DE3509354C2 - Optisches Nachrichtenübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Nachrichten­ übertragungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein System mit den dort genannten Merkmalen ist bekannt aus telcom report 6 (1983) Beiheft "Nachrichten­ übertragung mit Licht", Seiten 121 bis 126, insbeson­ dere aus Bild 2, b.

Gemäß Fig. 1 ermöglicht der Wellenlängenmultiplex­ betrieb die Vervielfachung der Übertragungskapazität eines Lichtwellenleiters LWL1, in dem die modulierte Strahlung mehrerer Sender S₁ bis S_n, z. B. Halbleiterlaserdioden, unterschiedlicher Wellenlänge λ₁, λ₂, . . . λ_n in einem Wellenlängen-Multi­ plexer WM zusammengefaßt wird, d. h. in einem einzigen Lichtwellenleiter LWL1 eingekoppelt wird, nach dem Durchlaufen der Übertragungsstrecke mit Hilfe eines Wellenlängen-Demultiplexers WDM in die einzelnen Wellenlängen λ₁, λ₂, . . . λ_n spektral zerlegt wird und schließlich n verschiedenen Empfängern E₁ bis E_n zugeführt wird.

Gemäß Fig. 1b besitzen die Wellenlängendemultiplexer WDM in der Regel eine bandfilterähnliche Abhängigkeit der Einfügungsdämpfung D von der Wellenlänge λ in den einzel­ nen Übertragungskanälen Ü1 bis ü6, wie sie am Beispiel eines 6-Kanal-Demultiplexers dargestellt ist.

Wellenlängenmultiplexer haben meist ebenfalls einen der­ artigen Verlauf der Einfügungsdämpfung D, nur verläuft hier das Dämpfungsminimum spitzer (Fig. 1a).

Aus wirtschaftlichen Gründen ist es zweckmäßig, den spek­ tralen Abstand der Übertragungskanäle, d. h. die Differenz zwischen den (Mitten-)Wellenlängen λ₁ bis λ_n, möglichst gering zu halten, um dadurch eine möglichst hohe Übertra­ gungskapazität zu erreichen. Ein derartiger Abstand zweier benachbarter Übertragungskanäle beträgt ungefähr 2 bis 50 nm.

Diese Spektralcharakteristiken von Multiplexer und Demul­ tiplexer bedingen, daß die Licht-Wellenlängen der Sender S₁ bis S_n nur geringfügig von den Soll-Wellenlängen λ₁, λ₂ bzw. λ_n abweichen dürfen. Andernfalls erhöht sich die Dämpfung der Übertragungsstrecke, und es tritt bei schnel­ len Änderungen der Licht-Wellenlänge, z. B. bei Moden­ verteilungsrauschen ein zusätzlicher Intensitätsrauschbei­ trag auf. Dies gilt im besonderen für Wellenlängenmulti­ plexbetrieb mit Monomodefasern, die wegen ihrer hohen Bandbreite für den Weitverkehr von besonderem Interesse sind.

Normale Halbleiterlaser, z. B. Fabry-Perot-Laser ohne zusätzliche Wellenlängenstabilisierung, haben einen Temperatur­ koeffizienten, der etwa 3 · 10^-4 pro Grad Kelvin beträgt. Das alterungsbedingte Driften der Betriebswellenlänge von Laserdioden kann bis zu 2 · 10^-3 betragen. Bei Lasern mit interner Wellenlängenstabilisierung durch Gitterstrukturen, z. B. sogenannten DBR ("distributed Bragg reflection") - oder DFB ("distributed feed back")-Laser, ist der Tempera­ turkoeffizient um einen Faktor 4 niedriger als beim Fabry- Perot-Typ.

Auch die Spektralcharakteristik von Multiplexern und Demultiplexern ist temperaturabhängig. Werden zur Wellen­ längentrennung Interferentfilter verwendet, so ist mit einem Temperatur-Koeffizienten von ca. 5 · 10^-5 pro Grad Kelvin zu rechnen. Bei der Verwendung von Beugungsgittern beträgt dieser Wert ungefähr 2 · 10^-5 pro Grad Kelvin.

Diese Temperatur- und Drifteffekte setzen eine Grenze für den bereits erwähnten minimalen spektralen Kanalabstand in einem Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystem. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, daß die Halbleiterlaser in ihrer Betriebstemperatur normalerweise grob stabilisiert werden, d. h. auf ± 1 Grad Kelvin genau, während die Multi- und Demultiplexer im gesamten vorkommenden Temperaturbe­ reich, z. B. 0 . . . 50° C, funktionsfähig sein sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen optischen Nachrichtenübertragungssystem die von den elektrooptischen Sendern ausgesandten Licht- Wellenlängen in kostengünstiger Weise derart zu stabili­ sieren, daß optische Übertragungsverluste vermieden wer­ den.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweck­ mäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß insbesondere temperatur- und/oder alterungsbedingte Schwankungen der Licht-Wellenlänge der elektrooptischen Sender sowie der Lichtwellenlängenfilter in dem Wellenlängenmultiplexern und -demultiplexern zu keinen störenden optischen Dämp­ fungsverlusten führen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf eine schema­ tische Zeichnung. Es zeigen die

Fig. 2, 4 und 5 Ausführungsbeispiele und

Fig. 4a, 4b, 4c Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.

Mit Hilfe der Wellenlängenstabilisierung, die im folgenden beschrieben wird, werden die Licht-Wellenlängen λ₁ bis λ_n der Sender S₁ bis S_n so nachgeregelt, daß sie sich im Dämpfungsminimum der Multi- bzw. Demultiplexerkanäle, also im wesentlichen bei den Sollwellenlängen λ₁, λ₂, . . . λ_n befinden.

Fig. 2 zeigt ein Lichtwellenleiter-Übertragungssystem mit Wellenlängen-Multiplexbetrieb, wobei lediglich die Sende- und Empfangskomponenten der Lichtwellenlänge λ_n-1 einge­ zeichnet sind, um die Übersichtlichkeit der Fig. zu er­ halten. Im Normalbetrieb, d. h. ohne Stabilisierung, wird zur Arbeitspunktstabilisierung des Senders S_n-1, z. B. eines Halbleiterlasers LD, dessen Temperatur mit Hilfe eines Peltier-Elementes P auf eine im wesentlichen kon­ stanten Temperatur gehalten. Dazu strömt in das Peltier­ element der im wesentlichen konstante Strom I_o. Die Funk­ tion des Wellenlängenmultiplexers WM und des Wellenlängen­ demultiplexers WDM ist die gleiche wie die in Fig. 1 beschriebene.

Die modulierte Strahlung der Wellenlänge λ_n-1 wird hinter dem Wellenlängendemultiplexer WDM einem Photodetektor PD zugeführt. Der resultierende Photostrom wird in einem Vorverstärker VV verstärkt und in weiteren Verstärkerstu­ fen, z. B. einer Regelstufe AGC, weiter verarbeitet. Dieses elektrische Ausgangssignal ist z. B. in nicht dargestellten Auswerteeinheiten derart demodulierbar, daß daraus die übertragene Nachricht darstellbar ist.

Im stabilisierten Betrieb wird dem Peltierelement P zusätz­ lich über einen Summierverstärker S ein zeitlich periodisch schwankender Strom ± ΔI zugeführt, der in einem Taktoszil­ lator OS erzeugt wird und der eine proportionale periodi­ sche Änderung der Temperatur T des Halbleiterlasers LD um den Wert ± ΔT zur Folge hat. Dieses ist jeweils in den linksseitigen oberen Teilen der Fig. 4a bis c darge­ stellt. Mit dem Bezugszeichen t ist die Zeit bezeichnet. Die optimale Temperatur T_opt entspricht derjenigen Soll- Lichtwellenlänge λ_o die in der spektralen Mitte des optischen Übertragungskanals liegt. Die Temperatur des Halbleiterlasers LD ändert sich mit einer niedrigen Fre­ quenz, die z. B. im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz liegt.

Diese periodische Temperaturschwankung bewirkt eine perio­ dische Wellenlängenänderung ± Δλ der Betriebswellenlänge λ_B der Halbleiterlaserdiode LD. Diese periodischen Wel­ lenlängenänderungen verursachen periodische Schwankungen der mittleren Lichtleistung am Photodetektor PD, deren Amplitude und Phasenlage zur Taktfrequenz f_os der Peltier­ elementstromschwankungen von der Lage der Betriebswellen­ länge λ_B zur durch die Spektralcharakteristik von Multi­ plexern und Demultiplexer vorgegebenen Sollwellenlänge λ_o und dem Verlauf der Spektralcharakteristik selbst abhäng. Dieses ist jeweils im rechtsseitigen Teil der Fig. 4a bis 4c dargestellt.

Die resultierenden niederfrequenten Photostromschwankun­ gen, die dem wesentlich höherfrequenten Nutzsignal über­ lagert sind, werden mit Hilfe eines entsprechenden Tief­ paßfilters TP ausgefiltert, und bezüglich Amplitude sowie Phase (bezogen auf die Taktfrequenz f_os) detektiert. Dieses erfolgt beispielsweise durch einen phasenempfind­ lichen Gleichrichter PED, dessen Prinzip in der Elektronik allgemein bekannt ist. Das Ausgangssignal, das annähernd der ersten Ableitung des Produktes der resultierenden Spektralcharakteristiken von Multiplexer WM und Demulti­ plexer WDM entspricht, wird dem Summierverstärker S zuge­ führt, was in einem zusätzlichen Korrektursignal I_R, einem elektrischen Strom, für das Peltierelement P resultiert. Damit ergibt sich ein geschlossener Regelkreis: Die Wellen­ länge λ_B stellt sich so ein, daß sie im wesentlichen der Sollwellenlänge λ_o entspricht.

Die Fig. 4a bis 4c zeigen diesen Sachverhalt für verschie­ dene Zustände des beschriebenen Regelkreises. Die mit T_LD (t) bezeichneten Kurven zeigen den von der Zeit t abhängigen Temperaturverlauf der beispielhaft gewählten Halbleiter-Laserdiode LD. die mit UE(t) bezeichneten Kurven zeigen den von der Zeit t abhängigen Verlauf der elektrischen Eingangsspannung am Eingang des phasenemp­ findlichen Gleichrichters PED. U_opt bezeichnet die der optimalen Temperatur T_opt entsprechende Spannung ohne periodische Temperaturschwankung. Fig. 4a zeigt den Fall, daß die ausgesandte zeitabhängige Licht-Wellenlänge λ(t) im wesentlichen symmetrisch zur mittleren Betriebswellen­ länge λ_B schwankt. Die Betriebswellenlänge λ_B ist dabei im wesentlichen identisch mit der Soll-Wellenlänge λ_o. Fig. 4b bzw. 4c zeigen entsprechende Darstellungen für die Fälle λ_B kleiner als λ_o bzw. λ_B größer λ_o. Bei einer entsprechend gewählten Verstärkung innerhalb des Regel­ kreises liegt jedoch immer der in Fig. 4a dargestellte Fall vor, welcher der gewünschten Wellenlängenstabilisie­ rung entspricht.

Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, die erforderlichen Temperaturschwankungen durch periodische Änderungen des ansonsten im wesentlichen konstanten Unterlegstromes I°_LD der Halbleiter-Laserdiode LD zu erzeugen. Mit I^ModLD ist ein den zu übertragenden Nachrichten entsprechender Modulationsstrom der Halbleiter- Laserdiode LD bezeichnet. In diesem Fall wird der Unter­ legstrom I°_LD durch das Korrektursignal I_R entsprechend geändert.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung zur Wellenlängensta­ bilisierung würde pro LWL-Übertragungsstrecke LWL1 zwei zusätzliche Signalleitungen Si1, Si2 erfordern, eine für die Taktfrequenz f_os, die zweite für das Korrektursignal I_R. Dieser mögliche Nachteil ist in dem Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 3 dadurch beseitigt, daß lediglich eine einzige Signalleitung Si2 vorhanden ist. Die Signalleitung Si1 für die Taktfrequenz f_os wird eingespart, indem die Taktfrequenz auf der Empfängerseite mit Hilfe einer Pha­ senregelschleife (PLL), die im einfachsten Fall aus einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO und einem Phasendetek­ tor PhD besteht, aus den niederfrequenten Photostrom­ schwankungen regeneriert wird. In diesem Fall muß die Phasenlage aus den niederfrequenten Photostromschwankungen reproduziert werden, da sonst das Regelsignal mehrdeutig ist, d. h. es liefert keine Information darüber, ob λ_B λ_o oder λ_B < λ_o gilt. Diese störende Mehrdeutigkeit wird dadurch beseitigt, daß die Temperaturschwankungen entsprechend den Fig. 4a bis 4c einen asymmetrischen Verlauf besitzen, indem z. B. das sogenannte Tastverhältnis (Pulsdauer zu Pausendauer) abweichend von eins gewählt wird.

Zur Verbesserung des Störabstandes bei der Übertragung des Korrektursignals ist es möglich, dieses auf der Empfänger­ seite zu kodieren und auf der Sendeseite zu dekodieren, z. B. durch Analog-Digital-Wandlung bzw. Digital-Analog- Wandlung oder durch Spannungs-Frequenz-Wandlung. Dieses ist in Fig. 3 durch die mit F/U bzw. U/F bezeichneten Bauelemente dargestellt.

Es ist weiterhin möglich, die Korrektursignale (Regelsig­ nale) sämtlicher Kanäle einer Wellenlängenmultiplexstrecke oder sogar mehrerer paralleler Strecken über eine einzige Signalleitung zu übertragen, indem man allgemein bekannte elektrische Multiplex-Verfahren, z. B. das Zeitmultiplex- Prinzip, anwendet.

Gemäß Fig. 5 kann diese Signalleitung auch als ein zweiter Lichtwellenleiter LWL2 ausgebildet sein.

Die Funktionsbausteine sind hier gegenüber den bisherigen Bildern zusammengefaßt.

Die Funktion des Taktgeneratorr, der Einprägung der periodi­ schen Temperaturänderung ΔT und des Regelsignals I_R wird durch den Reglerbaustein "Reg" zusammengefaßt. Photodetek­ tor, die nachfolgenden Verstärker und Signalregenerations­ stufen bilden den "opto-elektronische Wandler" OEW.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an­ wendbar. Beispielsweise ist es möglich, als elektroopti­ sche Sender Festkörper- oder Gaslaser zu verwenden, deren optische Resonatorlänge durch Temperaturschwankungen periodisch geändert wird. Weiterhin ist es möglich, in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 den zweiten Lichtwellen­ leiter LWL 2 fortzulassen, z. B. durch Anwendung einer bidirektionalen optischen Übertragung über den ersten Lichtwellenleiter LWL1.

Claims (5)

1. Optisches Nachrichtenübertragungssystem im Wellen­ längenmultiplexbetrieb, bestehend aus

• - mindestens zwei elektrooptischen Sendern (S₁ . . . S_n), die unterschiedliche Lichtwellenlängen (λ₁ . . . λ_n) aussenden,
• - einem optischen Wellenlängenmultiplexer (WM), an dessen Eingängen die Sender (S₁ . . . S_n) angekoppelt sind und an dessen Ausgang ein erster Lichtwellen­ leiter (LWL1) angekoppelt ist, in dem Licht über­ tragen wird, das ein Gemisch aus den Licht-Wellen­ längen (λ₁ . . . λ_n) enthält,
• - einem optischen Wellenlängendemultiplexer (WDM), an dessen Eingang der erste Lichtwellenleiter (LWL1) angekoppelt ist und an dessen Ausgänge mindestens zwei optoelektrische Empfänger (E₁ . . . E_n) angekoppelt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Wellenlängenstabilisierung von mindestens einer Licht-Wellenlänge (λ_n-1) mindestens ein Regelkreis vorhanden ist,

• - dessen Stellglied ein elektrooptischer Sender (S_n-1) ist, dessen ausgesandte Licht-Wellenlänge (λ_n-1) temperaturabhängig ist,
• - der einen Taktoszillator (OS) enthält, dessen Aus­ gangssignal eine periodische Temperaturänderung des Senders (S_n-1) bewirkt derart, daß sich dessen aus­ gesandte Licht-Wellenlänge (λ_n-1) im wesentlichen synchron dazu ändert und
• - der an einem der ausgesandten Licht-Wellenlänge (λ_n-1) entsprechenden Ausgang des Wellenlängendemulti­ plexers (WDM) einen Photodetektor (PD) enthält, aus dessen elektrischem Ausgangssignal ein Korrektur­ signal (I_R) erzeugt wird, das zum Taktoszillator (OS) übertragen wird und das die Temperaturänderungen des Senders (S_n-1) derart regelt, daß die Licht-Wellen­ länge (λ_n-1) des Senders (S_n-1) im wesentlichen im Dämpfungsminimum des zugehörigen optischen Übertra­ gungskanals gehalten wird (Fig. 2).

2. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sender (S_n-1) als lichtemittierendes Halbleiterbauelement ausgebildet ist und daß die Temperaturänderungen durch eine elektrische Ansteuerung erfolgen.

3. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittie­ rende Halbleiterbauelement als lichtemittierende Diode (LD) ausgebildet ist und daß die Temperaturänderungen durch ein Peltier-Element (P) erfolgen, das an die licht­ emittierende Diode (LD) angekoppelt ist.

4. Nachrichtenübertragungssystem nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Über­ tragung des Korrektursignals (I_R) oder eines diesem ent­ sprechendes Signal über einen elektrischen oder optischen Übertragungskanal erfolgt.