现代的光传输系统包括一个发送终端和一个经由光缆连接的接收终 端。当光信号沿光缆传输时会衰减，正是此原因限制了终端的可能空间 间距。为了实现高连线速率的远距离传输，沿着光传输链路在多个位置 放置再生器(中继器)和/或光放大器来增大光纤上的信号。对于工作于 每秒几千兆比特(GBps)数据速率的系统，可以间隔的再生器距离范 围是35到80Km之间，它取决于所选择的传输波长。一般地，在连线 放大的配置中，光放大器之间的距离几乎可以加倍，距离范围达到80 到160Km之间。前一级放大器输送进光纤的光功率、光纤与上述放大 器互连的最近下一级放大器的损耗及色散、以及下一级放大器的灵敏 度，它们将决定上述距离。
光放大器应用于长途系统不仅受到模块之间的较长距离支持，而且 因为光放大器不需要沿光纤传输的光信号来回地转换为电信号，以及同 样地因为它们较容易地嵌入光传输链路。尽管通过监测再生电信号的特 性可以测量光电再生器的性能，但是测量光放大器性能要求专门的监测 技术，因为再生的电信号不可用。
在光放大器中，存在着因通过增加光噪声而不是减少净增益而恶化 性能的缺点。增加的光噪声引起传输系统终端处的比特错误，即使收到 光信号的强度满足设计目标。此外，放大器的光器件内故障可以恶化光 性能，此时并不阻止放大器获得所需的输出功率。检测上述的各种恶化 是十分有价值的，因为它们能够引起过多的噪声、降低性能特性的净增 益、或者其它故障的一个预告警。
掺饵光放大器(EDFA)的故障可以分为电子故障、泵激光故障、 以及光器件故障。例如，由于老化或者温度控制系统的故障导致泵激光 波长的变化能够增加光噪声。输入信号的过多损耗或者总损耗需要完全 地检测，因为通过EDFA输出端口更高的增益基本上能够补偿上述损 耗，结果是净效益为一个输出信号的降低的信噪比。
给定光放大器可以产生的增益量不仅是输入功率的函数，而且也是 由于高功率增益饱和所导致的输出功率的函数。当前，用户能够规定光 放大器内输出功率电平来允许光传输系统的设计配置的灵活性。例如， 传输系统配置设计中的误算可能使用户规定的的输出功率比放大器能够 提供的功率高。
当光放大器不能得到所要求的功率时，可能是因为放大器恶化、可 能是因为输入信号对所要求的功率太小、或者可能是因为用户设定的规 定功率高于设计的参数。对于系统的用户，假如传输链路的任何放大器 不能得到所需要的输出功率，能够准确地识别上述情况是十分有价值 的。
当放大器有多个输出方向或者波段并具有独立地控制每个波段功率 的能力时，另一问题将会出现。放大器可能失去对一组给定输入信号功 率电平动态范围的控制，并且不能同时地保持所有的输出功率电平为各 自的规定值。例如，一个电平可能太高而另一个电平可能太低。上述动 态范围基本上是输入功率电平和规定输出功率电平的函数。对于系统的 管理者，在放大器故障与放大器设计不能满足一组输入的规定输出的情 况之间进行识别是十分有价值的。
现在可以用信号表示某些故障。因此，当输入信号具有低于一个给 定的门限时，产生一个损耗告警信号是光纤传输设备内一个标准的惯 例。此外，当放大器不能满足规定的增益或者可选择地不能满足规定的 输出功率时，产生告警同样是众所周知的。
美国专利申请号No.08/261,350(Roberts et al.，1994年6月提交， 并且已授予Northern Telecom Ltd.)，它公布了一个测量放大器产生的 光信噪比的方法，假如可能的抖动存在于激光源。
英国专利申请GB 2268852A(Oki Electric Industry Co.Ltd.)公 布了测量一个单独信道上传输的管理信号。提供此类信道暗示额外的硬 件(HW)，例如发生器、去复用器和复用器。管理信息具有特定的格 式。然而，此解决方案必须需要额外的硬件以及不能直接实现对信息信 道的测量。
欧洲专利申请EP 0 618 691 A1(Alcatel CIT)公布了在反向放大 器模块的输入处和在前向的输出处测量信号，以及比较已测值来得到信 道的模块SN比率。然而，SN比率不能完全地定义放大器的比率性能。
欧洲专利申请EP 0 703 678 A2(AT&T)公布了在每个信道发射机 的信息信号上叠加一个低频音(抖动)，以及使用低成本的监视器在每 级光放大之后测量上述音的功率和输出信号功率。光放大器第一级之后 的上述音功率与光放大器输出功率之间的比率同在每个随后级的上述音 功率/输出功率比率相比较。第一级和随后音功率/输出功率比率的变化 反映了网络性能的变化。
欧洲专利申请EP 0 652 613 A2(Mitsubishi)也公布了在每个信道 发射机的信息信号上叠加一个低频音(抖动)，以及不管子载波电平通 过调整泵光源来保持收到信号的电平恒定。使用误差信号来执行调整， 决定上述误差信号作为参考信号与收到信号之间的差值。放大器也加另 一个子载波于信道上。从第一个载波得到上述另一个子载波。
然而，现有的技术基本上没有提供一种用于检测光放大器光器件的 恶化和故障以及区别设备故障与缺少输入信号二者之一的方法。本发明 涉及此类方法及装置。

本发明的目的之一是提供用于监控光放大器性能的方法和装置，它 减少或克服了目前所有技术的监控技术的缺点。
本发明的另一个目的是提供用于检测光放大器光器件内恶化和故障 的方法和装置。
本发明的又一个目的是提供一种区别设备故障和丢失输入信号二者 之一的方法和装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于性能参数的用于含有M 个传输信道的光放大器模块的故障检测系统，其中M是等于或者大于1 的整数，所述故障检测系统包括：用于存储所述性能参数的一个预期值 的存储器单元；用于确定所述性能参数的一个测量值的测量装置；用于 比较上述性能参数的预期值与上述性能参数的测量值的比较单元；以及 根据上述比较的结果当上述性能参数的测量值偏离上述性能参数的预期 值时产生一个误差信号的误差信号产生装置；
其特征在于通过测量所述光放大器模块的传输信道的输出光信号和 输入光信号得出上述性能参数的测量值；其中上述的测量装置包括：用 于得到一个对每个传输信道的输入值作为上述光放大器模块所收到的上 述输入光信号功率的函数的装置，以及用于得到一个对每个传输信道的 输出值作为上述光放大器模块所发送的上述输出光信号功率的函数的装 置；和，一个用于在M大于1时根据所述传输信道的所述输出值确定 一个组合输出值的第一计算装置；以及一个用于在M大于1时根据所 述传输信道的所述输入值确定一个组合输入值的第二计算装置。
在所述故障检测系统中，还包括一个用于根据上述误差信号表示所 述光放大器模块的一个故障的告警单元。
其中上述比较单元包括：一个用于比较上述组合输出值与存储于上 述存储器单元内存储的门限输出值并提供上述误差信号的第一比较器； 以及，一个用于响应上述误差信号比较上述组合输入值与存储于上述存 储器单元内的门限输入值并且产生一个模块失败告警信号和一个输入低 告警信号二者之一的第二比较器。
在上述故障检测系统中，上述的测量装置可以包括：用于确定所述 M个传输信道中含有最小波长值的一个第一传输信道的最小检测器；用 于确定(i)作为所述第一传输信道的所述输出值和所述输入值之间的比 值的函数的一个第一增益和(ii)作为从所述M个传输信道中选择的一 个第二传输信道的所述输出值和所述输入值之间的比值的函数的一个第 二增益的装置；一个第一计算装置，用于计算从所述存储单元获得的所 述第一传输信道的所述第一增益和一个第一校准增益之间的一个第一差 值和根据从所述存储单元获得的用于所述第一和第二传输信道的校准增 益摆动系数的一个比值调整所述第一差值；以及，一个第二计算装置， 用于计算从所述存储单元获得的所述第二传输信道的所述第二增益和一 个第二校准增益之间的一个第二差值，其中所述比较单元将所述调整后 的第一差值与所述第二差值进行比较。
上述的比较装置可以包括：一个第一比较器，用于比较每个输出值 与存储在所述存储单元中的门限输出值；以及一个第二比较器，用于响 应上述误差信号比较上述输入值与从上述上述存储单元内提取的输入值 范围并且产生模块失败告警信号和故障告警信号二者之一。
所述检测装置还可以包括：用于估计放大的自发辐射值(ASE)的 装置；用于提供泵浦功率值的装置，所述泵浦功率值是所述传输信道上 的所述放大器模块的泵浦激光器所注入的功率的函数；和一个计算装 置，用于根据所述输入值、所述输出值、所述ASE值和所述泵浦功率 值确定作为所述性能参数的所述预期值的一个判据。
其中上述的测量装置可以包括：用于检测多个增益值的装置，每个 增益值表示各个传输信道的输出光信号的功率和相应的输入光信号的功 率之间的比率；用于从上述存储单元中获得所述传输信道的多个校准增 益摆动系数的装置；一个用于识别含有各对校准增益摆动系数之间最大 差值的一对信道的最大检测器；一个用于根据所述校准增益摆动系数计 算一个ASE值的第一计算装置；以及一个第二计算装置，用于计算作 为所述计算的ASE值和一个差值的之间的比值的一个输出损耗信号， 所述差值是在所述输入光信号中的测量的输入ASE值和在所述输出光 信号中的测量的输出光信号值之间的差值，其中所述比较单元接收所述 输出损耗信号和来自所述存储单元的一个目标输出损耗信号以产生一个 误差信号。
根据本发明的另一个发明，提供了一种用于基于一个性能参数检 测具有M个传输信道的光放大器模块的方法，M是大于或者等于1的 整数，该方法包括以下步骤：提供一个预期的性能参数值；确定所述性 能参数的一个测量值；比较上述性能参数的测量值与上述预期的性能参 数值；和当上述性能参数的测量值与上述预期的性能参数值不相等时产 生一个误差信号；
其特征在于，所述性能参数的测量值通过测量表示所述光放大器模 块的每个传输信道上的输出光信号的功率的一个输出值来确定；所述方 法可以进一步地包括：对每个所述传输信道，测量一个表示每个传输信 道上的输入光信号的输入值；其中上述性能参数的测量值是一个上述输 出值和上述输入值之间的对应值，上述的预期参数值是一个对一个传输 信道的规定输出值和门限之间的对应值。
在上述方法中，上述预期的性能参数值是一个对上述传输信道的规 定输出值。所述性能参数的测量值是在对所述传输信道的合并输入值和 合并输出值之间的一个对应值，所述预期的性能参数值是在一个阈值和 一个合并的预期输出值之间的一个对应值。
其中上述性能参数的测量值是一个品质系数，上述的预期的性能参 数值是一个规定的品质系数。
其中所述的测量步骤可以包括：对一个传输信道从上述输入值中决 定一个输入光子流速FSIGIn；对上述传输信道从上述输出值中决定一 个输出光子流速FSIGOn；从测量的一个表示激光泵功率的泵值来确定 一个泵浦光子流速值FPUMPin；测量输入光信号内检测的放大自发辐 射并且确定一个输入流速值FASEin；以及测量输出光信号内检测的放 大自发辐射值并且确定一个输出流速值FASEout。其中所述的测量步骤 进一步包括使用下列公式计算上述品质因子：
$\mathrm{FOM}=1-\frac{{\mathrm{FPUMP}}_{\mathrm{in}}+2·({\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{out}})+\underset{n}{\overset{M}{\Sigma }}({\mathrm{FSIGI}}_n-{\mathrm{FSIGO}}_n)}{\underset{n}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{FSIGI}}_n+{\mathrm{FPUMP}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}}}$ (式1)
或
${\mathrm{FOM}2}_n=\frac{({\mathrm{FASE}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}})·{\mathrm{FSIGI}}_n}{{\mathrm{FSIGO}}_n}$ (式3)
其中FOM1是根据所述光放大器的泵浦功率的所述品质系数， FOM2是根据所述光放大器的有效输入损耗的所述品质系数，n是用于 具有1至M个信道的光放大器中的一个信道的信道标号。
其中，上述性能参数的测量值是一个增益摆动误差以及上述预期的 性能参数值是一个误差门限。
所述测量步骤包括：对于一个传输信道，确定一个增益作为在一个 表示输出光信号的功率的一个输出值和表示输入光信号的功率的一个输 入值之间的比率；以及使用最小波长来决定一个传输信道。
所述提供一个预期的性能参数值的步骤包括：由校准测量确立一个 对每个传输信道的预期增益；测量一个定义上述预期增益内的预期相对 变化的增益摆动系数；以及存储上述预期增益、上述增益摆动系数、以 及上述误差门限于存储器单元。
其中上述的测量步骤进一步地包括根据下列公式计算上述增益摆动 误差：
em＝(gm-Gm)-(gn-Gn)×(Cm/Cn)(式5)
其中em是信道m的上述增益摆动误差；
gm是信道m的测量增益；
Gm是信道m的预期增益；
Cm是信道m的增益摆动系数；
gn是信道n的测量增益；
Gn是信道n的预期增益；
n是具有最小波长的信道的信道标号；
m是另一个信道的信道标号。
其中提供所述预期的性能参数值的上述步骤包括：由校准测量确立 一个对每个传输信道的预期增益并且使用最小均方最佳拟合方法来决定 一个预期增益；测量一个上述预期增益内所定义的预期相对变化的增益 摆动系数；以及存储对上述所有传输信道的上述预期增益和上述增益摆 动系数于存储器单元。
所述测量步骤进一步地包括：使用最小均方最佳拟合方法来决定一 个性能增益g0；根据下式来计算上述增益摆动误差：
em＝(gm-Gm)-(go-Go)×(Cm/Cm)(式6)
其中g0是对信道0用最小均方最佳拟合方法确定的一个预期增益；
0是具有拟合到所述最小均方最佳拟合方法确定的g0和G0的编程 的信道的信道标号。
在上述方法中，上述性能参数的测量值是一个具有动态范围的值以 及上述的预期的性能参数值是一个具有动态范围的值。
其中提供上述预期的性能参数值的上述步骤包括：配置一个2(M- 1)维的表，其中第一维表示一个规定输出值、第二维表示一个门限、 以及一个表示一个上述输入值的范围记录；以及存储上述表于存储器单 元。
所述比较步骤包括：从上述存储器单元中提取对应于上述输入值的 上述范围记录，以及也对应于上述输出值的上述范围记录；以及比较上 述传输信道的每个输入值与上述范围记录。
上述性能参数的测量值是一个输出损耗，和上述的预期的性能参数 值是校准输出损耗。
所述的测量步骤包括：由校准测量确立一个预期增益并且计算一个 对每个传输信道的上述预期增益的预期相对变化的增益摆动系数；以及 对所有的传输信道存储上述增益摆动系数于存储器单元。
或者，上述的测量步骤包括：决定一个对一个传输信道m的增益gm 作为对所有传输信道M的上述输出值与输入值之间的一个比率；决定 上述各个增益摆动系数之间具有最大差值的一对传输信道n，m；以及 根据下式计算一个预期加性放大自发辐射光子流：
${\mathrm{FASE}}_{\mathrm{calc}}=(e^{A·{\mathrm{INV}}_2}-1)·\gamma$ (式8)
其中：
${\mathrm{INV}}_2=\frac{(g_1-g_2)·\alpha +\beta }{C_1-C_2}$ (式7)
以及α、β、A以及γ是表示上述放大器模块的特性的常数，
e是自然对数；
INV2是平均倒数；
g1是信道m的一个测量增益；
C1是信道m的增益摆动系数；
g2是信道n的一个测量增益；
C2是信道n的增益摆动系数；
FASEcalc是所述预期加性放大自发辐射光子流。
其中，所述测量步骤进一步地包括根据下式计算上述输出损耗误 差：
$\mathrm{outputloss}=\frac{{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{calc}}}{{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}}}$ (式9)
其中，outputloss是所述损耗误差；
FASEin是输入光信号的输入流速；
FASEout是输出光信号的输出流速。
在上述方法中，还可以包括用所述误差信号触发一个警报单元以相 应地表示所述光放大器模块的一个故障的步骤。
由于设计裕度，一个放大器可能多年来工作于其输入功率电平低于 保证的电平。只有当一个或者多个器件的恶化减少了余量时，放大器才 不能得到保证的输出功率。用户可以选择设置门限来表示输入损耗(LOS 门限)低于规定的电平以便利用设计余量。这样一来，由于用户选择、 或错误、或缺乏知识可能对具体的放大器输出功率设置了较低的LOS 门限。
本发明方法的优点在于确保了无论放大器任何时候没有达到预期的 性能参数时，它总是产生一个告警，此外，产生一个合适的告警，它区 别输入损耗和光器件故障二者之一。
例如，根据本发明，其确定的性能参数是输出功率或者增益。此外， 本发明提出了使用品质因子来规定放大器的潜在性能，其中品质因子是 一个比增益或者输出功率更加灵活的放大器性能量度。藉此方式，提供 了更好的故障范围以及在改变增益或者输出功率之前也能够检测出潜在 的问题。
根据本发明的方法，采用预期数量的放大的自发发射(ASE)电平 并且将其与已测噪声比较以及计算增益摆动同样地提供了比刚才已测的 附加噪声和增益更准确的放大器性能估计。预测特性与已测者的比较消 除了放大器中正常的噪声或增益分布的明显变化，因此允许准确地观察 到恶化并发起合适的操作。
根据本发明，除了上述列举的优点之外，该方法还消除了需要用户 完全地理解多频带放大器动态范围的麻烦，其中上述动态范围是多个变 量的相当复杂的函数。这是因为放大器自身估计动态范围故障的各种情 况。
正如下述的各图所示的，根据优选实施方案的详述，本发明的前述 及其它目的以及特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1A说明了根据本发明的一个配置有故障检测系统的单向放大器 模块的方框图；
图1B是一个判定图1A的光放大器模块故障方法的流程图；
图2A说明了一个配置有故障检测系统的双向放大器模块的方框 图；
图2B是一个判定图2A的光放大器模块故障方法的流程图；
图3说明了根据另一个实施方案的故障检测系统的方框图；
图4A是一个判定装备有图3的故障检测系统的光放大器模块故障 方法的流程图；
图4B是一个判定装备有图3的故障检测系统的光放大器模块故障 另一个方法的流程图；
图5A说明了根据另一个实施方案的一个故障检测系统的方框图；
图5B说明了一个判定装备有图5A的故障检测系统的光放大器模 块故障方法的流程图；
图6A说明了依然是根据另一个实施方案的一个故障检测系统的方 框图；
图6B说明了一个判定装备有图6A的故障检测系统的光放大器模 块故障方法的流程图；
图7A说明了依然是根据另一个实施方案的一个故障检测系统的方 框图；以及
图7B说明了一个判定装备有图7A的故障检测系统的光放大器模 块故障方法的流程图。

图1A说明了配置有故障检测系统的单向/单一信道的光放大器模块 的方框图。光放大器模块包括一个光放大器10，它在图1的实例中是一 个掺饵光放大器(EDFA)。上述放大器模块嵌入光纤来放大输入端口 22收到的输入光信号以便得到输出端口14的输出光信号。EDFA模块 传统地包括一个输入功率监视器16、一个输出功率监视器18和一个泵 源功率监视器20。输出功率监视器18在输出光信号转换为输出电信号 之后，它接收输出光信号的几分之一并且测量输出光信号内的功率。控 制单元22处理反馈的功率信息，它同样地控制泵源功率监视器20来根 据反馈信号调整激光泵21的功率。输入功率监视器16测量输入光信号 的功率，它随后用来判决光放大器的各种参数。例如，输入功率可以用 来得到噪声信息，正如前述的美国专利申请号No.08/261,350中所公开 的内容。控制单元22与远端或本地计算机沿数据总线45交换信息。
输入和输出抽头传统地用于输入端口12和输出端口14用来将输入 和输出光信号的几分之一分送给各自的功率监视器。PIN二极管23和24 分送各自抽头的几份数为电信号，跨阻放大器25和26随后放大上述各 自抽头的份数，以及模数转换器27和28转换上述各自抽头的份数为数 字信号。测量光输入和输出信号功率的这种方法技术上是众所周知的， 因此，此处不提供更详尽的细节。
一般地，装备光放大器模块一个当输入信号小于门限电平时通知 LOS的告警器。如果光放大器不能得到其规定的输出功率，它正如当驱 动泵光源至其极限时输出功率控制环路所决定的功率，那么通知一个内 部的告警状态。这不是足够的，因为存在不可能得到输出功率的各种原 因以及对应地校正上述情况或者通知一个合适告警的多种方式。
根据本发明，光放大器装备有一个故障检测系统，该系统包括用于 测量模块性能参数的装置、用于提供一个预期性能参数的装置、以及一 个用于比较测量性能参数和预期性能参数的装置来产生一个“错误”信 号。差错信号触发合适的告警，也可以提供一个错误类型的显示。
图1A的实施方案中，性能参数最好是传输信道的输出与输入功率 之间的对应值。输入功率监视器16提供了连线37上的已测输入值(I) 作为光输入信号功率的函数，以及输出功率监视器18提供了连线31上 的已测输出值(O)作为光输出信号功率的函数。预期的性能参数是一 个对应于得到各自输出(O)所必须的一个门限值(T)的规定输出功 率(P)。提供装置4最好是一个存储器32，它存储(P)和(T)之间 的一个对应值。存储器32可以是非易失性类型的存储器，其中制造商 可以存储预期的参数而且用户不能修改。
比较装置3包括一个第一比较器34来比较已测输出值(O)与连 线35上收到的规定值(P)并且产生一个差错信号33，它表示放大器 输出小于规定值。这可以是输出功率控制环路的一部分。
在通知模块故障之前，系统判定是否提供了足够的输入功率来得到 规定的输出功率，它不依赖于可能提供的LOS门限。因此，如果信号33 表示输出功率太低，那么一个第二比较器36比较已测的输入值(I)与 从连线39上存储器32所恢复的门限输入值(T)。如果已测输入值(I) 低于门限，那么产生一个“输入低”的告警41，它表示用户期望从放大 器得到更多的增益。这是因为输入功率太低或者规定输出功率太高。如 果输入功率高于门限，那么产生一个“单元故障”告警43，它表示放大 器没有工作到保证的性能电平。
故障检测系统也提供了一个显示/告警单元38来表示(O)低于(P) 时的一个模块故障以及表示是一个模块故障还是一个输入低的情况。
可以理解的是控制单元22与输入功率监视器16和18、比较器34 和36及存储器32交换控制信号。上述信号为了简化画图而没有图示说 明。
图1B说明了判定单向/单一信道放大器模块的故障的方法。在起始 步骤100期间，规定输出(P)和对应门限值(T)存储于存储器32。 对应值也可以是一个给出多个预期功率值的表，每个与输入的对应门限 配对。步骤110处测量输出信号的功率来给出已测输出值(O)。接着 步骤120处，从存储器32恢复规定功率(P)并且规定功率(P)在比 较器34内与已测输出值(O)比较。如果输出值(O)大于或者等于规 定功率值(P)，那么根据规定的参数作为模块的函数来重复步骤110 和120。
如果信号33是假，那么步骤130处的输入功率监视器16决定已测 输入值(I)。步骤140处，从存储器32恢复规定功率(P)并且规定 功率(P)在第二比较器36内与已测输入值(I)比较。如果比较器36 发布控制信号41，那么控制单元22决定在此种情况下输入光信号是太 低还是规定功率太高，以及方框38将在步骤150处显示合适的指示。 如果比较器36发布控制信号43，那么控制单元22将上述信号作为解释 模块故障并且据此通知告警方框38在步骤160处触发合适懂得告警。
双向光放大器或多信道放大器中，分别应用了上述方法于各自的方 向/信道。图2A说明了一种情况，即此时使用组合的性能参数来应用上 述方法于双向放大器模块。提供了图2A的放大器模块独立的功率监视 器和每个方向的激光源。图2A说明了一个用于两个功率监视器的方框 16、一个用于输出功率监视器的方框18、以及为了简化目的，一个用于 泵监视器的方框和激光源方框。
图示的该图从右向左的第一个方向A的输入光信号在输入端口12 处具有抽头，PIN二极管23和跨阻放大器25转换上述信号为电模拟信 号，模数转换器27随后转换上述信号为数字信号，以及加至输入功率 监视单元16来产生已测输入值(I1)。第一方向的输出光信号沿PIN 二极管24、跨阻放大器26、模数转换器28以及输出功率监视单元18 所构成的路径给出第一个已测输出值(O1)。
同样地测量图示于图2A从左向右的第二个传输方向(或第二个信 道)B的输入和输出光信号。沿PIN二极管13、跨阻放大器15、模数 转换器19以及输入功率监视单元16所构成的路径得到第二个已测输入 值(I2)。沿PIN二极管14、跨阻放大器16、模数转换器18以及输出 功率监视单元18所构成的路径得到对应的已测输出值(O2)。控制单 元22接收关于输入和输出光信号功率的信息并且控制每个泵功率监视 器20来设置激光源21的功率以便得到各个方向(信道)所需的放大。 控制单元监视模块的其它参数。正如图1A的实施方案，控制单元22与 数据总线45上的计算机交换信息。
第一个(O1)和第二个输出值(O2)加至一个第一计算装置40， 它是作为一个函数F(O1，O2)来计算连线45上组合已测的输出信号 F(O)。第二个计算装置42接收已测的输入值(I1)和(I2)以及作 为一个函数J(I1，I2)来计算连线42上的一个已测的输入信号J(I)。
存储器32存储了一个规定组合输出F(P)与组合门限J(T)之 间的直接对应值，其中规定组合输出F(P)是两个方向(信道)的规 定输出功率的同一个函数F，组合门限J(T)是两个方向(信道)的门 限的同一个函数J。
第一个组合方框34接收已测的规定组合输出以及产生一个差错信 号33，它表示输出功率太低，正如上面结合图1A和1B所公开的内容。 如果F(O1，O2)低于F(P)，那么第二个比较器36比较组合已测 输入J(I1，I2)与组合门限J(T)。如果组合已测输入大于组合门限 J(T)，那么产生一个“单元故障”告警43并且显示/告警单元38通 知放大器没有工作于其规定性能电平。如果组合已测输入低于门限，那 么产生一个“输入低”告警41并且显示/告警单元38通知用户期望从放 大器得到更多的增益。
图2B说明了用于如图2A所说明两信道的多信道光放大器的故障 检测系统工作的流程图。步骤200选择函数F和J，并且步骤210处计 算的组合规定输出功率F(P)和组合门限J(T)之间的对应值存储于 存储器32。接着步骤220处，所有M传输信道的输出光信号的几分数 转移给输出功率监视器方框18并且处理来决定输出值O1、O2、...， Om，...，OM。步骤230处的第一个计算装置方框40内计算函数F(O1、 O2、...，Om，...，OM)来得到组合已测输出功率F(O)。对于图2A 所示的两传输信道，计算装置40决定函数F(O1，O2)。
如果步骤240处决定组合已测值输出F(O)等于或者大于从存储 器恢复的组合规定输出功率发F(P)，那么重复规定参数和步骤220、 230及240内的模块函数来连续检测故障。如果决定组合已测输出F(O) 小于组合规定输出F(P)，那么系统检测输入功率是否足够来得到规 定输出功率。步骤250处输入功率监视器提供已测输入值。已测输入值 加至第二计算装置42，此处步骤260计算函数J(I1，I2，...，Im，...，IM) 来提供组合已测输入值J(I)。对于如图2B所示的具有两个传输信道 的传输系统的情况，第二个计算装置方框44计算函数J(I1，I2)。
接着，步骤270处从存储器32内检索J(T)并且J(T)与J(I) 比较来证实输入信号是否高于门限以便得到输出信号的规定功率。如果 J(I)小于J(T)，那么系统通知用户输入功率太低或者规定功率太高， 正如步骤280所示。方框36产生信号41并且控制单元22在告警/显示 方框38上显示合适的信息。此外，如果J(I)大于或者等于J(T)， 那么控制单元22触发告警方框38来在步骤290处通知用户模块故障。
函数F和J可以是两个输入或者输出值的和。其它的数学函数如最 大值也可以用于代替上述和。例如，实施1dB的滞后来防止触发过多的 告警状态。能够使用插入来提供比所选表步长更好的分辨率，例如，表 步长可能是2dB。能够使用一个多项式拟合或者其它的数据减小方法来 代替一个以更多的处理为代价而要求较少的存储量的表。此外，可能存 储一个带有每个信道输入的规定输出的表于存储器32中，并且使计算 装置根据实际使用的信道数来决定函数F(P)和J(I)。优选实施方 案取决于其应用。
图3和4A说明了一个如下文所描述的光放大器模块的故障检测系 统。
美国专利申请号No.08/261,350(Roberts，等人)所公布的方法可 以认为是测量输入和输出信号功率以及信号波长的一个实例。控制单元 22给波长λ1至λM的输入和输出信道分别转换上述功率值为光子流速值 FSIGI1到FSIGIM以及FSIGO1到FSIGOM。类似地，放大的自发发 射(ASE)功率值采用任何合适的方法测量，例如上面已描述的U.S专 利申请所公布的方法，控制单元转换上述功率值为流速FASEin和 FASEout。此外，控制单元转换泵背面监视电流值(L)成为泵光子流 速值FPUMPin。
所有上述转换系数均是最差情况下的值，它对所有的放大器单元是 共同的以及是从放大器设计的先验知识中得到的。使用刚开始使用得到 的流速，缓慢变化的单调函数FOM1得以评估以及存储于与每个放大 器单元相伴的非易失性闪速存储器32中，具体说是：
$\mathrm{FOM}1=1-\frac{{\mathrm{FPUMP}}_{\mathrm{in}}+2·({\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{out}})+\underset{n}{\overset{M}{\Sigma }}({\mathrm{FSIGI}}_n-{\mathrm{FSIGO}}_n)}{\underset{n}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{FSIGI}}_n+{\mathrm{FPUMP}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}}}$ (式1)
能够在工厂内决定预期的品质因子，一旦放大器通过了仔细的光测 试，那么品质因子和某些测试结果能够存储于每个放大器的非易失性存 储器32内。品质因此能够报告给用户或者工厂修理人员。对函数FOM1 在开始使用时(t＝0)所采用的通过/失败标准能够用来识别所怀疑的不 可接受泵性能模块或者用来决定不可接受性能的模块。
从开始使用值FOMt＝0与放大器投入“业务服务期”期间所测得的 对应值FOMt＝t之间得到的差值能够用来测量泵激光效率的恶化，具体 的是：
epump＝FOM1t＝0-FOM1t＝t    (式2)
为了实现此目的，当前的品质因子在比较器34内与从存储器32所 恢复的规定(起始)值相比较。测量泵效率的恶化表示为epump之值 的增加。使用上述差错信号能够得到告警。此外，对某个特定的信道能 够估计epump或者可能是n个值之组合。
泵效率可能由于某些原因如泵波长的变化、光路径或校准的变化、 以及器件损坏等而导致恶化。如果由于增加内部噪声、耦合的变化、或 者泵波长的变化等导致恶化了放大器光性能，那么品质因子将会降低， 即已测FOM将小于规定值。在此情况下，误差信号33通知控制单元22， 它依次地触发合适的告警和/或显示一个对应消息。
图4A说明了图3故障检测系统的工作流程图。步骤300处，建立 品质因子FOM1的定义，步骤310和320处，决定了预期FOMt＝0，即 初始值，以及上述初始值存储于存储器32。步骤330处，输入和输出功 率与ASE功率值一起测量。控制单元根据上述测量决定值FSIGIn和 FSIGOn。步骤340处的方框44计算当前FOM1，步骤350处当前FOM1 在比较器34内与初始值FOMt＝0比较来产生epump信号33。如果预期 FOMt＝0小于已测值，那么控制单元22触发告警方框38来通知并显示模 块已经恶化了其性能及业务并且需要替换。
可以测量用于判决光放大器模块性能的另一个参数是已放大自发发 射(ASE)。基于上述参数来检测一个模块故障的基本实施方案图示于 图3中。图4B说明了此实施方案的工作方框图。
使用来自输入功率监视器16和泵功率监视器20的输入功率和泵功 率在计算单元44内计算预期的ASE值。函数FOM2n决定了光放大器 的有效输入损耗或者相当地已放大自发发射。已知有效输入损耗相当于 已知给定放大器设计的已放大自发发射值，因为有效输入损耗直接地加 至放大器的噪声系数，具体的是：
${\mathrm{FOM}2}_n=\frac{({\mathrm{FASE}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}})·{\mathrm{FSIGI}}_n}{{\mathrm{FSIGO}}_n}$ (式3)
开始使用时估计FOM2n以及FOM2n存储于非易失性闪速存储器 32。FOM2的更高值对应于给定放大器设计的更高输入损耗。
比较器34从开始使用时的值FOMt＝0与放大器进入服务寿命期间的 对应值FOMt＝t之间的差值得到误差信号33的输出。误差信号能够用来 测量输入损耗的恶化，具体的是：
$\mathrm{eloss}={\mathrm{FOM}2}_n^{t=t}·\frac{{\mathrm{FSGO}}_n}{{\mathrm{FSIGI}}_n}-{\mathrm{FOM}2}_n^{t=0}·\frac{{\mathrm{FSIGO}}_n}{{\mathrm{FSIGI}}_n}$ (式4)
测量输入损耗的恶化作为elossn值的增量。根据具体的n或者n值 的组合值所估计的信号33能够得到告警。
图4B说明了图4A实施方案的工作方框图。首先，步骤400处选 择函数FOM2，步骤410处决定初始值FOMt＝0(t＝0)。使用来自输入 功率监视器16的输入(I)和来自泵功率监视器20的输入ASE之值决 定上述值。步骤420处，初始值存储于存储器32中。其次，步骤430 处，模块测量输入(I)、输出(O)和泵(L)功率，并且计算单元44 在步骤440处决定FOM2n的当前值。时刻t的品质因子的已测值在比 较器34内与步骤450的初始值相比较来产生控制单元22的误差信号 33。如果信号33表示FOM2n的当前值小于或者等于初始值FOMt＝0， 那么重复步骤430至450，因为放大器工作于规定的参数之内。当噪声 变得大于预期ASE时，步骤460处的告警/显示单元38通知模块故障。
增益摆动也可以用作测量放大器性能的参数，正如图5A的实施方 案所示。下面描述增益摆动计算的优选实施方案。
给定放大器单元工作于一组预定的波长，即波长λ1到λM。工厂在标 称增益如1557nm为23dB的条件之下测量波长λ1到λM各自的增益G1到 GM。增益随后存储于放大器模块上的非易失性闪速存储器32。
当放大器逆变换条件由于提供的输入功率或者泵功率而偏离正常值 时，每个波长的增益变化是不同的，但是是可预测的相对量。对于给定 的放大器设计，有一组固定的倾斜系数C1到CM(dB)，它们定义了增 益的正常相对变化。上述系数也存储于每个放大器模块内的闪速存储器 32中，因此，它们能够用来区别正常变化增益的异常波动。此外，制造 商提供的给定误差门限(T)也存储于存储器32中。
增益摆动误差的计算如下：
em＝(gm-Gm)-(gn-Gn)×(Cm/Cn)(式5)
此处m是整数，m∈[1，M]，n是当前的最小波长数，gm是信道 (m)当前的增益，以及Gm是信道(m)的预期增益。
图5A说明了使用根据关系式EQ5所计算的增益摆动误差来决定放 大器故障的实施方案方框图。当前波长的增益检测器50工作时周期地 或者得到请求来测量放大器所提供的当前增益g1到gM。接着，系统使 用最小检测器48来决定存在的最小波长数。采用“n”来表示上述的信 道数，采用“m”来表示被测信道。(n)信道的预期增益Gn从连线49 上与各自的增益摆动系数Cn和Cm一起从存储器32中得以恢复并且 加至一个第一计算装置44。单元44随后决定第一项(gn-Gn)Cm/Cn。 第二计算装置46同时从存储器32接收正在考虑中的预期增益Gm并且 从控制单元接收已测增益gm。第二计算装置决定第二项(gm-Gm)。 第一项和第二项分别经由连线47和51加至比较器34。
如果任何错误或者误差函数如绝对值之和超过了连线55上的门限， 那么误差信号将触发增益波动告警。上述告警表示放大器增益的波动极 大地是由于器件的故障如光滤波器的故障引起和放大器需要替换。
上述方法的一个改进是采用最小均方最佳拟合曲线来决定增益的性 能参数go，而不是使用信号增益gn之一。最佳拟合计算是众所周知的均 方误差之和最小的方法。通过最佳拟合多个测量而不是根据一个点取平 均实现了对增益测量误差的更高的容忍度。例如，能够选择波长零作为 不是信号波长的任意参考点，其中参考点如1545nm。通过按比例测量 数组来设置C0为1.0。误差方程将变为：
em＝(gm-Gm)-(g0-G0)×Cm    (式6)
图5B说明了上述实施方案的工作。步骤500处，对各个模块在标 称增益如1557nm为23dB的条件之下，决定每个波长的增益G1到GM。 增益随后存储于步骤510所预期的性能参数于非易失性闪速存储器32。 固定的倾斜系数C1到CM(dB)，它们定义了增益的正常相对变化。 以增益定义的正常相对变化的系数C1到CM也与允许的误差门限一起 存储。步骤520处，测量输入和输出及泵功率并且也使用增益摆动系数 据此决定当前的增益g1到gM。例如，步骤530处根据EQ5或者EQ6 计算误差。如果误差超过了步骤540所确定的门限，那么控制单元22 通知模块内一个故障并且步骤550处触发告警方框38。
得到关于多频带放大器工作信息的另一个性能参数是控制动态范 围。用于此类测量的实施方案以图6AA所示的两个信道放大器来说明， 并且图6B说明了多信道放大器的工作方式。
如果具有两个信道的光放大器含有某些独立的功率控制，它不能同 时地在两个信道得到其规定的输出功率，因为控制超出了其动态范围， 那么故障检测系统首先与两个规定的输出功率比较表示输出功率的两个 已测输出值。非易失性存储器32包含一个三维表，该表的维数包括第 一个规定输出功率P1、第二个规定输出功率P2、以及第一个输入值I1。 表的每个位置是在此情况下的第二输入I2即I2Min和I2Max的最大和 最小功率。
下面给出了表的一个实例，为了简化I1只有两个值：
表

系统测量第一个和第二个传输信道的输出功率并且提供已测的输出 值O1和O2。一个第一比较器34在其输入上接收已测的输出值O1和 O2并且比较它们与从连线35存储器32上接收的规定值P1和P2。
如果输出功率超过了该放大器的设计范围，那么第一个比较器34 将发布误差信号33给控制单元来发起输入证实。随后对第一个和第二 个信道测量输入功率来给出已测的输入值I1和I2。对应于值I1、O1和 O2的范围I2Min-I2Max从存储于存储器32的表中得以恢复。输入上述记录 入第二个比较器36。第二个比较器36也接收来自第二个输入功率监视 器的已测输入值I2，并且把它与I2Min和I2Max相比较。如果第二个 输入已测的功率处于表中的范围内，那么采用表示放大器模块没有工作 于其规定性能电平的信号41通知放大器故障。如果已测功率超出了表 中的范围，那么控制单元一旦接收到信号34则通知“控制动态范围” 告警。
能够实施滞后电平如1dB来防止过多地触发告警状态。三维插入能 够用来提供比所选的表步长如2dB更高的分辨率。多项式拟合或者数据 降低的其它方法能够用来代替表所要求的存储量，它是以更多处理为代 价来减少存储量的。
采用含有M信道的放大器，通过使用维数为2＊M-1的表能够更一 般化上述方法。在此情况下，输入之一，将其表示为输入I1，使其范围 制表成为所有其它的一个函数。正如图6B步骤600所示，表TAB2M-1 存储于存储器32。表具有以I1Min-I1Max形式的记录。步骤610处，控制 单元22通知输出功率监视器来提供所有M传输信道的已测输出值。接 着，步骤620处，第一个比较器34比较已测输出值与规定的功率来得 到差错信号33。如果输出功率处于所有输出的规定范围之内，那么重复 步骤610和步骤620。如果信号33是假，那么步骤630处测量输入来得 到所有信道的已测输入值I1，...，IM。步骤640处，访问存储器并且从 表TAB2M-1中恢复对应于已测O1，...，OM，I1，...，IM的记录I1Min-I1Max。 步骤650处，比较器36决定已测值I1是否处于I1Min-I1Max范围。如果I1 处于范围内，那么通知模块失败，正如步骤660处所示。如果输入超出 了范围，那么步骤670处显示合适的告警。
在某些情况下，这没有给出有效工作空间足够的观测度，并且使用 不同选择的变量来查询几个上述表。在其它情况下，表能够减少维数并 且具有几个制表变量。上述情况是由具体放大器及所要求精度的控制要 求特性所决定的。
用于决定放大器模块故障的另一个性能参数是“输出损耗”。“输 出损耗”能够以类似于使用增益值的上述方法来计算。根据上述方法， 从已测增益中选择两个波长λ1和λ2的模块的增益g1和g2以便为了更 加准确地具有各个增益摆动系数C1-C2之间的最大差值。根据下面的关 系式随后决定平均逆变换：
${\mathrm{INV}}_2=\frac{(g_1-g_2)·\alpha +\beta }{C_1-C_2}$ (式7)
此处α、β对给定放大器设计是常数。
采用下式计算预期的加性ASE光子流：
${\mathrm{FASE}}_{\mathrm{calc}}=(e^{A·{\mathrm{INV}}_2}-1)·\gamma$ (式8)
此处A、γ对给定的设计是常数。
输出损耗等于下列比例式：
$\mathrm{outputloss}=\frac{{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{calc}}}{{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{FASE}}_{\mathrm{in}}}$ 式(9)
图7A说明了使用此参数的故障检测系统的方框图。对所有M个信 道的校准增益摆动系数C1到CM由工厂决定并且存储于存储器32内。 最大检测器48以预定的间隔决定那一个传输信道处于激活，并且采用 增益摆动系数之间的最高差值来决定信道“n”和“m”。增益检测器 单元50对波长λn和λm测量放大器所提供的当前增益gn和gm。一个第 一计算装置44接收上述信道的增益摆动系数Cn和Cm并且已测增益gn 及gm计算FASEcalc。一个第二计算装置46接收FASEcalc并且已测 FASEin和FASEout根据EQ9计算信号“输出损耗”。
“输出损耗”与一个在工厂时存储于非易失性闪速存储器32内的 输出损耗的校准值相比较，并且如果差值超过了给定的门限，那么通知 输出损耗告警。
图7B说明了根据图7A的实施方案由检测放大器模块故障的系统 执行的工作流程图。步骤700处，校准C1到CM以及输出损耗的校准值 T存储于存储器32。检测器48在步骤710处决定不包括所有激活传输 信道的提供了增益摆动系数之间最大差值的信道(n)和(m)。接着， 对检测器48所选择懂得信道在第一个计算装置44内计算FASEcalc。 步骤730处，放大器模块测量输入和输出的ASE，以及在步骤740处上 述值用于计算输入损耗。接着，步骤750处比较输出损耗与校准值T， 步骤760处当输出损耗高于校准值时，误差信号触发告警方框38。
此外，放大器模型能够在微处理器内计算，并且该放大器的性能能 够与模型结果相比较。通过建立放大器模型为一组多项式能够有效地减 少上述运算量。能够发送放大器参数只一个独立的或者中央计算机并且 上述参数的估计也在此计算。放大器模块能够装备某些或者全部的上述 公开实施方案，以及再添加最少量的器件和软件。
尽管参照特定的实例实施方案描述了本发明，对本技术领域的技术 人员存在其它的修改和改进也属于随后的权利要求之内，它们在更加广 泛的方面没有脱离本发明的范围。