CN113746557A - 一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法及混合放大器 - Google Patents

一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法及混合放大器 Download PDF

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CN113746557A CN202111310063.3A CN202111310063A CN113746557A CN 113746557 A CN113746557 A CN 113746557A CN 202111310063 A CN202111310063 A CN 202111310063A CN 113746557 A CN113746557 A CN 113746557A
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Abstract

本发明提供一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法及混合放大器，该方法包括以下步骤：根据预设的参数选取区间在参数选取区间内选择参数，将参数建立为多个参数组，参数组中的参数包括拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度；根据拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度计算总增益，利用遗传算法对参数组进行迭代更新，在每次迭代更新中选取更大的总增益所对应的参数组；当完成最后一次迭代后，选取最大总增益所对应的参数组作为最终的目标参数。本申请联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器，通过遗传算法进行迭代，输出最大总增益对应的参数组，同时调整拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器，提高放大效果。

Description

一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法及混合放大器
技术领域
本发明涉及光放大器技术领域，尤其涉及一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法及混合放大器。
背景技术
近年来，大数据、云计算、物联网等新型业务的迅猛增长，对以光纤和波分复用为基础的光传送网提出了严峻挑战，要求原有固定波长栅格和速率的传送网向无栅格变速率大容量光传送网的方向发展，以适应不同跨距、差异化带宽、复杂拓扑等光传送需求，其中光纤放大器为光传输中必不可少的器件之一，因此对光纤放大器等关键技术提出了更高的要求。
拉曼光纤放大器（RFA）与掺铒光纤放大器(EDFA)在光通信领域已经得到了广泛的应用，系统对RFA的需求也越来越大，RFA噪声低，适宜长距离光通信信号放大，同时RFA的增益介质就是普通传输光纤本身，与光纤系统具有良好的兼容性，而EDFA相比RFA来说噪声指数较大，但在信号功率放大方面比RFA有更高的性价比。
但在现有技术中，EDFA与RFA大多是单独使用、独立调整的，若仅仅将现有的EDFA与RFA组合使用，放大效果较差。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法及混合放大器，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
本发明的一个方面提供了一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法，拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器处于连接状态，掺铒光纤放大器的输出端与拉曼光纤放大器的输入端相连接，该方法包括以下步骤：
根据预设的参数选取区间在参数选取区间内选择参数，将参数建立为多个参数组，所述参数组中的参数包括拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度；
根据拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度计算总增益，利用遗传算法对所述参数组进行迭代更新，在每次迭代更新中选取更大的总增益所对应的参数组；
当完成最后一次迭代后，选取最大总增益所对应的参数组作为最终的目标参数；
将所述目标参数应用于拉曼光纤放大器及掺铒光纤放大器。
采用上述方案，本申请联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器计算总增益，将拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度结合为参数组，并同时计算参数组对应的总增益，通过遗传算法对参数组进行迭代，每次迭代均输出更大总增益对应的参数组，最后输出最大总增益对应的参数组，同时调整联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器，提高放大效果。
在本发明的一些实施方式中，所述总增益
Figure 933034DEST_PATH_IMAGE002
=拉曼光纤放大器的输出功率/掺铒光纤放大器的输入功率，
根据如下公式得到掺铒光纤放大器的输入功率与输出功率的关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
拉曼放大器中信号功率沿拉曼放大器的分布如下公式：
Figure 526564DEST_PATH_IMAGE004
；
z为拉曼光纤长度值，取值范围为0-LR,当z=0时，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为拉曼放大器输入信号光功率；z=LR时，
Figure 648104DEST_PATH_IMAGE006
为拉曼放大器输出信号光功率，即
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 221167DEST_PATH_IMAGE007
表示拉曼光纤放大器的输出信号光功率；
由于掺铒光纤放大器的输出端与拉曼光纤放大器的输入端相连接，则当z=0时，
Figure 111763DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 643238DEST_PATH_IMAGE009
为掺铒光纤放大器的输出信号光功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为拉曼光纤放大器的输入信号光功率；
即信号功率经过EDFA传输后，沿拉曼放大器的分布可以表示为：
Figure 986495DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示掺铒光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 628829DEST_PATH_IMAGE013
表示掺铒光纤长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示掺铒光纤在信号频率处的吸收截面，
Figure 373931DEST_PATH_IMAGE015
表示总铒离子密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示掺铒信号频率处的发射截面，
Figure 810729DEST_PATH_IMAGE017
为掺铒光纤在
Figure DEST_PATH_IMAGE018
长度的亚稳态居群密度平均值，
Figure 641281DEST_PATH_IMAGE019
表示信号频率下的掺铒光纤损耗，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示拉曼光纤放大器的增益系数，
Figure 821727DEST_PATH_IMAGE021
表示拉曼光纤泵浦频率下的拉曼光纤损耗，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示拉曼光纤放大器的泵浦输入功率，
Figure 421336DEST_PATH_IMAGE023
表示重叠因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为掺铒光纤放大器的泵浦输入功率。
采用上述方案，输入参数组中的拉曼泵浦功率
Figure 521710DEST_PATH_IMAGE022
、掺铒泵浦功率
Figure 839559DEST_PATH_IMAGE025
、拉曼光纤长度即z的值、掺铒光纤长度
Figure 89275DEST_PATH_IMAGE013
，即可得出掺铒光纤放大器的输入信号光功率
Figure 808969DEST_PATH_IMAGE012
和拉曼光纤放大器的输出信号光功率
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，得出总增益
Figure 853149DEST_PATH_IMAGE027
。
在本发明的一些实施方式中，
Figure 658294DEST_PATH_IMAGE017
根据如下公式联合计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 446121DEST_PATH_IMAGE029
；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure 754743DEST_PATH_IMAGE031
是掺铒光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 969823DEST_PATH_IMAGE032
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure DEST_PATH_IMAGE033
处的吸收截面，
Figure 996685DEST_PATH_IMAGE034
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure DEST_PATH_IMAGE035
处的吸收截面，
Figure 588203DEST_PATH_IMAGE016
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 16911DEST_PATH_IMAGE035
处的发射截面，
Figure 402893DEST_PATH_IMAGE036
是泵浦波长
Figure DEST_PATH_IMAGE037
的光纤模的横截面面积，
Figure 182630DEST_PATH_IMAGE038
是信号波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE039
的光纤模的横截面面积，
Figure 545216DEST_PATH_IMAGE040
是从能级
Figure DEST_PATH_IMAGE041
到能级
Figure 828430DEST_PATH_IMAGE042
跃迁的自发辐射寿命，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为掺铒光纤放大器的泵浦速率，
Figure 385313DEST_PATH_IMAGE044
为掺铒光纤放大器的受激吸收速率，
Figure 652346DEST_PATH_IMAGE045
为掺铒光纤放大器的受激发射速率，
Figure 320088DEST_PATH_IMAGE046
为掺铒光纤放大器的核心总铒离子密度，h表示普朗克常量。
在本发明的一些实施方式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
。
在本发明的一些实施方式中，通过遗传算法对参数组进行迭代的步骤包括：
预设迭代次数，根据遗传算法的交叉概率
Figure 723387DEST_PATH_IMAGE048
和变异概率
Figure DEST_PATH_IMAGE049
对参数组进行更新迭代，当迭代次数到达预设迭代次数时，停止迭代。
在本发明的一些实施方式中，交叉概率
Figure 451172DEST_PATH_IMAGE048
和变异概率
Figure 674343DEST_PATH_IMAGE049
根据如下公式进行调整：
Figure 411355DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；
其中
Figure 669161DEST_PATH_IMAGE052
表示所有参数组最大的总增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
表示每代的参数组的平均总增益值，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示要交叉的两个参数组中较大的总增益值，f表示要变异参数组的总增益，
Figure 302267DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure DEST_PATH_IMAGE057
表示两个交叉概率值，
Figure 12734DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure DEST_PATH_IMAGE059
表示两个变异概率值。
在本发明的一些实施方式中，所述方法的步骤还包括：
在每次迭代计算总增益值后，在每次迭代中根据所述总增益值计算总噪声系数；
将每次迭代计算的总噪声系数与预设的噪声系数阈值相对比；
若第n代的总噪声系数大于噪声系数阈值，则输出第n-1代中最大的总增益值所对应的参数组作为最终的目标参数。
在本发明的一些实施方式中，若第n代的总噪声系数大于噪声系数阈值，则跳出迭代。
在本发明的一些实施方式中，所述总噪声系数根据如下公式进行计算：
Figure 287858DEST_PATH_IMAGE060
；
NF为总噪声系数，
Figure 898706DEST_PATH_IMAGE061
为总增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
表示掺铒光纤放大器的增益，
Figure 233872DEST_PATH_IMAGE063
为掺铒光纤放大器的噪声系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为拉曼光纤放大器的噪声系数。
在本发明的一些实施方式中，掺铒光纤放大器的噪声系数根据如下公式计算：
Figure 166056DEST_PATH_IMAGE065
；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
表示掺铒光纤放大器的输入信噪比，
Figure 244870DEST_PATH_IMAGE067
表示掺铒光纤放大器的输出信噪比，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
表示掺铒光纤的自发辐射因子，h表示普朗克常量，v表示光的频率，
Figure 477269DEST_PATH_IMAGE069
表示掺铒光纤放大器的自发辐射噪声带宽，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE070
表示掺铒光纤放大器的自发辐射噪声功率。
在本发明的一些实施方式中，拉曼光纤放大器的噪声系数根据如下公式计算：
Figure 452178DEST_PATH_IMAGE071
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE072
表示拉曼光纤放大器的输出功率，
Figure 402816DEST_PATH_IMAGE073
表示拉曼光纤放大器的自发辐射噪声功率，h表示普朗克常量，v表示光的频率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE074
表示拉曼放大器内置电滤波器的带宽，
Figure 754163DEST_PATH_IMAGE075
表示拉曼光纤放大器的增益，
Figure 106647DEST_PATH_IMAGE010
表示拉曼光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE076
表示总增益。
在本发明的一些实施方式中，掺铒光纤放大器的增益根据如下公式进行计算：
Figure 252458DEST_PATH_IMAGE077
；
Figure DEST_PATH_IMAGE078
表示掺铒光纤放大器的信号输出功率，
Figure 159234DEST_PATH_IMAGE079
表示掺铒光纤放大器的自发辐射功率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE080
表示掺铒光纤放大器的信号输入功率。
在本发明的一些实施方式中，拉曼光纤放大器的增益根据如下公式进行计算：
Figure 579851DEST_PATH_IMAGE081
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE082
表示拉曼光纤放大器的增益系数，由拉曼光纤芯材料的成分决定。
Figure 19797DEST_PATH_IMAGE022
为拉曼光纤放大器的泵浦输入光功率，
Figure 867668DEST_PATH_IMAGE083
为表征实际产生放大作用的光纤等效长度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE084
为光纤的等效模场面积。
本发明的基于掺铒和拉曼放大器的调控方法，联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器计算总增益，将拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度结合为参数组，并同时计算参数组对应的总增益，通过遗传算法对参数组进行迭代，每次迭代均输出更大总增益对应的参数组，最后输出最大总增益对应的参数组，同时调整联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器，提高放大效果。
本发明的另一个方面提供了一种混合放大器，所述混合放大器包括拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器，所述混合放大器还包括控制单元，所述控制单元同时与拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器相连接，所述控制单元应用如上述的方法，所述控制单元用于调整拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器的参数。
本发明的另一个方面还提供了一种传输系统，所述传输系统包括波分复用器、传输光纤、分光器和所述的混合放大器，所述混合放大器中拉曼光纤放大器的输出端与波分复用器相连接，传输光纤与波分复用器相连接，所述波分复用器的输出端与分光器相连接。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明基于掺铒和拉曼放大器的调控方法第一种实施方式的示意图；
图2为本发明基于掺铒和拉曼放大器的调控方法第二种实施方式的示意图；
图3为本发明基于掺铒和拉曼放大器的调控方法第三种实施方式的示意图；
图4为本发明传输系统的结构示意图；
图5为本发明增益及噪声系数谱的示意图；
图6为本发明基于掺铒和拉曼放大器的调控方法第四种实施方式的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
如图1所示，本发明的一个方面提供了一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法，拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器处于连接状态，掺铒光纤放大器的输出端与拉曼光纤放大器的输入端相连接，该方法包括以下步骤：
S100，根据预设的参数选取区间在参数选取区间内选择参数，将参数建立为多个参数组，所述参数组中的参数包括拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度；
在本发明的一些实施方式中，所述参数选取区间的数据可以如下表所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE086
S200，根据拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度计算总增益，利用遗传算法对所述参数组进行迭代更新，在每次迭代更新中选取更大的总增益所对应的参数组；
在本发明的一些实施方式中，在上述的参数选取区间的选取多个参数组，每个参数组中均包括拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度的参数。
在本发明的一些实施方式中，参数组可以选取150个。
在本发明的一些实施方式中，预设所述遗传算法的迭代次数，迭代次数可以为55代。
S300，当完成最后一次迭代后，选取最大总增益所对应的参数组作为最终的目标参数。
在本发明的一些实施方式中，若迭代次数为55代，则分别第55代的150个参数组的总增益，选取最大总增益所对应的参数组，提取该参数组中的拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度作为最终的目标参数。
将所述目标参数应用于拉曼光纤放大器及掺铒光纤放大器。
在本发明的一些实施方式中，将所述目标参数中的拉曼泵浦功率、拉曼光纤长度应用于拉曼光纤放大器，将所述目标参数中的掺铒光纤长度和掺铒泵浦功率应用于掺铒光纤放大器。
所述拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器内均设置有泵浦激光器。
采用上述方案，本申请联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器计算总增益，将拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度结合为参数组，并同时计算参数组对应的总增益，通过遗传算法对参数组进行迭代，每次迭代均输出更大总增益对应的参数组，最后输出最大总增益对应的参数组，同时调整联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器，提高放大效果。
在本发明的一些实施方式中，所述总增益
Figure 261740DEST_PATH_IMAGE027
=拉曼光纤放大器的输出功率/掺铒光纤放大器的输入功率，
根据如下公式得到掺铒光纤放大器的输入功率与输出功率的关系：
Figure 220469DEST_PATH_IMAGE087
；
拉曼放大器中信号功率沿拉曼放大器的分布如下公式：
Figure 547545DEST_PATH_IMAGE089
；
z为拉曼光纤长度值，取值范围为0-LR,当z=0时，
Figure 566316DEST_PATH_IMAGE005
为拉曼放大器输入信号光功率；z=LR时，
Figure 447685DEST_PATH_IMAGE005
为拉曼放大器输出信号光功率，即
Figure 210104DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 391687DEST_PATH_IMAGE007
表示拉曼光纤放大器的输出信号光功率；
由于掺铒光纤放大器的输出端与拉曼光纤放大器的输入端相连接，则当z=0时，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE090
；
Figure 315781DEST_PATH_IMAGE078
为掺铒光纤放大器的输出信号光功率，
Figure 215603DEST_PATH_IMAGE010
为拉曼光纤放大器的输入信号光功率；
即信号功率经过EDFA传输后，沿拉曼放大器的分布可以表示为：
Figure 516135DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 286645DEST_PATH_IMAGE012
表示掺铒光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 912798DEST_PATH_IMAGE013
表示掺铒光纤长度，
Figure 768759DEST_PATH_IMAGE034
表示掺铒光纤在信号频率处的吸收截面，
Figure 872981DEST_PATH_IMAGE091
表示总铒离子密度，
Figure 29156DEST_PATH_IMAGE016
表示掺铒信号频率处的发射截面，
Figure 560631DEST_PATH_IMAGE017
为掺铒光纤在
Figure DEST_PATH_IMAGE092
长度的亚稳态居群密度平均值，
Figure 903888DEST_PATH_IMAGE093
表示信号频率下的掺铒光纤损耗，
Figure 50616DEST_PATH_IMAGE020
表示拉曼光纤放大器的增益系数，
Figure 795718DEST_PATH_IMAGE021
表示拉曼光纤泵浦频率下的拉曼光纤损耗，
Figure 498095DEST_PATH_IMAGE022
表示拉曼光纤放大器的泵浦输入功率，
Figure 328648DEST_PATH_IMAGE023
表示重叠因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
为掺铒光纤放大器的泵浦输入功率。
以覆盖带宽从190.6到193.1THz为例，上述公式中各参数的值可以如下表所示：
Figure 774673DEST_PATH_IMAGE095
在本发明的一些实施方式中，
Figure 639861DEST_PATH_IMAGE017
根据如下公式联合计算：
Figure 513139DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 565408DEST_PATH_IMAGE097
；
Figure 80703DEST_PATH_IMAGE099
；
其中，
Figure 800398DEST_PATH_IMAGE031
是掺铒光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 844577DEST_PATH_IMAGE032
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 649722DEST_PATH_IMAGE033
处的吸收截面，
Figure 437549DEST_PATH_IMAGE034
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 11750DEST_PATH_IMAGE035
处的吸收截面，
Figure 492410DEST_PATH_IMAGE016
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 784851DEST_PATH_IMAGE035
处的发射截面，
Figure 110790DEST_PATH_IMAGE036
是泵浦波长
Figure 70656DEST_PATH_IMAGE037
的光纤模的横截面面积，
Figure 456638DEST_PATH_IMAGE038
是信号波长为
Figure 970796DEST_PATH_IMAGE039
的光纤模的横截面面积，
Figure 598961DEST_PATH_IMAGE040
是从能级
Figure 413333DEST_PATH_IMAGE041
到能级
Figure 970217DEST_PATH_IMAGE042
跃迁的自发辐射寿命，
Figure 971671DEST_PATH_IMAGE043
为掺铒光纤放大器的泵浦速率，
Figure 170571DEST_PATH_IMAGE044
为掺铒光纤放大器的受激吸收速率，
Figure 573870DEST_PATH_IMAGE045
为掺铒光纤放大器的受激发射速率，
Figure 301655DEST_PATH_IMAGE046
为掺铒光纤放大器的核心总铒离子密度，h表示普朗克常量。
在本发明的一些实施方式中，
Figure 524826DEST_PATH_IMAGE101
。
在本发明的一些实施方式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
；
其中，
Figure 261838DEST_PATH_IMAGE103
为基态居群密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE104
为亚稳态居群密度，
Figure 519644DEST_PATH_IMAGE091
为EDFA核心总铒离子密度。
采用上述方案，联合上述的多个公式即可求出参数组所对应的总增益，即拉曼泵浦功率
Figure 418330DEST_PATH_IMAGE022
、掺铒泵浦功率
Figure 394376DEST_PATH_IMAGE094
、拉曼光纤长度
Figure 669499DEST_PATH_IMAGE013
和掺铒光纤长度z，提取总增益最大的参数组，即可得到最大总增益对应的拉曼泵浦功率
Figure 47391DEST_PATH_IMAGE022
、掺铒泵浦功率
Figure 382558DEST_PATH_IMAGE105
、拉曼光纤长度
Figure 580321DEST_PATH_IMAGE013
和掺铒光纤长度
Figure 924714DEST_PATH_IMAGE107
。
如图6所示，在本发明的一些实施方式中，通过遗传算法对参数组进行迭代的步骤包括：
预设迭代次数，根据遗传算法的交叉概率
Figure 891533DEST_PATH_IMAGE048
和变异概率
Figure 397601DEST_PATH_IMAGE049
对参数组进行更新迭代，当迭代次数到达预设迭代次数时，停止迭代。
在本发明的一些实施方式中，交叉概率
Figure 348239DEST_PATH_IMAGE048
和变异概率
Figure 230745DEST_PATH_IMAGE049
根据如下公式进行调整：
Figure 550605DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 227574DEST_PATH_IMAGE051
；
其中
Figure 665509DEST_PATH_IMAGE052
表示所有参数组最大的总增益，
Figure 86126DEST_PATH_IMAGE053
表示每代的参数组的平均总增益值，
Figure DEST_PATH_IMAGE108
表示要交叉的两个参数组中较大的总增益值，f表示要变异参数组的总增益，
Figure 27537DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 875408DEST_PATH_IMAGE057
表示两个交叉概率值，
Figure 535059DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 493788DEST_PATH_IMAGE059
表示两个变异概率值。
在本发明的一些实施方式中，可以令
Figure 820864DEST_PATH_IMAGE056
=0.9，
Figure 574056DEST_PATH_IMAGE057
=0.6，
Figure 721004DEST_PATH_IMAGE109
=0.1，
Figure 749003DEST_PATH_IMAGE059
=0.001。
在本发明的一些实施方式中，遗传算法的参数中交叉概率和变异概率的选择是影响遗传算法行为和性能的关键，直接影响算法的收敛性；本申请对于总增益高于群体平均适应值的个体，相对应于较低的
Figure 665006DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 854679DEST_PATH_IMAGE049
，使该解得以保护进入下一代；而低于平均总增益的个体，相对应于较高的
Figure 488923DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 789454DEST_PATH_IMAGE049
，使该解被淘汰。
如图2、3所示，在本发明的一些实施方式中，所述方法还包括S400，迭代跳出，所述迭代跳出包括S410，噪声跳出，所述噪声跳出的步骤为：
在每次迭代计算总增益值后，在每次迭代中根据所述总增益值计算总噪声系数；
将每次迭代计算的总噪声系数与预设的噪声系数阈值相对比；
若第n代的总噪声系数大于噪声系数阈值，则输出第n-1代中最大的总增益值所对应的参数组作为最终的目标参数。
采用上述方案，本申请在考虑放大器更好增益的前提下，同时考虑到噪声的干扰，若噪声过大则容易影响信号的传播，因此，预设噪声系数阈值，当第n代的总噪声系数大于噪声系数阈值时，跳出迭代，在保证增益的同时，减少噪声的干扰。
在本发明的一些实施方式中，若第n代的总噪声系数大于噪声系数阈值，则跳出迭代。
在本发明的一些实施方式中，所述总噪声系数根据如下公式进行计算：
Figure 825543DEST_PATH_IMAGE060
；
NF为总噪声系数，
Figure 451697DEST_PATH_IMAGE061
为总增益，
Figure 307657DEST_PATH_IMAGE062
表示掺铒光纤放大器的增益，
Figure 411879DEST_PATH_IMAGE063
为掺铒光纤放大器的噪声系数，
Figure 568054DEST_PATH_IMAGE064
为拉曼光纤放大器的噪声系数。
在本发明的一些实施方式中，掺铒光纤放大器的噪声系数根据如下公式计算：
Figure 598065DEST_PATH_IMAGE065
；
Figure 941321DEST_PATH_IMAGE066
表示掺铒光纤放大器的输入信噪比，
Figure 583655DEST_PATH_IMAGE067
表示掺铒光纤放大器的输出信噪比 ，
Figure 594337DEST_PATH_IMAGE068
表示掺铒光纤的自发辐射因子，h表示普朗克常量，v表示光的频率，
Figure 296713DEST_PATH_IMAGE069
表示掺铒光纤放大器的自发辐射噪声带宽，
Figure 127266DEST_PATH_IMAGE070
表示掺铒光纤放大器的自发辐射噪声功率。
在本发明的一些实施方式中，拉曼光纤放大器的噪声系数根据如下公式计算：
Figure 838870DEST_PATH_IMAGE071
；
Figure 438479DEST_PATH_IMAGE072
表示拉曼光纤放大器的输出功率，
Figure 311757DEST_PATH_IMAGE073
表示拉曼光纤放大器的自发辐射噪声功率，h表示普朗克常量，v表示光的频率，
Figure 895185DEST_PATH_IMAGE074
表示拉曼放大器内置电滤波器的带宽，
Figure 144901DEST_PATH_IMAGE075
表示拉曼光纤放大器的增益，
Figure 599016DEST_PATH_IMAGE010
表示拉曼光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 908774DEST_PATH_IMAGE076
表示总增益。
在本发明的一些实施方式中，掺铒光纤放大器的增益根据如下公式进行计算：
Figure 713919DEST_PATH_IMAGE077
；
Figure 501747DEST_PATH_IMAGE078
表示掺铒光纤放大器的信号输出功率，
Figure 341527DEST_PATH_IMAGE079
表示掺铒光纤放大器的自发辐射功率，
Figure 556608DEST_PATH_IMAGE080
表示掺铒光纤放大器的信号输入功率。
在本发明的一些实施方式中，拉曼光纤放大器的增益根据如下公式进行计算：
Figure 849049DEST_PATH_IMAGE081
；
其中，
Figure 440567DEST_PATH_IMAGE082
表示拉曼光纤放大器的增益系数，由拉曼光纤芯材料的成分决定。
Figure 869274DEST_PATH_IMAGE022
为拉曼光纤放大器的泵浦输入光功率，
Figure 520836DEST_PATH_IMAGE083
为表征实际产生放大作用的光纤等效长度，
Figure 34993DEST_PATH_IMAGE084
为光纤的等效模场面积。
如图2、3所示，在本发明的一些实施方式中，所述迭代跳出还包括S420，期望增益跳出，所述期望增益跳出步骤为：
预设期望增益，使每次迭代计算出的总增益与期望增益对比；
若在第M代的多个参数组，至少存在一组参数组的总增益值大于所述期望增益，则对比第M代的多个参数组对应的总增益值，选取在第M代的多个参数组中最大总增益所对应的参数组，输出该参数组中的参数为期望参数。
采用上述方案，实际的运用中，可能不需要最大的增益，而是当增益到达某个值就能满足需要，当上述情况发生时，直接输出满足期望增益的第M代的多个参数组中最大总增益所对应的参数组，减少运算量，提高参数输出效率。
本发明的基于掺铒和拉曼放大器的调控方法，本申请联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器计算总增益，将拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度结合为参数组，并同时计算参数组对应的总增益，通过遗传算法对参数组进行迭代，每次迭代均输出更大总增益对应的参数组，最后输出最大总增益对应的参数组，同时调整联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器，提高放大效果。
如图4所示，本发明的另一个方面提供了一种混合放大器，所述混合放大器包括拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器，所述混合放大器还包括控制单元，所述控制单元同时与拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器相连接，所述控制单元应用如上述的方法，所述控制单元用于调整拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器的参数。
如图4所示，本发明的另一个方面还提供了一种传输系统，所述传输系统包括波分复用器、传输光纤、分光器和所述的混合放大器，所述混合放大器中拉曼光纤放大器的输出端与波分复用器相连接，传输光纤与波分复用器相连接，所述波分复用器的输出端与分光器相连接。
本申请所述的波分复用器采用灵活栅格光网络，传统的波分复用WDM光网络中一般采用的是50GHz频谱间隙的固定栅格来承载业务，如果用其承载超高速信号的传输，或造成严重的频谱资源浪费。灵活栅格光网络则减小了栅格的间距，并且允许一个光调制信号同时跨越多个微栅格。但在不同距离传输中，由于光纤的色散、损耗、非线性效应及光器件自身的损耗等因素的影响，灵活栅格光网络中也缺少不了光放大器的使用。
联合拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器能够自动实现栅格信号的最佳分布，减少了增益波动，具有高度的灵活性。
若需要在灵活栅格光纤通信系统中减小信道间距，就需要在部署混合放大器之前，对重要参数，即本申请所提到的如拉曼光纤长度、掺铒光纤长度和泵浦功率等进行优化。
在光网络中，我们常需要使用光波长频谱来承载多种多样的业务。在这一过程中，难免会出现一些频谱碎片，频谱碎片的出现对于整个光网路来说是不利的，因为这会降低频谱效率。而灵活栅格光网络对频谱一致性进行了约束，即在传输过程中必须使用相同的子载波段，同时也对频谱的连续性进行了约束，即在传输过程中业务分配的必须是连续的频谱子载波，第三个约束是频谱非混叠性，这主要是指不同的频段用于不同的业务，不能出现一个频段同时供两个业务使用的情况。相较于波分复用WDM光网络，灵活栅格光网络由于其具有更加小的子载波颗粒，因此也就更加灵活，更加能够适配于各种不同大小颗粒度的业务，频率使用效率也更高。
如图6所示，在发明中的总增益即为遗传算法的适应度值，遗传算法的竞赛选择根据小概率为染色体选择一个随机值，通过交叉的方法从这些选择的染色体中获得新的染色体对。这些新生成的染色体形成一个临时的新种群，在对每一条新染色体进行突变操作后取代原来的种群。最后得到了一个新的改进种群，即本申请中最终得到的参数组。
本申请联合拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器，还包括用于根据预期放大要求，控制所述拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器调整增益的控制单元。通过使用该混合放大方案，能够通过对掺铒光纤长度、拉曼光纤长度及其泵浦功率等重要参数的分析，建立完整的增益及噪声相系数理论模型，并利用优化的自适应遗传算法对增益谱及噪声系数谱迭代优化，以获得最大增益并降低放大器噪声，实现适用于大容量超长距离传输的使用C+L波段宽带放大方案。
如图5所示，在本发明的一些实施方式中，本申请根据输出的参数组设置放大器，根据不同的输入信号能够输出增益及噪声系数谱。
本申请通过对EDFA及RFA的长度及泵浦功率等参数进行优化，从而实现增益平坦。该混合放大器能够自动实现栅格信号的最佳分布，减少了增益波动，具有高度的灵活性。
与上述方法相应地，本发明还提供了一种基于掺铒和拉曼放大器的调控系统，该系统包括计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该装置/系统实现如前所述方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现前述基于掺铒和拉曼放大器的调控方法的步骤。该计算机可读存储介质可以是有形存储介质，诸如随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、软盘、硬盘、可移动存储盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路（ASIC）、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于掺铒和拉曼放大器的调控方法，其特征在于，拉曼光纤放大器与掺铒光纤放大器处于连接状态，掺铒光纤放大器的输出端与拉曼光纤放大器的输入端相连接，该方法包括以下步骤：
根据预设的参数选取区间在参数选取区间内选择参数，将参数建立为多个参数组，所述参数组中的参数包括拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度；
根据拉曼泵浦功率、掺铒泵浦功率、拉曼光纤长度和掺铒光纤长度计算总增益，利用遗传算法对所述参数组进行迭代更新，在每次迭代更新中选取更大的总增益所对应的参数组；
当完成最后一次迭代后，选取最大总增益所对应的参数组作为最终的目标参数；
将所述目标参数应用于拉曼光纤放大器及掺铒光纤放大器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总增益
Figure 279297DEST_PATH_IMAGE001
=拉曼光纤放大器的输出功率/掺铒光纤放大器的输入功率，
根据如下公式得到掺铒光纤放大器的输入功率与输出功率的关系：
Figure 170024DEST_PATH_IMAGE002
；
拉曼放大器中信号功率沿拉曼放大器的分布如下公式：
Figure 874675DEST_PATH_IMAGE004
；
z为拉曼光纤长度值，取值范围为0-LR,当z=0时，
Figure 416515DEST_PATH_IMAGE005
为拉曼放大器输入信号光功率；z=LR时，
Figure 181208DEST_PATH_IMAGE005
为拉曼放大器输出信号光功率，即
Figure 559231DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 801994DEST_PATH_IMAGE006
表示拉曼光纤放大器的输出信号光功率；
由于掺铒光纤放大器的输出端与拉曼光纤放大器的输入端相连接，则当z=0时，
Figure 198340DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 868356DEST_PATH_IMAGE009
为掺铒光纤放大器的输出信号光功率；
即信号功率经过EDFA传输后，沿拉曼放大器的分布表示为：
Figure 733675DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 514549DEST_PATH_IMAGE012
表示掺铒光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 30981DEST_PATH_IMAGE013
表示掺铒光纤长度，
Figure 606319DEST_PATH_IMAGE015
表示掺铒光纤在信号频率处的吸收截面，
Figure 221583DEST_PATH_IMAGE017
表示总铒离子密度，
Figure 806148DEST_PATH_IMAGE018
表示掺铒信号频率处的发射截面，
Figure 177087DEST_PATH_IMAGE019
为掺铒光纤在
Figure 188905DEST_PATH_IMAGE020
长度的亚稳态居群密度平均值，
Figure 763237DEST_PATH_IMAGE021
表示信号频率下的掺铒光纤损耗，
Figure 151493DEST_PATH_IMAGE022
表示拉曼光纤放大器的增益系数，
Figure 376938DEST_PATH_IMAGE023
表示拉曼光纤泵浦频率下的拉曼光纤损耗，
Figure 559658DEST_PATH_IMAGE024
表示拉曼光纤放大器的泵浦输入功率，
Figure 886865DEST_PATH_IMAGE025
表示重叠因子，
Figure 813233DEST_PATH_IMAGE026
为掺铒光纤放大器的泵浦输入功率，
Figure 893184DEST_PATH_IMAGE027
是泵浦波长
Figure 512384DEST_PATH_IMAGE029
的光纤模的横截面面积，
Figure 61308DEST_PATH_IMAGE030
表示拉曼光纤放大器的输入信号光功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
Figure 791367DEST_PATH_IMAGE019
根据如下公式联合计算：
Figure 725825DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 515926DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 832374DEST_PATH_IMAGE036
；
其中，
Figure 100545DEST_PATH_IMAGE037
是掺铒光纤放大器的输入信号光功率，
Figure 155088DEST_PATH_IMAGE038
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 866824DEST_PATH_IMAGE039
处的吸收截面，
Figure 374028DEST_PATH_IMAGE015
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 445889DEST_PATH_IMAGE040
处的吸收截面，
Figure 620519DEST_PATH_IMAGE018
是掺铒光纤放大器在泵浦频率
Figure 237576DEST_PATH_IMAGE040
处的发射截面，
Figure 497656DEST_PATH_IMAGE027
是泵浦波长
Figure 107629DEST_PATH_IMAGE041
的光纤模的横截面面积，
Figure 136765DEST_PATH_IMAGE043
是信号波长为
Figure 924724DEST_PATH_IMAGE045
的光纤模的横截面面积，
Figure 672100DEST_PATH_IMAGE046
是从能级
Figure 85763DEST_PATH_IMAGE047
到能级
Figure 969406DEST_PATH_IMAGE048
跃迁的自发辐射寿命，
Figure 190915DEST_PATH_IMAGE049
为掺铒光纤放大器的泵浦速率，
Figure 160008DEST_PATH_IMAGE050
为掺铒光纤放大器的受激吸收速率，
Figure 111784DEST_PATH_IMAGE051
为掺铒光纤放大器的受激发射速率，
Figure 115512DEST_PATH_IMAGE052
为掺铒光纤放大器的核心总铒离子密度，h表示普朗克常量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过遗传算法对参数组进行迭代的步骤包括：
预设迭代次数，根据遗传算法的交叉概率
Figure 245273DEST_PATH_IMAGE053
和变异概率
Figure 701662DEST_PATH_IMAGE055
对参数组进行更新迭代，当迭代次数到达预设迭代次数时，停止迭代；
交叉概率
Figure 722708DEST_PATH_IMAGE053
和变异概率
Figure 580942DEST_PATH_IMAGE055
根据如下公式进行调整：
Figure 881605DEST_PATH_IMAGE057
；
Figure 825290DEST_PATH_IMAGE059
；
其中
Figure 118868DEST_PATH_IMAGE060
表示所有参数组最大的总增益，
Figure 97188DEST_PATH_IMAGE061
表示每代的参数组的平均总增益值，
Figure 568752DEST_PATH_IMAGE063
表示要交叉的两个参数组中较大的总增益值，f表示要变异参数组的总增益，
Figure 265313DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 362582DEST_PATH_IMAGE065
表示两个交叉概率值，
Figure 929829DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 840803DEST_PATH_IMAGE068
表示两个变异概率值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤还包括：
在每次迭代计算总增益值后，在每次迭代中根据所述总增益值计算总噪声系数；
将每次迭代计算的总噪声系数与预设的噪声系数阈值相对比；
若第n代的总噪声系数大于噪声系数阈值，则输出第n-1代中最大的总增益值所对应的参数组作为最终的目标参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述总噪声系数根据如下公式进行计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE069
；
NF为总噪声系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为总增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
表示掺铒光纤放大器的增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为掺铒光纤放大器的噪声系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为拉曼光纤放大器的噪声系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，掺铒光纤放大器的噪声系数根据如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE075
；
Figure DEST_PATH_IMAGE076
表示掺铒光纤放大器的输入信噪比，
Figure DEST_PATH_IMAGE077
表示掺铒光纤放大器的输出信噪比，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
表示掺铒光纤的自发辐射因子，h表示普朗克常量，v表示光的频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
表示掺铒光纤放大器的自发辐射噪声带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE081
表示掺铒光纤放大器的自发辐射噪声功率。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，拉曼光纤放大器的噪声系数根据如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
；
Figure DEST_PATH_IMAGE084
表示拉曼光纤放大器的输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
表示拉曼光纤放大器的自发辐射噪声功率，h表示普朗克常量，v表示光的频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE087
表示拉曼放大器内置电滤波器的带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
表示拉曼光纤放大器的增益，
Figure 992037DEST_PATH_IMAGE030
表示拉曼光纤放大器的输入信号光功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
表示总增益。
9.一种混合放大器，其特征在于，所述混合放大器包括拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器，所述混合放大器还包括控制单元，所述控制单元同时与拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器相连接，所述控制单元应用如权利要求1至8任一项所述的方法，所述控制单元用于调整拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器的参数。
10.一种传输系统，其特征在于，所述传输系统包括波分复用器、传输光纤、分光器和如权利要求9所述的混合放大器，所述混合放大器中拉曼光纤放大器的输出端与波分复用器相连接，传输光纤与波分复用器相连接，所述波分复用器的输出端与分光器相连接。
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