DE69129977T2 - Optischer Sender - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Feld der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sender zur Verwendung in einem Lichtleiter-Kommunikationssystem und insbesondere eine Verbesserung in einem optischen Sender, auf den eine DPSH-IM (Direktphasenverschiebung und Selbst-Homodyn Intensitätsmodulation) angewendet wird.
• Ein optischer Sender gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus EP-A- 0 357 799 bekannt.
• In Lichtleiter-Kommunikationssystemen ist die Modulationsgeschwindigkeit angehoben worden. Ein Wellenlängenzirpen (chirping) ist ein Problem in der direkten Intensitätsmodulation einer Laserdiode. Das Zirpen bewirkt Impulsverzerrungen, wenn ein Impuls durch einen optischen Lichtleiter mit einer Wellenlängendispersion hindurchtritt. Von dem Gesichtspunkt der Faserverluste ist die wünschenswerteste Wellenlänge 1,55 um. Bei dieser Wellenlänge weist eine normale Faser eine Wellenlängendispersion von näherungsweise 17 ps/km/nm. Dies beschränkt die Übertragungsdistanz. Um dieses Problem zu umgeben, ist die Verwendung eines externen Modulators vorgeschlagen worden. Jedoch gibt es im Moment ein Problem mit dem externen Modulator dergestalt, daß eine hohe Antriebsspannung dafür erforderlich ist.
• Um die oben beschriebenen Probleme in Hochgeschwindigkeits- Modulationssystemen zu überkommen, d. h. die Probleme mit dem Zirpen und der hohen Antriebsspannung und um ein engeres Lichtspektrum und eine verringerte Antriebsspannung zu erzielen, haben wir einen DPSH-IM als ein neues Intensitätsmodulationssystem vorgeschlagen (PCT/JP89/00220 und IOOC '89, 20D45) und haben Experimente und theoretische Forschungen dafür vorangetrieben.
Beschreibung des Standes der Technik
• In dem DPSH-IM System werden Modulationsstromimpulse mit einer kleinen Amplitude zu einer Laserdiode gegeben, an die ein Vorspannstrom angelegt wird, der größer als der Schwellwertstrom ist, um somit phasenmoduliertes oszillierendes Licht zu erhalten. Das phasenmodulierte Licht wird durch ein optisches Interferometer hindurchgeleitet, um in intensitätsmoduliertes Licht umgewandelt zu werden. Details dieses Betriebsprinzips sind in Shirasaki, M., Nishimoto, H., Okiyama, T., und Touge, T.: Fibre transmission properties of optical pulses produced through direct phase modulation of DFB laser diode, ELECTRONICS LETTERS 14. April 1988, vol. 24, Nr. 8, Seiten 486-488 beschrieben.
• Gemäß dem DPSH-IM System wird es möglich, da eine Modulation kleiner Amplituden mit der Verwendung einer Laserdiode möglich ist, an die ein hoher Vorspannstrom angelegt ist, ein System zu strukturieren, das nicht einfach durch ein Zirpen beeinflußt wird und mit einer niedrigen Antriebsspannung arbeitet. Jedoch ist es um noch eine höhere Modulationsgeschwindigkeit und/oder noch eine weitere Übertragungsdistanz zu erzielen, erforderlich, daß die Wellenformverzerrung durch Wellenformdispersion weiter reduziert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sender zur Verfügung zu stellen, womit eine bemerkenswerte Verbesserung der Übertragungswellenform erzielt wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe, wie in Anspruch 1 definiert, gelöst.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Sender angegeben, umfassend: eine Laserdiode; eine Vorspannschaltung zum Zuführen eines Vorspannstromes zu der Laserdiode, um die Laserdiode zu lasern; eine Modulationsschaltung zur Überlagerung eines Modulationsstromimpulses der einem Eingangssignal entspricht auf den Vorspannstrom, so daß der integrierte Wert der Oszillationsfrequenz der Laserdiode, der durch den Modulationsstromimpuls verändert wird, eine Phasenbetrag von π oder -π bekommt; ein optisches Interferometer zur Umwandlung von winkelmoduliertem Licht von der Laserdiode in intensitätsmoduliertes Licht; und eine periodische Signalüberlagerungsschaltung zur Überlagerung eines periodischen Signals mit der Periode entsprechend einem Zeitschlitz des Modulationsstromimpulses auf den Vorspannstrom.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das optische Interferometer ein optisches Mach-Zehnder-Interferometer mit einem Unterschied in den Verzögerungszeiten von einem Zeitschlitz des Modulationsstromimpulses.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das periodische Signal ein Sinus- oder Cosinuswellensignal.
• Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, und die Art und Weise diese auszuführen, wird besser verstanden und die Erfindung selbst wird am besten vom Studium der folgenden Beschreibung und der angefügten Ansprüche mit Verweis auf die angefügten Figuren verstanden werden, die einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Figuren
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines optischen Senders, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 2A bis 2E sind Wellenformdiagramme, die das Betriebsprinzip des optischen Senders von Fig. 1 erläutern.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das Ergebnisse einer Simulation des Augenmusters in der Ausführungsform zeigt; und
• Fig. 4 ist ein Diagramm, das Ergebnisse einer Simulation des Augenmusters ohne einem überlagerten periodischen Signal zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Nun wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail mit Verweis auf die begleitenden Figuren beschrieben.
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines optischen Senders, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Laserdiode, 4 bezeichnet eine Vorspannschaltung zum Zuführen eines Vorspannstromes zu der Laserdiode 2, 6 bezeichnet eine Modulationsschaltung zur Überlagerung von Modulationsstromimpulsen, die einem Eingangssignal entsprechen, auf den Vorspannstrom, 8 bezeichnet ein optisches Mach-Zehnder-Interferometer (optisches MZ-Interferometer) zur Umwandlung von phasenmoduliertem Licht von der Laserdiode 2 in intensitätsmoduliertes Licht.
• Der Vorspannstrom wird auf einen Wert eingestellt, der größer ist als der Schwellwert zur Oszillation der Laserdiode 2. Die Amplitude und Pulsbreite des Modulationsstromimpulses sind dergestalt eingestellt, daß der integrierte Wert der Oszillationsfrequenz der Laserdiode der durch jeden der Modulationsstromimpulse verändert wird, einen Phasenbetrag von π oder -π bekommt.
• Das optische MZ-Interferometer 8 teilt Licht, das durch die Eingangsöffnung 12 eintritt in zwei Teillichtwellen auf, die durch einen ersten und einen zweiten optischen Pfad verlaufen. Dann wird ermöglicht, daß sich die Teillichtwellen, die durch den ersten und zweiten optischen Pfad gelaufen sind, überlagern und von einer Ausgangsöffnung 14 ausgegeben werden. Das somit ausgegebene intensitätsmodulierte Licht wird über eine optische Übertragungsleitung, die nicht dargestellt ist, übertragen. Der erste optische Pfad ist der, durch den das Licht, das durch die Eingangsöffnung 12 eingegeben worden ist, läuft, das mittels einem Halbspiegel 16 und einem Halbspiegel 18 in der Reihenfolge, wie sie angegeben sind, übertragen wird, um die Ausgangsöffnung 14 zu erreichen. Der zweite optische Pfad ist der, durch den das Licht, das durch die Eingangsöffnung 12 eingetreten ist, läuft, das durch den Halbspiegel 16, einen Spiegel 20, einen Spiegel 22 und dem Halbspiegel 18 in der Reihenfolge, wie sie genannt sind, reflektiert worden ist, um die Ausgangsöffnung 14 zu erreichen.
• Der Zeitunterschied zwischen den Übertragungsverzögerungen in dem ersten und zweiten optischen Pfad ist auf die Zeitperiode entsprechend einem Zeitschlitz der Modulationsstromimpulse (oder des Eingangssignals) eingestellt.
• Die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine periodische Signalüberlagerungsschaltung zur Überlagerung eines periodischen Signales auf den Vorspannstrom. Die Periode des periodischen Signales entspricht einem Zeitschlitz des Modulationstromimpulses (oder des Eingangssignals). In der vorliegenden Ausführungsform ist das periodische Signal ein Sinus- oder Cosinuswellensignal.
• Nun wird der Betrieb des optischen Senders mit Verweis auf die Fig. 2A bis 2E beschrieben. Zuerst wird das Betriebsprinzip des DPSH-IM beschrieben, wenn das periodische Signal nicht überlagert ist. Die Ausgabe des optischen MZ- Interferometers 8 sinkt von dem Phasenunterschied zwischen den Teillichtwellen ab, die durch den ersten optischen Pfad und den zweiten optischen Pfad verlaufen und sich überlagern. Wenn der Phasenunterschied bei π (oder (2n + 1n) π, wobei n eine Integerzahl ist) fest ist, wird keine Leistung ausgegeben. Wenn sich die Phase der Lichtwelle, die in das optische MZ-Interferometer 8 eingegeben wird, in einem Zeitschlitz ändert, wird sich die Ausgabeintensität ändern.
• Da sich die Oszillationsfrequenz der Laserdiode mit dem injizierten Strom verändert, bestimmt die Wellenform der Modulationsstromimpulse die Frequenzänderung der Lichtwelle von der Laserdiode. Fig. 2A ist ein Wellenformdiagramm, das die Frequenzverschiebung zeigt, und es wird hier eine RZ-Typ- Wellenform erhalten. Mit RZ-Typ ist in diesem Fall nur gemeint, daß der Signalpegel bei jedem Modulationszeitschlitz auf 0 zurückkehrt und das Schaltverhältnis irgendeinen Wert aufweisen kann. In einem Fall, in dem das Schaltverhältnis 1 wird, wird die Wellenform eine rechteckförmige NRZ-Typ- Wellenform.
• Da die Phase einer Lichtwelle als das Zeitintegral seiner Frequenz ausgedrückt wird, kann die Phasenverschiebung für ein Signal "1" während einem Zeitschlitz auf π, wie in der Fig. 2B gesetzt werden, indem die Amplitude des Modulation- Stromimpulses auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. Es wird ermöglicht, daß sich die Lichtwelle mit der Lichtwelle, die um einen Zeitschlitz verzögert ist, mit gleicher Amplitude in dem optischen MZ-Interferometer 8 überlagert. Die Phase der Lichtwelle, die um einen Zeitschlitz verzögert ist, ist mittels einer durchbrochenen Linie in Fig. 3B dargestellt. Die Anfangsphase der verzögerten Lichtwelle kann auf 0 oder π eingestellt sein (die Anfangsphase in Fig. 2B ist auf π eingestellt).
• Die Ausgabeintensität des optischen MZ-Interferometers wird durch den Phasenunterschied zwischen den beiden Lichtwellen, die sich überlagern, bestimmt. Der Phasenunterschied ist durch den Unterschied zwischen der durchgezogenen Linie und der durchbrochenen Linie in Fig. 2B dargestellt, der wie in Fig. 2D wird, und sich zwischen 0 und π ändert.
• Als ein Ergebnis der Interferrenz erreicht die Lichtausgabe ein Maximum, wenn der Phasenunterschied 0 ist und die Lichtausgabe wird 0, wenn der Phasenunterschied π ist. Dementsprechend wird die Intensitätswellenform des ausgegebenen Lichtes wie in Fig. 2E dargestellt.
• Obwohl die ausgegebene Wellenform dem Eingangssignal entspricht, gibt es eine Zeitverzögerung entsprechend einer Hälfte des Zeitschlitzes zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssignal. Des weiteren ist die Ausgangswellenform NRZ artig ungeachtet dem Schaltverhältnis des RZ-Eingangssignals. Das Schaltverhältnis des Eingangssignals bestimmt die Anstiegs-Zeit und die Abfall-Zeit in der Ausgangswellenform.
• In der Ausführungsform wird ein periodisches Signal zusammen mit Modulationsstromimpulsen dem Vorspannstrom überlagert. Fig. 2C zeigt die zusätzliche Phase, die durch das periodische Signal gegeben wird, wenn das periodische Signal eine Sinuswelle ist. Da die Periode des periodischen Signals mit der Periode des Modulationsstromimpulses im gleichen Zeitintervall abläuft, ist der Wert der zusätzlichen Phase für jeden Zeitschlitz gleich. Des weiteren wird die zusätzliche Phase zu beiden Lichtwellen gegeben, die durch den ersten und den zweiten Pfad übertragen werden. Dementsprechend wird sogar, wenn das periodische Signal dem Vorspannstrom überlagert wird, ein Phasenunterschied, wie in Fig. 2D gezeigt, wie in dem Fall, wo das periodische Signal nicht überlagert wird, erzeugt. Als Ergebnis daraus, kann intensitätsmoduliertes Licht entsprechend dem Eingangssignal erhalten werden.
• Wenn das periodische Signal auf den Vorspannstrom überlagert wird, verstärkt sich eine Veränderung der Oszillationsfrequenz der Laserdiode 2. Deshalb könnte es scheinen, daß ein nachteiliger Wellenlängendispersionseffekt erzeugt werden würde, wobei dies aber nicht der Fall ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Effekt der Wellenlängendispersion ein Phänomen der Pulsbreite eines Lichtimpulses bewirkt, die unendlich nahe 0 ist, wenn der Lichtimpuls in eine optische Phase eintritt, breiter wird, wenn der Lichtimpuls von dem Ausgabeende der optischen Faser ausgegeben wird. Dieses Phänomen führt allgemein zu einem ungünstigen Effekt aber tut dies nicht immer. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, führt dieser Effekt zu einer Verbesserung der Übertragungswellenform. In der vorliegenden Erfindung wird ein Sinus- oder Cosinuswellensignal verwendet, so daß der Effekt der Wellenlängendispersion zu einer Verbesserung der Übertragungswellenform beiträgt. Die Erzeugung des periodischen Signals ist einfach, wenn ein Sinus- oder Cosinuswellensignal für das periodische Signal verwendet wird.
• Wenn das periodische Signal ein Sinus- oder Cosinuswellensignal ist, hängt der Verbesserungsgrad der Übertragungswellenform durch die Überlagerung des periodischen Signales von dessen Amplitude und Phase ab. Es ist daher wünschenswert, daß die Amplitude und Phase des Sinus- oder Cosinuswellensignales dergestalt eingestellt ist, daß die Verbesserung der Übertragungswellenform am bemerkenswertesten wird.
• Bei der Ausführung einer Simulation unter Verwendung eines großen Computers fanden wir heraus, daß der höchste Verbesserungsgrad der Übertragungswellenform erzielt werden kann, wenn B: 0,75 in dem Ausdruck der zusätzlichen Phase φ durch das Sinus- oder Cosinuswellensignal
• φ = Acos (ω t + 2π B),
• erfüllt wird, wobei ω eine Winkelfrequenz darstellt und t die Zeit darstellt.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das Ergebnisse einer Simulation des Augenmusters darstellt. In diesem Beispiel, das ausgeführt worden ist, um MRZ-Codeartig-Typ-intensitätsmoduliertes Licht mittels Modulationsstromimpulsen von 10Gbits/sec von einem RZ-Code-Typ zu erhalten, wobei das Schaltverhältnis Tr des Modulationsstromimpulses 0,5 war, die Konstante A in dem obigen Ausdruck 0,3 (Radian) war und die Konstante B darin 0,75 war, und der Wellenlängendispersionskoeffizient D des optischen Übertragungspfades 1000 ps/nm war. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Übertragungswellenform verbessert wird.
• Fig. 4 zeigt Ergebnisse einer Simulation des Augenmusters, wenn das periodische Signal nicht überlagert worden ist. Um einen Vergleich mit Fig. 3 einfach zu machen, wurde die Simulation mit dem Einschaltverhältnis Tr und Wellenlängendispersionskoeffizient D ausgeführt, die gleich denen in dem Fall von Fig. 3 eingestellt waren und unter den Bedingungen, daß A = 0 und B = 0 waren. Es ist offensichtlich, daß die Verzerrung der Übertragungswellenform verglichen mit der des Falles, in dem das periodische Signal überlagert worden ist, bemerkenswert ist.
• Somit wird die Übertragungswellenform mittels der vorliegenden Ausführungsform stark verbessert.
• Während die vorliegende Erfindung obenstehend bezüglich spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Details solcher Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel können als das optische Interferometer andere optische Interferometerarten als das optische Mach-Zehnder-Interferometer verwendet werden, wie z. B. ein Michelson-Typ oder ein optisches Fabry- Perot- Interferometer verwendet werden. Des weiteren kann als das periodische Signal andere Signale als das Sinus- oder Cosinuswellensignal verwendet werden, z. B. kann ein dreieckwellenförmiges Signal und ein rechteckwellenförmiges Signal unter der Voraussetzung verwendet werden, daß sie in der Lage sind, den Effekt der Wellenlängendispersion zur Verbesserung der Übertragungswellenform zu bewirken.
• Somit sind die hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen lediglich zur Illustration angegeben und nicht zur Beschränkung der vorliegenden Erfindung. Der Umfang der Erfindung wird mittels den angefügten Ansprüchen definiert und alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb die Äquivalenz des Umfangs der Ansprüche fallen, sind somit in der Erfindung mit umfaßt.

Claims (4)

1. Optischer Sender umfassend:

- eine Laserdiode (2);

- eine Vorspannschaltung (4) zum Zuführen eines Vorspannstromes zu der Laserdiode (2) zum Lasern der Laserdiode (2);

- eine Modulationsschaltung (6) zur Überlagerung eines Modulationsstromimpulses, der einem Eingangssignal entspricht, auf den Vorspannstrom, so daß der integrierte Wert der Oszillationsfrequenz der Laserdiode (2) der mittels dem Modulationsstromimpuls verändert wird, einen Phasenbetrag von π oder -π erhält;

- ein optisches Interferometer (8) zur Umwandlung von winkelmodulierten Lichts von der Laserdiode (2) in intensitätsmoduliertes Licht;

gekennzeichnet durch

- eine periodische Signalüberlagerungsschaltung (10) zur Überlagerung eines periodischen Signales mit der Periode, die einem Zeitschlitz des Modulationsstromimpulses entspricht auf den Vorspannstrom.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Interferometer (8) ein optisches Mach-Zehnder-Interferometer ist, das eine Eingangsöffnung (12) umfaßt, einen ersten optischen Pfad und einen zweiten optischen Pfad entlang dem gegabelte Lichtstrahlen von Licht von der Eingangsöffnung übertragen werden und eine Ausgangsöffnung (14), wo die Lichtstrahlen von dem ersten und zweiten optischen Pfad vereint werden, um davon ausgegeben zu werden und worin der Unterschied von Übertragungsverzögerungszeiten in dem ersten und zweiten optischen Pfad einem Zeitschlitz des Modulationsstromimpulses entspricht.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Signal ein Sinus- oder Cosinuswellensignal ist.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Signal als

φ = Acos (ω t + 2π B)

ist (wobei A die Amplitude darstellt, ω die Winkelfrequenz darstellt und t die Zeit darstellt), wobei B = 0,75 erfüllt ist.