CN1879330B - 具有ase光再循环及链路和网络生存性控制系统的环状光网络 - Google Patents
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Abstract
环状WDM光网络包括在环(11)的各部分之间具有光放大器(12、16)和在环中具有ASE再循环的光环。在环的某点注入激光束并使之能够在环中循环，激光束的中心位于约波长λLINK，期望在波长λLINK生成激光峰。这提供部分损耗变化方面的高网络强度并大大提高WDM信号的OSNR。还可实现高网络生存性。
Description
本发明涉及环状光传输网络，其中需要至少一个光放大器来补偿在光纤和无源组件中以及具体而言在采用波分复用(WDM)技术操作的传输系统中的损耗。
在同时待审的专利申请WO2004/064280中，基于具有放大自发发射(ASE)的再循环的掺铒光纤放大器(EDFA)来考虑环状WDM网络，其中每个EDFA不包括任何增益控制机制，并且增益控制通过环中的ASE光再循环自动实现。
在此类网络中，生成波长取决于网络部分与EDFA结构的平衡的、由“激光”效应(lasing effect)产生的光。一般来说，在给定EDFA结构的情况下，在环状配置中的EDFA级联中给出峰增益的波长取决于部分中的损耗。具体来说，通过降低这种损耗，给出峰增益的波长将从约1532纳米移动到更高波长，例如像约1560纳米。
必须精细地控制EDFA部分和结构的损耗，以使峰增益出现在与WDM信号的λ1-λN带相隔非常远的波长λASE处。例如，可以以λASE＝1532纳米和位于1544纳米和1558纳米之间的以100GHz分隔的16个WDM信道来实施基于ASE光再循环的适合的WDM环状网络配置。
基于ASE光再循环的WDM环状网络配置可以以非常低的成本给出可接受的性能。实际上，ASE光再循环给出自动增益控制机制，这避免通常其他基于EDFA的标准WDM环状网络所需的复杂且昂贵的装置和算法。但是在标准配置中，ASE光可以在环中以不受控的方式增加，从而导致与网络操作条件非常相关的严重性能下降的出现。
基本上，在现有技术中针对使非期望的ASE增加置于控制之下的目的提出两种解决方案。第一种解决方案是基于在环中特定节点的ASE循环的中断。以此方式解决问题的缺点是，需要引入附加的无源组件和/或损失系统灵活性。集中式业务是必不可少的或任何业务再配置都需要访问实现ASE中断的节点。第二种解决方案设法将增益始终保持在“激光”效应阈值以下，以使ASE再循环不可能因沿环传播而功率增高。但是无论哪一种都不是足够有效，而且它们需要复杂且昂贵的装置和算法。此方法的问题是，EDFA或相似放大器的增益取决于在输入施加的功率，而且在网络中放大器的功率输入又取决于当时活动的信道的数量。因此，为了在包括增加或移除信道和节点的所有可能条件下将总增益保持在激光阈值以下，一种利用多个监视点总体控制环的复杂算法是必不可少的，或必定要将个别放大器的增益保持得足够低，以确保即使在达到最大放大器增益的条件下，网络的总增益小于1。因为在最大增益条件尚远时个别放大器的放大远低于可能实现的，所以这种解决方案导致可实现的总性能的显著降低。
在基于ASE再循环的WDM环状网络中，在EDFA输入的每个信道的信号功率必须足够低(例如-20dBm/信道)，以在每个EDFA输出上使在λASE的激光效应光保持为主导性的。此特征确保因WDM信道添加(ADD)和除去(DROP)操作所导致的瞬态效应将受到限制。在具有ASE再循环的基于EDFA的WDM环状网中标识了两个主要限制因素。首先是增益的峰波长和信号的光信噪比(OSNR)与网络部分平衡和EDFA结构(活动光纤的长度和泵浦功率)非常相关。这需要在每个部分中使用光衰减器和复杂的安装过程。再者，为了使网络在稳定的条件下操作，必须引入高的部分损耗，而这导致朝着信噪比(OSNR)的性能降低。还可以注意，虽然EDFA增益确实补偿了部分和组件在增益峰的λASE波长的损耗，但是在这些信号的波长的增益将低于λASE的情况。必须控制在激光与信号波长处的最高增益差ΔGmax。ΔGmax应该足够高，以避免由WDM添加和除去操作引起的增益峰波长变化所导致的和/或由组件和连接器老化引起的部分的损耗变化所导致的网络不稳定性。同时，ΔGmax应该足够低以确保沿环状网络传播的WDM信号的信噪比的可接受性能。难以找到最优ΔGmax而不降低网络OSNR性能并同时确保好的网络稳定性。
第二个重要的限制因素是在光纤和/或EDFA故障的情况下，因为由再循环提供的增益锁定机制的损耗，所以可预期强的信号功率范围。因为这些功率瞬态可能损坏在EDFA接收端中的组件并产生由非线性传播效应导致的其他问题，所以必须将该效应置于控制之下。还应该注意，在有光纤和/或EDFA的断损(breakage)的情况中，极端信号功率范围沿着EDFA级联不断变得更大且更快。
为了在简易性和成本降低方面从基于ASE再循环的WDM环状网络的使用中获得最大的好处，非常重要的是，找到可以提高OSNR性能的适合的解决方案，确保在光纤或EDFA断损的情况下部分损耗变化和网络生存方面的网络稳固性。
在通过引用结合到本文的同时待审的专利申请WO2004/064280中，提出一种环光传输系统中的增益控制方法，其中包括沿环的掺稀土光纤放大器和包括将增益峰定位在沿环传输的信道的带(λ1-λN)之外且对应于环中的放大器的ASE发射峰的波长(λASE)，并采用由此产生的激光峰作为增益稳定信号。
为了提供单个EDFA光放大器的增益检查，在现有技术中提出在放大器使用局部振荡器以产生加到有用信号的辅助补偿波。例如在US6043931中描述了一种类似的系统。这能够稳定单个放大器的增益，但是对于解决环状网络的上述问题并非完全有用。在US6043931中提出的系统实现一种在个别放大器保持局部特性的增益稳定，因为它是通过全光放大器的增益链路来实现的。因此网络的每个放大器应该均根据该专利来实现。这是过分昂贵的，且无论如何以此方式稳定的放大器满足不了尤其具有ASE再循环的环状网络的上述总体需求。
本发明的一般目的是，通过可利用一种方法和具有有效、经济且稳固的用于链路和网络生存性控制的系统的网络来改善上述不足。
考虑到此目的，寻找提供根据本发明的一种环状WMD光网络，包括在环部分之间具有光放大器和在环中具有ASE再循环的光环，以及其特征在于在环的某点注入激光束并使之能够在环中循环，激光束的中心位于约波长λLINK，期望在波长λLINK生成激光峰。
优选地，波长λlink中心位于要在环上传送的信道的带(λ1-λn)之外。
同样根据本发明，还寻找提供一种用于WDM环状光网络中的链路控制的方法，该WDM环状光网络包括在环部分之间具有光放大器以及在环中具有ASE再循环的光环，据此在环中的某点注入以中心位于约波长λLINK的激光束并使之在网络中循环，期望在波长λLINK生成激光峰。
为了阐述对本发明的创新原理的说明和与现有技术相比的它的优点，在下面借助参考附图及其可能的实施例、通过应用所述原理的非限制性示例进行描述。在这些附图中：
图1以示意图示出根据本发明原理实现的环状网络，
图2和3示出在两种不同负载状况中现有技术网络的放大器输出谱的图，
图4示出普通现有技术网络的瞬态的行为的图，
图5和6示出与图2和3的图相似但是应用本发明原理的图，
图7示出与图4的图相似但是应用本发明原理的图，
图8至图11是示出根据本发明的网络以及该网络的可能变化实施例的放大器输出谱的图，
图12示出与图8至图11的图相似但是没有应用本发明原理的图，
图13示出根据应用本发明原理的可能变体实现的网络的节点的框图，以及
图14、图15和图16示出在不同故障情况中根据本发明的网络中的瞬态效应的图。
参考附图，图1以示意图示出一种环状光传输网络，其中需要至少一个光放大器来补偿在光纤和无源组件中以及具体而言在采用波分复用(WDM)技术操作的传输系统中的损耗。
由附图标记10作为整体标明的应用本发明原理的环状网络包括分成各部分的光纤环11，在各部分之间是包括已知的光放大器13(例如EDFA)和用于在输入/输出单元15向网络添加信道和从网络除去信道的已知装置14的节点12。每个EDFA不包括增益中心(gain centre)机制，并且通过环中的ASE光再循环自动实现增益控制。
根据本发明，环状网络放大节点(这里称为“主”且由附图标记16作为整体标明)之一配备有中心位于约1532纳米(λLINK)的有利地为分布式反馈(DFB)类型的激光器17，即在期望生成激光峰的谱区域中。有利地，在-5dBm和+10dBm之间选择在EDFA输入的激光束功率。
在正常操作条件下，由激光器17产生的光束注入环(有利地节点的EDFA放大器的上游)并能够在其中循环。这实现链路控制。如下文所述，意外发现这提供了部分损耗变化方面良好的网络稳固性并大大提高了WDM信号的OSNR。
因为根据本发明，网络的行为与影响链路控制的附加激光束的存在非常相关，所以为了使网络更可靠，可以有利地在主节点16中提供冗余激光生成系统。具体来说，该系统还可以提供如果第一DFB17故障时亮起的附加DFB激光器18。
此外，可以在每个EDFA的输出提供已知的可变衰减器(VOA)29，以可以标准化每个部分的损耗(例如在4×19dB，下文将参考图2和图3说明)。利用这些衰减器，即使有“链路控制”，仍更容易地控制增益峰并将它强制于期望的波长，例如1532纳米。在对应于例如仅25公里的光纤的低部分损耗且少数信道的固定添加/除去的情况中，会在约1560纳米形成增益峰。当使用“链路控制”时，激光峰是对应于链路控制波长的单个波长。由ASE光再循环提供的激光控制每个EDFA，并使用“链路控制”将激光强制于给定的波长。
为了了解和示出根据本发明的具有链路控制机制的网络的优点，对测试网络执行过多种试验。为了简单，仅使用了各25公里光纤的四个部分，但是相同的结论可以适用于远远更高数量的部分。
在沿整个环状网络传播之后，并且在有以及没有本发明的在1532纳米的链路控制的WDM信道的各种加(添加)和减(除去)操作下，观察测试信号的动态行为。
在测试条件下，通过声光调制器(AOM)激活和去激活三个高功率的WDM信道，以模拟添加到主节点或从主节点减去的15或16个WDM信道，在网络中从主节点插入链路控制。
将EDFA放大器的结构保持简单以满足低成本的要求。在980纳米对在1532纳米有约7dB/米的吸收峰的、掺杂饵离子的、约10米的光纤进行双向泵浦(总泵浦功率：100mW)。
图2和图3示出当不使用根据本发明的控制时环状网络中最后一个EDFA之后的输出谱。部分平衡(4×19dB)使增益峰在1532纳米与1560纳米之间。图2示出全负载(所有信道)而图3示出单个活动信道。
注意到，部分的相关联低损耗就OSNR性能而言可能是有利的(0.1纳米的带振幅分辨率上为27dB)，但是就信道的添加和除去的动态行为以及增益的不均衡性而言则根本不是最优的。
在此点上，在无根据本发明的控制的网络中，图4示出模拟全网络负载的三个信道的消光所引起的最后一个EDFA的输出上的测试功率范围。注意对于在WDM信号的谱区中具有放大自发发射峰的控制和形成的网络的高瞬态。这种环状网络基于ASE再循环且会要求高的部分损耗(至少21dB)以确保稳定的操作条件同时避免由WDM信道导致的增益峰的风险。满足此条件必定引起OSNR方面的性能不佳，并且在多于六个部分的情况下提供不了可接受的性能。在本说明书中，再循环意味着绕环传播一次以上。将认识到，如高通光滤波器20的光学组件可以至少部分地阻止在环中循环或再循环的部分光。但是，用于添加和除去信道的装置14仅对这些信道操作，而让ASE光自由通过，以在环中再循环。
图5和图6示出在1532纳米有链路控制且具有与图2和图3中相同的部分平衡(4×19dB)的环状网络中的最后一个EDFA之后的输出谱。注意，在1532纳米峰的谱非常窄。显然在此情况中，由于WDM信道的添加/除去，可以实现良好的OSNR性能，而没有在WDM信号的谱区中形成放大自发发射峰的风险。如果比较图3和图6，则还注意到在信号带的上限几乎完全没有峰。还可以注意到1532纳米链路控制的存在避免在1532纳米形成双ASE峰，从而就取决于极化的影响而言提供网络的更高稳固性。
图7示出根据本发明由网络中WDM信道的添加/除去所导致的瞬态行为。环增益等于在增益峰波长的损耗，以使激光动作控制这些瞬态。如果与图4的结果比较，可以注意到低得多的功率范围，即使是由与图4相同的添加/除去所引起的。
为了进一步提高根据本发明的网络的性能并且还降低由谱洞(spectral hole)所引入的障碍(penalization)，可以容易地在环中引入高通光滤波器20。已发现，这种滤波器的简单添加提供整个网络的OSNR性能上的附加提高。
可以使用高通光滤波器以避免在约1532纳米周围的ASE累积，并通过引入位于WDM信号波长以上或以下的WDM信号带附近的链路控制将激光效应强制于适合的波长。
高通滤波器还可以设计为实现WDM信号的增益中的均衡。在此情况中，网络的每个放大器节点可以配备这种滤波器。
已有利地发现如下的滤波器和链路控制的多种组合：
-环状网络中的高通光滤波器以消除1535纳米以下的ASE累积，以及位于该滤波器截止波长和WDM信号带之间的适合的波长(即有利地在1537纳米)的链路控制，
-环状网络中的高通光滤波器以消除1538纳米以下的ASE累积，以及位于稍高于WDM信号带的波长(即有利地在1564纳米)的链路控制，
-每个放大器网络节点中的高通/增益均衡器光滤波器，其一个截止波长约1535纳米，以及位于该滤波器截止波长和WDM信号波长之间的适合的波长(即有利地在1537纳米)的链路控制，以及
-每个网络放大器节点中的高通/增益均衡器光滤波器，其截止波长约1538纳米，以及位于WDM信号波长以上的适合的波长(即有利地在1564纳米)的链路控制。
作为示例，图8、图9和图10示出在有光滤波器和无光滤波器的情况下，根据本发明的网络的OSNR性能，该网络的特征为8×20dB部分平衡和位于1542纳米和1561纳米之间的以100GHz分隔的24个WDM信道。
具体来说，图8示出在1535纳米具有链路控制以及无高通滤波器的情况下，基于ASE再循环的WDM环状网络的情况中的输出谱。图9是通过引入截止波长位于1537纳米的单个高通光滤波器以及在1538纳米的链路控制实现的。最后，图10涉及具有截止波长位于1539纳米的单个高通光滤波器以及在1565纳米的链路控制的网络。
图9和图10清楚地示出较短波长的信道在OSNR上的提高，高了8dB，证明使用高通光滤波器与根据本发明的链路控制技术组合的效力，从而提高WDM环状网络的性能。
为了进一步示出链路控制机制与高通光滤波器组合以实现部分中的损耗变化上的大强度，可以考虑在具有8×17dB部分损耗的网络中实现的结果。
图11示出在1565纳米有链路控制以及有截止波长位于1539纳米的单个高通光滤波器的此类网络中实现的输出谱。
将此谱与图12所示的且在没有根据本发明的链路控制的网络中实现的谱比较，可以清楚地看到，在1565纳米的链路控制避免WDM信道带以下的增益峰的形成。
注意到，在提供在部分中的损耗变化的强度方面，在较高信号带波长的链路控制比在较低波长的链路控制更有效。
本发明原理的另一个有利效果涉及在EDFA放大器或网络光纤中断或断损的情况中的网络生存性。
实际上，在没有根据本发明的控制的网络中检测到的强功率范围可能严重地降低网络性能，并且甚至损坏环状网络内尤其EDFA中断处的接收器组件。
这可以容易地在图14和图15中观察到，其中示出分别由于光纤中断和EDFA中断在EDFA输出上导致的瞬态。应该注意到沿环中级联的放大器的传播和效应的增加。
显然，沿EDFA级联变得更大且更快的这种功率范围是不可接受的，因为它们可能损坏光学组件，并且甚至引起由于非线性传播效应的性能下降。此效应在EDFA断损的情况中尤其有害，因为在沿环的下一个EDFA的输入没有ASE光。
为了在简易性和降低成本方面充分利用基于ASE再循环的WDM环状网络，非常重要的是找到可以提高OSNR性能并且同时确保在光纤或EDFA断损情况中的网络生存性的适合的解决方案。
由于根据本发明的网络的创新原理，以有限的附加成本实现确保网络生存的节点放大器结构是可能的。
为此，根据图13的示意图实现不是“主节点”的网络节点。基本上，在环状网络中可能除了“主”节点外的每个放大器节点(由图13中的附图标记112表示)都配备可以在由光纤或EDFA断损所导致的网络故障的情况中激活的DFB激光器24(有利地具有10dBm的最大要求输出功率和约λLINK的发射波长)。
装置112具有其任何断损上游的检测器。为了实现此检测器，已发现有利地使用一种简单的光电路，该光电路在EDFA输入包括99/1分光器21，它取环中循环的光功率的一部分并将其发送到中心位于约λLINK且在-3dB具有数纳米的带的带通滤波器22。滤波的信号被发送到已知的阈值检测器23(例如具有所获得的信号的输入光电二极管25和适合的比较电子装置26)以检测环内位于滤波器波长的激光的存在。如果所检测到的激光功率低于阈值(确定为沿环上游的断损表征)，则检测器23激活激光器24。90/10分光器27将激光束连同输入信号一起传送到放大器28。
注意到，仅在光纤或EDFA中断后的第一个放大器节点112将激活对应的DFB激光器24，而所有其他的节点将保持不变。
在恢复正常的网络操作条件之后，DFB激光器24将在检测器26的控制下自动关闭。
自然地，与图1的节点12相似，节点112还可以包括添加/除去信道的已知单元(未示出)。
图16示出在根据本发明实现的且具有放大节点112的网络中作为EDFA中的中断引入的测试信道瞬态的行为。应该注意，在中断之后的EDFA输入上的-10dBm激活用于网络生存的在1532纳米的DFB激光器24，且具有由实现阈值检测器23的电子电路的响应时间所致的5微秒延迟。从图16，显然在EDFA中断之后的第一个节点的DFB激光器24的激活有效地防止在没有根据本发明的控制机制的情况中观察到的宽信号功率范围。现在，显然通过可利用在部分损耗变化方面提供网络稳固性并在正常操作条件下提高WDM信号的OSNR的链路控制机制，实现了预定目的。此外，链路控制机制还可以与高通光滤波器的使用组合，以进一步提高网络OSNR性能以及在光纤或EDFA断损的情况中还可以用于确保网络生存。
虽然所述环状光网络配置为在1530-1565纳米之间的C带上操作，但是将认识到，本发明可适用于如1565-1625纳米之间的L带的其他带。
自然地，在本文要求的专有权利的范围内通过所述原理的非限制性示例给出应用本发明创新原理的实施例的上述说明。例如，网络可以具有任何扩充和复杂性，并针对特定应用包括附加的已知构件。
Claims (20)
1.环状WDM光网络，包括与多个波导(11)连接以构成光环的多个节点(12、16)，所述光环在所述光环(11)的各部分之间包括光放大器以及所述光环配置为在使用时包括用于增益控制的放大自发发射ASE再循环，其特征在于所述网络还包括激光器，所述激光器配置为在所述光环的某点注入中心位于期望生成激光峰的链路控制波长λLINK并允许在所述光环中循环的激光辐射。
2.如权利要求1所述的光网络，其特征在于激光辐射注入点被包含在网络放大节点(16)中。
3.如权利要求2所述的光网络，其特征在于所述注入点是所述放大节点中所包含的EDFA放大器(13)的上游。
4.如权利要求1、2或3所述的光网络，其特征在于所述链路控制波长λLINK低于在所述网络中传送的信道的带。
5.如权利要求4所述的光网络，其特征在于所述链路控制波长λLINK约1530纳米或1538纳米。
6.如权利要求1至3中任何一项所述的光网络，其特征在于所述链路控制波长λLINK高于在所述网络中传送的信号信道的带。
7.如权利要求6所述的光网络，其特征在于所述链路控制波长λLINK约1564纳米。
8.如权利要求1-3中任何一项所述的光网络，其特征在于沿着所述光环，有至少一个高通光滤波器(20)，其截止波长高于所述网络的ASE峰的波长但是低于所述链路控制波长λLINK和网络信道信号带。
9.如权利要求8所述的光网络，其特征在于所述光滤波器(20)具有用于消除低于1535纳米的ASE累积的截止波长，以及所述链路控制波长λLINK是在所述滤波器截止波长与WDM信号带之间所包括的区间中选择的波长。
10.如权利要求8所述的光网络，其特征在于所述光滤波器(20)具有用于消除低于1538纳米的ASE累积的截止波长，以及所述链路控制波长λLINK稍高于所述WDM信号带。
11.如权利要求8所述的光网络，其特征在于所述高通光滤波器(20)存在于多个网络放大器节点中。
12.如权利要求1-3中任何一项所述的光网络，其特征在于所述激光辐射由冗余激光生成系统(17、18、19)产生，所述冗余激光生成系统包括多个激光器(17、18)。
13.如权利要求12所述的光网络，其特征在于冗余激光器系统包括适于选择性地且轮换地被激活的两个激光器(17、18)。
14.如权利要求1-3中任何一项所述的光网络，其特征在于沿着所述光环分布的多个放大节点各包括一个用于以约λLINK的发射波长向所述光环输入激光辐射的激光源(24)以及检测在所述节点的激光输入功率并在所述功率衰减到低于预定阈值时激活所述激光源(24)的激光源控制部件(21、22、23)。
15.如权利要求14所述的光网络，其特征在于所述激光源具有至少10dBm的输出功率。
16.如权利要求15所述的光网络，其特征在于所述控制部件包括分光器(21)，它取光功率输入的一部分，并将其发送到带通滤波器(22)，所述带通滤波器(22)的中心位于约λLINK且在-3dB从所述滤波器(22)输出数纳米级的带，其中有接收所滤波的信号并在所述信号衰减到低于所述预定阈值时激活所述激光源(24)的阈值检测器(23)，以及第二分光器(27)将由所述源(24)产生的激光辐射连同信号输入一起传送到节点放大部件(28)。
17.如权利要求1-3中任何一项所述的光网络，其特征在于在-5dBm和+10dBm之间选择激光辐射功率。
18.用于环状WDM光网络中的链路控制的方法，所述环状WDM光网络包括光环，在所述光环的各部分之间具有光放大器以及在所述光环中具有放大自发发射ASE再循环，据此将中心位于期望生成激光峰的链路控制波长λLINK的激光辐射注入所述光环的某点中并使激光辐射在所述网络中循环。
19.如权利要求18所述的方法，根据所述方法，沿着所述网络执行高通滤波，其截止波长高于所述网络中的ASE峰的波长但是低于所述链路控制波长λLINK和所述网络中的信号信道带。
20.如权利要求18或权利要求19所述的方法，根据所述方法，在-5dBm和+10dBm之间选择激光辐射功率。
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