DE4216790A1 - Digitales optisches Nachrichtenübertragungssystem mit einem bei der Betriebswellenlänge dispersionsbehafteten Lichtwellenleiter - Google Patents
Digitales optisches Nachrichtenübertragungssystem mit einem bei der Betriebswellenlänge dispersionsbehafteten LichtwellenleiterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein System nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Ein System mit den dort genannten Merkmalen ist bekannt aus: A.R.
Chraplyvy et al: "8 Gbit/s FSK Modulation of DFB Lasers with Optical
Demodulation", Electronics Letters, 2nd March 1989, Vol. 25, No. 5,
Seiten 319 bis 321.
Bei der Übertragung von Digitalsignalen mit hoher Bitfolgefrequenz
(im Gigabit-Bereich) ist die chromatische Dispersion (auch
Materialdispersion genannt), die der Lichtwellenleiter des optischen
Übertragungssystems bei der Betriebswellenlänge hat, ein Problem
insofern, als sie die Streckenlänge, über die ein Digitalsignal
hoher Bitfolgefrequenz übertragbar ist, begrenzt. Wünschenswert ist
heutzutage einerseits eine Betriebswellenlänge für die optische
Übertragung im Bereich von 1550 nm, da für solche Wellenlängen
geeignete faseroptische Verstärker zur Verfügung stehen, und
andererseits die Benutzung von Standard-Einmoden-Lichtwellenleitern,
da diese bereits vielfach verlegt worden sind. Daher muß das Problem
der chromatischen Dispersion des Lichtwellenleiters anders als durch
Wahl der Betriebswellenlänge oder Wahl des Lichtwellenleiter-Typs
gelöst werden.
Das bekannte System stellt folgende Lösung dar: Der Halbleiterlaser
auf der Sendeseite des Systems wird mit dem zu übertragenden
Digitalsignal nicht, wie es sonst üblich ist, in seiner Intensität
moduliert, sondern in der Frequenz seines optischen Ausgangssignals.
Diese Modulation wird FSK-Modulation (FSK = Frequency-Shift-Keying)
genannt, wogegen die früher übliche Intensitätsmodulation
"ASK"-Modulation (ASK = Amplitude-Shift-Keying) genannt wird. Man
erreicht die FSK-Modulation, indem man den Injektionsstrom des
Halbleiterlasers deutlich schwächer, also mit deutlich geringerem
Modulationshub, moduliert, als man dies tun würde, wenn man die
übliche ASK-Modulation erhalten wollte.
Durch die Frequenzmodulation hat das übertragene optische Signal
einen geringeren Spektralbereich, als es bei der
Intensitätsmodulation der Fall wäre, so daß sich die chromatische
Dispersion des Lichtwellenleiters nicht mehr so nachteilig auswirkt.
Auf der Empfangsseite enthält das bekannte System ein optisches
Interferometer, das die Frequenzmodulation des empfangenen optischen
Signals in eine Amplitudenmodulation umsetzt, und einen optischen
Empfänger für Direktempfang, der das optische intensitätsmodulierte
Signal empfängt und daraus das übertragene Digitalsignal
wiedergewinnt. Unter einem optischen Empfänger für Direktempfang
versteht man gewöhnlich eine Anordnung aus einem optischen Detektor,
einem Vorverstärker, einem Verstärker und einem Regenerator
(letzterer heißt bisweilen auch Entscheider-Schaltung), wobei der
optische Detektor zusammen mit dem Vorverstärker und dem Verstärker
den zeitlichen Verlauf der Intensität des empfangenen optischen
Signals in einen entsprechenden zeitlichen Verlauf eines
elektrischen Signals umsetzt und der Regenerator aus dem
elektrischen Signal das Digitalsignal wiedergewinnt. Erläutert sind
solche optischen Empfänger zum Beispiel in dem Buch "Optical Fibers"
von J. Geissler et al, Pergamon Press, Oxford, New York, Toronto,
Sydney, Frankfurt, 1986, Seite 439 oder in H. Hamano et al; proc.
ECOC ′90, Amsterdam, Seiten 45 bis 48.
Das bekannte System ist wegen seines optischen Interferometers
aufwendiger als frühere Systeme und daher unter
Kostengesichtspunkten nachteilig, auch wenn es leistungsfähiger ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, für das Problem der
Übertragung eines Digitalsignals mit hoher Bitfolgefrequenz über
einen bei der Betriebswellenlänge dispersionsbehafteten
Lichtwellenleiter eine einfachere und damit kostengünstigere Lösung
zu finden.
Der Anspruch 1 nennt die Merkmale eines erfindungsgemäßen
Übertragungssystems, mit dem die Aufgabe gelöst ist.
Ein Aspekt der Erfindung ist auch, daß zum Empfang eines
frequenzmodulierten optischen Signals, das einen bei seiner
Wellenlänge dispersionsbehafteten Lichtwellenleiter durchlaufen hat,
eine neue Empfangseinrichtung geschaffen wurde. Diese ist Gegenstand
des Patentanspruchs 2.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, daß ein dispersionsbehafteter
Lichtwellenleiter zum Umwandeln einer ursprünglichen
Frequenzmodulation eines optischen Signals in eine
Intensitätsmodulation verwendet wird. Eine solche Verwendung ist
Gegenstand des Patentanspruchs 3.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bevor die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen näher
erläutert wird, soll nun zunächst erläutert werden, welche Idee ihr
zugrunde liegt. Erfindungsgemäß bleibt die sendeseitige Einrichtung
unverändert gegenüber dem eingangs genannten bekannten System, so
daß ein frequenzmoduliertes optisches Signal über den
Lichtwellenleiter zur Empfangseinrichtung übertragen wird. Als
Empfangseinrichtung dient aber ein an sich im wesentlichen bekannter
optischer Empfänger für Direktempfang, der typischerweise die
Eigenschaft hat, daß er Intensitätsschwankungen seines optischen
Eingangssignals in ein elektrisches Ausgangssignal umsetzt, also
nicht für eine Frequenzmodulation, sondern für eine
Intensitätsmodulation empfindlich ist.
Es stellt sich also die Frage, warum das System trotzdem
funktioniert. Die Erklärung ist die folgende erfindungsgemäße
Erkenntnis: Das sendeseitig in den Lichtwellenleiter eingestrahlte
optische Signal besteht aus Anteilen verschiedener Wellenlängen, die
sendeseitig nacheinander in den Lichtwellenleiter eingestrahlt
werden. Wegen der chromatischen Dispersion des Lichtwellenleiters
erfahren die beiden Signalanteile unterschiedliche Verzögerungen bei
ihrer Übertragung über den Lichtwellenleiter. Am Ende des
Lichtwellenleiters haben sich die Signalanteile mit den
verschiedenen Wellenlängen zeitlich gegeneinander verschoben. Die
dadurch entstehende Interferenz der beiden Signalanteile führt zu
einer Variation der Intensität des am Ende des Lichtwellenleiters
austretenden optischen Signals. Der zeitliche Verlauf der
Intensitätsvariation hat die Eigenschaft, daß aus ihm der Verlauf
des zu übertragenden Digitalsignals ableitbar ist.
Erfindungsgemäß wird also von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß
die Lichtwellenleiterstrecke selbst (gerade wegen der prinzipiell
unerwünschten Eigenschaft ihrer chromatischen Dispersion) den Effekt
hat, eine anfängliche Frequenzmodulation in eine solche
Intensitätsmodulation umzuwandeln, die den Verlauf des
Digitalsignals enthält.
In anderen Worten: Der dispersionsbehaftete Lichtwellenleiter selbst
wird zum Umwandeln der ursprünglichen Frequenzmodulation in eine
Intensitätsmodulation verwendet. Das über ihn übertragene optische
Signal ist unmittelbar als Eingangssignal des auf die Intensität
ansprechenden optischen Empfängers zu verwenden. Dem steht nicht
entgegen, daß andere optische Einrichtungen, die nicht zum Umwandeln
der Modulationsart sondern zu anderen Zwecken dienen, wie z. B. ein
Isolator oder ein optischer Verstärker, dem optischen Empfänger
vorgeschaltet sein können.
Reicht die zur Überbrückung der Übertragungsstrecke notwendige
Lichtwellenleiter-Länge nicht aus, um die erforderliche
Modulationsumwandlung zu bewirken, so kann sie durch eine
Zusatz-Lichtwellenleiter-Länge verlängert werden. In diesem Falle
ist es die gesamte Lichtwellenleiter-Länge, deren optisches
Ausgangssignal als Eingangssignal des optischen Empfängers zu
verwenden ist. Ein anderer Aspekt ist, daß in diesem Falle sowohl
die Gesamtlänge des Lichtwellenleiters als auch seine Teil-Längen
zum Umwandeln der Modulationsart verwendet ist.
Was den hier verwendeten Begriff "Frequenzmodulation" oder
"FSK-Modulation" betrifft, so ist auf folgendes hinzuweisen: Der
Begriff ist nicht beschränkt auf eine reine Frequenzmodulation.
Wesentlich ist, daß es sich wie bei dem genannten bekannten System
um eine Halbleiterlaser-Modulation handelt, die mit geringem
Modulationshub ausgeführt wird. Meistens bleibt dabei die Intensität
des optischen Ausgangssignals nicht konstant, sondern ändert sich
zusammen mit der Frequenz. Trotzdem wird eine solche Modulation als
FSK- oder Frequenzmodulation bezeichnet. Wichtig ist, daß man das
damit erzeugte optische Ausgangssignal empfangsseitig nicht durch
eine spezielle Vorrichtung in eine ASK-Modulation umsetzt, sondern
direkt mit einem für Intensitätsmodulation empfindlichen Empfänger
verarbeitet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Blockdiagramm-Darstellung des erfindungsgemäßen
Systems,
Fig. 2 den Signalverlauf an verschiedenen Stellen des
Übertragungssystems zur Erläuterung von dessen Funktion,
Fig. 3 die typische Kennlinie eines als Entscheider-Schaltung 6
(Fig. 1) verwendbaren Schmitt-Triggers,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 gezeigten
Entscheider-Schaltung,
Fig. 5 den Intensitätsverlauf des Eingangssignals des optischen
Empfängers, wenn sendeseitig eine Frequenzmodulation mit
gleichzeitiger Amplitudenmodulation erfolgt,
Fig. 6 zwei Ausführungsbeispiele eines Optisch-Elektrisch-Wandlers
und
Fig. 7 Ersatzschaltbilder zur Erklärung der Tiefpaßfilterwirkung
des Optisch-Elektrisch-Wandlers.
Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Übertragungssystem für
Digitalsignale enthält auf seiner Sendeseite (linker Teil der Figur)
einen Elektrisch-Optisch Wandler 2, dessen wesentliches Element ein
Halbleiterlaser ist und der wie beim Stand der Technik die
Eigenschaft hat, ein elektrisches Eingangssignal in Form eines
binären Digitalsignals durch Frequenzumtastung (englisch: FSK =
Frequency Shift Keying) in ein entsprechend moduliertes optisches
Ausgangssignal umzusetzen. Das optische Ausgangssignal hat also
verschiedene Frequenzen für die verschiedenen Binärzustände des zu
übertragenden Digitalsignals. In der Fig. 1 entspricht dem
Binärzustand 0 eine Wellenlänge λ0 und dem Binärzustand 1 eine
Wellenlänge λ1 Die Intensität bleibt bei dieser Modulation
normalerweise konstant, wie es mit Wellenzügen mit unterschiedlichen
Frequenzen, jedoch gleichen Amplituden schematisch angedeutet ist.
Diese sendeseitige Einrichtung ist über einen Lichtwellenleiter 3,
der die Übertragungsstrecke bildet, mit der empfangsseitigen
Einrichtung des Systems verbunden. Das Neue an dem System nach Fig.
1 ist, daß sich auf der Empfangsseite keine Vorrichtung bildet, um
das übertragene optische Signal in eine Amplitudenmodulation
umzusetzen, sondern daß das übertragene optische Signal direkt das
Eingangssignal eines im wesentlichen an sich bekannten optischen
Empfängers 4 bildet.
Der optische Empfänger 4 enthält einen Optisch-Elektrisch-Wandler 5,
der einen optischen Detektor, einen Vorverstärker und einen
Verstärker enthält und den zeitlichen Verlauf der Intensität eines
optischen Eingangssignals in einen zeitlichen Verlauf der Amplitude
seines elektrischen Ausgangssignals umsetzt. Weiter enthält der
optische Empfänger 4 einen Entscheider 6 (bisweilen auch Regenerator
genannt), der aus dem elektrischen Ausgangssignal des
Optisch-Elektrisch-Wandlers 5 das übertragene Digitalsignal
wiedergewinnt. Letzteres Signal ist am Ausgang schematisch
angedeutet.
Es stellt sich hier gleich die Frage, warum ein optischer Empfänger
4, der typischerweise auf Intensitätsschwankungen und nicht auf
Frequenzschwankungen seines optischen Eingangssignals anspricht, in
der Lage ist, ein übertragenes frequenzmoduliertes optisches Signal
in das darin enthaltene Digitalsignal umzusetzen. Die Erklärung ist:
Es ist die Lichtwellenleiterstrecke 3 selbst, die aus der
anfänglichen Frequenzmodulation des in sie eingestrahlten optischen
Signals eine Amplitudenmodulation macht, und die entstehende
Amplitudenmodulation hat die Eigenschaft, daß das übertragene
Digitalsignal in ihr enthalten ist.
Oberhalb des optischen Empfängers 4 in Fig. 1 ist schematisch
angedeutet, daß der Intensitätsverlauf des empfangenen Signals, den
der Wandler 5 in einen entsprechenden Verlauf seines elektrischen
Ausgangssignals umsetzt, von links nach rechts betrachtet, zuerst
einen positiven Impuls und dann einen negativen Impuls hat. Wie
anhand von Fig. 2 noch erläutert wird, bedeutet der positive Impuls,
daß das Digitalsignal vom Zustand 0 zum Zustand 1 wechselt, und der
negative Impuls bedeutet, daß es vom Zustand 1 in den Zustand 0
wechselt. Als Entscheider-Schaltung 6 ist also jede Schaltung
geeignet, die ihr digitales Ausgangssignal von 0 auf 1 wechseln
läßt, wenn ihr Eingangssignal einen vorgegebenen oberen
Schwellenwert überschreitet und die ihr digitales Ausgangssignal von
1 auf 0 wechseln läßt, wenn ihr elektrisches Eingangssignal einen
vorgegebenen unteren Schwellenwert unterschreitet. Im wesentlichen
hat der Entscheider also wie bei jedem an sich bekannten optischen
Empfänger die Aufgabe, aus dem elektrischen Ausgangssignal des
Optisch-Elektrisch-Wandlers 5 das darin enthaltene Digitalsignal
wiederzugewinnen. Wie er im einzelnen funktionieren muß, hängt wie
immer vom Verlauf seines elektrischen Eingangssignals ab. Für das
hier vorliegende werden an späterer Stelle noch einige
Ausführungsbeispiele angegeben.
Anhand von Fig. 2 wird nun erläutert, wie bei der Übertragung des
optischen Signals über den Lichtwellenleiter 3 die Umwandlung von
der anfänglichen Frequenzmodulation in eine Intensitätsmodulation
zustandekommt.
Zunächst wird an das in Fig. 1 gezeigte Beispiel erinnert, bei dem
bei einer zu übertragenden Bitfolge 0 1 0 nacheinander Wellenzüge
mit der Wellenlänge λ0, λ1 und λ0 in den
Lichtwellenleiter eingestrahlt werden. In Fig. 2 sind die
nacheinander in den Lichtwellenleiter 3 eingestrahlten Wellenzüge
(oder Signalanteile des optischen Signals) nicht in einer, sondern
in zwei Zeilen dargestellt, in Zeile a die Wellenzüge mit der
Wellenlänge λ0 und in Zeile b der Wellenzug mit der Wellenlänge
λ1. Beide sind auf eine gemeinsame, von links nach rechts
gerichtete Zeitachse bezogen.
Die chromatische Dispersion des Lichtwellenleiters 3 bewirkt, daß
Licht mit der größeren Wellenlänge eine größere Laufzeit für die
Lichtwellenleiter-Strecke benötigt als Licht mit der kleineren
Wellenlänge. Betrachtet man am Lichtwellenleiter-Ende das Eintreffen
der Signalanteile mit den verschiedenen Wellenlängen, so stellt man
fest, daß es eine Zeitspanne Δτ gibt, während der noch der letzte
Teil des ersten Wellenzugs mit der Wellenlänge λ0 und
gleichzeitig schon der erste Teil des Wellenzugs mit der Wellenlänge
λ0 auftritt. In anderen Worten: Der Wellenzug mit der
Wellenlänge λ1 erreicht bereits das Lichtwellenleiter-Ende,
bevor der sich langsamer ausbreitende Wellenzug mit der Wellenlänge
λ0 zu Ende ist. Δτ ist dabei der Laufzeitunterschied der
beiden Wellen und errechnet sich nach:
Δτ = Δλ · D · L,
wobei Δλ der Unterschied zwischen λ0 und λ1 ist,
D die chromatische Dispersion des Lichtwellenleiters und
L die Länge der Lichtwellenleiter-Strecke 3 ist.
D die chromatische Dispersion des Lichtwellenleiters und
L die Länge der Lichtwellenleiter-Strecke 3 ist.
Δτ darf maximal so groß sein, wie die Dauer eines Bits des
Digitalsignals. Ein geeigneter Wert läßt sich durch Wahl von Δλ,
d. h. praktisch durch den Modulationshub, und eventuell der Länge L
erreichen (D ist fest vorgegeben).
In entsprechender Weise wie am Anfang des Wellenzugs mit der
Wellenlänge λ1 kommt es an dessen Ende zu einem Effekt aufgrund
der unterschiedlichen Laufzeiten, nämlich zu einem während der
Laufzeitdifferenz Δτ bestehenden Zustand, daß der Wellenzug λ1
bereits zu Ende ist und der zweite Wellenzug mit der Wellenlänge
λ0 noch nicht begonnen hat.
Somit ergibt der Laufzeitunterschied unterschiedlicher Wellenlängen
beim Wechsel von λ0 auf λ1 den Zustand der Dauer Δτ, daß
die beiden Wellen gleichzeitig empfangen werden und beim Wechsel von
λ1 auf λ0 den ebenso lange währenden Zustand, daß keine der
beiden Wellen empfangen werden kann. Der erste Zustand bedeutet eine
Interferenz der beiden Wellen mit der Folge, daß die resultierende
Welle eine höhere Intensität als jede der beiden Einzelwellen hat,
und der zweite Zustand bedeutet ein Absinken der empfangenen
Intensität auf 0.
In Zeile c von Fig. 2 ist der dadurch entstehende Intensitätsverlauf
des am Ende des Lichtwellenleiters 3 austretenden optischen Signals
schematisch gezeigt, den der Optisch-Elektrisch-Wandler in einen
entsprechenden Verlauf seines elektrischen Ausgangssignals
umwandelt. Dieses hat also einen beispielsweise je nach Vorzeichen
der Dispersion und Δλ positiven Impuls beim Wechsel von λ0 auf
λ1 und einen negativen Impuls beim Wechsel von λ1 auf
λ0. Aus seinem Verlauf kann die Entscheider-Schaltung 6 das
übertragene binäre Digitalsignal wiedergewinnen, indem sie den
Binärzustand ihres Ausgangssignals von 0 auf 1 wechseln läßt, wenn
ihr Eingangssignal einen vorgegebenen ersten Schwellenwert V1
überschreitet und von diesem Zustand in den Binärzustand 0 wechselt,
wenn ihr Eingangssignal einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert
V0 unterschreitet. In Zeile d von Fig. 2 ist der Verlauf des so
wiedergewonnenen binären Digitalsignals gezeigt. Der erste
Schwellenwert V1 ist so gewählt, daß er oberhalb des beim Empfang
nur einer einzigen Welle entstehenden Signalwertes liegt und der
zweite Schwellenwert V0 so, daß er unterhalb dieses "normalen"
Signalwertes liegt.
Das Ausgangssignal des optischen Empfängers ist also ein bipolares
Signal, und die Entscheider-Schaltung 6 hat die Aufgabe, aus ihm das
binäre Digitalsignal in der üblichen NRZ-Form (NRZ = Non Return to
Zero) wiederzugewinnen. Im folgenden werden einige hierfür geeignete
Ausgestaltungen der Entscheider-Schaltung 6 erläutert. Als
Entscheider-Schaltung, die vom Binärzustand 0 in den Binärzustand 1
geht, wenn ihre Eingangsspannung, wie in Fig. 2c gezeigt, einen
ersten Schwellenwert V1 überschreitet und vom Binärzustand 1 in
den Binärzustand 0 übergeht, wenn ihre Eingangsspannung einen
zweiten Schwellenwert V0, der unterhalb von V1 liegt,
unterschreitet, ist ein "Schmitt-Trigger" geeignet, der eine
Kennlinie nach Fig. 3 hat.
Fig. 3 zeigt die Kennlinie als Verlauf der Ausgangsspannung Va
über der Eingangsspannung Ve eines solchen Schmitt-Triggers. Wird
die Eingangsspannung Ve erhöht, so wechselt seine Ausgangsspannung
bei einem Schwellenwert V1 von einem unteren Wert, der den
Binärzustand 0 bedeutet, auf einen oberen Wert, der den Binärzustand
1 bedeutet. Wird die Eingangsspannung von einem oberhalb V1
liegenden Wert erniedrigt, so kippt die Ausgangsspannung erst bei
einem unteren Schwellenwert V0 von dem zweiten Zustand in den
ersten Zustand zurück.
Solche Schmitt-Trigger sind an sich bekannt, zum Beispiel aus dem
Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und C. Schenk, 8.
Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, Seiten 168 und
169 sowie 180 und 181.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Integrator in Form eines
RC-Tiefpaßfilters. Sein Ausgangssignal steigt mit dem positiven
Impuls an und fällt mit dem negativen Impuls wieder ab, so daß aus
seiner ansteigenden und seiner abfallenden Flanke die ansteigende
bzw. abfallende Flanke des übertragenen Digitalsignals mit einem
einfachen D-Flipflop auf einfache Weise wiedergewonnen werden kann.
Für den Fall, daß der positive und der negative Impuls
unterschiedliche Energieinhalte haben, sollte ein Integrator mit
unterschiedlichen Zeitkonstanten verwendet werden. Dies ist möglich,
wenn man einen RC-Tiefpaß mit einer spannungsabhängigen Kapazität,
zum Beispiel der Kapazität einer Varaktor-Diode, verwendet.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Entscheider-Schaltung ist die
in Fig. 4 gezeigte Schaltung aus zwei D-Flipflops und einem
RS-Flipflop. Das Eingangssignal gelangt dabei parallel auf die
beiden D-Flipflops 10 und 11. Das RS-Flipflop 12 hat Eingänge R und
S, die mit dem Q-Ausgang des Flipflops 10 bzw. dem -Ausgang des
Flipflops 11 verbunden sind. Das D-Flipflop 10 kippt in den Zustand
mit Q = 1, wenn das Eingangssignal der Entscheiderschaltung den
Schwellenwert V1 überschreitet, und das D-Flipflop 11 kippt in den
Zustand = 1, wenn das Eingangssignal den Schwellenwert V0
unterschreitet. Das RS-Flipflop 12 kippt in den Zustand Q = 1, wenn
sein Eingang S in diesen Zustand kippt, wenn also der -Ausgang vom
D-Flipflop 10 gleich 1 wird, und es kippt in den Zustand Q = 0, wenn
sein Eingang R gleich 1 wird, wenn also der -Ausgang des
D-Flipflops 11 gleich 1 wird. Der Q-Ausgang des RS-Flipflops 12 gibt
also das wiedergewonnene binäre Digitalsignal aus.
Statt der beiden in Fig. 4 gezeigten D-Flipflops 10 und 11 kann auch
ein einziges D-Flipflop mit zwei zueinander invertierten Ausgängen Q
und verwendet werden, bei dem durch interne Unsymmetrie in der
Schaltungsauslegung dafür gesorgt ist, daß es einen oberen
Schwellenwert hat, bei dessen Überschreiten es in den Zustand Q = 1
geht und einen unteren Schwellenwert V0, bei dessen Unterschreiten
es in den Zustand = 1 zurückkippt. Es hat dann eine
Schalthysterese der in Fig. 3 gezeigten Art.
Eine besondere Ausführung der Entscheider-Schaltung 6 aus Fig. 1 ist
möglich, wenn das auf der Sendeseite des Systems erzeugte optische
Signal die Eigenschaft hat, daß die beschriebene Frequenzmodulation
von einer Intensitätsmodulation begleitet wird. Dies ist dann der
Fall, wenn der Halbleiterlaser über den Injektionsstrom moduliert
wird. Eine solche Modulation ist zu unterscheiden von der normalen
Intensitätsmodulation des Halbleiterlasers, die mit weitaus größerem
Modulationshub ausgeführt würde. Es ist also in erster Linie eine
Frequenzmodulation.
Betrachtet wird eine solche Frequenzmodulation, die bei der
Wellenlänge λ1 (d. h. der höheren Frequenz) einen höheren Pegel
des optischen Ausgangssignals als bei der Wellenlänge λ0 ergibt.
In einem solchen Falle hat das am Ausgang des
Optisch-Elektrisch-Wandlers 5 entstehende Signal einen Verlauf, wie
er in Fig. 5 dargestellt ist. Es beginnt mit einem Pegel P0, mit
dem der Wellenzug mit der Wellenlänge λ0 empfangen wird, steigt
wie das Signal von Fig. 2c impulsförmig an, geht zurück auf einen
Pegel P1, mit dem der Wellenzug der Wellenlänge λ1 empfangen
wird und sinkt von dort impulsförmig mit einem negativen Impuls auf
den Pegel P0 wieder ab. In diesem Falle reicht es, das
Überschreiten eines einzigen Schwellenwertes Vm am Anfang des
positiven Impulses und dessen Unterschreiten am Anfang des negativen
Impulses zu detektieren. Auch dabei wird vom Vorhandensein des
positiven und des negativen Impulses, der sich durch die
Frequenzmodulation ergibt, Gebrauch gemacht. Als
Entscheider-Schaltung kann dann eine übliche Entscheider-Schaltung,
z. B. ein D-Flipflop, mit einem Schwellenwert Vm verwendet werden,
wie sie auch bei an sich bekannten optischen Empfängern
üblicherweise verwendet wird.
Selbstverständlich kann auch eine Entscheider-Schaltung der in Fig.
4 gezeigten Art mit zwei Schwellenwerten V1 und V0 verwendet
werden.
Abweichend von der oben erläuterten Realisierung des Integrators als
Bestandteil der Entscheiderschaltung, wobei der Integrator nach dem
Optisch-Elektrisch-Wandler angeordnet ist, ist auch die folgende
Ausführung möglich.
Erfindungsgemäß wird davon Gebrauch gemacht, daß der Photodetektor
eine Kapazität CD besitzt und in Verbindung mit einem zusätzlichen
Widerstand R oder dem Eingangswiderstand R; eines nachfolgenden
Verstärkers als RC-Tiefpaßfilter wirkt. Durch Einstellen der
Vorspannung VD kann die Kapazität CD des Photodetektors variiert
werden und somit die integrierende Wirkung des
Optisch-Elektrisch-Wandlers beeinflußt werden.
In Fig. 6 sind Ausführungsbeispiele eines
Optisch-Elektrisch-Wandlers 5 gezeigt. Hierbei ist an den
Photodetektor 13 eine Vorspannung VD angelegt. Die Kapazität CD
des Photodetektors 13 wirkt in Verbindung mit dem Eingangswiderstand
R des Verstärkers 15, Fig. 6a, oder, wie in Fig. 6b, mit einem
zusätzlichen Widerstand R als RC-Tiefpaßfilter. In Fig. 6a ist der
Eingangswiderstand Ri getrennt als Bestandteil des Verstärkers 15
gezeigt.
Die Erläuterung der Integrator- oder Tiefpaßfilterfunktion erfolgt
anhand von Fig. 7, ausgehend vom Ausführungsbeispiel in Fig. 6b. In
Fig. 7b wird für den Photodetektor das vereinfachte Ersatzschaltbild
verwendet. Die Stromquelle liefert einen Photostrom, dessen Betrag
von der eingestrahlten Lichtleistung abhängig ist. Im anschließenden
Wechselstromersatzschaltbild, Fig. 7c, ergibt sich die
Parallelschaltung von idealer Stromquelle 17, Widerstand R und
Kapazität CD. Dort ist somit das RC-Tiefpaßfilter erkennbar.
Claims (9)
1. System zur optischen Übertragung eines Digitalsignals über einen
bei der Betriebswellenlänge dispersionsbehafteten Lichtwellenleiter
(3), mit einem optischen Sender (2) auf der Sendeseite des Systems,
dessen optisches Ausgangssignal in seiner Frequenz durch das
Digitalsignal moduliert wird, und mit einem optischen Empfänger (4)
auf der Empfangsseite, der sein optisches Eingangssignal in ein
dessen Intensitätsverlauf entsprechendes elektrisches Signal
umwandelt und aus dem elektrischen Signal das Digitalsignal
wiedergewinnt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das vom optischen Sender (2) als frequenzmoduliertes optisches
Signal gesendete und über den Lichtwellenleiter (3) zur
Empfangsseite übertragene Signal dem auf den Intensitätsverlauf
seines optischen Eingangssignals ansprechenden optischen Empfänger
(4) als Eingangssignal zugeführt ist.
2. Empfangsseitige Einrichtung für ein System zur optischen
Übertragung eines Digitalsignals über einen dispersionsbehafteten
Lichtwellenleiter, bei dem das Digitalsignal durch
Frequenzmodulation eines Halbleiterlasers über den Lichtwellenleiter
optisch übertragen wird, wobei die empfangsseitige Einrichtung einen
optischen Empfänger (4) enthält, der sein optisches Eingangssignal
in ein dessen Intensitätsverlauf entsprechendes elektrisches Signal
umwandelt und aus diesem das Digitalsignal wiedergewinnt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Eingangssignal des auf den Intensitätsverlauf seines
optischen Eingangssignals ansprechenden optischen Empfängers (4) das
über den Lichtwellenleiter übertragene ursprünglich
frequenzmodulierte optische Signal ist.
3. Verwendung eines bei einer bestimmten Wellenlänge
dispersionsbehafteten Lichtwellenleiters zum Umwandeln eines durch
ein Digitalsignal frequenzmodulierten optischen Signals derselben
Wellenlänge in ein optisches Signal, das das Digitalsignal in seinem
Intensitätsverlauf enthält.
4. System nach Anspruch 1 oder empfangsseitige Einrichtung nach
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger (4)
eine Entscheider-Schaltung (6) enthält, die von einem ersten binären
Zustand (0) in einen zweiten binären Zustand (1) wechselt, wenn ihr
Eingangssignal impulsförmig ansteigt und von dem zweiten Zustand (1)
in den ersten Binärzustand (0) wechselt, wenn ihr Eingangssignal
impulsförmig absinkt.
5. System oder Einrichtung nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Frequenzmodulation des Halbleiterlasers von
einer Intensitätsmodulation begleitet ist.
6. System oder Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Empfänger (4) zum Wiedergewinnen des digitalen
Signals aus dem elektrischen Signal, eine Entscheider-Schaltung (6)
hat, deren Zustand von einem ersten Binärzustand (0) in einen
zweiten Binärzustand (1) wechselt, wenn das elektrische Signal einen
vorgegebenen Schwellenwert (Vm) überschreitet und von dem zweiten
Binärzustand (1) wieder in den ersten Binärzustand (0) wechselt,
wenn es den vorgegebenen Schwellenwert (Vm) unterschreitet.
7. System oder Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Wiedergewinnung des digitalen Signals ein
optischer Empfänger (4) mit Integrator eingesetzt ist.
8. System oder Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein integrierendes Tiefpaßfilter hinter dem
Optisch-Elektrisch-Wandler (5) angeordnet ist.
9. System oder Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß als Integrator der Optisch-Elektrisch-Wandler (5) des optischen
Empfängers (4) verwendet ist, wobei zur Einstellung der
Integratorwirkung die Vorspannung und durch die Kapazität des im
Optisch-Elektrisch-Wandler (5) enthaltenen Photodetektors
einstellbar ist.
Priority Applications (11)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924216790 DE4216790A1 (de) | 1992-05-21 | 1992-05-21 | Digitales optisches Nachrichtenübertragungssystem mit einem bei der Betriebswellenlänge dispersionsbehafteten Lichtwellenleiter |
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