SE468267B - Terminal foer ett frekvensdelat, optiskt kommunikationssystem - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 CH (IC 267 vågledare, vilken åter grenas upp i två utgående vågledare. En ljusvåg i en av de inkommande vågledarna delas upp med lika stor effekt i de båda utgående vågledarna. Vågledare i enkristallina halvledarmaterial är välkända.

Terminaler i optiska kommunikationssystem omfattar i många fall ett flertal av de ovan översiktligt angivna komponenterna och även andra typer av komponenter. Dessa komponenter är diskreta enheter som har byggts samman till relativt komplicerade terminaler. För att förenkla terminalerna har försök gjorts att framställa integrerade optiska enheter på ett gemensamt underlag.

Ett exempel på en sådan integrerad enhet visas i en artikel i Appl. Phys. Lett. 51(20), November 1987 sidor 1577-1579, H.Inoue och S. Tsuji:"Optical amplification by'monolithically' integrated distributed-feedback.lasers". Artikeln beskriver en anordning med DFB-lasrar, en optisk omkopplare samt förstärkare. I en artikel i Electronics Letters 23rd November 1989 Vol. 25 No.24, sid 1621- 1623, T. In Koch In fl "GaInÅs/GaInAsP Multiple-Quantum -Well Integrated Heterodyne Receiver" beskrives en integrerad heterodynmottagare. Denna har en Bragg-reflektor, vågledare, en riktkopplare, förstärkare och detektorer.

Ett problem med den nämnda typen av integrerade enheter är att de olika komponenterna är av sinsemellan mycket olika utförande och framställningen av den integrerade enheten fordrar ett stort antal skilda masker för skilda produktionssteg. Detta gör att enheterna blir relativt dyra och utbytet av produktionen, det vill säga andelen brukbara enheter, blir relativt liten.

I den svenska patentansökningen nr 8803780-9 visas en relativt enkel terminal som kan framställas på ett enda underlag.

Terminalen kan detektera, förstärka eller utsända en ljusvåg.

Terminalen har emellertid svagheten att den inte kan utnyttjas i ett.bredbandigt optiskt.kommunikationssystennmed optiska signaler av' ett flertal våglängder. I ett sådant system skall flera våglängder hanteras samtidigt av en terminal, så att exempelvis en av våglängderna detekteras förstärks och vidarekopplas. och de övriga våglängderna 10 15 20 25 3 468 267 REnoGönELsE rön UPPFINNINGEN De ovan nämnda problemen med en terminal för ett bredbandigt optiskt kommunikationssystem löses enligt uppfinningen genom en optisk integrerad krets med ett fåtal typer av komponenter pá ett gemensamt halvledarunderlag. De komponenter som i första hand utnyttjas är halvledarlaserdioder, gitter för dessa dioder samt passiva 3-dB kopplare.Komponenterna är förbundna genom vàgledare och uppfinningsenligt anordnade så att ett flertal optiska signaler inom ett brett váglängdsomräde kan behandlas samtidigt.

Signalbehandlingen signalförstárkning, direkt och koherent detektion samt utsändning av en smalbandig amplitud- omfattar eller fasmodulerad ljussignal med önskad våglängd inom hela det breda våglängdsomrädet.

Uppfinningen har de kännetecken som framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Ett utföringsexempel av uppfinningen skall närmare beskrivas i anslutning till figurer av vilka figur 1 schematiskt kommunikationssystem, visar ett ringformat optiskt figur 2 visar en uppfinningsenlig terminal, figur 3 visar ett blockschema med en laserdiod och anslutna styrorgan, figurerna 4 tom 8 visar skilda driftfall för terminalen enligt figur 2 och figur 9 visar en alternativ utföringsform av terminalen.

Fönnnnnenn uwrönzuesronu Ett ringformat optiskt kommunikationssystem visas schematiskt i figur 1. Terminaler 1 är förbundna med varandra genom en optisk fiber 2 och terminalerna har varsin styrenhet 3. Dessa styrenheter utbyter elektriska signaler med terminalerna 1 för att alstra eller registrera optiska signaler P som överföres mellan terminalerna 1. Kommunikationssystemet är frekvensdelat 10 15 20 25 35 och ett flertal optiska signaler med ljusvâglängder Äl...Åj...lN med smala linjebredder överföres på den optiska fibern 2.

Signalerna.upptar tillsammans ett relativt brett våglängdsområde.

Enligt ett exempel ligger ljusvåglängderna i ett område kring 1,55 pm, våglängderna ÄN är tio till antalet och varje váglängdskanal har en linjebredd Al som motsvarar en frekvens av storleksordningen 1-10 MHz. Optiska likriktare 4 kan placeras mellan terminalerna 1 för att förhindra optiska signaler i oönskad riktning i kommunikationssystemet.

Ett utföringsexempel av de uppfinningsenliga terminalerna 1 visas i figur 2. Ett halvledarunderlag 5 uppbär optiska vâgledare 6, passiva 3-dB kopplare 7, laserdioder 8-20, ett solfjäderformat gitter 21 och gitterförsedda parallellkopplade laserdioder 22 och 23. Vágledarna 6 sträcker sig till underlagets 5 kortsidor och utgör där anslutningar 24 och 25 till de optiska fibrerna 2 i kommunikationssystemet. Vàgledaren med laserdioden 9 mellan anslutningarna 24 och 25 utgör en transmissionsvàgledare för en ljussignal som inkommer till anslutningen 24 och avges från anslutningen 25. Vágledarna 6 har ytterligare två förgreningar som sträcker sig till kortsidorna hos underlaget 5 och vid dessa förgreningar har vágledarna reflekterande ândytor 27 och 28.

De båda anslutningarna 24 och 25 är lågreflekterande och dess ândytor är snedställda och belagda med antireflexskikt 26. De båda reflekterande ändytorna 27 och 28 kan vara försedda med speglar 29 eller kan utgöras av varsin kluven kristallyta hos underlaget 5 med en reflektans av storleken 30 %. Laserdioderna 8-20 och 22,23 är vandringsvàgförstärkare av känt utförande, exempelvis enligt den nämnda referensen IEEE 1984 "Semiconductor optical amplifiers". Laserdioderna har elektriska anslutningar 30 genom vilka dioderna kan styras så som skall beskrivas närmare nedan i anslutning till figur 3. Det solfjäderformade gittret 21 ger dioderna 22 och 23 gitter med skilda gitterkonstanter. Dessa gitter utgör'optiska.áterkopplingselement som bestämmer grundvärden för diodernas ljusvåglängder. Dessa varsitt ljusvâglängder kan justeras i områden kring grundvärdena genom strömmatningen till gitterdelarna hos laserdioderna 22 och 23.

Härigenom kan alstras ljussignaler med den smala linjebredden Al 5") lO 15 20 25 30 .,35 '468 267 "5 och med centrumfrekvenserna Aj som kan väljas kontinuerligt inom det nämnda relativt breda våglångdsområdet. Bredden hos detta område kan väljas genom att parallellkoppla ett önskat antal gitterförsedda laserdioder med dioderna 22 och 23. Det totala våglängdsområde, inom vilket ljusvåglângderna överhuvudtaget kan alstras, bestäms av halvledarmaterialen i laserdioderna och är av storleken omkring 50 nm.

Så som nämnts inledningsvis kan en och samma laserdiod utföra flera olika funktioner. Detta förhållande skall exemplifieras i anslutning till fig 3. I denna figur tages så som exempel laserdioden 9 vilken med sin elektriska anslutning 30 är ansluten till en elektrisk drivkälla 51 och en mottagare 52. Drivkällan matar laserdioden 9 med en ström I, vars storlek kan väljas inom ett relativt stort intervall. Om srömmens värde I=0 dämpar dioden en inkommande ljussignal Pl. Vid en strömstyrka upp till ett första tröskelvärde, en förstärkningströskel, arbeter dioden som en ljuskälla. Vid förstärkningströskeln blir dioden transparent för den inkommande ljussignalen P1. Vid förhöjd strömstyrka upp till ett andra tröskelvärde, en lasringströskel, arbetar dioden som en förstärkare 'med en förstärkningsfaktor G, så att en utgående ljussignal PU= G-P1 erhålles. Vid ytterligare förhöjd strömstyrka utgör dioden 9 en laser. I sitt förstârkande ti1lstànd.mellan förstärknings- och lasringströsklarna kan dioden också utnyttjas för att avkänna den inkommande ljussignalen Pl.

En variation i signalens ljusstyrka orsakar en variation i vilket i övergångsspänningen hos 1addningsbärarkoncentrationen, sin tur orsakar en variation av dioden 9. Denna spänningsvariation avkännes av mottagaren 52, vilken avger en signal U svarande mot ljussignalen Pl. Dioden 9 kan utnyttas för att avkänna ljussignalen P1 också då strömmen I=0 och dioden är elektriskt inkommande ljussignalen Pl absorberas härvid kraftigt och orsakar bildandet av elektron-hål-par i förspänd i sin backriktning. Den dioden. Över dioden uppstår en spänningsvariation, vilken kan avkännas av mottagaren 52. I sitt backspända tillstånd är dioden en mycket snabb ljusdetektor som förmår registrera betydligt högre pulsfrekvenser än vad samma diod kan registrera i sitt förstârkande tillstånd.

I anslutning till figurerna 4-8 skall ges exempel pá hur den 10 15 20 25 35 .zf 0 %<3U l\ f) .

L 7 6 f' k.- uppfinningsenliga terminalen 1 kan utnyttjas.

EXEMPEL 1. Förstärkare och detektor, figur 4.

Laserdioderna 8,9 och 10 är förstärkande, vilket markerats med en symbol (+) vid anslutningarna 30. Laserdioden 12 är backspänd vilket markerats med en symbol (-) och övriga laserdioder saknar förspänníng. En ljussignal P2 med våglängderna Al-ÄN inkommer till anslutningen 24, förstärks i laserdioderna 8,9 och 10 och avges från anslutningen 25. En del av ljussignalen som avgrenas före dioden 12 når laserdioderna 17 och 18 och utsläckes där. Om P2 endast innehåller en av våglängderna Äj kan pulserna hos ljussignalen detekteras i den backspända laserdioden 12 upp till hög pulfrekvens .Det är också i detta fall möjligt att detektera P2 i någon av de förstärkande laserdioderna 8,9 eller 10.

EXEMPEL 2. Smalbandig ljuskälla med brett avstämningsomràde, figur 5.

Laserdioderna 10,11,13,14,15 och 16 är elektriskt förspända i sin framriktning och är förstärkande, vilket liksom ovan markerats med (+) i figuren. Laserdioden 23 är också förspänd i sin framriktning inom sitt lasringsområde och de övriga laserdioderna saknar förspänníng. Laserdioden 23 avger ljus med våglängden Aj, vars storlek huvudsakligen bestäms av gittret 21 så som nämnts ovan. laserdioden 23 har en extern kavitet, vilken omfattar vágledarna 6 med dioderna 11,13,14 och 16 mellan speglarna 29.Ljus från laserdioden 23 reflekteras fram och åter mellan speglarna i denna kavitet och förstärkes förutom i dioden 23 även i dioderna 11,13,14 och 16.En del av ljusenergin avgrenas genom en förbindelsevågledare med laserdioden 15 via laserdioden 10 och avges som en smalbandig ljussignal P3 från anslutningen 25. En del av ljusenergin i kaviteten reflekteras åt vänster i figuren från den högra spegeln 29 och avgrenas dels till laserdioderna 19 och 20, dels till förbindelsevàgledaren 'med laserdioden 12.

Laserdioderna 19,20 och 12 utsläcker den avgrenade delen av ljusenergin. Genom att välja vilken av laserdioderna 22 eller 23 som strömmatas kan ljusvâglängden väljas.Ljussignalen P3 kan moduleras exempelvis genom att strömmen I till dioden 10 moduleras. 10 15 20 25 30 35 y4es 267 EXEMPEL 3.Våglängdsselektiv optisk förstärkare, figur 6.

Laserdioderna 8,10,12 och 15 är elektriskt förspända så att de är transparenta för en ljussignal P4 som inkommer till anslutningen 24. I den ovannämnda externa kaviteten mellan speglarna 29 är dioderna 11,13,l4 och 16 elektriskt förspända i framriktningen och ger en önskad grad av förstärkning i kaviteten. Laserdioden 22 är absorberande 'medan laserdioden 23 är förstärkande och förstärker ljus med våglängden Aj, vilken ingår i den inkommande ljussignalen P4. Endast ljus med 'våglängden Aj förstärks i kaviteten på grund av att dioden 23 med sitt gitter 21 är avstämd kring denna inklusive våglängd. Övriga våglängder, spontanemitterat ljus från dioderna dämpas i kaviteten. En förstärkt ljussignal P5 med våglängden Aj avges från terminalen 1 från dess båda anslutningar 24 och 25, men den bakåtgående ljussignalen från anslutningen 24 utsläckes i en icke 'visad optisk likriktare. Genom att även förspänna laserdioden 22 till sitt förstärkande tillstånd kan två av ljusvåglängderna i ljussignalen P4 förstärkas. Ljus som avgrenas till dioderna 17-20 utsläckes i dessa dioder.

EXEMPEL 4. Vàglängdsselektiv detektor, figur 6.

I figur 6 omställes laserdioden 9 till tillstånd, övriga dioder är oförändrade från exempel 3. Samtliga våglängder i ljussignalen P4 förstärks i laserdioderna 8,9 och 10 och avges sitt förstärkande laserdioden 15 förspännes i sin backriktning och från anslutningen 25. En del av ljusenergin i ljussignalen P4 avgrenas till kaviteten mellan speglarna 29. I kaviteten förstärks en önskad av våglängderna i P4 så som beskrivits i exempel 3 ovan. Ljussignalen med denna förstärkta våglängd detekteras i den backspända laserdioden 15. Den våglängd som detekteras väljes genom att välja vilken av laserdioderna 22 eller 23 som är förstärkande.

EXEMPEL 5.Koherent mottagare, figur 7.

Laserdioderna 8,11,13, 14 och 16 är elektriskt förspända i sin framriktning och är förstärkande.I den externa kaviteten mellan speglarna 29 är dessutom dioden 23 förspänd i sin framriktning och utsänder ljus och dioden 22 är absorberande. De båda 10 15 20 25 30 35 267 laserdioderna 17 och 18 är förspända i sin backriktning och arbetar som ljusdetektorer. Dioderna 12 och 15 är backspända för att effektivt isolera kaviteten från transmissionsledningen, medan övriga laserdioder hos terminalen 1 är absorberande. Till anslutningen 24 inkommer en koherent ljussignal P6 vilken har våglängden Aj och bär information i form av en fasmodulering. I kaviteten alstras genom dioden 23 med sitt gitter 21 en ljussignal med våglängden Aj. En del ljus avgrenat från kaviteten absorberas i dioderna 19 och 20. Fràn kaviteten avgrenas ljus med den väl bestämda och konstanta våglängden Aj till laserdioderna 17 och 18 och interfererar med ljussignalen P6. I laserdioderna 17 och 18 detekteras en skillnadssignal som ger fasinformationen i ljussignalen P6.

EXEMPEL 6. Fasmodulator, figur 8.

I den externa kaviteten mellan speglarna 29 är dioderna 11,13,14 och 16 förstärkande. Dioden 22 är absorberande och dioden 23 med sitt gitter 21 avger ljus med våglängden Aj. Dioden 12 är förspänd i sin backriktning för att isolera kaviteten från anslutningen 24. Strömmen I till dioderna 10 eller 15 moduleras, vilket i figuren angivits med en symbol (M). Övriga dioder hos terminalen 1 är absorberande. I kaviteten alstras en ljussignal med den välbestämda våglängden Aj och denna ljussignal avgrenas till anslutningen 25. Den avgrenade ljussignalen passerar dioderna 15 och 10 och fasmoduleras i någon av dessa båda dioder till en fasmodulerad, koherent ljussignal P7. Vid ett experiment med terminalen 1 utnyttjades vid modulation en modulationsström l0 mA, men teoretiskt bör en strömstyrka av 1 mA vara tillräcklig. denna Den uppfinningsenliga terminalen 1 kan utnyttjas på flera sätt än vad som anges med exemlen 1-6 ovan. Exempelvis kan en ljussignal tas emot vid anslutningen 24, förstärkas och utsändas via anslutningen 25 samtidigt som den fasmodulerade ljussignalen P7 alstras. I det visade utföringsexemplet är terminalen symmetrisk och kan utnyttjas för ljussignaler som vandrar pà båda hàllen i fibern 2 hos kommunikationssystemet i figur 1. 10 15 20 25 - 30 9 4-68 267 En alternativ utföringsform av terminalen skall kortfattat beskrivas i. anslutning till figur 9. I denna figur visas en terminal 31 pá ett underlag 38. Terminalen 31 är till vissa delar av samma utförande som terminalen 1. Transmissionsledningen mellan anslutningarna 24 och 25 med laserdioden 9 är av samma utförande som hos terminalen 1, likaså de koherenta mottagarna med laserdioderna 17-20. skiljer sig från terminalen 1 huvudsakligen genom att laserdioder 33-36 är Terminalen 31 placerade vid ena kortsidan hos underlaget 38. Dioderna 33-36 har ett gemensamt solfjäderformat gitter 37 och är förbundna med terminalens övriga delar genom en trädliknande förgrening av optiska vágledare. Var och en av lasedioderna 33-36 har en spegel 39, vilken tilammans med en spegel 40 vid underlagets andra kortsida avgränsar en extern kavitet för var och en av dioderna.

En laserdiod 32 i en vågledare som sammanbinder kavitetens båda ändar utgör en förstärkare i kaviteten. Utföringsformen enligt figur 9 har fördelen att den är utrymesbesparande men har nackdelen bland annat att en ljusvág som inkommer till kaviteten på anslutningen 24 oavsiktligt kan nå anslutningen 25 utan att passera det våglängdsfiltrerande gittret 37. Detta medför en oönskad transmission av alla våglängder i denna ljusvàg, men utföringsformen enligt figur 2 förhindrar effektivt denna oönskade transmission.

De uppfinningsenliga terminalerna har fördelen att endast ett fåtal olika komponenttyper behöver utnyttjas, vilket förenklar terminalens framställning. Terminalen kan utföra ett stort antal av de olika funktioner som fordras i ett kommunikationsnät och skilda funktioner fås genom att omställa strömmar. Optisk signalbehandling i terminalen stör ej signalöverföringen på det optiska nät terminalen är ansluten till.

Claims (3)

10 15 20 25 30 468 267 1° PATENTKRAV

1. Terminal (1) för ett frekvensdelat, optiskt kommunikationssystem utförd i integrerad optik på ett gemensamt halvledarunderlag (5) med omställbara laserdioder(8-20), optiska vågledare (6) med förgreningar (7), speglar (29) och gitter (21), k ä n n e t e c k n a d därav att terminalen omfattar - minst två anslutningar (24,25) till kommunikationssystemet, - en transmissionsvågledare som sträcker sig mellan de två anslutningarna (24,25) och är försedd med minst en laserdiod (9), - en utsträckt optisk kavitet utformad såsom en vàgledare (6) med minst två reflekterande (29) ändytor (27,28), vilken kavitet har minst en med ett vàglängdsgitter (21) försedd laserdiod (22,23) vars våglängd kan avstämmas kring gittervåglängden (Äj) och minst en förbindelsevàgledare försedd med en av laserdioderna (12,l5) vilken förbinder kaviteten med anslutningarna (24,25) och åtminstone den ena av - en koherent ljusdetektor för fasriktig detektering av en ljussignal (P6), vilken ljusdetektor är förbunden dels med kaviteten, dels med en av anslutningarna (24) och vilken ljusdetektor har minst en laserdiod (17,18) för att jämföra den inkommande ljussignalen (P6) med en i kaviteten alstrad ljusvàg med önskad våglängd, varvid laserdioderna (8-20,22,23) på underlaget (5) kan omställas med hjälp av styrsignaler (I) mellan sina ljusabsorberande, förstärkande och ljusutsändande tillstànd.

2. Terminal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att kaviteten har minst två med vàglängdsgitter (21) försedda laserdioder (22,23), våglängdsgittren har skilda gitter- konstanter och laserdioderna (22,23) är parallellkopplade med varandra.

3. Terminal enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav att kaviteten är förbunden med båda anslutningarna (24,25) hos terminalen (1) genom två skilda förbindelsevâgledare. -.\