DE102004008393B4

DE102004008393B4 - Optischer Faserverstärker mit Feed-Forward- und Feedback-Regelung

Info

Publication number: DE102004008393B4
Application number: DE102004008393A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Rapp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Xieon Networks SARL
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE102004008393A1

Abstract

Optischer Faserverstärker für ein Wellenlängenmultiplex-Signal mit einer Feed-Forward-Regelung (FF) und einer Feedback-Regelung (FB) jeweils zur Steuerung der Verstärkung in wenigstens einer ersten und einer zweiten Verstärkerstufe (V1, V2), dadurch gekennzeichnet, dass die Feed-Forward-Regelung (FF) ein zeitverzögerndes Element (E) aufweist, um Leistungstransienten im Wellenlängenmultiplex-Signal zu unterdrücken.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Faserverstärker mit Feed-Forward- und Feedback-Regelung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Optische Verstärker wie Erbium-dotierte Faserverstärker werden zunehmend in regionalen und Metro-Netzen eingesetzt, nachdem sie der Wellenlängenmultiplex-WDM-Technik in Weitverkehrssystemen zum Durchbruch verholfen haben. Für diese zusätzlichen Anwendungen ist es erforderlich, die Kosten für diese Komponenten zu senken. Bei dynamisch rekonfigurierbaren Netzwerken ist es weiterhin notwendig, die Signalqualität aufrechtzuerhalten und deren zeitliches Verhalten, z. B. bei Ausfallen, Dropen, Addieren einiger Kanäle eines übertragenen WDM-Signals, zu optimieren.
In diesem Sinne werden z. B. bei ein- oder mehrstufigen Faserverstärkern zahlreiche Regelungen zur Einebnung des Gewinns bzw. der Leistung der Kanäle, zur Optimierung ihrer Signal-Rauschabstände, ihrer Bitfehlerrate, etc konzipiert. Ein weiterer Aspekt ist das Auftreten von Leistungstransienten der Signale, wenn z. B. einige davon am Eingang eines optischen Verstärkers ausfallen.

Ein ausführliches Beispiel wird in US 2003/0030894 A1 beschrieben, bei dem am Eingang und am Ausgang eines einstufigen Faserverstärkers mit einer Pumpquelle und einer Verstärkungsfaser eine erste sogenannte Feed-Forward-Regelung und eine zweite Feedback-Regelung zur Anpassung des Gewinns des Faserverstärkers sowie eventueller Leistungstransienten der Signale verwendet werden.

Aus US 6414788 A1 ist ein ähnlicher einstufiger Faserverstärker bekannt, der allerdings eine oder mehrere Verstärkungsfasern und Pumpquellen aufweist.

Ferner aus US 2003/0184851 A1 werden für einen zweistufigen Faserverstärker mit einer Pumpquelle pro Verstärkerstufe und einer Verstärkungsfaser sowie Monitormitteln am Eingang und Ausgang der beiden Verstärkerstufe zur Regelung einer ersten Feed-Forward-Regelung und einer zweite Feedback-Regelung verwendet, die gemäß Leistungsmessungen am Eingang und Ausgang der Verstärkerstufe betrieben werden.

Die US Patentschrift 6,366,395 umfasst eine automatische Gewinnregelung für einen optischen Faserverstärker, bei der die gemessene Eingangsleistung dazu benutzt wird, eine gewünschte Ausgangsleistung zu berechnen. Bei der Berechnung der Ausgangsleistung werden der eingestellte Gewinn und Temperatur-Bedingungen berücksichtigt. Dazu ist im Regelungsschaltkreis eine Temperaturmesseinheit angeordnet. Dadurch wird eine flachere Gewinnantwort bei einer variierenden Eingangsleistung erzielt. Der Dynamikbereich des optischen Verstärkers und die Kapazität des gesamten WDM-Systems können auf diese Weise vergrößert werden.

Bei den meisten mehrstufigen Faserverstärkern sind zwischen den Verstärkerstufen Komponenten angeordnet, die einen unerwünschten Einfluss bei den Feed-Forward- und Feedback-Regelungen haben, so dass Transienten der Signale nicht optimal unterdrückt werden. Eine wesentliche Ursache dieses Effekts scheint insbesondere in der Laufzeit dieser Komponenten zu liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen optischen Faserverstärker mit Feed-Forward- und Feedback-Regelung anzugeben, bei dem unerwünschte Transienten von verstärkten Signalen unterdrückt werden. Zusätzlich sollte eine minimale Anzahl von Pumpquellen benötigt werden.

Eine Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen optischen Faserverstärker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Ausgehend von einem optischen Faserverstärker für ein Wellenlängenmultiplex-Signal mit einer Feed-Forward-Regelung und einer Feedback-Regelung jeweils zur Steuerung der Verstärkung in wenigstens einer ersten und einer zweiten Verstärkerstufe, weist erfindungsgemäß die Feed-Forward-Regelung ein zeitverzögerndes Element auf, um Leistungstransienten im Wellenlängenmultiplex-Signal zu unterdrücken. Mit anderen Worten, tritt eine unerwünschte Laufzeit z. B. in einer den Verstär kerstufen zwischengeschalteten optischen Verbindung auf, dient das zeitverzögernde Element zur Kompensation des Einflusses dieser Laufzeit auf das dynamische Verhalten. Damit werden die Reaktionszeiten der Feed-Forward- und der Feedback-Regelung zur dynamischen Steuerung der Verstärkung besser angepasst, so dass Transienten der Signalleistung z. B. bei Änderung der Zahl aktiver Kanäle im WDM-Signal rasch unterdrückt werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass als zeitverzögerndes Element ein einfaches elektrisches Zeitverzögerungsglied in der Feed-Forward-Regelung angeordnet wird. Das Element kann auch als optisches Zeitverzögerungsglied z. B. zwischen der Kopplung der ersten Verstärkerstufe und der Feed-Forward-Regelung geschaltet werden. Unterschiedliche Verzögerungselemente können verwendet werden. Hauptsache ist es, dass sie durch Einführung einer verzögerten Nachführung der Pumpleistung die Wirkung der Laufzeit zwischen den beiden Verstärkerstufe auf die Regelung möglichst gut kompensieren.

Ferner können in mindestens einer der beiden Stufen ein spektral auflösendes Filter angeordnet sein, so dass das Verstärkungsspektrum am Ausgang der letzten Stufe möglichst wellenlängenunabhängig ist. Diese Filter sind jedoch meistens in übrigen optischen Faserverstärkern wie Erbium-dotierten Faserverstärkern (in englisch: EDFA, erbium doped fiber amplifier) vorhanden.

Besonders vorteilhaft wird im Gegensatz zu übrigen mehrstufigen Faserverstärkern nur eine gemeinsame Pumpquelle – z. B. eine einzelne leistungsfähige Laserdiode mit nachgeschaltetem Leistungskoppler zur Zuführung der Pumpleistung in beide Verstärkerstufen – für die Einspeisung von Pumpleistung in die erste und die zweite Verstärkerstufe verwendet. Mit anderen Worten wird eine Aufteilung der Pumpleistung der Pumpquelle auf beide Verstärkerstufen stattfinden. Einerseits werden im Vergleich zu Faserverstärkern mit mehreren Pumpquellen Kosten erheblich gespart, andererseits werden keine weitere Laufzeitunterschiede bei Ein/Ausschalten oder Regeln der Pumpquelle auftreten.

Weiterhin kann bewiesen werden, dass die Wahl eines Aufteilungsverhältnisses der Pumpleistung aus einer Pumpquelle einen direkte Einfluss auf Signale im Sinne des Signal-Rauschverhältnisses hat. Dies ist ebenfalls von dem Gewinn des optischen Faserverstärkers und der Zahl der aktiven Kanäle abhängig. Durch eine Einstellung des Aufteilungsverhältnisses ist es also möglich, die Signalqualität der Kanäle zu erhöhen, auch wenn beliebig unterschiedliche Sätze von aktiven Kanälen eines WDM- oder DWDM-Signals am Eingang des optischen Faserverstärkers ankommen. Daher eignet sich der derartige optische Faserverstärker für schnell rekonfigurierbare optische Netzwerke – mit z. B. Add-Drop-Modulen, die die Kanäle beliebig ein/ausschalten – sehr gut.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen optischen Faserverstärker,
2 eine Unterdrückung der Signal-Transienten bei Änderung der Zahl aktiver Kanäle,
3 Zeitlicher Verlauf der von der Pumpe abgegebenen Pumpleistung.
In 1 ist ein optischer Faserverstärker für ein WDM-Signal S mit zwei Verstärkerstufen V1, V2 dargestellt, die mit einer optischen Verbindung OV verbunden sind. Die optische Verbindung OV ist meistens eine optische Faser, wie z. B. eine dispersionskompensierende Faser. Die optische Verbindung OV kann jedoch ein anderes Verbindungselement sein, das eine Laufzeit in dem zu verstärkenden Signal S bzw. in Signalen dessen Kanäle einführt, so dass unerwünschte Leistungstransienten der Signale auftreten können. Am Ausgang der zweiten Verstärkerstufe V2 ist eine bekannte Feedback-Regelung FB angekoppelt, deren Regelungsschleife eine Monitordiode MD2 und ein Modul FBA zur Nachführung der erforderlichen Pumpleistung aufweist, an dessen Ausgang ein Ausgangssignal FBS zur Regelung eines Steuerungsmoduls CTRL einer Pumpquelle PQ generiert wird. Ferner ist am Eingang der ersten Verstärkerstufe V1 eine weitere Feed-Forward-Regelung FF angekoppelt, deren Regelungsschleife eine Monitordiode MD1, ein Modul FFA zur Berechnung der erforderlichen Pumpleistung für beide Verstärkerstufe in Anhängigkeit von Eigenschaften – Eingangsleistung, Anzahl von Kanälen, Wellenlängenabhängigkeit, etc – des Wellenlängenmultiplex-Signals mit einem Ausgangssignal FFS zur zusätzlichen Regelung des Steuerungsmoduls CTRL der Pumpquelle PQ aufweist. Ein Ausgangssignal PS der Pumpquelle PQ ist einem Leistungsaufteiler SPLIT abgegeben und dort in zwei Pumpsignale PS1, PS2 gemäß einem Leistungsverhältnis geteilt. Ein Pumpsignal PS1, PS2 wird jeweils einer Verstärkerstufe V1, V2 eingespeist. Eine teurere Auslegung der Pumpregelung kann mit zwei von der Steuerung CTRL ausgewerteten Photodioden realisiert werden. Dies kann zur Erweiterung eines Faserverstärkers interessant sein, wenn schon in dem optischen Faserverstärker zwei derartigen Photodioden schon vorhanden waren. Innerhalb der Regelungsschleife des Feed-Forward-Regelung FF ist ein zeitverzögerndes Element E zur Kompensation der unerwünschten Laufzeit aufgrund der optischen Verbindung OV angeordnet. Das Element E kann z. B. ein elektrisches Zeitverzögerungsglied oder ein Tiefpassfilter – analog zu einer elektronischen RC-Schaltung – sein, das dem Modul FFA und dem Steuerungsmodul CTRL zwischengeschaltet ist. Letzteres sorgt dafür, dass die Pumpleistung nicht sofort sondern verlangsamt von ihrem Startwert zu ihrem späteren Endwert abfällt. In der Regel wird die in dem Regelpfad zur Erzielung eines optimalen dynamischen Verhaltens einzustellende Verzögerung nicht der Verzögerung der optischen Verbindung OV entsprechen.
Ist die erforderliche Zeitverzögerung bei einer Änderung von aktiven Kanälen bzw. der Eingangleistung anzupassen oder ändert sich die in der optischen Verbindung OV auftretende Laufzeit sollte das Element E einstellbar sein, so dass eine Regelung der optimalen einzustellenden Zeitverzögerung ermöglicht wird.
In beiden Verstärkerstufen V1, V2 ist jeweils ein spektral regelbares Filter GEF1, GEF2 angeordnet, das eine weitere Korrektur der Signalleistung von Kanälen durchführt.
Zur Optimierung der Signalqualität bzw. zur Senkung der Rauschzahl der Signale kann der Leistungsaufteiler SPLIT derart ausgeführt werden, dass das Aufteilungsverhältnis am Leistungsaufteiler SPLIT in Abhängigkeit der Eingangsleistung und der Belegung aktiver Kanäle am Eingang des optischen Faserverstärkers, d. h. der ersten Verstärkerstufe V1, eingestellt oder geregelt wird.
Nach diesem Modell können auch optische Faserverstärker mit mehr als zwei Verstärkerstufen realisiert werden.
In 2 wird die Unterdrückung der Leistungstransienten durch Anpassung der Zeitverzögerung am Element E gemäß 1 deutlich dargestellt. Dabei wird die Leistung POW in dBm eines von ursprünglich 40 aktiven Kanälen überlebenden Kanals als Funktion der Zeit T in ms gezeigt, wenn die 39 Kanäle plötzlich ausgeschaltet werden bzw. ausfallen. Als optische Verbindung OV ist eine dispersionskompensierende Faser mit Laufzeit von 100μs angenommen. Die dargestellten Kurven L1, L2, L3, L4, L5 entsprechen eingestellten Zeitverzögerungen 0μs, 25μs, 50μs, 75μs, 100μs am Element E. Deutlich ist zu erkennen, dass nach Ausschaltung am T = 0ms der störende Leistungtransient des Signals im überlebenden Kanal bei einer Zeitverzögerungen von ca. 50μs (siehe Kurve L3) minimal ist.
3 veranschaulicht das entscheidende Kriterium für das Verzögerungselement. Prinzipiell können verschiedenartige Verzögerungselemente eingesetzt werden, die zu sehr unterschiedlichen Pumpleistungsverläufe führen. Entscheidend ist allerdings, dass sich im Verhältnis zum Zeitpunkt der Signalleistungsänderung TS eine Verzögerung TE ergibt, wenn man den zeitlichen Verlauf der Pumpleistung POW durch eine Sprungfunktion VS derart approximiert, dass die Summe der Flächen vor dem Übergang (F1 und F2) der Summe der Flächen nach dem Übergang (F3 und F4) entspricht, muss sich im Verhältnis zum Zeitpunkt der Signalleistungsänderung TS eine Verzögerung TE ergeben.

Claims

Optischer Faserverstärker für ein Wellenlängenmultiplex-Signal mit einer Feed-Forward-Regelung (FF) und einer Feedback-Regelung (FB) jeweils zur Steuerung der Verstärkung in wenigstens einer ersten und einer zweiten Verstärkerstufe (V1, V2), dadurch gekennzeichnet, dass die Feed-Forward-Regelung (FF) ein zeitverzögerndes Element (E) aufweist, um Leistungstransienten im Wellenlängenmultiplex-Signal zu unterdrücken.
Optischer Faserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitverzögernde Element (E) ein einstellbares elektrisches oder optisches Zeitverzögerungsglied ist.
Optischer Faserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitverzögernde Element (E) ein einstellbares Tiefpassfilter ist.
Optischer Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitverzögernde Element (E) derart ausgeführt ist, dass eine für die Verstärkerstufe (V1, V2) vorgesehene Pumpleistung mit einstellbarer oder fester Zeitkonstante von ihrem Startwert auf einen neu einzustellenden Endwert konvergiert.
Optischer Faserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Verstärkerstufe (V1) eine erste Pumpquelle angekoppelt ist.
Optischer Faserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Verstärkerstufe (V2) eine zweite Pumpquelle angekoppelt ist.
Optischer Faserverstärker nach Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den in die erste Stufe und die zweite Stufe eingekoppelten Pumpleistungen ein fester zeitlicher Bezug besteht.
Optischer Faserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verstärkerstufe (V1, V2) mit einer gemeinsamen Pumpquelle angeschlossen sind, so dass eine Aufteilung ihrer Pumpleistung an beide Verstärkerstufe (V1, V2) stattfindet.
Optischer Faserverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Pumpleistung einstellbar ist.
Optischer Faserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feed-Forward-Regelung (FF) bzw. die Feedback-Regelung (FB) jeweils ein Modul (FFA, FBA) zur Berechnung erforderlicher Pumpleistung für eine Verstärkerstufe (V1, V2) in Anhängigkeit von Eigenschaften der Wellenlängenmultiplex-Signals aufweist.