DE102004012060A1

DE102004012060A1 - Multiplexer und Demultiplexer für optische Zeitmultiplexsignale

Info

Publication number: DE102004012060A1
Application number: DE200410012060
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr. Lehmann; Harald Dr. Rohde; Wolfgang Schairer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-08

Abstract

Als Multiplexer wird ein Mach-Zehnder-Modulator (MZM) verwendet, an dessen beiden Eingängen (E1) und (E2) jeweils ein Datensignal (DS1) bzw. (DS2) anliegt. Die Datensignale weisen bereits eine Phasenverschiebung von pi (halben Bitabstand) gegeneinander auf. Der Mach-Zehnder-Modulator (MZM) wird so gesteuert, dass beide Datensignale als Multiplexsignal (DS1, DS2) an einem Ausgang (A1) abgegeben werden. Nach den gleichen Prinzipien arbeitet der Demultiplexer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Multiplexer zur Erzeugung eines optischen Zeitmultiplex-Signals durch Kombinieren eines ersten optischen Datensignals und eines zweiten optischen Datensignals und einen auf dem selben Prinzip beruhenden Demultiplexer.
Im optischen Zeitmultiplex-Systemen (OTDM) werden mehrere Datensignale, die dieselbe Trägerwellenlänge und dieselbe Grunddatenrate aufweisen, durch Verschachteln ihrer Bits zu einem Zeitmultiplex-Signal zusammengefasst. Dies Multiplexen der einzelnen Datensignale geschieht zur Zeit mit Hilfe passiver Combiner/Strahlteiler, bei der Faseroptik durch Combiner (Koppler) aus zusammengeschmolzenen Glasfasern. Ein solcher Combiner hat prinzipiell immer zwei Eingänge und zwei Ausgänge, so dass an jedem der Ausgänge die Hälfte der Gesamtleistung abgegeben wird. Deshalb werden diese Bauelemente auch als 3dB-Koppler bezeichnet. Es ist prinzipiell unmöglich, einen passiven Combiner zu konstruieren, der zwei unkorrelierte Eingangssignale gleicher Wellenlänge ohne Leistungsverlust kombiniert. Ein Zeitmultiplex-System mit beispielsweise nur 16 Kanälen kann mit 15 dieser Combiner aufgebaut werden, wobei jedes einzelne Datensignal vier Combiner durchläuft und seine Leistung auf ein Sechzehntel abnimmt.
Auch wenn dieser Leistungsverlust durch optische Verstärker ausgeglichen wird, so wird hierdurch zusätzliches Rauschen erzeugt, wodurch die Signalqualität verschlechtert und damit die maximale Übertragungsreichweite verringert wird.
Die Arbeitsweise eines Mach-Zehnder-Modulators als optischer Schalter ist an sich bekannt. Ein Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer ist aus WO 00/55662 zu entnehmen.
Bisher wurde er aber nicht als Multiplexer für Zeitmultiplexsignale verwendet. Ein Demultiplexer für Zeitmultiplexsignale ist dagegen bereits aus WO 9813964 A1 bekannt; dieser ist jedoch bei extrem hohen Datenraten nicht einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Multiplexer und einen Demultiplexer für ein optisches Zeitmultiplexsystem mit hoher Datenrate anzugeben, die wenig Leistungsverluste aufweisen und die Signalqualität wenig beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird durch einen Multiplexer gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein geeigneter Demultiplexer ist in Anspruch 4 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass herkömmliche Mach-Zehnder-Modulatoren (Mach-Zehnder-Interferometer) verwendet werden können. Die Auswahl des Mach-Zehnder-Modulator-Typs richtet sich nach den gestellten Anforderungen.
Für das Multiplexen von Datensignale mit extrem hohen Datenraten können Modulations-Signale mit einer verringerten Grundfrequenz und mit höherer Modulationsspannung verwendet werden.
Der Demultiplexer beruht auf den gleichen Prinzipien.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
1 einen als Multiplexer verwendeten Mach-Zehnder-Modulator,
2 ein zugehöriges Zeitdiagramm und
3 einen Demultiplexer.
1 zeigt einen Mach-Zehnder-Modulator MZM. Dieser weist zwei Eingänge E1 und E2 und zwei Ausgänge A1 und A2 auf. Bei dem bekannten Aufbau sind die Eingänge mit einem ersten Koppler C1 verbunden, dessen beide Ausgänge über zwei optische Leiter L1 und L2 auf Eingänge eines zweiten optischen Kopplers C2 geführt werden, dessen Ausgänge die Ausgänge A1 und A2 des Mach-Zehnder-Modulators bilden. Die Funktion des Mach-Zehnder-Modulators ist allgemein bekannt und soll deshalb nur prinzipiell erläutert werden.
Bei einer üblichen Betriebsweise des Mach-Zehnder-Modulators wird nur ein Eingang verwendet, an dem ein optischer Träger anliegt, der durch den ersten Koppler C1 in zwei Signalkomponenten aufgeteilt wird, die über jeweils einen Leiter L1 bzw. L2 geführt werden. In bekannter Weise kann die Signallaufzeit mindestens eines der optischen Leiter durch ein Modulationssignal MS verändert werden. Im Ausführungsbeispiel wird sowohl der erste optische Leiter L1 als auch der zweite optische Leiter L2 durch zwei gegensinnige Modulationssignale MS bzw. MS verändert. Die optischen Leiter L1 und L2 arbeiten als Phasenmodulatoren (steuerbare Verzögerungsleitungen), die die Trägerphasen der Signalkomponenten entsprechend dem Modulationssignal verändern. Die Ausgangssignale ergeben sich durch Überlagerung der phasenmodulierten Signalkomponenten.
Beim erfindungsgemäßen Betrieb werden entgegen dem üblichen Betrieb zwei unterschiedliche Datensignale DS1 und DS2, beispielsweise intensitätsmodulierte RZ-Signale (RZ – return to zero), an den Eingang E1 bzw. den Eingang E2 angelegt. Die Bitphase der Datensignale ist bereits um π (180°) gegeneinan der phasenverschoben. Jedes Datensignal DS1 und DS2 wird in zwei Signalkomponenten DS11, DS12 und DS21, DS22 gleicher Amplitude aufgeteilt; das Datensignal DS1 in die Signalkomponenten DS11 und DS12 und das Datensignals DS2 in DS21 und DS22. Bei einer bestimmten Ansteuerung des Mach-Zehnder-Modulators MZI (Laufzeitdifferenz zwischen den Leitern L1 und L2 beträgt 90° des Trägerlichts) wird das Datensignal DS1 vom Eingang E1 auf den Ausgang A1 und das Datensignal DS2 vom Eingang E2 auf den Ausgang A2 durchgeschaltet. Bei einer anderen Ansteuerung des Mach-Zehnder-Modulators, bei der die Laufzeitdifferenz der Signalkomponenten durch die optischen Leiter L1 und L2 so geändert wird, dass sie einer Änderung der Phasendifferenz des Trägerlichtes um π (180°) entspricht, wird dagegen das Datensignal DS1 vom Eingang E1 auf den Ausgang A2 und das Datensignal DS2 vom Eingang E2 auf den Ausgang A1 "durchgeschaltet". Die Ansteuerung des Mach-Zehnder-Modulators, also die Höhe der Modulationsspannung, legt daher fest, welches der Eingangssignale an welchen Ausgang durchgeschaltet wird. Mit einer sich entsprechend ändernden Ansteuerung können dann beide Eingangssignale (prinzipiell) verlustfrei auf einen einzigen Ausgang, z. B. A1 "geschaltet" werden.
In 2 ist ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Funktion dargestellt. Die erste Zeile zeigt ein symbolisches Taktsignal TS1, dessen Impulse in der Bitmitte des ersten RZ-Datensignals DS1 liegen. Von diesem Datensignal ist die Bitfolge 1101 dargestellt. Das zweite anliegende RZ-Datensignal DS2 weist eine Bitphasendifferenz von π (180°) gegenüber dem ersten Datensignal DS1 auf. Von diesem Datensignal ist die Bitfolge 101 dargestellt. Durch die Modulationsspannung MS wird einmal bei höherer Spannung ein Bit des Datensignals DS1 an den Ausgang A1 "durchgeschaltet" und dann, hier bei niedriger Spannung, ein Bit des Datensignals DS2 an den selben Ausgang A1 durchgeschaltet. Folglich liegt am Ausgang A1 das Multiplexsignal DS1, DS2 an.
Bei höheren Datenraten der Datensignale DS1 und DS2 von beispielsweise jeweils 80 GHz ist zur Zeit eine elektrische Umschaltfrequenz MS von 80 GHz technisch noch nicht realisierbar. Durch die Verwendung von Modulationssignalen mit einer Grundfrequenz, die unterhalb der Datenrate eines Datensignals liegt aber einen höheren Spannungshub aufweist, kann die optische Schaltfrequenz erhöht werden, so dass zur Zeit Multipexsignale von 160 Gbit/s verarbeitbar sind. Zum besseren Verständnis ist ein solches Modulationssignal MS1 in 2 als dreistufiges Signal dargestellt. Dieser ideale Verlauf ist bei den hohen Datenraten nur annähernd zu erreichen und kann beispielsweise durch einen dreiecksförmigen Verlauf ersetzt werden. Durch den vergrößerten Spannungshub werden die Laufzeitdifferenzen zwischen den Zweigen L1, L2 des Mach-Zehnder-Modulators stärker verändert und so n = 3 unterschiedliche um Phasenänderungen von 0, π und 2π zwischen den optischen Trägersignal-Komponenten DS11, DS12 und DS21, DS22 erzielt. Dadurch wird bei gleicher optischer Umschaltfrequenz nur ein Modulationssignal einer mit der halben Grundfrequenz benötigt. Bei einer gegebenen (maximalen) Grundfrequenz des Modulationssignals ist es folglich möglich, durch ein dreistufiges Modulationssignal die optische Umschaltfrequenz zu verdoppeln. Bei einem "vierstufigen" Modulationssignal MS2 wird die Grundfrequenz auf ein Drittel reduziert bzw. die optische Umschalfrequenz verdreifacht.
3 zeigt die Anwendung des Mach-Zender-Modulators als Zeit-Demultiplexer, der auf den gleichen Prinzipien wie der Multiplexer beruht. Durch Ansteuern mit einem Modulationssignal, das gegenüber der Datenrate eines der Datensignale eine niedrigere Frequenz aber höherer Spannung aufweist, werden mehr optische Umschaltungen je Periode des Modulationssignals bewirkt, durch die das Multiplexsignal DS1, DS2 in zwei Datensignale DS1 und DS2 zerlegt wird. Durch eine Änderung des Modulationssignals MS können die Ausgangssignale vertauscht werden. Der Mach-Zehnder-Modulator kann auch wieder symmetrisch ausgeführt sein.
Die Multiplexer können kaskadiert werden, um mehr als zwei Datensignale zu einem Zeitmultiplexsignal zusammenzufassen. Entsprechend kann durch kaskadierte Demultiplexer ein aus mehr als zwei Datensignalen bestehendes Zeitmultiplexsignal in einzelne Datensignale aufgeteilt werden.

Claims

Multiplexer zur Erzeugung eines optischen Zeitmultiplexsignals (DS1, DS2), dadurch gekennzeichnet, dass er durch einen Mach-Zehnder-Moldulators (MZM) mit einem ersten Eingang (E1), dem ein erstes optisches Datensignal (DS1) zugeführt wird, und einem zweiten Eingang (E2), dem ein zweites optisches Datensignal (DS2) zugeführt wird, realisiert ist, und der Mach-Zehnder-Modulator (MZM) mit einem Modulationssignal (MS, MS) derart angesteuert wird, dass das erste Datensignal (DS1) und das zweite Datensignal (DS2) an einem Ausgang (A1) abgegeben werden.
Multiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (MS) eine der Datenrate eines der Datensignale (DS1; DS2) entsprechende Frequenz aufweist.
Multiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (MS1, MS2) eine geringere Grundfrequenz als die Datenrate der Datensignale (DS1; DS2) aufweist und dass das Modulationssignal (MS1, MS2) eine Signalamplitude aufweist, die mindestens n = 3 (n = 3, 4, 5,..) um jeweils π unterschiedliche Trägerphasenverschiebungen zwischen Signalkomponenten (DS11, DS12; DS21, DS22) der optischen Datensignale (DS1; DS2) bewirkt und so die optische Umschaltfrequenz zwischen den Eingängen (E1, E2) und einem Ausgang (A1) des Mach-Zehnder-Modulators (MZM) vervielfacht.
Demultiplexer für ein aus mindestens zwei Datensignalen (DS1; DS2) zusammengesetztes optisches Zeitmultiplexsignal (DS1, DS2) mit einem Mach-Zehnder-Moldulators (MZM), dessen einem Eingang (E1) das optisches Zeitmultiplexsignals (DS1, DS2) zugeführt wird und der mit einem Modulationssignal (MS1, MS2) derart angesteuert wird, dass an einem ersten Ausgang (A1) das erste Datensignal (DS1) und dass am zweiten Ausgang (A2) das zweite Datensignal (DS2) abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (MS) (MS1, MS2) eine Signalamplitude aufweist, die mindestens n = 3 (n = 3, 4, 5,..) um jeweils π unterschiedliche Trägerphasenverschiebungen zwischen Signalkomponenten (DS11, DS12; DS21, DS22) der optischen Datensignale (DS1; DS2) bewirkt und so die optische Umschaltfrequenz zwischen dem Eingang (E1) und den beiden Ausgängen (A1, A2) des Mach-Zehnder-Modulators (MZM) vervielfacht.