双向光学放大器装置.pdf

本发明涉及一种优选地用于在PON系统中采用的双向光学放大器装置(VA)，该双向光学放大器装置(VA)被布置在第一网络终端(OLT)与第二网络终端(ONU)之间并在一个方向上由光学下游信号(OSD)通过而在反方向上由光学上游信号(OSD)通过。光学放大器装置包括具有两个分支和组合单元(D1)和(D2)、单向光学放大器(E1)和应答器(T)的第一部分，在该第一部分中彼此分开地放大光学下游和上游信号(OSU和OSD)。在第二部分中，两个对向的信号(OSU和OSD)在双向放大器(E2)中被放大。在双向光学放大器(E2)中，通过连续的下游信号(OSD)维持恒定增益，以致针对上游信号(OSU)与突发出现无关地实现稳定的放大器运行。在一种实施变型中，分路器(S1)被集成到依据本发明的放大器装置(VA)中。

1.  双向光学放大器装置(VA)，其被布置在第一网络终端(OLT)与第二网络终端(ONU)之间并在一个方向上由光学下游信号(OSD)通过而在反方向上由光学上游信号(OSD)通过，其特征在于，
在第一网络终端(OLT)侧布置第一分支和组合单元(D1)，
所述第一分支和组合单元(D1)在第一网络终端(OLT)侧具有用于两个信号(OSD和OSU)的至少一个公共端子(A1)并在第二网络终端(ONU)侧具有用于下游信号(OSD)的输出端(A2)和用于上游信号(OSU)的输入端(A3)，
用于下游信号(OSD)的输出端(A2)通过单向光学放大器(E1)与第二分支和组合单元(D2)的用于下游信号(OSD)的输入端(A4)连接，
第二分支和组合单元(D2)的上游信号(OSU)的输出端(A5)通过应答器(T)与第一分支和组合单元(D1)的用于上游信号(OSU)的输入端(A3)连接，
第二分支和组合单元(D2)在第二网络终端(ONU)侧具有用于两个信号(OSD和OSU)的公共端子(A6)，该公共端子(A6)与双向光学放大器(E2)连接，用于两个信号(OSD和OSU)的公共端子(A7)从该双向光学放大器(E2)出发导向第二网络终端(ONU)。

2.  双向光学放大器装置，其被布置在第一网络终端(OLT)与第二网络终端(ONU)之间并在一个方向上由光学下游信号(OSD)通过而在反方向上由光学上游信号(OSD)通过，其特征在于，
第一网络终端(OLT)被装置在城域环形网中，
下游信号(OSD)从第一网络终端(OLT)被输送给分插装置(AD)的第一端子(AA1)，
该分插装置(AD)的第一端子(AA1)直接被连接在用于该下游信号(OSD)的单向光学放大器(E1)之前，
上游信号(OSU)从分插装置(AD)的第二端子(AA2)被输送到第一网络终端(OLT)，
分插装置(AD)在第二网络终端(ONU)侧具有用于下游信号(OSD)的输出端(AA3)和用于上游信号(OSU)的输入端(AA4)，
用于下游信号(OSD)的输出端(AA3)与分支和组合单元(D2)的用于下游信号(OSD)的输入端(AA5)相连接，
功率监控装置(M1)被连接到连接路径(WD)，该功率监控装置(M1)的输出端与单向光学放大器(E1)相连接，
分支和组合单元(D2)的用于上游信号(OSU)的输出端(AA6)通过应答器(T)与分插装置(AD)的用于上游信号(OSU)的输入端(AA4)相连接，
第二分支和组合单元(D2)在第二网络终端(ONU)侧具有用于两个信号(OSD和OSU)的公共端子(AA7)，该公共端子(AA7)与双向光学放大器(E2)相连接，用于两个信号(OSD和OSU)的公共端子(AA8)从该双向光学放大器(E2)出发导向第二网络终端(ONU)。

3.  按权利要求1或2所述的双向光学放大器装置，其特征在于，单向光学放大器(E1)和双向光学放大器(E2)被构造为光纤放大器，该光纤放大器的放大光纤掺杂有稀土元素、优选地掺杂有铒。

4.  按权利要求3所述的双向光学放大器装置，其特征在于，双向光学放大器(E2)被构造来使得下游信号(OSD)和上游信号(OSU)在公共放大光纤的两个方向上被放大。

5.  按权利要求1或2所述的双向光学放大器装置，其特征在于，用于上游信号(OSU)的应答器(T)包括数据再生器和/或波长转换器。

6.  按权利要求1或2所述的双向光学放大器装置，其特征在于，应答器(T)被构造来使得该应答器(T)发出二进制的上游信号(OSU)。

7.  按权利要求1或2所述的双向光学放大器装置，其特征在于，光学放大器(E1、E2)被调节来使得：在下游方向上，单向光学放大器(E1)具有微小的噪声系数，并且用于下游信号的双向光学放大器(E2)具有恒定的和高的输出功率。

8.  按权利要求1或2所述的双向光学放大器装置，其特征在于，在第二网络终端(ONU)侧与双向光学放大器(E2)直接连接光学分路器(S1)。

9.  按权利要求1所述的双向光学放大器装置，其特征在于，在第一网络终端(OLT)侧，第一分支和组合单元(D1)被构造为光学分插装置(AD)构成，该光学分插装置(AD)在第一网络终端(OLT)侧具有至少两个端子，以致下游信号(OSD)取自城域核心网而上游信号(OSU)被添加到城域核心网。

10.  光学传输系统，其具有连接到上级光学传输网(MET)的中央交换装置(OLT)，该中央交换装置(OLT)通过光学分路装置(SE)与多个光网络单元(ONU1、ONU2、...)相连接，其中光学下游信号(OSD)在下游方向上从中央交换装置(OLT)在时分多路运行下被传输到光网络单元(ONU1、ONU2、...)，以及其中光学上游信号(OSU)在上游方向上从光网络单元(ONU1、ONU2、...)突发式地被传输到中央交换装置(OLT)，其特征在于，
在中央交换装置(OLT)与光学分路装置(SE)之间布置按权利要求1至9之一所述的双向光学放大器装置(VA)。

11.  按权利要求10所述的光学传输系统，其特征在于，作为双向光学放大器装置(VA)的组成部分在网络单元(ONU1、ONU2、...)侧与双向光学放大器(E2)连接第一光学分路器(S1)，该第一光学分路器(S1)以第一比例划分下游信号(OSD)并相对应地组合上游信号(OSU)。

12.  按权利要求10或11所述的光学传输系统，其特征在于，分路装置(SE)被构造来使得在第一分路器(S1)的输出端上连接一系列其它分路器。

13.  按前述权利要求之一所述的光学传输系统，其特征在于，第一分路装置(S1)与光学网络终端(ONU1...)之间的光学连接没有有源的光学元件。

14.  按权利要求10所述的光学传输系统，其特征在于，上级光学传输网(MET)在波长多路复用运行下被构造。

15.  按权利要求14所述的光学传输系统，其特征在于，双向光学放大器装置(VA)被设置为波长选择的城域连接装置。

双向光学放大器装置
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1和2的前序部分所述的双向光学放大器装置(Verstaerkeranordnung)和一种按权利要求10的前序部分所述的光学传输系统。
背景技术
在光网络中，区分广域网、即所谓的“核心网络”(核心的英语为“Core”)与接入网、即“Access网络”(接入的英语为“access”)。接入网可纯无源地被构造并在这种情况下被称为PON(英语为“passive optical network(无源光网络)”)。PON的特征在于，中央交换和管理单元(“光线路终端(optical linetermination)”，缩写为OLT)向多个用户传输数据/从多个用户接收数据。在用户侧，区分作为其它用户侧网络的输出点的光网络终端(英语为“optical networktermination”，缩写为ONT)或者光网络单元(英语为“optical network unit”，缩写为ONU)，可是这在与本发明的相互关系中不是相关的。下面单独地继续使用网络单元ONU的概念。在网络终端OLT与网络单元ONU之间通过至少一个光学功率分配器或者星形耦合器(英语为“splitter(分路器)”)以1：N(N＝用户的数量)的分配比进行连接。PON中的数据流因此在上级网络的网络终端或者长途通信段(Weitverkehrsstrecke)与用户侧的大量光学网络终端之间的两个方向上进行。从OLT单元向光网络单元ONU的信号流被称为下游(Downstream)。从用户侧ONU向OLT的传输方向被称为上游(Upstream)。无论是上游信号还是下游信号大多都在唯一的玻璃光纤上被传输，这被称为双工运行。为此使用不同的波长。在下游方向上，在第一“波长信道”中以时分多路广播模式作为连续的数据流实现传输。在上游方向上，在第二波长信道中以时分多路运行突发式地(burstweise)实现传输。通过某些传输协议商定ONU允许何时发送。有效距离目前通常最大为20km，分路系数(Splittingfaktor)最大为1：64，而数据速率最大为2.5Gbit/s。
这些系统针对更高数据速率的进一步研发方案在不同的标准中被确定(例如BPON、EPON、GPON)。PON向10Gbit/s的数据速率以及总有效距离为100km和用户数量直至1024或者甚至2048的最新研发方案被称为超级PON。在A.Stadler、M.Rasztovits-Wiech和S.Gianordoli发表在VDE出版社的ITG-Fachbericht第189卷、第57-62页的文章“SuperPON-Ein PON der naechstenGeneration(超级PON-下一代的PON)”中给出了超级PON的目前研发状况的概况。通过高的分路系数大大提高了光学信号在两个方向上的衰减损耗。因此，在1：2的分路系数时已经要大致期望约3-3.5dB的衰减。在相当于九个分路级的1：512的总分配比的情况下，达到最大31.5dB的衰减。如果把约为7dB的线路衰减计算在内，那么衰减损耗相对应地增加。更高的数据速率此外要求光接收机的更高的接收功率。
由于发射机的发射功率不能进一步被提高并且由于高分路系数而要克服非常高的损耗，所以光学信号必须沿着该线段在两个方向上被放大。这最简单地利用掺铒光纤放大器(EDFA)实现。
EDFA通常被设计用于单向放大，但是也可以双向运行。在借助EDFA实现双向放大器时，在文献中存在不同的解决方案。在国际专利申请WO1995/15625中，公开了由EDFA、WDM耦合器和光隔离器组成的装置，这些装置保证在两个波长信道和对向方向上传播的光学信号双向放大。在第一实施例中，信号借助第一耦合器在空间上彼此分开，单个地借助EDFA在其相应的传播方向上被放大并随后借助第二耦合器重新并接。在另一实施例中，光学信号在单个放大光纤中的两个方向上被放大。在美国专利申请US2004/0228632中也示出了一种光学双向放大器装置，其中两个对向信号在一个放大光纤中进行放大。在WDM系统之内，布置两个双重过滤器(Duplex Filter)，这两个双重过滤器用于组合或者分离发射侧信号或者接收侧信号。过滤器分别在发射机和接收机侧具有两个端子。在另一侧，这些过滤器分别具有用于对向信号的公共端子，在该公共端子上，这些过滤器通过掺铒光纤相连接。
除了原则上的放大器设计之外，在PON系统之内对突发式上游信号的放大器调节提出了更高的要求，因为在各个数据突发之间可出现例如数个100μs的较长时隙并且因为数据突发可具有直至17dB的振幅差。EDFA中的表示特征的饱和常数以及恢复时间常数同样处于100μs至10ms之间的范围内，以致输入信号的功率波动导致EDFA的输出信号中的振荡过程(瞬变过程)。正常情况下借助增益调节来调整恒定的增益，以便将掺杂元素铒之内的反转(Inversion)保持在预先规定的额定值上。如果在放大器的输入端上没有信号，那么原则上不能进行增益调节，因为在放大器的输入端上缺少基准信号。如果现在通过数据突发的到达而在EDFA输入端上重新施加信号功率，那么为了获得恒定增益首先不最优地调整泵功率。持续片刻，直至达到增益的额定值或输出功率的额定值。放大器动力学与输入功率的这种强烈的相关性在放大突发式上游数据信号时应被抑制。
发明内容
因而，寻找针对光学放大器装置的简单的解决方案，以便实现尽可能最优地放大连续的下游信号和突发式上游信号。
该任务通过权利要求1和2的特征并通过权利要求10的特征来解决。本发明的其它改进方案为从属权利要求的主题。
依据本发明的双向光学放大器是一种简单的装置，其特别是为突发状的上游信号提供恒定放大的优点。依据本发明，为此使用下游信号，以便与突发出现无关地调整稳定的放大器运行和放大器介质的恒定的反转。按照这种方式，例如节约为了保持反转恒定会必需的其它填充激光器(Fuelllaser)。这样恒定放大的上游信号在需要时可以借助随后的应答器再次被放大。下游信号有利地经历两级放大。在第一单向放大器级中优化噪声系数，在第二单向放大器级中尽可能高地调整输出功率。有利地，针对整个放大器装置原则上仅必需两个泵浦激光器(一个用于单向放大器，而第二个用于双向放大器)。这一点与例如除了EDFA泵浦激光器之外还会节约填充激光器的装置相比明显节省了成本。
有利地，作为依据本发明的放大器装置之内的光学放大器采用掺杂有铒离子的光纤放大器，因为这些掺杂有铒离子的光纤放大器最容易被集成到光网络中。无论是采用单向EDFA还是采用双向EDFA作为依据本发明的放大器装置的部分均是一种成本低廉的和极其有效的实现变型。
在本发明的特别有利的改进方案中，在双向运行的EDFA中，下游信号和上游信号在放大光纤的两个方向上被放大。
在另一有利的实施变型中，上游信号通过采用再生器再次被放大，必要时被成形并被转换到另一波长信道上。当双向放大器装置被连接到在波长多路复用运行下运行的城域网时，波长转换是特别有利的。按照这种方式，可以扩展网络的容量。
在本发明的改进方案中，EDFA被调节来使得：在下游方向上，第一单向放大器在恒定的输出功率的情况下具有微小的噪声系数，而下游信号的双向放大器具有恒定的和足够高的输出功率。通过放大器调节可以实现最优运行。
如果在用户侧将具有例如1：8的相对微小的划分比的第一分路装置已经集成到放大器结构中，那么连接在后面的光纤网络的反射和散射效应被衰减。由此可以较大地选择双向放大器的放大。用户方向上的功率也被衰减，以致出于安全原因无需激光器断开机构。该第一分路器被选择得值越高，对后面的分路器的公差要求就越低。由于在下游方向上连接的网络部分纯无源地被设计，所以产生很低的维护成本并充分利用了成本优点。
如果在中央交换单元侧通过光学分插复用器(Add/Drop-Multiplexer)置换第一分支和组合单元，那么得到以下优点：下游信号取自城域核心网而上游信号可以被添加到城域核心网。通过与优选地在波长多路复用运行中实施的城域核心网连接，有效地利用网络并且可以传输多个接入(Access)连接的很大的数据量。
本发明的其它有利的扩展方案在其余的权利要求中予以说明。
附图说明
借助附图对本发明的实施例进行详细说明。其中：
图1示出双向光学放大器装置的原理电路图；
图2a、b示出用户侧的连接装置的两种实施变型；
图3a、b示出在中央交换装置OLT侧与城域网的连接装置的两种实施变型；
图4示出所连接的城域网中的具有光学放大器的双向光学放大器装置的实施变型。
具体实施方式
如图1所示，依据本发明的双向光学放大器装置VA原则上由两部分组成。在由两个分支和组合单元D1和D2、由单向光学放大器E1和由应答器T组成的第一部分中，光学下游信号和上游信号彼此分开被放大。在第二部分，两个对向信号在双向放大器E2中被放大。
依据本发明的光学放大器装置以超级PON系统的实现为背景来形成，其中在下游方向上，直至10GBit/s的数据速率在平均信道功率为1mW的情况下被传输。在上游方向上，在平均信道功率为4mW时，设置直至2.5GBit/s的数据速率。在下游方向上观察，例如为玻璃光纤的双向连接W1从第一网络终端OLT侧导向第一分支和组合单元D1。在此，例如涉及光学双重过滤器，其中光学下游信号OSD与光学上游信号OSU分开。两个连接WD和WU通过端子A2和A3从该双重过滤器D1导向第二分支和组合单元D2的端子A4和A5，其中同样涉及过滤器或者复用器单元，其中上游信号和下游信号彼此分开或者组合。
在下游信号OSD的连接路径WD中布置单向光学放大器E1。作为放大器优选地采用EDFA。在放大器E1之后，一部分被放大的下游信号通过耦合器K1被耦合输出并被输送给功率监控器M1。E1的放大借助功率监控器M1被调节来使得E1的输出功率达到恒定值。此外，该放大器被设计来使得达到良好的噪声系数。该光学放大器可以同向地或者反向地借助一个或者多个激光源被泵浦。泵源在图1中没有示出。作为放大器结构可以根据要求和边界条件采用传统的单级或者多级EDFA结构。此外，沿着连接WD或者在放大器E1之内采用隔离器。同样可设想在路径WD中采用波长滤波器。可替换地，双重过滤器的通带范围可以被选择来使得同样作为适当的波长滤波器起作用。
在通过放大器D1之后，下游信号OSD通过光学双重过滤器D2与上游信号OSU组合并被输送给双向光学放大器E2。E2优选地也被实现为EDFA。EDFAE2的放大借助功率监控器M2被调整来使得E2的输出功率在下游方向上达到恒定的和足够高的值。在此要考虑的是：EDFA E1的输出功率被调整来使得E2的放大仍然足够小，以便既不满足E2的振荡条件又不引起显著的信号失真。通过调节E1和E2的输出功率得到放大器E2的恒定的增益。针对放大器E2，不应超过约20dB的放大值。EDFA E1的输出功率此外被调整来使得E2的输入功率在下游方向上明显大于在上游方向上的输入功率。由此保证：突发状的上游信号经历恒定的放大，而下游信号不受EDFA E2中与上游信号的相互作用的干扰。下游信号因此负责放大器E2的恒定反转，并且恒定的工作点被调整。EDFA E2优选地在上游方向上被泵浦，因为如此在上游方向上达到较好的噪声系数。
根据数据速率，在双向放大器装置VA之内，在两个信号方向上可以采用如格栅或者进行色散补偿的光纤那样的用于色散补偿的装置。特别是在下游方向上，由于数据速率较高，可设想在路径WD之内或者在放大器E1之内布置进行色散补偿的光纤。
在上游方向上，分路装置SE(分路比为1：N)的来自各个用户ONU1、ONU2至ONUN的突发状上游信号被组合成总上游信号OSU。该上游信号OSU在EDFA E2中被放大，并紧接着在双工器D2中与下游信号OSD分开。在通向下个双工器D1的连接路径WU中布置适当的再生器RxTx，例如布置突发适用的应答器T。在应答器中接收到的光学信号具有相当于逻辑1或者0的两种“逻辑状态”和数据突发之间的断开ONU的所有发射激光器的第三状态。在实施变型中，这些“三级”光学数据突发在光电转换器中被转换成电数据突发并被输送给限制放大器或者阈值电路。这些“三级”光学数据突发在那里被转换成二进制的数据突发并紧接着进行电光转换。用于在应当器中进行电光转换的激光器在该实施变型中可以始终保持接通并发送振幅一致的连续信号。按照这种方式，应答器尽管产生在其振幅上强烈变化的输入信号仍产生在其振幅上近似恒定的输出信号。另外，再生器在较长的接收间歇的情况下发出填充信号(例如“0-1”序列)。应答器中的3R再生不一定是必要的。当上游信号紧接着被输送给WDM网络时，在应答器之内转换上游信号OSU的波长是有利的。这样被再生的总上游信号紧接着在双工器D1中与下游信号会聚。
双向光学放大器装置VA在PON网络中被布置在中央交换单元OLT的第一网络终端与分路装置SE之间。分路装置SE与N个用户的构成第二网络终端的各个网络单元ONU1、ONU2、...ONUN相连接。在一般情况下，分路装置SE是一种由多个连续连接的单个分路器或者星形耦合器组成的装置。这一点在图2a中示出。在用户侧，在分路系数为1：n1的第一分路器S1的每个输出端上，其它分路器S(2，1)至s(2，n1)分别通过各一自己的玻璃光纤连接。总分路系数1：N在此被划分来使得N＝n1*n2*..*ni。第一耦合器与用户端子ONU之间的接入连接纯无源地被实施并不需要维护。在依据本发明的放大器装置VA之后的所有接入连接上，同一波长被用于同一业务(可是对于上游信号和下游信号是分开的波长)，以致可以使用一致的网络单元ONU。
网络单元ONU与光学放大器装置VA之间的距离通常为直至30km。在图2a和2b中，该路径长度分布到分路器之间的光学路径长度上，这通过大量的光纤圈(Faserschleife)表示。在此，各个分路器之间也要经过数km的较大距离。
在另一实施变型中，用户侧的第一分路器S1被集成到放大器装置VA中。在图2b示出这种放大器和分路器装置VSA的方框电路图。第一分路器S1在此在用户侧直接紧接着放大器E2被布置。在分路器S1中，选择例如1∶8的较小的分配比。其它分路器沿着到网络单元ONU的线段被布置在上述30km的路径长度上。将第一分路器S1装入放大器装置VA中为传输系统提供了以下诸多优点：
a)反射和瑞利散射通过分路器S1衰减。由此，E2的放大也可以被选择大于20dB的常见极限。
b)下游信号的受激布里渊散射的抑制得到简化或者取消。
c)下游信号的其它非线性失真也得到降低。
d)下游方向上的SVE的输出端上的光学功率更少并可能甚至相当于第一类激光器。因此，在用户侧不必激光器断开机构。
e)如果非常高值地以均匀衰减选择分路器S1，那么降低对大量随后的分路器的要求。
在图3中给出在中央交换和管理单单元OLT侧连接依据本发明的放大器装置VA或者VSA的两种实施例。在一般情况下，依据本发明的放大器装置VA或者VSA在该侧被连接到城域网。为了获得到城域网的接入，采用光学分插复用器AD而不是放大器装置VA或者VSA的分支和组合单元D1。放大器装置VA或者VSA在这种情况下与所谓的城域连接装置(英语为“Metro-Access-Point(城域接入点)”，缩写为MAP)等同起来。MAP是城域网与接入区域之间的交点。在城域区域中，传输有利地在波长多路复用运行中进行，以致可以输送多个接入连接的很大的数据量。管理和交换中心为该城域网的部分并且此后也控制到各个MAP及其所连接的ONU的数据通信。在图3a中，多个VA或者VSA或MAP沿着双向运行的玻璃光纤连接被布置。在此，要么涉及其中可能仅一个波长运行的两个玻璃光纤，要么涉及具有不同波长信道的一个光纤。在图3b中，MAP被连接到单向WDM玻璃光纤环。沿着玻璃光纤环可以布置其它放大器装置VA或者VSA或MAP。
在图4中示出依据本发明的放大器装置VA或者VSA在被构造为城域接入点MAP时的其它实施变型。在这里，光学放大器E1从连接路径WD出发在城域环形网之内在下游方向上被布置在分插复用器AD之前。在这种情况下，E1用作施加在该位置的信号的线路放大器(Inline-Verstaerker)。施加的信号是不同的，因为在每个MAP中均分岔下游信号并为城域网添加上游信号。沿着下游信号的连接路径WD分岔信号OSD的一部分并将该部分输送给调节放大器E1的功率监控器M1。这种实施变型的优点在于，借助E1补偿分插复用器AD的插入衰减和各个MAP之间的光纤衰减。按照这种方式，既可以提高网络中的MAP的数量，又可以提高网络之内的信号传输的有效距离。