DE69220268T2

DE69220268T2 - Optischer Sender

Info

Publication number: DE69220268T2
Application number: DE69220268T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Aoki
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: EP0504834A2; JPH04293024A; US5315426A; JP3036876B2; EP0504834A3; EP0504834B1; DE69220268D1

Description

Optischer Sender

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender und insbesondere einen optischen Sender, der in einem Lichtwellenleiter-(LWL-)Kommunikationssystem verwendet wird.
Das herkömmliche optische Kommunikationssystem weist einen optischen Sender auf, der mit einem Halbleiterlaser versehen ist. Der Halbleiterlaser wird durch einen sich ändernden Injektionsstrom entsprechend einem Informationssignal so intensitätsmoduliert, daß der Halbleiterlaser moduliertes Laserlicht mit dem Informationssignal emittiert. Ein solches Modulationssystem wird als direktes Modulationssystem bezeichnet. Das vom Halbleiterlaser emittierte modulierte Laserlicht wird über einen LWL übertragen und erreicht einen optischen Empfänger. Der optische Empfänger detektiert das modulierte Laserlicht und selektiert das Informationssignal aus ihm. In diesem herkömmlichen optischen Kommunikationssystem tritt ein Frequenz-"Zirpen" im modulierten Laserlicht auf, so daß sich das aus dem modulierten Laserlicht selektierte Informationssignal unter bestimmten Bedingungen verschlechtern kann.
In der Technik optischer Kommunikationssysteme wird Laserlicht in der Intensität durch einen externen Modulator entsprechend einem Informationssignal nach Emission aus einem Halbleiterlaser moduliert. Der externe Modulator besteht aus einem Verbundhalbleiter, z. B. InGaAsP oder LiNbO&sub3;. Ein solches Modulationssystem wird als externes Modulationssystem bezeichnet. Ein typisches Beispiel für dieses optische Kommunikationssystem wurde in "IEEE Journal of Lightwave Technology", Band 8, 1990, Seiten 1357 bis 1362 offenbart. Ferner wurde ein LWL-Verstärker mit einem Er-dotierten LWL als Verstärkungsmedium in "Japanese Journal of Applied Physics", Band 59, 1990, Seiten 1175 bis 1192 offenbart. Somit konnte ein optisches Kommunikationssystem mit einer Ausgangsleistung über 20 dBm und geringem Frequenzzirpen erreicht werden.
Bei den vorstehend beschriebenen herkömmlichen optischen Sendern besteht jedoch ein Nachteil darin, daß die Eingangssignallichtleistung wegen des Auftretens der stimulierten Brillouin-Streuung begrenzt ist. Der Grund für das Auftreten der stimulierten Brioullin-Streuung wurde in "Applied optics", Band 11, 1972, Seite 2489 und in "IEEE Journal of Lightwave Technology", Band 6, 1988, Seite 710 beschrieben. Die stimulierte Brioullin-Streuung wird durch eine Energie hoher Intensität des Signallichts induziert, das in einem im optischen Kommunikationssystem vorgesehenen Monomode-LWL mit einem Kern mit kleinem Durchmesser zu übertragen ist. Die stimulierte Brioullin-Streuung tritt dann leicht auf, wenn Eingangssignallicht mit geringem Frequenzzirpen in einen LWL eingekoppelt wird, da die Brioullin-Gewinnbandbreite des LWL kleiner als 100 MHz ist. Bei Auftreten der stimulierten Brioullin-Streuung wird der größte Teil des Signallichts in stimuliertes Brioullin-Streulicht umgewandelt und so zur Eingangsstirnfläche des LWL rückgestreut, daß sich die Sendesignalleistung verringert. Anders ausgedrückt kann auch bei erhöhter Eingangssignalleistung die den optischen Empfänger erreichende Signalleistung nicht steigen, so daß die effektive Übertragungslänge begrenzt ist. Ferner tritt eine Leistungspegeländerung des durch den optischen Empfänger detektierten Signallichts auf, wenn die stimulierte Brioullin-Streuung auftritt. Folglich muß die stimulierte Brioullin-Streuung verhindert werden, um eine optische Kommunikation über große Entfernungen durch Erhöhung des Sendeleistungspegels zu realisieren.
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen optischen Sender bereitzustellen, in dem die stimulierte Brioullin-Streuung auch dann nicht auftritt, wenn Laserlicht hoher Leistung in einen LWL eingekoppelt wird.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist ein optischer Sender auf:
eine Einrichtung zum Emittieren von Licht;
eine Einrichtung zum Zuführen eines in der Frequenz modulierten Stroms zu der Emittiereinrichtung, die dadurch angesteuert wird;
eine Einrichtung zum Modulieren des Lichts in der Intensität entsprechend einem Informationssignal, um einen Signallichtimpuls zu erzeugen; und
eine Einrichtung zum Zuführen des Signallichtimpulses zu einem Lichtwellenleiter (LWL);
wobei eine spektrale Breite Δνm und eine Leistung Ps des Signallichtimpulses die folgenden Formeln erfüllen:
Ps > Pth und
Δνm + ΔνB / Δνs + ΔνB ≥ Ps / Pth,
worin sind: Pth eine Schwelleneingangslichtleistung, wenn die stimulierte Brioullin-Streuung in dem LWL ohne Frequenzmodulation des Lichts einsetzt, ΔνB die Brillouin-Gewinnbandbreite des LWL und Δνs die spektrale Breite des Signallichts ohne Frequenzmodulation des Lichts.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird näher anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines optischen Kommunikationssystems mit einem optischen Sender in einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines optischen Kommunikationssystems mit einem optischen Sender in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zunächst wird das Prinzip der Erfindung erläutert. Die stimulierte Brioullin-Streuung ist ein optischer Streueffekt infolge von akustischen Phononen, die in einem LWL erzeugt werden. Bei Übertragung von intensitätsmoduliertem Signallicht mit einer spektralen Breite Δνs über einen LWL ist eine Schwelleneingangsleistung Pth des intensitätsmodulierten Signallichts annähernd durch die folgende Formel (1) gegeben:
worin sind: gB ein Spitzengewinnkoeffizient der stimulierten Brioullin-Streuung, αs ein Verlustkoeffizient eines LWL bei einer Wellenlänge von Signallicht, das über den LWL zu übertragen ist, L eine Länge des LWL, Ae eine Nutzfläche des LWL, K eine Konstante in Abhängigkeit vom Kennwert der Polarisationserhaltung des LWL (gewöhnlich gilt K = 2), Δνs die spektrale Breite des Signallichts ohne Frequenzmodulation, ΔνB die Brillouin-Gewinnbandbreite des LWL und M eine Konstante in Abhängigkeit von einer Bitrate des Signallichts (M = 1 für Bitraten unter 100 Mb/s und M = 2 für über 100 Mb/s) gemäß der Beschreibung in "Applied Optics", Band 11, 1972, Seite 2489 und "IEEE Journal of Lightwave Technology", Band 6, 1988, Seite 710. " " bezeichnet die Faltung, die gewöhnlich annähernd durch eine Summe von Δνs und ΔνB gegeben ist.
Die stimulierte Brillouin-Streuung tritt in beträchtlichem Maß auf, wenn die Eingangssignallichtleistung größer als Pth ist. Andererseits tritt die stimulierte Brillouin-Streuung kaum auf, wenn die Eingangssignallichtleistung unter Pth liegt, und kann vernachlässigt werden. Daher stellt Pth, gegeben durch die Formel (1), die Obergrenze der Eingangssignallichtleistung dar, bei der eine Übertragung des Signallichts erfolgen kann, ohne daß es zur stimulierten Brillouin- Streuung kommt.
Bei Verbreiterung der spektralen Breite Δνs auf ΔνM durch Frequenzmodulation wird die Schwelleneingangsleistung Pth zu Pth', gegeben durch die folgende Formel (2):
Wie aus der Formel (2) hervorgeht, wird Pth' groß, wenn die spektrale Breite Δνs durch Frequenzmodulation verbreitert wird. Das heißt, die Obergrenze für die Eingangssignallichtleistung kann durch Frequenzmodulation erhöht werden. Beträgt z. B. ΔνB = 100 MHz und Δνs = 20 MHz, steigt durch Erhöhung von Δνm auf 1 GHz Pth' auf 9Pth Das heißt, die maximale Eingangsleistung (= Pth') wird neunmal größer als die herkömmliche Grenze für die Eingangssignallichtleistung (= Pth).
Im allgemeinen kann das Auftreten der stimulierten Brioullin-Streuung auch dann vermieden werden, wenn die Eingangsleistung P&sub5; größer als Pth ist, indem die spektrale Breite so erweitert wird, daß sie die folgende Formel (3) erfüllt:
Im übrigen tritt die stimulierte Brioullin-Streuung vorwiegend innerhalb einiger -zig Kilometer von der Eingangsstirnfläche des LWL auf, da der Verlust αs des LWL 0,2 bis 0,5 dB/km innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1,3 bis 1,6 µm beträgt. Daher sollte die Periode der Frequenzmodulation kürzer als die Zeit sein, in der sich das Signallicht über die vorgenannte Länge bewegt, d. h., etwa 0,1 ms. Anders ausgedrückt sollte die Modulationsfrequenz so eingestellt sein, daß sie größer als 10 kHz ist. Demgegenüber kann sich der Übertragungskennwert des Signallichts aufgrund der LWL- Dispersion verschlechtern, wenn der Wert der Frequenzmodulation groß ist. Daher wird vorzugsweise der Wert der Frequenzmodulation auf einen Minimalwert unter der Bedingung eingestellt, daß die stimulierte Brillouin-Streuung nicht auftritt. Erwartungsgemäß wird in der Praxis die Schwelleneingangssignalleistung mehr als zehnmal so groß wie die ohne Frequenzmodulation, und infolge der Verbreiterung von Δνm auf mehrere GHz gemäß der vorstehenden Erläuterung ist der Dispersionseinfluß gering.
Als nächstes wird ein optischer Sender in einer ersten bevorzugten Ausführungsform erläutert. Fig. 1 zeigt ein optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Sender 1 in der ersten bevorzugten Ausführungsform, einem LWL 2, über den ein vom optischen Sender 1 zugeführtes optisches Signal übertragen wird, und einem optischen Empfänger 3, der das vom optischen Sender 1 über den LWL 2 zugeführte optische Signal detektiert.
Der optische Sender 1 weist auf: eine Laserdiode 12, die eine DBF-Laserdiode (distributed feed-back) aus InGaAsP/InP ist und Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm emittiert, einen Oszillator 13, der Sinuswellen mit einer Frequenz von 15 MHz erzeugt, eine Gleichstromquelle 14, die einen Gleichstrom liefert, einen Mischer 15, der die vom Oszillator 13 zugeführten Sinuswellen und den von der Gleichstromquelle 14 zugeführten Gleichstrom zur Zuführung zur Laserdiode 12 mischt, einen optischen Intensitätsmodulator 16 von einem LiNbO&sub3; aufweisenden Wanderwellentyp mit einer Modulationsbandbreite von etwa 10 GHz, der das von der Laserdiode 12 emittierte Laserlicht in der Intensität entsprechend einem von einem Informationssignal-Eingangsanschluß 11 zugeführten Informationssignal moduliert, und Er-dotierte LWL-Verstärker 17 und 18, die jeweils ein LWL-Zusatzverstärker sind, der einen Er-dotierten Monomode-LWL aus InGaAsP/InP mit einem Kerndurchmesser von 5 µm, einer Länge von 30 m und einer Er-Konzentration von 400 ppm hat und durch einen Fabry-Perot-Halbleiterlaser mit einer Wellenlängenbandbreite von 1,48 µm erregt wird. Die maximalen Erregungseingangsleistungen der Erdotierten LWL-Verstärker 17 und 18 betragen 70 mW bzw. 20 mW.
Der LWL 2 ist ein dispersionsverschobener Monomode-LWL aus Siliciumoxid mit einer Länge von 200 km, einer Verlustrate von 0,21 dB/km bei einer wellenlänge von 1,555 µm und einer Dispersion von etwa 1 ps/nm/km.
Der optische Empfänger 3 weist auf: einen Fotodetektor 32, der eine Lawinenfotodiode aus InGaAs ist, die das über den LWL 2 übertragene modulierte Laserlicht detektiert, einen Verstärker 33, der das modulierte Laserlicht verstärkt, und einen Diskriminator 34, der das Informationssignal aus dem modulierten Laserlicht selektiert, um es zu einem Informationssignal-Ausgangsanschluß 31 zu führen.
Für den Betrieb wird aus der Laserdiode 12 emittiertes Laserlicht in der Intensität durch den optischen Intensitätsmodulator 16 entsprechend dem Informationssignal aus Spannungsimpulsen von 5 Gb/s mit einem RZ-Code moduliert. Die mittlere Leistung des modulierten Laserlichts beträgt etwa -10 dbm, wobei jedoch das modulierte Laserlicht durch die Erdotierten LWL-Verstärker 17 und 18 auf eine mittlere Leistung von 20 dBm verstärkt wird, um zum LWL 2 geführt zu werden. Das modulierte Laserlicht wird über den LWL 2 übertragen und erreicht den optischen Empfänger 3. Das modulierte Laserlicht wird durch den Fotodetektor 32 detektiert und anschließend durch den Verstärker 33 verstärkt. Das Informationssignal wird aus dem verstärkten Laserlicht durch den Diskriminator 34 selektiert, um zum Informationssignal-Ausgangsanschluß 31 geführt zu werden.
In diesem optischen Kommunikationssystem beträgt die spektrale Breite Δνs der Laserdiode 12 10 MHz, die Brioullin- Gewinnbandbreite ΔνB des LWL 2 beträgt 50 MHz, und die Schwelle Pth der stimulierten Brioullin-Streuung ohne Modulation beträgt 8 µm. Der Sendeleistungspegel des optischen Senders 1 beträgt 20 dbm. Zur Vermeidung eines Auftretens der stimulierten Brioullin-Streuung im Sendeleistungspegel von 20 dbm wird die spektrale Breite Δνs der Laserdiode auf Δνm mit 2 GHz verbreitert. Der Frequenzmodulationsstrom entsprechend den vom Oszillator 13 zugeführten Sinuswellen beträgt etwa 4 InA zum Verbreitern der spektralen Breite Δνs auf Δνm mit 2 GHz. In diesem Fall wird die Schwelle Pth' der stimulierten Brioullin-Streuung in Abschätzung anhand der Formel (2) 23,3 dBm. Wie vorhergesagt, wird kein Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung beim Sendeausgangspegel von 20 dBm beobachtet.
Im folgenden wird das Pegeldiagramm des optischen Kommunikationssystems unter Verwendung des optischen Senders 1 erläutert. Der Sendeausgangspegel beträgt 20 dBm, und der Verlust des 200 km langen LWL 2 beträgt über die Gesamtlänge 42 dB, so daß der am Fotodetektor 32 detektierte Signalleistungspegel -22 dBm beträgt. Andererseits beträgt die Empfangsempfindlichkeit des optischen Empfängers -27 dbm bei einer Fehlerrate von 10&supmin;¹¹, so daß bei der Übertragungslänge von 200 km der Abstand 5 dB beträgt. Außerdem wird keine Verringerung der Empfängerempfindlichkeit für das Empfangssignal im Vergleich mit dem Fall vor dem Senden beobachtet. Andererseits tritt die stimulierte Brioullin-Streuung intensiv auf, wenn die Freguenzmodulation wie bei den herkömmlichen optischen Kommunikationssystemen nicht erfolgt, so daß der Leistungspegel des Empfangssignals kleiner als -30 dBm nach Übertragung über 200 km wird. Zudem wurden ohne Frequenzmodulation nie Fehlerraten unter 10&supmin;&sup6; erreicht.
Fig. 2 zeigt ein optisches Kommunikationssystem mit einem optischen Sender 1 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung. Die Grundkonfiguration des optischen Kommunikationssystems ist die gleiche wie in Fig. 1 mit der Ausnahme, daß der optische Sender 1 außerdem aufweist: einen optischen Abzweiger 19, der ein Monomode-LWL- Koppler mit einem Abzweigungsverhältnis von 20 : 1 ist und das vom Er-dotierten LWL-Verstärker 18 zugeführte modulierte Laserlicht abzweigt, einen Fotodetektor 20, der eine Fotodiode aus InGaAs ist, die das modulierte Laserlicht über den optischen Abzweiger 19 detektiert, und eine Steuerung 21, die die Ausgabe des Oszillators 13 in Übereinstimmung mit einer Ausgabe des Fotodetektors 20 steuert.
In diesem optischen Kommunikationssystem wird ein optischer Leistungspegel des rückgestreuten Lichts durch den Fotodetektor 20 überwacht, und die Steuerung 21 steuert die Ausgabe des Oszillators 13 so, daß sie nicht -30 dBm entsprechend der Ausgabe des Fotodetektors 20 übersteigt. Daher wird der Grad der Freguenzmodulation auf ein Minimum unter der Bedingung eingestellt, daß keine stimulierte Brillouin-Streuung auftritt. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt Δνm 0,9 GHz. Der Abstand bei der Übertragungslänge von 200 km beträgt 5 dB, was der gleiche wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform ist. Ein Vorteil der Minimierung des Grads der Frequenzmodulation läßt sich in einem Übertragungssystem mit 200 km Länge wie in der zweiten bevorzugten Ausführungsform nicht ohne weiteres erkennen, da der Dispersionseinfluß klein ist. Erwartungsgemäß kann jedoch eine solche Minimierung des Grads der Frequenzmodulation in einem Übertragungssystem mit einer Länge über 1000 km unter Verwendung mehrerer optischer Verstärker effektiv sein. In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Frequenzmodulationseinrichtung eine vom direkten Frequenzmodulationstyp, wobei jedoch auch ein optischer Phasenmodulator anstelle der direkten Frequenzmodulation verwendet werden kann.
Wie vorstehend erläutert wurde, kann die spektrale Breite des durch die Laserdiode emittierten Laserlichts unabhängig von der Bitrate usw. geändert werden, so daß das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung durch Verbreitern der spektralen Breite des Signallichts praktisch durch Frequenzmodulation verhindert werden kann. Daher tritt auch dann keine stimulierte Brillouin-Streuung auf, wenn der Sendeleistungspegel erhöht wird, so daß ein Vorteil darin besteht, daß eine längere optische Übertragung durch das optische Kommunikationssystem unter Verwendung des optischen Senders in den bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen Kommunikationssystem durchgeführt werden kann.

Claims

1. Optischer Sender (1) mit:

einer Einrichtung (12) zum Emittieren von Licht;

einer Einrichtung (13, 14, 15) zum Zuführen eines in der Frequenz modulierten Stroms zu der Emittiereinrichtung, die dadurch angesteuert wird;

einer Einrichtung (16) zum Modulieren des Lichts in der Intensität entsprechend einem Informationssignal, um einen Signallichtimpuls zu erzeugen; und

einer Einrichtung (17, 18) zum Zuführen des Signallichtimpulses zu einem Lichtwellenleiter (LWL) (2);

wobei eine spektrale Breite Δνm und eine Leistung P&sub5; des Signallichtimpulses die folgenden Formeln erfüllen:

Ps > Pth und

Δνm + ΔνB / Δνs + ΔνB ≥ Ps / Pth,

worin sind: Pth eine Schwelleneingangslichtleistung, wenn die stimulierte Briqullin-Streuung in dem LWL ohne Frequenzmodulation des Lichts einsetzt, ΔνB die Brillouin-Gewinnbandbreite des LWL und Δνs die spektrale Breite des Signallichts ohne Frequenzmodulation des Lichts.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, wobei: die Emittiereinrichtung ein Halbleiterlaser ist; und die Stromzufuhreinrichtung aufweist: eine Gleichstromquelle (14), die einen Gleichstrom erzeugt, einen Oszillator (13), der ein Oszillationssignal erzeugt, und einen Mischer (15), der das Oszillationssignal mit dem Gleichstrom mischt, um einen frequenzmodulierten Strom zu erzeugen, der zu der Emittiereinrichtung zu führen ist;

wobei die Emittiereinrichtung das Licht zuführt, das in der Frequenz entsprechend dem von dem Mischer zugeführten gemischten Strom moduliert ist.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Stromzufuhreinrichtung einen optischen Phasenmodulator aufweist.

4. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit:

einer Einrichtung (19) zum Abzweigen eines gewissen Teils des Signallichtimpulses aus dem LWL;

einer Einrichtung (20) zum Detektieren des gewissen Teils des Signallichts, um ein Detektionssignal zu erzeugen; und

einer Einrichtung (21) zum Steuern des von dem Oszillator zugeführten Oszillationslichts entsprechend dem Detektionssignal, so daß der Grad der Frequenzmodulation des Lichts so minimal ist, daß die stimulierte Brioullin-Streuung nicht auftritt.