專利名稱：包括嵌入式濾波器的光纖放大器和具有改進前饋控制性能的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種包括嵌入式濾波器的光纖放大器和一種具有改進前饋控制的控制方法。
背景技術：
光纖放大器廣泛用于基于波分復用(WDM)的光數據傳輸網絡中的信號放大。網絡配置的改變、組件故障、光纖斷裂或保護切換可以導致光輸入功率的突然改變。這些改變導致放大器的輸出處尚存的信道的平均功率電平的快速改變。此外，由于摻鉺光纖放大器 (EDFA)的非線性光纖效應和非理想動態屬性，可以將這種改變轉移至其他波長。這些改變可以傳播至其他地點，從而導致整個網絡上的光功率波動并可能導致振蕩。因此，甚至不直接受切換操作或故障影響的信道也可能經受接收機處的一些性能下降。此外，增益變化也可以在放大器的級聯中累積。因此，甚至較小的增益變化也可以導致接收機處的顯著功率改變。因此，需要高效的放大器控制技術，其允許將反相 (inversion)保持相對恒定,且從而將放大器或放大級的增益曲線(gain profile)保持相對恒定，即使在輸入功率改變的情況下。目前，快速電子控制架構是使EDFA的增益穩定的最經濟的解決方案。通常，使用反饋架構，這是由于其允許將增益或輸出功率調整至給定的目標值并補償控制誤差。然而， 純基于反饋的控制器無法滿足動態重新配置的網絡的瞬變性能需求。幸運的是，反饋控制器可以由前饋控制器補充。兩種類型的控制器的組合將對任何改變的快速響應提供給反饋系統，從而清除通過前饋控制進行的預定調整中的任何誤差。為了將增益變化保持盡可能小，前饋控制必須盡可能精確地預測針對改變的輸入功率條件將反相保持恒定所需的泵浦功率。典型地，將所需的泵浦功率估計為輸入功率加某偏置(offset)的線性函數。然而，該方案忽視了波長的影響，這可以導致所計算出的泵浦功率與實際需要的泵浦功率之間的顯著偏差。在專利US 6341034 BI中描述了緩解該問題的方案。所描述的解決方案包括放大器輸入處的附加監視路徑，該放大器輸入包括附加光學濾波器以及處于濾波器之后的用于測量光功率的后續裝置。這給放大器增加了一些成本。然而，該解決方案的主要缺陷在于由于必須耦合出的增大的功率而增大的、放大器的輸入處的信號路徑中的損耗。專利EP I 695 467 BI公開了一種用于通過前饋控制來改進瞬變性能的方法，其考慮到所需的泵浦功率取決于下降(drop)過程中尚存的信道的波長。該解決方案的主要優勢在于此被實現，而不給標準放大器設計增加一些附加組件。然而，該解決方案給控制軟件增加了一些復雜度，并增多了放大器校準所需的工作量。典型地，用于商業應用的放大器由多個級構成，即使在其間不存在接入端口也是如此。在許多情況下，這些級由隔離器分離，該隔離器減小后向行進的放大器自發發射，且從而對改進噪聲系數作出貢獻。
原理上，不同級中的信號放大所需的功率可以由專用于每一個級的泵提供。然而， 成本降低已經變為持續的任務。因此，泵浦功率旁通或泵浦功率分割已經變為用于降低放大器成本的廣泛使用的技術。如果將泵浦功率分割應用于由經受延遲的組件(例如，色散補償光纖(DCF))分離的放大級，則得到不可接受的較差瞬變性能。因此，典型地，將泵分割僅應用于均處于DCF之前或處于DCF之后的級。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種通過考慮波長相關性而具有改進前饋控制性能的光纖放大器，而不給放大器設計增加顯著復雜度。具體地，不應當使用附加的光學濾波器。本發明涉及一種光學放大器，具有
接收輸入信號的第一放大級以及串聯連接且對輸出信號進行輸出的第二放大級； 光學增益平坦濾波器，插入到所述放大級之間；
至少一個泵浦源(pump source),產生泵信號；
控制單元，確定所述泵信號的功率，所述控制單元包括
校正單元，接收表示所述光學增益平坦濾波器的測量輸入和輸出功率電平的濾波器輸入測量信號和濾波器輸出測量信號，根據濾波器衰減值來確定來自至少濾波器測量信號的校正參數；以及
前饋控制電路，接收從光學放大器輸入信號和校正值導出的輸入測量信號，以根據放大器輸入信號的輸入功率以及校正值來計算前饋控制信號。本技術通過進行計算來考慮波長相關性。該方案的優勢和劣勢在于
過沖得到顯著降低，而無需強大的數字信號處理器，且僅需要針對校準的較小附加工作量以及僅具有微小成本的附加光學組件。本發明可以用于不同放大器設計，并且還可以與改進瞬變性能的其他控制方法進行組合。為了允許對信道的下降的快速反應，前饋計算電路(19)根據FCS = A · Pin + B + a -CP(FA) · Pin來計算前饋控制信號FCS。在該等式中，前兩項提供了所需的泵浦功率的平均值。第三項執行一些校正并在該等式中弓I入波長相關性。根據技術需求，通常必要地，控制單元還適于通過反饋控制來控制放大器增益和/ 或輸出功率。反饋與前饋控制的組合實現了快速且精確的增益或功率控制。有利地，前饋校正計算單元被設計為在確定校正參數時結合放大器輸入信號的功率。由于校正參數對于不同輸入功率來說稍有不同，因此考慮其余信道的輸入功率允許對變化參數的更精確確定。可適于網絡需求的是一種控制單元，其被實現為接收分別從輸入信號和輸出信號導出的電測量信號的可編程處理器。如果使用兩個放大級的公共泵浦源，則成本降低是可能的。本發明還涉及一種用于控制光纖放大器的方法，所述光纖放大器具有至少兩個放大級、插入到這些級之間的增益平坦濾波器、以及泵浦源，該控制是通過以下操作進行的-測量所述增益平坦濾波器的輸入功率和輸出功率；
-測量放大器的輸入功率；
-根據從所述增益平坦濾波器的輸入功率和輸出功率以及放大器輸入功率導出的所述增益平坦濾波器的衰減，確定前饋控制信號；以及 -通過所述前饋控制信號來控制泵浦源的泵浦功率。在另外的其余從屬權利要求中描述了本發明的更多細節。
以下參照附圖來描述本發明的當前優選示例，在附圖中
圖I示出了典型光纖放大器的簡化框圖2示出了具有對應控制組件的光纖放大器的簡化框圖；以及圖3示出了三個曲線圖
3a示出了作為波長的函數的變化參數的3b示出了作為波長的函數的濾波器衰減；以及
3c示出了作為從圖3a和3b導出的衰減的函數的變化參數。
具體實施例方式圖I示意了典型光纖放大器(EDFA)的簡化框圖。該圖還示出了諸如一些隔離器之類的光纖放大器的細節，其不是本發明的一部分。光纖放大器包括由串聯連接的摻雜光纖(EDF)表示的兩個放大級4和9。光學增益平坦濾波器(GFF) 6連接至第二放大級9的輸出。放大器輸入I處的第一隔離器和兩個級之間的第二隔離器減小后向行進的放大器自發發射，且從而有助于改進完整設置的噪聲系數。對輸入I和輸出11處的信號進行測量，并且對泵浦源13進行控制，以實現恒定增益。 在圖2的描述中說明放大器的其他元件。圖2示意了根據本發明的光纖放大器(EDFA)的簡化框圖。同樣，放大器還可以包括諸如隔離器之類的附加元件，其不是本發明的一部分。該光纖放大器也具有串聯連接的兩個放大級，這兩個放大級同樣由第一和第二摻雜光纖(EDF) 4和9表示。與典型放大器設置相比，光學增益平坦濾波器(GFF) 6插入到所述放大級之間。這是重要的方面一本發明不適用于置于放大器輸出處的GFF。在該實施例中，這兩個放大級還由單個泵浦源13進行泵浦。經由泵耦合器3將泵信號PS插入到第一摻雜光纖4中。在前向泵信號已經經過第一摻雜光纖4之后，將具有殘余泵浦功率的減小的泵信號插入到第二摻雜光纖9中。為了避免泵浦功率損耗，第二隔離器和光GFF經由波分解復用器5和波分復用器8來傳遞減小的泵信號。由于隔離器在波長頻帶外的高損耗，還在兩個級之間沒有嵌入式濾波器的布置中使用這種旁路。這些級還可以是經由來自單個泵浦源的功率分配器(power splitter)或者經由不同泵浦源來前向或后向泵浦的。在所示意的實施例中，控制單元17輸出泵控制信號PCS，PCS被饋送至產生所需泵浦功率的單個泵浦源13。控制單元17利用前饋控制和反饋控制。作為本發明的實質部分，所示意的前饋控制包括前饋控制電路(FCC) 19和校正參數計算電路(CCC)20。校正參數計算電路20接收分別從GFF輸入信號WS2和GFF輸出信號WS3導出的電濾波器輸入測量信號S2和電濾波器輸出測量信號S3。這些測量信號通過第二和第三功率分配器61和7而耦合出，且然后由光電轉換器(光電二極管)14和15轉換為電濾波器輸入測量信號S2和濾波器輸出測量信號S3。校正參數計算電路20根據這些測量信號來計算濾波器衰減FA，并確定校正參數CP (例如根據查找表)。以下將進一步說明細節。將校正參數CP和輸入測量信號SI饋送至前饋控制電路(FCC) 19，FCC 19輸出前饋控制信號FCS。尤其在信道的下降之后，前饋控制負責瞬變性能和快速增益穩定。反饋控制環路包括第一功率分配器2，布置在放大器輸入I與泵耦合器3之間； 以及第四分配器10,布置在第二摻雜光纖9的輸出與放大器輸出11之間。控制單兀17還包括第一光電轉換器12和第四光電轉換器16,分別將放大器輸入信號WSl和放大器輸出信號WS4轉換為電輸入測量信號SI和電輸出測量信號S4，這些測量信號被饋送至反饋控制電路(BCC) 21。所示的反饋控制僅是可根據不同需求而適配的示例。反饋控制電路21產生反饋控制信號BCS。加法器18將該信號與前饋控制信號FCS進行組合，從而校正前饋控制信號。所得到的泵控制信號PCS控制泵浦源13，且從而控制信號放大。通常，反饋控制優化了增益控制。如果控制信號是例如數字值，則將產生泵信號的轉換器插入到加法器18與泵浦源13之間。圖2僅示出了功能單元。控制單元17可以被設計為可編程處理器單元，從而允許容易地適配于網絡需求。功率下降構成了光網絡中最關鍵的瞬變情形，這是由于其可以由網絡元件的偶然事件(例如光纖切斷或失靈)造成，并且所引發的功率改變是不可預測的。因此，以下考慮集中于功率下降。泵浦功率的前饋分量或者成比例的前饋泵控制信號FCS分別計算如下。首先，使用標準線性方案來確定前饋泵信號分量的起始值Pffs
Pffs _ a * Pin + b( I )
其中
Pffs —前饋泵浦功率分量，以[mW]表示； a 一常量因子；PIN —放大器輸入功率；b —偏置功率值[mW]。按控制泵13的所需前饋控制信號FCS來表示，可以以修改的形式將該等式寫為 FCSs = A · SI + B(2)
其中
Pffs FCSs ；
A -常量因子；S1 -放大器輸入測量信號[mA]；
B —偏置電流值[mA]。以這樣的方式對線性函數進行校準，即使得其預測所考慮的頻帶內尚存的波長的不同組合所需的平均泵浦功率。為了簡明，假定參數a、b和A、B是常量。然而，這些參數還可以適于放大器的不同操作條件。在下一步驟中，通過考慮波長相關性，將校正應用于項A · SI + B。校正項由取決于GFF 6衰減FA和測量的總放大器輸入功率的上述校正參數CP支配。如上所述，校正計算電路(CCC) 20根據在GFF之前和之后測量出的功率電平，計算或確定校正參數CP，或者寫為濾波器衰減FA的函數CP(FA)。測量的衰減強烈地取決于濾波器的輸入處的信號的頻譜形狀，盡管濾波器函數自身不變。總之，FCC 19根據下式來計算前饋泵浦功率
Pff = a · Pin + b + CP(FA) · Pin(3)
相應地，根據下式來計算前饋控制信號
FCS = A · SI + B + α · CP(FA) · SI(4)
其中，Ppff FCS ；FA —濾波器衰減；S1 —放大器輸入測量信號；PIN —總放大器輸入功率。因子Α、α和項B提供了功率電平與電流控制值(而不是電流值，這些項還可以表示數字值)之間的相關性。為了演示該技術的性能，已經通過仿真，考慮了大量下降情形。對于每個情形，已經假定在下降一些信道之前將40個信道投入到放大器中。然而，這些情形關于尚存信道的數目、放大器的輸出功率和/或尚存信道的波長而不同。下降發生前的放大器輸出功率已經在從OdBm至15dBm的范圍內變化。對于這些情形(I至40個信道的所有組合)中的每一個，已經確定將放大器的增益保持恒定所需的精確泵浦功率RPP(λ )。此外，已經在相同輸入功率的情況下通過考慮所有情形來計算平均泵浦功率值APP。變化參數
VP = (RPPU) - APP)/Pin(5)
其中
Pin —表不總輸入功率；
引入了 RPP(X)，其指示與具有波長λ的其余信道的平均所需泵浦功率的相對偏差。圖3a示出了針對不同輸入功率Pin (相應地，輸出功率處于從OdBm至15dBm的范圍內)的、變化參數VP相對于單個其余信道的波長λ。僅示出了針對三個不同信道輸入功率的三個曲線圖一實線、虛線和點線。在理想前饋控制的情況下，這些變化參數應當與校正參數CP相同。圖3b指示了由GFF 6針對不同信道頻率提供的衰減。這兩幅曲線圖中的曲線示出了類似行為。因此，曲線圖3a和3b表明在變化參數與由濾波器提供的衰減之間存在明確的關系。根據圖3c，相對于GFF 6的衰減而繪制了所考慮的下降情形中的每一個的變化參數，以了解信道下降后的剩余誤差。顯而易見，濾波器衰減是計算變化參數VP的有用參數， 且因此，確定了校正參數CP (直線)相對于測量的衰減的關系，并且例如將其存儲在查找表中。在簡單實施方式中，校正參數CP是由GFF提供給以對數單位(dB)表示的信號的衰減的線性函數。對于從1530 nm至1560 nm的波長范圍外的信道,校正值的精度顯著降低(未示出)。然而，僅少數系統利用1530 nm以下的信道。為了將該實現工作量保持為較小，描述了以下解決方案其中，校正參數CP僅取決于從測量的濾波器輸入測量信號S2和濾波器輸出測量信號S3導出的濾波器衰減。然而，可以通過在計算校正參數CP時考慮附加參數 (諸如，信道的輸入功率(例如CP(FA，Pin))、數目和/或波長等)來改進對所需泵浦功率的計算。可以從管理系統或監督系統接收必要的管理信息MCI。本發明不限于上述原理的細節。本發明的范圍由所附權利要求限定，并且因此，本發明應涵蓋落在權利要求的范圍的等同替換內的所有改變和修改。特別地，類似的控制處理可以由數字數據處理替代，反之亦然。此外，結合了基于本發明的方法對控制信號和校正值的數學轉換或計算。參考標記
1放大器輸入
2第一功率分配器
3泵耦合器
4第一放大級
5二向色分配器(dichronic splitter)
6增益平坦濾波器 61第二功率分配器
7第三功率分配器
8波導
9第二放大級
10第四功率分配器 11放大器輸出 12第一電光轉換器 14第二電光轉換器 15第三電光轉換器 16第四電光轉換器 17控制單元 18加法器
19前饋控制電路(FCC)
20 CP計算電路(CCC)
21反饋控制電路(BCC)
22信道信息輸入(目標值)
WSl放大器輸入信號 WS2濾波器輸入信號 WS3濾波器輸出信號 WS4放大器輸出信號
51輸入測量信號
52濾波器輸入測量信號
53濾波器輸出測量信號
54放大器輸出測量信號 BCS反饋控制信號
FCS前饋控制信號 BCS反饋控制信號
9PCS泵控制信號PS泵信號MCI管理信道信息P rFF前饋泵浦功率分量P rFFS前饋泵浦功率分量起始值(Startwert)VP變化參數CP校正參數FA濾波器衰減BCC反饋控制電路FCC前饋控制電路CCC校正計算電路
權利要求
1.一種具有改進瞬變性能的光纖放大器，包括接收放大器輸入信號(WSl)的第一放大級(4)以及串聯連接且對放大器輸出信號 (WS4)進行輸出的第二放大級(9)；光學增益平坦濾波器(6)，插入到所述放大級(4、9)之間；至少一個泵浦源(13)，產生泵信號(PS)；控制單元(17)，確定所述泵信號(PS)的功率，所述控制單元(17)包括校正參數計算單元(20)，接收表示所述光學增益平坦濾波器(6)的測量輸入和輸出功率電平的濾波器輸入測量信號(S2)和濾波器輸出測量信號(S3)的測量功率電平，根據濾波器衰減值來確定來自至少濾波器測量信號(S2、S3)的校正參數(CP);以及前饋控制電路(19)，接收從光學放大器輸入信號(Wl)和校正參數(CP)導出的輸入測量信號(SI)，以根據放大器輸入信號(WSl)的輸入功率以及所述校正參數(CP)來計算前饋控制信號(FCS)。
2.根據權利要求I所述的光學放大器，其中前饋計算電路(19 )根據下式來計算所述前饋控制信號(FCS ):FCS = A · SI + B + α · CP(FA) · SI其中，Α、α -常量因子；S1 —放大器輸入測量信號[mA] ；B —偏置電流值；其中， Pff FCS ；PFF —前饋泵浦功率分量；CP —校正參數；PIN —輸入信號的功率；FA —濾波器衰減。
3.根據權利要求2所述的光學放大器，包括校正計算電路(20)被設計為根據增益平坦濾波器(6)的測量衰減而計算校正參數 (CP)0
4.根據權利要求3所述的光學放大器，其中所述校正計算電路(20)在確定所述校正參數(CP)時結合放大器輸入信號(WSl)的功率(PIN)。
5.根據權利要求3或4所述的光學放大器，其中所述校正計算電路(20)被設計為考慮其余信道的波長的影響和/或數目。
6.根據權利要求5所述的光學放大器,其中所述校正計算電路(20)被設計為接收管理信道信息(MCI)并確定考慮活動信道的校正參數(CP)。
7.根據權利要求1、2、3或4所述的光學放大器，其中所述控制單元(17)還包括用于還控制放大器總體增益和/或放大器輸出功率的反饋控制電路(21)。
8.根據權利要求5所述的光學放大器,其中所述控制單元(17)還包括用于還控制放大器總體增益和/或放大器輸出功率的反饋控制電路(21)。
9.根據權利要求1、2、3或4所述的光學放大器，其中所述控制單元(17)被實現為可編程處理器，其從增益平坦濾波器(6)的輸入和輸出接收電濾波器測量信號(S2、S3)，且還接收分別從放大器輸入信號(WSl)和放大器輸出信號 (WS4)導出的測量信號(SI、S4)。
10.根據權利要求5所述的光學放大器,其中所述控制單元(17)被實現為可編程處理器，其接收電濾波器測量信號(S2、S3)，且還接收分別從放大器輸入信號(WSl)和放大器輸出信號(WS4)導出的電放大器測量信號(SI、 S4)。
11.根據權利要求1、2、3或4所述的光學放大器，包括使用了用于對兩個放大級進行泵浦的公共泵浦源(13 )。
12.根據權利要求5所述的光學放大器，包括使用了用于對兩個放大級進行泵浦的公共泵浦源(13 )。
13.一種用于控制光纖放大器的方法，所述光纖放大器具有至少兩個放大級(4、9)、插入到這些級(4、9)之間的增益平坦濾波器(6)、以及泵浦源(13)，所述方法包括以下步驟-測量所述增益平坦濾波器(6)的輸入功率和輸出功率；-測量放大器的輸入功率；-根據從所述增益平坦濾波器(6)的輸入功率和輸出功率以及放大器輸入功率導出的所述增益平坦濾波器(6)的衰減，確定前饋控制信號(FCS);以及 -通過所述前饋控制信號(FCS)來控制泵浦源(13)的泵浦功率。
14.根據權利要求13所述的方法，還通過反饋控制來進一步控制所述光纖放大器的增益或功率。
全文摘要
本發明描述了一種具有改進瞬變性能的光學放大器，包括兩個放大級(4、9)以及插入到這些級之間的增益平坦濾波器(6)。控制單元(17)針對對兩個放大級(4、9)進行泵浦的公共泵浦源(13)產生泵控制信號(PCS)。泵控制信號(PCS)具有前饋分量(FCS)和反饋分量(BCS)。在信道的下降之后，前饋控制電路(19)負責瞬變性能和快速增益穩定。考慮到增益平坦濾波器(6)的特性，以計算最優前饋控制信號(FCS)。
文檔編號H04B10/296GK102598549SQ200980162320
公開日2012年7月18日 申請日期2009年9月4日 優先權日2009年9月4日
發明者L.拉普 申請人:諾基亞西門子通信公司