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Beschreibung
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"Optisches Nachrichtenübertragungssystem" Die Erfindung betrifft ein
optisches Nachrichtenübertragungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Gemäß Fig. 1 ermöglicht der Wellenlängenmultiplexbetrieb die Vervielfachung
der Übertragungskapazität eines Lichtwellenleiters LWLI, in dem die modulierte Strahlung
mehrerer Sender S1 bis Sn, z.B. Halbleiterlaserdioden, unterschiedlicher Wellenlänge
#1, #2, ...#n in einem Wellenlängen-Multiplexer WM zusammengefaßt wird, d.h. in
einem einzigen Lichtwellenleiter LWL1 eingekoppelt wird, nach dem Durchlaufen der
Übertragungsstrecke mit Hilfe eines Wellenlängen-Demultiplexers WDM in die einzelnen
Wellenlängen,1, A2 n spektral zerlegt wird und schließlich n verschiedenen Empfängern
E1 bis En zugeführt wird.
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Gemäß Fig. lb besitzen die Wellenlängendemultiplexer WDM in der Regel
eine bandfilterähnliche Abhängigkeit der Einfügungsdämpfung D von der Wellenlänge
7t in den einzelnen Übertragungskanälen Ül bis Ü6, wie sie am Beispiel eines 6-Kanal-Demultiplexers
dargestellt ist.
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Wellenlängenmultiplexer haben meist ebenfalls einen derartigen Verlauf
der Einfügungsdämpfung D, nur verläuft hier das Dämpfungsminimum spitzer (FIG. la).
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Aus wirtschaftlichen Gründen ist es zweckmäßig, den spektralen Abstand
der Übertragungskanäle, d.h. die Differenz zwischen den (Mitten-)Wellenlängen A1
bis An möglichst gering zu halten, um dadurch eine möglichst hohe Übertragungskapazität
zu erreichen. Ein derartiger Abstand zweier benachbarter Übertragungskanäle beträgt
ungefähr 2 bis 50 nm.
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Diese Spektralcharakteristiken von Multiplexer und Demultiplexer bedingen,
daß die Licht-Wellenlängen der Sender S1 bis 5n nur geringfügig von den Soll-WellenlängenX1,
bzw. A n abweichen dürfen. Andernfalls erhöht sich die Dämpfung der Übertragungsstrecke,
und es tritt bei schnellen Änderungen der Licht-Wellenlänge, z.B. bei Moden verteilungsrauschen
ein zusätzlicher Intensitätsrauschbeitrag auf. Dies gilt im besonderen für Wellenlängenmultiplexbetrieb
mit Monomodefasern, die wegen ihrer hohen Bandbreite für den Weitverkehr von besonderem
Interesse sind.
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Normale Halbleiterlaser, z.B. Fabry-Perot-Laser ohne
zusätzliche
Wellenlängenstabilisierung, haben einen Temperaturkoeffizienten, der etwa 3 ' 10
pro Grad Kelvin beträgt.
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Das Alterungsbedingte Driften der Betriebswellenlänge von Laserdioden
kann bis zu 2 ' 10 3 betragen. Bei Lasern mit interner Wellenlängenstabilisierung
durch Gitterstrukturen, z.B. sogenannten DBR ("distributed Bragg reflection") -oder
DFB ("distributed feed back")-Laser, ist der Temperaturkoeffizient um einen Faktor
4 niedriger als beim Fabry-Perot-Typ.
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Auch d-ie Spektralcharakteristik von Multiplexern und Demultiplexern
ist temperaturabhängig. Werden zur Wellenlängentrennung Interferentfilter verwendet,
so ist mit einem Temperatur-Koeffizienten von ca 5 ' 10 5 pro Grad Kelvin zu rechnen-.
Be der Verwendung von Beugungsgittern beträgt dieser Wert ungefähr 2 ' 10 5 pro
Grad Kelvin.
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Diese Temperatur- und Drifteffekte setzen eine Grenze für den bereits
erwähnten minimalen spektralen Kanalabstand in einem Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystem.
Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, daß die Halbleiterlaser in ihrer Betiebstemperatur
normalerweise grob stabilisiert werden, d.h. auf + 1 Grad Kelvin genau, während
die Multi-und Demultiplexer im gesamten vorkommenden Temperaturbereich, z.B. 0..
.500 C, funktionsfähig sein sollen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen
optischen Nachrichtenübertragungssystem die von den elektrooptischen Sendern aus-gesandten
Licht-Wellenlängen in kostengünstiger Weise derart zu stabili-
sieren,
daß optische Übertragungsverluste vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind
den Unteransprüchen entnehmbar.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß insbesondere temperatur-
und/oder alterungsbedingte Schwankungen der Licht-Wellenlänge der elektrooptischen
Sender sowie der Lichtwellenlängenfilter in dem Wellenlängenmultiplexern und -demultiplexern
zu keinen störenden optischen Dämpfungsverlusten führen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung. Es zeigen die FIG. 2,
4 und 5 Ausführungsbeispiele und Fig. 4a, 4b, 4c Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.
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Mit Hilfe der Wellenlängenstabilisierung, die im folgenden beschrieben
wird, werden die Licht-Wellenlängen #1 bis #n der Sender S1 bis Sn so nachgeregelt,
daß sie sich im n 1 n Dämpfungsminimum der Multi- bzw.Demultiplexerkanäle, also
im wesentlichen bei den Sollwellenlängen #1, #2,...#n befinden.
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Fig. 2 zeigt ein Lichtwellenleiter-Übertragungssystem mit Wellenlängen-Multiplexbetrieb,
wobei lediglich die Sende-und Empfangskomponenten der Lichtwellenlänge An 1 eingezeichnet
sind, um die Ubersichtlichkeit der Fig. zu erhalten. Im Normalbetrieb, d.h. ohne
Stabilisierung, wird zur Arbeitspunktstabilisierung des Senders So 1' z.B.
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eines Halbleiterlasers LDldessen Temperatur mit Hilfe eines Peltier-Elementes
P auf eine im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten. Dazu strömt in das Peltierelement
der im wesentlichen konstante Strom I . Die Funk-0 tion des Wellenlängenmultiplexers
WM und des Wellenlängendemultiplexers WDM ist die Gleiche wie die in Fig. 1 beschriebene.
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Die modulierte Strahlung der Wellenlänge t n 1 wird hinter dem Wellenlängendemultiplexer
WDM einem Photodetektor PD zugeführt. Der resultierende Photostrom wird in einem
Vorverstärker VV verstärkt und in weiteren Verstärkerstufen, z.B. einer Regelstufe
AGC, weiter verarbeitet. Dieses elektrische Ausgangssignal ist z.B. in nicht dargestellten
Auswerteeinheiten derart demodulierbar, daß daraus die übertragene Nachricht darstellbar
ist.
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Im stabilisierten Betrieb wird dem Peltierelement P zusätzlich über
einen Summierverstärker S ein zeitlich periodisch schwankender Strom + bI zugeführt,
der in einem Taktoszillator OS erzeugt wird und der eine proportionale periodische
Anderung der Temperatur T des Halbleiterlasers LD um den Wert +t T zur Folge hat.
Dieses ist jeweils in den linksseitigen oberen Teilen der Fig. 4a bis c darge-
stellt.
Mit dem Bezugszeichen t ist die Zeit bezeichnet.
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Die optimale Temperatur Topt entspricht derjenigen Soll-Lichtwellenlänge
#o, die in der spektralen Mitte des optischen Übertragungskanals liegt. Die Temperatur
des Halbleiterlasers LD ändert sich mit einer niedrigen Frequenz, die z.B. im Bereich
von 1Hz bis 100Hz liegt.
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Diese periodische Temperaturschwankung bewirkt eine periodische Wellenlängenänderung
+ aA der Betriebswellenlänge der Halbleiterlaserdiode LD. Diese periodischen Wellenlängenänderungen
verursachen periodische Schwankungen der mittleren Lichtleistung am Photodetektor
PD, deren Amplitude und Phasenlage zur Taktfrequenz f der Peltieros elementstromschwankungen
von der Lage der Betriebswellenlänge Å B zur durch die Spektralcharakteristik von
Multiplexern und Demultiplexer vorgegebenen Sollwellenlänge O und dem Verlauf der
Spektralcharakteristik selbst abhäng.
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Dieses ist jeweils im rechtsseitigen Teil der Fig. 4a bis 4c dargestellt.
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Die resultierenden niederfrequenten Photostromschwankungen, die dem
wesentlich höherfrequenten Nutzsignal überlagert sind, werden mit Hilfe eines entsprechenden
Tiefpaßfilters TP ausgefilter, und bezüglich Amplitude sowie Phase (bezogen auf
die Taktfrequenz f ) detektiert.
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os Dieses erfolgt beispielsweise durch einen phasenempfindlichen
Gleichrichter PED, dessen Prinzip in der Elektronik allgemein bekannt ist. Das Ausgangssignal,
das annähernd der ersten Ableitung des Produktes der resultierenden Spektralcharakteristiken
von Multiplexer WM und Demultiplexer WDM entspricht, wird dem Summierverstärker
S zuge-
führt, was in einem zusätzlichen Korrektursignal IR, einem
elektrischen Strom, für das Peltierelement P resultiert.
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Damit ergibt sich ein geschlossener Regelkreis: Die Wellenlänge ?B
stellt sich so ein, daß sie im wesentlichen der Sollwellenlänge ho entspricht.
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Die Fig. 4a bis 4c zeigen diesen Sachverhalt für verschiedene Zustände
des beschriebenen Regelkreises. Die mit TLD (t) bezeichneten Kurven zeigen den von
der Zeit t abhängigen Temperaturverlauf der beispielhaft gewählten Halbleiter-Laserdiode
LD. die mit UE(t) bezeichneten Kurven zeigen den von der Zeit t abhängigen Verlauf
der elektrischen Eingangsspannung am Eingang des phasenempfindlichen Gleichrichters
PED. Ü bezeichnet die der opt optimalen Temperatur T entsprechende Spannung ohne
opt periodische Temperaturschwankung. Fig. 4a zeigt den Fall, daß die ausgesandte
zeitabhängige Licht-Wellenlänge x (t) im wesentlichen symmetrisch zur mittleren
Betriebswellenlänge A B schwankt. Die Betriebswellsenlänge > B ist dabei im wesentlichen
identisch mit der Soll-Wellenlänge t0.
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Fig. 4b bzw. 4c zeigen entsprechende Darstellungen für die Fälle t
B kleiner als A bzw. AB größer 3 . Bei einer entsprechend gewählten Verstärkung
innerhalb des Regelkreises liegt jedoch immer der in Fig. 4a dargestellte Fall vor,
welcher der gewünschten Wellenlängenstabilisierung entspricht.
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Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich,
die erforderlichen Temperaturschwankungen durch periodische Änderungen des ansonsten
im -es'entlichen konstanten Unterlegstromes IO der Halbleiter-Laserdiode
LD
zu erzeugen. Mit 1Mod LD ist ein den zu übertragenden Nachrichten entsprechender
Modulationsstrom der Halbleiter-Laserdiode LD bezeichnet. In diesem Fall wird der
Unterlegstrom IOLD durch das Korrektursignal IR entsprechend geändert.
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Die in Fig.2 dargestellte Anordnung zur Wellenlängenstabilisierung
würde pro LWL-Übertragungsstrecke LWL1 zwei zusätzliche Signalleitungen Sil, Si2
erfordern, eine für die Taktfrequenz f , die zweite für das Korrektur signal 1R
Dieser mögliche Nachteil ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dadurch beseitigt,
daß lediglich eine einzige Signalleitung Si2 vorhanden ist. Die Signalleitung Sil
für die Taktfrequenz f wird eingespart, indem die os Taktfrequenz auf der Empfängerseite
mit Hilfe einer Phasenregelschleife (PLL), die im einfachsten Fall aus einem spannungsgesteuerten
Oszillator VCO und einem Phasendetektor PhD besteht, aus den niederfrequenten Photostromschwankungen
regeneriert wird. in diesem Fall muß die Phasenlage aus den niederfrequenten Photostromschwankungen
reproduziert werden, da sonst das Regelsignal mehrdeutig ist, d.h. es liefert keine
Information darbüer, ob to oder iB(Ao gilt. Diese störende Mehrdeutigkeit wird dadurch
beseitigt, daß die Temperaturschwankungen entsprechend den Fig. 4a bis 4c einen
asymmetrischen Verlauf besitzen, indem z.B. das sogenannte Tastverhältnis (Pulsdauer
zu Pausendauer) abweichend von eins gewählt wird.
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Zur Verbesserung des Störabstandes bei der Übertragung des Korrektursignals
ist es möglich, dieses auf der Empfängerseite
zu kodierten und
auf der Sendeseite zu dekodieren, z.B. durch Analog-Digital-Wandlung bzw. Digital-Analog-Wandlung
oder durch Spannungs-Frequenz-Wandlung. Dieses ist in Fig. 3 durch die mit F/U bzw.
U/F bezeichneten Bauelemente dargestellt.
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Es ist weiterhin möglich, die Korrektursignale (Regelsignale) sämtlicher
Kanäle einer Wellenlängenmultiplexstrecke oder sogar mehrerer paralleler Strecken
über eine einzige Signalleitung zu übertragen, indem man allgemein bekannte elektrische
Multiplex-Verfahren, z.B. das Zeitmultiplex-Prinzip, anwendet.
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Gemäß Fig. 5 kann diese Signalleitung auch als ein zweiter Lichtwellenleiter
LWL2 ausgebildet sein.
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Die Funktionsbausteine sind hier gegenüber den bisherigen Bildern
zusammengefaßt.
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Die Funktion des Taktgenerators, der Einprägung der periodischen Temperaturänderung
AT und des Regelsignals 1R wird durch den Reglerbaustein "Reg" zusammengefaßt. Photodetektor,
die nachfolgenden Verstärker und Signalregenerationsstufen bilden den "opto-elektronische
Wandler" OEW.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich,
als elektrooptische Sender Festkörper- oder Gaslaser zu verwenden, deren optische
Resonatorlänge durch Temperaturschwankungen
periodisch geändert
wird. Weiterhin ist es möglich, in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 den zweiten
Lichtwellenleiter LWL 2 fortzulassen, z.B. durch Anwendung einer bidirektionalen
optischen Übertragung über den ersten Lichtwellenleiter LWL1.