CN101017307A - 增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法 - Google Patents

Abstract

一种增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：通过前级ASE过补偿，后级ASE的欠补偿，实现增益恒定条件下光纤放大器噪声指数的改善；针对不同增益设置和不同输入功率范围，采用快速查表和补偿量修正的方法获得最佳前级ASE补偿量，满足了增益可控光纤放大器快速增益变化要求，增强了对输入光功率变化的适应能力。

Description

增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法

技术领域

本发明涉及光通信用掺铒光纤放大器，具体的说，是涉及增益可控多级掺铒光纤放大器的输入动态范围内噪声指数的改善方法。

技术背景

随着EDFA技术的成熟和DWDM系统的广泛应用，在实际工程中，经常遇到线路衰减不相同、色散补偿模块插损不一致的情况，因此设备制造商为了方便组网，要准备许多不同型号的EDFA，这增加了材料备货的难度，同时也不利于工程施工。正是在这样的背景下，才有了对增益可控多级掺铒光纤放大器(VGA)的需求。增益可控多级掺铒光纤放大器在秉承普通DWDM用EDFA噪声小，快速响应等优点的基础上，它又具备增益可灵活设置，中间允许接入DCM或OADM等高插损器件等优点。

掺铒光纤放大器中放大的自发辐射(ASE)是影响放大器噪声指数的主要因素，尤其是当输入信号较弱的时候，由于ASE功率所占的比例相对较高，基于输入-输出光检测比较的增益控制原理将使信号的实际增益下降，因而提出了ASE补偿的控制方法来实现信号功率的增益锁定，这一方法被证明十分有效。然而，在增益恒定多级放大器情况下，各级的ASE补偿将导致不同程度的增益变化，必须统一控制以维持增益恒定；而且，当要求放大器的增益水平变化时，ASE补偿量必须相应改变，针对增益可控多级掺铒光纤放大器(VGA)的ASE补偿，需要有一种快速补偿量改变方法；另一方面，在使用中，增益可控多级掺铒光纤放大器中间可能还需要接入一些高插损器件，势必会进一步恶化VGA的噪声指数，为了提高系统的性能，必须尽可能优化VGA的前级噪声指数。

增益可控多级掺铒光纤放大器常规的AGC控制方法是：当总的增益确定时，前后两级的增益是固定的，也就是说在整个输入功率范围内，前后两级的增益是不变。这样做的缺点是放大器的噪声指数会随着输入信号功率的降低而恶化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，通过ASE的补偿，适当的改变放大器前后两级的增益，改善增益可控多级掺铒光纤放大器低输入信号功率的噪声指数，并且能够适应VGA的快速增益变化要求。

本发明的技术方案是：一种增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：在低输入信号功率时，维持总增益不变，通过前级ASE过补偿，后级ASE的欠补偿，来实现噪声指数的改善。

如上所述的增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：采用双重查表的方法针对不同增益设置和不同输入功率范围获得最佳前级ASE补偿量，即首先根据增益设置查找出特定输入功率水平下ASE补偿量，再根据输入功率水平检测进行第二次修正参数查找，或第二次修正参数查找采用适时计算取值的方式，视放大器对于输入信号适时响应要求而定；后级ASE补偿及增益视前级设置情况相应改变。

如上所述的增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：放大器前级增益根据前级输出光信号功率检测值减去ASE功率与输入信号光功率检测值比较得到；后级增益由后级放大器的输出光信号功率检测值减去ASE功率与输入信号光功率检测值比较得到。

如上所述的增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于包括以下几个步骤：

(1)检测前级输入信号功率；

(2)根据增益设置对前级ASE补偿值赋初值；

(3)检测前级输出信号功率；

(4)根据需要修正前级的ASE补偿值；

(5)检测后级输入信号功率；

(6)根据增益设置对后级ASE补偿值附初值；

(7)检测后级输出信号功率；

(8)根据总增益需要和前级实际增益，修正后级ASE补偿值。

根据放大器的噪声指数计算公式：

$\mathrm{NF}=\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{\mathrm{hv\ΔvG}}+\frac{1}{G}$

上式中：NF是放大器的噪声指数

P_ASE是放大器的前向ASE功率

G是放大器的增益系数

v是信号光的波长

从上式得，对于特定信号波长，如果增益G不变，放大器的噪声指数取决于ASE的功率大小。当放大器工作在AGC模式时，增益系数基本上是一个固定值，此时ASE的功率成为影响放大器噪声指数的最主要因素。当EDFA工作在AGC模式时，随着输入信号功率的降低，泵浦功率也随之降低，由于掺铒纤的长度是不变的，所以输入信号功率的不同，掺铒纤的粒子反转程度是不一样的，随着输入信号功率的降低，掺铒纤的粒子反转程度由高变低，相应的ASE功率就会增大，噪声指数也就随之变大。在增益可控多级放大器中，由于噪声累积的结果，这种恶化会更为严重。

根据多级放大器级联的噪声指数计算公式：

$\mathrm{NF}={\mathrm{NF}}_1+\frac{{\mathrm{NF}}_2-1}{G_1}$

其中：NF是放大器的最终噪声指数

NF₁是放大器前级的噪声指数

NF₂是放大器后级的噪声指数

G₁是放大器前级的增益

由此可见，前级的噪声指数对整级的噪声指数影响较大。如果在低输入信号功率时，通过提高放大器前级的增益G₁，改善前级的噪声指数NE₁，虽然为了保持放大器的总增益不变而减小了后级的增益，导致后级的噪声指数NF₂有所恶化，但由于1/G₁的因子存在，后级的噪声指数NF₂恶化所造成的影响相对较小，甚至可以忽略，最终实现在一定程度上改善放大器整体的噪声指数。

然而，对于不同的总体增益，放大器实现噪声指数改善所需的ASE补偿量会是不同的，对于VGA来说这一点尤其重要，因此需要一种ASE补偿量快速改变机制来适应总体增益变化时ASE补偿量的改变。采取实验定标和快速查表的方法可以解决这一问题。这样，在一定增益情况下，ASE补偿量再视输入光功率大小而定。

本发明的实现方式是可采用双重查表的方法针对不同增益设置和不同输入功率范围获得最佳前级ASE补偿量，即首先根据增益设置查找出特定输入功率水平下ASE补偿量，如果必要再根据输入功率水平检测进行第二次修正参数查找，第二次修正参数查找也可采用适时计算取值的方式，视放大器对于输入信号适时响应要求而定；后级ASE补偿及增益视前级设置情况相应改变。

本发明的积极效果：

①通过前级ASE过补偿和后级相应欠补偿的方法，实现了在低输入功率条件下多级恒定增益光放大器的噪声指标改善；

②通过查表的方法能够快速更改不同增益设置条件下的ASE补偿量，对于适应增益可变光纤放大器的快速增益变化要求具有十分重要的意义；

③针对不同输入光功率，通过ASE补偿量修正的方法使前级ASE补偿达到最佳，使得光放大器的噪声指标在较大的输入动态范围内能始终保持较好水平。

附图说明

图1是本发明实施例的增益可控多级掺铒光纤放大器的结构示意图。

图2是本发明实施例的前后两级增益和输入信号功率的关系图。

图3是本发明实施例的增益可控多级掺铒光纤放大器的控制流程图。

具体实施方案：

图1是本发明针对的增益可控多级掺铒光纤放大器的结构示意图，放大器光路主要包括前级和后级，也适应于中间有多个增益或衰减级的情况。图中1、2是增益介质(掺铒光纤)；3、4、5、6是光纤耦合器；7、8、9、10是光电探测器PIN，负责接收输入/输出光功率信号；16、17为前级和后级的泵浦激光器；13，14分别是前级和后级的ASE补偿信号，11、12为光功率信号与ASE补偿信号合成器；15为微控制器，负责完成接口通讯控制，总增益的设置，各级增益的分配，各级输入/输出光功率采样，各级增益和总增益计算和控制，各级放大器ASE补偿初值查找及赋值，ASE补偿修正值计算等。

具体的实现办法是：增益可控多级掺铒光纤放大器控制器根据网络和信号通道情况需要设置总增益，根据总增益快速查找ASE补偿量，运行中再根据输入信号功率水平的不同，修正ASE补偿量至最佳，修正的方法可以基于计算，也可以采用查表法。

修正ASE补偿量的原则是，采取前级ASE过补偿方式适当增大对于小信号情况下的光增益，改善光纤放大器噪声指数；对后级采取ASE欠补偿方式适当降低小信号情况下的光增益维持放大器总增益不变。针对输入信号功率不同，前级和后级的增益变化如图-2所示，  其中18为输入光功率变化时，前级实际增益的相应变化规律，19为输入光功率变化时，后级实际增益的相应变化规律。一种查表修正方法是将不同输入功率对应的修正因子存入表格，修正因子按图-2中曲线17获得，运行中将特定输入功率对应的ASE补偿量与修正因子相乘便得到最佳补偿量。

控制器15具体实现过程如图3中所述，主要包括以下过程：

(1)前级的输入信号功率经过一个固定比例的分光耦合器3，由光电探测器7检测输入信号功率的比例信号。

(2)微处理器15读取前级设置增益，通过快速查表得到前级ASE的补偿初值，通过一个合成器11实现前级ASE功率补偿。

(3)经过一个固定比例的分光耦合器4，由光电探测器8检测前级输出功率的比例信号，调节前级泵浦激光器16的工作功率，直至满足关系

式1：

Pout1＝Pin1*Gset1+Pase1

其中Pout1是前级的输出总功率，Pin1是前级的输入信号功率，Gset1是前级的设置增益即目标增益，Pase1是前级的ASE补偿功率。

(4)关系式1中的Pin1、G1都是一个定值，所以通过调节Pase1的补偿值，可以来调节Pout1的实际输出功率，从而达到调节前级增益的目的。通过光谱仪检测实际的输出信号功率，修正Pase1的补偿值，使前级的实际增益G1大于其设置增益Gset1。最终G1与输入功率的关系见图3。

(5)经过一个固定比例的分光耦合器5，由光电探测器9检测后级输入信号功率的比例信号。

(6)微处理器15读取后级设置增益，通过查表得到后级ASE的补偿初值，通过一个合成器12实现后级ASE功率补偿。

(7)经过一个固定比例的分光耦合器6，由光电探测器10检测后级的输出功率的比例信号，调节后级的泵浦激光器17的工作功率，直至满足

关系式2：

Pout2＝Pin2*Gset2+Pase2

其中Pout2是后级的输出总功率，Pin2是后级的输入信号功率，Gset2是后级的设置增益，Pase2是后级的ASE补偿功率。

(8)根据放大器总增益要求和前级的实际增益，满足关系式3：

G＝G1+G2，

其中G是总增益，G1是前级的实际增益，G2是后级的实际增益，

通过光谱仪检测后级的实际输出信号功率，修正Pase2的补偿值，直至后级的实际增益G2满足要求。最终G2与输入功率的关系见图3。

下表是本发明一个实施例的增益可控放大器ASE补偿的噪声改善效果：

输入功率(dBm)	总增益(dB)	补偿前	补偿后
				总噪声(dB)	总噪声(dB)
		-29	26			5.9	5.4
-26	23			6.6	5.7
		-23	20			7.7	6.2
-20	17			9.5	7.5

Claims (4)

1、一种增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：在低输入信号功率时，维持总增益不变，通过前级ASE过补偿，后级ASE的欠补偿，来实现噪声指数的改善。

2、如权利要求1所述的增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：采用双重查表的方法针对不同增益设置和不同输入功率范围获得最佳前级ASE补偿量，即首先根据增益设置查找出特定输入功率水平下ASE补偿量，再根据输入功率水平检测进行第二次修正参数查找，或第二次修正参数查找采用适时计算取值的方式，视放大器对于输入信号适时响应要求而定；后级ASE补偿及增益视前级设置情况相应改变。

3、如权利要求2所述的增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于：放大器前级增益根据前级输出光信号功率检测值减去ASE功率与输入信号光功率检测值比较得到；后级增益由后级放大器的输出光信号功率检测值减去ASE功率与输入信号光功率检测值比较得到。

4、如权利要求3所述的增益可控多级掺铒光纤放大器噪声指数的改善方法，其特征在于包括以下几个步骤：

(1)检测前级输入信号功率；

(2)根据增益设置对前级ASE补偿值赋初值；

(3)检测前级输出信号功率；

(4)根据需要修正前级的ASE补偿值；

(5)检测后级输入信号功率；

(6)根据增益设置对后级ASE补偿值附初值；

(7)检测后级输出信号功率；

(8)根据总增益需要和前级实际增益，修正后级ASE补偿值。

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