NL8100904A - Digitale laserzender. - Google Patents

Description

VO 1592

Titel: Digitale laserzender.

De uitvinding heeft betrekking op een digitaal optisch communi-catiestelsel en meer in het bijzonder op een laserzender met verbeterde optische werking ten gebruike bij een dergelijk stelsel.

Bij digitale optische communicatiestelsels is de afwezigheid van 5 ruis, welke het gedetecteerde signaal vervormt., van het grootste belang. Wanneer het licht sterk coherent is, zoals het geval is wanneer een laser volgens een enkele modus werkt, is de aanwezigheid van modale ruis een steeds aanwezig zijnd probleem. Deze ruis wordt veroorzaakt door destructieve interferentie-effecten, die in de optische overdraehts-TO media inclusief de detector optreden ten gevolge van het feit, dat het licht verschillende banen volgt. Het resulterende signaal zal derhalve dikwijls tijdens een puls sterke dalingen in amplitude vertonen, waardoor later te definiëren oogmarges met geringe waarde en eventuele fouten in het signaal optreden. Bij analoge optische stelsels heeft men een miero-15 golfmodulatie toegepast om deze modale ruis te reduceren; zie het artikel van Vanderwall e.a., ’’Suppression of Some Artifacts of Modal Noise in Fiber-Optic Systems" in Optics Letters, van september 1979, vol. h9 no. 9, pag. 295-296. Het blijkt evenwel, dat zich hierbij een significant ander type ruis voordoet. Het is derhalve gewenst de modale 20 ruis te elimineren zonder dat andere typen ruis optreden, die tot een oogmargedegradatie leiden.

Bij stelsels, waarbij een laser met een aantal modes wordt toegepast, vormt de modale ruis geen probleem. Dergelijke lasers vertonen evenwel dikwijls discontinuïteiten bij bepaalde gedeelten van de uit-25 gangslicht-versus-stroomkarakteristieken daarvan, welke tot laag- frequente ruis leiden wanneer de lasers in deze gebieden worden bedreven. Ih plaats van het gevolg te zijn van eventuele interferentie-effecten, is een dergelijke ruis het gevolg van de karakteristieken van de laser zelf, zoals invangeigenschappen met laag niveau, groeidefecten in het 30 kristal, enz. Het uiteindelijke resultaat is weer een degradatie van de oogmarges van het gedetecteerde signaal bij het ontvangeind van het stelsel.

De. zender volgens de uitvinding omvat nu een vaste-toestands-injectielaser en organen om aan de laser een digitaal signaal toe te 8 1 0 09 0 4 -2- voeren ten einde een digitaal uitgangslichtsignaal te verkrijgen,

De uitvinding is daarin gekenmerkt, dat organen aanwezig zijn voor het leveren van een microgolfmodulatiestroom met een aanmerkelijk hogere frequentie, die op het digitale signaal wordt gesuperponeerd ten einde 5 de ruiseffecten in het ontvangen lichtsignaal te reduceren en grote oogmarges te verkrijgen. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm bedraagt de microgolffrequentie ten minste 10 maal de pulsfrequentie van het digitale signaal en is de amplitude daarvan niet groter dan de signaal-amplitude.

10 De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarin toont: fig. 1 een schema van een uitvoeringsvorm van een digitale laserzender met twee niveaus volgens de uitvinding; fig. 2 een illustratie van een typerend digitaal signaal, dat 15 bij dezelfde uitvoeringsvorm met een laserrustgelijkstroom wordt gecombineerd; fig. 3 een illustratie van een typerende microgolfmodulatiestroom bij dezelfde uitvoeringsvorm; en fig. 1+ een illustratie van een typerend digitaal lichtuitgangs-20 signaal van de laser bij dezelfde uitvoeringsvorm.

Er wordt op gewezen dat de figuren slechts ter illustratie dienen en niet op schaal zijn.

In fig. 1 is schematisch een uitvoeringsvorm van een laserzender voor een vezeloptisch eommunieatiestelsel volgens de uitvinding afge-25 beeld.

Een vaste-toestandsinjectielaser 10 levert het lichtuitgangssignaal. Deze laser kan een laser met enkelvoudige modus of een laser met een aantal modes zijn. Het is duidelijk, dat een laser met een enkelvoudige modus een laser is, waarbij ten minste 25# van het geëmit-30 teerde licht in een enkel smal gebied van het spectrum is geconcentreerd. Een laser met een aantal modes heeft betrekking op een laser, die licht bij verschillende golflengten (ten minste 5) emitteert, waarvan er geen één zoveel als 25# van de lichtenergie bezit. Bij een bepaald voorbeeld . werd gebruik gemaakt van een normale GaAs-AlGaAs-heterostructuurlaser-35 diode met enkelvoudige modus. Deze laser omvat meer in het bijzonder een GaAs-substraat van het n-type en opeenvolgende lagen van AlGaAs van 8100904 -3- het p- of n-type waarbij tussen opeenvolgende lagen ten minste een p-n junctie wordt gevormd. Men maakte gebruik van in de bandel verkrijgbare lasers, vervaardigd door Hitachi, Mitsubishi en Nippon Electric, respectievelijk aangeduid met ELP 1500, ML 2205F en NDL 3108P. Het licht-5 uitgangssignaal bij een bepaalde uitvoeringsvorm bezat een golflengte van 8300 £. In de onmiddellijke nabijheid van één vlak van de laser bevond zich een optische vezel 11 voor het overdragen van het lichtuit-gangssignaal.

Overeenkomstig de normale laserzenders werd de ingangsinformatie-10 stroom toegevoerd aan een normale aandrijfketen 12, die het digitale informatiesignaal aan de laser toevoerde. De waarde van een gedeelte van een typerend signaal, gecombineerd met een rustgelijkspanning, is weergegeven in fig. 2. Deze bepaalde zender werd bedreven bij een in-formatiefrequentie van ^5 megabits per sec. Derhalve bedroeg de breedte 15 van een puls meer in het bijzonder bij benadering 22 nanosec. De amplitude voor het IN-niveau inclusief de ruststroom bedroeg bij benadering 100 milliamp. De ruststroom voor het tot stand brengen van het UIT-niveau van het uitgangssignaal werd aan de laser toegevoerd door een combinatie van een normale terugkoppelbesturingsketen 13 en detector l4, die zich 20 aan de achterzijde van de laser bevonden. Hierdoor is het mogelijk het UIT-niveau op een bekende wijze in te stellen bij temperatuurveranderingen en verouderingsverschijnselen in de laser. Ter wille van de eenvoud wordt aangenomen, dat voor het zojuist beschreven gedeelte van de werking, de ruststroom constant blijft. Een typerende waarde van deze stroom 25 is 80 millianrp.

Volgens de uitvinding wordt een microgolfmodulatiestroom op het digitale informatiesignaal gesuperponeerd. De microgolfstroom wordt geleverd door een normale microgolfoscillator 15, die in dit geval bestond uit een BP8620A-tijdbasisoscillator van Hewlett Packard. Bij 30 commercieel gebruik kan een oscillator met een enkele transistor worden toegepast. Het is duidelijk, dat elk type microgolfoscillator kan worden gebruikt. Bij dit bepaalde voorbeeld, als aangegeven in fig. 3, bezat de stroom een constante frequentie van 1 GHz en een piekstroomamplitude van bij benadering 5 milliamp. Deze frequentie kan worden gevarieerd en 35 een aanbevolen gebied is 500 MHz-3 GHz. Frequenties buiten het gebied kunnen in speciale gevallen afhankelijk van het stelsel van nut zijn.

81 0090 4 . -u-

Frequenties van 500 MHz of lager reduceerden evenwel "bij het hier beschouwde stelsel de ruis slechts gedeeltelijk, terwijl frequenties boven 3 GHz geen juiste lasermodulatie mogelijk maken. Bij voorkeur bedraagt de frequentie van de microgolf stroom ten minste 10 maal de pulsfrequen-5 tie van het digitale signaal ofschoon gebruik kan worden gemaakt van een verhouding van 5 op 1. Een aanbevolen gebied van de amplitude is 30-100$ van de piekamplitude van het digitale signaal (exclusief de ruststroom). Indien gewenst, kunnen organen aanwezig zijn om het microgolf signaal met de aandrijfketen te synchroniseren ten einde een even-10 tuele inschakel- of uitschakel"jitter" te vermijden. Het is gebleken, dat een dergelijke maatregel voor een doeltreffende werking van het stelsel niet volstrekt nodig is.

Een benaderde representatie van het resulterende lichtuitgangs-signaal vindt met in fig. k. Opgemerkt wordt, dat het digitale uitgangs-15 signaal het signaal uit de aandrijfketen 12 in wezen volgt doch dat de IH-toestand door de gesuperponeerde microgolf stroom in amplitude en golflengte wordt gemoduleerd. De gemiddelde amplitude van de lichtpuls bedroeg bij benadering 1 milliwatt en varieerde tussen 0,7 en 1,3 milliwatt. Aangezien de golflengte van het geëmitteerde licht met de ingangs-20 stroom varieert, trad ten gevolge van het gesuperponeerde microgolf- signaal ook een golflengtemodulatie in de IN-toestand op. Het golflengte-spectrum van het uitgangslichtsignaal van 8300 X in de IH-toestand werd met bij benadering 1 £ verbreed. Het staat niet vast waarom het licht-niveau (ten gevolge van spontane emissie) in de UIT-toestand van het 25 lichtuitgangssignaal niet wordt beïnvloed. Dit kan een gevolg zijn van het feit, dat de ruststroom voldoende onder de laserdrempel ligt. Het is ook mogelijk, dat de perioden waarin de microgolfstroom de drempelwaarde overschrijdt, te kort zijn om een inschakeling van de laser tot stand te brengen. In elk geval kan " indien voor sommige stelsels een 30 laserinschakeling tijdens de UIT-toestand een probleem vormt, als een geschikte remedie het digitale signaal worden gebruikt om de microgolfstroom te poorten.

Het blijkt, dat de gesuperponeerde microgolfstroom de scherpe dalingen in amplitude van de lichtuitgangspulsen, welke een gevolg waren 35 van modale ruis bij de bekende laserzenders met enkelvoudige modus, in wezen volledig elimineert. De eliminatie van de modale ruis is ver- 81 0 0 9 0 4 -5- moedelijk een gevolg van het verloren gaan van de coherentie van de Xichtpuls, die door de microgolffrequentiemodulat ie wordt opgewekt, welke een destructieve interferentie in de overdrachtsbaan helet.

De amplitudemodulatie ten gevolge van de microgolfstroom vormt waar-5 schijnlïjk ook een factor bij het elimineren van de modale ruis aangezien hierdoor de kans, dat twee golven de ontvanger met overeenkomstige amplituden zullen bereiken zelfs indien zij voldoende coherent zijn om tot een destructieve interferentie te leiden, wordt gereduceerd.

De eliminatie van modale ruis bleek ook door een bestudering van 10 de oogmarge van het gedetecteerde lichtsignaal. De "oogmarge" is, zoals bekend, een maat voor het vermogen van het stelsel om een onderscheid te maken tussen "enen" en "nullen" voor alle mogelijke signaalreeksen. Het is het procentuele gebied waarover het beslis singsniveau kan worden gevarieerd zonder dat zich fouten voordoen, die een bepaalde frequentie 15 overschrijden. Voor de laser met enkelvoudige modus, zoals deze hier is beschouwd, neemt de oogmarge voor een ontvangen signaal-energie van -18,5 dBm en een foutfrequentie van 10 ' af tot 36% zonder het microgolf signaal. De marge werd evenwel bij 51% onderhouden wanneer het signaal volgens de uitvinding werd toegevoerd. In het algemeen is een oog-20 marge van ten minste h0% gewenst* Door vergelijking van oogmarges van dergelijke lasers, die modale ruis vertonen, met oogmarges van lasers met breed spectrum zonder modale ruis, is vastgesteld, dat door het toevoeren van het microgolfsignaal volgens de uitvinding geen meetbare verstoring van de werking optrad. Dat wil zeggen, dat de oogmarges van 25 de eerste ten minste even groot waren als van de laatste en derhalve t kan het microgolfsignaal continu zonder degradatie in het lichtuitgangs-signaal worden toegevoerd. Dit in tegenstelling met de ruis verschijnselen, welke zich voordoen wanneer een microgolfstroom wordt toegepast bij een analoog optisch stelsel; zie het artikel van Vanderwall, "Suppression 30 of Same Artifacts of Modal Noise in Fiber-Optic Systems" in Optics Letters, vol. U, no. 9» pag. 295-296 van september 19T9·

Het gebruik van de microgolfmodulatiestroom is niet beperkt tot de eliminatie van modale ruis. Terwijl deze modulatie overdrachtsinter-‘ferentie-effecten zoals modale ruis in wezen kan elimineren, is het ook 35 te verwachten, dat hiermee de problemen worden gereduceerd, welke worden veroorzaakt door naar de laser gerichte optische reflecties. Voorts kan 81 0090 4 -6- het signaal worden gebruikt om de werking van digitale stelsels in het algemeen te verbeteren, waarbij sommige karakteristieken van de laser zelf tot .laagfrequente mis, eigen pulsaties of patroonafhankelijke uitgangssignalen leiden, die de oogmarges van het gedetecteerde signaal 5 reduceren.

Derhalve zijn bij het stelsel volgens fig. 1 verschillende lasers met een aantal modes gebruikt, die een discontinuïteit in de licht- versus-stroomkarakteristiek daarvan vertoonden. Bij een bepaald voorbeeld bestond de laser uit een dubbele-heterostruetuurlaser met protonen- 10 bombardement van 12 u voorzien van vier epitaxiale lagen, gevormd op een ' +

GaAs-substraat van het n -type. Deze lagen bestonden achtereenvolgens uit AlGaAs van het n-type met 36% aluminium, AlGaAs van het n- of p-type met 8% aluminium, AlGaAs van het p-type met 3è% aluminium en GaAs van het p+-type. Gewezen wordt in dit verband op het artikel van Pannish en 15 Casey, "Heterostructure Laser Part B, pag. 208-210 en fig. 7.6-2

Academie Press 1978. Deze laser leverde bij benadering 10-15 modes bij golflengten, die varieerden van 8210-8250 £ . Dergelijke lasers vertonen soms een hellingsdiscontinuïteit of een gebied met steile helling in de uib-gangslicht-versus-stroomkarakteristieken daarvan, welke wordt betiteld 20 als een lichtsprong. De werking van de laser bij een stroom in of bij het lichtspronggebied leidt tot laagfrequente ruis, welke dikwijls excessief is en derhalve tot een onstabiel licht-uitgangssignaal leidt. Deze instabiliteit kan zelfs in extreme gevallen leiden tot een totaal oogsluiten in het gedetecteerde signaal. Bij dit bepaalde voorbeeld 25 deed zich een dergelijke totale sluiting voor.

Wanneer echter een microgolfmodulatiestroom met een constante frequentie van 1,3 GHz en een amplitude van bij benadering 5 milliamp. wordt toegevoerd, neemt de oogmarge tot IA,5% toe. Derhalve blijkt, dat ook het toevoeren van een microgolfstroom aan een laser met een aantal 30 modes leidt tot een belangrijke verbetering van de optische werking daarvan. Gemeend wordt dat dit een gevolg is van het feit, dat het ge-superponeerde microgolfsignaal de laser door discontinuïteiten in de uitgangskarakteristieken daarvan zwaait in een tijd, welke kort is ver-, geleken met de tijdconstanten, die bij deze discontinuïteiten behoren.

35 Men dient zich te realiseren, dat dit slechts een mogelijke verklaring is en dat de volledig invloed van het microgolfsignaal tot op dit moment nog niet geheel wordt begrepen.

8 1 0 0 9 0 4 -7-

Evenals in het geval van de laser met enkelvoudige modus blijkt, dat microgolfsignalen met frequenties binnen het gebied van 500 MHz-3GHz en ten minste 10 maal de pulsfrequentie van het digitale signaal de voorkeur verdienen. Ook hier weer kunnen frequenties buiten dit gebied in 5 speciale gevallen van nut zijn. Een nuttig amplitudegebied blijkt te liggen bij 10-100% van de piekamplitude van bet digitale signaal (exclusief de ruststroom) om de invloed van niet-lineariteiten in de licht-uitgangskarakteristieken te elimineren.

Er wordt op gewezen, dat ofschoon de uitvinding is beschreven 10 voor een optisch digitaal stelsel met twee niveaus, de uitvinding ook van toepassing is op een optisch digitaal stelsel met een aantal niveaus.

8100904

Claims (4)

1. Zender ten gebruike bij een optisch digitaal communicatiestelsel, welke zender is voorzien van een vaste-toestandslaser en organen om aan de laser een digitaal signaal toe te voeren, teneinde een digitaal lichtuitgangssignaal op te wekken, met het kenmerk, dat de zender is 5 voorzien van organen (15) voor het leveren van een microgolfmodulatie-stroom, die op het digitale signaal wordt gesuperponeerd en een aanmerkelijk hogere frequentie heeft dan het digitale signaal.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de laser uit een laser met enkelvoudige modus bestaat. 10 3· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de laser uit een laser met een aantal modes bestaat. U. Inrichting volgens conclusie 1, gekenmerkt door organen (13 en lit) om aan de laser een ruststroom toe te voeren ten einde een UIT-toestand voor het digitale lichtuitgangssignaal te verschaffen. 15 5· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de micro- golfstrocm een frequentie in het gebied van 500 Mïïz-3 GHz heeft en een amplitude in het gebied van 10-100% van de piekamplitude van het digitale signaal bezit.

6. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de frequentie 20 van de microgolf stroom ten minste vijfmaal zo groot is als de pulsfre-quentie van het digitale signaal.

7· Inrichting volgens conclusie It, met het kenmerk, dat de ruststroom en frequentie van de microgolfstroom zodanig worden gekozen, dat deze de UIT-toestand van het digitale lichtuitgangssignaal niet op een 25 schadelijke wijze beïnvloeden. 8 1 0 0 9 0 4