CN102598549B

CN102598549B - 包括嵌入式滤波器的光纤放大器和具有改进前馈控制性能的控制方法

Info

Publication number: CN102598549B
Application number: CN200980162320.4A
Authority: CN
Inventors: L.拉普
Original assignee: Xiaoyang Network Co Ltd
Current assignee: Xiaoyang Network Co., Ltd.
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: EP2474110B1; US20120182602A1; CN102598549A; US8908265B2; WO2011026502A1; EP2474110A1

Abstract

本发明描述了一种具有改进瞬变性能的光学放大器，包括两个放大级（4、9）以及插入到这些级之间的增益平坦滤波器（6）。控制单元（17）针对对两个放大级（4、9）进行泵浦的公共泵浦源（13）产生泵控制信号（PCS）。泵控制信号（PCS）具有前馈分量（FCS）和反馈分量（BCS）。在信道的下降之后，前馈控制电路（19）负责瞬变性能和快速增益稳定。考虑到增益平坦滤波器（6）的特性，以计算最优前馈控制信号（FCS）。

Description

包括嵌入式滤波器的光纤放大器和具有改进前馈控制性能的控制方法

技术领域

本发明涉及一种包括嵌入式滤波器的光纤放大器和一种具有改进前馈控制的控制方法。

背景技术

光纤放大器广泛用于基于波分复用（WDM）的光数据传输网络中的信号放大。网络配置的改变、组件故障、光纤断裂或保护切换可以导致光输入功率的突然改变。这些改变导致放大器的输出处尚存的信道的平均功率电平的快速改变。此外，由于掺铒光纤放大器（EDFA）的非线性光纤效应和非理想动态属性，可以将这种改变转移至其他波长。这些改变可以传播至其他地点，从而导致整个网络上的光功率波动并可能导致振荡。因此，甚至不直接受切换操作或故障影响的信道也可能经受接收机处的一些性能下降。

此外，增益变化也可以在放大器的级联中累积。因此，甚至较小的增益变化也可以导致接收机处的显著功率改变。因此，需要高效的放大器控制技术，其允许将反相（inversion）保持相对恒定，且从而将放大器或放大级的增益曲线（gain profile）保持相对恒定，即使在输入功率改变的情况下。

目前，快速电子控制架构是使EDFA的增益稳定的最经济的解决方案。通常，使用反馈架构，这是由于其允许将增益或输出功率调整至给定的目标值并补偿控制误差。然而，纯基于反馈的控制器无法满足动态重新配置的网络的瞬变性能需求。幸运的是，反馈控制器可以由前馈控制器补充。两种类型的控制器的组合将对任何改变的快速响应提供给反馈系统，从而清除通过前馈控制进行的预定调整中的任何误差。

为了将增益变化保持尽可能小，前馈控制必须尽可能精确地预测针对改变的输入功率条件将反相保持恒定所需的泵浦功率。典型地，将所需的泵浦功率估计为输入功率加某偏置（offset）的线性函数。然而，该方案忽视了波长的影响，这可以导致所计算出的泵浦功率与实际需要的泵浦功率之间的显著偏差。

在专利US 6341034 B1中描述了缓解该问题的方案。所描述的解决方案包括放大器输入处的附加监视路径，该放大器输入包括附加光学滤波器以及处于滤波器之后的用于测量光功率的后续装置。这给放大器增加了一些成本。然而，该解决方案的主要缺陷在于由于必须耦合出的增大的功率而增大的、放大器的输入处的信号路径中的损耗。

专利EP 1 695 467 B1公开了一种用于通过前馈控制来改进瞬变性能的方法，其考虑到所需的泵浦功率取决于下降（drop）过程中尚存的信道的波长。该解决方案的主要优势在于：此被实现，而不给标准放大器设计增加一些附加组件。然而，该解决方案给控制软件增加了一些复杂度，并增多了放大器校准所需的工作量。

典型地，用于商业应用的放大器由多个级构成，即使在其间不存在接入端口也是如此。在许多情况下，这些级由隔离器分离，该隔离器减小后向行进的放大器自发发射，且从而对改进噪声系数作出贡献。

原理上，不同级中的信号放大所需的功率可以由专用于每一个级的泵提供。然而，成本降低已经变为持续的任务。因此，泵浦功率旁通或泵浦功率分割已经变为用于降低放大器成本的广泛使用的技术。如果将泵浦功率分割应用于由经受延迟的组件（例如，色散补偿光纤（DCF））分离的放大级，则得到不可接受的较差瞬变性能。因此，典型地，将泵分割仅应用于均处于DCF之前或处于DCF之后的级。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种通过考虑波长相关性而具有改进前馈控制性能的光纤放大器，而不给放大器设计增加显著复杂度。具体地，不应当使用附加的光学滤波器。

本发明涉及一种光学放大器，具有：

接收输入信号的第一放大级以及串联连接且对输出信号进行输出的第二放大级；

光学增益平坦滤波器，插入到所述放大级之间；

至少一个泵浦源（pump source），产生泵信号；

控制单元，确定所述泵信号的功率，所述控制单元包括：

校正单元，接收表示所述光学增益平坦滤波器的测量输入和输出功率电平的滤波器输入测量信号和滤波器输出测量信号，根据滤波器衰减值来确定来自至少滤波器测量信号的校正参数；以及

前馈控制电路，接收从光学放大器输入信号和校正值导出的输入测量信号，以根据放大器输入信号的输入功率以及校正值来计算前馈控制信号。

本技术通过进行计算来考虑波长相关性。该方案的优势和劣势在于：

过冲得到显著降低，而无需强大的数字信号处理器，且仅需要针对校准的较小附加工作量以及仅具有微小成本的附加光学组件。

本发明可以用于不同放大器设计，并且还可以与改进瞬变性能的其他控制方法进行组合。

为了允许对信道的下降的快速反应，前馈计算电路（19）根据FCS = A·P_IN + B + α·CP(FA)·P_IN来计算前馈控制信号FCS 。在该等式中，前两项提供了所需的泵浦功率的平均值。第三项执行一些校正并在该等式中引入波长相关性。

根据技术需求，通常必要地，控制单元还适于通过反馈控制来控制放大器增益和/或输出功率。

反馈与前馈控制的组合实现了快速且精确的增益或功率控制。

有利地，前馈校正计算单元被设计为在确定校正参数时结合放大器输入信号的功率。

由于校正参数对于不同输入功率来说稍有不同，因此考虑其余信道的输入功率允许对变化参数的更精确确定。

可适于网络需求的是一种控制单元，其被实现为接收分别从输入信号和输出信号导出的电测量信号的可编程处理器。

如果使用两个放大级的公共泵浦源，则成本降低是可能的。

本发明还涉及一种用于控制光纤放大器的方法，所述光纤放大器具有至少两个放大级、插入到这些级之间的增益平坦滤波器、以及泵浦源，该控制是通过以下操作进行的：

- 测量所述增益平坦滤波器的输入功率和输出功率；

- 测量放大器的输入功率；

- 根据从所述增益平坦滤波器的输入功率和输出功率以及放大器输入功率导出的所述增益平坦滤波器的衰减，确定前馈控制信号；以及

- 通过所述前馈控制信号来控制泵浦源的泵浦功率。

在另外的其余从属权利要求中描述了本发明的更多细节。

附图说明

以下参照附图来描述本发明的当前优选示例，在附图中：

图1示出了典型光纤放大器的简化框图；

图2示出了具有对应控制组件的光纤放大器的简化框图；以及

图3示出了三个曲线图：

3a示出了作为波长的函数的变化参数的图；

3b示出了作为波长的函数的滤波器衰减；以及

3c示出了作为从图3a和3b导出的衰减的函数的变化参数。

具体实施方式

图1示意了典型光纤放大器（EDFA）的简化框图。该图还示出了诸如一些隔离器之类的光纤放大器的细节，其不是本发明的一部分。

光纤放大器包括由串联连接的掺杂光纤（EDF）表示的两个放大级4和9。光学增益平坦滤波器（GFF）6连接至第二放大级9的输出。放大器输入1处的第一隔离器和两个级之间的第二隔离器减小后向行进的放大器自发发射，且从而有助于改进完整设置的噪声系数。对输入1和输出11处的信号进行测量，并且对泵浦源13进行控制，以实现恒定增益。在图2的描述中说明放大器的其他元件。

图2示意了根据本发明的光纤放大器（EDFA）的简化框图。同样，放大器还可以包括诸如隔离器之类的附加元件，其不是本发明的一部分。

该光纤放大器也具有串联连接的两个放大级，这两个放大级同样由第一和第二掺杂光纤（EDF）4和9表示。与典型放大器设置相比，光学增益平坦滤波器（GFF）6插入到所述放大级之间。这是重要的方面—本发明不适用于置于放大器输出处的GFF。

在该实施例中，这两个放大级还由单个泵浦源13进行泵浦。经由泵耦合器3将泵信号PS插入到第一掺杂光纤4中。在前向泵信号已经经过第一掺杂光纤4之后，将具有残余泵浦功率的减小的泵信号插入到第二掺杂光纤9中。为了避免泵浦功率损耗，第二隔离器和光GFF经由波分解复用器5和波分复用器8来传递减小的泵信号。由于隔离器在波长频带外的高损耗，还在两个级之间没有嵌入式滤波器的布置中使用这种旁路。这些级还可以是经由来自单个泵浦源的功率分配器（power splitter）或者经由不同泵浦源来前向或后向泵浦的。

在所示意的实施例中，控制单元17输出泵控制信号PCS，PCS被馈送至产生所需泵浦功率的单个泵浦源13。

控制单元17利用前馈控制和反馈控制。作为本发明的实质部分，所示意的前馈控制包括前馈控制电路（FCC）19和校正参数计算电路（CCC）20 。校正参数计算电路20接收分别从GFF输入信号WS2和GFF输出信号WS3导出的电滤波器输入测量信号S2和电滤波器输出测量信号S3。这些测量信号通过第二和第三功率分配器61和7而耦合出，且然后由光电转换器（光电二极管）14和15转换为电滤波器输入测量信号S2和滤波器输出测量信号S3。校正参数计算电路20根据这些测量信号来计算滤波器衰减FA，并确定校正参数CP（例如根据查找表）。以下将进一步说明细节。将校正参数CP和输入测量信号S1馈送至前馈控制电路（FCC）19，FCC 19输出前馈控制信号FCS。尤其在信道的下降之后，前馈控制负责瞬变性能和快速增益稳定。

反馈控制环路包括：第一功率分配器2，布置在放大器输入1与泵耦合器3之间；以及第四分配器10，布置在第二掺杂光纤9的输出与放大器输出11之间。控制单元17还包括：第一光电转换器12和第四光电转换器16，分别将放大器输入信号WS1和放大器输出信号WS4转换为电输入测量信号S1和电输出测量信号S4，这些测量信号被馈送至反馈控制电路（BCC）21。所示的反馈控制仅是可根据不同需求而适配的示例。反馈控制电路21产生反馈控制信号BCS。加法器18将该信号与前馈控制信号FCS进行组合，从而校正前馈控制信号。所得到的泵控制信号PCS控制泵浦源13，且从而控制信号放大。通常，反馈控制优化了增益控制。如果控制信号是例如数字值，则将产生泵信号的转换器插入到加法器18与泵浦源13之间。

图2仅示出了功能单元。控制单元17可以被设计为可编程处理器单元，从而允许容易地适配于网络需求。

功率下降构成了光网络中最关键的瞬变情形，这是由于其可以由网络元件的偶然事件（例如光纤切断或失灵）造成，并且所引发的功率改变是不可预测的。因此，以下考虑集中于功率下降。

泵浦功率的前馈分量或者成比例的前馈泵控制信号FCS分别计算如下。首先，使用标准线性方案来确定前馈泵信号分量的起始值P_FFS：

P_FFS = a·P_IN + b （1）

其中

P_FFS — 前馈泵浦功率分量，以[mW]表示；

a — 常量因子；P_IN — 放大器输入功率；b — 偏置功率值[mW]。

按控制泵13的所需前馈控制信号FCS来表示，可以以修改的形式将该等式写为：

FCS_S = A·S1 + B （2）

其中

P_FFS ~ FCS_S；

A — 常量因子；S1 — 放大器输入测量信号[mA]；

B — 偏置电流值[mA]。

以这样的方式对线性函数进行校准，即使得其预测所考虑的频带内尚存的波长的不同组合所需的平均泵浦功率。

为了简明，假定参数a、b和A、B是常量。然而，这些参数还可以适于放大器的不同操作条件。

在下一步骤中，通过考虑波长相关性，将校正应用于项A·S1 + B。校正项由取决于GFF 6衰减FA和测量的总放大器输入功率的上述校正参数CP支配。如上所述，校正计算电路（CCC）20根据在GFF之前和之后测量出的功率电平，计算或确定校正参数CP，或者写为滤波器衰减FA的函数CP(FA)。测量的衰减强烈地取决于滤波器的输入处的信号的频谱形状，尽管滤波器函数自身不变。

总之，FCC 19根据下式来计算前馈泵浦功率：

P_FF = a·P_IN + b + CP(FA) ·P_IN （3）

相应地，根据下式来计算前馈控制信号：

FCS = A·S1 -+ B + α·CP(FA) ·S1 （4）

其中，P_PFF ~ FCS；FA — 滤波器衰减；S1 — 放大器输入测量信号；P_IN — 总放大器输入功率。因子A、α和项B提供了功率电平与电流控制值（而不是电流值，这些项还可以表示数字值）之间的相关性。

为了演示该技术的性能，已经通过仿真，考虑了大量下降情形。对于每个情形，已经假定在下降一些信道之前将40个信道投入到放大器中。然而，这些情形关于尚存信道的数目、放大器的输出功率和/或尚存信道的波长而不同。下降发生前的放大器输出功率已经在从0dBm至15dBm的范围内变化。

对于这些情形（1至40个信道的所有组合）中的每一个，已经确定将放大器的增益保持恒定所需的精确泵浦功率RPP(λ)。此外，已经在相同输入功率的情况下通过考虑所有情形来计算平均泵浦功率值APP。

变化参数

VP = (RPP(λ) - APP)/P_IN （5）

其中

P_IN — 表示总输入功率；

引入了RPP(λ)，其指示与具有波长λ的其余信道的平均所需泵浦功率的相对偏差。

图3a示出了针对不同输入功率P_IN（相应地，输出功率处于从0dBm至15dBm的范围内）的、变化参数VP相对于单个其余信道的波长λ。仅示出了针对三个不同信道输入功率的三个曲线图—实线、虚线和点线。在理想前馈控制的情况下，这些变化参数应当与校正参数CP相同。

图3b指示了由GFF 6针对不同信道频率提供的衰减。这两幅曲线图中的曲线示出了类似行为。因此，曲线图3a和3b表明：在变化参数与由滤波器提供的衰减之间存在明确的关系。

根据图3c，相对于GFF 6的衰减而绘制了所考虑的下降情形中的每一个的变化参数，以了解信道下降后的剩余误差。显而易见，滤波器衰减是计算变化参数VP的有用参数，且因此，确定了校正参数CP（直线）相对于测量的衰减的关系，并且例如将其存储在查找表中。在简单实施方式中，校正参数CP是由GFF提供给以对数单位（dB）表示的信号的衰减的线性函数。对于从1530 nm至1560 nm的波长范围外的信道，校正值的精度显著降低（未示出）。然而，仅少数系统利用1530 nm以下的信道。为了将该实现工作量保持为较小，描述了以下解决方案：其中，校正参数CP仅取决于从测量的滤波器输入测量信号S2和滤波器输出测量信号S3导出的滤波器衰减。然而，可以通过在计算校正参数CP时考虑附加参数（诸如，信道的输入功率（例如CP(FA, P_IN)）、数目和/或波长等）来改进对所需泵浦功率的计算。可以从管理系统或监督系统接收必要的管理信息MCI。

本发明不限于上述原理的细节。本发明的范围由所附权利要求限定，并且因此，本发明应涵盖落在权利要求的范围的等同替换内的所有改变和修改。特别地，类似的控制处理可以由数字数据处理替代，反之亦然。此外，结合了基于本发明的方法对控制信号和校正值的数学转换或计算。

参考标记

1 放大器输入

2 第一功率分配器

3 泵耦合器

4 第一放大级

5 二向色分配器（dichronic splitter）

6 增益平坦滤波器

61 第二功率分配器

7 第三功率分配器

8 波导

9 第二放大级

10 第四功率分配器

11 放大器输出

12 第一电光转换器

14 第二电光转换器

15 第三电光转换器

16 第四电光转换器

17 控制单元

18 加法器

19 前馈控制电路（FCC）

20 CP计算电路（CCC）

21 反馈控制电路（BCC）

22 信道信息输入（目标值）

WS1 放大器输入信号

WS2 滤波器输入信号

WS3 滤波器输出信号

WS4 放大器输出信号

S1 输入测量信号

S2 滤波器输入测量信号

S3 滤波器输出测量信号

S4 放大器输出测量信号

BCS 反馈控制信号

FCS 前馈控制信号

BCS 反馈控制信号

PCS 泵控制信号

PS 泵信号

MCI 管理信道信息

P_FF 前馈泵浦功率分量

P_FFS 前馈泵浦功率分量起始值（startwert）

VP 变化参数

CP 校正参数

FA 滤波器衰减

BCC 反馈控制电路

FCC 前馈控制电路

CCC 校正计算电路

Claims

1.一种具有改进瞬变性能的光纤放大器，包括：

被设计为接收放大器输入信号（WS1）的第一放大器级（4）以及串联连接且被设计为对放大器输出信号（WS4）进行输出的第二放大器级（9）；

光学增益平坦滤波器（6），插入到所述放大器级（4、9）之间；

至少一个泵浦源（13），被设计为产生泵信号（PS）；

控制单元（17），被设计为确定所述泵信号（PS）的功率，所述控制单元（17）包括：

校正参数计算单元（20），被设计为接收表示所述光学增益平坦滤波器（6）的测量输入和输出功率电平的滤波器输入测量信号（S2）和滤波器输出测量信号（S3）的测量功率电平，所述计算单元被设计为根据滤波器衰减值来确定来自至少滤波器测量信号（S2、S3）的校正参数（CP）；以及

前馈控制电路（19），被设计为接收从所述放大器输入信号（WS1）和校正参数（CP）导出的输入测量信号（S1），以根据放大器输入信号（WS1）的输入功率以及所述校正参数（CP）来计算前馈控制信号FCS。

2.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中

前馈计算电路（19）被设计为根据下式来计算所述前馈控制信号FCS：

FCS = A·S1 -+ B + α·CP(FA) ·S1

其中，A、α — 常量因子；S1 —放大器输入测量信号[mA]；B — 偏置电流值；CP —校正参数；FA — 滤波器衰减。

3.根据权利要求2所述的光纤放大器，其中所述校正参数计算电路（20）被设计为根据增益平坦滤波器（6）的测量衰减而计算校正参数（CP）。

4.根据权利要求3所述的光纤放大器，其中

所述校正参数计算电路（20）被设计为在确定所述校正参数（CP）时结合放大器输入信号（WS1）的功率（P_IN）。

5.根据权利要求3或4所述的光纤放大器，其中

计算所述校正参数（CP）过程中的所述校正参数计算电路（20）被进一步设计为考虑其余信道的波长的影响和/或数目。

6.根据权利要求5所述的光纤放大器，其中

所述校正参数计算电路（20）被设计为接收管理信道信息（MCI）并确定考虑活动信道的校正参数（CP）。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的光纤放大器，其中

所述控制单元（17）还包括用于控制放大器总体增益和/或放大器输出功率的反馈控制电路（21）。

8.根据权利要求5所述的光纤放大器，其中

9.根据权利要求1、2、3或4所述的光纤放大器，其中

所述控制单元（17）被实现为可编程处理器，其被设计为从增益平坦滤波器（6）的输入和输出接收电滤波器测量信号（S2、S3），且还接收分别从放大器输入信号（WS1）和放大器输出信号（WS4）导出的测量信号（S1、S4）。

10.根据权利要求5所述的光纤放大器，其中

所述控制单元（17）被实现为可编程处理器，其被设计为接收电滤波器测量信号（S2、S3），且还接收分别从放大器输入信号（WS1）和放大器输出信号（WS4）导出的电放大器测量信号（S1、S4）。

11.根据权利要求1、2、3或4所述的光纤放大器，包括：

使用了用于对两个放大级进行泵浦的公共泵浦源（13）。

12.根据权利要求5所述的光纤放大器，包括：

使用了用于对两个放大级进行泵浦的公共泵浦源（13）。

13.一种用于控制光纤放大器的方法，所述光纤放大器具有至少两个放大级（4、9）、插入到这些级（4、9）之间的增益平坦滤波器（6）、以及泵浦源（13），所述方法包括以下步骤：

- 测量所述增益平坦滤波器（6）的输入功率和输出功率；

- 测量放大器的输入功率；

- 根据从所述增益平坦滤波器（6）的输入功率和输出功率以及放大器输入功率导出的所述增益平坦滤波器（6）的衰减，确定前馈控制信号（FCS）；以及

- 通过所述前馈控制信号（FCS）来控制泵浦源（13）的泵浦功率。

14.根据权利要求13所述的方法，还通过反馈控制来进一步控制所述光纤放大器的增益或功率。