DE3871604T2

DE3871604T2 - Sender und senderempfaenger fuer ein kohaerentes optisches system.

Info

Publication number: DE3871604T2
Application number: DE8888303386T
Authority: DE
Inventors: Ian William Stanley
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1987-04-15
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2008-04-15
Also published as: ATE77023T1; JPH01503031A; US5084779A; EP0287378A1; GB8709073D0; WO1988008231A1; EP0287378B1; DE3871604D1; AU1578288A; AU598126B2; CA1300685C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf kohärente optische Systeme, und insbesondere einen Sender und einen Senderempfänger zur Verwendung in kohärenten optischen Systemen
Jedes optische System, bei dem das Senden und Empfangen optischer Signale auftritt, muß mit den Problemen fertig werden, die durch Signalverschlechterung über das Übertragungsmedium eingeführt werden. Einige Verfahren zum Verbessern der Qualität des Signalempfangs sind wohl bekannt. Es wird z.B. anerkannt, daß kohärente optische Systeme mit optischen Empfängern insbesondere unter Verwendung heterodyner oder homodyner Techniken eine beachtliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen direkten Intensitätssystemen bieten. Herkömmlicherweise benötigen solche kohärente Systeme ein starkes Referenzsignal, welches mit einem hereinlaufenden modulierten Signal in einem Empfänger gemischt werden muß. Im allgemeinen wird dieses Referenzsignal durch einen sekundären Leer oder lokalen Oszillator dem Empfänger selbst geliefert. Zusätzlich muß für einen homodynen Empfang das Referenzsignal genau phasensynchronisiert mit dem hereinlaufenden modulierten Signal sein. Mit einem Laser als dem Ausgangspunkt der Übertragung und dem anderen als ein lokaler Oszillator dienend sind die Schwierigkeiten einschneidend, die beim Erzielen dieser Phasensynchronisation auftreten.
Die veröffentlichte europäische Patentanmeldung EP-A-0 168 192 offenlegt ein kohärentes Übertragungssystem, in welchem ein einzelner Lasersender verwendet wird, um sowohl modulierte als auch Referenzsignale zu liefern. Beide Signal werden zusammen gesendet in orthogonalen Polarisationen. Bei einem Empfänger wird das Referenzsignal abgetrennt und separat verstärkt, um einen kohärenten Detektor anzutreiben. Dieses System leidet an Problemen, die durch Doppelbrechung in dem Übertragungsmedium verursacht werden (z.B. eine optische Faser), was polarisationsabhängige Phasenverschiebungen in die beiden Signale einführen kann. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren bereitzustellen zum Betreiben eines optischen Verstärkers, um den Problemen der Signalverschlechterung entgegenzuwirken. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, neuartige und verbesserte optische Senderempfänger-Topologien bereitzustellen, welche die obenerwähnten Schwierigkeiten verhindern oder zumindest abschwächen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein optischer Sender zur Verwendung in einem kohärenten optischen System eine einzelne optische Quelle auf, welche an eine Modulationseinrichtung gekoppelt ist zum Erzeugen eines modulierten Informationssignals,
dadurch gekennzeichnet, daß:
a. die optische Quelle auch an einen optischen Verstärker gekoppelt ist zum Bereitstellen eines verstärkten, nicht modulierten Referenzsignals; und
b. es eine Koppeleinrichtung gibt, zum Kombinieren des modulierten Informationssignals und des verstärkten, nicht modulierten Referenzsignals in dem gleichen Polarisationszustand.
Ein Sender gemäß der Erfindung nach ihrem ersten Gesichtspunkt vermeidet die Notwendigkeit für zwei separate optische Quellen, eine als Sender, eine als lokaler Oszillator, in kohärenten Systemen. Durch selektive Verstärkung eines nicht modulierten Anteils des Quellsignals ist sein Senderempfänger gemäß der Erfindung in der Lage, ein Ausgabesignal bereitzustellen, welches selber das starke Referenzsignal enthält, das man für eine Demodulation des modulierten Signals bei einem entfernten Empfänger benötigt. Da weiterhin sowohl das Referenzsignal und das modulierte Signal sich von derselben Quelle herleiten, überwindet man das Problem der Phasensynchronisation in homodynen Empfängern.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein optischer Senderempfänger zur Verwendung in einem kohärenten optischen System einen optischen Sender auf gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, wobei der optische Verstärker dazu angepaßt ist, eine optische Verstärkung in zwei Richtungen bereitzustellen, in einer Richtung für das übertragene Referenzsignal und in der anderen Richtung sowohl für ein empfangenes Informationssignal und ein empfangenes Referenzsignal; und einen Empfänger eines kohärenten Nachweisempfängers, welcher an den Verstärker gekoppelt ist zum Empfangen eines Eingabesignals, das ein moduliertes Informationssignal und ein nicht moduliertes durch den Verstärker verstärktes Referenzsignal von einem entfernten Empfänger aufweist.
Die Duplexverwendung des optischen Verstärkers vermeidet die Notwendigkeit für einen dem Empfänger allein zugeordneten Vorverstärker, was eine weitere Verringerung der Anzahl an Komponenten und der Komplexität bezüglich früherer Senderempfänger eröffnet.
Der Verstärker ist vorzugsweise ein Wanderwellen- oder ein anderer im wesentlichen nicht resonanter Verstärker. Vorzugsweise läuft das Licht durch das verstärkende Medium des Verstärkers einmal in jede Richtung.
Die durch den Sender übertragenen und den Empfänger empfangenen Wellenlängen, worin sowohl die hereinlaufenden und hinauslaufenden Signale in einem optischen System verstärkt werden können, ohne separate Verstärker zu benötigen, können zum Beispiel, aber müssen nicht notwendigerweise unterschiedlich sein. Solange der Verstärker so betrieben wird, daß er linear gemäß der Eingabeamplitude betrieben wird, interveniert das Licht von einem Pfad nicht wesentlich mit Licht von einem anderen.
Da das Licht von jedem Pfad unabhängig verstärkt wird, kann die Lichteingabe von beiden unterschiedlichen Pfaden gleichzeitig verstärkt werden. Das Verfahren ist daher besonders geeignet für optische Duplexsysteme.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nach ihrem zweiten Gesichtspunkt weist der optische Senderempfänger eine optische Quelle auf zum Erzeugen eines Quellsignals; einen optischen Empfänger zum Empfangen eines Eingabesignals; einen optischen Zwei-Richtungs-Verstärker zum Verstärken des Eingabesignals und eines ersten Anteils des Quellsignals, eine Moduliereinrichtung zum Zuführen einer Signalmodulation an einen separaten zweiten Anteil des Quellsignals; eine erste optische Koppeleinrichtung zum Koppeln des verstärkten Eingabesignals an den Empfänger und zum Koppeln des ersten Anteils des Quellsignals von der Quelle in den Verstärker und des zweiten Anteils des Quellsignals von der Quelle in die Moduliereinrichtung; und eine zweite optische Koppeleinrichrichtung zum Kombinieren des modulierten zweiten Anteils und des verstärkten ersten Anteils des Quellsignals in ein Ausgabesignal und zum Koppeln des Eingabesignals in den Verstärker.
Der Senderempfänger kann für heterodynen Betrieb angepaßt werden, indem man eine Wellenlängenverschiebungseinrichtung einführt zum Verschieben der Wellenlängen des zweiten Anteils des Quellsignals. Das kombinierte Ausgabesignal weist dann den verstärkten ersten Anteils des Quellsignals als Referenzsignal zusammen mit einem wellenlängenverschobenen modulierten zweiten Anteil auf.
Geschickterweise weist die erste Koppeleinrichtung einen Richtkoppler und einen optischen Isolator auf, um zu verhindern, daß irgendwelche Signale in die Quelle zurückgekoppelt werden.
Ähnlich weist auch geschickterweise die zweite Koppeleinrichtung einen Richtkoppler und einen optischen Isolator auf, um zu verhindern, daß das Eingabesignal in die Moduliereinrichtung gekoppelt wird.
Vorzugsweise weist die optische Quelle einen Laser auf und liefert ein kohärentes Einmoden-Quellsignal schmaler Linienbreite. Vorzugsweise ist die optische Quelle auch einstellbar um eine Kanal-Auswahlmöglichkeit bei der Übertragung zu haben. Gleichermaßen geschickt enthält der Empfänger eine Filtereinrichtung, um eine lokale Kanalauswahl zu gestatten, wenn das Eingabesignal zum Beispiel eine Vielaahl von Kanälen aufweist.
Wo ein Senderübertrager einer von vielen ist, die Knoten in einem optischen Netz bilden, ermöglicht zum Beispiel die Einstellbarkeit von Quelle und Empfänger, daß ein jeder Senderempfänger mit jedem anderen über ein ansonsten passives optisches Netz kommuniziert.
Die Erfindung wird nun in ihren verschiedenen Gesichtspunkten anhand von Beispielen und mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Figur 1 stellt den Betrieb eines optischen Zwei-Richtungsverstärkers dar, wie er nach dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung verwendet wird.
Figur 2 ist eine Schemazeichnung eines Ausführungsbeispiels eines Senders gemäß der Erfindung nach ihrem ersten Gesichtspunkt;
Figur 3 ist eine Schemazeichnung eines Ausführungsbeispiels eines Senderempfängers gemäß der Erfindung nach ihrem zweiten Gesichtspunkt; und
Figur 4 ist eine Schemazeichnung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Senderempfängers gemaß der Erfindung nach ihrem zweiten Gesichtspunkt.
In Figur 1 ist ein optischer Wanderwellen-Verstärker 1, der zu optischem Zweirichtungsbetrieb in der Lage ist, gezeigt, und zwar verbunden zwischen zwei optischen Übertragungspfaden 2, 3. Zwei optische Signale 4, 6 mit den jeweiligen Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; werden in den Verstärker 1 in optisch entgegengesetzten Richtungen entlang den Pfaden 2, 3 injiziert. Diese Signale 4, 6 werden dann einer linearen Verstärkung in dem Verstärker unterworfen und treten aus als verstärkte Signale 5, 7 entlang den Pfaden 3, 2 optisch entgegengesetzt zu denen, entlang derer sie ursprünglich injiziert wurden (die Signale werden in Figur 1 nur zum Zwecke der leichteren Darstellung abgelenkt gezeigt). Die Signale werden unabhängig verstärkt, selbst wenn sie gleichzeitig anwesend sind, da die Verstärkung so gesteuert ist, daß sie im wesentlichen linear ist. Es ist auch nicht für die Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2; notwendig, unterschiedlich zu sein.
Ein Wanderwellenverstärker wie gezeigt, wird zutreffend für einen Zweirichtungsbetrieb angepaßt, da die Signale nur einmal durch den Verstärker hindurchtreten und die optisch gegenüberliegenden Ausgangs- und Eingangspunkte sind für jedes Signal wohl definiert. Dennoch wird man zu schätzen wissen, daß andere Verstärker gleichermaßen geeignet sind für eine Verwendung gemäß dem Verfahren, solange sie die Erfordernisse erfüllen, daß die Verstärkung im wesentlichen linear ist und daß die Signale zwischen den Pfaden nach der Verstärkung überwechseln.
Der Betrieb eines optischen Verstärkers durch das beschriebene Verfahren erleichtert Verbesserungen in einer optischen Senderempfänger- Topologie, wie es in Figur 3 und 4 beschrieben wird.
Figur 2 zeigt schematisch die Topologie eines homodynen kohärenten, optischen Senders gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Sender 22 von Figur 2 beinhaltet eine einstellbare Sendelaserquelle 10. Ein Richtkoppler 12 verbindet den Laser 10 mit einem optischen Zwei-Richtungs-Verstärker 13 und mit einem Modulator 14.
Der Verstärker 13 und Modulator 14 sind selbst weiterhin über einen zweiten Richtkoppler 15 an die Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse A, B des Senders gekoppelt.
Bei Betrieb wird der Laser 10 eingestellt, um eine Lichtausgabe bei einer Wellenlänge λ&sub1; bereitzustellen. Dieses Licht wird durch den Richtkoppler 12 aufgespalten, wobei ein Anteil zu dem Modulator 14 wandert, während der Rest zu dem Verstärker 13 wandert.
Der Modulator 14 ist in diesem Beispiel eine polarisationsempfindliche planare Wellenleiter-Vorrichtung eines im Stand der Technik bekannten Typs, und es ist daher notwendig, sicherzustellen, daß in den Modulator eintretendes Licht die passende Polarisation hat. Zu diesem Zweck ist eine Polarisationssteuerung 18 bereitgestellt an der Ausgabe des Lasers 10. Die Position der Polarisationssteuerung 18 ist nicht entscheidend. Sie könnte gleichwohl zum Beispiel vor den Modulator 14 gestellt werden, wobei in diesem Fall eine Polarisationssteuerung nach dem Modulator benötigt wird, um ihn in die richtige Polarisationsrichtung mit Bezug auf das verstärkte Referenzsignal zu bringen. Der Modulator 14 drückt dem dorthin gebrachten Anteil an Licht die gewünschte Modulation auf und bringt dieses modulierte Licht zu dem zweiten Richtkoppler 15.
Der Rest des Lichtes von dem Laser 10 ist nicht moduliert. Dennoch wird dieses Licht in dem Verstärker 13 verstärkt, bevor es zu dem zweiten Richtkoppler 15 geleitet wird. Dieser Koppler 15 kombiniert die modulierten und nicht modulierten, aber verstärkten Lichtsignale. Die kombinierten Signale werden dann ausgegeben in ein geeignetes optisches Kommunikationsnetz über jeden oder beide der Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse, A, B.
Das Ausgabesignal weist daher einen informationstragenden, modulierten Teil und einen nicht modulierten, automatisch phasensynchronisierten, verstärkten Teil auf. Das Ausgabensignal enthält daher sein eigenes starkes homodynes Referenzsignal zur Verwendung beim Demodulieren des modulierten Teils bei einem entfernten Empfänger. Daher besteht keine Notwendigkeit für einen dafür zugeordneten Referenzlaser als lokalem Oszillator bei dem entfernten Empfänger.
In Figur 3 ist ein Senderempfänger gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem zu dem Sender der Figur 2 ein Empfänger 11 hinzugefügt wurde, welcher einen an den vorher freien Arm des Kopplers 12 gekoppelten optischen Detektor enthält.
Betrachtet man die Empfangsfunktion des Senderempfängers von Figur 3, so wird ein Eingabesignal der Wellenlänge λ&sub2; nicht notwendigerweise die gleiche wie λ&sub1; welche über entweder einen oder beide der Eingabe/Ausgabeanschlüsse A, B ankommt, über den zweiten Richtkoppler 15 in den Zwei-Richtungs-Verstärker 13 gekoppelt. Ein optischer Isolator 16 verhindert das Koppeln eines Teils des Eingabesignals in den Modulator 14. Der Verstärker 13 führt das verstärkte Eingabesignal zu dem Empfänger 11 über den ersten Richtkoppler 12. Ein zweiter optischer Isolator 17 verhindert, daß ein Teil dieses Signals in den Laser 10 gekoppelt wird. Der Empfänger 11 beinhaltet ein optisches Schmalbandfilter 19, um eine Feineinstellung der Wellenlängenauswahl zu gestatten.
Unter gewissen Umständen kann es wünschenswert sein, eher einen hetrodynen Senderempfänger anstatt eines homodynen Senderempfängers zu haben. Heterodyne Systeme können toleranter gegenüber Unvollkommenheiten der Laser-Linienbreite und Störungen wie zum Beispiel Phasenrauschen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als ein heterodyner Senderempfänger 23 ist in Figur 4 gezeigt. Die Komponenten stimmen im allgemeinen mit denen in Figur 3 überein und sind entsprechend numeriert, und zwar mit einer Hinzufügung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Wellenlängenverschiebungs-Vorrichtung 20 vor dem Modulator 14 hinzugefügt. Die Wellenlängenverschiebungs-Vorrichtting 20 führt die notwendige Zwischenfrequenzdifferenz für ein heterodynes System in der Form einer Wellenlängenverschiebung Δλ&sub1; ein. Wie gezeigt, weist daher das Ausgabesignal ein verstärktes lichtmoduliertes Referenzsignal bei der Wellenlänge λ&sub1; zusammen mit einem moduliertem Signal bei der verschobenen Wellenlänge λ&sub1;+Δλ&sub1; auf. Auf ähnliche Weise weist das Eingabesignal von einem entfernten Senderempfänger ein Referenzsignal bei einer Wellenlänge λ&sub2; und ein moduliertes Signal bei einer Wellenlänge λ&sub1;+Δλ&sub1; auf. Man wird zu schätzen wissen, daß diesem Ausführungsbeispiel der Empfänger 11 zutreffend angepaßt ist, um das von dem kombinierten Eingabesignal abgeleitete Zwischenfrequenzsignal zu demodulieren, und zwar wie in einem herkömmlichen heterodynen System.
Zusätzlich zu den schon vorerwahnten Vorteilen aufgrund der verringerten Anzahl an Komponenten und Komplexität, bieten optische Senderempfänger wie oben beschrieben beträchtliche Vorteile bei der Bilanz der Leistungsverstärkung.
Eine repräsentative Bilanz ist:
Zwei-Richtungs-Verstärker, Verstärkung-Übertragung + 15 dB
Zwei-Richtungs-Verstärker, Verstärkung-Empfang + 15 dB
und, unter lediglicher Verwendung der Ausgabe A oder B zusätzliche Kopplerverluste - 6 dB
Übermäßige Empfängereinstellungsverluste (z.B. Fabry-Perot) - 1 dB
Übermäßige Modulatorverluste - 1 dB
Zusätzliche Isolatorverluste - 2 dB.
Dies stellt eine Verstärkung von ungefänr 20 dB dar, dank des Zweirichtungsbetriebs des Verstärkers, wenn man es mit herkömmlichen kohärenten Systemen vergleicht, die einen einzigen Verstärker enthalten.
Die Netto-Zusatzleistungsbilanz verglichen mit einem herkömmlichen homodynen System ist daher in der Gegend von 20 dB. Die homodyne Technik selbst ist theoretisch in der Lage, ca. 20 dB Verbesserung gegenüber standardmäßigen Nachweissystemen direkter Intensität zu erzielen, je nach der übernommenen Technik, aber in einem weniger als optimalen System sind ca. 10 dB machbar. In diesem Fall ist es jedoch die Kombination einer Duplexbearbeitung und Übertragung des Signals und der Fähigkeit, den Referenzoszillator zusammen mit dem lokalen Oszillator einzustellen, die die Leistungsfähigkeit in den Netzen kürzerer Distanzen bereitstellen. Heterodyne Abwandlungen der gleichen Anordnung sind auch möglich.

Claims

1. Optischer Sender zur Verwendung in einem kohärenten optischen System mit einer einzelnen optischen Quelle (10), welche an eine Moduliereinrichtung (14) gekoppelt ist zum Erzeugen eines modulierten Informationssignals

dadurch gekennzeichnet, daß:

(a) die optische Quelle (10) auch an einem optischen Verstärker (13) gekoppelt ist, zum Bereitstellen eines verstärkten, nicht modulierten Referenzsignals; und daß

(b) es eine Koppeleinrichtung (15) gibt zum Kombinieren des modulierten Informationssignals und des verstärkten nicht modulierten Referenzsignals in dem gleichen Polarisationszustand.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, der eine Wellenlängenverschiebungseinrichtung (20) enthält zum Verschieben der Wellenlänge des Signals von der optischen Quelle (10) vor dessen Modulation durch die Moduliereinrichtung (14).

3. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die optische Quelle (10) eine Lasereinrichtung aufweist zum Einstellen des Quellsignals.

4. Optischer Senderempfänger zur Verwendung in einem kohärenten optischen System mit einem optischen Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Verstärker (13) angepaßt ist, um eine optische Zwei-Richtungs-Verstärkung bereitzustellen, in einer Richtung für das übertragene Referenzsignal und in der anderen Richtung sowohi für ein empfangenes Informationssignal als auch ein empfangenes Referenzsignal; und einem Empfänger (11) einschließlich eines kohärenten Nachweisempfängers, welcher an den Verstärker (13) gekoppelt ist zum Empfangen eines Eingabesignals, welches ein moduliertes Informationssignal und ein nicht moduliertes Referenzsignal von einem entfernten Sender (A) aufweist, und zwar verstärkt durch den Verstärker (13).

5. Optischer Senderempfänger nach Anspruch 4 einschließlich eines optischen Isolators (16), der angeordnet ist, um einer Signalkopplung zurück in die Quelle (10) vorzubeugen.

6. Optischer Senderempfänger nach einem der Ansprüche 4 und 5 einschließlich eines optischen Isolators (17), der angeordnet ist, um einer Kopplung des Eingabesignals in die Moduliereinrichtung (14) vorzubeugen.

7. Optischer Senderempfänger nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Empfänger (11) eine Filtereinrichtung (19) aufweist zum Answählen eines Eingabesignals von einer Vielzahl von Eingabesignalen.