NL8900389A - Optische koherente ontvanger. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Optische koherente ontvanger.

De uitvinding heeft betrekking op een optische koherente ontvanger bevattende een ingang voor het daaraan koppelen van een optische transmissievezel voor het toevoeren van een optische signaalbundel, een lokale oscillator voor het opwekken van een lokale-oscillator-bundel, ten minste één bundelsamenvoegend element voor het samenvoegen van straling afkomstig van de signaalbundel met straling afkomstig van de lokale oscillator en ten minste één stralingsgevoelige detektor voor het omzetten van samengevoegde straling in een elektrisch signaal.

Koherente optische ontvangers die gebruik maken van optische heterodyne of homodyne detektie worden toegepast bij optische signaaloverdracht. Door in een heterodyne of homodyne detektie-inrichting de signaalbundel te mengen met een optische bundel afkomstig van een lokale oscillator wordt een aanzienlijk beter resultaat verkregen met betrekking tot de signaal-ruisverhouding en de discriminatie van achtergrondstraling dan bij direkte detektie van de signaalbundel.

Het principe van koherente detektie van optische straling is uitvoerig beschreven in het artikel "Optical Heterodyne Detection" van O.E. De Lange in het tijdschrift "IEEE Spectrum" van oktober 1968, biz. 77-85. Zoals in dit artikel is vermeld is het van belang dat de polarisatietoestanden van de signaalbundel en de lokale oscillatorbundel zoveel mogelijk overeenkomen. Een mogelijke oplossing om dit te bereiken is het splitsen van de signaalbundel in twee deelbundels met een onderling loodrechte en vaste polarisatierichting. De twee deelbundels worden dan samengevoegd met lokale oscillatorstraling die in dezelfde richting is gepolariseerd. Een alternatief is het regelen van de polarisatietoestand van de signaalbundel of van de lokale oscillatorbundel zodat beide polarisatietoestanden overeenkomen.

Een optische ontvanger volgens de aanhef is onder meer bekend uit GB-A 2,110,895, waarin een diversity ontvanger is beschreven, en uit EP-A 0 261 724 die een ontvanger met een aktieve polarisatiesturing beschrijft.

Onlangs is gebleken dat met een optische opvanger soms niet en soms wel de gevoeligheid kan worden bereikt die, gekorrigeerd voor bekende storingsbronnen, op theoretische gronden haalbaar is. De ruis in het gedetekteerde signaal is in sommige gevallen merkbaar groter dan de som van de zogenaamde shot-noise-limit, die het theoretische minimum is, en de ruis afkomstig van bekende foutenbronnen. Analyse van dit probleem heeft aan het licht gebracht dat de bron ervan niet direkt in de ontvanger gezocht moet worden maar dat het probleem gerelateerd is aan de kwaliteit van de optische transmissieweg voor het signaal tussen de stralingsbron en de ontvanger. Verder onderzoek heeft geleerd dat de foutenbron ligt in imperfekte koppelingen in de transmissievezel waaraan straling die uit de richting van de ontvanger komt gedeeltelijk wordt gereflekteerd. Deze straling is oorspronkelijk afkomstig van de lokale oscillator en wordt in de optische ontvanger gereflekteerd aan diverse oppervlakken, zoals het stralingsgevoelige oppervlakken van de detektoren, de in- en uittreevlakken van het bundelsamenvoegend element en de in- en uittreevlakken van de verbindingsvezels die de lichtwegen tussen de komponenten vormen. Hierdoor komt een klein deel van de lokale-oscillatorstraling via de ingang van de ontvanger in de transmissievezel terecht. Hoewel het hier om slechts een zeer geringe fraktie van de lokale-oscillatorstraling gaat, is deze hoeveelheid, gerelateerd aan de sterkte van de signaalbundel, niet te verwaarlozen. Het vermogen van de lokale-oscillator-bundel is namelijk vele malen groter dan dat van de signaalbundel.

Het is een doel van de uitvinding een koherente optische ontvanger te verschaffen waarbij deze storingsbron geëlimineerd is. Daartoe heeft de ontvanger volgens de uitvinding het kenmerk, dat de ontvanger voorzien is van middelen voor het nagenoeg beletten dat straling afkomstig van de lokale oscillator de genoemde ingang bereikt. Door zoveel mogelijk te voorkomen dat straling van de lokale oscillator in de transmissievezel wordt ingestraald, kan het gesignaliseerde probleem worden ondervangen.

Opgemerkt wordt dat in het artikel van M.M. Choy et al, Electronics Letters, Vol. 23 (1987) blz. 1151-2, getiteld "Interferometric conversion of laser phase noise to intensity noise by single-mode fibre-optic components" reeds vermeld wordt dat reflekties in de transmissieweg van de signaalbundel of de lokale oscillatorbundel een storingsbron kunnen vormen. In dit artikel is echter sprake van een Fabry-Perot interferometer die gevormd wordt, door twee reflekterende vlakken in de transmissieweg waardoor een sterk fase-afhankelijke intensiteitsvariatie ontstaat. Dit effekt heeft geen relatie met het hierboven geschetste probleem dat veroorzaakt wordt door reflektie in de transmissieweg van straling afkomstig van de lokale oscillator.

Een eerste uitvoeringsvorm van de ontvanger volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de genoemde middelen anti-reflektie middelen bevatten die zijn aangebracht op stralings in- en/of uittreevlakken van de elementen in de ontvanger. Op deze wijze wordt de reflektie van lokale oscillatorstraling zoveel mogelijk tegengegaan.

Dit. kan worden bereikt doordat de ontvanger volgens de uitvinding het kenmerk heeft, dat de anti-reflektie middelen schuin gepolijste in- en/of uittreevlakken bevatten. Wanneer de normaal van het uittreevlak van een optische vezel een kleine hoek maakt met de richting van de as van de vezel wordt straling die aan het grensvlak wordt gereflekteerd niet terug in de vezel weerkaatst. Een optische transmissievezel met een uittreevlak dat ter vermijding van reflekties in de vezel niet loodrecht op de as van de vezel staat is bekend uit de bijdrage van C.K. Wong et al, getiteld "General purpose single-mode laser package provided with a parallel beam output having -60 dB interface feedback", aan de 14e ECOC Conferentie gehouden in september 1988 te Brighton, zie biz. 215-218 van de proceedings.

Een uitvoeringsvorm van de ontvanger volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de anti-reflektie middelen een op in-en/of uitreevlakken aangebrachte anti-reflektielaag bevatten. Ook op deze wijze kan reflektie aan de oppervlakken in de ontvanger worden gereduceerd en dus de hoeveelheid straling die de transmissievezel kan bereiken, worden verminderd.

Het is gebleken dat deze maatregelen niet in alle gevallen het probleem afdoende oplossen. Bovendien kunnen de genoemde maatregelen de kostprijs van een ontvanger aanzienlijk verhogen omdat een groot aantal oppervlakken moet worden behandeld. Daarom heeft een voorkeursuitvoeringsvorm van de ontvanger volgens de uitvinding het kenmerk, dat in de lichtweg tussen de genoemde ingang en het bundelsamenvoegend element zich een optische isolator bevindt voor het blokkeren van straling afkomstig uit de richting van het bundelsamenvoegend element. Het is gebleken dat hiermee een afdoende afscherming wordt bereikt tussen de straling die afkomstig is van de lokale oscillator en de transmissievezel.

De uitvinding wordt nu, bij wijze van voorbeeld, toegelicht aan de hand van de tekening die schematisch een koherente optische ontvanger toont voorzien van de maatregelen volgens de uitvinding.

In de figuur is met 10 een lange-afstands optische transmissievezel aangegeven waarin zich imperfekte koppelingen bevinden, aangegeven met 11, 12 en 13. De transmissievezel 10 is aangesloten op de ingang 20 van een koherente optische ontvanger. Weergegeven is een diversity ontvanger, de uitvinding is echter niet tot een dergelijke ontvanger beperkt, en kan ook zonder meer worden toegepast in een ontvanger met aktieve polarisatiesturing. Binnen de optische ontvanger wordt de signaalbundel via een vezel 21 naar een polarisatiegevoelige bundeldeler 30 geleid waar de bundel wordt gesplitst in twee orthogonaal gepolariseerde deelbundels die verder geleid worden via twee optische vezels 33 en 34.

De ontvanger bevat een lokale oscillator 40 die een lokale-oscillator-bundel opwekt welke via een vezel 41 naar de bundeldeler 42 wordt geleid. Daar wordt de lokale-oscillator-bundel gesplitst in twee lineair gepolariseerde deelbundels die via vezels 43 en 44 verder worden geleid. De bundeldeler 42 kan eveneens een polarisatiegevoelige bundeldeler zijn. Aangezien voor de lokale oscillator over het algemeen een laser wordt gebruikt is de opgewekte bundel reeds lineair gepolariseerd. Bij voorkeur wordt de polarisatierichting van de bundel zó gekozen dat deze hoeken van 45° maakt met de polarisatierichtingen van de doorgelaten en gereflekteerde deelbundels. Bij gebruik van een laser als stralingsbron is het echter niet direct noodzakelijk dat de bundeldeler 42 een polarisatiegevoelige bundeldeler is. Eventueel is in een van de vezels 43 of 44 een element 45 aangebracht voor het omzetten van de polarisatietoestand. Met ieder van deze maatregelen wordt bereikt dat de deelbundel in de vezel 43 op dezelfde wijze is gepolariseerd als de deelbundel in de vezel 33, en dat de deelbundel die zich door vezel 44 voortplant dezelfde polarisatierichting heeft als de deelbundel in vezel 34.

De optische twee vezels 33 en 43 zijn aangesloten op de ingangen van een bundelsamenvoegend element 50, bijvoorbeeld een halfdoorlatende spiegel, een neutrale (niet-polarisatiegevoelige) deelkubus of een vezelkoppelaar. De van de signaalbundel en lokale-oscillator-bundel afkomstige deelbundels zijn daarbij op dezelfde wijze gepolariseerd en worden beide samengevoegd en gesplitst tot twee gemengde bundels die ieder zowel een komponent van de signaalbundel als een komponent van de lokale-oscillator-bundel bevatten. Deze samengevoegde bundels worden via vezels 51 en 52 naar twee detektoren 53 en 54 geleid. Deze detektoren zetten de optische signalen om in elektrische signalen. Vanwege de superpositie van de signaalbundel en de lokale-oscillator-bundel kan de samengevoegde bundel worden opgevat als bestaande uit een eerste komponent met een frekwentie die de som is van de frekwenties van de twee samenstellende bundels en een tweede komponent waarvan de frekwentie het verschil is van deze twee frekwenties, welke tweede komponent gemoduleerd is overeenkomstig de modulatie in de signaalbundel. De detektor is alleen in staat de tweede komponent met de lage frekwentie te volgens. Daardoor bevat het opgewekte elektrische signaal een gelijkstroom komponent die afkomstig is van de eerste komponent en een gemoduleerde wisselstroomkomponent afkomstig van de tweede komponent. De elektrische signalen afkomstig van de twee detektoren 53 en 54 worden gekombineerd in de versterker 55. Omdat de optische signalen aan de twee uitgangen van het element 50 met elkaar in tegenfase zijn, dient de versterker 55 een verschilversterker te zijn.

De, eveneens in dezelfde richting gepolariseerde, deelbundels die door de vezels 34 en 44 worden geleid, worden samengevoegd in een bundelsamenvoegend element 60 tot twee bundels die via de vezels 61 en 62 naar twee detektoren 63 en 64 worden geleid, op analoge wijze als hierboven beschreven voor de signalen in de vezels 43 en 44. De uitgangssignalen van deze detektoren worden gekombineerd in een verschilversterker 65. De uitgangssignalen van de twee verschilversterkers 55 en 65 worden in een optelschakeling 70 gekombineerd tot een gemoduleerd elektrisch signaal dat geschikt is voor verdere verwerking, bijvoorbeeld tot een geluidssignaal of een televisiebeeld.

Aan een aantal oppervlakken in de ontvanger wordt een klein deel van de lokale-oscillator-bundel gereflekteerd, bijvoorbeeld als gevolg van Fresnelreflektie. Wanneer dit gebeurd aan de uittreevlakken van de bundelsamenvoegende elementen 50 en 60, de in- of uittreevlakken van de vezels 51, 52, 61 of 62, of aan de ί stralingsgevoelige oppervlakken van de detektoren 53, 54, 63 en 64, kan straling afkomstig van de lokale oscillator in. de transmissievezel 10 terecht komen. Deze gereflekteerde straling wordt daar weer gedeeltelijk gereflekteerd aan de imperfekte koppelingen 11, 12 en 13. Er ontstaat dus een vals signaal dat uit de transmissievezel komt en do ontvangst nadelig beïnvloedt. Om dit valse signaal te onderdrukken is de ontvanger volgens de uitvinding zo ingericht dat straling afkomstig van de lokale oscillator de transmissievezel niet kan bereiken.

Een eerste maatregel volgens de uitvinding bestaat daarin dat de in- en uittreevlakken van de vezels 51, 52, 61 en 62 schuin gepolijst zijn. Door de normaal van deze vlakken een kleine hoek in de orde van enkele graden, te laten maken met de as van de vezel weerkaatst het vlak licht in een andere richting dan de richting waar het vandaag komt zodat dit licht niet meer dezelfde lichtweg terug kan volgen. Een koppeling van een vezel met een ander optische element waarin in een dergelijk schuin uiteinde is toegepast is bekend Uit de reeds vermelde bijdrage van C.K. tfong aan de ECOC conferentie in 1988 in Brighton. In deze bijdrage is een koppeling beschreven waarbij het schuin gepolijste uiteinde is gekombineerd met een bollens voor het evenwijdig maken van de uittredende bundel, en voor het fokusseren van de intredende bundel op het eindvlak.

Ook de in- en uittreevlakken van de bundelsamenvoegende elementen 50 en 60 kunnen schuin geplaatst zijn ten opzichte van de richting van de stralingsbundels, om reflekties terug in de lichtweg te vermijden.

Een tweede maatregel volgens de uitvinding bestaat daarin dat de uittreevlakken van de bundelsamenvoegende elementen 50 en 60 en intreevlakken van de detektoren 53, 54, 63 en 64 voorzien zijn van een anti-reflektielaag 50', 60’, 53', 54', 63' en 64'. Uiteraard kunnen ook de in- en uittreevlakken van de vezels 51, 52, 61 en 62 van een dergelijke laag zijn voorzien. Wanneer deze anti-reflektielaag gekombineerd wordt met schuin geplaatste in- en uittreevlakken is het niet nodig dat de anti-reflektielaag een bijzonder goede kwaliteit heeft. Een laag die dan nog een reflektie heeft van 1/2 tot 1% is dan acceptabel.

De derde maatregel volgens de uitvinding is het plaatsen van een optische isolator 22 in de vezel 21 die de ingang van de optische ontvanger verbindt met de polarisatiegevoelige bundeldeler 30. Hierdoor wordt van de ontvanger afkomstige straling belet de optische transmissievezel 10 te bereiken terwijl straling afkomstig van de vezel ongehinderd of met slechts een geringe verzwakking de ontvanger bereikt.

Claims (5)

1. Optische koherente ontvanger bevattende een ingang voor het daaraan koppelen van een optische transmissievezel voor het toevoeren van een optische signaalbundel, een lokale oscillator voor het opwekken van een lokale-oscillator-bundel, ten minste één bundelsamenvoegend element voor het samenvoegen van straling afkomstig van de signaalbundel met straling afkomstig van de lokale oscillator en ten minste één stralingsgevoelige detektor voor het om2etten van samengevoegde straling in een elektrisch signaal, met het kenmerk, dat de ontvanger voorzien is van middelen voor het nagenoeg beletten dat straling afkomstig van de lokale oscillator de genoemde ingang bereikt.

2. Optische ontvanger volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde middelen anti-reflektie middelen bevatten die zijn aangebracht op stralings in- en/of uittreevlakken van de elementen in de ontvanger.

3. Optische ontvanger volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat de anti-reflektie middelen schuin gepolijste in- en/of uittreevlakken bevatten.

4. Optische ontvanger volgens konklusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de anti-reflektie middelen een op in- en/of uitreevlakken aangebrachte anti-reflektielaag bevatten.

5. Optische ontvanger volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat in de lichtweg tussen de genoemde ingang en het bundelsamenvoegend element zich een optische isolator bevindt voor het blokkeren van straling afkomstig uit de richting van het bundelsamenvoegend element.