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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Demodulator und ein Verfahren
zur Demodulation eines DPSK-(Differential Phase Shift Keyed)-Signals
zur optischen Kommunikation. Bei der DPSK-Übertragung ist es erforderlich,
am Empfänger
eine Phasen-Amplituden-Umwandlung unter Verwendung eines Verzögerungs-Interferometers
durchzuführen. Um
eine Demodulation mit einem hohen Signal-Rauschverhältnis zu
erzielen, muss die Verzögerungs-Differenz
zwischen den beiden Armen eines solchen Interferometers zwei Bedingungen
erfüllen. Erstens
muss die Verzögerung
gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Bit-Zeit des Kommunikations-Signals
sein, so dass während
der gesamten Dauer eines Bits es nur mit einem einzelnen anderen Bit
interferiert, aber nie mit sich selbst. Zweitens muss die Differenz
der optischen Phasenverzögerung
für das
optische Trägersignal
ein ganzzahliges Vielfaches von pi sein, damit interferierende Lichtwellen
entweder exakt in Phase sind oder die entgegengesetzte Phase haben.
Da in Halbleiter-Anwendungen der Brechungsindex des Materials, durch
das sich im Interferometer Licht ausbreitet, temperaturabhängig ist,
können
Temperaturänderungen
des Interferometers eine Verstimmung des Interferometers verursachen,
wodurch das Extinktionsverhältnis
zwischen Einsen und Nullen, auch "Öffnung
des Augendiagramms" genannt,
beeinflusst wird. Daher wird in K-Shimomura et al. "A performance stabilized
40 Gb/s CS-RZ DPSK transponder for transoceanic WDM transmission
systems" (Proceedings
ECOC'03 Beitrag
Tu4.6.6) ein Demodulator offen gelegt, in dem das Interferometer
durch Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers temperaturstabilisiert
ist.
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Ein
solcher Demodulator ist unempfindlich gegen Änderungen der Umgebungstemperatur,
er ist aber nicht in der Lage, eine Wellenlängenänderung des optischen Kommunikationssignals selbst
zu kompensieren. Daher kann, sogar wenn die Temperatur des Interferometers
perfekt stabilisiert ist, eine Wellenlängen-Verschiebung des optischen
Kommunikationssignals eine beträchtliche
Verringerung der Öffnung
des Augendiagramms auf der Empfängerseite
verursachen.
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In
Patent-Dokument
US 6,396,605-01 wird ein
optischer Demodulator offen gelegt, der für DPSK-Signale stabil ist,
wobei der Demodulator ein Mach-Zehnder-Interferometer enthält, bei
dem die optische Pfadlänge
eines der Arme einstellbar ist und eine elektronische Rückkopplungsschleife
zur Einstellung, d.h. zur Abstimmung des Interferometers verwendet
wird.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Demodulator und ein Verfahren
zur Demodulation eines DPSK-modulierten optischen Signals bereitzustellen, mit
dem eine große Öffnung des
Augendiagramms sogar bei Schwankungen der Wellenlänge des
optischen Signals aufrecht erhalten werden kann.
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In
einem Demodulator für
ein DPSK-moduliertes optisches Signal mit der Bitfrequenz 1/T, der eine
Interferometer-Struktur aufweist, die einen Eingangs-Anschluss zum
Empfang des DPSK-modulierten
optischen Signals, einen Ausgangs-Anschluss und erste und zweite
Arme, die sich vom Eingangs-Anschluss zum Ausgangs-Anschluss erstrecken,
Einstellungs-Mittel zur Feineinstellung einer Ausbreitungs-Verzögerungs-Differenz
der beiden Arme in einem Bereich, der T enthält, und einen optisch/elektrischen
Wandler, der mit dem Ausgangs-Anschluss der Interferometer-Struktur
verbunden ist, aufweist, wird dieses Ziel durch ein Bandpass-Filter
erreicht, das mit einem Ausgang des optisch/elektrischen Wandlers
verbunden ist, dessen Durchlassband 1/T nicht enthält, und
durch die Tatsache, dass das Einstellungs-Mittel angepasst ist,
die Ausbreitungs-Verzögerung
entsprechend dem Ausgangsleistungspegel des Bandpassfilters einzustellen.
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Das
Ziel wird auch durch ein Verfahren zur Demodulation eines DPSK-modulierten
optischen Signals der Bitfrequenz 1/T erreicht, in dem
das
DPSK-modulierte optische Signal in erste und zweite Teile unterteilt
wird,
erste und zweite Verzögerungen
auf die ersten, bzw. zweiten Teile angewendet werden, wobei sich
die Verzögerungen
um ungefähr
T unterscheiden, um ein intensitätsmoduliertes
optisches Signal zu erhalten,
das intensitätsmodulierte optische Signal
in ein elektrisches Signal umgewandelt wird,
die Leistung eines
Bandes des elektrischen Signals bestimmt wird, wobei das Band die
Frequenzen 0 und 1/T nicht enthält,
und
auf der Basis der festgestellten Leistung entschieden wird,
ob die Verzögerung
verändert
wird.
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Eine
Untersuchung simulierter Leistungsspektren am Ausgang des optisch/elektrischen Wandlers
hat gezeigt, dass während
die Spektralkomponenten bei den Frequenzen 0 und 1/T kaum variieren,
wenn das Interferometer bezüglich
der Trägerfrequenz
des optischen Signals verstimmt ist, es Frequenzbereiche oberhalb
von 1/T und zwischen 0 und 1/T gibt, in denen sich die Signalleistung
merklich und monoton mit steigender Frequenz-Fehlanpassung verringert,
so dass durch Messung der Signalleistung in diesem Frequenzbereich
Informationen über
den Grad der Frequenz-Fehlanpassung erhalten werden können.
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Simulationsergebnisse
zeigen, dass sich mit steigender Frequenz-Fehlanpassung in Frequenzbändern sowohl
unterhalb als auch oberhalb der Bitfrequenz von 1/T die Leistung
verringert. Vorzugsweise wird das Durchlassband mit einer unteren Grenzfrequenz über 0 und
einer oberen Grenzfrequenz unter 1/T gewählt, weil der Leistungspegel
des Filter-Ausgangssignals in diesem Frequenzbereich leichter zu
messen ist als bei einer Frequenz oberhalb von 1/T.
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Das
Einstellungs-Mittel enthält
vorzugsweise ein optisches Element, das sich in einem der Arme der
Interferometer-Struktur
befindet, dessen Verzögerung
entsprechend einem Steuersignal, das an das optische Element angelegt
wird, variabel ist, und einen Steuerungs-Schaltkreis zur Ableitung
des Steuersignals aus dem Ausgangs-Leistungspegel des Bandpassfilters.
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Das
optische Element des Demodulators enthält vorzugsweise ein Material,
dessen Brechungsindex sich mit der Temperatur ändert, und einen Heizer und/oder
Kühler
zum Heizen oder Kühlen des
Materials mit einer Heiz-/Kühlleistung,
deren Leistung durch das Steuersignal festgelegt wird, so dass das
optische Element eingestellt werden kann, indem seine Temperatur
gesteuert wird.
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Alternativ
kann das optische Element ein Material enthalten, das den elektro-optischen
oder den magneto-optischen Effekt zeigt, d.h. dessen Brechungsindex
sich mit der Stärke
eines an es angelegten elektrischen oder magnetischen Feldes ändert, und
Feld-Erzeugungs-Mittel zur Erzeugung des Feldes mit einer durch
das Steuersignal definierten Stärke.
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Um
nicht nur zu erkennen, ob die Interferometer-Struktur verstimmt
ist oder nicht, sondern auch in welche Richtung der Brechungsindex
des Materials des optischen Elementes geändert werden muss, um die Abstimmung
zu verbessern, enthält
das Steuerungs-Mittel vorzugsweise Schwankungs-Mittel, um das Steuersignal
zu verändern,
und ist angepasst, den Mittelwert des Steuersignals auf der Basis
einer Phasenbeziehung zwischen der Schwankung des Steuersignals
und einer Änderung
des Ausgangsleistungspegels des Bandpassfilters zu variieren.
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Wenn
der Heizer ein Widerstands-Heizer ist, ist die Heizleistung proportional
zum Quadrat des Stroms oder der Spannung, die an den Heizer angelegt
wird. Um die Schwankungs-Amplitude
der Heizleistung unabhängig
vom Mittelwert der Heizleistung zu machen, muss eine Schwankungs-Amplitude
eines Stroms oder einer Spannung, die an den Heizer angelegt werden,
umgekehrt proportional zum Mittelwert des Stroms oder der Spannung
sein.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungen
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen deutlich.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Demodulators gemäß der Erfindung;
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2 ist
ein Beispiel einer Bitsequenz in einem DPSK-modulierten Signal;
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3 ist
ein intensitätsmoduliertes
Signal, das man aus dem DPSK-Signal in 2 am konstruktiven
Ausgangs-Anschluss des Interferometers im Demodulator aus 1 erhält, wenn
das Interferometer perfekt auf die optische Trägerfrequenz abgestimmt ist;
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4 zeigt
ein intensitätsmoduliertes
Signal, das man an einem destruktiven Ausgangs-Anschluss für den Fall
der perfekten Abstimmung erhält;
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5 zeigt
das Ausgangssignal am konstruktiven Ausgangs-Anschluss für den Fall
der nicht perfekten Abstimmung;
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6 zeigt
das Ausgangssignal am destruktiven Ausgangs-Anschluss für den Fall der nicht perfekten
Abstimmung;
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7 zeigt
Leistungsspektren, die man am konstruktiven Ausgangs-Anschluss für verschiedene Werte
der Frequenz-Fehlanpassung erhält;
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8 zeigt
die Leistungsabweichung zwischen der perfekten Abstimmung und einer
Verstimmung von 0,2 GHz als Funktion der Frequenz für ein NRZ-DPSK-Signal;
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9 zeigt
die Leistungsabweichung als Funktion der Frequenz für ein RZ-DPSK-Signal;
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Demodulators gemäß der Erfindung. Ein Eingangs-Anschluss 1 des
Demodulators empfängt
ein optisches NRZ-DPSK-Signal mit der Bitzeit T. Der Eingangs-Anschluss 1 ist
mit einem Leistungsteiler 2 eines Mach-Zehnder-Interferometers (MZ-Interferometer) 3 verbunden.
Der Leistungsteiler 2 teilt das eintreffende Signal in
zwei Teile mit identischen Leistungspegeln und liefert sie an zwei
optische Fasern 4, 5, die zwei Arme des MZ-Interferometers 3 bilden und
sich vom Leistungsteiler 2 der Eingangsseite zu einem Richtkoppler 6 auf
der Ausgangsseite erstrecken. Am Richtkoppler 6 interferieren
die beiden Teile. Die Ausbreitungs-Verzögerungen des DPSK-Signals in
den beiden Armen 4, 5 unterscheiden sich um eine
Bitzeit T des DPSK-Signals,
so dass wenn sich die beiden Teile des DPSK-Signals, die sich entlang der
Arme 4, 5 ausbreiten, am Koppler 6 treffen,
aufeinander folgende Bits interferieren.
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Eine
Heizungs-Vorrichtung 7, z.B. ein ohmscher Widerstand oder
eine thermoelektrische Vorrichtung, wird bereitgestellt, um die
optische Phasenverzögerung
von Arm 5 durch ihre Temperatur zu steuern. Da der Brechungsindex
der Faser, aus der die Arme 4 und 5 gebildet werden,
leicht temperaturabhängig
ist, erlaubt der Heizer 7 eine Feinabstimmung der Verzögerungs-Differenz zwischen
den Armen 4 und 5 im Bereich einer Oszillations-Periode der
optischen Trägerwelle
des DPSK- Signals,
so dass die Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilen des DPSK-Signals,
die im Richtkoppler 6 interferieren, präzise gesteuert werden kann.
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Das
Interferometer 3 hat zwei Ausgänge, die als konstruktiver,
bzw. destruktiver Ausgang bezeichnet werden. Wenn zwei Bits mit
identischer Phase im Koppler 6 interferieren, wird am konstruktiven
Anschluss 8 eine positive Intensität und am destruktiven Anschluss 9 eine
Intensität
von Null ausgegeben, während
in dem Fall, dass Bits mit entgegengesetzter Phase interferieren,
eine positive Intensität
und am destruktiven Anschluss 9 und am konstruktiven Anschluss 8 eine
Intensität
von Null ausgegeben wird.
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Eine
Photodiode 10 ist an den konstruktiven Ausgangs-Anschluss 8 angeschlossen,
um das optische Ausgangssignal des Interferometers 3 in
ein elektrisches Signal umzuwandeln.
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Die
Zeitauflösung
der Photodiode 10 reicht aus, einzelne Bits des optischen
Signals aufzulösen, das
sie empfängt,
und sie verfügt über herkömmliche Daten-Wiederherstellungs-Schaltkreise 11,
die hier nicht im Detail erklärt
werden, die an ihrem Ausgang angeschlossen sind. Ferner ist an den
Ausgang der Photodiode 10 ein Bandpassfilter 12 angeschlossen, dessen
Durchlassband sich zwischen 0 und der Bitfrequenz 1/T des optischen
Signals befindet und keine dieser beiden Frequenzen enthält. Ein
Hüllkurvengleichrichtungs-Schaltkreis 13 ist
an den Ausgang des Bandpassfilters 12 angeschlossen, um
ein Ausgangssignal zu liefern, das kennzeichnend für die elektrische
Leistung ist, die von Bandpassfilter 12 ausgegeben wird.
Das Leistungs-Ausgangssignal von Schaltkreis 13 wird an
einen Phasen-Komparator 14 angelegt, um eine Spektralkomponente
bei der Frequenz eines lokalen Oszillations-Signals, das von einem
Lokaloszillator 15 geliefert wird, aus ihm zu entnehmen
und eine Phasendifferenz zwischen dieser Komponente und dem Signal
des Lokaloszillators zu erkennen. Ein so durch den Phasen-Komparator 14 erhaltenes
Phasendifferenz-Signal wird an einen Heizer-Steuerungs-Schaltkreis 16 angelegt.
Der Heizer-Steuerungs-Schaltkreis 16 liefert ein Ausgangssignal,
das für
eine gewünschte
Heizleistung des Heizers 7 kennzeichnend ist, an einen
Additions-Schaltkreis 17, der das Oszillations-Signal des
Lokaloszillators 15 dazu addiert und es als Ansteuerungs-Signal an den Heizer 7 liefert.
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Die
Temperatur des Interferometer-Arms 5 oszilliert somit mit
der Frequenz des Lokaloszillators und mit einer kleinen Amplitude
um eine mittlere Temperatur, die durch den Ausgangspegel des Heizer-Steuerungs-Schaltkreises 16 definiert
wird.
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Der
Betrieb der Anordnung von 1 wird detailliert
mit Bezug auf die 2-6 erklärt. 2 ist
ein Beispiel für
ein DPSK-Signal, das am Eingangs-Anschluss 1 empfangen
wird. Das Signal hat eine Bitfrequenz von 10 GBit/s, d.h. die Bitzeit
T entspricht 100 ps. Die durchgezogene Linie in 2 zeigt
die Intensität
des DPSK-Signals als Funktion der Zeit, und die Schraffur unter
der Kurve kennzeichnet die Signal-Phase, die 0 oder π sein kann. Immer, wenn ein
Phasenübergang
zwischen aufeinander folgenden Bits auftritt, nämlich bei 100, 200, 500 und
700 ps, fällt
die Intensität
auf 0. Ein Signal dieses Typs kann unter Verwendung einer Mach-Zehnder-Struktur
als Phasenmodulator auf der Senderseite erzeugt werden. 3 ist
das entsprechende intensitätsmodulierte
Ausgangssignal am konstruktiven Anschluss 8. Es ist 0 für jede Bit-Periode,
in der die Phase des DPSK-Signals sich von der des nächsten Bits
unterscheidet, und es ist 1, wenn die beiden Phasen gleich sind.
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4 zeigt
das entsprechende Ausgangssignal am destruktiven Ausgangs-Anschluss 9.
Es ist das logisch invertierte des Signals am konstruktiven Anschluss 9.
Da die Intensität
des ursprünglichen DPSK-Signals
bei jedem Phasenübergang
verschwindet, fällt
das Ausgangssignal des destruktiven Anschlusses im Gegensatz zum
Ausgangssignal des konstruktiven Anschlusses 8 zwischen
zwei aufeinander folgenden Bits mit dem Wert 1 auf 0.
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Wenn
die Verzögerungen
der beiden Arme 4, 5 nicht exakt aufeinander abgestimmt
sind, z.B. durch eine Frequenzverschiebung des optischen Trägers, ist
die Interferenz an den Ausgangs-Anschlüssen 8, 9 nicht
mehr perfekt destruktiv oder perfekt konstruktiv. Die "1" hat eine kleinere Leistung, während die
Leistung der "0" nicht mehr verschwindet.
Die Folge ist eine Verringerung der Öffnung des Augendiagramms,
wie in 5, 6 gezeigt, in denen die Ausgangs-Intensitäten an den
konstruktiven, bzw. destruktiven Ausgangs-Anschlüssen 8, 9 für den Fall
der Fehlanpassung gezeigt werden.
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Da
ein Verlust der Intensität
der "1" von einem Anstieg
der Intensität
der "0" begleitet wird,
unterscheidet sich die mittlere Leistung an den beiden Anschlüssen 8, 9 nicht
merklich von der im Fall einer perfekten Frequenzanpassung. Für andere
Frequenzen ist die Situation anders, wie man in 7 sehen kann.
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7 zeigt
Leistungsspektren am konstruktiven Ausgangs-Anschluss 8, die für verschiedene Werte
der Frequenz-Fehlanpassung
zwischen dem optischen Träger
und dem Interferometer 3 durch eine numerische Simulation
erhalten wurden, die auf einer 27 – 1 – Pseudozufalls-Bitsequenz
basiert. Wenn keine Frequenz-Fehlanpassung vorliegt (Dv = 0 GHz)
ist das Spektrum typisch für
ein NRZ-Muster, mit einem Abfall um die Bitfrequenz und zwei scharfen
Spitzen bei der Frequenz Null und bei der Bitfrequenz, 10 GHz. Die
beiden Spitzen sind nicht stark von der Frequenz-Fehlanpassung abhängig, aber
in einem Zwischen-Frequenzbereich, z.B. von ungefähr 0,1 bis
9 GHz wird ein starker und monotoner Abfall der Leistung mit steigender
Frequenz-Fehlanpassung Dv beobachtet, woraus man sehen kann, dass durch
Maximierung der elektrischen Leistung in diesem Frequenzbereich
eine Abstimmung des Interferometers auf die Trägerfrequenz erreicht werden kann.
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Eine ähnliche
Abhängigkeit
kann man auch in einem Frequenzbereich oberhalb der Bitfrequenz beobachten,
z.B. zwischen ungefähr
11,5 und 17 GHz, so dass die Leistung in diesem Frequenzbereich
auch als Abstimmungs-Kriterium für
das Interferometer 3 dienen kann. Da jedoch ein sehr schneller optischer
Sensor für
die Beobachtung dieses Frequenzbereichs benötigt würde, wird ein Durchlassband
zwischen 0 und der Bitfrequenz, z.B. von 1 bis 8 GHz bevorzugt.
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Auf
der Grundlage dieser Erkenntnisse kann nun der Betrieb der Anordnung
aus 1 vollständig verstanden
werden: Die Änderung
oder Schwankung der Heizleistung, die man erhält, indem man das Ausgangssignal
des Lokaloszillators 15 zu dem des Heizer-Steuerungs-Schaltkreises 16 hinzuaddiert,
sorgt dafür,
dass die Temperatur des Interferometer-Arms 5 und somit
die Frequenz-Fehlanpassung Dv zwischen den Armen 4, 5 leicht
oszilliert. Diese Oszillation spiegelt sich in einer Änderung
des Leistungsspektrums am Ausgang von Interferometer-Anschluss 8 wider,
und dementsprechend oszilliert das durch den Hüllkurvengleichrichtungs-Schaltkreis 13 an
den Phasenkomparator 14 gelieferte Leistungssignal. Die
Phasenbeziehung zwischen den Ausgangssignalen des Hüllkurvengleichrichtungs-Schaltkreises 13 und
des Lokaloszillators 15 zeigt an, ob die Fehlanpassung
im Interferometer 3 positiv oder negativ ist, und dementsprechend wird der
Steuerungs-Schaltkreis 16 seinen Ausgangspegel entweder
erhöhen
oder verringern, abhängig
davon, ob die oszillierenden Signale, die er vom Hüllkurvengleichrichtungs-Schaltkreis 13 und
dem Lokaloszillator 15 erhält, in Phase sind oder eine
entgegengesetzte Phase haben. Wenn der Ausgangspegel des Hüllkurvengleichrichtungs-Schaltkreises 13 nicht
mit der Frequenz des Lokaloszillators oszilliert, ist das Interferometer 3 perfekt
auf die optische Trägerfrequenz
abgestimmt, und der Ausgangspegel des Heizer-Steuerungs-Schaltkreises 16 ist
konstant.
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Wenn
die Heizleistung des Heizers 7 geändert wird, tritt eine Verzögerung von
einem Bruchteil einer Sekunde bis zu einigen Sekunden auf, abhängig von
der Größe des Interferometers
und den relativen Positionen von Heizer 7 und Arm 5,
bis eine Änderung
der Heizleistung eine Wirkung auf die Phasenanpassung der beiden
Arme hat. Um effektiv zu sein, wird die Periodendauer des Lokaloszillators 15 länger gemacht
als diese Verzögerung,
d.h. seine Frequenz wird auf einige Hz oder sogar auf unter 1 Hz
eingestellt.
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Natürlich ist
das Konzept der Erfindung, wie oben beschrieben, nicht auf die Anordnung
von 1 oder auf ein NRZ-DPSK-Signal, wie in 2 gezeigt,
begrenzt. Zum Beispiel können
anstelle der einzelnen, in 1 gezeigten
Photodiode 10 zwei Photodetektoren bereitgestellt werden,
ein schneller zur Lieferung eines bitaufgelösten elektrischen Signals an
den Daten-Regenerations-Schaltkreis 11, und ein zweiter,
dessen Reaktionszeit langsamer sein kann, und der mit dem Bandpassfilter 12 verbunden
ist und an den ein kleiner Teil der vom konstruktiven Anschluss 8 ausgegebenen
Intensität über einen
Abzweig angelegt wird, der zwischen dem konstruktiven Anschluss 8 und
dem schnellen Photodetektor in die Faser eingefügt ist.
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Als
weitere Alternative ist eine einzelne Photodiode zur Lieferung eines
elektrischen Signals an den Daten-Regenerations-Schaltkreis 11 allein
an den konstruktiven Anschluss 8 angeschlossen, und ein
zweiter Photodetektor, der langsamer sein kann, ist an den destruktiven
Anschluss 9 angeschlossen. Da das Signal am destruktiven
Ausgangs-Anschluss eine
RZ-Form hat, wie in 3 gezeigt, unterscheidet sich
das Leistungsspektrum leicht von dem am konstruktiven Ausgangs-Anschluss 8,
hauptsächlich die
Abnahme ist um ungefähr
12 GHz verschoben, aber die Verringerung der Signalleistung in einem Frequenzbereich
zwischen 0 und der Bitfrequenz oder zwischen der Bitfrequenz und
ihrer zweiten Harmonischen ist gleich der in 7 für den konstruktiven
Anschluss 8 gezeigten. 8 zeigt
die Leistungsabweichung, d.h. die Differenz zwischen der Leistung
mit und ohne Frequenz-Fehlanpassung für eine Fehlanpassung von 0,2
GHz als Funktion der Frequenz für
konstruktive und destruktive Anschlüsse. Die beiden Kurven sind
in einem Frequenzbereich von 0,2 bis 8 GHz sehr ähnlich.
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Ein
weiteres Beispiel für
die elektrische Abweichung als Funktion der Frequenz für eine Frequenz-Fehlanpassung
von 0,2 GHz ist in 9 für ein RZ-DPSK-Signal mit 50%
Tastverhältnis
gezeigt. Zwischen 0,2 und 9,8 GHz und über 10,2 GHz variiert die Leistungsabweichung
als Funktion der Frequenz nur minimal, und wie für diesen Signal-Typ erwartet werden
kann, sind die Abweichungen am konstruktiven und destruktiven Ausgangs-Anschluss
praktisch nicht voneinander zu unterscheiden.