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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung einer
optischen Modulation einer optischen Wellenlänge auf eine einstellbare
Wellenlänge. Sie findet Anwendung bei der optischen Telekommunikation.
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Die Einführung der Optik in Telekommunikationsnetzen zielt auf die große
Kapazität der Übertragung, welche optische Verbindungen bieten. Um vollständig
von diesem Vorteil zu profitieren und um eine optische Transparenz auf dem Netz
zu erhalten, ist es notwendig, soweit wie möglich die Verwendung von
optischen/elektrischen und elektrischen/optischen Verbindungen zu begrenzen. Zu
diesem Zweck wurden die optischen Verstärker (dotierten Fasern oder Halbleiter)
entwickelt. Während dadurch die vollständige optische Regeneration der Signale
sichergestellt wird, ist es möglich, die elektrischen Empfänger zu vermeiden.
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In einem Telekommunikationsnetz, das mehrere Wellenlängen verwendet (ein
sogenanntes "vielfarbiges" Netz), erfordert der Vorgang des Weiterleitens (räumliche
Schaltung der Schaltkreise oder Schaltung der Wellenlänge) Basisfunktionen, die
durch Sender erfüllt werden, welche an Wellenlängen angepaßt werden können,
Sternkuppler mit großer Kapazität oder einstellbare optische Filter. Zu diesen
Funktionen müssen diejenigen der Übertragung der Wellenlänge zugefügt werden,
welche die Übertragung der Information von einem optischen Träger auf einen
anderen beinhalten. Sie erlaubt nicht nur die Markierung einer Information durch
"Färbung" des Signals in einem Netz, sondern auch die Verbindung zwischen zwei
lokalen vielfarbigen Netzen.
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Um diese Übertragung zu erhalten, gibt es die Möglichkeit der Detektierung der
empfangenen Information auf einer Wellenlänge und Verwendung eines sich
ergebenden
elektrischen Signals, um einen Laser zu modulieren, der eine andere
Wellenlänge aussendet.
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Eine solche Vorrichtung, die in der Lage ist, eine solche Funktion auszuführen,
kann sich unter zwei verschiedenen Formen darstellen:
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- In der ersten wird die Information, die sich anfänglich auf einer festen
Wellenlänge λ&sub0; befindet, übertragen auf eine andere Wellenlänge λ&sub1;, welche unter
n möglichen Wellenlängen gewählt wird; man kann auf diese Weise am
Ausgang der Vorrichtung auf die Information zugreifen auf eine der
Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ...,λn;
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- in einer zweiten erreicht die Information eine Vorrichtung auf einer
Wellenlänge λi, welche unter n möglichen Wellenlängen gewählt ist, und die
Vorrichtung überträgt das Signal auf einer anderen festen Wellenlänge λ&sub0;.
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Bisher ist dieser Vorgang der Übertragung erreicht worden mittels Laserdioden
und Halbleiterverstärker. In dem ersten Fall wird auf die Emissionswellenlänge
eines Monomode-Lasers des Typs DFB ("Distributed FeedBack") oder DBR
("Distributed Bragg Reflection") durch optische Injektion in einer aktiven Zone
eingewirkt.
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Dies ist beschrieben in den zwei folgenden Artikeln:
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- P. POTTIER, M.J. CHAWKI, R. AUFFRET, G. CLAVEAU, A. TROMEUR,
"1.5 Gbit/s transmission system using all optical wavelength convertor based
on a tunable two-electrode DFB laser", Electron. Lett., Band 27, S. 2183-
2184, 1991;
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- B. MIKKELSEN, T. DURHUUS, R.J. PEDERSEN, K.E. STUBKJAER,
"Penalty free wavelength conversion of 2.5 Gbit/s signals using a tunable
DBR-laser", Proc. ECOC'92, Berlin, September 1992.
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In Bezug auf die Halbleiterverstärker verwendet man das Phänomen der
Veränderung der Gain-Saturation oder die Mischung von drei Wellen, um die Übertragung
zu erzeugen.
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Das ist in den zwei folgenden Artikeln beschrieben:
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- J.M. WIESENFELD, B. GLANCE, "Cascadability and fanout of
semiconductor optical amplifier wavelength shifter", IEEE Photon. Technol. Lett., Band
4, S. 1168-1171, 1992;
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- G. GROSSKOPF, R. LUDWIG, H.G. WEBER, "140 Mbit/s DPSK
transmission using an all-optical frequency convertor with a 4000 GHz conversion
range", Electron. Lett., Band 24, S. 1106-1107, 1988.
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Trotz ihrer interessanten Leistungen haben diese verschiedenen Vorgehensweisen
eine beträchtliche Komplexität, einerseits aufgrund der delikaten Durchführung
des Verfahrens (insbesondere was die Einstellung der Wellenlängen der
einfallenden und übertragenden Signale betrifft) und andererseits durch den Bedarf nach
der Verwendung einer Laserpumpe.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
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Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, das umfaßt:
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- Verwendung eines Halbleiterlaserverstärkers, dessen Ausgang rückgekoppelt
ist auf den Eingang durch eine Rückkopplungsschleife, die mit einem
optischen Filter versehen ist, der auf eine erste Wellenlänge λ&sub1; festgelegt ist,
wobei der rückgekoppelte Verstärker in der Lage ist, bei der ersten Wellenlänge
λ&sub1; Autooszillationen auszuführen,
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- Einführen eines Einfallstrahls in den Halbleiterlaserverstärker, der eine
zweite Wellenlänge λ&sub2; aufweist, wobei dieser Einfallstrahl in seiner
Amplitude
moduliert ist, die zwischen einem hohen Niveau und einem niedrigen
Niveau wechselt,
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-Regulieren der Modulation des Einfallstrahls, in der Weise, daß für das hohe
Niveau der Amplitude des Einfallstrahls die Bedingung der Autooszillation
des Laserverstärkers bei der ersten Wellenlänge λ&sub1; nicht erfüllt ist, wobei der
Laserverstärker demnach eine einfache Verstärkung des Signals bei der
zweiten Wellenlänge λ&sub2; bewirkt; für das niedrige Niveau der Amplitude des
Einfallstrahls die Autooszillation des rückgekoppelten Laserverstärkers bewirkt
wird, wobei der Laserverstärker demnach auf der ersten Wellenlänge λ&sub1;
emittiert,
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-Amplitudenmodulieren des Einfallstrahls bei der zweiten Wellenlänge, die
demnach in einer Amplitudenmodulation komplementär zur ersten
Wellenlänge übertragen wird.
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Dieses Verfahren hat gegenüber den bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile:
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-zunächst wird die Verwendung einer Laserpumpe vermieden. Die
Vorrichtung zur Durchführung umfaßt nur einen Halbleiterverstärker und einen
Filter, die Ausrüstung ist somit vermindert;
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-weiterhin wird die Auswahl der Wellenlänge, auf welche die Übertragung
ausgeführt wird, erhalten durch einfache Einstellung eines optischen Filters
auf einer Rückkopplungsschleife; durch die einfache Verwendung macht ein
solcher Filter die Wahl der Wellenlänge leicht und gibt der Vorrichtung eine
Toleranz;
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-zudem können in Hinsicht auf die Verwendung eines Halbleiterverstärkers
die Einfallswellenlänge λ&sub1; und die übertragene Wellenlänge λ&sub2; in dem ganzen
Gain-Bereich des Verstärkers gewählt werden; dieses Element macht diesen
Typ der Übertragung besonders attraktiv;
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-wenn schließlich die verbleibende Reflektivität der Flächen des
Haibleiterverstärkers teilweise besteht (in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4;), dann treten
kleine Resonanzen im Gain-Bereich auf, es ist demnach möglich, diese
Resonanzen
zu verwenden, um einen Wellelängenbereich zu definieren, für welchen
die Laserwirkung und Übertragung in privilegierter Weise erhalten wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- Fig. 1 ist ein Prinzipienschema eines Halbleiterlaserverstärkers mit
Rückkopplungsschleife;
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- Fig. 2 zeigt die Emissionsspektren des Halbleiterverstärkers ohne
Rückwirkung (a) und mit Rückwirkung (b);
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- Fig. 3 ist ein Schema einer experimentellen Anordnung, die die
Durchführung und das Testen des Verfahrens gemäß der Erfindung erlaubt;
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- Fig. 4 zeigt das Emissionsspektrum des Verstärkers mit einer
Rückkopplungsschleife ohne Einfallstrahl (a) und mit Einfallstrahl (b);
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- Fig. 5 zeigt die komplementäre Modulationen des Einfallstrahls und des
übertragenen Strahls.
Ausführliche Darstellung einer Ausführungsform
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Die Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt einen Laserverstärker AS1,
dessen optischer Ausgang rückgekoppelt ist auf den Eingang durch eine Schleife 10
aus optischer Faser. Diese Schleife umfaßt einen ersten Isolator 12, einen
optischen Filter, der ein FABRY-PÉROT-Etalon FP1 sein kann, und einen zweiten
Isolator 14.
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Diese Isolatoren vermeiden jede Rückkehr in den Halbleiterverstärker von Licht,
das sich spektral außerhalb des Paßbandes des Filters befindet.
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Um die Funktion eines solchen Aufbaus zu studieren, ist es hilfreich, einen
optischen Koppler 20 mit einem Eingang und zwei Ausgängen einzufügen, wobei einer
der Ausgänge mit der Schleife 10 verbunden ist, und der andere mit einem
Analysator 22. Dieser Analysator erlaubt es, die Spektren zu gewinnen, wie diejenigen,
welche in Fig. 2 gezeigt sind.
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Auf dem Teil (a) von Fig. 2 sieht man das spontane Emissionsspektrum ohne die
Kopplung, d.h. mit offener Schleife. Auf dem Teil (b) sieht man das Spektrum mit
Rückkopplung mit seiner Autooszillationsspitze. Die Wellenlänge λ&sub1; dieser Spitze
wird definiert durch den Filter FP1. In dem gezeigten Beispiel ist λ&sub1; = 1540 nm.
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Fig. 3 zeigt eine experimentelle Vorrichtung, die das Testen der Leistungen des
Verfahrens gemäß der Erfindung erlaubt. Darin befindet sich der
Halbleiterverstärker AS1, der mit einem Strom I1 versorgt wird, und seine
Rückkopplungsschleife 10 mit seinem Filter FP1, der die Wellenlänge λ&sub1; definiert.
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Man findet außerdem eine Monoelektrodenlaserdiode LD1, die durch einen Strom
12 versorgt wird, und durch einen Generator 30 eine Strommodulation erfährt,
welcher mit der Elektrode über einen Kondensator 32 verbunden ist. Diese
Laserdiode emittiert einen Strahl 34, der eine Wellenlänge λ&sub2; aufweist. Dieser Strahl ist
somit amplitudenmoduliert mit einem Rhythmus, der durch den Generator 30
vorgegeben wird, und das ist das optische Signal, welches zu übertragen ist.
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Der Aufbau umfaßt weiterhin einen Zwei-zu-Zwei-Koppler 36, einen zweiten
FABRY-PÉROT FP2, einen Photodetektor 38, beispielsweise eine Diode PIN, und ein
Oszilloskop 40.
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Als nicht beschränkendes Beispiel sind die experimentellen Bedingungen, unter
welchen das Verfahren gemäß der Erfindung verifiziert wird, unten angegeben.
Die Flächen des Laserverstärkers AS1 sind mit antireflektierenden Schichten
behandelt, um ihre Reflektivität auf ungefähr 10&supmin;&sup5; abzusenken. Der Strom I1 beträgt
68,3 mA. Die Feinheit des FABRY-PÉROT FP1 kann 100 betragen, und seine
Halbwertsbreite 0,33 nm (43 GHz). Die Autooszillation des Verstärkers, der so
rückgekoppelt ist, wird auf λ&sub1;=1528,1 nm durch die Position des optischen Filters
FP1 festgelegt.
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Der Versorgungsstrom 12 der Laserdiode LD1 wird um 34,1 mA moduliert. Die
entsprechende Wellenlänge λ&sub2; ist λ&sub2;=1543,1 nm.
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Der zweite Filter FABRY-PÉROT FP2 ist vorgesehen, die gewühschte Wellenlänge
λ&sub1; und λ&sub2; auszuwählen, gemäß welcher man das Quellensignal oder das
übertragene Signal darstellt. Er hat eine Feinheit von 100 und eine Halbwertsbreite von 0,1
nm (13 Ghz).
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Fig. 4 zeigt die beobachteten Ergebnisse. Der Teil (a) zeigt das erhalten Spektrum
ohne Einfallstrahl. Die Linie bei λ&sub1;= 1528,1 nm ist die Autooszillationslinie des
Verstärkers AS1, der auf sich selbst rückgekoppelt ist. Der Teil (b) zeigt das
Spektrum mit einem Einfallstrahl einer optischen Leistung von 74 µW, der auf den
Laserverstärker gegeben wird. Man sieht die Oszillation bei λ&sub1; praktisch ausgelöscht,
wobei die Auslöschung ungefähr 25 dB beträgt, und eine Oszillation bei 1543,1 nm
dominiert, was die Wellenlänge λ&sub2; des Einfallstrahls 34 ist.
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Die Erklärung dieser Übertragung ist wie folgt. Da der Einfallstrahl, der auf den
Halbleiterverstärker gegeben wird, amplitudenmoduliert ist, geht diese Amplitude
(oder die Leistung des Einfallstrahls) alternativ von einem niedrigen Niveau nach
einem hohen Niveau. Man geht daher alternativ von einem
Autooszillationsbereich, wie dem von Teil (b), zu einem Injektionsbereich, wo die Autooszillation
ausgelöscht ist, wie auf Teil (a).
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Die Übertragung der Modulation erscheint besser in Fig. 5, die das Verhalten der
Signale S1 und S2 entsprechend den zwei Wellenlängen λ&sub1; bzw. λ&sub2; wiedergibt. Das
hohe Signal entspricht dem einfallenden Signal, wohingegen das niedrige Signal
dem übertragenen Signal entspricht. Man gewinnt auf der Wellenlänge λ&sub1; die
komplementäre Modulation von der des einfallenden Signals.
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In der beschriebenen Studie ist der Laser LD1 mit 300 kHz moduliert, was gering
erscheinen kann. Diese Begrenzung hat ihren Grund darin, daß die
Rückkopplungsschleife sich über mehrere zig Meter von optischer Faser erstreckt. Bei dieser
gegebenen Länge ist die Zeit der Richtung eines stationären Bereiches in dem
Verstärker notwendigerweise lang (1 µs). Dennoch ist es klar, daß eine beträchtliche
Verringerung der Größe der Schleife es möglich macht, die
Wiederholungsgeschwindigkeiten auf einige hundert Mbit/s ohne größeres Problem zu erhöhen.
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In der vorangegangenen Beschreibung ist die Betonung auf FABRY-PÉROT-
Etalon gelegt, um den optischen Filter zu verwirklichen. Es ist jedoch klar, daß die
Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt ist, und jeder optische Filter geeignet
sein kann (Netzfilter, etc.).