适合于城域网智能型双通道光纤放大器

摘要

本发明提供一种适合于城域网智能型双通道光纤放大器，只用一个泵浦源，由可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给多套掺铒光纤，控制电路分别根据各路输入及输出端光探测器的监控信号来控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。可调谐光功率分配器是通过一个偏振分束器和一个偏振旋光器来实现，当出射光投射到一个偏振分束器上时，两个输出端的偏振光的光功率实际上由偏振旋光器控制。偏振分束器采用一种可以将P偏振光和S偏振光分开或合并的纳米光栅材料，让非偏振入射光的P偏振光全穿过，S偏振光全反射；可调谐光功率分配器还可以是基于步进马达驱动的反射率渐变金属膜的可调谐光功率分配器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适合于城域网智能型双通道光纤放大器，属于光纤放大器技术领域。特别适合于城域网DWDM(密集波分复用)系统和CWDM(粗波分复用)系统。

背景技术

掺铒光纤放大器EDFA及(密集波分复用器)DWDM是两项造就近年来光纤通信产业辉煌成就的最重要的技术。EDFA+DWDM对于长途点对点通信而言，不仅因为波长复用，从而导致容量倍增，而且以同时光信号直接放大取代了每一个通道单独OEO(光→电→光转换)中继从而大大降低了单位带宽的成本。随着长途光纤通信干线建设的日趋成熟，光纤通信技术发展的重点已开始转向城域网及接入网领域，对于城域网而言，各站点之间的通信容量一般要小很多。为了使路由选择具有更多的灵活性，以及支持在城域网中多种通信协议，多种设备并存的状况，仍有许多系统设备商在城域网中选用DWDM技术，但其用法已与过去长途DWDM的用法有较大不同。图1所示是一种较流行的波长使用规划。

如图1所示：一般一个站点涉及的4波长会安排在一个子波段中，该子波段中的4个波长可以用一对子波段滤波器在网络中上下。也有许多厂商在城域网中选用CWDM方案，该方案对激光器及滤波器的要求较低，因此成本下降。无论哪种方案，在城域网中，需要采用EDFA的情况仍然较多。虽然各站点间的距离较短，但由于站点密度高，上下路频繁，许多不是直通的联接，会在途中受到较大的损耗。另外在城域网中，光信号的监控，网络管理显得更为重要，它们也会增加一部分附加损耗。事实上，根据RHK的统计数据，2001年城域网EDFA销售额增长了300％，与此同时，长途干线EDFA下降了70％。RHK还预测2002～2005年，城域网EDFA会以每年40％～50％增长。容易理解的是，在城域网中，EDFA必须低价，因为很多波长需要同时放大的情况已经不再存在。在网络中需要放大的波长往往不能够和其它波长一起平分成本。事实上在城域网中，在单个或单个子波段波长上下时使用前置放大器或后置放大器较多，否则当某一波长或子波段在途中需要放大时，其它的波长也要先均衡功率，再一起放大。而这些波长可能本来并不需要放大就可以到达目的地。虽然也可以使用先下路，放大，再上路的方法对个别波长在途中“加油”。但是MPI(Multi-PathInterference)问题可能会使其他波长的信号质量受到严重损害。MPI危害的原理如图2所示。假设滤波器的隔离度为20dB，EDFA(掺铒光纤放大器)的放大增益为20dB。当将需要放大的信号波长λ₁下路，通过下话路滤波器时因为滤波器的隔离度有限，相邻波段的信号λ也会有一部分一起被选择下路，两部分信号λ₁+λ/100通过EDFA(掺铒放大器)放大后变为λ₁×100+λ，再通过上话路滤波器送回网络时信号又变为λ₁×100+λ/100。直通信号通过两滤波器后的插损很小，约仍为λ。两条不同路径传送着相同的λ信号，λ和λ/100两者之间会有严重干扰，导致信号质量严重受损。除低价之外，城域网中使用的EDFA还应该满足大动态范围可调的要求，即输入光功率可能在一个很大的范围内变化，要求的增益可能从2dB至20dB以上。这不仅是因为在城域网中各站点之间的间距有长有短，而且是为了避免各相邻波长之间的串扰以及非线性光学效应如4波混频效应。这后两者的问题在城域网中可能比在长途网中更为突出。因为在同一根光纤中传输的不同光波长可能有20dB以上的光功率差别。既要满足低价，又要具有大动态可调范围，这实际上是一个矛盾。这可能是为什么北美一些EDFA厂商在推出1000$价位的EDFA以后，并没有受到市场认可的原因。

在双通道EDFA方面，以前已有许多专利。如美国专利US5926590、US6490386。采用一个泵浦光源同时支持两套以上的掺纤光纤也已有所闻，但上述设计中泵浦光源的光功率资源均是固定分配给两个方向或不同的通道，缺乏灵活性，并且光功率往往不能充分的加以利用。

发明内容

本发明的目的是设计一种对城域网中环形或Mesh(网孔)等拓扑结构都特别适合的、经济型的智能型双通道光纤放大器。这种双通道放大模块可以用于终端设备，可以对收和发两个通道同时进行放大，对于收和发通道走不同路径时，该模块可以灵活调整收、发两边的增益，使有限的光功率资源能得到一个最佳分配。

本发明的技术方案：适合于城域网智能型双通道光纤放大器主要包括泵浦源、掺铒光纤、波分复用器、隔离器，只用一个泵浦源，由可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给多套掺铒光纤，控制电路分别根据各路输入及输出端光探测器的监控信号来控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。

所述的适合于城域网智能型双通道光纤放大器，由一个可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给两套掺铒光纤，控制电路分别根据两路输入及输出端光探测器的监控信号来控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。

所述的适合于城域网智能型双通道光纤放大器，两套掺铒光纤的长度及浓度分别按前置放大器和后置放大器的参数要求优化选用。

所述的适合于城域网智能型双通道光纤放大器，可调谐光功率分配器是通过一个偏振分束器和一个偏振旋光器来实现，当出射光投射到一个偏振分束器上时，两个输出端的偏振光的光功率实际上由偏振旋光器控制。

偏振分束器采用一种可以将P偏振光和S偏振光分开或合并的纳米光栅材料，让非偏振入射光的P偏振光全穿过，S偏振光全反射，当泵浦源出射光投射到一个偏振分束器时，控制电路根据两个输出端的偏振光的光功率5％作信号光监测信号，控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。

所述的适合于城域网智能型双通道光纤放大器，可调谐光功率分配器还可以是基于步进马达驱动的反射率渐变金属膜的可调谐光功率分配器，输入光1经过双芯准直器4先射到一个部分反射金属膜8上，部分反射金属膜的镀金层的厚度是由薄至厚均匀递变的，由控制电路控制步进电机10带动调整其位置，两个与光传送方向成45°角的反射镜7和9将光传送方向折回，穿过部分反射金属膜的部分光3由置于反射镜后面的探测器13或14监测，然后经准直器6至出口，被部分反射金属膜反射的部分光2经过双芯准直器4至出口，部分反射金属膜各部分透光度不同，调整部分反射金属膜的位置，便可以控制两个端口输出光的分光比和光功率。

所述的适合于城域网智能型多通道光纤放大器，由两个以上个可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给两套以上的掺铒光纤，具体是一个可调谐光功率分配器分配给两个可调谐光功率分配器，两个分给四个...以此类推，最后将泵浦源的光功率按需要分给对应的多套掺铒光纤。

本发明的优点：本发明与一般的两个EDFA相比，节省了一个泵浦源，一个VOA(可调谐光衰减器)，一套控制电路和一个封装外壳。大大的降低了成本。

本发明在同时兼顾降低成本和提高灵活性方面有较大突破，特别适合于城域网DWDM系统和CWDM系统。

附图说明

图1.一个站点涉及的4波长安排在一个子波段中示意图；

图2.MPI危害原理图；

图3.本发明的智能型双通道EDFA主体结构；

图4.基于纳米光栅偏振分束器的可调谐光功率分配器；

图5基于反射率渐变金属膜+步进马达的可调谐光功率分配器；

图6.Mesh拓扑结构中收和发通道走不同路径的示意图；

图7环形结构中收和发通道走不同路径的示意图；

图8、图9应用于单纤单向传输和双纤双通道传输及4波长安排在一个子波段中的情况；

图10应用于单纤双通道传输、图11和图12分别显示应用于单纤双通道传输和双纤双通道传输时的情况。

具体实施方式

针对城域网对EDFA的要求，我们设计了一种智能型双通道EDFA，其主体结构如图3所示，适合于城域网智能型双通道光纤放大器主要包括泵浦源、掺铒光纤、波分复用器、隔离器，它只用一个泵浦光源，用一个可调谐的光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给两套掺铒光纤，两套掺铒光纤的长度及浓度分别按前置放大器和后置放大器最优化选用。控制电路分别根据探测器从输入及输出端耦合器上获取的5％的监控信号来控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。

两种可行的可调谐光功率分配器如图4、图5所示：

图4中可调谐光功率分配器由一个可以将P偏振光和S偏振光分开或合并的偏振分束器和一个偏振旋光器组成。泵浦光经先由双光纤准直器通过偏振旋光器控制泵浦光的偏振态，这里的偏振旋光器采用一种带ITO电极的液晶。通过调节加在两边ITO上的电压V来控制泵浦光的偏振态。偏振分束器可以将P偏振光和S偏振光分开或合并的纳米光栅材料组成，它可以让非偏振入射光的P偏振光全穿过，S偏振光全反射。当泵浦源出射光投射到旋光器和偏振分束器时，控制电路可根据两个输出端的偏振光的光功率5％作信号光探测监控来控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。

ITO是一种光学透明的导电薄膜。

图5中显示了一种与偏振无关的光功率分配器。属于本发明的一部分内容。输入光1从输入端口经过双芯准直器4先射到一个部分反射金属膜8上。部分反射金属膜的结构如图6所示：它包括玻璃基板、玻璃基板底面的防反射膜、上面的镀金层，镀金层是Au/Cr金属膜，膜的厚度是由薄至厚均匀递变的。由控制电路控制步进电机10带动调整其位置。穿过部分反射金属膜的部分光由两个与光传送方向成45°角的反射镜7和9将光传送方向折回，由置于第一个反射镜后面的探测器监测，然后经准直器6至输出端口输出光3。被部分反射金属膜反射的部分光经过双芯准直器4至输出端口输出光2。部分反射金属膜各部分透光度不同，调整部分反射金属膜的位置，便可以控制两个端口输出光的分光比和光功率。13、14是探测器。

图3给出的智能型双通道EDFA主体结构是最基本的单元，本发明可在基本单元的基础上延伸，由两个以上个可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给两套以上的掺铒光纤，具体是一个可调谐光功率分配器分配给两个可调谐光功率分配器，两个分给四个...以此类推如树状，最后将泵浦源的光功率按需要分给对应的多套掺铒光纤。

应用举例及优势分析：

1)我们首先考虑的应用场合是这种双通道放大模块可以用于终端设备，因为可以对收和发两个通道同时进行放大，在一个联接的两端可能只有一个端口需要配置放大器。重要的是，对于收和发通道走不同路径时，该模块可以灵活调整收、发两边的增益，使有限的光功率资源能得到一个最佳分配。这对于在城域网中环形或Mesh等拓扑结构都特别适合。

图7给出在Mesh拓扑结构中收和发通道走不同路径的示意图，由站点1到站点8，收和发都可以走不同的路径，所需的光功率增益都会有所不同。实际施工时，工程技术人员往往到了现场才知道具体的路径，我们这种灵活性很强的双通道EDFA这时会显示出超常的适应性。

图8给出在环形结构中收和发通道走不同路径的示意图。站点1和站点8的之间的双通道通信为例：1发8收时，两站点间需要线路增益，而8发1收时，两站点间不需要线路增益，因此1站点中的双通道EDFA中的泵浦功率应该全部分配给后置放大器，而8站点的双通道EDFA中的泵浦功率应该全部分配给前置放大器。1发5收时和5发1收时，两站点间都需要线路增益，因此1站点中的双通道EDFA中的泵浦功率应该平均分给后置放大器和前置放大器，而5站点的双通道EDFA中的泵浦功率应该平均分配给前置放大器和后置放大器。在实际网络的一个联结的两站点中，往往只有一个站点需要我们这种双通道的EDFA。

2)从系统可靠性考虑，每一通道，无论收或发，系统设计工程师都会在总的损耗/收受机灵敏度上留有一部分富余度，例如，北方电讯公司将富余度设定为＞6dB。在很多情况下，本来不需要光放大器的通道，在考虑了富余度的要求后，变为需要加一个放大器。本发明设计的这种双通道EDFA可以使收和发通道的富余度共享，从而在系统中节省相当一部分EDFA。

图9和图10分别显示应用于单纤双通道传输和双纤双通道传输时的情况。同时还显示如何在一个站点将四个波长安排在一个子波段中，并用一对子波段滤波器在网络中上下。

3)对于CWDM系统，相邻串扰的影响比较小。这种双通道EDFA也可以结合上下滤波器进行中继放大。

图11和图12分别显示应用于单纤双通道传输和双纤双通道传输时的情况。值得一提的是，在实际网络中，中继EDFA很难放置在正好中间位置，或者说，收和发通道所需的增益可能不是50％对50％。本发明这种EDFA模块可以调整给两边通道一个任意所需的增益比。

本发明的核心是只用一个泵浦源，由一个可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给两套掺铒光纤，控制电路分别根据输入及输出端光探测器的监控信号来控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。以及由基本单元延伸，由两个或更多个可调谐光功率分配器将泵浦源的光功率按需要分给两套以上的掺铒光纤。因此，无论具体方式有什么变化，均属于本发明的保护范围。