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Die Erfindung betrifft ein System
für eine
optische Verbindung, das insbesondere auf die Zusammenschaltung
mehrerer Karten elektronischer Schaltungen angewendet werden kann,
damit sie miteinander kommunizieren können.
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Der Informationsaustausch in optischer
Form zwischen Elektronikkarten ist auf Grund der Schnelligkeit der Übertragung,
die die Datenrate erhöht
und auf Grund der Funkstörfestigkeit
alle Beschränkungen
hinsichtlich der Entfernungen zwischen den Karten aufhebt, interessant.
Die Patentanmeldung WO-A-8 605 649 offenbart ein Netz aus optischen
Verbindungen, insbesondere für
lokale Anwendungen. Die Patentanmeldung EP-A-0 496 674 offenbart
ein Verkehrsnetz mit Frequenzzuweisungen.
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Die Telekommunikationsverbindungen
auf einem Campus-Gelände
werden insbesondere von Anschlusseinheiten für spezielle Teilnehmer, "Knotenpunkte" genannt, gesteuert,
die sich in den Technik-Räumlichkeiten
der anzuschließenden
Gebäude
befinden. Diese Knotenpunke verbinden die Teilnehmer miteinander,
derzeit hauptsächlich
mit 10 MBit/s, in zusammenhängenden
Konfigurationen von 10 bis 100 (1 bis 16 Karten mit 8 bis 16 oder
mehr Teilnehmern). Mit der Weiterentwicklung der Zugangsverfahren
nimmt die Datenübertragungsgeschwindigkeit
für diese
Zwecke in der Tendenz zu (Vorschläge: 25, 50, 100 MBit/s). Diese
Situation zieht die Notwendigkeit eines globalen Austauschs im Verdrahtungsrahmenboden
der Knotenpunkte nach sich, das sich von 300/500 MBit/s (derzeitige
Situation) auf 2/10 GBit/s (Situation 95) weiterentwickelt. Die
eingeleiteten Austauschvorgänge
erfolgen auf eine kaum vorhersagbaren Weise unter den Karten des Knotenpunktes
(gewöhnliche
Implementierung); wobei jede Karte eine maximale Datenrate von bis
zu 500/1000 MBit/s erzeugen kann und der Austausch "multicast" sein kann, d. h.
in Richtung mehrerer Karten, die gleichzeitig empfangen. Die derzeitigen
Implementierungen (bis zu 4 GBit/s) begünstigen ausschließlich elektrische
Lösungen über Bus
1 bis N, wobei jede Karte nur über
einen Teil des Busses sendet (statisch), während alle übrigen auf Empfang sind. Die
elektrische Technologie ermöglicht
einen Strom von 20 bis 50 MBit/s pro Knotenpunkt mit den Problemen
des charakteristischen Leitungswiderstands des Verdrahtungsrahmenbodens,
die mit der Datenrate schwierig werden; sie erfordert praktisch
Verbinder in der Größenordnung
von Millimetern bei einer hohen Dichte von mehreren hundert Punkten
und eine große
Kupferoberfläche
für die
Implementierung der Treiber/Empfänger
der Leitung.
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Technisch lässt der Bedarf an Verbindungen
eine Modernisierung dieser Lösungen
in Form einer optischen Übertragungsarchitektur
des Verdrahtungsrahmenbodens erwarten, die ermöglicht, 16 Karten miteinander
zu verbinden, wovon jede zu einem gegebenen Zeitpunkt bis zu 1 GBit/s
zu einer oder zu mehreren anderen senden kann.
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Die Erfindung betrifft folglich ein
System für
eine optische Verbindung, das umfasst:
- – eine bestimmte
Anzahl von zu verbindenden Schaltungen, wobei jede Schaltung einen
optischen Sender und wenigstens einen optischen Empfänger umfasst,
wobei der Sender einer Karte mit einer dieser Schaltung eigentümlichen
Lichtwellenlänge
sendet;
- – einen
optischen Koppler, der den Sender jeder Schaltung mit allen Empfängern der
anderen Schaltungen verbindet.
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Jede Schaltung besitzt eine Adresseninformation,
die sie identifiziert, wobei der Wert dieser Adresseninformation
in den Sender der Karte eingegeben wird, um die Sendelichtwellenlänge des
Senders einzustellen.
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Es ist wesentlich, dass die Lösung der
Erfindung die Gewöhnlichkeit
der Karten hinsichtlich unveränderter
Hardware-Anordnungen der Sender und Empfänger im Verdrahtungsrahmenboden
beibehält.
Jede Karte muss, wenn notwendig, ihre Platznummer durch elektrisches
Abfühlen
des Verdrahtungsrahmenbodens selbst erlangen.
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Deshalb betrifft die Erfindung außerdem ein
System, bei dem jede zu verbindende Schaltung auf einer Karte verwirklicht
ist, wobei die verschiedenen Karten in wenigstens einen Verbinder
gesteckt sind, wobei die Adresseninformation einer Schaltung von
diesem Verbinder an sie geliefert wird.
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Die Erfindung sieht eine Vereinfachung
der Karten hinsichtlich ihrer Gestaltung und der Position der verschiedenen
Elemente auf den Karten vor.
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Deshalb betrifft die Erfindung außerdem ein
System, das in jeder bestimmten Schaltung enthält:
- – so viele
Empfänger,
wie Schaltungen vorhanden sind, wobei jeder Empfänger bei der Sendewellenlänge einer
einzigen Schaltung arbeitet und bei Empfang dieser Wellenlänge einen
Strom liefert;
- – einen
Umschalter, der unter der Steuerung der Adresseninformation den
Empfänger,
der bei der Wellenlänge
arbeitet, die von dem Sender dieser bestimmten Schaltung gesendet
wird, mit einem Detektor für elektrischen
Strom verbindet, der seinerseits eine Schaltung für die Einstellung
der Sendewellenlänge
des Senders steuert, solange dieser nicht mit einer geeigneten Wellenlänge sendet.
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Die verschiedenen Gegenstände und
Merkmale der Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden Beschreibung
und den beigefügten
Figuren hervor, worin
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1 ein
allgemeines Ausführungsbeispiel
des Systems der Erfindung zeigt;
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2 ein
spezifiziertes Ausführungsbeispiel
des Systems der Erfindung zeigt.
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Mit Bezug auf 1 wird zunächst ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel,
des. Verbindungssystems gemäß der Erfindung
beschrieben.
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Das Ziel, das angestrebt wird, ist
die Verbindung von N Karten, wobei alle Karten in der Lage sind, gleichzeitig
Informationen miteinander auszutauschen. Die herkömmliche
Verbindungsarchitektur besteht darin, auf jeder der N Karten einen
Sender und N Empfänger
anzuordnen und jeden Sender über
N Verbindungen mit N Empfängern
entsprechenden Ranges auf jeder der Karten zu verbinden.
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Die Anzahl der Verbindungen ist folglich
gleich N2, d. h. 256 für 16 Karten. Gemäß der Erfindung
wird diese Anzahl von Verbindungen auf 2N verringert.
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Die Architektur der Erfindung ist
in 1 dargestellt. Bei
diesem Beispiel wird angenommen, dass es N = 16 Karten gibt. Jede
Karte C1 bis C16 umfasst einen Sender, etwa E1 für die Karte C1 und E16 für die Karte
C16, N Empfänger
und einen optischen Demultiplexer DMX1 bis DMX16. Die Sender E1
bis E16 haben verschiedene Sendewellenlängen, die Werten der Filter
entsprechen, die die optischen Demultiplexer bilden. Die 16 Sender
E1 bis E16 sind über
16 Lichtleitfasern mit 16 Eingängen
eines Verzweigungselements CE, das 16 Eingänge und 16 Ausgänge aufweist,
verbunden. Dieses Verzweigungselement spielt hier die Rolle des
optischen Multiplexers und Verteilers; jede der 16 abgehenden Fasern,
die zu den Demultiplexern führen,
die sich auf jeder Karte befinden, überträgt gleichzeitig die Signale,
die die optischen Sender auf 16 verschiedenen Trägerwellenlängen modulieren.
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Das Verzweigungselement CE ist auf
eine Fachleuten bekannte Art verwirklicht. Ein Ausführungsbeispiel
für ein
derartiges Verzweigungselement kann dem Dokument "Efficient Multi-channel
Integrated Optics Star Coupler on Silicon" von C. Dragone u. a., veröffentlicht
in: IEEE Photonics Technology letters, Bd. 1, Nr. 8, August 1989,
S. 241–243
entnommen werden.
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Die Demultiplexer DMX1 bis DMX 16
jeder Karte trennen dann die 16 Wellenlängen λi räumlich voneinander und leiten
sie zu 16 Empfängern,
die ihrerseits parallel die 16 von den optischen Sendern ausgestrahlten
Signale abgeben.
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Die Anzahl der Verbindungen ist in
diesem Fall auf 2N, d. h. 32 für
16 Karten, verringert, wobei jede Karte nur 2 optische Verbinder
umfasst.
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Alle Karten enthalten völlig gleiche
Komponenten und Untergruppen, die an den gleichen Stellen angeordnet
sind. Nur die von den optischen Sendern ausgestrahlten Wellenlängen sind
von einer Karte zur anderen verschieden.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen,
die Karten C1 bis C16 zu vereinfachen, indem als Sender elektrisch
abstimmbare Laserdioden eingesetzt werden, deren Wellenlänge selbsttätig auf
den Wert eingestellt wird, der dem Rang der Karte entspricht, während diese
im Verdrahtungsrahmenboden steckt. Dazu wird die in 2 gezeigte Vorrichtung vorgeschlagen.
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Die Adresse i ist von einem bekannten
Parameter wie etwa der Position der Karte abhängig. Beispielsweise wird die
Adresse i der Karte an diese vom Verdrahtungsrahmenboden über einen
elektrischen Verbinder CO geliefert. Diese Adresse wird einen elektrischen
Umschalter SW mit N Eingängen
und einem Ausgang, d. h. in 2 mit
16 Eingängen
und einem Ausgang, steuern. Jeder Eingang ist im Stande, den von
jedem Empfänger
R1 bis R16 abgegebenen mittleren Pegel zu empfangen, der nach der
Demodulation in dem Demultiplexer DMX, der Verstärkung und Integration der erfassten
Lichtsignale erhalten wird. Die an den Umschalter SW geschickte
Adresse i verbindet den Ausgang S zum Empfänger vom Rang i, Ri. Der von
Ri gelieferte mittlere Pegel, der am Ausgang S verfügbar ist,
steuert dann eine elektronische Detektorschaltung DEC, die auf eine
Einstellschaltung CC einwirkt, welche die Ströme I1i und I2i, die in die
Laserdiode Ei geschickt werden, derart steuert, dass die von dieser
ausgestrahlte Lichtleistung maximiert wird.
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Ein Sender wie etwa Ei könnte so
beschaffen sein, wie in dem Dokument "Frequency Tunable Semiconductors Laser" von S. Murata u.
a., veröffentlicht
in: Optical and Quantum Electronics, 22, (1990), S. 1–15, beschrieben
ist. Bei einem derartigen Sender ist vorgesehen, die Sendewellenlänge durch
Einwirken auf die Stärke
des Steuerstroms oder der Steuerströme einzustellen.
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Ein Demultiplexer DMX könnte so
beschaffen sein, wie in dem Dokument "Practical Realization of a High Density
Diode-Coupled Wavelength Demultiplexer" de G. J. Cannell, veröffentlicht
in: IEEE Journal an Selected Areas in Communications, Bd. 8, Nr.
6, August 1990, S. 1141–1145,
beschrieben ist.
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Ein derartiger Demultiplexer ist
in der Lage, über
einen einzigen Eingang (optischer Verbinder IN1 in 2) mehrere Wellenlängen zu empfangen.
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Er lenkt die verschiedenen Wellenlängen in
verschiedene Richtungen derart ab, dass eine von der Karte C1 kommende
Welle in Richtung des Empfängers
R1 geschickt wird, eine von der Karte C2 kommende Welle in Richtung
des Empfängers
R2 geschickt wird, ... und eine von der Karte C16 kommende Welle
in Richtung des Empfängers
R16 geschickt wird.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird vorausgesetzt,
dass die Empfänger
R1 bis R16 jeder Karte auf gleiche Weise wie die Karten nummeriert
sind. So sind die Empfänger
R1 der verschiedenen Karten in der Lage, die vom Sender der Karte
C1 ausgestrahlte Lichtwelle usw. zu empfangen.
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Unter diesen Bedingungen ist die
Funktionsweise des Systems folgende: Die verschiedenen Karten (C1
bis C16) werden in ihren Verbinder wie etwa CO in 2 gesteckt. Der Verbinder CO liefert
eine Adresseninformation, wobei diese Information entweder in dem
Verbinder CO enthalten ist oder aus einer nicht gezeigten entfernten
Vorrichtung kommt. Diese Adresseninformation wird an einen Umschalter
SW geliefert. Der Umschalter wird in eine dieser Information entsprechende
Stellung gebracht, in der er den Empfänger vom gleichen Rang mit
dem Ausgang S verbindet.
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Beispielsweise wird für die Karte
C1 der Umschalter SW in die Position 1 gebracht, in der er den Empfänger R1
mit dem Ausgang S verbindet.
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Wenn der Sender einer Karte Informationen
senden muss, ist die Funktionsweise folgende:
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Wenn beispielsweise der Sender E1
der Karte C1 senden soll, wird dass Lichtsignal, dass er (über den optischen
Verbinder OUT1) sendet, an die Demultiplexer aller Karten C1 bis
C16 geschickt. Insbesondere wird es an den Demultiplexer DMX1 seiner
eigenen Karte C1 übertragen.
Es wird daran erinnert, dass auf dieser Karte C1 der Empfänger R1 über den
Umschalter SW mit dem Ausgang S verbunden ist.
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Wenn angenommen wird, dass die vom
Sender E1 ausgestrahlte Lichtwelle nicht die Wellenlänge besitzt,
die normalerweise dem Sender E1 zugeordnet ist, erfasst der Empfänger R1
diese Welle nicht. Der Detektor DEC erfasst folglich keinen Strom
am Ausgang S, der vom Empfänger
R1 kommt. Der Detektor DEC steuert dann die Einstellschaltung CC,
die den Steuerstrom oder die Steuerströme I1i und I2i der Laserdiode Ei
des Senders verändert.
Wenn der Sender Ei die entsprechende Wellenlänge mit einer ausreichenden
Stärke
sendet, erfasst der Empfänger
R1 der Karte C1 diese (genau wie die Empfänger R1 der übrigen Karten). Der
Empfänger
R1 liefert ein ausreichendes Signal an den Umschalter SW und folglich
an den Detektor DEC. Dieser erfasst das Signal und liefert ein Steuersignal
an die Einstellschaltung CC, damit diese die gerade erzielte Einstellung
beibehält.
Um dem Sender jeder Karte zu ermöglichen,
sich auf die richtige Sendewellenlänge einzustellen, steht folglich
eine optoelektronische Rückkopplungsschleife
zur Verfügung,
die durch das Verzweigungselement CE über den Sender Ei und den seinem
Filter (optischen Demultiplexer) zugeordneten Sender verläuft, was
einen zweifachen Vorteil bietet:
- – ein Einstellen
der Wellenlänge
des Laser-Senders auf den Wert, der dem Rang der Karte entspricht;
- – ein
Beibehalten der ausgestrahlten Lichtleistung auf dem Maximum für den Einstellwert.
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Gemäß einen Ausführungsbeispiel
stehen 16 miteinander zu verbindende Karten zur Verfügung.
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Es sind folglich 16 abstimmbare Mehrelektroden-Laserdioden
vorgesehen, deren Wellenlängen
beispielsweise so eingestellt sind, dass sie durch 0,5 nm getrennt
sind, wobei sie in einem Spektrum von 8 nm im Übertragungsfenster bei 1500
nm (oder 1300 nm) der Lichtleitfasern senden. Diese Laserdioden
sind bis zu einer Datenrate von 1 GBit/s modulierbar und emittieren
mittlere Lichtleistun gen in der Größenordnung von +3 dBm, wovon
wenigstens die Hälfte
in jede Monomode-Lichtleitfaser eingekoppelt wird, die zum Verzweigungselement
CE führt.
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Für
das Verzweigungselement CE wird aus Gründen der Raumbeanspruchung
eine Version einer integrierten Optik mit 16 Eingängen und
16 Ausgängen,
so wie sie in dem weiter obenerwähnten
Dokument von C. Dragone beschrieben ist, bevorzugt, wobei es jedoch
möglich
wäre, jeden
anderen Kopplertyp vorzusehen.
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Der Einfügungsverlust derartiger ebener
Koppler ist geringer als 3 dB, die Gleichmäßigkeit des Sendens der Modulationssignale
ist in der Größenordnung
von 1 dB, der Verteilungsverlust für 16 Wege entspricht etwa 12
dB.
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Für
den Demultiplexer wird die in dem weiter obenerwähnten Dokument von G. J. Cannel
beschriebene Vorrichtung übernommen,
die in ein und demselben Dual-in-line Gehäuse mit einem Lichtleitfasereingang einen
optischen Demultiplexer vereint, der ausgehend von einem Gitter
und einer monolithischen Zeile von 16 GaInAs/InP-Photodioden, die
als Optohybride angeordnet sind, entwickelt worden ist. Die Dispersion
des Gitters wird an eine Auflösung
von 0,5 nm angepasst. Die Empfindlichkeit dieser Vorrichtung kann
für eine
Datenrate von 1 GBit/s und eine Fehlerrate von 10–9 besser
als –25
dBm sein.
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Ein System, das mit Hilfe derartiger
Komponenten konstruiert ist, weist die folgenden Leistungsparameter
auf:
| Von
einem Sender Ei ausgestrahlte Lichtleistung: | +3
dBm |
| Sender/Faser-Kopplungsverlust: | –3 dB |
| Verlust
durch die optische Verbindung im Verdrahtungsrahmenboden: | –1 dB |
| Einfügungsverlust
des Verzweigungselements CE: | –3 dB |
| Verteilung
des CE: | –12 dB |
| Verlust
durch die optische Verbindung im Verdrahtungsrahmenboden: | –1 dB |
| Lichtleistung
pro Kanal, die von dem Demultiplexer/Empfänger empfangen wird: | –17 dBm |
| Empfindlichkeit
pro Kanal des Demultiplexers/Empfängers: | –25 dBm |
| Spielraum: | +8 dB |
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Dieser Spielraum kann bei Notwendigkeit
genutzt werden, um gleichzeitig die Fehlerrate zu senken und die
Vorverstärkerstufe
zu vereinfachen.
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Die Erfindung betrifft die optische
Verbindung von Karten in einer Anlage. Um die Anzahl der Verbindungen
zwischen den Karten zu verringern, wird das Prinzip des Verzweigungselements
und des optischen Multiplexbetriebs angenommen, wobei jede Karte
mit einer Lichtquelle versehen ist, die eine andere Wellenlänge emittiert.
Die Vereinfachung der Karten wird durch das selbsttätige Einstellen
dieser Wellenlänge
auf den Wert verwirklicht, der dem Rang i der Karte entspricht,
durch einen Regelkreis, der ausgehend von dem elektrischen Signal,
das von der Photodiode abgegeben wird, die dem Filter vom Rang i
des optischen Demultiplexers zugeordnet ist, die ausgestrahlte Lichtenergie
maximiert. Die Verbindung dieser Photodiode mit dem Sender erfolgt
durch Zuweisung des Rangs der Karte beim Stecken dieser.
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Das gleiche System kann auf entfernte
Datenendeinrichtungen Anwendung finden, die mittels eines wellenlängenmultiplexierten
optischen Sternnetzes verbunden sind.