CN101141201B - 光放大器增益噪声补偿方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光放大器增益噪声补偿方法和装置，该装置包括：入光修正量设置模块，用于设置入光修正数字信号；AD采集模块，用于对入光数字电信号进行采集；以及修正模块，用于根据数字电信号与入光修正数字信号进行计算以得到修正后的入光检测信号，作为控制信号，来实现自发辐射噪声的补偿。其中，入光修正数字信可以号对应于固定补偿量。因而，通过本发明，基于理论推导的结论，通过对入光检测电路的修正，达到噪声功率补偿，实现真正的信号功率增益控制的目的，另外，利用本发明所述装置，真正实现信号增益控制的目的，同时工程应用方便、灵活，具有比较大的应用价值。

Description

光放大器增益噪声补偿方法和装置

技术领域

本发明涉及一种在光传输系统中的光放大器增益噪声补偿方法和装置，其可以实现光放大器增益锁定问题中噪声的滤除，从而实现真正的信号增益锁定。

背景技术

光放大器，尤其是掺饵光纤放大器(EDFA)的出现加速了光通信的发展。EDFA本身具有以下优点：1，对数据格式和速率透明；2，增益大噪声小，噪声系数接近量子极限；3，直接对光信号进行放大，省去了电再生中继器，节省了成本；以及4，增益带宽大，扩大了传输容量。这些优点使得EDFA在光通信中得到了最广泛的应用。

然而，EDFA由于自身的一些固有特性所导致的不利因素也给设计人员提出了挑战。其中的一个问题是EDFA的噪声对信号增益的影响问题，虽然噪声小是EDFA的优点之一，但是当放大光信号小到一定程度的时候，EDFA的噪声仍然有一定的影响。

在实际的EDFA增益控制中，通常的做法是依据对EDFA的输入和输出的总光功率的检测，来达到增益控制的目的。然而，在长跨距传输等的应用中，入光信号功率非常小，这时在EDFA的输出光中，ASE(自发辐射)噪声占了相当大的比例。如果仍然按照原有的增益控制方法，就会导致实际的信号功率得不到预期中的放大，并且这种累积效应会随着传输线路上放大器数目的增加而增大，从而影响系统的整体性能，使传输参数偏离优化值，降低光信号的信噪比。

实际的应用中，EDFA的输出功率为：P_Total＝P_Signal+P_ASE。

其中，在输入光功率较大信号时，由于P_Signal较大，P_ASE功率所占比例很小，信号增益的偏差并不大；而在小信号时，由于P_Signal较小，P_ASE功率所占比例很大，所以增益的偏差较大。信号功率较大时， $G_{\mathrm{Total}}=\frac{{(P_{\mathrm{Signal}}+P_{\mathrm{ASE}})}_{\mathrm{OUT}}}{{\left(P_{\mathrm{Signal}}\right)}_{\mathrm{IN}}}\≈\frac{{\left(P_{\mathrm{Signal}}\right)}_{\mathrm{OUT}}}{{\left(P_{\mathrm{Signal}}\right)}_{\mathrm{IN}}}=G_{\mathrm{Signal}},$ 信号功率较小时 $G_{\mathrm{Total}}=\frac{{(P_{\mathrm{Signal}}+P_{\mathrm{ASE}})}_{\mathrm{OUT}}}{{\left(P_{\mathrm{Signal}}\right)}_{\mathrm{IN}}}>>\frac{{\left(P_{\mathrm{Signal}}\right)}_{\mathrm{OUT}}}{{\left(P_{\mathrm{Signal}}\right)}_{\mathrm{IN}}}=G_{\mathrm{Signal}}.$

通常，需要提高泵浦输出功率来补偿ASE造成的增益下降。以dB为单位可以计算ASE补偿的量为： $P_{\mathrm{ASE}}\left(\mathrm{dB}\right)=10*\log \left(\frac{P_{\mathrm{Total}}}{P_{\mathrm{Signal}}}\right)=10*\log (1+\frac{P_{\mathrm{ASE}}}{P_{\mathrm{IN}}*G}).$ 其中，P_ASE(dB)与输入有关，与增益有关。这也是总增益和信号增益的差，因此在我们的单板设计中必须考虑这种差异，以进行小信号噪声的补偿。

目前，常采用的方式是纯信号控制(signal control)，即，通过引入光滤波器来滤除噪声光，检测实际信号功率，来控制EDFA的增益。但是这种方式造价非常高，同时需要有固定波长的信号作为增益锁定用信号，实现起来很不方便。

综上所述，现有技术方案比较复杂，成本非常高。急需一种基于理论推导的结论，通过对入光检测电路的修正，达到噪声功率补偿，实现真正的信号功率增益控制的目的的解决方案，从而实现满足通信设备标准(《光波分复用系统》系列标准YDN120，YD1274等)要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种光放大器增益噪声补偿方法和装置，其能够实现光放大器增益锁定问题中噪声的滤除，从而实现真正的信号增益锁定。

本发明的要点在于控制参量理论推导、输入光检测修正控制、泵浦功率控制、以及这些要点之间的工作关系。

EDFA噪声(线性单位)为：

其中，NF为噪声指数，Pase为ASE功率，G为增益，h为普朗克常数，v为频率(可以取中心频率)，以及B₀为带宽。

一般情况下，EDFA增益在10dB以上，1/G可以忽略，而对于不同波长，认为NF不变，那么ASE功率为：Pase＝NF*G*hvB₀。

对于NF来说，如果增益一定，可以认为是常数，而对于hvB₀来说，也可以认为是常数。这样，从工程的角度来讲，EDFA的ASE功率只与增益有关，对于固定增益，ASE功率就固定了。

对于固定增益的情况，ASE功率为固定值，也就是说Pase为固定功率，所以只要对入光或者出光检测支路端加上或减去固定的补偿量，作为等效控制信号，就可以实现ASE噪声的补偿功能。

本发明的一个方面提供了一种光放大器增益噪声补偿方法，其可以包括以下步骤：在入光检测端加上固定补偿量作为控制信号，来实现自发辐射噪声的补偿。

根据本发明的一个方面，噪声补偿电路可以是加法器，连接到入光检测端，用于增加补偿电压或增加补偿电流，其中补偿电压或补偿电流可以是与固定补偿量相对应的。

其中，噪声补偿电路可以是由现场可编程门阵列实现的。固定补偿量可以为测试值。

本发明的另一个方面提供了一种光放大器增益噪声补偿装置，其可以包括：入光修正量设置模块，用于设置入光修正数字信号；AD采集模块，用于对入光数字电信号进行采集；以及修正模块，用于根据数字电信号与入光修正数字信号进行计算以得到修正后的入光检测信号，作为控制信号，来实现自发辐射噪声的补偿。其中，入光修正数字信可以号对应于固定补偿量。

根据本发明的另一个方面，修正模块可以是加法器模块，用于将数字电信号于出光修正数字信号叠加以得到修正后的出光检测信号。

可选地，修正模块可以是减法器模块，用于将数字电信号与出光修正数字信号相减以得到修正后的出光检测信号。

根据本发明的另一个方面，固定补偿量可以为测试值。

因而，通过本发明，基于理论推导的结论，通过对入光检测电路的修正，达到噪声功率补偿，实现真正的信号功率增益控制的目的，另外，利用本发明所述装置，真正实现信号增益控制的目的，同时工程应用方便、灵活，具有比较大的应用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的噪声补偿方案的框图；

图2是根据本发明的光放大器增益噪声补偿装置的框图；

图3a是根据本发明第一实施例的基于运算放大器实现的噪声补偿电路的视图；

图3b是根据本发明第二实施例的基于运算放大器实现的噪声补偿电路的视图；

图4a是根据本发明第三实施例的基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的噪声补偿电路的视图；以及

图4b是根据本发明第四实施例的基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的噪声补偿电路的视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的要点在于控制参量理论推导、输入光检测修正控制、泵浦功率控制、以及这些要点之间的工作关系。

EDFA噪声(线性单位)为：其中，NF为噪声指数，Pase为ASE功率，G为增益，h为普朗克常数，v为频率(可以取中心频率)，以及B₀为带宽。

一般情况下，EDFA增益在10dB以上，1/G可以忽略，而对于不同波长，认为NF不变，那么ASE功率为：Pase＝NF*G*hvB₀。

对于NF来说，如果增益一定，可以认为是常数，而对于hvB₀来说，也可以认为是常数。这样，从工程的角度来讲，EDFA的ASE功率只与增益有关，对于固定增益，ASE功率就固定了。

对于固定增益的情况，ASE功率为固定值，也就是说Pase为固定功率，所以只要对入光或者出光检测支路端加上或减去固定的补偿量，作为等效控制信号，就可以实现ASE噪声的补偿功能。

图1是本发明的噪声补偿方案的框图，以下将结合图1对本发明的噪声补偿方案进行描述。光放大器增益噪声补偿方法包括以下步骤：在入光检测端102加上固定补偿量，或在出光检测端106减去固定补偿量作为控制信号，来实现自发辐射噪声的补偿。

其中，加上或减去的操作是通过运算放大器实现的噪声补偿电路实现的。

噪声补偿电路是加法器，连接到入光检测端102，用于增加补偿电压或增加补偿电流，其中补偿电压或补偿电流可以是与固定补偿量相对应的。

可选地，噪声补偿电路是减法器，连接到出光检测端106，用于减少补偿电压或补偿电流以进行分压或分流，其中补偿电压或补偿电流可以是与固定补偿量相对应的。

另外，噪声补偿电路是由现场可编程门阵列实现的。固定补偿量为测试值。

图2是根据本发明的光放大器增益噪声补偿装置200的框图，如图2所示，该光放大器增益噪声补偿装置200包括：入光修正量设置模块202，用于设置入光修正数字信号；AD采集模块204，用于对入光数字电信号进行采集；以及修正模块206，用于根据数字电信号与入光修正数字信号进行计算以得到修正后的入光检测信号，作为控制信号，来实现自发辐射噪声的补偿。其中，入光修正数字信号可以对应于固定补偿量。

修正模块206可以是加法器模块，用于将数字电信号于出光修正数字信号叠加以得到修正后的出光检测信号。

可选地，修正模块206可以是减法器模块，用于将数字电信号与出光修正数字信号相减以得到修正后的出光检测信号。

其中，固定补偿量可以为测试值。

图3a是根据本发明第一实施例的基于运算放大器实现的噪声补偿电路的视图，以及图3b是根据本发明第二实施例的基于运算放大器实现的噪声补偿电路的视图，以下将参考图3a和图3b对基于运算放大器实现的噪声补偿电路进行描述。

基于运算放大器实现的噪声补偿电路的主要做法有两种：都是人为地对输入输出检测支路进行修正。一种是如图3a所示的在EDFA输入端加压(加流)，另一种是如图3b所示的在EDFA输出端分压(分流)。

第一实施例

图3a是根据本发明第一实施例的基于运算放大器实现的噪声补偿电路的视图。

参考图3a，在该实施例中，增益控制由硬件模拟闭环电路实现，噪声功率补偿电路由运算放大器实现，主要做法为在EDFA输入端加压(加流)，即通过加法器实现。

如图3a所示，由于对于固定增益来说，ASE功率为固定值，也就是说PASE为固定功率，同时EDFA的入光检测为线性检测，所以，只需要在入光检测支路端加上一个固定的电压值，作为等效入光检测电压，就可以实现ASE噪声的补偿功能。因此，修正后的入光和对应的出光信号为最终的等效控制参量，进行增益锁定控制。

第二实施例

图3b是根据本发明第二实施例的基于运算放大器实现的噪声补偿电路的视图。

参考图3b增益控制也是由硬件模拟闭环电路实现，噪声功率补偿电路由运算放大器实现，即，通过减法器实现。主要做法为在EDFA输出端分压(分流)。与图3a不同，该实施例是在出光检测支路端加上一个固定的电压值，从而实现ASE噪声的补偿功能。

图4a是根据本发明第三实施例的基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的噪声补偿电路的视图，以及图4b是根据本发明第四实施例的基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的噪声补偿电路的视图，以下将参考图4a和图4b对基于FPGA实现的噪声补偿电路进行描述。

在图4a和图4b中所示的增益控制由硬件数字闭环电路实现，噪声补偿电路由FPGA实现，其中FPGA具体包括AD采集模块、入光修正量设置模块和加法器模块。

第三实施例

如图4a所示，FPGA通过AD采集模块402实现对入光模拟电信号的采集，入光修正量设置模块406和加法器模块404对入光检测检测数字信号进行修正，就可以实现ASE噪声的补偿功能。以修正后的入光和对应的出光信号为最终的等效控制参量，进行增益锁定控制。

第四实施例

图4b与图4a基本相同，只是将图4a中的入光改为出光，并且加法器404改为减法器，但是所起到的作用相同，都是用于实现噪声补偿电路，进行增益锁定控制。

综上所述，通过本发明看出，基于理论推导的结论，通过对入光检测电路的修正，达到噪声功率补偿，实现真正的信号功率增益控制的目的，另外，利用本发明所述装置，真正实现信号增益控制的目的，同时工程应用方便、灵活，具有比较大的应用价值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光放大器增益噪声补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

在入光检测端加上固定补偿量作为修正后的入光数字信号，来实现放大器的自发辐射噪声的补偿，其中，所述固定补偿量加在入光检测支路上，所述固定补偿量是与自发辐射放大功率相对应的值。

2.根据权利要求1所述的光放大器增益噪声补偿方法，其特征在于，所述加上的操作是通过运算放大器实现的噪声补偿电路实现的。

3.根据权利要求2所述的光放大器增益噪声补偿方法，其特征在于，所述噪声补偿电路是加法器，连接到所述入光检测端，用于增加补偿电压或增加补偿电流，其中所述补偿电压或所述补偿电流是与所述固定补偿量相对应的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光放大器增益噪声补偿方法，其特征在于，所述固定补偿量为测试值。

5.一种光放大器增益噪声补偿装置，其特征在于，包括：

入光修正量设置模块，用于设置入光修正数字信号，其中，所述入光修正信号是补偿电压或补偿电流，所述补偿电压或所述补偿电流与固定补偿量相对应，所述固定补偿量是与自发辐射放大功率相对应的值；

AD采集模块，用于对入光数字电信号进行采集；以及

修正模块，用于根据所述数字电信号与所述入光修正数字信号进行相加以得到修正后的入光检测信号，作为修正后的入光数字信号，来实现放大器的自发辐射噪声的补偿。

6.根据权利要求5所述的光放大器增益噪声补偿装置，其特征在于，所述入光修正数字信号对应于固定补偿量。

7.根据权利要求5所述的光放大器增益噪声补偿装置，其特征在于，所述修正模块是加法器模块，用于将所述数字电信号于所述出光修正数字信号叠加以得到修正后的出光检测信号。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的光放大器增益噪声补偿装置，其特征在于，所述固定补偿量为测试值。

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