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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung elektronischer Trägersignale
im optischen Bereich, und insbesondere auf einen optischen Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser
und auf die photonische Datenträgersignalerzeugung
und -übertragung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Optikfaser-Mikrowellensysteme
bieten ein effektives Verfahren für die Bereitstellung von drahtlosen
Breitbandkommunikationsdiensten. Optikfaser-Mikrowellensysteme werden in Anwendungen wie
z. B. persönlichen
Kommunikationsnetzen, Millimeterwellen-Funk-Nahbereichsnetzen, Breitband-Videoverteilungsnetzen
und Signalverteilungen für phasengesteuerte
Antennenanordnungen verwendet. Diese Systeme können daher eine wichtige Rolle in
Telekommunikationsnetzen im städtischen
Bereich spielen. Eine Hauptanforderung für Optikfaser-Mikrowellensysteme
ist eine effiziente Technik für
die optische Erzeugung des Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Trägersignals.
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Für diese
Anwendung wurden Laserdioden in Betracht gezogen, jedoch können diese
im Allgemeinen bei Millimeterwellenfrequenzen nicht moduliert werden.
Die Verwendung externer optischer Modulatoren wurde ebenfalls in
Betracht gezogen, da diese bei Millimeterwellenfrequenzen moduliert
werden können,
jedoch ist die optische Einfügungsdämpfung groß und frequenzabhängig. Außerdem führen die
direkte Modulation einer Laserquelle und die Amplitudenmodulation
eines optischen Trägersignals
durch einen externen optischen Modulator zur Erzeugung doppelter
Seitenbänder,
die auf beiden Seiten des optischen Trägers angeordnet sind und vom
optischen Träger
mit der Modulationsfrequenz beabstandet sind. Wenn sich die optischen
Signale längs
einer Lichtleitfaser ausbreiten, führen die Effekte der chromatischen
Dispersion zu einer Phasenfehlanpassung zwischen den zwei Seitenbändern, was
dann, wenn eine n-Phasenfehlanpassung auftritt, zu Leistungsnullstellen
am Empfänger
führt.
Die Effekte der chromatischen Dispersion begrenzen daher die Übertragungsstrecke
auf eine kurze Strecke (etwa 4 km für eine Modulationsfrequenz
von 30 GHz auf einem optischen Trägersignal mit 1550 nm, das sich
in Standard-Monomodus-Fasern fortpflanzt).
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Eine
weitere mögliche
photonische Trägersignalquelle
umfasst die Überlagerung
der optischen Ausgangssignale von zwei Lasern, deren Frequenzen
(Wellenlängen)
sich um die benötigte
Millimeterwellenfrequenz unterscheiden. Diese Technik wird derzeit
bevorzugt, da sie bedeutet, dass eine Basisband-(Daten)-Modulation
nur auf eines der Lasersignale angewendet werden muss, wobei die
Beschränkungen,
die durch die Faserdispersion der Signalübertragung auferlegt werden,
deutlich verringert werden. Implementierungen dieser Technik umfassen die
Frequenzverriegelung, die Injektionsverriegelung und die Verwendung
einer optischen phasenstarren Schleife.
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Die Überlagerung
der optischen Ausgangssignale von zwei separaten Lasern ergibt jedoch
das Problem, dass das Phasenrauschen auf jedem der Lasersignale
unkorreliert ist, wobei dies zu einem photonischen Trägersignal
mit einer elektrischen Linienbreite führt, die größer ist als seine optische
Linienbreite. Selbst die Verwendung einer optischen phasenstarren
Schleife stabilisiert infolge der begrenzenden Verzögerung in
der Rückkopplungsschaltung
nur die niederfrequenten Mikrowellenphasenschwankungen im photonischen
Trägersignal.
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Eine
weitere potentielle photonische Trägersignalquelle ist der Faserlaser,
da dieser im Allgemeinen Bandbreiten in der Größenordnung von mehreren 10
kHz bietet, und potentiell ein photonisches Signal mit einem vernünftigen
niederfrequenten Phasenrauschen bereitstellt. In bisher gemeldeten
photonischen Signalquellen, die Faserlaser auf Gitterbasis verwenden,
stammen die zwei optischen Frequenzen aus unterschiedlichen optischen
Kavitäten,
was zu einem hochfrequenten Phasenrauschen auf dem erzeugten photonischen
Trägersignal
führt.
In einem weiteren Lösungsansatz,
der einen Multimodus-Laser
verwendet, werden die oszillierenden Modi in einer einzigen Kavität erzeugt.
Dies führt
dazu, dass jeder Modus eine verschiedene Menge an Phasenrauschen
aufweist und eine Konkurrenz zwischen den Modi die Überlagerung
zerstören
kann.
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Der
Artikel "A fibre
grating DFB laser for generating of optical microwave signal", W. Zhang u. a., S.
369–371,
Optics and lasertechnology, Bd. 32, 2000, offenbart einen DFB-Faserlaser
mit einem phasenverschobenen Faser-Bragg-Gitter. Ein Doppelmodus-Betrieb
wird erreicht durch lineare Doppelbrechung für die Überlagerungserzeugung des optischen
Mikrowellensignals.
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Überblick über die
Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser
geschaffen, umfassend:
einen ersten optischen Wellenleiter,
der ein optisches Verstärkungsmedium
enthält,
wobei
der Wellenleiter einen ersten Gitterabschnitt enthält, in welchem
eine erste optische Wellenleitergittereinrichtung vorgesehen ist,
wobei die Vorrichtung eine periodische Brechungsindexänderung
aufweist, welche der Einrichtung ein Spektralprofil mit zwei Durchlassbereichen,
die innerhalb eines Sperrbereichs angeordnet sind, verleiht,
wobei
die erste optische Wellenleitergittereinrichtung wenigstens eine
verteilte optische Wellenleiterlaserkavität definiert,
wobei der
erste Gitterabschnitt doppelbrechend ist;
wobei der erste optische
Wellenleiter an einem Ende mit einem zweiten optischen Wellenleiter
optisch gekoppelt ist, der einen zweiten Gitterabschnitt enthält, in welchem
eine zweite modusauswählende,
optische Wellenleitergittereinrichtung vorgesehen ist;
wobei
die erste optische Wellenleitergittereinrichtung in Kombination
mit der Doppelbrechung des ersten Gitterabschnitts dem Laser zwei
potentielle Lasermodi eines ersten Polarisationszustands und zwei
potentielle Lasermodi des orthogonalen Polarisationszustands verleiht,
wobei jeder potentielle Lasermodus eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist,
und
wobei die zweite optische Wellenleitergittereinrichtung die Auswahl
zweier orthogonaler Modi für den
Laser bewirkt, bei denen er lasert; und
einen Pumplaser, der
so betreibbar ist, dass er ein optisches Pumpsignalerzeugt, und
der in optischer Verbindung mit dem anderen Ende des ersten optischen
Wellenleiters steht.
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Die
spektralen Bandbreiten der Durchlassbereiche sind vorzugsweise schmal
bezüglich
der spektralen Bandbreite des Sperrbereiches.
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Die
periodische Brechungsindexänderung der
ersten optischen Wellenleitergittereinrichtung enthält vorzugsweise
zwei Phasenverschiebungen, die jeweils die zwei Durchlassbereiche
innerhalb des Spektralprofils verursachen.
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Die
Doppelbrechung des ersten Gitterabschnitts kann eine inhärente Doppelbrechung
im ersten optischen Wellenleiter umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann
die Doppelbrechung des ersten Gitterabschnitts eine hervorgerufene
Doppelbrechung im ersten optischen Wellenleiter umfassen, wobei
die Doppelbrechung während
der Fertigung der ersten optischen Wellenleitergittervorrichtung
hervorgerufen wird.
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Die
zwei Phasenverschiebungen in der periodischen Brechungsindexänderung
der ersten optischen Wellenleitergittereinrichtung und die Doppelbrechung
des ersten Gitterabschnitts verleihen gemeinsam der ersten optischen
Wellenleitergittereinrichtung ein Spektralprofil mit vier Durchlassbereichen,
die jeweils eine verschiedene Resonanzwellenlänge aufweisen und zwei Durchlassbereiche,
die der schnellen Achse des ersten Gitterabschnitts entsprechen,
und zwei Durchlassbereiche, die der langsamen Achse entsprechen,
sind, wobei der optische Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser somit
vier potentielle Lasermodi aufweist, die jeweils eine unterschiedliche
Wellenlänge
aufweisen, nämlich
zwei Modi einer ersten Polarisation und zwei Modi der orthogonalen
Polarisation.
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Der
erste optische Wellenleiter ist vorzugsweise ein mit Seltenerde
dotierter optischer Wellenleiter und kann eine mit Seltenerde dotierte
optische Faser sein, wie z. B. eine Erbium-Ytterbium-codotierte
optische Faser.
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Die
erste optische Wellenleitergittereinrichtung kann ein einziges optisches
Wellenleitergitter mit zwei Phasenverschiebungen innerhalb seiner
periodischen Brechungsindexänderung
umfassen.
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Die
erste optische Wellenleitergittereinrichtung kann alternativ zwei
optische Wellenleitergitter umfassen, die jeweils eine einzelne
Phasenverschiebung innerhalb ihrer periodischen Brechungsindexänderung
aufweisen, wobei die Gitter gemeinsam innerhalb des ersten Gitterabschnitts
angeordnet sind und somit im Wesentlichen einander überlagert
sind, wodurch zwei gemeinsam angeordnete, optische Dezentralrückkopplungs-Wellenleiter-Laserkavitäten definiert
werden. Das oder jedes optische Wellenleitergitter ist vorzugsweise
ein Faser-Bragg-Gitter.
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Die
zweite optische Wellenleitergittereinrichtung ist vorzugsweise ein
polarisationsmoduskoppelndes optisches Wellenleitergitter. Die zweite
optische Wellenleitergittereinrichtung ist vorzugsweise ein polarisationsmoduskoppelndes
Faser-Bragg-Gitter. Der zweite optische Wellenleiter ist vorzugsweise ein
hoch-doppelbrechender optischer Wellenleiter, und ist besonders
bevorzugt eine hoch-doppelbrechende optische Faser, wie z. B. eine
hoch-doppelbrechende optische Doppelschleifenfaser (bow-tie high
birefringence optical fibre).
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Das
polarisationsmoduskoppelnde optische Wellenleitergitter weist vorzugsweise
ein optisches Spektrum auf, das erste und zweite Reflexionsspitzen
aufweist, die jeweils der schnellen Achse und der langsamen Achse
des Wellenleiters entsprechen,
wobei die Wellenlängen, die
der ersten Spitze entsprechen, die Wellenlänge von einem der zwei potentiellen
Lasermodi des ersten Polarisationszustands des Lasers enthalten,
und
wobei die Wellenlängen,
die der zweiten Spitze entsprechen, die Wellenlänge von einem der zwei potentiellen
Lasermodi des orthogonalen Polarisationszustands des Lasers enthalten,
so
dass Licht in einem der zwei potentiellen Lasermodi des ersten Polarisationszustands
vom polarisationsmoduskoppelnden Gitter reflektiert wird und somit
ausgewählt
wird, und Licht im anderen Modus vom Gitter unbeeinflusst bleibt
und daher durchgelassen und somit abgeschieden wird,
und wobei
Licht in einem der zwei potentiellen Lasermodi des orthogonalen
Polarisationszustands vom Gitter reflektiert wird und somit ausgewählt wird,
und Licht im anderen Modus vom Gitter unbeeinflusst bleibt und daher
durchgelassen und somit abgeschieden wird,
wobei das polarisationsmoduskoppelnde
Gitter hierbei durch Polarisationsmoduskoppeln wirkt, um zwei Modi
der orthogonalen Polarisationszustände für den Laser auszuwählen, bei
denen er lasert.
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Die
erste optische Wellenleitergittereinrichtung kann mit einer Wellenlängenabstimmeinrichtung gekoppelt
sein, die so betreibbar ist, dass sie die Doppelbrechung des ersten
Gitterabschnitts ändert, um
somit die Resonanzwellenlänge
von einem oder von beiden Durchlassbereichen entsprechend wenigstens
einer der Phasenverschiebungen in der ersten optischen Wellenleitergittereinrichtung
zu verändern.
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Das
polarisationsmoduskoppelnde optische Wellenleitergitter kann mit
einer Wellenlängenabstimmeinrichtung
gekoppelt sein, die so betreibbar ist, dass sie die Doppelbrechung
des zweiten Gitterabschnitts ändert,
um somit die Resonanzwellenlänge
von einer oder von beiden Reflexionsspitzen des Gitters zu ändern und
somit einem Benutzer zu ermöglichen,
auszuwählen,
bei welchem Paar der orthogonal polarisierten potentiellen Lasermodi
der Laser arbeitet.
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Die
oder jede Wellenlängenabstimmeinrichtung
ist vorzugsweise ein Heizelement, wie z. B. eine Peltier-Einrichtung.
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Der
Pumplaser ist vorzugsweise eine Laserdiode, die vorzugsweise so
betreibbar ist, dass sie ein optisches Ausgangssignal mit einer
Wellenlänge von
etwa 980 nm erzeugt.
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Die
erste optische Wellenleitergittereinrichtung kann unter Verwendung
der Ultraviolettaufdruck-Phasenmasken-Fertigungstechnik oder der
Ultraviolett- Zweistrahlinterferenz-Holographie-Fertigungstechnik
hergestellt werden. Die zweite optische Wellenleitergittereinrichtung
kann unter Verwendung der Ultraviolettaufdruck-Phasenmasken-Fertigungstechnik
oder der Ultraviolett-Zweistrahlinterferenz-Holographie-Fertigungstechnik
hergestellt werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine photonische
Datenträgersignalquelle
geschaffen, umfassend:
einen optischen Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser
gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung;
wobei das optische Ausgangssignal des
Lasers optisch gekoppelt ist mit
einem polarisationsabhängigen optischen
Modulator, der so betreibbar ist, dass er ein Datensignal einem Ausgewählten der
zwei orthogonalen Polarisationsmodi des optischen Ausgangssignals
vom Laser aufprägt
durch Aufprägen
einer Amplituden- und/oder Phasenmodulation mit der Datensignalfrequenz
auf den ausgewählten
Modus.
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Der
polarisationsabhängige
optische Modulator kann ein planarer optischer Gallium-Arsenid-Modulator
sein. Dem optischen Modulator kann eine Polarisationssteuervorrichtung
vorangehen, die so betreibbar ist, dass sie die Polarisationsachsen der
zwei orthogonalen Polarisationsmodi des optischen Ausgangssignals
vom Laser dreht, so dass die Polarisationsachsen der zwei Modi innerhalb
der Betriebsparameter des optischen Modulators liegen.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches,
auf einem optischen Wellenleiter basierendes Signalübertragungssystem
geschaffen, umfassend:
eine photonische Datenträgersignalquelle
gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung,
wobei das optische Datenträgerausgangssignal
der Signalquelle optisch gekoppelt ist mit
einer optischen
Wellenleiterübertragungsleitung;
und
ein Empfangsmittel, das an seinem distalen Ende mit der Übertragungsleitung
optisch gekoppelt ist, wobei das Empfangsmittel enthält:
ein
optisches Polarisationsmittel mit einer Ausbreitungsachse, die in
einem Winkel von im Wesentlichen 45° zu den Polarisationsachsen
der zwei orthogonalen Polarisationsmodi des optischen Datenträgerausgangssignals
der Signalquelle orientiert ist,
so dass sich die zwei orthogonalen
Polarisationsmodi bei Ausbreitung durch das optische Polarisationsmittel überlagern,
um somit ein elektronisches Trägersignal
im optischen Bereich zu erzeugen,
wobei die Überlagerungsfrequenz
des elektronischen Trägersignals
durch den Wellenlängenabstand
zwischen den zwei orthogonalen Polarisationsmodi bestimmt wird,
und wobei
das elektronische Trägersignal bei der Datensignalfrequenz
moduliert wird.
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Das
optische Polarisationsmittel ist vorzugsweise ein polarisierender
optischer Wellenleiter, und besonders bevorzugt eine polarisierende
optische Faser. Das optische Polarisationsmittel kann alternativ
ein optischer Festkörperpolarisierer
sein. Das Empfangsmittel kann ferner eine Polarisationssteuervorrichtung
umfassen, die dem optischen Polarisationsmittel vorausgeht, und
so betreibbar ist, dass sie die Polarisationsachsen der zwei orthogonalen
Polarisationsmodi dreht, so dass die Polarisationsachsen der zwei
Modi in einem Winkel von im Wesentlichen 45° zu den Ausbreitungsachsen des
optischen Polarisationsmittels orientiert sind.
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Das
Empfangsmittel umfasst ferner vorzugsweise ein optisches Detektionsmittel
in optischer Verbindung mit dem Ausgang des optischen Polarisationsmittels,
wobei das optische Detektionsmittel so betreibbar ist, dass es das
elektronische Trägersignal im
optischen Bereich detektiert und dieses in ein elektrisches Signal
umsetzt.
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Die Überlagerungsfrequenz
des elektronischen Trägersignals
im optischen Bereich liegt vorzugsweise innerhalb der Funkfrequenz-,
Mikrowellen- oder Millimeterwellenfrequenzbereiche. Die Frequenz
des Datensignals ist vorzugsweise niedrig im Vergleich zur Überlagerungsfrequenz
des elektronischen Trägersignals.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug
auf die beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines optischen Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Lasers gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
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2 das
theoretische Spektralprofil eines polarisationsmoduskoppelnden optischen
Fasergitters zeigt, das auf einer hoch-doppelbrechenden optischer
Faser hergestellt ist und für
die Verwendung als zweite optische Wellenleitergittereinrichtung
im Laser der 1 geeignet ist;
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3 das
Spektralprofil des Faser-Bragg-Gitters zeigt, das auf einer hochdoppelbrechenden
optischen Doppelschleifenfaser hergestellt ist und als zweite optische
Wellenleitergittereinrichtung im Laser der 1 verwendet
wird;
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4 einen
Teil des theoretischen Spektralprofils eines optischen Fasergitters
zeigt, das für
die Verwendung als erste optische Wellenleitergittereinrichtung
im Laser der 1 geeignet ist, wobei das Gitter
zwei Phasenverschiebungen in seiner periodischen Brechungsindexänderung
aufweist, die zwei entsprechende Durchlassbereiche innerhalb des Spektralprofils
erzeugen;
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5 das
vollständige
theoretische Spektralprofil des Gitters der 4 zeigt,
einschließlich der
Effekte der Faserdoppelbrechung;
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6 das
Spektralprofil der ersten optischen Wellenleitergittereinrichtung
zeigt, die im Laser der 1 verwendet wird, wobei die
Gittereinrichtung zwei gemeinsam angeordnete Faser-Bragg-Gitter umfasst,
die jeweils eine einzelne Phasenverschiebung innerhalb ihrer periodischen
Brechungsindexänderung
aufweisen;
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7 das
Spektralprofil einer alternativen ersten optischen Wellenleitergittereinrichtung
zeigt, die für
die Verwendung im Laser der 1 geeignet ist,
wobei die Gittereinrichtung ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter umfasst,
das zwei Phasenverschiebungen innerhalb seiner periodischen Brechungsindexänderung
aufweist;
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8 eine
schematische Darstellung einer Wellenlängenabstimmeinrichtung ist,
die für
die Verwendung mit den Gittern des Lasers der 1 geeignet
ist;
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9 eine
schematische Darstellung einer photonischen Datenträgersignalquelle
gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
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10 eine
Darstellung der Wirkung des polarisationsabhängigen optischen Modulators
der photonischen Datenträgersignalquelle
der 9 auf die zwei orthogonalen Polarisationsmodi
des optischen Ausgangssignals vom Doppel-Wellenlängen-Laser ist;
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11 eine
schematische Darstellung eines auf einem optischen Wellenleiter
basierenden elektronischen Signalübertragungssystems gemäß dem dritten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist; und
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12 das
HF-Spektrum eines photonischen Trägersignals zeigt, das mittels
der photonischen Datenträgersignalquelle
der 9 erzeugt worden ist.
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Genaue Beschreibung
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Wie
in den 1 bis 8 der Zeichnungen gezeigt, schafft
der erste Aspekt der Erfindung einen optischen Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser, der
in diesem Beispiel die Form eines Doppel-Wellenlängen-Fasergitter-Dezentralrückkopplung-(DFB)-Lasers 10 annimmt,
und ist wie folgt aufgebaut. Eine Pumplaserdiode 12 ist über einen 980nm-Optikfaserisolator 14 mit
einem ersten Anschluss 16a an einer Seite eines 980nm/1550nm-Wellenlängenbereichmultiplex-(WDM)-Faserkopplers 16 optisch
gekoppelt. Die Pumplaserdiode 12 ist so betreibbar, dass
sie ein Laserausgangssignal mit einer Wellenlänge von 980 nm erzeugt. Der
Isolator 14 verhindert, das irgendwelche Rückreflexionen
von den anderen Komponenten des Lasers 10 dem Pumplaser 12 stören.
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Ein
erster Anschluss 16b auf der anderen Seite des WDM-Kopplers 16 ist
mit einem ersten optischen Wellenleiter gekoppelt, der in diesem
Beispiel die Form einer Erbium-Ytterbium-(Er-Yb)-cododierten optischen
Faser 18 annimmt. Eine erste optische Wellenleitergittereinrichtung 20,
die in diesem Beispiel zwei gemeinsam angeordnete Faser-Bragg-Gitter
umfasst, die eine einzelne Phasenverschiebung in ihrer jeweiligen
periodischen Brechungsindexänderung
aufweisen ("Einzelphasenverschiebungsgitter"), ist innerhalb
eines Gitterabschnitts 22 der Er-Yb-Faser 18 vorgesehen.
Der zweite Anschluss 16c an der ersten Seite des WDM-Kopplers 16 bildet den
Ausgang des Lasers 10.
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Die
Er-Yb-codotierte Faser 18 ist an ihrem distalen Ende mit
einem zweiten optischen Wellenleiter gekoppelt, der in diesem Beispiel
die Form einer hochdoppelbrechenden (hi-bi) optischen Doppelschleifenfaser 28 annimmt.
Ein kurzes Stück
der optischen Standard-Einzelmodus-Faser (SMF) 34 ist mit
dem distalen Ende der hi-bi-Faser 28 verspleißt. Das
freie Ende der SMF 34 ist indexangepasst, um irgendwelche
Stirnflächenreflexionen
zu vermeiden, die die Laserkavität
destabilisieren.
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Eine
zweite, modusauswählende
optische Wellenleitergittereinrichtung, die in diesem Beispiel die
Form eines moduskoppelnden Faser-Bragg-Gitters annimmt, ist im Gitterabschnitt 32 der
hi-bi-Faser 28 vorgesehen. Das theoretische Spektralprofil
der Brechung (R) eines Faser-Bragg-Gitters, das in einer hi-bi-Faser
hergestellt ist und zwei Reflexionsspitzen 38, 40 aufweist,
ist in 2 gezeigt. Ein typisches Profil der Transmission
(T) eines echten hibi-Faser-Bragg-Gitters 30 ist in 3 gezeigt.
Das hi-bi-Gitter 30 weist eine Länge von 1 cm auf und besitzt
zwei Reflexionsspitzen 38, 40 bei 1552,80 nm und
1553,13 nm, mit FWFZ-Linienbreiten von 0,31 nm. Das Spektralprofil
des hi-bi-Gitters 30 wird bestimmt durch Messen der Spektralantwort
des Gitters 30 bei jeder Polarisation 42, 44.
Die Spektralantworten werden anschließend überlagert, um eine genaue Darstellung
des Spektralprofils des hi-bi-Gitters 30 zu erhalten.
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Die
Gitter 20, 30 werden unter Verwendung der UV-Phasenmaskenaufdruck-Technik hergestellt. Alternativ
können
die Gitter 20, 30 unter Verwendung der UV-Zweistrahl-Holographieinskriptionstechnik hergestellt
werden. Beide Herstellungstechniken sind Fachleuten bekannt und
werden daher hier nicht weiterbeschrieben.
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Die
erste Faser-Bragg-Gittereinrichtung 20 weist eine Länge von
etwa 5 cm auf. Das theoretische Spektralprofil der Transmission
(T) der ersten Gittereinrichtung 20 ist in den 4 und 5 dargestellt.
Das Spektralprofil der Transmission (T) der wirklichen verwendeten
Gittereinrichtung 20 in 6 gezeigt.
Wie in 4 gezeigt ist, verursacht jede Phasenverschiebung
innerhalb der periodischen Brechungsindexänderung der Gittereinrichtung 20 einen
Durchlassbereich 24, 26 innerhalb des Spektralprofils
des Gitters. Der Wellenlängenabstand
zwischen den zwei Durchlassbereichen ist mit Δλ in 4 bezeichnet,
und beträgt
etwa 0,25 nm in der ersten Gittereinrichtung 20. Die Spektralbandbreite der
Durchlassbereiche ist sehr schmal (weniger als 1 pm) im Vergleich
zu der Spektralbandbreite des Sperrbereiches der Gittereinrichtung 20.
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Die
Er-Yb-Faser 18, in der die Gittereinrichtung 20 hergestellt
wird, weist eine gewisse inhärente Doppelbrechung
auf. Während
der Herstellung der Gittereinrichtung 20 wird jedoch zusätzlich zu
der inhärenten
Doppelbrechung der Faser eine weitere Doppelbrechung innerhalb des
Gitterabschnitts 22 der Faser 18 hervorgerufen.
Dies findet statt, da der UV-Einschreibungsstrahl über den
Querschnitt des Faserkerns aufgrund der Strahlgröße nicht gleichmäßig ist
und somit die UV-Belichtung über
dem Faserkern ungleichmäßig ist.
Die Doppelbrechung der Faser innerhalb des Gitterabschnitts 22 führt zur
Teilung jedes der Durchlassbereiche 24, 26 in
ein Paar schmaler Spitzen 24a, 24b und 26a, 26b,
wie in 5 gezeigt ist. Der Abstand zwischen den Spitzen in
jedem Paar Δλbire hängt von
der Größe der Totaldoppelbrechung
ab, und beträgt
etwa 0,009 nm (1 GHz) für
diese Gittereinrichtung 20.
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Die
erste Gittereinrichtung 20 definiert eine verteilte optische
Faserlaserkavität,
die zwei Resonanzwellenlängen
aufweist, die durch die Wellenlängen
der zwei Durchlassbereiche 24, 26 im Spektralprofil
der Gittereinrichtung 20 festgelegt werden. Die Doppelbrechung
bedeutet, dass bei jeder Resonanzwellenlänge zwei orthogonale Polarisationsmodi existieren:
zwei Modi in Richtung der schnellen Achse des Gitterabschnitts 22 (mit
einem ersten Polarisationszustand); und zwei Modi in Richtung der
langsamen Achse des Gitterabschnitts 22 (mit dem orthogonalen
Polarisationszustand). Die Anwesenheit der vier Spitzen 24a, 24b, 26a, 26b innerhalb
des Transmissi onsspektrums des Gitters 20 verleiht daher
der durch die erste Gittereinrichtung 20 definierten Laserkavität vier Resonanzmodi,
die alle gemeinsam dieselbe Laserkavität nutzen und die gleiche lineare Polarisation
aufweisen.
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Fachleute
werden erkennen, dass die erste Gittereinrichtung 20 durch
eine beliebige optische Wellenleitergittereinrichtung ersetzt werden
kann, die eine periodische Brechungsindexänderung aufweist, welche der
Vorrichtung ein Spektralprofil mit zwei innerhalb eines Sperrbereiches
angeordneten Durchlassbereichen verleiht. Genauer kann die erste
Gittereinrichtung 20 durch ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter
mit zwei Phasenverschiebungen innerhalb seiner periodischen Brechungsindexänderung
ersetzt werden. Das Spektralprofil eines geeigneten Doppel-Phasenverschiebungs-Faser-Bragg-Gitters
ist in 7 gezeigt. Der Klarheit halber werden die gleichen
Bezugszeichen verwendet.
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Eine
Moduskonkurrenz innerhalb der durch die erste Gittereinrichtung 20 definierten
Laserkavität bedeutet,
dass zwei Modi der gleichen Polarisation nicht gemeinsam stabil
oszillieren können.
Jedoch können
zwei orthogonal polarisierte Modi innerhalb einer einzigen Kavität lasern,
ohne unter einer Moduskonkurrenz zu leiden. Das hi-bi-Fasergitter 30 wird
daher verwendet, um den Laser 10 mit einer Polarisationsmodusauswahl
zu versehen. Die Funktion beruht auf dem Prinzip der Moduskopplung.
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Um
eine Polarisationsmodusauswahl durchzuführen, werden die Wellenlängen der
Reflexionsspitzen 38, 40 des hi-bi-Gitters 30 so
eingestellt, dass sie an die Wellenlängen eines Paares von orthogonal polarisierten
Modi der Laserkavität
angepasst sind, entsprechend zwei der vier Spitzen im Transmissionsspektrum
der ersten Gittereinrichtung 20, d. h. 24a und 24b oder 24b und 26a.
Als Ergebnis werden zwei der vier Polarisationsmodi reflektiert,
was eine Moduskopplung innerhalb der Laserkavität hervorruft und den Laser 10 veranlasst,
bei diesen zwei orthogonal polarisierten Modi zu lasern. Die anderen
zwei Modi werden vom hi-bi-Gitter 30 durchgelassen und somit
unterdrückt.
Wie gezeigt ist, können
zwei verschiedene Sätze
von orthogonalen Polarisationsmodi ausgewählt werden, so dass der Wellenlängenabstand
zwischen den zwei Modi des Lasers 10 so ausgewählt werden
kann, dass er Δλ – Δλbire oder Δλ + Δλbire ist.
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Die
zwei ausgewählten
orthogonalen Polarisationsmodi können
als zwei unabhängige
Modi betrachtet werden. Wenn eine Laserkavität, die hierdurch die erste
Gittereinrichtung 20 definiert ist, und das aktive Medium,
in diesem Beispiel die Er-Yb-Faser, gleiche Verstärkungsfaktoren
und Dämpfungen für beide
Polarisationen bereitstellen, oszilliert der Laser gleichzeitig
in den zwei Modi unabhängig
und mit der gleichen Intensität.
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Um
zu ermöglichen,
dass die Wellenlängen der
Reflexionsspitzen 38, 40 des hi-bi-Gitters 30 so festgelegt
werden, dass sie an die Wellenlängen
des gewählten
Paares von orthogonal polarisierten Modi der Laserkavität angepasst
sind, umfasst der Laser 10 ferner eine Wellenlängenabstimmeinrichtung.
In diesem Beispiel nimmt die in 8 gezeigte
Wellenlängenabstimmeinrichtung
die Form eines Peltier-Heizelements 6 an, mit dem die hibi-Faser 28 einschließlich des
Gitterabschnitts 32 gekoppelt ist. Die Doppelbrechung in
der Doppelschleifen-hi-bi-Faser 28 ist spannungsinduziert,
was bedeutet, dass sie temperaturempfindlich ist. Durch Ändern der
Temperatur des Gitterabschnitts 32 der hi-bi-Faser 28 kann der
Wellenlängenabstand
zwischen den Reflexionsspitzen 38, 40 des hi-bi-Gitters 30 abgestimmt
werden.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine photonische
Datenträgersignalquelle 50,
die in 9 gezeigt ist. Die photonische Datenträgersignalquelle 50 umfasst
einen optischen Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser 10 gemäß den ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen zweiten optischen Isolator 52,
eine Polarisationssteuervorrichtung 54 und einen polarisationsabhängigen optischen
Modulator, der in diesem Beispiel die Form eines planaren optischen
Gallium-Arsenid-Modulators 56 annimmt.
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Das
optische Ausgangssignal vom Laser 10 wird vom Laserausgang
(Anschluss 16c des WDM-Kopplers 16) über einen
Abschnitt der Standard-Monomodus-Faser
(SMF) 58 in den zweiten optischen Isolator 52 eingekoppelt,
der in diesem Beispiel die Form eines optischen 1550nm-Faserisolators
annimmt. Der Isolator 52 schützt den Laser 10 von
irgendwelchen Rückreflexionen
von den nachfolgenden optischen Komponenten. Der Isolator 52 ist über einen
zweiten Abschnitt der optischen Faser 58 mit der Polarisationssteuervorrichtung 54 und über einen
dritten Abschnitt der optischen Faser 58 mit dem optischen
Modulator 56 optisch gekoppelt. Die Orientierung der Polarisationsachsen
der zwei Lasermodi kann durch die Polarisationssteuervorrichtung 54 gedreht
werden, um sicherzustellen, dass diese innerhalb der Betriebsparameter
des optischen Modulators 56 liegen.
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Der
polarisationsabhängige
optische Modulator 56 ist so betreibbar, dass er ein Datensignal 60 einem
ausgewählten
der zwei orthogonalen Polarisationsmodi 62, 64 des
optischen Ausgangssignals vom Laser aufprägt. In diesem Beispiel wird
das Datensignal aufgeprägt
durch Aufprägen
einer Amplitudenmodulation bei der Datensignalfrequenz auf den ausgewählten Modus 62,
wie in 10 gezeigt ist. Wie Fachleute
erkennen werden, kann das Datensignal alternativ oder zusätzlich aufgeprägt werden durch
Aufprägen
einer Phasenmodulation auf den gewählten Polarisationsmodus.
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Der
modulierte Polarisationsmodus 62 und der unmodulierte Polarisationsmodus 64 umfassen zusammen
ein photonisches Datenträgersignal 66, das
anschließend über einen
optischen Wellenleiter übertragen
werden kann.
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Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein auf einem
optischen Wellenleiter basierendes elektronisches Signalübertragungssystem 70,
das in 11 gezeigt ist. Das System 70 umfasst eine
photonische Datenträgersignalquelle 50 gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung, eine optische Wellenleiterübertragungsleitung, die in
diesem Beispiel eine optische Faserübertragungsleitung 72 umfasst,
und ein Empfangsmittel 74, das an seinem distalen Ende
mit der Übertragungsleitung 72 gekoppelt ist.
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Der
Ausgang der photonischen Datenträgersignalquelle 50 ist
optisch mit der Faserübertragungsleitung 72 gekoppelt,
wobei das photonische Datenträgersignal 66 in
die Übertragungsleitung 72 ausgesendet
und über
diese zum Empfangsmittel 74 übertragen wird. In diesem Beispiel
umfasst das Empfangsmittel 74 eine Polarisationssteuervorrichtung 76,
ein optisches Polarisierungsmittel in Form eines Abschnitts einer
polarisierenden optischen Faser 78, und ein optisches Erfassungsmittel
in Form eines rauscharmen HF-Photodetektors 80.
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Die
Ausbreitungsachse der polarisierenden Faser 78 muss in
einem Winkel von 45° zu
den Polarisationsachsen der zwei Polarisationsmodi 62, 64 des
photonischen Datenträgersignals 66 orientiert sein.
Um sicherzustellen, dass diese Anforderung erfüllt wird, kann die Orientierung
der Polarisationsachsen der Polarisationsmodi 62, 64 von
der Polarisationssteuervorrichtung 76 gedreht werden.
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Bei
Ausbreitung durch die polarisierende Faser 78 überlagern
sich die zwei orthogonalen Polarisationsmodi 62, 64,
um somit einen elektronischen Träger
im optischen Bereich zu erzeugen. Der elektronische Träger im optischen
Bereich weist eine Überlagerungsfrequenz
auf, die durch den Wellenlängenabstand
(Δλ – Δλbire oder Δλ + Δλbire)
zwischen den zwei Polarisationsmodi 62, 64 bestimmt
wird.
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Der
Wellenlängenabstand Δλ zwischen
den zwei Durchlassbereichen 24, 26 des Doppelphasenverschiebung-Gitters 20 bestimmt
den Wellenlängenabstand
zwischen den zwei Polarisationsmodi 62, 64. Der
Wellenlängenabstand
wird während
der Fertigung des Gitters 20 gewählt, kann jedoch nach der Fertigung
durch Dehnungs- oder Temperaturabstimmung des Gitters 20 verändert werden.
Die durch UV-Belichtung hervorgerufene Doppelbrechung, die Δλbire bestimmt,
kann unter Verwendung einer Peltier-Heizvorrichtung abgestimmt werden,
wie in 8 gezeigt ist, um für eine Feinabstimmung der Überlagerungsfrequenz
des elektronischen Trägers im
optischen Bereich zu sorgen.
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Der
Photodetektor 80 ist so betreibbar, dass er das elektronische
Trägersignal
im optischen Bereich detektiert und dieses in ein elektrisches Signal umsetzt.
Das HF-Spektrum des elektronischen Trägers im optischen Bereich kann
anschließend
durch Abfragen des elektrischen Ausgangssignals vom Photodetektor 80 unter
Verwendung eines HF-Spektrumanalysators 82 analysiert werden,
wie in 11 gezeigt ist. Fachleute werden
erkennen, dass der HF-Spektrumanalysator 82 lediglich ein
Messwerkzeug ist und keinen Teil des Systems 70 bildet.
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Das
gesamte optische Feld der zwei orthogonal polarisierten Lasermodi 62, 64 kann
ausgedrückt
werden durch E =
E1exp[i(ω1t + ϕ1)]
+ E2exp[i(ω2t
+ ϕ2)] (1)wobei ω1,2 die zwei optischen Frequenzen entsprechend λ1 und λ2 sind, und ϕ1,2jeweils das Phasenrauschen für die entsprechenden
Modi ist. Der Photostrom I, der durch direkte Detektion des optischen Feldes,
das durch (1) definiert wird, unter Verwendung des Photodetektors 80 erzeugt
wird, ist proportional zu E·E*,
gegeben durch I ∝ E1 2 + E2 2 + 2E1E2cos[(ω1 – ω2)t + (ϕ1 – ϕ2)] (2)
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Die
Differenz zwischen den zwei optischen Frequenzen ω1 und ω2 ist die Überlagerungsfrequenz und kann
mittels angemessener Fertigung des ersten Gitters 20 so
gewählt
werden, dass sie innerhalb irgendeines gewünschten Frequenzbereiches liegt, wie
z. B. der Funkfrequenz-, Mikrowellen- oder Millimeterwellenfrequenzbereiche.
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Im
Allgemeinen variiert das Phasenrauschen ϕ1 und ϕ2 auf zwei orthogonalen Lasermodi mit einer hohen
Frequenz. Wenn die zwei Modi von verschiedenen optischen Kavitäten stammen,
ist das auf jedem Modus vorhandene Phasenrauschen voneinander verschieden.
Die Differenz zwischen dem jeweiligen Phasenrauschen erzeugt eine
hochfrequente Rauschquelle, die folglich eine große Linienbreite
in der Überlagerungsfrequenz
des elektronischen Trägers
im optischen Bereich verursacht. Wenn jedoch, wie es hier der Fall
ist, die zwei Modi aus der selben Laserkavität stammen, können das
Phasenrauschen und somit die Linienbreite sehr klein sein.
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12 zeigt
das HF-Leistungs-(P)-Spektrum 84 des elektronischen Trägers im
optischen Bereich, das in dem auf einem optischen Wellenleiter basierenden
elektronischen Signalübertragungssystem
der 11 erzeugt wird. Der elektronische Träger weist
eine Überlagerungsfrequenz
von 20 GHz und eine Linienbreite von weniger als 1 kHz auf. Die obenbeschriebenen
Ausführungsformen
der Erfindung bieten einen neuen Lösungsansatz zur Verwendung
eines Faser-Bragg-Gitter-Dezentralrückkopplungs-Lasers für die Erzeugung
eines elektronischen Trägers
im optischen Bereich bei nutzbaren Frequenzen. Der elektronische
Träger
weist eine schmale Linienbreite auf. Die Erfindung nutzt die Gleichtaktunterdrückung im Überlagerungssignal
zwischen zwei optischen Modi einer orthogonalen Polarisation, die in
der gleichen DFB-Faserlaserkavität
oszillieren.
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Der
obenbeschriebene optische Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser wird
verwendet, um ein photonisches Datenträgersignal zu schaffen, das
den Vorteil einer schmaleren inhärenten
optischen Linienbreite aufweist, und folglich einer schmaleren elektrischen
Bandbreite, als unter Verwendung eines Halbleiterlaser verfügbar wäre.
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Das
beschriebene, auf einem optischen Wellenleiter basierende elektronische
Signalübertragungssystem,
in welchem die Erzeugung des elektronischen Trägers im optischen Bereich nach
der Übertragung über die
optische Wellenleiterübertragungsleitung
stattfindet, bietet einen signifikanten Vorteil gegenüber bekannten
Optikfaser-Mikrowellensystemen, die die direkte Modulation der Laserquelle
oder die Amplitudenmodulation bei der elektronischen Trägerfrequenz
des optischen Signals verwenden. Da die photonische Datenträgersignalquelle
eine Modulation auf einen der Polarisationsmodi bei der Datensignalfrequenz
aufprägt,
die sehr viel niedriger ist als die gewünschte elektronische Trägerfrequenz,
ist der Wellenlängen/Frequenz-Abstand zwischen
den erzeugten Seitenbändern
und dem ausgewählten
Modus (optischer Träger)
viel kleiner als im Fall mit direkter Modulation der Laserquelle
oder Amplitudenmodulation bei der elektronischen Trägerfrequenz
des optischen Signals. Als Ergebnis werden die Effekte der chromatischen
Dispersion signifikant reduziert, und folglich wird die erreichbare Übertragungsstrecke
stark vergrößert (bis
etwa 14.683 km für
eine Modulations/Datenfrequenz von 500 MHz auf einem optischen Signal
mit 1550 nm, das sich in einer SMF ausbreitet).
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Die
beschriebene photonische Datenträgersignalquelle
bietet durch die Verwendung eines polarisationsabhängigen externen
optischen Modulators eine günstige
Basisbandmodulation bei der Datensignalfrequenz.
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Die
Verwendung eines Gitters mit zwei Phasenverschiebungen innerhalb
seiner periodischen Brechungsindexänderung im Doppel-Wellenlängen-Laser bietet den
Vorteil der Flexibilität
beim Festlegen des Wellenlängenab stands
zwischen den Resonanzen der zwei Phasenverschiebungen. Dies ermöglicht die
Steuerung der Überlagerungsfrequenz des
elektronischen Trägers
im optischen Bereich, wobei Frequenzen von bis zu 60 GHz verfügbar sind.
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Die
Verwendung von zwei Lasermodi mit orthogonaler Polarisation bietet
den Vorteil, dass beide Modi stabil lasern können, ohne unter einer Moduskonkurrenz
innerhalb der Laserkavität
zu leiden. Die Verwendung eines hi-bi-Fasergitters für die Polarisationsmoduskopplung
bietet den Vorteil einer sehr kompakten Struktur und stellt sicher,
dass die zwei ausgewählten
Lasermodi innerhalb im Wesentlichen derselben optischen Kavität oszillieren.
Dies bietet den weiteren Vorteil, dass beide Lasermodi, das gleiche
Phasenrauschen aufweisen, was zu einer schmalen optischen Linienbreite
führt.
Eine schmale elektrische Linienbreite des erzeugten elektronischen
Trägers
im optischen Bereich (< 1
kHz) kann daher erreicht werden, ohne irgendein zusätzliches Steuer-
oder Rückkopplungssystem
zu verwenden.
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Es
können
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann der optische Doppel-Wellenlängen-Wellenleiter-Laser
bei Wellenlängen
arbeiten, die von den oben beschriebenen verschieden sind. Folglich
kann der Pumplaser einem anderen Typ entsprechen oder bei einer
anderen Wellenlänge
arbeiten, und es können
ein anderer optischer Isolator und ein anderer WDM-Koppler verwendet
werden. Die optischen Wellenleitergittereinrichtungen können mit
einem anderen Wellenlängentyp
versehen sein, wie z. B. einem anderen Typ von optischer Faser oder
einem planaren optischen Wellenleiter. Die optischen Wellenleitergittereinrichtungen
können
ferner andere Spektraleigenschaften als die oben beschriebenen aufweisen.
Die Wellenlängenabstimmeinrichtungen,
die beschrieben worden sind, können
ebenfalls eine andere Form annehmen. Außerdem kann der Ausgangslaserausgang
am distalen Ende der SMF 36 angeordnet sein, statt am WDM-Koppleranschluss 16c,
wie beschrieben worden ist.
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Wie
Fachleute erkennen werden, kann sich jedes mögliche orthogonale Paar der
vier Resonanzmodi der Laserkavität überlagern,
um eine Überlagerungsfrequenz
zu erzeugen, die sich auf deren Wellenlängenabstand bezieht.
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Daher
kann ein anderes Paar von orthogonalen Polarisationsmodi als das
oben beschriebene verwendet werden.
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Die
photonische Datenträgersignalquelle und
das auf einem optischen Wellenleiter basierende elektronische Datenübertragungssystem
können
einen anderen optischen Isolator verwenden. Das Übertragungssystem kann ferner
ein anderes optisches Polarisationsmittel als das beschriebene verwenden,
wie z. B. einen optischen Festkörperpolarisierer.
Diese optischen Elemente können
unter Verwendung eines anderen Typs von optischer Faser oder eines
optischen Wellenleiters verbunden sein.
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Insbesondere
in Bezug auf die photonische Datenträgersignalquelle kann ein anderer
polarisationsabhängiger
optischer Modulator als der beschriebene verwendet werden.
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Das
auf einem optischen Wellenleiter basierende elektronische Signalübertragungssystem,
das beschrieben worden ist, kann ein Rückkopplungssystem enthalten,
wie z. B. eine optische phasenstarre Schleife, um die elektrische
Linienbreite des erzeugten elektronischen Trägers im optischen Bereich zu verbessern.
Dies ist möglich
aufgrund des geringen Phasenrauschens, das auf dem optischen Ausgangssignal
vom Doppel-Wellenlängen-Laser
vorhanden ist.