DE69735163T2 - Anordnung zur optischen Synchronisation - Google Patents

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    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L7/00Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/0075Arrangements for synchronising receiver with transmitter with photonic or optical means

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Schaltungen zur Synchronisierung optischer Signale und auf optische Schalter, die solche Schaltungen enthalten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise ist das optische Referenzsignal das Taktsignal, das für die Steuerung des optischen Schalters verwendet wird.
  • Nun werden lediglich beispielhaft Systeme, die die vorliegende Erfindung verwenden, anhand der beigefügten Zeichnung ausführlicher beschrieben, in der:
  • 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Schaltung ist, die die vorliegende Erfindung verwendet; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Synchronisationsschaltung ist, die einen TOAD-konfigurierten Schleifenspiegel, der nicht Teil dieser Erfindung ist, enthält;
  • 3 ein Schaltbild einer alternativen Verzögerungsstufe für die Verwendung in der Schaltung von 1 ist;
  • 4 ein Schaltbild von Erfassungs- und Steuerschaltungen für die Verwendung in der Schaltung von 1 ist; und
  • 5 ein Schaltbild einer weiteren alternativen Verzögerungsstufe für die Verwendung in der Schaltung von 1 ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Geeignete 2 × 2-Schalter für die Verwendung in einer solchen Schalterstufe sind von JDS Fitel als Modell SR22 kommerziell verfügbar.
  • 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.

Claims (11)

  1. Schaltung zur optischen Synchronisation, mit: a) einem nichtlinearen optischen Modulator (F), der so beschaffen ist, dass er Eingangssignale empfängt, die ein zu synchronisierendes Signal und ein Referenzsignal umfassen, wobei der Modulator in Abhängigkeit vom relativen Zeitverlauf der Eingangssignale ein spektral verschobenes Ausgangssignal erzeugt; b) optischen Filtermitteln (2, 3), die aus dem spektral verschobenen Ausgangssignal ein Fehlersignal erzeugen, das eine von der Spektralverschiebung im Ausgangssignal des Modulators abhängige Amplitude besitzt; und c) einer variablen optischen Verzögerung (FS), die auf das Fehlersignal anspricht und so beschaffen ist, dass sie auf das zu synchronisierende Signal eine variable Verzögerung anwendet.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Modulator eine Lichtleitfaser (F) aufweist, die so beschaffen ist, dass sie eine Kreuzphasenmodulation (cross phase modulation) zwischen den zwei Eingangssignalen unterstützt.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, die einen photoelektrischen Detektor (3) aufweist, um das Fehlersignal in den elektrischen Bereich umzusetzen.
  4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die variable optische Verzögerung (FS) ein Teilstück der Lichtleitfaser umfasst, das an einer elektromechanischen Verzögerungsstufe angebracht ist.
  5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die varia ble optische Verzögerung eine Matrix aus diskret schaltbaren optischen Elementen umfasst.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, bei der die Matrix mehrere optoelektronische Schalter umfasst, die mit den entsprechenden Verzögerungselementen in Reihe geschaltet und so konfigurierbar sind, dass sie verschiedene optische Verzögerungen schaffen.
  7. Schaltung nach Anspruch 6, bei der die verschiedenen optischen Verzögerungen in im Allgemeinen exponentialen Schritten zunehmen.
  8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die variable optische Verzögerung umfasst: 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, 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.
  9. Verfahren zum Synchronisieren optischer Signale, das umfasst: a) Eingeben eines Referenzsignals und eines zu synchronisierenden Signals in einen nichtlinearen optischen Modulator und dadurch Erzeugen eines spektral verschobenen Ausgangssignals; b) Filtern des spektral verschobenen Ausgangssignals und dadurch Erzeugen eines Fehlersignals, dessen Amplitude von der Spektralverschiebung im Ausgangssignal des Modulators abhängt; und c) Anwenden einer in Abhängigkeit von dem Fehlersignal geänderten optischen Verzögerung auf das zu synchronisierende Signal.
  10. Optischer Schalter zum Umschalten eines Stroms optischer Impulse, der eine Schaltung zur optischen Synchronisation nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, die auf der Eingangsseite des Schalters angeschlossen und so beschaffen ist, dass sie einen ankommenden Strom optischer Impulse mit einem optischen Referenzsignal synchronisiert.
  11. Schalter nach Anspruch 10, bei dem das optische Referenzsignal das Taktsignal ist, das für die Steuerung des optischen Schalters verwendet wird.
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