專利名稱：具有光增益控制的光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種創(chuàng)新的具有增益控制的光放大器，并且涉及一種在城域(metro field)中使用所述放大器的全光環(huán)形的WDM網(wǎng)絡(luò)。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的 一 個(gè)問(wèn)題是它們對(duì)由于放大器增益的飽和而累積瞬態(tài) 的敏感性。在對(duì)成本非常敏感的城域網(wǎng)市場(chǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者需要靈活而 魯棒的并且降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和成本的控制技術(shù)。在城域中已知的主要商 用放大器使用電子增益控制，其在成本和性能方面具有缺點(diǎn)。在可重配 置的城域網(wǎng)中電子增益控制解決方案的 一 個(gè)例子可以在N. Madamopoulos等人的J. Lightwave Technol., 20(2002), P. 937中找到。作為替代，光增益鉗制(OGC)可能是一種更簡(jiǎn)單的技術(shù)，其相對(duì) 經(jīng)濟(jì)和高效，這在M. Zirngibl的Gain control in erbium-doped fiber amplifiers by an all-optical feedback loop, Electron. Lett, 27(1991), P. 560 以及 G. Luo 等人的 Experimental and Theoretical Analysis of Relaxation-Oscillations and Spectral Hole Burning Effects in All-Optical Gain-Clamped EDFA，s for WDM Networks, J. Lightwave Technol., 16(1998), P. 527中已被提出。然而，除非提高項(xiàng)目成本，否則所提出的 用于獲得OGC的系統(tǒng)仍然要遭受對(duì)于瞬態(tài)而言并不令人滿意的魯棒性。近來(lái)提出了 一種摻辨波導(dǎo)放大器(EDWA )配置(K. Ennser的Control of optical amplifier transient dynamics in metro system network, ICTON (2004), Tu.Cl.2)。除了與摻鉺光纖放大器(EDFA)相比對(duì)瞬態(tài)損害的 超強(qiáng)免疫性之外，波導(dǎo)技術(shù)還具有與其他功能集成的良好潛力。所述集 成的塊在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)提供小型化(small footprint)和低成本。為了獲 得具有OGC的放大器的目的，即使對(duì)于EDWA也仍然存在尋找滿足上 述要求的配置的問(wèn)題。本發(fā)明總的目的是能夠獲得一種創(chuàng)新的全光放大器配置，其具有光 學(xué)鉗制的增益，從而允許實(shí)現(xiàn)全光環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)消除現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。鑒于該目的，根據(jù)本發(fā)明，設(shè)法提供一種具有光增益控制的光放大 器，其特征在于，所述光放大器包括串聯(lián)的第一光纖布拉格光柵(FBG)、可變光衰減器(VOA)、光放大單元以及第二光纖布拉格光柵(BG), 其中所述兩個(gè)光柵具有中心波長(zhǎng)，以便在它們之間限定激光諧振腔(laser cavity)，其中所述放大單元位于中間，并且要放大的信號(hào)的輸 入端位于第 一 光柵與所述放大單元的輸入端之間。此外，根據(jù)本發(fā)明，設(shè)法實(shí)現(xiàn)一種具有在節(jié)點(diǎn)中使用所述光放大器 的環(huán)的WDM光網(wǎng)絡(luò)。為了清楚地解釋本發(fā)明的創(chuàng)新性原理及其與現(xiàn)有技術(shù)(美國(guó)專利 No 6,421,168 )相比的優(yōu)點(diǎn)，在下文中借助于附圖、通過(guò)應(yīng)用所述原理 的非限制性實(shí)例對(duì)本發(fā)明的可能實(shí)施例進(jìn)行描述。在附圖中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的光增益鉗制放大器配置的配置， 圖2示出具有根據(jù)本發(fā)明的放大器的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)性測(cè)試布置， 圖3-7示出顯示使用本發(fā)明的原理的網(wǎng)絡(luò)的特性的曲線圖。參考附圖，圖1用圖解法示出總體上用參考數(shù)字IO表示的放大器 的布置，其具有根據(jù)本發(fā)明的鉗制光增益，并且具有一個(gè)輸入端11和 一個(gè)輸出端12。該放大器包含由已知放大器(并且特別是具有泵浦)組 成的增益塊13。所述泵浦放大器可以方便地用已知的摻鉺波導(dǎo)放大器 (EDWA)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這在瞬態(tài)中允許更好的性能。然而，根據(jù)本發(fā)明的 原理，發(fā)現(xiàn)已知的摻鉺光纖放大器(EDFA)也是可用的。激光諧振腔由兩個(gè)已知的光纖布拉格光柵(FBG) 14、 15組成，在 它們之間布置了放大器單元13。因此，所述諧振腔的長(zhǎng)度是這兩個(gè)光柵 之間的總路徑。然而，根據(jù)本發(fā)明的原理，上述FBG也可以被畫(huà)在集成 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。選擇這兩個(gè)光柵的中心波長(zhǎng)，例如以便通過(guò)把該放大器單 元用作激活介質(zhì)來(lái)形成激光諧振腔。例如，將中心波長(zhǎng)置于1549.58nm (WDMC波段)。即使在放大器輸入端處沒(méi)有傳輸信號(hào)，在獲得足夠 的功率以實(shí)現(xiàn)處于該波長(zhǎng)的激光作用之前，在這些通帶濾波器的中心長(zhǎng) 度上，泵浦放大器所產(chǎn)生的噪聲也會(huì)在這兩個(gè)光柵之間反射。有利地，F(xiàn)BG 14是具有0.2nm至lnm的半幅值全寬(FWHM )、 高反射系數(shù)(有利的是大于95%，特別是99.9%左右)的"平頂"光柵， 并且與信號(hào)通道成一直線放置。FBG 15具有在該例中0.2nm的FWHM 波段(也具有等于FBG 14的中心波長(zhǎng))，并且具有可能低于第一FBG的反射系數(shù)(例如有利的是高于80%,特別是在95%左右或更高)。 有利地，光柵15具有0.2nm的半幅值全寬類型的"窄頂"。到達(dá)輸入端11的信號(hào)通道通過(guò)分光器16進(jìn)入到EDWA 13中，該 分光器16在另一個(gè)端口上通過(guò)已知的可變光衰減器(VOA) 17將第二 FBG 15連接到EDWA。有利地，該分光器是90 %/10 %的分光器(損耗 0.5dB)。換句話說(shuō)，該放大器由串聯(lián)的第一光柵、VOA、泵浦放大單元和另 一個(gè)光柵組成。將要放大的信號(hào)被插入在VOA和放大單元的輸入端之 間，同時(shí)在通過(guò)另 一個(gè)光柵的放大單元輸出端處取得輸出信號(hào)。對(duì)VOA 17的插入允許對(duì)增益鉗制進(jìn)行靈活的控制。該特征例如在 網(wǎng)絡(luò)拓樸及其損耗被重新配置的情況下將是有用的。將該配置應(yīng)用于再循環(huán)全光WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)被發(fā)現(xiàn)是極其有利的。在該網(wǎng)絡(luò)中，必須避免激光功率可能會(huì)通過(guò)再循環(huán)而返回到所述諧 振腔中。為此，以這樣的方式來(lái)放置放大器的輸入端和輸出端以及光柵， 即只允許激光功率在向后的方向上出去。在向前的方向上，代之以用同 軸的隔離器來(lái)阻止激光功率，同時(shí)通過(guò)反射鏡傳播的激光的功率損耗的 99.9%將是可忽略的，并且可以估計(jì)100nW以下的耦合功率。在該例中，將該諧振腔設(shè)置為13dB的增益，并且泵浦功率為 180mW?？紤]到通過(guò)近似160mW的泵浦功率來(lái)獲得未鉗制的放大條件， 可以看出，只有15%的額外泵浦功率對(duì)于獲得穩(wěn)定的鉗制和對(duì)瞬態(tài)的免 疫性來(lái)說(shuō)是必需的。還發(fā)現(xiàn)，泵浦功率的另 一種高達(dá)飽和水平的增長(zhǎng)更加降低了功率超 調(diào)量。還發(fā)現(xiàn)，具有l(wèi)m長(zhǎng)的諧振腔的OGC-EDWA比更長(zhǎng)的OGC-EDFA 諧振腔(10m或更長(zhǎng))將具有更好的性能，這是因?yàn)榧す庵C振腔較短的 弛豫時(shí)間允許從瞬態(tài)的更快恢復(fù)。因此，通過(guò)優(yōu)化諧振腔長(zhǎng)度(特別是 在OGC-EDWA的情況下)能夠容易地提高根據(jù)本發(fā)明的具有OGC的放 大器的性能。圖2示出在具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合城域中環(huán)形網(wǎng)絡(luò)20的實(shí)驗(yàn)性布局。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包括根據(jù)本發(fā)明的圖1的放大器10。特別地，在飽和狀態(tài)下， 按照EDWA的增益接近12dB至13dB來(lái)選擇EDWA的版本。這三個(gè)節(jié)點(diǎn)中的泵浦功率分別為200mW、 180mW和180mW。中心 波長(zhǎng)分別是1549.58nm、 1551.18nm和1547.98nm。為了擴(kuò)展這些結(jié)果即使對(duì)于基于OGC-EDFA網(wǎng)絡(luò)的有效性，有意地使用9m的OGC-EDWA的諧振腔長(zhǎng)度。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)之前引入測(cè)試信道，并且在最 后一個(gè)節(jié)點(diǎn)之后除去測(cè)試信道。為了獲得要插入到21 (借助于用參考數(shù)字22表示的適當(dāng)?shù)?0/50 耦合器)的16個(gè)WDM信道，-7dBm的3個(gè)信道均—皮引入以便仿真每 一個(gè)功率是信道16的功率的五倍(5xch16)的五個(gè)傳輸信道，以及在 23處產(chǎn)生的-14dB的一個(gè)探測(cè)信號(hào)(ch 16) 26,以用于在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)之 前-2dBm的總輸入功率。從1554.95nm開(kāi)始，未示出的四個(gè)DFB激光器 彼此間隔開(kāi)100GHz。在通過(guò)50/50耦合器27與探測(cè)信道26合并之前，所述15個(gè)仿真信 道通過(guò)已知的MUX 24進(jìn)行多路復(fù)用，并且通過(guò)具有l(wèi)KHz重復(fù)頻率的 聲光調(diào)制器(AOM) 25來(lái)接通和切斷。VOA可以被用來(lái)衰減這些信道。 假定沒(méi)有信道會(huì)循環(huán)多于一次，這與ASE噪聲以及用來(lái)鉗制各個(gè)放大器 的激光波長(zhǎng)相反。每一段具有接近12dB的跨段損耗。自然地，這些圖 在這里作為例子被給出，并且可以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生變化。所有這些信道都用已知的解復(fù)用器28來(lái)提取，并且被發(fā)送給儀器 塊29以驗(yàn)證該解決方案的魯棒性。圖3示出具有一個(gè)信道或全部信道的負(fù)載的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的光 語(yǔ)。放大圖示出開(kāi)環(huán)與閉環(huán)之間的差別的細(xì)節(jié)?？梢钥闯?，所述開(kāi)環(huán)和 閉環(huán)光諳彼此非常類似。因此可以推斷，再循環(huán)的ASE光在閉環(huán)中具有 小的影響，并且鉗制的放大器獨(dú)立地起作用。在這兩種情形之間可以看 見(jiàn)小的偏移，這是因?yàn)镾HB效應(yīng)主要支配1533nm的區(qū)域；必須注意 1.3dB的變化。左側(cè)的紋波是由于DBF探測(cè)激光而引起的。然而，如果 光柵的中心波長(zhǎng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)放大器是相同的，那么對(duì)于WDM傳 輸而言幾乎全部C波段都是可用的。圖4說(shuō)明為了仿真最壞的情形而對(duì)于最長(zhǎng)的光路在從16個(gè)信道當(dāng) 中插入和分出15個(gè)之后殘存信道的功率劇增。為了量化在閉環(huán)中累積 的ASE噪聲的影響，也要對(duì)開(kāi)環(huán)配置進(jìn)行測(cè)量。然而，沒(méi)有觀測(cè)到瞬態(tài) 中的顯著變化。為了清楚起見(jiàn)，圖5和圖6示出在圖4的插入和分出操作時(shí)的瞬態(tài) 放大圖。在分出15個(gè)信道之后觀測(cè)到的小的SHB偏移是由于波段激光作用而引起的。應(yīng)當(dāng)注意，近似0.25dB的最大超調(diào)量和0.4dB的SHB偏移僅僅是 由三個(gè)OGC-EDWA級(jí)聯(lián)的效應(yīng)的線性和而引起的。所測(cè)量的最大超調(diào) 量和單個(gè)OGC-EDWA的SHB偏移分別近似為0.08dB和0.14dB。這證 實(shí)了本發(fā)明的具有OGC的每個(gè)放大器均獨(dú)立起作用，并且這些結(jié)果可 以在N個(gè)級(jí)中進(jìn)行處理，其中N是任一數(shù)。根據(jù)本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的放大 器增益的獨(dú)立控制使網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)抗恢復(fù)或故障瞬態(tài)的累積的魯棒性。網(wǎng) 絡(luò)故障可能是由于部件的退化或光纖的切斷而引起的。例如，圖7示出具有隨后恢復(fù)的所有信道的突然中斷的效應(yīng)。從該 圖中可以看出，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的開(kāi)始，可以觀測(cè)到0.4dB的瞬態(tài)峰值，然 后系統(tǒng)快速穩(wěn)定。注意，該超調(diào)量的峰值等于圖4的SHB偏置，從而顯 示出在故障的情況下除了信道的簡(jiǎn)單分出之外沒(méi)有其他額外效應(yīng)?，F(xiàn)在很明顯，通過(guò)將具有OGC的全光放大器設(shè)計(jì)為具有魯棒特性 (盡管是相對(duì)簡(jiǎn)單并且不昂貴的)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目的。放大器增益的 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通過(guò)設(shè)置簡(jiǎn)單的VOA可容易地獲得。還顯示了如何基于具有光學(xué)鉗制增益的所述放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)魯棒的、 可伸縮的、靈活的低成本全光WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。在開(kāi)環(huán)配置和閉環(huán)配置 中，都示出了在插入和分出信道的情況下以及在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下環(huán)形 網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。由于根據(jù)本發(fā)明的放大器是獨(dú)立鉗制的，因此獲得了顯 著快速的響應(yīng)時(shí)間和高的瞬態(tài)魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，幾乎全部C波段 對(duì)于傳輸WDM信道都是可用的。另外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加時(shí)，所獲得的 結(jié)果是可伸縮的。因此證明了根據(jù)本發(fā)明直到N段的網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性。所提出的網(wǎng)絡(luò)工程僅僅基于標(biāo)準(zhǔn)元件這 一 事實(shí)允許網(wǎng)絡(luò)的容易的 更新。例如，可以想得到，根據(jù)本發(fā)明的解決方案的卓越性能適用于安 裝在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的下 一代WDM 。自然地，上面對(duì)應(yīng)用本發(fā)明的創(chuàng)新性原理的實(shí)施例的描述，是通過(guò) 在這里要求的專有權(quán)的范圍內(nèi)所述原理的非限制性例子來(lái)給出的。有利 地，即使在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)、在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中、以及在環(huán)形配置中，也可以使 用根據(jù)本發(fā)明的放大器。盡管本發(fā)明的原理在城域網(wǎng)中是特別有用的，但是所述原理也可以應(yīng)用于長(zhǎng)距離或其他網(wǎng)絡(luò)；只要它滿足放大器在飽和操作的需要。
權(quán)利要求
1.一種具有光增益控制的光放大器(10)，其特征在于，所述光放大器包括串聯(lián)的第一光纖布拉格光柵(FBG)(15)、可變光衰減器(VOA)(17)、光放大單元(13)以及第二光纖布拉格光柵(14)，其中所述兩個(gè)光柵具有中心波長(zhǎng)，以便在它們之間限定激光諧振腔，其中所述放大單元(13)處于中間，并且要放大的信號(hào)的輸入端(11)被置于所述第一光柵(15)和所述放大單元(13)的輸入端之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述放大單元(13) 是E(Y)DWA或E(Y)DFA放大器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，通過(guò)置于所述放 大單元(13)的輸出端處的光柵(14)來(lái)取得放大后的信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，使得要放大的傳 輸信號(hào)通過(guò)在所述光衰減器(17)與所述放大單元(13)之間的耦合分 光器(16)進(jìn)入所述放大單元中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大器，其特征在于，所述分光器是90 %/10%分光器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述光柵(14) 是"平頂"0.2nm至lnm的半幅值全寬(FWHM)類型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，所述光柵(15) 是"窄頂"0.2nm的半幅值全寬(FWHM)類型。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，在所述放大單元 (13)的輸入端處的所述光柵(15)具有大于80%的反射率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其特征在于，在所述放大單元 的輸入端處的所述光柵(15)具有95%左右或更好的反射率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其特征在于，在所述輸出端的 所述光柵(14)具有大于95%的反射率。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的放大器，其特征在于，在所述輸出端 的所述光柵(14)具有99.9%左右的反射率。
12. —種具有節(jié)點(diǎn)的光電信網(wǎng)絡(luò)，所述節(jié)點(diǎn)具有根據(jù)上述權(quán)利要求 中任何一項(xiàng)所述的放大器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)是具有 ASE再循環(huán)的全光WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)是點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)的、網(wǎng)狀的或全光WDM環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)是城域網(wǎng)。
全文摘要
一種具有光增益控制(OGC)的光放大器具有用于要放大的信號(hào)的輸入端(11)和用于放大后的信號(hào)的輸出端(12)。它包括串聯(lián)的第一布拉格光柵(BG)(15)、可變光衰減器(VOA)(17)、具有泵浦的光放大單元(13)和第二布拉格光柵(BG)(14)。這兩個(gè)光柵在它們之間限定了激光諧振腔，其中該放大單元位于中間，并且將要放大的信號(hào)利用在該放大單元的輸入端處的分光器(16)被置于放大單元(13)的輸入端。還描述了具有包括所述放大器的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04B10/296GK101253713SQ200680031973
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2006年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者K·恩塞爾, T·羅戈夫斯基 申請(qǐng)人:愛(ài)立信股份有限公司