (wavelength division multiplexing) weiterer wichtiger Parameter ist die Ausgangswellenlänge des regenerierten Signals. Diese muss genau in das genormte Wellenlängenraster passen und sollte innerhalb von diesem möglichst frei wählbar sein.

Die Standardstruktur eines optischen 3R Regenerators benutzt als Entscheider-Element einen nichtlinearen optischen Schalter, der vom Datensignal angesteuert wird und die Taktpulse je nach „0" oder „1" Bit entweder abblockt oder passieren lässt (s. hierzu beispielsweise ECOC 2000, 3.–7. September 2000, Munich, invited paper We 9.4.1, Proceedings Vol. 3, pp. 293–296; ISBN 3-8007-2567-3). Das Re-timing und Re-shaping wird dadurch erreicht, dass das Schaltfenster zeitlich länger ist als die Taktpulse. Pulsform und zeitlicher Jitter im Datensignal übertragen sich so nicht auf Pulsform und Zeitlage des Ausgangssignals, das in Form und Zeitlage nur durch die Taktpulse beeinflusst wird. Auch die Wellenlänge des Ausgangssignals wird durch die Taktpulse bestimmt. Für jede Wellenlänge im Raster muss also ein spezieller Taktregenerator, der ein kompliziertes Bauelement ist, hergestellt werden oder es muss dem 3R Regenerator eine zusätzliche Wellenlängenumsetzung nachgeschaltet werden.

In anderen 3R Regeneratoren werden digital schaltende Laser als Entscheider-Elemente eingesetzt, wie beispielsweise in ELECTRONICS LETTERS 28^th September 1989 Vol. 25 No. 20 pp. 1332–1333 und SPIE Vol. 2954, pp. 30–41; ISBN 0-8194-2358-0 beschrieben. In diesem Fall definiert ein solcher Entscheider-Laser, der ebenfalls ein kompliziertes Bauelement darstellt, die Ausgangswellenlänge des 3R Regenerators. Wieder muss entweder für jede Wellenlänge ein geeigneter Entscheider hergestellt werden oder es muss eine zusätzliche Wellenlängenumsetzung nachgeschaltet werden.

Dem Stand der Technik nach bekannt ist es auch, typischerweise interferometrische Strukturen mit Halbleiterverstärkern als nichtlineare Entscheider-Elemente einzusetzen. Besonders einfach zu realisieren und stabil zu betreiben sind Interferometer mit nur einem Halbleiterverstärker, z.B. die allgemein bekannten Strukturen „UNI" und „SLALOM". Die insgesamt günstigste Struktur zeigt dabei das asymmetrische „verzögerte Interferenz"-Interferometer, wie es in OFC 2000, 7.–20. März 2000, Baltimore, USA, Technical Digest, Teil Postdeadline Paper PD17-1 bis PD-17-3; ISBN 1-55752-584-6 beschrieben ist. Der Halbleiterverstärker befindet sich hier nicht innerhalb des Interferometers, sondern vor diesem. Halbleiterverstärker und asymmetrisches Interferometer-Netzwerk können deshalb problemlos aus verschiedenen Materialien realisiert und getrennt optimiert werden. Nur für den Halbleiterverstärker ist hierbei Polarisationsunabhängigkeit wichtig. Neben den genannten Vorteilen weist dieser Interferometertyp aber den Nachteil auf, dass das gesteuerte Signal grundsätzlich ein konstantes Signal sein muss. Deshalb kann also der konventionelle 3R Regenerator mit dem Entscheider als Schalter für die Taktpulse nicht diese günstige interferometrische Struktur aufweisen.

In OFC 2000, 7.–20. März 2000, Baltimore, USA, Technical Digest, Paper Th F7, Teil Thursday, Th F7-1/93 bis Th F7-3/95; ISBN 0-8194-2358-0 ist ein 3R Regenerator mit Wellenlängenumsetzung beschrieben, der in zwei getrennten Funktionsblöcken zum einen eine 3R Regeneration und zum anderen eine Wellenlängenumsetzung auf einen DFB-Laser realisiert. Die beschriebene Anordnung weist für den 3R Regenerator Mittel für die Taktregeneration und einen nichtlinearen Entscheider und als Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung einer gewünschten Wellenlänge ein weiteres nichtlineares Funktionselement und einen DFB-Laser auf. Wegen der Notwendigkeit eines zweiten Funktionsblockes für die Wellenlängenumsetzung ist die beschriebene Lösung technisch aufwendig und teuer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen optischen 3R Regenerator mit einstellbarer Ausgangswellenlänge anzugeben, d.h. sowohl die 3R Regeneration als auch eine einstellbare Wellenlängenumsetzung soll mit einem Bauelement möglich sein. Der optische 3R Regenerator soll mit – im Vergleich zum Stand der Technik – technisch weniger aufwendigen Komponenten realisierbar sein.

Die Aufgabe wird für einen optischen 3R Regenerator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung der Ausgangswellenlänge ein zusätzlicher zum Mittel für die Taktregeneration und zum Entscheider konstant betriebener Laser ist, der mit dem Entscheider verbunden ist und sein Licht mit gewünschter Wellenlänge in diesen einstrahlt, dass zwischen dem Mittel für die Taktregeneration und dem Entscheider eine Verzögerungsleitung angeordnet und jeweils ein Puls des Datensignals über die optische Verzögerungsleitung um etwa ein halbes Bit verzögert in die zeitliche Lücke zwischen je zwei Pulse des Taktsignals gesetzt ist, wobei die Pulse des Daten- und Taktsignals und das konstante Lasersignal zur Vermeidung von Interferenzen unterschiedliche Wellenlängen oder Polarisationen oder Strahlrichtungen aufweisen, und ein Mittel zur Einstellung der Leistung der Daten- und Taktsignale vor dem Entscheider angeordnet ist, über das diese Leistungen so eingestellt sind, dass der optische nichtlineare Entscheider sowohl durch die Pulse des Taktsignals als auch durch die Pulse des Datensignals sicher umschaltbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung, mit der sowohl eine 3R Regeneration als auch eine Wellenlängenumsetzung realisiert werden kann, benötigt neben dem Taktregenerator und dem nichtlinearen Schalter als Entscheider lediglich noch einen konstant betriebenen externen Laser der neuen Zielwellenlänge. Diese relativ einfachen Laser werden in großer Zahl im benötigten Wellenlängenraster hergestellt und sind preisgünstig verfügbar. Auch die inzwischen verfügbaren wellenlängenabstimmbaren Laser sind für die erfindungsgemäße Lösung einsetzbar. Mit diesen kann dann der erfindungsgemäße 3R Regenerator auf jede gewünschte Ausgangswellenlänge eingestellt werden.

Mit der bereits erwähnten Verzögerungsleitung wird im Entscheider-Element eine solche Kombination der Zeitlage der Daten- und Taktpulse realisiert, dass die Datenpulse um etwa ein halbes Bit verzögert in die zeitliche Lücke zwischen jeweils zwei Taktpulse gesetzt und so in das Entscheider-Element eingestrahlt sind (alternierende Takt-Daten-Ansteuerung). Daten- und Taktsignal unterscheiden sich in Wellenlänge oder Polarisation oder Strahlrichtung in das Entscheider-Element, damit Interferenzen vermieden und lediglich die Leistung der Daten- und Taktpulse kombiniert (addiert) wird. Die Leistung dieser Pulse ist mittels der Mittel zur Leistungseinstellung so realisiert, dass ihre Wirkung auf das Entscheider-Element annähernd gleich ist, d.h. Effekte durch unterschiedliche Wellenlänge oder Polarisation oder Strahlrichtung sind über eine geeignete Leistungseinstellung damit weitgehend kompensiert. Diese Mittel zur Leistungseinstellung bewirken auch, dass bereits mit einem der Signale allein (Takt- oder Datensignal) die Entscheiderschwelle überschritten und die Entscheiderfunktion ausgelöst wird und dass die begrenzten kleineren Leistungsschwankungen durch Signaldegradationen die Auslösung der Entscheiderfunktion nicht beeinträchtigen. Im Entscheider-Element, in das der zusätzliche externe Laser sein konstantes Signal der gewünschten Ausgangswellenlänge einstrahlt, erfolgt die Übertragung des kombinierten Daten-Takt-Signals auf diese neue Wellenlänge. Die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich mit im Vergleich zum Stand der Technik wenig aufwendigen Mitteln realisieren.

In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass der zusätzliche konstant betriebene Laser ein Laser mit fester Wellenlänge oder ein in seiner Wellenlänge abstimmbarer Laser und mit dem Entscheider monolithisch integriert ist.

In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist der nichtlineare Entscheider ein Halbleiterverstärker, beispielsweise ein Halbleiterverstärker, dessen Bandlücke so verschoben ist, dass er im Bereich des gesteuerten Signals weitgehend transparent ist, oder ein sättigbarer Absorber oder ein Elektroabsorptions-Wellenleiter oder eine nichtlineare Faser oder ein nichtlinearer Kristall.

Zur Optimierung des Interferenzverhaltens ist vorgesehen, den nichtlinearen Entscheider mit einem Interferometer zu kombinieren, das beispielsweise asymmetrisch verzögert oder differentiell betrieben ist.

In Kenntnis der erfindungsgemäßen Lösung kann das bereits erwähnte asymmetrische „verzögerte Interferenz" Interferometer, das eine günstige Struktur aufweist, nun auch Anwendung finden in der 3R Regeneration.

Im erfindungsgemäßen 3R Regenerator wird das Ausgangssignal bezüglich der Logik invertiert. Deshalb ist in einer anderen Ausführungsform vorgesehen, dass eine zweistufige Anordnung für das Zurücksetzen der invertierten Signale vorgesehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Hierzu zeigen:
1: schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen 3R Regenerators mit einstellbarer Wellenlänge;
2: den Pulsverlauf der Signale vor und nach dem Entscheider.
Das Datensignal DS wird in das Mittel für die Taktregeneration 1 eingespeist, wie in 1 dargestellt. Zwischen diesem 1 und dem Entscheider 2 ist eine Verzögerungsleitung 3 angeordnet. Ebenfalls vor dem Entscheider 2 befindet sich ein Mittel zur Leistungseinstellung 4 der Daten- DS und Taktsignale TS. Der Entscheider 2 ist mit einem konstant betriebenen Laser 5 verbunden.
Hat das Datensignal DS „Eins" Bits, so wird mittels der erwähnten Verzögerungsleitung 3 eine alternierende Ansteuerung durch Daten- DS und Taktsignal TS des Entscheiders 2 realisiert, wie aus 2 ersichtlich. Das Mittel zur Leistungseinstellung 4 der Daten- DS und Taktsignale TS garantiert dann, dass ein nahezu konstanter Leistungspegel eingestellt wird. Somit wird der Entscheider 2 konstant in einem definierten Zustand gehalten. Kleine Leistungsschwankungen durch Datendegradation werden durch die Schwellwert-Funktion des Entscheiders 2 abgefangen.
Liegt eine „Null" im Datensignal DS vor, so fällt im kombinierten alternierenden Daten-Takt-Signal DTS die Leistung zwischen den zwei angrenzenden Taktpulsen TS unter die Entscheiderschwelle S ab, der Entscheider 2 schaltet in den anderen Zustand um. Der Zeitpunkt des Umschaltens (re-timing) und die Form der Schaltfunktion (re-shaping) hängen nur von der Zeitlage und Form der angrenzenden Taktpulse sowie der Übertragungsform des Entscheiders 2 ab und werden – bis zu gewissen Grenzen – nicht beeinträchtigt durch Degradationen (Zeit-Jitter, Amplitudenfluktuationen) des Datensignals. Damit wird in der erfindungsgemäßen Anordnung die für die 3R Regeneration benötigte Re-timing- und Re-shaping-Funktion realisiert. In derselben Anordnung erfolgt im Entscheider-Element 2, in das der zusätzliche externe Laser 5 sein konstantes Signal der gewünschten Ausgangswellenlänge einstrahlt, die Übertragung des kombinierten Daten-Takt-Signals DTS auf diese neue Wellenlänge, mit der das Ausgangssignal AS die erfindungsgemäße Anordnung verläßt.
In der erfindungsgemäßen Anordnung entsteht eine logische Invertierung der Daten, d.h. „Null" Bits werden in „Eins" Bits umgewandelt und umgekehrt. Die Möglichkeit zur Invertierung kann in einigen Anwendungen positiv genutzt oder durch eine zweistufige Anordnung zurückgesetzt werden.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung muss für Regeneratoren mit unterschiedlichen Ausgangswellenlängen nur ein Typ von Taktregenerator und ein Typ von Entscheider entwickelt werden. Die Ausgangswellenlänge wird durch eine preiswerte Zusatzkomponente fest oder durch einen abstimmbaren Laser elektrisch variabel eingestellt.
In der erfindungsgemäßen Anordnung des 3R Regenerators mit einstellbarer Ausgangswellenlänge kann der Entscheider aus sehr unterschiedlichen Elementen mit nichtlinearer Funktion gebildet sein, d.h. es sind nicht nur Komponenten mit einer Schalterfunktion für die Pulse einsetzbar. Im Prinzip kann jede Anordnung einer nichtlinearen Wellenlängenumsetzung auf ein konstantes Signal mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung zu einem 3R Regenerator mit einstellbarer Ausgangswellenlänge erweitert werden.

Claims

Optischer 3R Regenerator mit Wellenlängenumsetzung, aufweisend optische Mittel für die Taktregeneration, einen optischen nichtlinearen Entscheider und Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung der Ausgangswellenlänge, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung und/oder Einstellung der Ausgangswellenlänge ein zusätzlich zum Mittel für die Taktregeneration (1) und zum Entscheider (2) konstant betriebener Laser (5) ist, der mit dem Entscheider (2) verbunden ist und sein Licht mit der gewünschten Wellenlänge in diesen einstrahlt, zwischen dem Mittel für die Taktregeneration (1) und dem Entscheider (2) eine Verzögerungsleitung (3) angeordnet und jeweils ein Puls des Datensignals (DS) über die optische Verzögerungsleitung (3) um etwa ein halbes Bit verzögert in die zeitliche Lücke zwischen je zwei Pulse des Taktsignals (TS) gesetzt ist, wobei die Pulse des Daten- und Taktsignals (DS, TS) und das konstante Lasersignal zur Vermeidung von Interferenzen unterschiedliche Wellenlängen oder Polarisationen oder Strahlrichtungen aufweisen, und ein Mittel zur Einstellung der Leistung (4) der Daten- und Taktsignale (DS, TS) vor dem Entscheider (2) angeordnet ist, über das diese Leistungen so eingestellt sind, dass der optische nichtlineare Entscheider (2) sowohl durch die Pulse des Taktsignals (TS) als auch durch die Pulse des Datensignals (DS) sicher umschaltbar ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche konstant betriebene Laser (5) ein Laser mit fester Wellenlänge ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche konstant betriebene Laser (5) ein in seiner Wellenlänge abstimmbarer Laser ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche konstant betriebene Laser (5) mit dem Entscheider (2) monolithisch integriert ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider (2) ein Halbleiterverstärker ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider (2) ein Halbleiterverstärker ist, dessen Bandlücke so verschoben ist, dass er im Bereich der Wellenlänge des Lichts, das der konstant betriebene Laser (5) in den nichtlinearen Entscheider (2) einstrahlt, weitgehend transparent ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider (2) ein sättigbarer Absorber ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider ein Elektroabsorptions-Wellenleiter ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider (2) eine nichtlineare Faser ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider (2) ein nichtlinearer Kristall ist.
Optischer 3R Regenerator nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Entscheider (2) kombiniert ist mit einem Interferometer.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer asymmetrisch verzögert ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer differentiell betrieben ist.
Optischer 3R Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweistufige Anordnung vorgesehen ist für das Zurücksetzen bezüglich der Logik des Ausgangssignals des nichtlinearen Entscheiders (2), die bei einstufiger Anordnung invertiert ist gegenüber der Logik des Eingangssignals.