CN108111228A - 单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光放大器调试方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种单级多泵结构增益可变光放大器光学和瞬态调试方法。本发明对多个泵浦激光器的功率进行分配，能够满足在不同增益条件下的噪声指数要求的同时，有效的抑制瞬态特性，提升了光放大器的性能，保证整个光通信系统的稳定可靠。根据该方法编写的生产自动调试程序，缩短了50％的调试时间，已经能够成功批量生产多泵增益可变光纤放大器。

Description

单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法

技术领域

本发明涉及一种光放大器调试方法，属于光通信技术领域，具体是涉及一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法。

背景技术

在光通信领域中，噪声指数NF定义为输入信噪比与输出信噪比之比，单位是dB

NF是衡量信号光经过EDFA后OSNR的恶化程度的一个指标。

在光纤放大器中，噪声的主要来源是放大自发辐射(ASE)，噪声的计算公式是：

其中G是EDFA的增益，P_ASE是ASE的功率，h是普朗克常数，v是信号光频率，Δv为噪声等效带宽。

在DWDM系统中，随着业务量的增加，需要上下光路的信道数量和信道功率也在逐渐增加。信道数量的变化导致EDFA输入光功率的变化，从而产生瞬态效应，EDFA的瞬态效应对DWDM系统有重要的影响；而信道功率的增加，导致光纤放大器需要增大输出功率，出现了单级双泵和三泵的结构(泵浦激光器Pump的增加)。

使用三泵结构和合适的铒纤长度配比，可以使增益可变光纤放大器的输出功率在24dBm以上，并具有良好的噪声指数。单级三泵增益可变光纤放大器前两个泵通常使用980nm泵浦激光器，第三个泵可根据成本或瞬态需求选择980nm或1480nm泵浦激光器。

光纤放大器需要调试才能锁定增益，输出功率满足要求，具体方式如下：

OUT＝K*IN+B+PID+ASE

其中IN是输入光功率，OUT是输出光功率，增益G是输出功率与输入功率的差值，K和B是前馈控制中的比例系数和截距，PID是反馈控制参数(P、I、D分别是PID控制参数中的比例项、积分项、微分项)。因为加上反馈控制后，计算出的输出功率是总功率而不是信号功率，所以需要在低输入点调ASE因子使信号增益锁定，从而完成整个输入光范围的信号增益锁定。每一个设定的增益，都有1组K、B和ASE值与之对应。多个增益就对应了多组参数值。例如15-25dB范围增益可调光纤放大器中，15dB增益对应的K_{1_1}，B_{1_1}和ASE_{1_1}；25dB增益对应的K_{1_11}，B_{1_11}和ASE_{1_11}。

传统的单泵EDFA的调试方法，是在关闭PID开关时，高输入点根据设定的增益定K值，低输入点根据设定的增益定B值；然后打开PID开关，在低输入点需要调ASE因子使信号增益锁定；根据瞬态的实际测试结果，设置PID的参数和微调K/B值，使得过冲或欠冲满足指标要求。

发明CN105068355A《一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法》提出了一种单级双泵的光纤放大器的控制方法,利用980nm和1480nm泵混搭的结构,提出了一种泵浦电流分配和瞬态抑制的方案。但是，该发明未涉及单级三泵时，三个泵浦之间的功率分配问题；该发明适用于固定增益下K和B因子调试，对于增益可变光纤放大器中多组K和B因子的调试方法尚未涉及；该发明未引入ASE因子的调试，低输入光时锁定的是总功率，而不是信号功率，当ASE功率较大时信号功率会与期望值有较大偏差。

单级多泵增益可变光纤放大器，往往具有10dB甚至更大的增益可变范围。在不同增益不同输入光时，各个泵浦之间的功率如何分配一直是困扰调试的难题。单级三泵的调试尤为复杂，因为三个泵的功率分配需要兼顾光学的噪声指数和瞬态的抑制效果。噪声指数是稳态的光学指标，而瞬态中的过冲和欠冲是一种瞬态指标。如果泵浦的功率分配不当，可能会噪声指数很好，但是瞬态的过冲和欠冲超标；也可能瞬态得到了很好的抑制，但是在某些增益的低输入点因为泵浦功率分配不当而导致噪声指数超标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，对具有多个泵浦激光器的增益可变光纤放大器，提出了快速调试对应不同增益下的多组K/B/ASE和其它参数的方法，合理地分配多个泵浦激光器的功率，达到高输出功率和良好噪声指数的同时，具有显著的瞬态抑制效果。根据该方法编写的生产自动调试程序，缩短了50％的调试时间，已经能够成功批量生产三泵增益可变光纤放大器。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，包括：

网络构建步骤，构建包含N个泵浦的单级增益可变放大器，前N-1个泵浦进行前馈控制，在最后一个泵浦上设置根据起始输入信号及最终输出信号调整泵浦参数的反馈控制；

前馈调试步骤，关闭所述反馈控制，依次设置前N-1个泵浦的前馈控制截距系数B值和前馈控制比例系数K值；

同步调式步骤，在每个增益的高输入光点设置对应的第N个泵浦K值以达到高点输出信号功率，在低输入光点设置该增益对应的第N个泵浦B值达到低点输出信号功率；

反馈控制步骤，调节第N个光纤放大器泵浦的ASE因子使低点信号增益锁定。

优选的，上述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，所述反馈控制步骤中，还根据瞬态测试结果，调整所述反馈控制的PID值以及第N个泵浦的K值及B值来抑制瞬态效果。

优选的，上述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，光纤放大器包含N个泵浦激光器(N≥2)。

优选的，上述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，前N-1个泵浦激光器的波长相同，额定功率和阈值电流一致，可作为一个泵浦激光器同步设置。

优选的，上述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，所述前馈调试步骤具体包括：

将第N个泵浦的K值和B值置零；

设置前N-1个泵浦的K值和B值；

根据最大和最小增益的高输入点的噪声指数要求，设置前N-1个泵浦最大增益时的电流和最小增益时的电流，通过线性插值得到中间增益点的电流。

通过设置B值，使得泵浦电流I满足：

I＝Ith+ΔI，

式中，Ith是前N-1个泵浦中阈值电流的最大值，ΔI是根据EDFA在最大和最小增益的低输入点噪声指数确定的附加电流值。

通过电流与K值的转化关系，得到中间增益点需要设置的K值。

优选的，上述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，ΔI的确定包括：当N个光纤放大器泵浦的电流都大于各自阈值电流不抖动时，增加前N-1个光纤放大器泵浦电流，当单级增益可变放大器的增益满足要求并且噪声指数达标时，ΔI为此时前N-1个泵浦的实际电流与Ith的差值。

优选的，上述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，所述同步调式步骤具体包括：

设置不同的单级增益可变放大器增益，在对应的高输入点，通过设置与增益对应的第N个泵浦K值使得增益达到设置值；在对应的低输入点，通过设置第N个泵浦B值使得增益达到设置值。

设置第N个泵浦的ASE因子使低点信号增益锁定；

根据瞬态测试结果，可以调整PID运算模块的P、I、D参数，和第N个泵浦的的K和B参数来抑制瞬态效果。

因此，本发明具有如下优点：对多个泵浦激光器的功率进行分配，能够满足在不同增益条件下的噪声指数要求的同时，有效的抑制瞬态特性，提升了光放大器的性能，保证整个光通信系统的稳定可靠。

附图说明

图1为单级三泵增益可调光纤放大器的调试示意图。

图2为单级三泵增益可调光纤放大器的调试流程图

图3为保留波长为1548.52nm时下波的瞬态测试图。

图4为保留波长为1548.52nm时上波的瞬态测试图。

图5为增益可变放大器15和25dB增益的典型增益和NF曲线图

101–EDFA输入光探测

102–EDFA输出光探测

103–PID运算模块

104–Pump1

105–Pump2

106–Pump3

107–Pump1K参数(K_{1_1},K_{1_2},……K_{1_N})

108–Pump1B参数(B_{1_1},B_{1_2},……B_{1_N})

109–Pump2K参数(K_{2_1},K_{2_2},……K_{2_N})

110–Pump2B参数(B_{2_1},B_{2_2},……B_{2_N})

111–Pump3K参数(K_{3_1},K_{3_2},……K_{3_N})

112–Pump3B参数(B_{3_1},B_{3_2},……B_{3_N})

113–Pump3ASE因子(ASE_{3_1},ASE_{3_2},……ASE_{3_N})

114–EDF1

115–EDF2

116–EDF3

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例

本实施例的原理是前N-1个泵浦纯前馈控制，第N个泵浦反馈控制；前N-1个泵浦选择同一型号，这样额定功率和阈值电流一致，可以同步设置前N-1个泵浦的K/B值；关闭反馈控制，依次设置前N-1个泵浦的K/B值，同一增益高点设置第N个泵浦的K值以达到高点输出信号功率，在低点设置第N个泵浦的B值达到低点输出信号功率；打开反馈控制，调节第N个光纤放大器泵浦的ASE因子使低点信号增益锁定；根据瞬态测试结果，调整反馈控制的PID值以及第N个泵浦的K值及B值来抑制瞬态效果。

下面以三个泵为例进行说明。

实施时，在pump1和pump2上加前馈控制，在pump3上加反馈控制；同步设置pump1和pump2，将pump1和pump2可以看作是一个pump；通过设置K，B，ase因子和PID参数，兼顾噪声指数性能和瞬态抑制效果。

具体步骤如下：

步骤1.0，Pump1 104和Pump2 105纯前馈控制，在Pump3 106上加反馈控制。

步骤1.1，实际安装的Pump1 104和Pump2 105选择同一型号，或者双芯泵(一个泵封装里包含两个型号相同的泵浦激光器)，这样Pump1 104和Pump2 105的额定功率和阈值电流一致，可以同步设置，将两个Pump可以看作是一个Pump。

步骤1.2，调试第一步设置所有的Pump3K参数111和Pump3B参数112为0，将PID运算模块103开关设为关；

第二步定Pump1B参数108和Pump2B参数110，设定好增益后，在最小输入光条件下，设置对应该增益的Pump1B参数108和Pump2B参数110，使泵浦电流I₁＝I₂＝I_th+ΔI，其中I_th是Pump1和Pump2中阈值电流的最大值，ΔI是附加电流值，需要实际测试放大器在最大和最小增益的低输入点噪声指数来决定，判据是设置Pump1～Pump3的电流都大于各自阈值电流不抖动的同时，尽可能大的增加Pump1和Pump2的电流(两者相等)，使得增益满足要求，同时噪声指数满足最大和最小增益的指标要求，ΔI＝此时I₁-I_th，得到最小增益对应的B_{1_1}/B_{2_1}和最大增益对应的B_{1_N}/B_{2_N}后，中间不同增益对应的B₁/B₂参数通过线性插值得到；

第三步定Pump1K参数107和Pump2K参数109，根据最大和最小增益的高输入点的噪声指数要求，首先设置最小增益对应的K _{1_1}/K _{2_1}和最大增益对应的K _{1_N}/K _{2_N},得到满足最大增益时的电流和最小增益时的电流，中间增益点需要设置的电流通过线性插值得到，通过电流与K值的转化关系，得到中间增益点需要设置的K₁/K₂参数；

第四步定Pump3K参数111，设置不同的增益，在对应的高输入点，通过设置Pump3K参数111使得增益达到设置值；

第五步定Pump3B参数112，设置不同的增益，在对应的低输入点，通过设置Pump3B参数112使得增益达到设置值；

第六步打开PID运算模块103开关，调节Pump3ASE因子113使低点信号增益锁定；

第七步根据瞬态测试结果可以调整PID运算模块103的P、I、D参数，和调整Pump3K参数111和Pump3B参数112值(因为反馈加在Pump3 106上)来抑制瞬态效果。

通过上述步骤，瞬态的过欠冲在整个增益可变范围内都控制在1.5dB左右，光学的噪声指数相对常规指标也有较大的裕量。

通过此方法调试的增益可变光放大器，瞬态的过欠冲在整个增益范围内都控制在1.5dB左右，15/25dB增益可调时噪声指数小于7.5dB(指标要求小于10dB)，22/32dB增益可调时噪声指数小于5.5dB(指标要求小于7dB)。

下面是15/25dB增益可调光放大器的测试结果：

瞬态：表1给出了保留波长分别为1528.77,1548.52和1567.95nm的测试结果，在上波和下波(15dB，100us)条件下的过冲和欠冲都在1.5dB以内。图2和图3是保留波长为1548.52nm时的下波和上波瞬态测试图形，上面的线为增益，用于观察瞬态变化；下面的线为输入光，输入光的变化表明是下波还是上波。

表1 15/25dB VGA的瞬态测试结果

光学：15/25dB增益可调光放大器，在15dB时NF最大，在25dB时NF最小。可以看出，噪声指数在整个增益变化范围内小于7.5dB，相对指标小于10dB的要求有较大改善。图4是15和25dB增益的典型增益和NF曲线图，通过输出功率，平坦度和噪声指数，可以看出调试的VGA满足指标要求。

表2 15/25dB VGA的光学测试结果

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，包括：

网络构建步骤，构建包含N个泵浦的单级增益可变放大器，前N-1个泵浦进行前馈控制，在最后一个泵浦上设置根据起始输入信号及最终输出信号调整泵浦参数的反馈控制；

前馈调试步骤，关闭所述反馈控制，依次设置前N-1个泵浦的前馈控制截距系数B值和前馈控制比例系数K值；

同步调式步骤，在每个增益的高输入光点设置对应的第N个泵浦K值以达到高点输出信号功率，在低输入光点设置该增益对应的第N个泵浦B值达到低点输出信号功率；

反馈控制步骤，调节第N个光纤放大器泵浦的ASE因子使低点信号增益锁定。

2.根据权利要求1所述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，所述反馈控制步骤中，还根据瞬态测试结果，调整所述反馈控制的PID值以及第N个泵浦的K值及B值来抑制瞬态效果。

3.根据权利要求1所述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，光纤放大器包含N个泵浦激光器，N≥2。

4.根据权利要求1所述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，前N-1个泵浦激光器的波长相同，额定功率和阈值电流一致，可作为一个泵浦激光器同步设置。

5.根据权利要求1所述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，所述前馈调试步骤具体包括：

将第N个泵浦的K值和B值置零；

设置前N-1个泵浦的K值和B值；

根据最大和最小增益的高输入点的噪声指数要求，设置前N-1个泵浦最大增益时的电流和最小增益时的电流，通过线性插值得到中间增益点的电流。

通过设置B值，使得泵浦电流I满足：

I＝Ith+ΔI，

式中，Ith是前N-1个泵浦中阈值电流的最大值，ΔI是根据EDFA在最大和最小增益的低输入点噪声指数确定的附加电流值。

通过电流与K值的转化关系，得到中间增益点需要设置的K值。

6.根据权利要求5所述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，ΔI的确定包括：当N个光纤放大器泵浦的电流都大于各自阈值电流不抖动时，增加前N-1个光纤放大器泵浦电流，当单级增益可变放大器的增益满足要求并且噪声指数达标时，ΔI为此时前N-1个泵浦的实际电流与Ith的差值。

7.根据权利要求1所述的一种单级多泵结构增益可变光放大器的光学和瞬态调试方法，其特征在于，所述同步调式步骤具体包括：

设置不同的单级增益可变放大器增益，在对应的高输入点，通过设置与增益对应的第N个泵浦K值使得增益达到设置值；在对应的低输入点，通过设置第N个泵浦B值使得增益达到设置值；

设置第N个泵浦的ASE因子使低点信号增益锁定；

根据瞬态测试结果，可以调整PID运算模块的P、I、D参数，和第N个泵浦的的K和B参数来抑制瞬态效果。