NO339099B1

NO339099B1 - Matrise tidsdelt multiplekser spørring

Info

Publication number: NO339099B1
Application number: NO20074203A
Authority: NO
Inventors: David Hall; Paul Greene
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2016-11-14
Also published as: CA2598511A1; NO20074203L; CA2598511C; US7403712B2; US20060188256A1; WO2006091351A1; EP1851513B1; EP1851513A1

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt sensorspørring, og særlig optisk matrise multipleksspørring av sensorer.

Bakgrunn

Bølgelengdedelt multipleksing (wavelength division multiplexing, WDM) mulig-gjør betydelige økninger i de datahastigheter som kan føres over en enkelt fiber ved bruken av flere bølgelengder, som hver bærer en separat "kanal". Tidsdelt multipleksing (time division multiplexing, TDM)-teknikker har begrensninger, siden den bredere båndbredde som er påkrevd rundt en enkelt basisbølgelengde fører til forringelser som begrenser den distanse som oppnås. Disse forringelser er: demping, reflektans, særlig ved skjøter som involverer flate splittinger, og kromatisk spredning på grunn av litt forskjellige brytningsindekser ved forskjellige bølgelengder.

Kombinasjoner av TDM/WDM resulterer i en kapasitet på 100 Gbit/s per fiber. En utvikling har muliggjort effektiv anvendelse av WDM-systemer i virkelige nettverk, istedenfor kun som punkt-til-punkt multiplekssystemer. Den Erbium-dopede fiber-forsterker (Erbium-doped fiber amplifier, EDFA) muliggjør direkte forsterking av det optiske signal uten behov for mellomliggende elektronisk kretssystem.

Kjente metoder til spørring bruker for det inneværende fiberoptiske akustiske sensoroppstillinger i det som refereres til som TDM-WDM (time division multiplexing (tidsdelt multipleksing) - wavelength division multiplexing (bølgelengdedelt multipleksing). Disse metoder tillater for det inneværende for eksempel spørring av et større antall av hydrofoner med et mindre antall av laserkilder.

Tilknyttet til hver bølgelengde er det en enkelt laserkilde som kjører kontinuer-lig bølge (continuous wave, CW). Utgangen fra laseren blir portoperert ved hjelp av en hurtig optisk svitsj med en lav arbeidssyklus som produserer en strøm av pulser med regelmessig innbyrdes avstand som forsterkes og sendes ned til en fjernt-liggende oppstilling av sensorer som er dedikert til en enkelt bølgelengde. For hver optiske puls som sendes ned sensorene er det en pulser som returnerer til den optiske mottaker for hver av de N sensorer under spørring.

Portopereringsprosessen med en puls ut og N pulser som returnerer opptrer for hver laserkilde med sin karakteristiske bølgelengde og dedikerte sensorer. Den hurtige optiske svitsj er designet til å portoperere lyset fra alle laserkilder samtidig. Dette krever multipleksing av alle laserbølgelengder på den samme fiberoptiske linje med de tap som er tilknyttet multipleksingen.

Hver optiske puls som forlater den optiske port inneholder alle bølgelengdene fra de flere laserkilder. Pulsen forsterkes av en kjede av Erbium-dopede fiber-forsterkere (Erbium doped fiber amplifiers, EDFA's) til et toppeffektnivå som kan overstige én watt. Et slikt høyt effektnivå er påkrevd ved igangsettingspunktet for å overvinne de betydelige fiberoptiske overføringstap og delingstap som oppleves nedstrøms i det fiberoptiske akustiske sensorsystem.

Forskjellige ikke-lineære optiske effekter som alvorlig kan forringe samlet systemytelse påvirker lys som er sammensatt av flere bølgelengder med jevn innbyrdes avstand ved tilstrekkelig høy effekt. Disse effekter inkluderer Brillouin-spredning, Raman-spredning, selvfasemodulasjon, kryssfasemodulasjon og fire bølgeblanding. Å unngå tilstedeværelsen av flere bølgelengder på den samme fiberoptiske linje samtidig vil fullstendig eliminere kryssfasemodulasjon og fire bølge-blanding samtidig som det avhjelper de andre effekter.

Det er ønskelig å bruke det minste antall av laserkilder som er mulig for å spørre det største antall av sensorer som er mulig. For eksempel, for hver puls av en laserkilde kan det være 64 returnerende sensorpulser. Imidlertid, når antallet pulser øker, øker også den påkrevde båndbredde. Spørringen er således begrenset av den tilgjengelige båndbredde. Det er derfor et behov for et spørresystem som er en forbedring i forhold til systemene ifølge kjent teknikk.

EP 0 866 324 vedrører et Fabry-Perot-trykkavfølingssystem.

US 5,818,585 omhandler et spørringssystem med Bragg-fibergitter og med adaptiv kalibrering.

Sammenfatning

Hovedtrekkene ved oppfinnelsen fremgår av de selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen omfatter i en implementering: en flerhet av laserkilder som

produserer en flerhet av respektivt forskjellige optiske bølgelengder; en matrisesvitsj som har en flerhet av innganger som driftsmessig er koplet til flerheten av laserkilder, idet hver i flerheten av innganger mottar en respektiv optisk bølgelengde; og matrise-

svitsjen har en utgang som produserer en serie av sammenflettede pulser av de forskjellige optiske bølgelengder.

Oppfinnelsen omfatter i en annen implementering: en laserkilde som produserer en optisk bølgelengde; en matrisesvitsj som har en inngang som driftsmessig er koplet til laserkilden; og matrisesvitsjen har en flerhet av utganger, idet hver av utgangene produserer en optisk bølgelengde, de optiske bølgelengder er sammenflettet i forhold til hverandre.

Oppfinnelsen omfatter i en ytterligere implementering: en flerhet av laserkilder som produserer en flerhet av respektivt forskjellige optiske bølgelengder; en matrisesvitsj som har en flerhet av innganger som driftsmessig er koplet til flerheten av laserkilder, hver i flerheten av innganger mottar en respektiv optisk bølgelengde; og matrisesvitsjen har en flerhet av utganger, idet hver av utgangene produserer en optisk bølgelengde, de optiske bølgelengder er sammenflettet i forhold til hverandre, og hver utgang produserer en serie av sammenflettede pulser av de forskjellige optiske bølgelengder.

Kort beskrivelse av tegningene

Trekk ved eksemplifiserende implementeringer av oppfinnelsen vil klart fremgå av beskrivelsen, kravene og de ledsagende tegninger, hvor: Figur 1 og 2 viser blokkdiagrammer av systemer ifølge kjent teknikk; Figur 3 og 4 viser blokkdiagrammer som illustrerer elementer av et system i samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Figur 5 viser et blokkdiagram av en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse; og Figur 6 viser et blokkdiagram av en ytterligere utførelse av den foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse

De bestemte verdier og konfigurasjoner som er omtalt i disse ikke-begren-sende eksempler kan varieres og er kun anført for å illustrere en utførelse av den foreliggende oppfinnelse, og er ikke ment å begrense omfanget av oppfinnelsen.

I tidsdelt multipleksing (time division multiplexing, TDM) blir en serie av svært korte optiske pulser tidssammenflettet (multiplekset) for å få en enkelt høyhastighets datastrøm ved en bærebølgelengde. En alternativ løsning er å sende hvert optiske signal på en forskjellig bølgelengde, kjent som bølgelengdedelt multipleksing (wavelength division multiplexing, WDM). Dette er analogt til å sende forskjellige radiokanaler på forskjellige frekvenser gjennom luft. En WDM-kanal er et signal som kjører på en unik bølgelengde. Hver WDM-kanal er fullstendig uavhengig av de andre kanaler, både med hensyn på bithastigheter, så vel som protokoller. Figur 1 viser en kjent implementering av et TDM-WDM-system som bruker fire lasere 101, 102, 103, 104 med separate bølgelengder A1, A2, A3, A4 med en kombinator 106 og en enkelt felles optisk port 108. I denne utførelse er kombinatoren 106 ikke-blokkerende, det vil si at med de fire innganger som er vist på figur 1 er utgangen alltid i en "på"-tilstand. Inneværende TDM-WDM spurte grupper bruker en enkelt optisk port 108 for å definere de optiske pulser som brukes til å aksessere individuelle sensorer. Det er også kjent å bruke en fasemodulator 110 for å fasegenerere en bærer. Den resulterende utgangspuls er en kombinasjon eller summasjon av bølgelengder A1, A2, A3, A4 ved utgang 112. Figur 2 viser en kjent implementering av et TDM-WDM-system som bruker fire lasere 201, 202, 203, 204 med separate bølgelengder A1, A2, A3, A4 med en kombinator 206, men dette utelater den enkeltstående felles optiske port 108 og fasemodulatoren 110. I denne utførelse er kombinatoren 206 blokkerende, det vil si at utgangen fra kombinatoren 206 direkte produserer den viste bølgeform av sammenflettede pulser. Videre kan fasegeneratoren utelates hvis laserne er FM (fre-kvensmodulert). Dette er fordi sinusbølgefrekvensmodulasjonen er ekvivalent til sinus-bølgefasemodulasjonen. Denne kretsen vil også emittere den utgangspuls som er en kombinasjon eller summasjon av bølgelengder A1, A2, A3, A4 ved utgang 112. Figur 3 viser en utførelse med en ikke-blokkerende 4 x 1 matrise TDM optisk svitsj i henhold til foreliggende anordning. I denne utførelse av et TDM-WDM-system er fire lasere 301, 302, 303, 304 med separate bølgelengder A1, A2, A3, A4 driftsmessig koplet til innganger til en matrisesvitsj 306. En utgang fra matrisesvitsjen 306 er driftsmessig koplet til en optisk port 308 og en fasemodulator 310. Den optiske matrisesvitsj 306 muliggjør sammenflettingen av pulsene i utgangen 312, slik at flere bølgelengder aldri er til stede i en enkelt puls. Optisk svitsjing kombinert med optisk portoperering gjør mer effektiv bruk av laserne, og man unngår de ikke-lineære effekter av kryssfasemodulasjon og fire bølgeblanding.

Den optiske svitsj 306 kan utføre portopereringen med passende tidsfor-sinkelser av de forskjellige bølgelengdekanalerfor å danne den regelmessige sekvens av pulser ved utgangen 312. Svitsjen 306 kan gjøre all portopereringen og svitsjingen. En hjelpeoptisk port 308 kan brukes til å forbedre slukningsforholdet og/eller stigetidene og falltidene for pulsene hvis det er nødvendig. Hjelpesvitsjen 308 kan enten være elektrooptisk eller akustooptisk. En fasemodulator 310 kan også brukes.

Optiske matrisesvitsjer av den elektrooptiske type har blitt vist frem av mange forskere, og minst én er kommersielt tilgjengelig fra Lynx Photonic Networks, Inc. Figur 4 viser en utførelse med en blokkerende 4 x 1 matrise TDM optisk svitsj i henhold til den foreliggende anordning, hvor en optisk port og en fasemodulator er utelatt. I denne utførelse av et TDM-WDM-system, er fire FM frekvensmodulerte lasere 401, 402, 403, 404 ved separate bølgelengder A1, A2, A3, A4 driftsmessig koplet til innganger til en matrisesvitsj 406. Utgangen har den sekvens av pulser hvor bølgelengder A1, A2, A3, A4 opptrer i separate pulser og hvor sekvensen gjentas. Figur 5 viser en utførelse av den foreliggende oppfinnelse hvor en enkelt bølgelengdekanal kan svitsjes til fire separate utgangskanaler 511, 512, 513, 514. På denne måte kan en enkelt laser 501 spørre for eksempel fire ganger så mange hydrofoner, sammenliknet med kjente systemer, hvilket firedobler den akustiske sensorsamplingshastighet per laser. En inngang til den ikke-blokkerende 1 x 4 matrisesvitsj 508 kan være driftsmessig koplet til laseren 501 via en optisk port 504 og fasemodulator 506. I andre utførelser kan den optiske port 504 og fasemodulatoren 506 utelates hvis en blokkerende matrise brukes med en FM-modulert laser. Utgangene fra svitsjen 508 kan ha individuelle pulser som er forskjøvet i tid i forhold til hverandre, som vist på figur 5.

I korthet, WDM-implementeringen av TDM-matrisesvitsjen på figurene 3 og 4 eliminerer alvorlige ikke-lineære effekter ved eliminering av flerbølgelengdepuls-forplantning, og TDM-implementeringen av TDM-matrisesvitsjen på figur 5 produserer mange flere sensorreturneringer per bølgelengde.

Figur 6 viser en utførelse av det foreliggende system, som har en ikke-blokkerende 4x4 versjon av en matrise TDM-svitsj 606 som kombinerer trekkene og fordelene ved WDM og TDM ved de ovenfor beskrevne utførelser. I denne utførelse av et TDM-WDM-system, er fire lasere 601, 602, 603, 604 med separate bølge- lengder A1, A2, A3, A4 driftsmessig koplet til innganger til matrisesvitsjen 606. Hver av fire utganger 612, 618, 624, 630 kan være koplet til svitsjen 606 via respektiv optisk port 608, 614, 620, 626 og fasemodulator 610, 618, 624, 630. Som beskrevet ovenfor kan de optiske porter og fasemodulatorer elimineres hvis en blokkerende matrisesvitsj brukes med FM-modulerte lasere.

Generelt kan et TDM-WDM-system spørre XY sensorer med X lasere og Y sensorreturneringer per laser med de flerbølgelengde ikke-lineære effekter som

forringer systemytelse. TDMX-systemet på figur 6 kan imidlertid spørre XYZ sensorer med X lasere, Y sensorreturneringer per laser og Z svitsjposisjoner for en Z x Z svitsj uten flerbølgelengde ikke-lineære effekter som forringer systemytelse. Utførelsene av det foreliggende system tilveiebringer således en forbedring i forhold til systemer ifølge kjent teknikk.

De trinn eller operasjoner som her er beskrevet er kun eksemplifiserende. Det kan være mange variasjoner av disse trinn eller operasjoner uten å avvike fra oppfinnelsens idé. Foreksempel kan trinnene utføres i en annen rekkefølge, eller trinn kan tilføyes, utelates eller modifiseres.

Selv om eksemplifiserende utførelser av oppfinnelsen her har blitt vist og beskrevet i detalj, vil det være åpenbart for de som har fagkunnskap i den relevante teknikk at forskjellige modifikasjoner, tilføyelser, erstatninger og lignende kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens idé i henhold til de følgende krav, og disse anses derfor å være innenfor omfanget av oppfinnelsen, slik den er definert i de følgende krav.

Claims

1. Anordning omfattende: en laserkilde (501) for produsering av en optisk bølgelengde; en matrisesvitsj (508) som har en inngang som driftsmessig er koplet til laserkilden (501); og idet matrisesvitsjen (508) har utganger (511, 512, 513, 514), karakterisert vedat utgangene (511, 512, 513, 514) er egnet for produsering av respektive optiske bølgelengder som er tidssammenflettet i forhold til hverandre, og at anordningens utganger er konfigurert til å koples driftsmessig til sensorer, og hvor anordningen er konfigurert til å spørre Z sensorer, hvor matrisesvitsjen (508) er en 1 x Z matrisesvitsj, og hvor Z er antallet av svitsjposisjoner, og hvor Z er et heltall.

2. Anordning som angitt i krav 1, omfattende minst én av en optisk port (504), en fasemodulator (506) og en seriekombinasjon av en optisk port og en fasemodulator koplet mellom laserkilden (501) og matrisesvitsjen (508).

3. Anordning som angitt i krav 1, hvor matrisesvitsjen (508) har funksjoner med portoperering og svitsjing.

4. Anordning som angitt i krav 1, hvor anordningen er et tidsdelt multiplekser bølgelengdedelt multiplekser (TDM-WDM)-system.

5. System omfattende: sensorer og en anordning omfattende: laserkilder (601, 602, 603, 604) for produsering av respektive forskjellige optiske bølgelengder; en matrisesvitsj (606) som har innganger som driftsmessig er koplet til laser-kildene (601, 602, 603, 604), idet en respektiv inngang av inngangene er egnet til å motta en respektiv optisk bølgelengde av de m forskjellige optiske bølgelengder; ogkarakterisert vedat matrisesvitsjen (606) har utganger, idet hver av utgangene er egnet for produsering av en respektiv forskjellig optisk bølgelengde, idet de optiske bølge-lengder er sammenflettet i forhold til hverandre, og hver utgang er egnet for produsering av en serie av sammenflettede pulser av de forskjellige optiske bølge-lengder; hver utgang for produsering av en gjentagende serie av pulser, hvor pulsene respektivt har forskjellige optiske bølgelengder, og hvor utganger fra anordningen er driftsmessig koplet til sensorene, og hvor anordningen er konfigurert til å spørre XYZ sensorer, hvor XYZ er antallet av sensorer, hvor X er antallet av laserkilder, hvor Y er antallet av sensorreturneringer per laserkilde, og hvor Z er antallet av svitsjposisjoner for matrisesvitsjen (606) som er en Z x Z matrisesvitsj, og hvor X, Y og Z er heltall.

6. System som angitt i krav 5, omfattende minst én av en optisk port (608, 614, 620, 626), en fasemodulator (612, 618, 624, 630) og en seriekombinasjon av en optisk port og en fasemodulator, hvor hver utgang fra matrisesvitsjen (606) er driftsmessig koplet til respektivt den minst ene av en optisk port (608, 614, 620, 626), en fasemodulator (612, 618, 624, 630) og en seriekombinasjon av en optisk port og en fasemodulator.

7. System som angitt i krav 5, hvor matrisesvitsjen (606) har funksjoner med portoperering og svitsjing.

8. System som angitt i krav 5, hvor anordningen er et tidsdelt multiplekser bølge-lengdedelt multiplekser (TDM-WDM)-system.