DE60311046T2

DE60311046T2 - Modulator und Verfahren zur Erzeugung von optischen Pulsen mit variablem Tastverhältnis

Info

Publication number: DE60311046T2
Application number: DE60311046T
Authority: DE
Inventors: John Christopher Painted Post Mauro; Srikanth Ithaca Raghavan; Yurevich Sergey Horseheads Ten
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: EP1404037A3; DE60311046D1; EP1404037B1; US6721081B1; EP1404037A2; US20040061922A1

Description

1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Feldmodulatoren, und insbesondere auf das Benutzen eines Mach-Zehnder-Modulators zum Erzeugen gewünschter Codier- oder Modulationsformate, um die RZ-Impulse mit einstellbarem Tastverhältnis zur Optimierung der Leistungsfähigkeit eines Systems zu optimieren.
2. Technischer Hintergrund
Gegenwärtige optische Kommunikationssysteme sind durch hohe Bitraten und eine komplexe Kanal- und Netzwerkarchitektur gekennzeichnet. Aufgrund der Verschiedenheit an Leistungspegeln, Dispersionsabbildungen und Systemreichweite können der Bereich und die Größe der Systembeeinträchtigungen sowohl aufgrund linearer Phänomene (wie z.B. der Dispersion und ASE) als auch nichtlinearer Phänomene (wie z.B. Selbstphasenmodulation SPM, Kreuzphasenmodulation XPM, Vier-Wellenlängen-Mischen FWM) signifikant sein. Die Wahl des Modulationsformates hat einen signifikanten Einfluss auf das Zwischenspiel zwischen den Faser- und Systemparametern, speziell in den Systemen der nächsten Generation, welche dichtes Wellenlängenmultiplexen (DWDM) und/oder hohe Bitraten von 40 Gb/s oder sogar höher anwenden. Wenn beispielsweise das Format nicht für ein spezielles System optimiert ist, können die optischen Impulse so verzerrt sein, dass das optische Ausgangssignal aufgrund des Auftretens von Seitenkeulen an den Rändern der Impulse signifikant verschlechtert ist.
Nichtlineares Mischen von dicht benachbarten Impulspaaren erzeugt ungewünschte zeitliche Seitenimpulse oder Geisterimpulse aufgrund von Vier-Wellenlängen-Mischen in der Zeitdomäne. Die Geisterimpulse fallen auf das Zentrum der benachbarten Bit-Slots. Als Ergebnis lösen die Geisterimpulse, welche auf das Bit "1" oder die Mark-Impulse fallen, Amplitudenjitter aus, welches eine der dominanten Nachteile bei hohen Bitraten, wie z.B. 40 Gb/s oder größer ist.
Das Erzeugen von Zurück-zu-null-(RZ-)Impulsen mit Standard-RZ oder trägerunterdrücktem RZ (CSRZ) ist bekannt. Standardmodulationsformate beinhalten Nicht-zurück-zunull (NRZ) und Zurück-zu-null (RZ) mit 50% und 33% Tastraten. Im Allgemeinen besitzt das RZ-Modulationsformat eine bessere Leistungsfähigkeit als das NRZ-Format in Übertragungssystemen mit hoher Datenrate und ultralangem Übertragungsweg und mehr Robustheit gegenüber Nichtlinearitäts-Beeinträchtigungen. Dieser Vorteil jedoch hängt von mehreren Faktoren ab, wobei die geeignete Balance der eingespeisten Leistung, die RZ-Impulsbreite (Tastrate), die optischen und elektrischen Filterbandbreiten und die Dispersionsabbildung beinhaltet sind. Varianten des RZ-Modulationsformats wurden auch vorgeschlagen, wobei Chirp-RZ (CRZ), trägerunterdrücktes RZ (CSRZ), differenzielle Phasenumtastung (DPSK) und Doppelbinarität beinhaltet sind.
Viele haben versucht, die Systemleistungsfähigkeit zu optimieren. Es wurden variable Tast-RZ-Impulse erzeugt, wobei ein optisches Verzögerungsinterferometer benutzt wurde, und es wird angegeben, dass sie die Bitfehlenate um 2 dB verbessern. Eine Reduktion in der elektrischen Treiberspannung eines doppelbinären Senders wurde bei einer anderen Vorgehensweise herausgefunden, um das Extinktionsverhältnis zu erhöhen und die Leistungsfähigkeit in einer Standard-Single-Mode-Faser zu verbessern. Obwohl sogar die Tastrate bisher in keiner anderen Vorgehensweise diskutiert wurde, zeigt das simulierte optische Spektrum eine Verminderung in der Intensität der Nebenkeulen, wenn die elektrische Treiberspannung auf 25% reduziert ist. Jedoch gibt es keine Diskussion über das simultane Durchstimmen der Vorspannung, um die Form der doppelbinären Impulse bei dieser Vorgehensweise zu optimieren. Es wurde in einem WDM-Experiment gezeigt, dass das Optimieren der Impulsbreite von RZ-Impulsen die XPM-Nachteile unterdrücken kann. Derartige verschiedene Verfahren des Durchstimmens der Tastrate zeigen den Vorteil der Tastratenoptimierung.
In der US 6,334,004 wird ein optischer Modulator veröffentlicht, um die Intersymbolstörung durch das Liefern eines Arbeitspunktes zu unterdrücken, welcher ohne die Notwendigkeit für das Überlagern eines Niederfrequenzsignals stabilisiert werden kann. Der veröffentlichte optische Modulator weist eine optische Wellenleiterstruktur bzw. Lichtwellenleiterstruktur, eine Elektrode, erste und zweite Photodetektoren und eine Vorspannungsschaltung auf.
In der PCT-Anmeldung WO 02/09325 wird aufgeführt, dass verschiedene Verfahren zum Erzeugen optischer Impulszüge bekannt sind, wobei beinhaltet sind: (1) das direkte Erzeugen von Impulszügen, wobei ein Mode-gelockter Festkörperlaser benutzt wird, (2) das Benutzen eines verstärkergeschalteten Halbleiterlasers, um den Impulszug zu erzeugen, und (3) das Erzeugen des optischen Impulszuges durch externe Intensitätsmodulierung einer optischen CW-(kontinuierliche Welle-)Quelle, wobei ein elektrooptischer, interferometrischer optischer Modulator, wie z.B. ein Mach-Zehnder-optischer Modulator, benutzt wird.
Entsprechend der PCT-Anmeldung WO 02/09325 besitzen diese Modulatoren eine optische Übertragung in Abhängigkeit von der angewendeten Treiberspannung, welche sinusförmig (angehobener Cosinus) ist, und der Modulator wird elektrisch vorgespannt, so dass er an einem Punkt minimaler optischer Transmission arbeitet. Durch Anlegen eines Treibersignals, dessen Frequenz die Hälfte der gewünschten Impulswiederholrate ist, erzeugt dies einen Zug von optischen Impulsen, mit einer Impulsulsrate von ungefähr der Hälfte. Alternativ durch das Vorspannen des Modulators an einem Punkt der maximalen optischen Transmission erzeugt dies einen optischen Impulszug, in welchem die Impulse eine niedrigere Tastrate besitzen. Obwohl mit einer derartigen Anordnung die Tastrate bis zu einem begrenzten Ausmaß variiert werden kann, führt dies zu einer entsprechenden Variation der Extinktion der Impulse.
Ferner weist entsprechend der Erfindung der Anmeldung WO 02/09325 ein optischer Impulszug-Generator auf eine Lichtquelle, welche betreibbar ist, um ein unmoduliertes optisches Ausgangssignal herzustellen; einen elektrooptischen, interferometrischen optischen Modulator für das Intensitätsmodulieren des unmodulierten optischen Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer sinusförmigen Treiberspannung, um ein moduliertes optisches Signal herzustellen, wobei der Modulator eine optische Transmission in Abhängigkeit der Treiberspannungscharakteristik besitzt, welche sinusförmig ist, und wobei der Modulator bei einem Punkt minimaler optischer Transmission dieser Charakteristik betrieben werden kann, und wobei die Treiberspannung eine Amplitude besitzt, welche einen Tastzyklus dieser Charakteristik übersteigt, so dass das modulierte optische Signal nicht sinusförmig ist; und eine Einrichtung zum Formen des optischen Impulses, um die Phase der Frequenzkomponenten des modulierten optischen Signals in der Frequenzdomäne einzustellen, um einen optischen Impulszug zu erzeugen, in welchem die Impulse im Wesentlichen umformungsbegrenzt sind. Außerdem, entsprechend dieser Anmeldung, wird gewürdigt werden, dass die Tastrate der Impulse schließlich durch Einstellen der Amplitude, welche die Spitze-zu-Spitze- Spannungsschwankung bzw. -schwingung ist, der sinusförmigen Treiberspannung eingestellt werden kann.
Entsprechend kann gesagt werden, dass in der PCT-Anmeldung WO 92/09325 ein Gerät zum Beaufschlagen eines optischen Strahls veröffentlicht wird, wobei das Gerät aufweist: eine Gleichstromversorgung, welche eine Gleichstromvorspannung erzeugt, eine Quelle für eine Modulierspannung, eine Konfiguration eines elektrooptischen Modulators, welche an die Quelle für die Modulationsspannung zum Modulieren des empfangenen optischen Strahls gekoppelt ist, welcher auf der DC-Vorspannung und der Modulationsspannung basiert, um ein optisches Signal von Impulsen zu erzeugen, welche eine vorher festgelegte Bitrate besitzen, welche eine Ausgangsleistung hat, welche den Kriterien zum Besitzen eines einzelnen Maximalwerts innerhalb eines Bit-Slots, von Minimalwerten an den Bitgrenzen und Null-Ableitungen der Ausgangsleistung bezüglich der Zeit nur am Maximalwert innerhalb des Bit-Slots und an den Minimalwerten an den Bitgrenzen entspricht, wobei die Konfiguration des elektrooptischen Modulators eine Zwei-Stufen-Modulatorkonfiguration ist, welche einen Mach-Zehnder-Interferometer-(MZI-)Daten-modulator und einen impulserzeugenden MZI mit angeschlossener Impulsformeinrichtung aufweist, eine Einrichtung aufweist, um die Wechselspannung in der Form eines Steuergerätes zu steuern, welches angeordnet ist, um ein Signal zu erzeugen, so dass das impulsformende MZI sowohl bei einem Punkt der minimalen optischen Transmission bei seiner Transmission in Abhängigkeit von der Treibercharakteristik betreibbar ist und durch eine Spannungsamplitude getrieben wird, welche eine Tastrate der Abhängigkeitskurve übersteigt, wobei die Amplitude variabel ist, um die Tastrate der resultierenden Impulse zu variieren.
Entsprechend gibt es eine Notwendigkeit, die Tastrate verschiedener RZ-Modulationsformate in einer verbesserten Weise zu variieren, ohne die Seitenkeulenintensitäten oder andere Störungen für den optischen Ausgangspuls zu erhöhen.
Entsprechend dem Hautgesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Beaufschlagen eines optischen Strahls entsprechend dem Anspruch 1 geliefert.
In einer ersten bevorzugten Form liegt die Gleichspannung zwischen einem Wendepunkt und einem Halbwellenpunkt der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Trei berspannungs-Charakteristikkurve, und die Wechselspannung weist auf: eine sinusfönmig variierende Spannung, welche eine Frequenz gleich der Bitrate des optischen Signals besitzt und eine Spitzenspannung gleich der Größe der Differenz zwischen der Gleichspannung und dem nächsten Halbwellenpunkt, und mit dem Ergebnis, dass das optische Ausgangssignal aus optischen Impulsen besteht, welche eine Intensität mit einer Zurück-zu-null-(RZ-)Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen den ersten und zweiten Seitenarmen abhängt, wie sie durch die Gleich- und Wechselspannung durchgestimmt werden (RZ).
In einer zweiten bevorzugten Form ist die Gleichvorspannung gleich V_π, mit dem Ergebnis, dass die optischen Ausgangsimpulse eine Intensität mit einer trägerunterdrückten Zurück-zu-null-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen den ersten und zweiten Seitenarmen abhängt, wie sie durch die Spitze der Wechselspannung durchgestimmt werden (CRSZ).
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Modulieren eines optischen Signals entsprechend dem Anspruch 4.
1 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Beispiel eines Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) zeigt, welches als ein Impulsbreitenformer 116 im System 10 benutzt wird, welches als ein RZ- oder als ein CSRZ-Modulator gestaltet sein kann;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels der Eingangsquelle 12 der 1, um ein Grundgerät 16 zur Impulserzeugung für jegliche Formate zu liefern, wobei ein einzelner RZ-Mach-Zehnder-Modulator 160 benutzt wird, welcher von dem Datenmodulator 60 abhängt, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graph der variablen RZ-Tastrate und des Ausschlags bzw. der Schwingung als eine Funktion des Vorspannungskoeffizienten des Gerätes 16 der 2, welches als ein einzelner RZ-Mach-Zehnder-Modulator aufgebaut ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Graph der Spitzen- und Durchschnitts-(Gesamt-)Leistungsskalierfaktoren als Funktion der Vorspannung des einzelnen RZ-Mach-Zehnder-Modulators 16 der 3 entsprechend der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schematische Zeichnung des Grundgerätes 16 der 1, welches für die variablen Tastrate-RZ-Impulserzeugung gestaltet ist, wobei zwei verkettete MZI der 1 als RZ-Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 benutzt werden, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine schematische Zeichnung des Grundgerätes 16 der 1, welches für eine variable Tastrate-RZ-Impulserzeugung gestaltet ist, wobei zwei verkettete MZI der 1 als CSRZ-Mach-Zehrader-Modulatoren 20 und 160 benutzt werden, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine schematische Zeichnung des Grundgerätes 16 der 1, welches für eine CSRZ-Impulserzeugung mit variabler Tastrate gestaltet ist, wobei zwei verkettete MZI der 1 als ein CSRZ-Modulator 20 und ein RZ-Mach-Zehnder-Modulator 160 benutzt werden, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
8 ist ein Graph der variablen Tastrate des Gerätes 16 der 7 als Funktion der Schwingung des CSRZ-Modulators 20 für verschiedene Vorspannungseinstellungen des RZ-Modulators 160 entsprechend der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Graph des Skalierfaktors der Durchschnittsleistung als Funktion der Schwingung des CSRZ-Modulators 20 für verschiedene Vorspannungseinstellungen des RZ-Modulators 160 für das Gerät 16 der 8 entsprechend der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine schematische Zeichnung des Grundgerätes 16 der 2 für eine alphaRZ-1-Impulserzeugung mit variabler Tastrate, wobei ein einzelner RT-Mach-Zehnder-Modulator 20 und ein AMI-Datenmodulator 60 benutzt werden, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine Darstellung eines alphaRZ-1-Signals, welches durch das Grundgerät 16 der 10 geliefert wird, in der Zeitdomäne, wo jedes "EINS"-Bit um π von den nächsten "EINS"-Bits zu jeder Seite hin phasenverschoben ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
12 ist ein Vergleichsgraph von Q-Faktoren verschiedener Modulationsformate, welcher Kurven mit durchgezogener Linie mit variabler Tastrate, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung variiert werden, und die Standardformate mit gestrichelter Linie als eine Funktion der Grund- bzw. Restdispersion für ein 40 Gb/s-System mit 0,4 spektralem Wirkungsgrad beinhaltet, wobei die Einkoppelleistung –1 dBm pro Kanal ist;
13 ist ein Vergleichsgraph der Q-Faktoren für verschiedene Modulationsformate, wobei beinhaltet sind: die Kurven mit durchgezogener Linie der variablen Tastraten, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung variiert werden, und die Standardformate mit gestrichelter Linie als eine Funktion der Grund- bzw. Restdispersion für ein 40 Gb/s-System mit 0,4 spektralem Wirkungsgrad, wobei die Einkoppelleistung +1 dBm pro Kanal ist;
14 ist ein Vergleichsgraph der Q-Faktoren für verschiedene Modulationsformate, wobei beinhaltet sind: die Kurven mit durchgezogener Linie der variablen Tastraten, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert werden, und die Standardformate mit gestrichelter Linie als eine Funktion der Grund- bzw. Restdispersion für ein 40 Gb/s-System mit 0,4 spektralem Wirkungsgrad, wobei die Einkoppelleistung +3 dBm pro Kanal ist;
15 ist ein Vergleichsgraph der optimierten Q-Faktoren für verschiedene Modulationsformate, wobei beinhaltet sind: die Kurven mit durchgezogener Linie der variablen Tastraten, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung variiert werden, und die Standardformate mit gestrichelter Linie als eine Funktion der Grund- bzw. Restdispersion für ein 40 Gb/s-System mit 0,4 spektralem Wirkungsgrad, wobei die Einkoppelleistung für alle Kanäle optimiert ist;
16A-B sind Vergleiche von Augendiagrammen der alphaRZ-1-Impulserzeugung, wobei die Einrichtung 16 der 10 und die CSRZ-33%-Impulserzeugung der Einrichtung 16 der 2 benutzt werden, wobei das zweite MZI 160 für CSRZ gestaltet ist, wobei das Verfahren, welches in 7 gezeigt wird, nach der Ausbreitung durch das 40-Gb/s-System mit –30 ps/nm Netto-Grunddispersion benutzt wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
17A-B sind Vergleiche von Augendiagrammen der alphaRZ-1-Impulserzeugung, wobei die Einrichtung 16 der 10 und die RZ-37%-Impulserzeugung der Einrichtung 16 der 2 benutzt werden, wobei das zweite MZI 160 für RZ nach der Ausbreitung durch das 40 Gb/s-System mit +30 ps/nm-Netto-Grunddispersion entsprechend der vorliegenden Erfindung gestaltet ist;
18 ist eine Transmissionsgrad-Übertragungsfunktion und die Ansteuerung für Standard-RZ-50%-Impulserzeugung, wobei die Einrichtung 16 der 2 benutzt wird, wobei das zweite MZI 160 für RZ gestaltet ist, wobei die volle symmetrische Wechselschwingung (von 0 bis Vpi) um den Wendepunkt hergenommen wird;
19 ist eine Transmissionsgrad-Übertragungsfunktion und eine Ansteuerung für Standard-RZ-33%-Impulserzeugung, wobei die Einrichtung 16 der 2 benutzt wird, wobei das zweite MZI 160 für RZ gestaltet ist, wobei die volle symmetrische Wechselschwingung (von -Vpi bis Vpi) um den Wendepunkt hergenommen wird;
20 ist eine Transmissionsgrad-Übertragungsfunktion und eine Ansteuerung für variable Tastrate-RZ-41%-Impulserzeugung, wobei die Einrichtung 16 der 2 benutzt wird, wobei das zweite MZI 160 für RZ gestaltet ist, wobei eine geringer als voll symmetrische Wechselschwingung (von 0,33 Vpi bis Vpi) um den Gleichvorspannungspunkt und asymmetrisch um den nominellen Wendepunkt hergenommen wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
21 ist eine Transmissionsgrad-Übertragungsfunktion und eine Ansteuerung für CSRZ-67%-Impulserzeugung, wobei die Einrichtung 16 der 2 benutzt wird, wobei das zweite MZI 160 für CSRZ gestaltet ist, wobei die voll symmetrische Wechselschwingung (von 0 bis 2 Vpi) um den Wendepunkt hergenommen wird;
22 ist eine Transmissionsgrad-Übertragungsfunktion und Ansteuerung für CSRZ-55%-Impulserzeugung mit variabler Tastrate, wobei die Einrichtung 16 der 2 benutzt wird, wobei das zweite MZI 160 für CSRZ gestaltet ist, wobei eine weniger als voll symmetrische Wechselschwingung (von 0,4 Vpi bis 1,6 Vpi) um den Gleichvorspannungspunkt oder den nominellen Wendepunkt hergenommen wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
23A ist ein Graph der Modulatoransteuerungsspannungs-Signale, welche an den beiden Seitenarmen des 50%-Impuls-RZ-Modulators der 18 angelegt werden, verglichen mit dem 41%-Impuls-RZ-Modulator der 20, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
23B ist ein Graph der Differenz der Modulatoransteuerungsspannungs-Signale der 23A, welche an den beiden Seitenarmen des 50%-Impuls-RZ-Modulators der 18 angelegt sind, verglichen mit dem 41%-Impuls-RZ-Modulator der 20 entsprechend der vorliegenden Erfindung;
23C ist das Augendiagramm des Vergleichs der resultierenden optischen Impulse von dem 50%-Impuls-RZ-Modulator der 18 im Vergleich zu dem 41%-Impuls-RZ-Modulator der 20 entsprechend der vorliegenden Erfindung;
24 ist ein Graph der variablen CSRZ-Tastrate als Funktion der Schwingung der Einrichtung 16 der 2, wobei das zweite MZI 160 für CSRZ gestaltet ist, wobei eine weniger als voll symmetrische Wechselschwingung um den Gleichvorspannungspunkt oder den nominellen Wendepunkt hergenommen wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
25A ist ein Graph der variablen RZ-Tastrate als Funktion des Vorspannungskoeffizienten von einem der zwei verketteten MZI der 5, welche als RZ-Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 gestaltet sind, so dass nur der Vorspannungskoeffizient des Modulators entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert wird, wobei der andere RZ-Mach-Zehnder-Modulator für erzeugte 50%-Tastrate-RZ-Impulse gestaltet ist;
25B ist ein Graph der variablen RZ-Tastrate als Funktion des Vorspannungskoeffizienten eines der zwei verketteten MZI der 5, welche als RZ-Mach-Zehnder-Modulators 20 und 160 gestaltet sind, so dass nur der Vorspannungskoeffizient des Modulators entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert wird, wobei der andere RZ-Mach-Zehnder-Modulator für erzeugte 33%-Tastrate-RZ-Impulse gestaltet ist;
26 ist ein Graph der variablen RZ-Tastrate als Funktion der Schwingung von wenigstens einem der zwei verketteten MZI der 6, welche als CSRZ-Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 gestaltet sind, entsprechend der vorliegenden Erfindung;
27 ist ein Graph der variablen RZ-Tastrate als Funktion des Vorspannungskoeffizienten eines der zwei verketteten MZI der 5, welche als RZ-Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 gestaltet sind, so dass sowohl die Vorspannungs- als auch die Schwingungsparameter der Modulatoren verändert werden, wenn der andere RZ-Modulator für die Standard-50%- oder –33%-festen Tastraten gestaltet ist, entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wenn die beiden Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 nominell gestaltet sind, um 50%-Tastrate-Impulse zu erzeugen, werden die Vorspannungs- und Schwingungsparameter eines Modulators gleich zu denen des anderen Modulators gehalten, sie werden jedoch beide entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert; und
28 ist ein Graph einer variablen RZ-Tastrate als Funktion des Vorspannungskoeffizienten eines der zwei verketteten MZI der 5, welche als RZ-Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 gestaltet sind, so dass sowohl der Vorspannungskoeffizient als auch der Schwingungsparameter des Modulators entsprechend der vorliegenden Erfindung variiert werden, wobei der andere RZ-Mach-Zehnder-Modulator für erzeugte 50%-Tastrate-RZ-Impulse gestaltet ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es wird nun im Detail auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungen der Erfindung Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt werden. Wann immer es möglich ist, werden die gleichen Bezugsziffern durch die Zeichnungen hinweg benutzt, um auf die gleichen oder ähnlichen Teile Bezug zu nehmen.
Mit Bezug auf 1 wird eine Einrichtung oder ein Gerät 16 in einem System 10 zum Modulieren eines optischen Signals 13 und zum Einstellen der Tastrate des optischen Signals 13 für das Optimieren der Systemleistungsfähigkeit in Abhängigkeit von der Tastrate gezeigt. Die Einrichtung 16 beinhaltet ein in der Tastrate verstellbares Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), welches als eine Impulsbreitenformungseinheit 160 für das Modulieren des optischen Signals und das Durchstimmen der Tastrate des optischen Signals 13 dient. Das MZI 160 hat eine Transmissionsgrad-Übertragungsfunktion des Interferometers 160. Wenigstens eine Elektrodenstruktur 163 erzeugt eine Gleichspannung und eine Wechselspannung zum Vorspannen und Steuern der Schwingung Bzw. des Ausschlags des Mach-Zehnder-Interferometers 160 mit den jeweiligen Amplituden der Gleich- und Wechselspannungen, so dass der Transmissionsgradpunkt maximaler Leistung auf der Übertragungsfunktion kleiner als 100% für das Durchstimmen der Tastrate des optischen Signals 13 ist, so dass die Systemleistungsfähigkeit optimiert wird.
Die so gestaltete Einrichtung 16 kann als ein optischer Übertrager bzw. Sender in einem Lichtwellenübertragungssystem 10 benutzt werden. Eine Eingangsquelle 12, welche das optische Signal 13 liefert, kann ein Laser zum Erzeugen eines kontinuierlichen optischen Strahls oder eines kontinuierlichen Wellen-(CW-)Signal-optischen Strahls sein, welcher durch eine optische Faser für die Aufnahme an dem optischen Eingang 13 befördert wird.
Ein anderes Mach-Zehnder-Interferometer, welche das CW-Signal empfängt, kann als ein Codierer oder elektrooptischer Wandler zum Gebrauch als ein Datenmodulator 60 vor oder nach dem Impulsbreitenformer 160 dienen, um das datencodierte elektrische Signal von einer Datenquelle 22 zu empfangen, um das optische Signal 13 zu liefern, wie dies in 2 gesehen werden kann. Der Codierer oder Datenmodulator 60 besitzt einen optischen Eingang an einem Eingangsseitenarm 60A zum Empfangen des kontinuierlichen optischen Signals, einen elektrischen Eingang 17 zum Empfangen eines datenmodulierten elektrischen Signals und des optischen Ausgangs 13 an einem Ausgangsschenkel 60C zum Liefern des modulierten optischen Signals basierend auf dem codierten elektrischen Signal.
Die Einrichtung 16, vorzugsweise in der Form des MZI 160, moduliert entweder direkt oder indirekt das optische Signal 13, welches dann entlang der Länge einer ausgangsoptischen Faser 19 übertragen wird, welche die Entfernung zu einem Empfänger 21 überbrückt. Typischerweise kann ein optischer Verstärker 29, wie z.B. ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA), vorgesehen sein, um das modulierte Licht, wenn es sich entlang der Länge der optischen Faser 19 ausbreitet, zu verstärken.
Vorzugsweise hat wenigstens ein hybrides Faserlängsteil 19 eine erste Länge an positiver Dispersionsfaser, eine zweite Länge an positiver Dispersionsfaser und eine dritte Länge an negativer Dispersionsfaser, wobei die dritte Länge an negativer Dispersionsfaser optisch zwischen der ersten und zweiten Länge der positiven Dispersionsfasern zum Gebrauch in einem Telekommunikationssystem 10 gekoppelt ist, welches die durchgestimmten Tastratenimpulse überträgt.
Im Allgemeinen beinhaltet die Modulation das Beaufschlagen bzw. Einprägen einer vorgeschriebenen zeitabhängigen Wellenform (Strom oder Spannung) auf ein kontinuierliches Wellen-(CW-)Signal. Im Kontext optischer Telekommunikationssysteme 10 ist das CW-Signal oder der optische Strom oder Strahl eine elektromagnetische Welle einer einzelnen Wellenlänge im optischen Bereich des Spektrums (um 800 bis 1650 nm), und die aufgeprägte Spannung ist im Funkfrequenz-(RF-)Bereich und ist in der Größenordnung von wenigen bis mehreren zehn Gigahertz (GHz). Die Information, welche entlang des optischen Telekommunikationssystems 10 gesendet wird, ist in diesem RF-Spektrum oder elektromagnetischen Feld eingebettet, und alle Arten von Modulatoren 16 fügen dem CW-optischen Strahl typischerweise Information in Form von RF-Impulsen zu. Die meisten kommerziell erhältlichen Modulatoren beruhen auf dem elektrooptischen Effekt, wie er in dem Mach-Zehnder-Interferometer 160 verfügbar ist, welcher als ein elektrooptischer Feldmodulator benutzt wird.
Der elektrooptische Effekt ist das Verändern des Brechungsindexes, welches von dem Anwenden eines Gleichstroms (DC) oder eines niederfrequenten elektrischen Feldes herrührt. Ein Feld, welches an einem anisotropen elektrooptischen Material angelegt wird, modifiziert dessen Brechungsindizes, wobei dadurch die Ausbreitungscharakteristika des optischen Signals 13 verändert werden. In Materialien, welche für Mach-Zehnder-Interferometer 160 benutzt werden, wie z.B. Lithiumniobat (LiNbO₃), verändert sich der Brechungsindex nahezu linear im Verhältnis zum angelegten elektrischen Feld, wobei in diesem Fall der Effekt als der lineare elektrooptische Effekt oder der Pockels-Effekt bekannt ist. Die lineare Abhängigkeit des Brechungsindexes von dem elektrischen Feld kann geschrieben werden als
wobei ρ der Pockels-Koeffizient genannt wird und typische Werte im Bereich von 10^–12 bis 10^–10 mN besitzt und n₀ der Brechungsindex beim Null-Feld ist.
Wenn sich ein Lichtstrahl durch ein elektrooptisches Material (eine Pockels-Zelle) der Länge L ausbreitet, an welcher ein elektrisches Feld E angelegt ist, erfährt er eine Phasenverzögerung φ = 2πn(E)L/λ₀, wobei λ₀ die Wellenlänge des Lichtes im Vakuum ist. Benutzt man Gleichung (1), so ist die Phasenverschiebung I
wobei V die Spannung ist, welche quer zu den zwei Oberflächen der Zelle, welche durch die Entfernung d getrennt sind, angelegt ist, um ein elektrisches Feld E = V/d zu induzieren. Vpi oder V_π, die Halbwellenspannung, ist als die angelegte Spannung definiert, bei welcher sich die Phasenverschiebung um π ändert und wird gegeben durch Vπ = dλ0/Lρ n30 . Entsprechend Gleichung (2) wird die Phase eines optischen Feldes durch Variieren der Spannung V moduliert, welche quer an einem Material angelegt ist, durch welches das Licht läuft. Der Schlüsselparameter, welcher den Modulator charakterisiert, ist die Halbwellenspannung V_π, welche von den Materialgegebenheiten, wie z.B. n₀ und ρ, den geometrischen Gesichtspunkten der Anordnung in Bezug auf deren Seitenverhältnis d/L und der Wellenlänge λ₀ abhängt.
Eine schematische Zeichnung eines typischen Mach-Zehnder-Interferometers 160 wird in 1 gezeigt. Das Interferometer teilt ein Eingangssignal 13 von der Eingangsquelle E₀(t) 12 in zwei Pfade bzw. Wege von nominal gleicher Länge L auf. Da die Wellenleiter aus LiNbO₃-Kristallen oder einem anderen elektrooptischen Material aufgebaut sind, kann ein angelegtes elektrisches Feld benutzt werden, um die Brechungsindizes der beiden Seitenarme relativ zueinander zu verändern. Mit einem idealen Verzweigungsverhältnis wird die optische Leistung gleichmäßig zwischen den beiden Teilarmen aufgeteilt, und das rekombinierte Feld E(t) am Ausgang des Interferometers 160 ist die Überlagerung dieser zwei Felder:
wobei E₀(t) das optische Eingangssignal 13, V₀(t) im Allgemeinen die elektrische Ansteuerungsspannung und α', ξ und s die Chirp-, Vorspannungs- bzw. Schwingungsparameter des Mach-Zehnder-Modulators 160 sind. Die Parameter α' und s können sich auf Bruchteile der Ansteuerungsspannung auf den beiden Seitenarmen des Mach-Zehnder-Modulators f₁ und f₂ beziehen, wobei s = f2 – f1 (4)und
Wenn unterschiedliche Spannungen an den beiden Seitenarmen des Interferometers angelegt werden, erfahren die beiden Signalpfade unterschiedliche Veränderungen im Brechungsindex, wodurch ausgelöst wird, dass sich die Felder mit geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Folglich kann eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Feldern bestehen, wenn sie am Ausgang des Mach-Zehnder-Modulators wiedervereint werden, was zu einer destruktiven Interferenz und einer darauf folgenden Abnahme in ihrer Intensität oder Leistung von E(t) im Verhältnis von E₀(t) führt.
Bei einer Nicht-zurück-auf-null-(NRZ-)Modulation, als einer Form eines möglichen Modulationsformates, besetzt jeder "Eins"-Impuls einen gesamten Bit-Slot, und die Signalintensität fällt nicht auf "null" zwischen aufeinander folgenden "Eins"-Bits ab. Die einzigen Male, bei denen sich die Signalintensität zwischen "eins" und "null" ändert, sind dann, wenn die Bitfolge sich selbst zwischen "eins" und "null" ändert. Da das Ansteigen oder Abfallen zwischen diesen zwei Intensitätspegeln einen bestimmten Zeitbetrag benötigt, welcher durch die Elektronik benötigt wird, welche das RF-Signal erzeugt, ist es wünschenswert, die Form der NRZ-Intensitätsmodulation durch eine Funktion zu beschreiben, welche die gleiche in jedem Bit-Slot ist. Da die Intensitäten von "Eins"-Bits nicht auf null an den Rändern der Bit-Slots zurückgehen, können benachbarte NRZ-Impulse als die Summe der Funktionen S(t) ausgedrückt werden:
wobei V_0,n(t) die treibende Funktion für den n-ten Impuls in einem Bitstrom ist, a_j der Bitwert (null oder eins) ist und S(t) eine Kurvenformfunktion ist, typischerweise Super-Gauß- oder ein angehobener Cosinus.
Wie bereits bekannt ist, wird die Zurück-zu-null-(RZ-)Modulation durch das Senden eines NRZ-modulierten Signals in einen Mach-Zehnder-Modulator (MZM) mit einer sinusförmigen Ansteuerfunktion erreicht, V0(t) = A0cos(2πνct – πθ) (7)wobei A₀ die Amplitude ist (als ein Bruchteil von Vpi), ν_c die Frequenz der RZ-Ansteuerung ist und θ der Phasenversatz als ein Bruchteil von π ist. Da das NRZ-Signal, welches in den RZ-Modulator geht, bereits mit der geeigneten Sequenz von "Einsen" und "Nullen" codiert wurde, benötigt der RZ-Modulator kein getrenntes elektrisches Eingangssignal für den gewünschten Bitstrom wie für ein anderes Modulationsformat, wie z.B. die alternierende Mark-Inversion (AMI). Die RZ-Modulation nimmt aktuell zwei populäre Formen an: eine Standard-RZ mit festen Tastraten von 50% oder 33,3% und eine trägerunterdrückte (CSRZ) mit einer festen Tastrate von 66,7%.
In Gleichung (3) wird ein ideales Aufzweigungsverhältnis angenommen, die Analyse kann jedoch leicht auf ein nicht ideales Aufzweigungsverhältnis ausgedehnt werden, in welchem Fall die elektrischen Felder in den zwei Seitenarmen des Interferometers E1(t) = aE0(t) und E2(t) = (1 – a)E0(t) (8)sind.
Während die Zweifach-Ansteuerungs-Mach-Zehnder-Modulatoren mit f₁ und f₂ benutzt werden können, um chirp-freie RZ-Impulse zu erzeugen, erzeugen die weniger teuren, einzeln angesteuerten Mach-Zehnder-Modulatoren mit f₁ oder f₂ = 0 im Allgemeinen RZ- Impulse mit Chirp. Dieser Chirp ist gewöhnlich ein ungewünschtes Merkmal in der optischen Signalübertragung, da er sowohl zur Dispersionsbeeinträchtigung als auch zu linearem Übersprechen führen kann.
Wenn traditionelle, einzeln angesteuerte Mach-Zehnder-Modulatoren benutzt werden, ist der Chirp-Parameter α' notwendigerweise nicht null, deshalb sind die Impulse mit Chirp behaftet. Derartige mit Chirp behaftete Impulse können eine zusätzliche Dispersionsbeeinträchtigung aufgrund der Ausbreitung erfahren oder können zusätzlichen spektralen Inhalt besitzen, welcher zu linearem Übersprechen führt. Die resultierenden optischen Impulse sind derart gestört, dass das Signal aufgrund des Auftretens von Seitenkeulen an den Rändern der Impulse signifikant beeinträchtigt ist.
Das
wobei I_max die Maximalintensität des Ausgangsfeldes (entsprechend einem "Eins"-Bit) ist und I_min die Minimalintensität (entsprechend einem "Null"-Bit) ist. Bei einem idealen Mach-Zehnder-Modulator ist die Intensität eines "Null"-Bits I_min = 0, so dass X unendlich ist. Ein finites Extinktionsverhältnis bedeutet, dass die Ausgangsintensität eines "Null"-Bits einen endlichen Wert I_min > 0 besitzt.
Alternierende Phasenmodulation. Bei einer alternierenden Phasenmodulation besitzt jedes "Eins"-Bit eine Phasenverschiebung von π bezüglich seiner beiden benachbarten "Eins"-Bits.
Die Phasendifferenzmodulation (DPSK) arbeitet über Codieren einer Hilfseingangs-Bitfolge in die Trägerphase.
Die alternierende Mark-Inversion (AMI) beinhaltet das Erzeugen einer Drei-Pegelelektrischen Wellenform, welche eine Eingangsbitsequenz und eine gegenläufige Sequenz benutzt. Diese elektrische Wellenform wird dann als Ansteuerfunktion in einem Mach-Zehnder-Modulator benutzt, um ein optisches Zwei-Pegel-Signal mit "Eins"-Bits alternierender Phase zu erzeugen.
Doppelt binäre Modulation ist ähnlich zu AMI, bei welcher eine Drei-Pegel-elektrische Wellenform von einer gegebenen Eingangsbitsequenz erzeugt wird, und diese Wellenform wird dann als die Ansteuerfunktion für einen Mach-Zehnder-Modulator benutzt. Wie bei der AMI werden die Eingangs-"Eins"-Bits entweder als positive oder als negative "Einsen" in der elektrischen Ansteuerfunktion codiert, und der Wechsel im Vorzeichen zwischen diesen zwei Zuständen reflektiert selbst eine π-Phasenverschiebung zwischen "Eins"-Bits in dem optischen Ausgangssignal; "Null"-Eingangsbits werden immer als "Null" in der elektrischen Ansteuerfunktion gegeben. Der Unterschied zwischen doppelbinärer und AMI liegt darin, dass, während "Eins"-Bits in AMI immer um π gegenüber ihren beiden benachbarten "Eins"-Bits auf beiden Seiten um π phasenverschoben sind, die Phasenverschiebung aufgrund der doppelbinären Codierung nur auftritt, wenn "Eins"-Bits durch "Nullen" getrennt sind.
Ausgangsintensität = Ausgangsleistung = Transmissionsgrad*Eingangsleistung.
Der Halbwellenpunkt = Vpi oder jegliches ungeradzahlige Vielfache von Vpi = einer von zwei Null-Leistungstransmissionsgrad-Punkten auf der Übertragungsfunktion.
Der Transmissionsgrad als Funktion der Ansteuerspannungs-Charakteristikkurve = die MZ-Übertragungsfunktion.
Der Wendepunkt = der halbe Weg zwischen zwei Null-Leistungs-Transmissiongradabgeleiteten Punkten auf der MZ-Übertragungsfunktion.
Bit-Slot ∞ Bitperiode (T), wobei die Bitperiode (T) = 1/Bitrate (B) ist. Die Bitperiode (T) bezieht sich auf ein spezielles Zeitintervall, wie z.B. 100 Pikosekunden für eine Bitrate (B) eines 10-GB/s-(1/T-)Systems. Der Bit-Slot bezieht sich auf den abstrakten Begriff eines Bits, welches einen bestimmten Zeit-Slot einnimmt. In einem Zeitmultiplex-(TDM-)System wird die Amplitudentastungs-Modulationstechnik des Zurück-zu-null-(RZ-)Formats gewöhnlich für die Zeitmultiplex-N-synchrone RZ-Datenströme benutzt, wobei jeder vor dem Multiplexen oder der Parallel-zu-seriell-Wandlung eine Bitperiode von T oder 1/B besitzt und bei einer Bitrate von 1/B oder B in eine serielle Datenfolge von kurzen Impulsen pulst, welche bei einer gemultiplexten Bitrate oder Baud-Rate von N/T oder NB für das Multiplexen in der optischen Kommunikationsverbindung in einem Rahmen arbeiten.
Anforderungen für RZ-Impulse
Ohne an Allgemeingültigkeit zu verlieren, kann der Koeffizient A₀ in Gleichung (7) gleich eins gesetzt werden, da der Ausschlagparameter s zurückskaliert werden kann, um den Wert von A₀ zu absorbieren. Unter Benutzung von Gleichung (3) ist die Amplitude des optischen Feldes am Ausgang eines idealen RZ-Mach-Zehnder-Modulators
wobei vom Eingangssignal angenommen wird, dass ein CW-Feld der Amplitude E₀ ist. Für perfekte, nicht verzerrte RZ-Impulse sollte das Ausgangsfeld den folgenden Erfordernissen genügen:

1. E(t) sollte mit einer Periode gleich 1/B periodisch sein, wobei B die Bitrate ist.
2. E(t) sollte bei den Bitperiodengrenzen null sein, t = 0 und t = 1/B.
3. E(t) sollte seinen Maximalwert im Zentrum der Bitperiode, t = 1/(2B) erreichen.
4. E(t) sollte keine anderen lokalen Maxima oder Minima besitzen, d.h. dE(t)/dt ≠ 0, außer bei den Minima, t = 0,1/B und bei dem Maximum, t = 1/2B.

Die obige erste Bedingung ist gerade eine neue Darstellung einer periodischen Sequenz eines Impulszuges mit einer Periode 1/B oder T bei einer Bitrate von B. Die zweite Bedingung läuft darauf hinaus, dass es ein unendliches Extinktionsverhältnis gibt. Die dritte und vierte Bedingung laufen zusammen auf die Bildung von symmetrischen RZ-geformten Impulsen hinaus, welche ein einzelnes Maximum im Zentrum des Bit-Slots besitzen. Ein zusätzlicher Zwang besteht darin, dass das Feld in Gleichung (9) von dem MZI 160 die Para meter besitzen sollte, um eine geeignete Tastrate für ein spezielles System zu liefern, welches bereits getestet oder für den besten Bereich der optimierten Tastraten simuliert wurde.
Beispiel 1:50%-Tastrate-RZ-Impulse
Für diese bekannte Situation von 50%-Tastrate-RZ-Impulsen sind die nominellen Parameter des Mach-Zehnder-Modulators (MZM) gegeben mit: ξ = 1, s = %, ν_c = B, θ = 0. Mit E₀ = 1 ist das elektrische Feld am Ausgang:
Die ersten drei RZ-Impuls-Bedingungen werden automatisch erfüllt: E(t + 1/B) = E(t), E(0) = E(1/B) = 0, und E(1/(2B)) = 1
Um die vierte Bedingung auszuwerten, beachte man, dass die Ableitung von Gleichung (10) nur im Bitzentrum und an den Bitgrenzen verschwindet, wo das Feld maximal (gleich eins) bzw. null ist. Diese Gegebenheiten entsprechen periodischen "Einzel"-Impulsen der RZ-Form bei jedem Bit-Slot. Die Tastrate (d_c) wird durch die volle Breite beim halben Maximum (FWHM der Intensität) bzw. Halbwertsbreite als Bruchteil der gesamten Bitperiode (d_c = FWHM/B) bestimmt. Wenn die Intensität die Hälfte ihres Maximalwertes ist, erreicht die Feldamplitude 1/√2 ihres Maximalwertes, was zu Zeiten t = ±1/(4B) auftritt und einer Tastrate von
entspricht.
Beispiel 2: 33%-Tastrate-RZ-Impulse
Für diese bekannte Situation sind die Parameter des MZM gegeben durch: ξ = 0, s = ±1, ν_c = B/2, θ = 0. Mit E₀ = 1 ist das elektrische Feld am Ausgang:
Die ersten drei RZ-Impuls-Bedingungen werden automatisch erfüllt: E(t + 1/B) = E(t), E(0) = E(1/B) = 0, und E(1/(2B)) = 1
Um die vierte Bedingung auszuwerten, beachte man, dass die Ableitung der Gleichung (12) nur im Bitzentrum und an den Bitgrenzen zu null wird, wo das Feld maximal (gleich eins) bzw. null ist. Diese Gegebenheiten entsprechen weder periodischen, "Einzel"-Impulse der RZ-Form bei jedem Bit-Slot. Die Tastrate wird durch die volle Breite beim halben Maximum (der Intensität) als Bruchteil der gesamten Bitperiode bestimmt. Wenn die Intensität die Hälfte ihres Maximalwertes ist, erreicht die Feldamplitude 1/√2 ihres Maximalwertes, was bei Zeiten 1 = 1/(3B) und t = 2/(3B) auftritt, was einer Tastrate von
entspricht.
Bedingungen für CSRZ-Impulse
Für CSRZ-Impulse bestehen für das Feld am Ausgang die folgenden Bedingungen:

1. E(t) sollte mit einer Halbperiode gleich 1/B periodisch sein, wobei B die Bitrate ist.
2. E(t) sollte an den Bitperiode-Grenzen null sein, t = 0 und t = 1/B.
3. E(t) sollte seinen Maximalwert im Zentrum der Bitperiode, t = 1/(2B) erreichen.
4. |E(t)|² sollte keine anderen lokalen Maxima oder Minima besitzen, d.h. d |E(t)|²/dt ≠ 0, außer bei den Minima, t = 0,1/B, und beim Maximum, t = 1/(2B).
5. E(t) sollte bei jeder Bitperiode die Vorzeichen umkehren, so dass der Durchschnittswert von E(t) = 0 ist.

Die Bedingungen 2-4 sind identisch zu denen, welche von den RZ-Impulsen eingehalten werden müssen. Die erste Bedingung besagt, dass die Periode für CSRZ-Impulse eher 1/2B als 1/B für RZ-Impulse ist. Die fünfte Bedingung ist so gestaltet, dass sie sicherstellt, dass es keinen Beitrag von E(t) bei der Trägerfrequenz gibt. Die gleiche Annahme bleibt für CSRZ oder jegliches andere Modulationsformat erhalten, indem das Feld in Gleichung (9) die geeignete Tastrate für ein spezielles System besitzt, welches vorgetestet ist.
Beispiel 3: 67%-Tastrate-CSRZ-Impulse
Für diese bekannte Situation sind die Parameter des MZM gegeben durch: ξ = 2, s = –1, ν_v = B/2, θ = 1/2. Mit E₀ = 1 ist das elektrische Feld am Ausgang
Die ersten drei und die fünfte CSRZ-Impuls-Bedingun-gen werden automatisch erfüllt:

1. E(t + 2/B) = E(t)
2. E(0) = E(1/B) = 0
3. E(1/(2B)) = 1
5. E(t + 1/B) = –E(t)

Die Ableitung des quadratischen Moduls der Gleichung (14), d|E(t)|²/dt, wird nur im Bitzentrum (t = 1(2B)) und an den Bitgrenzen (t = 0 und t = 1/B) zu null, wo die Intensität maximal (gleich eins) bzw. null ist, was die vierte CSRZ-Impulsbedingung erfüllt. Diese fünf Gegebenheiten entsprechen periodischen "Einzel"-Impulsen mit RZ-Form mit Trägerunterdrückung. Die Tastrate wird durch die volle Breite beim halben Maximum (der Intensität) als Bruchteil der gesamten Bitperiode bestimmt. Wenn die Intensität die Hälfte ihres Maximalwertes ist, erreicht die Feldamplitude 1/√2 ihres Maximalwertes, was bei Zeiten t = 1/(6B) und t = 5/(6B) auftritt, was einer Tastrate von
entspricht.
Beispiel 4: Variable Tastrate-RZ-Impulse
Um RZ-Impulse mit Tastraten anders als jene, welche als Standards in dem Beispiel 1 und 2 bekannt sind, zu erzeugen, müssen entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung die nominellen Parameter des Standard-RZ – oder -CSRZ-Modulators verändert werden. Ein Schema der variablen Tastrate-Einrichtung 16 wird in 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung an einem optischen Sender angewendet, welcher in der Lage ist, ein optisches Hochgeschwindigkeitssignal in ein RZ-Datenformat zu übertragen, indem zwei optische Modulatoren vom Mach-Zehnder-Typ in einer seriellen zweistufigen Weise verbunden werden.
Mit Bezug auf 2 wird der Impulsbreitenformer 160 der 1 als ein zweiter Modulator 20 dargestellt, nach einem ersten Datenmodulator 60 in einem Zwei-Stufen-Verkettungsschema eines Senders, welcher in dem System 10 der 1 benutzt werden kann. Jedoch kann die Reihenfolge der Modulatoren mit dem Datenmodulator 60 umgeändert werden, welcher nach dem Impulsbreitenformer 20 platziert ist. Der optische Sender beinhaltet eine Lichtquelle (LD) 1 als Teil der Eingangsquelle 12 zum Erzeugen des Kontinuierliche- Welle-(CW-)Signals. Ein optischer Modulator 60 vom Mach-Zehnder-Typ moduliert extern Licht von der Lichtquelle 1 in einer zweistufigen Weise. Eine Tastrate-Steuerschaltung oder – Steuereinrichtung 24 steuert die Tastrate, welche auf das optische Signal aufzuprägen ist, welches durch einen optischen Modulator 160 vom Mach-Zehnder-Typ moduliert ist.
Der optische Modulator vom zweistufigen Mach-Zehnder-Typ unterscheidet sich von dem optischen Modulator des Mach-Zehnder-Typs, welcher von ihm selbst benutzt wird, darin: Anstatt ein Substrat zu besitzen, um die Einrichtung 16 zum Durchführen der Modulation in einer einzelnen Stufenform zu implementieren, führt das Substrat zum Implementieren der Einrichtung 16 die Modulation in einer zweistufigen Weise durch serielles Verbinden eines ähnlichen optischen Modulators vom Mach-Zehnder-Typ mit der vorausgehenden Stufe des Modulators auf einem einzelnen Substrat, wie z.B. Lithiumniobat, durch. Ein RF-Treiber 61 auf der vorausgegangenen Stufenseite des Substrates 60 liefert ein Treibersignal V(t). Die letztere Stufenseite des Substratteiles 60 liefert das erste und zweite Treibersignal V₁(t), V₂(t).
An der vorausgegangenen Stufenseite des Substrats für die Einrichtung 16 wird das CW-Licht von der Lichtquelle 1 in ein Lichteingangsende 60A eingekoppelt und danach binär verzweigt, so dass es sich durch den ersten Seitenarm 60B1 bzw. den zweiten Seitenarm 60 B2 ausbreitet und dann zu einem resultierenden Licht kombiniert wird, welches von einem Lichteungangsende 60C zu dem Lichteingangsende 20A der letzteren Stufenseite ausgegeben wird. Auf dem ersten Seitenarm 60B 1 ist eine Elektrode 60D gebildet, an welcher ein RF-Treibersignal V(t) von der Lichteingangsende-60A-Seite angelegt wird. In einem derartigen Substrat der Einrichtung 16 eines zweistufigen Modulators ist das CW-Licht von der Lichtquelle 1 an der vorausgegangenen Stufenseite intensitätsmoduliert entsprechend dem Datensignal in einem gewünschten Modulationsformat, wie z.B. normalerweise einem NRZ-Format, es kann jedoch optional ein AMI-Format sein, und dann wird es an der letzteren Stufenseite entsprechend einem Taktsignal intensitätsmoduliert, welches der Modulation an der vorausgegangenen Stufenseite entspricht, um schließlich ein optisches Signal in einem RZ-Datenformat zu erzeugen. In ähnlicher Weise wird zum Benutzen eines einzelnen MZ-Modulators die Tastrate, welche auf das optische Signal aufzuprägen ist, durch Einstellen der Vorspannungen und Schwingungsamplitudenverhältnisse zwischen dem ersten und dem zweiten Treibersignal V₁(t), V₂(t) gesteuert, welche an der letzteren Stufenseite anzulegen sind.
Eine Datenquelle 22 ist an einem elektrischen Eingang 23 für das Koppeln eines datencodierten elektrischen Signals vorgesehen. Der RF-Treiber 61 erzeugt ein Signal als einen Ursprung des Treibersignals V(t), wie z.B. durch Verstärken des Datensignals (DATA) bei einer erforderlichen Bitrate und in einem NRZ-Format auf einem vorher festgelegten Pegel und gibt das Signal an die Elektrode 60D aus.
Ein Steuergerät 24, eine Gleichstromversorgung 26, eine Taktquelle 21, eine Spannungssteuereinheit (VCU) 30 bilden eine Tastrate-Steuerschaltung, um die Vorspannungstreiber 281 und 282 zu steuern. Das Steuergerät 24 beinhaltet einen Prozessor 34, einen Speicher 36, eine Eingangseinrichtung 38 und eine Ausgangseinrichtung 30, welche über einen Bus 42 gekoppelt sind. Der Speicher 36 ist mit einem Steuerprogramm geladen, welches der Prozessor 34 ausführt, um dem Steuergerät 24 zu gestatten, von einer Person in Vorbereitung auf den Betrieb der Einrichtung 16 programmiert zu werden. Es würde anerkannt werden, statt ein Steuerprogramm zu besitzen, um die Einrichtung 16 zu betreiben, dass eine Person zuerst die benötigte Tastrate bestimmen kann, die Gleichungen benutzt, welche in der vorliegenden Erfindung gelehrt werden, und die Einrichtung 16 direkt oder manuell durch Einstellen der gewünschten Treibersignale V₁(t) und V₂(t) betreiben kann.
Jedoch führt durch eine automatische Programmsteuerung der Prozessor 34 das Steuerprogramm durch, um die gewünschten Treibersignale V₁(t) und V₂(t) mit oder ohne Rückkopplung wie gewünscht zu steuern. Das Steuerprogramm kann in der Einrichtung 16 vor dem Gebrauchen vorgeladen werden oder es kann durch eine Person zu der Zeit eingegeben werden, zu der das Steuergerät 24 für den Betrieb programmiert wird. Eine Person kann auch die Eingabeeinrichtung 38 nutzen, um das Steuergerät 24 mit Aufzeichnungen von Daten, welche die Tastrate für ein optisches Signal anzeigen, welches durch das Gerät 16 zu erzeugen ist, und von entsprechenden Daten zu beliefern, welche die jeweilige Größe der Spannungen V_DC und V_AC anzeigen, welche das Steuergerät 24 zu nutzen hat, um das optische Signal mit der Tastrate zu erzeugen, welche durch den Benutzer angezeigt ist. Eine Person kann die Eingabeeinrichtung 38 nutzen, um einen Befehl in den Prozessor 34 einzugeben, um sein Steuerprogramm auszuführen. Eine Person kann auch die Eingabeeinrichtung 38 benutzen, um Daten einzugeben, welche die Tastrate des optischen Signals anzeigen, welches durch das Gerät 16 zu erzeugen ist. Beim Ausführen des Steuerprogramms benutzt der Prozessor 34 die Tastratedaten, welche von dem Nutzer eingegeben sind, um die Daten von dem Speicher 34 abzurufen, welche die Größen der entsprechenden Spannung V_DC und V_AC anzeigen, welche von dem Gerät 16 zum Erzeugen des optische Signals mit der festgelegten Tastrate zu nutzen sind. Der Prozessor 37 ist über einen Bus 42 gekoppelt, um das Signal zu liefern, welches die Größe der Spannung V_DC für das C-Stromversorgungsgerät 26 anzeigt, und die DC-Stromversorgung 26 erzeugt die Spannung V_DC basierend auf dem Signal von dem Steuergerät 24. Das Steuergerät 24 ist auch gekoppelt, um das Signal, welches die Größe der Spannung V_AC anzeigt, an das VCU 30 zu liefern. Das VCU 30 ist auch gekoppelt, um ein Taktsignal, welches durch eine Taktquelle 28 erzeugt wird, optional unter der Steuerung des Prozessors 34 zu empfangen. Das VCU 30 erzeugt die Spannung V_AC basierend auf den Signalen von dem Steuergerät 24 und der Taktquelle 28. Spezieller ausgedrückt, das VCU 30 erzeugt die Spannung V_AC mit der Größe, welche durch das Steuersignal von dem Steuergerät 24 bestimmtist, und eine Frequenz, welche durch die Frequenz des Taktsignals bestimmt ist. Die DC-Stromversorgung 26 und das VCU 30 sind gekoppelt, um jeweils die Spannungen V_DC und V_AC zu den Treibern 281 und 282 zu liefern. Basierend auf den Spannungen V_DC, V_AC und dem CW-Signal erzeugt die Einrichtung 16 ein variables optisches Tastrate-Signal.
Die Fähigkeit, die Tastrate eines optischen Impulssignals zu steuern, wird zunehmend bei der Übertragung von optischen Signalen wichtig, speziell über relativ lange Entfernungen in der Größenordnung von einhundert Kilometern oder mehr. Wenn die Tastrate vermindert wird, wird die Impulsverzerrung aufgrund der Selbstphasenmodulation und der Kreuzphasenmodulation der optischen Fasern vermindert, wie vorher beschrieben. Wenn jedoch die Tastrate vermindert wird, wird die spektrale Breite des Impulses erhöht, was zu erhöhter Impulsspreizung aufgrund der Dispersion führt. Die Tastrate kann entsprechend der nichtlinearen und Dispersionscharakteristika der Faser bei der speziellen Übertragungswellenlänge eingestellt werden, um die Fähigkeit zu verbessern, die Impulse an dem Empfänger 21 der 1 nach der Übertragung zu detektieren. Das Testen und Modellieren eines optischen Netzwerksystems kann durchgeführt werden, um die Tastrate zu bestimmen, welche zu verbesserten oder optimalen Ergebnissen führt, und eine derartige Tastrate kann in das Steuergerät 24 programmiert werden.
Manuell oder durch das Programmausführen muss zuerst die optimale Tastrate für die beste Systemleistungsfähigkeit bestimmt werden, um die Größen der Spannungen V_DC und V_AC abzuleiten, welche zu einer Tastrate für die Anwendung an der Einrichtung 16 führt. Dies kann durch Bestimmen der Größen der Spannungen V_DC und V_AC bei Intervallen der Tastrate, z.B. in 1%-Inkrementen, für Tastraten von 0-100% durchgeführt werden. Die sich ergebenden Tastratedaten können von dem Prozessor 34 benutzt werden, um Signale zu erzeugen, welche die Größen der Spannungen V_DC und V_AC aufgrund der Nutzerspezifikation der Tastrate über die Eingangseinrichtung 38 anzeigen. Die optimale Tastrate hat einen Zeitablauf zu liefern, bei welchem das erste und zweite Treibersignal V₁(t), V₂(t) ihren maximalen oder minimalen Wert erhalten, was mit einem Übergangspunkt der Daten oder mit einem substanziellen Zentrum eines Bit-Slots oder der 1-Einheitsdatenlänge des RF-Treibersignal V(t) zusammenfällt.
Funktionell ist das im optischen Sender durch die Lichtquelle 1 erzeugte CW-Licht an der vorausgegangenen Stufenseite des optischen Modulators vom Mach-Zehnder-Typ der Einrichtung 16 NRZ-datenmoduliert. Das optische NRZ-daten-modulierte Signal wird ferner entsprechend dem Taktsignal an der letzteren Stufenseite des optischen Modulators 16 vom Mach-Zehnder-Typ moduliert und damit in ein RT-Datenformat gewandelt. Die Elektroden 163, welche an der letzteren Stufenseite als 163D1, 163D2 aufgestellt sind, werden mit dem ersten und zweiten Treibersignal V₁(t), V₂(t) beaufschlagt und so gesteuert, dass diese ersten und zweiten Treibersignale V₁(t), V₂(t) in eine Gegenphasenbeziehung mit den Vorspannungs- und Schwingungsamplitudenverhältnissen gebracht werden, welche dem optimalen Tastratebetrag für beste Systemleistungsfähigkeit entsprechen.
Auf diese Weise führt die letztere Seite des Substrats 60 die Modulation durch simultanes Ansteuern der Zwei-Seitenarme oder nur eines Seitenarms aus, um ein optisches Signal mit hoher Geschwindigkeit, wie z.B. in einem RZ-Datenformat, zu übertragen.
Vorzugsweise dürfen die Vorspannungs- und Schwingungs- bzw. Ausschlagparameter des Mach-Zehnder-Modulators 160 abhängig variieren, während die anderen Parameter konstant auf den Werten gehalten werden, die im Beispiel 1 für eine 50%-Tastrate gegeben sind. Die allgemeine Form der Ausgabe des elektrischen Feldes ist dann:
Wie vorher festgestellt, beinhalten die Bedingungen für RZ-Impulse, dass E(t) mit einer Periode von 1/B periodisch ist, dass es an den Bitgrenzen zu null wird und dass es ein globales Maximum im Bitzentrum aufweist.
Die vorliegende Erfindung lehrt, dass, wenn der Vorspannungskoeffizient ξ und die Schwingung bzw. der Ausschlag s so variieren, dass s = 1 – ξ/2, dann die Ausgangs-RZ-Impulse variable Tastraten besitzen werden, welche für Werte anders als 33% und 50% ausgewählt werden können.
Deshalb wird ein Verfahren zum Erzeugen variabler optischer Tastrate-Impulse eines ersten Modulationsformates allgemein gelehrt, wobei ein optischer Dauerstrichstrahl in einen ersten elektrooptischen Feldmodulator gekoppelt wird. Eine Funkfrequenz-(RF)Spannung wird an den elektrooptischen Feldmodulator angelegt, um ein optisches Ausgangssignal mit einem zweiten Modulationsformat herzustellen. Das optische Ausgangssignal wird in einen zweiten elektrooptischen Feldmodulator geführt, welcher einen Chirp-Parameter α und eine Leistungsübertragungsfunktion besitzt. Ein Gleichvorspannungskoeffizient ξ wird an den zweiten elektrooptischen Feldmodulator angelegt. Eine Wechselschwingungs-Spannungsamplitude s wird an den zweiten elektrooptischen Feldmodulator angelegt.
Die Schwingungsspannung s, normiert auf Vpi (geteilt durch Vpi), muss gleich zu Vpi – V_b sein und muss um die Vorspannung V_b symmetrisch sein. Durch Ersetzen von V_b der Gleichung (16-c) in die Beziehung Vpi – V_b und durch Herausdividieren von Vpi erhält man die folgende Beziehung zwischen dem Vorspannungskoeffizienten und den Schwingungsspannungsamplituden: s = 1 – ξ/2 (16-a)und ξ wird ausgewählt, größer als 1 und kleiner oder gleich 1,9 zu sein, so dass der Punkt maximaler Leistungsdurchlässigkeit auf der Übertragungsfunktion kleiner als 100% ist.
Im Allgemeinen werden Mach-Zehnder-Modulatoren 160 durch eine Treiberfunktion getrieben, wobei V0(t) = V(t)/Vpi (16-b)ist.
Die Vorspannung V_b wird zweckmäßigerweise so gesetzt, dass sie um den Vorspannungskoeffizienten ξ anders als ein normal vorgespannter Betriebspunkt bei Vpi/2 ist, um der folgenden Gleichung zu genügen: Vb = ξVpi/2 (16-c)
Um variable Tastratenpulse zu erhalten, wird der Modulator 160 in einem oder beiden Seitenarmen getrieben durch: V1(t) = f1V(t) = f1Vpicos(2πBt) (16-d1)für eine einzelne V(t) für RZ-Impulse und V2(t) = f2V(t) = (f1 + 1 – Vb/Vpi)Vpi cos (2πBt) + Vb (16-d2)wobei t die Zeit ist, gemessen vom Beginn eines Bit-Slot, V₁(t) die Spannung ist, welche an einem Seitenarm des Mach-Zehnder-Modulators 160 angelegt ist, V₂(t) die Spannung ist, welche am anderen Seitenarm angelegt ist, Vpi die Halbwellenspannung des Modulators ist, V_b die Vorspannung ist und B die Bitrate des optischen Signals ist. Die Gleichung (16-d2) kann vom Ersetzen des Vorspannungskoeffizienten ξ der Gleichung (16-c) in Gleichung (16-a) abgeleitet werden, um zu der Substitution für f₂ zu gelangen.
Im Falle eines einzeln angesteuerten Modulators ist f₁ = 0, und die Ausgangspulse sind notwendigerweise gechirpt. Bei doppelt angetriebenen Modulatoren ist f₁ ein freier Parameter, und die Impulse können chirp-frei (f₁ = –f₂) eingestellt werden. Wenn der f₂-Wert der Gleichung (16-d2) in der chirp-freien Gleichung ersetzt wird, wird f₁ aufgelöst zu: f1 = ½(Vb/Vpi – 1) (16-d3)
Um zu erzwingen, dass der Punkt des maximalen Leistungstransmissionsgrades auf der MZ-Übertragungskurve entsprechend der vorliegenden Erfindung kleiner als 100% ist, wird die Vorspannung auf Werte zwischen 1/2 Vpi und Vpi eingestellt, beinhaltet diese jedoch nicht. Die Tastrate (d_c) der Ausgangsimpulse, welche als volle Breite beim halben Maximum (FWHM) bzw. Halbwertbreite der Impulsintensität definiert ist, ist ungefähr: dc(Vb) = 0,6788 Vb 2/Vpi2 – 1,2752 Vb/Vpi + 0,9659 (16-d4)wobei ein NRZ-Eingang für das optische Signal 13 angenommen wird und wobei eine Best-Fit-numerische Technik angewendet wird. Die Vorspannung als Funktion einer gewünschten Tastrate kann dann ausgedrückt werden als: Vb(dc) = Vpi[0,93931 – 1,21376(dc – 0,36699)1/2] (16-d5)
Der Phasenmodulationsindex ist als die Spitze-zu-Spitze-"Amplitude" des sich sinusförmig ändernden Phasenterms in Gleichung 3 definiert. Da bei einem willkürlichen f₁ die Größe des Chirps proportional zu dem sα'-Term in dem Indexteil der Phasenmodulation der variierenden Phase ist, ergibt sich, wenn der f₁- und f₂-Term in den Gleichungen (16-a) und 5 ersetzt werden: -sα' = 2f1 + (1 – VbVpi) = 2f1 + s (16-d6)
Damit kann die Größe des Chirps und die Tastrate unabhängig gesteuert werden. Wenn zwei Impulsbreitenformer 160 in Reihe mit dem Chirp-Parameter α in Gleichung (16-d6), welche für entgegengesetzten Chirp ausgewählt ist, verkettet sind, kann das Paar der Impulsbreitenformer 160 zusammen benutzt werden, als ein Impulsbreitenformer andere Kombinationen mit verschiedenen Datenmodulatoren und einem optionalen Phasenmodulator zu ersetzen.
Das Gebrauchen dieser Parameter, um die Tastrate zu verändern, wird durch Auswählen von zwei Beispielen mit unterschiedlichen Tastraten erläutert: RZ 50% und RZ 41%.
Um RZ 50% zu erhalten, ist die Tastrate gleich zu d_c = 0,5. Aus Gleichung (16-d5) wird gelehrt, dass die Spannung ungefähr durch V_b = 1/2 Vpi gegeben ist. Falls die Systemleistungsfähigkeit erfordert, dass die Impulse chirp-frei sind, kann der Parameter f₁ aus Gleichung (16-d3) abgeleitet werden, dass er f₁ = –1/4 ist. Durch Benutzen der Gleichungen 16-d1 und 16-d2 sind die Spannungen in den zwei Seitenarmen des Mach-Zehnder-Modulators 160 gegeben durch V1(t) = –Vpi/4 cos (2πBt) (16-d7)und V2(t) = Vpi/4 cos (2πBt) + Vpi/2 (16-d8)
Im Fall von RZ 41 % ist die Tastrate gleich zu d_c = 0,41. Die Vorspannung beträgt dann ungefähr V_b = 0,6876 Vpi aus Gleichung 16-d5. In ähnlicher Weise, falls die Systemleistungsfähigkeit es erfordert, dass die Impulse chirp-frei sind, ist der Parameter f₁ gegeben durch f₁ = –0,1562. Demnach wird die Spannung in den zwei Seitenarmen des Mach-Zehnder-Modulators gegeben durch die Gleichungen (16-d1) und (16-d2): V1(t) = –0,1562 Vpi cos (2piBt) (16-d9)und V2(t) = 0,1562 Vpi cos (2piBt) + 0,6876 Vpi (16-d10)
Der spezielle bekannte Fall von 50% Tastrate wird erhalten, wenn gemäß Beispiel 1 die Vorspannung V_b = Vpi/2, für welche der Vorspannungskoeffizient ξ gleich 1 ist und die Schwingung ½ auf Vpi bezogen (oder normiert) wird. Der neue Fall der 41%-Tastrate wird erhalten, wenn unter Benutzung von Gleichung 4 die Vorspannung V_b = 0,6876 Vpi, für welche der Vorspannungskoeffizient ξ gleich 1,4 aus Gleichung (16-c) ist und die Schwingung bezogen auf Vpi (oder normiert) 0,3 ist. Entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung kann der Vorspannungskoeffizient ξ des RZ-Modulators zwischen seinem nominellen Wert von 1 und einem nützlichen Maximalwert von 1,9 eingestellt werden. Für größere Werte des Vorspannungsparameters oder Koeffizienten ξ gibt es sehr wenig Signaltransmission, und ein sehr hoher Grad an Verstärkung ist erforderlich, um das Signal wiederherzustellen.
Deshalb wird im Allgemeinen für den MZ-Modulator 160 der 1, in welchem entweder der eingehende optische Strahl 13 moduliert wird, indem ein Nicht-zu-nullzurück-(NRZ-)Datenstrom wie in 2 verwendet wird, oder das optische Ausgangssignal 18 mit einem NRZ-Datenstrom moduliert wird, wie es durch den Modulator 160 selbst oder durch einen zusätzlichen Modulator in einer späteren Stufe in 1 durchgeführt werden könnte, der Ausgang der kombinierten Anordnung der gestuften Einrichtung 16 ein Impulszug von optischen Impulsen sein, welcher eine Intensität mit einer RZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzt, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wie sie durch die Gleich- und Wechselspannungen durchgestimmt werden. Diese Impulsbreite entspricht einer Tastrate, welche von ungefähr 37% bis 50% reicht. (RZ-1)
Unter Benutzung der Beziehung zwischen den Vorspannungs- und Schwingungsparametern, wie dies entsprechend der vorliegenden Erfindung gelehrt wird, ist es demnach möglich, reguläre RZ-Impulse mit kontinuierlich variierenden Tastraten zwischen ungefähr 50% und 37% auszuwählen und zu erzeugen, wie dies in 3 gezeigt wird. Die Mittel- und Spitzen-Leistungsskalierfaktoren, welche sich auf destruktive Interferenz beziehen, als eine Funktion des RZ-Vorspannungskoeffi-zienten ξ sind in 4 gegeben. Wenn ein doppelt angesteuerter Modulator benutzt wird, dann kann α' auf null gesetzt werden, indem das geeignete f₁ und f₂ ausgewählt wird, während die Schwingungsbeziehung zwischen f₁ und f₂ erfüllt wird, so dass die Ausgangsimpulse chirp-frei sind. Wenn der Modulator einzeln angesteuert ist, dann ist α' = ±1, und die RZ-Impulse sind mit einem Phasenmodulationsindex von (πs) gechirpt. Da der Phasenmodulationsindex als die Spitze-zu-Spitze-"Amplitude" der sich sinusförmig ändernden Phase in Gleichung 3 ist, wenn V(t) = cos(2πBt) und α' = +/–1 für gechirptes RZ 50% ist, existiert ein zeitabhängiger Phasenterm: exp(+/–iπ/2 s cos(2πBt)), um eine Spitze-zu-Spitze-Fluktuation in der Phase von π*s zu ergeben.
CSRZ-Modulator mit variabler Schwingung
Um CSRZ-Impulse mit variabler Tastrate entsprechend der Erfindung zu erhalten, wird der Modulator 160 in beiden Seitenarmen angesteuert, wobei benutzt wird: V1(t) = –1/2 s Vpi sin (πBt) (16-d11)und V2(t) = 1/2 s Vpi sin (πBt) + Vπ (16-d12)wobei t die Zeit ist, gemessen vom Anfang eines Bit-Slots, V₁(t) die Spannung ist, welche an einem Seitenarm des Mach-Zehnder-Modulators angelegt ist, V₂(t) die Spannung ist, welche an dem anderen Seitenarm angelegt ist, Vpi die Halbwellenspannung des Modulators ist, V_b die Vorspannung ist, b die Bitrate des optischen Signals ist und s der Schwingungsparameter ist. Damit sichergestellt ist, dass die Impulse trägerunterdrückt sind, müssen sie chirp-frei sein, so dass der Modulator-Chirp-Parameter null sein muss. Entsprechend kann der Schwingungsparameter s (normiert auf Vpi) Werte zwischen –1 und 0 annehmen, schließt diese jedoch nicht ein. Die Tastrate der Ausgangspulse, welche als die Halbwertbreite der Impulsintensität definiert sind, ist ungefähr dc(s) = 0,1935s2 + 0,0316s + 0,5028 (16-d13)wobei ein NRZ-Eingangssignal für das optische Signal 13 angenommen wird. Der Schwingungsparameter kann dann als eine Funktion einer gewünschten Tastrate ausgedrückt werden als: s(dc) = –0,0816537 – 2,2733(dc – 0,5015)1/2 (16-d14)
Um den Nutzen dieser Parameter entsprechend der Erfindung zu erläutern, werden zwei Beispiele gewählt: CSRZ 67% und CSRZ 55%.
Um ein Standard-CSRZ 67% zu erhalten, ist die Tastrate gleich zu d_c = 0,67. Der Schwingungsparameter wird aus Gleichung (16-d14) erhalten und ist ungefähr durch s = –1 gegeben. Demnach werden die Spannungen in den zwei Seitenarmen des Mach-Zehnder-Modulators 160 durch das Benutzen der Gleichungen (16-d11 und 16-d12) gegeben: V1(t) = 1/2 Vpi sin (πBt) (16-d15)und V2(t) = –1/2 Vpi sin (πBt) + Vpi (16-d16)
In dem neuen Fall von CSRZ 55% ist die Tastrate gleich zu d_c = 0,55. Der Schwingungsparameter ist dann unter Benutzung von Gleichung (16-d14) ungefähr s = –0,5823. Demnach ist die Spannung in den zwei Seitenarmen des Mach-Zehnder-Modulators 160 gegeben durch: V1(t) = 0,2911 Vpi sin (πBt) (16-d17)und V2(t) = –0,2911 Vpi sin (πBt) + Vpi (16-d18)
Deshalb wird im Allgemeinen in Bezug auf 2 entweder der eingehende optische Strahl 60A durch Benutzen eines Nicht-zu-null-zurück-(NRZ-)Datenstroms moduliert oder das optische Ausgangssignal 120A wird mit einem derartigen NRZ-Datenstrom moduliert, als ein Beispiel eines ersten Modulationsformats für den ersten Modulator 60. Der Ausgang der kombinierten Anordnung 20C sind optische Impulse, welche eine Feldamplitude mit einer CSRZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten 20B1- und dem zweiten 20B2-Seitenarm abhängt, wie sie durch die Spitze der Wechselspannung durchgestimmt werden, so dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche zwischen ungefähr 50% und 67% liegt, wie dies in 24 gesehen werden kann. (CSRZ-2)
Mit Bezug auf 18-22 wird für den Impulsbreitenformer 160 der 1, welcher als ein RZ-Modulator in 18-20 und als ein CSRZ-Modulator in 21-22 gestaltet ist, der Transmissions- bzw. Durchlässigkeitsgrad, welcher die Ausgangsleistung, welche durch den Impulsbreiteformer 160 durchgelassen wird, dividiert durch die Eingangsleistung ist, als Funktion der angelegten Spannung V dargestellt, welche die Kombination der Spannungen V_DC und V_AC ist. Die Mach-Zehnder-Übertragungsfunktion des Impulsbreitenformers 160 wird demnach als ein Durchlässigkeitsgrad als Funktion der Ansteuerungsspannungs-Charakteristikkurve mit einer charakteristischen Halbwellenspannung Vpi dargestellt, welche auf halbem Weg zwischen einem Paar von Leistungspunkten des abgeleiteten Nullleistungs-Durchlässigkeitsgrades auf der Kurve liegt. Der maximale Durchlässigkeitsgrad, der die Maximalintensität dividiert durch die Eingangsleistung bei einem der Leistungspunkte des abgeleiteten Nullleistungs-Durchlässigkeitsgrades ist, ist auf eins (1) oder auf 100% auf der y- Achse normiert und wird von dem Impulsbreitenformer 160 ausgegeben, wenn der Impulsbreitenformer 160 keine Leistung des optischen CW-Signals an einem Lichteingabeende 60A der 2 durch destruktive Interferenz zwischen den zwei verzweigten Seitenarmen 163 verliert oder abschwächt. Im Allgemeinen variiert der Durchlässigkeitsgrad für standardisierte Formate zwischen 0 und 1, wenn der MZ-Modulator mit einer Gleichvorspannung vorgespannt ist, welche auf halbem Weg zwischen einer vollen Wechselschwingung zwischen zwei Leistungspunkten der Ableitung des Nullleistungs-Transmissionsgrades ist, wie dies in 18, 19 und 21 gesehen werden kann. Dieser Vorspannungspunkt der standardisierten halben Wegschwingung wird als ein Wendepunkt bezeichnet.
Entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung, um andere Tastraten als die bekannten Standardformate der 18, 19 und 21 zu erzeugen, wird der Durchlässigkeitsgrad gezwungen, zwischen 0 und weniger als 1 zu variieren, wenn der MZ-Modulator bei einer Gleichvorspannung vorgespannt ist, welche auf halbem Weg zwischen einer Wenigerals-Vollwechselschwingung zwischen zwei Leistungspunkten der Ableitung des Nullleistungs-Durchlassgrades liegt, wie dies in 20 und 22 gesehen werden kann.
Mit Bezug zurück zu 20 liegt die Gleichspannung zwischen einem Wendepunkt oder dem Gleichvorspannungspunkt der 18 und einem Halbwellenpunkt des Durchlassgrades als Funktion der Ansteuerspannungs-Charakteristikkurve. Die Wechselspannung oder Weniger-als-Vollschwingung der 20, verglichen mit 18, ist eine sich sinusförmig ändernde Spannung, welche eine Treiberfrequenz gleich der Bitrate des optischen Signals und eine Spitzenspannung gleich der Größe des Unterschieds zwischen Vpi und der verbleibenden Gleichspannung (Vorspannung V_b) ist, wenn diese zweimal durch Vpi dividiert oder normiert wird. Das resultierende optische Signal besteht aus optischen Impulsen, welche eine Intensität mit einer Zurück-zu-null-(RZ-)Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Seitenarm abhängt, wie sie durch die Gleich- und Wechselspannungen durchgestimmt wird (RZ).
Um demnach die destruktive Interferenz zu erhöhen, ist wenigstens eine der unausgeglichenen Treiberelektroden 163D₂ der 1 und 2 so für das Anlegen eines Ansteuersignals, V₁(t) oder V₂(t), vorgesehen, wie dies in 23A gezeigt wird, welches sich auf die Gleich- und Wechselspannungen, wie dies in 23B gezeigt wird, an wenigstens einen der MZ-Seitenarme 20B₁ oder 20B₂ bezieht, so dass der Unterschied zwischen den Spannungen der beiden Seitenarme gleich der Summe der Gleichspannung und zweimal der Wechselspannung ist.
Mit Bezug auf 23A-B zeigt ein Graph der angelegten Spannung diese Beziehung zwischen den Treiber- bzw. Ansteuerspannungen V₁(t) und V₂(t), um Gleich- und Wechselspannungen des RZ-50%-Impulses der 18 zu liefern, wobei dieser unter Benutzung des Beispiels 1 und der Gleichungen (16-d7) und (16-d8) abgeleitet ist, im Vergleich zu dem RZ-41%-Impuls der 20, welcher unter Benutzung des Beispiels 4 und der Gleichungen (16-d9) und (16-d10) abgeleitet ist. Die Gleichspannung der 18 und 20 ist auf die Vorspannung V_b bezogen, so dass V_dc = V_b in 23B. Die Wechselschwingspannung der 18 und 20 ist auf zweimal den Absolutwert des Parameters f bezogen, so dass V_ac = 2|f| ist, wie dies in 23B zu sehen ist.
Die jeweiligen Größen der Gleich- und Wechselspannungen zum Einstellen der Wechselspannung und zum Einstellen der Gleichspannung sind vorher so festgelegt, dass der Punkt des maximalen Leistungstransmissionsgrades auf der MZ-Kurve kleiner als 100% in 20 ist, indem eine geringer als volle Wechselschwingung am Wendepunkt gestartet wird, welcher das Zentrum der nominellen Gleichspannung oder V_b für 50% RZ in 23B ist, um Vpi als den erforderlichen Endpunkt für das Durchstimmen der Tastrate für andere Werte als 50% zu erreichen. Deshalb ist die geringer als volle Wechselschwingung asymmetrisch um den nominellen Wendepunkt. In 18 variiert für den RZ-50%-Modulator der Transmissions- bzw. Durchlässigkeitsgrad während der Bitperiode von 0 bis 1, was zu einer halb konstruktiven und halb destruktiven Interferenz zwischen den Seitenarmen führt. Jedoch variiert in 20 für den RZ 41 %-Impulsformer der Durchlässigkeitsgrad zwischen 0 und einem Maximalwert von 0,75 oder 75% während der Bitperiode, was zu einer mehr als halb destruktiven Interferenz zwischen den Seitenarmen führt. Dieser 0,75 oder 75% maximale Durchlässigkeitsgrad wird durch den Bereich D = V_DC – V_AC in 23B wiedergegeben, wo ein konstanter Gleichspannungsbereich auftritt und die Schwingung zu Vpi von dem oberen Rand dieser konstanten Gleichspannungsfläche startet, anstatt von dem unteren Rand, wie es für den 50%-RZ-Modulator der 18 der Fall wäre, um eine Beziehung zwischen dem Teil der konstruktiven Interferenz darzustellen, welche nicht benutzt wurde und stattdessen als destruktive Interferenz addiert wird. Der tatsächliche Betrag an destruktiver Interferenz wird durch die folgende Gleichung dargestellt: Δ = sin2(πD/(2Vpi)) (16-d19)
Deshalb ist für einen RZ-Impuls mit 41 %-Tastrate Δ gleich sin²(π 0,3752 Vpi/(2Vpi)) = 0,25. Benutzt man die gleiche Gleichung (16-d19) für den RZ-Impuls mit 50% Tastrate, ist der tatsächliche Betrag der destruktiven Interferenz Δ gleich null, da D auch null ist.
Im Allgemeinen ist für einen derartigen durchstimmbaren RZ-Modulator, welcher wie in 20 vorgespannt ist, die Spannung V_b gleich dem Betrag der Vorspannung V_b, welche wenigstens an einem Seitenarm des Impulsbreitenformers 160 angelegt ist, welche den maximalen Durchlassgrad als ein Bruchteil des Maximums von 0 bis sin²(πV_b/Vpi) verändert. Deshalb ist der Teil, welcher nicht benutzt wird, 1 – sin²(πV_b/Vpi), welcher gleich der Gleichung (16-d19) ist. Daher ist 1 – sin²(πV_b/Vpi) = sin²(πD/(2Vpi)). Deshalb ist der übrig bleibende maximale Transmissionsgrad (1 – sin²(πD/(2Vpi)) = sin²(πD/2Vpi)= 1 – 0,25 = 0,75) für den 41%-RZ-Impuls gleich 0,75, wenn die destruktive Interferenz Δ gleich 0,25 ist, wie dies in 20 dargestellt wird.
Die Vorspannung V_b ist deshalb ein Maß für den Betrag, mit welchem ein Wechsel in der Spannung V die Transmission bzw. Durchlässigkeit des Impulsformers 160 beeinflusst. Die Spannung V_DC wird an dem Impulsbreitenformer 160 angelegt und definiert dessen statische Wandlung des optischen CW-Signals oder irgendeines anderen optischen Eingangssignals 13 in ein optisches Ausgangssignal 18 der 1 durch die konstruktive Interferenz zwischen den Seitenarmen. Die sich mit der Zeit ändernde Spannung V_AC wird auch an dem Impulsbreitenformer 160 angelegt, so dass die Spannung V, welche an dem Impulsbreitenformer 160 angelegt ist, die Kombination der Spannungen V_AC und V_DC ist. In 20, da die Spannung V_AC des elektrischen Treibersignals durch einen ersten negativen Teil seiner Periode T schwingt, wird die Spannung V, welche an dem Impulsbreitenformer 160 angelegt ist, vermindert, bis sie ein Minimum bei V_DC – V_AC erreicht, entsprechend dem Spitzentransmissionsgrad des optischen Signalausgangs des Impulsbreitenformers 160. Wenn V_AC ≥ V_DC, erhöht sich der Transmissionsgrad nicht unterhalb der Spitze von 1 oder 100%. Umgekehrt, wenn die Spannung V_AC durch die positive Hälfte ihrer Schwingung schwingt, erreicht die Spannung V, welche an dem Impulsbreitenformer 160 angelegt ist, einen Maximalwert bei V_DC + V_AC. An diesem Teil der Periode T der Spannung V_AC wird die destruktive Interferenz zwischen den Seitenarmen der Felder, welche durch das optische CW-Signal oder das optische Eingangssignal 13 der 1 erzeugt wird, im Allgemeinen durch den Impulsbreitenformer 160 maximal, und die Leistung des Ausgangs des optischen Signals von dem Impulsbreitenformer 160 ist minimal Der Halbwellenpunkt V_π oder Vpi entspricht der Spannung, bei welcher der Impulsbreitenformer 160 das CW- oder jegliches anderes optisches Eingangssignal 13 durch die maximale destruktive Interferenz zwischen den Seitenarmen total zerstört. Vergleicht man diesen destruktiven Zyklus der elektrischen Ansteuerung der 20 und 18, sieht man, dass ein Teil des konstruktiven Interferenzzyklus der elektrischen Ansteuerung des RZ 41 %-Impulsformers der 20 verschoben wird und in einem was gewöhnlich als destruktiver Interferenzzyklus der elektrischen Ansteuerung des RZ-50%-Modulators der 18 bezeichnet wird schwingt. Deshalb wird mehr destruktive Interferenz in 20 durch den durchstimmbaren RZ-Modulator hinzugefügt. Entsprechend wird, wenn V_DC + V_AC ≥ V_π, der Transmissionsgrad durch den Impulsbreitenformer 160 total verhindert.
Die periodische Spannung V_AC führt demnach zu einer Erzeugung von optischen Impulsen mit entsprechender Periode T, wie z.B. in 23C. Die Tastrate der optischen Impulse, welche durch den Impulsbreitenformer 160 erzeugt wird, wird als die maximale Halbwertsleistungsintensität FWHM des Impulses dividiert durch die Periode des optischen Impulssignals T definiert.
Mit Bezug auf 19 und 21 variiert für standardisierte Formate der Transmissionsgradgrad zwischen 0 bis 1, wenn der MZ-Modulator wieder bei einer Vorgleichspannung vorgespannt wird, welche auf halbem Weg zwischen einer vollen Wechselschwingung (in 19 beispielsweise als 33 bezeichnet) der elektrischen Ansteuerung zwischen zwei Leistungspunkten der Ableitung des Nullleistungs-Durchlassgrades ist, wie beispielsweise – Vpi und +Vpi in 19 und 0 und 2Vpi in 21. Der standardisierte Halbweg-Schwingungsvorspannungspunkt oder der Wendepunkt ist bei 0 in 19 für einen RZ 33%-RZ-Modulator und Vpi in 21 für einen Standard-CSRZ-67%-Modulator. Jeder dieser Standardmodulatoren hat einen Transmissionsgrad, welcher mit alternierenden Phasen im optischen Feld zwischen 0 und 1 während jeder Bitperiode variiert.
Mit Bezug auf 22, um den Impulsbreitenformer 160 der 1 als einen durchstimmbaren CSRZ-Modulator zu gestalten oder anzusteuern, ist die Gleichspannung ebenso wie der Standard-67%-CSRZ-Modulator der 21 bei einem Halbwellenpunkt des Ausgangstransmissionsgrades als Funktion der Treiberspannungs-Charakteristikkurve vorgespannt, und die Wechselspannung weist eine sich sinusförmig verändernde Spannung auf, welche eine Frequenz gleich der halben Bitrate des optischen Signals und eine Spitzenspannung kleiner als Vpi besitzt. Das resultierende optische Signal besteht aus optischen Impulsen, welche eine Intensität mit einer Zurück-zu-null-(RZ-)Form und einer trägerunterdrückten Zurück-zu-null-(CSRZ-)Feldform mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Teilarm abhängt, wie sie durch die Spitze der Wechselspannung durchgestimmt wird. (CSRZ)
In 21 verändert sich für den CSRZ-67%-Modulator der Transmissionsgradgrad von 0 bis 1 während der Bitperiode mit sich ändernden Phasen, was zu einer halb konstruktiven und halb destruktiven Interferenz zwischen den Seitenarmen führt. Für den CSRZ-55%-Impuls-Former in 22 ändert sich jedoch der Transmissionsgrad von 0 bis zu einem Maximalwert von 0,64 oder 64% während der Bitperiode mit alternierenden Phasen, was zu einer mehr als halb destruktiven Interferenz zwischen den Seitenarmen führt, um eine Tastrate oder 55% für die CSRZ-Impulse zu erzeugen. Für einen derartigen durchstimmbaren CSRZ-Modulator, welcher wie in 22 vorgespannt ist, ist im Allgemeinen die Schwingungsspannung V_AC der Betrag der Schwingung, welche an beiden Seitenarmen des Impulsbreitenformers 160 angelegt ist, welche den maximalen Transmissionsgrad als einen Bruchteil des Maximums von 0 bis sin²(πV_AC/(2Vpi)) verändert. (CSRZ-1)
Mit Bezug auf 19, um den Impulsbreitenformer 160 der 1 als einen durchstimmbaren RZ-Modulator zu gestalten oder zu betreiben, ist die Gleichspannung, wie bei dem Standard-33%-RZ-Modulator der 19, mit einer Vollschwingung 33, bei dem Null- oder Startwellenpunkt des Ausgangstransmissionsgrades als Funktion der Ansteuerungsspannungs-Charakteristikkurve vorgespannt, und die Wechselspannung weist eine sinusförmig variierende Spannung auf, welche eine Frequenz gleich der halben Bitrate des opti schen Signals und eine Spitzenspannung kleiner als Vpi besitzt, wie dies durch die weniger als volle Schwingung 45 wiedergegeben wird. Das sich ergebende optische Signal besteht aus optischen Impulsen, welche eine Intensität mit einer Zurück-zu-null-(RZ-)Form besitzen, mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wie sie durch die Spitze der Wechselspannung abgestimmt wird (RZ vorgespannt bei 0). Der Transmissionsgrad verändert sich von 0 bis 1 während der Bitperiode, was zu einer halb konstruktiven und halb destruktiven Interferenz zwischen den Seitenarmen führt. Deshalb ist die Wechselschwingung um den nominalen Wendepunkt symmetrisch, aber sie ist geringer als die volle nominelle Voll-Wechselschwingung.
Indem die Schwingung und/oder die Vorspannung des Basispulsbreitenformer 160 der 1 entweder einzeln oder in Kombination verändert wird, um die Impulsbreite eines anderen Datenmodulators zu formen, welcher für irgendein Codierformat vor oder nach dem Impulsbreitenformer platziert wird, mit oder ohne einen zusätzlichen Phasenmodulator, sind demnach verschiedene Kombinationen von Modulatorkonfigurationen möglich. Der Basispulsbreiteformer 160 der 1 könnte als ein einzelner Modulator oder als vielfache Verkettungen desselben gestaltet sein, um die Tastrate von ungefähr 0% bis ungefähr 67% zu verändern. Als ein RZ-Modulator, einzeln oder in vielfacher Verkettung desselben, kann die Tastrate durch Verändern der asymmetrischen Geringer-als-Vollwechselschwingung um den nominellen Wendepunkt verändert werden. Alternativ kann der Basispulsbreitenformer 160 der 1 für einen CSRZ-Modulator gestaltet werden, um die Tastrate durch Verändern der symmetrischen Weniger-als-Vollwechselschwingung um den nominellen Wendepunkt zu variieren. Diese zwei Basispulsbreitenformer können dann allein oder in vielfacher Verkettung benutzt werden, um eine RZ-Form oder eine CSRZ-Form jeweils in Kombination miteinander für eine CSRZ-Form oder Duplikate des gleichen Typs für eine RZ-Form oder eine CSRZ-Form benutzt werden oder mit anderen Codierformatiereinrichtungen benutzt werden, wie z.B. einer doppelt binären, PSK oder AMI. Obwohl nicht erschöpfend, so zeigen die folgenden Beispiele verschiedene Kombinationen, welche möglich sind. Der Bequemlichkeit wegen und keine Begrenzung bedeutend beziehen sich die Ansprüche, welche folgen, auf eines dieser Beispiele.
Beispiel 5: Variable Taktrate-RZ-Impulse mit zwei verketteten Mach-Zehnder-Modulatoren, wobei einer der Modulatoren feste Parameter und der andere Modulator Vorspannungs- und Schwingungsparameter besitzt, welche beide durchstimmbar sind.
Mit Bezug auf den Aufbau der 5 können RZ-Impulse auch mit durchstimmbaren Tastraten erzeugt werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen RZ-Impulserzeugung wendet dieses Verfahren zwei RZ-Mach-Zehnder-Modulatoren 20 und 160 an, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung gesteuert werden, welche in Reihe miteinander verbunden sind. Zuerst wird, wie in 2, CW-Licht in einen NRZ-Modulator 60 gesendet, wobei der Bitstrom auf dem CW-Strahl in Form einer RF-Spannung eingeprägt ist. Der eingehende optische Strahl 13 wird moduliert, indem ein Standard-zurück-zu-null-(RZ)Datenstrom, welcher eine Tastrate von 50% (Beispiel 1) besitzt, oder ein Standard-RZ-Datenstrom, welcher eine Tastrate von 33% (Beispiel 2) besitzt, benutzt wird, oder das optische Ausgangssignal 18 der 1 wird stattdessen mit einem der zuvor erwähnten RZ-Datenströme moduliert. Der Ausgang 18 des kombinierten Aufbaus ist ein Impulszug von optischen Impulsen, welche eine Intensität mit einer RZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wie sie durch die Gleich- und Wechselspannungen abgestimmt ist. Die sich ergebende Impulsbreite entspricht einer Tastrate, welche von ungefähr 32,5% bis 41% in dem Fall reicht, wenn der Datenstrom vom Typ des Beispiels 1 ist (wie in 28 gezeigt wird), und einer Tastrate, welche von ungefähr 25% bis 31% in dem Fall reicht, wenn der Datenstrom vom Typ des Beispiels 2 ist (wie dies in der grauen Kurve der 27 gezeigt wird). (RZ-2)
Deshalb gestatten entsprechend der vorliegenden Erfindung doppelt angetriebene Mach-Zehnder-Modulatoren eine unabhängige Steuerung der Chirp-α'- und Schwingungs-s-Parameter des Mach-Zehnder-Modulators, indem unabhängig f₁ und f₂ spezifiziert werden, wie dies in den Gleichungen (4) und (5) gegeben ist. Eine spezielle Folge dieser unabhängigen Steuerung ist die Fähigkeit von doppelt angesteuerten Modulatoren, chirp-freie Impulse zu erzeugen; d.h. die Ausgangsimpulse besitzen eine konstante Phase. Chirp-freie Impulse werden durch Einstellen von f₁ = –f₂ erzeugt, was zu einem Chirp-Parameter α' = 0 führt. Das optische Ausgangsfeld, welches in Gleichung (18) gegeben ist, ist offensichtlich chirp-frei, da beide RZ-Modulatoren doppelt angesteuert sind und deshalb dem Signal keinen Chirp zufügen. Jedoch sind doppelt angesteuerte Modulatoren verglichen mit einzeln angesteuerten Modulatoren ziemlich teuer. In diesen einzeln angesteuerten Modulatoren wird die RF-Treiberspannung nur an einem Seitenarm des MZM angelegt. Deshalb müssen entweder f₁ oder f₂ gleich null sein.
Beispiel 6. Veränderliche Tastrate-RZ-Impulse mit zwei verketteten Mach-Zehnder-Modulatoren, wobei ein Modulator feste Parameter und der andere Modulator feste Schwingungsparameter besitzt und der Vorspannungsparameter durchstimmbar ist.
In 5 ist eine alternative Vorgehensweise die Verkettung eines doppelt getriebenen, chirp-freien Modulators, wobei die Parameter benutzt werden, welche im Beispiel 2 für 50%-Tastratenpulse mit einem zweiten doppelt angesteuerten Modulator 160 gegeben sind, wobei die nominellen Parameter benutzt werden, welche im Beispiel 1 für eine gewöhnliche 50%-Tastrate gegeben sind, jedoch mit einem willkürlichen Vorspannungskoeffizienten ξ. Der Ausgang 13 des NRZ-Modulators 60 wird in einen ersten RZ-Modulator 20 geführt, welcher vorgespannt ist, um 50%-Tastrate-Impulse zu erzeugen. Schließlich gelangt das Licht durch einen zweiten RZ-Modulator 160, welcher die gleichen Parameter wie der erste RZ-Modulator 20 besitzt, außer dass der Vorspannungskoeffizient ξ als ein freier Parameter in dem zweiten RZ-Modulator belassen wird. Das ausgegebene optische Feld am Ende des zweiten Modulators 18 wird gegeben durch:
Der Graph der Veränderung der Tastrate der Ausgangspulse als Funktion des Vorspannungskoeffizienten des RZ-Modulators 60 wird in 25A gezeigt. Für extrem kurze Tastraten (< 20%) wächst eine Seitenkeule auf Kosten des zentralen Spitzenwerts, jedoch können kontinuierlich variierende Tastraten zwischen ungefähr 41% und 23% erzeugt werden, während die relative Seitenkeulenintensität durch Variieren des Vorspannungskoeffizienten ξ unter 10% gehalten wird.
In 5 ist eine andere alternative Vorgehensweise die Verkettung eines doppelt angesteuerten chirp-freien Modulators 20, wobei die Parameter benutzt werden, welche in Beispiel 2 für 33,3% Tastrate gegeben sind, mit einem zweiten doppelt angesteuerten Modulator 160, wobei die nominellen Parameter benutzt werden, welche im Beispiel 1 für eine gewöhnliche 50%-Tastrate gegeben werden, jedoch mit einem zufälligen Vorspannungskoeffizienten ξ. Benutzt man die nominellen 50%-Tastrate-Parameter für den zweiten Modulator, so wird der Vorspannungskoeffizient durch Verändern des Vorspannungskoeffizienten ξ des RZ-Modulators 116 zwischen seinem Nominalwert von 1 und einem Maximalwert von 2,4 von dem, was nominell eingestellt wurde, um die Tastrate zu ändern, eingestellt. In diesem Fall ist das ausgegebene optische Feld am Ende des zweiten Modulators 18 gegeben durch:
Diese Konfiguration gestattet das Erzeugen von RZ-Impulsen mit einer auswählbaren Tastrate zur Optimierung der Systemleistungsfähigkeit, welche aus einem sich kontinuierlich ändernden Bereich von möglichen Tastraten zwischen ungefähr 43% und 17% ausgewählt werden können, während die relative Nebenkeulenintensität unter 10% gehalten wird, wie dies in 25-B gesehen wird. Es ist nicht möglich, chirp-freie RZ-Impulse unter Benutzung des Beispiels 6 mit Hilfe von einzeln angesteuerten Modulatoren zu erzeugen, aufgrund des Unterschieds in den RF-Ansteuerfunktionen zwischen den zwei 50%- und 33%-Tastrate-RZ-Modulatoren und auch aufgrund der Tatsache, dass der RZ-Modulator 20 feste Betriebsparameter besitzt.
Beispiel 7. Variable Tastrate-RZ-Impulse mit zwei verketteten CSRZ-Mach-Zehnder-Modulatoren
Mit Bezug auf 6 folgen dem NRZ-Mach-Zehnder-Modulator 60 zwei Modulatoren 20 und 160, welche als CSRZ-Modulatoren aufgestellt sind. Der eingehende optische Strahl 13 wird moduliert, indem ein Standard-trägerunterdrückter-zurück-zu-null(CSRZ-)Datenstrom benutzt wird, welcher eine Tastrate von 67% besitzt, oder das optische Ausgangssignal 20C wird mit einem derartigen CSRZ-Datenstrom moduliert. Der Ausgang 18 des kombinierten Aufhaus wird ein Impulszug von optischen Impulsen sein, welche eine Feldamplitude mit einer CSRZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wenn sie durch Gleich- und Wechselspannungen abgestimmt werden, so dass die Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von ungefähr 56% bis 36% reicht, wie dies in 26 gesehen werden kann, im Allgemeinen wenn beide der CSRZ von den nominellen 67%-CSRZ-Tastrate-Impulsen schwingen dürfen.
Wenn speziell der eingehende optische Strahl 60C von dem Ausgang des NRZ-Modulators 60 moduliert wird, indem ein Standard-trägerunterdrückter-zurück-zu-null(CSRZ-)Datenstrom durch den ersten CSRZ-Modulator 20 mit einer festen Tastrate von 67% benutzt wird, oder das optische Ausgangssignal 18 des zweiten CSRZ-Modulators 160 wird mit dem festen 70%-CSRZ-Datenstrom moduliert. Der Ausgang des kombinierten Aufbaus sind optische Impulse, welche eine Intensität mit einer RZ-Form besitzen, mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wie sie durch die Spitze der Wechselspannung des veränderlichen CSRZ-Modulators 160 derart durchgestimmt werden, dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche sich zwischen ungefähr 45% und 56% erstreckt, wie dies durch die Kurve leerer Quadrate der 26 gesehen wird. (RZ-4)
Das ausgegebene optische Feld am Ende des zweiten CSRZ-Modulators 18 wird gegeben durch:
wobei E₀(t) der Wert des Feldes ist, welches in den ersten CSRZ-Modulator 20 kommt. Beide Modulatoren 20 und 160 werden nominell auf 66,7%-Tastrate-CSRZ-Parameter eingestellt, aber der Hauptunterschied besteht darin, dass die Schwingungsparameter jedes der Modulatoren s₁ und s₂ unabhängig variieren dürfen, wobei die Gleichungen 16-d11 und 16-d12 benutzt werden. In 26 stellt die durchgezogene Linie die Tastrateveränderung dar, wenn beide Schwingungen die gleichen sind, während die anderen Tastratekurven die Tastrateverände rung zeigen, wenn eine Schwingung fest ist, beispielsweise bei der nominalen Schwingung für die 66,7%-Tastrate, während die andere Schwingung von nominal aus verändert wird, entsprechend den Gleichungen 16-d11 und 16-d12. Deshalb können durch Verändern der Schwingungen der CSRZ-Modulatoren 20 und 160 RZ-Impulse mit kontinuierlich variierenden Tastraten zwischen ungefähr 56% und 36% hergestellt werden. Diese Konfiguration hat den zusätzlichen Vorteil, chirp-freie Impulse freizugeben, wobei einzeln angesteuerte Modulatoren benutzt werden, da die CSRZ-Modulatoren mit Chirp-Werten betrieben werden können, welche in der Größe gleich, jedoch im Vorzeichen entgegengesetzt sind.
Der eingehende optische Strahl eines zweiten CSRZ-gestalteten Modulators ist der Ausgang eines ersten MZ-Modulators, welcher für CSRZ-Impulse gestaltet ist. Der Ausgang eines derart kombinierten Aufbaus von zwei CSRZ-Modulatoren sind optische Impulse, welche eine Intensität mit einer RZ-Form besitzen, mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wie diese durch die Spitzenwerte der Wechselspannungen abgestimmt sind, so dass diese Impulsbreite einer Tatrate entspricht, welche zwischen 36% und 56% liegt. (RZ-5).
Beispiel 8. Variable Tastrate-RZ-Impulse mit zwei verketteten RZ-Mach-Zehnder-Modulatoren, wobei die Vorspannungs- und Schwingungsparameter beider Modulatoren variieren dürfen.
Mit Bezug zurück zu 5 besteht eine andere wichtige Variation in dem Fall, wo der eingehende optische Strahl 13 der 1 eines zweiten RZ-Modulators 160 der Ausgang 20C eines anderen RZ-gestalteten MZ-Modulators 20 ist. Der Ausgang 18 des kombinierten Aufbaus besteht aus optischen Impulsen, welche eine Intensität mit einer RZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wenn sie durch die Gleich- und Wechselspannungen so abgestimmt werden, dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche zwischen ungefähr 26% und 41% liegt, wie dies in der schwarzen Kurve der 27 gezeigt wird. Das Hauptmerkmal dieses Beispiel besteht darin, dass die Vorspannungs- und Schwingungsparameter des RZ-Modulators 20 zu denen des RZ-Modulators 160 gleich eingestellt werden, sie dürfen jedoch entsprechend der Vorschrift des Beispiels 4 variieren. Dieses Verfahren des Beispiels 8 zum Erzeugen von RZ-Impulsen mit kurzer Tastrate ist eine Verbesserung gegenüber den Beispielen 5 und 6 dadurch, dass die Impulse keinerlei Nebenkeulen besitzen. (RZ-3)
Der traditionelle Nachteil, welcher mit der Konfiguration zusammenhängt, welche in 5 gezeigt wird, besteht darin, dass, wenn einzeln angesteuerte Mach-Zehnder-Modulatoren benutzt werden, der Chirp-Parameter α' notwendigerweise nicht-null ist, so dass die Impulse gechirpt sind. Derartig gechirpte Impulse erhalten eine zusätzliche Beeinträchtigung durch Dispersion aufgrund der Ausbreitung oder können einen zusätzlichen spektralen Inhalt besitzen, was zu linearem Übersprechen führt. Es ist deshalb vorteilhaft, ein Schema zu realisieren, um die nicht teuren Merkmale von einzeln angesteuerten Mach-Zehnder-Modulatoren mit der chirp-freien Eigenschaft von doppelt angesteuerten Mach-Zehnder-Modulatoren zu kombinieren. Dies kann in der Praxis durch Verketten des ersten einzeln angesteuerten RZ-Modulators mit einem anderen gleichen, jedoch unterschiedlichen Chirp geschehen, um so insgesamt null Chirp zu erzeugen. Das ausgegebene optische Feld besitzt die gleiche Form wie das, welches von zwei verketteten, doppelt angesteuerten RZ-Modulatoren erhalten wird, so dass die gesamte Tastratenvariation bezüglich der Vorspannung des zweiten RZ-Modulators die gleiche ist wie die, welche in dem verketteten, doppelt angesteuerten Modulatoren-Fall des Beispiels 8 beobachtet wird.
Beispiel 9. Variable Tastrate-CSRZ-Impulse mit verketteten RZ- und CSRZ-Modulatoren
Mit Bezug auf 7 werden CSRZ-Impulse mit kurzen durchstimmbaren Tastraten durch Hinzufügen des Impulsbreitenformers 160 erzeugt, welcher als ein RZ-Modulator 160 mit variabler Vorspannung und Schwingung zu verketteten NRZ-60- und CSRZ-160-Modulatoren aufgebaut ist. Der eingehende optische Strahl 20C von dem NRZ-Modulator 60, welcher durch einen zweiten CSRZ-Modulator 20 eingeprägt ist, wird moduliert, indem ein Zurück-zu-null-(RZ-)Datenstrom mit einer Tastrate von 50% benutzt wird, oder das optische Ausgangssignal 18 wird mit dem RZ-Datenstrom durch die NRZ- und CSRZ-Modulatoren moduliert, welche nach dem RZ-Modulator aufgebaut sind. Der Ausgang des kombinierten Aufbaus sind optische Impulse, welche eine Feldamplitude mit einer CSRZ-Form besitzen, mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite, welche von dem Betrag der destruk tiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm des CSRZ-Modulators 20 abhängt, wenn er durch die Spitze der Wechselspannung so abgestimmt wird, dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von ungefähr 40% bis 46% reicht, wie dies durch die durchgezogene schwarze Kurve mit dem Vorspannungskoeffizienten = 1 der 8 gesehen werden kann, wenn die Vorspannung für die 50%-Tastrate in dem RZ-Modulator 160 festgelegt ist. (CSRZ-3)
Wie bei den vorhergehenden Beispielen bezieht sich die Schwingung s₂ des RZ-Modulators auf dessen Vorspannungskoeffizienten ξ₂ über s₂ = 1 – ξ₂/2. Die sich ergebenden ausgegebenen Impulse, welche eine CSRZ-Schwingung von s₁ benutzen, werden beschrieben durch:
wobei E₀(t) das eingegebene NRZ-Feld ist und α'1 und α'2 die Chirp-Parameter der CSRZ- bzw. RZ-Modulatoren sind. Die sich ergebenden CSRZ-Tastraten sind in 8 für verschiedene Vorspannungseinstellungen des RZ-Modulators gedruckt. Durch Variieren der Schwingung des CSRZ-Modulators und der Vorspannungs- und Schwingungsparameter des RZ-Modulators werden CSRZ-Impulse mit durchstimmbaren Tastraten zwischen 46% und 30% erhalten. Der durchschnittliche Leistungsskalierfaktor ist in 9 ausgedruckt. Wegen dem Unterschied in den Frequenzen zwischen den CSRZ- und RZ-Treiberspannungen, welche mit diesem Verfahren benutzt werden, können chirp-freie Impulse nur erzeugt werden, wenn beide Modulatoren doppelt angesteuert werden.
Deshalb ist im Allgemeinen mit Bezug auf 7 entweder der eingehende optische Strahl 20C der Ausgang eines ersten Modulators 20, welcher für CSRZ gestaltet ist, oder das optische Ausgangssignal 20C wird als Eingang zu einem zweiten Modulator 160 durchgelassen, welcher für RZ gestaltet ist. Der Ausgang 18 des kombinierten Aufbaus sind optische Impulse, welche eine Feldamplitude mit einer CSRZ-Form mit einer vorgeschriebe nen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm abhängt, wenn diese durch den Spitzenwert der Wechselspannung des ersten Modulators 20 und der Gleich- und Wechselspannungen des zweiten Modulators 160 durchgestimmt werden, so dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von ungefähr 30% bis 46% reicht. (CSRZ-4)
Beispiel 10. Variable Tastrate-alphaRZ-1-Impulse
Mit Bezug auf 10 werden alphaRZ-1-Impulse mit variabler Tastrate erzeugt, indem AMI-Impulse von einem ersten AMI-Modulator 60 durch einen RZ-Modulator 20 mit durchstimmbaren Vorspannungs- und Schwingungsparametern durchgelassen werden. Der eingehende optische Strahl 60A wird moduliert, indem ein alternierender Mark-Inversion-(AMI-)Datenstrom durch den ersten AMI-Modulator 60 benutzt wird, oder das optische Ausgangssignal des zweiten RZ-Modulators 20 wird mit dem AMI-Datenstrom moduliert. Der Ausgang des kombinierten Ausbaus sind optische Impulse, welche eine alternierende Phasenmodulation, welche durch den AMI-Datenstrom abgedeckt wird, und eine Intensität mit einer RZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Seitenarm des RZ-Modulators 20 abhängt, wenn dieser durch die Gleich- und Wechselspannungen so abgestimmt wird, dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von 37% bis 50% reicht. (alphaRZ-1)
Die sich ergebenden alphalRZ-1-Tastraten sind die gleichen wie im RZ-Fall (3), wobei eine kurze Anstiegs-/Abfallszeit für den AMI-Modulator 60 angenommen wird. Wenn eine längere Anstiegs/Abfallzeit benutzt wird, können sogar kürzere Tastrate-alphaRZ-1-Impulse erzeugt werden. Während Standard-RZ-Impulse die gleiche Phasencharakteristika besitzen, ist jedes "Eins"-Bit in einem alphaRZ-1-Signal um π gegenüber seinen benachbarten "Eins"-Bits phasenverschoben, wie dies in 11 gezeigt wird. Diese Phasenverschiebung wirkt so, dass es Vier-Wellen-Mischen (FWM) und Kreuzphasenmodulation (XPM) innerhalb des Kanals auslöscht.
Anstatt des Gestaltens des ersten Modulators 60 für den AMI-Datenstrom kann alternativ der erste Modulator 60 für einen doppelt binären Datenstrom gestaltet sein, um ihn als einen doppelt binären Modulator 60 in 2 zu benutzen. Deshalb wird der eingehende optische Strahl an dem Eingangsarm 60A moduliert, wobei ein doppelt binärer Datenstrom benutzt wird, oder das optische Ausgangssignal des zweiten Modulators 20, welche für CSRZ gestaltet ist, wird mit dem doppelt binären Datenstrom moduliert. Der Ausgang des kombinierten Aufbaus besitzt optische Impulse, welche eine alternierende Phasenmodulation besitzen, welche durch den doppelt binären Datenstrom und die Phasenmodulation des CSRZ-Modulators 20 gesteuert wird. Die Impulse besitzen eine vorgeschriebene Impulsbreite, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm des CSRZ-Modulators 20 abhängt, wie er durch den Spitzenwert der Wechselspannung so abgestimmt wird, dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von 50% bis 67% reicht. (alphaRZ-2)
In einer anderen Variante, bei der 2 genutzt wird, ist der erste Modulator 60 für doppelt Binäres gestaltet, um als ein doppelt binärer Modulator 60 benutzt zu werden, und der zweite Modulator 20 ist für RZ gestaltet, um als ein RZ-Modulator 20 benutzt zu werden. Der eingehende optische Strahl 60A wird moduliert, indem ein doppelt binärer Datenstrom benutzt wird, oder das Ausgangssignal des RZ-Modulators 20 wird, wenn die Positionen der zwei Modulatoren ausgewechselt werden, mit dem doppelt binären Datenstrom von der Datenquelle 22 moduliert. Der Ausgang 18 des kombinierten Ausbaus der zwei Modulatoren, welche in irgendeiner Weise aufeinanderfolgen, sind optische Impulse, welche Phasenverschiebungen, welche durch den doppelt binären Datenstrom gesteuert werden, und eine Intensität mit einer RZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm des RZ-Modulators abhängt, wenn dieser durch die Gleich- und Wechselspannungen so gesteuert wird, dass die Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von 37% bis 50% reicht. (zweifach binärer RZ)
In einer weiteren Variante, indem 2 benutzt wird, ist der erste Modulator 60 für Phasenumtastung (PSK) gestaltet, um als ein PSK-Modulator 60 benutzt zu werden, und der zweite Modulator 20 ist für RZ gestaltet, um als ein RZ-Modulator 20 benutzt zu werden. Der eingehende optische Strahl 60A wird demnach moduliert, indem ein phasenumtasteter (PSK-) Datenstrom benutzt wird, oder das optische Ausgangssignal auf dem Ausgangsseitenarm 20C des RZ-Modulators 20 wird, falls die Positionen der Modulatoren 60 und 20 ausgetauscht werden, mit dem PSK-Datenstrom moduliert. Der Ausgang 28 des kombinierten Aufbaus, entweder mit der Folge der Modulatoren 60 und 20 oder 20 und 60, sind optische Impulse, welche eine Modulation, welche durch den PSK-Datenstrom gesteuert wird, und eine Intensität mit einer RZ-Form mit einer vorgeschriebenen Impulsbreite besitzen, welche von dem Betrag der destruktiven optischen Interferenz zwischen dem ersten und zweiten Seitenarm des RZ-Modulators 20 abhängt, wenn dieser durch die Gleich- und Wechselspannungen so abgestimmt wird, dass diese Impulsbreite einer Tastrate entspricht, welche von 37% bis 50% reicht. (RZ-PSK)
Mit Bezug auf 1 und 12-15 kann das System 10 einen optischen Parallelzu-seriell-Wandler für das Wandeln von N synchronen Datenströmen beinhalten, wobei jeder eine nominelle Datenpulsbreite besitzt, von einer parallelen bis zu einer seriellen Form für optisches Zeitmultiplexen in eine optische Kommunikationsverbindung. Obwohl sogar nur eine Faserspreizung 19 gezeigt wird, wird gewürdigt, dass diese einzelne Faserspreizung 19 eine Vielzahl von parallelen Faserspreizungen besitzen kann, welche bereits im Feld bekannt sind. Die optische Kommunikationsverbindung ist vorzugsweise ein Netzwerk von optischen Fasern, welche eine Vielzahl von Verstärkern 29, positive und negative Dispersionsfasern 19 für das Wiederholen des gemultiplexten Signals über die Fasern 19 beinhalten kann. Für ein derartiges Zeitmultiplex-(TDM-)System 19 wird gewöhnlich eine Amplituden-Umtastungsmodulationstechnik vom Zurück-zu-null-(RZ-)Format für das Zeitmultiplexen von N synchronen RZ-Datenströmen benutzt, wobei jeder eine Bitperiode von T oder 1/B besitzt, vor dem Multiplexen oder der Parallel-zu-Reihen-Wandlung und das Impulsen bei einer Bitrate von B oder 1/T in eine serielle Datenfolge von kurzen Impulsen, welche bei einer gemultiplexten Bitrate oder Baud-Rate von N/T oder NB für das Multiplexen in die optische Kommunikationsverbindung innerhalb eines Rahmens arbeiten. Die Vorteile der variablen Tastrate-RZ-Impulse, welche auf diese Weise hergestellt werden, werden durch das Vergleichen der Leistungsfähigkeit in zehn 80-km-Verzweigungen 19 einer dispersionsgesteuerten Faser (DMF), welche aus einer Länge von Dispersionskeule-kompensierender Faser besteht, welche zwischen Längen einer Faser mit großer effektiver Fläche angeordnet ist, gezeigt. Die Dispersionswerte der Faser 19 mit großer effektiver Fläche und dispersionskompensierender Keule sind ungefähr +19 und –29 ps/nm/km, und beide Fasern 19 haben ein Verhältnis von Dispersion zu Dispersionskeule von ungefähr 310 nm. Die Bitrate (B) des Systems 10 ist 40 Gb/s, und der spektrale Wirkungsgrad ist 0,4 für die Graphen der Leistungsfähigkeit der 12-15. Eine Vor- und Nachkompensation werden optimiert, um nichtlineare Beeinträchtigungen innerhalb des Kanals zu vermindern, und werden jeweils als – 750 ps/nm bzw. –250 ps/nm gewählt; in diesem Fall gibt es keine Grunddispersion. Da in einem realen System 10 wahrscheinlich ist, dass eine endliche Grunddispersion vorhanden ist, wird die Nachkompensation variiert, um Grunddispersionswerte zwischen –30 und 30 ps/nm zu erhalten, wobei dadurch die Robustheit der Modulationsformate im Hinblick auf diese Beeinträchtigung getestet wird. Die Leistungsfähigkeit der drei eingekoppelten Kanäle für Kanalleistungen, welche von –3 bis +6 dBm reichen, wurden simuliert.
Eine derartige RZ-Impulserzeugung mit variabler Tastrate wurde auch experimentell gezeigt, um die Vorteile von RZ mit 42% Tastrate in einem 10-Gb/s-LEAF-System bei einem spektralen Wirkungsgrad von 0,2 zu liefern.
12-14 zeigen Q-Werte für verschiedene Modulationsformate mit festen Durchschnittskoppelleistungen von jeweils –1, 1 bzw. 3 dBm. 15 zeigt die Q-Werte für verschiedene Pegel der Grunddispersion nach dem Optimieren über alle Leistungspegel. In allen Fällen werden die Q-Werte in dB-Einheiten (dBQ = 10log₁₀ Q) für den mittleren Kanal wiedergegeben und berechnet, indem optimierte elektrische und optische Filterbandbreiten für jedes Format benutzt werden. Die Tastraten der RZ-, CSRZ- und alphaRZ-1-Impulse wurden optimiert, um die bestmögliche Leistungsfähigkeit zu liefern. Die optimalen Tastraten dieser Formate liegen im Bereich von 37 bis 41% für RZ und alphaRZ-1 und zwischen 33 und 38% für CSRZ. Die durchgezogenen Linien in 12-15 stellen die Leistungsfähigkeit der unendlich variablen Tastratenformate dar, wie z.B. Alpha-RZ Optimiert (oder alphaRZ-1), alphaRZ-1 50% (oder alphaRZ-1 mit benutzter RZ-50%-Tastrate), CSRZ Optimiert (CSRZ-4) und RZ Optimiert (RZ-1).
Die Ergebnisse in 16 zeigen, dass, während AMI eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit bei 0 ps/nm Grunddispersion liefert, dessen Q-Wert bei sogar kleinen Werten der endlichen Grunddispersion schnell schlechter wird. Jedoch liefern variable Tastrate-RZ- und -CSRZ-Formate vergleichbarer Leistungsfähigkeit für AMI bei 0 ps/nm Grunddispersion, aber sie arbeiten signifikant besser bei endlichen Werten der Grunddispersion (bis zu 1,8 dBQ besser als –30 ps/nm und 22,1 dBQ besser als 30 ps/nm).
16A-B zeigen Augendiagramme von AMI und CSRZ 33% (oder CSRZ-4) am Ende des gleichen 40-Gb/s-Systems für den Fall mit –30 ps/nm Grunddispersion. Ähnliche Augendiagramme für den Fall mit +30 ps/nm Grunddispersion werden in 17A-B gezeigt, aber dieses Mal durch Vergleichen von AMI mit RZ 37% (oder RZ-1). Die optimierten RZ- und CSRZ-Tastraten führen im Vergleich zu AMI klar zu viel weniger verrauschten Augendiagrammen (und dadurch zu viel höheren Q-Werten).
Diese große Erhöhung der Leistungsfähigkeit der 16-17 der CSRZ-33%- und RZ-37%-Impulse kommt ohne die hinzugefügte Komplexität von AMI-codierter Hardware. Wenn jedoch eine AMI-Implementierung nicht angesagt ist, kann die Leistungsfähigkeit von AMI bis zu 2,4 dBQ verbessert werden, indem das AMI-codierte Signal durch einen RZ-Modulator mit variabler Tastrate geschickt wird, welcher alphaRZ-1-Impulse herstellt, wie im Beispiel 10 beschrieben wird und in 10 gesehen werden kann. 15 zeigt, dass alphaRZ-1 mit variabler Tastrate signifikant besser als AMI alleine (ohne die variable Tastrate des RZ-Modulators der vorliegenden Erfindung) bei allen Pegeln der Grunddispersion funktioniert, und es liefert sogar bessere Leistungsfähigkeit als optimiertes RZ und CSRZ über einen breiten Bereich der Grunddispersionswerte hinweg. Die erhöhte Leistungsfähigkeit all dieser RZ-Formate mit variabler Tastrate rührt vom Optimieren zwischen den im Wettbewerb stehenden Effekten des Beeinträchtigens des Augenschließens, der spektralen Verbreiterung (lineares Übersprechen) und den Nicht-Linearitäten zwischen den Kanälen und innerhalb des Kanals, welche durch das System präsentiert werden.
Zusammengefasst lehrt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Impulsen variabler Tastrate durch Anlegen spezifischer Vorspannungen und Schwingungsspannungen an einen Mach-Zehnder-Modulator. Speziell wird von einem Lithiumniobat-Impulsbreitenformer berichtet, um RZ-Impulse mit einer einstellbaren Tastrate zu formen, welche nicht unter den Beeinträchtigungen aufgrund der Extinktionsverhältnisse leidet. Verschiedene Codier- oder Modulierformate werden beispielhaft aufgezeigt, wie beispielsweise das Herstellen von RZ-Impulsen mit durchstimmbarer Tastrate mit Standard-RZ, trägerunterdrücktem RZ (CSRZ), alphaRZ-1, doppelt binärem RZ oder anderen Formaten. Die vorliegende Erfindung lehrt das kritische Verhältnis zwischen der Vorspannung und den Schwingungs-(treibenden bzw. ansteuernden)Spannungen, welche an einem Mach-Zehnder- Modulator angelegt werden, um RZ-Impulse mit variabler Tastrate zu erzeugen. Wenn die Vorspannung und die Schwingung so auf eine spezielle Vorspannungsbedingung feinabgestimmt werden, ist die Transmissionsleistungsfähigkeit im Vergleich zu Standard-50%-RZ wesentlich erhöht. Die spezielle Tastrate, für welche ein Nutzen erhalten wird, liegt vorzugsweise zwischen 37% und 41%. Die Treiber zum Anlegen der Treibersignale sind nur bei einer Datenmodulationsfrequenz und müssen nicht bei Subharmonischen arbeiten, um die Verzerrung zu minimieren. Die erforderliche Schwingung ist wesentlich geringer als bei traditionellen RZ-Modulatoren, wobei eine wesentlich niedrigeres Spannungs-/Leistungsverhältnis erforderlich ist. Die insgesamt resultierende optische Bandbreite ist geringer, wodurch ein niedrigeres benachbartes Kanalübersprechen erreicht wird, um die optische Transmission zu erhöhen.
Es wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung für das Modulieren eines Lichtstrahls, die Folgendes umfasst: eine Gleichstromversorgung (26), die eine Gleichstromvorspannung erzeugt, eine Quelle für Modulierspannung, eine elektrooptische Feldmodulatorkonfiguration, die mit der Quelle für Modulierspannung gekoppelt ist und auf der Grundlage der Gleichstromvorspannung und der Modulierspannung einen empfangenen Lichtstrahl moduliert, um ein optisches Signal aus Impulsen mit vorgegebener Bitrate und mit einer Ausgangsleistung zu erzeugen, die den Kriterien entspricht, dass sie in einem Bit-Slot einen einzigen Maximalwert, Minimalwerte an den Bitgrenzen und nur bei dem Maximalwert in dem Bit-Slot und den Minimalwerten an den Bitgrenzen Ableitungen der Ausgangsleistung in Bezug zur Zeit, die gleich Null sind, aufweist, wobei die elektrooptische Feldmodulatorkonfiguration einen Mach-Zehnder-Interferometer-Datenmodulator (60A-60D) umfasst, wobei es sich bei der elektrooptischen Feldmodulatorkonfiguration um einen zweistufigen Modulator handelt, der des Weiteren ein die Impulsbreite festlegendes Mach-Zehnder-Interferometer (20A-20C, 163D₁ , 163D₂ ) umfasst, das mit der Gleichstromvorspannung gekoppelt ist, die Vorrichtung des Weiteren eine Spannungssteuereinheit (30) umfasst, die das die Impulsbreite festlegende Mach-Zehnder-Interferometer (20A-20C, 163D₁ , 163D₂ ) mit einer Wechselspannung versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren Folgendes umfasst: eine Steuervorrichtung (24), die mit der Gleichstromversorgung gekoppelt ist und ein Signal erzeugt, mit dem der Betrag der Gleichstromvorspannung gesteuert wird, und wobei die Steuervorrichtung (24) so ausgelegt ist, dass sie ein Signal für das Einstellen der Gleichstromvorspannung und der Wechselspannung erzeugt, und die Impulsperiode der von dem die Impulsbreite festlegenden Mach-Zehnder-Interferometer (20A-20C, 163D₁ , 163D₂ ) erzeugten Impulse variieren kann, indem sie Werte der Gleichstromvorspannung und der Wechselspannung einstellt, wobei die Gleichstromvorspannung und die Wechselspannung so eingestellt werden, dass die maximale Ausgangsleistung des die Impulsbreite festlegenden Mach-Zehnder-Interferometers (20A-20C, 163D₁ , 163D₂ ) einen Wert aufweist, der weniger als 100% des Wertes beträgt, der bei seinem maximalen Transmissionsgrad ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Gleichstrom zwischen einem Wendepunkt und einem Minimum der Ausgangsleistung/Antriebsspannung-Kennlinie (20) liegt und die Wechselspannung eine sinusförmig variierende Spannung mit einer Frequenz umfasst, die gleich der Bitrate des optischen Signals ist, und eine Spitzenspannung, die gleich dem Betrag der Differenz zwischen der Gleichspannung und dem am nächsten gelegenen Halbwellenpunkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gleichstromvorspannung bei einem Halbwellenpunkt der Ausgangsleistung/Antriebsspannung-Kennlinie liegt und die Wechselspannung eine sinusförmig variierende Spannung mit einer Frequenz umfasst, die gleich der Hälfte der Bitrate des optischen Signals ist, und eine Spitzenspannung, die kleiner als Vpi ist.
Verfahren für das Modulieren eines optischen Signals und das Abstimmen der Impulsperiode des optischen Signals bei einem Mach-Zehnder-Interferometersystem mit einem Datenmodulator-Mach-Zehnder-Interferometer und einem die Impulsbreite festlegenden Mach-Zehnder-Interferometer zum Optimieren der Systemleistung als Funktion der Impulsperiode, das folgende Schritte umfasst: Erzeugen einer Gleichspannung, Erzeugen einer Wechselspannung und Vorspannen und Steuern der Schwingung des die Impulsbreite festlegenden Mach-Zehnder-Interferometers mit den jeweiligen Amplituden der Gleich- und der Wechselspannung, gekennzeichnet durch das Steuern der Gleich- und der Wechselspannung, um die Impulsperiode der von dem die Impulsbreite festlegenden Mach-Zehnder-Interferometer (20A-20C, 163D₁ , 163D₂ ) erzeugten Impulse so zu variieren, dass die maximale Ausgangsleistung des die Impulsbreite festlegenden Mach-Zehnder-Interferometers weniger als 100% des Wertes beträgt, der bei seinem maximalen Transmissionsgrad ermittelt wird, damit sich die Impulsperiode des optischen Signals so gestaltet, dass die Systemleistung eines optischen Netzwerkes, in das das optische Signal eingekoppelt wird, optimiert wird.