NO302989B1 - Fiberoptisk kommunikasjonssystem, samt fremgangsmåte for å operere systemet - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et fiber-optisk kommunikasjonssystem som omfatter et par parallelle første og andre optiske fibre, som hver er koblet til en korresponderende første og andre sender ved én ende av nevnte par av fibre og til en korresponderende første og andre mottaker ved en fjerntliggende ende av nevnte par av fibre, idet hver første og andre sender sender et respektivt første og andre signal over nevnte respektive fiber, og middel for kombinering av nevnte sendte første og andre signaler som mottas av nevnte første og andre mottaker ved nevnte fjerntliggende ende, idet nevnte kombineringsmiddel gjenvinner et kombinert signal mens det kansellerer partall-ordens forvrengningsprodukter som introduseres av nevnte sender dersom nevnte signaler innmates til en respektive sender med en 180° faseforskjell i forhold til hverandre. Dessuten vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for å operere et optisk-fiber kommunikasjonssystem, idet nevnte fiberoptiske kommunikasjonssystem sender et første signal over et første fiber i et par av optiske fibre, sender et andre signal over den andre fiberen (32) i nevnte par av optiske fibre, og mottar nevnte første og andre signaler ved en fjerntliggende ende av nevnte par av fibre, og kombinerer de mottatte første og andre signaler for å gjenvinne et kombinert signal mens det utlignes partall-ordens forvrengningsprodukter som introduseres dersom nevnte første og andre signaler innmates til de respektive optiske fibre med en 180° faseforskjell i forhold til hverandre.

Optiske transmisjonssystemer blir i øyeblikket realisert for bruk i forskjellige kommunikasjonsapplikasjoner. Eksempelvis anvendes det i øyeblikket telefonsystemer som gjør bruk av fiberoptikk-teknologi for å sende tale- og datasignaler over lange avstander. På lignende måte er kabelfjernsynsnettverk nå tilgjengelige der fiberoptikk-teknologi anvendes for transmisjonen av både analoge og digitale signaler.

Forut for realiseringen av optiske transimisjonsnett, ble kabelfjernsynsprogrammer ført som radiofrekvens ("RF") signaler over elektriske koaksialkabler. I fiberoptiske transmisjonssystemer anvendes kommunikasjonslasere for transmisjonen av flerkanalsfjernsynssignaler. RF- signalene anvendes til å modulere en lyskilde, og det modulerte lyset sendes langs lengden av et optisk fiber.

Optiske transmisjonssystemer tilveiebringer vesentlige fordeler, innbefattende en praktisk talt ubegrenset bånd-bredde og forbedret systemytelse. Imidlertid er harmonisk forvrengning en hovedbegrensning i analoge amplitude modulerte optiske kommunikasjonstransmisjonssystemer. Slik forvrengning, og særlig andre ordens forvrengning, introduseres av laseren som sender signaler over det optiske kommunikasjonssystemet.

Til belysning av den ålment kjente teknikk henvises det til US 4.052.611 som viser en høyhastighets kommunikasjonsbane som har en første lyskilde som sender lys gjennom en første lyskilde, en andre lyskilde som sender lys gjennom en andre lyskilde. Lyskildene moduleres av et digitalt inngangssignal på en slik måte at når signalet påtrykt den første lyskilden er "en", er signalet påtrykt den andre lyskilden "null", og omvendt. Systemet omfatter videre første og andre midler for å motta lys fra henholdsvis første og andre lyskilde for å gi et første og andre utgangssignal. Disse utgangssignalene forsterkes så av en differensiell mottakerkrets.

FR-B1 2.500.972 omhandler et optisk kommunikasjonssystem der et elektrisk signal dekomponeres til to signaler ved bruk av en transformator. De resulterende to signaler tilføres respektive fotodioder for å frembringe lyssignaler for kommunikasjon i en enkelt optisk fiber. På mottakeren blir symmetriske fotodioder anvendt for å detektere lyssignalene. Det ville således være fordelaktig å tilveiebringe et fiberoptisk kommunikasjonssystem og en fremgangsmåte for å operere et slikt kommunikasjonssystem basert på en økonomisk, lett fremstillbar og pålitelig løsning.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes det fiber-optiske kommunikasjonssystemet ved midler for sending av identiske testsignaler som første og andre signaler ved hjelp av nevnte sendere over hver av første og andre fibre i nevnte par, midler for overvåkning av nevnte kombinerte signal for å bestemme dets amplitude, og midler for justering av minst en signalparameter i minst ett av nevnte første og andre testsignaler forut for nevnte kombineringsmiddel for å nulle nevnte kombinerte signal som genereres av nevnte kombineringsmiddel ved nevnte fjerntliggende ende.

Med fordel omfatter kombineringsmidlet en transformator.

Dessuten kan nevnte justeringsmidler omfatte midler for å balansere amplitudene i nevnte sendte signaler forut for nevnte kombineringsmiddel. I tillegg kan justeringsmidlene omfatte midler for å balansere fasen av første og andre signaler.

Ifølge en ytterligere utførelsesform kan nevnte første og andre optiske fibre være identiske, parallelle fibre.

Ifølge en ennu ytterligere utførelsesform kan nevnte sendere være tilpassede lasere, og nevnte mottakere kan omfatte tilpassede fotodetektorer. Videre kan nevnte fibre være sammenknyttet med en enkelt kabel.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes fremgangsmåten ved å sende identiske testsignaler som første og andre signaler over hver av nevnte første og andre fibre for å balansere nevnte optiske kommunikasjonssystem, å overvåke det kombinerte signalet for å bestemme dets amplitude, og å justere minst en signalparameter av minst ett av nevnte første og andre testsignaler som sendes i nevnte fiberpar forut for nevnte kombinering av nevnte første og andre signaler for derved å nulle nevnte kombinerte signaler som genereres ved den fjerntliggende enden.

Ifølge ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten er nevnte minst ene parameter nivået av det minst ene testsignalet som mottas fra en av nevnte fibre. Den minst ene parameter kan være fasen av ett av nevnte minst ene testsignal. Det er også mulig å forestille seg at nevnte minst ene parameter er den effektive lengden av en av nevnte fibre som endrer fasen av nevnte testsignal som sendes derigjennom.

Fig. 1 er et skjema over anordningen ifølge den foreliggende

oppfinnelse, og

fig. 2 er et blokkskjema over anordningen anvendt i

innrettingen av anordningen i fig. 1.

På fig. 1 er vist et skjema 10 over anordningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse for formidling av signaler over en optisk-fiber transmisjonsbane der partall-orden harmoniske forvrengningskomponenter blir kansellert. Anordningen er brukbar i optiske transmisjonssystemer for et antall av applikasjoner. Eksempelvis kan anordningen anvendes i forbindelse med et kabelfjernsynssystem, der fjernyns-signalene i et konvensjonelt RF-format blir anvendt til å modulere en lasersender for optisk kommunikasjon via en fiber-optisk kabel.

I et slikt system blir en RF-inngangsterminal 12 tilveiebragt for mottagelse av et konvensjonelt kabelsignal bestående av et flertall av RF-fjernynskanal signaler. Dette signal kobles til en direktiv RF-splitter 14, som splitter det analoge elektriske inngangssignalet fra terminal 12 til første og andre signaldeler. Den første signaldelen kobles til en lasersender 26 og modulerer laseren til å tilveie bringe formidling over en første fiber 30. Lasersenderen 26 kobles til en forspenning på terminalen 22 på en konvensjonell måte.

Den andre signaldelen fra splitteren 14 forskyves i fase med 180° ved hjelp av velkjent faseforskyvningskrets 16. Eksempelvis kan en bredbånds RF-transformator anvendes. Utgangen på faseforskyvningskretsen 16 er koblet til en andre lasersender 28 som, likesom senderen 26 forsynes med en forspenning på terminalen 24. Det 180° faseforskjøvne RF-inngangssignalet modulerer lasersenderen 28, for transmisjon av signalet over en optisk fiber 32.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse foretrekkes det å tilveiebringe et tilpasset system der lyskildene (det vil si lasersenderene 26, 28) som driver fibre 30, 32 er et tilpasset par. Dessuten bør RF-signalinnmatningen til lasersenderen 26 og lasersenderen 28 på henholdsvis termi-nalene 18, 20 være identiske i alle henseender, bortsett fra 180° faseforskyvningen. Således er faseforskyvningskretsen 16 konstruert til å gi forsterkning lik 1, slik at amplituden av RF-inngangs signal et på terminal 18 er lik amplituden av RF-inngangssignalet på terminal 20.

Den optiske fiberen 30 og den optiske fiberen 32 bør også være et tilpasset par. I en foretrukket utførelsesf orm er fibrene 30, 32 identiske fibre som føres parallelt innenfor en enkelt kabel. For å holde den fysiske lengden av fibrene 30, 32 lik hverandre, kan de limes eller på annen måte sammenbindes innenfor kabelmantelen. De fysiske krav til fibrene 30, 32 dikteres av kommunikasjonssystemkravene, innbefattende typen og effekten av signalene som skal sendes, lengden av kabelstrekket, og lignende. Optiske fibre for bruk i flerkanals kabelfjernsynstransmisjon er kjent innenfor teknikken og kommersielt tilgjengelig. Slik kabel frem-stilles bl.a. av Corning Glass Works og er betegnet med modell SMF-21.

Parallelle optiske fibre 30, 32 føres til det samme stedet, der fibrene kobles til respektive fotodetektorer 34, 36. Fortrinnsvis er fotodetektorene et tilpasset par. Ever er forsynt med en forspenning på respektive terminaler 38, 40.

Fotodetektor 34 mottar det modulerte lyssignalet som sendes av lasersender 26 via fiber 30. På tilsvarende måte mottar fotodetektor 36 det modulerte lyssignalet som sendes via fiber 32 ved hjelp av lasersender 28. Utmatningene fra fotodektorene 34, 36 på respektive terminaler 42, 44 omfatter de 180° faseforskjøvne RF-inngangssignalene som anvendes til å modulere lasersignalene 26, 28. RF-forsterkere 46, 52 er koblet til utgangene på fotodetektorene 34, 36 for å bringe størrelsene av fotodetektor utgangssignalene tilbake til et ønsket nivå. En eller begge av RF-forsterkerene 46, 52 kan være variable, slik at amplituden av utgangssignalene kan justeres til å gi en ønsket balanse.

Faseforskyvningskretser 48, 54 er også tilveiebragt på utgangene av respektive fotodetektorer 34, 36. En eller begge av disse kretser kan være variable for å justere fasen av et eller begge av fotodetektor-utgangssignalene for å gi en ønsket balanse. Faseforskyvningskretsene 48, 54 kan omfatte hvilke som helst velkjente midler for å justere fasen av et elektrisk signal. Eksempelvis kan de omfatte RC-faseforskyvningsnettverk eller ganske enkelt en lengde av elektrisk kabel som er innkortet til å gi en ønsket fasefor-skyvning. Alternativt kan lengden av et eller begge filtre 30, 32 fysisk justeres til å gi et ønsket faseforhold mellom signalutmatningene fra fibrene.

For å kansellere ut partall-ordens harmoniske forvrengningskomponenter, mens RF-inngangssignalet gjenvinnes, er det ønskelig å justere RF-forsterkere 46, 52 til å utligne størrelsene av utgangssignalene fra fotodetektorene. Det er likeledes ønskelig å justere faseforskyvningskomponentene 48, 54 for å opprettholde de respektive utgangssignaler fra fotodetektorene nøyaktig 180° ute av fase relativt hverandre. De 180° faseforskjøvne signalene som har lik amplitude blir så innmatet til en RF-transformator 50 som har en balansert, midttappet primærvikling 60 og ubalansert sekundaervikling 62. Når signalene som innmates til transformatoren er i perfekt balanse, kombinerer transformatoren signalene til å addere den grunnleggende ønskede signal informasjonen som tilveiebringer en 3 dB effektforsterkning, og kansellerer partall-ordens harmoniske forvrengninger. Det resulterende RF-utgangssignalet kobles til en koaksial terminal 56, som kan termineres til å gi en standard 75 ohms impedans 58.

Operasjonen av kretsen i fig. 1 kan uttrykkes matematisk. Eksempelvis kan lasersenderen 26 moduleres med et RF-inngangssignal EINN. Fiberen 30 kan, i sin tur, kobles til enkel fotodetektor 34 som termineres med en 75 ohms impedans. En utgangs spenning Eutivil fremkomme over 75 ohms termi-neringen. Eutikan ut"trvkkes som følger:<E>UT1<=><K>0<+><K>± EINn<+><K>2(<E>INN)<2><+><K>3(<E>INN)<3><+><K>4(<E>INN)<4><+>...

hvor Kq er en DC-komponent i signalet, Ejjjjj er det ønskede signalet som skal gjenvinnes fra fiber-optikk kabelen,

KgCEjjjjj)^ er en andre ordens harmoniske forvrengingskomponent av det mottatte signal, ^(Ejjjjj)3 er et tredje ordens f orvrengningsprodukt, og ^(Ejjjjj)<4>er et fjerde ordens f orvrengningsprodukt.

RF-inngangssignalet som tilføres lasersenderen 28 er 180° ute av fase med<E>jrø. og kan uttrykkes som "-Ejjjn"* Derfor kan utmatningen E-QT2^ra fotodetektoren 36 uttrykkes som:

Som vist, i Eut2er samtlige av oddetall-ordens produkter negative, og alle av partall-ordens produkter positive. Derfor, når størrelsene av<E>jjti °g<e>UT2er like, og de er 180° ute av fase, vil transformatoren 50 kombinere signalene, ved effektivt å subtrahere<E>^T2^ ra<E>uTl»slik at alle partall-ordens komponenter kanselleres og alle oddetall-ordens komponenter (innbefattende signalet Ejjjn som skal innhentes) dobles i effekt. Dette gir en 3 dB økning i signalnivået av RF-signalet som skal gjenvinnes, mens de problematiske andreordens harmoniske forvrengningskomponenter kanselleres.

Hvor vindingsforholdet i transformatoren 50 er 1,41:1, og tranformatoren er konstruert til en gi en 150 ohm impedans over vikling 60 med en 75 ohms utgangs impedans, kan den kombinerte utmatning uttrykkes som: Kombinert utmatning @ 75Q = 1,41 EjjjN<+><1,>41K3EINIj3<+>.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedring i signal/støyforhold. Støy som genereres i separate baner, slik som laser relativ-intensitetsstøy ("RIN" = relative intensity noise), fotodiode-støy og RF-forsterker-støy er fullstendig vilkårlig av natur for hver bane. Vilkårlig eller tilfeldig støy på hver bane kombineres som 3 dB effekt-tilføyelse i primærviklingen 60 på transformatoren 50, sammenlignet med den synkrone signaltilføyelse lik 6 dB. Den resulterende effekt er en bærebølge-til-støy forbedring lik 3 dB fra de tilfeldige støykilder i systemet. Hvilken som helst støy som allerede er knyttet til RF-inngangssignalet på terminal 12 ansees å være synkron, og signal-til-støy forholdet relativt dette aspekt av støyen vil ikke bli forbedret.

En annen fordel ved den foreliggende oppfinnelse er at den vil tilveiebringe uavbrutt tjeneste i tilfellet av at en av lasersenderene 26, 28 svikter. Selv om forvrenging vil forverre seg vesentlig i et slikt tilfelle, vil program-kontinuitet bli adekvat opprettholdt inntil den sviktende laseren kan repareres eller utskiftes.

Fig. 2 illustrerer en testanordning for bruk ved balansering av systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse ved installasjon eller under påfølgende vedlikehold. Når systemet installeres, er det viktig å opprettholde de fysiske lengder av begge baner like. Således bør samtlige koaksialkabler, koblinger fra RF-signalkildene til lasersenderene, og de fiberoptiske kablene ha tilpassede lengder. Dette vil sikre at 180° fasedifferensialet hos signalene i banene opprett-holdes. Som angitt ovenfor, tilveiebringes finavstemning av både signalstørrelsen og faseforholdet ved hjelp av RF-forsterkere 46, 52 og fasejusteringskomponenter 48, 54.

For å finavstemme størrelsen og faseforholdene, blir et testsignal tilført på terminaler 18 og 20 hos henholdsvis lasersenderene 26, 28. Testsignalet leveres ved hjelp av en signalgenerator 70, hvilken kan være en RF kontinuerlig-bølge sveipe-generator som dekker det totale frekvensområdet, eksempelvis 50 MHz til 550 MHz. Et lavpassf il ter 72 kan tilveiebringes for å fjerne eventuelle harmoniske i signal-generatoren 70 som er over den høyeste frekvensen i dette spektrum, eksempelvis 550 MHz. Dette signal blir så innmatet til en passiv splitter som omfatter 75 ohms impedans 74, 76 og 78. Det identiske testsignalet blir så tilført fra den passive splitteren via terminaler 80, 82 til terminaler 18, 20 på respektive lasersendere 26, 28. De resulterende signaler som utmates av lasersenderne og som føres på fibrene 30, 32 vil være identiske og i fase.

Ved mottagerenden av systemet blir en konvensjonell sveipe-detektor (ikke vist) koblet til RF-utgangsterminalen 56, og sentrert rundt 350 MHz. Nivået av testsignalutmatningen fra en eller begge av fotodetektorene 34, 36 justeres via RF-forsterker 46 og/eller RF-forsterker 52. På tilsvarende måte blir fasen av det mottatte testsignalet på en eller begge baner justert under anvendelse av faseforskyver 48 og/eller faseforskyver 54. Som angitt, justerer faseforskyverene den effektive lengden av respektive kommunikasjonsbaner for å opprettholde det ønskede 180° ute-av-fase forholdet. Når systemet er riktig justert, vil spektralanalysatoren vise et null over hele spektrumet fra 50 til 550 MHz.

Der kabellengdejusteringen tilveiebringes ved fysisk å modifisere lengden av en av kabelbanene, bør lengden av justeringsmekanismen være rimelig lang (for eksempel ± 152,4 cm kompensering) for å tillate balanse eller i det minste for å bestemme hvilket filter som er det lengste av de to for å tillate en kompenserende gjentilkobling av den lange fiberen til dens respektive fotodetektor.

Det vil nå forstås at den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer anordning for formidling av signaler over en optisk-fiber transmisjonsbane, der partall-ordens harmoniske forvrengningskomponenter kanselleres. Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for balansering av systemet. Fagfolk vil forstå at nivåjusterings- og fasekom-penseringsmidlet kan tilveiebringes i bare en av de paral lelle kommunikasjonsbanene, eller alternativt kan tilveiebringes i begge baner, slik som vist.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbindelse med den foretrukne utførelsesform av denne, vil det forstås at tallrike tilpasninger og modifikasjoner kan foretas på denne uten å avvike fra oppfinnelsens idé og omfang, slik som angitt i patentkravene.

Claims (12)

1. Fiber-optisk kommunikasjonssystem som omfatter: et par parallelle første og andre optiske fibre (30, 32), som hver er koblet til en korresponderende første og andre sender (26, 28) ved én ende av nevnte par av fibre (30, 32) og til en korresponderende første og andre mottaker (34, 36) ved en fjerntliggende ende av nevnte par av fibre (30, 32), idet hver første og andre sender (26, 28) sender et respektivt første og andre signal over nevnte respektive fiber (30, 32), og middel (50) for kombinering av nevnte sendte første og andre signaler som mottas av nevnte første og andre mottaker (34, 36) ved nevnte fjerntliggende ende, idet nevnte kombineringsmiddel (50) gjenvinner et kombinert signal mens det kansellerer partall-ordens forvrengningsprodukter som introduseres av nevnte sender (26, 28) dersom nevnte signaler innmates til en respektive sender (26, 28) med en 180° faseforskjell i forhold til hverandre,karakterisert vedmidler (70, 72, 74, 76, 78, 80, 82) for sending av identiske testsignaler som første og andre signaler ved hjelp av nevnte sendere (26, 28) over hver av første og andre fibre (30, 32) i nevnte par, midler for overvåkning av nevnte kombinerte signal for å bestemme dets amplitude, og midler (46, 48, 52, 54) for justering av minst en signalparameter i minst ett av nevnte første og andre testsignaler forut for nevnte kombineringsmiddel (50) for å nulle nevnte kombinerte signal som genereres av nevnte kombineringsmiddel (50) ved nevnte fjerntliggende ende.

2. Kommunikasjonssystem som angitt i krav 1,karakterisert vedat nevnte kombineringsmiddel omfatter en transformator (50).

3. Kommunikasjonssystem som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat nevnte midler for å justere omfatter midler (46, 52) for å balansere amplitudene i nevnte sendte signaler forut for nevnte kombineringsmiddel (50).

4 . Kommunikasjonssystem som angitt i ett av kravene 1-3,karakterisert vedat nevnte midler for å justere omfatter midler (48, 54) for å balansere fasen av første og andre signaler.

5. Kommunikasjonssystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte første og andre optiske fibre (30, 32) er identiske parallelle fibre.

6. Kommunikasjonssystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte sendere er tilpassede lasere (26, 28).

7. Kommunikasjonssystem som angitt i ett av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte mottakere omfatter tilpassede fotodetektorer (34, 36).

8. Kommunikasjonssystem som angitt i ett av kravene 5-7,karakterisert vedat nevnte fibre (30, 32) er sammenknyttet med en enkelt kabel.

9. Fremgangsmåte for å operere et optisk-fiber kommunikasjonssystem, idet nevnte fiberoptiske kommunikasjonssystem sender et første signal over et første fiber (30) i et par av optiske fibre, sender et andre signal over den andre fiberen (32) i nevnte par av optiske fibre, og mottar nevnte første og andre signaler ved en fjerntliggende ende av nevnte par av fibre, og kombinerer de mottatte første og andre signaler for å gjenvinne et kombinert signal mens det utlignes partall-ordens forvrengningsprodukter som introduseres dersom nevnte første og andre signaler innmates til de respektive optiske fibre (30,32) med en 180° faseforskjell i forhold til hverandre,karakterisert ved: å sende identiske testsignaler som første og andre signaler over hver av nevnte første og andre fibre (30, 32) for å balansere nevnte optiske kommunikasjonssystem, overvåke det kombinerte signalet for å bestemme dets amplitude, og å justere minst en signalparameter av minst ett av nevnte første og andre testsignaler som sendes i nevnte fiberpar (30, 32) forut for nevnte kombinering av nevnte første og andre signaler for derved å nulle nevnte kombinerte signaler som genereres ved den fjerntliggende enden.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9,karakterisert vedat nevnte minst ene parameter er nivået av det minst ene testsignalet som mottas fra en av nevnte fibre (30, 32).

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 9 eller 10,karakterisert vedat nevnte minst ene parameter er fasen av ett av nevnte minst ene testsignal.

12. Fremgangsmåte som angitt i ett av kravene 9-11,karakterisert vedat nevnte minst ene parameter er den effektive lengden av en av nevnte fibre (30, 32) som endrer fasen av nevnte testsignal som sendes derigjennom.