DE3785662T2

DE3785662T2 - Methoden und vorrichtungen zur aenderung der optischen polarisation.

Info

Publication number: DE3785662T2
Application number: DE8787311107T
Authority: DE
Inventors: Terence Geoffrey Hodgkinson; David William Smith
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1986-12-29
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2007-12-17
Also published as: EP0277427B1; HK130296A; ES2040756T3; GB8630959D0; JPS63174435A; ATE88816T1; CA1305523C; US5031236A; JP2626896B2; AU8305987A; DE3785662D1; AU598619B2; EP0277427A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verarbeiten eines optischen Signals und auf optische Vorrichtungen zum Ausführen der Verarbeitung, die alle zur Verwendung in optischen Übertragungssystemen sind. Die Erfindung findet Anwendung im Verbessern optischen Signalempfangs und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, in kohärenten optischen Übertragungssystemen.
Kohärente optische Faserübertragungssysteme, die heterodyne und homodyne Empfangstechniken verwenden, bieten beträchtliche Vorzüge in einer Empfangsempfindlichkeit über herkömmliche Direkterfassungssysteme. Jedoch hängt die Leistungsfähigkeit eines kohärenten Empfängers von einer Abstimmung der Signalpolarisation an dem Eingang an den Empfänger zu der Polarisation des Lokaloszillators ab. Nach Übertragung entlang einer doppelbrechenden optischen Faser ist der Polarisationszustand des Signals an dem Empfängereingang allgemein unbestimmt. Das Signal wird erfaßt durch Mischen von empfangenem mit lokalem Oszillatorfeld auf der Oberfläche eines optischen Detektors nach dem Quadratgesetz. Wenn die Polarisationen des empfangenen Signals und des Lokaloszillatorsignals nicht angepaßt sind, gibt es einen effektiven Empfängerleistungsfähigkeitsabzug, der sich in dem Schwinden des effaßten Signals zeigt. In dem extremen Fall, daß empfangene und Lokaloszillatorsignalpolarisation orthogonal sind, ist das Signal vollständig verloren.
Um das Problem der Polarisationsempfindlichkeit zu reduzieren, ist ein sogenannter Polarisations-Diversity-Empfänger vorgeschlagen worden von Takanori Okoshi, Shiro Ryu und Kazura Kikuchi in "Polarisation diversity receiver for heterodyne coherent optical fibre communications", ICOC 1983, Artikel 30C3-2, Tokio, Juni 1983.
In dem Polarisations-Diversity-Empfänger werden zwei orthogonal polarisierte Komponenten des Eingabesignals getrennt und heterodyn einzeln erfaßt, bevor sie in einer Ausgabestufe summiert werden. Der Polarisations-Diversity-Empfänger begrenzt den maximalen Schwundverlust auf 3 dB. Jedoch ist es ein Nachteil, daß die herkömmliche Empfängerelektronik in einem solchen Empfänger verdoppelt werden muß. Das Design von Okoshi et al erfordert auch einen Faraday-Rotator zum Ändern einer Polarisation. Faraday-Rotatoren sind unzweckmäßig wegen der hohen Betriebsströme, die sie brauchen, und wegen der starken Magnetfelder, die sie erzeugen müssen, um die Polarisation zu beeinflussen.
Eine alternative Lösung zu dem Problem eines Designs eines kohärenten Empfängers wird durch sogenannte Polarisationsnachführ-Empfänger bereitgestellt, die ausgeklügelte Rückkopplungsschleifen einsetzen, um die Lokaloszillatorpolarisation aktiv zu steuern, um sie der Signalpolarisation anzupassen (oder umgekehrt). Zweckmäßigerweise wird die Lokaloszillatorpolarisation durch Verwenden piezoelektrischer Wandler, drehbarer Phasenplatten oder ähnlicher optischer Vorrichtungen (bulk optical devices) geändert. Ein beispielhafter Polarisationsnachführ-Empfänger ist in "New polarisation-control scheme for optical heterodyne receiver using two Faraday rotators", Okoshi et al, Electronics Letters, Band 21, Nr. 18, 29. August 1985 beschrieben. Ein Nachteil dieses Typs von Empfänger ist das Erfordernis für ein komplexes und empfindliches Rückkopplungssteuerungssystem. Die Nachteile von Faraday-Rotatoren sind bereits oben erwähnt worden. Während piezoelektrische Wandler häufig als Alternativen angesehen werden, haben diese jedoch auch Nachteile.
Zum Beispiel sind sie mechanisch und infolgedessen relativ langsam im Betrieb. Weiterhin sind die hohen Spannungen in der Größenordnung von 1 kV die gebraucht werden, um diese Vorrichtungen zu betreiben, potential gefährlich für zugeordnete elektronische Schaltungen und erfordern demzufolge besonderen Schutz.
Polarisationsempfindliche Vorrichtungen können auch in optischen Übertragungssystemen eingesetzt werden, die eher direkte Erfassung denn kohärente Techniken verwenden. Zum Beispiel können planare Wellenleitervorrichtungen, die allgemein mit einer bevorzugten Eingabepolarisation arbeiten, verwendet werden, um Signale an einem Empfänger zu schalten oder zur Signalverteilung an Netzwerkknoten. Damit ist auch herkömmlicherweise irgendeine Form von Polarisationssteuerung in Direkterfassungssystemen erforderlich, die solche Komponenten verwenden, wenn die potentiellen Probleme extremen Signalverlusts, die durch Nicht- Ausrichtung von Signalpolarisation auftreten können, vermieden werden sollen.
Es ist bekannt, daß der Polarisationszustand eines optischen Signals, das sich in einer optischen Faser ausbreitet, durch mechanische Vorrichtungen gesteuert werden kann, z.B. durch drehbare Faserkurbeln, unter der Steuerung eines elektrischen Steuerungssignals. Siehe dazu den Artikel mit dem Titel "Polarisation - State Control Schemes for Heterodyne or Homodyne Optical Fibre Communications" von T. Okoshi, Journal of Lightwave Technology, Band LT-3, Nr. 6, Dezember 1985.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verarbeiten eines optischen Signals bereitzustellen, das es ermöglicht, die Probleme der Polarisations-Fehlanpassung, die bei polarisationsempfindlichen Teilen eines Übertragungssystems auftreten können, zu überwinden oder wenigstens zu lindern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine optische Vorrichtung zur Verwendung in optischen Übertragungssystemen bereitzustellen, der gemäß dem Verfahren arbeitet und der den Bedarf nach Polarisationsanpassen an polarisationsempfindlichen Teilen eines Systems beseitigt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Version der vorgenannten optischen Vorrichtung bereitzustellen, die verwendet werden kann, um sowohl ein optisches Signal durch ein Verfahren gemäß dem Verfahren der Erfindung zu verarbeiten, und das auch allgemeiner als eine Polarisationssteuerung verwendet werden kann. Eine derartige Vorrichtung ist geeignet z.B. zum Gebrauch in einem Polarisationsnachführ-Empfänger und kann als integrierte optische Vorrichtung ausgeführt werden. Die Vorrichtung erfordert keine wie oben beschriebenen optischen Komponenten (bulk optical components) und vermeidet deren zugeordneten Nachteile.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Verarbeiten eines optischen Signals ein Verändern des Polarisationszustands des optischen Signals in sequentiellen Zeitabschnitten unter der Steuerung eines elektrischen Steuersignals bei einer vorher bestimmten Verwürfelungsfrequenz auf, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Polarisationszustand des optischen Signals durch Aufspalten des optischen Signals in zwei optische Zwischensignale verändert wird, Verändern der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale relativ zueinander und Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale, um ein verarbeitetes optisches Signal zu erzeugen mit im wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen, die sequentiell in Übereinstimmung mit der Verwürfelungsfrequenz abwechseln.
Bei Verwendung dieses Verfahrens wird ein optisches Signal mit einem einzigen im wesentlichen konstanten anfänglichen Polarisationszustand in ein Signal mit abwechselnden orthogonalen Polarisationszuständen umgewandelt. Dies versichert, daß, wenn solch ein verarbeitetes optisches Signal an eine polarisationsempfindliche Vorrichtung eingegeben wird, wobei einer der abwechselnden Polarisationszustände vollständig fehlangepaßt oder schlecht angepaßt an den Apparat ist, der andere vollständig oder wenigstens besser angepaßt sein wird, und folglich wird das verarbeitete Signal durch die polarisationsempfindllche Vorrichtung durchgelassen und insbesondere wird vollständiger Signalverlust, der anderweitig mit einem einzigen Polarisationssignal auftreten könnte, vermieden.
Die relativen Proportionen des optischen Signals, das in die optischen Zwischensignale aufgespalten wird, können durch Schalten des optischen Signals unter der Steuerung des Steuersignals gesteuert werden.
Das optische Signal wird vorzugsweise vollständig in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen geschaltet, um abwechselnd jedes der optischen Zwischensignale bereitzustellen, und die Polarisationszustände der geschalteten optischen Zwischensignale werden gegenseitig orthogonal gemacht. Das verarbeitete Signal wird dann zweckmäßigerweise durch eine nachfolgende Wiedervereinigung der abwechselnden optischen Zwischensignale gebildet.
In alternativer Weise kann das Verfahren z.B. ein gegenseitig orthogonal Machen der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale und ein Phasenmodulieren wenigstens eines der optischen Zwischensignale unter der Steuerung des Steuersignals einschließen. In diesem Falle wechselt die Vektorsumme der Polarisationszustände der wiedervereinigten optischen Zwischensignale, um die erforderlichen wechselnden orthogonalen Polarisationszustände des verarbeiteten optischen Signals bereitzustellen.
Vorzugsweise wird die Phase eines der optischen Zwischensignale moduliert, um Stufenphasenverschiebungen von im wesentlichen 180º aufzuprägen während abwechselnder Halbzyklen des Steuersignals. Auf diese Weise ist es möglich, das Verfahren nur unter Verwendung eines Phasenmodulators auszuführen.
Wenn das Verfahren zum Verändern des Polarisationszustands eines optischen Signals verwendet wird, das zur Informationsübertragung verwendet wird, wird das Steuersignal auf eine Frequenz eingestellt, die ausreichend ist, daß Information, die auf dem Signal getragen wird, an einem Detektor verfügbar gemacht wird unter Verwendung des optischen Ausgabesignals in einem der wechselnden orthogonalen Zustände unabhängig von dem anderen. Durch Bereitstellen eines übertragenen Informationssignals mit wechselnden orthogonalen Polarisationszuständen, wird die Möglichkeit eines totalen Signalverlusts, der anderweitig bei polarisationsempfindlichen Teilen eines Systems auftreten kann, wenn die Polarisationszustände nicht gut angepaßt sind, vermieden. Ein Abwechsein der Polarisation bei einer wie oben festgelegten ausreichenden Frequenz verdoppelt effektiv das übertragene Signal, so daß die Information in dem Signal durch Untersuchung des Signals in irgendeinem Polarisationszustand allein unabhängig rekonstruiert werden kann, falls notwendig.
Das verarbeitete Signal, das wechselnde Polarisationszustände aufweist, kann optisch an ein doppelbrechendes Medium gekoppelt werden, wie z.B. eine optische Faser zur Übertragung an einen Detektor. Während ein doppelbrechendes Übertragungsmedium eine einzige Eingabepolarisation in einer willkürlichen Weise drehen kann, kann es jedoch gezeigt werden, daß zwei orthogonal polarisierte Eingaben, obwohl jede einer gewissen absoluten willkürlichen Rotation unterworfen ist, dennoch relativ zueinander orthogonal bleiben werden, wenn sie von dem doppelbrechenden Medium ausgegeben werden. Selbst wenn einer der orthogonalen Zustände, der von dem doppelbrechenden Medium an irgendeinem polarisationsempfindlichen Teil des Übertragungssystems vollkommen fehlangepäßt ist, wird der andere damit unweigerlich gut angepaßt sein, und folglich wird die von dem Signal erhältliche Information nicht verloren sein.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in Übertragungssystemen eingesetzt werden, die kohärente oder direkte Erfassungsmethoden verwenden.
Es wird gewürdigt werden, daß, da die Polarisation des Lokaloszillators in einem kohärenten Empfänger nie gleichzeitig orthogonal zu beiden Komponenten des verarbeiteten optischen Signals sein kann, ein Verwürfeln der Polarisation des übertragenen Signals unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit eines vollständigen Signalverlusts an dem Empfänger eliminiert, der in einem herkömmlichen kohärenten Übertragungssystem auftreten kann.
In einem kohärenten optischen System kann als eine Alternative zum direkten Verwürfeln der Polarisation des übertragenen Informationssignals ein äquivalentes Ergebnis durch Verwürfeln des Lokaloszillatorsignals durch das Verfahren der Erfindung erzielt werden. In diesem Fall wird das Steuersignal bei einer Frequenz eingestellt, die ausreicht, daß die Information auf dem Informationssignal unabhängig erfaßbar ist, wenn die Polarisation eines der wechselnden orthogonalen Zustände des verarbeiteten Lokaloszillatorsignals allein dem Polarisationszustand des Informationssignals angepaßt ist, das an dem Empfänger ankommt. Diese Alternative kann besonders geeignet sein, wo z.B. mehrere verteilte Sender an einen zentralen Empfänger übertragen, weil dann ein Polarisationsverwürfler ausreichen wird, eine Erfassung aller übertragenen Signale zu versichern.
Das Verfahren kann auch verwendet werden, um ein optisches Signal zu verarbeiten, das eine Vielzahl von Signalen bei im wesentlichen getrennten Wellenlängen aufweist, wie z.B. in einem Frequenzmultiplex-Ubertragungssystem.
Wo das optische Signal eines oder mehrere digitale oder optische Signale aufweist, sollte die Frequenz des Steuersignals nicht geringer als das Minimum der Bitraten der digitalen optischen Signale sein. Irgendwelche Information in dem digitalen Signal wird dann von irgendeinem Polarisationszustand des verarbeiteten Signals verfügbar sein. Dies ist ein Merkmal der Erfindung, das besonders nützlich in optischen Übertragungssystemen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein optischer Apparat eine Steuereinrichtung zum Bereitstellen eines Steuersignals bei einer vorbestimmten Verwürfelungsfrequenz und eine Veränderungsvorrichtung zum Verändern des Polarisationszustands eines optischen Eingangssignals unter der Steuerung der Steuereinrichtung bei einer vorbestimmten Verwürfelungsfrequenz auf, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungsvorrichtung einschließt: eine Einrichtung zum Aufspalten des optischen Eingangssignals von einem Eingangssignalpfad in zwei Zwischensignalpfade, eine Polarisations-Veränderungsvorrichtung in wenigstens einem der optischen Zwischenpfade angeordnet ist, um die Polarisationszustände der optischen Zwischensignale gegenseitig orthogonal zu machen, und eine Einrichtung zum Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale, um ein verarbeitetes optisches Ausgangssignal bereitzustellen mit im wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen, die sich sequentiell in Übereinstimmung mit der Verwürfelungsfrequenz abwechseln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine optische Vorrichtung auf: eine Einrichtung zum Aufspalten wählbarer Proportionen eines optischen Eingangssignals von einem Eingangssignapfad in zwei optische Zwischensignalpfade, eine Polarisations-Veränderungsvorrichtung, die in wenigstens einem der optischen Zwischensignalpfade angeordnet ist, und angeordnet ist, um die Polarisationszustände der optischen Zwischensignale im wesentlichen gegenseitig orthogonal zu machen, eine steuerbare Phasenmoduliereinrichtung in wenigstens einem der optischen Zwischensignalpfade, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Aufspalteinrichtung, um die Aufspaltproportionen zu wählen, und zum Steuern der Phasenmoduliereinrichtung, um die Phasenbeziehung zwischen den aufgespaltenen Signalen zu steuern, und eine Einrichtung zum Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale zum Bereitstellen eines kombinierten Ausgangssignals irgendeiner gewünschten Polarisation unter der Steuerung der Steuereinrichtung.
Die Einrichtung zum Aufspalten des optischen Signals kann einen optischen Schalter zum Schalten wählbarer Proportionen des optischen Eingangssignals von dem Eingangssignalpfad in die zwei optischen Zwischensignalpfade aufweisen, wobei die geschalteten Proportionen unter der Steuerung der Steuereinrichtung gewählt werden.
Zweckmäßigerweise weist der optische Schalter einen spannungsgesteuerten Koppler (VCC) auf.
In diesem Fall stellt die Steuereinrichtung das Steuersignal zum Betrieb des Schalters bereit. Die Proportionen des Eingangssignals, die in jeden der Zwischensignalpfade geschaltet werden, werden durch die an den VCC angelegte Spannung festgelegt. Vorzugsweise weist das Steuersignal eine Rechteckwellenspannung auf, so däß das Eingangssignal 100% wechselweise zwischen jedem der Zwischensignalpfade bei der Verwürfelungsfrequenz geschaltet wird.
Optische Vorrichtungen gemäß der Erfindung können in Übertragungssystemen verwendet werden, um die Polarisationszustände eines optischen Signals zur Informationsübertragung zu verwürfeln, um zu versichern, daß die Information von irgendeinem der wechselnden orthogonalen Zustände des Ausgangssignals unabhängig von dem anderen verfügbar ist. In einem kohärenten optischen Übertragungssystem können solche Apparate verwendet werden, um eher das Lokaloszillatorsignal denn das übertragene Informationssignal selbst zu verwürfeln. Verschiedene Vorteile dieser Anordnungen sind bereits in der obigen Diskussion des Verfahrens der Erfindung bemerkt worden.
Verglichen mit den idealen Bedingungen für heterodyne Erfassung, wo Lokaloszillator- und Empfangsinformationssignalpolarisationen identisch sind, führt eine Signalverwürfelung eine Konstante 3 dB Empfindllchkeitsreduzierung an dem Empfänger ein. Jedoch ist die Erfassung des verwürfelten Signals unabhängig von den relativen Polarisationszuständen. Der 3 dB Verwürfelungsverlust ist eine Konstante und ein Maximum ungeachtet irgendwelcher Unterschiede in der Polarisation. In praktischen Übertragungssystemen, wo die Empfangssignalpolarisation allgemein unbestimmt ist, stellt dies einen beträchtlichen Vorteil über den herkömmlichen Fall dar, wo bei Abwesenheit von komplexen und spezialisierten bekannten Empfängerkonstruktionen ein vollständiger Signalverlust auftreten kann.
Die minimale wünschenswerte Verwürfelungsfrequenz zum Gebrauch in einem Informationsübertragungssystem ist oben definiert worden in Beziehung auf die Information, die auf dem relevanten Signal getragen wird. Es wird anerkannt werden, daß die maximale wünschenswerte Verwürfelungsfrequenz durch andere Systemparameter eingeschränkt werden kann. Zum Beispiel ist es für Rauschfilterbetrachtungen, für Digitalsignale generell bevorzugt, die Zwischenfrequenz-(IF)-Bandbreite in nicht synchronen IF-Detektoren auf innerhalb einen Faktor des zehnfachen der Signalbitrate zu begrenzen. In diesen Fällen ist die Verwürfelungsfrequenz vorzugsweise ähnlich eingeschränkt, um nicht mehr als das Zehnfache der Bitrate zu sein. Ähnlich begrenzende Faktoren, die alternativen Empfängerkonstruktionen eigen sind, werden dem Fachmann offensichtlich werden.
Als eine Alternative zum Stufenschalten des Eingabesignals ist es möglich, das Signal gleichmäßig zwischen den Zwischensignalpfaden zu überstreichen. Zum Beispiel kann das Verwürfelungssignal eine sinusförmige Spannung einschließen. Unter diesen Umständen ist es jedoch bevorzugt, daß Phasenmoduliereinrichtungen in mindestens einem der Zwischensignalpfade angeordnet sind zum Einstellen der relativen Phase der optischen Zwischensignale. Vorzugsweise ist die Phasenmoduliereinrichtung durch die Steuereinrichtung gesteuert, um wechselnde Phasenverschiebungen auf die Zwischensignale in einem Pfad aufzuprägen, so däß die Vektorsumme der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale wechselt, um die wechselnden orthogonalen Polarisationszustände des Ausgangssignals bereitzustellen. Zweckmäßigerweise prägt die Phasenmoduliereinrichtung eine 180º-Phasenverschiebung auf das Signal in einem der Zwischensignalpfade für die Dauer jedes zweiten Halbzyklus der verwürfelnden Sinuswelle auf. Wie in der detaillierten Beschreibung unten erklärt wird, bedeutet die Einführung dieser Phasenverschiebung, daß der Polarisationszustand des zusammengesetzten Ausgangssignals wie gewünscht wechselt und daß die erfaßte Signalamplitude an dem Empfänger unabhängig von der Signalpolarisation wiedergegeben wird. Wie oben im stufengeschalteten Fall gibt es hier wieder einen konstanten und maximalen Verlust an Empfindlichkeit von 3 dB ungeachtet der relativen Polarisationszustände der Empfangs- und Lokaloszilllatorsignale.
Vorzugsweise ist die Polarisationsänderungseinrichtung angepaßt, um eine feste Drehung von 90º in der Polarisation eines Signals in einem der optischen Zwischenpfade relativ zu der Polarisation des Signals in dem anderen Pfad einzuführen. Dies ist die einfachste Weise, um die erforderlichen orthogonalen Polarisationen zu erreichen. Es ist nicht notwendig, komplizierte abstimmbare optische (bulk optical) Polarisationsrotatoren zu verwenden, wie z.B. die vorgenannten Faraday-Rotatoren.
Zweckmäßigerweise weist die Polarisationsänderungseinrichtung einen TE- TM-Konverter auf, der als eine planare integrierte optische Vorrichtung ausgeführt werden kann. Die Polarisationsänderungseinrichtung kann weiterhin einen integrierten optischen Phasenschieber in Zusammenhang mit dem TE-TM-Konverter aufweisen. Der Phasenschieber kann verwendet werden, um die Phasendifferenz zwischen TM- und TE-Moden der Eingabesignale in dem ersten optischen Zwischenpfad auf 90º einzustellen, so daß der TE-TM-Konverter für alle ankommenden Polarisationszustände arbeiten kann. Wenn die Polarisation des Eingangssignals vorbestimmt und fest ist, dann ist der Phasenschieber nicht nötig.
Zweckmäßigerweise wird daher der Eingangssignalpfad eine optische Polarisationshalte-Faser aufweisen, um dem Polarisationszustand des Eingangssignals gegenüber der optischen Vorrichtung zu ermöglichen, festgesetzt zu werden. Wo die Vorrichtungskomponenten z.B. auf einem Lithium-Niobat-Substrat integriert sind, wird die Eingangspolarisation vorzugsweise auf einen TE-Mode festgesetzt.
Als eine Alternative zur Verwendung eines integrierten TE-TM-Konverters kann die Polarisationsrotation auch einfach unter Verwendung eines passenden, doppelbrechenden Mediums bewirkt werden, so wie z.B. eine geeignete Länge einer doppelbrechenden optischen Faser. Die Faser kann dann die Funktionen eines optischen Zwischenpfades und einer Polarisationsänderungseinrichtung zusammen ausführen. Andere Variationen werden dem Fachmann offensichtlich werden.
Das Eingangssignal wird normalerweise von einem Halbleiterlaser kommen. Das Eingangssignal kann über einen optischen Modulator bereitgestellt werden, z.B. eine planare Wellenleitervorrichtung, die auf einem Substrat mit der optischen Vorrichtung gebildet ist.
Die Wiedervereinigungseinrichtung ist zweckmäßigerweise ein 1: 1-Richtungskoppler. Am bevorzugtesten ist der Koppler eine polarisationsselektive Vorrichtung, die angeordnet ist, um kreuzweise nur eine der zwei orthogonalen Polarisationen zu koppeln, um die Ausgangssignalleistung zu maximieren. Unter Verwendung eines polarisationsselektiven Kopplers wird die 3 dB-Reduziernng der übertragbaren Leistung, die anderweitig durch einen herkömmlichen Koppler eingeführt wird, vermieden.
Um die Beiträge zur Ausgangssignalamplitude von jedem der Zwischensignalpfade auszugleichen, kann es wünschenswert sein, einen optischen Dämpfer in einen der beiden dieser Pfade einzuführen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Apparat bzw. eine optische Vorrichtung bereitgestellt, die sowohl ein optisches Signal durch das Verfahren der Erfindung verarbeiten kann als auch zusätzlich den Polarisationszustand eines Eingangssignals von irgendeinem gegebenen Zustand zu irgendeinem anderen gewünschten Zustand zu verändern.
Gemäß diesem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein optischer Apparat bzw. eine optische Vorrichtung auf: eine Einrichtung zum Aufspalten wählbarer Proportionen eines optischen Eingabesignals von einem Eingangssignalpfad in zwei optische Zwischensignalpfade, eine Polarisations- Veränderungsvorrichtung, die in wenigstens einem der optischen Zwischensignalpfade angeordnet ist, und angeordnet ist, um die Polarisationszustände der optischen Zwischensignale im wesentlichen gegenseitig orthogonal zu machen, eine steuerbare Phasenmoduliereinrichtung in wenigstens einem der optischen Zwischenpfade, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Aufspalteinrichtung, um die Aufspaltproportionen auszuwählen und zum Steuern der Phasenmoduliereiririchtung, um die Phasenbeziehung zwischen den aufgespaltenen Signalen zu steuern, und eine Einrichtung zum Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale zum Bereitstellen eines kombinierten bzw. zusammengesetzten Ausgabesignals irgendeiner gewünschten Polarisation unter der Steuerung der ersten und zweiten Steuerungseirrrichtung.
Als eine Alternative zum Einsetzen solch einer optischen Vorrichtung, um ein optisches Signal in einem Übertragungssystem gemäß dem Verfahren der Erfindung wie oben beschrieben zu verwürfeln, kann die Vorrichtung als eine vereinfachte Polarisationssteuerung verwendet werden, z.B. bei Verwendung in Polarisationsnachführ-Empfängern.
Es wird beobachtet werden, daß durch geeignetes Steuern der relativen Proportionen der zwei orthogonal polarisierten Signale und durch Steuern der Phase dieser Signale relativ zueinander eine Vorrichtung gemäß diesem weiteren Aspekt dieser Erfindung ein kombiniertes Ausgabesignal mit irgendeiner gewünschten Polarisation konstruieren kann. Somit ist, um ein optisches Signal durch ein Verfahren der Erfindung zu verarbeiten, die Phasenbeziehung der optischen Zwischensignale gesteuert, um wie erforderlich zu wechseln. In alternativer Weise kann bei Verwendung als eine Polarisationssteuerung die Vorrichtung z.B. in den Lokaloszillatorpfad eines kohärenten Empfängers eingefügt werden, um eine fortlaufende (im Gegensatz zu einer wechselnden) Einstellung der Signalpolarisation bereitzustellen, um die Lokaloszillatorpolarisation zu befähigen, eine Polarisation eines ankommenden Signals nachzuführen, wie es in einem Polarisationsnachführ-Empfänger erforderlich ist.
Es ist ein besonderer Vorteil dieser allgemein anwendbaren Vorrichtung, däß alle optischen Hauptkomponenten, z.B. Aufspalteinrichtungen (Schalter), Phasenmodulator(en), Polarisations-Veränderungsvorrichtungen und Wiedervereinigungseinrichtungen (Ausgangskoppler) als integrierte optische Vorrichtungen und auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden können, wenn gewünscht.
Es wird anerkannt werden, daß bevorzugte Vorrichtungsmerkmale, die bezüglich der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen gemäß der Erfindung festgelegt sind, anwendbar sind, wo passend, auf Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß der Erfindung in diesem weiteren Aspekt mutatis mutandis. Zum Beispiel kann die Aufspalteinrichtung zweckmäßigerweise einen optischen Schalter, wie z.B. einen spannungsgesteuerten Koppler (VCC), aufweisen.
Verschiedene Aspekte der Erfindung werden nun im Detail nur beisspielhaft mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines optischen Übertragungssystems ist, das ein Verfahren zum Verarbeiten optischer Signale gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines kohärenten optischen Empfängers ist, der das Verfahren verwendet, um ein Lokaloszillatorsignal zu verarbeiten;
Fig. 3 und 4 schematische Diagramme von Ausführungsbeispielen eines optischen Apparats bzw. einer optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 5 bis 8 die Ergebnisse von Simulationen der Verarbeitung einer Vielfalt von Signalen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigen; und
Fig. 9 und 10 schematische Ausführungsbeispiele optischer Vorrichtungen gemäß dem weiteren Aspekt der Erfindung zeigen, die Signale gemäß dem Verfahren verarbeiten können und ebenso allgemeinere Polarisationssteuerfunktionen bereitstellen können.
Das in Fig. 1 veranschaulichte Übertragungssystem weist einen Sender 1 auf, der verbunden ist, um ein Signal über optische Wellenleiter 5, 6 an einen Empfänger 4 zu übertragen. Ein optischer Apparat bzw. eine optische Vorrichtung 100 zum Verarbeiten des Signals ist in dem optischen Pfad zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 4 angeordnet. Die Verarbeitungsvorrichtung 100 selbst weist eine Polarisations-Veränderungsvorrichtung 2 und eine Steuerung 3 auf. In diesem Fall weist die Veränderungsvorrichtung 2 ein Spannungs- oder stromsteuerbares doppelbrechendes Material auf. (Elektro-optische Materialien, die Kerr- und/oder Pockel-Effekte zeigen; magneto-optische Materialien zur Faraday- Rotation; oder Materialien mit spannungsabhängiger Doppelbrechung sind Beispiele, die in der Technik bekannt sind.)
Die Veränderungsvorrichtung 2 ist angeordnet, um ein Eingabesignal von dem Sender über den Wellenieiter 5 zu empfangen und ein verarbeitetes (oder "verwürfeltes") Signal über den Wellenieiter 6 an den Empfänger 4 auszugeben. Das Signal an dem Eingang 7 der Veränderungsvorrichtung 2 ist angeordnet, einen linearen, im wesentlichen konstanten Polarisationszustand zu haben. In der Praxis kann die Polarisation eines Signals von dem Sender 1 langsam über eine lange Periode (z.B. Tage) driften, jedoch ist dies nicht besonders relevant, wenn dies mit den (sehr) hohen Frequenzen verglichen wird, bei denen optische Übertragungssysteme arbeiten. Jedoch kann der Eingabepolarisationszustand bei Verwendung herkömmlicher Einrichtungen versichert werden, wenn erforderlich. Zum Beispiel kann der Wellenleiter 5 aus einer polarisationshaltenden optischen Faser hergestellt sein. Die Veränderungsvorrichtung 2 ist mit ihren doppelbrechenden Materialachsen bei 45º zu der Achse der Polarisation des Eingabesignals ausgerichtet.
Der Betrieb der Polarisations-Verändernngsvorrichtung 2 wird durch die Steuerung 3 gesteuert. Ein Steuersignal, das "Verwürfelungs"-Signal, von der Steuerung 3 wird an das doppelbrechende Material in der Veränderungsvorrichtung 2 so angelegt, daß die Doppelbrechung entlang nur seiner Achse verändert wird. Die Amplitude des Verwürfelungssignals ist eingestellt, um eine Doppelbrechungsänderung hervorzubringen, die ausreicht, um eine wechselnde 180º-Phasenverschiebung in einer Signalkomponente entlang dieser Achse zu verursachen. Die Polarisation des verarbeiteten Signals an dem Ausgang 8 der Veränderungsvorrichtung 2 wechselt dann zwischen zwei orthogonalen linearen Zuständen gemäß der Frequenz des Verwürfelungssignals.
Was auch immer die Doppelbrechung des zweiten verbindenden Wellenleiters 6 ist, wie in größerem Detail unten erklärt werden wird, kann gezeigt werden, daß das Signal, das an dem Eingang 9 des Empfängers 4 ankommt, dann auch wechselnde orthogonale Polarisationszustände aufweisen wird (obwohl diese Zustände nicht notwendigerweise linear sein müssen). Daher, selbst wenn einer dieser orthogonalen Polarisationszustände vollständig fehlangepaßt an den Empfänger 4 ist, wird die komplementäre orthogonale Polarisation dennoch durchgelassen werden und das verarbeitete Signal wird erfäßt werden.
In Fig. 1 ist die Polarisationsverwürfelung direkt auf das gesendete Signal ausgeführt. In kohärenten optischen Übertragungssystemen ist es möglich als eine Alternative, das Lokaloszillatorsignal zu verwürfeln, um ähnliche Vorteile zu erreichen. Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines kohärenten optischen Empfängers, was veranschaulicht, wie das Verwürfeln ausgeführt werden kann. Der Empfänger weist einen abgeglichenen kohärenten Detektor 30 auf, der ein gesendetes Eingabeinformationssignal empfängt (das an einer Eingangsfaser 31 ankommt) nach Mischen mit einem Lokaloszillatorsignal in einem optischen Eingangskoppler 32. In diesem Fall wird die Verarbeitungsvorrichtung 100, die die Polarisations- Veränderungsvorrichtung 2 und die Steuerung 3 aufweist, wie sie in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 verwendet werden, angeordnet, um das Signal von der Lokaloszillatorquelle 33 zu verarbeiten (verwürfeln), um ein verwürfeltes Lokaloszillatorsignal mit wechselnden orthogonalen Polarisationen an den Mischkoppler 32 bereitzustellen. Zweckmäßigerweise sind der Ausgang des erfaßten Signals und die Lokaloszillator-Frequenzsteuerung, die durch den Detektor 30 bereitgestellt werden, auch in Fig. 2 angezeigt.
Um zu versichern, daß das Eingabeinformationssignal vollständig erfaßbar ist, selbst wenn eine der orthogonalen Lokaloszillatorpolarisationen vollständig fehlangepaßt an die Informationssignalpolarisation ist, ist es notwendig sicher zu stellen, daß das Verwürfeln bei einer genügend hohen Frequenz ausgeführt wird (z.B. wenigstens so hoch wie die Bitrate eines digitalen Informationssignals). Wenn sich die Informationsrate ändert, kann es wünschenswert sein, die Steuersignalverwürfelungsfrequenz entsprechend zu ändern. Die Steuerung 3 von Fig. 2 kann mit der Option bereitgestellt sein, um solch eine Einstellung zu machen als Antwort auf eine geeignete Rückkopplung 34 von dem Detektor 30. (Wenn gewünscht, könnte eine ähnliche Maßnahme in der Anordnung von Fig. 1 vorgenommen werden, um der Steuerung 3 zu ermöglichen, geeignet auf Änderungen in der Informationsrate des Signals von dem Sender 4 zu antworten.)
Die grundsätzliche Verarbeitungsvorrichtung 100, die in bezug auf Fig. 1 und 2 beschrieben ist, kann in anderen Formen vorgesehen werden. Alternative optische Vorrichtungen zum Ausführen der Verarbeitung werden unten beschrieben werden. Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch in größerem Detail mit besonderem Bezug auf diese alternativen Vorrichtungen behandelt werden.
Bezugnehmend auf Fig. 3 weist eine optische Vorrichtung 101 zur Polarisationsverwürfelung einen spannungsgesteuerten Koppler (VCC) 10 auf, der konfiguriert ist, um ein Signal von einer optischen Eingangsfaser 11 abwechselnd zwischen zwei optischen Zwischenpfaden 13, 14 zu schalten. Die Signalpolarisation in einer dieser Pfade 13 wird zu der Signalpolarisation in dem anderen Pfad 14 durch einen TE-TM-Konverter 15 orthogonal gemacht und die Signale werden dann über einen 1: 1-Richtungskoppler 16 wieder vereinigt. Das kombinierte Signal wird dann bei C in eine optische Faser 20 ausgegeben.
Das Schalten des VCC 10 wird über ein Rechteckwellenverwürfelungssignal einer Frequenz f gesteuert, das durch eine Steuerschaltung 12 erzeugt wird. Der VCC 10 ist eine planare elektro-optische Wellenleitervorrichtung, die vorzugsweise Signale einer gegebenen Polarisation überträgt, in diesem Fall nur TE-Mode. Das Signal kann vollständig zwischen den Zwischenpfaden 13, 14 unter der Steuerung des geeigneten Antriebs von der Steuerschaltung 12 geschaltet werden.
Um Stabilität der geschalteten Signale zu erreichen, da der VCC 10 polarisationsempfindlich ist, wird die Polarisation des Eingabesignals (in TE-Orientierung) durch eine Länge einer polarisationshaltenden optischen Faser 11 zwischen der Signalquelle, hier ein Halbleiterlaser 17, und dem Eingang des VCC 10 eingeschränkt.
Im Betrieb wird ein Signal von dem Laser 17 abwechselnd bei der Verwürfelungsfrequenz zwischen den zwei Zwischensignalpfaden 13, 14 von dem VCC 10 geschaltet. Da die Polarisation des Eingabesignals zu der Selektivität des VCC 10 durch die polarisationshaltende Faser 11 angepaßt gehalten wird, sind die aufgespaltenen Signale, die den VCC verlassen, in der gleichen Polarisation. Die Signalpolarisation in einem Pfad 13 allein wird durch den TE-TM-Konverter 15, welcher ebenso eine planarintegrierte optische Vorrichtung ist, orthogonal gemacht. Der Signalverlust in dem TE-TM-Konverter kann allgemein als vernachlässigbar betrachtet werden. Jedoch können die Signale in den zwei optischen Zwischenpfaden, wenn notwendig, abgeglichen werden unter Verwendung eines optischen Dämpfers 21 wahlweise in einem der beiden Pfade, wie gezeigt.
Nach Durchgang durch den TE-TM-Konverter sind die Signale in den zwei Pfaden damit relativ zueinander orthogonal polarisiert. Diese orthogonal polarisierten Signale werden dann durch einen 1: 1-Richtungskoppler 16 in ein kombiniertes Ausgabesignal kombiniert. Das kombinierte Signal ist gezeigt, daß es von einem Ausgang C des Richtungskopplers 16 in eine Ausgangsfaser 20 läuft. Das zweite Ausgangstor D des Kopplers 16 ist gezeigt, geschlossen in einer nicht reflektierenden Weise. Jedoch wird es offensichtlich sein, daß mit einem herkömmlichen 1:1-Koppler 16 das kombinierte Signal zur Vorwärtsübertragung von jedem Ausgangstor C, D potentiell verfügbar ist. Folglich, wenn die gesamte übertragbare Leistung, die an den zwei Ausgangstoren verfügbar ist, an einen einzelnen Ausgang gerichtet wird, ist eine Erhöhung um 3 dB in übertragbarer Signalleistung erreichbar. Eine Verwendung eines polarisationsselektiven Kopplers, um nur eine der orthogonalen Polarisationen (in diesem Fall der TE-Mode) selektiv über Kreuz zu koppeln, erlaubt diesen Gewinn.
Das Ausgabesignal bei C weist eine Rekonstruktion des Originaleingabesignals auf, jedoch mit wechselnden orthogonalen Verschiebungen der Polarisation bei der Verwürfelungsfrequenz f. Wenn das Signal digital ist, sollte die Verwürfelungsfrequenz mindestens gleich der digitalen Bitrate sein. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3, um die Empfangssignalerfassung unabhängig von der Signalpolarisation zu machen, wie unten weiter beschrieben wird, ist die Verwürfelungsfrequenz vorzugsweise rechteckförmig.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird nun ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Dieses Ausführungsbeispiel rührt von dem Verständnis des Erfinders, daß ein Phasenmodulator anstatt des VCC verwendet werden kann, um die Signalpolarisationsverwürfelung zu erreichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der VCC eliminiert und durch einen passiven 1:1-Richtungskoppler 24 ersetzt. Ein Eingang A' dieses Kopplers 24 empfängt das Eingabesignal von dem Laser 17. Das andere Eingangstor B' ist passend mit einem nichtreflektierenden Abschluß versehen. Das Eingabesignal wird fortlaufend in im wesentlichen zwei gleiche Proportionen in die zwei Zwischensignalpfade 13, 14 über die Ausgangstore C', D' des Kopplers 24 aufgespalten. Ein Phasenmodulator 22 ist in einen dieser Pfade 13,14 eingefügt. Der Phasenmodulator 22 ist gezeigt, eingefügt in den Pfad 14 separat von dem Pfad 13, der den TE-TM-Konverter 15 enthält, jedoch könnten beide diese Vorrichtungen genauso gut in den gleichen Pfad eingefügt sein.
Die Verwürfelung wird durch Schalten des Phasenmodulators 22 unter der Steuerung einer Steuerschaltung 23 bewirkt, um wechselnde 180º- Phasenverschiebungen in das Signal in einem der Zwischensignalpfade bei der Verwürfelungsfrequenz einzuführen. Der Richtungskoppler 16 erzeugt dann ein kombiniertes Ausgabesignal von den zwei Zwischensignalen in der gleichen Weise, wie vorher beschrieben. Es wird gewürdigt werden, daß das kombinierte Ausgabesignal weder eine Rekonstruktion des Originaleingabesignals mit wechselnden orthogonalen Verschiebungen der Polarisation bei der Verwürfelungsfrequenz aufweisen wird, wie für das Ausführungsbeispiel von Fig. 3. In diesem Fall ist es die Vektorsumme der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale, die bei Wiedervereinigung wechselt, wodurch die erforderlichen wechselnden orthogonalen Polarisationsverschiebungen in dem Ausgabesignal gewährleistet werden.
Wenn allgemein ein Signal durch ein doppelbrechendes Medium übertragen wird, wird die Polarisation jenes Signals geändert werden. Wenn jedoch das übertragene Signal Komponenten mit gegenseitig orthogonalen Polarisationen aufweist, bleiben diese Komponentenpolarisationen, während sie einzeln während der Übertragung geändert werden, gegenseitig orthogonal, wie es in dieser Erfindung als Vorteil erkannt worden ist.
Diese Eigenschaft ist in Fig. 5 gezeigt, was die Ergebnisse beim Übertragen eines Signals mit orthogonal polarisierten Komponenten durch einen Übertragungspfad veranschaulicht, der eine Reihe von doppelbrechenden Abschnitten eines Übertragungsmediums aufweist, jeder mit zufällig orientierten Doppelbrechungsachsen und zufälliger Doppelbrechungsverzögerung. Die Ergebnisse beziehen sich auf eine Übertragung durch a) 30 solche Abschnitte, b) 50 solche Abschnitte und c) 100 solche Abschnitte. Die obere Skizze in jedem Fall zeigt die gesendeten Polarisationszustände und die untere zeigt die empfangenen Polarisationszustände, die sich von den gesendeten Zuständen unterscheiden, die jedoch orthogonal bleiben. Die durchgehenden Linienzüge stellen Polarisationsrotationen im Uhrzeigersinn und die gestrichelten Linienzüge stellen Polarisationsrotationen entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn dar.
Ein Signal mit Komponenten von gegenseitig orthogonalen Polarisationen, wie sie durch eine optische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, kann unter Verwendung eines herkömmlichen kohärenten Empfängers erfäßt werden. In diesem Fall wird das Lokaloszillatorsignal in solch einem Empfänger eine einzige Polarisation aufweisen, und es wird kein Schalten des Lokaloszillatorsignals zwischen orthogonal polarisierten Zuständen geben. Folglich kann die Polarisation des Lokaloszillatorsignals selbst nie orthogonal zu beiden Komponenten des empfangenen verwürfelten Signals sein. Damit ist die Möglichkeit eines totalen Schwundverlusts des erfaßten Signals, welcher in herkömmlichen Systemen auftreten kann, wenn die Lokaloszillatorsignalpolarisation orthogonal zu einem empfangenen Signal einer einzigen Komponentenpolarisation ist, vermieden worden.
Um die Form eines Signals zu erklären, das in einer kohärenten Erfassung eines verwürfelten Signals abgeleitet wird, ist es hilfreich, eine vereinfachte mathematische Analyse zu betrachten. Die folgende Analyse betrachtet heterodyne kohärente Erfassung anhand eines Beispiels. Das gesendete optische Feld kann allgemein ausgednückt werden als:
es = EsCos(ωst) (1)
und die optische Leistung in diesem Feld als:
Ps = Es²/2 (2)
In dem allgemeinen Fall, um willkürliche Polarisationen zu berücksichtigen, ist es zweckmäßig, es in orthogonale Feldkomponenten esx und esy mit zugeordneten Phasenverschiebungen Φsx, Φsy aufzulösen:
esx = Es[Ksx]0.5Cos(ωst+φsx) (3)
esy = Es[Ksy]0.5Cos(ωst+φsy) (4)
wobei Ksx und Ksy die Anteile der gesamten empfangenen Signalleistung in jeder der jewelligen Referenzebenen darstellen, und wobei Ksy = 1- Ksx, so daß
esy = Es[1-Ksx]0.5Cos(ωst+φsy) (5)
Die Effekte auf die Signalpolarisation, die durch die Übertragung durch ein linear doppelbrechendes Medium (mit Doppelbrechungsachsen x' und y') erzeugt werden, können mathematisch durch eine Rotation der Bezugsachsen durch einen Winkel θ (x nach x', y nach y') zusammen mit einer relativen Phasenverschiebung δ des Y-Feldes gegenüber dem X- Feld behandelt werden, so daß:
esx' = Es[Ksx']0.5Cos(ωst+φsx') (6)
Ksx' = 0.5+ (Ksx-0.5)Cos2θ+[KsxKsy]0.5Sin2θCos(φsy-φsx+δ) (7)
und
esy' = Es[Ksy']0.5Cos(ωst+φsy') (9)
Ksy' = 0.5 + [0.5-Ksx]Cos2θ-[KsxKsy]0.5Sin2θCos(φsy-φsx+δ) (10)
Diese Gleichungen können iterativ angewandt werden, wo die Signale durch eine Reihe von unterschiedlich linear doppelbrechenden Übertragungspfaden übertragen wird. Eine ähnliche mathematische Behandlung kann für den allgemeinen Fall elliptischer Doppelbrechung entwikkelt werden. In alternativer Weise kann die Poincare-Kugeldarstellung verwendet werden, um graphisch die Entwicklung der Polarisation zu veranschaulichen. (Siehe z.B. Rashleigh, "Origins and Control of Polarisation Effects", Journal of Lightwave Technology, Bd. LT- 1, Nr. 2, Juni 1983.)
Unter Verwendung der obigen Gleichungen ist es weiterhin möglich, Ausdrücke für das Zwischenfrequenz-(IF)-Signal zu erhalten, die abgeleitet werden, wenn das empfangene Signal einer heterodynen Erfassung unterworfen wird. Für Vergleichszwecke ist es zweckmäßig, die erfaßte Signalamplitude relativ zu der Amplitude zu normalisieren, die in dem herkömmlichen normalen Fall erhalten werden würde, wo empfangene und Lekaloszillatorpolarisation perfekt angepaßt sind. Unter diesen Umständen kann in einem digitalen System z.B. für eine Sequenz von gesendeten Einsen die Amplitude des demodulierten IF-Signals auf Einheit normalisiert werden (d.h. der Mittelwert der IF-Einhüllenden kann auf Einheit eingestellt werden). Es ist zu bemerken, daß bei Modulation durch Amplituden-Ein- und -Ausschaltung (ASK) es keine Notwendigkeit gibt, gesendete Nullen zu betrachten, weil es keine resultierende IF geben wird.
Durch Nehmen des Lokaloszillatorsignals mit aufgelösten Komponenten e1x, e1y, wobei jede jeweils Anteile der Lokaloszillatorleistung K1x, K1y trägt, kann das demodulierte IF-Signal vIF, ausgedrückt werden als:
vIF = ApCos(ωIF+φp) (12)
wobei:
Ap = (KA+KB)0.5 (13)
KA = K1xKsx'+K1yKsy' (14)
KB = [4(K1xKsx')(K1yKsy')]0.5Cos[φ1y-φ1x-φsy'+φsx'] (15)
und:
φp = Tan&supmin;¹φ(LS) (16)
Diese Gleichungen sind Vereinfachungen, die für einen vollständigen Zyklus eines rechteckförmigen verwürfelten Signals oder für einen bestimmten Zeitpunkt, wenn das verwürfelnde Signal sich gleichmäßig ändert (z.B. sinusförmig). Ein Verwürfeln des gesendeten Signals wird eine Zeitvarianz in Ksx, Ksy, φsx und φsy einführen abhängig von der Zeitvarianz des verwürfelnden Signals selbst (z.B. Ksx wird Ksx[S(t)] werden, wobei S(t) die verwürfelnde Signalfunktion ist).
Um die Effekte der Signalverwürfelung, wie sie durch die obigen Berechnungen vorhergesagt werden, zu bestätigen, sind Tests durchgeführt worden, die unterschiedliche Kombinationen von Lokaloszillator- und empfangenen Signalpolarisationen zu simulieren.
Beispielhafte Ergebnisse sind in Fig. 6 und 7 veranschaulicht für eine übermittelte Digitalsequenz von Einsen, die mit einem rechteckförmigen Verwürfelungssignal bei einer Frequenz gleich der digitalen Bitrate verwürfelt werden. Die oberen zwei Sätze von Skizzen in jedem Fall zeigt die Lokaloszillatorpolarisation und die relativen Polarisationen der verwürfelten empfangenen Signalkomponenten. Die unteren zwei Sätze von Skizzen veranschaulichen die demodulierten IF-Charakteristiken der empfangenen Signale. Das vIF-Signal ist mit seiner zugehörigen Amplitudeneinhüllenden Ap über eine Periode von zwei 1-Bits des Digitalsignals in allen Beispielen gezeigt. Die relative Phase φp des IF-Signals über die gleiche Periode ist ebenso gezeigt.
Fig. 6 zeigt die Ergebnisse von Tests unter Verwendung eines linearpolarisierten Lokaloszillatorsignals, während Fig. 7 Ergebnisse für ein elliptisch polarisiertes Lokaloszillatorsignal zeigt.
In all den Tests wurde beobachtet, daß der Mittelwert der IF-Einhüllenden 0,5 war. Dieser Wert ist relativ zur Einheit normalisiert für das herkömmliche Ideal eines perfekt angepaßten Lokaloszillator- und empfangenen Signals, wie oben erwähnt. Die Ergebnisse bestätigen, daß relativ zu diesem Ideal die Reduzierung an Empfangssignalleistung bei einer Konstanten und einem Maximum von 3 dB gehalten werden kann, unter Verwendung von Rechteckwellenverwürfelung. Im Gegensatz zur herkömmlichen heterodynen Erfassung, die häufig von dem Ideal abweicht, ist das verwürfelte Signal nie vollständig unerfaßt.
Fig. 6(a) in Betracht ziehend würde z.B. bei herkömmlichen Umständen bei der Abwesenheit von Verwürfelung, wenn das empfangene Signal die veranschaulichte Polarisation im Uhrzeigersinn hätte, das Signal vollständig verfehlt. Wie jedoch der Test zeigt, während das verwürfelte Signal für eine Hälfte jeder Bitperiode unerfaßt ist, ist es unzweideutig in dem Rest erfaßt, und zwar mit einer Mittel-IF-Amplitude über die ganze Bitperiode bei dem normalisierten Pegel von 0,5, wie erwartet. Für einige Zwecke kann es bevorzugt sein, eher das Signal gleichmäßig zwischen Polarisationen zu überstreichen denn Stufenänderungen mit einem Rechteckwellenverwürfelungssignal einzuführen. Es kann wünschenswert sein, z.B. eine sinusförmige Verwürfelungsfrequenz zu verwenden. Jedoch bleibt unter diesen Umständen, wenn das Verwürfelungssignal alleine verändert wird, der Mittelwert der erfaßten IF (bei einem entfernten Empfänger) nicht mehr unabhängig von der empfangenen Signalpolarisation. Jedoch kann diese bevorzugte Charakteristik durch Einführen einer 180º-Phasenverschiebung in eines der Komponentenfelder (φsx oder φsy) für die Dauer wechselnder Halbzyklen des Verwürfelungssignals wieder hergestellt werden.
Fig. 8 veranschaulicht die Ergebnisse von Tests unter Verwendung eines sinusförmigen Verwürfelungssignals mit und ohne die relevante Phasenverschiebung. Für diese Tests wurden die gesendeten Signale mit Polarisationszuständen (i) unter Verwendung eines elliptisch polarisierten Lekaloszillatorsignals (ii) erfaßt. Die Ergebnisse zeigen bei Übertragung über zwei unterschiedliche Übertragungsleitungen (a) und (b) die empfangenen Signalpolarisationen (iii), die IF-Charakteristiken in der Abwesenheit von der Phasenverschiebung (iv) und die IF-Charakteristiken mit der Phasenverschiebung (v). Wenn keine Phasenverschiebung in das verwürfelte Signal eingeführt ist, war der Mittel-IF-Pegel 0,62 für Übertragungsleitung (a) und 0,33 für Übertragungsleitung (b). Diese Ergebnisse zeigen, daß bei der Abwesenheit der Phasenverschiebung die Amplitude der erfaßten Signale Polarisations-(d.h. Ubertragungsleitungs-)-abhängig ist. Demgegenüber ist jedoch, wenn die passende 180º-Phasenverschiebung eingeführt wird, wie gezeigt bei (v), der Mittel-IF-Pegel gleich 0,5 in beiden Fällen und die Erfassung des verwürfelten Signals ist wiederum unabhängig von den empfangenen Polarisationen wie für den oben beschriebenen stufengeschalteten Rechteckwellenfall.
Um diese Unabhängigkeit unter Verwendung eines sich gleichmäßig verändernden Verwürfelungssignals, wie z.B. ein sinusförmiges Signal, zu erreichen, ist es zweckmäßig, ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einzusetzen, wie veranschaulicht z.B. in Fig. 9.
Die in Fig. 9 gezeigte Vorrichtung ist eine Version der Verarbeitungsvorrichtungen, die mit Bezug auf Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben sind, mit Phasenmodulatoren 22, 22' in beiden optischen Zwischenpfaden. Äquivalente Komponenten der Vorrichtung sind daher mit äquivalenten Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung weist einen spannungsgesteuerten Koppler 10 auf, der Proportionen eines optischen Eingabesignals von einem Eingangspfad 11 in zwei Zwischensignalpfade 13, 14 aufspaltet. Wie bei der Vorrichtung von Fig. 3 steuert eine Steuerschaltung 12 den VCC 10, um die Proportionen zu bestimmen, die in jeden Pfad 13, 14 aufgespalten werden. Jeder Zwischensignalpfad 13, 14 schließt einen Phasenmodulator 22, 22' in Reihe mit einem Polarisationsrotator 15, 15' ein. Die Phasenmodulatoren 22, 22' sind ebenso durch die Steuerschaltung 12 gesteuert. Wenn gewünscht, können die Polarisationsrotatoren 15, 15' ebenso der Steuerung durch die Steuerschaltung 12 unterworfen sein. Der Ausgangsrichtungskoppler 16 ist wiederum bereitgestellt, um die Signale von den Zwischensignalpfaden in ein kombiniertes Ausgabesignal wieder zu vereinigen.
Diese Vorrichtung kombiniert die Merkmale der Vorrichtungen von Fig. 3 und Fig. 4, so daß es möglich ist, ein optisches Eingabesignal zu verwürfeln, um ein Ausgabesignal mit wechselnden orthogonalen Polarisationszuständen in einer der Weisen zu erzeugen, die bezüglich dieser Vorrichtungen beschrieben sind.
Damit liefert als eine Option die Steuerung 12 das Verwürfelungssignal an den VCC, während die Polarisationsrotatoren 15, 15' eingestellt sind, um die Polarisationszustände der optischen Zwischensignale gegenseitig orthogonal zu machen (vgl. Fig. 3 und zugehörige Beschreibung). In diesem Fall muß es nicht notwendig sein, irgendeine relative Phasenverschiebung einzuführen, also brauchen die Phasenmodulatoren 22, 22' nicht angetrieben zu werden. In einer alternativen Option kann die Steuerung den VCC 10 einstellen, um als ein 1:1-Richtungskoppler zu wirken, und kann das Verwürfelungssignal liefern, um die Phasenmodulatoren 22, 22' anzutreiben, um wechselnde Phasenverschiebungen von 180º einzuführen (vgl. Fig. 4 und zugehörige Beschreibung). Die Polarisationsrotatoren 15, 15' sind wie bei der ersten Option eingestellt.
Es ist möglich, die optische Vorrichtung von Fig. 9 zu vereinfachen, und weiterhin die Doppelsteuerung der Signalaufspaltung (unter Verwendung des VCC 10) und der relativen Phase (unter Verwendung des Phasenmodulators 22) zu erlauben. Eine vereinfachte Vorrichtung ist schematisch z.B. in Fig. 10 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel, das anderweitig ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 9 ist, ist ein einziger Phasenmodulator 22 in einem der zwei optischen Zwischenpfade 13, 14 eingefügt. Der Phasenmodulator 22 ist eine spannungsgesteuerte planare elektro-optische Wellenleitervorrichtung, die auf dem gleichen Substrat wie der VCC 10 hergestellt werden kann. Sowohl der VCC 10 als auch der Phasemnodulator werden durch die Steuerschaltung 12 gesteuert. Ein TE-TM-Konverter 15 gewährleistet eine feste 90º-Polarisationsrotation in nur einem Zwischensignalpfad.
Es wird anerkannt werden, daß diese Vorrichtung auch ein optisches Signal in einer Anzahl verschiedener zuvor beschriebener Weisen verwürfeln kann. Zum Beispiel, wenn das Verwürfelungssignal ein gleichmäßig sich veränderndes Signal ist, ändert der VCC unter der Steuerung der Steuerschaltung 12 ähnlich gleichmäßig die Proportionen des Eingabesignals, die an jeden der Zwischensignalpfade 13, 14 geliefert werden. Unter diesen Bedingungen ist das Schalten des VCC 10 ein fortlaufender und gleichmäßiger Vorgang gegenüber dem wechselnden Stufenschalten, das mit einem Rechteckwellenverwürfelungssignal auftritt. Der Phasenmodulator 22 führt dann jedoch Stufenänderungen in der Phase von 180º ein während wechselnder Halbzyklen des Verwürfelungssignals. Der Betrieb des Phasenmodulators 22 ist mit dem Schalten durch das Verwürfelungssignal synchronisiert und ist ebenso durch die Steuerschaltung 12 gesteuert.
Die verschiedenen vorangegangenen Beispiele und Vorrichtungsbeschreibungen demonstrieren, daß unter Verwendung von Polarisationsverwürfelung eine konstante und maximale 3 dB Signalreduzierung relativ zu dem Idealen bei kohärenter Erfassung eingegangen wird. In diesem Fall, wo Signalpolarisation orthogonal zu einer Lokaloszillatorpolarisation ist, erfährt ein herkömmlicher Empfänger vollständigen Signalschwund. Polarisationsverwürfelung vermeidet klar dieses Problem (siehe z.B. Fig. 6(a)). Solange die 3 dB Reduzierung innerhalb der Empfängertoleranz ist, wäre keine Polarisationssteuerung für den Lokaloszillator erforderlich.
Ein weiterer Vorteil der Polarisationsverwürfelungstechnik ist, daß Signale von genügend unterschiedlichen Wellenlängen, z.B. in einem Frequenzmultiplexsystem, gleichzeitig verwürfelt werden können. In einem Multiplexsystem wäre es nur notwendig, eine Verwürfelungseinheit pro Ausgangsübertragungsphase zu haben, die mehrere getrennte Sender bedient. Dies stellt einen beträchtlichen potentiellen Vorteil in der Ausrüstungskostenersparnis dar
Praktische Vorrichtungen zum Durchführen der Polarisationsverwürfelung sind beschrieben worden. Jedoch ist die Verwendung dieser Vorrichtungen nicht notwendigerweise auf solche Zwecke beschränkt. Insbesondere bieten die Vorrichtungen von Fig. 9 und 10 größere Flexibilität der Verwendung. Zum Beispiel können diese Vorrichtungen auch als verbesserte Polarisationssteuerung zur Verwendung in Polarisationsnachführ- Empfängern eingesetzt werden. Zum Beispiel, wie vorher angemerkt, können sie zweckmäßigerweise als integrierte optische (bulk optical) Vorrichtungen ausgeführt werden und benötigen keine optischen Komponenten. Zu diesem Zweck kann, wie der Erfinder erkannt hat, die Steuerung der Signalproportionen unter Verwendung des VCC 10 und der Signalphase unter Verwendung des Phasenmodulators 22 zusammen in Kombination mit mindestens einem Polarisationsrotator ein kombiniertes Ausgabesignal erlauben, das mit irgendeiner gewünschten Polarisation konstruiert ist. Es ist nur erforderlich, daß die Steuerschaltung 12 den VCC 10 steuert, um die relativen Proportionen der orthogonalen Signale festzulegen, und den Phasenmodulator 22 steuert, um die relativen Phasenverschiebungen zwischen diesen Signalen festzulegen, so daß die Kombination dieser Signale ein einziges kombiniertes Ausgabesignal mit der gewünschten Polarisation erzeugt. In diesem Fall würden die Steuersignale normalerweise angeordnet sein, um sich gleichmäßig und langsam zu verändern im Gegensatz zu den rasch wechselnden Signalen, die zur Verwürfelung verwendet werden.
In einem Polarisationsnachführ-Empfänger würde der Lokaloszillator die passende Signalquelle sein. Die Steuerschaltung 12 würde auch zweckmäßigerweise eine Rückkopplungssteuerschaltung aufweisen, z.B. eine selbsthaltende Steuerschleife, um die Ausgabesignalpolarisation angepaßt an die empfangene Signalpolarisation aufrecht zu erhalten.

Claims

1. Verfahren zum Verarbeiten eines optischen Signals, das die Veränderung des Polarisationszustands des optischen Signals in sequentiellen Zeitabschnitten unter der Steuerung eines elektrischen Steuersignals bei einer vorher bestimmten Verwürfelungsfrequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationszustand des optischen Signals durch Aufspalten des optischen Signals in zwei optische Zwischensignale verändert wird, Veränderung der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale relativ zueinander und Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale, um ein verarbeitetes optisches Signal zu erzeugen mit im wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen, die sequentiell in Übereinstimmung mit der Verwürfelungsfrequenz abwechseln.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 einschließlich Steuern der relativen Proportionen des in die optischen Zwischensignale aufgespaltenen optischen Signals durch Schalten des optischen Signals unter der Steuerung des Steuersignals.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2 einschließlich der Stufen des gegenseitigen orthogonal Machens der Polarisationszustände der geschalteten optischen Zwischensignale und des Wiedervereinigens der optischen Zwischensignale, so daß das verarbeitete Signal aus einer sequentiellen Wiedervereinigung der veränderten optischen Zwischensignale gebildet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das Steuersignal ein Rechtecksignal aufweist und das optische Signal wechselweise stufengeschaltet wird, um jedes der optischen Zwischensignale bereitzustellen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 einschließlich der Schritte des gegenseitigen orthogonal Machens der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale und des Phasenmodulierens wenigstens eines der optischen Zwischensignale unter der Steuerung des Steuersignals, so daß beim Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale die Vektorsumme der Polarisationszustände der optischen Zwischensignale abwechselt, um die wechselnden orthogonalen Polarisationszustände des verarbeiteten optischen Signals bereitzustellen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Phase eines der optischen Zwischensignale moduliert ist, um Stufen-Phasen-Verschiebungen von im wesentlichen 180ºwährend wechselnder Halbzyklen des Steuersignals aufzuprägen.

7. Verfahren gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche zum Verändern des Polarisationszustandes eines optischen Signals, das zur Informationsübertragung verwendet wird, und das den Schritt des Setzens des Steuersignals auf eine genügend hohe Frequenz einschließt, so daß Information, die auf dem Signal getragen wird, an einem Detektor verfügbar gemacht werden kann unter der Verwendung wenigstens eines der wechselnden orthogonalen Zustände.

8. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 zum Verändern der Polarisationszustände eines lokalen Oszillatorsignals, der für den Empfang optischer Informationssignale in einem kohärenten optischen Übertragungssystem verwendet wird, das den Schritt des Setzens des Steuersignals auf eine genügend hohen Frequenz einschließt, so daß die Information auf dem Informationssignal unter Verwendung wenigstens eines der wechselnden orthogonalen Polarisationszustände des verarbeiteten lokalen Oszillatorsignals erfaßbar ist.

9. Verfahren gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zu verarbeitende optische Signal eine Vielzahl von Signalen bei im wesentlichen getrennten Wellenlängen aufweist.

10. Verfahren gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optische Signal eines oder mehrere digitale optische Signale aufweist und die Frequenz des Steuersignals nicht geringer ist als das Minimum der Bitraten der digitalen optischen Signale.

11. Optischer Apparat, der eine Steuereinrichtung (12) zum Bereitstellen eines elektrischen Steuersignals bei einer vorher bestimmten Verwürfelungsfrequenz und eine Veränderungseinrichtung (15) zum Verändern des Polarisationszustandes eines optischen Eingangssignals unter der Steuerung der Steuereinrichtung (12) bei einer vorher bestimmten Verwürfelungsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß: die Veränderungseinrichtung eine Einrichtung (10) zum Aufspalten des optischen Eingangssignals von einem Eingangssignalpfad (11) in zwei Zwischensignalpfade (13, 14) einschließt, eine Polarisations-Veränderungseinrichtung (15) in wenigstens einem der optischen Zwischenpfade (13) angeordnet ist, um die Polarisationszustände der optischen Zwischensignale gegenseitig orthogonal zu machen, und eine Einrichtung (16) zum Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale, um ein verarbeitetes optisches Ausgangssignal bereitzustellen mit im wesentlichen orthogonalen Polarisationszuständen, die sich sequentiell in Übereinstimmung mit der Verwürfelungsfrequenz verändern.

12. Optischer Apparat gemäß Anspruch 11, wobei die Einrichtung (10) zum Aufspalten des optischen Signals einen optischen Schalter (10) aufweist zum Schalten wählbarer Proportionen der optischen Eingangssignale von dem Eingangssignalpfad (11) in die zwei optischen Zwischensignalpfade (13, 14), wobei die geschalteten Proportionen unter der Steuerung der Steuerungseinrichtung (12) ausgewählt werden.

13. Optischer Apparat gemäß Anspruch 12, wobei der optische Schalter (10) einen spannungsgesteuerten Koppler (10) aufweist.

14. Optischer Apparat gemäß irgendeinem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem die Veränderungseinrichtung (22) weiterhin eine Phasenmoduliereinrichtung in wenigstens einem der optischen Zwischenpfade (13, 14) einschließt zum Einstellen der relativen Phase der optischen Zwischensignale.

15. Optischer Apparat gemäß Anspruch 14, wobei die Phasenmoduliereinrichtung (15, 22) in einem der Zwischensignalpfade (14) durch die Steuereinrichtung (23) gesteuert wird, um wechselnde Phasenverschiebungen auf das Zwischensignal in diesem Pfad (14) aufzuprägen, so daß die Vektorsumme der Polarisationszustände der optischen Zwlschensignale sich verändert, um die wechselnden orthogonalen Polarisationszustände des Ausgangssignals bereitzustellen.

16. Optischer Apparat gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 15 zum Verändern des Polarisationszustandes eines optischen Signals, das zum Übertragen oder zum Empfangen von Information verwendet wird, bei dem die Steuereinrichtung (12) eine Einrichtung einschließt zum Setzen des Steuersignals auf eine ausreichend Frequenz, so daß die Information unabhängig von wenigstens einem der wechselnden orthogonalen Zustände zur Verfügung gestellt werden kam

17. Optischer Apparat gemäß Anspruch 11 oder 14, wobei die Einrichtung zum Aufspalten des optischen Eingangssignals einen passiven 1:1-Richtkoppler (24) aufweist.

18. Optischer Apparat gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 17, wobei die Wiedervereinigungseinrichtung einen passiven 1:1-Richtkoppler (16) aufweist.

19. Optischer Apparat gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 18, bei dem die Veränderungseinrichtung einen TE-TM- Konverter (15) einschließt.

20. Optischer Apparat gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche 10 bis 19, der integrierte optische Wellenleiterbauelemente aufweist.

21. Optischer Apparat, der aufweist: eine Einrichtung (10) zum Aufspalten wählbarer Proportionen eines optischen Eingangssignals von einem Eingangssignalpfad (11) in zwei optische Zwischensignalpfade (13, 14); eine Polarisations-Veränderungseinrichtung (15), die in wenigstens einem der optischen Zwischensignalpfade (13) angeordnet ist, und angeordnet ist, um die Polarisationszustände der optische Zwischensignale im wesentlichen gegenseitig orthogonal zu machen; eine steuerbare Phasenmoduliereinrichtung (22) in wenigstens einem der optischen Zwischenpfade (14); eine Steuereinrichtung (12) zum Steuern der Aufspalteinrichtung, um die Aufspaltproportionen zu wählen, und zum Steuern der Phasenmoduliereinrichtung (22), um die Phasenbeziehung zwischen den aufgespaltenen Signalen zu steuern; und eine Einrichtung zum Wiedervereinigen der optischen Zwischensignale zum Bereitstellen eines kombinierten Ausgangssignals irgendeiner gewünschten Polarisation unter der Steuerung der Steuerungseinrichtung (12).