DE4223175A1 - Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch - Google Patents
Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen InformationsaustauschInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924223175 DE4223175A1 (de) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19924223175 DE4223175A1 (de) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4223175A1 true DE4223175A1 (de) | 1994-01-20 |
Family
ID=6463195
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924223175 Withdrawn DE4223175A1 (de) | 1992-07-15 | 1992-07-15 | Endstelleneinrichtung für simultanen bidirektionalen optischen Informationsaustausch |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4223175A1 (de) |
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1992
- 1992-07-15 DE DE19924223175 patent/DE4223175A1/de not_active Withdrawn
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8141 | Disposal/no request for examination |