DE19629530C1 - Faseroptischer Kodierer/Dekodierer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Kodierer/Dekodierer für Lichtsignale. Damit kann beispielsweise in der Nachrichtentechnik optisches Kodemultiplex durchgeführt werden.

Optisches Kodemultiplex kann zur effektiven Ausnutzung der Bandbreite von Lichtwellenleitern eingesetzt werden. Bisher ist es jedoch problematisch, die digitalen Lichtsignale am Sender zu kodieren und am Empfänger wieder zu dekodieren. Dafür benötigt man sehr frequenzselektive Bauelemente. Je selektiver die Filterung im Frequenzbereich erfolgen kann, desto längere Kodesequenzen können genutzt werden und um so mehr Kanäle können gleichzeitig über den Lichtwellenleiter übertragen werden.

Bekannt ist ein Verfahren zur spektralen Kodierung/Dekodierung von Lichtsignalen (D. Zaccarin, u. a. "An optical CDMA system based on spectral encoding of LED", IEEE Photonics Technology Letters, 4 (1993), S. 479), das prinzipiell die Anforderungen an einen solchen Kodierer/Dekodierer erfüllt. Dabei werden die Lichtimpulse einer breitbandigen Quelle im freien Raum übertragen und auf ein Beugungsgitter geführt. Dieses beugt die auftreffende Strahlung entsprechend den spektralen Anteilen, so daß das Beugungsfeld (die räumliche Verteilung des Strahles) unterschiedlichen Lichtfrequenzen entspricht.

Der nun vorhandene Lichtstrahl kann jetzt mit mechanischen Filtern spektral kodiert werden. Dabei werden bestimmte Frequenzanteile durchgelassen, andere nicht. Anschließend wird der kodierte Strahl wieder über eine Beugungsgitteranordnung zusammengefaßt und kann über eine Lichtwellenleiterstrecke zusammen mit anderen auf gleiche Weise (aber mit anderen Kodes) kodierten Signalen übertragen werden.

Zur Dekodierung wird eine analoge Anordnung genutzt. Dort wird die dedektierte Intensität maximal, wenn das kodierte Signal durch die mechanischen Filter nicht behindert wird. Bei falschem Kodewort ist die detektierte Intensität somit geringer. Mit Hilfe eines Schwellwertschalters kann dann über die Richtigkeit des Kodewortes und somit die Gültigkeit des Bits entschieden werden.

Eine weitere bekannte Methode zur Kodierung von digitalen Lichtsignalen besteht in der Nutzung von Verzögerungsnetzwerken (M. E. Marhic "Coherent optical CDMA Networks, IEEE Journal of Lightwave Technology, 11 (1993), S. 854ff). Das Signal wird in einen 3dB-Koppler eingespeist, an dessen einem Ausgang sich eine Verzögerungsleitung mit der Verzögerung τ₁ befindet. Der andere Ausgang und das Ende der Verzögerungsleitung werden mit den beiden Eingängen eines weiteren 3dB-Kopplers verbunden, an dessen einem Ausgang sich wiederum eine Verzögerungsleitung mit der Verzögerung τ₂ befindet.

Diese Kaskadenanordnung kann nun entsprechend der gewünschten Kodierungstiefe beliebig wiederholt werden. Die Dekodierung erfolgt auf gleiche Weise mit einer zum Kodierer inversen Anordnung. Auch hier wird ein Schwellwertschalter zur Entscheidung über die Gültigkeit des Bits genutzt.

Eine weitere bekannte Möglichkeit ist die Nutzung von akustooptischen Filtern, z. B. in: I. Hinkov, u. a. "Feasibility of optical CDMA using spectral encoding by acoustically tunable optical filters", Electronics Letters, 31 (1995), S. 384ff.

Weiterhin ist aus der Patentschrift US 5.410.624 A ein Faserstück mit mehreren hintereinander angeordneten Bragg-Filtern unterschiedlicher Gitterkonstante bekannt, wobei diese Anordnung ausschließlich der Selektion der Nutzkanäle in Wellenlängenmultiplex- Systemen dient und aufgrund von Vier-Wellen-Mischung entstandene ungewünschte Störkanäle abscheidet. Auch ist aus der Patentschrift EP 0 721 121 A1 eine Hintereinanderschaltung von zwei Bragg-Gittern gleicher Gitterkonstante bekannt, welche dort der Bildung von Fabry-Perot-Filtern dienen.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einem technologisch einfach zu realisierenden Kodierer/Dekodierer die Vorteile der Bragg-Gitter voll zur Wirkung kommen zu lassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem relativ kurzen Lichtwellenleiterstück mehrere Bragg-Gitter mit unterschiedlicher Bragg-Frequenz eingeschrieben werden. Diese wirken als Reflektoren mit einem Reflexionsfaktor von in der Regel nahezu 100%.

Da der Dekodierer nur dann optimal arbeiten kann, wenn die in ihm enthaltenen Bragg-Gitter identisch denen des Kodierers sind, ist auf gute Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens der Bragg-Gitter zu achten. Dies kann zum Beispiel mit der Herstellung unter Nutzung einer Phasenmaske sehr gut erreicht werden.

Mit der Erfindung wird das Signal spektral kodiert. Durch verteilte Reflexionsstellen kann aber auch zusätzlich eine zeitliche Kodierung erfolgen. Beides ist in einem Kodierer technologisch einfach zu kombinieren.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß sich die Kodierer/Dekodierer einfach und damit kosteneffizient herstellen lassen. Als Material wird lediglich ein Stück Standard-Monomodelichtwellenleiter benötigt. Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit der Bragg-Gitter-Herstellung bei Nutzung der Phasenmaskenmethode können Kodierer/Dekodierer für Signaldatenraten bis in den Gigabit-Bereich einfach hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Fig. 1 näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist ein Kodierer 4 mit drei Bragg-Gittern 5, 9, 11 dargestellt, kann aber auf gleiche Weise auch mit einer beliebigen Anzahl hergestellt werden. Dieser Kodierer kombiniert spektrales und zeitliches Multiplex.

Ein Signalimpuls 1 (entsprechend ein Bit in einem digitalen Übertragungssystem) der Dauer τ 2 und der gesamten spektralen Breite Δλ 3 trifft auf den Kodierer 4. Im Kodierer 4 trifft er zuerst auf ein Bragg-Gitter, welches die Wellenlänge λ₁ reflektiert 5. (λ₁ ist hierbei die Wellenlänge der maximalen Reflexion, da Bragg-Gitter Licht einer gewissen spektralen Breite in etwa symmetrisch um die Bragg-Wellenlänge reflektieren.) Dabei wird nur der Spektralanteil, der dieser Wellenlänge entspricht 6, reflektiert 7.

Die anderen Signalanteile passieren das Gitter und treffen nach der Laufzeit τ/2, die einer Weglänge l = c/n_eff · τ/2 8 entspricht, auf das zweite Bragg-Gitter 9. Dieses reflektiert nun beispielsweise die Frequenz λ₃ 10 und läßt die anderen spektralen Anteile passieren. Der letzte Signalanteil trifft nun wiederum nach der Laufzeit τ/2 auf das dritte Bragg-Gitter 11, welches diesen Signalanteil λ₂ 12 reflektiert. Am Ausgang des Kodierers steht das nun kodierte Signal 13 schließlich zur Übertragung in einem Lichtwellenleiter 14 zur Verfügung. Dabei ist die Ausbreitungsrichtung des unkodierten Signals 15 der des kodierten Signals 16 entgegengesetzt.

Da die Bragg-Gitter frequenzselektive Bauelemente sind, wird das Signal in jedem Falle spektral kodiert. Da Bragg-Gitter unterschiedlicher Gitterkonstante sich jedoch teilweise oder auch vollständig räumlich überlagern können, ist die zeitliche Kodierung eine Option. Wird nur spektral kodiert und alle Bragg-Gitter sind räumlich am selben Ort, können nicht alle spektralen Anteile des Signals reflektiert werden. Die Kodierung erfolgt dann durch die Reflexion nur bestimmter Spektralanteile entsprechend des jeweiligen Kodewortes. Auf diese Weise entsteht ein gewisser Verlust an Signalenergie. Dafür ist der Kodierer räumlich sehr klein (ca. 1-2 cm im Lichtwellenleiter).

Wird zusätzlich zeitlich kodiert, kann die ganze Signalenergie genutzt werden. Dafür wird der Signalimpuls entsprechend der Kodewortlänge zeitlich gedehnt. Dann sind auch die Schwerpunkte der Gifterreflexionen benachbarter Bragg-Gitter so zu wählen, daß sie mindestens die halbe Laufzeit des Signales im Lichtwellenleiter voneinander entfernt sind.

Der Kodierer kann, abhängig von der Bitrate und der zeitlichen Kodewortlänge, einige Zentimeter bis wenige Meter lang werden. Dies stellt kein Problem dar, da das Material im allgemeinen eine Standard-Monomodefaser ist. Bei längeren Kodierern kann dieser auch auf eine Trommel mit einigen Zentimetern Durchmesser aufgewickelt werden.

Zur Kodierung stehen somit gewissermaßen zwei Dimensionen zur Verfügung, so daß das Kodewort in einer Ebene dargestellt werden kann. Dabei muß die zeitliche Kodewortlänge nicht der spektralen Kodewortlänge entsprechen.

Der Dekodierer ist zum Kodierer völlig analog aufgebaut. Es ist nur zu beachten, daß bei auch zeitlicher Kodierung die Bragg-Gitter in umgekehrter Reihenfolge als beim Kodierer zu durchlaufen sind.

Bei rein spektraler Kodierung kann das Kodierungs- und Dekodierungsfilter auch als Durchlaßfilter betrieben werden. Dann können auch Bragg-Gitter genutzt werden, die keine Reflexion aufweisen, also als reine Dämpfungsglieder wirken. In diesem Falle wurde keine ungewollte Impulsverbreiterung durch Laufzeitunterschiede bei räumlicher Gitteranordnung auftreten. Ein weiterer Vorteil wäre der einfachere Einbau in ein optisches Gesamtsystem. Um einen zum Kodierer passenden Dekodierer herzustellen ist es sinnvoll, beide im selben Prozeß zu erzeugen. Der Dekodierer wird dann in umgekehrter Richtung zum Kodierer in das System eingebaut. Ein optisches Gesamtsystem ist in Fig. 4 dargestellt.

Claims (8)

1. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer für optische Kodemultiplexsysteme, bestehend aus einem Stück Lichtwellenleiter (14), unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kodierung/Dekodierung des Signales mindestens zwei Faser-Bragg-Gitter (5; 9; 11) vorgesehen sind, deren Resonanzfrequenz unterschiedlich ist, wobei das kodierte bzw. dekodierte Signal aus den von den Faser- Bragg-Gittern (5, 9, 11) reflektierten oder durchgelassenen Signalen gebildet wird.

2. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsfaktor der verschiedenen Bragg-Gitter (5; 9, 11) gleich oder unterschiedlich ist.

3. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der verschiedenen Bragg-Gitter (5; 9; 11) gleich oder unterschiedlich ist.

4. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterfunktionen der verschiedenen Bragg-Gitter beliebig wählbar sind und gleich oder unterschiedlich sind.

5. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kodierung/Dekodierung dienenden Bragg-Gitter (5; 9; 11) in dem Lichtwellenleiterstück (14) räumlich nebeneinander angeordnet sind.

6. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehr als zwei Bragg-Gittern der Abstand zwischen benachbarten Bragg-Gittern gleich oder unterschiedlich ist.

7. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die der Kodierung/Dekodierung dienenden Bragg-Gitter (5; 9; 11) teilweise oder vollständig räumlich überlagern.

8. Faseroptischer Kodierer/Dekodierer nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bragg-Gitter (5; 9; 11) als Dämpfungsglieder ausgeführt sind und somit geringe oder verschwindende Rückreflexion bei hoher Transmissionsdämpfung aufweisen.