DE69104598T2

DE69104598T2 - System zur Erzeugung modulierter optischer Signale.

Info

Publication number: DE69104598T2
Application number: DE69104598T
Authority: DE
Inventors: Fortunato Tito Arecchi; Massimo Calzavara; Giovanni Giacomelli
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2011-12-20
Also published as: DE492480T1; DE69104598D1; EP0492480A2; IT9068036A0; CA2057649A1; JPH07109914B2; IT9068036A1; EP0492480A3; EP0492480B1; US5197075A; JPH0555681A; IT1241364B; CA2057649C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtleitfaser-Kommunikations- Systeme, die Hilfsträger mit Radiofrequenz oder Mikrowellenfrequenz verwenden, und betrifft speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung amplitudenmodulierter optischer Signale zur Verwendung in einem solchen System.
Optische Kommunikationssysteme der genannten Art werden in Breitband-Verteilungsnetzen verwendet, beispielsweise in Netzen für integrierte Dienste, und verwenden Lichtleitfasern als Breitbandübermittlungsmedien. Beispiele dieser Systeme und ihrer Anwendungen sind beschrieben von R. Olshansky, V. A. Lanzisera und P. M. Hill in dem Artikel "Subcarrier Multiplexed Lightwave Systems for Broad-Band Distribution", Journal of Lightwave Technology, Band 74, Nr. 9, September 1989, Seiten 1329 und folgende.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung amplituden-modulierter optischer Signale zur Verwendung in einem dieser Systeme zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, bei dem man dem Vorbelastungsstrom eines Lasers die Änderungen eines elektrischen Signals überlagert, das man durch Kombination und Umwandlung in elektrische Form eines Bruchteils des Laser-Ausgangssignals, der in einer opto-elektronischen Rückkopplungsschleife mit und einer Niedrigfrequenz-Verstärkung, deren Absolutwert niedriger ist als ein kritischer Wert, jedoch diesem angenähert ist, verzögert ist, und eines externen optischen Signals, das mit einer ersten Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert ist, erhält, wobei diese Frequenz zu einer diskreten Gruppe von Frequenzen gehört, bei denen die Laserausgangs-Lichtstärke aufgrund des Vorhandenseins der Rückkopplungsschleife modulierbar ist, und die die Modulationsfrequenz der Lichtstärke darstellt, wenn die Änderungen eines aus der Umwandlung des Rückkopplungssignals, wenn kein amplitudenmoduliertes Eingangssignal vorliegt, resultierenden elektrischen Signals dem Vorbelastungsstrom überlagert werden und der Absolutwert der Niederfrequenz-Verstärkung höher ist als der kritische Wert.
Die Erfindung nützt eine Erscheinung aus, die von den Erfindern bei einem Halbleiterlaser mit verzögerter opto-elektronischer Rückkopplung beobachtet wurde. Unter diesen Bedingungen wird die Lichtstärke des vom Laser abgegebenen Strahls amplitudenmoduliert und oszilliert mit einer Frequenz, die zu einer diskreten Gruppe von Frequenzen gehört, welche von der Verzögerung τ und von der Niederfrequenz-Verstärkung B der Rückkopplungsschleife abhängen. Speziell bestimmt τ die möglichen Modulationsfrequenzen, während der Absolutwert B der Verstärkung B die tatsächliche Modulationsfrequenz bestimmt. Abhängig vom Wert B gibt es zwei verschiedene Steuerungssysteme der Laseroperation: Solange B niedriger ist als ein bestimmter kritischer Wert Bc, wird die Lichtstärke des vom Laser emittierten Strahls bei einer Frequenz f1 moduliert, die nahe der Frequenz der Laser-Relaxationsoszillationen liegt; ist andererseits B > Bc, so finden die Oszillationen mit einer Frequenz f2 statt, die die unterste Frequenz in der Gruppe ist und 1/τ oder 1/2τ beträgt, abhängig vom Vorzeichen von B. Unter diesen Bedingungen ist die Leistung des Laser-Ausgangssignals sehr hoch. Die Modulationsfrequenzen liegen allgemein im Radio- oder Mikrowellen- Frequenzbereich.
Die so erhaltene Modulation weist einen sehr engen spektralen Inhalt auf.
Eine detailiertere Analyse des Verhaltens des Halbleiterlasers mit verzögerter opto-elektronischer Rückkopplung wird von den Erfindern in dem Artikel "Instabilities in a semiconductor laser with delayed opto-electronic feedback", Optics Communications, Band 741 Nr. 1-2, 1. Dezember 1989, berichtet.
Weitere Studien und Experimente haben die Erfinder zur Beobachtung geführt, daß dann, wenn B geringfügig unterhalb Bc liegt, das System sehr empfindlich für die Frequenz f2 wird und durch Injizieren auch einer Signalamplitude niedriger Leistung, die bei der Frequenz f2 moduliert ist, in den Laser die Oszillationsfrequenz der Laser-Ausgangsleistung von f1 nach f2 wandert, und die Signal-Ausgangsleistung nach wie vor sehr hoch ist und im wesentlichen der Leistung entspricht, die im Fall einer oszillation bei der Frequenz f1 ohne irgendein äußeres Signal erhalten wird. Diese hohe Leistung des Laser-Ausgangssignals ergibt sich aus der Addition zweier Effekte: Der erste Effekt ist die Verstärkung des modulierten Signals aufgrund der kombinierten Aktion des Detektors, des Lasers und gegebenenfalls dazwischengeschalteter Verstärkungsschaltungen, während der zweite Effekt auf dem Vorhandensein der Rückkopplungsschleife beruht und derjenige Effekt ist, der am meisten zum Erhalten der hohen Leistung beiträgt. Die Erfindung verwertet gerade diesen Effekt, der aus Gründen der Einfachheit im folgenden als "Verstärkungseffekt" bezeichnet wird, obwohl tatsächlich die Ausgangsleistung unabhängig von der Eingangsleistung ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird auch die Tatsache, daß für einen gegebenen Wert von B die Modulation bei zwei verschiedenen Frequenzen in Abhängigkeit davon stattfindet, ob ein amplitudenmoduliertes Signal injiziert wird oder nicht, dazu ausgenützt, einen mit dem Verstärkungseffekt verbundenen Frequenzmodulationseffekt zu erhalten. Zu diesem Zweck wird das amplitudenmodulierte optische Signal mit dem Rückkopplungssignal nur zu gegebenen Zeitspannen kombiniert, um periodisch die Modulationsfrequenz des Ausgangsstrahls zwischen der ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die die Modulationsfrequenz ist, die von dieser Verstärkung der Rückkopplungsschleife bei Abwesenheit eines externen Signals bestimmt wird, umzuschalten.
Die Erfindung liefert weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit folgenden Teilen:
- einem Halbleiterlaser;
- einer opto-elektronischen Rückkopplungsschleife, die dem Laser zugeordnet ist, mit einem Bruchteil des Laserausgangssignals gespeist ist und eine voreinstellbare Verzögerungszeit und eine voreinstellbare Niedrigfrequenz-Verstärkung aufweist, wobei diese Verstärkung einen Absolutwert hat, der nahe bei einem kritischen Wert, jedoch unterhalb desselben liegt;
- einer Einrichtung zum Kombinieren des Bruchteils des Laserausgangssignals mit einem zu verstärkendem optischen Eingangsignal, das mit einer ersten Modulationsfrequenz (f2), nämlich einer zu einer diskreten Gruppe von Frequenzen gehörenden Frequenz, bei denen die Lichtstärke des Laserausgangslichtbündels aufgrund des Vorhandenseins einer Rückkopplungsschleife modulierbar ist, amplitudenmoduliert ist, wobei diese Frequenz die Modulationsfrequenz der Lichtstärke bei Abwesenheit des amplitudenmodulierten Eingangssignals und für einen Absolutwert der Niederfrequenz-Verstärkung, der höher als der kritische Wert ist, ist;
- und Einrichtungen zum Umwandeln des optischen Signals, das aus dieser Kombination resultiert, in ein elektrisches Signal zum Überlagern des Vorbelastungsstroms des Lasers mit den Änderungen des elektrischen Signals und zum Liefern des resultierenden Signals an den Halbleiterlaser zur Amplitudenmodulation von dessen Ausgangssignal mit der selben Frequenz wie der des Eingangssignals.
Die Erfindung wird mehr ins einzelne gehend unter Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung beschrieben, die schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt. In der Zeichnung sind der optische Signalweg durch Doppellinienpfeile und der elektrische Signalweg durch Einlinienpfeile dargestellt.
Wie dargestellt, ist einem Halbleiterlaser 1, der durch einen Gleichstrom IB vorbelastet ist, eine opto-elektronische Rückkopplungsschleife zugeordnet, die insgesamt mit 2 bezeichnet ist und in die die aus einer der Endflächen des Lasers 1, beispielsweise aus der Stirnfläche, emittierten Strahlungen eingeleitet sind. Die Rückkopplungsschleife umfaßt folgende Teile:
- ein Verzögerungselement 3, welches beim Signal eine Verzögerung τ einführt, die von außen einstellbar ist und die hier schematisch durch einen Eckreflektor dargestellt ist, der, wie durch einen Pfeil F dargestellt ist, zum Laser 1 hin oder von ihm weg bewegt werden kann;
- einen Detektor 4, der das aus dem Verzögerungselement 3 austretende Signal in einen elektrischen Strom umsetzt;
- einen Verstärker 5, der den Ausgangsstrom des Detektors verstärkt und eine von außen einstellbare Verstärkung aufweist; zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird die Verstärkung des Verstärkers so eingestellt, daß der Absolutwert der Niederfrequenzverstärkung B der Rückkopplungsschleife 2 geringfügig niedriger ist als der oben genannte kritische Wert Bc;
- eine Schaltung, die beispielsweise eine Induktion 6a und einen Kondensator 6b umfaßt, die zur Bildung eines sogenannten "Vorbelastungs-T", wie es in der Zeichnung dargestellt ist, geschaltet sind, und die die Änderungen des Fotodetektorstroms, die durch die üblichen Fluktuationen des Laserausgangssignals aufgrund irgendwelchen Rauschen (z.B. quantischen Rauschen aufgrund der Laserstruktur sowie thermisches Rauschen) verursacht sind, dem Laser-Vorbelastungsstrom IB überlagert.
Linsen 7,8 zeigen schematisch optische Systeme an, die es ermöglichen, daß die vom Laser 1 emittierten Strahlungen und die aus dem Verzögerungselement 3 austretenden Strahlungen der Rückkopplungsschleife 2 bzw. dem Detektor 4 eingegeben werden. Der Detektor 4 empfängt außerdem über die Linse 8 ein amplitudenmoduliertes optisches Signal niedriger Leistung mit einer Modulationsfrequenz gleich der oben definierten Frequenz f2. Dieses Signal komt von einer entsprechenden Quelle 9. Für die Wellenlänge dieses Signals gibt es keine besonderen Grenzen, mit der offensichtlichen Einschränkung, daß sie innerhalb des vom Detektor 4 akzeptierten bereichs liegen muß.
Die Vorrichtungen, die die Amplitudenmodulation bewirken, welche beispielsweise mit Hilfe eines sinusoidalen Hilfsträgers der Frequenz f2 erhalten wird, welcher von einem Generator 10 geliefert wird, sind in die Quelle 9 einbezogen. Die Art und Weise, wie ein optisches Strahlenbündel amplitudenmoduliert werden kann, ist in der Fachwelt bekannt.
Das modulierte optische Signal wird in gleicher Weise gehandhabt, wie das Rückkopplungssignal, so daß nicht nur die auf den Fluktuationen des Rückkopplungssignals beruhenden Änderungen des Detektor-Ausgangsstroms, sondern auch die auf der Amplitudenmodulation des von der Quelle 9 kommenden Signals beruhenden Änderungen dem Vorbelastungsstrom IB des Lasers 1 überlagert werden. Das mit der Frequenz f2 amplitudenmodulierte, verstärkte Signal tritt aus der hinteren Endfläche des Lasers 1 aus, wird von einer Linse 11 gesammelt und zu einem Empfänger geschickt.
Die beschriebene Vorrichtung kann unterschiedliche Anwendung in den Systemen finden, auf die oben Bezug genommen wurde. Die folgenden Beispiele können angegeben werden:
- Verwendung als Oszillator bei einer der Frequenzen, die durch die Verzögerung und die Verstärkung der Rückkopplungsschleife bestimmt sind;
- Verwendung als Schmalbandverstärker (durch Injizieren externer Signale niedriger Leistung), mit einer Mittenfrequenz, die von außen durch Beeinflussen der Verzögerung der Rückkopplungsschleife eingestellt werden kann;
- Verwendung als injektionsverriegelter Oszillator;
- Verwendung als Modulator zum Ausführen einer Frequenzmodulation, eventuell gekoppelt mit einer Verstärkung, in einem Binärsignal-Übertragungssystem: Die Vorrichtung schaltet tatsächlich zwischen den Frequenzen f2 und f1 in Abhängigkeit davon um, ob sie das amplitudenmodulierte Signal empfängt (bit 1) oder nicht empfängt (bit 0); bei dieser Anwendung benötigt man noch Einrichtungen zur periodischen Unterbrechung des von der Quelle 9 emittierten Strahls (beispielsweise einen akusto-optischen Modulator 12, der durch ein von einem Generator 13 geliefertes Rechtecksignal gesteuert wird), wie es in der Zeichnung gezeigt ist, oder der sinusoidale Hilfsträger kann elektrisch durch ein binäres Signal moduliert werden.
Typische Werte der Verzögerung τ sind in der Größenordnung einiger Nanosekunden und typische Werte für Bc liegen zwischen 1 und 2. Die injizierte Signalleistung hängt von den Lasercharakteristiken ab: Typische Werte können in der Größenordnung von 0,1 mW oder auch weniger liegen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, bei der die Quelle 1 ein kommerzieller Einmodus-Laser und der Detektor 4 ein kommerzieller Lawinen-Fotodetektor war, betrug Bc 1,3 (angenähert 2,5 dB), τ war 4 ns und die Frequenzen f1 und f2 betrugen 970 MHz bzw. 234 MHz; bei einer anderen Ausführung war Bc -1,5 (angenähert 3,5 dB), τ war 5 ns und die Frequenzen f1 und f2 betrugen 660 MHz bzw. 100 MHZ. In beiden Beispielen wurde B um etwa 0,5 dB unter Bc eingestellt. Der erhaltene Verstärkungseffekt überstieg 20 dB.
Es ist klar, daß die beschriebene Ausführungsform als nicht begrenzendes Beispiel angegeben wurde und daß Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Speziell kann die Vorrichtung mit Techniken der integrierten optik implementiert werden, wobei Modifikationen durchgeführt werden, die dem Fachmann offensichtlich sind: In diesem Fall kann die Verzögerung τ viel kleiner sein als im Fall diskreter Komponenten, so daß die Vorrichtung bei entsprechend höheren Frequenzen arbeiten kann.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen amplitudenmodulierter optischer Signale, bei dem man dem Vorbelastungsstrom eines Halbleiterlasers (1) die Änderungen eines elektrischen Signals überlagert, das man durch Kombination und Umwandlung in elektrische Form eines Bruchteils des Laser-Ausgangssignals, der in einer opto-elektronischen Rückkopplungsschaltung (2) mit voreinstellbarer Verzögerung (τ) und einer voreinstellbaren Niedrigfrequenz-Verstärkung (B), deren Absolutwert niedriger ist als ein kritischer Wert (Bc), jedoch diesem angenähert ist, verzögert worden ist, und eines optischen Signals, das mit einer ersten Modulationsfrequenz (f2) amplitudenmoduliert ist, erhält, wobei diese Frequenz zu einer diskreten Gruppe von Frequenzen gehört, bei denen die Lichtstärke des aus dem Laser (1) austretenden Signals aufgrund des Vorhandenseins der Rückkopplungsschaltung (2) modulierbar ist, und die die Modulationsfrequenz der Lichtstärke darstellt, wenn die Änderungen eines durch die Umwandlung des Rückkopplungssignals, wenn kein amplitudenmoduliertes Eingangssignal vorliegt, erhaltenen elektrischen Signals dem Vorbelastungsstrom überlagert werden und der Absolutwert der Niederfrequenz-Verstärkung höher ist als der kritische Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man das amplitudenmodulierte optische Signal mit dem Rückkopplungssignal nur zu gegebenen Zeitintervallen kombiniert, um die Modulationsfrequenz des Laser-Ausgangssignals periodisch zwischen der ersten Frequenz (f2) und einer zweiten Frequenz (f1) umzuschalten, die ebenfalls zur diskreten Gruppe gehört und die Modulationsfrequenz der Lichtstärke ist, wenn die Änderungen eines durch die Umwandlung des Rückkopplungssignals, wenn kein amplitudenmoduliertes Eingangssignal vorliegt, erhaltenen elektrischen Signals dem Vorbelastungsstrom überlagert werden und der Absolutwert der Niedrigfrequenz-Verstärkung niedriger ist als der kritische Wert (Bc).

3. Vorrichtung zur Erzeugung amplitudenmodulierter optischer Signale, mit:

-einem Halbleiterlaser (1);

-einer opto-elektronischen Rückkopplungsschleife (2), die mit dem Laser (1) verbunden ist, mit einem Bruchteil des Laserausgangssignals gespeist ist und eine voreinstellbare Verzögerungszeit (τ) und eine voreinstellbare Niedrigfrequenz-Verstärkung (B) aufweist, wobei diese Verstärkung (B) einen Absolutwert hat, der nahe bei einem kritischen Wert (Bc), jedoch unterhalb desselben liegt;

-einer Einrichtung (8) zum Kombinieren des Bruchteils des Laserausgangssignals mit einem zu verstärkendem optischen Eingangsignal, das mit einer ersten Modulationsfrequenz (f2), nämlich einer zu einer diskreten Gruppe von Frequenzen gehörenden Frequenz, bei denen die Lichtstärke des Laserausgangssignals aufgrund des Vorhandenseins der eine Verzögerung einschließenden Rückkopplungsschleife (2) modulierbar ist, amplitudenmoduliert ist, wobei diese Frequenz die Modulationsfrequenz der Lichtstärke bei Abwesenheit des amplitudenmodulierten Eingangssignals und für einen Absolutwert der Niederfrequenz-Verstärkung der Rückkopplungsschleife, der höher als der kritische Wert (Bc) ist, ist;

-und Einrichtungen (4,5,6a,6b) zum Umwandeln des optischen Signals, das aus dieser Kombination resultiert, in ein elektrisches Signal zum Überlagern des Vorbelastungsstroms (18) des Lasers mit den Änderungen des elektrischen Signals und zum Liefern des resultierenden Signals an den Halbleiterlaser (1) zur Amplitudenmodulation von dessen Ausgangssignal mit der selben Frequenz wie der des Eingangssignals.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (12, 13) zum periodischen Unterbrechen des amplitudenmodulierten Eingangssignals, bevor dieses die kombinierende Einrichtung (8) erreicht, umfaßt zum Modulieren des Ausgangssignals des Lasers (1) während der Perioden, in denen das Eingangssignal unterbrochen ist, mit einer zweiten Frequenz (f1), die auch zur diskreten Gruppe gehört und die Oszillationsfrequenz der Lichtstärke des Laserausgangssignals ist, wenn das Rückkopplungssignal, jedoch kein amplitudenmoduliertes Eingangssignal vorliegt und der Absolutwert der Verstärkung der Rückkopplungsschleife niedriger ist als der kritische Wert (Bc).