專利名稱：針對(duì)角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序部分所述的針對(duì)角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的接收機(jī)。
到目前為止，光學(xué)傳輸系統(tǒng)調(diào)制為了傳輸所使用的光的強(qiáng)度上的待傳輸?shù)男畔?。在接收系統(tǒng)中，光電二極管將光學(xué)的振幅調(diào)制的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在光學(xué)傳輸系統(tǒng)的一定的配置范圍或參數(shù)范圍中，證明有利的是，調(diào)制待傳輸?shù)墓獾南辔换蛘哳l率上的信息。在這種情況下，簡(jiǎn)單的光電二極管不再足夠，以從相位調(diào)制或者頻率調(diào)制的信號(hào)中提取信息。
目前存在兩個(gè)基本概念，用于相位檢測(cè)光學(xué)光場(chǎng)。這兩個(gè)概念具有一系列優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并在幾種變型中使用。
第一個(gè)概念基于零差接收。該相位調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的入射的光場(chǎng)與相同頻率的第二光場(chǎng)以及與所定義的相位疊加(此處出于清楚原因被限于相位調(diào)制)。該第二光場(chǎng)或者由外部激光器作為“本地振蕩器”產(chǎn)生或者也是所傳輸?shù)墓獾臅r(shí)間延遲(一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間)的部分，這稱為“自零差接收”。這兩個(gè)光學(xué)場(chǎng)按照?qǐng)龅南辔唤ㄔO(shè)性地或破壞性地在光電二極管上干涉，并且該光電二極管輸出與場(chǎng)的相對(duì)的相位的余弦平方成比例的電流。
第二個(gè)概念基于外差式接收。該相位調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的入射的光場(chǎng)與具有不同頻率的第二光場(chǎng)疊加。在光電二極管上兩個(gè)光場(chǎng)干涉。該光電二極管提供交流電流，該交流電流的頻率對(duì)應(yīng)于兩個(gè)光學(xué)場(chǎng)的差頻而該交流電流的相位通過所傳輸?shù)墓鈱W(xué)場(chǎng)的相位給定。電氣相位檢測(cè)器從該交流電流信號(hào)中產(chǎn)生振幅調(diào)制的電流。
在這兩種情況下，作為第二光場(chǎng)或者使用一個(gè)外部激光器或者使用一個(gè)所傳輸?shù)墓鈭?chǎng)的時(shí)間延遲(通常一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間)的部分。
外部激光器具有關(guān)于接收機(jī)靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，另一方面或者對(duì)激光器穩(wěn)定度的要求很高(“零差檢測(cè)”)或者必須嵌入其他的電氣中間級(jí)(“外差式檢測(cè)”)。
所接收的光場(chǎng)與相同的場(chǎng)的時(shí)間延遲的部分的疊加(“自零差接收”)在技術(shù)上是最易實(shí)現(xiàn)的，但是該接收機(jī)靈敏度通常比借助外部光源檢測(cè)時(shí)小了一個(gè)系數(shù)4。
本發(fā)明的任務(wù)在于，給出一種針對(duì)從角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的所傳輸?shù)墓庵袦y(cè)定相位信息的簡(jiǎn)單的和靈敏的接收機(jī)并且此外將相位信息轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制的電氣信號(hào)。
該任務(wù)的解決方案鑒于其裝置方面通過具有權(quán)利要求1的特征的接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)具有光學(xué)諧振器，用于存儲(chǔ)角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的光學(xué)場(chǎng)。從“Laserspektroskopie，Grundlagen undTechniken(激光光譜學(xué)，基礎(chǔ)和技術(shù))，W.Demtroeder，Springer，2000”中公知的Fabry-Perot-諧振器被用作光學(xué)諧振器。該光學(xué)諧振器如此被確定尺寸，以致光學(xué)場(chǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間大約為一半的比特持續(xù)時(shí)間。光學(xué)諧振器的傳輸頻率調(diào)節(jié)到光學(xué)頻率上。在一定的參數(shù)的情況下，傳輸?shù)陌胫祵挾仍谏倭縂Hz的范圍中，以致諧振器頻率的調(diào)節(jié)不是過分臨界的。
在其中光與諧振頻率耦合輸入的無損耗的光學(xué)Fabry-Perot-諧振器中，形成強(qiáng)烈過高的光場(chǎng)。該光場(chǎng)通過部分透光的諧振器的鏡子向外滲透。在其上該光從角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)中耦合輸入的諧振器側(cè)，該溢出場(chǎng)有進(jìn)入場(chǎng)的反轉(zhuǎn)相位，以致與入射場(chǎng)破壞性地干涉并沒有光沿輸入通道被反射回。從諧振器的輸出端溢出的光通過外部的其它光場(chǎng)沒有得到干涉。該諧振器透明地出現(xiàn)在具有諧振頻率的恒定光場(chǎng)中。
如果入射的光場(chǎng)的相位變化了值π，則從在諧振器輸入端上破壞性的干涉構(gòu)成建設(shè)性的干涉并因而反射回光。為此參閱“Opticaldecay from a Fabry-Perot cavity faster than the decay time”(H.Rohde、J.Eschner、F.Schmidt-Kaler、R.Blatt、J.Opt.Soc.Am.B 19，1425-1429，2002)。
該接收機(jī)同樣適于與相位調(diào)制的信號(hào)一樣的頻率調(diào)制的信號(hào)。因此，接收機(jī)通常可被用作針對(duì)角度調(diào)制的信號(hào)、也就是利用相位或利用頻率調(diào)制的信號(hào)的接收機(jī)。以下出于清楚的原因指向針對(duì)相位調(diào)制的信號(hào)的接收機(jī)。
反射回的光由輸入光借助光學(xué)耦合輸出設(shè)備、諸如循環(huán)器(Zirkulator)或者由偏振分束器和波片構(gòu)成的組合來分離并借助光電轉(zhuǎn)換器、諸如光電二極管來檢測(cè)。因此，該光電二極管電流表示針對(duì)入射光的相位變化或者相位交換的測(cè)定的量度。
根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)的實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)其中應(yīng)被視為，相對(duì)于自零差接收的靈敏度上升了直至2的系數(shù)，以及在此根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)被實(shí)現(xiàn)為僅僅比同一接收機(jī)更不復(fù)雜并且明顯比具有附加激光器的解決方案更簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的有利的擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中給出。
以下根據(jù)附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例。
在此

圖1示出零差接收和根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)之間的信噪比的提高系數(shù)，圖2示出第一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)，圖3示出第二個(gè)根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)。
在圖1中傳統(tǒng)的零差接收機(jī)和根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)之間的信噪比的提高系數(shù)α的值被表示為輸入光的信噪比的函數(shù)SNRIn＝Es2/EN2說明。Es稱為信號(hào)場(chǎng)而EN稱為在光學(xué)諧振器上的輸入信號(hào)的噪聲場(chǎng)。
為了參考光學(xué)諧振器澄清本發(fā)明，以下說明重要的諧振器參數(shù)。
由兩個(gè)反射度為R的相距L的鏡子組成的光學(xué)Fabry-Perot-諧振器的特性(簡(jiǎn)化地)通過以下參數(shù)確定1.一個(gè)自由的光譜范圍FSR說明諧振器模式的頻率距離FSR=c2L]]>其中c稱作光速。
2.諧振的半值寬度Δυ通過下式給出Δυ=c2L*1-RπR.]]>3.由此，精密度(Finesse)F作為由自由的光譜范圍FSR和半值寬度△υ構(gòu)成的商得到F=FSRΔυ=πR1-R≈π1-R]]>其中R≈1。
4.光學(xué)Fabry-Perot-諧振器的存儲(chǔ)時(shí)間T作為時(shí)間，相對(duì)該時(shí)間在切斷輸入場(chǎng)后在諧振器中存儲(chǔ)的場(chǎng)的強(qiáng)度下降了系數(shù)1/e，該時(shí)間按下式得出
τ=F*Lπc.]]>利用諧振器長(zhǎng)度L＝1mm和存儲(chǔ)器時(shí)間T＝50ps(在10Gbit/s時(shí)一半比特持續(xù)時(shí)間)得出精密度F ≈50并由此得出約為0.94％的鏡面反射度R。該自由的光譜范圍FSR為150GHz而半值寬度Δυ＝3GHz。
以下，說明根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)相對(duì)自零差接收的提高的接收靈敏度。
該光學(xué)輸入場(chǎng)被表示為由信號(hào)場(chǎng)Es和噪聲場(chǎng)EN構(gòu)成的總和EIn＝ES+EN。
在自零差接收的情況下，分束器將該場(chǎng)分裂為兩個(gè)子場(chǎng)E1、E2E1=1/2EIn=1/2(ES+EN)]]>E2=1/2EIn=1/2(ES+EN)]]>在該場(chǎng)的時(shí)間延遲了一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間之后，兩個(gè)場(chǎng)重新與其它分束器相加而該分束器的輸出之一利用光電二極管來檢測(cè)。假設(shè)，相位不改變并且因此時(shí)間延遲不必明確地在公式中說明。
光電二極管的位置上的場(chǎng)EPD是EPD=1/2E1+1/2E2.]]>由此得出光電二極管的位置上的光學(xué)功率PPDPPD∝EPD2=ES2+EN2+2ESEN.]]>自零差接收的信噪比SNR零差因此是 在根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)中，在穩(wěn)定狀態(tài)下諧振器的內(nèi)部，相干的輸入場(chǎng)Es的場(chǎng)強(qiáng)提高了系數(shù)F/II，而該噪聲場(chǎng)僅僅減弱了系數(shù)(1-R)地襲擊諧振器，因?yàn)樵撎岣卟幌喔傻貙?shí)現(xiàn)。
因此諧振器內(nèi)部中的場(chǎng)ERes為ERes=F/Π*ES+(1-R)*EN.]]>在諧振器內(nèi)部的場(chǎng)ERes通過具有減弱了系數(shù)(1-R)的部分透光的諧振器鏡向外滲透。如果出現(xiàn)入射場(chǎng)的相變，則從諧振器中溢出的光不再破壞性地與入射場(chǎng)干涉而光沿與入射光相反的方向離開光學(xué)諧振器。
沿與入射光相反的方向傳播的場(chǎng)E反射由輸入光場(chǎng)EIn在諧振器鏡面上反射的部分和在諧振器中存儲(chǔ)的光場(chǎng)ERes通過半透光的諧振器鏡溢出的部分組成。
E反射＝R*EIN+(1-R)*ERes 利用F≈π/1-R]]>和R≅1]]>以及因此(1-R)*(1-R)≅0]]>得到E反射＝2*ES+EN。
在光電二極管上的功率PPD是 根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)的信噪比SNR新因此為 因此，在傳統(tǒng)的零差接收機(jī)和根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)之間的信噪比的提高系數(shù)α可以被計(jì)算 提高系數(shù)α的值與輸入光的信噪比SNRIn＝Es2/EN2有關(guān)。圖1說明了與SNRIn有關(guān)的提高系數(shù)α。
針對(duì)提高系數(shù)α的值適于相變的時(shí)刻，此后該信號(hào)按指數(shù)減小。在以下假設(shè)的情況下，即光電二極管和分析電子不是足夠快，以僅僅檢測(cè)峰值，而是通過比特持續(xù)時(shí)間集成，相對(duì)自零差接收的提高必須被減少系數(shù)(-*e2)＝0.43。
在圖2中，說明針對(duì)相位調(diào)制的光學(xué)信號(hào)S的第一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)。相位調(diào)制的光學(xué)信號(hào)S被輸入光學(xué)諧振器FPR。在光電轉(zhuǎn)換器OEW1上，為了從在光學(xué)諧振器FPR上反射的光RL中測(cè)定相位調(diào)制的光學(xué)信號(hào)S的相位變化，光學(xué)耦合輸出設(shè)備OU連接在光學(xué)諧振器FPR之前。
可選擇的，第二個(gè)光電轉(zhuǎn)換器OEW2作為例如光電二極管連接在光學(xué)諧振器FPR之后，以通過信號(hào)的差分構(gòu)成或者在第一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器OEW1上平分(Mittelung)噪聲而提高靈敏度。
針對(duì)具有所定義的頻移的頻率調(diào)制的信號(hào)，理論上可以區(qū)分以下兩種情況在具有頻率調(diào)制的接收機(jī)中，其中頻移小于光學(xué)諧振器FPR的帶寬，頻率調(diào)制以與相位調(diào)制相似的方式觀察；在具有頻率調(diào)制的接收機(jī)中，其中頻移大于光學(xué)諧振器FPR的帶寬，光學(xué)諧振器FPR作為頻率選擇鏡起作用，也就是當(dāng)該頻率與光學(xué)諧振器FPR的諧振頻率一致并反射另一個(gè)頻率時(shí)，頻率被穿過。在兩個(gè)光電二極管OEW1、OEW2上，兩個(gè)互補(bǔ)的二進(jìn)制信號(hào)被接收，用于檢測(cè)原始的頻率調(diào)制的信號(hào)中的頻率跳躍。在這兩種情況下，根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)很好地適合。
此處，光學(xué)諧振器FPR是傳統(tǒng)的Fabry-Perot-諧振器。光學(xué)耦合輸出設(shè)備OU具有循環(huán)器ZIRK，該循環(huán)器ZIRK連接在光學(xué)諧振器FPR之前而該其輸出端連接在光電轉(zhuǎn)換器OEW1上。
圖3中，說明根據(jù)圖2的第二個(gè)根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)，其中應(yīng)用另一種類型的光學(xué)耦合輸出設(shè)備OU。該光學(xué)耦合輸出設(shè)備OU具有帶有連接在后面的偏振板PP的偏振分束器PST，以致相位調(diào)制的光學(xué)信號(hào)S和反射的光RL為了測(cè)定相變具有不同的通過偏振分束器可分離的偏振。
光學(xué)耦合輸出設(shè)備OU的其它變型是可以實(shí)現(xiàn)的。重要的是在光學(xué)諧振器FPR的輸入端上反射的光RL的再生，該反射的光遞送相位調(diào)制的信號(hào)S的相變的信息。其他的光部分必須被抑制。
權(quán)利要求
1.針對(duì)角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)(S)的接收機(jī)，其特征在于，該角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)(S)被輸入到一個(gè)光學(xué)諧振器(FPR)中，針對(duì)由該光學(xué)諧振器(FPR)反射的光(RL)的光學(xué)耦合輸出設(shè)備(OU)被連接在該光學(xué)諧振器(FPR)之前。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接收機(jī)，其特征在于，光電轉(zhuǎn)換器(OEW1)被連接在所述光學(xué)耦合輸出設(shè)備(OU)之后。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的接收機(jī)，其特征在于，所述光學(xué)諧振器(FPR)是Fabry-Perot-諧振器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的接收機(jī)，其特征在于，所述光學(xué)耦合輸出設(shè)備(OU)具有一個(gè)循環(huán)器(ZIRK)，該循環(huán)器(ZIRK)被連接在所述光學(xué)諧振器(FPR)之前而其輸出端被連接在所述光電轉(zhuǎn)換器(OEW1)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的接收機(jī)，其特征在于，所述光學(xué)耦合輸出設(shè)備(OU)具有一個(gè)帶有連接在后面的偏振板(PP)的偏振分束器(PST)，以致所述角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)(S)和所反射的光(RL)具有不同的可通過該偏振分束器分離的偏振。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的接收機(jī)，其特征在于，為了提高靈敏度，第二個(gè)光電轉(zhuǎn)換器(OEW2)被連接在所述光學(xué)諧振器(FPR)之后。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的接收機(jī)，其特征在于，相位變化的分配的編碼借助通過所述光學(xué)諧振器(FPR)反射和必要時(shí)發(fā)射的光來設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種針對(duì)角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的接收機(jī)，其中該角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)被輸入到一個(gè)光學(xué)諧振器中。在角度調(diào)制的光學(xué)信號(hào)的相變或換頻時(shí)，出現(xiàn)來自光學(xué)諧振器的反射光。借助光電轉(zhuǎn)換器為了從在光學(xué)諧振器上反射的光中測(cè)定角度變化，光學(xué)耦合輸出設(shè)備被連接在該光學(xué)諧振器之前。說明用于再生所反射的光的光學(xué)耦合輸出設(shè)備的不同的變型。
文檔編號(hào)H04B10/67GK1708926SQ200380102631
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月7日
發(fā)明者H·羅德 申請(qǐng)人:西門子公司