光放大器模块及其增益控制方法与流程

1.本公开涉及光纤通信系统，且更特别地但非唯一地涉及采用动态增益均衡(dge)的系统。


背景技术：

2.光纤通信系统对带宽和能力的需求越来越大。这些光纤通信系统可包括长跨度(span)的传输光纤并且使用包括掺铒光纤放大器(edfa)的光放大器。在长运程(haul)通信系统中使用的大量的放大器用于补偿所述跨度的光纤中的信号损耗。edfa的多样性会在传输信号中引入失真(distortions)和不规则性(irregularities)。在一些情况下，多个所生成的增益曲线组合以创建崎岖(uneven)的增益曲线或增益波动(ripple)。增益波动可能会对信号传输和处理产生负面影响。
3.因此，存在着解决在光纤通信系统中的增益波动的改善的能力的需求。
4.在解决所不希望的增益波动时，还存在通过改善的放大器噪声或噪声系数(noise figure)来改善信号质量的机遇。


技术实现要素：

5.在本公开的一个方面，提供一种用于一光放大器模块的用于增益控制的方法。所述方法可包括：在一第一放大器处接收一输入光信号。所述方法可包括：基于一输出光信号的反馈监测，动态地调整所述输入光信号的一增益。所述方法可包括：在一第二放大器处接收增益调整的光信号，用于所述光放大器模块的输出。
6.本公开的另一个方面，提供一种光放大器模块。所述光放大器模块可包括：一第一级，包括用于接收一光信号的一第一放大器。所述光放大器模块可包括：一第二级，包括用于输出一增强(boosted)的光信号的一第二放大器。所述光放大器模块可包括：一增益控制模块，耦接于所述第一级和所述第二级，所述增益控制模块用于将从所述第一级接收的所述光信号用于输出至所述第二级，且还配置成基于所述输出增强的光信号的反馈监测来动态地调整一增益。
附图说明
7.图1a是示出一可变增益edfa模块的一示意图。
8.图2是示出包括dge控制的一可变增益edfa模块的一示意图。
9.图3a是示出包括dge控制的另一示例的edfa模块的一示意图。
10.图3b至图3c是表示图3a的示例的edfa模块的输入信号和输出信号的图。
11.图4示出通过增益变化与波长绘制包括一可变光衰减器(voa)衰减的一edfa的增益变化。
12.图5是示出在不同的衰减位准(levels)下的示例的输出信号谱的一图表。
13.图6a示出例如采用一voa和一dge的实施例的一给定的增益范围下的按分贝(db)
的噪声系数。
14.图6b是基于与图6a相同的设置绘制的在给定的增益范围下的平均损耗。
15.图7示出可从输入功率谱和输出功率谱推导出一示例的edfa增益形状。
16.图8示出dge衰减形状和目标edfa增益形状旁侧的实际edfa增益形状。
17.图9是示出用于dge控制的一示例方法的一框图。
具体实施方式
18.以下结合附图阐述的详细说明旨在作为各种配置的说明，但并非旨在表示可以实践本文说明的构思的仅有配置。出于提供对各种构思的透彻理解的目的，详细说明包括具体的细节。然而，对本领域技术人员清楚的是，这些构思可以在不具有这些具体细节的情况下实践。在某些情况下，熟知的结构和部件以框图形式示出，以避免使这些构思模糊不清。
19.现在将参照各种装置和方法来给出dge控制模块的若干方面。这些装置和方法将在下面的详细说明中进行说明，并通过各种框、模块、部件、电路、步骤、过程算法等(统称为“元素”)示出在附图中。这些元素可以采用电子硬件、计算机软件或它们的任意组合来实施。无论这些元素是以硬件还是以软件实施例都依赖于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束。
20.举例来说，一元素或一元素的任何部分或多个元素的任意组合可以采用包括一个以上的处理器的一“处理系统”来实施。处理器的示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、可编程逻辑设备(pld)、状态机、门控逻辑、分立硬件电路以及配置为执行贯穿本公开说明的各种功能其它合适的硬件。处理系统中的一个以上的处理器可以执行软件。软件应广义地解释为指的是指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用程序、软件应用程序、软件包、例程、子例程、对象、可执行文件、执行线程、过程、功能等等，无论是被称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言还是其它形式。软件可以驻留在计算机可读介质上。该计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质例如包括磁存储设备(例如硬盘、软盘、磁条)、固态设备(例如固态驱动器或固态磁盘(ssd))、光盘(例如高密度盘(cd)、数字通用磁盘(dvd))、智能卡、闪存设备(例如卡、棒、键驱动器)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、寄存器、可移动磁盘以及用于存储软件和/或可被计算机访问和读取的指令的任何其它合适的介质。计算机可读介质可以驻留在处理系统中、在处理系统的外部或分布在包括该处理系统的多个实体中。计算机可读介质可以以一计算机程序产品来体现。例如，计算机程序产品可包括封装材料中的一计算机可读介质
21.下文讨论的示例性的方法和装置可适用于诸如dge模块的各种控制模块中的任一个，但更一般地，可适用于针对光放大器的增益、波动和噪声的控制。为了简化讨论，示例性的方法和装置在这些示例的实施例的上下文中予以讨论。然而，本领域普通技术人员将理解的是，示例性的方法和装置更普遍地适用于各种光纤信号控制机构。本文公开的是用于光放大器尤其是edfa的改进的dge控制以及通信系统内的信号传输(signaling)的系统和方法。
22.由于长跨度和信号质量，光纤系统的操作需要放大器。在一些情况下，通过放大器
的功率会导致通过系统的所不希望的功率波动。功率波动或增益波动可与来自各具有不同的增益曲线的多个放大器的增益曲线的组合相关联。累加的增益曲线(或增益波动)可能具有崎岖的增益轮廓(profile)。本公开中的实施例解决了这些所不期望的质量中的一些并且可同时提供改善的光信噪比(osnr)。
23.图1a示出一可变增益edfa模块100的一示例实施例。放大器模块100可包括：一前置放大级(pre-amplifier stage)102，用于放大输入光信号；一可变光衰减器(voa)104；以及一放大器106，在输出处，可称为一增强器级放大器(booster stage amplifier)。在一些情况下，一增益平坦过滤器(gff)可置于放大器106中。增益平坦过滤器(gff)也公认为一均衡过滤器，可在输入信号的频率的一范围下归一化或平滑增益。在这种情况下，一个以上的信道(channel)可具有相同或显著近似的增益。
24.在一些实施例中，gff可置于放大器102或放大器106处。voa 104可用于平坦增益。edfa模块增益和voa衰减之间的关系在下面的式子中给出.
25.edfa
gain
＝ofg
gain-voa
il
ꢀꢀꢀ
(公式1)
26.ofg
gain
指的是具有最小voa插入损耗(il)的最大光平坦增益。gff的损耗形状设计成在这种条件下使增益平坦。就是说，当edfa模块在ofg
gain
下操作时，voa可接近0db。当edfa在比ofg低的一增益下操作时，公式为如下：
27.voa
il
＝ofg
gain-edfa
gain
ꢀꢀꢀ
(公式2)
28.edfa
gain
的值的减少等同于voa
il
值的增加，故edfa的增益(前置放大和增强器的增益)可能无改变，被维持在ofg。
29.这种方法可维持一平坦增益谱，但是由于voa衰减在低增益范围下是非常大的，所以噪声系数(nf)可能具有对应的显著的降低。
30.图2示出包括dge控制的一edfa模块200的一实施例。用于解决增益控制的另一途径可通过用于动态增益波动调谐(ripple tuning)的dge 208。在一个方法中，dge 208可仅用于消除增益波动。dge 208可位于中间级(middle stage)并与voa 204一起工作。dge 208在损耗形状上可以是可变的，但是当形状改变时，edfa 200上的增益可改变，这也使增益形状相应地改变(在增益上以一斜度(tilt)出现)，从而voa 204可用于补偿dge损耗以保持增益(ofg)。在一示例中，设计的中间态损耗(dmsl)可为8db，如果平均dge衰减为7db，那么voa 204可为该损耗统调(pad)1db，如果平均dge衰减为1db，那么voa 204可为该损耗统调7db。
31.在一些实施例中，dge 208可耦接于一处理器模块(未示出)，或者dge 208可包含一处理器模块。处理模块可包括硬件和/或软件、固件等。
32.平均插入损耗由以下的公式给定：
[0033][0034]
voa 204的插入损耗可由以下的公式给定：
[0035]
il
voa
＝dmsl-il
dge-avg
ꢀꢀꢀ
(公式4)
[0036]
ρ(i)为信道i的功率。从公式3和公式4我们知道，voa 204和dge 208的总的损耗可以是固定的。这种控制方法可平坦增益谱，但是因为voa需要对损耗进行统调，特别是当dge损耗的统调远低于dmsl时，故噪声系数也可能显著地降低。
[0037]
图4示出通过增益变化(y轴)与波长(x轴)绘制的包括voa衰减的一edfa的增益变
化。图表400示出具有2db的一edfa增益升高的一曲线402、具有1db的一edfa增益升高的一曲线404、具有一基准(reference)增益的一曲线406、具有1db的一增益降低的一曲线408以及具有2db的一增益降低的一曲线410。如图表400所示，edfa的增益曲线呈现所不希望的特性，包括增益斜度在波长轴的一端表现出更大的变化。
[0038]
图3a示出另一示例的包括dge控制的edfa模块300。图3a的框图的示例示出可由一前置放大级302、后置放大级306以及dge 304构成的一控制方法。在所示出的示例中，信号可经由dge 304直接在前置放大和后置放大之间通过，而无需诸如voa的其它部件。然而，在一些实施例中，voa可为可被包括的或者在dge 304之前或者在dge 304之后的一最佳元件。
[0039]
在前述实施例中，增益波动可被去除，以使输出谱平坦或光滑。但前述实施例需要一些voa衰减，voa衰减可能降低噪声系数、特别是在低增益范围或dge统调的损耗远低于dmsl下。本实施例(例如图3a的)可调谐谱且同时尽可能多地减少损耗。因为损耗减少，所以光信噪比(osnr)相比其它实施例将提高。
[0040]
在下面的实施例中，edfa的增益可以不是必须地固定在ofg。edfa增益的改变可引起增益横跨谱的变化。更重要的是，随波长的变化可以是线性的。图4示出从-2db到2db的edfa增益变化。edfa增益形状可从ofg增益计算出。基于ofg和dge衰减形状，可存在有edfa增益变化。公式可由以下给定：
[0041]
gain
edfa
(i)＝gain
ofg
(i)+gain
edf-r
(i)*k-il
dge(i)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式5)
[0042]
gain
edf-r
(i)为edfa增益轮廓变化比(图4，针对1db升高的曲线404)。
[0043]
k为具有针对从ofg的增益差的一关系的系数(在3db增益改变情况下，k为3倍于1db增益改变情况)。
[0044]
gain
ofg
(i)为在设计上优化的平坦增益。一般而言，它可能需要更少的dge操纵(manipulation)。它可为相同的值，而不管信道i如何(换句话说，不同的信道可具有相同的值)。
[0045]
gain
edfa
(i)是edfa目标所要求的增益形状。它可被倾斜或是任何所需的形状。形状可由一函数或可人工建造来定义。任何形状或曲线可通过设计或偏好决定来使用。
[0046]
il
dge
(i)为dge衰减形状。对于任何信道i，il
dge
(i)可大于或等于0。为了获得小(small)的噪声系数，可取的是，il
dge
(i)的最小值尽可能接近零。
[0047]
图3b至图3c是示出图3a的示例的edfa模块300的输入信号和输出信号的示例图。在图3b的图350，输入信号352可包括因在来自前跨度(preceding spans)的放大器的崎岖的增益曲线的功率波动。在图3c的图360，输出信号362可包括基于dge控制的一平坦的曲线。
[0048]
用于控制的另一方法可说明如下。dge衰减形状可通过如下得到：
[0049]
il
dge
(i)＝gain
ofg
(i)+gain
edf-r
(i)*k-gain
edfa(i)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式6)
[0050]
在公式6中，k可由如下得到：
[0051][0052]
k＝max(a(i))
ꢀꢀꢀ
(公式8)
[0053]
公式8可为一个可行的优化函数。用于优化或使函数最大化的一个选择是找到公式6的局部或整体的最大值。在一些实施例中，k可阶跃或连续地被调整，以确定最大函数。
本领域技术人员将认识到的是，优化或最大化可以在任何数量的途径下通过任何数量的函数和阶跃来实现。公式7仅是用于优化的一个示例的方法。
[0054]
在一个实施例中，希望的是实现平坦和可变增益。用于edfa的这种类型的增益可以是可调谐的，但增益形状可以是平坦的，从而增益值对于所有信道而言是相同的。
[0055]
基于公式6至公式8，我们知道，当edfa增益等于ofg增益时，那么k＝0，所有信道的dge衰减接近零db。当edfa增益高于ofg增益时，k将保持增加直到最小的增益(最长的波长)达到目标增益。dge衰减该目标之上的部分。
[0056]
当edga在比ofg低的增益下操作时，k将减少直到最小的增益(最短的波长)达到目标增益，dge衰减目标增益之上的部分。
[0057]
在一个示例，在c带edfa中，假设增益为在ofg之上的一某一db，k将为1.68*x且平均dge损耗将为约0.7*xdb。假设增益为ofg之下的x’db，那么k将为-0.6*x’且平均dge损耗将为约0.35*x’db。换句话说，噪声系数可得到改善，因为dge损耗从x减少至0.35x。
[0058]
在图5中，图表500示出当采用c带edfa的1db增益升高或降低时具有dge衰减形状的edfa增益形状和edfa增益形状或曲线502、504。在不具有诸如图3中那样的技术的实施例中，平均损耗变化可为相对ofg每db增益降低1db。在诸如图3的实施例中的信号损耗可更少，且在一些情况下，信号损耗上的减少可约前述实施例的三分之一。本改进的实施例可极大地改善噪声系数。因为dge可补偿在ofg之上的增益形状变化，所以它可使ofg移动几个(several)db而低于前述实施例。这样，本实施例可在一增益低的甚至进一步低的范围处改善噪声系数。
[0059]
如图5所示，以db(y轴)的增益响应的曲线502、504在给定的波长范围(x轴)上变化。当存在有一1db升高(标记512示出位准(level)1db升高)，曲线502具有相对1db波长越短变化越大。随着波长变长，增益变化减弱，并最终达到1db。对于一1db降低(标记514)，曲线504具有相对-1d波长越大增益变化变化越大，并最终在更短的波长下达到零。
[0060]
在1db增益曲线502，变化可由dge补偿来改善噪声系数。在一些情况下，曲线502、504在设备的设计或开发过程中可能是已知的，其中两曲线基于一公式或一给定的增益形状来确定。在其它情况下，曲线502、504可能是不知道的，直到因环境或安装差异部署(deployment)。在这种情况下，所述曲线可通过包括被监测的响应、公式、预定的形状等的因素的任意的组合来确定。所述曲线和针对这些曲线的增益的补偿可相应地被提供。在图5的示例中，曲线502、504可用于补偿增益上的变化，以针对曲线502将增益响应带到1db(或针对曲线504到-1db)。
[0061]
图6a示出针对采用一voa和一dge的两示例实施例在一给定的增益范围(x轴)下的以db(y轴)的噪声系数的一图表600a。图表600a示出采用具有6db到30db的一增益范围、约1527.38nm到1566.72nm的范围的波长的一示例edfa的测试。
[0062]
曲线602示出采用一voa基于采用公式2来计算voa衰减的实施例的结果。曲线602示出在增益低时噪声显著。曲线604示出采用一dge基于采用公式6-8来计算dge衰减形状的实施例的结果。如该图表600所示，采用dge在增益范围的大部分下提供改善的噪声系数，同时在增益低时改善显著。
[0063]
图6b是基于与图6a相同的设置绘制的在给定的增益范围下的平均损耗。平均损耗为不同的波长信道中的损耗的平均值。
[0064]
曲线602’示出采用一voa基于采用公式2来计算voa衰减的实施例的结果。ofg处于30db处。曲线602’示出增益越小平均损耗越大。曲线604’示出采用一dge基于采用公式6-8计算dge衰减形状的实施例的结果。ofg移动至24db。如该图表600b所示，采用dge在增益范围的大部分上提供了改善的平均损耗，同时增益越低改善越显著。
[0065]
我们知道了，在变化到本新的实施例之后，噪声系数在低增益范围下改善强烈而在高增益下几乎没差别。在低增益范围下，本创新性的方法的平均损耗比传统的方法低得多。可认识到的是，本新的方法可减少中间级损耗并提高噪声系数。
[0066]
在另一实施例中，edfa增益的所要求的形状可能不总是平坦的。在该实施例中，增益的形状是可配置的(configurable)。在一些场合中，在输入功率上可能存在有一大的增加的增益波动或raman效应引入的增益倾斜，但是输出功率需要保持平坦。在这种情况下，增益形状可能需要由dge调谐。
[0067]
在公式6中，edfa增益可为由输入功率谱和目标输出谱来计算的一矢量。
[0068]
gain
edfa
(i)＝power
edfa-out
(i)+power
edf-in(i)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式9)
[0069]
在该公式9中，power
edf-in
(i)为edfa输入功率谱。edfa中的power
edfa-out
(i)可为目标功率谱。它们可为所需的或用于系统设计的任意的谱。
[0070]
图7示出一示例的edfa增益形状可由输入功率谱和输出功率谱推导出。输入功率谱706可为一三角形的曲线706，所需的输出功率谱可为一正斜线(positive slope)704。基于输入功率谱和所需的输出功率谱，增益形状702可被确定。输入功率可从例如设备的用户(例如通信系统运营商或供应商的客户)获知。输出功率可从例如设备的用户(例如通信系统运营商或供应商)获知。图7的示例中的增益形状702可为一有斜率的三角形的曲线702。一般而言，输入功率、增益和输出功率的任意形状可被采用。
[0071]
图8示出dge衰减形状802(点划线)和目标edfa增益形状804(虚线)旁侧的实际edfa增益形状806(实线)。目标输出功率804和实际输出功率806之间的误差可以很小。
[0072]
本创新性的控制方法即使在这种情况下也将可以找到最小dge损耗设定，这将可以在与针对所述各种实施例说明的方式相同的方式下最小化中间级的平均损耗并改善噪声系数。
[0073]
图9是示出用于dge控制的一示例方法的一框图。方法900可由图3a的dge实施例执行。在步骤910，所述方法可包括扫描输入功率。例如，所述模块可确定放大器模块的输入功率。在步骤920，所述方法可包括确定一目标输出功率谱。目标输出谱可例如在制造过程中被预定或由一用户编程。在其它实施例中，目标输出谱可在运行期间被确定。在步骤930，所述方法可包括计算所需的增益。在步骤940，所述方法可包括确定是否所述方法执行初始运行(第一次运行)。如果所述方法执行初始运行(“是”路径)，所述方法可行进至950。在步骤950，所述方法可校准增益。回到步骤940，如果方法执行一第二次或后续的运行(“否”路径)，那么所述方法可行进至步骤960。认识到的是，这些步骤仅仅是示例性的，且其它顺序和布局也是可能的。
[0074]
在步骤960，所述方法可调整参数k。在步骤970，所述方法可例如基于电流信号来计算插入损耗。在步骤980，所述方法可扫描功率谱。在步骤990，所述方法可确定是否edfa增益满足一些准则。例如，准则可为符合增益形状或基于设计或用户偏好的其它准则。如果edfa增益满足准则，那么所述方法可以结束。如果edfa增益不满足准则，那么所述方法可行
进至步骤995。在步骤995，所述方法可确定增益误差并行进至步骤930。
[0074]
]应理解的是，在所公开的过程中步骤的特定的顺序或层次是示例性方法的说明。基于设计偏好，应当理解的是，在所述过程中步骤的特定的顺序或层次可以重新布置。此外，一些步骤可以组合或省略。随附的方法权利要求以一样例的顺序给出了各个步骤的要素，但不意味着限于所给出的特定的顺序或层次。
[0075]
前述说明提供为能使本领域的任何技术人员实践本文说明的各个方面。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言将是便捷清楚的，并且本文定义的一般原理可应用于其它方面。因此，权利要求书不旨在限于本文中所给出的方面，而是应被赋予与语言权利要求一致的完整的范围，其中对单数形式的一元素的参照不意图表示“一个且仅一个”，除非那样地具体说明，否则是“一个以上”。除非另有明确说明，否则术语“一些(some)”是指一个以上。与贯穿本公开说明的各个方面的元素等同的本领域普通技术人员已知的或以后将知晓的所有的结构和功能均通过援引明确地并入本文并且旨在由权利要求书涵盖。此外，本文中没有任何公开内容对于公众而言是专用的，不管这种公开内容是否明确地列举在权利要求书中。没有任何权利要求的元素将被解释为手段加功能，除非该元素采用短语“用于
……
的手段”来明确地被列举出。