专利名称：一种用于wdm系统的混合式动态光增益均衡方法
技术领域：
本发明涉及一种用于WDM系统的混合式动态光增益均衡方法，属于光通信技术领域，是在波分复用(WDM)系统，特别是在密集波分复用(DWDM)通信系统中，用于对光增益的不平坦进行动态均衡处理。
背景技术：
随着EDFA产品和WDM系统的大量使用，EDFA广泛用于长距离DWDM系统中，以便同时对多波长光信号进行放大。但是由于EDFA对不同波长信号有不同的增益饱和特性，导致EDFA的增益谱不平坦；特别是当多个EDFA级联后，这种不平坦性使得各波长信号产生不同增益，从而导致一些信道产生严重误码，OSNR显著下降；进而整个系统性能大幅下降，光信号在通信系统的传输距离受到大大限制。同时，在干线及分布网络中，上/下话路或信道功率的随机涨落会引起各个信道功率的失调，这种信道功率失衡最终将导致整个系统不能正常工作。所以必须引进光功率(增益)均衡技术.
目前使用动态光增益均衡技术的方法有，DCE技术(UnitedStates Patent 20030053754A1)和DSE技术(United States Patent20020093725A1)。
一种动态光增益均衡技术是包络型动态光增益均衡技术即DSE技术。其实质是级联多个光可调谐滤波器，形成一个与原始信号相反的光增益谱，而达到光增益的动态均衡。如声光滤波器、液晶光滤波器、马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉仪滤波器等。
为了能处理整个波段(如C或L波段)的光增益，需要级联多个滤波器(如8-14，甚至更多)。由此引入了较大的插入损耗(IL)、偏振相关损耗(PDL)、偏振模色散(PMD)；同时由于太多滤波器的级联，导致光学分立元件的增多，光路设计复杂，引入了更多的损耗与色散，进而使得诸多的光学指标变坏。
但是如果降低滤波器的个数，则达不到增益均衡的效果，对增益的斜率补偿只有1-2dB/nm；同时控制的精度也不高，均衡后的增益不平坦度很大(如Ripple＞1.0dB)。
所以增益均衡的效果(需要滤波器的个数越多越好)与引入损耗、色散、(级联滤波器的个数越少越好)形成了DSE技术的一个不可调和的矛盾。
DSE技术的另一个突出的问题是滤波器控制的实现，即动态的调节光滤波器的参数。一般情况下，每个滤波器有幅度、中心波长、带宽3个参数，如United States Patent 20020093725A1中所需10个(或更多)滤波器。则每次进行滤波器调节时，需对30个(或更多)参数进行优化处理，这在软件控制算法上提出了很高的要求，使得计算量大大增加，从而导致了硬件电路更加复杂，以及最终的响应时间指标的增大.如用遗传算法进行多变量函数优化，则搜索最优化参数的时间在秒级，这个时间在高速光通信系统中是无法接受的。
这些突出的问题说明DSE技术并不是一种最理想的动态光增益均衡技术。
另一种动态光增益均衡技术是通道型动态光增益均衡技术即DCE技术(United States Patent 20030053754A1)。其实质是对每个通道(波长)的光信号增益进行均衡控制。
它的基本方法是首先对光信号进行分波，再对每个波长光信号增益进行均衡控制，后合波。如对40、80、160个波长光信号进行动态均衡，则需分波装置首先将光信号分成个40、80、160波长，然后用40、80、160个通道光(波长)增益均衡控制单元(衰减器)进行光增益的动态均衡。所以这种方案需要大量的分(合)波器和衰减器，体积庞大，成本非常高，工艺复杂。
不仅如此，通道型动态光增益均衡技术，即DCE技术的另一个明显的缺点是引入的-插入损耗IL很高(如介质薄膜滤光片分合波方式)。
因此鉴于DCE技术与DSE技术的缺点，而利用它们各自的优点，提出了一种光动态增益均衡的新方法与系统。
发明内容
本发明的目的是利用它们各自的优点，提出了一种用于光波分复用(WDM)系统中的混合式动态光增益均衡方法。首先将含有多波长光信号分成多组波长(每组波长数可以相同，也可以不同，可由系统的要求来灵活配置)，然后采用动态光增益平坦滤波器DGFF对每组波长进行光增益斜率的动态补偿。
本发明的技术方案用于WDM系统的混合式动态光增益均衡方法首先将光信号通过分波装置进行分波，分成M组波，每组含N1个波长，再用动态光增益平坦滤波器DGFF对这N1波长进行均衡处理，处理后将这M组N1个波长信号经合波装置耦合到光纤中。
所述的混合式动态光增益均衡方法，每组含4-20个波长光信号。每组所含波长数可以相等或不等。
所述的混合式动态光增益均衡方法，分波与合波采用基于介质薄膜滤光片TFF结构的分波器与合波器。
所述的混合式动态光增益均衡方法，分波与合波采用基于光纤布拉格光栅FBG加环行器结构的分波、合波器。
所述的混合式动态光增益均衡方法，分波与合波采用基于阵列光波导AWG结构的分波与合波方式。
所述的混合式动态光增益均衡方法，分波与合波由光交叉波分复用器Interleaver组成分波器与合波器。
所述的混合式动态光增益均衡方法，对于基于阵列光波导AWG结构的分波与合波方式，其动态光增益平坦滤波器由基于热光技术的马赫-曾德波导干涉仪滤波器组成。
其它混合式动态光增益均衡的系统中的动态光增益平坦滤波器DGFF可以采用声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器、马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉议组成的滤波器、光纤布拉格光栅(FBG)滤波器、磁光技术可调谐滤波器。
这种混合式动态增益均衡方法的分合波优点在于不需要将 个波长信号的光，具体分成 个独立的波长。如160波长的光信号只需分成16组波长，而不是160个波长，随着密集波分复用技术(DWDM)的进一步应用，信道波长数越来越多，这种混合式动态增益均衡方法与系统将体现更大的优势。由此引入的IL大大降低(IL的大小为光增益均衡器件的一个关键问题，通常情况下IL都很大)。
就目前光通信系统中出现的光分波(合波)技术，大多数建立在对波长信号进行透射、反射后分出某个波长。由于光信号在透射、反射过程中有光功率的损耗，即是插入损耗，而且随着IL在分波(合波)中的级联累加效应。最终导致分波(合波)装置的IL大大增加。如对 个波长光信号进行分(合)波，每一次透射、反射引入的IL为a(dB)。则 IL混合型＝M*a(dB)h分波系数通常情况下h＜N1，所以IL通道型＞IL混合型。
因此这种混合式光增益均衡系统的IL很小。同样在PDL、PMD指标上也有类似的特性。而且由于分波(合波)装置的减少，使得此系统成本低，体积小。
该混合式动态光增益均衡系统中的DGFF采用增益斜率补偿技术。如果信号光增益为G(λj)，增益补偿函数为F(xj，λ)，要达到增益函数为H(λj)，则动态光增益均衡的控制函数为H(λj)＝F(xj，λj)+G(λj)j＝1，2，3……，Ni。i＝1，2，3……，M。
xj光增益平坦滤波器的控制参数该混合式动态光增益均衡系统中DGFF的特点在于可以动态的使光增益以波长间隔(dB/nm)的方式得到补偿，即可实现单个波长的增益斜率补偿，且每个波长的补偿可以达到3-6dB。也就是说这种补偿方式可以得到像DCE技术中的对每个通道进行补偿的效果。附图8、9显示了补偿的结果，从图中可以看出最大增益补偿斜率为5dB/0.8nm.而且光增益均衡平坦度很高，可以控制在0.3dB以内，具体见附图8、9。同时由于(DGFF)基于很少量的滤波器，所以引入的IL，PDL，PMD都较小。从而使整个系统的IL，PDL，PMD指标变小。
总之这种新方法与系统能充分发挥DCE技术的分波(合波)优势，也可利用DSE技术的光增益处理技术优势，而避免它们各自的缺点。使得该系统成本降低、体积减小，并且在很多指标上如IL、PDL、PMD上有很大的优势成本上远低于DCE技术，控制效果远高于DSE技术。
图1为本发明的混合式动态光增益均衡系统总体结构图；图2所示为本发明实施例一介质薄膜滤光片分合波方式光增益均衡系统总体结构图；图3所示为本发明实施例二光纤布拉格光栅FBG加环形器分合波方式光增益均衡系统总体结构图；图4所示为实施例二分合波方式结构图；图5所示为本发明实施例三AWG分合波方式光增益均衡系统总体结构图；图6所示为实施例三中增益均衡单元结构图；图7所示为本发明实施例四利用光交叉波分复用器(Interleaver)分合波方式光增益均衡系统总体结构图；图8所示为液晶可调谐滤波器增益均衡单元对8波长增益补偿的波形图；图9为C波段50GHZ间隔、80波长光信号，采用介质薄膜滤光片分合波方式、液晶滤波器增益均衡技术的动态光增益均衡系统增益均衡波形图。
具体实施例方式如图1所示本发明给出了这种混合式动态光增益均衡的系统。它首先将光信号通过分波装置进行分波，可以分成M组波，每组含Ni个波长，再用DGFF对这Ni波长进行均衡处理，处理后将这M组N1个波长信号经合波装置耦合到光纤中(1≤i≤M)。
实施例一图2为本发明采用介质薄膜滤光片分合波方式与DGFF增益均衡处理系统总体结构装置。整体上n个波长光信号经过第1级分合波增益均衡处理装置2.1对n1(N1)个波长光信号进行光增益均衡处理，第2级分合波增益均衡处理装置2.2对n2-n1(N2)个波长光信号进行光增益均衡处理，直到第i级分合波增益均衡处理装置2.i对n-ni(Ni)个波长光信号进行光增益均衡处理，最终完成对n个波长光信号的增益均衡。其中2.1装置由2.11(双芯准直器)、2.12(介质薄膜滤光片作为分波器)、2.13(DGFF)、2.14(单芯准直器)组成；2.2装置由2.21(双芯准直器)、2.22(介质薄膜滤光片作为分波器)、2.23(DGFF)、2.24(介质薄膜滤光片作为合波器)、2.25(双芯准直器)组成；其中2.i装置由2.i1(单芯准直器)、2.i2(DGFF)、2.i3(介质薄膜滤光片作为合波器)、2.i4(双芯准直器)组成。
具体过程为首先n个波长光信号从2.11的第一芯输入，经2.12透射出n1个波长光信号，这n1个波长光信号经2.13进行增益均衡处理，后经2.14准直进入2.2。其它波长光信号经2.12反射从2.11的第二芯输出到2.2，2.22分出n2-n1个波长光信号经2.23进行增益均衡处理，反射出的其它波长光信号从2.21的第二芯输出，从2.14输出的增益均衡处理后的n1个波长光信号经2.25到2.24与从2.23增益均衡处理的n2-n1个波长光信号合成一路光信号(含n2个波长)从2.25的第二芯输出。直到最后第i级分合波增益均衡处理装置，2.i1输入最后的n-ni个波长光信号，经2.i2增益均衡处理，通过2.i3与从2.i4第一芯输入的前ni个增益均衡后的波长光信号合成n个波长光信号从2.i4的第二芯输出。即完成n个波长光信号增益均衡。
该实施例中的DGFF光增益均衡处理单元可以采用声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器、马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉仪组成的滤波器、光纤布拉格光栅(FBG)滤波器、磁光可调谐滤波器等技术。
在该实施例中采用液晶可调谐滤波器技术DGFF对C波段50GHz间隔的80个波长光信号进行增益均衡处理(n＝80)。我们采用10级介质薄膜滤光片分波器(M＝10)，每级光信号经介质薄膜滤光片分波器分成8个波长光信号(N1＝N2＝…＝N10＝8)，然后每级光信号经光增益均衡处理单元增益均衡处理，最后经各级合波，合成一路光信号输出。
该实施例中只需(10-1)*2＝18个介质薄膜滤光片便可完成分/合波，而DCE系统中则需(80-1)*2＝158介质薄膜滤光片，所以可以大大降低成本及体积；同时引入的IL、PDL、PMD较小。例如
IL混合型＝10*a(dB)h分波系数，通常情况下h＜8，所以IL通道型＞IL混合型。
该实施例中DGFF采用基于液晶技术的滤波器对每组8个波长信号的光增益进行均衡。实际上是动态调节液晶两极的电压，即不断改变滤波器的中心波长和幅度，得出不同的滤波波形。
该DGFF使用简单的优化算法便可实现增益斜率的动态补偿。如果原始光信号的增益为G(λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6，λ7，λ8)，增益平坦滤波器的函数为F(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，λ)，要达到的增益均衡函数为H(λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6，λ7，λ8)。则增益均衡的控制函数为H(λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6，λ7，λ8)＝F(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，λ)+G(λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6，λ7，λ8)通过动态调节液晶滤波器参数(x1，x2……x8，实际对应的是液晶两极不同的电压值，使增益均衡的平坦度达到最好。
该增益斜率动态补偿技术的增益斜率补偿过程为将光功率检测器(OPM)反馈回来的光信号增益G(λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6，λ7，λ8)，与我们所要求的增益相减，得出每个波长对应的光增益补偿值(单位dB/nm)，即增益斜率的补偿值。应用简单的算法处理，控制DGFF，调节其参数x1，x2……x8，使每波长的增益得到补偿。该DGFF可以实现单个波长的增益斜率补偿，这便是它的显著特点。
在实施例中，每个波长的补偿斜率可控制在3-6dB。增益均衡后的平坦度很高，在0.3dB以内，且光增益均衡的动态范围高达20dB。
图8所示为基于液晶可调谐滤波器技术的DGFF增益均衡单元对8波长增益补偿的波形图。
图9为整个80波长光信号经增益均衡后的波形图。同时由于此DGFF引入的IL、PDL、PMD很小，使得整个系统的IL、PDL、PMD大大降低。
此实施例各方面的优势，很好的体现了混合式动态光增益均衡方法与系统的优越性。
实施例二图3为第二实施例整体结构图，其中分波器(3.1)与合波器(3.3)采用光纤布拉格光栅FBG(3.1A)和环形器(3.1B)结合的装置。如图4所示PortA为环形器输入端，PortC为输出端，PortB为FBG的反射端，PortD为FBG的透射端。首先n个波长光信号经第一级3.11反射分出n1个波长光信号，剩下的经第一级3.11透射的波长光信号进入第二级3.12，再反射分出n2个波长光信号，如此连续分波直到最后一组波长光信号分出；每次分出的一组光波长信号分别进入本级3.2(DGFF光增益均衡处理单元)；经3.2处理的每组波长光信号再经本级3.3进行合波，直到最后一级3.3M合成一路光信号输出。不过在此装置中经第一级3.21增益处理后，不需要合波装置，而直接进入下3.32(第二级合波器)；最后一级(第M级)中不需要分波器，直接输入上一级分出的光信号，进入3.2M(第M级DGFF)增益均衡。
该实施例中的DGFF光增益均衡处理单元可以采用声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器、马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉仪组成的滤波器、光纤布拉格光栅(FBG)滤波器、磁光可调谐滤波器等技术。
实施例三图5为第三实施例整体结构图，其中分波器4.1与合波器4.3采用阵列波导光栅AWG结构。首先n个波长光信号经阵列波导光栅4.1分成多组光波长信号，每组的光波长数可以不同。如第一组为N1个波长光信号，第二组为N2个波长光信号，每组光信号经DGFF增益均衡单元4.21-4.2M进行增益均衡，后再经4.3进行合波后输出。
其中该实施例中4.2由基于热光技术的马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉仪滤波器4.2A组成，可以根据每组均衡处理的波长数来选择级联4.2A的个数，如图6所示。
实施例四图7为第四实施例整体结构图，其中分波器与合波器由光交叉波分复用器(Interleaver)组成，所用光波长信号分别经光交叉波分复用器5.1A、5.2A、5.3A(对应不同波长Interleaver)分成奇数项与偶数项波长光信号，最后一级分出多个波长光信号，经5.4(DGFF光增益均衡单元)进行增益均衡处理，再经多级光交叉波分复用器Interleaver5.1B、5.2B、5.3B进行合波，最后合成一路光信号输出。
其中本实施例中光交叉波分复用器(Interleaver)，可以采用全光纤马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪型、利用双折射晶体波片的偏振光干涉型、迈克尔逊G-T干涉仪型、利用多光束干涉原理的法布里伯罗(F-P)腔型。
其中该实施例中的DGFF光增益均衡处理单元可以采用声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器、马赫-曾德(Mach-Zehnder)波导干涉仪组成的滤波器、光纤布拉格光栅(FBG)滤波器、磁光可调谐滤波器等技术。
权利要求
1.一种用于WDM系统的混合式动态光增益均衡方法，包括分波、合波及动态光增益均衡，其特征是首先将光信号通过分波装置进行分波，分成M组波，每组含Ni个波长，再用动态光增益平坦滤波器DGFF对这Ni波长进行均衡处理，处理后将这M组Ni个波长信号经合波装置耦合到光纤中。
2.根据权利要求1所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是每组含4-20个波长光信号。
3.根据权利要求1或2所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是每组所含波长数可以相等或不等。
4.根据权利要求1或2所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是分波与合波采用基于介质薄膜滤光片TFF结构的分波器与合波器。
5.根据权利要求1或2所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是分波与合波采用基于光纤布拉格光栅FBG加环行器结构的分波、合波器。
6.根据权利要求1或2所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是分波与合波采用基于阵列光波导AWG结构的分波与合波方式。
7.根据权利要求1或2所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是分波与合波由光交叉波分复用器Interleaver组成分波器与合波器。
8.根据权利要求7所述的混合式动态光增益均衡方法，其特征是动态光增益平坦滤波器由基于热光技术的马赫-曾德波导干涉仪滤波器组成。
全文摘要
本发明提出一种用于WDM系统的混合式动态光增益均衡方法，它首先将光信号通过分波装置进行分波，分成M组波，每组含N
文档编号H04B10/18GK1538654SQ20031011126
公开日2004年10月20日 申请日期2003年10月23日 优先权日2003年10月23日
发明者许远忠, 吴晓平, 胡强高, 梁庆华, 张勇, 李建 申请人:武汉光迅科技有限责任公司