CN1237293A - 具有光放大器的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光系统,包括:光放大器(11)具有至少一个输入和至少一个输出;控制电路,借助于前馈过程命令信号(PF)调整放大器(11)的输出功率,所述控制电路包括前馈块(24)和第一装置(13),用于从放大器(11)的输入分流光到前馈块(14)。根据本发明,设置前馈块(14)以便测量总的光输入功率。

Description

具有光放大器的系统
本发明涉及一种具有光放大器的系统，特别是涉及将发送的信号进行波分复用(WDM)的系统，以及在这种系统中的控制方法。
波分复用(WDM)是这样的一种技术，即采用不同的分离光波长，使得大量的光信号通过一光纤传输。以这种方式，可显著地增加信息的承载能力。该能力取决于光纤的带宽，所用的波长信道的数量，和在实际中这些波长信道彼此如何靠近。在每个波长上的信号与其它信号无关地通过该光纤传输，故每个信号代表大带宽的一个分立信道。
当信号长距离发送时，必须将信号在重复的间隔上再生或放大。在后种方案中，可使用例如光放大器。光放大器与它的电对应物的不同在于，该光放大器试图保持输出功率不变，而电的放大器则具有一个恒定的放大率。
如果有意的或因故障改变信道的数量，输出功率的恒定就出现了问题。因此，希望能控制输出功率，先前已知的是借助于导频音来控制在光放大器中的放大率(见EP0637148A1)。将标识导频音调制到每个复用的波长上。在该系统中的每个放大器从该导频音确定由该放大器发送的波长的总数并提供放大率的对应调整。可以采用前馈控制或者反馈控制。该专利文件还指出，除了对信道的数量进行计数之外，还可测量这些信道上导频音的幅度，以提供更好的调整。
也是先前已知的(见GB2294170)，通过测量在放大器输出的总的光功率，并将它与标准电压比较，来以多种方式控制放大器。这提供了控制该放大器的反馈信号。此外，可计数信道的数量并借用它的帮助进行该调整。
也是已知的(见US4991229)，通过只测量一个波长信道的功率来控制光放大器。通过借助于WDM耦合器的滤波并检测它，抽出该信道，来完成这种控制。否则如上所述进行反馈控制。
先前已知技术的一个问题是很难做到足够快速的反馈。
通过只对信道数量进行计数来控制白光放大器的输出功率的问题是，信道的数量只是放大器输出功率的粗略量度。
本发明的目的是通过采用以放大器的总的光输入功率的读数的前馈，来解决这些问题。将输出信号形成为该输入功率的非线性函数。然后该输出信号控制放大器，例如，通过控制耦合到该光放大器的泵激激光器。
为了增加可靠性，在本发明的一个实施例中可将该前馈与负反馈结合。这提供了用前馈的粗略调整和用反馈的精细调整。
通过测量该光信道输出功率并将它馈送到控制器实现了该反馈。还表示希望的信道输出功率的一组值耦合到控制器。该控制器发射一个加上或乘上前馈输出信号的信号。
可以用很多方法进行这些信道中的功率的测量。首先，可对信道的数量进行计数，测量在所有信道中的总功率，并用信道的数量除该功率。另一方法是，分配一个或最好两个信道只用于功率测量。在这些信道中，实质上只有某类的已知检验信号，比如一导频音或一个数字信号。则只测量在这些信道上的功率。另外，可测量该检验信号的幅度。如果采用几个检验信号，则采取平均值。
本发明的优点是，该测量在经济和简单的前提下既快速又可靠。
图1示意地表示根据现有技术的5信道最佳化光系统。
图2示意地表示与图1中同样的系统，但只有两个信道存在。
图3示意地表示本发明的一个实施例。
图4示意地表示本发明的第二实施例。
图5表示描述图4中某些细节的详细图。
图1表示按照现有技术采用波分多路复用的5信道8a,8b,8c,8d和8e的最佳化光系统。该系统可以是，例如，电话系统的一部分。在该光系统中，光放大器1具有恒定的输出功率。由泵激激光器2来控制该放大器。光纤6从系统中的其它节点导向放大器1，光纤7从放大器1导向系统中的其它节点。在光纤信道6、7中可以增加或退出。在所示的例子中，将通过第一光纤6到放大器1的四个信道8a,8c,8d,8e放大并输出到第二光纤7。另一信道8b其后从发射机3加入。所有的信道8a,8b,8c,8d,8e都是相同强度，可用选择被选信道8d的特定波长的一滤波器4读出一个选择信道8d，并将它发送到接收机5。在它们进一步传输时在强度上所有的信道8a，8b,8c,8d,8e都将减少，但它们仍是等强度的故在重新放大它们中不会有问题。
图2表示与图1中的同样系统，在这种情况下，系统仍然是对于5个信道最佳化的，但只将第一信道8a连接到放大器1。这个单一信道8a的强度则将近似为假如有四个被放大的信道时的四倍。这是由于从光放大器的总输出功率在原则上是恒定的，即该输出功率实际上主要依赖于耦合到该放大器的泵激激光器2的输出功率，较少地依赖于对放大器1的输入功率。
当后来将第二信道8b加入时信道8a,8b将不是如此强，这将引起一些问题。实际上滤波器4不是理想的，故当滤波器4试图选出第二信道8b时，第一信道8a因为它很强故起主导作用，从而会产生串音。
于是，很希望能够控制放大器1信道的输出功率。
因自光放大器的输出影响主要取决于耦合到该放大器的泵激激光器的输出功率，根据本发明，通过以图3中所示的方式控制该泵激激光器解决了上述的问题。通过泵激激光器12控制光放大器11。第一光去复用器13在放大器11的输入读出总的光功率，并检测到前馈块14的值。从前馈块14发出一前馈过程命令信号，通过控制泵激激光器12的输出功率来控制放大器11。
前馈块14提供一个总光功率的非线性函数，比如，可借助于模拟非线性网络来实现。数字地解决它的另一方案是通过A/D将光输入功率转换为，比如，8位的字。该8位字可由表示在存储器中不同存储地址该8位字的不同值来使用(见下面结合图5的描述)。
为了以这种方式使用前馈使得控制快速，因为可以即刻校正干扰。然而，因为不能看到其结果，前馈要求充分了解系统的性能。它可与盲目的驾驶汽车相比，为了最终不掉到象沟中在每个湾道人们必须精确地知道将轮转多少。
另一问题是，纯粹的前馈可要求输入功率位于很窄的范围内。
图4表示一种解决这些问题的方法。它与图3一样，但具有加入的负反馈。从所观察的结果和以后进行的调整，负反馈是可靠的。然而缺点是该自动控制不能如所希望的快速实现，因为其后该控制有危险变为不稳定。在这种情况光放大器具有也许是5-10ms的时间常数，它设置了如何快速地进行反馈控制的极限。然而，如果将该反馈与前馈组合，借助该前馈取得快速的粗调，而借助该反馈达到不是如此快速的细调。
通过测量光放大器11的输出功率和提供过程值PV。来实施该反馈。在控制器15中，将该过程值PV与要求的信道输出功率即设定值比较，根据控制器15的编程发射反馈过程命令信号PB，经泵激激光器12控制放大器11的输出功率，以便达到要求的输出。这种调整当然不是即时发生的。当经泵激激光器12的该反馈过程命令信号PB改变放大器11的信道输出功率时，这些状态可能已经改变，从而需要放大器11的信道输出功率的新的测量值，提供新的反馈过程命令信号PB。不断地发生这个过程并产生一个负馈控制环路，以一定的时间延迟调整放大器11的功率输出，故它总是在所要求值的附近。
控制器15是一个通常的PID控制器[比例-中间-差分(Proportional-intergrating-differentiating)]。简而言之，可将控制器15的三个不同的项概括如下：一个大的比例项导致增加控制器的速度，并通常降低了稳定性；引入中间项消除在输出信号中持久的误差，但该项降低稳定性较大；差分项的引入可改善稳定性，但有噪测量信号的差分可能很困难。要求根据对控制的需要进行仔细加权。
图4还示出一个将前馈过程命令信号PF与反馈过程命令信号PB相组合的组合装置18，提供输出信号PD。在一定的范围里，通过加法组合前馈和反馈。在这种情况也将工作很好，但在这种情况下使用乘法更具优越性，因为干扰主要发生在信道的数量改变而放大器11的输出功率与信道的数量成比例地改变时。因此组合块18可以是一加法器或乘法器，但其它组合功能也是可能的。波长信道的数量通过该放大器11。在至少一个检验信号信道中，不发送数据，而只有已知的检验信号A，用来表示在放大器11中的信道输出功率。该检验信号可以是导频音，数字信号或它的其它可被检验的信号。可以方便地选择一信号A，它也可用于诸如保护信号等的其它目的。
在放大器11之后，通过光去复用器16读出带有检验信号A的检验信道，并传输到检测器块17。该去复用器16可以是WDM耦合器，公共光耦合器等。与公共光耦合器相比，WDM耦合器自检测器块17给出较好的信噪比，因为中途淘汰了数据信道。为了改善使用公共光耦合器时的信噪比，可以在检测器块17之前接入一个光滤波器(图中未示出)。
有不同的读出检验信号A的方法，可测量在检验信号信道上的最高功率，或可测量在检验信号信道上的幅度。在后一情况，使用几个检验信号的幅度的平均值。另外的方法是使用数字检验信号A并读出它。当然可在不同的检验信号信道发送不同的检验信号。
另一方法可以是将一个或更多检验信号A调制到所有信道中的信号上，然后测量该检验信号A的幅度。然而，这可能干扰在信道中的数据传输，因为在这种情况检验信号幅度是比较小的，比起检验信号具有它自己的信道更难测量。
作为一个优越的改变，可能未检测到检验信号A，例如在故障的情况中，则在检测到新的检验信号A之前采用该反馈过程命令信号PB的最近的值。
作为测量放大器11的信道输出功率的另一方法，可以完全不使用任何检验信号，而具有一个用于对信道计数的装置，然后测量自放大器11的总输出功率。然后用信道的数量除该总输出功率。只是对信道的数量计数，在此同时不测量输出功率。只提供放大器11的输出功率的粗测。
根据检测器块14获得的关于放大器11的信道输出功率的信息，将与信道功率相关的过程值信号PV发送到控制器15，按上述进行控制。
图5是图4的细节，具有同样的标号，表示如何更详细地实施本发明的一例。
以两个功能块21和双实施调整的某些部分。第一功能块21包括前馈电路25，存储器26和组合块18。在图4中的前馈块14对应于图5中的第一光电二极管23，对数放大器24，前馈电路25和存储器26。该对数放大器24可用线性的替代，但总的光输入功率可在这种宽范围中变化，使用对数放大器更具优点。
在图5中的第二功能块22包括控制器15，检测器32和音调产生器29。图4中检测器块14对应于图5中的第二光电二极管27，线性放大器28，幅度测量块31，检测器32和音调产生器29。
馈送到功能块21和22的模拟信号通过A/D转换器33。以同样的方式，从功能块21和22发送的数字信号经A/D转换器34处理。
光电二极管23和27可以是，比如，PN型或PIN型的。
在图5中的前馈按下面方式工作：光电二极管23读出，在放大器11的输入端分接的因此代表放大器11的总输入功率的光。
经对数放大器24和A/D转换器33，将该光转换成，例如，8位的字，馈给前馈25。究竟采用多少位这是精度(更多位)与速度(更少位)之间的权衡问题。如果前馈是完全有用的，则将产生较快的速度，最好将前馈输出信号应用在几十μs之内。
前馈电路25调用存储器26，存储器26根据该8位字告诉前馈电路25，它给出前馈过程命令信号PF。然后将来自第二功能块的前馈过程命令信号PF和反馈过程命令信号PB送给组合块18，组合块18依次发送输出信号PD，经D/A转换器34送到泵激激光器12，然后控制放大器。泵激激光器12具有快速控制电路(未示出)以便控制它的输出功率。成几种完成此的已知方法。
在图5中，对两个检验信号测量该幅度，在这种情况该检测信号是在同样信道中发送的导频音。将从光放大器的输出分接的光，经光电二极管27和线性放大器28转换为电压，送到幅度测量块31。
该导频音可具有，比如，50-60KHZ，由6KHZ分开。音调产生器29用于提供幅度测量的参考信号，以两个正弦波等形式以比导频音高2KHZ的频率，即在52-62KHZ范围内，送给幅度测量块31。导频音的频率与它的对应参考信号的频率之间的频差则是2KHZ，而产生的其它频率将被滤出。
幅度测量块31包括近似2KHZ的两个带通滤波器，和两个幅度计数器，以这种方式得出两个导频音的幅度。将该结果进行A/D转换并送给检测器32，在此取两个幅度的平均值，并将与输出功率相关的过程值信号PV发送到控制器15。该控制器按图4中所述的工作，并发送反馈过程命令信号PB给组合块18，组合块18如上所述地发送过程命令输出信号PD，间接地控制光放大器11的输出功率。

Claims (23)

1．一种光系统，包括：光放大器(11)，具有至少一个输入端和至少一个输出端；控制电路，借助于前馈过程命令信号(PF)控制放大器(11)的输出功率，所述的控制电路包括：前馈块(14)；和第一装置(13)，用于从放大器(11)的输入分流光到前馈块(14)，其特征在于：安排前馈块(14)来测量总的光输入功率。
2．根据权利要求1的光系统，其特征在于：将前馈过程命命令信号(PF)配置形成为总光输入功率的一个非线性函数。
3．根据权利要求2的光系统，其特征在于：由一个模拟非线性网络来实现该非线性函数的设计。
4．根据权利要求2的光系统，其特征在于：通过访问存储器(26)来实现该非线性函数的设置。
5．根据权利要求1-4的光系统，其特征在于：所述控制电路还包括控制器装置(15)，检测块(17)和另一装置(16)，用于从放大器(11)的输出端分流光到检测器块(17)；将过程值信号(PV)安排为从检测器块(17)发送到控制器装置(15)；安排反馈过程命令信号(PB)从控制器装置(15)送到组合装置(18)；安排该前馈过程命令信号(PF)送到组合装置(18)；和安排该组合装置(18)发送一输出信号(PD)，以控制放大器(11)。
6．根据权利要求5的光系统，其特征在于：所述组合装置(18)是一乘法器。
7．根据权利要求5的光系统，其特征在于：所述组合装置(18)是一加法器。
8．根据权利要求1-7的光系统，其特征在于：控制器装置(15)包括控制器(15)，具有用于过程值信号(PV)的输入端，用于设定值信号(SP)的输入端，和用于反馈过程命令信号(PB)的输出端；安排过程值信号(PV)依赖于放大器(11)的信道输出功率；安排设定值信号(SP)，以设定从放大器(11)的要求信道输出功率。
9．根据权利要求1-7的任一项的光系统，其特征在于：所述控制器装置(25)是非线性的。
10．根据权利要求1-9的任一项的光系统，其特征在于：该光系统包括用于对通过该放大器的信道的数量进行计数的装置；安排检测器块(17)测量所有信道上的总的输出功率；根据用信道数除总的功率来形成所述过程值信号(PV)。
11．根据权利要求1-9的任一项的光系统，其特征在于：将至少一个检验信号(A)调制到在至少一个信道中的其它信号上。
12．根据权利要求1-9的任一项的光系统，其特征在于：安排根据至少一个检验信号(A)在检测器块(17)中形成过程值信号(PV)，将它在该系统中为此目的分别安排的至少一个波长信道中发送，并通过放大器(11)发送。
13．根据权利要求11-12的任一项的光系统，其特征在于：安排检测器块(17)来测量这些信道上的总功率。
14．根据权利要求11-12的任一项的光系统，其特征在于：安排检测器块(17)来测量这些信道上的幅度。
15．根据权利要求1-14的任一项的光系统，其特征在于：由于安排由泵激激光器(12)控制放大器(11)并安排通过该输出信号控制该泵激激光器(12)，故安排由该输出信号(PF,PD)间接地控制光放大器(11)的输出功率。
16．一种借助于前馈过程命令信号(PF)调整光放大器的输出功率的方法，该光放大器包括至少一个输入端和至少一个输出端，通过使用包括前馈块(14)和第一装置(16)的控制电路，从放大器的输入分流光到前馈块(14)，其特征在于：
从放大器(11)的输入分流光到前馈块(14)，
测量对放大器(11)的总的光输入功率；
将前馈过程命令信号(PF)构成为这个输入功率的非线性函数，
该前馈过程命令信号(PF)控制放大器(11)。
17．根据权利要求16的方法，其中的控制电路还包括控制器装置(15)，检测器块(17)和另一装置(16)，用于从放大器(11)的输出分流光到检测器块(17)，其特征在于：
将过程值信号(PV)从检测器块(17)发送到控制器(15)，
将反馈过程命令信号(PB)从控制器(15)发送到组合装置(18)，
将前馈过程命令信号(PF)发送到组合装置(18)，
组合装置(18)发射输出信号(PD)，来控制放大器(11)。
18．根据权利要求17的方法，其特征在于：该组合装置(18)进行乘。
19．根据权利要求17的方法，其特征在于：该组合装置(18)进行加。
20．根据权利要求17-19的任一项的方法，其特征在于：对通过放大器(11)的信道数量进行计数；测量总输出功率；根据用信道的数量除总功率来构成该过程值信号(PV)。
21．根据权利要求17-19的任一项的方法，其特征在于：将至少一个检验信号在该系统中为此目的分别安排的至少一个波长信道中发送，并通过放大器(11)发送；测量在这个(这些)波长信道中的总功率。
22．根据权利要求17-19的任一项的方法，其特征在于：在该系统中为此目的而分别安排的至少一个波长信道中发送至少一个检测信号，所述信道通过放大器(11)；测量在这个(这些)波长信道中的幅度。
23．根据权利要求17-22的任一项的方法，其特征在于：通过控制用来控制放大器的泵激激光器(12)，该输出信号(PD)控制放大器(11)。
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