CN101416428B - 在光纤通信线路中使用拉曼放大器调整osnr的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于选择光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器(FRA)的增益G_f和光纤传输线路的接收端处的光信噪比(OSNR)之间的关系的方法，该光纤传输线路满足实际长传输线路的限制。该方法包括使用调整函数ROSNR来选择上述关系，该调整函数可以写成简化公式的形式，也可以写成在FRA增益的实际范围内的一个或多个线性近似的形式。

Description

在光纤通信线路中使用拉曼放大器调整OSNR的方法

技术领域

本发明涉及一种设计、建立和管理包含诸如拉曼放大器等大功率光学放大器的光网络的方法。

背景技术

在现有技术中有许多计算和调整光通信网络中光信噪比(OSNR)的解决方案。特别是，有许多用于控制和调整包含拉曼光放大器的光线路中的OSNR的方法。

图1(现有技术)给出了一个典型的单跨距(span)光通信系统10。实际上，这样的系统可能包含若干个跨距。

所述系统10最初包含位于系统的发射端的多路复用装置12，位于系统的接收端的多路解复用装置14，在发送端的光放大器(EDFA)13和接收端的EDFA17之间用于传输多路复用光信号的光纤链路15，以及紧邻链路的接收端插入的后向拉曼放大器(BRA)18。系统设计者的目的在于链路的接收端的任一信道接收器的输入端OSNR大于该接收器的OSNR容限，即是误比特率(BER)仍然优于比如说通常可接受的标准值10^-12的最小OSNR。所需OSNR必须大于接收器的OSNR容限+系统设计者所选择的余量。改善系统OSNR的可能方法之一是通过使用EDFA13的功率放大器的输出功率，使施加到光纤的输入功率提高到可能的最大值。可能的最大值通常由系统非线性界限设定。

本领域技术人员应当知晓，在高功率级别上，非线性现象比如自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)以及四波混频(FWM)会导致信号失真以及系统的性能(或者BER)降低。

系统的非线性界限应当作如下理解。当网络在非线性界限下工作时，非线性恶化(由于光纤中的非线性作用引起的性能降低)不超过系统设计者确定的值(比如，1或2GB)。实际上，非线性界限的越过可以解释为系统的一种条件，即施加于光纤的功率增加导致所述相同BER所需实际OSNR的增加。通常，当光线路的性能不能再通过其自身资源而改进同时不越过其非线性界限时，网络设计者在线路中插入前向拉曼放大器(FRA)。

图1为此阐明了在链路15的始端插入FRA 16(由虚箭头标出)。

不少文献，例如1)Essiambre et al.IEEE photon.Techn.Lett.Vol.14，pp.914(2002)；2)Perline and Winful.IEEE photon.Techn.Lett.Vol.14，pp.1199(2002)解释了前向拉曼放大器(FRA)能够让系统设计者增加施加于光纤的有效输入功率，由此改善系统OSNR，而不越过非线性界限。

以上文献提出了各种各样但相当复杂的数学公式以能够在理论上计算特定通信系统所需的FRA功率。然而，这些以及其他一些之前的工作适用于过于一般的系统；很难将他们的包括很多系统参数的计算方法应用到实际系统中。

申请人所知，现有技术没有给出一个简单有效的关于如何估计FRA所需增益的建议，用于在实际光通信系统中获得设计的OSNR值。同样，也没有找到在实际系统中的有效OSNR调整的建议。

发明目的

因此本发明的目的在于提供为系统设计者提供一种简单的工具，使能够在光通信线路中有效地运用FRA并且在线路的接收端实现OSNR调整。

发明内容

在设计光线路时，获得所期望的OSNR值的问题至少包括以下三个子问题：

a)在需要时为光线路选择合适的拉曼放大器；

b)调整线路的接收端的OSNR，使其不低于接收器容限；和

c)为通过光线路传输的各个光信道调整接收端处的OSNR。

本发明人已经获得了能够用于工作于基本接近非线性界限的任意实际长传输系统的公式，该公式表明所需前向拉曼放大器(FRA)的增益能够相当精确地由所期望的OSNR提高值唯一确定，并且由此可以获得几乎线性的调整函数，该函数用于由FRA增益调节引起的OSNR进行细微调整。

实际上，本发明人已经发现通过合适地选取FRA增益值，就能够取得任何合理的OSNR改善(比如说，高达5dB)。

本发明人还发现当在工作于基本接近非线性界限的长传输系统中增加和调整FRA时，所期望的OSNR增量实际上并不取决于后向拉曼放大器BRA的增益(如果系统中包含的话)以及其他很多通常在现有技术所描述的理论公式中出现的参数。

长传输系统应当被理解为这样一种光通信系统，在该系统中，分别与光纤跨距的发送端和接收端相关联的两个光网络节点之间的光纤跨距中的功率损耗值L要远大于与其发送端相关联的FRA(前向拉曼放大器)的工作增益值G_f。

L>>G_f

如果BRA(后向拉曼放大器)已经在相同的系统(跨距)接收端中存在，那么上述条件应当被理解为

L>>Max of(G_f，G_b)，

其中，G_f为FRA的工作增益值，

G_b为BRA的工作增益值，如果存在的话，

L为光纤跨距中的功率损耗，作为无源光纤的特性，仅仅取决于光纤长度和质量。

优选地，功率损耗值L比增益值G_f高出至少一个数量级(大约10dB)，增益值G_f也被称为“开关增益”(如果BRA存在，那么称为G_b的“开关增益”)。

通常情况下BRA增益与FRA增益处于同一数量级。然而，即使在G_b>>G_f的情况下，长传输系统的条件仍然可以保持一致，并可以重写为L>>G_b。

例如，本发明人所发现的上述公式应用到具有增益为G_f＝10dB的FRA的光跨距中，那么光跨距的功率损耗L大概为20dB或者更高。

在本文描述中，术语“增益”将会间断地与本领域中可接受的术语“开关增益”一起使用。

特别是，在本发明人为工作于接近非线性界限的实际长传输系统设计的认为实际可行的一系列假设之下，本发明人表明通过在光纤跨距的发送端引入FRA，接收端的光信号的OSNR就能够根据OSNR改善值R_OSNR的函数而得到改善，该函数近似线性(或者至少近似于线性部分)：

R_OSNR＝G_f/R_NL      (1)

其中G_f为FRA开关增益，R_NL为FRA的被称为非线性增强因数，可由下式确定：

R_NL＝μG_f(ln(G_f))^-μ[Γ(μ)-Γ(μ，ln(G_f))]     (2)

其中μ＝α/β，

α为信号波长上的光纤衰减(实际上为C波段上的平均光纤衰减)，可从每条特定光纤得到，β为拉曼泵浦波长的光纤衰减(实际上为泵浦波长上的平均值)，Γ(x)和Γ(x，y)分别为Gamma函数和不完全Gamma函数。

应当注意，尽管各条光纤上的系数α和β可能稍有不同，但是它们的比率μ＝α/β几乎保持恒定。本领域技术人员可以很容易得到上述表达式(2)的其余分量。

由于新式的FRA包含两个拉曼泵浦，泵浦之间的同步操作使为每个传输信号波长取相等拉曼增益成为可能。因此，完全相同的公式(2)实际上可以应用于多信道信号的每一个光信道上。

此外，本发明人已经表明在FRA开关增益为0-20dB的实际范围内，光传输线路的接收端的OSNR改善值R_OSNR的函数可以近似分为以下线性区段：

R_OSNR＝0.39G_f，对于0dB<G_f≤6dB     (3)

R_OSNR＝0.27G_f+0.7对于6dB<G_f≤13dB  (4)

R_OSNR＝0.2G_f+1.55对于13dB<G_f≤20dB  (5)

可选地，在0-12dB的范围内，函数可以近似为：

R_OSNR＝0.35G_f对于0dB<G_f≤12dB     (6)

适当的计算和验证实验已经进行过，并且已经证明了建议的方法。

简而言之，当设计传输线路时，针对长光纤光传输线路，本发明人建议选择能够达到根据公式(1)计算出的某个“开关”增益的FRA，以所需的量来改善线路的OSNR。

根据这种形式，本发明人提出了一种选择前向拉曼放大器(FRA)的方法，该放大器(FRA)插入到给定光纤光传输线路的发送端，用于在所述传输线路的接收端处提供改善的OSNR，所改善的程度不低于所需的改善量R_OSNR，该方法包括通过使用OSNR改善值的调整函数(R_OSNR)来确定所述FRA的(工作)增益G_f的所需值，该函数基本上近似于下式定义：

R_OSNR＝G_f/R_NL      (1)

其中R_NL是FRA的非线性增强因数：

R_NL＝μG_f(ln(G_f))^-μ[Γ(μ)-Γ(μ，ln(G_f))]    (2)

其中μ＝α/β，

α为在信号波长上的光纤衰减，

β为拉曼泵浦波长的光纤衰减，

Γ(x)和Γ(x，y)分别为Gamma函数和不完全Gamma函数；

如果以下两个条件满足的话，该方法可实施：

给定光纤传输线路在非线性界限下工作，

给定光纤传输线路的功率损失L远大于确定的增益G_f。

可以考虑选择能够达到不低于所需增益G_f的增益值的FRA。

该方法可能进一步包括在光纤传输线路的发送端插入所选择的FRA(即能够达到不低于增益G_f的增益值的FRA)。

此外，发明人建议增加一个步骤，根据所述公式(1)所表示的调整函数，通过调节所述FRA的增益来调整(校准，微调)传输线路接收端的OSNR。

由于任何拉曼放大器都包括泵浦，增益调整可以通过控制所述FRA的泵浦来实现。

发明人还提出了另一种方法，用于在其发送端包含现有的FRA的真实给定的光纤传输线路中调整OSNR的方法；该方法包括：

使用基本上由公式(1)表达的调整函数，通过调节所述FRA的增益来调整所述传输线路的接收端处的OSNR。

假设给定传输线路在没有越过非线性界限的情况下工作，并且L>>G_f，其中：

G_f为现有的FRA的工作(或者实际)增益值，

L为给定光纤传输线路的功率损耗值。

对于上述两种方法，功率损耗L应当比所确定的增益G_f高出大约一个数量级。

在给定传输线路最初包括后向拉曼放大器BRA的情况下，传输线路应当满足条件：功率损耗L远大于G_f和G_b之间的最大值(比如，高出大约一个数量级)，其中G_b为BRA的工作(或者实际)增益值。

调整OSNR的步骤实际上包括对于某个需要的OSNR改善值，FRA的增益被调节一个由所述调整函数得到的值。

选择FRA的方法，以及在包含FRA的线路中调整OSNR的方法，实质上都可以通过使用调整函数(1)的近似线性来简化。

应当知道的是，调整函数能够被表示为根据公式3，4，5的线性近似和。

上述方法最终能够通过使用针对实际所需的FRA增益区间和OSNR增长区间的调整函数的特定线性区段来简化。

此外，对于通过所述传输线路传输的多信道光业务量，发明人建议调整OSNR，以便在“最差”光信道中达到所述需要的OSNR的改善值，其中最差光信道被认为是在当前使用的FRA增益值G_f下具有最低OSNR的光信道。

在一个特定实施例中，光纤传输线路包括在线路的传送端和接收端之间的单光纤跨距。

需要补充的是，上述方法可以应用于一种光系统，该光系统由包含多个光跨距的光纤传输线路形成，每个光跨距都在近似非线性界限下工作并且装备有FRA，这样所有所述FRA的G_f值大致上相同；其中每个跨距满足要求L>>G_f，或者在多个光跨距的任意一个装备有BRA的情况下满足要求L>>Max of(G_f，G_b)。系统的OSNR就可以如公式1，公式6和/或公式3，4，5中所示的那样通过同步调节每个跨距的FRA增益G_f而进行调整。

一般而言，发明人发现了一种方法，用于选取光纤传输线路的发送端的前向拉曼放大器(FRA)的增益G_f和光纤传输线路的接收端的信噪比(OSNR)之间的关系，该传输线路满足上述提到的关于长线路的所有限制；其中该方法包括使用调整函数R_OSNR来选取上述关系，所述调整函数R_OSNR可以写成如公式(1)的形式，或者写成一个或多个在FRA增益为0-12dB或0-20dB的实际范围内的线性近似的形式。

比如调整函数可以写成一个或多个的形式，或者写成如下所示的线性近似和的形式：

R_OSNR＝0.39G_f，对于0dB<G_f≤6dB    (3)

R_OSNR＝0.27G_f+0.7对于6dB<G_f≤13dB    (4)

R_OSNR＝0.2G_f+1.55对于13dB<G_f≤20dB    (5)

更加近似地，调整函数可以写成单一线性近似区间的形式，该单一线性近似区间包括了更加受限的FRA增益的实际范围：

R_OSNR＝0.35G_f    0dB<G_f≤12dB    (6)

上述一般方法可以应用于：

a)通过调节线路的发送端处现有的FRA的增益，调整给定传输线路的接收端处的OSNR；

b)选择插入到光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器(FRA)，用于在所述传输线路的接收端处提供所需的OSNR或OSNR的改善。

发明人所披露和经检验的关系式提供了一种令人惊讶地简单而方便的工具，用于帮助网络设计者确定FRA开关增益，从而保证达到所需的OSNR或所需的系统的OSNR的改善。

附图说明

本发明将进一步通过以下非限制性附图来更详细地描述，如下：

图1为包含配置了BRA和FRA的长传输线路的多信道通信系统的简化框图。

图2为发明人所建议的用于长光纤传输线路的调整函数在最常使用的FRA增益的区间和OSNR变化的区间内的示意图。

图3为图2中所示函数的线性近似。

图4为在FRA增益的区间比图1所示更大的范围内调整函数的示意图。

图5，6，7为图4所示的调整函数的各个不同区段，其中在FRA增益的不同区间内该函数的局部线性近似。

具体实施方式

图1与背景技术的描述相关。

图2图示出发明人所提出的调整函数，用于确定FRA的开关增益的最小值，如果该FRA与长光纤传输线路的发送端相关联，并且被要求在光纤跨距的接收端处取得一定程度的OSNR改善。

一个典型的长光纤传输线路如图1所示的单跨距(15)。

让我们考虑这个例子，线路满足以下两个条件：它在非线性界限下工作(不具备任何非线性效应)，并且它的光纤损耗L远大于FRA(16)的最大增益值G_m。如果，比如现有的FRA的G_m是10dB，那么当线路长到足够产生大约20dB或者更多的光纤损耗时，该方法能被精确地应用。反过来也是一样地，如果相当长的给定传输线路还不具有拉曼放大器并且它需要特定的OSNR改善的话，那么上述方法能够快速估计所需的FRA增益。

根据公式(1)建立的调整函数能够用于FRA增益的大部分实际区间，即从0到12dB。

上述图表能够获得关于如何选取(获得)FRA增益的实用答案，用于在长传输线路的接收端处获得特定所需的OSNR的改善。

应当知道的是，所关注的传输线路可以包括多个类似于跨距15的光纤跨距，每个光纤跨距都包括FRA和BRA，这些FRA和BRA的增益大致相同并且满足上述两个条件。在这种情况下，可以使用相同的调整函数，通过同步调节每个跨距中的FRA的增益来调整线路的接收端处的OSNR。

如图3所示，出于简单实用的原因，调整函数(1)可以被相当精确地近似，使得所需的OSNR的改善变为FRA的开关增益的线性函数。

实际上，对于FRA的开关增益的0-12dB的实际区域，用于长光纤传输线路的OSNR改善函数可以被线性化为下式：

R_OSNR＝0.35G_f        (6)

图3为OSNR改善与FRA开关增益之间的精确函数(虚线)和近似函数(实线)。

图4为用于长光纤传输线路，在FRA增益G_f的更大范围内(从0到20dB)所建立的调整函数。为了以合理精确度在实践中运用上述函数，将该函数划分为一定数量的更小区段并且分别线性化这些区段是有用的。

图5为图4所示的在FRA增益G_f从0到6dB的范围内的上述调整函数的局部线性近似。该函数近似如下：

R_OSNR＝0.39G_f，对于0dB<G_f≤6dB     (3)

图6为图4所示的在FRA增益G_f从6到13dB的范围内上述调整函数的局部线性近似。该函数近似如下：

R_OSNR＝0.27G_f+0.7对于6dB<G_f≤13dB     (4)

图7为图4所示的在FRA增益G_f从13到20dB的范围内上述调整函数的局部线性近似。该函数近似如下：

R_OSNR＝0.2G_f+1.55对于13dB<G_f≤20dB    (5)

如图3，5，6和7所示的上述近似的调整函数可以被网络设计者用于实际估计所需FRA的增益G_f，以用于获得线路的接收端处的OSNR的特定改善，并且进一步可以用于增益的调节——增益值的特定区间中的每一个。

在这些图中，调整函数用虚线表示，近似线性化函数用实线表示。

清楚地是，在不改变本发明的原理的前提下，描述调整函数的公式(1)和公式(2)可以稍做改变，所述改变后的公式(调整函数)应当被认为是本发明的一部分。

Claims (15)

1.一种用于选择光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器FRA的增益G_f和光纤传输线路的接收端处的光信噪比OSNR之间的关系的方法，此时

所述传输线路在非线性界限下工作，所述光纤传输线路的功率损失L远大于所选择的增益值G_f；

所述方法包括使用OSNR改善的调整函数R_OSNR来选择上述关系，该函数由下式被定义：

R_OSNR＝G_f/R_NL          (1)

其中R_NL为FRA的因数，其由下式被计算：

R_NL＝μG_f(ln(G_f))-μ[Γ(μ)-Γ(μ，ln(G_f))]         (2)

其中μ＝α/β，

α为在信号波长上的光纤衰减，

β为拉曼泵浦波长的光纤衰减，

Γ(x)和Γ(x，y)分别为Gamma函数和不完全Gamma函数。

2.一种用于选择光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器FRA的增益G_f和光纤传输线路的接收端处的光信噪比OSNR之间的关系的方法，此时

所述传输线路在非线性界限下工作，所述光纤传输线路的功率损失L远大于所选择的增益值G_f；

所述方法包括使用调整函数R_OSNR来选择上述关系，所述调整函数R_OSNR为在FRA增益为0到20dB的实际范围内的一个或多个如下线性段的形式：

R_OSNR＝0.39G_f，对于0dB＜G_f≤6dB            (3)

R_OSNR＝0.27G_f+0.7对于6dB＜G_f≤13dB         (4)

R_OSNR＝0.2G_f+1.55对于13dB＜G_f≤20dB        (5)。

3.一种用于选择光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器FRA的增益G_f和光纤传输线路的接收端处的光信噪比OSNR之间的关系的方法，此时

所述传输线路在非线性界限下工作，所述光纤传输线路的功率损失L远大于所选择的增益值G_f；

所述方法包括使用调整函数R_OSNR来选择上述关系，所述调整函数R_OSNR为在FRA增益为0到12dB的实际范围内的如下线性段的形式：

R_OSNR＝0.35G_f对于0dB＜G_f≤12dB        (6)。

4.如权利要求1所述的方法，用于选择所述前向拉曼放大器FRA，所述前向拉曼放大器被插入到给定所述光纤传输线路的发送端，用于在所述传输线路的接收端处提供OSNR的改善，其改善程度不低于R_OSNR，该方法包括通过使用所述调整函数R_OSNR来确定所述FRA的所需要的增益值G_f。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括在光纤传输线路中插入FRA的步骤，所述FRA能够达到不低于G_f的增益值，并且还包括通过调节所述FRA的增益来调整传输线路的接收端处的OSNR的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，用于在给定所述光纤传输线路中调整OSNR，所述光纤传输线路在其发送端处包含现有的所述FRA，此时

给定传输线路在非线性界限下工作，且L＞＞G_f，其中：

G_f为现有的FRA的工作增益值，

L为给定光纤传输线路的功率损耗值；

该方法包括使用所述调整函数R_OSNR，通过调节所述FRA的增益来调整所述传输线路的接收端处的OSNR。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述传输线路最初包括后向拉曼放大器BRA，并且满足条件：功率损耗L远大于值G_f和值G_b之间的最大值，其中G_b为BRA的工作增益值。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述调整函数以其线性近似的形式被使用。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述调整函数以在FRA增益为0到20dB的实际范围内的一个或多个如下线性近似的形式被使用：

R_OSNR＝0.39G_f对于0dB＜G_f≤6dB            (3)

R_OSNR＝0.27G_f+0.7对于6dB＜G_f≤13dB       (4)

R_OSNR＝0.2G_f+1.55对于13dB＜G_f≤20dB      (5)。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述调整函数以在FRA增益为0到12dB的实际范围内的如下线性近似的形式被使用：

R_OSNR＝0.35G_f对于0dB＜G_f≤12dB           (6)。

11.如权利要求6所述的方法，其中所述光纤传输线路包括一个或多个在所述线路的发送端和接收端之间延伸的光跨距，每个所述跨距都工作于非线性界限并且装备有FRA，这样所有所述FRA的G_f值彼此相同；其中每个跨距满足要求L＞＞G_f，或者在所述光跨距的任意一个中还装备有BRA的情况下满足要求L＞＞Max of(G_f，G_b)；

该方法包括根据公式(1)，和/或所述调整函数在FRA增益为0到20dB的实际范围内的如下线性近似，通过同步调节每个跨距的G_f来调整所述线路的OSNR：

R_OSNR＝0.39G_f对于0dB＜G_f≤6dB           (3)

R_OSNR＝0.27G_f+0.7对于6dB＜G_f≤13dB      (4)

R_OSNR＝0.2G_f+1.55对于13dB＜G_f≤20dB     (5)。

12.如权利要求1、2和3中的任何一个所述的方法，其中所述传输线路最初包括后向拉曼放大器BRA，并且满足条件：功率损耗L比确定的增益G_f大一个数量级，或者比G_f和G_b之间的最大值大一个数量级，其中G_b为BRA的工作增益值。

13.如权利要求5-11中的任何一个所述的方法，其中调整OSNR的步骤包括把所述FRA的增益调节一个值，该值由所述调整函数针对所需要的OSNR改善值而产生。

14.如权利要求5-11中的任何一个所述的方法，其中所述FRA增益的调节通过控制所述FRA的泵浦而实现。

15.如权利要求5-11中的任何一个所述的方法，其中调整多信道光信号的OSNR的步骤是通过调整光信道的OSNR而实现，所述光信道在当前使用的FRA增益值G_f下具有最低OSNR。

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