-
Technisches Gebiet
-
Diese
Erfindung betrifft optische Return-to-Zero-Sender (RZ-Sender) und
insbesondere Verfahren und Geräte
zum Erzielen einer Phasensynchronisation zwischen einem Non-Return-to-Zero-Datensignal
(NRZ-Datensignal) und den optischen RZ-Impulsen.
-
Allgemeiner Stand der Technik
-
In
einer bekannten Art eines optischen Impulssenders wird eine optische
Dauerstrichquelle verwendet, um ein optisches Dauersignal bereitzustellen,
das in einem elektrooptischen Modulator mittels eines elektrischen
NRZ-Datensignals moduliert wird, um ein moduliertes optisches NRZ-Signal
bereitzustellen, und dieses optische NRZ-Signal wird dann in einem
Impulsübertrager
(im Wesentlichen ein zweiter Modulator) in die RZ-Form umgewandelt,
die bei derselben Datenrate wie das Datensignal getaktet wird. In
der Regel nehmen der für
das NRZ-Signal verwendete Modulator und der Impulsübertrager
jeweils die Form eines Mach-Zehnder-Modulators an.
-
Damit
ein solcher Impulssender effektiv arbeitet, muss sichergestellt
werden, dass der auf die zwei Modulatoren angewendete Bias korrekt
ist, so dass sie beide im optimalen Teil ihrer Betriebscharakteristika
arbeiten, und die auf den Impulsübertrager angewendete
relative Phase zwischen dem NRZ-Datensignal und dem RZ-Signal muss korrekt
sein, so dass die RZ-Impulse dem am weitesten geöffneten Teil des Auges des
NRZ-Signals entsprechen.
-
Das
Problem des Aufrechterhaltens des korrekten Bias auf den Modulatoren
ist wohlverstanden und wird auf zufrieden stellende Weise gelöst, indem verschiedenen
Teilen des Senders Dithertonsignale hinzugefügt werden.
-
Ein
kleiner Teil des optischen Ausgangssignals wird von einem optischen
Splitter ausgekoppelt und mittels eines Photodetektors erfasst,
der langsam genug ist, so dass er nicht auf die Impulsfrequenz anspricht,
die in der Regel in der Größenordnung
von mehreren zehn GHz liegt, wobei 43 GHz typisch ist, jedoch auf
die Frequenz der Dithertonsignale ansprechen kann, die in der Regel
in der Größenordnung
von einigen kHz liegt, wobei 2 kHz typisch ist. Das elektrische
Ausgangssignal von dem Photodetektor wird dann demoduliert, um die
Amplitude bei der Frequenz des Dithertons zu erfassen. Die erfasste
Amplitude bildet ein Steuersignal für einen Regelkreis.
-
In
der Regel werden die Regelkreise für die zwei Biase nicht gleichzeitig,
aber in einer Zeitmultiplexweise betrieben. Das soll heißen, dass
der Ditherton abwechselnd auf jeweilige Teile des Senders angewendet
wird und die erfasste Amplitude verwendet wird, um die zwei Biase
abwechselnd zu regeln. Dies macht es möglich, nur einen Signalgeber,
einen Hardwarefilter bei der Tonfrequenz und ein und dieselbe Demodulationsverarbeitung
für die
zwei Regelkreise zu haben. Diese Technik ist wohl bekannt, funktioniert
gut und wird allgemein eingesetzt. Zwei Beispiele solcher Regelkreise
sind in der US-Patentveröffentlichung
Nr. 2003/0175037, veröffentlicht
am 18. September 2003, an Kimmitt et al., und der US-Patentveröffentlichung
Nr. 2003/0112487, veröffentlicht
am 19. Juni 2003, an Fuller et al., beschrieben.
-
Obwohl
diese Technik gut zum Regeln des Bias funktioniert, eignet sie sich
jedoch aus einer Reihe von Gründen,
die im Folgenden erläutert
werden, nicht zum Regeln der Phase.
-
Ein
Verfahren und ein Gerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den unabhängigen
Ansprüchen
dargelegt, auf die der Leser nun verwiesen wird.
-
Bevorzugte
Merkmale sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargestellt.
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
Gemäß einem
Gesichtspunkt der Erfindung wird die Regelung der Phasensynchronisation
zwischen einem impulsbildenden Taktsignal und einem Datensignal
eines optischen RZ-Senders bereitgestellt.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein erstes Dithersignal auf die Phasendifferenz angewendet
und ein zweites Dithersignal mit einer anderen Frequenz als das
erste Dithersignal wird gleichzeitig auf den Biaspegel des NRZ-Modulators
angewendet und Variationen der optischen Ausgangsleistung, die der
Kreuzmodulation der zwei Ditherfrequenzen entsprechen, werden erfasst.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung befindet sich das zweite Dithersignal auf einer wesentlich
niedrigeren Frequenz als das erste Dithersignal, beispielsweise
kann das erste Dithersignal 2 kHz betragen und das zweite Dithersignal
kann 2 Hz ausmachen. Dann wird die Amplitude von Variationen der optischen
Ausgangsleistung bei der höheren
Frequenz (2 kHz) erfasst und die Amplitude von Variationen der Amplitude
bei der niedrigeren Frequenz (2 Hz) wird gemessen und dazu verwendet,
das Steuersignal zu bilden. Dies hat den Vorteil, dass ein und derselbe
Signalgeber, ein und derselbe Hardwarefilter und ein und dieselbe
Demodulationsverarbeitung wie mit den herkömmlichen Regelkreisen, die
die Blase regeln, verwendet werden kann.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
einen bekannten optischen Sender der Art, auf die die Erfindung
angewendet werden kann,
-
2 zeigt
einen optischen Sender, wie in 1 gezeigt,
der eine Regelschaltung zum Regeln der relativen Phase zwischen
dem Impulssignal und dem Datensignal gemäß einer bekannten Technik enthält,
-
3 zeigt
Augendiagramme eines optischen NRZ-Signals unter optimalen Betriebsbedingungen
und mit dem von der optimalen Position verschobenen Biaspegel,
-
4 zeigt
die mittlere optische Ausgangsleistung in Abhängigkeit von Bias und Phase,
-
5 zeigt
eine Oszilloskopspur von optischen Augendiagrammen, die mit einem
verschobenen Phasenarbeitspunkt erhalten wurde,
-
6 zeigt
ein Beispiel eines Senders, der die vorliegende Erfindung verkörpert, und
-
7 zeigt
einen Demodulator, der einen Teil des Senders von 6 bildet.
-
Ausführliche Beschreibung
-
1 zeigt
einen bekannten optischen Sender der Art, auf die die Erfindung
angewendet werden kann.
-
Ein
Dauerstrichlaser 1 liefert ein optisches Dauersignal an
einen ersten Mach-Zehnder-Modulator 2, der ein NRZ-Datensignal
als Modulationseingang von einer NRZ-Datenquelle 3 empfängt. Der optische
Ausgang des ersten Mach-Zehnder-Modulators 2 ist ein optisches
NRZ-Signal, dessen Augendiagramm bei (a) gezeigt ist. Das optische
NRZ-Signal ist als Eingang mit einem zweiten Mach-Zehnder-Modulator 4 verbunden,
der ein periodisches Impulssignal als Modulationseingang von einer
Impulssignalquelle 5 empfängt. Das Impulssignal, das
bei (b) gezeigt ist, weist eine Impulsrate auf, die der Datenrate
des NRZ-Datensignals gleichkommt, in der Regel in der Größenordnung
von mehreren zehn GHz, z. B. 43 GHz. Der zweite Mach-Zehnder-Modulator
fungiert folglich als ein Impulsübertrager,
der das optische NRZ-Signal durchschaltet, um ein optisches RZ-Signal
zu produzieren, dessen Augendiagramm bei (c) gezeigt ist.
-
Solche
Sender enthalten herkömmlich
eine Regelschaltung zum präzisen
Aufrechterhalten der Wellenlänge
des Laders 1 und zum Regeln der Biase, die auf die Mach-Zehnder-Modulatoren 2 und 4 angewendet
werden, so dass sie sich auf ihren optimalen Pegeln befinden. Eine
solche Regelschaltung ist wohl bekannt und in 1 nicht
gezeigt.
-
Die
Vorteile von optischen RZ-Signalen gegenüber NRZ-Lichtwellenleitersignalen, wenn sie über Lichtwellenleiter übertragen
werden, sind wohl bekannt.
-
Damit
das optische RZ-Signal ein gutes Augendiagramm aufweist, wie bei
(c) gezeigt, ist es erforderlich, dass die Spitzen des Impulssignals
mit dem am weitesten geöffneten
Teil des Auges des optischen NRZ-Signals genau synchronisiert sind,
oder, anders ausgedrückt,
es ist erforderlich, dass die relative Phase zwischen dem Impulssignal
und dem Datensignal präzise
geregelt wird. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
solche Regelung bereitzustellen.
-
2 zeigt
einen optischen Sender, wie in 1 gezeigt,
der eine Regelschaltung zum Regeln der relativen Phase zwischen
dem Impulssignal und dem Datensignal gemäß einer bekannten Technik enthält.
-
Die
Impulssignalquelle 5 ist angeschlossen, um ein Phasensteuersignal
zu empfangen, das einen Pilotton von einem Signalgeber 6 über einen
Addierer 7 beinhaltet. Der Signalgeber 6 versieht
das Phasensteuersignal mit einem Jitter bei einer Frequenz, die im
Vergleich zu der Datenrate des Senders niedrig ist, beispielsweise 2
kHz. Dieser Jitter, der auf die Phase der Impulssignalquelle 5 angewendet
wird, bringt eine Komponente der optischen Ausgangsleistung des
Senders mit derselben Frequenz (im Beispiel 2 kHz) hervor, wenn
die relative Phase zwischen dem Datensignal und dem Impulssignal
sich nicht auf ihrem optimalem Wert befindet. Der Sender von 2 beinhaltet
eine Rückkopplungsschleife, die
ein Fehlersignal von der erfassten Komponente in dem optischen Ausgangssignal
ableitet. Ein Optokoppler 8 ist dazu eingerichtet, einen
kleinen Anteil des optischen Ausgangssignals zu extrahieren, und dieser
wird von einem langsamen Photodetektor 9, in der Regel
einer Photodiode, erfasst. Der Photodetektor 9 ist ausreichend
langsam, so dass er nicht auf Frequenzen anspricht, die mit der
Datenrate des Senders (im Beispiel 43 GHz) vergleichbar sind, jedoch
auf die viel niedrigere Frequenz des Tonsignals (im Beispiel 2 kHz)
anspricht. Der elektrische Ausgang des Photodetektors 9 ist
somit ein Maß der
mittleren optischen Ausgangsleistung des Senders und beinhaltet
eine Komponente, die dem Tonsignal entspricht. Der Ausgang des Photodetektors 9 wird durch
ein Bandpassfilter 10 geleitet, das einen auf die Frequenz
des Tonsignals zentrierten Durchlassbereich aufweist und dessen
Hauptzweck darin besteht, die gewünschte Komponente in Bezug
auf den Hintergrund und andere Komponenten zu verstärken. Der
Ausgang des Filters 10 ist als Eingang mit einem Demodulator 11 verbunden,
der ebenfalls das Tonsignal von dem Signalgeber 6 empfängt und
das Signal von dem Filter 10 kohärent demoduliert, um einen Ausgang
bereitzustellen, der zu der Amplitude der Frequenzkomponente der
optischen Ausgangsleistung, die dem Tonsignal entspricht, proportional
ist, und der ein Vorzeichen aufweist, das der Richtung der Phasenverschiebung
entspricht. Der Ausgang des Demodulators ist mit einem Schleifenfilter 12 verbunden,
das das Signal auf eine in der Technik der Rückkopplungsschleifen bekannte
Weise aufbereitet. Der Ausgang des Schleifenfilters ist mit dem
Addierer 7 verbunden, an dem es dem Tonsignal hinzugefügt wird,
um ein Phasensteuerbiassignal für
die Impulssignalquelle 5 bereitzustellen.
-
Da
die bekannten Regelkreise zum Regeln der Biaspegel, die auf die
Mach-Zehnder-Modulatoren 2 und 4 angewendet werden,
viele der gleichen Hardwarekomponenten wie der Regelkreis zum Regeln
der Phase einsetzen, können
sie für
alle drei Regelkreise in wohl bekannter Art und Weise auf einer Zeitteilungsgrundlage
verwendet werden.
-
Die
dem Regelkreis zum Regeln der Phase zugrunde liegende Theorie ist,
dass die mittlere optische Ausgangsleistung von der relativen Phase
des Impulssignals und des Datensignals abhängt, mit einem unveränderlichen
Wert beim optimalen Wert der Phase.
-
Bedauerlicherweise
entspricht dies unter idealen Betriebsbedingungen nicht der Wahrheit. 3(a) zeigt das Augendiagramm des optischen NRZ-Signals,
wenn der Bias des ersten Mach-Zehnder-Modulators 2 optimal
ist und die Anstieg- und Abfallzeiten des Datensignals gleich sind.
Der mittlere Leistungspegel, als eine gestrichelte Linie 30 gezeigt,
ist konstant. Da der mittlere Leistungspegel konstant ist, nicht
von einem Teil der Datenperiode zu einer anderen schwankt, wird
es in Bezug auf die mittlere Ausgangsleistung eindeutig keinen Unterschied
machen, ob der zweite Mach-Zehnder-Modulator 4 das Signal in der
Mitte des Auges 31, bei dem es sich um die optimale Position
handelt, oder am Kreuzungspunkt 32, bei dem es sich um
die schlechteste Position handelt, oder irgendwo sonst dazwischen
abtastet.
-
Eine
bekannte Lösung
dieses Problems besteht darin, dem Bias, der mittels der Biasregelschaltung 13 von 2 auf
den ersten Mach-Zehnder-Modulator angewendet wird, einen kleinen
Betrag hinzuzufügen. 3(b) zeigt das Augendiagramm des optischen
NRZ-Signals, wenn der Bias, der auf den ersten Mach-Zehnder-Modulator 2 angewendet
wird, über
seinen optimalen Wert hinaus erhöht
wird. Der Gipfel des Auges 41 ist abgeflacht, da die Mitte
des Signals näher
an den oberen Sättigungsbereich
des Modulators heran geschoben ist, und der Grund des Auges 42 ist
angespitzt, da die Mitte des Signals von dem unteren Sättigungsbereich
weg bewegt ist. Tatsächlich
kann, da der Mach-Zehnder-Modulator, wie wohl bekannt ist, einen
Sinuscharakter aufweist, der Gipfel des Auges nicht nur abgeflacht
sein, sondern auch eine geringfügige
Mulde aufweisen, wie in der Zeichnung gezeigt ist, wenn jedoch andere
Formen eines optischen Modulators verwendet werden, wird der Gipfel
des Auges zumindest abgeflacht und der Grund angespitzt sein. Der
mittlere Leistungspegel, als eine gestrichelte Linie 40 gezeigt,
weist somit eine Mulde in der Mitte des Auges auf. Folglich wird
der mittlere Leistungspegel des optischen NRZ-Signals, wenn es von
dem Impulssignal durchgeschaltet wird, d. h. die mittlere Leistung
des optischen RZ-Signals, in Abhängigkeit
von der relativen Phase zwischen dem Datensignal und dem Impulssignal,
eine Mulde aufweisen, wenn die Impulse mit der Mitte des Auges des
NRZ-Signals zusammenfallen. Folglich wird die Rückkopplungsschleife funktionieren,
wenn sie darauf eingestellt ist, die Mulde des mittleren Leistungspegels
zu finden.
-
3(c) zeigt das Augendiagramm des optischen
NRZ-Signals, wenn
der Bias, der auf den ersten Mach-Zehnder-Modulator 2 angewendet
wird, unter seinen optimalen Wert reduziert wird. In diesem Fall
ist der Grund des Auges abgeflacht und der Gipfel angespitzt, so
dass der mittlere Leistungspegel 50 einen Scheitel aufweist,
der der optimalen relativen Phase entspricht, und die Rückkopplungsschleife wird
funktionieren, wenn sie darauf eingestellt ist, den Scheitel des
mittleren Leistungspegels zu finden.
-
4 ist
eine grafische Darstellung einiger Messungen, die die Variation
des mittleren Leistungspegels mit Bias und Phase zeigen. Bei den
optimalen Biaswerten 40 ist die Leistung im Wesentlichen
von der Phase unabhängig,
bei anderen Werten des Bias weist die Leistung jedoch Scheitel und
Mulden in Abhängigkeit
von der Phase ab, wie in 3 gezeigt.
-
Diese
Lösung
hat eine Reihe Nachteile. Zunächst
bedingt sie das systematische Betreiben des ersten Mach-Zehnder-Modulators 2 bei
einem nicht optimalen Biaspegel. Sogar noch wichtiger ist jedoch,
dass sie nur korrekt funktioniert, wenn die Anstieg- und Abfallzeiten
der Datensignale gleich sind, so dass die Augendiagramme symmetrisch
sind. Wenn die Anstieg- und Abfallzeiten ungleich sind, wie es oftmals
in der Praxis der Fall ist, sind die Augendiagramme nicht mehr symmetrisch
und die Positionen der Scheitel und Mulden des mittleren Leistungspegels,
wenn ein nicht optimaler Bias angewendet wird, sind versetzt. Folglich
würde ein
Regelkreis, der die Scheitel und Mulden fand, in einer nicht optimalen Phase
resultieren. Es gibt keine Möglichkeit,
die optimale Phase zu erreichen. Je unterschiedlicher die Anstieg-
und Abfallzeiten sind, desto höher
ist die Verschiebung und folglich der resultierende Phasenfehler. 5 zeigt
eine Oszilloskopspur der optischen Augen, die aus einem verschobenen
Phasenarbeitspunkt aufgrund von nicht symmetrischen Augendiagrammen
resultieren.
-
Aus
diesen Gründen
wird die oben beschriebene bekannte Lösung als unzufrieden stellend
erachtet und wird oftmals überhaupt
nicht angewendet. Stattdessen wird die Phase während der Herstellung präzise ausgebessert.
Dies erfordert jedoch, eine schwierige Justierung in dem Werk durchzuführen, und
weist den weiteren Nachteil auf, dass das System gegenüber sich ändernden
Umgebungsbedingungen anfällig
ist.
-
6 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sender.
Zusätzlich
zu dem Signalgeber 6, der von dem Sender von 2 verwendet
wird, gibt es einen zweiten Signalgeber, der einen zweiten Ton mit
einer anderen Frequenz als der erste Ton, der von dem ersten Signalgeber 6 produziert
wurde, produziert. Der zweite Ton, der von dem zweiten Signalgeber 61 produziert
wurde, wird von einem Addierer 62 dem Bias, der mittels
der Biasregelschaltung 13 auf den ersten Mach-Zehnder-Modulator 2 angewendet
wird, hinzugefügt.
Die Biasregelschaltung 13 ist darauf eingestellt, den Bias
auf den optimalen Arbeitspunkt zu justieren, so dass die Auswirkung
darin besteht, dass der erste Mach-Zehnder-Modulator mit seinem optimalen
Biaspunkt arbeitet, mit einem kleinen Jitter bei der Frequenz des
zweiten Tons. Der zweite Signalgeber liefert außerdem den zweiten Ton an einen zweidimensionalen
Demodulator 63, der den Demodulator 11 von 2 in
dem Phasensteuerkreis ersetzt, der ansonsten dem Phasensteuerkreis
von 2 ähnlich
ist, und die gleichen Bezugsziffern 5–10 und 12 wurden
zum Benennen der entsprechenden Komponenten verwendet.
-
Der
zweidimensionale Demodulator 63 erfasst die Komponente
in der erfassten mittleren optischen Ausgangsleistung, die der Kreuzmodulation des
ersten und des zweiten Tons entspricht. Die Amplitude der Komponente
mit der Frequenz des ersten Tons hängt nicht nur von der Phase,
sondern auch von dem Wert des Bias ab. Der Wert des Bias weist aufgrund
des zweiten Tons eine Schwingungskomponente auf. Folglich wird die
Amplitude der Komponente der mittleren optischen Ausgangsleistung
mit der Frequenz des ersten Tons selbst eine Schwingungskomponente
mit der Frequenz des zweiten Tons aufweisen. Wenn die Frequenzen
des ersten und des zweiten Tons vergleichbar sind, wäre es möglich, eine
Frequenzkomponente der mittleren optischen Ausgangsleistung mit
einer Frequenz zu erfassen, die der Summe oder Differenz der Frequenzen des
ersten und des zweiten Tons entspricht, in unserer gegenwärtig bevorzugten
Technik ist die Frequenz des zweiten Tons jedoch wesentlich niedriger als
die des ersten Tons, beispielsweise 2 Hz im Gegensatz zu 2 kHz für den ersten
Ton. Dies bedeutet, dass dasselbe Bandpassfilter 10 ohne
Modifizierung verwendet werden kann, da die Bandbreite des modulierten
Signals schmal ist. Es bedeutet zudem, dass der zweidimensionale
Demodulator 63 sein kann, wie in 7 gezeigt.
-
Der
in 7 gezeigte Demodulator 63 umfasst einen
ersten Demodulator 11, der dem von 2 ähnlich ist
und angeschlossen ist, um das Eingangssignal und den ersten Ton
zu empfangen, und einen zweiten Demodulator 71, der angeschlossen ist,
um den Ausgang von dem ersten Demodulator 11 und den zweiten
Ton zu empfangen und dazu eingerichtet ist, die Amplitude der Komponente
des Ausgangssignals des ersten Demodulators 11 mit der Frequenz
des zweiten Tons als Ausgang bereitzustellen.
-
Bei
einer solchen Anordnung stellt der Ausgang des zweidimensionalen
Demodulators die Verschiebung von der optimalen Phase sogar im Fall
von nicht idealen optischen Augen mit unterschiedlichen Anstieg-
und Abfallzeiten dar. Seine Amplitude entspricht der Entfernung
und sein Vorzeichen entspricht der Richtung der Phasenverschiebung.
Dadurch können
die oben beschriebenen Probleme überwunden
werden.
-
Die
vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden,
ohne von ihren wesentlichen Charakteristika abzuweichen. Die beschriebenen
Ausführungsformen
sind in jeglicher Hinsicht lediglich als veranschaulichend und nicht
als einschränkend
zu betrachten. Zum Beispiel ist der erste Mach-Zehnder-Modulator, der das
NRZ-Datensignal empfängt,
in der Beschreibung als dem zweiten Mach-Zehnder-Modulator, der
das RZ-Impulssignal empfängt,
vorgeschaltet dargestellt. Selbstverständlich wäre der Betrieb des Senders
unbeeinträchtigt,
wenn die Reihenfolge der Mach-Zehnder-Modulatoren umgekehrt werden
würde.
Des Weiteren könnte
der Dauerstrichlaser plus Impulsübertrager
durch eine Quelle ersetzt werden, die optische Pulse direkt produzieren
würde.
Der Schutzumfang der Erfindung wird folglich von den angefügten Ansprüchen anstelle
der vorstehenden Beschreibung angezeigt. Alle Änderungen, die in den Sinn
und Äquivalenzbereich
der Ansprüche
fallen, sollen von deren Schutzumfang umfasst werden.