ITTO940405A1

ITTO940405A1 - Procedimento e dispositivo per il controllo della potenza di picco di un trasmettitore laser in sistemi di trasmissione ottica discontinua.

Info

Publication number: ITTO940405A1
Application number: IT94TO000405A
Authority: IT
Inventors: Paolo Solina; Maurizio Valvo
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telecom
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1995-11-20
Also published as: ITTO940405A0; EP0683552B1; DE69506034T2; IT1268058B1; DE69506034D1; ES2087841T1; ES2087841T3; EP0683552A2; GR960300038T1; DE683552T1; US5530712A; EP0683552A3

Abstract

IL DISPOSITIVO CONTROLLA LA POTENZA DI PICCO AGENDO SULLA CORRENTE DI SOGLIA DEL TRASMETTITORE. UN CIRCUITO DI CAMPIONAMENTO E TENUTA (SH) CAMPIONA LA CORRENTE FORNITA DAL RIVELATORE DI MONITORAGGIO ASSOCIATO AL TRASMETTITORE, E UN'UNITA' ELABORATIVA (MP) RICAVA UN VALORE EFFETTIVO DELLA POTENZA DI PICCO COME MEDIA TRA I VALORI ASSOCIATI A UN CERTO NUMERO DI CAMPIONI DELLA CORRENTE DI MONITORAGGIO E. IN CASO DI DISCORDANZA TRA IL VALORE EFFETTIVO E UN VALORE VOLUTO, RICAVA UN VALORE CORRETTO PER LA CORRENTE DI SOGLIA.(FIG. 2).

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER IL CONTROLLO DELLA POTENZA DI PICCO DI UN TRASMETTITORE LASER IN SISTEMI DI TRASMISSIONE OTTICA DISCONTINUA"

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di comunicazione ottica, e più in particolare ha per oggetto un procedimento e un dispositivo per il controllo della potenza di picco di un trasmettitore laser in sistemi di trasmissione discontinua.

In particolare, l'invenzione può trovare applicazione in trasmettitori ottici a burst, come quelli utilizzati nelle terminazioni ottiche di utente in reti ottiche passive basate sulla tecnica di accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA = Time Division Multiple Access).

E' noto che un trasmettitore laser presenta variazioni della potenza di picco correlate alle variazioni di temperatura e all'invecchiamento del componente. E' allora abituale associare ai laser sistemi di controllo della potenza di uscita per compensare queste variazioni e, in particolare, per compensare le variazioni della corrente di soglia. Le tecniche di controllo convenzionali, studiate per trasmissioni continue, prevedono un rivelatore di controllo che preleva una parte delia potenza di uscita e fornisce un segnale proporzionale alla potenza media il quale viene inviato in un anello di controllo a bassissima frequenza. Una descrizione delle tecniche di controllo convenzionali può essere reperita in "Semiconductor Devices for Optical Communication", Springer-Verlag 1982, a cura di H. Kressel, Cap. 5.6 "Laser Drivers", P.W. Shumate and M. Di Domenico, Jr., pagg. 182-188.

In una rete ottica basata su tecniche TDMA, i trasmettitori Iato utente inviano in linea pacchetti di dati in modo discontinuo, dovendo condividere la stessa rete trasmissiva. Non si ha inoltre nessuna informazione sulla statistica dei dati e sul valore medio del segnale all'interno dei pacchetti da trasmettere. Non sono quindi utilizzabili i sistemi convenzionali, basati appunto sulla misura della potenza media. Inoltre, i rivelatori di controllo presenti nei moduli laser commerciali, a causa della limitata risposta in frequenza, non consentono la realizzazione di sistemi di controllo della potenza di picco ad alte velocità di trasmissione (dell'ordine delle centinaia di Mbit/s o dei Gbit/s, o anche superiori).

Lo scopo dell’invenzione è quello di fornire un procedimento e un dispositivo che permettano il controllo delta potenza di picco del laser, in modo da poter tenere conto delle variazioni delia caratteristica anche in caso di trasmissioni a burst ad alta velocità.

Secondo l'invenzione si fornisce quindi un procedimento in cui il laser è modulato da una corrente risultante dalla combinazione di una corrente di soglia e di una corrente dovuta a un segnale dati e in cui si preleva una frazione del segnale di uscita del laser, la si converte in una corrente di monitoraggio, si campiona tale corrente di monitoraggio, si ricava un valore effettivo della potenza di picco come media su un numero prefissato di campioni di corrente di monitoraggio, si confronta il valore effettivo della potenza di picco così trovato con un valore voluto della potenza di picco e si ricava dalla eventuale differenza tra il valore voluto e il valore effettivo un valore aggiornato per la corrente di soglia del laser, atto a compensare detta differenza.

E' anche oggetto dell'invenzione un dispositivo per realizzare il procedimento, comprendente:

- un circuito di campionamento della corrente di monitoraggio; e

- un'unità elaborala atta a: ricavare un valore effettivo della potenza di picco come media su un numero prefissato di campioni di corrente; confrontare il valore effettivo della potenza di picco così trovato con un valore voluto di tale potenza; ricavare dalla differenza tra il valore voluto e il valore effettivo un valore aggiornato per la corrente di soglia del laser, atto a compensare detta differenza; fornire il valore aggiornalo ai generatore di corrente di soglia .

A maggior chiarimento si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la Fig. 1 è lo schema a blocchi del trasmettitore di utente di un sistema di trasmissione discontinua che impiega l'invenzione;

- la Fig. 2 è lo schema del dispositivo di controllo della potenza di picco, oggetto dell'invenzione;

- la Fig. 3 è un diagramma di flusso delle operazioni della unità dì elaborazione del dispositivo; e

- la Fig. 4 rappresenta alcuni segnali di temporizzazione delle operazioni del dispositivo.

Nella Fig. 1 si è rappresentato lo schema del trasmettitore ottico di utente di una rete ottica passiva in tecnica TDMA. Ove necessario, si farà riferimento a titolo di esemplo non limitativo a una trasmissione a 622 Mbit/s organizzata in celle ATM di 53 byte con un preambolo di 3 byte, comprendente un tempo di guardia di 1 byte e una parola di allineamento comprendente 3 bit iniziali sempre ad 1. Si suppone inoltre che il trasmettitore venga disattivato durante i tempi di guardia, in modo che non vi sia potenza ottica in linea durante tali tempi.

Un trasmettitore laser commerciale TL comprende, oltre al laser vero e proprio L, un rivelatore di controllo o di monitoraggio RV ed eventualmente un dispositivo di raffreddamento RF e un termistore TE associati a convenzionali dispositivi esterni di controllo della temperatura CT. Il laser L è modulato da una corrente ottenuta combinando in un sommatore SM una corrente ld dovuta al segnale dati e una corrente di soglia I5, fornite da rispettivi generatori GD, GS1. I due generatori ricevono da una sorgente dati, non rappresentata, il segnale dati e rispettivamente un segnale dì inviluppo di cella, che consente di attivare GS1 in corrispondenza del fronte di salita del primo bit del pacchetto e di disattivarlo in corrispondenza del fronte di discesa dell'ultimo bit. I due segnali sono presenti su rispettivi fili 1, 2.

Il generatore di corrente di soglia GS1 è comandato da un circuito di controllo della potenza di picco CP, che costituisce l'oggetto dell'invenzione. Il circuito CP si basa sull'acquisizione rapida, per un certo numero di celle successive, del valore lm della corrente di uscita del rivelatore RV dopo i primi 3 bit della parola di allineamento e su una elaborazione mediata dei dati acquisiti. Mediante queste elaborazioni, CP determina il valore effettivo della potenza di picco, lo confronta con un valore dì riferimento predeterminato e sulla base di tale confronto calcola e fornisce a GS1 un valore corretto per la corrente di soglia ls- La corrente lm di uscita del rivelatore RV viene fornita a CP tramite un filo 3, dopo essere stata amplificata in un amplificatore a larga banda AM con guadagno e frequenza di taglio regolabili per compensare differenze di risposta e di larghezza di banda di rivelatori diversi. CP fornisce a GS1 il valore corretto di ls tramite una connessione 4, unitamente a un comando di caricamento inviato tramite un filo 5. Il circuito CP riceve tramite il filo 2 anche il segnale di inviluppo di cella, che viene utilizzato per ricavare i necessari segnali di temporizzazione delle operazioni di CP.

Come mostrato in Fig. 2, il circuito CP comprende un raddrizzatore RD per raddrizzare il segnale presente sul filo 3 e un condensatore C che memorizza il segnale raddrizzato e viene scaricato alla fine di ogni pacchetto, indipendentemente da quanto avviene nella restante porzione del circuito; in particolare il condensatore C resta chiuso a massa, tramite un interruttore IN, a partire dal fronte di discesa del segnale di inviluppo di celia per un periodo corrispondente alla durata di alcuni bit (tipicamente 2 o 3). L'interruttore IN è comandato da un segnale SC fornito sul filo 6 da una base dei tempi BT la quale ricava i segnali di temporizzazione necessari per il funzionamento di CP dal segnale di inviluppo di cella presente sul filo 2. Il condensatore di memoria C non è indispensabile; tuttavia la sua presenza consente di avere tolleranze più ampie per l'istante di campionamento e di utilizzare circuiti di campionamento e tenuta più lenti e quindi meno costosi. Il segnale raddrizzato viene poi fornito a un circuito di campionamento e tenuta SH, comandato da BT. Il segnale uscente dal circuito SH, convertito in forma numerica da un convertitore analogico-numerico AD, viene fornito a una unità elaborativa UE che compie le operazioni necessarie ad ottenere il valore IS- Tali operazioni saranno descritte con maggiore dettaglio In seguito. Il convertitore AD riceve dalla base dei tempi BT un segnale di inizio conversione SOC e genera un segnale di fine conversione EOC; durante la conversione viene inibita l'acquisizione di nuovi campioni e quindi il segnale di fine conversione costituisce anche un segnale di abilitazione per il circuito SH.

Tenuto conto dei tempi di elaborazione di AD, potrà accadere che l'acquisizione del valore di picco non venga realizzata in corrispondenza di tutte le celle. In particolare nell'esempio citato ogni celia dura circa 0,7 ps, mentre il tempo di conversione del convertitore AD è di circa 20 ps e durante tale tempo l'acquisizione di nuovi campioni resta inibita. Questo fatto non ha però importanza, perché le variazioni di potenza di picco sono normalmente molto lente rispetto al minimo intervallo di tempo tra campioni successivi.

Al termine delle elaborazioni il valore 1S calcolato viene presentato sulla connessione 4 e trasformato in forma analogica in un convertitore numerico· analogico, non rappresentato, contenuto nel generatore GS1 ; il caricamento di ls in GS1 è comandato dal segnale presènte sul filo 5.

Si noti che il convertitore AD e l'unità elaborativa UE possono essere entrambi integrati in uno stesso microelaboratore commerciale MP.

Le elaborazioni compiute da UE sono le seguenti.

Siano ls = valore della corrente di soglia da calcolare, lsi = valore impostato della corrente di soglia, Imod = corrente totale di modulazione data dalla somma della corrente di soglia e della corrente dati ld. Pp = potenza di picco, P r = potenza di picco da mantenere (riferimento), ηι = efficienza di conversione optoelettrica del fotodiodo RV, η2 = efficienza quantica differenziale del laser.

L'unità elaborativa riceve un certo numero di campioni successivi della corrente lm fornita in uscita dal ricevitore RV e ricava per ognuno lp e Pp. Ip è calcolata applicando la formula

dove t è la durata dei 3 bit suddetti della parola di allineamento (4,8 ns nell'esempio considerato) e τ è la costante di tempo di carica della capacità complessiva del rivelatore RV e deH'amplificatore AM. La potenza di picco Pp è ricavata da lp tramite la formula Pp = Ιρ/ηΐ· Al termine della sequenza di campioni, UE calcola la media Pp* dei valori Pp trovati, la confronta con il valore voluto Pr e calcola la variazione della corrente di modulazione totale, data da:

D'altro canto, poiché non si effettua un controllo su ld, si ha che:

Uguagliando i secondi membri delle espressioni (2) e (3), si ricava quindi li nuovo valore di corrente di soglia fornito a GS1. Il circuito sarà inizializzato caricando nell'unità elaborativa UE un valore iniziale della corrente di soglia Isi = >ss· dove <ss corrisponde al valore nominale della corrente di soglia del laser all'inizio della sua vita. Il caricamento di iss è schematizzato dalla presenza di un generatore GS2 ma ovviamente potrà essere realizzato via software. Al termine di ciascun ciclo di calcolo della corrente di soglia corretta, si aggiorna il valore di Isi con il nuovo valore di ls- Nel caso in cui due valori successivi di Pp* differiscano di una quantità superiore a una soglia prefissata, si potrà variare il numero N per avere un aggiornamento più frequente. Le operazioni descritte sono anche rappresentate nel diagramma di flusso di Fig. 3.

L'introduzione del convertitore analogico-numerico a monte del microprocessore implica l'introduzione di un errore di quantizzazione nel calcolo del valore ls che dipende in ultima analisi dal "peso" attribuito ai bit meno significativo, essendo tale "peso* definito dal rapporto tra il valore massimo che può assumere ia corrente ls e il numero di configurazioni a disposizione per la conversione, pari a 2n, dove n è il parallelismo del convertitore; tipicamente si fa ricorso a convertitori a 8 bit, i quali assicurano un sufficiente grado di approssimazione.

il numero di campioni da mediare dipenderà dalle particolari esigenze del trasmettitore: per esempio, si potrà scegliere tra una correzione più accurata (che richiede un numero elevato di campioni) o una correzione più veloce. Il primo caso si può verificare quando è implementato un controllo di temperatura, in modo che non ci sono particolari esigenze di velocità e si possono mediare anche un centinaio di campioni; al contrario, se manca un controllo di temperatura, l’esigenza di operare rapide correzioni diviene preponderante, per cui, in condizioni di frequenza di trasmissione tipiche, si fa la media di un piccolo numero di campioni, tipicamente da 2 a 4. Siccome si ha a che fare con una trasmissione a burst, potrebbe accadere che un certo trasmettitore resti inattivo per un periodo relativamente lungo, per cui il controllo della caratteristica secondo la presente invenzione non sarebbe possibile; in realtà i protocolli di comunicazione attualmente in uso prevedono che ciascun trasmettitore segnali la propria efficienza inviando periodicamente in rete una cella apposita, grazie alla quale sarà possibile ottenere, in un tempo tale da non causare problemi di perdita di controllo, una serie di valori campionati che consenta di attivare la correzione della corrente di soglia.

Nella Fig. 4 si sono rappresentati, per due celle C1 , C2 interessate dal campionamento, l'inviluppo di cella (linea 2), il segnale SC di scarica del condensatore C, la parola di allineamento UW, la risposta raddrizzata del rivelatore RV a tale parola (linea RD), il segnale S/H di comando del campionamento e della tenuta in SH, i segnali SOC, EOC di inizio e fine conversione; tg1 , tg2 indicano i tempi di guardia che precedono la parola di allineamento delle due celle. Il significato dei vari segnali è chiaro dalla descrizione che precede. Si noti che il campionamento del segnale presente all'uscita di RD può avvenire in corrispondenza di qualsiasi punto della parola di allineamento successivo al terzo bit.

Nel descrivere quanto sopra è stata fatta la ipotesi di lavoro che le variazioni di caratteristica del laser riguardino solamente la corrente di soglia ls, ma in realtà è possibile che si alteri anche la sua efficienza quantica, ovvero il rapporto tra la potenza ottica emessa e l'intensità di corrente applicata. In particolare, l'efficienza quantica tende a ridursi nel tempo, come denuncia il ridursi della pendenza delle caratteristiche potenza-corrente per correnti maggiori della corrente di soglia. Per tenere conto di ciò sarebbe possibile Introdurre un secondo anello di controllo, utilizzando strumenti in grado di monitorare il rapporto suddetto e di agire in combinazione con il circuito sopra descritto al fine di realizzare un più accurato controllo di potenza. Il circuito descritto sarebbe allora disabilitato durante il controllo della pendenza.

E' evidente che all'esempio di realizzazione precedentemente descritto a titolo illustrativo e non limitativo potranno essere apportate numerose modificazioni, adattamenti, integrazioni, varianti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti senza peraltro uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione. In particolare, è chiaro che l'unità elaborativa potrà calcolare la media dei valori di corrente lm e ricavare Pp* da un valor medio lm*·

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Procedimento per il controllo della potenza di picco di un trasmettitore laser in un sistema di trasmissione discontinua, in cui il laser (L) è modulato da una corrente di modulazione risultante dalla combinazione di una corrente di soglia e di una corrente dovuta a un segnale dati e in cui si preleva una frazione del segnale di uscita del laser e la si converte in una corrente' di monitoraggio, caratterizzato dal fatto che si campiona tale corrente di monitoraggio, si ricava un valore effettivo della potenza di picco come media calcolata su un numero prefissato di campioni di corrente di monitoraggio, si confronta il valore effettivo della potenza di picco cosi trovato con un valore voluto della potenza di picco e si ricava dalla eventuale differenza tra il valore di riferimento e il valore effettivo un valore aggiornato per la corrente di soglia del laser, atto a compensare detta differenza.
2. Procedimento secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che, prima del campionamento, si raddrizza la corrente di monitoraggio e si memorizza la corrente raddrizzata in un condensatore di memoria (C).
3. Procedimento secondo la riv. 1 o 2, caratterizzato dal fatto che i campioni della corrente di monitoraggio sono convertiti in forma numerica.
4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la trasmissione discontinua è una trasmissione a pacchetti in cui ogni pacchetto inizia con una parola di allineamento comprendente un gruppo iniziale di bit a valore logico prefissato, e dal fatto che il campionamento viene effettuato in corrispondenza di detta parola, dopo l'ultimo bit di detto gruppo.
5. Procedimento secondo la riv. 4 se riferita alla riv. 3, caratterizzato dal fatto che si memorizza la corrente di monitoraggio per un tempo corrispondente alla durata di un pacchetto.
6. Dispositivo per il controllo della potenza di picco di un trasmettitore laser (TL) in un sistema di trasmissione discontinua, in cui il trasmettitore (TL) è modulato da una corrente risultante dalla combinazione di una corrente di soglia, fornita da un generatore di corrente di soglia (GS1) e di una corrente dovuta a un segnale dati, fornita da un generatore di corrente di dati (GD) ed è associato a un rivelatore di monitoraggio (RV) che preleva una frazione del segnale di uscita del laser e la converte in una corrente di monitoraggio, caratterizzato dal fatto di comprendere: - un circuito (SH) di campionamento della corrente di monitoraggio; e - un'unità elaborativa (UE) atta a: ricavare un valore effettivo della potenza di picco come media su un numero prefissato di campioni di corrente di monitoraggio; confrontare II valore effettivo della potenza di picco cosi trovato con un valore voluto di tale potenza; ricavare dalla differenza tra il valore voluto e il valore effettivo un valore aggiornato per la corrente di soglia del laser, atto a compensare detta differenza; fornire II valore aggiornato ai generatore di corrente di soglia (GS1).
7. Dispositivo secondo la riv. 6, caratterizzato dal fatto di comprendere un condensatore di memoria (C) a monte del circuito di campionamento (SH).
8. Dispositivo secondo la riv. 6 o 7, caratterizzato dai fatto che l'unità elaborativa (UE) viene inizializzata con un valore di corrente di soglia corrispondente alla corrente di soglia nominale del trasmettitore (TL) all'inizio della sua vita.
9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto che il trasmettitore laser (TL) è un trasmettitore di utente di una rete di comunicazione ottica in tecnica TDMA, in cui si trasmettono pacchetti che Iniziano con una parola comprendente un gruppo iniziale di bit a valore logico prefissato, e dal fatto che il circuito di campionamento (SH) ò abilitato a campionare la corrente di monitoraggio fornita da detto rivelatore (RV) in risposta alla parte della parola iniziale che segue detto gruppo di bit.
10. Dispositivo secondo la riv. 9, caratterizzato dai fatto che la rete di comunicazione ottica in tecnica TOMA è una rete ottica passiva e i pacchetti sono celle ATM.