CN110166138B - 拉曼光纤放大器ase功率校准方法 - Google Patents

拉曼光纤放大器ase功率校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，包括：确定合适的输入光功率，在该输入光功率条件下，ASE功率在输出总功率中所占的比例很小，能够忽略，即输出信号功率能够认为等于输出总功率；打开泵浦功率并调节，使得输出总功率满足目标增益要求；关闭输入光功率，保持泵浦功率不变，此时RFA输出端测得的功率即为该增益下的ASE实际功率。本发明校准所需要的设备少；输入光功率确认方法简单；输入光功率确认后，校准方法极为简单。

Description

拉曼光纤放大器ASE功率校准方法
技术领域
本发明涉及拉曼光纤放大器(RFA：Raman Fiber Amplifier)，尤其是一种拉曼光纤放大器的ASE功率校准方法。
背景技术
RFA是基于受激拉曼散射机制设计的，其噪声指数低,目前广泛应用于长距传输系统中。
对于某一泵浦波长及信号波长，RFA的小信号开关增益可由公式(1)表示：
Figure BDA0002088992070000011
其中，g(v)R为传输光纤的拉曼增益系数；Aeff为传输光纤的有效面积；Pp为入纤泵浦功率；K为偏振因子；Leff为传输光纤有效长度，定义为Leff＝1-exp(-αpL)/αp；αp为泵浦光在光纤中的衰减系数；L为光纤长度；小信号是指信号功率小到不会影响泵浦功率在光纤中的分布。
通过公式(1)可知，当RFA工作在小信号线性放大区时，对于单波长信号来说，当信号波长及泵浦波长固定时，只要保持入纤泵浦功率Pp恒定即可实现恒增益控制。对于多波长信号时，当信号波长不变时，只要保持入纤泵浦功率Pp恒定即可认为平均增益固定。
RFA在放大信号的同时，会产生自发辐射功率ASE(Amplified SpontaneousEmission)，ASE会叠加到输出信号中，输出探测器无法区分ASE功率和信号功率，即探测器只能检测到总功率。当RFA增益保持不变时，其产生的ASE功率基本保持不变，因此随着输入光功率的减小，在输出总功率中ASE所占的比例会逐渐增加。RFA增益是按照输出检测器检测到功率值进行控制的，如果不进行ASE补偿，当输入信号功率较小时，增益控制就会有很大的误差。RFA一般使用的输入光功率都较小，ASE所占比例较大，故需要对ASE功率进行校准。
RFA的ASE的常规校准一般借助于光谱分析仪、功率计及窄带滤波器。
1.利用光谱分析仪(OSA：Optical spectrum analyzer)和功率计实现ASE功率校准。使用OSA扫描出信号增益和输出信号功率，利用功率得到输出总功率。
2.利用窄带滤波器实现ASE功率校准。由于窄带滤波器的波长带宽很小，比如0.4nm。归一掉窄带滤波器的本底损耗后，窄带滤波器前后的功率可分别认为是输出总功率和输出信号功率。
上述中的各个功率值的单位为mw时，输出总功率和输出信号功率的差值即为ASE功率(mw单位)。其中方法1和方法2分别要借助OSA设备和功率计、窄带滤波器和功率计。无论哪种方法，当输入光功率较小时，测试误差较大，很难校准出准确的ASE功率值。特别是ASE功率较小时，此时的测试误差可能远大于ASE功率值。
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ASE功率校准方法，能够简单方便地校准RFA的ASE功率，本发明采用的技术方案是：
一种拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，包括：
确定合适的输入光功率，在该输入光功率条件下，ASE功率在输出总功率中所占的比例很小，能够忽略，即输出信号功率能够认为等于输出总功率；
打开泵浦功率并调节，使得输出总功率满足目标增益要求；
关闭输入光功率，保持泵浦功率不变，此时RFA输出端测得的功率即为该增益下的ASE实际功率。
进一步地，该方法具体包括以下步骤:
步骤S1，根据仿真或经验值得到一个ASE功率，设为
Figure BDA0002088992070000023
该ASE功率用于确定合适的输入光功率；
步骤S2，根据目标增益G，确定小信号线性区的拐点增益GB及对应的输入光功率PinB；
步骤S3，以小信号线性区拐点增益GB对应的输入光功率PinB为基准，减小一个ΔP值，作为输入光功率Pin，即Pin＝PinB-ΔP；
步骤S4，根据公式(2)计算出Delta值，Out_S为输出信号功率，Out_T为输出总功率，Delta为Out_T与Out_S的偏差；
Figure BDA0002088992070000021
若Delta值满足设定的偏差范围，则认为步骤S3中选取的输入光功率Pin合适；在该输入光功率条件下ASE功率在输出总功率中能够忽略；
步骤S5，ASE功率校正如下：
调整RFA的输入光功率为Pin；
校准增益G对应的ASE功率Pase:打开并调整泵浦功率，使得RFA实际输出功率Pout等于公式(2)计算的Out_T或Out_S；
保持泵浦功率不变，关闭输入光功率，记录RFA输出端检测的功率数值，即G对应的ASE功率Pase。
更进一步地，若RFA为可变增益，则重复步骤S1～S5，完成不同增益下的ASE功率校准，得到分别对应增益为G1～Gn的一组ASE功率Pase1～Pasen,。
更进一步地，G＝6dB时，
Figure BDA0002088992070000022
取-24～-28dBm进行估算。
更进一步地，步骤S3中，Pin取-10～-15dBm。
更进一步地，步骤S3中，G＝6dB时，Pin取-10～-16dBm。
更进一步地，步骤S4中，偏差范围为(0，0.08)。
进一步地，该方法适用于反向RFA。
本发明的优点在于：
1)校准所需要的设备少：仅需要一个普通的功率计用于校准RFA的检测器。
2)输入光功率确认方法简单。
3)输入光功率确认后，校准方法极为简单。
4)校准精度高，误差小。
附图说明
图1为本发明的反向RFA结构示意图。
图2为本发明的增益保持不变时，输入光功率和输出功率的关系示意图。
图3为图2的细节放大图。
图4为本发明的增益保持不变，泵浦功率和输入光功率的关系示意图。
图5为本发明的增益保持不变，泵浦功率和输出总功率的关系示意图。
图6为本发明的泵浦功率保持不变，增益和输入光功率的关系示意图。
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。
传统RFA光路结构简单，以图1所示的反向RFA为例，主要包括：信号泵浦合波器、分光器、输出监测器、泵浦激光器(组)；
输入光源接传输光纤一端，传输光纤另一端接信号泵浦合波器的公共端，信号泵浦合波器的反射端接泵浦激光器(组)，信号泵浦合波器的信号端接分光器的输入端，分光器的主分光端为RAF输出端，测试时接功率计，分光器的次分光端接输出监测器；
通过对输出信号功率及ASE功率的模拟结果进行研究，参考图2、图3，Out_S为输出信号功率，Out_T为输出总功率，Input为输入光功率,Delta为Out_T与Out_S的偏差；可以得到：
1)对于某一增益的反向RFA来说，当输入光功率大于某数值时，ASE功率的影响可以忽略不计；图3中的输入光功率为大于-15dBm时，拉曼增益为6dB，输出总功率中ASE所点的比例很小，转换为dB单位时，小于0.06dB。
2)由公式(1)可知，当RFA处于小信号线性区时，只要保持拉曼泵浦功率不变，即可保证信号增益不变；通过仿真软件进行仿真，保持信号增益为6dB，输入光功率和泵浦功率、输出总功率和泵浦功率的关系分别如图4、图5所示，Pump(mw)为泵浦功率，其中图4以输入光功率为横坐标，图5以输出总功率为横坐标；从图中可以很明显得到，当输入光功率小于0dBm时可以认为进入小信号线性区，特别地当输入光功率小于-10dbM后，无论输入光功率如何变化，泵浦功率都保持不变；实测结果同样符合公式(1)。
3)进一步可得，当输入光功率很小时，比如小于-60dbm，此时只要保持泵浦功率，增益仍保持不变；更进一步来说，当输入光功率无穷小时，即认为没有输入光，此时仍认为存在一个假定增益，其数值保持不变。
4)相同增益下，ASE功率保持不变，由3)可得，ASE功率可以直接在无输入光条件下校准。
以G＝6dB为例，其中泵浦数量为1，本发明的ASE功率校准具体步骤为：
步骤S1，利用仿真软件仿真出ASE功率，设为
Figure BDA0002088992070000044
单位为dBm；该ASE功率只是用于确定合适的输入光功率，精度+/-2dB以内对计算结果影响很小；因此也可以直接测试出来一个大概的ASE功率作为
Figure BDA0002088992070000046
或者使用经验值作为
Figure BDA0002088992070000045
步骤S2，假设小信号线性区拐点增益定为目标增益G-0.1，比如G＝6dB，则拐点增益定义为5.9dB；利用仿真软件或者直接测试出来小信号线性区的拐点增益GB及对应的输入光功率PinB，简单来说，保持泵浦功率不变，更改输入光功率，得到输入光功率vs增益的曲线，图6为一个仿真结果，以输入光功率Input＝-15dBm，G＝6dB为基准，然后保持泵浦功率不变，得到输入光功率vs增益的关系曲线，以GB＝5.9dB作为拐点，此时对应的输入光功率PinB约为-5dbm；
步骤S3，以小信号线性区拐点增益GB对应的输入光功率PinB为基准，减小5dB作为输入光功率Pin，即Pin＝PinB-5；此时Pin位于小信号线性区，以图6为例，即可以选择Pin＝-10dBm；
Pin还可以再小一些，但不能太小，否则会导致ASE功率所占比例过大；Pin＝PinB-ΔP计算时，本实施例中，ΔP可在5～11dBm范围内进行取值；
步骤S4，根据公式(2)计算出Delta值，Out_S为输出信号功率，Out_T为输出总功率，Delta为Out_T与Out_S的偏差；其中Pin、Out_S、Out_T的单位均为dBm；G、Delta的单位均为dB；
Figure BDA0002088992070000041
若Delta值满足区间(0，0.08)，则认为步骤S3中选取的Pin合适；以图6为例，其中Pin＝-10dbm，
Figure BDA0002088992070000047
取-24～-28dbm(仿真结果为-26dbm),计算结果如表1所示，从表1可知，即使
Figure BDA0002088992070000048
变化+/-2dB，Dleta的计算结果也满足0～0.08dB；综上，G＝6dB，Pin＝-10dbm时，ASE功率的影响可以忽略；
G(dB) P<sup>s</sup><sub>ASE</sub>(dBM) Pin(dBm) Out_S(dBm) Out_T(dBm) Delta(dB)
6.000 -24.000 -10.000 -4.000 -3.957 0.043
6.000 -25.000 -10.000 -4.000 -3.966 0.034
6.000 -26.000 -10.000 -4.000 -3.973 0.027
6.000 -27.000 -10.000 -4.000 -3.978 0.022
6.000 -28.000 -10.000 -4.000 -3.983 0.017
表1
若Pin更小，则肯定满足小信号线性区，但ASE功率所占比例会较大，而且
Figure BDA0002088992070000042
并不是准确值，计算出来的delta值偏差就会较大；如表2所示，假设
Figure BDA0002088992070000043
不同Pin对应和Delta计算结果如表2所示。当Pin＝-10dbm时，Delta为0.022～0.034；当Pin＝-24dBm时，Dleta为0.515～0.790。如果选择Pin＝-24dBm校准ASE，Out_T中由于ASE功率比例较大，而且
Figure BDA0002088992070000051
不是准确值，调整泵浦功率时，得不到准确的Out_T,故也就无法校准出真实的ASE功率。
再次，Pin较小时，功率计或者输出监测器精度的测试误差也会导致ASE功率校准偏差较大。
G(dB) P<sup>s</sup><sub>ASE</sub>(dBM) Pin(dBm) Out_S(dBm) Out_T(dBm) Delta(dB)
6.000 -25.000 -10.000 -4.000 -3.966 0.034
6.000 -27.000 -10.000 -4.000 -3.978 0.022
6.000 -25.000 -14.000 -8.000 -7.914 0.086
6.000 -27.000 -14.000 -8.000 -7.946 0.054
6.000 -25.000 -19.000 -13.000 -12.734 0.266
6.000 -27.000 -19.000 -13.000 -12.830 0.170
6.000 -25.000 -24.000 -18.000 -17.210 0.790
6.000 -27.000 -24.000 -18.000 -17.485 0.515
6.000 -25.000 -29.000 -23.000 -20.876 2.124
6.000 -27.000 -29.000 -23.000 -21.545 1.455
表2
综上所述，Pin要求位于小信号线性区，且ASE的影响又可以忽略不计，既Pin为小信号线性区的较大值，以公式计算，可以简化为：Pin＝PinB-ΔP；本实施例中，ΔP可在5～11dB范围内进行取值；
步骤S5，ASE功率校正如下：
a)安装图1进行产品连接，若RFA输出监测器已经校准好，则可不用接功率计；注：输入光通道个数由实际使用情况决定，若RFA用于单波放大，则用单波校准；若RFA用于多波放大，则用多波校准；
b)调整RFA的输入光功率为Pin；
c)校准增益G对应的ASE功率Pase：打开并调整泵浦功率，使得RFA实际输出功率Pout等于公式(2)计算的Out_T；由于ASE影响可以忽略，当Pout等于公式(2)计算的Out_S即可认为泵浦调整到位；Pout可以以输出检测器为准，也可以以功率计为准；
d)保持泵浦功率不变，关闭输入光功率，记录RFA的输出检测器或功率计的功率数值，即G对应的ASE功率Pase；
步骤S6，若RFA为可变增益，则重复步骤S1～S5，完成不同增益下的ASE功率校准，得到分别对应增益为G1～Gn的一组ASE功率Pase1～Pasen,。
一实例如下，Pin＝-10dBm时，不同增益下的ASE功率校准值如下所示：
G P<sub>ase</sub>
7 -26.25
6 -27.3
5 -28.45
4 -29.6
表3
进一步地，根据ASE校准值Pase反算delta，如表4所示，从计算结果可知，Pin为-10～-16dBm，delta值在0～0.08dB之内，即Pin选择-10～-16dBm用于校准G＝6dB下的ASE功率都是合适的。
G(dB) P<sup>s</sup><sub>ASE</sub>(dBM) Pin(dBm) Out_S(dBm) Out_T(dBm) Delta(dB)
6.000 -27.300 -10.000 -4.000 -3.980 0.020
6.000 -27.300 -12.000 -6.000 -5.968 0.032
6.000 -27.300 -14.000 -8.000 -7.949 0.051
6.000 -27.300 -16.000 -10.000 -9.920 0.080
6.000 -27.300 -18.000 -12.000 -11.874 0.126
6.000 -27.300 -20.000 -14.000 -13.801 0.199
6.000 -27.300 -22.000 -16.000 -15.689 0.311
6.000 -27.300 -24.000 -18.000 -17.518 0.482
6.000 -27.300 -26.000 -20.000 -19.258 0.742
6.000 -27.300 -28.000 -22.000 -20.877 1.123
表4
若RFA中泵浦波长大于1，在ASE功率校准过程中，保持每个泵浦的功率不变即可。
更进一步地，通过仿真和实验可以确认：对于常规的RFA来说，Pin选择-10～-15dBm时，基本上可以校准所有增益下的ASE功率。
更进一步地，对于前向RFA，在传输光纤输出端增加信号泵浦合波器，把泵浦功率分离出来，即可通过本发明实现ASE功率校准；该方法同样适应于双向RFA。该变换方法为本专业技术人员所熟悉，本发明不再作详细介绍。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，包括：
确定合适的输入光功率，在该输入光功率条件下，ASE功率在输出总功率中所占的比例很小，能够忽略，即输出信号功率能够认为等于输出总功率；
打开泵浦功率并调节，使得输出总功率满足目标增益要求；
关闭输入光功率，保持泵浦功率不变，此时RFA输出端测得的功率即为该增益下的ASE实际功率；
所述确定合适的输入光功率，在该输入光功率条件下，ASE功率在输出总功率中所占的比例很小，能够忽略，即输出信号功率能够认为等于输出总功率，具体包括：
步骤S1，根据仿真或经验值得到一个ASE功率，设为
Figure FDA0003181200710000011
该ASE功率用于确定合适的输入光功率；
步骤S2，根据目标增益G，确定小信号线性区的拐点增益GB及对应的输入光功率PinB；
步骤S3，以小信号线性区拐点增益GB对应的输入光功率PinB为基准，减小一个ΔP值，作为输入光功率Pin，即Pin＝PinB-ΔP；
步骤S4，根据公式(2)计算出Delta值，Out_S为输出信号功率，Out_T为输出总功率，Delta为Out_T与Out_S的偏差；
Figure FDA0003181200710000012
若Delta值满足设定的偏差范围，则认为步骤S3中选取的输入光功率Pin合适；在该输入光功率条件下ASE功率在输出总功率中能够忽略；
步骤S5，ASE功率校正如下：
调整RFA的输入光功率为Pin；
所述打开泵浦功率并调节，使得输出总功率满足目标增益要求，具体包括：校准增益G对应的ASE功率Pase:打开并调整泵浦功率，使得RFA实际输出功率Pout等于公式(2)计算的Out_T或Out_S；
所述关闭输入光功率，保持泵浦功率不变，此时RFA输出端测得的功率即为该增益下的ASE实际功率，具体包括：保持泵浦功率不变，关闭输入光功率，记录RFA输出端检测的功率数值，即G对应的ASE功率Pase。
2.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，
若RFA为可变增益，则重复步骤S1～S5，完成不同增益下的ASE功率校准，得到分别对应增益为G1～Gn的一组ASE功率Pase1～Pasen。
3.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，G＝6dB时，
Figure FDA0003181200710000021
取-24～-28dBm进行估算。
4.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，步骤S3中，Pin取-10～-15dBm。
5.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，步骤S3中，G＝6dB时，Pin取-10～-16dBm。
6.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，步骤S4中，偏差范围为(0，0.08)。
7.如权利要求1所述的拉曼光纤放大器ASE功率校准方法，其特征在于，该方法适用于反向RFA。
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