DE60104373T2

DE60104373T2 - Lasertransmitter mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator

Info

Publication number: DE60104373T2
Application number: DE60104373T
Authority: DE
Inventors: Laurens Bakker; Naresh Chand; Doutje Tjitske Basking Ridge van Veen
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: EP1184949B1; EP1184949A3; EP1184949A2; DE60104373D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Kommunikationssysteme und insbesondere einen Sender für digitalmodulierte HF-Hilfsträger.
Ein stetig steigender Kommunikationsbedarf von heute besteht in der Übermittlung von Multimediendiensten wie beispielsweise Sprache, Daten, hochratiger Internetzugang, Videokonferenz, Video auf Abruf und Rundfunkvideo für kleine Geschäfte und Wohnungen. Die Hauptfrage bei dem Einsatz solcher Netze sind die Kosten. Die gegenwärtig eingesetzten Techniken, um gegenwärtige und zukünftige Bedürfnisse zu erfüllen, sind näher an die Benutzer herangeführte Lichtleitfasern – FTTC (Fiber to the curb) und HFC (Hybrid Fiber Coaxial) oder ganz bis zum Benutzer herangeführte Faser FTTH (Fiber to the home). Faser wird von sowohl bestehenden Betreibern als auch Überbauern so tief in ihren Netzen und so nahe an die Kunden heran aufgenommen, wie es die Kosten erlauben.
Um Informationen zu Heimen und Geschäften zu führen, sind zwei verschiedene optische Faserkommunikationssysteme entwickelt worden. Jedes System besitzt seine eigenen Spezialgeräte, seine eigenen physischen Leitungsnetze und seine eigenen Standards. Bei einem System werden Informationen durch eine digitalmodulierte Serie von Lichtimpulsen übermittelt. Diese werden als Basisbandsignale bezeichnet. 1 zeigt ein vereinfachtes Basisbandmodulationsschema. Typischerweise wird eine digitale 1 durch einen Lichtimpuls in der Serie und eine digitale 0 durch die Abwesenheit eines Impulses an einer Impulsstelle dargestellt. Als Alternative kann das Signal invertiert sein, wobei ein Impuls eine digitale 0 und seine Abwesenheit eine 1 darstellt.
Bei einem zweiten System werden mehrere getrennte Hochfrequenzträger benutzt. Jeder Träger wird moduliert, um ein Digitalsignal höherer Ordnung zu übertragen. Dies sind Signale im Durchlaßbereich. 2a zeigt schematisch ein Lichtwellenübertragungssystem 20 im Durchlaßbereich mit einem Hub 21 und einer Mehrzahl von Fasern 22A, 22B, 22C, die das Hub mit einer entsprechenden Mehrzahl von Faserknoten 23A, 23B und 23C verbinden. Jeder Knoten wird durch eine Mehrzahl von Fasern oder Koaxialkabeln 24A und 24B mit einer Mehrzahl von Heimen 12 und Geschäften 13 verbunden.
2b zeigt das Hochfrequenzspektrum eines typischen digitalmodulierten Signals im Durchlaßbereich. Das Signal umfaßt eine Mehrzahl von frequenzmäßig beabstandeten unterschiedlichen Hochfrequenz-(HF-)-Trägern (z. B. 6 MHz Abstand im NTSC-System). Jeder der Träger wird mit einer Mehrzahl von Zuständen moduliert, um ein Digitalsignal höherer Ordnung zum Codieren von mehreren Bit für jeden Modulationszustand zu führen. Die Modulation kann Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation oder eine Kombination dieser sein.
Digitalsignale im Durchlaßbereich werden herkömmlicherweise unter Verwendung von zwei HF-Trägern übertragen, die frequenzsynchronisiert, aber 90 Grad phasenverschoben sind. Die zwei Träger werden als in Quadratur befindlich bezeichnet. Die zwei Träger werden getrennt amplitudenmoduliert (AM) und die modulierten Träger werden kombiniert, um eine einzige HF-Ausgabe mit sowohl Amplitudeninformationen entsprechend ihrer Vektorsumme und Phaseninformationen entsprechend ihrem Vektorwinkel zu bilden. Das Verfahren ist als Quadratur-Amplitudenmodulation bzw. QAM bekannt.
2c zeigt den einfachsten Fall von QAM, der dann auftritt, wenn jeder der Träger nur zwei Zustände aufweist (z. B. +V und –V). Ein Träger wird als der Bezugsträger angesehen und der gleichphasige Kanal genannt (in-phase channel). Seine Amplitude ist entlang der senkrechten Achse von 2c dargestellt. Der andere, 90° phasenverschobene Träger wird der Quadraturkanal genannt (quadrature channel). Seine Amplitude ist entlang der horizontalen Achse dargestellt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, gibt es, wenn jeder Träger zwei Zustände (+V, –V) aufweist, vier mögliche kombinierte Ausgaben, von denen jede zwei Informationsbit darstellen kann: (0,0), (0,1), (1,0), (1,1). Dieses einfache Modulationsschema ist als Quadraturphasenumtastung (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying) bekannt.
Ähnliche Modulationsschemen können auf Amplitudenmodulation der Träger zwischen einer großen Anzahl von Zuständen beruhen. Wenn beispielsweise beide Träger zwischen vier Amplituden moduliert werden können, kann die kombinierte Ausgabe 4 × 4 = 16 Zustände darstellen und die Modulation wird 16 QAM-Modulation genannt. Modulation mit 8 × 8 = 64 Zuständen ist 64 QAM. Bei einem optischen Kommunikationssystem weist die optische Übertragung von Hilfsträger gemultiplexten (SCM – Sub-Carrier Multiplexed) M-wertigen Mehrkanal-QAM-Signalen (Quadrature Amplitude Modulation) viele Vorteile gegenüber den analogen amplitudenmodulierten Restseitenbandsignalen (AM-VSB – Amplitude Modulated Vestigial Side Band) auf. Einige der Vorteile umfassen: Erfordernisse eines niedrigeren Trägersignal-Rauschverhältnisses (SNR – Signal-to-Noise Ratio); weniger Empfindlichkeit für nichtlineare Verzerrung; ein hoher spektraler Wirkungsgrad; eine hohe Systemübertragungskapazität; und die Fähigkeit, alle Multimediendienste (Telefonie, digitales Video und Daten) zu übertragen. Von Kabelgesellschaften werden ihre HFC-Netze (Hybrid Fiber Coax) aufgerüstet, um ein vollinteraktives Zwei wegenetz zum Führen von Multimediendiensten mit hoher Bandbreite in und aus den Heimen zu erzeugen. Aufgrund dieser Vorteile, zusammen mit Gelegenheiten für Diensteanbieter zur Erzeugung eines höheren Einkommens, der Ankunft von HDTV (High Definition Television), der Verfügbarkeit digitaler Fernsehgeräte und Settop-Umsetzungsboxen wird die Übertragung von Videosignalen in der nahen Zukunft wahrscheinlich volldigital sein.
Während Daten vorteilhaft unter Verwendung eines Basisbandverfahrens übertragen werden können, wird für die Videoübertragung von sowohl Telecom- als auch Kabel-TV-Industrie sowie Überbauern ein Verfahren im Durchlaßbereich aus technischen, wirtschaftlichen und Verwaltungsgründen bevorzugt. Aus diesen Gründen hat die FSAN-Gruppe (Full Service Access Network) globaler Telekommunikationsbetreiber jüngst neue Standards mit der Bezeichnung G983.wdm für die ITU-T entworfen, um digitales Video im Durchlaßbereich zu ATMPON-Basisbanddiensten hinzuzufügen, die FDM-(Frequency Division Multiplexing) und WDM-(Wavelength Division Multiplexing)Verfahren nutzen, wie in 3 dargestellt. Bezugnehmend auf 3 ist dort die Architektur eines beispielhaften WDM-Netzes zur Übermittlung von digitalem Video im Durchlaßbereich über eine getrennte Wellenlänge zusammen mit Basisbanddaten unter Verwendung von DWDM (Dense Wevelength Division Multiplexing) dargestellt. Digitales Video kann durch Verwendung von QPSK im 950–2050-MHz-Band oder 64-QAM im MMDS-216–422-MHz-Band oder CATV-550–800-MHz-Band übermittelt werden. Im Vermittlungsamt 302 befindet sich eine optische Datenleitungsanschlußeinheit (OLT – Optical Line Terminator) 304, eine optische Videoleitungsanschlußeinheit 306 und ein Wellenlängenmultiplexer 308. Die optische Datenleitungsanschlußeinheit 304 und die optische Videoleitungsanschlußeinheit 306 sind an den Wellenlängenmultiplexer 308 angekoppelt. Der Wellenlängenmultiplexer 308 ist an eine optische Faserübertragungsstrecke 310 angekoppelt. Die optische Faserübertra gungsstrecke 310 ist an einen 1 : n-Verzweiger 312 angekoppelt, der das optische Signal zur Abgabe an ein Heim 314 abzweigt. Im Heim 314 befindet sich ein Wellenlängendemultiplexer 316, eine optische Datennetzanschlußeinheit (ONT – Optical Network Terminator) 318, und eine optische Videonetzanschlußeinheit 320. Die optische Datennetzanschlußeinheit 318 und die optische Videonetzanschlußeinheit 320 sind an den Wellenlängendemultiplexer 316 angekoppelt. Der Wellenlängendemultiplexer 316 ist an den 1 : n-Verzweiger 312 angekoppelt.
Eines der kostspieligeren Netzelemente in dem Video-Lichtwellenübertragungssystem ist der Video-Lasersender. Für niedrige Kosten pro Benutzer muß ein Videosender von so vielen Benutzern wie möglich geteilt werden. Wenn die Empfindlichkeit des optoelektrischen (O/E-)Empfängers durch entsprechende Konstruktion eines Lasersenders um ca. 4 dBo erhöht werden kann, können zweieinhalbmal mehr Benutzer am gleichen Sender teilhaben. Man beachte, daß dBo optische dB, dBe elektrische dB und dBm Leistung unter Bezugnahme auf 1,0 mW darstellt. So stellen dBmo und dBme optische und elektrische dB mit Bezugnahme auf 1,0 mW optische bzw. elektrische Leistung dar.
Gegenwärtig benutzen CATV und MMDS ein Format von 64 QAM für Abwärtsdienste. Für Aufwärtsdienste werden QPSK-(4QAM-) oder 16-QAM-Formate unter typischer Verwendung eines 1,3-μm-Febry-Perot-Lasers benutzt. Wenn der Wert von M in M-wertig um Eins ansteigt, steigt für eine gegebene Bitfehlerrate das erforderliche Trägersignal-Rauschverhältnis (CNR – Carrier-to-Noise Ratio) für einen Hilfsträger am Empfänger um 3 dBe an, was einer Verringerung der Empfängerempfindlichkeit um 1,5 dBo entspricht. Mit einer Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit um 4 dBo können 16-QAM- und 64-QRM-Schemen auf 64-QAM für die Aufwärtsstrecke bzw. 256 QAM für die Abwärtsstrecke in der gleichen Leistungsbilanz aufgerüstet werden. Diese Aufrüstung hat eine höhere Übertragungskapazität zur Folge.
Bei einem Aspekt ist für die vorliegende Erfindung ein Sender für digitalmodulierte HF-Hilfsträger mit einem Laser mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (EML – electroabsorption modulator integrated distributed feedback laser) zum Übertragen der digitalmodulierten HF-Hilfsträger in dem Teiloktaven-Frequenzbereich charakteristisch. Die negative Vorspannung am Modulatorteil des EML wird für ein maximales Trägersignal-Rauschverhältnis (CNR – carrier signal to noise ratio) optimiert, das eintritt, wenn die nichtlineare CTB-Verzerrung (composite triple beat) am niedrigsten ist. Mit einem höheren CNR wird die Empfängerempfindlichkeit gesteigert und mehr Benutzer können daher von einem einzigen Sender aus versorgt werden, oder das Sendesignal kann mit digitaler Modulation einer höheren Ordnung moduliert werden.
Die Vorteile, Beschaffenheit und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung werden bei Betrachtung der in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen deutlicher werden. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein aus '1' und '0' bestehendes Basisbandsignal;
2a, 2b und 2c Merkmale eines Kommunikationssystems im Durchlaßbereich;
3 ein schematisches Blockschaltbild eines optischen WDM-Kommunikationssystems zur Übermittlung von Basisbanddiensten und digitalem Video im Durchlaßbereich;
4 eine schematische Darstellung einer zum Untersuchen der verschiedenen Lasersender für mit QAM-Hilfsträgern gemultiplexte Signalübertragung;
5a eine graphische Darstellung der HF-Spektren von mit 64 QAM-HF-Hilfsträgern gemultiplextem Modulationssignal;
5b eine graphische Darstellung der HF-Spektren des 64-QAM-Modulationssignals in Vergrößerung zur Darstellung des Prüfträgers bei 579 MHz;
6 eine graphische Darstellung von optischer Leistung über Modulatorspannung des L-Band-EML für eine Laser-Vorpolarisierung von 78 mA;
7 ein graphischer Vergleich von BER für 64-QAM-Signale vor FEC für verschiedene Lasersender;
8 ein graphischer Vergleich von BER für 64-QAM-Signale nach FEC für verschiedene Lasersender;
9 ein graphischer Vergleich eines 64-QAM-Hilfsträgerprüfsignal-Rauschverhältnisses für verschiedene Lasersender;
10 ein graphischer Vergleich der HF-Gesamtleistung aller Träger als Funktion der empfangenen optischen Leistung für EML- und direkt modulierte DFB-Lasersender;
11 ein graphischer Vergleich von BER für ein 256-QAM-Signal unter Verwendung eines EML- und eines direkt modulierten Lasersenders als Funktion der empfangenen optischen Leistung;
12 eine graphische Darstellung von Außerbandverzerrung, wenn der Modulator des EML-Senders mit –1,2 V vorgespannt wird, um ein maximales Träger- Rauschverhältnis und eine minimale Bitfehlerrate zu erhalten;
13 eine graphische Darstellung der nichtlinearen Verzerrungsleistungen bei 60 MHz entsprechend CSO und bei 579 MHz entsprechend CTB zum Trägerleistungspegel als Funktion der Modulator-Vorspannung; und
14 ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Schaltung zur Anwendung der Modulatorvorspannung.
In einem optischen System steht in Abwesenheit von CSO-(composite second order), CTB-(composite triple beat), Abschneidung und sonstiger nichtlinearer Verzerrungen des CNR eines Hilfsträgers, das die Bitfehlerrate bestimmt, mit dem Laser-Modulationsindex m und dem mittleren quadratischen Fotostrom (I_ph) in Beziehung. Dieses Verhältnis ist in der Gleichung 1 unten dargestellt.
Wobei B_eff die effektive Trägerbandbreite, n_th der dem Vorverstärker gebotene Wärmerauschstrom des Empfängers (typischerweise 5 bis 10 pA/Hz), RIN das Rauschen relativer Intensität des Senders in dB/Hz und q die Elektronenladung ist. Das erste Glied im Nenner ist das Wärmerauschen und das zweite Glied ist das Schrotrauschen des Empfängers. Bei modernen DFB-Lasern (distributed feedback) ist das RIN des Senders im Vergleich zum Wärmerauschen und Schrotrauschen unbedeutend. I_ph ist zur empfangenen optischen Leistung (P_op) am Empfänger proportional. Für eine gegebene Trägerbandbreite und die I_ph bestimmende empfangene optische Leistung ist der einzige Parameter, der für eine bedeutsame Erhöhung von CNR benutzt werden kann, m. Steigern von m über einen bestimmten Punkt hinaus ergibt nichtlineare Verzerrung wie beispielsweise CSO, CTB und Abschneiden. Durch Unterdrücken von CSO und CTB kann jedoch m erhöht werden, um das CNR zu steigern.
Der Elektroabsorptionseffekt (EA – electroabsorption) ist ein Effekt, bei dem die Absorption von Eingabelicht von einer angelegten Spannung (Vorspannung) abhängig ist. Wenn sich der Betrag an Absorption ändert, ändert sich unvermeidlich der Brechungsindex. Es hat sich herausgestellt, daß zum Transportieren von QAM-HF-Hilfsträgern im Teiloktaven-Frequenzbereich Laser mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (EML – elektroabsorption modulator integrated distributed feedback laser) mit einem bedeutend höheren Modulationsindex (2,5 mal) moduliert werden können, ohne im Vergleich mit direkt modulierten Lasern mit verteilter Rückkopplung (DFB) und im Handel erhältlichen extern modulierten 1,55-μm-Sendern irgendwelche Inband-Signalverzerrung zu verursachen. Im Vergleich mit einem extern modulierten Sender mit einem LiNbO₃-(Lithiumniobate-)MachZehnder-Modulator bietet ein EML-Sender gleichstromdriftfreien Betrieb, niedrigeren Leistungsverbrauch, Leichtigkeit der Verwendung, bedeutend geringere Kosten und kleine Größe.
Die Erfindung wird nunmehr durch Betrachtung der nachfolgenden bestimmten Beispiele und Prüfungen besser verständlich werden. In den Beispielen und Prüfungen, die für den Fachmann bestimmt sind, werden die benutzten Kurzworte bei ihrem ersten Gebrauch und im Definitionsteil am Ende der vorliegenden Anmeldung erweitert. Die nachfolgenden Beispiele sind nur für Erläuterungszwecke bereitgestellt. Die Beispiele sind nicht als die beanspruchten Erfindungen begrenzend anzusehen.
Beispiel
Mit dem vorliegenden Beispiel wird eine Ausführungsform gezeigt. Das experimentelle Detail in Kombination mit der obigen Beschreibung zeigt Vorteile verschiedener möglicher Bestandteile und Verfahren.
Bezugnehmend auf 4 ist dort eine schematische Darstellung einer beispielhaften experimentellen Anordnung dargestellt, die zum Untersuchen der relativen Leistung verschiedener Sender benutzt wird. Ein QAM-Modulator 402 ist an einen Frequenz-Aufwärtsumsetzer 404 angekoppelt. Neunzehn QAM-Träger 550–680 MHz 406, eine 680–800-MHz-Quelle weißen Rauschens 408 und ein Frequenz-Aufwärtsumsetzer 404 sind an den Addierer 410 angekoppelt. Ein Sender mit Laser mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (EML – electroabsorption modulator integrated destributed feedback laser) 412 (E/O-Sender – Elektrooptischer Sender) ist an den Ausgang des Addierers 410 angekoppelt. Der Ausgang des EML-Senders 412 ist an einen mit Erbium dotierten Faserverstärker 416 angekoppelt. Der Ausgang des mit Erbium dotierten Faserverstärkers 416 ist an einen optischen Leistungsmesser 418 angekoppelt. Zwischen dem optischen Leistungsmesser 418 und einen 1 : 32-Verteiler 922 ist eine 20 km lange optische Faser 420 zwischengekoppelt. An einen Ausgang des 1 : 32-Verteilers 422 ist ein optisches Dämpfungsglied 424 angekoppelt. Der Ausgang des optischen Dämpfungsgliedes 424 ist an einen optischen Leistungsmesser 426 angekoppelt. An den Ausgang des optischen Leistungsmessers 426 ist ein optoelektrischer (O/E-)Empfänger 428 angekoppelt. An den Ausgang des O/E-Empfängers 428 ist ein elektrisches Dämpfungsglied 430 angekoppelt. An den Ausgang des elektrischen Dämpfungsgliedes 430 ist ein QAM-Demodulator 432 angekoppelt. Der Ausgang des QAM-Demodulators 432 ist an einen Personal Computer (PC) 434 angekoppelt.
Bei diesem Beispiel wird ein HF-Signal mit 20 Hilfsträgern von 6 MHz Bandbreite, die jeweils im 64-QAM- oder 256-QAM-Format moduliert sind, und einer Quelle weißen Rauschens zum Simulieren von 20 Hilfsträgern im 680–800-MHz-Bereich benutzt. Durch Abschalten eines der QAM-Träger kann ein 64-QAM- oder 256-QAM-Prüf-Hilfsträger derselben 6-MHz-Bandbreite mit einer Symbolrate von 5,063 Mbps aus einem Broadcom-Modulator eingefügt werden. Im vorliegenden Beispiel wurde der Prüfträger bei 579 MHz eingefügt. Ein im Broadcom-Modulator und-Demodulator vorhandenes DAVIC-Forwärtsfehlerkorrekturschema (FEC – forward error correction) wird benutzt. All drei Signale werden wie in den HF-Spektren dem kombinierten Signal in 5a gezeigt auf denselben Pegel eingestellt. Nach geeigneter elektrischer Verstärkung wurde das kombinierte HF-Signal zum Modulieren der Lasersender benutzt. Zum Vergleichen von Leistung wurden mehrere Sender einschließlich von drei EML-Sendern (zwei im L-Band und einer im C-Band), sechs direktmodulierte DFB-Lasersender (vier im C-Band und zwei im L-Band) und zwei im Handel erhältliche extern modulierte Sender (C-Band), die einen Lithiumniobat-Modulator benutzen, benutzt. C- und L-Bänder stellen typischerweise optische Wellenlängen im Bereich 1480–1560 nm bzw. 1560–1600 nm dar.
Das optische Signal vom Sender wird in die 20-km-lange Standardfaser eingekoppelt, die einen optischen 1 : 32-Leistungsverteiler, optisches Dämpfungsglied und mehrere in Reihe geschaltete optische Leistungsmesser aufweist. Ein EDFA wurde als Zusatzverstärker mit dem EML-Sender benutzt. Durch Entfernen der 20-km-langen Faser und Vergleichen der Ergebnisse mit und ohne Faser wurde die Wirkung von Faserstreuung untersucht. Das optische Signal wurde entweder an einen Empfänger Lucent 1319 für ein 64-QAM-Signal oder an einen CATV-Empfänger mit einer Bandbreite von 850 MHz für ein 256-QAM-Signal angekoppelt. Die elektrische Ausgabe des Empfängers wurde in den Broadcom-Demodulator mit einem eingebauten HF-Tuner eingespeist. Die HF-Gesamtleistung und das CNR am Ausgang des Empfängers und die Bitrate am Ausgang des Demodulators werden als Funktion der empfangenen optischen Leistungen gemessen.
Durch Verändern der gesamten HF-Modulationsleistung von QAM-Trägern und durch Verändern der Vorspannungspunkte des Lasers und Modulators wird das System für ein maximales Trägersignal-Rauschverhältnis optimiert, das auch die niedrigste Bitfehlerrate ergibt. Messungen zeigten an, daß der optimale Betriebspunkt des Systems dem maximalen Modulationsindex entspricht, der benutzt werden kann, ohne jegliche Inbandverzerrung zu verursachen. Eine Verzerrung, die das gewünschte Signal überlappt, wird eine Inbandverzerrung genannt. Verzerrung, die außerhalb des Frequenzbereichs des gewünschten Signals liegt, wird Außerbandverzerrung genannt. Die Leistung des EML-Senders war wie erwartet sehr empfindlich für die negative Vorspannung am Modulatorteil. Bezugnehmend auf 6 ist dort eine graphische Darstellung der optischen Leistung am Ausgang eines L-Band-EML als Funktion der Modulatorspannung dargestellt. Wiederum auf 6 bezugnehmend erscheint es, daß der Modulator am Wendepunkt in der Nähe von –0,5 V vorgespannt sein sollte, wo es keine Verzerrung zweiter Ordnung gibt. Die Modulatorübertragungsfunktion weist keine ungerade Symmetrie um diesen Punkt herum auf und so werden selbst Verzerrungen höherer gerader Ordnung und dritter Ordnung nicht Null betragen. Die beste Leistung wird dann erhalten, wenn der EML-Sender zwischen –1,2 V und –1,25 V vorgespannt wird, wo das maximale CNR und die minimale Bitfehlerrate für alle drei EML-Sender gemessen werden. Die maximal zulässige HF-Modulationsleistung war –2,5 dB_me für den extern modulierten Lasersender und 7 dB_me für den EML.
Bezugnehmend auf 7 und 8 ist dort ein graphischer Vergleich der Wahrscheinlichkeiten der gemessenen Bitfehlerrate (BER) für das 64-QAM-Signal vor und nach der FEC bei jeweiliger Verwendung eines EML-Senders, eines direkt modulierten DFB-Lasersenders und eines extern modulierten DFB-Lasersenders dargestellt. Ähnliche Ergebnisse wurden von anderen Sendern erhalten, mit einigen Unterschieden, die mit der differenziellen Quantenausbeute (η) ihrer Laser in Beziehung standen. Sender mit Lasern mit höherer η ergeben ein höheres CNR und eine niedrigere BER für eine gegebene empfangene optische Leistung aufgrund des höheren Modulationsindexes, der mit steigender η zunimmt. Es gab keinen erkannten Effekt der 20-km-Faser, wenn EML- und extern modulierte Lasersender benutzt wurden. Mit einem direkt modulierten Sender gibt es jedoch einen optischen Leistungsabzug von ca. 0,5 dBo. Durch Benutzung des EDFA zusammen mit dem EML-Sender wird ein Abzug von weniger als 0,5 dBo aufgrund des optischen Rauschens des EDFA zugefügt.
Bezugnehmend auf 9 ist dort ein graphischer Vergleich des Verhältnisprüfträgersignals zu Rauschen (CNR – carrier noise ratio) am Empfänger für alle drei Senderarten als Funktion der empfangenen optischen Leistung dargestellt. Die HF-Gesamtleistung aller 40 Träger am Ausgang des Empfängers als Funktion der empfangenen optischen Leistung für die EML- und DFB-Lasersender wird verglichen und graphisch in der 10 dargestellt.
Bezugnehmend auf 11 ist dort eine graphische Darstellung der BER-Daten für 256-QAM-Signale für EML- und direkt modulierte DFB-Lasersender vor und nach der FEC dargestellt. Die Daten in der 11 wurden unter Verwendung des CATV-Empfängers erhalten, der relativ geringere Empfindlichkeit aufwies, und die HF-Modulationsleistung war 3 dBe weniger als die für 64-QAM-Experimente benutzte. Aufgrund der Rauschempfind lichkeit der 256-QAM-Signale war es nicht möglich, eine BER von besser als 5 × 10^–7 vor der FEC bei allen Sendern zu erhalten. Nach der FEC gab es jedoch keine Grundfehlerraten und es war möglich, ein fehlerfreies Signal zu erhalten. Die Empfängerleistung ist rund 3 dBo empfindlicher mit dem EML-Sender im Vergleich zu dem direkt modulierten Lasersender. Die Differenz beträgt hier 3 dBo anstatt den mit 64-QAM-Signalen gemessenen 4 dBo aufgrund der geringeren Empfindlichkeit des CATV-Empfängers und auch des verringerten Modulationsindexes des EML-Senders aufgrund der niedrigeren HF-Modulationsleistung des 256-QAM-Signals.
Die in 7 und 11 dargestellten Ergebnisse lassen auf eine 3- bis 4-dBo höhere Empfängerempfindlichkeit mit einem EML-Sender im Vergleich zu einem direkt modulierten DFB-Lasersender schließen. Wenn die Ergebnisse mit extern modulierten DFB-Lasersendern verglichen werden, steigt die Differenz um weitere 1,5 bis 2 dBo. So bietet für reine QAM-Signale ein extern modulierter DFB-Lasersender keine bessere Leistung als ein direkt modulierter DFB-Lasersender. Messung des absoluten Modulationsindexes ist durch Geräteeinschränkungen begrenzt, aber die Messung des relativen Modulationsindexes m suggerierte, daß am niedrigsten BER-Vorspannungspunkt m 2- bis 2,5-mal höher für den EML-Sender im Vergleich zum direkt modulierten DFB-Lasersender war. Unter Verwendung der Gleichung 1 müßte dies ein 6- bis 8-dBe höheres CNR und HF-Gesamtleistung ergeben und der Empfänger sollte um 3 bis 4 dBo empfindlicher sein. Dies stimmt mit den in 7 bis 11 gezeigten Ergebnissen überein. Prüfergebnisse zeigen den Leistungsvorteil von 3 bis 4 dBo von EML-Sendern unter Verwendung von Live 64-QAM-Video vom Kopfende von BellSouth in Atlanta, GA. Mit dem EML-Sender konnten die meisten Live 64-QAM-TV-Kanäle mit einer optischen Leistung empfangen werden, die so niedrig wie –28 dBmo war.
Aufgrund von CSO werden die Frequenzen f_A und f_B in Frequenzen bei f_A + f_B und f_A – f_B vermischt. Daraus ergibt sich eine CSO-Verzerrungsleistung zwischen 0 Hz bis 250 MHz und bei 1100 MHz bis 1600 MHz aufgrund von mehrfachen QAM-Trägern bei 550 bis 800 MHz, das außerhalb des gewünschten 550 bis 800-MHz-Bandes fällt. Dies ist eine Außerbandverzerrung. Aufgrund von CTB erfolgen jedoch die Frequenzen f_A und f_B Frequenzen bei 2f_A ± f_B und 2f_B ± f_A. Frequenzen 2f_A – f_B und 2f_B – f_A werden die gewünschten Signalfrequenzen im 550–800-MHz-Bereich überlappen.
Der in 5a und 5b gezeigte QAM-modulierte Träger ähnelt weißem Rauschen mit 6 MHz Bandbreite pro Träger und infolgedessen sollten sowohl CSO als auch CTB kontinuierliche Funktionen der Frequenz QAM-Träger sein. Bei EML-Sendern am optimalen Vorspannungspunkt von –1,2 V wird Außerbandverzerrung bei < 225 MHz und bei > 1,1 GHz aufgrund von CSO wie in 12 dargestellt beobachtet. Bei direkt und extern moduliertem DFB-Laser wurde keine Außerbandverzerrung aufgrund von CSO beobachtet. Bei einem EML-Sender verschwand die Außerbandverzerrung, aus dem Modulator bei ca. –0,5 V vorgespannt wurde, aber dann stieg die BER so sehr an, daß der EML-Sender keinen Leistungsvorteil besaß. Da die CTB eine Inbandverzerrung ist, wird zum Messen von CTB der Prüfträger bei 579 MHz abgeschaltet und der Pegel des Grundrauschens relativ zum Trägerleistungspegel wird unter Verwendung eines elektrischen Spektrumanalysators als Funktion der Modulatorvorspannung gemessen. Es wurden ein linearer Empfänger und ein linearer Nachverstärker benutzt. Der CSO-Pegel bei 60 MHz bezüglich des Trägerleistungspegels wurde auf dieselbe Weise gemessen. Die empfangene optische Leistung wurde bei –15 dBm konstant gehalten. Bei diesem Leistungspegel sind Wärmerauschen und Schrotrauschen vernachlässigbar. Die gesamte HF-Modulationsleistung betrug 1,1 dBm. Die durch 13 dargestellten Ergebnisse zeigen das Verhalten von CSO und CTB als eine Funktion der Modulatorvorspannung.
Bezugnehmend auf 14 ist dort ein vereinfachtes Schaltschema der Schaltung zur Anwendung der Modulatorvorspannung dargestellt. Die digital modulierten HF-Träger 502 sind über ein flaches T-Stück 504 an den Lasermodulator 506 angekoppelt. Der Lasermodulator 506 ist an den DFB-Laser 508 angekoppelt. An den DFB-Laser 508 wird eine Durchlaßvorspannung 510 I_DC angelegt. An das flache T-Stück 504 wird eine Modulatorvorspannung 516-V_DC angelegt. Das flache T-Stück 504 besteht aus einer Induktionsspule 512 und einem Kondensator 514. Die Induktionsspule 512 ist zwischen die Modulatorvorspannung 516 und den Lasermodulator 506 gekoppelt. Der Kondensator 514 ist zwischen die digitalmodulierten HF-Träger 502 und den Lasermodulator 506 gekoppelt.
Wieder bezugnehmend auf 13 ist am Wendepunkt in der Nähe von –0,5 V die CSO auf ihrem niedrigsten Pegel, aber die CTB ist auf einem hohen Pegel. Mit Erhöhung der negativen Vorspannung steigt die CSO. Die CTB erreicht ihren niedrigsten Pegel bei 45 dBe unter dem Signalpegel bei –1,2 V, wo die Intermodulationsverzerrung dritter Ordnung minimal ist. Da die CTB eine Inbandverzerrung ist, wird an dieser Stelle optimale Leistung erhalten.
Durch das Vorhandensein von CSO, wenn sich die CTB auf ihrem niedrigsten Pegel befindet, wird die vorteilhafte Verwendung eines EML-Senders auf Anwendungen begrenzt, wo die CSO nicht die Signalfrequenzen überlappt (d. h. wo sich die Signalfrequenzen im Teiloktaven-Bereich befinden), was typischerweise aufgrund ihrer höheren Bandbreitenwirkungsgrade der Fall bei QAM-Trägern ist.
Für die optische Übertragung von QAM-Signalen im Teiloktaven-Frequenzbereich unter Verwendung eines EML-Senders durch Vorspannen des Modulators an einem Punkt, wo sich die Intermodulatonsverzerrung der dritten Ordnung auf ihrem niedrigsten Pegel befindet, wird ein höherer Modulationsindex erhalten. Durch den höheren Modulationsindex wird die Empfindlichkeit des optischen Empfängers um mehr als 4 dBo gegenüber einem direkt oder extern modulierten DFB-Laser ohne jegliche Inbandverzerrung aber zu Kosten von Außerbandverzerrung gesteigert.
Angesichts der obigen Beschreibung werden dem Fachmann zahlreiche Abänderungen und alternative Ausführungsformen der Erfindung offenbar sein. Dementsprechend ist die vorliegende Beschreibung nur als beispielhaft anzusehen und hat den Zweck, dem Fachmann die beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung zu lehren. Einzelheiten des Aufbaus können bedeutend verändert werden und die ausschließliche Verwendung aller Abänderungen, die in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen, ist vorbehalten.

Claims

System zur optischen Übertragung von digital modulierten HF-Hilfsträgern mit folgendem: einem Laser mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (506, 508); einem Modulationskreis (504) zum Ankoppeln der digital modulierten HF-Hilfsträger (502) im Teiloktaven-Frequenzbereich an einen Elektroabsorptionsmodulatorteil (506) des Lasers mit verteilter Rückkopplung und intergriertem Elektroabsorptionsmodulator (506, 508); und einem Kreis zum Anlegen einer negativen Vorspannung (516) an den Elektroabsorptionsmodulatorteil (506); wobei die negative Vorspannung (516) an dem Elektroabsorptionsmodulatorteil (506) auf ein maximales Trägersignal/Rauschverhältnis und die niedrigste Bitfehlerrate optimiert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Elektroabsorptionsmodulatorteil (506) des Lasers mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (506, 508) vorgespannt ist, so daß CTB minimiert wird.
System nach Anspruch 1, wobei die negative Vorspannung (516) annähernd zwischen –1,20 Volt und –1,25 Volt für auf InGaAsP/InP basierendes Material beträgt.
System nach Anspruch 2, wobei der minimierte CTB-Punkt eine Erhöhung des Modulationsindexes des Elektroabsorptionsmodulatorteils (506) des Lasers mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (506, 508) ermöglicht.
System nach Anspruch 4, wobei der Modulationsindex erhöht wird und dabei keine nichtlineare Inband-Verzerrung verursacht.
Verfahren zur optischen Übertragung von digital modulierten HF-Hilfsträgern mit folgenden Schritten: Modulieren eines Elektroabsorptionsmodulatorteils (506) eines Lasers mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (506, 508) mit den digital modulierten HF-Hilfsträgern (502) im Teiloktaven-Bereich; Anlegen einer negativen Vorspannung (516) an den Elektroabsorptionsmodulatorteil (506); Optimieren der negativen Vorspannung (516) am Elektroabsorptionsmodulatorteil (506) auf ein maximales Trägersignal/Rauschverhältnis und die niedrigste Bitfehlerrate.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Anlegens einer negativen Vorspannung (516) weiterhin das Anlegen der negativen Vorspannung (516) zur Minimierung von CTB umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die negative Vorspannung (516) annähernd zwischen –1,20 Volt und –1,25 Volt für auf InGaAsP/InP basierendes Material beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der minimierte CTB-Punkt die Erhöhung des Modulationsindexes des Elektroabsorptionsmodulatorteils (506) des Lasers mit verteilter Rückkopplung und integriertem Elektroabsorptionsmodulator (506, 508) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Modulationsindex erhöht wird und dabei keine nichtlineare Inband-Verzerrung verursacht.