CN110798264B - 拉曼光纤放大器及其增益控制方法 - Google Patents

拉曼光纤放大器及其增益控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的第一方面提出一种拉曼光纤放大器，包括泵浦信号合波器、泵浦激光器(组)、第一滤波器、第二滤波器、分光器、第一监测器、第二监测器；本发明的第二方面提出一种拉曼光纤放大器的增益控制方法，包括以下步骤：先通过带内ASE功率ASEIB(T0)进行增益G0锁定，计算得到带外ASE功率实际值ASEOB(A0)，得到ASEOB(A0)和G0出厂校准值ASEOB(T0)的偏差offset，对带外ASE出厂校准值ASEOB(T)进行修正得到实际带外ASE功率ASEOB(A)，并使用ASEOB(A)用于增益G控制。本发明可减小或者消除当前传输系统中光纤种类、光纤长度、增益谱形状、连接损耗等因素的影响，保证增益控制的正确性及精度。

Description

拉曼光纤放大器及其增益控制方法
技术领域
本发明涉及拉曼光纤放大器(RFA:Raman Fiber Amplifier)，尤其是一种反向分布式的拉曼光纤放大器及其增益控制。
背景技术
RFA是基于受激拉曼散射机制设计的，由于噪声指数低，与掺铒光纤放大器配合使用时，可显著提高光信噪比，减小误码率，增大传输距离，目前RFA广泛应用于超长距离传输系统中。
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 BDA0002265748830000011
其中，g(v)R为光纤拉曼增益系数；Aeff为光纤有效面积；Pp为入纤泵浦功率；K为偏振因子；Leff为光纤有效长度，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。
在传输系统中，RFA期望为恒增益控制方式。通过公式(1)可知，当RFA工作在小信号线性放大区时，只要保持入纤泵浦功率Pp恒定即可认为增益恒定。但传输光纤的长度、种类、衰减系数、拉曼增益系数等都有较大差别，恒泵浦功率方式的RFA，实际拉曼增益与出厂测试结果会有较大偏差，在施工过程中需要重新调试，操作不方便。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，导致增益控制不准确。
改进型的RFA恒增益控制，一般基于RFA本身产生的ASE(Amplified SpontaneousEmission：放大自发辐射功率)，ASE功率和增益G之间有着一定的数学关系式，通过控制ASE功率的大小间接控制增益G。根据信号带内及带外定义，RFA本身产生的ASE功率可分为带内ASE(ASEIB)、带外ASE(ASEOB)。ASEIB由于和信号波长范围相同，提取的可操作性差、信号串扰严重，仅存在理论意义，实际系统中无法使用；比如专利US6373621、02279586.3、02139185.8等。ASEOB位于信号波长范围之外，提取方式简单、而且信号串扰较小，比如专利201110174019.4。因此改进型的RFA恒增益控制主要基于ASEOB。
专利201110174019.4描述的是通过提取ASEOB进行拉曼增益锁定的方法。该专利中提到了信号光串扰、监控信号串扰的处理方法，通过合理调整滤波器的中心波长、尽量的减小滤波器的带宽，减少系统本底ASE功率的影响及其它信号的串扰。专利中基于ASEOB出厂的校准数据进行增益控制。在实际传输系统中，由于ASEOB的带宽很窄(一般小于1.6nm)，ASEOB易受光纤种类、光纤长度、连接损耗、增益谱形状、信号波长、信号数量等因素影响而变化；且虽然在提取ASEOB时已考虑提取远离信号波长的ASE功率，但无法从根本上消除传输系统本底ASE功率的影响，当ASEOB功率较小时，传输系统本底ASE功率直接叠加到ASEOB中导致控制异常。因此仅基于出厂校准的ASEOB进行增益控制，由于影响因素较多，很难满足增益精度要求。
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及其增益控制方法，控制步骤及方案简单，能够保证增益控制的正确性及精度。
本发明采用的技术方案是：
本发明的第一方面提出一种拉曼光纤放大器，包括泵浦信号合波器、泵浦激光器(组)、第一滤波器、第二滤波器、分光器、第一监测器、第二监测器；
传输光纤的末端接泵浦信号合波器的公共端；泵浦信号合波器的反射端接泵浦激光器(组)，泵浦信号合波器的输出端接第一滤波器的公共端，第一滤波器的反射端接分光器的公共端，第一滤波器的透射端接第二滤波器的公共端；第二滤波器的透射端接第一监测器；第二滤波器的反射端进行光功率泄露；分光器的主输出端作为FRA的输出端，分光器的次输出端接第二监测器。
本发明的第二方面提出一种拉曼光纤放大器的增益控制方法，包括以下步骤：
步骤1：增益G0锁定；
泵浦激光器(组)为关闭状态时，第二监测器探测得到Pin；当满足开泵条件时，泵浦激光器(组)会开启，并根据所要求的增益G0调整泵浦激光器(组)的功率，当第二监测器探测的输出功率Pout0满足公式(2)时，G0锁定完成；
Figure BDA0002265748830000021
步骤2：ASEOB(A0)计算；
G0锁定后，把ASEOB(D0)、Pout0、i代入公式(3)，求解ASEOB(A0)；
Figure BDA0002265748830000022
步骤3：Offset计算；
定义Offset为G0条件下，ASEOB(A0)和ASEOB(T0)的偏差，如公式(4)所示：
Offset＝ASEOB(A0)-ASEOB(T0) (4)
Offset可扩展到其它增益G下的ASEOB(A)和ASEOB(T)，即：
Figure BDA0002265748830000023
即ASEOB(T)和ASEOB(A)存在偏差，如果直接用出厂校准值ASEOB(T)控制增益，会导致增益精度较差，甚至控制混乱；
步骤4：利用ASEOB(A)进行增益G控制；
以ASEOB(A)作为新的基准，用于增益G控制；当第一监测器的探测值ASEOB(D)满足公式(5)时，增益G控制完成；
Figure BDA0002265748830000031
各参数的定义及单位定义如下：
G：表示增益，单位dB；
G0：表示增益，泵浦激光器(组)从关闭到开启后的增益锁定值，单位dB；
Pin：表示输入功率，泵浦激光器(组)关闭时，第二监测器的探测值，单位dBm；
Pout：表示输出功率，泵浦激光器(组)开启后，第二监测器的探测值，单位dBm；
Pout0：表示输出功率，G0锁定时，第二监测器的探测值，单位dBm；
ASEIB(T)：表示带内ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带内ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEIB(T0)：表示带内ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带内ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(D)：表示带外ASE功率，增益G时，第一监测器的探测值，单位dBm；
ASEOB(D0)：表示带外ASE功率，增益G0时，第一监测器的探测值，单位dBm；
ASEOB(T)：表示带外ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带外ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(T0)：表示带外ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带外ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(A)：表示带外ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带外ASE功率，计算值，单位dBm；
ASEOB(A0)：表示带外ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带外ASE功率，计算值，单位dBm；
i：表示输出功率Pout对ASEOB的串扰隔离度，单位dB。
通过滤波器串联的方式，可提高i值，一般来说，单个滤波器的隔离可以满足30dB以上；两个滤波器串联，总隔离度达到60dB以上，此时输出功率对带外ASE的串扰基本可以忽略。公式(3)、公式(5)可分别简化为：
ASEOB(A0)＝ASEOB(D0) (3-1)
ASEOB(D)＝ASEOB(A)＝ASEOB(T)+Offset (5-1)
本发明的优点在于：
1)控制步骤及方案简单。
2)首次增益G0利用ASEIB进行锁定，可减小或者消除可消除传输系统本底ASE、光纤种类、光纤长度、连接损耗等因素的影响，保证首次增益G0的正确性。
3)带外ASE的出厂校准值ASEOB(T)动态修正为ASEOB(A)，利用ASEOB(A)进行增益控制，与出厂校准系统相比，可减小或者消除当前传输系统中因光纤种类、光纤长度、增益谱形状、连接损耗等因素的影响，保证增益控制的正确性及精度。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
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。
本发明的一个实施例提出一种拉曼光纤放大器，如图所示，包括泵浦信号合波器、泵浦激光器(组)、第一滤波器、第二滤波器、分光器、第一监测器、第二监测器；泵浦激光器(组)的含义是包括单个泵浦激光器或多个泵浦激光器；
其中，传输信号经过传输光纤接到RFA的输入端，即泵浦信号合波器的公共端；
传输光纤的末端接泵浦信号合波器的公共端；泵浦信号合波器的反射端接泵浦激光器(组)，泵浦信号合波器的输出端接第一滤波器的公共端，第一滤波器的反射端接分光器的公共端，第一滤波器的透射端接第二滤波器的公共端；第二滤波器的透射端接第一监测器；第二滤波器的反射端绕小圈进行光功率泄露；分光器的主输出端作为FRA的输出端，分光器的次输出端接第二监测器；
其中，第一监测器用于带外ASE功率ASEOB探测；第二监测器用于RFA的输入Pin、输出Pout探测；
第一滤波器与第二滤波器相同，作用为提取ASEOB。第一滤波器和第二滤波器串联使用，以提高输出功率对ASEOB的串扰隔离度i，可根据实际情况确定串联个数，一般来说，单个滤波器的隔离度i可以满足30dB以上；两个滤波器串联，总隔离度i达到60dB以上，此时Pout对ASEOB的串扰基本可以忽略。进一步说，滤波器串联的个数是由输出功率大小、滤波器隔离度大小共同决定的，可以通过理论计算和实验得到，本专利不再详细叙述。
该RFA使用的光器件为行业内的常规器件，本专利不再详细描述。
本发明的另一个实施例提出一种拉曼光纤放大器的增益控制方法；以下对该方法作详细说明；
RFA在放大信号的同时，会产生自发辐射功率ASE，以信号波长为基准，信号波长范围内的ASE功率定义为带内ASE(ASEIB)，信号波长范围外的ASE功率定义为带外ASE(ASEOB)。同时，传输系统本底ASE也有带内和带外之分。
ASEIB为整个信号波长范围内的平均值，基本不受光纤种类、光纤长度、连接损耗、信号波长等因素的影响，由RFA的相关理论可知，同一增益下增益谱形状接近，此时ASEIB可认为保持不变。恒增益控制时，ASEIB在Pout中所占的比例和Pin大小相关：当Pin较大时，ASEIB在Pout中所占的比例很小，可忽略；而当Pin较小时，ASEIB在Pout中所占的比例较大，不可忽略，此时需要对ASEIB进行补偿。
为了表述的更为明确，各参数的定义及单位定义如下：
G：表示增益，单位dB；
G0：表示增益，泵浦激光器(组)从关闭到开启后的增益锁定值，单位dB；
Pin：表示输入功率，泵浦激光器(组)关闭时，第二监测器的探测值，单位dBm；
Pout：表示输出功率，泵浦激光器(组)开启后，第二监测器的探测值，单位dBm；
Pout0：表示输出功率，G0锁定时，第二监测器的探测值，单位dBm；
ASEIB(T)：表示带内ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带内ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEIB(T0)：表示带内ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带内ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(D)：表示带外ASE功率，增益G时，第一监测器的探测值，单位dBm；
ASEOB(D0)：表示带外ASE功率，增益G0时，第一监测器的探测值，单位dBm；
ASEOB(T)：表示带外ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带外ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(T0)：表示带外ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带外ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(A)：表示带外ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带外ASE功率，计算值，单位dBm；
ASEOB(A0)：表示带外ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带外ASE功率，计算值，单位dBm；
i：表示输出功率Pout对ASEOB的串扰隔离度，单位dB。
步骤1：增益G0锁定；
RFA上电后开始工作时，泵浦激光器(组)首先为关闭状态，此时第二监测器探测可得到Pin。当满足开泵条件时，泵浦激光器(组)会开启，并根据所要求的增益G0调整泵浦激光器(组)的功率，当第二监测器探测的输出功率Pout0满足公式(2)时，G0锁定完成。
Figure BDA0002265748830000051
由公式(2)中可知，Pout0只和Pin、G0及ASEIB(T0)相关。
若输入功率Pin较大，设Pin+G0＞＞ASEIB(T0)，ASEIB(T0)可忽略，此时公式(2)变为Pout0＝Pin0+G0，此时Pout0的精度取决于第二监测器的探测精度及软件的跟踪精度。
若输入功率Pin较小，设Pin+G0＜＜ASEIB(T0)，Pin+G0可忽略(即输出信号光可忽略)，此时公式(2)变为Pout0＝ASEIB(T0)，此时Pout0的精度即为ASEIB(T0)的校准精度。
RFA的ASEIB与掺铒光纤放大器的ASE功率校准方法相同或类似，ASEIB本身的校准精度可满足+/-0.3dB以内。不考虑第二监测器的探测精度、软件的跟踪精度的情况下，Pout0的精度不超过ASEIB(T0)的校准精度，即可满足+/-0.3dB；进一步来说，即G0可满足+/-0.3dB的精度。
更进一步地可知，Pin中已包含传输系统本底ASE，由公式(2)可知，传输系统本底ASE对G0的精度没有影响。
步骤2：ASEOB(A0)计算。
G0锁定后，把ASEOB(D0)、Pout0、i代入公式(3)，求解ASEOB(A0)；
Figure BDA0002265748830000061
ASEOB(A0)中包括传输系统本底ASE的影响；
步骤3：Offset计算；
定义Offset为G0条件下，ASEOB(A0)和ASEOB(T0)的偏差，如公式(4)所示：
Offset＝ASEOB(A0)-ASEOB(T0) (4)
公式(4)表示由于各种因素(包括光纤种类、光纤长度、信号波长、环境温度、连接损耗、增益谱形状等因素)的影响，带外ASE出厂理论值ASEOB(T0)和实际带外ASE值ASEOB(A0)会有一定偏差。此时传输系统中光纤连接情况、光纤长度等都保持不变，即传输系统相当于为静态的，且用于提到带外ASE功率的滤波器透射波长远离信号波长，传输系统本底ASE功率的影响较小，故Offset可扩展到其它增益G下的ASEOB(A)和ASEOB(T)，即：
Figure BDA0002265748830000063
即ASEOB(T)和ASEOB(A)存在偏差，如果直接用出厂校准值ASEOB(T)控制增益，必须会导致增益精度较差，甚至控制混乱；
步骤4：利用ASEOB(A)进行增益G控制；
以ASEOB(A)作为新的基准，用于增益G控制；当第一监测器的探测值ASEOB(D)满足公式(5)时，增益G控制完成；
Figure BDA0002265748830000062
特别地，当i大到Pout串扰可忽略时，公式(3)、公式(5)可简化为公式(3-1)、公式(5-1)：
ASEOB(A0)＝ASEOB(D0) (3-1)
ASEOB(D)＝ASEOB(A)＝ASEOB(T)+Offset (5-1)
通过步骤1～步骤4，RFA自动把出厂校准值ASEOB(T)修正为ASEOB(A)，再利用ASEOB(A)进行增益G控制。与直接利用ASEOB(T)进行增益控制相比，该方案中的增益G0锁定，可消除传输系统本底ASE、光纤种类、光纤长度、连接损耗等因素的影响，得到准确的实际带外ASE功率ASEOB(A)；利用实际带外ASE功率ASEOB(A)进行增益控制，与出厂校准系统相比，可减小或者消除当前传输系统中因光纤种类、光纤长度、增益谱形状、连接损耗等因素的影响，保证增益控制的正确性及精度。
通过上述描述可知，只要泵浦激光器(组)状态从关闭变为开启，即执行步骤1～步骤4，此过程为动态过程，实时对ASEOB(T)进行修正。
另外，可建立一个自校准命令。当使用者认为RFA的控制可能存在较大偏差时，发送自校准命令给RFA，当RFA接收该指令时，先关闭泵浦激光器(组)，然后再打开泵浦激光泵浦激光器(组)，完成步骤1～步骤4，重新完成G0锁定，求解出Offset及ASEOB(A)，并用于增益G控制。
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 (1)

1.一种拉曼光纤放大器，其特征在于，包括泵浦信号合波器、泵浦激光器、第一滤波器、第二滤波器、分光器、第一监测器、第二监测器；
传输光纤的末端接泵浦信号合波器的公共端；泵浦信号合波器的反射端接泵浦激光器，泵浦信号合波器的输出端接第一滤波器的公共端，第一滤波器的反射端接分光器的公共端，第一滤波器的透射端接第二滤波器的公共端；第二滤波器的透射端接第一监测器；第二滤波器的反射端进行光功率泄露；分光器的主输出端作为FRA的输出端，分光器的次输出端接第二监测器；
该拉曼光纤放大器通过以下增益控制方法进行增益控制；
步骤1：增益G0锁定；
泵浦激光器为关闭状态时，第二监测器探测得到Pin；当满足开泵条件时，泵浦激光器会开启，并根据所要求的增益G0调整泵浦激光器的功率，当第二监测器探测的输出功率Pout0满足公式(2)时，G0锁定完成；
Figure FDA0003603174200000011
步骤2：ASEOB(A0)计算；
G0锁定后，把ASEOB(D0)、Pout0、i代入公式(3)，求解ASEOB(A0)；
Figure FDA0003603174200000012
步骤3：Offset计算；
定义Offset为G0条件下，ASEOB(A0)和ASEOB(T0)的偏差，如公式(4)所示：
Offset＝ASEOB(A0)-ASEOB(T0) (4)
Offset可扩展到其它增益G下的ASEOB(A)和ASEOB(T)，即：
Figure FDA0003603174200000014
即ASEOB(T)和ASEOB(A)存在偏差；
步骤4：利用ASEOB(A)进行增益G控制；
以ASEOB(A)作为新的基准，用于增益G控制；当第一监测器的探测值ASEOB(D)满足公式(5)时，增益G控制完成；
Figure FDA0003603174200000013
各参数的定义及单位定义如下：
G：表示增益，单位dB；
G0：表示增益，泵浦激光器从关闭到开启后的增益锁定值，单位dB；
Pin：表示输入功率，泵浦激光器关闭时，第二监测器的探测值，单位dBm；
Pout：表示输出功率，泵浦激光器开启后，第二监测器的探测值，单位dBm；
Pout0：表示输出功率，G0锁定时，第二监测器的探测值，单位dBm；
ASEIB(T)：表示带内ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带内ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEIB(T0)：表示带内ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带内ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(D)：表示带外ASE功率，增益G时，第一监测器的探测值，单位dBm；
ASEOB(D0)：表示带外ASE功率，增益G0时，第一监测器的探测值，单位dBm；
ASEOB(T)：表示带外ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带外ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(T0)：表示带外ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带外ASE功率，出厂校准值，单位dBm；
ASEOB(A)：表示带外ASE功率，增益G时，RFA本身所产生的带外ASE功率，计算值，单位dBm；
ASEOB(A0)：表示带外ASE功率，增益G0时，RFA本身所产生的带外ASE功率，计算值，单位dBm；
i：表示输出功率Pout对ASEOB的串扰隔离度，单位dB。
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