DE3637809A1 - Sender fuer kohaerente lichtwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Sender für kohärente Lichtwellen.

In einem herkömmlichen Lichtwellen-Erzeugungssystem wird das Ausgangssignal eines Lasers oder einer Leuchtdiode (LED), z. B. digital, amplitudenmoduliert, so daß die zu übertragende Information in der Intensität der Hüllkurve des Lichtwellensignals enthalten ist. Die Frequenz der Lichtwellen enthält hingegen keine derartige Information. In einem herkömmlichen Lichtleiter-System (System mit optischen Glasfasern) steht die Frequenz der Lichtwellen lediglich in Beziehung zu den Übertragungseigenschaften, wie beispielsweise Dämpfung und Dispersion. In einem System für kohärente Lichtwellen hingegen muß die Phase oder die Augenblicksfrequenz der Lichtwellen gut definiert und gesteuert sein, um Information übertragen zu können. Beispielsweise enthält in einem PSK-System für kohärentes Licht (PSK bedeutet Phasenumtastung) die Phase der Lichtwellen die Information. In einem FM-System trägt die Augenblicksfrequenz des Trägersignals die Information. In einem Amplitudenmodulations- System (AM-System) für kohärentes Licht mit Überlagerungs- Demodulation ist die extakte Frequenz der als Träger dienenden Lichtwellen wichtig, da in dem Empfänger das Trägersignal mit dem Signal eines Empfangsoszillators gemischt wird, um ein Zwischenfrequenzsignal mit niedrigerer Frequenz zu erhalten, aus welchem die Information extrahiert wird.

Es ist also ersichtlich, daß die Frequenz der Lichtquelle ausschlaggebend ist für den erfolgreichen Betrieb eines kohärenten Systems sowie die Erlangung des Hauptvorteils eines solchen Systems, nämlich extreme Empfindlichkeit (d. h., die Fähigkeit, Signale mit geringer Intensität zu erfassen). Bei gegebener optischer Leistung gestattet ein solches System die Übertragung über größere Entfernungen mit weniger Zwischenverstärkern als ein herkömmliches Lichtleitersystem. Daraus folgt, daß es in hohem Maße wünschenswert ist, die optische Leistung zu maximieren, die für eine gegebene Menge, in den Sender eines kohärenten Systems eingespeister elektrischer Leistung gesendet wird. Grundsätzlich könnte man die Sendeleistung dadurch erhöhen, indem man einfach einen leistungsstärkeren Laser verwendet. Allerdings müssen dabei andere Systemparameter sehr sorgfältig beachtet werden, so z. B. der Leistungs-Schwellenwert, bei dem eine Beschädigung des zum Aufprägen der Information auf die Ausgangs-Lichtwelle des Lasers verwendeten Modulators auftritt, außerdem der Verlust, mit dem das Laser-Ausgangssignal beim Durchlauf durch den Modulator behaftet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sender für kohärente Lichtwellen zu schaffen, der in der Lage ist, Hochleistungs-Ausgangssignale zu liefern, ohne daß dabei die oben aufgezeigten Probleme in Erscheinung treten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Modulator nur relativ niedrigen Leistungen ausgesetzt ist, so daß eine Beschädigung vermieden wird, die ihre Ursache darin haben könnte, daß die Ausgangssignale mehrerer Hochleistungslaser vor dem Durchlauf des Signals durch den Modulator zuerst kombiniert werden. Wenn außerdem die Hochleistungslaser am Eingang des Modulators kombiniert würden, ohne daß der für eine Beschädigung maßgebliche Schwellenwert überschritten würde, würde die Einfügungsdämpfung des Modulators (z. B. bei etwa 3 dB) Laser-Ausgangssignal beeinflussen. Bei einem gegebenen Satz von System-Spezifikationen würde also jeder Laser eine höhere Leistung erbringen müssen und wäre relativ unwirtschaftlich, da die Gleich-Vorspannungsleistung verdoppelt werden müßte. Diese Einschränkung ist besonders dann nachteilig, wenn die Gleichspannungsquelle durch einen Netzanschluß gebildet wird und/oder wenn die dem Stand der Technik entsprechende Technologie eine Erhöhung der Ausgangsleistung jedes Lasers zum Kompensieren der Einfügungsdämpfung des Modulators nicht gestattet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Skizze eines Senders für kohärente Lichtwellen, bei dem ein Einzelfrequenz-Laser relativ geringer Leistung ein Paar von Lasern höherer Leistung hinsichtlich der Injektion verrastet, und

Fig. 2 ein Diagramm eines Senders für kohärente Lichtwellen nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches der Ausführungsform nach Fig. 1 ähnelt, jedoch vier Laser höherer Leistung besitzt, die hinsichtlich der Injektion verrastet werden.

Bei dem Sender für kohärente Lichtwellen nach Fig. 1 wird ein Laser-Masteroszillator relativ geringer Leistung mit schmaler Linienbreite (z. B. ein Einzelfrequenz-Laser 10) dazu verwendet, ein Injektions-Verriegelungssignal an mehrere Laser 12 höherer Leistung (nachfolgend einfach Hochleistungslaser genannt) zu geben, die in getrennten parallelen optischen Wegen 14 und 16 angeordnet sind. Der Einfachheit halber sind in zwei optischen Wegen zwei Laser 12 dargestellt. Ein Modulator 18, bei dem es sich beispielsweise um einen Phasen-Modulator handelt, ist zwischen den Einzelfrequenz- Laser 10 und die Hochleistungs-Laser 12 eingefügt. Somit wird das Ausgangssignal des Einzelfrequenz-Lasers 10 nach Maßgabe der Information moduliert, die von einer auf den Modulator 18 einwirkenden Informationsquelle 20 stammt.

Im allgemeinen ist die Linienbreite eines Einzelfrequenz- Lasers 10 in hohem Maße empfindlich gegenüber kleinen optischen Reflexionen, und demzufolge ist es ratsam, zwischen den Laser 10 und den Modulator 18 einen optischen Trenner 22 einzufügen. Aus ähnlichen Gründen können Trenner 24 in den optische Wegen 14 und 16 zwischen dem Modulator 18 und den Hochleistungslasern 12 liegen.

Die Ausgangssignale der Hochleistungslaser 12 werden in einer Kombiniereinrichtung kombiniert (konstruktiv addiert). Bei der Kombiniereinrichtung handelt es sich im dargestellten Beispiel um einen vier Ports umfassenden, optischen 3 dB- Hybridkoppler 25. Die Laser-Ausgangssignale werden an einander gegenüberliegenden Ports a und b optisch gekoppelt, das Sender-Ausgangssignal wird an einem dritten Port c auf eine Lichtleiterstrecke 26 gekoppelt, und das vierte Port d liefert immer dann ein Rückkopplungs-Fehlersignal, wenn die Eingangssignale an den Ports a und b außer Phase sind. Dieses Fehlersignale wird auf eine Rückkopplungsschaltung 28 gegeben, die ihrerseits die optische Weglänge mindestens einer der parallelen Wege variiert, im vorliegenden Fall des Weges 16. Diese Weglängen-Regelung wird erreicht mit Hilfe eines Phasenmodulationselements 30, welches in den Weg 16 eingefügt ist und an den Ausgang der Rückkopplungsschaltung 28 gekoppelt ist. Da das Ausgangssignal des Hybridkopplers 25 ein optisches Signal an dem Port d ist, enthält die Rückkopplungsschaltung selbstverständlich einen (nicht gezeigten) Photodetektor, der das optische Signal in ein äquivalentes elektrisches Signal umsetzt.

Eine Betriebsart der Rückkopplungsschaltung sieht vor, daß das Ausgangssignal am Port d im wesentlichen Null ist und das Ausgangssignal am Ort c ein Maximum annimmt, wenn die Ausgänge der Laser 12 im wesentlichen die gleiche Intensität und Phase besitzen. Sind diese Signale aber nicht mehr im Gleichgewicht, verfolgt die Rückkopplungsschaltung das Signal am Port d im Bereich des Leistungs-Minimums bei niedriger Arbeitsgeschwindigkeit, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches dem Verzögerungselement 30 zugeführt wird. Im Ergebnis läuft die Rückkopplung darauf hinaus, daß die Differenz der zwei optischen Weglängen zwischen dem Modulator 18 und dem Hybridkoppler 24 auf n λ gehalten wird, wobei n eine ganze Zahl und λ die Wellenlänge der in den optischen Wegen gemessenen Lichtwellen ist.

Außerdem kann ohne Schwierigkeiten eine automatische Verstärkungsregelung (AGC) in den Sender eingebaut werden (in der Zeichnung nicht dargestellt), um die Vorspannung für die Laser 12 einzustellen und dadurch einer Situation zu entsprechen, in der die Ausgangssignale der Laser 12 möglicherweise voneinander abweichen können (z. B. könnte einer der Laser beeinträchtigt sind).

Eine Analyse des kohärenten Senders nach Fig. 1 ergibt, daß, wenn man einen optischen Verlust in den Trennern, im Modulator und anderen Komponenten von insgesamt etwa 3 dB annimmt (dies ist eine vernünftige Schätzung), dann 3 dB weniger Leistung seitens der Hochleistungs-Laser 12 notwendig ist, um im Weg 26 die gleiche Ausgangsleistung zu erreichen wie bei Verwendung eines einzelnen Hochleistungslasers, der an den Eingang des Modulators 18 gekoppelt ist, während der Ausgang des Modulators mit dem Weg 26 verbunden wäre. Außerdem verwendet der Sender nach Fig. 1 anstelle eines Lasers zwei Laser 12, so daß die pro Laser geforderte Leistung um den Faktor 4 reduziert wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist "vervielfältigbar" in dem Sinne, daß eine größere Anzahl von Hochleistungs- Lasern in mehreren optischen Wegen angeordnet sein kann, wobei geeignete Hybridkoppler an den Sender-Ausgang gekoppelt sind. Eine derartige Ausführungsform zeigt Fig. 2. Es sind vier Hochleistungslaser in vier getrennten optischen Wegen zwischen dem Modulator und dem Ausgang des Senders vorgesehen. Im Vergleich zu Fig. 1 wird mit dem Sender nach Fig. 2 eine weitere Leistungs-Reduzierung für die Hochleistungslaser um den Faktor 2 erreicht. Im Vergleich zu einer Anordnung mit einem einzelnen Hochleistungs-Laser am Eingang des Modulators wird also hier eine Leistungsreduzierung um den Faktor 8 erreicht.

Die verschiedenen Bauteile der Sender nach den Fig. 1 und 2 sind, für sich genommen, bekannt. Bei den Lasern 12 handelt es sich z. B. um InP/InGaAsP-Halbleiter-Laser, die bei einer Wellenlänge von 1,3 oder 1,55 µm arbeiten. Geeignet sind dazu Heterostrukturlaser mit vergrabenem Kanalsubstrat (CSBH = Channel Substrat Buried Heterostructure) oder Heterostrukturlaser mit vergrabenem Planardoppelkanal (DCOBH = Double Channel Planar Buried Heterostructure). Bei dem Modulator 18 und dem Element 30 kann es sich um einen Lithiumniobat-Phasenmodulator handeln, wie er z. B. von R. C. Alferness in IEEE Trans. Microwave Theory and Tech, Vol. MTT-30, S. 1122 (1982) beschrieben ist. Die Trenner 22 und 24 können Elemente sein, wie sie von M. Seki u. a. beschrieben sind in Topical Meeting on Optical Fiber Communications, WD2, Washington D. C. (1979). Der Hybridkoppler 25 enthält beispielsweise einen an sich bekannten 50%-Strahlaufspalter. Schließlich besteht der Einzelfrequenzlaser 10 aus einem InP/InGaAsP-Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (DFB) und einer Wellenlänge von 1,55 µm, wie er von K. H. Cameron u. a. in CLEO 85 Technical Digest, Seiten 32, 33 beschrieben ist. Dieser Laser enthält ein laseraktives Halbleiter-Medium 13 in einem externen Hohlraum, der durch ein Gitter 11 und eine Endfacette 19 des Chips des aktiven Mediums gebildet ist. Linsen 15 und 17 sind herkömmliche optische Elemente, die dazu verwendet werden, die Lichtwellen zwischen dem Gitter und dem Chip bzw. zwischen dem Chip und dem Trenner 22 zu koppeln. Eine Kieselerde-Abstimmplatte 21 dient zur Feinabstimmung des Laser-Ausgangssignals. Ein Einzelfrequenz- Halbleiterlaser 10 mit externem Hohlraum dieses Typs kann eine stabile, schmale Linienbreite von etwa 20-200 kHz aufweisen und liefert ein Verriegelungssignal niedrigen Pegels (z. B.: 0,1 bis 1 mW) an die Hochleistungslaser (die eine Leistung von beispielsweise 10 bis 20 mW besitzen). Das Verriegelungssignal sollte grundsätzlich eine genügend hohe Intensität besitzen, um kleine Reflexionen zu beherrschen und somit eine einfache Steuerung der Linienbreite des Lasers 12 zu ermöglichen.

Es liegt außerdem im Bereich der vorliegenden Erfindung, daß die Lichtwege 14 und 16, die die verschiedenen Komponenten verbinden, integrierte optische dielektrische Wellenleiter sind, während die Hochleistungs-Laser entweder diskrete Chips sind oder monolithisch auf einem einzigen Chip integriert sind. In ähnlicher Weise können die Modulatoren, die Trenner und die Phasenverzögerungs-Elemente integriert sein.

In Anwendungsfällen, in denen eine Linienbreite von nur einigen 10 kHz nicht erforderlich ist, können andere Einzelfrequenz- Laser eingesetzt werden, z. B. ein Standard-DFB- Halbleiterlaser (ohne einen externen Hohlraumresonator), der in der Lage ist, ein Ausgangssignal mit einer Linienbreite von etwa 100 MHZ bei einer Leistung von 1 mW zu erzeugen (die Linienbreite ist proportional zu der Leistung).

Anwendungsgebiete für den oben beschriebenen kohärenten Lichtwellen-Sender sind u. a. Faser-Schleifensysteme, terristische Langstrecken-Übertragungssysteme, Langstrecken- Seekabel und dergleichen.

Während bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Laser 12 verwendet werden, um die Hochleistungssignale zu erzeugen, kommen statt dessen auch optische Verstärker für stimulierte Emission (z. B. superlumineszente Bauelemente) in Betracht.

Claims (8)

1. Sender für kohärente Lichtwellen, mit einem Laser zum Erzeugen einer Lichtwelle mit gut definierter Phase, sowie mit einer Einrichtung zum Modulieren der Lichtwelle, gekennzeichnet durch mehrere optische Wege (14, 16) von denen jeder derart angeordnet und ausgebildet ist, daß er die modulierte Lichtwelle empfängt, mehrere Bauelemente (12) für eine stimulierte Emission, von denen jeweils eines in jedem der optischen Wege angeordnet ist, um die modulierte Lichtwelle zu empfangen und ein Lichtwellen-Signal höherer Leistung zu erzeugen, welches mit der modulierten Lichtwelle phasenverriegelt ist, und eine Einrichtung (25) zum Kombinieren der Lichtwellen-Signale höherer Leistung, um das Ausgangssignal des Senders zu bilden.

2. Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungseinrichtung (28), die die optische Weglänge mindestens eines (16) der optischen Wege derart regelt, daß die Lichtwellensignale höherer Leistung in der Kombiniereinrichtung (25) konstruktiv interferieren.

3. Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombiniereinrichtung einen vier Ports umfassenden optischen Hybridkoppler (25) aufweist, von denen der erste und der zweite Port (a, b) die zu kombinierenden Signale empfangen, ein dritter Port (c) das Ausgangssignal liefert und ein vierter Port (d) an die Rückkopplungseinrichtung (28) gekoppelt ist.

4. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente für eine stimulierte Emission Laser (12) sind.

5. Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser zum Erzeugen der Lichtwelle mit gut definierter Phase ein Einzelfrequenz-Halbleiterlaser ist, und daß die Bauelemente für die stimulierte Emission Halbleiter-Laser (12) sind.

6. Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente für stimulierte Emission (12) optische Verstärker sind.

7. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen optischen Trenner (22) zwischen dem Laser, der die Lichtwelle mit gut definierter Phase erzeugt, und der Moduliereinrichtung.

8. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch optische Trenner (24), die zwischen der Moduliereinrichtung (18) und jedem der Bauelemente für stimulierte Emission (12) angeordnet sind.