背景技术
随着光纤通信系统传输容量、传输距离、传输速度的不断提高,以掺铒光纤放大器(EDFA:Erbium-doped Optical Fiber Amplifier)为基础的密集波分复用(DWDM:Dense Wavelength Division Multiplexing)系统已无法满足100G及更高传输速率系统的需求,RFA由于噪声指数低,目前广泛应用于通信系统中,可优化光信噪比(OSNR:Optical Signal Noise Ratio),减小误码率,增大传输距离。
RFA的增益介质是传输光纤本身,故RFA无法同时检测到关泵时的输入功率与开泵时的信号功率,因此RFA的增益控制无法采用EDFA的增益控制方法:通过输入输出监测器的监测结果进行自动增益控制。
以往的RFA输入功率比较小,工作区间主要位于小信号线性放大区。随着带宽的增加,传输系统中的波长数目也越来越多,输入功率的增大导致了RFA的工作范围超出了小信号线性放大区。当RFA工作在线性增益与饱和增益的拐点处、或者饱和增益区时,一旦输入功率发生变化(如加减波),则采用恒定泵浦功率工作模式的RFA将无法满足传输系统的需求。
在传输系统中,不同的客户有着不同的传输光纤,其长度、衰减系数、拉曼增益系数等都有较大差别。采用泵浦功率恒定工作模式的RFA,拉曼增益与出厂时的测试结果可能有较大偏差,在施工过程中需要重新调试,极不方便。同时光纤的老化、温度环境的变化、传输光纤的长度变化、节点损耗等都会影响到拉曼增益。
目前的RFA,一般通过提取信号带内或者带外ASE(Amplified SpontaneousEmission:放大自发辐射)功率实现增益的自动控制。
专利US6373621中采用给泵浦激光器施加调制信号的方法来进行拉曼控制,该方案可操作性差,实际意义不大。文中提出了采用周期性滤波器的方案,同专利02279586.3、02139185.8采用Interleaver的方案类似,周期性滤波器无法兼容不同信号间隔的系统,且体积大成本高,提取出来的ASE串扰很大,控制效果比较差。
专利CN102307068A描述的是通过带外ASE进行拉曼增益锁定的方法。该专利中提到了信号光串扰、OSC(Optical Supervision Channel)信号串扰的处理措施,并提到了系统背景ASE的处理。但该专利仅考虑了拉曼增益与ASE的数学关系,没有考虑输入功率的影响,因此该专利只适合于输入光功率保持不变或者变化范围很小的RFA。
专利CN141261A、CN202513934U中,主要介绍了信号带内、带外ASE的提取方法,至于如何进行RFA的AGC控制,均无提及。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种拉曼光纤放大器自动增益控制方法,本方法适用范围宽,既可用于输入光功率变化较小的拉曼放大器增益控制,也可应用于输入光功率变化范围很大的拉曼放大器增益控制。本发明采用的技术方案是:
不同拉曼增益下,信号输出功率与拉曼放大器本身所产生的ASE之间存在着数学关系式,该数学关系式与增益、输入光大小相关。当RFA增益为G时,其产生的ASE功率与输出功率关系式如公式(1)所示:
PaseT(mw)=f(Pout) (1)
通过实验及模拟,该关系式可以简化为一阶线性关系式:
PaseT(mw)=KG*Pout+CG (2)
上述公式中的功率单位为mw。功率单位为dBm时,公式(2)可转换为:
PaseT=10*log(KG*10(Pout/10)+CG) (3)
基于上述分析,本发明提出的拉曼光纤放大器自动增益控制方法,主要采用下述方法:提取带内或者带外的放大自发辐射ASE功率,调整泵浦激光器的功率,使得拉曼光纤放大器RFA的输出功率与RFA产生的ASE功率趋向于满足公式(3);公式(3)中,PaseT、Pout分别为RFA产生的ASE功率理论值及拉曼输出功率,单位dBm;G为拉曼增益,单位dB;KG、CG分别为该增益下的斜率、截距值。
进一步地,该方法涉及的参数包括:
PaseT:根据公式(3)计算出来的ASE功率理论值,单位dBm;
PaseR:RFA本身所产生ASE功率,单位dBm;
PaseD:ASE功率监测器6探测到的功率,单位dBm;
PaseB:系统背景ASE功率,单位dBm;
PaseBA:系统背景ASE经过RFA放大后的功率,单位dBm;
PoutD:信号功率监测器7探测到的功率,单位dBm;
i:PoutD对PaseD的串扰,单位dB;
该方法的具体步骤包括:
计算PoutD对PaseD的串扰i;
计算PaseB,泵浦关闭,接入信号光,读取PaseD、PoutD,采用公式(5)进行计算:
计算PaseBA,PaseBA与PaseB的关系如公式(6)所示:
PaseBA=PaseB+(G*k+c) (6)
G为拉曼增益,k、c为校正系数;
计算PaseR:设拉曼增益为G,PaseR的计算公式(7)为:
根据当前RFA的输出功率利用公式(3)计算出PaseT,比较PaseR、PaseT,设判定窗口为Δ,分为三种情况:
1)当PaseT-PaseR>Δ时,则实际拉曼增益比理论拉曼增益要小,泵浦功率需要增加;
2)当PaseT-PaseR<-Δ时,则实际拉曼增益比理论拉曼增益要大,泵浦功率需要减小;
3)当|PaseT-PaseR|≤Δ时,则认为实际拉曼增益与理论拉曼增益相符合,泵浦功率保持不变。
本发明还提出了实现上述自动增益控制方法的拉曼放大器,包括:泵浦信号合波器、带外ASE滤波器、分光耦合器、泵浦激光器、ASE功率监测器、信号功率监测器、控制单元;
传输光纤与泵浦信号合波器的公共端相连,泵浦激光器的输出端与泵浦信号合波器的反射端相连,泵浦信号合波器的透射端与带外ASE滤波器的公共端相连,带外ASE滤波器将输入光分成两部分:反射端为带外信号,透射端为带内信号,带外ASE滤波器的透射端与分光耦合器的公共端相连,反射端与带通滤波器的输入端相连;带通滤波器的输出端与ASE功率监测器相连;分光耦合器的辅分光端与信号功率监测器相连,另一端主分光端则为RFA模块的输出端;控制单元根据ASE功率监测器、信号功率监测器的监测数据,调整泵浦激光器的功率,使得RFA输出功率与RFA产生的ASE功率趋向于满足公式(3)。
本发明的优点在于:
1.本方法使用灵活,带内、带外ASE均可用于拉曼增益控制,且与ASE提取方法无关。
2.本方法适用范围宽,既可用于输入光功率变化较小的拉曼放大器增益控制,也可应用于输入光功率变化范围很大的拉曼放大器增益控制。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
不同拉曼增益下,信号输出功率与拉曼放大器本身所产生的ASE之间存在着数学关系式,该数学关系式与增益、输入光大小相关。当RFA增益为G时,其产生的ASE功率与输出功率关系式如公式(1)所示:
PaseT(mw)=f(Pout) (1)
通过实验及模拟,该关系式可以简化为一阶线性关系式:
PaseT(mw)=KG*Pout+CG (2)
上述公式中的功率单位为mw。功率单位为dBm时,公式(2)可转换为:
PaseT=10*log(KG*10(Pout/10)+CG) (3)
公式(3)中,PaseT、Pout分别为RFA产生的ASE功率理论值及拉曼输出功率,单位dBm;G为拉曼增益,单位dB;KG、CG分别为该增益下的斜率、截距值。
本发明的技术方案主要是,提取带内或者带外放大自发辐射ASE功率,调整泵浦激光器的功率,使得拉曼光纤放大器RFA的输出功率与RFA产生的ASE功率趋向于满足公式(3)时,增益控制完成。
带内ASE、带外ASE的提取方法很多,CN102307068A、CN141261A、CN202513934U等专利中均有提及。本发明中的AGC方案,与ASE的提取方法无关,故本发明仅给出RFA带外ASE提取的普通示意图,如图1所示,其中:
器件1:传输光纤,
器件2:泵浦信号合波器,
器件3:带外ASE滤波器,
器件4:分光耦合器,
器件5:泵浦激光器,本文简称泵浦,
器件6:ASE功率监测器,
器件7:信号功率监测器,
器件8:控制单元,
器件9:带通滤波器;
特别说明,器件3为带外ASE滤波器,器件透射波长为所传输的信号波长,反射波长范围为信号外波长。器件9为带通滤波器,主要作用是过滤泵浦光及其它非必要光(如OSC波),减小串扰,其透射波长需要覆盖所使用的带外ASE波长范围。
如图1所示,信号光经过传输光纤1进入到RFA模块中。传输光纤1与泵浦信号合波器2的公共端相连,泵浦激光器5的输出端与泵浦信号合波器2的反射端相连,泵浦信号合波器2的透射端与带外ASE滤波器3的公共端相连,带外ASE滤波器3将输入光分成两部分:反射端为带外信号,主要包括带外ASE、串扰的信号光及泵浦光等;透射端为带内信号,主要包括信号光、带内ASE等。带外ASE滤波器3的透射端与分光耦合器4的公共端相连,反射端与带通滤波器9的输入端相连,带通滤波器9的输出端与ASE功率监测器6相连;分光耦合器4的辅分光端(即小分光端)与信号功率监测器7相连,另一端主分光端(即大分光端)则为RFA模块的输出端。控制单元8根据ASE功率监测器6、信号功率监测器7的监测数据,调整泵浦激光器5的功率,使得RFA输出功率与RFA产生的ASE功率趋向于满足公式(3),即认为增益调节完成。
传输系统中一般会存在多个放大器,这些放大器本身会产生ASE(本文称之为System Background ASE,系统背景ASE),System Background ASE经过RFA同样会被放大,因此在计算PaseR时必须消除System Background ASE的影响才能得到正确的结果。
各参数符号及定义如下:
PaseT:Pase(Theory),根据公式(3)计算出来的ASE功率理论值,单位dBm;
PaseR:Pase(Raman),RFA本身所产生ASE功率,单位dBm;
PaseD:Pase(Detect),ASE功率监测器6探测到的功率,单位dBm;
PaseB:Pase(System Background ASE),系统背景ASE功率,单位dBm;
PaseBA:Pase(System Background Amplified ASE),系统背景ASE经过RFA放大后的功率,单位dBm;
PoutD:Pout(Detect),信号功率监测器7探测到的功率,单位dBm;
i:PoutD对PaseD的串扰,单位dB。
其中,i的校准方法为:泵浦关闭,接入光信噪比OSNR≧45dB的信号光,读取PaseD、PoutD,采用公式(4)进行计算:
i=PoutD-PaseD (4)
校准i时,接入信号光的OSNR越高,则校准结果就越准确。
PaseB的计算方法:泵浦关闭,接入信号光,读取PaseD、PoutD,采用公式(5)进行计算:
PaseBA的计算方法,PaseBA与PaseB的关系如公式(6)所示:
PaseBA=PaseB+(G*k+c) (6)
一般地,可认为带内ASE增益与信号增益是相同的,即校正系数k=1、c=0;带外ASE增益与信号增益是不同的,需校准出k、c值,校准方法为:
A-1)RFA模块接传输光纤1(长度≧50km),无输入信号光;
A-2)开启泵浦,调节泵浦功率分别为P1~Pn,ASE功率监测器6与信号功率监测器7的探测功率(探测功率单位是dBm)分别P61~P6n、P71~P7n,其中n≧3;
A-3)P61~P6n、P71~P7n分别以第一个值为基准,计算各自增益值,获得一组信号增益值和一组对应的带外增益值,通过线性拟合,求解出k、c值;
一组信号增益值为(P72-P71)……(P7n-P71),
一组对应的带外增益值为(P62-P61)……(P6n-P61);
线性拟合的效果如图2所示,图2中,k为0.811,c为0.426;R2表示拟合线性度。
计算PaseR:设拉曼增益为G,PaseR的计算公式(7)为:
公式(7)中的右边三项分别为:ASE功率监测器6探测功率、输出光串扰功率、系统背景ASE放大后功率。
根据当前RFA的输出功率利用公式(3)计算出PaseT,比较PaseR、PaseT,设判定窗口为Δ,分为三种情况:
1)当PaseT-PaseR>Δ时,则实际拉曼增益比理论拉曼增益要小,泵浦功率需要增加;
2)当PaseT-PaseR<-Δ时,则实际拉曼增益比理论拉曼增益要大,泵浦功率需要减小;
3)当|PaseT-PaseR|≤Δ时,则认为实际拉曼增益与理论拉曼增益相符合,泵浦功率保持不变。
公式(3)中的KG、CG校准方法:结合光谱分析仪(OSA:Optical spectrumanalyzer),通过调节泵浦功率进行校准,步骤如下:
B-1).RFA模块接传输光纤(长度≧50km),关闭泵浦,输入光功率调整为最大值,读取PaseD、PoutD,计算PaseB;开启泵浦并调节泵浦功率,直到OSA扫描的拉曼增益值等于要求值G1,读取PaseD、PoutD,计算出PaseR;
B-2).把输入光功率调整为中间值及最小值,重复(B-1)步骤,分别计算出G1下不同输入光对应的PaseR;
B-3).使用公式(2)对三组PoutD、PaseR进行线性拟合(注:PoutD、PaseR需转换成mw单位,PaseR代换公式(2)中的PaseT:),求解出G1下的KG1、CG1值。
B-4).重复(B-1)(B-2)(B-3)步骤,分别求解出G2~Gn下的(KG2、CG2)~(KGn、CGn),即完成KG、CG值的校准。
某增益下的KG、CG值拟合曲线如图3所示。
把所有的校准参数保存到模块中,包括(KG1、CG1)~(KGn、CGn)、i及k、c值,RFA增益自动控制主要步骤如下:
1.RFA模块上电,此时RFA泵浦处于关闭状态,读取PaseD、PoutD,计算出PaseB并保存到模块中。
2.根据开关泵阈值判定是否开泵。
3.当控制进入到AGC闭环后,按照RFA模块中的设定参数及校准参数进行控制。
4.根据PaseD、PoutD的监测结果,计算出PaseR及PaseT,采用上文中的判定方法进行泵浦调节,直至PaseR及PaseT的偏差满足判定窗口。
5.整个控制过程为动态跟踪;一旦泵浦关闭,则需要更新PaseB并保存到模块中。
放大器中存在多个泵浦激光器时,通过调用不同条件下的泵浦功率比例校准参数,可满足不同情况下的自动增益控制。为提高控制精度,专利中的拟合方法可更改为多阶曲线拟合。
本发明已经详细地介绍了拉曼自动增益控制理论并给出了控制流程,本领域内的技术人员应该能够理解。在不背离本发明范围内,其形式和细节上可以做出各种改变,这些改变都将落在本发明的权利保护范围内。