DE60208145T2

DE60208145T2 - Ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung optischer Signale

Info

Publication number: DE60208145T2
Application number: DE60208145T
Authority: DE
Inventors: Kentaro Musashino-shi Uchiyama; Hidehiko Musashino-shi Takara; Eiichi Musashino-shi Yamada; Etsu Musashino-shi Hashimoto; Toshio Musashino-shi Morioka
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: DE60208145D1; JP3743626B2; US7024122B2; JP2003143073A; US20030117196A1; EP1309123A2; EP1309123A3; EP1309123B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung, die einen lokalen optischen Impulsstrom oder lokalen elektrischen Takt erzeugt, der in seiner Bit-Phasenlage mit einem von der Übertragungsleitung eingespeisten ultraschnellen optischen Impulsstrom mit einer Wiederholungsfrequenz von über 100 Gbit/s synchronisiert ist.
Ein mit der jüngsten weitverzweigten, schnellen Ausbreitung des Internets einhergehender Anstieg des Datenverkehrs beschleunigt die Implementierung optischer Kommunikationsnetzwerke mit größerer Kapazität. Neben dem Wellenlängenmultiplex ist der Zeitmultiplex eine wirksame Technik, um die Kanalkapazität oder -rate jeder optischen Faser zu erhöhen, jedoch liegt die nun durch Beschleunigung der elektronischen Schaltkreise erreichte Kanalrate bei 40 Gbit/s, und weitere Beschleunigungen sind nicht einfach. Von der optischen Signalverarbeitung, die den nichtlinearen optischen Effekt, welcher eine Reaktion im Subpicosekundenbereich liefert, benutzt, wird erwartet, dass sie die Bandbegrenzungen von elektronischen Schaltungen überwindet, und sie ist nun Gegenstand von Untersuchungen und Entwicklungen mit Blick auf aktive Anwendung in der optischen Kommunikation.
Die auf dem nichtlinearen optischen Effekt basierende optische Signalverarbeitung ist dazu geeignet, eine zeitlich genau festgelegte Wechselwirkung zwischen dem optischen Empfangssignal und einem lokal generierten optischen Signal (lokal generiertes optisches Steuersignal) zu bewirken, um im Bereich des Lichts verschiedene Signalverarbeitungsoperationen, wie Schalten, Wellenlängenumwandlung usw, auszuführen. Die geforderte Genauigkeit der zeitlichen Abstimmung für die Wechselwirkung nimmt mit schneller optischer Signalverarbeitung zu, beispielsweise 1ps oder darunter für 100 Gbit/s-Signalverarbeitung. In der optischen Kommunikation pflanzt sich das optische Signal gewöhnlich durch optische Fasern über eine große Distanz fort, wodurch sich die zeitliche Abstimmung der Ankunft des optischen Signals auf der Empfängerseite durch Ausdehnen und Zusammenziehen der optischen Faser verändert. Folglich macht die Identifikation jedes Bits des optischen Empfangssignals gewöhnlich entsprechend der Veränderung der zeitlichen Abstimmung der Ankunft auf der Empfängerseite eine Taktrückgewinnung erforderlich. Um die optische Signalverarbeitung durchzuführen, ist es notwendig, dass die Empfängerseite als lokalen Takt einen lokalen optischen Impulsstrom mit der veränderlichen zeitlichen Abstimmung des optischen Empfangssignals generiert. Der optische Steuerimpulsstrom wird im allgemeinen durch einen modenstarren Laser oder einen ähnlichen Kurz-Impuls-Laser generiert und wird durch einen optischen Faser-Verstärker verstärkt und anderen Verarbeitungen unterzogen und wird dann mit dem optischen Empfangssignal gekoppelt oder kombiniert; in diesem Beispiel variiert eine Ausbreitungsverzögerung in der verarbeitenden Schaltung selbst, die durch eine temperaturabhängige Ausdehnung oder Kontraktion der optischen Fasern, welche die Schaltung bilden, verursacht wird, ohne weiteres mit einer Rate von annähernd 50 ps/km/°C, was einen kritischen Faktor darstellt, der eine angemessene optische Signalverarbeitung verhindert.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer in der Europäischen Patentveröffentlichung EP 1119119A1 (entsprechend dem US Patent Application Publication Gazette US2002/0027692A1) beschriebenen, herkömmlichen Schaltung für die ultraschnelle Taktrückgewinnung veranschaulicht.
Die gezeigte Schaltung für die ultraschnelle Taktrückgewinnung beinhaltet: ein lokales Takt-Generator-Teil 20, um einen lokalen Takt CK_L zu generieren; ein lokales Rückkopplungssignal-Generator-Teil 30, um ein lokales Rückkopplungssignal FB_L zu generieren; ein lokales Eingangssignalkomponenten-Generator-Teil 40, um aus einem optischen Eingangssignalimpulsstrom LP_R eine Eingangssignalkomponente SC_R zurück zu gewinnen; und ein Phasenvergleichsteil 50, das die Phasen des lokalen Rückkopplungssignals FB_L und der Eingangssignalkomponente SC_R vergleicht und das Vergleichsergebnis dem lokalen Takt-Generator-Teil 20 als ein Spannungssteuerungssignal V_C zur Verfügung stellt. Das lokale Takt-Generator-Teil 20, das lokale Rückkopplungssignal-Generator-Teil 30 und das Phasenvergleichsteil 50 bilden eine phasenstarre Schleife (PLL).
Das lokale Takt-Generator-Teil 20 ist aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 21, einer lokalen Impuls-Generator-Lichtquelle 22 und einem optischen Verzweigungsteil 23 aufgebaut. Das Eingangssignalkomponenten-Generator-Teil 40 ist aus einem optischen Modulator 41, einem Photodetektor 42 und einem Multiplexer 43 aufgebaut. In den begleitenden Zeichnungen repräsentieren Symbole in jeweils einem Paar von Klammern [**] eine Frequenz, durchgehende dicke Linien zeigen einen optischen Signalweg und durchgehende dünne Linien einen elektrischen Signalweg an.
Der über eine optische Übertragungsleitung 9 gesendete optische Eingangssignal-Impulsstrom LP_R mit einer Wiederholungsfrequenz Nf_a (wobei N die Anzahl der Multiplexkanäle ist) wird durch ein optisches Verzweigungsteil 11 zweigeteilt, wobei der eine Teil als ein ursprünglicher optischer Eingangssignal-Impulsstrom LP_R ausgegeben wird und der andere Teil in den optischen Modulatar 41 des Eingangssignalkomponenten-Generator-Teils 40 gespeist wird. Andererseits wird die lokale Impuls-Generator-Lichtquelle 22 von einem Steuersignal So mit einer Frequenz f_VCO von dem spannungsgesteuerten Oszillator 21 angesteuert, um einen lokalen optischen Impulsstrom LP_L zu generieren. Der lokale optische Impulsstrom LP_L wird durch das optische Verzweigungsteil 23 zweigeteilt, wobei ein Teil über einen lokalen Ausgabeweg 2LP als der lokale Takt CK_L ausgegeben wird und der andere Teil über einen Rückkopplungsweg 2FP zur Umwandlung in das lokale elektrische Rückkopplungssignal FB_L in den Photodetektor 31 eingespeist wird.
Das lokale Rückkopplungssignal FB_L mit der Frequenz f_VCO vom Photodetektor 31 wird zweigeteilt, wobei ein Teil durch den Vervielfacher 43 zu einem Modulationssignal S_M mit der Frequenz f_m = Lf_VCO, das auf den optischen Modulator 41 angewandt wird, mit L vervielfacht wird. Der optische Modulator 41, beispielsweise ein optischer Elektroabsorptionsmodulator, besitzt die Eigenschaft einer nahezu linearen Antwort auf das elektrische Treibersignal.
Die Eingangssignalkomponente SC_R mit einer Frequenz Nf_a – n(Lf_VCO) (wobei n eine natürliche Zahl ist) wird durch den Photodetektor 42 aus dem von dem optischen Modulator 41 ausgegebenen optischen Signal rückgewonnen, und das rückgewonnene Signal wird in einen Phasenvergleicher 51 eingespeist. Das von dem Photodetektor 31 abgezweigte elektrische Rückkopplungssignal FB_L wird durch einen Multiplexer 52 zu einem Signal FB_L mit einer Frequenz Mf_VCO, das in den Phasenvergleicher 51 zum Vergleich mit der Eingangssignalkomponente SC_R der Frequenz Nf_a – n(Lf_VCO) eingespeist wird, mit M vervielfacht. Ein aus dem Vergleich resultierendes Fehlersignal wird als das Spannungssteuersignal V_C zu dem spannungsgesteuerten Oszillator 21 rückgekoppelt, um dessen Oszillationsfrequenz f_VCO zu steuern. Als ein Ergebnis wird der lokale optische Impulsstrom LP_L der lokalen Impuls-Generator-Lichtquelle 22, der von dem optischen Verzweigungsteil 23 ausgegeben wird, von dem lokalen Ausgabeweg 2LP als der mit dem optischen Eingangssignalimpulsstrom LP_R bitphasensynchronisierte lokale Takt zur Verfügung gestellt.
In Bezugnahme auf die 2A und 2B wird die Funktion des optischen Modulators 41 beschrieben.
2A stellt das Frequenzspektrum des Ausgangslichts des optischen Modulators 41 für den Fall dar, dass ein optischer Impulsstrom mit der Wiederholungsfrequenz f₀ darin durch das Modulationssignal S_m mit der Frequenz f_m moduliert wird. Der optische Impulsstrom mit der Wiederholungsfrequenz f₀ besitzt Modulationskomponenten f_c + f₀ und f_c – f₀ auf beiden Seiten einer optischen Trägerfrequenz f_c. Wie in 2A gezeigt, werden durch die Modulation des optischen Impulsstroms durch das elektrische Signal S_m mit der Frequenz f_m in dem optischen Modulator 41 durch die Frequenz f_m viele Modulations-Seitenbänder um die Trägerkomponente f_c bzw. die Modulationskomponenten f_c ± f₀ neu generiert. Wie in 2B gezeigt, erscheinen durch Umwandlung eines solchen Modulationssignals im Photodetektor 42 in ein elektrisches Signal in dessen Leistungsspektrum Schwebungssignale (f₀ ± nf_m, wobei n eine natürliche Zahl ist) mit Intervallen f_m um die Wiederholungsfrequenz f₀. Selbst mit der gegenwärtigen Photodiode mit begrenztem Frequenzband ist es möglich, Schwebungssignale im Niederfrequenzbereich zu detektieren.
Die Modulationsseitenbänder enthalten Phaseninformationen des Originalsignals, und die Phaseninformation spiegelt sich ebenso in der Schwebung zwischen den Modulationsseitenbändern wider. Entsprechend ist es durch Konstruktion einer phasenstarren Schleife (PLL) durch die Benutzung des Schwebungssignals, das durch Einspeisen des Modulationssignals S_m mit der Frequenz f_m = Lf_VCO des Multiplexers 43 in den optischen Modulator 41 produziert wird, möglich, ein mit einem optischen Impulsstrom mit der Wiederholungsfrequenz von über 100 GHz synchronisiertes elektrisches Signal zu generieren.
Lassen Sie uns beispielsweise den Fall betrachten, wo Nf_a= 160 GHz, Nf_VCO = 20 GHz und L = M = 2 in der in 1 dargestellten herkömmlichen ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung ist. Dieser Fall entspricht der Generierung eines optischen Steuerimpulsstroms (d.h. eines lokalen optischen Impulsstroms LP_L), der mit einem optischen Zeitmultiplexsignal (d.h. einem optischen Eingangsimpulsstrom LP_R) mit einer Wiederholungsfrequenz von 160 GHz bitphasensynchronisiert ist und eine Wiederholungsfrequenz von 20 GHz hat. Die Modulationsfrequenz des optischen Modulators 41 ist f_m = Lf_VCO = 40 GHz, und die Frequenzen des Schwebungssignals, die am Ausgang des Photodetektors 42 beobachtet werden, sind jeweils 160 – nx40 = 120, 80 und 40 (GHz) für n = 1, 2 bzw. 3. Aus der Sicht der mit elektrischen Schaltungen möglichen Frequenzbänder ist 40 GHz zur Durchführung eines Phasenvergleichs eine geeignete Frequenz. Die Einstellung M = 2 für den Vervielfacher 52 im Phasenvergleichsteil 50 entspricht der Phasenvergleichsfrequenz von 40 GHz.
Der obige Betriebszustand führt zu einem nachfolgend beschriebenen Problem. Das Schwebungssignal am Ausgang des Photodetektors 42 enthält nämlich nicht nur die Schwebung (erste Schwebungskomponenten 160 – n × 40 mit n = 0, 1, 2, 3, ...) zwischen der 160 GHz – Komponente des optischen Eingangssignals und der Modulationsfrequenzkomponente (f_m = Lf_VCO = 40 GHz) des optischen Modulators enthält, sondern ebenso eine Schwebung zwischen der DC-Komponente (0 Hz) des optischen Eingangssignals und der Modulationsfrequenzkomponente f_m (40 GHz) des optischen Modulators 41; namentlich enthält das Ausgangssignal des Photodetektors 42 als eine zweite Schwebungskomponente Komponenten mit der Frequenz f_m des Modulationssignals S_m und einer Frequenz kf_m (wobei k = 1, 2, ...), die ein natürlichzahliges Mehrfaches der Frequenz f_m ist. So enthalten die erste und die zweite Schwebungskomponente beide genau die gleiche Frequenz von 40 GHz. Wie oben angeführt, enthält die erste Schwebungskomponente der Frequenz 160 – nf_m die Phaseninformation des optischen Eingangssignals und wird in der phasenstarren Schleife benutzt, während die zweiten Schwebungskomponenten kf_m (mit Frequenzen 40, 80, ... GHz) nicht die Phaseninformation des optischen Eingangssignals beinhalten. Auf diese Weise beeinträchtigt die Gegenwart der zweiten Schwebungskomponenten den Phasenvergleich zwischen der ersten Schwebungskomponente und der Ausgangskomponente Mf_VCO des Multiplexers durch den Phasenvergleicher 51, was den ganzen Betrieb der phasenstarren Schleife (PLL) instabil macht.
Wenn weiterhin beispielsweise L = 3, M = 2 und n = 2 ist, dann ist f_m = 60 GHz; wenn die 40 GHz-Komponente als die erste Schwebungskomponente (100, 40, ... (GHz)) benutzt wird, ist es möglich, die Störung durch die zweite Schwebungskomponente (60, 120, ... (GHz)) bei der Phasenvergleichsfrequenz von 40 GHz zu vermeiden. In anderen Worten ist es möglich zu vermeiden, dass die erste und die zweite Schwebungskomponente die gleiche Frequenz enthalten. Dies erfordert jedoch die Benutzung von f_m = 60 GHz (und 40 GHz als die Phasenvergleichsfrequenz) als Modulationsfrequenz; in der gegenwärtigen Mikrowellentechnologie ist diese Vorgehensweise in Anbetracht der Kosten und der Leistung ziemlich unvorteilhaft, verglichen mit dem Fall, dass Frequenzen bis hinunter zum K-Band unterhalb von 26,5 GHz benutzt werden.
Kurz gesagt erlaubt jede Kombination der Parameter L, M und n weder eine Kostenreduzierung noch stellt sie Stabilität in der Generierung des lokalen, mit dem optischen 160 Gbit/s-Zeitmultiplexsignal bitphasensynchronisierten Taktes CK_L mit einer Wiederholungsfrequenz von 20 GHz zur Verfügung.
Zusammenfassung der Erfindung
Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine ultraschnelle Schaltung zur Taktrückgewinnung zur Verfügung zu stellen, die verhindert, dass die Frequenz eines zu niedrigeren Frequenzen hin umgewandelten elektrischen Signals, das die Phaseninformation des optischen Eingangssignals trägt, dieselbe Frequenz wird wie die aus der Modulation der im optischen Eingangssignal enthaltenen DC-Komponente durch den optischen Modulator entstandene, und die gleichzeitig einen Anstieg der Signalfrequenz in der phasenstarren Schleife (PLL) unterdrückt, was eine kostengünstige und stabile Generierung eines lokalen optischen, mit dem optischen Eingangssignal bitphasensynchronisierten Impulsstroms sicherstellt.
Dieses Ziel wird durch eine ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung, wie in Anspruch 1 beansprucht, erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bietet eine unentbehrliche Basistechnik, um jede optische Signalverarbeitung durch Kompensierung von Verzögerungsfluktuationen im optischen Steuersignalgeneratorsystem zu stabilisieren sowie um dadurch Fehler im gegenseitigen Positions-Bezug des optischen Empfangssignalimpulsstroms und des optischen Steuerimpulsstroms zwischen ihren Bits unterhalb von Subpicosekunden zu halten.
Mit dem Verhältniseinstellungsmittel ist es möglich, zu verhindern, dass die Frequenz des Modulationssignals zur Einspeisung in den optischen Modulator ein ganzzahliges Verhältnis der Wiederholungsfrequenz Nf_a des optischen Eingangssignalimpulsstroms wird. Entsprechend ist es möglich zu vermeiden, dass die Frequenz eines zu niedrigeren Frequenzen hin umgewandelten elektrischen Signals, das die Phaseninformation der optischen Eingangssignals trägt, identisch mit der Frequenz wird, die aus der Modulation, der im optischen Eingangssignal enthaltenen DC-Komponente durch den optischen Modulator resultiert.
In der ultraschnellen Schaltung zur Taktrückgewinnung kann das lokale Taktgeneratorteil gebildet werden durch einen spannungsgesteuerten Oszillator, eine lokale Impulsgenerator-Lichtquelle, ein optisches Verzweigungsteil, und das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil kann aus einem Photodetektor und einem Frequenzteiler gebildet werden.
Das lokale Taktgeneratorteil kann ebenso aus einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Multiplexer gebildet werden, so dass ein lokaler elektrischer Takt als der lokale Takt aus dem Vervielfacher ausgegeben wird und die Ausgabe des spannungsgesteuerten Oszillators als ein elektrisches Signal in das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil eingespeist wird, um ein lokales Rückkopplungssignal zu generieren.
In der ultraschnellen Schaltung zur Taktrückgewinnung kann der lokale optische Impuls des lokalen Taktgeneratorteils in das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil eingespeist werden, nachdem es durch einen optischen Frequenzteiler frequenzgeteilt wurde.
In der ultraschnellen Schaltung zur Taktrückgewinnung kann der lokale Takt durch einen optischen Vervielfacher vervielfacht werden, um als Ausgabe des lokalen Taktes zu dienen. Dies erlaubt die Unterdrückung der Wiederholungsfrequenz des lokalen optischen Impulsstroms der lokalen optischen Impulsgeneratorlichtquelle, wodurch es möglich ist, innerhalb der phasenstarren Schleife (PLL) die gleiche Signalfrequenz, wie dies durch Frequenzuntersetzung der Photodetektorausgabe im lokalen Rückkopplungssignalgeneratorteil erreichbar wäre, zu erhalten.
Die ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung kann ebenso so angepasst werden, dass der lokale Takt durch einen optischen Vervielfacher vervielfacht wird, um den lokalen Ausgabetakt zu generieren, während zur gleichen Zeit im lokalen Rückkopplungssignalgeneratorteil der Rückkopplungstakt frequenzuntersetzt wird. Eine solche individuelle Generierung der beiden Takte erhöht die Flexibilität im Schaltungsdesign, was eine erhöhte funktionelle Stabilität zur Verfügung stellt und Kostenreduktion erlaubt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Schaltung zur mit dem optischen Eingangssignalimpulsstrom phasensynchronisierten Generierung eines lokalen optischen Impulsstroms oder lokalen elektrischen Taktes zur Verfügung. Die Schaltung benutzt eine Phasendetektionstechnik unter Benutzung der aus der optischen Modulation resultierenden Modulationsseitenbänder und einer phasenstarren Schleifen-Technik (PLL).
Herkömmlicherweise können manchmal die Phasenvergleichsfrequenz in der phasenstarren Schleife (PLL) und die optische Modulationsfrequenz gleich werden, was die Funktion der phasenstarren Schleife (PLL) instabil macht. Um dies zu vermeiden, bietet die vorliegende Erfindung eine Konstruktion an, die einen Frequenzteiler in der phasenstarren Schleife (PLL) besitzt, eine Konstruktion, die einen optischen Vervielfacher zur Ver-K-fachung der Wiederholungsfrequenz des lokalen optischen Impulsstroms im Lichtbereich besitzt, und eine Konstruktion, die in Kombination mit dem Frequenzteiler und dem optischen Vervielfacher ausgestattet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eine herkömmliche ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung zeigt;
2A ist ein Diagramm zur Erklärung des optischen Frequenzspektrums der Ausgabe eines optischen Modulators 43 in 1;
2B ist ein Diagramm zur Erklärung des elektrischen Spektrums der Ausgabe eines Photodetektors 42 in 1;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
5A ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines optischen Vervielfachers 24 in 4 zeigt;
5B ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel des optischen Vervielfachers 24 zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist ein Blockdiagramm, das eine vierte Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist ein Blockdiagramm, das eine fünfte Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines optischen Frequenzteilers 25 zeigt; und
10 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel des optischen Frequenzteilers 25 zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
Ausgestaltung 1
3 stellt in Blockform eine erste Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie im Fall des Beispiels des Standes der Technik von 1 ist diese ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung dieser Ausgestaltung aus dem lokalen Taktgeneratorteil 20, dem lokalen Rückkopplungsgeneratorteil 30, dem Eingangssignalkomponentengeneratorteil 40 und dem Phasenvergleichsteil 50 aufgebaut; weiterhin sind das lokale Taktgeneratorteil 20, das Eingangssignalkomponentengeneratorteil 40 und das Phasenvergleichsteil 50 ebenso in ihrer Konstruktion identisch mit den entsprechenden Teilen in 1. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von dem Beispiel nach dem Stand der Technik insofern, als das lokale Rückkopplungsgeneratorteil 30 einen Frequenzteiler 32 enthält, der die Frequenz f_VCO des Ausgangssignals des Photodetektors 31 durch K teilt und das lokale Rückkopplungssignal FB_L mit der Frequenz f_VCO/K ausgibt.
Der optische Eingangssignalimpulsstrom LP_R mit der Wiederholungsfrequenz Nf_a wird durch ein optisches Verzweigungsteil 11 zweigeteilt, wobei ein Teil in den optischen Modulator 41 eingespeist wird. Auf der anderen Seite wird die lokale Impulsgeneratorlichtquelle 22 von einem Treibersignal So mit der Frequenz f_VCO von dem spannungsgesteuerten Oszillator 21 angesteuert, um den lokalen optischen Impulsstrom LP_L mit der Wiederholungsfrequenz f_VCO zu generieren. Der lokale optische Impulsstrom LP_L wird durch das optische Verzweigungsteil 23 zweigeteilt, wobei ein Teil über den Rückkopplungsweg 2FP zum Photodetektor 31 zur Umwandlung in ein elektrisches Signal verzweigt wird. In dieser Ausgestaltung ist das elektrische Ausgangssignal mit der Frequenz f_VCO vom Photodetektor 31 durch den Frequenzteiler 32 auf 1/K frequenzuntersetzt, um das lokale Rückkopplungssignal FB_L mit der Frequenz f_VCO/K zu bilden, welches zweigeteilt wird, wobei ein Teil durch den Vervielfacher 43 zum Modulationssignal S_m mit der Frequenz f_m = Lf_VCO/K ver-L-facht wird, um den optischen Modulator 41 anzusteuern.
Der in dieser Ausgestaltung benutzte optische Modulator 41 ist ein Modulator, wie ein Intensitätsmodulator, ein Elektroabsorptionsmodulator, ein optischer Halbleitermodulator, ein optischer Kammgenerator oder ein optischer Phasenmodulator, der nichtlinear auf das elektrische Treibersignal (d.h. das Modulationssignal S_m) reagiert. Gelegentlich kann der optische Modulator 41 auch von einem optischen Modulator mit linearer Antwortcharakteristik gebildet werden. Das gleiche gilt für später beschriebene Ausgestaltungen.
Der Frequenzteiler 32 wird beispielsweise durch eine Flip-Flop-Schaltung, eine Impulsakkumulatorschaltung oder einen Rückkopplungsfrequenzuntersetzer, der eine monostabile Kippstufe benutzt, gebildet. Als ein Hochgeschwindigkeits-Frequenzteiler, der mit 20 GHz arbeitet, ist beispielsweise der MOF08A(T-FF) von NTT Electronics, Ltd. erhältlich.
Das optische Signal des optischen Modulators 41 wird durch den Photodetektor 42 zum elektrischen Eingangssignalkomponentensignal SC_R mit der Frequenz Nf_a – (nL/K)f_VCO (wobei n eine natürliche Zahl ist) umgewandelt, das in den Phasenvergleicher 51 eingespeist wird. Das andere Ausgangssignal des Frequenzteilers 32, d. h. das lokale Rückkopplungssignal FB_L, wird durch den Vervielfacher 52 ver-M-facht und das ver-M-fachte Signal FB_L wird in den Phasenvergleicher 51 zum Phasenvergleich mit dem elektrischen Eingangssignalkomponentensignal SC_R mit der Frequenz Nf_a – (nL/K)f_VCO eingespeist. In diesem Fall werden die Werte der ganzen Zahlen L, K und M so gewählt, dass Nf_a – (nL/K)f_VCO = (M/K)f_VCO gilt. Ein aus dem Phasenvergleich resultierendes Fehlersignal wird als das Spannungssteuerungssignal V_C in den spannungsgesteuerten Oszillator 21 rückgekoppelt, um seine Schwingungsfrequenz f_VCO zu steuern.
Als ein Ergebnis wird von der lokalen Impulsgenerator-Lichtquelle der lokale Impulsstrom LP_L vom lokalen Ausgabeweg 2LP als der lokale Takt CK_L, der mit dem optischen Eingangssignalimpulsstrom LP_R bitphasensynchronisiert ist, zur Verfügung gestellt. Der Frequenzteiler 32 stellt in dieser Ausgestaltung ein Verhältniseinstellmittel zur Einstellung der Frequenz des lokalen Rückkopplungssignals FB_L auf einen ganzzahligen (2 oder größer) Bruchteil der Frequenz des lokalen Ausgabetaktes CK_L dar.
In Tabelle 1 sind konkrete Beispiele von Zahlenwerten der Parameter N, f_a, f_VCO, K, L, M, f_m, n und Nf_a – nf_m für einige Beispiele der Wiederholungsfrequenz des optischen Eingangsimpulsstroms gezeigt.
Tabelle 1: Konkrete Beispiele von Zahlenwerten in Ausgestaltung 1
Da in allen in der oben stehenden Tafel 1 gezeigten Fällen Nf_a – (nL/K)f_VCO = (M/K)f_VCO < f_m gilt, wird im Phasenvergleicher (M/K)f_VCO nicht mit einem ganzzahligen Vielfachen von f_m zusammenfallen. Das bedeutet, dass diese Ausgestaltung die Möglichkeit, dass die Phasenvergleichsfrequenz (M/K)f_VCO in der phasenstarren Schleife (PLL) gleich der optischen Modulationsfrequenz f_m = (L/K)f_VCO, welche keine Eingangssignalkomponente enthält, oder ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz f_m wird, ausschließt – dies löst das beim Stand der Technik auftretende Problem der funktionellen Instabilität.
Die Faktoren L und M der Vervielfacher 43 und 52 können in Abhängigkeit vom Grad, in dem die im optischen Modulator auftauchenden Taktsignale zu detektieren sind, oder in Abhängigkeit der Art und Weise, wie die Frequenz zum Phasenvergleich im Phasenvergleicher 51 gewählt wird, verschiedene Werte (ganze Zahlen) annehmen. Wenn der Faktor der Frequenz 1 ist, beeinflusst der Vervielfacher das elektrische Eingangssignal in keiner Weise, weshalb er weggelassen werden kann. Dies gilt für die folgenden Ausgestaltungen; das bedeutet, dass Vervielfacher, deren Faktoren 1 sind, weggelassen werden können.
Darüber hinaus kann der spannungsgesteuerte Oszillator 21 mit einem Vervielfacher kombiniert werden. Das bedeutet, dass ein spannungsgesteuerter Oszillator mit einer Frequenz (1/Q)f_VCO und ein Vervielfacher mit einem Faktor Q kombiniert werden können. Das gleiche gilt für die unten beschriebenen Ausgestaltungen. Die Phasenvergleichsfrequenz (Nf_a – nf_m) kann vorzugsweise so niedrig sein, dass kommerziell verfügbare PLL-IC (mit einem Frequenzband < 1 GHz) oder Ähnliches benutzt werden können. Es muss hier angemerkt werden, dass die in den Zeilen Nr. 4 und 5 in Tabelle 1 gegebenen Zahlenwerte als Beispiele mit der Absicht, die Phasenvergleichsfrequenz Nf_a – nf_m zu senken, angelegt sind. Die Konfiguration zur Verringerung der Phasenvergleichsfrequenz ist ebenso in der vorher erwähnten Europäischen Patentanmeldung EP 11 191 19 A1 beschrieben.
Ausgestaltung 2
4 stellt in Blockform eine zweite Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung gemäß vorliegender Erfindung dar, die eine Modifikation der ersten Ausgestaltung ist. In dieser Ausgestaltung wird der Frequenzteiler 32 nicht in dem lokalen Rückkopplungssignalgeneratorteil 30 zur Verfügung gestellt, sondern statt dessen wird ein optischer Vervielfacher 24 im Ausgabeweg 2LP des optischen Verzweigungsteils zur Verfügung gestellt, so dass der ausgegebene lokale Takt ver-J- facht ist. Entsprechend ist die Frequenz des lokalen Rückkopplungssignals FB_L, die vom Rückkopplungssignalgeneratorteil 30 ausgegeben wird, f_VCO, und die Frequenz des Modulationssignals zur Einspeisung in den optischen Modulator 41 ist f_m = Lf_VCO. Weiterhin ist die Frequenz der Eingangssignalkomponente SC_R vom Photodetektor 42 zur Einspeisung in den Phasenvergleicher 51 Nf_a – nLf_VCO, und die Frequenz des Signals des Vervielfachers 52 zur Einspeisung in den Phasenvergleicher 51 ist Mf_VCO; die Werte der ganzen Zahlen L und M sind so gewählt, dass diese zwei Frequenzen gleich werden. Die Beschreibung wird für die anderen Teile und Funktionen nicht wiederholt, da sie jenen in Ausgestaltung 1 gleichen.
Auch in dieser Ausgestaltung ist der lokale Impulsstrom LP_L der lokalen Impulsgenerator-Lichtquelle 22, der von der optischen Verzweigung 23 ausgegeben wird, mit dem optischen Eingangssignalimpulsstrom LP_R bitphasensynchronisiert. Die Wiederholungsfrequenz f_VCO des lokalen optischen Impulsstroms LP_L wird durch den optischen Vervielfacher 24 ver-J-facht, um den lokalen Takt mit der Frequenz Jf_VCO zur Verfügung zu stellen. Deshalb können die zuvor erwähnten Parameter so eingestellt werden, dass die Frequenz Mf_VCO des einen Signals zum Phasenvergleicher 51 kein ganzzahliges Vielfaches der Modulationsfrequenz f_m = Lf_VCO wird. Der optische Vervielfacher 24 stellt in dieser Ausgestaltung ein Verhältniseinstellungsmittel zur Einstellung der Frequenz des lokalen Rückkopplungssignals FB_L auf ein ganzzahliges (2 oder größer) Vielfaches des lokalen Taktes CK_L dar.
5A stellt in Blockform ein Beispiel des optischen Vervielfachers 24 dar. In dem dargestellten Beispiel besitzt der optische Vervielfacher 24 eine Konstruktion, in der J Ausgangsanschlüsse eines optischen Ein-Eingang-J-Ausgänge-Signalteilers 24A und J Eingangsanschlüsse eines optischen J-Eingänge-Ein-Ausgang-Kombinierers 24B über Verzögerungselemente 24D₁ , 24D₂ , ..., 24D_J–1 , mit Verzögerungswerten (n – 1)Δt, wobei n = 1, 2, ..., J ist (die ersten Buchsen seien direkt ohne zwischengeschaltete Verzögerungselemente miteinander verbunden), miteinander verbunden sind. Durch Einstellung der Verzögerungswerte der Verzögerungselemente auf Werte, welche die Bedingung Δt = 1/f_VCO erfüllen, kann der lokale optische Impulsstrom LP_L mit einer Wiederholungsperiode J/f_VCO in den lokalen Taktstrom CK_L mit einer Wiederholungsperiode Δt = 1/f_VCO umgewandelt werden. Der optische Signalteiler 24A und der optische Kombinierer 24B kann jeder durch einen Viel-Moden-Interferenz-Koppler, wie einen durch Schmelzen verlängerten optischen Faserkoppler oder eine planare Lichtwellenvorrichtung, gebildet werden.
4B stellt ein anderes Beispiel des optischen Vervielfachers 24 dar. Das dargestellte Beispiel ist eine Kaskadenverbindung von J – 1 asymmetrischen Mach-Zehnder-Interferometern, jedes gebildet aus zwei 1 × 2-Kopplern 24C, verbunden mit zwei dazwischen gebildeten optischen Wegen OP1 und OP2, und einem Verzögerungselement 24D mit der Verzögerung Δt = 1/f_VCO, das in dem einen optischen Weg OP1 in Reihe eingesetzt ist.
Tabelle 2: Konkrete Beispiele von Zahlenwerten in Ausgestaltung 2
Im oben Stehenden können Vervielfacher mit einem Multiplikationsfaktor 1 weggelassen werden. Da der Multiplikationsfaktor M in beiden Zeilen Nr. 1 und 2 in Tabelle 2 1 ist, kann der entsprechende Vervielfacher 52 weggelassen werden.
Wie oben beschrieben, schließt diese Ausgestaltung ebenso die Möglichkeit aus, dass die Phasenvergleichsfrequenz (Mf_VCO) in der phasenstarren Schleife (PLL) gleich der optischen Modulationsfrequenz (f_m = Lf_VCO) oder einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz f_m wird.
Weiterhin entspricht das Beispiel der in den Spalten Nr. 1 und 3 in Tabelle 1 und der in den Nr. 1 und 3 in Tabelle 2 gegebenen numerischen Werte derselben Frequenzgestaltung. Das bedeutet, dass es entsprechend dieser Ausgestaltung möglich ist, einen Anstieg der Schwingungsfrequenz f_VCO des spannungsgesteuerten Oszillators 21, der durch einen Anstieg der Wiederholungsfrequenz Nf_a des optischen Eingangssignalimpulses und der Wiederholungsfrequenz f_a von dessen niedergradigem Gruppensignal verursacht wird, zu unterdrücken. Dies bedeutet, dass diese Ausgestaltung auch in der Lage ist, einen Anstieg der Schwingungsfrequenz der lokalen Impulsgenerator-Lichtquelle 22 zu unterdrücken. Die Beschleunigung der lokalen Impulsgenerator-Lichtquelle 22 erhöht die Belastung einer sie ansteuernden Hochfrequenzschaltung, und des weiteren benötigt das Erreichen eines geforderten optischen Signal-Rausch-Verhältnisses eine größere mittlere optische Leistung – dies vergrößert die Belastung der Lichtquelle selbst und eines optischen Verstärkers (die Lichtquelle ist gewöhnlich aus einer Kombination eines Laserlicht emittierenden Elements und eines optischen Faserverstärkers gebildet). Entsprechend verbessert das Niedrighalten der Schwingungsfrequenz der Lichtquelle 22 die funktionelle Stabilität des ganzen Systems und reduziert die Kosten.
Ausgestaltung 3
6 stellt in Blockform eine dritte Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung zur Taktrückgewinnung gemäß vorliegender Erfindung dar, die eine andere modifizierte Form der ersten Ausgestaltung ist. Wie im Fall der zweiten Ausgestaltung in 4, benutzt diese Ausgestaltung den zum optischen Ausgangsweg 2LP des optischen Verzweigungsteils 23 aus der ersten Ausgestaltung von 3 hinzugefügten optischen Vervielfacher 24. Die Funktion dieser Ausgestaltung ist die Gleiche, die oben in Bezug auf die erste und die zweite Ausgestaltungen beschrieben ist. Der optische Vervielfacher 24 und der Frequenzteiler 32 bilden ein Verhältniseinstellungsmittel, um die Frequenz des lokalen Rückkopplungssignals FB_L auf einen ganzzahligen (2 oder größer) Bruchteil der Frequenz des lokalen optischen Taktes CK_L einzustellen.
Die Parameter L, K und M sind so ausgewählt, dass sie die Frequenzbeziehungen Nf_a – (nL/K)f_VCO = (M/K)f_VCO im Phasenvergleicher 51 erfüllen. Tabelle 3 zeigt Beispiele von konkreten numerischen Werten in dieser Ausgestaltung.
Tabelle 3: Konkrete numerische Werte in der Ausgestaltung 3
Die in den Zeilen Nr. 2 und 3 in den Tabellen 1 und 2 gegebenen numerischen Werte und die numerischen Werte in den Spalten Nr. 1 und 2 in Tabelle 3 beziehen sich auf die gleiche Frequenzgestaltung.
Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von den ersten und zweiten Ausgestaltungen darin, dass 20 GHz als die Frequenz f_VCO des spannungsgesteuerten Oszillators 21 im Falle der Generierung des lokalen 20 GHz-Taktstroms CK_L gewählt werden kann.
Dies hängt mit der Charakteristik der Lichtquelle 22 zusammen. Wenn beispielsweise ein modenstarrer Halbleiterlaser als die Lichtquelle 22 benutzt wird, verursacht eine Abnahme der Wiederholungsfrequenz eine Zunahme der Resonatorlänge, da die Wiederholungsfrequenz und die Resonatorlänge invers proportional zueinander sind, was die Herstellung der Laser schwieriger macht. Gewöhnlich erlaubt eine Wiederholungsfrequenz von 10 GHz eine leichtere Herstellung von modenstarren Halbleiterlasern als eine Wiederholungsfrequenz von 20 GHz. Im Falle der Benutzung der in Spalte Nr. 2 in den Tabellen 1 und 2 und in Zeile Nr. 1 in Tabelle 3 gegebenen numerischen Werte, das bedeutet im Falle der Generierung eines 40 GHz-Taktes CK_L für das optische Eingangssignal, wird die Konfiguration, die eine 20 GHz-Lichtquelle benutzt, mit dieser Ausgestaltung das erste Mal möglich.
Wie zuvor in Bezug auf die zweite Ausgestaltung beschrieben, erhöht die Beschleunigung der Lichtquelle 22 gewöhnlich die Belastung für die anderen Teile, jedoch ist eine Niedrig-Geschwindigkeits-Arbeitsweise aus der Sicht der Herstellung wie oben beschrieben in einigen Fällen nicht das Optimum. Diese Ausgestaltung ist dazu bestimmt, solch ein Problem zu lösen und ist dahingehend vorteilhaft, dass die kombinierte Benutzung des elektrischen Frequenzteilers 32 und des optischen Vervielfachers 24 die Implementierung von flexibleren phasenstarren Schleifen-Schaltungen (PLL) ermöglicht, was eine erhöhte funktionelle Stabilität zur Verfügung stellt und eine Kostenreduktion erlaubt.
Ausgestaltung 4
7 stellt in Blockform eine vierte Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Im Gegensatz zur ersten bis dritten Ausgestaltung gibt diese Ausgestaltung anstatt eines optisch ausgegebenen Taktes einen elektrischen, lokal generierten, mit dem optischen Signalimpulsstrom LP_R synchronisierten Takt CK_L aus. Genauer gesagt sind in der dritten Ausgestaltung von 6 die Lichtquelle 22 und der Photodetektor 31 entfernt, und das optische Verzweigungsteil 23 und der optische Vervielfacher 24 sind durch ein elektrisches Verzweigungsteil 23' und einen elektrischen Vervielfacher 24' ersetzt. Die Ausgabe des spannungsgesteuerten Oszillators 21 wird durch das Verzweigungsteil 23' zum Vervielfacher 24' und dem Frequenzteiler 32 verzweigt.
Die anderen Anordnungen und Funktionen gleichen denen der Ausgestaltung von 6. Das bedeutet, dass das Ausgangssignal mit der Frequenz f_VCO des spannungsgesteuerten Oszillators 21 durch den Vervielfacher 24' mit J multipliziert wird und dass die phasenstarre Schleife (PLL) so konfiguriert ist, dass der lokale, vom Vervielfacher 24' ausgegebene elektrische Takt CK_L mit der Phase des optischen Eingangssignalimpulsstroms LP_R zusammenfällt. Im Phasenvergleicher 51 ist Nf_a – (nL/K)f_VCO = (M/K)f_VCO erfüllt.
Der Vervielfacher 24' entspricht dem optischen Vervielfacher 24 in der zweiten Ausgestaltung, durch den ein Frequenzanstieg in der phasenstarren Schleife unterdrückt werden kann. Des weiteren entspricht die kombinierte Benutzung des Frequenzteilers 32 und des Vervielfachers 24' der kombinierten Benutzung des Frequenzteilers 32 und des optischen Vervielfachers 24 in der dritten Ausgestaltung. Wenn die Frequenzuntersetzungszahl K1 ist, kann der Frequenzteiler 32 weggelassen werden. Der Vervielfacher 24' und der Frequenzteiler 32 bilden ein Verhältnis-Einstellungsmittel zur Einstellung der Frequenz des lokalen Rückkopplungssignals FB_L auf einen ganzzahligen (2 oder größer) Bruchteil der Frequenz des lokalen Ausgabetaktes CK_L. Tabelle 4 zeigt Beispiele von konkreten Werten der Parameter in der vierten Ausgestaltung.
Tabelle 4: Beispiele von konkreten Zahlenwerten in der Ausgestaltung 4
Der elektrische Ausgabetakt C in dieser Ausgestaltung ist phasensynchronisiert mit dem optischen Eingangssignalimpulsstrom A; deshalb kann sie durch Benutzung dieses Taktes als ein Treibersignal Für den optischen Elektroabsorptionsmodulator, beispielsweise ein elektrisch gesteuertes optisches Tor, als ein optischer Zeitdemultiplexer für das optische Eingangssignal betrieben werden.
Ausgestaltung 5
8 stellt in Blockform eine fünfte Ausgestaltung der ultraschnellen Schaltung für Taktrückgewinnung, die eine Modifikation der in 6 gezeigten dritten Ausgestaltung ist, dar. In dieser Ausgestaltung ist der in den Ausgabeweg 2LP in der dritten Ausgestaltung eingesetzte optische Vervielfacher 24 durch einen in den Rückkopplungsweg 2FP eingesetzten optischen Frequenzteiler 25 ersetzt, wodurch der lokale Rückkopplungstakt CK_L mit der Frequenz f_VCO auf 1/J frequenzgeteilt wird und dessen Ausgabe in den Photodetektor 31 eingespeist wird. Der optische Frequenzteiler 25 und der Frequenzteiler 32 bilden ein Verhältniseinstellungsmittel zur Einstellung der Frequenz des lokalen Rückkopplungssignals FB_L auf einen ganzzahligen (2 oder größer) Bruchteil der Frequenz des lokal generierten Ausgabetaktes CK_L. Wie im Fall der dritten Ausgestaltung stellt diese Ausgestaltung eine größere Flexibilität in der Gestaltung der phasenstarren Schleife (PLL) zur Verfügung, was eine erhöhte funktionelle Stabilität zur Verfügung stellt und eine Kostenreduzierung ermöglicht. Tabelle 5 zeigt konkrete Beispiele von Zahlenwerten in dieser Ausgestaltung.
Tabelle 5: Konkrete Beispiele von Zahlenwerten in Ausgestaltung 5
9 stellt in Blockform ein konkretes Beispiel des optischen Frequenzteilers 25 dar. Der optische Frequenzteiler 25 hat die Funktion, den lokalen optischen Impulsstrom mit der Wiederholungsfrequenz f_VCO, der zu diesem Zweck über den Rückkopplungsweg 2FP von dem optischen Verzweigungsteil 23 eingespeist wird, in der Frequenz auf 1/J zu teilen und die frequenzgeteilte Ausgabe in das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil 30 einzuspeisen. In 9 enthält der optische Untersetzer 25 einen Intensitätsmodulator 25A und einen Frequenzteiler 25B, und er teilt das Treibersignal mit der Frequenz f_VCO vom spannungsgesteuerten Oszillator 21 in der Frequenz auf 1/J, um ein elektrisches Signal mit der Frequenz (1/J)f_VCO zu generieren, das in den Intensitätsmodulator 25A gespeist wird, um den lokalen Rückkopplungstakt CK_L mit einer Periode von J/f_VCO durchzulassen, wobei optische Impulse zurückgewonnen werden. Dadurch kann die Wiederholungsfrequenz des lokalen Rückkopplungstaktes CK_L bis auf f_VCO/J geteilt werden.
Da alternativ der spannungsgesteuerte Oszillator 21 durch eine Kombination eines spannungsgesteuerten Oszillators mit einer niedrigeren Frequenz als f_VCO und einem zuvor in Zusammenhang mit der ersten Ausgestaltung beschriebenen Vervielfacher implementiert werden kann, wird die Benutzung eines geeigneten Vervielfachers die Generierung eines elektrischen Signals mit der Frequenz (1/J)f_VCO erlauben. In solch einem Fall ist der Frequenzteiler 25B nicht notwendig, da die Ausgabe mit der Frequenz f_VCO/J des spannungsgesteuerten Oszillators nur direkt in den Intensitätsmodulator 25 gespeist zu werden braucht.
Der Intensitätsmodulator kann beispielsweise unter Benutzung eines optischen LiNbO₃ Mach-Zehnder-Modulators oder eines optischen Elektroabsorptionsmodulators gebildet werden. Die Torweite eines solchen Intensitätsmodulators ist einige zehn Picosekunden groß; wenn er beispielsweise mit einer 10 GHz-Sinuswelle angesteuert wird, passt sich der Intensitätsmodulator einer Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Treibersignal und dem lokalen optischen Impulsstrom, die durch eine Fluktuationsverzögerung im lokalen optischen Impulsstromgeneratorteil entsteht, an. Dadurch wird die Frequenzteilung nicht instabil.
10 stellt ein anderes konkretes Beispiel des optischen Untersetzers 25 dar. Dieses Beispiel hat Gemeinsamkeiten mit dem Beispiel aus 9 in der Implementierung der optischen Untersetzung durch Ausdünnung des lokalen optischen Impulsstroms durch Benutzung des Intensitätsmodulators 25A, unterscheidet sich jedoch von letzterem in der Art und Weise, wie ein elektrisches Signal zur Ansteuerung des Intensitätsmodulators 25A generiert wird. In diesem Beispiel wird der lokale Rückkopplungstakt CK_L durch einen optischen Koppler 25C vom Rückkopplungspfad 2FP abgezweigt, und die abgezweigte Ausgabe wird in einen Taktrückgewinner 25D eingespeist, der einen elektrischen Takt mit der Frequenz f_VCO/J gewinnt, der eine J-fach geteilte Version des lokalen Rückkopplungstaktes CK_L mit der Frequenz f_VCO ist und von dem der rückgewonnene elektrische Takt in den Intensitätsmodulator 25A gespeist wird.
Effekt der Erfindung
Wie oben beschrieben schließt die ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung gemäß vorliegender Erfindung die Möglichkeit aus, dass im Falle einer speziellen Kombination der Wiederholungsfrequenz des optischen Eingangssignalimpulsstroms und der Wiederholungsfrequenz eines lokalen optischen Impulsstroms oder der Frequenz eines lokalen elektrischen Taktes die Frequenz eines Modulationssignals des optischen Modulators und eine Frequenz seines ganzzahligen Vielfachen gleich einer nach unten konvertierten Frequenz aus dem optischen Eingangssignalimpulsstrom wird, womit sie das Problem der instabilen Funktion der Schaltung für Taktrückgewinnung löst. Die spezielle Kombination von Frequenzen bezieht sich auf den Fall, wo beispielsweise die Wiederholungsfrequenzen des optischen Eingangssignalimpulsstroms und des lokalen optischen Impulsstroms 160 Gbit/s bzw. 20 GHz betragen. Dies ist eine Kombination eines optischen Signals und eines optischen Steuersignals, die oft benutzt wird, wenn eine 8-Kanal-Frequenz von 20 Gbit/s einer optischen Zeitmultiplexierung unterzogen wird, um ein optisches 10 Gbit/s-Signal zu bilden. Die 160 Gbit/s-Frequenz wird sehr wahrscheinlich als eine Standard-Wiederholungsfrequenz des optischen Zeitmultiplexsignals benutzt werden und ist deshalb sehr wichtig.

Claims

Ultraschnelle Schaltung für Taktrückgewinnung zur Gewinnung eines mit einem optischen Eingangs-Signalimpulsstrom bitphasensynchronisierten lokalen Takts, wobei besagte Schaltung folgendes beinhaltet: ein lokales Taktgeneratorteil 20 zur Generierung eines lokalen Taktes (LP_L) mit einer durch ein Spannungssteuersignal gesteuerten Frequenz und zur Erzeugung eines lokalen Ausgabetakts (CK_L) und eines lokalen Rückkopplungstaktes (2FP) aus dem lokalen Takt; ein lokales Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) zur Generierung eines lokalen Rückkopplungssignals (FB_L) aus dem lokalen Rückkopplungstakt; ein Eingangssignalkomponentengeneratorteil (40), aufgebaut aus einem Modulationssignalgeneratorteil (43) zur Generierung eines Modulationssignals (S_m), das Phaseninformation des lokalen Rückkopplungssignals (FB_L) enthält, einem optischen Modulator (41) zur Modulation eines optischen Eingangssignalimpulsstroms einer Wiederholungsfrequenz (Nf_a) mit dem Modulationssignal, um einen modulierten optischen Eingangssignalstrom zu generieren, und einen mit besagtem modulierten optischen Eingangssignalimpulsstrom versorgten Photodetektor (42) zur Ausgabe eines elektrischen Eingangssignalkomponentensignals, das eine von dem modulierten optischen Eingangssignalimpulsstrom abwärtskonvertierte Frequenz und Bit-Phasen-Information davon aufweist; und ein Phasenvergleichsteil (50) zum Vergleich der Phasen des lokalen Rückkopplungssignals und des elektrischen Eingangssignalkomponentensignals und zur Ausgabe, als das Spannungssteuerungssignal, der ihrer Phasendifferenz entsprechenden Spannung; wobei ein Weg, der das Phasenvergleichsteil (50), das lokale Taktgeneratorteil (20) und das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) enthält, eine phasenstarre Schleife (PLL) für das elektrische Eingangssignalkomponentensignal bildet; gekennzeichnet durch ein Verhältniseinstellungsmittel (32, 24, 24', 25), das einen Frequenzteiler (32), eingefügt in einen Weg des lokalen Rückkopplungssignals (FB_L), zur Frequenzteilung des lokalen elektrischen Signals auf 1/K, und/oder einen J-Vervielfacher (24, 24'), eingefügt in einen Weg des lokalen Ausgabetaktes (CK_L), zur Ver-J-fachung des lokalen Ausgabetaktes (CK_L), umfasst, um dadurch die Frequenz (f_VCO/K, f_VCO) des lokalen Rückkopplungssignals auf einen ganzzahligen Bruchteil (1/K, 1/J) der Frequenz des besagten lokalen Ausgabetaktes (CK_L) einzustellen, so dass die untersetzte Frequenz des elektrischen Eingangssignalkomponentensignals sich von einem Vielfachen einer natürlichen Zahl der Frequenz des Modulationssignals unterscheidet, wobei jede der Zahlen K und J eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das lokale Taktgeneratorteil (20) einen spannungsgesteuerten Oszillator (21) zur Generierung eines Treibersignals mit einer durch das Spannungssteuerungssignal (V_C) gesteuerten Frequenz, eine durch das Treibersignal angesteuerte lokale Impulsgenerator-Lichtquelle (22) zur Generierung eines lokalen optischen Impulsstroms und eine optische Verzweigungsvorrichtung (23) zur Verzweigung des optischen Impulsstroms in den lokalen Ausgabetakt und den lokalen Rückkopplungstakt umfasst; und bei der das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) einen Photodetektor (31) zur Umwandlung des lokalen Rückkopplungstaktes in ein lokales elektrisches Signal und den Frequenzteiler (32) zur Frequenzteilung des lokalen elektrischen Signals auf 1/K zur Generierung des lokalen Rückkopplungssignals umfasst, wobei der Frequenzteiler die Verhältniseinstellungsmittel bildet.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das lokale Taktgeneratorteil (20) einen spannungsgesteuerten Oszillator (21) zur Generierung eines lokalen Taktes mit einer durch das Spannungssteuersignal gesteuerten Frequenz und den J-Vervielfacher (24') zur Ver-J-fachung einer der zwei verzweigten Versionen des lokalen Taktes von dem spannungsgesteuerten Oszillator (21) umfasst, um einen lokalen Ausgabetakt zur Verfügung zu stellen; bei der das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) den Frequenzteiler (32) zur Frequenzteilung der anderen verzweigten Version des lokalen Taktes auf 1/K einschließt, um das lokale Rückkopplungssignal zur Verfügung zu stellen; und bei der der Ver-J-facher (24) und der Frequenzteiler (32) die Verhältniseinstellungsmittel bilden.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das lokale Taktgeneratorteil (20) einen spannungsgesteuerten Oszillator (21) zur Generierung eines Treibersignals mit einer durch das Spannungssteuerungssignal gesteuerten Frequenz, eine durch das Treibersignal angesteuerte lokale Impulsgenerator-Lichtquelle (22) zur Generierung eines lokalen optischen Impulsstroms, ein optisches Verzweigungsteil (23) zur Verzweigung des lokalen optischen Impulsstroms in zwei Ausgaben, wobei eine der zwei verzweigten Ausgaben als der lokale Ausgabetakt zur Verfügung gestellt wird, und einen optischen Frequenzteiler (25) zur Frequenzteilung der anderen der zwei verzweigten Ausgaben auf 1/J umfasst, um den lokalen Rückkopplungstakt zu generieren, wobei J eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist; bei der das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) einen Photodetektor (32) zur Umwandlung des lokalen Rückkopplungstaktes in ein lokales elektrisches Signal und den Frequenzteiler zur Frequenzteilung des lokalen elektrischen Signals auf 1/K beinhaltet, um das lokale Rückkopplungssignal zu generieren; und bei der der optische Frequenzuntersetzer (25) und der Frequenzteiler (32) die Verhältniseinstellungsmittel bilden.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das lokale Taktgeneratorteil (20) einen spannungsgesteuerten Oszillator (21) zur Generierung eines Treibersignals mit einer durch das Spannungssteuerungssignal gesteuerten Frequenz, eine durch das Treibersignal angesteuerte lokale Impulsgenerator-Lichtquelle (22) zur Generierung eines lokalen optischen Impulsstroms, ein optisches Verzweigungsteil (23) zur Verzweigung des lokalen optischen Impulsstroms in zwei Ausgaben, wobei eine der zwei verzweigten Ausgaben als der lokale Rückkopplungstakt zur Verfügung gestellt wird, und den aus einem optischen Vervielfacher (24) zusammengesetzten J-Vervielfacher (24) zur Ver-J-fachung der anderen der zwei verzweigten Ausgaben umfasst, um den lokalen Ausgabetakt zu generieren, wobei der optische Vervielfacher die Verhältniseinstellungsmittel bildet; und bei der das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) einen Photodetektor (31) zur Umwandlung des lokalen optischen Rückkopplungimpulsstroms in ein lokales Rückkopplungssignal einschließt.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das lokale Taktgeneratorteil (20) einen spannungsgesteuerten Oszillator (21) zur Generierung eines Treibersignals mit einer durch das Spannungssteuerungssignal gesteuerten Frequenz, eine durch das Treibersignal angesteuerte lokale Impulsgenerator-Lichtquelle (22) zur Generierung eines lokalen optischen Impulsstroms, eine optische Verzweigungsvorrichtung (23) zur Verzweigung des lokalen optischen Impulsstroms in zwei Ausgaben, wobei eine der zwei verzweigten Ausgaben als der lokale Rückkopplungstakt zur Verfügung gestellt wird, und den aus einem optischen Vervielfacher (24) zusammengesetzten J-Vervielfacher (24) zur Ver-J-fachung der anderen der zwei verzweigten Ausgaben umfasst, um den lokalen Ausgabetakt zu generieren, wobei der optische Vervielfacher (24) die Verhältniseinstellungsmittel bildet; und bei der das lokale Rückkopplungssignalgeneratorteil (30) einen Photodetektor (31) zur Umwandlung des lokalen Rückkopplungstaktes in ein lokales elektrisches Signal, und den Frequenzteiler (32) zur Frequenzteilung des elektrischen Signals auf 1/K, um das lokale Rückkopplungssignal zu generieren, umfasst, wobei der optische Vervielfacher (24) und der Frequenzteiler (32) die Verhältniseinstellungsmittel bilden.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der optische Modulator (41) ein Intensitätsmodulator ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der optische Modulator (41) ein optischer Elektroabsorptionsmodulator ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der optische Modulator (41) ein optischer Kammgenerator ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der optische Modulator (41) ein optischer Phasenmodulator ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der optische Modulator (41) ein optischer Halbleiterverstärker ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Phasenvergleichsteil (50) einen Vervielfacher (52) zur Ver-M-fachung des lokalen Rückkopplungssignals von dem lokalen Rückkopplungssignalgeneratorteil (30), wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, und einen Phasenvergleicher (51) zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen der Ausgabe des Vervielfa chers und dem elektrischen Eingangssignalkomponentensignal von dem Eingangssignalkomponentengeneratorteil (40) und zur Ausgabe der ermittelten Phasendifferenz als das Spannungssteuerungssignal umfasst.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Modulationssignalgeneratorteil (43) ein Vervielfacher zur Ver-L-fachung des lokalen negativen Rückkopplungssignals ist, um das Modulationssignal zu generieren, wobei L eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist.