FI106678B - Optisen tietoliikenneyhteyden valvonta - Google Patents

Description

106678

Optisen tietoliikenneyhteyden valvonta

Keksinnön ala

Keksintö liittyy yleisesti optisen siirtoyhteyden valvontaan. Tarkemmin 5 sanottuna keksintö koskee optisen linkin, erityisesti aallonpituusmultipleksoin-tia (WDM, Wavelength Division Multiplexing) käyttävän optisen linkin monitorointia linkillä kulkevan signaalin tilan ja ominaisuuksien valvomiseksi.

Keksinnön tausta 10 Optisissa siirtojärjestelmissä moduloidaan lähetettävän datavirran avulla optista signaalia ja moduloitu optinen signaali syötetään optiselle kuidulle. Järjestelmän kapasiteetin kasvattamiseksi voidaan kasvattaa datavirran kaistanleveyttä tai ottaa käyttöön lisää aallonpituuksia, joita kutakin moduloidaan omalla datavirrallaan. Jälkimmäistä vaihtoehtoa kutsutaan aallonpituus-15 multipleksoinniksi.

Aallonpituusmultipleksointi on tehokas tapa lisätä optisen kuidun kapasiteettia moninkertaiseksi. Aallonpituusmultipleksoinnissa useat itsenäiset lähetin-vastaanotin-parit käyttävät samaa kuitua. Kuvioissa 1a ja 1b on havainnollistettu aallonpituusmultipleksoinnin periaatetta käyttäen esimerkkinä 20 järjestelmää, jossa on neljä rinnakkaista lähetin-vastaanotin-paria. Jokainen neljästä informaatiolähteestä (ei esitetty kuviossa) moduloi yhtä neljästä opti-sesta lähettimestä, joista kukin tuottaa valoa eri aallonpituudella (λ.,...λ4). Kuten kuviosta 1a havaitaan, kunkin lähteen modulaatiokaistanleveys on pienempi kuin aallonpituuksien väli, joten moduloitujen signaalien spektrit eivät 25 mene päällekkäin. Lähettimien tuottamat signaalit yhdistetään samalle opti- • · · l,'.' selle kuidulle OF WDM-multiplekserissa WDM1, joka on täysin optinen (ja usein passiivinen) komponentti. Kuidun vastakkaisessa päässä WDM-demultiplekseri WDM2, joka on myös täysin optinen (ja usein passiivinen) *·’·* komponentti, erottaa yhdistetyn signaalin eri spektrikomponentit toisistaan.

. v ’ 30 Jokainen näistä signaaleista ilmaistaan omalla vastaanottimellaan. Kullekin ;1; signaalille annetaan siis käyttöön kapea aallonpituusikkuna tietyllä aallonpi- ♦ · * . tuusalueella. Tyypillinen käytännön esimerkki voisi olla järjestelmä, jossa signaalit ovat 1550 nm aallonpituusalueella esim. siten, että ensimmäinen • " signaali on aallonpituudella 1544 nm, toinen signaali aallonpituudella 1548 nm, • * « 35 kolmas signaali aallonpituudella 1552 nm ja neljäs signaali aallonpituudella 2 106678 1556 nm. Nykyisin on aallonpituuksien välisen etäisyyden de-facto-standardiksi muodostumassa 100 GHz:n (n. 0,8 nm:n) monikerta.

Kuidussa kulkevan optisen signaalin spektrin valvomiseksi on nykyisin käytetty spektrianalysaattoria. Koska uusia verkkoja rakennettaessa eräs 5 tärkeä päämäärä on verkon kustannustehokkuus, spektrianalysaattorit ovat tulevaisuudessa kuitenkin huono vaihtoehto, sillä ne ovat kalliita, “yleiskäyttöisiä” mittalaitteita, joita on näistä syistä johtuen mahdoton integroida kustannustehokkaasti WDM-laitteisiin tai -solmuihin. Spektrianalysaattoreilla ei siten myöskään pystytä aikaansaamaan ratkaisua, joka tarjoaisi mahdollisuu-10 den valvoa laajassa mitassa esim. verkon lähettimien ja/tai vahvistimien toimintaa.

Keksinnön yhteenveto

Keksinnön tarkoituksena on päästä eroon edellä kuvatuista epäkoh-15 dista ja saada aikaan ratkaisu, jonka avulla pystytään tehokkaasti ja taloudellisessa mielessä edullisesti valvomaan optisen kuitulinkin spektriä (esim. lähettimen ja/tai vahvistimen toimintaa) tai muita optisen signaalin spektriin liittyviä ominaisuuksia.

Tämä päämäärä saavutetaan ratkaisulla, joka on määritelty itsenäi-20 sissä patenttivaatimuksissa.

t

Keksinnön perusajatuksena on suorittaa WDM-signaalille tai sen i*·.. osalle taajuussiirto siten, että aallonpituudet siirtyvät ihmissilmälle erottuvalle ·:··: aallonpituusalueelle, jollöin optisesta signaalista pystytään synnyttämään : ihmissilmällä visuaalisesti tarkasteltavissa oleva kuva.

« ·« • · 25 Keksinnön erään erittäin edullisen toteutustavan mukaisesti taajuus- siirto suoritetaan toteuttamalla yliaaltojen generointi (harmonic generation) • * · jotakin tähän tarkoitukseen sopivaa epälineaarista materiaalia käyttäen. Rat- . . kaisun etuna on sen yksinkertaisuus, koska generointi (taajuussiirto) tapahtuu • · · passiivisesti ko. materiaalissa. (Epälineaarisuudella tarkoitetaan tässä yhtey- * · · v * 30 dessä yksinkertaisesti sitä, että ko. materiaaliin sisääntulevan (ulkoisen) säh- kökentän ja materiaalin sisällä vallitsevan (sisäisen) sähkökentän välillä ei ole • · · lineaarista riippuvuutta.) ..· Keksinnön mukaisen ratkaisun ansiosta pystytään valvontamekanismi • « ·*// integroimaan erittäin kustannustehokkaasti optiseen verkkoon. Koska valvon- :.··* 35 tamekanismi pystytään toteuttamaan tunnettuja ja taloudellisessa mielessä edullisia komponentteja käyttäen ja koska mekanismi saadaan pieneen tilaan, 106678 sitä voidaan käyttää verkon kaikkien lähettimien ja/tai vahvistimien toiminnan valvomiseen. Lisäksi valvontamekanismin avulla voidaan helposti saada signaaliin liittyvää lisäinformaatiota, esim. tietoa spektrikomponenttien tarkoista aallonpituuksista tai intensiteettieroista.

5

Kuvioluettelo

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia toteutustapoja kuvataan tarkemmin viitaten kuvioihin 2...5 oheisten piirustusten mukaisissa esimerkeissä, joissa 10 kuviot 1a ja 1b havainnollistavat aallonpituusmultipleksointia käyttä vää optista siirtojärjestelmää, kuvio 2 havainnollistaa keksinnön mukaista valvontaperiaatetta, kuviot 3a ja 3b havainnollistavat keksinnön mukaista yliaaltojen generointia, 15 kuvio 4 havainnollistaa erään monitorointilaitteen periaatteellista rakennetta, ja kuvio 5 havainnollistaa erästä mahdollista valvontahenkilölle näkyvää kuvaa.

20 Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus «

Optisen spektrin alueena pidetään yleensä sähkömagneettisen spews'·.. rin sitä osaa, joka ulottuu 1 nanometristä (1 nm) 100 mikrometriin (100 pm) eli • ·:··: lyhyimmistä ultraviolettiaällonpituuksista pisimpiin infrapuna-aallonpituuksiin.

.·.i: Ihmissilmälle erottuva näkyvän valon alue on tästä optisesta spektristä se alue, 25 joka ulottuu n. 400 nanometrin aallonpituudelta (violetti valo) n. 800 nanomet-• · · * .«·. rin aallonpituuteen (punainen valo).

• · · * Optiset siirtojäijestelmät toimivat sen sijaan aallonpituuksilla, jotka , , ovat suurempia kuin ihmissilmälle erottuvat aallonpituudet. Nykyisin käytössä • · · *;*;* olevat aallonpituusalueet ovat 1300 nm:n alue ja 1500 nm:n alue.

* 30 Jotta optisen linkin toimintaa (lähettimen ja kuidun kuntoa) voitaisiin kuitenkin valvoa yksinkertaisesti ja taloudellisesti edullista laitteistoa käyttäen, • · · „suoritetaan kuidussa kulkevalle yhdistetylle signaalille keksinnön mukaisesti taajuussiirto siten, että kaikki WDM-signaalin sisältämät aallonpituudet muuttu- • « :i(" vat näkyvän valon alueella oleviksi aallonpituuksiksi.

35 Kuviossa 2 on havainnollistettu keksinnön mukaisen monitoroinnin periaatetta. Optiselta kuitulinkiltä OL, joka muodostuu optisen multiplekserin 4 106678 OM ja optisen demultiplekserin OD väliin, otetaan joko lähetys- tai vastaanottopäässä (kuviossa on oletettu näytteenoton tapahtuvan vastaanottopäässä) näyte kuidulla kulkevasta WDM-signaalista. Näytteenotto voi tapahtua esim. säteenjakajan (beam splitter) BS avulla. Säteenjakaja on tunnettu optinen 5 laite, joka jakaa siihen tulevan säteen kahteen tai useampaan säteeseen. Yksinkertaisimmillaan tällainen laite voi muodostua hyvin ohuesta lasilevystä, joka on asetettu haluttuun kulmaan tulevaan säteeseen nähden. Tietty osuus WDM-signaalin kokonaistehosta (esim. luokkaa 1 %) heijastuu tällöin monito-rointihaaraan MB ja loppuosa jatkaa matkaansa varsinaista kuitulinkkiä pitkin. 10 Näytteenotolla tarkoitetaan siis sitä, että valvontaa varten saadaan informaatio kuidun spektristä. Säteenjakajan sijasta voidaan käyttää esim. optista haaroi-tinta (optical tap), joka on toisiinsa kytkeytyvistä valokanavista muodostuva laite, jossa haluttu osuus valosta kytkeytyy näytehaaraan.

Monitorointihaarassa MB saapuvalle signaalille suoritetaan taajuus-15 siirto siten, että optisella linkillä käytettävät aallonpituudet muuntuvat aallonpituuksiksi, jotka ovat ihmissilmälle erottuvalla aallonpituusalueella. Tämä taa-juussiirto on edullista toteuttaa epälineaarisessa materiaalissa tapahtuvan yliaaltogeneroinnin (harmonic generation) avulla. Kuten tunnettua, yliaaltojen generoinnissa sähkömagneettinen säteily, jolla on tietty taajuus muuntuu 20 säteilyksi, jolla on jokin alkuperäiseen taajuuteen nähden kerrannainen (multiple) taajuus. Tällainen ilmiö voi syntyä silloin, kun valonsäde kulkee epälineaarisen optisen väliaineen kautta. Tällaista väliainetta käytetään hyväk- « si keksinnön mukaisen laitteen käytännön toteutuksessa, kuten jäljempänä | kuvataan. Kuviossa taajuussiirtoa on havainnollistettu yleisesti taajuussiir- 25 toelementillä FS, joka voi toimia juuri esim. taajuuskertojana (harmonisten • · · l.'.' generoijana).

• · · * Muunnetuilla aallonpituuksilla olevat signaalit johdetaan tämän jälkeen aallonpituuksien erotuslaitteelle WS, joka erottaa eri aallonpituudet • · · *·*·* avaruudellisesti (spatially) toisistaan niin, että haluttuun fokus-tasoon, jossa voi

: 30 olla esim. varjostin SC voidaan muodostaa kuva, jota operaattorihenkilö OP

.*·*: voi tarkastella. Aallonpituuksien erotuslaite voi olla esim. hila tai prisma.

Kuvioissa 3a ja 3b on havainnollistettu keksinnön mukaisessa vai-• · * vontahaarassa toteutettavaa taajuussiirtoa. Kuviossa 3a on esitetty linkiltä • " (säteenjakajalta) tulevaa spektriä, kun oletetaan, että linkillä siirretään neljä • · · 35 aallonpituutta (λ,...λ4). Kuviossa 3b on puolestaan esitetty taajuussiirron jälkeistä spektriä, kun taajuussiirto toteutetaan yliaaltojen generoinnin avulla.

5 106678

Yliaaltojen generoinnin seurauksena kukin tuleva aallonpituus tulee jaettua kokonaisluvulla N, joten taajuussiirron jälkeen saadaan aallonpituudet λ/Ν, Xj/N, λ3/Ν ja λ4/Ν. Käytännössä N saa joko arvon 2 (toinen harmoninen) tai arvon 3 (kolmas harmoninen), jotta taajuussiirron jälkeiset aallonpituudet ovat 5 sellaisia, että ne sijaitsevat ihmissilmälle näkyvällä aallonpituusalueella VR. Jos oletetaan esimerkiksi, että käytetyt aallonpituudet ovat välillä 1545...1560 nm, yliaaltojen generoinnissa hyödynnetään kolmatta harmonista, jolloin tuloksena saatavat aallonpituudet ovat välillä 515...520 nm (jotka ihmissilmä näkee vihertävänä valona). Eri aallonpituuksille saadaan riittävä avaruudellinen 10 erotus, kun erotuslaitteessa WS käytetään tarpeeksi suurta spektristä resoluutiota.

Kuviossa 4 on havainnollistettu erään keksinnön mukaisen monito-rointihaaran MB käytännön rakennetta. Monitorointihaaran optinen kuitu OFm, joka tulee säteenjakajalta BS, kytketään ensin kollimoivalle optiikalle CO, jonka 15 avulla muodostetaan tulevasta optisesta signaalista ensin kollimoitu säde. Tämä kollimoiva optiikka voidaan toteuttaa esim. tunnetun GRIN-linssin (Gradient Index Lens) avulla.

Kollimoitu säde johdetaan epälineaariseen elementtiin NLE, joka toimii aaltojohteena ja jossa tapahtuu yliaaltojen generointi. Tämä elementti voi 20 olla esim. litiumniobaattikide (LiNb03), joka on riittävän leveä ottamaan vas- taan säteen. Erilaisia materiaaleja, joissa saadaan aikaan yliaallot on muitakin, mutta litiumniobaatti on näistä ehkä yleisimmin käytetty. Osassa näitä muita ·:··· materiaaleja voi harmonisten syntytehokkuus olla suurempikin kuin litiumnio- baatissa. Aaltojohteena toimivan elementin pituus riippuu materiaalin epäline- .·.·* 25 aarisuudesta. Mitoitus tehdään sinänsä tunnetulla tavalla siten, että yliaaltojen « · · generointi saadaan maksimoitua, mikä syntyy tilanteessa, jossa sekoitustulok-sen vaimeneminen materiaalissa ja yliaaltojen tuotto ovat tasapainossa. Käytännössä elementin pituus voi olla esim. luokkaa 10 mm. Elementissä syntyy • · · *·*·* käytännössä muitakin harmonisia taajuuksia kuin haluttu toinen tai kolmas • · · . : 30 harmoninen, mutta ne eivät häiritse monitorointia, eikä niitä tarvitse suodattaa.

.***; Säde, jonka aallonpituudet ovat muuttuneet elementissä NLE, johde- • * · taan tämän jälkeen diffraktioelementtiin DE, joka taittaa eri aallonpituudet eri kulmiin. Diffraktioelementti voi olla esim. hila tai prisma. Diffraktioelementiltä i ” säde CB (joka on oleellisesti kollimoitu säde) johdetaan fokusoivalle optiikalle • · · 35 FO, joka synnyttää kuvan haluttuun fokus-tasoon. Kuviossa 5 on havainnollistettu erästä mahdollista operaattorihenkilölle näkyvää kuvaa: kuva voi sisältää 6 106678 esim. rivin pisteitä, yksi kutakin aallonpituutta kohti. Ihmissilmälle (HE) nämä pisteet näyttävät saman värisiltä, sillä aallonpituuserot ovat niin pienet, että ihmissilmä ei pysty erottamaan värieroja.

Fokus-tasossa voi olla varjostin (screen), jota tarkastellaan suoraan 5 ihmissilmällä tai vaihtoehtoisesti fokustasoa voidaan tarkastella jollakin sopivalla okulaarilaitteella (eyepiece) EP, kuten kuviossa 4 esitetään. Käytännössä on edullista käyttää suurentavaa laitetta, koska aallonpituudet ovat hyvin lähellä toisiaan. Suurentava laite voi olla esim. mikroskooppiokulaari (microscope eyepiece). Laitteessa voi olla esim. hiusristikko (CL, kuvio 5), 10 jonka avulla saadaan tarkempi aallonpituusinformaatio.

Kuten edellä esitettiin, signaalia monitoroiva laite voidaan koota sinänsä tunnetuista komponenteista. Tällaisen visuaalisen valvontajärjestelyn avulla kuidulla kulkevan signaalin spektriä voidaan tarkkailla jatkuvasti erilaisten linkkiongelmien varalta. Yhden tai useamman aallonpituuden puuttumisen 15 lisäksi voidaan menetelmää käyttäen saada, sopivan kalibroinnin avulla, esim. tarkkaa aallonpituusinformaatiota. Lisäksi jo pelkällä paljaalla silmällä saadaan tietoa eri aallonpituuksien intensiteettieroista. Tämä johtuu siitä, että aallonpituudet ovat (muunnoksen seurauksena) näkyvällä alueella varsin lähellä toisiaan, jolloin ihmissilmän havaitsemat intensiteettierot vastaavat todellisia 20 intensiteettieroja.

Koska keksinnön mukainen laite saadaan pieneen tilaan, se voidaan i\. periaatteessa integroida mihin tahansa optiseen lähettimeen tai vahvistimeen ko. elementin toiminnan valvomiseksi.

Haluttujen näkyvien aallonpituuksien generointi voi tapahtua myös .·.·*. 25 esim. epälineaarisessa elementissä tapahtuvan sekoituksen, esim. neliaal- • · · l··' tosekoituksen (four-wave mixing) avulla toteutettavana taajuussiirtona. Tällöin * voidaan käyttää esim. erillistä pumppulaseria, jolla syötetään halutun taajuinen pumppusignaali epälineaariseen elementtiin. Jos säteenjakajalta tulevan '·*·’ varsinaisen signaalin taajuus on f1 ja pumppulaser toimii taajuudella f3, saa- ··· : 30 daan epälineaarisen elementin ulostuloon erilaisia sekoitustuloksia, mm.

.··*. taajuus 2xf3-f 1, joka voisi käytännössä olla haluttu taajuus (näkyvä aallonpi- ··· tuus). Myös sekoitettavien taajuuksien summataajuus voisi käytännössä muodostaa halutun taajuuden. Epälineaarinen elementti, johon pumppusig- i “ naali syötetään, voi olla esim. pätkä yksimuotokuitua tai puolijohdepala, joka * · · 35 toimii yksimuotoaaltojohtimena. On myös mahdollista käyttää puolijohdelaser-vahvistinta, joka toimii samalla sekä pumppulaserina että epälineaarisena 7 106678 elementtinä, jolloin sekoittuminen tapahtuu laservahvistimessa. Taajuussiirron ei siis välttämättä tarvitse tapahtua yliaaltojen generointina, joskin tällainen passiivinen generointi on taloudellisesti edullisin sekä yksinkertaisin tapa toteuttaa monitorointi.

5 Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Keksinnön mukaisen katselulaitteen tarkempi rakenne voi näin ollen vaihdella ja samanlaisen funktionaalisuuden saavuttamiseksi voi-10 daan käyttää erilaisia (tunnettuja) komponentteja. Käytetty ilmaisin voi olla elektroninenkin, esim. kamera, mutta silloin menetetään osa keksinnön eduista. Keksinnön mukaista periaatetta voi käyttää myös linkillä, jossa kulkee vain yksi aallonpituus. Kun siis oheisissa patenttivaatimuksissa puhutaan joukosta eri aallonpituuksilla olevia signaaleja, on mahdollista, että tällainen joukko 15 sisältää ainoastaan yhden signaalin (yhden aallonpituuden).

« « « « « · II1 « · « « · • · I · » • ·· • · • · • · · • · · • · «·« • · · • · · t • · • · · - · · · • · • · · • · 1 ♦ · · • · · • · • · • · • · • ♦ 1 · · • · * · « · »

Claims (7)

106678 Pate ntti vaatim u kset:

1. Menetelmä optisen siirtoyhteyden kunnon valvomiseksi, joka siirtoyhteys käsittää ainakin yhden optisen kuidun (OF), jonka menetelmän mukaisesti 5. lähetetään kuidulle joukko signaaleja, jotka ovat keskenään eri aallonpituuksilla, ja - otetaan kuidulla kulkevista signaaleista näyte erilliseen valvontahaa-raan (MB) signaalin kelvollisuuden valvomiseksi, tunnettu siitä, että 10. signaalien aallonpituudet muunnetaan valvontahaarassa ihmissil mälle näkyvälle aallonpituusalueelle, ja - muunnoksen jälkeen muodostetaan signaaleista kuva signaalien visuaalista valvontaa varten.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että aallonpituuksien muunto suoritetaan passiivisesti epälineaarisessa materiaalissa tapahtuvan yliaaltojen generoinnin (harmonic generation) avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostettua kuvaa tarkastellaan suurentavan tarkastelulaitteen (EP) avulla.

4. Valvontajärjestely optista siirtoyhteyttä varten, joka siirtoyhteys käsittää ainakin yhden optisen kuidun (OF) ja joka valvontajärjestely käsittää : haaroituselimet (BS) kuidulla kulkevia signaaleja edustavan näytesignaalin «« · y." haaroittamiseksi kuidulta erilliseen valvontahaaraan (MB), tunnettu siitä, että valvontajärjestely käsittää lisäksi 25. taajuusmuunnoselimet (FM; NLE) signaalien aallonpituuksien *. .* muuntamiseksi valvontahaarassa ihmissilmälle näkyvälle aallonpituusalueelle, • · · • · · ja • · · *·* * - kuvanmuodostuselimet (DE, FO) kuvan muodostamiseksi muunne tuilla aallonpituuksilla olevista signaaleista signaalien visuaalista valvontaa • · v.: 30 varten.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen valvontajärjestely, tunnettu ,···. siitä, että taajuusmuunnoselimet käsittävät epälineaarista materiaalia olevan • * optisen aaltojohteen (NLE).

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen valvontajärjestely, tunnettu • I • *·· 35 siitä, että kuvanmuodostuselimet käsittävät diffraktioelementin (DE) eri aallon- pituuksien erottamiseksi avaruudellisesti toisistaan. 9 106678

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen valvontajärjestely, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi suurentavan tarkastelulaitteen (EP) kuvan visuaalista tarkastelua varten. « « 1 « « « «· « ·« • 1 ♦ · · • · · • · • · • · · • · • · · • ♦ · • · · · • · 1 « · • · · • « · • · 1 • « · • 4 1 • « • · • · · • · 106678