增益可变的光纤放大器

本发明涉及一种增益可变的尤其是将用于WDM网络中的光纤放大 器，还涉及WDM网络和放大WDM光信号的方法。

光纤放大器在光波长多路复用传输系统(WDM系统)中具有很大 优越性，因为它们能够同时放大许多WDM信道。

通常这样的放大器工作于饱和状态，这意味着它们具有与输入功 率无关的近似恒定的输出功率。这还意味着放大器的增益与输入功率 成反比。在多数传输系统中这是一个优点，因为这样沿着传输路径设 置的放大器将自动调整它们的增益等于放大器之间的损耗。

对于WDM系统，存在一个与这种类型放大器操作有关的问题。放 大器的光谱相关性依赖于放大媒质的粒子数反转。粒子数反转增大将 向短波方向移动放大倍率，产生增益倾斜。饱和放大器的增益也依赖 于粒子数反转的程度。这意味着不同WDM信道之间的相对增益直接依 赖于放大器的放大倍率。增益变化将直接导致信道之间增益不平衡， 这将在接收器产生不同的信噪比SNR。具有最低SNR的信道将限制整 个系统的性能。

通常放大器是为某一应用而设计，即输入功率水平和增益。当安 装系统并进行工作时，必须使用衰减器调整功率水平。系统必须把剩 余增益不平衡控制在允许性能容限内。虽然在实际安装中大部分衰减 可能很低，但是整个系统必须针对于最坏的情况设计，即在每个放大 器之间的传输路径中衰减最大。这样传输系统的总容量将大大低于它 的潜在容量。

还提出了对于不同WDM信道提供具有相同输出功率的放大倍率的 方法。WDM光谱可以解多路分用，通过一系列饱和放大器使每个信道 功率均衡，最后再次多路复用，见美国专利US-A-5,452,116和US- A-5,392,154。可以把有源光纤冷却为低温温度，所述低温温度将产 生每个波长的增益分别饱和的效果，所以称为光谱烧孔(Spectral Hole Burning)，见美国专利US-A-5,345,332。具有适当特性的波 长可调光纤可以部分补偿该变化，参见R.A.Betts et al.的论文 “Split-beam Fourier filter and its application in a gain- flattened EDFA”，Optical Fiber Communications Conf.，TuP4，San Diego，1995。在特殊制备的有源光纤中，已经表示出光谱变化具有 降低的增益相关性，见J.Nilsson，Y.W Lee和W.H.Choe的文章， “Erbium doped fibre amplifier with dynamic gain flatness for WDM”，Electron.Lett.，Vol.31，pp.1578-1579，1995。

这些现有方法看起来成本高或者复杂，或者性能低。

本发明的目的在于提供一种光纤放大器，该光纤放大器在光学传 输带宽上具有可变总增益和恒定的光谱相关性。

本发明的另一目的在于提供一种光纤放大器，该光纤放大器对于 变化的输入光功率具有恒定的光谱相关性。

本发明的另一目的在于提供一种放大输入的波长多路复用光信 号的方法，以便放大所述信号产生放大的光信号，其中对于总输入光 的不同功率和可变总增益，不同信号的增益具有恒定的光谱相关性。

因此本发明解决的问题是怎样构造一种具有良好性能的光纤放 大器，即对于较高输入信号比对于较低输入信号具有更好的信噪比， 而且可以以合理的成本制造。

因此，提供了一种光学放大器，该光学放大器在WDM系统的光学 传输带宽内具有恒定光谱相关性，同时放大器的总增益可以变化，而 不损害放大器的噪声特性或输出功率。如果需要，例如对于WDM系 统，剩余光谱增益差可以利用固定滤光片调整，放大器的工作是根据 如下结果：即在两级光纤放大器的一个放大级中的增益倾斜可以通过 另一放大级中相反的相应增益倾斜校正。因此放大器可以设计成两级 放大器，其中第一放大级作为预放大级工作于近似饱和状态。放大器 的第二级作为功率或辅助放大级，工作于完全饱和状态，具有几乎恒 定的输出功率。通过调整输入到这一级的功率调整第二级的增益，以 便产生与预放大级的增益倾斜相比具有相同数值而符号相反的增益 倾斜。

第二级的输入功率的调整最好通过调整设置在两放大级之间的 可控光学衰减器而实现。这一衰减器可以人工或自动控制。自动控制 的衰减器可以通过各种已知技术中的一种机械控制或直接电控。

可以通过改变加给功率放大级的泵功率进一步改变整个放大器 对于固定输入功率的增益，从而改变输出功率，那么衰减器的衰减相 应地同时改变，以便保持输出放大级的恒定增益。

衰减器的控制可以通过许多方法中的一种实现。对于人工衰减器 在安装时调整衰减以便对于放大器前面线性部分的实际损耗优化。对 于自动控制的衰减器，所述衰减或者通过利用可以很好预测的放大器 性能测得的输入功率计算，如同例如D.Bonnedal在论文中阐述的一 样，论文名称为“EDFA Gain，Described with a Black Box Model” in Optical Amplifiers and their Applications，1996 Technical Digest(Optical Society of America，Washington DC，1996)， pp.215-218；或者可以在输出端实际测量两个或多个信道的信道功 率，并通过控制器算法可以消除它们之间的差值。可以利用几种已知 技术中的一种测量信道功率，例如把不同频率的导频音施加在一些或 所有信道上并通过电气领域的频率鉴别测量相关信道功率，参见公开 欧洲专利申请EP-A1-0637148，对应于美国专利US5,463,487。或者 利用固定或扫描滤光器、光栅或者干涉仪，分析整个或部分光谱。

通过把衰减器放置在放大级之间，并不损害两级的光学性能。来 自预放大级的最低可能噪声附加到每一种操作情况的信号上，而且总 是可以从功率放大级获得全部输出功率。这意味着如果降低一对放大 器之间的损耗，那么SNR相应地改善。可以利用整个光学传输系统的 所有潜力。

将在下面描述中提出本发明的其他目的和优点，而且通过描述本 发明的其他目的和优点部分将更清楚，或者通过实施本发明而理解本 发明的其他目的和优点。利用特别是所附权利要求中所指出的方法、 过程和设备以及它们的组合可以实现和达到本发明的目的和优点。

通过讨论下面结合附图对于非限定性实施例的详细描述，将更好 地理解本发明和本发明上述和其他特征。其中：

图1是描述光纤网络一部分的示意图；以及

图2是恒定光谱增益放大器的方框图。

图1示出了具有节点101的光纤WDM网络的一部分。每个节点通 过一根输入光纤103和一根输出光纤105连接到另一节点上。输入光 纤连接到预放大器107上，输出光纤连接到辅助放大器或功率放大器 109上。预放大器107和辅助放大器109分别连接到电输出端口111 和输入端口113上，所述输出端口和输入端口分别构成多路解复用器 和多路复用器(耦合器)。可以需要根据放大器的用途设置放大器 107和109以便具有适当调整的增益，可以还需要在网络工作期间改 变增益。然而，对于包括搀杂稀土金属铒的光纤的光纤放大器类型的 放大器，不同波长的增益值彼此不等，而且甚至当增益改变时增益波 长相关性也变化，这样导致有关例如不同信噪比的问题。具有恒定光 谱相关性的放大器有利于用于这样的节点，也有利于作为光纤网络中 的线路放大器，它们可以构造成将参考图2所描述的那样。

在图2所示的光纤放大器的方框图中，所述光纤放大器适用于图 1所示网络部分的节点101，光进入光纤1上的光纤放大器。所述光 纤连接到第一光纤放大器3上，所述第一光纤放大器3作为预放大级 放大光纤1接收的光。预放大3具有固定增益，对于预期输入光功率 范围提供适当的输出功率。预放大级3的输出提供给可控衰减器5， 可控衰减器5连接到电气控制器7上并受它控制。然后被衰减器5衰 减的光进入固定波长展平滤光片9，所述滤光片9的输出连接到功率 放大器级或辅助放大级11上，所述功率放大器级或辅助放大级11包 括具有可变输出功率的光纤放大器。展平滤光器9是任选的，而且对 于放大器的基本操作不是必须的。在不包括展平滤光器的情况下，可 控滤光片7的输出直接连接到功率放大级11的输入上。在光纤12上 获得整个放大器装置的光输出，所述光纤12连接到功率放大级11的 输出端上。

电气控制器7还接收来自光探测器的信号。因此输入光功率探测 器13的输入连接到设置在进入放大器的光纤1内的Y耦合器15上。 中间功率探测器17连接到任选的展平滤光器9和功率放大级11之间 的光纤线路上，通过Y耦合器19接入这些装置之间的光纤上。输出 功率探测器21通过设置在输出线路12上的Y耦合器23连接到功率 放大级11的输出上。任选的光谱分析装置25例如滤光片可以连接到 输出功率探测器21的输入线路上。

现在将描述图2中的放大器的操作。它是根据如下事实：即在诸 如包括在预放大级3和功率放大级9中的光纤放大器中，假若增益以 对数单位表示，例如dB，则增益可以非常近似地表示为两个已知光 谱的线性组合或线性插值，见上面引用的Dag Bonnedal的论文。输 入功率Pin的增益光谱可以表示为：

Gk(λ)＝Gb(λ)+k(Ga(λ)-Gb(λ))                [dB单位]   (1)

其中k是与波长λ无关的常数，Ga(λ)和Gb(λ)是对其他输入功 率值的增益。常数k与输入功率和泵浦功率有关。对于两个构造相同 的光纤放大器No.1和2，它们的增益表示为：

Gk(λ)＝Gb(λ)+k1(Ga(λ)-Gb(λ))               [dB单位]   (2)

Gk(λ)＝Gb(λ)+k2(Ga(λ)-Gb(λ))               [dB单位]   (3)

其中k1、k2是与相应放大器的输入功率和浦功率有关的常数。 如果两个放大器串联，而且平坦衰减值为A dB的衰减器连接在它们 之间，那么总增益为

Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-A+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ))  [dB单位]  (4)

因此，首先假设预放大级3和辅助放大器级11以及衰减器5已 经设置成给出根据等式(4)的总增益曲线，假设所述衰减器5具有平 坦衰减，即对于所有考虑的波长衰减相同。然后，假设输入到预放大 级3的功率变化，那么它的增益变化，而且常数k1变化为(k1+Δk1)。 那么根据等式(4)，放大器的总增益也变化。通过从控制器7向衰减 器5发送适当的信号，衰减自动控制为新值(A+ΔA)。那么输入到功 率放大器级11的输入功率变化，导致常数k2变换为(k2+Δk2)。产 生的增益为：

Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-(A+ΔA)+(k1+k2+Δk1+Δk2)·(Ga(λ)-Gb(λ)) [dB单位]  (5)

如果调整ΔA，使得满足条件Δk2＝-Δk1，那么产生的增益为

Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-A-ΔA+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ)) [dB单位]  (6)

这意味着产生的增益与以前的、初始的或设置的增益成正比，因 此增益的光谱相关性基本上不变。

在另一种情况下，输入到功率放大级11的泵浦光功率变化，导 致整个放大器的输出功率变化，而且等式(1)中的常数k2也变化。那 么衰减器5的衰减值A可以变化为新值A’，使得增益仍然是功率级 11的k2，产生总增益为： Gtot(λ)＝2·Gb(λ)-A’+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ))       [dB单位]    (7)

该总增益也和初始设置的增益成正比。

如果使用任选的增益展平滤光器9，那么它应该理论上设置成衰 减(至少在包括WDM信道的某一考虑波段范围内)为： Agf(λ)＝-(2·Gb(λ)+(k1+k2)·(Ga(λ)-Gb(λ)))-Agf0  [dB单位]    (8)

其中Agf0是常数。这将使得整个放大器的总增益与波长无关。

衰减器5由控制单元7自动地电控制，但是也可以人工控制。通 过改变功率放大级11的光纤放大器的泵浦功率或用其他方法，改变 整个放大器对于固定的输入功率的增益，如同瑞典专利申请 9303337-8所描述的那样，尤其是参见附图6的描述。那么衰减器5 的衰减相应地同时变化，以便通过利用探测器17和21检测功率放大 级11的输入和输出功率的信号，根据上述讨论(等式(7))保持功率放 大级11的恒定增益。对于可自动控制的衰减器5，假设预放大级3 的性能和设置是已知的，那么可以通过输入探测器13测得的输入功 率和中间探测器17测得的光功率计算它的损耗(衰减)。有时可能 需要附加光探测器检测输入到可控衰减器的功率(那么也检测预放大 级3的输出功率，这样可以帮助控制它的增益)。

对于放大器的输入功率变化，输入探测器13检测这一变化，然 后控制滤光器5的衰减，以便通过调整它的输出信号补偿所述变化， 使得功率放大级11的增益也变化，参照等式(5)和(6)。可以通过只 利用放大级3和11的已知性能，实现这一控制，其中增益和常数k 可以由探测器13和17检测的相应输入功率推出，例如利用上面引用 的Dag Bonnedal论文中给出的函数关系，见该论文中的等式(1)：

对于考虑的一个波长，Pin是输入功率，G0是非饱和放大器的增 益，Plim是放大器的最大输出功率，α是在0.5-1.5范围内的指数，L 是常数。那么k的值由下式计算：

或者，对于具有反馈控制的衰减器5和功率放大级11，这种情况 下对于变化输入功率，必须以某种方法确定来自功率放大级11的光 输出的光谱曲线，然后控制它使得与初始设置值成正比，见等式(5) 和(6)。这可以通过如下方式实现：即利用已经适当调整的滤光片25 选择两个或多个WDM信道至输出光探测器21，在输出端测量这些信 道的信道功率。在另一实施例中，不需要滤光片25，但是适当选择 的不同导频音已经施加在所述信道的信号上，以便可以通过滤波从光 探测器21获得的在导频音频率附近的电信号，然后测量所述音调的 振幅，测量每个信道功率。

通常在两级中使用不同长度的放大光纤，以便使得预放大级的最 大增益较低，目的是施加较小的噪声，并使得功率放大级的增益较 大，目的是获得较高效率。这意味着等式(2)和(3)中表示波长相关性 的基本曲线Ga(λ)和Gb(λ)对于两个放大级彼此不是十分相同，但是 它们仍然足够相似。那么不能实现根据上述的精确控制，但是仍然在 足够窄的波长范围内，例如在1540和1560nm之间，或者对于频率 1550nm周围更窄波长范围内的波长，所述控制可以通过如下方法实 现：即使得放大器的总增益具有近似恒定的波长相关性。

本领域的技术人员可以容易地想到其他优点和改进。因此，本发 明在更宽的方面并不限于这里示出和描述的具体细节、代表装置和说 明性例子。因此，可以进行各种改进而不脱离所附权利要求和它们的 等同替换所限定的本发明基本概念的精神和范围。