CZ28368U1 - Modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v internetu a jiných sítích - Google Patents

Description

Modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v internetu a jiných sítích

Oblast techniky

Technické řešení se týká modulární stavebnice zařízení pro optické zesilování a monitoring optických signálů velmi citlivých na změny zpoždění pro jejich přenos v Internetu a jiných sítích včetně sítí vlnových multiplexů, které je využitelné pro široké spektrum vlnových délek a které spadá do oblasti telekomunikační techniky a služeb.

Dosavadní stav techniky

V současné době se k přenosu signálů velmi citlivých na změny zpoždění jako je například ultrapřesný čas a frekvence, používají metody radiofrekvenční a nověji i optické. Radiofrekvenční metody, zejména satelitní, jsou ale zatíženy chybovostí, která vzniká atmosférickými fluktuacemi při šíření radiových vln. Tyto lze sice dodatečně částečně kompenzovat výpočty, nicméně tento postup není vždy použitelný. Optické metody pak v pozemních podmínkách využívají přenosy optickými vlákny. V optických vláknech ale díky mechanickému namáhání a teplotním změnám také dochází k fluktuacím v rychlosti šíření signálu. V případě vláken lze zajistit, aby fyzická dráha šíření byla pro oba směry stejná a pak je možno kompenzovat vliv pomalých dějů, tedy pomalejších než doba šíření vláknem. V praxi to znamená kompenzovat vliv tepelných dějů a nízkofrekvenčních vibrací.

Nutnost shodné dráhy při šíření tam a zpět přináší ale celou řadu problémů nevyskytujících se v běžných telekomunikačních přenosech optickými vlákny. Jedná se zejména o vliv Raileyghova zpětného rozptylu a odrazů, například od svárů, konektorových spojení pasivních prvků a podobně. V telekomunikačních přenosech je vliv zpětného rozptylu a odrazů minimalizován použitím izolátorů, které brání jejich šíření. Použití izolátorů v cestě zesilovaných signálů není ale při požadavku na shodnou dráhu pro šíření tam a zpět možné, protože přes isolátor se signál šíří pouze jedním směrem. Pro obousměrnou komunikaci za použití isolátoru v signálové cestě tedy musí existovat signálové cesty alespoň dvě.

Pro zesilování obousměrných optických přenosů jsou známá řešení obdobná řešením optického zesilování pro běžné telekomunikační přenosy. Zejména tedy řešení využívající stimulované emise ve vláknech či vlnovodech dopovaných vzácnými zeminami, nejčastěji erbiem Er. Tato řešení jsou ale spektrálně omezena právě použitou vzácnou zeminou a materiálem vlákna nebo vlnovodu, v případě erbia typicky pouze pro telekomunikační pásma C, 1530 - 1565 nm, nebo L, 1565 - 1625 nm.

Další známé řešení využívá pro distribuované zesílení stimulovaného Ramanova rozptylu. Toto řešení není spektrálně limitováno vlnovou délkou, nicméně vyžaduje poměrně vysoké výkony čerpacích signálů v přenosovém vlákně, protože koeficient ramanovského zisku v nejběžnějších přenosových vláknech je nízký.

Další známé řešení využívá Brillouinova stimulovaného rozptylu, bohužel se jedná o řešení velmi úzkopásmové.

Řešení založené na polovodičových optických zesilovačích, dále jen SOA, je širokopásmové a spektrálně není omezeno. SOA jsou běžně dostupná ve spektrálním rozsahu minimálně 800 1625 nm. Řešení pro obousměrné přenosy optických signálů založená pouze na SOA samotných jsou bohužel velmi citlivá na amplitudovou modulaci přenášených signálů a dále také na zpětný rozptyl a odrazy. Zpětný rozptyl a odrazy mohou způsobovat jak nestabilitu či saturaci zisku, tak i nežádoucí samovolné laserování SOA.

Existuje řešení uvedené v US 2014/0199072 AI, které používá SOA pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování. Toto řešení buď navrhuje použití SOA samotného, což je nevhodné pro amplitudově modulované signály, ale zejména není odolné proti laserování vlivem zpětného rozptyly a odrazů.

- 1 CZ 28368 Ul

V dokumentu US 2014/0199072 je alternativně navrženo použití antiparalelního řazení dvou SOA vybavených isolátorem v každé větvi. Toto řešení je vhodné i pro amplitudově modulované signály a je odolné proti vlivu zpětného rozptylu a odrazů, nicméně požadavek plně shodné dráhy pro oba směry je porušen.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky řeší modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v Internetu a jiných sítích podle předkládaného řešení. Stavebnice je tvořena optickou částí propojenou s elektronickou částí a obsahuje optický polovodičový zesilovač a alespoň jeden isolátor. Podstatou nového řešení je, že dále obsahuje zdroj optického přídržného signálu, který je obousměrně propojen s modulem řídící elektroniky. Tento zdroj optického přídržného signálu je opticky propojen svým jedním výstupem přes první isolátor a první vlnově citlivou odbočnici s jedním optickým vstupem/výstupem optického polovodičového zesilovače a/nebo je svým druhým výstupem přes druhý isolátor a druhou vlnově citlivou odbočnici spojen s druhým optickým vstupem/výstupem optického polovodičového zesilovače, který je elektricky obousměrně propojen s modulem řídící elektroniky, jehož vstup je připojen na výstup napájecího modulu. Isolátory jsou zde tedy zařazeny jen v cestě přídržného signálu, kde jejich umístění nevadí, a naopak odrazy se přes ně nešíří a nerozlaďují zdroj optického přídržného signálu.

Je výhodné, použije-li se zdroj optického přídržného signálu s nastavitelným výstupním výkonem a/nebo s nastavitelnou vlnovou délkou.

Vjednom možném provedení je vstup/výstup první vlnově citlivé odbočnice opticky spojen s první monitorovací optickou odbočnici, jejíž jeden výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem prvního fotodetektoru a druhý výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem druhého fotodetektoru a/nebo vstup/výstup druhé vlnově citlivé odbočnice je opticky spojen s druhou monitorovací optickou odbočnici, jejíž jeden výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem třetího fotodetektoru a druhý výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem čtvrtého fotodetektoru. Výstupy fotodetektorů jsou propojeny s modulem řídící elektroniky.

V dalším výhodném provedení je modul řídící elektroniky přímo nebo přes komunikační počítač propojen s modulem drátového komunikačního rozhraní a s modulem bezdrátového komunikačního rozhraní a je také propojen s napájecím modulem. Komunikační počítač je pak propojen s napájecím modulem. Komunikační počítač včetně modulu drátového a bezdrátového komunikačního rozhraní může být s výhodou tvořen jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.

V dalším výhodném provedení je napájecí modul redundantní.

Výhodou takto uspořádané modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v Internetu a jiných je, že umožňuje zesilovat signály přenášené opačnými směry s naprosto stejnou drahou pro oba směry a zejména pak, že toto řešení je použitelné ve velmi široké oblasti spektra 800 - 1625 nm. Navíc má řešení zvýšenou odolnost proti odrazům z obou směrů linky. Variabilita zařízení umožňuje dosáhnout různých stupňů složitosti vypuštěním některých bloků, ovšem za cenu snížení komfortu a odolnosti. Objasnění výkresu

Podstata technického řešení je dále vysvětlena a popsána na základě připojeného výkresu, který znázorňuje blokové schéma zařízení. Na přiloženém výkrese jsou plnými čarami naznačena optická propojení a přerušovanými čarami propojení elektrická.

-2CZ 28368 Ul

Příklady uskutečnění technického řešení

Modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v Internetu a jiných sítích je v jejím nejúplnějším zapojení uvedena na přiloženém výkrese.

Stavebnice obsahuje optický polovodičový zesilovač 1, dále jen SOA, u kterého je možno vhodným návrhem určit pracovní oblast ve velkém rozsahu vlnových délek. SOA I je elektricky obousměrně propojený s modulem 6 řídící elektroniky, jehož vstup je připojen na výstup napájecího modulu li, který může být redundantní. Dalším blokem je zdroj 2 optického přídržného signálu, který je elektricky obousměrně propojen s modulem 6 řídící elektroniky. Je výhodné je-li použit zdroj 2 optického přídržného signálu s nastavitelným výstupním výkonem a/nebo s nastavitelnou vlnovou délkou. Modul 6 řídící elektroniky v sobě spojuje tři funkce a to: stabilizace teploty a řízení proudu SOA i; dále pak stabilizace teploty a řízení proudu zdroje 2 optického přídržného signálu a případně také jeho vlnové délky; a nakonec také měření optických výkonů na fotodetektorech 50L, 51L, 5OP, 51P.

Zdroj 2 optického přídržného signálu je zde opticky propojen svým jedním výstupem přes první isolátor 7L a první vlnově citlivou odbočnici 3L s jedním optickým vstupem/výstupem SOA 1.

V uvedeném příkladu je současně druhý výstup zdroje 2 optického přídržného signálu propojen přes druhý isolátor 7P a druhou vlnově citlivou odbočnici 3P s druhým optickým vstupem/výstupem SOA 1. Jsou možné všechny kombinace, tedy propojení přes první isolátor 7L a první vlnovou citlivou odbočnici 3L a/nebo přes druhý isolátor 7P a druhou vlnovou citlivou odbočnici 3P.

Modulární stavebnice může být dále doplněna tak, že vstup/výstup první vlnově citlivé odbočnice 3L je opticky spojen s první monitorovací optickou odbočnici 4L a/nebo vstup/výstup druhé vlnově citlivé odbočnice 3P je opticky spojen s druhou monitorovací optickou odbočnici 4P.

V tomto případě je pak jeden výstup vybočeného optického signálu první optické odbočnice 4L je opticky spojen se vstupem prvního fotodetektoru 50L a druhý výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem druhého fotodetektoru 51L. Analogicky je jeden výstup vybočeného optického signálu druhé monitorovací odbočnice 4P opticky spojen se vstupem třetího fotodetektoru 50P a její druhý výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem čtvrtého fotodetektoru 51P. Vstupy fotodetektorů 5OL, 51L, 5OP, 51P jsou elektricky propojeny s modulem 6 řídící elektroniky.

Dalším vylepšením stavebnice, které je také v přiloženém schématu uvedeno, je, že modul 6 řídící elektroniky je přímo nebo přes komunikační počítač 10 propojen s modulem 8 drátového komunikačního rozhraní a s modulem 9 bezdrátového komunikačního rozhraní. Komunikační počítač 10 je vybaven software pro agregaci, archivaci a reportování provozních parametrů poruchových stavů do řídícího centra. Software dále umožňuje přijímat pokyny a vytvářet rozvrhy pro vzdálené konfigurování provozních parametrů zařízení. Komunikační počítač 10 je také propojen s napájecím modulem 11. Komunikační počítač 10 včetně modulu 8 drátového komunikačního rozhraní a modulu 9 bezdrátového komunikačního rozhraní může být realizován jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí tak, aby bylo dosaženo snížení nákladů a zvýšené mechanické odolnosti.

V uvedeném příkladu má stavebnice tedy optickou část, která se skládá ze SOA i, z vlnově citlivých odbočnic 3L, 3P, monitorovacích optických odbočnic 4L, 4P a z fotodetektorů 50L, 51L, 5OP, 51P opticky připojených na výstupech těchto monitorovacích optických odbočnic 4L a 4P.

Elektronická část se skládá z modulu 6 řídící elektroniky, který je propojen s napájecím modulem Has komunikačním počítačem 10, který je rovněž propojen s napájecím modulem H a dále je propojen s modulem 8 drátového komunikačního rozhraní a s modulem 9 bezdrátového komunikačního rozhraní.

Modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v Internetu a jiných sítích je určena pro optické zesilování těchto signálů,

-3CZ 28368 Ul typicky při přenosu optickými vlákny. Modulární stavebnice se vkládá mezi vláknové úseky, tak aby kompenzovala útlum přenosové vláknové trasy.

Přídržný optický signál je ze zdroje 2 optického přídržného signálu přiváděn přes první isolátor 7L a druhý isolátor 7P na vstupy odpovídající vlnové délce přídržného optického signálu první vlnově citlivé odbočnice 3L a druhé vlnově citlivé odbočnice 3P. Signál prochází přes tyto odbočnice do SOA 1, kde zamezuje vzájemné interakci zesilovaných signálů a zejména pak stabilizuje zisk v SOA I a zamezuje tak vzniku nežádoucích samovolných oscilací, samovolnému laserování.

Obousměrné optické signály, které mají být zesilovány, se připojují na vstupy/výstupy první monitorovací odbočnice 4L a druhé monitorovací odbočnice 4P. V monitorovacích odbočnicích 4L a 4P se odebere malá, známá, část signálů a zbývající část signálů dále pokračuje přes vlnově citlivé odbočnice 3L a 3P do SOA i kde jsou zesíleny. Odebrané optické výkony jsou měřeny pomocí fotodetektorů 50L, 51L, 50P a 51P. Tímto způsobem pomocí vestavěného software modul 6 řídící elektroniky měří velikost vstupních výkonů z obou směrů a velikost výstupních výkonů do obou směrů. Může je reportovat pomocí modulu 8 drátového komunikačního rozhraní a/nebo modulu 9 bezdrátového komunikačního rozhraní, a zejména podle nich řídit proud SOA I, proud optického zdroje 2 přídržného signálu, případně také vlnovou délku optického zdroje 2 přídržného signálu.

Vjednom zjednodušeném provedení je optický zdroj 2 přídržného signálu připojen do SOA i pouze jednostranně, pomocí první vlnově citlivé odbočnice 3L nebo druhé vlnově citlivé odbočnice 3P. Takto dojde k úspoře prvního isolátoru 7P nebo druhého isolátoru 7L, a také stačí nižší výkon optického zdroje 2 přídržného signálu. Nevýhodou je mírně asymetrické chování zařízení k zesilovaným signálům.

V jiném zjednodušeném provedení nejsou osazeny první monitorovací odbočnice 4L s prvním fotodetektorem 5OL a s druhým fotodetektorem 51L a druhá monitorovací odbočnice 4P se třetím fotodetektorem 50P a se čtvrtým fotodetektorem 51P. Výhodou je snížení součástkové náročnosti zařízení, nevýhodou pak je neexistující přehled o výkonových poměrech vstupujících do a vystupujících ze zařízení a nemožnosti podle těchto měnit provozní parametry SOA I a optického zdroje 2 přídržného signálu.

Rovněž tak nemusí být stavebnice osazena komunikačním počítačem 10 a ani jeho modulem 8 drátového komunikačního rozhraní a modulem 9 bezdrátového komunikačního rozhraní. V tomto případě není potřeba externí konektivita, zařízení pracuje autonomně, nereportuje provozní parametry nebo chybové stavy, taktéž ho není možno dálkově řídit. Rovněž tak je možné provedení, kdy není osazen komunikační počítač 10 a modul 8 drátového komunikačního rozhraní a modul 9 bezdrátového komunikačního rozhraní jsou přímo spojeny s modulem 6 řídící elektroniky.

V tomto případě je mimo jiné dosaženo snížení spotřeby, komunikace se zařízením a jeho řízem probíhá zjednodušeným způsobem.

Průmyslová využitelnost

Toto technické řešení je průmyslově dobře využitelné zejména pro optické přenosy signálů citlivých na časování. Ve srovnání se známými řešeními nabízí šířku pásma více než 100 nm a pracovní oblast ve značném rozsahu vlnových délek 800 - 1625 nm. Technické řešení zahrnuje také vzdálené řízení a monitoring zpracovávaných optických signálů. Ve srovnání se známými řešeními nabízí naprosto shodnou dráhu pro oba směry a odolnost proti vlivu zpětných odrazů.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Modulární stavebnice spektrálně flexibilního zařízení pro obousměrné přenosy optických signálů citlivých na časování v Internetu a jiných sítích obsahující optický polovodičový zesilo-4CZ 28368 Ul vač (1) a alespoň jeden isolátor, vyznačující se tím, že obsahuje zdroj (2) optického přídržného signálu, který je elektricky obousměrně propojen s modulem (6) řídící elektroniky, a dále je tento zdroj (2) optického přídržného signálu opticky propojen svým jedním výstupem přes první isolátor (7L) a první vlnově citlivou odbočnici (3L) s jedním optickým vstupem/výstupem optického polovodičového zesilovače (1) a/nebo svým druhým výstupem přes druhý isolátor (7P) a druhou vlnově citlivou odbočnici (3P) s druhým optickým vstupem/výstupem optického polovodičového zesilovače (1), který je elektricky obousměrně propojen s modulem (6) řídící elektroniky, jehož vstup je připojen na výstup napájecího modulu (11).
2. 2. Modulární stavebnice podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdroj (2) optického přídržného signálu je zdroj s nastavitelným výstupním výkonem a/nebo s nastavitelnou vlnovou délkou.
3. 3. Modulární stavebnice podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vstup/výstup první vlnově citlivé odbočnice (3L) je opticky spojen s první monitorovací optickou odbočnici (4L), jejíž jeden výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem prvního fotodetektoru (5OL) a druhý výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem druhého fotodetektoru (51L) a/nebo vstup/výstup druhé vlnově citlivé odbočnice (3P) je opticky spojen s druhou monitorovací optickou odbočnici (4P), jejíž jeden výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem třetího fotodetektoru (50P) a druhý výstup vybočeného optického signálu je opticky spojen se vstupem čtvrtého fotodetektoru (5IP), přičemž vstupy fotodetektorů (50L, 51L, 50P, 51P) jsou propojeny s modulem (6) řídící elektroniky.
4. 4. Modulární stavebnice podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že modul (6) řídící elektroniky je přímo nebo přes komunikační počítač (10) propojen s modulem (8) drátového komunikačního rozhraní a s modulem (9) bezdrátového komunikačního rozhraní, přičemž komunikační počítač (10) je také propojen s napájecím modulem (11).
5. 5. Modulární stavebnice podle nároku 3, vyznačující se tím, že komunikační počítač (10) včetně modulu (8) drátového komunikačního rozhraní a modulu (9) bezdrátového komunikačního rozhraní je tvořen jednodeskovým průmyslovým počítačem bez pohyblivých částí.
6. 6. Modulární stavebnice podle kteréhokoliv z nároků laž5, vyznačující se tím, že napájecí modul (11) je redundantní.