專利名稱：多級光纖放大器和用于匹配多級光纖放大器的泵浦功率的方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分的多級光纖放大器以及一種根據權利要求9的前序部分的、用于匹配多級光纖放大器的泵浦功率的方法。
背景技術：
在光學長途通信網絡中，為了信號放大，通常使用光纖放大器，其放大光纖大多摻雜有來自稀土族的元素。在商業上，主要采用摻鉺光纖放大器(英語“Erbium doped fiber amplifiers”，縮寫為EDFAs)，這些光纖放大器通常由多個放大級構成。以下，分別將EDFA的一部分稱為放大級，其中這一部分恰好包含相連接的摻鉺光纖，該光纖被布置在無源部件、例如可變的衰減元件、補償色散的光纖或者隔離器(Isolatoren)之間。
在文獻中存在多種裝置，用于對多級摻鉺光纖放大器進行泵浦(pumpen)。泵信號在此情況下與光傳輸信號同向或者反向地傳播。為了輸送能量，迄今通常針對每個放大級采用一個或者多個泵浦激光二極管。在兩級光纖放大器中，也使用不同波長的泵浦激光二極管作為泵浦源。具有980nm的發射波長的泵浦激光器例如負責在第一級的光纖開始處的高反轉，而具有1480nm的發射波長的激光器為隔離器之后的第二放大級供應能量。由此，可以在非常大的輸入功率范圍內在足夠的輸出功率的情況下實現良好的噪聲系數。
為了節省成本，值得期望的是，僅還使用一個泵浦激光二極管作為泵浦源，以便對多級光纖放大器進行泵浦。這尤其通過激光二極管的可實現的輸出功率的巨大進步而變為可能。具有高達500mW的泵浦激光二極管已經可以在商業上獲得。原則上區分兩種泵浦裝置，利用這兩種泵浦裝置將激光二極管的泵浦功率分配給例如兩個放大級。在圖1a)和1b)中示出了這種泵浦裝置的實施例。在這方面，請參閱美國專利5 430 572。
圖1a示出具有泵浦旁路的兩級光纖放大器的已知的泵浦裝置，該泵浦裝置作為框圖被示出。1550nm左右的波長的光數據信號在輸入側通過隔離器I被輸送給波長選擇耦合器WDM1的第一輸入端。耦合器WDM1的第二輸入端對應于泵浦輸入端，并且與具有例如980nm的發射波長的激光二極管LD的輸出端相連接。所發射的泵浦信號A1和光傳輸信號隨后被輸送給第一摻鉺放大光纖EDF1，傳輸信號在那里被放大并且泵浦信號的一部分被吸收。被放大的傳輸信號通過耦合器WDM、通過另外的隔離器IB、并且通過耦合器WDM2被輸送給第二摻鉺放大光纖EDF2，其中所述另外的隔離器IB被布置在第一放大級S1和第二放大級S2之間。波長選擇耦合器WDM的第二輸出端與耦合器WDM2的第二輸入端相連接。借助泵浦旁路PB，在第一放大級S1中未被吸收的泵浦信號A2被耦合輸出，并且在隔離器IB之后又被耦合輸入到第二放大級S2中。泵浦旁路由于在隔離器IB中對泵浦信號的高吸收而是必需的。由US專利5 430 572，圖4公開了一種原理上相同的裝置，其中泵浦信號與傳輸信號反向地傳播。在此情況下，激光二極管的泵浦信號通過波長選擇耦合器被耦合輸入，該波長選擇耦合器被布置在第二放大光纖之后。
在圖1b的框圖中示出了具有泵浦分光器(Pumpsplitter)的泵浦裝置。在此情況下，激光二極管LD的泵浦信號通過泵浦分光器PS被輸送給放大級S1和S2。泵浦分光器通常具有用于輸送信號E1和E2的兩個輸入端以及具有兩個輸出端，并且根據固定地設置的劃分系數(1-α)∶α將由激光二極管所發射的泵浦信號的功率分配到兩個放大級S1和S2上。在歐洲專利申請0 650 234 A1，圖3中同樣說明了這種裝置。根據該申請的圖1b，泵浦分光器PS的第一輸出端與第一放大級S1的波長選擇耦合器WDM1相連接。泵浦分光器PS的第二輸出端與另外的耦合器WDM2相連接，該另外的耦合器WDM2被布置在第二級S2的開始處。以這種方式，第一泵浦信號A1被輸送給第一放大光纖EDF1，并且另外的泵浦信號A2被輸送給另外的放大光纖EDF2。利用這種結構，與圖1a中的結構相比可以實現更高的輸出功率。在此情況下，功率耦合器的劃分系數是重要的自由度，該自由度允許對放大器功能進行優化。然而不利的是，泵浦分光器PS的劃分系數通常在放大器的設計階段中被確定，并且在運行期間不能與輸入功率或者所希望的輸出功率相匹配。
除了由于受激發射而引起的所希望的信號放大之外，光放大器還具有被放大的自發發射(英語“amplified spontaneous emission”，縮寫ASE)形式的寬帶噪聲，該寬帶噪聲導致信噪比的降低。為了在多級EDFA的輸出端處實現盡可能小的噪聲系數(英語“noise figure”，縮寫NF)，在各個放大級的輸出端處的總信號功率(以下稱為輸出功率)應該盡可能大。但是，同時，特別是在用于非常長的傳輸線路的放大器的情況下，第一級的噪聲系數應該盡可能小，因為在多級光纖放大器中第一級的噪聲系數首先決定整個裝置的噪聲特性。多級光纖放大器的噪聲特性以及最大輸出功率一般依賴于在放大器的輸入端處的總信號功率(以下稱為輸入功率)以及各級的泵浦功率。
在圖2中針對圖1b的兩級放大裝置中的泵浦分光器PS的不同劃分系數示出了作為輸出功率Pout(以dBm給出)的函數的噪聲系數NF(以dB給出)的分布。也針對圖1a的泵浦裝置示出噪聲系數NF對輸出功率Pout的依賴性。出發點是由激光二極管LD發射的泵浦功率被限制在大約250mW內。此外，所考慮的放大級的增益通過合適的泵浦功率調節被保持恒定并且近似為20dB。由于恒定的增益，在輸入和輸出功率之間存在線性關系。輸入功率被計算，使得在40個信道的頻譜寬度上設置總輸入功率，該總輸入功率通常對應于單獨的信道的功率。這樣選擇的總輸入功率在仿真中被改變。在實踐中，輸入功率的改變通過不同的信道占用或者通過一個或多個信道的信號的功率變化來實現。曲線A示出圖1a中的具有泵浦旁路的泵浦裝置的噪聲特性，而借助曲線B_0.2至B_0.8，泵浦功率的分配對圖1b中的具有泵浦分光器的泵浦裝置的第一和第二放大級的強烈影響變得明顯。對于曲線B_0.2至B_0.8來說，劃分系數從0.2出發增大到0.8，即耦合輸入到第一鉺光纖中的泵浦信號A1增大。可以明顯地看到，噪聲系數對于小的輸出功率來說以及由于恒定的增益即使對于小的輸入功率來說也非常大，并且當耦合輸入到第一放大級中的泵浦信號A1被提高時，隨著增大的輸出功率而不斷減小。然而，也變得明顯的是，由此最大可實現的輸出功率Pout，max減小多個dBm。針對所要求的增益值的最大可實現的輸出功率Pout，max的特征在于，放大器增益還未處于飽和區域中。考慮到傳輸系統，當預先給定確定的輸入信號功率和確定的泵浦功率時，最大可實現的輸出功率Pout，max和最大出現的噪聲系數NFmax作為光纖放大器的特征量是重要的。
用于商業應用的現代WDM系統可以以相應的波長上的多達160個信道來運行，但是它通常只能以少數幾個信道開始運行。因此，在開始運行的時刻，在光纖放大器的輸入端處的輸入功率(在恒定的增益的情況下還有輸出功率)相當小，而以后可能出現明顯更大的輸入功率。但是傳輸線路必須被設計，使得對信號質量的特別是在信噪比方面的必需的要求在大的功率范圍內被滿足。
如果在接通或者斷開信道時在光纖放大器的輸入端處的輸入功率改變，則需要使輸入功率與光纖放大器的動態特性匹配。因此，例如在信號輸入功率下降16dB的情況下在多級放大器的輸入端處出現要放大的信號的明顯的增益波動。然而，為了防止在傳輸線路的末端的比特錯誤，在接通或者斷開信道時信號增益不應改變。
發明內容
本發明的任務是，給出一種多級光纖放大器，利用該多級光纖放大器在變化的輸入功率范圍上實現改善的噪聲系數。
本發明的另一任務是，改善這種多級光纖放大器的動態特性。
這些任務通過具有權利要求1的特征的多級光纖放大器、通過具有根據權利要求9的特征的用于匹配泵浦功率的方法、以及通過具有權利要求13的特征的多級光纖放大器來解決。
給出一種多級光纖放大器，其具有第一放大光纖和至少一個串聯的另外的放大光纖以及至少一個泵浦源，其中第一泵浦信號被輸送給第一放大光纖，并且另外的泵浦信號被輸送給另外的放大光纖。根據本發明，設置有與功率相關的衰減元件，所述另外的泵浦信號通過該衰減元件被輸送給所述另外的放大光纖。該衰減元件被構造，使得小的另外的泵浦信號隨著增大的泵浦功率與大的另外的泵浦信號相比更強烈地被衰減。通過在泵浦源和一個或多個連接在多級放大器的第一放大光纖之后的放大光纖之間的泵浦路徑中插入與功率相關的衰減元件，改變泵浦功率到各個放大級上的劃分比。由此實現在整個裝置的噪聲特性方面的明顯改善。這特別適用于具有小的總輸入功率的輸入信號，當僅有少數信道被占用時，這總是存在。
在根據權利要求2的一種有利的實施變型方案中，設計了一種具有帶泵浦旁路的泵浦裝置的多級放大器。剩余泵浦信號作為另外的泵浦信號通過與功率相關的衰減元件輸送給所述另外的放大光纖，這導致在噪聲系數方面的放大器功能的明顯改善。
在根據權利要求3的另一種有利的實施變型方案中，多級放大器配備有帶泵浦分光器的泵浦裝置。在此，另外的泵浦信號通過與功率相關的衰減元件被輸送給另外的放大光纖。特別是對于這種裝置來說，得到在噪聲系數方面的明顯改善。
通過使用摻鉺光纖作為與功率相關的衰減元件(以下也被稱為摻鉺的附加光纖)，特別是當通過選擇纖芯直徑而使附加光纖的模場直徑與另外使用的標準光纖匹配時，有利地實現小的插入衰減。此外，可以有利地通過附加光纖的長度來設置在多級光纖放大器的輸出端處的噪聲特性和輸出功率。此外，根據本發明的附加光纖在泵浦路徑中的使用是具有與功率相關的衰減的衰減元件的成本極低的實現。
此外，給出一種用于匹配根據本發明的多級光纖放大器的泵浦功率的方法，該多級光纖放大器包括在另外的泵浦路徑中的具有與功率相關的衰減的附加光纖，其中使用一種調節，該調節根據信號的輸入功率的在放大器輸入端處所檢測到的變化來計算和設置泵浦信號的新的額定值，使得信號的增益盡可能保持恒定。根據本發明，在該方法中，在信號的功率改變之后，泵浦信號的當前功率值突然被改變，直到超過或者小于其新的額定值，并且隨后漸近地接近泵浦信號的新的額定值。這意味著，根據本發明的改進的前饋調節在輸入信號功率降低時首先將泵浦功率設置到比為了保持起振后的穩定狀態所需的值更低的值。通過這種對泵浦功率的早期的過補償，有利地根據輸入信號功率的改變補償由附加光纖引起的延遲并且渡過直到達到起振狀態的時間。信號的增益波動由此有利地被減小。
本發明的另外的有利的擴展方案在從屬權利要求中給出。
現在借助實施例進一步描述本發明。其中 圖3示出根據圖1b的、具有在泵浦路徑中用于另外的泵浦信號A2的根據本發明的附加光纖的框圖； 圖4a)-4c)針對在具有或者沒有根據本發明的附加光纖的情況下泵浦分光器的預先給定的劃分系數示出用于表明圖3中的裝置的整個裝置的噪聲系數對總輸出功率的依賴性的圖； 圖5針對泵浦分光器的預先給定的劃分系數以及附加光纖的不同長度示出用于表明圖3中的裝置的整個裝置的噪聲系數對總輸出功率的依賴性的圖； 圖6示出根據本發明的泵浦裝置的實施變型方案的框圖； 圖7示出根據本發明的泵浦裝置的另一實施變型方案的框圖； 圖8針對附加光纖的不同長度示出用于表明放大器的整個裝置的信號增益GSIG的依賴性的圖； 圖9示出用于表明根據本發明的前饋調節的流程圖； 圖10a針對根據本發明的前饋調節示出依賴于時間的總泵浦功率的圖； 圖10b針對附加光纖的不同長度示出依賴于的時間的信號增益的圖。
具體實施例方式 在圖3中示出的框圖原則上對應于圖1b中示出的具有泵浦分光器的兩級光纖放大器的框圖，在該兩級光纖放大器中，所輸送的光信號SIG被放大。激光二極管LD的發射波長例如為980nm的輸出信號被輸送給泵浦分光器PS，在那里總泵浦信號根據預先給定的劃分系數被劃分。總泵浦信號的第一部分A1或者第一泵浦信號通過第一波長選擇耦合器WDM1的泵浦輸入端被輸送給第一放大光纖EDF1。另外的泵浦功率部分A2通過附加地插入泵浦路徑中并且摻鉺的光纖ZFED被輸送給第二放大光纖FDF2的第二耦合器WDM2的泵浦輸入端。所示出的兩級光纖放大器被連接到調節單元R上。在此，可以涉及增益或者輸出功率調節。為了調節目的，在兩級光纖放大器的輸入側和輸出側布置有與調節單元R相連接的光電二極管PDEPDA。調節單元R確定由激光二極管LD發射的泵浦功率。
利用摻鉺的附加光纖ZFED，被輸送給第二放大級S2的泵浦信號A2與功率相關地被衰減。小的泵浦信號被更強地吸收，并且由此被附加地衰減。大的泵浦信號由于吸收飽和效應而在光纖中較弱地被吸收，并且由此較少地被衰減。通過衰減被耦合輸入到第二放大級S2中的泵浦功率，在第二級的輸出端處的輸出功率同樣減小。然而，在以恒定的增益運行時，調節單元通過相應地提高由激光二極管LD所發出的泵浦功率來補償附加損耗，使得增益保持不變。通過提高該泵浦功率，也更強地泵浦第一放大級S1，這對噪聲系數產生積極的影響。泵浦功率在附加光纖中的衰減由此同樣減小，但是由此光纖放大器的輸出功率的期望值被保持并且出現穩定的狀態。
泵浦功率在附加光纖中的衰減的變化以及泵浦功率的相應的調節有效地引起泵浦功率到各個放大級上的分配的變化。尤其在小的泵浦和信號輸入功率的情況下，泵浦功率有利于第一級被提高，這對兩級放大器的輸出端處的噪聲系數產生顯著的影響，如在圖4中所示。代替摻鉺的附加光纖，也可以使用以另一種來自稀土族的元素摻雜的光纖，只要該光纖在所希望的波長范圍中具有可比較的吸收特性。也可設想使用其它的實現與功率相關的衰減的硬件部件或者相應地受控制的衰減元件。
在圖4a至4c中分別針對圖3中的泵浦分光器PS的劃分系數0.4∶0.6；0.5∶0.5和0.6∶0.4給出兩級放大器的輸出端處的作為輸出功率的函數的噪聲系數。在所有情況下增益是恒定的。虛線示出的曲線變化分別是在使用根據本發明的附加光纖情況下的噪聲系數。實曲線是沒有使用附加光纖的噪聲系數，并且與圖2中的曲線變化B_0.4、B_0.5和B_0.6一致。在圖4a中，被輸送給第一放大光纖的泵浦功率部分為40％。因為噪聲系數由第一放大級決定并且該第一放大級與第二級相比在此較弱地被泵浦，所以曲線B_0.4的噪聲系數(在該曲線的情況下在第二泵浦路徑中沒有使用附加光纖)與圖4b和4c中的曲線B_0.5和B_0.6相比更大。而在第二泵浦路徑中根據本發明的附加光纖的使用對于所有劃分系數來說顯示出噪聲特性的明顯改善。曲線B_0.4Z、B_0.5Z和B_0.6Z的噪聲系數對于所有劃分系數來說都位于曲線B_0.4、B_0.5和B_0.6之下。對于輸出功率的期望值，通過根據本發明的附加光纖在任何情況下都保證較小的噪聲系數。附加地，最大輸出功率Pout，max近似地保持相同。
在圖5中針對圖1b或者圖3和4中的泵浦分光器PS的多個劃分系數示出了由所提及的特征量(Pout，max，NFmax)構成的數值對(用星示出)。被輸送給第一放大光纖的泵浦功率部分A1在此從左向右減小。首先在泵浦裝置中沒有使用根據本發明的附加光纖的情況下確定數值對。各個數值對的連接得到用黑色示出的曲線B_MAX，該曲線單調上升，因為隨著泵浦功率部分A1在第一級中變得越來越小，在第二級的輸出端處的噪聲系數單調上升。在用灰色示出的曲線的情況下，分別將泵浦分光器PS的固定的劃分系數作為基礎并且附加光纖的長度從0m出發以0.5m的步長提高到10m。以這種方式，得到曲線K_0.4至K_0.7。以曲線K_0.5為例來描述摻鉺的附加光纖的長度的影響。在沒有附加光纖的情況下，最大出現的噪聲系數為6.1dB，并且可以實現大約16.8dB的最大輸出功率。通過插入附加光纖，噪聲系數首先明顯地減小，而最大輸出功率幾乎不變。與此相反，在附加光纖的長度大于5.0m的情況下，光纖長度的提高導致噪聲系數的不值得一提的改善，而最大輸出功率現在大大減小。在適當地選擇附加光纖的長度的情況下，因此可以實現將最大出現的噪聲系數減小大約0.4dB，而最大輸出功率僅僅減小大約0.1dB。因此除了泵浦分光器的劃分系數之外，摻鉺的附加光纖的長度也是用于優化兩個特征量(Pout，max，NFmax)的重要方式。
在圖6和7中示出了兩級光纖放大器的泵浦裝置的兩個實施例，它們分別在至第二放大級的泵浦路徑中具有摻鉺的附加光纖ZFED形式的與功率相關的衰減元件。
在圖6中示出了具有泵浦分光器的泵浦裝置的框圖。與圖3中的實施變型方案不同，在此，泵浦分光器E2的兩個輸入端被用于插入未被吸收的泵浦功率(英語“residual pump power(剩余泵浦功率)”)，該泵浦功率也被稱為剩余泵浦信號。第一泵浦信號A1通過第一波長選擇耦合器WDM1被輸送給第一摻鉺光纖EDF1。在放大光纖中未被吸收的泵浦功率從放大光纖EDF1的輸出端通過另外的波長選擇耦合器WDM作為剩余泵浦功率電平被輸送給泵浦分光器PS。由此，更多的泵浦功率可供整個放大裝置使用。附加地，與沒有利用剩余泵浦功率的結構相比，分光器的固定地設置的劃分系數可以稍微被改變。特別是在泵浦分光器的規定的劃分系數(在這些劃分系數的情況下第一級的泵浦功率部分大于第二級的泵浦功率部分)的情況下，被耦合輸入到放大光纖中的功率的關系僅僅通過使用剩余泵浦功率來改變。由此可以選擇規定的劃分系數，使得被輸送給第一級的泵浦功率部分A1被提高，因為第二光纖的為了實現最大輸出功率所需的泵浦功率電平即使在該被改變的劃分系數的情況下也仍然能夠被提供。例如，在分光器PS的固定地設置的大約(1-α)∶α＝60∶40的劃分系數的情況下，劃分系數可以通過使用剩余泵浦功率被改變幾個百分比而改變到有利于設計階段中的第一級的大約65∶35的值。這意味著，在所示的情況中，即使沒有ZFED也能夠實現噪聲系數的些微的改善。而通過使用ZFED，實現在任何情況下都有利于第一級的劃分系數的變化，因為一旦在放大器裝置的輸出端處輸出功率由于被輸送給第二放大級的泵浦功率電平的減小而下降，調節單元將總是提高泵浦源LD的輸出功率。圖6中的裝置的另外的優點在于，通過使用剩余泵浦功率，最大出現的噪聲系數可以被進一步降低。
在圖7中，根據本發明的摻鉺的附加光纖ZFED被插入到圖1b中的具有泵浦旁路的泵浦裝置的泵浦路徑中。第一泵浦信號A1通過第一耦合器WDM1的泵浦輸入端被輸送給第一放大光纖EDF1。在該第一放大光纖之后連接有耦合元件WDM，該耦合元件將在放大光纖的末端處存在的信號以波長選擇的方式劃分為數據信號以及剩余泵浦信號，其中該數據信號被輸送給另外的放大光纖EDF2，并且該剩余泵浦信號作為另外的泵浦信號A2通過與功率相關的衰減元件ZFED被輸送給另外的放大光纖EDF2。在這種情況下，也通過泵浦功率的與功率相關的變化來實現在第二放大級的輸出端處的輸出功率的減小，由此調節單元提高泵浦源LD的輸出功率并且更多的泵浦功率被耦合輸入到第一放大級中。作為結果，與圖2中所示的曲線變化A相比，確定對噪聲系數的些微的改善。
在具有多于兩個的放大光纖的放大裝置中可設想，高功率激光二極管的輸出功率例如被分配到三個放大光纖上。如果為此選擇具有泵浦分光器的泵浦裝置(2個兩路分光器(2auf 2-Splitter)或者多路分光器)，則為了實現最優的噪聲特性而優選地在通向最后的放大光纖之一的泵浦路徑中插入摻鉺的附加光纖ZFED。放大器功能于是重新依賴于不同的泵浦分光器的劃分系數以及摻鉺的附加光纖的長度。
對于所有所提及的放大裝置適用的是，在設計放大器時必須設法做到，在附加光纖中所產生的ASE不干擾激光器運行。在法布里-柏羅(FP)激光二極管的情況下，不產生任何問題，因為這些激光二極管擁有集成的隔離器。然而，在具有光纖布拉格光柵(FBG)的激光二極管的情況下，可能必須在激光二極管之后連接隔離器或者具有與波長相關的衰減的部件。
然而，當使用傳統的前饋調節來設置泵浦功率時，在至第二級的泵浦路徑中使用附加光纖的情況下在接通或者斷開信道時光纖放大器的動態特性惡化。在這種情況下，在多級放大器的輸入端處信號輸入功率下降例如16dB時，出現待放大的信號SIG的明顯的增益波動，這可以從圖8中看出。在圖8中根據時間t針對在0到6m之間的附加光纖的不同長度示出了放大器的整個裝置的信號增益GSIG。附加光纖ZFED越長，信號增益的過沖(
)就越高。在輸入信號的大的功率跳變的情況下，過沖的持續時間也隨著附加光纖的增大的長度而增大。然而，為了防止在傳輸線路的末端處的比特錯誤，對于根據本發明的在圖3中所示的放大器配置來說，信號增益在接通或者斷開信道時也不應改變。
在圖9中以流程圖示出了被改進的根據本發明的前饋調節的每個工作步驟的處理方式。在該實施例中假設該調節由數字信號處理器承擔，該數字信號處理器在離散的時刻設置泵浦功率。但是該方法也可以適用于模擬或者混合調節。
首先，進行初始化階段1。這例如可以在調節開始運行期間或者在放大器卡的制造期間實現。為此，接收全部的被測量，并且例如數字信號處理器的存儲位置被參考值占據。這樣，尤其是在光纖放大器的起振后的穩定狀態中對附加光纖的依賴于被輸送給該附加光纖的泵浦功率的增益的了解對于調節過程來說是絕對必要的。在圖9的插圖1a中示出了附加光纖的這種泵浦特性曲線，該泵浦特性曲線標識對應于在附加光纖的輸出端處的泵浦信號和依賴于在附加光纖的開端的泵浦信號的、在附加光纖的輸入端處的泵浦信號的關系的增益Gp。該測量應最好已經在制造放大器時就執行。通常，測量樣本的特性曲線并且然后將其作為典型的曲線用于所有以后生產的EDFA也足夠了。在測量中，激光二極管的輸出信號的任意的泵浦功率Ptot被設置，并且在較長的時間內被保持恒定。出現穩定狀態。對于該穩定狀態，針對泵浦功率Ptot將附加光纖Gp的相應的增益值寫到存儲位置中。要注意的是，在測量期間，沒有信號從放大級被反向散射到附加光纖中，并且只有當達到了多級放大器的起振后的穩定狀態時，才進行測量。
在放大器的運行期間(這在圖9中通過框2來表示)，在假設穩定狀態的情況下借助標準前饋技術來設置總泵浦信號Ptot的第一值。附加光纖的增益根據在1中提及的特性曲線被設置到穩定狀態。屬于Ptot的增益值Gp已經被存放于存儲位置中。此外，該值被分配給用于附加光纖的當前增益值Gpact的另外的存儲位置，以確定調節方法的起始條件。適用Gpact＝Gp。作為例子，在此，出發點是總泵浦功率Ptot＝200mW。針對Gp，由圖9的插圖1a得到大約0.95的值。
如果現在由于斷開信道而出現光纖放大器的信號功率的功率跳變3，則泵浦激光二極管LD的泵浦功率通過調節被匹配和減小。針對這種情況，在工作步驟4中按照以下規則計算泵浦信號的當前功率值Ptotact 在該公式中 α一般表示總泵浦功率的被輸送給附加光纖的部分(例如，0.2，…，0.9)， Ptot一般表示在穩定狀態期間由泵浦激光二極管所發出的總泵浦功率或者總泵浦信號， Ptotact一般表示近似地在輸入信號的功率跳變之后的過渡階段的總泵浦功率的當前值， Gp一般表示附加光纖的增益值，該增益值與穩定狀態中的泵浦功率Ptot相關聯，并且 Gpact一般表示附加光纖的當前增益值，該當前增益值與近似地在輸入信號的功率改變之后的當前總泵浦功率Ptotact相關聯。
直接在輸入信號的功率改變之后，量Ptot和Gp被立即設為要新設置的穩定狀態的值，Ptot例如從200mW被設為20mW，而Gp從0.95被設為0.7(參見在圖9的插圖1a中的特性曲線)。然而，在調節過程開始時，首先借助上述公式計算當前泵浦信號的中間值，因為當前增益值Gpact的存儲器還被“老的”穩定狀態的增益值Gp占據。泵浦信號的這樣獲得的當前功率值Ptotact于是還未對應于穩定狀態的總泵浦功率的要新設置的額定值，而是在直接在功率跳變之后的過渡階段中處于期望的額定值之下。在所給出的例子中，針對Ptotact大約設置了15.4mW的值。(參見圖10a)如果不是涉及在光纖放大器的輸入端處的輸入功率的降低，而是涉及輸入功率的增大，則總泵浦信號的當前功率值Ptotact直接在信號功率跳變之后處于要新設置的穩定狀態的額定值之上。
然而，要設置的總泵浦功率必須在考慮附加光纖的當前增益的情況下來計算。因此，在工作步驟5中，計算附加光纖的實際存在的增益Gpact。關于增益的建模，例如可以求助于A.Bononi和L.A.Rusch所著的出版物“Gain dynamics of doped-fiber amplifiers fuer addedand dropped signals”(1998 IEEE Int.Conference onCommunications，Atlanta，Con.Record.，Cat.No.98CH36220)。該出版物包含多個方程，用于計算在某一時間間隔內出現的增益變化。利用該計算的結果，先前還被Gp占據的存儲位置被重新占據。(工作步驟6) 隨后，根據工作步驟4，在考慮前面計算的附加光纖的當前增益值Gpact的情況下計算和設置泵浦信號的新的當前功率值Ptotact。為此，使用上面給出的公式，其中Ptot表示要新設置的穩定狀態的泵浦信號的功率值，并且Gp表示要新設置的穩定狀態的附加光纖的增益值。當前增益值Gpact的計算和設置以及泵浦信號的當前功率值Ptotact的計算和設置一直被繼續，直到總泵浦信號的當前功率值Ptotact與要新設置的穩定狀態的總泵浦信號的新的額定值Ptot一致。
根據本發明的前饋調節的優點可以借助圖10a和10b看出。在圖10a中示出了總泵浦功率Ptotact的時間依賴性。虛曲線1示出在使用標準前饋方法時總泵浦功率的分布。實曲線2示出在使用根據本發明的具有上面描述的校正計算的前饋方法時總泵浦功率的分布。在耦合輸入到附加光纖中的功率在時刻0跳躍式地變化時，利用根據本發明的方法給出近似解，根據該近似解，附加光纖中的鉺原子的存儲以及由此還有亞穩水平的平均占有概率按照指數定律漸近地接近終值。在時刻0信號輸入功率跳躍式地減小的情況下，得到圖10a中所示的曲線2。
在圖10b中針對在0到6m之間的附加光纖的不同長度繪出了作為時間的函數的整個裝置的信號增益GSIG的分布。與圖8不同，這里使用了根據本發明的前饋方法。顯示出，過沖的高度明顯降低。直到6m的附加光纖的長度也不再能夠確定增益分布的長度依賴性。結果表明，泵浦路徑中附加光纖的插入結合改進的前饋調節導致動態特性的不值得一提的變化。這意味著，借助根據本發明的前饋調節，附加光纖的作用幾乎完全被補償。由此，在小的信號輸入功率時，可以在不對動態特性產生負面影響的情況下改善噪聲系數。
權利要求
1.一種多級光纖放大器，該多級光纖放大器具有第一放大光纖(EDF1)和至少一個串聯的另外的放大光纖(EDF2)以及至少一個泵浦源(LD)，其中第一泵浦信號(A1)被輸送給所述第一放大光纖(EDF1)，并且另外的泵浦信號(A2)被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)，
其特征在于，
設置有與功率相關的衰減元件(ZFED)，所述另外的泵浦信號(A2)通過該衰減元件被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)，其中所述衰減元件(ZFED)被構造，使得隨著增大的泵浦功率，小的另外的泵浦信號(A2)與大的另外的泵浦信號(A2)相比更強烈地被衰減。
2.根據權利要求1的多級光纖放大器，其特征在于，在所述第一放大光纖(EDF1)之后連接有耦合元件(WDM)，該耦合元件將在所述放大光纖(EDF1)的末端處存在的信號以波長選擇的方式劃分為數據信號和剩余泵浦信號，其中所述數據信號被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)，并且所述剩余泵浦信號作為另外的泵浦信號(A2)通過所述與功率相關的衰減元件(ZFED)被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)。
3.根據權利要求1的多級光纖放大器，其特征在于，在所述泵浦源(LD)之后連接有分光器(PS)，該分光器對所述泵浦源(LD)的泵浦功率進行劃分，并且所述第一泵浦信號(A1)被輸送給所述第一放大光纖(EDF1)，而所述另外的泵浦信號(A2)通過所述與功率相關的衰減元件(ZFED)被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)。
4.根據權利要求3的多級光纖放大器，其特征在于，在所述第一放大光纖(EDF1)之后連接有耦合元件(WDM)，該耦合元件將在所述放大光纖(EDF1)的末端處存在的信號以波長選擇的方式劃分為數據信號和剩余泵浦信號，其中所述數據信號被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)，并且所述剩余泵浦信號被輸送給所述分光器(PS)的另外的輸入端(E2)。
5.根據權利要求1、3和4的多級光纖放大器，其特征在于，為了劃分泵浦功率，設置有多個分光器(PS)或者設置有多路分光器，這些分光器將泵浦功率劃分為多個泵浦信號(A1，A2，...)，所述多個泵浦信號被輸送給多個放大光纖(EDF1，EDF2，...)。
6.根據權利要求5的多級光纖放大器，其特征在于，在多于兩個的放大光纖的情況下，所述與功率相關的衰減元件(ZFED)被連接在最后布置的放大光纖的泵浦輸入端之前。
7.根據上述權利要求之一的多級光纖放大器，其特征在于，所述與功率相關的衰減元件(ZFED)是摻雜有來自稀土族的元素的光纖。
8.根據上述權利要求之一的多級光纖放大器，其特征在于，摻雜有來自稀土族的元素的光纖的長度或者摻雜根據所述光纖放大器的噪聲系數以及輸出功率被優化。
9.一種用于匹配多級光纖放大器的泵浦功率的方法，
在該多級光纖放大器中將光信號(SIG)放大，并且該多級光纖放大器包含第一放大光纖(EDF1)和至少一個串聯的另外的放大光纖(EDF2)，并且
其中總泵浦信號的部分(A1，A2)被輸送所述第一放大光纖(EDF1)和所述另外的放大光纖(EDF2)，并且
使用一種調節，該調節根據所述信號(SIG)的輸入功率(Pin)的在放大器輸入端處所檢測到的變化計算和設置總泵浦信號(Ptot)的新的額定值，使得所述信號(SIG)的增益盡可能保持恒定，
其特征在于，
總泵浦信號(Ptot)的部分(A2)通過具有與功率相關的衰減的附加光纖(ZFED)被輸送所述另外的放大光纖(EDF2)，該附加光纖隨著增大的泵浦功率將總泵浦信號(Ptot)的小的部分(A2)比大的部分(A2)更強烈地衰減，并且
在所述信號(SIG)的功率改變之后，總泵浦信號的當前功率值(Ptotact)突然被改變，直到超過或者小于其新的額定值(Ptot)，并且隨后漸近地接近總泵浦信號的新的額定值(Ptot)。
10.根據權利要求9的方法，其特征在于，
-在所述光纖放大器的穩定狀態中，存儲總泵浦信號的功率值(Ptot)和所述附加光纖(ZFED)的所屬的增益值(Gp)，
-使所述附加光纖的當前增益值(Gpact)與穩定狀態的增益值(Gp)相等，
-在所述光信號(SIG)的功率改變之后，在考慮總泵浦信號的功率值(Ptot)和要新設置的穩定狀態的增益值(Gp)的情況下以及在考慮(Gpact)的情況下，計算和設置總泵浦信號的中間值(PZW)，
-計算和存儲所述附加光纖的新的當前增益值(Gpact)，
-在考慮前面計算的所述附加光纖的當前增益值(Gpact)的情況下以及在考慮總泵浦信號的功率值(Ptot)以及要新設置的穩定狀態的增益值(Gp)的情況下，計算和設置總泵浦信號的新的當前功率值(Ptotact)，
-當前增益值(Gpact)和總泵浦信號的當前功率值(Ptotact)的計算和設置一直被繼續，直到總泵浦信號的當前功率值(Ptotact)與要新設置的穩定狀態的總泵浦信號的新的額定值(Ptot)一致。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于，根據以下公式計算近似地在功率改變之后總泵浦信號的當前功率值(Ptotact)
其中
α表示總泵浦信號的被輸送給所述附加光纖的部分，
Ptot表示要新設置的穩定狀態的總泵浦信號的功率值，
Gp表示要新設置的穩定狀態的所述附加光纖的增益值，并且
Gpact表示近似地在功率改變之后所述附加光纖的當前增益值。
12.根據權利要求10和11的方法，其特征在于，根據Bononi等人的模型計算所述附加光纖的屬于總泵浦信號的當前功率值(Ptotact)的當前增益值(Gpact)。
13.一種多級光纖放大器，
具有泵浦源(LD)，該泵浦源的總泵浦信號(Ptot)被分配到第一放大光纖(EDF1)和至少一個串聯的另外的放大光纖(EDF2)上，
具有調節單元，在該調節單元中根據信號(SIG)的功率(Pin)的在放大器輸入端處所檢測到的變化來計算和設置總泵浦功率的新的額定值(Ptot)，
其特征在于，
設置有具有與功率相關的衰減的附加光纖(ZFED)，總泵浦信號(Ptot)的一部分通過該附加光纖被輸送給所述另外的放大光纖(EDF2)，并且
所述調節單元根據權利要求10、11或12來構建。
全文摘要
本發明涉及一種多級光纖放大器，其具有第一放大光纖(EDF1)和至少一個串聯的另外的放大光纖(EDF2)以及泵浦源(LD)，其中第一泵浦信號(A1)被輸送給第一放大光纖(EDF1)，并且另外的泵浦信號(A2)被輸送給另外的放大光纖(EDF2)。該多級光纖放大器的特征在于，另外的泵浦信號(A2)通過與功率相關的衰減元件(ZFED)被輸送給另外的放大光纖(EDF2)。衰減元件(ZFED)被構造，使得小的另外的泵浦信號隨著增大的泵浦功率與大的另外的泵浦信號相比更強烈地被衰減。通過被輸送給另外的放大光纖的泵浦信號(A2)的與功率相關的衰減，首先實現多級放大器的噪聲系數的改善。此外給出一種用于匹配根據本發明的多級光纖放大器的泵浦功率的方法。在此涉及改進的前饋調節，其中有利地根據輸入信號功率的改變補償由附加光纖引起的延遲。通過根據本發明的方法，實現多級光纖放大器的改善的動態特性。
文檔編號H04B10/291GK101341635SQ200680024654
公開日2009年1月7日 申請日期2006年7月3日 優先權日2005年7月7日
發明者L·拉普 申請人:諾基亞西門子通信有限責任兩合公司