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Die Erfindung betrifft ein optisches Übertragungssystem mit
dynamischer Kompensation der übertragenen Leistung und
insbesondere ein Übertragungssystem mit
Wellenlängenmultiplexierung (Wavelength Division
Multiplexing).
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Die optischen Übertragungsleitungen transportieren heute in
der Wellenlänge gemultiplexte Signale. Diese Signale werden
über die gesamte Übertragung durch Verstärker mit optischen
Fasern verstärkt.
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Die gegenwärtige Entwicklung besteht immer mehr darin
optische Lösungen ins Auge zu fassen, um es zusammen mit
der Übertragung auf Übertragungsnetzen zu machen.
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Bei einem Übertragungsnetz hat man außer den
Übertragungsfunktionen Funktionen des Routings, der
Konfiguration und der Neukonfiguration, um die Information
zu einem gegebenen Ausgangspunkt bzw. Ausgabepunkt des
Netzes zu leiten.
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Wenn nun Übertragungen auf einem Netz ausgeführt werden,
müssen aus Gründen des Platzbedarfs des Verkehrs oder
anderem an geeigneten Stellen des Netzes Neukonfigurationen
durchgeführt werden, die zu einer Änderung der Anzahl von
Übertragungskanälen führen, die sich auf den optischen
Übertragungsleitungen ausbreiten und die durch die
Verstärker mit optischen Fasern über diese ganzen Leitungen
verstärkt werden.
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Die Verstärker mit optischen Fasern und insbesondere die
Verstärker mit Fasern, die mit Erbium dotiert sind, werden
auf den Leitungen für die optische Übertragung verwendet,
weil sie für die Modulationsfrequenzen der in den
Telekommunikationssystemen verwendeten Signale keine
Nichtlinearität der Verstärkung in Abhängigkeit von der
Leistung des Eingangssignals aufweisen.
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Tatsächlich ist die Erholungszeit der Verstärkung in einem
Verstärker mit einer mit Erbium dotierten Faser größer als
0,1 ms. Diese hohe Erholungszeit bewirkt für die auf dem
Gebiet der Telekommunikation verwendeten
Modulationsfrequenzen, die in der Größenordnung von 100 MHz
bis 10 GHz liegen, eine Stabilisierung der Verstärkung,
weil diese keine Zeit hat wieder anzusteigen, wenn das
Signal von einem hohen Stand in einen niedrigen Stand
übergeht.
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Nun wurde festgestellt, dass wenn die Anzahl von am Eingang
eines Verstärkers mit optischer Faser vorhandenen
Übertragungskanäle geändert wird, dies eine Sättigung oder
eine Entsättigung dieses Verstärkers hervorruft, die einen
Ausgleichsvorgang mit sich bringt. Tatsächlich variiert die
Verstärkung des Verstärkers vorübergehend und die
Gesamtleistung des Ausgangssignals sinkt.
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Dieses Phänomen stört, weil dies bedeutet, dass während
einer sehr kurzen Zeit, typischerweise einige zehn
Mikrosekunden, die Leistung der tatsächlich genutzten
Kanäle verändert wird, was leider zu Übertragungsfehlern
führen kann.
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Um dieses Problem zu lösen schlägt der Stand der Technik
ein System vor, dessen Prinzipschaltbild in Fig. 1
dargestellt ist.
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Das Endgerät T stellt einen Sender oder einen Routingknoten
des Netzes dar und das Endgerät R stellt einen Empfänger
oder einen weiteren Routingknoten des Netzes dar.
Verstärker EDFA mit Fasern sind in den Verstärkern bzw.
Repeatern (nachfolgend als Repeater bezeichnet) vorhanden,
die über die ganze Leitung zwischen den Zugangs- oder
Ausgangspunkten T und R angeordnet sind.
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Dieses System führt eine Laserquelle L(λc) ein, die am
Eingang der Leitung F angeordnet ist und deren
Ausgangsleistung mittels ihres Stroms so geregelt wird,
dass die Gesamtleistung des Nutzsignals und die Leistung
des von diesem Laser ausgesendeten Signals konstant bleibt.
Dafür wird in einem Regelkreis BA ein kleiner Teil der
Gesamtleistung der Signale wiedergewonnen, um mittels des
Detektors DP die Höhe der auf der Leitung übertragenen
Gesamtleistung zu erfassen und auf den Strom des Lasers L
rückzuwirken.
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Der Laser L ist so gewählt, dass er eine Wellenlänge λc
hat, die von der der Nutzkanäle λ1-λn verschieden ist.
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Wenn man beispielsweise über fünf Kanäle verfügt und aus
Routinggründen drei dieser Kanäle unterdrückt werden, ruft
so der Regelkreis des Lasers eine Erhöhung der
Ausgangsleistung dieses letzteren hervor, so dass die
Leistung der beiden restlichen Kanäle und die des Lasers
derjenigen der fünf anfänglichen Kanäle entspricht.
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Diese Lösung hat den Nachteil ein zusätzliches Bauelement
einzuführen, das eine Laserdiode und eine schnelle
elektronische Rückführschleife ist, die eine
Steuerschaltung für den Laser umfasst. Diese Lösung ist
relativ komplex und teuer.
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Die vorliegende Erfindung gestattet diesen Nachteilen
abzuhelfen und schlägt ein zuverlässiges und wenig
komplexes System vor.
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Aus dem Artikel mit dem Titel "Wavelength conversion and
switching of high speed data signals using semiconductor
laser amplifiers", R. Schnabel et al., veröffentlicht in
Electronics Letters, Bd. 29, Nr. 23, 11. November 1993,
Stevenage, GB, ist außerdem an sich bekannt einen optischen
Halbleiterverstärker stromaufwärts eines Verstärkers mit
optischer Faser anzukoppeln. Dieser Artikel beschreibt
jedoch kein Übertragungssystem sondern eine
Versuchsanordnung zur Untersuchung der Leistungen von der
verwendeten optischen Halbleiterverstärker als
Wellenlängenwandler.
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Die vorliegende Erfindung hat ein optisches
Übertragungssystem zum Gegenstand, das eine
Übertragungsleitung umfasst, die wenigstens einen
Verstärker mit optischer Faser und einen weiteren optischen
Verstärker umfasst, der an den Eingang der Leitung
gekoppelt ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der
weitere optische Verstärker ein optischer Verstärker mit
stabilisierter Verstärkung ist, der einen Lokaloszillator
umfasst, der fähig ist eine Ausgleichshilfswelle
auszusenden, deren Wellenlänge λloc im Verstärkungsband
jedes Verstärkers mit optischer Faser der Leitung liegt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der optische
Verstärker mit stabilisierter Verstärkung ein optischer
Halbleiterverstärker, der einen Lichtwellenleiter umfasst,
der an den Lokaloszillator gekoppelt ist, wobei der
Oszillator wenigstens ein verteiltes Gitter mit einer
Bragg-Wellenlänge gleich der für die Oszillation gewählten
Wellenlänge λloc aufweist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist der Verstärker mit
stabilisierter Verstärkung ein Verstärker mit mit einer
Seltenen Erde dotierter optischer Faser, wobei der Faser
ein Pumpstrom zugeführt wird, um ein Verstärkungsmedium zu
erhalten, wobei der Verstärker um dieses Medium herum einen
Laserhohlraum mit der für die Oszillation gewählten
Wellenlänge λloc umfasst.
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Bei einer ersten Variante wird der Laserhohlraum durch zwei
Bragg-Gitter erhalten, die um das Verstärkungsmedium herum
angeordnet sind.
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Bei einer zweiten Variante ist der Hohlraum durch eine an
den Verstärker mit Faser gekoppelte optische Schleife
ausgeführt, die ein auf die für die Oszillation gewählte
Wellenlänge λloc zentriertes Filter, gefolgt von einem
Dämpfungsglied, umfasst.
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Gemäß einem weiteren Merkmal lässt sich die Erfindung auf
den Transport von Diensteinformationen anwenden. Zu diesem
Zweck weist das System Modulationsmittel zum Modulieren des
dem Verstärker mit stabilisierter Verstärkung ausgehend von
zu übertragender Dienstinformation zugeführten Stroms und
Mittel zur Erfassung und Verarbeitung des Signals mit der
modulierten lokalen Wellenlänge λloc auf.
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Gemäß einem weiteren Merkmal dieses optischen
Übertragungssystems weist die Übertragungsleitung eine
Vielzahl von optischen Verstärkern mit stabilisierter
Verstärkung auf und es sind Modulationsmittel zum
Modulieren des jedem Verstärker mit stabilisierter
Verstärkung zugeführten Pumpstroms und Mittel zur Erfassung
des Signals mit der lokalen Wellenlänge λloc und zur
Verarbeitung dieses Signals vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der Beschreibung
besser verstanden, die als Veranschaulichung und nicht als
Einschränkung und im Hinblick auf die Zeichnungen gegeben
ist, in welchen:
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Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Übertragungssystems
gemäß dem Stand der Technik darstellt,
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Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen
Übertragungssystems darstellt,
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Fig. 3 die Leistungsverläufe am Eingang und am Ausgang
des Systems darstellt,
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Fig. 4 ein Schema einer ersten Ausführungsform der
Erfindung darstellt,
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Fig. 5 ein Schema einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung darstellt,
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Fig. 6 das Schema einer Variante gemäß Fig. 5 darstellt,
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Fig. 7 das Schema einer weiteren Variante gemäß der
Erfindung darstellt,
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Fig. 8 das Schema eines Übertragungssystems gemäß einer
besonderen Anwendung der Erfindung darstellt.
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In der gesamten Beschreibung tragen die gleichen Elemente
die gleichen Bezugszeichen.
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Ein erfindungsgemäßes Übertragungssystem ist durch das
Schema in Fig. 2 dargestellt.
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Dieses System weist einen optischen Verstärker OA mit
stabilisierter Verstärkung auf, der hinter dem Sender T
(oder hinter jedem Routingknoten, wenn T ein Routingknoten
ist) angeordnet ist. Dieser Verstärker kann
vorteilhafterweise den Verstärker mit optischer Faser
ersetzen, der gewöhnlich an dieser Stelle angeordnet ist.
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Dieser optische Verstärker OA mit stabilisierter
Verstärkung wird so gewählt, dass er eine lokale
Oszillation λloc mit einer Wellenlänge erzeugt, die von
einer der Wellenlängen der Übertragungskanäle mit λ1-λn
verschieden ist.
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Die Gesamtausgangsleistung des Verstärkers mit
stabilisierter Verstärkung entspricht der Leistung der
Signale der am Eingang angewendeten Kanäle, zu der sich die
Leistung des Signals der Welle addiert, die durch den
Laserhohlraum des Verstärkers OA erzeugt wird.
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Es wird daran erinnert, dass ein optischer Verstärker mit
stabilisierter Verstärkung ein Verstärker ist, bei welchem
eine Rückwirkung derart erzeugt wird, dass ein
Laserhohlraum um das Verstärkungsmedium herum angeordnet
wird, damit im Inneren dieses Hohlraums eine Oszillation
entsteht. Wenn im Inneren des Hohlraums eine Oszillation
entsteht, steht man einer Laseroszillatorfunktion
gegenüber. Die Laseroszillatorfunktion ist so, dass die
Verstärkung des Hohlraums konstant bleibt, solange man sich
unter der Schwelle dieses Lasers befindet.
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Das Schema von Fig. 3 gestattet den Vorgang der vom
Verstärker OA erzeugte Kompensation über die
Gesamtausgangsleistung darzustellen.
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Diese Figur stellt die Entwicklung der Ausgangsleistung PV
des Nutzsignals und der Gesamtausgangsleistung PT in
Abhängigkeit von der Eingangsleistung dar.
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Wenn der Verstärker ein Verstärker mit stabilisierter
Verstärkung ist, ist seine Verstärkung konstant. Die
Leistung PV des Nutzsignals ändert sich linear in
Abhängigkeit von der Verstärkung, folglich entspricht der
Erhöhung der Eingangsleistung eine Erhöhung der
Ausgangsleistung bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Schwelle
des Lasers überschritten wird. Wenn die Schwelle
überschritten wird, geht der Laser aus, es gibt keine
Stabilisierung der Verstärkung mehr, der Verstärker sättigt
(Punkt S in der Kurve).
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In dieser Kurve ist auch zu sehen, dass die Leistung PL des
Lokaloszillators einer inversen Kurve folgt. Wenn man sich
der Schwelle nähert fällt die Leistung des Lokaloszillatore
bis auf Null.
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Die Summe der beiden Leistungskurven entspricht der Kurve
der Gesamtausgangsleistung PT des Verstärkers. Diese
Leistung PT ist konstant, wie in dieser Figur zu sehen ist.
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Der Nutzungsbereicht dieses Bauelements wird unterhalb der
Schwelle des Laserhohlraums gewählt, um eine Stabilisierung
der Verstärkung haben zu können, wobei man jedoch nahe des
Sättigungsbereichs bleibt.
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Wenn die Verstärkung stabilisiert ist, haben so die
Leistungsänderungen des Eingangssignals keinen Einfluss auf
die auf dieses Signal angewendete Verstärkung und die
Ausgangsleistung ist konstant (Nutzsignal und lokale
Oszillation).
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Die Wellenlänge λloc des Laserhohlraums muss im
Verstärkungsband der Verstärker der Übertragungsleitung
liegen.
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Damit sich die Gesamtleistung in der ganzen
Verstärkungsleitung ausbreitet und diese Leistung über die
gesamte Leitung konstant bleibt, muss sich tatsächlich das
Nutzsignal gleichzeitig mit der Oszillation über die ganze
Verstärkerkette ausbreiten.
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Andererseits muss sich diese Wellenlänge von den
Wellenlängen der für die Signale verwendeten
Übertragungskanäle unterscheiden. Dies kann erreicht
werden, indem eine Wellenlänge gewählt wird, die sich am
Rand des Bandes befindet (nämlich beispielsweise 1528 nm
für ein Band, das typischerweise 1530-1560 nm oder
vielleicht 1530-1562 nm hat).
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Eine weitere Lösung besteht darin, bei der Maßnahme, bei
der das Band ein "Loch" von mehreren nm aufweist, wobei
eine oder mehrere Wellenlängen im Sendekamm nicht
vorgesehen sind, eine Wellenlänge zu wählen, die in der
Mitte dieses Bandes liegt.
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Die Wellenlänge λloc wird entweder durch Gestaltung bei der
Herstellung des Verstärkers oder durch Regelung definiert,
je nach Art des verwendeten Verstärkers.
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Der Verstärker OA mit stabilisierter Verstärkung kann gemäß
einer ersten Ausführungsform mittels eines
Halbleiterverstärkers und gemäß einer zweiten Form mittels
eines Verstärkers mit optischer Faser ausgeführt sein.
Diese beiden Ausführungsformen sind durch die schematischen
Darstellungen dargestellt, die in Fig. 4 bis 7 dargestellt
sind, die im folgenden der Beschreibung im einzelnen
beschrieben werden.
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Außer der Regelung der für den Lokaloszillator gewählten
Wellenlänge wird auch eine Regelung der Leistung dieses
Lokaloszillators vorgenommen, damit diese Leistung
gegenüber derjenigen des Signals nicht zu hoch ist. Zu
diesem Zweck wird vorgeschlagen, eine "Grob"regelung, dann
eine "Fein"regelung der Leistung vorzunehmen.
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Die erste "Grob"regelung wird vorgenommen, indem ein festes
Dämpfungselement auf die Wellenlänge λloc gesetzt wird. Es
wird beispielsweise im Falle von Verstärkern mit optischen
Fasern ein Demultiplexer oder ein Filter auf der
Wellenlänge λloc verwendet, um nur das Signal mit dieser
Wellenlänge abzuschwächen. Diese Regelung erfolgt im Falle
eines Halbleiterverstärkers, indem ein Element gewählt
wird, das auf einer Seite mehr Reflexionsvermögen als auf
der anderen Seite aufweist.
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Die Feinregelung erfolgt dagegen, indem auf den Pumpstrom
des Verstärkers mit stabilisierter Verstärkung oder auf die
Pumpleistung eingewirkt wird, je nachdem, ob es sich um
einen Halbleiterverstärker oder einen Verstärker mit Faser
handelt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wurde ein
Halbleiterverstärker in Fig. 4 dargestellt und umfasst:
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- zwei parallele Elektroden 1 und 6, die gestatten einen
elektrischen Pumpstrom I zuzuführen,
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- ein Halbleitersubstrat 8, das aus einem ersten
Halbleitermaterial vom n-Typ zwischen den Elektroden 1
und 6 besteht,
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- eine Isolierschicht 2, die aus dem gleichen ersten
Material, aber mit einer P+-Dotierung besteht, die
derjenigen des Substrates 8 entgegengesetzt ist,
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- einen Lichtwellenleiter 3, der auf seiner ganzen Länge
aktiv ist und dessen Längsachse zu den Elektroden 1
und 6 parallel ist; der aus einem zweiten
Halbleitermaterial besteht, dessen Zelle (maille) auf
diejenige des ersten Material abgestimmt ist und das
einen größeren Brechungsindex als das erste Material
hat,
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- ein verteiltes Gitter 4, das sich über den ganzen
Leiter 3 erstreckt, das aus einer dünnen Schicht aus
Halbleitermaterial mit einem höheren Brechungsindex
als dem des Substrats 8 besteht und periodisch in
einen Teil oder in die gesamte Dicke dieser Schicht
geätzt ist;
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- zwei das Substrat 8 begrenzende, entspiegelte,
gespaltene Flächen 5 und 7 senkrecht zur Längsachse
des Leiters 3.
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Der Abstand des Gitters 4 wird derart gewählt, dass die
Bragg-Wellenlänge dieses Gitters im
Verstärkungsspektralbereich des Halbleitermaterials des
aktiven Leiters 3 liegt.
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Man findet eine ausführlichere Beschreibung eines solchen
Verstärkers in der Patentanmeldung EP 0 639 876.
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Der Verstärker mit stabilisierter Verstärkung kann gemäß
einer zweiten Ausführungsform durch einen Verstärker mit
mit einer Seltenen Erde (aus Erbium) dotierter optischer
Faser ausgeführt sein, wobei eine Pumpwelle in die Faser
eingekoppelt wird, um das Verstärkungsmedium und einen
Laserhohlraum zu erhalten, der um dieses Verstärkermedium
herum entweder mittels einer optischen Schleife B (vgl.
Fig. 7) erzeugt wird, oder indem beispielsweise auf die
Faser geätzte Bragg-Gitter hinzugefügt werden (vgl. Fig. 5
und 6).
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Eine Ausführungsvariante von Fig. 5 ist in Fig. 6
dargestellt.
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Fig. 5 stellt einen Verstärker mit Faser mit stabilisierter
Verstärkung dar, die auf der Verwendung von Bragg-Gittern R
basiert, die (beispielsweise) auf die optische Faser geätzt
sind. Ein erstes Gitter ist am Eingang E des Verstärkers OA
angeordnet. Das zweite Gitter ist auf einer Faser F'
angeordnet, die durch einen optischen Koppler C an die
Faser P gekoppelt ist. Ein Dämpfungsglied AT ist zwischen
dem Koppler und dem Gitter R angeordnet, um die Verstärkung
zu regeln, was eine Flexibilität für die Dynamik des
Bauteils gibt. Diese Gitter R sind durch Gestaltung so
gewählt, dass sie die Wellenlänge λloc haben.
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Die Pumpe P ist durch einen optischen Koppler C optisch an
die Faser gekoppelt.
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Fig. 6 stellt eine zur in Fig. 5 dargestellten Ausführung
äquivalente Variante dar, nach welcher ein Gitter R (λloc)
auf der Übertragungsfaser F am Ausgang S des
Verstärkungsmediums OA angeordnet ist. Das zweite Gitter R
ist auf der Faser F' angeordnet, die am Eingang E des
Verstärkungsmediums an die Faser F gekoppelt ist.
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Fig. 7 stellt einen Verstärker mit Faser mit stabilisierter
Verstärkung dar, der auf einer optischen Schleife B
basiert, die durch Koppler C an die Faser F gekoppelt ist,
der ein einstellbares Filter FI mit der Wellenlänge λloc,
gefolgt von einem Dämpfungsglied AT aufweist, um das
Leistungsniveau des Signals wieder eingekoppelten Signals
mit der Wellenlänge λloc zu regeln.
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Gemäß einer besonderen Anwendung der Erfindung wird auf den
Pumpstrom des Verstärkers mit stabilisierter Verstärkung
eine Modulation angewendet, um eine Modulation der Welle
mit der Wellenlänge des Lokaloszillators zu erzeugen.
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Eine solche Modulation kann zum Transportieren von
beispielsweise Dienstinformationen von einem Sendeendgerät
T zu einem Empfangsendgerät R oder von einem
Übertragungsknoten zu einem anderen Übertragungsknoten
verwendet werden.
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Diese Modulation verursacht keine Störung des Nutzsignals,
weil die Verstärkung des Verstärkers stabilisiert ist und
sie folglich vom Steuerstrom des Verstärkers unabhängig
ist. So ist der normale Betrieb des Verstärkers
unverändert.
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Somit wird dafür ein Modulator M angebracht, der auf den
Pumpstrom I des Verstärkers OA1 einwirkt, der am Eingang
der Leitung angeordnet ist.
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Ein Demultiplexer DM mit der Dienstwellenlänge (des
Lokaloszillators des Verstärkers OA) wird vor dem folgenden
Leitungsverstärker eingefügt. Der folgende
Leitungsverstärker ist ein optischer Verstärker, der an
einem Ausgangspunkt der Leitung angeordnet ist: entweder
vor dem Empfangsendgerät R oder entlang der ganzen Leitung
vor jedem Leitungsverstärker OA2, usw. ..., wie es durch Fig.
8 dargestellt ist.
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Dafür empfiehlt es sich jedoch die Verstärker mit Faser der
Leitung durch optische Verstärker mit stabilisierter
Verstärker zu ersetzen.
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Dem Demultiplexer DM folgt eine Einrichtung, die die
Erfassung des Signals λloc und die Versarbeitung des
Signals durchführt, um:
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- die Qualität der Leitung zwischen zwei Verstärkern zu
überwachen;
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- die Dienstinformationen zu verarbeiten und neue
Informationen über die Qualität der Leitung bezüglich
der stromaufwärtigen Verbindung hinzuzufügen;
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- dem Pumpstrom des folgenden Verstärkers mit neuen
Informationen zu modulieren.
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Am Ausgang der Leitung ist die Erfassungs- und
Verarbeitungseinrichtung T beispielsweise an eine
Vorrichtung A zur Analyse von Informationen gekoppelt, die
bei dieser Wellenlänge λloc transportiert werden. Die
Erfassungs- und Verarbeitungs- und Analyseeinrichtungen
sind Einrichtungen, die häufig für solche Verarbeitungen
verwendet werden.