DE102004052883B4 - Verfahren zur Kompensation von Gewinnschwankungen eines mehrstufigen optischen Verstärkers sowie mehrstufiger optischer Verstärker - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kompensation einer durch eine Änderung der Eingangsleistung eines optischen Wellenlängen-Multiplexsignals verursachten Gewinnschwankung eines optischen Verstärkers (3), der mehrere in Reihe geschaltete Verstärkerstufen (4-6) mit wenigstens zwei Pumpeinrichtungen (11) umfasst, deren Pumpleistungbei einer sprunghaften Änderung (20) der Eingangsleistungentsprechend angepasst wird, um den Verstärkergewinn (G) möglichst konstant zu halten, wobeidie Pumpleistungeiner ersten Verstärkerstufe (5) bei einem Leistungssprung (20) der Eingangsleistungangepasst wird,dadurch gekennzeichnet,dass die an einer nachfolgenden zweiten Verstärkerstufe (6) zu erwartende Änderung der Eingangsleistungund in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistungfür die zugehörige Pumpeinrichtung (11) und eine Vorhaltzeit (τ), deren Beginn vor dem Eintreffen des Leistungssprungs (20) am Eingang der zweiten Verstärkerstufe (6) liegt, berechnet werden,dass die neue Pumpleistungzu Beginn der ermittelten Vorhaltzeit (τ) eingestellt wird, so dass eine Schwankung im Eingangssignal der zweiten Verstärkerstufedie dem Leistungssprung (20) folgt, durch eine gegensinnige Schwankung im Gewinn der zweiten Verstärkerstufe (6) kompensiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Gewinnschwankungen eines mehrstufigen optischen Verstärkers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie einen entsprechend eingerichteten optischen Verstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.
• Im Bereich der optischen Übertragungstechnik werden optische Verstärker dazu eingesetzt, die in einem optischen Netz übertragenen optische Signale zu verstärken. Die optischen Signale laufen vielfach über lange Strecken von mehreren hundert Kilometern und mehr in einer optischen Faser und werden dabei gedämpft. Es ist daher erforderlich, die optischen Signale nach einer Übertragung über lange Strecken zu verstärken.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen optischen Übertragungsstrecke bzw. eines Teils eines Übertragungsnetzes mit einem Sender 1 (TX) und einem Empfänger 9 (RX), sowie zwei Verstärkern 3. Ein vom Sender 1 emittiertes optisches Signal läuft dabei über mehrere Abschnitte einer optischen Faser 2 zum Empfänger 9 und wird jeweils nach einer vorgegebenen Strecke von einem Verstärker 3 verstärkt bzw. aufgefrischt.
• Derartige optische Strecken und Netze nutzen häufig die Wellenlängen-Multiplextechnik (WDM-Technik), bei der mehrere Kanäle - in der Regel 40 oder 80 - gleichzeitig in einer optischen Faser 2 übertragen werden. Die Information ist dabei auf einer Träger-Wellenlänge des jeweiligen Kanals z. B. mit 10 Gbps auf moduliert. Die WDM-Technik bietet darüber hinaus die Möglichkeit, verteilt angeordnete Sender und Empfänger direkt über optische Pfade zu verbinden, ohne an den Knotenstellen eine optisch-elektrische Wandlung vornehmen zu müssen.
• Ein bekannter Typ von optischen Verstärkern arbeitet mit einer Erbium-dotierten Faser, in die das Licht einer optischen Pumpe, z. B. einer Laserdiode, eingekoppelt wird. Das in der dotierten Faser geführte optische Signal wird dabei durch stimulierte Emission von Photonen verstärkt. Neben den Erbium-dotierten Fasern werden z. B. auch Verstärkerstufen, deren Fasern mit anderen Seltenerden-Ionen dotiert sind, Halbleiterverstärker oder Raman-Verstärker verwendet.
• 2 zeigt eine typische Verstärkerstufe 4 eines optischen Verstärkers 3, der eine Erbium-dotierte Faser 14 verwendet. Die Verstärkerstufe umfasst ferner einen WDM-Koppler 10 und eine optische Pumpe 11, deren Licht über den WDM-Koppler 10 in die dotierte Faser 14 eingekoppelt wird. Das in der optischen Faser 2 geführte WDM-Signal (z.B. aus 80 Kanälen) wird in der dotierten Faser 14 durch spontane Emission verstärkt. Der Verstärkergewinn ist abhängig von der Pumpleistung der Pumpe 11 und wird von einem Steuergerät (nicht gezeigt) nach Wunsch eingestellt.
• Durch das Zu- und Abschalten oder das Ein- und Auskoppeln einzelner Kanäle des auf der Faser 2 übertragenen WDM-Signals kommt es am Eingang des Verstärkers 3 zu Leistungssprüngen. Die Pumpleistung der Pumpe 11 muss an unterschiedliche Eingangsleistungen schnell angepasst werden. Andernfalls würde sich der Verstärkergewinn (definiert als Ausgangsleistung/Eingangsleistung) verändern und die Ausgangsleistung überproportional zu- oder abnehmen, wodurch es am Empfänger 4 zu Bit-Fehlern kommen kann. Insbesondere bei mehrstufigen Verstärkern können sich die Gewinnabweichungen der einzelnen Stufen akkumulieren, so dass es besonders leicht zu Bit-Fehlern kommen kann. Ein kritischer Punkt bei der Entwicklung eines optischen Verstärkers ist daher die Einhaltung eines möglichst konstanten Verstärkergewinns auch bei großen Leistungssprüngen am Verstärkereingang.
• Aus dem Stand der Technik sind eine ganze Reihe von Verfahren bekannt, mit denen der Verstärkergewinn bei einer Änderung der Eingangsleistung im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Ein bekanntes Verfahren misst z. B. die Änderung der Eingangsleistung und berechnet in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistung, die unmittelbar danach an der Pumpe eingestellt wird. Die Schwierigkeit hierbei liegt vor allem darin, die neue Pumpleistung richtig zu berechnen, so dass der Verstärkergewinn im wesentlichen konstant bleibt. Die Pumpleistung ist nicht nur von der Eingangsleistung des Verstärkers, sondern auch von der Wellenlänge der verbleibenden Kanäle nach dem Schaltvorgang und weiterer Einflussgrößen abhängig. Die Berechnung der neu einzustellenden Pumpleistung allein aufgrund der Leistungsänderung am Eingang ist daher relativ ungenau.
• Andere bekannte Verfahren regeln den Verstärkergewinn bzw. die Verstärker-Ausgangsleistung in einem geschlossenen Regelkreis, wobei die optische Pumpe das Stellglied der Regelung bildet. Während der Einschwingzeit der Regelung kommt es auch hier zu unerwünschten Transienten im Verstärkergewinn, die zu Übertragungsfehlern führen können.
• Aber auch bei einer optimalen Anpassung der Pumpleistung an eine geänderte Eingangsleistung (d.h. die Pumpleistung wird in einem Schritt auf den richtigen Wert geändert) kommt es nach einem Schaltvorgang zu Schwankungen (Überschwingern oder Unterschwingern) im Verstärkergewinn. Diese Schwankungen beruhen auf der Speicherwirkung des Dotier-Elements der Faser 14. Durch optisches Pumpen werden die Elektronen des Dotier-Elements (z. B. Erbium) zunächst auf ein erstes höheres Energieniveau angehoben, von dem sie in einem nicht-strahlenden Übergang auf ein zweites, niedrigeres Energieniveau fallen. Der strahlende Übergang findet dann erst von dem zweiten Energieniveau auf ein drittes Energieniveau statt. Bei einer sprungartigen Senkung der Pumpleistung befinden sich immer noch viele Elektronen auf diesem ersten Niveau, die dann später zu einer (ungewollten) kurzfristigen Erhöhung der Signalleistung bzw. des Verstärkergewinns beitragen. Diese Erhöhung ist als ein Überschwinger in der Ausgangsleistung bzw. im Verstärkergewinn zu erkennen, der insbesondere bei mehrstufigen Verstärkern durch Akkumulation zu Bit-Fehlern am Empfänger führen kann.
• 3 zeigt den Überschwinger 23 nach einem Schaltvorgang im Ausgangssignal P_sig,out und im Gewinn G einer Verstärkerstufe 4. Dabei zeigt der obere Graph den Verlauf der Summeneingangsleistung P_sig,in eines optischen Signals mit z. B. 80 Kanälen, das am Eingang der Verstärkerstufe anliegt. Von den 80 Kanälen werden z. B. 40 vor dem Verstärker ausgekoppelt, wodurch die Leistung am Eingang sprungartig fällt. Der Leistungssprung 20 liegt zum Zeitpunkt t₀ am Eingang der Verstärkerstufe 4 an.
• Der zweite Graph zeigt den Verlauf der Pumpleistung P_p . Wie zu erkennen ist, wird die Pumpleistung P_p kurz nach dem Zeitpunkt t₀ in Reaktion auf den Leistungssprung 20 ebenfalls sprungartig reduziert. Der dritte Graph zeigt die Ausgangsleistung P_sig,out der Verstärkerstufe, die ebenfalls etwa zum Zeitpunkt t₀ einen Sprung 22 aufweist. Der unterste Graph zeigt den Gewinn G der Verstärkerstufe 4, der den Überschwinger 23 ebenfalls enthält. (Bei einer Zuschaltung von Kanälen würde ein entsprechender Unterschwinger entstehen).
• Im Falle von optischen Verstärkern mit mehreren seriell hintereinander geschalteten Verstärkerstufen kommt es zur Addition der Überschwinger 23 bzw. Unterschwinger, wodurch es am Ausgang des optischen Verstärkers zu relativ starken Leistungsschwankungen kommen kann, die wiederum zu Bit-Fehlern am Empfänger führen können.
• Aus der EP 1 220 382 A2 ist ein optischer Verstärker bekannt, dessen Verstärkungsfaser ein Kontrollsystem vorgeschaltet ist. Das Kontrollsystem weist eingangsseitig einen Leistungssplitter auf, an den eine Fotodiode angeschlossen ist, um Leistungsschwankungen des Eingangssignals zu detektieren. Der Fotodetektor ist an eine Kontrolleinheit angeschlossen, welche die Pumpquelle der Verstärkungsfaser reguliert. Über einen zweiten Leistungssplitter wird die derart regulierte Pumpenleistung der Verstärkungsfaser zugeführt. Zwischen den beiden Leistungssplittern ist eine Verzögerungseinheit eingebracht, die derart ausgelegt ist, dass die Zeitdifferenz zwischen der Detektion des Leistungssprungs und dem Signaleingang der Verstärkungsfaser gleich oder größer der Reaktionszeit des Kontrollsystems ist.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Schwankungen im Gewinn eines optischen Verstärkers, insbesondere nach einem Schaltvorgang auftretende Überschwinger oder Unterschwinger, zu kompensieren oder wenigstens beträchtlich zu reduzieren.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine im Verstärkergewinn einer ersten Verstärkerstufe auftretende Schwankung (Überschwinger oder Unterschwinger), die einem Leistungssprung im Eingangssignal der Verstärkerstufe folgt, wenigstens teilweise dadurch zu kompensieren, dass die Pumpleistung einer nachfolgenden zweiten Stufe bereits verändert wird, noch bevor der Leistungssprung am Eingang der zweiten Stufe anliegt. Die Änderung der Pumpleistung an der zweiten Stufe geschieht dabei so frühzeitig, dass die Schwankung (z. B. ein Überschwinger) im Eingangssignal der zweiten Stufe durch eine gegensinnige Schwankung (z. B. einen Unterschwinger, der ansonsten im Gewinn der zweiten Stufe entstehen würde) kompensiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Gewinn eines mehrstufigen optischen Verstärkers nach einem Schaltvorgang im wesentlichen konstant zu halten und Gewinnschwankungen zu kompensieren.
• Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es erforderlich, einerseits die Höhe des an der zweiten Verstärkerstufe zu erwartenden Leistungssprungs zu ermitteln und andererseits den Zeitpunkt zu kennen, an dem der Leistungssprung am Eingang der zweiten Stufe anliegen wird. Die neue Pumpleistung der zweiten Stufe wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der zukünftigen Eingangsleistung bzw. der Änderung der Eingangsleistung berechnet und eine vorgegebene Zeitdauer (Vorhaltzeit) vor dem Eintreffen der Leistungsänderung am Eingang der zweiten Stufe eingestellt. Die optimale Vorhaltzeit wird dabei vom Aufbau des Verstärkers bestimmt und kann z. B. durch Tests oder Simulation ermittelt werden.
• Die Einstellung der neuen Pumpleistung an der zweiten Verstärkerstufe erfolgt vorzugsweise im Rahmen einer Steuerung. Eine Regelung der Ausgangsleistung bzw. des Gewinns ist nicht vorgesehen, kann gegebenenfalls aber auch realisiert werden.
• Um den Verstärkergewinn der ersten Verstärkerstufe nach einem Schaltvorgang (d. h. dem Zu- oder Abschalten von Kanälen) konstant zu halten, muss, wie eingangs erwähnt, die zugehörige Pumpleistung angepasst werden. Hierzu gibt es eine Vielzahl bekannter Verfahren. Gemäß der Erfindung wird die Pumpleistung der ersten Stufe vorzugsweise mittels eines Verfahrens eingestellt, bei dem die Ausgangsleistung der ersten Stufe vor und nach dem Leistungssprung gemessen und daraus die neue Pumpleistung gemäß einem vorgegebenen Algorithmus berechnet wird. Dieses Verfahren ist bereits in einer früheren Patentanmeldung der Firma Siemens AG mit der Bezeichnung „Verbesserte Feed Forward Regelung von Erbium dotierten Faser-Verstärkern zur Unterdrückung von Transienten“ beschrieben worden. Auf diese Weise kann die neue Pumpleistung so genau berechnet werden, dass der Gewinn der ersten Verstärkerstufe (bis auf den nachfolgenden Überschwinger oder Unterschwinger) im wesentlichen konstant bleibt. Die Berechnung beruht auf der Erkenntnis, dass der Gewinn einer Verstärkerstufe auch bei unveränderter Pumpleistung in den ersten Mikrosekunden nach einem Schaltvorgang im wesentlichen konstant bleibt. Die unmittelbar nach einem Schaltvorgang gemessene Ausgangsleistung stellt somit eine Soll-Ausgangsleistung dar, an die die Pumpleistung angepasst werden muss. Die neue Pumpleistung kann somit auf Basis der unmittelbar nach einem Schaltvorgang gemessenen Ausgangsleistung mit hoher Genauigkeit berechnet werden. Die Berechnung berücksichtigt eine Wellenlängenabhängigkeit der Verstärkung. Dadurch ist unerheblich, welche Kanäle zu- oder abgeschaltet werden.
• Die an der zweiten Verstärkerstufe neu einzustellende Pumpleistung wird, wie erwähnt, in Abhängigkeit von der Höhe der am Eingang der zweiten Verstärkerstufe zu erwartenden Leistungsänderung berechnet. Der zu erwartende Leistungssprung kann z. B. aus der gemessenen Leistungsänderung am Ausgang der ersten Stufe, unter Berücksichtigung der Dämpfung zwischen den beiden Stufen bestimmt werden.
• Der Zeitpunkt, zu dem die Pumpleistung geändert wird, ist abhängig von der Höhe der Schwankung im Ausgangssignal der ersten Verstärkerstufe und vom Aufbau des Verstärkers selbst. Die optimale Vorhaltzeit kann z. B. durch Tests oder Simulation ermittelt werden. Wahlweise könnte die Höhe des Überschwingers (oder Unterschwingers) beispielsweise auch gemessen und die Vorhaltzeit in Abhängigkeit von dessen Höhe berechnet werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Pumpleistung der zweiten Stufe bei einem Schaltvorgang nicht nur einmal, sondern wenigstens zweimal geändert. In einem ersten Schritt wird die Pumpleistung, wie erwähnt, eine vorgegebene Zeitdauer vor dem Eintreffen des Leistungssprungs geändert und in einem zweiten Schritt vorzugsweise unmittelbar nach dem Eintreffen des Leistungssprungs am Eingang der zweiten Verstärkerstufe korrigiert. Die zweite Anpassung bzw. Korrektur der Pumpleistung erfolgt vorzugsweise basierend auf der gemessenen Ausgangsleistung vor und nach dem Leistungssprung, wie vorstehend bezüglich der ersten Verstärkerstufe beschrieben wurde. Dadurch kann wiederum die Wellenlängenabhängigkeit der Verstärkung berücksichtigt und der Gewinn der Verstärkerstufe konstant gehalten werden.
• Ein mehrstufiger optischer Verstärker, der zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens entsprechend eingerichtet ist, umfasst wenigstens eine erste und eine zweite Verstärkerstufe mit jeweils wenigstens einer optischen Pumpe. An den Ein- und/oder Ausgängen der Verstärkerstufen sind vorzugsweise Sensoren, wie z. B. optische Dioden, zur Bestimmung der Eingangs- und/oder Ausgangsleistung vorgesehen. Die Leistungssensoren und die Pumpeinrichtungen sind mit einem Steuergerät verbunden, das zur Kompensation von Schwankungen im Verstärkergewinn (Überschwinger oder Unterschwinger), die einem Leistungssprung am Eingang nachfolgen, eingerichtet ist und einen entsprechenden Algorithmus enthält. Bei einem Leistungssprung am Eingang des Verstärkers ermittelt das Steuergerät die am Eingang der zweiten Verstärkerstufe zu erwartende Leistungsänderung und berechnet in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistung für die zweite Stufe. Die neue Pumpleistung wird dabei bereits an der zugehörigen Pumpe eingestellt, noch bevor der Leistungssprung am Eingang der zweiten Stufe anliegt.
• Das Steuergerät berechnet vorzugsweise außerdem einen zweiten, korrigierten Wert für die Pumpleistung der zweiten Stufe, der an der zugehörigen Pumpe eingestellt wird, unmittelbar nachdem der Leistungssprung am Eingang der zweiten Stufe angekommen ist. Der korrigierte Wert wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der zweiten Stufe nach dem Leistungssprung berechnet.
• Zwischen den beiden Verstärkerstufen ist vorzugsweise ein Laufzeit-behaftetes Element, wie z. B. eine Dispersionskompensierende Faser (DCF-Faser) angeordnet. Die Laufzeitverzögerung des Elements ermöglich es, die neue Pumpleistung der zweiten Stufe rechtzeitig berechnen zu können, bevor der Leistungssprung am Eingang der zweiten Stufe angekommen ist.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines einfachen optischen Systems bzw. Teil eines optischen Netzes mit mehreren Verstärkern;
• 2 eine schematische Ansicht einer Verstärkerstufe eines optischen Verstärkers mit einer Erbium-dotierten Faser;
• 3 einen Schaltvorgang an einer Verstärkerstufe eines optischen Verstärkers;
• 4 eine Ausführungsform eines dreistufigen optischen Verstärkers;
• 5 eine Detailansicht von zwei Verstärkerstufen des Verstärkers von 4;
• 6 den Verlauf der Eingangs-, Ausgangs- und Pumpleistung an einer ersten und einer zweiten Verstärkerstufe; und
• 7 die Gewinnabweichung eines Verstärkers bei unterschiedlichen Vorhaltzeiten.
• Bezüglich der Erläuterung der 1 bis 3 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
• 4 zeigt einen dreistufigen optischen Verstärker 3 mit den Verstärkerstufen 4, 5 und 6. Zwischen den Verstärkerstufen 4 und 5 ist ein variables Dämpfungsglied 7 angeordnet, mit dem der Gewinn des Verstärkers 3 variiert werden kann.
• Zwischen den Stufen 5 und 6 ist eine dispersionskompensierende Faser 8 (DCF) angeschlossen, die dazu dient, eine Dispersion, d.h. die Variation der Gruppengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz, einzelner Kanäle zu kompensieren. Solche Fasern sind üblicherweise mehrere Kilometer lang und zu einem Paket aufgewickelt, das zwischen zwei Verstärkerstufen angeschlossen wird. Wegen ihrer Länge bewirkt die DCF-Faser eine gewisse Signalverzögerung, die hier von Bedeutung ist.
• Am Eingang und Ausgang des optischen Verstärkers 3 ist eine optische Faser 2 angeschlossen, auf der ein optisches WDM-Signal mit z.B. 80 Kanälen geführt wird. Die einzelnen Verstärkerstufen 4-6 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils entsprechend 2 aufgebaut und arbeiten mit einer Erbium-dotierten Faser 14, die von einer optischen Pumpe 11 angeregt wird.
• 5 zeigt eine Detailansicht der Verstärkerstufen 5 und 6 des mehrstufigen optischen Verstärkers von 4. Die Verstärkerstufen 5 und 6 umfassen jeweils eine Erbium-dotierte Faser 14, die im Falle der Verstärkerstufe 5 von einer und im Falle der Verstärkerstufe 6 von zwei Pumpeinrichtungen 11, wie z. B. Pumpdioden, angeregt wird. Das von den Pumpeinrichtungen 11 erzeugte Licht wird in bekannter Weise über WDM-Koppler 10 in die EDF-Faser 14 eingekoppelt. Dort kommt es dann zu einer stimulierten Emission von Lichtquanten und somit zu einer Verstärkung des in der Faser 2 geführten optischen WDM-Signals.
• Die beiden Verstärkerstufen 5 und 6 umfassen außerdem jeweils einen am Eingang und Ausgang der Stufen angeordneten Sensor, wie z. B. eine Photodiode, zum Messen der Eingangs- bzw. Ausgangsleistung der Stufen 5 und 6. Jeder der Sensoren 12 ist über ein Koppelglied 16 an der Hauptfaser 2 angeschlossen, mit dem ein Teil des auf der Faser 2 geführten Lichtsignals ausgekoppelt wird. Die Sensoren 12 sind mit einer Steuereinheit 13 verbunden und führen dieser die aktuellen Leistungswerte zu. Die erste Verstärkerstufe 5 umfasst außerdem ein der EDF-Faser 14 nachgeordnetes Glättungsfilter 15 zur Glättung des Verstärkergewinns G über die einzelnen Kanäle.
• Die Pumpeinrichtungen 11 sind ebenfalls mit der Steuereinheit 13 verbunden. Im Falle eines Schaltvorgangs im optischen Signal wird die Pumpenleistung P_p entsprechend geändert, um sie an die Leistungsänderung anzupassen und somit den Gewinn des Verstärkers 3 im wesentlichen konstant zu halten. Die Anpassung der Pumpleistungen P_p erfolgt dabei durch eine Steuerung (hier ist keine Regelung vorgesehen).
• Um den Verstärkergewinn G nach einem Schaltvorgang im wesentlichen konstant halten zu können, wird die Pumpleistung P_p in spezieller Art und Weise gesteuert. Dies wird im folgenden anhand von 6 näher erläutert:
• 6 zeigt den Verlauf der Eingangs- P_sig,in bzw. Ausgangsleistungen P_sig,ont , sowie die Pumpleistungen P_p für die erste und zweite Verstärkerstufe 5, 6 für einen beispielhaften Schaltvorgang, bei dem von ursprünglich z. B. 80 Kanälen 40 ausgeschaltet werden. (Die Verstärkerstufen 5 und 6 bilden eigentlich die zweite und dritte Verstärkerstufe des mehrstufigen optischen Verstärkers 3 von 4, werden hier aber als erste und zweite Verstärkerstufe 5, 6 bezeichnet, ebenso wie in den Patentansprüchen. Ebenso muss die Verstärkerstufe 6 die in den Verstärkerstufen 4 und 5 entstehenden Überschwinger kompensieren. Der Einfachheit halber wird hier aber der Einfluss der Stufe 4 vernachlässigt. Die Erweiterung zur Berücksichtigung dieser Stufe ergibt sich in naheliegender Art und Weise aus der folgenden Beschreibung.)
• Durch das Abschalten oder Auskoppeln der 40 Kanäle ergibt sich ein Sprung 20 in der Eingangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}},$

  

  der zum Zeitpunkt t₁ am Eingang der ersten Verstärkerstufe 5 anliegt.
• Die Signal- und Pumpleistungen vor dem Schaltereignis sind durch den hochgestellten Index „vor“ und nach dem Schaltereignis durch den hochgestellten Index „nach“ gekennzeichnet.
• Die Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{I}}$

  

  der ersten Verstärkerstufe 5 wird kurz nach dem Schaltereignis 20 an die geringere Eingangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}}$

  

  angepasst, um den Gewinn der ersten Verstärkerstufe 5 nicht zu verändern. Hierzu sind eine ganze Reihe von Steuer- oder Regelverfahren bekannt. Eine besonders genaue Anpassung der Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{I}}$

  

  kann jedoch mit einem Verfahren erzielt werden, bei dem die Ausgangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  unmittelbar nach dem Schaltereignis 22 gemessen und auf Grundlage dieser Ausgangsleistung die neu einzustellende Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  berechnet wird. Die neue Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  ergibt sich aus einer effektiven Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{nach}},$

  

  für die gilt: $${\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{nach}}={\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{vor}}+\frac{{\overline{\lambda }}_{\text{sig}}}{{\mathrm{\lambda }}_{\text{p}}}\cdot \frac{1}{{\text{G}}_{\text{norm}}}\cdot \left\{{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{nach}\text{,I}}-{\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{nach}\text{,I}}-{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{vor}\text{,I}}+{\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{vor}\text{,I}}\right\}$$

  

  wobei ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  die Summenausgangsleistung nach dem Schaltereignis, ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  die Summeneingangsleistung nach dem Schaltereignis, ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{vor}\text{,I}}$

  

  die Summenausgangsleistung vor dem Schaltvorgang, und ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{vor}\text{,I}}$

  

  die Summeneingangsleistung vor dem Schaltvorgang bezeichnet.
• Für die effektive Pumpleistung vor dem Schaltereignis 20 gilt dabei: $${\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{vor}\text{,I}}={\text{P}}_0\cdot \text{ln}\left\{1+\frac{{\text{P}}_{\text{p}}^{\text{vor}\text{,I}}}{{\text{P}}_0}\right\}$$

  
• Die einzelnen Summenleistungen werden mittels der Sensoren 12 gemessen. Die beiden Wellenlängen λ̅_sig und λ̅_p stehen für die mittlere Signalwellenlänge nach dem Schaltvorgang bzw. die Pumpwellenlänge.
• Die neue Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  ergibt sich schließlich aus der effektiven Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  zu: $${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}={\text{P}}_0\cdot \left[\text{exp}\left\{\frac{{\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{nach}\text{,I}}}{{\text{P}}_0}\right\}-\text{1}\right]$$

  

  wobei P₀ eine Konstante ist.
• Dieses Berechnungs-Modell geht davon aus, dass sich der Gewinn der Verstärkerstufe in den ersten Mikrosekunden nach dem Schaltereignis 20 auch bei gleichbleibender Pumpleistung P_p nicht ändert. Die sich unmittelbar nach dem Schaltereignis einstellende Ausgangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{I}}$

  

  ist somit diejenige Ausgangsleistung, nach der die neue Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  einzustellen ist.
• Unabhängig davon, welche Methode zur Anpassung der Pumpleistung P_p der ersten Stufe 5 gewählt wurde, entstehen nach einem Schaltereignis 20 üblicherweise Schwankungen (Überschwinger 23 oder entsprechende Unterschwinger) im Ausgangssignal P_sig,out bzw. Gewinn G der Verstärkerstufe 5, die zu Bit-Fehlern am Empfänger 4 führen können. Diese Schwankungen sind auch bei einer sehr schnellen und optimalen Einstellung der neuen Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}$

  

  nicht eliminierbar, da sie durch den eingangs beschriebenen Speichereffekt im Dotiermaterial der dotierten Faser 14 physikalisch bedingt sind. Mittels einer vorzeitigen Reduktion der Pumpleistung an der zweiten Verstärkerstufe 6 können sie aber kompensiert oder wesentlich reduziert werden. Die Anpassung der Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}$

  

  der zweiten Stufe läuft dabei vorzugsweise wie folgt ab:
• Nach einem Schaltereignis 20 an der ersten Stufe 5 wird in einem ersten Schritt zunächst die am Eingang der zweiten Stufe 6 zu erwartende Leistungsänderung berechnet. Diese Leistungsänderung ergibt sich aus der am Ausgang der ersten Stufe 5 gemessenen Leistungsänderung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{nach}\text{,I}}-{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{vor}\text{,I}},$

  

  die mit einem Dämpfungsfaktor 10^-a/10 der DCF-Faser 8 multipliziert wird.
• Danach wird eine neue effektive Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  berechnet, für die gilt: $${\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{nach}\text{,II}}={\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{vor}\text{,II}}+\frac{{\overline{\lambda }}_{\text{sig}}}{{\mathrm{\lambda }}_{\text{p}}}\cdot \frac{{\text{G}}_{\text{norm}}^{\text{vor}\text{,II}}}{{\text{G}}_{\text{norm}}}\cdot \left\{{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{nach}\text{,I}}-{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{vor}\text{,I}}\right\}\cdot {10}^{-\text{a/10}}$$

  

  wobei G_norm ein Normparameter für den Gewinn und ${\text{P}}_{\text{sig}}^{\text{vor}\text{,II}}$

  

  der Gewinn der zweiten Stufe 6 vor dem Schaltereignis 20 am Eingang der zweiten Stufe 6 ist. Daraus wird dann wiederum die neue Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  entsprechend Gleichung (3) berechnet.
• Die neue Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  wird im Gegensatz zur ersten Stufe 5 nicht erst nach dem Eintreffen eines Schaltereignisses 20, sondern bereits eine vorgegebene Zeit (Vorhaltzeit τ) vor dem Eintreffen des Schaltereignisses 20 am Eingang der zweiten Stufe 6 eingestellt. Die Vorhaltzeit τ ist dabei so gewählt, dass der Überschwinger 23 (durch einen im Ausgangssignal ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{II}}$

  

  der zweiten Stufe 6 ansonsten enthaltenen Unterschwinger) im wesentlichen kompensiert wird. Während der Vorhaltzeit ändert sich die Ausgangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{II}}$

  

  und somit auch der Gewinn der Verstärkerstufe nur unwesentlich.
• Die Länge der Vorhaltzeit τ ist abhängig von der Höhe des Überschwingers 23. Sofern in der Eingangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}$

  

  stets nur gleiche Überschwinger 23 bzw. Unterschwinger auftreten, kann die optimale Vorhaltzeit τ z.B. durch Tests ermittelt werden. Andernfalls könnte die optimale Vorhaltzeit z. B. auch durch Messung ermittelt und an den jeweiligen Fall angepasst werden
• Die Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}$

  

  ist üblicherweise nicht nur von der Eingangsleistung ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}},$

  

  sondern auch in gewissem Rahmen von der Wellenlänge der übertragenen Kanäle abhängig. So macht es für den Gewinn der Stufe 5,6 beispielsweise einen Unterschied, ob die zehn Kanäle mit der höchsten Frequenz oder die zehn Kanäle mit der niedrigsten Frequenz abgeschaltet werden. Um diese Wellenlängenabhängigkeit des Gewinns zu berücksichtigen, wird die Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}$

  

  nach dem Eintreffen der Leistungsänderung 20 am Eingang der zweiten Stufe 6 vorzugsweise noch korrigiert. Die korrigierte Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  kann z. B. wiederum auf der Grundlage der Änderung der Ausgangsleistung P_sig,out berechnet werden, wie dies vorstehend bezüglich der ersten Sufe 5 beschrieben wurde. Für die korrigierte effektive Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{eff}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  kann beispielsweise folgende Beziehung angesetzt werden: $${\text{P}}_{\text{eff}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}={\text{P}}_{\text{eff}}^{\text{vor}\text{,II}}+\frac{{\overline{\lambda }}_{\text{sig}}}{{\mathrm{\lambda }}_{\text{p}}}\cdot \frac{{\text{G}}_{\text{norm}}^{\text{nach}\text{,II}}-1}{{\text{G}}_{\text{norm}}}\cdot \left\{{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{nach}\text{,I}}-{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{vor}\text{,I}}\right\}\cdot {10}^{-\text{a/10}}$$

  

  mit $${\text{G}}_{\text{sig}}^{\text{nach}\text{,II}}={\text{G}}_{\text{sig}}^{\text{vor}}\frac{{\text{G}}_{\text{sig}}^{\text{trans}\text{,nach}}}{{\text{G}}_{\text{sig}}^{\text{trans}\text{,vor}}}$$

  
• Dabei sind ${\text{G}}_{\text{sig}}^{\text{trans}\text{,vor}}{\text{ und G}}_{\text{sig}}^{\text{trans}\text{,nach}}$

  

  die Gewinnwerte der zweiten Stufe 6 vor und nach der Leistungsänderung 20. Durch den Gewinnwert ${\text{G}}_{\text{sig}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  wird berücksichtigt, dass sich der Gewinn vom Zeitpunkt t₂ der Reduktion der Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}$

  

  an bereits verändert hat. Aus der korrigierten effektiven Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{eff}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  kann wiederum die tatsächlich einzustellende korrigierte Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  berechnet werden.
• Sofern sich im Ausgangssignal ${\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{I}}$

  

  der ersten Stufe 5 anstelle eines Überschwingers 23 z.B. ein Unterschwinger (nicht gezeigt) einstellt, wie er z.B. beim Zuschalten mehrerer Kanäle auftreten kann, gilt für die Anpassung der Pumpleistung an der zweiten Stufe 6 vorstehend gesagtes, mit dem Unterschied, dass die Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}$

  

  der zweiten Stufe 6 vorzeitig erhöht wird.
• Die Korrektur der Pumpleistung ${\text{P}}_{\text{p}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}$

  

  zum Zeitpunkt t₃ kann, muss aber nicht unbedingt durchgeführt werden.
• 7 zeigt die Gewinnabweichung in dB des Verstärkers 3 bei unterschiedlichen Vorhaltzeiten τ. Dabei ist zu erkennen, dass sich der Gewinn bei Vorhaltzeiten zwischen -3,5 µs und 6 µs am wenigsten verändert, wobei nur minimale Unterschwinger auftreten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kompensation einer durch eine Änderung der Eingangsleistung eines optischen Wellenlängen-Multiplexsignals verursachten Gewinnschwankung eines optischen Verstärkers (3), der mehrere in Reihe geschaltete Verstärkerstufen (4-6) mit wenigstens zwei Pumpeinrichtungen (11) umfasst, deren Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}}^{\text{I}},{\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}\right)$

   

   bei einer sprunghaften Änderung (20) der Eingangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}},{\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}\right)$

   

   entsprechend angepasst wird, um den Verstärkergewinn (G) möglichst konstant zu halten, wobei die Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}}^{\text{I}}\right)$

   

   einer ersten Verstärkerstufe (5) bei einem Leistungssprung (20) der Eingangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}}\right)$

   

   angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die an einer nachfolgenden zweiten Verstärkerstufe (6) zu erwartende Änderung der Eingangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}\right)$

   

   und in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}\right)$

   

   für die zugehörige Pumpeinrichtung (11) und eine Vorhaltzeit (τ), deren Beginn vor dem Eintreffen des Leistungssprungs (20) am Eingang der zweiten Verstärkerstufe (6) liegt, berechnet werden, dass die neue Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}\right)$

   

   zu Beginn der ermittelten Vorhaltzeit (τ) eingestellt wird, so dass eine Schwankung im Eingangssignal der zweiten Verstärkerstufe $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}\right),$

   

   die dem Leistungssprung (20) folgt, durch eine gegensinnige Schwankung im Gewinn der zweiten Verstärkerstufe (6) kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an der zweiten Verstärkerstufe (6) neu eingestellte Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}\right)$

   

   nachträglich korrigiert wird, wobei unmittelbar nach dem Eintreffen des Leistungssprungs (20) am Eingang der zweiten Verstärkerstufe (6) die Ausgangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{II}}\right)$

   

   der zweiten Verstärkerstufe (6) ermittelt und in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}\text{,2}}^{\text{nach}\text{,II}}\right)$

   

   der zugehörigen Pumpeinrichtung (11) berechnet und an der Pumpeinrichtung (11) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach dem Eintreffen eines Leistungssprungs (20) am Eingang der ersten Verstärkerstufe (5) die Ausgangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{I}}\right)$

   

   der ersten Verstärkerstufe (5) ermittelt und in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}}^{\text{nach}\text{,I}}\right)$

   

   für die zugehörige Pumpeinrichtung (11) berechnet und an der Pumpeinrichtung (11) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhaltzeit (τ) durch Tests oder Simulation ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}\right)$

   

   der zweiten Verstärkerstufe (6) im Rahmen einer Steuerung durchgeführt wird.
6. Mehrstufiger optischer Verstärker (3) zum Verstärken eines optischen Wellenlängen-Multiplexsignals, umfassend mehrere in Reihe geschaltete Verstärkerstufen (4-6) mit wenigstens zwei Pumpeinrichtungen (11), einen Sensor (12) zum Ermitteln der Eingangs- und/oder Ausgangsleistung der Verstärkerstufen (4-6), sowie eine Steuereinheit (13), die die Signalleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}},{\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}},{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{I}},{\text{P}}_{\text{sig}\text{,out}}^{\text{II}}\right)$

   

   des Wellenlängen-Multiplexsignals überwacht und die Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}}^{\text{I}},{\text{P}}_{\text{p}}^{\text{II}}\right)$

   

   wenigstens einer der Pumpeinrichtungen (11) bei einem Leistungssprung (20) in der Eingangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}},{\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}\right)$

   

   anpasst, um den Verstärkergewinn (G) möglichst konstant zu halten, wobei die Steuereinheit (13) die Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}}^{\text{I}}\right)$

   

   einer ersten Verstärkerstufe (5) bei einem Leistungssprung (20) der Eingangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{I}}\right)$

   

   ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die am Eingang der nachfolgenden zweiten Verstärkerstufe (6) zu erwartende Änderung der Eingangsleistung $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}\right)$

   

   und in Abhängigkeit davon eine neue Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}\right)$

   

   für die zugehörige Pumpeinrichtung (11) und eine Vorhaltzeit (τ), deren Beginn vor dem Eintreffen des Leistungssprungs (20) am Eingang der zweiten Verstärkerstufe (6) liegt, berechnet und die neue Pumpleistung $\left({\text{P}}_{\text{p}\text{,1}}^{\text{nach}\text{,II}}\right)$

   

   zu Beginn der ermittelten Vorhaltzeit (τ) einstellt, so dass eine Schwankung im Eingangssignal der zweiten Verstärkerstufe $\left({\text{P}}_{\text{sig}\text{,in}}^{\text{II}}\right),$

   

   die dem Leistungssprung (20) folgt, durch eine gegensinnige Schwankung im Gewinn der zweiten Verstärkerstufe (6) kompensiert wird.
7. Mehrstufiger optischer Verstärker (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Verstärkerstufen (5, 6) eine Erbium-dotierte Faser (14) aufweist.
8. Mehrstufiger optischer Verstärker nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (5) und der zweiten Verstärkerstufe (6) ein Laufzeit behaftetes Element, wie z. B. eine dispersionskompensierende Faser (8) angeordnet ist.
9. Mehrstufiger optischer Verstärker (3) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) eine Steuerung der Pumpleistung (P_p) durchführt und der Verstärker (3) keinen Regelkreis zur Regelung des Verstärkergewinns aufweist.
10. Mehrstufiger optischer Verstärker (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (3) drei Verstärkerstufen (4-6) umfasst.

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