带有反馈控制光放大器的系统 【技术领域】
本发明涉及具有光放大器的系统，特别是关于将被传送的信号波分复用(WDM)的系统以及这种系统中的控制方法。
现有技术发展状态
波分复用(WDM)是这样一种技术，它允许利用不同的分离的光波长使多个光信号通过光纤传输。以这种方式使信息携带能力显著增大。这种能力取决于光纤的带宽，所用波长信道的数量以及在实践中波长信道彼此靠近的程度。在每个波长上的信号与其他信号彼此独立地通过光纤传送，所以每个信号代表大带宽中的离散信道。
当信号被发送到远距离时，必须以重复的间隔使信号再生或放大。对于这后一种做法，可以用例如光放大器。光放大器可以由掺铒光纤(erbium doped optical fibre)构成，这种光纤是由大功率半导体激光器泵激(pumped)而成的，在下文中把这种激光器称作泵激激光器(pumpLaser)。
光放大器与其电对应物的区别在于：光放大器试图保持输出功率恒定，而电放大器具有恒定放大率。
如果有意地或由于故障使信道数目改变，则输出功率恒定这一事实会产生问题。所以希望能控制输出功率。先前已知，可借助主控音调(pilot tine)来控制光放大器中的放大率(见EP 0 637 148 A1)。同一个主控音调被调制到每个被复用地波长上。系统中的每个放大器根据主控音调确定被发送的波长的总数，并对放大器的放大率提供相应的调节。或者可使用前馈(feed-forward)控制，或者可使用反馈控制。该专利文件还指出，除了对信道数目进行计数外，还能测量在各信道上主控音调的振幅，以提供更好的调节。
先前还知道(见GB 2 294 170)，在各种变体中可在放大器输出端测量总的光功率并将其与一参考电压进行比较，借以控制放大器。这提供了一个控制放大器的反馈信号。此外，信道个数能被计数，并以此来调整其调节量。
还已知道(见US 4,991,229)通过只测量一个波长信道的功率来控制光放大器。这是借助WDM耦合器对该信道进行滤波并对该信道进行检测来完成的。要不然，则按前面描述的那样实现反馈控制。
本发明的概述
先前已知的只通过对信道个数进行计数来控制光放大器输出功率的技术存在的一个问题在于，信道个数只是放大器输出功率的一个粗略度量。另一个问题是：当一主控音调被调制到一个波长信道中的数据上时，该系统变得对扰动敏感得多，因为“1”和“0”受到了影响，因而数据可能丢失。
在EP 0 637 148 A1中指出，可测量被迭加的主控音调的振幅。这种测量方法的问题在于同时测量所有信道上的振幅会是困难的。再有，当主控音调被迭加到另一信号上时，要测量其小振幅会是困难的和费时的。
在放大器输出端测量总功率存在的一个问题是必须同时对信道数目计数。
在放大器输出端只在一个信道上测量光功率所存在的一个问题是需要一个昂贵的WDM耦合器来对该信道滤波。
本发明的一个目的是通过指定至少一个信道单独用于功率控制来解决这些问题。至少一个已知的检测信号在该信道上被发送并测量其振幅。如果使用了若干个检测信号，则取其平均值。
能以多种不同方式测量振幅。一种简单和省钱的方式是使用一个通用光耦合器从放大器输出端分流出光来。借助窄带滤波器进行滤波能提取出检测信号，在这种情况下的检测信号是正弦信号或类似信号，然后测量其振幅。可以想象，该检测信号也可以是一个例如数字信号。
这样做的优点在于测量将更快、更可靠，而且被传送的数据不受扰动。另一个优点是检测信号可被赋予双重目的，做法是在某个其他位置让他有其他应用。
先前已知解决方案的另一个问题是泵激激光器仍很昂贵。在本发明的一个实施例中的解决办法是：把一个泵激激光器用于至少两个不同的放大器，而对每个放大器使用单独的镇流(ballast)激光器负责放大器功率控制。然后通过多路复用器把镇流激光器耦合到放大器输入端从而影响放大器的输入功率，从而间接地影响其输出功率。这样做的优点是它不那么昂贵。
在镇流激光器构想的一个实施例中，使用了冗余耦合。这是通过使两个放大器共用两个泵激激光器来实现的。每个泵激激光器能控制两个放大器中的任何一个或者同时控制这两个放大器。这样做的优点是显著提高了防止故障能力。
附图简述
图1表示根据现有技术所优化的用于五个信道的光系统的方框图。
图2表示如图1所示同一系统的方框图，但只存在两个信道。
图3表示本发明一个实施例的方框图，这里是通过一个泵激激光器来控制放大器。
图4表示图3中若干细节的方框图。
图5表示本发明一个实施例的方框图，这里通过镇流激光器来控制两个放大器。
图6表示图5的一个变体的方框图，这里冗余地耦合了两个泵激激光器。
最佳实施例
一个光放大器可由一个掺铒光纤构成，这种光纤是由大功率半导体激光器之类泵激而成的，下文中把这种激光器称作泵激激光器。
图1显示根据先有技术使用波分复用优化于五个信道8a、8b、8c、8d及8e的光系统。这个系统可以是例如电话系统的一部分。在该光系统中，光放大器1有恒定输出功率。该放大器由泵激激光器2控制。光纤6从系统中的其他节点引入放大器1，光纤7从放大器1引向系统中的其他节点。在光纤6中，能有7个信道被加入或去掉。在所示实例中，4个信道8a、8c、8d、8e通过第一光纤6进入放大器1，它们被放大并在第二光纤7中离开放大器。其后另一信道8b从发射机3加入到放大器中。然后，所有信道8a、8b、8c、8d、8e将具有相同强度，而其中一个被选定的信道8d能被滤波器4读出，该滤波器选定被选定信道8d的特定波长并把它送到接收机5。所有信道8a、8b、8c、8d、8e随着它们传输得更远而减小强度，但由于它们强度相等，所以放大它们时没有问题。
图2显示的系统与图1的系统相同。在这种情况下，系统仍被优化于五个信道，但只有第一信道8a进入放大器1。于是这个单一信道8a将近似于若有4个信道被放大时信号强度的4倍。这是由于这样的事实：光放大器的总输出功率原则上是恒定的，也就是说，输出功率实际上主要取决于与放大器耦合的泵激激光器2的输出功率，而不那么依赖对放大器1的输入功率。
然后，当第二信道8b被加入时，信道8a和8b将不再是那么强了，这便造成问题。滤波器4实际上不是理想的，于是当滤波器4试图选出第二信道8b时，第一信道8a将占主导地位，因为它如此之强，从而能发生串音(cross talk)。
这样，便特别希望能控制放大器各信道的输出功率。
由于光放大器的输出功率主要取决于与放大器耦合的泵激激光器的输出功率，根据本发明便能够通过按图3所示方式控制泵激激光器来解决上述问题。光放大器11由泵激激光器11控制。为了控制放大器11的信道输出功率，使用了一个反馈控制电路，它的功能是测量光放大器11的信道输出功率并提供过程值PV。在控制器15中，该过程值15与所希望的信道输出功率(即设置点SP)进行比较，它根据控制器15的编程，发出一个过程命令信号PD，该信号通过泵激激光器12来控制放大器11的信道输出功率，从而达到所希望的输出。当然，这种调节不是瞬时发生的。当过程命令信号PD通过泵激激光器12改变放大器11的信道输出功率时，其状态可能已经改变了，这将需要对放大器11的信道输出功率进行新的测量，于是提供新的过程命令信号PD。这一过程连续地发生，于是造成了一个负反馈控制循环，它以一定延时调节放大器11的信道输出功率，于是该信道输出功率总是在希望值附近。
控制器15是一传统的PID控制器(比例-积分-差分)。简单地说，控制器15的这三个不同项可概括如下：一个大的比例项能使控制器增速，但通常也会降低稳定性。引入积分项会消除过程命令信号中的长时误差，但降低其稳定性，该项越大越是如此。差分项的引入能改善其稳定性，但对于噪声大的测量信号，差分会是困难的。需要根据对控制提出哪些要求来小心地对所述各项加权。
若干个波长信道穿过放大器11。在至少一个检测信号信道中没有数据被传输。那里传输至少一个已知的检测信号A，它用于指示放大器11的信道输出功率。检测信号A可以是一个主控音调，一个数字信号，或者任何其他信号，只要它能被检测出来。
检测该检测信号的一种有利方法是在检测信号信道上测量其振幅。如果使用了若干个检测信号A，则振幅平均值是适用的。另一种方法是使用数字检测信号A并把它读出来。当然，让多个不同的检测信号A在不同的检测信号信道中通过也是可能的。
在放大器11之后，使用光多路信号分离器13将光分流，并使光传输到检测块14，并在检测信号信道中将检测信号A读出。多路信号分离器13可以是一个WDM耦合器，通用光耦合器或类似装置。与通用光耦合器相比，WDM耦合器将提供来自检测块14的更高的STN比值，因此数据信道没有被选择，但是，另一方面，WDM耦合器更昂贵。为了在使用通用光耦合器的情况下改善信号噪声比，在检测器块14之前耦合一个光滤波器(图中未画出)。
图4显示如何能实现图3中所示检测器块14的一些细节。要在两个检测信号上测量振幅，而在本情况中它们是主控音调并在同一信道中发送。
图4中检测器块14有一光二极管27、线性放大器28、振幅测量块31、检测器32、以及音调发生器29。
光二极管可以是PN(正-负)型的，或PIN(正-纯-负)型的。光从光放大器11的输出端分流出来，并通过光二极管27和线性放大器28转换成电压。它在振幅测量块31中被测量。
主控音调可有频率位于50-60kHz之间，其间距可为例如6kHz。音调发生器29用于为振幅测量提供参考信号，其作法是向振幅测量块31馈入两个正弦波或类似信号，其频率比主控音调频率高2kHz，即在52-62kHz范围内。于是，主控音调与其相应参考信号的频率差将是2kHz，但可能会出现其他频率，那么应被滤掉。
振幅测量块31由两个大约2kHz的带通滤波器和两个振幅测量表构成，这样得到两个主控音调的振幅。其结果被模/数转换并馈入检测器32，在那里取得两个振幅的平均值，并把依赖输出功率的过程值PV送到控制器15。控制器如前文所述那样工作并发送过程命令信号PD，它间接控制光放大器11的输出功率。
泵激激光器仍然相当昂贵。上述发明的一个变体示于图5。为了在这种情况中能够使用单一泵激激光器12来泵激两个光放大器11a和11b，过程命令信号PD被从控制器15耦合到单独的镇流激光器16，它比泵激激光器便宜。在这种情况中正是由镇流激光器来提供控制，而泵激激光器只被用于泵激放大器。
镇流激光器16的波长不同于信道波长，而镇流激光器16的光通过多路复用器17(它可以是一个WDM耦合器、通用光耦合器或其他类似物)被多路复用到通向放大器输入端的光纤。WDM耦合器在理论上有较低的衰减，但使用通用光耦合器可能是最实际的。耦合系数应该最好是低的(1-15％)以避免光纤中的衰减。
如果若干个放大器11a或11b被串联，镇流激光器的波长必须被滤掉。所以使用波长1530nm是适当的，因为许多放大器已经在其中包括了1530nm滤波器以压低放大器中的振幅峰值。
当然，按上述方式允许单-泵激激光器控制不只两个放大器也是可能的。在其他方面，根据图5的实施例与图3中的实施例工作方式相同。
如果希望增加安全性，也能用镇流激光器16，它示于图6。其耦合与图5中相同，其不同点是使用了两个泵激激光器12a和12b。这些是冗余耦合的，于是两个放大器共享泵激激光器12a和12b。这样做的好处在于：如果泵激激光器12a或12b失灵，则借助剩余泵激激光器对其泵激功率加倍，放大器11a和11b将仍能工作。
在本实施例中使用更多放大器和泵激激光器也是可能的。
当使用泵激激光器时，当然还能用其他已知方法读取检测信号。例如，能测量至少一个预先确定信道上的总功率。另一种方法是把一个或多个检测信号A调制到所有信道的信号上，然后测量检测信号A的振幅。然而，这样会干扰信道中的数据传输，而且由于在那种情况下检测信号振幅将会较小，所以与检测信号有其自己的信道的情况相比，其测量要较为困难。
作为测量放大器11输出功率的另一种方法，不使用任何检测信号，代之以一个对信道计数然后测量放大器11总输出功率的装置，这样做也是可能的。然后将总输出功率除以信道数。只对信道数目计数而不同时测量输出功率只能提供放大器11输出功率的粗略度量。
在上述各实施例中，反馈总是由放大器输出端处的光分流来完成的。如果代之以放大器输出端处的光分流，则将是前馈控制。前馈控制需要比反馈知道更多的系统性能，因为人们不能看到结果，所以前馈更难于实现。如果说反馈更可靠的话，则前馈更迅速。利用对系统的精确测量，前馈是能够实现的。于是，使用非线性控制器装置代替传统的PID控制器会更为有利。