DE60303525T2 - Optische Digitalquelle und Anwendungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Eine digitale optische Quelle umfaßt typischerweise eine Laserlichtquelle, die zur Erzeugung optischer Pulsfolgen, die digitale Informationen wiedergeben, moduliert wird. Typischerweise werden zwei allgemeine Methoden angewandt, um Laserlicht in einer digitalen optischen Quelle bezüglich der Intensität zu modulieren: die direkte Modulation und die externe Modulation.
  • Bei der Methode mit direkter Modulation wird ein Laser (z.B. eine Laserdiode) direkt durch ein Informationssignal moduliert, um einen modulierten Laserausgang zu erzeugen. Die Laserausgangsleistung wird häufig direkt durch Modulieren des Eingangssteuerstromes für den Laser moduliert. Der Laser beginnt zu lasen, wenn der Steuerstrom einen Schwellenstrompegel übersteigt. Typischerweise erstreckt sich der Modulationsbereich des Eingangssteuerstroms, der an einen direkt modulierten Laser angelegt wird, über und unter den Schwellenstrompegel.
  • Bei der Methode mit externer Modulation moduliert ein Modulator die von einem CW-Laser erzeugte Lichtintensität entsprechend einem Informationssignal. Der Modulator und der Laser können auf separaten, getrennten Substraten angeordnet sein oder können zusammen auf einem einzigen Substrat hergestellt sein. Externe Modulatoren fallen in zwei Hauptfamilien: Modulatoren des elektrooptischen Typs, wie beispielsweise elektrooptische Modulatoren des Mach-Zehnder-Typs, die Licht durch destruktive Interferenz modulieren; und elektroabsorbierende Modulatoren, die Licht durch den Quantum Confined Stark Effekt (QCSE) absorbieren. Das Absorptionsspektrum eines elektroabsorbierenden Modulators hängt von der über den Modulator angelegten Steuerspannung ab. Beispielsweise sind einige Modulatoren ohne Steuerspannung transparent und sind mit einer angelegten Spannung undurchsichtig. Somit kann mit diesen Arten von Modulatoren ein CW-Laser durch Variieren der Antriebsspannung über den Modulator zu einem digitalen Bitstrom moduliert werden.
  • Die direkte Lasermodulation funktioniert gut bis zu Bitraten von ungefähr 1 GHz. Bei höheren Modulationsfrequenzen erzeugen jedoch nichtlineare Effekte im Laser einen Chirp. Der Chirp ist eine Änderung der optischen Signalwellenlänge über die Dauer eines Laserlichtpul ses während der Modulation. Für einen positiven transienten Chirp umfaßt die Vorderkante des Laserlichtpulses kürzere Wellenlängen als die Hinterkante. Bei Fasern mit positiver Dispersion bewegen sich kürzere Wellenlängen schneller als längere Wellenlängen. Somit verbreitert sich der Puls bei seiner Ausbreitung. Häufig sind Regeneratoren erforderlich, um diesen positiven Chirp zu kompensieren, wodurch die Kosten von Kommunikationsnetzen beträchtlich ansteigen. Aus diesem Grund wird eine direkte Modulation von Lasern typischerweise nicht bei hohen Bitraten verwendet, insbesondere wenn der Laser zur Erzeugung scharfer Laserpulse mit abrupten Anstiegs- und Abfallkanten betrieben wird.
  • Für Chirp-empfindliche Anwendungen, wie beispielsweise digitale optische Kommunikationen über große Entfernungen, wo die übermäßige spektrale Verbreiterung beim ausgesandten modulierten Licht aufgrund des Chirps zu einer größeren Pulsverzerrung bei der Ausbreitung und zu einer Verringerung der Gesamtleistungsfähigkeit führt, wird die externe Modulation bevorzugt. Allgemein wird eine optische Signalmodulation über externe elektroabsorbierende Modulatoren angewandt, da dieser Mechanismus einen sehr geringen Chirp in das Ausgangssignal einführt. Der Hauptnachteil einer externen Modulation ist jedoch das geringe Extinktionsverhältnis des ausgegebenen optischen Signals. Größere Extinktionsverhältnisse erfordern stark modulierte elektrische Steuersignale, die eine sehr hohe elektrische Leistung erfordern. Das Extinktionsverhältnis und das damit verbundene Signal-Rausch-Verhältnis sind häufig die beschränkenden Faktoren bei den Methoden der externen Modulation.
  • Abriß
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert, wobei das in Anspruch 9 definierte Verfahren realisiert wird. Das Verfahren zum Betrieb der Erfindung ist in Anspruch 10 definiert.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt betrifft die Erfindung eine digitale optische Quelle, die einen Laser, einen Modulator der optischen Intensität und eine Steuerschaltung umfaßt. Der Laser kann zur Erzeugung von Licht mit einer höheren optischen Ausgangsleistung in einen Modus mit hoher Ausgangsleistung und zur Erzeugung von Licht mit einer niedrigeren optischen Ausgangsleistung in einem Modus niedriger Ausgangsleistung betrieben werden. Der Modulator der optischen Intensität ist zum Empfang von Licht vom Laser gekoppelt und kann mit einer geringeren Modulation der Intensität des empfangenen Laserlichtes in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und einer stärkeren Modulation der Intensität des empfangenen La serlichtes in einem Leistungsmodus mit niedriger Ausgangsleistung betrieben werden. Die Steuerschaltung ist mit dem Laser und dem Modulator der optischen Intensität gekoppelt und so konfiguriert, daß der Laser und der Modulator der optischen Intensität in Modi mit hoher Ausgangsleistung und in Modi mit niedriger Ausgangsleistung synchron betrieben werden.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren für eine digitale optische Quelle. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird Laserlicht mit einer höheren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und Laserlicht mit einer niedrigeren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung erzeugt. Das Licht wird synchron weniger Intensitäts-moduliert, wenn das Laserlicht im Modus mit hoher Ausgangsleistung erzeugt wird und das Laserlicht wird synchron stärker Intensitäts-moduliert, wenn das Laserlicht im Modus mit niedriger Ausgangsleistung erzeugt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine digitale optische Quelle wie folgt betrieben. Die digitale optische Quelle umfaßt einen Laser, der zur Erzeugung von Licht mit einer höheren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung betrieben werden kann und zur Erzeugung von Licht mit einer niedrigeren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung betrieben werden kann. Die digitale optische Quelle umfaßt auch einen Modulator der optischen Intensität, der zum Empfang von Licht vom Laser gekoppelt ist und der zu einem geringeren Modulieren der Intensität des empfangenen Laserlichtes in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und zu einem stärkeren Modulieren der Intensität des empfangenen Laserlichtes in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung betrieben werden kann. Der Laser und der Modulator der optischen Intensität werden synchron in Modi mit hoher Ausgangsleistung und in Modi mit niedriger Ausgangsleistung betrieben.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche ersichtlich.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm einer digitalen optischen Quelle, die eine Steuerschaltung, einen Laser und einen Modulator der optischen Intensität umfaßt, der in Reihe mit dem Laser gekoppelt ist.
  • 2 ist eine Diagrammgrafik der Laserausgangsleistung, die als eine Funktion des an den Laser aus 1 angelegten Steuerstroms aufgetragen ist.
  • 3 ist eine Diagrammgrafik einer Absorption von Laserlicht durch eine elektroabsorbierende Realisierung des Modulators der optischen Intensität aus 1 aufgetragen als Funktion der angelegten Steuerspannung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Des weiteren wird beabsichtigt, mit den Zeichnungen Hauptmerkmale beispielhafter Ausführungsformen schematisch zu veranschaulichen. Die Zeichnungen sollen weder jedes Merkmal tatsächlicher Ausführungsformen noch relative Abmessungen der abgebildeten Elemente wiedergeben und sind nicht maßstabsgetreu.
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfaßt bei einer Ausführungsform eine digitale optische Quelle 10 eine Steuerschaltung 14, einen Laser 16 und einen Modulator 18 der optischen Intensität. Die digitale optische Quelle 10 kann durch eine externe digitale Signalquelle, wie beispielsweise einen Treiber ohne Rückkehr zum Nullpegel (Non-Return-To-Zero, NRZ) gesteuert werden, der zur Übertragung von digitalen Eingangssteuersignalen 12 zur Steuerschaltung 14 betrieben werden kann. Der digitale Impulsausgang 19, der durch die digitale optische Quelle 10 erzeugt wird, kann gemäß einem einer großen Vielzahl bekannter optischer Kommunikationsprotokolle kodiert sein (z.B. Amplitudenumtastungs-(ASK)-Modulation, Frequenzumtastungs-(FSK)-Modulation, Phasenumtastungs-(PSK)-Modulation und dergleichen). Bei einigen Ausführungsformen kann die digitale optische Quelle 10 zur Erzeugung eines digitalen Impulsausgangs 19 mit Bitfrequenzen von ungefähr 1 GHz oder mehr betrieben werden.
  • Die Steuerschaltung 14 umfaßt entsprechende Gruppen 20, 22 herkömmlicher RF-Komponenten (z.B. Dämpfungsglieder, Filter und Koppler), die konfiguriert sind, um die digitalen Eingangssteuersignale 12 mit entsprechenden Transferfunktionen TLaser, TMod zu modifizieren und die modifizierten Steuersignale synchron an den Laser 16 und den Modulator der optischen Intensität 18 anzulegen. Wie nachfolgend in Einzelheiten erläutert wird, können die Transferfunktionen TLaser, TMod Systemreaktionen definieren, die synchrone Steuersignale weitergeben, die sich im wesentlichen verfolgen, oder sie können Systemreaktionen definieren, die synchrone Steuersignale weitergeben, die im Verhältnis zueinander im wesentlichen invertiert sind. Die Steuerschaltung 14 kann auch Schaltungselemente zum Einrichten geeigneter Gleichstrom-(DC)-Vorspannungsbedingungen zum Betrieb des Lasers 16 und des Modulators 18 der optischen Intensität umfassen.
  • Der Laser 16 kann eine herkömmliche Laserlichtquelle sein und der, Modulator der optischen Intensität 18 kann jeder einer großen Vielzahl unterschiedlicher Modulatoren der optischen Intensität sein, einschließlich eines elektrooptischen Modulators und eines elektroabsorbierenden Modulators. Der Laser 16 und der Modulator 18 der optischen Intensität können auf separaten, getrennten Substraten angeordnet sein oder sie können zusammen auf einem einzelnen Substrat hergestellt sein. Bei einigen Ausführungsformen ist der Laser 16 als ein Halbleiterlaser realisiert (z.B. ein Multi-Quantum-Well-Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung) und ein Modulator der optischen Intensität ist als ein elektroabsorbierender Halbleitermodulator realisiert (z.B. als ein elektroabsorbierender Multi-Quantum-Well-Modulator). Bei diesen Ausführungsformen sind der Laser 16 und der Modulator 18 der optischen Intensität vorzugsweise auf demselben Halbleiterchip hergestellt.
  • Wie als Diagramm in 2 gezeigt ist, variiert die durch einen Laser erzeugte optische Ausgangsleistung nicht-linear mit dem Steuerstrom, der durch die Steuerschaltung 14 angelegt wird. Insbesondere ist die Grafik der optischen Auggangsleistung durch einen Bereich 24 ohne Laseraktivität, der sich von einem Steuerstrompegel von 0 zu einem Laserschwellenstrompegel (LTH) erstreckt, und einen linearen Laserbereich 26 gekennzeichnet, der einen Bereich von Steuerstrompegeln unmittelbar über der Laserschwelle (LTH) abdeckt. Wie in Einzelheiten nachfolgend erläutert wird, schaltet die Steuerschaltung 14 bei einigen Ausführungsformen den Laser 16 zwischen einem Modus mit hoher Ausgangsleistung (HLaser) und einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung (LLaser), die beide vorzugsweise über der Laserschwelle (LTH) liegen. Bei einigen dieser Ausführungsformen befindet sich sowohl der Modus mit hoher Ausgangsleistung (HLaser) als auch der Modus mit niedriger Ausgangsleistung (LLa ser) im linearen Laserbereich 26.
  • Wie als Diagramm in 3 gezeigt ist, ändert sich die Absorptionsfähigkeit eines elektroabsorbierenden Halbleitermodulators mit der Steuerspannung, die durch die Steuerschaltung 14 angelegt wird. Insbesondere ist die Absorptionsgrafik durch einen transmissiven Bereich 28, einen Bereich 30 linearer Modulation und einen Bereich hoher Absorption 33 gekennzeichnet. Wie in Einzelheiten im folgenden erläutert wird, wird der Modulator der optischen Intensität 18 bei einigen Ausführungsformen zwischen einem Modus mit hoher Ausgangsleistung (HMod), bei dem die Intensität des empfangenen Laserlichtes weniger moduliert wird, und einen Modus mit niedriger Ausgangsleistung (LMod), bei dem die Intensität des empfangenen Laserlichtes mehr moduliert wird, umgeschaltet. Die Modi mit hoher und niedriger Ausgangsleistung (HMod, LMod) liegen beide vorzugsweise im linearen Modulationsbereich.
  • Bei den veranschaulichten Ausführungsformen können der Laser 16 und der Modulator 18 der optischen Intensität in Modi mit hoher Ausgangsleistung (HLaser, HMod) und in Modi mit niedriger Ausgangsleistung (LLaser, LMod) gemäß den digitalen Eingangssteuersignalen 12 synchron betrieben werden. Mit anderen Worten wird der Modulator 18 der optischen Intensität mit dem Laser 16 so synchron gesteuert, daß, wenn der Laser 16 mit voller Leistung (HLaser) angesteuert wird, der Modulator 18 im wesentlichen transparent ist (HMod), wodurch die Ausgangsleistung maximiert wird. Wenn der Laserausgang reduziert wird (LLaser), ist der Modulator 18 der optischen Intensität im wesentlichen lichtundurchlässig (LMod) für das einfallende Laserlicht, wodurch die Ausgangsleistung minimiert wird. Bei den veranschaulichten Ausführungsformen arbeitet der Laser in Reaktion auf ein hohes Steuersignal in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung (HLaser) und in Reaktion auf ein niedriges Steuersignal in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung (LLaser), während der Modulator 18 der optischen Intensität in Reaktion auf ein niedriges Steuersignal in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung (HMod) und in Reaktion auf ein hohes Steuersignal in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung (LMod) arbeitet. Dementsprechend sind bei diesen Ausführungsformen die Steuersignale, die dem Laser 16 zugeführt werden, im Verhältnis zu den entsprechenden Steuersignalen, die synchron zum Modulator 18 der optischen Intensität zugeführt werden, im wesentlichen invertiert.
  • Im allgemeinen ist der Laser-Chirp reduziert, wenn ein Laser in einem linearen Bereich moduliert wird und nicht über und unter der Laserschwelle. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen können der Laser 16 und der Modulator 18 der optischen Intensität in ihren linearen Bereichen betrieben werden, so daß die Leistungserfordernisse reduziert werden können und der Chirp reduziert werden kann, während gleichzeitig Extinktionsverhältnisse erhalten werden, die mit einer direkten Modulation des Lasers über und unter der Laserschwelle vergleichbar sind. Insbesondere kann der Chirp beträchtlich reduziert werden, indem der Laser 16 in seinem linearen Bereich betrieben wird. Das bei einem derartigen Betrieb des Lasers relativ geringe Extinktionsverhältnis kann jedoch verbessert werden, um Extinktionsverhältnisse zu erzielen, die mit einer direkten Modulation des Lasers über und unter der Laserschwelle vergleichbar sind, indem der externe Modulator 18 synchron mit dem Laser 16 betrieben wird.
  • Andere Ausführungsformen liegen im Umfang der Ansprüche.
  • Obwohl beispielsweise die oben angegebenen Ausführungsformen primär in Verbindung mit optischen Intensitätsmodulatoren der elektroabsorbierenden Art beschrieben wurden, können diese Ausführungsformen ohne weiteres unter Verwendung jeder beliebigen Art eines optischen Intensitätsmodulators einschließlich von optischen Intensitätsmodulatoren des elektrooptischen Typs realisiert werden.

Claims (10)

  1. Digitale optische Quelle (10), umfassend: – einen Laser (16), der Licht mit einer höheren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und Licht mit einer niedrigeren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung erzeugt; – einen Modulator (18) der optischen Intensität, der zum Empfang von Licht vom Laser (16) gekoppelt ist und im Modus mit, hoher Ausgangsleistung im wesentlichen durchlässig für das empfangene Laserlicht ist und im Modus mit niedriger Ausgangsleistung im wesentlichen undurchlässig für das empfangene Laserlicht ist; und – eine mit dem Laser (16) und dem Modulator (18) der optischen Intensität gekoppelte Steuerschaltung (14) zum Steuern des Lasers (16) und des Modulators (18) der optischen Intensität, so daß sie synchron im Modus hoher Ausgangsleistung und im Modus niedriger Ausgangsleistung betrieben werden.
  2. Digitale optische Quelle nach Anspruch 1, wobei der Laser (16) ein Halbleiterlaser ist.
  3. Digitale optische Quelle nach Anspruch 2, wobei der Modulator (18) der optischen Intensität in den Halbleiterlaser (16) auf einem einzigen monolithischen Halbleiterchip integriert ist.
  4. Digitale optische Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Modulator (18) der optischen Intensität in Reaktion auf ein niedriges Steuersignal in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und in Reaktion auf ein hohes Steuersignal in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung betrieben wird.
  5. Digitale optische Quelle nach Anspruch 4, wobei die zum Laser (16) zugeführten Steuersignale im Verhältnis zu entsprechenden synchron zum Modulator (18) der optischen Intensität zugeführten Steuersignalen im wesentlichen invertiert sind.
  6. Digitale optische Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (14) dazu eingerichtet ist, den Laser (16) sowohl in einem Modus mit hoher als auch in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung anzusteuern, die beide über der Laserschwelle des Lasers (16) liegen.
  7. Digitale optische Quelle nach Anspruch 6, wobei die Steuerschaltung (14) dazu eingerichtet ist, den Laser (16) sowohl in einem Modus mit hoher als auch in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung anzusteuern, die beide innerhalb eines linearen Laserregimes des Lasers (16) liegen.
  8. Digitale optische Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerschaltung (14) dazu eingerichtet ist, den Modulator (18) der optischen Intensität sowohl in einem Modus mit hoher als auch in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung anzusteuern, die beide innerhalb eines linearen Modulationsregimes des Modulators (18) der optischen Intensität liegen.
  9. Verfahren für eine digitale optische Quelle, umfassend: – Erzeugen von Laserlicht einer höheren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und Erzeugen von Laserlicht mit einer niedrigen optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung; und – synchrones Modulieren der Intensität des Laserlichts durch im wesentlichen durchlässig sein, wenn das Laserlicht im Modus mit hoher Ausgangsleistung erzeugt wird, und synchrones Modulieren der Intensität des Laserlichts durch im wesentlichen undurchlässig sein, wenn das Laserlicht im Modus mit niedriger Ausgangsleistung erzeugt wird.
  10. Verfahren zum Betreiben einer digitalen optischen Quelle, umfassend: – Bereitstellen einer digitalen optischen Quelle (10), die einen Laser (16), der so betrieben werden kann, daß er Licht mit einer höheren optischen Ausgangsleistung in einem Modus mit hoher Ausgangsleistung und Licht mit niedriger optischer Ausgangsleistung in einem Modus mit niedriger Ausgangsleistung erzeugt, und einen Modulator (18) der optischen Intensität umfaßt, der gekoppelt ist, um Licht vom Laser (16) zu empfangen, und der im Modus mit hoher Ausgangsleistung im wesentlichen durchlässig für das empfangene Laserlicht ist und im Modus mit niedriger Ausgangsleistung im wesentlichen undurchlässig für das empfangene Laserlicht ist; und – synchrones Betreiben des Lasers (16) und des Modulators (18) der optischen Intensität im Modus mit hoher Ausgangsleistung und im Modus mit niedriger Ausgangsleistung.
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