CN101053187A - 多级光放大器的增益波动补偿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于补偿多级的光放大器(3)的增益波动的方法，所述光放大器用于放大光学的波长复用信号(WDM)，并包括多个串联的分别具有至少一个泵装置(11)的放大器级(4－6)。如果求出在第二放大器级(6)上所期望的功率跳变(20)，并据此为所属的泵装置(11)计算一个新的泵功率(I)，并且在第二级(6)的输入上出现功率跳变(20)之前在所述泵装置(11)上调定一个新的泵功率(I)，那么可以简单地补偿在切换过程之后出现的增益波动(23)。

Description

多级光放大器的增益波动补偿

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于补偿多级光放大器的增益波动的方法，以及一种如权利要求5的前序部分所述的相应设置的光放大器。

在光传输技术领域，采用光放大器来放大在光网络中传输的光信号。光信号大多在光纤中多次经过几百公里的长线路，并在该情形下被衰减。因此需要在经长线路传输之后放大光信号。

图1示出了典型的光传输线路或传输网的一部分的示意图，其具有发送器1(TX)和接收器9(RX)以及两个放大器3。由发送器1发出的光信号在此经过光纤2的多个段到达接收器9，并分别在预定的线路之后由放大器3进行放大或刷新。

这种光线路和网络经常利用波长复用技术(WDM技术)，其中多个信道(通常为40或80)同时在光纤2中被传输。这里，信息被调制到例如具有10Gbps的相应信道的载波波长上。另外，WDM技术提供了直接通过光通路连接分布式布置的发送器和接收器的可能性，而无需在节点位置进行光电转换。

一种已知类型的光放大器利用掺杂铒的光纤工作，在该光纤中耦合输入光泵(例如激光二极管)的光。这里，在该掺杂光纤中输送的光信号通过光子的激励发射被放大。除了铒掺杂的光纤之外例如还使用放大器级(其光纤利用其它的稀土离子掺杂)、半导体放大器或拉曼放大器。

图2示出了光放大器3的典型放大器级4，所述放大器使用铒掺杂的光纤14。该放大器级另外还包括WDM耦合器10和光泵11，该光泵的光线通过WDM耦合器10被耦合输入到掺杂光纤14中。在光纤2中输送的WDM信号(例如由80个信道组成)在掺杂光纤14中通过自激发射被放大。放大器增益取决于泵11的泵功率，并由控制设备(未示出)根据要求被调整。

通过接通和关断或耦合输入和输出在光纤2上传输的WDM信号的各个信道，在放大器3的输入上产生功率跳变。泵11的泵功率必须快速地与不同的输入功率相匹配。否则放大器增益(被定义为输出功率/输入功率)会变化，且输出功率过比例地增加或降低，由此可能在接收器4上产生比特差错。尤其在多级的放大器中，各个级的增益偏差可能累积，使得可能特别容易产生比特差错。在研制光放大器时的关键点因此在于：即便在放大器输入上有大的功率跳变时也保持尽可能恒定的放大器增益。

现有技术公开了全系列的方法用来在输入功率变化时使放大器增益基本保持不变。一种已知的方法例如测量输入功率的变化，并据此计算一个新的泵功率，然后立即在泵上调定该泵功率。这里的难度首先在于，需要正确地计算新的泵功率以便使放大器增益基本保持不变。泵功率不仅依赖于放大器的输入功率，而且还依赖于在切换过程之后的其余信道的波长和其它的影响量。因此，单单根据输入上的功率变化计算需要重新调定的泵功率是较为不准确的。

其它已知的方法是在一个闭合调节回路中调节放大器增益或放大器输出功率，其中光泵形成调节器的调节装置。在调节器的起振时间内，这里也产生放大器增益的不理想的瞬变，它可能导致传输差错。

但即便在泵功率与变化的输入功率最佳匹配的情况下(也即泵功率在一个步骤中被变更为正确值)，也会在切换过程之后产生放大器增益的波动(超调或欠调)。这种波动是基于光纤14的掺杂元素的存储器作用。通过光泵，掺杂元素(如：铒)的电子首先被提高到第一较高能级，再从该能级在一个不辐射的跃迁中下降到第二较低的能级。辐射跃迁于是只有从第二能级到第三能级才发生。在泵功率跳变式地下降时，在该第一能级上总是还存在许多电子，这些电子于是在以后有助于(违背本意的)暂时提高信号功率或放大器增益。这种提高可以作为输出功率或放大器增益中的超调被识别出，这种超调尤其在多级放大器的情况下通过累积而可能导致接收器上的比特差错。

图3示出了在切换过程之后在放大器级4的输出信号P_sig，out和增益G中的超调23。这里，上部图形示出了例如具有80个信道的光信号的总输入功率P_sig，in的曲线，该光信号被施加在放大器级的输入端。在80个信道中例如有40个信道在放大器之前被耦合输出，由此输入端上的功率跳变式地下降。功率跳变20在时刻t₀被施加到放大器级4的输入端。

第二图形示出了泵功率P_p的曲线。如所看到的，泵功率P_p在时刻t₀之后马上响应于功率跳变20而同样跳变式地下降。第三图形示出了放大器级的输出功率P_sig，out，其同样大约在时刻t₀具有跳变22。最下边的图形示出了放大器级4的同样包含有超调23的增益G。(在接通信道时可能产生相应的超调)。

在具有多个依次串接的放大器级的光放大器的情况下，导致超调23或欠调的相加，由此在光放大器的输出上可能产生较强的功率波动，这有可能导致接收器上的比特差错。

因此本发明的任务在于补偿或至少明显地降低光放大器增益中的这种波动、尤其是在切换过程之后所出现的超调或欠调。

该任务根据本发明通过在权利要求1和权利要求6中所给出的特征来解决。本发明的其它改进是从属权利要求的主题。

本发明的基本思想在于，至少部分地通过以下方式来补偿在第一放大器级的放大器增益中所出现的、跟随于放大器级的输入信号功率跳变之后的波动(超调或欠调)：在第二级的输入上出现功率跳变之前就已经改变接下来的第二级的泵功率。这里，第二级上的泵功率变化如此提早地进行，使得第二级的输入信号的波动(例如超调)通过一种否则可能出现在第二级的增益里的相反波动(例如欠调)而被补偿。以这种方式可以在切换过程之后使多级的光放大器的增益基本保持恒定，并补偿增益波动。

为了执行该方法，需要一方面求出在第二放大器级上所期望的功率跳变的高度，另一方面获知在第二级的输入上出现功率跳变的时刻。第二级的新的泵功率优选地根据将来的输入功率或输入功率的变化来计算，并且在第二级的输入上出现功率变化之前被调整一个预定的时延(提前时间)。这里，最佳的提前时间由放大器的结构决定，并可以例如通过测试或仿真求出。

在第二放大器级上的新泵功率的调定优选地在控制的范围内进行。没有设置输出功率或增益的调节，但必要时也可以实现它们。

为了在切换过程(也即接通或关断信道)之后使第一放大器级的放大器增益保持恒定，必须如前文所述匹配所属的泵功率。对此存在多种已知的方法。根据本发明，第一级的泵功率优选地通过以下方法来调定，其中第一级的输出功率在功率跳变前后被测量，并由此根据预定的算法计算新的泵功率。该方法已经在西门子股份公司早先的名为“用于抑制瞬变的铒掺杂的光纤放大器的改善的前向反馈调节”的专利申请中讲述过。利用该方式可以如此准确地计算新的泵功率，使得第一放大器级的增益(除了下面的超调或欠调以外)基本保持恒定。该计算是基于以下认识：放大器级的增益即便在不变的泵功率的情况下在切换过程之后的开始几个微秒之内也基本保持恒定。因此，在切换过程之后立即测量的输出功率是一种额定输出功率，上述泵功率必须与其进行匹配。新的泵功率因此可以基于在切换过程之后立即测量的输出功率而以高精度被计算。该计算考虑了增益的波长依赖性。因此，哪些信道被接通或关断是不重要的。

如上所述，根据在第二放大器级的输入上所期望的功率变化的高度来计算需要在第二放大器级上重新调定的泵功率。所期望的功率跳变例如可以根据在第一级的输出上所测量的功率变化并通过考虑两级之间的衰减而被确定。

泵功率变化的时刻取决于第一放大器级的输出信号波动的高度以及放大器本身的结构。最佳的提前时间例如可以通过测试或仿真来求出。可选地，超调(或欠调)的高度例如可以测量，而提前时间可以根据超调的高度被计算。

根据一种优选实施形式，第二级的泵功率在切换过程中不仅仅一次、而是至少两次被改变。在第一步，如前所述，泵功率在出现功率跳变之前被改变一个预定的时延，在第二步，优选地在第二放大器级的输入上出现功率跳变之后立即校正所述的泵功率。泵功率的第二匹配或校正优选地基于在功率跳变前后所测量的输出功率来进行，如前面参考第一放大器级所描述的。由此可以再次考虑增益的波长依赖性和使放大器级的增益保持恒定。

相应地被用于执行上述方法的多级光放大器包括：分别具有至少一个光泵的至少第一和第二放大器级。在放大器级的输入和/或输出上优选地设置传感器，例如光二极管，用于确定输入和/或输出功率。所述功率传感器和泵装置与一个控制设备相连，该控制设备被设置用来补偿跟随于输入上的功率跳变之后的放大器增益波动(超调或欠调)，并且包括相应的算法。在放大器的输入上有功率跳变时，该控制设备求出在第二放大器级的输入上所期望的功率变化，并据此为第二级计算一个新的泵功率。这里，该新的泵功率已经在第二级的输入上出现功率跳变之前就在所属的泵上被调定。

优选地，所述控制设备另外还在功率跳变到达第二级的输入上之后立即为第二级的泵功率计算一个第二校正值，该校正值在所属的泵上被调定。该校正值优选地根据第二级的输出功率在功率跳变之后被计算。

在两个放大器级之间优选地布置一个具有渡越时间的元件，例如色散补偿的光纤(DCF光纤)。元件的渡越时间延迟使得能够在功率跳变到达第二级的输入上之前及时地计算第二级的新泵功率。

下面借助于附图来示例性地详细讲述本发明。

图1示出了具有多个放大器的简单光学系统或光网络的一部分的示意图；

图2示出了具有铒掺杂的光纤的光放大器的放大器级的简要视图；

图3示出了光放大器的放大器级上的切换过程；

图4示出了三级光放大器的实施形式；

图5示出了图4的放大器的放大器级的详细视图；

图6示出了在第一和第二放大器级上的输入功率、输出功率和泵功率的曲线；

图7示出了在不同提前时间时的放大器的增益偏差。

关于图1至3的阐述请参加说明书开头部分。

图4示出了具有放大器级4、5和6的三级光放大器3。在放大器级4和5之间布置了可变的衰减装置7，利用它可改变放大器3的增益。

在级5和6之间连接了色散补偿光纤8(DCF)，其用于补偿各个信道的色散、也即依赖于频率的群速变化。这些光纤通常是几公里长，并被卷绕到连接在两个放大器级之间的一个包上。因为其长度，DCF光纤产生某种信号延迟，其在这里具有重大意义。

在光放大器3的输入和输出上连接一个光纤2，在其上输送一个例如具有80个信道的光学WDM信号。在本实施例中，各个放大器级4-6分别根据图2构建，并利用铒掺杂的光纤14进行工作，该光纤14由光泵11激励。

图5示出了图4的多级光放大器的放大器级5、6的详细视图。放大器级5、6分别包括一个铒掺杂的光纤14，该光纤14在放大器级5的情况下由一个泵装置激励，在放大器级6的情况下由两个泵装置11激励(例如：泵二极管)。由泵装置11产生的光线以公知的方式通过WDM耦合器10被耦合输入到EDF光纤14中。于是在那里产生光量子的激励发射，并由此产生在光纤2中所输送的光学WDM信号的放大。

两个放大器级5、6另外还分别包括一个被布置在所述级的输入和输出上的传感器，例如光电二极管，用于测量级5、6的输入或输出功率。每个传感器12通过耦合装置16被连接到主光纤2上，利用该主光纤将在光纤2上输送的光信号的一部分耦合出去。传感器12与控制单元13连接，并给该控制单元输入当前的功率值。第一放大器级5还包括一个后接于EDF光纤14的平滑滤波器15，用于平滑通过各个信道的放大器增益G。

泵装置11同样与控制单元13相连。在光信号的切换过程的情况下，泵功率P_p被相应地改变，以便使其与功率变化相匹配，并由此使放大器3的增益基本保持恒定。这里，泵功率P_p的匹配通过控制来进行(这里没有设置调节器)。

为了在切换过程之后使放大器增益G基本能保持恒定，以特殊的方式方法控制泵功率P_p。这在下面借助于图6来详细阐述：

图6针对一个示例性的切换过程示出了第一和第二放大器级5、6的输入功率P_sig，in、输出功率P_sig，out和泵功率P_p的曲线，其中从原来例如80个信道中关断了40个信道。(放大器级5、6原本形成图4的多级光放大器3的第二和第三放大器级，但这里被称为第一和第二放大器级5、6，在权利要求书中也是一样。同样，放大器级6必须补偿在放大器级4、5中所产生的超调。但为简单起见，这里忽略了级4的影响。对于考虑该级的扩充，以显而易见的方式方法从以下的说明中得出。)

通过40个信道的关断或耦合输出，在输入功率P^I _sig，in中产生一个跳变20，其在时刻t₁被施加到第一放大器级5的输入端。

信号功率和泵功率在切换事件之前通过上标“vor”表示，在切换事件之后通过上标“nach”表示。

第一放大器级5的泵功率P^I _p在切换事件20之后马上与较小的输入功率P^I _sig，in进行匹配，以便不改变第一放大器级5的增益。对此，全系列的控制或调节方法是公知的。但泵功率P^I _p的非常准确的匹配可以利用以下方法来实现，其中输出功率P^nach，I _sig，out在切换事件22之后立即被测量，并且根据该输出功率计算需要重新调定的泵功率P^nach，I _p。该新的泵功率P^nach，I _p根据有效泵功率P^nach _eff得出，其适用：

$P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{nach}}=P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{vor}}+\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{sig}}}{{\mathrm{\λ}}_p}\·\frac{1}{G_{\mathrm{norm}}}\·\{P_{\mathrm{sig},\mathrm{out}}^{\mathrm{nach},I}-P_{\mathrm{sig},\mathrm{in}}^{\mathrm{nach},I}-P_{\mathrm{sig},\mathrm{out}}^{\mathrm{vor},I}+P_{\mathrm{sig},\mathrm{in}}^{\mathrm{vor},I}\}--\left(1\right)$

其中：

P^nach，I _sig，out为切换事件之后的总输出功率，

P^nach，I _sig，in为切换事件之后的总输入功率，

P^nach，I _sig，out为切换事件之前的总输出功率，以及

P^nach，I _sig，in为切换事件之前的总输入功率。

对于切换事件20之前的有效泵功率，这里适用：

$P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{vor},I}=P_0\·\ln \{1+\frac{P_p^{\mathrm{vor},I}}{P_0}\}---\left(2\right)$

各个总功率借助于传感器12测量。两个波长 λ_sig和 λ_p代表在切换过程之后的平均信号波长或泵波长。

新的泵功率P^nach，I _p最后从有效泵功率P^nach，I _eff得出为：

$P_p^{\mathrm{nach},I}=P_0\·\left[\exp \right\{\frac{P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{nach},I}}{P_0}\}-1]---\left(3\right),$

其中P₀为常数。

该计算模型是基于：即便在相同的泵功率P_p的情况下，在切换事件20之后的开始几个微秒之内的放大器级增益不变。因此，在切换事件之后要立即调定的输出功率P^I _sig，out是新的泵功率P^nach，I _p需要按照其进行调定的输出功率。

与选择哪种方法来匹配第一级5的泵功率P_p无关地，在切换事件20之后通常会在输出信号P_sig，out或放大器级5的增益G中产生波动(超调23或相应的欠调)，这种波动可能导致接收器4上的比特差错。这些波动即便在非常快地和最佳地调定新的泵功率P^nach，I _p时也是不可消除的，因为它们在物理上取决于开头所述的掺杂光纤14的掺杂材料内的存储器效应。但通过提前降低第二放大器级6上的泵功率，它们可以被补偿或基本降低。这里，第二级的泵功率P^II _p的匹配优选地运行如下：

在第一级5上的切换事件20之后，在第一步首先计算在第二级6的输入上的所期望的功率变化。该功率变化根据在第一级5的输出上的功率变化P^nach，I _sig，out-P^vor，I _sig，out得出，该功率变化被乘以DCF光纤8的衰减系数10^-a/10。

此后计算一个新的有效泵功率P^nach，II _eff，其适用：

$P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{nach},\mathrm{II}}=P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{vor},\mathrm{II}}+\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{sig}}}{{\mathrm{\λ}}_p}\·\frac{G_{\mathrm{norm}}^{\mathrm{vor},\mathrm{II}}-1}{G_{\mathrm{norm}}}\·\{P_{\mathrm{sig},\mathrm{out}}^{\mathrm{nach},I}-P_{\mathrm{sig},\mathrm{out}}^{\mathrm{vor},I}\}\·{10}^{-a/10}---\left(4\right)$

其中G_norm是增益的一个标准参数，G^vor，II _sig是在第二级6的输入上的切换事件20之前第二级6的增益。于是由此再次根据等式(3)计算新的泵功率P^nach，II _p，1。

与第一级5相反，新的泵功率P^nach，II _p，1并不是只有在出现切换事件20之后才被调整，而是在第二级6的输入上出现切换事件20之前就已经被调整一个预定的时间(提前时间Γ)。这里，提前时间Γ被如此选择，使得超调23(通过否则在第二级6的输出信号P^II _sig，out中所含有的欠调)基本被补偿。在该提前时间内输出功率P^II _sig，out变化，因此放大器级的增益也仅仅不明显地变化。

提前时间Γ的长度取决于超调23的高度。只要在输入功率P^II _sig，in中一直出现仅相同的超调23或欠调，最佳提前时间Γ例如可以通过测试被求出。否则也可以譬如通过测量求出最佳的提前时间并与相应的情况匹配。

泵功率P^II _p通常不仅取决于输入功率P^II _sig，in，而且还在某种范围内取决于被传输的信道的波长。如此使得对于级5、6的增益例如可以区分：是否关掉具有最高频率的十个信道或具有最低频率的十个信道。为了考虑增益的这种波长依赖性，在第二级6的输入上出现功率变化20之后优选地还校正泵功率P^II _p。被校正的泵功率P^nach，II _p，2例如可以再次根据输出功率P_sig，out的变化进行计算，这在前面已经就第一级5进行了描述。对于被校正的有效泵功率P^nach，II _eff，2，例如可以采取以下关系：

$P_{\mathrm{eff},2}^{\mathrm{nach},\mathrm{II}}=P_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{vor},\mathrm{II}}+\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{sig}}}{{\mathrm{\λ}}_p}\·\frac{G_{\mathrm{norm}}^{\mathrm{nach},\mathrm{II}}-1}{G_{\mathrm{norm}}}\·\{P_{\mathrm{sig},\mathrm{out}}^{\mathrm{nach},I}-P_{\mathrm{sig},\mathrm{out}}^{\mathrm{vor},I}\}\·{10}^{-a/10}---\left(5\right)$

其中：

$G_{\mathrm{sig}}^{\mathrm{nach},\mathrm{II}}=G_{\mathrm{sig}}^{\mathrm{vor}}\frac{G_{\mathrm{sig}}^{\mathrm{trans},\mathrm{nach}}}{G_{\mathrm{sig}}^{\mathrm{trans},\mathrm{vor}}}---\left(6\right)$

这里G^trans，vor _sig和G^tran，nach _sig是在功率变化20前后第二级6的增益值。通过增益值G^nach，II _sig考虑：增益从泵功率P^II _p降低的时刻t₂起已经变化。根据被校正的有效泵功率P^nach，II _eff，2又可以计算实际要调定的校正泵功率P^nach，II _p，2。

只要在第一级5的输出信号P^I _sig，out中例如调定一个欠调(未示出)而不是超调23，例如该欠调在接通多个信道时可能出现，那么前面所述的就适用于第二级6上的泵功率匹配，区别是第二级6的泵功率P^II _p提前被提高。

但是，可以在时刻t₃执行泵功率P^nach，II _p，2的校正，但不是必须的。

图7以dB示出了放大器3在不同的提前时间Γ时的增益偏差。这里可以看出，在-3.5μs到6μs之间的提前时间的情况下，增益变化最小，其中只出现最小的欠调。

Claims (9)

1.用于补偿光放大器(3)的增益(G)中的波动的方法，所述光放大器用于放大光学的波长复用信号(WDM)，并包括多个串联的具有至少两个泵装置(11)的放大器级(4-6)，所述泵装置的泵功率(P_p)在输入功率(P_sig，in)的跳变(20)时被相应地匹配，以便使放大器增益(G)保持尽可能恒定，

其特征在于，

第一放大器级(5)的泵功率(P^I _p)在输入功率(P^I _sig，in)的功率跳变(20)时被匹配，求出在接下来的第二放大器级(6)上所期望的输入功率(P^II _sig，in)的变化，并据此为所属的泵装置(11)计算一个新的泵功率(P^nach，II _p，1)，其中所述新的泵功率(P^nach，II _p，1)在第二级(6)的输入上出现功率跳变(20)之前被调整一个预定的提前时间(г)。

2.权利要求1的方法，其特征在于，在所述第二放大器级(6)上重新调定的泵功率(P^nach，II _p，1)被事后校正，其中在第二放大器级(6)的输入上出现功率跳变(20)之后立即求出所述第二级(6)的输出功率(P^II _sig，out)，并据此为所属的泵装置(11)计算一个新的泵功率(P^nach，II _p，2)，以及在所述泵装置(11)上调定该新的泵功率。

3.权利要求1或2的方法，其特征在于，在第一级(5)的输入上出现功率跳变(20)之后立即求出所述第一级(5)的输出功率(P_sig，out)，并据此为所属的泵装置(11)计算一个新的泵功率(P^nach，I _p)，以及在所述泵装置(11)上调定该新的泵功率。

4.上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述第二级(6)的泵功率(P^II _p)的匹配在控制的范围内被执行。

5.用于放大光学的波长复用信号(WDM)的多级光放大器(3)，包括多个串联的具有至少两个泵装置(11)的放大器级(4-6)、用于求出所述放大器级(4-6)的输入和/或输出功率的传感器(12)、以及控制单元(13)，所述控制单元监视WDM信号的信号功率(P_sig，in，P_sig，out)，且至少一个所述泵装置(11)的泵功率(P_p)在输入功率(P_sig，in)的功率跳变(20)时被匹配，以便使放大器增益(G)保持尽可能恒定，

其特征在于，

所述控制单元(13)在功率跳变(20)时改变第一放大器级(5)的泵功率(P^I _p)，求出在第二放大器级(6)的输入上所期望的功率跳变(20)，并据此为所述第二级(6)的所属的泵装置(11)计算一个新的泵功率(P^nach，II _p，1)，以及在第二级(6)的输入上出现功率跳变(20)之前在所述泵装置(11)上将所述新的泵功率(P^nach，II _p，1)调整一个预定的提前时间(г)。

6.权利要求5的装置，其特征在于，每个放大器级(5，6)具有铒掺杂的光纤(4)。

7.权利要求5或6的装置，其特征在于，在所述第一放大器级(5)和所述第二放大器级(6)之间布置一带有渡越时间的元件，例如色散补偿的光纤(8)。

8.权利要求5-7之一的装置，其特征在于，所述控制设备(13)执行泵功率(P_p)的控制，并且所述放大器(3)没有用于调节放大器增益的调节回路。

9.上述权利要求5-8之一的装置，其特征在于，所述多级的光放大器(3)包括三个放大器级(4-6)。

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