SE534634C2 - En anordning och ett förfarande för noggrann enkelriktad överföring av tid över optisk fiber - Google Patents

Abstract

En anordning och ett förfarande för att överföra tid genom ett dielektriskt medium med förhöjdnoggrannhet. Noggrannheten erhålls genom att bestämma variationer i överföringstid för en signalburen av en elektromagnetisk våg genom nämnda dielektriska vågledare genom att uppmätatidsskillnaden mellan överföringstiden för nämnda signal och överföringstiden för en annan signal,buren av en annan elektromagnetisk våg, genom samma dielektriska vågledare. Uppfinningen avsesatt placeras i ett system som innehåller en huvudoscillator (6), ett dielektriskt medium förtidsöverföring vilket i realisationen är en optisk fiber (4) och som avser att ge en tidssignal påmottagarsidan (39). Uppfinningen består av en sändare vilken består av två lasrar (7) och (8), vilkasänder varsin signal som överförs i samma fiber genom en sammankopplingskomponent (10) och enuppdelningskomponent (11), samt en mottagare som består av två detektorer (12) och (13).Uppfinningens viktigaste del är förfarandet att ur de två signalerna erhålla en korrektionssignal (Sdiff),vilken används till att justera fördröjningen hos tidssignalen (Sug) och därmed förbättranoggrannheten.

Description

20 25 30 534 G34 2, Som beskrivningarna ovan visar, finns det ett antingen ett behov av tillgång till satellitsignaler, eller satellitkommunikation, eller så finns ett behov av en särskild tvåvägs- anslutning till varje användare. Denna tvåvägs-anslutning kan realiseras genom elektrisk ledning, optisk fiber, mikrovågs-vågledare eller trådlöst via ljus eller mikrovågor. Dessutom måste användaren kontinuerligt upprätthålla en aktiv kommunikation med leverantören av huvudklockan. Fördelarna med en enkelvägs överföring, vilka löses med denna uppfinning, är därför flera: Nätstruktur: En enkelriktad transmission möjliggör en sändning av Tid i en trädstnilmir. I en sådan struktur, kan flera användare av tidssignalen kopplas på samma sätt. Alla kommer då åt Tiden från samma fiber och gör sin egen uppskattning av fördröjningsvariationema. Besparingama i installationskostnader i jämförelse med en dubbelriktad förbindelse är då mycket högre än 50%. Åtkomst: Ett systern som bygger på en envägsöverföring saknar behovet av kontinuerlig kommunikation med avsändaren. På detta sätt innebär envägsöverföring ett effektivare sätt att dela ut tid med förhöjd noggrannhet där resursbehovet hos avsändaren inte ökar med antalet användare.

Säkerhet: En användare av korrekt och noggrann Tid behöver inte annonsera sin existens. Detta kan ha betydelse för nätverk med hög säkerhetsnivå, där skyddsåtgärder acceptera en inkommande tidssignal men inte tillåter överföring av ett utgående svar.

Känd teknik inom tidsöverföring Uppfinningen påminner i viss mån om den dubbelfrekvens överföring som används av GPS- satelliter, men tekniken är ändå helt annorlunda. Den variation som förorsakas av tätheten av partiklar i ett gasmoln, och förseningen är linjärt beroende av det inverterade värdet av frekvensen. Uppñnningen är i kontrast till detta baserad på egenskapema hos en elektromagnetisk våg som passerar genom en vågledare av kristallint material. Förseningen beror på den fysiska töjningen av vågledare, vilket påverkar bägge våglängdema lika, och motsvarande krympning av den radiella strukturen, vilket förändrar dispersionen och därmed 10 15 20 25 30 534 634 5 skillnaden i överföringstid mellan de två våglängderna. Dessutom orsakar temperaturen en ändring av brytningsindex vilket påverkar fördröjningen olika för olika våglängder.

Känd teknik inom fiberoptiska mätningar: Det är sedan tidigare känt att tidsfördröjningen för en optisk signal som färdas genom en fiber av given längd är beroende av temperaturen och att denna fördröjning kan beräknas ur materialpararnetrarna. Det är även känt att skillnaden i tidsiördröjning mellan två våglängder, kallat kromatisk dispersion, är beroende av temperaturen och kan beräknas ur materialparametrama.

Speciell del Denna uppfinning beskrivs med stöd av ritningar i Figur 1 och 5, där Figur 1 visar den uppkoppling av komponenter som använts för själva uppfinningen, och Figur 5 hur uppfinningen kopplats samman med referenssignal och mätutrustning för att verifiera funktionen. Figur 2 är ett blockdiagram som beskriver funktionen och Figur 3 är en schematisk figur över hur mätvärdet varierar. Figur 4 visar hur sammankopplingen av kretsar utförts för att generera styrsignalen. Figur 6 visar ett exempel på resultat av gjorda mätningar för att bekräfla fimktionen. Uppfinningen bygger på överföring av infrarött ljus, vilket är en elektromagnetisk våg med en våglängd på 1300 - 1500 nm i vakuum vilket motsvarar en frekvens på ca 200 - 300 THz. Överföringen sker i optisk fiber, vilket är en dielektrisk cylindrisk vågledare. Uppfinningen bygger på egenskaper hos dielektrikat varför det förutsätts att uppñnningen är tillämpbar även för elektromagnetiska vågor vid andra frekvenser, som överförs i dielektriska vågledare avsedda för dessa iiekvenser.

Uppfinningen utnyttjar ett våglängsberoende temperaturberoende för överföringshastigheten för en elektromagnetisk våg i en dielektrisk vågledare. Nämnda uppfinning utnyttjar de kända egenskapema hos en dielektrisk vågledare men kopplar samman en uppmätt storhet, nämligen variationen i tidsskillnaden mellan två överförda signaler vid olika våglängder, för att beräkna en annan storhet, nämligen variationen i överföringstid hos en signal Överförd vid en våglängd. Denna koppling har inte gjorts tidigare. Funktionen har verifierats med hjälp av en uppställning som beskrivs i Figur l. En 10 MHz signal som genereras i en signal generator (6), vilken utgör experimentets huvudoscillator, drivs att modulera dels en laser som sänder ljus vid våglängden 1310 mn (7), dels en annan laser som sänder ljus vid våglängden 1550 nm (8) genom en optisk fiber (4). Fibern är tillverkad av glas och designad för att bara överföra en 10 15 20 25 30 534 534 é' mod vid nämnda våglängder s.k.singelmod fiber. De två lasrarna (7),(8) är två olika halvledarlasrar, var och en med en uteffekt på l0 mW. Drivströmmen till respektive laser moduleras med den elektriska 10 MHz signalen, med en arnplitud stor nog fór att uppnå nära 100% modulationsdjup. Ljuset från vardera lasem kopplas in i varsin optisk fiber. Ljuset från de två lasrama kopplas samman i en våglängskänslig kopplare (10), vilket är en sammankopplare för ljus vid fördefinierade, olika, våglängder. Den gemensamma signalen överförs genom ca 13 km fiber, varav mer än 12 km placerats utomhus för att utsättas för temperaturvariationer. Vid bortre änden av fibem delas ljuset upp i två fibrer, en för vardera våglängden, i en våglängdskänslig delare (ll), vars funktion år omvänd mot den våglängdskänsliga kopplarens, d.v.s den delar upp ljus vid olika, fördefinierade våglängder.

De två optiska signalerna detekteras i varsin opto-elektiisk mottagare (l 2),(l 3), vilken var för sig består av en p-i-n diod, vars känslighet för ljus vid olika våglängder överensstämmer med de använda våglängderna, integrerad med en transimpedansförstärkare, vilken under förstärkning omvandlar den ström som genereras i p-i-n dioden till en spärming. Den ena signalen (Smi) kopplas ut i en elektrisk mikrovågsdelare, till en utkopplingspunkt för Tid (39). Den andra utgången från delaren kopplas samman med signalen från den andra opto- elektriska mottagaren i en dubbel-balanserad blandare för mikrovågssignaler (20). De två erhållna elektriska signalema består båda av en optiskt Överförd l0 MHz signal. Genom blandningsprocessen erhålls en likspänning (Sdm), vilken kan uppmätas i utkopplingspunkten för tidsskillnad (40), som är proportionell mot produkten av de båda insigrralemas amplituder, multiplicerat med cosinus fór fasskillnaden mellan de båda. Genom att fördröjningen av signalen genom fibern består av en gemensam tenn och en skillnadsterm, med ett entydigt förhållande dem emellan, kan den gemensamma termen beräknas ur skillnadsterrnen.

Spärmingen som erhålls vid utkopplingspunkten för tidsskillnad (40) kan användas för att visa hur överföringstiden i utkopplingspunkten för Tid (Snap 39) har varierat sedan starten, antingen i uppmätt spärming eller omräknat till tid. Spänningen som erhålls vid utkopplingspunkten för Tidsskillnad (Sdim 40) kan även användas till att styra en tidsjustering med avsikt att kompensera för variationen i överföringstiden med hjälp av en variabel fördröjning. Denna fördröjning kan utföras på signalen antingen i de elektriska ledningama före modulation av den elektromagnetiska vågen, eller efter detektion av densamma.

Fördröjningen kan även utföras på den av signalen modulerade elektromagnetiska vågen.

Fördröjningen kan även utföras som en kombination av fördröjningar enligt samtliga ovan nämnda alternativ. 10 15 20 25 534 634 å' För att experimentellt bevisa tekniken har uppkopplingen kompletterats enligt Figur 5, där en referenssignal kopplas direkt från huvudoscillatorn (6) till att starta tidtagningen i en tidintervallräknare (41). För övrigt används systemet beskrivet i Figur 1, sammanfattat som en rektangel i figur 5 (3 8), där utkopplingspunkten för Tid (39) sammankopplas så att dess signal stoppar tidtagningen i tidintervallräknaren (41) och där utkopplingspunkten för tidsskillnad (40) kopplas till en precisionsvoltmeter (42) vars andra potential är jordad. Data från de båda mätutrustningarna (4l),(42) överförs till en dator (43) genom datakablar (44), och lagras där under mättiden. Vid sammanställning av data, vilken visas i Figur 6, har även utomhustemperaturen tagits med i inforrnativt syfie. Grafen i Figur 6 visar varje enskilt mätvärdes relativa förändring från föregående värde, och kurvan för utomhustemperatur är märkt (T), där skillnaden mellan två horisontella linjer noteras (a) och motsvarar 5°C, kurvan för överföringstid är märkt (TI), där skillnaden mellan två horisontella linjer noteras (b) och är 4,7 ns, och kurvan för den spänning som motsvarar tidsskillnad är märkt (M) där skillnaden mellan två horisontella linjer noteras (c) och är 0,5 mV.

En teoretisk beräkning bygger på följande ekvationer, vilka utgår från ekvationema för grupphastighet genom en optisk fiber, vilka i sin tur utgår fi-ån brytningsindex och dispersion. 1=~L-(n-Åš%j (1) överföringstiden beräknas enligt ekvation 1, där c är ljusets hastighet i vakuum, L är längden på den dielektriska vågledaren, Ä är våglängden och n är brytningsindex för den dielektriska vågledaren. dn/d7t är derivatan av brytningsindex med avseende på våglängd, och då denna är skild från noll kommer olika våglängder att uppleva olika brytningsindex. Genom att derivera ekvation l med avseende på våglängd, fås ekvation 2, vilket beskriver hur mycket överföringstiden ändrar sig mellan olika våglängder. d1_ 2 __ Åád n d/l CE? (2) Till sist härleds ekvation 3, vilken beskriver förändringen i överföringstiden med avseende på en förändring av temperaturen. d 1 dL d d d* i =zíífí~adezl+lfi~ßdizrll Å~ dT 10 534 634 b Det måste noteras att brytningsindex, n, är olika för olika våglängder, och att derivatan fór detsamma, med avseende på våglängd, också är olika för olika våglängder. Slutligen visar ekvation 4 det utryck som erhålls då skillnaden i förändringen vid två olika våglängder söks. =š[ífí{(nÄ1-nh)+/i2-Éäi- -ÉI-1ÄT-¶+L;-T((n¿-nh)+ dr#_ (4) Éí dT Ål -Äz Den teoretiska analysen kan sammanfattas enligt följande: Variationer i överföringstiden genom vågledaren, vilket är den sökta storheten, beskrivs av ekvation 3 multiplicerad med temperaturskillnaden. Genom att mäta skillnaden mellan variationer i överföringstider hos två våglängder genom vågledaren vilket beskrivs av ekvation 4 multiplicerat med ternperaturskillnaden. Då ekvation 4 ger ett entydigt förhållande mellan skillnaden och temperaturen, kan skillnaden i överfóringstid beräknas, vilket är grunden for uppfinningen.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 534 534 fl- Patentkrav 1 Ett förfarande som styr tidsstatusen hos en lokal oscillator (17), som är synkroniserad med användandet av en tidssignal (Sn) vilken tillhandahålls genom envägs överföring från en avlägsen huvudoscillator (6) genom en dielektrisk vägledare (4), vari förfarandet innefattar stegen: mottar (101) en första tidssignal (Sn) vilken är modulerad på en första elektromagnetisk bärvâg vilken innehar en första våglängd (A1) och är överförd genom nämnda dielektriska vågledare (4) mottar (101) en andra tidssignal (Sn) vilken är modulerad pà en andra elektromagnetisk bärvåg vilken innehar en andra våglängd (A2) och är överförd genom nämnda dielektriska vågledare (4) tillhandahåller (102) en signal (Sdiff) vilken är baserad på differensen mellan överföringstiden (ti) av nämnda första tidssignal (Sn) och överföringstiden (Iz) av nämnda andra tidssignal (Sn) Eenom nämnda dielektriska vågledare; samt styr (103) nämnda tidsstatus hos nämnda lokala oscillator (17) baserat på nämnda första tidssignal (Sn) och nämnda signal (Sdm) vilken är baserad på differensen mellan överföringstiden (n) av nämnda första tidssignal (Sn) och överföringstiden (Iz) av nämnda andra tidssignal (Sn) genom nämnda dielektriska vågledare. Ett förfarande enligt krav 1, där nämnda steg (103) av att styra nämnda tidsstatus innefattar stegen: förändra fördröjningen hos nämnda första tidssignal (Sn) baserat på nämnda signal (Sdiff) vilken är baserad på differensen mellan överföringstiden (tl) av nämnda första tidssignal (Sn) och överföringstiden (Iz) av nämnda andra tidssignal (Sn) för att därigenom skapa en fördröjd första tidssignal; och synkronisera nämnda lokala oscillator (17) genom att använda nämnda fördröjda första tidssignal. Ett förfarande enligt krav 1 där nämnda steg (103) av att styra nämnda tidsstatus innefattar stegen: synkronisera nämnda lokala oscillator (17) genom att använda nämnda första tidssignal (Sn); och 10 15 20 25 30 35 534 634 å? styra frekvens hos nämnda lokala oscillator genom att använda signalen (SM) vilken är baserad på differensen mellan överföringstiden (rl) av nämnda första tidssignal (Sn) och överföringstiden (12) av nämnda andra tidssignal (Sv). Ett förfarande enligt vilken som helst av föregående krav, där nämnda första tidssignal (Su) och nämnda tidssignal (S12) erhålls från nämnda avlägsna huvudoscillator (6). Ett förfarande enligt vilken som helst av föregående krav, där nämnda första tidssignal (SU) och nämnda tidssignal (Sn) är i fas vid inkoppling i nämnda dielektriska vågledare (4) Ett förfarande enligt vilken som helst av föregående krav, där nämnda första tidssignal (Sn) och nämnda tidssignal (Sn) är realiserade som sinusvågor. En anordning i form av en tidsmottagare (3;30), som tillhandahåller tidsangivelser baserat på en tidssignal (Sn) vilken tlllhandahållits genom envägsöverföring fràn en avlägsen huvudoscillator (6) genom en dielektrisk vågledare (4), där tidsmottagaren (3;30) innefattar: sammankopplade kretsar (20; 33, 34, 35, 37) arrangerade för att motta en första tidssignal (Sn) modulerad på en första elektromagnetisk bärvåg vilken har en första våglängd (A1) och är Överförd genom nämnda dielektriska vågledare (4), och en andra tidssignal (Sn) modulerad på en andra elektromagnetisk bärvåg vilken har en andra våglängd (712) och är överförd genom nämnda dielektriska vågledare (4) tillsammans med nämnda första tidssignal (Sn), där nämnda sammankopplade kretsar är konfigurerade för att avge en signal (Sd-.ff) vilken är baserad på differensen mellan överföringstiderna genom nämnda dielektriska vågledare hos nämnda första tidssignal och nämnda andra tidssignal; och en lokal oscillator (17) vilken kan styras för att tillhandahålla nämnda tidsangivelser baserat på nämnda första tidssignal (Sn) och signalen (SM) vilken baseras på nämnda differens mellan överföringstiden för nämnda första tidssignal och nämnda andra tidssignal genom nämnda dielektriska vågledare. Anordningen i form av en tidsmottagare (3) enligt krav 7 där nämnda sammankopplade kretsar innefattar: en första omvandlare (12) inkopplad och utformad för att omvandla nämnda första tidssignal (Su) till en första elektrisk tidssignal (Smi) en andra omvandlare (13) inkopplad och utformad för att omvandla nämnda andra tidssignal (S12) till en andra elektrisk tidssignal (SW) 10 15 20 25 30 534 634 Öl en blandare (20) inkopplad för att ta emot nämnda första elektriska tidssignal (SW) och nämnda andra elektriska tidssignal (SW) och utformad för att avge signalen (Sum) vilken är baserad på differensen mellan överföringstiderna genom nämnda dielektriska vågledare hos nämnda första tidssignal och nämnda andra tidssignal 9 Anordningen i form av en tidsmottagare (3;30) enligt krav 7 eller 8, som dessutom innefattar: fördröjningskretsar inkopplade för att ta emot nämnda första tidsignal och signalen vilken är baserad på differensen mellan överföringstiderna genom nämnda dielektriska vågledare hos nämnda första tidssignal och nämnda andra tidssignal, och utformad för att justera en fördröjning av nämnda första tidssignal med en fördröjningstid som baseras på signalen som baseras på nämnda differens. 10 Anordningen i form av en tidsmottagare (3;30) enligt vilket som helst av kraven 7 till 9, där nämnda lokala oscillator(17) är en styrbar oscillator inkopplad för att styras genom att använda signalen (Sam) vilken baseras på nämnda differens mellan överföringstiden för nämnda första tidssignal och nämnda andra tidssignal genom nämnda dielektriska vågledare. 11 Anordningen i form av en tidsmottagare (3;30) enligt vilket som helst av kraven 7 till 10, där nämnda första och andra elektromagnetiska bärvág är optiska bärvågor och nämnda dielektriska vågledare är en optisk fiber. 12 Ett envägs tidöverföringssystem (1) innefattande: en sändare av tidssignaler (2) innefattande: en första källa (7) inkopplad för att tillhandahålla en första elektromagnetisk bärvåg vilken har en första våglängd (Å1); en andra källa (8) inkopplad för att tillhandahålla en andra elektromagnetisk bärvâg vilken har en andra våglängd (A2) vilken skiljer sig från den första våglängden (Å1); och en huvudoscillator (6) inkopplad för att styra nämnda första källa (7) och nämnda andra källa (8) genom att modulera en tidssignal (S1) på nämnda första elektromagnetiska bärvåg och på nämnda andra elektromagnetiska bärvåg; och en tidsmottagare (3) enligt vilket som helst av kraven 7 till 11 inkopplad för att ta emot nämnda tidssignal modulerad på den första elektromagnetiska bärvågen som den första tidssignalen (Sn) och att ta emot nämnda tidssignal modulerad på den andra 534 634 /0 elektromagnetiska bärvågen som den andra tidssignalen (Sn) efter överföring genom en dielektrisk vägleda re (4). 13 Envägs tidöverföringssystemet enligt krav 12, där nämnda första och andra elektromagnetiska bärvågorna är optiska bärvàgor och där nämnda dieiektriska vågledare är en optisk fiber.