NL9200633A - Optische hybride. - Google Patents

Description

Titel: Optische hybride A. Achtergrond van de uitvinding 1. Gebied van de uitvinding

De uitvinding ligt op het gebied van optisch coherente detectie technieken. Zij betreft een optische hybride, en een coherent optische ontvanger, waarin de optische hybride wordt toegepast.

2. Stand van de techniek

Optisch coherente detectie onder gebruikmaking van fasediversiteit maakt basisband detectie mogelijk zonder genoodzaakt te zijn ’phase-locked-loop’ (PPL) toe te passen, zoals dat wel het geval bij homodyne detectie. Aangezien zo een efficiënt gebruik kan worden gemaakt van de electrische en optische bandbreedte, is fasediversiteit daardoor zeer geschikt voor meerkanaals coherente optische communicatie met hoge bitsnelheden (è lGbit/s). Ook overwegingen met betrekking tot de onderdrukking van ruis, zoals thermische ruis, maken de toepassing van fasediversiteit bij hoge bitsnelheden aantrekkelijk.

Voor het terugwinnen van de amplitude en de fase van een coherent optisch signaal wordt bij fasediversiteit gebruik gemaakt van optische hybriden. Een optische hybride is een mxn multipoort met m signaalingangen en n signaaluitgangen, waarbij m,n^2, welke aan twee of meer van de uitgangen coherente producten van aan twee of meer van de ingangen aangeboden signalen afgeeft met onderling goed gedefinieerde faseverschillen. Er zijn twee typen van dergelijke optische hybriden voor fasediversiteit. Hybriden van het eerste type, het polarisatietype genoemd, realiseren in het algemeen de gewenste faseverschillen tussen uitgangssignalen met verschillende polarisaties, dit in tegenstelling tot die van het tweede type, het koppeltype genoemd, waarbij de faseverschillen tussen uitgangssignalen met dezelfde polarisatie worden gerealiseerd. Van het polarisatietype zijn verscheidene varianten bekend.

Een eerste variant van het polarisatietype is een 2x2-poort gebaseerd op de combinatie van een vermogenskoppelaar en een polarisatiesplitser. Daarbij wordt aan de ingang van de polarisatiesplitser een faseverschuiving van 90° geïnduceerd tussen de uit de splitser tredende splitscomponenten van een uit de koppelaar afkomstig mengsignaal van een ontvangen signaal en van het signaal afkomstig van een locale oscilator. Een dergelijk eerste variant 2x2-poort is bijvoorbeeld bekend uit referentie [1]. Een tweede variant, bekend uit referentie [2], is een 2x2-poort gebaseerd op een vermogenskoppelaar/splitser met polarisatieregelaars in de ingangen en onderling orthogonaal ingestelde lineaire polarisatoren in de uitgangen. In een derde variant, zoals bekend uit referentie [3], vindt de instelling van het 90° faseverschil plaats door de ingangssignalen eerst afzonderlijk elliptisch te polariseren. De elliptisch gepolariseerde signalen worden vervolgens gecombineerd en gesplitst in een vermogenssplitsende koppelaar, en tenslotte met behulp van een tweetal polarisatiesplitsende koppelaars uitgesplitst in een viertal signalen met relatieve fasen van 0°, 90°, 180° en 270°.

De gevoeligheid van al deze bekende varianten van poiarisatie-type multipoorten is gelijk als alle signalen aan de uitgangszijde van zo’n multi-poort voor de detectie worden gebruikt en thermische ruis daarbij zoveel mogelijk is onderdrukt. Het gebruik van meer dan twee detectoren daarbij maakt een ontvanger evenwel complex en bovendien duur. Wordt bovendien gebalanceerde detectie toegepast, dan resulteert dit in een afnemende bandbreedte van de ontvanger en een toename van thermische ruis. Het is derhalve gewenst om bij de detectie niet meer dan twee detectoren te hoeven gebruiken. Voor een twee-detectoren ontvanger zijn de bekende polarisatie-type optische hybriden echter niet optimaal. In de bekende mxn-poorten met 90° faseverschil van het polarisatietype is de ’throughput’ steeds ^25%, hetgeen wil zeggen, dat van het signaalvermogen aan de ingang nooit meer dan 25% in elk der gebruikte uitgangen wordt uitgekoppeld. Aangezien voor fasediversiteit bruikbare optische hybriden tevens bruikbaar zijn voor 'image rejection’ heterodyne ontvangers, zoals bijvoorbeeld bekend uit referentie [4], geldt voor dergelijke ontvangers dezelfde beperking met betrekking tot de ’throughput’.

B. Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt te voorzien in een optische hybride van het polarisatietype met een hogere ’throughput’, welke derhalve gunstiger is voor toepassing in een twee-detectoren ontvanger voor coherent optische detectie. Uit theoretische analyse van een passieve, niet noodzakelijk verliesvrije 2x2-poort blijkt, dat er bij een faseverschil van 90° toch een ’throughput’ R van maximaal ca 29% mogelijk is. De uitvinding realiseert dit bij een polarisatietype optische hybride.

Het is gebruikelijk om polarisatietoestanden van een lichtsignaal en veranderingen daarin te beschrijven met behulp van punten op de bol van Poincaré. Ook polarisatie-afhankelijke componenten in een optische inrichting, die een lichtsignaal een bepaalde polarisatietoestand opleggen, kunnen door punten op deze bol worden voorgesteld. Hiervan gebruik makend is gebleken dat van een optische hybride met een op zich uit referentie [2] bekende structuur de polarisatie-afhankelijke componenten dusdanige standen (t.w. instellingen van de polarisatieregelaars en plaatsingen van de polarisatie-analisatoren) kunnen worden gegeven, waarbij de met deze standen corresponderende punten op de bol van Poincaré aan bepaalde condities voldoen, dat steeds een 90°-hybride wordt verkregen met een ’throughput’ groter dan 25%. Een optische hybride omvattende een eerste en een tweede ingangspoort respectievelijk voor het inkoppelen van een eerste en een tweede ingangssignaal, een eerste en een tweede uitgangspoort respectievelijk voor het uitkoppelen van een eerste en een tweede uitgangssignaal, op elk der ingangspoorten een polarisatieregelaar voor het instellen van de polarisatie van elk der ingangssignalen, een polarisatie-onafhankelijke vermogenskoppelaar voor het mengen en naar vermogen gelijkelijk verdelen van de naar polarisatie ingestelde signalen, en op elk der uitgangspoorten een polarisator, waarbij de uitgangssignalen respectievelijk een eerste en een tweede coherent product van elk der ingangssignalen insluiten met een onderling faseverschil van ca. 90°, heeft daartoe volgens de uitvinding het kenmerk, dat de polarisatieregelaars zijn ingesteld in standen, welke op de bol van Poincaré corresponderen met punten SI en S2, en de polarisatoren zijn geplaatst in standen, welke op de bol van Poincaré corresponderen met punten SB en S4, waarbij de hoeken op de bol tussen SI en S3, tussen SI en S4, tussen S2 en S3, en tussen S2 en S4 alle kleiner zijn dan 90°, en waarbij de cirkel door de punten SI, S2 en -S3, en de cirkel door de punten SI, S2 en -S4 elkaar onder hoeken van 90° snijden, waarbij de punten -S3 en -S4 respectievelijk de antipoden zijn van de punten S3 en S4.

Voorts beoogt de uitvinding te voorzien in een coherente optische ontvanger, waarin een optische hybride volgens de uitvinding wordt toegepast.

C. Referenties [1] T.G. Hodgkinson, et aI.:"Demodulation of optical DPSK using in-phase and quadrature detection", Electronics Letters, 12th September 1985, Vol. 21, No. 19, pp. 867,868; [2] L.G. Kazovsky, et al.:"All-fiber 90° optical hybrid for coherent Communications", Applied Opties, Vol. 26, No. 3, 1 February 1987, pp. 437-439; [3] GB-A-2214381 met titel: "Optical phase-diversity receivers"; [4] C.J. Mahon:"Experimental verification of novel optical heterodyne image rejection receiver with polarization control", ECOC ’90 Amsterdam, Vol. 1, pp. 389-392; [5] J. Pietzsch:"Scattering matrix analysis of 3x3 fiber couplers", Journ.

Lightwave Technology, Vol. 7, No. 2, February 1989, pp. 303-307.

D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht onder verwijzing naar een tekening bestaande uit de volgende figuren:

Fig. 1 toont een blokschema van een algemene als optische hybride toepasbare 2x2-poort;

Fig. 2 toont het verloop van de bovengrens van de overdracht R als functie van de fasehoek Ψ van een optische hybride volgens Fig. 1;

Fig. 3 toont een diagram van een coherent optische ontvanger voor fasedi-versiteit met een polarisatie-type optische hybride;

Fig. 4a toont bekende standen van de polarisatie-afhankelijke componenten voor een 90°-hybride in de ontvanger volgens Fig. 3;

Fig. 4b toont met de standen volgens Fig. 4a overeenkomende punten op de bol van Poincaré;

Fig. 5a toont, op overeenkomstige wijze als Fig. 4a, standen van de polari-satie-afhankelijke componenten voor een 90°-hybride volgens de uitvinding;

Fig. 5b toont met de standen volgens Fig. 5a overeenkomende punten op de bol van Poincaré.

E. Beschrijving van uitvoeringsvoorbeelden

In Fig. 1 is een blokschema weergegeven van een algemene 2x2-poort, welke als optische hybride bekend is. Een dergelijke poort heeft twee ingangen 1 en 2 en twee uitgangen 3 en 4, en een overdracht (Eng.: throughput) R en een fase-hoek Ψ. Worden op ingangen 1 en 2 van deze poort respectievelijk ingangssignalen E1 en E2 met amplituden en É2 resp., en met een willekeurig onderling faseverschil Φ aangeboden, te weten: E-|(t) = É1 cos (o>t) (la) E2(t) = É2 cos (tot + Φ) (lb) dan zijn de signalen aan de uitgangen 3 en 4 te schrijven als Ea(t) = R% % cos (ot) + É2 cos (ot + Φ)} (2a)

Eb(t) = R^2 ^É1 cos (tot) + É2 cos (ωΐ + Φ + Ψ)} (2b)

Is een dergelijke poort passief, dan is het totale uitgangsvermogen altijd kleiner dan of gelijk aan het ingangsvermogen voor elke waarde van de amplituden É1, É2 en faseverschil Φ. Als Éa en Éb respectievelijk de amplituden van de uitgangssignalen Ea(t) en Eb(t) voorstellen, dan geldt derhalve: ' Éa ί2 + ! Éb |2 s | Éj |2 + | É212 (3)

Uit combinatie van de uitdrukkingen (2a), (2b) en (3) kan worden afgeleid, dat R ^ {4 cos2(Y/4)}"1 (4)

De uitdrukking (4) definieert een bovengrens voor de overdracht R als functie van de fase-hoek Ψ van de hybride. Het verloop van deze bovengrens is weergegeven in Fig. 2. In deze figuur corresponderen: punt A (Ψ = 0°, R = 25%) met een faseverschuiver type optische hybride met vier Y-juncties; punt B (Ψ = 120°, R = 33,3%) met een symmetrische 3x3 koppelaar; punt C (Ψ = 180°, R = 50%) met een symmetrische 2x2 koppelaar.

Punt D (Ψ = 90°, R = 29,3%) representeert althans theoretisch met een optische hybride met een faseverschuiving van 90°, hierna 90°-hybride genoemd, en een overdracht van meer dan 25%.

Hierna zal een uitvoeringsvorm van een dergelijke 90°-hybride van het polarisatietype worden beschreven, zoals deze kan worden toegepast in een coherent detectiesysteem onder gebruik making van fasediversiteit met twee fotodetectoren.

In Fig. 3 is een diagram weergegeven van een coherente optische ontvanger voor fasediversiteit met een 90°-hybride 30 met een op zich bekende structuur (zie referentie [2] onder C., meer speciaal Fig. 1). Deze hybride 30 heeft een eerste signaalingang 31 voor een ontvangen signaal en een tweede signaalingang 32 voor een osciilatorsignaal afkomstig van een lokale oscillator 33. Verder heeft de hybride 30 een eerste signaaluitgang 34 en een tweede signaaluitgang 35 respectievelijk gekoppeld met een eerste fotodetector 36 en een tweede fotodetector 37. De eerste signaalingang 31 en de tweede signaalingang 32 worden respectievelijk via een eerste polarisatieregelaar 38 en een tweede polarisatieregelaar 39 geleid naar ingangen 40 en 41 van een 3dB

vermogenskoppelaar 42. Uitgangen 43 en 44 van de vermogenskoppelaar 42 worden respectievelijk via een eerste lineaire polarisator 45 en een tweede lineaire polarisator 46 naar de signaaluitgangen 34 en 35 geleid. In de bekende hybride zijn de lineaire polarisatoren 45 en 46 zoals gebruikelijk geplaatst onder hoeken van 0° en 90° ten opzichte van horizontaal respectievelijk, terwijl de polarisatieregelaars 38 en 39 zijn ingesteld op een lineaire polarisatie onder een hoek van 45° en op een circulaire polarisatie respectievelijk. Deze plaatsingen en instellingen, hierna samenvattend standen genoemd, zijn schematisch weergegeven in Fig. 4a. Daarbij zijn de standen van de polarisatieregelaars 38 en 39 en van de polarisatoren 45 en 46 respectievelijk aangeduid met PI, P2, P3 en P4. Deze standen corresponderen met punten op de bol van Poincaré. Dit is in Fig. 4b weergegeven, waarbij de betreffende punten met PI t/m P4 zijn gemerkt. De punten P3 en P4 zijn op de bol eikaars antipoden, d.w.z. P3 = -P4. Aangezien de cirkels door de punten PI, P2, en -P3 en door de punten PI, P2 en -P4 elkaar onder hoeken van 90° snijden, representeren deze punten een 90°-hybride. Aangezien de booghoe-ken op de bol tussen PI en P3, PI en P4, P2 en P3, en P2 en P4 allemaal 90° zijn, is voor deze hybride geen hogere throughput mogelijk dan 25%.

In het meest algemene geval wordt een 90°-hybride met een hogere throughput verkregen als de corresponderende punten op de bol zo zijn gelegen, dat aan twee eisen is voldaan, te weten dat de genoemde booghoeken allemaal kleiner zijn dan 90°, en dat de aangeduide cirkels elkaar onder hoeken van 90° snijden. Hierna zal worden aangetoond, dat, als de lineaire polarisatoren 45 en 46 respectievelijk onder hoeken α en -a ten opzichte van horizontaal worden geplaatst, en de polarisatieregelaars 38 en 39 ingesteld op het respectievelijk linksom en rechtsom elliptisch polariseren onder dezelfde hoek cc, deze hoek α zo kan worden gekozen, dat de corresponderende punten op de bol van Poincaré aan de genoemde twee eisen voldoen en tevens de theoretisch maximale throughput R haalbaar is. Deze standen voor de polarisa-toren en de regelaars zijn schematisch weergegeven in Fig. 5a. Daarbij zijn deze optimale standen van de polarisatieregelaars 38 en 39 en de polarisatoren 45 en 46 respectievelijk aangeduid met Ql, Q2, Q3 en Q4. Deze standen Q1 t/m Q4 corresponderen met overeenkomstig aangeduide punten op de bol van Poincaré als weergegeven in Fig. 5b. Voor een hybride met dergelijke standen voor de polarisatie-afhankelijke componenten kunnen, bijvoorbeeld met de bekende Jones polarisatie-matrixrekening, de volgende uitdrukkingen voor het fasehoek Ψ en de throughput R als functie van de hoek α worden afgeleid: Ψ = 180° - 4*arctan(tan2a) (5) en R = y2(cos4a + sin4a)*100% (6)

Voor een 90°-hybride moet de fasehoek Ψ = 90° zijn. Volgens de uitdrukking (5) wordt deze verkregen bij de instellingshoek α «32,77°, terwijl volgens uitdrukking (6) bij deze α de throughput R=29,3%, precies gelijk aan de hierboven reeds gevonden theoretische bovengrens (zie punt D in Fig. 2).

Niet slechts de ene set van punten Ql t/m Q4 gebaseerd op de gevonden instellingshoek α correspondeert met een optimale 90°-hybride. In feite representeert iedere set van vier punten op de bol van Poincaré, welke door rotatie in de set Ql t/m Q4 kan worden overgevoerd, een dergelijke optimale hybride. Aangezien retardatie overeenkomt met een dergelijke rotatie, is derhalve ook iedere retardatie van de set toegestaan.

De uitdrukkingen (5) en (6) zijn in feite afgeleid voor constante ingangspo-larisaties van de ingangssignalen aan de signaalingangen 31 en 32. Voor een optimale toepassing van een hierop gebaseerde 90°-hybride moet hiervoor worden gezorgd. Dit kan zoals gebruikelijk worden bewerkstelligd door een of elk van beide ingangssignalen vooraf te onderwerpen aan een actieve polarisa-tieregeling, welke via een terugkoppellus vanuit het achterliggende electrische circuit wordt aangestuurd. Een andere mogelijkheid om dit te bereiken is het plaatsen van een polarisator voor een of voor elk van beide signaalingangen. De hybride kan dan vast worden ingesteld en de fasehoek is niet meer afhankelijk van resterende fluctuaties in de ingangspolarisaties.

Claims (5)

1. Optische hybride omvattende - een eerste en een tweede ingangspoort respectievelijk voor het inkoppden van een eerste en een tweede ingangssignaal, - een eerste en een tweede uitgangspoort respectievelijk voor het uitkoppelen van een eerste en een tweede uitgangssignaal, - op elk der ingangspoorten een polarisatieregelaar voor het instellen van de polarisatie van elk der ingangssignalen, - een polarisatie-onafhankelijke vermogenskoppelaar voor het mengen en naar vermogen gelijkelijk verdelen van de naar polarisatie ingestelde signalen, en - op elk der uitgangspoorten een polarisator, waarbij de uitgangssignalen respectievelijk een eerste en een tweede coherent product van elk der ingangssignalen insluiten met een onderling faseverschil van ca. 90°, met het kenmerk dat de polarisatieregelaars zijn ingesteld in standen, welke op de bol van Poincaré corresponderen met punten SI en S2, en de polarisatoren zijn geplaatst in standen, welke op de bol van Poincaré corresponderen met punten S3 en S4, waarbij de hoeken op de bol tussen SI en S3, tussen SI en $4, tussen S2 en S3, en tussen S2 en S4 alle kleiner zijn dan 90°, en waarbij de cirkel door de punten SI, S2 en -S3, en de cirkel door de punten SI, S2 en -S4 elkaar onder hoeken van 90° snijden, waarbij de punten -S3 en -S4 respectievelijk de antipoden zijn van de punten S3 en S4.

2. Optische hybride volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de punten SI t/m S4 punten zijn welke onder rotatie op de bol van Poincaré zijn over te voeren in punten, welke standen representeren, waarbij de polarisatie regelaars zijn ingesteld op een onderling in hoofdzaak gelijke, maar tegengesteld gerichte elliptische polarisatie onder een hoek a, en de polarisato-ren lineair zijn en in hoofdzaak onder hoeken α en -α zijn geplaatst.

3. Optische hybride volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de hoek α is ca. 32,8°.

4. Coherent optische ontvanger omvattende een optische lokale oscillator, eerste polarisatieregelmiddelen voor het in polarisatietoestand op elkaar aanpassen/afregelen van een ontvangen optisch signaal en van een van de lokale oscillator afkomstig signaal, een optische hybride met twee ingangspoorten voor het inkoppelen van de aangepaste signalen en een aantal n*2 uit-gangspoorten voor het uitkoppelen van in fase verschillende coherente producten van de beide ingekoppelde signalen, en detectiemiddelen voor het detecteren van de coherente producten en het afgeven van twee onderling 90° in fase verschillende uitgangssignalen, met het kenmerk dat de detectiemiddelen slechts twee fotodetectoren omvatten, elk gekoppeld met een der uitgangspoorten van de optische hybride, en dat de vermogenstrans-missie van elk der ingangspoorten van de optische hybride naar elk van de met de foto-detectoren gekoppelde uitgangspoorten groter is dan 25%.

5. Ontvanger volgens conclusie 4, met het kenmerk dat de optische hybride een hybride volgens een der conclusies 1, —, 3.