DE68910851T2

DE68910851T2 - Verstärkung von optischen Signalen.

Info

Publication number: DE68910851T2
Application number: DE89301356T
Authority: DE
Inventors: Andrew David Ellis; Derek John Malyon; William Andrew Stallard
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1989-02-13
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2009-02-14
Also published as: JP3078535B2; DE68910851D1; EP0331304A3; JP2000049711A; CA1293996C; JPH0269982A; EP0331304B1; US4995100A; JP2963103B2; EP0331304A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Verstärkung optischer Signale, und insbesondere bezieht sie sich auf eine automatische Verstärkungssteuerung, die angepaßt ist, um die Verstärkung eines optischen Halbleiterverstärkers auf eine solche Weise zu steuern, daß die optische Leistung der Ausgabe des Verstärkers im wesentlichen konstant ist. (Ein Halbteiterverstärker kann als ein Laser mit minimierter Reflexion angesehen werden, das heißt ein Laser, bei dem das reflektierende System so stark wie möglich unterdrückt ist.)
Halbleiterverstärker haben viele tatsächiiche oder vorgeschlagene Anwendungen. Eine solche Anwendung ist für Telekommunikation. Optische Fasern haben eine Dämpfung von etwa 0,2 bis 0,3 dB/km, und damit ist der Bereich ohne Signalverarbeitung begrenzt. Signalverarbeitung unter Verwendung optischer Verstärker ist attraktiv aus Gründen der Einfachheit, und Verstärker mit Verstärkungsfaktoren von etwa 10 bis 30 dB sind verfügbar, so daß solche Systeme einen Verstärker alle 50 bis 150 km benötigen. Bis zu etwa zehn Verstärker können in Reihe verwendet werden, bis die Gesamtverzerrung unakzeptabel wird, das heißt eine Gesamtentfernung von 500 bis 1500 km. Für längere Bereiche werden kompliziertere Anlagen, die ein erneutes Formen des Signals, eine erneute Zeitgabeeinstellung des Signals und möglicherweise eine Fehlerkorrektur involvieren, gebraucht.
Es ist gut bekannt, daß die Umgebungstemperatur den Verstärktingsfaktor eines optischen Verstärkers beeinflußt. Somit werden Anlagen zu Land durch die Jahreszeiten beeinfIußt, und Unterseeanlagen werden durch die Temperatur der See beeinflußt.
Beispiele bestimmter Effekte beinhalten:

(1) Verstärkerleistungsfähigkeit

Der Verstärkungsfaktor fällt mit ansteigender Temperatur ab. Dies ist der Haupteffekt. Er trägt zu etwa der Hälfte der Variation bei.

(2) Brechungsindex

Der Brechungsindex des Verstärkers, das heißt der Brechungsindex des Halbleiters, aus dem der Verstärker hergestellt ist, variiert mit der Temperatur. Da der Verstärker konstruiert ist, um eine optimale Leistungsfähigkeit bei einer Konstruktionswellenlänge zu ergeben, und die Wellenlänge von Licht durch den Brechungsindex beeinflußt wird, wird die Leistungsfähigkeit durch die Temperatur beeinflußt.

(3) Polarisation

Der Verstärker hat verschiedene Verstärkungsfaktoren bei unterschiedlichen Polarisationen von Licht. Die Polarisation wird durch die Faser beeinflüßt, und der Effekt ist wahrscheinlich temperaturabhängig. Somit wird der Verstärkungsfaktor durch die Temperatur der Umgebung, z. B. der Temperatur der See im Falle von Unterseesystemen, beeinflußt.
Somit hängt die Leistungsfähigkeit und damit die optische Leistungsausgabe eines optischen Verstärkers von Fremdfaktoren ab. Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die Leistungsvariationen zu reduzieren, die von diesen Variationen der Leistungsfähigkeit resultieren.
Es ist vorgeschlagen worden (z. B. in JP-A-59-86930), Steuertechniken einzüsetzen, bei denen die Ausgabeleistung direkt gemessen wird. Jedoch sind diese Messungen schwierig auszuführen.
Die Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 113 (JP-A-61 262 327) beschreiben die Schalttechnik, die zu einer Laserdiode gehört; es ist klar, daß die Diode als ein optischer Signalgenerator verwendet wird, nicht als ein optischer Verstärker. Die Ansteuerung zur Laserdiode beinhaltet ein Analogsignal und einen Hochfrequenzstrom, dessen Amplitude durch das Analogsignal gesteuert wird. Die Steuertechnik, die durch diese Erfindung eingesetzt wird, weist ein Anlegen eines Niederfrequenz-Steuertons auf die optischen Signale an ihrem Ersterzeugungspunkt auf.
Optische Verstärker werden durch einen Ansteuerstrom mit Leistung versorgt, und weil ein Verstärker ähnlich einem Detektor ist, kann die Modulation auf den optischen Träger als eine Modulation des Vorstroms und/oder der Vorspannung der Vorrichtung bzw. des Bauelements erfaßt werden. Insbesondere kann der Steuerton als eine Welligkeit mit der gleichen Frequenz wie der Steuerton erfaßt werden, überlagert auf dem stationären Vorstrom und/oder Vorspannung. Variationen dieser Welligkeit zeigen Variationen der Leistungsfähigkeit des Systems an.
Gemäß dieser Erfindung mißt eine automatische Verstärkungssteuerung(AGC)-Schaltung diese Welligkeit und erhält dadurch einen Steuerparameter. Die AGC stellt den Ansteuerstrom so ein, um den Steuerparameter konstant zu halten, z. B. indem sie ihn mit einem voreingestellten Wert vergleicht. Die Amplitude der Oszillation (oder ein dazu äquivalenter Wert, z. B. ihr RMS-Wert) ist ein zweckmäßiger Steuerparameter. Vorzugsweise multipliziert die AGC die Amplitude der Oszillation (oder ihres Äquivalents) mit dem Wert des Ansteuerstroms im stationären Zustand, um den Steuerparameter zu erhalten.
Am Endbestimmungsort, z. B. wo die optischen Signale demoduliert werden, wird der Steuerton zweckmäßigerweise entfernt, z. B. durch Filtern, vor einer Demodulation.
Wie oben ausgeführt beruht die AGC gemäß der Erfindung auf einem Steuerton, der auf die Signale aufmoduliert wird. Die Amplitude des Steuertons sollte klein sein, z. B. 0,1 % bis 10 % (vorzugsweise 1 bis 5 %), verglichen mit der Amplitude der Signale. Die Frequenz des Steuertons sollte auch viel niedriger sein, z. B. mehr als 100 mal niedriger und vorzugsweise mehr als 10000 mal niedriger. In den meisten optischen Systemen ist die Bitrate gewöhnlich über 1 Mbits/s und oft über 1 Gbits/s. In diesem Fall sind Frequenzen von 0,1 kHz bis 100 kHz für den Steuerton geeignet.
Es wird gewürdigt werden, daß der sehr große Unterschied in der Frequenz zwischen dem Steuerton und den Daten deren Trennung erleichtert. Somit kann der Steuerton von den Datenbehandlungsvorrichtungen, wie Demodulatoren, ausgeschlossen werden, und der Demodulator kann möglicherweise nicht in der Lage sein, auf die niedrigen Frequenzen des Steuertons zu antworten. In ähnhcher Weise können die Daten von den AGC-Schaltungen ausgeschlossen werden.
Die AGC-Schaltungen der Erfindung sind besonders geeignet zum Steuern von optischen Verstärker-Telekommunikationssystemen, insbesondere für Tauchverstärker in optischen Untersee-Telekommunikationssystemen.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen normalen Konfiguration weist ein Verstärker gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Voreinstellungs- bzw. Default-Konfiguration auf, die angenommen wird, wenn der Pegel des Steuertons unterhalb einen Schwellenpegel fällt, z. B. auf 0 fällt, wenn ein Kabel versehentlich gebrochen wird. Die Not- bzw. Distress-Konfiguration stellt eine oder mehrere der folgenden Funktionen bereit:
(1) Sie stellt ein Distress-Signal bereit, um anzuzeigen, daß die Default-Konfiguration angenommen worden ist. Dies zeigt gewöhniich ein gebrochenes Kabel oder einen ausgefallenen Verstärker an.
(2) Sie stellt einen alternativen Betriebsmodus (ohne AGC) bereit. Dies ermöglicht, daß ein Kabel das in (1) erwähnte Distress-Signal überträgt.
(3) Es schützt die AGC-Schleife sicher gegen Überlastung, wenn es keinen Steuerton gibt.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die begleitende Zeichnungen beschrieben werden, in der
Fig. 1 eine einzelne Faser eines optischen Untersee-Telekommunikationssystems veranschaulicht, das fünf optische Verstärker aufweist, jeder mit einer AGC gemäß der Erfindung;
Fig. 2 als ein Blockdiagramm einen Verstärker zur Verwendung in dem System von Fig. 1 veranschaulicht;
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das System einen Sender 10 auf, der optische Signale, die mit Daten moduliert sind, an einen Empfänger 11 über sechs optische Kabel 12, die durch fünf Repeater bzw. Zwischenverstärker 13 verknüpft sind, sendet. Die Entfernung zwischen den Repeatern 13 ist 60 km. (Kürzere Stufen, z. B. 50 km, können klar verwendet werden, jedoch ergeben Reichweiten über 100 km wahrscheinlich keine adäquate Leistungsfähigkeit.) Somit ist die Gesamtlänge dieses Systems 360 km.
Systeme, die eine Signalverarbeitung auf einfache Verstärkung beschränken, sind auf etwa zwölf Repeater beschränkt, was eine maximale Reichweite von etwa 1000 km ergibt. Nichtsdestotrotz gibt es Anforderungen für Unterseeverbindungen von bis zu 1000 km, und diese einfachen Systeme sind von großem Interesse.
Beim Spezifizieren solcher Systeme ist es wünschenswert, eine optische Leistungsausgabe für jeden Repeater zu spezifizieren. Jede Stufe ist konstruiert, um ihre optimale Leistungsfähigkeit zu geben, wenn sie unter bestimmten Bedingungen arbeitet. Jedoch können die Betriebsbedingungen des Systems beträchtlich variieren, z. B. ist die Leistungsfähigkeit temperaturabhängig und damit durch die Temperatur der See beeinflußt. Somit kann die Leistungsfähigkeit manchmal verschlechtert sein, weil die Ausgabeleistung des Verstärkers nicht immer der Systemspezifikation entspricht.
Die Verstärker gemaß der Erfindung weisen AGC-Schaltungen auf, um die Leistung nahe dem spezifizierten Wert zu halten. Diese AGC-Schaltungen machen Gebrauch von einem Steuerton, der auf den Trägerstrahl genauso wie die Daten aufmoduliert ist.
Der Sender 10 weist einen 10 kHz Kristalloszillator (nicht gezeigt) auf. Der durch den Oszillator erzeugte Ton wird dem Ansteuerstrom für den Laser hinzugefügt. Der Ton kann auf Daten mit "1" und/oder Daten mit "0" angelegt werden. In diesem Beispiel wurde er an beide angelegt.
Der an den Sender 10 angelegte Steuerton wird bei allen und durch alle AGC-Schaltungen in allen Repeatern 13 verwendet. Der Steuerton wird auch an dem Empfänger 11 empfangen, jedoch wird der Steuerton ausgefiltert, so daß die Demodulation zum Wiedergewinnen der Daten nicht in negativer Weise beeinflußt wird.
Die wichtigen Merkmale der Signale dieses Beispiels sind:
Bitrate 200 MBit/s
Steuertonfrequenz 10 kHz
Bitperiode 5 ns
Steuertonperiode 100 us
Steuertonperiode: Bitperiode 2 x 10&sup5;
Signal: Steuerton-Verhältnis 15 dB
Eine AGC-Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Schaltung steuert einen Laserverstärker 20, der eine Eingangsfacette 21 und eine Ausgangsfacette 22 hat. Bei Verwendung gehören diese Facetten zu Eingangs- und Ausgangsfasern. Der Laserverstärker 20 wird durch einen Ansteuerstrom mit Leistung versorgt der durch eine Hochimpedanz-Stromvorrichtung 23 über Leitung 24 geliefert wird, welche einen Induktor 25 aufweist, um zu verhindern, daß Hochfrequenzsignale vom Laser 20 die Vorrichtung 23 beeinflussen. Innerhalb des Arbeitsbereichs ist log (Leistung) an der Ausgangsfacette 22 des Lasers proportional zum Ansteuerstrom in Leitung 24. Der Laserverstärker 20 gehört zu einer AGC-Schaltung, die die Leistung an der Facette 22 durch Einstellen des Ansteuerstroms in Leitung 24 konstant hält.
Die AGC-Schaltung weist einen Niedrigrauschverstärker 26 auf, der eine Ausgabe erzeugt, die proportional der Amplitude des Steuertons ist, sowie einen Differenzverstärker 27, der parallel mit einem Widerstand 28 verbunden ist, der in Leitung 24 angeordnet ist, so daß er eine Ausgabe erzeugt die proportional zum Strom im Widerstand 28 ist, d. h. den Ansteuerstrom für den Laserverstärker 20. Die Ausgaben von den Vorrichtungen 26 und 27 werden zu einem Analogmultiplizierer 29 gespeist. Ein Komparator 30 ist verbunden, um die Ausgabe des Multiplizierers 29 mit einer Referenz 31 zu vergleichen, und um die Vorrichtung 23 gemäß dem Vergleich einzustellen. (Die Antwort ist vorzugsweise über eine Periode von etwa 2 s gemittelt, um kurzfristige Fluktuationen zu beseitigen.) Der Betrieb der AGC-Schaltung wird nun beschrieben werden. Digitalverarbeitung könnte anstelle der gezeigten analogen Vorrichtungen verwendet werden.
Während einer Verwendung werden optische Signale an der Eingangsfacette 21 empfangen und in dem Laserverstärker 20 verstärkt, der eine Ausgabe an der Ausgangsfacette 22 bereitstellt. Der Laserverstärker 10 verursacht übrigens, daß die Modulation des optischen Signals in Leitung 24 auftaucht, d. h. eine Welligkeit ist der Vorspannung des stationären Zustands überlagert. Die Welligkeit hat eine Wellenform ähnlich der Modulation in den optischen Signalen. Der Induktor 25 ist so ausgewählt, daß er die Daten (bei 200 MHz) unterdrückt, jedoch den Steuerton (bei 10 kHz) durchgehen läßt.
Wenn wegen z. B. Temperaturänderungen die Leistungsfähigkeit des optischen Systems sich ändert, wird sich die Ausgabeleistung an der Facette 22 ändern, und die Amplitude der äquivalenten Welligkeit in Leitung 24 wird sich ebenfalls ändern. (Wenn die Leistung an der Facette 22 ansteigt, wird die Amplitude in der Leitung 24 zunehmen; wenn die Leistung fällt, wird die Amplitude abnehmen.)
Der Verstärker 26 antwortet auf die Amplitude des Steuertons, und damit wird sein Signal an den Multiplizierer 29 sich ändern. Anfänglich ist die Vorrichtung 23 unbeeinflußt, genauso wie die Ausgabe des Multiplizierers im ersten Moment nur durch die Anderung im Steuerton beeinflußt sein wird. Daher wird diese Ausgabe fallen, wenn die Leistung an der Facette 22 fällt. Der Komparator 30 wird ein Ungleichgewicht erfassen und die Vorrichtung 23 neu einstellen, so daß der Ansteuerstrom in Leitung 24 ansteigt. Dieser Anstieg wird die folgenden Effekte erzeugen:
(1) Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 wird so ansteigen, daß die Leistung an der Facette 22 wie erforderlich ansteigt.
(2) Der Anstieg im Verstärkungsfaktor trifft auf das ganze Signal zu, und die Amphrnde des Steuertons wird ansteigen. Somit wird die Ausgabe des Detektors 26 ansteigen.
(3) Der Anstieg im Ansteuerstrom durch den Widerstand 28 beeintlußt direkt die Eingabe an den Differenzverstärker 27, so duß 25 seine Ausgabe ebenso ansteigt.
(4) Da beide seiner Eingaben ansteigen, wird die Ausgabe des Multiplizierers 25 ansteigen, bis sie den in der Referenz 31 voreingestellten Wert ausgleicht.
Somit hält die Steuerschleife der AGC das Produkt konstant. Wir haben gefunden, daß diese Bedingungen die optische Leistungsausgabe an der Facette 22 innerhalb akzeptabler Grenzen konstant hält. Es ist interessant, andere Steuerstrategien zu vergleichen.
Die herkömmliche Steuerung besteht nur aus einer Konstantstromvorrichtung und einem Induktor, um zu verhindern, daß die Daten sie beeinflussen, d. h. Elemente 23 und 25 von Fig. 2. Der Defekt in dieser Strategie ist, daß sich die Charakteristiken des Systems ändern, z. B. mit der Temperatur, und es ist notwendig, den Ansteuerstrom zu ändern, um zu den geänderten Charakteristiken zu passen.
Wir haben auch eine Strategie betrachtet, bei der die Vorrichtung 26 direkt mit dem Komparator 30 verbunden ist (und Elemente 27, 28, 29 sind eliminiert). Diese Strategie ergibt ein besseres Ergebnis als ein konstanter Ansteuerstrom, jedoch überkompensiert sie, daß die effektive Verknüpfung zwischen dem optischen System und dem Ansteuerstrom vom Verstärkungsfaktor abhängt. Das Einführen der Komponenten 27, 28 und 29 berücksichtigt den Ansteuerstrom und eliminiert im wesentlichen die Überkorrektur.
Ein Unterseekabel weist immer eine Vielzahl von z. B. sechs optischen Fasern auf, von denen jede unabhängig arbeitet. Gewöhnlich sind die Fasern unidirektional, und die Hälfte der Fasern überträgt in eine Richtung, und die andere Hälfte überträgt in die Umkehrrichtung. Das Kabel weist auch steife Verstärkungselemente, z. B. sich in der Längsrichtung erstreckende Stahldrähte, einen Leiter für elektrische Leistung und eine Umhüllung, um Wasser auszuschließen, auf. Ein Repeater weist ein Verstärkungselement, um die Verstärkungselemente von zwei Kabeln zu verbinden, eine elektrische Leistungseinheit, die mit den Leitern von jedem Kabel verbunden ist, die Verstärker, die verbunden sind, um ihre Leistung von der Leistungseinheit zu empfangen, und ein Gehäuse, um Wasser auszuschließen und um eine Betriebsumgebung für die elektrischen Elemente bereitzustellen, auf. Jeder Repeater weist eine Vielzahl von Verstärkern auf, z. B. einen für jede Faser.
Es ist möglich, jede Faser für Zweirichtungsbetrieb, d. h. Duplexbetrieb, zu verwenden. Wenn die Verstärkung für jede Richtung separat gesteuert werden soll, ist es notwendig, den Verkehr zur Verstärkung aufzutrennen. 10Somit gibt es zwei Verstärker für jede Faser, und jeder Verstärker hat seine eigene AGC, wie veranschaulicht in Fig. 2.
Als eine Alternative wird jeder Verstärker verwendet, um in beiden Richtungen zu verstärken. Dies ist wünschenswert, weil es die Anzaht von Verstärkern wirtschaftlicher macht, sowie die Leistung, um sie anzusteuern. Diese Technik enthält die inhärente Einschränkung, daß beide Kanäle den gleichen Verstärkungsfaktor erfahren. und die Konstruktion des Systems muß diese Einschränkung erlauben. Einige bevorzugte Anforderungen für die AGC eines Zweirichtungsverstärkers wird nun gegeben werden.
Es ist wünschenswert, eine Steuerung nur einem Kanal zuzuordnen. Dies kann erreicht werden, indem entweder der Steuerton nur in einem Kanal bereitgestellt wird oder vorzugsweise indem jeder Kanal mit seinem eigenen unterscheidenden Steuerton versehen wird, d. h. zwei unterschiedliche Frequenzen. Jeder Verstärker hat seine eigene AGC-Schaltung, wie gezeigt in Fig. 2, und jede AGC ist abgestimmt, um auf einen Steuerton zu antworten und den anderen zu ignorieren.
In einem Telekommunikationskabel mit einer Reihe von Verstärkern wird bevorzugt, die Hälfte der AGC-Schaltungen auf einen Steuerton abzustimmen, und die andere Hälfte der AGC-Schaltungen auf den anderen Steuerton abzustimmen. Vorzugsweise unterscheidet sich die Steuerung an benachbarten Verstärkern, d. h. die "ungeradzahligen" Verstärker werden von einem Ende des Kabels gesteuert, und die "geradzahligen" Verstärker werden vom anderen Ende gesteuert.
Es wird klar werden, daß diese Steuertechnik auf Systeme mit mehr als zwei Kanälen ausgedehnt werden kann, z. B. auf Wellenlängenteilungs-Multiplexsysteme.
Fig. 3 zeigt eine Schattung, die eine normale Konfiguration und eine Default-Konfiguration aufweist. Die normale Konfiguration entspricht einer AGC-Schaltung, wie sie im wesentlichen in Fig. 2 gezeigt ist. Die Distress-Konfiguration wird angenommen, wenn der Steuerton unterhalb einen Schwellenpegel fällt.
Ein Verlust des Steuertons wird gewöhniich durch einen Bruch in dem Kabel verursacht, und dies verhindert einen normalen Betrieb. Der Default-Modus ist in erster Linie für Diagnosetests bestimmt. Insbesondere zeigt der Default-Modus einen Fehler an einer bestimmten Stelle oder an einer Vielzahl von Stellen in einem langen Kabel an. Dies gibt zumindest einen ungefähren Ort eines Fehlers.
Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung weist vier Unterschaltungen auf, nämlich:

(1) Normale Konfiguration

Diese ist geringfügig gegenüber der in Fig. 2 gezeigten AGC modifiziert. Elemente, die ähnliche Funktionen ausführen, haben das gleiche Bezugszeichen.

(2) Selektor

Diese Unterschaltung erfaßt das Nicht-Vorhandensein eines Steuertons (oder eines Signals proportional zum Steuerton). Sie hält die Schaltung in der normalen Konfiguration, wenn der Steuerton oberhalb eines Schwellenwertes ist, und sie wählt die Default-Konfiguration aus, wenn der Steuerton unterhalb des Schwellenwertes ist. Der Selektor weist Schalter auf, um die Wahl zu machen.

(3) Distress-Caller

Diese Unterschaltung, die ein Teil der Default-Konfiguration ist, befähigt den optischen Verstärker 20, funktionsfähig zu bleiben. wenn es keinen Steuerton gibt, und sie stellt eine charakteristische Frequenz bereit, um sich selbst zu identifizieren.

(4) Überlastschutz

Diese Unterschaltung, die ebenso ein Teil der Default-Konfiguration ist, schützt gegen unstabilen oder überlasteten Betrieb, wenn es keinen Steuerton gibt. Es ist wünschenswert, gegen Überlastung zu schützen, wenn der Betrieb (zum ersten Mal oder nach einem Bruch) gestartet wird, oder wenn im Default-Modus für Diagnosezwecke gearbeitet wird.
Die vier Unterschaltungen werden nun separat beschrieben werden.
Element (1) oben, d. h. die AGC, ist geringfügig detaillierter als in Fig. 2 gezeigt. Die zusätzlichen Elemente sind ein Bandpaßfilter 35, um den Steuerton von anderen Frequenzen zu trennen, und ein Gleichrichter 36, um ein DC-Signal an einen Komparator 30 bereitzustellen. Der Ausgang des Komparators 30 ist mit einem Integrator 37 verbunden. In der normalen Konfiguration ist der Ausgang des Integrators 37 mit dem Steueranschluß einer Vorrichtung 23 über einen 2-Weg-Schalter 41 verbunden.
Element (2) oben, d. h. der Selektor, weist einen DC-Pegelsensor 46, der die Ausgabe des Gleichrichters 36 überwacht, und eine Steuervorrichtung 47, um Schalter 40 und 41 zu betätigen, auf.
Element 3 weist ein Widerstandsnetzwerk 42 auf, das eine DC-Vorspannung erzeugt, um das Steuersignal zu ersetzen, immer wenn die AGC durch das Nicht-Vorhandensein des Steuertons außer Betrieb gesetzt wird. Der Distress-Caller weist ebenso einen Lokaloszillator 43 auf, um einen Distress-Ton bereitzustellen, der charakteristisch für seinen eigenen Repeater ist. d. h., der Distress-Ton ist unterschiedlich an jedem Repeater in dem System. Der Oszillator 43 und das Widerstandsnetzwerk 42 sind mit einem Addierer 44 verbunden, der die zwei Signale kombiniert. Das kombinierte Signal läuft zum Schalter 41, der in der Default-Konfiguration die AGC von der Vorrichtung 23 trennt und den Addierer 44 mit der Vorrichtung 23 verbindet. In der Default-Konfiguration, d. h. beim Nicht-Vorhandensein des Steuertons, werden der Verstärker 26 und damit der Multiplizierer 29 eine Nulleingabe haben. Der Komparator 30 wird somit eine Nulleingabe empfangen, und somit wird er eine sehr hohe Ausgabe erzeugen in einem Versuch, ein unmögliches Gleichgewicht zu erreichen. Die Überlastung könnte ausreichen, um sich selbst und nachfolgende Elemente zu beschädigen, d. h. den Integrator 37. In der Default-Konfiguration führt der Verstärker 45 ein Signal vom Ausgang des Integrators 37 zu dem Eingang des Komparators 30 mit einem Verstärkungsfaktor von z. B. 45 dB zurück. Dies stellt eine realistisches Eingabesignal an den Komparator 30 bereit, so daß die Schleife 30 - 37 - 45 - 40 - 48 sich bei einer sicheren Leistung stabilisiert. (Der Addierer 48 verhindert eine Erfassung des Schleifensignals durch den Sender 46).
In der normalen Konfiguration betätigt der Detektor 46 die Steuereinheit 47, um den Distress-Caller (42, 43, 44) und die Überlastschutz-Unterschaltung (45, 40) zu trennen. Die AGC arbeitet wie oben beschrieben. Der Betrieb im Default-Modus wird nun beschrieben werden.
Das gewöhnlichste Vorkommnis ist ein gebrochenes Kabel. Dies verhindert klar jegliche Kommunikation über den Bruch. Es ist zweckmäßig, die Richtung vom Land zum Bruch "auswärts" und vom Bruch zum Land "einwärts" zu nennen. Klar gibt es zwei Kabelsegmente, jedes mit seiner eigenen Einwärts- und Auswärtsrichtung.
Elektrische Leistung an die Verstärker wird über einen elektrischen Leiter bereitgestellt, der in dem optischen Kabel enthalten ist. Selbst wenn das Kabel gebrochen ist, ist es noch möglich, eine elektrische Versorgung bereitzustellen. Die See wird als ein Rückleiter verwendet, jedoch wird das gebrochene Ende keinen Kurzschluß darstellen, weil die Länge und der elektrische Widerstand selbst des gebrochenen Segments wesentlich sein wird. Somit ist es möglich, die elektrische Leistung aufrecht zu erhalten, wodurch der Verstärker noch funktionieren kann.
Das Kabel ist für Zweirichtungskommunikation konstruiert, und jedes Segment wird sowohl Einwärts- als auch Auswärtstelekommunikationskanäle aufweisen. Klar sind die Auswärtskanäle sogar zur Diagnose nutzlos. Der Betrieb im Default-Modus eines Einwärtskanals wird nun erklärt werden.
Der Verstärker, der dem Bruch am nächsten ist, wird als "Erster" bezeichnet, und sein Betrieb wird zuerst erklärt werden. Sogar mit gebrochenem Kabel gibt es elektrische Leistung, und der Verstärker 20 empfängt einen Ansteuerstrom über die Leitung 24, jedoch werden keine optischen Signale an der Eingangsfacette 21 wegen des Bruchs empfangen. Unter diesen Bedingungen wird der Verstärker als eine LED wirken, und so gibt es ein optisches Signal an der Ausgangsfacette 22. Die mittlere Leistung des Signals wird durch die Steuerung von dem Netzwerk 42 eingestellt, und die Bedingungen mögen nicht optimal sein, jedoch sind sie zumindest nützlich. Der Lokaloszillator prägt seine eigene charakteristische Distress-Welligkeit auf den Ansteuerstrom in Leitung 24 auf, und die optische Ausgabe des Verstärkers 22 wird dadurch bei dieser charakteristischen Distress-Frequenz amplitudenmoduliert.
Das modulierte LED-Signal wird entlang einer Faser zum nächsten Verstärker geführt. Es gibt keinen Steuerton, so daß er die Default-Konfiguration annimmt. Er ist noch in Betrieb, so daß er sein empfangenes Signal verstärkt und seine eigene charakteristische Distress-Frequenz von seinem Lokaloszillator aufprägt. Somit ist das an der Ausgangsfacette 22 erzeugte optische Signal des zweiten Verstärkers mit zwei Distress-Frequenzen moduliert.
Das optische Signal läuft von Verstärker zu Verstärker, wodurch, wenn es Land erreicht, mit der Distress-Frequenz jedes Verstärkers in der Kette moduliert wird. An der Landstation wird das optische Signal zu einem elektrischen Signal mit einer komplexen Wellenform demoduliert. Dieses Signal wird an einen Frequenzanalysator gespeist, der die vorhandenen Distress-Frequenzen identifiziert. Das Vorhandensein einer bestimmten Distress-Frequenz zeigt an, daß ihr Verstärker nicht nur im Distress-Modus in Betrieb ist, sondern auch, duß er mit der Küste verbunden ist, und somit kann die Länge des gebrochenen Segments abgeleitet werden. Die meisten Kabel weisen eine Vielzahl von Einwärtskanälen auf, und die beschriebenen Diagnosetests können für jeden Kanal wiederholt werden. Dies ergibt eine Vielzahl von Resultaten, die idealerweise einander bestätigen.
Zusätzlich können die Diagnosetests an beiden Segmenten des Kabels ausgeführt werden. Dies kann einen Empfang einer Distress-Frequenz von jedem Repeater ermöglichen, und zwar einige an einem Ende des Kabels und der Rest an dem anderen. Dies ergibt eine klare Anzeige des Orts des Bruchs.
Wenn ein Segment sehr lang wäre, könnte es nicht möglich sein, elektrische Leistung an das äußere Ende zu liefern, ohne das innere Ende zu überlasten. In diesem Fall würde das andere Segment kurz sein, und es wäre möglich, die Diagnosetests durchzuführen, jedoch nur an der kürzeren Länge.
Die Überlastschutz-Unterschaltung schützt nicht nur den Komparator 30 und den Integrator 37 während des Default-Modus-Betriebs bei Diagnosetests, wie oben beschrieben, sondern sie stellt auch einen wünschenswerten Sicherheitsschutz während der (Übergangs-)periode bereit, wenn das Kabel eingeschaltet wird. Dies trifft auf das allererste Einschalten zu und immer wenn das Kabel nach einer Betriebsunterbrechung eingeschaltet wird z. B. nach einem Unfall.
Man betrachte die Schaltung, die in Fig. 2 gezeigt ist. Unter elektrischer Leistung und beim Nicht-Vorhandensein eines optischen Signals riskiert der Komparator 30 eine Überlastung. Wie gezeigt in Fig. 3 wird die Default-Konfiguration angenommen, und dies beinhaltet einen Schutz gegen Überlastung.
Wenn ein optisches Signal mit einem Steuerton an die Eingangsfacette von Fig. 2 geliefert wird, dann gibt es beim Nicht-Vorhandensein von elektrischer Leistung keine Verstärkung, und die Schaltung ist tot. Wenn die Leistung bei vorhandenem Signal eingeschaltet wird, gibt es keine Verstärkung, bis ein geeigneter Ansteuerstrom in der Leitung 24 aufgebaut ist. Weiterhin wird es keine passenden Signale zu den Verstärkern 26 und 27 geben, bis der passende Strom in der Leitung 24 aufgebaut ist.
Somit gibt es eine Übergangsperiode, während der der Komparator 30 und somit die Vorrichtung 23 ohne richtige Steuersignale sind. Dies ist eine instabile Bedingung mit einem Potential zum Überlasten. Die in Fig. 3 gezeigte Abänderung schützt gegen diese Bedingung. Wenn, weil normale Bedingungen noch nicht erreicht worden sind. es ein niedriges Steuersignal gibt, betätigt der Pegelsensor 46 die Steuereinheit 47, um die Schaltung in der Default-Konfiguration zu halten. Somit hat die Konstantstromvorrichtung 23 ein passendes Steuersignal vom Netzwerk 42. während der Komparator 30 und der Integrator 37 durch den Verstärker 45 geschützt werden. Dies sind stabile und sichere Bedingungen für den optischen Verstärker 20, um seine Funktion aufzubauen. Der Pegeldetektor 46 reagiert, wenn das Steuersignal von dem Gleichrichter 36 passend wird, und er betätigt die Steuereinheit 47, um die Schalter 41 und 48 urnzulegen. Dies wandelt die Schaltung von ihrer Default-Konfiguration in ihre normale Konfiguration um, wobei sie als eine AGC arbeitet. Dies ist ein wertvoller Schutz während des Einschaltens.
Es sollte bemerkt werden, daß der Pegelsensor 46 durch den Steuerton (wenn vorhanden) sowohl in der normalen als auch in der Default-Konfiguration betätigt wird. Somit schaltet die Schaltung in die Default-Konfiguration, wenn der Steuerton unterhalb den Schwellwert fällt, und sie kehrt in die normale Konfiguration zurück, wenn der Steuerton auf Werte oberhalb der Schwelle zurückkommt.
Im normalen Betrieb ist der Steuerton im wesentlichen nach einer Verstärkung konstant. Beim Default ist er Null (oder nur Rauschen). Somit ist die präzise Einstellung des Schwellwerts nicht wichtig. Einstellungen im Bereich von 25 % bis 75 % des normalen Werts sind geeignet.

Claims

1. Optisches Kommunikationssystem, das optische Verstärkungseinrichtungen (13) aufweist, die verbunden sind, um optische Signale von einem Signalgenerator (10) zu empfangen, wobei der Generator angepaßt ist, um einen optischen Steuerton auf die optischen Signale zu modulieren, wobei eine Verstärkungseinrichtung eine Treibereinrichtung (23) aufweist zum Bereitstellen eines Treiberstroms an einen Laserverstärker (20), wobei der Verstärker angepaßt ist, um die optischen Signale zu verstärken und um einen elektrischen Steuerton äquivalent zum empfangenen optischen Steuerton auf den Treiberstrom zu überlagern, und wobei eine optische Verstärkungseinrichtung auch eine Schaltung mit automatischer Verstärkungssteuerung (AGC) aufweist, die auf den elektrischen Steuerton anspricht und angepaßt ist, um den Treiberstrom zu variieren, um so die Veränderung in der Ausgangsleistung des Laserverstärkers zu reduzieren.

2. Verstärkungseinrichtung für optische Signale, die mit einem optischen Steuerton moduliert sind, wobei die Verstärkungseinrichtung aufweist:

a) einen Laserverstärker (20) zum Verstärken der optischen Signale;

b) eine Treibereinrichtung (23) zum Liefern eines Treiberstroms an den Laserverstärker;

c) eine Treiberschaltung (28, 24, 25), die die Treibereinrichtung mit dem Laserverstärker verbindet;

d) eine AGC-Einrichtung (26, 27, 29, 30, 31), die verbunden ist, um ein Eingangssignal von der Treiberschaltung zu empfangen, und die einen Ausgang hat, der verbunden ist, um die Treiberschaltung zu steuern;

wobei der Laserverstärker angepaßt ist, um einen elektrischen Steuerton auf Signale in der Treiberschaltung zu überlagern, wobei der elektrische Steuerton von einem empfangenen optischen Steuerton abgeleitet ist, und wobei die AGC-Einrichtung angepaßt ist, um ein Parametersignal von dem elektrischen Steuerton zu erzeugen, und um den Treiberstrom zu variieren, um so den Steuerparameter an einem voreingestellten Pegel zu halten.

3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Ausgang der AGC-Einrichtung mit der Treibereinrichtung verbunden ist.

4. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die AGC-Einrichtung einen ersten Detektor (26), der auf den elektrischen Steuerton anspricht, einen zweiten Detektor (27), der auf den Treiberstrom anspricht, und einen Multiplizierer (29), der mit dem ersten und dem zweiten Detektor verbunden ist, aufweist, wodurch das Parametersignal das Produkt der zwei Eingangssignale des Multiplizierers ist.

5. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste Detektor ein Verstärker ist, der verbunden ist, um einen elektrischen Steuerton über einen Kondensator zu empfangen.

6. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der zweite Detektor (27) ein Verstärker ist, der parallel mit einem Widerstand (28) verbunden ist, der in der Treiberschaltung angeordnet ist.

7. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Ausgang des Multiplizierers (29) mit einem Bandpaßfilter (35) für den Steuerton, einem Gleichrichter (36) und einem Komparator (30) verbunden ist, wobei der Komparator angepaßt ist, um ein Fehlersignal zu erzeugen, in dem das Ausgangssignal des Gleichrichters mit einem Referenzwert (31) verglichen wird.