CN1918829A - 光网络和用于它的放大器节点 - Google Patents

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Abstract

一种光网络包括发射器节点(1)，接收器节点(4)和用于在这些节点(1，4)之间传输包括有效载荷信道和监测信道的光波分复用信号的光纤(3)。至少一个节点具有多路复用信号穿过的放大器(8，13)。发射器节点(1)具有监测信道的信源(11)和用于组合监测信道与有效载荷信道以形成光波分复用信号的多路复用器(12)，接收器节点(4)具有监测信道的信宿(16)和用于将波分复用信号分成监测信道与有效载荷信道的解复用器(14)。多路复用器(12)和解复用器(14)适宜于分别将一个波长作为监测信道插入光多路复用信号和从光多路复用信号提取一个波长作为监测信道，该波长在信源(11)与信宿(16)之间的衰减在放大器(8，13)泵浦状态和未泵浦状态中基本相同。

Description

光网络和用于它的放大器节点
本发明涉及通信用光网络和可以用在这种网络中的放大器节点。具体地，本发明涉及用于波分复用传输的网络和网络节点。
这种光网络通常由借助于光纤互连的多个节点构成，通信信号在光纤上以波分复用的形式传输，即通信信号被调制在光纤内同时传播的多个不同波长的载波上。
由于载波的衰减，要在宽距离上传输的通信信号必须以规则的间隔进行再放大。该再放大可以在为此目的专门设置在两个光纤段(fibre section)之间的节点中完成，但是这些节点也可以将大量的光纤段互相连接，并且实现切换功能，即该节点可以将输入的波分复用分离成对应于不同载波波长的有效载荷信道(payload channel)，然后将这些有效载荷信道发送到各个输出的光纤段。
本发明涉及两种类型的放大器节点。
通常，在光纤上传输的不仅有有效载荷信道，即在网络终端之间传送有效载荷数据的载波，而且有所谓的光监测信道OSC，光监测信道OSC传送为控制通信网络各个节点内的有效载荷信道以及在这些有效载荷信道内传送的信息而需要的信息。
监测信道上传输的信息完全是网络的内部信息，并不传输到与网络相连的终端，因此，这些信息可以采用与有效载荷信道不同的传输格式，并在网络的节点中独立于有效载荷信道进行处理。
在用于波分复用传输的大多数传统网络中，解复用器直接设置在节点的输入端口处，用于将输入的波分复用解复用成有效载荷信道和监测信道。在节点内对这些有效载荷数据信道和监测信道的处理完全独立于在到达直接设置在网络节点的输出端口前面的多路复用器之前完全相互独立地执行。多路复用器将这些有效载荷数据信道和监测信道重新组合成波分复用。
这种传统设计的缺点在于使用解复用器和多路复用器引入的插入损耗会衰减位于传输路径上输入波长最弱位置处多路复用的输入波长，而且即使在进入传输光纤之前也会分别衰减输入信号。为了补偿插入损耗并且使信号功率足以在解复用器的输出位置处能够进一步处理，可以想到的是提高馈送到光纤中的传输功率。然而，在大多数情形中这是不行的，因为多数网络已经采用了很高的传输功率，若再加以提高，会引起非线性效应的显著增加，而非线性效应会恶化信号。因此，唯一的可能性就是减少两个放大器节点之间的距离。
在US 6,411,407中，根据其独立权利要求的前序部分，分别提出了一种放大器节点和光网络。在这些放大器节点中，分别在输入端口与解复用器之间设置前置放大器，在多路复用器与输出端口之间设置后置放大器，但这过度补偿了解复用器和多路复用器的插入损耗。有效载荷数据信道的载波波长分布在1530到1560nm的波长范围内，这一波长范围在本技术领域中是公知的，其对应于其中掺铒光纤放大器的放大独立于波长的波长范围。监测信道设置在该波长范围之外，处于掺铒光纤放大器较小放大或者完全不放大的波长处。在穿过前置放大器之后、在解复用器中分出来的监测信道在节点终止，并在节点的输出侧重新产生，然后在多路复用器内与输出的有效载荷信道组合，与这些有效载荷信道一起穿过后置放大器，在输出光纤上进行传输。在使用前置放大器时，可以以充足的功率将输入的波分复用馈送到解复用器中，以在其输出侧处可以得到进一步处理所需的充足信号功率，而且由于后置放大器放置在多路复用器的后面，因此后置放大率的输出功率可以不损耗地供馈送到输出光纤用，但是，正因为此，不得不接受可靠性的降低。如果位于传输光纤开始端和末端处的该两个放大器中的一个发生故障时，则不仅会阻止有效载荷信道的传输，而且接收器处监测信道的可用功率也会降低，从而不再能够进行可靠地处理，由此检测故障及其原因以及对其维修即使可能也是非常困难的。
本发明的目的在于提供一种解决这个问题的方案。
本发明的解决方案在于审慎地(judicious)选择用于监测信道的波长。
考虑放大器节点的接收器侧，被解复用器从波分复用中分出来的、作为监测信道的波长应当被这样选择，使得其在输入端口与接收该监测信道的信宿(sink)之间的衰减在放大器的泵浦状态和未泵浦状态中基本相同。
考虑这种放大器节点的输出侧，用于监测信道的波长的标准在于监测信道的信源(source)与输出端口之间的衰减应当在放大器的泵浦状态和未泵浦状态中基本相同。
这个波长可以稍微不同于单独放大器的衰减在泵浦状态和未泵浦状态时相同所处的波长，这是因为在处于输入端口与信宿之间或者处于信源与输出端口之间的光路上可能存在具有波长依赖性衰减的部件，如弯曲波导。如果对网络节点的发送器侧和接收器侧的设计足够对称的话，那么选择监测信道波长的上述两个标准是等同的。
如果不仅考虑孤立的放大器节点，而且代替的是还考虑用光纤连接发送器节点和放大器节点的整个网络，则该光纤也可以具有波长依赖性的衰减，该衰减影响着用于监测信道的最佳波长。在这种情形中，用于监测信道的波长应当被这样选择，使得监测信道从信源到信宿的通路上所经历的总衰减与沿该通路设置的放大器是泵浦的还是未泵浦的无关。
如果放大器是掺铒光纤放大器，则监测信道的波长优选选择在1600到1650nm之间，特别在1610到1650nm之间。
为了使可以用于波分复用的有效载荷数据信道的带宽比其中放大器的激活介质(active medium)自身的放大基本上独立于波长的范围更宽，可以将增益均衡过滤器与激活介质串联组合。该过滤器在监测信道的波长处必须是透明的，从而不会抑制该波长。
从下面参看附图对实施例的描述，本发明其它的特征和优点会变得更加明显。
图1A示意地示出具有两个放大器节点和连接这些放大器节点的光纤的光网络的一段，其中可以应用本发明；
图1B是图1A中段的变形；
图2分别示出对于不同的泵浦功率值，作为波长的函数的掺铒光纤放大器的衰减和放大；
图3示出在处于泵浦状态和未泵浦状态时、放大器的作为波长的函数的输出功率之间的关系；
图4示出网络节点的优选实施例。
图1A示意地示出包括网络节点1和网络节点4的网络的一段，网络节点1专门起放大器的作用，放大通过光纤2抵达并在光纤2上衰减了的波分复用信号，然后将信号输出到另外的光纤3，网络节点4除起放大器的作用外还执行切换功能，因而不仅接收来自光纤3而且接收来自至少一个其它光纤5的光波分复用信号，并将信号输出到光纤6，7。
在说明书中，仅仅考虑单向传输的情形，即图中从左向右的方向，但是可以理解，通过复制(duplicate)网络节点1、4的相应器件，也可以进行双向传输。
在光纤2、3、5、6和7上循环(circulate)的波分复用信号由波长大约在1530至1560nm范围内的多个有效载荷数据信道和波长至少为1600nm的光监测信道形成。
在网络节点1内，经由光纤2到达网络节点1的波分复用信号首先穿过前置放大器8。
这个前置放大器8可以实现为掺铒光纤，用泵浦光源9如二极管激光器进行泵浦，以便放大在大约1527至1565nm波长范围内的波分复用信号。另外，如图1B所示，该放大器可以包括增益均衡过滤器24，安装在掺铒光纤25的下游。增益均衡过滤器专门用于某种激活激光介质例如掺铒光纤，它具有的传输性质与激活介质的波长放大性质相反，传输的最小值位于激活介质的最大放大值处，吸收的最小值位于其中激活介质的增益的波长依赖性固有地很小的波带之外。因而，整个前置放大器8总体的波长增益性质就具有一个对波长很小依赖性的波段，该波段比单独激活介质的波段更宽，并因此能够传送更多的有效载荷信道。该增益均衡光纤在监测信道的波长处是透明的。优选地，它在这个波长处也具有吸收最小值。
经过这样前置放大的波分复用信号穿过解复用器10，在解复用器10内，穿过前置放大器8但在其内并未被放大也基本未被衰减的光监测信道被从有效载荷信道分出来，并被引导通过放大器11，该放大器11适宜于光监测信道的波长。有效载荷信道从解复用器10被直接引导到多路复用器12，在多路复用器12内这些有效载荷信道与在放大器11中放大了的光监测信道重新组合。现在，再次变完整的复用信号穿过后置放大器13。这个放大器也可以是依照图1A，由作为激活介质的、用泵浦光源9加以泵浦的简单的掺铒光纤形成，或者可以是依照图1B，由如上所述用于前置放大器8的增益均衡过滤器24形成。在后置放大器的情形中，增益均衡过滤器24定位在激活介质即光纤25的上游，以在不使激活介质饱和下可以获得后置放大器13可能的最高输出功率。
在穿过后置放大器13之后，波长复用输出到通向网络节点4的光纤3上。
在网络节点4处，前置放大器8和其下游的解复用器14定位在光纤3、5的每个输入端口处。虽然节点1的解复用器10只需将波分复用解复用成两个分量-有效载荷信道和监测信道，但是解复用器14还将各个有效载荷信道彼此分开，并将它们单个地提供给切换结构(switching fabric)15。在解复用器14处分出来的监测信道在控制单元16处终止，控制单元16控制着在切换结构15其输入端与输出端之间切换的连接。另外，控制单元16产生新的监测信道，在多路复用器17内，这些监测信道与在切换结构15内切换的有效载荷信道组合，从而形成新的波分复用信号。这些新的波分复用信号穿过后置放大器13，并输出到光纤6、7上。
图2示出了在没有增益均衡过滤器时作为要以0mW、40mW、80mW和200mW的泵浦功率放大的波长的函数的典型的掺铒光纤放大器的增益。正泵浦功率的增益曲线显示出一个位于1530nm到1560nm的平稳阶段(plateau)，其对应于用于传输有效载荷信道的波段。在这个波段之上和之下有放大较小但仍旧基本为正的波长区域。在这些波长范围内，放大器光纤也具有不可忽略的吸收，即使泵浦功率为0，即放大器的泵浦光源9发生故障。
图3示出在放大器处于满泵浦功率与处于0泵浦功率时作为波长的函数的增益级之间的差异。在例如1580nm波长处，该波长远远处于用于有效载荷信道的频率范围之外，这个差异仍旧是7.3dB。在1615nm处，这个差异已经低于3dB，在1620nm处，这个差异约为2dB。仅仅从大约1630nm向前，才几乎没有差异。初看起来，人们会想到为了使监测信道的功率级独立于放大器8或13的操作，将不得不选择至少1630nm的波长来用于监测信道。然而，必须考虑到所采用的光学材料的传输是波长依赖的，传播多路复用信号的波导的弯曲导致波长越长，衰减越大。因此，波长越长，网络节点内的监测信道在从输入端口到信宿(该信宿可以是放大器11或者控制单元16的输入端)，或者从信源(即放大器11或控制单元16的输出端)到网络节点的输出端口的，或者用光纤如光纤3连接的网络节点的信源和信宿之间的通路上所经历的固有衰减越强。为了考虑到这种影响并为了使光监测信道在信宿处或在网络节点1或4的输出端口处的功率分别真正地不依赖于放大器8和13的操作状态，对于目前可用的光学部件，监测信道的波长必须在从泵浦状态开始、放大器内的增益的依赖性很小但还未精确为0的范围内加以选择。显然，这种波长取决于网络节点的设计和其中所用的材料，而且最终取决于光纤的材料。此处，从1600nm开始的波长，特别是1610到1650nm并尤其是1620到1630nm范围内的波长证明是合适的。如果使用了增益均衡过滤器，最终在组合其它的激活介质时，其它有限的波长也证明是合适的。
图4是示出专门起放大器作用的网络节点1的一种替代设计结构的框图。图1的解复用器10和多路复用器12此处合并成一个具有四门(gate)的连续波长选择反射结构18，它在第一个门19接收来自前置放大器8的输入波分复用信号，在第二个门20输出光监测信道到放大器11，在第三个门21接收放大了的监测信道，在第四个门22将与有效载荷信道重新组合了的该监测信道经由色散补偿器23输出到后置放大器13。这种四门结构18可以例如用光集成布拉格光栅很容易地形成，布拉格光栅的光栅常数被选择为使其反射监测信道并透射有效载荷信道。

Claims (9)

1.一种用于光网络的放大器节点，具有用于接收光波长多路复用信号的至少一个输入端口，用于将接收到的光波长多路复用信号至少分成一方面的有效载荷信道和另一方面的监测信道的解复用器(10，14，18)，用于连接到解复用器(10，14，18)的输出端上的监测信道的信宿(11，16)，以及放置在输入端口与解复用器(10，14，18)之间并且光波长多路复用信号传输穿过的光放大器(8)，其特征在于，解复用器(10，14，18)适宜于分出来一个波长作为监测信道，该波长在输入端口与信宿(11，16)之间的衰减在放大器(8)的泵浦状态和未泵浦状态中基本相同。
2.一种用于光网络的放大器节点，包括用于传输光波长多路复用信号的至少一个输出端口，用于由一方面的至少一个有效载荷信道和另一方面的监测信道装配成要传输的光波长多路复用信号的多路复用器(12，17，18)，用于连接到多路复用器(12)的输入端上的监测信道的信源(11，16)，以及放置在多路复用器(12，17，18)与输出端口之间并且由光波长多路复用信号传输穿过的光放大器(13)，其特征在于，多路复用器(12，17，18)适宜于插入一个波长作为监测信道，该波长在信源(11，16)与输出端口之间的衰减在放大器(13)的泵浦状态和未泵浦状态中基本相同。
3.如权利要求1或2所述的放大器节点，其特征在于，放大器(8，13)是掺铒光纤放大器，监测信道的波长位于1600到1650nm的范围内，优选位于1610到1650nm的范围内。
4.如前述任一个权利要求所述的放大器节点，其特征在于，放大器(8，13)包括与过滤器串联的激活介质，该过滤器用于校平(levelling)激活介质在有效载荷信道的波段内的增益，校平过滤器对于监测信道是透明的。
5.如权利要求1或4所述的放大器节点，其特征在于，在放大器(8)内激活介质放置在过滤器之前。
6.如权利要求2或4所述的放大器节点，其特征在于，在放大器(8)内激活介质放置在过滤器之后。
7.一种光网络，包括发射器节点(1)，接收器节点(4)和用于传输包括有效载荷信道和监测信道的光波长多路复用信号的光纤(3)，其中在这些节点(1，4)内，至少一个节点包括多路复用信号传输穿过的放大器(8，13)，发射器节点(1)包括监测信道的信源(11)和用于装配监测信道与有效载荷信道形成光波长多路复用信号的多路复用器(12)，接收器节点(4)包括用于监测信道的信宿(16)和用于将波长多路复用信号分成监测信道与有效载荷信道的解复用器(14)，其特征在于，多路复用器和解复用器(12，14)适宜于分别将一个波长作为监测信道插入光多路复用信号和从光多路复用信号提取一个波长作为监测信道，该波长在信源(11)与信宿(16)之间的衰减在放大器(8；13)的泵浦状态和未泵浦状态中基本相同。
8.如权利要求7所述的放大器节点，其特征在于，放大器(8；13)是掺铒光纤放大器，监测信道的波长位于1600到1650nm的范围内，优选位于1610到1650nm的范围内。
9.前述权利要求7或8所述的放大器节点，其特征在于，放大器(8，13)包括与校平过滤器串联的激活介质，该过滤器用于校平有效载荷信道的增益，校平过滤器对于监测信道是透明的。
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