CN101772868B - 光放大器 - Google Patents

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Abstract

因为随着网络越来越复杂而增加了路由请求，所以高速光放大器现在是一种重要的光学器件。传统技术不能具备足够的响应性能并且这产生了对于实现10微秒量级或者更短时间的高速响应性能的目标。光放大器包括：输入监视部件(500)；光放大部件(310)，其包括光放大介质(300)；以及控制部件(400)，其执行前馈控制。在依据来自输入监视部件(500)的信号、由前馈控制来控制光放大部件时，使用超调信号作为控制信号以便改善光放大介质固有的缓慢响应性能并且实现高速响应性能。

Description

光放大器
技术领域
本发明涉及一种光放大器，并且涉及一种控制光放大器的方法。
背景技术
在波分复用(WDM)通信网络中，网络配置正在从点对点网络向使用中枢线路系统(backbone line system)和城市核心系统(metro core system)中的可重新配置的光增减型多路复用器(Optical Add-drop Multiplexer，ROADM)节点的环状网络改变。
为每个ROADM节点处的增/减分配固定波长信号，并且在故障时或在增加/减少信道时，远程地改变波长的数量在技术上已经变得必不可少。
在该情况中，输入信号的数量改变。据此，对于被布置在ROADM中的铒掺杂光纤放大器(Er掺杂光纤放大器：EDFA)，要求执行光放大增益恒定控制(自动增益控制：AGC)，以使得即使信号的数量被改变，每个信号电平也不改变，这与不使用ROADM的系统中通常使用的光输出恒定控制(自动电平控制：ALC)不同。
对于执行该控制的AGC-EDFA来说，因为波长的数量的改变的速度是几毫秒，所以跟随(follow)几毫秒的输入变化的放大器已经投入实际应用。
在下一代环状网络中，要求有效地利用波长资源以便满足流量(traffic)的增长。因而，对于ROADM来说，必须采用能够响应于通信容量的瞬态变化而动态地改变波长的数量的动态ROADM。在该情况中，对于AGC-EDFA来说，必须具有大约10微秒的响应。
今天，已经报道了关于数百微秒的响应。但是，为了实现更高速的ROADM，要求进一步增加速度。
并且，进一步地，在动态地改变突发(burst)信号的路径的光突发交换(OBS)系统中，变得必须具备10微秒或更短时间的响应的AGC-EDFA。
以此方式，存在日益增加的对10微秒或更短时间的更高速的需求，并且因而AGC-EDFA已经变为下一代网络中的关键设备。
对于AGC-EDFA的配置和控制来说，认为存在(1)EDF的反馈(FB)控制、(2)EDF的前馈(FF)控制(日本专利第3811630号)和(3)FF控制和FB控制的组合控制。
同样，对于EDFA的配置来说，存在与可变光衰减器(可变光衰减器：VOA)组合的配置的例子(日本专利申请特许公开第7-212315号)。
专利文件1：日本专利第3811630号
专利文件2：日本专利申请特许公开第7-212315号
发明内容
本发明要解决的问题
在包括专利文件1的单独通过FF控制、FB控制、或通过其组合控制来控制EDF的方法中，不可能消除EDF特有的缓慢的复合(recombination)速度，并且因而它不适于加速。据此，在相关技术的驱动条件下，存在对改善瞬态响应性能的限制。
同样，存在使用如专利文件2中所描述的EDF和VOA的方法。但是，VOA的目的是改变EDF的稳定的(steady)输出电平，而对瞬态响应的控制只取决于对EDF的控制。因而，以与单独控制EDF相同的方式进行高速响应一直是困难的。
鉴于以上情况，做出了本发明以便实现对AGC-EDFA的速度的改善。
用于解决该问题的手段
为了解决上述问题，根据本发明的光放大器通过改善或消除EDF特有的缓慢响应分量来实现高速，所述缓慢响应分量由铒离子的缓慢的复合时间常数导致。
根据权利要求1的光放大器至少包括：输入监视部件；光放大部件；和控制部件，其用于执行前馈控制，以便使用输入监视部件来控制光放大部件的放大，并且所述光放大器使用前馈控制，其中超调信号被用于放大控制。
“光放大部件”是由光或电子激发的、使输出光的强度大于输入光的强度的放大部件，并且其包括光放大介质。
“输入监视部件”是用于监视包括进入光放大器的输入光的强度信息的电信号或光信号的部件。
“前馈控制”意味着其中也根据被输入至受控的对象的信号的强度、通过输出控制信号驱动受控对象的控制。
如图12中所描述，“超调信号”意味着指示瞬态地比稳定电平更高的值的控制信号。这里，稳定电平是在开始施加控制信号之后已经经过一秒或更长时的控制信号强度。“瞬态地”意味着从开始施加信号的100微秒之内的时间。
根据权利要求2的光放大器为根据权利要求1的光放大器，其中所述控制部件包括超调生成电路。
“超调生成电路”通常意味着作为电子电路的、生成超调信号的模拟电路或数字电路。
根据权利要求3的光放大器为根据权利要求2的光放大器，其中所述超调生成电路为PID电路。
如图9中所示，“PID”电路为产生由三个分量的线性组合确定的控制信号量的电路，并且因而能够响应于输入信号生成任何波形，所述三个分量为关于输入信号的比例元素、微分元素和积分元素。
根据权利要求4的光放大器为根据权利要求1至3中任一项的光放大器，其中超调信号量为参考值的120％或更多。
如图12中所述，控制信号的峰值电平被定义为超调信号的最大值。同样，在本说明书中，超调信号量被定义为通过将控制信号的峰值电平除以稳定电平而产生的值。同样，参考值具有与稳定电平相同的含义。
根据权利要求5的光放大器为根据权利要求1至4中任意一项的光放大器，其中光放大部件的后继级包括高速输出可变部件。
“高速输出可变部件”是用于对输入光进行输出、通过给出驱动信号来改变输出、并且具有以10微秒或更短时间响应于给出驱动信号之前和之后的6dB的变化的高速性能的部件。
对于高速输出可变部件来说，例如考虑半导体放大器(SOA)、光外部调制器、高速光可变衰减器等。
根据权利要求6的光放大器为根据权利要求5的光放大器，其进一步包括输出光监视部件，其中使用输出光监视部件的信号来驱动所述高速输出可变部件。
“输出光监视部件”为用于使用输出光的一部分来检测输出光的功率电平的部件。
根据权利要求7的光放大器为根据权利要求6的光放大器，其中由来自输入监视部件的信号和输出光监视部件的信号之间的差信号来驱动所述高速输出可变部件。来自输入监视部件的信号为包括输入光的强度的信息的信号，输出光监视部件的信号为包括输出光的强度的信息的信号。
根据权利要求8的光放大器为根据权利要求5至7中任一项的光放大器，其中所述高速输出可变部件为高速可变光衰减器(VOA)。
“高速可变光衰减器”为用于对输入光进行衰减和输出、通过给出驱动信号来改变衰减量、并且具有在10微秒或更短时间内响应于在给出驱动信号之前和之后的6dB的变化的高速性能的部件。
根据权利要求9的光放大器为根据权利要求8的光放大器，其中所述高速可变光衰减器包括电光效应器件，并且所述高速可变光衰减器的驱动电压为40V或更少。
“电光效应器件”意味着具有诸如Pockels效应、Kerr效应等之类的电光效应的器件。
同样，“驱动电压为40V或更少”意味着跨电光效应器件的两端所施加的电压差为40V或更少。
优势
如上所述，通过本发明，变得可以增加光放大器的响应性能。
附图说明
图1为使用前馈控制的光放大器的实施例的图；
图2为图示通常的反馈和前馈控制的原理的图；
图3为图示根据本发明的前馈控制中的超调操作的原理的图；
图4为图示超调量和EDF的响应速度之间的关系的图；
图5为使用前馈控制和反馈控制的光放大器的实施例图；
图6为图示引入高速输出可变部件的效果的原理的图。
图7为VOA驱动电路的配置的示范图；
图8为VOA驱动电路的模拟结果的示范图；
图9为PID电路的配置的示范图；
图10为下降部分的响应波形图；
图11为上升部分的响应波形图；
图12为超调信号的解释图；
参考标号
10输入光
20输出光
300光放大部件
310光放大部件
320、321PUMP-LD
330、331PUMP-LD驱动电路
400前馈控制部件
403、404、405PID电路
410比较部分
420增益设置端子
430OPAMP
500输入监视部件
510、511TAP-PD
520、521TIA
610高速输出可变部件
620高速可变光衰减器(VOA)
630VOA驱动电路
700输出光监视部件
800反馈控制部件
810OPAMP
具体实施方式
以下将基于附图给出对本发明的实施例的描述。
(实施例1)
图1中示出了第一实施例。光放大器包括输入监视部件500、光放大部件310和前馈控制部件400。
输入监视部件500包括TAP类型光接收元件510和互阻抗(transimpedance)类型电放大器(TIA)520。同样，输入光的一部分可以由光耦合器分路(branch)，并且可以监视输入光的电平。此外，可以在光放大器的前级中将被分路的输入光的一部分输入至光放大器的输入监视部件(光二极管、TIA)。
同样，可以通过使用WDM耦合器来分离监督(supervisor)控制光、以及由监督控制光处理部分将等效表示输入光电平的电信号转送至输入监视部件，来监视输入光电平。进一步地，可以通过从监督控制光处理部分传送已经在光放大器的前级被处理过的、等效表示输入光电平的电信号，来监视输入光电平。
光放大部件310使用EDF作为光放大介质300，并且包括PUMP-LD 320和PUMP-LD驱动电路330，并且是使用两个PUMP-LD 320的例子。除EDF之外，光放大部件还包括半导体光放大器器件。
在光放大部件300的控制中，由输入侧TIA 520的输出信息来前馈控制PUMP-LD 320，以便响应于输入光的电平的改变以高速驱动光放大部件300。PID电路部分403通过产生控制信号的超调信号来驱动PUMP-LD 320。
在构成控制部件的差分运算放大器430中，可以通过设置正侧(plus-side)的输入、由所要求的驱动电流来驱动PUMP-LD，从而允许增益设置。
接着，将给出使用超调信号通过前馈控制而进行的加速的详细描述。首先，将给出对使用图2的通常前馈控制和反馈控制的描述。
在通常前馈控制中，控制信号仅仅具有与输入信号相似的驱动波形。因而，不可能增加具有低响应速度的EDF的响应。
另一方面，在通常反馈控制中，输入信号波形和具有缓慢响应的输出信号波形之间的差变为驱动波形，并且因而通常上变为具有振铃(ringing)的驱动波形。据此，响应波形包括加快的(quickened)分量，但保留了振铃，并且因而花费一些时间直到波形收敛到稳定的电平。在该控制中，如果利用抑制发生振铃的时间常数来执行控制，则变得不可能改善波形的响应速度。
图3示出了通过使用超调信号驱动EDF来获得前馈控制中的高速响应特性的原理。
如果来自控制部件的控制信号是矩形波，则因为EDF具有EDF特有的缓慢分量，所以产生具有缓慢上升时间的响应。假定来自获得所要求的EDF响应幅度的控制部件的驱动信号的电平为电平1，而假定高于该电平的驱动信号电平为电平2。在由电平2驱动时，如图3中所示，产生大的EDF响应幅度。
如果控制信号具有超过了电平2、并且其后稳定地下降至电平1的波形，则EDF以对应于电平2的响应而上升，并且其后具有对应于电平1的响应幅度。据此，变得可以通过超调来增加EDF的速度。
图4示出了通过实验获得的、由控制信号的峰值电平与稳定电平的比率定义的超调量、以及EDF的响应幅度中的快速分量的比率的结果。通过增加超调量，改善了EDF的响应速度。
这示出了其中EDF的缓慢响应分量的比率减少、并且EDF的响应速度增加的现象。如果超调量变为120％或更多，则响应趋于饱和。这意味着如果超调量增加至120％或更多，则可以获得增加响应的充分效果。
如图9中所示，为了生成该超调量，例如，提供PID电路，其中由关于输入信号的比例元素(P)、微分元素(D)和积分元素(I)的线性组合确定控制信号量。因而，可以生成关于输入信号的任何波形。
通过合适地调节三个元素的各自的电路常数来创建所要求的超调控制信号，并且使光放大部件的控制信号为超调信号，以使得它变得可以改善光放大部件特有的缓慢响应的性能。
进一步地，可以采用数字方法，其中在存储器中存储响应于输入的超调波形，读取输入监视值，并且从存储器取出要被转换为控制信号的必要的超调波形。
接着，将给出对图1中所示的配置中的条件和实验结果的描述。所采用的EDF具有7.9×1024m-3的铒浓度以及15m的长度，并且因而为典型的EDF。
PUMP-LD的波长为0.98μm，一个单位的功率为+23.5dBm，并且向前和向后执行泵激(pump)。在这点上，驱动PUMP-LD的电流具有370mA的稳定值，并且使用140％的超调电流。在此时EDF的响应特性为图4中图示的140％超调的数据。整体放大器的增益设被置为25dB。
在该条件上的响应特性的测量结果为在图4中当超调量为140％时的响应波形。
使用具有波长1550μm的光源进行了该测量，并且在-14dBm参考电平上使用具有-8dBm步进增量的光输入。作为输入光幅度的波动带(fluctuationband)，这变为6dB。该波动带模拟其中进入光放大器的WDM输入光的数量以步进方式变为四倍的状态。
如同从图中所理解的，可以将由10％至90％定义的上升时间的速度增加至10微秒。
(实施例2)
图5中示出了第二实施例。光放大器包括输入监视部件500、光放大部件310、前馈控制部件400、高速输出可变部件610、输出光监视部件700、和反馈控制部件800。输入监视部件500包括TAP类型光接收元件510和互阻抗类型电放大器(TIA)520。
光放大部件310包括作为光放大介质的EDF 300、PUMP-LD 320和PUMP-LD驱动电路330，并且是使用两个PUMP-LD 320的例子。
输出光监视部件700具有与输入光监视部件500相同的配置。
高速输出可变部件610包括高速可变光衰减器(VOA)620和VOA驱动电路630。在这点上，可以使用诸如半导体放大器之类的高速可变放大器作为高速输出可变部件。
接着，将使用图6给出使用高速输出可变部件实现高速响应特性的原理的描述。高速输出可变部件消除了EDF的缓慢响应分量(由图中的四边形包围的部分)，并且将响应波形调整(shape)为矩形波，使得只保留EDF原始的快速上升的分量，这使得可以实现一微秒或更短时间的响应速度。
在光放大部件300的控制中，由输入侧TIA 520的输出信息来前馈控制PUMP-LD 320，以便响应于输入光的电平的改变高速驱动光放大部件300。PID电路部分403通过产生控制信号的超调信号来驱动PUMP-LD 320。
在构成控制部件的差分运算放大器430中，可以通过设置正侧输入、由所要求的驱动电流来驱动PUMP-LD，从而允许EDF设置。
在高速可变光衰减器(VOA)620的控制中，由输入侧TIA 520的输出信息和输出侧TIA 521的输出信息的差信号来反馈控制VOA 620。
在这点上，反馈控制部件800中的PID电路部分405可以将VOA 620的驱动信号改变为超调信号。
进一步地，可以采用自动电平控制，其中VOA 520被反馈控制，使得输出变为基于输出侧TIA 521的输出信息的恒定电平。同样，可以紧接在VOA 520之前插入VOA输入光监视器，并且通过从VOA输入光监视器获得的光的强度信号来执行前馈控制。此外，可以将VOA 620的驱动信号改变为在VOA 520的前馈控制中的超调信号。
接着，将给出VOA的驱动电路的描述。图7示出了VOA的驱动电路的例子。作为例子，垂直布置两个相同的电路，并且在正侧和负侧向VOA的两端施加驱动电压，以使得实现大幅度驱动。对于所使用的器件来说，作为商业上可用的大电流晶体管，使用在图中所图示的2SC3423和2SA1360。
图8示出了本电路中的驱动波形的模拟波形。注意该结果仅仅是在正侧处的电路的结果。在负侧获得具有不同的极性的相同的结果。因而，被施加至VOA的幅度变为40V。根据该模拟结果，应理解：一微秒或更短时间的驱动输出具有至多40V的限制。
据此，对于VOA来说，应理解：变得必须具有具备40V或更少的驱动电压、并且具备高速响应性能的VOA。
据此，因为电光类型类型的VOA具有高速性能，所以该类型的VOA是有前途的。进一步地，对于使用40V或更少的低压的VOA来说，例如在国际公开第WO/2005/121876号中的PLZT类型高速VOA是有前途的。
对于VOA来说，已经示出了电光类型的例子。但是，只要VOA对输入光进行衰减和输出、通过被给出驱动信号来改变衰减量、并且具有在10微秒或更短时间内响应于给出驱动信号之前和之后的6dB的变化的高速性能，就可以使用诸如机械类型、MEMS类型、磁光类型、液晶类型和电吸收(electroabsorption)类型、热光类型等之类的任何原理。
利用该配置，响应于具有矩形波的输入光，以高速驱动PUMP-LD 320，并且获得具有快速响应分量和缓慢响应分量的EDF 350的输出波形。由VOA620去除缓慢响应速度元素，输出光20被调整为矩形波，并且获得所要求的高速响应。
另一方面，要由VOA 620删除的缓慢响应分量的量减少，并且因而VOA620的驱动电压减小，从而可以增加VOA 620的响应速度。通过这些协同效应(synergistic effect)，变得可以调整输出波形、并且获得一微秒或更短时间的响应。
将给出对图5中所示的配置中的条件和实验结果的描述。所采用的EDF具有7.9×1024m-3的铒浓度以及15m的长度，并且因而为典型的EDF。
PUMP-LD的波长为0.98μm，一个单位的功率为+23.5dBm，并且向前和向后执行泵激。在这点上，驱动PUMP-LD的电流具有370mA的稳定值，并且使用140％的超调电流。在此时EDF的响应特性为图4中所图示的140％超调的数据。
应用具有30V的驱动电压幅度和一微秒或更短时间的响应速度的VOA。在这点上，将整个放大器的增益设置为20dB。
图10和图11中示出了在该条件上的响应特性的测量结果。图10示出了下降部分中的响应特性，图11示出了上升部分中的响应特性。
使用具有1550μm波长的光源进行了该测量，并且对-14dBm的参考电平使用三种输入：具有-5dBm、-8dBm和-11dBm的步进增量的光输入。作为输入光幅度的波动带，这各自变为对应于图中的响应波形电平的9dB、6dB和3dB。该波动带模拟其中进入光放大器的WDM输入光的数量以步进方式变化为八倍、四倍和两倍的状态。
如根据图中所理解，对于上升响应时间和下降响应时间两者来说，在各自的输入光波动带中获得了一微秒或更短时间的高速特性。
在这点上，本发明不限于上述实施例，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行变化。
工业应用性
通过本发明，可以实现能够进行高速响应的光放大器，并且因而可以使用该光放大器作为光通信装置。

Claims (10)

1.一种光放大器，至少包括：
输入监视部件，用于监视包括进入所述光放大器的输入光的强度信息的电信号或光信号；
光放大部件，其中光放大部件的后继级包括高速输出可变部件；
控制部件，其用于执行前馈控制以便使用所述输入监视部件控制所述光放大部件的放大，并且所述光放大器使用前馈控制；以及
输出光监视部件，用于使用输出光的一部分来检测输出光的功率电平，
其中超调信号被用于放大控制，
所述超调信号是指示瞬态地比稳定电平更高的值的控制信号，并且所述稳定电平是在稳定状态中所述控制信号的控制信号强度，以及
使用所述输出光监视部件的信号来驱动所述高速输出可变部件。
2.根据权利要求1的光放大器，其中由来自所述输入监视部件的信号和所述输出光监视部件的信号之间的差信号来驱动所述高速输出可变部件。
3.根据权利要求1和2中任一项的光放大器，其中所述高速输出可变部件为高速可变光衰减器。
4.根据权利要求3的光放大器，其中所述高速可变光衰减器包括电光效应元件，并且所述高速可变光衰减器的驱动电压为40V或更少。
5.一种光放大器，至少包括：
输入监视部件，用于监视包括进入所述光放大器的输入光的强度信息的电信号或光信号；
光放大部件，其中光放大部件的后继级包括高速输出可变部件，并且所述高速输出可变部件为高速可变光衰减器；以及
控制部件，其用于执行前馈控制以便使用所述输入监视部件控制所述光放大部件的放大，并且所述光放大器使用前馈控制，
其中超调信号被用于放大控制，以及
所述超调信号是指示瞬态地比稳定电平更高的值的控制信号，并且所述稳定电平是在稳定状态中所述控制信号的控制信号强度，以及其中所述超调信号是从开始提供所述控制信号100毫秒内产生的信号，并且所述超调信号的强度比在开始施加控制信号之后已经经过一秒时产生的控制信号的强度更高。
6.根据权利要求5的光放大器，其中所述高速可变光衰减器包括电光效应元件，并且所述高速可变光衰减器的驱动电压为40V或更少。
7.根据权利要求1和5中任一项的光放大器，其中所述控制部件包括用于产生超调信号的超调生成电路。
8.根据权利要求7的光放大器，其中所述超调生成电路为PID电路。
9.根据权利要求8的光放大器，其中所述超调信号的量为参考值的120％或更多，以及
其中所述超调信号的量是所述控制信号的峰值电平与所述稳定电平的比值，并且所述参考值是所述稳定电平。
10.根据权利要求7的光放大器，其中所述超调信号的量为参考值的120％或更多，以及
其中所述超调信号的量是所述控制信号的峰值电平与所述稳定电平的比值，并且所述参考值是所述稳定电平。
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