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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Glasfaserverstärker mit
einer variablen Verstärkung,
die speziell in einem WDM Netzwerk benutzt werden muss, und auch
auf ein WDM Netzwerk und ein Verfahren der Verstärkung von WDM Lichtsignalen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Optische
Glasfasern werden heutzutage verbreitet zur Kommunikation von Information
verwendet, wie in großen
Telekommunikationssystemen, hauptsächlich wegen ihrer großen Zuverlässigkeit, ihrer
Unempfindlichkeit gegenüber
elektrischer Interferenz und ihrer hohen Kapazität. Natürlich besteht in den bestehenden
Telekommunikationsnetzwerken der Wunsch, die vorhandenen optischen
Glasfasern in ihren Netzwerken so effizient wie möglich zu
nutzen, speziell zur Kommunikation über große Entfernungen, da solche
Glasfasern offensichtlich hohe Installationskosten haben. Durch
die Einführung
des Wellenlängenmultiplex
WDM in bestehende Kommunikationssysteme, die optische Glasfasern
verwenden, und in neu zu bauende Kommunikationssysteme, kann eine
Vielzahl von individuellen Wellenlängenkanälen auf derselben optischen
Glasfaser übertragen
werden, und daher kann die über
die Glasfaser übertragene
Information vervielfacht werden. Im Wellenlängenmultiplex wird eine Vielzahl
von optischen Signalen, jedes auf einem getrennten Wellenlängenkanal,
gleichzeitig, parallel zueinander und unabhängig voneinander, auf einer
optischen Glasfaser übertragen.
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In
optischen Glasfasernetzwerken, z.B. für Fernsprechverkehr, könnt es Bedarf
zur Verstärkung und/oder
Regeneration der optischen Signale geben. Eine solche Verstärkung kann natürlich durch
einen in einfacher Weise gebauten Regenerationsverstärker erreicht
werden, der Komponenten enthält,
die optische Signale in elektrische Signale umwandelt, die elektrischen
Signale verstärkt
und die elektrischen Signale in optische Signale umwandelt. Dies wird
für WDM
Signale einen optischelektrischen und einen elektrooptischen Konverter
pro Wellenlängenkanal
erfordern, der in der WDM Übertragung
benutzt wird, und auch einen Filter oder Demultiplexer zum Ausfiltern
der verschiedenen Wellenlängen
im hereinkommenden Signal. Dies wird offensichtlich sehr kostspielig
sein und auch in Zuverlässigkeitsproblemen
resultieren, durch den Besitz der großen Anzahl von Komponenten,
sowohl elektrischer als auch optischer, die erforderlich sind.
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Ein
anderer Typ von Verstärker
enthält
faseroptische Verstärker
auf der Basis von optischen Glasfasern, die mit seltenen Erden-Metallen
dotiert sind, hauptsächlich
mit Erbium dotierte Glasfaserverstärker. Solche Verstärker haben
große
Vorteile, wenn sie in optischen Glasfasersystemen verwendet werden,
z.B. wegen ihrer Kompatibilität
mit optischen Glasfasersystemen und ihrer hohen Verstärkung, und
sie sind speziell vorteilhaft, wenn sie in Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystemen
verwendet werden, da sie in der Lage sind, gleichzeitig eine Anzahl
von WDM Kanälen
zu verstärken
und nur eine begrenzte Anzahl von elektronischen Komponenten benötigen. Das
Grunddesign eines mit Erbium dotierten Glasfaserverstärkers enthält eine
Strecke einer aktiven, mit Erbium dotierten optischen Glasfaser,
die mit ihrem Ende des Eingangs mit dem Ausgang eines 2 zu 1 optischen
Koppler verbunden ist, wobei Koppler auf einem seiner Eingänge das
zu verstärkende Signal
empfängt
und auf dem anderen Eingang Energie reicheres Licht empfängt, das
die Leistung zur Verstärkung
des Signals liefert. Dieses Energie reichere Eingangslicht wird
das Pumplicht genannt und wird von einer optischen Energiequelle
erhalten, die die optische Pumpe genannt wird. Das Pumplicht hat eine
kürzere Wellenlänge, als
die des Signals und ist im Allgemeinen Energie reicher und in der
Lage, Erbium-Ionen von niedrigen Energiezuständen in höhere Energiezustände in der
mit Erbium dotierten Glasfaser zu heben. Licht wird dann erzeugt,
wenn die Ionen zu niedrigeren Energieniveaus zurückkehren.
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Um
die best möglichen Übertragungseigenschaften
zu erzielen, muss die Leistung aller Wellenlängenkanäle an jedem betrachteten Punkt
entlang des gesamten Übertragungspfads
zueinander gleich gehalten werden. Speziell ist es im Allgemeinen
eine strikte Anforderung, dass die optische Übertragung sich gleich gut
verhalten muss, unabhängig
davon, welche Kanäle
an jedem Punkt vorhanden sind und unabhängig von der Anzahl der Kanäle, die
an jedem Punkt vorhanden sind. Daher ist es gewöhnlich optimal, eine konstante
Ausgangsleistung pro optischen Kanal in einem optischen Verstärker zu
haben, der in einem optischen Netzwerk enthalten ist. Weiterhin muss
die Verstärkung
eines optischen Verstärkers
in den Fällen
aufrecht erhalten werden, in denen die Wellenlängenkanäle auf der Eingangsleitung
des optischen Verstärkers
hinzugefügt
oder weggenommen werden. Andernfalls wird dies in einem optischen Verstärker, der
normaler Weise in einem gesättigtem Zustand
gefahren wird, bedeuten, dass er eine näherungsweise konstante Ausgangsleistung
hat, unabhängig
von der Eingangsleistung, Einschaltstöße in den Leistungsniveaus
der Eingangkanäle,
zu denen ein Kanal hinzugefügt
wird, oder der übrigen
Kanäle, nachdem
ein Kanal weggelassen wurde.
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Daher
muss die Ausgangsleistung eines Verstärkers, der in einem Netzwerk
verwendet wird, so effizient wie möglich kontrolliert werden.
Bestehende Verfahren sind im schwedischen Patent mit der Nummer
506 403, schwedische Patentanmeldung Nummer 9603336-0, (WO9811682)
in der internationalen Patentanmeldung Nummer PCT/SE98/00255 und der
internationalen Patentanmeldung Nummer PCT/SE99/00556 entsprechend
dem schwedischen Patent mit der Nummer 9801159- 6, registriert am 1. April 1998 veröffentlicht.
Ein allgemein verwendetes Verfahren der Kontrolle eines optischen
Glasfaserverstärkers
ist es, die Leistung der optischen Pumpe durch die Regelung des
in der Pumplaserdiode fließenden
Stroms zu variieren. Jedoch ist es, wegen der internen Verzögerungen
in einem solchen Verstärker
schwierig, eine effiziente und schnelle Kontrolle unter Verwendung
nur einer Rückkopplungsschleife
zu konstruieren, siehe z.B. die zitierte internationale Patentanmeldung
Nummer PCT/SE99/00556. Dennoch ist es eine wohlbekannte Tatsache,
dass ein eine Vorwärtskopplungsschleife sehr
effizient in der Lieferung einer schnellen Kontrolle in einem geregelten
System sein kann, vorausgesetzt, dass die Transferfunktion des Systems
genau bekannt ist. Die Verstärkung
eines optischen Glasfaserverstärkers
ist keine lineare Funktion der Pumpleistung und darüber hinaus
ist die optische Pumpleistung, die von einem Pumplaser geliefert
wird, keine lineare Funktion des an den Laser angelegten Stroms,
des Vormagnetisierungsstroms.
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Eine
Pumplaserdiode ist eine schnelle, nicht lineare Einrichtung und
daher kann eine lokale Rückkopplungsschleife
verwendet werden, um die Pumpleistung zu regulieren. Das Signal
aus der Monitorphotodiode, das normaler Weise an der Rückseite der
Laserdiode innerhalb eines Pumplaser-Moduls oder -Pakets zur Verfügung steht,
kann als Rückkopplungssignal
für diesen
Regelkreis verwendet werden. Noch ist das Monitorsignal nicht voll
proportional zur optischen Pumpleistung, die in den optischen Glasfaserverstärker gefüttert wird.
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Ein
optischer Verstärker
wird in dem U.S Patent No. 5, 374,973 veröffentlicht, das konventionelle Komponenten
wie solch einen Pumpleistungsmonitor und eine Ausgangsleistungs-Rückkopplungsschleife enthält. Es wurden
keine Vorkehrungen gemacht, die Nichtlinearitäten in den wichtigsten Elementen des Verstärkers zu
kompensieren, d.h. in der verstärkenden
optischen Glasfaser, dem Pumplaser und der Monitordiode.
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Wie
in der zitierten schwedischen Patenanmeldung Nummer 9603336-0 veröffentlicht,
kann eine gute Verstärkerkontrolle
durch die Kombination von Vorwärts-
und Rückkopplungsschleifen
erreicht werden. Die Vorwärtskopplungsschleife
enthält
ein nicht lineares Element, das in der veröffentlichten Ausführung A/D-Konvertierung,
eine gespeicherte Tabelle von numerischen Werten, die das digitale Kontrollsignal
modifizieren, und dann eine D/A-Konvertierung
verwendet. Es ist jedoch schwierig, die optimalen Charakteristika
dieses nicht linearen Elements abzuleiten, d.h., die Tabelle aus
Messungen des Verstärkers.
Es könnte
auch gewünscht
werden, sie in Hardware in der Schleife zu implementieren, dabei
die A/D- und D/A-Konvertierungen
vermeidend. Darüber
hinaus ist die Genauigkeit der Kontrolle durch dieses Modell limitiert,
und die nicht Linearitäten
des Pumplasers, die in einer weniger als optimalen Performance des
Verstärkers
resultieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung eine optimale Verstärkungseinrichtung
zu liefern, die eine Verstärkung
hat, die genau kontrolliert werden kann und besonders auf einem
genauen konstanten Wert gehalten werden kann.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Verstärker zu
liefern, der eine kontrollierbar genaue Verstärkung besitzt, die leicht in
Hardware gebaut werden kann.
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Das
Problem, das von der Erfindung gelöst wird, ist daher, wie man
einen optischen Verstärker konstruiert,
der eine konstante Verstärkung
unabhängig
von der Eingangssignalleistung besitzt, wo der Verstärker eine Konstruktion
hat, die geeignet ist in Hardware gebaut zu werden, und die Konstruktion nur
spezielle, festgelegte Messungen am Verstärker und seinem Pumplaser und
Pumplasermonitor erfordert.
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Daher
enthält
eine optische Verstärkereinrichtung
eine aktive Glasfaserstrecke, einen Pumplaser, der in einem Pumplasermodul
enthalten ist, das auch eine Überwachungsdiode
enthält,
und weiterhin zwei Kontrollschleifen, eine Vorwärtskopplungsschleife und eine
Rückkopplungsschleife.
Die Vorwärtskopplungsschleife
ist angeordnet, um Verschiebungen in Verstärkungskennlinien des faseroptischen
Verstärkers
zu kompensieren. In der Vorwärtskopplungsschleife
wird das Eingangsleistungsniveau zu einem Signal modifiziert, das
der Pumpleistung entspricht oder substantiell mit ihr übereinstimmt,
das die gewünschte
Verstärkung
aufrecht erhält,
dann geeignete Signale addiert oder subtrahiert, um die Verschiebungen
zu kompensieren. Das durch die Modifikation erhaltene Pumpleistungsniveau
wird dann konvertiert, um dem Pumpmonitorsignal zu entsprechen oder
mit ihm überein
zustimmen mit, oder ein ähnliches
Verhalten wie es zu haben, das als festgelegter Wert im lokalen
Pumplaser verwendet wird, die Schleife des Typs Rückkopplung
regulierend. Diese zweite Konversion kann auch für jedes Kontrollsignal oder
jede Kontrolleinrichtung verwendet werden, die ein Kontrollsignal
an den Pumplaser unabhängig
vom verwendeten Kontrolltyp liefert.
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Der
Vorteil der vorgeschlagenen Kontrolle ist, dass sie ein sehr schnelles
und genaues Kontrollschema für
solch eine von Natur aus nicht lineare und komplizierte Einrichtung
wie einen faseroptischen Verstärker
liefert. Die zur Implementierung des Kontrollschemas erforderlichen
Parameter werden direkt durch die Durchführung einiger festgelegter
Messungen am Verstärker
und seinem Pumplasermodul gegeben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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Die
Erfindung wird jetzt mit Hilfe einer nicht limitierenden Ausführung mit
Bezug auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Diagramm ist, das die Beziehungen zwischen der Signaleingangsleistung
und der Pumpleistung darstellt, während des Beibehaltens einer
konstanten Verstärkung
für einen
typischen, mit Erbium dotierten, faseroptischen Verstärker,
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2 ein
Diagramm einer Monitordiode ist, die Koeffizienten als Funktionen
der Leistung der Lichtausgabe aus einem Pumplaser für eine Anzahl von
Pumplasern eines ersten Herstellers verfolgt,
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3 ist
Diagramm, ähnlich
zu dem der 2, für eine Anzahl von Pumplasermodulen
von einem zweiten, unterschiedlichen Hersteller,
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4 ein
Blockdiagramm einer Ausführung eines
optischen Verstärkers
ist, der eine volle Verstärkerkontrolle
besitzt, die eine schnelle und genaue Kontrolle der Ausgangsleistung
des Verstärkers
erlaubt,
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5 ein
Blockdiagramm einer Ausführung eines
Signalwandlers ist, der im Kontrollschema des vollen Verstärkers der 4 verwendet
wird,
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6 ein
Blockdiagramm einer Ausführung eines
optischen Verstärkers
entsprechend dem Stand der Technik ist, der sowohl eine Vorwärtskopplungssteuerung
als auch eine Rückkopplungssteuerung
besitzt, und
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7 ein
Diagramm ist, das einen Teil des faseroptischen Netzwerks darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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In
der 7 wird ein Teil eines faseroptischen WDM Netzwerks
gezeigt, das die Knoten 101 besitzt. Jeder Knoten ist mit
einem anderen Knoten durch eine Eingangsglasfaser 103 und
eine Ausgangsglasfaser 105 verbunden. Die Eingangsglasfasern
sind mit dem Vorverstärker 107 verbunden
und die Ausgangsglasfasern sind mit Verstärkern oder Leistungsverstärkern 109 verbunden.
Der Vorverstärker 103 und
die Verstärker 109 sind
der Reihe nach mit den elektrischen Ausgangs- und Eingangsports 111, 113 verbunden,
die Demultiplexer und Multiplexer (Koppler) enthalten. Es könnte gefordert
werden, die Verstärker 107, 109 festzulegen,
um geeignete angepasste Verstärkungen
zu haben, abhängig vom
Zweck des Verstärkers
und es könnte
auch gefordert werden, die Verstärkung
während
der Operation des Netzwerks zu ändern.
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Eine
optische Verstärkungseinrichtung,
die zur Verstärkung
von WDM Signalen in einem Knoten 101 des in 7 dargestellten
Netzwerkteils geeignet ist, wobei die optische Verstärkungseinrichtung hauptsächlich,
wie in der zitierten schwedischen Patentanmeldung mit der Nummer
9603336-0 veröffentlicht,
konstruiert ist, wird durch das Blockdiagramm der 6 dargestellt.
Das die zu verstärkenden WDM
Kanäle
tragende Licht kommt auf eineroptischen Glasfaser 1 an.
Ein kleiner Teil der gesamten hereinkommenden Lichtenergie wird
in einem Energiesplitter abgezapft, der den kleinen Teil an einen Eingabemonitor 5,
wie eine PIN Diode, überträgt, die die
gesamte optische Leistung des abgezapften Lichts abtastet. Der übrige große Teil
der Lichtenergie breitet sich bis zu einem optischen Trennschalter 7 aus,
wird mit dem Pumplicht in einem optischen Kombinationskoppler 9 kombiniert,
und die kombinierten Lichtwellen breiten sich durch die aktive Glasfaserstrecke 11 aus,
die z.B. mit Erbium dotiert ist. Die Originallichtwelle, die die
WDM Kanäle trägt, wird in
der aktiven Glasfaser verstärkt,
passiert dann durch einen anderen optischen Trennschalter 13 und daraus
zu einem Verstärkungsformfilter 15,
der die Verstärkung
für die
verschiedenen WDM Kanäle
ausgleicht. Schließlich
wird ein kleiner Teil der gesamten Lichtenergie wiederum in einem
Energiesplitter abgezapft 17, wovon der kleine Teil sich zu einem
Ausgabemonitor 19 ausbreitet, der das abgezapfte Licht abtastet.
Der übrige
große
Teil des Lichtsignals daraus breitet sich vom Verstärker auf
einer Ausgabeglasfaser 21 aus.
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Das
Pumplicht wird in einer Pumplaserdiode 23 erzeugt, die
in einem Pumplasermodul 24 enthalten ist, das auch eine
Pumplasermonitordiode 25 enthält, die die Ausgangsleistung
des Pumplasers 23 abtastet. Der Pumplaser 23 wird
von einem Pumplasersteuerblock 27 und einem Regler 29 darin
mit elektrischem Strom beliefert. Der Regler 29 erhält ein Steuersignal
von einem Signaladdierungsschaltkreis 31, der ein Signal
von einer Signalvorwärtskopplungseinheit 33 und
das Ausgabesignal der Pumplasermonitordiode 25 empfängt, das
letztere Signal mit einem negativen Vorzeichen, so dass es vom Ausgabesignal
der Vorwärtskopplungseinheit 33 abgezogen
wird. Die Schaltkreiselemente, die den Pumplasermonitor 25,
den Regler 29 und die Additionsschaltkreise 31 enthaltend,
bilden eine negative Rückkopplungsschleife
zur substantiell konstanten Erhaltung des Ausgangsleistungsniveaus
der Pumplaserdiode 23.
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Der
Vorwärtskopplungsblock 33 empfängt ein
Steuersignal vom Eingabemonitor 5, wobei dieses Signal
die Eingabelichtleistung der gesamten optischen Verstärkereinheit
repräsentiert.
Dieses Steuersignal wird in einem nicht linearen Element 35 geformt,
damit seine Kennlinien modifiziert werden und das geformte Signal
ist die Eingabe für
ein Kombinationselement 37. Das Kombinationselement 37 empfängt auch
als Eingabe ein Signal, das von einer Standardrückkopplungseinheit 39 erzeugt
wurde, dabei mit Hilfe einer Rückkopplung
die gesamte Verstärkung
des gesamten optischen Verstärkers
steuernd, wobei die Rückkopplungseinheit 39 der
Reihe nach als ein Eingabesignal das Ausgabesignal des Ausgabemonitors 19 empfängt, wobei
dieses Signal die Ausgabeleistung der gesamten optischen Verstärkereinrichtung
repräsentiert.
Das Ausgabemonitorsignal wird daher an einen invertierenden Eingang einer
Summierungseinrichtung 41 in der Rückkopplungseinheit 39 geliefert,
welche Summierungseinrichtung ein Ausgabereferenzsignal von einer
Ausgabereferenzquelle 43 auf einem nicht invertierenden Eingang
empfängt.
Die addierte Signalausgabe von dem Summierungsschaltkreis 43 wird
durch einen Regler 45 des PID- oder PD-Typs als ein zweites
Eingabesignal an die Eingabe der Kombinationseinrichtung 37 geliefert.
Das in der Kombinationseinrichtung 37 kombinierte Signal,
das eine Summe oder ein Produkt des Eingabesignals sein kann, ist
die Steuersignaleingabe für
den Additionsschaltkreis 27 der Pumplasersteuerung 27.
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Die
optische Verstärkereinrichtung
der 6 enthält
daher zwei Steuerschleifen. Eine langsame Rückkopplungsschleife ist dazu
entworfen, um eine stabile Ausgabeleistung abzugeben und enthält einen
Ausgabemonitor 19, die zweite Summierungseinrichtung 41 zusammen
mit der Referenzquelle 43 und den Regler 45. Eine
Vorwärtskopplungsschleife hat
eine linearisiernde Funktion, um eine stabile Verstärkung für schnelle
Eingangsstöße zu geben
und enthält
den Eingabemonitor 5, das nicht lineare Element 35 und
den Signalkombinator 37. Der Regler 29 im Pumplasersteuerblock 27 kann
herkömmliche
PI oder PID Steuerschaltkreise enthalten.
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Daher
kann die Verfügungsstellung
von sowohl einer Rückwärtskopplungsschleife
als auch einer Vorwärtskopplungsschleife
sehr effizient in der Lieferung einer schnellen und genauen Kontrolle
für einen
faseroptischen Verstärker
mit internen Verzögerungen
sein, wie in der zitierten schwedischen Patentanmeldung mit der
Nummer 9603336-0. Der Entwurf speziell der Vorwärtskopplungsschleife hat zur Voraussetzung,
dass die Transferfunktion des Systems genau bekannt ist. Jedoch
ist die Verstärkung der
Basiskomponenten eines faseroptischen Verstärkers, d.h., der Struktur einschließlich des
Pumplasers 23, des Koppler 9 und der aktiven Filter 11,
keine lineare Funktion der Lichtleistung, die vom Pumplaser ausgegeben
wird und darüber
hinaus ist die optische Pumpleistung, die vom Pumplaser 11 ausgegeben wird,
keine lineare Funktion des an den Pumplaser gelieferten elektrischen
Stroms. Eine Pumplaserdiode ist eine nicht lineare Einrichtung,
die eine sehr schelle Reaktion besitzt und daher eine lokale Rückkopplungsschleife,
die hier den Pumplasermonitor 25 einschließt, den
Summierungsschaltkreis 31 und den Regler 29, der
gewöhnlich
zur Regelung der Lichtleistung verwendet wird, die vom Pumplaser 23 ausgestrahlt
wird, wobei die Rückkopplungsschleife
das Signal vom Pumplasermonitor 25 zurückführt. Jedoch ist dieses Pumplasermonitorsignal
nicht voll proportional zur optischen Pumpleistung, mit der der faseroptische
Verstärker
gefüttert
wird, und auch hier besteht eine nicht lineare Beziehung.
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Es
erscheint jedoch, dass es schwierig sein könnte, die optimalen Kennlinien
des nicht linearen Elements 35 aus Messungen am Verstärker abzuleiten
und ihn genügend
schnell arbeiten zu lassen, z.B. hautsächlich analoge Hardware in
der schnellen Vorwärtsschleife
zu verwenden. Die Genauigkeit der Gesamtkontrolle der gesamten faseroptischen
Verstärkereinrichtung
wird durch das Modell und die Nichtlinearitäten des Pumplasers begrenzt,
was in einer weniger als optimalen Performance des gesamten Verstärkers resultieren
kann.
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Um
eine effiziente Vorwärtskopplungsschleife
zu erzielen, sollte zuerst das Eingangsleistungsniveau in die Pumpleistung
konvertiert werden, die die gewünschte
Verstärkung
aufrecht hält,
und zweitens sollte dieses Pumpleistungsniveau auf das entsprechende
Pumpmonitorsignalniveau konvertiert werden, um als der festgelegte
Wert in der Pumpregelschleife verwendet zu werden.
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Der
erste Signalkonvertierungsschritt kann auf der Information basiert
werden, die aus Messungen erhalten wurde, wie in der 1 dargestellt,
auf dem Verstärkerverstärkungsblock,
d.h., auf der Basisverstärkerstruktur
einschließlich
des Pumplasers 23, dem Koppler und der aktiven Glasfaser 11,
siehe 6. Hier wird die Beziehung zwischen dem Niveau der
Eingangssignalleistung und einer entsprechenden Pumpleistung gezeigt,
während
eine konstante, willkürliche
Verstärkerverstärkung aufrecht
gehalten wird. Die Symbole (Kreuze) sind gemessene Werte und die
eingezeichneten Linien bilden ein mögliches zweidimensionales Modell
der Beziehung. Es ist leicht sichtbar, dass alle Verstärkungskurven
des Modells substantiell gerade sind und zu einem Punkt konvergieren,
durch den substantiell alle von ihnen passieren oder von dem substantiell
alle von ihnen ausgehen. Dieser Punkt kann als ein Verschiebungsursprung
der Verstärkungskurven
benannt werden, wobei der Verschiebungspunkt von dem realen Ursprung
durch sowohl eine Signalverschiebung als auch eine Pumpverschiebung
verschoben wird.
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Mit
dieser Information ist es möglich,
den Verstärker
und seinen Steuerblock prinzipiell, wie in dem Blockdiagramm der 4 dargestellt,
zu entwerfen. In 4 wird ein modifizierte, optische
Verstärkereinrichtung
dargestellt, die eine effiziente und schnelle Verstärkungssteuerung
besitzt, einige Messungen auf der Basis einer Kernstruktur des optischen
Verstärkers,
des Pumplasers und seiner Überwachungsdiode
erfordert. Der Pumplaser wird in der 4 mit elektrischen
Strom aus einem modifizierten Pumplaserkontrollblock 27' beliefert,
der auch einen Signalkonverter enthält 47. Der Signalkonverterblock 47 des Pumplaserkontroller 27' hat seinen
Ausgangsanschluss mit dem Summierungsschaltkreis 31 des
Pumplaserkontroller verbunden, anstelle vom Ausgangsanschluss des
Kombinationsschaltkreises 37 der 6. Daher
empfängt
der Addierungsschaltkreis 31 als Eingangssignal das Ausgangssignal
des Signalkonverters 47 und mit einem negativen oder invertierten
Vorzeichen das Ausgangssignal des Pumplasermonitors 25.
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Der
Pumplaserkontrollblock 27' empfängt als ein
Signaleingang zum Signalkonverter 47 ein Steuersignal oder
Verstärkersteuersignal
aus einem Kontrollerblock 49, der den gesamten optischen
Verstärker
steuert. Der optische Verstärkerkontroller 49 empfängt als
ein erstes Eingangssignal das Ausgangssignal des Eingabemonitors 5,
wobei dieses Signal die Eingangslichtleistung des optischen Verstärkers repräsentiert.
Er empfängt
als ein zweites Eingangssignal das Ausgangssignal des Ausgabemonotors 19,
wobei dieses Signal die Ausgabeleistung des gesamten optischen Verstärkers repräsentiert.
Das erste Eingangssignal wird an einen Eingang der ersten Summierungseinrichtung 51 gegeben,
die auf ihrem anderen Eingang eine Signalvorspannung von einer Signalvorspannungsquelle 53 empfängt. Das
resultierende, addierte Signal wird an einen Eingang eines Multiplikationsschaltkreises 55 geliefert. Das
zweite Eingangssignal des optischen Verstärkerkontrollblocks 49 wird
an einen invertierenden Eingang der zweiten Summierungseinrichtung 41 geliefert,
die auf einem anderen nicht invertierendem Eingang ein Ausgabereferenzsignal
von einer Ausgabenreferenzquelle 59 erhält, auf dieselbe Weise wie in
der Rückkopplungseinheit 39 der 6.
Die addierte Signalausgabe aus dem zweiten Summierungsschaltkreis 41 wird über einen
Regler 45 als ein zweites Eingabesignal an einen Eingang
der Multiplikationseinrichtung 55 geliefert. Das, das Produkt
repräsentierende,
Signal wird an den Ausgang der Multiplikationseinrichtung 55 als
ein Eingabesignal an einen Eingangsanschluss einer dritten Summierungseinrichtung 57 geliefert,
die auf einem anderen Eingang ein Signal empfangen hat, das ein
Pumpgrenzwertniveau aus einer, einen Pumpgrenzwert festlegenden,
Einrichtung 59 anzeigt. Das Ausgabesignal der dritten Summierungseinrichtung 57 ist
zur selben Zeit das Ausgabesignal des gesamten optischen Verstärkerkontrollblocks 49 und
wird an den Signalkonverter 47 im Pumplaserkontrollblock 27' geliefert.
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Daher
enthält
auch hier der optische Verstärkerblock 35 zwei
Steuerschleifen. Eine langsame Rückkopplungsschleife
wurde entworfen, um eine stabile Ausgabeleistung abzugeben und enthält den Monitor 19,
die zweite Summierungseinrichtung 41 zusammen mit der Referenzquelle 43 und
den Regler 45. Eine schnelle Vorwärtskopplungsschleife hat eine linearisierende
Funktion, um eine stabile Verstärkung für schnelle
Eingabestöße zu geben
und enthält
den Monitor 5, die erste Summierungseinrichtung 51 und Signalvorspannungsquelle 53.
Der Regler 45 im optischen Verstärkerkontrollblock 35 und
der Regler 29 im Pumplaserkontrollerblock 27 können herkömmliche
PI oder PID kontrollierende Schaltkreise enthalten, wie der Verstärkerentwurf
der 6. In der Vorwärtsschleife
wird das Vorwärtskopplungssignal
aus dem Eingabesignalmonitor 5 zur Signalvorspannung aus
der Signalvorspannungsquelle 53 hinzuaddiert, wobei die
Signalvorspannung eine Größenordnung von
10 μW hat
und dieser Wert dem Ordinatenwert entspricht, jedoch ein Vorzeichen
entgegen gesetzt zu dem des Konvergenzpunktes hat, der in Verbindung
mit der 1 diskutiert wurde. Die gewünschte Verstärkerverstärkung wird
auf konventionelle Weise von einem Ausgangsreferenzsignal aus der
Ausgangsreferenzquelle 43 in der langsamen Rückkopplungsschleife
ausgewählt,
in welcher Schleife eine herkömmlicher
Reglerausgabe einen Multiplikationsfaktor liefert, der vom Vorwärtskopplungssignal
zu multiplizieren ist, das durch die schnelle Schleife erzeugt wurde.
Schließlich
wird ein Pumpgrenzwert aus der Pumpgrenzwertquelle 59 in
der Größenordnung
von 10 μW
addiert und entspricht dem Abszissenwert des Konvergierungspunktes
der Linien, die in 1 gezeigt werden.
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Der
Pumpleistungsreferenzwert, geliefert vom Verstärkerkontroller, muss daher
dann im Signalkonverter 47 im Pumplaserkontrollblock 27' zu einem Pumplasermonitor-Referenzwert konvertiert werden,
dabei dem konvertierten Signal ein Verhalten mitgebend, das ähnlich zu
dem des Rückkopplungssignal
des Pumplasermoduls 24 ist. Dies kann auf Basis der Information
gemacht werden, die in den Kurven in den Diagrammen der Abbildungen 2 und 3 enthalten
ist.
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Durch
das Testen einer Anzahl von Pumplasermoduln, die von verschiedenen
Herstellern stammen, wird erkannt, dass die Nichtlinearitäten der
Monitordiodenantwort ziemlich uniform und voraussagbar sind. Das
Verhältnis
des Monitordiodensignals und der Ausgabeleistung, die an die Glasfaser
aus dem gesamten Pumpmodul geliefert wird, wird Monitorspurverfolgungskoeffizient
genannt. Wenn die Größe als Funktion
der gesamten Leistung ausgedruckt wird, wie in den Diagrammen der
Abbildungen 2 und 3, ist es
offensichtlich, dass die Relation linear ist und daher das Monitorsignal
als ein Polynom zweiter Ordnung modelliert werden kann. Es ist weiterhin
klar, dass die Neigung des Monitorverfolgungskoeffizienten, d. h.
der Koeffizient zweiter Ordnung des Monitorsignals, dieselbe Größe besitzt,
sowohl innerhalb der Mengen der Pumpmodule des gleichen Herstellers
als auch für
die Mengen von verschiedenen Herstellern. Sogar ein Standardvorgabe-Neigungsparameter
in dem regelnden Schaltkreis würde
die Genauigkeit der Kontrolle des Verstärkers sichtbar verbessern.
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Der
Signalkonverter 47 in der 4, der das vom
optischen Verstärkerkontroller 49 erhaltene Pumpreferenzsignal
zu einem Pumpmonitorreferenzwert konvertiert, kann daher implementiert
werden, wie im Blockdiagramm der 5 dargestellt,
eine Einrichtung 61 zur Quadrierung des hereinkommenden
Signals enthaltend. Das quadrierte Signal wird dann im ersten Verstärker 63 mit
einer Verstärkung
k2 verstärkt.
Das verstärkte
Signal wird zum hereinkommenden Signal in einem Summierungsschaltkreis 65 addiert,
der auf seiner Ausgabe ein Signal liefert, das zuerst um den Faktor
k1 in einem zweiten Verstärkungselement 67 verstärkt wird,
und dann als das Ausgabesignal des Signalkonverters 47 geliefert wird.
Der zu der Verstärkung
im ersten Verstärker 63 entsprechende
Koeffizient k2 ist von der Größenordnung
von 1W–1 und
der Verstärkungskoeffizient
k1 des zweiten Verstärkers 67 am Ausgang des Konverters 47 ist
oft innerhalb des Bereichs von 10 bis 30 μA/mW enthalten.
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Jede
Signalverarbeitung kann mit analogen Schaltkreisen oder, falls gewünscht mit
digitalen Schaltkreisen oder einer Kombination davon implementiert
werden. Z.B. kann das Signal aus der Eingabemonitordiode 5 in
einem logarithmischen Verstärker
verstärkt
werden, nicht gezeigt, dann in eine digitale Form konvertiert werden
und in digitaler Form an den Signalkonverter geliefert werden, der
eine numerische Tabelle verwendet und Interpolationen darin macht,
um sowohl die korrekte Form des Ausgabesignals als auch dann die
Konversion aus einer logarithmischen Repräsentation in eine lineare zu
produzieren, die vom Regler 29 verwendet wird. Geeignete andere
A/D-Schaltkreise und D/A-Schaltkreise müssen dann auch an geeigneten
Stellen verbunden werden, die schon von den Fachleuten ausgewählt wurden.
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Die
Steuerung für
den hautsächlich
nicht linearen, faseroptischen Verstärker ist, wie hier beschrieben,
sehr schnell und genau. Die zur Implementierung des Kontrollschemas
erforderlichen Parameter sind leicht am Verstärker und seinem Pumplasermodul
messbar.