CN115314112A - 一种光放大器、光信号放大及光放大器增益调节的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光放大器、光信号放大及光放大器增益调节的方法及系统，其中，该光放大器包括：泵浦光源，耦合器，增益介质和增益平坦滤波器。其中，光放大器的增益曲线相对目标增益曲线呈对称性，且任意两条对称的增益曲线的畸变状态相反。泵浦光源，用于提供泵浦光。耦合器，用于将泵浦光耦合至增益介质。增益介质，用于基于泵浦光对输入到光放大器的信号光进行放大。增益平坦滤波器，用于对放大后的信号光进行滤波，并输出滤波后的信号光。本申请的增益曲线呈对称分布，可以有效补偿增益曲线的畸变，改善增益曲线的平坦度。

Description

一种光放大器、光信号放大及光放大器增益调节的方法及 系统
技术领域
本申请涉及光通信领域，尤其涉及光放大器、光信号放大及光放大器增益调节的方法及系统。
背景技术
在接入、汇聚、县乡等城域波分场景，各类光器件、光模块的板上集成是业界的发展趋势。板上集成是指将光放大器(optical amplifier，OA)、光合分波器、光衰减器等光器件或光模块与其相应的控制、驱动电路集成在一块单板上，可以大大降低波分设备的体积、成本及功耗，同时减小网络硬件维护难度。
板上集成要求光器件具备小型化、低功耗、低成本的特点。在板上集成实现上，有源器件因为其本身需要供电的特点，小型化难度较高。特别是光放大器，其功能是将电能转化为光能，对光信号进行放大，因此对功耗、散热的要求也阻碍了其小型化的发展。
现有技术的光放大器包括掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)、拉曼光纤放大器(Raman fiber amplifier，RFA)等多个种类。从增益特性上区分，光放大器包括固定增益放大器和可调增益放大器两类。固定增益放大器结构简单，易实现小型化，但其增益固定，在网络应用中需配合外置可调光衰减器(variable optical attenuator，VOA)进行增益调节，系统的性能、可靠性较差。增益可调放大器通过内置的VOA和光电探测器(photoelectric detector，PD) 实现增益可变，系统性能更优，但其体积、成本、功耗也要更高。因此，如何在保证光放大器增益可调，系统性能不劣化的前提下，实现小型化、低功耗、低成本，满足板上集成条件，是当前光放大器所要解决的问题。
发明内容
本申请提供一种光放大器、光信号放大及光放大器增益调节的方法及系统，以降低放大器的体积、功耗和成本，同时保持良好的增益平坦度及网络性能。
第一方面，本申请实施例提供了一种光放大器。该光放大器包括：泵浦光源，耦合器，增益介质和增益平坦滤波器。其中，该光放大器的增益曲线相对目标增益曲线呈对称性，且任意两条对称的增益曲线的畸变状态相反。泵浦光源，用于提供泵浦光。耦合器，用于将泵浦光耦合至增益介质。增益介质，用于基于泵浦光对输入到光放大器的信号光进行放大。增益平坦滤波器，用于对放大后的信号光进行滤波，并输出滤波后的信号光。
本申请光放大器的增益曲线呈对称设计，可以在省去温控盒等相关器件情况下，补偿增益曲线产生的畸变，使光放大器保持良好的增益平坦度及网络性能。
一种可能的实现方式中，目标增益曲线的增益值为光放大器的平均增益值或光放大器所在网络的网络平均跨损值。
目标增益曲线为光放大器增益范围内多条增益曲线的中心对称轴，可以使光放大器的增益曲线呈对称性，相互对称的两个增益曲线产生的畸变可以相互抵消。
一种可能的实现方式中，泵浦光源，还用于调节光放大器的增益值。
采用泵浦光源调节光放大器的增益值，可以省去光放大器内部的VOA等相关器件，降低光放大器的体积、成本及功耗。
一种可能的实现方式中，放大器的增益值随泵浦光源的工作电流或功率变化。
一种可能的实现方式中，增益平坦滤波器的衰减曲线依据目标增益曲线设计。
本申请的增益平坦滤波器依据目标增益曲线设计，可以使光放大器在增益范围内的增益曲线相对目标增益曲线呈对称性，使得相互对称的两个增益曲线产生的畸变相互抵消。
一种可能的实现方式中，该光放大器为单级光放大器。
由于本申请的光放大器损可以省去VOA等器件，损耗较小，因此单级放大即可满足网络的性能需求。
一种可能的实现方式中，光放大器还包括隔离器，隔离器用于控制信号光的传输方向。
第二方面，本申请实施例提供了一种光网络系统，该光网络系统包括多个上述第一方面或第一方面中任意一种可能的实现方式中的光放大器。
一种可能的实现方式中，多个光放大器包括第一光放大器和第二光放大器，第一光放大器设置为第一增益值，第二光放大器设置为第二增益值，第一增值对应的增益曲线和第二增益值对应的增益曲线的畸变状态相反。
第一光放大器和第二光放大器的增益曲线的畸变状态相反，可以有效抵消增益曲线产生的畸变，提升网络性能。
第三方面，本申请实施例提供了一种光信号放大的方法，应用于光放大器，该方法包括：供泵浦光，将泵浦光耦合至增益介质。基于泵浦光对输入到光放大器的信号光进行放大，其中，光放大器的增益曲线相对目标增益曲线呈对称性，且任意两条对称的增益曲线的畸变状态相反。对放大后的信号光进行滤波，并输出滤波后的信号光。
一种可能的实现方式中，目标增益曲线的增益值为光放大器的平均增益值或光放大器所在网络的网络平均跨损值。
一种可能的实现方式中，该方法还包括：调节光放大器的增益值。
一种可能的实现方式中，光放大器的增益值随光放大器中泵浦光源的工作电流或功率变化。
一种可能的实现方式中，该光放大器为单级光放大器。
一种可能的实现方式中，该方法还包括：控制信号光的传输方向。
第四方面，本申请实施例提供了一种光放大器增益调节的方法，该方法应用于上述第二方面的光网络系统，多个光放大器包括第一光放大器和第二光放大器，该方法包括：将第一光放大器设置为第一增益值，以及第二光放大器设置为第二增益值，第一增值对应的增益曲线和第二增益值对应的增益曲线的畸变状态相反。
一种可能的实现方式中，该方法包括：确定光网络系统的残余不平坦增益，其中，残余不平坦增益根据多个光放大器的增益值和目标增益曲线的增益值得到。根据残余不平坦增益确定多个光放大器中的至少一个光放大器是否需要调节增益。
一种可能的实现方式中，该方法包括：当残余不平坦增益的绝对值大于或等于预设的调节阈值时，确定多个光放大器的至少一个光放大器需要调节增益。
一种可能的实现方式中，该方法包括：当残余不平坦增益不等于零时，确定多个光放大器的至少一个光放大器需要调节增益。
一种可能的实现方式中，该方法包括：确定待调节的光放大器，其中，待调节的光放大器具有增大增益或最小增益，或者待调节光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最大或最小。
一种可能的实现方式中，当残余不平坦增益大于零时，待调节的光放大器具有最大增益，或者待调节的光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最大。
一种可能的实现方式中，当残余不平坦增益小于零时，待调节的光放大器具有最小增益，或者待调节的光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最小。
通过调节最大或最小增益的光放大器，可以使高、低增益值的光放大器之间增益曲线的畸变相互抵消，优化了不同波长光信号的功率平坦度和网络性能。
第五方面，本申请实施例提供了一种控制装置，该控制器包括处理器和接口。接口，用于与多个光放大器之间进行通信。处理器用于执行指令，以执行上述第四方面或第四方面中任意一种可能的实现方式中的方法。
第六方面，本申请实施例提供一种包括指令的计算机程序产品。当其在计算机上运行时，使得计算机实现上述第四方面或第四方面中任意一种可能的实现方式中的方法。
第七方面，本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述第四方面或第四方面中任意一种可能的实现方式中的方法。
附图说明
下面将参照所示附图对本申请实施例进行更详细的描述：
图1为一种光放大器应用的网络场景示意图；
图2为本申请提供的一种单级光放大器的结构示意图；
图3为本申请提供的一种光放大器的结构示意图；
图4为本申请提供的一种多级光放大器的结构示意图；
图5为本申请提供的掺铒光纤在不同波长下辐射系数以及吸收系数曲线示意图；
图6为本申请提供的一种增益平坦滤波器的衰减曲线设计方法的示例性流程图；
图7a为本申请提供的增益曲线迭代示意图；
图7b为本申请提供的GFF衰减曲线迭代的示意图；
图7c为本申请提供的GFF修正衰减曲线的迭代示意图；
图8为本申请提供的光放大器的增益曲线示意图；
图9为本申请提供的一种网络场景的示意图；
图10为本申请提供的一种增益调节的方法的流程图；
图11为本申请提供的一种控制装置的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例描述的设备形态以及业务场景是为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，并不构成对本发明实施例提供的技术方案的限制。本领域普通技术人员可知，随着设备形态的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题同样适用。
本申请提出的技术方案可以适用于光传输场景。例如，光骨干传输网络、城域光网络、光接入网络、数据中心光传输和无线业务前传/回传等。具体地，本申请提出的技术方案可以用于上述不同网络中的光放大器。
光放大器可以包括固定增益放大器和可调增益放大器。固定增益的光放大器的具有固定增益，当链路损耗变化时，由于光放大器无法动态调节增益，因此需要结合外置的VOA来实现链路损耗和光放大器增益的匹配。图1为一种光放大器应用的网络场景示意图。如图1所示，假设链路101的损耗为18dB，光放大器(OA)103的固定增益为20dB，则VOA 102的损耗调节为2dB，使得链路损耗加上VOA的损耗和光放大器的增益一致。链路104、VOA 105和OA 106采用类似的配置。该方式引入了VOA带来的额外链路损耗(即插损，或者称为插入损耗)，使得系统性能存在较大劣化。为了提升系统性能，可以采用可调增益的光放大器。但当前的可调增益的光放大器相对于固定增益的光放大器增加了VOA、PD等有源器件，因此增加了体积和功耗。此外，由于光放大器内部增加了VOA，这要求光放大器在工作时具有较高的泵浦功率以弥补VOA引入的额外插损。同时，可调增益的光放大器为多级结构，相比于单级结构的光放大器增加了体积和成本。
为此，本申请提供了一种光放大器，在光放大器内部不采用VOA、PD的情况下，可以实现光放大器的增益可调。图2为本申请提供的一种单级光放大器的结构示意图。如图2所示，该光放大器200包括泵浦光源201、耦合器202、增益介质203和增益平坦滤波器(gainflattening filter，GFF)204。其中，泵浦光源202用于产生泵浦光。例如，泵浦光源202 可以采用980nm或1480nm的半导体激光器实现。耦合器203用于将泵浦光耦合至增益介质203。耦合器202可以采用光耦合器、波分复用器、合波器等实现。例如，采用波分复用器实现时，波分复用器可以将泵浦光和信号光进行波分复用，将波分复用后的信号光和泵浦光传输至增益介质203。信号光可以来源于光放大器的上一级网络设备，并从光放大器的输入端输入，图中箭头方向为信号光的示例性传输方向。图2所示的光放大器200的结构采用的是前向泵浦方式，即沿信号光的传输方向，泵浦光源201位于增益介质203前面。本申请的光放大器还可以采用后向泵浦的方式，泵浦光源201和耦合器202位于增益介质203和增益平坦滤波器204之间。前向泵浦或后向泵浦也可称为单向泵浦。本申请的光放大器还可以采用双向泵浦的方式，即沿信号光的传输方向，增益介质203的前后均设置泵浦光源201。
泵浦光可以给增益介质提供能量，在泵浦光的作用下，增益介质用于对信号光进行放大。例如，增益介质203可以采用掺稀土光纤(如掺铒光纤、掺铥光纤等)、拉曼光纤、半导体等实现。增益介质203在对光信号进行放大的同时，可能会引入增益的差异性，使得各信道之间的功率分布不均衡。因此，可以采用增益平坦滤波器204修正光放大器的增益曲线(或者称为增益谱)，使光放大器的增益曲线保持线性，改善增益曲线的平坦度。增益平坦滤波器204可以采用薄膜滤光型滤波器、长周期光纤光栅滤波型滤波器和啁啾光纤布拉格光栅型滤波器等多种滤波器实现。
图3为本申请提供的一种光放大器的结构示意图。在图2的基础上，图3中的增益介质 303可以采用掺铒光纤实现，则该光放大器300称为掺铒光纤放大器。泵浦光源301、耦合器 302、增益介质303、增益平坦滤波器304的功能可参考图2实施例的描述，此处不再赘述。图3所示的掺铒光纤放大器300的输入端和输出端可以分别设置光电探测器305、306对信号光的输入、输出功率进行监测。输出端还可以设置分光器307，分出一部分的信号光供外部监控。光放大器中还可以设置隔离器308、309，用于阻隔反向光(例如，泵浦光泄露、端面反射等产生反向光)，以提高泵浦效率和降低光放大器的噪声系数。例如，隔离器308设置在光电探测器305和耦合器302之间，隔离器309设置在增益平坦滤波器304和分光器307之间。又例如，隔离器308也可以设置于耦合器302和增益介质303之间，隔离器309也可以设置在增益介质303和增益平坦滤波器304之间。
图4为本申请提供的一种多级光放大器的结构示意图。如图4所示，以二级光放大器为例进行说明。在图3的基础上，图4增加了一级放大，例如，增加了泵浦光源401，耦合器402，增益介质403和隔离器404。在另一个例子中，图4中还可以在增益介质403后面增加一个增益平坦滤波器。采用图4类似的叠加原理，可以实现三级或以上的多级光放大器。
以上述实施例所示的光放大器的结构为例，本申请可以通过调节泵浦光源的工作电流，实现光放大器的增益可调。其中，泵浦光源的工作电流和不同增益值的对应关系可以预先标定并配置保存于光放大器的存储功能模块中。表1为示例性的增益标定参数表，光放大器的增益范围为17dB～23dB。光放大器的输入光功率可以根据如下公式得到：
Pin＝Poutmax-Gain公式(1)
其中，Pin为光放大器的输入光功率，单位为dBm。Poutmax为光放大器的最大输出光功率，单位为dBm。Poutmax为光放大器的其中一个设计参数，因此，该参数是已知的。Gain为光放大器的波长平均增益值(或者称为增益值)，单位为dB。
表1增益标定参数表
输入光功率(dBm) 增益(dB) 泵浦光源工作电流(mA)
3.8 17 I<sub>a</sub>
2.8 18 I<sub>b</sub>
1.8 19 I<sub>c</sub>
0.8 20 I<sub>d</sub>
-0.2 21 I<sub>e</sub>
-1.2 22 I<sub>f</sub>
-2.2 23 I<sub>g</sub>
以具有单个泵浦光源(单向泵浦)的光放大器为例，增益标定参数表可以通过如下方式得到：对于光放大器增益范围17dB～23dB中的任意一个增益值Gain1，根据公式(1)可以计算出光放大器在该增益值Gain1下达到最大输出光功率Poutmax时的输入光功率Pin1。将光放大器的输入光功率设置为Pin1，调节泵浦光源的工作电流使得光放大器的输出光功率 Pout1达到最大输出光功率Poutmax，将此时泵浦光源的工作电流值I1写入增益标定参数表中。比如，光放大器的最大输入光功率Poutmax为20.8dBm，当光放大器的增益值Gain1为 17dB时，光放大器的输入光功率Pin1为3.8dBm。将光放大器的输入光功率Pin1设置为3.8dBm，调节泵浦光源的工作电流使得光放大器的输出光功率Pout1＝20.8dBm，记录此时泵浦光源的工作电流值为Ia。
类似地，可以遍历增益范围内的多个增益值，标定不同增益值对应的泵浦光源工作电流。例如，增益范围17dB～23dB可以标定7个增益值，还可以标定更多或更少的增益值。如果光放大器具有两个泵浦光源(双向泵浦)，则可以通过调节两个泵浦光源的工作电流(I1、I2) 来得到增益标定参数表。当光放大器在网络中工作时，可以依据增益标定参数表，通过调节泵浦光源的工作电流，从而调节光放大器的增益。在另一个例子中，还可以通过调节泵浦光源的功率，来调节光放大器的增益，该情况下可以标定增益和泵浦光源功率的关系。通过泵浦光源的工作电流或功率调节光放大器的增益，可以省去光放大器中的VOA和用于配合VOA 调节的中间级PD，还可以省去掺铒光纤的温控盒等器件。对于多个泵浦光源的情况(双向泵浦或多级光放大器)，可以调节其中一个或多个泵浦光源的工作电流来标定上述的增益标定参数表。
在另一种实施方式中，还可以通过在光放大器的内部保留VOA来实现光放大器的增益可调。在该方式中，可以通过VOA和泵浦光源联合来调节光放大器的增益。该方式下也可以省去掺铒光纤的温控盒。
由于掺铒光纤等增益介质在C波段具有较佳的辐射系数(g*)以及吸收系数而被广泛用于该波段光信号的放大。图5为本申请提供的掺铒光纤在不同波长下辐射系数以及吸收系数曲线示意图。如图5所示，掺铒光纤等增益介质的辐射系数曲线501和吸收系数曲线502在不同的波长上具有不平坦性，导致光放大器的增益谱在不同的波长上也存在不平坦度。因此，需要额外的光器件对光放大器的增益谱平坦性进行补偿，例如，采用增益平坦滤波器来实现该功能。增益平坦滤波器可以包括固定GFF和动态GFF。固定GFF对光放大器的增益谱平坦性进行固定补偿。动态GFF可以通过外部控制信号实时调节，对光放大器的增益谱平坦性进行动态补偿。
增益平坦滤波器可以采用薄膜滤光型滤波器实现，薄膜滤光型滤波器是一种光学镀膜器件，可以控制不同波长的镀膜参数来实现不同波长的光信号具有不同的衰减。因此，通过设计增益平坦滤波器的衰减曲线，可以实现光放大器的增益谱的平坦化。图6为本申请提供的一种增益平坦滤波器的衰减曲线设计方法的示例性流程图。以固定GFF为例，GFF的衰减曲线设计方法可以包括如下步骤：
S601：确定光放大器的设计参数。
光放大器的设计参数可以包括光放大器的增益范围、目标增益曲线、最大输出光功率 Poutmax、波长范围等。设计参数还可以包括光路设计相关的参数，例如，光放大器内部各器件的类型、插损、掺铒光纤的长度等。其中，光放大器的增益范围可以包括最大增益值和最小增益值。光放大器内的器件可以包括耦合器、泵浦光源、增益介质、增益平坦滤波器等。
其中，目标增益曲线可以通过如下方式确定。首先确定光放大器设计的基准点Gain_Base，然后，根据基准点Gain_Base确定光放大器的目标增益曲线。该基准点Gain_Base可以为光放大器的平均增益值或网络平均跨损(span loss)值。目标增益曲线的增益值可以为基准点 Gain_Base。例如，目标增益曲线的增益值为光放大器的平均增益值，或者为光放大器所在网络的网络平均跨损值。此外，根据网络的性能需求，目标增益曲线还可以具有一定的倾斜度。
光放大器的平均增益值可以是光放大器增益范围的中值，或者光放大器增益范围的平均值或加权平均值等。光放大器的平均增益值能够反映增益范围的平均分布情况。例如，光放大器的增益范围为17-23dB，则基准点Gain_Base为20dB。网络平均跨损值可以为光放大器所在的网络中多个单跨链路损耗的加权平均值。其中，单跨链路损耗为上一级光放大器的输出到下一级光放大器的输入之间的链路总损耗，可以包括光纤损耗和光器件损耗等。光放大器所在的网络范围可以根据客户的需求来确定，或者根据光信号的传输距离来确定。比如，光放大器所在的网络范围中，任意一个设备产生的光信号，在不经过光电转换的情况下，可以直接到达该网络范围内的其他设备。网络平均跨损值和光放大器的增益范围在数值上可以是相同的。光放大器的增益值或单跨链路损耗可以是等概率分布，还可以是非等概率分布的。例如，光放大器的增益范围为17-23dB，等概率的分布的情况下，光放大器的平均增益值为 20dB。光放大器的增益值在非等概率分布的情况下，如18dB出现的概率P18＝20％，19dB出现的概率P19＝25％，20dB出现的概率P20＝20％，21dB出现的概率P21＝20％，22dB出现的概率 P22＝5％，23dB出现的概率P23＝5％，24dB出现的概率P24＝5％，光放大器平均增益值为18dB*20％+19dB*25％+20dB*20％+21dB*20％+22dB*5％+23dB*5％+24dB*5％＝20dB。又例如，每个单跨链路损耗范围均为17-23dB(假设每个单跨链路的损耗范围相同)，等概率分布的情况下，网络平均跨损值为20dB。网络中包含的多个单跨链路的损耗在非等概率分布的情况下(假设每个单跨链路的损耗概率分布情况相同)，如18dB出现的概率P18＝20％，19dB出现的概率 P19＝25％，20dB出现的概率P20＝20％，21dB出现的概率P21＝20％，22dB出现的概率P22＝5％， 23dB出现的概率P23＝5％，24dB出现的概率P24＝5％，则网络平均跨损值为 18dB*20％+19dB*25％+20dB*20％+21dB*20％+22dB*5％+23dB*5％+24dB*5％＝20dB。
S602：GFF衰减曲线初始化。
GFF衰减曲线的初始值可以任意选取，例如，可以取GFF的固有插损作为初始值。
S603：将GFF设置为最新的GFF衰减曲线，调节光放大器的输出光功率。
第一次迭代时，最新的GFF衰减曲线为S602中的初始化衰减曲线。在后续的迭代中，最新的GFF衰减曲线为下文S606中得到的新的衰减曲线。光放大器在目标增益曲线(增益值为 Gain_Base)的状态下，根据公式(1)得到光放大器的输入光功率Pin＝Poutmax-Gain_Base。第一次迭代时，将光放大器的输入光功率Pin设置为Poutmax-Gain_Base，并且通过泵浦光源的工作电流或功率调节将光放大器的输出光功率调节为最大输出光功率Poutmax。在后续的迭代中，设置了最新的GFF衰减曲线后，可以不改变输入光功率Pin的值，直接通过泵浦光源的工作电流或功率调节将光放大器的输出光功率调节为最大输出光功率Poutmax。
S604：获取光放大器当前的增益曲线，并获得GFF修正衰减曲线。
GFF修正衰减曲线可以通过光放大器当前的增益曲线和目标增益曲线之间的求差得到。多次迭代产生的GFF修正衰减曲线对GFF衰减曲线进行逐步修正，使得光放大器当前的增益曲线逐步接近目标增益曲线。由于本申请采用泵浦光源的工作电流或功率调节光放大器的增益，可以省去VOA、中间级PD、掺铒光纤温控盒中的一个或多个器件。但是，省去VOA和中间级 PD会使不同增益点对应的增益曲线产生畸变，省去掺铒光纤温控盒会使不同温度对应的增益曲线产生畸变。为此，本申请提出了基于增益值为上述基准点Gain_Base的目标增益曲线来设计GFF的衰减曲线。
S605：判断GFF修正衰减曲线是否满足预设的条件。
预设的条件可以是GFF修正衰减曲线为0或者小于预设的阈值。当GFF修正衰减曲线满足预设的条件时，说明当前的GFF衰减曲线满足设计需求，可以执行S607。当GFF修正衰减曲线不满足预设的条件时，说明当前的GFF衰减曲线未满足设计需求，则需要执行S606，进行新一轮的迭代。
S606：获得新的GFF衰减曲线。
新的GFF衰减曲线＝当前的GFF衰减曲线+GFF修正衰减曲线-min(当前的GFF衰减曲线+GFF 修正衰减曲线)。这里的min(当前的GFF衰减曲线+GFF修正衰减曲线)，括号中的加法计算得到的曲线为波长相关的衰减曲线，min指的是该衰减曲线上的最小衰减值。减去该最小值可以使得新的GFF衰减曲线的最小衰减值为0，从而保证光放大器的内部损耗最低。得到新的GFF衰减曲线后，执行S603。
S607：迭代结束。
迭代结束后，得到最新的GFF衰减曲线作为光放大器采用的GFF衰减曲线。光放大器采用的GFF衰减曲线是依据目标增益曲线设计的，也可以说，光放大器采用的GFF衰减曲线与目标增益曲线相匹配。可以理解为，光放大器采用的GFF的衰减曲线能够使光放大器的在基准点的增益曲线与目标增益曲线大致或完全重合。
下面结合具体的例子说明GFF衰减曲线的迭代过程。
图7a为本申请提供的增益曲线迭代示意图。图7a示出了迭代过程中产生的五条增益曲线，分别为Gain1、Gain2、Gain3、Gain4、Gain 5，图7a还示出了光放大器设计的目标增益曲线。其中，Gain5为迭代结束后最终得到的增益曲线。因此，Gain5作为光放大器采用的基准点(图中为20dB)对应增益曲线，Gain 5也可以称为光放大器实际采用的目标增益曲线。由图中可见，Gain5和设计的目标增益曲线大致重合，二者可以统称为目标增益曲线。
图7b为本申请提供的GFF衰减曲线迭代的示意图。图7b示出了迭代过程中产生的五条 GFF衰减曲线，分别为GFF1、GFF2、GFF3、GFF4、GFF5。GFF的初始衰减曲线GFF1的插损值(或者称为衰减值)为0dB，光放大器采用的GFF衰减曲线为GFF5。
图7c为本申请提供的GFF修正衰减曲线的迭代示意图。图7c示出了迭代过程中产生的五条GFF修正衰减曲线，分别为GFF修正1、GFF修正2、GFF修正3、GFF修正4、GFF修正 5。图7c中多次迭代产生的GFF修正曲线，可以对图7b的GFF衰减曲线逐步修正，从而使图 7a的增益曲线逐渐接近目标增益曲线。
结合图7a-7c，本申请对GFF衰减曲线的迭代设计过程进行说明。第一次迭代，将GFF的衰减曲线设置为GFF1，通过增益曲线Gain1和目标增益曲线之间作差，得到GFF修正衰减曲线GFF修正1。GFF修正1不满足预设的条件，因此，根据当前的GFF衰减曲线GFF1和GFF修正衰减曲线GFF修正1得到新的GFF衰减曲线GFF2。类似地，第二次迭代，基于GFF衰减曲线GFF2产生增益曲线Gain2，并得到GFF修正衰减曲线GFF修正2，从而得到新的GFF衰减曲线GFF3。以此类推，直到GFF修正衰减曲线满足预设的条件，可以结束迭代过程，得到最终的GFF衰减曲线。本申请对迭代次数不限定，通常迭代次数越多，得到的GFF衰减曲线的性能越好。
本申请GFF衰减曲线的设计方法，可以使光放大器的增益曲线相对于目标增益曲线(或者，增益值为基准点的增益曲线)呈对称分布。基准点作为目标增益曲线的增益值，可以为上述实施例提到的光放大器的平均增益值，或者网络平均跨损值。光放大器增益范围内，相对基准点等差(或者对称)的任意两个增益值所对应的增益曲线相对目标增益曲线对称。
图8为本申请提供的光放大器的增益曲线示意图。如图8所示，光放大器的增益范围为 17-23dB，且增益可调。图中示出了光放大器的最大增益曲线801、最小增益曲线802，以及目标增益曲线803。基准点Gain_Base为20dB，20dB的目标增益曲线带有1dB的增益倾斜度。17dB、23dB为增益范围内相对20dB对称的两个增益值。因此，17dB、23dB的增益曲线相对于20dB的目标增益曲线对称。同理，19dB、21dB的增益曲线(图中未示出)相对于20dB的目标增益曲线对称。不同增益值对应的增益曲线的平坦度或畸变状态还可以不同，即增益曲线的平坦度或畸变状态随光放大器的增益值而变化。并且，对称的两个增益值对应的增益曲线的畸变状态是相反的。例如，17dB的增益曲线在1530nm-1560nm波长范围内呈递减趋势，23dB的增益曲线在1530nm-1560nm波长范围内呈递增趋势。可见，17dB的增益曲线和23dB的增益曲线的平坦度或畸变状态不同。并且，17dB的增益曲线和23dB的增益曲线的畸变状态是相反的。这样，如果一个光放大器设置为17dB，另一个光放大器设置为23dB，这两个光放大器的增益曲线产生的畸变可以相互抵消。
对于可调增益的光放大器，当前通常采用最大增益值或最小增益值作为GFF衰减曲线的设计基准点。本申请提出的光放大器，采用光放大器的平均增益值或者网络平均跨损值作为 GFF衰减曲线的设计基准点，增益曲线呈对称分布，可以有效补偿增益曲线的畸变，改善增益曲线的平坦度。本申请的基准点(目标增益曲线的增益值)也可以大致等于光放大器的平均增益值或网络平均跨损值，而不一定严格相等。本申请所说的“对称”不一定是严格地对称，例如，增益曲线可以相对目标增益曲线大致呈对称形状。通过对增益曲线对称设计，可以在省去光放大器中的VOA和中间级PD的情况下，补偿不同增益值对应的增益曲线产生的畸变。通过对增益曲线对称设计，还可以在省去掺铒光纤的温控盒的情况下，补偿不同的工作温度对应的增益曲线产生的畸变。
图9为本申请提供的一种网络场景的示意图。本申请上述实施例的光放大器可以应用于的多个跨段的网络场景中。如图9所示，网络900包括多个光放大器(OA1～OA 5)和链路上的VOA(VOA 1～VOA 4)。上一级光放大器的输出到下一级光放大器的输入之间的链路可以形成一个跨段。这里所说的链路可以包括光纤和VOA等光器件。例如，OA 1的输出到OA2的输入之间的链路可以看作跨段1，OA 2的输出到OA 3的输入之间的链路可以看作跨段2，OA3 的输出到OA4的输入之间的链路可以看作跨段3，OA4的输出到OA 5的输入之间的链路可以看作跨段4。光信号在链路上传输，会受到链路损耗的影响，使得信号减弱，从而影响传输质量。光放大器用于对光信号进行放大，补偿链路损耗。由于光放大器在不同增益值时增益平坦度不同，链路上的位于光放大器外部的VOA用于配合该VOA的下游相邻光放大器进行增益调节，从而改善增益平坦度。例如，光信号经过跨段1产生18dB的单跨链路损耗，OA1可以对光信号进行放大，VOA1用于配合OA1进行增益调节。
图10为本申请提供的一种增益调节的方法的流程图。该方法可以由光放大器的控制装置实现，例如可以由网管、网络控制器或者网元上的控制单板控制光放大器实现。如图10所示，该方法可以包括如下步骤：
S1001：设置光放大器的初始增益值。
光放大器的初始增益值可以通过网管、网络控制器或控制单板等进行配置。例如，光放大器的初始增益值可以为前一级光放大器的输出至该光放大器的输入之间的单跨链路损耗。
S1002：计算当前的残余不平坦增益。
网管、网络控制器、控制单板可以获取各个光放大器当前的增益值，以及光放大器设计的基准点，并计算当前的残余不平坦增益。残余不平坦增益可以根据如下公式计算：
残余不平坦增益＝∑(Gain_I-Gain_Base)，I∈[1…N] 公式(2)
其中，Gain_I为第I个光放大器当前的增益值，Gain_Base为光放大器设计的基准点，N 为待调节的光放大器的数量。基准点Gain_Base可以为上述实施例提到的光放大器的平均增益值，或者网络平均跨损值。
残余不平坦增益指示待调节的光放大器的当前增益值和基准点之差，有多个待调节的光放大器时，残余不平坦增益对各个光放大器的当前增益和基准点的差值求和。
S1003：根据当前残余不平坦增益确定待调节的光放大器以及调节量。
网管、网络控制器或控制单板等可以根据S1002计算的当前残余不平坦增益，判断是否需要调节增益。残余不平坦增益的取值可以为正，也可以为负。当残余不平坦增益的绝对值相对较大时，说明网络的性能相对较差，需要执行增益调节。反之，当残余不平坦增益的绝对值相对较小时，说明网络的性能相对较好，可以不执行增益调节。例如，残余不平坦增益的绝对值最小可以为零。如果需要执行增益调节，则进一步确定哪些光放大器执行增益调节，以及具体的调节量。
一种情况是，若残余不平坦增益的绝对值小于或等于调节阈值，则各个光放大器均可以不执行增益调节。例如，调节阈值取零，当残余不平坦增益的绝对值等于零时，各个光放大器不执行增益调节。
另一种情况是，若残余不平坦增益的绝对值大于调节阈值，则可以对一个或多个光放大器进行增益调节。例如，调节阈值取零，当残余不平坦增益的绝对值大于零(或者说不等于零)，可以对一个或多个光放大器进行增益调节。
另一个例子中，调节阈值不为零，且残余不平坦增益的绝对值等于调节阈值的情况下，也可以执行增益调节。也即，残余不平坦增益的绝对值小于调节阈值时，不执行增益调节。残余不平坦增益的绝对值大于或等于调节阈值时，执行增益调节。
需要执行增益调节的情况下(残余不平坦增益的绝对值大于调节阈值，或者大于或等于调节阈值)，若残余不平坦增益小于零，则确定待调节的光放大器为具有最小增益值光放大器，或者，待调节光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最小。待调节的光放大器的增益可以增加xdB，同时，将该待调节光放大器所在的上游跨段的衰减增加x dB。重复S1002和S1003 直至残余不平坦增益的绝对值小于或等于调节阈值，或者小于调节阈值。
需要执行增益调节的情况下，若残余不平坦增益大于零，则确定待调节的光放大器为具有最大增益值光放大器，或者，待调节光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最大。待调节的光放大器的增益可以减小xdB，同时，将该待调节光放大器所在的上游跨段的衰减减小x dB。若待调节光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗无法减小，可以按照单跨链路损耗值从大到小依次选择其他跨段进行衰减调节。重复S1002和S1003直至残余不平坦增益的绝对值小于或等于调节阈值，或者小于调节阈值。
本申请实施例中，光放大器的增益调节(增加或减小)可以通过泵浦光源的工作电流或电压来控制。跨段衰减的调节(增加或减小)可以通过链路上的VOA或可调衰减的合分波器件来实现。
本申请所述的调节最小增益(损耗值最小)或最大增益(损耗最大)对应的光放大器，是一种特定的例子。在其他例子中，还可以选择次小或次大的增益或者损耗值对应的光放大器作为待调节的光放大器。当待调节的光放大器有多个时，可以将同时调节多个光放大器的增益，多个光放大器的调节量总和为单次调节量xdB。
单次调节量xdB可以是随机设置的，也可以根据残余增益不平坦度或调节阈值等参数设置。例如，残余增益平坦度较小时，可以设置较小的单次调节量，反之亦然。调节阈值较小时，可以设置较小的单次调节量，反之亦然。单次调节量在调节过程中也可以变化。例如，先采用较大的调节量进行粗调，然后采用较小的调节量进行细调。
以图9所示的网络场景为例对本申请增益调节的方法进行说明，表2为光放大器的增益调节示例。
表2光放大器的增益调节示例
OA1 OA2 OA3 OA4
初始增益值 Gain1＝18dB Gain2＝22dB Gain3＝19dB Gain4＝19dB
第一次调节 Gain1＝18.5dB Gain2＝22dB Gain3＝19dB Gain4＝19dB
第二次调节 Gain1＝19dB Gain2＝22dB Gain3＝19dB Gain4＝19dB
第三次调节 Gain1＝19.5dB Gain2＝22dB Gain3＝19dB Gain4＝19dB
第四次调节 Gain1＝19.5dB Gain2＝22dB Gain3＝19.5dB Gain4＝19dB
假设光放大器OA 1～OA 4为可调增益光放大器，OA 1～OA 4的设计基准点Gain_Base均为 20dB，且增益范围均为18-24dB。取调节阈值为0dB，单次调节量为0.5dB。OA 1初始增益值设置为跨段1的单跨链路损耗Loss 1，18dB。OA 2初始增益值设置为跨段2的单跨链路损耗 Loss 2，22dB。OA 3初始增益值设置为跨段3的单跨链路损耗Loss 3，19dB。OA 4初始增益值设置为跨段4的单跨链路损耗Loss 4，19dB。光放大器为初始增益值的状态下，残余不平坦增益为(18-20)+(22-20)+(19-20)+(19-20)＝-2dB。残余不平坦增益小于0，且残余不平坦增益的绝对值大于调节阈值，执行第一次调节。将具有最小增益值的OA 1的增益值Gain 1增加0.5dB，即调节为18.5dB，并调节VOA 1增加衰减0.5dB。执行第一次调节之后，当前的残余不平坦增益为-1.5dB，此时OA 1的增益值仍为最小，继续将OA 1的增益Gain1增加0.5dB，即调节为19dB，同时调节VOA 1增加衰减0.5dB。类似地，第三次调节将OA 1 的增益Gain1调节为19.5dB，第四次调节将OA 3的增益Gain 3调节为19.5dB。第四次调节， OA1、OA 3、OA 4的增益值Gain 1、Gain 3、Gain 4低于基准点，可以称为“低增益”，OA 2的增益值Gain 2高于基准点，可以称为“高增益”。高增益和基准点的差值(+2)与低增益和基准点的差值(-2)相抵消，因此，残余增益不平坦度调整为零，提升了链路端到端的网络性能。
本申请提出的光放大器的增益曲线相对目标增益曲线呈对称分布，并且对称两个增益值的增益曲线的畸变刚好是相反的。因此，采用本申请的增益调节方法，可以使高、低增益的光放大器之间的增益曲线的畸变相互抵消，优化了不同波长光信号的功率平坦度和网络性能。
图11为本申请提供的一种控制装置的结构示意图。如图11所示，控制装置1100包括接口1101和处理器1102。控制装置1100可以是网管、网络控制器或控制单板，用于执行图10 所示的方法，对光放大器进行控制。在一些情况下，控制装置1100还可以包括存储器1103。存储器1103可以设置于控制装置1100的内部，或设置于控制装置1100的外部。
具体地，处理器1102可以是中央处理器(central processing unit，CPU)、网络处理器(network processor，NP)或者CPU和NP的组合。处理器1102还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)，可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑(complex programmable logic device，CPLD)、现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、通用阵列逻辑(generic array logic，GAL)或其任意组合。
其中，接口1101、所述处理器1102和所述存储器1103之间相互连接。例如，接口1101、处理器1102和存储器1103可以通过总线相互连接。该总线可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(ExtendedIndustry Standard Architecture，EISA)总线等。
在一种实施方式中，存储器1103用于保存指令或程序等。存储器1103可能包括随机存取存储器(random-access memory，RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如一个或多个磁盘存储器。所述处理器1502执行所述存储器1503所保存的指令或程序，从而实现上述实施例的功能。在一些情况下，可以直接将指令或程序固化为数字电路，该情况下可以不保存指令或程序。
示例性地，当控制装置1100用于实现上述图10的实施例中增益调节方法时，接口1101 可以对光放大器发送增益配置信息，以对光放大器的增益值进行调节或设置。存储器1103除了保存指令或程序，还可以保存如表1所示的增益标定参数表等。处理器1502可以实现残余不平坦增益的计算、确定待调节的光放大器以及调节量等。相关具体描述可参见图11所示的实施例中的相关描述，此处不再详细介绍。
以上所述仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种光放大器，其特征在于，所述光放大器包括：泵浦光源，耦合器，增益介质和增益平坦滤波器；其中，所述光放大器的增益曲线相对目标增益曲线呈对称性，且任意两条对称的增益曲线的畸变状态相反；
所述泵浦光源，用于提供泵浦光；
所述耦合器，用于将所述泵浦光耦合至所述增益介质；
所述增益介质，用于基于所述泵浦光对输入到所述光放大器的信号光进行放大，
所述增益平坦滤波器，用于对所述放大后的信号光进行滤波，并输出所述滤波后的信号光。
2.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述目标增益曲线的增益值为所述光放大器的平均增益值或所述光放大器所在网络的网络平均跨损值。
3.如权利要求1或2所述的光放大器，其特征在于，所述泵浦光源，还用于调节所述光放大器的增益值。
4.如权利要求3所述的光放大器，其特征在于，所述光放大器的增益值随所述泵浦光源的工作电流或功率变化。
5.如权利要求1-4任一所述的光放大器，其特征在于，所述增益平坦滤波器的衰减曲线依据所述目标增益曲线设计。
6.如权利要求1-5任一所述的光放大器，其特征在于，所述光放大器为单级光放大器。
7.如权利要求1-6任一所述的光放大器，其特征在于，所述光放大器还包括隔离器，所述隔离器用于控制所述信号光的传输方向。
8.一种光网络系统，其特征在于，所述光网络系统包括多个如权利要求1-6任一所述的光放大器。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述多个光放大器包括第一光放大器和第二光放大器，所述第一光放大器设置为第一增益值，所述第二光放大器设置为第二增益值，所述第一增值对应的增益曲线和所述第二增益值对应的增益曲线的畸变状态相反。
10.一种光信号放大的方法，应用于光放大器，其特征在于，所述方法包括：
提供泵浦光；
将所述泵浦光耦合至所述增益介质；
基于所述泵浦光对输入到所述光放大器的信号光进行放大，其中，所述光放大器的增益曲线相对目标增益曲线呈对称性，且任意两条对称的增益曲线的畸变状态相反；
对所述放大后的信号光进行滤波，并输出所述滤波后的信号光。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述目标增益曲线的增益值为所述光放大器的平均增益值或所述光放大器所在网络的网络平均跨损值。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
调节所述光放大器的增益值。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述光放大器的增益值随所述光放大器中泵浦光源的工作电流或功率变化。
14.如权利要求10-13任一所述的方法，其特征在于，所述光放大器为单级光放大器。
15.如权利要求10-14任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
控制所述信号光的传输方向。
16.一种光放大器增益调节的方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求8所述的光网络系统，所述多个光放大器包括第一光放大器和第二光放大器，所述方法包括：
将所述第一光放大器设置为第一增益值，以及所述第二光放大器设置为第二增益值，所述第一增值对应的增益曲线和所述第二增益值对应的增益曲线的畸变状态相反。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定所述光网络系统的残余不平坦增益，所述残余不平坦增益根据所述多个光放大器的增益值和所述目标增益曲线的增益值得到；
根据所述残余不平坦增益确定所述多个光放大器中的至少一个光放大器是否需要调节增益。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
当所述残余不平坦增益的绝对值大于或等于预设的调节阈值时，确定所述多个光放大器的至少一个光放大器需要调节增益。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
当所述残余不平坦增益不等于零时，确定所述多个光放大器的至少一个光放大器需要调节增益。
20.如权利要求17-19任一所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定待调节的光放大器，所述待调节的光放大器具有增大增益或最小增益，或者所述待调节光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最大或最小。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，当所述残余不平坦增益大于零时，所述待调节的光放大器具有最大增益，或者所述待调节的光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最大。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，当所述残余不平坦增益小于零时，所述待调节的光放大器具有最小增益，或者所述待调节的光放大器所在的上游跨段的单跨链路损耗值最小。
23.一种控制装置，其特征在于，所述控制器包括处理器和接口；
所述接口，用于与所述多个光放大器之间进行通信；
所述处理器用于执行指令，以执行如权利要求16-22任一所述的方法。
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