DE69423548T2 - Verbesserter Faserschleifenreflektor zum Zeitdemultiplexen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft die optische Demultiplexierung und insbesondere einen optischen Demultiplexer, der einen verbesserten optischen Schleifenspiegel verwendet.
Stand der Technik
• In optischen Kommunikationssystemen mit großer Kapazität wird eine Vielzahl von Kanälen, die jeweils einen optischen Impulsstrom mit relativ niedriger Bitrate umfassen, in einen Impulsstrom mit hoher Bitrate zeitmultiplexiert. Zum Beispiel kann eine Vielzahl optischer Solitonenimpulsströme mit relativ niedriger Bitrate in einen einzigen optischen Solitonenimpulsstrom mit hoher Bitrate kombiniert werden. Diese Multiplexierung von Datenströmen erfordert jedoch natürlich, daß anschließend eine effektive Demultiplexierung der Daten mit hoher Bitrate in Daten mit niedrigerer Bitrate stattfindet, zum Beispiel eine Demultiplexierung von Daten mit 10 bis 20 Gbit/s in die wohlbekannte SONET-Rate von 2,5 Gbit/s.
• In Electronics Letters, Band 29, Nr. 13, 24.6.1993, Seiten 1167-1168, beschreiben M. Eiselt et al. ein rein optisches Verfahren zur Demultiplexierung von schnellen zeitmultiplexierten Daten. Das Verfahren verwendet den SLALOM (Halbleiterlaserverstärker in einem Schleifenspiegel). Der Laserverstärker liefert eine optische Nichtlinearität, so daß sich das Bauelement nicht auf die kleine Nichtlinearität der Faser verläßt.
• In Proceedings on Photonics in Switching 1993, Band 16, Optical Society of America, 15.3.1993, Seiten 211-214, beschreiben J. P. Sokoloff et al. einen optischen Demultiplexer, der aus einem Schleifenspiegel mit einem zusätzlichen 2 · 2-Koppler für Steuerimpulse und einem nichtlinearen Element besteht, das aus einem optischen Wanderwellenverstärker besteht, der auf seinen Transparenzstrom vorgespannt wird.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Eine Demultiplexierungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Formen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
• Die Anmelder haben einen verbesserten optischen Demultiplexer entwickelt, der für Impulse in einem einer Vielzahl von zeitmultiplexierten Datenkanälen ein nahezu quadratisches zeitliches Annahmefenster mit einer Breite von einer Bitperiode bereitstellt. Das Annahmefenster ist um die erwarteten Ankunftszeiten ausgewählter Lichtimpulse in einem Impulsstrom mit hoher Bitrate herum zentriert. Dieser Demultiplexer liefert eine hohe Umschaltwirksamkeit für Impulse eines gewünschten Kanals und eine fast völlige Unterdrückung der Impulse in allen anderen Kanälen. Das Ein/Aus- Verhältnis kann 20 dB oder mehr betragen. Der Betrieb des Multiplexers ist stabil und bleibt durch Schallfelder und Änderungen der Umgebungstemperatur im wesentlichen unbeeinflußt. Er ist außerdem kompakt, kostengünstig und mit den gewöhnlichen faseroptischen Umgebungen kompatibel.
• In einem spezifischen Beispiel der Erfindung dient ein verbesserter Schleifenspiegel zur Demultiplexierung eines Datenkanals mit hoher Bitrate in einen Datenkanal mit niedriger Bitrate. Der verbesserte Schleifenspiegel umfaßt eine Faserschleife zum Führen zweier, sich entgegengesetzt ausbreitender Ströme multiplexierter Signalimpulse. In die Schleife werden Umschaltimpulse eingeführt, um das Gleichgewicht der Schleife für ausgewählte der Impulse in den Daten mit der hohen Bitrate zu stören, so daß diese ausgewählten Impulse in einen Datenkanal mit niedriger Bitrate demultiplexiert werden. Einer unbeabsichtigten Phasenverschiebung zwischen den sich entgegengesetzt ausbreitenden Strömen von Signalimpulsen, die durch die Umschaltimpulse verursacht wird, wird entgegengewirkt, indem bewirkt wird, daß die Amplitude eines der sich entgegengesetzt ausbreitenden Bitströme größer als die Amplitude des anderen der sich entgegengesetzt ausbreitenden Bitströme ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines optischen Demultiplexers gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine graphische Darstellung von experimentellen Ergebnissen, die für den Demultiplexer von Fig. 1 gewonnen wurden, wobei sich zeigt, daß der Demultiplexer einen hohen Grad der Selektivität für gewünschte Signalimpulse aus einem Kanal einer zeitmultiplexierten Vielzahl von Kommunikationskanälen und einen hohen Grad der Unterdrückung unerwünschter Signalimpulse aus allen anderen der Vielzahl multiplexierter Kommunikationskanäle aufweist.
Ausführliche Beschreibung
• Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Demultiplexers gemäß der vorliegenden Erfindung. Er empfängt einen Strom von Lichtsignalimpulsen mit relativ hoher Bitrate. Der Impulsstrom mit hoher Bitrate stellt eine zeitmultiplexierte Vielzahl von Signalkanälen dar. Der Multiplexer gibt nur einen der Vielzahl von Signalkanälen in Form eines demultiplexierten Stroms von Lichtsignalimpulsen mit niedrigerer Bitrate aus. Zum Beispiel empfängt der Demultiplexer in Fig. 1 einen Strom zeitmultiplexierter Solitonenimpulse mit hoher Bitrate mit einer Wellenlänge von 1556 nm mit einer Rate von 10 Gbit/s. In dem Beispiel von Fig. 1 stellt der Eingangsbitstrom vier zeitmultiplexierte Kommunikationskanäle dar, die mit 1 bis 4 beziffert sind. Der Eingangsbitstrom fließt auf einer Eingangsfaser 10, die mit einem 3-dB-Koppler 12 verbunden ist, in den Multiplexer von Fig. 1. Die Impulse aus nur einem der Kommunikationskanäle, zum Beispiel dem Kanal 1, werden auf einer Ausgangsfaser 14, die mit dem Koppler 12 verbunden ist, durch den Demultiplexer von Fig. 1 ausgegeben. Bei dem demultiplexierten Strom von Impulsen handelt es sich zum Beispiel um 1556-nm-Impulse mit einer Rate von 2,5 Gbit/s. Die Impulse der anderen multiplexierten Kanäle, die in das Bauelement von Fig. 1 eingegeben werden, werden effektiv aus dem Ausgangsbitstrom unterdrückt, und nur die Impulse des gewünschten Kanals liegen auf der Ausgangsfaser 14 vor.
• Eine Schleife aus Lichtleitfaser 16, bei der es sich in diesem Beispiel um dispersionsverschobene Faser von ungefähr 6,9 km Länge mit einem A(eff) von etwa 35 Quadratmikrometer handelt, ist ebenfalls mit dem Koppler 12 verbunden. Ein erbiumdotierter Faserverstärker 18 ist mit der Faserschleife 16 in Reihe geschaltet. Die Pumpleistung für den Verstärker 18 wird mittels einer Faser 20 bereitgestellt, die mit einem Koppler 22 in der Schleife 16 verbunden ist. Der Verstärker 18 kann bei diesem Beispiel der Erfindung etwa 7 dB Verstärkung in die Faserschleife 16 einführen. In anderen Beispielen der Erfindung kann eine Verstärkung von bis zu 28 dE oder mehr bereitgestellt werden.
• Umschaltimpulse von Lichtenergie werden mittels einer Faser 24, die mit einem wellenlängenselektiven Koppler 26, der in der Faserschleife 16 angeordnet ist, verbunden ist, an die Faserschleife 16 geliefert. Die Umschaltimpulse bei diesem Beispiel der Erfindung können eine Wellenlänge von 1532 nm aufweisen und können mit einer Rate von 2,5 Gbit/s in die Schleife 16 eingespeist werden. Die zeitlich gemittelte Leistung dieser Umschaltimpulse beträgt etwa 28 mW; und ihre Spitzenleistung liegt in der Größenordnung von 1 Watt. Diese Umschaltimpulse werden bei diesem Beispiel der Erfindung so zeitgesteuert, daß sie im wesentlichen mit der Ankunft eines Impulses zusammenfallen, der einem Kanal zugeordnet ist, der aus dem multiplexierten Strom optischer Eingangsimpulse auf der Faser 10 herausdemultiplexiert werden soll.
• In der Schleife 16 kann sich eine Polarisationssteuerung 28 befinden, um unterschiedliche Effekte auszugleichen, die durch die Faser an der Polarisation von Lichtenergie erzeugt werden, die im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Faserschleife 16 fließen. In einem tatsächlichen System kann die Doppelbrechung der Faser in der Schleife 16 aufgrund von Temperaturänderungen und mechanischem Kriechen driften, und deshalb kann es wünschenswert sein, die Einstellung der Polarisationssteuerung 28 automatisch zu steuern, um diesen Drift zu berücksichtigen. Als Alternative kann diese Polarisationssteuerung unnötig sein, wenn eine Art von Faser verwendet wird, die keine unterschiedlichen Effekte auf die Polarisation der Lichtenergie erzeugt, die im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn in der Schleife 16 fließt. Die Faserschleife 16 in Fig. 1 kann außerdem einen wellenlängenabhängigen Richtkoppler 30 zum Richten der Restumschaltleistung aus der Faserschleife heraus auf eine Ausgangsfaser 32 aufweisen.
• Optische Eingangsleistung, die auf der Faser 10 in das Bauelement von Fig. 1 eingegeben wird, tritt in den Koppler 12 ein und kann gleichmäßig auf die Fasern 34 und 36 verzweigt werden. Somit werden zwei sich entgegengesetzt ausbreitende Lichtimpulsströme in die Schleife 16 eingespeist. Ein solcher Impulsstrom verläuft entgegen dem Uhrzeigersinn, beginnend an der Faser 34, um die Schleife 16 und breitet sich um die Schleife 16 herum aus, um an der Faser 36 wieder in den Koppler 12 einzutreten. Dies ist in Fig. 1 schematisch durch einen Pfeil 38 dargestellt. Der andere Impulsstrom verläuft entgegen dem Uhrzeigersinn, beginnend an der Faser 36, um die Schleife 16 und breitet sich um die Schleife 16 herum aus, um an der Faser 34 wieder in den Koppler 12 einzutreten. Dies ist in Fig. 1 schematisch durch einen Pfeil 40 dargestellt. Wenn keine Umschaltimpulse an die Schleife 16 angelegt werden, wirkt das Bauelement von Fig. 1 als ein perfekter Spiegel für die Impulse auf der Faser 10, und auf der Faser 14 erscheinen aufgrund der perfekten Löschung (negative Interferenz) am Ausgangsport 14 der beiden Impulsströme, die um die Schleife 16 herum und in den Koppler 12 fließen, keine Ausgangsimpulse.
• Wenn geeignete Umschaltimpulse am Koppler 26 in die Schleife 16 eingespeist werden, wird die Symmetrie der Schleife 16 gestört, und aus der multiplexierten Vielzahl von Kanälen, die in die Faser 10 eingegeben werden, können auf der Faser 14 gewählte Kanäle abgerufen werden. Wenn die Umschaltimpulse zum Beispiel wesentlich weniger als eine Bitperiode breit sind und so zeitgesteuert werden, daß sie im wesentlichen mit dem Erscheinen von Impulsen, die dem gewünschten Kanal, der am Koppler 26 demultiplexiert werden soll, zusammenfallen, dann wird jeder solche Impuls durch einen Umschaltimpuls um die Schleife 16 herum geführt, und aufgrund der Kreuzphasenmodulation der sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse des gewünschten Kanals durch die Umschaltimpulse werden die sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse des gewünschten Kanals in bezug auf die entsprechenden, sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse des gewünschten Kanals phasenverschoben. Die Symmetrie des Bauelements von Fig. 1 wird somit in bezug auf Impulse in dem gewünschten Kanal gestört, die Impulse im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn für diesen Kanal löschen sich nicht mehr perfekt aus, wenn sie zu dem Koppler 12 zurückkehren, und diese Impulse erscheinen dann auf der Ausgangsfaser 14. Im Idealfall erfahren die Impulse in den anderen Kanälen immer noch eine perfekte Löschung in dem Koppler 12 und erscheinen nicht auf der Ausgangsfaser 14.
• Die sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Umschaltimpulse in der Schleife 16 verursachen jedoch eine kleine, aber bedeutende Phasenverschiebung in den Impulsen, die den unerwünschten Kanälen zugeordnet sind, die sich entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Schleife 16 ausbreiten, weil diese entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Impulse jeden im Uhrzeigersinn verlaufenden Umschaltimpuls durchlaufen. Da die im Uhrzeigersinn verlaufenden Impulse in den unerwünschten Kanälen die Umschaltimpulse nicht kreuzen und keine dieser Umschaltimpulse überlappen, wird die Symmetrie des Bauelements von Fig. 1 etwas in bezug auf die unerwünschten Kanäle und auch den auf der Ausgangsfaser 14 erwünschten Kanal gestört. Die Selektivität des Bauelements von Fig. 1 wird somit verschlechtert, weil ein Teil der den Impulsen in den unerwünschten Kanälen zugeordneten Energie mit den Impulsen aus dem gewünschten Kanal ebenfalls auf der Ausgangsfaser 14 erscheint. Dementsprechend liefert ein Verstärker 18 eine Verstärkung an die Faserschleife 16, um die Auswirkung der Umschaltimpulse auf die sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse in den unerwünschten Kanälen auszugleichen. Wenn einem Verstärker 18 in der Nähe des Kopplers 12 zwischen der Faser 34 und dem Koppler 26 über die Faser 20 und den Koppler 22 eine geeignete Pumpleistung zugeführt wird, vergrößert er die Intensität der sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse auf einen Pegel, der größer als die Intensität der sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse ist. Da der Verstärker 18 in der Nähe des Kopplers 12 liegt (siehe Fig. 1), kann bei der durch die sich im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse erfahrenen Eigenphasenmodulation eine Differenz erzeugt werden. Diese Differenz erzeugt eine Phasenverschiebung zwischen den sich im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulsen, die genau der Phasenverschiebung entgegenwirkt, die durch die sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse verursacht wird, die die sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Umschaltimpulse durchlaufen.
• Es wird bevorzugt, daß die Differenz der Intensitäten der sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse und der sich entgegen dem Uhrzeigersinn ausbreitenden Impulse in der Schleife 16 durch einen erbiumdotierten Faserverstärker 18 erzeugt wird (siehe Fig. 1). Es ist jedoch möglich, diese Intensitätsdifferenz mittels einer anderen Art von Verstärker, wie zum Beispiel einem Halbleiterdiodenverstärker, zu erzeugen. Diese Intensitätsdifferenz kann außerdem dadurch erzeugt werden, daß ein verlustbehaftetes Element in der Schleife 16 in der Nähe des Kopplers 12, zum Beispiel in der Nähe der Faser 36 zwischen dem Koppler 12 und der Polarisationssteuerung 28, plaziert wird. Erbiumdotierte Faserverstärker, wie der Verstärker 18 in Fig. 1, werden jedoch bevorzugt, weil ihre Verstärkungs- und Sättigungseigenschaften einer Vorrichtung wie der in Fig. 1 gezeigten einige zusätzliche Vorzüge verleihen. Zu diesen Vorzügen gehört zum Beispiel der Umstand, daß dieses Bauelement eine Signalverstärkung aufweisen kann, die bis auf einige mäßige interne Verluste im wesentlichen gleich der Verstärkung des Verstärkers 18 ist. Außerdem ermöglichen die Langzeit-Sättigungseigenschaften, daß ein Erbium-Faserverstärker in der Schleife für einen Bereich von Eingangssignalleistungspegeln eine gewünschte Signalleistung ergibt. Da dieser Bereich mit zunehmender Verstärkung des Verstärkers größer wird, kann es wünschenswert sein, Verstärkungen zu verwenden, die beträchtlich jenseits der beispielhaften gesättigten Verstärkung von 7 dB des Verstärkers 18 in Fig. 1 abweichen. Zum Beispiel können Verstärkungen des Verstärkers von bis zu 28 dB oder mehr ohne Instabilitätsprobleme durch Streurückkopplung verwendet werden.
• Ein mehr oder weniger quadratisches zeitliches Annahmefenster wird bereitgestellt, indem die Laufzeitendifferenz durch die Schleife für umgeschaltete und Umschaltimpulse gleich der gewünschten Fensterbreite ausgeführt wird. (Die gewünschte Breite ist gewöhnlich eine Bitperiode des ankommenden Bitstroms - zum Beispiel 100 ps für den 10-Gbit/s- Datenstrom von Fig. 1.)
• Um eine thermische und akustische Unempfindlichkeit für ein Bauelement wie das in Fig. 1 gezeigte zu erzielen, wird die Schleife 16 bifilar in einer hermetisch versiegelten Aluminiumdose mit dicken Wänden aufgewickelt. Zum Beispiel können die Wände dieser Aluminiumdose etwa 12,7 mm dick sein. Die Faser der Schleife 16 ist in zwei gleiche Teile aufgeteilt und wird Seite-an-Seite auf eine gemeinsame Spule aufgewickelt. Die innersten Enden der Faser werden dann verspleißt, und die äußersten freien Enden der Faser sind dann jeweils die beiden Außenenden der Schleife. Bei dieser Konfiguration hat jede Hälfte eines bestimmten Impulses, der die Schleife in einer oder der anderen Richtung durchquert, ihren Partner immer in nächster Nähe in der anderen Hälfte der Schleife. Somit sind die Partner immer demselben oder fast genau demselben Schallfeld ausgesetzt, so daß Phasenverschiebungen und andere Effekte, die durch diese Felder verursacht werden, für die beiden Impulshälften gleich sind und sich daher immer auslöschen. Die Schleife 16 wird in der bereits erwähnten Aluminiumdose aufgehängt, um eine akustische Isolation von der Umgebung zu gewähren, in der das Bauelement von Fig. 1 verwendet wird.
• Ein Demultiplexer gemäß der vorliegenden Erfindung liefert eine tiefe und polarisationsabhängige Nullstelle in bezug auf unerwünschte Kommunikationskanäle. Experimentell liegen die beobachteten Nullstellen wesentlich mehr als 20 dB unter dem Pegel der Impulse, die auf der Faser 14 aus dem Demultiplexer von Fig. 1 herausgeschaltet werden, und zwar unabhängig von der Signalpolarisation. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Ergebnisse der Verwendung des Bauelements von Fig. 1. Fig. 2 zeigt die Amplitude eines herausgeschalteten Impulses aus einem gewünschten Kanal, dargestellt durch den Nadelimpuls 42, und die Amplituden angrenzender Impulse aus unerwünschten Kanälen, die durch den Demultiplexer unterdrückt werden, wie durch die Pfeile 44, 46 und 48 angezeigt. Es ist klar, daß der Demultiplexer von Fig. 1 gewünschte Impulse hochwirksam herausschaltet, und daß unerwünschte Impulse in der Ausgabe des Demultiplexers von Fig. 1 im wesentlichen fehlen.

Claims (6)

1. Optische Demultiplexierungsvorrichtung mit:

einem Eingangsmittel (10) zum Empfangen einer Vielzahl von multiplexierten Kommunikationskanälen umfassend einen Strom elektromagnetischer Energieimpulse (1, 2, 3, 4) beliebiger Polarisation;

einem Ausgangsmittel (14) zum Senden ausgewählter (1) der elektromagnetischen Energieimpulse; und

einem Faserschleifenspiegel (12, 16) zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsmittel, zum Führen erster und zweiter Ströme elektromagnetischer Energieimpulse, wobei die ersten Ströme in einer ersten Richtung um die Faserschleife verlaufen und die zweiten Ströme in der entgegengesetzten Richtung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsmittel um die Faserschleife verlaufen;

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Faserschleifenspiegel folgendes enthält:

ein Mittel (26) zum Ankoppeln von Umschaltimpulsen elektromagnetischer Energie, die in der ersten Richtung verlaufen, an den Schleifenspiegel; und

ein Mittel (18) zum Bereitstellen von Differenzintensität für die ersten und zweiten Ströme von Impulsen, die um den Faserschleifenspiegel geführt werden, um eine durch die Umschaltimpulse verursachte Phasenverschiebung in den zweiten Strömen zu löschen, um für nicht ausgewählte einzelne der elektromagnetischen Energieimpulse eine polarisationsunabhängige Null an dem Ausgangsmittel zu erzielen.

2. Demultiplexierungsvorrichtung nach Anspruch 1, in der das Mittel zum Bereitstellen von Differenzintensität einen Verstärker in dem Faserschleifenspiegel umfaßt.

3. Demultiplexierungsvorrichtung nach Anspruch 1, in der das Mittel zum Bereitstellen von Differenzintensität ein verlustbehaftetes Element in dem Faserschleifenspiegel umfaßt.

4. Demultiplexierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei

das Mittel zum Bereitstellen von Differenzintensität ein Mittel zum Ändern der Verstärkung in dem Schleifenspiegel umfaßt.

5. Demultiplexierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Faserschleifenspiegel folgendes umfaßt:

einen optischen Koppler (12) zum Empfangen der Vielzahl von multiplexierten Kommunikationskanälen; und

eine Faserschleife (34, 16, 36), die mit dem optischen Koppler verbunden ist, zum Führen erster und zweiter Ströme elektromagnetischer Energieimpulse;

wobei das Mittel zum Bereitstellen von Differenzintensität durch folgendes gebildet wird:

einen Verstärker (18) in der Faserschleife; und dadurch, daß

das Mittel (26) zum Ankoppeln von Umschaltimpulsen in der Faserschleife bereitgestellt wird.

6. Demultiplexierungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Faserschleifenspiegel folgendes umfaßt:

ein Mittel (12) zum Empfangen der Vielzahl von multiplexierten Kommunikationskanälen;

eine Faserschleife (34, 16, 36), die mit dem Empfangsmittel verbunden ist, zum Führen erster und zweiter Ströme elektromagnetischer Energieimpulse, wobei die ersten Ströme elektromagnetischer Energieimpulse eine erste Intensität aufweisen und die zweiten Ströme elektromagnetischer Energieimpulse eine zweite Intensität aufweisen; und

ein Mittel (12) zum Ausgeben demultiplexierter Lichteingangsimpulse aus der Schleifenfaser,

wobei das Mittel zum Bereitstellen von Differenzintensität durch folgendes gebildet wird:

ein Mittel (18) zum Erhöhen der ersten Intensität auf einen Wert, der größer als die zweite Intensität ist; und dadurch, daß

das Mittel zum Ankoppeln von Umschaltimpulsen durch das Mittel (26) zum Einkoppeln von Umschaltimpulsen in die Schleife zum Demultiplexieren ausgewählter einzelner der multiplexierten Lichteingangsimpulse gebildet wird.