DE69005949T2

DE69005949T2 - Interferometrische Vorrichtungen zur Verminderung harmonischer Verzerrungen in Laser-Kommunikationssystemen.

Info

Publication number: DE69005949T2
Application number: DE69005949T
Authority: DE
Inventors: Ann Ingrid Lidgard; Nils Anders Olsson
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: EP0415645A1; JPH07114305B2; DE69005949D1; US5003546A; EP0415645B1; JPH03130723A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft optische Kommunikationssysteme und insbesondere optische Kommunikationssysteme, die modulierte Halbleiter- Injektions-Laser als optische Signalquellen verwenden.

Hintergrund der Erfindung

Ein optisches Kommunikationssystem mit analogen oder digitalen Signalen verwendet typischerweise einen Halbleiter-Injektions-Laser, dessen optisches Ausgangssignal durch Veränderung des in den Laser injizierten Stroms (Strominjektionsmodulation) gemäß einem Modulationssignal, das zu übertragende Information darstellt, moduliert ist. Das Ausgangssignal wird dann über eine Übertragungsleitung, typischerweise eine optische Faser, zu einem Empfänger übertragene wo das modulierende Signal erfaßt und die Information wieder hergestellt und verwendet wird. Beispielsweise ist ein derartiges System beim Kabelfernsehen, Satellitenkommunikation und Radarkommunikation verwendbar.
Um ein derartiges System ökonomisch zu verwenden werden viele verschiedene Signal gleichzeitig (gemultiplext) über die gleiche Übertragungsleitung unter Verwendung desselben Lasers übertragen. Zu diesem Zweck wird der Laser typischerweise durch eine Vielzahl von Unterträger- Frequenzen (Frequenzmultiplexen) moduliert, die selbst durch eine entsprechende Vielzahl von Signalen entweder amplituden- oder frequenz- moduliert (AM oder FM) sind. Jedoch gibt entweder die inhärente dispersive Nichtlinearität (falls vorhanden) der Antwort des Lasermaterials auf diese elektrischen Signale oder die inhärente Nichtlinearität der Antwort aufgrund der Nichtlinearität der Laserkavität oder beide Anlaß zu resultierender nichtvermeidbarer Gesamt-Nichtlinearität der Antwort des Lasers. Diese Gesamt-Nichtlinearität der Laserantwort auf elektrische Signale führt zur Erzeugung unerwünschter Harmonischer bzw. eines unerwünschten Klirranteils des Signals. Ferner gibt das Wellenlängenzwitschern (Wavelength Chirping) des modulierten Lasers, gekoppelt mit den nichtlinearen Übertragungseigenschaften eines beliebigen dispersiven Elements, das entlang der Übertragungsstrecke angeordnet ist, Anlaß zu Klirrverzerrung und somit zu unerwünschter Kreuzmodulation zwischen den verschiedenen frequenz-gemultiplexten Signalen, wobei jeweils unerwünschte Klirrverzerrung und unerwünschte Kreuzmodulationsverzerrung (Übersprechen) auftreten.
Beim Stand der Technik wurde, um die vorstehend erwähnten unerwünschten Verzerrungen zu minimieren von Fachleuten auf diesem Gebiet der Betriebs-Gleich-Vorstrom des Lasers derart gewählt, daß wenn die modulierenden Signale alle gleich null sind, der Laser in der Mitte seines linearsten Bereiches (Region) arbeitet -- d.h. in dem Bereich, in welchem die Intensität des optischen Ausgangssignals des Lasers eine nahezu lineare Funktion des an den Laser angelegten Stroms ist (Region maximaler Linearität). Zu diesem Zweck wurden verschiedene elektrische Rückkopplungsmethoden beschrieben, um sicherzustellen, daß der Laser mit einem Gleich-Vorstrom in diesem linearen Bereich so arbeitet, daß die Klirrverzerrung zweiter Ordnung minimiert ist. Dies bedeutet beispielsweise mittels eines Filters und einer Rückkopplung wird die zweite Harmonische in dem optischen Ausgangssignal des Lasers (in Ansprechen auf ein an den Laser angelegtes Prüfsignal) erfaßt und ein Korrektursignal für den Gleich- Vorstrom wird zum Einstellen des Gleich-Vorstroms zurückgekoppelt, um diese Klirrverzerrung zweiter Ordnung zu minimieren. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,101,847, das für A. Albanese am 18. Juli 1978 erteilt wurde mit dem Titel Laser Control Circuit" beschrieben. Obwohl ein derartiger Lösungsversuch für die Minimierung der in dem Laser erzeugten Klirrverzerrung zweiter Ordnung nützlich ist, minimiert dieser nicht unerwünschte höhere Harmonische und beseitigt nicht entlang der Übertragungsleitung erzeugte Klirrverzerrung.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Ausführungs formen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen gegeben.
In einem Halbleiter-Injektions-Laser der Wellenlängenzwitschern aufweist und als optische Quelle in einem optischen Kommunikationssystem verwendet wird, werden Klirrverzerrungen zweiter und dritter Ordnung gleichzeitig mittels zweiter und dritter Harmonischer minimiert, die durch eine optische interferrometrische Anordnung, ein Fabry-Perot Etalon, erzeugt werden, die in dem Pfad der optischen Ausgangssignale des Lasers angeordnet ist. Vorteilhafterweise hat dieses Etalon eine relativ niedrige Reflektivität, nämlich weniger als ungefähr 10 %. Auf diese Weise kompensieren Nichtlinearitäten des Etalons die Nichtlinearitäten des Lasers, sowohl die Nichtlinearitäten zweiter als auch dritter Ordnung. Die optischen Parameter der interferrometrischen Einrichtung sind (und falls nötig während des Betriebs geändert) im Zusammenhang mit der Auswahl eines Gleich-Vorstroms des Lasers so ausgewählt, daß gleichzeitig sowohl die Klirrverzerrung zweiter Ordnung als auch die Klirrverzerrung dritter Ordnung minimiert ist. Diese Interferrometer-Parameter umfassen die optische Phase φ und die Reflektivität r der Einrichtung. Im Falle einer Fabry-Perot-Etalon-Einrichtung ist beispielsweise die optische Phase proportional zu nd cos θ/λ, d.h. zu dem Produkt des Brechungsindex n, der Dicke d und dem Cosinus des Einfallswinkels, cos θ, geteilt durch die Vakuum-Wellenlänge λ des optischen Strahls. Somit kann für eine gegebene Wellenlänge λ die Phase + durch Verändern der Dicke d oder des Einfallswinkels θ oder des Brechungsindex n geändert werden. Die Reflektivität r ist der (optische Intensitäts- oder Leistungs-) Reflexionskoeffitient jeder Fläche eines Fabry-Perots.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung ist zusammen mit ihren Merkmalen und Vorteilen in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen besser zu verstehen, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Kommunikationssystems gemaß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung zeigt und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren optischen Kommunikationssystems gemäß einer anderen speziellen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Ein Hauptunterschied zwischen den Figuren 1 und 2 besteht in der Anordnung des Fabry-Perot-Etalons an dem sendenden gegenüber dem empfangenden Ende des Systems.
In den Figuren 1 und 2 im wesentlichen gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Detaillierte Beschreibung

Wie in Fig. 1 dargestellt, sendet in einem optischen Kommunikationssystem 100 ein Halbleiter-Injektions-Laser 10 einen modulierten optischen Strahl 11 aus, der typischerweise entsprechend analogen Amplituden- oder Frequenzmodulationssignalen durch bekannte gemultiplexte Signalkanalgruppen 40 moduliert ist. Der modulierte Strahl 11 tritt durch ein Fabry-Perot-Etalon 12, das unter einem Winkel θ relativ zum Strahl orientiert ist. Nach dem Durchtreten des Etalons tritt ein modulierter Strahl 13 aus und trifft auf einen Strahlteiler 14, wobei das meiste (typischerweise ungefähr 90 %) der Intensität des Lichtstrahls 13 als modulierter Lichtstrahl 15 austritt. Dieser modulierte Lichtstrahl 15 tritt in eine optische Faser 16 und durch diese zu einein optischen Detektor 17, der typischerweise ein Fotodiodendetekor ist. Das elektrische Ausgangssignal dieses Fotodiodendetektors wird als Eingangssignal einem Verstärker 18, typischerweise einem analogen Verstärker, eingespeist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wird einem Ausgangsanschluß 19 zugeführt, an welchem eine Benutzereinrichtung 20, d.h. Schaltungen und ähnliches zum Verwenden der in den Ausgangssignalen des Verstärkers 18 empfangenen Signale angeschlossen ist.
Der durch den Strahlteiler 14 verbleibende Lichtstrahl (typischerweise ungefähr 10 % der Intensität des Lichtstrahls 13) fällt auf einen anderen optischen Detektor 32, dessen Ausgangssignal einem weiteren Verstärker 33 eingespeist wird. Der Ausgangsanschluß dieses Verstärkers 33 ist mit einem Detektor zweiter Harmonischer 34 verbunden, der eine Gleich- Vorstrom-Quelle 35 steuert. In Folge führt die Gleich-Vorstrom-Quelle 35 einen Gleich-Vorstrom IB dem Laser 10 zu.
Die Parameter des Fabry-Perots 12 werden entweder durch empirische Versuche oder durch Berechnung, wie in dem nachstehenden Anhang gezeigt, oder durch eine derartige Berechnung zusammen mit (feinabgestimmten) Versuchen zum Minimieren von Klirrverzerrung zweiter und dritter Ordnung in Abwesenheit eines Signals vom harmonischen Detektor 34 ausgewählt.
Während des Laserbetriebs stellt eine beliebige harmonische Komponente zweiter Ordnung (in Bezug auf die durch die Kanalgruppen 40 zugeführten Modulationssignale), die durch den Detektor 34 erfaßt sein kann, Störungen aufgrund unkontrollierter Einflüsse in dem System dar, und deshalb wird der Gleich-Vorstrom dann mittels des Detektors 34 eingestellt, um diese zweiten Harmonischen gemäß den Prinzipien der negativen Rückkopplung oder durch visuelle oder andere empirische Versuchs- und Fehlerkorrektureinstellungen zu vermindern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie in Fig. 2 dargestellt, tritt in einem optischen Kommunikationssystem 200 der optische Strahl 11 vom Laser 10 in die Faser 16 und schreitet durch diese fort. Beim Austreten aus der Faser als optischer Strahl 15 fällt dieser auf ein Fabry- Perot-Etalon 52. Um zusätzlich einen variablen Neigungswinkel φ in Bezug auf den Strahl 51 zu haben, kann das Etalon 52 ebenfalls einen variablen Brechungsindex haben, einen variablen Abstand zwischen gegenüberliegenden Flächen oder einen variablen Neigungswinkel (Nicht-Parallelität) gegenüberliegender Flächen haben (um die Reflektivität zu verändern, falls benötigt) oder kann eine beliebige Kombination der variablen Parameter haben. Der Abstand und die Orientierung von Flächen kann beispielsweise durch Verwendung piezoelektrischen, zwischen den Etalonflächen angeordneten Materials gesteuert werden, das durch einen piezoelektrischen Steuermechanismus 51, der auf diesem Gebiet bekannt ist, gesteuert ist. Der aus dem Etalon 52 austretende optische Strahl 53 fällt auf den Detektor 17, der ein elektrisches Signal erzeugt, das durch den Verstärker 18 verstärkt wird. Während des Betriebs erfaßt ein Zweiter-Harmonischer-Detektor 62 Anteile zweiter Harmonischer (in Bezug auf die durch die Signalkanalgruppen 40 zugeführten Signale) in dem Ausgangssignal des Verstärkers 18 und er koppelt ein Signal zu dem piezoelektrischen Steuermechanismus 51 zurück, um die Phase φ des Etalons 52 zu ändern, um diese zweiten Harmonischen in dem Ausgangssignal gemäß den Prinzipien negativer Rückkopplung oder durch Versuche und Fehlerkorrektur zu senken. Gleichzeitig erfaßt, falls benötigt, ein Dritter-Harmonischer-Detektor 63 Anteile dritter Harmonischer in dem Ausgangssignal des Verstärkers 18 und koppelt ein Signal an den piezoelektrischen Steuermechanismus 51 zurück, um die Orientierung (Nicht- Parallelität) der gegenüberliegenden Etalonflächen zu ändern und somit die Finesse zu ändern, dieses durch die geänderte Reflektivität dieser Flächen, um diese Klirrverzerrung dritter Ordnung gemäß den Prinzipien negativer Rückkopplung oder durch Versuche und Fehlerkorrektur zu senken.
In einem typischen Beispiel (Fig 1) ist lediglich beispielhaft zur Erläuterung der Laser 10 ein p-n-Übergangs-Indium-Gallium-Arsen- Phosphid-Injektions-Laser mit verteilter Rückkopplung, der in einen kurzen Abschnitt einer Monomodefaser (nicht dargestellt) mittels eines optischen Isolators (nicht dargestellt) gekoppelt ist. Ein weiterer kurzer Abschnitt einer Faser (nicht dargestellt) wird verwendet, um den optischen Strahl in den Detektor 32 über einen optischen (nicht dargestellten) Isolator zu koppeln, um Etalonstöreffekte zwischen den Enden dieser beiden kurzen Fasern zu vermeiden. Die Wellenlänge des durch den Laser emittierten Lichtes ist ungefähr 1,3 Micrometer. Der Gleich-Vorstrom liegt zwischen 40 und 41 Milliampere. Der Laser hat ein Modulationszwitschern pro Einheit von ungefähr 325 Megahertz/Milliampere und ein Gleich-Zwitschern von ungefähr 1,7 Gigahertz/Milliampere. Der Modulationsstrom ist ungefähr 21 Milliampere Spitze-zu-Spitze bei einer Frequenz von ungefähr 225 Megahertz. Die Nichtlinearität des Antwortfaktors δ (siehe nachstehenden Anhang) beträgt ungefähr 0,003/Milliampere. Schließlich hat das Fabry-Perot-Etalon einen freien Spektralbereich (Free Spectral Range, FSR = c/2nd cos θ) von ungefähr 2,88 x 10¹&sup8; pro Sekunde (oder 1,16 x 10&supmin;¹&sup8; cm) und eine Reflektivität r von ungefähr 3 %. Die gemessene Verbesserung der Klirrverzerrung zweiter Ordnung betrug ungefähr 20 dB, während die Klirrverzerrung dritter Ordnung unter derjenigen der zweiten Ordnung blieb.

ANHANG

Die Ausgangsleistung (Intensität) P&sub0; eines modulierten Halbleiterlasers mit einer nichtlinearen Leistungs-Strom-Abhängigkeit kann beschrieben werden als
P&sub0;=k I (1-δ I) (1)
wobei k eine Konstante ist, I der Lasertreiberstrom (Vorstrom plus Signal) und δ die Nichtlinearität des Antwortfaktors ist. Falls der Laser bei einer Frequenz f amplituden-moduliert ist und falls dabei der Treiberstrom I aus einem Vorstrom Ib oberhalb des Schwellenwertes und einem Signalstrom mit einem Spitze-zu-Spitze-Wert Im zusammengesetzt ist, gilt:
Andererseits ist die Übertragungsfunktion F eines Fabry-Perot-Etalons mit niedriger Reflektivität ungefähr gegeben durch
wobei R die Welligkeit (=1-PMIN/PMAx) des Etalons ist.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Laserwellenlänge von der Temperatur und Ausgangsleistung abhängt und somit von dem Lasertreiberstrom, kann die Übertragungsfunktion F=P/P&sub0; eines Fabry-Perot- Etalons niedriger Reflektivität beschrieben werden als:
wobei βdc die Laserwellenlängenverschiebung pro Einheitsänderung des DC- bzw. Gleich-Vorstroms ist, β das mdulationsinduzierte Zwitschern pro Einheitsmodulationsstrom ist und φ&sub0; eine willkürliche Phase ist, die neben anderem von der optischen Dicke des Etalons abhängt. Unter Berücksichtigung, daß die nach dem Durchlaufen des Etalons austretende optische Leistung P gegeben ist durch P=P&sub0;F und Verknüpfen der Gleichungen (1), (2) und (4) wird der nachfolgende Ausdruck für die optische Leistung nach dem Durchlaufen des Etalons erhalten:
Gleichung (5) ist eine hoch-nichtlineare Funktion der Frequenz f, die Ahlaß zu den Klirrverzerrungen gibt. Eine Bessel-Funktionsentwicklung dieses Ausdrucks ergibt die nachfolgenden Ausdrücke für die fundamentale Komponente Sf, die harmonische Komponente S2f zweiter Ordnung bzw. die harmonische Komponente S3f dritter Ordnung:
mit
Die zweiten und dritten harmonischen Terme haben, wie vorstehend angegeben und wie durch Experiment bestätigt, eine natürliche Tendenz, in Bezug aufeinander in Gegenphase zu sein, wenn der Vorstrom Ib verändert wird. Dies bedeutet z.B., wenn die zweite harmonische Komponente S2f nahe einem Minimum ist (sin φ = 0) ist die Komponente S3f dritter Ordnung nahe einem Maximum (cos φ = 1). Durch umsichtige Auswahl der Parameter des Fabry-Perots ist es möglich, diese Tendenz zur Gegenphase aufzubrechen und somit sowohl Bestandteile der zweiten als auch der dritten harmonischen Komponenten gleichzeitig zu minimieren, dies bedeutet gleichzeitig S2f=S3f=0 zu machen.
Mathematisch können die erwünschten Parameter dadurch berechnet werden, daß angenommen wird, daß δ ungleich null ist und zunächst Gleichung 7 mit (S2f=0) für R als Funktion von φ, Im und Ib gelöst wird: R=R(φ,Im,I). Als nächstes wird ein vernünftiger Wert von Im ausgewählt, typischerweise weniger als ungefähr 0,95 multipliziert mit einem ungefähr erwarteten Wert von Ib, so daß R als Funktion von φ erhalten wird und Ib: R=R(Ib, φ). Als nächstes wird Gleichung 8 mit (S3f=0) für Ib als Funktion von φ gelöst, wobei festgehalten wird, daß R heraus fällt und dann wird diese Lösung für Ib in Ausdrücken von φ in die vorhergehende Gleichung R=R(Ib, φ) eingesetzt, um R als Funktion von φ zu erhalten, R=R(φ), dies bedeutet, die Fabry-Perot-Welligkeit als Funktion der Etalonphase zu erhalten. Die Welligkeit R ist mit der Reflektivität r verknüpft durch (1-R) = (1-r)²/(1+r²), Die sich für ein Etalon niedriger Reflektivität verkürzt auf R=4r, so daß in einem beliebigen Falle die Reflektivität r auf diese Weise für eine gegebene Etalonphase φ berechnet werden kann. Es ist festzuhalten, daß, da die Etalonphase gegeben ist durch φ = 4π nd cos φ/λ folgt, daß für eine gegebene Wellenlänge λ und Etalonphase φ das Produkt von n (Brechungsindex), d (Dicke) und cos φ somit so berechnet werden kann, daß gleichzeitig sowohl Klirrverzerrung zweiter als auch dritter Ordnung minimiert werden.
Falls δ = 0 -- d.h. ein idealer (linearer) Laser vorliegt-- ergibt das Setzen vonS52f = 0 in Gleichung 7 und S3f = 0 in Gleichung 8 zwei simultane Gleichungen für tan φ, die um konsistent zu sein erfordern:
Es ist festzuhalten, daß Gleichung 9 somit eine exakte Lösung für den Fall eines linearen Lasers mit Klirrverzerrung zweiter und dritter Ordnung im Ausgangssignal, die nach dem Durchtreten des Fabry-Perot-Etalons gleich null sind, darstellt.
Die Parameter der interferrometrischen Einrichtung in Form des Fabry-Perot-Etalons 52 können während des Betriebs so ausgewählt und so eingestellt werden, daß nicht nur die durch den Laser erzeugten Klirrverzerrungen zweiter oder dritter Ordnung oder beide minimiert werden, sondern daß auch diejenigen oder solche, die durch die Faser zusätzlich zu denjenigen oder solchen durch den Laser erzeugten, erzeugt werden, minimiert werden.

Claims

1. Optisches Übertragungssystem mit

a) einem Halbleiter-Injektions-Laser (10), der einen optischen Strahl aussendet, der mittels an den Laser angelegten Signale moduliert ist, wobei der Laser einen modulierten optischen Strahl (11) aus sendet,

(b) einer optischen interferrometrischen Einrichtung (12), die in dem Pfad des modulierten Strahl so angeordnet ist, daß die Klirrverzerrung in dem Strahl gesenkt wird, wobei die interferrometrische Einrichtung ein Fabry-Perot-Etalon mit gegenüberliegenden Flächen ist, die jede eine Reflektivität von weniger als ungefähr 10 % haben.

2. System nach Anspruch 1, in welchem die Phase der interferrometrischen Einrichtung so ausgewählt ist, daß gleichzeitig die Klirrverzerrungen zweiter und dritter Ordnung minimiert sind.

3. System nach Anspruch 2, ferner umfassend eine optische Faser, die zum Empfangen und Übertragen optischer, von dem Laser kommender Strahlung angeordnet ist.

4. System nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Einrichtung zum Erfassen von der Faser kommenden Lichts.

5. System nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Einrichtung zum Erfassen und Verwenden des von der Faser kommenden Lichtes.

6. System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine optische Faser, die zum Empfangen und Senden optischer, von dem Laser kommender Strahlung abgeordnet ist.

7. System nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Einrichtung zum Erfassen von von der Faser kommendem Licht.

8. System nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Einrichtung zum Erfassen und Verwenden des von der Faser kommenden Lichts.