DE69021601T2

DE69021601T2 - Voll-Duplex-Lichtwellennachrichtensystem.

Info

Publication number: DE69021601T2
Application number: DE69021601T
Authority: DE
Inventors: Richard A Linke
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2010-02-03
Also published as: EP0382417A2; DK0382417T3; ES2075878T3; EP0382417A3; US4972514A; CA2006123A1; JPH0771040B2; DE69021601D1; KR920009385B1; HK119496A; JPH02241132A; KR900013736A; CA2006123C; EP0382417B1

Description

Die Erfindung betrifft Lichtwellen-Sendeempfänger.
Kohärente Lichtwellen-Kommunikationssysteme haben größeres Interesse gefunden, da die Wellenlängenstabilität, die Wellenlängen-Abstimmbarkeit und die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Halbleiterlasern verbessert worden ist. Bei den meisten kohärenten Lichtwellen- Kommunikationssystemen ist eine optische Heterodyn-Technik das empfohlene Empfangsverfahren. Bei einem optischen Heterodyn-Empfänger werden empfangene Lichtwellensignale und Lichtwellensignale von einem örtlichen Oszillator auf einen Photodetektor gerichtet. Dazu wird verwiesen auf S.D. Personick, Fiber Optics: Technology and Applications, Seiten 242-245 (Plenum Press 1985). Wenn die Frequenz der empfangenen Lichtwellensignale und der Lichtwellensignale des örtlichen Oszillators unterschiedlich ist, zeigen die sich ergebenden Lichtwellensignale eine Überlagerung bei einer Frequenz, die der Frequenzdifferenz der empfangenen Lichtwellensignale und der Lichtwellensignale des örtlichen Oszillators entspricht. Elektronische (Zwischenfrequenz)- Signale, die sich aus dieser Wechselwirkung ergeben, werden an einen quadratischen Mischer (für intensitäts- oder amplitudenmodulierte Signale) zur weiteren Verarbeitung und Detektierung gegeben. Die Überlagerung bewirkt eine Schwingung beim Photoansprechen des Detektors mit der gleichen Differenzfrequenz.
Bei einem vorgeschlagenen optischen Heterodyn- Empfänger werden empfangene Lichtwellensignale auf einen oberhalb seines Schwellenwertes vorgespannten Halbleiterlaser gerichtet, um eine Interferenz mit im Laser erzeugten Lichtwellensignalen durch eine optische Mischung zu bewirken. Man vergleiche dazu Sov. Phys. - JETP, Band 39, Nr. 2, Seiten 522-7 (1974).
In solchen realen oder vorgeschlagenen Systemen ist der Halbleiterlaser in erster Linie als zugeordneter Empfänger betrieben worden. Demgemäß ist eine weitere Laserquelle erforderlich, um Lichtwellensignale für eine Vollduplex- oder Halbduplex-Übertragung auf einem Kommunikationssystem zu erzeugen. Eine solche Duplizierung ist aufwendig, da die Kosten für die Laser und elektronischen Treibschaltungen verdoppelt werden und außerdem zusätzliche Aufbauten und optische Einrichtungen für einen getrennten Empfang und eine getrennte Aussendung erforderlich werden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtwellen-Sendeempfänger gemäß Anspruch 1 verfügbar gemacht.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Vollduplexbetrieb in einem Lichtwellen-Kommunikationssystem durch Verwendung von Anschlüssen mit einem verteilten Bragg- Reflektor (DBR)-Laser erreicht, der getrennte, elektrisch steuerbare Bragg-Reflektor- und Verstärkungsabschnitte besitzt. Der DBR-Laser, der als das grundlegende Heterodyn- Empfangselement arbeitet, erzeugt gleichzeitig Lichtwellensignale für eine Übertragung zu anderen Anschlüssen. Externer Schaltungen verarbeiten die elektrischen (Zwischenfrequenz)-Signale von dem gleichzeitig modulierten und Signal-mischenden Laser zur Gewinnung der empfangenen Information.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Vollduplexbetrieb für ein FSK-Lichtwellen- Kommunikationssystem beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich anhand der folgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Vollduplex-FSK- Lichtwellen-Kommunikationssystems,
Fig. 2 Darstellungen verschiedener beispielhafter Datensignale im Lichtwellen-Kommunikationssystem nach Fig. 1

Ins einzelne gehende Beschreibung

Ein Heterodyn-Empfang unter Verwendung eines Halbleiterlasers bei gleichzeitiger Lichtwellenaussendung vom gleichen Halbleiterlaser ist der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung. Eine Heterodyn-Verarbeitung des ankommenden Lichtwellensignals im Laserresonanzhohlraum bei gleichzeitiger Modulation des gleichen Laser-Hohlraums mit dem auszusendenden Datensignal bewirkt, daß die verschiedenen Lichtwellensignale sich innerhalb des Laserhohlraums stören. Da die Störung deterministisch ist, kann sie aus dem zusammengesetzten Signal, das die störenden Signale darstellt, herausgezogen werden.
Die Erfindung ist zwar bei einer Realisierung durch einen verteilten Bragg-Reflektorlaser dargestellt, es wird aber davon ausgegangen, daß Laser mit verteilter Rückkopplung und einer oder mehreren Elektrodenabschnitten sowie andere Heterostruktur-Laser mit Streifenkontaktelektroden zur Verwirklichung des Lichtwellensystems brauchbar sind.
Andere Strukturen, beispielsweise solche mit vergrabener Kante, halbmondförmige oder solche mit V-Nut, Doppelkanal, Heterostrukturen mit planarer, vergrabener Anordnung, semi-isolierende Heterostrukturen mit planarer, vergrabener Blockierzone und ähnliche werden als Ausführungsbeispiel der Laserstruktur betrachtet. Unter Verwendung von Lasern mit getrennten, elektrisch steuerbaren Abschnitten, beispielsweise einem verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Laser mit mehreren Elektroden oder einem Mehrfach- Quantensenken-(MQW)-DBR-Laser mit mehreren Elektroden besteht die Möglichkeit, eine gleichzeitige Aussendung und einen kohärenten Empfang mit der gleichen Laserstruktur zu schaffen.
Einzelheiten bezüglich der Herstellung und des Betriebes von DBR- und MQW-DBR-Lasern einschließlich von Bauteilen mit zwei und drei Abschnitten (Elektroden) sind verfügbar in den Veröffentlichungen Appl. Phys. Lett., 53 (12), Seiten 1036-8 (1988) und Elect. Lett., Band 24, Nr. 23, Seiten 1431-2 (1988), (Bauteile mit drei Abschnitten besitzen einen Phasensteuerabschnitt). Die Lehren dieser Dokumente werden hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Während das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel sich auf ein FSK-Modulations- Lichtwellensystem bezieht, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung sich in gleicher Weiser anwenden läßt auf andere Modulationsformen, beispielsweise eine Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und ähnliches. Obwohl hier nur eine binäre Modulation (zwei Pegel oder zwei Frequenzen) offenbart ist, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung sich auch direkt auf Mehrpegel-Modulationssysteme anwenden läßt. Im Fall von Systemen mit einer Intensitäts- oder Amplitudenmodulation ist zu beachten, daß die Modulationspegel kleiner sein können als 100 Prozent, um einen brauchbaren Betrieb als Heterodyn-Empfänger sicherzustellen.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Lichtwellen-Kommunikationssystems unter Verwendung einer FSK-Modulation und einem Heterodyn-Empfang an einem örtlichen Anschluß 10 und einem entfernten Anschluß 20. Das Lichtwellen-Kommunikationssystem enthält außerdem ein Übertragungsmedium 32 für eine doppeltgerichtete Ausbreitung von Lichtwellensignalen zwischen dem örtlichen Anschluß 10 und dem entfernten Anschluß 20. "Entfernt" soll hier jeden Ort getrennt vom Sender bedeuten, und zwar entweder im mikroskopischen Sinn, beispielsweise eine gleichzeitige Anordnung auf dem gleichen Halbleiterchip, oder im makroskopischen Sinn, beispielsweise geographisch getrennt.
Der örtliche Anschluß 10 enthält einen DBR-Laser 11 mit einem über eine Elektrode 13 gesteuerten Verstärkungsabschnitt und einem über eine Elektrode 12 gesteuerten Bragg-Abschnitt. Vorspannungssignale für einen Heterodynbetrieb werden an den DBR-Laser 11 über einen Anschluß 14 angelegt. Datensignale, beispielsweise das Datensignal A (vgl. Fig. 2) wird an den Bragg-Abschnitt des DBR-Lasers 11 über den Anschluß 17 gegeben. Der örtliche Anschluß 10 enthält außerdem einen Verstärker 15, der mit der Elektrode 13 des Verstärkungsabschnitts verbunden ist, einen Diskriminator 16, der mit dem Ausgang des Verstärkers 15 verbunden ist, und einen Differenzverstärker 19, der mit dem Ausgang des Diskriminators 16 und über ein Element 18 mit variabler Impedanz mit dem Anschluß 17 verbunden ist. Wenn das Lichtwellensignal, das das Datensignal B (vgl. Fig. 2) darstellt, vom entfernten Anschluß 20 zum örtlichen Anschluß 10 übertragen wird, gibt der örtliche Anschluß 10 am Ausgang eine Darstellung des Datensignals B am Anschluß 34, dem Ausgang des Differenzverstärkers 19, ab.
Der entfernte Anschluß 20 enthält einen DBR-Laser 21 mit einem über eine Elektrode 23 gesteuerten Verstärkungsabschnitt und einen über eine Elektrode 22 gesteuerten Bragg-Abschnitt. Vorspannungssignale für einen Heterodynbetrieb werden über einen Anschluß 24 an den DBR- Laser 21 angelegt. Datensignale, beispielsweise das Datensignal B (vgl. Fig. 2) werden über den Anschluß 27 an den Bragg-Abschnitt des DBR-Lasers 21 gegeben. Der entfernte Anschluß 20 enthält außerdem einen Verstärker 25, der mit der Elektrode 23 des Verstärkungsabschnitts verbunden ist, einen Diskriminator 26, der mit dem Ausgang des Verstärkers 25 verbunden ist, und einen Differenzverstärker 29, der mit dem Ausgang des Diskriminators 26 und über ein Element 28 variabler Impedanz mit dem Anschluß 27 verbunden ist. Wenn das Lichtwellensignal, das das Datensignal A (vgl. Fig. 2) darstellt, vom örtlichen Anschluß 10 zum entfernten Anschluß 20 übertragen wird, gibt der entfernte Anschluß 20 als Ausgangssignal eine Darstellung des Datensignals A am Anschluß 33, dem Ausgang des Differenzverstärkers 29, ab. Zur Bereitstellung einer im wesentlichen gleichen Versetzung zwischen den Frequenzen der Laser 11 und 21 ist es erforderlich, eine Frequenz-Einrastschaltung 31 vorzusehen, deren Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers 25 und deren Ausgang mit der Elektrode 22 des Bragg-Abschnitts verbunden sind.
Sowohl die Diskriminator-Bauteile als auch die Frequenz-Einrastbauteile sind dem Fachmann bekannt. Der Diskriminator wandelt in bekannter Weise ein frequenzmoduliertes Zwischenfrequenzsignal in ein entsprechendes, amplitudenmoduliertes Grundbandsignal um. Die Funktion des Frequenz-Einrastbauteils ist oben beschrieben worden.
Der entfernte Anschluß 20 enthält einen Anschluß 35 am Ausgang des Diskriminators 26. Das mit "zusammengesetzt" in Fig. 2 bezeichnete Signal steht am Anschluß 35 zur Verfügung. Dieses Signal enthält eine überlagerte Darstellung des Signals A und des Signals B, gesehen von der Laserelektrode 23 aus. Der Differenzverstärker 29 gibt die Möglichkeit, das Datensignal B aus dem zusammengesetzten Signal herauszulösen, so daß eine Darstellung des Datensignals A am Ausgang des Differenzverstärkers 29, namlich am Anschluß 33, zur Verfügung steht, vgl. in Fig. 2 das mit "empfangene Daten A" bezeichnete Signal. Durch Abtasten zu den durch die nach oben gerichteten Pfeile in Fig. 2 markierten Zeitpunkten besteht die Möglichkeit, eine quantisierte Darstellung des empfangenen Datensignals A zu gewinnen.
Es wird davon ausgegangen, daß der entfernte Anschluß 20 und der örtliche Anschluß 10 mit stark unterschiedlichen Datenraten für ihre entsprechenden Datensignale betrieben werden können.

Claims

1. Lichtwellen-Sendeempfänger (20), der unter Ansprechen auf ein erstes Lichtwellensignal (von 32) ein erstes Datensignal (bei 33) und unter getrenntem Ansprechen auf ein zweites Datensignal (bei 27) ein zweites Lichtwellensignal erzeugt, mit einer Halbleiter-Laserstruktur (21), die über eine erste und eine zweite Elektrode (22, 23) steuerbar ist und elektrisch oberhalb eines Laserschwellenwertes über die erste Elektrode (23) vorspannbar ist, um das erste Lichtwellensignal in der Halbleiter- Laserstruktur heterodyn empfangen wird, wobei das zweite Datensignal über die zweite Elektrode (22) an die Halbleiterlaserstruktur geliefert wird, eine Einrichtung (25, 26) mit der ersten Elektrode verbunden ist und auf elektrische Signaländerungen anspricht, die im wesentlichen durch den heterodynen Empfang verursacht werden, um ein zusammengesetztes Datensignal (bei 35) zu erzeugen, und eine Einrichtung (29) vorgesehen ist, die gemeinsam auf das zweite Datensignal und das zusammengesetzte Datensignal anspricht, um eine Darstellung des ersten Datensignals (bei 33) zu erzeugen, wobei eine gleichzeitige Übertragung und ein kohärenter Empfang durch den Sendeempfänger unter Verwendung der gleichen Laserstruktur für beide Operationen ermöglicht wird.

2. Sendeempfänger nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (31), die unter Ansprechen auf elektrische Signale von der ersten Elektrode ein Abwandern einer Betriebsfrequenz der Laserstruktur durch Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Signals an die zweite Elektrode (22) korrigiert, so daß das erste und das zweite Lichtwellensignal im wesentlichen die gleiche Versetzung mit Bezug auf ihre Übertragungsfrequenzen aufweist.

3. Sendeempfänger nach Anspruch 1 der 2, bei dem die elektrischen Signaländerungen frequenzmoduliert sind und die Erzeugungseinrichtung für das zusammengesetzte Signal einen Diskriminator (26) zur Frequenzdemodulation der elektrischen Signaländerungen aufweist.

4. Sendeempfänger nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Halbleiterlaserstruktur eine verteilte Bragg-Reflektorlaserstruktur mit einem Verstärkungsabschnitt und einem Bragg-Abschnitt ist, der optisch mit dem Verstärkungsabschnitt gekoppelt ist, jeder Abschnitt eine elektrode (22, 23) zur individuellen Steuerung des Abschnitts besitzt, der Verstärkungsabschnitt elektrisch oberhalb eines Laserschwellwertes über die Elektrode (23) vorspannbar ist, um einen Heterodyn-Empfang des ersten Lichtwellensignals in der verteilten Bragg- Reflektorlaserstruktur zu ermöglichen, und wobei das zweite Datensignal an den Bragg-Abschnitt über die Elektrode dieses Abschnitts zugeführt wird.