CN101789829A - 分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，包括如下步骤：第一步，取得当前泵浦的输出功率和信号光输入功率谱；之后，由所述输入功率与设定的目标增益得到增益误差，判断所述增益误差是否大于设定的门限值，如是，执行对所述泵浦增益瞬态预控制的前馈调节；否则，执行对所述泵浦增益反馈控制的反馈调节；当进入前馈调节时，调节当前泵浦，并返回上述第一步；当进入反馈调节时，调节当前泵浦，并返回第一步。本发明还涉及一种分布式拉曼光纤放大器增益控制装置。实施本发明的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置，具有以下有益效果：其调节速度快、其过程不易发散，减少收敛时间，提高系统性能。

Description

分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置

技术领域

本发明涉及光传输领域，更具体地说，涉及一种分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置。

背景技术

随着光纤通信系统传输容量、传输距离的增加，光网络对密集波分复用(DWDM)系统的设计提出了新的挑战。DWDM系统中传输速率和带宽不断提升，基于掺铒光纤放大器(EDFA)的波分复用技术已不能满足光通信发展的要求。拉曼光纤放大器可有效的弥补EDFA的不足，人们对RFA的兴趣正来源于这种放大器可提供整个光纤波长波段的放大。理论上通过适当改变泵浦光波长，可以在任意波段内提供光放大。如果采用多波长泵浦技术，即可实现超宽带放大。此外，分布式拉曼光纤放大器的分布式放大特点不仅能够减弱光纤非线性的影响，而且能够有效地抑制信噪比(SNR)的劣化。

随着全光开关的应用，上下载信道对饱和放大器引起的动态特性已经引起了人们的注意。现代光网络真朝着智能全光DWDM网络发展，在这样的网络中大量使用R-OADM(reconfigurable optical add-drop multiplexer)以及光交叉联接(optical cross-connect)技术。在DWDM光通信网络中上下信道、系统重构、或者由于光网络故障而失去某些信道时，都会使拉曼光纤放大器发生瞬态过程，发生瞬态效应，引起明显的非线性效应，导致系统信噪比降低，同时由于通道的分出和插入，增益的迅速改变，使得在接收端超过接收适配电平而出现误码率，影响剩余信道的通信质量。在光放大器级联的光网络中这种影响尤其明显。

现有技术中对光放大器增益的控制大多在如何实现增益控制功能上，未考虑拉曼光纤放大器的分布式系统与增益瞬态特性，没有涉及大误差产生时系统性能和误差收敛速度问题。如输入光发生较大改变，或者增益设置和增益谱斜率设置时候。现有技术调节速度慢，易发散。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述调节速度慢，易发散，未考虑拉曼光纤放大器的分布式系统与增益瞬态特性，难以满足实时快速响应的缺陷，提供一种调节速度快、其过程不易发散的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，包括如下步骤：

A)取得当前泵浦的输出功率和信号光输入功率谱；

B)由所述输入功率与设定的目标增益得到增益误差，判断所述增益误差是否大于设定的门限值，如是，执行对所述泵浦增益瞬态预控制的步骤C)；否则，执行对所述泵浦增益反馈控制的步骤D)；

C)进入前馈调节，调节当前泵浦，并返回步骤A)；

D)进入反馈调节，调节当前泵浦，并返回步骤A)。

在本发明所述的控制方法中，所述步骤B)进一步包括：

B1)依据当前泵浦功率、拉曼增益矩阵、当前信号波长和信号功率通过解拉曼放大器传输方程得到预测增益；

B2)比较所述预测增益和目标增益得到所述增益误差。

在本发明所述的控制方法中，所述步骤C)进一步包括：取得并将前馈调节量作为预调节量控制本级泵浦输出功率；所述前馈调节量为：

∑P=∑P’+∑E*(∑∑G)^-

其中，∑P’为当前泵浦功率，∑E为增益误差，(∑∑G)^-为拉曼增益矩阵的逆矩阵。

在本发明所述的控制方法中，所述步骤D)进一步包括如下步骤：

D1)得到输出功率谱，并依据输入功率得到当前增益谱；

D2)对所述当前增益谱抽样，计算增益谱误差；

D3)通过所述增益谱误差得到反馈调节量；

D4)输出所述反馈调节量控制本级泵浦输出。

在本发明所述的控制方法中，步骤D2)中抽样样本数为所述泵浦个数。

在本发明所述的控制方法中，所述步骤D2)还包括如下步骤：

D21)抽样，采取等信道数法，泵浦个数为m，信道数为n，计算nm＝(n-1)/(m-1)，然后从第一个信道开始，每隔nm个信道取样一次样本。如果nm为的非负整数，则nm＝round(nm)；如果nm为0，则抽样为信道1。

D22)在所述抽样样本的基础上取得其实际增益谱；

D23)比较所述实际增益谱和目标增益谱得到增益谱误差。

在本发明所述的控制方法中，所述步骤D3)中反馈调节量为：

∑ΔP＝k*∑ER*(∑∑G)^-

其中，k为收敛因子，其取值在0到1之间，∑ER为增益谱误差，(∑∑G)^-为拉曼增益矩阵的逆矩阵。

本发明还涉及一种分布式拉曼光纤放大器增益控制装置，包括：

监测模块：用于监测并取得各信道的输出功率，其设置于所述分布式拉曼光纤放大器的输出端，包括依次串接的耦合器、光电探测阵列和数模转换阵列；

处理控制模块：接收输入参数，计算并输出控制信号；

泵浦控制模块：设置在所述泵浦和所述处理控制模块之间，接收所述处理控制模块输出的控制信号，控制本级泵浦的输出功率；

网络管理模块：与所述处理控制模块连接，用于接收通过网络传输来的输入信号功率谱。

在本发明所述的控制装置中，所述处理控制模块进一步包括设置模块、抽样模块、计算模块和判断模块；所述设置模块用于设置参数，包括目标增益谱；所述抽样模块用于在接收到的当前泵浦输出功率谱中按所述泵浦数量抽样；所述计算模块用于计算当前增益、增益误差、增益谱误差和前馈调节量或反馈调节量；所述判断模块用于判断所述增益误差与门限值的大小，并确定进行前馈控制或反馈控制。

在本发明所述的控制装置中，所述计算模块进一步包括增益误差计算单元、增益谱误差计算单元、前馈调节量计算单元、反馈调节量计算单元；所述增益误差计算单元用于计算当前预测增益与目标增益之间的差；所述增益谱误差计算单元用于计算当前实际增益与目标增益之间的差；所述前馈调节量计算单元用于依据所述增益误差、当前输出功率和拉曼矩阵计算所述前馈调节量；所述反馈调节量计算单元用于依据增益谱误差和所述拉曼矩阵计算所述反馈调节量。

实施本发明的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置，具有以下有益效果：根据不同的输入变化，在输入变化较大时，采用前馈调节方式(瞬态预控制)，而在输入变化较小时采用反馈调节方式，且其前馈调节方式所需时间较短，而其反馈调节方式的收敛时间较短，因此，其调节速度快、其过程不易发散。

附图说明

图1是本发明分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置实施例中方法流程图；

图2是图1中反馈调节量的具体获得流程；

图3是所述实施例中装置的结构示意图；

图4是所述实施例中处理模块的结构示意图；

图5是所述实施例中计算模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明分布式拉曼光纤放大器增益控制方法及装置实施例中，其增益控制方法包括如下步骤：

步骤S11设置参数：在本步骤中，包括了参数的设置和参数初始化两个不同的任务，上述不同的任务中又分别包括多个小任务。本步骤在上电工作时或需要重新设置参数时才会执行，在系统正常工作的情况下，不需要执行本步骤。参数的设置包括在随后的步骤中需要使用的目标增益谱和增益谱斜率设置；而参数的初始化包括初始化光纤参数和拉曼增益系数。其中光纤参数主要包括衰减、光纤有效面积、功率相关的衰减斜率。拉曼增益系数主要为不同波长泵浦源功率、不同波长信号功率和信号增益之间的对应关系。其表现为矩阵形式。光纤参数和拉曼参数可通过模拟获得，也可通过预先实验测量获得。

步骤S12取得当前输入信号功率、当前输出信号功率：在本步骤中，取得当前的输入信号功率和当前的输出信号功率，其中，上述当前输入信号功率是前一级放大器的输出功率，也即是本级拉曼放大器的输入功率，该功率并不是在本级放大器中测试得到的，而是由上级放大器的输出采集得到，并通过网络管理模块传送到本级放大器的；上述当前输出信号功率是本级放大器的输出功率谱，其由本级的监测模块在本级拉曼放大器输出端耦合、测量而得。

步骤S13得到预测拉曼增益：在本步骤中，依据上述设定或取得的参数，可以得出预测拉曼增益，增益误差预测实际是根据当前泵浦功率∑Pp、拉曼增益矩阵∑G和当前信号数和信号功率大小∑Ps预测拉曼增益。

∑GainP＝f(∑Pp，∑Ps，∑G)

∑EP＝∑GainP-∑GainT

上式中增益谱为各泵浦功率，各信号功率和拉曼增益矩阵的函数。其根据输入的传输光纤的长度、损耗、拉曼相关增益求解如下拉曼放大器传输方程。

$\frac{{\mathrm{dP}}^{\±}(z,v_i)}{\mathrm{dz}}=\stackrel{\‾}{+}\mathrm{\α}\left(v_i\right)P^{\±}(z,v_i)\±\mathrm{\η}\left(v_i\right)P^{\stackrel{\‾}{+}}(z,v_i)$

$\±P^{\±}(z,v_i)\underset{m=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_R(v_m-v_i)}{K_{\mathrm{eff}}{A}_{\mathrm{eff}}}[P^{\±}(z,v_m)+P^{\stackrel{\‾}{+}}(z,v_m)]$

$\±{\mathrm{hv}}_i\underset{m=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_R(v_m-v_i)}{K_{\mathrm{eff}}{A}_{\mathrm{eff}}}[P^{\±}(z,v_m)+P^{\stackrel{\‾}{+}}(z,v_m)][1+{(e^{\frac{h(v_m-v_i)}{\mathrm{kT}}}-1)}^{-1}]\mathrm{\Δv}$

$\stackrel{\‾}{+}{P}^{\±}(z,v_i)\underset{m=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{v_i}{v_m}\frac{g_R(v_i-v_m)}{K_{\mathrm{eff}}{A}_{\mathrm{eff}}}[P^{\±}(z,v_m)+P^{\stackrel{\‾}{+}}(z,v_m)]$

$\stackrel{\‾}{+}2{\mathrm{hv}}_i{P}^{\±}(z,v_i)\underset{m=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{v_i}{v_m}\frac{g_R(v_i-v_m)}{K_{\mathrm{eff}}{A}_{\mathrm{eff}}}[1+{(e^{\frac{h(v_m-v_i)}{\mathrm{kT}}}-1)}^{-1}]\mathrm{\Δ\μ}$

步骤S14得到增益误差：通过上述步骤得出的预测拉曼增益，在本步骤中根据预测拉曼增益和目标增益比较(取其差值)得出增益误差。

步骤S15增益误差大于门限值？判断上述步骤得到的增益误差是否大于门限值，如是，表明增益与预期值相差较大，需要采用前馈调节，于是，执行步骤S16，进行前馈调节；如否，表明增益与预想值相差较小，可以用反馈调节，于是，执行步骤S17，执行反馈调节。

步骤S16得到前馈调节量并发送：在本步骤中，通过计算得到前馈调节量，并将该前馈调节量传送泵浦控制模块，通过该控制模块来调节放大器的泵浦输出功率。其前馈调节量为：

∑P＝∑P’+∑E*(∑∑G)^-

其中，∑P’为当前泵浦功率，∑E为增益误差，(∑∑G)^-为拉曼增益矩阵的逆矩阵。由于上述表达式中各项都已在上述各步骤中得出，本步骤中将其按上述表达式算出即可。由于按照设定选择了前馈调节，因此，在执行完上述步骤后，执行步骤S18。

步骤S17得到反馈调节量：在本步骤中，选择了反馈调节，即通过调节本级泵浦来达到实现增益控制的目的，因此，计算得出反馈调节量，关于如何取得反馈调节量的具体步骤，见稍后关于图2的描述。

步骤S18调节泵浦输出：在本步骤中，使用上述输出的前馈调节量或反馈调节量，控制泵浦的输出功率，并在调节上述泵浦后，返回步骤S12。进入下一循环控制过程。

在本实施例中，上述步骤S17中又可以分为如图2所示的多个步骤，这些步骤包括：

步骤S171得到当前输出功率谱线：在本步骤中，取得输入功率谱，测出实际输出功率谱线，计算实际增益谱GainR。

步骤S172抽样：在本步骤中，在上述输出功率谱中抽样n个不同点，用于计算增益误差ER。抽样n个增益点，n为泵浦个数(即抽样的样本数等于当前泵浦的个数)。在输入光恒定、且n个泵浦光源的泵浦功率和n个信道的增益一一对应的情况下，抽样n个信道基本能代表信号的全部信号量。这些被抽样的监控信道选择可采取等信道数法，泵浦个数为m，信道数为n，先计算nm的值，nm＝(n-1)/(m-1)；然后从第一个信道开始，每隔nm个信道取样一次样本；如果nm为的非负整数，则nm＝round(nm)；如果nm为0，则抽样为信道1。

步骤S173得到增益谱误差：在本步骤中，在上述计算的基础上得到增益谱误差。由于目标增益是已知的，且上述步骤得到当前功率，可以进一步得到实际增益，因此，将目标增益GainT和实际增益GainR之间的差值求出即得到增益误差ER。

步骤S174得到反馈泵浦调节量：在本步骤中，计算输出的反馈泵浦调节量。由于前面我们知道了拉曼增益系数G和实际误差。而增益为泵浦功率和拉曼增益矩阵乘积，如下所示：

∑Gain＝∑P*∑∑G

对上式两边求导，并同时乘以拉曼增益矩阵的逆矩阵。那么可得：

∑ΔP＝∑ER*(∑∑G)^-

由于拉曼泵浦功率对信号是沿光纤作用，需要一定时间。因此在右边乘以一个收敛因子k。得式如下：

∑ΔP＝k*∑ER*(∑∑G)^-(1＞k＞0)

k为调节因子其大小决定实际增益收敛到目标增益的时间。k越大收敛时间越短，反之越长。K的取值在0-1之间可选。

在本实施例中，经过上述步骤，即可实现按照输入功率与目标功率的差别，有针对性的选择泵浦的调节方式(不管是前馈调节还是反馈调节)，从而使得该拉曼光纤放大器可以以较快的调节速度、较不易发散的过程完成该放大器的实时增益控制。

本实施例还涉及一种分布式拉曼光纤放大器增益控制装置，如图3所示，该装置包括光性能监控模块，置于分布式拉曼光纤放大器的输出端处，由耦合器，光电探测阵列和模数转换阵列组成。主要用于监测各信道的输出功率大小；处理控制模块：用于接收用户设置的目标增益，接收上网管系统发来的输入信道数以及各信道的输入功率和波长。根据接收的数据以及系统存储的光纤的性能参数(包括光纤波长相关损耗、有效面积、长度等)、分布式拉曼光纤放大纤放大器各泵浦激光器的波长和它们的驱动电流或电压与输出耦合进入光纤中的光功率的关系，计算出以目标增益为目标，理论上所能达到的最优增益谱型，以及达到该增益谱型所需要的各泵浦激光器的驱动电流或电压并下达驱动命令给分布式拉曼光纤放大器的泵浦光源控制模块。接收光性能监测模块传来的监测数据，当有误差存在时然后进行反馈调节，使输出达到最优增益谱形。在本实施例中，上述处理控制模块主要由ASIC实现，其中包括但不局限于FPGA。ASIC中的中央处理器包括但不局限于Nios软核。

此外，本实施例中的装置还包括泵浦模块，本模块接受中央处理器的控制信息，通过数模转换控制泵浦驱动，使各泵浦发光耦合入传输光纤；同时，在本实施例中，上述装置还包括网络管理模块，网络管理模块通过网络与网管中心或/和前一级光放大器的控制部分连接，接收从上级放大器传来的信号输出功率谱。

在本实施例中，上述的光纤性能参数、各泵浦激光器的波长和它们的驱动电流或电压与输出耦合进入光纤中的光功率的关系预先通过理论计算得出；各泵浦激光器信号的拉曼相关增益通过仿真计算得出。在其他实施例中，上述参数也可以通过实验得出。

在本实施例中，除信号或参数的采集外，大多数功能或计算都是在处理控制模块内实现的。本实施例中，这些功能通过软件功能模块实现。在其他实施例中，也可以通过硬件或固件的方式实现。

这些设置在处理控制模块内的功能模块如图4所示，包括设置模块1、抽样模块2、计算模块3和判断模块4；其中设置模块1用于设置参数，包括目标增益谱和门限值；抽样模块2用于在接收到的当前泵浦输出功率谱中按当前(本级或本地的)泵浦数量抽样；计算模块3用于计算当前增益、增益误差、增益谱误差和前馈调节量或反馈调节量；判断模块4用于判断增益误差与门限值的大小，并决定输出前馈调节量或反馈调节量。

如图5所示，更进一步地，上述计算模块3进一步包括增益误差计算单元31、增益谱误差计算单元32、前馈调节量计算单元33、反馈调节量计算单元34；增益误差计算单元31用于计算当前预测增益与目标增益之间的差；增益谱误差计算单元32用于计算当前实际增益与目标增益之间的差；前馈调节量计算单元33用于依据所述增益误差、当前输出功率和拉曼矩阵计算得到用于预调节本级泵浦的前馈调节量；反馈调节量计算单元34用于依据增益谱误差和所述拉曼矩阵计算作为当前调节的反馈调节量。这些单元及模块在中央处理器的控制下，按照上述方法中所描述的顺序及数据流方向，有序地完成其预定的功能，使得该装置得以正常运行。

总之，分布式拉曼光纤放大器瞬态特性与快速响应控制是一个研究与技术难题，开展分布式拉曼光纤放大器瞬态特性与快速响应控制模式研究，具有技术探索与创新意义，为新一代光纤通信系统发展提供技术依据。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)取得当前泵浦的输出功率和信号光输入功率谱；

B)由所述输入功率与设定的目标增益得到增益误差，判断所述增益误差是否大于设定的门限值，如是，执行对所述泵浦增益瞬态预控制的步骤C)；否则，执行对所述泵浦增益反馈控制的步骤D)；

C)进入前馈调节，调节当前泵浦，并返回步骤A)；

D)进入反馈调节，调节当前泵浦，并返回步骤A)。

2.根据权利要求1所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，所述步骤B)进一步包括：

B1)依据当前泵浦功率、拉曼增益矩阵、当前信号波长和信号功率通过解拉曼放大器传输方程得到预测增益；

B2)比较所述预测增益和目标增益得到所述增益误差。

3.根据权利要求2所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，所述步骤C)进一步包括：取得并将前馈调节量作为预调节量控制本级泵浦输出功率；所述前馈调节量为：

∑P＝∑P’+∑E*(∑∑G)^-

其中，∑P’为当前泵浦功率，∑E为增益误差，(∑∑G)^-为拉曼增益矩阵的逆矩阵。

4.根据权利要求3所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，所述步骤D)进一步包括如下步骤：

D1)得到输出功率谱，并依据输入功率得到当前增益谱；

D2)对所述当前增益谱抽样，计算增益谱误差；

D3)通过所述增益谱误差得到反馈调节量；

D4)输出所述反馈调节量作为当前调节量控制本级泵浦输出。

5.根据权利要求4所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，步骤D2)中抽样样本数为所述泵浦个数。

6.根据权利要求5所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，所述步骤D2)还包括如下步骤：

D21)抽样，采取等信道数法，泵浦个数为m，信道数为n，计算nm＝(n-1)/(m-1)，然后从第一个信道开始，每隔nm个信道取样一次样本；如果nm为的非负整数，则nm＝round(nm)；如果nm为0，则抽样为信道1。

D22)在所述抽样样本的基础上取得其实际增益谱；

D23)比较所述实际增益谱和目标增益谱得到增益谱误差。

7.根据权利要求6所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制方法，其特征在于，所述步骤D3)中反馈调节量为：

∑ΔP＝k*∑ER*(∑∑G)^-

其中，k为收敛因子，其取值在0到1之间，∑ER为增益谱误差，(∑∑G)^-为拉曼增益矩阵的逆矩阵。

8.一种分布式拉曼光纤放大器增益控制装置，其特征在于，包括：

监测模块：用于监测并取得各信道的输出功率，其设置于所述分布式拉曼光纤放大器的输出端，包括依次串接的耦合器、光电探测阵列和数模转换阵列；

处理控制模块：接收输入参数，计算并输出控制信号；

泵浦控制模块：设置在所述泵浦和所述处理控制模块之间，接收所述处理控制模块输出的控制信号，控制本级泵浦的输出功率；

网络管理模块：与所述处理控制模块连接，用于接收通过网络传输来的输入信号功率谱。

9.根据权利要求8所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制装置，其特征在于，所述处理控制模块进一步包括设置模块、抽样模块、计算模块和判断模块；所述设置模块用于设置参数，包括目标增益谱；所述抽样模块用于在接收到的当前泵浦输出功率谱中按所述泵浦数量抽样；所述计算模块用于计算当前增益、增益误差、增益谱误差和前馈调节量或反馈调节量；所述判断模块用于判断所述增益误差与门限值的大小，并确定进行前馈控制或反馈控制。

10.根据权利要求9所述的分布式拉曼光纤放大器增益控制装置，其特征在于，所述计算模块进一步包括增益误差计算单元、增益谱误差计算单元、前馈调节量计算单元、反馈调节量计算单元；所述增益误差计算单元用于计算当前预测增益与目标增益之间的差；所述增益谱误差计算单元用于计算当前实际增益与目标增益之间的差；所述前馈调节量计算单元用于依据所述增益误差、当前输出功率和拉曼矩阵计算所述前馈调节量；所述反馈调节量计算单元用于依据增益谱误差和所述拉曼矩阵计算所述反馈调节量。

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