WO2007016922A1 - Verfahren und vorrichtung zur rein-optischen regeneration phasenmodulierter optischer signale in bezug auf pulsform, pulshöhe, takt und phase - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur rein-optischen regeneration phasenmodulierter optischer signale in bezug auf pulsform, pulshöhe, takt und phase Download PDF

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WO2007016922A1
WO2007016922A1 PCT/DE2006/001409 DE2006001409W WO2007016922A1 WO 2007016922 A1 WO2007016922 A1 WO 2007016922A1 DE 2006001409 W DE2006001409 W DE 2006001409W WO 2007016922 A1 WO2007016922 A1 WO 2007016922A1
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phase
amplitude
signal
modulated
interferometer
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PCT/DE2006/001409
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Christian-Alexander Bunge
Klaus Petermann
Allessandro Marques De Melo
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Technische Universität Berlin
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/29—Repeaters
    • H04B10/291—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form
    • H04B10/299—Signal waveform processing, e.g. reshaping or retiming

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for purely optical regeneration phase-modulated optical signals with respect to pulse shape, pulse height, clock and phase.
  • the invention relates to 3R regeneration of DPSK (Differential Phase Shift Keying) modulated signals in optical communication systems.
  • DPSK Different Phase Shift Keying
  • Re-shaping means restoring a normalized signal level, re-shaping the restoration of the digital waveform with respect to minimum requirements for the rising edges and the overshoot of the pulses, and re-timing a tight timing of the pulses to a data clock derived from the Data stream is additionally obtained.
  • phase-modulated optical signals Most known systems for regenerating phase-modulated optical signals only regenerate the pulse shape, the amplitude and reduce the jitter; However, the actual phase formation is not refreshed, this remains largely unchanged.
  • K. Croussore, C. Kim and G. Li ⁇ All-optical regeneration of differential phase shift-keying signals based on phase-sensitive amplification ", Optics Letters, vol. 29, pp. 2357-2359, October 2004, and K. Croussore, C. Kim, Y. Han, C. Kim, and G. Li: "Demonstration of phase regeneration of DPSK signals based on phase-sensitive amplification," Optics Express, Vol. 13, No. 11, pp.
  • a phase-sensitive amplifier aimed at 3R regeneration, including phase regeneration of the signal, in which a Mach-Zehnder interferometer (MZI) becomes an input to a port and a pump signal, in the form of a clock signal at the same wavelength
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • the MZI consists of two 3 dB couplers and two highly nonlinear fibers connecting them together
  • the data signal and pump signal are affected by degenerate four-wave mixing h nonlinear fiber can be a realize phase-dependent amplification, which either regenerates only the phase or allows a combined regeneration of the pulse shape, the pulse height, the pulse timing and the phase.
  • the known solution thus leads to a 3R regeneration including a phase regeneration of the input signal.
  • this highly non-linear fibers with some 100 m in length are required, making the construction of compact modules and an integration of the individual components are not possible.
  • the present invention has for its object to provide a method and apparatus for purely optical regeneration phase-modulated optical signals, in addition to a conventional 3R regeneration of amplitude, pulse and clock (timing) in a simple manner, inexpensively and with the possibility of integration the individual components can also regenerate the phase information of a phase-modulated optical signal.
  • the invention provides for a phase-modulated optical input signal to be regenerated to be supplied firstly to a clock recovery device and secondly to a phase-amplitude converter.
  • the input signal in terms of pulse shape, Pulse height and clock regenerated, the phase information is lost.
  • the phase-to-space converter the phase modulation of the input signal is converted to amplitude modulation to produce an amplitude modulated data signal.
  • the phase of the clock recovery device's regenerated clock signal is then modulated in accordance with the amplitude modulated data signal in a non-linear characteristic phase modulator.
  • the solution according to the invention is therefore characterized by the idea of phase-modulating the pure optical signals generated in the context of clock recovery with the data of the original signal.
  • the incoming phase-modulated signals or data are converted into amplitude-modulated signals, and these amplitude-modulated signals are used as control signals for the phase modulation of the pure optical signals generated from the clock recovery.
  • phase modulator causes the phase information of the input signal not only to be passed but actually refreshed and regenerated.
  • the phase modulator has a nonlinear characteristic such that phase positions of the phase-modulated regenerated clock signal of zero and ⁇ are preferably formed. Noise in the phase is suppressed.
  • the solution according to the invention provides an effective component for purely optical regeneration of phase-modulated signals.
  • the previously known approaches are almost exclusively limited to regenerate the amplitude of the phase-modulated signal, while the phase was equal, sometimes even worse.
  • both the amplitude and the pulse shape and the phase - with the Information is encoded - refreshed. Since the pure and undistorted clock signal of the clock recovery device is phase-modulated, a very good pulse shape of the amplitude and very small jitter is achieved. Also, the amplitude fluctuations are very low because the clock signal is generally very stable. For the complete refresh of a phase-modulated signal, however, the regeneration of the phase is particularly important. According to the invention, there is a regeneration of the signal with respect to all parameters: pulse shape, amplitude, clock (timing, jitter) and phase.
  • the regenerated clock signal has a different wavelength than the input signal, i. the clock recovery means extracts a regenerated clock signal at a wavelength different from the wavelength of the input signal.
  • the phase modulator is designed such that the phase of the regenerated clock signal is modulated by means of a cross-phase modulation with the amplitude-modulated data signal.
  • the cross-phase modulation relates to the phase modulation of an optical wave by a further co-propagating wave and causes a non-linear channel coupling.
  • Cross-phase modulation (XPM) is known to the person skilled in the art.
  • the additional refreshing of the phase information takes place in this embodiment variant by means of non-linear elements in which the pure, refreshed clock signal is phase-modulated by cross-phase modulation (XPM). Since the cross-phase modulation is proportional to the power within the nonlinear element, the amplitude-modulated data signal through the cross-phase modulation controls the phase of the regenerated clock signal.
  • the device additionally has an optical filter connected to the output of the phase modulator, which filters out and transmits the regenerated and phase-modulated clock signal: at the output of the phase modulator the phase-modulated clock signal is available as a regenerated data signal and the amplitude-modulated data signal at a different wavelength, so that only the regenerated data signal has to be filtered out.
  • the phase modulator is designed as a two-arm interferometer, wherein at least one arm has a device for phase modulation. Both the regenerated clock signal and the amplitude modulated data signal are fed into the two arms of the interferometer.
  • a phase modulation of the regenerated clock signal by the amplitude-modulated data signal for example, by the mentioned cross-phase modulation.
  • the device for phase modulation of the interferometer it is also conceivable, for example, for the device for phase modulation of the interferometer to generate a refractive index variation in the region of the waveguide by the activation of thermal elements in the cycle of the amplitude-modulated data signal and thereby a phase modulation. In such an embodiment, it would not be necessary for the regenerated clock signal to have a different wavelength with respect to the input signal or with respect to the amplitude-modulated data signal.
  • each arm of the interferometer on each formed as a nonlinear element means for phase modulation.
  • each nonlinear element modulates the regenerated clock signal transmitted in the respective arm by the amplitude-modulated data signal in its phase.
  • each of the arms of the interferometer is a nonlinear element Device for phase modulation will have. This is usually necessary because it is desirable that between the two arms of the interferometer by the respective non-linear elements, a phase difference of + ⁇ or - ⁇ is set, depending on whether it is a logic one or a logic zero , And thus a negative phase shift must be feasible. But if, for example, one of the arms of the interferometer has an inherent negative phase shift, it may be sufficient to provide a nonlinear phase control element only in one of the arms of the interferometer.
  • the amplitude-modulated data signal is provided at two outputs of the phase-amplitude converter in complementary form.
  • One of the complementary signals is then coupled into one arm of the interferometer.
  • a phase control results in the two arms of the interferometer such that the one arm, which is controlled with a logic one, generates a phase modulation of ⁇ , while the phase in the other arm, which is controlled by the logic zero, remains unchanged, in this arm so a phase modulation of zero is generated.
  • one arm generates the full phase modulation of ⁇ and leaves the phase of the other arm unchanged.
  • This control is symmetrical, as always one arm is fully controlled and the other remains unchanged.
  • the at least one device for phase modulation of the interferometer is preferably realized as an optical semiconductor laser amplifier.
  • a semiconductor laser amplifier is essentially a laser diode whose facets are prepared in such a way that despite high inversion in the active medium no oscillation of the laser takes place.
  • Semiconductor laser amplifiers are integrated optically formable, so that advantageously the entire phase shifter can be made compact and integrated optically.
  • the aforementioned cross-phase modulation for modulation of the regenerated clock signal is carried out by the amplitude-modulated data signal.
  • the phase modulator is preferably designed as a Mach-Zehnder interferometer, wherein the Mach-Zehnder interferometer preferably has a non-linear element in both arms, in each of which the regenerated clock signal is phase-modulated by the amplitude-modulated data signal.
  • phase modulator consists of a Michelson interferometer.
  • a coupling circulator is provided which splits an input signal to two interferometer arms.
  • the ends of the two arms are provided with reflective elements, so that the light is reflected, recombined and supplied by the circulator an output.
  • a non-linear phase modulation element is provided, similar to the use of a Mach-Zehnder interferometer, which is supplied with the amplitude-modulated data signal.
  • the advantage of such an embodiment is that the change in phase in the two arms of the Michelson interferometer due to the reflection of the light must be only half as large as when using a Mach-Zehnder interferometer.
  • a disadvantage is the necessity of using a relatively expensive circulator.
  • the phase-amplitude converter is also formed in a preferred embodiment as a Mach-Zehnder interferometer. This has two inputs and two outputs, each of which is coupled together via a 3dB directional coupler. In this case, the one input of the Mach-Zehnder interferometer with the phase-modulated input signal and the other input of the Mach-Zehnder interferometer is supplied with a clock signal.
  • a phase shift of 3/2 ⁇ is preferably realized in comparison to the other arm.
  • Such an arrangement results in a phase shift of zero between the input signal and the reference clock signal, the amplitude of the one output is maximum and the amplitude of the other output disappears.
  • a phase difference of ⁇ between the input signal and the clock signal the situation is exactly the opposite.
  • phase-to-amplitude conversion is that it can be used for any type of phase modulation (PSK, DPSK, BPSK, etc.).
  • PSK phase modulation
  • DPSK DPSK
  • BPSK BPSK
  • Received signal because the phase-modulated input signal is compared with a reference signal or a reference clock.
  • phase-amplitude converter is designed as a delay line interferometer, which also consists of a Mach-Zehnder interferometer. Both arms of the Mach-Zehnder interferometer are supplied with the phase-modulated input signal, wherein the one arm realized in comparison to the other arm, a phase delay of ⁇ corresponding to one bit.
  • the output of such a delay line interferometer is complementary and can be used directly to control the two arms of a Mach-Zehnder non-linear element interferometer according to the scheme described.
  • a delay-line interferometer is only possible when using DPSK-modulated signals.
  • Figure 1 shows the basic structure of a device for purely optical regeneration phase-modulated signals with respect to pulse shape, pulse height, clock and phase;
  • FIG. 2 shows an embodiment of the phase modulator of FIG. 1, wherein the phase modulator regenerates the phase information by means of a Mach-Zehnder structure and cross-phase modulation of the clock signal by the amplitude-modulated data signal at a different wavelength;
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment for purely optical regeneration of DPSK phase-modulated optical signals using optical semiconductor laser amplifiers as nonlinear elements and under
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of a phase-to-amplitude converter for generating complementary signals at two outputs of the converter
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a phase modulator, wherein the phase modulator comprises a Michelson interferometer.
  • phase-modulated optical input signal to be regenerated is provided in an optical waveguide 4, for example an optical fiber. It has the wavelength ⁇ l.
  • the input signal is supplied in equal parts to the phase-amplitude converter 1 and the clock recovery device 2 by a 3dB directional coupler 5 (or alternatively a Y-junction).
  • the phase modulator 3 consists of a Mach-Zehnder interferometer with two arms 31, 32.
  • the output of the clock recovery device 2 and on the other the output of the phase-amplitude converter 1 is coupled.
  • the phase-amplitude converter 1 has two output ports 11, 12, wherein in each case an output port is connected to one of the arms 31, 32 of the Mach-Zehnder interferometer 3.
  • the output signal of the clock recovery device 2 is divided by a 3dB directional coupler 6 on two waveguides 61, 62 and also supplied via this also the two arms 31, 32 of the Mach-Zehnder interferometer 3.
  • the two arms 31, 32 of the Mach-Zehnder interferometer 3 are on the output side via a directional coupler 7 (or alternatively via a Y-fork, if an additional phase rotation of ⁇ / 2 would be realized in the lower arm 32) coupled together.
  • One of the outputs 71 of this Riehtkopplers 7 provides the output signal.
  • the other output of the directional coupler 7 is ignored.
  • An optical filter 8, which adjoins the output of the phase modulator 3, is used to filter out the regenerated data signal.
  • phase modulator 3 Trained as a Mach-Zehnder interferometer phase modulator 3 has in its two arms 31, 32 each have a nonlinear element 34, 35 which is acted upon by signals from the phase-amplitude converter 1 and signals from the clock recovery device 2.
  • phase-amplitude converter 1 a conversion of the optical, phase-modulated input signal into an amplitude-modulated signal takes place.
  • the phase information of the signal to be regenerated, which encodes the actual data signal, is thus converted into an amplitude information. How this is done, for example, will be explained below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the clock recovery device 2 extracts from the data stream at the input of the device an optical clock signal and provides at its output a regenerated clock signal. This consists of a sequence of logical one signals, which are output in the regenerated clock.
  • the clock recovery device performs a known 3R regeneration in terms of pulse shape, pulse height and clock.
  • the signal provided has a wavelength ⁇ 2 which differs from the wavelength ⁇ 1 of the input signal. For example, ⁇ l is 1550 nm and ⁇ 2 is 1560 nm.
  • Such clock recovery devices 2 operate, for example, such that the incoming optical signal is coherently superimposed with respect to the polarization with the output of a local laser.
  • both the amplitude-modulated data signal present at the output of the phase-amplitude converter 1 and the regenerated optical clock signal present at the output of the clock recovery device 2 are fed in.
  • the nonlinear elements 34, 35 arranged in the two arms 31, 32 of the Mach-Zehnder interferometer serve to control the phase of the regenerated clock signal in accordance with the amplitude-modulated data signal.
  • the amplitude-modulated data signal of the phase-amplitude converter 1 is introduced into the non-linear element 34, 35 in addition to the output signal of the clock recovery circuit 2.
  • the control of the phase of the clock signal by the amplitude-modulated data signal by means of cross-phase modulation.
  • the additional power that provides the amplitude-modulated data signal within the nonlinear element 34, 35 changes the refractive index and thus the phase of the signal.
  • the signals of the two arms 31, 32 interfere with the phase shift they receive in the nonlinear elements 34, 35.
  • the optical filter 8 filters out the regenerated data signal of the new wavelength ⁇ 2.
  • the regenerated and now also phase-modulated clock signal forming the regenerated data signal, the wavelength ⁇ 2 and the amplitude modulated data signal of wavelength ⁇ l are available.
  • the filter 8 filters out the regenerated data signal of the wavelength ⁇ 2.
  • the 3R regeneration of the pulse shape, the pulse height and the clock (jitter) is achieved by a clock recovery known per se.
  • the additional refreshing of the phase information takes place in the Mach-Zehnder interferometer 3 by means of the elements 34, 35, in which the pure, refreshed clock signal of the clock recovery device 2 is phase-modulated by cross-phase modulation.
  • the amplitude modulated data signal increases the power within the nonlinear element 34, 35 depending on whether it represents a logic one or a logical zero regenerated clock signal in both arms of the Mach-Zehnder interferometer.
  • phase regeneration represents a true regeneration of the phase information and not merely maintaining the phase information of the input signal in that the Mach-Zehnder interferometer suppresses the noise in the phase due to its non-linear characteristic and preferably provides the phase positions of zero and ⁇ . This occurs insofar as phase errors of the input signal to be regenerated are first converted into amplitude fluctuations of the amplitude-modulated signal. This is done in the signal conversion in the phase-to-amplitude converter 1.
  • the electric field at the output port of a Mach-Zehnder interferometer is: E out ⁇ cos ( ⁇ / 2), where ⁇ represents the phase change experienced by the signals of the two arms when passing through the two arms. Accordingly, the phase is shifted to zero or ⁇ .
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the phase modulator of FIG. 1.
  • two mutually complementary amplitude-modulated data signals are present at the two output ports 11, 12 of the phase / amplitude converter 1. It is therefore always at one of the two outputs of the phase-amplitude Converter 1 a logical one and at the other output of the phase-to-amplitude converter 1 before a logical zero.
  • This pair zero, one or (one, zero) is applied to the two arms 31, 32 of the Mach-Zehnder interferometer 3.
  • Zero and one represent different amplitudes or intensities of the amplitude-modulated data signal.
  • Al and A2 describe the states of the two outputs.
  • the full phase modulation of Il is produced in each case in one arm and the phase of the other arm is left unchanged.
  • the embodiment of Figure 3 differs in two aspects from the arrangement of Figure 1. First, it is provided that arranged in the two arms 31, 32 of the Mach-Zehnder interferometer 3 non-linear elements realized by optical semiconductor laser amplifier (SOAs) are. These can be advantageously implemented integrated and together with integrated into the Mach-Zehnder interferometer 3, so that a compact component for the phase modulator 3 is provided.
  • SOAs optical semiconductor laser amplifier
  • this is formed by a delay-line interferometer 1 '.
  • This in turn consists of a Mach-Zehnder interferometer with two arms 101 ', 102', which are connected to each other on the input side and output side by a 3dB directional coupler.
  • a delay device 103 ' By means of a delay device 103 ', a delay of 1 bit or of the phase ⁇ is set in the upper arm 101'.
  • the input signal is DPSK phase-coded, such an arrangement results in automatic conversion from DPSK phase modulation to amplitude modulation.
  • the output signal applied to the two output ports 11 ', 12' is complementary and can be used directly to control the two arms 31, 32 of a Mach-Zehnder interferometer 3 or its non-linear elements 34, 35 according to FIGS. 1 and 2.
  • phase-to-amplitude converter that can be used with any phase encoding, not just a DPSK encoding, is shown in FIG. 4.
  • the phase-to-amplitude converter 1 '' again consists of a Mach-Zehnder interferometer, which has two arms 101 '', 102 ''.
  • the arms are connected to one another on the input side by a 3dB directional coupler 9a with two input ports 91a, 92a.
  • the two arms 101 ", 102” are coupled by an output-side 3dB directional coupler 9b to two output ports 91b, 92b.
  • the one arm 102 is designed in such a way that the signal passing through it undergoes a phase shift ⁇ of 3/2 ⁇ relative to the signal passing through the other arm by means of a device 103".
  • FIG. 4 is as follows.
  • the phase-modulated input signal or data signal to be regenerated is applied to the one input port 91a.
  • To the other entrance gate 92a becomes
  • Zehnder interferometers are obtained at the two output ports 91b, 92b the following output signals:
  • FIG. 5 shows an alternative realization of a phase modulator 3 '.
  • the phase modulator has on the input side a circulator 10 with three terminals 111, 112, 113.
  • a 3dB directional coupler 6 ' which divides the signal obtained via the connection 112 of the circulator 10 in equal parts onto two waveguides which represent the two arms 31', 32 'of the Michelson interferometer 3' .
  • a reflective element 310 ', 320' is arranged, which reflects the optical signal respectively.
  • a non-linear element 34', 35 ' is provided which serves to control the phase.
  • the non-linear elements 34 ' may be formed corresponding to the non-linear elements 34, 35 of Figures 1 to 3.
  • the nonlinear elements 34 ' are additionally subjected to a signal from the two outputs 11, 12, 11', 12 ', 91b, 92b of a phase-amplitude converter 1, 1' 1 '' according to the figures 1 to 4 is issued.
  • additional inputs 340 ', 350' are shown schematically.
  • the circulator 10 is supplied with the regenerated clock signal provided by the clock recovery circuit 2 (see Figures 1 to 3). This input signal is passed through the circulator 10 to the next terminal 112 and split in equal parts on the arms 31 ', 32' in the 3dB directional coupler 6 '.
  • the regenerated clock signal now passes through the two arms 31 ', 32' and thereby the nonlinear elements 34 ', 35'.
  • the phase of the regenerated clock signal is also supplied by the modulated amplitude modulated data signal provided in complementary form at the two outputs of the phase-to-amplitude converter. The control takes place, for example, by means of the already described cross-phase modulation.
  • the signal is reflected in each case, whereupon it again passes through the nonlinear elements 34 ', 35' and is then brought together via the 3dB directional coupler 6 '. In this case, the two again combined partial signals interfere.
  • the resulting signal is then supplied to the terminal 112 of the circulator 10. From this it is forwarded to the terminal 113 of the circulator 10.
  • the regenerated and now also phase-modulated clock signal forming the regenerated data signal is provided.
  • phase modulator when the phase modulator is designed as a Michelson interferometer, the respective arm 31 ', 32' and the non-linear elements 34 ', 35' arranged in it undergo twofold because of the reflection of the light, the change in the phase in the nonlinear element 34 ', 35 'be only half as large as when using a Mach-Zehnder interferometer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt und Phase. Es werden folgende Schritte ausgeführt: Bereitstellen eines zu regenerierenden phasenmodulierten optischen Eingangssignals, Zuführen des Eingangssignals zum einen einer Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2) und zum anderen einem Phasen-Amplituden-Wandler (1), in der Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2), Regenerieren des Eingangssignals hinsichtlich Pulsform, Pulshöhe und Takt, bei Verlust der Phaseninformation des Eingangssignals, und unter Erzeugung eines regenerierten Taktsignals, in dem Phasen-Amplituden-Wandler (1), Umwandeln der Phasenmodulation des Eingangssignals in eine Amplitudenmodulation unter Erzeugung eines amplitudenmodulierten Datensignals, und Modulieren der Phase des regenerierten Taktsignals entsprechend dem amplitudenmodulierten Datensignal in einem Phasenmodulator (3) mit nichtlinearer Kennlinie.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform,
Pulshöhe, Takt und Phase
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt und Phase. Insbesondere betrifft die Erfindung eine 3R-Regeneration DPSK (Differential-Phase-Shift-Keying) -modulierter Signale in optischen KommunikationsSystemen.
Es ist bekannt, ein digitales Datensignal mit normierter Amplitude und Takt-Information zu regenerieren. Eine vollständige Datenregeneration, die ein Signal optisch fehlerfrei wiederherstellt und daher beliebig oft wiederholt werden kann, erfordert eine sogenannte 3R-Funktion: re- amplification, re-shaping und re-timing. Dabei bedeutet re- amplification die Wiederherstellung eines normierten Signalpegels, re-shaping die Wiederherstellung der digitalen Signalforms in Bezug auf Mindestanforderungen an die Anstiegstlanken und das Überschwingverhalten der Pulse, und re-timing eine- strenge zeitliche Justierung der Pulse zu einem Datentakt, der aus dem Datenstrom zusätzlich gewonnen wird.
Es ist bekannt, eine 3R-Regeneration intensitäts- bzw. amplitudenmodulierter optischer Signale durchzuführen. In den letzten Jahren ist jedoch ein verstärktes Interesse an optischen Übertragungssystemen entstanden, die eine Phasenmodulation, beispielsweise eine DPSK (Differential- Phase-Shift-Keying, differenzielle Phasenmodulation) verwenden. Es wurde gezeigt, dass solche Systeme im Vergleich zu Systemen mit intensitätsmodulierten Signalen verbesserte Übertragungseigenschaften besitzen, insbesondere wegen des Gegentaktempfangs, durch den eine ca. 3dB bessere Leistungsbilanz erzielt wird. Auch im Bereich der Signalverarbeitung und -Verstärkung zeigt dieses Modulationsformat verbesserte Eigenschaften in Form von geringerer Bitmusterabhängigkeit.
Es besteht dementsprechend ein Bedarf nach optischen Komponenten zur Regeneration eines phasenmodulierten Signals. Aufgrund von Nichtlinearitäten, Dispersion, Rauschen etc. ist ein Signal nach einer gewissen Strecke hinsichtlich der Amplitude als auch hinsichtlich der Phase, die die Information enthält, aufzufrischen.
Die meisten bekannten Systeme zur Regeneration phasenmodulierter optischer Signale regenerieren nur die Pulsform, die Amplitude und verringern den Jitter; die eigentliche Phasenformation wird jedoch nicht aufgefrischt, diese bleibt vielmehr weitgehend unverändert.
K. Croussore, C. Kim und G. Li: λλAll-optical regeneration of differential phase shift-keying signals based an phase sensitive amplification", Optics Letters, vol. 29, pp . 2357 - 2359, October 2004, sowie K. Croussore, C. Kim, Y. Han, C. Kim und G. Li: "Demonstration of phase-regeneration of DPSK signals based an phase sensitive amplification", Optics Express, Vol. 13, No. 11, pp . 3945-3950, Mai 2005, beschreiben einen phasensensitiven Verstärker, der auf eine 3R-Regeneration inklusive einer Phasenregeneration des Signals abzielt. Hierbei wird in ein Mach-Zehnder- Interferometer (MZI) ein Eingangssignal an einem Port und ein Pumpsignal - in Form eines Taktsignals bei derselben Wellenlänge - am anderen Port eingebracht. Das MZI besteht aus zwei 3 dB-Kopplern und zwei hoch nichtlinearen Fasern, die diese miteinander verbinden. In den hoch nichtlinearen Fasern beeinflussen sich Datensignal und Pumpsignal durch degenerierte Vierwellenmischung. Bei geschickter Wahl der Länge der hoch nichtlinearen Faser lässt sich eine phasenabhängige Verstärkung realisieren, die entweder nur die Phase regeneriert oder eine kombinierte Regeneration der Pulsform, der Pulshöhe, des Puls-Timings und der Phase ermöglicht. Die bekannte Lösung führt somit zu einer 3R- Regeneration inklusive einer Phasenregeneration des Eingangssignals. Jedoch werden hierfür hoch nichtlineare Fasern mit einigen 100 m Länge benötigt, wodurch der Aufbau kompakter Module sowie eine Integration der einzelnen Komponenten nicht möglich sind.
In der EP 1 411 659 Al und in STRIEGLER, A.; SCHMAÜSS, B.: All-Optical DPSK Signal Regeneration Based on Cross-Phase Modulation. In: IEEE Photonics Technology Letters. 2004, Vol. 16, No. 4, S. 1083 -1085 wird jeweils ein Verfahren zur rein- optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale bereitzustellen, die neben einer üblichen 3R-Regeneration von Amplitude, Puls und Takt (Timing) in einfacher Weise, kostengünstig und mit der Möglichkeit einer Integration der einzelnen Komponenten auch die Phaseninformation eines phasenmodulierten optischen Signales regenerieren können.
Diese Aufgabe ist erfindungsgeraäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Danach sieht die Erfindung vor, ein zu regenerierendes phasenmoduliertes optisches Eingangssignal zum einen einer Taktrückgewinnungs-Einrichtung und zum anderen einem Phasen- Amplituden-Wandler zuzuführen. In der Taktrückgewinnungs- Einrichtung wird das Eingangs signals hinsichtlich Pulsform, Pulshöhe und Takt regeneriert, wobei die Phaseninformation verloren geht. In dem Phasen-Aruplituden-Wandler wird die Phasenmodulation des Eingangssignals in eine Amplitudenmodulation unter Erzeugung eines amplitudenmodulierten Datensignals umgewandelt. Die Phase des regenerierten Taktsignals der Taktrückgewinnungs-Einrichtung wird dann entsprechend dem amplitudenmodulierten Datensignal in einem Phasenmodulator mit nichtlinearer Kennlinie moduliert .
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich somit durch den Gedanken aus, die im Rahmen einer Taktrückgewinnung erzeugten reinen, optischen Signale mit den Daten des ursprünglichen Signals zu phasenmodulieren. Dabei werden die ankommenden phasenmodulierten Signale bzw. Daten in amplitudenmodulierte Signale umgewandelt und diese amplitudenmodulierten Signale als Steuersignale für die Phasenmodulation der aus der Taktrückgewinnung erzeugten reinen optischen Signale verwendet .
Die Verwendung eines Phasenmodularors mit nichtlinearer Kennlinie bewirkt, dass die Phaseninformation des Eingangssignals nicht nur weitergegeben, sondern tatsächlich auch aufgefrischt und regeneriert wird. Der Phasenmodulator weist dabei eine nichtlineare Kennlinie derart auf, dass Phasenlagen des phasenmodulierten regenerierten Taktsignals von Null und π bevorzugt entstehen. Ein Rauschen in der Phase wird dabei unterdrückt.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine wirkungsvolle Komponente zur rein-optischen Regeneration von phasenmodulierten Signalen bereit. Die bisher bekannten Ansätze beschränken sich fast ausschließlich darauf, die Amplitude des phasenmodulierten Signals zu regenerieren, während die Phase gleich, teilweise sogar schlechter wurde. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird sowohl die Amplitude und die Pulsform als auch die Phase - mit der die Information kodiert ist - aufgefrischt. Da das reine und unverzerrte Taktsignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung phaseniαoduliert wird, wird eine sehr gute Pulsform der Amplitude und sehr kleiner Jitter erreicht. Auch die Amplitudenfluktuationen sind sehr gering, da das Taktsignal im Allgemeinen sehr stabil ist. Für die vollkommene Auffrischung eines phasenmodulierten Signals ist aber die Regeneration der Phase besonders wichtig. Erfindungsgemäß ergibt sich eine Regeneration des Signals hinsichtlich aller Parameter: Pulsform, Amplitude, Takt (Timing, Jitter) und Phase.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das regenerierte Taktsignal eine andere Wellenlänge auf als das Eingangssignal, d.h. die Taktrückgewinnungs-Einrichtung extrahiert ein regeneriertes Taktsignal bei einer anderen Wellenlänge als der Wellenlänge des Eingangssignals. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Phasenmodulator derart ausgebildet ist, dass die Phase des regenerierten Taktsignal mittels einer Kreuzphasenmodulation mit dem amplitudenmodulierten Datensignal moduliert wird. Die Kreuzphasenmodulation betrifft die Phasenmodulation einer optischen Welle durch eine kopropagierende weitere Welle und bewirkt eine nichtlineare Kanalkopplung. Eine Kreuzphasenmodulation (XPM: cross phase modulation) ist dem Fachmann bekannt.
Die zusätzliche Auffrischung der Phaseninformation erfolgt bei dieser Ausführungsvariante mittels nichtlinearer Elemente, in denen das reine, aufgefrischte Taktsignal durch Kreuzphasenmodulation (XPM) phasenmoduliert wird. Da die Kreuzphasenmodulation proportional zur Leistung innerhalb des nichtlinearen Elementes ist, steuert das amplitudenmodulierte Datensignal durch die Kreuzphasenmodulation die Phase des regenerierten Taktsignals. Die Vorrichtung weist dabei zusätzlich einen an den Ausgang des Phasenmodulators angeschlossenen optischen Filter auf, der das regenerierte und phasenmodulierte Taktsignal herausfiltert und transmittiert : am Ausgang des Phasenmodulators stehen das phasenmodulierte Taktsignal als regeneriertes Datensignal und das amplitudenmodulierte Datensignal bei einer anderen Wellenlänge zur Verfügung, so dass nur noch das regenerierte Datensignal herausgefiltert werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Phasenmodulator als Zwei-Arm-Interferometer ausgebildet, wobei mindestens ein Arm eine Einrichtung zur Phasenmodulation aufweist. In die beiden Arme des Interferometers werden sowohl das regenerierte Taktsignal als auch das amplitudenmodulierte Datensignal eingespeist. Eine Phasenmodulation des regenerierten Taktsignals durch das amplitudenmodulierte Datensignal erfolgt beispielsweise durch die erwähnte Kreuzphasenmodulation. Alternativ ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Einrichtung zur Phasenmodulation des Interferometers durch die Ansteuerung von Wärmeelementen im Takt des amplitudenmodulierten Datensignals eine Brechzahlvariation im Bereich des Wellenleiters und hierdurch eine Phasenmodulation erzeugt . Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es nicht erforderlich, dass das regenerierte Taktsignal gegenüber dem Eingangssignal bzw. gegenüber dem amplitudenmodulierten Datensignal eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist jeder Arm des Interferometers eine jeweils als nichtlineares Element ausgebildete Einrichtung zur Phasenmodulation auf. Dabei moduliert jedes nichtlineare Element das in den jeweiligen Arm übertragene regenerierte Taktsignal durch das amplitudenmodulierte Datensignal in seiner Phase. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Regel jeder der Arme des Interferometers ein nichtlineares Element bzw. eine Einrichtung zur Phasenmodulation aufweisen wird. Dies ist in der Regel deswegen erforderlich, da anzustreben ist, dass zwischen den beiden Armen des Interferometers durch die jeweiligen nichtlinearen Elemente eine Phasendifferenz von +π oder -π eingestellt wird, je nachdem, ob es sich um eine logische Eins oder eine logische Null handelt, und somit eine negative Phasenverschiebung realisierbar sein muss. Wenn aber beispielsweise einer der Arme des Interferometers eine inhärente negative Phasenverschiebung aufweist, kann es ausreichend sein, ein nichtlineares Element zur Steuerung der Phase lediglich in einem der Arme des Interferometers vorzusehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das amplitudenmodulierte Datensignal an zwei Ausgängen des Phasen-Amplituden-Wandlers in komplementärer Form bereitgestellt. Es wird dann jeweils eines der komplementären Signale in einen Arm des Interferometers eingekoppelt. Es liegt somit immer an einem der beiden Ausgänge des Phasen- Amplituden-Wandlers eine logische Eins und am jeweils anderen Ausgang eine logische Null an. Auf diese Weise ergibt sich eine Phasensteuerung in den beiden Armen des Interferometers derart, dass der eine Arm, der mit einer logischen Eins gesteuert wird, eine Phasenmodulation von π erzeugt, während die Phase in dem anderen Arm, der mit der logischen Null gesteuert wird, unverändert bleibt, in diesem Arm also eine Phasenmodulation von Null erzeugt wird. Somit wird in jeweils einem Arm die volle Phasenmodulation von π erzeugt und die Phase des jeweils anderen Armes unverändert gelassen. Diese Ansteuerung ist symmetrisch, da immer jeweils ein Arm voll angesteuert wird und der andere unverändert bleibt.
Die mindestens eine Einrichtung zur Phasenmodulation des Interferometers ist bevorzugt als optischer Halbleiter- Laserverstärker realisiert. Ein Halbleiter-Laserverstärker ist im Wesentlichen eine Laserdiode, deren Facetten so präpariert sind, dass trotz hoher Inversion im aktiven Medium kein Anschwingen des Lasers erfolgt. Halbleiter- Laserverstärker sind integriert optisch ausbildbar,, so dass in vorteilhafter Weise der gesamte Phasenschieber kompakt und integriert optisch hergestellt werden kann. In dem Halbleiter-Laserverstärker erfolgt jeweils die erwähnte Kreuzphasenmodulation zur Modulation des regenerierten Taktsignals durch das amplitudenmodulierte Datensignal.
Der Phasenmodulator ist bevorzugt als Mach-Zehnder- Interferometer ausgebildet, wobei das Mach-Zehnder- Interferometer in beiden Armen bevorzugt ein nichtlineares Element aufweist, in denen jeweils das regenerierte Taktsignal durch das amplitudenmodulierte Datensignal phasenmoduliert wird.
Die Verwendung von Mach-Zehnder-Interferometern ist jedoch nicht zwingend. Grundsätzlich können auch andere Interferometer zur Realisierung des Phasenmodulators verwendet werden. Beispielsweise ist es alternativ denkbar, dass der Phasenmodulator aus einem Michelson-Interferometer besteht. Am Eingang des Interferometers ist ein verkoppelnder Zirkulator vorgesehen, der ein Eingangssignal auf zwei Interferometerarme aufteilt. Die Enden der beiden Arme sind mit spiegelnden Elementen versehen, so dass das Licht reflektiert, wieder zusammengeführt und durch den Zirkulator einem Ausgang zugeführt wird. In den beiden Armen oder zumindest in einem der Arme des Interferometers ist dabei ähnlich wie bei der Verwendung eines Mach-Zehnder- Interferometers ein nichtlineares Element zur Phasenmodulation vorgesehen, das mit dem amplitudenmodulierten Datensignal beaufschlagt wird. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht darin, dass die Änderung der Phase in den beiden Armen des Michelson- Interferometers aufgrund der Reflektion des Lichts nur halb so groß sein muss wie bei der Verwendung eines Mach-Zehnder- Interferometers . Nachteilig ist jedoch die Notwendigkeit der Verwendung eines relativ kostenintensiven Zirkulators. Der Phasen-Amplituden-Wandler ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet. Dieses weist zwei Eingänge und zwei Ausgänge auf, die jeweils über einen 3dB-Richtkoppler miteinander gekoppelt sind. Dabei ist der eine Eingang des Mach-Zehnder- Interferometers mit dem phasenmodulierten Eingangssignal und der andere Eingang des Mach-Zehnder-Interferometers mit einem Taktsignal beaufschlagt. In einem der Arme des Mach-Zehnder- Interferonaeters ist bevorzugt eine Phasenverschiebung von 3/2 π im Vergleich zu dem anderen Arm realisiert. Eine solche Anordnung führt dazu, dass bei einer Phasenverschiebung von Null zwischen dem Eingangssignal und dem Referenz-Taktsignal die Amplitude des einen Ausgangs maximal wird und die Amplitude des anderen Ausgangs verschwindet. Bei einem Phasenunterschied von π zwischen dem Eingangssignal und dem Taktsignal ist die Situation genau entgegengesetzt. Es ergeben sich somit komplementäre Signale an den beiden Ausgängen des Phasen-Amplituden-Wandlers, die direkt zur Steuerung des Phasenmodulators, beispielsweise zur Steuerung zweier in den beiden Armen eines Mach-Zehnder-Interferometers angeordneter nichtlinearer Elemente verwendet werden können.
Der Vorteil dieser Art der Phasen-Amplituden-Wandlung besteht darin, dass er für jede Art der Phasenmodulation einsetzbar ist (PSK, DPSK, BPSK, etc.). Bei Verwendung einer DPSK-
Modulation bleibt dabei der differentielle Charakter des
Signals erhalten, da das phasenmodulierte Eingangssignal mit einem Referenzsignal bzw. einem Referenztakt verglichen wird.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Phasen- Amplituden-Wandler als Delay-Line-Interferometer ausgebildet, wobei dieser ebenfalls aus einem Mach-Zehnder-Interferometer besteht. Beide Arme des Mach-Zehnder-Interferometers werden dabei mit dem phasenmodulierten Eingangssignal beaufschlagt, wobei der eine Arm im Vergleich zum anderen Arm eine Phasenverzögerung von π entsprechend einem Bit realisiert. Das Ausgangssignal eines solchen Delay-Line-Interferometers ist komplementär und kann direkt zur Steuerung der beiden Arme eines Mach-Zehnder-Interferometers mit nichtlinearen Elementen nach dem beschriebenen Schema verwendet werden. Ein Delay-Line-Interferromter ist jedoch nur bei der Verwendung DPSK-modulierter Signale möglich. Auch wird darauf hingewiesen, dass bei dieser Variante der differentielle Charakter der DPSK-Modulation des Signals durch das Delay- Line-Interferometer verloren geht. Dies hängt damit zusammen, dass das Delay-Line-Interferometer das Signal mit sich selbst und nicht mit einem Referenztakt vergleicht. Dieses Problem kann jedoch durch eine elektrische Vorkodierung dahingehend behoben werden, dass die zu übertragenden Bits anders kodiert werden .
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand mehrer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt und Phase;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des Phasenmodulators der Figur 1, wobei der Phasenmodulator die Phaseninformation mittels einer Mach-Zehnder- Struktur und Kreuzphasenmodulation des Taktsignals durch das amplitudenmodulierte Datensignal bei anderer Wellenlänge regeneriert;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel zur rein-optischen Regeneration DPSK-phasenmodulierter optischer Signale unter Verwendung optischer Halbleiter- Laserverstärker als nichtlineare Elemente und unter
Verwendung eines Delay-Line-Interferometers als Phasen-Amplituden-Wandler ; Figur 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Phasen- Amplituden-Wandlers zur Erzeugung komplementärer Signale an zwei Ausgängen des Wandlers; und
Figur 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Phasenmodulators, wobei der Phasenmodulator ein Michelson-Interferometer umfasst .
Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöher Takt und Phase. Die Vorrichtung weist als Hauptkomponenten einen Phasen- Amplituden-Wandler 1, eine Takt-Rückgewinnungs-Einrichtung 2 und einen Phasenmodulator 3 auf. Das zu regenerierende, phasenmodulierte optische Eingangssignal wird in einem Lichtwellenleiter 4, beispielsweise einer Lichtleitfaser, bereitgestellt. Es weist die Wellenlänge λl auf. Das Eingangssignal wird durch einen 3dB-Richtkoppler 5 (oder alternativ einen Y-Verzweiger) zu gleichen Teilen dem Phasen- Amplituden-Wandler 1 und der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 zugeführt .
Der Phasenmodulator 3 besteht aus einem Mach-Zehnder- Interferometer mit zwei Armen 31, 32. In die beiden Arme 31, 32 wird zum einen das Ausgangssignal der Taktrückgewinnungs- Einrichtung 2 und zum anderen das Ausgangssignal des Phasen- Amplituden-Wandlers 1 eingekoppelt. Dabei weist der Phasen- Amplituden-Wandler 1 zwei Ausgangstore 11, 12 auf, wobei jeweils ein Ausgangstor mit einem der Arme 31, 32 des Mach- Zehnder-Interferometers 3 verbunden ist. Das Ausgangssignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 wird über einen 3dB- Richtkoppler 6 auf zwei Wellenleiter 61, 62 aufgeteilt und über diese ebenfalls den beiden Armen 31, 32 des Mach- Zehnder-Interferometers 3 zugeführt. Die beiden Arme 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 sind ausgangsseitig über einen Richtkoppler 7 (oder alternativ über eine Y-Gabel, sofern in dem unteren Arm 32 eine zusätzliche Phasendrehung von π/2 realisiert würde) miteinander gekoppelt. Einer der Ausgänge 71 dieses Riehtkopplers 7 stellt das Ausgangssignal bereit. Der andere Ausgang des Richtkopplers 7 wird nicht beachtet. Ein optisches Filter 8, das sich an den Ausgang des Phasenmodulators 3 anschließt , dient dem Herausfiltern des regenerierten Datensignals.
Der als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildete Phasenmodulator 3 weist in seinen beiden Armen 31, 32 jeweils ein nichtlineares Element 34, 35 auf, das mit Signalen von dem Phasen-Amplituden-Wandler 1 und mit Signalen von der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 beaufschlagt wird.
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt.
Im Phasen-Amplituden-Wandler 1 erfolgt eine Umwandlung des optischen, phasenmodulierten Eingangssignals in ein amplitudenmoduliertes Signal. Die Phaseninformation des zu regenerierenden Signals, die das eigentliche Datensignal codiert, wird somit in eine Amplitudeninformation umgewandelt. Wie dies beispielsweise erfolgt, wird weiter unten anhand der Figuren 3 und 4 erläutert.
Die Taktrückgewinnungs-Einrichtung (CR - clock recovery) 2 extrahiert aus dem Datenstrom am Eingang der Vorrichtung ein optisches Taktsignal und stellt an seinem Ausgang ein regeneriertes Taktsignal bereit. Dieses besteht aus einer Folge von logischen Eins-Signalen, die im regenerierten Takt ausgegeben werden. Die Taktrückgewinnungs-Einrichtung führt dabei eine an sich bekannte 3R-Regeneration hinsichtlich Pulsform, Pulshöhe und Takt durch. Das bereitgestellte Signal weist eine Wellenlänge λ2 auf, die sich von der Wellenlänge λl des Eingangssignals unterscheidet. Beispielsweise liegt λl bei 1550 nm und λ2 bei 1560 nm. Derartige Taktrückgewinnungs-Einrichtungen 2 arbeiten beispielsweise derart, dass das ankommende optische Signal unter Beachtung der Polarisation kohärent mit dem Ausgang eines Lokallasers überlagert wird. Nach der Mischung von Empfangssignalen und Lokaloszillatorsignal wird in einer Fotodiode nur das aus der optischen Differenzfrequenz gebildete elektrische Signal schmalbandig verstärkt. Das elektrische Signal wird 3R regeneriert und anschließend erneut in ein optisches Signal umgewandelt. Bei einer solchen Taktrückgewinnung geht die Phaseninformation verloren. Derartige Taktrückgewinnungs-Einrichtungen sind kommerziell erhältlich und dem Fachmann bekannt. Ein entsprechendes Produkt wird beispielsweise vom Fraunhofer- Institut für Telekommunikation, Heinrich-Hertz-Institut, Einsteinufer 37, 10587 Berlin unter der Bezeichnung „OptoClock 40 GHz, Typ: Pk2.4OG.1559" verkauft.
In dem Phasenmodulator 3 in Form eines Mach-Zehnder- Interferometers wird wie bereits erläutert sowohl das amplitudenmodulierte Datensignal, das am Ausgang des Phasen-Amplitudenwandlers 1 anliegt, als auch das regenierte optische Taktsignal, das am Ausgang der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 anliegt, eingespeist. Die in den beiden Armen 31, 32 des Mach-Zehnder- Interferometers angeordneten nichtlinearen Elemente 34, 35 dienen der Steuerung der Phase des regenerierten Taktsignals entsprechend dem amplitudenmodulierten Datensignal. Dabei wird das amplitudenmodulierte Datensignal des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 zusätzlich zu dem Ausgangssignal der Taktrückgewinnungs-Schaltung 2 jeweils in das nichtlineare Element 34, 35 eingebracht.
Die Steuerung der Phase des Taktsignals durch das amplitudenmodulierte Datensignal erfolgt mittels Kreuzphasenmodulation. Dabei ändert die zusätzliche Leistung, die das amplitudenmodulierte Datensignal bereitstellt, innerhalb des nichtlinearen Elementes 34, 35 den Brechungsindex und somit die Phase des Signals. Am Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers 3 interferieren die Signale der beiden Arme 31, 32 je nach der Phasendrehung, die sie in den nichtlinearen Elementen 34, 35 erhalten.
Das optische Filter 8 filtert das regenerierte Datensignal der neuen Wellenlänge λ2 heraus. So stehen am Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers das regenerierte und nun auch phasenmodulierte Taktsignal, das das regenerierte Datensignal bildet, der Wellenlänge λ2 und das amplitudenmodulierte Datensignal der Wellenlänge λl zur Verfügung. Der Filter 8 filtert das regenerierte Datensignal der Wellenlänge λ2 heraus.
Es ist somit vorgesehen, dass die 3R-Regeneration der Pulsform, der Pulshöhe und des Taktes (Jitter) durch eine an sich bekannte Taktrückgewinnung erzielt wird. Die zusätzliche Auffrischung der Phaseninformation erfolgt im Mach-Zehnder-Interferometer 3 mittels der Elemente 34, 35, in denen das reine, aufgefrischte Taktsignal der Taktrückgewinnungs-Einrichtung 2 durch Kreuzphasenmodulation phasenmoduliert wird. Das amplitudenmodulierte Datensignal erhöht in Abhängigkeit davon, ob es eine logische Eins oder eine logische Null darstellt, die Leistung innerhalb des nichtlinearen Elementes 34, 35. Da die Kreuzphasenmodulation proportional zur Leistung innerhalb des nichtlinearen Elementes ist, kann somit durch das amplitudenmodulierte Datensignal die Phase des regenerierten Taktsignals in beiden Armen des Mach- Zehnder-Interferometers gesteuert werden.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass in den beiden Armen des Mach-Zehnder-Interferometers 3 eine Phasendifferenz der Arme zueinander von +π oder -π eingestellt wird, je nachdem, ob es sich um eine logische Eins oder um eine logische Null handelt. Die Phasenregeneration stellt eine echte Regeneration der Phaseninformation und nicht lediglich ein Beibehalten der Phaseninformation des Eingangssignales insofern dar, als das Mach-Zehnder-Interferometer aufgrund seiner nichtlinearen Kennlinie das Rauschen in der Phase unterdrückt und die Phasenlagen von Null und π bevorzugt bereitstellt. Dies erfolgt insofern, als Phasenfehler des zu regenerierenden Eingangssignals zunächst in Amplitudenschwankungen des amplitudenmodulierten Signals umgewandelt werden. Dies erfolgt bei der Signalumwandlung im Phasen-Amplitudenwandler 1. Die Schwankungen in der Amplitude des amplitudenmodulierten Signals führen weiter dazu, dass die Phase des regenerierten Taktsignals in den nichtlinearen Elementen 34, 35 zunächst nicht, wie es ideal wäre, um +π oder -π moduliert wird, sondern um einen davon geringfügig abweichenden Wert. Hier kommt nun aber die nichtlineare Kennlinie des Mach-Zehnder- Interferometers zum Tragen, die diese kleinen Phasenungenauigkeiten ausgleicht. Dadurch lassen sich Verbesserungen in der Phase erzielen, die durch eine direkte Phasenmodulation nicht möglich wären.
Dabei gilt für das elektrische Feld am Ausgangstor eines Mach-Zehnder-Interferometers : Eout ~ cos (Δφ/2), wobei Δφ die Phasenänderung darstellt, die die Signale der beiden Arme bei Durchlaufen der beiden Arme zueinander erfahren. Dementsprechend wird die Phase an Null oder π herangeschoben.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Phasenmodulators der Figur 1. Wie sich aus der noch folgenden Beschreibung der Figuren 3 und 4 ergibt, liegen an den beiden Ausgangstoren 11, 12 des Phasen-Amplituden- Wandlers 1 bevorzugt zwei zueinander komplementäre amplitudenmodulierte Datensignale vor. Es liegt somit immer an einem der beiden Ausgänge des Phasen-Amplituden- Wandlers 1 eine logische Eins und am jeweils anderen Ausgang des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 eine logische Null vor. Dieses Paar (Null, Eins) oder (Eins, Null) wird auf die beiden Arme 31, 32 des Mach-Zehnder- Interferometers 3 gegeben. Null und Eins stellen dabei unterschiedliche Amplituden bzw. Intensitäten des amplitudenmodulierten Datensignals dar.
Mathematisch lässt sich die Beziehung beider Ausgänge wie folgt formulieren: A2 = 1 - Al . Dabei beschreiben Al und A2 die Zustände der beiden Ausgänge. Damit ergibt sich eine Phasensteuerung in den beiden Armen 31, 32 des Mach- Zehnder-Interferometers, bei der in dem Arm, der mit einer logischen Eins gesteuert wird, eine Phasenmodulation von π erzeugt wird, während die Phase im jeweils anderen Arm unverändert bleibt, also eine Phasenmodulation von Null vorliegt. Es wird also in jeweils einem Arm die volle Phasenmodulation von Il erzeugt und die Phase des jeweils anderen Arms unverändert gelassen.
Dies erfolgt in den beiden nichtlinearen Elementen 34, 35 mittels Kreuzphasenmodulation, wobei das regenerierte Taksignal über die Wellenleiter 61, 62 in beide Arme des Mach-Zehnder-Interferometers 3 eingespeist und in den nichtlinearen Elementen 34, 35 in der Phase moduliert wird. Die beiden phasenmodulierten Teilsignale der Arme 31, 32 werden am Ausgang 71 zusammengeführt und bilden dort das auch hinsichtlich seiner Phase regenerierte Datensignal der Wellenlänge λ2.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 unterscheidet sich in zwei Gesichtspunkten von der Anordnung der Figur 1. Zum einen ist vorgesehen, dass die in den beiden Armen 31, 32 des Mach-Zehnder-Interferometers 3 angeordneten nichtlinearen Elemente durch optische Halbleiter- Laserverstärker (SOAs) realisiert sind. Diese können in vorteilhafter Weise integriert ausgeführt und zusammen mit dem Mach-Zehnder-Interferometer 3 integriert optisch ausgebildet werden, so dass eine kompakte Komponente für den Phasenmodulator 3 bereitgestellt wird.
Zum anderen ist als Beispiel für die Ausführung des Phasen-Amplituden-Wandlers 1 dieser durch ein Delay-Line- Interferometer 1' gebildet. Dieses besteht wiederum aus einem Mach-Zehnder-Interferometer mit zwei Armen 101' , 102', die eingangsseitig und ausgangsseitig durch einen 3dB-Richtkoppler miteinander verbunden sind. Durch eine Verzögerungseinrichtung 103' wird in dem oberen Arm 101' eine Verzögerung um 1 Bit bzw. um die Phase π eingestellt. Sofern das Eingangssignal DPSK-phasencodiert ist, führt eine solche Anordnung zu einer automatischen Umwandlung von DPSK-Phasenmodulation zu Amplitudenmodulation. Das an den beiden Ausgangstoren 11', 12' anliegende Ausgangssignal ist komplementär und kann direkt zur Steuerung der beiden Arme 31, 32 eines Mach-Zehnder- Interferometers 3 bzw. dessen nichtlinearer Elemente 34, 35 entsprechend den Figuren 1 und 2 verwendet werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Phasen- Amplituden-Wandlers, der mit einer beliebigen Phasencodierung, nicht nur einer DPSK-Codierung verwendet kann, zeigt die Figur 4.
Der Phasen-Amplituden-Wandler 1' ' besteht wiederum aus einem Mach-Zehnder-Interferometer, das zwei Arme 101'', 102'' aufweist. Die Arme sind eingangsseitig durch einen 3dB- Richtkoppler 9a mit zwei Eingangstoren 91a, 92a miteinander verbunden. Ausgangsseitig sind die beiden Arme 101'', 102'' durch einen ausgangsseitigen 3dB-Richtkoppler 9b mit zwei Ausgangstoren 91b, 92b gekoppelt. Der eine Arm 102'' ist derart ausgebildet, dass das ihn durchlaufende Signal gegenüber dem den anderen Arm durchlaufenden Signal mittels einer Einrichtung 103'' eine Phasenverschiebung φ um 3/2 π erfährt . Die Funktionsweise des Phasen-Amplituden-Wandlers 1' ' der
Figur 4 ist wie folgt. An das eine Eingangstor 91a wird das phasenmodulierte, zu regenerierende Eingangssignal bzw. Datensignal angelegt. An das andere Eingangstor 92a wird ein
Clock-Signal angelegt, mit dem die Phase des Datensignals verglichen wird. Bei der realisierten zusätzlichen
Phasendrehung von 3/2 π in dem einen Arm 102'' des Mach-
Zehnder-Interferometers erhält man an den beiden Ausgangstoren 91b, 92b folgende Ausgangssignale:
A1=E-Qxp(iφ) ■(1+0•(1+exp(zΔ^)) =F■(1+cxp(iAφJ) A2=E-exp(z» •(1+0 ■(1-exp(zΔp)) = F■ (1-exp(zΔp))
Hierbei wird davon ausgegangen, dass die beiden Koppler 9a, 9b des Mach-Zehnder-Interferometers die Leistung jeweils zu 50 % auf die beiden Arme 101' ' , 102'' aufteilen und dass beide Eingangssignale die gleiche Amplitude aufweisen, φ ist die absolute Phase des Signals. Δφ gibt die Phasendifferenz zwischen Takt- und Datensignal an. E_ und E_^_ beschreiben einen gemeinsamen Phasor, der sich aus den Phasoren des Eingangssignals errechnen lässt. Es handelt sich um einen komplexen Ausdruck, der jedoch zeitlich und von der Phase unabhängig ist, so dass sich das Ausgangssignal nur wegen der Ausdrücke in den Klammern (l+exp(iΔφ)) und (l-exp(iΔφ)) ändert. Man kann erkennen, dass bei Δφ = 0 die Amplitude des Ausgangssignals Al maximal wird und A2 verschwindet. Im Falle eines Phasenunterschiedes Δφ = π verschwindet das Ausgangssignal Al, und Betrag A2 wird maximal. Es ergeben sich somit an den beiden Ausgängen 91b, 92b die logischen Signale Eins und Null oder umgekehrt, je nachdem, ob der Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen bei 0 oder bei π liegt.
Es liegen somit komplementäre Signale an beiden Ausgängen 91b, 92b an, die zur Steuerung des Phasenmodulators 3 entsprechend den Figuren 1 und 2 verwendet werden können. Die Figur 5 zeigt eine alternative Realisierung eines Phasenmodulators 3' . Während der Phasenmodulator in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 als Mach-Zehnder- Interferometer ausgebildet ist, ist er in dem Ausführungsbeispiel 'der Figur 5 als Michelson-Interferometer ausgebildet. Der Phasenmodulator weist eingangsseitig einen Zirkulator 10 mit drei Anschlüssen 111, 112, 113 auf. An den einen Anschluss 112 schließt sich ein 3dB-Richtkoppler 6' an, der das über den Anschluss 112 des Zirkulators 10 erhaltene Signal zu gleichen Teilen auf zwei Wellenleiter aufteilt, die die beiden Arme 31', 32' des Michelson-Interferometers 3' darstellen. Am Ende der Arme 31', 32' ist jeweils ein reflektierendes Element 310', 320' angeordnet, das das optische Signal jeweils reflektiert. Des Weiteren ist in den beiden Armen 31' , 32' des Michelson-Interferometers 3' jeweils ein nichtlineares Element 34' , 35' vorgesehen, das einer Steuerung der Phase dient. Die nichtlinearen Elemente 34' können dabei entsprechend den nichtlinearen Elementen 34, 35 der Figuren 1 bis 3 ausgebildet sein.
Die nichtlinearen Elemente 34' werden dabei zusätzlich mit einem Signal beaufschlagt, das von den beiden Ausgängen 11, 12, 11', 12', 91b, 92b eines Phasen-Amplituden-Wandlers 1, 1' 1'' entsprechend den Figuren 1 bis 4 ausgegeben wird. Hierzu sind schematisch zusätzliche Eingänge 340', 350' dargestellt.
Über den Anschluss 111 wird dem Zirkulator 10 das regenerierte Taktsignal zugeführt, das von der Taktrückgewinnungs-Schaltung 2 (vgl. Figuren 1 bis 3) bereitgestellt wird. Dieses Eingangssignal wird durch den Zirkulator 10 an den nächsten Anschluss 112 weitergegeben und in dem 3dB-Richtkoppler 6' zu gleichen Teilen auf die Arme 31', 32' aufgeteilt. Das regenerierte Taktsignal durchläuft nun die beiden Arme 31', 32' und dabei die nichtlinearen Elemente 34', 35'. In diesen wird die Phase des regenerierten Taktsignales durch das ebenfalls zugeführte amplitudenmodulierte Datensignal, das in komplementärer Form an den zwei Ausgängen des Phasen-Amplituden-Wandlers bereitgestellt wird, moduliert. Die Steuerung erfolgt dabei beispielsweise mittels der bereits beschriebenen Kreuzphasenmodulation. An den reflektierenden Elementen 310' , 320' wird das Signal jeweils reflektiert, worauf es erneut die nichtlinearen Elemente 34' , 35' durchläuft und dann über den 3dB-Richtkoppler 6' zusammengeführt wird. Dabei interferieren die beiden wieder zusammengeführten Teilsignale. Das dabei entstehende Signal wird dann dem Anschluss 112 des Zirkulators 10 zugeführt. Von diesem wird es an den Anschluss 113 des Zirkulators 10 weitergegeben. Am Anschluss 113 wird das regenerierte und nun auch phasenmodulierte Taktsignal, das das regenerierte Datensignal bildet, bereitgestellt.
Da bei der Ausbildung des Phasenmodulators als Michelson- Interferometer aufgrund der Reflektion des Lichtes der jeweilige Arm 31', 32' und die in diesen angeordneten nichtlinearen Elemente 34', 35' zweifach durchlaufen werden, muss die Änderung der Phase im nichtlinearen Element 34' , 35' nur halb so groß sein wie bei der Verwendung eines Mach- Zehnder-Interferometers .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt und Phase, mit den Schritten:
Bereitstellen eines zu regenerierenden phasenmodulierten optischen Eingangssignals, Zuführen des Eingangssignals zum einen einer Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2) und zum anderen einem Phasen-Amplituden-Wandler (1, 1', 1' ' ) , in der Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2) , Regenerieren des Eingangssignals hinsichtlich Pulsform, Pülshöhe und Takt, bei Verlust der Phaseninformation des Eingangssignals, und unter Erzeugung eines regenerierten Taktsignals , in dem Phasen-Anaplituden-Wandler (1, 1Λ , 1''), Umwandeln der Phasenmodulation des Eingangssignals in eine Amplitudenmodulation unter Erzeugung eines amplitudenmodulierten Datensignals, und - Modulieren der Phase des regenerierten Taktsignals entsprechend dem amplitudenmodulierten Datensignal in einem Phasenmodulator (3, 3') mit nichtlinearer Kennlinie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Phasenmodulator (3, 3' ) eine nichtlineare Kennlinie derart aufweist, dass Phasenlagen des phasenmodulierten regenerierten TaktSignals von Null und π bevorzugt entstehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2) ein regeneriertes Taktsignal bei einer anderen Wellenlänge (λ2) als der Wellenlänge (λl) des Eingangssignals erzeugt .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase des regenerierten Taktsignals mittels einer Kreuzphasenmodulation mit dem amplitudenmodulierten Datensignal moduliert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das amplitudenmodulierte Datensignal in komplementärer Form erzeugt und dem Phasenmodulator (3, 3') zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden komplemetären amplitudenmodulierten
Datensignale jeweils ein nichtlineares Element (34, 35;
34Λ, 35') eines interferometrischen Phasenmodulators (3,
3') ansteuern, wobei jedes nichtlineare Element (34, 35;
34', 35') das regenerierte Taktsignal durch das amplitudenmodulierte Datensignal phasenmoduliert.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die phasenmodulierten Signale differentiell phasenmoduliert sind.
8. Vorrichtung zur rein-optischen Regeneration phasenmodulierter optischer Signale in Bezug auf Pulsform, Pulshöhe, Takt und Phase, aufweisend: eine Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2), der ein zu regenerierendes phasenmoduliertes optisches
Eingangssignal zugeführt wird und die das
Eingangssignal hinsichtlich Pulsform, Pulshöhe und
Takt, bei Verlust der Phaseninformation des
Eingangssignals, regeneriert, wobei am Ausgang der Taktrückgewinnungs-Einrichtung (2) ein regeneriertes
Taktsignal vorliegt,
- einen Phasen-Amplituden-Wandler (1, 1' , 1' ' ) , der die Phasenmodulation des Eingangssignals in eine Amplitudenmodulation unter Erzeugung eines amplitudenmodulierten Datensignals umwandelt, und
- einen Phasenmodulator (3, 3' ) mit nichtlinearer Kennlinie, der derart ausgebildet ist, dass er die Phase des regenerierten Taktsignals entsprechend dem amplitudenmodulierten Datensignal moduliert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - das regenerierte Taktsignal eine andere Wellenlänge
(λ2) aufweist als das Eingangssignal (λl) ,
- der Phasenmodulator (3, 3') derart ausgebildet ist, dass die Phase des regenerierten Taktsignals mittels Kreuzphasenmodulation mit dem amplitudenmodulierten Datensignal moduliert wird, und
- die Vorrichtung zusätzlich einen an den Ausgang des Phasenmodulators angeschlossenen optischen Filter (8) aufweist, der das regenerierte und phasenmodulierte Taktsignal herausfiltert und transmittiert .
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (3, 3' ) als Zwei-Arm-Interferometer ausgebildet ist, der in mindestens einem Arm (31, 32; 31', 32') eine Einrichtung zur Phasenmodulation (34, 35; 34', 35') aufweist, wobei in die beiden Arme (31, 32; 31', 32') des Interferometers jeweils sowohl das regenerierte Taksignal als auch das amplitudenmodulierte Datensignal eingespeist wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Arm (31, 32; 31', 32') des Interferometers (3, 3') eine jeweils als- nichtlineares Element (34, 35; 34' , 35' ) ausgebildete Einrichtung zur Phasenmodulation vorgesehen ist, wobei jedes nichtlineare Element (34, 35; 34', 35') das in dem jeweiligen Arm (31, 32; 31', 32') übertragene regenerierte Taktsignal durch das amplitudenmodulierte Datensignal phasenmoduliert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das amplitudenmodulierte Datensignal an zwei Ausgängen (11, 12; 11', 12'; 91b, 92b) des
Phasen-Amplituden-Wandlers (1, 1' , 1' ' ) in komplementärer Form vorliegt und jeweils eines der komplementären Signale in einen Arm (31, 32; 31' , 32') des Interferometers (3, 3') eingekoppelt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12 bei einem Rückbezug auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eines der komplementären Signale ein nichtlineares Element (34, 35; 34', 35') in einem Arm (31, 32; 31', 32') des Interferometers (3, 3') ansteuert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einrichtung zur Phasenmodulation (34, 35; 34', 35') jeweils als optischer Halbleiter-Laserverstärker realisiert ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwei-Arm-Interferometer (3) als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15 bei einem Rückbezug auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Armen (31, 32) des Mach-Zehnder-Interferometers (3) durch die jeweiligen nichtlinearen Elemente (34, 35) eine Phasendifferenz von +π oder -π eingestellt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwei-Arm-Interferometer (3') als Michelson-Interferometer ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasen-Amplituden-Wandler (1'') als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist, das zwei Eingänge (91a, 92a) und zwei Ausgänge (91b, 92b) aufweist, die jeweils über einen 3dB-Richtkoppler (9a, 9b) miteinander gekoppelt sind, wobei der eine Eingang
(91a) des Mach-Zehnder-Interferometers mit dem phasenmodulierten Eingangssignal und der andere Eingang (92a) des Mach-Zehnder-Interferometers mit einem Taktsignal beaufschlagt ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Phasen -Amplituden-Wandler (I' ' ) in einem der Arme (102'') des Mach-Zehnder-Interferometers eine Phasenverschiebung von 3/2 π im Vergleich zu dem anderen Arm (101'') realisiert ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasen-Amplituden-Wandler (I' ) als Delay-Line-Interferometer ausgebildet ist, das aus einem Mach-Zehner-Interferometer besteht, wobei beide Arme (101' , 102' ) des Mach-Zehnder-Interferometers mit dem phasenmodulierten Eingangssignal beaufschlagt werden und der eine Arm (101' ) im Vergleich zum anderen Arm eine Phasenverzögerung (103') von einem Bit realisiert.
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