DE4223175A1 - Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Endstelleneinrichtung mit einem Sende- und Empfangsteil für simultanen, bidirektionalen optischen Informationsaustausch mit einem Empfangszweig, der einen optisch/elektrischen Wandler enthält und einem Sendezweig der einen Reflexionsmodulator enthält, in dem beide Zweige an einen gemeinsamen Lichtwellenleiter (LWL) als zu einer Gegenstelle führendem Übertragungsweg gekoppelt sind.

Für einen Austausch von Informationen zwischen der Endstelleneinrichtung und der Gegenstelle, welche meist Teil eines optischen Kommunikationssystems sind, dient moduliertes Licht als Träger der Information. Der Reflexionsmodulator im Sendezweig der Endstelleneinrichtung anstelle eines Sende-Lasers eingesetzt, vereinfacht den Aufbau und erspart eine aufwendige Stabilisierung des elektrischen Arbeitspunktes und der Wellenlänge des Lichtes. Die Endstelleneinrichtung kann aber jeweils nur das von der Gegenstelle her eingestrahlte Licht modulieren und durch Reflexion zur Gegenstelle "zurücksenden". Damit wird beim simultanen, bidirektionalen optischen Informationsaustausch vorausgesetzt, daß die Gegenstelle eine aktiv lichtaussendende Einrichtung - dies ist im allgemeinen ein Laser - im Sendezweig enthält. Ansonsten kann der Aufbau der Gegenstelle dem der Endstelleneinrichtung entsprechen.

Eine Endstelleneinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist z. B. aus einer Veröffentlichung von P.J. Duthie et al. mit dem Titel "Bidirectional fibre-optic link using reflection modulation" in Electronics Letters, 8th May, Vol. 22, No. 10, pp 517-518 bekannt.

Der Empfangszweig der bekannten Endstelleneinrichtung enthält als optisch/elektrischen Wandler einen PINFET-Empfänger. Im Sendezweig dient ein elektrooptischer Richtkoppler auf LiNbO₃-Basis als Reflexionsmodulator. Beide Zweige sind über einen faseroptischen Koppler mit einer zu einer Gegenstelle führenden Glasfaser verbunden. Zwischen dem Reflexionsmodulator und dem faseroptischen Koppler befindet sich zusätzlich ein Polarisationsregler. Bei dieser Endstelleneinrichtung ist nachteilig, daß sie aus diskreten Bauelementen besteht, die eine monolithische Integration nicht zulassen.

An den Übergängen zwischen dem faseroptischen Koppler und den beiden Zweigen treten Verluste beim Lichtdurchgang auf. Zur Reduzierung der Verluste sind zusätzliche Maßnahmen bei der Herstellung der Endstelleneinrichtung nötig. Außerdem ist eine Justierung der Polarisation des Lichtes im Sendezweig erforderlich.

Es ist zwar ein integriert aufgebauter Sende- und Empfangsteil einer Endstelleneinrichtung aus einer Veröffentlichung von T.H. Wood et al. mit dem Titel "Bidirectional fibre-optical transmission using a multiple-quantum-well (MQW) modulator/detector" in Electronics Letters, 8th May, Vol. 22, No. 10, pp 528-529 bekannt. Diese Endstelleneinrichtung enthält jedoch eine MQW-Struktur welche, abhängig von ihrer Ansteuerung, nur entweder als optisch/elektrischer Wandler oder als Reflexionsmodulator betrieben werden kann.

Ein simultanes Senden und Empfangen von Informationen ist bei dieser Einrichtung nicht möglich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch zu schaffen, deren Sende- und Empfangsteil verlustarm arbeitet und keiner Justierung des Lichtweges bedarf.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Realisierung des Sende- und Empfangsteils der Endstelleneinrichtung in Form eines Bauelements, das als interferometrischer Injektionslaser mit Y-förmig verzweigter Wellenleiterstruktur bekannt ist und üblicherweise als aktiver Laser betrieben wird, erlaubt eine einfache Trennung von Empfangszweig und Sendezweig und gleichzeitig die Realisierung der für eine Endstelle benötigten Funktionen durch geeignete Ansteuerung einzelner Segmente der bekannten monolithisch integrierten Wellenleiterstruktur. Ein solcher interferometrischer Injektionslaser ist zum Beispiel in dem Aufsatz von M. Schilling et al.: "Integrated Interferometric Injection Laser: Novel Fast and Broad-Band Tunable Monolithic Light Source", IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. 27, No. 6, June 1991, pp 1616-1622 ausführlicher beschrieben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2-7 angegeben.

Anspruch 2 betrifft die Ansteuerung verschiedener Segmente für den erfindungsgemäßen Betrieb der verzweigten Wellenleiterstruktur.

Die Ansprüche 3 und 4 geben Möglichkeiten zur Optimierung der Wellenleiterstruktur für die erfindungsgemäße Verwendung an.

Eine Entspiegelung der an den LWL gekoppelten Endfläche nach Patentanspruch 3 vermindert einerseits Intensitätsverluste des durch die Endfläche hindurchtretenden Lichtes und andererseits wird damit ein möglicher Laserbetrieb in Verbindung mit einer der weiteren Endflächen der Wellenleiterstruktur ausgeschlossen. Ein weiterer Vorteil ist ein verringertes Übersprechen vom Reflexionsmodulator auf den optisch/elektrischen Wandler.

Die im Patentanspruch 4 angegebene Maßnahme dient zur Verminderung von Verlusten bei der Reflexion von Licht in dem als Reflexionsmodulator arbeitenden Segment.

Die Ansprüche 5-7 geben vorteilhafte Modulationsarten an, um dem durch den Reflexionsmodulator hindurchtretenden Licht eine Information aufzuprägen, welche zu der Gegenstelle gesendet wird.

Anhand eines Ausführungsbeispiels der Endstelleneinrichtung nach der Erfindung wird nun deren Aufbau und Funktionsweise ausführlich erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 jeweils den Sende- und Empfangsteil einer Gegenstelle und einer damit verbundenen Endstelleneinrichtung (schematisch)

Fig. 2 ein monolithisch integriertes Bauelement mit Y-förmig verzweigter Wellenleiterstruktur

Fig. 3 die digitale Modulation von digital moduliertem Licht

Fig. 4 die digitale Modulation von Licht mit einem Gleichanteil, welches

• a) analog moduliert ist
• b) digital moduliert ist
• c) die digitale Modulation von Gleichlicht einer Wellenlänge λ₂, welches zusätzlich zu moduliertem Licht der Wellenlänge λ₁ übertragen wird.

In Fig. 1 ist schematisch eine Endstelleneinrichtung mit einem Sende- und Empfangsteil 10 dargestellt. Dieser besteht aus einem Empfangszweig 11 mit einem optisch/elektrischen Wandler und einem Sendezweig 12 mit einem Reflexionsmodulator. Über ein Verzweigungselement 13 sind die beiden Zweige über einen gemeinsamen LWL 14 mit dem Sende- und Empfangsteil einer Gegenstelle 15 verbunden.

Fig. 2 zeigt einen monolithisch integrierten interferometrischen Injektionslaser mit Y-förmig verzweigter Wellenleiterstruktur nach dem Stand der Technik. Dieser wird auch als "Y-Laser" bezeichnet. Der in Fig. 2 dargestellte Y-Laser 20 enthält eine Y-förmig verzweigte Wellenleiterstruktur 5. Diese erstreckt sich auf einem Substrat 6 mit metallisierter Unterseite 7, die einen Massekontakt bildet. Auf ihrer Oberseite ist die Wellenleiterstruktur 5 von einer an drei Stellen 8 elektrisch unterbrochenen Metallschicht bedeckt, deren vier elektrisch getrennten Bereiche Steuerelektroden zu Ansteuerung der darunterliegenden Wellenleiterstruktur in vier Segmenten 1-4 bildet. Die Endflächen 21, 22, 23 der Wellenleiterstruktur 5 werden von teilreflektierenden Spaltkanten gebildet.

Über die Steuerelektroden können die Wellenleitersegmente durch zum Massekontakt fließende Injektionsströme angesteuert werden.

Die Größe des Injektionsstroms, welcher von einer der Steuerelektroden durch die Wellenleiterstruktur zu dem Massekontakt fließt, bestimmt die optischen Absorptions- und Verstärkungseigenschaften des jeweiligen Wellenleitersegmentes. Es lassen sich damit einzeln für jedes Segment drei unterschiedliche Betriebsarten einstellen, die sich durch die Beeinflussung des hindurchtretenden Lichtes unterscheiden: Solange kein oder nur ein kleiner Injektionsstrom durch ein Segment fließt, wird durch das Segment hindurchtretendes Licht absorbiert (1. Betriebsart).

Wenn die Größe des Injektionsstroms eine Schwelle erreicht, bei dem keine Absorption mehr auftritt aber auch noch keine Verstärkung von Licht stattfindet, dann ist ein derart angesteuertes Segment lichtdurchlässig. Der die Lichtdurchlässigkeit bewirkende Injektionsstrom, welcher im weiteren als Transparenzstrom bezeichnet wird, liegt jedoch noch unterhalb des Laserschwellenstroms, bei dem die Lichtverstärkung die gesamten Lichtverluste kompensiert.

Der Betrieb mit einem Injektionsstrom im Bereich um den Transparenzstrom, bei dem keine nennenswerte Absorption oder Verstärkung stattfindet, stellt somit eine 2. Betriebsart dar.

Mit Injektionsströmen, deren Größe deutlich oberhalb des Transparenzstroms liegt, läßt sich als dritte Betriebsart die Verstärkung von Licht einstellen.

Soll der Y-Laser gemäß Fig. 2 als Sende- und Empfangsteil einer Endstelleneinrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden, so muß durch geeignete Einstellung der zuvor genannten Betriebsarten jedem Segment der Wellenleiterstruktur eine spezielle Funktion zugeordnet werden.

Segment 3 bildet dann beispielsweise den Empfangszweig und Segment 4 den Sendezweig. Segment 1 und Segment 2 bilden den Verzweigungsbereich in welchem der Sende- und der Empfangszweig verbunden sind. Über die am freien Ende des Verzweigungsbereiches angeordnete Endfläche 21 des Segmentes 1 ist die Y-Struktur mit dem LWL verbunden. Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:

Die Segmente 1 und 2 dienen allein zur Lichtweiterleitung, deshalb fließt durch diese Segmente ein Injektionsstrom der mindestens die Größe des Transparenzstroms hat, um Lichtdurchlässigkeit herzustellen. Beide Segmente können jedoch auch in Licht verstärkender Betriebsart arbeiten, um zum Beispiel Intensitätsverluste innerhalb des LWL auszugleichen. Um unerwünschten Laserbetrieb zu vermeiden sollte dann aber die mit dem LWL verbundene Endfläche 21 der Y-Laserstruktur zusätzlich mit einer Antireflexschicht versehen werden. Die Segmente 1 und 2 können zur einfacheren Ansteuerung gemeinsam angesteuert werden, oder es kann auf die elektrische Trennung der Segmente 1, 2 bereits bei der Herstellung verzichtet werden.

Dem Segment 3 wird kein Injektionsstrom zugeführt, so daß Licht in diesem Segment absorbiert wird. Bei dieser Absorption entstehen in der Schichtstruktur des Segmentes frei bewegliche Ladungsträger, die einen Strom in Sperrichtung über das Segment ermöglichen. Das Segment wirkt damit wie ein Photoelement und kann als optisch/elektrischer Wandler dienen. Um beispielsweise die Grenzfrequenz zu erhöhen kann Segment 3 auch mit einer zusätzlichen Spannung in Sperrichtung als Photodiode betrieben werden.

Das als Sendezweig vorgesehene Segment 4 wird mit einem modulierten Injektionsstrom betrieben und wirkt dadurch als Modulator für das hindurchtretende Licht. Zusammen mit der reflektierenden Endfläche 23 bildet es einen Reflexionsmodulator. Licht, welches von der Gegenstelle über den LWL und den Verzweigungsbereich in Segment 4 eingestrahlt wird, wird dort moduliert und gelangt auf umgekehrtem Weg durch Reflexion zurück zur Gegenstelle. Da der Reflexionsgrad der Spaltkanten nur bei ca. 30% liegt, sollte die Endfläche 23 des Segmentes 4 zusätzlich mit einer Reflexionsschicht versehen werden, um Intensitätsverluste des Lichtes zu vermeiden.

Mit dem modulierten Injektionsstrom können die optischen Eigenschaften der Wellenleiterstruktur variiert werden und somit kann dem hindurchtretenden Licht eine Information aufgeprägt werden. Zur Übertragung von Informationen können die folgenden Modulationsarten angewendet werden:

Eine einfache Möglichkeit ist die digitale Modulation der Lichtintensität durch Ein- und Ausschalten des Injektionsstromes von Segment 4. Dazu werden die optischen Eigenschaften der Wellenleiterschicht zwischen den zwei Zuständen Absorption und Lichtdurchlässigkeit/Verstärkung hin- und hergeschaltet.

Zur optischen Frequenz/Wellenlängenmodulation fließt ein Gleichstrom durch Segment 4, welcher mit einem HF-Signal überlagert wird. Diese Art der Modulation erzeugt Seitenfrequenzen im optischen Spektrum des in Segment 4 zurückreflektierten Lichtes. Der Arbeitspunkt des Segmentes, welcher durch den Gleichanteil des Injektionsstroms bestimmt wird, sollte im Bereich der Lichtdurchlässigkeit liegen. Beispielsweise wird durch Ein- und Ausschalten des HF-Signals eine digitale Modulation der Seitenfrequenzen ermöglicht.

Zur Modulation der optischen Phase fließt ebenfalls ein Gleichstrom durch Segment 4 um einen Arbeitspunkt im Bereich der Lichtdurchlässigkeit festzulegen. Dem Gleichstrom wird ein Modulations-Signal geeigneter Größe überlagert, welches über eine Brechungsindexvariation die optische Länge des Segmentes 4 und damit die Phase des Lichts moduliert.

Das von der Gegenstelle her empfangene Licht ist bei der bidirektionalen Übertragung normalerweise schon moduliert. Dies muß bei der Auswahl der Modulationsart für das reflektierte Licht berücksichtigt werden. Eine Modulation ist nur möglich, wenn die Intensität des Lichtes nicht Null ist. Nachfolgend werden Beispiele für eine digitale Modulation des empfangenen Lichtes angegeben.

Hauptsächlich muß bei dem zu modulierenden Licht unterschieden werden, ob eine digitale Modulation vorliegt, bei der die Lichtintensität zeitweise gleich Null ist, oder ob moduliertes Licht mit einem nicht verschwindenden Gleichlichtanteil vorliegt. Bei digital moduliertem Licht kann nur derjenige logische Pegel zur Informationsübertragung moduliert werden, bei dem die Lichtintensität nicht Null ist.

In Fig. 3 ist ein Fall dargestellt, wo digital moduliert empfangenes Licht wiederum digital moduliert wird. Hierbei ist links das empfangene und rechts das nach Modulation zur Gegenstelle zurückgesendete Bitmuster dargestellt. Das Bitmuster ist von den empfangenen Daten abhängig, muß also mit diesen synchronisiert werden. Anstelle variabler Bitmuster ist es vorteilhaft, die Modulation mit gleichbleibenden Folgen von Einsen (z. B. Muster aus bekannten ATM-Headern) oder mit speziell für diesen Zweck von der Gegenstelle ausgesendeten Zeitfenstern mit Gleichlicht (Einsen) zu synchronisieren.

Beispiele für eine Modulation von Licht mit Gleichanteil zeigen die Fig. 4a-c. Auf der linken Seite ist jeweils der Intensitätsverlauf über der Zeit für das empfangene Licht, auf der rechten Seite der für das jeweils digital moduliert zurückreflektierte Licht dargestellt.

Fig. 4a zeigt die digitale Modulation von analog moduliertem Licht.

Fig. 4b zeigt die digitale Modulation von digital moduliertem Licht. In diesem fall sind in der Gegenstelle und der Endstelleneinrichtung jeweils unterschiedliche Entscheidungspegel (PG, PE) für eine digitale 0 und eine digitale 1 vorzusehen.

Fig. 4c zeigt die digitale Modulation von Gleichlicht einer Wellenlänge λ₂, welches zusätzlich zu dem modulierten Licht mit der Wellenlänge λ₁ von der Gegenstelle ausgesendet wird. In den drei in Fig. 4a-c aufgeführten fällen ist aufgrund des Gleichlichtanteils keine Synchronisation der auszusendenden Daten mit den ankommenden Daten erforderlich.

Claims (7)

1. Endstelleneinrichtung mit einem Sende- und Empfangsteil (10) für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch mit einem Empfangszweig (11), der einen optisch/elektrischen Wandler enthält, und einem Sendezweig (12), der einen Reflexionsmodulator enthält, in dem beide Zweige an einen gemeinsamen Lichtwellenleiter (LWL) (14) als zu einer Gegenstelle (15) führendem Übertragungsweg gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangsteil (10) monolithisch integriert aufgebaut ist und eine einem interferometrischen Injektionslaser (20) entsprechende Y-förmig verzweigte Wellenleiterstruktur (5) mit einzeln ansteuerbaren Segmenten (1-4) hat, welche derart betrieben ist, daß der eine Zweig den Empfangszweig (11) und der andere den Sendezweig (12) bildet, und welche über die Endfläche (21) eines sowohl dem Empfangszweig als auch dem Sendezweig zur Lichtweiterleitung dienenden Segmentes (1) mit dem Lichtwellenleiter (14) gekoppelt ist, und daß wenigstens ein Segment (3) des Empfangszweiges als optisch/elektrischer Wandler und wenigstens ein Segment (4) des Sendezweiges als Reflexionsmodulator arbeitet.

2. Endstelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (1-4) der verzweigten Wellenleiterstruktur (5) mit Ausnahme des als optisch/elektrischen Wandler betriebenen Segmentes jeweils über Injektionsströme gesteuert werden, und zwar derart, daß die Injektionsströme für nur zur Lichtweiterleitung benutzte Segmente (1, 2) jeweils mindestens gleich einem deren Lichtdurchlässigkeit bewirkenden Transparenzstrom sind, daß durch das als optisch/elektrischer Wandler betriebene Segment (3) kein Injektionsstrom fließt, und daß der Injektionsstrom für das als Reflexionsmodulator betriebene Segment (4) zur Modulation des hindurchtretenden Lichtes in einem Bereich um den die Lichtdurchlässigkeit bewirkenden Transparenzstrom verändert wird.

3. Endstelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterstruktur (5) an ihrer mit dem Lichtwellenleiter (14) gekoppelten Endfläche (21) entspiegelt ist.

4. Endstelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Endfläche (23) des als Reflexionsmodulator betriebenen Segmentes (4) zusätzlich verspiegelt ist.

5. Endstelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Modulation der Injektionsstrom für das als Reflexionsmodulator betriebene Segment (4) abwechselnd zwischen zwei Werten schaltbar ist.

6. Endstelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Frequenz/Wellenlängenmodulation der Injektionsstrom für das als Reflexionsmodulator betriebene Segment (4) ein Gleichstrom mit einem überlagerten Modulations-Signal ist.

7. Endstelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Phasenmodulation der Injektionsstrom für das als Reflexionsmodulator betriebene Segment (4) ein Gleichstrom mit einem überlagerten Modulations-Signal ist.