CN100365960C - Wdm通信系统中的光学放大器控制 - Google Patents

Wdm通信系统中的光学放大器控制 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于控制光学放大器增益的系统(10)，该光学放大器被放置在WDM光通信网络中以便放大输入WDM信号从而产生相应的放大的输出WDM信号，该系统包括：用于测量第一和第二波段上输入WDM信号的平均光功率的装置(12，14，16，18)，所述第一和第二波段中的每一个都覆盖了包括WDM网络的至少一个波长信道(信道1-20和信道21-40)的波长范围；和用于测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率的装置(26，28，30，32)。该系统进一步包括用于从平均输入和输出功率确定第一和第二波段上的增益值(Gainred，Gainblue)的装置(34)；和用于调节光放大器的变量(22)以便确保增益值之间的差值(ΔGain)保持在预定值以内的装置(34)，从而确保基本上平坦的增益倾斜分布。

Description

WDM通信系统中的光学放大器控制
本发明涉及一种用于在WDM通信系统中控制光学放大器的系统和方法。更具体地，本发明涉及控制光学放大器的增益以便在WDM波长频谱上保持平坦的增益分布。
掺铒光纤放大器(EDFA)在波分复用系统中得到了广泛的使用。在放大器工作的光谱带上，放大器在理想情况下应当具有平坦的增益分布。在光电信网络中，典型值±0.5dB是可以接受的。
EDFA的增益分布随操作条件的改变而改变。例如，EDFA输入功率的改变，或者改变EDFA的温度，将引起增益“倾斜”。“倾斜”意味着在工作波长频谱一端上的增益大于另一端。
参考图1，显示了典型的L频段(长波长工作频段~1570-1605nm)EDFA频谱增益随温度的变化。随着温度升高，光纤中的增益从工作频谱红色端(较长波长)上具有较高的增益变化到工作频谱蓝色端(较短波长)上具有较高的增益。放大器被设计为，在标称温度上(实例所示的37.5℃)、在工作频谱(1570nm-1603nm)上增益基本上是平坦的。
相对于温度改变而改变的增益倾斜的斜率取决于放大器中的铒(Er)掺杂量。对于给定的温度改变，更高水平的Er掺杂增加了增益倾斜的改变。在正常的操作条件下，可以通过公式 ΔG G = kΔT 来近似表示，其中ΔG是峰值增益变化，G是平均的放大器增益，ΔT是温度改变而k是放大器相关的常数。
已知的是，工作在L频段(1570nm-1605nm)中的EDFA具有比工作在1532nm-1561nm之间的C频段放大器更低的运算反转总数(operational inversion population)(就是激发态Er3+离子与基态Er3+离子的比率)。作为结果，为了获得相同的增益，L频段放大器比C频段放大器需要更多的Er3+离子。接下来，对于温度来说，L频段掺铒放大器将比具有等效增益的C频段掺铒放大器展现更大的增益变化。
目前，通过改变系统中的损耗来控制对这种变化的补偿。在一个已知例子中，通过在多级EDFA的增益级之间放置可变光衰减器来控制损耗。通过减少进入增益级的信号输入功率，较少的光子能够消耗激发态Er3+离子，因而更多的激发离子保持在激发态。相对较多数目的激发态Er3+离子增加了较短工作波长上的增益，因此后级的增益倾斜朝着工作频谱的蓝色(较短波长)端倾斜。相反地，通过减少中间级损耗来增加输入功率使增益倾斜向工作频谱的红色(较长波长)端倾斜。
这样的放大器系统必须被预校准以便自动控制VOA。在放大器进入服务之前，这种预校准需要放大器在温度范围上被特征化。典型地，放大器包括温度监视器并且它基于测量的温度来选择VOA的衰减值。
而且，进入最后放大级的泵功率被改变以便补偿输出功率的变化。通过使用光学抽头分离少量的输出信号并使用光电二极管测量该分离的信号从而测量出放大器的输出功率。泵功率在反馈环中用这个测量出的输出来控制。
使用上述的两个处理过程，放大器在工作频谱上基本上保持平坦的增益分布和恒定的输出功率。
在目前的放大器系统中，必须对每个放大器设计全面地执行VOA设置的特性化。与温度抗争所需衰减的图近似为线性并取决于变量数。这些变量包括铒掺杂量以及有关分量损耗的个别放大器的特性和构建变量，例如，光纤接合损耗。对于构建为给定类型的所有放大器，倾斜被假设是恒定的。需要对个别放大器进行有限的测量以确定构建变量偏移量。
这种控制系统具有一些缺点。首先，放大器的特性化是冗长的，而且当系统中派生的放大器的数目增加时，还是更耗时的。对特性化这种系统所花费的时间是过多的和难以承受的。
而且，放大器按照最初的特性来控制。控制系统没有能力在放大器的使用期上预测放大器特性。诸如掺杂光纤或部件的老化、泵激光的波长偏移、或者需要在校准范围外的温度/输入功率上运行放大器之类的影响会导致降低放大器系统的性能。对于老化如何影响EDFA或者其部件的特性的经验很少。
此外，还知道使用加热器来保持恒定的纤维温度，这就不需要补偿温度变化。然而，仍然需要信号输入功率变化以便控制这种系统。另外，加热器需要电源和恒温控制系统以便在放大器框中操作加热器元件，从而增加了设计的费用和机械复杂性。
本发明的目的在于改善与现有技术有关的问题。按照广义的形式，本发明根据在放大器工作期间获得的实验信息来控制放大器特性。
更具体地，提供了用于控制光学放大器增益的系统，该光学放大器被放置在WDM光通信网络中以便放大输入WDM信号从而产生相应的放大的输出WDM信号，该系统的特征在于：用于测量第一和第二波段上输入WDM信号的平均光功率的装置，所述第一和第二波段中的每一个都覆盖了包括WDM网络的至少一个波长信道的波长范围；用于测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率的装置；用于从平均输入和输出功率确定第一和第二波段上的增益值的装置；和用于调节光放大器的变量以便把增益值之间的差值保持在预定值以内的装置。
本发明具有这样的优点，网络从放大器特性中难预知的改变中得以保护起来。当出现改变或者对网络作出改变时，系统能够通过使用实验信息来适应。
优选地，用于测量第一和第二波段上输入WDM信号的平均光功率的装置包括：第一采样器，用于采样第一输入信号量；分离器，用于把采样的WDM信号分离成两个波段；和检测器，用于测量第一和第二波段上采样信号的功率。
同样地，用于测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率的装置有利地包括：第二采样器，用于采样第二输出信号量；分离器，用于把采样的WDM信号分离成两个波段；和检测器，用于测量第一和第二波段上采样的信号的功率。
有利地，第一和第二采样器包括光抽头，例如光纤接头。
在优选实施例中，放大器包括可变光衰减器，用于可变化地衰减输入WDM信号，而且其中用于控制增益值之间差值的变量是衰减器的衰减。
可替换地或者此外，放大器可以包括温度控制装置，用于控制光放大器的温度，并且其中用于控制增益值之间差值的变量是放大器的温度。
有利地，光放大器包括至少一个EDFA增益级。
优选地，每个波段具有包括多个WDM网络波长信道的波长范围。这样的安排确保了在每个频段内都出现辐射功率，从而使得能够在输入和输出上确定每个波段上的平均功率。
在一个特定的优选安排中，第一和第二波段位于中心工作波长信道的两边。为确保在每个波段中存在有最大的信道数，每个波段有利地具有这样一个波长范围：其包括WDM波长信道相应的一半。
按照本发明的第二个方面，提供了结合上述系统的波分复用光通信网络。
此外还提供了一种方法，用于控制WDM光通信网络中光放大器的增益，放大器被用于放大输入WDM信号以产生相应的放大的WDM信号，该方法包括：测量在第一和第二波段上的输入WDM信号的平均光功率，所述第一和第二波段中的每一个都覆盖了包括WDM网络的至少一个波长信道的波长范围；测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率；从平均输入和输出功率确定第一和第二波段上的增益值；和调节光放大器的变量，以便增益值之间的差被保持在预定值以内。
有利地，该方法进一步包括采样第一输入WDM信号量；把WDM信号分离成多个波段；和测量第一和第二波段上采样信号的平均功率。
优选地，该方法进一步包括采样第二放大WDM信号量；把WDM信号分成多个波段；和测量第一和第二波段上采样信号的平均功率。
优选地，第一和第二波段中的每一个都被放置在中心工作波长信道的两边并且有利地具有包括多个波长信道的波长范围。
现在仅仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是处于不同温度的和上述所讨论的EDFA的增益与波长的关系曲线图；
图2是示意图，表示了实施本发明用于控制光放大器的系统；
图3是显示直射和反射特性与用在本发明实施例中的过滤器装置的波长之间关系的图；
图4是显示在优选实施例中被发送的四十个光信道的图；和
图5显示了优选实施例中入射在光电二极管上的光信道。
参考图2，所示的实施本发明的EDFA放大器系统10包括三个增益级20，24。该放大器系统意在用于四十个信道密度的WDM通信系统，该WDM通信系统工作在L频段(1570nm-1603nm)内，具有100GHz(0.8nm)的光波长信道间隔。
当信号进入放大器系统时，光抽头12对输入WDM光信号采样。输入采样被滤波器或者分离器14分成两个波段。
设计滤波器14以便反射和直射入射到它之上的辐射到相应的输出。反射的和直射的辐射对应于两个波段。图3所示滤波器的频谱特性(插入损耗对波长)针对直射(T)和反射(R)。输入信号被分成第一下波段1570nm-1587nm和第二上波段1587nm-1603nm，它们位于中心工作波长(L工作频段的近似的中心波长1587nm)的两边。
从图3可以注意到，滤波器的直射和反射通带实际上分别近似相应于1560nm-1587nm和1587nm-1610nm。尽管这些通带允许在L频段工作波段(1570nm-1603nm)之外的辐射通过，但是在所述系统中，在L频段之外不会出现明显的辐射。该波长分离的选择是任意的。然而，在每个波段中需要足够的信号功率来监视放大器增益。也就是说，在每个波段中的至少一个信道上需要信号在所有时间都监视放大器的增益。相应的光电二极管16、18测量每个波段的信号强度(功率)。
参考图4和图5，显示了WDM信号的四十个光信道相对于波长的表示。信道数1-20在1570nm-1586nm的下波段，信道数21-40在1587nm-1603nm的上波段。参考上述图3，滤波器14的直射特性显示它对于1560nm-1587nm的第一波段具有相对低的损耗而对于第二波段1587nm-1610nm具有相对高的损耗。相反地，滤波器的反射特性显示它在第一波段中具有相对高的损耗而在第二波段中具有相对低的损耗。因此，滤波器14把四十个信道分成两个20信道的波段，每个波段在中心波长的两边，如图5所示。实质上，在该实施例中，该滤波器在一个波段中担当具有高直射特性的带通滤波器而在另一个相邻波段中担当具有高反射特性的带通滤波器。这样的滤波器可以利用多个电介质层以获得所需的反射和直射特性。
大量剩余的输入WDM信号通过头两个增益级传播到可变光衰减器22(VOA)并通过第三增益级24传播到放大器的输出。在该输出处，通过第二光抽头26得到另一个采样信号。该输出采样被滤波器28分成与输入信号相同的两个波段(就是对应于波长信道1-20的波长频段1570nm-1587，和对应于信道21-40的波长频段1587-1603nm)。使用另外一对光电二极管30，32来测量两个波段的平均信号强度(功率)。
光电二极管16和30在具有较短波长(蓝色)的第一波段上分别测量输入和输出信号功率值，而光电二极管18、32在具有比中心波长要长的波长(红色)的第二波段上分别测量输入和输出信号功率值。
通过控制单元34来吸收每个波段的输入和输出功率值。控制单元34确定VOA 22所需的衰减变化，VOA22可以是放大器系统10的理想操作所需的。根据下列关系式可以确定放大器系统的平均增益的简单表示：
ΔGain＝Gainred-Gainblue
其中
Gainred＝Outputred-Inputred
和
Gainblue＝Outputblue-Inputblue
Inputbule和Inputred(分别通过光电二极管16和18测量的)是在放大器系统的输入处在每个红色和蓝色波段上以dBm为单位测量的功率。同样，Outputblue和Outputred(分别通过光电二极管30和32测量的)是在放大器系统的输出上在每个红色和蓝色波段上以dBm为单位测量的功率。Gainred和Gainblue是经放大器系统的每个波段的平均增益。
理想情况下，放大器应当具有平坦的增益/波长响应，或频谱分布，ΔGain＝0。当ΔGain＞0，出现促进长波长信道(红色)的增益倾斜。相反地，当ΔGain＜0时，出现促进短波长信道(蓝色)的增益倾斜。
因此，ΔGain的幅度和符号可以被控制器34用来控制VOA22的衰减，并因此用来控制第三增益级24的放大增益响应。这进而又控制放大器系统的输出。通过改变衰减，增益频谱能被平滑以实现 ΔGain ≅ 0 。如果ΔGain＞0，就增加衰减，如果ΔGain＜0则降低衰减。
由系统部件引起的变化意味着理想操作不必在ΔGain＝0时实现；很可能是偏移较少的量。在一个系统实现中，已经测量到最佳值ΔGain＝0.3dB。
应该清楚，在本发明的放大器系统中，采样的输入和输出信号被用在具有控制器和VOA的反馈环中以便控制放大器系统特性。如果各种增益级的特性或者放大器部件改变了，则反馈环对VOA衰减等级作出改变以便放大器继续最佳执行。通过这种方式，不补偿将会导致放大器性能降低的任意长期的降低或者放大器部件的短期变化都可以被补偿。这会致使增加的操作寿命，或增加服务间的周期。
在另一个实施例中，通过把采样的信号分成多于两个的波段来致力于改进监视过程的精度。
光抽头和VOA是熟知的且典型地具有平坦的光谱响应。
将信号分离或划分成为波长子波段可以使用已知的方法来实现，例如衍射光栅或干涉滤波器。而且，可以使用具有积分滤波器的光电二极管。
图2所示的VOA22位于第二和第三增益级之间。它的位置不限于此并且它能位于任何增益级之前。然而，优选实施例中所述的位置被认为是给出了输出信号的最佳信噪比性能。
而且，实际上光抽头12、26不必被放置在输入和输出上。例如，抽头可以位于放大级之间，但至少一个放大器必须保持在抽头之间。每个抽头采样的功率是任意的。图2示出了采样5％信号功率的抽头12、26。采样或多或少功率的其他抽头将同样良好地工作。需要考虑采样的功率量从而使得从信号中去除不是很多的功率，然而采样了足够的信号从而允许光电二极管作精确的测量。而且，输出抽头26不必采样与输入抽头相同的百分量。在该例中，在控制器中需要校正因子以便正确地计算增益值。
如果纤维温度控制系统是可用的，反馈系统能被用于控制纤维温度，而不是或者以及被用于控制VOA的衰减。此外，放大器泵的控制(图2所示的泵1到泵3)能被用于维持输出功率电平。
所述的实施例在放大器系统中具有三个增益级。当然，许多增益级可以与采样点和反馈环的任意组合一起被使用。

Claims (14)

1.一种用于控制光学放大器增益的系统(10)，该光学放大器被放置在WDM光通信网络中以便放大输入WDM信号从而产生相应的放大的输出WDM信号，该系统的特征在于：用于测量第一和第二波段上输入WDM信号的平均光功率的装置(12，14，16，18)，所述第一和第二波段中的每一个都覆盖了包括WDM网络的至少一个波长信道的波长范围；用于测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率的装置(26，28，30，32)；用于从平均输入和输出功率确定第一和第二波段上的增益值的装置(34)；和用于调节光放大器的变量(22)以便把增益值之间的差值保持在预定值以内的装置(34)。
2.根据权利要求1的系统，其中，用于测量第一和第二波段上输入WDM信号的平均光功率的装置包括：第一采样器(12)，用于采样第一输入信号量；分离器(14)，用于把采样的WDM信号分离成两个波段；和检测器(16，18)，用于测量第一和第二波段上采样信号的功率。
3.根据权利要求1或2的系统，其中，用于测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率的装置包括：第二采样器(26)，用于采样第二输出信号量；分离器(28)，用于把采样的WDM信号分离成两个波段；和检测器(30，32)，用于测量第一和第二波段上采样信号的功率。
4.根据权利要求1或2的系统，其中，该放大器包括可变光衰减器(22)，用于可变地衰减输入WDM信号，而且用于控制增益值之间差值的变量是衰减器的衰减。
5.根据权利要求1或2的系统，其中，该放大器包括温度控制装置，用于控制光放大器的温度，并且用于控制增益值之间差值的变量是放大器的温度。
6.根据权利要求1或2的系统，其中，该光放大器包括至少一个EDFA增益级(20，24)。
7.根据权利要求1或2的系统，其中，每个波段具有包括多个WDM网络波长信道的波长范围。
8.根据权利要求7的系统，其中，第一和第二波段位于中心工作波长信道的两边。
9.一种结合根据前述任何一个权利要求的系统的波分复用光通信网络。
10.一种用于控制WDM光通信网络中光放大器的增益的方法，该放大器被用于放大输入WDM信号从而产生相应的放大的WDM信号，该方法包括：测量在第一和第二波段上的输入WDM信号的平均光功率，所述第一和第二波段中的每一个都覆盖了包括WDM网络的至少一个波长信道的波长范围；测量第一和第二波段上放大的输出WDM信号的平均光功率；从平均输入和输出功率确定第一和第二波段上的增益值；和调节光放大器的变量，以便把增益值之间的差值保持在预定值以内。
11.根据权利要求10的方法，包括：采样第一输入WDM信号量；把WDM信号分离成多个波段；和测量第一和第二波段上采样信号的平均功率。
12.根据权利要求10或11的方法，包括：采样第二放大WDM信号量；把WDM信号分成多个波段；和测量第一和第二波段上采样信号的平均功率。
13.根据权利要求10或11的方法，其中，第一和第二波段中的每一个被放置在中心工作波长信道的两边。
14.根据权利要求10或11的方法，其中，每个波段具有包括多个波长信道的波长范围。
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