CN106160868B - 一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器及其控制方法；所述的拉曼光纤放大器包括有传输光纤、泵浦‑信号波分复用器、拉曼泵浦激光器组、增益锁定探测单元和控制单元等；所述的控制方法是拉曼泵浦激光器开启后，控制单元根据增益锁定探测单元探测的信号输出光功率调节泵浦激光器的功率来实现增益的动态锁定。本发明所述的实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器及其控制方法具有：光路结构简单，易于实现，在提高产品性能的同时，可以有效降低成本等优点。

Description

一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器及其控制方法

技术领域

本发明属于通讯领域，特别涉及一种拉曼光纤放大器及其实现目标增益动态锁定的控制方法。

背景技术

目前，人们对带宽的需求越来越高，密集波分复用DWDM系统的速率和带宽不断提升，对光纤传输系统的容量和无中继传输距离的要求越来越高。因此对光纤放大器的要求也越来越苛刻。一般用来放大C波段的掺铒光纤放大器EDFA，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。同时，分布式拉曼光纤放大器已在通信系统中大量应用。与传统EDFA不同，拉曼光纤放大器RFA具有很多优点：1、RFA的增益波长由泵浦光波长决定，理论上只要泵浦元的波长适当，可以对任意波长进行放大；2、增益介质是光纤本身，因而可以实现在线放大，适宜远距离传输；3、噪声低，饱和功率高，串扰小，频谱范围宽。

由于分布式光纤拉曼放大器的增益介质就是传输光纤本身，泵浦模块无法同时获得放大前、后的信号功率，因此分布式光纤拉曼放大器的增益控制就不能像传统EDFA那样通过比较输入输出功率进行增益控制。

印新达、付成鹏在公开号为CN1412616A的中国专利，公开了一种喇曼增益实时动态控制与补偿的方法及其喇曼光纤放大器；其方法是在信号光拉曼光纤放大器的探测处加入探测不同波长附近的若干个带通滤波器与光电探测器组合来探测不同频率处的ASE功率，进而通过控制这几处频率的ASE功率大小实现对拉曼放大器增益的动态控制。该方法具有如下缺点：1DWDM信道间隔窄，要滤除如此窄带宽的ASE功率，对带通滤波器和光电探测器的要求都相当苛刻；2由于利用的是ASE来控制增益，传输系统放大器级联时，前一级放大器特别是由EDFA产生的ASE会导致误判由拉曼放大器产生的ASE数值。

付成鹏、张鹏等在公开号为CN102307068A的中国发明专利申请《一种实现目标拉曼增益锁定的方法及其拉曼光纤放大器》中公开了一种通过ASE进行增益控制的方法；其方法是对专利CN1412616A方法的进一步改进，考虑了拉曼泵浦开启前传输系统前一级放大器ASE及光源本身自发辐射噪声的影响，利用修正后的ASE量来进行增益控制。该方法虽然考虑拉曼放大器外的噪声的影响，但并不能动态进行增益控制。因为传输系统中，上行/下行信道时，进入到拉曼光纤放大器的ASE是动态变化的，并且是未知的，它与拉曼开启前的进入到放大器的ASE可能已有较大差别，因此拉曼放大器中预先存储的固定修正系数就会失效。

美国专利申请US8643941B2也公开了几种增益控制的方法：第一种方法是利用一个GFF及GFF前后的两个信号探测器构成的探测单元，通过计算泵浦开启前GFF前端信号探测器的功率值与泵浦开启后GFF后端信号探测器的功率值的差值来获得信号的增益值。第二种方法是先利用分别记录的拉曼泵浦开启前后监控信道OSC的功率值计算出OSC增益，再通过信号增益与OSC增益间的关系获得信号增益。这两种方法有其自身缺点：由于传输系统正常工作时，前端链路的上行/下行会引起进入拉曼放大器的光功率变化，而不同的输入光功率达到的相同的拉曼增益所需要的拉曼泵浦功率是有差异的，这种差异在拉曼饱和放大区尤其明显。因此，只记录拉曼泵浦开启前的信号或OSC功率实际上并不能解决拉曼泵浦开启后前端链路光功率发生变化后的拉曼增益锁定。第三种方法是通过记录下不同泵浦功率下传输带宽外的某一闲置频率带宽的ASE功率，利用ASE功率、泵浦功率的比值与信号增益的线性关系来获得信号增益，进而实施增益控制。这种方法的确定是，至少需要调节一次泵浦功率来获得两个不同泵浦功率下的ASE功率，但这会干扰系统的运行，因而在传输系统正常工作时是不可行的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的就是克服现有技术存在的问题和不足，提供一种实现信号增益动态锁定的拉曼光纤放大器及其控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：包括传输光纤、泵浦-信号波分复用器、拉曼泵浦激光器组、增益锁定探测单元和控制单元；所述的增益锁定探测单元包括分光耦合器和DWDM信号探测器；

所述的拉曼泵浦激光器组的输出端与泵浦-信号波分复用器相连，泵浦-信号波分复用器的公共端与传输光纤相连，泵浦-信号波分复用器的信号端与增益锁定探测单元中的分光耦合器相连，光耦合器的大分光比例端作为主光路的信号输出端，小分光比例端与DWDM信号探测器相连；增益锁定探测单元与泵浦激光器组由控制单元控制；后向传输的泵浦光在传输光纤中对前向传输的DWDM信号组进行放大。

进一步，所述的拉曼泵浦激光器组可以采用多个不同中心波长的泵浦激光器组合也可以采用某一中心波长的单泵浦激光器。

进一步，所述的增益锁定探测单元还可以包括有信号-监控信道波分复用器和监控信道探测器。

进一步，所述的增益锁定探测单元还包括一增益平坦滤波器。

进一步，所述的泵浦-信号波分复用器采用Edge型滤波器。

进一步，所述的信号-监控信道波分复用器采用带通型滤波器。

本发明还包括上述实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器控制方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤1：拉曼泵浦开启后，从拉曼光纤放大器的主光路利用分光耦合器的小比例分光端提取光信号；

步骤2：探测步骤1提取的信号光功率Pout；

步骤3：根据步骤2的信号光功率Pout通过数学关系式或查表法得到对应的泵浦电流或功率值；

步骤4：控制单元将拉曼泵浦电流或功率值设置为步骤3得到的泵浦电流或功率值；

步骤5：重复步骤1至步骤4，直到调节次数达到预先设置值或直到相邻两次信号光功率变化量△Pout小于等于设置的精度值；

步骤6：重复步骤1和步骤2，当相邻两次信号光功率变化量△Pout大于设置的调节阈值，则重复步骤1至步骤5。

进一步，所述的步骤1中的拉曼光纤放大器主光路是指DWDM信号的传输光路。

进一步，所述的步骤1中利用分光耦合器提取光信号是在拉曼泵浦开启后进行，所述的拉曼泵浦开启后可以是拉曼光纤放大器上电完成其他操作如模块初始化、光路连接质量检测等后设置一个初始泵浦电流值后的这一时刻，也可以是拉曼光纤放大器正常工作中的某一时刻。

进一步，所述的步骤3中的数学关系式及待查映射数据表是通过校准或定标获得预先存储在控制单元中。

采用所述技术方案，本发明所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器及其控制方法，具有如下优点：

1)采用本发明的增益锁定方法，可以完全不受传输系统中非拉曼光纤放大器自身产生的ASE功率的影响；

2)采用本发明的增益锁定方法，可以实现传输系统中光功率发生变化时的增益动态锁定；

3)本发明可以根据传输系统灵活配置拉曼增益；

4)本发明的光路结构简单，易于实现，在提高产品性能的同时，可以有效降低成本。

附图说明

图1为本发明的所述的实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器结构示意图；

图2为本发明的实施例1示意图；

图3为本发明的实施例2示意图；

图4为本发明实施例2中，相同DWDM波长、不同功率下，要达到相同增益(图中为6.3dB开关增益)所需的泵浦电流；

图5为本发明的实现拉曼光纤放大器增益动态锁定的控制方法及算法示意图；

图6为本发明实施例二的情景演示表一，即DWDM信道上行/下行引起功率变化时的增益动态锁定；

图7为本发明实施例二的情景演示表二，即模块一上电时无需准确探测当前DWDM信号功率即可进行目标增益锁定；

其中：101.密集波分复用信号光组、102.拉曼泵浦光组、200.传输光纤、301.泵浦-信号波分复用器、302.信号-监控信道波分复用器、310.增益平坦滤波器、400.拉曼泵浦激光器组、410.多个不同中心波长的泵浦激光器组合、420.单泵浦激光器、500.分光耦合器、600.密集波分复用信号探测器组、601.监控信道探测器、602.密集波分复用信号探测器、700.增益锁定探测单元、800.拉曼光纤放大器的输出端、900.控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

图1为本发明所涉及的实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器结构示意图：拉曼泵浦激光器组400的输出端与泵浦-信号波分复用器301相连接，泵浦-信号波分复用器301的公共端与传输光纤200相连，泵浦-信号波分复用器301的信号端与增益锁定探测单元700中的分光耦合器500相连，分光耦合器500可以采用2/98分光比，也可以采用其他分光比，将分光耦合器500的大分光比例端作为主光路的信号输出端，小分光比例端与密集波分复用信号探测器组600相连；增益锁定探测单元700与拉曼泵浦激光器组400由控制单元900控制；拉曼泵浦光组102产生的后向传输的泵浦光在传输光纤200中对前向传输的密集波分复用信号光组101进行放大。

本发明根据拉曼光纤放大器放大后的DWDM信号输出光功率来进行信号增益动态锁定，使得拉曼光纤放大器的增益不受外界环境条件的变化而变化，即在不同类型的光纤中，如G.652、G.654、G.655光纤等，无需人为的调节泵浦功率即可实现某一设定的增益，在光纤老化、环境温度变化等因素的影响下，拉曼光纤放大器可以根据存储在控制单元内部的不同输出光功率与拉曼泵浦电流或功率的一一对应列表或函数关系式实现拉曼增益设置值保持不变。

本发明拉曼增益、拉曼泵浦开启后信号输出光功率与泵浦电流或功率的关系通过列表的方法建立一一对应关系或通过建立函数关系的方法存储在控制单元中。列表是通过定标方式具体实现的：通过定标方式确定不同输入光功率下泵浦电流、输出光功率与拉曼增益的三者对应关系后如图4为拉曼增益为6dB时，输入光功率与泵浦电流的关系曲线，再通过最小二乘法线性拟合或其他拟合方式，建立起某一拉曼增益下信号输出光功率与泵浦电流的函数关系或建立起不同输入光功率下信号输出光功率与拉曼增益、泵浦电流与拉曼增益的函数关系。控制单元可以根据上述函数关系，设置增益值，再通过读取信号光输出功率自动调节拉曼泵浦电流，使传输系统中光功率发生变化时能锁定拉曼增益。

本发明中所述的输入光功率是指拉曼泵浦激光器开启前到达泵浦-信号WDM公共端的DWDM信号光功率；输出光功率是指拉曼泵浦激光器开启后到达耦合器的光功率。

本发明的增益动态锁定的具体过程如下：在实际应用中，密集波分复用信号光组101在传输光纤200传输过程中被反向泵浦光放大后，经过泵浦-信号波分复用器301从波分复用器的信号端输出再进入分光耦合器500，其中一小部分光从耦合器小比例端被密集波分复用信号探测器组600探测，大部分光从耦合器大比例端输出到主光路上。密集波分复用信号光组101除了ITU-T各信道外，还可能包含有传输系统中的各种噪声，比如前级EDFA的ASE等。因而，经反向拉曼泵浦光放大后得到的光应包括放大后的ITU-T各信道、放大后的各种噪声、拉曼泵浦光在传输光纤中产生的ASE等。

拉曼泵浦激光器组400开启后，此时密集波分复用信号探测器组600会输出一个光功率，该光功率是放大后的信号、放大后的各种噪声以及拉曼ASE功率之和。控制单元900读取到该光功率值后，根据预先存储在控制单元中的某一增益下的光功率与拉曼泵浦电流或功率的对应列表或函数关系式获得拉曼泵浦电流或功率值并设置、调节泵浦电流或功率，重复读取信号输出光功率及调节拉曼泵浦电流，直到调节次数达到设置值或直到前后相邻两次读取到的输出光功率小于等于设置的精度值。在拉曼光纤放大器正常工作中，DWDM信号探测器组600监控信号输出光功率，当传输系统中光功率发生变化且达到设置的调节阈值时，控制单元执行上述增益锁定步骤，从而实现增益的动态锁定，具体流程如图5所示。

图2为本发明的一个实施例1，即多泵浦拉曼光纤放大器增益动态锁定装置结构。本实施例与本发明的增益动态锁定结构图1的区别在于，拉曼泵浦激光器组400采用多个不同中心波长的泵浦激光器组合410；同时增益锁定探测单元中增加了一个信号-监控信道波分复用器302及监控信道探测器601，其作用在于实现对传输系统进行监控，其波段位于DWDM信道外的某一处波段。在本发明中，监控信道信号没有进行使用。目标拉曼增益及斜率可以通过调节、配比多泵浦的波长、功率来实现，DWDM信号探测器602监控信号输出光功率，当传输系统中光功率发生变化或拉曼放大器自身增益发生变化时，控制单元900根据预先存储在控制单元内部的拉曼增益、信号输出光功率与泵浦电流或功率的列表关系或函数关系，调节泵浦的泵浦电流或功率，从而实现目标增益的锁定。

图3为本发明的又一个实施例2，即单泵浦拉曼光纤放大器增益动态锁定装置结构。本实施例与本发明的增益动态锁定结构图1的区别在于，拉曼泵浦激光器组400采用某一中心波长的单泵浦激光器420；同时增益锁定探测单元中增加了一个信号-监控信道波分复用器302、监控信道探测器601及增益平坦滤波器310。在本发明中，监控信道信号没有进行使用。目标拉曼增益及斜率可以通过调节单泵浦的波长、功率及相应的增益平坦滤波器310来实现，DWDM信号探测器602监控信号输出光功率，当传输系统中光功率发生变化或拉曼放大器自身增益发生变化时，控制单元根据预先存储在控制单元内部的拉曼增益、信号输出光功率与泵浦电流或功率的列表关系或函数关系，调节泵浦的泵浦电流或功率，从而实现目标增益的锁定。

图6即表1为本发明实施例2的一个具体情景演示，即DWDM信道上行/下行引起功率变化时的增益动态锁定。假设目标增益为6.3dB，设置增益精度为0.07dB，调节阈值为0.6dB。某一时刻进入拉曼放大器的输入光功率为-15dBm，输出光功率为-8.65dBm，单泵浦工作电流为1198mA，增益满足要求为6.35dB。当传输系统中输入光功率突变为-5dBm，此时泵浦电流仍为1198mA，DWDM信号探测器检测的输出光功率为10.61dBm，前后相邻两次输出光功率变化量为19.26dB，大于调节阈值0.6dB，需要调节泵浦电流进行增益锁定。控制单元查找到对应输出光功率为10.61dBm的泵浦电流1316mA，设置泵浦电流后，DWDM信号探测器检测到的输出光功率为11.26dBm，控制单元再读取输出光功率并查找到对应泵浦电流1331mA，设置泵浦电流后，DWDM信号探测器检测到的输出光功率为11.35dBm，此时的拉曼增益即为6.35dB。

图7即表2为本发明实施例2的又一个具体情景演示，即模块一上电时无需准确探测当前DWDM信号功率即可进行目标增益锁定。假设目标增益为6.3dB，设置调节次数为3次，调节阈值为0.6dB。假设此时输入光功率为5dBm，如果由于某种原因，模块上电后增益锁定探测单元没有准确探测输入光功率，控制单元第一次查找查表到输入光功率为-5dBm对应到的泵浦电流1220mA并设置下去，DWDM信号探测器检测到的输出光功率为10.72dBm。控制单元第二次查找到对应输出功率为10.72dBm的泵浦电流1318mA并设置下去，DWDM信号探测器检测到的输出光功率为11.27dBm。控制单元第三次查找到对应输出功率为11.27dBm的泵浦电流1331mA并设置下去，DWDM信号探测器检测到的输出光功率为11.35dBm。此时实际的增益为6.35dB，说明已经将泵浦电流调节到实际输入光功率目标增益所需的泵浦电流水平。

虽然本发明已经详细地示出并描述了利用输出光功率进行增益锁定的装置结构图及其控制方法，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上做出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：包括传输光纤、泵浦-信号波分复用器、拉曼泵浦激光器组、增益锁定探测单元和控制单元；所述的增益锁定探测单元包括分光耦合器和DWDM信号探测器；

所述的拉曼泵浦激光器组的输出端与泵浦-信号波分复用器相连，泵浦-信号波分复用器的公共端与传输光纤相连，泵浦-信号波分复用器的信号端与增益锁定探测单元中的分光耦合器相连，分光耦合器的大分光比例端作为主光路的信号输出端，小分光比例端与DWDM信号探测器相连；增益锁定探测单元与泵浦激光器组由控制单元控制；后向传输的泵浦光在传输光纤中对前向传输的DWDM信号组进行放大。

2.根据权利要求1所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：所述的拉曼泵浦激光器组为多个不同中心波长的泵浦激光器组合或某一中心波长的单泵浦激光器。

3.根据权利要求1所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：所述的增益锁定探测单元还包括信号-监控信道波分复用器和监控信道探测器。

4.根据权利要求3所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：所述的增益锁定探测单元还包括一增益平坦滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：所述的泵浦-信号波分复用器采用Edge型滤波器。

6.根据权利要求3所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器，其特征在于：所述的信号-监控信道波分复用器采用带通型滤波器。

7.一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器控制方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一权利要求所述的拉曼光纤放大器，还包括如下步骤：

步骤1：拉曼泵浦开启后，从拉曼光纤放大器的主光路利用分光耦合器的小比例分光端提取光信号；

步骤2：探测步骤1提取的信号光功率Pout；

步骤3：根据步骤2的信号光功率Pout通过数学关系式或查表法得到对应的泵浦电流或功率值；

步骤4：控制单元将拉曼泵浦电流或功率值设置为步骤3得到的泵浦电流或功率值；

步骤5：重复步骤1至步骤4，直到调节次数达到预先设置值或直到相邻两次信号光功率变化量△Pout小于等于设置的精度值；

步骤6：重复步骤1和步骤2，当相邻两次信号光功率变化量△Pout大于设置的调节阈值，则重复步骤1至步骤5。

8.根据权利要求7所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器控制方法，其特征在于，步骤1中的拉曼光纤放大器主光路是指DWDM信号的传输光路。

9.根据权利要求7所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器控制方法，其特征在于，步骤1中利用分光耦合器提取光信号是在拉曼泵浦开启后进行，所述的拉曼泵浦开启后为：拉曼光纤放大器上电完成模块初始化、光路连接质量检测后设置一个初始泵浦电流值后的这一时刻；或拉曼光纤放大器正常工作中的某一时刻。

10.根据权利要求7所述的一种实现增益动态锁定的拉曼光纤放大器控制方法，其特征在于，步骤3中的数学关系式及所述查表法对应的待查映射数据表是通过校准或定标获得预先存储在控制单元中。