DE3106450A1

DE3106450A1 - Laser-digitalsender

Info

Publication number: DE3106450A1
Application number: DE19813106450
Authority: DE
Inventors: Fridolin Ludwig Bosch; Gay Leon Dybwad; Clarence Burke Swan
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1982-02-04
Also published as: GB2074311B; GB2074311A; CA1147403A; JPS56132834A; NL8100904A; US4317236A

Description

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Beschreibunq

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sender für eine optische digitale Nachrichtenübertragungsanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Durch die Erfindung soll insbesondere ein Laser-Sender geschaffen werden, der für die Verwendung in digitalen optischen Nachrichtenübertragungssystemen eine verbesserte optische Arbeitsleistung aufweist.

In digitalen optischen Nachrichtenübertragungsanlagen ist das Fehlen des ein erfaßtes Signal störenden Rauschens von besonderem Interesse. Ist das Licht in hohem Maße kohärent, wie es bei einem im Monomode-Betrieb arbeitenden Laser der Fall ist, so lag in dem Vorhandensein von Modenrauschen oder Modendispersion (modal noise) ein hartnäckiges Problem. Hervorgerufen wird dies durch auslöschende Interferenzeffekte, die in dem optischen Übertragungsmedium bis hin zur Detektorseite dadurch erzeugt werden, daß das Licht unterschiedliche Wege durchläuft. Das resultierende Signal zeigt daher während eines Impulses häufig starke Amplitudenabfälle, wodurch kleine Augenmuster bzw. -öffnungen und möglicherweise Signalfehler entstehen. (Das "Augenmuster" wird noch erläutert.) Zum Herabsetzen der Modendispersion wurde in optischen Analog-Anlagen

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Mikrowellenmodulation verwendet (vgl. Vanderwall u. a., "Suppression of Some Artifacts of Modal Noise in Fiber-Optic Systems", Optics Letters, September 1979, Vol. 4, Nr. 9, Seiten 295 - 296) . Es wurden jedoch, beträchtliche Rauschstörungen in Kauf genommen. Es ist wünschenswert, Modendispersion zu eliminieren, ohne daß andere Rauschbeeinträchtigungen hervorgerufen werden, die zu einer Augenmusterverschlechterung führen.

In Anlagen, in denen ein Multimode-Laser verwendet wird, stellt die Modendispersion kein Problem dar. Derartige Laser zeigen jedoch häufig Unstetigkeiten in bestimmten Abschnitten ihrer Ausgangslicht-Strom-Kennlinie, welche zu niederfrequentem Rauschen führen, wenn die Laser in diesen Bereichen betrieben werden. Derartiges Rauschen resultiert nicht aus irgendwelchen Interferenzeffekten sondern aus Eigenschaften des Lasers selbst, so z. B. aus niederenergetischen Fangstellen, Wachstumsdefekten im Kristall usw. Im Endergebnis erhält man wiederum auf der Empfängerseite des Systems eine Verschlechterung des Augenmusters des erfaßten Signals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sender der eingangs genannten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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Der erfindungsgemäße Sender enthält einen Festkörper-Injektionslaser und eine Einrichtung zum Anlegen eines digitalen Signals an den Laser, um ein digitales Licht-Ausgangssignal zu erhalten. Gekennzeichnet ist die Erfindung durch eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Mikrowellen-ModulationsStroms mit einer wesentlich höheren Frequenz als das Ausgangssignal; der Modulationsstrom wird dem digitalen Signal überlagert, um die Dispersionseffekte in dem empfangenen Lichtsignal zu vermindern und große Augenöffnungen zu erhalten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Frequenz des Mikrowellenstroms wenigstens zehn mal so hoch wie die Impulsrate des digitalen Signals, und die Amplitude des Mikrowellenstroms ist nicht größer als die des Signals.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines digitalen Zwei-Pegel-Lasersenders gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 2 den Verlauf eines typischen digitalen Signals, das mit einem als Vorstrom für den Laser dienenden Gleichanteil kombiniert ist,

Fig. 3 den Verlauf eines typischen Mikrowellen-Modulations-

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Stroms und

Fig. 4 den Verlauf eines typischen digitalen Licht-Ausgangssignals des erfindungsgemäßen Lasers.

Es sei darauf hingewiesen, daß die einzelnen Figuren lediglich zur Anschauung dienen und nicht maßstabsgetreu sind.

Ein Lasersender für Lichtleiter-Nachrichtenübertragungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.

Ein Festkörper-Injektionslaser 10 liefert das Licht-Ausgangssignal. Bei diesem Laser kann es sich entweder um einen Monomode- oder einen Multimode-Laser handeln. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung soll unter einem Monomode-Laser ein solcher Laser verstanden werden, bei dem wenigstens 25 % des ausgesendeten Lichts in einem einzelnen schmalen Bereich des Spektrums konzentriert ist, während ein Multimode-Laser ein Laser ist, der Licht bei verschiedenen (wenigstens fünf) Wellenlängen aussendet, von denen keine mehr als 25 % der Lichtleistung enthält. In einem Beispiel wurde eine herkömmliche Monomode-GaAs-AlGaAs-Heterostruktur-Laserdiode verwendet. Dieser Laser besitzt typischerweise ein n-leitendes GaAs-Substrat und aufeinanderfolgende Schichten von p- oder n-leitendem AlGaAs,

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wobei zwischen aufeinanderfolgenden Schichten wenigstens ein p-n-übergang gebildet ist. Es wurden Laser verwendet, die von den Firmen Hitachi, Mitsubishi und Nippon Electric hergestellt werden und die unter der Typenbezeichnung HLP 1500, ML 22O5F bzw. NDL 31O8P vertrieben werden. Das Licht-Ausgangssignal hatte in einem Beispiel eine Wellenlänge von 830 nm. In enger Nachbarschaft bezüglich einer Seite des Lasers befand sich eine optische Faser (Lichtleiter) 11 zum Übertragen des Licht-Ausgangssignals.

Wie bei herkömmlichen Lasersendern üblich, wurde der Eingabedatenstrom an eine herkömmliche Treiberschaltung 12 gelegt, welche das digitale Informationssignal an den Laser lieferte. Fig. 2 zeigt den Verlauf eines Abschnitts eines typischen Signals, das mit einem als Vorstrom dienenden Gleichanteil kombiniert ist. Dieser spezielle Sender wurde bei einer Datenrate von 45 Megabit pro Sekunde betrieben. Somit betrug die Breite eines Impulses typischerweise etwa 22 Nanosekunden. Die Amplitude des "Ein"-Pegels betrug (einschließlich des Vorstroms) ' etwa 100 Milliampere. Der Vorstrom zum Definieren des "Aus"-Pegels des Ausgangssignals wurde dem Laser durch eine Anordnung zugeführt, die aus einer herkömmlichen Rückkopplungsrege1-schaltung 13 und einem an der Rückseite des Lasers angeordneten Detektor 14 bestand. Hierdurch ist es möglich, den "Aus"-Pegel in bekannter Weise bezüglich Temperaturänderungen und Alterungs-

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erscheinungen in dem Laser zu justieren. (Der Einfachheit halber wird vorausgesetzt, daß die Stärke des Vorstroms für den diskutierten Betriebsabschnitt konstant bleibt. Eine typische Amplitude für einen solchen Strom beträgt 80 Milliampere).

Erfindungsgemäß wurde ein Mikrowellen-Modulationsstrom dem digitalen Informationssignal überlagert. Der Mikrowellenstrom wurde von einem herkömmlichen Mikrowellenoszillator 15 geliefert, bei dem es sich in diesem Fall um einen Wobbeioszillator "Hewlett Packard HP862OA" handelte. In der kommerziellen Anwendung würde ein Ein-Transistor-Oszillator verwendet. Es kann jede Art von Mikrowellenoszillator verwendet werden. In diesem speziellen Beispiel hatte der Strom, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, eine konstante Frequenz von 1 GHz und eine Spitzenstromamplitude von etwa 5 Milliampere. Diese Frequenz kann variiert werden, ein bevorzugter Bereich ist der Bereich von 500 MHz 3 GHz. In speziellen Fällen können abhängig von dem System Frequenzen außerhalb dieses Bereiches zweckdienlich sein. Jedoch verminderten Frequenzen von 500 MHz und weniger bei dem hier verwendeten System nur teilweise die Dispersion, während Frequenzen oberhalb von 3 GHz möglicherweise eine richtige Lasermodulation nicht zulassen. Vorzugsweise ist die Frequenz des Mikrowellenstroms wenigstens 10 mal so groß wie die Impulsrate des digitalen Signals, wenngleich ein so niedriges Verhältnis wie 5 ... 1 verwendet werden kann. Ein bevorzugter Be-

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reich für die Amplitude entspricht 30 - 100 % der Spitzenamplitude des digitalen Signals (ohne den Vorstrom). Wach Wunsch kann eine Einrichtung zum Synchronisieren des Mikrowellensignals mit der Treiberschaltung verwendet werden, um möglichen Einschalt- oder Ausschaltjitter zu vermeiden. Seitens der Anmelderin konnte nicht festgestellt werden, daß diese Maßnahme für den wirksamen Betrieb der Anlage notwendig ist.

Eine angenäherte Darstellung des resultierenden Licht-Ausgangssignals ist in Fig. 4 gegeben. Man erkennt, daß das digitale Ausgangssignal im wesentlichen dem von der Treiberschaltung 12 abgegebenen Signal folgt, die "Ein"-Zustände jedoch sind durch den überlagerten Mikrowellenstrom amplituden- und wellenlängenmoduliert. Die durchschnittliche Amplitude des Lichtimpulses betrug etwa 1 Milliwatt und schwankte zwischen 0,7 und 1,3 Milliwatt. Da die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts mit dem Eingangsstrom schwankt, resultierte die Wellenlängenmodulation im "Ein"-Zustand auch aus dem überlagerten Mikrowellensignal. Das Wellenlängenspektrum des 830-Nanometer-Ausgangslichts im "Ein"-Zustand verbreiterte sich um etwa 0,1 nm. Es ist nicht sicher, warum der Lichtpegel (aufgrund der spontanen Emission) im "Aus"-Zustand des Licht-Ausgangssignals nicht beeinflußt wurde. Diese Erscheinung könnte darauf zurückzuführen sein, daß der Vorstrom ausreichend unterhalb des Laser-Schwellenwerts lag, bei dem die induzierte Emission einsetzt. Es ist auch möglich,

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daß die Zeiträume, in denen der Mikrowellenstrom den Schwellenwert überschritten hat, zu kurz waren, um das "Einschalten" des Lasers zu bewirken, d- h., um die induzierte Emission in Gang zu setzen. In jedem Fall könnte durch Verwendung des digitalen Signals zum Tasten des Mikrowellenstroms eine Abhilfe geschaffen werden, falls sich durch das "Einschalten" des Lasers während des "Aus"-Zustands in einigen Systemen ein Problem ergäbe.

Es zeigte sich, daß der überlagerte Mikrowellenstrom die scharfen Ämplitudenabfälle der Licht-Ausgangsimpulse, welche bei herkömmlichen Monomode-Lasersendern durch Modendispersion verursacht wurden, vollständig eliminierte. Das Eliminieren der Modendispersion ist offenbar zurückzuführen auf den Kohärenzverlust des Lichtimpulses, hervorgerufen durch die Mikrowellenfrequenzmodulation, welche auslöschende Interferenzen im übertragungsweg verhindert. Die sich durch den Mikrowellenstrom ergebende Amplitudenmodulation stellt offenbar ebenfalls einen Faktor beim Eliminieren der Modendispersion dar, weil sie die Wahrscheinlichkeit herabsetzt, daß am Empfänger zwei Wellen mit entsprechenden Amplituden ankommen, selbst wenn sie ausreichend kohärent sein sollten, um zu einer auslöschenden Interferenz zu führen.

Das tatsächliche Eliminieren der Modendispersion wurde außerdem bestätigt durch das Studieren des Augenmusters des erfaßten

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Lichtsignals. Das "Augenmuster" oder die "Augenöffnung" ist in bekannter Weise eine Meßgröße für die Fähigkeit eines Systems, zwischen "Einsen" und "Nullen" für sämtliche möglichen Signalfolgen zu unterscheiden. Die Augenöffnung ist der prozentuale Bereich, in dem der Entscheidungspegel schwanken kann, ohne daß Fehler auftreten, die eine spezifizierte Fehlerrate überschreiten. Bei dem Monomode-Laser in dem vorliegenden Beispiel sank die Augenöffnung für eine Empfangssignalleistunq von -48,5 dBm und eine Fehlerrate von 1O~ ohne das Mikrowellensignal auf einen so niedrigen Wert wie 36 %. Wurde das Signal jedoch in der erfindungsgemäßen Weise zugeführt, so wurde die Augenöffnung bei 51 % gehalten. Im allgemeinen ist eine Augenöffnung von wenigstens 40 % wünschenswert. Durch Vergleich der Augenöffnungen derartiger Laser, welche Modendispersion hervorrufen, mit Augenöffnungen von Lasern mit breitem Spektrum ohne Modendispersion wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäße Anwendung des Mikrowellensignals zu keiner meßbaren Betriebsbeeinträchtigung führte. Das bedeutet: Die Augenöffnungen für die erstgenannten Laser waren wenigstens so groß wie diejenigen der zuletzt genannten Laser, so daß das Mikrowellensignal kontinuierlich angelegt werden könnte, ohne daß sich eine Verschlechterung des Licht-Ausgangssignals einstellt. Dies kann man als Gegensatz ansehen zu dem In-Kauf-Nehmen von Rauschen bei Anwendung eines Mikrowellenstroms auf optische

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Analogsysteme (vgl. Vanderwall, "Suppression of Some Artifacts of Modal Noise in Fiber-optic Systems", Optics Letters, Vol. 4, Nr. 9, Seiten 295 - 296 (September 1979).)

Die Verwendung des Mikrowellen-rModulationsstroms ist nicht auf die Eliminierung der Modendispersion beschränkt. Gerade weil diese Modulation Interferenzeffekte bei der übertragung, wie z. B. Modendispersion, im wesentlichen eliminieren kann, ist auch zu erwarten, daß sie die durch optische Reflexionen zurück zu dem Laser verursachten Probleme mildert. Darüberhinaus kann das Signal dazu herangezogen werden, allgemein die Betriebsleistung digitaler Systeme zu verbessern, in denen einige Eigenschaften des Lasers selbst zu niederfrequentem Rauschen, Impuls-Selbsterzeugung oder iftusterabhängigen Ausgangssignalen führen, welche die Augenöffnungen des erfaßten Signals herabsetzen.

Demgemäß wurden verschiedene Multimode-Laser, die in ihrer Licht-Strom-Kennlinie einige Unstetigkeiten aufwiesen, in dem System gemäß Fig. 1 verwendet. In einem Beispiel wurde ein mit Protonen beschossener 12 Mikrometer-Streifen-Doppelheterostruktur-Laser mit vier auf einem η -leitenden GaAs-Substrat gebildeten epitaktischen Schichten verwendet. Bei diesem Schichten handelte es sich der Reihenfolge nach um n-leitendes AlGaAs mit 36 % Aluminium, n- oder p-leitendes AlGaAs mit 8 % Aluminium, p-leitendes AlGaAs mit 36 % Aluminium und ρ -leiten-

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des GaAs. (Vgl. Pannish und Casey, "Heterostructure Laser Part B", Seiten 208 - 210 und Fig. 7.6-2 (Academic Press 1978)), Dieser Laser erzeugte etwa 10 bis 15 Moden bei Wellenlängen zwischen 821 und 825 nm. Derartige Laser weisen manchmal in ihrer Lichtabgabe-Strom-Kennlinie eine schräge Unstetigkeit oder einen Bereich starker Steigung auf, der als Lichtsprung bezeichnet wird. Wird der Laser mit einem Strom innerhalb oder in der Nähe des Lichtsprungbereichs betrieben, so ergibt sich ein häufig ausgeprägtes niederfrequentes Rauschen, das zu einem instabilen Licht-Ausgangssignal führt. Diese Instabilität kann sogar in extremen Fällen ein vollständiges Schließen der Augenöffnung des erfaßten Signals verursachen. In diesem speziellen Beispiel ergab sich ein vollständiges Schließen des Augenmusters.

Wurde jedoch ein Mikrowellen-Modulationsstrom mit einer konstanten Frequenz von 1,3 GHz und einer Amplitude von etwa 5 Milliampere angelegt, erweiterte sich die Augenöffnung auf 44,5 %. Hiermit wurde gezeigt, daß die Anwendung eines Mikrowellenstroms auf Multimode-Laser ebenfalls zu einer deutlichen Verbesserung der optischen Betriebseigenschaften führen könnte. Es wird angenommen, daß dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß das überlagerte Mikrowellensignal den Laser über Unstetigkeiten in dessen Ausgangskennlinie wobbelt, und zwar in einer im Vergleich zu den Zeitkonstanten dieser Unstetigkeiten kurzen Zeit. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß

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dies lediglich als mögliche Erklärung angeführt wird, und daß die gesamten Auswirkungen des Mikrowellensignals noch nicht vollständig verstanden werden.

Wie im Fall des Monomode-Lasers scheint es, daß Mikrowellensignale mit Frequenzen innerhalb des Bereichs von 500 MHz 3 GHz, die wenigstens 10 mal so hoch sind wie die Impulsrate des digitalen Signals, zu bevorzugen sind. Es können aber auch in speziellen Anwendungsfällen Frequenzen außerhalb des angegebenen Bereichs unter Umständen brauchbar sein. Ein zweckmäßiger Amplitudenbereich scheint bei 10 - 100 % der Spitzenamplitude des digitalen Signals (ohne den Vorstrom-Gleichanteil) zu liegen, um den Auswirkungen von Nichtlinearitäten in den Lichtabgabekennlinien entgegenzuwirken.

Es versteht sich, daß, wenngleich die vorliegende Erfindung anhand eines optischen digitalen Zwei-Pegel-Systems erläutert wurde, die Erfindung ebenfalls anwendbar ist bei optischen Digitalsystemen, die mit mehr als zwei Pegeln arbeiten.

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Claims

BLUMBACH · WESER . BERGEN · GRAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

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Patentconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Bosch 2

Laser-Digitalsender

P atentansprüche

1> Sender für eine optische digitale Nachrichtenübertragungsanlage, mit einem Festkörperlaser (10) und einer Einrichtung (12) zum Erzeugen eines digitalen Licht-Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet , daß der Sender eine Einrichtung (15) aufweist zum Bereitstellen eines Mikrowellen-Modulationsstroms, der dem digitalen Signal überlagert wird und der eine wesentlich höhere Frequenz hat als das digitale Signal.
2. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Laser ein Monomode-Laser ist.

MUndien: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbedi Dipl.-Ing. . P. Bergen Prof.Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirnsr Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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3. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Multimode-Laser ist.
4. Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13, 14) zum Anlegen eines Vorstroms an den Laser, um einen "Aus"-Zustand für das digitale Licht-Ausgangssignal zu schaffen.
5. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenstrom eine Frequenz in dem Bereich von 5OO MHz - 3 GHz und eine Amplitude in dem Bereich von 10 - 100 % der Spitzenamplitude des digitalen Signals hat.
6. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellenstroms wenigstens das fünffache der Impulsrate des digitalen Signals beträgt.
7. Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorstrom und die Frequenz des Mikrowellenstroms derart gewählt sind, daß der "Aus"-Zustand des digitalen Licht-Ausgangssignals nicht beeinflußt wird.

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