DE3232430C2

DE3232430C2 - Optisches Nachrichtenübertragungssystem

Info

Publication number: DE3232430C2
Application number: DE3232430A
Authority: DE
Inventors: Richard Edward Epworth
Original assignee: STC PLC
Current assignee: STC PLC
Priority date: 1981-09-03
Filing date: 1982-09-01
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2002-09-02
Also published as: GB2107147B; GB2107147A; US4561119A; FR2512298B1; JPS5939934B2; ES8306553A1; JPS5875340A; ES515404A0; DE3232430A1; FR2512298A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Nachrichtenübertragungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 02 789 A1 bekannt.

Hierbei und bei anderen bekannten optischen Nachrichtenübertragungssystemen wird eine Intensitätsmodulation der Lichtquelle angewandt. Das elektrische Eingangssignal für die Sender solcher Systeme kann dabei verschiedenartig moduliert sein, z. B. PCM, PPM, FM, AM usw.

Die Intensitätsmodulation eines Lasers erfordert die Modulation relativ großer Vorströme, so daß der Vorstrommodulator relativ aufwendig ausgebildet ist. Weiterhin wird bei einer derartigen optischen Intensitätsmodulation der Laser bei relativ niedrigen mittleren Leistungen betrieben, so daß die zwischen dem Laser und dem Photodetektor angeordnete optische Übertragungsstrecke, beispielsweise in Form eines Lichtwellenleiters, nicht sehr lang sein kann.

Es ist andererseits bekannt (Proceedings of the IEEE, Vol. 58, No. 10, Okt. 1970, Seiten 1457 bis 1465), daß ein Laser in seiner Frequenz auf verschiedene Weise moduliert werden kann. Hierbei sind jedoch empfangsseitig relativ aufwendige Demodulationsverfahren erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Nachrichtenübertragungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das in einfacher Weise eine optische Intensitätsmodulation zwischen dem Sender und dem Empfänger ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wurde festgestellt, daß bei der direkten Modulation eines Injektionslasers (durch Modulation des Vorstroms) sich nicht nur die Intensität ändert, sondern auch die Wellenlänge. Die Änderung der Wellenlänge und damit der Frequenz beträgt nur einige Millionstel, jedoch beläuft sie sich auf einige Gigahertz, da die optische Frequenz sehr hoch ist. Obwohl die Änderung bei niedrigen Frequenzen infolge von thermischen Effekten größer ist, ist bei hohen Frequenzen die Änderung pro mA flach und beträgt über 500 MHz.

Wenn ein "Monomode"-Injektionslaser von der Laserschwelle aus bis zur Spitze des optischen Leistungspegels moduliert wird, so wechselt die Laserschwingung von einem Longitudinalmode auf einen anderen und wieder auf einen anderen. Während der Übergänge wird der Laser gleichzeitig in zwei Longitudinalmoden schwingen, ungeachtet der Tatsache, daß der gleiche Laser nur in einem einzigen Longitudinalmode schwingen kann, wenn er bei einem konstanten Leistungspegel betrieben wird. Wenn daher bei einem Halbleiterlaser der Vorstrom nur mit einem kleinen Modulationsstrom moduliert wird, so daß der Modulationsgrad der Intensitätsmodulation sehr gering ist, so entsteht eine entsprechende Änderung der Wellenlänge, die erfindungsgemäß mittels eines optischen Frequenzdiskriminators in eine Intensitätsmodulation umgewandelt wird. Der optische Frequenzdiskriminator kann dabei entweder benachbart zum Sender oder benachbart zum Empfänger (bezogen auf die Übertragungsstrecke) angeordnet sein. Im letzteren Fall geschieht die Nachrichtenübertragung zwischen dem Sender und dem Empfänger in Form von optischen frequenzmodulierten Signalen, die erst am Empfänger durch den optischen Frequenzdiskriminator in optische intensitätsmodulierte Signale umgewandelt werden, die dem Photodetektor zugeführt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichung zeigen:

Fig. 1 die bekannte Intensitätsmodulation eines Halbleiter-Injektionslasers,

Fig. 2 das verringerte Ausmaß der Intensitätsmodulation, das erforderlich ist, um eine Frequenzmodulation des Laserausgangssignals entsprechend der Erfindung zu erhalten,

Fig. 3 die Frequenzmodulation, die sich aus der in Fig. 2 gezeigten verringerten Intensitätsmodulation ergibt,

Fig. 4 die Intensitätsmodulation, die sich ergibt, wenn das frequenzmodulierte optische Signal nach Fig. 3 einen optischen Frequenzdiskriminator durchläuft,

Fig. 5 ein System mit einem benachbart zum Laser angeordneten Frequenzdiskriminator,

Fig. 6 ein System mit einem benachbart zum Photodetektor angeordneten Frequenzdiskriminator,

Fig. 7 die Frequenzmodulation eines Lasers mit einer Rückkopplung,

Fig. 8 den Effekt der Verwendung eines Frequenzdiskriminators mit geringerer Verstärkung im Rückkopplungsweg der Anordnung nach Fig. 7,

Fig. 9 ein anderes Verfahren zur Steuerung der Frequenzmodulation eines rückgekoppelten Lasers,

Fig. 10 eine Empfängeranordnung für frequenzmodulierte optische Signale.

Die bekannte Intensitätsmodulation eines Halbleiter-Injektionslasers wird dadurch erreicht, daß der Vorstrom von einem gerade unterhalb der Laserschwelle liegenden Wert, d. h. vom "Aus"- oder "Null"-Zustand zum maximalen Leistungspegel, d. h. zum "Ein"- oder "Eins"-Zustand moduliert wird, wie in Fig. 1 gezeigt.

Zur Frequenzmodulation eines Injektionslasers entsprechend der Erfindung wird der Laser mit Hilfe des Vorstroms anfangs auf einem hohen Leistungspegel betrieben, wie dies mit der gestrichelten Linie in Fig. 2 gezeigt ist. Der Vorstrom wird nun in geringem Ausmaß moduliert, so daß die durchschnittliche Ausgangsleistung zu allen Zeiten hoch bleibt. Dies führt jedoch zu einer kleinen, jedoch bedeutsamen Änderung der Frequenz des optischen Laserausgangssignals, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Dieses frequenzmodulierte optische Ausgangssignal wird dann einem optischen Frequenzdiskriminator, zum Beispiel einem Michelson-Interferometer, einem Mach-Zehnder-Interferometer oder einem Fabry-Perot-Hohlraumresonator zugeführt, der so abgestimmt ist, daß er nur Licht mit einer einzigen Wellenlänge durchläßt. Damit wird das optische Ausgangssignal des Diskriminators effektive intensitätsmoduliert, was in Fig. 4 gezeigt ist. Bei der Wellenlänge (Frequenz f₁) wird scheinbar die volle optische Leistung vom Diskriminator ausgesandt, wogegen bei der Wellenlänge (Frequenz f₂) nur Licht in geringem oder unbedeutendem Maß ausgesandt wird.

Der Modulationsgrad des Laser-Vorstroms wird durch die Pegel bestimmt, bei denen die Laser-Schwingungen von einem longitudinalen Mode auf einen anderen wechseln. Die Frequenzmodulation des Laserausgangssignals und daher auch die Intensitätsmodulation des Diskriminatorausgangssignals wird offensichtlich umso effektiver sein, je größer die Modulation des Vorstromes unter Einhaltung dieser Bedingungen ist.

Die Art der Frequenzmodulation eines Injektionslasers kann auf verschiedene Weise ausgenützt werden. In einem System, das zur Verbindung eines Lasers 2 (Fig. 5) mit einem Photodetektor 3 einen Lichtwellenleiter 1 verwendet, kann der Frequenzdiskriminator 4 benachbart zum Laser 2 angeordnet sein. Die sich daraus ergebende optische Übertragung ist dann intensitätsmoduliert, wie oben erläutert, wenn der Pegel des Vorstroms des Lasers in einem Modulator 5 gesteuert wird. Als Alternative dazu kann der Diskriminator 4 auch wie in Fig. 6 gezeigt benachbart zum Photodetektor 3 angeordnet sein. In diesem Falle sind die über den Lichtwellenleiter 1 übertragenen Signale noch frequenzmoduliert und werden erst in dem Frequenzdiskriminator in intensitätsmodulierte optische Signale umgewandelt. In jedem Falle verarbeitet der Photodetektor, z. B. eine Photodiode, ein intensitätsmoduliertes Eingangssignal.

Die Fig. 7 zeigt sendeseitig eine Vorrichtung zum Einstellen des erforderlichen Pegels der Modulation des Laser-Vorstroms. Bei einem typischen Injektionslaser ist es möglich, ein optisches Ausgangssignal sowohl an der sogenannten "Vorderseite" des Lasers 2, wo die Einstrahlung in den Lichtwellenleiter 1 stattfindet, als auch an der "Rückseite" des Lasers zu erhalten.

Bei dem System nach Fig. 7 befindet sich ein zweiter Frequenzdiskriminator 6 hinter dem Laser 2, der Licht von der Rückseite des Lasers empfängt. Alternativ dazu kann das Licht für den zweiten Frequenzdiskriminator von dem an der Vorderseite des Lasers ausgesendeten Licht abgezweigt werden. Das Ausgangssignal des zweiten Frequenzdiskriminators wird einem zweiten Photodetektor 7 zugeführt, der das eine Eingangssignal eines Differenzverstärkers 8 liefert. Das Modulationssignal wird an den anderen Eingang des Differenzverstärkers 8 angelegt, dessen Ausgangssignal den Vorstrom des Lasers in einer negativen Rückkopplungsschleife bildet. Der zweite optische Frequenzdiskriminator überwacht die augenblickliche optische Frequenz im Hinblick auf eine geforderte Frequenz und stellt den Modulationsstrom durch eine elektrische negative Rückkopplung entsprechend ein. Dies hat den Vorteil, daß Schwankungen des Frequenzhubs korrigiert werden, d. h., daß der FM-Frequenzgang abgeflacht wird. Zweitens macht dies es möglich, die Modulation zu linearisieren. Genauer gesagt, linearisiert dies die Modulation bei einem linearen Frequenzdiskriminator oder zwingt ansonsten die Nichtlinearität, derjenigen des Diskriminators zu folgen. Die Rückkopplung kann daher mit Vorteil dann verwendet werden, wenn ein herkömmlicher Frequenzmodulations- Diskriminator beispielsweise einen sinusförmigen Frequenzgang anstelle eines linearen Frequenzgangs hat. Somit wird die Gesamt-Übertragungsfunktion des Systems linear sein, vorausgesetzt, daß der zweite oder der der Rückkopplungsdiskriminator von der gleichen Art ist, wie der in Vorwärtsrichtung verwendete Diskriminator.

Die einfachste Ausführungsform eines optischen Frequenzmodulations-Diskriminators ist sowohl gegenüber Änderungen der Eingangsleistung als auch gegenüber Änderungen der Frequenz empfindlich. Wie bereits erwähnt, wird das Laserausgangssignal in einem geringen Umfang intensitätsmoduliert, wodurch eine Frequenzmodulation bewirkt wird. Diese Amplitudenmodulationskomponente kann kompensiert, jedoch nicht beseitigt werden, wenn man in der Rückkopplungsschleife einen ähnlichen amplitudenmodulationsempfindlichen FM-Diskriminator verwendet. Falls aber beim Empfänger ein FM-Diskriminator verwendet wird, der gegenüber Schwankungen der Intensität unempfindlich ist, dann sollte ein ähnlicher FM-Diskriminator in der Rückkopplungsschleife verwendet werden, wenn eine gute Linearität erreicht werden soll.

Bei d igitalen Anwendungen, bei denen die Linearität nicht so wichtig ist, wie der Modulationsgrad, ist es möglich, in der Rückkopplungsschleife einen Diskriminator mit einer geringeren Verstärkung zu verwenden (Fig. 8). Dieses würde eine stabile Betriebsweise der Rückkopplungsschleife ermöglichen, ungeachtet der Tatsache, daß das Ausgangssignal des empfangsseitigen Diskriminators bei den Spitzen Bereiche mit der Steilheit 0 erreicht.

Die in Fig. 5 gezeigte Konfiguration läßt sich durch die Anwendung einer Rückkopplungsschleife vom optischen Ausgangssignal des Diskriminators 4 zurück zum elektrischen Eingangssignal verbessern, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Diese Rückkopplung ist ähnlich der in Fig. 7 gezeigten, sie erfordert jedoch nicht die Verwendung eines zweiten optischen Frequenzdiskriminators. Der Vorteil der Verwendung eines Frequenzdiskriminators zur Erzeugung einer Intensitätsmodulation zur Nachrichtenübertragung besteht darin, daß weitaus kleinere Modulationsströme verwendet werden können. Dies kann einen Betrieb in einem einzigen longitudinalen Mode sogar mit einem höheren Modulationsgrad möglich machen. Mit den gegenwärtig bekannten Injektionslasern ist dies nicht möglich. Die Verwendung des frequenzmodulierten Ausgangssignals bei der Nachhrichtenübertragung hat einen Vorteil darin, daß im Empfänger, wie in Fig. 10 gezeigt, eine Form eines Gegentaktbetriebs stattfinden kann. In diesem Fall ist ein Doppel-Frequenzdiskriminator im Empfänger erforderlich, der bei jeder der beiden optischen Frequenzen ein separates Ausgangssignal erzeugt. Wenn der Laser das gesamte frequenzmodulierte Ausgangssignal aussendet, so ist für beide Frequenzen im wesentlichen die volle Leistung am Empfänger verfügbar. Daher ist der Empfänger so aufgebaut, daß bei der Frequenz f₁ das empfangene Licht auf einen Photodetektor 10 fällt, wogegen bei der Frequenz f₂ das empfangene Licht auf einen zweiten Photodetektor 11 fällt. Die beiden Photodetektoren sind in Reihe geschaltet, wobei der Verbindungspunkt mit einem Ausgangsverstärker verbunden ist. Diese Anordnung hat zusätzlich den Vorteil, daß der Empfänger eine eingebaute Redundanz aufweist für den Fall, daß einer der Photodetektoren ausfällt. Da die einzelnen Bauteile des oben beschriebenen Systems und ihre Zusammenschaltung beispielsweise der Aufbau eines optischen Frequenzdiskriminators oder die Ankopplung des Lichts von einem Laser in eine optische Faser, allgemein geläufig und nicht erfindungswesentlich sind, wird hierfür keine eingehende Beschreibung gegeben.

Claims

1. Optisches Nachrichtenübertragungssystem, dessen Sender einen von einer modulierbaren Vorstromquelle gespeisten Halbleiter-Injektionslaser und dessen Empfänger einen Photodetektor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorstromquelle einen derartigen Vorstrom an den Laser (2) liefert, daß dieser bei einem hohen Leistungspegel mit einem im wesentlichen konstanten Mittelwert betrieben wird, daß ein Vorstrommodulator (5) den Vorstrom derart innerhalb vorgegebener Grenzwerte moduliert, daß sich eine Frequenzmodulation des optischen Ausgangssignals des Lasers (2) ergibt, und daß im Strahlengang zwischen dem Laser (2) und dem Photodetektor (3; 10, 11) ein optischer Frequenzdiskriminator (4) vorgesehen ist, der das frequenzmodulierte optische Ausgangssignal des Lasers (2) in ein intensitätsmoduliertes optisches Signal umwandelt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsgrad der Intensitätsmodulation des optischen Ausgangssignals des Frequenzdiskriminators (4) größer ist als der Modulationsgrad der Frequenzmodulation des optischen Signals am Eingang des optischen Frequenzdiskriminators (4).

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Frequenzdiskriminator (4) benachbart zum Laser (2) angeordnet ist (Fig. 5, Fig. 9).

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Frequenzdiskriminator (4, 9) benachbart zum Photodetektor (3; 10, 11) angeordnet ist (Fig. 6, Fig. 7, Fig. 10).

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Sender ein zweiter optischer Frequenzdiskriminator (6) vorhanden ist, der ein zweites Ausgangssignal (2) empfängt und daß das Ausgangssignal des zweiten Frequenzdiskriminators (6) einem zweiten, sendeseitigen Photodetektor (7) zugeführt wird, der das eine Eingangssignal eines Differenzverstärkers (8) liefert, dessen anderes Eingangssignal ein Modulationssignal und dessen Ausganggssignal der modulierte Vorstrom des Lasers (2) ist (Fig. 7).

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Frequenzdiskriminator (6) im wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie der erste Frequenzdiskriminator (4) hat.

7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Frequenzdiskriminator (6) eine geringere Verstärkung als der erste Frequenzdiskriminator (4) hat.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des optischen Ausgangssignals des optischen Frequenzdiskriminators (4) einem zweiten, sendeseitigen Photodetektor (7) zugeführt wird, daß im Sender eine Rückkopplungsschleife mit einem Differenzverstärker (8) vorhanden ist, an dessen einem Eingang das Ausgangssignal des zweiten Photodetektors (7) und an dessen anderem Eingang ein Modulationssignal liegt und dessen Ausgangssignal der modulierte Vorstrom des Lasers (2) ist (Fig. 7).

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig zwei in Reihe geschaltete Photodetektoren (10, 11) vorhanden sind, deren Verbindungspunkt mit dem Empfänger verbunden ist, daß der optische Frequenzdiskriminator (9) für jede von zwei verschiedenen Frequenzen ein eigenes Ausgangssignal erzeugt, und daß getrennte Mittel vorhanden sind, welche die beiden optischen Ausgangssignale des Frequenzdiskriminators (9) zu den zugehörigen Photodetektoren (10, 11) leiten (Fig. 10).

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder optische Freqeunzdiskriminator (4, 6) aus einem Fabry-Perot- Hohlraumresonator besteht.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder optische Frequenzdiskriminator (4, 6) aus einem Michelson- Interferometer besteht.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder optische Frequenzdiskriminator (4, 6) aus einem Mach-Zehnder- Interferometer besteht.

13. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Frequenzdiskriminator (9) aus zwei getrennten Fabry-Perot- Resonatoren besteht, die auf unterschiedliche optische Frequenzen abgestimmt sind (Fig. 10).

14. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Frequenzdiskriminator (Fig. 9) aus zwei getrennten Michelson- Interferometern besteht, die auf unterschiedliche optische Frequenzen abgestimmt sind (Fig. 10).

15. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Frequenzdiskriminator aus zwei getrennten Mach-Zehnder- Interferometern besteht, die auf unterschiedliche optische Frequenzen abgestimmt sind.