DE102004047623A1

DE102004047623A1 - Qualitätsüberwachung eines optischen Faserverstärkers

Info

Publication number: DE102004047623A1
Application number: DE102004047623A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Rapp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Xieon Networks SARL
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: CN1756133B; GB2419031B; GB2419031A; US7379234B2; GB0519986D0; DE102004047623B4; CN1756133A; US20060250679A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung von Alterungseffekten von Komponenten eines optischen Faserverstärkers beschrieben, bei dem ein breitbandiges Signal mittels einer Pumpquelle in Verbindung mit wenigstens einer Verstärkungsfaser verstärkt wird. Am Eingang der ersten Verstärkungsfaser und am Ausgang der letzten Verstärkungsfaser werden Eingangs- und Ausgangsleistungen bzw. Photonenflüsse ermittelt. Anhand der Eingangs- und Ausgangsleistungen bzw. Photonenflüsse bei einem vorliegenden Betriebszustand wird eine Photonenbilanz durchgeführt, aus der eine effektive Pumpleistung der Pumpquelle unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Komponenten des optischen Verstärkers zu Betriebsbeginn errechnet wird. Je nach Art der Abweichungen zwischen den aktuellen und effektiven Pumpleistungen sind Rückschlüsse auf die Alterung von Komponenten im optischen Faserverstärker möglich. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine dazugehörige Überwachungseinrichtung dargestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Alterungseffekten von Komponenten eines optischen Faserverstärkers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine dazugehörige Überwachungseinrichtung und ein Datenträger nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 16 und 20.

Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA = erbium doped fiber amplifier) unterliegen verschiedenen Alterungsmechanismen, die zu einer Verschlechterung der „System Performance" führen und letztendlich sogar den Ausfall eines übertragungssystems nach sich ziehen können. Um die Ausfallzeiten und damit verbundene Einnahmeausfälle so gering wie möglich zu halten, ist es von größter Bedeutung, die Qualität der in einem System eingesetzten Verstärker permanent zu überwachen und gegebenenfalls einen Alarm zu generieren, so dass die gealterte Komponente rechtzeitig ausgetauscht werden kann.

Bisher verwendete Verfahren überwachen nur die verwendeten Pumplaser eines Faserverstärkers; häufig sogar nur deren Chips. Moderne Verstärker setzen bevorzugt Pumpquelle bei einer Wellenlänge von 980nm ein, deren Zuverlässigkeit stark verbessert wurde, so dass Ausfälle anderen Komponenten, z.B. passiver Komponenten, an Bedeutung gewinnen.

1 zeigt den typischen Aufbau einer Verstärkerstufe für einen zweistufigen Faserverstärker, z.B. zur Verstärkung eines eingehenden WDM-Signals S (WDM = Wavelength Division Multiplex), bestehend aus Leistungsmessmitteln M_IN, M_OUT am Eingang und Ausgang der Verstärkerstufe, einer Pumpquelle PQ (Pumplaser), deren Pumpsignale in eine den Leistungsmessmitteln M_IN, M_OUT zwischengeschaltete Erbium-dotierten Faser EDF (im Allg. eine Verstärkungsfaser) mit einem Koppler CPL eingespeist werden. Zwischen dem Eingang des optischen Faserverstärkers und dem Koppler CPL ist ein erster Isolator ISO1 geschaltet, sowie ein zweiter Isolator ISO2 am Ausgang der Erbium dotierten Faser EDF1. Mittels der Isolatoren ISO1, ISO2 werden unerwünschte Einkoppelungen von spektralen Komponenten, z.B. wegen Rückreflexionen einer Pumpstrahlung, in die Erbium-dotierte Faser EDF unterdrückt. Dem zweiten Isolator ISO2 ist ein Gewinnglättungsfilter F nachgeschaltet, damit z.B. am Ausgang des optischen Faserverstärkers Signalleistungen mehrerer Kanäle eines WDM-Signals ausgeglichen bzw. eine gewünschte Verkippung des Ausgangsspektrums eingestellt werden.

Nachdem Ausfälle von Verstärkern überwiegend auf die Pumpquellen – oder Pumpen – zurückzuführen waren, wurden Verfahren zu deren Überwachung entwickelt. Standardmäßig weist jede Pumpe eine in ein Pumpmodul integrierte Photodiode auf, die sich in der Regel an der der Faserankopplung entgegengesetzten Seite des Laserchips befindet. In diesem Fall wird sie auch als „Backfacet"-Monitordiode bezeichnet. Zur Überwachung wird derjenige Strom, der zur Erzielung der Nominalleistung benötigt wird, mit dem entsprechenden Wert zu Betriebsbeginn der Photodiode verglichen. Falls die dabei auftretenden Abweichungen einen bestimmten Wert übersteigen, wird ein Alarm gesendet.

Diese Lösung weist aber gravierende Mängel auf. Zum einen arbeitet die in das Pumpmodul integrierte Monitordiode nur sehr ungenau, so dass nur sehr starke Degradationen detektiert werden können. Teilweise wird daher statt der internen „Backfacet"-Monitordiode eine externe Monitoreinrichtung bestehend aus einem Tap-Koppler und einer Photodiode eingesetzt. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass neben einer Degradation des Chips auch diejenige der Faser-Chip-Ankopplung erfasst wird. Nachteilig sind aber die höheren Herstellungskosten, so dass diese Lösung nur bei „high performance"-Anwendungen eingesetzt wird.

Moderne Verstärker setzen bevorzugt 980nm-Pumpen ein, deren Chips vor einem Totalausfall keinen Performance-Abfall mehr erkennen lassen und deren Zuverlässigkeit stark verbessert wurde. Nachdem andererseits die Anzahl der passiven Komponenten zugenommen hat, wird es immer wichtiger, sämtliche Komponenten, die einen Einfluss auf die Übertragungsqualität haben, in die Überwachung einzubeziehen.

Im Folgenden wird daher angestrebt, Alterungseffekte aller Komponenten eines optischen Faserverstärkers mit minimalem Aufwand zu erfassen, die einen Einfluss auf die Übertragungsqualität des Systems haben.

Eine Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich Ihres Verfahrensaspektes durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich Ihres Vorrichtungsaspektes durch eine Überwachungseinrichtung und einen Datenträger mit den Merkmalen der Patentansprüche 16 und 20.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kerngedanke des im Folgenden beschriebenen Verfahrens ist es, anhand der gemessenen Eingangs- und Ausgangsleistungen einer Verstärkerstufe eines optischen Verstärkers die unter den bei Betriebsbeginn vorliegenden Bedingungen theoretisch erforderliche Pumpleistung bzw. den entsprechenden Injektionsstrom von Pumpen – auch Pumpströme genannt – zu berechnen und den so gewonnenen Wert mit der tatsächlich vorliegenden Pumpleistung bzw. dem entsprechenden Pumpstrom zu vergleichen. Die Abweichungen sind ein Maß für die Alterung von Komponenten im optischen Faserverstärker. Das Verfahren ist auch bei Aufbauten mit passiven Komponenten, die eine wellenlängenabhängige Dämpfung aufweisen, und beliebigen eingangsseitigen Leistungsverteilungen einsetzbar.

Das Verfahren erweitert sich in einer vorteilhaften Weise auf mehrere Verstärkerstufen – jeweils mit einer Verstärkungsfaser, an denen eventuell gemeinsame Pumpquellen gekoppelt sind –, so dass, insbesondere falls z. B. passive Komponente zwischen den Verstärkerstufen jedoch ohne dortigen Leistungsmessmitteln, eine Überwachung zwischen den Verstärkerstufen trotzdem möglich ist.

Aufgrund einer möglichen Durchführung des Verfahrens sowie einer Realisierung der Überwachungseinrichtung mittels einer Software, z.B. als Kontrollroutine in einem Netzwerkmanagement, erfordert die Erfindung keinen Einbau zusätzlicher Mess- bzw. Kontrollkomponenten im optischen Faserverstärker. In anderen Worten lässt sich diese Lösung für aktuelle Faserverstärker mit minimalem Aufwand anpassen. Eine Hardwarebasierte Überwachungseinrichtung mit einem physikalischen Kontrollmodul, das an Messsignalen der im optischen Faserverstärker bereits vorhandenen Messgeräten anzuschliessen ist, kann jedoch realisiert werden und z.B. mit direkten Anzeigemitteln zur visuellen Kontrolle von erfassten Alterungen im optischen Faserverstärker erweitert werden.

Im Allgemeinen wird ein Verfahren zur Erfassung von Alterungseffekten von Komponenten eines optischen Faserverstärkers beschrieben, bei dem ein breitbandiges Signal mittels einer Pumpquelle in Verbindung mit wenigstens einer Verstärkungsfaser verstärkt wird. Am Eingang der ersten Verstärkungsfaser und am Ausgang der letzten Verstärkungsfaser werden Eingangs- und Ausgangsleistungen bzw. Photonenflüsse ermittelt. Ermitteln bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese Leistungen entweder direkt an entsprechenden Stellen durch Leistungsmessmittel gemessen werden oder aus anderen Messgrössen abgeleitet werden. Anhand der bekannten Eingangs- und Ausgangsleistungen bzw. Photonenflüsse wird für den vorliegenden Betriebszustand eine Photonenbilanz durchgeführt, aus der eine effektive Pumpleistung der Pumpquelle unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Komponenten des optischen Verstärkers am Betriebsbeginn errechnet wird.

Je nach Art der Abweichung zwischen den (z.B. von einer Regelung) eingestellten und den theoretisch berechneten Pumpleistungen bzw. -ströme sind Rückschlüsse auf die Alterung von Komponenten im optischen Faserverstärker möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
2: den bei der Berechnung der theoretisch erforderlichen Pumpleistung auftretenden Fehler als Funktion der Eingangsleistung im optischen Faserverstärker gemäss 1,
3: eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Verstärkerstufen.
In 2 ist der bei der Berechnung der theoretisch erforderlichen Pumpleistung auftretende Fehler als Funktion der Summeneingangs-leistung in herkömmlichen einstufigen optischen Faserverstärkern gemäss 1 dargestellt.
Zum besseren Verständnis der dargestellten simulierten Ergebnisse in 2 wird erstmal ausführlich erläutert, welche Massnahmen zur Lösung der Aufgabe der Erfindung erforderlich sind.
Ein wichtiger Aspekt liegt in einer korrekten Modellierung der Wellenlängenabhängigkeit des Gewinnprofils G1(λ) der Erbium dotierten Faser EDF. Dazu wird der Ansatz: G1(λ) = [–α(λ) + β(λ)·X] gewählt, wobei α und β zwei charakteristische wellenlängenabhängige Parameter sind, die seitens eines Fachmanns messtechnisch nach bekannten Messverfahren bestimmt werden können und direkt von den Wirkungsquerschnitten für Emission und Absorption abhängen, d. h. durch welche eine Wirkung von spektralen Emission und Dispersion berücksichtigt wird. Die Größe X hingegen ist eine Unbekannte, die es im Laufe des Betriebs fortwährend zu bestimmen gilt. Ferner sei noch eine wellenlängenunabhängige Dämpfung a_in am Signaleingang der Erbium dotierten Faser EDF sowie eine wellenlängenabhängige Dämpfung a_out(λ) am Signalausgang der Erbium dotierten Faser EDF1 bis zum Ausgang der Stufe bekannt, deren Wellenlängenabhängigkeit u. a. durch das Gewinnglättungsfilter bestimmt werden kann.
Weiterhin wird angenommen, dass anhand von Messungen oder aufgrund einer Schätzung eine spektrale Leistungsverteilung S_in(λ) am Eingang des Faserverstärkers bekannt ist. Mathematisch kann damit die Leistungsverteilung S_out(λ) am Ausgang der Verstärkerstufe des Faserverstärkers wie folgt berechnet werden: Sout(λ) = Sin(λ)·ain·Gi(λ)·aout(λ) = Sin(λ)·ain·aout(λ)·exp[–α(λ) + β(λ)·X].
In einem nächsten Schritt wird nun der Wert der Unbekannten X mit Hilfe einem der bekannten numerischen Verfahren derart bestimmt, dass die sich aus dieser Berechnung innerhalb eines Signalbandes des WDM-Signals S ergebende Summenausgangsleistung P_out der am Ausgang des Faserverstärkers gemessenen Summenleistung entspricht. Diese numerische Bestimmung ist im Hinblick auf eine Konvergenz des Verfahrens unkritisch, da die Summenleistung P_out der Leistungsverteilung S_out(λ) am Ausgang des Faserverstärkers monoton mit dem Wert der Unbekannten X zunimmt. Dabei werden die Summenleistungen P_in, P_out der Leistungsverteilungen S_in(λ), S_out(λ) am Eingang und Ausgang des Faserverstärkers mittels der Leistungsmessmittel M_IN, M_OUT gemessen.
Die Größe X kann nun – entsprechend einem Modell von Saleh^[1] – als Ergebnis einer Photonenbilanz betrachtet werden, d.h. als Differenz der Anzahl von eingekoppelten und ausgehenden Photonen zwischen Eingang und Ausgang der Erbium dotierten Faser EDF. Damit erhält man die Gleichung X = (1 – Gpump)·Ppump + Pin – Pout – PASE, aus der sich die Bestimmungsgleichung
für die effektive Anzahl an in die Faser EDF eingekoppelten Pumpphotonen ergibt.
Die dabei auftretenden Größen haben folgende Bedeutung:

• Die Größe p_in gibt die Summe der pro Zeiteinheit in die Faser eingekoppelten Photonen, auch Photonenfluß genannt, an und wird bei N aktiven Kanälen des WDM-Signals S nach der Vorschrift
berechnet, wobei λ_k (k = 1, ..., n) für die Wellenlängen der einzelnen Kanäle steht und im Nenner des Bruchs das Planck'sche Wirkungsquantum h sowie die Lichtgeschwindigkeit Co im Vakuum einbezogen werden. In sehr guter Näherung kann der eingangsseitige Photonenfluß auch aus der gemessenen Summeneingangsleistung PTOT_in nach der Berechnungsvorschrift
gewonnen werden, wobei im Zähler des Bruchs die mittlere Wellenlänge λ_signal der eingeschalteten Kanäle im Vakuum steht.
• Die Größe p_out steht für die Summe der die Faser ausgehenden Photonen und ergibt sich mathematisch zu
• Der Gewinn G_pump(λ_pump) des Pumplichts lautet G pump(λpump) = [–α(λpump) + β(λpump)·X,wobei die Wellenlänge des Pumplichts mit λ_pump bezeichnet wurde.
• Um auch bei kleinen Leistungen am Eingang der Verstärkerstufe eine hinreichende Genauigkeit zu erzielen, wurde in der Photonenbilanz – in Erweiterung zum Modell von Saleh^[1] – ein weiterer Term p_ASE als ASE-Leistung einer auftretenden verstärkten spontanen Emission ASE (ASE = Amplified Spontaneous Emission) eingeführt, der die eingangsseitig und ausgangsseitig die dotierte Faser verlassenden ASE-Photonen aufgrund der verstärkten spontanen Emission berücksichtigt. Mit dem vorgestellten Aufbau gemäss 1 ist eine messtechnische Erfassung der verstärkten spontanen Emission ASE nicht möglich, da eine entsprechende Einrichtung nicht vorgesehen ist. Näherungsweise kann sie aber berücksichtigt werden, indem beim Abgleich der Baugruppe kein Signallicht in die Faser eingekoppelt wird und die ASE-Leistung p_ASE als Funktion der Größe X aufgezeichnet wird. Streng genommen hängt die erzeugte ASE-Leistung zwar nicht nur von der Grösse X, die proportional zur mittleren Inversion in der Verstärkungsfaser ist, sondern genau genommen auch vom Verlauf der Inversion entlang der Faserachse ab. Diese Abhängigkeit kann aber in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden, da dieser Term nur bei kleinen Eingangsleistungen von Bedeutung ist.

Nach Fertigstellung einer Verstärkerkarte mit dem Faserverstärker müssen im Rahmen eines dazugehörigen Abgleichs sowohl für eine Regelung der Leistungen als auch für die oben beschriebene Überwachungseinrichtung charakteristische Parameter bestimmt werden. Die ASE-Leistung kann ermittelt werden, indem die Pumpleistung bei sehr geringem oder verschwindendem Eingangslicht variiert wird, so dass sich unterschiedliche Werte der Grösse X ergeben. Nachdem die tatsächliche Pumpleistung zu Betriebsbeginn genau bekannt ist, kann die Größe X indirekt aus der Bilanzgleichung berechnet bzw. in einer Tabelle gespeichert werden, so dass eine Messung der ASE-Leistung nicht notwendig ist.
Durch Multiplikation des von der Pumpquelle ausgehenden Photonenflusses p_pump mit der Energie eines einzelnen Pumpphotons ergibt sich direkt die in die Verstärkungsfaser einzukoppelnde Pumpleistung p_{pump_eff}. Allerdings stellt dies nur eine effektive Pumpleistung dar, da bei obigem Ansatz nichtlineare Effekte wie „excited state absorption" des Pumplichts nicht berücksichtigt wurden. Dies kann aber nachträglich durch eine Korrekturrechung wie folgt geschehen,
wobei p_{pump_korr} die korrigierte effektive Pumpleistung und PO eine für die verwendete Verstärkungsfaser charakteristische Leistung darstellen. Durch Multiplikation mit den Verlusten im Pumppfad ergibt sich daraus die tatsächlich von der Pumpe abzugebende Pumpleistung P_pump.
Da eine Backfacet-Monitordiode MD die von der Pumpquelle PQ abgegebene Pumpleistung P_pump nur sehr ungenau messen kann, ist ein Vergleich zwischen theoretisch erforderlichem Wert und tatsächlichem Wert auf der Basis von Pumpströmen einem Vergleich basierend auf Leistungen vorzuziehen.
Pumpdioden werden vor der Auslieferung vermessen. Die Dokumentation der Ausgangsleistung als Funktion des Pumpstroms stellt den Standard dar. Daher kann diese Kurve – wiederum natürlich nur unter den bei Betriebsbeginn herrschenden Verhältnissen (BOL = Begin of life) – als bekannt vorausgesetzt werden. Damit kann ausgehend von der für BOL-Bedingungen erforderlichen berechneten Pumpleistung P_pump der für den vorliegenden Betriebszustand unter BOL-Bedingungen erforderliche Pumpstrom berechnet werden und mit dem gemessenen Wert verglichen werden.
Folgende Fehlermechanismen werden durch das oben beschriebene Verfahren erfasst

• Reduzierte Effizienz des Pumpmoduls: Sämtliche Mechanismen, die zu einer Reduktion der Effizienz der Pumpleistung führen, resultieren bei der Berechnung des Pumpstroms in einem erhöhten Strom und werden mit hoher Empfindlichkeit detektiert. D. h. eine Effizienzreduktion der Pumpquelle wird festgestellt, falls der aktuelle Pumpstrom über dem effektiven Pumpstrom liegt.
• Erhöhte Verluste im Pumppfad: Ein Anstieg der Dämpfung im Pumppfad führt zu einer linearen Erhöhung der erforderlichen Pumpleistung und wird damit ebenfalls mit hoher Empfindlichkeit detektiert. D. h. ein Verlust im Pumppfad, z.B. zwischen Pumpquelle und Verstärkungsfaser, wird festgestellt, falls eine lineare Erhöhung der aktuellen zu der effektiven Pumpleistung stattfindet.
• Erhöhte Verluste am Verstärkerausgang: Die Ausgangsleistung einer Erbium dotierten Faser ist im gesättigten Betrieb vornehmlich von der Pumpleistung abhängig. Eine Erhöhung der Dämpfung am Ausgang führt dazu, dass eine höhere Leistung am Ende der Erbium dotierten Faser eingestellt werden muss, um die vorgegebene Ausgangsleistung zu erzielen. Dieser Anstieg überträgt sich nahezu linear auf die erforderliche Pumpleistung und kann damit ebenfalls mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden. D.h. ein Anstieg des Verlusts am Ausgang einer Verstärkungsfaser führt zu einem Anstieg der benötigten Pumpleistung und damit zu einer größeren Abweichung zwischen gemessenen und für BOL-Bedingungen berechnetem Bezugswert (Pumpleistung/Pumpstrom).
• Erhöhte Verluste am Verstärkereingang: Dieser Fehlermechanismus ist kritisch, da er nur zu einem geringeren Maße zu einer Erhöhung der Pumpleistung führt und somit nur starke Erhöhungen der Dämpfung detektiert werden können. Dennoch kann dieser Fehler detektiert werden, wenn sich ein spektral auflösender Leistungsmesser am Verstärkerausgang befindet, da der optische Faserverstärker darauf mit einer Verkippung des Gewinnspektrums reagiert.

Nach Erläuterung dieser Verfahrensaspekte wird nun die 2 ausführlicher beschrieben.
Zur Verifikation des Verfahrens wurde mittels Simulation für verschiedene Betriebszustände und acht unterschiedliche feste Pumpleistungen 10, 20, 50, 100, 150, 200, 250, 300 mW die sich am Ausgang des Verstärkers ergebende Summenleistung PTOT_out bestimmt, wobei die am Eingang der Verstärkerstufe eingestellte Leistung pro Kanal zwischen –45dBm und 0dBm sowie die Anzahl an Kanälen zwischen 1 und 80 variiert wurde. Damit wurde eine sehr große Anzahl an möglichen Betriebszuständen berücksichtigt. Da sämtliche relevanten Effekte in der Erbium-dotierten Faser mittels des hierzu verwendeten Simulationstools berücksichtigt wurden, ist dieses Vorgehen quasi-äquivalent zur experimentellen Bestimmung der Ausgangsleistung.
Mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens wurde dann für jeden dieser Betriebszustände die erforderliche Pumpleistung P_{pump_eff} nach dem oben beschriebenen Verfahren berechnet. Im Idealfall sollte sich dabei der bei der Simulation eingestellte Wert für die Pumpleistung ergeben, da keine Alterung aufgetreten ist. Allerdings führen gewisse Näherungen im vorliegenden Modell zu Abweichungen zwischen den tatsächlichen Pumpleistungen und der mit Hilfe des Verfahrens berechneten Leistungswerten, die in 2 als Funktion der Summeneingangsleistung PTOT_in (in dBm) dargestellt sind. Die überlagerten Kurven verbinden die Ergebnisse von Betriebspunkten, denen eine identische Pumpleistung sowie gleich Kanalzahl gemein sind.
In dem gesamten betrachteten Summenleistungsbereich am Eingang des Verstärkerstufe ist aus 2 die relative Abweichung DEV kleiner als 11%. Für Eingangsleistungen PTOT_in größer als –10dBm beträgt die relative Abweichung DEV sogar maximal 5%. Außerdem ist bei sehr großen und sehr kleinen Eingangsleistungen die Abweichung bemerkenswert gering. In typischen Betriebspunkten ist der Fehler DEV des Überwachungsverfahrens somit geringer als 5%.
Um eine maximale Genauigkeit der Pumpleistungsberechnung zu erzielen, sollte das Eingangsleistungsspektrum am Eingang des optischen Faserverstärkers bekannt sein. Dieses kann recht genau bestimmt werden, wenn sich am Ausgang der vorhergehenden Verstärkereinheit ein spektral auflösender Leistungsmesser befindet. Damit kann das Ausgangsspektrum am Ausgang der vorhergehenden Verstärkereinheit, auf dem dann die Berechnungen für die nachfolgenden Verstärkerstufen (wie in 1) aufbauen. Sollten keine Daten über eine vorhergehende spektrale Leistungsverteilung vorliegen, ist z.B. für jeden aktiven Kanal (die Kanalbelegung sei über den OSC-Kanal – Optical Supervisory Channel – bekannt) dieselbe Leistung am Eingang anzunehmen und dieser Wert so zu wählen, dass sich die gemessene Summeneingangsleistung ergibt.
Besteht ein Faserverstärker aus mehreren Stufen mit Möglichkeiten zur Bestimmung der Leistung an ihrem Ein- und Aus gang, kann dieses Verfahren getrennt für jede Stufe angewendet werden. Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich aber, wenn zwei oder mehrere Stufen gemeinsame Pumpen benutzen und Leistungsangaben fehlen. Eine Lösung für einen solchen Fall wird im Folgenden beschrieben.
3 zeigt eine Erweiterung der 1, indem die Erfindung an einem zweistufigen optischen Faserverstärker anstelle des einstufigen Faserverstärkers aus 1 angepasst wird. Die Besonderheit dieses Faserverstärkers ist, dass die beiden Stufen eine gemeinsame Pumpe teilen. Ausgehend von 1 werden in 3 zwei Verstärkerstufen V1, V2 mit einem variablen Dämpfungsglied ATT seriell geschaltet. Die erste Verstärkerstufe V1 weist gemäss 1 ein Eingangleistungsmessmittel M_IN, eine Verbindung mit der Pumpquelle PQ mittels einem ersten in die erste Verstärkungsfaser EDF1 über einen ersten Koppler CPL1 eingehenden ersten Pumpsignal PS1 und die zwei Isolatoren ISO1, ISO2 auf. Der Filter F gemäss 1 ist hier durch das Dämpfungsglied ATT ersetzt, das als passive Komponente des gesamten Faserverstärker V1 + V2 eine Übertragung des noch zu verstärkenden Signals S auf die zweite Verstärkerstufe V2 ermöglicht. Die Verstärkerstufe V2 in 3 weist im Gegenteil zur 1 kein Eingangleistungsmessmittel M_IN, jedoch ein Ausgangsleistungsmessmittel M_OUT, eine Verbindung mit der Pumpquelle PQ mittels einem zweiten in eine zweite Verstärkungsfaser EDF2 über einen zweiten Koppler CPL2 eingehenden zweiten Pumpsignal PS2, zwei Isolatoren ISO3, ISO4 und das dem Ausgangsleistungsmessmittel M_OUT vorgeschaltete Glättungsfilter F auf. Dabei sind beide Verstärkungsfaser EDF1, EDF2 vom gleichen Typ und werden mittels einer einzigen Photodiodenstrahlung der Pumpquelle PQ gepumpt. Zur Erzeugung beider Pumpsignale PS1, PS2 wird ein Strahlteiler BS dem Ausgang Pumpquelle PQ und dem Eingang jeweiliges Kopplers CPL1, CPL2 zwischengeschaltet. Es wird hier darauf aufmerksam gemacht, dass kein Leistungsmesser zwischen beiden Verstärkerstufen V1, V2 vorhanden ist und dennoch eine Qualitätsüberwachung möglich ist.
Kerngedanke des im folgenden beschriebenen Verfahrens ist es, anhand der am Eingang der ersten Verstärkerstufe V1 und am Ausgang der zweiten Verstärkerstufe V2 gemessenen Eingangs- und Ausgangsleistungen die unter den bei Betriebsbeginn vorliegenden Bedingungen (theoretisch) erforderliche Pumpleistung bzw. den entsprechenden Injektionsstrom der Pumpquelle PQ zur Erzeugung der Pumpsignale PS1, PS2 zu berechnen und den so gewonnenen Wert mit dem tatsächlich vorliegenden Pumpstrom zu vergleichen. Die Abweichungen sind ein Maß für die Alterung der Komponenten im optischen Faserverstärker. Das Verfahren ist auch bei Aufbauten mit passiven Komponenten, die eine wellenlängenabhängige Dämpfung aufweisen, und beliebigen eingangsseitigen Leistungsverteilungen einsetzbar.
In einem ersten Schritt wird analog zu dem in dem bereits erwähnten einstufigen Faserverstärker beschriebenen Verfahren die Größe X bestimmt, die eine Photonenbilanz mittels Photonenflüsse p_in, p_out, p_pump darstellt. Im vorliegenden Fall erstreckt sich diese Photonenbilanz nun allerdings auf die zwei gekoppelte Verstäkerstufen V1, V2. Die bekannte Dämpfung des Dämpfungsgliedes ATT wird dabei ebenso wie die bereits zitierten passiven Verluste behandelt. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass in beiden Stufen Erbium-dotierte Fasern desselben Typs zum Einsatz kommen.
Die Pumpleistung P_pump wird nach einem festen Teilungsverhältnis auf die beiden Verstärkerstufen V1, V2 verteilt. Damit erhält man hinsichtlich Photonenflüsse p_in, p_out, p_pump die Gleichung X = (1 – Gpump)·ppump + pin – pout + pin·G1·(a – 1), wobei a für die Transmission der passiven Komponenten einschließlich des Dämpfungsgliedes ATT zwischen den beiden Stufen V1, V2 steht und G1 den abgeschätzten mittleren Gewinn der ersten Verstärkerstufe V1 bezeichnet und zur Verdeutlichung des Gegenstandes der Erfindung halber der Beitrag der verstärkten spontanen Emission ASE in dieser Gleichung vernachlässigt wurde. Die effektive Pumpleistung P_{pump_eff} kann damit aus dem entsprechenden Photonenfluss p_pump wie folgt hergeleitet werden:
Die Schwierigkeit bei der Überwachung zweier Verstärkerstufen mit gemeinsamer Pumpe ergibt sich dadurch, dass die Größe des Gewinns G₁, die den mittleren Gewinn der ersten Verstärkerstufe V1 repräsentiert, unbekannt ist. Die weiteren Größen sind in der bereits erwähnten Erfindungsmeldung definiert.
Der mittlere Gewinn der ersten Verstärkerstufe V1 kann jedoch iterativ bestimmt werden, indem eines der in [2] angegebenen Verfahren zur Modellierung einer Stufe eines Erbium dotierten Faserverstärkers verwendet wird und für die Pumpleistung ein Schätzwert verwendet wird, der aus dem Laserdiodenstrom oder aber dem Monitordiodensignal abgeleitet wird. Anschließend wird dann unter Verwendung der oben angegebenen Formeln ein verbesserter Schätzwert für die Pumpleistung berechnet. Mit diesem neuen Wert wird wiederum die Größe G₁ abgeschätzt, was dann zu einem verbesserten Schätzwert für die Pumpleistung führt. Dieses Verfahren kann nun iterativ solange fortgesetzt werden, bis ein vorgegebenes Konvergenzkriterium erfüllt ist.
Abschließend müssen die Photonenflüsse z.B. p_in noch in Leistungen z.B. P_in umgerechnet werden und unter Umständen der Effekt der „excited state absorption" des Pumplichts durch eine Korrekturrechnung berücksichtigt werden. Das weitere Vorgehen entspricht dann dem Fall einer einzelnen Verstärkerstufe.
Aus einem Vorrichtungsaspekt kann zur Durchführung des bereits beschriebenen Verfahrens eine Überwachungseinrichtung eines optischen Faserverstärkers für breitbandige Signale S an dem optischen Faserverstärker angeschlossen werden, der wenigstens eine Verstärkungsfaser EDF1, EDF2, ..., EDFn in Verbindung mit wenigstens einer Pumpquelle PQ aufweist, bei dem Leistungsmessmittel M_IN, M_OUT mindestens am Eingang der ersten Verstärkungsfaser EDF1 und am Ausgang der letzten Verstärkungsfaser EDFn angeschlossen sind.
Wie bereits erwähnt kann auch die Überwachungseinrichtung komplett mittels einer Software anstelle von Hardwarekomponenten realisiert werden. In diesem Fall könnte die Überwachungseinrichtung als Kontrollroutine im Netzwerkmanagement implementiert werden, wobei die im optischen Faserverstärker bereits vorhandenen Messsignale (wie aus den Leistungsmessmitteln M_IN, M_OUT) als Eingabeparameter der Software dienen. Wiederum könnte die Kontrollroutine bei detektierten Alterungseffekten ein Warnsignal abgeben, direkt per Software am Bildschirm eines Computers oder mittels angepasster Anzeigemitteln wie Fotodioden oder akustischen Signalgebern. An Eingängen eines Kontrollmoduls CTRL sind Ausgangsignale S_in, S_out der Leistungsmessmitteln M_IN, M_OUT und ein Auswertsignal S_pump der aktuellen Pumpleistung P_pump ggf. des aktuellen Pumpstroms zugeführt. Das – Software oder Hardwarebasierte – Kontrollmodul CTRL weist einen Rechner zur Ermittlung einer theoretischen Pumpleistung P_{pump_eff} ggf. eines effektiven Pumpstroms anhand von Eigenschaften von Komponenten des optischen Faserverstärkers am Betriebsbeginn auf. Zur Bildung von Rückschlüssen hinsichtlich der Alterung von Komponenten des optischen Faserverstärkers weist das Kontrollmodul CTRL einen Entscheider auf, dessen Haupteingangsparameter die aktuelle und die effektive Pumpleistungen P_pump, P_{pump_eff}, ggf. ihrer Pumpströme, sind. Dem Entscheider kann ein – z.B. visuelles – Anzeigemittel des Alterungszustandes von Komponenten nachgeschaltet sein, damit ein Operateur deutlich erkennen kann, welche Komponente gealtert ist.
Ferner kann bei einem Software-gestützten Kontrollmodul CTRL ein Datenträger mit einem Programm verwendet werden, das in das Kontrollmodul CTRL geladen werden kann, wobei das Kontrollmodul CTRL das erfindungsgemässe Verfahren ausführt, wenn das benannte Programm ausgeführt wird. Damit sind mögliche Erweiterungen oder Aktualisierungen der Software z.B. im Netzwerkmanagement sowie in einem lokalen tragbaren Überwachungsgerät für einen Techniker leichter zu implementieren.
Literaturreferenz:

[1] Saleh et al., „Modeling of gain in erbium-doped fiber amplifier", IEEE Photonics Technology Letter, Vol. 2, pp. 714-717 (1990)
[2] E. Desurvire, D. Bayart, B. Desthieux, S. Bigo: ERBIUM-DOPED FIBER AMPLIFIERS, Device and System Developments, John Wiley, New York, 2002, pp. 11-61.

Claims

Verfahren zur Erfassung von Alterungseffekten von Komponenten eines optischen Faserverstärkers, bei dem ein breitbandiges Signal (S) mittels einer Pumpquelle (PQ) in Verbindung mit wenigstens einer Verstärkungsfaser (EDF1, EDF2, ..., EDFn) mit n≥1 verstärkt wird, demgemäss Eingang- und Ausgangsleistungen (P_IN, P_OUT) am Eingang der ersten Verstärkungsfaser (EDF1) und am Ausgang der letzten Verstärkungsfaser (EDFn) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Eingang- und Ausgangsleistungen (P_IN, P_OUT) bzw. deren Photonenflüssen und bei einer aktuellen Pumpleistung (P_PUMP) der Pumpquelle (PQ) eine Photonenbilanz durchgeführt wird, aus der eine theoretisch erforderliche Pumpleistung (P_{PUMP_EFF}) der Pumpquelle (PQ) unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Komponenten des optischen Faserverstärkers am Betriebsbeginn errechnet wird, dass je nach Arten von Abweichungen zwischen den aktuellen und theoretisch erforderlichen Pumpleistungen (P_PUMP, P_{PUMP_EFF}) Rückschlüsse auf eine Alterung eines Komponenten des optischen Faserverstärkers erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Kalibrationsdaten, die zur Aufrechterhaltung eines vorliegenden Betriebszustandes zu Betriebsbeginn theoretisch erforderliche Pumpleistung bzw. der entsprechende Pumpstrom berechnet wird und mit den tatsächlich eingestellten Werten verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Verstärkerstufe (V1, V2, ...), die eine der Verstärkungsfaser (EDF1, EDF2, ...) umfasst, ein wellenlängenabhängiges Gewinnprofil (G1 (λ), G2 (λ), ...) wie folgt modelliert wird: Gi(λ) = [–α(λ) + β(λ)·X] mit i = 1, 2, ...indem (α(λ), β(λ)) wellenlängenabhängige Parametern sind, die messtechnisch ermittelt wurden und durch welche eine Wirkung von spektralen Emission und Absorption berücksichtigt wird und indem die Grösse (X) als Differenz der Anzahl von eingekoppelten und ausgehenden Photonen zwischen Eingang und Ausgang einer Verstärkerfaser (EDF1, EDF2, ...) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer einzelnen Verstärkerstufe (V1) die Grösse (X) wie in folgender Gleichung errechnet wird: X = (1 – Gpump)·ppump + pin – pout – pASE indem (p_IN, p_OUT, p_pump) Eingangs-, Ausgangs-, Pumpphotonenflüsse und (p_ASE) einen Photonenflussanteil von verstärkten spontanen Emission bezeichnen und indem (G_pump) bei einer Pumpwellenlänge (λ_pump) wie folgt definiert ist: G pump(λpump) = [–α(λpump) + β(λpump)·X].
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zweistufigen Faserverstärker (V1, V2) die Grösse (X) wie in folgender Gleichung errechnet wird: X = (1 – Gpump)·ppump + pin – pout + pin·G1(a – 1)indem (p_IN, p_OUT, p_pump, a, G₁) Eingangs-, Ausgangs-, Pumpphotonenflüsse, einen Transmissionskoeffizient, wie eine Dämpfung, zwischen den beiden Verstärkerstufen (V1, V2) und einen iterativ ermittelten mittleren Gewinnwert der ersten Verstärkerstufe (V1) bezeichnen und indem ein Pumpgewinn (G_pump) bei einer Pumpwellenlänge (λ_pump) wie folgt definiert ist: G pump (λpump) = [–α(λpump) + β(λpump)·X].
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide seriell geschaltete Verstärkerstufe (V1, V2) dieselben Verstärkerfaser (EDF1, EDF2) umfassen und dass die Pumpleistung (P_pump) der Pumpquelle (PQ) auf die beiden Verstärkerstufe (V1, V2) verteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unbekannte Grösse (X) derart ermittelt wird, dass die aufgrund von mathematischen Berechungen innerhalb eines Signalbandes des WDM-Signals (S) auftretende Summenleistung am Ausgang des Faserverstärkers der gemessenen Leistung entspricht und daraus die zu Betriebsbeginn theoretisch erforderliche Pumpleistung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Leistungsverteilung (S_in(λ)) am Eingang der ersten Verstärkungsfaser (EDF1) gemessen wird und dass eine spektrale Leistungsverteilung (S_out(λ)) am Ausgang der letzten Verstärkerfaser (EDFn) wie in folgender Gleichung berechnet wird: Sout(λ) = Sin(λ)·ain·Gi(λ)·aout(λ) = Sin(λ)·ain·aout(λ)·exp[–α(λ) + β(λ)·X]indem (a_in, a_out (λ)) eine bekannte wellenlängenunabhängige bzw. wellenlängenabhängige Dämpfung am Eingang und am Ausgang einer Verstärkungsfaser sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kenntnis der Grösse (X) eine Modellierung des Gewinns einzelner Stufen des Faserverstärkers mit Hilfe von charakteristischen Faserdaten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe (X) als Photonenbilanz betrachtet wird und daraus die zu Betriebsbeginn theoretisch erforderliche Pumpleistung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpleistung einer einzelnen Pumpquelle in mehrere aufeinander folgende Verstärkungsfaser verteilt wird, zwischen denen Signalleistungen gemessen oder abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung einer Effizienzreduktion der Pumpquelle der aktuelle Pumpstrom über dem effektiven Pumpstrom liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung eines Verlustes im Pumppfad, d. h. zwischen Pumpquelle und Verstärkungsfaser, eine lineare Erhöhung der aktuellen zu der effektiven Pumpleistung stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung eines Verlustes am Ausgang einer Verstärkungsfaser, ggf. aufgrund einer Dämpfungserhöhung am Ausgang der Verstärkungsfaser, eine lineare Erhöhung der dortigen aktuellen zu der effektiven Pumpleistung stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung eines Verlustes am Eingang einer Verstärkungsfaser, eine geringe Erhöhung der dortigen aktuellen zu der effektiven Pumpleistung stattfindet dass eine Messung der Verkippung des Leistungsspektrums des dortigen Signals als weiterer Hilfsmittel verwendet wird.
Überwachungseinrichtung eines optischen Faserverstärkers für breitbandige Signale, der wenigstens eine Verstärkungsfaser (EDF1, EDF2, ..., EDFn) in Verbindung mit einer Pumpquelle (PQ) aufweist, bei dem Leistungsmessmittel (M_IN, M_OUT) am Eingang der ersten Verstärkungsfaser (EDF1) und am Ausgang der letzten Verstärkungsfaser (EDFn) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass an Eingängen eines Kontrollmoduls (CTRL) Ausgangsignale (S_in, S_out) der Leistungsmessmittel (M_IN, M_OUT) und ein Auswertsignal (S_pump) der aktuellen Pumpleistung (P_pump) ggf. der aktuellen Pumpstrom zugeführt sind, dass das Kontrollmodul (CTRL) einen Rechner zur Ermittlung einer effektiven Pumpleistung (P_{pump_eff}) ggf. eines effektiven Pumpstroms anhand von Eigenschaften von Komponenten des optischen Faserverstärkers am Betriebsbeginn aufweist und dass zur Bildung von Rückschlüssen hinsichtlich einer Alterung von Komponenten des optischen Faserverstärkers das Kontrollmodul (CTRL) einen Entscheider aufweist, dessen Haupteingangsparameter die aktuelle und die effektive Pumpleistungen (P_pump, P_{pump_eff}) ggf. ihrer Pumpströme, sind.
Überwachungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollmodul (CTRL), d.h. der Rechner und der Entscheider, als eine Software-basierte Plattform realisiert ist, die vom einem Netzwerkmanagement gesteuert ist und deren Wirkung als eine Meldung eines technischen Defekten aufgrund einer Alterung im optischen Faserverstärker ist.
Überwachungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollmodul (CTRL) mindestens als Teil einer tragbaren Überwachungseinheit vorgesehen ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Entscheider ein Anzeigemittel des Alterungszustandes von Komponenten nachgeschaltet ist.
Datenträger mit einem Programm, das in ein Kontrollmodul (CTRL) geladen werden kann, wobei das Kontrollmodul (CTRL) das Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13 ausführt, wenn das benannte Programm ausgeführt wird.