专利名称：波分复用系统信道功率动态均衡的方法及其均衡光放大器的制作方法
技术领域：
波分复用(WDM)系统信道功率动态均衡的方法及其均衡光放大器属于高速宽带光纤通信与光放大器技术领域，特别涉及WDM光纤通信网络中信道功率动态均衡的方法及其功率均衡的掺铒光纤放大器(EDFA)。
WDM光通信网络的动态运行要求光放大器对多个波长的传输信道进行均衡放大，这里所谓“动态均衡”具体包括(1)在对确定传输带宽内的多个等功率光信道(λi)同时放大时，应能为各信道提供基本相同的光增益G(λi)；在对模拟光信号放大时，微分增益dG(λ)/dλ应尽可能小，即光放大器应具有平坦的增益谱。
(2)当信道数目改变时，应保持恒定的平坦增益谱(称为增益箝制)；当信道功率改变或信道功率和信道数目同时改变时，应自动调整平坦增益谱的幅度而保持恒定的信道输出功率谱(称为功率箝制)。
由于掺铒光纤(EDF)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，不同波长的信道所获得的增益不同，且这种增益差还会随级连放大而累积，将对WDM系统的传输特性产生严重影响(1)在长距离点对点的WDM系统中，EDFA级连放大的增益谱出现偏向长波长的峰值并使信噪比变坏，甚至会导致某些信道增益剧增而其它信道受到抑制。
(2)随着光分插复用(OADM)、光交叉互联(OXC)等技术的发展，WDM系统由简单的点对点系统向带有光交换能力的新一代点一多点光纤通信网络发展，要求具备网络动态重构、故障自愈等功能。在光纤网络中，路由路径的变化会使得进入节点EDFA的各信道功率发生改变；另外，通过EDFA的信道数目也可能随网络的重构或信道的上/下而改变，引起节点上EDFA增益谱和输出功率谱的动态畸变。
(3)在含不同信号格式的混合WDM系统中，功率较低(＜-10dBm)的基带数字信号和较高功率(＞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，导致传输数字信道遭受不可接受的功率涨落。
由此可见，为保证WDM光通信网络的动态运行，应在信道数目和信道功率都可能发生变化的情况下，EDFA既要能保持增益谱的平坦性，同时又能保持每个被放大信道输出功率的恒定，即实现多信道传输功率的动态均衡，这是WDM光通信网络走向工程实用的关键技术难点。
本发明人曾在“实现WDM系统信道动态增益均衡的方法及均衡光放大器”的专利(专利号97 2 248965.5)中描述了同时实现EDFA增益谱平坦和箝制的方法采用在EDFA中插入损耗补偿滤波器使静态增益谱平坦化；基于增益谱由平均粒子反转度决定的物理机制，通过电反馈调控泵浦功率或光反馈调控闲频激光功率的两种方法来实现增益的箝制。
然而，上述信道增益动态均衡的方法都是依据输入EDFA的多信道总功率的变化反馈调节平均粒子数反转度使之保持不变，从而保持平坦增益谱的恒定。这仅当信道数目改变而信道功率保持恒定时，箝制的平坦增益谱才能保证剩余信道的输出功率均衡。而当信道功率本身发生改变时，箝制的平坦增益谱虽然能保证各信道获得同样的增益，但信道输出功率将发生改变。因此，简单的增益箝制技术非但不能补偿信道功率的变化，而且在EDFA级联放大的系统中还会将这种信道功率的变化不断积累而影响后续各级的正常工作点，最终导致系统传输质量的严重恶化。
迄今，已有若干实现光纤传输系统的信道功率均衡的技术。例如(1)在光缆电视(CATV)系统中，EDFA通常只对单个信道放大，可利用其深度饱和放大状态下的自动增益调控功能，使输入功率变化的光信道通过增益的自动调节而实现输出功率的恒定。
然而，对于在WDM系统中使用的EDFA，输入信道功率变化引起的平均粒子数反转度改变将使增益谱的形状也随之畸变，必将导致各信道增益和功率的失衡，故这种方法并不适用。
(2)在WDM系统中，每隔数个级联EDFA放大的一定传输距离处加入集总动态功率均衡器，对畸变的信道功率谱进行集中整形，使各传输信道的功率相等。目前，这种动态功率均衡器主要有两种a)解复用/复用器(DMUX/MUX)+可调光衰减器(VOA)或EDFA阵列传输光纤中的多波长复用的信号光通过DMUX分解成单波长的多个信道，VOA或EDFA阵列调节每个信道的光衰减或光增益使各信道的光功率相等，经调整的多个单波长信道再由MUX合波后回到传输光纤。
b)多声频级联光纤声光滤波器(AOTF)在光纤上加载声波可构成带阻光滤波器，采用多个不同声波频率激励的级联光纤声光滤波器可展宽滤波频带，调节声波功率可形成与传输信道功率谱反对称的复合声光滤波谱，使功率较高的信道衰减较大，而功率较低的信道衰减较小或不被衰减，即可将畸变的信道功率谱调平。
这两种从传输系统整体运行的角度采用集总动态功率均衡器的方法除了结构复杂、设备成本昂贵之外，主要问题是第一、从工作原理看，采用VOA阵列或AOTF的集总动态功率均衡器是通过分别调节各信道的光衰减来实现信道功率谱的均衡，前者以牺牲信道光功率为代价，因而必须用附加的光放大器进行补偿。
第二、从设计和兼容性看，集总动态功率均衡器的结构设计与参量配置以及均衡效果完全依赖于系统的传输性能及实际运行情况，对于不同的传输系统，必须分别进行专门的设计，因而器件对系统的兼容性较差。
第三、从使用和管理来看，采用集总动态功率均衡器的系统必须进行大量的现场调试以及运营时的复杂控制与维护，进一步增大了该技术的复杂性和运营成本。
为阐明本发明关于EDFA动态增益谱平坦和增益幅度调控方法的工作原理，需要在平均粒子数反转度恒定状态下，对信道输入功率改变量、VOA的衰减应变量以及泵浦功率应变量之间的关系进行理论分析。
考虑
图1所示内插可调光衰减器(VOA)和增益平坦滤波器(GFF)的两段掺铒光纤(EDF1和EDF2)级联放大光路示意图。对于多信道、非单一方向传输、忽略放大的自发辐射(ASE)的稳态Giles传输方程和粒子数方程为dPk(z)dz=ukPk(z){(ak+gk*)N2(z)NT-(ak+1k)}+uk2hvkΔvkgk*N2(z)NT----(1)]]>N2(z)NT=-1ζΣkukdPk(z)hvkdz----(2)]]>其中，h为普朗克常数，vk为光波频率，Pk(z)代表频率为vk的光功率，N2(z)为上能级铒离子浓度，NT为铒离子总浓度，uk取+1和-1分别代表光沿+Z和-Z方向传输，lk为EDF的背景损耗，ak、gk*和ζ分别为EDF的吸收系数、增益系数和饱和系数。
在饱和放大工作条件下，设VOA的损耗及其他元件的附加损耗均与波长无关，由(1)、(2)两式导出整个EDFA的信道总净增益Gktot为Gktot=G1k×1A×G2k=1A1A1kaddA2kadd[(ak+gk*)N‾2NT-(ak+lk)L]=1AGsk----(3)]]>式中L＝L1+L2为EDF总长度，L1和L2分别为前级和后级的EDF长度，k＝1，2，…M代表信道序数，Gik和Aikadd分别为以VOA为分界的前、后两级(i＝1，2)对第k个信道的增益和附加损耗，A为VOA的衰减量，N2‾=1L∫0LN2(z)dz]]>为EDF中铒离子沿光纤长度L的积分，NT为铒离子总浓度，ak、gk*和lk分别为EDF的吸收系数、增益系数和背景损耗，Gsk＝G1k×G2k为整个EDFA第k个信道的总增益，在平坦增益谱条件下，各信道增益大致相同，故近似取Gsk＝Gs为整个EDFA除VOA衰减量之外的信道总增益。
(3)式表明EDFA的总净增益大小由前、后两级增益(G1k和G2k)以及VOA衰减量(A)决定，但增益谱的形状只由两级EDF的平均粒子数反转度(N2/NT)决定。因而只要保持N2/NT不变，即可保持增益谱的平坦度。由(2)式沿z向积分得到整个EDFA的平均粒子数反转度与信道功率和泵浦功率的关系-LζN‾2NT=1hvsMPsin(GsA-1+(1-1A)G1Av)-1hvp1Pp1in-1hvp2Pp2in----(4)]]>G1Av=1MΣk=1MG1k]]>式中h为普朗克常数，vp1为前级泵浦光频率，vp2为后级级泵浦光频率，vs为信号光频率，ζ为EDF的饱和系数，Psin为平均信道输入功率，Pp1in和Pp2in分别为前级和后级的输入泵浦功率，G1Av为前级的平均增益。由(4)式可见，VOA所在的位置及其衰减量A的大小都会影响整个EDFA的粒子数反转度。
1、信道输入功率改变量与VOA的衰减应变量的关系当信道输入功率发生改变时，调节VOA的衰减量，以保持信道输出功率的恒定；通过调节泵浦功率保持信道总增益Gs不变，则由(3)式得到VOA衰减改变量ΔA与信道输入功率改变量ΔPsin之间的关系PsinA=Psin-ΔPsinA-ΔA⇒ΔA=AΔPsinPsin----(5)]]>即当调整VOA衰减量以保持(Psin/A)恒定时，以dB表示的ΔA与ΔPsin值相等，这就得到VOA的定量控制关系。
2、信道输入功率改变量与前级泵浦功率应变量的关系假定EDFA的初始状态为输入功率最大(即信道输入功率和信道数最大)、对应VOA的衰减量也最大的情况。当信道输入功率Psin改变而信道数M不变时MPsin→M(Psin-ΔPsin)，由(5)式确定VOA的衰减量A-ΔA，同时调节前级泵浦功率Pp1in→Pp1in-ΔPp1in，使前级粒子数反转度(因而增益G1Av)不变。于是，利用(4)、(5)式得到前级泵浦功率应变量ΔPp1in与信道输入功率改变量ΔPsin的关系1hvp1ΔPp1in=M1hvsΔPsin×G1Av----(6)]]>可见ΔPp1in与ΔPsin的关系只与前级增益G1Av有关，而与总增益Gs无关。
3.输入信道数改变量与后级泵浦功率应变量的关系当信道功率Psin和信道数目M同时改变时MPsin→(M+ΔM)(Psin-ΔPsin)，在前述基础上，调节后级泵浦功率Pp2in→Pp2in-ΔPp2in。此时，因前级泵浦功率Pp1in-ΔPp1in不再调节，则前级增益将变为G1Av+ΔG1Av。于是，利用(4)、(5)和(6)式得到后级泵浦功率应变量ΔPp2in与信道数改变量ΔM的关系1hvp2ΔPp2in=ΔM1hvsPSinGsA----(7)]]>可见ΔPp2in只随ΔM而变，而与信道输入功率改变量ΔPsin以及VOA的衰减应变量ΔA无关。
(5)、(6)和(7)式表明信道输入功率改变量ΔPsin与VOA的衰减应变量ΔA之间、信道输入功率改变量ΔPsin与前级泵浦功率应变量ΔPp1in之间、输入信道数改变量ΔM与后级泵浦功率应变量ΔPp2in之间均保持良好的线性关系。
本发明的方法的特征在于它是一种在光放大器内部同时建立动态增益谱平坦和增益幅度调节机制来构成动态均衡光放大器，以便在实现动态增益谱平坦的同时实现功率箝制的方法，即在单片机控制下，在一个其光路部分由一个可调光衰减器(VOA)分隔的两段或多段掺铒光纤(EDF)级联的EDFA中，采用光—电调控的方法来调节动态增益谱的平坦度和增益幅度，即用光纤耦合器从放大器输入端引出部分信号光，经光电探测器接收后转变成电信号，用它来调节VOA的衰减量和前后级泵浦功率，以便在保证增益谱平坦的同时通过调节增益幅度来实现信道功率的箝制，使多路信道在输入功率或/和信道数目改变时保持输出光功率均等且恒定；所述动态均衡的方法是分别根据信道功率和信道数目的不同状况进行调整，它们分别依次含有以下步骤(1).当信道功率改变时，用光电探测器监测单个信道输入功率的改变量ΔPsin，根据下述公式计算出应设置的VOA的相应衰减应变量ΔA，用以调节EDFA的增益ΔA=AΔPsinPsin]]>其中，A为VOA的衰减量，Psin为信道的平均输入功率；同时由下式计算出相应的前级泵浦功率应变量ΔPp1in，并把前级泵浦驱动电流置于相应的值，以保持平均粒子数反转度不变，即增益谱的平坦度恒定，从而实现信道功率谱的动态箝制；1hvp1ΔPp1in=M1hvsΔPsin×G1AV]]>其中，M为信道总数，h为普朗克常数，vp1为前级泵浦光频率，vs为信号光频率，G1AV为前级增益，G1AV=1MΣk=1MG1k,]]>G1k为以VOA为分界的前级对第k个信道的增益；
(2).当信道数目改变时，用光电探测器监测相应的总信道输入功率改变量ΔPstot=Psin×ΔM,]]>并据此计算出信道数目改变量ΔM，由下式得到后级泵浦功率的应变量ΔPp2in，并将后级泵浦驱动电流设置于相应的值，以保持平均粒子数反转度不变，即实现增益的箝制，从而保证各信道输出功率恒定；1hvp2ΔPp2in=ΔM1hvsPsinGsA]]>其中，Gs为信道的总增益，A为可调光衰减器VOA的衰减量；(3).当信道功率和信道数目同时改变时，用光电探测器监测放大器输入光功率的改变量，利用监测的单个信道输入光功率的改变量ΔPsin，用上述方法设置VOA于相应的衰减应变量ΔA，再由上述方法计算出相应的前级泵浦功率应变量ΔPp1in，并将前级泵浦驱动电流设置于相应的值；利用监测的总信道输入功率的改变量ΔPsTot=ΔPsin×M+Psin×ΔM]]>和所述单个信道输入功率的改变量ΔPsin，计算出输入信道数目的改变量ΔM得到后级泵浦功率的应变量ΔPp2in，并将后级泵浦驱动电流设置于相应值，从而通过前后两级泵浦功率的协同调节来保持平均粒子数反转度恒定，即保持增益谱平坦的状态下，通过增益谱幅度的调节实现信道输出功率谱的动态箝制。
对于波分复用(WDM)系统，单个通信信道输入功率的变化ΔPsin是通过下述方法监测得到的通常设置有1510nm波长的公务信道伴随复用的通信信道在光纤中传播，这两种信道在传输过程中应遵循相同的功率衰变规律，在EDFA中用光电探测器测出该公务信道的功率改变量ΔP1510后，便可由下式推出单个通信信道输入功率的改变量ΔPsinΔPsinPsin=ΔP1510P1510.]]>本发明提出的均衡光放大器的特征在于整个放大器的光路部分由一个可调光衰减器(VOA)分隔的两段或多段掺铒光纤(EDF)级联的EDFA，位于VOA之前沿光路方向与泵浦源相连的一段掺铒光纤构成前级EDFA，以及位于VOA之后与泵浦源相连的一段或一段以上的EDF构成后级EDFA。
如图2所示，它含有沿输入信号光路顺次设置的波分复用光纤合波器MUX21、掺铒光纤EDF21、光隔离器ISO22、可调光衰减器VOA、合波器MUX22、掺铒光纤EDF22、光隔离器ISO23、光纤光栅滤波器GFF、合波器MUX23、掺铒光纤EDF23、合波器MUX24和掺铒光纤EDF24；合波器MUX21-MUX24的相应端分别在和泵浦源Pump21-Pump24相连的同时，合波器MUX21的212端和掺铒光纤EDF24的自由端204分别连接光隔离器ISO21和ISO24，并分别用作放大器信号光的输入端和输出端；为监测光输入信号光功率的变化以实现动态调控，在光隔离器ISO21的输入端201连接光纤分波器Tap22(1550/1550nm)和Tap21(1510/1550nm)，其中Tap22(1550/1550nm)的5％的分波端203连接光电探测器PIN22，监测1525-1625nm波段通信信道的功率变化；Tap21(1510/1550nm)的5％的分波端202连接光电探测器PIN21，监测1510nm波长公务信道的功率变化。
所述均衡光放大器是在内部同时建立动态增益谱平坦和增益幅度调节机制的光纤放大器。
所述均衡光放大器采用内插光隔离器(ISO)的功率分配泵浦两段或多段EDF的级联放大光路。所述ISO置于前级(第1段EDF)之后，其作用是阻挡后级EDF的反向ASE进入前级EDF，使级联放大器在实现较大动态范围的信道功率箝制的同时还具有高增益、高功率及低噪声特性。
所述均衡光放大器的动态增益谱平坦机制是在所述内插ISO的功率分配泵浦两段或多段EDF的级联放大光路中插入具有特型损耗谱的增益平坦滤波器(GFF)。所述GFF是其损耗谱与增益谱演变趋势成反演分布的宽带光滤波器，位于ISO之后的适当位置，通过GFF损耗谱对放大器的静态增益谱进行调整而将其滤平。
所述均衡光放大器的增益幅度调节机制是在所述内插ISO和GFF的功率分配泵浦两段或多段EDF的级联放大光路中插入可调光衰减器(VOA)。所述VOA是一个其光衰减量可通过调节其驱动电压而改变的可调光衰减器，其衰减量可调范围与放大器总信道输入功率变化范围分贝(dB)值相当，位于分隔放大器前级与后级的ISO之后，它是实现放大器信道功率动态均衡的关键功能元件。
该方法的突出优点是第一、将动态增益谱平坦和增益幅度调节机制与光放大过程融为一体，使功率代价降到最低，无需另外配置光放大器进行功率补偿，使结构大为简化，设备成本降低；第二、可根据系统预期的传输特性独立进行参量综合设计，不依赖于系统参量的视在情况，因而对不同的系统具有较好的兼容性；第三、因动态均衡光放大器的一体化结构及其工作特性不受系统参量动态变化的影响，因而其均衡效果不受系统运行状态或其所在位置的影响，具有绝对均衡或随遇均衡的特点，既适用于点对点的WDM系统，也适合于WDM光网络。
图2是本发明的动态功率均衡EDFA实施例的光路结构示意图。
图3是本发明实施例前级泵浦驱动电流与信道输入功率关系的测试结果。
图4是本发明实施例后级泵浦驱动电流与等效输入功率关系的测试结果。
(a)VOA衰减量A＝15.6时后级泵浦功率与输入信道数目的关系曲线(b)VOA衰减量A＝1时后级泵浦功率与输入信道数目的关系曲线图5是本发明实施例均衡EDFA的增益谱动态均衡的测试结果，1增益G＝36.2dB，衰减A＝0dB， ——Pin＝32μw， ----Pin＝16.21μw，…………Pin＝8.12μw2增益G＝33.3dB，衰减A＝3dB， ——Pin＝64μw， ----Pin＝16.1μw3增益G＝30.2dB，衰减A＝6dB， ——Pin＝125μw，----Pin＝6.5μw4增益G＝27.2dB，衰减A＝9dB， ——Pin＝248μw，----Pin＝125.2μw5增益G＝24.3dB，衰减A＝12dB， ——Pin＝501μw，----Pin＝125.6μw，…………Pin＝75.1μw
图6是本发明的硬件原理框7是本发明中单片机的程序流程图该EDFA的工作过程如下泵浦光分别从四个光纤合波器注入四段掺杂光纤，在掺铒光纤中形成粒子数反转区；信号光经光纤分波器Tap21、光隔离器ISO21和合波器MUX21进入第一段掺铒光纤EDF21放大，然后经光隔离器ISO22、可调光衰减器VOA、合波器MUX22、掺杂光纤EDF22二次放大，二次放大后的信号光通过光隔离器ISO23并经光纤光栅滤波器GFF滤波，滤波后的信号光先后经合波器MUX23和MUX24进入第三段掺铒光纤EDF23和第四段掺铒光纤EDF24再次放大，最后经光隔离器ISO24输出。其中光纤光栅滤波器GFF的滤波谱与放大器的增益谱反对称，用来平坦EDFA的增益谱；光电探测器PIN21和PIN22分别将探测的1510nm波长公务信道的功率变化和1525-1625nm波段输入信号光的功率变化转换成电信号，用来调控可调光衰减器VOA和前、后两级泵浦功率。
实施中使用的铒/铝共掺光纤数值孔径0.21，截止波长0.9mm，对泵浦光和信号光的吸收分别为3.29dB/m和4.57dB/m。四段掺铒光纤EDF1、EDF22、EDF23和EDF24分别长12m、7m、3.6m和7m，采用980nm激光二极管泵源，Pump21、Pump22、Pump23和Pump24的功率分别为160mW、80mW、80mW和230mW。
由于实际注入掺铒光纤的泵浦功率是无法测量的，可测量的物理量是泵浦驱动电流，可利用泵浦驱动电流与泵浦功率之间的线性关系，通过测量泵浦驱动电流的变化量ΔIpiin来代替泵浦功率的变化量ΔPpiin；另外，泵浦光通过耦合器注入掺铒光纤的损耗一般与泵浦功率的大小无关，因而可认为泵浦驱动电流的变化量ΔIpiin与信道输入功率的变化量ΔPsin及信道数改变量ΔM也应满足类似于(5)和(6)两式的线性关系，只是相差一个恒定的系数，这个系数可通过实验测量泵浦驱动电流与信道输入功率之间的线性关系来确定。为保证控制的精度，实验中可测量多组信道输入功率和泵浦驱动电流值进行线性拟合，然后在不同的信道输入功率和信道数目条件下，用拟合得到的线性关系来控制泵浦功率。
在测量增益谱时，用一个ASE宽谱源模拟输入光信号，但这只能模拟总的输入光功率，无法同时模拟信道数目和信道功率的改变。为此，假定已经知道信道输入功率，以此来设定VOA的衰减量和设定前级泵浦Pump21的驱动电流，然后改变信道输入功率来模拟信道数目的变化。
首先，按(6)式给出的控制策略，前级泵浦Pump21的功率只当信道输入功率改变时才调节。在实验中，将输入ASE宽谱源功率由500μW降到32μW，设定最大信道数目为32，则对应信道输入功率由15.6μW(-18dBm)改变到1μW(-30dBm)，监测前级输出端的增益谱，调节前级泵浦Pump21功率使增益谱保持不变，测得前级泵浦Pump21的驱动电流值与信道输入功率的关系如图3所示，可见所测数据呈现非常好的线性Ip1(mA)＝18.97×(Psin/channel)+31.35(8)按(7)式给出的控制策略，后级泵浦功率只随信道数的改变而调节，与信道输入功率无关，故可在任意信道输入功率下测量。实验测量在信道输入功率最大值(-18dBm)和最小值(-30dBm)(也就是VOA衰减量为最大值12dB和最小值0dB)两种情况下进行，并取两者的平均值作为实际的控制关系。当采用ASE宽谱源来模拟输入信道时，信道数可按下式计算M=PsinPs,chennalin=1(Ps,channelin)minPsinA----(9)]]>其中Psin和Ps，channelin分别为总输入功率和单个信道功率。为方便起见，定义Psin/A为等效输入功率，并测量后级泵浦驱动电流与等效输入功率的关系。
图4中给出在保持EDFA平均粒子数反转度不变情况下实验测得的后级泵浦驱动电流与等效输入功率的关系。由于泵浦功率的限制，等效输入功率的变化范围(信道数的变化范围)超出了后级任何一个泵浦的控制范围，需要对两个泵浦进行调节方能满足要求，故图中曲线包含了Pump23和Pump24两个泵浦的控制关系。当信道输入功率为最大值[即VOA衰减量为最大值A＝15.6(11.93dB)]时，实验测得的后级泵浦驱动电流与等效输入功率的关系如图4(a)所示，得到的控制关系为 当信道输入功率为最小值[VOA衰减量为最小值A＝1(0dB)]时，实验测得的后级泵浦驱动电流与等效输入功率的关系如图4(b)所示，得到的控制关系为 取(10)和(11)式的平均值作为后级泵浦的控制关系 最后，利用(8)式和(12)式在不同信道输入功率和信道数目的条件下，测量EDFA的增益谱。在实验中，取信道输入功率分别为-30dBm、-27dBm、-24dBm、-21dBm和-18dBm，先按此条件设定VOA的衰减量；再按(8)式来控制泵浦Pump21，改变输入功率，计算出相应的等效总输入功率Psin/A，根据(12)式设定泵浦Pump23和泵浦Pump24，测量出多组增益谱，如图5所示。可以看出，利用本发明的控制方法，在整个放大器增益可变的情况下实现了平坦增益谱的调控。以1550nm波长为例，当信道输入功率改变时，控制精度达到ΔG＜0.2dB；当信号数目改变时，控制精度达到ΔG＜0.3dB。
硬件原理框图和单片机程序流程图见图6、图7。
由此可见，本发明具有如下优点(1)所述WDM系统信道功率动态均衡新方法集动态增益谱平坦和增益幅度调节机制与光放大过程于一体，可减小因引进光增益调节机制带来的功率代价，无需另外配置光放大器进行功率补偿。
(2)所述WDM系统信道功率动态均衡新方法可根据系统预期的传输参量独立进行参量的综合设计来实现，而不依赖于系统参量的视在情况，对不同的系统具有较好的兼容性。
(3)所述WDM系统信道功率动态均衡新方法不受系统参量动态变化的影响，其均衡效果不受系统运行状态或其所在位置的影响，因而具有绝对均衡或随遇均衡的特点，既适用于点对点的多路系统，也适合于光网络系统信道功率的动态均衡。
(4)所述WDM系统信道功率动态均衡新方法不受工作波段的限制，既适用于使用C-波段EDFA的系统，也适用于使用L-波段EDFA及其他掺杂光纤放大器的系统。
说明书(5)(6)(7)式的推导考虑说明书附图1所示掺铒光纤放大器基本结构。
首先计算出整个放大器的增益。以VOA为分界点，将放大器分为两部分，VOA之前为第一部分，之后为第二部分。将说明书中的(2)式分别沿EDF1和EDF2积分得到两部分的净增益为G1i=1A1iadd×exp[((asi+gsi*)∫0L1N2NTdz-(asi+lsi))L1]]]>(附1)G2i=1A2iadd×exp[((asi+gsi*)∫L1L1+L2N2NTdz-(asi+lsi))(L1+L2)]]]>(附2)其中asi，gsi*和lsi分别为EDF在第i个信道波长下的吸收系数、增益系数和背景损耗，N2(z)为上能级铒离子浓度，NT为铒离子总浓度，A1iadd，A2iadd为第一部分和第二部分的附加损耗，包括焊接损耗，GFF损耗以及其它器件的损耗。
在两段之间，由于VOA的衰减作用，使得放大器第一部分的输出功率和第二部分的输入功率不同，两者满足下面的关系Psi2stagein=1APsilstageout=G1iAPsiin]]>(附3)其中，A为VOA在线性坐标下的衰减倍数，是一个与波长无关的量。
由(附1)，(附2)和(附3)式得到整个放大器对信号的增益为GiTot=G1i×1A×G2i]]>=1A×1A1iaddA2iaddexp[((asi+gsi*)N2‾NT-(asi+lsi))L],I=1,2,···,M]]>=1A×Gsi]]>(附4)其中Gsi＝G1i×G2i是整个放大器除VOA之外在对应波长的总增益，通常，在EDFA的工作波段内，可以认为各波长的总增益相同，即Gsi＝Gs。
下面再计算出放大器的平均粒子数反转度。将说明书中的(1)式中的 沿整个放大器长度积分并应用(附3)式，忽略自发辐射项uk2hvkΔvkgk*N2(z)NT,]]>剩余泵浦功率和输入端的信号功率，得到整个放大器的平均反转度与信号功率和泵浦功率的关系为-LζN2‾NT=]]>Σi1hvsi{Psiin[G1i-1]+Psi2stagein[G2i-1]}-1hvp1[Pp1in-Pp1out]-1hvp2[Pp2in-Pp2out]]]>=1hvsMPsin[GsA-1]+1hvsMPsin(1-1A)×G1AV-1hvp1Pp1in-1hvp2Pp2in]]>(附5)其中Gs是放大器的总增益，而G1AV=1MΣi=1MG1i]]>为放大器第一部分的平均的增益。同时还假设了放大器各信道的输入功率是相等的，因而将总的输入功率写为MPsin，M为信道数目，Psin为信道的平均输入功率。这样的假设是符合WDM系统的实际应用的情况的。附1.可变衰减器的控制在本发明的方法中，当信道输入功率发生变化的时候，VOA的衰减量将随之改变，以保持信道输出功率恒定，由(附4)式可以得到Psout=Psin×[GsA]=[Psin-ΔPsin]×[GsA-ΔA]]]>(附6)在这里，可认为当输入功率和VOA衰减量发生变化的同时，通过调节泵浦保持Gs不变，则可以得到ΔA=AΔPsinPsin]]>(附7)(附7)式VOA的定量控制关系，也就是说明书中的(5)式。附.2泵浦功率的控制为了推导的方便，将输入功率的变化划分为两步1.第一步MPsin→M(Psin-ΔPsin)，只有信道输入功率发生变化，而信道数目不变。
2.第二步M(Psin-ΔPsin)→(Psin-ΔPsin)(M-ΔM)，在第一步的信道输入功率基础上，信道数目改变。
为了推导的方便，假定放大器的初始状态为输入功率最大的时候，也就是信道输入功率和信道数均为最大值，对应的VOA衰减量也是最大值。
在第一步中，只有信道输入功率发生变化，这时由(附7)式确定VOA的衰减量，同时调节泵浦1的功率为Pp1in-ΔPp1in，以保持放大器第一部分的增益G1AV不变。那么，可以得到第二部分EDF的输入功率应为M(Psin-ΔPsin)G1AVA-ΔA,]]>与调节前的功率MPsinG1AVA]]>相等，此时第二部分的泵浦功率没有变化，那么第二部分EDF的反转度将保持不变，从而整个放大器的平均反转度 和总净增益Gs也将不变。将(附5)式中MPsin替换为M(Psin-ΔPsin)，A替换为A-ΔA，Pp1in替换为Pp1in-ΔPp1in，并应用(附7)得到-LζN2‾NT=1hvsMPsinGsA+1hvsM(Psin-ΔPsin)G1AV]]>-1hvp1(Pp1in-ΔPp1in)-1hvp2Pp2in]]>(附8)将(附8)式和(附5)式相减就可以得到1hvp1ΔPp1in=M1hvsΔPsin×G1AV]]>(附9)(附9)式是第一部分泵浦功率的变化量和信道输入功率变化量之间的关系，也即是说明书中的(6)式。
第二步，信道输入功率保持第一步变化后的值，信道数目发生改变，将第二部分泵浦的功率调节为Pp2in-ΔPp2in，此时，由于第一段EDF的输入功率发生变化，而第一段的泵浦功率保持第一步变化后的功率值，没有再变化，那么第一段EDF增益将变为G1+ΔG1。将(附8)式中M(Psin-ΔPsin)替换为(M-ΔM)(Psin-ΔPsin)，Pp2in替换为Pp2in-ΔPp2in得到-LζN2‾NT=1hvs(M-ΔM)PsinGsA]]>+1hvs(M-ΔM)(Psin-ΔPsin)(G1AV+ΔG1AV)]]>-1hvp1(Pp1in-ΔPp1in)-1hvp2(Pp2in-ΔPp2in)]]>(附10)
将(附10)式与(附8)式相减得到第二部分泵浦功率变化量与信道数目变化量之间的关系1hvp2ΔPp2in=1hvsΔMPsinGsA]]>-1hvs(Psin-ΔPsin)[(M-ΔM)(G1AV+ΔG1AV)-MG1AV]]]>(附11)在(附11)中的最后一项中，M(Psin-ΔPsin)G1AV是第一部分的输出功率。在单段放大器的输出端，当不考虑输入信号功率，以及剩余泵浦功率可以忽略的时候，输出的功率将是一个恒定的值，这正是EDF的饱和工作特性。当第一部分EDF工作在饱和状态时，M(Psin-ΔPsin)G1AV将为一个恒定值，并且在这一步中信道的输入功率Psin-ΔPsin保持不变，那么，(M-ΔM)(G1AV+ΔG1AV)-MG1AV=0.]]>则(附11)式可以简化为1hvp2ΔPp2in=ΔM1hvsPsinGsA]]>(附12)(附12)式就是第二部分的泵浦功率与输入的信道数目的关系，也即是说明书中的(7)式。
权利要求
1.波分复用系统信道功率动态均衡的方法，含有同时实现掺铒光纤放大器(EDFA)增益谱平坦和增益幅度调节的步骤，其特征在于它是一种在光放大器内部同时建立动态增益谱平坦和增益幅度调节机制来构成动态均衡光放大器，以便在实现动态增益谱平坦的同时实现功率箝制的方法，即在单片机控制下，在一个其光路部分由一个可调光衰减器(VOA)分隔的两段或多段掺铒光纤(EDF)级联的EDFA中，采用光一电调控的方法来调节动态增益谱的平坦度和增益幅度，即用光纤耦合器从放大器输入端引出部分信号光，经光电探测器接收后转变成电信号，用它来调节VOA的衰减量和前后级泵浦功率，以便在保证增益谱平坦的同时通过调节增益幅度来实现信道功率的箝制，使多路信道在输入功率或/和信道数目改变时保持输出光功率均等且恒定；所述动态均衡的方法是分别根据信道功率和信道数目的不同状况进行调整，它们分别依次含有以下步骤(1).当信道功率改变时，用光电探测器监测单个信道输入功率的改变量ΔPsin，根据下述公式计算出应设置的VOA的相应衰减应变量ΔA，用以调节EDFA的增益ΔA=AΔPsinPsin]]>其中，A为VOA的衰减量，Psin为信道的平均输入功率；同时由下式计算出相应的前级泵浦功率应变量ΔPp1in，并把前级泵浦驱动电流置于相应的值，以保持平均粒子数反转度不变，即增益谱的平坦度恒定，从而实现信道功率谱的动态箝制；1hvp1ΔPp1in=M1hvsΔPsin×G1AV]]>其中，M为信道总数，h为普朗克常数，vp1为前级泵浦光频率，vs为信号光频率，G1AV为前级增益，G1AV=1MΣk=1MG1k,]]>G1k为以VOA为分界的前级对第k个信道的增益；(2).当信道数目改变时，用光电探测器监测相应的总信道输入功率改变量ΔPstot=Psin×ΔM,]]>并据此计算出信道数目改变量ΔM，由下式得到后级泵浦功率的应变量ΔPp2in，并将后级泵浦驱动电流设置于相应的值，以保持平均粒子数反转度不变，即实现增益的箝制，从而保证各信道输出功率恒定；1hvp2ΔPp2in=ΔM1hvsPsinGsA]]>其中，Gs为信道的总增益，A为可调光衰减器VOA的衰减量；(3).当信道功率和信道数目同时改变时，用光电探测器监测放大器输入光功率的改变量，利用监测的单个信道输入光功率的改变量ΔPsin，用上述方法设置VOA于相应的衰减应变量ΔA，再由上述方法计算出相应的前级泵浦功率应变量ΔPp1in，并将前级泵浦驱动电流设置于相应的值；利用监测的总信道输入功率的改变量ΔPsTot=ΔPsin×M+Psin×ΔM]]>和所述单个信道输入功率的改变量ΔPsin，计算出输入信道数目的改变量ΔM得到后级泵浦功率的应变量ΔPp2in，并将后级泵浦驱动电流设置于相应值，从而通过前后两级泵浦功率的协同调节来保持平均粒子数反转度恒定，即保持增益谱平坦的状态下，通过增益谱幅度的调节实现信道输出功率谱的动态箝制。
2.根据权利要求1所述的波分复用系统信道功率动态均衡的方法，其特征在于对于波分复用(WDM)系统，单个通信信道输入功率的变化ΔPsin是通过下述方法监测得到的通常设置有1510nm波长的公务信道伴随复用的通信信道在光纤中传播，这两种信道在传输过程中应遵循相同的功率衰变规律，在EDFA中用光电探测器测出该公务信道的功率改变量ΔP1510后，便可由下式推出单个通信信道输入功率的改变量ΔPsinΔPsinPsin=ΔP1510P1510.]]>
3.根据权利要求1所述的波分复用系统信道功率动态均衡的方法而设计的均衡光放大器，其特征在于整个放大器的光路部分由一个可调光衰减器(VOA)分隔的两段或多段掺铒光纤(EDF)级联的EDFA，位于VOA之前沿光路方向与泵浦源相连的一段掺铒光纤构成前级EDFA，以及位于VOA之后与泵浦源相连的一段或一段以上的EDF构成后级EDFA。
4.根据权利要求3所述的均衡光放大器，其特征在于它含有沿输入信号光路顺次设置波分复用光纤合波器MUX21、掺铒光纤EDF21、光隔离器ISO22、可调光衰减器VOA、合波器MUX22、掺铒光纤EDF22、光隔离器ISO23、光纤光栅滤波器GFF、合波器MUX23、掺铒光纤EDF23、合波器MUX24、以及掺铒光纤EDF24，合波器MUX21～MUX24的相应端分别在和泵浦源Pump21～Pump24相连的同时，合波器MUX21的212端和掺铒光纤EDF24的自由端204分别连接光隔离器ISO21和ISO24，并分别用作放大器信号光的输入端和输出端；为监测输入信号光功率的变化以实现动态调控，在光隔离器ISO21的输入端201连接光纤分波器Tap22(1550/1550nm)和Tap21(1510/1550nm)，其中，Tap22(1550/1550nm)的5％的分波端203连接光电探测器PIN22，监测1525-1625nm波段通信信道的功率变化；Tap21(1510/1550nm)的5％的分波端202连接光电探测器PIN21，监测1510nm波长公务信道的功率变化。
全文摘要
波分复用系统信道功率动态均衡的方法及其均衡光放大器属于高速宽带光纤通信与光放大器技术领域，其特征在于它利用信道功率改变量与泵浦功率及光衰减应变量间的线性关系，集增益谱平坦和增益幅度调节机制与光放大于一体，在实现动态增益谱平坦化的同时保持多信道输出功率的均等且恒定，可根据系统预期参量独立设计，同时适用于点对点的多路系统和光网络的动态功率均衡。所述均衡光放大器采用隔离级连放大光路以抑制放大的自发辐射；引进损耗补偿滤波器将增益谱整平；引进可调光衰减器来调节增益的幅度；在单片机控制下响应信道输入功率或/和信道数目的变化而对泵浦功率和光衰减量进行动态线性调控，实现多路信道输出光功率的动态均衡。
文档编号H04J14/02GK1419354SQ0215349
公开日2003年5月21日 申请日期2002年11月29日 优先权日2002年11月29日
发明者彭江得, 冯雪, 刘小明 申请人:清华大学