DE3782912T2

DE3782912T2 - Optischer mischer zum aufwaerts- oder abwaertsmischen eines optischen signals.

Info

Publication number: DE3782912T2
Application number: DE8787308323T
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Darcie
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1987-09-21
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2007-09-22
Also published as: EP0263613A3; DE3782912D1; JPS6390725A; CA1262261A; EP0263613A2; US4794351A; EP0263613B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum direkten Mischen eines optischen Unterträgersignals mit dem Signal eines örtlichen Oszillators unter Verwendung eines verstärkungsmodulierten optischen Verstärkers oder Dämpfungsmodulators.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein Unterträger-Muliplexieren stellt eine attraktive Alternative zu einem Zeitmultiplex-(TDM) oder Wellenlängen-(WDM) Multiplexieren in örtlichen Lichtwellen-Verteilersystemen oder örtlichen Netzwerken (LAN) dar. In Unterträgersystemen werden Daten jedes Kanals zur Modulation (ASK, PSK oder FSK) eines Mikrowellen-Unterträgers benutzt, der dann einen optischen Träger intensitätsmoduliert. Beim Empfänger nimmt ein Kochgeschwindigkeits-Fotodetektor die Summe aller übertragenen Unterträgerkanäle auf und der gewünschte Kanal wird mittels eines Mikrowellen-Bandpassfilters oder eines Hochfrequenz-Überlagerungsempfängers ausgewählt. Im einzelnen benutzt ein üblicher Empfänger die Fotodiode zur Wiedergewinnung des modulierten Unterträgers, gefolgt von elektronischen Verstärkern, einem Filter und einem Demodulator. Ein Vorteil eines Unterträgersystems besteht darin, daß der Empfänger nur die Bandbreite des gewünschten Kanals und nicht die Gesamtbandbreite des Systems haben muß, während Empfänger für TDM-Systeme eine genügend große Bandbreite für den gesamten Datendurchsatz besitzen müssen. Die verringerte Bandbreite kann zu einer wesentlich verbesserten Empfindlichkeit des Empfängers führen.
Optoelektronische Mischung unter Verwendung von GaAs-Fotoleiter- Mischern sind zur optoelektronischen Überlagerungsdetektierung hochfrequenter, intensitätsmodulierter Signale benutzt worden. Dazu wird beispielsweise auf den Aufsatz "GaAs Optoelectronic Mixer Operation At 4,5 GHz" von P.K.W. Lam et al. in IEEE Trans. On Electron Devices, Band ED-31, Nr.12, Dezember 1984, Seiten 1866-1768 hingewiesen. Dort wird das Signal eines Lasers über eine optische Faser empfangen und mit dem Signal eines örtlichen Oszillators in einem GaAs-Fotoleiter-Mischer zur direkten Erzeugung eines elektrischen Signals gemischt, das dann durch übliche elektronische Bauteile verarbeitet wird. Der Fotoleiter-Mischer ist ein optoelektronischer Kreuzpunktschalter einer Ausführung, die zur Herstellung von Schaltmatritzen für sehr breitbandige Signale benutzt worden ist. Dazu wird beispielsweise auf einen Aufsatz von R.I. MacDonald et al. in IEEE Journal Of Solid-State Circuits, Band SC-19, Nr.2, April 1984, Seiten 219- 222 hingewiesen.
In üblichen Empfängern mit hochfrequenten Kanälen unter Verwendung von Fotodetektoren und anschließend einer Verstärkung und Abwärtsmischung, wenn die Frequenz des Unterträgersignals höher wird, verschlechtert sich die Empfindlichkeit des Empfängers aufgrund von Rauschen der Fotodetektor-Verstärkerkombination. Das Problem beim Stand der Technik ist die Bereitstellung eines optischen Mischers, der die übliche Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal in einem Fotodetektor und dann die elektrische Verstärkung und Abwärtsmischung des umgewandelten elektrischen Signals vermeidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Das oben erläuterte Problem beim Stand der Technik ist entsprechend der vorliegenden Erfindung gelöst worden, die sich auf einen optischen Mischer unter Verwendung eines verstärkungsmodulierten optischen Verstärkers oder Dämpfungsmodulators bezieht. Im einzelnen wird für das vorliegende optische Verstärker-Ausführungsbeispiel ein Laserplättchen mit oder ohne entfernten Spiegeln für den Empfang eines Eingangslichtwellensignals benutzt. Ein mit einem Unterträgersignal modulierter Gleichstrom wird direkt dem optischen Verstärker oder Dämpfungsmodulator zur direkten Erzeugung eines aufwärts- oder abwärtsgemischten Lichtwellenausgangssignals zugeführt.

Kurze Erläuterung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines aufwärts- oder abwärtsmischenden optischen Verstärkers nach der Erfindung;
Fig. 2 die perspektivische Ansicht eines Laserplättchens zur praktischen Verwirklichung des optischen Verstärkers nach Fig. 1;
Fig. 3 das Blockschaltbild eines aufwärts- oder abwärtsmischenden Empfängers mit einem Dämpfungsmodulator nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für einen optischen Dämpfungsmodulator zur Verwendung im Empfänger nach Fig. 3.

Ins einzelne gehende Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Mischer unter Verwendung eines verstärkungsmodulierten optischen Verstärkers oder Dämpfungsmodulators zur optischen Aufwärts- oder Abwärtsmischung eines optischen Unterträgersignals in einem optischen Übertragungsmedium. Gemäß Fig. 1 wird für das Ausführungsbeispiel eines optischen Verstärkers ein Unterträgersignal, das eins von vielen multiplexierten, entlang des Übertragungsmediums laufenden Signalen ist und mit L(t) bezeichnet wird, in einem optischen Verstärker 10 vor der Aufnahme in einem Fotodetektor 12 aufwärts- oder abwärtsgemischt. Zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung kann das optische Eingangssignal ein frequenzumgetastetes (FSK) oder phasengetastetes (PSK) multiplexiertes Unterträgersignal sein, das sich durch die folgende Gleichung beschreiben läßt:
wobei L(t) die Lichtintensität ist, die aus einer Gleichstromkomponente L&sub0; und einer Summe von mehreren (H) modulierten Trägern der Frequenz ωi besteht. Informationen jedes Kanals sind in ψi (t) codiert, so daß jeder Kanal einen schmalen Frequenzkanal von ωi - B/2 bis ωi + B/2 belegt, wobei B die Kanalbandbreite ist.
Die Aufwärts- oder Abwärtsmischung wird erreicht, indem man L(t) über einen optischen Verstärker 10 führt, der mit einem örtlichen Oszillatorsignal ωj verstärkungsmoduliert ist. Die Verstärkung des optischen Verstärkers 10 ist gegeben durch A(t) mit
A(t) = A&sub0; (1+α cos ωjt),
wobei α das Verhältnis der Spitzenverstärkungsmodulation zu A ist.
Zur Vereinfachung soll nur ein Unterträgerkanal mit der Frequenz ωi betrachtet werden. L(t) kann dann vereinfacht werden zu
L(t)-L&sub0;[1+ β cos (ωit+ψ(t))]
wobei β das Verhältnis der Spitzenintensitätsmodulation von L&sub1; zu L&sub0; ist. Das Ausgangssignal des optischen Verstärkers 10 ist gegeben durch
L'(t) = A&sub0;L&sub0;{1+α cos ωj + β cos (ωit + ψ(t)) + 1/2 α β cos [(ωi-ωj)t + ψ(t)] + 1/2 α β cos [(ωi + ωj)t + Ψ (t)]}.
Der erste Ausdruck gibt eine Gleichstrom-Lichtintensität wieder und der zweite und dritte Ausdruck die Intensitätsmodulation durch die Modulation der Verstärkung bei ωj bzw. des Eingangs-Unterträgersignals bei der Frequenz ωi. Die beiden letzten Ausdrücke sind abwärtsgemischte (ωi - ωj) und aufwärtsgemischte (ωi + ωj) Unterträgersignale. Das Ausgangssignal L'(t) kann entsprechend der Darstellung in Fig. 1 und 3 unter Verwendung eines Fotodetektors in einen Fotostrom umgewandelt werden. Der gesamte Fotostrom ist gegeben durch
I'(t) = R&sub0;L'(t)
wobei R&sub0; die Ansprechempfindlichkeit des Fotodetektors 12 in Ampere/Watt ist.
Das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 kann zur Erzielung der gewünschten Verstärkung in einem elektronischen Verstärker 13 verstärkt werden. Ein Tiefpassfilter 14 mit beispielsweise der Bandbreite B beseitigt alle Ausdrücke mit Ausnahme derjenigen für das gewünschte Signal. Ein Demodulator 15 kann dann das Signal zur Übertragung an den jeweiligen Endbenutzer wiedergewinnen.
Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 erzielten Vorteile bestehen darin, daß der optische Verstärker 10 sowohl die optische Leistung als auch die Empfindlichkeit des Empfängers 11 erhöht. Da die hochfrequenten Unterträgersignale vor dem Detektor abwärtsgemischt werden können, werden Probleme in Verbindung mit der Ankopplung von Fotodetektoren an Verstärker hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet. Der optische Verstärker 10 und der Fotodetektor 12 können monolitisch hergestellt werden, wodurch die Ausrichtung und Kapselung individueller Bauteile entfällt. Die optische Verstärkungsbandbreite optischer Verstärker ist genügend groß, um Probleme in Verbindung mit optischen Frequenzänderungen aufgrund von Chip- oder Temperatureinflüssen der Laser zu vermeiden. Die Verstärkungsbandbreite ist jedoch klein genug, um eine optische Wellenlängen-Multiplexierung (WDM) benutzen zu können.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines optischen Verstärkerplättchens 10, das eine p-Schicht 20 und eine n-Schicht 21 enthält, die entlang eines Übergangs 29 in Kontakt miteinander stehen. Wie für Halbleiterlaser bekannt, ist ein aktiver Kanalbereich 22 in einer der Schichten 20 oder 21 am Übergang 29 der beiden Schichten gebildet. Eine Erdebene 23 ist beispielsweise auf der größeren freien Fläche der p-Schicht 20 angeordnet, während ein leitender Streifen 24 auf der größeren freien Fläche der n-Schicht 21 über dem aktiven Kanalbereich 22 gebildet ist. Der leitende Streifen 24 ist über eine Spule 26 zur Sperrung von Wechselstromkomponenten mit einer Gleichstromquelle 25 und über einen Kondensator 28 zur Sperrung von Gleichstromkomponenten mit einer Unterträgerquelle in Form eines örtlichen Oszillators 27 verbunden. Der örtliche Oszillator 27 ist so abgestimmt, daß er den Unterträger ωj(t) erzeugt, der entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Modulation des von einem entfernten Sender ankommenden optischen Signals L(t) benutzt wird.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das den optischen Verstärker 10 gemäß Fig. 1 durch einen Dämpfungsmodulator 30 ersetzt. Der Dämpfungsmodulator 30 kann jede geeignete Anordnung umfassen, beispielsweise einen elektro-optischen Intensitätsmodulator gemäß Fig. 4. Dieser umfaßt eine Schalteinrichtung mit einem ersten und einem zweiten optischen Wellenleiter 31 und 32, die über eine vorbestimmte Länge nahe beieinander angeordnet sind, und mit Elektroden 33 nahe den Wellenleitern, die abhängig von der Amplitude des zwischen die Elektroden 33 angelegten elektrischen Modulationssignals das Umschalten von Teilen des ankommenden, im Wellenleiter 31 laufenden Lichtwellensignals L(t) in den Wellenleiter 32 veranlassen. Im einzelnen können die beiden Wellenleiter 31 und 32 beispielsweise Lithiumniobat-Wellenleiter umfassen, wobei der Wellenleiter 31 das Eingangssignal L(t) an einem ersten Ende aufnimmt und einen vorbestimmten Teil dieses Signals entsprechend der augenblicklichen Amplitude des elektrischen Modulationssignals ωj in den Wellenleiter 32 umschaltet, das durch eine Modulationssignalquelle 34 an die Elektroden 33 angelegt wird. Der Teil des Eingangssignals, der in den Wellenleiter 32 umgeschaltet wird, geht verloren, während die Intensität des Ausgangssignals des Modulators 30 die gemischten Signale L(t) und ωj enthält. Demgemäß liefert die Anordnung nach Fig. 1 und 2 ein Ausgangssignal des optischen Verstärkers 10, das das Mischprodukt L(t) und ωj zuzüglich einer Verstärkung enthält, während die Anordnung nach Fig. 3 und 4 ein Ausgangssignal des Modulators 30 liefert, das das gleiche Mischprodukt des Eingangs- und des Modulationssignals zuzüglich einer gewissen Dämpfung ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich die Grundgedanken der Erfindung erläutern sollen. Beispielsweise können der Verstärker 13 und das Filter 14 in der Anordnung nach Fig. 1 ausgetauscht werden, oder es kann ein anderer optischer Verstärker benutzt werden, wobei ein örtlicher Oszillator das empfangene optische Signal im optischen Verstärker direkt hinsichtlich seiner Verstärkung moduliert. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Anordnung gemäß Fig. 2 lediglich ein Ausführungsbeispiel für einen optischen Verstärker 10 einschl. einer bekannten Anordnung für einen Halbleiterlaser mit den Bauteilen 20-24 ist.

Claims

1. Optische Mischer, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Mischer aufweist: einen optischen Modulator mit einer aktiven Kanalzone zum Empfangen und zur Weiterleitung eines mit einem Unterträger modulierten optischen Signals und eine Einrichtung zum gleichzeitigen Anlegen eines vorgegebenen Gleichstrom-Vorspannungssignals und eines vorgegebenen Ortsoszillatorsignals an den optischen Modulator zur Intensitätsmodulation des empfangenen optischen Unterträgersignals und zur Erzeugung eines aufwärts- oder abwärtsgemischten optischen Ausgangssignals.

2. Optischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Laserverstärker einschließlich eines Halbleiterlasers ist, der aufweist: eine p-Schicht und eine n-Schicht aus Halbleitermaterial, die zwischen sich einen Übergang einschließlich einer aktiven Kanalzone in einer der Schichten bilden, wobei die aktive Kanalzone sich zwischen einer ersten und einer zweiten Kante des Übergangs erstreckt, und eine erste und eine zweite leitende Schicht, die beide (a) auf einer Oberfläche der p-Schicht bzw. der n-Schicht gegenüber dem Übergang angeordnet sind und (b) die aktive Kanalzone überlappen, wobei die erste und die zweite leitende Schicht mit der Anlegeeinrichtung verbunden sind, um das Gleichstrom-Vorspannungssignal und vorgegebene Unterträgersignale an die aktive Kanalzone anzulegen und ein die aktive Kanalzone durchlaufendes optisches Signal bzgl. seines Gewinns zu modulieren.

3. Optischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Dämpfungsmodulator ist und aufweist:

einen ersten optischen Wellenleiter zum Empfang des mit einem Unterträger modulierten optischen Signals an seinem ersten Ende und zur Übertragung des mit einem Unterträger modulierten optischen Signals in Richtung zu seinem zweiten Ende, und

einen zweiten optischen Wellenleiter der für eine vorgegebene Länge nahe dem ersten optischen Wellenleiter angeordnet ist, und

daß die Anlegeeinrichtung wenigstens eine Elektrode umfaßt, die nahe dem ersten und dem zweiten Wellenleiter in dem Bereich angeordnet ist, in dem die beiden Wellenleiter nahe zueinander angeordnet sind, um zu bewirken, daß ein Teil des empfangenen, im ersten optischen Wellenleiter übertragenen, mit einem Unterträger modulierten optischen Signals entsprechend der Amplitude des Gleichstrom-Vorspannungssignals und des vorgegebenen Unterträgersignals in den zweiten optischen Wellenleiter geschaltet wird, und daß aufwärts- oder abwärtsgemischte optische Ausgangssignal am Ende des ersten optischen Wellenleiters erzeugt.

4. Optischer Mischer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den optischen Modulator empfangene, mit einem Unterträger modulierte Signal eine Vielzahl von mit einem Unterträger modulierten, in getrennten Frequenzbändern angeordnete Signale umfaßt, und daß das vorgegebene, von der Anlegeeinrichtung bereitgestellte Ortsoszillatorsignal die Frequenz eines gewünschten Signals der Vielzahl von mit einem Unterträger modulierten Signale in ein vorbestimmtes Frequenzband umsetzt.

5. Optischer Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger aufweist:

einen optischen Modulator mit einer aktiven Kanalzone zum Empfangen und zur Weiterleitung eines mit einem Unterträger modulierten optischen Signals,

eine Einrichtung zum gleichzeitigen Anlegen eines vorgegebenen Gleichstrom-Vorspannungssignals und eines vorgegebenen Ortsoszillatorsignals an den optischen Modulator zur Intensitätsmodulation des empfangenen optischen Unterträgersignals und zur Erzeugung eines aufwärts- oder abwärtsgemischten optischen Ausgangssignals an einem Ausgang des optischen Modulators und

einen Photodetektor zur Umwandlung des aufwärts- oder abwärtsgemischten optischen Ausgangssignals vom optischen Modulator in ein entsprechendes elektrisches Signal.

6. Optischer Empfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Laserverstärker einschließlich eines Halbleiterlasers ist, der aufweist:

eine p-Schicht und eine n-Schicht aus Halbleitermaterial, die zwischen sich einen Übergang einschließlich einer aktiven Kanalzone in einer der Schichten bilden, wobei die aktive Kanalzone sich zwischen einer ersten und einer zweiten Kante des Übergangs erstreckt, und

eine erste und eine zweite leitende Schicht, die beide (a) auf einer Oberfläche der p-Schicht bzw. der n-Schicht gegenüber dem Übergang angeordnet sind und (b) die aktive Kanalzone überlappen, wobei die erste und die zweite leitende Schicht mit der Anlegeeinrichtung verbunden sind, zum Anlegen des Gleichstrom-Vorspannungssignal und der vorgegebenen Unterträgersignale an die aktive Kanalzone zur Modulation eines mit einem Unterträger modulierten optischen Signals bzgl. seines Gewinnes, das durch den Empfänger empfangen wird und sich in der aktiven Kanalzone ausbreitet.

7. Optischer Empfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Dämpfungsmodulator ist und aufweist:

8. Optischer Empfänger nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einem Unterträger modulierte, am Eingang des optischen Empfängers empfangene optische Signal eine Vielzahl von mit einem Unterträger modulierten Signalen in getrennten Frequenzbändern umfaßt, und

daß der optische Empfänger ferner eine Einrichtung zum Filtern des Ausgangssignals vom Photodetektor aufweist, um nur ein vorbestimmtes Frequenzband durchzulassen, das ein Ausgangssignal umfaßt, welches ein gewünschtes Signal aus der Vielzahl von empfangenen, verstärkten und abwärtsgemischten, mit einem Unterträger modulierten Signalen enthält.