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Die
Erfindung bezieht sich auf einen optoelektrischen Phasenregelkreis
zur empfangsseitigen Rückgewinnung
des Taktsignals eines in einem digitalen optischen Übertragungssystem
sendeseitig hochratig getakteten und übertragenen Datensignals mit
Nullrückführung mit
einem optisch schaltenden Phasenkomparator, einem elektronischen
Differenzverstärker
und einem spannungsgesteuerten Oszillator, wobei ein im Phasenkomparator
aus dem Vergleich des Datensignals und dem rückgewonnenen Taktsignal generiertes
Vergleichssignal zusammen mit einem auch aus dem Datensignal gewonnenen Auskopplungssignal über optoelektrische
Wandler den beiden Eingängen
des Differenzverstärkers
und das am Ausgang des Differenzverstärkers gebildete elektrische
Regelsignal über
einen Tiefpassfilter dem Oszillator zugeleitet wird, dessen eingeregeltes
Frequenzsignal als rückgewonnenes
Taktsignal ausgegeben wird.
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Die
empfangsseitige Rückgewinnung
des Taktsignals (Taktrückgewinnung)
in einem digitalen optischen Übertragungssystem
ist eine wesentliche Funktion beispielsweise in optischen Empfängern, optischen
Regeneratoren oder in zeitabhängigen Multiplexern
mit Add-Drop-Funktionen, aber auch in Messsystemen mit beispielsweise
einem Sampling-Oszilloskop. Das Ziel der Taktrückgewinnung besteht darin,
auf der Empfängerseite
einen zur Sendeseite möglichst
frequenz- und phasengleichen Takt (oder ein ganzzahliges Vielfaches
oder Anteile davon) des übertragenen
Datensignals zu erzeugen, um nur das Datensignal übertragen
zu müssen
und beispielsweise einen Kanal für
den Datentakt einzusparen. Dabei besteht das Problem, dass durch
unterschiedliche Umgebungstemperaturen, Bauteilunterschiede und
Alterungserscheinungen auf Sende- und Empfängerseite entstandene Frequenzabweichungen
und Phasenunterschiede zu kompensieren sind und der zurückgewonnene
Datentakt mit dem Datensignal in Phase zu halten ist. Zur Rückgewinnung
des Taktsignals aus einem hochbitratigen Datensignal mit Nullrückführung (Return
to Zero RZ), wie sie beispielsweise bei der Übertragung von optischen Datensignalen
im Zeitmultiplex (Optical Time Division Multiplexing OTDM) auftritt,
werden derzeit hauptsächlich
zwei Entwicklungsrichtungen verfolgt. Zum einen kann zur Taktrückgewinnung
eine direkte Einspeisung des Datensignals in einen optischen Oszillator
(beispielsweise mittels modengekoppeltem oder selbstpulsierendem
Laser) erfolgen, zum anderen kann aber auch eine Einkopplung des
empfangenen Datensignals in einen optoelektrischen Phasenregelkreis
(Phased Locked Loop PLL) mit einem Phasenkomparator erfolgen. Der
Phasenkomparator wird mit einem von einem spannungsgesteuerten Oszillator
(Voltage Controlled Oscillator VCO) erzeugten Frequenzsignal (rückgewonnenes
Taktsignal) elektrisch oder optisch angesteuert und vergleicht dieses
mit dem empfangenen Datensignal. Der Phasenunterschied wird dann
wiederum dem Oszillator als elektrisches Regelsignal zugeführt. Das Einrasten
des Phasenregelkreises auf dem Taktsignal des empfangenen Datensignals
gewährleistet eine
möglichst
stabile Taktrückgewinnung.
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In
einem Phasenregelkreis kann das Regelverhalten mit der Regelkurve
(repräsentiert
durch die Schaltfenster des Phasenkomparators) beschrieben werden.
Im gerasteten Zustand ist der Phasenregelkreis bestrebt, einen Punkt
auf der Regelkurve (den Arbeitspunkt) festzuhalten. Da für die Regelung
des Phasenregelkreises ein möglichst
linearer Zusammenhang zwischen Phase und Regelsignal benötigt wird,
bieten sich die Flanken des Schaltfensters als Regelbereich an.
Sinnvollerweise wird der Arbeitspunkt in die Mitte des Regelbereichs
gesetzt. Hierzu wird ein Gleichsignal von der Regelkurve abgezogen. In
bekannten Phasenregelkreisen wird das abzuziehende Gleichsignal
bestenfalls mit einem Abzweig vor dem Phasenkomparator aus dem Datensignal gewonnen.
Auf diese Weise wird aber nur eine unbefriedigende Unabhängigkeit
von Leistungsschwankungen erreicht. Nachteilig bei diesem Vorgehen
ist, dass bei subharmonischer Taktrückgewinnung das Regelsignal
nur aus einem periodisch wiederkehrenden Ausschnitt aus dem Datensignal
gewonnen wird, während
das abzuziehende Gleichsignal die Durchschnittsleistung des Datensignals
repräsentiert.
Leistungsschwankungen in einzelnen periodisch wiederkehrenden Ausschnitten
des Datensignals (beispielsweise durch Veränderung des Bitmuster-Verhältnisses
oder durch Instabilitäten
im optischen Multiplexer) führen
zur Verschiebung des Arbeitspunktes und damit zur Verschiebung der
Phasenlage des rückgewonnenen
Taktsignals. Weiterhin liegt der Arbeitspunkt in einem Bereich mit
schlechterem Signal-zu-Rausch-Verhältnis als es sich ergeben würde, wenn
der Arbeitspunkt in der Spitze des Schaltfensters läge.
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Der
der Erfindung nächstliegende
Stand der Technik wird in der Veröffentlichung IV von E.S. Awad at
al.: „All-optical
timing extraction with simultaneous Optical demultiplexing using
time-dependent loss saturation in Electro-Absorption Modulator" (CLEO 2002, Long Beach, Paper CPDB
9-1) beschrieben. Hieraus ist es für eine Taktrückgewinnung
bekannt, einen bidirektional mit zwei Signalen, dem Datensignal
und dem rückgewonnenen
und -geführten
Taktsignal, beaufschlagten elektroabsorbierenden Modulator in einem
Phasenregelkreis vorzusehen, der jedoch optisch angesteuert wird.
Dadurch wird eine hohe Eingangsleistung des Datensignals erforderlich.
Weiterhin ist mit einer optischen Ansteuerung ein Einsatz des Phasenregelkreises
für Datenraten oberhalb
von 40 Gbit/s nicht möglich.
Bei der optischen Ansteuerung erzeugt ein starker Puls im elektroabsorbierenden
Modulator eine schnelle Erhöhung
der Transmission, es folgt dann aber eine wesentlich langsamere
Erholzeit. Gerade die lange Erholdauer bewirkt jedoch, dass die
Schaltfenster (vgl. 2b ebenda) sehr
breit werden (dort über
20 ps). Dadurch wird ein Einsatz der Taktrückgewinnung bei hohen Datenraten
sehr schwierig. Mit dem bekannten optisch angesteuerten Phasenregelkreis
werden zwei phasenverglichene Signale erzeugt, wobei nur das erste
Signal aus dem Datensignal erzeugt wird. Das zweite Signal stammt
aus dem Taktsignal, dem im Phasenkomparator das Datensignal aufgeprägt wird.
Vom Prinzip ist dieses Signal ein regeneriertes Datensignal, unterscheidet
sich jedoch davon doch noch bezüglich
Zeit- und Intensitätsjitter,
Pulsform und Rauschuntergrund. Bei der Subtraktion der beiden Signale
von einander ergibt sich ein Signal, das nicht einer diskreten Differenziation
entspricht, es kann dieser jedoch bei geeigneten Randbedingungen
sehr nahe kommen. Da jedoch das eine Signal sendeseitig und das
andere empfangsseitig erzeugt wird, werden z.B. Intensitätsschwankungen
oder Veränderungen
des optischen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses Auswirkungen auf die
Regelung haben. In dem bekannten elektroabsorbierenden Modulator
erfolgt somit zwar auch eine gegenseitige Beeinflussung von Daten-
und Regeltaktsignalen, die Reaktion auf Leistungsschwankungen im
empfangenen Datensignal ist jedoch sehr empfindlich. Insbesondere bei
Veränderungen
des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
im Datensignal kommt es zu einer ungewollten Phasenverschiebung
des rückgewonnenen
Taktsignals. Außerdem
wird kein weiteres, auf dem Datensignal beruhendes und nicht rückgeführtes Signal zusätzlich durch
den Phasenkomparator geleitet.
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Aus
der Veröffentlichung
I von T. Yamamoto et al. „Clock
recovery from 160 Gbit/s data signals using phase-locked loop with
interferometric optical switch based on semiconductor optical amplifier" (Electronics Letters,
2001, Vol. 37, No. 8, pp. 509-510) ist ein optoelektrischer Phasenregelkreis bekannt,
der der subharmonischen Taktrückgewinnung
eines Taktsignals von 10 GHz aus einem 160 Gbit/s umfassenden RZ-Datensignal
dient. Letzteres wird einem Phasenkomparator in der SLALOM-Konfiguration
(Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror SLALOM) zugeführt. Im
Phasenkomparator wird das eingespeiste Datensignal mit dem rückgewonnenen
Taktsignal verglichen und dadurch das Vergleichssignal gebildet.
Dazu wird das Datensignal im Takt des subharmonischen Taktsignals
durchgeschaltet und gesperrt. Außerdem wird bei dem bekannten
Phasenregelkreis noch das hochratige Datensignal als Auskopplungssignal
an dem Phasenkomparator vorbeigeführt. Vergleichssignal und Auskopplungssignal
werden dann nach ihrer optoelektrischen Wandlung in langsamen Photodioden
einem elektronischen Differenzverstärker zugeführt. Das dort gebildete elektrische
Regelsignal wird über
einen Tiefpassfilter dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeleitet.
Durch dessen Einregelung mit dem Regelsignal wird das Taktsignal
zurückgewonnen. Dieses
wird elektrisch zur Verfügung
gestellt und nach einer elektrischoptischen Wandlung dem Phasenkomparator
aufgeprägt.
Dadurch erreicht die Taktrückgewinnung
nicht die optimale Stabilität
im gelockten Modus und zeigt einen nicht unerheblichen Zeitjitter
der Phasenlage. Weiterhin wirken sich Leistungsschwankungen des übertragenen
Datensignals, Schwankungen im Bitmuster und im Signal-zu-Rausch-Verhältnis problematisch
aus.
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Aus
der
US 4 535 459 ist
eine zur Veröffentlichung
I ähnliche
Schaltungsanordnung bekannt. Hier arbeitet eine erste Kombination
aus einem Flip-Flop und einem ExOr-Gatter (links in
3)
in einer Reihenschaltung als Phasenvergleicher, wohingegen eine
zweite Kombination (rechts in der
3) lediglich
ein phasenunabhängiges,
konstantes Referenzsignal erzeugt. Mit diesen Signalen kann jedoch keine
(diskrete) Differenziation realisiert werden. Des Weiteren ist das
mit dem offenbarten Signaldetektor ausführbare Signalverarbeitungsverfahren
ungeeignet für
Datenpulse, deren Pulslänge
wesentlich kürzer
ist als der Bitabstand. Dies ist jedoch in der optischen TDM-Technik grundsätzlich der
Fall.
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Weiterhin
ist es aus der Veröffentlichung
II von D.T.K. Tong at al. „160
Gbit/s clock recovery using electroabsorption modular-based phase-locked
loop" (Electronics
Letters, 2000, Vol. 36, No. 23, pp. 1951 bis 1952) bekannt, einen
elektroabsorbierenden Modulator (Electroabsorption Modulator EAM)
zur Taktrückgewinnung
als Vorteiler (Pre-Scaler) in einem Phasenregelkreis einzusetzen.
Aufgrund ihrer geringen Polarisationsabhängigkeit, ihres guten Extinktionsverhältnisses,
ihrer einfachen Handhabung und ihrer hohen Integrationsfähigkeit sind
elektroabsorbierende Modulatoren viel versprechende optische Bauelemente
für die
Verarbeitung von hochratigen optischen Datensignalen. In der genannten
Veröffentlichung
II wird die serielle Verknüpfung
von zwei elektroabsorbierenden Modulatoren als Pre-Scaler zur Erreichung
eines möglichst schmalen
Schaltfensters beschrieben.
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Schließlich ist
mit dem aus der
DE
197 17 586 C1 bekannten Takt- und Datengenerator ein Signalverarbeitungsverfahren
durchführbar,
bei dem das Signal mit drei Flip-Flops an drei Punkten im Zeitbild abgetastet
wird: in der Mitte des einen TDM-Kanals, in der Mitte eines benachbarten
TDM-Kanals und zwischen den beiden Kanälen. Das letztgenannte Abtastsignal
ist dabei gegenüber
den beiden erstgenannten Abtastsignalen konstant um T/2 verzögert. Die
beiden erstgenannten Abtastsignale werden jeweils mit dem letztgenannten
Abtastsignal über
ExOr-Gatter miteinander verknüpft
und weiterverarbeitet. Das Signal wird also immer an drei Punkten
abgetastet, um ein Phasenregelsignal zu erzeugen. Es wird dabei
auch keine Differenziation eines Datenkanals durchgeführt, sondern
vielmehr werden die Signale von zwei benachbarten TDM-Kanälen mit
dem Signal aus der „Lücke" zwischen ihnen verglichen. Diese
Methode arbeitet nur dann phasenstabil, wenn die fallende Flanke
des ersten TDM-Kanals mit der steigenden Flanke des folgenden TDM-Kanals
zeitlich zusammenfällt.
Sie ist somit ungeeignet beim Einsatz von Pulsen, wie sie in der
OTDM-Technik benutzt werden.
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Ausgehend
von dem nächstliegenden
Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung
darin zu sehen, den gattungsgemäßen Phasenregelkreis
so weiterzubilden, dass insbesondere aus hochratig getakteten Datensignalen
eine präzise Rückgewinnung
des Taktsignals mit einem möglichst geringen
Zeitjitter der Phasenlage und eine optimale Einraststabilität des Phasenregelkreises
erreicht wird. Dies soll für
einen möglichst
großen,
weitgehend linearen Regelbereich und einen möglichst großen Dynamikbereich des Datensignals
erzielt werden. Dabei sollen die im Phasenregelkreis verwendeten
Komponenten möglichst
einfach und damit kostengünstig,
aber trotzdem weitgehend unempfindlich gegenüber störenden Schwankungen unterschiedlicher
Art, insbesondere im übertragenen
Datensignal, sein. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist für den gattungsgemäßen optoelektrischen Phasenregelkreis,
dessen optisches Vergleichssignal zusammen mit einem auch aus dem
hochratig getakteten optischen Datensignal gewonnenen Auskopplungssignal
einem Differenzverstärker
zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungssignal vor dem einen
Phasenkomparator oder einem weiteren Phasenkomparator über ein
optisches Phasenverzögerungselement
und dann durch den einen Phasenkomparator oder durch den weiteren
Phasenkomparator geleitet und dort mit dem rückgewonnenen und -geführten Taktsignal überlagert
wird und dass die beiden in dem einen Phasenkomparator oder den
beiden Phasenkomparatoren gebildeten, phasenverschobenen Vergleichssignale den
beiden Eingängen
des Differenzverstärkers
zugeführt
werden. Vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung
näher erläutert.
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Die
vorliegende Erfindung geht von dem grundlegenden Lösungsansatz
aus, dass die oben genannten Nachteile umgangen werden können, wenn
der Phasenregelkreis mit einem Signal geregelt wird, das der ersten
Ableitung (Differenziation nach der Phase bzw. nach der Zeit) der
Regelkurve entspricht. Die Spitze eines Schaltfensters wird dann zum
Nulldurchgang der differenziellen Regelkurve. Wird der Arbeitspunkt
in diesen Nulldurchgang gelegt, liegt dieser optimal mittig im neuen
Regelbereich, unabhängig
von der momentanen Leistung im jeweiligen Datenkanal. Statt einer
echten mathematischen Differenziation lässt sich praktisch aber nur eine
diskrete Differenziation (ohne Normierung) durchführen. Dies
wird bei der Erfindung erreicht, indem nunmehr zwei in der Phase
(bzw. zeitlich) zueinander verschobene Regelkurven erzeugt werden,
die nach der Differenzbildung die differenzielle Regelkurve ergeben.
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Mit
dem Phasenregelkreis nach der Erfindung kann somit auch aus sehr
hohen Datensignalraten, beispielsweise 160 Gbit/s, das Taktsignal
für eine
weitere Signalverarbeitung stabil extrahiert werden. Niedrigere
oder auch höhere
Datenraten können
mit dem Phasenregelkreis nach der Erfindung zum Teil durch Einfügung entsprechender
dividierender oder multiplizierender Operatorelemente hinter dem
spannungsgesteuerten Oszillator ebenfalls bearbeitet werden. Beim Übergang
zu niedrigeren Datenraten ist vorteilhafterweise ein erneuter Abgleich des
Phasenverzögerungsbauelements
vor dem Phasenkomparator nicht erforderlich. Allerdings liegt das Hauptinteresse
grundsätzlich
auf hohen und ultrahohen Datensignalraten von 160 Gbit/s und mehr.
Aus diesen ist das Taktsignal mit den bekannten Phasenregelkreisen
schwerer zu extrahieren, da kürzere Schaltfenster
benötigt
werden. Diese führen
aber in der Regel zu einem geringeren Schaltkontrast und damit zu
einem schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Bei der Erfindung werden
diese Nachteile auch bei sehr hohen Datenraten weitgehend kompensiert,
es wird eine hohe Einraststabilität bei einfacher Abgleichsmöglichkeit
und Handhabung erreicht. Mit der elektrischen Ansteuerung des Phasenkomparators
mit einem hochfrequenten Taktsignal, beispielsweise einem RF-Signal,
wie sie bei dem Phasenregelkreis zur Taktrückgewinnung nach der Erfindung
vorgesehen ist, sind die erforderlichen schmaleren Schaltfenster
erzeugbar, sodass auch sehr hohe Datenraten bearbeitet werden können. Weitere vorteilhafte
Leistungsmerkmale der beanspruchten Schaltungsanordnung, die zur
Lösung
der gestellten Aufgabe beitragen, werden im Einzelnen im speziellen
Beschreibungsteil anhand von entsprechenden Diagrammen näher erläutert.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist die Erzeugung von zwei phasenverschobenen Vergleichssignalen
(Phasenkurven). Dabei ist die Phasenverzögerung zwischen den beiden
Phasenkurven hinsichtlich der Stabilität des Phasenregelkreises zu
optimieren. Je kürzer
die Verzögerung
der beiden Phasenkurven zueinander ist, desto mehr entspricht die
(diskret) differenzierte Phasenkurve einer echten Differenziation.
Es ist dann sichergestellt, dass der Phasenregelkreis im Schaltfenstermaximum
bei einem guten Signal-zu- Rausch-Verhältnis regelt.
Aufgrund der fehlenden Normierung (Teilung durch Δt) ist das
gewonnene differenzielle Regelsignal jedoch relativ schwach. Dieser
Umstand kann aber durch eine elektrische Nachverstärkung ausgeglichen
werden. Entspricht die Verzögerung
der halben Datensignalperiode, ist die Amplitude des differenziellen
Regelsignals maximal. Dann ist jedoch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis nicht
optimal. Des Weiteren führt
eine derartige Verzögerung
zu einem nichtlinearen Regelbereich in der differenziellen Regelkurve,
wenn das Schaltfenster kürzer
als die halbe Datensignalperiode ist. Die optimale Verzögerung ist abhängig von
der Datensignalrate und der Breite des Schaltfensters, die wiederum
vom eingesetzten Phasenkomparator und dessen Ansteuerung abhängt. Ist eine
gute Verzögerung
für die
höchste
Datensignalrate gefunden, funktioniert die Taktrückgewinnung bei niedrigeren
Datensignalraten genauso gut oder besser, ohne dass die Verzögerung geändert werden muss.
Bezüglich
der mit dem Phasenregelkreis nach der Erfindung bearbeitbaren höchsten Datensignalrate
liegt die optimale Verzögerung
im Bereich von etwa 1/6 bis 1/2 der Datensignalperiode, vorausgesetzt
das Schaltfenster ist nicht kürzer
als die Verzögerung.
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Die
Erzeugung der beiden Vergleichssignale kann bei der Erfindung auf
unterschiedliche Arten erfolgen. Dabei kann grundsätzlich von
zwei physikalisch verschiedenen Wegen oder von einem gemeinsamen
Weg für
die beiden Signale ausgegangen werden. Die einfachste, aber von
den verwendeten Bauteilen her relativ aufwändige Lösung ist die Verwendung von
zwei getrennten Phasenkomparatoren, wobei das Phasenverzögerungselement
in die Zuleitung zu einem der beiden Phasenkomparatoren integriert
ist (Erzeugung der zeitlichen Phasenverschiebung im Datensignal-
oder Auskopplungssignalpfad). Eleganter und kostengünstiger
ist die Verwendung von einem gemeinsamen Phasenkomparator, der der Erzeugung
beider Vergleichssignale dient. Bei einem bidirektionalen Durchgang
der beiden Vergleichssignale durch den Phasenkomparator entspricht
dies auch einer Aufteilung des Datensignals auf zwei (physikalische)
Pfade und Verzögerung
des einen Pfades (unterschiedlich lange optische Wege). Bei einem unidirektionalen
Durchgang durch den Phasenkomparator werden die beiden aufgeteilten
Datensignale vor der Verzögerung
zunächst
durch eine unterschiedliche Polarisation (zwei unabhängige, senkrecht
zueinander stehende Polarisationsebenen) von einander unterschieden.
Nach dem Durchgang durch den Phasenkomparator erfolgt die Detektion
ihrer Unterscheidung dann durch einen Polarisationsstrahlteiler.
Die Verzögerung
kann im unidirektionalen Betrieb beispielsweise mittels einer doppelbrechenden
Faser oder zwei Polarisationsstrahlteiler bzw. -vereiniger mit je
einer optischen Verbindung für jede
Polarisationsrichtung und einer optischen Verzögerung in einem Verbindungspfad
hervorgerufen werden. Zur Bereitstellung der zwei auf dem empfangenen
Datensignal beruhenden Signale am Eingang des Phasenregelkreises
kann gemäß einer
Erfindungsausgestaltung vorteilhaft das Auskopplungssignal über einen
optischen Koppler, insbesondere einen 3dB-Koppler, aus dem Datensignal
gewonnen werden. Durch die Verwendung des 3dB-Kopplers ist eine
gleichmäßige Aufteilung
der Signalleistung auf beide Signalpfade gewährleistet. Die Leistungsminderung
pro Signalpfad kann durch entsprechende Verstärkungsbauelemente im Phasenregelkreis
kompensiert werden. Dadurch können
auch andere Leistungsverteilungen zwischen den beiden Vergleichssignalen
vorgenommen werden, allerdings nur soweit, wie ein Ausgleich noch
möglich
und sinnvoll ist.
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Wesentliches
Element des besonders stabilen Phasenregelkreises nach der Erfindung
ist der bevorzugt eine implementierte Phasenkomparator, der bidirektional
oder unidirektional betrieben und in unterschiedlichen Ausführungsformen
gestaltet sein kann. Allgemein ist es beispielsweise möglich, einen halbleitenden
optischen Verstärker
(SOA), einen asymmetrischen Demultiplexer im THz-Bereich (TOAD),
ein symmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer
(SMZI), ein ultraschnelles nichtlineares Interferometer (UNI) oder
einen nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel (NOLM) als Phasenkomparator zu
verwenden. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des Phasenregelkreises nach der Erfindung
ist es aber besonders vorteilhaft, wenn der Phasenkomparator als
elektrisch angesteuerter elektroabsorbierender Modulator ausgebildet
ist. Dadurch können
die weiter oben bereits zum elektroabsorbierenden Modulator als
ultraschnellem Schalter erläuterten
Vorteile in die Erfindung miteinbezogen werden. Die Signaleinkopplung
kann über
einen Zirkulator (unidirektionaler Betrieb) oder zwei Zirkulatoren
(bidirektionaler Betrieb) erfolgen. Weiterhin können gemäß einer Erfindungsausgestaltung
anstelle der Zirkulatoren 3dB-Koppler eingesetzt sein. Dann ist
eine Integration des Phasenregelkreises in einen planaren Hybridaufbau
einer optisch-integrierten Schaltung möglich.
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Aus
der Veröffentlichung
III von I.D. Phillips et al.: „Simultaneous
demultiplexing and clock recovery using a single electroabsorption
modulator in a novel bi-directional configuration" (Optics Communications
150 (1998) pp 101-105) ist für
eine Taktrückgewinnung
zwar ein optoelektrischer Phasenregelkreis bekannt, der einen bidirektional
mit zwei Signalen beaufschlagten elektroabsorbierenden Modulator mit
einer hochfrequenten elektrischen Ansteuerung aufweist. Die Auswertung
der beiden Vergleichssignale des Phasenregelkreises erfolgt jedoch
nicht durch Differenzbildung. Es führen also Musterveränderungen,
insbesondere eine Veränderung
des Anzahlverhältnisses
der übertragenen
Null-Bits und Eins-Bits, Leistungsschwankungen und Änderungen des
Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
im übertragenen
Datensignal direkt zu einer unerwünschten Verschiebung der Phase
des rückgewonnenen
Taktsignals zum Datenstrom.
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Bei
der Ausgestaltung des optischen Phasenkomparators ist es gemäß einer
anderen Ausführungsvariante
der Erfindung auch möglich,
dass der Phasenkomparator als interferometrischer Schalter mit einer
SLALOM-Konfiguration (Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror
SLALOM) ausgebildet ist. Die Verwendung anderer interferometrischer Schalter,
beispielsweise eines Mach-Zehnder-Interferometers,
als Phasenkomparator ist ebenfalls möglich. Eine SLALOM-Konfiguration
ist prinzipiell aus der bereits weiter oben gewürdigten Veröffentlichung I zur Taktrückgewinnung
mit einem gattungsgemäßen Pha senregelkreis
bekannt Das Taktsignal des spannungsgesteuerten Oszillators wird
mittels einer so genannten „balanced
detection" gewonnen,
indem eine gewichtete Differenz der optischen Leistungen vor und
hinter dem optischen Schalter gebildet wird. Dadurch wird Schwankungen
in der durchschnittlichen Leistung des Datensignals entgegengewirkt,
jedoch ist eine Musterabhängigkeit
immanent. Die Arbeitspunkteinstellung des Phasenregelkreises erfolgt so,
dass auf einer Schaltfensterflanke geregelt wird. Die Erhöhung der
Datenrate führt
bei dieser bekannten Taktrückgewinnung
somit zur Abnahme des Schaltfensterkontrasts und damit zur Verminderung der
Stabilität
der Taktrück gewinnung.
So ist aus eigenen Versuchen der Anmelderin bekannt, dass der Haltebereich
des bekannten Aufbaus bei einer Datenrate von 160 Gbit/s derart
gering ist, dass ein Einrasten des Phasenregelkreises nur für kurze
Dauer gelingt, dieser somit relativ instabil ist.
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Das
Regelverhalten des Phasenregelkreises lässt sich entscheidend dadurch
verbessern, dass bei der bevorzugten Realisierung mit einer SLALOM-Konfiguration nach
der Erfindung aus dem Datenstrom vom Phasenregelkreis zwei Vergleichssignale
generiert werden, die senkrecht zueinander polarisiert und deren
Phasen in geeigneter Weise zueinander verschoben sind. Diese Anordnung
eignet sich auch für
nicht-interferometrische optische Schalter. Vorteilhafterweise kann
das dem optischen Schalter vorgeschaltete Phasenverzögerungselement
eine doppelbrechende Lichtleitfaser sein, weil bei geeigneter Einstellung
der Polarisation vor dieser Faser (45° zu den Hauptachsen der doppelbrechende
Lichtleitfaser) eine Aufteilung des Datensignals in zwei senkrecht
zueinander polarisierte und phasenverschobene Daten- bzw. Auskoppelsignale
erfolgt. Die Größe der Phasenverschiebung
wird bei gegebener doppelbrechender Faser durch ihre Länge bestimmt.
Nach der Differenzbildung beider Vergleichssignale ergibt sich im
Vergleich zur bisherigen Methode damit ein etwa doppelt so starkes
Regelsignal. Es ergeben sich weiterhin in Abhängigkeit von der eingestellten
Verzögerung – Differential
Group Delay DGD – eine
Vergrößerung des
Fang- und Haltebereichs des Phasenregelkreises, ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und
eine weitgehende Unabhängigkeit
vom auftretenden Bitmuster. Intensitätsschwankungen innerhalb des
empfangenen Datensignals und zwischen den Datensignalen verschiedener
Kanäle
haben ebenfalls nur einen geringen Einfluss auf die Stabilität der Taktrückgewinnung.
Das Eingangs-Datensignal kann über
mehr als 6 dB variiert werden, ohne dass der Phasenregelkreis ausrastet.
Gegenüber
dem weitgehend polarisationsunabhängigen Phasenregelkreis mit
einem elektroabsorbierenden Modulator ist bei dem Phasenregelkreis
mit einem interferometrischen Schalter jedoch auf die Datenpolarisation
zu achten. Da die SLALOM-Konfiguration aber relativ un empfindlich gegen
Intensitätsschwankungen
ist, können
kommerzielle Polarisationscontroller eingesetzt werden. Hierbei
handelt es sich um ein Stellelement, mit dem die Phaseverschiebung
definiert eingestellt und damit kontrolliert werden kann.
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Allgemein
kann der Phasenregelkreis nach der Erfindung noch vorteilhaft verbessert
werden, wenn gemäß einer
nächsten
Erfindungsfortführung die
Wandler zur optoelektrischen Wandlung der beiden Ausgangssignale
des Phasenregelkreises langsame Photodioden sind. Hierbei handelt
es sich um preiswerte, handelsübliche
Komponenten, die zur Kostengünstigkeit
der beanspruchten Schaltungsanordnung beitragen. Eine geringe Detektionsbandbreite
ist bereits je nach Anordnung ausreichend. Daneben kann nach einer
anderen Erfindungsausgestaltung der Wandler zur elektrooptischen
Wandlung des Taktsignals vorteilhaft von einem einstellbaren, modengelockten
Laser (Tunable Mode-Locked Laser TMLL) und einem Faserverstärker (Fiber
Amplifier FA, auch Erbium-dotiert EDFA) gebildet sein. Ein solcher
elektrooptischer Wandler ist beispielsweise auch aus der bereits
gewürdigten
Veröffentlichung
I bekannt und ermöglicht
eine gute und stabile Wandlung auch bei hohen Taktraten Ausbildungsformen der
Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren und
Diagrame beispielhaft näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 einen
allgemeinen Phasenregelkreis nach der Erfindung,
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2 einen
Phasenregelkreis nach der Erfindung mit einem EAM,
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3 ein
Signaldiagramm zum Phasenregelkreis mit EAM,
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4 ein
Augendiagramm und das rückgewonnene
Taktsignal nach elektro-optischer Wandlung im Phasenregelkreis mit
EAM,
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5 ein
Bitfehlerdiagramm zum Phasenregelkreis mit EAM,
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6 einen
Phasenregelkreis nach der Erfindung mit einem interferometrischen
Schalter in SLALOM-Konfiguration ,
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7 ein
Signaldiagramm zum Phasenregelkreis mit SLALOM und
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8 einen
Vergleich des Phasenregelkreises mit EAM mit dem Stand der Technik.
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Die 1 zeigt
schematisch einen optoelektrischen Phasenregelkreis PLL, mit dem
auf der Empfangsseite eines digitalen optischen Übertragungssystems das Taktsignal
TS eines sendeseitig im Zeitmultiplex (OTDM) hochratig getakteten
Datensignals DS mit einer Nullrückführung (RZ)
der einzelnen Datenpulse stabil zurückgewonnen werden kann. Optische
Signalpfade sind ausgezogen, elektrische strichliert dargestellt.
Zur Taktrückgewinnung
wird zunächst
aus dem empfangenen Datensignal DS über einen optischen Auskoppler
OC ein Auskopplungssignal CS generiert. Dieses wird dann über ein
Phasenverzögerungselement
DELAY geleitet und dadurch in seiner Phase gegenüber dem Datensignal DS zeitlich
verschoben. Eine alternative Führung
des Datensignals DS über
das Phasenverzögerungselement
DELAY ist auch möglich,
da es nur auf die relative Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen DS,
CS ankommt. Durch die Größe der eingestellten Phasenverschiebung,
bevorzugt zwischen 1/6 und 1/2 der Datensignalperiode, können die
Höhe und
die Form des Schaltfensters beeinflusst werden. Sowohl das Datensignal
DS als auch das Auskopplungssignal CS werden einem Phasenkomparator
PC gleich- oder gegenläufig
zugeführt.
Alternativ kann jedes Signal einem eigenen Phasenkomparator zugeführt werden.
Die im Phasenkomparator PC durch Vergleich mit dem rückgewonnenen
Taktsignal TS gebildeten optischen Vergleichsignale DCS und CCS
werden optoelektrischen Wandlern OEM, zugeführt und in elektrische Signale
umgewandelt. Diese werden auf die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers DA
gegeben. An dessen Ausgang steht dann das gebildete Regelsignal
RS an. Dieses wird über
ein Tiefpassfilter LPF an einen spannungsgesteuerten Oszillator
VCO weitergeleitet, der das rückgewonnene Taktsignal
TS (elektrisch oder optisch gewandelt) bereitstellt. Damit ist der
Phasenregelkreis PLL geschlossen. Über ein Operatorelement OP
kann das rückgewonnene
Taktsignal TS noch multipliziert oder dividiert werden, um es an
das Datensignal DS optimal anzupassen.
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In
der 2 ist eine Ausbildung des Phasenkomparators PC
als elektroabsorbierender Modulator EAM dargestellt (gleiche, hier
nicht erwähnte
Bezugszeichen sind der 1 zu entnehmen). Das Datensignal
DS und das Auskopplungssignal CS werden über Zirkulatoren C1 dem elektroabsorbierenden Modulator
EAM gegenläufig
zugeführt,
durchlaufen diesen bidirektional und verlassen den elektroabsorbierenden
Modulator EAM über
jeweils den anderen Zirkulator C1 wieder. Im ultraschnellen, elektroabsorbierenden
Modulator EAM werden die eingegebenen Signale DS, CS mit dem rückgeführten Taktsignal
TS korreliert und jeweils die Differenzfrequenzen gebildet. Der
optische Auskoppler OC ist als 3dB-Auskoppler ausgebildet, der die
Signalleistung gleichmäßig aufteilt.
Die optoelektrischen Wandler OEM sind im gewählten Ausführungsbeispiel als langsame Photodioden
PD (beispielsweise 100 MHz Bandbreite) ausgebildet. Das Tiefpassfilter
LPF hat beispielsweise eine 50 kHz Bandbreite.
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Das
Diagramm gemäß 3 zeigt
im oberen Teil die geschalteten Ausgangsleistungen (Amplitude [Volt])
des elektroabsorbierenden Modulators EAM über der relativen Phase. Dies
sind die Vergleichssignale in beiden Richtungen für ein hochfrequentes Taktsignal
von 40 GHz (RF-Signal). Aufgrund des Phasenverzögerungselement DELAY in einem
der beiden Signalpfade vor dem elektroabsorbierenden Modulator EAM
sind die beiden Vergleichssignale DCS, CCS einstellbar phasenverschoben.
Dadurch kann die Stabilität
und die Form des Regelsignals RS des Differenzverstärkers DA
(Schaltfenster) festgelegt werden. Die optimale Verzögerung ist
abhängig von
der Datenrate des empfangenen Datensignals DS. Experimente haben
aber gezeigt, dass bei einer Einjustierung der Verzögerung auf
eine Datenrate von 160 Gbit/s ein stabiler Einrastmodus auch bei
40 Gbit/s und 80 Gbit/s erreicht werden konnte, ohne dass die Verzögerung nachjustiert
werden müsste. Im
unteren Teil des Diagramms ist das ausgegebene Regelsignal RS des
Differenzverstärkers
DA dargestellt. Es zeigt sich ein vorteilhaft großer linearer
Kurvenabschnitt als optimaler Arbeitsbereich des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO. In der 4 ist das RZ-Augendiagramm (Amplitude über Zeit)
des Datensignals mit 160 Gbit/s und des rückgewonnenen Taktsignals von
10 GHz dargestellt. Gemessen wurde mit einem elektrischen Sampling-Oszilloskop mit
50 GHz Bandbreite und einer Triggerung mit dem 10 GHz-Signal des
Senders. Kanalsprünge
traten für mehrere
Stunden nicht auf. Ein Zeitjitter von nur 120 fs oder weniger konnte
beobachtet werden. Die Bitfehlerraten des mit dem 10 GHz-Signal
des Senders (Kreise, transmitter clock) und alternativ mit dem rückgewonnenen
Taktsignal (Dreiecke, recovered clock) gesteuerten Empfängers sind
in dem Diagramm gemäß 5 dargestellt
(Bitfehlerrate BER negativ logarithmisch über der Eingangsleistung des Empfängers – receiver
Input power in dBm). Ein gute Übereinstimmung
der beiden Kurven ist zu erkennen. Durch die Taktrückgewinnung
nach der Erfindung wird somit keine empfangsseitige Verschlechterung hervorgerufen.
-
In
der 6 ist eine Ausgestaltung des Phasenkomparators
PC in der Phasenregelschleife PLL nach der Erfindung in der Ausbildung
eines schnellen interferometrischen Schalters IS mit einer SLALOM-Konfiguration
gezeigt. Die optischen Signalpfade sind wiederum durchgehend, die
elektrisch strichliert dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
wird das Auskopplungssignal CS mittels einer doppelbrechenden Lichtleitfaser
DL gewonnen. Das erzeugte Auskoppelsignal CS ist senkrecht zum Datensignal
DS polarisiert. Gleichzeitig fungiert die doppelbrechende Lichtleitfaser
DL dabei als Phasenverzögerungselement
DELAY Beide Signale DS, CS werden gleichläufig, aber phasenverschoben
in den Phasenkomparator PC eingekoppelt und dort mit dem rückgeführten optischen
Taktsignal OTS korreliert. Es werden Vergleichssignale DCS, CCS
gebildet. Diese werden über
ein Bandpassfilter BPF zum Ausfiltern der optischen Taktsignale
einem Polarisationsstrahlteiler PBD zugeführt, der die Vergleichssignale DCS,
CCS optisch trennt und dem Differenzverstärker DA über optoelektrische Wandler
OEM (hier Photodioden PD) zugeführt.
Ein Polarisationssteller PCO dient der Einstellung der Intensität der Signale
DS und CS und der Polarisation der beiden Vergleichssignale DCS
und CCS. Das elektrische Regelsignal RS des Differenzverstärkers DA
wird dann in bekannter Weise über
einen Tiefpassfilter LPF dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO
zugeführt.
Dieser gibt das rückgewonnene
Taktsignal TS einerseits elektrisch aus, führt es aber auch über einen
elektrooptischen Wandler EOM und einen weiteren Bandpassfilter BPF
als hochfrequentes optisches Taktsignal OTS dem Phasenkomparator
PC zu, sodass die Phasenregelschleife PLL geschlossen ist. Im gewählten Ausführungsbeispiel
wird der elektrooptische Wandler EOM von einem einstellbaren, ultraschnellen
modengelockten Laser TMLL gebildet, an den sich ein Faserverstärker FA
anschließt.
Die Wirkungsweise des interferometrischen Schalters IS ist analog
zu der des elektroabsorbierenden Modulators EAM gemäß 2.
Dieser wird jedoch hochfrequent elektrisch angesteuert, der interferometrische Schalter
IS wird hochfrequent optisch angesteuert. In beiden Fällen aber
werden zwei Vergleichssignale DCS, CCS gebildet, in die jeweils
das rückgewonnene
Taktsignal TS eingeht, und beide Vergleichssignale DCS, CCS dem
Differenzverstärker
DA zugeführt. Beide
Ausführungsformen
erreichen durch die angenäherte
Differenziation einen besonders stabilen Einrastbetrieb des Phasenregelkreises
PLL mit einem großen
linearen Arbeitsbereich. Eine vergleichbare Qualität wie in 5 (BER)
wurde gezeigt.
-
In
der 7 ist das Signaldiagramm des Phasenregelkreises
PLL mit einem Phasenkomparator PC in SLALOM-Konfiguration gezeigt.
Im Diagramm sind unten die Schaltfenster (die Ausrichtung der Schaltfenster
ist gegenüber
der Darstellung in 3 invertiert) und oben das resultierende
Regelsignal RS gezeigt. Die mit dem interferometrischen Schalter
gewonnenen Schaltfenster sind zeitlich kürzer als die in 3 gezeigten
des elektroabsorbierenden Modulators EAM. Die liegt in erster Linie
an der unterschiedlichen Ansteuerung der beiden Schaltelemente.
Prinzipiell ist es möglich
mit dem elektroabsorbierenden Modulator EAM ebenso kurze Schaltfenster
zu erzeugen wie mit dem interferometrischen Schalter. Die Nutzung
kurzer Schaltfenster ist insbesondere bei hohen Datenraten notwendig.
Die Stärke
des Regelsignals RS ist bei gegebener Datenrate abhängig von
der zeitlichen Verschiebung der beiden Vergleichssignale DCS, CCS.
Das Regelsignal RS wird bei einer Verschiebung um die halbe Datenperiode
maximal (doppelt so stark wie bislang). Dies entspricht im Schaltfensterbetrieb
gegenphasigen Schaltfenstern. Die Phase der beiden Vergleichssignale
DCS, CCS ist dann derart verschoben, dass sie der Abtastung der
gegenüberliegenden Flanken
eines Schaltfensters entsprechen. In dieser Einstellung ist der
Fang- und Haltebereich des Phasenregelkreises PLL am größten.
-
Durch
den mit zwei zueinander phasenverschobenen Signalen erfolgenden
Betrieb des Phasenkomparators PC wird eine differenzielle Phasenauswertung
ermöglicht.
Die Wirkungsweise wird anhand des Diagramm in der 8 exemplarisch
für ein
aus dem Stand der Technik bekanntes, einfaches (links) und ein differenzielles
Schema nach der Erfindung (rechts) erläutert. Oben im Diagramm sind Schaltfenster
dargestellt, die mit den Photodetektoren PD der Elektronik der Taktrückgewinnung
aufgenommen wurden, unten wird das weiterverarbeitete Signal gezeigt,
das zur Regelung des spannungsgesteuerten Oszillators VCO verwendet
wird. Die Schaltfenster werden gemessen, indem der Phasenkomparator
PC (hier elektroabsorbierender Modulator EAM) elektrisch mit einer
Frequenz angesteuert wird, die leicht verschoben zur Frequenz des
optischen Datensignals DS ist. Das resultierende Vergleichssignal
DCS bzw. CCS repetiert mit der Differenzfrequenz und die Abszisse
skaliert mit der Phasendifferenz der am elektroabsorbierender Modulator
EAM eingehenden Signale DS und TS bzw. CS und TS. Bei der einfachen
Taktrückgewinnung
nach dem Stand der Technik wird der Arbeitspunkt durch eine Gleichspannung
festgelegt, die aus der durchschnittlichen Leistung des optischen
Datensignals DS gewonnen wird. Der Regelbereich des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO wird durch die Schaltfensterflanke repräsentiert.
Verändert
sich die Leistung in einem Datenkanal (beispielsweise bei OTDM),
hat dies eine Verschiebung der Phase des rückgewonnenen Taktsignals TS
zur Folge. Auch liegt der Arbeitpunkt dann nicht mehr mittig im
Regelbereich, sodass der Phasenregelkreis leichter ausrastet. Bei
der differenziellen Taktrückgewinnung nach
der Erfindung werden hingegen zwei zeitlich verschobene Schaltfenster
generiert. Durch Differenzbildung ergibt sich damit ein Regelsignal
RS, dessen Arbeitspunkt unabhängig
von der Leistung des Datenkanals immer mittig im Regelbereich liegt. Die
Größe des Regelbereichs
lässt sich
mit Hilfe der eingestellten optischen Verzögerung im Phasenverzögerungselement
DELAY zwischen den beiden Signalen DS, CS optimieren. In der differenziellen
Taktrückgewinnung
nach der Erfindung werden die Abhängigkeiten von Leistungsschwankungen,
dem Signal-Rausch-Verhältnis,
der Pulsform und dem übertragenen
Bitmuster damit weitestgehend eliminiert. Messungen ergaben, dass
sich die Langzeitstabilität der
Taktrückgewinnung
wesentlich verbessert hat.
-
- BER
- Bitfehlerrate
- BPF
- Bandpassfilter
- CCS
- Vergleichssignal
auf Basis vom CS
- CS
- Auskopplungssignal
- CI
- Zirkulator
- DA
- Differenzverstärker
- DCS
- Vergleichssignal
auf Basis vom DS
- DELAY
- Phasenverzögerungselement
- DGD
- Differential
Group Delay
- DL
- doppelbrechende
Lichtleitfaser
- DS
- Datensignal
- EAM
- elektroabsorbierender
Modulator
- EOM
- elektrooptischer
Wandler
- FA
- Faserverstärker
- IS
- interferometrischer
Schalter
- LPF
- Tiefpassfilter
- OC
- optischer
Auskoppler
- OEM
- optoelektrischer
Wandler
- OP
- Operatorelement
(Multiplizierer oder Dividierer)
- OTDM
- optischer
Zeitmultiplex
- OTS
- optisches
Taktsignal
- PBD
- Polarisationsstrahlteiler
- PC
- Phasenkomparator
- PCO
- Polarisationssteller
- PD
- Photodiode
- PLL
- optoelektrischer
Phasenregelkreis
- RF
- hochfrequentes
Signal (Radio Frequency)
- RS
- Regelsignal
- RZ
- Nullrückführung (Return-to-Zero)
- SLALOM
- Semiconductor
Laser Amplifier in a Loop Mirror (IS-Konfig.)
- TMLL
- einstellbarer
modengelockter Laser (Tun. Mode-Locked-Laser)
- TS
- Taktsignal
- VCO
- spannungsgesteuerter
Oszillator