DE10041499A1 - Optischer Kanalüberwachungschip - Google Patents

Optischer Kanalüberwachungschip

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Abstract

Ein optischer Kanalüberwachungschip weist einen optischen Koppler zum Bilden eines ersten Zwischensignals und eines zweiten Zwischensignals auf sowie einen AWG-DWDM-Demultiplexer, der das zweite Zwischensignal in die einzelnen optischen Signalanteile der jeweiligen Wellenlängenbereiche aufteilt.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Kanalüberwachungschip.
Bei einem optischen Übertragungssystem insbesondere bei einem Übertragungssystem, welches auf der Wellenlängenmultiplex- Technik basiert, besteht zunehmend die Anforderung, die folgenden wichtigen optischen übertragungstechnischen Parameter, insbesondere
  • - die Mittenwellenlänge,
  • - die relative Kanallage,
  • - den optischen Leistungspegel, sowie
  • - das optische Signal-Rauschverhältnis
zu überwachen.
Es ist bekannt, die optischen übertragungstechnischen Parameter beim Entwurf und beim Einrichten einer Übertragungsstrecke zu vermessen.
In diesem Zusammenhang kommt meist ein optischer Spektralanalysator mit einer dazu angepassten Auswertesoftware zum Einsatz, der die oben genannten übertragungstechnischen Parameter ermittelt.
Die einmal beim Einrichten der Strecke vorgenommene Messung stellt jedoch lediglich eine Augenblicksmessung dar.
Veränderungen der einzelnen Netzkomponenten, beispielsweise verursacht durch deren Alterung oder durch Austausch der ursprünglichen Netzkomponenten durch neue Netzkomponenten werden durch diese Augenblicksmessung nicht erfasst.
Weiterhin ist es bekannt, das Übertragungssystem unter Verwendung eines Testsignals zu überwachen, welches Testsignal eine Wellenlänge aufweist, die außerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, welcher üblicherweise zur Übertragung der elektrischen bzw. optischen Signale verwendet wird.
Ferner ist es bekannt, einen Teil der oben genannten Parameter kontinuierlich mittels eines optischen Kanalüberwachungsmoduls zu erfassen und an ein zentrales Verwaltungssystem weiterzuleiten.
Eine schwierig zu messende Größe ist in diesem Zusammenhang die sogenannte Mittenwellenlänge bzw. die relative Kanallage in einem Wellenlängenmultiplex-System.
Unter der Mittenwellenlänge ist in diesem Zusammenhang die Wellenlänge zu verstehen, die das Zentrum des von einem Kanal belegten Wellenlängenbereichs (Wellenlängenintervalls) angibt.
Zu deren Messung wird üblicherweise zunächst breitbandig ein Anteil des das jeweilige Signal darstellenden Lichts aus dem Übertragungskanal ausgekoppelt.
Der breitbandige Anteil wird dann über ein wellenlängenabhängiges Bauteil, d. h. beispielsweise über ein optisches Filter, in seine Spektralanteile aufgeteilt, die dann anschließend analysiert werden.
Die dabei bekannterweise eingesetzten Techniken sind der Einsatz eines Fabry-Perot-Interferometers, eines sogenannten Bragg-Gratings oder wellenlängenabhängiger Dämpfungsglieder.
Nachteilig an den bekannten Vorgehensweisen ist insbesondere, dass lediglich die Leistung der einzelnen Signalanteile mit den entsprechenden Wellenlängen ermittelt werden kann.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen optischen Kanalüberwachungschip anzugeben, mit dem die Überwachung selbst der einzelnen Mittenwellenlängen der Signalanteile möglich ist.
Das Problem wird durch den optischen Kanalüberwachungschip mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Ein optischer Kanalüberwachungschip zum Überwachen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Signalen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche weist einen Eingangsanschluss zum Aufnehmen des Eingangssignals auf.
Mit dem Eingangsanschluss ist ferner ein optischer Koppler verbunden, mit dem aus dem Eingangssignal ein erstes Zwischensignal und ein zweites Zwischensignal ausgekoppelt wird, wobei sowohl das erste als auch das zweite Zwischensignal jeweils alle Signalanteile des Eingangssignals, jedoch mit vorgebbarer Amplitudenaufteilung auf die beiden Zwischensignale, enthält.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es beispielsweise vorgesehen, einen optischen 1 : 9-Koppler oder auch einen bis zu 1 : 99-Koppler einzusetzen, d. h. einen optischen Koppler, bei dem das erste Zwischensignal jeweils einen Anteil der Gesamtamplitude aufweist und das zweite Zwischensignal 9 bzw. 99 Anteile der Amplitude des Eingangssignals aufweist.
Mit einem Ausgang des optischen Kopplers ist ein erster Ausgangsanschluss verbunden, an dem das erste Zwischensignal abgreifbar ist.
Mit einem zweiten Ausgang des optischen Kopplers ist ein Eingang eines DWDM-Demultiplexers verbunden, welcher auf dem Prinzip der planaren Lichtwellenleiter basiert (Arrayed Waveguide Grating-DWDM-Demultiplexer, AWG-DWDM- Demultiplexer).
Mittels des DWDM-Demultiplexers wird das zweite Zwischensignal, welches ja alle Signalanteile, d. h. alle Frequenzanteile, des Eingangssignals aufweist, lediglich mit verminderter Amplitude, in einzelne, unabhängige Signale aufgeteilt, die jeweils die Signalanteile voneinander abgetrennter Übertragungskanäle d. h. unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, aufweisen.
Anschaulich erfolgt somit mittels des DWDM-Demultiplexers eine spektrale Aufteilung der Frequenzen in dem zweiten Zwischensignal, welche Signalanteile an einem zweiten Ausgangsanschluss bereitgestellt werden können, welcher zweite Ausgangsanschluss mit einem Ausgang des DWDM- Demultiplexers verbunden ist.
Durch die Erfindung wird es erstmals mit einem AWG-Chip möglich, sowohl das erste Zwischensignal und somit das Eingangssignal Online mit den jeweiligen Einzelsignalen in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu erfassen und diese miteinander zu vergleichen.
Insbesondere wird es bei einem kalibrierten optischen Kanalüberwachungschip möglich, die Mittenwellenlängen der Signalanteile zu ermitteln.
Bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, auf dem optischen Kanalüberwachungschip eine optische Detektoreinheit zu integrieren, die beispielsweise eine Vielzahl optischer Detektorelemente, vorzugsweise High Resolution Line Scanner oder Photodioden aufweist, die vorzugsweise in einem Abstand von typischerweise mindestens 2,5 µm oder mindestens 0,1 µm örtlich voneinander angeordnet sind.
Durch das Vorsehen einer optischen Detektoreinheit wird es möglich, auf einem optischen Kanalüberwachungschip unmittelbar eine Umwandlung von optischen Signalen (Lichtsignalen) in elektrische Signale vorzunehmen.
Auf diese Weise wird insbesondere eine On-chip- Signalverarbeitung elektrischer Signale ermöglicht.
Insbesondere Photodioden ermöglichen eine sehr kostengünstige Realisierung eines auf die oben beschriebene Weise ausgestalteten optischen Kanalüberwachungschips.
An einen oder mehrere Ausgänge der optischen Detektoreinheit, die beispielsweise gebildet wird mittels der Vielzahl optischer Detektorelemente, die somit anschaulich ein Detektor-Array bilden, ist ein Analog-/Digital-Wandler angeschlossen. Der Analog-/Digital-Wandler weist eine Anzahl von Eingängen auf, die vorzugsweise der Anzahl der Ausgänge der optischen Detektoreinheit entspricht, vorzugsweise somit der Anzahl der in optischen Detektorelemente, wenn jedes optische Detektorelement einen Ausgang aufweist.
Der Analog-/Digital-Wandler kann mit einer beliebigen weiteren Auswertelogik und/oder Signalverarbeitungslogik zum Erzeugen eines logischen Ausgangssignals, welches ein Ausgangssignal gemäß einer vorgegebenen Verarbeitungsfunktion ausgibt, gekoppelt sein.
Der DWDM-Demultiplexer ist vorzugsweise ausgangsseitig abgeschrägt, wodurch das Anordnen der einzelnen optischen Detektorelemente an den DWDM-Demultiplexer zur Aufnahme der von den DWDM-Demultiplexer bereitgestellten einzelnen Ausgangssignalen reflexionsfrei oder reflexionsvermindert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die ausgangsseitige Abschrägung hergestellt durch Abschleifen oder Abpolieren des entsprechenden DWDM-Demultiplexer-Chips.
Die Neigung der Abschrägung kann in einem Bereich von 0° < x < 10° liegen, vorzugsweise im Bereich des sogenannten Brewster-Winkels, d. h. in einem Bereich von 7° < x < 8° bezogen auf die Oberfläche des optischen Kanalüberwachungschips, entlang der die Wellenausbreitung erfolgt.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Abschrägung horizontal oder vertikal zur Oberfläche des optischen Kanalüberwachungschips erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Ersatzschaltbild der einzelnen Komponenten des optischen Kanalüberwachungschips gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Ausschnitt des AWG-DWDM-Demultiplexers und der optischen Detektoreinheit, anhand der eine Kalibrierung des optischen Kanalüberwachungschips gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird;
Fig. 3 eine schematisierte Skizze des optischen Kanalüberwachungschips gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 4 einen Querschnitt durch den optischen Kanalüberwachungschip gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen optischen Kanalüberwachungschip 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der optische Kanalüberwachungschip 300 ist aus einem Substrat aus Silizium oder Quarzglas (Siliziumdioxid) gefertigt.
Über einen Eingangsanschluss 301 wird dem optischen Kanalüberwachungschip 300 ein Eingangssignal 302 zugeführt, welches eine Vielzahl von Signalanteilen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und somit unterschiedlichen Mittenwellenlängen λ1, . . ., λn aufweist.
Das Eingangssignal 302 wird einem optischen Koppler 101 (vgl. Fig. 1) zugeführt, durch den das Eingangssignal 302 aufgeteilt wird gemäß dem Verhältnis 1 : 99 in ein erstes Zwischensignal 102 (mit einem Anteil 1 von insgesamt 100 Anteilen der Amplituden der jeweiligen Signale des Eingangssignals 302) sowie ein zweites Zwischensignal 103 (mit 99 Anteilen von insgesamt 100 Anteilen an den Amplituden der Signalanteile des Eingangssignals 302).
Das erste Zwischensignal 102 wird unmittelbar zu einem Eingangsanschluss (nicht dargestellt) des optischen Kanalüberwachungschips 300 geführt und ist an diesem abgreifbar.
Das zweite Zwischensignal 103 wird einem auf dem Prinzip der planaren Lichtwellenleiter basierenden DWDM-Demultiplexer 302, 104 über dessen Eingang 105, der mit einem zweiten Ausgang 106 gekoppelt ist, vorgesehen.
Durch den AWG-DWDM-Demultiplexer 302, 104 wird das zweite Zwischensignal 103 aufgeteilt in die einzelnen Signalanteile entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, d. h. den unterschiedlichen Kanälen, die in dem zweiten Zwischensignal 103 enthalten sind.
Bei n Signalanteilen in dem Eingangssignal 302 mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfolgt somit eine Aufteilung durch den AWG-DWDM-Demultiplexer 104 in n optische Teilsignale 108, welche jeweils folgende Mittelwellenlängen aufweisen: λ1, . . ., λn.
Über eine optische Schnittstelle 109 sind die einzelnen n Ausgänge 110 des AWG-DWDM-Demultiplexers 104 mit Eingängen 111 eines Photodioden-Arrays 112 verbunden, wobei jeweils ein Ausgang 110 des AWG-DWDM-Demultiplexers 104 mit einem Eingang 111 des Photodioden-Arrays 112 verbunden ist.
Mittels der Photodioden, die in dem Photodioden-Array 112 vorgesehen sind, werden die einzelnen optischen Signalanteile in den jeweiligen Wellenlängenbereichen umgewandelt in elektrische Teilsignale 113, die jeweils an einem Ausgang 114 des Photodioden-Arrays 112 bereitgestellt werden.
Die Ausgänge 114 des Photodioden-Arrays sind mit Eingängen 115 eines Analog-Digital-Wandlers 116 verbunden, so dass jeweils ein elektrisches Teilsignal 113 einem Eingang 115 des Analog-Digital-Wandlers 116 zugeführt wird.
Über einen Ausgang 117 des Analog-Digital-Wandlers 116 wird ein Ausgangssignal 118 als Ausgangssignal des optischen Kanalüberwachungschips 300 zur Verfügung gestellt.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann auf den Analog-Digital- Wandler 116 auch verzichtet werden, so dass an den jeweiligen Ausgängen 303 des AWG-DWDM-Demultiplexers 302 über eine abgeschrägte Kante 304 das Photodioden-Array 305 gekoppelt ist, über welches eine Aufteilung der einzelnen Teilsignale an örtlich voneinander in einem Abstand von vorzugsweise 2,5 µm angeordneten Ausgangsanschlüssen 306 abgreifbar sind.
Im Weiteren wird anhand von Fig. 2 die Kalibrierung des optischen Kanalüberwachungschips 300 näher erläutert.
Das Eingangssignal 302 weist das in Fig. 2 dargestellte optische Signalspektrum 201 als eine Funktion Ps_in(f) abhängig von der Wellenlänge der entsprechenden Signalanteile auf.
Der optische Koppler 101 weist eine Vielzahl frequenzabhängiger Übertragungsfunktionen HD1(f), HD2(f), . . ., HDi(f), . . ., HDn(f), wie es als Gesamt- Übertragungsfunktion 202 in Fig. 2 dargestellt ist.
Somit ergibt sich das jeweilige optische Teilsignal Ps_outi(f) 108 in dem jeweiligen Wellenlängenbereich mit der Mittenwellenlänge λi an der optischen Schnittstelle 109 gemäß den folgenden Vorschriften:
Ps_out1(f) = Ps_in.HD1(f) (1)
Ps_out2(f)= Ps_in.HD2(f) (2)
Ps_outi(f) = Ps_in.HDi(f) (3)
Ps_outn(f) = Ps_in.HDn(f) (4)
Die entsprechenden optischen Teilsignale 108 werden, wie oben dargelegt, dem Photodioden-Array 112 zugeführt, welches wiederum eine für das Photodioden-Array 112 spezifische, frequenzabhängige Gesamt-Übertragungsfunktion mit Einzelübertragungsfunktion HP1(f), HP2(f), . . ., HPi(f), . . ., HPn(f) aufweist.
Somit ergibt sich an den Ausgängen 14 des Photodioden-Arrays 112 für jedes elektrische Teilsignal folgendes Stromsignal Is_outi(f) 113:
Is_out1(f) = Ps_out1.HP1(f) (5)
Is_out2(f) = Ps_out2.HP2(f) (6)
Is_outi(f) = Ps_outi.HPi(f) (7)
Is_outn(f) = Ps_outn.HPn(f) (8)
Das Photodioden-Array 112 ist an der abgeschrägten Kante 304 des optischen Kanalüberwachungschips 300 angeordnet.
Wie in Fig. 4 dargestellt, weist die abgeschrägten Kante 304 ausgangsseitig und alternativ zusätzlich eingangsseitig einen Winkel 401 bezogen auf die Oberfläche 402 des optischen Kanalüberwachungschips 300 auf in einem Bereich zwischen 0° < x < 10° vorzugsweise in einem Bereich des Brewster- Winkels von 7° < x < 8° für einen Quarzglas/Luft-Übergang.
Wie über den Ausschnitt 403 in Fig. 4 dargestellt ist, sind die einzelnen elektrischen Teilsignale 113 an der Ausgängen 114 des Photodioden-Arrays abgreifbar, wobei die Ausgänge 114 in einer örtlichen Auflösung von ungefähr 2,5 µm angeordnet sind, was bei 32 Kanälen mit 100 GHz maximaler Betriebsfrequenz eine insgesamt zur Verfügung stehende Bandbreite von 32.100 GHz ergibt.
Bei einer Breite des Photodioden-Arrays 112, entlang dem ein Abgriff der optischen Teilsignale 108 eingangsseitig bzw. der elektrischen Teilsignale 115 ausgangsseitig erfolgen kann von 640 µm und einer benötigten Wellenlängen-Genauigkeit von 0,05 nm können die Ausgänge 114 des Photodioden-Arrays 112 beispielsweise in einem Abstand voneinander von 2,5 µm angeordnet sein.
Wie aus den Vorschriften (5) bis (8) ersichtlich ist, kann bei kalibriertem optischen Kanalüberwachungschip 300 ohne weiteres die tatsächliche Mittenwellenlänge λi durch einfaches "Rückrechnen" aus den Vorschriften (5) bis (8) über die Vorschriften (1) bis (4) erfolgen, da die Information über die jeweilige Mittenwellenlänge λi in der jeweiligen Übertragungsfunktion HDi(f) enthalten ist.
Weiterhin ist eine Überwachung des optischen Signal-Rausch- Verhältnisses möglich.
Gemäß dem oben dargestellten optischen Kanalüberwachungschip 300 kann eine Signalbandbreite von mehr als 32 nm bis zu maximal 60 nm ereicht werden bei einer spektralen Auflösung, die unter 0,03 nm liegt.
Die Wellenlängen-Genauigkeit liegt bei ± 0,05 nm und die Dämpfungs-Genauigkeit bei ± 0,5 dB, maximal bei bis zu 0,1 dB.
Die Genauigkeit der ermittelten optischen Signal-Rausch- Verhältnis-Werte liegt bei ± 1,0 dB in einem Bereich des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses von 30 dB.
Der optische Kanalüberwachungschip 300 kann in einem Temperaturbereich von ungefähr -5°C bis 70°C betrieben werden, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 0°C bis 65°C.

Claims (11)

1. Optischer Kanalüberwachungschip zum Überwachen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Signalen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche,
mit einem Eingangsanschluss zum Aufnehmen des Eingangssignals,
mit einem optischen Koppler, der aus dem Eingangssignal ein erstes Zwischensignal und ein zweites Zwischensignal bildet, wobei das erste Zwischensignal und das zweite Zwischensignal jeweils die Signale aller Wellenlängenbereiche der Signale des Eingangssignals aufweisen,
mit einem ersten Ausgangsanschluss, an dem das erste Zwischensignal abgreifbar ist,
mit einem DWDM-Demultiplexer, der auf dem Prinzip der planaren Lichtwellenleiter basiert, wobei dem DWDM- Demultiplexer das zweite Zwischensignal zuführbar ist,
und wobei durch den DWDM-Demultiplexer das zweite Zwischensignal in die Signale der jeweiligen Wellenlängenbereiche aufgeteilt werden kann, und
mit mindestens einem Ausgangsanschluss, der mit einem Ausgang des DWDM-Demultiplexers verbunden ist.
2. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 1, mit einer zwischen den DWDM-Demultiplexer und den zweiten Ausgangsanschluss geschalteten optischen Detektoreinheit.
3. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 2, bei dem die optische Detektoreinhit eine Mehrzahl optischer Detektorelemente aufweist.
4. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 3, bei dem die optischen Detektorelemente jeweils örtlich in einem Abstand voneinander von mindestens 0,1 µm angeordnet sind.
5. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 3 oder 4, bei dem zumindest ein Teil der optischen Detektorelemente hochauflösende Line Scanner-Elemente sind.
6. Optischer Kanalüberwachungschip nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem zumindest ein Teil der optischen Detektorelemente Photodioden sind.
7. Optischer Kanalüberwachungschip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwischen den DWDM-Demultiplexer und dem zweiten Ausgangsanschluss ein Analog-Digital-Wandler geschaltet ist.
8. Optischer Kanalüberwachungschip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der DWDM-Demultiplexer ausgangsseitig abgeschrägt ist.
9. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 8, bei dem der DWDM-Demultiplexer ausgangsseitig abgeschliffen oder abpoliert ist.
10. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Winkel x der Abschrägung 0°< x° < 10° horizontal oder vertikal bezogen auf die Oberfläche der Ausbreitungsrichtung der Lichtwellensignale entlang des DWDM- Demultiplexers aufweist.
11. Optischer Kanalüberwachungschip nach Anspruch 10, bei dem der Neigungswinkel 7° < x° < 8° beträgt.
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