RU2239285C2

RU2239285C2 - Optical atmospheric link transceiving device

Info

Publication number: RU2239285C2
Application number: RU2001129244A
Authority: RU
Inventors: В.И. Аджалов (RU); В.И. Аджалов
Original assignee: Аджалов Владимир Исфандеярович
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2004-10-27

Abstract

FIELD: optical communications; organization of subscriber-to-subscriber communication links.

SUBSTANCE: proposed transceiving device is made in the form of outdoor and indoor modules; all-weather outdoor module incorporates focusing system and indoor module installed in apartments has interface, optical radiation source, and optical radiation receiver. In addition device is provided with fiber-optic channel multiplexer.

EFFECT: provision for dividing device equipment into all-weather passive outdoor section and indoor transceivers.

4 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптической связи и предназначено для организации канала связи между двумя абонентами или между абонентом и станцией абонентского доступа.The present invention relates to the field of optical communication and is intended to organize a communication channel between two subscribers or between a subscriber and a subscriber access station.

Известны приемопередающие устройства для организации канала связи на основе волоконно-оптических линий связи, содержащие преобразователь электрического трехуровневого интерфейса в двухуровневые коды и обратно, а также источник и приемник оптического излучения, соединенные волоконными световодами с приемником и источником ответного приемопередающего устройства (см., например, Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы/Под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. - М.: Издательство “Connect”, 2000, с.37-42). Основным недостатком подобных устройств является высокая стоимость организации и эксплуатации канала, а также неоперативность его организации.Known transceiver devices for organizing a communication channel based on fiber-optic communication lines containing a converter of an electric three-level interface into two-level codes and vice versa, as well as a source and receiver of optical radiation connected by fiber optic fibers with a receiver and a source of a response transceiver device (see, for example, Fiber-optic technology: history, achievements, prospects / Under the editorship of Dmitriev S.A., Slepova N.N. - M .: Publishing house “Connect”, 2000, pp. 37-42). The main disadvantage of such devices is the high cost of organizing and operating the channel, as well as the inoperability of its organization.

Наиболее близким по технической сути к предложенному является приемопередающее устройство оптической атмосферной линии связи, содержащее преобразователь интерфейса, источник и приемник оптического излучения и фокусирующий элемент (см. Инфракрасные технологии. Ч. 1, Журнал “Connect! Мир связи”, 1999, №10, с.102-104). Известное устройство-прототип предназначено для передачи данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Устройства попарно устанавливаются на открытом воздухе, оптически связаны друг с другом и образуют атмосферный канал связи, а с абонентами связи устройства связаны электрическими кабелями. В преобразователях интерфейса передаваемые электрические сигналы преобразуются для передачи в коды и уровни, приемлемые для модуляции оптического источника излучения, и наоборот. После оптических приемников сигналы преобразуются обратно к стандартному виду. В качестве передатчиков используются полупроводниковые излучающие устройства, в основном лазерные диоды, а приемниками обычно служат высокочувствительные фотодиоды. В приемопередающих устройствах такого типа с обеих сторон используются фокусирующие системы как для получения коллимированного луча от источника излучения, так и для фокусирования принятого излучения на приемник.The closest in technical essence to the proposed is a transceiver optical atmospheric communication line containing an interface converter, an optical radiation source and receiver and a focusing element (see Infrared technologies. Part 1, “Connect! Communication World” magazine, 1999, No. 10, p.102-104). The known prototype device is designed to transmit data by modulated radiation in the infrared part of the spectrum through the atmosphere. The devices are installed in pairs in the open air, are optically coupled to each other and form an atmospheric communication channel, and the devices are connected with communication subscribers by electric cables. In interface converters, the transmitted electrical signals are converted for transmission into codes and levels acceptable for modulating an optical radiation source, and vice versa. After the optical receivers, the signals are converted back to the standard form. Semiconductor emitting devices, mainly laser diodes, are used as transmitters, and highly sensitive photodiodes are usually used as receivers. In transceiver devices of this type, focusing systems are used on both sides to obtain a collimated beam from a radiation source and to focus the received radiation on the receiver.

Основным недостатком этого устройства является его высокая стоимость, в частности из-за необходимости обеспечения контроля и поддержания (в дозволительных для активных оптоэлектронных приборов рамках) климатических условий внутри его корпуса. Использование различных фокусирующих систем для приема и передачи также удорожает известное устройство, как и необходимость снабжения устройства системой его автоматического поддержания наведения на источник сигнала.The main disadvantage of this device is its high cost, in particular due to the need to ensure control and maintenance (within permissible limits for active optoelectronic devices) of climatic conditions inside its case. The use of various focusing systems for reception and transmission also increases the cost of the known device, as well as the need to provide the device with a system for automatically maintaining guidance on the signal source.

Решаемая предлагаемым изобретением задача - снижение стоимости организации и эксплуатации канала связи при повышении его надежности.Solved by the invention, the task is to reduce the cost of organizing and operating a communication channel while increasing its reliability.

Технический результат, который может быть достигнут - обеспечение возможности разделения приемопередающего оборудования на легкую всепогодную пассивную внешнюю часть (антенну) и упрощенный располагаемый в помещении внутренний блок с источником и приемником излучения. При реализации предложения достигаются дополнительные технические эффекты - обеспечивается возможность одноразового наведения (прицеливания) антенны на источник сигнала без постоянной подстройки в процессе передачи и повышается защищенность канала от случайного экранирования.The technical result that can be achieved is the ability to separate the transceiver equipment into a light all-weather passive external part (antenna) and a simplified indoor unit located in the room with a radiation source and receiver. When implementing the proposal, additional technical effects are achieved - the possibility of one-time pointing (aiming) of the antenna to the signal source without constant adjustment during transmission is ensured and the channel is protected from accidental shielding.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата, приемопередающее устройство оптической атмосферной линии связи, содержащее преобразователь интерфейса, источник и приемник оптического излучения и фокусирующий элемент, выполнено в виде двух блоков, внешнего и внутреннего, при этом во внешнем блоке расположена одна фокусирующая система и внешний блок выполнен во всепогодном исполнении, а преобразователь интерфейса, источник и приемник оптического излучения установлены во внутреннем блоке, выполненном для комнатных условий, при этом устройство дополнительно снабжено волоконным световодом и оптическим волоконным объединителем каналов, причем внешний отрезок световода закреплен во внешнем блоке так, что торец световода расположен в фокусе фокусирующей системы, а внутренний отрезок световода через оптический волоконный объединитель каналов оптически соединяет источник и приемник излучения с фокусирующим элементом.To solve the problem with the achievement of a technical result, a transceiver optical atmospheric communication line containing an interface converter, an optical radiation source and receiver, and a focusing element is made in the form of two blocks, an external and an internal one, with one focusing system and an external one in the external unit the unit is made in an all-weather version, and the interface converter, a source and a receiver of optical radiation are installed in an indoor unit made for rooms conditions, the device is additionally equipped with a fiber optic fiber and an optical fiber channel combiner, and the external fiber segment is fixed in the external unit so that the end of the fiber is located in the focus of the focusing system, and the internal fiber segment optically connects the radiation source and receiver through the optical fiber channel combiner with focusing element.

В дополнительном варианте предложения к одному внутреннему блоку посредством дополнительного волоконного разветвителя каналов подключены два или более внешних блоков. В дополнительных вариантах выполнения устройства также целесообразно, чтобы сердцевина оптического волокна волоконного световода и волокон оптического волоконного объединителя каналов была выполнена диаметром от 0.6 до 1.0 мм и чтобы оптический волоконный объединитель каналов был выполнен в виде оптического спектрального мультиплексора/демультиплексора.In a further embodiment, two or more external units are connected to one indoor unit by means of an additional fiber channel splitter. In additional embodiments of the device, it is also advisable that the core of the optical fiber of the optical fiber and the fibers of the optical fiber channel combiner be made in diameter from 0.6 to 1.0 mm and that the optical fiber channel combiner be made in the form of an optical spectral multiplexer / demultiplexer.

Суть предлагаемого изобретения и его вариантов поясняется чертежом, на котором схематично представлен вариант реализации предложенного устройства.The essence of the invention and its variants is illustrated by the drawing, which schematically shows an embodiment of the proposed device.

На чертеже изображены внешний блок устройства 1, укрепленный при помощи опорно-поворотного устройства 2 на внешней поверхности стены здания 3, содержащий установленные в герметичном корпусе 4 фокусирующий элемент 5 и кабель с волоконным световодом 6. На чертеже также изображены волоконный разъем 7 и входящие в состав внутреннего блока 8 оптический волоконный объединитель каналов 9, источник излучения 10, приемник излучения 11 и преобразователь интерфейса 12. В данном варианте реализации оптический волоконный объединитель каналов выполнен в виде спектрального мультиплексора/демультиплексора, при этом в устройстве использован только один внешний блок, поэтому дополнительный волоконный разветвитель не установлен.The drawing shows the external unit of the device 1, mounted using a rotary support device 2 on the outer surface of the wall of the building 3, containing a focusing element 5 mounted in an airtight housing 4 and a cable with a fiber light guide 6. The drawing also shows a fiber connector 7 and included of the indoor unit 8, an optical fiber channel combiner 9, a radiation source 10, a radiation receiver 11 and an interface converter 12. In this embodiment, the optical fiber channel combiner is made in de spectral multiplexer / demultiplexer, wherein the device is used only a single outdoor unit, so additional fiber coupler is not installed.

Устройство работает следующим образом. Излучение от не показанного на чертеже второго приемопередающего устройства линии связи от второго абонента (или от центральной станции абонентского доступа) поступает на входную апертуру фокусирующего элемента 5 внешнего блока 1. Фокусирующий элемент 5 фокусирует излучение на входной торец волоконного световода 6, точнее на сердцевину световода. Поступающее в пределах числовой апертуры световода излучение распространяется далее по световоду и поступает на оптический волоконный объединитель каналов 9. Естественно, предполагается обеспечение согласования угла фокусировки фокусирующего элемента и числовой апертуры световода.The device operates as follows. The radiation from the second communication transceiver device not shown in the drawing from the second subscriber (or from the central subscriber access station) arrives at the input aperture of the focusing element 5 of the external unit 1. The focusing element 5 focuses the radiation on the input end of the fiber 6, more precisely, on the core of the fiber. The radiation arriving within the numerical aperture of the optical fiber propagates further along the optical fiber and enters the optical fiber combiner of channels 9. Naturally, it is assumed that the focusing angle of the focusing element and the digital aperture of the optical fiber are matched.

Для достижения ожидаемого технического эффекта по п.1 предложения достаточно, чтобы данный объединитель каналов 9 оптически связывал фокусирующий элемент 5 с приемником излучения 11 и источником 10 на время передачи и приема соответственно. Например, объединитель 9 может быть простым волоконным делителем, разветвляющим излучение на два потока при прохождении излучения от фокусирующего элемента и суммирующим излучение, распространяющееся в обратном направлении. При таком выполнении объединителя оптическое соединение фокусирующего элемента с источником и приемником постоянно. Если для передачи и приема используется одна длина волны, при некоторых протоколах передачи при выполнении объединителя в виде пассивного волоконного делителя потребуется обеспечивать в устройстве заданный уровень развязки между передаваемым сигналом и приемником. При использовании старт-стопного режима приемопередачи (когда в каждый момент времени возможен или только прием или только передача) объединитель 9 может быть выполнен в виде переключателя-коммутатора, оптически связывающего фокусирующий элемент 5 через световод 6 с источником 10 и с приемником 11 на время передачи и приема соответственно. В нашем случае, соответствующем предпочтительной реализации устройства по п.4 предложения, объединитель выполнен в виде оптического спектрального мультиплексора/демультиплексора, что позволяет оптически связывать фокусирующий элемент с источником и приемником одновременно, на разных оптических несущих, без перекрестного влияния каналов. Излучение от фокусирующего элемента 5 на рабочей длине волны приемника (т.е. на длине волны излучения, распространяющегося от второго конца линии связи) отфильтровывается в объединителе 9 и направляется на приемник 11. В свою очередь излучение от источника 10 проходит оптический объединитель 9 без ответвления в сторону приемника 11, а направляется световодом 6 на фокусирующий элемент 5 и далее по направлению к второму приемопередающему устройству линии связи. Преобразователь интерфейса 12, как и в устройствах-аналогах и в прототипе, преобразует исходные электрические интерфейсы (например, линейные коды HDB или протокол ETHERNET) к виду, приемлемому для модуляции источника оптического излучения и обратно.To achieve the expected technical effect according to claim 1, it is sufficient that this combiner of channels 9 optically connects the focusing element 5 with the radiation receiver 11 and source 10 for the transmission and reception time, respectively. For example, combiner 9 may be a simple fiber divider that branches the radiation into two streams when radiation passes from the focusing element and summarizes the radiation propagating in the opposite direction. With this embodiment of the combiner, the optical connection of the focusing element with the source and receiver is constant. If one wavelength is used for transmission and reception, with some transmission protocols, when performing a combiner in the form of a passive fiber divider, it will be necessary to provide the device with a specified level of isolation between the transmitted signal and the receiver. When using the start-stop transmission mode (when either reception or transmission only is possible at any time), the combiner 9 can be made in the form of a switch-switch that optically connects the focusing element 5 through the fiber 6 to the source 10 and to the receiver 11 for the duration of the transmission and admission accordingly. In our case, which corresponds to the preferred implementation of the device according to claim 4, the combiner is made in the form of an optical spectral multiplexer / demultiplexer, which allows optical focusing of the focusing element with the source and receiver simultaneously, on different optical carriers, without cross-channel influence. The radiation from the focusing element 5 at the working wavelength of the receiver (i.e., at the wavelength of the radiation propagating from the second end of the communication line) is filtered out in the combiner 9 and sent to the receiver 11. In turn, the radiation from the source 10 passes through the optical combiner 9 without branching towards the receiver 11, and is guided by the light guide 6 to the focusing element 5 and further towards the second transceiver of the communication line. Interface converter 12, as in analog devices and in the prototype, converts the original electrical interfaces (for example, linear HDB codes or ETHERNET protocol) to a form acceptable for modulating the optical radiation source and vice versa.

Таким образом, предложенное устройство может быть реализовано с получением ожидаемого технического результата, а именно техническое решение позволяет пространственно разнести пассивное оптическое устройство - приемную абонентскую антенну и приемопередающее активное оборудование. При этом обеспечивается снижение стоимости организации канала связи, в первую очередь за счет упрощения требований к выполнению наиболее дорогой части - активного оборудования. Стоимость организации канала снижается также и потому, что используются одни и те же внешние элементы (фокусирующий элемент и световод) как для приема, так и для передачи оптического излучения.Thus, the proposed device can be implemented to obtain the expected technical result, namely, the technical solution allows you to spatially separate the passive optical device - the receiving subscriber antenna and transceiver active equipment. This ensures a reduction in the cost of organizing a communication channel, primarily due to the simplification of the requirements for the implementation of the most expensive part - active equipment. The cost of organizing the channel is also reduced because the same external elements (focusing element and optical fiber) are used both for receiving and transmitting optical radiation.

При использовании предложенного устройства обеспечивается также дополнительный технический результат, наиболее проявляющийся при реализации устройства по п.3 предложения, а именно при выполнении сердцевины оптического волокна волоконного световода и волокон оптического волоконного объединителя каналов диаметром от 0.6 до 1.0 мм. Это обусловлено тем, что в прототипе необходима постоянная компенсация углового ухода излучения от источника сигнала путем подстройки в реальном времени пространственного положения устройства. Если не корректировать пространственное положение устройства-прототипа, то сфокусированное приемной системой излучение не попадает на приемник излучения при неизбежных (из-за нестабильности положения в пространстве верхних этажей зданий, башен и пр.) отклонениях направления распространения излучения от источника сигнала. Такие угловые отклонения, как показывают результаты практических исследований, находятся в пределах нескольких угловых минут. Размер пятна дрожания сфокусированного излучения при этом определяется произведением величины углового отклонения (в радианах) на фокусное расстояние фокусирующей системы, которое на практике составляет от десятков до нескольких сотен мм. Выполнение фокусирующих элементов с фокусными расстояниями меньшего размера невозможно из-за необходимости обеспечения с другой стороны требований к размеру входной апертуры фокусирующего элемента, составляющих также от десятков до нескольких сотен мм. Эти требования продиктованы необходимостью собрать на фотоприемном устройстве достаточное количество оптической мощности от источника сигнала.When using the proposed device, an additional technical result is also provided, which is most evident when implementing the device according to claim 3 of the proposal, namely, when performing the core of an optical fiber of a fiber optic fiber and fibers of an optical fiber channel combiner with a diameter of 0.6 to 1.0 mm. This is due to the fact that the prototype requires constant compensation of the angular departure of radiation from the signal source by adjusting in real time the spatial position of the device. If you do not adjust the spatial position of the prototype device, then the radiation focused by the receiving system does not reach the radiation receiver in case of unavoidable (due to the instability of the space in the upper floors of buildings, towers, etc.) deviations of the radiation propagation direction from the signal source. Such angular deviations, as shown by the results of practical research, are within a few angular minutes. The size of the jitter spot of the focused radiation is determined by the product of the angular deviation (in radians) and the focal length of the focusing system, which in practice ranges from tens to several hundred mm. The implementation of the focusing elements with focal lengths of a smaller size is impossible due to the need to ensure, on the other hand, the requirements for the size of the input aperture of the focusing element, which are also from tens to several hundred mm. These requirements are dictated by the need to collect a sufficient amount of optical power from the signal source on the photodetector.

В предложенном устройстве угловые отклонения поступающего излучения при вышеупомянутых реально используемых в устройствах оптической атмосферной связи параметрах оптических фокусирующих элементов укладываются после фокусировки в пределы размеров сердцевины волоконного световода, т.е. устройство может быть наведено однократно и не будет нуждаться в снабжении системой поддержки наведения на источник сигнала.In the proposed device, the angular deviations of the incoming radiation at the above parameters of optical focusing elements actually used in optical atmospheric communication devices fit after focusing within the dimensions of the core of the optical fiber, i.e. the device can be guided once and will not need to be equipped with a guidance support system for the signal source.

Пример рассчета размера R отклонений излучения, сфокусированного системой с фокусным расстоянием F=200 мм при угловом дрожании К=5 угловых минут: R=K×F=5×3×0.0001×200=0.3 мм, т.е. диаметр пятна равен 0.6 мм.An example of calculating the size R of deviations of radiation focused by a system with a focal length F = 200 mm with an angular jitter K = 5 angular minutes: R = K × F = 5 × 3 × 0.0001 × 200 = 0.3 mm, i.e. spot diameter is 0.6 mm.

Таким образом, в предпочтительном варианте реализации за счет выполнения сердцевины световода с размером в диапазоне с одной стороны достаточном для улавливания сигналов с угловым дрожанием, близким к предельному, а с другой стороны не превышающим размеров входных окон обычных фотоприемных устройств (не более 1 мм) обеспечивает существенное упрощение устройства путем обеспечения возможности его одноразового прицеливания на источник сигнала с устранением необходимости подстройки в процессе эксплуатации.Thus, in the preferred embodiment, due to the implementation of the fiber core with a size on the one hand, sufficient to pick up signals with angular jitter close to the limit, and on the other hand not exceeding the size of the input windows of conventional photodetectors (no more than 1 mm) a significant simplification of the device by providing the possibility of its one-time aiming at the signal source with the elimination of the need for adjustment during operation.

Предложение также обеспечивает повышение надежности канала как за счет повышения отказоустойчивости из-за размещения активных элементов устройства в комфортных комнатных условиях эксплуатации, так и при реализации п.2 предложения за счет расширения эффективной апертуры приема и передачи, поскольку разнесение внешних устройств относительно друг друга с подключением их волоконных световодов к волоконному объединителю каналов через дополнительный волоконный разветвитель 1×N, где N - число внешних блоков, позволит устранить сбои канала за счет экранирования внешней апертуры пролетающими птицами.The proposal also provides increased reliability of the channel due to increased fault tolerance due to the placement of the active elements of the device in comfortable room operating conditions, and when implementing paragraph 2 of the proposal by expanding the effective aperture of reception and transmission, since the separation of external devices relative to each other with connection their optical fibers to the fiber channel combiner through an additional 1 × N fiber splitter, where N is the number of external units, will eliminate channel failures and is shielded by the outer aperture passing bird.

Наконец, предложение удешевляет и упрощает эксплуатацию канала связи, в частности за счет повышения ремонтопригодности устройства.Finally, the proposal reduces the cost and simplifies the operation of the communication channel, in particular by increasing the maintainability of the device.

Claims

1. The transceiver optical atmospheric communication line containing an interface, an optical radiation source and an optical radiation receiver and a focusing system, characterized in that the transceiver is made in the form of external and internal blocks, while the external unit is made in an all-weather version and in it the focusing system is located, and the interface, the optical radiation source and the optical radiation receiver are installed in the indoor unit, made for indoor conditions, the device is additional tion is provided with optical fibers and optical fiber combiner channels, the outer end of an optical fiber is secured in the outer box so that end it is located at the focus of the focusing system, and the inner end of the optical fiber through the optical fiber combiner channels is optically coupled with the source of optical radiation and optical radiation receiver.

2. The device according to claim 1, characterized in that two or more external units are connected to one indoor unit through an additional fiber channel splitter.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the core of the optical fiber of the optical fiber and the fibers of the optical channel combiner is made with a diameter of from 0.6 to 1.0 mm

4. The device according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the optical fiber channel combiner is made in the form of an optical spectral multiplexer / demultiplexer.