CN1300957A - 温度调谐光学放大器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种方法和系统,其在预定的限度内把用于以所需的倾斜或曲率进行工作的光学放大器特性化。在向伴随有泵信号的放大器发射测试信号的同时改变铒掺杂光学放大器的温度,将输出频谱与所需的频谱相比。在不同的温度,在输入端口有输入信号存在的情况下,倾斜或曲率的不同量度出现在放大器的输出端口。与若干不同温度中的至少一个的倾斜或曲率量度相关的反馈以反馈信号或信息信号的形式提供。

Description

温度调谐光学放大器
本发明涉及与光学放大器，尤其带有稀土掺杂的光纤放大器一起使用的可变增益倾斜控制系统。
光学放大器并且尤其是掺杂铒的光纤放大器在光学传输系统中，尤其在电信领域是非常普遍的。掺杂铒的光纤放大器(EDFA)有高的极化不敏感增益、不同波长信号之间的低的串扰、良好的饱和输出功率和接近于基本量子极限的噪声指数。优秀的噪声特性允许数百个这种放大器级联来覆盖数千公里的光纤的跨度。与电子转发器相反的EDFA对于数据率、信号格式和有限范围上的波长也是透明的，使得它们可用于大量的信号的波长多路复用(WDM)通信系统，该系统对于各个信号使用不同的波长波段来同时发送它们。
尽管有这些通常很优秀的特性，但是与EDFA相联系的缺陷是它们的频谱宽度窄、增益波段不均匀。EDFA的有用的电信窗口大约是20-30nm宽，而理想的放大器将在从大约1520nm延伸到1570nm的整个频谱上具有平坦的频谱增益。铒增益频谱的峰值波长根据主玻璃材料在大约1530nm到大约1535nm的范围内变化。图1表示特定的传统EDFA的特性增益频谱，其中可看到增益作为波长的函数而改变，这个改变此后将被称为增益脉动。已经公开了很多用于加宽和平坦化增益频谱(即降低脉动)的技术，这些技术包括例如用Al2O3来共同掺杂一种铒掺杂硅玻璃纤维；改变主玻璃材料自身；使用不同形式的衰减滤波器来降低发射峰处的增益；以及构造具有两个或多个不同类型的串接的铒掺杂纤维并独立地主动调整各个纤维部分中的泵状态以补偿各个纤维的不同增益斜率的混合装置。
除前面提到的与最小化脉动相关的问题和方案外，还存在另外一个重要的问题，对于该问题尚没有简单廉价而切实可行的解决方案。本发明解决的这个重要问题涉及改进动态增益倾斜。后面使用的术语“动态增益倾斜”指的是作为经输入EDFA操作条件的改变而改变任何其它波长的增益的结果的一个波长的增益变化。尽管上面描述的用于最小化增益脉动的技术可在用于特定的一组输入光学功率和波长的特定的波长波段中提供相对平坦的频谱，在通过改变放大器的输入功率而从额定状态改变增益(以平均粒子数反转级的变化)时，增益均衡性能很快下降。据说报道过的解决这个问题的一种方案是通过混合光纤装置来实现，这种装置具有带有不同的增益频谱的级联的放大级和相等数目个泵源，以允许各个级的增益频谱独立地有效地被调谐，使得在总的增益改变时，可调整各个级的相对贡献来达到需要的增益得到的最终增益频谱在选择的波长波段上具有极少量频谱失真。例如，具有正增益斜率的铒掺杂光纤可以与具有负的增益斜率的不同的铒掺杂光纤结合，使得混合装置在特定的输入功率条件下有接近平坦的增益。但是，如果混合装置的整个增益必须被改变，当输入到这些级之一的泵功率改变时，构成状态的每一个的增益斜率将通常以不同的速率变化。为在新的工作点实现良好的补偿，构成增益级的每一个的相对增益必须被再调整来使得增益斜率彼此补偿。在实施这种类型的放大器时，熟悉本领域的技术人员将可能级联两个或多个不同的铒掺杂光纤组合并且在各个级的末端对于每一个放大级提供独立的泵源，以最小化拼接点数目并尽可能方便地独立地控制每个级的泵功率。但是，这种用于降低或改进动态增益倾斜的技术在操作期间需要复杂的控制方案，其中多个泵源的总功率必须被协调以在不同增益的范围上实现增益斜率补偿(即在改变输入功率的同时而维持固定的目标输出功率)。
这里引入作为参考的Newhouse等人的题目为“混合光学放大器动态增益倾斜”的美国专利No.5764406描述了一种系统，其中铒掺杂光纤放大器装置具有小于任何构成光纤的增益倾斜的动态增益倾斜。混合装置至多有一个比装置的构成波导数目小的泵源。混合装置自动在构成掺杂波导各部分中提供泵分布的变化以实现构成部分的相对增益的再调整。在一个实施例中，该发明提供不同的共同掺杂成分的各构成SDF，其构成EDF部分提供泵分布的自动变化或分割，以实现构成EDF部分的相对增益的再调整。
尽管’406号专利显示出实现它所设想的功能，但是它相对成本高并且是一个动态控制增益倾斜的复杂方案。
用于纠正动态增益倾斜的大部分已知的方案具有相关的功率损耗(大约5dB)，并且，需要提高的功率来用于额外的泵激。这些系统的另一个有害的结果是得到提高的结果噪声。
在L波段中，已知当温度和功率变化时难以对于L波段光学放大器的操作实现增益平坦。在Oki Electric Industry有限公司的Suzuki等人的题目为“用于宽温度和宽输入功率范围的1580nm波段铒掺杂光纤放大器的增益均衡方法”的文章中，公开了使用自动增益控制(AGC)操作，这通过调整后向泵功率以及通过可变衰减器来控制输入功率。在题目为“C波段和L波段EDFA的温度依赖行为：一个比较”的文章中，F.A.Flood公开了信号发射和吸收交叉部分的温度依赖性对L波段输出功率具有更大的影响。而且，表示出L波段温度系数(dB/℃)对于泵波长相对更不敏感。因此，知道铒掺杂光纤放大器的温度波动降低放大器的性能。
已经发现可通过控制和改变放大器内的铒掺杂光纤的温度而控制和改变L波段光学放大器的倾斜。这里，惯例是相对于环境对光学放大器作温度补偿，从而它们的工作温度的变化不发生，因为工作温度的变化被视为对装置的功用是有害的。
现在，根据在预定的限度内可以控制倾斜和/或可以可控地改变倾斜来实现所需的倾斜的这一发现，可预先测试放大器来对于不同的应用温度使它们的倾斜特性化并来变化它们的倾斜。
而且，动态倾斜控制可通过在L波段光学放大器中加热和冷却EDF的方式通过提供相应于输出信号的倾斜的反馈信号来提供。响应于反馈信号，铒光纤的温度可按需要动态地变化来稳定或变化倾斜。
本发明的一个目标是提供一种用于在稀土掺杂光学放大器中使用的新颖的控制器和控制方法，其可被用来配套于置于光学放大器线路中的滤波器，以随着输入信号的功率改变而动态地改变增益倾斜，或者可不与该滤波器一起使用而在EDFA系统中用于控制放大器的输出响应的增益倾斜或曲率。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制光学放大器的倾斜增益的廉价的控制器和控制方法。
根据本发明，提供一种方法，其在预定的限度内把用于以所需的倾斜或曲率进行工作的光学放大器特性化，该方法包括步骤：
提供具有稀土掺杂的光纤段和具有输入端口和输出端口的光学放大器；
把稀土掺杂光纤的温度变化到若干不同温度；
在输入端口有输入信号存在的情况下，在不同温度确定出现在放大器的输出端口的倾斜或曲率的不同量度，并且
在若干不同温度的至少一个处提供与倾斜的量度相关的反馈。
根据本发明，提供在相同的输入光学信号存在的情况下具有大致相同的倾斜并且具有本质不同的温度设置点的若干光学放大器，在该温度设置点维持铒光纤。
根据本发明的一方面，提供光学放大器套件，包括：
a)提供随温度而改变的倾斜的光学放大器，该放大器包括；
掺杂稀土的光纤段；
与其光学耦合的泵激光器；
耦合于稀土掺杂光纤的至少一个加热器和冷却器，用于相应于光学放大器的预定倾斜和曲率来把光纤维持在预定的温度；及
b)一个温度量度，把放大器维持在该温度以相应于预定倾斜获得输出倾斜。
根据本发明的另一方面，提供一种控制光学放大器的方法，用于在预定的限度内以所需的倾斜和曲率来操作，包括步骤：
提供具有稀土掺杂的光纤段并具有输入端口与输出端口的光学放大器，及
在变化稀土掺杂光纤的温度时提供与倾斜或曲率的量度相关的反馈信号。
现联系附图描述本发明的例示的实施例，其中：
图1是常规铒掺杂放大器的增益(dB)对波长(nm)的曲线；
图2a是增益对波长的曲线，表示L波段中的铒掺杂光纤的不同温度的增益形状；
图2b是一个曲线，表示在温度在0-25℃之间、50-75℃之间以及75-25℃之间变化时增益的倾斜和曲率；
图2c是一个曲线，表示温度的变化如何被用于优化倾斜和增益平坦度；
图3是一个电路框图，表示根据本发明的光学电路，用于测量和确定以所需的增益形状操作铒掺杂光纤的理想的温度；及
图4是一个流程图，表示用来提供具有所需的频谱的放大输出信号的步骤。
现在参考图1，表示出常规EDFA放大器的增益频谱，其中可看到增益作为波长的函数而改变。
对于各种玻璃主体，稀土掺杂光学放大器并且尤其是EDFA有效而均匀地被展宽，掺杂离子与信号模式的交叠几乎与波长无关。这样，增益频谱，这里是在放大器的工作点被固定时由弱的探针信号测量的小信号增益，被限制于波长相关性的单一参数族。因此，如果在一些参考波长处放大器的增益由于输入(即泵和/或信号功率)的改变而被改变，在其它波长处的放大器增益将以准确定义的数量改变，该数量可能不同于在参考波长处的增益改变量。作为输入改变的结果，放大器增益的改变的波长依赖性在这里将其称为动态增益倾斜。因此，动态增益倾斜是针对工作条件的放大器增益频谱的失真，该工作条件不同于放大器所设计的工作点。
本发明的背景部分指出，此前提供滤波器来用于补偿和平坦化传统EDFA的增益频谱。但是提供这种固定的滤波器没有提供控制由于动态增益倾斜所引起的失真的方案，动态增益倾斜是一种随着输入光学信号的输入功率而变化的一种状态。
而且，滤波器不能提供增益，却仅能衰减要被放大的信号，并且与提供光学上耦合于光学放大器的滤波器相关的耦合损耗被视为对放大器的整个性能有害。这不能看作优选方案。
现在参考图2a，表示出不同温度的增益对波长的曲线，表示了当光学放大器中的铒掺杂光纤的温℃在0到75℃范围内变化时L波段波长范围的整个增益形状的变化。图2b表示当温℃在0到25℃、50到75℃以及75到25℃之间变化时增益的倾斜和曲率。该图线表示这样的曲线，其描述0℃减去25℃时的值，50℃减去75℃时的值，75℃减去25℃时的值。在25℃处的曲线被当作基准。这个曲线也图示出通过适当变化温℃而改变其曲率的程度。当参考图2c时这一点更明显，该图表示曲率和倾斜作为铒掺杂光纤的温度变化的函数。测量的结果揭示出倾斜随着温度以-0.075dB/℃来改变，曲率以0.0175dB/℃来改变。由于图2c所示的变化是非常线性的，因此可使用温度来优化倾斜和增益平坦度。
现在转向图3，表示出一个电路，其具有容纳在包含加热器30的壳体内的放大铒掺杂的光纤段33。L波段EDF33的一端被光学耦合于光学频谱分析仪(OSA)35，该分析仪被耦合于适当编程的处理器，即以计算机形式的处理器。未示出的泵信号用测试信号来耦合进去。OSA35提供代表从EDF33检测到的信号的增益形状的信号给计算机37，以用于分析。计算机37随后根据OSA35提供的信息分析提供控制加热器39的控制信号。一个电热调节器从EDF33的周围提供反馈到计算机37。
图4的流程图表示由计算机37执行的控制循环。步骤顺序如下：发射输入信号到EDF33的输入端。输入信号必须具有预定的量级并且必须包括一组要由OSA35测量的所关心的波长。初始把温度设置在任意值，该值可能在有用值的范围内。OSA35接收增益形状并且随后把增益形状或对应于增益形状的信息传递到计算机37。计算机对接收到的增益形状执行分析并把增益形状与存储在与计算机37相关联的存储器装置中的值形式的频谱作比较。当在预定的限度内增益形状(倾斜和/或曲率)与存储的值不一致时，再执行循环，并且温度按需要提高或降低。反复这样执行直到OSA35提供在预定限度内足够类似于存储在计算机的存储器内的值的值，此时温度值或设置点被记录。随后，包括与倾斜和曲率相关的理想的温度值连同EDFA的套件可以提供给顾客，使得放大器在理想的温度下使用，保证它的性能满足存储在计算机37中的某些需要的输出特性。当然，各个放大器将可能具有不同的理想工作温度。因此，当以这种方式制造和测试若干放大器时，可与放大器一起提供若干不同的理想工作温度，从而每一个可被设置在它的理想工作温度，这与已有技术形成对比，在已有技术中，选择单一一个工作温度来作为用于操作一大组光学放大器的设置点。考虑到实现各个放大器的最佳性能，定制对于各个放大器提供理想的工作温度是非常有利的。
另外，提供一种动态温度倾斜控制系统，其中处理器从来自一个或若干个光学放大器的检测电路接收值；随后，一个或若干个放大器上的加热器或冷却器可被处理器控制来动态改变倾斜或曲率。提供大致与图3所示的电路相似的电路，但是，OSA被连接于仅分析占据放大器所提供的输出功率的很小的百分数的输出信号的抽头。然而，抽头信号可提供关于放大的信号形状的有价值的频谱信息。
有利地，EDFA可在制造期间或之后被校准化，以确定操作放大器的理想温度设置点，并且，或者，可通过提供用于动态监测增益和用于根据在其输出或抽头输出处监测到的频谱特性改变温度的电路来使用EDFA。
通过适当控制EDFA的温度，可改变曲率和/或倾斜。

Claims (15)

1．一种特性化光学放大器的方法，该光学放大器用于在预定的限度内以所需的倾斜或曲率进行工作，该方法包括步骤：
提供具有稀土掺杂的光纤段和具有输入端口和输出端口的光学放大器；
把稀土掺杂光纤的温度变化到若干不同温度；
在输入端口有输入信号存在的情况下，在不同温度确定出现在放大器的输出端口的倾斜或曲率的不同量度，并且
在若干不同温度的至少一个处提供与倾斜或曲率的量度相关的反馈。
2．根据权利要求1的方法，其中，反馈为信息信号形式，并且其中，信息信号为人类可读出的文本形式，用于建立温度设置点，在该设置点维持用于光学放大器的操作的稀土掺杂光纤。
3．根据权利要求1的方法，其中，反馈为一种信号形式，该信号用于控制和改变稀土掺杂光纤的温度。
4．根据权利要求1的方法，其中，反馈为一种信号形式，该信号用于控制和改变稀土掺杂光纤的温度以实现放大器的输出响应的改变来在预定的限度内接近曲率或倾斜的所需值。
5．根据权利要求5的方法，其中，改变步骤包括应用加热和冷却中的至少一个。
6．根据权利要求1的方法，其中，输入信号是L波段信号，具有1560到1610nm的范围的波长。
7．根据权利要求3的方法，其中，把反馈信号提供给反馈环路，用于控制稀土放大光纤的温度，以大致维持所需的倾斜。
8．若干个光学放大器，在相同的输入信号存在的情况下具有大致相同的倾斜并且具有实质上不同的温度设置点，在该点维持铒掺杂光纤。
9．一种光学放大器套件，包括：
a)用于提供随温度而改变的倾斜的光学放大器，该放大器具有；
掺杂稀土的光纤段；
与其光学耦合的泵激光器；
耦合于稀土掺杂光纤的加热器和冷却器的至少一个，用于相应于光学放大器的预定倾斜来把光纤维持在预定的温度；及
b)一个温度量度，把放大器维持在该温度以相应于预定倾斜获得输出倾斜。
10．根据权利要求9的光学放大器，其中，光学放大器是L波段放大器。
11．根据权利要求9的光学放大器，其中，稀土掺杂的光纤被设置在至少具有加热器或冷却器的容器内。
12．根据权利要求11的光学放大器，其中，泵激光器包括独立的温度控制电路。
13．一种控制光学放大器的方法，该光学放大器用于在预定的限度内以所需的倾斜或曲率来操作，包括步骤：
提供具有稀土掺杂的光纤段并具有输入端口与输出端口的光学放大器，及
在变化稀土掺杂光纤的温度时提供与倾斜或曲率的量度相关的反馈信号。
14．根据权利要求13的方法，其中，提供反馈信号的步骤包括：
向光学放大器提供测试信号；
向光学频谱分析仪提供光学放大器的输出信号；
以及向用于分析处理和用于提供与倾斜或曲率相关的反馈信号的处理器提供来自光学频谱分析仪的相应于输出信号的增益形状的特性的信号。
15．根据权利要求13的控制光学放大器的方法，还包括使用反馈信号的步骤，用于稳定光学放大器以具有大致上所需的倾斜，反馈信号被用于改变放大器的温度。
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