CN1941673A - 用于放大时变光信号的方法和光放大单元 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于放大时变光信号(1”)的方法，其包括步骤：产生辅助光信号(4)，该辅助光信号的幅度选定为至少和光信号(1”)幅度的包络互补，将辅助光信号(4)叠加到光信号(1”)，以形成具有至少平均上恒定的幅度的复合信号(5)，放大该复合信号(5)，并从放大的复合信号(9)中移除放大的辅助光信号；以及也公开了一种用于执行该方法的光放大单元(6)。

Description

用于放大时变光信号的方法和光放大单元
技术领域
本发明涉及用于放大时变光信号——特别是脉冲模式的光信号——的方法，以及构造用于实施该方法的光放大单元。
背景技术
随着无源光网络(PON)的广泛运用，光系统的脉冲模式工作将变得更加重要。据预测下一代的PON将包括光放大。同样地，已经有依靠脉冲光信号传输的用于地下以及核心网络的系统提议。但是，这样的时变光信号——特别是脉冲模式信号——的放大出现了一些困难。也就是，当在光放大器例如EDFA(掺铒光纤放大器)中放大脉冲模式光信号的时候，输入到放大器的输入功率根据例如脉冲长度、脉冲间间隙的长度、连续相同数位(CID)以及脉冲之间的振幅变化这样的参数而变化，输入功率变化导致信号的放大在时间上具有非恒定的增益。这样的增益变化不仅可能使得接下来的脉冲的放大具有不同的增益，还可能造成如下所述的在单个脉冲中的增益变化——所谓的瞬变。
图1a示出了三个具有相同幅度的连续脉冲的脉冲模式光信号1，施加于传统的EDFA 2的输入端。形成的放大的信号3通过EDFA 2时没有被正确地放大，也就是不具有恒定的增益，放大的脉冲的第三个显示出增益瞬变，也就是其从一个高于前面的脉冲的幅度开始，该幅度缓慢地减少到前面的脉冲的幅度(虚线)，瞬变由第二和第三个脉冲之间长的脉冲间间隙造成。
同样地，图1b示出了具有三个脉冲的另一脉冲模式光信号1’，这三个脉冲具有恒定的脉冲间长度，脉冲的第三个为强脉冲，也就是具有远大于前面脉冲幅度的幅度。在EDFA 2放大之后，放大的信号3’的强脉冲首先出现了所期望的以恒定的增益放大的名义上(nominal)的幅度(虚线)，但是之后出现了瞬变，也就是减少到不希望的较低的放大值。
结合图1a和图1b描述的不相等的放大在几个EDFA 2级联的时候特别地强，其将造成输入到接收机的这些信号的处理的困难，特别地当出现瞬变的时候，使得信号增益在一个并且相同的脉冲期间变化。这样的瞬变需要接收机在脉冲期间的门限调整，而且瞬变巨大的光功率尖峰甚至可能造成接收机的光学元件(光电二极管、元件晶面)损坏。
当放大时变信号的时候为了保持恒定的增益，在目前本领域内提出了不同的解决方法。一种这样的解决方法包括通过光反馈(使用环形激光)或者通过将一个不同波长的强空闲信号插入EDFA实现增益箝位。但是，在环形激光建立中的增益和输出功率受限于张弛振荡(在kHz范围内)并消耗存储在EDFA中的能量的主要部分，这和使用空闲信号的情况相同。在本领域中描述的另一解决方法是在检测光输入(和输出)功率值后有源控制光泵功率值，而通过泵功率的增益控制是一种涉及到能量传送动态的间接方法，该能量传送动态依次取决于外部参数，如泵和信号功率、波长等等。
发明内容
本发明的目标是实现时变光信号的放大并且避免单个脉冲的增益变化(瞬变)，同时克服上述的本领域目前的问题。
通过一种用于放大时变光信号的方法实现该目标，该方法包括步骤：产生辅助光信号，该辅助光信号幅度选定为至少和光信号的幅度的包络互补，将辅助光信号叠加到光信号以形成具有至少平均上恒定的幅度的复合信号，放大该复合信号，并从放大的复合信号中移除放大的辅助光信号。
结合图2最佳地描述了产生辅助光信号并叠加到待放大的时变光信号上的过程，其显示出具有三个脉冲的脉冲模式光信号1”，每个脉冲在比特级别上变化(也就是典型地在1到100纳秒的时间量度上)，但是具有恒定的总幅度。图2还显示了辅助信号4，其幅度可以选定为和光信号1”互补，这意味着通过从具有恒定幅度的信号中减去光信号的时变幅度来定义辅助信号的信号幅度。这个步骤在叠加(相加)之后形成了在比特时间量度上具有恒定幅度的复合信号5。可选择地，辅助信号4的幅度可以选定为只是和光信号1”的脉冲的包络互补。在这种情况中，由叠加形成的互补信号5平均上是恒定的——也就是在脉冲的时间量度上是恒定的——但是由于没有补偿在比特级别上的光信号1”的变化，因此其可能在比特时间量度上变化。在任一情况中，复合信号5具有恒定的幅度——因此具有恒定的功率——至少在范围典型地从1到100微秒的脉冲的时间量度上。
对于在时间上具有恒定功率的复合信号5(也就是为连续模式)，不用浪费过多的光输出功率就可以在传统的EDFA中很容易地实现具有恒定增益的放大。辅助光信号4可以通过分离光信号的—部分并将其转变为辅助信号由使用和光信号有关的信息的激光发生器产生，该信息在其他测量时变光信号幅度的步骤中产生，或者，在PON中的脉冲模式信号的情况中，可以由其他装置来提供辅助光信号，如将在下面更详细地描述的。
在优选的变型中，光信号为脉冲模式信号，并且产生辅助光信号的步骤包括选定辅助光信号的包络以便和光信号的脉冲包络互补。如上所述，在这个变型中只需要产生如下辅助信号，其具有在脉冲包络的时间量度上(也就是在1到100μsec时间量度上)互补的幅度，而不是在比特时间量度上。通过这样的方式，用很少的代价(至少在典型的EDFA时间常数给出的时间量度上，也就是没有在1到100μsec和以上的时间量度上的重大强度调制)将脉冲模式光信号转变为连续模式信号。
在高度优选的变型中，光信号具有第一波长，辅助光信号具有不同于第一波长的第二波长，并且通过多路复用执行叠加辅助光信号的步骤。通过选择辅助信号和时变光信号的不同波长，可以很容易地实现从复合信号中移除辅助光信号。
在一个有利的变型中，第二和第一波长之差的模相对于第一波长选定为小于1％。通过选择彼此接近的第一和第二波长，两个信号的放大增益是可比较的，形成具有恒定幅度的放大的复合信号。
在本发明的方法的高度优选的变型中，通过滤波或者多路分解执行移除放大的辅助光信号的步骤。通过使用(光学的)阻塞滤波器或者陷波滤波器或者通过多路分解，当二者具有不同波长的时候可以有效地从放大的复合信号中移除辅助光信号。可选择地，也可使用具有和光信号相同波长的辅助信号并可以在接收机中进行光电转换后，通过电子高通滤波器从复合信号中移除(减去)辅助信号。在辅助信号在脉冲包络的时间量度(也就是在1到100微秒的时间量度上)上变化，而原始信号在比特级别(也就是典型地1到100纳秒)上变化的情况中，这是可行的。
也可以在用于放大时变光信号的光放大器单元中实现本发明，该光放大单元特别地用于实现上述的方法，其包括：用于产生辅助光信号的发生装置，辅助光信号的幅度选定为至少和光信号幅度的包络互补，用于将辅助光信号叠加到光信号上以形成复合信号的叠加装置，复合信号具有至少平均上恒定的幅度，用于放大复合信号的放大装置，以及用于从放大的复合信号中移除放大的辅助光信号的移除装置。有利地，发生装置包括一种激光器，其具有和光信号的波长不同的波长，并且叠加装置以多路复用器实现。移除装置可以以多路分解器或者以滤波器实现。
在一个有利的实施方式中，光放大单元包括光信号平滑单元，其安排在集成了发生装置和叠加装置的放大装置之前的光信号的路径中。通过这种方式，可以在本地实现复合信号的产生。平滑单元可以进一步包括用于测量光信号的幅度的测量装置。可选择地，辅助信号可以在平滑单元中通过抽取光信号的一部分并根据通过适当的转换(从恒定信号中减去)的抽取部分产生辅助信号的互补的幅度来产生。
在一个高度优选的实施方式中，放大装置为掺铒光纤放大器。由于在EDFA增益动态中涉及的长时间常数，辅助信号波形的产生不需要在脉冲边沿处和输入信号完全地匹配。光放大单元也不受限于在EDFA中的控制环时间常数。
本发明也在具有至少一个上述的放大单元的无源光网络中实现，其中放大装置安排在至少一个光网络终端(ONT)和光线路终端(OLT)之间，并且其中发生装置安排在光线路终端的位置处或者在多个光网络终端中的一个光网络终端的位置处。OLT包含和脉冲模式光信号的幅度相关的信息，其下行发送用于请求上行发送来自ONT的这样的信号的信号。因此，可以利用与从ONT上行传送的脉冲有关的OLT的知识，来取代在无源光网络(PON)上行中对输入光信号定时和值的测量。然后可以在OLT处产生辅助信号并向光放大器的位置发送，更精确地发送到叠加装置。可选择地，也可以通过专门的ONT产生辅助信号，可以设定ONT的输出功率值并在上行中传送。然后，ONT具有传统的控制电路来解释下行授权。在这种情况中，辅助信号可以为非调制脉冲(也就是没有数据调制，但具有恒定功率值)。该直流(DC)可以在OLT处的脉冲模式接收机的电子电路中滤波得出。
本发明进一步地在具有如上所述的光放大单元的光中继器中实现。光中继器位于光信号的传输线路中并且提供了本发明的光放大单元，该光中继器可用于时变光信号的恒定增益放大，因此简化了在传输线路末端的接收机的操作。
进一步的优点可以从说明和附图中提取出。上面和下面提到的特征可以根据本发明单独地使用或者以任何的联合方式共同地使用。提到的实施方式不应理解为穷举式的列举而是具有对本发明的说明示例的性质。
附图说明
本发明在附图中示出。
图1a、1b分别示出了具有非恒定脉冲间间隙和幅度的脉冲模式光信号的放大，其产生在放大的信号中的瞬变，
图2示出了将辅助光信号叠加到脉冲模式光信号以形成具有恒定总幅度的复合信号，
图3示出了本发明的光放大单元的第一实施方式，
图4示出了光放大单元的第二实施方式，其抽取需要放大的光信号的一部分用于辅助信号的本地产生，
图5示出了具有光放大单元的无源光网络，其在光线路终端中远程产生辅助信号，以及
图6示出了具有光放大单元的无源光网络，其在光网络终端中远程产生辅助信号。
具体实施方式
图3示出了用于放大在图2中示出的时变脉冲模式光信号1”的光放大单元6。光信号1”具有第一波长λs。单元6包括作为放大装置的图1的标准EDFA 2。为了产生在时间上具有恒定增益的脉冲模式光信号1”的放大，脉冲模式信号1”必须转换为连续模式信号，如上结合图2所述，通过将辅助信号4加到脉冲模式信号1”完成该转换，从而产生至少在脉冲的时间量度上(也就是1到100微秒)具有恒定幅度的复合信号5。
为了以后从脉冲模式信号1”中移除辅助信号4，产生辅助信号，具有第二波长λc，其在使用激光器的(未示出)补偿信号发生器7中和光信号1”的第一波长λs相失谐。第一和第二波长之差的模|λs-λc|相对于第一波长λs也就是|λs-λc|/λs选定为低于1％。两个波长彼此接近，辅助信号4的增益和光信号1”的增益是可比的。
为了产生辅助信号4，其具有和脉冲模式信号1”的脉冲的包络互补的脉冲包络，信号发生器7连接到用于测量光信号1”的脉冲的包络的测量装置(未示出)。由此产生的辅助信号4然后在作为叠加装置使用的多路复用器8中被加到脉冲模式信号1”上。然后形成的复合信号5在EDFA 2中以恒定的增益被放大，以产生放大的复合信号9，其具有恒定的、增加的幅度。然后在多路分解器10中从放大的复合信号9中移除放大的辅助信号，这样多路复用器的输出只保留了放大的脉冲模式信号11，其对应于以恒定增益放大的脉冲模式信号1”。可以在EDFA 2之前安排的普通的平滑单元(未示出)中实施多路复用器8和信号发生器7。平滑单元和EDFA 2一起和多路分解器10方便地集成在光中继器中，用于实现具有恒定增益的光信号1”的本地放大。
在图4中，表示了修改的光放大单元6’的实现，其具有安排于EDFA 2之前的在光信号的路径13中的信号平滑单元12。平滑单元12包括抽头耦合器14，其用于从信号路径13中抽取光信号的一部分(未示出)到辅助信号发生路径15。然后通过发射机Tx将在接收机Rx处抽取的光信号的一部分转换为在第二波长λc上的辅助光信号，其具有通过发生装置7’产生的互补的幅度。然后将发射机Tx的输出处的辅助光信号作为输入，提供给以上述的方式作为叠加装置使用的多路复用器8。由于对所抽取的光信号的一部分的处理造成辅助信号相对于光信号的一些延迟，因此在光信号14的路径中加入作为延迟补偿装置16的光纤环。通过这种方式，当在多路复用器8的位置进行叠加的时候，在光信号的路径13中和辅助信号发生路径15中的信号为同步的。辅助光信号的移除通过陷波滤波器17在光放大单元6’中实现。注意到光放大单元6’也可以作为光中继器使用。
现在参照图5，示出了包括具有分布元件的光放大单元的无源光网络(PON)18，分布元件具有与如图3中示出的元件相似的结构，主要区别在于用于产生辅助光信号的信号发生器7没有位于EDFA 2之前的光信号的路径13中，而是在EDFA 2之后的远程位置处，更精确地，在网络18的光线路终端(OLT)19中。OLT 19连接到多个(典型地几十到几百个)光网络终端(ONT)，在图5中为了简化只表示出了其中的一个(20)。在ONT 20中产生具有波长λs的脉冲模式光信号，然后以结合图3描述的方式，通过分别在多路复用器8中加入辅助光信号和在多路分解器10中移除辅助光信号，在EDFA 2中将其以恒定增益放大。
如上面解释的，具有第二波长λC的辅助信号在OLT 19的位置处产生并在另一多路复用器21中的输入处加入到光信号上。然后将辅助信号沿着光信号的传输路径，以与波长为λs的放大的光信号的传输方向相反的方向发送到多路分解器10的位置。在多路分解器10的位置处，抽取辅助信号并通过接到多路复用器8位置处的短路电路22绕过EDFA 2，通常在多路复用器8的位置处将该辅助信号叠加到光信号上。
图6示出了另一种无源光网络24，其具有多个光网络终端，示出了其中的三个(20a到20c)，而且不同于图5的光网络18的是辅助光信号在为此目的专用的ONT 20c位置处的发生装置7中产生。在OLT 19中表示出的关于上行信号路径13的脉冲模式信号的信息在下行信道23中发送到ONT 20c的位置。ONT 20c可以以不同于波长λS的波长λC(在EDFA 2之后，在合适的移除装置——例如多路分解器6(未示出)——中移除放大的辅助信号)，或者以信号波长λS自身从发生器7传送信号到信号路径13。在后一情况中，辅助信号可以为非调制脉冲(也就是没有数据调制，但具有恒定功率值)。然后辅助信号在脉冲的包络的时间量度(也就是从1到100微秒)上变化，而光信号以比特级别(也就是典型地1到100纳秒的数量级)变化。由于信号调制的不同时间量度，可以通过电子高通滤波器在OLT 19中作为移除装置(未示出)从复合信号中减去辅助信号。通过这样的方式，可以避免辅助信号和光信号使用不同的波长。
不包括测量输入光信号定时和值的辅助信号的远程产生只在无源光网络(PON)中可行，其利用了OLT 19的关于脉冲的信息，该信息从ONT 20上行发送。因此可以在OLT 19或者ONT 20c处产生辅助信号并向光放大器的位置发送。
总之，本发明的放大方法和单元允许对时间相关、特别是具有恒定增益的脉冲模式光信号的放大，特别地用于避免瞬变，当使用任意传统的EDFA的时候不会浪费过多的光输出功率，不受限于在EDFA中的控制环时间常数，并且，通过利用在EDFA增益动态中涉及的长时间常数，辅助信号波形的产生不需要完全匹配于在脉冲边沿处的输入信号。然而，注意到虽然在上面只是结合脉冲模式信号描述了放大方法和单元的应用，但是也允许以恒定增益进行任意类型的时变信号的放大。同样地，本发明也不受EDFA的使用的限制，而是可以有利地和其他种光放大器相结合，特别是掺有其他稀土元素例如钕、镨、铥等等的放大器。

Claims (8)

1.一种在无源光网络(18、24)中用于放大脉冲模式信号(1”)的方法，其包括步骤：
产生辅助光信号(4)，该辅助光信号具有至少与所述脉冲的幅度的包络互补的幅度，
将所述辅助光信号(4)叠加到所述脉冲模式信号(1”)，以形成具有至少平均上是恒定的幅度的复合信号(5)，
放大所述复合信号(5)，以及
从所述放大的复合信号(9)移除所述放大的辅助光信号，其特征在于
根据和所述脉冲相关的信息产生所述辅助光信号(4)，所述信息由所述无源光网络(18、24)的光线路终端(19)提供。
2.根据权利要求1的方法，其中所述脉冲模式信号(1”)具有第一波长(λs)，所述辅助光信号具有不同于所述第一波长(λs)的第二波长(λC)，并且通过多路复用执行所述叠加所述辅助光信号(4)的步骤。
3.根据权利要求2的方法，其中将所述第二和第一波长之差的模(|λC-λS|)相对于所述第一波长(λS)选定为小于1％。
4.根据权利要求1的方法，其中通过滤波或者多路分解执行所述移除所述辅助光信号的步骤。
5.一种用于放大脉冲模式信号(1”)的无源光网络(18、24)，所述脉冲模式信号在至少一个光网络终端(20、20a-20c)和光线路终端(19)之间传输，该网络包括：
用于产生辅助光信号(4)的发生装置(7、7’)，所述辅助光信号的幅度选定为至少与所述脉冲的幅度的包络互补，
用于将所述辅助光信号叠加到所述脉冲模式信号(1”)以形成复合信号(5)的叠加装置(8)，所述复合信号具有至少平均上是恒定的幅度，
用于放大所述复合信号的放大装置(2)，以及
用于从所述放大的复合信号(9)中移除所述放大的辅助光信号的移除装置(10、17)，其中所述光线路终端(19)连接到用于提供和所述脉冲相关的信息的所述发生装置(7)。
6.根据权利要求5的无源光网络，其中所述发生装置(7)安排在所述光线路终端(7)的位置处或者在所述多个光网络终端中的一个光网络终端(20c)的位置处。
7.根据权利要求5的无源光网络，其中所述放大装置(2)为掺铒光纤放大器。
8.根据权利要求5的无源光网络，其中所述放大装置(2)位于光中继器或者光纤跳接箱中。
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