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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Schaltungen
zur Synchronisierung optischer Signale und auf optische Schalter,
die solche Schaltungen enthalten.
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Die
Synchronisation ist ein wichtiges Thema beim Entwurf schneller optischer
Schalter für
die Verwendung in der optischen Telekommunikation sowohl im Kontext
synchroner Eigenvermittlungs-Paketsysteme
als auch in Bezug auf synchrone OTDM-Systeme. Die Verwendung eines
nichtlinearen optischen Schleifenspiegels (NOLM), der einen in der
Schleife asymmetrisch positionierten optischen Halbleiter enthält, für das Demultiplexieren
eines Signals mit Bitraten so hoch wie ein Terahertz ist gezeigt
worden ["A TeraHertz
optical asymmetric demultiplexer",
Sokoloff u. a., IEEE Photonics Technology Letters, 5 (1993), S.
787–790].
Für eine
effektive Arbeitsweise eines derartigen Schalters ist es jedoch wesentlich,
dass die Synchronisation zwischen dem Ansteuerungs- oder dem Steuersignal
und dem umzuschaltenden Datenstrom aufrechterhalten wird. In der
Praxis kann die Synchronisation leicht verloren gehen, z. B. infolge
thermischer Effekte in dem optischen System.
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WO-A-93/22855
offenbart ein System, das einen Takt aus einem optisch codierten
Signal unter Verwendung eines modengekoppelten Lasers wiedergewinnt.
Ein Modulator, der gewöhnlich
mit dem Laserhohlraum des modengekoppelten Lasers und mit einem
optischen Übertragungsweg
verbunden ist, legt das optisch codierte Signal an den Modulator an.
Der Modulator moduliert in Reaktion auf das optisch codierte Signal
die Phase und/oder die Amplitude des Lichts in dem Laserhohlraum,
wodurch die Phase und die Frequenz eines Stroms von Ausgangsimpulsen
mit der Zeitverlaufswelle des optisch codierten Eingangssignals
koppeln. Der Modulator ist vorzugsweise ein nichtlinearer optischer
Modulator, der für
die Kreuzphasenmodulation des Lichts im Laserhohlraum verwendet
wird.
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US-5373381
erläutert
verschiedene Anwendungen der Kreuzphasenmodulation, geht jedoch nicht
auf seine Verwendung in Bezug auf Taktrückgewinnung, Synchronisation
oder für
eine Taktberichtigung von Daten ein.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zur
optischen Synchronisation geschaffen mit:
- a)
einem nichtlinearen optischen Modulator, der so beschaffen ist,
dass er Eingangssignale empfängt,
die ein zu synchronisierendes Signal und ein Referenzsignal umfassen,
wobei der NOM in Abhängigkeit
vom relativen Zeitverlauf der Eingangssignale ein spektral verschobenes
Ausgangssignal erzeugt;
- b) optischen Filtermitteln, die aus dem spektral verschobenen
Ausgangssignal ein Fehlersignal erzeugen, das eine von der Spektralverschiebung im
Ausgangssignal des NOM abhängige
Amplitude besitzt; und
einer variablen optischen Verzögerung,
die auf das Fehlersignal anspricht und so beschaffen ist, dass sie
auf das zu synchronisierende Signal eine variable Verzögerung anwendet.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass die Verwendung von Spektralverschiebungen,
die in einem nichtlinearen optischen Modulator erzeugt werden, um
ein Fehlersignal zu erzeugen, das seinerseits eine variable Verzögerung steuert,
hochwirksame Mittel für
die Aufrechterhaltung der Synchronisation zwischen zwei optischen
Signalen bietet. Die Schaltung erfordert zudem lediglich relativ
einfache, billige und zuverlässige
Komponenten. Die Schaltung ist besonders für die Verwendung in einer Rückkopplungsschleife
für die
Synchronisation eines optischen Schalters geeignet, obgleich sie
nicht auf eine Verwendung in dieser Weise eingeschränkt ist.
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Der
nichtlineare optische Modulator (NOM) kann einen optischen Halbleiterverstärker enthalten, wobei
er jedoch vorzugsweise eine Lichtleitfaser aufweist, die so beschaffen
ist, dass sie eine Kreuzphasenmodulation (XPM) zwischen den zwei
Eingangssignalen unterstützt.
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Vorzugsweise
ist der Ausgang der Lichtleitfaser an einen photoelektrischen Detektor
angelegt, um ein Fehlersignal im elektrischen Bereich für die Verwendung
bei der Steuerung der variablen Verzögerung zu erzeugen. Auch wenn
die Schaltung optional ausschließlich im optischen Bereich
arbeiten kann, erfordert das Fehlersignal im Allgemeinen eine Bandbreite,
die deutlich kleiner ist, als die der Signale, die umgeschaltet
werden, wobei es somit ohne einen deutlichen Leistungsverlust in
den elektrischen Bereich umgesetzt werden kann.
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Die
variable optische Verzögerung
kann ein Teilstück
der Lichtleitfaser umfassen, das an einer elektromechanischen Vorrichtung
wie etwa ein Faserstrecker oder einer linearen Verzögerungsstufe angebracht
ist. Vorzugsweise umfasst sie jedoch eine Matrix aus diskret schaltbaren
optischen Elementen. Die Matrix umfasst vorzugsweise mehrere optoelektronische
Schalter, die mit entsprechenden Verzögerungselementen in Reihe geschaltet
und so konfigurierbar sind, dass sie verschiedene optische Verzögerungen
schaffen. Vorzugsweise nehmen die verschiedenen Verzögerungen
in im Allgemeinen exponentialen Schritten zu.
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Alternativ
kann die variable optische Verzögerung
einen Generator für
optische Signale mit variabler Phase, der ein optisches Signal erzeugt,
dessen Phase in Abhängigkeit
von dem Fehlersignal gesteuert wird, und einen weiteren nichtlinearen
optischen Modulator, der mit dem Ausgang des Generators für optische
Signale verbunden und so beschaffen ist, dass er das zu synchronisierende
Signal empfängt,
umfassen, wobei im Gebrauch das von dem Generator für optische
Signale ausgegebene Signal in dem weiteren nichtlinearen optischen
Modulator eine Kreuzphasenmodulation des zu synchronisierenden Signals
bewirkt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Synchronisieren optischer Signale geschaffen, das gekennzeichnet
ist durch:
Eingeben eines Referenzsignals und des zu synchronisierenden
Signals in einen nichtlinearen optischen Modulator (NOM) und dadurch
Erzeugen eines spektral verschobenen Ausgangssignals;
Filtern
des spektral verschobenen Ausgangssignals und dadurch Erzeugen eines
Fehlersignals, dessen Amplitude von der Spektralverschiebung im
Ausgangssignal des NOM abhängt;
und
Anwenden einer in Abhängigkeit
von dem Fehlersignal geänderten
optischen Verzögerung
auf das zu synchronisierende Signal.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Schalter
zum Umschalten eines Stroms optischer Impulse geschaffen, der durch
eine Schaltung zur optischen Synchronisation gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung gekennzeichnet ist, die auf der Eingangsseite des Schalters
angeschlossen und so beschaffen ist, dass sie einen ankommenden
Strom optischer Impulse mit einem optischen Referenzsignal synchronisiert.
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Vorzugsweise
ist das optische Referenzsignal das Taktsignal, das für die Steuerung
des optischen Schalters verwendet wird.
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Nun
werden lediglich beispielhaft Systeme, die die vorliegende Erfindung
verwenden, anhand der beigefügten
Zeichnung ausführlicher
beschrieben, in der:
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1 ein
Prinzipschaltbild einer ersten Schaltung ist, die die vorliegende
Erfindung verwendet; und
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2 eine
schematische Darstellung einer Synchronisationsschaltung ist, die
einen TOAD-konfigurierten Schleifenspiegel, der nicht Teil dieser
Erfindung ist, enthält;
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3 ein
Schaltbild einer alternativen Verzögerungsstufe für die Verwendung
in der Schaltung von 1 ist;
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4 ein
Schaltbild von Erfassungs- und Steuerschaltungen für die Verwendung
in der Schaltung von 1 ist; und
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5 ein
Schaltbild einer weiteren alternativen Verzögerungsstufe für die Verwendung
in der Schaltung von 1 ist.
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Eine
Schaltung zum optischen Umschalten enthält einen photonischen Schalter 1.
Der photonische Schalter kann z. B. ein nichtlinearer Schleifenspiegel
sein wie etwa der, der in der oben angeführten Veröffentlichung von Sokoloff,
Prucnal u. a. offenbart wird, oder er kann eine Halbleitervorrichtung
sein wie etwa der Schalter, der in "Compact 40Gbit/s optical demultiplexer
using a GaInAsP optical demultiplexer", A. D. Ellis und D. M. Spirit, electronic
letters, 29 (1993), S. 2115–2116,
offenbart wird. Ein Taktsignal, das in einen Eingang des Schalters
eingespeist wird, wird von einem Datensignal durchgeschaltet, das
in einen anderen Eingang des Schalters eingespeist wird. Das Taktsignal
kann ein lokal erzeugtes oder ein empfangenes Signal sein, wobei
das Datensignal typisch ein Signal umfassen kann, das von einer
entfernten Quelle über
ein Telekommunikationsnetz empfangen wird. Bevor es an den Schalter
angelegt wird, wird das Datensignal von einer Synchronisationsschaltung
aufbereitet.
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Die
erste Stufe der Synchronisationsschaltung umfasst ein Teilstück einer
nichtlinearen Lichtleitfaser F, das zwischen Wellenlängenmultiplexer WDM1,
WDM2 geschaltet ist. Ein Abgriff vom Dateneingang für den optischen
Schalter ist mit dem ersten WDM, der ein Abgriff vom Takteingang
ist, verbunden. Die Faser dient hierauf als ein nichtlinearer optischer
Modulator, der eine Kreuzphasenmodulation (XPM) zwischen den zwei
Eingangssignalen erzeugt. Im Ergebnis der XPM ist das Datensignal
spektral verschoben. Dieses spektral verschobene Signal wird vom
WDM2 an das optische Filter 2 ausgegeben. In diesem Beispiel
ist das Filter ein durchstimmbares Bandpassfilter von 1 nm Breite
wie etwa das, das als JDS FITEL TB1500B kommerziell verfügbar ist.
Das Signal von dem Filter wird mit einem langsamen photoelektrischen
Detektor 3, der eine Bandbreite von wenigen 10 kHz besitzt,
erfasst. Dieser erzeugt ein elektrisches Fehlersignal, dessen Größe von der
Spektralverschiebung im NOM abhängt,
die ihrerseits von der Größe des Zeitverlaufsfehlers
abhängt.
Dieses Fehlersignal wird zum Steuern einer elektromechanischen Faserverzögerungsstufe
verwendet, die eine variable Verzögerung der an den Schalter
angelegten Daten erzeugt. Eine geeignete Faserverzögerung ist
die, die als optische Verzögerung
JDS FITEL HD4 kommerziell verfügbar
ist. Auf diese Weise steuert die Rückkopplung von der Synchronisationsschaltung
den Zeitverlauf des Eingansdatenstroms so an, dass er synchron zum
Takt bleibt.
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4 zeigt
ausführlicher
die Stufen, die verwendet werden, um das Steuersignal für die Verzögerungsstufe
abzuleiten. Ein Differenzverstärker 41, der
in diesem Beispiel ein diskreter Operationsverstärker ist, nimmt den Ausgang
des photoelektrischen Detektors, beseitigt den Gleichstrom-Offset
in diesem Ausgang und verstärkt
die Abweichungen im Ausgang aufgrund der Spektralverschiebungen.
Das resultierende Signal wird in eine Komparatorschaltung 42 eingespeist,
die aus zwei Operationsverstärkern
gebildet ist. Diese vergleicht die Signalspannung mit einer Referenzspannung.
Wenn das Signal unter die Referenzspannung fällt, beträgt der Ausgang des Komparators
+5 V. Wenn das Signal über der
Referenzspannung liegt, beträgt
der Ausgang des Komparators –5
V. Die nächste
Stufe in der Schaltung ist ein Hysterese-Element. Dieses ist ein Operationsverstärker mit
ohmscher Rückkopplung, der
so beschaffen ist, dass ein Schwingen der Spannung, die die Verzögerungsstufe
ansteuert, verhindert wird. Schließlich wird der Ausgang unter
Verwendung eines Leistungsverstärkers
in Emitterfolgerkonfiguration verstärkt, wobei dieser die Verzögerungsleitungs-Treiberschaltung
ansteuert.
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Diese
steuert typisch einen Schrittmotor in einem Faserstrecker und aktiviert
den Motor, um die Verzögerung
zu erhöhen,
bis der Schwellenwert in der Steuerschaltung erreicht ist.
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Als
eine Alternative zur Verwendung einer mechanischen Verzögerung kann
eine Matrix aus optischen 2 × 2-Schaltern
zur Schaffung einer variablen Verzögerung verwendet werden. 3 zeigt
eine variable Verzögerungsstufe,
die eine solche Matrix aus Schaltern verwendet. Wie in der Figur
gezeigt ist, sind die Schalter in Reihe geschaltet, wobei eine Lichtleitfaser-Verzögerungsschleife
zwischen jedes nebeneinander liegende Paar von Schaltern geschaltet
ist. Die durch die Schleife erzielte Verzögerung erhöht sich exponential längs der
Matrix, so dass die Verzögerung
zwischen dem ersten Paar von Schaltern den Wert t hat, die Verzögerung zwischen
dem nächsten
Paar den Wert 2t hat, die Verzögerung
zwischen dem nachfolgenden Paar den Wert 4t hat usw. Eine Steuerschaltung 32,
die von dem Fehlersignal angesteuert wird, erzeugt ein binäres Steuerwort, das
parallel auf die Schalter angewendet wird und das eine Größe besitzt,
die proportional zum Fehlersignal ist. Die Schalter werden in Reaktion
auf das Steuerwort gesetzt, um die entsprechende Verzögerungsschleife
auszuwählen
oder zu umgehen. Das am Anfang der Matrix angelegte optische Signal
läuft hierauf
durch eine oder mehrere der Verzögerungsschleifen
entsprechend dem Zustand der Schalter und wird von dem fernen Ende
der Matrix ausgegeben.
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Geeignete
2 × 2-Schalter
für die
Verwendung in einer solchen Schalterstufe sind von JDS Fitel als Modell
SR22 kommerziell verfügbar.
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5 zeigt
eine weitere alternative Verzögerungsstufe,
die in diesem Fall das als Soliton-Shepherding bekannte Verfahren
verwendet. In diesem Beispiel wird das Fehlersignal verwendet, um
die Phase einer optischen Sinuswelle, die unter Verwendung eines
elektrooptischen Modulators (EOM) erzeugt wird, zu bestimmen. In
dem vorliegenden Beispiel ist der Modulator eine Lithiumniobatvorrichtung. Eine
lokale optische Quelle, die in diesem Beispiel eine Laserdiode 51 ist,
gibt Licht aus, das in den elektrooptischen Modulator gekoppelt
wird. Das Fehlersignal wird an einen mit 10 GHz arbeitenden VCO (spannungsgesteuerter
Schwinger) angelegt wie etwa den, der als EMF 526004 kommerziell
verfügbar ist.
Dieser gibt seinerseits ein Ansteuersignal als ein Vorspannungssignal
an das Gate des EOM aus. Dieses steuert die Phase der vom EOM ausgegebenen optischen
Sinuswelle. Die optische Sinuswelle wird daraufhin zusammen mit
dem zu verzögernden
Signal an eine Kreuzphasenmodulations-Stufe ähnlich der, die zum Erzeugen
der Spektralverschiebung verwendet wird, angelegt. Wie in der Figur
gezeigt ist, umfasst die Stufe ein Teilstück einer nichtlinearen Lichtleitfaser 52,
das zwischen ein Paar von WDM-Kopplern 53, 54 geschaltet
ist. Die Kreuzphasenmodulation zwischen der Sinuswelle und dem anderen
optischen Signal verzögert
das optische Signal um einen von der Phase der Sinuswelle und daher vom
Fehlersignal abhängigen
Betrag.