專利名稱：增益可變的光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增益可變的尤其是將用于WDM網(wǎng)絡(luò)中的光纖放大器，還涉及WDM網(wǎng)絡(luò)和放大WDM光信號的方法。
光纖放大器在光波長多路復(fù)用傳輸系統(tǒng)(WDM系統(tǒng))中具有很大優(yōu)越性，因為它們能夠同時放大許多WDM信道。
通常這樣的放大器工作于飽和狀態(tài)，這意味著它們具有與輸入功率無關(guān)的近似恒定的輸出功率。這還意味著放大器的增益與輸入功率成反比。在多數(shù)傳輸系統(tǒng)中這是一個優(yōu)點，因為這樣沿著傳輸路徑設(shè)置的放大器將自動調(diào)整它們的增益等于放大器之間的損耗。
對于WDM系統(tǒng)，存在一個與這種類型放大器操作有關(guān)的問題。放大器的光譜相關(guān)性依賴于放大媒質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)增大將向短波方向移動放大倍率，產(chǎn)生增益傾斜。飽和放大器的增益也依賴于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的程度。這意味著不同WDM信道之間的相對增益直接依賴于放大器的放大倍率。增益變化將直接導(dǎo)致信道之間增益不平衡，這將在接收器產(chǎn)生不同的信噪比SNR。具有最低SNR的信道將限制整個系統(tǒng)的性能。
通常放大器是為某一應(yīng)用而設(shè)計，即輸入功率水平和增益。當(dāng)安裝系統(tǒng)并進行工作時，必須使用衰減器調(diào)整功率水平。系統(tǒng)必須把剩余增益不平衡控制在允許性能容限內(nèi)。雖然在實際安裝中大部分衰減可能很低，但是整個系統(tǒng)必須針對于最壞的情況設(shè)計，即在每個放大器之間的傳輸路徑中衰減最大。這樣傳輸系統(tǒng)的總?cè)萘繉⒋蟠蟮陀谒臐撛谌萘俊?br> 還提出了對于不同WDM信道提供具有相同輸出功率的放大倍率的方法。WDM光譜可以解多路分用，通過一系列飽和放大器使每個信道功率均衡，最后再次多路復(fù)用，見美國專利US-A-5,452,116和US-A-5,392,154?？梢园延性垂饫w冷卻為低溫溫度，所述低溫溫度將產(chǎn)生每個波長的增益分別飽和的效果，所以稱為光譜燒孔(SpectralHole Burning)，見美國專利US-A-5,345,332。具有適當(dāng)特性的波長可調(diào)光纖可以部分補償該變化，參見R.A.Betts et al.的論文“Split-beam Fourier filter and its application in a gain-flattened EDFA”，Optical Fiber Communications Conf.，TuP4，SanDiego，1995。在特殊制備的有源光纖中，已經(jīng)表示出光譜變化具有降低的增益相關(guān)性，見J.Nilsson，Y.W Lee和W.H.Choe的文章，“Erbium doped fibre amplifier with dynamic gain flatness forWDM”，Electron.Lett.，Vol.31，pp.1578-1579，1995。
這些現(xiàn)有方法看起來成本高或者復(fù)雜，或者性能低。
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖放大器，該光纖放大器在光學(xué)傳輸帶寬上具有可變總增益和恒定的光譜相關(guān)性。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種光纖放大器，該光纖放大器對于變化的輸入光功率具有恒定的光譜相關(guān)性。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種放大輸入的波長多路復(fù)用光信號的方法，以便放大所述信號產(chǎn)生放大的光信號，其中對于總輸入光的不同功率和可變總增益，不同信號的增益具有恒定的光譜相關(guān)性。
因此本發(fā)明解決的問題是怎樣構(gòu)造一種具有良好性能的光纖放大器，即對于較高輸入信號比對于較低輸入信號具有更好的信噪比，而且可以以合理的成本制造。
因此，提供了一種光學(xué)放大器，該光學(xué)放大器在WDM系統(tǒng)的光學(xué)傳輸帶寬內(nèi)具有恒定光譜相關(guān)性，同時放大器的總增益可以變化，而不損害放大器的噪聲特性或輸出功率。如果需要，例如對于WDM系統(tǒng)，剩余光譜增益差可以利用固定濾光片調(diào)整，放大器的工作是根據(jù)如下結(jié)果即在兩級光纖放大器的一個放大級中的增益傾斜可以通過另一放大級中相反的相應(yīng)增益傾斜校正。因此放大器可以設(shè)計成兩級放大器，其中第一放大級作為預(yù)放大級工作于近似飽和狀態(tài)。放大器的第二級作為功率或輔助放大級，工作于完全飽和狀態(tài)，具有幾乎恒定的輸出功率。通過調(diào)整輸入到這一級的功率調(diào)整第二級的增益，以便產(chǎn)生與預(yù)放大級的增益傾斜相比具有相同數(shù)值而符號相反的增益傾斜。
第二級的輸入功率的調(diào)整最好通過調(diào)整設(shè)置在兩放大級之間的可控光學(xué)衰減器而實現(xiàn)。這一衰減器可以人工或自動控制。自動控制的衰減器可以通過各種已知技術(shù)中的一種機械控制或直接電控。
可以通過改變加給功率放大級的泵功率進一步改變整個放大器對于固定輸入功率的增益，從而改變輸出功率，那么衰減器的衰減相應(yīng)地同時改變，以便保持輸出放大級的恒定增益。
衰減器的控制可以通過許多方法中的一種實現(xiàn)。對于人工衰減器在安裝時調(diào)整衰減以便對于放大器前面線性部分的實際損耗優(yōu)化。對于自動控制的衰減器，所述衰減或者通過利用可以很好預(yù)測的放大器性能測得的輸入功率計算，如同例如D.Bonnedal在論文中闡述的一樣，論文名稱為“EDFA Gain，Described with a Black Box Model”in Optical Amplifiers and their Applications，1996 TechnicalDigest(Optical Society of America，Washington DC，1996)，pp.215-218；或者可以在輸出端實際測量兩個或多個信道的信道功率，并通過控制器算法可以消除它們之間的差值?？梢岳脦追N已知技術(shù)中的一種測量信道功率，例如把不同頻率的導(dǎo)頻音施加在一些或所有信道上并通過電氣領(lǐng)域的頻率鑒別測量相關(guān)信道功率，參見公開歐洲專利申請EP-A1-0637148，對應(yīng)于美國專利US5,463,487?；蛘呃霉潭ɑ驋呙铻V光器、光柵或者干涉儀，分析整個或部分光譜。
通過把衰減器放置在放大級之間，并不損害兩級的光學(xué)性能。來自預(yù)放大級的最低可能噪聲附加到每一種操作情況的信號上，而且總是可以從功率放大級獲得全部輸出功率。這意味著如果降低一對放大器之間的損耗，那么SNR相應(yīng)地改善。可以利用整個光學(xué)傳輸系統(tǒng)的所有潛力。
將在下面描述中提出本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點，而且通過描述本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點部分將更清楚，或者通過實施本發(fā)明而理解本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點。利用特別是所附權(quán)利要求中所指出的方法、過程和設(shè)備以及它們的組合可以實現(xiàn)和達到本發(fā)明的目的和優(yōu)點。
通過討論下面結(jié)合附圖對于非限定性實施例的詳細描述，將更好地理解本發(fā)明和本發(fā)明上述和其他特征。其中

圖1是描述光纖網(wǎng)絡(luò)一部分的示意圖；以及圖2是恒定光譜增益放大器的方框圖。
圖1示出了具有節(jié)點101的光纖WDM網(wǎng)絡(luò)的一部分。每個節(jié)點通過一根輸入光纖103和一根輸出光纖105連接到另一節(jié)點上。輸入光纖連接到預(yù)放大器107上，輸出光纖連接到輔助放大器或功率放大器109上。預(yù)放大器107和輔助放大器109分別連接到電輸出端口111和輸入端口113上，所述輸出端口和輸入端口分別構(gòu)成多路解復(fù)用器和多路復(fù)用器(耦合器)?？梢孕枰鶕?jù)放大器的用途設(shè)置放大器107和109以便具有適當(dāng)調(diào)整的增益，可以還需要在網(wǎng)絡(luò)工作期間改變增益。然而，對于包括攙雜稀土金屬鉺的光纖的光纖放大器類型的放大器，不同波長的增益值彼此不等，而且甚至當(dāng)增益改變時增益波長相關(guān)性也變化，這樣導(dǎo)致有關(guān)例如不同信噪比的問題。具有恒定光譜相關(guān)性的放大器有利于用于這樣的節(jié)點，也有利于作為光纖網(wǎng)絡(luò)中的線路放大器，它們可以構(gòu)造成將參考圖2所描述的那樣。
在圖2所示的光纖放大器的方框圖中，所述光纖放大器適用于圖1所示網(wǎng)絡(luò)部分的節(jié)點101，光進入光纖1上的光纖放大器。所述光纖連接到第一光纖放大器3上，所述第一光纖放大器3作為預(yù)放大級放大光纖1接收的光。預(yù)放大3具有固定增益，對于預(yù)期輸入光功率范圍提供適當(dāng)?shù)妮敵龉β省ｎA(yù)放大級3的輸出提供給可控衰減器5，可控衰減器5連接到電氣控制器7上并受它控制。然后被衰減器5衰減的光進入固定波長展平濾光片9，所述濾光片9的輸出連接到功率放大器級或輔助放大級11上，所述功率放大器級或輔助放大級11包括具有可變輸出功率的光纖放大器。展平濾光器9是任選的，而且對于放大器的基本操作不是必須的。在不包括展平濾光器的情況下，可控濾光片7的輸出直接連接到功率放大級11的輸入上。在光纖12上獲得整個放大器裝置的光輸出，所述光纖12連接到功率放大級11的輸出端上。
電氣控制器7還接收來自光探測器的信號。因此輸入光功率探測器13的輸入連接到設(shè)置在進入放大器的光纖1內(nèi)的Y耦合器15上。中間功率探測器17連接到任選的展平濾光器9和功率放大級11之間的光纖線路上，通過Y耦合器19接入這些裝置之間的光纖上。輸出功率探測器21通過設(shè)置在輸出線路12上的Y耦合器23連接到功率放大級11的輸出上。任選的光譜分析裝置25例如濾光片可以連接到輸出功率探測器21的輸入線路上。
現(xiàn)在將描述圖2中的放大器的操作。它是根據(jù)如下事實即在諸如包括在預(yù)放大級3和功率放大級9中的光纖放大器中，假若增益以對數(shù)單位表示，例如dB，則增益可以非常近似地表示為兩個已知光譜的線性組合或線性插值，見上面引用的Dag Bonnedal的論文。輸入功率Pin的增益光譜可以表示為
Gk(λ)＝Gb(λ)+k(Ga(λ)-Gb(λ))[dB單位] (1)其中k是與波長λ無關(guān)的常數(shù)，Ga(λ)和Gb(λ)是對其他輸入功率值的增益。常數(shù)k與輸入功率和泵浦功率有關(guān)。對于兩個構(gòu)造相同的光纖放大器No.1和2，它們的增益表示為Gk(λ)＝Gb(λ)+k1(Ga(λ)-Gb(λ)) [dB單位] (2)Gk(λ)＝Gb(λ)+k2(Ga(λ)-Gb(λ)) [dB單位] (3)其中k1、k2是與相應(yīng)放大器的輸入功率和浦功率有關(guān)的常數(shù)。如果兩個放大器串聯(lián)，而且平坦衰減值為A dB的衰減器連接在它們之間，那么總增益為Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-A+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ)) [dB單位] (4)因此，首先假設(shè)預(yù)放大級3和輔助放大器級11以及衰減器5已經(jīng)設(shè)置成給出根據(jù)等式(4)的總增益曲線，假設(shè)所述衰減器5具有平坦衰減，即對于所有考慮的波長衰減相同。然后，假設(shè)輸入到預(yù)放大級3的功率變化，那么它的增益變化，而且常數(shù)k1變化為(k1+Δk1)。那么根據(jù)等式(4)，放大器的總增益也變化。通過從控制器7向衰減器5發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘枺p自動控制為新值(A+ΔA)。那么輸入到功率放大器級11的輸入功率變化，導(dǎo)致常數(shù)k2變換為(k2+Δk2)。產(chǎn)生的增益為Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-(A+ΔA)+(k1+k2+Δk1+Δk2)·(Ga(λ)-Gb(λ))[dB單位] (5)如果調(diào)整ΔA，使得滿足條件Δk2＝-Δk1，那么產(chǎn)生的增益為Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-A-ΔA+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ))[dB單位] (6)這意味著產(chǎn)生的增益與以前的、初始的或設(shè)置的增益成正比，因此增益的光譜相關(guān)性基本上不變。
在另一種情況下，輸入到功率放大級11的泵浦光功率變化，導(dǎo)致整個放大器的輸出功率變化，而且等式(1)中的常數(shù)k2也變化。那么衰減器5的衰減值A(chǔ)可以變化為新值A(chǔ)’，使得增益仍然是功率級11的k2，產(chǎn)生總增益為Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-A’+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ)) [dB單位](7)該總增益也和初始設(shè)置的增益成正比。
如果使用任選的增益展平濾光器9，那么它應(yīng)該理論上設(shè)置成衰減(至少在包括WDM信道的某一考慮波段范圍內(nèi))為Agf(λ)＝-(2·Gb(λ)+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ)))-Agf0[dB單位](8)其中Agf0是常數(shù)。這將使得整個放大器的總增益與波長無關(guān)。
衰減器5由控制單元7自動地電控制，但是也可以人工控制。通過改變功率放大級11的光纖放大器的泵浦功率或用其他方法，改變整個放大器對于固定的輸入功率的增益，如同瑞典專利申請9303337-8所描述的那樣，尤其是參見附圖6的描述。那么衰減器5的衰減相應(yīng)地同時變化，以便通過利用探測器17和21檢測功率放大級11的輸入和輸出功率的信號，根據(jù)上述討論(等式(7))保持功率放大級11的恒定增益。對于可自動控制的衰減器5，假設(shè)預(yù)放大級3的性能和設(shè)置是已知的，那么可以通過輸入探測器13測得的輸入功率和中間探測器17測得的光功率計算它的損耗(衰減)。有時可能需要附加光探測器檢測輸入到可控衰減器的功率(那么也檢測預(yù)放大級3的輸出功率，這樣可以幫助控制它的增益)。
對于放大器的輸入功率變化，輸入探測器13檢測這一變化，然后控制濾光器5的衰減，以便通過調(diào)整它的輸出信號補償所述變化，使得功率放大級11的增益也變化，參照等式(5)和(6)?？梢酝ㄟ^只利用放大級3和11的已知性能，實現(xiàn)這一控制，其中增益和常數(shù)k可以由探測器13和17檢測的相應(yīng)輸入功率推出，例如利用上面引用的Dag Bonnedal論文中給出的函數(shù)關(guān)系，見該論文中的等式(1)
對于考慮的一個波長，Pin是輸入功率，G0是非飽和放大器的增益，Plim是放大器的最大輸出功率，α是在0.5-1.5范圍內(nèi)的指數(shù)，L是常數(shù)。那么k的值由下式計算
或者，對于具有反饋控制的衰減器5和功率放大級11，這種情況下對于變化輸入功率，必須以某種方法確定來自功率放大級11的光輸出的光譜曲線，然后控制它使得與初始設(shè)置值成正比，見等式(5)和(6)。這可以通過如下方式實現(xiàn)即利用已經(jīng)適當(dāng)調(diào)整的濾光片25選擇兩個或多個WDM信道至輸出光探測器21，在輸出端測量這些信道的信道功率。在另一實施例中，不需要濾光片25，但是適當(dāng)選擇的不同導(dǎo)頻音已經(jīng)施加在所述信道的信號上，以便可以通過濾波從光探測器21獲得的在導(dǎo)頻音頻率附近的電信號，然后測量所述音調(diào)的振幅，測量每個信道功率。
通常在兩級中使用不同長度的放大光纖，以便使得預(yù)放大級的最大增益較低，目的是施加較小的噪聲，并使得功率放大級的增益較大，目的是獲得較高效率。這意味著等式(2)和(3)中表示波長相關(guān)性的基本曲線Ga(λ)和Gb(λ)對于兩個放大級彼此不是十分相同，但是它們?nèi)匀蛔銐蛳嗨?。那么不能實現(xiàn)根據(jù)上述的精確控制，但是仍然在足夠窄的波長范圍內(nèi)，例如在1540和1560nm之間，或者對于頻率1550nm周圍更窄波長范圍內(nèi)的波長，所述控制可以通過如下方法實現(xiàn)即使得放大器的總增益具有近似恒定的波長相關(guān)性。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地想到其他優(yōu)點和改進。因此，本發(fā)明在更寬的方面并不限于這里示出和描述的具體細節(jié)、代表裝置和說明性例子。因此，可以進行各種改進而不脫離所附權(quán)利要求和它們的等同替換所限定的本發(fā)明基本概念的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種包括第一光纖放大器的光學(xué)放大裝置，其特征在于第二光纖放大器和連接在第二光纖放大器和第一光纖放大器之間的衰減器，第二光纖放大器連接成接收總光功率低的輸入光和放大所述光以便通過衰減器把所述光提供給第一光纖放大器，調(diào)整第二光纖放大器的放大倍率和衰減器的衰減，以便向第一光纖放大器提供總光功率非常高的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)放大裝置，其特征在于連接到衰減器上的控制裝置，用于控制衰減器，對于第二光纖放大器的輸入光功率的變化，調(diào)整所述控制裝置控制衰減以便第一光纖放大器的增益以如下方式變化，即來自第一放大器的光輸出與變化之前具有相同的光譜相關(guān)性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任意一項所述的光學(xué)放大裝置，其特征在于連接到衰減器上的用于控制所述衰減的控制裝置，對于輸入到第一光纖放大器的泵浦光功率的變化，調(diào)整所述控制裝置控制衰減以便第一光纖放大器的增益不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的光學(xué)放大裝置，其特征在于連接在第二和第一放大器之間的增益展平濾光器，用于補償光譜相關(guān)性，以便光學(xué)放大裝置的增益基本上與輸入光信號的波長無關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的光學(xué)放大裝置，其特征在于光探測器連接成檢測第一放大器的輸入和輸出光的功率，而且連接成向控制裝置提供信號，用于控制第一放大器的增益和衰減器的衰減。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的光學(xué)放大裝置，其特征在于光探測器具有濾光器，連接成檢測第一放大器至少在兩個不同波長的輸出光功率，并連接成向控制裝置提供信號，用于控制第一放大器的增益和衰減器的衰減。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的光學(xué)放大裝置，其特征在于光探測器連接成檢測第二放大器的輸入光功率，而且連接成向控制裝置提供信號，用于控制第一放大器的增益和衰減器的衰減。
8.一種用于傳輸WDM信號的光纖網(wǎng)絡(luò)，包括連接到至少一個光學(xué)放大裝置上的鏈路，其特征在于放大裝置包括兩個光纖放大器，預(yù)放大器和功率放大器，預(yù)放大器在輸入線路上接收光，功率放大器在輸出線路上發(fā)送光，衰減器連接在預(yù)放大器的輸出端和功率放大器的輸入端之間，用于在它們之間傳輸光，預(yù)放大器和功率放大器產(chǎn)生它們輸出信號的增益傾斜，調(diào)整控制裝置以便控制衰減器的衰減，以便-對于輸入到預(yù)放大器的輸入光功率的變化，功率放大器的增益以如下方式變化，即來自功率放大器的光輸出與變化之前具有相同的光譜相關(guān)性，和/或-對于輸入到功率放大器的泵浦光功率的變化，功率放大器的增益不變。
9.一種用于放大在光學(xué)傳輸線路中傳輸?shù)墓庑盘柕姆椒?，所述光信號包含在多個信道中，各信道的波長不同而且彼此相近，其特征在于包括如下步驟-在第一光學(xué)媒質(zhì)中同時放大光信號，所述第一光學(xué)媒質(zhì)的增益基本上是第一和第二增益特性以對數(shù)為單位的第一線性組合，所述第一和第二增益特性是波長的函數(shù)；-按比例衰減所述放大的光信號；-在第二光學(xué)媒質(zhì)中同時放大所述衰減的光信號，所述第二光學(xué)媒質(zhì)的增益基本上是第一和第二增益特性以對數(shù)為單位的第二線性組合；-控制所述衰減，以便對于輸入到第一媒質(zhì)的輸入光功率的變化，第二媒質(zhì)的放大倍率以如下方式變化，即來自第二媒質(zhì)的光輸出與變化之前具有相同的光譜相關(guān)性，和/或-控制所述衰減，以便對于來自第二媒質(zhì)的光輸出的變化，第二媒質(zhì)的放大倍率不變。
全文摘要
一種用于WDM光信號的光學(xué)放大器裝置包括光纖放大器類型的預(yù)放大器(3)和功率放大器(11),它們串聯(lián)而且增益曲線與波長相關(guān)?？煽厮p器(5)連接在放大器(3和11)之間,而且由控制裝置(7)控制。輸入到預(yù)放大器(3)的信號功率低并被放大以便提供輸出信號,其中輸入信道的信號被采用不同增益放大。那么功率放大器(11)的輸入信號具有較高功率,導(dǎo)致不同于預(yù)放大器(3)的增益特性。對于輸入信號的變化通過調(diào)整衰減器(5)的衰減,可以設(shè)置功率放大器(11)的增益特性,以便來自放大器裝置的信號輸出的光譜相關(guān)性與沒有變化時獲得的初始光譜相關(guān)性相同。而且,當(dāng)功率放大器的泵浦光功率變化,然后整個放大器的增益變化時,通過調(diào)整衰減器(5)的衰減以便功率放大器的增益不變,可以保持同樣的光譜相關(guān)性。在放大器中來自預(yù)放大級的較低可能噪聲施加到輸入信號上，而且總是可以從功率放大器獲得所有輸出功率。如果輸入信號例如提高了,那么通過放大器的信號的SNR相應(yīng)地改善。這樣改進了使用放大器的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的性能。
文檔編號H04B10/294GK1247655SQ98802520
公開日2000年3月15日 申請日期1998年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月14日
發(fā)明者D·邦內(nèi)達爾, J·桑德爾, M·森德林 申請人:艾利森電話股份有限公司