CN1081414C - 实现波分复用***动态增益谱均衡的方法及其均衡放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波分复用光纤通信网络中动态增益均衡的方法及其自动增益均衡光纤放大器。其特征在于，在掺杂光纤放大器内部同时采取增益锁定和增益谱平坦的方法。本发明提出的均衡放大器，其特征在于所说放大器中连有实现增益锁定的反馈单元，还包括在所说的掺杂光纤中***实现增益谱平坦的光纤滤波器。这种新方法不仅简单有效，而且具有绝对均衡和随遇均衡的特点，使该均衡放大器既适用于点对点的多路***，也适合于光网络的动态增益均衡。

Description

实现波分复用***动态增益谱均衡的方法及其均衡放大器

本发明属于光电子技术领域，特别涉及波分复用光纤通信网络中动态增益均衡的方法及其自动增益均衡光纤放大器。

近年来，随着全球性信息基础设施工程建设的蓬勃开展，采用掺铒光纤放大器(ED)FA)的波分复用(WDM)传输技术已成为高速率、大容量光纤通信与网络技术发展的主导方向。但由于掺铒光纤增益谱固有的不平坦性，尤其是以均匀加宽为主的谱特性引起信道间的竞争，不同波长的各信道信号在通过光纤放大器时增益不同，而且这种增益差还会随级连放大而累积增大。在长距离点对点的WDM***中，EDFA级连放大的增益谱出现偏向长波长的增益峰并使信噪比恶化，甚至会导致某些信道增益剧增而其它信道受到抑制；在多点对多点的光纤网络中，由于不同信道的传输路径可能不同，通过EDFA的信道数也可能随网络的重构或信道的上、下而改变，这将引起网点上EDFA工作状态的跳变；另外，在包含不同格式信号的混合WDM***中，输入功率较低(＜10dBm)的基带数字信号和输入功率较高(＞3dBm)的视频信号共线传输，不仅会引起信道间增益和功率的巨大级差，而且一旦视频信号中断，EDFA即从深饱和状态跳变到小信号状态，这将导致数字信道的增益剧变而使接收端遭受不可接受的功率涨落。所有这些问题使WDM+EDFA传输技术进一步走向实用化和工程化遇到严重障碍。

为解决这一问题，人们提出了实现增益均衡的概念。WDM+EDFA传输***的动态增益均衡包括两方面的要求：(1)在一定带宽范围内的多个信道li同时放大时，各信道增益G(li)基本相同；在模拟信号放大时，微分增益dG(l)/d1尽可能小，这统称为增益谱的平坦；(2)信道增、减或某一信道的功率改变时，对该信道或其它信道的增益没有明显的影响，即信号功率变化时保持增益恒定，这称作增益的箝制(即锁定)或自动增益控制。

近年来，针对实际WDM+EDFA***中信道增益的动态演变人们提出了多种增益均衡的方法，主要有：

1.输入功率预加重：参照实际多路***因单级或级连放大而累积畸变的信道增益分布，在***发射端合理调节各信道的输入功率而使接收端各信道的功率基本相等。

2.集总均衡滤波：根据实际多路***因级连放大而累积畸变的增益谱的形状，在若干个EDFA之后***一损耗谱与畸变增益谱互补的集总均衡光滤波器(如长周期光纤光栅等)将增益谱削平，同时为了补偿滤波器对信号功率的衰减，采用EDFA再放大。

3.声光滤波调节：通过放大器输出各信道功率的涨落反馈控制串联于放大器输出光路上的多通道带阻声光滤波器，从而调节各信道的输出功率使之相等。如图1所示，在放大器EDFA的输出端***声光滤波器，用光纤耦合器引出部分输出光，各信道经各自的滤波器(F1，F2，F3)解复用后，各自通过光探测器(PD1，PD2，PD3)转换变成电信号(信号的大小分别与各个信道的功率相应)，以其中一个信道为参考将所得电信号进行比较后，分别反馈控制声光滤波器相应射频通道的滤波损耗，从而调整各信道的增益保持相等。

上述这些方法虽然在一定程度上使WDM+EDFA传输***的动态增益均衡问题得到缓解，但都有各自的局限性。“输入功率预加重”法和“集总均衡滤波”法虽然简单可行，但累积放大增益谱的演变与信道配置、功率水平、EDFA特性及传输距离(即EDFA级数)等多种因素有关，因而信道输入功率的调节或集总滤波特性的设计必须与***传输参量的总体配置相吻合，只能相对于特定的点对点传输***才有均衡的效果，遇到信道上、下或其它原因造成信道功率起伏的情况则完全失效，可见这类方法不适用于WDM光网络。“声光滤波调节”法虽然均衡能力弥补了上述不足，也可用于WDM光网络的动态均衡，但也存在多方面的缺点：其一，要求声光滤波器具有与传输信道数相同的射频通道，而且需要对每个传输光信道分别进行滤波解复用，用经光电转换所得的电信号来实现对射频通道的控制，不仅技术复杂，而且成本极其昂贵，其程度随传输信道数的增加而升级；其二，采用波导型集成声光滤波器进行反馈控制时，不可避免将引入大的净***损耗(每只声光滤波器的损耗高达9dB)，因此，这种均衡技术的实用也受到相当的限制。

因而，寻找一种公认的完美实用的技术方案实现动态运用下的增益均衡就成为当今国际上WDM+EDFA光纤通信网络技术的研究和发展面临的最大挑战。

本发明的目的旨在针对已有动态均衡技术的不足之处，提出采用一种新的均衡放大器来实现WDM+EDFA***动态增益均衡的方法，其核心是在放大器内部同时建立增益箝制与平坦机制。因此，这种新方法不仅简单有效，而且具有绝对均衡和随遇均衡的特点，使该均衡放大器既适用于点对点的多路***，也适合于光网络的动态增益均衡。

本发明提出一种实现波分复用***动态增益均衡的方法，其特征在于，在掺杂光纤放大器内部同时采取增益锁定和增益谱平坦的方法。

所说的增益锁定方法可以是在所说的放大器的掺杂光纤区建立激光谐振腔，通过选频激射使放大器的增益及增益谱相对与激射波长下的阈值锁定，还可以是从所说的放大器中引出部分光，转换成电信号后，再用该信号反馈控制该放大器的泵浦电流而使增益保持恒定。

所说的增益谱平坦方法可以是选用不同增益谱特性的掺杂光纤级连补偿。还可以是在所说的掺杂光纤中***实现增益谱平坦的滤波器。

本发明提出的实现波分复用***动态增益均衡的均衡放大器，包括相互连为一体的掺杂增益光纤、光纤耦合器、光纤隔离器和泵浦激光二极管及其驱动电路，其特征在于所说放大器中连有实现增益锁定的反馈单元，还包括在所说的掺杂光纤中***实现增益谱平坦的光纤滤波器。

所说的反馈单元为在所说的掺杂光纤区设置激光谐振腔，所述的激光谐振腔可以是在掺杂光纤区段的两端连有光纤耦合器形成的环形腔，也可以是在掺杂光纤区段的两端连有光纤光栅构成F-P直腔。所说的反馈单元还可以是在所说的放大器输入/输出端设置分光元件及接收分光元件所分出的部分光的光电接收器，该光电接收器的输出端与所说的驱动电路相连。

所述不同增益谱特性的掺杂光纤包括重掺铝的铒光纤、氟化物玻璃基质的铒光纤或增益谱倾斜趋势相反的铝/磷共掺的铒光纤等。所述光纤滤波器是损耗谱与掺杂光纤的增益谱演变趋势成互补分布的宽带光滤波器，包括长周期光纤光栅或双锥光纤等无反射型的宽带滤波器或窄带梳型多通道滤波器。

所说的放大器可为单级或多级掺杂光纤级联放大器，所说的反馈单元可为一个或多个设在一级或多个掺杂光纤的部分或全部区段中。

本发明的工作原理分述如下：

1.增益谱的锁定：这是本发明所提出的新型均衡放大器的基础和前提，可采用已有的全光反馈或光-电反馈的方法来实现。

光-电反馈法是引出EDFA的部分输出光或收集掺铒光纤泄漏的自发辐射光，经光电转换成电信号，然后从电路反馈控制EDFA的泵浦电流使增益保持恒定。

全光反馈法是在EDFA内采用光纤合/分波器或者光纤光栅将某一适当波长的光反馈形成激光振荡，利用激光功率随粒子数反转水平而变化的自动调节作用来维持增益的恒定。根据激光器的工作原理，激光稳定振荡的条件是激射波长处的增益等于损耗，即：

    G(λ₁)＝Loss(λ₁)    (1)

式中，G、Loss(l₁)分别表示波长l₁处的总增益和腔内总损耗。而掺铒光纤中激光波长处的增益可以表示为： $G\left({\mathrm{\λ}}_1\right)=G_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right){(1+\frac{P_1}{P_{\mathrm{sat},l}})}^{-1}-----\left(2\right)$

其中，P₁表示激光功率，P_sat，l表示激光波长处的饱和功率。G₀(l₁)表示激光波长处的小信号增益，它取决于泵浦水平(即粒子数反转水平)。当有其它波长的信号光输入时，信号光消耗一部分反转粒子数而得到放大，同时由于反转水平下降而使小信号增益G₀(l₁)降低。为了保持激光振荡，激光功率P₁将随之下降而保持激光增益G(l₁)不变，同时，信号波长处的增益也保持不变。当输入信号增大，G₀(l₁)进一步下降，直至G₀(l₁)的下降引起的G(l₁)下降最终使激光振荡条件(1)式不能满足，激光熄灭，这时的临界信号功率称作放大器的增益箝制动态范围。

任意一段掺铒光纤的放大倍数随信号波长的变化可以用下式表示： $G\left(\mathrm{\λ}\right)=\exp \left\{\underset{0}{\overset{l}{\∫}}(g^{*}\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{n_2}{n_1}-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{n_1}{n_1})\mathrm{dz}\right\}-----\left(3\right)$

其中，n₁、n₂分别为相应下能级和上能级粒子数，n_t为铒离子总数并有n_t＝n₁+n₂，g^*、a分别为掺铒光纤的增益和吸收系数，它们均为波长的函数，L为掺铒光纤长度。由于掺铒光纤的增益特性以均匀展宽为主，任何波长的输入信号引起的受激放大都可以改变粒子数n₁、n₂最终改变其它波长下的放大倍数，这就是信道间的增益交叉耦合作用。对于一台成品放大器，其参数g^*、a及L均已确定，当泵浦充分且信号较小时，n₂＞＞n₁，放大倍数由(3)式的第一项决定，当信号较大时，反转粒子数消耗较多，放大倍数由(3)式两项之差决定。即由粒子数反转水平决定，也就是说，放大器饱和深度的改变将导致增益谱的改变。但在全光反馈增益箝制的放大器中，只要激光存在，无论信号功率大小，反转粒子数始终被箝制在激光的阈值水平，因而增益谱也是被箝制的。在光-电反馈增益箝制的放大器中，一旦通过控制泵浦电流实现了对某一信道的增益锁定，必定也保持了反转粒子数的恒定，因此，增益谱也是被锁定的。

2.锁定增益谱的整平：在通常使用的信号功率水平下或通常要求的增益锁定动态范围内，放大器的增益谱在1558-1560nm处呈现一增益峰，这是由常用的铒/铝共掺光纤的本征特性决定的。采用增益谱倾斜趋势相反的光纤如氟化物玻璃基质铒光纤或铝/磷共掺铒光纤等与普通铒/铝共掺光纤级连匹配使用，可以得到一定程度的校正效果，但这不能根本该变掺铒光纤以均匀展宽为主的增益属性，即不能保证在任何饱和程度下均保持增益谱的平坦。针对与设计要求的锁定动态范围相应的饱和深度，可以在增益光路中***损耗谱与增益谱成反演分布的宽带光滤波器将增益谱整平。

3.隔离级连放大：EDFA的增益及噪声特性取决于泵浦掺铒光纤中的粒子反转程度。使用单段掺铒光纤的选频激射增益锁定放大器，由于始终工作在低反转水平的深饱和状态，很难同时获得高增益、高功率和低噪声特性，为进一步提高锁定放大性能可采用级连放大光路结构。申请人曾在1996年2月9日申请的中国专利“分配泵浦级连光纤放大器”(专利号ZL9603208.5)中披露过一种技术，采用光隔离器将EDFA分为两级。由于光隔离器有效地阻挡了后级ASE对前级的影响，因而第一级有可能处于高反转水平而工作在高增益、低噪声状态。如果采用这种级连结构并施行增益锁定措施使之工作在低反转水平的大功率状态，同时，配合适当的增益谱平坦手段，就能保证在足够大的输入动态范围内达到高增益、大功率和低噪声并且增益谱平坦、恒定的优良特性。

本发明提出的用均衡放大器实现波分复用***动态增益均衡的方法的突出优点是集增益锁定、平坦与放大功能于一体，***中无需另外的均衡器件。此外，均衡放大器可不依赖于***参量的视在情况而独立设计，***参量的动态变化也不影响其均衡工作特性。本发明提出的均衡放大器的技术特点是：第一，引进反馈机制将放大器增益谱锁定，使不同波长信道间的交叉增益耦合得以抑制，并在不同功率水平下保持恒定；第二，引进滤波整形机制在锁定放大的过程中将增益谱整平，使不同功率水平下各波长的信号增益相同并被箝制在一固定数值；第三，进一步引进隔离级连放大机制以抑制放大的自发辐射(ASE)，从而实现在高增益、高功率、低噪声工作状态下的平坦增益锁定。

附图简要说明：

图1是采用可调谐声光滤波器进行动态增益均衡的原理示意图；

图2是本发明的一种光电混合反馈均衡放大器实施例(一)的光路结构示意图；

图3是本发明的一种全光反馈均衡放大器实施例(二)的光路结构示意图；

图4是本发明实施例(一)全光反馈均衡放大器的增益、噪声系数与输入信号功率关系的测试结果；

图5是本发明实施例(-)全光反馈均衡放大器在不同波长下的增益的测试结果。

本发明研制出的二种动态增益均衡光纤放大器实施例光路结构如图2和图3所示。结合附图详细描述如下：

实施例(一)如图2所示包括：分波器BS12、光隔离器ISO11、掺杂光纤EDF11、波分复用光纤耦合器MUX11、光隔离器ISO12、耦合器MUX12、掺杂光纤EDF12、双锥光纤滤波器BFF1、掺杂光纤EDF13、耦合器MUX13、光隔离器ISO13以及分波器BS13，顺序连接成如图所示光路结构。光分波器BS12的121端和光分波器BS13的133端分别用作整个放大器的信号输入端和输出端。耦合器MUX11和MUX12的111端和121端分别与分波器BS11的B112和B113端相连，BS11的B111端与泵浦激光管LD11相连，耦合器MUX13的131端还和泵浦激光管LD12相连。该放大器的工作过程如下：泵浦光分别从三个光纤耦合器BUX11、MUX12和MUX13注入三段掺杂光纤，信号光经分波器BS12、隔离器ISO11进入第一段掺杂EDF11光纤放大，然后经耦合器MUX11、隔离器ISO12和耦合器MUX12进入第二段掺杂光纤EDF12二次放大，二次放大后的信号光经过双锥滤波器BFF11滤波后进入第三段掺杂光纤EDF13再次放大，最后经耦合器MUX13、输出隔离器ISO13并经分波器BS13输出。其中，分波器BS12和分波器BS12分别将少部分输入信号光和输出信号光耦合至光电探测器PD11和PD12，转换成相应的电信号后由控制电路CC11处理产生反馈信号控制泵浦二极管LD12的驱动电流以保持整个放大器的增益恒定。双锥滤波器BFF11的滤波谱与放大器的增益谱互补，用于改善增益谱特性。

实施例(二)如图3所示，包括：光隔离器ISO21、掺杂光纤EDF21、波分复用光纤耦合器MUX21、光隔离器ISO22、光纤光栅FBG21、耦合器MUX22、掺杂光纤EDF22、双锥光纤滤波器BFF21、掺杂光纤EDF23、耦合器MUX23以及光纤光栅FBG22和光隔离器ISO23，顺序连接成如图所示光路结构。光隔离器ISO21的输入端和光隔离器ISO23的输出端分别用作整个放大器的信号输入端和输出端。耦合器MUX21和MUX22的211端和221端分别与分波器BS21的B212和B213端相连，BS21的B211端与泵浦激光管LD21用光纤耦合器MUX21、光隔离器ISO22、光纤光栅FBG21、耦合器MUX22、掺杂光纤EDF22、双锥光纤滤波器BFF21、掺杂光纤EDF23、耦合器MUX23以及光纤光栅FBG22和光隔离器ISO23顺序连接成如图所示光路结构，光隔离器ISO21的输入端和光隔离器ISO23的输出端分别用作整个放大器的信号输入端和输出端。耦合器MUX21和MUX22的211端和221端分别与分波器BS21的B212和B213端相连，BS21的B211端与泵浦激光管LD21用光纤耦合器MUX21、光隔离器ISO22、光纤光栅FBG21、耦合器MUX22、掺杂光纤EDF22、双锥光纤滤波器BFF21、掺杂光纤EDF23、耦合器MUX23以及光纤光栅FBG22和光隔离器ISO23顺序连接成如图所示光路结构，光隔离器ISO21的输入端和光隔离器ISO23的输出端分别用作整个放大器的信号输入端和输出端。耦合器MUX21和MUX22的211端和221端分别与分波器BS21μ不能维持。双锥滤波器BFF21的滤波谱与放大器的伴有激光振荡时的增益谱互补，用于改善增益谱特性。

实施例(二)中采用2只功率为90mW的型号为SDLO-2004-100的980nm激光二极管作泵源，工作电流约200mA，工作温度约25℃；铒/铝共掺光纤数值孔径0.21，截止波长0.9μm，对泵浦光和信号光的吸收分别为3.29dB/m和4.57dB/m，第一段长6m，第二段长9m，第三段长12m；所用三个光纤耦合器均为EPTSMWDM980/1550波分复用光纤耦合器，***损耗小于0.1dB，隔离度大于20dB；所用三个#I-15-PIPT-X-1A光隔离器***损耗小于0.5dB，隔离度大于20dB；所用分波器为EPTSMWDM980光纤分波器。测试结果如图4、5所示，采用1553nm波长的DFB激光作信号源，测得在-40~-17dBm的输入范围内增益恒定为33dB，即增益箝制动态范围23dB，该动态范围内噪声系数约为6dB(包括输入端隔离器的损耗)，用等效饱和条件宽谱光源测试法测得对多波长信号-1dB带宽为14nm(1547~1561nm)，实验还证明在输入动态范围内输入信号功率改变而增益谱不变。实施例(一)中采用相同的元件也得到相似的结果。类似性能指标的同时实现增益箝制和增谱平坦的实验结果目前尚未见报道。

Claims (10)

1.一种实现波分复用***动态增益均衡的方法，其特征在于，在掺杂光纤放大器内部同时采取增益锁定和增益谱平坦的方法，所说的增益锁定方法是在所说的放大器的掺杂光纤区建立激光谐振腔，通过选频激射使放大器的增益及增益谱相对与激射波长下的阈值锁定；所说的增益谱平坦方法是选用不同增益谱特性的掺杂光纤级连补偿，所述不同增益谱特性的掺杂光纤包括重掺铝的铒光纤、氟化物玻璃基质的铒光纤或增益谱倾斜趋势相反的铝/磷共掺的铒光纤。

2.一种实现波分复用***动态增益均衡的方法，其特征在于，在掺杂光纤放大器内部同时采取增益锁定和增益谱平坦的方法，所说的增益锁定方法是在所说的放大器的掺杂光纤区建立激光谐振腔，通过选频激射使放大器的增益及增益谱相对与激射波长下的阈值锁定；所说的增益谱平坦方法是在所说的掺杂光纤中***实现增益谱平坦的滤波器。

3.一种实现波分复用***动态增益均衡的方法，其特征在于，在掺杂光纤放大器内部同时采取增益锁定和增益谱平坦的方法，所说的增益锁定方法是从所说的放大器中引出部分光，转换成电信号后，再用该信号反馈控制该放大器的泵浦电流而使增益保持恒定；所说的增益谱平坦方法是选用不同增益谱特性的掺杂光纤级连补偿，所述不同增益谱特性的掺杂光纤包括重掺铝的铒光纤、氟化物玻璃基质的铒光纤或增益谱倾斜趋势相反的铝/磷共掺的铒光纤等。

4.一种实现波分复用***动态增益均衡的方法，其特征在于，在掺杂光纤放大器内部同时采取增益锁定和增益谱平坦的方法，所说的增益锁定方法是从所说的放大器中引出部分光，转换成电信号后，再用该信号反馈控制该放大器的泵浦电流而使增益保持恒定；所说的增益谱平坦方法是在所说的掺杂光纤中***实现增益谱平坦的滤波器。

5.一种用来实现如权利要求1所述方法的均衡放大器，包括相互连为一体的掺杂增益光纤、光纤耦合器、光纤隔离器和泵浦激光二极管及其驱动电路，其特征在于所说放大器中连有实现增益锁定的反馈单元，还包括在所说的掺杂光纤中***实现增益谱平坦的光纤滤波器。

6.如权利要求5所述的均衡放大器，其特征在于，所说的反馈单元为在所说的掺杂光纤区设置激光谐振腔，所述的激光谐振腔为在掺杂光纤区段的两端连有光纤耦合器形成环形腔。

7.如权利要求5所述的均衡放大器，其特征在于，所说的反馈单元为在所说的掺杂光纤区设置激光谐振腔，所述的激光谐振腔为在掺杂光纤区段的两端连有光纤光栅构成F-P直腔。

8.如权利要求5所述的均衡放大器，其特征在于，所说的反馈单元为在所说的放大器输入/输出端设置分光元件及接收分光元件所分出的部分光的光电接收器，该光电接收器的输出端与所说的驱动电路相连。

9.如权利要求5所述的均衡放大器，其特征在于，所述光纤滤波器是损耗谱与掺杂光纤的增益谱演变趋势成互补分布的宽带光滤波器，包括长周期光纤光栅或双锥光纤等无反射型的宽带滤波器或窄带梳型多通道滤波器。

10.如权利要求5所述的均衡放大器，其特征在于，所说的放大器为多级掺杂光纤级联放大器，所说的反馈单元为多个，可分别设在部分掺杂光纤区段或全部掺杂光纤区段中。

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