CN101479896B - 可变增益光放大器 - Google Patents

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Abstract

一种可变增益光放大器，包括用于放大不同波长的光信号的EDFA和用于光学泵浦该EDFA以提供光增益的泵浦驱动器(14)。输入探测器(2)设置为监测输入到该EDFA的输入信号的功率Pin，并且输出探测器(3)设置为监测从该EDFA输出的输出信号的功率Pout。提供增益控制设置用于将驱动信号提供给该泵浦驱动器(14)以控制光增益，该增益控制设置包括用于提供取决于所监测的输入功率Pin的前馈信号的前馈设置(20、21、22、23)和用于提供取决于所监测的输出功率Pout的反馈信号的反馈装置(5、6、7、8、9、30)。为了确保快速的增益控制，该反馈设置包括自适应比例积分(PI或PID)控制器(30)，其用于根据对应于所需增益曲线的比例和积分控制系数Kp和Ki将光增益控制于所需的增益设定点，该比例和积分控制系数Kp和Ki中的至少一个是基于所监测的输出功率Pout而动态可变的，控制器(30)的输出信号和前馈信号在加法器(31)中相加以产生用于该泵浦驱动器(14)的驱动信号。

Description

可变增益光放大器
技术领域
本发明涉及可变增益光放大器，并且尤其但并不排他地涉及掺铒光纤放大器(EDFA)。
背景技术
在利用密集波分复用(DWDM)的光网络中，多波长光被用来支持单根光纤上的多个通信信道。光放大器在这种网络中用于放大已经经过数千米光纤链路衰减的光信号。典型的放大器可包括利用二极管激光器泵浦的EDFA元件。EDFA级增加了在光纤链路上传输的光信号的强度。已知这种放大器包括自动增益控制(AGC)，以用于提供与放大器输入的波长成分和输入功率无关的恒定的增益。
EDFA级的增益取决于光纤中铒离子的反转能级。例如，如果给定级的反转能级较高，则该级的增益也较高。如果某一级的反转能级较低，则该级的增益也较低。除非使用控制电子器件来保持各种操作条件下稳定的反转能级，否则EDFA级的增益将经受不可接收的瞬变。放大器中的增益瞬变将导致放大器输出信号的功率波动。如果输出信号太弱，则不可能探测到该信号。如果输出信号太强，则该信号会受到光纤中非线性光学效应的影响。
图1中的曲线图说明了对于理想光放大器的不同泵浦功率而言输入和输出功率值与增益的变化。主要示出的是：分别对于80mW、124mW和155mW的泵浦功率而言，表示输出泵浦功率Pout相对于输入泵浦功率Pin的变化的不同曲线，以及分别对于80mW、124mW和155mW的泵浦功率而言，表示输入泵浦功率Pin相对于线性增益的变化的不同曲线。这表明放大器的增益曲线随着泵浦驱动条件而变化，并因此表明诸如信道增或减的外部条件可导致不希望的功率瞬变。
图2示出了用于固定增益EDFA的已知AGC，在该固定增益EDFA中，输入功率探测器2以分接耦合器(tap-off coupler)的形式提供以监测到EDF1的输入信号的功率Pin，并且输出功率探测器3以分接耦合器的形式提供以监测来自EDF1的输出信号的功率Pout。输出探测器3的输出信号提供给模数转换器(ADC)4，该模数转换器4又将指示所测量的功率输出信号Pmeas提供给比较器5的一个输入。指示目标功率输出的信号Pset提供给比较器5的另一个输入，该信号是通过在加法器6中将来自ASE补偿器7的指示用于补偿放大器中的ASE噪声效应的补偿因子的信号Fase与由乘法器9提供的信号G.Pin相加而计算得到的，其中信号G.Pin是指示来自增益设定器8的目标增益的信号G与由连接到输入功率探测器2的输出的ADC 10提供的信号Pin的乘积。
将作为提供给比较器5的两个输入信号之间的差值的误差信号e(t)提供给PI或PID调节器11，该PI或PID调节器又通过用于钳制(clip)最大电流Imax的限流器12将反馈信号FB作为泵浦驱动信号提供给泵浦驱动器14，其中反馈信号FB是该误差信号e(t)的函数。这种已知AGC在应用中遭遇的主要限制在于其响应时间太慢，结果造成：例如在输出功率中的触发增加之后泵浦驱动电流的必要调整需要非常长的时间并且将产生不需要的输出功率瞬变。
图3示出了用于固定增益EDFA的可替换的已知AGC，在该固定增益EDFA中，再次以分接耦合器的形式提供输入功率探测器2以监测到EDF 1的输入信号的功率Pin，并且输入功率探测器2的输出连接到ADC 10。来自ADC 10的输出信号Pin被提供给乘法器20的一个输入，来自增益设定器21的目标增益信号m被提供给乘法器20的另一个输入。乘法器20的输出信号提供给加法器22的一个输入，来自偏置设定器23的恒定偏置信号c提供给加法器22的另一个输入。这产生了前馈信号FF＝m.Pin+c，该前馈信号FF＝m.Pin+c通过用于钳制最大电流Imax的限流器12作为泵浦驱动信号提供给泵浦驱动器14。这种已知AGC在应用中遭遇的主要限制在于虽然其具有比上述参考图2描述的具有反馈控制的AGC更快的响应时间，但是其不够精确。特别是，这种已知的AGC无法提供温度或老化补偿，结果将产生不需要的增益和瞬变控制误差。
US 6414788公开了一种用于固定增益EDFA的AGC，其结合了上面参考图2描述的反馈控制和参考图3描述的前馈控制。这使得能够结合图3的前馈控制提供的快速响应时间的优点和图2的反馈控制的较大精确度的优点。然而，这种AGC通常受限于固定增益条件。在这种AGC中，控制回路的系数被设定为由设计或凭经验确定的固定值，并且在增益设定点的改变期间无法改变。
US 6975449公开了一种基于自适应反馈的AGC，其可动态调整至少一个与所测量的输出功率相关的控制系数。在这种情况下，由可变增益放大器(VGA)所要求的设定点增益改变将改变所测量的功率条件并因此改变控制系数。然而，缺乏合适的前馈方案限制了该方法中的响应速度。
US 6522460公开了一种功率控制器，其有效地结合了上面参考图2描述的反馈控制和参考图3描述的前馈控制。然而，这种装置不能够用作AGC，因为控制是基于目标功率输出Pset而不是基于目标增益产生作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变增益光放大器，其中在一定范围的增益条件下可精确和快速地控制增益瞬变。
根据本发明，提供了一种可变增益光放大器，包括：
放大装置，用于放大光纤通信链路中不同波长的光信号，该放大装置包括用于光学泵浦光纤以提供光增益的泵浦驱动器；
输入功率探测装置，用于监测输入到该放大装置的输入信号的功率Pin；
输出功率探测装置，用于监测从该放大装置输出的输出信号的功率Pout；
增益控制装置，用于将驱动信号提供给该泵浦驱动器以控制该光增益；
前馈装置，用于根据所监测的输入功率Pin将前馈信号提供给该增益控制装置；以及
反馈装置，用于根据所监测的输出功率Pout将反馈信号提供给该增益控制装置；
其特征在于，该反馈装置包括自适应比例积分控制器，该自适应比例积分控制器用于根据与目标增益曲线相对应的比例和积分控制系数Kp和Ki将该光增益控制于所需的增益设定点，该比例和积分控制系数Kp和Ki中的至少一个是根据所监测的输出功率Pout而动态可变的，并且该增益控制装置适于将由该前馈装置提供的前馈信号和由该反馈装置提供的反馈信号结合以产生用于该泵浦驱动器的驱动信号。
这种自适应PI控制器使得控制回路能够根据VGA所处的增益条件自动地受控，并且因此AGC特别适于提供在光通信系统中使用的VGA和EDFA中的自动增益控制。
在优选的实施例中，反馈装置适于将所监测的输出功率Pout与取决于可变增益设定值的设定输出功率值Pset进行比较，并且适于响应所监测的输出功率Pout与设定输出功率值Pset之差来改变反馈信号。
此外，前馈装置优选适于提供取决于提供给放大器的可变目标增益值Gset的前馈信号。在这种情况下，该前馈装置可适于从基于可变目标增益目标值Gset而选择的查找表或合适算法来提供前馈信号。
此外，前馈装置优选适于提供取决于提供给放大器的可变目标ASE补偿值Fase的前馈信号。在这种情况下，该前馈装置可适于从基于可变目标ASE补偿值Fase选择的查找表或合适算法来提供前馈信号。
另外，该前馈装置可适于提供取决于探测的温度值T的前馈信号。
在本发明的一个实施例中，前馈装置包括可变滤波器装置，其用于调整前馈信号的数字采样率。同样，该反馈装置可包括可变滤波器装置，用于调整反馈信号的数字采样率。该滤波器装置能够用来控制前馈信号的积极性(aggressiveness)，和/或从对反馈信号作出贡献的成分中滤除噪声从而使输入的采样率匹配反馈控制以防止失真。
在本发明的一个实施例中，前馈装置包括用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号的对数放大器。这相当大地增加了单个放大器能够覆盖的动态范围。同样，该反馈装置可以包括用于提供取决于监测的输出功率Pout的对数的反馈信号的对数放大器。
通常，放大装置将包括至少一个掺铒光纤回路和至少一个泵浦激光二极管，尽管本发明也可应用于其它形式的光放大器。
附图说明
为了更全面地理解本发明，下面将通过实例的方式参照附图描述根据本发明的光放大器的优选实施例，其中：
图1是对于理想的光放大器的不同泵浦功率而言输入和输出功率值相对于增益的变化的曲线图；
图2和图3是已知光放大器的AGC的示意图；
图4至图8是根据本发明的光放大器的优选实施例的AGC的示意图；以及
图9示出用于本发明的优选实施例的优选的控制算法。
具体实施方式
以下将描述的本发明的每一个实施例将应用于包括一个或多个EDF回路的EDF回路放大器。每个EDF回路1提供有来自在AGC控制下呈激光二极管4形式的泵浦驱动器的泵浦光。如果需要，可提供多个激光二极管来泵浦每个EDF回路和/或附加回路并且可以提供相关的泵浦激光二极管。响应于电子探测信号的AGC的接收来控制泵浦级，该电子探测信号来自用于监测放大器的输入和输出功率Pin和Pout的光电二极管和相关分接耦合器形式的输入和输出功率探测器2和3。
参考图4的第一实施例，如在图2的AGC中的，来自输出功率探测器3的输出信号提供给ADC 4，该ADC 4又将指示所监测的功率输出信号的输出信号Pmeas提供给比较器5的一个输入。表示目标功率输出的信号Pset提供给比较器5的另一个输入，该信号Pset通过在加法器6中将来自ASE补偿器7的表示用于补偿放大器中ASE噪声效应的补偿因子的信号Fase和由乘法器9提供的信号G.Pin相加而计算得到，其中信号G.Pin是表示来自增益设定器8的目标增益的信号G与由连接到输入功率探测器2的输出的ADC 10提供的信号Pin的乘积。
将提供给比较器5的两个输入信号之间的差值的误差信号e(t)提供给自适应PI调节器30，该PI调节器30提供反馈信号FB，该反馈信号FB是误差信号e(t)和对应于目标增益曲线的比例和积分控制系数Kp和Ki的函数。控制系数Kp和Ki中的至少一个是根据所监测的输出功率Pout而动态可变的。本发明的优选实施例通过根据增益设定改变控制回路的系数来克服增益依赖(gain-dependent)性能的问题。这使得能够获得所需的响应时间而不用考虑所需的增益设定。
反馈信号FB被提供给加法器31的一个输入，加法器31的输出通过限流器12连接到泵浦驱动器14。自适应PI调节器30根据放大器所处的增益条件改变控制回路。
此外，如图3的AGC中的，来自输入功率探测器2的输出信号连接到ADC 10。将来自ADC 10的输出信号Pin提供给乘法器20的一个输入，而来自增益设定器21的目标增益信号m提供给乘法器20的另一个输入。来自乘法器20的输出信号提供给加法器22的一个输入，而来自偏置设定器23的恒定偏置信号c提供给加法器22的另一个输入。这产生了提供给加法器31的另一输入的前馈信号FF＝m.Pin+c，从而来自加法器31的用于控制泵浦电流的输出信号是反馈信号FB和前馈信号FF之和。根据本发明的这种AGC结合了VGA中由前馈信号FF提供的快速响应时间和由反馈信号FB提供的高控制精确度，从而在一定范围的增益条件下精确地控制增益瞬变。
现在参考图5的实施例，其基本上类似于图4的实施例，除了增加的特征：(i)增益设定器21连接到增益设定器8，使得提供给乘法器20的一个输入的目标增益信号m将根据目标增益来提供，以及(ii)偏置设定器23连接到ASE补偿器7，使得提供给加法器22的一个输入的恒定偏置信号c将根据设定补偿因子来提供，其中该设定补偿因子用于补偿放大器中的本身取决于目标增益的ASE噪声效应(校准程序的结果)。这确保了前馈信号FF＝m.Pin+c补偿目标增益的变化。
现在参考图6的实施例，其基本上类似于图5的实施例，除了所示的AGC处于数字域中，其中前馈信号FF的增益补偿受到用于根据目标增益Gset、ASE补偿因子Fase和温度T提供用于前馈信号FF的适当查找值的查找表40的影响。该实施例允许对多泵浦解决方案作出改变，并考虑了温度变化，结果可以避免不需要的增益和瞬变控制误差。
现在参考图7的实施例，其基本上类似于图6的实施例，除了在控制电路内提供有一个或多个数字滤波器以实现前馈信号FF和/或反馈信号FB的进一步控制。例如，可以提供数字滤波器41以滤除前馈信号FF中的噪声并使得前馈信号FF的特性能够根据所需的应用而改变，该滤波器取决于编程设定可用作高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器。这种滤波器可以用于控制前馈信号的积极性，例如，来降低响应时间。另外，可以提供数字滤波器42和数字滤波器43以将输入前馈信号FF的采样率匹配至反馈信号FB的采样率。没有这些滤波器，可能发生信号失真。它们在支持快速增益控制目标中提供了下述两个有益效果：
1)前馈回路的采样可以远快于反馈回路的采样。
2)在基于跨阻放大器的解决方案的情况下，在范围改变之后，可以将滤波寄存器立即设定到开关后读数(post switch reading)，其消除在范围改变之后稳定滤波器的需要。
现在参考图8的实施例，其基本上类似于图7的实施例，除了输入功率探测器2包括对数放大器5，在这种情况下，在到乘法器9的链路中需要对数到线性转换器51。这相当大地增加了单个放大器能够覆盖的动态范围。可选地，输出功率探测器3包括对数放大器52，在这种情况下，在ADC 4的输出处需要对数到线性转换器53，虽然输出功率探测器3可以可替换地包括线性跨阻方案。
参考图9，在连续时间域和离散/数字时间域中均给出优选的控制算法。该控制方案以其最简单的形式示出：从前馈信号FF(t)和PI或PID调节器输出FB(t)之和导出泵浦驱动响应Pd(t)。从前述公式FF＝m.Pin+c导出FF(t)信号。根据标准控制理论，从两项或三项表示基于输入误差信号e(t)的比例、积分和微分响应之和导出调节器输出FB(t)。至少一个控制系数是根据所测量的输出功率Pmeas而得到的。从所测量的输出条件Pmeas与设定点条件Pset的比较中导出误差信号，其中Pset从ASE补偿因子与所需的增益设定点和所测量的输入功率之积的和中导出，从而以便提供信号增益控制。

Claims (36)

1.一种可变增益光放大器，包括：
放大装置，用于放大光纤通信链路中不同波长的光信号，所述放大装置包括用于光学泵浦光纤以提供光增益的泵浦驱动器；
输入功率探测装置，用于监测输入到所述放大装置的输入信号的功率Pin；
输出功率探测装置，用于监测从所述放大装置输出的输出信号的功率Pout；
增益控制装置，用于将驱动信号提供给所述泵浦驱动器以控制所述光增益；
前馈装置，用于根据所监测的输入功率Pin将前馈信号提供给所述增益控制装置；以及
反馈装置，用于根据所监测的输出功率Pout将反馈信号提供给所述增益控制装置；
其特征在于，所述反馈装置包括自适应比例积分控制器，所述自适应比例积分控制器用于根据与所需的增益曲线相对应的比例和积分控制系数Kp和Ki将所述光增益控制于所需的增益设定点，所述比例和积分控制系数Kp和Ki中的至少一个是根据所监测的输出功率Pout而动态可变的，并且所述增益控制装置适于将由所述前馈装置提供的所述前馈信号与由所述反馈装置提供的所述反馈信号结合以产生用于所述泵浦驱动器的所述驱动信号。
2.根据权利要求1所述的光放大器，其中所述增益控制装置结合有加法器，所述加法器设置为将所述前馈信号与所述反馈信号之和作为所述驱动信号提供给所述泵浦驱动器。
3.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述反馈装置适于将所监测的输出功率Pout与取决于可变增益设定值的设定输出功率值Pset进行比较，并且适于响应所监测的输出功率Pout与所述设定输出功率值Pset之差来改变所述反馈信号。
4.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于提供给所述放大器的可变目标增益值Gset的前馈信号。
5.根据权利要求4所述的光放大器，其中所述前馈装置适于从基于所述可变目标增益值Gset而选择的查找表或合适算法来提供前馈信号。
6.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于提供给所述放大器的可变目标ASE补偿值Fase的前馈信号。
7.根据权利要求4所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于提供给所述放大器的可变目标ASE补偿值Fase的前馈信号。
8.根据权利要求5所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于提供给所述放大器的可变目标ASE补偿值Fase的前馈信号。
9.根据权利要求6的所述的光放大器，其中所述前馈装置适于从基于所述可变目标ASE补偿值Fase而选择的查找表或合适算法来提供前馈信号。
10.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于所探测的温度值T的前馈信号。
11.根据权利要求4所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于所探测的温度值T的前馈信号。
12.根据权利要求5所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于所探测的温度值T的前馈信号。
13.根据权利要求6所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于所探测的温度值T的前馈信号。
14.根据权利要求9所述的光放大器，其中所述前馈装置适于提供取决于所探测的温度值T的前馈信号。
15.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述前馈装置包括用于调整所述前馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
16.根据权利要求4所述的光放大器，其中所述前馈装置包括用于调整所述前馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
17.根据权利要求5所述的光放大器，其中所述前馈装置包括用于调整所述前馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
18.根据权利要求6所述的光放大器，其中所述前馈装置包括用于调整所述前馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
19.根据权利要求9所述的光放大器，其中所述前馈装置包括用于调整所述前馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
20.根据权利要求10所述的光放大器，其中所述前馈装置包括用于调整所述前馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
21.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述反馈装置包括用于调整所述反馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
22.根据权利要求3所述的光放大器，其中所述反馈装置包括用于调整所述反馈信号的数字采样率的可变滤波器装置。
23.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
24.根据权利要求4所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
25.根据权利要求5所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
26.根据权利要求6所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
27.根据权利要求9所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
28.根据权利要求10所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
29.根据权利要求15所述的光放大器，其中所述前馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输入功率Pin的对数的前馈信号。
30.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述反馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输出功率Pout的对数的反馈信号。
31.根据权利要求3所述的光放大器，其中所述反馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输出功率Pout的对数的反馈信号。
32.根据权利要求21所述的光放大器，其中所述反馈装置包括对数放大器，所述对数放大器用于提供取决于所监测的输出功率Pout的对数的反馈信号。
33.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中每个所述探测装置结合有用于分接一部分所述光信号的分接耦合器。
34.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述放大装置包括至少一个掺铒光纤回路。
35.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述放大装置包括至少一个泵浦激光二极管。
36.根据权利要求34所述的光放大器，其中所述放大装置包括至少一个泵浦激光二极管。
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