DE60120176T2

DE60120176T2 - Optischer impulsfolgengenerator

Info

Publication number: DE60120176T2
Application number: DE60120176T
Authority: DE
Inventors: Anthony Robert Towcester GRIFFIN
Original assignee: Bookham Technology PLC
Current assignee: Lumentum Technology UK Ltd
Priority date: 2000-07-22
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: WO2002009325A1; US7099359B2; GB2365140A; AU2001269315A1; ATE328410T1; DE60120176D1; EP1303932B1; GB0017937D0; GB2365140B; EP1303932A1; US20040253000A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Impulsfolgegenerator und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf einen derartigen Generator, der in einem optischen Wellenlängenmultiplexer (WDM)-Verbindungssystem benutzt wird, der ein Rückkehr-zu-Null (RZ)-Signalisierungsformat aufweist.
In optischen Kommunikationssystemen werden die Daten im typischen Fall in Form optischer Impulse übertragen, in denen das Vorhandensein eines Impulses einen ersten binären Datenzustand anzeigt und das Fehlen zeigt den anderen Datenzustand an. Wenn der optische Impulspegel über jedes Datenbitintervall konstant ist, wird ein solches Signalisierungsformat als nicht zu Null zurückkehrend (NRZ) bezeichnet, und es kann auf einfache Weise erzeugt werden, entweder durch direkte Modulation einer Laserquelle in Abhängigkeit von den zu übertragenden Daten oder noch typischer, insbesondere bei hohen Übertragungsraten, durch Betrieb des Lasers, um einen kontinuierlichen unmodulierten optischen Ausgang zu schaffen und außen den optischen Ausgang unter Benutzung eines optischen Modulators zu modulieren.
Es hat sich in optischen Kommunikationssystemen mit einer Übertragungsdatenrate von 10 Gbs^–1 und darüber gezeigt, dass diese am besten unter Benutzung einer Rückkehr-zu-Null (RZ)-Formatform betätigt werden, anstatt das übliche NRZ-Signalisierungsformat zu benutzen. Es hat sich erwiesen, dass das RZ-Signalisierungsformat weniger empfindlich ist gegenüber Beeinträchtigungen infolge einer optischen Nichtlinearität, was die Durchführung in verstärkten dispersionsgemanagten optischen Verbindungen begrenzt. Das RZ-Format wird wahrscheinlich in zukünftigen dichten Wellenlängenmultiplexern (DWDM) optische Übertragungsnetze mit einer Datenrate von 10 Gbs^–1 über lange optische Faserstränge benutzen (d.h. in der Größenordnung von 1000 km und darüber) und für Datengeschwindigkeiten von 40 Gbs^–1 pro Kanal und darüber über kurze Faserstränge (d.h. in der Größenordnung von 100 km).
In dem RZ-Signalisierungsformat ist ein Datenzustand durch das Fehlen eines optischen Signals repräsentiert, während der andere Datenzustand durch einen optischen Impuls repräsentiert wird, dessen Dauer kürzer ist als die Übertragungsbitrate, so dass der optische Impulspegel "zu Null zurückkehrt", und zwar für einen Teil eines jeden Datenbitintervalls. Um optische RZ-Daten zu erzeugen, ist eine Quelle mit einem kurz andauernden optischen Impuls erforderlich (optischer Impuls pro Bitfolge), wobei eine Wiederholungsrate gleich der Übertragungsbitrate ist, und eine solche Quelle wird im Folgenden als optischer Impulsfolgegenerator bezeichnet. Die optische Impulsfolge wird dann intensitätsmoduliert unter Benutzung eines äußeren optischen Modulators, und zwar in Abhängigkeit von den übertragenen Daten, um die optischen RZ-Daten zur Übertragung zu erzeugen.
Ein wichtiger Parameter bei einem optischen Impulsfolgegenerator ist der Tastgrad der optischen Impulsfolge, d.h. das Verhältnis der halb maximalen Impulsvollbreitenintensität (FWHM) Δτ zu der Impulswiederholperiode T. Der optimale Tastgrad der Impulsfolge hängt von Einzelheiten des jeweiligen Übertragungssystems ab. Bei einem DWDM-System kann ein niedriger Tastgrad die Beeinträchtigung infolge der Selbstphasenmodulation vermindern, während ein Tastgrad, der sich einer Hälfte annähert, die Beeinträchtigung infolge der Kreuzphasenmodulation und einem Übersprechen auf einem benachbarten Kanal vermindern kann.
Es sind zahlreiche verschiedene Verfahren zur Erzeugung optischer Impulsfolgen bekannt. Bei einer Anordnung beispielsweise wird die optische Impulsfolge direkt unter Benutzung eines Festkörperlasers mit Blockbetriebsart erzeugt. Ein derartiger Laser kann hochqualitative Impulsfolgen erzeugen, aber derartige Vorrichtungen sind allgemein sehr komplex und demgemäß teuer. Da außerdem die Charakteristik der Impulsfolge durch den Grundmodus bestimmt wird, der vom Laserhohlraum getragen wird, kann ein bestimmter Laser nur in Verbindung mit einer festen Wellenlänge arbeiten und Impulse mit einem festen Tastgrad erzeugen.
Es ist auch bekannt, einen durch Verstärkung geschalteten Halbleiterlaser zu benutzen, um die Impulsfolge zu erzeugen. Derartige Laser arbeiten wiederum mit einer festen Länge und erfordern zusätzlich eine Dispersionskompensation, um transformationsbegrenzte Impulse zu realisieren. Weiter ist es auch möglich, dass die durch Verstärkung geschalteten Laser eine Verschachtelung erfordern, um 40-Gbs^–1-Impulsfolgen zu erzeugen.
Üblicherweise ist es bekannt, die optische Impulsfolge durch äußere Intensitätsmodulation einer optischen CW-Quelle (Dauerstrich) durchzuführen unter Benutzung eines elektro-optischen interferometrischen optischen Modulators, meist eines Mach Zehnder optischen Modulators. Wie bekannt, haben derartige Modulatoren eine optische Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der angelegten Treiberspannung, die sinusförmig (Anstieg Cosinus) in der Form ist, und der Modulator ist elektrisch derart vorgespannt, dass er an einer Stelle minimaler optischer Durchlässigkeit arbeitet. Durch Anlegen eines Treibersignals, dessen Frequenz halb so groß ist wie die erwünschte Impulswiederholfrequenz, erzeugt dies eine Folge von optischen Impulsen mit einem Tastgrad von etwa einer Hälfte. Stattdessen erzeugt eine Vorspannung des Modulators an einer Stelle maximaler optischer Durchlässigkeit eine optische Impulsfolge, in der die Impulse einen niedrigeren Tastgrad haben. Obgleich bei einer derartigen Anordnung der Tastgrad in einem begrenzten Ausmaß verändert werden kann, führt dies zu einer entsprechenden Veränderung der Auslöschung der Impulse.
Eine technische Veröffentlichung von S. A. Pappert et al. ("Tunable RF optical source using optical hannonic carrier generation", SPIE Band 3038, Seiten 89–96) beschreibt eine abstimmbare Millimeterwellenquelle unter Benutzung der Frequenzmultiplikationseigenschaften eines elektrisch übersteuerten Mach-Zehnder-Modulators.
Die US-PS 5,828,682 beschreibt einen modengekoppelten Ringhohlraumlaser, der einen Hohlraum, eine Modulationsquelle und einen Modulator aufweist, der innerhalb des Hohlraums angeordnet ist und in elektrischer Verbindung mit der Modulationsquelle steht. Die Modulationsquelle übersteuert den Modulator.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem optischen Impulsgenerator, der in der Lage ist, eine Impulsfolge mit einer Wiederholungsrate von 10 Gbs^–1 und mehr mit einem einstellbaren Tastgrad zu erzeugen, der in einem weiten Bereich von Wellenlängen arbeiten kann. Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Bemühung zugrunde, einen optischen Impulsfolgegenerator zu schaffen, der in einem DWDM-System benutzbar ist und dessen Tastgrad veränderbar ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen optischen Impulsfolgegenerator mit den folgenden Merkmalen: eine Lichtquelle zur Erzeugung eines unmodulierten optischen Ausgangs; einen elektro-optischen interferometrischen optischen Modulator zum Modulieren der Intensität des unmodulierten optischen Ausgangs in Abhängigkeit von einer sinusförmigen Ansteuerungsspannung zum Erzeugen eines modulierten optischen Signals, wobei der Modulator eine Charakteristik von optischer Durchlässigkeit zu Ansteuerungsspannung besitzt, die in ihrer Form sinusförmig ist und wobei der Modulator etwa an einem Punkt mit minimaler Lichtübertragung der genannten Kennkurve betrieben werden kann und die genannte Ansteuerungsspannung eine Amplitude hat, die einen Zyklus der genannten Kennkurve überschreitet, so dass das modulierte optische Signal nicht sinusförmig ist, wobei der Generator dadurch gekennzeichnet ist, dass er ferner Lichtimpulsformungsmittel zum Ausrichten der Phase der Frequenzkomponente des genannten optischen Signals in der Frequenzdomäne umfasst, um eine Lichtimpulsfolge zu erzeugen, in der die Impulse im Wesentlichen transformationsbegrenzt sind. Im Rahmen dieser Patentanmeldung und zur Vermeidung von Zweifeln, ist Transformationsbegrenzung in dem Sinne zu verstehen, dass darunter eine bekannte Bedeutung verstanden wird, wie sie beispielsweise von A. E. Siegman, (1986) "Lasers", University Science Books, Mill Valley CA, Seiten 331–335 beschrieben ist, wobei diese Literaturstelle hiermit eingeführt wird. Ein transformationsbegrenzter Impuls ist ein Impuls mit einer Dauer, die ein Minimum hat, das durch ihren spektralen (Frequenz) Gehalt bestimmt wird, und insbesondere ist es ein Impuls mit im Wesentlichen keinem Frequenzchirp oder einer anderen inneren Phase oder Amplitudensubstruktur, so dass das zeitliche Bandbreitenprodukt (Impulsbreite-spektrales Breitenprodukt) nahe an 0,5 liegt.
Da die erzeugte Impulsfolge unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes ist, ist der Impulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere geeignet zur Benutzung in optischen Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystemen. Außerdem kann der Tastgrad der Impulse leicht dadurch eingestellt werden, dass die Amplitude eingestellt wird, d.h. die Spannung von Spitze zu Spitze der sinusförmigen Treiberspannung.
Vorzugsweise ist der Modulator ein optischer Mach-Zehnder-Modulator, der aus einem III-V-Halbleitermaterial hergestellt ist, und zwar vorzugsweise aus Gallium-Arsenid oder alternativ aus Lithium-Niobat.
Vorzugsweise besteht die Lichtquelle aus einem Halbleiterlaser, z.B. einem Indium-Gallium-Arsenid-Phosphat-Laser (DFB) (distributed feedback) oder einem abstimmbaren Laser.
Vorzugsweise besteht die optische Impulsformeinrichtung aus einem oder mehreren interferometrischen Einrichtungen, die das modulierte optische Signal in zwei optische Signale aufteilen, die entlang der jeweiligen Pfade verlaufen und die die optischen Signale wieder kombinieren, um die optische Impulsfolge zu erzeugen, wobei die oder jede Einrichtung eine gewählte feste differentielle optische Verzögerung zwischen den optischen Signalen erzeugt und die optische Verzögerung derart gewählt wird, dass die Phase der gewählten Frequenzkomponente des modulierten optischen Signals ausgerichtet wird. Gemäß einer bevorzugten Anordnung wird die Länge der Pfade so gewählt, dass sie derart unterschiedlich ist, um die gewählte differentielle optische Verzögerung einzuführen. In einer bevorzugten Ausführung ist die Einrichtung eine elektro-optische Einrichtung, und ein Pfad enthält Mittel, zweckmäßigerweise eine oder mehrere Elektroden, um den Brechungsindex des einen Pfades relativ zu dem anderen zu ändern und den oder einen Teil der differentiellen optischen Verzögerung einzuführen. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, die Charakteristiken der Einrichtung durch Anlegen einer geeigneten festen Spannung an die Elektrode zu optimieren. Vorzugsweise ist die oder jede interferometrische Einrichtung aus einem III-V-Halbleitermaterial hergestellt, und zwar vorzugsweise aus Gallium-Arsenid, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, dass der optische Modulator und die interferometrische Einrichtung monolithisch hergestellt werden können.
Wenn es beabsichtigt ist, eine Impulsfolge zu erzeugen, die eine Wiederholfrequenz von 10 Gbs^–1 oder mehr hat, dann führt die Differenz in der Pfadlänge der oder jeder Einrichtung eine Verzögerung von wenigen Zehntel Picosekunden ein, während die differentielle Verzögerung, die durch die Differenz im Brechungsindex erzeugt wird, im Bereich von null bis zwei Pi-Radianten der Frequenz der Treiberspannung liegt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein optischer Rückkehr-zu-Null-Datengenerator (RZ) einen optischen Impulsfolgegenerator auf, wie dieser oben beschrieben wurde und der in der Weise arbeitet, dass die Frequenz der sinusförmigen Treiberspannung halb so groß ist wie die beabsichtigte Datenbitrate, und weiter ist eine optische Modulationseinrichtung zur Intensitätsmodulation der optischen Impulsfolge in Abhängigkeit von den Daten vorgesehen.
Vorzugsweise umfasst die optische Modulationseinrichtung einen interferometrischen elektro-optischen Modulator, vorzugsweise einen Mach- Zehnder-Modulator. Vorteilhafterweise wird die Modulationseinrichtung aus einem III-V-Halbleitermaterial hergestellt, und zwar vorzugsweise aus Gallium-Arsenid, wodurch die Modulationseinrichtung, der optische Modulator und die optische Impulsformeinrichtung monolithisch hergestellt werden können.
Der optische RZ-Datengenerator gemäß der Erfindung wird insbesondere in optischen Kommunikationssystemen angewandt, bei denen die Datenbitrate 10 Gbs^–1 oder mehr beträgt und das als Wellenlängenmultiplexsystem ausgebildet ist.
Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen optischen Impulsgenerators werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Darstellung eines optischen RZ-Datengenerators mit einem optischen Impulsgenerator gemäß der Erfindung;
2 ist ein Diagramm der optischen Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Treiberspannung für einen elektro-optischen Modulator;
3a ist eine graphische Darstellung der zeitlich veränderlichen optischen Intensität, die am Ausgang des Modulators des optischen Impulsgenerators gemäß 1 bei einer Treiberspannungsamplitude von V_drive = 1,7 V_π auftritt;
3b zeigt eine optische Impulsfolge (optische Intensität in Abhängigkeit von der Zeit), die durch den optischen Impulsgenerator gemäß 1 bei einer Treiberspannungsamplitude V_drive = 1,7 V_π erzeugt wurde;
4a ist eine Darstellung der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Zeit, die am Ausgang des Modulators des Impulsgenerators gemäß 1 bei einer Treiberspannungsamplitude von V_drive = 1,2 V_π auftritt;
4b ist eine optische Impulsfolge, die vom optischen Impulsgenerator gemäß 1 für eine Treiberspannungsamplitude V_drive = 1,2 V_π erzeugt wurde; und
5 ist eine Darstellung des Frequenzchirp (angezeigt durch eine ausgezogene Linie) in Abhängigkeit von der Zeit für eine optische Impulsfolge, die mit einer Treiberspannungsamplitude V_drive = 1,5 V_π erzeugt wurde.
In 1 ist ein optischer Rückkehr-zu-Null (RZ)-Datengenerator dargestellt, der optische RZ-Signalisierungsformatdaten zur Benutzung in einem dichten Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystem zeigt, das eine Kanaldatenrate f_c von 10 oder 40 Gbits^–1 hat. Der RZ-Datengenerator umfasst einen optischen Impulsgenerator 2 und einen optischen Intensitätsmodulator 22.
Der optische Impulsfolgegenerator 2 umfasst in der Ordnungsfolge und optisch in Reihe geschaltet einen Laser 4, einen optischen Modulator 6 und einen optischen Impulsformer 8. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Laser 4 aus einem Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP)-Halbleiterlaser, der einen optischen unmodulierten (Dauerstrich) Ausgang von 1535 bis 1620 nm in Abhängigkeit von dem gewählten DWDM-Kanal liefert. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Laser im typischen Fall aus einem DFB-Halbleiterlaser für jeden DWDM-Kanal, und es ist eine optische Schalteinrichtung vorgesehen, um einen gewünschten Laser auszuwählen. In einer abgewandelten Ausführungsform können ein oder mehrere abstimmbare Halbleiterlaser benutzt werden. Es ist klar, dass der jeweilige Lasertyp oder die Lichtquelle durch die Charakteristiken des optischen Kommunikationssystems bestimmt werden, und diese können demgemäß innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Das unmodulierte optische Signal wird einem Eingang des optischen Modulators 6 zugeführt.
Zur Vereinfachung der Fabrikation und Integration mit dem optischen Impulsformer 8 besteht der optische Modulator 6 vorzugsweise aus einem optischen Mach-Zehnder-Modulator, der aus einem III-V-Halbleitermaterial hergestellt ist, und zwar zweckmäßigerweise aus Gallium-Arsenid. Wie bekannt und in 2 dargestellt, hat ein optischer Mach-Zehnder-Modulator eine optische Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Treiberspannung W_drive, die sinusförmig ist und mit Cosinus einsetzt. Der optische Modulator 6 wird mit einer sinusförmigen Treiberspannung V_drive getrieben, dessen Frequenz halb so groß ist wie die Taktfrequenz des Datenkanals, d.h. 0,5f_c, und es erfolgt eine Vorspannung durch geeignete Elektroden, um etwa an einem Punkt 9 minimaler optischer Durchlässigkeit der Modulatorcharakteristik zu arbeiten, wobei die Amplitude der Treiberspannung V_drive (Spitzenspannungswert) symmetrisch um den Vorspannpunkt 9 ist. Dies führt zu einer Intensitätsmodulation des unmodulierten optischen Ausgangs, der durch den Laser 4 erzeugt wird, wobei die Intensität von der Größe der Treiberspannung V_drive abhängt. Ein wichtiger Aspekt des Generators nach der vorliegenden Erfindung ist die Art und Weise, wie der Modulator 6 angetrieben wird, und es ist festzustellen, dass die Treiberspannungsamplitude V_drive größer ist als ein Spannungszyklus V_π der optischen Modulatorcharakteristik; d.h. der optische Modulator 6 wird über seine normale Treiberbedingung übersteuert. Im typischen Fall hat die Treiberspannung eine Amplitude V_drive in der Größenordnung von V_π bis 1,7 V_π. Die Übersteuerung des Modulators 6 auf diese Weise führt zu einer Erzeugung einer modulierten Ausgangswellenform, wie sie in 3a dargestellt ist, die für eine Treiberspannungsamplitude V_drive = 1,7 V_π gilt. Wie aus 3a ersichtlich, umfasst der optische Ausgang eine Impulsfolge geformter Impulse mit einer Impulswiederholfrequenz 0,5f_c, wobei jedes Impulsmerkmal aus einer Doppelspitze 30 besteht, die durch eine Vertiefung 32 getrennt ist. In der Frequenzdomäne besteht im Gegensatz zur Zeitdomäne die Wirkung dieser Doppelspitze 30 in der Erhöhung des optischen Spektralgehaltes der optischen Wellenform. Im Gegensatz dazu erzeugt dies, wenn der Modulator in bekannter Weise mit V_drive = V_π gespeist wird, einen im Wesentlichen sinusförmigen Ausgang mit einer einzigen Frequenzkomponente. Diese optische Wellenform wird an den optischen Impulsformer 8 angelegt, der die Impulsmerkmale gestaltet und zu einer schmalen transformationsbegrenzten Impulsfolge führt, wie dies in 3b dargestellt ist.
Der optische Impulsformer 8, der weiter unten im Einzelnen beschrieben wird, ist ein dispersives Durchlassfilter, d.h. es modifiziert die Intensität des hindurchtretenden Lichts nicht wesentlich, aber es wird die Phase der ausgewählten Frequenzkomponenten des optischen Signals in der Frequenzdomäne invertiert und so die Phase für jene Komponenten ausgerichtet. Die zusätzlichen Frequenzkomponenten, die durch Übersteuerung des Modulators erzeugt wurden, haben eine entgegengesetzte Phase zu der anderen Frequenzkomponente der optischen Wellenform. Die Durchlässigkeitscharakteristik des Impulsformers 8 wird so gewählt, dass gewählte Komponenten ausgerichtet werden, was, wie durch Vergleich der 3a und 3b ersichtlich ist, in der Zeitdomäne zu einer Folge optischer Impulse 40 führt, bei der jeder Impuls in der Dauer kürzer ist und dessen Spitzenintensität die Intensität des unmodulierten Laserausgangs übersteigt. Der Impulsformer 8 erzeugt demgemäß eine optische Impulsfolge, bei der jeder Impuls im Wesentlichen transformationsbegrenzt ist, d.h. die Dauer eines jeden Impulses ist im Wesentlichen ein Minimum, das durch seinen spektralen Gehalt bestimmt wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, besteht der optische Impulsformer 8 aus zwei verketteten asymmetrischen Gallium-Arsenid-Mach-Zehnder-Interferometern 10, 12. Eine derartige Anordnung ist zu bevorzugen, da, wie oben erwähnt, hierdurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Impulsformer 8 und den optischen Modulator 6 monolithisch als einzige integrierte Einheit herzustellen.
Jedes Interferometer 10, 12 besteht aus einem Teiler 14, der das optische Signal in zwei optische Signale aufteilt, die entlang der jeweiligen optischen Pfade (Arme) 16, 18 verlaufen, und es ist ein Kombinator 20 vorgesehen, der die Signale kombiniert und einen optischen Ausgang erzeugt. Die Interferometer 10, 12 sind jeweils so angeordnet, dass sie eine gewählte differentielle optische Gruppenverzögerung auf die optischen Signale aufprägen, die über die Pfade 16, 18 verlaufen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die differentielle Verzögerung in Form von zwei Komponenten angelegt: eine differentielle Zeitverzögerung ϑ₁, ϑ₂ und eine relativ kürzere Zeit (Phasen)-Verzögerung N₁ bzw. N₂ für die beiden Interferometer 10, 12.
Die Zeitverzögerungen ϑ₁, ϑ₂ werden dadurch erzeugt, dass sie unterschiedliche physikalische Längen in ihren Pfaden aufweisen. 16 und die Phasenverzögerungen N₁, N₂ werden erzeugt, indem eine geeignete Spannung an eine Elektrode angelegt wird, die im kürzeren Pfad 18 vorgesehen ist, um den Brechungsindex des Pfades zu modifizieren. Im typischen Fall betragen für eine 40 Gbs^–1-Impulsfolge die unterschiedlichen optischen Verzögerungen ϑ₁, ϑ₂ 8,3 bzw. 12,5 Picosekunden. Die Phasenverzögerungen N₁, N₂ liegen im Bereich von null bis zwei Pi-Radianten in Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge, und es sind Mittel vorgesehen, um eine Feinabstimmung durchzuführen und um zu gewährleisten, dass die optischen Signale in Phase sind, wenn sie wieder miteinander kombiniert werden, wodurch die interferometrische Funktion als Durchlassfilter gewährleistet wird. Durch geeignete Wahl der Pfadungleichheiten ϑ₁, ϑ₂ und die relativen optischen Phasen N₁, N₂ der Interferometerarme kann eine Impulsfolge hoher Qualität erzeugt werden.
Es ist klar, dass die optimalen Verzögerungen ϑ₁, ϑ₂ nur durch die Wiederholungsrate der Impulse bestimmt werden und unabhängig sind von der Wellenlänge der Quelle. Wenn die asymmetrischen Mach-Zehnder-Interformeter auf eine optimale Impulsform eingestellt sind, dann kann der Tastgrad der Impulse leicht geändert werden, wobei eine hohe Extinktion aufrecht erhalten wird, indem einfach die Amplitude V_drive des angelegten Treibersignals eingestellt wird. Die Steuerung des Tastgrades des Impulses auf diese Weise ist in den 4a und 4b dargestellt, wo die Ausgangswellenform vom Modulator 6 und die optische Impulsfolge für die Treiberspannungsamplitude V_drive = 1,2 V_π dargestellt ist. Durch Vergleich von 3b und 4b ergibt sich, dass ein Ansteigen der Treiberspannungsamplitude zu einer Impulsfolge führt, die die gleiche Wiederholungsrate 0,5f_c hat, aber deren Tastgrad vermindert ist. Für einen typischen Treiberspannungsbereich V_π bis 1,7 V_π liegt der Tastgrad in der Größenordnung zwischen 0,41 und 0,30.
Der optische Impulsgenerator nach der Erfindung kann auf einfache Weise benutzt werden, um optische RZ-Daten zu erzeugen, indem die optische Impulsfolge unter Benutzung des optischen Intensitätsmodulators 22 moduliert wird. Zur Vereinfachung der Herstellung und um die Integration mit dem optischen Impulsformer 8 und dem Modulator 6 zu ermöglichen, ist der Intensitätsmodulator vorzugsweise ein elektro-optischer interferometrischer Modulator und am zweckmäßigsten ein Mach-Zehnder-Modulator, der aus III-V-Halbleitermaterial hergestellt ist, und vorzugsweise aus Gallium-Arsenid.
Im Allgemeinen ist es zur Übertragung von Daten erwünscht, dass die Impulse nicht gechirpt sind, d.h. die augenblickliche optische Frequenz der Impulse bleibt konstant. Das berechnete Chirp für eine optische Impulsfolge, die unter Benutzung einer Treiberspannungsamplitude von V_drive = 1,5 V_π erzeugt wurde, ist in 5 dargestellt. Es ist aus 5 ersichtlich, dass das Frequenzchirp virtuell Null im Wesentlichen über die Dauer eines jeden Impulses ist, wobei die einzige Abweichung im Chirp in der Periode zwischen den Impulsen auftritt. Für Anwendungen, wo ein lineares Frequenzchirp erforderlich ist, kann ein Phasenmodulator in den optischen Impulsgenerator eingebaut werden, der mit einer bitsynchronen Wellenform gespeist wird.
Der optische Impulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt eine Anzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Anordnungen, und diese Vorteile sind u.a. die folgenden:

– Ein variabler Tastgrad – der Tastgrad des Impulses kann geändert werden, indem die Amplitude der Treiberspannung eingestellt wird, wobei eine hohe Extinktion aufrecht erhalten wird. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, dass der Generator in einem Bereich optischer Verbindungen und Netze benutzt wird. Monolithische Integration – da der optische Impulsformer leicht in Form eines ebenen Wellenleiters hergestellt werden kann, ermöglicht dies eine Integration mit dem optischen Modulator, was zu einem Generator führt, der sowohl kompakt als auch robust ist.
– Erhöhte Impulswiederholrate – da nur ein einziges Antriebssignal mit einer Frequenz erforderlich ist, die die Hälfte der Datenrate beträgt, vereinfacht dies die Erfordernisse einer optischen Modulatorbandbreite und es schafft die Möglichkeit der Erzeugung von Impulsfolgen mit einer höheren Wiederholrate.
– Einfachheit der Fabrikation – der Impulsformer kann leichter bei höheren Frequenzen hergestellt werden, da die erforderlichen Pfadverzögerungen vermindert werden.
– Wirksame Leistung – die optische Spitzenimpulsleistung kann bis zu 3 dB höher werden als die unmodulierte Eingangsleistung vom Laser.
– Wechselnde Phase – die Impulse der Impulsfolge haben eine wechselnde Phase relativ zu dem unmodulierten Laserausgang, und dies hat sich als vorteilhaft für die Übertragung erwiesen.
– Wellenlängenflexibilität – ein gegebener Generator kann über einen weiten Bereich von Eingangswellenlängen benutzt werden, und es ist hierzu nur die Einstellung der optischen Phasenverschiebungen N₁, N₂ notwendig, um eine Anpassung an eine bestimmte Wellenlänge zu erzeugen.

Es ist klar, dass der optische Impulsgenerator nach der vorliegenden Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist und dass Änderungen innerhalb des Rahmens der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise können andere Formen optischer Modulatoren benutzt werden, beispielsweise jene, die aus Lithium-Niobat bestehen. Die dargestellte Anordnung des optischen Impulsformers wird durch zwei Mach-Zehnder-Interferometer realisiert, es können jedoch andere Formen optischer Impulsformer benutzt werden, beispielsweise ein Ringresonatorfilter kann benutzt werden, vorausgesetzt, dass sie die Frequenzkomponenten ausrichten, um eine Impulsfolge zu erzeugen, in der die Impulse im Wesentlichen transformationsbegrenzt sind.

Claims

Lichtimpulsfolgengenerator (2), der Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (4) mit der Aufgabe, einen unmodulierten Ausgang zu erzeugen; einen elektrooptischen interferometrischen optischen Modulator (6) zum Modulieren der Intensität des unmodulierten Lichausgangs in Abhängigkeit von einer sinusförmigen Ansteuerungsspannung zum Erzeugen eines modulierten optischen Signals, wobei der Modulator (6) eine sinusförmige Kennkurve von Lichtübertragung gegenüber Ansteuerungsspannung hat, und wobei der Modulator (6) etwa an einen Punkt mit minimaler Lichttransmission der genannten Kennkurve betrieben werden kann und die genannten Ansteuerungsspannung eine Amplitude hat, die einen Zyklus der genannten Kennkurve überschreitet, so dass das modulierte optische Signal nicht sinusförmig ist; und dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein Lichtimpulsformungsmittel (8) zum Ausrichten der Phase der Frequenzkomponenten des genannten modulierten optischen Signals in der Frequenzdomäne umfasst, um eine Lichtimpulsfolge zu erzeugen, in der die Impulse im Wesentlichen transformationsbegrenzt sind.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 1, wobei der Modulator (6) einen optischen Mach-Zehnder-Modulator umfasst.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Lichtquelle (4) einen Halbleiterlaser umfasst.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem der Arbeitszyklus der Lichtimpulse einfach durch Einstellen der Amplitude der sinusförmigen Ansteuerungsspannung variiert werden kann.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Lichtimpulsformungsmittel ein oder mehrere interferometrische Geräte (10, 12) umfasst, die das genannte modulierte Signal in zwei Signale unterteilen, die über die jeweiligen Pfade (16, 18) passieren, und die genannten Signale zu der Lichtimpulsefolge rekombiniert, und wobei das oder jedes Gerät eine gewählte feste differentiale optische Verzögerung (θ₁, θ₂) zwischen den genannten Signalen anwendet, und wobei die genannte optische Verzögerung so gewählt ist, dass die Phase einer gewählten Frequenzkomponente des modulierten optischen Signals ausgerichtet wird.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 5, wobei die Längen der genannten Pfade (16, 18) so gewählt sind, dass sie unterschiedlich sind, um die gewählte differentiale optische Verzögerung (θ₁, θ₂) einzuführen.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das genannte Gerät ein elektrooptisches Gerät ist und ein Pfad (18) Mittel zum Ändern des Brechungsindexes eines Pfades relativ zum anderen beinhaltet, um eine andere differentiale optische Verzögerung (N₁, N₂) einzuführen.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 7, der über einen Bereich von Wellenlängen des unmodulierten Ausgangs durch Justieren des Brechungsindexes des genannten einen Pfades relativ zum anderen passend zu einer bestimmten Wellenlänge verwendet werden kann.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das oder jedes Gerät aus einem III-V Halbleitermaterial gefertigt ist.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 9, bei dem das oder jedes Gerät aus Galliumarsenid gefertigt ist.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 6 oder einem der Ansprüche 7 bis 10 in Abhängigkeit von Anspruch 6, wobei die Pfadlängendifferenz eine Verzögerung (θ₁, θ₂) von ein paar dutzend Pikosekunden einführt.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach Anspruch 11 in Abhängigkeit von Anspruch 7, wobei die durch die genannten Brechungsindexdifferenz eingeführte Differentialverzögerung (N₁, N₂) im Bereich von null bis zwei Pi Radians der Frequenz der Ansteuerungsspannung ist.
Lichtimpulsfolgengenerator (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtmodulator (6) und das Impulsformungsmittel (8) monolithisch hergestellt sind.
RZ-(Rückkehr-zu-null)-Lichtdatengenerator, der einen Lichtimpulsgenerator (2) nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst, wobei der Generator (2) so betrieben werden kann, dass die Frequenz der sinusförmigen Ansteuerungsspannung die Hälfte der beabsichtigten Datenbitrate beträgt und ferner Lichtmodulationsmittel (22) zum Modulieren der Intensität der genannten Lichtimpulsfolge in Abhängigkeit von den genannten Daten umfasst.
Lichtdatengenerator nach Anspruch 14, bei dem das Lichtmodulationsmittel (22) einen interferometrischen elektrooptischen Modulator umfasst.
Lichtdatengenerator nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei dem die Datenbitrate zehn Gigabit pro Sekunde oder höher ist.
Lichtdatengenerator nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Lichtmodulationsmittel (22), der Lichtmodulator (6) und das Impulsformungsmittel (8) monolithisch gefertigt sind.