DE69214531T2 - Kohärentes faseroptisches Übertragungssystem mit Polarisationsmodulation - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf optische Kommunikationssysteme und speziell auf ein kohärentes optisches Kommunikationssystem mit Polarisationsmodulation.
• Die Polarisationsmodulation eines optischen Signals ist eine wohlbekannte Technik der Übertragung von Information in optischen Komrnunikationssystemen mit entweder direkter oder kohärenter Demodulation. Kohärente Demodulationssysteme sind speziell interessant, da aufgrund der Umwandlung des optischen Trägers in Radiofrequenz in den optischen Übertragungen die Selektivität elektronischer Filter verwertet werden kann, wodurch eine vollständigere Ausnützung des im Übertragungsmedium im Fall von Frequenzteilungs- Multiplexverbindungen verfügbaren Bands ermöglicht wird. Außerdem beseitigen im Fall von faseroptischen Übertragungen mit relativ hohen Wellenlängen wie etwa solchen, die im zweiten und im dritten Übertragungsfenster (1,3 - 1,6 µm) liegen, kohärente Systeme Detektorrauschprobleme. Die Verwendung der Polarisationsmodulation in solchen Systemen erbringt den Vorteil einer Empfindlichkeit, die mit der von Frequenzmodulationssystemen vergleichbar ist, bei einer Bandbelegung gleich der von Amplitudenmodulationssystemen.
• Typische Beispiele solcher Systeme sind beschrieben in der US-A- 3435229 oder im Artikel "Heterodyne transmission of a 560 Mbit/s optical signal by means of polarisation shift keying" von E. Dietrich u. a., Electronics Letters, Band 23, Nr. 8, 9. April 1987. In diesen bekannten Systemen wird das von der Quelle emittierte Signal einem Modulator eingespeist, der in Abhängigkeit vom logischen Wert des Informationssignals den Polarisationszustand der von der Quelle emittierten Strahlung moduliert, beispielsweise durch Zuordnung von orthogonalen Polarisationszuständen zu den beiden logischen Pegeln des Informationssignals. Empfängerseitig wird das Leitungssignal mit dem von einem örtlichen Oszillator emittierten Signal, das so polarisiert ist, daß es Komponenten mit den gleichen Polarisationen aufweist wie das Leitungssignal, kombiniert; das aus der Kombination resultierende Signal wird polarisationsanalysiert und die verschiedenen Komponenten werden getrennt in elektrische Signale umgesetzt und die hierdurch erhaltenen Signale werden geeignet demoduliert.
• Bei diesen Systemen erfordert die Polarisationsmodulation des optischen Trägers die Verwendung von Modulatoren außerhalb der Quelle. Bei den für kohärente optische Kommunikationssysteme typischen Übertragungsraten (von einigen hundert Mbit/s bis einigen Gbit/s) sind die üblicherweise verwendeten Modulatoren Elemente mit integrierten optischen Wellenleitern, sie sind hierbei allgemein teuer und bewirken außerdem hohe Verluste, und zwar sowohl aufgrund der Dämpfung der Wellenleiter selbst als auch aufgrund der Kopplung zwischen dem Wellenleiter und dem eventuellen Faseranschlußstück, das die Verbindung mit einer Lichtleitfaser herstellt. Gemäß der Erfindung wird ein kohärentes Kommunikationssystem geschaffen, bei dem die Polarisationsmodulation nicht die Verwendung von zur Quelle externen Vorrichtungen erfordert.
• Die Merkmale der Erfindung sind in den anhängenden Ansprüchen angegeben. Die Erfindung beseitigt die Notwendigkeit für externe Modulatoren aufgrund der Verwendung von zwei Quellen, die orthogonal polarisierte Strahlungen bei verschiedenen Frequenzen emittieren. Das Fehlen eines externen Modulators vermeidet die Dämpfungsprobleme; außerdem ist ein Halbleiterlaser im Vergleich zu einem Modulator in integrierter Optik ein wesentlich billigeres Bauelement, so daß die Kostenprobleme beseitigt oder zumindest vermindert sind.
• Es ist bekannt, zwei Strahlungen mit den oben angegebenen Charakteristiken zu verwenden, um eine Unempfindlichkeit gegen Polarisationsfluktuationen in Demodulationssystemen oder in faseroptischen Kommunikationssystemen zu erzielen. Der Aufsatz "Depolarised source for fiber-optic applications", vorgelegt von W.K. Burns u.a. auf der OFC'91-Konferenz (San Diego, Kalifornien, 18.-22. Februar 1991) und veröffentlicht auf Seite 205 des Konferenzprotokolls, beschreibt ein System, bei dem zwei von jeweiligen Lasern erzeugte Strahlungen kombiniert werden, um in der Leitung eine depolarisierte Strahlung zu erhalten. Das in diesem Aufsatz beschriebene System verwendet nicht, wie die vorliegende Erfindung, die Polarisation für Informationszwecke; außerdem emittiert jede Quelle stets mit einer einzigen Frequenz, während eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung die Frequenzmodulation beider Laser ist. Beim Fehlen dieser Frequenzmodulation ist die Implementierung einer Polarisationsmodulation ohne externe Modulatoren unmöglich, da dies eine An-/Aus-Amplitudenmodulation der Laser erfordern würde, die nicht bewirkt werden kann, ohne die Laser unstetig zu machen oder zu beschädigen.
• Der Artikel "New polarisation-insensitive detection technique for coherent optical fibre heterodyne communications" von A. D. Kersey u. a., Electronics Letters, Band 23, Nr. 18, 27. August 1987, beschreibt die Verwendung von zwei orthogonal polarisierten Strahlungen mit unterschiedlichen Frequenzen zur Erzielung des Ausgangssignals des örtlichen Oszillators in einem Heterodyneempfänger mit Polarisationsverschiedenheit für - ein kohärentes Kommunikationssystem. Die beiden Strahlungen werden von einer einzigen Quelle mit Hilfe eines polarisierenden Strahlspalters erhalten, der die beiden orthogonalen Polarisationen erzeugt, sowie mit Hilfe eines akustooptischen Modulators, der hinter dem Strahlspalter im Weg von nur einer der beiden orthogonal polarisierten Strahlungen angeordnet ist. Auch in diesem Fall haben die beiden Strahlungen stets eine konstante Frequenz, und somit gelten auch hier die Betrachtungen, die im Hinblick auf den auf der OFC'91 vorgelegten Aufsatz gemacht worden sind. Außerdem könnte selbst dann, wenn man annimmt, daß die beiden aus dem akusto-optischen Modulator ausgehenden Signale verwendet werden und nicht nur das frequenzverschobene Signal, die Erfindung nicht erhalten werden, da nur eine der beiden Strahlungen frequenzmoduliert sein würde.
• Es wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung des kohärenten Kommunikationssystems, und
• Fig. 2 eine schematische Darstellung der Polarisationszustände.
• In der Zeichnung geben dünne Linien die optischen Signalwege und dicke Linien die elektrischen Signalwege wieder.
• In Fig. 1 sind zwei Halbleiterlaser 1, 2, die sich soweit als möglich gleichen, mit einer Quelle 3 eines binären Datenflusses so verbunden, daß sie durch diesen Datenfluß mit komplementären Folgen von Informationsbits frequenzmoduliert werden. Beispielsweise wird das Informationssignal, wenn es abgegeben wird, Steuervorrichtungen 4 des Lasers 1 eingespeist, wo es einer Gleich-Vorspannung VBI überlagert wird, und es bewirkt, daß der Laser mit einer Frequenz f&sub0; in Übereinstimmung mit dem logischen Wert 0 des Binärsignals, und mit einer Frequenz f&sub1; in Übereinstimmung mit dem logischen Wert 1 oszilliert. Das Informationssignal wird andererseits Steuervorrichtungen 5 des Lasers 2 über einen Inverter 6 eingespeist und wird einer Gleichspannung VB2 so überlagert, daß der Laser 2 mit Frequenzen f'&sub0; und f'&sub1;, die nahe oder nominell gleich den Frequenzen f&sub0; , f&sub1; sind, entsprechend den logischen Werten 1 bzw. 0 oszilliert. Es ist beachtenswert, daß zwei getrennte Quellen, obwohl sie nominell gleich sind, stets eine gewisse Frequenzdifferenz aufweisen (beispielsweise aufgrund zufälliger Fluktuationen, die stets vorhanden sind), was praktisch nicht kompensiert werden kann; dieser Frequenzunterschied beeinträchtigt die Erfindung jedoch nicht, die das Vorhandensein zweier unterschiedlicher Frequenzwerte für jeden Laser ausnützt, und deshalb wird für die folgende Beschreibung angenommen, daß die beiden Laser mit Frequenzen f&sub0; und f&sub1; arbeiten.
• Die vom Laser 1 emittierte Strahlung, die eine linear polarisierte Strahlung ist, wird einem polarisierenden Strahlspalter 7 eingegeben und beispielsweise auf der Sendefläche empfangen; der Spalter 7 empfängt außerdem, auf der reflektierenden Fläche, die vom Laser 2 emittierte Strahlung, die durch eine Halbwellenplatte 8 getreten ist und somit in einer zur Ebene der vom Laser 1 emittierten Strahlung rechtwinkligen Ebene polarisiert ist. Isolatoren 9, 10 auf den Wegen der von den Lasern emittierten Strahlung verhindem, daß die reflektierten Strahlungen in die Laser 1, 2 zurückgeraten. Der Spalter 7 vereinigt die beiden Strahlenbündel und sendet die resultierende Strahlung über ein passendes optisches System, daß schematisch durch eine Linse 11 dargestellt ist, in eine übliche Monomode-Faser 12, die die Übertragungsleitung des Systems bildet. Das aus der Faser austretende Bündel wird von einem optischen System, daß schematisch durch eine Linse 13 dargestellt ist, kollimiert und zu einem Kompensator 14 gesendet, der beispielsweise ein Soleil-Babinet-Kompensator ist, welcher die linearen Polarisationszustände des aus der Faser austretenden Bündels, die allgemein durch den Lauf entlang der Faser elliptisch geworden sind, wiederherstellt.
• Das kompensierte Bündel wird in einem Koppler 15 mit dem von einem örtlichen Oszillator 16 emittierten Bündel kombiniert. Der örtliche Oszillator 16 besteht aus einem Halbleiterlaser, der eine Linienbreite aufweist, die soweit als möglich gleich der der Laser 1 und 2 ist, und der mit einer Frequenz fL arbeitet, die sich von f&sub0; und f&sub1; unterscheidet. Das vom Laser 16 emittierte Bündel wird über einen Kompensator 17, durch den das Bündel beispielsweise unter 45º in Bezug zur Bezugsachse polarisiert wird, zum Koppler gesendet, so daß es eine Komponente aufweist, die in der Ebene jeder der Komponenten des von der Faser eintreffenden Bündels polarisiert ist. Zwischen dem Oszillator 16 und dem Kompensator 17 ist ein Isolator 18 angeordnet, der die gleichen Funktionen hat wie die Isolatoren 9 und 10. Das aus der Kombination resultierende Bündel wird von einem Polarisationsseparator 19, beispielsweise einem Glan-Tayler-Prisma, das beispielsweise die horizontal polarisiefte Komponente zu einem ersten Fotodetektor 20 durchläßt und die vertikal polarisierte Komponente zu einem zweiten Fotodetektor 21 reflektiert, polarisationsanalysiert. Die Ausrichtungen der Polarisationen des örtlichen Osziallators und der Informationsbits sind schematisch in Fig. 2 dargestellt.
• Die die Fotodetektoren 20, 21 verlassenden elektrischen Signale, die Schwebungen der Frequenzen F&sub0; = fL - f&sub0; und F&sub1; = fL - f&sub1; umfassen, werden in Verstärkern 22 bzw. 23 verstärkt, in Paßbandfiltern 24 bzw. 25 mit gleichem Paßband, die beispielsweise auf die Frequenz F&sub0; abgestimmt sind, gefiltert und in quadratischen Demodulatoren 26 bzw. 27 demoduliert. Das aus dem Demodulator 27 austretende Signal wird in einem Subtraktor 28 vom aus dem Demodulator 26 austretenden Signal subtrahiert, um so die Dynamik zu verdoppeln, und das aus der Subtraktion resultierende Signal wird einem Tiefpaßfilter 29 eingegeben, das das Signal-Grundband begrenzt. Eine Schwellenschaltung 30, beispielsweise ein Nulldurchgangdetektor, liefert das wiederhergestellte Datensignal.
• Der Betrieb der Vorrichtung ergibt sich aus der obigen Beschreibung. Aufgrund der Art und Weise, in der die Laser 1, 2 vorbelastet sind, werden in Übereinstimmung mit jedem Bit des von der Quelle 3 erzeugten Datensignals zwei orthogonal polarisierte Strahlungen bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig über die Leitung übertragen: Speziell umfaßt für das Bit 0 das Leitungssignal eine horizontal polarisierte Komponente der Frequenz f&sub0; und eine vertikal polarisierte Komponente der Frequenz f&sub1;, während es für das Bit 1 eine horizontal polarisierte Komponente der Frequenz f&sub1; und eine vertikal polarisierte Komponente der Frequenz f&sub0; enthält. Das Leitungssignal ist also gleichzeitig polarisations- und frequenzmoduliert. Auf der Empfängerseite wird, wie bei üblichen kohärenten Systemen mit Polarisationsmodulation, das Leitungssignal mit dem vom örtlichen Oszillator 16 emittierten Signal kombiniert und die beiden orthogonalen polarisationen werden zu den Detektoren 20, 21 gesendet. Jedem der beiden Polarisationszustände ist nach wie vor die Frequenzmodulation zugeordnet, so daß die beiden Detektoren 20, 21 die Schwebungen mit den Frequenzen F&sub0; = fL - f&sub0; und F&sub1; = fL - f&sub1; erzeugen. Die Schwebung mit der Frequenz F&sub1; wird in den Bandpaßfiltern 24 und 25 beseitigt, so daß die nachfolgenden Schaltungen im Empfänger Signale verarbeiten, die nur die auf den Polarisationszustand bezogene Information enthalten. Im einzelnen liefern die Demodulatoren 26 und 27 jeweilige demodulierte Signale mit einer Frequenz F&sub0;, die das Vorhandensein des Bits 0 bzw. des Bits 1 anzeigen. Der Subtraktor 28 empfängt die demodulierten Signale am positiven bzw. am negativen Eingang und gibt somit Signale mit unterschiedlichen Werten in Abhängigkeit vom Leitungszweig, der die Signale mit der Frequenz F&sub0; befördert hat, ab, und somit abhängig vom logischen Wert des übertragenen Bits. Das Filter 29 und die Schwellenschaltung 30 erlauben dann die Wiederherstellung der digitalen Folge.

Claims (4)

1. Verfahren zum Übertragen optischer Signale, die durch ein binäres digitales Informationssignal polarisationsmoduliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß man: zwei Quellen (1, 2) linear polarisierter Strahlung in komplementärer Weise durch das Informationssignal so frequenzmoduliert, daß die erste Quelle (1) Strahlungen mit einer ersten und einer zweiten Frequenz entsprechend dem ersten und dem zweiten logischen Pegel des Informationssignals emittiert und die zweite Quelle (2) Strahlungen mit einer dritten und einer vierten Frequenz, die im wesentlichen der ersten und der zweiten Frequenz gleichen, entsprechend dem zweiten und dem ersten logischen Pegel des Informationssignals emittiert; die Polarisationszustände der von den beiden Quellen emittierten Strahlungen in Übereinstimmung mit jedem Bit des Informationssignals orthogonal macht; und die beiden orthogonal polarisierten Strahlungen kombiniert, um auf einer Übertragungsleitung für jedes Bit ein Signal zu senden, das zwei orthogonal polarisierte Komponenten bei verschiedenen Frequenzen umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man auf der Empfängerseite eine kohärente heterodyne Detektion der modulierten Signale durch Kombinieren dieser Signale mit dem von einem lokalen Oszillator (16) emittierten Signal, das so polarisiert ist, daß zwei Komponenten mit der gleichen Polarisation wie die von den Quellen (1, 2) emittierten Signale präsentiert werden, durchführt und die beiden orthogonalen Polarisationskomponenten in dem aus der Kombination zwischen dem Leitungssignal und dem örtlichen Signal resultierenden Signal trennt, in elektrische Signale umwandelt und getrennt demoduliert, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Demodulation die aus der Umwandlung der beiden Komponenten resultierenden elektrischen Signale, die in einer Weise frequenzmoduliert sind, die den von einer jeweiligen Quelle (1, 2) emittierten Signalen entspricht, zum Beseitigen einer der beiden Frequenzen filtert und die Demodulation für jedes Bit des Informationssignals an Signalen durchführt, die aus der Umwandlung einer der Polarisationskomponenten abgeleitet sind.

3. Kohärentes heterodynes Übertragungssystem mit Lichtleitfaser unter Verwendung der Polarisationsmodulation, das einen Sender umfaßt mit Einrichtungen (1, 2, 8, 7) zum Senden optischer Signale, die zwei orthogonale Polarisationszustände in Übereinstimmung mit den beiden logischen Pegeln eines binären digitalen Informationssignals aufweisen können, auf einer Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Senden des Signals auf der Leitung folgende Elemente umfassen:

- eine erste Quelle (1) von Lichtstrahlungen, die linear in einer ersten Ebene polarisierte Strahlungen emittiert und durch das Informationssignal so angesteuert ist, daß die Strahlungen mit einer ersten oder einer - zweiten Frequenz in Abhängigkeit davon emittiert werden, ob das Signal den ersten oder den zweiten der beiden logischen Pegel aufweist;

- eine zweite Quelle (2, 8) von Lichtstrahlungen, die linear in einer zweiten Ebene, die orthogonal zur ersten Ebene liegt, polarisierte Strahlungen emittiert und vom Informationssignal in komplementärer Weise im Vergleich zur ersten Quelle so angesteuert ist, daß die Strahlungen mit einer dritten oder einer vierten Frequenz, die im wesentlichen gleich der ersten bzw. der zweiten Frequenz sind, in Abhängigkeit davon emittiert werden, ob das Signal den zweiten oder den ersten der beiden logischen Pegel aufweist;

- Einrichtungen (7) zum Kombinieren der von den beiden Quellen emittierten Strahlungen zu einer einzigen Strahlung, die auf eine Lichtleitfaser-Übertragungsleitung gesendet wird und die für jeden der beiden logischen Pegel des Informationssignals zwei orthogonal polarisierte Komponenten mit verschiedenen Frequenzen umfaßt.

4. System nach Anspruch 3, mit einem Heterodyne-Empfänger, bei dem ein örtlicher Oszillator (16) ein Signal erzeugt, das mit dem Leitungssignal zu kombinieren ist und einen solchen Polarisationszustand aufweist, daß zwei in einer Weise, die den beiden Polarisationszuständen des Leitungssignals entspricht, orthogonal polarisierte Komponenten entstehen, und eine Polarisationstrennvorrichtung (19) das aus der Kombination resultierende Signal in die beiden orthogonal polarisierten Komponenten trennt, die getrennt in jeweiligen Umwandlungsvorrichtungen (21, 22) in elektrische Signale umgewandelt werden, wobei diesen Umwandlungsvorrichtungen jeweilige Schaltungen (26, 27), die das elektrische Signal demodulieren, folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationstrennvorrichtung (19) an die beiden Umwandlungsvorrichtungen Signale sendet, die in komplementärer Weise frequenzmoduliert sind und die Frequenzmodulation der von den betreffenden Quellen (1, 2) emittierten Signale reproduzieren, und daß den Umwandlungsvorrichtungen (21, 22) jeweilige Filter (24, 25) folgen, die zu den Demodulationsschaltungen (26, 27) Signale durchlassen, die nur eine der beiden im elektrischen Signal vorhandenen Frequenzen aufweisen.