SI23045A - Optični sistem za prenos signala časovne reference - Google Patents

Abstract

Predloženi izum se nanaša na optični sistem za prenos signala časovne reference in radiofrekvenčno sinhronizacijo večkratnih dogodkov na več oddaljenih lokacijah s femtosekundno natančnostjo, na primer znotraj pospeševalnika osnovnih delcev, kjer se zahteva sinhronizacijska shema z nizkim drhtenjem faze signala in dolgoročno stabilnostjo, obsegajoč običajno telekomunikacijsko enorodovno optično vlakno. Omenjeni sistem obsega oddajnik (1), oscilator (2) z nizkim drhtenjem in sprejemnik (3), pri čemer sta omenjeni oddajnik (1) in omenjeni sprejemnik (3) povezana z oddajno optično linijo (4) in povratno optično linijo (5).

Description

Instrumentation Technologies d.d.

Optični sistem za prenos signala časovne reference

Predloženi izum se nanaša na optični sistem za prenos signala časovne reference in radiofrekvenčno sinhronizacijo večkratnih dogodkov s femtosekundno natančnostjo na več oddaljenih lokacijah, kot na primer znotraj pospeševalnika osnovnih delcev, kjer se zahteva sinhronizacijsko shemo z nizkim drhtenjem faze signala in dolgoročno stabilnostjo, obsegajoč običajno telekomunikacijsko enorodovno optično vlakno.

Znane rešitve s tega področja uporabljajo kakovostne mikrovalovne oscilatorje s samo nekaj femtosekundnim drhtenjem faze v integracijskem področju odmika 10 Hz do 10 MHz od frekvence nosilca.

Obstajajo pa tudi rešitve za časovno in radiofrekvenčno sinhronizacijo, ki za stabilizacijo optičnih vlakenskih povezav, ki prenaša referenčni časovni signal, uporabljajo interferometrično metodo in/ali rodovno vklenjen impulzni laserski vir. Uporabljeni laserski vir deluje pri valovni dolžini 1550 nm. Takšno vlakno ima nizko slabljenje, veliko pasovno širino in odpornost na elektromagnetne motnje. Kljub temu pa je vlakno podvrženo spremembam fazne in skupinske hitrosti v odvisnosti od temperaturnih nihanj in je občutljivo na mehanske in/ali akustične motnje.

Prva skupina sorodnih rešitev temelji na uporabi frekvenčnega odmika na tako imenovanem Michelsonovem interferometeru. Optični izvor je visoko koherenten laser v neprekinjenem načinu delovanja. Interferometrična metoda uspešno stabilizira optično fazo, vendar nikakor ne stabilizira skupinske hitrosti. Ker je skupinska hitrost optične povezave pomembna za radiofrekvenčno distribucijo signala, je zakasnitev implicitno obračunana po metodi odštevanja faze. Vendar pa ob zagonu sistema fazna stabilizacija ni zajamčena, saj se podatki o fazi izgubijo ob izklopu sistema. Ob vsakem začetku obratovanja prenosnega sistema je potrebno fazo radiofrekvenčnega signala ponovno nastaviti.

Druga skupina rešitev uporablja glavni rodovno vklenjeni laser, ki z vklenitvijo na mikrovalovni oscilator z nizkim drhtenjem prenaša časovni signal v obliki impulznega vlaka na več lokacij preko stabiliziranih povezav vlaken. Na vsaki oddaljeni lokaciji se nahajajo pomožni laserji, ki so vklenjeni na glavni laser in ustvarjajo radiofrekvenčni signal. V tem primeru je kritična časovna stabilnost vlakenskih povezav, saj ni povratne vezave. Dolgoročna stabilnost ni dosežena.

Naloga izuma je ustvariti optični sistem za prenos signala časovne reference in radiofrekvenčno sinhronizacijo večkratnih dogodkov na več oddaljenih lokacijah s femtosekundno natančnostjo, pri katerem so odpravljene pomanjkljivosti znanih rešitev.

Zastavljena naloga je po izumu rešena s stabilizacijo vlakenskih povezav, ki prenašajo mikrovalovni takt z nizkim drhtenjem. Pri sistemu za radiofrekvenčno sinhronizacijo s femtosekundno natančnostjo več dogodkov na različno oddaljenih lokacijah, kot na primer pri pospeševalniku osnovnih delcev, s ciljem prenosa mikrovalovnega takta z nizkim drhtenjem se po izumu uporablja stabilizirano vlakensko povezavo. Omenjeno povezavo sestavlja par enorodovnih optičnih vlaken, ki omogoča kompenzacijo faznega premika sinhronizacij skega signala, oddajnik, kjer se spremembe faze demoduliranega povratnega signala v primerjavi s fazo vhodne reference uravnajo z valovno dolžino laserskega vira in sprejemnik, kjer se prvi del signala vrne do oddajnika, drugi del signala pa se očisti s pomočjo vztrajnika, npr. v fazno sklenjeni zanki z uporabo oscilatorja. Pri tem je omenjeni laserski vir moduliran z nizko drhtečim mikrovalovnim taktom, valovna dolžina omenjenega laserskega vira pa preko barvne disperzije vpliva na skupinsko zakasnitev vlakna.

Sistem po izumu torej obsega oddajnik, oscilator z nizkim drhtenjem in sprejemnik, pri čemer sta omenjeni oddajnik in omenjeni sprejemnik povezana z oddajno linijo in povratno linijo. Pri tem sta omenjena oddajna linija in omenjena povratna linija vsakokrat • · zasnovani kot enorodovno optično vlakno. Nadalje je po izumu predvideno, da omenjeni oddajnik obsega prvo enoto, sestoječo iz prve polprevodniške fotodiode, faznega detektorja in faznega sukalnika, ki je povezana z laserskim elektro-optičnim modulatorjem, in drugo enoto, sestoječo iz druge polprevodniške fotodiode in faznega detektorja z regulatorjem.

Nadalje je po izumu predvideno, da omenjeni sprejemnik obsega tretjo polprevodniško fotodiodo in vztrajnik. Pri tem je omenjeni vztrajnik zasnovan bodisi kot fazno sklenjena zanka z uporabo oscilatorja ali kot pasovnoprepustno sito z visoko kvaliteto.

Izum je v nadaljevanju podrobneje opisan na osnovi izvedbenega primera in s sklicevanjem na priloženo skico, kjer je shematsko prikazan sistem za optično razdeljevanje signala časovne reference in radiofrekvenčno sinhronizacijo večkratnih dogodkov po izumu.

Omenjeni optični sistem za prenos signala časovne reference po izumu sestoji iz oddajnika 1, ki se nahaja na lokaciji oscilatorja 2 z nizkim drhtenjem, in sprejemnika 3, ki se nahaja na oddaljeni lokaciji, pri čemer sta omenjeni oddajnik 1 in omenjeni sprejemnik 3 povezana z oddajno linijo 4 in povratno linijo 5, ki sta vsakokrat zasnovani iz vsaj enega enorodovnega optičnega vlakna. Uporaba dveh iz optičnega vlakna zasnovanih linij 4, 5 namesto ene same omogoča kompenzacijo premika faze sinhronizacijskega signala. Tako za oddajno linijo 4 kot tudi povratno linijo 5 se predvideva, da je polarizacijska rodovna disperzija prednostno enako ali manj kot 0,02 ps/fkm. Pri tem privzamemo, da sta iz optičnih vlaken zasnovani liniji 4, 5 enakovrstni, izjemoma se lahko razlikujeta v svoji polarizacijski rodovni disperziji. S tem, da se v praksi optična vlakna vsakokraten linije 4, 5 položi neposredno drugega ob drugem, se izenači zunanje vplive, kot na primer sprememba dolžine optične poti zaradi vpliva temperature, na omenjena optična vlakna.

Vir optičnega signala v oddajniku 1 je splošno znan lasersko-modulatorski sklop 10, prednostno je to DFB (angl. distributed feed back) laserski vir, ki se uporablja za zelo hitre telekomunikacijske zveze. Omenjeni sklop 10 je lahko zasnovan kot enovit sklop ali pa je izbiroma zasnovan iz ločenega laserskega vira 21 in elektro-optičnega modulatorja 22.

Oddajnik 1 je sestavljen iz dveh glavnih enot. Prva enota 6, ki sestoji iz prve polprevodniške fotodiode 7, faznega detektorja 8 in faznega sukalnika 9, je povezana z « · omenjenim lasersko-modulatorskim sklopom 10. Naloga omenjene prve enote 6 je kompenzacija odstopanj faze vhodnega (električnega) radiofrekvenčnega signala Sl, ki se ga dovaja iz omenjenega oscilatorja 2 z nizkim drhtenjem, znotraj omenjenega laserskomodulatorskega sklopa 10. V primeru izvedbe z ločenim laserskim virom 21 in elektrooptičnim modulatorjem 22 je po izumu predvideno, da je omenjeni modulator 22 LiNbO3 modulator. Omenjeni sklop 10 oddaja optični signal S2, katerega delni signal S3 se na vlakenskemu delilniku 11 odcepi in vodi v popravljalno zanko, ki jo sestavljajo omenjena polprevodniška fotodioda 7, omenjeni fazni detektor 8 in omenjeni fazni sukalnik 9. Na ta način se meri fazno neusklajenost med vhodnim električnim signalom Sl iz glavnega oscilatorja 2 in optičnim signalom S3 iz delilnika 11 ter se nastavi fazni premik. S tem je faza izhodnega optičnega signala S4, ki izstopa iz omenjenega delilnika 11, vedno usklajena z vhodnim električnim signalom Sl iz oscilatorja 2.

Druga enota 12 oddajnika 1, ki sestoji iz druge polprevodniške fotodiode 13 in faznega detektorja z regulatorjem 14, sprejema optični signal S5 iz omenjene povratne optične linije 5, ki se od izhodnega optičnega signala S4 iz oddajne optične linije 4 loči v delilniku 15. Fazo omenjenega povratnega optičnega signala S5 se primerja s fazo vhodnega električnega signala Sl. Vsakršna sprememba razlike faz se s pomočjo faznega detektorja z regulatorjem 14 izravna s povratnim signalom S8, ki spremeni valovno dolžino omenjenega laserskega vira 10. Z valovno dolžino omenjenega laserskega vira 10 nastavljamo skupinsko zakasnitev vsakokratnega optičnega signala S2 ter s tem S4 in S5 optičnih vlaken s pomočjo barvne disperzije vsakokratnega optičnega vlakna, ki predstavlja oddajno linijo 4 in povratno linijo 5.

V sprejemniku 3 sistema po izumu se delni signal S6 vhodnega signala S4, ki potuje iz lasersko-modulatorskega sklopa 10 in se na omenjenem delilniku 15 loči od povratnega optičnega signala S5, posreduje v tretjo polprevodniško fotodiodo 16, medtem ko se povratni optični signal S5 pošlje po povratni liniji 5 nazaj v drugo enoto 12 oddajnika 1. V sprejemniku 3 se sprejeti signal S6 na omenjeni fotodiodi 16 demodulira in ojača na nivo, ki omogoča fazno primerjavo.

V konkretnem izvedbenem primeru je v sprejemniku 3 na oddaljeni lokaciji uporabljena direktna detekcija optičnega signala S4. Omenjeni vztrajnik 17 je po izumu zasnovan bodisi kot fazno sklenjena zanka z uporabo oscilatorja ali pa kot pasovnoprepustno sito z visoko kvaliteto.

Razmerje signal/šum na izhodu iz omenjene fotodiode 16 znaša okoli 60 dB in je neprimerno za uporabo ali za nadaljnjo distribucijo. V ta namen se iz omenjene fotodiode 16 izstopajoči izhodni signal očisti v vztrajniku 17. Pasovna širina omenjene zanke mora biti nizka, zato da se zmanjša fazni šum.

Termični premik v sistemu po izumu uporabljenih polprevodniških fotodiod 7, 13, 16, ki imajo prednostno enake lastnosti, faznega detektorja 8, faznega detektorja z regulatorjem 14 in vztrajnika 17 se izloči s temperaturno nadzorovanim okoljem. Oddajnik in sprejemnik se vzdržuje pri enaki temperaturi. Le-to zagotavlja, da se enake komponente enako odzivajo na različnih lokacijah, tako v oddajniku 1 kot v sprejemniku 3. Temperaturno stabilne komore znižujejo termični premik, kar omogoča dolgoročno stabilnost.

Sistem po izumu deluje kot sledi. Iz laserskega vira 10 izhajajoči optični signal S2, se na delilniku 11 loči na optični signal S4, ki se ga vodi v sprejemnik 3 na oddaljeni lokaciji, in na optični signal S3, ki se ga vodi v prvo polprevodniško fotodiodo 7, kjer se ga pretvori v električni signal. Iz omenjene fotodiode 7, se omenjeni električni signal vodi v fazni detektor 8, kjer se fazo omenjenega električnega signala primerja s fazo iz oscilatorja 2 izhajajočega električnega signala Sl. Zatem se takšen, iz faznega detektorja 8 izstopajoči korekcijski električni signal vodi v fazni sukalnik 9, kjer se njegovo fazo uskladi s fazo omenjenega električnega signala Sl iz oscilatorja 2. Tako korigiran in fazno usklajen električni signal se vodi dalje v laserski vir 10, kjer ustrezno korigira iz omenjenega vira izstopajoči optični signal S2.

Kot omenjeno se korigirani optični signal S2 na omenjenem delilniku 11 razdeli na omenjeni optični signal S3 in optični signal S4, ki se ga vodi v oddaljeni sprejemnik 3. Na delilniku 15 se omenjeni optični signal S4 razdeli na povratni optični signal S5 in optični signal S6. Omenjeni povratni optični signal S5 se vodi nazaj v drugo polprevodniško fotodiodo 13 oddajnika 1, kjer se ga pretvori v električni signal, od tam pa v fazni detektor z regulatorjem 14, kjer se ga ustrezno obdela in primerja z vhodnim električnim signalom Sl iz oscilatorja 2. Tako obdelan korekcijski električni signal S8 se vodi v omenjeni laserski vir 10, kjer nastavi valovno dolžino le-tega.

Omenjeni optični signal S6, ki izstopa iz omenjenega delilnika 15 in se ga vodi dalje v tretjo polprevodniško fotodiodo 16 v sprejemniku 3, kjer se pretvori v električni signal, le tega se vodi v omenjeni vztrajnik 17, kjer se ga očisti šumov in podobno. Del iz vztrajnika 17 izstopajočega električnega signala S7 se v obliki povratne zanke vrne v vztrajnik, kjer po potrebi korigira omenjeni izstopajoči električni signal S7.

Instrumentation Technologies d.d.

Claims (6)

1. Patentni zahtevki

   1. Optični sistem za prenos signala časovne reference in radiofrekvenčno sinhronizacijo večkratnih dogodkov na več oddaljenih lokacijah s femtosekundno natančnostjo, na primer znotraj pospeševalnika osnovnih delcev, kjer se zahteva sinhronizacij sko shemo z nizkim drhtenjem faze signala in dolgoročno stabilnostjo, obsegajoč običajno telekomunikacijsko enorodovno optično vlakno, značilen po tem, da obsega oddajnik (1), oscilator (2) z nizkim drhtenjem in sprejemnik (3), pri čemer sta omenjeni oddajnik (1) in omenjeni sprejemnik (3) povezana z oddajno optično linijo (4) in povratno optično linijo (5).
2. 2. Sistem po zahtevku 1, značilen po tem, da sta omenjena oddajna linija (4) in omenjena povratna linija (5) vsakokrat zasnovani iz vsaj enega enorodovnega optičnega vlakna.
3. 3. Sistem po zahtevku 1 in 2, značilen po tem, da omenjeni oddajnik (1) obsega prvo enoto (6), sestoječo iz polprevodniške fotodiode (7), faznega detektorja (8) in faznega sukalnika (9), ki je povezana z laserskim elektro-optičnim modulatorjem (10), in drugo enoto (12), sestoječo iz polprevodniške fotodiode (13) in faznega detektorja z regulatorjem (14).
4. 4. Sistem po zahtevku 1 in 2, značilen po tem, da omenjeni sprejemnik (3) obsega polprevodniško fotodiodo (16) in vztrajnik (17).
5. 5. Sistem po zahtevku 4, značilen po tem, da je omenjeni vztrajnik (17) zasnovan kot fazno sklenjena zanka z uporabo oscilatorja.
6. 6. Sistem po zahtevku 4, značilen po tem, da je omenjeni vztrajnik (17) zasnovan kot pasovnoprepustno sito z visoko kvaliteto.

   Instrumentation Technologies d.d.