DE19536024A1

DE19536024A1 - Optical multiple transmission path with single laser light source

Info

Publication number: DE19536024A1
Application number: DE1995136024
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Harten
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1997-04-10

Abstract

Light with constant intensity from a laser light source is delivered to several modulators. Light from one modulator is sent to a receiver as an optical signal. An extremely high data transmission rate of up to 2.5 Tbit/s for a 50 m long glass fibre connection is obtainable. A transmission rate of up to 10 Tbit/s for free transmission paths is achievable. A coupler is provided between the laser light source and the multiple modulators. A monomode glass fibre including several monomode conductors forms a multiple parallel transmission path. The light source, modulators, and coupler are integrated in a single semiconductor substrate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Übertra gung einer Mehrzahl von Signalen.The invention relates to an arrangement for optical transmission supply of a plurality of signals.

In modernen elektronischen Schalteinrichtungen aus den Berei chen der Nachrichtentechnik oder der Großrechner fuhren zu nehmende Integration und steigende Leistungsanforderungen zu höheren Verbindungsanzahlen mit gleichzeitig höherer Datenra te zwischen den Bausteinen. Je nach Systemkomplexität sind dabei solche Verbindungen nicht nur auf einzelnen Leiterplat ten, sondern auch zwischen Leiterplatten, die sich in ver schieden Baugruppenträgern oder sogar Gestellschränken befin den können, erforderlich.In modern electronic switchgear from the sector telecommunications or mainframes were leading increasing integration and increasing performance requirements higher number of connections with higher data rate between the building blocks. Depending on the system complexity such connections not only on individual circuit boards ten, but also between circuit boards that are in ver different subracks or even rack cabinets that can, required.

Herkömmliche Verbindungssysteme basieren auf elektrischen Leitungen. Bei großen Verbindungsdichten mit hohen Bitraten werden ab einer Verbindungslänge von einigen Zentimetern elektrische Wellenleiterstrukturen nötig, die neben den Nach teilen erhöhter Verlustleistung und Dämpfung auch störemp findlich (Nebensprechen) sind. Zudem treten Laufzeitschwan kungen in der Größenordnung von 50 ps/m auf, welche bei syn chroner Parallelübertragung dazu führen können, daß die Daten beim Empfang nicht mehr ausreichend synchronisiert sind.Conventional connection systems are based on electrical Cables. With high connection densities with high bit rates are from a connection length of a few centimeters electrical waveguide structures necessary in addition to the Nach share increased power loss and damping are sensitive (crosstalk). In addition, runtime swan occur on the order of 50 ps / m, which with syn chronic parallel transmission can cause the data are no longer sufficiently synchronized when received.

Höher entwickelte Verbindungssysteme basieren auf optische Signale weiterleitenden Übertragungssystemen. Bei der Weiter leitung von optischen Signalen über Glasfasern betragen die Laufzeitschwankungen aufgrund von Materialinhomogenitäten nur 1,2 ps/m, Nebensprechen und Dämpfung sind unerheblich und darüber hinaus kann die erforderliche Leistungsaufnahme redu ziert werden. Bei Freistrahlverbindungen ist der Laufzeitun terschied sogar für alle praktischen Fälle vernachlässigbar, wenn die Verbindungslängen sorgfältig angeglichen sind. More sophisticated connection systems are based on optical ones Transmission systems for signals. In the next The transmission of optical signals over glass fibers is Runtime fluctuations due to material inhomogeneities only 1.2 ps / m, crosstalk and attenuation are irrelevant and in addition, the required power consumption redu be decorated. The runtime is unavailable for free jet connections even negligible for all practical cases, if the connection lengths are carefully matched.

Bisher werden für optische Verbindungen je ein Halbleiterla ser auf der Sendeseite und eine Fotodiode auf der Empfangs seite vorgesehen, die über eine Lichtleitfaser verbunden sind.So far, a semiconductor layer for optical connections water on the transmission side and a photodiode on the reception Page provided that is connected via an optical fiber are.

Für Mehrfach-Verbindungen gibt es zwei Ansätze, nämlich die Multifaserverbindung für synchrone Parallelübertragung mit Mehrfachanordnungen sowohl der Sender als auch der Empfänger und die Multiplexverbindung für serielle Übertragung mehrerer Signale auf einer gemeinsamen Übertragungsstrecke. Die in den Verbindungsmodulen eingesetzten direkt modulierten Halblei terlaser erfordern wegen ihrer stark temperatur- und alters abhängigen Kennlinien aufwendige Arbeitspunktregelungen, um Verzerrungen zu vermeiden und die Ausgangsleistung konstant zu halten. Die schaltungstechnisch günstige Direktansteuerung von Lasern mit Standard-CMOS- oder -ECL-Ausgängen ist zur Zeit nicht möglich, da Laser mit genügend niedrigen Schwell strömen kommerziell noch nicht zur Verfügung stehen. Die Di rektansteuerung bei hohen Datenraten erzeugt zusätzliche Ver zerrungen ("chirp") des optischen Signals durch nichtlineare Ladungsträgerdynamik im Laser.There are two approaches for multiple connections, namely Multifiber connection for synchronous parallel transmission with Multiple arrangements of both the transmitter and the receiver and the multiplex connection for serial transmission of several Signals on a common transmission path. The in the Connection modules used directly modulated half lead Due to their strong temperature and age, ter lasers require dependent characteristic curves complex working point regulations in order Avoid distortion and keep the output power constant to keep. The inexpensive direct control circuitry of lasers with standard CMOS or ECL outputs is available Time is not possible because the laser has a sufficiently low threshold stream are not yet commercially available. The Tues Actual control at high data rates generates additional ver distortion ("chirp") of the optical signal by nonlinear Charge carrier dynamics in the laser.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung zur Übertragung mehrerer optischer Signale anzugeben, bei der die angegebenen Nachteile vermieden sind.The invention is based on the problem of an arrangement for Specify transmission of multiple optical signals at which the specified disadvantages are avoided.

Das Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 ge löst.The problem is ge by the features of claim 1 solves.

Beim Gegenstand gemäß der Erfindung muß lediglich der Strom für den hohen optischen Intensitätspegel des einzigen Lasers geregelt werden. Im Hinblick auf herkömmliche Laser ist der ansonsten für jeden einzelnen einer Mehrzahl von Sendern er forderliche Aufwand für die Regelung sowohl des Schwellstro mes als auch des Stromes für den hohen optischen Intensi tätspegel vermieden. Der Einsatz einer Mehrzahl von technolo gisch schwierig beherrschbaren Niedrigschwellenlasern ist vermieden. Verzerrungen, sowohl durch Übersteuerung, als auch durch nichtlineare Ladungsträgereffekte, sind durch den Ein satz von Modulatoren an Stelle von direktangesteuerten Sende lasern vermieden. Ein gemäß der Erfindung technisch reali sierter Gegenstand erreicht einen extrem hohen Datendurchsatz von bis zu 2,5 Tbit/s für eine 50 m lange Glasfaserverbindung und 10 Tbit/s für Freistrahl-Übertragungsstrecken. Durch eine Erhöhung des Abschlußwiderstandes auf 100 Ω kann die Ver lustleistung auf 20 mW pro Modulator reduziert werden, womit eine vergleichsweise geringe Gesamtverlustleistung erreicht wird.In the article according to the invention, only the current is required for the high optical intensity level of the single laser be managed. With regard to conventional lasers otherwise for each of a plurality of transmitters required effort for the regulation of both the threshold current mes as well as the current for the high optical intensity avoided. The use of a variety of technolo is technically difficult to control low-threshold lasers avoided. Distortions, both from overdrive, as well by nonlinear charge carrier effects, are by the on set of modulators instead of directly controlled transmission avoided laser. A technically reali according to the invention object achieves extremely high data throughput of up to 2.5 Tbit / s for a 50 m long fiber optic connection and 10 Tbit / s for free beam transmission links. By a The termination resistance can be increased to 100 Ω pleasure power can be reduced to 20 mW per modulator, with what achieved a comparatively low total power loss becomes.

Der Gegenstand der Erfindung bietet die Möglichkeit, die La serlichtquelle LQ, den Koppler und mehrere Modulatoren zu ei nem vollständig monolithisch integrierten Sendemodul zusam menzufassen.The object of the invention offers the possibility of La ser light source LQ, the coupler and several modulators to egg nem completely monolithically integrated transmitter module to grasp.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserlichtquelle mehreren Kommunikationseinheiten (KE) ge meinsam. Diese Maßnahme erspart den Aufwand für die ansonsten für jede Kommunikationseinheit vorzusehende Laserlichtquelle.According to a particular embodiment of the invention Laser light source multiple communication units (KE) ge together. This measure saves the effort for the otherwise laser light source to be provided for each communication unit.

Die Erfindung wird nun in einem zum Verständnis erforderli chen Umfang als Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:The invention will now be required in an understanding Chen scope as an embodiment with reference to drawings described in more detail. Show:

Fig. 1 die prinzipielle Darstellung eines Übertragungssy stems gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows the schematic view of a Übertragungssy stems according to the invention,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Übertragungssy stems, die von der Erfindung Gebrauch macht. Fig. 2 shows another embodiment of a transmission system that makes use of the invention.

Fig. 1 zeigt ein Übertragungssystem, bei dem eine Kommunikati onseinheit KE1 über eine Mehrzahl von Übertragungsstrecken UES mit einer Kommunikationseinheit KE2 und einer Kommunika tionseinheit KE3 verbunden ist. Bei einer Ausführungsform sind die Kommunikationseinheit KE2 und die Kommunikations einheit KE3 zu einer einzigen Kommunikationseinheit KE2 vereint, wobei Übertragungsstrecken nur zwischen zwei Kommu nikationseinheiten KE1, KE2 gegeben sind. Eine Laserlicht quelle LQ gibt als ein im Dauerstrich betriebener zentraler Oszillator ausgangsseitig Laserlicht hoher, im wesentlichen konstanter Intensität ab. Die Laserlichtquelle LQ mag durch einen an sich bekannten Halbleiterlaser gegeben sein. Das von der Laserlichtquelle LQ abgegebene Laserlicht wird über einen oder mehrere kaskadierte passive Koppler mehreren Modulatoren M 1001 . . M 1008, M 1504 . . M 1512 zugeführt. Die Modulatoren mö gen durch an sich bekannte Modulatoren, die durch ein zugehö riges optisches oder elektrisches Signal ansteuerbar sind, gegeben sein. Die Modulatoren geben ausgangsseitig nach Maß gabe des ansteuernden Signales Laserlicht hoher oder niedri ger Intensität an die zugehörige Übertragungsstrecke ab. Die Modulatoren prägen also die zu übertragenden Daten auf das von der Laserlichtquelle LQ abgegebene Gleichlicht auf. Die Laserlichtquelle LQ, ein Koppler und mehrere Modulatoren bil den eine Sendeeinheit SE. Gemäß einer besonderen Ausführungs form der Erfindung ist die Sendeeinheit auf einem einzigen Halbleitersubstrat integriert. Wie der Literaturstelle "Semiconductor photonic integrated circuits," T.L. Koch and U. Koren, IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-27, pp. 641-653, 1991 zu entnehmen, ist eine monolithische Integration in ei ner gemeinsamen Halbleitertechnologie, wie z. B. der Indium- Gallium-Arsenid-Technologie (InGaAs-Technologie) möglich, da sich der Komponentenaufbau beim Übergang von einer Technolo gie, wie z. B. der Gallium-Arsenid (GaAs)-Quantenstruktur zu einer anderen, wie z. B. der Indium-Phosphid (InP)-Quanten struktur nur unwesentlich ändert. Fig. 1 shows a transmission system onseinheit KE1 via a plurality of transmission links UES with a communication unit KE2 and a communica tion in which a Kommunikati KE3 unit is connected. In one embodiment, the communication unit KE2 and the communication unit KE3 are combined to form a single communication unit KE2, transmission links only being given between two communication units KE1, KE2. A laser light source LQ emits laser light of high, essentially constant intensity on the output side as a central oscillator operated in a continuous wave. The laser light source LQ may be provided by a semiconductor laser known per se. The laser light emitted by the laser light source LQ is converted to several M 1001 modulators via one or more cascaded passive couplers. . M 1008, M 1504. . M 1512 fed. The modulators may be given by known modulators that can be controlled by an associated optical or electrical signal. On the output side, the modulators emit high or low intensity laser light to the associated transmission path in accordance with the triggering signal. The modulators thus impress the data to be transmitted on the constant light emitted by the laser light source LQ. The laser light source LQ, a coupler and several modulators form a transmitter unit SE. According to a special embodiment of the invention, the transmitter unit is integrated on a single semiconductor substrate. As the reference "Semiconductor photonic integrated circuits," TL Koch and U. Koren, IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-27, pp. 641-653, 1991 is a monolithic integration in a common semiconductor technology, such as. B. the indium gallium arsenide technology (InGaAs technology) possible, since the component structure during the transition from a technology, such as. B. the gallium arsenide (GaAs) quantum structure to another, such as. B. the indium phosphide (InP) quantum structure changes only slightly.

Die Modulatoren sind über Übertragungsstrecken UES 001 . . 008, UES 504 . . 512 mit Empfängern E 2001 . . E 2008, E 3504 . . E 3512 verbunden. Die Übertragungsstrecken, die optische Signale weiterzuleiten vermögen, können durch Freistrahlverbindungen, Glasfaserleitungen oder in einer besonderen Ausführungsart durch ein Monomodenglasfaserband gegeben sein. Die Empfänger mögen durch an sich bekannte Fotodioden gegeben sein.The modulators are UES 001 over transmission links. . 008, UES 504. . 512 with receivers E 2001. . E 2008, E 3504. . E 3512 connected. The transmission links, the optical signals are able to pass on, Fiber optic lines or in a special design be given by a monomode glass fiber ribbon. The recipients may be given by known photodiodes.

Die Sendeeinheit mag in einer Kommunikationseinheit KE1, die durch eine in einem Baugruppenträger angeordnete Baugruppe gegeben sein kann, angeordnet sein. Die von der Sendeeinheit abgehenden Übertragungsstrecken können zu einer einzigen Kom munikationseinheit KE oder zu mehreren Kommunikationseinhei ten KE2, KE3, die durch in verschiedenen Baugruppenträgern angeordnete Baugruppen gegeben sein können, führen.The transmission unit may in a communication unit KE1 by an assembly arranged in a subrack can be arranged. The from the sending unit outgoing transmission links can be to a single com communication unit KE or to several communication units ten KE2, KE3, which are in different subracks arranged modules can be given, lead.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der eine Verteilung mittels eines Kopplers des von der Laserlichtquelle LQ abgegebenen Gleichlichts auf mehrere Kommunikationseinheiten KE1, KE2 erfolgt. Die von den Modulatoren der Kommunikationseinheiten abgegebenen optischen Signale können zu beliebigen Kommunika tionseinheiten geführt sein. In Fig. 2 ist eine bidirektionale Übertragung jeweils mehrerer optischer Signale zwischen zwei Kommunikationseinheiten unter Einsatz nur einer Laserlicht quelle LQ gegeben. FIG. 2 shows an arrangement in which a distribution of the constant light emitted by the laser light source LQ to a plurality of communication units KE1, KE2 takes place by means of a coupler. The optical signals emitted by the modulators of the communication units can be routed to any communication units. In Fig. 2 a bidirectional transmission of several optical signals between two communication units using only one laser light source LQ is given.

Die Leistungsbilanz ermöglicht eine parallele Verbindungsan zahl von 8³ = 512. Glasfaserverbindungslängen von 50 m sind selbst für sehr große elektronische Schaltanlagen, die aus mehreren zehn Gestellschränken bestehen (z. B. Telefonvermitt lungsamt), ausreichend. Setzt man eine maximal zulässige Laufzeitvariation von einem Drittel Bit voraus, dann ergibt sich eine maximale Datenrate von 5 Gbit/s, die angesichts der Bandbreite der Modulatoren (größer 20 GHz) erreichbar ist. Der insgesamt erzielbare Durchsatz bei 512 Parallelverbindun gen beträft 2,5 Tbit/s. Für sehr kurze Verbindungswege und geometrische Anordnungen mit ununterbrochener Sichtlinie zwi schen Modulatoren und Empfängern lassen sich mit Kollimation soptiken an den Modulatorausgängen einfach Freistrahlverbin dungen herstellen, da die Modulatoren durch Monomodenwellen leitertechnik eine hohe Strahlqualität liefern. Bei Freistrahlverbindungen kann die volle Bandbreite der Modula toren ausgeschöpft werden, da Laufzeitunterschiede vermieden sind, was zu einem maximalen Datendurchsatz von 10 Tbit/s führt.The current account enables a parallel connection number of 8³ = 512. Fiber optic connection lengths of 50 m are even for very large electronic switchgear that come from there are several ten rack cabinets (e.g. telephone exchange office), sufficient. If you set a maximum allowable Runtime variation of a third bit ahead, then results a maximum data rate of 5 Gbit / s, given the Bandwidth of the modulators (greater than 20 GHz) is attainable. The total throughput that can be achieved with 512 parallel connections gene is 2.5 Tbit / s. For very short connections and geometric arrangements with uninterrupted line of sight between modulators and receivers can be collimated optics at the modulator outputs simply free jet connection manufacture because the modulators by monomode waves ladder technology deliver a high beam quality. At Open beam connections can cover the full range of Modula gates can be exhausted, since runtime differences are avoided are, resulting in a maximum data throughput of 10 Tbit / s leads.

Claims

1. Arrangement for optical transmission of a plurality of signals

- With a single laser light source (LQ) from the laser light largely constant intensity can be emitted
the laser light source is connected to a plurality of modulators (M),
at the output of a modulator a laser light influenced according to the associated signal can be emitted,
- The modulator is connected via a transmission link to an receiver (E).

2. Arrangement according to claim 1, characterized, that between the laser light source and a plurality of Mo a passive dulators, the laser light on the modulators dividing coupler (K) is arranged.

3. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that a transmission link with a free beam connection is formed.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that a mono combining several single-mode waveguides Modenglasfaserband for realizing several parallel overs transmission lines is given.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the light source, the coupler and several modulators on are integrated into a single semiconductor substrate.

6. Arrangement according to claim 5, marked by a semiconductor technology in indium gallium arsenide (InGaAs) executed arrangement.

7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the laser light source has multiple communication units (KE) is common.