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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur rein-optischen
Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt
und Phase. Insbesondere betrifft die Erfindung eine 3R-Regeneration
DPSK (Differential-Phase-Shift-Keying)-modulierter Signale in optischen
Kommunikationssystemen.
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Es
ist bekannt, ein digitales Datensignal mit normierter Amplitude
und Takt-Information zu regenerieren. Eine vollständige Datenregeneration,
die ein Signal optisch fehlerfrei wiederherstellt und daher beliebig
oft wiederholt werden kann, erfordert eine sogenannte 3R-Funktion:
reamplification, re-shaping und re-timing. Dabei bedeutet reamplification
die Wiederherstellung eines normierten Signalpegels, re-shaping
die Wiederherstellung der digitalen Signalform in Bezug auf Mindestanforderungen
an die Anstiegsflanken und das Überschwingverhalten
der Pulse, und re-timing eine strenge zeitliche Justierung der Pulse
zu einem Datentakt, der aus dem Datenstrom zusätzlich gewonnen wird.
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Es
ist bekannt, eine 3R-Regeneration intensitäts- bzw. amplitudenmodulierter
optischer Signale durchzuführen.
In den letzten Jahren ist jedoch ein verstärktes Interesse an optischen Übertragungssystemen
entstanden, die eine Phasenmodulation, beispielsweise eine DPSK
(Differential-Phase-Shift-Keying,
differenzielle Phasenmodulation) verwenden. Es wurde gezeigt, dass
solche Systeme im Vergleich zu Systemen mit intensitätsmodulierten Signalen
verbesserte Übertragungseigenschaften besitzen,
insbesondere wegen des Gegentaktempfangs, durch den eine ca. 3 dB
bessere Leistungsbilanz erzielt wird. Auch im Bereich der Signalverarbeitung
und -verstärkung
zeigt dieses Modulationsformat verbesserte Eigenschaften in Form
von geringerer Bitmusterabhängigkeit.
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Es
besteht dementsprechend ein Bedarf nach optischen Komponenten zur
Regeneration eines phasenmodulierten Signals. Aufgrund von Nichtlinearitäten, Dispersion,
Rauschen etc. ist ein Signal nach einer gewissen Strecke hinsichtlich
der Amplitude als auch hinsichtlich der Phase, die die Information
enthält,
aufzufrischen.
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Die
meisten bekannten Systeme zur Regeneration phasenmodulierter optischer
Signale regenerieren nur die Pulsform, die Amplitude und verringern
den Jitter; die eigentliche Phaseninformation wird jedoch nicht
aufgefrischt, diese bleibt vielmehr weitgehend unverändert.
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K.
Croussore, C. Kim und G. Li: "All-optical regeneration
of differential phase-shift keying signals based an phase – sensitive
amplification",
Optics Letters, vol. 29, pp. 2357 – 2359, October 2004, sowie
K. Croussore, I. Kim, Y. Han, C. Kim und G. Li: "Demonstration of phase-regeneration
of DPSK signals based on phase-sensitive amplification", Optics Express,
Vol. 13, No. 11, pp. 3945–3950,
Mai 2005, beschreiben einen phasensensitiven Verstärker, der
auf eine 3R-Regeneration inklusive einer Phasenregeneration des
Signals abzielt. Hierbei wird in ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI)
ein Eingangssignal an einem Port und ein Pumpsignal – in Form
eines Taktsignals bei derselben Wellenlänge – am anderen Port eingebracht.
Das MZI besteht aus zwei 3 dB-Kopplern und zwei hoch nichtlinearen
Fasern, die diese miteinander verbinden. In den hoch nichtlinearen
Fasern beeinflussen sich Datensignal und Pumpsignal durch degenerierte
Vierwellenmischung. Bei geschickter Wahl der Länge der hoch nichtlinearen Faser
lässt sich
eine phasenabhängige
Verstärkung realisieren,
die entweder nur die Phase regeneriert oder eine kombinierte Regeneration
der Pulsform, der Pulshöhe,
des Puls-Timings und der Phase ermöglicht. Die bekannte Lösung führt somit
zu einer 3R-Regeneration
inklusive einer Phasenregeneration des Eingangssignals. Jedoch werden
hierfür
hoch nichtlineare Fasern mit einigen 100 m Länge benötigt, wodurch der Aufbau kompakter
Module sowie eine Integration der einzelnen Komponenten nicht möglich sind.
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In
der
EP 1 411 659 A1 und
in STRIEGLER, A.; SCHMAUSS, B.: All-Optical DPSK Signal Regeneration
Based on Cross-Phase Modulation. In: IEEE Photonics Technology Letters.
2004, Vol. 16, No. 4, S. 1083–085
wird jeweils ein Verfahren zur reinoptischen Regeneration phasenmodulierter
optischer Signale beschrieben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter
optischer Signale bereitzustellen, die neben einer üblichen
3R-Regeneration von Amplitude, Puls und Takt (Timing) in einfacher
Weise, kostengünstig
und mit der Möglichkeit
einer Integration der einzelnen Komponenten auch die Phaseninformation
eines phasenmodulierten optischen Signales regenerieren können.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung sieht vor, ein zu regenerierendes phasenmoduliertes optisches
Eingangssignal zum einen einer Taktrückgewinnungs-Einrichtung und
zum anderen einem Phasen-Amplituden-Wandler
zuzuführen.
In der Taktrückgewinnungs-Einrichtung wird
das Eingangssignals hinsichtlich Pulsform, Pulshöhe und Takt regeneriert, wobei
die Phaseninformation verloren geht. In dem Phasen-Amplituden-Wandler
wird die Phasenmodulation des Eingangssignals in eine Amplitudenmodulation
unter Erzeugung eines amplitudenmodulierten Datensignals umgewandelt.
Die Phase des regenerierten Taktsignals der Taktrückgewinnungs-Einrichtung
wird dann entsprechend dem amplitudenmodulierten Datensignal in
einem Phasenmodulator mit nichtlinearer Kennlinie moduliert.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich somit durch den Gedanken aus, die im Rahmen einer Taktrückgewinnung
erzeugten reinen, optischen Signale mit den Daten des ursprünglichen
Signals zu phasenmodulieren. Dabei werden die ankommenden phasenmodulierten
Signale bzw. Daten in amplitudenmodulierte Signale umgewandelt und
diese amplitudenmodulierten Signale als Steuersignale für die Phasenmodulation
der aus der Taktrückgewinnung erzeugten
reinen optischen Signale verwendet.
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Die
Verwendung eines Phasenmodulators mit nichtlinearer Kennlinie bewirkt,
dass die Phaseninformation des Eingangssignals nicht nur weitergegeben,
sondern tatsächlich
auch aufgefrischt und regeneriert wird. Der Phasenmodulator weist
dabei eine nichtlineare Kennlinie derart auf, dass Phasenlagen des
phasenmodulierten regenerierten Taktsignals von Null und π bevorzugt
entstehen. Ein Rauschen in der Phase wird dabei unterdrückt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung stellt
eine wirkungsvolle Komponente zur rein-optischen Regeneration von
phasenmodulierten Signalen bereit. Die bisher bekannten Ansätze beschränken sich
fast ausschließlich
darauf, die Amplitude des phasenmodulierten Signals zu regenerieren,
während
die Phase gleich, teilweise sogar schlechter wurde. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird
sowohl die Amplitude und die Pulsform als auch die Phase – mit der
die Information kodiert ist – aufgefrischt.
Da das reine und unverzerrte Taktsignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung
phasenmoduliert wird, wird eine sehr gute Pulsform der Amplitude
und sehr kleiner Jitter erreicht. Auch die Amplitudenfluktuationen
sind sehr gering, da das Taktsignal im Allgemeinen sehr stabil ist.
Für die
vollkommene Auffrischung eines phasenmodulierten Signals ist aber
die Regeneration der Phase besonders wichtig. Erfindungsgemäß ergibt
sich eine Regeneration des Signals hinsichtlich aller Parameter:
Pulsform, Amplitude, Takt (Timing, Jitter) und Phase.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das regenerierte
Taktsignal eine andere Wellenlänge
auf als das Eingangssignal, d.h. die Taktrückgewinnungs-Einrichtung extrahiert
ein regeneriertes Taktsignal bei einer anderen Wellenlänge als
der Wellenlänge
des Eingangssignals. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll,
wenn der Phasenmodulator derart ausgebildet ist, dass die Phase
des regenerierten Taktsignal mittels einer Kreuzphasenmodulation
mit dem amplitudenmodulierten Datensignal moduliert wird. Die Kreuzphasenmodulation
betrifft die Phasenmodulation einer optischen Welle durch eine kopropagierende
weitere Welle und bewirkt eine nichtlineare Kanalkopplung. Eine
Kreuzphasenmodulation (XPM: cross phase modulation) ist dem Fachmann
bekannt.
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Die
zusätzliche
Auffrischung der Phaseninformation erfolgt bei dieser Ausführungsvariante
mittels nichtlinearer Elemente, in denen das reine, aufgefrischte
Taktsignal durch Kreuzphasenmodulation (XPM) phasenmoduliert wird.
Da die Kreuzphasenmodulation proportional zur Leistung innerhalb
des nichtlinearen Elementes ist, steuert das amplitudenmodulierte
Datensignal durch die Kreuzphasenmodulation die Phase des regenerierten
Taktsignals.
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Die
Vorrichtung weist dabei zusätzlich
einen an den Ausgang des Phasenmodulators angeschlossenen optischen
Filter auf, der das regenerierte und phasenmodulierte Taktsignal
herausfiltert und transmittiert: am Ausgang des Phasenmodulators
stehen das phasenmodulierte Taktsignal als regeneriertes Datensignal
und das amplitudenmodulierte Datensignal bei einer anderen Wellenlänge zur
Verfügung,
so dass nur noch das regenerierte Datensignal herausgefiltert werden
muss.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Phasenmodulator
als Zwei-Arm-Interferometer ausgebildet, wobei mindestens ein Arm eine
Einrichtung zur Phasenmodulation aufweist. In die beiden Arme des
Interferometers werden sowohl das regenerierte Taktsignal als auch
das amplitudenmodulierte Datensignal eingespeist. Eine Phasenmodulation
des regenerierten Taktsignals durch das amplitudenmodulierte Datensignal
erfolgt beispielsweise durch die erwähnte Kreuzphasenmodulation.
Alternativ ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Einrichtung
zur Phasenmodulation des Interferometers durch die Ansteuerung von
Wärmeelementen
im Takt des amplitudenmodulierten Datensignals eine Brechzahlvariation
im Bereich des Wellenleiters und hierdurch eine Phasenmodulation
erzeugt. Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es nicht erforderlich, dass
das regenerierte Taktsignal gegenüber dem Eingangssignal bzw.
gegenüber
dem amplitudenmodulierten Datensignal eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist jeder Arm des Interferometers
eine jeweils als nichtlineares Element ausgebildete Einrichtung
zur Phasenmodulation auf. Dabei moduliert jedes nichtlineare Element
das in den jeweiligen Arm übertragene
regenerierte Taktsignal durch das amplitudenmodulierte Datensignal
in seiner Phase. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Regel jeder
der Arme des Interferometers ein nichtlineares Element bzw. eine
Einrichtung zur Phasenmodulation aufweisen wird. Dies ist in der
Regel deswegen erforderlich, da anzustreben ist, dass zwischen den
beiden Armen des Interferometers durch die jeweiligen nichtlinearen
Elemente eine Phasendifferenz von +π oder –π eingestellt wird, je nachdem,
ob es sich um eine logische Eins oder eine logische Null handelt,
und somit eine negative Phasenverschiebung realisierbar sein muss.
Wenn aber beispielsweise einer der Arme des Interferometers eine
inhärente
negative Phasenverschiebung aufweist, kann es ausreichend sein,
ein nichtlineares Element zur Steuerung der Phase lediglich in einem
der Arme des Interferometers vorzusehen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das amplitudenmodulierte
Datensignal an zwei Ausgängen
des Phasen-Amplituden-Wandlers in komplementärer Form bereitgestellt. Es
wird dann jeweils eines der komplementären Signale in einen Arm des
Interferometers eingekoppelt. Es liegt somit immer an einem der
beiden Ausgänge
des Phasen-Amplituden-Wandlers
eine logische Eins und am jeweils anderen Ausgang eine logische
Null an. Auf diese Weise ergibt sich eine Phasensteuerung in den beiden
Armen des Interferometers derart, dass der eine Arm, der mit einer
logischen Eins gesteuert wird, eine Phasenmodulation von π erzeugt,
während
die Phase in dem anderen Arm, der mit der logischen Null gesteuert
wird, unverändert
bleibt, in diesem Arm also eine Phasenmodulation von Null erzeugt wird.
Somit wird in jeweils einem Arm die volle Phasenmodulation von π erzeugt
und die Phase des jeweils anderen Armes unverändert gelassen. Diese Ansteuerung
ist symmetrisch, da immer jeweils ein Arm voll angesteuert wird
und der andere unverändert
bleibt.
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Die
mindestens eine Einrichtung zur Phasenmodulation des Interferometers
ist bevorzugt als optischer Halbleiter-Laserverstärker realisiert. Ein Halbleiter-Laserverstärker ist
im Wesentlichen eine Laserdiode, deren Facetten so präpariert
sind, dass trotz hoher Inversion im aktiven Medium kein Anschwingen
des Lasers erfolgt. Halbleiter-Laserverstärker sind
integriert optisch ausbildbar, so dass in vorteilhafter Weise der
gesamte Phasenschieber kompakt und integriert optisch hergestellt
werden kann. In dem Halbleiter-Laserverstärker erfolgt jeweils die erwähnte Kreuzphasenmodulation
zur Modulation des regenerierten Taktsignals durch das amplitudenmodulierte
Datensignal.
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Der
Phasenmodulator ist bevorzugt als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet, wobei das
Mach-Zehnder-Interferometer
in beiden Armen bevorzugt ein nichtlineares Element aufweist, in
denen jeweils das regenerierte Taktsignal durch das amplitudenmodulierte
Datensignal phasenmoduliert wird.
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Die
Verwendung von Mach-Zehnder-Interferometern ist jedoch nicht zwingend.
Grundsätzlich können auch
andere Interferometer zur Realisierung des Phasenmodulators verwendet
werden. Beispielsweise ist es alternativ denkbar, dass der Phasenmodulator
aus einem Michelson-Interferometer besteht. Am Eingang des Interferometers
ist ein verkoppelnder Zirkulator vorgesehen, der ein Eingangssignal
auf zwei Interferometerarme aufteilt. Die Enden der beiden Arme
sind mit spiegelnden Elementen versehen, so dass das Licht reflektiert,
wieder zusammengeführt
und durch den Zirkulator einem Ausgang zugeführt wird. In den beiden Armen
oder zumindest in einem der Arme des Interferometers ist dabei ähnlich wie
bei der Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers ein nichtlineares Element
zur Phasenmodulation vorgesehen, das mit dem amplitudenmodulierten
Datensignal beaufschlagt wird. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht
darin, dass die Änderung
der Phase in den beiden Armen des Michelson-Interferometers aufgrund der Reflektion
des Lichts nur halb so groß sein muss
wie bei der Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers. Nachteilig ist jedoch
die Notwendigkeit der Verwendung eines relativ kostenintensiven
Zirkulators.
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Der
Phasen-Amplituden-Wandler ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ebenfalls als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet. Dieses weist
zwei Eingänge
und zwei Ausgänge
auf, die jeweils über
einen 3 dB-Richtkoppler miteinander gekoppelt sind. Dabei ist der
eine Eingang des Mach-Zehnder-Interferometers
mit dem phasenmodulierten Eingangssignal und der andere Eingang des
Mach-Zehnder-Interferometers mit einem Taktsignal beaufschlagt.
In einem der Arme des Mach-Zehnder-Interferometers ist bevorzugt eine Phasenverschiebung
von 3/2 π im
Vergleich zu dem anderen Arm realisiert. Eine solche Anordnung führt dazu,
dass bei einer Phasenverschiebung von Null zwischen dem Eingangssignal
und dem Referenz-Taktsignal die Amplitude des einen Ausgangs maximal
wird und die Amplitude des anderen Ausgangs verschwindet. Bei einem
Phasenunterschied von π zwischen
dem Eingangssignal und dem Taktsignal ist die Situation genau entgegengesetzt.
Es ergeben sich somit komplementäre
Signale an den beiden Ausgängen
des Phasen-Amplituden-Wandlers, die direkt zur Steuerung des Phasenmodulatirs,
beispielsweise zur Steuerung zweier in den beiden Armen eines Mach-Zehnder-Interferometers
angeordneter nichtlinearer Elemente verwendet werden können.
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Der
Vorteil dieser Art der Phasen-Amplituden-Wandlung besteht darin,
dass er für
jede Art der Phasenmodulation einsetzbar ist (PSK, DPSK, BPSK, etc.).
Bei Verwendung einer DPSK-Modulation
bleibt dabei der differentielle Charakter des Signals erhalten,
da das phasenmodulierte Eingangssignal mit einem Referenzsignal
bzw. einem Referenztakt verglichen wird.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist der Phasen-Amplituden-Wandler als Delay-Line-Interferometer
ausgebildet, wobei dieser ebenfalls aus einem Mach-Zehnder-Interferometer
besteht. Beide Arme des Mach-Zehnder-Interferometers werden dabei
mit dem phasenmodulierten Eingangssignal beaufschlagt, wobei der
eine Arm im Vergleich zum anderen Arm eine Phasenverzögerung von
einem Bit realisiert. Das Ausgangssignal eines solchen Delay-Line-Interferometers
ist komplementär
und kann direkt zur Steuerung der beiden Arme eines Mach-Zehnder-Interferometers
mit nichtlinearen Elementen nach dem beschriebenen Schema verwendet
werden. Ein Delay-Line-Interferomter ist jedoch nur bei der Verwendung
DPSK-modulierter Signale möglich.
Auch wird darauf hingewiesen, dass bei dieser Variante der differentielle Charakter
der DPSK-Modulation des Signals durch das Delay-Line-Interferometer verloren geht. Dies
hängt damit
zusammen, dass das Delay-Line-Interferometer das Signal mit sich
selbst und nicht mit einem Referenztakt vergleicht. Dieses Problem
kann jedoch durch eine elektrische Vorkodierung dahingehend behoben
werden, dass die zu übertragenden
Bits anders kodiert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand
mehrer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration
phasenmodulierter Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt
und Phase;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
des Phasenmodulators der 1, wobei der Phasenmodulator die
Phaseninformation mittels einer Mach-Zehnder-Struktur und Kreuzphasenmodulation des
Taktsignals durch das amplitudenmodulierte Datensignal bei anderer
Wellenlänge
regeneriert;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
zur rein-optischen Regeneration DPSK-phasenmodulierter optischer
Signale unter Verwendung optischer Halbleiter-Laserverstärker als nichtlineare Elemente
und unter Verwendung eines Delay-Line-Interferometers als Phasen-Amplituden-Wandler;
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4 ein
alternatives Ausführungsbeispiel eines
Phasen-Amplituden-Wandlers
zur Erzeugung komplementärer
Signale an zwei Ausgängen
des Wandlers; und
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5 ein
alternatives Ausführungsbeispiel eines
Phasenmodulators, wobei der Phasenmodulator ein Michelson-Interferometer
umfasst.
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Die 1 zeigt
schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration
phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt
und Phase. Die Vorrichtung weist als Hauptkomponenten einen Phasen-Amplituden-Wandler 1,
eine Takt-Rückgewinnungs-Einrichtung 2 und
einen Phasenmodulator 3 auf. Das zu regenerierende, phasenmodulierte
optische Eingangssignal wird in einem Lichtwellenleiter 4,
beispielsweise einer Lichtleitfaser, bereitgestellt. Es weist die Wellenlänge λ1 auf. Das
Eingangssignal wird durch einen 3 dB-Richtkoppler 5 (oder
alternativ einen Y-Verzweiger) zu gleichen Teilen dem Phasen-Amplituden-Wandler 1 und
der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 zugeführt.
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Der
Phasenmodulator 3 besteht aus einem Mach-Zehnder-Interferometer mit
zwei Armen 31, 32. In die beiden Arme 31, 32 wird
zum einen das Ausgangssignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 und
zum anderen das Ausgangssignal des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 eingekoppelt.
Dabei weist der Phasen-Amplituden-Wandler 1 zwei
Ausgangstore 11, 12 auf, wobei jeweils ein Ausgangstor mit
einem der Arme 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 verbunden
ist. Das Ausgangssignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 wird über einen
3 dB-Richtkoppler 6 auf
zwei Wellenleiter 61, 62 aufgeteilt und über diese
ebenfalls den beiden Armen 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 zugeführt. Die
beiden Arme 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 sind
ausgangsseitig über
einen Richtkoppler 7 (oder alternativ über eine Y-Gabel, sofern in
dem unteren Arm 32 eine zusätzliche Phasendrehung von π/2 realisiert
würde)
miteinander gekoppelt. Einer der Ausgänge 71 dieses Richtkopplers 7 stellt
das Ausgangssignal bereit. Der andere Ausgang des Richtkopplers 7 wird
nicht beachtet. Ein optisches Filter 8, das sich an den
Ausgang des Phasenmodulators 3 anschließt, dient dem Herausfiltern
des regenerierten Datensignals.
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Der
als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildete Phasenmodulator 3 weist
in seinen beiden Armen 31, 32 jeweils ein nichtlineares
Element 34, 35 auf, das mit Signalen von dem Phasen-Amplituden-Wandler 1 und
mit Signalen von der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 beaufschlagt
wird.
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Die
Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt.
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Im
Phasen-Amplituden-Wandler 1 erfolgt eine Umwandlung des
optischen, phasenmodulierten Eingangssignals in ein amplitudenmoduliertes
Signal. Die Phaseninformation des zu regenerierenden Signals, die
das eigentliche Datensignal codiert, wird somit in eine Amplitudeninformation
umgewandelt. Wie dies beispielsweise erfolgt, wird weiter unten
anhand der 3 und 4 erläutert.
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Die
Taktrückgewinnungs-Einrichtung
(CR – clock
recovery) 2 extrahiert aus dem Datenstrom am Eingang der
Vorrichtung ein optisches Taktsignal und stellt an seinem Ausgang
ein regeneriertes Taktsignal bereit. Dieses besteht aus einer Folge
von logischen Eins-Signalen, die im regenerierten Takt ausgegeben
werden. Die Taktrückgewinnungs-Einrichtung
führt dabei
eine an sich bekannte 3R-Regeneration hinsichtlich Pulsform, Pulshöhe und Takt
durch. Das bereitgestellte Signal weist eine Wellenlänge λ2 auf, die
sich von der Wellenlänge λ1 des Eingangssignals
unterscheidet. Beispielsweise liegt λ1 bei 1550 nm und λ2 bei 1560
nm.
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Derartige
Taktrückgewinnungs-Einrichtungen 2 arbeiten
beispielsweise derart, dass das ankommende optische Signal unter
Beachtung der Polarisation kohärent
mit dem Ausgang eines Lokallasers überlagert wird. Nach der Mischung
von Empfangssignalen und Lokaloszillatorsignal wird in einer Fotodiode
nur das aus der optischen Differenzfrequenz gebildete elektrische
Signal schmalbandig verstärkt.
Das elektrische Signal wird 3R regeneriert und anschließend erneut
in ein optisches Signal umgewandelt. Bei einer solchen Taktrückgewinnung geht
die Phaseninformation verloren. Derartige Taktrückgewinnungs-Einrichtungen
sind kommerziell erhältlich
und dem Fachmann bekannt. Ein entsprechendes Produkt wird beispielsweise
vom Fraunhofer-Institut
für Telekommunikation,
Heinrich-Hertz-Institut, Einsteinufer 37, 10587 Berlin
unter der Bezeichnung „OptoClock
40 GHz, Typ: Pk2.40G.1559" verkauft.
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In
dem Phasenmodulator 3 in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers wird
wie bereits erläutert
sowohl das amplitudenmodulierte Datensignal, das am Ausgang des
Phasen-Amplitudenwandlers 1 anliegt, als auch das regenierte
optische Taktsignal, das am Ausgang der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 anliegt,
eingespeist. Die in den beiden Armen 31, 32 des
Mach-Zehnder-Interferometers
angeordneten nichtlinearen Elemente 34, 35 dienen
der Steuerung der Phase des regenerierten Taktsignals entsprechend
dem amplitudenmodulierten Datensignal. Dabei wird das amplitudenmodulierte
Datensignal des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 zusätzlich zu
dem Ausgangssignal der Taktrückgewinnungs-Schaltung 2 jeweils
in das nichtlineare Element 34, 35 eingebracht.
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Die
Steuerung der Phase des Taktsignals durch das amplitudenmodulierte
Datensignal erfolgt mittels Kreuzphasenmodulation. Dabei ändert die
zusätzliche
Leistung, die das amplitudenmodulierte Datensignal bereitstellt,
innerhalb des nichtlinearen Elementes 34, 35 den
Brechungsindex und somit die Phase des Signals. Am Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers 3 interferieren
die Signale der beiden Arme 31, 32 je nach der
Phasendrehung, die sie in den nichtlinearen Elementen 34, 35 erhalten.
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Das
optische Filter 8 filtert das regenerierte Datensignal
der neuen Wellenlänge λ2 heraus.
So stehen am Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers das regenerierte
und nun auch phasenmodulierte Taktsignal, das das regenerierte Datensignal
bildet, der Wellenlänge λ2 und das
amplitudenmodulierte Datensignal der Wellenlänge λ1 zur Verfügung. Der Filter 8 filtert
das regenerierte Datensignal der Wellenlänge λ2 heraus.
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Es
ist somit vorgesehen, dass die 3R-Regeneration der Pulsform, der
Pulshöhe
und des Taktes (Jitter) durch eine an sich bekannte Taktrückgewinnung
erzielt wird. Die zusätzliche
Auffrischung der Phaseninformation erfolgt im Mach-Zehnder-Interferometer 3 mittels
der Elemente 34, 35, in denen das reine, aufgefrischte
Taktsignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 durch
Kreuzphasenmodulation phasenmoduliert wird. Das amplitudenmodulierte Datensignal
erhöht
in Abhängigkeit
davon, ob es eine logische Eins oder eine logische Null darstellt,
die Leistung innerhalb des nichtlinearen Elementes 34, 35.
Da die Kreuzphasenmodulation proportional zur Leistung innerhalb
des nichtlinearen Elementes ist, kann somit durch das amplitudenmodulierte
Datensignal die Phase des regenerierten Taktsignals in beiden Armen
des Mach-Zehnder-Interferometers
gesteuert werden.
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Dabei
ist bevorzugt vorgesehen, dass in den beiden Armen des Mach-Zehnder-Interferometers 3 eine
Phasendifferenz der Arme zueinander von +π oder –π eingestellt wird, je nachdem,
ob es sich um eine logische Eins oder um eine logische Null handelt.
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Die
Phasenregeneration stellt eine echte Regeneration der Phaseninformation
und nicht lediglich ein Beibehalten der Phaseninformation des Eingangssignales
insofern dar, als das Mach-Zehnder-Interferometer aufgrund seiner
nichtlinearen Kennlinie das Rauschen in der Phase unterdrückt und
die Phasenlagen von Null und π bevorzugt
bereitstellt. Dies erfolgt insofern, als Phasenfehler des zu regenerierenden
Eingangssignals zunächst
in Amplitudenschwankungen des amplitudenmodulierten Signals umgewandelt
werden. Dies erfolgt bei der Signalumwandlung im Phasen-Amplitudenwandler 1. Die
Schwankungen in der Amplitude des amplitudenmodulierten Signals
führen
weiter dazu, dass die Phase des regenerierten Taktsignals in den
nichtlinearen Elementen 34, 35 zunächst nicht,
wie es ideal wäre,
um +π oder –π moduliert
wird, sondern um einen davon geringfügig abweichenden Wert. Hier kommt
nun aber die nichtlineare Kennlinie des Mach-Zehnder-Interferometers zum
Tragen, die diese kleinen Phasenungenauigkeiten ausgleicht. Dadurch
lassen sich Verbesserungen in der Phase erzielen, die durch eine
direkte Phasenmodulation nicht möglich
wären.
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Dabei
gilt für
das elektrische Feld am Ausgangstor eines Mach-Zehnder-Interferometers: Eout~cos (Δφ/2), wobei Δφ die Phasenänderung
darstellt, die die Signale der beiden Arme bei Durchlaufen der beiden
Arme zueinander erfahren. Dementsprechend wird die Phase an Null
oder π herangeschoben.
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Die 2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Phasenmodulators der 1. Wie sich aus der noch folgenden
Beschreibung der 3 und 4 ergibt, liegen
an den beiden Ausgangstoren 11, 12 des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 bevorzugt
zwei zueinander komplementäre
amplitudenmodulierte Datensignale vor. Es liegt somit immer an einem
der beiden Ausgänge
des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 eine logische
Eins und am jeweils anderen Ausgang des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 eine
logische Null vor. Dieses Paar (Null, Eins) oder (Eins, Null) wird
auf die beiden Arme 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 gegeben.
Null und Eins stellen dabei unterschiedliche Amplituden bzw. Intensitäten des
amplitudenmodulierten Datensignals dar.
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Mathematisch
lässt sich
die Beziehung beider Ausgänge
wie folgt formulieren: A2 = 1 – A1.
Dabei beschreiben A1 und A2 die Zustände der beiden Ausgänge. Damit
ergibt sich eine Phasensteuerung in den beiden Armen 31, 32 des
Mach-Zehnder-Interferometers,
bei der in dem Arm, der mit einer logischen Eins gesteuert wird,
eine Phasenmodulation von Π erzeugt
wird, während
die Phase im jeweils anderen Arm unverändert bleibt, also eine Phasenmodulation
von Null vorliegt. Es wird also in jeweils einem Arm die volle Phasenmodulation
von Π erzeugt und
die Phase des jeweils anderen Arms unverändert gelassen.
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Dies
erfolgt in den beiden nichtlinearen Elementen 34, 35 mittels
Kreuzphasenmodulation, wobei das regenerierte Taksignal über die
Wellenleiter 61, 62 in beide Arme des Mach-Zehnder-Interferometers 3 eingespeist
und in den nichtlinearen Elementen 34, 35 in der
Phase moduliert wird. Die beiden phasenmodulierten Teilsignale der
Arme 31, 32 werden am Ausgang 71 zusammengeführt und
bilden dort das auch hinsichtlich seiner Phase regenerierte Datensignal
der Wellenlänge λ2.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 unterscheidet sich in zwei Gesichtspunkten von
der Anordnung der 1. Zum einen ist vorgesehen,
dass die in den beiden Armen 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 angeordneten
nichtlinearen Elemente durch optische Halbleiter-Laserverstärker (SOAs) realisiert sind.
Diese können
in vorteilhafter Weise integriert ausgeführt und zusammen mit dem Mach-Zehnder-Interferometer 3 integriert
optisch ausgebildet werden, so dass eine kompakte Komponente für den Phasenmodulator 3 bereitgestellt
wird.
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Zum
anderen ist als Beispiel für
die Ausführung
des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 dieser durch ein Delay-Line-Interferometer 1' gebildet. Dieses
besteht wiederum aus einem Mach-Zehnder-Interferometer mit zwei
Armen 101', 102', die eingangsseitig
und ausgangsseitig durch einen 3 dB-Richtkoppler miteinander verbunden
sind. Durch eine Verzögerungseinrichtung 103' wird in dem
oberen Arm 101' eine
Verzögerung
um 1 Bit bzw. um die Phase π eingestellt.
Sofern das Eingangssignal DPSK-phasencodiert ist, führt eine
solche Anordnung zu einer automatischen Umwandlung von DPSK-Phasenmodulation
zu Amplitudenmodulation. Das an den beiden Ausgangstoren 11', 12' anliegende
Ausgangssignal ist komplementär
und kann direkt zur Steuerung der beiden Arme 31, 32 eines Mach-Zehnder-Interferometers 3 bzw.
dessen nichtlinearer Elemente 34, 35 entsprechend
den 1 und 2 verwendet werden.
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Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
eines Phasen-Amplituden-Wandlers,
der mit einer beliebigen Phasencodierung, nicht nur einer DPSK-Codierung
verwende werden kann, zeigt die 4.
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Der
Phasen-Amplituden-Wandler 1'' besteht wiederum
aus einem Mach-Zehnder-Interferometer, das zwei Arme 101'', 102'' aufweist.
Die Arme sind eingangsseitig durch einen 3 dB-Richtkoppler 9a mit zwei Eingangstoren 91a, 92a miteinander
verbunden. Ausgangsseitig sind die beiden Arme 101'', 102'' durch
einen ausgangsseitigen 3 dB-Richtkoppler 9b mit zwei Ausgangstoren 91b, 92b gekoppelt. Der
eine Arm 102'' ist derart
ausgebildet, dass das ihn durchlaufende Signal gegenüber dem
den anderen Arm durchlaufenden Signal mittels einer Einrichtung 103'' eine Phasenverschiebung Φ um 3/2 π erfährt.
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Die
Funktionsweise des Phasen-Amplituden-Wandlers 1'' der 4 ist wie
folgt. An das eine Eingangstor 91a wird das phasenmodulierte,
zu regenerierende Eingangssignal bzw.
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Datensignal
angelegt. An das andere Eingangstor 92a wird ein Clock-Signal
angelegt, mit dem die Phase des Datensignals verglichen wird. Bei
der realisierten zusätzlichen
Phasendrehung von 3/2 π in dem
einen Arm 102'' des Mach-Zehnder-Interferometers
erhält
man an den beiden Ausgangstoren 91b, 92b folgende
Ausgangssignale: A1 = E·exp(iφ)·(1 + i)·(1 + exp(iΔφ)) = E'·(1
+ exp(iΔφ)) A2 = E·exp(iφ)·(1 + i)·(1 – exp(iΔφ)) = E'·(1 – exp(iΔφ))
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Hierbei
wird davon ausgegangen, dass die beiden Koppler 9a, 9b des
Mach-Zehnder-Interferometers die Leistung jeweils zu 50% auf die
beiden Arme 101'', 102'' aufteilen und dass beide Eingangssignale
die gleiche Amplitude aufweisen. φ ist die absolute Phase des
Signals. Δφ gibt die
Phasendifferenz zwischen Takt- und Datensignal an. E und E' beschreiben einen
gemeinsamen Phasor, der sich aus den Phasoren des Eingangssignals
errechnen lässt. Es
handelt sich um einen komplexen Ausdruck, der jedoch zeitlich und
von der Phase unabhängig
ist, so dass sich das Ausgangssignal nur wegen der Ausdrücke in den
Klammern (1 + exp(iΔφ)) und (1 – exp(iΔφ)) ändert. Man
kann erkennen, dass bei Δφ = 0 die
Amplitude des Ausgangssignals A1 maximal wird und A2 verschwindet.
Im Falle eines Phasenunterschiedes Δφ = π verschwindet das Ausgangssignal
A1, und Betrag A2 wird maximal. Es ergeben sich somit an den beiden
Ausgängen 91b, 92b die
logischen Signale Eins und Null oder umgekehrt, je nachdem, ob der
Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen bei 0 oder bei π liegt.
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Es
liegen somit komplementäre
Signale an beiden Ausgängen 91b, 92b an,
die zur Steuerung des Phasenmodulators 3 entsprechend den 1 und 2 verwendet
werden können.
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Die 5 zeigt
eine alternative Realisierung eines Phasenmodulators 3'. Während der
Phasenmodulator in den Ausführungsbeispielen
der 1 bis 3 als Mach-Zehnder- Interferometer ausgebildet
ist, ist er in dem Ausführungsbeispiel
der 5 als Michelson-Interferometer ausgebildet. Der
Phasenmodulator weist eingangsseitig einen Zirkulator 10 mit
drei Anschlüssen 111, 112, 113 auf.
An den einen Anschluss 112 schließt sich ein 3 dB-Richtkoppler 6' an, der das über den
Anschluss 112 des Zirkulators 10 erhaltene Signal
zu gleichen Teilen auf zwei Wellenleiter aufteilt, die die beiden
Arme 31', 32' des Michelson-Interferometers 3' darstellen.
Am Ende der Arme 31', 32' ist jeweils
ein reflektierendes Element 310', 320' angeordnet, das das optische Signal jeweils
reflektiert. Des Weiteren ist in den beiden Armen 31', 32' des Michelson-Interferometers 3' jeweils ein
nichtlineares Element 34', 35' vorgesehen,
das einer Steuerung der Phase dient. Die nichtlinearen Elemente 34' können dabei
entsprechend den nichtlinearen Elementen 34, 35 der 1 bis 3 ausgebildet
sein.
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Die
nichtlinearen Elemente 34', 35' werden dabei
zusätzlich
mit einem Signal beaufschlagt, das von den beiden Ausgängen 11, 12, 11', 12', 91b, 92b eines
Phasen-Amplituden-Wandlers 1, 1' 1'' entsprechend
den 1 bis 4 ausgegeben wird. Hierzu sind
schematisch zusätzliche
Eingänge 340', 350' dargestellt.
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Über den
Anschluss 111 wird dem Zirkulator 10 das regenerierte
Taktsignal zugeführt,
das von der Taktrückgewinnungs-Schaltung 2 (vgl. 1 bis 3)
bereitgestellt wird. Dieses Eingangssignal wird durch den Zirkulator 10 an
den nächsten
Anschluss 112 weitergegeben und in dem 3 dB-Richtkoppler 6' zu gleichen
Teilen auf die Arme 31', 32' aufgeteilt.
Das regenerierte Taktsignal durchläuft nun die beiden Arme 31', 32' und dabei die
nichtlinearen Elemente 34', 35'. In diesen
wird die Phase des regenerierten Taktsignales durch das ebenfalls
zugeführte
amplitudenmodulierte Datensignal, das in komplementärer Form
an den zwei Ausgängen
des Phasen-Amplituden-Wandlers bereitgestellt wird, moduliert. Die
Steuerung erfolgt dabei beispielsweise mittels der bereits beschriebenen Kreuzphasenmodulation.
An den reflektierenden Elementen 310', 320' wird das Signal jeweils reflektiert,
worauf es erneut die nichtlinearen Elemente 34', 35' durchläuft und dann über den
3 dB-Richtkoppler 6' zusammengeführt wird.
Dabei interferieren die beiden wieder zusammengeführten Teilsignale.
Das dabei entstehende Signal wird dann dem Anschluss 112 des
Zirkulators 10 zugeführt.
Von diesem wird es an den Anschluss 113 des Zirkulators 10 weitergegeben.
Am Anschluss 113 wird das regenerierte und nun auch phasenmodulierte
Taktsignal, das das regenerierte Datensignal bildet, bereitgestellt.
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Da
bei der Ausbildung des Phasenmodulators als Michelson-Interferometer aufgrund
der Reflektion des Lichtes der jeweilige Arm 31', 32' und die in
diesen angeordneten nichtlinearen Elemente 34', 35' zweifach durchlaufen
werden, muss die Änderung
der Phase im nichtlinearen Element 34', 35' nur halb so groß sein wie
bei der Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers.