DE19535801C1 - Verstärkungsregelung für optische Faserverstärker in Wellenlängenmultiplexsystemen - Google Patents

Description

Optische Faserverstärker auf der Basis von Fasern, die mit Ionen der seltenen Erden dotiert sind, werden in zukünftigen optischen Telekommunikationsnetzen eine tragende Rolle spie­ len. Einer der Gründe hierfür liegt in ihrer großen Verstär­ kungsbandbreite, die es erlaubt, Wellenlängenmultiplexsignale (WDM-Signale) zu verstärken, ohne sie vorher demultiplexen zu müssen.

Um ein empfängerseitiges Übersprechen möglichst klein zu hal­ ten und somit die Kanäle in den Netzknoten sauber trennen zu können, ist eine möglichst weit gehende Pegelgleichheit zwi­ schen allen WDM-Kanälen von Bedeutung. Dies kann mit einem entsprechenden, die WDM-Kanäle über einen breiten Wellenlän­ genbereich nahezu gleich stark verstärkenden Faserverstärker erreicht werden.

Allerdings kann sich die Verstärkung mit der Anzahl der akti­ ven Eingangskanäle und deren Leistungen ändern, so daß insbe­ sondere in Wellenlängenmultiplexsystemen mit geschalteten Ka­ nälen die Wellenlängenmultiplexsignale beim mehrfachen Durch­ laufen herkömmlicher Faserverstärker stark schwankende Pegel­ unterschiede erleiden können:
Optische Faserverstärker werden nämlich oftmals nicht im li­ nearen Verstärkungsbereich, sondern im Sättigungsbereich, be­ trieben. Dies gilt insbesondere bei der Verstärkung von WDM- Signalen; die Eingangsleistung des optischen Faserverstärkers ist in diesem Fall gleich der Summe der Leistungen aller das WDM-Signal konstituierenden Einzelsignale. Fallen nun eines oder auch mehrere dieser Signale aus oder werden Signale ab­ geschaltet bzw. neu hinzugeschaltet, so ändern sich die Sum­ menleistung am Eingang des optischen Faserverstärkers und da­ mit dessen Sättigungsgrad und somit die Verstärkung, die ein einzelner WDM-Kanal erfährt. Das im Empfänger ankommende Sig­ nal kann daher (nach dem Demultiplexen) in seinem Pegel mehr oder weniger stark schwanken und ggf. den Dynamikbereich des Empfängers überschreiten. Um dem zu begegnen, ist es wün­ schenswert, die Verstärkung eines optischen Faserverstärkers, unabhängig von der Anzahl von gerade belegten WDM-Kanälen und von deren Leistungen, konstant zu halten.

Es ist bekannt, bei der Regelung eines Faserverstärkers in der Weise zu verfahren, daß bei einer ausgesuchten Wellenlän­ ge die verstärkte spontane Emission des Faserverstärkers gemessen und auf einen konstanten Wert geregelt wird, indem durch eine zusätzliche Laserdiode Leistung in den Faserver­ stärker eingekoppelt wird (OFC′94 Technical Digest, S. 191). Des weiteren ist es bekannt, den Faserverstärker über die Pumpleistung zu regeln, wobei zur Messung des Zustandes des Faserverstärkers ein zusätzliches Signal eingespeist und am Ausgang wieder ausgekoppelt wird (IFC/IOOC′93 Technical Di­ gest, S. 40).

Beiden Verfahren gemeinsam ist, daß für die Regelung zusätz­ liche optische Komponenten benötigt werden.

Es ist auch (aus US-A-5 311 347) ein optisches Übertragungs­ system mit einem mit Hilfe eines zusätzlichen level control signals in seiner Verstärkung geregelten optischen Faserver­ stärker bekannt. Dabei ist sendeseitig allein zu diesem Zweck ein Wellenlängenmultiplexer vorgesehen, in dem zu dem zu ver­ stärkenden optischen Signal einer ersten Wellenlänge ein zeit­ lich invariantes level control signal einer zweiten Wellen­ länge hinzugefügt wird, an Hand dessen der Pumplaserstrom des Faserverstärkers nachgeregelt wird. Hierzu wird in einem dem Faserverstärker nachgeschalteten Strahlteiler ein Teil des verstärkten Lichts ausgekoppelt; das darin enthaltene level control signal wird dann herausgefiltert und einer Regelschal­ tung zur Regelung des Pumplaserstroms zugeführt. Schließlich wird empfangsseitig in einem Wellenlängendemultiplexer das level control signal wieder entfernt.

Dieses bekannte Übertragungssystem ist zunächst einmal inso­ fern kein Wellenlängenmultiplexsystem, als es nur einen ein­ zigen optischen Nutzsignalkanal mit Licht einer einzigen Wel­ lenlänge aufweist, und es wird dann, allein zum Zweck der Verstärkungsregelung in diesem einzigen optischen Nutzsignal­ kanal, dem Licht der ersten Wellenlänge ein zusätzliches le­ vel control signal einer zweiten Wellenlänge in einem damit erst erhaltenen Wellenlängenmultiplex hinzugefügt. Damit ist aber auch dieses bekannte Übertragungssystem relativ aufwen­ dig.

Die Erfindung zeigt demgegenüber einen Weg zu einer weniger aufwendigen Regelung eines Faserverstärkers im Hinblick auf eine zeitlich konstante Verstärkung der einzelnen Kanäle von Wellenlängenmultiplexsystemen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Verstär­ kung optischer Faserverstärker in Wellenlängenmultiplexsyste­ men, demzufolge die Empfangsleistung eines in einem Kanal des Wellenlängenmultiplexsystems übertragenen Signals bestimmt und durch entsprechende Nachführung des Pumplaserstroms auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird; dieses Verfahren ist erfin­ dungsgemäß gekennzeichnet durch die Mitausnutzung des in einem Wellenlängenmultiplex-Telekommunikationssystem ohnehin vorhan­ denen Signalisierungskanals zur Verstärkungsregelung in der Weise, daß die mittlere Empfangsleistung des im Signalisie­ rungskanal des Wellenlängenmultiplexsystems übertragenen Si­ gnals bestimmt und durch entsprechende Nachführung des Pump­ laserstroms auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird; dabei kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das im Signali­ sierungskanal übertragene Signal im Hinblick auf einen über eine Zeitspanne von der Dauer der Reaktionszeit des Faserver­ stärkers konstanten mittleren Pegel codiert sein.

Eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung eines zwischen zwei Netzknoten eines Wellenlängenmultiplexsystems liegenden optischen Faserverstärkers, bei der der eingangs­ seitig mit einem zur Verstärkungsregelung nutzbaren optischen Signal beaufschlagte Faserverstärker ausgangsseitig über ei­ nen optoelektrischen Wandler mit dem Überwachungseingang ei­ ner an einem Vergleichseingang mit einer vorgegebenen Ver­ gleichsgröße beaufschlagten Regelschaltung zur Regelung des Pumplaserstroms des Faserverstärkers verbunden ist, ist er­ findungsgemäß gekennzeichnet durch die Mitausnutzung des in einem Wellenlängenmultiplex-Telekommunikationssystem ohnehin vorhandenen Signalisierungskanals zur Verstärkungsregelung in der Weise, daß in einem dem Faserverstärker vorangehenden Netzknoten der Signalisierungskanaleingang eines Wellenlän­ genmultiplexers über einen elektrooptischen Wandler mit einem Signal von über eine Zeitspanne von der Dauer der Reaktions­ zeit des Faserverstärkers konstanter mittlerer Leistung be­ aufschlagt ist bzw. daß in einem dem Faserverstärker nachfol­ genden Netzknoten der Signalisierungskanalausgang eines Wel­ lenlängendemultiplexers über einen optoelektrischen Wandler zum Überwachungseingang eines an einem Vergleichseingang mit einer vorgegebenen Vergleichsgröße beaufschlagten, in ihrem Zeitverhalten auf die Reaktionszeit des Faserverstärkers ab­ gestimmten Regelschaltung zur Regelung des Pumplaserstroms des Faserverstärkers führt.

Mit einer solchen Mitausnutzung des in einem Wellenlängenmul­ tiplex-Telekommunikationssystem zur Steuerung und Überwachung der Netzknoten ohnehin vorhandenen Signalisierungskanals zur Verstärkungsregelung bei einem optischen Faserverstärker bringt die Erfindung den Vorteil mit sich, bei der Verstär­ kungsregelung ohne zusätzliche optische Komponenten auskommen und unter Verwendung einer entsprechend angepaßten Standard­ schaltung zur Regelung der Leistung von Pumplaserdioden den elektrische Aufwand sehr gering halten zu können.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nachfol­ genden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung ersichtlich.

Die Zeichnung zeigt schematisch in einem zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Umfang einen Ausschnitt aus einem Wellenlängenmultiplex-Telekommunikationsnetz mit einem Aus­ führungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung eines optischen Faserverstärkers OFV, der zwi­ schen zwei Netzknoten K1, K2 in einen mit einem Wellenlängen­ multiplexsystem belegten Lichtwellenleiter L eingefügt ist. In an sich bekannter, hier nicht weiter erläuterungsbedürf­ tiger Weise durchläuft das über den Lichtwellenleiter L über­ tragene Licht des Wellenlängenmultiplexsystems im optischen Faserverstärker OFV eine mit Ionen der seltenen Erden dotier­ te Lichtleitfaser, in die von einer Halbleiterlaserdiode (Pumplaser) emittiertes Pumplicht mit Hilfe eines Wellen­ längenmultiplexers eingekoppelt und damit dem über den Licht­ wellenleiter L übertragenen Licht überlagert wird; das über den Lichtwellenleiter L übertragene Licht erfährt dabei eine Verstärkung auf Kosten des Pumplichts (s.a. DE-A-195 29 496).

Im Netzknoten K1 möge mittels eines Wellenlängenmultiplexers λMUX das von einem elektrooptischen Wandler 1W herkommende Signal des im Multiplexsystem enthaltenen Signalisierungska­ nals als Teil des über die LWL-Strecke L zu übertragenden Wellenlängenmultiplexsignals in dieses eingekoppelt werden. Ein solcher Signalisierungskanal dient zur Übertragung von zur Steuerung und Überwachung der einzelnen Netzknoten er­ forderlichen Signalen auf einer signalisierungskanaleigenen Wellenlänge. An jedem Knoten, im Beispiel am Netzknoten K2, wird dazu der Signalisierungskanal aus dem über die gerade durchlaufenene LWL-Strecke, im Beispiel die LWL-Strecke L, geführten Wellenlängenmultiplexsystem mittels eines Wellen­ längendemultiplexers λDEMUX ausgekoppelt; der Signalisie­ rungskanalausgang des Wellenlängendemultiplexers λDEMUX führt dann zu einem optoelektrischen Wandler W2.

Es sei bemerkt, daß Wellenlängenmultiplexer λMUX und Wellen­ längendemultiplexer λDEMUX in Form von sog. Phased-Array- oder auch Arrayed-Waveguide-Grating-Wellenlängen (de)multiple­ xern realisiert sein können, ohne daß die Erfindung indessen an eine solche Realisierung gebunden ist; so kann beispiels­ weise als Wellenlängenmultiplexer λMUX zur Einkopplung des Signalisierungskanals auch ein einfacher Faserkoppler oder eine akustooptische Komponente vorgesehen sein, und auch als Wellenlängendemultiplexer λDEMUX zur Auskopplung des Signali­ sierungskanals kann beispielsweise eine entsprechende akusto­ optische Komponente vorgesehen sein.

In dem dem Faserverstärker OFV vorangehenden Netzknoten K1 wird der Signalisierungskanaleingang 1s des Wellenlängenmul­ tiplexers λMUX über den elektrooptischen Wandler 1W mit einem Signal von über eine Zeitspanne von der Dauer der - zum Bei­ spiel bei Erbium in Glas etwa 10 ms betragenden - Reaktions­ zeit des Faserverstärkers (OFV) konstanter mittlerer Leistung beaufschlagt. Hierzu kann das im Signalisierungskanal vom Netzknoten K1 zum Netzknoten K2 beispielsweise mit 16 Mbit/s zu übertragende Signal, bei dem es sich um ein Token-Ring- Protokoll nach IEEE Standard 802.5 handeln kann, entsprechend kodiert sein, insbesondere im Manchestercode, so daß die über die Reaktionszeit des Faserverstärkers OFV meßbare mittlere Signalleistung konstant ist.

Das im Signalisierungskanal vom Netzknoten K1 zum Netzknoten K2 übertragene Signal gelangt dort vom Signalisierungskanal­ ausgang s2 des Wellenlängendemultiplexers λDEMUX zum opto­ elektrischen Wandler W2; ein der dort gegebenen Signallei­ stung entsprechendes Überwachungssignal wird zur Regelung des Pumplaserstroms des Faserverstärkers OFV dem Überwachungs­ eingang ü einer Regelschaltung RS zugeführt. An einem Ver­ gleichseingang v ist die Regelschaltung RS mit einer vorgege­ benen Vergleichsgröße beaufschlagt, die zur Vorgabe einer ge­ wünschten Verstärkung des Faserverstärkers OFV dient. Wie dies auch in der Zeichnung mit einem Kondensator am Überwa­ chungseingang ü der Regelschaltung RS angedeutet ist, wird das Überwachungssignal der Regelschaltung RS als zeitlich gemitteltes Signal zugeführt, wobei die zeitliche Mittelung zweckmäßigerweise so erfolgt, daß (modulations- bzw.) kodie­ rungsbedingte Signalzustandsänderungen ausgemittelt sind, während im Bereich der Reaktionszeit des Faserverstärkers OFV liegende zeitliche Änderungen des Überwachungssignals am Überwachungseingang ü der Regelschaltung RS wirksam sind. Die Regelungsschaltung RS ist zweckmäßigerweise als linearer Regler mit PI-(Proportional-Integral-)Charakteristik oder auch PID-(Proportional-Integral-Differential-)Charakteristik ausgebildet, wobei die Regelungszeitkonstanten der Regel­ schaltung RS so optimiert sind, daß eine sprungartige Ände­ rung der Eingangsleistung des Faserverstärkers OFV allenfalls zu einer minimalen und zeitlich begrenzten Änderung der Ver­ stärkung des Faserverstärkers OFV führt. Während zum Betrieb eines Pumplasers üblicherweise Regelschaltungen eingesetzt werden, die die Pumpleistung konstant halten, ermöglicht die in der hier umrissenen Weise mit dem am Ausgang des optoelek­ trischen Wandlers W2 auftretenden Überwachungssignal beauf­ schlagte und in den Regelungszeitkonstanten entsprechend op­ timierte Regelschaltung RS mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine Regelung der Verstärkung des Faserverstärkers OFV: Überwachungssignaländerungen, die im Bereich der Reakti­ onszeit des Faserverstärkers OFV liegen, führen am Ausgang a der Regelschaltung RS zum Auftreten eines entsprechenden Feh­ lersignals; dieses Fehlersignal dient dann dazu, die Strom­ quelle J, aus der der Pumplaser PL des Faserverstärkers OFV gespeist wird, so einzustellen und damit die vom Pumplaser abgegebene Pumpleistung so nachzuführen, daß die im Netzkno­ ten K2 im Signalisierungskanal empfangene Signalleistung kon­ stant ist.

Damit wird aber, nachdem zugleich - entsprechend den vorher­ gehenden Erläuterungen - im Netzknoten K1 der Signalisie­ rungskanaleingang 1s des Wellenlängenmultiplexers λMUX über den elektrooptischen Wandler 1W mit einem Signal von über eine Zeitspanne von der Dauer der Reaktionszeit des Faserver­ stärkers (OFV) konstanter mittlerer Leistung beaufschlagt war, bei konstanter optischer Dämpfung der Lichtwellenleiter­ strecke L im Ergebnis auch die Verstärkung des Faserverstär­ kers OFV konstant gehalten.

Claims (5)

1. Verfahren zur Regelung der Verstärkung optischer Faserver­ stärker in Wellenlängenmultiplexsystemen, demzufolge die Emp­ fangsleistung eines in einem Kanal des Wellenlängenmultiplex­ systems übertragenen Signals bestimmt und durch entsprechende Nachführung des Pumplaserstroms auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, gekennzeichnet durch die Mitausnutzung des in einem Wellenlängenmultiplex-Telekom­ munikationssystem ohnehin vorhandenen Signalisierungskanals zur Verstärkungsregelung in der Weise, daß die mittlere Emp­ fangsleistung des im Signalisierungskanal des Wellenlängenmul­ tiplexsystems ohnehin übertragenen Signals bestimmt und durch entsprechende Nachführung des Pumplaserstroms auf dem vorgege­ benen Wert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Signalisierungskanal übertragene Signal im Hin­ blick auf einen über eine Zeitspanne von der Dauer der Reak­ tionszeit des Faserverstärkers (OFV) konstanten mittleren Pegel codiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Signalisierungskanal übertragene Signal im Manche­ stercode kodiert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalisierungskanal ein Token-Ring-Protokoll nach IEEE Standard 802.5 übertragen wird.

5. Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung eines zwischen zwei Netzknoten (K1, K2) eines Wellenlängenmulti­ plexsystems liegenden optischen Faserverstärkers (OFV), bei der der eingangsseitig mit einem zur Verstärkungsregelung nutzbaren optischen Signal beaufschlagte Faserverstärker aus­ gangsseitig über einen optoelektrischen Wandler (W2) mit dem Überwachungseingang (ü) einer an einem Vergleichseingang (v) mit einer vorgegebenen Vergleichsgröße beaufschlagten Regel­ schaltung (RS) zur Regelung des Pumplaserstroms des Faser­ verstärkers (OFV) verbunden ist,
gekennzeichnet durch
die Mitausnutzung des in einem Wellenlängenmultiplex-Telekom­ munikationssystem ohnehin vorhandenen Signalisierungskanals zur Verstärkungsregelung in der Weise,
daß in einem dem Faserverstärker (OFV) vorangehenden Netzkno­ ten (K1) der Signalisierungskanaleingang (1s) eines Wellen­ längenmultiplexers (λMUX) über einen elektrooptischen Wandler (1W) mit dem Signalisierungskanalsignal mit über eine Zeit­ spanne von der Dauer der Reaktionszeit des Faserverstärkers (OFV) konstanter mittlerer Leistung beaufschlagt ist und/oder
daß in einem dem Faserverstärker (OFV) nachfolgenden Netzkno­ ten (K2) der Signalisierungskanalausgang (s2) eines Wellen­ längendemultiplexers (λDEMUX) über einen optoelektrischen Wandler (W2) zum Überwachungseingang (ü) einer an einem Ver­ gleichseingang (v) mit einer vorgegebenen Vergleichsgröße be­ aufschlagten, in ihrem Zeitverhalten auf die Reaktionszeit des Faserverstärkers (OFV) abgestimmten Regelschaltung (RS) zur Regelung des Pumplaserstroms des Faserverstärkers (OFV) führt.