CN1141616C - 自适应智能化光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自适应智能化光纤放大器，在普通光放大器的输入端和输出端，分别用光耦合的办法取出一部分光，由相应的光探测器转换为电信号后送入智能控制器处理。智能控制器以预存储的光放大器的性能指标与其内外部各参量的关系为依据，按照不同的应用条件控制工作参数，从而使它的性能状态符合外界需要。本发明可以应用在不同的场合，实现同一个放大器既可用作前置放大，也可用作功率放大或线路放大等，使光放大器自动满足各种应用需求，解决了光放大器的自适应问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种自适应智能化光纤放大器，能自动满足各种应用需求，解决光放大器的自适应问题，属于光通信技术领域。
背景技术：
光放大器由于具有将光信号直接放大的优越性能而在光通信领域和其它如光纤CATV和光纤传感等需要光功率补偿的场合得到越来越广泛的应用。光放大技术自身的发展也非常快，其工作带宽已从窄带(红带red band)扩展到整个C波段，现开始向长(L)波段和短(S)波段方向发展，开发出了宽带和超宽带光放大器。放大器类型除了掺铒光纤放大器外，还发展了掺镨光纤放大器、掺铥光纤放大器、半导体光放大器、喇曼光纤放大器或复合型放大器等多种类型。但不管是哪种放大器在实际应用中都存在的一个问题是：不同的系统需求，需要不同特点的放大器。比如，作前置放大时要求有高的增益和低的噪声；作功率放大时则要求有足够大的功率输出，等等。从光放大器应用的场合看，密集波分复用(DWDM)系统有几个、几十个甚至几百个工作波长，要求光放大器工作波长范围宽并且增益平坦；CATV系统需要进行多路光功率分配和保证信号传输质量，要求光放大器输出功率大、失真小，等等。这样，根据不同的应用特点，光放大器又分成了光前置放大器、光线路放大器、光功率放大器以及DWDM用光放大器、CATV用光放大器、数字系统用光放大器，等等。
光放大器的自适应智能化技术是使光放大器对不同的应用要求有较强的自适应能力，能根据外界的条件，如输入/输出光信号的参数，或其它给定条件，调整其自身工作参数(如增益介质的参数或浦泵参数等)，使其工作状态最佳或使其工作状态符合外界需要的技术。
自适应光放大技术已开始受到重视。现有的光放大器产品，有的已具备某些方面的自适应特征。研究比较多而且也比较成熟的是根据输出光信号的功率改变放大器的泵浦参数，从而调节放大增益的自动增益控制技术，如Seo Yeon Park等人在IEEE Photon.Tech.Lett.，1998；6：787-789上发表的题为“Dynamic Gain andOutput Power Control in a Gain-flattened Erbium-doped Fiber Amplifier”的文章报道了一种增益平坦型掺铒光放大器的输出功率和光放大增益的控制技术。也有人研究了对光放大器增益平坦特性进行控制的智能技术，如Hyo Sang Kim等人在IEEE Photon.Tech.Lett.，1998；6：790-792上发表的题为“Actively Gain-FlattenedErbium-doped Fiber Amplifier Over 35nm by Using All-Fiber Acoustooptic TunableFilters”的文章，报道了用可调滤波器实现了增益平坦特性可变的光放大器技术。
从已发表的资料看，不管是哪种具有智能特点的光放大器，都不能使其具有这样的自适应能力：同一个放大器既可以用作前置放大，也可用作功率放大或线路放大等多种系统应用。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种新的自适应智能化光纤放大器，使同一个放大器可以智能化地应用在不同的场合，既可用作前置放大，也可用作功率放大或线路放大等，具有更广泛的自适应能力。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中采用在非智能化的普通光放大器的输入端和输出端，分别用光耦合(分光)的办法取出一部分光，这些光由相应的光探测器转换为电信号后送入光放大器的控制器处理。光放大器的控制器具有智能的特点，它通过分析从光探测器送入的电信号而对输入及输出光信号作出判别，再将判别的结果与预先存储的光放大器的各项性能指标(如光放大增益、噪声指数、光放大增益、饱和输出功率、工作带宽、增益平坦性等)与其内外部各种参量(如增益介质的性质和参数；泵浦激光的波长、形态和功率；输入/输出光信号的类型、大小及波长范围等)的关系进行比较分析，智能化地确定并调整其工作参数(如增益介质的参数、浦泵参数或滤波参数等)，使光放大器工作状态符合外界需要。
比如说，放大器应用于实际的光网系统时，不同的应用目的其输入功率的范围不同。如作功率放大器使用时，输入功率往往较大，大约在-10dBm-+6dBm之间；作前置放大器使用时，放大的是小信号，输入功率往往很小，大约在-30--20dBm之间；作线路放大时，输入功率介于上述两者之间，大约在-20--10dBm的范围。这样，我们可以将输入光功率作为自适应的一个依据。如果输入光功率很小(比如-20dBm或更低)，符合小信号前置放大的特征，则智能化处理的重点在于增益和噪声指数的优化；如果输入光功率较大(比如-10dBm或更高)，符合大信号功率放大的特征，则智能化处理的重点在于输出光功率和增益的优化；如果输入光信号符合线路放大的特征，则智能控制器对各指标进行兼顾性处理。我们可以事先将不同输入功率时不同工作参量下的放大器性能状态的变化规律及有关的最佳值记录并存储起来，应用到系统时根据实际输入信号功率的大小确定自适应的要求，然后根据存储的关系数据确定放大器的工作参量，从而实现同一个放大器既可用作前置放大，也可用作功率放大或线路放大的目的。
本发明所说的非智能化的普通光放大器，包括各种类型的掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器、掺铥光纤放大器、半导体光放大器、喇曼光纤放大器或复合型放大器等。普通光放大器的构成可以是单级放大，也可以是两级或多级放大。普通光放大器的泵浦方式可以是同向光泵浦、也可以是反向光泵浦、正反向双泵浦或其它类型的光/电泵浦。
和现有技术相比，本发明具有多方面的优越性。利用了本发明所述的技术，普通的光放大器即具有了智能特点，如宽带和超宽带光放大器变为智能化的宽带和超宽带光放大器，掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器、掺铥光纤放大器、半导体光放大器、喇曼光纤放大器或复合型放大器就分别成为智能化的掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器、掺铥光纤放大器、半导体光放大器、喇曼光纤放大器或复合型放大器等等。利用了本发明所述技术的光放大器，不但具有自动增益控制功能，而更重要的是它还将光放大器的输入信号作为它进行控制的重要参照依据，使光放大器有了更广泛的适用性能。同一个自适应智能化光放大器即可以满足前置放大、功率放大或线路放大的多种应用需要，使光放大器的应用更灵活方便。由于需要的光放大器种类减少了，在生产方面提高了效率、降低了成本。
附图说明及具体实施方式：
为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步描述。
图1是本发明的原理框图。如图所示，本发明的自适应智能化光纤放大器包括输入光耦合(分光)器(1)、普通光放大器(2)、输出光耦合器(3)、两个光探测器(4、6)及计算机智能控制器(5)。普通光放大器(2)的输入端和输出端分别连接输入光耦合器(1)和输出光耦合器(3)，输入光耦合器(1)和输出光耦合器(3)还分别经光探测器(4)、光探测器(6)连接到智能控制器(5)，普通放大器(2)与智能控制器(5)连接。
光信号首先进入输入光耦合器(1)，再进入普通非智能化的光放大器(2)，经放大后通过输出光耦合器(3)输出。输入光耦合器(1)分出一部分输入光进入光探测器(4)，转化为电信号后送入智能控制器(5)。输出光耦合器(3)分出一部分输出光进入光探测器(6)，转化为电信号后送入智能控制器(5)。智能控制器(5)和普通放大器(2)之间是监控信号的电联系。智能控制器通过分析从光探测器(4、6)送入的电信号，对输入及输出光信号作出判别，并将判别的结果与预先存储在光智能控制器(5)中的光放大器的各项性能指标与内外部各种参量的关系进行比较分析，确定并调整其工作参数，使光放大器工作状态符合外界需要。
图2为本发明一个实施例的原理框图。
图2的实施例是一种自适应智能化掺铒光纤放大器(EDFA)。如图所示，放大器以两条虚线为界分为第一级和第二级，输入光耦合器(1)的输出端依次连接第一级的光隔离器(7)、波分复用器(8)、掺铒光纤(9)、光隔离器(10)及输出光耦合器(11)，第一级输出光耦合器(11)的输出端通过级间光滤波器(12)依次经第二级的波分复用器(13)、掺铒光纤(14)、波分复用器(15)、输出光隔离器(16)与输出光耦合器(3)连接，第一级的输出光耦合器(11)经光探测器(19)与智能控制器(5)相连，第二级的波分复用器(13)经第二级泵浦激光器(20)与智能控制器(5)相连，智能控制器(5)分别与级间光滤波器(12)、可调光分路器(17)以及两级的泵浦激光器(18、20)相连。
光信号首先进入输入光耦合器(1)，再经过光隔离器(7)、波分复用器(8)后进入第一级的掺铒光纤(9)，再经光隔离器(10)、第一级的输出光耦合器(11)和级间光滤波器(12)，进入第二级的波分复用器(13)后进入第二级的掺铒光纤(14)，再经波分复用器(15)和输出光隔离器(16)后通过输出光耦合器(3)输出。输入光耦合器(1)分出一部分输入光进入光探测器(4)，转化为电信号后送入智能控制器(5)，光耦合器(11)分出一部分第一级的输出光进入光探测器(19)，转化为电信号后送入光放大器的智能控制器(5)，输出光耦合器(3)分出一部分输出光进入光探测器(6)，转化为电信号后送入智能控制器(5)，智能控制器(5)与级间光滤波器(12)、可调光分路器(17)以及两个泵浦激光器(18、20)之间是监控信号的电联系。
自适应智能化掺铒光纤放大器(EDFA)以两条虚线为界分为两级，第一级主要用来优化噪声性能，第二级主要用来优化光放大增益。根据噪声问题的有关论证，多级放大时，如果第一级放大器有足够的增益(不小于10dB)，则噪声指数主要由第一级放大器决定。所以只要第一级放大的噪声指数低，则整个放大器的噪声指数就可以比较低。第二级设计的偏重点在于尽可能提升输出功率。
按照事先得到的EDFA的各项性能指标与其内外部各种参量的关系和这两级放大的不同偏重，可以设计各组成部件的参数并编制自适应控制程序。智能控制器(5)通过光纤耦合器(1、11、3)和对应的光探测器(4、19、6)可以确定输入、输出光信号的参量和第一级放大的增益、第二级增益及放大器总的增益等放大器的工作状态。当有光信号输入时，智能控制器(5)将根据事先存贮的有关噪声指数、增益与泵浦光、输入光等的关系数据，结合噪声指数和光放大增益等几个因素，在保证有足够大增益的前提下，根据输入信号功率的大小等因素，决定第一级泵浦功率的大小，通过控制泵浦激光器(18)和可调光分路器(17)，从而使第一级的噪声指数对任意的输入都为最优值。
第二级采用了典型的正反两个方向同时泵浦的方式，主要用来进一步提升第一级传送来的光功率，实现增益优化。泵浦激光器(20)提供正向泵浦，可调光分路器(17)除了分出一部分光满足第一级的需要外，将泵浦激光器(18)剩余的光功率通过波分复用器(15)用作第二级放大的反向泵浦。根据双向泵浦技术的有关论证，反向泵浦对提高增益非常有效。而且只要正向泵浦不太低，反向泵浦的增加几乎不影响放大器的噪声指数。这样，可以充分发挥泵浦激光器的作用，在不改变泵浦结构和泵浦参数的情况下，能得到更大的增益。总之，通过对第二个泵浦激光器(20)和可调光分路器(17)的控制可实现增益调节，从而使放大器达到最大的或需要的增益。
另外，级间光滤波器(12)设计成可调滤波器，这样通过智能控制器的调节，可以实现对掺铒光纤放大器通带特性(增益-波长、噪声指数-波长等)的自动控制。智能控制器(5)对EDFA的每一级放大指标、每一个关键器件的工作参数以及整个放大器的各项指标数据实施智能化的综合监控，自动地按照外部条件或外界系统的指令进行调节，保持EDFA总是处于最佳工作状态，或总是工作在符合外部系统要求的状态。这种结构的自适应智能化EDFA，可以达到的主要性能指标为：小信号增益：＞35dB，噪声指数：＜4.1dB，大信号输入时饱和输出功率达到21dBm。该自适应EDFA的信号输入可以从-40dBm直到+10dBm，即有约50dB动态范围，既能够用于小信号放大，又能够用于功率放大，多种应用场合都能自动适应，而不需额外的调整。
Claims (1)
1、一种自适应智能化光纤放大器，普通光放大器(2)的输入端和输出端分别连接输入光耦合器(1)和输出光耦合器(3)，输入光耦合器(1)和输出光耦合器(3)分别经光探测器(4、6)连接到智能控制器(5)，其特征在于普通光放大器(2)分为二级，输入光耦合器(1)的输出端依次连接第一级的光隔离器(7)、波分复用器(8)、掺铒光纤(9)、光隔离器(10)及输出光耦合器(11)，第一级输出光耦合器(11)的输出端通过级间光滤波器(12)依次经第二级的波分复用器(13)、掺铒光纤(14)、波分复用器(15)、输出光隔离器(16)与输出光耦合器(3)连接，第一级的输出光耦合器(11)经光探测器(19)与智能控制器(5)相连，第二级的波分复用器(13)经第二级泵浦激光器(20)与智能控制器(5)相连，智能控制器(5)还分别与级间光滤波器(12)、可调光分路器(17)以及第一级泵浦激光器(18)相连，第二级采用正反两个方向同时泵浦方式，第二级泵浦激光器(20)提供第二级正向泵浦，可调光分路器(17)与上述第一级泵浦激光器(18)相连，该泵浦激光器(18)产生的泵浦光通过可调光分路器(17)，一部分通过第一级的波分复用器(8)用作第一级放大的正向泵浦，剩余的部分通过第二级放大的后一个波分复用器(15)用作第二级放大的反向泵浦。
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