CN1965510A - 多级光学放大器和补偿放大自发发射的方法 - Google Patents

多级光学放大器和补偿放大自发发射的方法 Download PDF

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Abstract

通过包括下列步骤的方法控制多级光学放大器，以补偿放大自发发射(ASE)效应。探测第一增益级的光输入信号和光输出信号，并根据第一增益级的光输入信号控制第一增益级的驱动电流。探测最末增益级的光输入信号和光输出信号，并控制最末增益级的驱动电流，以维持最末增益级的输出功率基本上恒定。根据第一增益级的ASE和第一增益级的输出功率，通过施加修正因子，补偿第一增益级中放大自发发射(ASE)效应。控制提供给第一增益级的驱动电流，以针对通常形式的误差信号：(B处的总功率－级1的ASE)－(A+级1的增益)其中B处的总功率为从第一增益级输出的输出信号的功率，A为第一增益级的输入信号。进一步，控制提供给最末增益级的驱动电流，以针对通常形式的误差信号：(E处的总功率－级2的ASE)－(D+级2的增益)其中E处的总功率为从最末增益级输出的输出信号的功率，D为最末增益级的输入信号。在该方法中，在增益控制模式中校准修正因子并随后在功率控制模式中施加，因此简化了校准过程。

Description

多级光学放大器和补偿放大自发发射的方法
技术领域
本发明涉及光学放大器，更具体但不排他的说，涉及多级掺铒光纤放大器(EDFA)。
背景技术
光学放大器的性能可以由两个主要的性能参数来表征，即噪声指数(NF)和增益波动(GR)。在一种改进的反转掺铒光纤放大器(EDFA)中，通过受激发射来放大信号，所述受激发射带有由自发发射产生的噪声成分。这种自发发射可以被放大器进一步放大，导致放大自发发射(ASE)。ASE在放大器的整个增益带宽区域中这样产生。在传统的EDFA中，利用总功率监测方案来控制放大器的增益和/或功率，该方式不能区分信号成分和ASE成分。因此，噪声指数和增益波动受到该控制方案的有效性及其ASE数量的影响。
US6606191公开了一种用于控制光学放大器性能的方法，其目的是补偿增益控制模式中的ASE。在该方法中，获取输入和输出功率电子电路DC偏置的值，并且如下选择设定点的值：功率设定点＝0.0、增益设定点＝期望增益。然后，获得表示信号输入值的数字值，并且减去输入电子电路DC偏置以产生调整的输入功率值，获得表示信号输出值的数字值，并且减去输出电子电路DC偏置以产生调整的输出功率值。使用查询表或者公式来获得调整的输入功率值的ASE含量，从调整的输入功率值中减去所述ASE含量，产生ASE调整的输出功率值。增益设定点乘以ASE调整的输入功率值并从ASE调整的输出功率值中减去，或者ASE调整的输出功率值除以增益设定点并从中减去ASE调整的输入功率值，从而获得增益控制误差信号。然后从任意数中减去该增益控制误差信号，以产生控制器输入信号，并通过控制算法将该控制器输入信号转换为至少一个泵浦控制信号的数字表示。所述数字表示被转换为至少一个对应的模拟泵浦控制信号，通过驱动器电路的方法将该模拟泵浦控制信号施加到至少一个泵浦。
尽管在这样的布置中针对其全部ASE含量而调整了输入功率，但是没有提及对在进行工作的增益级中出现的ASE含量进行调整。因此，ASE随着信号一起被放大，并且没有考虑来自当前级的ASE。在多级放大器中，在第一增益级之后任何级的ASE补偿必须考虑前级中产生的ASE和该增益级中产生的ASE。由此得出结论，不能通过使用增益控制模式中校准确定的ASE因子将放大器切换到功率控制模式，因此，在这种情况下，就需要针对功率控制模式的ASE因子的特殊校准。
此外，US6525873公开了一种光学放大器，包括与光学增益介质相连接的至少一个光学泵浦源、与第一光学检测器相连接的输入光学信号抽头、与第二光学检测器相连接的输出光学抽头、以及接收来自所述检测器的输入以控制泵浦源提供的光功率的电子控制器。该控制器包括程序单元和用户界面，所述用户界面允许用户在包括ASE噪声补偿的可用控制功能间进行选择。尽管该参考文件没有详细说明ASE校准是如何作用的，但是似乎这种ASE补偿需要在增益控制模式和输出功率控制模式中分开校准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够用特别简单的方式来实现ASE补偿的光学放大器。
根据本发明，提供了一种光学放大器，具有多个可控增益级，所述多个可控增益级被损耗装置分开并包括第一和最末增益级，该放大器包括：
i)增益控制装置，用于根据第一增益级的光输入信号控制提供给第一增益级的驱动电流，
(ii)功率控制装置，用于控制提供给最末增益级的驱动电流，以维持最末增益级的输出功率基本上恒定，以及
(iii)补偿装置，用于针对第一增益级中的放大自发发射(ASE)效应补偿增益控制装置，该补偿装置根据第一增益级输出的ASE和第一增益级的输出功率施加修正因子。
上述布置适于提供多级放大器的输出功率控制模式中的ASE补偿，同时维持简单的ASE校准处理，解决了只能在增益控制模式中校准的问题，而不用必须考虑输出功率控制模式特殊的校准因子。通过在最末级ASE补偿中考虑前级的ASE，这就允许输出和增益告警处理直接从所检测的读数运行，而不用进行冗繁的指数和对数计算。因此，能够在大范围的输入信号中达到好的噪声性能，并且无需额外的校准就能在不同的控制模式和应用中使用单个光学放大器。典型地，光学放大器的制造商执行增益控制模式中必要的校准。然后，用户可以切换到输出功率控制模式以进行正常使用，并利用增益控制模式ASE校准设置。
优选地，所述增益控制装置包括用于检测第一增益级光输入信号的输入检测装置、以及用于检测第一增益级光输出信号的输出检测装置。在每种情形中，所述检测装置可以结合有用于分流一部分光信号的分流耦合器、以及用于提供表示所检测光信号的电检测信号的光电检测器。
进一步，所述功率控制装置优选地包括用于检测最末功率级光输入信号的输入检测装置、和用于检测最末功率级光输出信号的输出检测装置。同样，所述检测装置可以结合有分流耦合器和用于提供所需电检测信号的光电检测器。
方便起见，在第一增益级和第二增益级之间提供可变衰减器，用于设置放大器所需要的全部内部增益。
在优选的实施例中，所述增益级包括掺铒光纤的环路。然而，在其它实施例中，每个增益级由SOA、镱光纤或某些其它合适的元件组成。
本发明还提供了一种控制光学放大器的方法，所述光学放大器多个增益级来补偿放大自发发射(ASE)效应，该方法包括：
(i)检测第一增益级的光输入信号，
(ii)检测第一增益级的光输出信号，
(iii)根据输入到第一增益级的光输入信号控制提供给第一增益级的驱动电流，
(iv)检测最末增益级的光输入信号，
(v)检测最末增益级的光输出信号，
(vi)控制提供给最末增益级的驱动电流，以维持最末增益级的输出功率基本上恒定，以及
(vii)根据第一增益级的ASE和第一增益级的输出功率，通过施加修正因子，补偿第一增益级中的放大自发发射(ASE)效应。
附图说明
为了让本发明能够被充分地理解，以举例的方式参照附图，其中：
图1为根据本发明的两级光纤放大器的原理图；
图2为说明控制该放大器的方式的流程图；
图3为该放大器的电路图。
具体实施方式
图1用图解法说明了掺铒光纤(EDF)环路放大器，包括被可调光学衰减器(VOA)3和结合有色散补偿等的中级损耗4分开的两个增益级1和2。VOA 3用于设置放大器的全部增益和增益不平坦度，还用于补偿中级损耗4中的变化。中继损耗4可以用于增加/降低波长通道复用。增益级1和2中的每个包括EDF环路和在电子控制电路(未示出)控制下的泵浦激光二极管。如果需要，可以提供多于一个的激光二极管来泵浦EDF环路，和/或可以提供一个或多个附加的环路和相关的泵浦激光二极管。通常，根据电子控制电路从光电二极管5、6、7、8和9接收的电检测信号来控制增益级，所述光电二极管5、6、7、8和9用于通过相关的分流耦合器来检测光学信号，以及用于提供指示以下各处的光强度的电信号：(A)第一增益级1的输入、(B)第一增益级1的输出、(C)VOA 3的输出、(D)第二增益级2的输入、(E)第二增益级2的输出。
控制电路依靠所检测到的输入功率值和泵浦级所需要的输出功率值，使用算法去设置增益级1和2的增益环路和设定点。所述算法基于增益控制模式，以使得在增益控制模式中能够校准ASE补偿。进一步，该算法通过设置第二增益级的ASE设定点，考虑了从第一增益级前馈到第二增益级的ASE。
该算法包括在图2的流程图中所表示的下列步骤：
(i)在步骤10，读取在A处的检测信号，所述信号表示增益级1的输入信号。
(ii)在步骤11，放大器所需要的全部增益为所需输出信号减去在A处所指示的输入信号。相应地，在步骤12，通过由控制电路向增益级1提供恰当得控制信号，在增益控制模式中设置第一增益级1的增益，所述增益为所需的全部增益的函数。
(iii)然后，在步骤13，设置第一级ASE硬件补偿，所述补偿为所需要的全部增益和不平坦度的函数，该值在增益控制模式中校准期间确定。
(iv)控制电路控制泵浦级，以针对通常形式的误差信号：
(E处的总功率-级2的ASE)-(D+级2的增益)
该式更完全地表示为：
10*log(以mW表示的B处的总功率-以mW表示的级1的ASE)-(以dBm表示的A处的输入功率+以dB表示的级1的增益)
(v)在步骤14，设置VOA 3，其为全部增益加上任何对不平坦度、制造偏移和中级损耗的修正后所得结果的函数。C具有应用于其的固件ASE修正，所述修正匹配B处硬件ASE补偿。在稳态条件下，VOA 3被保持在常数衰减，并且为了达到这一效果，必须测量在VOA 3在B处和C处的输入和输出功率。相应地，B处和C处的输出被用作控制方案的输入，所述控制方案设置施加到VOA的电压，由此设置VOA的衰减。在优选的实施例中，在B处测量输入功率，但是也接收针对级1ASE的硬件施加的修正，然而对于在C处测量VOA的输出功率不施加偏置。在固件中进行对VOA电压的控制。当在固件控制方案中计算VOA的衰减时，通过比较来自B和C的信号来完成。在B处和C处信号的比较中必须考虑到B处的ASE修正量。这可以表示为等式：
当前VOA衰减＝(以dBm表示的通过引脚B测量的功率)-(以dBm表示的通过引脚C测量的功率)
其中，以dBm表示的通过引脚B测量的功率＝10*log(以mW表示的来自引脚B的信号+以mW表示的级1的ASE修正)。
(vi)在步骤15，在增益控制模式中，通过由控制电路提供给第二增益级2的控制信号来控制增益控制，所述增益控制为所需要的全部增益和对于不平坦度以及制造偏移的任意所需修正的函数。
(vii)在步骤16，在校准上建立级2的ASE硬件补偿，所述补偿为全部所需增益和不平坦度的函数，控制意图在于针对通常形式的误差信号：
(E处的总功率-级2的ASE)-(D+级2的增益)
其更完全地表达为：
10*log(以mW表示的E处的总功率-以mW表示的级2的ASE)-(以dBm表示的在D处的输入功率+以dB表示的级2的增益)
在初始校准步骤中已经在增益模式中设置了所需要的ASE补偿，随后可以在输出功率控制模式中操作放大器而不需要重新校准。在该情形中，所需要的全部增益为放大器所需要的输出功率减去在A处由检测信号所指示的输入功率，所述输入功率由固件连续读取。
(i)在该控制模式中，如同在增益控制模式中一样设置第一增益级1的增益，所述增益为所需要的全部增益的函数。
(ii)进一步，如同在增益控制模式中一样设置级1的ASE硬件补偿，所述补偿为所需要的全部增益和不平坦度的函数，这不需要任何进一步的校准。
(iii)控制器增益是这样来针对误差信号的：
10*log(以mW表示的B处的总功率-以mW表示的级1的ASE)-(以dBm表示的A处的输入功率+以dB表示的级1的增益)
(iv)如同在增益控制模式中一样设置VOA 3，其为所需要的全部增益加上对不平坦度、制造偏移和中级损耗的任意修正后的结果的函数。
(v)然而，在功率控制模式中，根据所需要的输出功率控制第二增益级2的硬件。硬件设定点被设置为所需要的输出功率。
(vi)设置级2的ASE补偿，所述补偿为增益控制模式中级2的ASE加上从级1前馈的ASE的函数，这样计算所述从级1前馈的ASE：查看B处存在的ASE的比例、施加该比例给D处的读数以及然后乘以级2中的增益。这可以表达如下：
Stg2_ASE_Comp_value＝
(Stg2_Total_input mW.10(Stg2Gain/10).Stg1_ASE_pre_VOA_mW/Stg1_Tot_pre_VOA_mW)+Stg2_ASE_output_from_gain_mode
其中，
Stg2_ASE_Comp_value是在带有ASE补偿的级2输出功率控制模式中设置的、以mW表示的ASE补偿值。
Stg2_Total_input_mW是以mW表示的从级2的输入读取的
Stg2Gain是以dB表示的增益，如果该单元处于增益控制模式时将在级2中设置Stg2Gain，从下面的增益中计算得到：
所需要的信号输出功率(dB)-读取的级1输入功率(dB)
Stg1_ASE_pre_VOA_mW是在VOA之前的以mW表示的ASE修正
Stg1_Tot_pre_VOA_mW是在VOA之前的以mW表示的总功率
Stg2_ASE_output_from_gain_mode是以mW设置的ASE，如果该装置已处于增益控制模式时应该已经为以下增益设置了Stg2_ASE_output_from_gain_mod：
所需要的信号输出功率(dB)-所读取的级1输入输入功率(dB)
较为简单且等效的实施方式是设置级2的ASE补偿，该补偿是以下结果的函数：B处的级1的ASE修正除以B处的级1信号功率，所得的商乘以所需要的级2输出，所得的积加上增益控制模式中级1的ASE补偿，即：
Stg2_ASE_Comp_value＝(Stg2_ASE_output_from_gain_mode)+(requiredstage 2 signal output power in mW).(Stg1_ASE_pre_VOA_mW)/(Stgl_Tot_pre_VOA_mW-Stg1_mSE_pre_VOA_mW)
不断地更新ASE补偿值和级1增益值，以反映放大器的级1的输入功率中的变化。
相似的补偿过程可以应用到N级放大器的普通情形，在该情形中级NASE被设置为：来自增益控制模式中级N的ASE加上从级1前馈至(N-1)的ASE。通过计算出在级(N-1)中B处存在的ASE的比例，将该比例施加到D处的读数，然后乘以级N中的增益，来计算得到所述从级1前馈至(N-1)的ASE，可以表示如下：
StgN_ASE_Comp_value＝
(StgN_Total_input_mW.10(StgNGain/10).Stg(N-1)_ASE_pre_VOA_mW/Stg(N-1)_Tot_pre_VOA_mW_Stg(N-1))+Stg2_ASE_output_from_gain_mode
硬件试图归零的误差信号为：
10*log(以mW表示的E处的总功率-以mW表示的级N的ASE-以mW表示的前馈的级(N-1)的ASE)-以dBm表示的所需要的输出功率)
需要注意的是，对于普通的情形，E表示级N的输出引脚。
该过程的优点是，能够直接从两级的输出B和E直接读取信号输出功率和信号增益，这使得可以简单地触发告警，可能需要所述告警来指示这些参数何时移出所允许的范围。在这种情形中，告警触发放大器的信号功率，并且需要在信号输出功率超出允许范围之后的短时间量程内触发。检测在输出功率模式中信号功率的最快的方式是，让输出光电二极管9直接测量信号功率。这就需要将所有ASE补偿加载到第二增益级2输出处的ASE修正上，而不是照搬增益控制方案，在所述增益控制方案中只有出现在第二增益级2中的ASE在第二增益级2输出处被直接补偿，并且前馈ASE被结合到输出功率设定点中。在输出功率模式中，其它在ASE补偿电路和放大器的设定点之间分配在第二增益级2中产生的ASE的方式，需要利用微处理器执行耗费时间的对数和指数运算。
这种操作方式的另一个优点是，在输入功率短暂事件期间，必须重新计算增益设定点和ASE补偿，并且由于当处于输出功率模式时不需要重新计算输出功率设定值，因此信号输出功率中的任意误差在重新计算时都被限制在ASE补偿的误差之内。如果在这一短暂事件之后输入功率的变化小，那么这个误差也小。
图3更具体地显示了放大器的电路图。在该图中C1、C2、C3和C4表示级1输入光连接器、级1输出光连接器、级2输入光连接器和级2输出光连接器。进一步，ASE1表示级1的ASE修正信号，ASE+1表示级1的ASE修正减法电路，ASE 2表示级2的ASE修正信号，以及ASE+2表示级2的ASE修正减法电路。另外，G1表示级1增益/输出功率控制电路，以及G2表示级2增益/输出功率控制电路。S1和S2分别是针对级1和级2的、用于在输出控制模式和增益控制模式之间切换的开关。CPU表示微处理器单元，ADC为模数转换器，而DAC为数模转换器。
在对上述电路的一种修改中，元件G1和G2被数字信号处理器(DSP)所代替。

Claims (18)

1、一种光学放大器，具有多个可控增益级，所述多个可控增益级被损耗装置分开并包括第一增益级和最末增益级，该放大器包括：
(i)增益控制装置，用于根据第一增益级的光输入信号控制提供给第一增益级的驱动电流，
(ii)功率控制装置，用于控制提供给最末增益级的驱动电流，以维持最末增益级的输出功率基本上恒定，以及
(iii)补偿装置，用于针对第一增益级中的放大自发发射(ASE)效应补偿增益控制装置，该补偿装置根据第一增益级输出的ASE和第一增益级的输出功率施加修正因子。
2、根据权利要求1所述的光学放大器，其中，所述增益控制装置包括第一输入检测装置，用于检测第一增益级的光输入信号。
3、根据权利要求1或2所述的光学放大器，其中，所述增益控制装置包括第一输出检测装置，用于检测从第一增益级输出的光输出信号。
4、根据权利要求1、2或3所述的光学放大器，其中，功率控制装置包括第二输入检测装置，用于检测最末增益级的光输入信号。
5、根据权利要求1、2、3或4所述的光学放大器，其中，所述功率控制装置包括第二输出检测装置，用于检测从最末增益级输出的光输出信号。
6、根据权利要求2、3、4或5所述的光学放大器，其中所述或每个检测装置结合有用于分流一部分光信号的分流耦合器。
7、根据权利要求2、3、4、5或6所述的光学放大器，其中，所述或每个检测装置结合有光电探测器，用于提供表示所检测到的光信号的电检测信号。
8、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，提供可变衰减器来设置所需要的全部增益。
9、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，所述损耗装置结合有色散补偿。
10、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，所述增益级包括掺铒光纤的环路。
11、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，所述增益级结合有增益激光二极管。
12、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，所述补偿装置被布置为针对最末增益级中放大自发发射(ASE)效应向功率控制装置施加修正因子，所述补偿装置根据最末增益级中产生的ASE和最末增益级的输出功率施加修正因子。
13、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，所述增益控制装置被布置为控制提供给第一增益级的驱动电流，从而针对通常形式的误差信号：
(B处的总功率-级1的ASE)-(A+级1的增益)
其中B处的总功率为代表第一增益级输出信号的功率的信号，
级1的ASE为代表在增益控制模式中的校准步骤期间确定的、由第一增益级输出的ASE的信号，
A为代表第一增益级的输入信号的信号，以及
级1的增益为代表第一增益级的增益的信号。
14、根据以上权利要求中任意一项所述的光学放大器，其中，功率控制装置被布置为控制提供给最末增益级的驱动电流，从而针对通常形式的误差信号：
(E处的总功率-级2的ASE)-(D+级2的增益)
其中E处的总功率为代表最末增益级输出信号的功率的信号，
级2的ASE为代表在增益控制模式中的校准步骤期间确定的、由最末增益级输出的ASE的信号，
D为代表最末增益级的输入信号的信号，以及
级2的增益为代表最末增益级的增益的信号。
15、一种控制光学放大器的方法，所述光学放大器具有多个增益级来补偿放大自发发射(ASE)效应，该方法包括：
(i)检测第一增益级的光输入信号，
(ii)检测第一增益级的光输出信号，
(iii)根据第一增益级的光输入信号控制提供给第一增益级的驱动电流，
(iv)检测最末增益级的光输入信号，
(v)检测最末增益级的光输出信号，
(vi)控制提供给最末增益级的驱动电流，以维持最末增益级的输出功率基本上恒定，以及
(vii)根据第一增益级的ASE和第一增益级的输出功率，通过施加修正因子，补偿第一增益级中的放大自发发射(ASE)效应。
16、根据权利要求15所述的方法，其中，执行一校准步骤，该步骤中，在放大器的增益控制模式中校准修正因子，随后在放大器的功率控制模式中施加该修正因子。
17、根据权利要求15或16所述的方法，其中，控制提供给第一增益级的驱动电流，从而针对通常形式的误差信号：
(B处的总功率-级1的ASE)-(A+级1的增益)
其中B处的总功率为代表第一增益级输出信号的功率的信号，
级1的ASE为代表在增益控制模式中校准步骤期间确定的、由第一增益级输出的ASE的信号，
A为代表第一增益级的输入信号的信号，以及
级1的增益为代表第一增益级的增益的信号。
18、根据权利要求15、16或17所述的方法，其中，控制提供给最末增益级的驱动电流，从而针对通常形式的误差信号：
(E处的总功率-级2的ASE)-(所需要的信号输出功率)
其中E处的总功率为代表最末增益级输出信号的功率的信号，
级2的ASE为代表在增益控制模式中校准步骤期间确定的、由最末增益级输出的ASE的信号。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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