WO2004077675A2

WO2004077675A2 - Optoelektrischer phasenregelkreis zur rückgewinnung des taktsignals in einem optischen übertragungssystem

Info

Publication number: WO2004077675A2
Application number: PCT/DE2004/000340
Authority: WO
Inventors: Christof BÖRNER; Jörn BERGER; Carsten Schmidt-Langhorst
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2004-09-10
Also published as: WO2004077675A3; EP1597846A2; DE10310015A1; DE10310015B4; JP2006520134A; US20070166047A1

Abstract

Bekannte Phasenregelkreise zur einfachen Rückgewinnung des Taktsignals, beispielsweise in optischen Empfängern, Multiplexern mit Add-/Drop-Funktionen oder 3R-Regeneratoren, führen ein aus dem Datensignal und dem rückgeführten Taktsignal im Phasenkomparator überlagertes Vergleichssignal und das unveränderte Datensignal als weiteres Vergleichssignal einem Differenzverstärker zu, dessen Regelsignal dem Oszillator zur Einstellung des Taktsignals aufgeprägt wird. Die Stabilität der Taktrückgewinnung ist jedoch insbesondere bei sehr hohen Datentaktraten, beispielsweise 160 Gbit/s, unbefriedigend. Bei dem Phasenregelkreis (PLL) nach der Erfindung mit einer differenziellen Rückgewinnung des Taktsignals (TS) wird deshalb das ausgekoppelte Datensignal (DS) über ein Phasenverzögerungselement (DELAY) und dann ebenfalls auf den Phasenkomparator (PC) geleitet. Durch den Betrieb des Phasenkomparators (PC) mit den zueinander in ihrer Phasenverschiebung einstellbaren Vergleichssignalen (DCS, CCS) wird eine differenzielle Phasenauswertung ermöglicht. Dadurch ergibt sich ein Regelsignal (RS), dessen Arbeitspunkt unabhängig von der Leistung des Sendekanals immer mittig im Regelbereich liegt. In der differenziellen Taktrückgewinnung nach der Erfindung werden die Abhängigkeiten von Leistungsschwankungen, dem Signal-Rausch-Verhältnis, der Pulsform und dem übertragenen Bitmuster damit weitestgehend eliminiert. Die Langzeitstabilität der Taktrückgewinnung wird wesentlich verbessert.

Description

Anmelderin

Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Optoelektrischer Phasenregelkreis zur Rückgewinnung des Taktsignals in einem digitalen optischen Übertragungssystem.

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektrischen Phasenregelkreis zur empfangsseitigen Rückgewinnung des Taktsignals eines in einem digitalen optischen Übertragungssystem sendeseitig hochratig getakteten und übertragenen Datensignals mit Nullrückführung mit einem optisch schaltenden Phasenkomparator, einem elektronischen Differenzverstärker und einem spannungsgesteuerten Oszillator, wobei ein im Phasenkomparator aus dem Vergleich des Datensignals und dem rückgewonnenen Taktsignal generiertes Vergleichssignal zusammen mit einem auch aus dem Datensignal gewonnenen Auskopplungssignal über optoelektrische Wandler den beiden Eingängen des Differenzverstärkers und das am Ausgang des Differenzverstärkers gebildete elektrische Regelsignal über einen Tiefpassfilter dem Oszillator zugeleitet wird, dessen eingeregeltes Frequenzsignal als rückge- wonnenes Taktsignal ausgegeben wird.

Die empfangsseitige Rückgewinnung des Taktsignals (Taktrückgewinnung) in einem digitalen optischen Übertragungssystem ist eine wesentliche Funktion beispielsweise in optischen Empfängern, optischen Regeneratoren oder in zeitabhängigen Multiplexern mit Add-Drop-Funktionen, aber auch in Messsystemen mit beispielsweise einem Sampling-Oszilloskop. Das Ziel der Taktrückgewinnung besteht darin, auf der Empfängerseite einen zur Sendeseite möglichst frequenz- und phasengleichen Takt (oder ein ganzzahliges Vielfaches oder Anteile davon) des übertragenen Datensignals zu erzeugen, um nur das Datensignal übertragen zu müssen und beispielsweise einen Kanal für den Datentakt einzusparen. Dabei besteht das Problem, dass durch unterschiedliche Umgebungstemperaturen, Bauteilunterschiede und Alterungserscheinungen auf Sende- und Empfängerseite entstandene Frequenzabweichungen und Phasenunterschiede zu kompensieren sind und der zurückgewonnene Datentakt mit dem Datensignal in Phase zu halten ist. Zur Rückgewinnung des Taktsignals aus einem hochbitratigen Datensignal mit Nullrückführung (Return to Zero RZ), wie sie beispielsweise bei der Übertragung von optischen Datensignalen im Zeitmultiplex (Optical Time Division Multiplexing OTDM) auftreten, werden derzeit hauptsächlich zwei Entwicklungsrichtungen verfolgt. Zum einen kann zur Taktrückgewinnung eine direkte Einspeisung des Datensignals in einen optischen Oszillator (beispiels- weise mittels modengekoppeltem oder selbstpulsierendem Laser) erfolgen, zum anderen kann aber auch eine Einkopplung des empfangenen Datensignals in einen optoelektrischen Phasenregelkreis (Phased Locked Loop PLL) mit einem Phasenkomparator erfolgen. Der Phasenkomparator wird mit einem von einem spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator VCO) erzeugten Frequenzsignal (rückgewonnenes Taktsignal) elektrisch oder optisch angesteuert und vergleicht dieses mit dem empfangenen Datensignal. Der Phasenunterschied wird dann wiederum dem Oszillator als elektrisches Regelsignal zugeführt. Das Einrasten des Phasenregelkreises auf dem Taktsignal des empfangenen Datensignals gewährleistet eine möglichst stabile Taktrückgewinnung.

In einem Phasenregelkreis kann das Regelverhalten mit der Regelkurve (repräsentiert durch die Schaltfenster des Phasenkomparators) beschrieben werden. Im gerasteten Zustand ist der Phasenregelkreis bestrebt, einen Punkt auf der Regelkurve (den Arbeitspunkt) festzuhalten. Da für die Regelung des Phasenregelkreises ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen Phase und Regelsignal benötigt wird, bieten sich die Flanken des Schaltfensters als Regelbereich an. Sinnvollerweise wird der Arbeitspunkt in die Mitte des Regelbereichs gesetzt. Hierzu wird ein Gleichsignal von der Regelkurve abgezogen. In bekannten Phasenregelkreisen wird das abzuziehende Gleichsignal bestenfalls mit einem Abzweig vor dem Phasenkomparator aus dem Datensignal gewonnen. Auf diese Weise wird aber nur eine unbefriedigende Unabhängigkeit von Leistungsschwankungen erreicht. Nachteilig bei diesem Vorgehen ist, dass bei subharmonischer Taktrückgewinnung das Regelsignal nur aus einem periodisch wiederkehrenden Ausschnitt aus dem Datensignal gewonnen wird, während das abzuziehende Gleichsignal die Durchschnittsleistung des Datensignals repräsentiert. Leistungsschwankungen in einzelnen periodisch wiederkehrenden Ausschnitten des Datensignals (beispielsweise durch Veränderung des Bitmuster-Verhältnisses oder durch Instabilitäten im optischen ultiplexer) führen zur Verschiebung des Arbeitspunktes und damit zur Verschiebung der Phasenlage des rückgewonnenen Taktsignals. Weiterhin liegt der Arbeitspunkt in einem Bereich mit schlechterem Signal-zu-Rausch-Verhältnis als es sich ergeben würde, wenn der Arbeitspunkt in der Spitze des Schaltfensters läge.

Der gattungsgemäße Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der Veröffentlichung I von T. Yamamoto et al. „Clock recovery from 160 Gbit/s data Signals using phase-locked loop with interferometric optical switch based on semiconductor optical amplifier" (Electronics Letters, 2001 , Vol. 37, No. 8, pp. 509-510) beschrieben. Der dort offenbarte opto- elektrische Phasenregelkreis dient der subharmonischen Taktrückgewinnung eines Taktsignals von 10 GHz aus einem 160 Gbit/s umfassenden RZ- Datensignal. Letzteres wird einem Phasenkomparator in der SLALOM-Konfigu- ration (Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror SLALOM) zugeführt. Im Phasenkomparator wird das eingespeiste Datensignal mit dem rückgewonnenen Taktsignal verglichen und dadurch das Vergleichssignal gebildet. Dazu wird das Datensignal im Takt des subharmonischen Taktsignals durchgeschaltet und gesperrt. Außerdem wird bei dem bekannten Phasenregelkreis noch das hochratige Datensignal als Auskopplungssignal an dem Phasenkomparator vorbeigeführt. Vergleichssignal und Auskopplungssignal werden dann nach ihrer optoelektrischen Wandlung in langsamen Photodioden einem elektronischen Differenzverstärker zugeführt. Das dort gebildete elektrische Regelsignal wird über einen Tiefpassfilter dem spannungs- gesteuerten Oszillator zugeleitet. Durch dessen Einregelung mit dem Regelsignal wird das Taktsignal zurückgewonnen. Dieses wird elektrisch zur Verfügung gestellt und nach einer elektrisch-optischen Wandlung dem Phasenkomparator aufgeprägt. Dadurch erreicht die Taktrückgewinnung nicht die optimale Stabilität im gelockten Modus und zeigt einen nicht unerheblichen Zeitjitter der Phasenlage. Weiterhin wirken sich Leistungsschwankungen des übertragenen Datensignals, Schwankungen im Bitmuster und im Signal-zuRausch-Verhältnis problematisch aus.

Weiterhin ist es aus der Veröffentlichung II von D.T.K. Tong at al. „160 Gbit/s clock recovery using electroabsorption modular-based phase-locked loop"

(Electronics Letters, 2000, Vol. 36, No. 23, pp. 1951 bis 1952) bekannt, einen elektroabsorbierenden Modulator (Electroabsorption Modulator EAM) zur

Taktrückgewinnung als Vorteiler (Pre-Scaler) in einem Phasenregelkreis einzusetzen. Aufgrund ihrer geringen Polarisationsabhängigkeit, ihres guten Extinktionsverhältnisses, ihrer einfachen Handhabung und ihrer hohen

Integrationsfähigkeit sind elektroabsorbierende Modulatoren vielversprechende optische Bauelemente für die Verarbeitung von hochratigen optischen

Datensignalen. In der genannten Veröffentlichung II wird die serielle

Verknüpfung von zwei elektroabsorbierenden Modulatoren als Pre-Scaler zur Erreichung eines möglichst schmalen Schaltfensters beschrieben.

Ausgehend von dem nächstliegenden Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, einen gattungsgemäßen Phasenregelkreis der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass insbesondere aus hochratig getakteten Datensignalen eine präzise Rückgewinnung des Taktsignals mit einem möglichst geringen Zeitjitter der Phasenlage und damit eine optimale Einraststabilität des Phasenregelkreises erreicht wird. Dies soll für einen möglichst großen, weitgehend linearen Regelbereich und einen möglichst großen Dynamikbereich des Datensignals erzielt werden. Dabei sollen die im Phasenregelkreis verwendeten Komponenten möglichst einfach und damit kostengünstig, aber trotzdem weitgehend unempfindlich gegenüber störenden Schwankungen unterschiedlicher Art, insbesondere im übertragenen Datensignal, sein. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist für den gattungsgemäßen opto- elektrischen Phasenregelkreis, dessen optisches Vergleichssignal zusammen mit einem auch aus dem hochratig getakteten optischen Datensignal gewonnenen Auskopplungssignal einem Differenzverstärker zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungssignal vor dem oder einem weiteren Phasenkomparator über ein optisches Phasenverzögerungselement und dann durch den einen Phasenkomparator oder durch den weiteren Phasenkomparator geleitet und dort mit dem rückgewonnenen und -geführten Taktsignal überlagert wird und dass die beiden in dem oder den Phasenkomparatoren gebildeten, phasenverschobenen Vergleichssignale den beiden Eingängen des Differenzverstärkers zugeführt werden. Vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Die vorliegende Erfindung geht von dem grundlegenden Lösungsansatz aus, dass die oben genannten Nachteile umgangen werden können, wenn der Phasenregelkreis mit einem Signal geregelt wird, das der ersten Ableitung (Differenziation nach der Phase bzw. nach der Zeit) der Regelkurve entspricht. Die Spitze eines Schaltfensters wird dann zum Nulldurchgang der differenziellen Regelkurve. Wird der Arbeitspunkt in diesen Nulldurchgang gelegt, liegt dieser optimal mittig im neuen Regelbereich, unabhängig von der momentanen Leistung im jeweiligen Datenkanal. Statt einer echten mathematischen Differenziation lässt sich praktisch aber nur eine diskrete Differenziation (ohne Normierung) durchführen. Dies wird bei der Erfindung erreicht, indem nunmehr zwei in der Phase (bzw. zeitlich) zueinander verschobene Regelkurven erzeugt werden, die nach der Differenzbildung die differenzielle Regelkurve ergeben. Mit dem Phasenregelkreis nach der Erfindung kann somit auch aus sehr hohen Datensignalraten, beispielsweise 160 Gbit/s, das Taktsignal für eine weitere Signalverarbeitung stabil extrahiert werden. Niedrigere oder auch höhere Datenraten können mit dem Phasenregelkreis nach der Erfindung zum Teil durch Einfügung entsprechender dividierender oder multiplizierender Operatorelemente hinter dem spannungsgesteuerten Oszillator ebenfalls bearbeitet werden. Beim Übergang zu niedrigeren Datenraten ist vorteilhafterweise ein erneuter Abgleich des Phasenverzögerungsbauelements vor dem Phasen- komparator nicht erforderlich. Allerdings liegt das Hauptinteresse grundsätzlich auf hohen und ultrahohen Datensignalraten von 160 Gbit/s und mehr. Aus diesen ist das Taktsignal mit den bekannten Phasenregelkreisen schwerer zu extrahieren, da kürzere Schaltfenster benötigt werden. Diese führen aber in der Regel zu einem geringeren Schaltkontrast und damit zu einem schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Bei der Erfindung werden diese Nachteile auch bei sehr hohen Datenraten weitgehend kompensiert, es wird eine hohe Einraststabilität bei einfacher Abgleichsmöglichkeit und Handhabung erreicht. Weitere vorteilhafte Leistungsmerkmale der beanspruchten Schaltungsanordnung, die zur Lösung der gestellten Aufgabe beitragen, werden im Einzelnen im speziellen Beschreibungsteil anhand von entsprechenden Diagrammen näher erläutert.

Wesentlich für die Erfindung ist die Erzeugung von zwei phasenverschobenen Vergleichssignalen (Phasenkurven). Dabei ist die Phasenverzögerung zwischen den beiden Phasenkurven hinsichtlich der Stabilität des Phasenregelkreises zu optimieren. Je kürzer die Verzögerung der beiden Phasenkurven zueinander ist, desto mehr entspricht die (diskret) differenzierte Phasenkurve einer echten Differenziation. Es ist dann sichergestellt, dass der Phasenregelkreis im Schaltfenstermaximum bei einem guten Signal-zu- Rausch-Verhältnis regelt. Aufgrund der fehlenden Normierung (Teilung durch Δt) ist das gewonnene differenzielle Regelsignal jedoch relativ schwach. Dieser Umstand kann aber durch eine elektrische Nachverstärkung ausgeglichen werden. Entspricht die Verzögerung der halben Datensignalperiode, ist die Amplitude des differenziellen Regelsignals maximal. Dann ist jedoch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis nicht optimal. Desweiteren führt eine derartige Verzögerung zu einem nichtlinearen Regelbereich in der differenziellen Regelkurve, wenn das Schaltfenster kürzer als die halbe Datensignalperiode ist. Die optimale Verzögerung ist abhängig von der Datensignalrate und der Breite des Schaltfensters, die wiederum vom eingesetzten Phasenkomparator und dessen Ansteuerung abhängt. Ist eine gute Verzögerung für die höchste Datensignalrate gefunden, funktioniert die Taktrückgewinnung bei niedrigeren Datensignalraten genauso gut oder besser, ohne dass die Verzögerung geändert werden muss. Bezüglich der mit dem Phasenregelkreis nach der Erfindung bearbeitbaren höchsten Datensignalrate liegt die optimale Verzögerung im Bereich von etwa 1/6 bis 1/2 der Datensignalperiode, vorausgesetzt das Schaltfenster ist nicht kürzer als die Verzögerung.

Die Erzeugung der beiden Vergleichssignale kann bei der Erfindung auf unterschiedliche Arten erfolgen. Dabei kann grundsätzlich von zwei physikalisch verschiedenen Wegen oder von einem gemeinsamen Weg für die beiden Signale ausgegangen werden. Die einfachste, aber von den verwendeten Bauteilen her relativ aufwändige Lösung ist die Verwendung von zwei getrennten Phasenkomparatoren, wobei das Phasenverzögerungselement in die Zuleitung zu einem der beiden Phasenkomparatoren integriert ist (Erzeugung der zeitlichen Phasenverschiebung im Datensignal- oder Auskopplungssignalpfad). Eleganter und kostengünstiger ist die Verwendung von einem gemeinsamen Phasenkomparator, der der Erzeugung beider Vergleichssignale dient. Bei einem bidirektionalen Durchgang der beiden Vergleichssignale durch den Phasenkomparator entspricht dies auch einer Aufteilung des Datensignals auf zwei (physikalische) Pfade und Verzögerung des einen Pfades (unterschiedlich lange optische Wege). Bei einem unidirektionalen Durchgang durch den Phasenkomparator werden die beiden aufgeteilten Datensignale vor der Verzögerung zunächst durch eine unterschiedliche Polarisation (zwei unabhängige, senkrecht zueinander stehende Polarisationsebenen) von einander unterschieden. Nach dem Durchgang durch den Phasenkomparator erfolgt die Detektion ihrer Unterscheidung dann durch einen Polarisationsstrahlteiler. Die Verzögerung kann im unidirektionalen Betrieb beispielsweise mittels einer doppel- brechenden Faser oder zwei Polarisationsstrahlteiler bzw. -vereiniger mit je einer optischen Verbindung für jede Polarisationsrichtung und einer optischen Verzögerung in einem Verbindungspfad hervorgerufen werden. Zur Bereitstellung der zwei auf dem empfangenen Datensignal beruhenden Signale am Eingang des Phasenregelkreises kann gemäß einer Erfindungs- ausgestaltung vorteilhaft das Auskopplungssignal über einen optischen Koppler, insbesondere einen 3dB-Koppler, aus dem Datensignal gewonnen werden. Durch die Verwendung des 3dB-Kopplers ist eine gleichmäßige Aufteilung der Signalleistung auf beide Signalpfade gewährleistet. Die Leistungsminderung pro Signalpfad kann durch entsprechende Verstärkungs- bauelemenle im Phasenregelkreis kompensiert werden. Dadurch können auch andere Leistungsverteilungen zwischen den beiden Vergleichssignalen vorgenommen werden, allerdings nur soweit, wie ein Ausgleich noch möglich und sinnvoll ist.

Wesentliches Element des besonders stabilen Phasenregelkreises nach der Erfindung ist der bevorzugt eine implementierte Phasenkomparator, der bidirektional oder unidirektional betrieben und in unterschiedlichen Ausführungsformen gestaltet sein kann. Allgemein ist es beispielsweise möglich, einen halbleitenden optischen Verstärker (SOA), einen asymme- trischen Demultiplexer im THz-Bereich (TOAD), ein symmetrisches Mach- Zehnder-Interferometer (SMZI), ein ultraschnelles nichtlineares Interferometer (UNI) oder einen nichtlinearen optischen Faserschleifenspiegel (NOLM) als Phasenkomparator zu verwenden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Phasenregelkreises nach der Erfindung ist es aber besonders vorteilhaft, wenn der Phasenkomparator als elektrisch angesteuerter elektroabsorbierender Modulator ausgebildet ist. Dadurch können die weiter oben bereits zum elektroabsorbierenden Modulator als ultraschnellem Schalter erläuterten Vorteile in die Erfindung miteinbezogen werden. Die Signaleinkopplung kann über einen Zirkulator (unidirektionaler Betrieb) oder zwei Zirkulatoren (bidirektionaler Betrieb) erfolgen. Weiterhin können gemäß einer Erfindungsausgestaltung anstelle der Zirkulatoren 3dB-Koppler eingesetzt sein. Dann ist eine Integration des Phasen regelkreises in einen planaren Hybridaufbau einer optisch-integrierten Schaltung möglich.

Aus der Veröffentlichung IM von I.D. Phillips et al.: „Simultaneous demultiplexing and clock recovery using a Single electroabsorption modulator in a novel bi-directional configuration" (Optics Communications 150 (1998) pp 101 -105) ist für eine Taktrückgewinnung zwar ein optoelektrischer Phasenregelkreis bekannt, der einen bidirektional mit zwei Signalen beaufschlagten elektroabsorbierenden Modulator mit einer hochfrequenten elektrischen Ansteuerung aufweist. Die Auswertung der beiden Vergleichssignale des Phasenregelkreises erfolgt jedoch nicht durch Differenzbildung. Es führen also Musterveränderungen, insbesondere eine Veränderung des Anzahlverhältnisses der übertragenen Null-Bits und Eins-Bits, Leistungsschwankungen und Änderungen des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses im übertragenen Datensignal direkt zu einer unerwünschten Verschiebung der Phase des rückgewonnenen Taktsignals zum Datenstrom. Weiterhin ist aus der Veröffentlichung IV von E.S. Awad at al.: „All-optical timing extraction with simultaneous Optical demultiplexing using time-dependent loss Saturation in Electro-Absorption Modulator" (CLEO 2002, Long Beach, Paper CPDB 9-1) bekannt, für eine Taktrückgewinnung einen bidirektional mit zwei Signalen, dem Datensignal und dem rückgewonnenen und -geführten Taktsignal, beaufschlagten elektroabsorbierenden Modulator in einem Phasenregelkreis vorzusehen, der aber optisch (und nicht elektrisch hochfrequent) angesteuert wird. Dadurch wird jedoch eine hohe Eingangsleistung des Datensignals erforderlich. Bei der optischen Ansteuerung erzeugt ein starker Puls im elektroabsorbierenden Modulator eine schnelle Erhöhung der Transmission, es folgt dann aber eine wesentlich langsamere Erholzeit. Gerade die lange Erholdauer bewirkt jedoch, dass die Schaltfenster (vgl. Abb. 2b ebenda) sehr breit werden (dort über 20 ps). Dadurch wird ein Einsatz der Taktrückgewinnung bei hohen Datenraten sehr schwierig. Mit einer elektrischen Ansteuerung des Phasenkomparators mit einem hochfrequenten Taktsignal, beispielsweise einem RF-Signal, wie sie bei dem Phasenregelkreis zur Taktrückgewinnung nach der Erfindung vorgesehen ist, sind dagegen wesentlich schmalere Schaltfenster erzeugbar, sodass wesentlich höhere Datenraten bearbeitet werden können. In dem bekannten elektroabsorbierenden Modulator erfolgt zwar auch eine gegenseitige Beeinflussung von Daten- und Regeltaktsignalen, die Reaktion auf Leistungsschwankungen im empfangenen Datensignal ist jedoch wesentlicher empfindlicher. Insbesondere bei Veränderungen des Signal-zu-Rausch- Verhältnisses im Datensignal kommt es zu einer ungewollten Phasenverschiebung des rückgewonnenen Taktsignals. Außerdem wird kein weiteres, auf dem Datensignal beruhendes und nicht rückgeführtes Signal zusätzlich durch den Phasenkomparator geleitet.

Bei der Ausgestaltung des optischen Phasenkomparators ist es gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung auch möglich, dass der Phasenkomparator als interferometrischer Schalter mit einer SLALOM-Konfiguration (Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror SLALOM) ausgebildet ist. Die Verwendung anderer interferometrischer Schalter, beispielsweise eines Mach- Zehnder-Interferometers, als Phasenkomparator ist ebenfalls möglich. Eine SLALOM-Konfiguration ist prinzipiell aus der bereits weiter oben gewürdigten Veröffentlichung I zur Taktrückgewinnung mit einem gattungsgemäßen Phasenregelkreis bekannt Das Taktsignal des spannungsgesteuerten Oszillators wird mittels einer sogenannten „balanced detection" gewonnen, indem eine gewichtete Differenz der optischen Leistungen vor und hinter dem optischen Schalter gebildet wird. Dadurch wird Schwankungen in der durchschnittlichen Leistung des Datensignals entgegengewirkt, jedoch ist eine Musterabhängigkeit immanent. Die Arbeitspunkteinstellung des Phasenregelkreises erfolgt so, dass auf einer Schaltfensterflanke geregelt wird. Die Erhöhung der Daten rate führt bei dieser bekannten Taktrückgewinnung somit zur Abnahme des Schaltfensterkontrasts und damit zur Verminderung der Stabilität der Taktrück- gewinnung. So ist aus eigenen Versuchen der Anmelderin bekannt, dass der Haltebereich des bekannten Aufbaus bei einer Datenrate von 160 Gbit/s derart gering ist, dass ein Einrasten des Phasenregelkreises nur für kurze Dauer gelingt, dieser somit relativ instabil ist.

Das Regelverhalten des Phasenregelkreises lässt sich entscheidend dadurch verbessern, dass bei der bevorzugten Realisierung mit einer SLALOM- Konfiguration nach der Erfindung aus dem Datenstrom vom Phasen regelkreis zwei Vergleichssignale generiert werden, die senkrecht zueinander polarisiert und deren Phasen in geeigneter Weise zueinander verschoben sind. Diese Anordnung eignet sich auch für nicht-interferometrische optische Schalter. Vorteilhafterweise kann das dem optischen Schalter vorgeschaltete Phasenverzögerungselement eine doppelbrechende Lichtleitfaser sein, weil bei geeigneter Einstellung der Polarisation vor dieser Faser (45° zu den Hauptachsen der doppelbrechende Lichtleitfaser) eine Aufteilung des Datensignals in zwei senkrecht zueinander polarisierte und phasenverschobene Daten- bzw. Auskoppelsignale erfolgt. Die Größe der Phasenverschiebung wird bei gegebener doppelbrechender Faser durch ihre Länge bestimmt. Nach der Differenzbildung beider Vergleichssignale ergibt sich im Vergleich zur bisherigen Methode damit ein etwa doppelt so starkes Regelsignal. Es ergeben sich weiterhin in Abhängigkeit von der eingestellten Verzögerung - Differential Group Delay DGD - eine Vergrößerung des Fang- und Haltebereichs des Phasenregelkreises, eine besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und eine weitgehende Unabhängigkeit vom auftretenden Bitmuster. Intensitätsschwan- kungen innerhalb des empfangenen Datensignals und zwischen den Datensignalen verschiedener Kanäle haben ebenfalls nur einen geringen Einfluss auf die Stabilität der Taktrückgewinnung. Das Eingangs-Datensignal kann über mehr als 6 dB variiert werden, ohne dass der Phasenregelkreis ausrastet. Gegenüber dem weitgehend polarisationsunabhängigen Phasen- regelkreis mit einem elektroabsorbierenden Modulator ist bei dem Phasenregelkreis mit einem interferometrischen Schalter jedoch auf die Datenpolarisation zu achten. Da die SLALOM-Konfiguration aber relativ un- empfindlich gegen Intensitätsschwankungen ist, können kommerzielle Polarisationscontroller eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um ein Stellelement, mit die Phaseverschiebung definiert eingestellt und damit kontrolliert werden kann.

Allgemein kann der Phasenregelkreis nach der Erfindung noch vorteilhaft verbessert werden, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung die Wandler zur optoelektrischen Wandlung der beiden Ausgangssignale des Phasenregelkreises langsame Photodioden sind. Hierbei handelt es sich um preiswerte, handelsübliche Komponenten, die zur Kostengünstigkeit der beanspruchten Schaltungsanordnung beitragen. Eine geringe Detektions- bandbreite ist bereits je nach Anordnung ausreichend. Daneben kann nach einer anderen Erfindungsausgestaltung der Wandler zur elektrooptischen Wandlung des Taktsignals vorteilhaft von einem einstellbaren, moden- gelockten Laser (Tunable Mode-Locked Laser TMLL) und einem Faserverstärker (Fiber Amplifier FA, auch Erbium-dotiert EDFA) gebildet sein. Ein solcher elektrooptischer Wandler ist beispielsweise auch aus der bereits gewürdigten Veröffentlichung I bekannt und ermöglicht eine gute und stabile Wandlung auch bei hohen Taktraten

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren und Diagrame beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt :

Figur 1 einen allgemeinen Phasenregelkreis nach der Erfindung,

Figur 2 einen Phasenregelkreis nach der Erfindung mit einem EAM,

Figur 3 ein Signaldiagramm zum Phasenregelkreis mit EAM,

Figur 4 ein Augendiagramm und das rückgewonnene Taktsignal nach elektro-optischer Wandlung im Phasenregelkreis mit EAM, Figur 5 ein Bitfehlerdiagramm zum Phasenregelkreis mit EAM, Figur 6 einen Phasenregelkreis nach der Erfindung mit einem inter- ferometrischen Schalter in SLALOM-Konfiguration , Figur 7 ein Signaldiagramm zum Phasen regelkreis mit SLALOM und

Figur 8 einen Vergleich des Phasenregelkreises mit EAM mit dem Stand der Technik.

Die Figur 1 zeigt schematisch einen optoelektrischen Phasenregelkreis PLL, mit dem auf der Empfangsseite eines digitalen optischen Übertragungssystems das Taktsignal TS eines sendeseitig im Zeitmultiplex (OTDM) hoch- ratig getakteten Datensignals DS mit einer Nullrückführung (RZ) der einzelnen Datenpulse stabil zurückgewonnen werden kann. Optische Signalpfade sind ausgezogen, elektrische strichliert dargestellt. Zur Taktrückgewinnung wird zunächst aus dem empfangenen Datensignal DS über einen optischen Auskoppler OC ein Auskopplungssignal CS generiert. Dieses wird dann über ein Phasenverzögerungselement DELAY geleitet und dadurch in seiner Phase gegenüber dem Datensignal DS zeitlich verschoben. Eine alternative Führung des Datensignals DS über das Phasenverzögerungselement DELAY ist auch möglich, da es nur auf die relative Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen DS, CS ankommt. Durch die Größe der eingestellten Phasenver- Schiebung, bevorzugt zwischen 1/6 und 1/2 der Datensignalperiode, können die Höhe und die Form des Schaltfensters beeinflusst werden. Sowohl das Datensignal DS als auch das Auskopplungssignal CS werden einem Phasenkomparator PC gleich- oder gegenläufig zugeführt. Alternativ kann jedes Signal einem eigenen Phasenkomparator zugeführt werden. Die im Phasenkomparator PC durch Vergleich mit dem rückgewonnenen Taktsignal TS gebildeten optischen Vergleichsignale DCS und CCS werden optoelektrischen Wandlern OEM, zugeführt und in elektrische Signale umgewandelt. Diese werden auf die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers DA gegeben. An dessen Ausgang steht dann das gebildete Regelsignal RS an. Dieses wird über ein Tiefpassfilter LPF an einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO weitergeleitet, der das rückgewonnene Taktsignal TS (elektrisch oder optisch gewandelt) bereitstellt. Damit ist der Phasen regelkreis PLL geschlossen. Über ein Operatorelement OP kann das rückgewonnene Taktsignal TS noch multipliziert oder dividiert werden, um es an das Datensignal DS optimal anzupassen.

In der Figur 2 ist eine Ausbildung des Phasenkomparators PC als elektroabsorbierender Modulator EAM dargestellt (gleiche, hier nicht erwähnte Bezugszeichen sind der Figur 1 zu entnehmen). Das Datensignal DS und das Auskopplungssignal CS werden über Zirkulatoren Cl dem elektroabsorbie- renden Modulator EAM gegenläufig zugeführt, durchlaufen diesen bidirektional und verlassen den elektroabsorbierenden Modulator EAM über jeweils den anderen Zirkulator Cl wieder. Im ultraschnellen, elektroabsorbierenden Modulator EAM werden die eingegebenen Signale DS, CS mit dem rückgeführten Taktsignal TS korreliert und jeweils die Differenzfrequenzen gebildet. Der optische Auskoppler OC ist als 3dB-Auskoppler ausgebildet, der die Signalleistung gleichmäßig aufteilt. Die optoelektrischen Wandler OEM sind im gewählten Ausführungsbeispiel als langsame Photodioden PD (beispielsweise 100 MHz Bandbreite) ausgebildet. Das Tiefpassfilter LPF hat beispielsweise eine 50 kHz Bandbreite.

Das Diagramm gemäß Figur 3 zeigt im oberen Teil die geschalteten Ausgangsleistungen (Amplitude [Volt]) des elektroabsorbierenden Modulators EAM über der relativen Phase. Dies sind die Vergleichssignale in beiden Richtungen für ein hochfrequentes Taktsignal von 40 GHz (RF-Signal). Aufgrund des Phasenverzögerungselement DELAY in einem der beiden Signalpfade vor dem elektroabsorbierenden Modulator EAM sind die beiden Vergleichssignale DCS, CCS einstellbar phasenverschoben. Dadurch kann die Stabilität und die Form des Regelsignals RS des Differenzverstärkers DA (Schaltfenster) festgelegt werden. Die optimale Verzögerung ist abhängig von der Datenrate des empfangenen Datensignals DS. Experimente haben aber gezeigt, dass bei einer Einjustierung der Verzögerung auf eine Datenrate von 160 Gbit/s ein stabiler Einrastmodus auch bei 40 Gbit/s und 80 Gbit/s erreicht werden konnte, ohne dass die Verzögerung nachjustiert werden müsste. Im unteren Teil des Diagramms ist das ausgegebene Regelsignal RS des Differenzverstärkers DA dargestellt. Es zeigt sich ein vorteilhaft großer linearer Kurvenabschnitt als optimaler Arbeitsbereich des spannungsgesteuerten Oszillators VCO. In der Figur 4 ist das RZ-Augendiagramm (Amplitude über Zeit) des Datensignals mit 160 Gbit/s und des rückgewonnenen Taktsignals von 10 GHz dargestellt. Gemessen wurde mit einem elektrischen Sampling-Oszilloskop mit 50 GHz Bandbreite und einer Triggerung mit dem 10 GHz-Signal des Senders. Kanalsprünge traten für mehrere Stunden nicht auf. Ein Zeitjitter von nur 120 fs oder weniger konnte beobachtet werden. Die Bitfehlerraten des mit dem 10 GHz-Signal des Senders (Kreise, transmitter clock) und alternativ mit dem rückgewonnenen Taktsignal (Dreieclce, recovered clock) gesteuerten Empfängers sind in dem Diagramm gemäß Figur 5 dargestellt (Bitfehlerrate BER negativ logarithmisch über der Eingangsleistung des Empfängers - receiver input power in dBm). Ein gute Übereinstimmung der beiden Kurven ist zu erkennen. Durch die Taktrückgewinnung nach der Erfindung wird somit keine empfangsseitige Verschlechterung hervorgerufen.

In der Figur 6 ist eine Ausgestaltung des Phasenkomparators PC in der Phasenregelschleife PLL nach der Erfindung in der Ausbildung eines schnellen interfβrometrischen Schalters IS mit einer SLALOM-Konfiguration gezeigt. Die optischen Signalpfade sind wiederum durchgehend, die elektrisch strichliert dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird das Auskopplungssignal CS mittels einer doppelbrechenden Lichtleitfaser DL gewonnen. Das erzeugte Auskoppelsignal CS ist senkrecht zum Datensignal DS polarisiert. Gleichzeitig fungiert die doppelbrechende Lichtleitfaser DL dabei als Phasenverzögerungselement DELAY Beide Signale DS, CS werden gleichläufig, aber phasenverschoben in den Phasenkomparator PC eingekoppelt und dort mit dem rückgeführten optischen Taktsignal OTS korreliert. Es werden Vergleichssignale DCS, CCS gebildet. Diese werden über ein Bandpassfilter BPF zum Ausfiltern der optischen Taktsignale einem Polarisationsstrahlteiler PBD zugeführt, der die Vergleichssignale DCS, CCS optisch trennt und dem Differenzverstärker DA über optoelektrische Wandler OEM (hier Photodioden PD) zugeführt. Ein Polarisationssteiler PCO dient der Einstellung der Intensität der Signale DS und CS und der Polarisation der beiden Vergleichssignale DCS und CCS. Das elektrische Regelsignal RS des Differenzverstärkers DA wird dann in bekannter Weise über einen Tiefpassfilter LPF dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO zugeführt. Dieser gibt das rückgewonnene Taktsignal TS einerseits elektrisch aus, führt es aber auch über einen elektrooptischen Wandler EOM und einen weiteren Bandpassfilter BPF als hochfrequentes optisches Taktsignal OTS dem Phasenkomparator PC zu, sodass die Phasenregelschleife PLL geschlossen ist. Im gewählten Ausführungsbeispiel wird der elektrooptische Wandler EOM von einem einstellbaren, ultraschnellen modengelockten Laser TMLL gebildet, an den sich ein Faserverstärker FÄ anschließt. Die Wirkungsweise des interfero- metrischen Schalters IS ist analog zu der des elektroabsorbierenden Modulators EAM gemäß Figur 2. Dieser wird jedoch hochfrequent elektrisch angesteuert, der interferometrisehe Schalter IS wird hochfrequent optisch angesteuert. In beiden Fällen aber werden zwei Vergleichssignale DCS, CCS gebildet, in die jeweils das rückgewonnene Taktsignal TS eingeht, und beide Vergleichssignale DCS, CCS dem Differenzverstärker DA zugeführt. Beide Ausführungsformen erreichen durch die angenäherte Differenziation einen besonders stabilen Einrastbetrieb des Phasenregelkreises PLL mit einem großen linearen Arbeitsbereich. Eine vergleichbare Qualität wie in Figur 5 (BER) wurde gezeigt.

In der Figur 7 ist das Signaldiagramm des Phasenregelkreises PLL mit einem Phasenkomparator PC in SLALOM-Konfiguration gezeigt. Im Diagramm sind unten die Schaltfenster (die Ausrichtung der Schaltfenster ist gegenüber der Darstellung in Figur 3 invertiert) und oben das resultierende Regelsignal RS gezeigt. Die mit dem interferometrischen Schalter gewonnenen Schaltfenster sind zeitlich kürzer als die in Figur 3 gezeigten des elektroabsorbierenden Modulators EAM. Die liegt in erster Linie an der unterschiedlichen Ansteuerung der beiden Schaltelemente. Prinzipiell ist es möglich mit dem elektroabsorbierenden Modulators EAM ebenso kurze Schaltfenster zu erzeugen wie mit dem interferometrischen Schalter. Die Nutzung kurzer Schaltfenster ist insbesondere bei hohen Datenraten notwendig. Die Stärke des Regelsignals RS ist bei gegebener Datenrate abhängig von der zeitlichen Verschiebung der beiden Vergleichssignale DCS, CCS. Das Regelsignal RS wird bei einer Verschiebung um die halbe Datenperiode maximal (doppelt so stark wie bislang). Dies entspricht im Schaltfensterbetrieb gegenphasigen Schaltfenstern. Die Phase der beiden Vergleichssignale DCS, CCS ist dann derart verschoben, dass sie der Abtastung der gegenüberliegenden Flanken eines Schaltfensters entsprechen. In dieser Einstellung ist der Fang- und Haltebereich des Phasenregelkreises PLL am größten.

Durch den mit zwei zueinander phasenverschobenen Signalen erfolgenden Betrieb des Phasenkomparators PC wird eine differenzielle Phasenauswertung ermöglicht. Die Wirkungsweise wird anhand des Diagramm in der Figur 8 exemplarisch für ein aus dem Stand der Technik bekanntes, einfaches (links) und ein differenzielles Schema nach der Erfindung (rechts) erläutert. Oben im Diagramm sind Schaltfenster dargestellt, die mit den Photodetektoren PD der Elektronik der Taktrückgewinnung aufgenommen wurden, unten wird das weiterverarbeitete Signal gezeigt, das zur Regelung des spannungsgesteuerten Oszillators VCO verwendet wird. Die Schaltfenster werden ge- messen, indem der Phasenkomparator PC (hier elektroabsorbierender Modulator EAM) elektrisch mit einer Frequenz angesteuert wird, die leicht verschoben zur Frequenz des optischen Datensignals DS ist. Das resultierende Vergleichssignal DCS bzw. CCS repetiert mit der Differenzfrequenz und die Abszisse skaliert mit der Phasendifferenz der am elektroabsorbierender Modulator EAM eingehenden Signale DS und TS bzw. CS und TS. Bei der einfachen Taktrückgewinnung nach dem Stand der Technik wird der Arbeitspunkt durch eine Gleichspannung festgelegt, die aus der durchschnittlichen Leistung des optischen Datensignals DS gewonnen wird. Der Regelbereich des spannungsgesteuerten Oszillators VCO wird durch die Schaltfensterflanke repräsentiert. Verändert sich die Leistung in einem Datenkanal (beispielsweise bei OTDM), hat dies eine Verschiebung der Phase des rückgewonnenen Taktsignals TS zur Folge. Auch liegt der Arbeitpunkt dann nicht mehr mittig im Regelbereich, sodass der Phasenregelkreis leichter ausrastet. Bei der differenziellen Taktrückgewinnung nach der Erfindung werden hingegen zwei zeitlich verschobene Schaltfenster generiert. Durch Differenzbildung ergibt sich damit ein Regelsignal RS, dessen Arbeitspunkt unabhängig von der Leistung des Datenkanals immer mittig im Regelbereich liegt. Die Größe des Regelbereichs lässt sich mit Hilfe der eingestellten optischen Verzögerung im Phasenverzögerungselement DELAY zwischen den beiden Signalen DS, CS optimieren. In der differenziellen Taktrückgewinnung nach der Erfindung werden die Abhängigkeiten von Leistungsschwankungen, dem Signal-Rausch-Verhältnis, der Pulsform und dem übertragenen Bitmuster damit weitestgehend eliminiert. Messungen ergaben, dass sich die Langzeitstabilität der Taktrückgewinnung wesentlich verbessert hat.

Bezugszeichenliste

BER Bitfehlerrate

BPF Bandpassfilter

CCS Vergleichssignal auf Basis vom CS

CS Auskopplungssignal

Cl Zirkulator

DA Differenzverstärker

DCS Vergleichssignal auf Basis vom DS

DELAY Phasenverzögerungselement DGD Differential Group Delay

DL doppelbrechende Lichtleitfaser

DS Datensignal

EAM elektroabsorbierender Modulator

EOM elektrooptischer Wandler

FA Faserverstärker

IS interferometrischer Schalter

LPF Tiefpassfilter

OC optischer Auskoppler

OEM optoelektrischer Wandler

OP Operatorelement (Multiplizierer oder Dividierer)

OTDM optischer Zeitmultiplex oτs optisches Taktsignal

PBD Polarisationsstrahlteiler C Phasenkomparator

PCO Polarisationssteiler

PD Photodiode

PLL optoelektrischer Phasenregelkreis

RF hochfrequentes Signal (Radio Frequency)

RS Regelsignal

RZ Nullrückführung (Return-to-Zero)

SLALOM Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror (IS-Konfig.)

TMLL einstellbarer modengelockter Laser (Tun. Mode-Locked-Laser)

TS Taktsignal

VCO spannungsgesteuerter Oszillator

Claims

Patentansprüche

1. Optoelektrischer Phasenregelkreis zur empfangsseitigen Rückgewinnung des Taktsignals eines in einem digitalen optischen Übertragungssystem sendeseitig hochratig getakteten und übertragenen Datensignals mit Nullrückführung mit einem optisch schaltenden Phasenkomparator, einem elektronischen Differenzverstärker und einem spannungsgesteuerten Oszillator, wobei ein im Phasenkomparator aus dem Vergleich des Datensignals und dem rückgewonnenen Taktsignal generiertes Vergleichssignal zusammen mit einem auch aus dem Datensignal gewonnenen Auskopplungssignal über optoelektrische Wandler den beiden Eingängen des Differenzverstärkers und das am Ausgang des Differenzverstärkers gebildete elektrische Regelsignal über einen Tiefpassfilter dem Oszillator zugeleitet wird, dessen eingeregeltes Frequenzsignal als rückgewonnenes Taktsignal ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungssignal (CS) vor dem oder einem weiteren Phasenkomparator (PC) über ein optisches Phasenverzögerungselement (DELAY) und dann durch den einen Phasenkomparator (PC) oder durch den weiteren Phasen- komparator geleitet und dort mit dem rückgewonnenen und -geführten Taktsignal (TS) überlagert wird und dass die beiden in dem oder den Phasenkomparatoren (PC) gebildeten, phasenverschobenen Vergleichssignale (DCS, CCS) den beiden Eingängen des Differenzverstärkers (DA) zugeführt werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverzögerungselement (DELAY) als polarisationsunabhängiges

Bauelement mit zwei unterschiedlich langen optischen Weglängen oder als polarisationsabhängiges Bauelement mit einer doppelbrechenden Lichtleitfaser

(DL) oder einem Polarisationsstrahlteiler und einem -vereiniger mit je einer optischen Verbindung für jede Polarisationsrichtung und einer optischen Verzögerung in einem Verbindungspfad ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenverzögerungselement (DELAY) eine zeitliche Phasenverschiebung zwischen den beiden Vergleichssignalen (DCS, CCS) von 1/6 bis 1/2 der Periode des Datensignals (DS) erzeugt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem gemeinsamen Phasenkomparator (PC) dieser mit gegenläufigen, polarisationsunabhängigen Vergleichssignalen (DCS, CCS) bidirektional oder mit gleichläufigen, unterschiedlich polarisierten Vergleichsignalen (DCS, CCS) unidirektional betrieben wird, wobei die gleichläufigen Vergleichsignale (DCS, CCS) durch einen Polarisationsstrahlteiler (PBD) hinter dem Phasenkomparator (PC) optisch getrennt werden.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungssignal (CS) über einen optischen Koppler (OC), insbesondere einen 3dB-Koppler, aus dem Datensignal (DS) gewonnen wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenkomparator (PC) als elektrisch angesteuerter, elektroabsorbierender Modulator (EAM) ausgebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleinkopplung in den elektroabsorbierenden Modulator (EAM) über oinen oder zwei Zirkulatoren (Cl) oder 3dB-Koppler erfolgt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektroabsorbierende Modulator (EAM) mit einem RF-Signal elektrisch angesteuert wird.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenkomparator (PC) als interferometrischer Schalter (IS) mit einer

SLALOM-Konfiguration ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektrischen Wandler (OEM) als langsame Photodioden (PD) und der elektrooptische Wandler (EOM) als einstellbarer, modengelockter Laser (TMML) ausgebildet sind.