CN102656827A

CN102656827A - 具有改进瞬变性能的光纤放大器

Info

Publication number: CN102656827A
Application number: CN2009801623492A
Authority: CN
Inventors: L.拉普
Original assignee: Nokia Siemens Networks Oy
Current assignee: Xiaoyang Network Co., Ltd.
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: CN102656827B; US8817366B2; EP2476214A1; US20120182603A1; EP2476214B1; WO2011026526A1

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（3、5）以及插入到这些级之间的色散补偿光纤（4）。控制单元（10）经由功率分配器（16）来产生针对对这两个放大级（3、5）进行泵浦的公共泵浦源（15）的泵控制信号（PCS）。泵控制信号（PCS）具有含有延迟反应的前馈分量（FCS）。对前馈延迟时间（τ_F）进行调整以最小化由输入功率下降而引起的增益变化。在优选实施例中，可调整功率分配器的分配比，以实现例如最优稳态性能或最优瞬变性能。

Description

具有改进瞬变性能的光纤放大器

技术领域

本发明涉及一种具有改进瞬变（transient）性能的光纤放大器，其利用了泵浦功率分配（pump power splitting）。

背景技术

光纤放大器广泛用于基于波分复用（WDM）的光学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学输入功率的突然改变。这些改变导致放大器输出功率的快速改变，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，可将这些快速改变转移至其他波长。这些改变可以传播至其他地点，导致整个网络上的光学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，即使输入功率改变，其也允许将反转（inversion）保持相对恒定，且从而将放大器或放大级的增益曲线（profile）保持相对恒定。

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。

另一方面，成本降低已经变为持续的任务。因此，泵浦功率分配已经变为用于降低放大器成本的广泛使用的技术。如果将泵浦功率分配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，将泵分配仅应用于均处于DCF之前或均处于DCF之后的级。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有改进瞬变性能的成本合理的光纤放大器。

本发明涉及一种光学放大器，具有：

接收输入信号（WS1）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；

光学延迟元件，插入到所述放大级之间；

公共泵浦源，产生泵信号；

功率分配器（power splitter），其输入连接至所述公共泵浦源，并且其输出分别连接至所述第一放大级和所述第二放大级；

控制单元，确定所述泵信号的功率，所述控制单元接收从光学输入信号导出的前馈控制信号，并将前馈控制的反应延迟前馈延迟时间，从而减小输出信号的增益变化，所述前馈延迟时间小于所述光学延迟元件的延迟时间。

通过设置前馈控制的正确延迟来最小化输出信号的最大增益变化。

如果光学延迟元件是色散补偿光纤，则有利地对传输光纤的色散（dispersion）进行补偿。

对于更高技术需求，必要地，控制单元还通过对放大器增益和/或输出功率的反馈控制而扩展。

有利地，泵信号分配器是可变分配器。

这允许对噪声和瞬变需求的性能适配。

可能的控制单元包括：

第二延迟元件，用于对所述前馈控制信号进行延迟；以及加法器，连接至所述第二延迟元件的输出并接收前馈控制信号；以及

反馈控制电路，用于接收从所述光学输入信号导出的电测量输入信号，并接收从所述光学输出信号导出的电测量输出信号，并产生反馈控制信号，所述反馈控制信号与所述前馈控制信号进行组合。

更灵活的是被实现为可编程处理器的控制单元，所述可编程处理器接收分别从输入信号和输出信号导出的电测量信号。

这允许根据网络需求对放大器性能的简单适配。

通过根据网络需求选择第二延迟元件的延迟以及分配因子（splitting factor），优化放大器性能。

通过在根据网络需求选择分配器的分配因子时对与前馈控制信号相关的泵信号的延迟进行编程，优化使用处理器解决方案的放大器性能。

对于更灵活的解决方案，必要地，可通过对控制单元的控制参数进行适配来调整前馈控制的延迟以及分配因子。

如果经由泵信号延迟元件来对第二放大级进行泵浦（pump），则还可以改进瞬变性能。

这允许在功率下降与对第一放大级进行泵浦的第一泵信号的减小之间有更小延迟。

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EDFA的简化框图；

图2示出了示意增益性能的时间图；以及

图3A和图3B示出了示意针对不同分配因子的增益性能的图。

具体实施方式

图1示意了光纤放大器（EDFA）的简化框图。出于简明的原因，未示出光纤放大器的细节（其不是本发明的一部分，例如用于插入泵信号的耦合器或者隔离器）。

光纤放大器包括串联连接的两个放大级3和5。每个级包括分别进行泵浦的掺杂光纤。将延迟元件4（例如，延迟为τ₄的色散补偿光纤（DCF）和/或光学滤波器）插入到所述放大级之间。单个泵浦源15产生泵信号PS，光学功率分配器16将泵信号PS划分为分别对第一和第二放大级进行泵浦的第一泵信号PS1和第二泵信号PS2。可以对这些级进行前向或后向泵浦。控制单元10控制由所述单个泵浦源15产生的泵信号PS的功率。

控制单元10利用前馈控制和反馈控制。

前馈控制产生泵控制信号PCS的前馈分量。所示意的前馈控制包括：第一分配器2，布置在放大器输入1与第一放大级3之间；第一光电转换器8（光电二极管），将放大器输入信号WS1转换为电测量输入信号S1；以及前馈控制电路12，接收测量输入信号S1并将其转换为前馈控制信号FCS。前馈控制还包括：（可变）电前馈控制延迟元件13，将前馈控制的反应延迟前馈延迟时间τ_F。所示的前馈控制延迟元件仅示意了对前馈控制的反应进行延迟的示例；延迟元件13可以被插入到控制环路中的不同位置处或者由软件实现。加法器14接收延迟后的前馈控制信号FCS。

反馈控制包括：第一分配器2；第二分配器6，布置在第二放大级5的输出与放大器输出7之间；第一光电转换器8（光电二极管）和第二光电转换器9，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。将这两个测量信号馈送至反馈控制单元11。反馈控制单元产生反馈控制信号BCS，将反馈控制信号BCS馈送至加法器14并与前馈控制信号FCS相加。为了避免在信道下降（channel drop）/添加之后对反馈控制的不期望的干预，反馈延迟元件19（其还可以被实现为低通滤波器）可以在测量输入信号S1被馈送至反馈控制电路之前将该测量输入信号S1延迟反馈延迟时间τ_B。所得到的泵控制信号PCS控制泵浦源15的功率（在必要时经由转换器，例如，如果泵控制信号是数字数据信号的话）。所示的反馈控制仅是可根据不同需求而适配的示例。

优选地，控制单元10被设计为可编程处理器，允许更高的灵活性以及对网络需求的容易适配。那么，所描述的元件由程序功能替代。然后插入转换器（图1中未示出）以将数字泵控制信号转换为控制电流。

本发明的优选实施例还包括允许不同分配因子SP的可变泵信号分配器16。

放大器的瞬变性能和噪声性能还取决于分配比。参数分配比这里表示投入到第一级中的总泵浦功率的部分。如果需要极好的噪声性能，则必须使用相当大的分配比。然而，这伴随着相当差的瞬变性能。如果存在足够的余量，则值得减小分配比，以改进瞬变性能。可以根据网络性能来适配放大器。

功率下降构成了光学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。

放大器增益中的变化将在功率下降之后发生，即使泵浦功率与输入功率的改变最优匹配也是如此。这些变化是由于泵浦机制的存储效果而引起的。此外，单个级的前馈控制的延迟反应导致增益过冲的峰值的增大。此外，放大器增益对输入功率变化的灵敏度也随着输入功率的升高而提高。这暗示了：在更高的输入功率下，泵浦电路（pumping circuit）中的已经较小的延迟导致几乎最大的增益变化。

以下描述一种技术，其减小了具有泵浦功率分配的多级放大器中的增益变化。通常在最小化增益变化之前设置分配比。

对于该示例，假定将传统波长频带（C-频带）中间距为100 GHz（0.8 nm）的相等功率的40个信道投入到光学放大器中。在时间轴上的零值处，发生了在40个信道中下降39个。功率降低发生在无限短的时间段内。如果信道下降或者切断了光纤，则这构成了光学网络中的最差情况。此外，假定前馈控制将泵浦功率调整至新值，该新值在稳态条件下精确地提供针对新输入功率的相同增益值。

根据本发明，将前馈控制信号FCS的反应延迟比光学延迟4（DCF）的延迟时间τ₄小（典型地，比光学延迟时间τ₄的延迟的一半小）的量τ_F。通常通过实验来确定典型范围(0.25至0.75) τ₄内的最优延迟值τ_F，但是其还可以被计算。

图2示出了在下降了WDM信号WS1的40个信道（信道 = 信号）中的39个的情况下放大级3和5的输出功率相对于时间的变化。在该时刻处，第一放大级3的放大是恒定但增加的，且因此，其余信号WS2的输出功率是恒定但增加的，这是由于第一泵信号PS1未减小至足够量。在更改泵浦功率后的短时间之后，其余信号WS2的输出功率降低至最终值，且第一放大级的放大已经再次达到先前值。在第一放大级3的输出信号WS2到达第二级的输入之前，将该输出信号WS2延迟DCF的延迟时间τ₄。但是，在前馈延迟时间τ_F之后，已将被注入此放大级5中的第二泵信号PS2的功率与第一泵信号PS1同时减小。因此，在延迟了τ₄的信号WS3到达第二级的输入之前，已减小第二泵信号PS2、第二放大级5的反转及其输出功率，这是由于τ₄>τ_F。图2中的底部线示出了所得到的输出信号WS4。输出信号的最大增益变化和稳定时间显著减少。

对第二泵信号PS2进行延迟的附加泵信号延迟元件17改进了性能，这是由于可以减小在放大器输入功率的下降与前馈控制信号的反应之间的延迟时间，且从而可以减小第一泵信号PS1的功率。当然，必须考虑泵信号延迟元件17的衰减。

图3A和图3B示意了分配因子SP（3的SP1的泵浦功率：SP2的泵浦功率）对瞬变性能的影响。这些图针对-12 dB和-6 dB的信道功率而绘制。示出了由于功率下降而引起的增益变化的幅值相对于前馈控制的延迟的变化。除较小的输入功率（图3a）或较小的分配比（30%）外，提供增益变化最小值的最优延迟τ随着分配因子SP的增大而减小（图3b）。

在优选实施例中，可通过控制信号DTS和SPS（优选地由软件控制）来调整可变延迟元件13和分配因子SP。通过控制信号SPC来调整分配因子。可以通过配置单元18或者甚至自动地将控制参数适配于网络需求，例如以便实现最优稳态性能或最优瞬变性能。本发明还可以用在放大器中，其中该放大器具有被由相同泵馈送的一个或多个延迟元件分离的多于两个级联放大级。

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，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。

参考标记

1 放大器输入

2 功率分配器

3 第一放大级

4 光学延迟元件，DCF

5 第二放大级

6 第二功率分配器

7 放大器输出

8 第一电光转换器

9 第二电光转换器

10 控制单元

11 反馈控制电路

12 前馈控制电路

13 （可变）前馈延迟元件

14 加法器

15 泵浦源

16 （可变）泵信号分配器

17 泵信号延迟元件

18 配置单元

19 反馈延迟元件

WS1 输入1处的放大器输入信号

WS2 3的输出处的信号

WS3 4的输出处的信号

WS4 5的输出处的放大器输出信号

BCS 反馈控制信号

FCS 前馈控制信号

PCS 泵控制信号

PS 泵信号

PS1 第一级泵信号

PS2 第二级泵信号

S1 电输入测量信号

S4 电输出测量信号

SP 分配因子

DTS 延迟时间控制信号

SPS 分配因子控制信号

τ₄ 4的延迟时间

τ_F 13的前馈延迟时间

τ_B 19的反馈延迟时间

Claims

1. 一种具有改进瞬变性能的光纤放大器，包括：

接收输入信号（WS1）的第一放大级（3）以及串联连接且对输出信号（WS4）进行输出的第二放大级（5）；

光学延迟元件（4），插入到所述放大级（3、5）之间；

公共泵浦源（15），产生泵信号（PS）；

功率分配器（16），其输入连接至所述公共泵浦源（15），并且其输出分别连接至所述第一放大级（3）和所述第二放大级（5）；

控制单元（10），确定所述泵信号（PS）的功率，所述控制单元（10）产生从光学输入信号（WS1）导出的前馈控制信号（FCS），并将前馈控制的反应延迟前馈延迟时间（τ_F），从而减小输出信号（WS4）的增益变化，所述前馈延迟时间（τ_F）小于所述光学延迟元件（4）的延迟时间（τ₄）。

2. 根据权利要求1所述的光学放大器，其中

所述光学延迟元件（4）是色散补偿光纤（DCF）。

3. 根据权利要求1或2所述的光学放大器，其中

所述控制单元（10）还适于对放大器增益和/或输出功率进行反馈控制。

4. 根据权利要求3所述的光学放大器，其中

泵信号分配器（16）是可变分配器。

5. 根据权利要求3或4所述的光学放大器，其中

所述控制单元（10）包括：

串联连接的前馈控制电路（12）和前馈延迟元件（13），产生所述前馈控制信号（FCS）；

加法器（14），接收所述前馈控制信号（FCS）；以及

反馈控制电路（11），用于接收从放大器输入信号（WS1）导出的电输入测量信号（S1），并接收从放大器输出信号（WS4）导出的电输出测量信号（S4），并产生反馈控制信号（BCS），所述反馈控制信号（BCS）被馈送至所述加法器（14）并与延迟后的前馈控制信号（FCS）进行组合。

6. 根据权利要求4所述的光学放大器，其中

所述控制单元（10）被实现为可编程处理器，接收分别从放大器输入（WS1）和放大器输出信号（WS4）导出的电测量信号（S1、S4）。

7. 根据权利要求5所述的光学放大器，其中

所述前馈延迟元件（13）的前馈延迟时间（τ_F）以及所述分配因子（SP）是根据网络需求来选择的。

8. 根据权利要求6所述的光学放大器，其中

所述前馈控制信号（FCS）的前馈延迟时间（τ_F）以及所述分配器（15）的分配因子（SP）是根据网络需求来选择的。

9. 根据权利要求7或8所述的光学放大器，其中

所述前馈延迟时间（τ_F）和所述分配因子（SP）是可调整或可编程的。

10. 根据权利要求4或9所述的光学放大器，其中

所述第二放大级是经由泵信号延迟元件（17）进行泵浦的。

11. 根据权利要求5所述的光纤放大器，包括：

反馈延迟元件（19），对被馈送至所述反馈控制电路（11）的电输入测量信号（S1）进行延迟。