專利名稱：具有改進(jìn)瞬變性能的光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有改進(jìn)瞬變(transient)性能的光纖放大器，其利用了泵浦功 己(pump power splitting)。
背景技術(shù)：
光纖放大器廣泛用于基于波分復(fù)用(WDM)的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)放大。網(wǎng)絡(luò)配置的改變、組件故障、光纖斷裂或保護(hù)切換可以導(dǎo)致光學(xué)輸入功率的突然改變。這些改變導(dǎo)致放大器輸出功率的快速改變，由于摻鉺光纖放大器(EDFA)的非線性光纖效應(yīng)和非理想動(dòng)態(tài)屬性，可將這些快速改變轉(zhuǎn)移至其他波長。這些改變可以傳播至其他地點(diǎn)，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的光學(xué)功率波動(dòng)并可能導(dǎo)致振蕩。因此，甚至不宣接受切換操作或故障影響的信道 也可能經(jīng)受接收機(jī)處的ー些性能下降。此外，增益變化也可以在放大器的級(jí)聯(lián)中累積。因此，甚至較小的增益變化也可以導(dǎo)致接收機(jī)處的顯著功率改變。因此，需要高效的放大器控制技木，即使輸入功率改變，其也允許將反轉(zhuǎn)(inversion)保持相對(duì)恒定,且從而將放大器或放大級(jí)的增益曲線(profile)保持相對(duì)恒定。目前，快速電子控制架構(gòu)是使EDFA的増益穩(wěn)定的最經(jīng)濟(jì)的解決方案。通常，使用反饋架構(gòu)，這是由于其允許將增益或輸出功率調(diào)整至給定的目標(biāo)值并補(bǔ)償控制誤差。然而，純基于反饋的控制器無法滿足動(dòng)態(tài)重新配置的網(wǎng)絡(luò)的瞬變性能需求。幸運(yùn)的是，反饋控制器可以由前饋控制器補(bǔ)充。兩種類型的控制器的組合將對(duì)任何改變的快速響應(yīng)提供給反饋系統(tǒng)，從而清除通過前饋控制進(jìn)行的預(yù)定調(diào)整中的任何誤差。另ー方面，成本降低已經(jīng)變?yōu)槌掷m(xù)的任務(wù)。因此，泵浦功率分配已經(jīng)變?yōu)橛糜诮档头糯笃鞒杀镜膹V泛使用的技木。如果將泵浦功率分配應(yīng)用于由經(jīng)受延遲的組件(例如，色散補(bǔ)償光纖(DCF))分離的放大級(jí)，則得到不可接受的較差瞬變性能。因此，典型地，將泵分配僅應(yīng)用于均處于DCF之前或均處于DCF之后的級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供ー種具有改進(jìn)瞬變性能的成本合理的光纖放大器。本發(fā)明涉及ー種光學(xué)放大器，具有
接收輸入信號(hào)(WSl)的第一放大級(jí)以及串聯(lián)連接且對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行輸出的第二放大
級(jí)；
光學(xué)延遲元件，插入到所述放大級(jí)之間；
公共泵浦源，產(chǎn)生泵信號(hào)；
功率分配器(power splitter)，其輸入連接至所述公共泵浦源，并且其輸出分別連接至所述第一放大級(jí)和所述第二放大級(jí)；
控制單元，確定所述泵信號(hào)的功率，所述控制単元接收從光學(xué)輸入信號(hào)導(dǎo)出的前饋控制信號(hào)，并將前饋控制的反應(yīng)延遲前饋延遲時(shí)間，從而減小輸出信號(hào)的增益變化，所述前饋延遲時(shí)間小于所述光學(xué)延遲元件的延遲時(shí)間。通過設(shè)置前饋控制的正確延遲來最小化輸出信號(hào)的最大增益變化。如果光學(xué)延遲元件是色散補(bǔ)償光纖,則有利地對(duì)傳輸光纖的色散(dispersion)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于更高技術(shù)需求，必要地，控制單元還通過對(duì)放大器増益和/或輸出功率的反饋控制而擴(kuò)展。有利地，泵信號(hào)分配器是可變分配器。這允許對(duì)噪聲和瞬變需求的性能適配。
可能的控制單元包括
第二延遲元件，用于對(duì)所述前饋控制信號(hào)進(jìn)行延遲；以及加法器，連接至所述第二延遲元件的輸出并接收前饋控制信號(hào)；以及
反饋控制電路，用于接收從所述光學(xué)輸入信號(hào)導(dǎo)出的電測(cè)量輸入信號(hào)，并接收從所述光學(xué)輸出信號(hào)導(dǎo)出的電測(cè)量輸出信號(hào)，并產(chǎn)生反饋控制信號(hào)，所述反饋控制信號(hào)與所述前饋控制信號(hào)進(jìn)行組合。更靈活的是被實(shí)現(xiàn)為可編程處理器的控制單元，所述可編程處理器接收分別從輸入信號(hào)和輸出信號(hào)導(dǎo)出的電測(cè)量信號(hào)。這允許根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求對(duì)放大器性能的簡單適配。通過根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求選擇第二延遲元件的延遲以及分配因子(splitting factor),優(yōu)化放大器性能。通過在根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求選擇分配器的分配因子時(shí)對(duì)與前饋控制信號(hào)相關(guān)的泵信號(hào)的延遲進(jìn)行編程，優(yōu)化使用處理器解決方案的放大器性能。對(duì)于更靈活的解決方案，必要地，可通過對(duì)控制単元的控制參數(shù)進(jìn)行適配來調(diào)整前饋控制的延遲以及分配因子。如果經(jīng)由泵信號(hào)延遲元件來對(duì)第二放大級(jí)進(jìn)行泵浦(pump )，則還可以改進(jìn)瞬變性倉^:。這允許在功率下降與對(duì)第一放大級(jí)進(jìn)行泵浦的第一泵信號(hào)的減小之間有更小延遲。


以下參照附圖來描述本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選示例，在附圖中
圖I示出了 EDFA的簡化框 圖2示出了示意増益性能的時(shí)間圖；以及 圖3A和圖3B示出了示意針對(duì)不同分配因子的増益性能的圖。
具體實(shí)施例方式圖I示意了光纖放大器(EDFA)的簡化框圖。出于簡明的原因，未示出光纖放大器的細(xì)節(jié)(其不是本發(fā)明的一部分，例如用于插入泵信號(hào)的耦合器或者隔離器)。光纖放大器包括串聯(lián)連接的兩個(gè)放大級(jí)3和5。每個(gè)級(jí)包括分別進(jìn)行泵浦的摻雜光纖。將延遲元件4 (例如，延遲為T4的色散補(bǔ)償光纖(DCF)和/或光學(xué)濾波器)插入到所述放大級(jí)之間。單個(gè)泵浦源15產(chǎn)生泵信號(hào)PS，光學(xué)功率分配器16將泵信號(hào)PS劃分為分別對(duì)第一和第二放大級(jí)進(jìn)行泵浦的第一泵信號(hào)PSl和第二泵信號(hào)PS2?？梢詫?duì)這些級(jí)進(jìn)行前向或后向泵浦?？刂茊卧?0控制由所述單個(gè)泵浦源15產(chǎn)生的泵信號(hào)PS的功率?？刂茊卧?0利用前饋控制和反饋控制。前饋控制產(chǎn)生泵控制信號(hào)PCS的前饋分量。所示意的前饋控制包括第一分配器
2,布置在放大器輸入I與第一放大級(jí)3之間；第一光電轉(zhuǎn)換器8(光電ニ極管),將放大器輸入信號(hào)WSl轉(zhuǎn)換為電測(cè)量輸入信號(hào)SI ；以及前饋控制電路12，接收測(cè)量輸入信號(hào)SI并將其轉(zhuǎn)換為前饋控制信號(hào)FCS。前饋控制還包括(可變)電前饋控制延遲元件13，將前饋控制的反應(yīng)延遲前饋延遲時(shí)間tf。所示的前饋控制延遲元件僅示意了對(duì)前饋控制的反應(yīng)進(jìn)行延遲的示例；延遲元件13可以被插入到控制環(huán)路中的不同位置處或者由軟件實(shí)現(xiàn)。加法器 14接收延遲后的前饋控制信號(hào)FCS。反饋控制包括第一分配器2 ;第二分配器6，布置在第二放大級(jí)5的輸出與放大器輸出7之間；第一光電轉(zhuǎn)換器8 (光電ニ極管)和第二光電轉(zhuǎn)換器9,分別將放大器輸入信號(hào)WSl和放大器輸出信號(hào)WS4轉(zhuǎn)換為電輸入測(cè)量信號(hào)SI和電輸出測(cè)量信號(hào)S4。將這兩個(gè)測(cè)量信號(hào)饋送至反饋控制単元11。反饋控制單元產(chǎn)生反饋控制信號(hào)BCS，將反饋控制信號(hào)BCS饋送至加法器14并與前饋控制信號(hào)FCS相加。為了避免在信道下降(channel drop)/添加之后對(duì)反饋控制的不期望的干預(yù)，反饋延遲元件19 (其還可以被實(shí)現(xiàn)為低通濾波器)可以在測(cè)量輸入信號(hào)SI被饋送至反饋控制電路之前將該測(cè)量輸入信號(hào)SI延遲反饋延遲時(shí)間tb。所得到的泵控制信號(hào)PCS控制泵浦源15的功率(在必要時(shí)經(jīng)由轉(zhuǎn)換器，例如，如果泵控制信號(hào)是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的話)。所示的反饋控制僅是可根據(jù)不同需求而適配的示例。優(yōu)選地，控制單元10被設(shè)計(jì)為可編程處理器，允許更高的靈活性以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求的容易適配。那么，所描述的元件由程序功能替代。然后插入轉(zhuǎn)換器(圖I中未示出)以將數(shù)字泵控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電流。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還包括允許不同分配因子SP的可變泵信號(hào)分配器16。放大器的瞬變性能和噪聲性能還取決于分配比。參數(shù)分配比這里表示投入到第一級(jí)中的總泵浦功率的部分。如果需要極好的噪聲性能，則必須使用相當(dāng)大的分配比。然而，這伴隨著相當(dāng)差的瞬變性能。如果存在足夠的余量，則值得減小分配比，以改進(jìn)瞬變性能?？梢愿鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)性能來適配放大器。功率下降構(gòu)成了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的瞬變情形，這是由于其可以由網(wǎng)絡(luò)元件的偶然事件(例如光纖切斷或失靈)造成，并且所引發(fā)的功率改變是不可預(yù)測(cè)的。因此，以下考慮集中于功率下降。放大器増益中的變化將在功率下降之后發(fā)生，即使泵浦功率與輸入功率的改變最優(yōu)匹配也是如此。這些變化是由于泵浦機(jī)制的存儲(chǔ)效果而引起的。此外，單個(gè)級(jí)的前饋控制的延遲反應(yīng)導(dǎo)致増益過沖的峰值的増大。此外，放大器増益對(duì)輸入功率變化的靈敏度也隨著輸入功率的升高而提高。這暗示了 在更高的輸入功率下，泵浦電路(pumping circuit)中的已經(jīng)較小的延遲導(dǎo)致幾乎最大的增益變化。以下描述ー種技術(shù)，其減小了具有泵浦功率分配的多級(jí)放大器中的增益變化。通常在最小化增益變化之前設(shè)置分配比。對(duì)于該示例，假定將傳統(tǒng)波長頻帶(C-頻帶)中間距為100 GHz (0.8 nm)的相等功率的40個(gè)信道投入到光學(xué)放大器中。在時(shí)間軸上的零值處，發(fā)生了在40個(gè)信道中下降39個(gè)。功率降低發(fā)生在無限短的時(shí)間段內(nèi)。如果信道下降或者切斷了光纖，則這構(gòu)成了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的最差情況。此外，假定前饋控制將泵浦功率調(diào)整至新值，該新值在穩(wěn)態(tài)條件下精確地提供針對(duì)新輸入功率的相同増益值。根據(jù)本發(fā)明，將前饋控制信號(hào)FCS的反應(yīng)延遲比光學(xué)延遲4 (DCF)的延遲時(shí)間t 4小(典型地，比光學(xué)延遲時(shí)間T4的延遲的一半小)的量TF。通常通過實(shí)驗(yàn)來確定典型范圍(0. 25至0. 75) T 4內(nèi)的最優(yōu)延遲值T F，但是其還可以被計(jì)算。圖2示出了在下降了 WDM信號(hào)WSl的40個(gè)信道(信道=信號(hào))中的39個(gè)的情況下放大級(jí)3和5的輸出功率相對(duì)于時(shí)間的變化。在該時(shí)刻處,第一放大級(jí)3的放大是恒定但增加的，且因此，其余信號(hào)WS2的輸出功率是恒定但增加的，這是由于第一泵信號(hào)PSl未減小至足夠量。在更改泵浦功率后的短時(shí)間之后，其余信號(hào)WS2的輸出功率降低至最終值，且第一放大級(jí)的放大已經(jīng)再次達(dá)到先前值。在第一放大級(jí)3的輸出信號(hào)WS2到達(dá)第二級(jí)的輸入之前，將該輸出信號(hào)WS2延遲DCF的延遲時(shí)間t4。但是，在前饋延遲時(shí)間Tf之后，已將被注入此放大級(jí)5中的第二泵信號(hào)PS2的功率與第一泵信號(hào)PSl同時(shí)減小。因此，在延遲了 T 4的信號(hào)WS3到達(dá)第二級(jí)的輸入之前，已減小第二泵信號(hào)PS2、第二放大級(jí)5的反轉(zhuǎn)及其輸出功率，這是由于t4>tf。圖2中的底部線示出了所得到的輸出信號(hào)WS4。輸出信號(hào)的最大增益變化和穩(wěn)定時(shí)間顯著減少。對(duì)第二泵信號(hào)PS2進(jìn)行延遲的附加泵信號(hào)延遲元件17改進(jìn)了性能，這是由于可以減小在放大器輸入功率的下降與前饋控制信號(hào)的反應(yīng)之間的延遲時(shí)間，且從而可以減小第ー泵信號(hào)PSl的功率。當(dāng)然，必須考慮泵信號(hào)延遲元件17的衰減。圖3A和圖3B示意了分配因子SP (3的SPl的泵浦功率SP2的泵浦功率)對(duì)瞬變性能的影響。這些圖針對(duì)-12 dB和-6 dB的信道功率而繪制。示出了由于功率下降而引起的增益變化的幅值相對(duì)于前饋控制的延遲的變化。除較小的輸入功率(圖3a)或較小的分配比(30%)外，提供增益變化最小值的最優(yōu)延遲T隨著分配因子SP的增大而減小(圖3b)。在優(yōu)選實(shí)施例中，可通過控制信號(hào)DTS和SPS (優(yōu)選地由軟件控制)來調(diào)整可變延遲元件13和分配因子SP。通過控制信號(hào)SPC來調(diào)整分配因子。可以通過配置単元18或者甚至自動(dòng)地將控制參數(shù)適配于網(wǎng)絡(luò)需求，例如以便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)穩(wěn)態(tài)性能或最優(yōu)瞬變性能。本發(fā)明還可以用在放大器中，其中該放大器具有被由相同泵饋送的一個(gè)或多個(gè)延遲元件分離的多于兩個(gè)級(jí)聯(lián)放大級(jí)。本發(fā)明不限于上述原理的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定，且因此，本發(fā)明應(yīng)涵蓋落在權(quán)利要求的范圍的等同替換內(nèi)的所有改變和修改。特別地，類似的控制處理可以由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理替代。參考標(biāo)記
1放大器輸入
2功率分配器
3第一放大級(jí)
4光學(xué)延遲元件，DCF 5第二放大級(jí)
6第二功率分配器7放大器輸出
8第一電光轉(zhuǎn)換器
9第二電光轉(zhuǎn)換器10控制單元
11反饋控制電路12前饋控制電路13 (可變)前饋延遲元件14加法器15泵浦源
16 (可變)泵信號(hào)分配器17泵信號(hào)延遲元件18配置単元 19反饋延遲元件WSl輸入I處的放大器輸入信號(hào)WS2 3的輸出處的信號(hào)WS3 4的輸出處的信號(hào)WS4 5的輸出處的放大器輸出信號(hào)BCS反饋控制信號(hào)FCS前饋控制信號(hào)PCS泵控制信號(hào)PS 泵信號(hào)PSl 第一級(jí)泵信號(hào)PS2 第二級(jí)泵信號(hào)SI 電輸入測(cè)量信號(hào)S4 電輸出測(cè)量信號(hào)SP 分配因子DTS延遲時(shí)間控制信號(hào)SPS分配因子控制信號(hào)T 4 4的延遲時(shí)間Tf 13的前饋延遲時(shí)間Tb 19的反饋延遲時(shí)間
權(quán)利要求
1.ー種具有改進(jìn)瞬變性能的光纖放大器，包括 接收輸入信號(hào)(WSl)的第一放大級(jí)(3)以及串聯(lián)連接且對(duì)輸出信號(hào)(WS4)進(jìn)行輸出的第二放大級(jí)(5)； 光學(xué)延遲元件(4 )，插入到所述放大級(jí)(3、5 )之間； 公共泵浦源(15)，產(chǎn)生泵信號(hào)(PS)； 功率分配器(16)，其輸入連接至所述公共泵浦源(15 )，并且其輸出分別連接至所述第一放大級(jí)(3)和所述第二放大級(jí)(5)； 控制單元(10)，確定所述泵信號(hào)(PS)的功率，所述控制単元(10)產(chǎn)生從光學(xué)輸入信號(hào)(WSl)導(dǎo)出的前饋控制信號(hào)(FCS)，并將前饋控制的反應(yīng)延遲前饋延遲時(shí)間(T F)，從而減小輸出信號(hào)(WS4)的增益變化，所述前饋延遲時(shí)間(T F)小于所述光學(xué)延遲元件(4)的延遲時(shí)間(T 4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)放大器，其中 所述光學(xué)延遲元件(4)是色散補(bǔ)償光纖(DCF)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光學(xué)放大器，其中 所述控制単元(10)還適于對(duì)放大器増益和/或輸出功率進(jìn)行反饋控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)放大器，其中 泵信號(hào)分配器(16)是可變分配器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)放大器，其中 所述控制單元(10 )包括 串聯(lián)連接的前饋控制電路(12)和前饋延遲元件(13)，產(chǎn)生所述前饋控制信號(hào)(FCS); 加法器(14)，接收所述前饋控制信號(hào)(FCS);以及 反饋控制電路(11 )，用于接收從放大器輸入信號(hào)(WSl)導(dǎo)出的電輸入測(cè)量信號(hào)(SI )，并接收從放大器輸出信號(hào)(WS4)導(dǎo)出的電輸出測(cè)量信號(hào)(S4)，并產(chǎn)生反饋控制信號(hào)(BCS)，所述反饋控制信號(hào)(BCS)被饋送至所述加法器(14)并與延遲后的前饋控制信號(hào)(FCS)進(jìn)行組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)放大器,其中 所述控制単元(10)被實(shí)現(xiàn)為可編程處理器，接收分別從放大器輸入(WSl)和放大器輸出信號(hào)(WS4)導(dǎo)出的電測(cè)量信號(hào)(S1、S4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)放大器,其中 所述前饋延遲元件(13)的前饋延遲時(shí)間(tf)以及所述分配因子(SP)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來選擇的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)放大器,其中 所述前饋控制信號(hào)(FCS)的前饋延遲時(shí)間(T F)以及所述分配器(15)的分配因子(SP)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來選擇的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光學(xué)放大器，其中 所述前饋延遲時(shí)間(T p)和所述分配因子(SP)是可調(diào)整或可編程的。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或9所述的光學(xué)放大器，其中 所述第二放大級(jí)是經(jīng)由泵信號(hào)延遲元件(17)進(jìn)行泵浦的。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖放大器，包括反饋延遲元件(19 )，對(duì)被饋送至所述反饋控制電路(11)的電輸入測(cè)量信號(hào)(SI)進(jìn)行延遲。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種具有改進(jìn)瞬變性能的光學(xué)放大器，包括兩個(gè)放大級(jí)(3、5)以及插入到這些級(jí)之間的色散補(bǔ)償光纖(4)?？刂茊卧?10)經(jīng)由功率分配器(16)來產(chǎn)生針對(duì)對(duì)這兩個(gè)放大級(jí)(3、5)進(jìn)行泵浦的公共泵浦源(15)的泵控制信號(hào)(PCS)。泵控制信號(hào)(PCS)具有含有延遲反應(yīng)的前饋分量(FCS)。對(duì)前饋延遲時(shí)間(τF)進(jìn)行調(diào)整以最小化由輸入功率下降而引起的增益變化。在優(yōu)選實(shí)施例中，可調(diào)整功率分配器的分配比，以實(shí)現(xiàn)例如最優(yōu)穩(wěn)態(tài)性能或最優(yōu)瞬變性能。
文檔編號(hào)H01S3/067GK102656827SQ200980162349
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者拉普 L. 申請(qǐng)人:諾基亞西門子通信公司