恒定功率模式受控的光学放大器中的快速功率瞬变抑制的制作方法
专利名称：恒定功率模式受控的光学放大器中的快速功率瞬变抑制的制作方法
技术领域：
本发明的领域是光学放大器。更具体而言，本发明针对用于控制
恒定功率模式的掺铒光纤放大器(EDFA)中的光功率瞬变的方法和 系统。
背景技术：
随着包括可重构的光插/分复用器(ROADM)在内的具有复杂联 网体系结构的高比特率(>10Gbps)、可重构光传输系统变得更加流 行，恒定功率模式的光学放大器变得越来越重要。这种ROADM组件 的添加增加了损耗，并且增加了对紧挨在接收器之前的终端-EDFA的 需求，超过了更传统的内联(in-line) EDFA，如图1中所示。高比特 率(40Gbps及更大)比低比特率具有更严格的光学信噪比(OSNR) 要求，而且需要配置图1所示的每通道可调色散补偿器，这进一步增 加了对终端-EDFA的需求。由于以上提到对ROADM的4吏用的增加 导致的动态通道插/分事件，使得对终端-EDFA的输入功率电平可以 在大范围内变化。由于突然的输入功率浪涌而在终端-EDFA输出处导 致的瞬时过冲会造成对接收器不可修复的损害。这种接收器输入功率 限制用于降低终端EDFA的最大可接受输出功率，同时来自高比特率 的光学信噪比(OSNR)约束用于增加终端EDFA的最小可接受输出 功率。因此，快速过冲抑制是恒定功率模式EDFA中有用的特征。 OSNR要求一般阻 止用户简单地以低到足以允许应用传统恒定增益模 式的EDFA控制技术的输出功率电平操作终端-EDFA。
尽管广泛采用恒定增益受控的EDFA，其中放大器固有的增益漂 移通过泵浦功率中的调节来补偿，但是非常快速的恒定功率受控的 EDFA给出了不同的挑战，且仍在寻找解决方案。简单且低成本的解决方案总是令人期望但具有挑战性的。关键的问题是在足够短的时间 内抑制由于输入功率瞬变导致的输出功率浪涌，以确保击中光电探测
器的总体(integrated)能量充分小于造成过载或损害所需的能量。如 果任何EDFA添加到PIN光电探测器的上游，则抑制功率瞬变来避免 对光电探测器的过载或损害是很重要的。
解决这个问题的一种方法在美国专利No. 6,757,099中描述。在这 个专利中所描述的解决方案涉及使用前馈和反馈控制算法来进行功率 瞬变抑制。但是，这种方法对非常快的瞬变上升时间不提供足够快的 响应。
另一种方法在美国专利No. 5,187,610中描述，该专利描述了在 EDFA输出端处使用集总损耗元件来增加噪声品质因数。但是，不是 很显然这种解决方案适当地解决了快速瞬变性能的问题。
已知的现有技术瞬变^^制策略以某种方式通过响应输入功率的 变化升高和降低泵浦功率来运行。这些受到了增益介质的特征响应时 间的限制。
因此，需要对快速输入功率瞬变抑制的改进。
发明内容
我们已经开发出了抑制恒定功率模式的光学放大器中的快速瞬 变的一种改进的方法。该方法依赖于以自动功率控制模式操作放大器。 它可适用于基于稀土放大器介质的光学放大器，例如掺铒光纤放大器 (EDFA)。
当联系附图考虑时，本发明可以得到更好的理解，附图中 图l是具有可重构光学插/分复用器的典型EDFA的功能图； 图2是用于实现本发明的电路的示意性电路图； 图3a和图4a是对于50微秒升/降功率瞬变的信号功率输入随时 间的曲线图；及
5图3b和图4b是示出在具有和没有本发明的电路改进的情况下的 信号功率输出的曲线图。
具体实施例方式
典型光纤放大器的操作依赖于增益介质，其中稀土离子被泵到反 转状态，然后通过信号波长的激励发射或者自发发射衰减到基态。在 恒定功率模式的EDFA中，当输入功率增加时，信号增益必须减小， 以便保持输出功率的恒定。增益的减小通常是通过控制泵浦驱动电流 以减小粒子数反转来实现的。但是，由于增益介质(在这个例子中是 铒)的长衰减时间，使得粒子数反转的减小不是非常快。因此，在恒 定功率模式的EDFA中，缩短衰减时间对于控制和抑制功率瞬变事件 中的过冲是很重要的。已经发现，如果增益介质中的信号功率可以推 到更高电平，则衰减时间变得更短。
图1例示了具有可重构光学插/分复用器11和关联的放大器12 的内联EDFA。这种系统一般包括带通滤波器13及诸如可调色散补偿 器和偏振模式补偿器的各种补偿器元件14。 EDFA输出放大器/接收器 以15、 16示出。
图2示出了根据本发明操作的放大器的基本元件。输入信号被引 入EDFA放大器介质21。输入信号一般具有大约1550nm的波长。 EDFA是利用一般工作在980nm的泵浦激光器22进行光学泵浦的。 典型的EDFA是芯掺杂了锗和铒的一段光纤。EDFA的结构与操作的 其它细节是众所周知的，不需要在这里具体描述。
根据本发明的EDFA是利用自动功率控制系统操作的。测量输入 信号和放大器输出端的信号的功率。功率数据馈送到用于调节放大器 泵浦功率的控制器，以便产生满足功率电平规格的输出信号。
图2示出了用于采样输入信号的光分接头(tap) 25。输入信号 的功率电平由光电探测器26测量。同样地，光分接头28采样放大器 输出信号，且放大器输出信号的功率电平由光电探测器29测量。光电 探测器一般是半导体光电探测器，但也可以是任何合适的用于测量光功率的光电器件。优选的探测器是PIN光电二极管。测量数据由控制 器30处理，以便根据需要调节光泵22处的泵浦功率。这是自动功率 控制系统的一个例子。也可以使用用于自动控制EDFA的输出功率的 其它系统选择。这些描述为以自动增益/功率控制模式操作。在本发明
器输出的样本的那些系统。这些是由术语放大器输出信号受控的增益/ 功率控制系统定义的，并以放大器输出信号受控的增益/功率控制模式 操作。
根据本发明，光衰减器31插入到EDFA的输出处。光衰减器可 以是可变的光衰减器、光耦合器、分光器或分接头、有损耗连接器或 用于降低放大器输出端处信号功率的任何其它器件。总的来说，这个 元件被称为光衰减器并被定义为显著降低放大器输出端处功率电平 (例如降低功率电平至少10%)的任何元件。在需要具有相同功率瞬 变性能的可变EDFA输出功率的情况下，诸如可变光衰减器的可调损 耗元件可能是优选的。
本发明是利用30/70光耦合器作为光衰减器元件来证明的，其中 信号在30耦合器输出端进入。耦合到耦合器70侧的功率被舍弃了 ， 这导致近似70% (5.3dB)的信号衰减。光衰减器的作用是误导光电 二极管传感器29,以人为地造成对泵浦功率的调节，以便抬高放大器 的反转状态。这使得增益介质中的实际信号功率非常高，当输入功率 在短时间内增加时，这可以有效地加速衰减时间。
为了验证本发明的有效性，对利用图2的电路的快速瞬变响应进 行有和没有光衰减器元件的比较。在图3a和图3b及图4a和图4b中 示出了性能的改进。图3a示出了工作在0和-7dB之间的-7dB输入信 号中非常短的瞬变，即50孩吏秒，而图4a示出了工作在-13dB和-20dB 之间的输入信号中的类似快速瞬变。图3b和图4b示出了作为图3a 和图4a快速瞬变结果的输出信号中的变化。
图3b和图4b每个中的虚线曲线示出了在没有光衰减器元件的情 况下操作放大器电路的结果。由于对图3a和图4a快速瞬变的慢速响应，微控制器造成放大器输出功率中多于3dB的过冲。
这些图中的实线示出了在具有如图2所示插入到放大器输出端的 光衰减器的情况下操作放大器电路的结果。性能的改进是明显的。图 3b示出了在没有本发明的光衰减器元件的情况下的3.5dB的过冲，而 在利用本发明的光衰减器元件的情况下该过冲减小到了 1.7dB。类似 地，图4b示出了在没有光衰减器的情况下的3.1dB的过冲，但在利用 光衰减器的情况下则只有1.5dB的过冲。这些结果验证了快速瞬变响 应中显著的改进。
本领域技术人员可以想到对本发明的各种附加修改。所有偏离本 说明书的特定教义但基本上依赖于现有技术通过其得以改进的本发明 原理及其等价物的情况都正确地在如所描述和要求保护的本发明范围 中被考虑。
权利要求
1、一种用于放大掺稀土光纤放大器中的光信号的方法，其中所述掺稀土光纤放大器包括放大介质和用于泵浦该放大介质的光泵，该方法依次包括以下步骤(a)引导输入光信号通过放大介质，(b)利用光泵对放大介质进行光学泵浦，以便产生放大器输出信号，该光泵具有以自动放大器输出信号受控的增益/功率控制模式工作的光泵控制器，(c)衰减所述放大器输出信号，以便产生衰减的放大器输出信号。
2、 如权利要求1所述的方法，其中衰减的放大器输出信号的一 部分反馈到光泵控制器，以便产生自动放大器输出信号受控的增益/ 功率控制模式。
3、 如权利要求1所述的方法，其中衰减的放大器输出信号被分 接，以便产生输出控制信号，而且该输出控制信号连接到光电探测器 的输入端，以便产生第一光泵控制信号。
4、 如权利要求3所述的方法，其中所述第一光泵控制信号连接 到光泵控制器。
5、 如权利要求4所述的方法，其中输入光信号被分接，以便产 生输入控制信号，而且该输入控制信号连接到光电探测器的输入端， 以便产生第二光泵控制信号。
6、 如权利要求5所述的方法，其中第二光泵控制信号连接到光 泵控制器。
7、 如权利要求6所述的方法，其中所述掺稀土光纤放大器是掺 铒光纤放大器。
8、 如权利要求1所述的方法，其中放大器输出被衰减至少10%。
9、 一种掺稀土光纤放大器设备，包括放大介质和用于泵浦该放 大介质的光泵(a)连接到放大介质的输入光信号，(b)用于泵浦放大介质以便产生放大器输出信号的光泵， (C)用于控制光泵的光泵控制器，(d) 用于分接;故大器输出信号的一部分的第一分接头；(e) 具有输入端和输出端的第一光电探测器，该第一光电探测 器的输入端连接到第一分接头，而该第一光电探测器的输出端连接到 光泵控制器，(f) 连接在放大介质和第一分接头之间的光衰减器。
10、 如权利要求9所述的掺稀土光纤放大器设备，还包括(g) 用于分接光输入信号的一部分的第二分接头，(h) 具有输入端和输出端的第二光电探测器，该第二光电探测 器的输入端连接到第二分接头，而该第二光电探测器的输出端连接到 光泵控制器。
11、 如权利要求10所述的掺稀土光纤放大器设备，其中所述掺 稀土光纤放大器是掺铒光纤放大器。
12、 如权利要求9所述的掺稀土光纤放大器设备，其中光衰减器 将放大器输出信号的功率减小至少10%。
13、 如权利要求12所述的掺稀土光纤放大器设备，其中光衰减 器是光耦合器。
14、 如权利要求12所述的掺稀土光纤放大器设备，其中光衰减 器是可变光衰减器。
全文摘要
本发明描述了抑制光学放大器系统中快速瞬变的改进的方法。该方法依赖于通过额外的损耗组件以自动功率模式控制操作放大器。这可适用于基于稀土放大器介质的光学放大器，例如掺铒光纤放大器。
文档编号H04B10/17GK101527603SQ20091000639
公开日2009年9月9日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年2月19日
发明者C·C·高, Y·德加尼, 孙昆泉, 孙立国, 宇 范 申请人:阿维尼克斯公司
技术领域：
本发明的领域是光学放大器。更具体而言，本发明针对用于控制
恒定功率模式的掺铒光纤放大器(EDFA)中的光功率瞬变的方法和 系统。
背景技术：
随着包括可重构的光插/分复用器(ROADM)在内的具有复杂联 网体系结构的高比特率(>10Gbps)、可重构光传输系统变得更加流 行，恒定功率模式的光学放大器变得越来越重要。这种ROADM组件 的添加增加了损耗，并且增加了对紧挨在接收器之前的终端-EDFA的 需求，超过了更传统的内联(in-line) EDFA，如图1中所示。高比特 率(40Gbps及更大)比低比特率具有更严格的光学信噪比(OSNR) 要求，而且需要配置图1所示的每通道可调色散补偿器，这进一步增 加了对终端-EDFA的需求。由于以上提到对ROADM的4吏用的增加 导致的动态通道插/分事件，使得对终端-EDFA的输入功率电平可以 在大范围内变化。由于突然的输入功率浪涌而在终端-EDFA输出处导 致的瞬时过冲会造成对接收器不可修复的损害。这种接收器输入功率 限制用于降低终端EDFA的最大可接受输出功率，同时来自高比特率 的光学信噪比(OSNR)约束用于增加终端EDFA的最小可接受输出 功率。因此，快速过冲抑制是恒定功率模式EDFA中有用的特征。 OSNR要求一般阻 止用户简单地以低到足以允许应用传统恒定增益模 式的EDFA控制技术的输出功率电平操作终端-EDFA。
尽管广泛采用恒定增益受控的EDFA，其中放大器固有的增益漂 移通过泵浦功率中的调节来补偿，但是非常快速的恒定功率受控的 EDFA给出了不同的挑战，且仍在寻找解决方案。简单且低成本的解决方案总是令人期望但具有挑战性的。关键的问题是在足够短的时间 内抑制由于输入功率瞬变导致的输出功率浪涌，以确保击中光电探测
器的总体(integrated)能量充分小于造成过载或损害所需的能量。如 果任何EDFA添加到PIN光电探测器的上游，则抑制功率瞬变来避免 对光电探测器的过载或损害是很重要的。
解决这个问题的一种方法在美国专利No. 6,757,099中描述。在这 个专利中所描述的解决方案涉及使用前馈和反馈控制算法来进行功率 瞬变抑制。但是，这种方法对非常快的瞬变上升时间不提供足够快的 响应。
另一种方法在美国专利No. 5,187,610中描述，该专利描述了在 EDFA输出端处使用集总损耗元件来增加噪声品质因数。但是，不是 很显然这种解决方案适当地解决了快速瞬变性能的问题。
已知的现有技术瞬变^^制策略以某种方式通过响应输入功率的 变化升高和降低泵浦功率来运行。这些受到了增益介质的特征响应时 间的限制。
因此，需要对快速输入功率瞬变抑制的改进。
发明内容
我们已经开发出了抑制恒定功率模式的光学放大器中的快速瞬 变的一种改进的方法。该方法依赖于以自动功率控制模式操作放大器。 它可适用于基于稀土放大器介质的光学放大器，例如掺铒光纤放大器 (EDFA)。
当联系附图考虑时，本发明可以得到更好的理解，附图中 图l是具有可重构光学插/分复用器的典型EDFA的功能图； 图2是用于实现本发明的电路的示意性电路图； 图3a和图4a是对于50微秒升/降功率瞬变的信号功率输入随时 间的曲线图；及
5图3b和图4b是示出在具有和没有本发明的电路改进的情况下的 信号功率输出的曲线图。
具体实施例方式
典型光纤放大器的操作依赖于增益介质，其中稀土离子被泵到反 转状态，然后通过信号波长的激励发射或者自发发射衰减到基态。在 恒定功率模式的EDFA中，当输入功率增加时，信号增益必须减小， 以便保持输出功率的恒定。增益的减小通常是通过控制泵浦驱动电流 以减小粒子数反转来实现的。但是，由于增益介质(在这个例子中是 铒)的长衰减时间，使得粒子数反转的减小不是非常快。因此，在恒 定功率模式的EDFA中，缩短衰减时间对于控制和抑制功率瞬变事件 中的过冲是很重要的。已经发现，如果增益介质中的信号功率可以推 到更高电平，则衰减时间变得更短。
图1例示了具有可重构光学插/分复用器11和关联的放大器12 的内联EDFA。这种系统一般包括带通滤波器13及诸如可调色散补偿 器和偏振模式补偿器的各种补偿器元件14。 EDFA输出放大器/接收器 以15、 16示出。
图2示出了根据本发明操作的放大器的基本元件。输入信号被引 入EDFA放大器介质21。输入信号一般具有大约1550nm的波长。 EDFA是利用一般工作在980nm的泵浦激光器22进行光学泵浦的。 典型的EDFA是芯掺杂了锗和铒的一段光纤。EDFA的结构与操作的 其它细节是众所周知的，不需要在这里具体描述。
根据本发明的EDFA是利用自动功率控制系统操作的。测量输入 信号和放大器输出端的信号的功率。功率数据馈送到用于调节放大器 泵浦功率的控制器，以便产生满足功率电平规格的输出信号。
图2示出了用于采样输入信号的光分接头(tap) 25。输入信号 的功率电平由光电探测器26测量。同样地，光分接头28采样放大器 输出信号，且放大器输出信号的功率电平由光电探测器29测量。光电 探测器一般是半导体光电探测器，但也可以是任何合适的用于测量光功率的光电器件。优选的探测器是PIN光电二极管。测量数据由控制 器30处理，以便根据需要调节光泵22处的泵浦功率。这是自动功率 控制系统的一个例子。也可以使用用于自动控制EDFA的输出功率的 其它系统选择。这些描述为以自动增益/功率控制模式操作。在本发明
器输出的样本的那些系统。这些是由术语放大器输出信号受控的增益/ 功率控制系统定义的，并以放大器输出信号受控的增益/功率控制模式 操作。
根据本发明，光衰减器31插入到EDFA的输出处。光衰减器可 以是可变的光衰减器、光耦合器、分光器或分接头、有损耗连接器或 用于降低放大器输出端处信号功率的任何其它器件。总的来说，这个 元件被称为光衰减器并被定义为显著降低放大器输出端处功率电平 (例如降低功率电平至少10%)的任何元件。在需要具有相同功率瞬 变性能的可变EDFA输出功率的情况下，诸如可变光衰减器的可调损 耗元件可能是优选的。
本发明是利用30/70光耦合器作为光衰减器元件来证明的，其中 信号在30耦合器输出端进入。耦合到耦合器70侧的功率被舍弃了 ， 这导致近似70% (5.3dB)的信号衰减。光衰减器的作用是误导光电 二极管传感器29,以人为地造成对泵浦功率的调节，以便抬高放大器 的反转状态。这使得增益介质中的实际信号功率非常高，当输入功率 在短时间内增加时，这可以有效地加速衰减时间。
为了验证本发明的有效性，对利用图2的电路的快速瞬变响应进 行有和没有光衰减器元件的比较。在图3a和图3b及图4a和图4b中 示出了性能的改进。图3a示出了工作在0和-7dB之间的-7dB输入信 号中非常短的瞬变，即50孩吏秒，而图4a示出了工作在-13dB和-20dB 之间的输入信号中的类似快速瞬变。图3b和图4b示出了作为图3a 和图4a快速瞬变结果的输出信号中的变化。
图3b和图4b每个中的虚线曲线示出了在没有光衰减器元件的情 况下操作放大器电路的结果。由于对图3a和图4a快速瞬变的慢速响应，微控制器造成放大器输出功率中多于3dB的过冲。
这些图中的实线示出了在具有如图2所示插入到放大器输出端的 光衰减器的情况下操作放大器电路的结果。性能的改进是明显的。图 3b示出了在没有本发明的光衰减器元件的情况下的3.5dB的过冲，而 在利用本发明的光衰减器元件的情况下该过冲减小到了 1.7dB。类似 地，图4b示出了在没有光衰减器的情况下的3.1dB的过冲，但在利用 光衰减器的情况下则只有1.5dB的过冲。这些结果验证了快速瞬变响 应中显著的改进。
本领域技术人员可以想到对本发明的各种附加修改。所有偏离本 说明书的特定教义但基本上依赖于现有技术通过其得以改进的本发明 原理及其等价物的情况都正确地在如所描述和要求保护的本发明范围 中被考虑。
权利要求
1、一种用于放大掺稀土光纤放大器中的光信号的方法，其中所述掺稀土光纤放大器包括放大介质和用于泵浦该放大介质的光泵，该方法依次包括以下步骤(a)引导输入光信号通过放大介质，(b)利用光泵对放大介质进行光学泵浦，以便产生放大器输出信号，该光泵具有以自动放大器输出信号受控的增益/功率控制模式工作的光泵控制器，(c)衰减所述放大器输出信号，以便产生衰减的放大器输出信号。
2、 如权利要求1所述的方法，其中衰减的放大器输出信号的一 部分反馈到光泵控制器，以便产生自动放大器输出信号受控的增益/ 功率控制模式。
3、 如权利要求1所述的方法，其中衰减的放大器输出信号被分 接，以便产生输出控制信号，而且该输出控制信号连接到光电探测器 的输入端，以便产生第一光泵控制信号。
4、 如权利要求3所述的方法，其中所述第一光泵控制信号连接 到光泵控制器。
5、 如权利要求4所述的方法，其中输入光信号被分接，以便产 生输入控制信号，而且该输入控制信号连接到光电探测器的输入端， 以便产生第二光泵控制信号。
6、 如权利要求5所述的方法，其中第二光泵控制信号连接到光 泵控制器。
7、 如权利要求6所述的方法，其中所述掺稀土光纤放大器是掺 铒光纤放大器。
8、 如权利要求1所述的方法，其中放大器输出被衰减至少10%。
9、 一种掺稀土光纤放大器设备，包括放大介质和用于泵浦该放 大介质的光泵(a)连接到放大介质的输入光信号，(b)用于泵浦放大介质以便产生放大器输出信号的光泵， (C)用于控制光泵的光泵控制器，(d) 用于分接;故大器输出信号的一部分的第一分接头；(e) 具有输入端和输出端的第一光电探测器，该第一光电探测 器的输入端连接到第一分接头，而该第一光电探测器的输出端连接到 光泵控制器，(f) 连接在放大介质和第一分接头之间的光衰减器。
10、 如权利要求9所述的掺稀土光纤放大器设备，还包括(g) 用于分接光输入信号的一部分的第二分接头，(h) 具有输入端和输出端的第二光电探测器，该第二光电探测 器的输入端连接到第二分接头，而该第二光电探测器的输出端连接到 光泵控制器。
11、 如权利要求10所述的掺稀土光纤放大器设备，其中所述掺 稀土光纤放大器是掺铒光纤放大器。
12、 如权利要求9所述的掺稀土光纤放大器设备，其中光衰减器 将放大器输出信号的功率减小至少10%。
13、 如权利要求12所述的掺稀土光纤放大器设备，其中光衰减 器是光耦合器。
14、 如权利要求12所述的掺稀土光纤放大器设备，其中光衰减 器是可变光衰减器。
全文摘要
本发明描述了抑制光学放大器系统中快速瞬变的改进的方法。该方法依赖于通过额外的损耗组件以自动功率模式控制操作放大器。这可适用于基于稀土放大器介质的光学放大器，例如掺铒光纤放大器。
文档编号H04B10/17GK101527603SQ20091000639
公开日2009年9月9日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年2月19日
发明者C·C·高, Y·德加尼, 孙昆泉, 孙立国, 宇 范 申请人:阿维尼克斯公司
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