DE3722936A1

DE3722936A1 - Optical heterodyne receiver for, in particular, phase-shift-keyed light

Info

Publication number: DE3722936A1
Application number: DE19873722936
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Pietzsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1989-01-19

Abstract

Heterodyne receivers for optical signals can consist of two branches. The first branch contains a heterodyne receiver in which the received signal and the signal of a local oscillator are mixed in conventional manner and in the second receiver branch, the signal of the local oscillator is subjected to a 90@ phase rotation before the mixing. To distribute the received light and the light of the local laser to two receiving branches, an optical triple coupler is used according to the invention. This triple coupler can be produced as triple fibre coupler or also as integrated optical triple coupler of lithium niobat, glass or a III-V-type semiconductor.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Überlagerungsempfänger entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical heterodyne receiver according to the preamble of claim 1.

Optische Überlagerungsempfänger sind aus Journal of Lightwave Technology Vol. LT-3, Nr. 5 vom Oktober 1985 Seiten 1110 bis 1122 und Nr. 6 vom Dezember 1985, Seiten 1238 bis 1247 und aus Electronics Letters vom 12. September 85, Vol. 21, No. 19, S. 867 und 868 bekannt. In der zweiten Veröffentlichung wird unter Verwendung einer gegebenenfalls modifizierten "Costas-Schleife" ein optischer Überlagerungsempfänger aufgebaut, der eigentlich aus zwei Empfängerzweigen besteht. Im ersten Empfängerzweig werden Empfangssignal und Lokaloszillatorsignal in herkömmlicher Weise gemischt, im zweiten Empfängerzweig erfährt das Lokaloszillatorsignal vor der Mischung eine 90°-Phasendrehung. In diesem Fall werden optische Richtkoppler benötigt, die als optische Hybride bezeichnet werden, als 90°-Hybrid bezeichnet man einen Richtkoppler, an dessen beiden Ausgängen die überlagerten Lichtwellen des Signals und des lokalen Lasers auftreten. Eines der Ausgangssignale des 90°-Hybrids enthält dabei eine Komponente mit einer zusätzlichen 90°-Phasendrehung. Entsprechend der ersten Veröffentlichung kann durch die Verwendung eines Balance-Empfängers der Einfluß des Laserintensitätsrauschens eliminiert werden. In der dritten Veröffentlichung wird auf eine phasenstarre Synchronisation des lokalen Lasers verzichtet, jedoch ebenfalls ein 90°-Hybrid eingesetzt, dessen beide Ausgangssignale nach der Umwandlung in Fotoströme getrennt demoduliert und anschließend summiert werden. Es wird dabei differentielle Phasenumtastung (DPSK) verwendet.Optical overlay receivers are from Journal of Lightwave Technology Vol. LT-3, No. 5 of October 1985 pages 1110 to 1122 and No. 6 of December 1985, pages 1238 to 1247 and out Electronics Letters of September 12, 85, Vol. 21, No. 19, p. 867 and 868 known. The second publication uses an optionally modified "Costas loop" optical superimposed receiver that actually built out consists of two receiver branches. Be in the first receiver branch Received signal and local oscillator signal in a conventional manner mixed, the local oscillator signal experiences in the second receiver branch a 90 ° phase shift before mixing. In this In this case, optical directional couplers are required that act as optical hybrids are referred to as a 90 ° hybrid Directional coupler, at the two outputs of which the superimposed light waves of the signal and the local laser. One of the Output signals of the 90 ° hybrid contain one component with an additional 90 ° phase shift. According to the first Publishing can be done through the use of a balance receiver the influence of laser intensity noise is eliminated will. The third release is on a phase locked Synchronization of the local laser is omitted, however also used a 90 ° hybrid, both of whose output signals after conversion into photo streams separately demodulated and then sum up. It becomes differential phase shift keying (DPSK) used.

Aus AEÜ, Band 37 (1983), Heft 5/6, Seiten 203 bis 206 ist die Realisierung von 90°- und 180°-Hybridverzweigungen für optische Signale mit Wellenlängen von etwa 10 µm bekannt. Die bekannten 90°- und 180°-Hybride sind dabei mittels diskreter optischer Elemente realisiert, so daß sich ein insgesamt sehr aufwendiger Aufbau ergibt. Aus der eingangs erwähnten zweiten Veröffentlichung ist weiterhin ein Vorschlag für einen 90°- oder 180°-Hybrid in integrierter Optik bekannt, bei dem der Lichtweg auf einem Lithiumniobat-Substrat aufgebaut ist.From AEÜ, volume 37 (1983), issue 5/6, pages 203 to 206 is the Realization of 90 ° and 180 ° hybrid branches for optical Signals with wavelengths of about 10 microns are known. The well-known 90 ° and 180 ° hybrids are by means of discrete optical Realized elements, so that it is a very complex overall Structure results. From the second publication mentioned at the beginning is still a proposal for a 90 ° or 180 ° hybrid known in integrated optics, in which the light path on a Lithium niobate substrate is built up.

Aus dem Vortrag TUB5 von D. W. Stowe auf der Optical Fiber Conference, New Orleans 1983, ist es bereits bekannt, einen optischen 90°-Hybrid durch die Verkopplung von vier 2×2-Kopplern zu realisieren, die Ansprüche an die Kontrolle der optischen Weglänge zwischen den Kopplern sind jedoch extrem hoch.From the presentation TUB5 by D. W. Stowe at the Optical Fiber Conference, New Orleans 1983, it is already known to be an optical 90 ° hybrid through the coupling of four 2 × 2 couplers to realize the demands on the control of the optical Path lengths between the couplers are extremely long.

Aus den Arbeiten von R. G. Priest, IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd QE-18 (1982), Seiten 1601-1603, von K. P. Koo, A. B. Tveten und A. Dandridge in Appl. Phys. Lett. 41 (7) vom 1. Oktober 1982, Seiten 616-618 und von A. Dandridge et al in Internat. Conference on Optical Fibre Sensors, London 1983, Seiten 48-52 zur Sensortechnik und insbesondere zum Faserinterferometer sind aus einem 3×3-Faserkoppler mit angeschlossenem Fotodioden bestehende 90°-Hybride bekannt. Zur Realisierung des 90°-Hybrides wird ein symmetrischer 3×3-Koppler mit jeweils 120°-Phasenverschiebung zwischen den Ausgängen verwendet. Bei der theoretischen Ableitung des Prinzips durch R. G. Priest wird von einem idealen, verlustfreien Koppler ausgegangen.From the work of R. G. Priest, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol QE-18 (1982), pp. 1601-1603, by K.P. Koo, A. B. Tveten and A. Dandridge in Appl. Phys. Lett. 41 (7) from October 1, 1982, pages 616-618 and by A. Dandridge et al in Boarding School. Conference on Optical Fiber Sensors, London 1983, pages 48-52 for sensor technology and especially for fiber interferometers are from a 3 × 3 fiber coupler with connected photodiodes existing 90 ° hybrids known. To realize the 90 ° hybrids will be a symmetrical 3 × 3 coupler with each 120 ° phase shift used between the outputs. At the theoretical derivation of the principle by R. G. Priest assumed an ideal, lossless coupler.

Die Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optischen Empfänger der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, der bei geringem Aufwand in der optischen Nachrichtenübertragung mit Lichtwellenleitern einsetzbar ist und dabei eine Zwischenfrequenzverstärkung umgeht.The object of the present invention is one to develop optical receivers of the type mentioned at the beginning, that with little effort in optical communication can be used with optical fibers and thereby avoids intermediate frequency amplification.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen optischen Überlagerungsempfänger der eingangs erwähnten Art gelöst, der durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 2 weitergebildet ist.According to the invention, the object is achieved by an optical overlay receiver of the type mentioned, solved by the characteristic features of claim 1 or 2 further developed is.

Im Gegensatz zu den bekannten 90°-Hybriden aus symmetrischen 3×3-Faserkopplern ermöglicht die Erfindung in vorteilhafter Weise auch die Verwendung teilsymmetrischer 3×3-Faserkoppler, die insbesondere beim Homodynempfang eine Steigerung der Empfängerempfindlichkeit ermöglichen. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der verwendete Koppler verlustfrei und symmetrisch ist.In contrast to the well-known 90 ° hybrids from symmetrical The invention enables 3 × 3 fiber couplers in an advantageous manner Also the use of partially symmetrical 3 × 3 fiber couplers, which in particular with homodyne reception an increase in receiver sensitivity enable. It is not absolutely necessary that the coupler used is lossless and symmetrical is.

Durch die Differenzbildung der aus den optischen Signalen erzeugten elektrischen Signale werden in vorteilhafter Weise die Gleichanteile und das Laserintensitätsrauschen unterdrückt, da die Gleichanteile gleiches Vorzeichen, die bei Phasendifferenz oder Phasenmodulation übertragenen Nutzsignale aber entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.By forming the difference between those generated from the optical signals electrical signals are advantageously the DC components and the laser intensity noise suppressed because the equal components of the same sign, those with phase difference or phase modulation transmitted useful signals but opposite Show signs.

Zur Unterdrückung des im Hinblick auf die Phasenregelung des lokalen Lasers störenden Gleichanteils kann der optische Überlagerungsempfänger entsprechend der Erfindung in der in den Patentansprüchen 7, 8 und 9 genannten Weise weitergebildet werden.To suppress the local phase regulation The optical overlay receiver can do laser's disturbing DC component according to the invention in the in the claims 7, 8 and 9 mentioned further training.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten optischen Homodynempfänger für PSK-modulierte Signale als Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is based on one in the drawing Optical homodyne receiver shown for PSK-modulated signals explained in more detail as an embodiment. The drawing shows:

Fig. 1 die Prinzipschaltung eines optischen Homodynempfängers, Fig. 1 shows the basic circuit of an optical homodyne receiver,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Eingangsteils des Homodynempfängers nach Fig. 1, Fig. 2 is a detailed representation of the input part of the homodyne receiver of FIG. 1,

Fig. 3 ein verbessertes Empfangsteil für den Homodynempfänger nach Fig. 1 und Fig. 3 shows an improved receiver for the homodyne receiver according to Fig. 1 and

Fig. 4 die detaillierte Darstellung der elektronischen Schaltung des Empfangsteils nach Fig. 3.
Fig. 4 shows the detailed diagram of the electronic circuit of the receiving section of FIG. 3.

Der in der Fig. 1 dargestellte optische Homodynempfänger enthält empfangsseitig einen 90°-Hybrid H, dessen einer Eingang E mit einer Quelle für das Empfangssignal, also beispielsweise mit einem optische Nachrichtensignale führenden ersten Lichtwellenleiter und dessen anderer Eingang U über einen weiteren Lichtwellenleiter mit einem lokalen Laser LL verbunden ist. Beim optischen 90°-Hybrid handelt es sich um einen handelsüblichen Dreifach-Faserkoppler mit drei symmetrischen Ein- und Ausgängen. Der erste Eingang des Faserkopplers ist gleichzeitig der Eingang E für das Nutzsignal und der zweite Eingang derjenige für das Licht des lokalen Lasers, der dritte Eingang bleibt unbeschaltet. Die Ausgänge des Faserkopplers sind jeweils getrennt mit einem fotoelektrischen Wandler PD 1, PD 2, PD 3 verbunden, bei denen es sich um handelsübliche Fotodioden handelt. Durch den symmetrischen Faserkoppler ergibt sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung mit jeweils etwa 33% Koppelgrad, bei wenigstens annähernd verlustfreiem Koppler sind die von den drei Fotodioden PD 1, PD 2, PD 3 erzeugten Fotoströme jeweils um 120° zueinander phasenverschoben. Aus der Differenz der Fotoströme der zweiten und der ersten Fotodiode ergibt sich unter der Voraussetzung eines phasensprungmodulierten Emfangssignals bei phasenrichtiger Kopplung des lokalen Lasers wiederum das ursprüngliche Datensignal, das nach Durchlaufen eines Tiefpasses TP zur Unterdrückung von Störsignalen an einem Ausgangsanschluß zur Verfügung steht. Das Datensignal ist orthogonal zum Wechselanteil des dritten Fotostroms und gestattet damit die Realisierung einer Costas-Schleife. Der von der dritten Fotodiode erzeugte Fotostrom I₃ durchläuft zur Unterdrückung von Störsignalen und des Gleichanteils einen Bandpaß BP und wird einem Balancemischer BM zugeführt. Ein weiterer Eingangsanschluß dieses Mischers ist mit dem Ausgangsanschluß für das Datensignal DS verbunden, im Mischer wird das Produkt zwischen dem gegebenenfalls verstärkten Fotostrom der dritten Fotodiode PD 3 und dem Datensignal DS gebildet. Dieses phasenverschobene Signal wird über ein Schleifenfilter LF dem Steuereingang eines lokalen Lasers LL zugeführt, bei dem es sich um eine einmodige und besonders schmalbandige Laserdiode handelt, wie sie beispielsweise in Electronics Letters, 19, 1984, Nr. 3, S. 938 bis 940 beschrieben wird.The optical homodyne receiver shown in FIG. 1 contains a 90 ° hybrid H at the receiving end, one input E of which has a source for the received signal, that is to say, for example, a first optical waveguide carrying optical message signals, and the other input U of which is connected to a local one via a further optical waveguide Laser LL is connected. The optical 90 ° hybrid is a commercially available triple fiber coupler with three symmetrical inputs and outputs. The first input of the fiber coupler is simultaneously the input E for the useful signal and the second input for the light of the local laser, the third input remains unconnected. The outputs of the fiber coupler are each separately connected to a photoelectric converter PD 1 , PD 2 , PD 3 , which are commercially available photodiodes. The symmetrical fiber coupler results in a uniform power distribution, each with a coupling degree of approximately 33%. With at least approximately loss-free couplers, the photo currents generated by the three photodiodes PD 1 , PD 2 , PD 3 are each 120 ° out of phase with one another. From the difference between the photocurrents of the second and the first photodiode, the original data signal is obtained, provided that the local laser is coupled in phase-shift-modulated reception signal, and that, after passing through a low-pass filter TP, is available for suppressing interference signals at an output connection. The data signal is orthogonal to the alternating component of the third photocurrent and thus allows a Costas loop to be implemented. The photocurrent I ₃ generated by the third photodiode passes through a bandpass filter BP to suppress interference signals and the DC component and is fed to a balance mixer BM . Another input connection of this mixer is connected to the output connection for the data signal DS , the product is formed in the mixer between the optionally amplified photocurrent of the third photodiode PD 3 and the data signal DS . This phase-shifted signal is fed via a loop filter LF to the control input of a local laser LL , which is a single-mode and particularly narrow-band laser diode, as described, for example, in Electronics Letters, 19, 1984, No. 3, pages 938 to 940 becomes.

In der gesonderten Darstellung des Empfangsteils des optischen Empfängers entsprechend Fig. 2 sind mit E und U wiederum die Anschlüsse für das empfangene Licht und das vom Laser erzeugte Licht des Dreifach-Faserkopplers FK bezeichnet. Die symmetrischen Ausgänge A 1, A 2, A 3 sind wie in Fig. 1 mit zugeordneten Fotodioden PD 1, PD 2, PD 3 verbunden, die erste und die zweite Fotodiode PD 1, PD 2 sind dabei in Serie geschaltet und über die Anode der ersten Fotodiode PD 1 mit einer Quelle für eine erste Sperrspannung U₁ und über die Kathode der zweiten Diode PD 2 mit Bezugsspannung verbunden. Entsprechend ist die Anode der dritten Fotodiode über einen Widerstand R mit einer Quelle für eine zweite Sperrspannung U₂ und die Kathode dieser dritten Fotodiode mit Bezugspotential verbunden. Zwischen der ersten und der zweiten Fotodiode PD 1, PD 2 wird über einen Anschluß die Differenz der Fotoströme I₂, I₁ beider Dioden abgegriffen. Diese Differenz dient nach Durchlaufen des Tiefpaßfilters TP entsprechend Fig. 1 als Datensignal DS und wird außerdem über einen Eingangsanschluß dem Balance-Mischer BM zugeführt. Die Fotoströme I₁, I₂, I₃ ergeben sich aus der Lichtleistung U₀² des Lokaloszillators und der Lichtleistung E₀² der Empfangslichtquelle unter der Annahme eines Konversionsfaktors K von Lichtleistung in Fotostrom für die verwendeten Fotodioden, wobei die Feldamplituden am Eingang des Dreifachkopplers für das EmpfangslichtIn the separate representation of the receiving part of the optical receiver according to FIG. 2, E and U in turn denote the connections for the received light and the light of the triple fiber coupler FK generated by the laser. As in FIG. 1, the symmetrical outputs A 1 , A 2 , A 3 are connected to assigned photodiodes PD 1 , PD 2 , PD 3 , the first and the second photodiode PD 1 , PD 2 are connected in series and via the anode the first photodiode PD 1 connected to a source for a first reverse voltage U ₁ and via the cathode of the second diode PD 2 with reference voltage. Accordingly, the anode of the third photodiode is connected via a resistor R to a source for a second reverse voltage U ₂ and the cathode of this third photodiode is connected to reference potential. Between the first and the second photodiode PD 1 , PD 2 , the difference between the photocurrents I ₂, I ₁ of both diodes is tapped via a connection. After passing through the low-pass filter TP in accordance with FIG. 1, this difference serves as a data signal DS and is also fed to the balance mixer BM via an input connection. The photo currents I ₁, I ₂, I ₃ result from the light power U ₀² of the local oscillator and the light power E ₀² of the receiving light source assuming a conversion factor K of light power in photocurrent for the photodiodes used, the field amplitudes at the input of the triple coupler for the Reception light

E = √ × E₀ × cos (ω t + d₁) E = √ × E ₀ × cos ( ω t + d ₁)

und für das Licht des Lokaloszillatorsand for the light from the local oscillator

U = √ × U₀ × cos (ω t + d₂) U = √ × U ₀ × cos ( ω t + d ₂)

sind, wobei ω die optische Kreisfrequenz und ϕ₁, ϕ₂ die Phasenlage des jeweiligen Lichts bezeichnen. are, where ω denote the optical angular frequency and ϕ ₁, ϕ ₂ the phase position of the respective light.

Die Fotoströme I₁, I₂, I₃ sowie die Differenz der Fotoströme der zweiten und der ersten Fotodiode ergeben sich dann zuThe photo currents I ₁, I ₂, I ₃ and the difference between the photo currents of the second and the first photodiode then result in

Für den symmetrischen Dreifachkoppler beträgt die Phasendrehung Φ =120°. Bei der einfachen Lösung des Eingangsteils entsprechend Fig. 2 ergibt sich ein störender Gleichanteil im Fotostrom I₃.For the symmetrical triple coupler, the phase rotation is Φ = 120 °. In the simple solution of the input part according to Fig. 2, there is a disturbing DC component in the photocurrent I ₃.

In der Fig. 3 ist die Prinzipschaltung eines Empfangsteils eines optischen Homodynempfängers für phasensprungmodulierte Signale dargestellt, bei dem anstatt des Fotostroms I₃ der dritten Fotodiode ein gleichstromfreies Quadratursignal I _Q gebildet wird. Der Faserkoppler FK entspricht hinsichtlich Beschaltung seiner Ein- und Ausgangsanschlüsse dem der Fig. 2, er ist jedoch als teilsymmetrischer Koppler ausgebildet. Bei einem derartigen wenigstens annähernd teilsymmetrischen Dreifach-Faserkoppler sind die mit der ersten und der zweiten Fotodiode verbundenen Ausgänge annähernd gleichmäßig mit dessen beiden Eingängen für das Empfangslicht und das Licht des lokalen Lasers verkoppelt. Der dritte Eingang ist auch in diesem Falle nicht beschaltet, der mit der dritten Fotodiode verbundene Ausgang des Dreifach-Faserkopplers weist eine gegenüber beiden anderen Ausgängen unterschiedliche Kopplung auf. Der Ausgang des ersten fotoelektrischen Detektors PD 1 ist in diesem Falle über einen Inverter In mit dem einen Eingang eines ersten Summierers S 1 sowie direkt mit einem Eingang eines zweiten Summierers S 2 verbunden. Entsprechend ist der Ausgang des zweiten fotoelektrischen Detektors PD 2 mit den zweiten Eingängen des ersten und des zweiten Summierers S 1, S 2 direkt verbunden. Am Ausgang des ersten Summierers S 2 steht wiederum das Differenzsignal I₂-I₁ zur Verfügung. Der Ausgang des zweiten Summierers S 2 ist über einen Verstärker V mit dem einen Eingang eines dritten Summierers S 3 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des dritten fotoelektrischen Wandlers PD 3 verbunden ist. Der Verstärker V ist als invertierender Verstärker mit einem, dem Verhältnis aus Koppelfaktor für den Ausgang A 3 zur Summe der Koppelfaktoren für die Ausgänge A 1 und A 2 entsprechenden Verstärkungsfaktor ausgebildet. Am Ausgang des dritten Summierers S 3 wird der Quadraturstrom I _Q abgegeben, der um 90° gegenüber dem Differenzstrom I₂-I₁ phasenverschoben ist. Mit dem gleichstromfreien Quadraturstrom nach Fig. 3 ergibt sich nach Multiplikation im Balance-Mischers BM der Fig. 1 auch ein von der Datenmodulation befreites Stellsignal für den lokalen Laser LL. Die Gleichstromfreiheit entsteht dadurch, daß die Gleichanteile der drei Fotoströme I₁, I₂, I₃ gleiches Vorzeichen aufweisen, während die Phasensprungsignale abhängig von den Koppelfaktoren des Faserkopplers phasenverschoben sind.In Fig. 3 the basic circuit of a receiving part of an optical homodyne receiver for phase-shift modulated signals is shown, in which a DC-free quadrature signal I _{Q is} formed instead of the photocurrent I ₃ of the third photodiode. The fiber coupler FK corresponds to that of FIG. 2 with regard to the wiring of its input and output connections, but it is designed as a partially symmetrical coupler. In such an at least approximately partially symmetrical triple fiber coupler, the outputs connected to the first and the second photodiode are coupled approximately uniformly to its two inputs for the reception light and the light of the local laser. The third input is not connected in this case either, the output of the triple fiber coupler connected to the third photodiode has a different coupling from the other two outputs. The output of the first photoelectric detector PD 1 is in this case connected via an inverter In to the one input of a first summer S 1 and directly to an input of a second summer S 2 . Accordingly, the output of the second photoelectric detector PD 2 to the second inputs of the first and second summer S 1, S 2 is directly connected. At the output of the first summer S 2 in turn is the difference signal I ₂- I ₁ available. The output of the second summer S 2 is connected via an amplifier V to the one input of a third summer S 3 , the other input of which is connected to the output of the third photoelectric converter PD 3 . The amplifier V is designed as an inverting amplifier with an amplification factor which corresponds to the ratio of the coupling factor for the output A 3 to the sum of the coupling factors for the outputs A 1 and A 2 . At the output of the third summer S 3 of the quadrature current I _Q is output, which is phase shifted by 90 ° relative to the differential current I ₁ I ₂-. With the direct current-free quadrature current according to FIG. 3, after multiplication in the balance mixer BM of FIG. 1, an actuating signal for the local laser LL freed from the data modulation also results. The DC freedom arises from the fact that the DC components of the three photo currents I ₁, I ₂, I ₃ have the same sign, while the phase jump signals are phase-shifted depending on the coupling factors of the fiber coupler.

In der Fig. 4 ist der elektronische Schaltungsteil des Empfangsteils nach Fig. 3 detaillierter dargestellt. Die Schaltung enthält die in der Praxis notwendigen Fotostromverstärker, die mittels Operationsverstärkern realisiert sind. Dabei sind der erste bis vierte Verstärker V 1, V 2, V 3, V 4 als Transimpedanzverstärker und der fünfte Verstärker V 5 als Summierverstärker ausgebildet. Als fotoelektrische Wandler wurden PIN-Fotodioden verwendet. FIG. 4 shows the electronic circuit part of the receiving part according to FIG. 3 in more detail. The circuit contains the photocurrent amplifiers necessary in practice, which are implemented by means of operational amplifiers. The first to fourth amplifiers V 1 , V 2 , V 3 , V 4 are designed as transimpedance amplifiers and the fifth amplifier V 5 as summing amplifiers. PIN photodiodes were used as photoelectric converters.

Mit dem ersten Ausgangsanschluß A 1 des Faserkopplers FK ist optisch die erste PIN-Fotodiode PD 1 gekoppelt, deren Anodenanschluß mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers V 1 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Operationsverstärkers ist mit einer Quelle für eine erste Sperrspannung -U₀ verbunden, außerdem ist dieser Operationsverstärker von seinem Ausgang über einen ersten Widerstand R 1 zum invertierenden Eingang gegengekoppelt. Der Kathodenanschluß der ersten PIN-Fotodiode PD 1 ist mit dem Anodenanschluß der zweiten PIN-Fotodiode PD 2 verbunden, die optisch an den zweiten Ausgang A 2 des Faserkopplers FK angekoppelt ist. Der Kathodenanschluß der zweiten PIN-Diode PD 2 ist mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers V 2 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang mit einer Quelle für eine zweite Sperrspannung +U₀ und dessen Ausgang über einen zweiten Widerstand R 2 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist. Mit dem dritten Ausgang A 3 des Faserkopplers FK ist optisch eine dritte PIN-Diode PD 3 verbunden, deren Anodenanschluß mit einer Quelle für die negative Sperrspannung -U₀ und deren Kathodenanschluß mit dem invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers V 3 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Operationsverstärkers V 3 ist mit Bezugspotential verbunden, über einen dritten Widerstand R 3 sind der Ausgang und der invertierende Eingang dieses Verstärkers miteinander verbunden. Die PIN-Fotodioden PD 1, PD 2 sind antiparallel miteinander verbunden, so daß am Verbindungspunkt der Kathode der ersten PIN-Diode PD 1 und der Anode der zweiten PIN-Fotodiode PD 2 ein Differenzstrom fließt, der vom invertierenden Eingang eines vierten Operationsverstärkers V 4 aufgenommen wird. Der nichtinvertierende Eingang dieses Verstärkers ist mit Bezugspotential verbunden, über einen vierten Widerstand R 4 erfolgt eine Rückkopplung vom Ausgang dieses Verstärkers auf dessen invertierenden Eingang.With the first output connection A 1 of the fiber coupler FK , the first PIN photodiode PD 1 is optically coupled, the anode connection of which is connected to the inverting input of the first operational amplifier V 1 . The non-inverting input of this operational amplifier is connected to a source for a first reverse voltage - U ₀, and this operational amplifier is also fed back from its output via a first resistor R 1 to the inverting input. The cathode connection of the first PIN photodiode PD 1 is connected to the anode connection of the second PIN photodiode PD 2 , which is optically coupled to the second output A 2 of the fiber coupler FK . The cathode connection of the second PIN diode PD 2 is connected to the inverting input of a second operational amplifier V 2 , whose non-inverting input is connected to a source for a second reverse voltage + U ₀ and whose output is connected via a second resistor R 2 to the inverting input of the second operational amplifier connected is. A third PIN diode PD 3 is optically connected to the third output A 3 of the fiber coupler FK , the anode connection of which is connected to a source for the negative reverse voltage - U ₀ and the cathode connection of which is connected to the inverting input of a third operational amplifier V 3 . The non-inverting input of this operational amplifier V 3 is connected to reference potential, the output and the inverting input of this amplifier are connected to one another via a third resistor R 3 . The PIN photodiodes PD 1 , PD 2 are connected antiparallel to each other, so that a differential current flows from the inverting input of a fourth operational amplifier V 4 at the connection point of the cathode of the first PIN diode PD 1 and the anode of the second PIN photodiode PD 2 is recorded. The non-inverting input of this amplifier is connected to the reference potential, and a fourth resistor R 4 provides feedback from the output of this amplifier to its inverting input.

Über die Rück- bzw. Gegenkopplungswiderstände R 1 . . . R 4 kann die Verstärkung der Operationsverstärker individuell eingestellt und dadurch Unsymmetrien des Faserkopplers FK hinsichtlich Leistungsaufteilung oder Phasendrehung und Unsymmetrien der Kennlinien bzw. Wirkungsgrade der Fotodioden ausgeglichen werden. Durch den vierten Operationsverstärker V 4 wird aus dem Differenzstrom I₂-I₁ der zweiten und der ersten PIN-Fotodiode PD 2, PD 1 eine Differenzspannung U _I erzeugt, die als Datensignal DS an einem Datenausgang zur Weiterverarbeitung ansteht. Im Ausführungsbeispiel wird von einem annähernd verlustfreien teilsymmetrischen Dreifach-Faserkoppler mit einer Leistungsaufteilung T 1=T 2 von z. B. 45% für die Ausgänge A 1 und A 2 und T 3 von z. B. 10% für den Ausgang A 3 ausgegangen. Die Widerstände R 1 und R 2 haben dann den gleichen Wert, der Widerstand R 3 hat den mit dem TeilverhältnisVia the feedback or negative feedback resistors R 1 . . . R 4 , the amplification of the operational amplifiers can be set individually and thus asymmetries of the fiber coupler FK with regard to power distribution or phase rotation and asymmetries of the characteristics or efficiencies of the photodiodes can be compensated. The fourth operational amplifier V 4 generates a differential voltage U _I from the differential current I ₂- I ₁ of the second and first PIN photodiodes PD 2 , PD 1 , which is present as a data signal DS at a data output for further processing. In the exemplary embodiment, an almost loss-free partially symmetrical triple fiber coupler with a power distribution T 1 = T 2 of z. B. 45% for the outputs A 1 and A 2 and T 3 of z. B. 10% for output A 3 assumed. The resistors R 1 and R 2 then have the same value, the resistor R 3 has the one with the partial ratio

multiplizierten Wert des Widerstandes R 1.multiplied value of the resistance R 1 .

Zur Erzeugung eines Nachstellsignals für den lokalen Laser sind die Ausgangssignale der drei PIN-DIODEN PD 1, PD 2, PD 3 miteinander zu verknüpfen. Diesen Zweck dient ein fünfter Operationsverstärker V 5, der ebenfalls eine Rückkopplung von seinem Ausgang über einen fünften Widerstand R 5 zu seinem invertierenden Eingang aufweist. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers ist über einen sechsten Widerstand R 6 mit dem nichtinvertierenden Eingang des fünften Operationsverstärkers V 5 verbunden, dieser nichtinvertierende Eingang ist außerdem über einen siebenten Widerstand R 7 mit dem Ausgangsanschluß des dritten Operationsverstärkers V 3 sowie über einen achten Widerstand R 8 mit Bezugspotential verbunden. Weiterhin ist der Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers V 2 über einen neunten Widerstand R 9 mit dem invertierenden Eingang des fünften Operationsverstärkers V 5 verbunden, außerdem ist dieser Eingang über einen zehnten Widerstand R 10 an eine Quelle für die negative Sperrspannung -U₀ angeschlossen. Am Ausgang des fünften Operationsverstärkers V 5 ist das Quadratursignal U _Q entnehmbar, aus dem durch Multiplikation mit dem Datensignal DS das Nachstellsignal für den lokalen Laser erzeugt wird.To generate an adjustment signal for the local laser, the output signals of the three PIN DIODES PD 1 , PD 2 , PD 3 are to be linked together. This purpose is served by a fifth operational amplifier V 5 , which likewise has feedback from its output via a fifth resistor R 5 to its inverting input. The output of the first operational amplifier is connected via a sixth resistor R 6 to the non-inverting input of the fifth operational amplifier V 5 , this non-inverting input is also connected via a seventh resistor R 7 to the output terminal of the third operational amplifier V 3 and via an eighth resistor R 8 Reference potential connected. Furthermore, the output connection of the second operational amplifier V 2 is connected via a ninth resistor R 9 to the inverting input of the fifth operational amplifier V 5 , and this input is also connected via a tenth resistor R 10 to a source for the negative reverse voltage - U ₀. At the output of the fifth operational amplifier V 5 , the quadrature signal U _Q can be taken, from which the adjustment signal for the local laser is generated by multiplication with the data signal DS .

Der sechste bzw. der siebte Widerstand R 6, R 7 bildet mit dem achten Widerstand R 8 sowie der neunte bzw. der zehnte Widerstand R 9, R 10 bildet dem Widerstand R 5 jeweils einen Spannungsteiler. Durch diese Spannungsteiler wird der Anteil der Ausgangsspannung des fünften Verstärkers V 5 eingestellt. Beim Ausführungsbeispiel weist aufgrund des gewählten Wertes für den dritten Widerstand R 3 der neunte Widerstand R 9 den gleichen und der zehnte Widerstand R 10 den doppelten Widerstandswert des Widerstandes R 5 auf, entsprechend weist der sechste Widerstand R 6 den gleichen und der siebte Widerstand R 7 den doppelten Widerstandswert des achten Widerstandes R 8 auf.The sixth or seventh resistor R 6 , R 7 forms with the eighth resistor R 8 and the ninth or tenth resistor R 9 , R 10 each form a voltage divider for the resistor R 5 . The proportion of the output voltage of the fifth amplifier V 5 is set by these voltage dividers. In the exemplary embodiment, due to the selected value for the third resistor R 3, the ninth resistor R 9 has the same and the tenth resistor R 10 has twice the resistance value of the resistor R 5 , accordingly the sixth resistor R 6 has the same and the seventh resistor R 7 double the resistance value of the eighth resistor R 8 .

Durch die Kombination Operationsverstärker mit Widerstand wie z. B. beim vierten Verstärker V 4 mit dem vierten Widerstand R 4 ergibt sich ein Transimpedanzverstärker. Für hohe Frequenzen kann ein derartiger Verstärker entweder mit diskreten Transistoren oder als integrierte Schaltung realisiert werden. Anstatt Transimpedanz - können auch Hochimpedanz-Verstärker eingesetzt werden. Der bei hohen Frequenzen schwierig zu realisierende Summierer V 5 mit den Widerständen R 5 bis R 10 kann entfallen, wenn der erste Verstärker V 1 mit dem ersten Widerstand R 1 und der zweite Verstärker V 2 mit dem zweiten Widerstand R 2 durch einen ersten Stromspiegel und einen zweiten Stromspiegel ersetzt werden. Dabei wird die Anode der Fotodiode PD 1 mit dem Eingang des ersten Stromspiegels verbunden, der den Ausgangsstrom I′₁=I₁ liefert. Der Ausgang des ersten Stromspiegels liegt gemeinsam mit der Kathode der zweiten Fotodiode PD 2 am Eingang des zweiten Stromspiegels, der einen Übertragungsfaktor gleich den Verstärkungsfaktor des Verstärkers V in Fig. 3 aufweist. Der Ausgang des zweiten Stromspiegels ist mit der Kathode der dritten Fotodiode PD 3 und damit auch mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers V 3 verbunden. Das Ausgangssignal des dritten Verstärkers V 3 ist nun bereits gleichstromfrei.By combining operational amplifiers with resistors such. B. the fourth amplifier V 4 with the fourth resistor R 4 results in a transimpedance amplifier. For high frequencies, such an amplifier can be implemented either with discrete transistors or as an integrated circuit. Instead of transimpedance - high impedance amplifiers can also be used. The summator V 5 with the resistors R 5 to R 10 , which is difficult to implement at high frequencies, can be omitted if the first amplifier V 1 with the first resistor R 1 and the second amplifier V 2 with the second resistor R 2 by a first current mirror and a second current mirror can be replaced. The anode of the photodiode PD 1 is connected to the input of the first current mirror, which supplies the output current I '₁ = I ₁. The output of the first current mirror lies together with the cathode of the second photodiode PD 2 at the input of the second current mirror, which has a transmission factor equal to the amplification factor of the amplifier V in FIG. 3. The output of the second current mirror is connected to the cathode of the third photodiode PD 3 and thus also to the inverting input of the third amplifier V 3 . The output signal of the third amplifier V 3 is already free of direct current.

Die Verwendung eines teilsymmetrischen Dreifach-Faserkopplers in den Anordnungen nach Fig. 1 bis 3 und in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 4 ergibt bei verringerter Ankopplung des dritten Ausgangs in bezug auf den symmetrischen Dreifach-Faserkoppler einen Gewinn im Signal-Geräuschverhältnis des Datensignals. Die Phasendrehung Φ durch den Dreifach-Faserkoppler weicht von 120° ab; bei Homodynempfang ist eine Phasendrehung Φ kleiner als 120° vorteilhaft, da damit die Amplitude des Datensignals DS vergrößert wird, wie sich dies aus den vorstehend aufgeführten Beziehungen für I₁ und I₂ ergibt.The use of a partially symmetrical triple fiber coupler in the arrangements according to FIGS. 1 to 3 and in connection with the arrangement according to FIG. 4 results in a gain in the signal-noise ratio of the data signal with a reduced coupling of the third output with respect to the symmetrical triple fiber coupler. The phase rotation Φ through the triple fiber coupler deviates from 120 °; with homodyne reception, a phase shift Φ less than 120 ° is advantageous, since this increases the amplitude of the data signal DS , as is evident from the relationships for I ₁ and I ₂ listed above.

Beim Einsatz eines teilsymmetrischen Kopplers in einem DPSK-Quadraturempfänger nach Anspruch 2 besteht die Möglichkeit, durch Anpassen der Koppelverhältnisse der Faserkoppler an das individuelle Eingangsrauschen der Eingangsverstärkerstufen das Signal-Geräuschverhältnis in beiden Kanälen gleich zu wählen und damit die Empfängerempfindlichkeit zu maximieren.When using a partially symmetrical coupler in a DPSK quadrature receiver according to claim 2, there is the possibility Adapting the coupling ratios of the fiber couplers to the individual Input noise of the input amplifier stages the signal-to-noise ratio to choose the same in both channels and thus maximize receiver sensitivity.

Im Ausführungsbeispiel wurden als fotoelektrische Detektoren PIN-Fotodioden verwendet. Alternativ können auch aus Lawinenmultiplikations-Fotodioden eingesetzt werden, deren Multiplikationsfaktor oder interne Verstärkung durch die angelegte äußere Spannung eingestellt werden kann. Damit ist eine besonders einfache Regelung des Fotostroms möglich.In the exemplary embodiment were used as photoelectric detectors PIN photodiodes used. Alternatively, avalanche multiplication photodiodes can also be used are used, their multiplication factor or internal reinforcement by the applied outer Voltage can be adjusted. This is a particularly simple one Regulation of the photocurrent possible.

Ein optischer Dreifach-Koppler ist auch in integriert-optischer Ausführung möglich. Hierbei werden in geeignetes Material aus einem III-V-Halbleiter, Lithiumniobat oder Glas 2 Wellenleiter so dicht nebeneinander vergraben, daß zwischen ihnen eine Verkopplung erfolgt. Anschließend wird ein dritter Wellenleiter in der Mitte über den beiden anderen Wellenleitern entweder auf der Oberfläche des integriert-optischen Bausteins oder auch im Material als vergrabene Struktur hergestellt. Der Abstand zu den beiden anderen Wellenleitern ist ebenfalls so gering, daß Überkopplung auftritt. Vorteilhaft ist insbesondere die Integration mit anderen Bauelementen z. B. Polarisationsdreher, optische Filter, Fotodioden oder Laserdioden auf einem Substrat.An optical triple coupler is also integrated in optical Execution possible. This is made out of suitable material a III-V semiconductor, lithium niobate or glass 2 waveguides buried so close together that there is a coupling between them he follows. Then a third waveguide is placed in the middle over the other two waveguides either the surface of the integrated optical module or in Material made as a buried structure. The distance too the other two waveguides is also so small that Coupling occurs. Integration is particularly advantageous with other components such. B. polarization rotator, optical Filters, photodiodes or laser diodes on a substrate.

Claims

1. Optical superposition receiver for in particular PSK-modulated light with an optical 90 ° hybrid connected on the input side to a receiving light source and a local laser, the outputs of which are connected to optoelectronic detectors and in which the oscillation frequency of the local laser at least approximately matches the average frequency of the received light , characterized,
that an optical triple coupler (FK) with three inputs (E, U) and three outputs ( A 1 , A 2 , A 3 ) is provided as a 90 ° hybrid,
that the first input (E) is connected to the receiving light source and the second input to the local laser (LL) , while the third input remains free,
that the outputs ( A 1 , A 2 , A 3 ) are each separately connected to optoelectronic detectors ( PD 1 , PD 2 , PD 3 ),
that the data signal (DS) is generated on the receiving side from the difference between the possibly amplified output signals of the second and the first optoelectronic detector ( PD 2 , PD 1 ),
that the alternating component of the output signal of the third optoelectronic detector ( PD 3 ) and the data signal (DS) are at least approximately orthogonal to one another and that a readjustment signal for the clocal laser (LL) from the product between the possibly amplified output signal of the third optoelectronic detector ( PD 3 ) and the data signal is generated.

2. Optical superposition receiver for differential phase-shift keyed (DPSK) light with an optical 90 ° hybrid connected on the input side to a receiving light source and a local laser, the outputs of which are connected to optoelectronic detectors and in which the oscillation frequency of the local laser is at least approximately at the mean frequency of the reception light coincides, characterized in that
that light signals with differential phase key modulation (DPSK) are received,
that the data signal by separate DPSK demodulation of the difference between the optionally amplified output signals of the second and first optoelectronic detector ( PD 2 , PD 1 ) and the optionally amplified output signal of the third optoelectronic detector ( PD 3 ) or a quadrature signal generated therefrom and subsequent summation of both demodulated signals are obtained, the intensity of which is matched to one another.

3. Optical superimposition receiver according to claims 1 or 2, characterized in that a triple fiber coupler (FK) is provided as the optical triple coupler.

4. Optical overlay receiver according to claims 1 or 2, characterized, that as an optical triple coupler, an integrated optical triple coupler made of glass, lithium niobate or a III-V semiconductor is provided.

5. Optical overlay receiver according to claim 1, characterized, that PSK (phase shift) modulated light signals are received and the superposition is based on the homodyne principle.

6. Optical superimposed receiver according to one of claims 1 to 5, characterized in that an at least partially symmetrical optical triple coupler (FK) is provided, in which the outputs of the connected to the first and the second optoelectronic detector ( PD 1 , PD 2 ) optical triple coupler (FK) are coupled almost uniformly to its two inputs for the reception light and the light of the local laser and that the output of the triple coupler (FK) connected to the third optoelectronic detector ( PD 3 ) has a different coupling ratio .

7. Optical heterodyne receiver according to claim 6, characterized in that the quadrature signal ( I _Q , U _Q ) from the difference between the output signal of the third optoelectronic detector ( PD 3 ) and the sum of the output signals of the first and second optoelectronic multiplied by a transmission factor Detector ( PD 1 , PD 2 ) is formed and that the transmission factor is the quotient of the light output at the asymmetrical output to the sum of the light outputs at the other two outputs of the optical triple coupler (FK) .

8. Optical superimposition receiver according to claims 6 or 7, characterized in that a partially symmetrical optical triple coupler (FK) is provided in which the major part of the received signal and the light of the local laser at least approximately uniformly on the first and second output ( A 1 , A 2 ) of the optical triple coupler (FK) is divided.

9. Optical overlay receiver according to one of the preceding Claims, characterized, that slight asymmetries with regard to the at least partially symmetrical Phase shift and power distribution of the fiber coupler by a slightly different amplification of the corresponding photo streams or by slightly different Corrected bias on the optoelectronic detectors will.