DE60212707T2

DE60212707T2 - Optische phasenmodulation

Info

Publication number: DE60212707T2
Application number: DE60212707T
Authority: DE
Inventors: Seemant Dallas CHOUDHARY; Takeshi Hoshida
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: EP1526663A2; US6990296B2; EP1526665B1; EP1526664B1; EP1526664A2; DE60225726T2; US20030118352A1; JP2005513908A; EP1456976B1; DE60225726D1; EP1526663A3; DE60225852T2; EP1526665A3; EP1526665A2; DE60225853D1; EP1456976A1; WO2003055109A1; EP1526664A3; DE60225853T2; US7197251B2

Description

Die vorliegende Erfindung ist generell in optischen Kommunikationsnetzwerken und insbesondere bei einer optischen Phasenmodulation mit großer Datenfolgefrequenz anwendbar.
Für die immer mehr zunehmenden Anforderungen an die Bandbreite in Kommunikationsnetzwerken wählen viele Serviceanbieter die Vergrößerung der Datenübertragungs-Folgefrequenzen. Damit wird aus der vorhandenen Infrastruktur eine größere Kapazität herausgepresst, wobei jedoch in Übertragungen mit hoher Datenfolgefrequenz verwendete Breitbandsignale zu Schwierigkeiten bei der effektiven Prozessausnutzung führen können. Speziell können in optischen Netzwerken unter Verwendung einer Phasenverschiebungs-Verschlüsselungsmodulation Breitbandsignale eine konventionelle Vorcodierung und eine Nachcodierung von elektrischen Datensignalen unterbrechen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Techniken für eine optische Phasenmodulation mit hoher Datenfolgefrequenz vorgesehen.
Die US-Patentanmeldung US 2002/0101639, bei der es sich um eine Übersetzung der japanischen Patentanmeldung JP 10332939A handelt, beschreibt eine optische Datenübertragungsanordnung, bei der trinale duobinäre Symbole optischen Symbolen mit invertierten Phasen und orthogonalen Polarisationen zugeordnet sind, um größere Übertragungsstrecken und eine konventionelle Polarisationsverschiebungstastung im Empfänger zu ermöglichen. Ein Ausführungsbeispiel in dieser vorbekannten Anmeldung umfasst eine Trägerwelle, zwei in Serie geschaltete Phasenmodulatoren, einen Vorcodierer zur Vorcodierung eines einzigen Signals mit großer Datenfolgefrequenz sowie einen Treibersignalgenerator zur Erzeugung von zwei Signalen, welche vom vorcodierten Eingangssignal abgeleitet sind und die beiden Phasenmodulatoren ansteuern.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein optischer Modulator mit folgenden Merkmalen vorgesehen: eine Vielzahl von elektrischen Vorcodierungsmodulen, von denen jeder zum Empfang eines Datenstroms aus einem entsprechenden Vorcodierungsmodul betreibbar ist; und eine Vielzahl von in Serie geschalteten Phasenmodulatoren, die jeweils zum Empfang des vorcodierten Datenstroms von einem entsprechenden Vorcodierungsmodul betreibbar sind, um ein optisches Signal von einem vorhergehenden Phasenmodulator in der Serie zu empfangen und den vorcodierten Datenstrom von den entsprechenden Vorcodierungsmodulen in das optische Signal zu verschachteln.
Es kann weiterhin ein optischer Modulator vorgesehen sein, in dem jeder der Vorcodierungsmodule weiterhin zur Vorcodierung des Datenstroms mittels Durchführung einer "Exklusiv-ODER"-Operation zwischen dem Datenstrom und einem Ausgangssignal des Vorcodierungsmoduls betreibbar ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal kann ein optischer Modulator vorgesehen sein, in dem jeder der Vorcodierungsmodule ein D-Flip-Flop mit einem Eingang und einem Ausgang; ein "Exklusiv-ODER"-Gatter mit einem ersten, den Datenstrom aufnehmenden Eingang, einem zweiten an den Ausgang des D-Flip-Flops gekoppelten Eingang und einem an den Eingang des D-Flip-Flops gekoppelten Ausgang umfasst, wobei der Ausgang des "Exklusiv-ODER"-Gatters weiterhin an einen entsprechenden Phasenmodulator angekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist ein optischer Modulator vorgesehen, welcher einen oder mehrere Verzögerungsmodule umfasst, die jeweils zwischen einen der Vorcodierungsmodule und einen entsprechenden Phasenmodulator angeordnet sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung bieten zahlreiche technische Vorteile. Die beschriebenen Techniken schaffen eine Anzahl von Ausführungsbeispielen zur Vorcodierung von auf einer optischen Leitung übertragenen Datensignalen. Speziell ermöglichen diese Techniken eine Vorcodierung von Daten, welche in phasenmodulierten optischen Datensignalen übertragen werden. Diese Vorcodierung ermöglicht eine direkte Detektierung von optischen Datensignalen an optischen Empfängern. Damit können der Aufwand und die Kosten von optischen Empfängern reduziert werden. Darüber hinaus kann die Vorcodierung der Datensignale die Effekte von Fehlern bei der Übertragung über eine optische Faser reduziert werden. Beispielsweise kann die Vorcodierung einen Fehler in der Ausbreitung eines übertragenen Bits im Bitstrom verhindern, das zu Fehlern beim Empfang nachfolgend übertragener Bits führen kann.
Gemäß spezieller Ausgestaltungen kann die Vorcodierung während der Modulation von optischen Signalen auftreten, wodurch die Notwendigkeit für elektrische Komponenten reduziert wird. Diese Reduzierung der elektrischen Komponenten kann die Anfälligkeit für hochfrequente Unterbrechungen reduzieren, so dass im Vergleich zu vielen konventionellen Systemen Übertragungen mit höherer Datenfolgefrequenz möglich sind. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung führt ein Modulator eine Vorcodierung einer Anzahl von elektrischen Datenströmen mit relativ kleiner Datenfolgefrequenz durch und kombiniert diese vorcodierten elektrischen Datenströme unter Verwendung einer Folge von Phasenmodulatoren, um einen einzigen vorcodierten optischen Datenstrom mit großer Datenfolgefrequenz zu erzeugen. Diese Techniken ermöglichen die Vorcodierung von elektrischen Datenströmen mit Frequenzen, die für elektrische Komponenten tolerierbar sind.
Weitere technische Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen. Oben wurden spezifische Vorteile aufgeführt, wobei jedoch verschiedene Ausführungsbeispiele alle, einige oder keinen der oben genannten Vorteile aufweisen können.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und für eine Darstellung, wie diese ausgeführt werden kann, wird nachfolgend beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Es zeigt:
1 ein optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Modulator gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild beispielhafter Funktionskomponenten für ein Ausführungsbeispiel des optischen Modulators;
3 ein Blockschaltbild von beispielhaften Funktionskomponenten eines Ausführungsbeispiels des optischen Modulators gemäß der Erfindung;
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Erzeugung eines vorcodierten optischen Signals unter Verwendung eines optischen Modulators; und
5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines Verfahrens zur Erzeugung eines vorcodierten optischen Signals unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels des optischen Modulators.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt 1 ein generell mit 10 bezeichnetes optisches Kommunikationssystem, das einen Übertragungsmodul 12 enthält, der über eine oder mehrere optische Fasern 14 mit einem Empfänger 16 verbunden ist. Der Übertragungsmodul 12 enthält eine Lichtquelle 18 zur Erzeugung eines optischen Trägers und einen optischen Modulator 20 zur Modulation von Daten von einer Datenquelle 22 zur Erzeugung eines phasenmodulierten optischen Datensignals. Generell erzeugt der Übertragungsmodul 12 vorcodierte optische Datensignale zur Übertragung von Information auf der optischen Faser 14, um einen durch die Lichtquelle 18 erzeugten optischen Träger durch den optischen Modulator 20 zu führen. Gemäß spezieller Ausgestaltungen führt der optische Modulator 20 eine Vorcodierung des optischen Datensignals unter Verwendung einer Rückkopplung vom optischen Datensignal durch. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung führt der optische Modulator 20 eine elektrische Vorcodierung von Mehrfachdatenströmen durch und kombiniert die vorcodierten Datenströme, um ein einziges vorcodiertes optisches Datensignal mit höherer Datenfolgefrequenz zu erzeugen.
Der Übertragungsmodul 12 wird durch eine geeignete Hardware-Ausgestaltung mit einer geeigneten Logik gebildet, um optische Signale auf der optischen Faser 14 zu erzeugen und zu übertragen. Zwar ist nur eine relativ einfache Ausgestaltung dargestellt, wobei das System 10 jedoch einen Übertragungsmodul 12 mit jeder Anzahl von geeigneten Elementen zur Übertragung von Information auf der optischen Faser 14 aufweisen kann. Beispielsweise enthält die dargestellte Anordnung Mehrfachsätze von Komponenten (Lichtquelle 18 und optischer Modulator 20) zur Erzeugung von optischen Signalen, wobei Signale von diesen Elementen durch einen Multiplexer 28 verarbeitet werden können, um optische Mehrfachsignale mit verschiedenen Wellenlängen über die optische Faser 14 übertragen zu können.
Um optische Datensignale für die Übertragung auf den Empfänger 16 zu erzeugen, enthält der Übertragungsmodul 12 die Lichtquelle 18, den Modulator 20 und die Datenquelle 22. Die Lichtquelle 18 kann beispielsweise ein Laser sein, welcher ein optisches Trägersignal erzeugt. Die Datenquelle 22 liefert einen Datenstrom, der in elektrischen Signalen codiert ist, um in optischen Signalen auf den Empfänger 16 übertragen zu werden. Zwar enthält die dargestellte Anordnung eine Datenquelle 22 im Übertragungsmodul 12; das System 10 ermöglicht jedoch auch einen Übertragungsmodul 12, welcher einen oder mehrere Datenströme von internen und/oder externen Datenquellen empfangen kann. So kann der Übertragungsmodul 12 beispielsweise vier Datenströme mit 10 Gigabit zur Kombination und Übertragung eines einzigen optischen Signals mit vierzig Gigabit auf der optischen Faser 14 empfangen.
Der Modulator 20 führt eine Phasenmodulation eines durch die Lichtquelle 18 erzeugten optischen Trägersignals als Funktion des Datenstroms von der Datenquelle 22 durch, um ein phasenmoduliertes optisches Datensignal zur Übertragung auf den Empfänger 16 zu erzeugen. Speziell kann der Modulator 20 das optische Trägersignal unter Verwendung einer Phasenverschiebungs-Tastmodulation (PSK)-Modulation modulieren, um weiterhin die im phasenmodulierten optischen Signal übertragene Information vorzucodieren, so dass eine direkte Detektierung der Information des optischen Datensignals durch den Empfänger 16 möglich ist.
Der Empfänger 16 stellt eine geeignete Kombination und Anordnung von Hardware einschließlich einer geeigneten Logik zum Empfang, zur Trennung und zur Decodierung von auf der optischen Faser 14 empfangenen optischen Signalen dar. In der dargestellten Ausführungsform enthält der Empfänger 16 einen Umsetzermodul 24 zur Umsetzung der Phase in Intensität sowie einen Photodetektor 26. Der Umsetzermodul empfängt ein phasenmoduliertes optisches Signal auf der Faser 14 und setzt das phasenmodulierte optische Signal in ein in der Intensität moduliertes optisches Signal um. Beispielsweise kann in einem in Binärinformation codierten phasenmodulierten optischen Signal ein Wert von "0" eine Phasenverschiebung von 0 Grad darstellen, während ein Wert von "1" eine Phasenverschiebung von 180 Grad darstellen kann. In einem in der Intensität modulierten optischen Signal können ein Wert von "0" durch das Fehlen eines Lichtimpulses und ein Wert von "1" durch das Vorhandensein eines Lichtimpulses repräsentiert sein.
Um ein phasenmoduliertes Signal in ein in der Intensität moduliertes optisches Signal umzusetzen, teilt der Umsetzermodul 24 das empfangene optische Signal, verzögert einen Strom des aufgezeichneten optischen Signals und lässt den verzögerten Strom mit dem unverzögerten Strom des empfangenen optischen Signals in Wechselwirkung treten. Gemäß spezieller Ausführungsformen ist der Umsetzermodul 24 als Mach-Zehnder-Interferometer mit geeigneten Armlängen ausgebildet. Bei einer geeigneten Verzögerung längs eines Weges des aufgeteilten optischen Signals setzt die Wechselwirkung bei Rekombination der beiden Ströme das phasenmodulierte optische Signal in ein in der Intensität moduliertes optisches Signal um. Der Photodetektor 26 kann dann das in der Intensität modulierte optische Signal in ein elektrisches Datensignal umsetzen.
Weil der Umsetzermodul 24 eine zeitlich verzögerte Version des empfangenen optischen Signals mit dem empfangenen optischen Signal in Wechselwirkung treten lässt, ist das Ausgangssignal des Umsetzermoduls 24 keine direkte Umsetzung des empfangenen phasenmodulierten Signals in ein Intensitätsformat. Beispielsweise bei einer gegebenen Zeitverzögerung von einer Bitperiode zwischen zwei Strömen des empfangenen optischen Signals stellt das Ausgangssignal des Umsetzers 24 eine Exklusiv-ODER-Version (XOR) aufeinanderfolgender Bits im Bitstrom dar. Ist beispielsweise die übertragene Bitfolge vom Übertragungsmodul 12 durch T = [t(0), t(1), t(2) ... t(n)] gegeben, so ist ein Ausgangssignal R des Umsetzermoduls 24 durch folgende Gleichungen gegeben: r(0) = t(0) ⨁ 0 r(1) = t(1) ⨁ t(0) r(2) = t(2) ⨁ t(1) r(n) = t(n) ⨁ t(n – 1).
Um die Abweichung zwischen dem Ausgangssignal des Umsetzermoduls 24 und des durch den Übertragungsmodul 12 übertragenen phasenmodulierten Signals zu kompensieren, führt der Übertragungsmodul 12 eine Vorcodierung des im optischen Datensignal übertragenen Bitstroms dar. Diese Vorcodierung im Übertragungsmodul 12 kompensiert eine Exklusiv-ODER-Operation (XOR), welche sich aus der Ausgestaltung des Umsetzermoduls 24 ergibt. Im vorstehend angegebenen Beispiel mit einer Zeitverzögerung von einer Bitperiode kann der Übertragungsmodul 12 eine Exklusiv-ODER-Operation (XOR) durch Vorcodierung kompensieren, welche auf durch den Empfänger 16 empfangenen aufeinanderfolgenden Bits durchgeführt wird. Ist B die ursprüngliche Bitsequenz von der Datenquelle 22, so ist die übertragene Bitsequenz T durch folgende Gleichungen gegeben:
Ist die Vorcodierung der Daten von der Datenquelle als Funktion dieser Formeln gegeben, so ist das Ausgangssignal des Umsetzermoduls 24 und nachfolgend der durch den Photodetektor 26 erzeugte elektrische Datenstrom gleich der ursprünglichen Bitfrequenz B von der Datenquelle 22.
Im Übertragungsmodul 12 führt der Modulator 20 eine Vorcodierung des von der Datenquelle 22 empfangenen Datenstroms durch. Gemäß dieser Ausgestaltung führt der Modulator 20 eine Vorcodierung des Datenstroms unter Verwendung einer Rückkopplung des vom Modulator 20 erzeugten optischen Datensignals durch. Die Funktionsweise des Modulators 20 gemäß dieser speziellen Ausführungsform wird zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung nachfolgend im Einzelnen an Hand von 2 beschrieben. Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung führt der Modulator 20 eine Vorcodierung durch elektrische Vorcodierung mehrerer Datenströme und eine nachfolgende Kombination dieser vorcodierten Ströme in einen einzigen optischen Datenstrom mit höherer Datenfolgefrequenz durch. Die Wirkungsweise des Modulators 20 gemäß diesen speziellen Ausführungsbeispielen wird nachfolgend genauer anhand von 3 beschrieben.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt 2 ein Blockschaltbild eines optischen Modulators 40 gemäß einer speziellen Ausführungsform zur Realisierung des optischen Modulators 20 des Übertragungsmoduls 12. In der dargestellten Ausführungsform enthält der Modulator 40 optische Teiler 42, Phasenmodulatoren 44, einen optischen Koppler 46, einen Photodetektor 48, einen abstimmbaren Verzögerungsmodul 50 und einen Treiberverstärker 52. Generell führt der Modulator 40 eine Vorcodierung von Information in einem übertragenen phasenmodulierten optischen Datensignal unter Verwendung einer das optische Datensignal durchführenden Rückkopplung durch.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Lichtwege unter Verwendung breiter Linien dargestellt, während die elektrischen Wege durch dünnere Linien dargestellt sind. Somit wird ein in den Modulator 40 eintretender Lichtweg durch den Teiler 42 in zwei Ströme 56 und 58 geteilt. Der Lichtstrom 56 läuft durch einen ersten Phasenmodulator 44 (PM₁), einen zweiten Phasenmodulator 44 (PM₂) und in einen zweiten Teiler 42. Dieser zweite Teiler 42 teilt das empfangene Licht in zwei Ströme 60 und 62 auf. Der Modulator 40 liefert einen Ausgangsstrom 60 als phasenmoduliertes optisches Datensignal. Der Strom 62 zum zweiten Teiler 42 wird unter Verwendung des Kopplers 46 mit dem anderen Strom vom ersten Teiler 42 vereinigt.
Die Teiler 42 stellen optische Elemente zur Aufteilung von Licht in mehrere Ströme dar. Entsprechend repräsentiert der Koppler 46 ein optisches Element zur Kombination mehrerer empfangener Lichtströme in einen einzigen Lichtstrom. Gemäß der speziellen Ausführungsform sind die Teiler 42 so ausgebildet, dass sie Lichtströme mit im Wesentlichen äquivalenter Leistung in den Koppler 46 eingeben. Damit wird eine optimale Funktionsweise des Kopplers 46 sichergestellt, so dass der Photodetektor 48 ein "sauberes" Signal erhält. Um im Wesentlichen gleiche Leistung auf den Wegen 58 und 62 zu führen, sollten die Teilerverhältnisse der Teiler 42 in geeigneter Weise abgeglichen sein. Beispielsweise sei ein Teilungsverhältnis des ersten Teilers 42 von 1:x angenommen. Gemäß diesem Teilerverhältnis besitzt der entsprechende aufgeteilte Lichtstrom auf dem Weg 56 eine Leistung von x, wenn ein Lichtstrom auf dem Weg 58 eine Leistung von 1 besitzt. Es sei nun ein Teilerverhältnis von 1:y für den zweiten Teiler 42 angenommen. Die Werte für x und y können unter Verwendung der Formel x = 1 + y berechnet werden. Eine Ausgestaltung der Teilerverhältnisse der Teiler 42 gemäß dieser Formel kann sicherstellen, dass die optischen Signale mit im Wesentlichen gleicher Leistung auf den Wegen 58 und 62 zum Koppler 46 geleitet werden. Das System 10 geht jedoch von einem Modulator 40 aus, welcher jede geeignete Anordnung enthält, die zur Aufspaltung und Kopplung von Lichtwegen abgeglichen und/oder ausgebildet ist.
Die Phasenmodulatoren 44 empfangen optische Signale und modulieren die empfangenen optischen Signale als Funktion eines elektrischen Dateneingangssignals. Beispielsweise empfängt der PM₁ ein optisches Trägersignal auf dem Weg 56 und moduliert den empfangenen Träger als Funktion eines elektrischen Datensignals, das von der Datenquelle 22 empfangen wird. Entsprechend empfängt der PM₂ ein optisches Signal vom PM₁ und moduliert das empfangene Signal als Funktion eines elektrischen Signals, das auf einer Rückkopplungsleitung 64 empfangen wird. Gemäß den speziellen Ausführungsformen erfolgt die Modulation von optischen Signalen in den Phasenmodulatoren 44 unter Verwendung der PSK-Modulation. Das heißt, die Phasenmodulatoren 44 verschieben die Phase eines optischen Signals auf der Basis eines empfangenen elektrischen Signals. Somit diktieren die binären elektrischen Daten die Phasenverschiebung eines optischen Signals im Phasenmodulator 44. Beispielsweise verschiebt der Phasenmodulator 44 beim Empfang eines elektrischen Signals, das einen Wert von "1" anzeigt, die Phase eines optischen Signals um 180 Grad. Für einen empfangenen Wert von "0" verschiebt der Modulator 44 die Phase des optischen Signals nicht (eine Phasenverschiebung von 0 Grad).
Der Modulator 40 enthält auch elektrische und optoelektrische Komponenten einschließlich eines Photodetektors 48, eines abstimmbaren Verzögerungsmoduls 50 und eines Verstärkers 52. Der Photodetektor 48 repräsentiert jedes geeignete Element bzw. jede geeigneten Elemente zur Umsetzung eines empfangenen optischen Signals in ein entsprechendes elektrisches Signal. Beispielsweise bei der Detektierung des Vorhandenseins von vom Koppler 4 6 empfangenem Licht kann der Photodetektor 48 ein elektrisches Signal erzeugen, das einen Binärwert von "1" angibt. Entsprechend kann der Photodetektor 48 bei Abwesenheit von vom Koppler 46 empfangenem Licht ein elektrisches Signal erzeugen, das einen Binärwert von "0" angibt.
Der abstimmbare Verzögerungsmodul 50 repräsentiert jedes geeignete Element zur selektiven Verzögerung eines elektrischen Signals vom Photodetektor 48. Beispielsweise kann der Modulator 40 bei Verwendung des abstimmbaren Verzögerungsmoduls die Zeit angeben, die ein elektrisches Signal braucht, um vom Photodetektor 48 zum PM₂ zu gelangen. Damit wird die Abstimmung der Verzögerung längs der Leitung 64 möglich, so dass die Verzögerung gleich einem ganzzahligen Vielfachen von Bitperioden im optischen Kommunikationsstrom ist. Beispielsweise ist die Verzögerung gemäß einer speziellen Ausführungsform längs der Leitung 64 im Wesentlichen gleich einer Bitperiode. Dies führt im PM₂ zu einer Modulation des empfangenen optischen Signals mit seinem eigenen Ausgangssignal verzögert um die Dauer eines einzigen Bits. Diese Verzögerung längs der Rückkopplungsleitung 64 kann auf jedes geeignete ganzzahlige Vielfache von Bitperioden eingestellt werden. Im Empfänger 16 sollte der Umsetzer 24 jedoch so ausgebildet sein, dass eine Anpassung an die im Modulator 40 verwendete Verzögerung stattfindet. Beispielsweise bei einer gegebenen Verzögerung von drei Bitperioden längs der Rückkopplungsleitung 64 sollte der Umsetzer 24 im Empfänger 16 die gleiche Verzögerung nutzen.
Im Betrieb empfängt der Modulator 40 ein optisches Trägersignal auf dem Weg 54 von der Lichtquelle 18. Der erste Teiler 42 teilt den optischen Träger auf den Weg 56 und auf den Weg 58 gemäß seinem gegebenen Teilungsverhältnis. Der PM₁ empfängt den optischen Träger auf dem Weg 56 und moduliert diesen als Funktion des Datenstroms, der von der Datenquelle 22 empfangen wird. Der PM₁ führt dieses modulierte optische Signal auf den PM₂. Der PM₂ moduliert das modulierte optische Signal als Funktion des Datenstroms, der auf der Leitung 64 empfangen wird, um ein optisches Datensignal für die Ausgabe durch den Modulator 40 zu erzeugen. Wie oben ausgeführt, repräsentiert der Datenstrom auf der Rückkopplungsleitung 64 eine zeitverzögerte Version des durch den PM₂ erzeugten optischen Datensignals.
Um eine Rückkopplung vom erzeugten optischen Datensignal zu erhalten, teilt der Modulator 40 das optische Datensignal unter Verwendung des Teilers 42. Somit spaltet der Teiler 42 das optische Datensignal auf dem Weg 60 und dem Weg 62, wobei der Weg 60 als Ausgang des Modulators 40 und der Weg 62 für die Rückkopplung verwendet wird. Das geteilte optische Datensignal auf dem Weg 62 und das geteilte optische Trägersignal auf dem Weg 58 treten im Koppler 46 miteinander in Wechselwirkung, um eine in der Intensität modulierte Version des optischen Datensignals zu erzeugen. Somit ist das resultierende Ausgangssignal vom Koppler 46 in der Intensität moduliert, während das durch den PM₂ erzeugte optische Datensignal phasenmoduliert ist. Dieses in der Intensität modulierte Signal vereinfacht die Funktion des Photodetektors 48, da in einem in der Intensität modulierten Signal das Vorhandensein von Licht einen eingeschalteten Binärwert repräsentiert, während die Abwesenheit von Licht einen abgeschalteten Binärwert repräsentiert.
Der Photodetektor 48 setzt das vom Koppler 46 empfangene, in der Intensität modulierte optische Signal in einen elektrischen Datenstrom um. Dieser elektrische Datenstrom wird längs der Rückkopplungsleitung 64 durch den abstimmbaren Verzögerungsmodul 50 und den Verstärker 52 als elektrischer Datenstrom für die Phasenmodulation PM₂ geführt. Dies führt zu einer Vorcodierung des durch den Modulator 40 erzeugten optischen Datensignals, so dass eine direkte Detektierung des optischen Datensignals durch den Empfänger 16 möglich ist.
Zwar ist die in der vorhergehenden Beschreibung angegebene Ausgestaltung auf eine spezielle Ausführungsform des Modulators 40 gerichtet, welcher spezifische Elemente enthält; das System 10 ist jedoch auch mit einem Modulator 40 möglich, der jede geeignete Kombination und Anordnung von Elementen für die Vorcodierung eines optischen Signals unter Verwendung der zeitverzögerten Rückkopplung des optischen Datensignals enthält. Zwar verwendet die dargestellte Ausführungsform den abstimmbaren Verzögerungsmodulator 50 zur Modulation zur Abstimmung der Verzögerung längs der Rückkopplungsleitung 64; die Länge der Rückkopplungsleitung 64 kann jedoch auch so ausgebildet werden, dass eine inhärente Verzögerung gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Bitperioden im optischen Signal ist, so dass der abstimmbare Verzögerungsmodul 50 nicht notwendig ist. Darüber hinaus ermöglicht das System 10 auch einen Modulator 40 unter Verwendung einer geeigneten optischen Technik, wie beispielsweise planare Lichtwellenschaltungen, diskret gekoppelte Elemente, freie Raumoptiken und/oder andere geeignete optische Techniken.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines optischen Modulators 80, das eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Realisierung des Modulators 20 des Übertragungsmoduls 12 darstellt. In dieser Ausführungsform enthält der Modulator 80 einen Entschachtelungsmodul 82, Vorcodierungsmodule 84, einen Verzögerungsmodul 86 und Phasenmodulatoren 88. Generell erzeugt der Modulator 80 ein phasenmoduliertes optisches Datensignal mit einem vorcodierten Datenstrom. Um das vorcodierte optische Datensignal zu erzeugen, codiert der Modulator 80 mehrfache Datenströme elektrisch und verschachtelt diese vorcodierten Datenströme unter Verwendung der Phasenmodulatoren 88.
In der Darstellung des Modulators 40 repräsentieren breite Linien im Modulator 80 Lichtwege, während dünnere Linien elektrische Wege repräsentieren. Weiterhin arbeiten die Phasenmodulatoren 88 (PM₁ und PM₂) in der gleichen Weise wie die Phasenmodulatoren 44 des Modulators 40.
Die elektrischen Komponenten im Modulator 18 führen eine Vorcodierung von zwei oder mehr Datenströmen für eine Kombination in ein einziges optisches Datensignal mit höherer Datenfolgefrequenz durch. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthalten diese Komponenten den Entschachtelungsmodul 82, einen ersten Vorcodierer 84 (PC₁), einen zweiten Vorcodierermodul 84 (PC₂) und einen Verzögerungsmodul 86. Der Entschachtelungsmodul 82 empfängt einen einzigen Datenstrom mit großer Datenfolgefrequenz und setzt den Datenstrom in zwei oder mehr Datenströme mit kleinerer Datenfolgefrequenz um. Im dargestellten Ausführungsbeispiel setzt der Entschachtelungsmodul 82 den von der Datenquelle 22 empfangenen Bitstrom in zwei Bitströme um. Um den Bitstrom zu teilen, liefert der Entschachtelungsmodul 82 jedes aufeinanderfolgende Bit auf einen unterschiedlichen PC₁ und PC₂. So kann beispielsweise der Entschachtelungsmodul 82 das erste empfangene Bit auf den PC₁, das zweite empfangene Bit auf den PC₂, das dritte empfangene Bit auf den PC₁ usw. geben. Dies führt zu zwei Datenströmen mit jeweils der halben Datenfolgefrequenz des ursprünglichen von der Datenquelle 22 empfangenen Bitstrom. Beispielsweise bei einem Bitstrom von der Datenquelle 22 mit einer Folgefrequenz von vierzig Gigabit pro Sekunde liefert der Entschachtelungsmodul 82 Bitströme mit Datenfolgefrequenzen von zwanzig Gigabit pro Sekunde auf den PC₁ und den PC₂.
Die Vorcodierungsmodule 84 repräsentieren jedes geeignete Element zur Vorcodierung elektrischer Datensignale. 3 ist um den PC₂ erweitert, um eine spezielle Ausführungsform zu zeigen, in welcher der Vorcodierungsmodul 84 unter Verwendung eines Exklusiv-ODER-Gatters 90 und eines D-Flip-Flops 92 realisiert ist. Diese Ausgestaltung führt eine Vorcodierung des empfangenen elektrischen Signals gemäß den oben angegebenen Formeln durch.
Um sicherzustellen, dass die beiden Bitströme vom PC₁ und PC₂ in geeigneter Weise in ein optisches Datensignal verschachtelt sind, kann das Ausgangssignal des PC₂ durch den Verzögerungsmodul 86 laufen. Bei dieser Ausführungsform verzögert der Verzögerungsmodul 86 den vom PC₂ empfangenen Bitstrom um die Dauer der Bitperiode der kombinierten Datenströme. Arbeiten beispielsweise der PC₁ und der PC₂ jeweils mit Datenströmen mit zwanzig Gigabit pro Sekunde, so ist die Verzögerungsperiode des Verzögerungsmoduls gleich der Bitperiode eines Datenstroms mit vierzig Gigabit pro Sekunde. Somit führt der Modulator 80 im Betrieb eine elektrische Vorcodierung mehrerer Datenströme aus und führt dann eine Phasenmodulation jedes dieser vorgegebenen Datenströme in ein einziges optisches Datensignal durch. Dies führt zur Erzeugung eines optischen Datensignals mit einer Datenfolgefrequenz, welche gleich der Summe der Datenfolgefrequenzen der mehrfachen vorcodierten elektrischen Datenströme ist. Unter Verwendung dieser Techniken erfolgt die elektrische Vorcodierung von Datensignalen im Vergleich zur resultierenden optischen Datenfolgefrequenz mit kleineren Datenfolgefrequenzen, wodurch Probleme vermieden werden, welche in den mit hohen Datenfolgefrequenzen arbeitenden elektrischen Komponenten auftreten können.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel und die obige Beschreibung des Modulators 80 sind auf eine spezielle Ausführungsform ausgerichtet, welche spezifische Elemente enthält; im System 10 ist ein Modulator 80 mit jeder geeigneten Kombination und Anordnung von Elementen zur elektrischen Vorcodierung von mehrfachen elektrischen Datenströmen und zur Phasenmodulation dieser Ströme in ein einziges optisches Signal vorgesehen. So ist beispielsweise ein Modulator 80 mit zwei auf zwei Datenströme einwirkenden Vorcodierern 84 vorgesehen; der Modulator 80 kann jede geeignete Anzahl von Vorcodierern 84 mit entsprechenden Phasenmodulatoren 88 enthalten, um jede Anzahl von Datenströmen zu kombinieren. Darüber hinaus ist im System 10 ein Modulator 80 vorgesehen, welcher jede geeignete optische Technik, wie beispielsweise planare Lichtwellenschaltungen, diskrete Koppelelemente, freie Raumoptiken und/oder andere geeignete optische Technologien nutzt.
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung zeigt 4 ein Flussdiagramm, aus dem ein durch den Modulator 40 durchgeführtes Verfahren zur Erzeugung eines vorcodierten optischen Datensignals unter Verwendung einer Rückkopplung des optischen Datensignals ersichtlich ist. Der Modulator 40 empfängt in einem Schritt 100 ein optisches Trägersignal und spaltet das optische Trägersignal in einem Schritt 102 auf. Beispielsweise kann der Teiler 42 im Modulator 40 ein empfangenes optisches Trägersignal in zwei Lichtwege, nämlich den Weg 56 und den Weg 58, aufteilen.
Der Modulator 40 führt eine Phasenmodulation des ersten optischen Trägerstroms mit einem Datensignal in einem Schritt 104 durch. Beispielsweise moduliert der PM₁ im Modulator 40 das auf dem Weg 56 empfangene optische Trägersignal als Funktion eines elektrischen Datenstroms, welcher von der Datenquelle 22 empfangen wird. Der Modulator 40 führt dann in einem Schritt 106 wiederum eine Modulation des modulierten optischen Signals durch, wobei es sich dabei um das zeitverzögerte Ausgangssignal 106 handelt. Beispielsweise empfängt der PM₂ das modulierte optische Signal vom PM₁ und führt eine Phasenmodulation des empfangenen Signals als Funktion eines elektrischen Signals durch, das auf der Rückkopplungsleitung 64 empfangen wird. Dadurch wird ein vorcodiertes phasenmoduliertes optisches Signal erzeugt. Der Modulator 40 teilt das erzeugte optische Datensignal in einem Schritt 108 auf und sendet den ersten Strom des geteilten optischen Datensignals in einem Schritt 110 weiter. Der Modulator 40 koppelt den zweiten Strom des optischen Datensignals und den zweiten Strom des optischen Trägersignals in einem Schritt 112. Beispielsweise kann das abgegriffene optische Datensignal auf dem Weg 62 mit dem geteilten optischen Trägersignal auf dem Weg 58 im Koppler 46 in Wechselwirkung treten. Wie oben ausgeführt, führt dies zur Erzeugung eines in der Intensität modulierten optischen Datensignals. Der Modulator 40 setzt in einem Schritt 114 die gekoppelten Ströme in ein elektrisches Ausgangssignal um und verzögert das elektrische Ausgangssignal in einem Schritt 116 zeitlich. Wie oben ausgeführt, stellt diese Verzögerung sicher, dass der für den zweiten Phasenmodulator vorgesehene Datenstrom für eine Dauer verzögert wird, welche ein ganzzahliges Vielfaches von Bitperioden ist.
5 zeigt ein Flussdiagramm, aus dem ein vom Modulator 80 gemäß vorliegender Erfindung durchgeführtes Verfahren zur Erzeugung eines vorcodierten optischen Datensignals durch elektrische Vorprogrammierung von mehreren Datenströmen und Kombination dieser Datenströme zur Erzeugung eines einzigen optischen Datensignals mit größerer Datenfolgefrequenz ersichtlich ist. Der Modulator 80 empfängt in einem Schritt 130 einen elektrischen Datenstrom mit hoher Folgefrequenz und teilt diesen Datenstrom mit hoher Folgefrequenz in einem Schritt 132 in mehrere Datenströme. Beispielsweise kann im dargestellten Modulator 80 der Entschachtelungsmodul 82 einen empfangenen Datenstrom in mehrere Datenströme teilen. Der Modulator 80 führt in einem Schritt 134 eine Vorcodierung jedes Datenstromes mit kleinerer Folgefrequenz durch. Der Modulator 80 verzögert in einem Schritt 136 einen oder mehrere dieser Datenströme mit kleiner Folgefrequenz. Wie oben ausgeführt, gewährleistet die Verzögerung eine geeignete Verschachtelung mehrerer Datenströme mit kleiner Folgefrequenz in der Serie von Phasenmodulatoren. Die Serie von Phasenmodulatoren führt eine Phasenmodulation jedes Datenstroms mit kleiner Folgefrequenz mit einem optischen Signal in einem Schritt 138 durch. Damit wird ein einziges optisches Datensignal erzeugt, wobei die Codierung des ursprünglichen Datenstroms mit hoher Folgefrequenz in einem vorcodierten Format erfolgt. Der Modulator 80 überträgt das erzeugte optische Datensignal in einem Schritt 140.
Das vorstehend erläuterte Flussdiagramm stellt lediglich ein beispielhaftes Funktionsverfahren durch, wobei im System 10 Modulatoren vorgesehen werden können, welche jede geeigneten Techniken und Elemente zur Erzeugung von vorcodierten optischen Datensignalen gemäß den verschiedenen Ausführungsformen angewendet werden können. Somit können viele Schritte in diesem Flussdiagramm gleichzeitig und/oder anstelle der dargestellten Folge in unterschiedlichen Folgen durchgeführt werden. Darüber hinaus können Modulatoren Verfahren mit zusätzlichen Schritten, weniger Schritten und/oder unterschiedlichen Schritten nutzen, solange diese Verfahren geeignet bleiben.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und eines Verfahrens erläutert; für den Fachmann sind jedoch zahlreiche Änderungen und Abwandlungen ersichtlich, wobei derartige Änderungen und Abwandlungen erfindungsgemäß im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Optischer Modulator umfassend: eine Vielzahl von elektrischen Vorcodierungsmodulen (84), die jeweils zum Empfang eines Datenstroms und zur Vorcodierung des Datenstroms betreibbar sind; und eine Vielzahl von in Serie geschalteten Phasenmodulatoren (88), die zum Empfang des vorcodierten Datenstroms von einem entsprechenden Vorcodierungsmodul (84) zum Empfang eines optischen Signals von einem in der Serie vorangegangenen Phasenmodulator (88) sowie zur Verschachtelung des vorcodierten Datenstroms von dem entsprechenden Vorcodierungsmodul (84) in das optische Signal betreibbar sind.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, in dem jeder der Vorcodierungsmodule (84) weiterhin zur Vorcodierung des Datenstroms durch Ausführung einer "Exklusiv-ODER"-Operation zwischen dem Datenstrom und einem Ausgangssignal des Vorcodierungsmoduls (84) betreibbar ist.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, in. dem jeder der Vorcodierungsmodulen (84) ein D-Flip-Flop (92) mit einem Eingang und einem Ausgang; und ein "Exklusiv-ODER"-Gatter (90) mit einem ersten zum Empfang des Datenstroms gekoppelten Eingang, einem zweiten an den Ausgang des D-Flip-Flops (92) gekoppelten Eingang und ein an den Eingang des D-Flip-Flops (92) gekoppelten Ausgang, wobei der Ausgang des "Exklusiv-ODER"-Gatters (90) weiterhin an einen entsprechenden Phasenmodulator (88) angekoppelt ist, umfasst.
Optischer Modulator nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen oder mehrere Verzögerungsmodule (86), die jeweils zwischen einen der Vorcodierungsmodule (84) und einen entsprechenden Phasenmodulator (88) angeordnet sind.