CN1208916C - Wdm光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制光放大器(100)信号输出功率的方法和装置。用于监控放大器输出功率的目标输出功率包括所要求的信号输出功率与在这个功率下产生的ASE的估算之和。在任何增益下对ASE的估算是通过采用放大器的增益与所产生的放大自发发射(ASE)之间预先设定的关系而进行的。在本发明的一个简单实施中，当所述关系通过测量在两个不同增益下的ASE而被确定时，这个关系被近似为一个线性相关。通过测量所接收的输出信号功率并且从总的接收输出功率中减去这个测量值，则确定了所接收的ASE。也可以进行所述关系的更复杂测量。所确定的目标输出功率可以用来稳定放大器的输出。

Description

WDM光通信系统

发明领域

本发明广泛地针对采用光放大器的光传输系统，并且更具体地针对波分复用(WDM)系统。本发明特别相关于在存在放大自发发射(ASE)下光放大器的输出功率控制。

背景技术

在任何光网络中，重要的是维持所有通信信道的正确功率电平。通常这是通过使用宽带光探测器如光探测器来监控光放大器的输出功率而实现。然后在反馈回路中利用受监控的输出功率来调节放大器的增益，以便于产生所要求的输出功率。这一原理在图1中加以举例说明。图1中的装置包括一个光放大器10，在所举例说明的实例中该光放大器是一个按照传统方式由一个或几个抽运激光器20驱动的有源光纤放大器。所述放大器10同样地可以是一个半导体激光放大器，在这种情况下抽运激光器将由控制激光器的电流或电压源所取代。放大器10接收输入信号功率P_in。通过采用光耦合器或分束器30或其它传统方式来抽取输出信号的一小比例，放大器10的输出被分裂。所述输出被馈给到输出监控器40，如一个宽带光探测器，该输出监控器将光信号转换成电信号。随后具有功率P_out的信号与一个所要求的或目标的信号功率P_{out_target}相比较。这个目标功率P_{out_target}是在光纤中被传输的所有信道的总功率。因此它可以被表示为

P_{out_target}＝N_ch×P_{ch_target}

其中N_ch是WDM链路中所携带的信道数目。

然而，不管光放大器是包括光纤放大器还是半导体激光器，其特征是放大自发发射(ASE)，所述放大自发发射证明其本身是作为在放大器输出上的一个宽带信号。对于高输入信号功率，在输出处所测量的功率包括可忽略的放大自发发射(ASE)的这一比例。但是，在低信号功率下，例如功率低于约-20dBm，由于ASE引起的总测量输出功率的比例是重要的。如果参考图1在上述的这个目标功率的基础上，通过调节放大器增益而使信号输出功率得以校正，则合成的信道输出功率将不可避免地低于所要求的值。

众所周知在放大器的输出处采用一个窄带探测器来测量在有限波长范围内的信号功率。这有效地将ASE滤掉，这样所监控的信号是输出通信功率的一个真实的拷贝。虽然这样的方案在采用单载波波长的系统如时分复用(TDM)系统中可行，但是对于采用大量不同波长的WDM系统的情况却不适用。虽然存在于WDM系统中的信号波长之一可以采用窄带探测，但是由于两个原因其存在问题。首先，系统变得不灵活，因为所监控的信号必须路经网络内的所有光放大器。其次，系统先天便脆弱，因为出现在所监控信道中的任何故障将造成整个网络的崩溃。

因此需要一种能够稳定光放大器输出功率的装置，其在WDM系统中有效、易于实施并且在很大程度上对单个信道中的故障不灵敏。

发明概述

本发明提出一种用于监控光放大器输出功率的方法和装置，其中被用来监控放大器输出功率的目标输出功率包括总的所要求的信号输出功率和在这个所要求的输出功率下产生的放大自发发射的估算。这通过确定放大器增益与所产生的放大自发发射(ASE)之间的关系，并且然后通过应用这个关系来确定在任何增益下所产生的ASE而实现。

所要求的增益由所测量的输入功率和所要求的信号输出功率而得到。ASE估算包括确定输出信号功率及从总测量输出功率中减去上述输出信号功率。对一级近似，可以假设ASE与增益之间的关系为线性相关。然后这通过测量在至少两个不同增益下产生的ASE而加以确定。如果需要ASE和增益之间关系的更精确近似，则可以测量更多值将其作为曲线拟合或以表格的形式来存储。

通过比较目标输出功率和所测量的总输出功率，并且当所述这两种输出量基本上不相等时通过调节放大器增益，所确定的目标输出功率可以被用来稳定放大器的输出。虽然采用这一所确定的关系对放大器输出功率的监控和校正是随时进行的，但是对于一个光放大器，增益和ASE之间的关系只例如在生产过程期间被确定一次。

这种方法及关联的装置允许因所产生的ASE造成在信道功率上的任何误差能够被可靠地排除，而不需附加的元件如窄带探测器或专门用于监控的专用波长。这是可能实现的，因为监控器并不被用来获取ASE功率的绝对值，而是在监控期间，用在反馈回路中校正目标功率以考虑ASE的效果。由于光放大器的复杂性造成对此总ASE功率加以查实既困难又费力，因此没有必要知道总的ASE功率，而是仅仅需要对到达输出监控器的ASE功率加以确定。这导致一个使用在WDM链路中用于监控光放大器操作的简单、精确且相对快速的机构。

附图的简要说明

参考附图，从通过实例给出的对所优选实施例的下面说明，本发明的其它目的和优点变得显而易见。

图1示意性地描述了用于监控和调节光放大器输出功率的现有技术装置。

图2示意性地描述了用于测量到达不同放大器增益下的输出监控器的ASE功率。

图3示意性地描述了通过采用在图2装置所产生的数据用于稳定输出功率的装置。

图4是举例说明遵从图2中程序的流程图，以及图5是举例说明遵从图3中程序的流程图。

附图的详细说明

根据本发明，连接在WDM链路中携带有多个通信信道的光放大器的所要求的输出功率包括所有通信信道所要求的输出功率与由ASE引起的功率估算之和。因此所要求的输出功率遵从下面的关系：

P_{out_target}＝N_ch×P_{ch_target}+P_ASE(G)           -方程式1

其中P_{out_target}是光放大器总的所要求的输出功率，N_ch是通过光放大器的信道数目，P_{ch_target}是每个单独信道所要求的输出功率，以及P_ASE(G)是通过输出监控器测量出的由光放大器在具体增益G下所产生的ASE功率。

由光放大器产生的ASE功率取决于放大器的增益。ASE和增益之间的关系是复杂的，但是对于第一级近似，它可以被看成为线性。一旦已经确定这个线性关系，则可以对任何所要求增益下的ASE功率进行合理的良好估算。

图2示意性地显示出用于测量在光放大器内产生的放大自发发射ASE以及用于将其输入输出监控器的装置。在该图中，光放大器100的输入侧被连接到第一光耦合器110并且其输出侧被连接到第二耦合器120。光放大器可以是产生放大自发发射的任何形式的光放大器。因此它可以包括，但并不局限于掺杂稀土的光纤放大器、未掺杂的光纤放大器如拉曼(Raman)或布里渊(Brillouin)放大器或半导体激光放大器。所述第一光耦合器110被连接到一个输入光纤，该输入光纤携带有具有高光学信号与噪声比的窄光谱宽度的测试信号。所述第二光耦合器120的输出侧被连接到一个输出光纤，该输出光纤携带有放大的测试信号及由光放大器100所产生的任何ASE。选择光耦合器110、120来抽取所传输信号的一小比例并且使其典型地具有大约1∶20的抽取率。本领域的那些普通技术人员要理解的是：光耦合器110、120可能是能够抽取光纤中所携带光信号的一部分的任何传统的及未来的装置。

由第二光耦合器120所抽取的输出信号部分被传递到另一个耦合器或分束器130，所述另一耦合器或分束器将信号分裂成两个路径。在第一路径中，耦合器130被连接到一个窄带滤波器140，该窄带滤波器被调谐到测试信号的波长。所述滤波器140并不滤掉所产生的ASE，但是其带宽被选择成足够窄，以便于由ASE引起的那一比例的信号功率显著地比测试信号功率低，并且因此可以被忽略。因此滤波器140的输出仅代表测试信号的信号功率。滤波器140被连接到一个光探测器150光探测器上，所述探测器将经滤波的光信号转换成电信号，所述电信号代表以P_sig-out表示的输出功率。

在连接到耦合器130的第二路径中，光信号直接穿过可以是光探测器的宽带光探测器160并且被转换成一个电信号。这个信号代表光放大器的总功率P_total输出并且可以表示为

P_total＝P_{sig_out}+P_ASE

因为信号P_{sig_out}的输出功率通过测量而获得，所以由于ASE引起的输出功率可以根据下面表达式通过从总输出功率中减去这个测量值而计算出：

P_ASE＝P_total-P_{sig_out}

这个计算在模块170中进行以提供ASE功率P_ASE。这个值精确地反映了到达探测装置的ASE功率量。

如上所述，由放大器所产生的ASE是放大器增益的函数。利用在图2的装置中接收两个输出的增益计算模块190，测量出放大器100的增益。一个输入是测试信号的输入功率P_{sig_in}，其由光探测器180及在光放大器100输出处的第一耦合器110来提供。另一个输入是在光探测器150输出处的信道输出功率P_{sig_out}。于是增益G可以简单地由下式给出：

G＝P_{sig_out}/P_{sig_in}

然后所测量出的ASE功率P_ASE和相关的增益G被共同存储在由200表示的存储元件中。

假设光放大器的增益和ASE功率之间线性相关，则为了查明这个线性关系，必须测量不同增益下的两个P_ASE值。这是通过改变光放大器100的增益并且重复上述的测量过程而实现。通过修改到光纤放大器的激光抽运(未显示出)的控制电流或电压或者修改到半导体激光放大器的注入电流，放大器100的增益被改变。如果在第一增益G₀下，所测量出的ASE输出功率为P_ASE(G₀)，且在第二增益G₁下，所测量出的ASE输出功率为P_ASE(G₁)，则采用下面表达式，在任何增益下的ASE输出功率可以被近拟为：

$P_{\mathrm{ASE}}\left(G\right)=P_{\mathrm{ASE}}\left(G_0\right)+\frac{P_{\mathrm{ASE}}\left(G_1\right)-P_{\mathrm{ASE}}\left(G_0\right)}{G_1-G_0}\×(G-G_0)$ -方程式2

作为选择地，ASE功率P_ASE与增益G之间的关系可以被表达为：

P_ASE＝k₁×G+k₂

其中k₁和k₂是如下所示的常数：

$k_1=\frac{P_{\mathrm{ASE}}\left(G_1\right)-P_{\mathrm{ASE}}\left(G_0\right)}{G_1-G_0}$ -方程式3

$k_2=\frac{P_{\mathrm{ASE}}\left(G_0\right)\×G_1-P_{\mathrm{ASE}}\left(G_1\right)\×G_0}{G_1-G_0}$ -方程式4

常数k₁和k₂被计算出并被存储在如图2所示的P_ASE对增益(P_ASE vs.Gain)存储单元200中。

虽然在上述程序中仅利用ASE功率和增益的两组值来确定常数k₁和k₂，应该理解为可以采用两组以上的测量。当在所要求的要的精度下两组读数不足以确定这些常数时，这尤为令人感兴趣。此外，如果要确定ASE功率对增益相关性的更精确的模型，则可能需要进行更多的测量。另一项选择是进行ASE对增益的全部测量并且使之符合于一个更加精确的数学模型，或者使之符合于例如在查找表格中以表格形式的相关数据。

现在开始回到图3，其中显示出用于调节光放大器100增益的装置，所述的光放大器连接在WDM链路中以获取所要求的信道输出功率P_{ch_target}。从上面给出的方程式1中将回想到：光放大器的总的所要求的输出功率等于所要求的信道输出功率与所产生的ASE功率之和。在这个方程式中的功率值代表在放大器输出处由光监控器所接收的功率。

在图3中的装置中，包括一个或几个抽运激光器并且控制光放大器100增益的驱动器390被耦合到放大器100上。该装置对应于有源光纤放大器100。如上所述，如果放大器100是一个半导体激光放大器，则抽运将由一个注入电流源来取代。借助于耦合器310，到达光放大器100的输入信号的一部分被耦合到宽带光探测器160以提供一个表示输入功率P_in的信号。根据下面的表达式，利用所要求的信道功率P_{ch_target}可以在模块350中计算出所要求的增益G：

G＝N_ch×P_{ch_target}/P_in

然后这个增益值G被传递到ASE估算模块360，该模块计算出在增益G下(见，例如上述的方程式2至4)的ASE功率P_ASE(G)。取决于制作ASE功率和增益之间关系的模型所采用的方法，ASE估算模块360可以利用所存储的常数k₁和k₂(方程式3和4)，更复杂的模型需要两个以上所存储的已确定值、或所存储的P_ASE对增益关系的表格表示形式。然后所估算的ASE功率P_ASE和所要求的信道输出功率P_{ch_target}被提供到另一个处理模块370，这个处理模块利用上述方程式1产生所要求的输出功率。

来自放大器100输出的一部分同样地由耦合器320来抽取，此耦合器被连接到宽带光探测器330上。表示总输出功率P_total的合成信号在反馈模块或误差信号发生器380中与在模块370中所产生的所要求的输出功率P_{out_target}相比较。这些信号之间的任何差异导致产生一个反馈信号，该反馈信号被用来校正激光抽运390的抽运电流，或作为选择地在半导体激光放大器的情况下被用来校正注入电流，以及因此调节放大器100的增益。

对于本领域的那些普通技术人员很显然的是：对于输出功率的调节，因在图1和图2所描述的装置中的各种光和电子元件中的损失所造成的误差并不是关键性的。没有必要精确地确定ASE功率。所述装置并不要求知道难以确定的总ASE功率。确定出多少ASE功率到达了监视器并且相应调整目标输出功率便足够了。

虽然上述计算假设所有的信道具有相同的功率，但是可以发生一些信道具有比其它信道更高的功率。在这样的情况下，可以修改所述装置和方法来将加权引入到计算中以补偿具有不同功率的通信信道。尤其是，系数N_ch将根据单个测量信道相对于所有信道的功率关系被加权。

利用图3的示意性装置来监控输出功率的程序是一个进行中的程序，它可以被永久地用来监控且调节放大器的增益。为了更便利于这个过程，在图3中所描述的监控电路可以被集成在一个带有放大器100的单个单元中。

相反地，为了确定光放大器的增益与ASE功率之间关系进行的不同增益下的ASE测量将理想地只需要进行一次，优选地是在生产期间或生产之后。

虽然各种功能归因于图2和3中的不同模块，但是在每个情况下利用一个带有相关联的存储器的单个可编程微处理器，或者作为选择地，利用一个快速可编程的门控阵列(FPGA)可以完成这些功能。因此在每种情况下在图2装置中的P_ASE探测170、增益探测190、P_ASE对增益190关系的存储这些功能，以及在图3装置的增益处理350、P_ASE估算360以及P_{out_target}产生370这些功能可以被结合在一单个功能单元中。

图4和5是举例说明遵从微处理器或专用逻辑阵列来分别执行图2和3中所示元件功能的程序的流程图。

在所述的两个程序中，已经确定出ASE功率与增益之间的关系为一个作为线性相关的第一级近似。在本领域的那些普通技术人员要理解到：其它更复杂的这一关系的模型或查找表格可以取代所述的简单近似。因为优选地在自动程序中的生产期间确定这一关系，所以用来建立所述相关的几十个、几百个或者甚至几千个测量值只需要极小的附加工作、时间或成本。

图4的流程图举例说明用于确定光放大器的ASE功率和增益之间关系的模型的步骤。随着读取所测量的总输出功率P_total，所述流程起始于步骤401。在步骤402中所测量的测试信号功率P_{sig_out}被读取。然后在步骤403中根据方程式：P_ASE＝P_{total-Psig_out}计算出ASE功率并在步骤404中将其存储。在步骤405中，测试信号P_{sig_in}的输入功率被读取。在步骤406中计算出增益G(P_{sig_out}/P_{sig_in})并且在步骤407中将其存储。在步骤408中，确定是否两个增益值已经被存储。如果回答是“否”，则在步骤411中调节光放大器100的抽运功率并且对于一个不同的增益重复此过程。如果回答是“是”，则计算出常数k₁和k₂。

在图5中举例说明输出功率的稳定过程。随着总输入功率的读取，这个过程起始于步骤501。然后在步骤502中利用已知的信道数目和目标信道输出功率P_{ch_target}计算出增益。在步骤503中，利用所存储的常数k₁和k₂，确定所计算增益G下的ASE功率。然后在步骤504中根据方程式1确定总的目标输出功率P_{out_target}。在步骤505中读取实际测量的总输出功率并且在步骤506中与目标输出功率相比较。如果它们相同，则调节结束并且返回到第一步骤501以继续监控程序。如果目标的总输出功率与测量的输出功率P_{out_target}之间有差异，则在步骤507中调节抽运功率并且过程返回到步骤505，在步骤505中测量所调节的输出功率。

虽然本发明参考了一个WDM链路被加以说明，但是本领域的那些普通技术人员将意识到：所述的监控和输出功率稳定方法和装置还可以被应用到连接在单载波系统(如一个TDM系统)的光放大器上。

Claims (12)

1.一种用于监控光放大器(100)的方法，其包括；

测量到光放大器的输入功率(P_in，tot)；

基于所测量的输入功率(P_in，tot)和所需的信号输出功率(P_out，target)确定所需的增益(G)；

利用预先设定的放大器的放大自发发射功率与增益之间的关系，估算对于所述所需增益的放大自发发射(P_ASE)；

将所测量的输出功率与所需的信号输出功率和估算的放大自发发射功率之和相比较；

如果所测量的输出功率不等于所需的信号输出功率和估算的放大自发发射功率之和，则调节放大器的增益。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述预先设定的关系通过下述方法被确定：

测量在至少两个增益值下所接收的因放大自发发射而造成的功率，以及

利用所述的测量值，确定放大自发发射与增益之间的至少一个近似关系。

3.如权利要求2所述的方法，其中测量所接收的因放大自发发射而造成的功率的步骤包括：

测量由放大器(100)输出的信号功率(P_{sig_out})；

测量总的输出功率(P_{tot_out})，以及

从总输出功率(P_{tot_out})中减去信号输出功率(P_{sig_out})以确定所接收的放大自发发射功率(P_ASE)。

4.如前述任何一项权利要求所述的方法，其中所述的预先设定的关系由两个常数来表示，所述的两个常数限定了关系P_ASE(G)＝k₁×G+k₂，这两个常数由下面的方程式来限定：

k₁＝(P_ASE(G₁)-P_ASE(G₀))/(G₁-G₀)，以及

k₂＝[P_ASE(G₀)×G₁-P_ASE(G₁)×G₀]/(G₁-G₀)

其中G₀是放大器的第一增益，P_ASE(G₀)是在所述第一增益下测量的放大自发发射功率，G₁是放大器的第二增益，P_ASE(G₁)是在所述第二增益下测量的放大自发发射功率，G是所需的增益以及P_ASE(G)是在所需增益下所估算的放大自发发射功率。

5.如权利要求1至3任何一项所述的方法，其中所述的预先设定的关系由多个存储值来给出，所述的多个存储值代表光放大器(100)的放大自发发射相对于增益的一条曲线。

6.如权利要求1至3任何一项所述的方法，其中所述的所需的信号输出功率(P_out，target)是通过所述放大器多个通信信道的所需的输出功率之和。

7.一种用于监控光放大器(100)输出功率的装置，其包括：

用于确定所需增益(G)的装置(310、340、350)，包括用于测量到所述放大器(100)的输入功率的装置(310，340；110，180，190)；

用于估算在所述所需的增益(G)下测量的放大自发发射功率的装置(360)；

用于产生所述放大器(100)所需的总输出功率的装置(370)；

用于将所述所需的总输出功率与测量的输出功率相比较的装置(380)；以及

当所测量的输出功率不等于所需的总输出功率时，用于调节放大器(100)增益的装置(380、390)。

8.如权利要求7所述的装置，其中将所述所需的总输出功率与测量的输出功率相比较的装置包括：

用于测量由放大器(100)输出的功率的装置(320、330；130、160)。

9.如权利要求7或8所述的装置，其中用于估算在所述所需的增益(G)下测量的放大自发发射功率的装置包括存储装置(200)，此存储装置包括表示放大器(100)的增益与放大自发发射功率之间关系的数据。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述的存储装置(200)包括一个查询表。

11.一种光放大器，其包括：

用于测量到所述放大器的输入功率的装置(310、340；110、180、190)；

与所述输入功率测量装置耦合用于确定放大器所需增益的装置(350)；以及

与所述所需的增益确定装置耦合、用于估算在所述所需增益下由放大器输出的放大自发发射功率的装置(360)；

用于测量所述放大器输出功率的装置(320、330；120、160)；

与所述估算装置耦合、用于确定所述放大器所需输出功率的装置(370)；以及

反馈装置(380)，其用于探测所需的输出功率与所述测量的输出功率之间的差异，并且当所测量的输出功率不等于所需的输出功率时其用于调节放大器的增益。

12.如权利要求11所述的放大器，其还包括与所述估算装置(360)耦合用于确定所接收的放大自发发射功率与所述放大器的任何所需的增益之间关系的装置(140、150、170、190、200)。

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