CN114204992B - 一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法及系统，所述方法包括：对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱；分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度；在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱；通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大。本发明中的上述方法能够满足超长距无中继光纤传输的增益要求，可以得到高平坦度的增益谱，拓展系统带宽。

Description

一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法及系统。

背景技术

随着全球能源互联网的提出，电力通信系统对于信息传输速率和传输容量的要求日益提高，其中特高压交直流电网的建设使得光缆的单跨段距离越来越长。在保证系统安全性和可靠性的前提下，为了减少光中继站的设置，提高光通信单跨段传输的距离，需要新的超长距离光纤传输技术。此外，由于在通信系统中业务类型日益增加，带宽的灵活分配导致了光纤传输系统中各种调制格式的共存。因此，适应不同调制格式的光放大技术是当前的长距离光传输系统的技术缺口之一。

为提高超长距光传输系统的距离和容量与对不同业务的适应性，光放大技术的选择十分重要。提高传输距离要求光放大器提供足够高的增益与较小的噪声，提高传输容量要求光放大器提供大范围平坦的增益，提升对不同业务的适应性则要求光放大器对不同调制格式均有较好的增益性能。传统的混合增益技术已经难以满足特定超长距光路中的增益需求，如在复杂地理环境中的高中继成本，以及掺铒光纤放大器引起的增益平坦性能的恶化。在此基础上，引入远程泵浦光放大技术和高阶拉曼放大器技术。其中，远程泵浦光放大技术可以避免中继设备在复杂环境中建设及维护成本，高阶拉曼放大器可以使信号光以很小的涨落在光纤中传输，有效地降低噪声指数，提高系统地传输容量。此外，针对不同调制格式的泵浦参数调整能够能够使光放大器在不同调制格式下均有最优化的增益性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法及系统，能够满足超长距无中继光纤传输的增益要求，可以得到高平坦度的增益谱，拓展系统带宽。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法，所述方法包括：

对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱；

分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度；

在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱；

通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大。

可选的，所述对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化和二次优化具体包括以下步骤：

确定适应度；

判断所述适应度是否达到增益平坦度要求，若达到要求，则输出当前结果；

若未达到平坦度要求，则计算变异向量；

以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量；

选取适应度最高的变异向量作为子代向量，直到子代向量的适应度达到增益平坦度要求，完成优化。

可选的，所述确定适应度具体采用以下公式：

f_i＝ΔG＝G_max-G_min

其中，f_i表示适应度，G_max表示拉曼放大器的最大增益，G_min表示拉曼放大器的最小增益，i表示二维向量群X(λ,P)群的向量序数。

可选的，所述计算变异向量具体采用以下公式：

V_i＝X_b+F_i*(X_m-X_W)

其中，V_i表示变异向量，X_b,X_m,X_W为二维向量群X(λ,P)中随机选取的三个向量，并按照其对应适应度f_b＜f_m＜f_w排列的参数，F_i表示变异向量对应的缩放因子，

F₁为缩放因子的下限，F_u为缩放因子的上限，f_b,f_m,f_w分别为向量X_b,X_m,X_W的适应度。

可选的，以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量，具体采用以下公式：

其中，rand(0,1)为0到1之间的随机数，cr_i为第i个二维向量群的交叉概率，

其中，cr_u为交叉概率上限，cr_l为交叉概率下限，f_i为第i个二维向量群的适应度，f_max为二维向量群中的最大适应度，f_min为二维向量群中的最小适应度，/>

为二维向量群的平均适应度。

基于本发明中的上述方法，本发明另外提供一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统，所述系统包括：

初始优化模块，用于对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱；

最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度确定模块，用于分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度；

二次优化模块，用于在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱；

放大模块，用于通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大。

可选的，所述初始优化模块和所述二次优化模块具体包括：

适应度确定单元，用于确定适应度；

判断单元，用于判断所述适应度是否达到增益平坦度要求，若达到要求，则输出当前结果；

变异向量计算单元，用于当未达到平坦度要求，则计算变异向量；

替换单元，用于以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量；

子代向量确定单元，用于选取适应度最高的变异向量作为子代向量，直到子代向量的适应度达到增益平坦度要求，完成优化。

可选的，所述适应度确定单元具体采用以下公式：

f_i＝ΔG＝G_max-G_min

其中，f_i表示适应度，G_max表示拉曼放大器的最大增益，G_min表示拉曼放大器的最小增益，i表示二维向量群X(λ,P)群的向量序数。

可选的，所述变异向量计算单元具体采用以下公式：

V_i＝X_b+F_i*(X_m-X_W)

其中，V_i表示变异向量，X_b,X_m,X_W为二维向量群X(λ,P)中随机选取的三个向量，并按照其对应适应度f_b＜f_m＜f_w排列的参数，F_i表示变异向量对应的缩放因子，

F₁为缩放因子的下限，F_u为缩放因子的上限，f_b,f_m,f_w分别为向量X_b,X_m,X_W的适应度。

可选的，所述替换单元具体采用以下公式：

其中，rand(0,1)为0到1之间的随机数，cr_i为第i个二维向量群的交叉概率，

其中，cr_u为交叉概率上限，cr_l为交叉概率下限，f_i为第i个二维向量群的适应度，f_max为二维向量群中的最大适应度，f_min为二维向量群中的最小适应度，/>

为二维向量群的平均适应度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中的上述放大方法和系统解决了引入遥泵放大器后增益谱平坦度恶化的问题，在保持较高增益的情况下进一步提高了增益平坦度，将不同调制格式下的拉曼放大器泵浦参数优化结果存入查找表(LUT)，在实际传输时对拉曼放大器配置对应参数，从而实现不同调制格式的增益性能最优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法流程图；

图2为本发明实施例超长距无中继光纤传输系统结构示意图；

图3为本发明实施例一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法及系统，能够满足超长距无中继光纤传输的增益要求，可以得到高平坦度的增益谱，拓展系统带宽。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的主要目的在于采用高阶拉曼放大器和遥泵放大器的联合优化方法确定拉曼放大器和遥泵放大器的参数，对信号进行高增益，高平坦度地放大，通过高阶拉曼放大器和遥泵放大器的联合优化方法设计传输系统，并建立针对不同调制格式和光功率的泵浦参数LUT；在实际传输时，接收端根据接收到的前导数据进行调制格式识别，从LUT中找到相应的泵浦参数进行配置，实现不同调制格式下的最优增益性能，采用联合优化方法，二次应用差分进化算法，先后进行高阶拉曼放大器泵浦参数的初始优化，遥泵放大器参数的优化，高阶拉曼放大器泵浦参数的二次优化，在保持较高增益的情况下提高增益谱平坦度，拓展系统带宽，在超长距无中继光传输系统中，仅接入拉曼放大器，采用差分进化算法对拉曼放大器泵浦的波长和功率进行优化，得到均值大，波动小的增益谱，通过分析在拉曼放大器作用下信号功率沿光纤的分布曲线，得到信号光功率最低值及其出现在光纤中的位置。将信号光功率最低值作为入纤信号参考功率，优化遥泵的泵浦功率和EDF的长度，最低值在光纤中的位置作为RGU位置，即完成遥泵放大器的参数优化，完成优化的遥泵放大器，以旁路后向泵浦的方式，和拉曼放大器一起组成新的超长距无中继光传输系统，保持拉曼放大器优化后的参数不变，得到平均增益更高但是平坦度恶化的增益谱，以该增益值为目标，第二次应用差分进化算法，对拉曼放大器的泵浦参数进行二次优化，可以得到相同增益值下，更高平坦度的增益谱。

如图2所示，超长距无中继光纤传输系统包含两个波分复用器三段光纤，一个远程增益单元，一个远程泵浦单元，一个前向拉曼放大泵浦源，一个后向拉曼放大泵浦源。

如图1所示，所述方法包括：

步骤101：对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱。

具体的，采用差分进化算法对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到较高的增益和平坦的增益谱。

步骤如下：

首先对波长和功率进行初始化，计算其对应增益G与平均增益

的差值作为适应度,表达式如下：

f_i＝ΔG＝G_max-G_min

其中，f_i表示适应度，G_max表示拉曼放大器的最大增益，G_min表示拉曼放大器的最小增益，i表示二维向量群X(λ,P)群的向量序数。当其适应度达到增益平坦度要求时得到结果；适应值未达到增益平坦度要求时，先后通过变异、交叉、选择操作得到子代参数。其中，可通过下式得到变异向量V_i：

V_i＝X_b+F_i*(X_m-X_W)

其中，V_i表示变异向量，X_b,X_m,X_W为二维向量群X(λ,P)中随机选取的三个向量，并按照其对应适应度f_b＜f_m＜f_w排列的参数，F_i表示变异向量对应的缩放因子，

F₁为缩放因子的下限，F_u为缩放因子的上限，f_b,f_m,f_w分别为向量X_b,X_m,X_W的适应度；

变异向量对应缩放因子F_i可根据下式计算：

F₁为缩放因子的下限；F_u为缩放因子的上限，f_b,f_m,f_w分别为向量X_b,X_m,X_W的适应度。

根据如下表达式以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量：

其中，rand(0,1)为0到1之间的随机数，cr_i为第i个二维向量群的交叉概率，

其中，cr_u为交叉概率上限，cr_l为交叉概率下限，f_i为第i个二维向量群的适应度，f_max为二维向量群中的最大适应度，f_min为二维向量群中的最小适应度，/>

为二维向量群的平均适应度。

选取适应度更好的变异向量作为子代向量，直到子代向量的适应度达到增益平坦度要求，完成优化。

步骤102：分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度。

在分析信号光功率沿光纤传输的分布曲线，得到信号光平均功率最低值及其在传输光纤中的位置后，将此位置作为泵浦增益单元的最佳位置。

根据遥泵的RGU中EDF的性质，其他条件相同的情况下，在一定范围内，入纤信号的功率越低，获得的增益越高，因此以信号光平均功率最低值作为泵浦增益单元中掺铒光纤的入纤信号功率，以平均增益值为优化目标，分别对掺铒光纤长度，入纤泵浦光功率进行扫描优化，确定最佳掺铒光纤长度以及泵浦光最佳入纤功率；

根据泵浦增益单元的最佳位置，确定接收端RPU与泵浦增益单元的距离，即远程泵浦光的传输距离；设传输距离为L、光纤衰减为α，单位为dB/km，最佳入纤功率为P_{in_pump}，最佳远程泵浦光功率P_pump表达式如下：

P_pump＝P_{in_pump}+α·L。

步骤103：在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱。

此处进行拉曼放大器泵浦参数优化时所采用的信号光阵列可替换为某调制格式的随机信号，以实现在实际传输调制格式下的最优增益性能；也可对不同调制格式进行拉曼放大器泵浦参数的优化，存储优化结果，得到以调制格式为坐标的一维拉曼放大器泵浦参数LUT。

此处的优化方法与步骤101中的优化方法相同，此处不再展开详细论述。

步骤104：通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大。

信号可采用在实际数据前加入前导数据的形式进行传输；接收端通过前导数据进行调制格式识别，并根据调制格式查询一维拉曼放大器泵浦参数LUT，调整拉曼放大器的泵浦波长及功率。

图3为本发明实施例一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统结构示意图，如图3所示，所述系统包括：

初始优化模块201，用于对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱；

最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度确定模块202，用于分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度；

二次优化模块203，用于在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱；

放大模块204，用于通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大。

本发明中的上述方法通过高阶拉曼放大器和遥泵放大器的联合优化方法设计传输系统，并建立针对不同调制格式和光功率的泵浦参数LUT；在实际传输时，接收端根据接收到的前导数据进行调制格式识别，从LUT中找到相应的泵浦参数进行配置，实现不同调制格式下的最优增益性能，以调制格式为一维坐标，用于存储不同调制格式下权利要求2中拉曼放大器泵浦波长和功率的优化结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法，其特征在于，所述方法包括：

对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱；

分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度；包括：在分析信号光功率沿光纤传输的分布曲线，得到信号光平均功率最低值及其在传输光纤中的位置后，将此位置作为泵浦增益单元的最佳位置；以信号光平均功率最低值作为泵浦增益单元中掺铒光纤的入纤信号功率，以平均增益值为优化目标，分别对掺铒光纤长度，入纤泵浦光功率进行扫描优化，确定最佳掺铒光纤长度以及泵浦光最佳入纤功率；根据泵浦增益单元的最佳位置，确定接收端RPU与泵浦增益单元的距离，即远程泵浦光的传输距离；

在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱；包括：对不同调制格式进行拉曼放大器泵浦参数的优化，存储优化结果，得到以调制格式为坐标的一维拉曼放大器泵浦参数LUT；

通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大；包括：信号可采用在实际传输信号前加入前导数据的形式进行传输；接收端通过前导数据进行调制格式识别，并根据调制格式查询一维拉曼放大器泵浦参数LUT，调整拉曼放大器的泵浦波长及功率。

2.根据权利要求1所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法，其特征在于，所述对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化和二次优化具体包括以下步骤：

确定适应度；

判断所述适应度是否达到增益平坦度要求，若达到要求，则输出当前结果；

若未达到平坦度要求，则计算变异向量；

以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量；

选取适应度最高的变异向量作为子代向量，直到子代向量的适应度达到增益平坦度要求，完成优化。

3.根据权利要求2所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法，其特征在于，所述确定适应度具体采用以下公式：

f_i＝ΔG＝G_max-G_min

其中，f_i表示适应度，G_max表示拉曼放大器的最大增益，G_min表示拉曼放大器的最小增益，i表示二维向量群X(λ,P)群的向量序数。

4.根据权利要求2所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法，其特征在于，所述计算变异向量具体采用以下公式：

V_i＝X_b+F_i*(X_m-X_W)

其中，V_i表示变异向量，X_b,X_m,X_W为二维向量群X(λ,P)中随机选取的三个向量，并按照其对应适应度f_b＜f_m＜f_w排列的参数，F_i表示变异向量对应的缩放因子，

F₁为缩放因子的下限，F_u为缩放因子的上限，f_b,f_m,f_w分别为向量X_b,X_m,X_W的适应度。

5.根据权利要求2所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大方法，其特征在于，以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量具体采用以下公式：

其中，rand(0,1)为0到1之间的随机数，cr_i为第i个二维向量群的交叉概率，

其中，cr_u为交叉概率上限，cr_l为交叉概率下限，f_i为第i个二维向量群的适应度，f_max为二维向量群中的最大适应度，f_min为二维向量群中的最小适应度，/>

为二维向量群的平均适应度。

6.一种超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统，其特征在于，所述系统包括：

初始优化模块，用于对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行初始优化，得到初始优化后的增益和平坦的增益谱；

最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度确定模块，用于分析在初始优化后的高阶拉曼放大器作用下，信号光在光纤中的平均功率变化情况，确定遥泵放大器中的最佳泵浦光功率、入纤位置以及掺铒光纤长度；包括：在分析信号光功率沿光纤传输的分布曲线，得到信号光平均功率最低值及其在传输光纤中的位置后，将此位置作为泵浦增益单元的最佳位置；以信号光平均功率最低值作为泵浦增益单元中掺铒光纤的入纤信号功率，以平均增益值为优化目标，分别对掺铒光纤长度，入纤泵浦光功率进行扫描优化，确定最佳掺铒光纤长度以及泵浦光最佳入纤功率；根据泵浦增益单元的最佳位置，确定接收端RPU与泵浦增益单元的距离，即远程泵浦光的传输距离；

二次优化模块，用于在遥泵放大基础上，对高阶拉曼放大器泵浦的波长和功率进行二次优化，得到二次优化后的增益和平坦的增益谱；包括：对不同调制格式进行拉曼放大器泵浦参数的优化，存储优化结果，得到以调制格式为坐标的一维拉曼放大器泵浦参数LUT；

放大模块，用于通过遥泵放大器和二次优化后的高阶拉曼放大器组成的混合放大器对实际传输信号进行放大；包括：信号可采用在实际传输信号前加入前导数据的形式进行传输；接收端通过前导数据进行调制格式识别，并根据调制格式查询一维拉曼放大器泵浦参数LUT，调整拉曼放大器的泵浦波长及功率。

7.根据权利要求6所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统，其特征在于，所述初始优化模块以及所述二次优化模块具体包括：

适应度确定单元，用于确定适应度；

判断单元，用于判断所述适应度是否达到增益平坦度要求，若达到要求，则输出当前结果；

变异向量计算单元，用于当未达到平坦度要求，则计算变异向量；

替换单元，用于以交叉的方式将原向量群中的向量替换为变异向量；

子代向量确定单元，用于选取适应度最高的变异向量作为子代向量，直到子代向量的适应度达到增益平坦度要求，完成优化。

8.根据权利要求7所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统，其特征在于，所述适应度确定单元具体采用以下公式：

f_i＝ΔG＝G_max-G_min

其中，f_i表示适应度，G_max表示拉曼放大器的最大增益，G_min表示拉曼放大器的最小增益，i表示二维向量群X(λ,P)群的向量序数。

9.根据权利要求7所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统，其特征在于，所述变异向量计算单元具体采用以下公式：

V_i＝X_b+F_i*(X_m-X_W)

其中，V_i表示变异向量，X_b,X_m,X_W为二维向量群X(λ,P)中随机选取的三个向量，F_i表示变异向量对应的缩放因子，

F₁为缩放因子的下限；F_u为缩放因子的上限，f_b,f_m,f_w分别为向量X_b,X_m,X_W的适应度。

10.根据权利要求7所述的超长距无中继光纤传输系统中的混合放大系统，其特征在于，所述替换单元具体采用以下公式：

其中，rand(0,1)为0到1之间的随机数，cr_i为第i个二维向量群的交叉概率，

其中，cr_u为交叉概率上限，cr_l为交叉概率下限，f_i为第i个二维向量群的适应度，f_max为二维向量群中的最大适应度，f_min为二维向量群中的最小适应度，/>

为二维向量群的平均适应度。

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