DE19801223A1

DE19801223A1 - Method of deriving microwave or millimeter wave subcarrier signals independent of the dispersion of the optical transmission path in an optical multiplex system

Info

Publication number: DE19801223A1
Application number: DE1998101223
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Sauer; Walter Prof Dr Ing Nowak
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-15
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: DE19801223C2

Abstract

The method involves feeding laser diodes or other suitable sources of different emission wavelengths together into a fibber bus, modulating them using an external phase modulator with a microwave or millimeter wave signal and demultiplexing after transmission so that as well as the carrier only the first side band is fed to a photoreceiver and the useful signal is derived by mixing in the photoreceiver.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Die optische Mikrowellen- und Millimeterwellen-Übertragung (letztere wird im folgenden in den Begriff Mikrowellenübertragung allgemein mit einbezogen) ist unter anderem für die Versorgung der Basisstationen von Mobilfunksystemen mit hohen Funkfrequenzen von großem Interesse. Dabei wird am Anfang der Übertragungsstrecke auf geeignete Weise ein optisches Mikrowellensignal erzeugt, über Lichtwellenleiter übertragen und an der Basisstation mittels einer Photodiode, die eine hinreichende Grenzfrequenz aufweist, empfangen. Somit steht an der Basisstation sofort ein elektrisches Mikrowellensignal, bestehend aus einem Subcarrier sowie oftmals aufgeprägter Signalmodulation, zur Verfügung.Optical microwave and millimeter wave transmission (the latter is described below in the term microwave transmission generally included) is among others for the Providing the base stations of mobile radio systems with high radio frequencies from great interest. In this case, at the beginning of the transmission path, a suitable optical microwave signal generated, transmitted via optical fibers and at the Base station by means of a photodiode which has a sufficient cut-off frequency, receive. This means that an electrical microwave signal is immediately available at the base station, consisting of a subcarrier and often embossed signal modulation.

Zur Erzeugung und Übertragung dieser Mikrowellen-Subcarrier, aber auch zur Aufprägung der Signalmodulation, sind einige Verfahren bekannt. Eine Übersicht findet sich z. B. in "Optische Mikrowellentechnik für zukünftige zellulare Mobilfunknetze" von R.-P. Braun und Mitautoren in Nachrichtentechnik/Elektronik, Berlin, Vol. 45, S. 63ff., September 1995.For the generation and transmission of this microwave subcarrier, but also for embossing signal modulation, some methods are known. An overview can be found e.g. B. in "Optical microwave technology for future cellular mobile radio networks" by R.-P. Brown and Co-authors in Telecommunications / Electronics, Berlin, Vol. 45, pp. 63ff., September 1995.

Für die praktische Realisierung sind vor allem solche Verfahren von Interesse, bei denen das an der Photodiode gewonnene elektrische Signal in seiner Qualität im wesentlichen unabhängig von der Dispersion der optischen Übertragungsstrecke ist. Dies ist nicht bei allen Verfahren der Fall. Bekannte Verfahren für dispersionsunabhängige Gewinnung von Mikrowellensignalen sind unter anderem die von L. Noel, D. Marcenac und D. Wake: "Optical millimetre-wave generation technique with high efficiency, purity and stability." in Electronics Letters, Vol. 32, S. 1997f., Oktober 1996, vorgeschlagene Anordnung mit Mas ter- und Slave-Laser, das von H. Schmuck: "Comparison of optical millimetre-wave system concepts with regard to chromatic dispersion." in Electronics Letters, Vol. 31, S. 1848f., Oktober 1995, diskutierte Verfahren mit externer Zweiseitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger oder das von G. H. Smith, D. Novak und Z. Ahmed: "Overcoming chromatic-dispersion effects in fiber-wireless systems incorporating external modulators." in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, S. 1410, August 1997, vorgeschlagene Verfahren mit externer Einseitenbandmodulation.Of particular interest for practical implementation are those processes in which the The quality of the electrical signal obtained at the photodiode is essentially the same is independent of the dispersion of the optical transmission path. Not all of them Procedure the case. Known methods for the dispersion-independent extraction of Microwave signals include those from L. Noel, D. Marcenac and D. Wake: "Optical millimeter-wave generation technique with high efficiency, purity and stability." in Electronics Letters, Vol. 32, pp. 1997f., October 1996, proposed arrangement with Mas ter and slave laser, by H. Schmuck: "Comparison of optical millimeter-wave system concepts with regard to chromatic dispersion. "in Electronics Letters, Vol. 31, pp. 1848f., October 1995, discussed methods with external double sideband modulation oppressed carrier or that of G.H. Smith, D. Novak and Z. Ahmed: "Overcoming chromatic-dispersion effects in fiber-wireless systems incorporating external modulators. "in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, p. 1410, August 1997, proposed method with external single sideband modulation.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zu schaffen, bei dem an einer Photodiode ein Mikrowellensignal entnommen werden kann, dessen Leistung unabhängig von der Dispersion der optischen Übertragungsstrecke ist und das sich besonders für Wellenlängenmultiplex-Systeme eignet.The object of the invention is to provide a simple method in which one A microwave signal can be taken from the photodiode, the power of which is independent of is the dispersion of the optical transmission link and that is particularly for Wavelength division multiplex systems are suitable.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden durch die Unteransprüche 2 bis 6 angegeben.According to the invention, the object is achieved by a method having the features of claim 1 solved. Advantageous refinements of the method are defined in subclaims 2 to 6 specified.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß ein einfacher linearer optischer Phasenmodulator mit der halben Subcarrierfrequenz betrieben wird und eine optische Filterung erfolgt, die neben dem optischen Träger nur die beiden ersten Seitenbänder zur Detektion mit der Photodiode zuläßt. Das entstehende Signal bei der Subcarrierfrequenz ist somit unabhängig von der Dispersion der optischen Übertragungsstrecke. Das Verfahren ist insbesondere bei Nutzung eines optischen Wellenlängenmultiplex-Systems geeignet. Hierbei wird nur ein externer Phasenmodulator zur Subcarriergenerierung aller optischen Kanäle benötigt, und die notwendige Filterung erfolgt einfach beim Demultiplexen der optischen Kanäle.It is essential to the invention that a simple linear optical phase modulator with the half subcarrier frequency is operated and an optical filtering takes place in addition to the optical carrier only allows the first two sidebands for detection with the photodiode. The resulting signal at the subcarrier frequency is therefore independent of the dispersion the optical transmission path. The procedure is particularly useful when using a optical wavelength division multiplex system. Here, only an external one Phase modulator required for subcarrier generation of all optical channels, and the necessary filtering is done simply by demultiplexing the optical channels.

Bei der externen Phasenmodulation eines optischen Trägersignals E(t) = E₀ cos(ω_ct) (fc = ω_c/2π Lichtfrequenz) mit der Modulationsfrequenz f_m = ω_m/2π entsteht das Signal
With the external phase modulation of an optical carrier signal E (t) = E ₀ cos (ω _c t) (fc = ω _c / 2π light frequency) with the modulation frequency f _m = ω _m / 2π

E(t)=E₀[J₀(m)cosω_ct-J₁(m)sin(ω_c±ω_m)t-J₂(m)cos(ω_c±2ω_m)t++- -. . .],
E (t) = E ₀ [J ₀ (m) cosω _c tJ ₁ (m) sin (ω _c ± ω _m ) tJ ₂ (m) cos (ω _c ± 2ω _m ) t ++ - -. . .],

wobei J_k(m) die Besselfunktionen k-ter Ordnung mit dem Modulationsindex m als Argument bezeichnen.where J _k (m) denote the K-th order Bessel functions with the modulation index m as an argument.

Es resultiert der Träger sowie zahlreiche Modulationsseitenbänder, die sich insgesamt jedoch bei Direktdetektion mittels einer Photodiode gerade auslöschen und somit direkt nicht detektierbar sind. Wird dieses Signal über eine Lichtwellenleiterstrecke übertragen, so erfahren die Modulationsseitenbänder auf Grund der Faserdispersion eine Zusatzphasendrehung relativ zum Träger. Wird die Dispersion als linear angenommen, resultiert folgendes Signal:
The result is the carrier as well as numerous modulation sidebands, which, however, are generally extinguished when directly detected by means of a photodiode and are therefore not directly detectable. If this signal is transmitted via an optical fiber link, the modulation sidebands experience an additional phase shift relative to the carrier due to the fiber dispersion. If the dispersion is assumed to be linear, the following signal results:

E(t) = E₀k₀(m)cosω_ct-J₁(m)sin(ω_c±ω_m+ϕ)t-J₂(m)cos(ω_c±2ω_m+4(ϕ)t++--. . .]
E (t) = E ₀ k ₀ (m) cosω _c tJ ₁ (m) sin (ω _c ± ω _m + ϕ) tJ ₂ (m) cos (ω _c ± 2ω _m +4 (ϕ) t ++ -. ..]

mit ϕ=πCDL(ω_m/ω_c)² und ϕ_k=k²ϕ (für das k-te Seitenband), sowie dem Dispersionsparameter D, der Übertragungslänge L und der Lichtgeschwindigkeit c. Nun ist Direktempfang möglich, der jedoch stark von D, L, und ω_m abhängig ist. Bei konstanter Modulationsfrequenz ergibt sich eine Sinusverteilung der Leistung über der Faserlänge. Bei bestimmten Übertragungsentfernungen erfolgt somit totale Signalauslöschung, z. B. bei f_m = 60 (THz nach ca. 2 km in Standardfaser bei 1550 nm.with ϕ = πCDL (ω _m / ω _c ) ² and ϕ _k = k ² ϕ (for the kth sideband), as well as the dispersion parameter D, the transmission length L and the speed of light c. Direct reception is now possible, but this is strongly dependent on D, L, and ω _m . With a constant modulation frequency, there is a sine distribution of the power over the fiber length. At certain transmission distances, total signal extinction occurs, e.g. B. at f _m = 60 (THz after approx. 2 km in standard fiber at 1550 nm.

Eine optische Filterung der ersten beiden Seitenbänder ergibt
Optical filtering of the first two sidebands results

E(t) = E₀[J₀(m)cosω_ct-J₁(m)sin(ω_c±ω_m+ϕ)t],
E (t) = E ₀ [J ₀ (m) cosω _c tJ ₁ (m) sin (ω _c ± ω _m + ϕ) t],

woraus die optische Leistung berechnet werden kann, der der Photostrom proportional ist:
from which the optical power can be calculated, to which the photocurrent is proportional:

I_PD ∼ E²(t)/E₀ ² = -2 J₀(m)J₁(m)sinϕcosω_mt+J₁ ²(m)cos2ω_mt.I _PD ∼ E ² (t) / E ₀ ² = -2 J ₀ (m) J ₁ (m) sinϕcosω _m t + J ₁ ² (m) cos2ω _m t.

Es ist ersichtlich, daß der Term mit cos 2ω_mt keine Funktion des Dispersionsphasenwinkels ϕ ist. Dieses ist das bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gewonnene Mikrowellensignal. Es erfolgt also eine Verdopplung der Modulationsfrequenz und die Gewinnung eines Signals an der Photodiode, das unabhängig von der Dispersion der Übertragungsstrecke ist, wobei ein Phasenmodulator zum Einsatz kommt. Der Phasenmodulator hat gegenüber einem Mach-Zehn der-Intensitätsmodulator den Vorteil, daß er einen wesentlich einfacheren internen Aufbau hat und bei seiner Ansteuerung nur die halbe Modulationsleistung benötigt wird. Außerdem ist das optische Modulationssignal doppelt so stark, weshalb an der Photodiode ein elektrischer Leistungsgewinn gegenüber einem Mach-Zehnder-Modulator von 6 dB erzielt wird (entsprechend W. Nowak, M. Sauer: "Dynamikbereichserhöhung in optischen Mikrowellen-Subcarriersystemen durch Dispersionsmanagement", MIOP'97, Sindelfingen, April 1997).It can be seen that the term with cos 2ω _m t is not a function of the dispersion phase angle ϕ. This is the microwave signal obtained in the method according to claim 1. The modulation frequency is therefore doubled and a signal is obtained at the photodiode which is independent of the dispersion of the transmission link, a phase modulator being used. The phase modulator has the advantage over a Mach-Ten der intensity modulator that it has a much simpler internal structure and only half the modulation power is required for its control. In addition, the optical modulation signal is twice as strong, which is why an electrical power gain of 6 dB is achieved on the photodiode compared to a Mach-Zehnder modulator (according to W. Nowak, M. Sauer: "Dynamic range increase in optical microwave subcarrier systems through dispersion management", MIOP '97, Sindelfingen, April 1997).

Besonders vorteilhaft läßt sich dieses Verfahren in einem WDM-System gemäß M. Sauer, W. Nowak: "Simultaneous upconversion of several channels in mm-wave subcarrier transmission systems for wireless LANs at 60 GHz.", Microwave Photonics (MWP'97), Duisburg/Essen, September 1997, nutzen. Hierbei wird mehreren optischen Trägersignalen mittels eines einzigen Modulators das Subcarriersignal aufgeprägt. Die Filterung erfolgt dann gleichzeitig mit dem ohnehin notwendigen Demultiplexen der optischen Kanäle, d. h. die Demultiplexer transmittieren jeweils nur den Träger mit den ersten beiden Seitenbändern. Die Anforderungen an die Frequenzstabilität und Filtercharakteristik der Demultiplexer sind dabei nicht sehr hoch, da es sich um Mikrowellen- bzw. Millimeterwellensignale handelt und die nächsten Seitenbänder, die stark gedämpft werden müssen, deutlich weiter vom Träger ab liegen. Die Filterflanke muß sich zwischen den ersten und zweiten Seitenbändern befinden.This method can be used particularly advantageously in a WDM system according to M. Sauer, W. Nowak: "Simultaneous upconversion of several channels in mm-wave subcarrier transmission systems for wireless LANs at 60 GHz. ", Microwave Photonics (MWP'97), Duisburg / Essen, September 1997. Here, a plurality of optical carrier signals is generated by means of single modulator impressed the subcarrier signal. The filtering then takes place simultaneously with the already necessary demultiplexing of the optical channels, d. H. the demultiplexers transmit only the carrier with the first two side bands. The Demands of frequency stability and filter characteristics of the demultiplexers are included not very high, since it is microwave or millimeter wave signals and the next sidebands, which need to be heavily damped, further away from the wearer lie. The filter edge must be between the first and second sidebands.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the Show drawing

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Übertragungsstrecke Fig. 1 shows a transmission link designed according to the invention

Fig. 2 das optische Signalspektrum nach einer Laserdiode (LDi) Fig. 2, the optical signal spectrum to a laser diode (LDI)

Fig. 3 das optische Signalspektrum nach dem Multiplexer (MUX) Fig. 3, the optical signal spectrum after the multiplexer (MUX)

Fig. 4 das optische Signalspektrum nach dem Phasenmodulator (MOD) Fig. 4, the optical signal spectrum after the phase modulator (MOD)

Fig. 5 die spektrale Anordnung des optischen Filters (H) in einem optischen Kanal Fig. 5 shows the spectral arrangement of the optical filter (H) in an optical channel

Fig. 6 das optische Signalspektrum eines Kanals nach dem Demultiplexer (DEMUX). Fig. 6 shows the optical signal spectrum of a channel after the demultiplexer (DEMUX).

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Übertragungsstrecke gezeigt. Eine Anzahl Laserdioden (LD1 bis LDn) unterschiedlicher Emissionswellenlängen (λ₁ bis λ_n) (Darstellung eines optischen Signalspektrums einer beliebigen Laserdiode in Fig. 2), die mit den Modulationssignalen P₁ bis P_n moduliert werden können, werden mittels eines Multiplexers (MUX) auf einem Faserbus (FB) vereinigt. Das entstehende Signalspektrum zeigt Fig. 3, wobei Δλ der optische Kanalabstand ist. Dieses Signalgemisch wird mittels eines externen Phasenmodulators (MOD) mit der Frequenz f_m moduliert, die der halben Subcarrierfrequenz entspricht. Das entstehende Signalspektrum zeigt Fig. 4. Die Signalübertragung erfolgt über Lichtwellenleiter (LWL), die beliebige Dispersion aufweisen können. Das Demultiplexen (DEMUX) erfolgt so, daß nur die beiden ersten Modulationsseitenbänder transmittiert werden, was in Fig. 5 gezeigt wird. Die Δλ_-3dB-Bandbreite des Filters (FI) muß so gewählt werden, daß die Modulationsseitenbänder mit dem Abstand f_m von der Trägerfrequenz das Filter passieren, während die Seitenbänder mit höheren Frequenzabständen stark gedämpft werden. Das resultierende Signalspektrum zeigt Fig. 6. Die Photodioden (PD1 bis PDn) in Fig. 1 empfangen nun jeweils ein Fig. 6 entsprechendes Signalspektrum einer ihnen zugewiesenen Trägerwellenlänge (λ₁ bis λ_n). Die dispersionsunabhängigen Signale bei der Subcarrierfrequenz im Millimeterwellenbereich (P_sub,1 bis P_sub,n) können an den Photodioden entnommen werden.In Fig. 1 a according to the invention formed transmission path is shown. A number of laser diodes (LD1 to LDn) of different emission wavelengths (λ ₁ to λ _n ) (representation of an optical signal spectrum of any laser diode in FIG. 2), which can be modulated with the modulation signals P ₁ to P _n , are by means of a multiplexer (MUX ) combined on a fiber bus (FB). The resulting signal spectrum is shown in FIG. 3, where Δλ is the optical channel spacing. This signal mixture is modulated by means of an external phase modulator (MOD) with the frequency f _m , which corresponds to half the subcarrier frequency. The resulting signal spectrum is shown in FIG. 4. The signal is transmitted via optical fibers (LWL), which can have any dispersion. Demultiplexing (DEMUX) takes place in such a way that only the first two modulation sidebands are transmitted, which is shown in FIG. 5. The Δλ _-3dB bandwidth of the filter (FI) must be chosen so that the modulation sidebands with the distance f _m from the carrier frequency pass the filter, while the sidebands with higher frequency spacings are strongly attenuated. The resulting signal spectrum is shown in FIG. 6. The photodiodes (PD1 to PDn) in FIG. 1 now each receive a signal spectrum corresponding to FIG. 6 of a carrier wavelength assigned to them (λ ₁ to λ _n ). The dispersion-independent signals at the subcarrier frequency in the millimeter wave range (P _{sub, 1} to P _{sub, n} ) can be taken from the photodiodes.

Claims

1. A method for obtaining a microwave or millimeter wave signal independent of the dispersion of the optical transmission path in an optical multiplex system, characterized in that laser diodes (LDi) or other suitable sources of different emission wavelengths (λ ₁ ) are combined in a fiber bus (FB) be modulated with a micro or millimeter wave signal (f _m ) by means of an external phase modulator (MOD) and after the transmission the demultiplexing is carried out in such a way that in addition to the carrier only the first two sidebands are fed to the photo receiver (PDi) and the useful signal ( P _{sub, i} ) is obtained from the mixture of these two sideband signals in the photo receiver (PDi).

2. The method according to claim 1, characterized in that instead of an optical Multiplex systems only one optical channel is used, the sideband selection through one or more suitable optical filters.

3. The method according to claim 1, characterized in that the demultiplexing for all optical channels simultaneously with a component (DEMUX).

4. The method according to claim 1, characterized in that the demultiplexing distributed with several multiplexers.

5. The method according to claim 1 and 3 or 4, characterized in that the Sideband selection after demultiplexing by one or more suitable optical Filters are made or improved.

6. The method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that an optical Amplifier for all or individual optical channels is used.