WO2000013313A1 - Optische verstärker und optische übertragungsstrecke - Google Patents

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WO2000013313A1
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Abstract

Die geregelten optischen Verstärker (V) für Wellenlängenmultiplex-Signalübertragung weisen jeweils eine erste Regeleinrichtung (OE1, OE2, R1) zur Regelung des Gewinns und eine zweite dominierende Regeleinrichtung (OE2, R2, R1) mit wesentlich langsameren Regelverhalten zur Regelung des Ausgangspegels (POUT) entsprechend eines zugeführten Sollwertes (POUT) auf. Bei einer mit diesen Verstärkern ausgerüsteten Übertragungsstrecke können sowohl schnelle Pegeländerungen als auch langsame Dämpfungsänderungen der Übertragungsstrecke ausgeregelt werden.

Description

Beschreibung
Optische Verstärker und optische Ubertragungsstrecke
Die Erfindung betrifft geregelte optische Verstärker und optische Ubertragungsstrecken, in denen diese Verstärker eingesetzt werden.
In optischen Übertragungsnetzen werden als Ausgleich für die Faserdämpfung optische Verstärker eingesetzt. Ein stabiler Betrieb über weitere Übertragungsstrecken ist aber nur dann möglich, wenn Änderungen der Systemparameter mit Hilfe von Regelungen ausgeglichen werden. In bisher eingesetzten Wellenlängen-Multiplex-Übertragungssyste e werden die Summenausgangsleistungen der Verstärker geregelt. Bei Einkanalsystemen oder Strecken mit konstanter Kanalzahl werden durch dieses Regelkonzept recht gut langsame Veränderungen der Systemparameter - beispielsweise durch Temperaturschwankung oder Alterung - kompensiert.
Wenn sich jedoch die Anzahl der Kanäle während des Betriebes ändert, dann verändert eine solche Summenausgangsleistung- Regelung die Pegel der einzelnen WDM-Übertragungskanäle. Eine solche Pegeländerung läßt sich grundsätzlich umgehen, indem die Anzahl der aktiven Kanäle ermittelt und den Regeleinrichtungen der einzelnen optischen Verstärker mitgeteilt wird. Diese passen den Sollwert für den Ausgangspegel des Verstärkers entsprechend an. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten gelingt diese Pegelanpassung jedoch üblicher Weise nicht ohne kurzzeitige Schwankungen - verbunden damit sind erhebliche Einbußen der Übertragungsqualität .
Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht in der Regelung der einzelnen Verstärker auf konstanten Gewinn (Verstärkung) . Solche Verstärker sind in "Electronic Letters" 26th March, 1991, Vol. 27, No. 7, Page 560 - 561 und "Electronic Letters", 9th June, 1994, Vol. 30, No . 12, Page 962 - 964 beschrieben. Bei diesen Schaltungen werden bei einer Änderung der Anzahl von aktiven Kanälen die Pegelschwankungen der verbleibenden Kanäle unterdrückt, indem der Gewinn konstant gehalten wird. Als Regelkonzept für eine Übertragungsstrecke mit mehreren Verstärkern eignet sich jedoch auch dieses Regelprinzip nicht, weil sich langsame Änderungen der Streckenparameter aufsummieren und hierdurch die Übertragungsqualität verschlechtert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für optische Übertragungsnetze geeignete Verstärker anzugeben. Außerdem sind die Übertragungsstrecken so auszubilden, daß auch bei einer Änderung der Kanalzahl die Empf ngspegel der einzelnen WDM-Kanäle konstant bleiben.
Die Aufgabe wird durch einen geregelten optischen Verstärker nach Anspruch 1 gelöst. Eine Variante des Verstärkers ist in einem unabhängigen Anspruch 3 angegeben.
Die mit diesen Verstärkern ausgerüsteten Übertragungsstrecken sind in den Ansprüchen 6 und 7 beschrieben.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Verstärkers liegt darin, daß die Gewinnregelung in dem ersten Regelkreis mit kurzer Zeitkonstante arbeitet. Änderungen der Anzahl aktiver WDM-Kanäle wirken sich deshalb nur minimal auf die
Ausgangspegel aus. Der zweite Regelkreis sorgt dafür, daß langsame Änderungen ausgeregelt werden. Bei einer Änderung der Anzahl aktiver Kanäle erfolgt eine entsprechende Änderung des Sollwertes des zweiten Regelkreises durch ein sendeseitiges, in die Übertragungsstrecke eingeschaltetes lokales oder empfangsseitiges Terminal (Netzknoten) , so daß die Ausgangspegel-Regelung - wenn überhaupt - nur kurzfristig und nur minimal wahrnehmbar ist.
Wird im zweiten Regelkreis ein Speicherglied vorgesehen, so ist es möglich, diesen Regelkreis nur zu bestimmten Zeiten wirksam werden zu lassen, um den Empfangspegel zu ändern oder während einer Änderung der Kanalanzahl zu deaktivieren.
Bei der alternativen Lösung erfolgt die Regelung der Ausgangsleistung entweder gemeinsame für alle Verstärker einer Übertragungsstrecke vom Empfangsterminal aus oder bei einer entsprechenden individuellen Überwachung der Ausgangspegel auch separat über einen entsprechend ausgebildeten Überwachungskanal .
Durch die Verwendung einer Ausgangspegel-Regelung brauchen die Verstärker nur noch Information über die Anzahl der WDM- Kanäle oder einen entsprechenden Sollwert erhalten.
Die mit diesen Verstärkern ausgerüsteten Übertragungsstrecken können auch langsame durch Alterungsprozesse bedingte Verstärkungsänderungen ausregeln.
Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Verstärkers mit Regelung der Ausgangsleistung,
Figur 2 ein Prinzipschaltbild mit einem Faserverstärker,
Figur 3 eine Übertragungsstrecke mit mehreren Verstärkern,
Figur 4 eine Variante des erfindungsgemäßen Verstärkers und
Figur 5 den Einsatz dieses Verstärkers auf einer Übertragungsstrecke. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Prinzipschaltbild in Figur 1 dargestellt. Ein optischer Verstärker V dient zur Verstärkung eines über einen Lichtwellenleiter LWL übertragenen Wellenlängen- Multiplexsignals MS. Eingangsseitig ist ein erster Meßkoppler Kl vorgesehen, der einen Teil des Signals abzweigt. Dieser wird von einem ersten optoelektronischen Wandler OEl in ein dem Eingangspegel (Eingangssummenleistung) PIN entsprechendes elektrisches Meßsignal p_N umgesetzt, das einem ersten Regler Rl zugeführt wird. Ebenso wird über einen zweiten Meßkoppler K2 und einen zweiten optoelektronischen Wandler OE2 ein der Ausgangsleistung P0_τ entsprechendes Meßsignal p0uτ gewonnen, das ebenfalls dem ersten Regler zugeführt wird. Je nach (einstellbaren Verhältnis) P0uτ zu PTN wird beispielsweise bei einem Faserverstärker der Pumpstrom IPUMP geregelt, bzw. bei einem Halbleiterverstärker der Steuerstrom. Ebenso können andere Prinzipien der Gewinnregelung verwendet werden, die beispielsweise in der angegebenen Literatur beschrieben sind.
Außer einer der raschen Gewinnregelung dienenden (vereinfacht dargestelltem) ersten Regeleinrichtung (Regelkreis) (Kl, OEl, K2, OE2, Rl, V) ist eine zweite dominierende Regeleinrichtung (Regelkreis K2, OE2, R2, Rl, V) vorgesehen, der die Ausgangsleistung (Ausgangspegel) P0uτ durch Vergleich des entsprechenden Meßwertes p0uτ mit einer Führungsgroße, dem Sollwert pSou,. regelt. Langsame, beispielsweise durch Temperaturveränderung oder Alterung bedingte Änderungen der Übertragungsdämpfung werden durch diesen zweiten Regelkreis ausgeregelt. Die vom zweiten Regler R2 abgegebene Stellgröße GSOL bestimmt durch Eingriff in den ersten Regelkreis den
Pumpstrom und damit den Gewinn des optischen Verstärkers. Bei Änderungen der Anzahl der Übertragungskanäle soll sich der Gewinn nicht ändern. Die Pegelregelung darf also nicht sofort wirksam werden, was durch eine in der Regel sehr viel größere Zeitkonstante des zweiten Regelkreises gegenüber der
Zeitkonstante des ersten Regelkreises erreicht werden kann. Figur 2 zeigt Einzelheiten der Verstärkerschaltung mit einem Faserverstärker VFA, dessen Gewinn durch den von einem gesteuerten Pumplaser PL erzeugten Pumpstrom IPUMp bestimmt wird, der über einen Pumpkoppler PK eingekoppelt wird. Der erste Regler Rl kann ein Dämpfungsglied DG, das an den zweiten optoelektrischen Wandler OE2 angeschaltet ist und einen ersten Komparator COMl enthalten. Läßt man den zweiten Regelkreis außer acht, so ist mit dem Dämpfungsglied der Gewinn einstellbar. Eine Möglichkeit zur "Ausgangspegelregelung durch Änderung des Gewinns" wäre die direkte Änderung des Dämpfungsgliedes DG durch die Führungsgroße PSOLL-
Im Ausführungsbeispiel erfolgt in der zweiten Regeleinrichtung (im zweiten Regelkreis) K2, OE2, COM2, MU, IN, COMl, PL, PK, VFA - wie im Prinzip bereits beschrieben - in einem zweiten Komparator COM2 der Vergleich zwischen der Ausgangsleistung und der Führungsgröße PSOLL- Das Ergebnis dieses Vergleichs verändert über den Multiplizierer MU das Eingangssignal des ersten Komparators COMl und steuert so den Pumpstrom und damit den Gewinn des Faserverstärkers VFA. Auf das Dämpfungsglied kann verzichtet werden, da der zweite Regelkreis über den Multiplizierer den Gewinn bestimmt.
Wie bereits erwähnt, soll die Zeitkonstante im zweiten
Regelkreis ausreichend groß sein, um im Falle der Änderung der Kanalanzahl durch eine entsprechend extern durchgeführte Änderung der Führungsgröße deren Einfluß zu neutralisieren. Ein Speicherglied SH kann ebenfalls dazu beitragen. Dieses kann auch zwischen dem Integrator und dem Multiplizierer eingeschaltet werden. Als Zeitkonstante bei hohen Datenraten im Megabit/Sekunden-Bereich ist für den ersten Regelkreis ein Bereich von ca. 1 Mikrosekunde bis eine Millisekunde ausreichend und für die zweite Regeleinrichtung ist ein Bereich von ca. 0,1 Sekunde über mehrere Sekunden und Minuten bis zu Stunden zweckmäßig. Die Zeitkonstante kann für unterschiedliche Betriebszustände auch umgeschaltet werden. So kann für die Inbetriebnahme eine kleine Zeitkonstante gewählt werden von beispielsweise 100 Mikrosekunden, bei Änderung der Kanalanzahl eine Zeitkonstante von 1 Sekunde und bei bedarfweise erfolgender Pegeländerung eine Zeitkonstante von mehreren Minuten zweckmäßig sein.
Für den zweiten Regler bietet sich ein Integralverhalten oder zumindest ein Integralanteil an, das noch durch eine Totzeit ergänzt werden kann. Der zweite Komparator und der Integrator können bei einer Schaltungsausführung zusammengefaßt werden.
Die Verstärkerschaltungen mit den zugehörigen Regelkreisen können natürlich in jeder beliebigen Weise aufgebaut sein.
In Figur 3 ist eine Übertragungsstrecke mit mehreren optischen Verstärkern VT, VI bis Vn dargestellt. In einem Sendeterminal Tl wird ein Wellenlängen-Multiplexsignal MS in einer Sendeeinrichtung TR mit nachgeschalteten Wellenlängen- Multiplexer WDM erzeugt, in einem optischen Verstärker VT verstärkt und in die Strecke eingespeist. Die Verstärker sind so eingestellt, daß sie jeweils den Bedingungen des jeweiligen Streckenabschnittes entsprechende Ausgangspegel liefern, die durch den zweiten Regelkreis auch bei sich langsam ändernden Übertragungseigenschaften erhalten bleiben.
Wird die Anzahl der WDM-Kanäle verändert, so wird der Ausgangspegel am zunächst in jedem Kanal durch den ersten Regelreis weiter konstant gehalten. Aufgrund der langsamen Zeitkonstante/Totzeit greift die Ausgangspegel-Regelung zunächst nicht in den Regelungsprozeß ein. Da gleichzeitig über einen Überwachungskanal OCH vom Terminal den Verstärkern die Änderung der Führungsgröße mitgeteilt wird, die zur Einstellung des neuen Ausgangspegel dient, erfolgt praktisch keine Beeinflussung durch den zweiten Regelkreis. Eine jedem Verstärker zugeordnete separate Überwachung der Kanalanzahl ist dagegen noch zu aufwendig. Zu ergänzen ist noch, daß über den Überwachungskanal die Ausgangsleistungen auch individuell einstellbar sein können.
In Figur 4 ist eine Variante W des erfindungsgemäßen Verstärkers dargestellt. Die zweite Regeleinrichtung zur direkten Regelung des Ausgangspegels fehlt. Der Gewinn kann nur über den Überwachungskanal OCH eingestellt werden, um dann durch den ersten Regelkreis konstant gehalten zu werden. So ist auch wiederum eine externe Änderung des Ausgangspegels möglich. In diesem Beispiel erfolgt die Einstellung über einen Digital-Analog-Wandler DAW, dessen Ausgangssignal als Regelsignal GSOLL den Gewinn bestimmt.
In Figur 5 ist eine weitere Übertragungsstrecke mit optischen Verstärkern Wl bis Wn dargestellt, bei der dieser Verstärkertyp vorteilhaft eingesetzt werden kann. Ein empfangsseitiges Terminal T2 enthält neben einem Verstärker Wn und einen Wellenlängen-Demultiplexer WDD eine Empfangseinrichtung RE, die den Summenpegel und die Anzahl der aktiven WDM-Kanäle ermittelt. Vom zweiten Terminal aus werden über den Übertragungskanal OCH den Verstärkern die Kanalanzahlen bzw. entsprechende Sollwerte mitgeteilt als auch bei systembedingten langsamen Änderungen des Empfangspegels festgelegt, inwieweit der Gewinn der einzelnen Verstärker geändert wird. Der zweite "Regelkreis" wird somit immer über das Empfangsterminal gebildet. Bei einfachen Ausführungsformen der Einstellvorrichtung und der Verstärker können gleiche Gewinnänderungen für alle Verstärker vorgenommen werden, bei aufwendigeren Ausführungen können entsprechend den Streckenparametern oder entsprechend von Überwachungseinrichtungen individuelle Änderungen bei einzelnen Verstärkern vorgenommen werden. Durch entsprechend ausgeführte Regler können die Ausgangspegel auch direkt festgelegt oder in Relation zu voreingestellten Pegeln geändert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Geregelter optischer Verstärker (V, VI, ...), insbesondere für Wellenlängenmultiplex-Signalübertragung, mit einer ersten
Regeleinrichtung (V, OEl, OE2, Rl) zur Regelung des Gewinns, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine zweite dominierende Regeleinrichtung (V, OE, R2, Rl) mit wesentlich langsameren Regelverhalten zur Regelung des Ausgangspegels (P0uτ) entsprechend einer zugeführten Führungsgröße (PSOLL) vorgesehen ist.
2. Geregelter optischer Verstärker (V, VI, ...) nach Anspruch
1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste Regeleinrichtung aus einem optischen Verstärker (PL, PK, VFA) , einem an dessen Ausgang angeschalteten zweiten optoelektrischen Wandler (OE2) und einem ersten Komparator (COMl) gebildet wird, dem über einen ersten optoelektrischen Wandler (OEl) ein dem Eingangspegel entsprechendes Meßsignal (PιN) zugeführt wird, und daß die zweite Regeleinrichtung in wesentlichen aus dem optischen Verstärker (PL, PK, VFA) , dem an dessen Ausgang angeschalteten optoelektrischen Wandler (OE2), einem zweiten Komparator (COM2) gebildet wird, dessen zweitem Eingang ein Sollwert (PSOLL) zugeführt wird, einem zwischen dem ersten optoelektrischen Wandler (OEl) und dem ersten Komparator (COMl) eingeschalteten Multiplizierer (MU) , dem das Ausgangssignal des zweiten Komparators zugeführt wird, und dem ersten Komparator (COMl) gebildet wird.
3. Geregelter optischer Verstärker (W, Wl, ...), insbesondere für Wellenlängenmultiplex-Signalübertragung, mit einer ersten Regeleinrichtung (OEl, OE2, Rl) zur Regelung des Gewinns, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Steuereinrichtung (DAW, IN, MU) vorgesehen ist, mit der die Ausgangsleistung (P0uτ) entsprechend eines als Führungsgröße zugeführten Sollwertes (PSOLL/GSOLL) durch Einstellung des Gewinns einstellbar ist.
4. Geregelter optischer Verstärker (W, Wl, ...) nach
Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die daß die erste Regeleinrichtung im wesentlichen aus einem optischen Verstärker (PL, PK, VFA) , einem an dessen
Ausgang angeschalteten zweiten optoelektrischen Wandler (OE2) und einem ersten Komparator (COMl) gebildet wird, dem über einen ersten optoelektrischen Wandler (OEl) ein dem Eingangspegel entsprechendes Meßsignal (pIN) zugeführt wird, und daß die Steuereinrichtung (DAW, IN, MU) einen Multiplizierer (MU) beinhaltet, dem eine der extern zugeführten Sollwertes (PSOLL) entsprechendes Regelsignal (GSOLL) zugeführt wird.
5. Geregelter optischer Verstärker (V, W) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als Faserverstärker (PL, PK, VFA) ausgeführt ist und daß durch die Regeleinrichtungen der Pumpstrom (IPUMp) gesteuert wird.
6. Übertragungsstrecke mit mehreren in Kette geschalteten Verstärkern (V, Wl, .. • ) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß den Verstärkern (V, Wl, ...) als Führungsgröße ein den jeweils gewünschte Ausgangspegel (P0_τ) bestimmender Sollwert (PSOLL) zugeführt wird.
7. Übertragungsstrecke mit mehreren in Kette geschalteten optischen Verstärkern (W) nach Abspruch 3, 4 oder 4 und5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Empfangsterminal (T2) vorgesehen ist, das sowohl den empfangsseitigen Summenpegel als auch die Anzahl der aktiven WDM-Kanäle überwacht und bei Veränderung des Summenpegels bei einer gleichbleibenden Anzahl von WDM-Kanälen den Gewinn der optischen Verstärker (Wl, ..., Wn) als Teil der zweiten Regeleinrichtung nachregelt.
8. Übertragungsstrecke nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Führungsgröße ein digitaler Sollwert (PSOLL) übertragen wird, der die Anzahl der aktiven WDM-Signale beinhaltet.
9. Geregelter optischer Verstärker (V, W) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Regeleinrichtung (OE, R2, Rl; RE, DAW, MU, COMl, PL, VFA) einen Integral-Anteil aufweist oder als Integralregler ausgebildet ist.
10. Geregelter optischer Verstärker (V, VI, ...) nach
Anspruch 1, 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Regeleinrichtung einen Totzeitanteil aufweist.
11. Geregelter optischer Verstärker (V, VI, ...) nach Anspruch 1, 2, 3 oder, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zeitkonstante der zweiten Regeleinrichtung (OE, R2, Rl; RE, DAW, IN, MU, COMl, PL, VFA) umschaltbar ist.
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