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Erbium-dotierte Faserverstärker, Pumplaser-Regelungen in Systemen mit Hochpassverhalten

IP.com Disclosure Number: IPCOM000009239D
Published in the IP.com Journal: Volume 2 Issue 9 (2002-09-25)
Included in the Prior Art Database: 2002-Sep-25
Document File: 3 page(s) / 72K

Publishing Venue

Siemens

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Juergen Carstens: SUBMITTER

Abstract

Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA) sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil in optischen Über-tragungssystemen geworden. Unter Verwendung optischer Pumpleistung bewirken sie eine Verstär-kung optischer Signale. Beim Betrieb in einem Übertragungssystem werden die Ausgangsleistung oder aber der Gewinn die-ser Verstärker durch entsprechende Regelschaltungen auf einen Sollwert geregelt, wozu unter ande-rem die Injektionsströme der verwendeten Pumpen variiert werden. Oberhalb des Schwellstromes sollten die Kennlinien der Pumpen (Pumpleistung als Funktion des Injektionsstromes) eine konstante Steigung aufweisen. Dies ist jedoch in der Regel nicht der Fall. Häufig gibt es sogar Stellen mit negati-ver Steigung, die als „Kinks“ bezeichnet werden und zu Schwingungen der Regelung führen können. In der folgenden Abbildung weist die Kennlinie 2 einen solchen Kink auf. Meist wird zur Messung der von der Pumpe abgegebenen Pumpleistung eine interne Backfacet-Monitordiode verwendet. Da der Zusammenhang zwischen dem erzeugten Monitorstrom und der tat-sächlich abgegebenen Pumpleistung nicht absolut linear ist, können dadurch ebenfalls Stellen mit negativer Steigung hervorgerufen werden, die zu Schwingungen der Regelung führen können. Bisher wurde dieses Problem durch Selektion gelöst, d.h. durch aufwendige Messungen wurden Pumplaser ausgesucht, die keine Kinks besitzen. Treten Kinks erst ab einer gewissen Ausgangsleis-tung auf, kann dieser Laser zwar eingesetzt, aber nur bei niedrigeren Ausgangsleistungen betrieben werden, so dass der Pumplaser auf jeden Fall im kinkfreien Bereich betrieben wird. Durch die geringer gewordene Ausbeute steigen die Kosten für die Pumpdioden, die wesentlich zu den Kosten des Ge-samtmoduls beitragen, stark an. Durch das im Folgenden beschriebene Verfahren ist es möglich, einen EDFA auch dann ohne Auftre-ten von Schwingungen zu regeln, wenn der Pumplaser im Bereich von Kinks betrieben wird. Dadurch ist die Selektion von Laserdioden nicht mehr nötig, so dass die Ausbeute steigt und die Kosten für die Pumpen und damit auch das Gesamtmodul deutlich gesenkt werden können. Es wird vorgeschlagen, den Laser mit Signalen entsprechend der Pulsweitenmodulation anzusteuern, wie dies in der folgenden Darstellung illustriert wird. Da der Laser nur noch an zwei Arbeitspunkten angesteuert wird, spielen Kinks in der Kennlinie keine Rolle. Allerdings muss dafür gesorgt werden, dass sich die Modulation der Pumpleistung nicht auf die Sig-nalleistungen überträgt. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modulation der Besetzungsinversion (und damit auch die Modulation des Verstärkergewinns) als Funktion der Modulationsfrequenz für verschiedene normierte Pumpleistungen (q) und Signalleistungen (p). Es wird deutlich, dass eine Grenzfrequenz existiert, ab der sich eine Modulation der Pumpleistung oder auch der Signalleistung nicht mehr auf den Gewinn des Verstärkers überträgt. Es muss also bei der oben beschriebenen An-steuerung dafür gesorgt werden, dass die Wiederholrate des Pulses oberhalb dieser Grenzfrequenz liegt, so dass die Signale keine Modulation erfahren und der Gewinn nur von der zeitlich gemittelten Pumpleistung abhängt. Genau genommen darf die resultierende Pumpleistung keine nennenswerten Frequenzkomponenten unterhalb der Grenzfrequenz aufweisen. Zur Erläuterung: Schwingungen der Regelung weisen Frequenzkomponenten deutlich unterhalb die-ser Grenzfrequenz auf. Daher übertragen sich diese Schwingungen auf die Ausgangsleistung. Alternativ kann der Ansteuerung der Laserdiode auch eine Schwingung überlagert werden, wie fol-gende Abbildung zeigt. Diese Schwingung muss nicht sinusförmig sein, es sollten allerdings keine wesentlichen Frequenzkomponenten unterhalb der Grenzfrequenz auftreten. Durch die Überlagerung einer Schwingung wird die Laserdiodenkennlinie geglättet, wie dies in der folgenden Abbildung für verschiedene Amplituden dieser Schwingung gestrichelt dargestellt ist. Die Laserdiodenkennlinie (durchgezogene Linie) weist einen deutlichen Kink auf. Durch die Überlagerung einer sinusförmigen Schwingung wird die Kennlinie zwar nicht linear, es tritt aber keine negative Stei-gung mehr auf, so dass es zu keinen Schwingungen der Regelung kommt. Abb. 1: Die Abbildung stammt aus ,,G. Arnold et al., Modulation of Laser Diodes, in Semiconductor Devices for Optical Communication, H. Kressel (Editor), Springer-Veriag, 1980

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Erbium-dotierte Faserverstärker, Pumplaser-Regelungen in Systemen mit Hochpassverhalten

Idea: Dr. Lutz Rapp, DE-München; Guido Genter, DE-München; René Neumann, DE-München

Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA) sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil in optischen Über- tragungssystemen geworden. Unter Verwendung optischer Pumpleistung bewirken sie eine Verstär- kung optischer Signale.

Beim Betrieb in einem Übertragungssystem werden die Ausgangsleistung oder aber der Gewinn die- ser Verstärker durch entsprechende Regelschaltungen auf einen Sollwert geregelt, wozu unter ande- rem die Injektionsströme der verwendeten Pumpen variiert werden. Oberhalb des Schwellstromes sollten die Kennlinien der Pumpen (Pumpleistung als Funktion des Injektionsstromes) eine konstante Steigung aufweisen. Dies ist jedoch in der Regel nicht der Fall. Häufig gibt es sogar Stellen mit negati- ver Steigung, die als "Kinks" bezeichnet werden und zu Schwingungen der Regelung führen können. In der folgenden Abbildung weist die Kennlinie 2 einen solchen Kink auf.

Meist wird zur Messung der von der Pumpe abgegebenen Pumpleistung eine interne Backfacet- Monitordiode verwendet. Da der Zusammenhang zwischen dem erzeugten Monitorstrom und der tat- sächlich abgegebenen Pumpleistung nicht absolut linear ist, können dadurch ebenfalls Stellen mit negativer Steigung hervorgerufen werden, die zu Schwingungen der Regelung führen können.

Bisher wurde dieses Problem durch Selektion gelöst, d.h. durch aufwendige Messungen wurden Pumplaser ausgesucht, die keine Kinks besitzen. Treten Kinks erst ab einer gewissen Ausgangsleis- tung auf, kann dieser Laser zwar eingesetzt, aber nur bei niedrigeren Ausgangsleistungen betrieben werden, so dass der Pumplaser auf jeden Fall im kinkfreien Bereich betrieben wird. Durch die geringer gewordene Ausbeute steigen die Kosten für die Pumpdioden, die wesentlich zu den Kosten des Ge- samtmoduls beitragen, stark an.

Durch das im Folgenden beschriebene Verfahren ist es möglich, einen EDFA auch dann ohne Auftre- ten von Schwingungen zu regeln, wenn der Pumplaser im Bereich von Kinks betrieben wird. Dadurch ist die Selektion von Laserdioden nicht mehr nötig, so dass die Ausbeute steigt und die Kosten für die Pumpen und damit auch das Gesamtmodul deutlich gesenkt werden können.

Es wird vorgeschlagen, den Laser mit Signalen entsprechend der Pulsweitenmodulation anzusteuern, wie dies in der folgenden Darstellung illustriert wird. Da der Laser nur noch an zwei Arbeitspunkten angesteuert wird, spielen Kinks in de...