專利名稱：適合于城域網智能型雙通道光纖放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，屬于光纖放大器技術領域。特別適合于城域網DWDM(密集波分復用)系統(tǒng)和CWDM(粗波分復用)系統(tǒng)。
背景技術：
摻鉺光纖放大器EDFA及(密集波分復用器)DWDM是兩項造就近年來光纖通信產業(yè)輝煌成就的最重要的技術。EDFA+DWDM對于長途點對點通信而言，不僅因為波長復用，從而導致容量倍增，而且以同時光信號直接放大取代了每一個通道單獨OEO(光→電→光轉換)中繼從而大大降低了單位帶寬的成本。隨著長途光纖通信干線建設的日趨成熟，光纖通信技術發(fā)展的重點已開始轉向城域網及接入網領域，對于城域網而言，各站點之間的通信容量一般要小很多。為了使路由選擇具有更多的靈活性，以及支持在城域網中多種通信協(xié)議，多種設備并存的狀況，仍有許多系統(tǒng)設備商在城域網中選用DWDM技術，但其用法已與過去長途DWDM的用法有較大不同。圖1所示是一種較流行的波長使用規(guī)劃。
如圖1所示一般一個站點涉及的4波長會安排在一個子波段中，該子波段中的4個波長可以用一對子波段濾波器在網絡中上下。也有許多廠商在城域網中選用CWDM方案，該方案對激光器及濾波器的要求較低，因此成本下降。無論哪種方案，在城域網中，需要采用EDFA的情況仍然較多。雖然各站點間的距離較短，但由于站點密度高，上下路頻繁，許多不是直通的聯(lián)接，會在途中受到較大的損耗。另外在城域網中，光信號的監(jiān)控，網絡管理顯得更為重要，它們也會增加一部分附加損耗。事實上，根據(jù)RHK的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2001年城域網EDFA銷售額增長了300％，與此同時，長途干線EDFA下降了70％。RHK還預測2002～2005年，城域網EDFA會以每年40％～50％增長。容易理解的是，在城域網中，EDFA必須低價，因為很多波長需要同時放大的情況已經不再存在。在網絡中需要放大的波長往往不能夠和其它波長一起平分成本。事實上在城域網中，在單個或單個子波段波長上下時使用前置放大器或后置放大器較多，否則當某一波長或子波段在途中需要放大時，其它的波長也要先均衡功率，再一起放大。而這些波長可能本來并不需要放大就可以到達目的地。雖然也可以使用先下路，放大，再上路的方法對個別波長在途中“加油”。但是MPI(Multi-PathInterference)問題可能會使其他波長的信號質量受到嚴重損害。MPI危害的原理如圖2所示。假設濾波器的隔離度為20dB，EDFA(摻鉺光纖放大器)的放大增益為20dB。當將需要放大的信號波長λ1下路，通過下話路濾波器時因為濾波器的隔離度有限，相鄰波段的信號λ也會有一部分一起被選擇下路，兩部分信號λ1+λ/100通過EDFA(摻鉺放大器)放大后變?yōu)棣?×100+λ，再通過上話路濾波器送回網絡時信號又變?yōu)棣?×100+λ/100。直通信號通過兩濾波器后的插損很小，約仍為λ。兩條不同路徑傳送著相同的λ信號，λ和λ/100兩者之間會有嚴重干擾，導致信號質量嚴重受損。除低價之外，城域網中使用的EDFA還應該滿足大動態(tài)范圍可調的要求，即輸入光功率可能在一個很大的范圍內變化，要求的增益可能從2dB至20dB以上。這不僅是因為在城域網中各站點之間的間距有長有短，而且是為了避免各相鄰波長之間的串擾以及非線性光學效應如4波混頻效應。這后兩者的問題在城域網中可能比在長途網中更為突出。因為在同一根光纖中傳輸?shù)牟煌獠ㄩL可能有20dB以上的光功率差別。既要滿足低價，又要具有大動態(tài)可調范圍，這實際上是一個矛盾。這可能是為什么北美一些EDFA廠商在推出1000$價位的EDFA以后，并沒有受到市場認可的原因。
在雙通道EDFA方面，以前已有許多專利。如美國專利US5926590、US6490386。采用一個泵浦光源同時支持兩套以上的摻纖光纖也已有所聞，但上述設計中泵浦光源的光功率資源均是固定分配給兩個方向或不同的通道，缺乏靈活性，并且光功率往往不能充分的加以利用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種對城域網中環(huán)形或Mesh(網孔)等拓撲結構都特別適合的、經濟型的智能型雙通道光纖放大器。這種雙通道放大模塊可以用于終端設備，可以對收和發(fā)兩個通道同時進行放大，對于收和發(fā)通道走不同路徑時，該模塊可以靈活調整收、發(fā)兩邊的增益，使有限的光功率資源能得到一個最佳分配。
本發(fā)明的技術方案適合于城域網智能型雙通道光纖放大器主要包括泵浦源、摻鉺光纖、波分復用器、隔離器，只用一個泵浦源，由可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給多套摻鉺光纖，控制電路分別根據(jù)各路輸入及輸出端光探測器的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，由一個可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套摻鉺光纖，控制電路分別根據(jù)兩路輸入及輸出端光探測器的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，兩套摻鉺光纖的長度及濃度分別按前置放大器和后置放大器的參數(shù)要求優(yōu)化選用。
所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，可調諧光功率分配器是通過一個偏振分束器和一個偏振旋光器來實現(xiàn)，當出射光投射到一個偏振分束器上時，兩個輸出端的偏振光的光功率實際上由偏振旋光器控制。
偏振分束器采用一種可以將P偏振光和S偏振光分開或合并的納米光柵材料，讓非偏振入射光的P偏振光全穿過，S偏振光全反射，當泵浦源出射光投射到一個偏振分束器時，控制電路根據(jù)兩個輸出端的偏振光的光功率5％作信號光監(jiān)測信號，控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，可調諧光功率分配器還可以是基于步進馬達驅動的反射率漸變金屬膜的可調諧光功率分配器，輸入光1經過雙芯準直器4先射到一個部分反射金屬膜8上，部分反射金屬膜的鍍金層的厚度是由薄至厚均勻遞變的，由控制電路控制步進電機10帶動調整其位置，兩個與光傳送方向成45°角的反射鏡7和9將光傳送方向折回，穿過部分反射金屬膜的部分光3由置于反射鏡后面的探測器13或14監(jiān)測，然后經準直器6至出口，被部分反射金屬膜反射的部分光2經過雙芯準直器4至出口，部分反射金屬膜各部分透光度不同，調整部分反射金屬膜的位置，便可以控制兩個端口輸出光的分光比和光功率。
所述的適合于城域網智能型多通道光纖放大器，由兩個以上個可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套以上的摻鉺光纖，具體是一個可調諧光功率分配器分配給兩個可調諧光功率分配器，兩個分給四個...以此類推，最后將泵浦源的光功率按需要分給對應的多套摻鉺光纖。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明與一般的兩個EDFA相比，節(jié)省了一個泵浦源，一個VOA(可調諧光衰減器)，一套控制電路和一個封裝外殼。大大的降低了成本。
本發(fā)明在同時兼顧降低成本和提高靈活性方面有較大突破，特別適合于城域網DWDM系統(tǒng)和CWDM系統(tǒng)。


圖1.一個站點涉及的4波長安排在一個子波段中示意圖；圖2.MPI危害原理圖；
圖3.本發(fā)明的智能型雙通道EDFA主體結構；圖4.基于納米光柵偏振分束器的可調諧光功率分配器；圖5基于反射率漸變金屬膜+步進馬達的可調諧光功率分配器；圖6.Mesh拓撲結構中收和發(fā)通道走不同路徑的示意圖；圖7環(huán)形結構中收和發(fā)通道走不同路徑的示意圖；圖8、圖9應用于單纖單向傳輸和雙纖雙通道傳輸及4波長安排在一個子波段中的情況；圖10應用于單纖雙通道傳輸、圖11和圖12分別顯示應用于單纖雙通道傳輸和雙纖雙通道傳輸時的情況。
具體實施例方式
針對城域網對EDFA的要求，我們設計了一種智能型雙通道EDFA，其主體結構如圖3所示，適合于城域網智能型雙通道光纖放大器主要包括泵浦源、摻鉺光纖、波分復用器、隔離器，它只用一個泵浦光源，用一個可調諧的光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套摻鉺光纖，兩套摻鉺光纖的長度及濃度分別按前置放大器和后置放大器最優(yōu)化選用?？刂齐娐贩謩e根據(jù)探測器從輸入及輸出端耦合器上獲取的5％的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
兩種可行的可調諧光功率分配器如圖4、圖5所示圖4中可調諧光功率分配器由一個可以將P偏振光和S偏振光分開或合并的偏振分束器和一個偏振旋光器組成。泵浦光經先由雙光纖準直器通過偏振旋光器控制泵浦光的偏振態(tài)，這里的偏振旋光器采用一種帶ITO電極的液晶。通過調節(jié)加在兩邊ITO上的電壓V來控制泵浦光的偏振態(tài)。偏振分束器可以將P偏振光和S偏振光分開或合并的納米光柵材料組成，它可以讓非偏振入射光的P偏振光全穿過，S偏振光全反射。當泵浦源出射光投射到旋光器和偏振分束器時，控制電路可根據(jù)兩個輸出端的偏振光的光功率5％作信號光探測監(jiān)控來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
ITO是一種光學透明的導電薄膜。
圖5中顯示了一種與偏振無關的光功率分配器。屬于本發(fā)明的一部分內容。輸入光1從輸入端口經過雙芯準直器4先射到一個部分反射金屬膜8上。部分反射金屬膜的結構如圖6所示它包括玻璃基板、玻璃基板底面的防反射膜、上面的鍍金層，鍍金層是Au/Cr金屬膜，膜的厚度是由薄至厚均勻遞變的。由控制電路控制步進電機10帶動調整其位置。穿過部分反射金屬膜的部分光由兩個與光傳送方向成45°角的反射鏡7和9將光傳送方向折回，由置于第一個反射鏡后面的探測器監(jiān)測，然后經準直器6至輸出端口輸出光3。被部分反射金屬膜反射的部分光經過雙芯準直器4至輸出端口輸出光2。部分反射金屬膜各部分透光度不同，調整部分反射金屬膜的位置，便可以控制兩個端口輸出光的分光比和光功率。13、14是探測器。
圖3給出的智能型雙通道EDFA主體結構是最基本的單元，本發(fā)明可在基本單元的基礎上延伸，由兩個以上個可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套以上的摻鉺光纖，具體是一個可調諧光功率分配器分配給兩個可調諧光功率分配器，兩個分給四個...以此類推如樹狀，最后將泵浦源的光功率按需要分給對應的多套摻鉺光纖。
應用舉例及優(yōu)勢分析1)我們首先考慮的應用場合是這種雙通道放大模塊可以用于終端設備，因為可以對收和發(fā)兩個通道同時進行放大，在一個聯(lián)接的兩端可能只有一個端口需要配置放大器。重要的是，對于收和發(fā)通道走不同路徑時，該模塊可以靈活調整收、發(fā)兩邊的增益，使有限的光功率資源能得到一個最佳分配。這對于在城域網中環(huán)形或Mesh等拓撲結構都特別適合。
圖7給出在Mesh拓撲結構中收和發(fā)通道走不同路徑的示意圖，由站點1到站點8，收和發(fā)都可以走不同的路徑，所需的光功率增益都會有所不同。實際施工時，工程技術人員往往到了現(xiàn)場才知道具體的路徑，我們這種靈活性很強的雙通道EDFA這時會顯示出超常的適應性。
圖8給出在環(huán)形結構中收和發(fā)通道走不同路徑的示意圖。站點1和站點8的之間的雙通道通信為例1發(fā)8收時，兩站點間需要線路增益，而8發(fā)1收時，兩站點間不需要線路增益，因此1站點中的雙通道EDFA中的泵浦功率應該全部分配給后置放大器，而8站點的雙通道EDFA中的泵浦功率應該全部分配給前置放大器。1發(fā)5收時和5發(fā)1收時，兩站點間都需要線路增益，因此1站點中的雙通道EDFA中的泵浦功率應該平均分給后置放大器和前置放大器，而5站點的雙通道EDFA中的泵浦功率應該平均分配給前置放大器和后置放大器。在實際網絡的一個聯(lián)結的兩站點中，往往只有一個站點需要我們這種雙通道的EDFA。
2)從系統(tǒng)可靠性考慮，每一通道，無論收或發(fā)，系統(tǒng)設計工程師都會在總的損耗/收受機靈敏度上留有一部分富余度，例如，北方電訊公司將富余度設定為＞6dB。在很多情況下，本來不需要光放大器的通道，在考慮了富余度的要求后，變?yōu)樾枰右粋€放大器。本發(fā)明設計的這種雙通道EDFA可以使收和發(fā)通道的富余度共享，從而在系統(tǒng)中節(jié)省相當一部分EDFA。
圖9和圖10分別顯示應用于單纖雙通道傳輸和雙纖雙通道傳輸時的情況。同時還顯示如何在一個站點將四個波長安排在一個子波段中，并用一對子波段濾波器在網絡中上下。
3)對于CWDM系統(tǒng)，相鄰串擾的影響比較小。這種雙通道EDFA也可以結合上下濾波器進行中繼放大。
圖11和圖12分別顯示應用于單纖雙通道傳輸和雙纖雙通道傳輸時的情況。值得一提的是，在實際網絡中，中繼EDFA很難放置在正好中間位置，或者說，收和發(fā)通道所需的增益可能不是50％對50％。本發(fā)明這種EDFA模塊可以調整給兩邊通道一個任意所需的增益比。
本發(fā)明的核心是只用一個泵浦源，由一個可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套摻鉺光纖，控制電路分別根據(jù)輸入及輸出端光探測器的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。以及由基本單元延伸，由兩個或更多個可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套以上的摻鉺光纖。因此，無論具體方式有什么變化，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，主要包括泵浦源、摻鉺光纖、波分復用器、隔離器，其特征在于只用一個泵浦源，由可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給多套摻鉺光纖，控制電路分別根據(jù)各路輸入及輸出端光探測器的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，其特征在于由一個可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套摻鉺光纖，控制電路分別根據(jù)兩路輸入及輸出端光探測器的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
3.根據(jù)權利要求2所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，其特征在于兩套摻鉺光纖的長度及濃度分別按前置放大器和后置放大器的參數(shù)要求優(yōu)化選用。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，其特征在于可調諧光功率分配器是通過一個偏振分束器控制泵浦光的偏振態(tài)，當出射光投射到一個偏振分束器上時，多個輸出端的偏振光的光功率實際上由偏振分束器控制。
5.根據(jù)權利要求4所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，其特征在于偏振分束器采用一種可以將P偏振光和S偏振光分開或合并的納米光柵，讓非偏振入射光的P偏振光全穿過，S偏振光全反射，當泵浦源出射光投射到一個偏振分束器時，控制電路根據(jù)兩個輸出端的偏振光的光功率5％作信號光監(jiān)測信號，控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，其特征在于可調諧光功率分配器是基于步進馬達驅動的反射率漸變金屬膜的可調諧光功率分配器，輸入光(1)經過雙芯準直器(4)先射到一個部分反射金屬膜(8)上，部分反射金屬膜的鍍金層的厚度是由薄至厚均勻遞變的，由控制電路控制步進電機10帶動調整其位置，兩個與光傳送方向成45°角的反射鏡(7)和(9)將光傳送方向折回，穿過部分反射金屬膜的部分光(3)由置于反射鏡后面的探測器(13)監(jiān)測，然后經準直器6至出口，被部分反射金屬膜反射的部分光2經過雙芯準直器4至出口，部分反射金屬膜各部分透光度不同，調整部分反射金屬膜的位置，便可以控制兩個端口輸出光的分光比和光功率。
7.根據(jù)權利要求1所述的適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，其特征在于由兩個以上可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給兩套以上的摻鉺光纖，具體是一個可調諧光功率分配器分配給兩個可調諧光功率分配器，兩個分給四個...以此類推，最后將泵浦源的光功率按需要分給多套摻鉺光纖。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適合于城域網智能型雙通道光纖放大器，只用一個泵浦源，由可調諧光功率分配器將泵浦源的光功率按需要分給多套摻鉺光纖，控制電路分別根據(jù)各路輸入及輸出端光探測器的監(jiān)控信號來控制泵浦源的分光比及泵浦功率的大小?？烧{諧光功率分配器是通過一個偏振分束器和一個偏振旋光器來實現(xiàn)，當出射光投射到一個偏振分束器上時，兩個輸出端的偏振光的光功率實際上由偏振旋光器控制。偏振分束器采用一種可以將P偏振光和S偏振光分開或合并的納米光柵材料，讓非偏振入射光的P偏振光全穿過，S偏振光全反射；可調諧光功率分配器還可以是基于步進馬達驅動的反射率漸變金屬膜的可調諧光功率分配器。
文檔編號H04J14/02GK1567008SQ0312822
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者劉 文 申請人:武漢光迅科技有限責任公司