專利名稱：光學系統的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及光學系統領域，尤其是涉及用于控制光放大器增益的裝置。
已經提出了幾種類型的光放大器，用于克服光傳輸路徑(特別是光纖)中的信號衰減影響。這些放大器類型包含摻鉺光纖放大器(EDFA)、摻銩硅光纖放大器(TDSFA)、摻銩碲化物放大器(TDTFA)、集總式拉曼放大器(RA)以及分布式RA。
光網絡中的拉曼增益是通過利用受激拉曼散射(SRS)實現的，并且是用于補償傳輸光纖中的信號衰減或損耗的一種非常重要的方法。集總式RA和EDFA與分布式RA的不同之處在于集總式RA和EDFA都是將具有經過調整的機械和光學特性的特殊摻雜的一段短光纖用作放大介質。分布式RA則將正常的傳輸光纖用作放大介質。這與集總式RA和EDFA是不同的，這是因為放大介質(光纖)并不位于受限的空間內，而是利用了傳統的傳輸光纖并且可以延伸數百公里。可以將集總式RA和EDFA視作在網絡的單點處提供光放大，而分布式RA在傳輸光纖的大部分上提供光放大。
如圖6中所示，拉曼放大器增益取決于泵浦和/或信號功率變化，而頻譜增益曲線則與泵浦和/或信號功率變化無關。在一個固定的拉曼泵浦波長處，改變泵浦功率會使得總增益發生變化，但是不會使增益的頻譜曲線發生變化。在泵浦的波長和功率電平是固定的情況下，如果放大器的光功率發生變化，那么增益也就發生變化。在實際的應用中，光放大器的增益隨著總輸入功率而發生變化，這會導致輸出信號水平發生不希望得到的變化。這種依賴性對于EDFA和拉曼放大器都是適用的；如在下述文獻中討論的那樣“光纖拉曼放大器的特性以及它們在數字光通信系統中的應用性(Properties of Fiber RamanAmplifiers and Their Applicability to Digital OpticalCommunication Systems)”，Y.Aoki，Journal of LightwaveTechnology，Vol.6，No.7，July 1988，p.1225-1239；“摻鉺光纖放大器、原理和應用(Erbium-Doped Fiber Amplifiers，Principlesand Applications)”，E.Desurvire，Wiley-Interscience，NewYork 1994；“受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering)”，pp.125、134、428、430、534、543、549，“非線性光纖光學器件(Non-linear Fiber Optics)”，G.P.Agrawal，Academic Press，S.Diego，1995；“光纖拉曼放大器”，pp.351-357。
在光放大器的輸入處的信號的總功率電平可能會突然發生變化，如這可能是由于信號交換、系統重構或者連接到放大器的光纖發生故障。
參考

圖1，顯示了用于分立的光放大器(EDFA、稀土摻雜光纖放大器以及集總式RA)的現有技術，這種現有技術用于調整光增益從而消除上述事件的影響。光(WDM)信號信道通過耦合器在左(Tx)端處輸入到放大器，并且通過分束器在右端(Rx)處從放大器輸出。將在本地生成的增益調整信號在耦合器處加入到放大器輸入信號中，并且在分束器處從輸出信號中抽取該增益調整信號。通過在輸入處使用分束器將少量輸入信號轉移到光電二極管(在圖1中未示出)從而對輸入到放大器中的總功率進行監視。改變增益調整信號的功率電平從而確保當將該信號加入到輸入信號信道中時，放大器所得到的總輸入功率基本上是保持不變的。
圖2顯示了傳統的分布式RA。該放大器包含一長段光纖(一般長達幾百公里)。如圖所示，光信號信道典型地在圖的左側通過EDFA功率放大器輸入，然后通過得益于拉曼放大效應的分布式RA。分布式RA受到在拉曼泵浦源生成的泵浦信號的驅動，并且該泵浦信號在分布式RA的輸出(Rx)端耦合到光纖中。拉曼泵浦信號的傳播方向與信號信道的傳播方向相反，并且通過SRS提供放大效應。這種放大效應是雙向的并且可以放大沿任意一個方向傳播通過光纖的信號。
信號信道經歷的光放大的程度隨著與放大器終端(在這種情況下為Rx)的距離的增加而降低，其中拉曼泵浦源位于該放大器終端處。
現在，將參考分布式RA，對兩種可以用于實現增益控制的方法進行描述1)在放大器的傳輸(輸入)端注入增益控制信號，從而使增益控制信號與信號信道沿相同的方向傳播；2)在放大器的接收(輸出)端注入增益控制信號。
但是，下述問題會影響以上這兩種方法；
1)與信號信道同向傳播的增益控制信號在傳播通過傳輸光纖時會經歷光衰減，即如果在放大器輸入端插入控制信號，那么控制信號將會經歷與信號信道相同的衰減。信號信道的功率電平在放大器輸入處是最高的，其中在該放大器輸入處插入信號信道，并且信號信道的功率電平隨著信號信道傳播通過放大器(朝向其輸出端)而逐漸降低。盡管分布式RA會提供增益，但還是會出現上述衰減。這兩種信道(增益控制信道和信號信道)的功率沿著傳輸介質會按照指數規律降低。這意味著放大器光纖中的總光功率將會沿著光纖的長度發生變化，并且不會保持在希望得到的恒定水平。
2)與信號信道反向傳輸的增益控制信號也不會實現希望得到的效果，這是因為沿一個特定方向上的放大器增益是由沿該方向傳播通過光放大器的信號的總功率電平決定的。沿第一方向通過放大器的信號的功率電平不會影響沿相反方向的放大器增益。
本發明的目的在于克服上述缺點并且提供一種用于控制光放大器中增益的裝置。通過使用增益控制信號從而實現該目的。理想情況下，控制信號應該在信號信道處于低水平的地方具有高水平，并且反之亦然，從而在整個光纖長度上都具有恒定的總功率。
本發明提供了一種用于控制光放大器的增益的A裝置，其包含用于產生增益控制信號的源、用于在第一端接收一個或多個光輸入信號信道的光放大器，以及用于在該光放大器的另一端向其提供增益控制信號的裝置；其中該源用于在一功率電平產生增益控制信號，并且該功率電平在光中產生受激布里淵散射(SBS)。
本發明還提供了一種用于控制光放大器的增益的方法，其包含下述步驟將一個或多個光輸入信號信道引入到光放大器的第一端，產生增益控制信號并且在光放大器的另一端引入該增益控制信號，其中該增益控制信號是在一功率電平產生的，所述功率電平具有在光放大器中產生受激布里淵散射(SBS)。
現在，將會參考附圖，通過舉例的方式對本發明的實施例進行描述，在這些附圖中圖1和2顯示了傳統的放大器結構；圖3顯示了根據本發明的放大器結構；圖4和5顯示了光纖中的信號傳播；以及圖6顯示了典型的分布式拉曼放大器的增益頻譜。
根據本發明，在放大器的輸出處插入增益控制信號，并且該增益控制信號的傳播方向與信號信道的傳播方向相反。有優勢地，這確保了增益控制信號功率電平在光纖的輸出端是最高的，而該增益控制信號是在該輸出端處被插入到光纖中的，并且信號信道的總功率電平在該輸出端處是最低的。增益控制信號功率電平會隨著該信號沿著光纖向放大器輸入端方向傳播而降低。這意味著增益控制信號功率電平在放大器光纖的輸入端處是最低的，而在該處信號信道的總功率電平是最高的。在放大器的輸出端處增益控制信號的插入有助于補償輸入信號信道的衰減，從而導致在整個光纖上總光功率幾乎是恒定的。
圖3顯示了根據本發明的分布式RA中的增益控制。圖3的分布式RA基本上類似于參考圖2描述的分布式RA。但是，除了正常的拉曼泵浦信號，還在本地生成了一個額外的稱作“增益控制信號”的信號信道，并且通過位于放大器輸出(Rx)處的額外的耦合器將該增益控制信號插入到光纖中。為了避免與信號信道發生干擾，增益控制信號所產生于的波長比輸入信號信道的波長高大約10到15nm，但是仍然在分布式RA的增益帶寬內，從而該增益控制信號也可以得益于分布式RA的增益，如圖4中所示。
本發明的增益控制信號是通過在分布式RA光纖中產生受激布里淵散射(SBS)進行工作的。通過將增益控制信號水平設置為超過特定的發射功率(SBS閾值功率)從而獲得SBS。如上面所述，所產生的SBS信號的方向與發生信號的方向相反。在這種情況下，發生信號是增益控制信號，從而所產生的SBS的方向與信號信道的方向相同。因此，SBS具有希望得到的效應，即可以改變信號信道所經歷的增益。
SBS以分布式的方式消耗增益控制信號的功率(即SBS隨著增益控制信號沿光纖傳播而逐漸地消耗增益控制信號的功率)。發生增益控制信號的SBS消耗僅包含發生信號的部分功率的背向散射。
SBS的產生取決于增益控制信號的功率電平。為了在最佳條件下進行工作，要對增益控制信號的功率電平進行監視，如使用光電二極管探測器。
現在將參考圖3描述分布式拉曼增益控制。圖3顯示了類似于圖2中所示的分布式RA。光(WDM)信號信道在放大器的左(Tx)端輸入，傳輸通過得益于拉曼放大效應的放大器。放大效應受到在拉曼泵浦源中生成的泵浦信號的驅動，并且該泵浦信號在放大器的輸出(Rx)端耦合到光纖中。與圖2中通過SRS提供放大效應的拉曼放大器一樣，泵浦信號的傳播方向與信號信道的傳播方向相反。
另外，提供了一種增益控制信號發生器，該發生器的輸出通過額外的耦合器饋入分布式RA的輸出。增益控制信號沿著與信號信道相反的方向傳播通過放大器光纖，并且通過SBS產生了與信號信道方向相同的后向散射信號。增益控制信號和它的SBS后向散射分量都得益于光纖中的雙向作用拉曼放大，因此，增益控制信號和它的SBS后向散射分量通過光纖的范圍都得到了提高。SBS后向散射信號的傳輸方向與信號信道相同，因此通過在放大器光纖中補償信號信道損耗從而沿信號信道的方向提供了增益控制。
光纖上的恒定功率分布式RA在非常長的光纖上延伸并且可以被認為是包含一系列的多個光纖小段。理想情況下，每個光纖段都應該經歷相同的功率電平。沿著信號信道方向在任意光纖段上的功率電平是在該光纖段上總信號信道功率和增益控制信號功率的SBS后向散射分量的和。由于衰減，增益控制信號(以及所得到的SBS信號)的功率從輸出(Rx)端開始會沿著光纖的長度方向逐漸減弱，如圖4中所示。由于衰減，輸入信號信道的功率從輸入(Tx)端開始會沿著光纖的長度方向逐漸減弱，如圖5中所示。有一點很清楚，存在這樣一些條件(例如光纖長度或光纖雜質)，其中SBS功率沿光纖長度上的變化幾乎可以補償光纖上信號信道的衰減。如果情況如此的話，就有可能在所有光纖段上保持恒定的功率。在不同情況下這些條件是不同的。
另外，為了獲得希望得到的恒定功率電平，必須使增益控制信號(以及它的SBS散射分量)的功率電平發生變化，從而補償輸入到放大器的信號信道的總功率的變化。這是通過改變增益控制信號的發射功率從而使它的SBS散射分量發生相應的變化從而實現的。這要求對輸入信號信道進行監視，如下面所述。
增益控制信號的發射功率取決于輸入信號信道的數量和功率。通過控制器功能可以容易地實現對增益控制信號的選擇。例如，這可以通過集成到一個模塊中的微處理器實現，而該模塊中置有放大器或者該模塊位于放大器的一端。
控制器功能模塊對放大器的功率輸出進行測量并且監視增益控制信號的電平。該控制器配有查詢表，而這些查詢表記錄了每個輸入信號信道的功率電平和/或用于決定一種變化會對輸入信號產生什么樣的影響的算法。輸入信號信道的功率電平取決于許多因素，例如鏈路特性、傳輸光纖類型(如光纖有效面積、衰減、制造商)。而且，這些電平還會取決于光纖跨度、信道帶寬(C波段或L波段)、信號傳輸所需的拉曼泵浦波長和拉曼增益。大體上，系統設計和網絡建模工程師會收集所有這些信息，并且他們會對這些信息進行詳細研究從而確定用于在所有可預見環境中提供可靠傳輸的所有可能的(靜態和動態)系統設置。這種仔細研究在不同情況下也是不同的。應該注意到，環境包含不同光鏈路的不同特性。
通常，由用于WDM系統的傳統光監測信道向控制器功能模塊提供關于輸入信號信道的信息，盡管也可以將任何導頻音用于實現此目的。可替換的，可以由實時監視輸入信號信道數目的光信道監視器提供這些信息。依賴于功率查詢表，有可能(在不同情況下也是不同的)知道相關于每個信道的功率。因此，控制器功能模塊可以知道對應于當前存在的輸入信道信號的、由放大器看到的輸入功率。
增益控制信號發射功率如上所示，增益控制信號的發射功率應該超過SBS功率閾值。可以通過下式計算該閾值功率PthPth＝21Ae/gb*Le(1+Δfsurce/BSBS)其中Ae是光纖有效面積；gb＝4*10-11[m/W]；Le＝有效光纖長度；Δfsource是增益控制源光帶寬；以及BSBS是相互作用帶寬＝20MHz。
優選地，增益控制信號的帶寬(Δf)應該類似于傳統DFB激光器的帶寬，從而使得增益控制信號更有效并且更易于生成增益控制信號。例如，可以選擇的增益控制信號帶寬為20MHz或100MHz。在后面100MHz的情況下的SBS閾值會高于20MHz情況下的SBS閾值，也就是會要求更大的功率。為了做出評價，需要考慮下述比較理想源(Δf＝0) SBS Pth～1mW；實際源(Δf～100MHz)SBS Pth～10mW；取決于傳輸光纖的有效長度，SBS閾值會發生變化(即它會隨著長度的增加而增加)，如上面的公式中所示。
為了得益于分布式RA增益，增益控制信號的波長應該保持在最高信號信道的特定波帶內，例如，大于最高信號信道不超出大約15nm。
本發明所解決的問題根據本發明從而得到改善的增益受控放大器起到了穩定增益的作用，而無論是現今流行的靜態還是動態WDM鏈路條件。而且，本發明可靠地提供了恒定增益。由于增益控制，放大器的噪聲指數將會得到改善，并且對低信號功率電平會表現出顯著的降低。而且，增益瞬變現象將會減少。對于拉曼放大器，一旦設定了泵浦功率，放大器在它的工作壽命期間內就應該不再需要干預、維護或調試，而同時會提供改善了的放大性能。
輸入信號信道功率的變化包含信道信號數量的任意增加/降低(在光纖的輸入處和沿著光纖在本地加入/去除)、光纖切斷、光纖老化、光纖維修、信道信號的突然加入/去除、信道信號交換、信道信號光路由、光支路故障、光放大器事故、光纖彎曲、入射光纖連接器斷開、環境條件以及其它任何改變信道信號的功率的因素。
這對系統和網絡設計者是極為有利的，并且對于安裝、提供和維護工程師也是極為有利的。例如，可以增加所安裝的WDM信號信道的數量(并且由此增加進入放大器的信號功率)，而無需額外對放大器進行調整。
由于即使在出現網絡故障的情況下(即信號信道的突然丟失)也不會出現任何增益瞬變現象，所以這使得根據本發明的增益受控放大器對于現有和未來的WDM應用都非常有益。
如希望的那樣，還可以將本發明用于改變光放大器的增益。
本發明提供了一種易于實施的低成本解決方案，這是因為本發明基于容易獲得的和經濟的DFB、商用激光器，它們將標準波長傳輸到光纖上，并且具有低的發射功率，并且與便宜的、可廣泛獲得的光耦合器一起使增益控制信號以可忽略的插入損耗(～0.05，0.1dB)注入到傳輸介質中。
本發明并不限于上述通過例子所描述的實施例。本發明適用于帶有摻雜有鉺、銩、氟化物、碲、鑭、鋁、鍺、鐠、鉍的光纖或其它光學介質的放大器、集總式和分布式拉曼放大器，本發明還適用于其它類型的光放大器，其中增益受到信號電平的影響。可以使用一種摻雜物，也可以根據用戶要求使用具有不同類型和不同相對濃度的摻雜物的組合物或混合物。
分布式RA可以獨立工作，也可以與EDFA、混合EDFA和集總式RA相結合進行工作，其中起到功率放大器作用的EDFA位于傳輸光纖的輸入端處，而拉曼放大器位于光纖的輸出端處。本發明適用于具有前向泵浦、后向泵浦或前向和后向(同時)泵浦的組合的放大器。本發明適用于通過在不同波長處的單個或多個泵浦激光器實現的具有第一和/或第二和/或第三拉曼泵浦級的后向和/或前向泵浦的拉曼放大器。
權利要求
1.一種用于控制光放大器增益的裝置，包含用于產生增益控制信號的源、用于在第一端接收一個或多個光輸入信號信道的光放大器，以及用于在另一端向該光放大器提供增益控制信號的裝置；其中該源被設置成在一功率電平上生成增益控制信號，該功率電平在光放大器中產生受激布里淵散射(SBS)。
2.根據權利要求1所述的裝置，包含用于識別輸入信號中的變化并且改變增益控制信號功率電平從而補償該識別出的變化的控制裝置。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中該控制裝置包含用于監測輸入信號的功率并且用于改變增益控制信號功率電平從而補償監測到的功率的變化的監視器裝置。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其中該控制裝置包含用于通過光監視信道或導頻音獲得關于一個或多個輸入信號信道的信息的裝置。
5.根據上述任意一個權利要求所述的裝置，其中該增益控制信號落入在光放大器的增益帶寬之內。
6.根據上述任意一個權利要求所述的裝置，進一步包含用于監測增益控制信號的功率電平的裝置。
7.根據上述任意一個權利要求所述的裝置，其中該放大器為拉曼放大器。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中該放大器為分布式拉曼放大器。
9.根據權利要求1到6中任意一個權利要求所述的裝置，其中該放大器為稀土摻雜光纖放大器。
10.包含根據權利要求1到9中任意一個權利要求所述的裝置的光放大器。
11.包含根據權利要求1到9中任意一個權利要求所述的裝置或根據權利要求10所述的放大器的光通信系統。
12.一種用于控制光放大器的增益的方法，包含下述步驟將一個或多個光輸入信號信道引入到光放大器的第一端，產生增益控制信號并且在光放大器的另一端引入該增益控制信號，其中該增益控制信號是在一功率電平上生成的，所述功率電平在光放大器中產生受激布里淵散射(SBS)。
13.根據權利要求12所述的方法，包含識別輸入信號中的變化并且改變增益控制信號功率電平從而補償該識別出的變化的步驟。
14.根據權利要求13所述的方法，包含監測輸入信號的功率并且用于改變增益控制信號功率從而補償監測到的功率的變化的步驟。
15.根據權利要求13或14所述的方法，包含從光監測信道或導頻音獲得關于信號信道的信息。
16.根據權利要求12到15中任意一個權利要求所述的方法，其中該增益控制信號落入光放大器的增益帶寬之內。
17.根據權利要求12到16中任意一個權利要求所述的方法，進一步包含監測增益控制信號的功率電平的步驟。
18.根據權利要求12到17中任意一個權利要求所述的方法，其中該放大器為拉曼放大器。
19.根據權利要求18所述的方法，其中該放大器為分布式拉曼放大器。
20.根據權利要求12到17中任意一個權利要求所述的方法，其中該放大器為稀土摻雜光纖放大器。
全文摘要
一種用于控制接收一個或多個光輸入信號信道的光放大器的增益的裝置和方法，具有用于產生增益控制信號的源，而該增益控制信號在與輸入信號信道相反的一端輸入到該光放大器中。所產生的增益控制信號是在一功率電平上生成的，該功率電平在光放大器中產生受激布里淵散射(SBS)。
文檔編號H04B10/294GK1711707SQ200380102674
公開日2005年12月21日 申請日期2003年10月13日 優先權日2002年10月31日
發明者P·費拉, R·迪穆羅 申請人:馬科尼通訊有限公司