Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der faseroptischen Kommunikationssysteme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Verstärkung eines Raman-Verstärkers.

In faseroptischen Kommunikationssystemen sind optische Signale, die sich über eine Lichtleitfaser ausbreiten, einer Signaldämpfung ausgesetzt, die durch die Absorption und Streuung in Lichtleitfasern entsteht. Infolgedessen müssen optische Signale bei einer Übertragung über große Entfernungen regelmäßig verstärkt werden, was entweder mit elektrischen Repeatern oder mit optischen Verstärkern bewerkstelligt werden kann. Bekannte optische Verstärker sind erbiumdotierte Faserverstärker (Erbium-Doped Fiber Amplifiers, EDFAs), optische Halbleiterverstärker und Raman-Verstärker. Wegen seiner gleichmäßigen Verstärkung über einen weiten Wellenlängenbereich hat der Raman-Verstärker in der jüngsten Vergangenheit zunehmendes Interesse als idealer Verstärkerkandidat für die Übertragung von Signalen nach dem Wellenlängenmultiplex-Verfahren (Wavelength Division Multiplex, WDM) auf sich gezogen.

Die Raman-Verstärkung basiert auf dem Raman-Effekt, bei dem es sich um einen nichtlinearen Prozeß handelt, der nur bei hohen optischen Intensitäten auftritt, und bei dem Licht, das sich durch das nichtlineare Medium hindurch ausbreitet, mit Schwingungsmoden des Mediums gekoppelt wird und bei einer anderen Wellenlänge zurückgestrahlt wird. Das zu einer höheren Wellenlänge verschobene zurückgestrahlte Licht wird gemeinhin als Stokes-Linie bezeichnet, während Licht, das zu einer niedrigeren Wellenlänge hin verschoben ist, als Anti-Stokes-Linie bezeichnet wird. Der Raman-Effekt wird durch die Quantenmechanik als Streuung von Photonen an Molekülen beschrieben, die dabei einen Übergang ihres Schwingungszustands durchlaufen. Die Raman-Verstärkung ist mit einer stimulierten Raman-Streuung verbunden, bei welcher der einfallende Strahl, der eine höhere optische Frequenz hat und häufig als Pumpstrahl bezeichnet wird, zum Verstärken des Strahls mit einer niedrigeren Frequenz verwendet wird, der häufig als Stokes-Strahl oder als Signalstrahl durch den Raman-Effekt bezeichnet wird.

Im Gegensatz zu EDFAs, bei denen die Verstärkungseigenschaften nur vom EDFA-Modul abhängig sind, wird die Übertragungsleitung selbst als Verstärkungsmedium eines verteilten Raman-Verstärkers verwendet, weshalb die Verstärkungseigenschaften wie die Verstärkung und die Entzerrung des Verstärkungsgangs eng mit dem Typ, den Eigenschaften und den Besonderheiten der verwendeten Faser sowie mit dem Faserzustand verbunden sind. In einer Quarzglasfaser beispielsweise tritt die stärkste Raman-Streuung, d.h. die maximale Raman-Verstärkung, bei einer Frequenzverschiebung von ungefähr 13,2 THz auf, was einer Wellenlängenverschiebung von etwa 50–100 nm für Pumpwellenlängen zwischen etwa 1 und 1,5 &mgr;m entspricht. Es ist nicht möglich, das Betriebsverhalten eines Raman-Verstärkers einschließlich der Verstärkung, der Entzerrung des Verstärkungsgangs und des Rauschspektrums exakt vorherzusagen, ohne genaue Kenntnis von den Fasertypen, Eigenschaften und Besonderheiten sowie vom Zustand der verwendeten Faser entlang der optischen Übertragungsleitung zu haben.

Eine verteilte Raman-Verstärkung ist typisch gekennzeichnet durch die Ein-Aus-Verstärkung, also das Verhältnis zwischen der am ausgangsseitigen Ende der Faser bei eingeschalteten Pumpquellen gemessenen Signalleistung und der Signalleistung bei ausgeschalteten Pumpquellen. Zum Betreiben eines bestimmten Raman-Verstärkers muß die Verstärkungscharakteristik der zugehörigen Faserverbindung bekannt sein, damit die Pumpleistung richtig eingestellt werden kann. Prinzipiell wäre es möglich, eine vorläufige Kalibrierung des Raman-Wirkungsgrades verschiedener Fasertypen in Abhängigkeit von der Pumpleistung im Labor vorzunehmen und diese Werte dann für die eigentliche Installation im Feld zu verwenden. Tatsächlich aber hängt die Raman-Verstärkung stark vom Verlust der Faser bei der Pumpwellenlänge ab, und zudem ist das eigentliche Dämpfungsverhalten einer installierten Faserverbindung nicht im voraus bekannt, sondern muß vor Ort ermittelt werden. Hinzu kommt, daß sich lokale Verluste beispielsweise aufgrund von Faserspleißen nicht exakt vorhersagen lassen und die installierte Faser unter Umständen nicht denselben Raman-Wirkungsgrad hat wie die Faser des Typs, der zuvor im Labor kalibriert wurde. Mit Verfahren, die sich nur auf die Nenneigenschaften von Fasern stützen, lassen sich daher nur Genauigkeiten von bestenfalls ±20% erreichen. Es ist deshalb unumgänglich, die Raman-Verstärkung im Feld zu steuern.

In US 6,734,954 werden ein System und ein Verfahren zur automatischen Steuerung der Raman-Verstärkung mittels eines geschlossenen Regelkreises beschrieben, bei dem Informationen über das Systemwellenlängenprofil verwendet werden, um eine exakte Ableitung der Raman-Verstärkung in einem faseroptischen Streckenabschnitt zu erhalten. Es werden optische Spektrumanalysatoren zum Überwachen von Wellenlängenprofilen eingesetzt, was die Abbildung von Sende- und Empfangsprofilen innerhalb eines Streckenabschnitts gestattet. Diese Abbildungsinformationen werden anschließend an einer zentralen Stelle gesammelt, so daß die Raman-Verstärkung in dem Streckenabschnitt abgeleitet werden kann. Die Messung eines ganzen Verstärkungsspektrums ist allerdings mühsam und auch unnötig, da sie in mehr Informationen resultiert als für die Einstellung der Verstärkungskurve nötig sind.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, ein vereinfachtes Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zum Steuern der Verstärkungscharakteristik eines verteilten Raman-Verstärkers vorzusehen.

Diese und andere nachstehend erwähnte Aufgaben werden gelöst, indem die Verstärkungskurve eines Raman-Verstärkers in einer Simulation abgeschätzt wird, Datenkanäle für eine Online-Messung ausgewählt werden und Verstärkungs-Zielwerte für die ausgewählten Kanäle anhand der simulierten Verstärkungskurve festgelegt werden. Die Anzahl der ausgewählten Kanäle entspricht der Anzahl der Pumpwellenlängen.

Insbesondere besteht das Verfahren zum Steuern der Verstärkung eines Raman-Verstärkers (Raman Amplifier, RA) in einem faseroptischen Kommunikationssystem, das eine Lichtleitfaser (F) beinhaltet, aus folgenden Schritten:

• a) Einspeisen von N_p Pumplichtsignalen mit unterschiedlichen Pumpwellenlängen in die besagte Faser (F), wobei N_p eine ganze Zahl größer 1 ist,
• b) Abschätzen der Verstärkungskurve als lineare Kombination aus N_p zuvor festgelegten Verstärkungsverlaufskurven entsprechend den N_p besagten Pumplichtsignalen,
• c) Auswählen von N_p Signalwellenlängen auf dieser Kurve und Registrieren ihrer Zielwerte,
• d) Messen der Signalleistung der besagten N_p Signalwellenlängen und
• e) Variieren der Leistung mindestens eines der besagten Pumplichtsignale zum Minimieren einer Leistungsdifferenz zwischen dem gemessenen Leistungswert eines beliebigen der besagten N_p Signalkanäle und seinem geschätzten Verstärkungs-Zielwert.

Ein Controller für einen Raman-Verstärker in einem faseroptischen Kommunikationssystem wird mit den Verstärkungs-Zielwerten der ausgewählten N_p Kanäle konfiguriert, vergleicht gemessene Werte mit den N_p Verstärkungs-Zielwerten und variiert die Leistung mindestens eines der besagten Pumplichtsignale, um eine Leistungsdifferenz zwischen dem gemessenen Leistungswert eines beliebigen der besagten N_p Signalkanäle und seinem geschätzten Verstärkungs-Zielwert zu minimieren.

Die Erfindung erfordert das Messen der Verstärkung von lediglich N_p Kanälen für einen Rückkopplungsprozeß, nicht aber das Messen der Verstärkung des gesamten Signalspektrums. Somit sind nur N_p Signalfilter und N_p Fotodioden für die Signaldetektion nötig. Überdies erfordert die Erfindung keinerlei Kenntnis über den Raman-Wirkungsgrad der installierten Lichleitfaserverbindung, sondern es genügt die Kenntnis des normalisierten Raman-Wirkungsgrades, d.h. der Kurvenform. Dies ist ein sehr interessantes Merkmal, da Lichtleitfasern üblicherweise sehr eng beieinander liegende Verläufe des Raman-Wirkungsgrades aufweisen, d.h. solche, die sich nur um einen Verhältniskoeffizienten unterscheiden. Des weiteren wird keine Information über die Dämpfung der Faser bei der Pumpwellenlänge benötigt, und es brauchen keine Raman-Wechselwirkungen zwischen den Pumpquellen berechnet zu werden. Infolgedessen ist der vorgeschlagene Steuerungsalgorithmus schnell und einfach zu implementieren.

Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen

einen Raman-Verstärker mit N_p Pumpen zeigt, die in einem faseroptischen Kommunikationssystem installiert sind,

einen weiteren Raman-Verstärker mit N_p Pumpen zeigt, die in einem faseroptischen Kommunikationssystem installiert sind, bei dem ein Rückwärts-Pumpverfahren angewandt wird,

eine Abschätzung der Verstärkungskurve zeigt, die aus einer linearen Kombination von N_p zuvor festgelegten Verstärkungsverlaufskurven entsprechend den N_p Pumpen abgeleitet wurden,

den Verstärkungsverlauf nach dem Feinabgleich unter Verwendung von N_p Signalkanälen zeigt und

einen Vergleich mit einer Verstärkungskurve ohne Anwendung der Erfindung zeigt.

Ein faseroptisches Kommunikationssystem mit Raman-Verstärker ist in dargestellt. Es beinhaltet eine Lichtleitfaser S, die eine Anzahl von Signalkanälen mit unterschiedlichen Wellenlängen &lgr;_i transportiert. Es sind drei Pumplaser P1–P3 installiert, die Pumplichtsignale mit den Wellenlängen &lgr;_Pi, &lgr;_P2 beziehungsweise &lgr;_P3 emittieren. Die Pumplichtsignale werden über einen Multiplexer MX und einen Raman-Multiplexer RM in die Faser S eingespeist, wo sie eine Verstärkung der Signalkanäle durch stimulierte Raman-Streuung bewirken.

Um die gewünschte Verstärkungscharakteristik zu erreichen, müssen die Leistungswerte der Pumplaser P1-P3 richtig eingestellt werden. Daher werden drei ausgewählte Kanäle exemplarisch gemessen und ihre Signalenergien miteinander verglichen. Dazu extrahiert ein Verzweigungskoppler (Tap Coupler, TC) einen Teil des Signallichts aus der Faser S. Ein mit dem Verzweigungskoppler TC gekoppelter Demultiplexer DMX extrahiert die drei ausgewählten Signalwellenlängen &lgr;_i, &lgr;₂ und &lgr;₃, die anschließend den entsprechenden Fotodetektoren PD1, PD2 beziehungsweise PD3 zugeführt werden. Der Demultiplexer DMX enthält die auf die ausgewählten Signalwellenlängen &lgr;_i, &lgr;₂ und &lgr;₃ abgestimmten Filter.

Die gemessenen Werte werden über Rückkopplungskanäle einem Controller CTR zugeführt, der die gemessenen Werte mit Verstärkungs-Zielwerten vergleicht, daraus ermittelt, ob die Pumpleistung eines der Laser verringert oder erhöht werden muß, und anschließend die Pumpleistungen entsprechend einstellt. Der Controller CTR kann am selben Ort wie die Raman-Pumpen P1–P3 installiert sein, aber auch an einem zentralen Punkt im Netz oder auf seiten der Detektoren. Die Pumpeinheit kann entweder aus Np einzelnen Pumplasern P1–P3 mit unterschiedlichen Punpwellenlängen (&lgr;_P1, &lgr;_P2, &lgr;_P3) bestehen, aber alternativ auch ein einziger Raman-Faserlaser sein, der die N_p Pumpsignale emittiert.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kommt ein Raman-Rückwärtspumpverfahren zur Anwendung, so daß der Controller CTR am selben Ort wie das Mittel, mit dem die Ausgangssignalleistung gemessen wird, und die Pumpeinheit angeordnet ist. Dies ist in dargestellt.

Das Verfahren zum Einstellen der Verstärkung der Raman-Pumpen P1–P3 wird wie folgt durchgeführt: In einer Vorbereitungsphase wird das Verstärkungs-Zielprofil anhand einer Simulation abgeschätzt, bei der keinerlei Wechselwirkungen zwischen den Pumpen berücksichtigt werden. Diese anfängliche Abschätzung erfordert lediglich die Kenntnis der Anzahl N_p der Raman-Pumpen (in dieser speziellen Ausführungsform also 3), der Wellenlängen dieser Pumpen (d.h. &lgr;_Pi, &lgr;_P2 und &lgr;_P3) und des normalisierten Raman-Wirkungsgrades der Faser.

Der Kurvenverlauf des normalisierten Raman-Wirkungsgrades CR(&Dgr;v) der Faser S, wobei &Dgr;v die Frequenzverschiebung zwischen Pumpe und Signal ist, ist beispielsweise aus einer Offline-Messung, aus vordefinierten Fasercharakteristiken oder aus theoretischen Berechnungen bekannt. Die Raman-Wirkungsgradkurven der einzelnen Pumpen P1–P3 werden mit Gewichtungskoeffizienten a1, a2 beziehungsweise a3 gewichtet. Die resultierende Überlagerung wird durch die Funktion G(v_s) beschrieben (mit &ngr;_i = c/&lgr;_i): G(&ngr;_s) = a1 C_R(&ngr;1 – &ngr;_s) + a2 C_R(&ngr;2 – &ngr;_s) + a3 C_R(&ngr;3 – &ngr;_s) G(&ngr;_s) ist eine Funktion, die zu der in dB ausgedrückten gesamten Ein-Aus-Ramanverstärkung proportional ist und die Form der Raman-Gesamtverstärkungskurve definiert. Die Koeffizienten a1, a2 und 13 werden so eingestellt, daß die resultierende Verstärkungskurve die gewünschte Form annimmt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die gewünschte Form ein flacher Verstärkungsverlauf. Es sind jedoch auch andere Formen wie beispielsweise ein Anstieg möglich, was von der Wahl und den individuellen Anforderungen des Anwenders abhängen kann.

Die Koeffizienten a, b und c haben für den Abgleich selbst keine praktische Bedeutung. Sie definieren lediglich, wie die optimale Verstärkungskurve aussehen würde, die theoretisch erreichbar ist, wenn die Pumpleistungen richtig eingestellt werden. Aus dieser abgeschätzten Kurve werden drei N_p-Signalkanäle ausgewählt, die anschließend als Basis für den eigentlichen Abgleich dienen. Diese Kanäle sind in der bevorzugten Ausführungsform diejenigen Kanäle, deren optische Frequenz &ngr;_s lokalen Maxima von G zugeordnet sind. Die aus der Simulation dieser Kanäle ermittelten G-Werte G(&ngr;_s1), G(&ngr;_s2) und G(&ngr;_s3) werden anschließend im Controller CTR als Zielwerte für den Abgleich gespeichert.

Es sei darauf hingewiesen, daß diese Simulation lediglich ein vorbereitender Schritt des Verfahrens ist und nicht notwendigerweise im Controller CTR implementiert ist. Die N_p-Zielwerte dagegen werden als feste externe Parameter für den nachfolgenden Abgleich in den Controller geladen.

Der Controller CTR ist danach in der Lage, den eigentlichen Abgleich der Pumpleistungen so durchzuführen, daß sich diese in die simulierte Kurve einfügen. Der Abgleich kann von frei wählbaren Leistungswerten der N_p Pumpen ausgehend beginnen. Erfindungsgemäß werden nur die ausgewählten N_p Signalkanäle für den Online-Abgleich des Raman-Verstärkungssystems verwendet. Der Abgleich wird anschließend durch einen Rückkopplungsprozeß bewerkstelligt, bei dem die Pumpleistungen der N_p Pumpen so eingestellt werden, daß die gewünschten Ein-Aus-Verstärkungswerte G(&ngr;_s1), G(&ngr;_S2) und G(&ngr;_s3) erreicht werden, die anhand der vorgenannten Simulation für diese Kanäle ermittelt wurden. Durch Beobachten der N_p Signalverstärkungen kann somit die gesamte Raman-Verstärkungskurve gewonnen werden, die der simulierten G-Kurve entspricht.

Ein Beispiel für die Art des Abgleichs der Pumpen P1–P3 durch den Controller CTR ist in den und dargestellt. Die Pumpwellenlängen sind &lgr;_p1 = 1425 nm, &lgr;_p2 = 1436 nm und &lgr;_p3 = 1463 nm. Die diesen drei Wellenlängen entsprechenden Verstärkungs-Kurvenverläufe sind im Diagramm von als die Kurven 21, 22 beziehungsweise 23 dargestellt. Der gewünschte Verstärkungs-Kurvenverlauf ist eine möglichst flache Kurve über den gesamten Wellenlängenbereich von 1530 bis 1570 nm. Die Koeffizienten a1, a2 und a3, d.h. das Verhältnis der Leistungswerte der drei Pumpen, werden zu a1 = 8, a2 = 10 beziehungsweise a3 = 30 abgeschätzt. Die resultierende Überlagerung G ist als Kurve 24 dargestellt. G ist in frei gewählten Einheiten dargestellt, jedoch proportional zur gesamten in dB ausgedrückten Ein-Aus-Ramanverstärkung. Je nach den individuellen Anforderungen im faseroptischen Übertragungssystem kann diese Verstärkung mit einem Faktor multipliziert werden, durch den sich die erforderliche Verstärkung von z.B. 20 dB ergibt.

Die drei für den Abgleich ausgewählten Signalkanäle sind die Wellenlängenkanäle &lgr;₁ = 1532 nm, &lgr;₂ = 1546 nm und &lgr;₃ = 1560 nm. Die ausgewählten Kanäle entsprechen in der bevorzugten Ausführungsform den Spitzen der Verstärkungskurve, können aber auch unterschiedlich gewählt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß wegen der Raman-Wechselwirkung zwischen den Pumpen die in simulierten Pumpleistungsverhältnisse nicht die tatsächliche Verstärkung wiedergeben. Dies ist in dargestellt: Die Pumpen-Wechselwirkungen induzieren einen Leistungstransfer von den niedrigeren Pumpwellenlängen zu den höheren Pumpwellenlängen, was in einem geneigten Verstärkungsprofil mit positiver Steigung resultiert, das in als Kurve 31 dargestellt ist. Um die Verstärkungskurve so zu glätten, daß sie mit der gewünschten Kurve übereinstimmt, muß im wesentlichen die Pumpleistung der Pumpe mit der niedrigsten Wellenlänge erhöht werden, während die Pumpleistung der Pumpe mit der höchsten Wellenlänge verringert werden muß.

Dementsprechend wird der Abgleich der Leistungen der drei Pumpsignale wie folgt durchgeführt:

• – Die Anfangswerte der Pumpleistung werden frei gewählt.
• – Die Verstärkungsdifferenz zwischen den drei Verstärkungs-Zielwerten und den tatsächlich gemessenen Verstärkungswerten wird berechnet.
• – Die Leistung der Pumpe, die sich am stärksten auf die Signalwellenlänge mit der größten Differenz zwischen dem Verstärkungs-Zielwert und dem tatsächlichen Verstärkungswert auswirkt, wird eingestellt.
• – Die Verstärkungsdifferenz wird erneut gemessen.
• – Die Vorgänge in den letzten beiden Schritten werden wiederholt, bis die gewünschte Verstärkung für die drei Signalkanäle erreicht ist, d.h. bis der als Kurve 32 in dargestellte Kurvenverlauf erreicht ist.

Ein Prinzip der Erfindung besteht darin, die Verstärkungskurve in einer Simulation abzuschätzen, Datenkanäle für die Online-Messung auszuwählen und anhand der simulierten Verstärkungskurve Verstärkungs-Zielwerte für diese ausgewählten Kanäle zu bestimmen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise läßt sich leicht anhand eines einfachen Beispiels im Vergleich zu dem in gezeigten Beispiel demonstrieren. Es sei angenommen, daß ohne die vorgenannte Simulation die zu messenden Kanäle zu &lgr;₁' = 1530 nm, &lgr;₂' = 1552 nm und &lgr;₃' = 1570 nm gewählt werden. Ferner sei angenommen, daß der Verstärkungs-Zielwert für alle drei Kanäle 20 dB beträgt – was hoffentlich in einem flachen Verlauf der Verstärkungskurve resultieren würde. Das Ergebnis des Abgleichs der Pumpleistungswerte auf 20 dB jedoch ist in diesem Fall in dargestellt. Wie aus ersichtlich, ist die Verstärkungsschwankung weitaus größer als in dem optimierten Beispiel in und beträgt 3,5 dB statt 1 dB.

In einer Verbesserung der Erfindung werden bei den ausgewählten Wellenlängen &lgr;₁, &lgr;₂ und &lgr;₃ vom Sender Ersatzkanäle anstelle von realen Datenkanälen eingefügt, um zu gewährleisten, daß diese Kanäle stets für das oben beschriebene Online-Abgleichverfahren verfügbar sind, da Datenkanäle aufgrund einer Fehlfunktion an irgendeinem Punkt im Netz unterbrochen werden oder verlorengehen könnten.

Nach dieser Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Einzelheiten beschränkt ist, sondern daß auch verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien der in den beigefügten Patentansprüchen beschriebenen Erfindung abzuweichen.

• Fig. – Abb.
• (arbitrary unit) – (frei wählbare Einheit)
• Wavelength – Wellenlänge
• Total On/off gain – Ein-Aus-Gesamtverstärkung