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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft optische Impulsquellen und insbesondere
eine Quelle modulierter optischer Rückkehr-Zu-Null-Impulse, die
insbesondere in optischen Fernkommunikationssystemen nützlich ist.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Rückkehr-Zu-Null-Impulsquellen
sind wichtige Komponenten in faseroptischen Kommunikationssystemen
mit Wellenlängenmultiplex
(WDM-Systemen und dichten WDM-Systemen). Optische Rückkehr-Zu-Null-Impulse
(RZ-Impulse) sind optische Impulse, deren Leistungspegel auf im
wesentlichen null abfällt.
WDM-Systeme senden optische Signalimpulse in mehreren Kanälen verschiedener
Wellenlänge. Dichte
WDM-Systeme (DWDM-Systeme) senden mehr Kanäle. RZ-Impulse, die typischerweise
Impulsbreiten in der Größenordnung
von 50 Pikosekunden oder weniger aufweisen, sind die bevorzugten optischen
Impulse für
WDM- und DWDM-Systeme, insbesondere für Fernübertragung (über große Distanzen).
Besonders bevorzugt sind RZ-Impulse, wie z.B. Solitons, die ihre
Impulsformintegrität über lange Faserlängen hinweg
bewahren. Als Folge ihrer kurzen Dauer und Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Dispersion wurde Solitons als die bevorzugten Signalimpulse für in Betracht
gezogene schnelle Fernübertragungssysteme
(10 Gb/s und 40 Gb/s) gewählt.
Solche Systeme erfordern kostengünstige,
kompakte, leistungsfähige
und jitterfreie Quellen von Solitonimpulsen.
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Obwohl
es mehrere RZ-Impulsquellen gibt, weisen sie alle technische Unzulänglichkeiten
für diese
in Betracht gezogenen Systeme auf. DFB-Laser (Distributed Feedback)
stellen typischerweise die optische Leistung zur Erzeugung von Solitonimpulsen bereit.
Bei Verstärkungs-umgeschalteten
und gefilterten DFB-Lasern kommt es zu Zeitsteuerungs-Jitter, wodurch
die Übertragungsdistanz
begrenzt wird (Mollenauer, et al., Electronics Letters 27, 178–179 (1991)).
Modenverriegelte Laser mit externem Resonator erfordern mechanische
Stabilität
und weisen eine Wiederholungsrate, die durch die Resonatorlänge bestimmt
wird, auf (Morton, et al., Institute of Electronics and Electrical
Engineers (IEEE) Photonics Technology Letters, 5, 28–31 (1993)).
Diskrete Elektroabsorptionsmodulatoren (EA-Modulatoren) können Impulse
aus einem CW-Signal herausschneiden, weisen jedoch einen hohen Verlust
von 8–10
dB auf. Eine integrierte Laser-/Elektroabsorptionsimpulsquelle ist
potentiell eine machbare Lösung.
Die optische Leistung, die elektrische Bandbreite und ein hohes
Kontrastverhältnis
bleiben jedoch problematisch.
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Derzeitige
elektroabsorbtive modulierte Laser (EMLs) mit 10 Gb/s, die für die Nicht-Rückkehr-Zu-Null(NRZ-)Übertragung über kurze
Distanzen verwendet werden, sind auf eine Ausgangsleistung von –2 dBm bis
0 dBm beschränkt
und weisen Bandbreiten von 11 GHz auf. Außerdem muß für ein höheres Kontrastverhältnis Ausgangsleistung
aufgeopfert werden; der Elektroabsorptionsteil muß in die stark
absorbierende Spektralregion vorgespannt werden, um ein hohes Kontrastverhältnis zu
erzielen.
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Bei
10 GHz ist die Impulsquelle typischerweise ein CW-Laser, dem ein
LiNbO3-Modulator folgt, der sinusförmig mit
einem Hochleistungstakt (> 27 dBm)
angesteuert wird. Die Hauptnachteile dieser Kombination sind hohe
Verluste des Modulators, große
Abmessungen und großer
Strombedarf. Der LiNbO3-Modulator weist
zusätzlich
zu den 3 – 5
dB Verlusten, die durch die Herstellung von Impulsen aus einem CW-Signal
entstehen, 5 – 6
dB Kopplungsverluste auf. Da das große Vπ des
Modulators einen Spannungshub von ~ 7 Vpp aufweist, weist
er eine große
Stromaufnahme auf. Zusätzlich
erfordern alle obigen Quellen eine Wellenlängenverriegelungsvorrichtung
zur Erzielung der Wellenlängenstabilität, die DWDM-Systeme
fordern. Eine diskrete Wellenlängenverriegelungsvorrichtung
trägt zur
Größe bei, während integrierte
Wellenlängenverriegelungsvorrichtungen
zu einer zusätzlichen
Verkomplizierung beitragen. Folglich wird eine verbesserte Solitonimpulsquelle
benötigt.
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Aus
US-B-6 115 403 ist ein In-Line-Faser-Bragg-Gitter bekannt, das an
dem Ausgang eines direkt modulierten DFB-Lasers angekoppelt ist. Durch
das Gitter durchgelassenes Licht wird spektral verschmälert und
weist ein höheres
Löschungsverhältnis auf.
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Aus
US-B-5 416 629 ist eine optische Quelle bekannt, wie z.B. ein direkt
durch einen digitalen Datenstrom frequenzmodulierter DFB-Laser.
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Aus
US-B-5 943 152 ist ein Lasersteuersystem mit einem Mikroprozessor
bekannt, das die Wellenlänge
des Ausgangslichts des Lasers präzise
einstellt, indem die Durchlässigkeit
eines an den Ausgang des Lasers angekoppelten faserinternen Bragg-Gitters überwacht
wird.
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Aus
US-B-5 875 273 ist ein an den Ausgang eines direkt modulierten DFB-Lasers
angekoppeltes faserinternes Bragg-Gitter bekannt. Der Ausgang des
DFB-Lasers wird spektral verbreitert.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Optische
Impulsquellen gemäß der Erfindung
werden in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert. Bevorzugte Formen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der Erfindung
umfaßt
eine modulierte RZ-Impulsquelle eine modulierte Lichtquelle, die optisch
an ein stabilisiertes Bragg-Gitterfilter angekoppelt ist, und einen
oder mehrere optische Abgriffe. Die Lichtquelle wird vorzugsweise
bezüglich
Leistung und Frequenz moduliert und weist eine einstellbare Kanalwellenlänge λ auf. Das
Bragg-Gitterfilter weist eine Reflektivitätsbandbreite mit einem steilen
Reflektivitätsabfall
auf und ist vorzugsweise abstimmbar. Eine auf die Abgriffe reagierende
Rückkopplungsanordnung
hält die
Quellenkanalwellenlänge λ am Rand
der Reflektivitätsbandbreite
zur Formung von RZ-Impulsen. Wenn das Bragg-Gitter stabilisiert ist,
hält das
Rückkopplungssystem λ auf einem
Wert, der mit der Gitterreflektivitätsflanke verknüpft ist,
und durch Überlappen
mindestens eines Teils des optischen Spektrums der Quelle wandelt
es das modulierte Quellenlicht in RZ-Impulse mit hohem Löschungsverhältnis (≥ 12 dB) um.
Das Ergebnis ist eine leistungsfähige
jitterfreie RZ-Impulsquelle, die kompakt, kostengünstig und
leistungseffizient ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Vorteile, Beschaffenheit und verschiedenen zusätzlichen Merkmale der Erfindung
werden bei Betrachtung der nun ausführlich in Verbindung mit den
beigefügten
Zeichnungen zu beschreibenden Ausführungsbeispiele deutlicher.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der direktmodulierten RZ-Impulsquelle (DMPS);
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2 eine
DMPS wie in 1 gezeigt, wobei Rückkopplung
des Verhältnisses
des Vorwärts- und
reflektierten Signals von dem stabilisierten Bragg-Filter zur Steuerung
der DFB-Lasertemperatur gezeigt ist;
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3 zwei
typische Ausgangsimpulse einer DMPS, die auf einem Graph der Spannung
als Funktion der Zeit gezeigt sind; und
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4 das
spektrale Ansprechverhalten eines PM-Fasergitter-Bragg-Filters für die schnelle Achse
der Faser auf einem Graph der Durchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge.
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Es
versteht sich, daß die
Zeichnungen lediglich zur Veranschaulichung der Konzepte der Erfindung
dienen und mit Ausnahme der Graphen nicht maßstabsgetreu sind.
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BESCHREIBUNG
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Eine
optische Impulsquelle zur Erzeugung von RZ-Impulsen mit einer Wellenlänge λ umfaßt eine
Lichtquelle mit einstellbare Wellenlänge zur Erzeugung von Lichtimpulsen über einen
Bereich, der λ enthält. Optisch
an die Lichtquelle angekoppelt ist ein stabilisiertes Bragg-Gitterfilter,
das bei λ einen
Reflektivitätsdämpfungsverlauf
mit großer
Steigung (≥ 50
dB/nm) aufweist. Einer oder mehrere optische Abgriffe, die an die
Lichtquelle und an das Bragg-Gitter angekoppelt
sind, greifen Signale ab, die das Licht repräsentieren, das dem Gitter zugeführt wird,
und das Licht, das von dem Gitter reflektiert oder durchgelassen
wird. Eine auf die abgegriffenen Signale reagierende Rückkopplungsschaltung
leitet ein Steuersignal zur Einstellung der Wellenlänge der
Lichtquelle auf λ ab.
Solche Impulsquellen sollen hier als direkt modulierte RZ-Impulsquellen
(DMPS) bezeichnet werden.
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Bei
nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen von DMPS umfaßt die Lichtquelle
einen DFB-Laser, der in bezug auf Leistung und Frequenz moduliert
werden kann und der eine einstellbare Kanalwellenlänge λ aufweist.
Die Quelle ist vorteilhafterweise durch polarisationserhaltende
Faser (PM-Faser) an das Bragg-Gitter angekoppelt. Außerdem ist
ein bevorzugtes Bragg-Gitter ein temperaturstabilisiertes Bragg-Gitter,
das in einer Umgebung mit geregelter Temperatur angeordnet ist.
Die Regelung der Temperatur kann auch das Gitter abstimmen. Die
Wellenlänge
des Lasers kann durch Temperatureinstellung abgestimmt und durch
die Rückkopplungsschaltung
gesteuert werden.
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1 zeigt
eine beispielhafte direktmodulierte RZ-Impulsquelle (DMPS) 100.
Die Impulsquelle 100 umfaßt einen direktmodulierten 1550-nm-DFB-Laser 101,
der aus einem Chip 106 und einem Isolator 107 besteht
und durch eine polarisationserhaltende (PM-)Faser 108 an
ein Faser-Bragg-Gitterfilter 103 angekoppelt ist. Der Laser 101 ist
hoch über
der Schwelle vorgespannt und wird mit einem Taktsignal auf 10 GHz
moduliert, das an dem Eingang 109 mit dem DFB-Laser verbunden
ist, um ein intensitätsmoduliertes
Signal mit einem Kontrastverhältnis
von 3 an dem optischen Ausgang 110 zu erzeugen. Impulse
werden erzeugt, wenn das Bragg-Gitterfilter 103 die
hochfrequente Flanke des modulierten Signals herausfiltert.
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Der
Richtungsabgriff 105 sucht das auf das Filtergitter 103 einfallende
Licht und das von dem Filtergitter reflektierte Licht heraus und
lenkt es zu den beiden auf jeder Seite der Faser 108 angeordneten Detektoren 104.
Nützliche
Abgriffe sind z.B. ein (nicht gezeigter) verschmolzener Faser-PM-Koppler
oder ein geneigter Gitterabgriff 105. Der geneigte Gitterabgriff
ist kompakter als ein PM-Koppler.
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Eine
in 2 gezeigte elektronische Rückkopplungsschaltung 200 (Elektronik
in Blockform 201 gezeigt) verriegelt durch Regelung der
Temperatur des Lasers 101 über das Temperaturregelelement 205 die
Laserwellenlänge
auf die Filterflanke. Dies kann sie erreichen, indem das Verhältnis 202 der
beiden detektierten Signale 104 auf einem konstanten Pegel 203 gehalten
wird.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird, damit das Fasergitterfilter eine Wellenlängenreferenz bereitstellt,
das Gitterfilter temperaturstabilisiert. Dies läßt sich mit einem (thermoelektrischen)
TE-Kühler erreichen,
aber bei einer kompakteren Lösung
wird ein abstimmbares Fasergitterfilter verwendet. Dieser Aspekt
der thermischen Regelung unterscheidet sich von der Temperaturregelung
des DFB-Lasers. Ein temperaturabstimmbares PM-Faser-Bragg-Gitter kann
mit einem dünnen
Metallfilmheizelement auf der Faser konstruiert werden. Es erzeugt ähnliche Impulseigenschaften
wie die mit einem Standard-Fasergitterfilter erhaltenen. Die Wellenlänge kann
mit einem maximalen Stromverbrauch von 0,5 W über ~ 1,3 nm abgestimmt werden.
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Für Sender
der nächsten
Generation, die zwischen benachbarten DWDM-Kanälen abgestimmt werden müssen, kann
ein abstimmbares Filtergitter verwendet werden. Die Temperaturabstimmbarkeit kann
die Anzahl von Fasergittercodes reduzieren, die zum Bereitstellen
von Kanälen
in der Wellenlängenspanne
erforderlich ist. Solche Heizelemente auf der Faser können auch
zur Stabilisierung der Temperatur und deshalb der Wellenlänge der
Gitterresonanz verwendet werden, so daß der TE-Kühler ersetzt wird. Eine elektronische
Steuerschaltung, die diese Verfahren verwendet, zeigte eine Wellenlängenstabilität von ±1 GHz
durch Verriegeln der Laserwellenlänge auf die Flanke des Faser-Bragg-Gitterfilters.
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Die
Erfindung kann nun durch Betrachtung der folgenden spezifischen
Ausführungsform
besser verstanden werden.
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Beispiel
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Bei
der Ausführungsform
von 2 wurde der Gitterabgriff durch einen 2×2-PM-Faserkoppler ersetzt.
Ein typischer Ausgangsimpuls für
den Benchtop-Prototyp ist in 3 gezeigt.
Der Laser wurde auf 80 mA vorgespannt und mit ~ 15–18 dBm HF-Leistung
bei 10,664 GHz moduliert. Die Laserwellenlänge wurde auf die lange Wellenlängendurchlaßflanke
des Gitters abgestimmt, um einen Teil der hochfrequenten Seitenbänder des
modulierten Laserausgangssignals zu entfernen und Impulse zu produzieren.
Die Impulsbreite kann durch Erhöhen der
HF-Leistung von 34 ps auf 27 ps abgestimmt werden (3,
Kurve (a) und Kurve (b)). Die Laserwellenlänge mußte zwischen den Fällen (a)
und (b) um 0,05 nm korrigiert werden. Die Kurve (a) von 3 hatte
eine Halbwertsimpulsbreite (FWHM-Impulsbreite) von 34 ps, ein Kontrastverhältnis von
19,8 dB und eine Ausgangsleistung von 6,8 dBm, RMS, mit einer spektralen
Breite von 6, 16 GHz. Die Kurve (b) von 3 hatte
eine FWHM-Impulsbreite von 27,7 ps, ein Kontrastverhältnis von > 15 dB (unbestimmt aufgrund
von elektronischem Klingeln), eine Ausgangsleistung von 8,4 dBm,
RMS und eine Impulsspektralbreite von 7,96 GHz. Wie in dem Graph
von 4 gezeigt, hatte das polarisationserhaltende Faser-Gitterfilter
eine BW von 0,47 nm und eine Steigung von ~ 133 dB/nm an der lange
Wellenlängen-Durchlaßflanke.