CZ311996A3

CZ311996A3 - Multi-wave telecommunication system with fluctuating pulses

Info

Publication number: CZ311996A3
Application number: CZ963119A
Authority: CZ
Inventors: Wayne Harvey Knox; Martin C Nuss
Original assignee: At & T Corp
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1997-05-14
Also published as: AU7037596A; EP0771091A3; CA2183912C; EP0771091A2; ATE256943T1; CN1103150C; DE69631110D1; JP3459157B2; JPH09172429A; EP0771091B1; CA2183912A1; DE69631110T2; US5631758A; MX9605044A; CN1152224A; AU702944B2

Description

Vynález se obecné týká zdokonalení optických komunika<^n:úzQ I systémů. Zejména se však týká vícevlnových optických komunikačních f-0 s y s t émů. . —

Dosavadní stav techniky

Přenosová kapacita optických komunikačních systémů je v současnosti omezena šířkou pásma modulace optického zdroje a dále vlivem rozptylového a nelineárního šíření. Ačkoliv má optické vlákno velmi široké optické pásmo (10 až 20 THz), je množství systémových dat přenášených optickými vlákny v současnosti omezeno na asi 2,5 Gbitů/sec u jednokanálových komunikačních systémů, užívajících jednokanálové přístupy s běžnými zdroji, jako jsou vlnové laděné lasery s rozprostřenou zpětnou vazbou. Kapacitu optického systému obecné zvětšuje multiplexování s vlnovým dělením (WDM) tak, že jsou současně přenášena data několika optickými nosnými signály na různých vlnových délkách. Celková kapacita systému je zvýšena koeficientem rovným počtu kanálů různých vlnových délek. Další výhody multiplexování s vlnovým dělením (WDM) se projevují u komunikačních systémů mezi jedním bodem na jedné straně a více body na straně druhé, např. u systémů označovaných jako vlákno do domu. V tomto případě je, ve srovnání s časově děleným multiplexováním, na systému WDM výhodné dokonalejší rozdělení nákladů na systém, bezpečnost, možnosti dalšího zdokonalení, pružná obsluha a požadavky na nižší rychlost součástí sys tému.

Označení WDM v tomto popise představuje obecně systém umožňující vysílání dat několika vlnovými kanály. Jiné systémy mohou používat množství individuálních optických modulovaných zdrojů naladěných na různé vlnové délky, které jsou následně sloučeny a vysílány společně.

Známé systémy WDM, které vysílají data více kanály proto obvykle zahrnují pro každý takový kanál zvláštní zdroj optické modulace. Například může být použita řada laserových diod, kde každá tato laserová dioda je naladěna na jinou frekvenci a individuálně modulována. Frekvence laserů jsou od sebe rovnoměrně vzdáleny a jsou následně po sloučení za použití optické spojky vysílány optickým vláknem. Na druhém konci optického vlákna je použito zařízení oddělující vlnové kanály, přičemž pro každý kanál je použit zvláštní optický přijímač.

Nehledě na podstatně větší šířku pásma komunikačních systémů s optickými vlákny, která by mohla být dosažena použitím systému WDM, vykazují současné systémy WDM mnoho složitých technických problémů a nejsou proto komerčně použitelné pro hromadné použití na trhu, např. pro zavedení optických vláken do domácností. Příkladně by systémy WDM byly efektivní pro velké množství kanálů (32 až 64, nebo až 128), avšak současné mnohakanálové laserové diody je velmi obtížné vyrobit s přijatelným ziskem, který lze dosáhnout u laserových diod pouze s několika (osmi) kanály. Navíc u v současnosti dostupných pasivních WDM děličích dochází k velkým tepelným změnám pásem propustnosti jejich kanálů, takže vyžadují nepřetržité dolaďování na mnohakanálové zdroje, které je dosud nedostupné. Komplikovanost a nízká ziskovost u současných WDM systémů tak představuje jejich velmi významný nedostatek. Tato komplikovanost a problémy se ziskovostí podstatně zvyšují cenu zavedení WDM systémů.

Proto, i když WDM představuje elegantní řešení zvýšení kapacity a transparentnosti optických sítí, nejsou WDM systémy pro vláknové rozvodné sítě, jak jsou v současnosti hodnoceny, cenově srovnatelné s jednoduchými soustavami z jednoho bodu do druhého bodu (jedno vlákno na každého uživatele) . Proto je zde stálá potřeba vytvořit ekonomičtější optické systémy. U optických komunikačních systémů zvaných vlákno do domu představují nej významnější problém levné způsoby předávání optických signálů do a z domácností. I když by časové mulciplexování (TDM) toku dat bylo jiným způsobem zvyšujícím přenosové kapacity, není žádoucí budovat specifickou sít s nákladnými vysokofrekvenčními elektronickými komponenty, které bude v budoucnosti těžké zdokonalovat. Například pro dodávku dat rychlostí 50 Mbitů/s do jednoho domu by 32 kanálový systém vyžadoval vysílače, zesilovače, přijímače a modulátory s kapacitou 1,5 Gbitú/s a větší. Není žádoucí umistovat taková drahá zařízení do každé domácnosti. Naopak je žádoucí mít většinu soustavy transparentní a pasivní, tj . nezávislou a nevyžadující elektrické napájení. Kromě systémů s nízkou rychlostí přenosu dat, které jsou vhodné pro lokální přístup (50 až 155 MHz), mohou mít z WDM techniky užitek i systémy s velkou rychlostí přenosu dat (522 MHz - 2,5 Gbitú/s). U těchto případů jsou problémy se složitým získáním mnohcfrekvenčního zdroje, který má odpovídající ladění kanálů, stabilitu a šířku pásma modulace.

Jak vyplývá z výše uvedeného, existuje stálá potřeba vytvořit účinný a levný WDM systém, který bude schopen přenášet velké množství kanálů spektra.

Podstata vynálezu

Tento vynález popisuje využití jediného vysokorychlostního jednokanálového modulátoru pro oddělené modulování všech vlnových délek kolísavých optických pulsů určeného pro použití u komunikačních systémů s vlnovým multiplexováním, čímž dojde k eliminaci problémů vyplývajících z použití velkých skupin modulátorů, kde jeden modulátor je použit pro každou vlnovou délku.

Tento vynález zejména vytváří optické vlnové zařízení, zahrnující optický rozptylovač pro přijímání krátkých optických pulsů první rychlostí a vytvářející z nich sled kolísavých optických pulsů, kde každý takový kolísavý optický puls trvá množství časových úseků, přičemž každý časový úsek je přiřazen k jinému optickému vlnovému kanálu. Optický modulátor kóduje optický vlnový kanál jednoho nebo více zvolených časových úseků sledu kolísavých optických pulsů za použití datového signálu, pracuje druhou rychlostí, která je rovna nebo větší než uvedená první rychlost a vytváří tak kódovaný optický signál. U jednoho provedení vynálezu reaguje optický modulátor na vstupní analogový signál, mající předem stanovenou (např. sinusovou) amplitudu nebo fázovou charakteristiku, který je modulován optickým modulátorem pro vytvoření vpodstatě amplitudově nebo fázově vyrovnaného kódovaného optického signálu.

Optický vícevlnový komunikační systém je vytvořen použitím uvedeného vícevlnového zařízení spolu s vícevlnovým přijímačem pro demultiplexování přijatého kódovaného optického signálu na množství modulovaných optických vlnových kanálů.

Další provedení tohoto vynálezu vytváří duplexní optický komunikační systém, u něhož jsou pro kódování v místě 'vysílače zvoleny střídavé kolísavé pulsy, které jsou odeslány spolu s nekódovanými kolísavými optickými pulsy do místa přijímače, kde jsou kódovány a pak odeslány zpět do místa vysílače. Alternativně může být množství časových úseků kolísavých optických pulsů odesílaných do přijímače rozděleno na alespoň dvě části, kde jedna tato část má alespoň jeden optický vlnový kanál kódovaný v místě vysílače a další část má nekódované optické vlnové kanály, které jsou následně kódovány v místě přijímače a odesílány zpět do místa vysílače.

Objasnění obrázků na výkresech

Obr.l (a) zobrazuje příkladné frekvenční spektrum laserového pulsu;

Obr.1(b) je podrobnější pohled na příkladnou část frekvenčního spektra laserového pulsu z Obr.l(a), zobrazující množství podélných dutinových vidů, které zahrnuji jeden WDM kanál;

Obr. 2 zobrazuje blokové schéma příkladného provedení optického komunikačního systému používajícího vlnově dělené multiplexování kolísavých pulsů podle tohoto vynálezu;

Obr.3 (a) je graf, zobrazující vstupní sled krátkých optických pulsů;

Obr.3(b) je graf optických pulsů natažen filtrem, a dále způsob, kódovány na kolísavé pulsy;

, znázorňující, jak je sled a přetvařován po průchodu jakým jsou jednotlivé datové krátkých lineárním bity TDM

Obr.4(a) je zobrazením frekvence optického pulsu v závislosti na čase s vyznačenými polohami jednotlivého TDM bitu;

Obr.4(b) je zobrazením frekvence optického pulsu v závislosti na čase s vyznačenými polohami jednotlivého TDM bitu;

Obr.5 je graf zobrazující vysílací spektrum ideálního mnohokanálového filtru určeného pro WDM systém s kolísavými pulsy podle tohoto vynálezu;

Obr.5(a) zobrazuje vlnovodový mřížkový směrovač, který by mohl být použic v systému podle tohoto vynálezu;

Obr.6(b) je graf, zobrající spektrum mnohovlnového filtru, kterým může být vlnovodový mřížkový směrovač, a dále spektrum vlnových délek jeho pásma propustnosti. Je žádoucí, aby WDM systém podporoval pouze středové kanály;

Obr.S(c) zobrazuje graf ukazující, že kanály zdroje, které leží mimo požadovanou oblast spektra kanálů mohou být eliminovány nulovým TDM kódováním zatemňovaných kanálů;

Obr.“ uvádí graf, zobrazující jak mohou být v tomto vynálezu použita WDM dělící zařízení, mající nestejnou rozteč kanálů, a to časovým posunem jednotlivých datových bitů;

Obr. 8 představuje blokové schéma příkladné optické sítě s WDM lokálním přístupem podle tohoto vynálezu;

Obr. 9 zobrazuje příkladné schéma prostředku pro synchronizaci TDM datového zdroje s vidově synchronizovaným laserem, používající zpětnovazební smyčku z tohoto laseru;

Obr.13 uvádí příkladné schéma dalšího synchronizačního zařízení pro realizaci mnohokanálového ladění přes zpětnou vazbu z vlnového směrovače;

Obr.11 je příkladné schéma zobrazující architekturu kruhové sítě, v níž je pro přenos velkého množství kanálů (16, 32, 64 nebo

128) použito mnohakanálové vlnově dělené mul tiplexování, a která umožňuje jednoduchou nebo dvoucestnou komunikaci;

Obr. 12 (a) až Obr. 12 (f) zobrazují příkladné tvary signálu, znázorňující použití analogového signálu spolu s digitálním datovým signálem pro vyrovnání vlnového spektra z vidově synchronizovaného optického zdroje;

Obr. 13 (a) zobrazuje vláknovou mřížkovou soustavu pro vytváření sledu kolísavých pulsů; a

Obr. 13(b) zobrazuje TDM kódování sledu kolísavých pulsů.

Příklady uskutečnění vynálezu

V tomto popise je každá součást nebo blok zobrazený na výkresech označen vztahovou značkou, kde první číslo v této vztahové značce označuje obrázek, na kterém je tato součást zobrazena poprvé (příkladně 101 je umístěna na Obr.l).

Tímto vynálezem je vytvořen jednozdrojový optický vícevlnový vysílací a přijímací systém vhodný pro rozmanitá použití. Tento vynález eliminuje potřebu více světelných zdrojů u širokopásmových WDM systémů, použitím pouze jednoho širokopásmového optického modulátoru, čímž se dosáhne jednoduchého a účinného ladění kanálů u WDM směrovače, který odděluje toky dat v poli. Obr.l (a) zobrazuje příkladné spektrum krátkého optického pulsu. Tento krátký puls optického signálu obsahuje, jak vyžaduje princip neurčitosti, široké optické pásmo 101. U výhodného provedení vynálezu je jako zdroj signálu použit puls s délkou 50 až 100 fs z laserového zdroje (např. 201 na Obr.2) s opakovacím kmitočtem daným rychlostí přenosu dat. Opakovači kmitočet laseru je tedy dán rychlostí přenosu dat vhodnou pro dané použití. U aplikací s lokálním přístupem může být tento opakovači kmitočet příkladně 50 MHz.

Takový puls má šířku pásma 1.0 ί kolem 5 THz (5 . 10¹^ Hz), která je dostatečná pro nesení až 50 datových kanálů s odstupem 102 100 GHz mezi kanály. Obr.1(b) zobrazuje zvětšený pohled na spektrum pulsu jednoho kanálu z Obr.l(a). Podélný odstup 103 se u tohoto příkladného provedení vynálezu rovná opakovacímu kmitočtu 50 MHz. Obvykle ss mohou odstupy WDM kanálů pohybovat v rozmezí 100 až 200 GHz, a tudíž každý WDM kanál obsahuje několik tisíc podélných vidu. Laser přitom působí jako spojitý optický zdroj, který naplňuje každý WDM kanál mnoha podélnými vidy a jednotlivé vidy nemusí být uzavřeny do frekvencí WDM kanálů. Toto představuje velmi žádanou charakteristiku WDM vysílače. WDM kanály jsou rozděleny tak, že mají stejné frekvenční odstupy, např. 100 až 200 GHz. Jelikož vlnová délka a frekvence mají vzájemně opačný vztah, nejsou vlnové délky příslušných kanálů přesně stejné. Při 50 nm šířce pásma je chyba, za předpokladu stejných odstupů vlnových kanálů malá, takže používáme, tam kde je to vhodné, oba termíny.

Obr . 2 zobrazuje příkladné blokové schéma WDM systému s kolísavými pulsy, zahrnující vysílač 200 a přijímač 210. Krátký optický puls z laseru 201 je lineárně rozkolísán průchodem rozptylovačem 202. například standardním telekomunikačním vláknem, jako je optické vlákno, s bezpečně zvoleným parametrem rozptylu D a s délkou v rozmezí asi 1 až 20 km. Lineárně kolísavý puls vystupuje s šířkou 1 až 20 ns v závislosti na počáteční šířce pásma zdroje a rozptylu optického vlákna. Příkladně parametr rozptylu D je u telekomunikačního vlákna AT&T 5D 17 ps/nm-km. Kolísavý puls může být považován za sérii pulsů, kde každý puls má postupně zvětšující se (nebo, v závislosti na znaménku rozptylu, zmenšující se) vlnovou délku. Volitelně může být s výstupem rozptylovače 202 spojen kmitočtově závislý filtr 206 (kterým může být vláknová mřížka nebo vícevrstvý interferenční filtr) pro vyrovnání výkonového spektra některých nebo všech vlnových kanálů.

U jednoho příkladného provedení tohoto vynálezu generuje datový zdroj 203 multiplované nízkofrekvenční datové signály (obvykle 32 kanálů při 50 Mb/s), které jsou multiplexovány s časovým dělením (TDM) na vyšší datovou rychlost (1,6 Gbitů za sekundu) 205 pomocí TDM elektronické jednotky 204.

Obr.3(a) zobrazuje sled krátkých optických pulsů (s opakovacím kmitočtem T = 1/γ = 20 ns) , a Obr.3(b) pak zobrazuje jednotlivé krátké optické pulsy roztažené působením lineárního rozptylovače 202 Obr.3(b) také názorné zobrazuje, že se využívá pouze polovina 30 L ze všech generovaných vlnových kanálu po jejich průchodu lineárním filtrem (tj. vláknovým rozptylovačem 2£2) , tedy ΔΤ = l/2y . Tvar signálu 302 představuje sloučenou frekvenční odezvu prvku 201 202 a 206. V důsledku charakteristik filtru je využit pouze zlomek (1/2) dostupných vlnových kanálů. Tím je dosaženo větší rovnoměrnosti amplitudy využívaných vlnových kanálů a také vytvoření ochranného pásma mezi sousedními skupinami vlnových kanálů.

Vzorek dat označený jako 301 vznikl kódováním vlnových kanálů kolísavého pulsu optického signálu v modulátoru 207 za použití vysokorychlostního datového signálu 205. Tento vysokorychlostní datový signál 205 musí mít rychlost dat rovnu rychlosti γ kolísavého pulsu, vynásobenou dvojnásobným počtem použitých vlnových kanálů 301. Jak je zobrazeno na Obr.3(b), obsahuje tento vzorek 301 8 vlnových kanálů. Obvykle, jestliže by mělo být využito všech 16 vlnových kanálů (při ideální charakteristice 302 filtru), měla by být rychlost dat šestnáctkrát větší než rychlost kolísavého pulsu. Jestliže by byl v každém úseku T použit pouze jeden vlnový kanál, mohla by být rychlost dat rovna rychlosti kolísavého pulsu.

Vysokorychlostní datový signál 205 je kódován na kolísavý puls optického signálu průchodem širokopásmovým optickým modulátorem 2 07 . Tento optický modulátor 207 umožňuje modulovat optické signály v širokém rozsahu vlnových délek (obvykle 50 nm pásmo) a má nízkou polarizační závislost. Výhodným modulátorem 207 je u tohoto provedení vynálezu vlnovodový TnGaAsP modulátor, avšak použit by mohl být stejně dobře jakýkoliv Širokopásmový optický modulátor. Frekvence vidově synchronizovaného laseru 201 je nastavena tak, že odpovídá požadované rychlosti dat a je synchronizovaná s celým alikvotním podílem datového zdroje 203. Po průchodu modulátorem 207 je kolísavý puls ve skutečnosti sérií modulovaných datových pulsů 301. kde každý z těchto pulsů má jinou vlnovou délku. Každá jednotlivá vlnová délka (označovaná jako kanál) je modulována informací vysílanou tím kterým kanálem. Vysílač 200 podle tohoto vynálezu zajišťuje vysílání dat mnoha odděleným vlnovými kanály za použití jediného širokopásmového mnohofrekvenčního zdroje, jehož výhodným provedením je vidově synchronizovaný laser.

výstup optického modulátoru 207 je přes optické médium 203 (např. optickým vláknem) vysílán do vícevlnového přijímače 210 (např. do pasivního WDM dělicího směrovače), který přijatý optický signál demultiplexuje na množství modulovaných optických vlnových kanálů 209 ( např. 50 MHz WDM kanálu).

Vysílací systém z Obr.2 je systémem víceúčelovým, nebot optický zdroj 201 nemá žádné pevné kanály, neboli je spíše optickým kontinuem. Maximální počet vysílaných kanálů je určen šířkou pásma zdroje a odstupem WDM kanálů. Pro vytvoření WDM vysílače 210 kolísavých pulsů mohou být použity následující vztahy: i = D L Δλ a dále τ = 1/N v., kde τ je časový úsek na bit, D je parametr rozptylu vlákna, L je délka vlákna, Δλ je odstup kanálů, N je počet kanálu a v_a je datová rychlost (50 MHz u našeho příkladného provedení). WDM vysílač 200 kolísavých pulsů představuje víceúčelové zařízení, které může být použito pro různé typy dat (analogové nebo digitální), různé typy modulace (amplitudovou, modulaci šířkou pásma atd.), pracující s různými datovými rychlostmi, a pro různý počet datových kanálů. I když byl tento vysílač 200 popsán tak, že jako optický rozpúylovač 202 používá jednovidové optické vlákno, je zřejmé, že zde může být použit i optický hranol nebo optická mřížka. Funkci optické mřížky může příkladné zajišťovat sada optických mřížek, která je zobrazena na Obr.13, a bude popsána v následující části popisu.

I když je přijímač 210 popsán tak, že používá pasivní WDM dělič nebo směrovač, je zřejmé, že pro demultiplexování přijímaného optického signálu na množství modulovaných optických vlnových kanálů je možno použít rovněž vlnovodový mřížkový směrovač, difrakční mřížku, interferenční filtr, nebo i jiné zařízení.

Výhodou systému podle tohoto vynálezu je, jestliže bude WDM dělič přijímače 210 zdokonalen, nebo vyměněn (což změní vlnové kanály), že může být TDM zdroj vysílače 200 snadno změněn tak, aby se přizpůsobil novým vlnovým kanálům. Tento systém je velmi výhodný, nebot celá jeho vysokofrekvenční elektronika se nachází ve vysílači 200, který může být umístěn v centrální budově a jednoduchý pasivní WDM dělič 211 přijímače 210 pak může být umístěn i v místě, které je méně dostupné a kde je méně přátelské okolní prostředí.

Obr.4(a! zobrazuje diagram čas - frekvence kolísavého optického pulsu a zobrazuje rovněž tok vysokorychlostních dat, který má být kódován na kolísavý puls. Jak ukazuje tento obrázek, je každý TDM kódovaný bit 401 vysílán na jiné sousedící vlnové délce 402. Pro přesné oddělení datových bitu na přijímacím konci je nezbytné přesně nastavit časové zpoždění, nebot právě časové zpoždění vzhledem k obalové křivce kolísavého pulsu stanovuje frekvenci každého kanálu. U reálných WDM zařízení (v přijímači 210) je kolísáním teploty způsoben podstatný posun vlnových kanálů. Jestliže vysílač 200 nemůže dolaďovat nebo posouvat vlnové délky datových kanálů tak, aby se přizpůsobily novým vlnovým délkám WDM zařízení, tyto kanály vypadnou a data budou ztracena nebo vysílána do nesprávných míst. Důležitým znakem tohoto vynálezu je schopnost vysílače 200 posouvat společně vlnové délky 402 tak, že jsou pro jakoukoliv teplotu uvedeny do přesného souladu s WDM přenosovými kanály 401. jednoduchým fázovým posunem TDM datového toku, jak je zobrazeno na Obr.4(b). U prvního zobrazeného případu je datový bit #4 (λ₄) vysílán na určité vlnové délce. Ve spodní části obrázku byl datový bit #4 použitím malého časového zpoždění fázově posunut, čehož výsledkem je, že tento datový bit #4 je vysílán na mírně odlišné vlnové délce. V témže okamžiku je datový bit #17 (λ₁₇) posunut o stejnou odchylku vlnové délky. Tím mohou být všechny vlnové délky současně posunuty nastavením jediného parametru, a to synchronizace 220 mezi TDM datovým tokem a hodinami zdroje kolísavých optických pulsů.

Obr.5 zobrazuje vysílané spektrum ideálního vícekanálového filtrového zařízení (například vlnovodového mřížkového směrovače 2111 . které může být použito v přijímači 210 . Toto zařízení 211 vybírá a směruje každý z po sobě jdoucích vlnových kanálů do jednotlivých optických vláken 209 s co nejmenší možnou ztrátou a zároveň s co nejmenším možným přeslechem. Obr.6(a) zobrazuje integrované optické WDM zařízení používané běžně jako takový vlnovodový mřížkový směrovač (WGR; 2 Ll. Obr.5(b) pak zobrazuje charakteristiku pásma propustnosti takového zařízení. Ve středu pásma se nachází množství požadovaných přenosových kanálů. Mimo tuto oblast vykazují integrované optické WGR komponenty pravidelné chování pásma propustnosti. Obr.6(c) zobrazuje typické spektrum vysílací intenzity. Složky vlnových délek, které leží mimo požadovanou oblast 601 vlnových kanálu mohou být účinné zatemněny vysíláním nulového dacového signálu v příslušných TDM časových úsecích 6 02, 603 . Toto uspořádání zlepšuje odstup signálu od šumu celého komunikačního systému. Při použití ve spojení s dříve popsaným vysílačem 200 kolísavých pulsů, vytváří toto WDM zařízení 211 pasivní WDM přijímač 210 WDM vysílacího/přijímacího systému z Obr.l. Pro vytvoření pasivního WDM přijímače mohou být použity součásti, sestávající z vláknových soustav a mřížek, nebo vícenásobné interferenční filtrovací komponenty.

Obr.7 zobrazuje, že ve WDM vysílači mohou pracovat i WDM děliče, které mají nestejnoměrné odstupy 701 kanálů, což je umožněno pouhým použitím fázového posunu TDM datového toku.

Obr.8 uvádí příkladnou sít, v níž je instalován takový WDM vysílací systém. Data vstupují z datového zdroje nebo z jiné sítě do spínací sítě 801. Tato spínací sít 801 formátuje vícekanálová data do vysokorychlostního TDM toku používaného WDM vysílačem. WDM vysílač 803 kolísavých pulsů pak kóduje vysokorychlostní TDM datový tok na širokopásmový vidově synchronizovaný laserový výstup, a vysílá data přenosovým médiem 304 (10 až 20 km) do vzdáleného místa, kde je umístěno WDM dělicí zařízení 805. Jednotlivé vlnové kanály jsou pak tímto WDM dělícím zařízením 805 separovány a každý vlnový kanál je směrován do samostatné optické sítové jednotky (ONU) 806. která data přijímá pomocí levného nízkorychlostního dekodéru, pracujícího při 50 MHz.

Obr.9 zobrazuje WDM vysílač, zahrnující elektronický synchronizační řídící obvod, který synchronizuje opakovači rychlost laseru (50 MHz) na úroveň datové rychlosti. TDM obvod 901 předává data do modulačního budiče 905 a do modulátoru 906 pro kódování kolísavého laserového signálu 907. TDM obvod 901 používá také zařízení 902 pro generování synchronizačního signálu 90 3 v datovém toku (50 MHz), který je použit ve vidové synchronizovaném laseru 904 . Pasivně vidově synchronizovaný laser 904 může být externě synchronizován s tímto externím standardem použitím zpětnovazebního obvodu 908, používajícího fázově synchronizované servozařízení a vysokofrekvenční směšovací techniky. Funkce směšování 9l.fl analogového signálu 909 a TDM modulačního signálu bude popsána v následující části.

Obr.10 zobrazuje zpětnovazební okruh přidaný k WDM vysílači z Obr.9 pro to, aby zajistil, že ve WDM děliči 1010, v přijímacím místě budou demultiplexovány správné vlnové délky a bude tak kompenzován, změnou teploty vyvolaný, posuv vlnových kanálů ve WDM vysílači. Zařízení 1001 pro fázové posunutí (změnu časového zpoždění) je umístěno do větve buzení modulátoru. Jeden z WDM kanálů (například kanál 1 z Obr.l) je po průchodu WDM děličem 1Q1_Q odražen reflektorem 1006 zpět a tento odražený signál je monitorován detektorem 1002. který sleduje filtr ,1.0..02., propouštějící pouze uvedený vlnový kanál 1. Tento detektor 1002 vytváří chybový signál 10 0 4. který je přiváděn zpět do řídícího obvodu 1005. generujícího řídící signál pro ovládání fázového posunu 1001. Tento obvod zaručuje, že WDM dělič 1010 je vždy naladěn na WDM vysílač, a to i při změnách teploty.

Obr.11 zobrazuje architekturu kruhovité sítě, u níž může být výhodná možnost přenášet velké množství spektrálních kanálů (32, 64 nebo 123). Například, u podmořských světlovodných komunikačních systémů, je žádoucí zvýšit zrnitost v konstrukci systému. V tomto případě je požadováno použít pružné duplexní vícekanálové WDM schéma. Na Obr.11 je zobrazeno středové místo 1101. spojené s množstvím středisek (např. 1103). prostřednictvím duplexních vláknových prostředků 1104 (majících u zobrazeného příkladu zvláštní vlákna 1104a a 1104b pro každý směr). Jak je vidět na Obr.11, vysílá vícevlnový WDM vysílač 1105 kolísavých pulsů podle tohoto vynálezu dvojnásobnou rychlostí než je rychlost datového toku, tj . vysílá po každém datově modulovaném kolísavém pulsu 1102a jeden nemodulovaný kolísavý puls 1102b. což je vidět na Obr.11(b). V množství středisek (např. 1103) jsou signály odděleny pasivním, na vlnové délce nezávislým děličem, čímž je umožněn přístup každého střediska l L 0 3 ke všem vlnovým kanálům. Filtr (např. 1106) odděluje jeden nebo více vlnových kanálů (např. 1, 5, 19) pro dodávku dat do konkrétního střediska. Jednotlivé přijímače

1107 dělí tyto signály a detekují data. Zbytek signálů prochází širokopásmovým optickým modulátorem 1108. který absorbuje zbývající přijatá data, a vysílá výstupní data 1109 tak, že je kóduje na nemodulovaný kolísavý puls 1102b. Modulovaný kolísavý puls je pak spojen s odděleným vlnovým okruhem 11.0 4 b a vyslán zpět do středového místa 110. kde přijímač detekuje data. Popsaná architektura má několik výhod - nejsouní potřeba žádná víčefrekvenční aktivní (laserová) zařízení ve střediscích 1103. nejsou třeba vlnovodové mřížkové směrovače v těchto střediscích, a jako výsledek zvětšeného počtu vlnových kanálů dostupných jednozdrojovým WDM vysílačem 1105 kolísavých pulsů, je zvětšena zrnitost.

Dalším významným aspektem tohoto vynálezu (s odkazem na Obr.9 a Obr.12) je možnost elektronického vyrovnání jednotlivých vlnových signálů použitím analogového elektronického signálu. Obecně, vidově synchronizované lasery (např. 904) emitují pulsy s tvarem spektra, který se blíží parabole a je zobrazen na Obr.12(a). Po rozkolísání budou mít tyto pulsy nestejnoměrně rozloženou vlnovou amplitudu - Obr.12(b). Po modulaci TDM digitálním datovým signálem z vedení 908 ,Obr.l2(c), je výsledkem nevyrovnaný TDM kódovaný datový signál - Obr.12(d). Ten může být vyrovnán vybráním různých napětových pulsů v digitálních signálech, majících přibližně stejnou amplitudu. Tento způsob však může být obtížně použit u GB/s elektrických tvarových signálů. Obr.12 (f) zobrazuje, že přidáním (za použití sčítačky 910) analogového signálu vedením 909 ,Obr.l2(e), kterým může být vlna s frekvencí \ rovnou základní rychlosti (např. 50 MHz) se správnou fází k TDM digitálnímu datovému modulačnímu signálu 908 (Obr.12c), může širokopásmový optický modulátor 906 vyrovnávat nerovnoměrné laserové spektrum Obr.12(a). Výsledný vyrovnaný datový signál je zobrazen na Obr.12 (f) . Dalším zesílením je možno vyrovnat ztrátu amplitudy. Přidáním postupných vysokofrekvenčních harmonických kmitů k analogovému signálu (Obr.12(e)) se správnou amplitudou a fází může být optické spektrum libovolného tvaru zcela vyrovnáno. Pro vyrovnání frekvenčních odstupů vlnových kanálů může být podobným způsobem použita další vysokofrekvenční fázová modulace.

Dále bude s odkazem na Obr.13 popsán vláknový mřížkový prvek pro vytváření sledu kolísavých optických pulsů bez použití dlouhého rozptylovacího vlákna 202, popsaného v souvislosti s předchozím provedením vynálezu a zobrazeného na Obr.2.

Obr.13(a) zobrazuje alternativní uspořádání vytvářející kolísavé krátké optické pulsy. Optické zařízení na Obr.13(a) nahrazuje prvek 202 a spojuje laserový zdroj 201 s vyrovnávacím filtrem 206. Krátký puls je vyslán 3 d3 optickou spojkou 1301 a odražen na sadu vláknových mřížek 1302. Jak je vidět z odrazových charakteristik 1303. každá mřížka odráží úzké optické spektrální pásmo, odpovídající jednotlivému optickému WDM kanálu. Vláknové mřížky 1302 jsou uspořádány se Špičkovou odrazivostí od nejmenší do největší λ,, vlnové délky (nebo obráceně), a jsou uzavřené v optickém vlákně v určitých stanovených místech. Fyzicky jsou tyto mřížky od sebe vzdáleny s odstupem d, který je dán rychlostí světla c, vynásobenou TDM časovým odstupem vyděleným dvojnásobnou hodnotou účinného indexu lomu vlákna. TDM signál 2,5 Gb/s by příkladně vyžadoval fyzický odstup 40 mm při použití obvyklého optického vlákna. Sled 1304 pulsů odražený zpět z takové série vláknových mřížek sestává ze série krátkých optických pulsů (v trvání asi 10 ps) v sériích se zvětšující se optickou vlnovou délkou. Na Obr.13(b) je vidět, že časový odstup sledu 1304 pulsů je roven TDM odstupu 1305. Obr.13(b) také zobrazuje vztah mezi každou vlnovou délkou (λ_χ až a umístěním jejího optického pulsu ve sledu 1304 optických pulsů, který opouští spojku 1301. Tento sled pulsů pak prochází optickým modulátorem 207 a je kódován TDM datovým tokem. Tím je vytvořena série optických pulsů 1304. které jsou kódovány daty 1305. Tyto pulsy jsou vysílány a následně rozděleny na jednotlivé vlnové délky 1306 WDM děličem 211 způsobem identickým jako tomu bylo u předchozího provedení vynálezu.

Obr.13(b) zobrazuje časový sled optických pulsů, které vycházejí z 3 dB spojky, připojený na TDM datový tok. Obr.l3(b) dále zobrazuje způsob, kterým vlnové délky jednotlivých pulsů se s časem zvětšují v synchronizaci s TDM bity. Malé časové posuny TDM datového toku 1305 nezpůsobují u tohoto provedení vynálezu změny optického spektra.

Použití vláknových mřížek 1302 má několik základních rozdílů. Za prvé, takové vláknové mřížky 1302 jsou mnohem kompaktnější než cívka 1S km vlákna 202. za druhé, toto zařízení bude principiálně levnější a za třetí, vytváří pevně stanovenou sadu WDM kanálů, která se nebude kontinuálně posouvat podle TDM fáze, pokud fázový posun zůstává v časovém odstupu TDM bitu. Tyto vlastnosti jsou žádoucí pro určitá použití, v nichž není možná dokonalá časová přesnost.

Je zřejmé, že by sadu vláknových mřížek 1302 bylo možno nahradit jednou dlouhou vláknovou mřížkou. V takovém případě by výstupem z 3 d3 spojky byl jeden dlouhý kolísavý puls, a bylo by zachováno dolaďování vlnových kanálů popisované u provedení s rozptylovacím vláknem 202 (Obr.4(b)) .

Přestože byl dosavadní popis tohoto vynálezu ponejvíce popisem konkrétních použití jednozdrojových WDM systémů, je zřejmé, že popisovaná konkrétní provedení jsou pouze příkladem tohoto vynálezu. U popisovaných uspořádání je možno udělat mnoho změn, včetně změny zdroje optického signálu, změny typu média produkujícího kolísavé pulsy, změny typu optického modulátoru, typu WDM děliče i typu architektury sítě používající WDM systémy s kolísavými pulsy. Tyto a další alternativy a varianty jsou pro odborníka v této oblasti nasnadě, a proto je rozsah tohoto vynálezu omezen pouze připojenými patentovými nároky.

&.ϊ. jbsqť ?V2>I|9-Q£

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Optické vícevinové zařízení (200), vyznačující se tím, že zahrnuje:

optický rozptylovač (202) pro přijímání krátkých optických pulsu první rychlostí a vytvářející z nich sled kolísavých optických pulsů, kde každý takový kolísavý optický puls trvá množství časových úseku, přičemž každý časový úsek je přiřazen k jinému optickému vlnovému kanálu; a optický modulátor (207), kódující optický vlnový kanál jednoho nebo více ze zvolených časových úseků sledu kolísavých optických pulsů za použití datového signálu, pracující druhou rychlostí, která je rovna nebo větší než uvedená první rychlost a vytvářející tak kódovaný optický signál.
2. Optické vícevinové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že datovým signálem je časově multiplexovaný (TDM) signál a kódovaným optickým signálem je kódovaný TDM optický signál.
3. Optické vícevinové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená druhá rychlost je rovna nebo větší než hodnota uvedené první rychlosti vynásobená počtem optických vlnových kanálů.
4. Optické vícevinové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedená druhá rychlost je rovna nebo větší než hodnota uvedené první rychlosti vynásobená dvojnásobným počtem optických vlnových kanálů.
5. Optické vícevinové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že krátké optické pulsy mají šířku pulsu menší než, nebo rovnou převrácené hodnotě druhé rychlosti .
6. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že optickým rozptylovačem je optický hranol.
7. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optickým rozptylovačem je jednovidové rozptylovací optické vlákno.

3. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optickým rozptylovačem je optická mřížka.
9. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kmitočtové závislý filtr, připojený na výstup optického rozptylovače, pro vyrovnání výkonového spektra všech optických vlnových kanálů.
10. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že kmitočtově závislým filtrem je sklopná vláknová mřížka.
11. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že kmitočtově závislým filtrem je vícevrstvý interferenční filtr .
12. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke kódování jsou vybrány střídavé optické kolísavé pulsy a zbývající kolísavé optické pulsy nejsou kódovány.
13. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke kódování jsou vybrány všechny kolísavé optické pulsy.
14. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že množství časových úseků je rozděleno na alespoň dvě části, kde alespoň jedna část má alespoň jeden optický vlnový kanál kódován optickým modulátorem a alespoň jedna část nemá kódován Žádný optický vlnový kanál.
15. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že datovým signálem je analogový signál.

15. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický modulátor reaguje na vstupní analogový signál mající předem definovanou amplitudovou charakteristiku, který je optickým modulátorem modulován pro vytvoření vpodstatŠ amplitudově vyrovnaného kódovaného optického signálu.
17. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 16,

vyznačující se tím, že předem definovaná amplitudová charakteristika charakteristiku. má rovněž předem definovanou fázovou
18. Optické vícevlnové zařízení podle nároku 16, vyznačující se tím, že předem definovanou amplitudovou charakteristikou je sinusový signál, mající stejnou frekvenci jako je uvedená první rychlost.
19. Optický vícevlnový komunikační systém, vyznačující se tím, že zahrnuje optické vícevlnové zařízení podle nároku 1, uspořádané pro vysílání kódovaného optického signálu optickým médiem, a dále vícevlnový přijímač pro demultiplexování optického signálu do množství modulovaných optických vlnových kanálů.
20. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 19, vyznačující se tím, že vícevlnový přijímač je pasivní WDM směrovač.
21. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 19, vyznačující se tím, že vícevlnovým přijímačem je vlnovodový mřížkový směrcvač.
22. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 19, vyznačující se tím, že vícevlnovým přijímačem je ohybová mřížka.
23. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 19, vyznačující se tím, že vícevlnovým přijímačem je interferenční filtrovací soustava.
24. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 19, vyznačující se tím, Že dále zahrnuje:

obvod fázového detektoru, spojený s výstupem optického modulátoru, pro detekci fáze signálů v modulovaném optickém vlnovém kanále a na jejím základě generující ovládací signál a obvod fázového posunu, reagující na uvedený ovládací signál, pro ovládání vyrovnání optických vlnových kanálů s časovými úseky datového signálu.
25. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 19, vyznačující se tím, že v uvedeném vícevlnovém zařízení jsou pro kódování vybrány střídavé kolísavé optické pulsy, které jsou odeslány spolu s nekódovanými kolísavými optickými pulsy optickým médiem, uvedený vícevlnový přijímač zahrnuje selektivní demultiplexer pro selekci jednoho nebo více modulovaných optických vlnových kanálů pro dekódování, a optický modulátor pro modulaci datového signálu na jeden nebo více optických vlnových kanálů nekódovaných optických pulsů vysílaných do uvedeného vícevlnového zařízení.
26. Optický vícevlnový komunikační systém podle nároku 25, vyznačující se tím, že pro přenos do uvedeného vícevlnového vysílače je použito první optické médium a pro přenos do uvedeného vícevlnového zařízení je použito druhé optické médium.