SE514609C2 - System och förfarande för reglering av uteffekten hos en optisk förstärkare - Google Patents

Description

lO 514 609 2 moduleras på varje multiplexerad våglängd. Varje förstärkare i systemet bestämmer från pilottonen det totala antalet våglängder som sänds och står därför för en motsvarande reglering av förstärkarens förstärkning. Antingen fram- eller återkoppling kan användas. I patentdokumentet antyds också att i tillägg till räkningen av antalet kanaler skulle amplituden på pilottonerna pà kanalerna kunna mätas för att fä en bättre reglering.

Det är också tidigare känt, se GB 2 294 170, att med olika varianter reglera förstärkaren genom att mäta total optisk effekt på förstärkarens utgång och jämföra med en referensspänning. Detta ger en äterkopplingssignal som styr förstärkaren. Som tillägg kan antalet kanaler räknas och regleringen justeras med hjälp av det.

Dessutom är det känt, se US 4,99l,229, att reglera en optisk förstärkare genom att mäta effekten på enbart en våglängdskanal.

Detta sker genom att kanalen filteras ut med hjälp av en WDM- kopplare och detekteras. I övrigt sker återkoppling på liknande sätt som ovan.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ett problem med tidigare känd teknik är att återkoppling kan vara svår att fä tillräckligt snabb.

Ett problem med att reglera genom att enbart räkna antalet kanaler är att antalet kanaler bara är ett grovt mått på förstärkarens uteffekt. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att lösa dessa problem genom att använda en framkoppling med avläsning av den totala optiska ineffekten till förstärkaren. En utsignal bildas som en olinjär funktion av denna ineffekt. Utsignalen styr sedan 514 609 3 förstärkaren t ex genom att styra en pumplaser som är kopplad till den optiska förstärkaren.

För att öka tillförlitligheten kan, i en utföringsform av uppfinningen, framkopplingen kombineras med negativ återkoppling. På detta sätt fås en grovjustering med framkopplingen och en finjustering med återkopplingen. Återkopplingen sker genom att den optiska kanaluteffekten mäts och matas in i en regulator. Till regulatorn är även kopplat ett börvärde som indikerar önskad kanaluteffekt. Från regulatorn kommer en utsignal som t ex adderas eller multipliceras med utsignalen från framkopplingen och styr förstärkaren.

Mätningen av effekten på kanalerna kan göras på olika sätt. Man kan för det första räkna antalet kanaler, mäta den totala effekten på alla kanalerna och dividera effekten med antalet företrädesvis två kanaler. Ett annat sätt är att minst en, kanaler tilldelas enbart för effektmätning. I dessa kanaler går då huvudsakligen enbart någon typ av känd kontrollsignal, t ex en pilotton eller en digital signal. Effekten mäts sedan enbart på dessa kanaler. Alternativt kan kontrollsignalens amplitud mätas. Om flera kontrollsignaler används tas medelvärdet.

Fördelarna med föreliggande uppfinning är att mätningarna blir både snabba och tillförlitliga pà ett billigt och enkelt sätt.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar ett översiktsschema över ett optiskt system optimerat för fem kanaler enligt känd teknik.

Figur 2 visar ett översiktsschema över samma system som i figur 1, men med enbart två närvarande kanaler. 514 609 4 Figur 3 visar ett översiktsschema över en utföringsform av uppfinningen.

Figur 4 visar ett översiktsschema över en annan utföringsform av uppfinningen.

Figur 5 visar en detaljbild över vissa detaljer i figur 4.

FÖREDRAGNÄ UTFÖRINGSFORMER I figur 1 visas enligt känd teknik ett optiskt system optimerat för fem kanaler 8a, 8b, 8c, 8d och 8e med användning av våglängdsmultiplexering. Systemet kan t ex ingå i ett telefonisystem. I det optiska systemet ingår en optisk förstärkare 1 med konstant uteffekt. Förstärkaren 1 styrs av en pumplaser 2. En optisk fiber 6 går in till förstärkaren 1 från andra noder i systemet och en optisk fiber 7 gär ut från förstärkaren 1 till andra noder i systemet. I fibrerna 6, 7 kan (add) man lägga till och ta bort (drop) kanaler. I exemplet visat kommer fyra kanaler 8a, 8c, 8d, 8e genom den första fibern 6 in i förstärkaren 1, förstärks och går ut i den andra fibern 7. Ytterligare en kanal 8b läggs därefter till från en sändare 3. Alla kanalerna 8a, 8b, 8c, 8d, 8e blir då lika starka och en utvald kanal 8d kan läsas av genom att ett filter 4 väljer ut den utvalda kanalens 8d specifika våglängd och sänder vidare den till en mottagare 5.

Alla kanalerna 8a, 8b, 8c, 8d, 8e tappar naturligtvis i styrka ju längre de färdas, men eftersom de är lika starka är det inga problem att förstärka dem på nytt.

I figur 2 visas samma system som i figur 1. I detta fall är systemet fortfarande optimerat för fem kanaler, men enbart en första kanal 8a kommer in till förstärkaren 1. Denna enda kanal 8a kommer då att bli i det närmaste fyra gånger så stark jämfört 514 609 med om det hade varit fyra kanaler som hade förstärkts. Detta beror på att den totala uteffekten från en optisk förstärkare i princip är konstant, d v s egentligen beror uteffekten till den större delen på uteffekten från den till förstärkaren kopplade pumplasern 2 och till en mindre ineffekten till del på förstärkaren 1.

När en andra kanal 8b sedan läggs till kommer kanalerna 8a och 8b inte att vara lika starka, vilket leder till problem. Filtret 4 är nämligen i praktiken inte helt idealt, så när filtret 4 försöker välja ut den andra kanalen 8b kommer den första kanalen 8a att slå igenom eftersom den är så stark och överhörning kan uppstå.

Det är alltså högst önskvärt att kunna reglera uteffekten på förstärkarens 1 kanaler.

Eftersom uteffekten frän en optisk förstärkare beror pä bl a uteffekten fràn den till förstärkaren kopplade pumplasern kan man enligt uppfinningen lösa ovanstående problem genom att styra pumplasern på det sätt som visas i figur 3. En optisk förstärkare 11 styrs av en pumplaser 12. En första optisk demultiplexor 13 läser av den totala optiska effekten på förstärkarens 11 ingång och ger värdet till ett framkopplingsblock 14. Från framkopplingsblocket 14 går en framkopplingsutsignal PF (Feed forward process demand) som styr förstärkaren 11 genom att styra uteffekten på pumplasern 12.

Framkopplingsblocket 14 ger en olinjär funktion av den totala optiska effekten och kan realiseras t ex med hjälp av ett analogt olinjärt nät. Ett annat alternativ är att lösa det digitalt genom! att den optiska ineffekten .A/D-omvandlas t ex till ett åttabitars-ord. Detta åttabitars-ord kan då t ex 514 609 6 användas genonx att olika värden på åttabitarsordet pekar på olika minnesadresser i. ett minne, se även beskrivningen till figur 5 nedan.

Att på detta sätt använda framkoppling gör att regleringen blir snabb eftersom störningar kan korrigeras på en gång.

Framkoppling kräver dock stora kunskaper om systemets beteende eftersom man inte ser resultatet. Jämför med att köra bil med förbundna ögon; du måste veta exakt hur mycket du skall svänga i varje kurva för att inte hamna i diket.

Ett annat problenx är att ren framkoppling' kan } optiska ineffekten ligger inom ett snävt område.

I figur 4 visas ett sätt att avhjälpa problemen. Det är samma figur som figur 3, men med negativ återkoppling tillagd. Negativ återkoppling är tillförlitligt eftersom man tittar på resultatet och justerar därefter. Nackdelen är att regleringen inte går att göra hur snabb som helst eftersom regleringen då riskerar att bli instabil istället. I detta fall är det dessutom så att den optiska förstärkaren har en tidskonstant på kanske 5-10 ms, vilket sätter en gräns för hur snabb en återkopplad reglering kombinerar med kan göras. Om man däremot återkopplingen framkoppling fås en snabb grovjustering med hjälp av framkopplingen och en inte fullt så snabb finjustering med hjälp av återkopplingen. Återkopplingen fungerar så att den optiska förstärkarens ll uteffekt mäts och ger ett ärvärde PV (process ^value). I en regulator 15 jämförs ärvärdet PV med en önskad kanaluteffekt, d v s ett börvärde SP (setpoint), vilket efter regulatorns 15 programmering ger en àterkopplingsutsignal PB (feedback process demand) som via pumplasern 12 styr förstärkarens 11 lO 514 609 7 kanaluteffekt så att den närmar sig den önskade. Denna justering sker naturligtvis inte momentant utan när återkopplingsutsignalen PB via ändrar pumplasern 12 förstärkarens 11 kanaluteffekt kan förhållandena redan ha ändrats vilken kräver en ny mätning av förstärkarens ll kanaluteffekt, vilket ger en ny àterkopplingsutsignal PB. Denna process ~-sker kontinuerligt och en negativt återkopplad reglerloop uppstår som. med en viss tidsfördröjning justerar förstärkarens 11 uteffekt så att den hela tiden är i närheten av det önskade värdet.

Regulatorn 15 är en konventionell PID-regulator (Proportionell- Integrerande-Deriverande). I korthet kan regulatorns 15 tre olika termer sammanfattas sålunda: En stor proportionell term leder till ökad snabbhet hos regulatorn, men också i regel till försämrad stabilitet. Införande av en integralterm eliminerar bestående fel i utsignalen, men försämrar stabiliteten ju större termen blir. Införande av en derivatorterm kan förbättra stabiliteten, men derivering av' brusiga. måtsignaler kan vara vanskligt. En noggrann avvägning av nyss nämnda termer krävs alltså beroende på vilka krav man har på regleringen.

I figur 4 visas också ett kombinationsmedel 18 som kombinerar framkopplingsutsignalen PF med. återkopplingsutsignalen PB och ger en utsignal PD. I vissa sammanhang brukar fram- och återkoppling kombineras med hjälp av addition. Det fungerar här också, men i detta fall kan det vara fördelaktigt att använda multiplikation eftersom störningar framför allt uppkommer när antalet kanaler ändras och förstärkarens 11 uteffekt ändras då proportionellt mot antalet kanaler. Kombinationsblocket 18 kan således vara en adderare eller en multiplikator, men även andra kombinationsfunktioner är tänkbara. lO 514 609 8 Genom förstärkaren 11 går ett antal väglängdskanaler. I minst en kontrollsignalskanal går inga data, utan enbart en känd kontrollsignal A som används för att indikera kanaluteffekten i förstärkaren 11. Kontrollsignalen A kan vara en pilotton, en digital signal eller vilken annan signal som helst som kan kontrolleras. Man kan med fördel välja en signal A som också används för ett annat ändamål, t ex som skyddssignal.

Efter förstärkaren 11 läses kontrollsignalskanalen/kanalerna med kontrollsignalen A av med en optisk demultiplexor 16 och överförs till ett detektorblock 17. Demultiplexorn 16 kan vara en WDM-kopplare, en vanlig optokopplare eller liknande. En WDM- kopplare kommer jämfört med en vanlig optokopplare att ge ett bättre signal-till-brus-förhållandet ut från detektorblocket 17, eftersom datakanalerna sorteras bort. För att förbättra signal- till-brus-förhållandet när en "vanlig" optokopplare används kan ett optiskt filter (inte visat i figuren) kopplas in före detektorblocket 17.

Det finns olika metoder att läsa av kontrollsignalen A. Antingen kan man mäta den totala effekten på kontrollsignalskanalen/kanalerna eller också kan man mäta amplituden på kontrollsignalskanalen/kanalerna. I det senare fallet används lämpligen ett medelvärde pà amplituderna om flera kontrollsignalskanaler används. Ytterligare en metod är att använda en digital kontrollsignal A och läsa av denna.

Självfallet kan olika kontrollsignaler A gå i olika kontrollsignalskanaler.

Ett annat sätt kan vara att modulera en eller flera kontrollsignaler A på signalerna i alla kanaler och sedan mäta amplituden på kontrollsignalerna A. Detta kan dock störa överföringen av data i kanalerna och eftersom = . _ m f .

L . <. . <- <. u. « - < . f <. f . - - ff, -se c 1 < c « - - s < t c . f r ff mt kontrollsignalsamplituden i det fallet blir mindre kan det bli svårare att mäta än om kontrollsignalen får en egen kanal.

Som en fördelaktig variant kan tänkas att om ingen kontrollsignal A skulle detekteras, t ex vid fel, så används det senaste värdet på äterkopplingsutsignalen PB tills en ny kontrollsignal A detekteras.

Som ett alternativt sätt att mäta förstärkarens 11 kanaluteffekt kan. också tänkas att inte använda någon. kontrollsignal alls, utan istället ha ett medel för att räkna kanalerna och sedan mäta den totala uteffekten från förstärkaren 11. Den totala uteffekten divideras sedan med antalet kanaler. Att enbart räkna antalet kanaler utan att samtidigt mäta uteffekten ger enbart ett grovt mått på förstärkarens 11 uteffekt.

På grundval av den information som detektorblocket 14 har erhållit om förstärkarens 11 kanaluteffekt skickas sedan en kanaluteffektsberoende ärvärdessignal PV till regulatorn 15 som utför regleringen enligt ovan.

Figur 5 är en detaljbild av figur 4 med samma beteckningar och visar ett exempel pä hur uppfinningen kan implementeras mer i detalj.

Vissa delar av regleringen finns implementerad i två funktionsblock 21 och 22. Det första funktionsblocket 21 omfattar en framkopplingskrets 25, ett minne 26 och kombinationsblocket 18. Framkopplingsblocket 14 i figur 4 motsvaras i figur 5 av en första fotodiod 23, en logaritmisk förstärkare 24, framkopplingskretsen 25 och minnet 26. Den logaritmiska förstärkaren 24 kan vara linjär istället, men eftersom den totala optiska ineffekten kan variera inom ett så 514 609 stort område kan det vara fördelaktigare att använda en logaritmisk förstärkare.

Det andra funktionsblocket 22 i figur 5 omfattar regulatorn 15, en detektor 32 och en tongenerator 29. Detektorblocket 14 i figur 4 motsvaras i figur 5 av en andra fotodiod 27, en linjär förstärkare 28, ett amplitudmätarblock 31, detektorn 32, samt tongeneratorn 29.

Analoga signaler som matas in i funktionsblocken 21 och 22 går via A/D-omvandlare 33. På samma sätt går digitala signaler som matas ut från funktionsblocken 21 och 22 via A/D-omvandlare 34.

Fotodioderna 23 och 27 kan vara t ex av typen PN (Positive- Negative) eller PIN (Positive-Intrinsic-Negative) Framkopplingen i figur 5 fungerar så att fotodioden 23 läser av det ljus som avtappats på den optiska förstärkarens 11 ingång och som alltså representerar den totala ineffekten till förstärkaren 11.

Via den logaritmiska förstärkaren 24 och en A/D-omvandlare 33 omvandlas ljuset till ett t ex åtta-bitars ord som matas in i framkopplaren 25. Hur många bitar som skall användas är en avvägning nællan noggrannhet (fler bitar) och snabbhet (färre bitar). Om det skall vara någon nytta med framkopplingen bör den gå relativt fort, företrädesvis bör framkopplingsutsignalen appliceras inom några tiotals ps.

Framkopplaren 25 anropar minnet 26 som beroende på åtta- bitarsordet talar om för framkopplaren 25 vilken framkopplingsutsignal PF den skall mata ut.

Framkopplingssignalen PF och en återkopplingssignal PB från det andra funktionsblocket matas sedan in i kombinationsblocket 18 514 609 ll som i sin tur ger en utsignal PD, vilken via en D/A-omvandlare 34 matas till pumplasern 12, som sedan styr förstärkaren.

Pumplasern 12 har någon, inte visad, snabb reglerkrets för att kontrollera dess uteffekt. Det finns flera kända sätt att lösa detta pà.

I figur 5 skall amplituden mätas på två kontrollsignaler som i detta fall är pilottoner och som sänds i samma kanal. 'Ljus tappas av från den optiska förstärkarens utgång och omvandlas via fotodioden 27 och den linjära förstärkaren 28 till en spänning som matas in i amplitudmätarblocket 31.

Pilottonerna kan ha frekvenser som ligger t ex mellan 50-60 kHz, separerade med låt säga 6 kHz. Tongeneratorn 29 utnyttjas för att ge referenssignaler för amplitudmätningen genom att mata in tvä sinusvägor eller liknande med frekvenser som är 2 kHz högre än pilottonerna, d v s inom området 52-62 kHz, till amplitudmätarblocket 31. Skillnadsfrekvensen mellan pilottonens och dess korresponderande referenssignals frekvens blir då 2 kHz, men även andra frekvenser kan uppkomma och bör filtreras bort.

Amplitudmätarblocket 31 omfattar tvâ bandpassfilter kring 2 kHz, samt två amplitudmätare, och får på detta sätt ut amplituderna pä de två pilottonerna. Resultatet A/D-omvandlas och matas in i detektorn 32, där sedan medelvärdet av de tvâ amplituderna tas och en uteffektsberoende ärvärdessignal PV skickas till regulatorn 15. Regulatorn 15 fungerar som beskrivet i figur 4 och matar ut àterkopplingssignalen PB till kombinationsblocket 18, vilket som beskrivet ovan ger utsignalen PD som indirekt styr den optiska förstärkarens 11 uteffekt.

Claims (21)

10 15 20 25 514 609 12 PATENTKRAV

1. Optiskt system innefattande dels en optisk förstärkare (11), vilken innefattar minst en ingång och minst en utgång, dels en reglerkrets för att reglera uteffekten hos förstärkaren (11) med hjälp av en framkopplingsutsignal (PF), vilken reglerkrets innefattar ett framkopplingsblock (14) och ett första medel (13) för att tappa av ljus från förstärkarens (11) ingång till framkopplingsblocket (14), k ä n n e t e c k n a t av att framkopplingsblocket (14) är anordnat att mäta den totala optiska ineffekten, att reglerkretsen även innefattar ett reglermedel (15), ett detektorblock (17) och ett andra medel (16) för att tappa av ljus från förstärkarens (11) utgång till detektorblocket (17), att en ärvärdessignal (PV) är anordnad att sändas från detektorblocket (17) till reglermedlet (15), att en àterkopplingsutsignal (PB) är anordnad att sändas från reglermedlet (15) till ett kombinationsmedel (18), att framkopplingsutsignalen (PF) är anordnad att sändas till kombinationsmedlet (18), och att kombinationsmedlet (18) är anordnat att ge en utsignal (PD) som styr förstärkaren (11).

2. Optiskt system enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att framkopplingsutsignalen (PF) är anordnad att bildas som en olinjär funktion av den totala optiska ineffekten.

3. Optiskt system enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att den olinjära funktionen är anordnad att åstadkommas av ett analogt olinjärt nät.

4. Optiskt system enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att den olinjära funktionen är anordnad att åstadkommas genom adressering till ett minne (26). 10 15 20 25 514 609 13

5. Optiskt system enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kombinationsmedlet (18) är en multiplikator.

6. Optiskt system enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kombinationsmedlet (18) är en adderare.

7. Optiskt system enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t av att reglermedlet (15) innefattar en regulator (15) med en ingång för* en. ärvärdessignal (PV), en ingång för en börvärdessignal (SP) och en utgång för återkopplingsutsignalen (PB), att árvärdessignalen (PV) är anordnad att bero av förstärkarens (11) kanaluteffekt och att börvärdessignalen (SP) är anordnad att ställa in önskad kanaluteffekt från förstärkaren (ll).

8. Optiskt system enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t av att reglermedlet (15) är olinjärt.

9. Optiskt system enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a t av att det optiska systemet innefattar ett medel för att räkna antalet kanaler som passerar förstärkaren, att detektorblocket (17) är anordnat att mäta den totala uteffekten på alla kanaler och att ârvärdessignalen (PV) är anordnad att bildas på grundval av den totala effekten delat med antalet kanaler.

10. Optiskt system enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a t av att minst en kontrollsignal (A) är modulerad på övriga signaler i minst en kanal.

11. Optiskt system enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a t av att ârvärdessignalen (PV) är anordnad att bildas i detektorblocket (17) på grundval av minst en kontrollsignal (A), vilken/vilka sänds i minst en för ändamålet 10 15 20 25 514 609 14 i systemet separat anordnad vàglängdskanal som sänds igenom förstärkaren (11).

12. Optiskt system enligt något av kraven 10-11, k ä n n e t e c k n a t av att detektorblocket (17) är anordnat att mäta den totala effekten på kanalen/kanalerna.

13. Optiskt system enligt något av kraven 10-11, k ä n n e t e c k n a t av att detektorblocket (17) är anordnat att mäta amplituden på kanalen/kanalerna.

14. Optiskt system enligt något av kraven 1-13, k ä n n e t e c k n a t. av att. den optiska förstärkarens (11) uteffekt är anordnad att styras indirekt av utsignalen (PF, PD) genom att förstärkaren (11) är anordnad att styras av en pumplaser (12) och genom att pumplasern (12) är anordnad att styras av utsignalen.

15. Förfarande för att med hjälp av en framkopplingsutsignal (PF) reglera uteffekten hos en optisk förstärkare, vilken innefattar minst en ingång och minst en utgång, genom att använda en reglerkrets innefattande ett framkopplingsblock (14) och ett första medel (16) för att tappa av ljus från förstärkarens ingång till framkopplingsblocket (14), k ä n n e t e c k n a t av att reglerkretsen även innefattar ett reglermedel (15), ett detektorblock (17) och ett andra medel (16) för att tappa av ljus från förstärkarens (11) utgång till detektorblocket (17), att ljus avtappas från förstärkarens (11) ingång till framkopplingsblocket (14), att den totala optiska ineffekten till förstärkaren (11) mäts, 10 15 20 25 514 609 15 att framkopplingsutsignalen (PF) bildas som en olinjär funktion av denna ineffekt, att en ärvärdessignal (PV) sänds från detektorblocket (17) till regulatorn (15), att en àterkopplingsutsignal (15) sänds från regulatorn (11) till ett kombinationsmedel (18), att framkopplingsutsignalen (PF) sänds till kombinationsmedlet (la), och att kombinationsmedlet (18) ger en utsignal (PD) som styr förstärkaren (11).

16. Förfarande enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att kombinationsmedlet (18) multiplicerar.

17. Förfarande enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a t av att kombinationsmedlet (18) adderar.

18. Förfarande enligt något av kraven 15-17, k ä n n e t e c k n a t av att antalet kanaler som passerar förstärkaren (11) räknas, att den totala uteffekten mäts och att ärvärdessignalen (PV) bildas på grundval av den totala effekten delat med antalet kanaler.

19. Förfarande enligt något av kraven 15-17, k ä n n e t e c k n a t av att minst en kontrollsignal sänds i minst en för ändamålet i systemet separat anordnad vàglängdskanal som sänds igenom förstärkaren (11) och att den totala effekten i denna vàglängdskanal/dessa vàglängdskanaler mäts. 10 514 609 16

20. Förfarande enligt något av kraven 15-17, k ä n n e t e c k n a t av att minst en kontrollsignal sänds i minst en för ändamålet i systemet separat anordnad vàglängdskanal som sänds igenom förstärkaren (11) och att amplituden i denna vàglängdskanal/dessa váglängdskanaler mäts.

21. Förfarande enligt något av kraven 15-20, k ä n n e t e c k n a t av att utsignalen (PD) styr förstärkaren (ll) genom att styra en pumplaser (12), vilken styr förstärkaren (ll).