专利名称：控制光学放大器性能的方法
技术领域：
本发明涉及光放大器，更具体地涉及光放大器的自动增益，泵运功率或电流和输出功率控制，以及ASE补偿的方法。
为了把由于相互交扰或其它原因(诸如光纤损坏，增加或减少信道)所产生的不利输出信号功率起伏和功率瞬变减到最小，常常引入一种不是控制光纤放大器输出信号功率就是控制增益的机制。增益是光信号输出功率对光信号输入功率的比率。
现在有两种已知的控制光纤放大器输出信号功率或增益的方法。第一种方法称作电子反馈/前馈方法，它使用电路来控制由于在光纤放大器中的相互交扰导致的功率瞬变。更具体地说，通过电子元件的模拟调谐控制放大器增益或功率，例如通过改变电阻或电容值。这个方法能使诸如通信公司这样的用户通过或是控制放大器增益或是控制放大器输出功率(不是两个一同控制)把任意给定的光放大器的功率瞬变最小。在信号功率小时，这方法也限制了增益控制的准确性结果，这个方法不补偿放大器噪声，诸如ASE(自发射放大)。
第二种方法称作光学反馈控制方法，它只使用光学元件来控制光纤放大器的功率瞬变。这个方法比上面讨论的全电子方法的灵活性更小，因为对所需功率或增益控制的任何改变需要改变光学元件。
为了更完整的理解本发明，其目的和优点，请参考下面的说明书和附图。在下面的详细说明中阐述了本发明其它的特征和优点。
可以理解本发明另外的特性和优点将在下面的详细描述中阐述，那些普通技术人员从那个描述中可以部分地清楚这个发明或通过实施这里所描述的发明，包括下面的详细描述，权利要求，和附图来达到认识。
应知道前面的一般描述和下面的详细描述只是本发明示范性内容，其目的是为理解本发明所要求的特性和特点提供本发明的概貌和框架。所包括的附图能使人们能对本发明作进一步理解，在这里将其合并而且组成这个说明书的一部分。附图示出了本发明的不同实施例，并且和描述一起用于解释本发明的原则和操作。
图1B是示出图1A中放大器控制器的更详细方框图。
图2A-2D是示出当输入信号是常量时的图1A和1B中放大器闭环增益控制模式性能的示意图。
图3A-3D是示出当输入信号下降时的图1A和1B中放大器闭环增益控制模式性能的示意图。
图4A-4D是示出图1A和1B中放大器闭环功率控制模式性能的示意图。
该放大器10进一步包括电子控制器40。电子控制器40通过接收关于输入和输出信号的光功率程度的信息控制泵源22(例如通过控制激光二极管的驱动电流)。在这个实施例中，电子控制器40包括将来自光学探测器32和34的信号分别转换到电信号的输入和输出信号转换器42和43，以及诸如放大由光学探测器32，34提供的电信号的互阻抗放大器44，45的电信号放大器。电子控制器40进一步包括至少一个转换放大的电信号到数字信号的模数(A/D)转换器46。电子控制器40也包括至少一个信号处理单元48，诸如用于将数字信号处理为一组新的数字信号的数字信号处理单元和用于将这一组新的数字信号转换到一组新的电信号的数字电信号转换器50。通过这一组新的电信号确定由泵源22产生的泵运功率电平。根据本发明的一个实施例，该放大器10的信号处理单元48耦合到能使用户选择并且指定放大器控制模式的用户接口55。用户通过指定适当的控制模式，命令信号处理单元48控制在DC偏移校准中的变化，确定所需的放大器增益值；放大器输出功率值，或光学噪声(ASE)补偿。DC偏移校准是对由电子或光的装置引入的常在误差或噪声信号(例如暗电流)的补偿处理。本发明的这个实施例使用了反馈回路来提供光纤放大器10的自动增益和输出功率控制。除反馈回路外，如果需要，可以使用前馈回路来改善功率瞬变。所揭示的控制方法使用下面描述的单值的控制算法器100。这个实施例的算法器100是根据比例加积分(PI)控制律并且在控制器40的数字信号处理单元48中实现。也可以使用其它的控制律。根据用户通过用户接口55指定的所选择的控制模式和由分接头28和30提供的关于光功率程度的数据，算法器100控制泵运源22的输出功率，从而控制放大器光功率输出Pout。更具体地说，控制器40通过其信号处理单元48和控制算法器100指令一个或更多的泵运驱动单元22A来驱动一个或更多的泵运激光源22来增加或减少由泵运激光源22提供的光功率。如上所述，这个光功率用于激发相当于增益介质20的掺稀土放大光纤中的稀土离子(例如铒)能级。这样，泵运激光源22在特定波长通过将适应程度的光功率注入到光增益介质光纤20来控制该放大器。放大器控制模式可以包括放大器增益，输出功率，温度，激光二极管过量电流和ASE(自发发射放大器)的控制。终端用户装有控制模式的菜单从其中选择。下面是放大器10和算法器100的较详细描述。
如上所述，通过提供电流的电信号的探测器32，34探测由分接头28，30分路来的光信号。由这些探测器32，34提供的电信号幅度相当于入射到这些探测器中的光功率幅度。因此，这些电信号相当于光放大器10的总输入光信号功率Pin和总输出功率Pout。该A/D转换器46把模拟信号(也就是电的)转换为由普通计算机或处理器使用的该信号的数字(也就是数字的)表示。A/D转换器46较佳的是有至少12比特的分辩率来获得好的动态范围(也就是大于30dB(1000∶1))。这个实施例的数字信号处理单元48在高频率数率(也就是在1MHz或更高的采样频率)取通过A/D转换器46提供给它的数字数据的分离样本而由数字信号处理单元48的算法器100处理这个数据。需要高的采样速度来保持模拟功率信号的频率特性。如果是低的采样速度，将会丢失有关信号的部分信息。
为了在高频率速率处理控制算法器100，需要数字信号处理单元48有足够的速度和计算能力来完成所有的控制计算和诸如警告处理的附加信号处理，以及监测有疑问的条件，诸如低信号功率，低输出信号，输入信号损耗，高温度，低温度或激光二极管过量电流。
更具体地说，输入信号功率，输出信号功率(并且可选择地，放大器或它的元件温度，激光二极管电流，输出信号的频谱特性)和其它需要监测的参数是周期性测量的(大约每次5μs或更快，并且较佳为1μs一次或更快)。该信号处理单元48可以包括存储器48A，存储器包含了这些参数的最小和最大可接收值的表。数字信号处理单元的监测软件48B将相当于实际条件的数字数据比作列表参数值，如果数据条件看来要越过可接受的范围，则在信号处理单元48中扬起警告标志并且通过使用某数据总线发送警告信号到中央监测位置60。为了响应警告标志，该信号处理单元48可以通过关掉泵源，减小经过激光二极管的电流量或使用一个或更多的温度调节器65(诸如冷却器或电阻性加热器)调整放大器或它的个别元件的温度来使放大器断路(为了防止它受到可能的损伤)。另外，如果数字信号处理单元48探测到了输入信号的损耗，信号处理单元48可以使该泵运源断路，等待信号被恢复并且接着接通泵运源来激活放大器。这可以避免在无进位输入信号信息时放大噪声。最后，诸如滤光器，光栅或耦合器这样的不同放大器元件的温度也可以由信号处理单元48和一个或更多的加热器/冷却器驱动器65A来调整，后者控制由加热器/冷却器65提供的温度来提供增益谱的动态调谐来补偿放大器的老化，已被改变的环境条件或其它干扰。所使用的加热器/冷却器65，随需要，可以是线圈加热器，激光泵运加热器/冷却器，或其它装置。
这个实施例使用固定点数字信号处理器(DSP)(整数运算)作为信号处理单元48，这是因为它的高速，低成本和小尺寸。这类DSP处理器的一个例子是摩托罗拉5630x系列处理器。它有24比特单精度分辨率并且以高速运行(也就是至少100MHz的速度)。最近由摩托罗拉发布的工作在300MHz的DSP处理器提供了更强的计算能力，这样可供更复杂的控制算法和响应更快的放大器之用。但是，其它的信号处理单元48可能包括，例如，浮动点DSP，复合编程逻辑装置(CPLD)，场可编程门陈列(FPGA)，微处理器，微控制器或其组合。为了增加控制器40的计算能力，也可以使用多个信号处理单元48。
我们把来自A/D转换器46的数字输出表示为Pout(k)和Pin(k)，其中Pout(k)表示成比例的总输出功率信号Pout(t)的分立值，而Pin(k)是成比例的总输入功率Pin(t)的分立值。在这个实施例中，输出和输入功率是成比例的以便正确地把它们表示在可用数字范围之内。当值Pout(k)和Pin(k)由电子元件侧39的至少12比特分辨率表示，并且当它们进入数字处理器侧41时它们对较高分辨率(对上述24位摩托罗拉DSP5630x处理器)是零填塞的(zero padded)(通过在12位数前或后面加零产生由更多位表示的数字)。
从这点看，通过使用一些标准的控制律可以计算数字控制信号u(k)。如上所述，在这个实施例中，我们以下面形式的比例加积分(PI)控制器u(t)=Kpe(t)+Ki∫0te(τ)dτ------(1)]]>其中u(t)代表了控制激光泵源的电流或功率；Kp是PI控制器的成比例常数；Ki是PI控制器的积分常数；e(t)代表了误差信号，也就是，分别由设定点Gsp或Psp给出的放大器增益或输出功率所需值之间的差。当放大器，或是在增益或是在功率模式中工作时，误差信号是 方程(1)应被转换到取样间距为h秒的分立形式，因为它是由数字信号处理器(DSP)48数字实现的。由双线性变换得到的在方程(1)的Z空间中的分立移函数为U(z-1)=[Kp+Ki1-z-1]E(z-1)------(3)]]>其中U(z-1)是在频率域的控制函数的复数形式。上述方程(3)可以表示为不同的方程形式u(k)＝u(k-1)+(Kp+Kih)e(k)-Kpe(k-1) (4)其中变量k表示电流取样常数，也就是t＝kh，其中h是电流取样间隔。下面给出的算法描述了在PI控制器下实现的增益/输出功率控制。也可以使用更多的其它控制器算法。下面是示例算法器100的描述。
算法器100可以包括下面步骤1.选择控制模式(增益或功率或恒定的泵运功率)2.设置采样间距h和控制器参数Kp和Ki。典型的采样间隔大约1微秒并且根据放大器的类型选择控制器的参数。
3.如果控制模式是增益，设置下面的参考值Gsp≠0并且Psp＝0到5。
4.如果控制模式是功率，设置下面的参考值Gsp＝0并且Psp≠0。
5.在取样时间t(i)对输入和输出光功率的模拟值，通过AD转换器转换到数字形式。
(ii)将增益设置点Gsp乘以输入信号Pin(k)。
(iii)计算误差信号e(k)e(k)＝Psp-e′(k)，其中e′(k)＝GSPPIN(t)-POUT(t)；和(iv)计算作为误差信号函数的控制信号u(k)u(k)＝u(k-1)+(Kp+Kih)e(k)-Kpe(k-1)6.由D/A转换器把控制信号转换到模拟形式u(k)→u(t)。这个信号通过把电流转换到光功率Pp(t)来控制泵运激光。
7.一直等到采样间隔h结束并且接着设置t+1→t并且回到步骤5。
注意到得到输入和输出功率电路DC偏移的步骤在放大器制造工艺中通常只做一次。控制器性能示例图2A-D，3A-D，和4A-D示出了控制器40的闭环性能。(对于闭环，我们指控制算法是适当的并且提供了反馈控制。)更具体地说，图2A-2D和3A-3D示出了在增益控制模式中的放大器10的性能，而图4A-4D示出了在输出功率控制模式中的放大器10的性能。
图2A，2B和2C分别示出了输入信号Ps，输出信号Pout(t)，和泵运激光控制信号Pp(t)的行为。图2D示出了设置点增益Gsp的变化和在实际增益G(t)的最后变化。图2A-2D示出当输入功率Pin保持恒定时，在用户对Gsp变化指定值时，由泵运激光源22提供光功率Pp(t)发生变化以便改变放大器10的实际增益G(t)。图2C也示出响应泵运功率Pp(t)的变化放大器10的输出功率Pout的变化。图2D表示在这个实施例中，增益值G(t)在3.5×10-3秒达到了指定的增益值。
图3A-3D类似于图2A-2D，唯一的不同是当设定点增益Gsp在20dB保持不变时(见图3D)，输入信号Ps改变以模拟一些输入信道的下降(见图3A)。图3D示出当输入信号Ps下降时增益G(t)快速下降，但控制器40在大约0.5×10-3秒将它恢复到设定值。图3C示出由泵运激光源22供应的光学泵运功率Pp(t)中通过快速增长而得到的。控制器40在输出功率控制模式中。
图4D示出输出信号Psp的设定点值在t＝2.5ms时从20mW变化到40mW。在这个时间，控制器40增加泵运功率Pout(t＝2.5ms)到大约70mw(见图4C)并且因此在不到0.5ms中把放大输出功率Pout(t)从20驱动到40mW。所以，由图4B示出的误差信号e(k)下降到零。图4A示出输入信号Ps(t)在t＝4ms时下降。这相当于输出功率Po的下降并且在误差信号中e(k)相应的增加。图4C和4D示出通过增加泵运功率Pp快速消除了在输出功率中的由输入信号Ps(t)改变而产生的干扰。
已经描述了改进的光放大器和用于光放大器的自动电子控制的简单新方法。该改进方法使用了数字处理器和简单控制算法的功能来得到(1)增益控制模式或(2)输出功率控制模式。它有为增益或输出功率设置参考值和控制算法选择的灵活性的功能。该改进的放大器针对需要和数字信号处理器速度可以使用比传统的比例加积分控制器更复杂的控制关系。这个控制方法适用于需要对该装置远程控制的通信系统。
本发明覆盖了这个发明的修改和变化，它们由附加的权利要求和它们的等价技术方案所限定。
权利要求
1.一种控制光学放大器性能的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输入和输出功率电路DC偏移值；(ii)在至少两个控制模式间指定所需控制模式；(iii)选择所需设定点值；(iv)取得所需值并且减去它的相应DC偏移来产生调整的值；(v)通过使用所述调整的值得到控制误差信号；(vi)从任意数目减去所述控制误差信号来产生控制器输入信号；(vii)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个控制信号的数字表示；(viii)把所述至少一个控制信号的数字表示转换为至少一个相应的模拟控制信号；以及(ix)通过驱动器电路把所述至少一个模拟控制信号施加到至少一个放大器元件。
2.如权利要求1所述的控制光学放大器性能的方法，其特征在于，其中所述控制信号是泵运控制信号而其中所述放大器元件是泵运源。
3.一种控制光学放大器增益的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输入和输出功率电路DC偏移数字值；(ii)如果控制模式是增益控制，那么选择下面的设定点功率设定点＝0.0，增益设定点＝所需增益，(iii)取得代表信号输入值的数字值并且减去输入功率电路DC偏移来产生调整的输入功率值；(iv)取得代表信号输出值的值并且减去输出功率电路DC偏移来产生调整的输出功率值；(v)用增益设定点乘以取得的调整输入功率值并且减去调整输出功率值来得到增益控制误差信号；(vi)从任意数目减去所述增益控制误差信号来产生控制器输入信号；(vii)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号的数字表示；(viii)把所述至少一个泵运控制信号的所述数字表示转换为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(ix)通过泵运驱动器电路把至少一个所述模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
4.一种控制光学放大器增益的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输入和输出功率电路DC偏移值；(ii)如果控制模式是增益控制，那么选择下面的设定点功率设定点＝0.0，增益设定点＝所需增益，(iii)取得代表信号输入值的数字值并且减去输出功率电路DC偏移来产生调整的输入功率值；(iv)取得代表信号输出值的数字值并且减去输出功率电路DC偏移来产生调整的输出功率值；(v)通过将取得的调整输出功率值除以增益设定点并且用调整输入功率值减去它来得到增益控制误差信号；(vi)从任意数目减去所述增益控制误差信号来产生控制器输入信号；(vii)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号数字表示；(viii)把所述至少一个泵运控制信号的所述数字表示转换为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(ix)通过泵运驱动器电路把至少一个所述模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
5.一种控制光学放大器增益的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输入和输出功率电路DC偏移值；(ii)在至少两个控制模式中指定所需控制模式，所述两个控制模式为增益控制和输出功率控制；(iii)如果控制模式是增益控制，那么选择下面的设定点功率设定点＝0.0，增益设定点＝所需增益；(iv)取得代表信号输入值的数字值并且减去输入功率电路DC偏移来产生调整的输入功率值；(v)取得代表信号输出值的数字值并且减去输出功率电路DC偏移来产生调整的输出功率值；(vi)通过所述取得的调整输入功率值乘以增益设定点并且减去调整的输出功率值，或通过将增益设定点除以取得的调整输出功率值并且用调整输入功率值来减去它来得到增益控制误差信号；(vii)从任意数目减去所述增益控制误差信号来产生控制器输入信号；(viii)通过控制算法转换所述控制器输入信号为至少一个泵运控制信号数字表示；(ix)转换所述至少一个泵运控制信号的所述数字表示为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(x)通过泵运驱动器电路施加所述至少一个模拟泵运控制信号到至少一个泵源。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括泵运电流控制。
7.一种控制放大器输出功率的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输出功率电路DC偏移值；(ii)在至少两个控制模式中指定所需控制模式，其中两个控制模式中的一个为输出功率控制；(iii)如果控制模式是输出功率控制，那么选择下面的设定点输出功率设定点＝所需功率，增益设定点＝0.0；(iv)取得代表信号输出值的数字值并且减去输出功率电路DC偏移来产生调整的输出功率值；(v)从输出功率设定点减去所述调整的输出功率来产生控制器输入信号；(vi)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号的数字表示；(vii)转换所述至少一个泵运控制信号的所述数字表示；以及(viii)通过泵运驱动器电路把所述至少一个模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
8.一种控制泵运电流光功率的方法，其特征在于，包括下面步骤(i)取得馈入到泵源的电流值和电路DC偏移值；(ii)在至少两个控制模式中指定所需控制模式，其中所述两个控制模式中的一个为泵运电流控制；(iii)如果控制模式是泵运电流控制，那么选择下面的设定点泵运电流设定点＝所需泵运电流，泵运功率设定点＝0.0；(iv)取得代表泵运电流值的数字值并且减去电路DC偏移来产生调整的泵运电流值；(v)从泵运电流设定点减去所述调整的泵运电流值来产生控制器输入信号；(vii)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号的数字表示；(viii)把所述至少一个泵运控制信号的所述数字表示转换为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(ix)通过驱动器电路把所述至少一个模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
9.一种控制泵运光功率的方法，其特征在于，包括下面步骤(i)取得光泵运功率和电路DC偏移值；(ii)在至少两个控制模式中指定所需控制模式，其中所述两个控制模式中的一个为光泵运功率控制；(iii)如果控制模式是光泵运功率控制，那么选择下面的设定点泵运电流设定点＝0.0，光泵运功率设定点＝所需值；(iv)取得代表光泵运功率值的数字值并且减去电路DC偏移来产生调整的光泵运功率值；(v)从光泵运功率设定点减去所述调整的光泵运功率值来产生控制器输入信号；(vi)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号的数字表示；(vii)把所述至少一个泵运控制信号的所述数字表示转换为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(viii)通过驱动器电路把所述至少一个模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
10.一种当控制光放大器增益时在增益控制模式中对ASE补偿的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输入和输出功率电路DC偏移值；(ii)选择下面的设定点功率设定点＝0.0，增益设定点＝所需增益，(iii)取得代表信号输入值的数字值并且减去输入功率电路DC偏移来产生调整的输入功率值；(iv)取得代表信号输出值的数字值并且减去输出功率电路DC偏移来产生调整的输出功率值；(v)或是使用查阅表或是使用公式取得所述调整的输入功率值的ASE成分并且从所述调整的输入功率值减去ASE成分来产生ASE调整的输出功率值；(vi)或是将取得所述的ASE调整的输入功率值乘以增益设定点并且从ASE调整的输出功率值减去这个值，或是除ASE调整输入功率来得到增益控制误差信号；(vii)从任意数目减去所述增益控制误差信号来产生控制器输入信号；(viii)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号的数字表示；(ix)把所述至少一个泵运控制信号的数字表示转换为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(x)通过所述驱动器电路把至少一个模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
11.一种在放大器输出功率控制模式中对ASE补偿的方法，其特征在于，所述方法包括下面步骤(i)取得输出功率电路DC偏移值；(ii)指定所需控制模式是功率输出控制；(iii)如果控制模式是输出功率控制，那么选择下面的设定点输出功率设定点＝所需功率，增益设定点＝0.0。(iv)取得代表信号输出值的数字值并且减去输出电路DC偏移来产生调整的输出功率值；(v)使用查阅表或公式从输出功率值中取得ASE调整的输出功率；(vi)从输出功率设定点减去所述ASE调整的输出功率来产生控制器输入信号；(vii)通过控制算法把所述控制器输入信号转换为至少一个泵运控制信号的数字表示；(viii)把所述至少一个泵运信号控制的数字表示转换为至少一个相应的模拟泵运控制信号；以及(ix)通过泵运驱动器电路把至少一个模拟泵运控制信号施加到至少一个泵源。
全文摘要
揭示了一种用于对光放大器(10)的增益控制模式中ASE补偿的新型电路(图1A)。电路(图1A)包括增益介质(20)，泵运源(22)，和输入部分(24)，输出部分(26)，两个光分接头(28和30)，第一探测器(32)，和第二探测器(34)。图1B还揭示了从两个光探测器的输出中取得控制信号的新方法。
文档编号H04B10/155GK1436385SQ01811067
公开日2003年8月13日 申请日期2001年2月22日 优先权日2000年4月13日
发明者K·S·格里什, M·勒利克 申请人:康宁股份有限公司