DE69121721T2

DE69121721T2 - Bidirektionales übertragungssystem mit identischen Laserbauelementen

Info

Publication number: DE69121721T2
Application number: DE69121721T
Authority: DE
Inventors: Rene Auffret; Louis Berthou; Mouhammad Chawki
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: US5317580A; WO1992022965A1; DE69121721D1; EP0542754A1; JPH05508757A; FR2662883B1; EP0542754B1; FR2662883A1

Description

Die Erfindung betrifft ein bidirektionales Übertragungssystem mit identischen Laserkomponenten.
Die Erfindung findet Anwendung insbesondere im Wellenlängen- Multiplexbetrieb (oder WDM als Abkürzung für "Wave-Division Multiplexing"). Diese Methode verwendet als Demultiplexer schmale optische Filter.
Die optische Kommunikation hat einen deutlichen Aufschwung erfahren, insbesondere mit dem Aufkommen von Halbleiterlasern, bei denen es sich um leicht zu modulierende Lichtquellen handelt (Amplituden- oder Frequenzmodulation).
Ein System zur optischen Übertragung beinhaltet folglich grundsätzlich einen modulierten Halbleiterlaser, eine Übertragungsleitung (zum Beispiel eine Lichtleitfaser) und einen Photoempfänger, der in der Lage ist, das über die Leitung gesendete optische Signal zu demodulieren.
In jüngerer Zeit sind Photoempfänger entwickelt worden, die insbesondere für dieses Gebiet ausgebildet sind. Es handelt sich um Laserstrukturen, die denjenigen analog gestaltet sind, die dazu dienen, die Emitter-Laser zu bilden, die allerdings unter besonderen Bedingungen arbeiten, insbesondere unterhalb der Laserschwelle.
Eine Beschreibung dieser speziellen Photoempfänger läßt sich finden in:
- der Artikel von S. KOBAYASHI et al. mit dem Titel "Automatic Frequency Control in a Semiconductor Laser and an Optical Amplifier", veröffentlicht in der Zeitschrift "Journal of Lightwave Technology, Vol LT-1, Nr. 2, Juni 1983, Seiten 394-401,
- französische Patenranmekdung FR-A-2 635 423 mit dem Titel "Proceédé et dispositif de filtrage optique et de photodetection de signaux optiques moduleés en intensité",
- der Artikel von K. MAGARI et al. mit dem Titel "Optical Signal Selection with a Constant Gain and a Gain Bandwith by a Multielectrode DFB Laser Amplifier", veröffentlicht in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", 1987, 51, Seiten 1974-1976,
- der Artikel von T.L. KOCH et al. mit dem Titel "Tunable Multiple- Quantum-Well Distributed-Bragg Reflector Lasers as Tunable Narrowband Receivers", veröffentlicht in der Zeitschrift "Electronics Letters", 6. Juli 1989, Band 25, Nr. 14, Seiten 890-892.
Insbesondere in der vorletzten Druckschrift ist ein optisches Filter beschrieben, welches auf 20,6 GHz bei einer Bandbreite von 2,9 GHz abstimmbar ist. Dieses Filter wird gebildet durch eine Halbleiterstruktur mit verteilter Rückkopplung (oder DFB als Abkürzung für "Distributed Feed-Back"), gerade unterhalb der Schwelle vorgespannt
In der letztgenannten Druckschrift ist ein abstimmbarer Resonanz- Verstärkungsphotoempfänger beschrieben (abgekürzt TRAP für "Tunable Resonant Amplifying Photodetector"), gebildet durch eine Laserstruktur vom Typ mit verteiltem Bragg-Reflektor (DBR als Abkürzung für "Distributed-Bragg-Reflector") vom Mehrfach-Quantenloch-Typ (abgekürzt MQW für "Multiple-Quantum-Well"). Da diese Struktur oberhalb der Schwelle arbeitet, besitzt sie einen abstimmbaren Emitter, und weil sie unter die Schwelle vorgespannt ist, kann sie ein optisches Signal empfangen und demodulieren. Auf diese Weise konnte man eine Strecke für 250 Mbit/s mit zwei identischen Bauteilen realisieren, das eine Bauteil stromaufwärts gelegen und als Sender arbeitend, das andere stromabwärts gelegen und als Empfänger arbeitend.
Wenn die mit solchen Bauteilen gebauten optischen Verbindungen von Vorteil sind, indem sie lediglich einen einzigen Typ von richtiger Halbleiterstruktur sowohl für den Sende- als auch den Empfangsbetrieb erfordern, so leiden sie dennoch an einer Unzulänglichkeit, nämlich an ihrer Unidirektionalität (das heißt, sie arbeiten nur in einer Richtung).
Man kennt jedoch, und zwar aus der EP-A-0 330 190, bidirektionale optische Übertragungssysteme mit zwei identischen Sendeempfängem, die abwechselnd im Empfangs- und Sendebetrieb arbeiten.
Die vorliegende Erfindung perfektioniert diese Art von System dadurch, daß eine spezielle Struktur für jede der beiden Anlagenteile geschaffen wird, die insbesondere einen Wellenlängen-Multiplexbetrieb gestattet.
Zu diesem Zweck enthält jede der Anordnungen:
- einen Halbleiter-Laserautbau mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die Seite an Seite angeordnet sind,
- ein erstes Polarisations-T-Glied mit einem ersten Zweig, der von einer ersten Stromquelle gespeist wird, deren Stärke unterhalb der Laserschwelle liegt, und mit einem zweiten Zweig, der einen Signalausgang bildet, wobei dieses erstes T-Glied an die erste Elektrode der Laseranordnung angeschlossen ist,
- ein zweites Polarisations-T-Glied mit einem zweiten Zweig, der von einer zweiten Stromquelle gespeist wird, und mit einem zweiten Zweig, der von einem Umschaltstrom und einem Modulationsstrom gespeist wird, wobei die mittlere Gesamtstromstärke oberhalb der Laserschwelle liegt und dieses zweite T-Glied an die zweite Elektrode der Laseranordnung angeschlossen ist,
- Umschaltmittel zum abwechselnden Anlegen des Umschaltstroms an das zweite Polarisations-T-Glied der einen der Anordnungen, dann an das zweite T-Glied der anderen Anordnung, so daß jede Halbleiterstruktur abwechselnd als Sender (bei Ausstrahlung eines von dem an das zweite T-Glied angelegten Modulationsstrom modulierten Laserstrahl) und als Empfänger (mit Lieferung eines demodulierten Signals auf dem zweiten Zweig des ersten T-Glieds) arbeitet, wobei die Übertragung folglich abwechselnd in die eine oder die andere Richtung mithin bidirektional erfolgt.
Vorzugsweise ist die verwendete Halbleiterstruktur vom Typ mit verteilter Rückkopplung (DFB).
Die eingesetzte Modulation ist entweder eine Amplitudenmodulation oder eine Frequenzmodulation.
Die Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser im Licht der nachfolgenden Beschreibung. Diese Beschreibung bezieht sich auf Ausführungsbeispiele, die lediglich erläuternd, nicht jedoch beschränkend zu verstehen sind, und sie bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen bidirektionalen Systems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der beiden Funktionsphasen;
Fig. 3 verschiedene Signalverläufe, die an verschiedenen Eingängen und Ausgängen des Systems erscheinen;
Fig. 4 ein Modulationssignal sowie ein Empfangssignal.
Das in Fig. 1 dargestellte System beinhaltet eine optische Übertragungsleitung LT, gebildet beispielsweise durch eine Einzelmoden-Lichtleitfaser, und zwei identischen Anordnungen A und B an den beiden Endpunkten der Leitung LT.
Jede dieser Anordnungen enhält zunächst eine Laser-Halbleiterstruktur L, ausgestattet mit einer ersten Elektrode 1 und einer zweiten Elektrode 2, die Seite an Seite liegen. Jede Anordnung enthält außerdem zwei Vorspann-T- Glieder:
- ein erstes T-Glied enthält einen ersten Zweig, gebildet durch eine Induktivität L1, die von einer ersten Stromquelle G1 mit einer Stromstärke I1 unterhalb der Laserschwelle gespeist wird, und einen zweiten Zweig, gebildet durch einen Widerstand R1 und einem Kondensator C1, wobei dieser zweite Zweig einen Signalausgang (S (A) für die Anordnung A und S (B) für die Anordnung B) bildet; dieses erste T-Glied ist an die erste Elektrode 1 der Laserstruktur angeschlossen;
- ein zweites T-Glied mit einem ersten Zweig, gebildet aus einer Induktivität L2, die von einer zweiten Stromquelle G2 gespeist wird, und einem zweiten Zweig, der gebildet wird durch einen Widerstand R2 und einem Kondensator C2, wobei dieser zweite Zweig einen Umschaltstrom Icom und einen Modulationsstrom Imod empfängt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Umschaltstrom über einen Umschalteingang (C (A) und C (B)) angelegt, der Modulationsstrom wird über einen Modulationseingang (M (A) bzw. M (B)) angelegt. Diese zwei Ströme werden von einem Addierer addiert. Der mittlere Wert I2 der Gesamtstromstärke liegt oberhalb der Laserschwelle (wenn der Laser als Sender arbeitet). Dieses zweite T-Glied ist mit der zweiten Elektrode der Laserstruktur verbunden.
Der Umschaltstrom Icom wird abwechselnd an das eine der zweiten Polansations-T-Glieder und dann an das andere angelegt, und zwar über die Umschalteingänge C (A), C (B), die an die zweiten Zweige der entsprechenden T-Glieder angeschlossen sind. Jede Halbleiterstruktur arbeitet folglich abwechselnd als Sender (bei Emission eines Laserstrahls, der von dem Modulationsstrom moduliert ist, welcher über den Eingang M (A) bzw. M (B) angelegt wird) und als Empfänger (mit Abgabe eines demodulierten Signals am Ausgang S (A) bzw. S (B), die an den zweiten Zweig des ersten T- Glieds angeschlossen sind).
Die Informationsübertragung erfolgt mithin abwechselnd erst in die eine und dann in die andere Richtung, also bidirektional.
Diese Arbeitsweise, die also abwechselnd abläuft, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, wo folgende zwei abwechselnden Phasen zu sehen sind.

a) Senden von A nach B (Teil a):

Die Anordnung A empfängt an ihrem Modulationseingang M (A) einen Strom Imod, der mit der zu sendenden Information moduliert ist, und diese Anordnung empfängt außerdem einen Umschaltstrom Icom an ihrem Eingang C (A). Folglich arbeitet sie als Sender. Die Anordnung B ihrerseits arbeitet als Empfänger und liefert an ihrem Ausgang S (B) einen Strom Idemod, der die Information wiedergibt.

b) Senden von B nach A (Teil b):

Es ist die Anordnung B, die an ihrem Modulationseingang M (B) einen mit der zu sendenden Information modulierten Strom Imod und einen Umschaltstrom Icom an ihrem Eingang C (B) empfängt. Die Anordnung arbeitet folglich als Sender. Die Anordnung A verhält sich ihrerseits als Empfänger und liefert an ihrem Ausgang 5 (A) einen Strom Idemod, der die Information wiedergibt.
In Fig. 3 erkennt man das Verhalten der Signale, die an dem Umschalteingang C (A) (obere Linie), am Modulationseingang M (A), dem Ausgang S (A) der Anordnung A, dem Umschalteingang C (B), dem Modulationseingang M (B) und schließlich dem Ausgang S (B) der Anordnung B (unterste Linie) auftreten. Fig. 3 zeigt diese Signale abwechselnd für eine Übertragung, die von A nach B, dann von B nach A, dann wieder von A nach B etc. stattfindet.
Der an die Elektrode 2 während der Sendephase angelegte Strom ist die Summe des Umschaltstroms Icom und des Modulationsstroms Imod, wobei der Mittelwert dieser Summe oberhalb der Laserschwelle liegt.
Bei den dargestellten Beispielen wird unterstellt, daß der Modulationsstrom Imod von Rechteckimpulsen veränderlicher Dauer binär moduliert ist.
Um die mit dem erfindungsgemäßen System erreichte Leistung zu veranschaulichen, sei darauf hingewiesen, daß die Anmelder als Laser eine Galnasp-Struktur auf InP mit einer Laseremission bei 1,515 µm verwendet haben. Die Struktur war vom Typ mit verteilter Rückkopplung (DFB) und vergrabenem Steg (BRS für "Buried Ridge Structure").
Derartige Strukturen lassen sich realisieren mit Hilfe von MOCVD (für Metalo-Organic Chemical Vapor Deposition) entsprechend einer Methode, die in dem Artikel mit dem Titel "Ultra-Low Threshold, High-Band with Very Low Noise Operation of 1,52 µm GaInAsP/InP DFB BRS Laser Diodes Entirely Grown by MOCVD", veröffentlicht von M. KRAKOWSKI et al. in der Zeitschrift "IEEE Journal of Quantum Electronics", 1989, 25, Seiten 1346-1352, beschrieben ist.
Die Elektroden der Struktur hatten eine Länge von jeweils 200 und 300 µm.
Im Empfangsbetrieb arbeitet die Laserstruktur gerade unterhalb der Schwelle, das heißt im Bereich von 10 mA. Die als optisches Filter betrachtete Halbleiterstruktur besitzt eine Bandbreite in mittlerer Höhe (FWHM für "Full Width Half Maximum") in der Größenordnung von 5 GHz. Das Durchlaßband vergrößert sich folglich, wenn man die injizierte optische Leistung steigert, und sie besitzt eine Asymmetrie mit rapidem Abfall in Richtung hoher Frequenzen und einer Verschiebung in Richtung Rot. Das Ansprechverhalten des Frequenzdemodulator-Lasers ist über 1 GHz gleichmäßig und verringert sich bei 1,5 GHz um 3 dB.
Als Sender arbeitet die Struktur oberhalb der Schwelle mit Strömen von mehr als 50 mA. Der Modulationsstrom hat einen Spitze-Spitze-Wert von 4 mA und führt zu einem Frequenzhub von etwa 2 GHz.
Fig. 4 zeigt eine Sinuswelle (obere Linie) entsprechend einem Modulationsstrom von 1 GHz, der an den Sender angelegt wird, außerdem (untere Linie) den am Ausgang des Empfängers gelieferten Strom. Dieses Diagramm erhält man auch bei umgekehrter Richtung.
Um eine Wellenlängen-Abstimmung der Strukturen zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Ströme des Empfängers und die Ströme des Senders zu justieren. Um außerdem in Hinlaufrichtung eine gleiche Wellenlänge von 1,5184 µm beim Senden und beim Empfangen zu erhalten, haben die Anmelder an die als Sender arbeitende Struktur Ströme I1 = 5 mA, I2 = 48 mA angelegt, um gleichzeitig an die als Empfänger arbeitende Struktur Ströme I1 = 10, 3 mA und I2 = 58 mA anzulegen.
In Rücklauflichtung haben sie für einen Betrieb bei 1,5201 µm an den Sende-Laser einen Strom I1 von 22,6 mA und einen Strom I2 von 58 mA und an den Empfangs-Laser einen Strom I1 von 5 mA und einen Strom von 22 mA angelegt.
Natürlich kann das soeben beschriebene System auch im Wellenlängen- Multiplexbetrieb mit mehreren geregelten Sendern bei mehreren Wellenlängen und mehreren geregelten Empfängern zum Filtern entsprechender Wellenlängen arbeiten.

Claims

1. Bidirektionales Übertragungssystem, umfassen:

- eine optische Übertragungsleitung (LT),

- zwei identische Sende-Empfanger-Anordnungen (A, B), die an den Leitungsenden angeordnet sind und alternativ im Empfang- und im Sendebetrieb arbeiten,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anordnungen aufweisen: einen Halbleiter-Laseraufbau (L) mit einer ersten (1) und einer zweiten (2) Elelttrode, die Seite an Seite angeordnet sind,

ein erstes Polarisations-T-Glied mit einem ersten Zweig (L1), der von einer ersten Stromquelle (G1) gespeist wird, deren Stärke (I1) unterhalb der Laserschwelle liegt, und mit einem zweiten Zweig (R1), der einen Signalausgang bildet, wobei dieses erste T-Glied an die erste Elektrode (1) der Laseranordnung angeschlossen ist,

- ein zweites Polarisations-T-Glied mit einem ersten Zweig (L2), der von einer zweiten Stromquelle (G2) gespeist wird und mit einem zweiten Zweig (R2, L2), der von einem Umschaltstrom (Icom) und einem Modulationsstrom (Imod) gespeist wird, wobei die mittlere Gesamtstromstärke oberhalb der Laserschwelle liegt und dieses zweite T-Glied an die zweite Elektrode der Laseranordnung angeschlossen ist,

wobei der Umschaltstrom (Imod) abwechselnd an das zweite Polarisations-Glied der einen der Anordnungen und dann an das zweite T-Glied der anderen Anordnung angelegt wird, wodurch jeder Halbleiteraufbau abwechselnd entweder im Sendebetrieb oder im Bmpfangsbetrieb arbeitet.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Halbleiter-Laseraufbau vom Typ mit verteilter Reaktion (DFB) ist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite Polarisation-T-Glied in seinem zweiten Zweig einen Addierer (AD) mit zwei Eingängen aufweist, von denen der eine mit einem Umschalteingang (C(A), C(B)) und der andere mit einem Modulationseingang (M(A), M(B)) verbunden ist.