SE462351B - Laseranordning foer ett optiskt kommunikationssystem - Google Patents

Description

15 20 25 462 551 till en drivkälla, utsänder ljuspulsen vilken reflekteras av målet och återvänder till laserdioden. Under ljusets gångtid omstâlles riktkopplaren till sitt andra ändläge. Den reflekterade ljuspulsen passerar laserdioden vilken nu utgör en förstärkare. Den av laserdioden förstärkta ljuspulsen kopplas av riktkopplaren till fotodetektorn, så att ljuspulsen kan detekteras och dess gångtid mätas. De båda ovan beskrivna anordningarna har nackdelen att de är relativt kompli- cerade och fordrar flera optiska förstärkare eller detektorer. Avståndsmätaren enligt den brittiska patentansökningen är inte lämpad för ett fiberoptiskt kommunikationssystem da laserförstärkarens ändytor reflekterar en inkom- mande ljussignal och därigenom åstadkommer oönskade störsignaler.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ovanstående nackdelar undvikes med en anordning enligt uppfinningen, enligt vilken en och samma laserdiod utnyttjas som sändare, mottagare och för- stärkare av ljussignaler.

Uppfinningen har de kännetecken som framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Ett utföringsexempel av uppfinningen skall närmare beskrivas nedan i anslutning till en ritning på vilken figur l visar anordningen under mottagande av en ljussignal, figur 2 visar anordningen under utsändande av ljus, figur 3 visar laseranordningen ansluten till en första modulationsanordning för utsändande av en ljussignal, figur 4 visar laseranordningen ansluten till en alternativ modulationsanordning för utsändande av en ljussignal, figur 5 visar en alternativ anordning under mottagande av ljussignalen och figur 6 visar den alternativa anordningen ansluten till en modulationsanordning för utsändande av en ljussignal.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM En utföringsform av den uppfinningsenliga anordningen visas i figur 1. Anord- ningen omfattar en första laserdiod l, en första riktkopplare 2 och en andra 'IÛ 15 20 25 30 462 357 riktkopplare 3. Den första laserdioden har en optisk vågledare 4 vars ena ändyta 5 genom en optisk fiber 6 är förbunden med en första optisk anslutning 7 vid den ena änden av riktkopplaren 2. Laserdiodens vågledare 4 har en andra ändyta 8 vilken pà motsvarande sätt genom en optisk fiber 9 är förbunden med en första optisk anslutning 10 vid ena änden av riktkopplaren 3. Riktkopplarna 2 och 3 har vid sin andra ände dels varsin andra anslutning 13 respektive 14 vilka är försedda med speglar 15 respektive 16, dels varsin tredje anslutning ll respektive 12. Anslutningarna 11,12 är förbundna med varsin optisk fiber 17 respektive 18 i ett optiskt kommunikationssystem.

Den första laserdioden l är en vandringsvågförstärkare och ändytorna 5 och 8 har reflektionshämmande skikt med en reflektans av storleken 10-3. Laserför- stärkare av denna typ finns beskrivna i en artikel i IEEE Spectrum May 1984, sid 26-33, S.Kobayashi och T.Kimura: "Semiconductor optical amplifiers". I denna artikel redogöres också för förhållandet att en laserdiod, såsom laser- dioden l i figur l både kan utgöra en förstärkare för en inkommande ljussignal och en laser som själv utsänder ljus. Det senare inträffar om drivströmmen ligger över ett tröskelvärde, lasringströskeln, och laserdioden har en åter- koppling genom att dess ändytor är reflekterande. Vid en drivström under lasringströskeln, eller om de reflekterande ändytorna saknas, utgör laserdioden endast en förstärkare. Den första laserdioden 1 i figur l strömmatas med en i drivströmI från en drivkälla 19, vilken är ansluten över elektroder hos laser- dioden, så att den nämnda ljusförstärkningen kan utföras.

Riktkopplarna 2,3 är konventionella riktkopplare och finns beskrivna i exempel- vis IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-26, No.l2, Decem- ber 1979, sid 1099-1108, Ronald V.Schmidt och Rod C.Alferness; "Directional Coupler Switches, Modulators and Filters Using Alternating 4/37 Techniques".

Riktkopplarna har elektroder 20 respektive 21 till vilka spänningskällor 22 respektive 23 är anslutna för att inställa riktkopplarna i önskat kopplingsläge, exempelvis korskopplingsläge -eller genomkopplingsläge som utgör riktkopp- larnas ändlägen.

'Den uppfinningsenliga anordningen har två huvudtillstånd, dels ett mottagninga- och förstärkningstillstand, dels ett ljusalstrande tillstånd för sändning. Mottag- nings- och förstärkningstillståndet skall beskrivas nedan i anslutning till figur l. 10 15 20 25 30 35 462 351 Förstärkning av en inkommande första ljussignal Pl sker pa följande sätt.

Riktkopplaren 2 är med hjälp av spänningskällan 22 inställd i sitt genomkopp- lingsläge, vilket markeras med en symbol ä och riktkopplaren 3 är med hjälp av spänningskällan 23 inställd i sitt korskopplingsläge, vilket markerats med en symbol ® . Ljusvagen Pl, som inkommer pâ den optiska fibern 17, kopplas av riktkopparen 2 till anslutningen 7 och passerar genom den optiska fibern 6 till den ena ändytan 5 hos laserdiodensl optiska vagledare 4. Laserdioden, som matas med drivströmmenl och har en förstärkningsfaktor G, förstärker ljus- signalen Pl och avger en ljussignal P2 = G x Pl. Ljussignalen P2 passerar den optiska fibern 9 till anslutningen 10 hos riktkopplaren 3. Denna riktkopplare överkopplar ljussignalen till sin anslutning 12 och den förstärkta ljussignalen P2 avges till den optiska fibern 18. Laserdioden l är som nämnts en vandrings- vägförstärkare, vars ändytor 5 och B har reflektionshämmande skikt. Någon signifikant reflektion av ljussignalen Pl tillbaka till fibern 17 sker inte och inte heller sker någon ljusreflektion inne i vàgledaren 4. Samtidigt med förstärk- ningen kan ljussignalen Pl avkännas med hjälp av laserdioden 1 på det sätt som beskrives i den ovannämnda artikeln i Electronics Letters av A.Alping med flera. Vid en variation av ljusstyrkan hos ljussignalen P1 uppstår en variation i laddníngsbärarkoncentrationen i laserdioden, vilket i sin tur orsakar en variation av övergàngsspänningen över den första laserdioden 1. Denna spänningsvaríation kan avkännas av en mottagare 24 vilken avger en elektrisk utsignal U1 svarande mot den inkommande ljussignalen Pl. Det bör noteras att anordningen enligt figur 1 är symmetrisk så till vida att en ljussignal som inkommer pà fibern 18 förstärkas och avkännas i laserdioden 1 på motsvarande sätt som ljus- signalen Pl, samt avges till fibern 17.

Det tidigare nämnda ljusalstrande tillståndet för sändning hos laseranordningen skall beskrivas nedan i anslutning till figur 2. Mad hjälp av spänningsskällan 22 är riktkopplaren 2 inställd i sitt korskopplingsläge vilket i figuren markerats med symbolen ® . Riktkopplaren 3 är med hjälp av spänningskällan 23 inställd i ett mellanläge mellan sitt korskopplingsläge och sitt genomkopplingsläge, vilket markerats med symbolerna ®ê . Genom att :iktkopplarna är inställda i dessa lägen, avgränsar speglarna 15 och 16 en utsträckt kavitet, vilken innehåller laserdioden 1. En ljusvag P3 som utsändes av laserdioden 1 till riktkopplaren 2 överkopplas mellan riktkopplarens vagledare, reflekteras i spegeln 15 och överkopplas på nytt i riktkopplaren 2 till dess anslutning 7. Ljusvàgen P3 10 15 20 25 30 462 35? passerar den första laserdiodens l vågledare 4 där den förstärks och avges till riktkopplaren 3. I riktkopplaren 3 överkopplas en del av den förstärkta ljusvågen mellan de kopplade vågledarna och avges via anslutningen 12. Den återstående delen av ljusvågen genomkopplas till spegeln 16, reflekteras, och genomkopplas till en del åter till laserdioden 1, där den förstärks på nytt. En kraftig ljusvåg uppstår på detta sätt i den utsträckta kaviteten och en del av denna ljusvåg avges via anslutningen 12 hos riktkopplaren 3. Det bör noteras att laser- anordningen även i detta avseende är symmetrisk. Genom att inställa rikt- kopplaren3 i sitt genomkopplingsläge och riktkopplaren2 i ett mellanläge mellan ändlägena utsändes en ljusvåg från anslutningen ll hos riktkopplaren 2.

Så som ett alternativ kan båda riktkopplarna2 och 3 inställas i mellanläge mellan sina ändlägen och ljusvågor utsändas från den tredje anslutningen 11 och 12 hos båda riktkopplarna. Om strömmenl från drivkällan 19 har ett värde som överskrider det nämnda tröskelvärdet inträder lasring.

Vid det ljusalstrande tillståndet moduleras den utsända ljusvågen för att utgöra en informationsbärande ljussignal. I figur 3 visas laseranordningen ansluten till en modulator 25 genom vilken drivströmmenl moduleras. Modulatorn 25 och spänningskällorna 22 och 23 är anslutna till en synkroniseringskrets 26 med vars hjälp anordningen omställes mellan mottagnings- och förstärkningstillståndet och det ljusalstrande tillståndet. Laseranordningen i figur 3 är med hjälp av riktkopplarna 2 och 3 inställd i sitt ljusalstrande tillstånd, såsom har beskrivits i anslutning till figur 2. Modulatorn 25 har en ingång 25a till vilken en signal U2 är ansluten och styr modulatorn. Drivströmmenl moduleras mellan ett värde som överskrider lasringströskeln och ett värde som underskrider lasrings- tröskeln. Då drivstömmeni har sitt låga värde uppstår ingen ljusförstärkning i den utsträckta kaviteten mellan speglarna 15 och 16 och det utgående ljusets intensitetsnivå är försumbar. Då drivströmmen I har sitt höga värde utsändes en ljuspuls på det sätt som beskrivits i anslutning till figur 2. Ljuspulserna med sina mellanrum utgör tillsammans en andra ljussignal P4 motsvarande signalen U2.

Vid det alternativa läget med båda riktkopplarna 2 och 3 i sina mellanlägen utsändes ljussignaler från den tredje anslutningen, ll respektive 12, hos båda riktkopplarna. Vid utföringsformen ovan enligt figur 3 kan spänningskällorna 22 och 23 vara relativt långsamma då de endast utnyttjas för att omställa laser- anordningen mellan sina två huvudtillstånd. 10 20 25 30 462 551 I figur 4 visas laseranordningen i figur 2 ansluten till en alternativ anordning för att modulera en utgående ljusvåg. Spänningskällorna 22 och 23 är anslutna till varsin utgång hos en modulator 27. Modulatorn har en ingång 28 till vilken en signal U3 är ansluten, vilken styr modulatorn. Denna avger dels en signal U4 för att modulera spänningskällan 22, dels en signal UB i takt med signalen U4 för att modulera spänningskällan 23. Riktkopplaren 2 moduleras härigenom mellan sina ändlägen och riktkopplaren 3 moduleras mellan sitt korskopplingstillstånd och mellanläget mellan ändlägena. Drivströmmenl har ett värde överskridande laseringströskeln så att ljusförstärkning äger rum och en ljuspuls utsändes under den moduleringsfas då speglarna 15 och 16 innesluter laserdioden 1 i den ut- sträckta kaviteten. Vid den motsatta moduleringsfasen, då speglarna 15 och 16 är bortkopplade från laserdioden 1 av riktkopplarna 2 och 3, sker ingen ljusut- sändning. Ljuspulserna med sina mellanrum utgör tillsammans en tredje ljus- signal P5 motsvarande signalen U3. Såsom ett alternativ moduleras även rikt- kopplaren 2 mellan ett av sina ändlägen, korskopplingstillståndet, och mellan- läget mellan sina ändlägen, varvid ljussignaler utsändes både till fibern 17 och fibern 18. Det är också möjligt att utsända ljussignaler genom att modulera endast den ena av riktkopplarna 2 eller 3 vid moduleringsanordningen i figur 4.

Vid utföringsformen enligt figur 4 är spânningskällorna 22 och 23 snabba så att de kan moduleras med hög frekvens och den avgivna ljussignalen P5 har hög frekvens. Riktkopplarna 2 och 3 har i figur 4 utritats med vandringsvågs- elektroder 2lJa och 21a för höga frekvenser. Elektroderna är reflexionsfritt avslutade genom en impedans Z.

Den ovan beskrivna laseranordningen i figur 1 består av diskreta optiska komponenter, en laserdiod 1 och två riktkopplare 2 och 3. Anordningen kan alternativt utföras helt i integrerad optik med de optiska komponenterna på ett och samma substrat. Med kända förfarande odlas härvid skikt av önskade sammansättningar inom önskade områden på substratet och en laserdiod, svarande mot laserdioden 1, samt två riktkopplare, svarande mot riktkopp- larna 2 och 3, framställes. En sammanhängande vågledare, svarande mot våg- ledarna ll,7,6,4,9,10 och 14, framställes härvid. Laserdiodens vågledare saknar i detta integrerade utförande ändytor, svarande mot ändytorna 5 och 8, och problem med reflexioner vid laserdiodens ändar undvikas. Kopplingsförluster vid ändarna av de optiska fibrerna '6 och 9 undvikes också. *i 10 15 20' 25 3D -l-X CN PO (_;~ J '51 En alternativ utföringsform av uppfinningen skall beskrivas i anslutning till fig 5. Laseranordningen har i denna utföringsform tva schematiskt visade optiska kopplingsanordningar 30 och 31. Dessa har varsin vagledaranordníng med en första anslutning 32 och en gaffelformad förgreníng 33, genom vilken en andra 34 och en tredje 35 anslutning är förbundna med den första anslut- ningen 32. Den andra anslutningen 34 har ett optiskt reflekterande organ 36 motsvarande speglarna 15 respektive 16 och vagledaranordningen har en andra laserdiod 37 hos vagledaren mellan den andra anslutningen 34 och förgre- ningen 33. Den första anslutningen 32 hos kopplingsanordningarna 30 och 31 är förbundna med varsin ände av den första laserdiodens 1 vagledare 4 genom de optiska fibrerna 6 respektive 9. Den tredje anslutningen 35 är förbunden med kommunikationssystemets optiska kanal, i föreliggande exempel med de optiska fibrerna 17 respektive 18. Den första laserdioden 1 är ansluten till drivkällan 19 och mottagaren 24 och den andra laserdioden 37 är ansluten till en andra drivkälla 38.

Vid laseranordningens mottagnings- och förstärkningstillstand förstärkes och avkännes den inkommande ljusvagen P1 pa motsvarande sätt som beskrivits i anslutning till fig 1. Den andra laserdioden 37 är härvid strömlös hos bada kopplingsanordningarna 30 och 31. En del av det ljus som passerar laser- anordningen avleds i förgreningarna 33 och dämpas bort helt i de strömlösa laserdioderna 37. En förstärkt ljussignal P6 avges fran laseranordningen och mottagaren 24 avger signalen Ul svarande mot den inkommande ljussignalen Pl.

Vid laseranordningens ljusalstrande tillstànd omställes de bada optiska kopp- lingsanordningarna 30 och 31 med hjälp av en styrkrets 39, sa som visas i figur 6. Styrkretsen 39 avger signaler till drivkällorna 38 vilka avger en driv- ström Il till laserdioderna 37. Drivströmmen Il har sadan storlek att laser- dioderna 37 är i sitt transparenta tillstand och den andra anslutningen 34 hos kopplingsanordningarna 30 och 31 har optisk förbindelse med den första laser- dioden 1. De optiska reflekterande organen 36 avgränsar en kavitet innehållande den första lasedioden 1. Denna drives av drivströmmen I och avger ljusvagen P7, vilken förstärks i kaviteten pa det sätt som beskrivits i anslutning till figur 2.

Den efterhand förstärkta ljusvagen uppdelas i förgreningarna 33 och en ljus- vag P8 avges till varderalav de optiska fibrerna 17 och 18. 10 15 20 25 30 462 551 Ljusvagen P8 kan moduleras för att utgöra en informationsbärande signal.

Denna modulation kan utföras genom att modulatorn 25 omställes av styr- kretsen 39 och modulerar drivströmmenl fran den första drivkällan 19, sa som beskrivits i anslutning till figur 3. Modulatorn mottar signalen U2 och den avgivna, modulerade ljussignalen pa de optiska fibrerna 17 och 18 motsvarar signalen U2. Sa som ett alternativ kan ljusvagen P8 moduleras genom att drivströmmen Il till den andra laserdioden 37 moduleras hos endera eller företrädesvis bada kopplingsanordningarna 30 och 31. Vid modulationen av driv- strömmen Il växlar laserdioderna 37 mellan det transparenta och det icke transparenta tillståndet. Den första lasedioden 1 inkopplas härvid i respektive urkopplas ur kaviteten mellan de optiskt reflekterande organen 36. Driv- strömmenl överskrider den första laserdiodens 1 lasringströskel och laser- anordningen avger en ljuspuls da laserdioden är inkopplad i kaviteten.

Vid modulationen av laseranordningen i figur 6 har drivströmmen Il till laser- dioderna 37 enligt beskrivningen ovan endast haft sadan storlek att laser- dioderna är i sitt transparenta tillstand. Genom att öka drivströmmen Il till ett värde över lasringströskeln ökas förstärkningen i kaviteten.

Laseranordningen enligt figur 5 och 6 omfattar diskreta komponenter men kan liksom anordningen enligt figur 1, utföras i integrerad optik pa ett och samma substrat. Detta är ett fördelaktigt utförande för anordningen enligt fig 5 och 6 med tre laserdioder, vilka pa ett enkelt sätt kan framställas pa det gemen- samma underlaget. i Överföringsmediet har enligt utföringsexemplen varit optiska fibrer men kan utgöras av andra medier, exempelvis vaccum. Riktkopplarna 2 och 3 har i utföringsexemplen haft speglar 15 respektive 16 vid den andra anslutningen _13 respektive 14. Speglarna kan ersättas med halvgenomskinliga, reflekterande skikt eller utgöras endast av vagledarnas obehandlade ändytor vilka har en viss optisk reflektans.

Laseranordningen enligt uppfinningen har flera fördelar i förhållande till känd teknik. Anordningen är enkel och en och samma laserdiod utnyttjas för anordningens tre funktioner förstärkning, avkänning och sändning. Reflekterade optiska signaler fran laserdioden bakat längs den ingående kanalen undvikas och signaler kan sändas ut i önskad riktning eller i bada riktningarna samtidigt.

Claims (6)

10 'ID 462 35"; PATENTKRAV

1. l. Laseranordning för ett optiskt kommunikationssystem omfattande en första laserdiod med en optisk vågledare vars båda ändar har låg optisk reflektans, k ä n n e t e c k n a d därav att ändarna (5,8) hos laserdiodens (1) vågledare (4) är förbundna med en första anslutning (7,lÛ;32) hos varsin styrbar optisk kopplingsanorching (2,3;3D,3l), att de styrbara kopplingsanordningarna har var- sin andra anslutning (l3,14;34) för ett optiskt reflekterande organ (l5,l6;36) och varsin tredje anslutning (ll,l2;35) för en optisk kanal (l7,l8) i kommuni- kationssystemet och att de reflekterande organen (l5,l6;36) avgränsar en kavi- tet (l3,6,4,9,l4;34,6,4,9) innehållande den första laserdioden (l) då de styrbara kopplingsanordningarna (2,3;3U,3l) ansluter de reflekterande organen (l5,l6;36) till den första laserdiodens (l) vågledare (4).

2. Laseranordning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d därav att de styr- bara optiska kopplingsanordningarna (2,3) omfattar riktkopplare vilka har kopp- lade optiska vågledare och elektroder i ett kopplingsområde.

3. Laseranordüng enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d därav att de styr- bara optiska kopplingsanordningarna (30,3l) vardera omfattar en optisk våg- ledaranorching och en andra laserdiod (37), varvid den första (32) och den tredje (35) anslutningen hos den optiska kopplingsanordningen är förbundna med varandra av vågledaranorchingen via en gaffelformad förgrening (33), vilken är förbunden med den andra anslutningen (34) via den andra laserdioden (37).

4. Laseranorching enligt patentkrav 1,2 eller 3, varvid den första laserdioden har elektroder till vilka en drivkälla och en mottagare är anslutna för att genom en drivström förstärka och för att avkänna en första ljussignal som passerar den första laserdiodens vågledare k ä n n e t e c k n a d därav att styr- organ (22,23,26,28;38,39) är anslutna till de styrbara kopplingsanordningar- na (2,3;30,3l) för att omställa laseranordningen mellan ett mottagnings- och förstärkningstillstånd och ett ljusalstrande tillstànd, varvid vid mottagnings- och förstärkningstillståndet de styrbara kopplingsanordningarna (2,3;3Ü,3l) är inställda i sådana lägen att den tredje anslutningen (ll,l2;35) hos de styrbara kopplingsanordningarna är förbundna med varandra via den första laserdio- dens (l) vågledare(4) och att optisk förbindelse saknas mellan den första 10 462 351 10 laserdiodens (1) vågledare (4) och åtminstone ett av de reflekterande orga- nen (l5,l6;36), så att den nämnda första ljussignalen(Pl) som överföras av kommunikationssystemets optiska kanal (l7,18) kan avkännas (24,Ul) och för- stärkas (l9,l) i den första laserdioden (1) och varvid, vid det ljusalstrande tillståndet, de optiska kopplingsanordningarna (2,3;3U,3l) är inställda i sådana lägen att de dels anlsluter båda de reflekterande organen (l5,l6;36) till den första laserdiodens (1) vågledare (4), dels till den första laserdiodens (1) våg- ledare (4) ansluter den tredje anslutningen (l2;35) hos åtminstone den ena av den optiska kopplingsanordningarna, (3;3Û,3l), så att laseranordningen med hjälp av drivkâllan (19) kan utsända ljus till den optiska kanalen (18) via den tredje anslutningen (1255) hos åtminstone den ena av de optiska kopplings- anordningarna (3;3Û,3l).

5. Laseranordníng enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d därav att, vid laseranordningens ljusalstrande tillstånd, det utsända ljuset moduleras till en informationsbärande ljussignal (P4;P5) genom att drivströmmen (I) till den första laserdioden (1) moduleras av en till laserdioden ansluten modulator (25).

6. Laseranordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d därav att det ut- sända ljuset moduleras till en informationsbärande ljussignal (P5;P8) genom att styrorganen (22,23,26,28;38,39) påverkar de styrbara kopplingsanord- ningarna (2,3;3U,3l), vilka modulerar laseranordningen mellan sitt ljusut- sändande tillstånd och ett icke ljusutsändande tillstånd vid vilket den optiska förbindelsen mellan den första laserdioden (1) och åtminstone ett av de reflek- terande organen (l5;36) är avbruten. II (I