CN112953643B - 一种fm-edfa自动增益控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种FM‑EDFA自动增益控制装置，通过将少模输入信号在泵浦可调FM‑EDFA中与多模泵浦光一同注入到FM‑EDF中进行模式放大，放大后的少模信号送入模态综合检测模块，完成少模放大信号的模态综合测量；模态反馈控制电路根据模态综合测量结果，产生泵浦控制信号并控制可调泵浦单元来调整泵浦模式分量及其功率大小，从而实现整个FM‑EDFA的自动增益控制功能。

Description

一种FM-EDFA自动增益控制装置
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种FM-EDFA自动增益控制装置。
背景技术
随着网络流量爆炸式增长，单模光纤通信系统的传输容量正在逐渐趋近非线性香农极限。为了满足光网络不断增长的容量需求，空分复用技术越来越多地受到关注。空分复用长距离传输系统离不开空分复用光放大器，其中少模或多芯的掺铒光纤放大器有着最为广泛的应用场景，尤其是少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)不但可用于补偿模式传输与交换系统中模式的衰减，还可以用于少模非线性系统来提高模式光功率。
与传统的单模掺铒光纤放大器EDFA相比，FM-EDFA还需额外关注不同模式信号之间的增益差，即差模增益(DMG)，这是设计少模掺铒光纤需要考虑的新参数。
在模分复用光纤系统中，较大的模间增益差值不仅会导致信号失真，误码率增加，增大系统中断概率，还会增加后端多进多出(MIMO)信号处理的复杂度。因此，对于常规的应用而言，设计和研制FM-EDFA，既要达到有足够的模式增益，又要具有较低的差模增益。
此外，在一些特殊的应用场景下，人们可以利用FM-EDFA的差模增益来补偿模式相关损耗，如在光交换节点中实现模式均衡。无论哪种应用情形，都希望FM-EDFA具有类似传统单模EDFA那样的自动增益控制功能。模式的增益控制的实现依赖于模式增益的检测和反馈机制，若采用将FM-EDFA输出的模式复用放大信号进行解复用的检测方法，会大大增加设备成本，也不适合于更多模式的放大情形。更何况，少模光纤中高阶模的模场分布不再是单模光纤中圆对称的高斯分布，致使FM-EDFA的增益控制更加困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种FM-EDFA自动增益控制装置，通过对FM-EDFA少模放大信号的模态综合检测，并根据检测结果调节FM-EDFA泵浦光的模式及功率，来自动控制FM-EDFA的模式增益，从而解决FM-EDFA中放大信号的模式增益不均衡或差模增益大的问题。
为实现上述发明目的，本发明一种FM-EDFA自动增益控制装置，其特征在于，包括：泵浦可调FM-EDFA、模态综合检测模块和模态反馈控制电路；
所述泵浦可调FM-EDFA包括复用器、少模掺铒光纤FM-EDF、可调泵浦单元和泵浦剥离器；其中，可调泵浦单元又包括泵浦光源、模态调制器和驱动电路；
驱动电路在泵浦控制信号控制下，分别对泵浦光源的输出功率和模态调制器的模态进行调节，产生多模泵浦光；复用器将少模信号光与多模泵浦光合并在一起注入FM-EDF实现信号光放大；再将放大的信号光和泵浦光传输至泵浦剥离器，泵浦剥离器滤除FM-EDF输出的泵浦光，从而输出少模放大信号；
所述模态综合检测模块包括多通道偏振检测和模态综合表征两个功能单元，其作用是实现多种组合模态的表征和测量；其中，多通道偏振检测单元又包括四个分光板，四个偏振检偏器，一个偏振转换器以及四个光电探测器；
少模放大信号进入多通道偏振检测单元通过四个分光板进行分束，主光束输出该FM-EDFA自动增益控制装置的绝大部分信号功率，四束次光束的信号分别进入水平检偏器、垂直检偏器、+45°检偏器、+45°检偏器和偏振转换器，得到四路偏振状态的光信号，然后通过四个光电探测器将四路偏振状态的光信号转换成电信号，同时测得四路偏振状态的光信号的功率
Figure BDA0002918714560000021
和
Figure BDA0002918714560000022
模态综合表征单元对来自多通道偏振检测单元的多路输出电信号进行适当地组合和权重计算，输出模态综合表征结果；
所述模态反馈控制电路用于实现增益信息映射、泵浦功率/模态预测和泵浦控制信号的产生；
根据FM-EDFA中信号模态的演化规律，预先建立输出模式增益特性与模态综合表征结果之间的关系，反过来从模态综合检测结果中提取模式增益，实现增益信息映射；然后通过FM-EDFA的解析或半解析方法优化计算出达到增益控制目标所需泵浦模式和功率的多模泵浦模态组合，实现泵浦功率/模态预测；最后，模态反馈控制电路根据可调泵浦单元的可控特性，产生泵浦控制信号，再按照多模泵浦模态组合控制可调泵浦单元中泵浦光源和模态调制器调整到所需状态，发出所需多模泵浦，从而在FM-EDF中与输入信号实现低差模增益放大。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种FM-EDFA自动增益控制装置，通过将少模输入信号在泵浦可调FM-EDFA中与多模泵浦光一同注入到FM-EDF中进行模式放大，放大后的少模信号送入模态综合检测模块，完成少模放大信号的模态综合测量；模态反馈控制电路根据模态综合测量结果，产生泵浦控制信号并控制可调泵浦单元来调整泵浦模式分量及其功率大小，从而实现整个FM-EDFA的自动增益控制功能。
同时，本发明一种FM-EDFA自动增益控制装置还具有以下有益效果：
(1)、模态综合检测由模态综合检测模块完成，它能够对少模信号进行多通道并行光电转换并提供用于实时反馈控制的光功率测量；
(2)、模态综合检测过程中，无需对放大的少模信号进行解复用，极大地降低了实现自动增益控制的成本，而且不受放大模式通道数的制约。
(3)、FM-EDFA的解析或半解析方法能够根据掺铒光纤中反转粒子数浓度分布，完成FM-EDFA信号增益的快速精确计算。
附图说明
图1是本发明一种FM-EDFA自动增益控制装置原理图；
图2是泵浦可调FM-EDFA的结构图；
图3是模态综合检测模块的结构图；
图4是LP01和LP11,e模式信号的差模增益映射关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种FM-EDFA自动增益控制装置原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种FM-EDFA自动增益控制装置，包括：泵浦可调FM-EDFA、模态综合检测模块和模态反馈控制电路；
如图2所示，泵浦可调FM-EDFA包括复用器、少模掺铒光纤FM-EDF、可调泵浦单元和泵浦剥离器；其中，可调泵浦单元又包括泵浦光源、模态调制器和驱动电路；
在本实施例中，可调泵浦单元具体可由“可调泵浦激光器阵列+模式选择光子灯笼”或“单泵浦激光器+空间光调制器”实现；
驱动电路在泵浦控制信号的控制下，分别对泵浦光源的输出功率和模态调制器的模态进行调节，产生多模泵浦光；复用器将少模信号光与多模泵浦光合并在一起通过复用器注入至FM-EDF，实现信号光放大；再将放大的信号光和多模泵浦光传输至泵浦剥离器，泵浦剥离器滤除FM-EDF输出的多模泵浦光，从而输出少模放大信号；
如图3所示，模态综合检测模块包括多通道偏振检测和模态综合表征两个功能单元，其作用是实现多种组合模态的表征和测量；其中，多通道偏振检测单元又包括四个分光板，四个偏振检偏器，一个偏振转换器以及四个光电探测器；
少模放大信号进入多通道偏振检测单元后，依次通过四个分光板进行分束，主光束输出该FM-EDFA自动增益控制装置的绝大部分信号功率，四束次光束的信号分别进入水平检偏器、垂直检偏器、+45°检偏器，以及+45°检偏器与偏振转换器，得到四路偏振状态的光信号，然后通过四个光电探测器将四路偏振状态的光信号转换成电信号，同时测得四路偏振状态的光信号的功率
Figure BDA0002918714560000041
和
Figure BDA0002918714560000042
模态综合表征单元对来自多通道偏振检测单元的多路输出电信号进行适当地组合和权重计算，输出模态综合表征的结果，如有效偏振度(eDOP)参数，以便能够反映FM-EDFA的增益特性；其中，eDOP参数由四路偏振检测通道的模式复用信号功率
Figure BDA0002918714560000043
和
Figure BDA0002918714560000044
按下面式子组合运算得到：
Figure BDA0002918714560000045
其中，
Figure BDA0002918714560000046
m表示模式数量，λ为少模放大信号的波长；
模态反馈控制电路用于实现增益信息映射、泵浦功率/模态预测和泵浦控制信号的产生；
根据FM-EDFA中信号模态的演化规律，预先建立输出模式增益特性与模态综合表征结果之间的关系，反过来从模态综合检测结果中提取模式增益，实现增益信息映射；然后通过FM-EDFA的解析或半解析方法优化计算出达到增益控制目标所需泵浦模式和功率的多模泵浦模态组合，实现泵浦功率/模态预测；最后，模态反馈控制电路根据可调泵浦单元的可控特性，产生泵浦控制信号，再按照多模泵浦模态组合控制可调泵浦单元中泵浦光源和模态调制器调整到所需状态，发出所需多模泵浦，从而在FM-EDF中与输入信号实现低差模增益放大。
在本实施例中，FM-EDF的长度为30m，掺杂半径8μm，均匀掺铒浓度为1×1024m-3。所采用的FM-EDF支持LP01和LP11,e两个1550nm波长的信号光模式，经复用器输入到FM-EDF的模式光功率均为-10dBm，LP01的偏振状态为x偏振、LP11,e的偏振状态为y偏振。可调泵浦单元由可调泵浦激光器阵列和模式选择光子灯笼具体实现，并可产生LP01、LP11,e、LP21,e、LP02四个模式的泵浦光。每个激光器的可调功率范围为0～1000mW，初始状态下四个泵浦模式的光功率均设为100mW。少模信号在多模泵浦光的激励下经FM-EDF放大，泵浦剥离器滤除泵浦光后即为所需的少模放大信号。
在FM-EDFA的初始条件下，测量得到的少模信号光的有效偏振度(eDOP)为0.22。按照上述方法，针对该两模信号光情形，通过改变它们的光功率比(仍可用DMG表示)，对态综合检测模块的响应特性进行了实验标定，如图4所示，初始状态下的有效偏振度为0.21，此时对应的DMG为1.84dB。接下来，为了进一步降低DMG，模态反馈控制电路根据预设的或通过优化得到的泵浦光功率和模态组合，产生相应的泵浦控制信号。泵浦控制信号通过可调泵浦单元的驱动电路，将LP01、LP11,e、LP21,e、LP02泵浦模式的光功率依次调整为98mW、700mW、101mW和100mW，此时LP01和LP11,e两个模信号的增益均为33.3dB，其DMG为0dB，对应的eDOP为0。这样，通过实时检测eDOP和模态反馈控制，就可以使FM-EDFA的增益特性始终处于所需的工作状态，从而实现FM-EDFA的自动增益控制功能。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种FM-EDFA自动增益控制装置，其特征在于，包括：泵浦可调FM-EDFA、模态综合检测模块和模态反馈控制电路；
所述泵浦可调FM-EDFA包括复用器、少模掺铒光纤FM-EDF、可调泵浦单元和泵浦剥离器；其中，可调泵浦单元又包括泵浦光源、模态调制器和驱动电路；
驱动电路在泵浦控制信号控制下，分别对泵浦光源的输出功率和模态调制器的模态进行调节，产生多模泵浦光；复用器将少模信号光与多模泵浦光合并在一起注入FM-EDF实现信号光放大；再将放大的信号光和泵浦光传输至泵浦剥离器，泵浦剥离器滤除FM-EDF输出的泵浦光，从而输出少模放大信号；
所述模态综合检测模块包括多通道偏振检测和模态综合表征两个功能单元，其作用是实现多种组合模态的表征和测量；其中，多通道偏振检测单元又包括四个分光板，四个偏振检偏器，一个偏振转换器以及四个光电探测器；
少模放大信号进入多通道偏振检测单元通过四个分光板进行分束，主光束输出该FM-EDFA自动增益控制装置的绝大部分信号功率，四束次光束的信号分别进入水平检偏器、垂直检偏器、+45°检偏器、+45°检偏器和偏振转换器，得到四路偏振状态的光信号，然后通过四个光电探测器将四路偏振状态的光信号转换成电信号，同时测得四路偏振状态的光信号的功率
Figure FDA0003695349670000011
和
Figure FDA0003695349670000012
模态综合表征单元对来自多通道偏振检测单元的多路输出电信号进行适当地组合和权重计算，输出模态综合表征结果；
其中，模态综合表征结果为有效偏振度eDOP，有效偏振度eDOP由四路偏振检测通道的模式复用信号功率
Figure FDA0003695349670000013
和
Figure FDA0003695349670000014
按下面式子组合计算得到：
Figure FDA0003695349670000015
其中，
Figure FDA0003695349670000016
所述模态反馈控制电路用于实现增益信息映射、泵浦功率/模态预测和泵浦控制信号的产生；
根据FM-EDFA中信号模态的演化规律，预先建立输出模式增益特性与模态综合表征结果之间的关系，反过来从模态综合检测结果中提取模式增益，实现增益信息映射；然后通过FM-EDFA的解析或半解析方法优化计算出达到增益控制目标所需泵浦模式和功率的多模泵浦模态组合，实现泵浦功率/模态预测；最后，模态反馈控制电路根据可调泵浦单元的可控特性，产生泵浦控制信号，再按照多模泵浦模态组合控制可调泵浦单元中泵浦光源和模态调制器调整到所需状态，发出所需多模泵浦，从而在FM-EDF中与输入信号实现低差模增益放大。
2.根据权利要求1所述的一种FM-EDFA自动增益控制装置，其特征在于，所述可调泵浦单元具体包括两种形式，一种为可调泵浦激光器阵列和模式选择光子灯笼；另一种为单泵浦激光器和空间光调制器。
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