DE3907851C2 - Vorrichtung zur Übertragung eines kohärenten frequenzmodulierten optischen Signals - Google Patents

Description

die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Übertragen eines kohärenten frequenzmodulierten optischen Signals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs, wie sie aus der EP 0 131 818 A2 bekannt ist.

Inkohärente Systeme sind zum Übertragen von Informationen durch optische Fasern in weitem Umfang eingesetzt worden. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist in der FR 2 563 672 aufgezeigt. Der Übertrager in diesem System besitzt zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen, zum Beispiel 0,8 Micron und 0,78 Micron, die "Null" und "Eins" entsprechen. Das System ist einfach, jedoch sind die Laser breitbandig und das System erlaubt lediglich die Übertragung von ungefähr 10 Kanälen über ein und dieselbe optische Faser. Um die Übertragungskapazität zu erhöhen, wurden kohärente Übertragungssysteme vorgeschlagen, zum Beispiel gemäß dem Aufsatz in IEEE Communications Magazine, August 1985 - Vol. 23, Nr. 8, Seiten 37-53, I.W. Stanley: "A Tutorial Review of Techniques for Coherent Optical Fiber Transmission Systems". In diesem Aufsatz wurde vorgeschlagen, daß der Übertrager einen schmalbandigen Laser besitzt, einen sogenannten verteilten Rückführungslaser (Distributed Feedback Laser = DFB-Laser), dessen Lichtfrequenz sich zwischen zwei Werten durch den Versorgungsstrom des Lasers verschiebt, der zwischen zwei Werten gesteuert wird. Die Lichtwellenlänge des Lasers ist jedoch abhängig von der Temperatur, die wiederum durch den Versorgungsstrom beeinflußt wird. Es ist daher schwierig, die Lichtfrequenz eines Lasers auf diese Art bei einer hohen Modulationsfrequenz zu modulieren.

Ein kohärentes optisches Übertragungssystem, ein sogenanntes Frequenzteilungs-Multiplexsystem (Frequency Division Multiplex System = FDM-System) ist in der EP 0 131 818 A2 beschrieben. Ein Raman-Nath-Modulator ist mit einem hochstabilen Laser und mit einem ersten modulierenden Signal verbunden. Der Modulator hat eine gewünschte Anzahl von Ausgängen mit unterschiedlichen optischen Frequenzen, die sich von der Laserfrequenz um ein Vielfaches der Frequenz des ersten modulierenden Signals unterscheiden. Das Licht des Raman-Nath-Modulatorausgangs ist wiederum durch informationstragende Signale moduliert, z. B. Fernsehsignale, und die modulierten Lichtsignale werden über eine optische Faser zu einem Empfänger übertragen. Über eine weitere optische Faser, die Licht von dem hochstabilen Laser zugeführt erhält, und mit Hilfe dieses Lichts können die informationstragenden Signale wieder zurückgewonnen werden. Die beschriebene Vorrichtung besitzt Nachteile, die unter anderem darin bestehen, daß Übersprechen zwischen den Raman-Nath-Modulatorausgängen auftritt. Dieser Modulator ist darüber hinaus relativ langsam und führt zu einem Anstieg der großen Verluste im Hinblick auf die Lichtenergie.

Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines frequenzmodulierten kohärenten optischen Signals ist in der GB 21 31 567 offenbart. Die Vorrichtung besitzt einen optoelektronischen Modulator, der mit einem hochstabilen Laser und einer elektronischen Steuereinrichtung verbunden ist. Der Modulator umfaßt drei Wellenleiterzweige mit im wesentlichen der gleichen Länge, die einen gemeinsamen Eingang und einen gemeinsamen Ausgang besitzen. Die drei Wellenleiterzweige besitzen jeweils einen Phasenverschieber, der elektrische Signale von der Steuereinrichtung empfängt. Das Licht von dem hochstabilen Laser tritt durch die Phasenverschieber und kann hier so beeinflußt werden, daß Licht mit einer von zwei getrennten optischen Frequenzen am Modulatorausgang erzielt wird. Die Vorrichtung besitzt den Nachteil, daß es schwierig ist, Übersprechen zu verhindern, so daß beide Frequenzen gleichzeitig im übertragenen Licht vorhanden sind. Ferner sind Oberschwingungen der modulierten Frequenz in dem übertragenen Licht vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein kohärentes, frequenzmoduliertes, optisches Signal mit hoher Modulationsfrequenz geringem Übersprechen und geringem Oberschwingungsgehalt übertragen kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs gelöst.

Die vorliegende Erfindung wird nun genauer und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Vorrichtung,

Fig. 2 ein Frequenzverteilungsdiagramm des übertragenen Lichts, und

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel des Frequenzmodulators ist in Fig. 1 dargestellt. Eine erste schmalbandige Lasereinheit 1 ist über eine polarisationserhaltende optische Faser 2 mit einer optischen Kopplereinrichtung 3 verbunden, die zwei Ausgänge 4 und 5 aufweist. Eine zweite schmalbandige Lasereinheit 6 ist über eine polarisationserhaltende Faser 7 mit einer optischen Kopplereinheit 8 mit zwei Ausgängen 9 und 10 verbunden. Die Ausgänge 4 und 9 der optischen Kopplereinrichtungen sind mit Hilfe von polarisationserhaltenden optischen Fasern 11 und 12 mit deren zugeordneten Eingängen 13 und 14 eines optischen gerichteten Kopplers 15 verbunden, von dem ein Ausgang mit einer optischen Faser 16 verbunden ist. Die erste Lasereinheit 1 ist mit einem ersten Steuerschaltkreis 17 verbunden, der die optische Frequenz f dieser Einheit auf einem konstanten Wert hält. Die Ausgänge 5 und 10 der optischen Kopplereinheit 3 und 8 sind mit einem optischen Eingang 23 eines Fotodetektors 18 verbunden, der einen elektrischen Ausgang 19 besitzt. Dieser Ausgang ist mit einer zweiten Steuerschaltung 20 verbunden, deren Ausgang wiederum mit der zweiten Lasereinheit 6 verbunden ist. Wie weiter unten beschrieben wird, hält die zweite Steuerschaltung 20 die optische Frequenz f₂ der zweiten Lasereinheit 6 auf einem konstanten Wert. Die erste Lasereinheit 1 überträgt eine Lichtwelle S1, von der ein größerer Teil S2 durch den Koppler 3 hindurch verläuft und den Eingang 13 des gerichteten Kopplers 15 erreicht. Die zweite Lasereinheit 6 überträgt eine Lichtwelle S3, von der ein größerer Teil S4 durch die Kopplereinrichtung 8 verläuft und den Eingang 14 des gerichteten Kopplers 15 erreicht. Die Lichtwellen S2 und S4 können alternierend mit der abgehenden Faser 16 mit Hilfe des gerichteten Kopplers 15 verbunden werden, um so ein frequenzmoduliertes kohärentes optisches Signal zu bilden.

Wie oben erwähnt wurde, sind die Lasereinheiten 1 und 6 schmalbandig. Ein einfacher Halbleiterlaser sendet Licht mit einem relativ breiten Wellenlängenspektrum, das ein zentrales Amplitudenmaximum und mehrere Seitenmaxima aufweist. Ein derartiger herkömmlicher Laser kann mit wellenreflektierenden Oberflächen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge entlang der Länge des Lasers ausgestattet werden. Ein derartiger Laser wird, wie oben erwähnt, als "DFB-Laser" bezeichnet. Dieser Laser sendet Licht mit Wellenlängen im wesentlichen um das zentrale Maximum. Die Bandweite dieses Lichts kann weiter durch den DFB-Laser verringert werden, der mit einem äußeren Resonator ausgestattet ist. Die Lasereinrichtungen 1 und 6 sind derartige DFB-Laser mit einem Resonator und sind ausführlicher beschrieben in dem oben erwähnten Aufsatz in IEEE Communications Magazine 1985 von I.W. Stanley. Die Lasersteuerschaltung 17, die die Frequenz der ersten Lasereinheit 1 steuert, ist eine Konstantstromquelle mit bekanntem Aufbau, die den Laserversorgungsstrom I1 auf einem konstanten Wert hält.

Die optischen Kopplereinrichtungen 3 und 8 umfassen jeweils eine Scheibe (wafer) aus optoelektronischem Material, zum Beispiel Lithiumniobat mit zwei Wellenleitern 21 und 22, die in die Oberfläche des Plättchens diffundiert sind. Die Wellenleiter auf dem Wafer sind so nahe beieinander entlang eines Wechselwirkungsabstandes L, daß das elektromagnetische Feld in einem Wellenleiter 21 auf den anderen Wellenleiter 22 einwirkt. Die Lichtwelle S1 oder S3 in einem Wellenleiter wird demnach in den anderen Wellenleiter eingekoppelt. Die Kopplereinrichtungen 3 und 8 senden dementsprechende Lichtwellen S5 und S6 aus den Ausgängen 5 und 10 zum Fotodetektor 18 und die Parameter des gerichteten Kopplers sind so ausgewählt, daß die Lichtintensität bei diesen Wellenlängen relativ schwach sind. Die Lichtwellen S5 und S6 werden miteinander überlagert und vom Fotodetektor 18 erfaßt, der ein elektrisches Differenzsignal V1 mit er Frequenz f_S = f₂ - f₁ überträgt. Das Signal V1 wird der zweiten Steuerschaltung 20 zugeführt, der wiederum ein externes Referenzsignal V2 mit einer Frequenz f₀ zugeführt wird. Die zweite Steuerschaltung 20, die ein bekannter Frequenz-Strom-Wandler ist, sendet einen Versorgungsstrom I2 zum Laser in der Lasereinheit 6 und steuert demnach die Frequenz f₂ der Lichtwelle S3. Die Steuerschaltung 20, die das Differenzsignal V1 erfaßt, steuert den Versorgungsstrom I2 auf einen Wert derart, daß fs = f₂ - f₁ = f₀.

Der gerichtete Koppler 15 ist ein Hochgeschwindigkeitsmodulator, zum Beispiel des Typs, der in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, Nr. 12, Dezember 1979, Seiten 1415 bis 1418, Peter S. Cross und Ronald V. Schmidt beschrieben wurde: "A 1 Gbit/s Integrated Optical Modulator". Der gerichtete Koppler, in Fig. 1 nur schematisch dargestellt, zeigt einen Hochgeschwindigkeitsmodulator und ist keine Darstellung des Modulators aus diesem Aufsatz. Ein informationstragendes Signal V3 wird der Elektrode des gerichteten Kopplers zugeführt. Dieses Signal versetzt den Koppler 15 alternierend in den überkreuzten oder hindurch verlaufenden Zustand und koppelt alternierend die Signale S2 und S4 an die abgehende optische Faser 16. Der gerichtete Koppler 15 überträgt demnach ein Signal S7, das das gewünschte kohärente frequenzmodulierte optische Signal bildet.

Die Frequenzen der Signale S1 und S2 der Lasereinheiten 1 und 6 sind in Fig. 2 genauer dargestellt. In dieser Figur ist die optische Frequenz durch f gekennzeichnet und deren Energieniveau durch P. Die Lichtfrequenzen f₁ und f₂ sind in der Größenordnung von 10¹⁴ Hz, zum Beispiel ungefähr 2 × 10¹⁴ Hz für Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 1,5 Micron. Der Frequenzunterschied f₀ ist in der Größenordnung von 1 × 10⁹ Hz (1 GHz) und beide Lasereinheiten 1 und 6 besitzen eine Bandbreite in der Größenordnung von Delta f = 10⁶ Hz. Wie in der Einleitung erwähnt wurde, ist es beabsichtigt in der Lage zu sein, eine Vielzahl von frequenzmodulierten kohärenten optischen Signalen auf einer einzelnen optischen Faser zu übertragen. Das Signal S7 kann zusammen mit einem optischen Signal S übertragen werden, das in Fig. 2 gezeichnet wurde. Das Signal S8 besitzt die Frequenzen f₃ und f₄, die auf die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Art erzeugt werden. Der Frequenzunterschied zwischen f₃ und f₄ besitzt einen Wert von f₀ in diesem Beispiel, wie die Frequenzdifferenz zwischen f₁ und f₂. Weitere frequenzmodulierte Signale können über dieselbe optische Faser wie die Signale S7 und S8 übertragen werden. Der Frequenzunterschied zwischen f₁ und f₃ in dem Beispiel besitzt einen Wert von 2 × 10¹⁰Hz. Die Werte werden derart ausgewählt, daß die Frequenzen verläßlich in einem Empfänger getrennt werden können.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 überträgt ein Signal mit zwei Frequenzen wie oben beschrieben wurde. Die Vorrichtung kann erweitert werden, um ein frequenzmoduliertes Signal mit mehreren Frequenzen zu übertragen. Eine Vorrichtung für drei Frequenzen ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde mit einer weiteren Lasereinheit 25, zwei Kopplereinrichtungen 26 und 27, einem Fotodetektor 28, einer Steuerschaltung 29 und einem gerichteten Koppler 30 ausgestattet, dessen Elektroden ein informationstragendes Signal V6 zugeführt wird. Die Steuerschaltung 29 erhält ein Signal V4 vom Fotodetektor und ist mit einem Steuersignal V5 auf die im Zusammenhang mit der Steuerschaltung 20 verbundenen Art verbunden. Über einen Steuerstrom steuert die Steuerschaltung 29 die Lasereinrichtung 25, die ein Lichtsignal 59 mit einer Frequenz f₅ derart überträgt, daß f₅-f₁ = 2f₀ ist. Dieses Signal ist in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Signale von den Lasereinheiten 1, 6 und 25 werden durch die gerichteten Koppler 15 und 30 mit Hilfe der Signal V3 und V6 an einer optischen Ausgangsfaser 31 geschaltet und bilden in dieser Phase ein kohärentes frequenzmodeliertes optisches Signal mit drei Frequenzen f₁, f₂ und f₅.

In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden die Laserfrequenzen f₁, f₂ und f₅ mit Hilfe des Versorgungsstroms gesteuert. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Gaslaser die frequenzbestimmende lokale Referenz bilden, der die Frequenz eines Halbleiterlasers steuert, wie in dem oben erwähnten Aufsatz in IEEE Communications magazine von I.W. Stanley beschrieben wurde. Die Frequenzen f₂ und f₅ können durch Einwirken auf die Temperatur der Laser z. B. mit Peltier-Elementen gesteuert werden, die mit den Steuerschaltkreisen 20 und 29 verbunden sind. Gemäß dem obigen Beispiel besitzen die optischen Kopplereinrichtungen 3 und 8 einen Wafer aus optoelektronischem Material mit Wellenleitern. Diese Kopplereinrichtungen können auf andere Art implementiert werden, z. B. können sie zwei nebeneinander angeordnete optische Fasern umfassen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Übertragen eines kohärenten frequenzmodelierten optischen Signals mit einer Laserlichtquelle mit einer spektralen Bandweite um jede übertragene Frequenz, die kleiner als 100 MHz ist, einem optischen Koppler, der mit der Laserlichtquelle verbunden und über eine elektrische Steuereinrichtung gesteuert wird, die mit einem informationstragenden Signal beaufschlagt werden kann,
   dadurch gekennzeichnet, daß
   die Laserlichtquelle zumindest zwei Lasereinheiten (1, 6; 25), jede mit ihrem optischen Ausgang, umfaßt;
   die Ausgänge der Lasereinheiten (1, 6; 25) jeweils mit einem optischen Eingang (13, 14) des gesteuerten optischen Kopplers (15; 30) und zusätzlich mit Fotodetektoren (18; 28) gemeinsam zu Paaren der Lasereinheiten (1, 6; 25) verbunden sind;
   zumindest eine der Lasereinheiten (1) einen Laser aufweist, der mit einem frequenzbestimmenden Bezugssteuerschaltkreis (17) verbunden ist, der die Lichtfrequenz (f₁) dieses Lasers bestimmt;
2. die anderen Lasereinheiten (6; 25) jeweils mit einem Frequenzsteuerschaltkreis (20; 29) verbunden sind, der die Lichtfrequenzen (f₂, f₅) der jeweiligen Lasereinheit steuert, und
   die Fotodetektoren (18; 28) jeweils mit einem der Frequenzsteuerschaltkreise (20; 29) verbunden sind, wobei die Fotodetektoren (18; 28) Differenzsignale (V1, V4), die den Differenzfrequenzen (f₂ - f₁, f₃ - f₁) der Lasereinheiten (1, 6; 25) entsprechen, zu den Frequenzsteuerschaltungen (20, 29) übertragen, die Steuersignale (12), die den Differenzsignalen (V1, V4) und äußeren Referenzsignalen (V2, V5) entsprechen, zu den anderen Lasereinheiten (6; 25) derart übertragen, daß die Differenzfrequenzen der Lasereinheiten (1, 6, 25) durch die äußeren Referenzsignale (V2, V5) bestimmt werden, wobei das informationstragende Signal (V2, V6) alternierend von den Lasereinheiten (1, 6, 25) zu einem Ausgang (16, 31) des gesteuerten optischen Kopplers (15; 30) derart gesteuert wird, daß das kohärente optische Signal gebildet wird.