DE3854730T2 - Optisches Übertragungssystem mit Konstanthalten einer Frequenzgruppe. - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
• Die Erfindung umfaßt optische Kommunikationssysteme mit je einer Gruppe ("comb") von informationstragenden, frequenzmultiplex modulierten, stabilisierten Signalen.
Hintergrund der Erfindung
• Die Verwendung optischer Frequenzen für die Übertragung logischer Signale bietet einen erheblichen Zuwachs an Informationsübertragungskapazität oder Bandbreite, und damit deutlich reduzierte Übertragungskosten. Dieser preisliche Vorteil hat in den vergangenen fünfzehn Jahren die Entwicklung optischer Kommunikationssysteme kräftig gefördert. Verschiedene ingenieurmäßige Vorteile helfen zusätzlich bei der vollen Ausschöpfung der Bandbreite optischer Kommunikationssysteme, ( siehe WO-A-8 701 874 ).
• Eine bestimmte Art von Kommunikationssystemen verwendet für die Ausnutzung des Bandbreitenpotentials die Frequenzmultiplexmodulation der Logiksignale, um die Übertragungsbandbreite zu vergrößern. Das dabei verwendete Frequenzmultiplexverfahren entspricht weitgehend dem aus der Radiotechnik bekannten Verfahren. Bei einem solchen Multiplexverfahren, auch bekannt unter Frequenzteilungsmultiplex (frequency division multiplex FDM, oder Wellenlängenteilungsmultiplex (wavelengh- division-multiplexing WDM), werden die verschiedenen informationstragenden Signale auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen, und erweitern damit die Übertragungskapazität des Systems; s. z.B. E. J. Backus und andere, Electronics Letters, Band 22, Nr. 19, 11. September 1986, wo zusätzlich Zwischenfrequenztechniken (heterodyne) beim Empfang der Signale verwendet werden. Auf jeden Fall dürfen in einem solchen Frequenzmultiplexsystem die einzelnen informationstragenden Frequenzen nicht driften, sondern müssen untereinander 50 getrennt bleiben, daß sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Bei der Übertragung von Radiosignalen wird dieses Ziel sehr preisgünstig durch einen hochstabilen Frequenzgenerator erreicht, der üblicherweise durch einen Quarzresonator stabilisiert wird. Auf optischem Gebiet sind solche frequenzstabilen Generatoren prohibitiv teuer. Als Konsequenz müssen andere Verfahren gesucht werden, um die Frequenzabstände der informationstragenden Signale in einem optischen, multiplexen Kommunikationssystem sicherzustellen.
• Bereits früher wurden Verfahren zur Stabilisierung einzelner optischer Frequenzen vorgeschlagen. Eines dieser Verfahren beschreibt die Übertragung durch einen Fabry- Perot-Resonator, oder Hohlraumresonator, hier als "Fabry- Perot" bezeichnet.Bei einem solchen System wird die Resonanzstrecke des Fabry-Perot in Verbindung mir einer Rückkopplungsschaltung verwendet, um die Frequenzquelle, üblicherweise einen Laser, zu stabilisieren. Beispielhaft werden derartige Verfahren in dem Artikeln von K. W. Cobb und anderen, Electronics Letters, Band 18, Nr. 8, Seite 336, 15. April 1982, und Tot Okashi et al., Electronics Letters, Band 16, Nr. 5, Seite 180, Februar 1980, beschrieben. Ein ähnliches Verfahren mit Lichtreflexion in einem Fabry-Perot wurde von Sollberger und anderen in The Journal of Lightwave Technology, Band LT-5, Nr. 4, Seite 485, April 1987, dargestellt. Jedoch erleichtert die Stabilisierung einer einzelnen Frequenz das Problem der gegenseitigen Signalbeeinflussung nicht, solange die anderen, nicht stabilisierten Frequenzen weiterhin driften können, und damit für Signalinterferenz sorgen. Hinzu kommt, daß selbst wenn alle Frequenzen mit eigenen Fabry-Perots stabilisiert wären, wegen der Eigendrift der Fabry-Perots noch Signalinterferenzen vorkommen.
• Ein Verfahren zur Stabilisierung einer Anzahl unterschiedlicher optischer Frequenzen wurde von D. J. Hunkin und anderen in Electronics Letters, Band 22, Nr. 7, Seite 388, 27. März 1986, vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren, bekannt als "gerastete Eingangsimpulse" (injection locking technique), wird eine Frequenzgruppe mit jeweils gleichen Abständen durch Frequenzmodulation eines Lasers mit einer geeigneten Tonfrequenz, erzeugt. Die sich dabei ergebenden Seitenbänder mit gleichen Abständen werden benutzt, um eine Reihe verschiedener optischer Frequenzen zu stabilisieren. Es gibt jedoch keine Rückkopplungseinrichtung, die zuverlässig verhindert, daß die zu stabilisierenden optischen Frequenzen "ausrasten".
Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung, entsprechend den Patentansprüchen, erzielt die Frequenzstabilisierung durch eine Reihe optischer Frequenzen definierten Abstandes mit logischen Verknüpfungen unter Verwendung der Resonanzcharakteristiken eines Fabry-Perot Hohlraumresonators. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, das bei Fabry-Perot Hohlraumresonatoren eine Gruppe (comb) von Resonanzen definierten Abstandes entsteht, die mit einer analogen Gruppe (comb) von Signalfrequenzen mit definierten Abständen und logischen Verknüpfungen zusammengeführt werden kann. Das Auswerten dieser Analogie zwischen den Resonanzen mit definierten Abständen bei Fabry-Perot Hohlraumresonatoren und den Signalfrequenzen mit definierten Abständen und logischen Verknüpfungen erlaubt es, mit Fabry-Perot Hohlraumresonatoren die Gruppe der Signalfrequenzen mit logischen Verknüpfungen zu stabilisieren. Die Stabilisiereng wird durch geeignete Rückkopplungsschleifen sichergestellt.
• Jeder optischen Frequenzquelle ist ein eigener Fabry- Perot Hohlraumresonator fest zugeordnet. Die einzelnen Fabry-Perot sind mit ihren zugehörigen optischen Frequenzen relativ untereinander so verbunden, daß ihre Resonanzen davor geschützt sind, gegeneinander zu driften. Auf diese Weise sind die individuellen Frquenzen mit ihren Gruppen von Logik enthaltenden Signalen so stabilisiert, daß sie vor Drift- und Interferenzeffekten geschützt sind. Diese spezielle Ausführung ist besonders dort von Nutzen, wo die verschiedenen optischen Quellen, welche die Logik enthaltenden Frequenzen erzeugen, physikalisch getrennt voneinander aufgebaut sind.
• Einige Ausführungen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen detailliert in Einzeldarstellungen dargestellt.
• Die Figuren beschreiben in Kürze Folgendes:
• Fig. 1 ist eine verkürzte schematische Darstellung einer Ausführung der Erfindung, die den Anschluß jeder Quelle an den zugeordneten Fabry-Perot-Resonator erläutert.
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer frequenzmultiplexen Schaltung mit heterodyner Erkennung.
• Fig. 3 ist die frequenzmäßige Darstellung des heterodynen Prozesses.
• Fig. 4 ist eine weitere Darstellung des heterodynen Prozesses.
• Fig. 5 ist die Darstellung von Signalen, die im heterodynen Empfänger aus Fig. 2 erkannt wurden.
• Fig. 6 ist die graphische Kurvendarstellung der Bitfehlerrate über der Empfangsleistung für den heterodynen Empfänger aus Fig. 2.
• Fig. 7 und 8 zeigen Augenbilder (augenförmige Liniengruppen auf dem Bildschirm eines Oscilloskops) der empfangenen Signale bei Verwendung der Schaltung aus Fig. 2.
• Fig. 9 zeigt das gemessene IF-Spektrum der Einrichtung aus Fig. 2, wobei die Kanalabstände versuchsweise verkleinert wurden, um die Interferenzen zu den Nachbarkanälen zu bestimmen.
• Fig. 10 ist das detaillierte Schaltungsschema der Ausführung der Erfindung, bei der jede optische Frequenzquelle fest mit ihrem zugehörigen Fabry-Perot Hohlraumresonator "gerastet" ist.
• Fig. 11 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm der Einrichtung nach Fig. 10, wobei weitere redundante Referenz-Frequenzgeneratoren eingeschlossen sind.
• Fig. 12 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm der Einrichtung nach Fig. 10 mit einer zusätzlichen Schaltung, die es dem Benutzer erlaubt, eine spezielle optische Frequenz auszuwählen.
Ausführliche Beschreibung
• Die zu beschreibende Apparatur umfaßt die Stabilisierung einer Gruppe frequenzmultiplex modulierter Signalfrequenzen, die logische Funktionen enthalten, mit Hilfe der Resonanzen eines Fabry-Perot Hohlraumresonators. Das frequenzmultiplexe Signal wird mit einer Frequenz moduliert, die Logokfunktionen enthalten kann, die in Form einer "Zitterfrequenz" dargestellt werden. Die Stabilisierung wird durch mindestens zwei zugeordnete Rückkopplungsschleifen erreicht. Unabhängig davon werden separate Fehlersignale erzeugt die aus mindestens zwei frequenzmodulierten, gedrifteten Signalen entstanden sind und durch den Fabry- Perot übertragen wurden, indem die "Zitterkomponenten" der bereits gemultiplexten Signale mit den ursprünglich zugehörigen Zitterfrequenzen verglichen werden.
• Die frequenzmultiplexen Signale enthalten Logikfunktionen einschließlich solcher Signale, die ausschließlich Referenzzwecken dienen, ohne dabei weitere Logik zu enthalten. Die Bezeichnung "Zittern" bezieht sich auf die Modulation jeder benutzten Frequenz. Das "Zittern" wird eingesetzt, um der fraglichen Frequenz ein Logik enthaltendes Signal einzuprägen, wie bei klassischer Modulation, oder auch für Abgleichszwecke, wobei anschließend ein Fehlersignal erzeugt werden kann. In bestimmten Ausführungen kann das "Zittern" gleichzeitig für das Einprägen des klassischen Logiksignals auf der in Frage kommenden Frequenz, als auch für die zugehörigen Vergleichszwecke eingesetzt werden.
• Eine besondere Ausführung der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, die hier generell, und anschließend detailliert beschrieben wird. Jede Quelle optischer Frequenzen, hier als Beispiel 117, ist einem eigenen Fabry- Perot zugeordnet. Die verschiedenen Fabry-Perot- Hohlraumresonatoren mit ihren jeweiligen optischen Frequenzen sind relativ zueinander verkoppelt, um das gegenseitige Driften zu vermeiden. Diese Verkopplung wird über ein Referenzsignal erreicht.
• Die Fabry-Perots sind abstimmbar, um die relativen Abstände einstellen zu können.
• Die gegenseitigen Abstimmung muß nur ausreichend genau sein, um die vorgegebene Anzahl von Resonanzen mit der zugehörigen Anzahl von Logiksignalen in Übereinstimmung zu bringen. Existieren weitere Resonanzen, so müssen diese nicht mit Logiksignalen in Verbindung gebracht werden.
• Jeder Quelle optischer Frequenzen ist ein eigener Fabry- Perot zugeordnet. In Fig. 1 ist der Fabry-Perot als 101 bezeichnet. Eine Quelle optischer Frequenzen ist 117. Es ist nur eine Quelle dargestellt, doch kann eine beliebige Anzahl eingesetzt werden, wobei jede Quelle eine eigenen Rückopplungsschleife 108 besitzt. Ein Referenzsignal 102 wird mit einem Logik enthaltenden Signal 103 verkoppelt, oder gemultiplext, wobei dieser Koppler 104 beide Signale an den Fabry-Perot überträgt. Der Koppler kann aber auch so ausgeführt sein, daß er nur einen Teil der Referenz- und Logiksignale zum Fabry-Perot überträgt, und einen anderen Teil beispielsweise zu einem Verbraucher. Die Referenzfrequenz ist mit einer "Zitterfrequenz" F (105) moduliert, die in dieser Ausführung keine weitere Logik enthält. Dagegen ist die Logik enthaltende Frequenz 103 mit Signalen versehen, die zum Beispiel für eine Steuerung der Frequenzverschiebung (frequency shift keying FSK) 106 verwendet werden.
• Nach Verlassen des Fabry-Perot über 112 und 113 laufen die multiplexen Signale in die beiden getrennten Fückkopplungsschleifen 107 und 108, um sowohl den Fabry- Perot, als auch den Laser zu stabilisieren. In der Rückkopplungsschleife des Fabry-Perot werden die "Zitterkomponenten" des Multiplexsignals 112 in Form der gesendeten Fabry-Perot Resonanzen durch einen Photodetektor erkannt und auf den Eingang des Mischers 109 gegeben. Die Zitterfrequenz 105 wird auf einen anderen Eingang des Mischers gegeben. Der Mischer vergleicht beide Eingangssignale und erzeugt dabei ein Fehlersignal, welches proportional zur Drift der verwendeten Fabry-Perot Resonanzfrequenz ist. Dieses Fehlersignal 111 wird zur Abstimmeinrichtung des Fabry-Perot 118 rückgekoppelt, um zu justieren und die Resonanzfrequenz auf das Referenzsignal abzustimmen.
• Mit Hilfe der zweiten Rückkopplungsschleife 108 wird die Laserfrequenz stabilisiert. In dieser Rückkopplungsschleife wird die "Zitterkomponente" der Multiplexsignale nach Verlassen des Fabry-Perot durch einen Photodetektor erkannt und auf den Eingang des Mischers 114 gegeben. Die FSK- Frequenz wird auf den anderen Eingang des Mischers 115 gegeben. Der Mischer vergleicht beide Eingangssignale und erzeugt dabei ein Fehlersignal, welches proportional zur Drift des Lasers im Vergleich zur zugehörigen Resonanz des Fabry-Perot ist.
• Das Fehlersignal wird auf den Laser rückgekoppelt, um diesen zu justieren und die Frequenz des Lasers mit der Resonanzfrequenz des Fabry-Perot abzustimmen.
• Während diese spezielle Ausführung zeigt, wie eine Referenzfrequenz als "Zitterfrequenz" vor der Übertragung bei 105 eingespeist wird, können allgemeinere Ausführungen Die Referenzfrequenz "ungezittert" einspeisen, wobei nur dort örtlich eine Zitterfrequenz überlagert wird, wo für die Erzeugung eines Fehlersignals Signalverarbeitung betrieben wird.
• Wenn in der Beschreibung der Erfindung die Bezeichnung "optisch" verwendet wird, z.B. "optische Frequenzen" oder "optische Kommunikationssysteme", bezieht sich diese auf einen Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums, der vorzugsweise durch optische Fasern, die im allgemeinen aus dietektrischen Materialien bestehen, übertragen wird. "Optische" Frequenzen haben üblicherweise eine Wellenlänge im bereich von 0,3 bis 2 oder 3 u. Neuere Materialien erlauben auch höhere oder niedrigere Frequenzen durch solche Fasern zu übertragen. Diese Frequenzen sollen ebenfalls unter der Bezeichnung "optisch", wie sie hier verwendet wird, eingeschlossen sein. Die Bezeichnung "Fabry-Perot" und die damit gemeinte Einrichtung ist den Fachleuten für optische Technik geläufig.
A. Das Verfahren des FDM kohärenten optischen Sterns
• Die Einrichtung dient zur Erkennung frequenzmultiplexer (FDM) Signale. Es existieren eine Reihe von Verfahren für die Übertragung und Verarbeitung derartiger Signale. Die Erfindung ist nicht auf ein solches Verfahren festgelegt und kann sehr einfach exemplarisch dargestellt werden. Als Hinweis,- die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf das Verfahren des "kohärenten" (heterodyn) "optischen Sterns". Siehe als Beispiel, E. J. Bachus et al., Electronics Letters, September 1986, Band 22, Nr. 19, Seiten 1002-1003, A. R. Chraplyvy et al., Electronics Letters, September 1986, Band 22. Nr. 20, Seiten 1084-1085, und R. A. Linke, OFC Sixth International Conference, Reno, 19-22. Januar 1987, Technical Digest, Seite 184.
• Während FDM die Anwendung der von einem optischen Kommunikationssystem zur Verfügung gestellten Bandbreite zu nutzen gestattet, erlaubt die kohärente (heterodyn) Erkennung eine hohe Empfänger-Empfindlichkeit und hohe Trennnschärfe. Außerdem bringt die Stern-Konfiguration eine effiziente Verteilung der optischen Energie im Netzwerk. Durch Kombination dieser drei Leistungsmerkmale wird ein optisches Netzwerk erreicht, das einen großen Durchsatz z.B. Anzahl der Benutzer x Bitrate) ermöglicht.
1. Beschreibung einer speziellen Schaltungskonfiguration
• Fig. 2 ist eine schematische Schaltungsdarstellung unter Verwendung der FDM-kohärenten-optischen-Stern Methode. Die für die Übertragung eingesetzten optischen Quellen 301, 302, und 303 sind schnelle, externe Hohlraumlaser mit einstellbaren Frequenzen; s. z.B. B. Glance et al. Electronic Letters, Januar 1987, Band 23, Nr. 3, Seiten 98- 99.
• Diese Laser erzeugen je ein schmalbandiges Einzelfrequenzsignal von 1,28 um, dessen Frequenz über einen Bereich von etwa 4000 GHz eingestellt, und bis zu 100 MHz frequenzmoduliert werden kann. Die Modulation der Quellen bei 304, 305 und 306 geschieht durch FSK bei 45 Mb/s, mit einem Modulationsindex von eins, und einem zufallsbedingten NRZ- Bitstrom mit einer Feldlänge von 2¹&sup5; - 1. Die drei Quellen senden optische Frequenzen mit einem Frequenzabstand von jeweils 300 MHz.
• Die drei optischen Signale werden in einem 4 x 4 Lichtleitfaser-Sternkoppler 307 zusammengeführt. Jede der vier Ausgangsfasern des Kopplers, 308, 309, 310, und 311 enthält die drei FDM-Signale. Das Signal einer dieser Fasern wird über einen 3 dB-Koppler 312 mit dem LO-Signal 313 aus einem konventionellen externen Hohlraumlaser zusammengefaßt. Siehe dazu zum Beispiel, R. Wyatt et al., Electronics Letters, Februar 1983, Band 19, Nr. 3, Seiten 110-112. Die Polarisation des gesendeten Signals wird manuell auf die Polarisation des LO-Signals eingestellt. Die zusammengefaßten Signale der beiden Ausgänge des Kopplers 314 und 315 speisen einen Ausgleichs-Mischempfänger 316; s. z.B B. L. Kasper et al., Electronics Letters, April 1986, Band 22, Nr. 8, Seiten 413-415. Dieser überlagert das empfangene Signal einer Zwischenfrequenz (IF) von 225 MHhz. Die optische Leistung des LO-Signals beträgt am Photodetektor etwa 0,7 dBm. Daraus ergibt sich, daß das Impulsrauschen des LO-Signals stärker ist, als das thermische Rauschen des Empfängers. Die Verwendung eines Ausgleichsmischers ist in einem FDM-Stern Netzwerk notwendig, um Interferenzen mit direkt erkannten Werten zu vermeiden. Außerdem erlaubt er eine effizientere Verwertung der optischen Leistung der LO-Quelle und vermindert damit die sich aus dem Impulsgeräusch des empfangenen Signals ergebende Signalverkleinerung. (In einem FDM-Stern Netzwerk ist das Impulsgeräusch des empfangenen FDM-Signals gleich dem Impulsgeräusch einer sendenden optischen Quelle minus der Betriebsdämpfung des Netzwerks).
• Das IF-Signal wird in 317 verstärkt und im IF-Filter 318, welcher eine Filterbandbreite von 60 MHhz und eine Bandmittenfrequenz bei 225 Mhhz besitzt, gefiltert. Die Demodulation erfolgt in einem Frequenzdiskriminator, und das sich ergebende Basisband durchläuft einen Tiefpaßfilter bei 35 MHhz mit 3 dB Grenzwert. Die Auswahl des gewünschten Kanals erfolgt durch die Einstellung der LO-Frequenz auf die Bandmittenfrequenz des gewünschten Kanals innerhalb der Bandbreite des IF-Filters. Schließlich wird die Zwischenfrequenz durch eine automatische Frequenzüberwachung (AFC) 321, die die optische Frequenz des LO-Signals steuert, ständig überwacht.Das Signal einer der drei verbleibenden Ausgangsfasern 308 des Sternkopplers wird verwendet, um nach Vergleich mit einer Teilauskopplung des LO-Signals bei 309 und 310, die vier optischen Signale, die drei FDM-Signale und das LO-Signal bei 311, zu überwachen.
• Hierzu wird ein Spektrometer und ein geeichter Fabry- Perot zur Frequenzüberwachung eingesetzt. Eine weitere Faser dient zur Messung des empfangenen Signals. Die Messung berücksichtigt dabei den kleinen Unterschied zwischen dem empfangenen Signal auf dieser Faser und der mit dem Empfänger verbundenen Faser.
• Bei einer vorgegebenen Bitrate hängt der Systemdurchsatz von der Anzahl der Kanäle ab, die in der vorhandenen optischen Bandbreite untergebracht werden können. Diese Bandbreite ist erheblich größer, als jede in Frage kommende IF, und deshalb muß die LO-Frequenz in die Nähe des gewünschten Kanals gelegt werden; s. z.B. L. G. Kazovsky, OFC Sixth International Conference, Reno, 19.-22. Januar 1987, Technical Digest, Seiten 59-60. Zudem ist ein optischer Mischer sowohl für die Frequenzen oberhalb, als auch unterhalb der LO-Frequenz, gleich empfindlich. Daraus folgt, das der Kanalabstand genügend groß gewählt werden muß um Interferenzen mit der Spiegelfrequenz zu vermeiden Bei einem solchen heterodynen Vorgang überschneiden sich im IF-Bereich die Kanäle auf der Unterfrequenzseite des LO- Signals mit denen auf der Oberfrequenzseite dieses Signals. Diese Situation wird durch den Einsatz eines Mischers mit Spiegelfrequenzunterdrückung verbessert; s. z.B. B. Glance, Journal of Lightwave Technology, November 1986, Band LT-4, Nr. 11, Seiten 1722-1725), jedoch wird dabei ein komplizierterer Empfänger benötigt. Als Folge werden die Kanäle im IF-Bereich (s. Fig. 3) dichter zusammen gelegt. Der kleinste erzielbare Kanalabstand variiert proportional zur IF-Frequenz, wenn der niedrigste IF-Kanal vom IF-Filter ausgewählt wurde. Damit ergibt sich, daß ein großer Kanalabstand notwendig ist, damit die IF-Frequenz deutlich über dem Basisband liegt, um Interferenzen zwischen dem ausgewählten IF-Signal und dem sich letztlich ergebenden demodulierten Signal zu vermeiden. Diese beiden Probleme können gleichzeitig gelöst werden, wenn der zweitniedrigste IF-Kanal gewählt wird (s. Fig. 4). Das Ziel wird dadurch erreicht, daß die LO-Frequenz auf den Rand des optischen Kanals eingestellt wird, der dem ausgewählten Kanal benachbart ist. In diesem Fall wird jedoch der ausgewählte IF-Kanal durch die direkt ausgewerteten Signale beeinflußt. Diese entstehen durch die Frequenzschwebungen zwischen benachbarten optischen Kanälen (bei FSK-Modulation entsteht Interferenz mit direkt ausgewerteten Signalen hauptsächlich durch Frequenzschwebungen zwischen benachbarten optischen Kanälen). Diese Interferenzen können in einem Stern-Netzwerk bedeutsam werden, da hier die optische Leistung der empfangenen FDM-Signale vergleichbar mit der des LO-Signals werden können. Diese Interferenz kann durch einen Ausgleichs-Mischempfänger unterdrückt werden (wobei die Höhe der Unterdrückung von der Güte des Vergleichers abhängt); s. z.B L. G. Kazovsky, OFC Sixth International Conference Reno, 19.-22. Januar 1987, Technical Digest, Seiten 59-60. Der geringste Kanalabstand, und damit der Systemdurchsatz wird durch den Kanalabstand bestimmt, der eine Zwischenkanalinterferenz im IF-Bereich verhindert; s. z.B. Y. K. Park et al., OFC Sixth International Conference, Reno, 19.-22. Januar 1987, Post Deadline Paper PDT - 13.
a. Auswahl des IF Kanals (Zwischenfrequenz)
• Um mit einer IF-Frequenz oberhalb des Basisbandes zu arbeiten, wird der gewünschte optische Kanal einem LO-Signal überlagert (heterodyn), welches auf das Bandende eines benachbarten Kanals eingestellt ist. Damit wird dieser Kanal durch das IF-Filter als der zweitniedrigste TF-Kanal ausgewählt. Diese Anordnung minimiert den benötigten Freguenzabstand zwischen den optischen Kanälen und trennt das demodulierte Basisband vom zugehörigen IF-Signal. Bei einer Modulationsrate von 45 Mb/s liegt der geringste Kanalabstand, um Nachbarkanal-Interferenz im IF-Bereich zu verhindern, bei 260 MHz. Zur Sicherheit wurde ein Kanalabstand von 300 MHz gewählt. Damit ergibt sich ein freier Frequenzabstand zwischen den IF.Kanälen von 150 MHz.
• Die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt. Sie zeigt die IF-Leistungsspektren der drei Kanäle auf der optischen Zwischenfrequenz von 234.000 GHz, die nacheinander durch das IF-Filter mit einer Bandmittenfrequenz von 225 MHz ausgefiltert werden. Die ersten drei Fälle zeigen die Ausfilterung der Kanäle #1, #2 und #3. Im Fall 3 liegt der Kanal #3 zwischen zwei benachbarten Kanälen mit einem Kanalabstand von 150 MHz, was bei einem System mit vielen Kanälen auftreten würde. Der Fall 4 zeigt die Auswahl des Kanals #3 durch Einstellung der LO-Frequenz auf die inverse IF-Kanalverteilung, was vergleichbar mit der Ausfilterung von Kanal #1 ist. Neben jeder TF-Kanal-Spektralverteilung sind die zugehörigen Leistungsspektren der optischen Signale und die Lage der LO.Frequenz dargestellt, aus denen die IF- Spektren resultieren. Sind mehr als drei Kanäle vorhanden, treten keine zusätzlichen Kanalinterferenzen auf, da nur die beiden, dem ausgewählten IF-Kanal benachbarten Kanäle, zur Kanalinterferenz beitragen.
b. Messung der Emnfänger-Empfindlichkeit
• Bei einem einzelnen Kanal wird eine optische Mindestleistung von -61,6 dBm benötigt, um eine Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER) von 10&supmin;&sup8; zu erreichen (Fig. 6). Wird dieses Ergebnis auf eine BER von 10&supmin;&sup9; extrapoliert, würde die empfangene optische Leistung -61 dBm betragen. Dieses Ergebnis stimmt mit der tatsächlichen optischen Leistung am Ausgang des 4 x 4 optischen Sternkopplers überein. Darin nicht eingeschlossen sind jedoch die zusätzlichen Betriebsverluste durch den 3 dB-Koppler und die Verbinder der Fasern, die etwa 0,2 dB ausmachen. Ausgedrückt als mittlere Anzahl von Photonen pro Bit, beträgt die Empfängerempfindlichkeit 113 Photonen/Bit, was zum maximalen Signalgeräusch eines idealen optischen FSK-Empfängers einen Abstand von 4,5 dB ergibt. Der 4,5 dB Abstand enthält 1 dB Minderung wegen Fehlanpassung der Lasermodulation, da der Laser ursprünglich nur für Gleichstromspeisung ausgelegt war. Diese Fehlanpassung bewirkt bei Abwesenheit des Systemrauschens eine Verkleinerung des Augenbildes um 20 Prozent (Fig. 7).
c. Messung der Interferenz zum Nachbarkanal
• Die Kanalabstände können erheblich vermindert werden, um die Nachbarkanal-Interferenz festzulegen. Der Leistungsverlust durch Nachbarkanal-Interferenz beträgt 1 dB, wenn der ausgewählte Kanal im IF-Bereich durch einen Nachbarkanal mit 100 MHz Kanalabstand beeinflußt wird, der mit gleicher optischer Empfangsleistung und Modulation mit der gleichen Bitrate von 45 Mb/s, jedoch mit einem unterschiedlichen Zufallsbitstrom betrieben wird. Das Ergebnis ist in Fig. 6 dargestellt, die zum einen graphisch die BER über der Empfangsleistung für einen Einzelkanal aufzeigt, zum anderen das ähnliche Ergebnis darstellt, wenn der Kanal durch einen zweiten Kanal mit 100 MHz Kanalabstand im IF.Bereich überlagert wird. Die für beide Fälle gemessenen Augenbilder bei einer optischen Empfangsleistung von -61,6 dBm sind in Fig. 8 abgebildet.
• Die Nachbarkanal-Interferenz nimmt deutlich zu, wenn der Frequenzabstand auf 90 MHz vermindert wird. Sie verschwindet vollstandig, wenn der Kanalabstand auf 130 MHz vergrößert wird. Entsprechend wird keinerlei Beeinflussung festgestellt, wenn zwei Nachbarkanäle mit je 150 MHz Kanalabstand vorhanden sind. Fig. 9 zeigt das IF-Spektrum für diesen Fall, wobei der Empfangspegel aller drei Kanäle bei -61,6 dBm liegt und die Modulation 45 Mb/s beträgt.
d. System Durchsatz
• Aus den obigen Ergebnissen kann der System-Durchsatz für ein Netzwerk, welches mit einer Wellenlänge von 1,55 um arbeitet, abgeschätzt werden. Nehmen wir als Beispiel an, daß ein Nutzer 0 dBm optische Leistung in seine Lichtleitfaser einspeist, die über einen Sternkoppler mit 217 Teilnehmern verbunden ist. Die Betriebsdämpfung entsteht beil Durchlauf des Signals durch den Sternkoppler und ist proportional zu den 17 Stufen von 3 dB Kopplern, aus denen sich der Stern zusammensetzt. Da kommerziell vorhandene 3 dB Koppler eine Durchgangsdämpfung von etwa 0,1 dB besitzen, wird ein solcher Sternkoppler insgesamt eine Betriebsdämpfung von etwa 2 dB erzeugen. Werden 4 dB Faserdämpfung für ein Netzwerk mit 10 km Radius hinzugefügt, ergibt sich eine optische Leistung von -57,2 dB, die jeder Teilnehmer aus der obigen Quelle empfängt. Damit ist die Empfangsleistung um 3.8 dB höher, als die für eine BER von 10&supmin;&sup9; bei einer Modulation von 45 Mb/s gemessene Empfangsleistung. Damit zeigen die obigen Ergebnisse, daß 100.000 Teilnehmer, die mit dieser Bitrate senden, innerhalb eines Radius von 10 km durch ein kohärentes FDM- Sternnetzwerk verbunden werden können. Vorausgesetzt ist, daß sich die Laser über den Frequenzbereich der FDM-Kanäle einstellen lassen. Ein vergleichbarer Wert dieses Durchsatzes (4500 Gb/s pro Nutzer) kann auch bei einer kleineren Anzahl von Nutzern angenommen werden, wobei diesen eine höhere Bitrate zur Verfügung stehen würde.
B. Stabilisierung unter Verwendung je eines Fabry-Perot für alle Frequenzquellen
• Wie beschrieben, bietet ein optisches Netzwerk unter Verwendung von FDM und heterodynen Erkennungstechniken die Möglichkeit, eine große Anzahl von Teilnehmern zu verbinden. Dabei muß in einem solchen System sichergestellt sein, daß die Abstände zwischen den optischen Kanälen überwacht werden, um Überschneidungen zwischen den optischen Signalen zu verhindern. In einem Radiosystem wird das Problem dadurch gelöst, daß für jeden Träger eine feste Frequenz vorgesehen wird, die durch eine hochstabile Frequenzquelle überwacht wird. Eine solche Lösung würde für ein optisches FDM Kommunikationssystem sehr schwierig und teuer werden, weil die Frequenzen der optischen Quellen in kleinen Abständen liegen müßten (einige hundert MMz bis zu einigen GHz).
• Eine einfachere Lösung dieses Problems kann dadurch erreicht werden, daß der Frequenzabstand zwischen den optischen Signale konstant gehalten, und damit zugelassen wird, daß die Frequenzen gegeneinander driften. Heterodyner Empfang eines langsan driftenden Signals kann durch einen Schaltkreis zur automatischen Frequenzüberwachung (AFC) im Empfänger einfach sichergestellt werden. Dieses Kapitel beschreibt die Stabilisierung durch die Verwendung je eines Fabry-Perot pro Frequenzquelle und pro Teilnehmerstation. Die Eigenresonanzen des Fabry-Perot legen eine Gruppe von Frequenzen fest die für alle Teilnehmer gleich ist. Aus dieser Gruppe kann jeder Teilnehmer eine Frequenz für seinen optischen Träger auswählen. Die Schaltung hierfür wird der Einfachheit halber zunächst so beschrieben, daß alle Fabry- Perots der Teilnehmer auf das gleiche Referenzsignal eingestellt werden. Für höhere Zuverlässigkeit wird anschließend eine Schaltung mit zwei Referenzsignalen dargestellt. Schließlich wird ein Verfahren beschrieben, das es jem Teilnehmer erlaubt, eine optische Frequenz, ohne Abstimmung mit dem Netzwerk, auszuwählen.
1. Beschreibung einer Schaltung mit einem Referenzsignal
• Eine Ausführung der Erfindung in Fig. 10 besteht aus dem optischen Koppler 1101, der jeden Teilnehmer über zwei Fasern verbindet. Die eine Faser dient zum Senden, die andere zum Empfang von Signalen. Jeder Teilnehmer sendet auf einer anderen optischen Frequenz. Sein gesendetes Signal wird gleichmäßig auf alle Empfangsfasern verteilt. So empfängt jeder Teilnehmer einen Anteil aller gesendeten Signale einschließlich seines eigenen. Das System verwendet Einzelfrequenzquellen, die sowohl eingestellt, als auch frequenzmoduliert werden können. Die Modulation erfolgt durch Steuerung der Frequenzverschiebung (FSK).
• Eine optische Quelle 1109 sei mit einem Sinussignal (cw) F, 1103 moduliert. Ein Anteil des aus dieser Quelle gesendeten optischen Signals wird auf einen Fabry-Perot gegeben, der aus einer optischen Faser besteht 1104; s. z.B. J. Stone, Electronics Letters, Band 21, Nr. 11, Seiten 504- 505, 23. Mai 1985 und J. Stone et al., Journal of Lightwave Technology, Band LT-4, Nr. 4, Seiten 382-385, April 1986. Eine Photodiode 1105 erkennt das Ausgangssignal des Fabry- Perot.
• Das sich ergebende Signal wird in 1106 mit dem auf den Eingang des Lasers liegenden cw-Signal gemischt. Damit entsteht nach dem Filtern in 1107 ein Fehlersignal 1108, welches die Laserfrequenz auf eine der Eigenresonanzen des Fabry-Perot 1104 einrastet, die zum Beispiel als die niedrigste, der im System verwendeten Frequenzgruppen, definiert wird; s. z.B. R. V. Pound, Radiation Laboratory Series, 16, Seiten 342-343. Diese Referenzlinie wird für die Stabilisierung aller Fabry-Perots 1110 in den Teilnehmerstationen des Netzwerks eingesetzt.
• Jede Teilnehmerstation besitzt die gleiche Schaltungsanordnung zur Festlegung der Frequenz 1111, in der das optische Signal 1112 , welches den Fabry-Perot speist, aus einem Anteil des Referenzsignals 1112 besteht. Zusätzlich wird die "Zitterfrequenz" der optischen Quelle 1113 durch das FSK Modulationssignal 1114 erzeugt; s. z.B. R. V. Pound, Radiation Laboratory Series 16, Seiten 342-343. Der Teilnehmer wählt eine Resonanz seines Fabry-Perot für die Einrastung der Frequenz seiner optischen Quelle aus. Für diesen Fall wird das Fehlersignal aus der Mischung 1115 eines Anteils des durch Photodetektion erkannten Signals 1116 mit dem FSK Modulationssignals 1114 erzeugt.
• Der andere Teil des durch Photodetektion erkannten Signals 1117 wird durch ein Schmalbandfilter mit einer Bandmittenfrequenz, die dem vorher festgelegten cw-Signal entspricht, geführt. Durch den Filterprozeß wird das aus dem Referenzsignal entstandene cw-Signal wiederhergestellt. Dieses gefilterte Signal 1119 wird in 1120 mit einem für alle Teilnehmer gleichen cw-Signal 1121 gemischt (dieses cw- Signal könnte durch eine lokale Radiostation erzeugt werden). Nach Integration wird ein Fehlersignal 1122 erzeugt (wobei die Phase des lokalen cw-Signals so eingestellt wird, daß ein maximales Fehlersignal mit der richtigen Polarität entsteht), welches über eine piezo-elektrische Einrichtung die Frequenz des Fabry-Perot in der Teilnehmerschaltung mit dem Referenzsignal zur Übereinstimmung bringt; s. z.B. J. Stone et al., Electronics Letter, Band 21, Nr. 11, Seiten 504-505, 23. Mai 1985. Der Vorgang wird gestartet, indem eine variable Spannung zugeführt wird, um den Fabry-Perot in den Einfangbereich der Referenzfrequenz zu bringen. Es wird dabei angenommen, daß die Fabry-Perots die gleiche Länge besitzen. Die Längentoleranzen sollen so klein sein, daß die im Netzwerk benutzte Frequenzgruppe zwischen den einzelnen Fabry-Perots so wenig differiert, daß nur geringe Anteile freier Resonanzen über der gesamten Systembandbreite entstehen.
2. Beschreibung einer Schaltung mit zwei Referenzsignalen
• Bei Ausfall einer Referenzquelle wird ein FDM Netzwerk ausfallen, wenn das System nur auf ein einziges Referenzsignal gestützt ist. Das Problem kann, wie in Fig. 11 gezeigt, umgangen werden, wenn zwei Referenzsignale 1201 und 1202 verwendet werden.
• Jedes Referenzsignal ist auf einer der Resonanzfraquenzen des Fabry-Perot 1203 gerastet, wie in Fig 11 dargestellt. Die beiden Referenzsignale sind sinusförmig mit den Frequenzen f und fo, 1204 und 1205, frequenzmoduliert. Diese beiden Sinusfunktionen werden lokal für jeden Teilnehmer bei 1206 und 1207 eingespeist, sodaß die aus den Referenzsignalen entstehenden Fehlersignale unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Eine Überwachungsschaltung 1208 prüft die Anwesenheit der beiden Fehlersignale und benutzt eines von beiden für die Frequenzrastung des Fabry-Perot beim Teilnehmer. Wenn eines der beiden Fehlersignale nicht vorhanden ist, wird ein Fehler des entsprechenden Referenzsignals angezeigt. Jetzt können Schritte zur Störungsbeseitigung unternommen werden, ohne das laufende System zu unterbrechen.
3. Verfahren zur Freguenzauswahl
• Das Verfahren, welches dem Teilnehmer erlaubt, eine gewünschte optische Frequenz auszusuchen, muß so durchgeführt werden, daß keine Überlappung mit den von anderen Teilnehmern empfangenen Signalen entsteht. Um das sicherzustellen, kann eine Schaltung gemäß Fig. 12 verwendet werden. Bei dieser Schaltung trennt der Teilnehmer seinen Laser 1401 ab, und verbindet mit Hilfe des Umschalters 1404 seinen Empfänger 1402 mit einer Faser 1403, die mit der Schaltung zur Frequenzstabilisierung verbunden ist. Dann wird der Empfänger 1402 so eingestellt, daß er das von der Referenzquelle gesendete cw-Signal erkennt. Das kann durch die Schaltung 1405, die das demodulierte Signal mit dem lokalen cw-Signal vergleicht, elektronisch ausgeführt werden. Schließlich trennt der Teilnehmer mit Hilfe des Schalters 1406 seine Sendefaser vom Netzwerk, schaltet seine optische Quelle 1401 an und regelt die Frequenz seiner Quelle solange, bis der Empfänger 1402 sein eigenes FSK- Modulationssignal 1407 erkennt. Das erfolgt durch den oben beschriebenen Vorgang 1405 mit der Abweichung, daß jetzt das demodulierte Signal mit dem Modulationssignal des Teilnehmers 1407 verglichen wird.
• Der Teilnehmerlaser 1401 ist jetzt auf die Frequenz des Referenzsignals eingestellt. Diese Referenz ist die eine der beiden, die das System steuern. Fällt diese Quelle aus, so wird beim Vorgang der Frequenzauswahl das zweite Referenzsignal verwendet. Ausgehend von dieser Frequenz sucht sich der Teilnehmer seine gewünschte Frequenz aus, inden er seine optische Quelle über die Gruppe von Resonanzen seines Fabry-Perot wandern läßt und dabei die Anzahl der Nulldurchgänge des Fehlersignals seiner Frequenzeinstellungsschaltung zählt. Damit wird der Frequenzauswahlprozeß so durchgeführt, daß keine Überlappung mit den Empfangssignalen anderer Teilnehmer entsteht. Nach Abschluß dieses Vorganges schließt der Teilnehmer seine Sendefaser über 1406 wieder an das Netzwerk an und verbindet seine Empfangsfaser über 1404 wieder mit seinem Empfänger.

Claims (3)

1. Optische Kommunikationsanlage für die Verarbeitung von wenigstens zwei frequenzmultiplexierten, modulierten optischen Signalen mit

einer Vielzahl von optischen Quellen (11, 13) zur Bereitstellung eines optischen Signals mit einer Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängen, gekennzeichnet durch

eine Vielzahl von abstimmbaren Fabry-Perot-Resonatoren (1110) mit Resonanzen bei den vorbestimmten Wellenlängen, wobei jeder Fabry-Perot-Resonator einer anderen optischen Quelle zugeordnet ist,

eine Einrichtung (1101, 1103, 1105-1109) zum Anlegen eines Bezugssignals an jeden Fabry-Perot-Resonator,

eine jedem Fabry-Perot-Resonator zugeordnete Rückkopplungsschleife (1117-1122) zur Erzeugung eines Fehlersignals, das der Drift einer gewählten Resonanz des jeweiligen Fabry-Perot-Resonators von dem Bezugssignal proportional ist,

eine Einrichtung zur Einstellung des jeweiligen Fabry- Perot-Resonators unter Ansprechen auf das Fehlersignal, um die gewählte Resonanz des jeweiligen Fabry-Perot- Resonators frequenzmäßig auf das Bezugssignal einrasten zu lassen, und

eine Einrichtung zur Abstimmung der jeweiligen optischen Quelle (1113) auf eine andere gewählte Resonanz des jeweiligen Fabry-Perot-Resonators.

2. Kommunikationsanlage nach Anspruch 1, bei der das Bezugssignal mit einer Zitterfrequenz moduliert ist.

3. Kommunikationsanlage nach Anspruch 1, bei der das Bezugssignal ohne Zittern übertragen wird.