CN104242036B - 拉曼光纤放大器自动增益控制方法和拉曼光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种拉曼光纤放大器自动增益控制方法，方案为：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)；PaseT＝10*log(KG*10(Pout/10)+CG) (3)；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。
Description
技术领域
本发明属于光通讯领域，涉及拉曼光纤放大器(RFA：Raman Fiber Amplifier)自动增益控制(AGC：Automatic Gain Control)方法。
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：DenseWavelength 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 SignalNoise 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。
附图说明
图1为本发明的RFA模块光路结构示意图。
图2为本发明的k、c系数一阶拟合曲线图。
图3为本发明的KG、CG系数一阶拟合曲线图。
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。
Claims (5)
1.一种拉曼光纤放大器自动增益控制方法，其特征在于：
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)；
PaseT＝10*log(KG*10(Pout/10)+CG) (3)
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；
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。
2.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器自动增益控制方法，其特征在于：
i的校准方法为：泵浦关闭，接入信噪比OSNR≧45dB的信号光，读取PaseD、PoutD，采用公式(4)进行计算：
i＝PoutD-PaseD (4) 。
3.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器自动增益控制方法，其特征在于：
当提取的是带内ASE功率时，公式(6)中k＝1、c＝0；
当提取的是带外ASE功率时，公式(6)中k、c值需要校准获得，校准的方法为：
A-1)RFA模块接传输光纤(1)，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。
4.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器自动增益控制方法，其特征在于：
公式(3)中的KG、CG校准方法：结合光谱分析仪OSA，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，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，PaseR代换公式(2)中的PaseT，求解出G1下的KG1、CG1值；
PaseT(mw)＝KG*Pout+CG (2)
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。
5.一种实现如权利要求1～4中任一项所述自动增益控制方法的拉曼光纤放大器，其特征在于，包括：
泵浦信号合波器(2)、带外ASE滤波器(3)、分光耦合器(4)、泵浦激光器(5)、ASE功率监测器(6)、信号功率监测器(7)、控制单元(8)；
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，透射端为带内信号，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)的辅分光端与信号功率监测器(7)相连，另一端主分光端则为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)。
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