DE69013662T2

DE69013662T2 - Schmalbandige Laserquelle.

Info

Publication number: DE69013662T2
Application number: DE69013662T
Authority: DE
Inventors: Walter Leon Glomb; Frederick John Leonberger
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-12-22
Also published as: EP0436202A1; SG59867G; EP0436202B1; DE69013662D1; JP3249540B2; US5077816A; JPH04261232A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine schmalbandige Laserquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich allgemein für in der Frequenz steuerbare optische Kommunikationssysteme eignet, insbesondere für solche optischen Kommunikationsvorrichtungen, die speziell für den Einsatz in solchen Systemen ausgelegt sind.

Technischer Hintergrund

Bekannt sind bereits verschiedene Ausgestaltungen von Kommunikationssystemen, darunter solche, die von dem Frequenzmultiplex (FDM) Gebrauch machen, welcher eine vielseitige Mehrkanalkapazität bereitstellt, weil unterschiedliche Typen von Information (digital, Sprache, analog-video, Radar) gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzbändern oder Kanälen übertragen werden können. Dennoch bieten Hochfrequenz- und Mikrowellenbänder lediglich beschränkte Bandbreite für solche Dienste. Darüber hinaus sind sichere Hochfrequenz- und Mikrowellen- Sendemedien schwierig aufzustellen und verbrauchen beträchtliche Mengen elektrischer Leistung. Für zahlreiche Netzwerke hoher Kapazität ist es daher wünschenswert, wenn nicht notwendig, den Informationsträger in höhere Frequenzen umzusetzen, speziell in den optischen Bereich.
Übertragung mittels Faseroptik bedeutet ein leichtgewichtiges, sicheres Medium, welches relativ leistungsarme Sender erfordert und eine Eigenimmunität gegenüber elektromechanischen Störungen entlang den Übertragungsstrecken aufweist. Faseroptik-Übertragungsmedien ermöglichen mehr als 20.000 GHz Bandbreite für Hochgeschwindigkeitsübertragungen aus AlGaAs- und InGaAsP-Halbleiter-Lasern. Solche Sender liefern derzeit eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 10 GHz. Dann könnte optisches Frequenz- oder Wellenlängenmultiplex (WDM) eingesetzt werden, um gleichzeitig unterschiedliche Signaltypen zu übertragen.
In optischen FDM-Netzwerken ist es notwendig, die Ausrichtung von Systemelementen im optischen Frequenzbereich zu gewährleisten. Laser in lokalen Oszillatoren müssen auf Laser-Sendefrequenzen abgestimmt werden und Sender müssen auf die Durchlaßbänder der optischen Filter abgestimmt werden. In Frequenzmultiplexsystemen erfordern die für solche Ausrichtungen zugrundezulegenden Toleranzen, daß bei jedem Sender und jedem Empfänger ein Bezugsstandard verfügbar ist. Vorteilhaft wäre es aus verschiedenen Gründen, als Laserlichtquellen in solchen Netzwerken Festkörperlaser einzusetzen. Allerdings haben derartige Laser den Nachteil, daß aufgrund unangemessener Steuerung ihrer Laserfrequenzabhängigkeit von dem angelegten elektrischen Strom als Ergebnis unvermeidbarer Fertigungstoleranzen sowie aufgrund ihrer beträchtlichen thermischen Drifterscheinungen sie so, wie sie sind, nicht als zuverlässiges Frequenznormal eingesetzt werden können. Andererseits besteht ein beträchtlicher Vorteil von Festkörperlasern darin, daß sich ihre Betriebsfrequenz in einfacher Weise dadurch abstimmen läßt, daß man den durch die Laserdiode fließenden Strom variiert. Dies bedeutet, daß die Laserfrequenz bei jedem gewünschten Wert dadurch stabilisiert werden kann, daß man den Laserdiodenstrom steuert.
Zur Steuerung des Diodenstroms ist es notwendig, zunächst die Frequenz des von dem Diodenlaser emittierten Lichts zu bestimmen, dann die Differenz zwischen dieser Ist-Lichtfrequenz und der gewünschten Frequenz zu bestimmen, und dann den Strom einzustellen, der dementsprechend durch die Laserdiode hindurchfließt. All dies muß auf einer kontinuierlichen oder häufig wiederholbaren Grundlage geschehen, um die momentane Laser-Emissionsfrequenz vor nicht akzeptierbaren Drifterscheinungen gegenüber der gewünschten Frequenz zu wahren. Man kann sehen, daß für diesen Steuervorgang zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse, d.h., um die Abstimmung des Lasers auf die gewünschte Frequenz zu erreichen, es wichtig ist, ein Frequenznormal oder -Bezugselement extern bezüglich der Laserdiode einzusetzen, die sich genau auf die gewünschte Frequenz abstimmen und auf dieser Frequenz halten läßt. Das Erfordernis der Genauigkeit eines solchen Frequenznormals wird dann zu einem beherrschenden Kriterium, wenn es erwünscht ist, ein optisches Kommunikationssystem hoher Dichte zur Verfügung zu stellen.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt, der ebenfalls kritische Bedeutung bei zunehmender Übertragungskanaldichte erlangt, ist die Fähigkeit des optischen Empfängers, auf die optische Trägerfrequenz des jeweiligen optischen Nachrichtenkanals abgestimmt zu werden und zu bleiben. Während die derzeit verfügbaren Frequenznormale, die im optischen Bereich arbeiten (Resonatoren, Kammfilter und dergleichen), akzeptierbares Leistungsvermögen für zahlreiche derzeitige Anwendungsfälle aufweisen, bei denen es nicht absolut notwendig ist, die momentane Frequenz des emittierten Laserlichts mit einem hohen Maß an Präzision festzulegen, so lassen sie dennoch viel zu wünschen übrig im Hinblick auf ihre Betriebsbandbreite, da sie nicht in solchen Telekommunikations- Anwendungsfällen einsetzbar sind, die eine enge Beabstandung benachbarter optischer Kanäle erfordern.
Genauer gesagt, sind derzeit verwendete WDM-Filter für den Filterbetrieb im optischen Bereich nicht selektiv genug für einen umfangreichen Einsatz im optischen Spektrum. Tatsächlich sind die herkömmlichen optischen Filter lediglich in der Lage, Kanäle bis hinunter zu einem Abstand von 600 GHz zu separieren, was die Modulationsbandbreite von Laser-Sendern bei weitem übersteigt. Als Folge davon stellen handelsübliche WDM-Systeme typischerweise lediglich 10 Kanäle oder noch weniger innerhalb des Übertragungsbandes des Senders zur Verfügung, so daß mithin der größte Teil des optischen Spektrums entweder vergeudet ist oder nicht vollständig ausgenutzt wird.
Ein früher angewendetes Verfahren, um dieses Problem zu vermeiden und optische FDM-Kommunikationssysteme mit einer höheren Dichte zu erhalten, bestand darin, den optischen Träger am Empfänger bis zur Zwischenfrequenz hinunter zu überlagern, also entweder in den Hochfrequenz- oder den Mikrowellenfrequenzbereich, um dann die überlegene Selektivität elektronischer Filter dazu zu benutzen, zwischen den verschiedenen Kanälen zu unterscheiden. Unter diesen Umständen können die optischen Übertragungskanäle dichter gepackt werden als beim Einsatz von optischer Filterung unter Verwendung der herkömmlichen optischen Filter im Empfänger. Allerdings macht diese Vorgehensweise einen komplexen Frequenzgleichlauf in dem Empfänger erforderlich und schafft Probleme bei der Signalerfassung, insbesondere dann, wenn zalreiche Träger vorhanden sind, wie es in einem Frequenzmultiplex-Netzwerk der Fall ist. Um z. B. zunächst die gewünschte Trägerfrequenz aufzufinden, muß ein Empfänger üblicherweise das gesamte Übertragungsband auf der Suche nach einem wiedererkennbaren Signal abtasten, und nur dann ist er in der Lage, die modulierte Information zu extrahieren, die auf die so lokalisierte Trägerfrequenz aufmoduliert ist.
Eine schmalbandige Laserquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der EP-A-88 104 289 offenbart. Diese bekannte schmalbandige Laserquelle erfordert zwei Detektoren in Form von zwei Photodioden. Die Ausgangssignale beider Photodioden werden zwei Eingängen eines Regelverstärkers zugeführt. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers dient zum Steuern der Laseremissionswellenlänge. Diese bekannte Laserquelle erfordert eine Laserdiode mit zwei Ausgangssignalen, ein vorderes und ein hinteres Ausgangssignal. Das hintere Signal liegt dort, wo die Demodulation durch die Photodioden und das Filtern und Steuern des Signals erfolgen. Die Vorderseite der Laserdiode ist dort, wo das Ausgangssignal geliefert wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist der Entwurf einer schmalbandigen Laserquelle des oben angegebenen Typs derart, daß sie einen relativ einfachen Aufbau aufweist, billig herzustellen ist, einfach zu verwenden ist und dennoch im Betrieb zuverlässig ist.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine schmalbandige Laserquelle, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist. Ein optisches Wellenleiter-Kommunikationssystem mit einer derartigen schmalbandigen Laserquelle ist im Anspruch 2 angegeben.
Die schmalbandige Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert nur einen Detektor zum Erfassen der Lichtmenge, die durch die Gitterzone hindurchgelangt, und zum Abgeben eines elektrischen Fehlersignals. Die bekannte schmalbandige Laserquelle hingegen erfordert zwei Detektoren und einen Regelvestärker.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines optischen Kommunikationssystems gemäß der Erfindung unter Verwendung mehrerer Bragg-Fasergitter als Frequenznormale für jeweilige optische Sender und Empfänger;
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Transmissionsgrades des Gitters, welches als Frequenznormal in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet wird, von der Frequenz;
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Bauteile einer Anordnung zur Frequenzeinrastung gemäß der vorliegenden Erfindung in Anwendung bei einem der Sender nach Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer abstimmbaren Anordnung des Bragg-Gitters, wie sie in der Anordnung nach Fig. 2 verwendet werden kann,
Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, jedoch von einer Anordnung, die mehrere Bragg-Fasergitter verschiedener Sperrbänder verwendet, und einer Schalteinrichtung zum Selektieren eines dieser Gitter; und
Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch einer modifizierten Anordnung des Empfangsteils des optischen Kommunikationssystems.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Nunmehr bezugnehmend auf die Figuren im einzelnen, und zuerst auf Fig. 1, sieht man, daß das Bezugszeichen 10 hier dazu benutzt wird, ein optisches Kommunikationssystem gemäß der Erfindung in seiner Gesamtheit zu bezeichnen. Das optische Kommunikationssystem 10 enthält mehrere Sender 11a bis 11n (wobei n eine beliebige natürliche Zahl des Zehnersystems ist) und mehrere Empfänger 12a bis 12m (wobei m irgendeine beliebige natürliche Zahl innerhalb des Dezimalsystems ist, jedoch nicht die gleiche sein muß wie n). Die Sender 11a und 11n sind mit den Empfängern 12a bis 12m über jeweilige individuelle optische Übertragungsstrecken 13a bis 13n, eine gemeinsame optische Übertragungsstrecke 14 und jeweilige individuelle optische Übertragungsstrecken 15a bis 15m verbunden. Wie weiter in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist, enthält jeder der Sender 11a bis 11n eine Laserdioden-Sendeschaltung 16a bis 16n und ein externes optisches Frequenzgitter 17a bis 17n, welches an die zugehörige Sendeschaltung 16a bis 16n in der im folgenden erläuterten Weise angeschlossen ist. In ähnlicher Weise enthält jeder der Empfänger 12a bis 12m einen Laserdioden-Empfangsoszillator 18a bis 18m und ein externes optisches Frequenzgitter 19a bis 19m und darüberhinaus einen koherenten optischen Empfänger 20a bis 20m, welcher Laserlicht nicht nur von der jeweils zugehörigen individuellen Empfangsstrecke 15a bis 15m empfängt, sondern außerdem auch von dem Ausgang der zugehörigen Empfangsoszillatorschaltung 18a bis 18m. Die Frequenznormale 17a bis 17n der Sender 11a bis 11m sind auf die jeweiligen Frequenzen fl bis fn abgestimmt, während die Frequenznormale 19a bis 19m der Empfänger 12a bis 12m als abstimmbar dargestellt sind (auf sämtliche oder ausgewählte Sendefrequenzen). Wenn die Sender 11a bis 11m einerseits und die Empfänger 12a bis 12m andererseits gemäß Darstellung an voneinander entfernten Stellen angeordnet sind, 50 ist zu überlegen, ob man eine Zweiwegverbindung ermöglicht, wobei die jeweiligen Sender 11a bis 11m den jeweiligen Empfängern 12a bis 12m zugeordnet oder gar mit ihnen kombiniert werden zu jeweiligen Sendeempfängern, in denen der Sende- und der Empfangsabschnitt möglichst viel von dem Aufbau gemeinsam benutzen. Im letztgenannten Fall kann das Frequenznormal des gemeinsam benutzten Sende- und Empfangsabschnitts des jeweiligen Sendeempfängers abstimmbar sein, oder jeder Sendeempfänger kann mehrere Frequenznormale enthalten, die jeweils auf eine andere optische Trägerfrequenz abgestimmt sind, wie im folgenden etwas detallierter ausgeführt werden wird. Offensichtlich verhält es sich so, daß, wenn das System 10 lediglich einen Sender, z. B. 11a, enthielte und ein oder mehrere Empfänger 12a bis 12m enthielte, dann sämtliche der verwendeten Frequenznormale 17a und 19a (bis 19m) abgestimmt werden könnten, um bei der gleichen Frequenz (fl) zu arbeiten, oder die Empfängerseitigen Frequenznormale 19a bis 19m fest bei verschiedenen Trägerfrequenzen arbeiteten, während das Sender-Frequenznormal 17a abstimmbar sein könnte, um individuell auf die einzelnen Empfänger 12a bis 12m abgestimmt zu werden.
Erfindungsgemäß sind die Frequenznormale 17a bis 17n und 19a bis 19m gebildet durch jeweilige optische Fasergitter, die in dem koherenten optischen Frequenzmultiplexnetzwerk oder -system 10 eingesetzt werden, um die Trägerfrequenzen zu definieren, auf die die jeweiligen Sender 11a bis 11n und Empfänger 12a bis 12m abgestimmt werden. Hier definieren die Fasergitter 17a bis 17n die Frequenzen der Sender 11a bis 11n innerhalb des Netzwerks 10, während die identischen Gitter 19a bis 19m in den Empfängern 12a bis 12m die Frequenzen der Empfangsoszillatoren definieren, welche die Trägerfrequenzen bestimmen, auf die die Empfänger 12a bis 12m abgestimmt werden. Der dem Frequenzmultiplex innewohnende Parallelismus gestattet ein blockierfreies Schaltnetzwerk. Dieses Konzept verwendet eine Kommunikationstopologie, die mit stark vernetzten, redundant verteilten Sternnetzwerken der in Fig. 1 gezeigten Art kompartibel ist.
In vorteilhafter Weise sind die für die Frequenznormale 17a bis 17n und 19a bis 19m verwendeten Gitter von dem Typ, der entwickelt wurde zum Erfassen von Spannungs- und/oder Temperaturänderungen in Strukturen, und die insofern vorteilhaft durch das Verfahren hergestellt werden können, wie es z. B. in dem eigenen US-Patent 4,807,950 beschrieben ist. Wie in diesem Patent diskutiert ist, von dem so viel durch ausdrückliche Bezugnhhme als hier inkorporiert angesehen wird, wie notwendig ist, um vollständig die Art und Weise zu verstehen, auf die derartige Gitter gefertigt werden, und wie sie arbeiten, lassen sich dauerhafte periodische Gitter dieser Art in den Kern einer optischen Faser ausbilden oder einprägen, indem man den Kern durch den Mantel hindurch dem Interferenzmuster zweier kompartibler Ultraviolett-Lichtstrahlen aussetzt, welche gegen die optische Faser unter zwei Winkeln relativ zu der Faserachse gerichtet werden, die einander zu 180º ergänzen. Dies führt zu der Situation, daß Material des Faserkerns permanente periodische Schwankungen in seinem Brechungsindex aufgeprägt bekommt durch die interferierenden Ultraviolett-Lichtstrahlen, wobei die individuellen Gitterelemente (d. h., die periodisch sich wiederholenden Zonen des Kerns mit dem gleichen Brechungsindex verhalten) senkrecht zur Faserachse orientiert sind, so daß sie ein Bragg-Gitter bilden, welches von dem in den Faserkern zur geführten Ausbreitung in Ausbreitungsrichtung innerhalb des Kerns eingegebenes Licht nur das Licht entlang der Faserachse entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung reflektiert, welches eine Wellenlänge innerhalb eines sehr schmalen Bereichs aufweist, während es praktisch durchlässig ist für Licht mit Wellenlängen außerhalb des vorerwähnten schmalen Bandes, so daß es die weitere Ausbreitung dieses übrigen Lichts nicht abträglich beeinflußt. Man kann sehen, daß dieser Typ von Gitter im Durchlässigkeitsspektrum eine Kerbe aufweist. Das Leistungsvermögen dieses Gitters ist in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt, woraus ersichtlich ist, daß eine Kerbe oder ein Sperrband in einem Durchlässigkeitsspektrum 21 durch das Gitter dieser Art mit einer sehr schmalen relativen Breite gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung nutzt die relativ geringe Breite der Kerbe 22 dazu aus, die Betriebs- oder Trägerfrequenz eines stromgesteuerten Lasers festzulegen, welcher in einem der Sender 11a bis 11n in der Weise verwendet wird, wie sie im folgenden für einen Emitter 11 erläutert wird, der im einzelnen in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellt ist. Während sich die folgende Diskussion auf den Einsatz eines Frequenznormalgitters 17 konzentriert, wie es in Verbindung mit einer Schaltung 16 in dem Sender 11 eingesetzt wird, so sollte deutlich sein, der Betrieb und das Zusammenwirken der Bauteile 18a bis 18m und 19a bis 19m der jeweiligen Empfänger 12a bis 12m ähnlich dem sind, was hier diskutiert wird, und daß lediglich die Unterschiede diskutiert werden müssen.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthält die Schaltung 16 einen Laser 23, dessen Lichtemissionsfrequenz innerhalb der Kerbe 22 nach Fig. 2 zu halten ist und durch diese festgelegt wird. Eine Vorstromquelle 24 generiert einen Strom mit einer solchen Stärke, daß die Lichtemissionsfrequenz des Lasers 23 zunächst in bekannter Weise in einem relativ schmalen Bereich der Kerbe 22 gebracht wird. Das von dem Laser 23 emittierte Licht läuft dann nicht nur in eine Übertragungsstrecke 13, sondern ferner auch über einen optischen Koppler 25 und eine weitere optische Strecke 26, z. B. eine optische Faser, zu dem Bragg-Gitter 17. Von dort aus gelangt das über das Gitter 17 durch eine optische Ausgangsstrecke 27 zu einem optischen Detektor 28. Während die Elemente 17, 26 und 27 oben als getrennt dargestellt und beschrieben sind, erkennt man, daß diese Elemente auch einstückig miteinander ausgebildet sein könnten, in anderen Worten, daß das Gitter 17 in eine optische Faser inkorporiert werden könnte, die sämtlich von dem Koppler 25 zu dem Detektor 28 laufen.
Der Detektor 28 setzt die in über das Gitter 17 erreichenden optischen Signale um in elektrische Signale, und diese elektrischen Signale werden dann über eine elektrische Leitung 29 dem einen Eingang eines Mischers 30 zugeführt. Die Schaltung 16 enthält außerdem einen Zitteroszillator 31, dessen Ausgang über eine elektrische Verbindungsleitung 32 an den anderen Eingang des Mischers 30 geführt ist, der in an sich bekannter Weise aufgebaut ist, um die ihm an seinen Eingängen zugeführten elektrischen Signale zu mischen. Das von dem Mischer 30 erzeugte Ausgangssignal wird über eine Verbindungsleitung 33, die ein Tiefpaßfilter 34 enthält, einem Addierpunkt 35 zugeführt, wo das am Ausgang des Tiefpaßfilters 34 erscheinende Signal mit dem Schwingungs-Ausgangssignal vom Empfangsoszillator 31 kombiniert und das Ergebnis einem weiteren Addierpunkt 36 zugeführt wird, wo das Signal mit dem durch die Vorstromquelle 24 gelieferten Vorstromsignal kombiniert wird.
Im Betrieb bewirkt das von dem Zitteroszillator 31 kommende Ausgangssignal, daß die Emissionsfrequenz des Lasers 23 sich innerhalb der Grenzen der schmalen Kerbe 22 um eine Mittenfrequenz herum bewegt, die zu Beginn durch den von der Vorstromquelle 24 erzeugten Strom festgelegt wird. Als Ergebnis ändert sich die Dämpfung des durch das Bragg-Gitter 17 zu dem Detektor 28 gelangenden Lichts (welches den Maximalwert erreicht, wenn die Laseremissionsfrequenz mit der Mittenfrequenz der Kerbe 22 zusammenfällt), wenn die momentane Laseremissionsfrequenz um die Mittenfrequenz des Gitters 17 herum oszilliert, und dementsprechend ändert sich das Ausgangssignal des Filters 34, so daß das den Addierpunkt 35 verlassende Kombinationssignal entsprechend einjustiert wird, d. h., in einem solchen Sinn eingestellt wird, daß die Laseremissionsfrequenz in Richtung Übereinstimmung mit der Mittenfrequenz des Bragg-Gitters 17 gebracht wird. Die der oben diskutierten elektronischen Schaltung zugrundeliegenden Prinzipien sowie die Prinzipien der Modulation der Information, die auf die Trägerfrequenz im Sender 11 aufzubringen ist, sind bekannt genug, so daß eine weitere Erläuterung des Aufbaus und der Arbeitsweise für nicht notwendig erachtet werden. In ähnlicher Weise erfolgt auch die Demodulation der Information von dem Träger in dem oder in den Empfängern 12a bis 12m, der bzw. die auf die jeweilige Trägerfrequenz abgestimmt sind, bekannten Prinzipien. In diesem Fall erfolgt die Extraktion von Daten oder Information in dem jeweiligen koherenten optischen Empfänger 20a bis 20m, die mit dem ankommenden optischen Signal geliefert wird, sowie in Verbindung mit dem Ausgangssignal der Empfangsoszillatorschaltung 18a bis 18m, die in einer bekannten Weise aufgebaut ist und betrieben wird, wie es oben erläutert ist, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß die Laserausgabe zu dem Netzwerk, welches in Fig. 3 durch das Bezugszeichen 13 angedeutet ist, angeschlossen ist an oder ersetzt ist durch eine entsprechende optische Strecke 37a bis 37m (siehe Fig. 1), die zu einem optischen Eingang des zugehörigen koherenten optischen Empfängers 20a bis 20m gehört. Die koherenten optischen Empfänger 20a bis 20m sind nach Aufbau und Arbeitsweise bekannt und müssen hier nicht näher abgehandelt werden.
Frequenzmultiplex ermöglicht eine große Anzahl von Kanälen auf sämtlichen Übertragungsstrecken in dem verteilten Sternsystem 10 nach Fig. 1, wodurch Extrakapazität für dynamische Neukonfiguration verfügbar ist. Basierend auf der 44 GHz betragenden Spektralbreite und der hohen Auslöschung, die in dem optischen Fasergitter des oben beschrieben Typs erreicht werden, könnte ein Kanalabstand von 4 GHz (0,01 nm Wellenlänge) unter Verwendung geeigneter Steuerelektronik aufrechterhalten werden. Da individuelle AlGaAs-Laserdioden typischerweise in einem Bereich von 60 GHz abstimmbar sind, lassen sich 15 Kanäle mit schnellem Zugriff unter Verwendung einer Direkt-Stromabstimmung einer einzelnen Laserdiode 23 erreichen. Mehrere Laser 23 könnten ausgewählt werden, um unterschiedliche benachbarte Frequenzbereiche des verfügbaren 10-nm-Bandes abzudecken, so daß die Gesamt-Systemkapazität dann bis zu 1000 Kanälen betragen würde.
Das Gitter 17 könnte dazu dienen, die einzelne Laserdiode 23 innerhalb ihrer Abstimmbandbreite auf verschiedene Weise abzustimmen, wobei eine Möglichkeit in Fig. 4 der Zeichnung vereinfacht dargestellt ist. Wie dort gezeigt ist, ist das Gitter 17 als abstimmbares Gitter insofern aufgebaut, als es aus einem Gitterabschnitt 38 und einem Wandler 39 besteht, beispielsweise elektromechanischer Bauart, welcher auf dem Gitterabschnitt 38 Längsspannungen aufbringt. Derartige Längsspannungen führen zu Längsdehnungen in dem Gitterabschnitt 38 und zu einer damit einhergehenden Änderung der Gitter-Periodizität und einer damit übereinstimmenden Verschiebung der Frequenz des Sperrbandes.
Eine andere Möglichkeit, den Laser 23 abzustimmen, ist in Fig. 5 der Zeichnungen dargestellt, wo mehrere fixe Gitter 17'a bis 17'o gezeigt sind, von denen jedes eine andere Periodizität und folglich sein Sperrband bei einer anderen Frequenz aufweist, und jedes in einen getrennten Zweig 26'a bis 26'o und 27'a bis 27'o eingefügt ist, die zu separaten Lichtdetektoren 28'a bis 28'o führen. Die elektrischen Signale von den Detektoren 28'a bis 28'o werden dann einer Schalteranordnung 20 zugeleitet, die diese elektrischen Signale selektiv der elektrischen Verbindungsleitung 29 zuführt (welche zu dem Mischer 30 führt), abhängig davon, auf welche Trägerfrequenz der Laser 23 abzustimmen ist.
Fig. 6 der Zeichnungen zeigt eine alternative Möglichkeit für die Ausgestaltung der Empfänger, die durch Bezugszeichen 12'a bis 12'm hier angedeutet sind. Die Empfänger 12'a bis 12'm sind entlang einer gemeinsamen optischen Übertragungsstrecke angeordnet, beispielsweise einer optischen Faser oder einem optischen Bus, der individuelle Gitter 19'a bis 19'm des oben diskutierten Typs beinhaltet. Diese Gitter 19'a bis 19'm sind entlang der optischen Strecke 41 mit Abstand angeordnet, und jedes von ihnen besitzt eine andere Frequenz ihres Sperrbandes, so daß Licht nur in diesem Sperrband in Richtung auf den zugehörigen Empfänger 12'a bis 12'm reflektiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen passiven linearen Frequenzmultiplex-Datenbus aufzubauen, in welchem Fasergitter dazu dienen, frequenzselektive Anzapfpunkte zu bilden. Identische Gitter legen dann die Frequenzen eines abstimmbaren Senders fest, der die Anzapfpunkte durch Abstimmung auf die geeignete Frequenz adressieren kann.
Die optische Leistungsverfügbarkeit in Netzwerktypen der oben beschriebenen Art wird dominiert von den Leistungsaufteilungsverlusten und begrenzt die Anzahl von Anschlüssen an dem Netzwerk. Dem Stand der Technik entsprechende Einzelmode-Laserdioden, die für den Einsatz in solchen Netzwerken in Betracht kommen, liefern derzeit eine optische Ausgangsleistung von bis zu 100 mW. Bei einem Quellen-Ankoppelverlust von 10 dB zur Erzielung von 10 dBm im Netzwerk, bei einer Überlagerungsempfängerempfindlichkeit von -47 dBm bei 1 Gbs und -10 dB überschüssigen Systemverlusten würde das Leistungsaufkommen des Systems für die Leistungsunterteilung 47 dB betragen. Eine Leistungsverteilung über 1000 Kanäle würde als 30 dB-Verlust pro Kanal in Erscheinung treten, was einen Restwert von 17 dB übrig läßt.
In den Netzwerken der oben beschriebenen Art könnte eine Vielzahl von Signalmodulationsverfahren eingesetzt werden. Verfügbare Optionen beinhalten die Analog-Frequenzmodulation, die digitale Frequenzumtastung und Streuspektrum. Amplituden- und Phasenmodulation sind derzeit nicht praktikabel, weil die Amplitudenmodulation ein übermäßiges Zirpen in der Laserfrequenz verursachen würde und die kommerziellen Laser, wie sie oben diskutiert wurden, ein exzessives Phasenrauschen aufweisen. Ein Feld von schaltbaren Gittern für die Laserfrequenzsteuerung eröffnet die Möglichkeit von Streuspektrum- Codiermethoden im optischen Bereich, um eine sichere Nachrichtenübertragung zu erreichen. Das obige System ist ebenfalls in der Lage, gleichzeitige Übertragung digitaler FSK, analoger FM, Video- und digitaler Streuspektrum-Information zu erreichen.
Zusammengefaßt laßt sich erkennen, daß unter Verwendung koherenter optischer Empfänger, von Frequenzmodulation mittels Halbleiterlaserdioden und schmalbandigen Brechungsindex-Gitterfiltern in optischen Phasen die Möglichkeit besteht, eine Kanalbeabstandung für optischen Frequenzmultiplex bis hinunter zu 4 GHz zu erreichen. Derzeitige und zukünftige Telekommunikationsnetzwerke erfordern Mehrkanal-Übertragungsfähigkeit hoher Kapazität in sicheren, einfach einzurichtenden Übertragungsmedien. Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren, welches dem obigen Bedarf gerecht wird, indem ein dichtes optisches FDM-System unter Verwendung eines optischen Fasergitterfilters realisiert wird, um extrem dichte optische Kanalabstände (4-6 GHz) zu ermöglichen.
Der Einsatz eingebetteter Fasergitter als Frequenznormale stellt ein verbessertes Verfahren beim Ausrichten der Frequenzen von Lasern und Filtern in Frequenzmultiplexsystemen dar. Diese Gitter besitzen zahlreiche Vorteile. Zum einen können sie gemäß präzisen Spezifikationen reproduziert werden. Aus diesem Grund lassen sie sich überall in einem Netzwerk als Normale verwenden. Die Frequenz des Fasergitterfiiters läßt sich bei der Fertigung mit einer Genauigkeit von 1 GHz steuern, wohingegen die Frequenz von Laserdioden bei der Fertigung nicht besser als mit 300 GHz steuern läßt, ohne nicht akzeptierbar geringe Ausbeuten in Kauf nehmen zu müssen. Damit kann ein koherenter optischer Empfänger unter Verwendung eines Fasergitters als Frequenzbezug oder -normal in dem Empfangsoszillator eine direkte Abstimmung auf eine optische Frequenz innerhalb von 1 GHz vornehmen, ohne daß ein komplexer und zeitraubender Such- und Erfassungsalgorithmus erforderlich ist. Im Gegensatz zu Gasabsorptionszellen kann die Frequenz des Gitters irgendwo im Emissionsband des Halbieiterlasers liegen. Im Gegensatz zu anderen optischen Filtertypen liefern die Fasergitter die schmale Filterkenninie, die für dichte Frequenzmultiplexnetzwerke erforderlich ist.
Stabile, schmalbandige optische Filter des oben erläuterten Typs unter Verwendung eingebetteter Index-Gitter in optischen Fasern ermöglichen einen dichten Trägerabstand im optischen Bereich und vermeiden das Erfordernis eines komplexen elektronischen Frequenzgleichlaufs. Diese Gitter werden in dem Faserkern unter Verwendung zerstörungsfreier Methoden ausgebildet (d. h., ohne Faserschieifen/Mantel-Beseitigung). Die Stabilität dieser Gitter als Frequenznormal ist vergleichbar mit deijenigen von Hochfrequenzoszillatoren und liegt um eine Größenordnung besser als diejenige von Halbleiterlaserdioden. Die nicht-kompensierte Temperaturdritt dieser Gitter beträgt lediglich 7 ppm/ºC im Vergleich zu 5 ppm/ºC für UHF-Oszillatoren und 80 ppm/ºC für Laser- Sender. Diese Stabilität gestattet einen Kanalabstand im optischen Bereich, der demjenigen bei der direkten Modulations-Bandbreite von Halbleiter-Laserdioden gleicht und ermöglicht somit eine maximale Ausnutzung der Übertragungsbandbreite optischer Fasern. Deshalb lassen sich derartige schmalbandige Filter als Grundlage für ein dichtes optisches FDM-System verwenden, wobei die optischen Träger im Gegensatz zu der herkömmlichen Trennung von > 600 GHz um 4-6 GHz getrennt sind.

Claims

1. Schmalbandige Laserquelle zur Verwendung in einem optischen Wellenleiter-Kommunikationssystem, welches mindestens einen optischen Sender (11a...11n), mindestens einen optischen Empfänger (12a...12m) und mindestens eine optische Übertragungsstrecke (13a...13n, 14, 15a...15m) aufweist, welche den optischen Sender (11a...11n) mit dem optischen Empfänger (12a...12m) verbindet, wobei der Empfänger (12a...12m) und/oder Sender (11a...11n) die Laserquelle enthält, wobei die Laserquelle aufweist:

einen optischen Wellenleiterabschnitt (26, 27) mit einer Gitterzone (17), mit mehreren Bragg-Gitterelementen zur wesentlichen Verringerung des sie durehsetzenden Lichts, wenn die Frequenz dieses Lichts in einem vorbestimmten engen Bereich um eine vorbestimmte Mittenfrequenz herum, und diese enthaltend, liegt, bis zu einem Ausmaß, das im Verhältnis steht zu der Abweichung einer solchen Frequenz von der genannten Mittenfrequenz,

einen Laser (23) zum Ausgeben von Licht bei irgendeiner Frequenz innerhalb eines Frequenzbandes, weiches den engen Bereich enthält, abhängig von der Menge ihm zugeführter elektrischer Energie,

eine elektrische Anregungseinrichtung (24), die den Laser (23) veranlaßt, bei einer Frequenz innerhalb des engen Bereichs zu arbeiten,

eine Einrichtung (25) zum Liefern eines Teils des von dem Laser (23) abgegebenen Lichts in den optischen Wellenleiterabschnitt (26, 27), damit es sich in dessen Lingsabschnitt in Richtung auf die Gitterzone (17) ausbreitet,

eine Einrichtung (28) zum Erfassen der Lichtmenge, die durch den Gitterabschnitt (17) hindurch gelangt, und eine Einrichtung zum Ausgeben eines elektrischen Fehlersignals, welches kennzeichnend ist für das Ausmaß und die Richtung der Abweichung der Frequenz dieses Lichts von der Mittenfrequenz, und

eine Einrichtung (31-36) zum Steuern der elektrischen Anregungseinrichtung (24) im Sinne einer Änderung der Menge elektrische Energie, die dem Laser (23) zugeführt wird, im Verhhltnis zu dem Betrag des elektrischen Fehlersignals,

dadurch gekennzeichnet, daß

der optische Wellenleiterabschnitt aus einem optischen Faserabschnitt (26, 27) besteht, der einen auf einer Längsachse zentrierten Kern und einen den Kern umgebenden Mantel aufweist, daß die Gitterzone (17) in den Kern eingebettet ist, und daß die mehreren Bragg-Gitterelemente sich mit einem etwa gleichen Längsabstand etwa senkrecht zu der Längsachse für den Kern erstrecken, und

daß die Detektoreinrichtung und die Ausgabeeinrichtung aus einem einzelnen Detektor (28) bestehen, der mit dem Ausgang der Gitterzone (17) gekoppelt ist.

2. Optisches Wellenleiterkommunikationssystem, umfassend

mindestens einen optischen Sender (11a...11n);

mindestens einen optischen Empfänger (12a...12m); und

mindestens eine optische Übertragungsstrecke (13a...13n, 15, 15a...15m), welche den optischen Sender (11a...11n) mit dem optischen Empfänger (12a...12m) verbindet;

wobei der Sender (11a...11n) und/oder der Empfänger (12a...12m) eine schmalbandige Laserquelle nach Anspruch 1 enthält.