DE19816612A1 - Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen - Google Patents
Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-SystemenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Überwachung aller charakteristischen Parameter eines WDM-Übertragungssystems. Im Gegensatz zu konventionellen Gittermonochromatoren, elektrisch abstimmbaren Filtersystemen oder Interferenzverfahren wird ein besonders schmales, durchstimmbares Bandpaßfilter durch Realisierung eines Gittermonochromators mit einem Echelle-Gitter in Littrow-Anordnung und rotierendem Prisma vorgesehen. Um Meßfehler durch Rotationsschwingungen des Prismas zu verhindern, wird das rotierende Teil der Anordnung mit einem Hilfslaser abgetastet und die reflektierte Strahlung auf einen Positionssensor abgebildet. Gleichzeitig stellt die Verwendung der Anordnung des Gitters nach Littrow Vorteile dar, da hin- und rücklaufender Lichtweg (nahezu) gleich sind. Durch den Einsatz eines dielektrischen Filters im Strahlengang kann eine höhere Ordnung des Gitters genutzt werden.
Description
Bei dichtgepackten WDM-Systemen (dense WDM, DWDM) werden Nachrichten über
Lichtsignale bei verschiedenen Wellenlängen über nur eine Faser übertragen. Jede
Wellenlänge ist Träger eines Informationssignals. Dabei liegen alle Kanäle innerhalb des
Wellenlängenbereichs von ca. 1520 nm bis 1565 nm. Der Kanalabstand beträgt wenige
Nanometer bzw. einige hundert Picometer. Von der internationalen ITU-T Arbeitsgruppe
wurden dabei zur Standardisierung dieser Telekommunikationssysteme die zu
verwendenden Wellenlängen (= Kanäle) mit einem Kanalabstand von 100 GHz (≈ 0.8 nm)
als Standard empfohlen.
An vielen Stellen dieses Übertragungssystems werden Anordnungen zur laufenden
Überwachung des gesamten Systems benötigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die notwendige Überwachung aller charakteristischer Parameter eines Mehrwellenlängen
(WDM)-Systemes durchzuführen. Zu den wichtigsten Parametern gehören dabei die
Wellenlänge sowie die Leistung aller Kanäle, die Überwachung der Linienbreite und der
Wellenlängendrift der Laser, sowie das Signal-Rausch-Verhältnis in jedem
Übertragungskanal. Typische Spezifikationsanforderungen für die Überwachung sind
dabei:
- - Wellenlängenmessung pro Kanal mit 0.08 nm absoluter Genauigkeit und 0.01 nm Auflösung
- - Leistungsmessung pro Kanal mit 0.5 dB absoluter Genauigkeit und 0.1 dB Auflösung
- - S/N-Messung zwischen den Kanälen mit 0.4 dB absoluter Genauigkeit, 0.1 dB
- - Wiederholbarkeit und einer Dynamik von mindestens 33 dB
- - Zuverlässigkeit über 1010 Meßzyklen (ca. 20 Jahre)
- - geringe PDL (0.1 dB max.)
- - geringe Baugröße z. B. 20 × 17 × 5 cm³.
Zur Überwachung eignen sich grundsätzlich zwei verschiedene Verfahren: die
Filtertechnik und die Interferometertechnik. Beide kommen in konventionellen optischen
Spektrumsanalysatoren zur Anwendung.
Bei der Filtertechnik werden zur Wellenlängenselektion durchstimmbare schmalbandige
Filter verwendet. Es kommen akustooptische Filter (z. B. Fa. Wandel & Goltermann) oder
piezoelektrisch gesteuerte Mikrofilter (z. B. Fa. Queensgate) zum Einsatz, die direkt über
eine elektrische Größe abstimmbar sind. Eine weiter Variante ist die
Gittermonochromatortechnik, bei dem entweder das Gitter gedreht und das räumlich
aufgelöste Signalspektrum mit einer einzelnen Photodiode abgetastet wird oder das Gitter
feststeht und ein scannender Ablenkspiegel vor dem Ausgangsspalt des Monochromatörs
vorgesehen ist (z. B. Fa. Photonetics) oder es wird ein feststehendes Gitter zusammen mit
einer Fotodiodenzeile als Detektoreinheit (z. B. Fa. Yokogawa) verwendet.
Bei der Interferometertechnik wird aus dem Detektorsignal eines Michelson-
Interferometers mit variablen Weglängen mit Hilfe der Fouriertransformation das
Spektrum gewonnen (Fa. Hewlett Packard).
Alle erwähnten, konventionellen Anordnungen sind nicht geeignet, die hohen
Anforderungen, die bezüglich Auflösung, Meßgenauigkeit, ASE-Messung und Dynamik
an eine Monitoring-Baugruppe für ein WDM-System gestellt werden, gleichzeitig und in
geeigneter Weise zu erfüllen und außerdem den Forderungen nach kurzer Meßzeit,
Langlebigkeit und geringem Platzbedarf zu entsprechen.
Die Erfindung betrifft daher eine Anordnung und ein Verfahren zur schnellen und
hochgenauen Überwachung des gesamten Spektrums in WDM-Übertragungssystemen.
Diese Anforderung wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung erfüllt, die ein
schmalbandiges und durchstimmbares Bandpaßfilter für den WDM-Bereich darstellt.
Realisiert werden kann dies beispielsweise durch ein spezielles Gitterspektrometer, in dem
ein Echelle-Gitter in Littrow-Anordnung (1) gemäß Fig. 1, mit großem Einfallswinkel,
großem Linienabstand und hoher Ordnung betrieben wird. Dadurch sind die Lichtwege für
ein- und ausfallendes Licht nahezu identisch. Die Vorteile des Echelles in Littrow-
Anordnung sind in der höheren Auflösung und Dispersion gegenüber gewöhnlichen
Gittern und durch die mögliche optimale Anpassung des meßbaren Spektralbereiches auf
den zu untersuchenden WDM-Wellenlängenbereich von z. B. bis 1565 nm zu sehen.
Außerdem wird eine hohe Effizienz ohne PDL (polarisationsabhängige Verluste) erreicht,
da die Strahlen senkrecht auf die Gitterflächen treffen und in hohem Einfallswinkel mit
kleinem Strahldurchmesser eine große Gitterlänge ausleuchten. Eine zusätzliche
Platzeinsparung kann beispielsweise durch die Verwendung eines kleinen Hohlspiegels (2)
und eines langen schmalen Gitters erreicht werden.
Für ein allgemeines Gitter gilt die Grundgleichung
mλ = d(sinα + sinβ) (I)
wobei m die Ordnung, d der Linienabstand und α, β die Ein- bzw. Ausfallwinkel
bezeichnen. Da bei einem Echelle in Littrow-Anordnung Ein- und Ausfallwinkel nahezu
identisch sind ergibt sich die Vereinfachung:
mλ = 2 d sinα (II).
Typische Blaze-Winkel α liegen bei 63° oder 76°. Verfügbare Gitterkonstanten betragen
31.6/79/316/mm, d. h. die Gitterkonstante d liegen bei 31,6/12,7/3,16 µm. Der freie
Spektralbereich F ist durch die hohe Ordnung m eingeschränkt.
Durch ein dielektrisches Vorfilter (3) als Bandpaß werden Wellenlängen außerhalb des
WDM-Bereiches unterdrückt. Das Filter passiert dann z. B. nur der ca. 50 nm breite WDM-Be
reich. Dadurch ist eine Ordnung von maximal 30 erreichbar. Bei konstantem
Einfallswinkel α muß der Ausgangsstrahl abgelenkt werden, wird dagegen die Bedingung
α= β beibehalten, so muß eine Ablenkeinheit beide Strahlen kippen, bzw. das Gitter wird
um diesen Winkel gekippt. Die theoretische Auflösung errechnet sich wie bei jedem
Spektralapparat aus Linienzahl mal Ordnung. Um die Auflösung nutzen zu können, ist der
Spalt (4) vor dem Fotodetektor (5) zur Gewinnung des Meßsignals (15) entsprechend
schmal zu dimensionieren.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die vorgeschlagene Anwendung beispielhaft durch
folgenden Aufbau realisiert werden. Aus einer Singlemode-Faser (6) tritt das zu
analysierende Licht des WDM-Systems aus, das durch eine Linse (7) in der Apertur
verringert wird. Ein Planspiegel (8) lenkt den Lichtweg um, damit kleine äußere
Abmessungen der Anordnung entstehen. Ein dielektrisches Bandpaßfilter (3) läßt nur den
zu messenden Wellenlängenbereich passieren. Da es auf dem Weg zurück zum Detektor
ein zweites mal durchlaufen wird, unterdrückt es mit doppelter Güte alle Wellenlängen
außerhalb des WDM-Bereiches. Mehrdeutigkeiten aufgrund der hohen Ordnung werden so
vermieden. Der Hohlspiegel (2) formt einen parallelen Strahl (9) von ca. 12 mm
Durchmesser und richtet ihn über ein vierseitiges verspiegeltes Prisma auf das
Echelle-Gitter (1). Ein Motor (10) versetzt das Prisma (11) in eine konstante
Drehbewegung mit ca. 1 Umdr./s.
Mechanisch bewegliche Teile sollten zwar in einem auf viele Jahre Betriebsdauer
konzipierten Gerät vermieden werden, doch moderne kollektorlose Motoren mit
selbstschmierenden Gleitlagern, die kaum Achslasten zu bewältigen haben sind für
jahrzehntelangen, störungsfreien Betrieb geeignet.
Der durch Drehung des Prismas genutzte Ein-und Ausfallwinkel variiert z. B. im Bereich
76° ± 2,75°, wobei pro Umdrehung vier Messungen des Gesamtspektrums möglich sind.
Da Ein- und Ausfallwinkel identisch sind, wird der gleiche Lichtweg auf dem Rückweg
des Lichtstrahls benutzt. Am Brennpunkt, der leicht gegenüber der Eingangsfaser versetzt
ist, befindet sich ein Fotodetektor (5) mit vorgesetzter Spaltblende (4). Ein schmales
Frequenzband von z. B. 0.025 nm passiert den Austrittsspalt der Anordnung.
Damit ergeben sich folgende Vorteile: Fokussierende Elemente können doppelt genutzt
werden. Durch Betrieb bei hoher Ordnung haben Echelle höhere Auflösung und Dispersion
als gewöhnliche Gitter. Der Spektralbereich kann auf den schmalen zu untersuchenden
WDM-Wellenlängenbereich zugeschnitten werden. Es wird eine hohe Effizienz ohne
Polarisationsabhängkeit erreicht, da die Strahlen senkrecht auf die Gitterfläche treffen. Bei
hohem Einfallswinkel kann mit kleinem Strahldurchmesser eine große Gitterlänge
ausgeleuchtet werden. Es ist kein Hohlspiegel erforderlich, so daß ein langes Gitter mit
hoher Auflösung eingesetzt werden kann. Die Gitterbreite kann schmal sein, so daß ein
robuster und platz-sparender Aufbau möglich ist. Das zweifache Durchlaufen des
dielektrischen Filters wird seine ursprüngliche Güte verdoppelt.
Desweiteren wird die Position des Prismas (11) mit sehr hoher Präzision durch einen
Hilfslaser (12) erfaßt. Der fokussierte Strahl des Hilfslasers (12) wird auf die gleiche
Fläche gerichtet und der reflektierte Strahl einem Positionssensor (13) zugeleitet. Dieser
Positionssensor besteht beispielsweise aus einem Inkrementalmaßstab mit einer Teilung
von 20 µm (Glas/verspiegelt) und einer dahinter angeordneten linienförmigen Fotodiode.
Bei einer Fokuslänge von ebenfalls 300 mm werden die 5,5° Winkeländerung in eine
Ortsablage von 29 mm umgesetzt. Das Positionssignal (16) enthält pro Messung also 1450
Hell-Dunkel-Übergänge. Das WDM- Spektrum hat demnach bei einer spektralen Breite
von z. B. 35 nm alle 0,024 nm exakte Stützstellen, die nicht von der Drehzahlkonstanz des
Motors (10) abhängen.
Folgende Maßgaben für eine gute Performance dieser Anordnung sollten bei der
Realisierung berücksichtigt werden: Die Meßrate sollte nur so hoch wie nötig (4/s) gewählt
werden.
Die Zeit für einen Scan sollte möglichst lang gewählt werden (z. B. 8-seitiges Prisma mit
½ U/s), damit Fotodiode und den Verstärker durch niedrige Grenzfrequenzen wenig rauschen
und eine hohe Dynamik erreichbar ist. Innerhalb eines Scans können sehr große
Pegelunterschiede auftreten, die Verstärkung kann aber nicht zwischendurch umgeschaltet
werden, so daß ein AD-Wandler mit mindestens 16 bit (48 dB optische Dynamik) oder
zwei AD-Wandler mit verschiedener Vorverstärkung parallel laufen sollten. Die
Fokuslänge des Hohlspiegels bzw. der Linse sollten so groß wie möglich gewählt werden,
damit die Dispersion des Gitters (ca. 5,5° auf 35 nm) eine breite Auffächerung in der
Fokusebene ergibt und die Spaltbreite nicht allzu klein sein muß.
Claims (7)
1. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein schmalbandiges und durchstimmbares
Bandpaßfilter für den WDM-Bereich durch eine Anordnung mit einem Echelle-Gitter in
Littrow-Anordnung mit großem Einfallswinkel und großem Linienabstand realisiert wird.
2. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise die Kombination eines rotierenden
Prismas mit einem feststehendem Gitter verwendet wird.
3. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine höhere Ordnung zur Erhöhung der Auflösung
verwendet wird.
4. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Beispiel durch Verwendung eines Echelle-
Gitters mit ruled-grating ein nahezu senkrechter Einfall auf das Gitter realisiert wird, um
polarisationsabhängige Reflexionen zu vermeiden.
5. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Beispiel durch Einsatz eines Hilfslasers eine
Abtastung des drehenden Objekts zur Gewinnung eines Synchronsignals zur Wellenlängen
zuordnung des Ausgangssignals der Anordnung gewonnen wird.
6. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Beispiel die Gewinnung eines
Positionssignals des drehenden Objektes durch einen Positionssensor realisiert wird, der zum
Beispiel aus einer linienförmigen Photodiode und einem davor angebrachten
Inkrementalmaßstab besteht.
7. Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Beispiel ein dielektrisches Vorfilter zur
Unterdrückung von Wellenlängen außerhalb des Meßbereiches eingesetzt wird, welches
aufgrund des zweimaligen Durchlaufens seine wirksame Güte verdoppelt.
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DE19816612A DE19816612A1 (de) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | Anordnung zur Überwachung der Performance von DWDM Mehrwellenlängen-Systemen |
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