DE19926124A1 - Anordnung zur Modulierung eines optischen Signals mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Modulators - Google Patents
Anordnung zur Modulierung eines optischen Signals mit Hilfe eines Mach-Zehnder-ModulatorsInfo
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Abstract
Ein eine Ansteuerelektrode (AE) aufweisender Single-Drive Mach-Zehnder Modulator (MZM) ist über einen Steuereingang (SE) mit dem Ausgang (AD, AF) eines Codierers (COD) zur Umwandlung eines binären Eingangssignals (ds k ) in ein mehrstufiges Signal (ss) verbunden. Ein an den Single-Drive Mach-Zehnder Modulator (MZM) herangeführtes, optisches Signal (os) wird in Abhängigkeit des mehrstufigen Signals (ss) mehrstufig moduliert. Vorteilhaft wird eine Reduzierung des technischen und somit wirtschaftlichen Aufwands bei der Realisierung von Schaltungen zur Partial-Response-Modulation optischer Signale (os) erreicht.
Description
In der aktuellen optischen Datenübertragungstechnologie spie
len duobinär-modulierte, optische Signale eine signifikante
Rolle. Dem Fachmann ist die Erzeugung duobinär-modulierter,
optischer Signale mit Hilfe einer zweikanaligen Ansteuerung
eines Mach-Zehnder-Modulators bekannt. Bei den bekannten Ver
fahren zur Duobinär-Modulation optischer Signale wird jeweils
ein "Dual-Drive Mach-Zehnder-Modulator" eingesetzt, welcher
zwei Ansteuerelektroden aufweist - z. B. ein Mach-Zehnder-Mo
dulator vom Typ m2624c (Dual Drive) der Firma Lucent micro
electronics. Zur Ansteuerung des Dual-Drive Mach-Zehnder-Mo
dulators wird an die beiden Ansteuerelektroden jeweils ein
ternäres bzw. duobinär-codiertes Signal herangeführt.
Mehrstufige Signale, wie z. B. ternäre bzw. duobinär-codierte
Signale werden insbesondere bei Basisbandübertragungsverfah
ren eingesetzt. Bei der Ternär- bzw. Duobinär-Codierung wird
ein binäres Eingangssignal in ein dreiwertiges Ausgangssignal
umgewandelt. Dem Fachmann ist die Erzeugung ternärer bzw. du
obinär-codierter Signale beispielsweise aus der Druckschrift
"Datenübertragung, Nachrichtentechnik in Datenverarbeitungs
systemen, Seite 114-133", Band 1, P. Bocker, Springer Verlag
1976, bekannt.
In Fig. 1 bis Fig. 3 sind drei allgemein bekannte Schaltungsan
ordnungen zur Erzeugung eines duobinär-modulierten, optischen
Signals mit Hilfe eines Dual-Drive Mach-Zehnder-Modulators
dargestellt. Zur Ansteuerung der beiden Ansteuerelektroden
des Dual-Drive Mach-Zehnder-Modulators sind diese mit einem
"Duobinär-Codierer" verbunden. Häufig ist dem Duobinär-Codie
rer bzw. dem Duobinärcoder ein Duobinär-Vorcodierer vorge
schaltet - in Fig. 1 bis 3 als "differential encoder" bezeich
net. Bei der im Duobinär-Vorcodierer realisierten Vorcodie
rung wird ein eingehendes, binäres Eingangssignal - mit einer
Datenübertragungsrate von beispielsweise 10 Gbit/s - in ein
verwürfeltes Ausgangssignal umgewandelt. Die Vorcodierung ist
notwendig, um eine anderenfalls schädliche Fehlerfortpflan
zung zu unterbinden. Gemäß Fig. 1 wird das vorcodierte Signal
anschließendE über einen ersten Verbindungszweig direkt einem
ersten Duobinärcoder - auch als "duobinary encoder" bezeich
net - und über einen zweiten Verbindungszweig in invertierter
Form einem zweiten Duobinärcoder zugeführt. In den Duobinär
codern wird das jeweils zugeführte, vorcodierte Signal - mit
Hilfe eines Verzweigers, eines Zeit-Verzögerungsgliedes und
eines Addierers - in ein ternäres bzw. duobinär-codiertes Si
gnal umgewandelt. Um ein schmales Übertragungsspektrum zu er
reichen, werden die störenden, jeweils im oberen Frequenzbe
reich der duobinär-codierten Signale enthaltenen, periodi
schen Spektralanteile mittels eines nachgeschalteten Tiefpaß
filters - in Fig. 1 als "LPF" bezeichnet - unterdrückt. Bei
spielsweise ist das Tiefpaßfilter derart ausgestaltet, daß
bei einer Datenübertragungsrate des duobinär-codierten Si
gnals von 10 Gbit/s die periodischen Spektralanteile oberhalb
von 5 GHz - entspricht annähernd der Hälfte der Datenübertra
gungsrate des codierten Signals - unterdrückt werden. Die ge
filterten, duobinär-codierten Signale werden anschließend den
beiden Ansteuerelektroden des Dual-Drive Mach-Zehnder-Modula
tors zugeführt. Die Duobinär-Modulation eines optischen
Signals mittels Duobinärcoder wird auch als "Delay & Add Duo
binary Transmitter" bezeichnet.
Die Funktion eines Duobinärcoders in Verbindung mit dem nach
geschalteten Tiefpaßfilter kann auch als digitales, nichtre
kursives Filter mit Tiefpaßverhalten aufgefaßt werden. Der
Betrag der Übertragungsfunktion der in Fig. 1 dargestellten
Anordnung weist dabei im Frequenzbereich von 0 bis 5 GHz ei
nen cosinus-förmig abfallenden Verlauf auf den Wert "0" auf.
Basierend auf diesem Frequenzverlauf kann die Funktion des
Duobinärcoders mit nachgeschaltetem Tiefpaß alternativ auch
durch einen einzigen Tiefpaß - auch als Duobinärfilter be
zeichnet - mit entsprechender Tiepaßcharakteristik realisiert
werden, beispielsweise mit 3 dB Abfall bei ca. 2,5 GHz. Die
darauf basierende Duobinär-Modulation des optischen Signals -
in der Literatur auch als "Phase Shaped Binary Transmission"
bezeichnet, ist in Fig. 2 dargestellt.
Gemäß einer in Fig. 3 dargestellten, dritten Schaltungsvari
ante wird die im Duobinärcoder realisierte Addition alterna
tiv im Mach-Zehnder-Modulator durchgeführt. Diese Schaltungs
variante - in Fig. 3 als "Duobinary Transmitter with Asymme
tric Binary Drive Signal" bezeichnet - hat starke Leistungs
einbußen zur Folge, da der Mach-Zehnder-Modulator bei dieser
Schaltungsanordnung nicht chirpfrei arbeitet, d. h. es wird
eine unerwünschte, zusätzliche Phasenmodulation des optischen
Signals verursacht.
Die Realisierung einer der in Fig. 1 bis 3 dargestellten
Schaltungsanordnungen zur duobinären Modulation eines opti
schen Signals und insbesondere die Realisierung der auf hohe
Datenübertragungsraten - z. B. 10 Gbit/s - abgestimmten Vorco
dierer, Duobinärcoder und Tiefpaßfilter ist mit erheblichen
technischen und somit wirtschaftlichen Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den wirtschaftli
chen Aufwand zur Realisierung einer mehrstufigen Modulation
eines optischen Signals zu reduzieren. Die Aufgabe wird durch
eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Modulierung eines op
tischen Signals mit Hilfe eines Mach-Zehnder Modulators ist
dieser mit einem Codierer zur Umwandlung eines eingehenden,
binären Eingangssignal in ein mehrstufiges Signal verbunden.
Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Anordnung be
steht darin, daß der Mach-Zehnder Modulator als einen Steuer
eingang aufweisender Single-Drive Mach-Zehnder Modulator aus
gestaltet ist. Der Codierer ist über einen Ausgang mit dem
Steuereingang des Single-Drive Mach-Zehnder Modulators ver
bunden, wobei das optische Signal in Abhängigkeit von dem
mehrstufigen Signal mehrstufig moduliert wird.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung be
steht darin, daß durch die Realisierung einer mehrstufigen
Modulation eines optischen Signals mittels einkanaliger An
steuerung eines den Push-Pull-Betrieb mit einer Ansteuerelek
trode realisierenden Single-Drive Mach-Zehnder Modulators der
hardwaretechnische Aufwand bekannter Schaltungen annähernd
halbiert wird. Der Single-Drive Mach-Zehnder Modulator weist
nur eine Ansteuerelektrode auf und ist intern so verschaltet,
daß an den beiden die Modulation des optischen Signals steu
ernden Wellenleiter-Armen gegenphasige Spannungen anliegen -
auch als "Push-Pull-Betrieb" bezeichnet. Die für die Ansteue
rung des Mach-Zehnder-Modulators erforderlichen, elektrischen
Komponenten, wie z. B. Vorcodierer, Duobinärcoder und Filter,
sind insbesondere bei Verwendung bei hohen Datenübertragungs
raten mit einem erheblichen Kostenfaktor verbunden. Vorteil
haft kann durch die Halbierung des Hardwareaufwands der wirt
schaftliche Aufwand zur Realisierung von Schaltungen zur
mehrstufigen Modulation optischer Signale erheblich reduziert
werden. Desweiteren wird durch die erfindungsgemäße, einkana
lige Ansteuerung des Mach-Zehnder-Modulators das bei der be
kannten zweikanaligen Ansteuerung auftretende Problem der un
erwünschten, zusätzlichen Phasenmodulation des optischen
Signals - auch als "Chirp" bezeichnet - umgangen. Das Auftre
ten von "Chirp" kann bei Dual-Drive Mach-Zehnder Modulatoren
nur vermieden werden, wenn beide Ansteuerkanäle des Mach-
Zehnder Modulators mit den exakt gleichen aber gegenphasigen
Signalen beaufschlagt werden, was jedoch einen erhöhten tech
nischen Aufwand erfordert. Da die exakte, gegenphasige An
steuerung bei Verwendung eines Single-Drive Mach-Zehnder-Mo
dulators - bedingt durch die interne Verschaltung - gegeben
ist, kann vorteilhaft der technische Aufwand weiter minimiert
werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Anordnung anhand
zweier Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 4 die Realisierung einer Duobinär-Modulation eines
optischen Signals mittels einkanaliger Ansteuerung
eines Single-Drive Mach-Zehnder-Modulators basie
rend auf einem Duobinärcoder, und
Fig. 5 die Realisierung einer Duobinär-Modulation eines
optischen Signals mittels einkanaliger Ansteuerung
eines Single-Drive Mach-Zehnder-Modulators basie
rend auf einem Duobinärfilter mit entsprechend ab
gestimmten Tiefpaß-Eigenschaften.
Fig. 4 zeigt in einem Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung
zur Realisierung einer Duobinär-Modulation eines optischen
Signals mit Hilfe eines den Push-Pull-Betrieb mit einer An
steuerelektrode realisierenden Single-Drive Mach-Zehnder-Mo
dulators MZM. Der Single-Drive Mach-Zehnder-Modulator MZM
weist einen optischen Eingang EOM auf, an welchen über einen
optischen Ausgang AO und einen Lichtwellenleiter LWL, eine
Lichtquelle OQ - beispielsweise eine Laserdiode - angeschlos
sen ist. Über einen optischen Ausgang AOM ist der Mach-Zehn
der-Modulator MZM über einen weiteren Lichtwellenleiter LWL
an ein nicht dargestelltes, optisches Kommunikationsnetz an
geschlossen. Die Ansteuerelektrode AE des Mach-Zehnder-Modu
lators MZM ist über einen Steuereingang SE des Mach-Zehnder-
Modulators MZM und eine Verbindungsleitung mit einem Ausgang
AF einer Tiefpaß-Eigenschaften aufweisenden Filtereinheit FE
verbunden, welche wiederum über einen Eingang EF an einen
Ausgang AD eines als Duobinärcoder DBC ausgestalteten Mehr
stufen-Codierer angeschlossen ist. Im Duobinärcoder DBC sind
die dem Fachmann bekannten, für die Durchführung einer mehr
stufigen Duobinär-Codierung erforderlichen elektrischen Kom
ponenten - z. B. ein Verzweiger, ein Zeit-Verzögerungselement
T und ein Summierer - angeordnet. An einen Eingang ED des Du
obinärcoders DBC ist ein Ausgang AV eines Vorcodierers VC
herangeführt. Durch die Kombination des Vorcodierers VC in
Verbindung mit dem Duobinärcoder DBC und der nachgeschalteten
Filtereinheit FE ist die Funktion eines Duobinär-Codierers
zur Umwandlühg eines binären Eingangssignals in ein ternäres,
duobinär-codiertes Ausgangssignal realisiert - in Fig. 4 durch
ein strichliertes Rechteck COD gekennzeichnet.
Ein an einem Eingang EV des Vorcodierers VC anliegendes, bi
näres Eingangssignal dsk - beispielsweise durch einen nicht
dargestellten, binären Codegenerator mit einer Datenübertra
gungsrate von 10 Gbit/s erzeugt - wird durch im Vorcodierer
VC angeordnete und nicht näher beschriebene Schaltmittel für
die nachfolgende Duobinär-Codierung entsprechend vorcodiert.
Als Beispiel für die im Vorcodierer VC realisierte Vorcodie
rung des binären Eingangssignals dsk sei die Exklusiv-ODER-
Verknüpfung des invertierten, binären Eingangssignals dsk mit
dem um 1 Bit verzögerten Ergebnis dieser Operation gemäß der
Verknüpfungsvorschrift
vcdk = dsk ' = ⊕ dsk-1 '
genannt. Das vorcodserte Signal vcdk wird anschließend an den
Eingang ED des Duobinärcoders DBC weitergeleitet. Im Duobi
närcoder DBC wird das vorcodierte Signal vcdk in ein duobi
när-codiertes Ausgangssignal cdk umgewandelt, welches an
schließend durch den in der Filtereinheit FE angeordneten
Tiefpaß in der Handbreite begrenzt wird. Das am Ausgang AF
der Filtereinheit FE anliegende, bandbreitenbegrenzte, duobi
när-codierte Signal wird anschließend als Steuersignal ss an
den Steuereingang SE des Single-Drive Mach-Zehnder-Modulators
MZM weitergeleitet. In Abhängigkeit des an der Ansteuerelek
trode AE anliegenden Steuersignals ss wird das von der Licht
quelle OQ an den Mach-Zehnder-Modulator MZM übermittelte, op
tische Signal os duobinär-moduliert und als duobinär-modu
liertes, optische Signal mos über den Ausgang AOM des Mach-
Zehnder-Modulators MZM an den Lichtwellenleiter LWL weiterge
leitet.
In Fig. 5 ist eine Ausgestaltungsvariante der in Fig. 4 darge
stellten Schaltungsanordnung zur Duobinär-Modulation des op
tischen Signals os dargestellt, bei welcher anstelle des in
Fig. 4 dargestellten Duobinärcoders DBC und der Filtereinheit
FE ein Duobinärfilter DBF mit entsprechenden Tiefpaßeigen
schaften zur Ansteuerung des Single-Drive Mach-Zehnder Modu
lators MZM eingesetzt wird. Der Frequenzverlauf des Duobiär
filters DBF ist dabei an die Übertragungsfunktion des in Fig.
4 dargestellten Duobinärcoders DBC in Verbindung mit der Fil
tereinheit FE angepaßt. In diesem Ausführungsbeispiel weist
die Übertragungsfunktion des Duobinärfilters DBF im Frequenz
bereich von 0 bis 5 GHz einen cosinus-förmig abfallenden Ver
lauf mit einem 3-dB-Abfall bei 2,5 GHz auf. Durch die Kombi
nation des Vorcodierers VC in Verbindung mit dem Duobinärfil
ter DBF ist die Funktion des Duobinärcodierers zur Umwandlung
des binären Eingangssignals dsk in das ternäres, duobinär-co
dierte Ausgangssignal ss realisiert - durch ein strichliertes
Rechteck COD gekennzeichnet.
Durch geeignet gewählte, dem Vorcodierer VC und dem Duobinär
coder DBC bzw. dem Duobinärfilter DBF zugeführte Ansteuer
spannungen - nicht dargestellt - weisen die erzeugten, duobi
när-codierten Steuersignale ss die Werte "+1", "0", "-1" auf.
Beispiele für geeignete Werte für die Ansteuerspannungen sind
"0", "UX", "2UX" oder - mit geeigneter Vorspannung im Mach-
Zehnder-Modulator - die Werte "-UX", "0", "+UX". Vorteilhaft
können die in Fig. 4 und in Fig. 5 dargestellten Schaltungsan
ordnungen "chirpfrei" betrieben werden. Der benötigte Span
nungshub zur Ansteuerung des Single-Drive Mach-Zehnder-Modu
lators MZM ist nicht größer als beim Dual-Drive Mach-Zehnder-
Modulator.
Es sei angemerkt, daß zur Ansteuerung des Single-Drive Mach-
Zehnder Modulators MZM jede Art von im Rahmen eines Partial-
Response-Codierungsverfahrens - bzw. mit Hilfe eines Partial-
Response Filters - erzeugten, mehrstufigen Signalen ss ge
eignet ist. Die im Rahmen eines Partial-Response-Codierungs
verfahrens erzeugten, mehrstufen Signale ss werden auch als
pseudo-mehrstufige Signale bezeichnet. Die Art der Codierung
ist dabei durch die Ausgestaltung des Partial-Response Fil
ters, d. h. durch die Anzahl und die Auswahl der Werte der
Koeffizienten des Partial-Response Filters bestimmt. So wird
beispielsweise durch die Auswahl von Koeffizienten mit den
Werten "+1" und "+1" eine Duobinär-Codierung und durch die
Auswahl von Koeffizienten mit den Werten "+1" und "-1" eine
AMI-Codierung realisiert. Eine weitere Möglichkeit der Codie
rung stellt die Auswahl von Koeffizienten des Partial-
Response Filters mit den Werten "+1", "0" und "-1" dar, wo
durch eine als "modifizierte duobinäre Codierung" bezeichnete
Codierung realisiert wird. Die genannten, mit Hilfe des Par
tial-Response-Codierungsverfahrens erzeugten, mehrstufigen
Signale können dem Single-Drive Mach-Zehnder Modulator MZM
zur mehrstufigen Modulation des optischen Signals os - auch
als Partial-Response-Modulation bezeichnet - zugeführt wer
den.
Claims (8)
1. Anordnung zur Modulierung eines optischen Signals (os) mit
Hilfe eines Mach-Zehnder Modulators (MZM),
mit einem mit dem Mach-Zehnder Modulator (MZM) verbunden Co
dierer (COD) zur Umwandlung eines binären Eingangssignals
(dsk) in ein mehrstufiges Signal (cdk, ss),
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Mach-Zehnder Modulator (MZM) als einen Steuerein gang (SE) aufweisender Single-Drive Mach-Zehnder Modulator ausgestaltet ist,
- - daß der Codierer (COD) über einen Ausgang (AF, AD) mit dem Steuereingang (SE) des Single-Drive Mach-Zehnder Modulator (MZM) verbunden ist, wobei das optische Signal (os) in Ab hängigkeit von dem mehrstufigen Signal (ss) mehrstufig mo duliert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Codierer (COD) derart ausgestaltet ist, daß das bi
näre Eingangssignal (dsk) gemäß einem Partial-Response-Co
dierverfahren in das mehrstufige Signal (ss) umgewandelt
wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Codierer (COD)
- - ein Vorcodierer (VC) zur Vorcodierung des binären Eingangs signals (dsk),
- - ein Mehrstufen-Codierer (DBC) zur Umwandlung des vorcodier ten Signals (vcdk) in ein mehrstufiges Signal (cdk), und
- - ein Tiefpaß-Filter (FE) zur Tiefpaßfilterung des mehrstufi gen Signals (cdk)
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Codierer (COD)
- - ein Vorcodierer (VC) zur Vorcodierung des binären Eingangs signals (dsk), und
- - ein Filter (DBF) mit Tiefpaß-Eigenschaften zur Umwandlung des vorcodierten Signals (vcdk) in das mehrstufige Signal (ss), vorgesehen sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Codierer (COD) derart ausgestaltet ist, daß das bi
näre Eingangssignal (dsk) in ein ternäres Signal (ss) umge
wandelt wird.
6. Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Codierer (COD) als Duobinär-Codierer zur Umwandlung
des binären Eingangssignals (dsk) in ein duobinär-codiertes
Ausgangssignal (ss) ausgestaltet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem als Duobinär-Codierer ausgestalteten Codierer
(COD) das Filter (DBF) als Duobinärfilter mit Tiefpaß-Eigen
schaften zur Umwandlung des vorcodierten Signals (vcdk) in
das duobinär-codierte Signal (ss) ausgestaltet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Codierer (COD) als AMI-Codierer zur Umwandlung des
binären Eingangssignals (dsk) in ein AMI-codiertes Ausgangs
signal (ss) ausgestaltet ist.
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