DE69416396T2

DE69416396T2 - Rauschpegelmessungsverfahren in Gegenwart von einem Signal

Info

Publication number: DE69416396T2
Application number: DE69416396T
Authority: DE
Inventors: Christian D-71126 Gaeufelden Hentschel; Edgar D-71131 Jettingen Leckel; Emmerich D-71134 Aidlingen Mueller; Clemens D-711429 Bondorf Rueck
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Agilent Technologies Deutschland GmbH
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 1994-04-11
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: EP0678988A1; JPH07301580A; EP0678988B1; DE69416396D1; US5696707A; JP3549942B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Rauschpegelmessungsverfahren in Gegenwart eines Signals. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise bei der Rauschpegelmessung optischer Verstärker verwendet.

Hintergrund der Erfindung

Optische Verstärker werden in optischen Telekommunikationssystemen zur Kompensation der im optischen Übertragungsnetz auftretenden Verluste verwendet. Ein besonders vorteilhafter Typ eines optischen Verstärkers ist der erbiumdotierte Faserverstärker (EDFV). Wichtige Parameter für die Kennzeichnung eines erbiumdotierten Faserverstärkers sowie anderer optischer Verstärker sind Verstärkungs- und Rauschwerte. Der Rauschwert ist für den Leistungsvergleich verschiedener Verstärkerauslegungen und für das Systemdesign wichtig. Das in einem erbiumdotierten Faserverstärker erzeugte Rauschen verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis am optoelektronischen Empfänger und erhöht somit die Bitfehlerrate eines optischen Kommunikationssystems. Eine Rauschquelle ist die inkohärente Strahlung, die in dem erbiumdotierten Faserverstärker erzeugt wird, die verstärkte Spontanemission genannt wird.
Während die Messung der Verstärkung vergleichsweise einfach ist, treten bei der Messung der Rauschwerte von optischen Verstärkern Probleme in der Praxis auf.
Beispielsweise muß der Rauschpegel bei der Wellenlänge (oder Frequenz) eines optischen Signals in Gegenwart des Signals bestimmt werden. Sowohl Signal als auch Rauschen werden üblicherweise auf einem optischen Spektrum-Analysator als Diagramm der optischen Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlände dargestellt. Bei der Signalwellenlänge sind Rausch- und Signalintensität überlagert, so daß es schwierig ist, die tatsächliche Rauschintensität bei dieser Wellenlänge festzustellen.
Ein bekanntes Verfahren zur Lösung dieses Problems ist die Interpolation. Gemäß diesem Verfahren werden die Rauschpegel rechts und links des Signals (bei einer größeren und kleineren Wellenlänge) gemessen und der Rauschpegel bei der Signalwellenlänge durch Interpolation bestimmt. Ebenso ist eine Verbesserung dieses Verfahrens bekannt, d. h. es werden verschiedene Werte in unterschiedlichen Abständen zur Signalwellenlänge zu beiden Seiten der Signalwellenlänge abgenommen und durch Spline-Anpassung oder polynomische Anpassung zur Signalwellenlänge interpoliert.
Der bei der Kennzeichnung eines erbiumdotierten Faserverstärkers verwendete optische Spektrum-Analysator soll zusätzlich zum Signal nur verstärkte Spontanemissionen (VSE) anzeigen. In Wirklichkeit wird durch den erbiumdotierten Faserverstärker auch die Spontanemission der Quelle (SQE) verstärkt und kommt zur verstärkten Spontanemission hinzu. Ein Weg zur Eliminierung der Spontanemission der Quelle besteht darin, diese vor dem Einsetzen des Faserverstärkers zu messen und von der angezeigten Spontanemission (Verstärkung x Spontanemission der Quelle) abzuziehen. Dieses Verfahren wird als "verstärkte Spontanemissionsinterpolation/-subtraktion" bezeichnet.
Eine andere Alternative ist das Polarisations-Extinktions-Verfahren. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, daß die verstärkte Spontanemission vollkommen unpolarisiert ist, während die Spontanemission der Quelle entweder vollkommen polarisiert ist oder mit einem Polarisator polarisiert werden kann. Dann wird ein Polarisationssteuergerät bzw. ein Polarisationsfilter zum Entfernen der polarisierten Spontanemission der Quelle verwendet, so daß nur die unpolarisierte verstärkte Spontanemission durchgelassen wird (um genau zu sein, die Hälfte davon). Ein Problem dieses Verfahrens zeigt sich darin, daß die Polarisationsmodendispersion des erbiumdotierten Faserverstärkers den Betrag der unterdrückten Spontanemissionen der Quelle bei Wellenlängen, die nicht der Wellenlänge der Signalwellenlänge entsprechen, reduziert. Je größer die Wellenlängendifferenz und/oder die Polarisationsmodendispersion ist, desto mangelhafter ist die Unterdrückung. Dies führt zu der manchmal starken Wellenlängenabhängigkeit des kombinierten Signals (VSE + Verstärkung · SQE) (einem Einbruch bei der Signalwellenlänge) auf dem optischen Spektrum- Analysator, wenn das Polarisations-Extinktions-Verfahren angewendet wird.
Die bekannten Verfahren zur Messung des Rauschpegels haben den Nachteil, daß sie nur in beschränktem Maße genau sind, insbesondere da manchmal der Rauschpegel in der Nähe der Signalwellenlänge eine starke Krümmung aufweist. Beim Polarisations-Extinktions-Verfahren kann der Rauschpegel in der Nähe der Signalwellenlänge eine starke Krümmung aufweisen, da dies ein inhärentes Merkmal dieses Verfahrens ist. Es ist offensichtlich, daß eine solche Krümmung die Bestimmung der tatsächlichen Rauschintensität bei der Signalwellenlänge erschwert. Das Polarisations-Extinktions-Verfahren sowie einige andere Verfahren zur Bestimmung des Rauschwertes bei optischen Verstärkern wird in D. Baney, C. Hentschel, J. Dupre: "Optical Fiber Amplifiers", Lightwave Symposium 1993 beschrieben.
Aus Patent Abstracts of Japan, Bd. 17, Nr. 509 (S. 1612), 13. September 1993 ist ein Verfahren zur Messung des Rauschpegels in Gegenwart eines Signals in einem Glasfaser-optischen Verstärker bekannt. In dieser Veröffentlichung werden die folgenden Merkmale in Kombination erläutert:
- Messung der Rauschpegel einer Originalkurve, die die Schwankung der optischen Intensität darstellt, bei verschiedenen Wellenlängen;
- Bestimmung einer Abweichungsfunktion, wobei der Wert der Abweichungsfunktion bei der Signalwellenlänge durch Interpolation bestimmt wird;
- Hinzufügen des Werts der Abweichungsfunktion bei der Signalwellenlänge zum Rauschpegel.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist somit ein Ziel der Erfindung, ein Rauschpegelmessungsverfahren in Gegenwart eines Signals zur Verfügung zu stellen, das eine höhere Genauigkeit aufweist.
Gemäß der Erfindung werden diese Ziele durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren erreicht.
Gemäß einem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip wird die Signalwellenlänge verstimmt, beispielsweise mit einer durchstimmbaren Laserquelle, wodurch ein Zugriff auf die Wellenform des Rauschens bei dar Signalwellenlänge möglich ist. Es ist wahrscheinlich, daß sich der absolute Rauschpegel infolge der Frequenzänderung verändert. Dieser Effekt kann jedoch durch eine Kurvenanpassung zwischen der Originalrauschkurve und der verstimmten Rauschkurve korrigiert werden.
In einer Ausführung der Erfindung werden die Rauschpegel bei mehreren Wellenlängen vor und nach der Frequenzänderung mit einem optischen Spektrurn- Analysator gemessen und daraus eine Abweichungsfunktion abgeleitet, die den Unterschied der Rauschpegel vor und nach der Frequenzänderung beschreibt. Anhand der Messung des Rauschpegels nach der Frequenzänderung bei der Wellenlänge des Originalsignals und dem interpolierten Wert der Abweichungsfunktion bei dieser Wellenlänge wird ein korrigierter Rauschpegel bei der Wellenlänge des Originalsignals bestimmt.
Einen weiteren Vorteil der Erfindung besteht in folgendem: Bei Verstärkern mit einer großen Polarisationsmodendispersion ist das klassische Polarisations- Extinktions-Verfahren nicht vollkommen zur Bestimmung des untersten Punktes des oben erwähnten Einbruchs, der auf dem optischen Spektrum-Analysator angezeigt wird, geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieser Einbruch gut angezeigt (die unterste Spitze des Einbruchs stellt den Punkt dar, bei dem die Spontanemission der Quelle am stärksten unterdrückt wird).

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erklärt.
Abb. 1 zeigt eine Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung.
Abb. 2 zeigt zwei Kurven eines optischen Signals zur Illustration des erfindungsgemäßen Prinzips.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGEN

Abb. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung des Rauschpegels in einem erbiumdotierten Faserverstärker 10. Der Verstärker 10 wird über optische Fasern 35 und 36 mit einem Verstärkertestset 11 verbunden. Die Verbindung der Fasern 35 und 36 mit dem Verstärker 10 auf der einen Seite und dem Testset 11 auf der anderen Seite wird mittels optischer Anschlüsse 40, 41, 42, 43 hergestellt. Das Verstärkertestset 11 ist über eine optische Faser 20 mit dem Ausgang einer durchstimmbaren Laserquelle 14 verbunden. Die durchstimmbare Laserquelle 14 liefert einen kohärenten Lichtstrahl, dessen Wellenlänge auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann. Ein Beispiel einer solchen durchstimmbaren Laserquelle ist die Hewlett-Packard Model No. HP 8168A Tunable Laser Source.
Das Verstärkertestset 11 umfaßt einen ersten optischen Koppler 15, der einen bestimmten Bruchteil des in das Testset 11 eintretenden Laserlichts zu einem Leistungsmesser 22 leitet. Das abgezweigte Laserlicht wird mittels einer optischen Faser 21 zum Leistungsmesser 22 übertragen. Das Testset 11 umfaßt außerdem einen zweiten optischen Koppler 16, der einen bestimmten Bruchteil des Laserlichts, das durch den ersten Koppler 15 und dann durch den erbiumdotierten Faserverstärker 10 geführt wurde, zu einem Ausgangsterminal 23 leitet. Für die Messung der Verstärkung des erbiumdotierten Faserverstärkers 10 wird der Ausgangsterminal 23 an einen Leistungsmesser angeschlossen. Der Leistungsmesser 22 kann beispielsweise für diesen Zweck verwendet werden. Anhand des Vergleichs der jeweils vom ersten Koppler 15 und vom zweiten Koppler 16 abgezweigten optischen Intensität wird die Verstärkerleistung ermittelt. Gemäß einem praktischen Beispiel werden etwa 1% der am ersten Koppler 15 und etwa 95% der am zweiten Koppler 16 einfallenden optischen Intensität abgezweigt.
Das Verstärkertestset 11 umfaßt außerdem ein Polarisationssteuergerät bzw. ein Polarisationsfilter 12, der das Signal und die Spontanemission der durchstimmbaren Laserquelle teilweise unterdrückt. Wie oben ausgeführt soll das Polarisationssteuergerät bzw. das Polarisationsfilter die Spontanemission der Quelle unterdrücken. Er unterdrückt auch das Signal, da die Spontanemission der Quelle dieselbe Polarisation wie das Signal aufweist. Die Unterdrückung des Signals ist jedoch nicht stark genug, um direkt bei der Signalwellenlänge meßbar zu sein. Das optische Ausgangssignal des Polarisationssteuergeräts bzw. -filters 12 wird über eine optische Faser 24 zu einem optischen Spektrum-Analysator 13 übertragen. Der optische Spektrum-Analysator zeigt die Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge (oder Frequenz) an. In einem praktischen Beispiel ist der optische Spektrum-Analysator ein Hewlett-Packard Model No. HP 71450A Optical Spectrum Analyzer.
Das optische Signal kann, statt · durch das Polarisationssteuergerät bzw. Das Polarisationsfilter 12 geführt zu werden, vom Verstärker 10 direkt zum optischen Spektrum-Analysator 13 übertragen werden. Zu diesem Zweck sind Umschaltvorrichtungen 17, 18 vorgesehen, mit denen über eine optische Übertragungsleitung 19 das Polarisationssteuergerät bzw. das Polarisationsfilter 12 umgangen werden kann.
Im folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Messung des Rauschpegels unter Bezugnahme auf Abb. 2 beschrieben. In Abb. 2 sind die Kurven des optischen Spektrum-Analysators 13 dargestellt. Die horizontale Achse stellt die Wellenlänge des optischen Signals dar, die vertikalen Achse die Intensität. Die obere Kurve 50 umfaßt eine Signalspitze 51 bei der Wellenlänge λsignal. Der Rauschpegel bei der Wellenlänge λsignal soll bestimmt werden.
Gemäß einem ersten Schritt der Erfindung werden mehrere Rauschproben der Kurve 50 bei vordefinierten Wellenlängen gemessen. Diese Rauschproben werden mit 60a, 61a, 62a, 64a, 65a, 66a bezeichnet. Im zweiten Schritt wird die gesamte Kurve 50 mit der Signalspitze 51 um eine bestimmte Wellenfänge verstimmt. Die Frequenzänderung erfolgt durch entsprechende Änderung der Wellenlänge des Ausgangssignals der durchstimmbaren Laserquelle 14. Bei einem praktischen Beispiel wird das Signal um etwa 1-2 Nanometer geändert. Die daraus resultierende Kurve auf dem optischen Spektrum-Analysator 13 ist die Kurve 52 mit der Signalspitze 53. Diese Kurve ist im Verhältnis zur Originalkurve 50 mit der Signalspitze 51 um ein bestimmtes Wellenlängeninterval verschoben. Im nächsten Schritt werden die Rauschproben der frequenzverstimmenten Kurve 52 bei denselben Wellenlängen wie die Rauschproben der Originalkurve 50 gemessen. Die Rauschproben der frequenzverstimmenten Kurve werden mit 60b, 61b, 62b, 64b, 65b, 66b bezeichnet. Des weiteren wird die Rauschprobe 63 bei der Wellenlänge λsignal der Originalsignalspitze 51 gemessen. Der numerische Wert der Rauschprobe 63 wird als N* (λsignal) bezeichnet.
Im nächsten Schritt wird die Abweichungsfunktion Delta (λ) bestimmt. Diese Abweichungsfunktion entspricht dem numerischen Unterschied zwischen den an der Originalkurve 50 und den an der frequenzverstimmten Kurve 52 bei jeweils denselben Wellenlängen abgenommenen Rauschproben als eine Funktion der Wellenlänge. Dann wird der Wert der Funktion Delta (λ) bei der Wellenlänge λsignal der Originalsignalspitze 51 bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt entweder durch Interpolation oder Spline-Anpassung oder gemäß einer bevorzugten Ausführung durch polynomische Anpassung.
Schließlich wird der korrekte Rauschpegel N (λsignal) bei der Wellenlänge λsignal durch Hinzufügen des Werts der Abweichungsfunktion bei der Wellenlänge λsignal zum Wert der Rauschprobe 63 bestimmt:
N (λsignal) = Delta (λsignal) + n* (λsignal)
Das oben beschriebene Verfahren kann automatisiert werden, d. h. die Messung der Rauschproben an der Originalkurve und der frequenzverstimmten Kurve sowie die erforderlichen Berechnungen werden automatisch unter Computersteuerung ausgeführt.
Das beschriebene Verfahren bietet im Vergleich zu den auf Interpolation basierenden Verfahren auf dem bisherigen Stand der Technik eine deutliche Verbesserung in der Genauigkeit. Die Verbesserung in der Genauigkeit beruht auf dem Umfang der Spontanemissionen der Quelle, auf der Polarisationsmodendispersion des Faserverstärkers und auf dem Sättigungsgrad. Gemäß einem praktischen Beispiel sind Verbesserungen in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 dB möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in Verbindung mit dem Interpolations-/Subtraktions-Verfahren für verstärkte Spontanemission verwendet werden, da eine starke Krümmung der Wellenlänge in Abhängigkeit von der verstärkten Spontanemission ein typisches Problem ist, das durch die physikalischen Gegebenheiten des erbiumdotierten Faserverstärkers verursacht wird. Bei der Interpolation/Subtraktion für verstärkte Spontanemissionen ist kein Polarisationssteuergerät bzw. Polarisationsfilter erforderlich.
Obwohl das sich erfindungsgemäße Verfahren besonders für die Rauschpegelmessung in optischen Verstärkern eignet, ist es nicht auf dieses Gebiet beschränkt, sondern kann auch in anderen Bereichen verwendet werden, in denen Rauschen in Gegenwart eines Signals zu messen ist.

Claims

1. Rauschpegelmessungsverfahren in Gegenwart eines Signals (51) bei einer Signalwellenlänge (λsignal), das folgende Schritte umfaßt:

a) Messung der Rauschpegel (60a, 61a, 62a, 64a, 65a, 66a) einer Originalkurve (50), die die Schwankung der optischen Intensität darstellt, bei verschiedenen Wellenlängen,

b) Frequenzänderung des Signals (51) auf eine zweite Wellenlänge, die nicht die Signalwellenlänge ist,

c) Messung der Rauschpegel (60b, 61b, 62b, 64b, 65b, 66b) der Kurve (52), die die Schwankung der optischen Intensität nach der Frequenzänderung darstellt, bei verschiedenen Wellenlängen, einschließlich des Rauschpegels (N*(λsignal)) bei der Signalwellenlänge (λsignal),

d) Bestimmung einer Abweichungsfunktion (Delta (λ)), die der numerischen Differenz zwischen den an der Originalkurve (50) und den an der frequenzgeänderten Kurve (52) bei jeweils denselben Wellenlängen abgenommenen Rauschwerten entsprechen, als eine Funktion der Wellenlänge, wobei der Wert der Abweichungsfunktion (Delta) bei der Signalwellenlänge (λsignal) durch Interpolation, Approximation oder polynomische Anpassung bestimmt wird, und

e) Hinzufügen des Werts der Abweichungsfunktion (Delta) bei der Signalwellenlänge (λsignal) zum Rauschpegel (N*(λsignal)) bei der in Schritt c) gemessenen Signalwellenlänge (λsignal).

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Rauschpegelmessung in einem optischen Verstärker, beispielsweise einem erbiumdotierten Faserverstärker.