CN115699627A - 用于估计光通信网络中srs引起的增益变化的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
所公开的系统、结构和方法涉及一种光通信，所述光通信包括：第一波分复用器(wavelength division multiplexer，WDM)，用于接收WDM信号，所述第一WDM还用于将接收到的WDM信号分为C波段WDM信号和L波段WDM信号；C波段放大器和L波段放大器，用于分别放大所述C波段WDM信号和所述L波段WDM信号，并以快速时间尺度计算快速总瞬时功率Ptot‑CBand(t)和Ptot‑LBand(t)；慢速每信道功率检测器，用于以慢速时间尺度提取慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)；受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)估计器，用于估计SRS引起的所述WDM信号的增益变化；以及第二WDM，用于将放大后的C波段WDM信号和L波段WDM信号进行组合并通过光缆传输。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年7月6日提交的发明名称为“METHOD AND SYSTEM TO ESTIMATESRS INDUCED GAIN CHANGE IN OPTICAL COMMUNICATION NETWORKS(用于估计光通信网络中SRS引起的增益变化的方法和系统)”的序列号为16/921,034的美国非临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明大体上涉及光通信网络的领域，具体涉及用于估计光通信网络中受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)引起的增益变化的方法和系统。
背景技术
在基于波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)的光通信网络中，在单根光纤上承载多个光信道。单根光纤包括在光纤链路中。连接两个节点的光纤链路还包括沿光传输路线的任何其他光组件和光放大器。光放大器用于放大光纤链路中传输的WDM信号。这些放大器既用于路线中，也用于光纤链路的发送端和接收端处。
基于WDM的光通信网络中的每个光信道在光纤上以特定波长工作。使用可重构光分插复用器(optical add/drop multiplexer，OADM)，可以在节点中添加新信道和丢弃现有信道。
基于WDM的光通信网络中常见的非线性现象是受激拉曼散射(SRS)。SRS是一种非线性效应，这种非线性效应是由于入射波在介质中散射以致于入射波部分地转移至更高波长而产生的。在支持多个特定于波长的信道的光纤中，能量从波长较短的信道散射到波长较长的信道。根据光纤中的信道/光纤状况，例如信道数量、信道位置、信道功率、光纤类型、光纤长度，这种散射现象的结果是信道间信号混合和较高波长信道处感知增益的渐进增加或减小，这导致所传输的WDM信号的谱倾斜。随着WDM信号传输通过网络中的附加放大器和光纤，这种谱倾斜被进一步放大。为此，必须适当补偿SRS，以实现最佳性能。
传统上，只使用C波段进行WDM信号的传输。然而，为了满足不断增长的带宽需求和总容量的增加，C+L波段的传输已经商业化。C+L波段的SRS效应比仅C波段的SRS效应强得多。SRS缓解还必须考虑C波段与L波段之间的相互作用。
基于WDM的光通信网络面临的另一个常见问题是设备故障，例如光放大器故障。这种故障可能会对留存信道的传输产生瞬变效应。由于瞬变效应，留存信道也可能经历传输错误。此外，设备故障会导致光放大器输入端处的光谱功率分布和光功率的变化。光谱功率分布的较大变化会导致WDM信号在光纤中传输时SRS引起的谱倾斜的较大变化。这对于密集WDM信号传输尤其突出。
为此，有兴趣在正常传输期间和设备故障引起的瞬变期间估计SRS效应。除了估计的SRS效应之外，还应关注采取补救措施来克服SRS效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种光通信系统，所述光通信系统包括：第一波分复用器(wavelengthdivision multiplexer，WDM)，用于接收C+L波段的WDM信号，所述第一WDM还用于将接收到的WDM信号分为C波段WDM信号和L波段WDM信号；C波段放大器，用于放大所述C波段WDM信号，并以快速时间尺度计算与所述C波段WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)；L波段放大器，用于放大所述L波段WDM信号，并以所述快速时间尺度计算与所述L波段WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)；慢速每信道功率检测器，用于以慢速时间尺度提取与所述WDM信号关联的慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)；受激拉曼散射(SRS)估计器，用于使用与所述WDM信号中的n个波长对应的所述慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)以及所述快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)、所述快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)，来估计SRS引起的所述WDM信号的增益变化；以及第二WDM，用于将放大后的C波段WDM信号和L波段WDM信号进行组合并通过光缆传输。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述快速时间尺度为微秒级。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述慢速时间尺度在毫秒至秒的范围内。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述SRS估计器如下所示计算C波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于C波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于C波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是C波段中k个慢速每信道功率的总和，Ptot-CBand(t)是时刻t处的与所述C波段WDM信号关联的所述快速总瞬时功率。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述SRS估计器如下所示计算L波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于L波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于L波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是L波段中n-k个慢速每信道功率的总和，Ptot-LBand(t)是时刻t处的与所述L波段WDM信号关联的所述快速总瞬时功率。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述SRS估计器如下所示估计SRS引起的增益变化：
其中，GR是拉曼增益向量，αS是信号的光纤损耗系数，Aef是光纤的有效面积，Leff是所述光纤的有效非线性长度，L是所述光纤的实际长度。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述SRS估计器根据所估计的SRS引起的增益来生成用于调整所述C波段放大器和/或所述L波段放大器的增益的至少一个控制信号。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述C波段放大器和/或所述L波段放大器还用于根据所述至少一个控制信号调整所述C波段放大器和/或所述L波段放大器的增益。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述慢速每信道功率检测器包括光性能监测器。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信系统中，所述慢速每信道功率检测器包括导频音检测器。
本发明的另一目的是提供一种光通信方法，所述光通信方法包括：第一波分复用器(WDM)接收C+L波段的WDM信号；第一WDM将接收到的WDM信号分为C波段WDM信号和L波段WDM信号；C波段放大器放大所述C波段WDM信号；所述C波段放大器以快速时间尺度计算与所述C波段WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)；L波段放大器放大所述L波段WDM信号；所述L波段放大器以所述快速时间尺度计算与所述L波段WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)；慢速每信道功率检测器以慢速时间尺度提取与所述WDM信号关联的慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)；受激拉曼散射(SRS)估计器使用与所述WDM信号中的n个波长对应的所述慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)以及所述快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)、所述快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)，来估计SRS引起的所述WDM信号的增益变化；以及第二WDM将放大后的C波段WDM信号和L波段WDM信号进行组合并通过光缆传输。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信方法中，所述快速时间尺度为微秒级。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信方法中，所述慢速时间尺度在毫秒至秒的范围内。
根据本发明的任何其他或先前方面，所述光通信方法还包括所述SRS估计器如下所示计算C波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于C波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于C波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是C波段中k个慢速每信道功率的总和，Ptot-CBand(t)是时刻t处的与所述C波段WDM信号关联的所述快速总瞬时功率。
根据本发明的任何其他或先前方面，所述光通信方法还包括所述SRS估计器如下所示计算L波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于L波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于L波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是L波段中n-k个慢速每信道功率的总和，Ptot-LBand(t)是时刻t处的与所述L波段WDM信号关联的所述快速总瞬时功率。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信方法中，所述SRS估计器如下所示估计SRS引起的增益变化：
其中，GR是拉曼增益向量，αS是信号的光纤损耗系数，Aeff是光纤的有效面积，Leff是所述光纤的有效非线性长度，L是所述光纤的实际长度。
根据本发明的任何其他或先前方面，所述光通信方法还包括所述SRS估计器根据所估计的SRS引起的增益来生成用于调整所述C波段放大器和/或所述L波段放大器的增益的至少一个控制信号。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信方法中，所述C波段放大器和/或所述L波段放大器根据所述至少一个控制信号调整所述C波段放大器和/或所述L波段放大器的增益。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信方法中，所述慢速每信道功率检测器包括光性能监测器。
根据本发明的任何其他或先前方面，在所述光通信方法中，所述慢速每信道功率检测器包括导频音检测器。
附图说明
结合附图，根据以下详细描述，本发明的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1(现有技术)示出了三个波长λ1、λ2、λ3中的能量转移的示例；
图2(现有技术)示出了对于不同光纤的典型拉曼增益系数与频移的关系；
图3(现有技术)描述了光通信网络的一部分的高级功能框图；
图4(现有技术)示出了假设仅存在C波段、仅存在L波段和存在C+L波段的情况下SRS引起的增益GSRS(λ)的模拟结果；
图5(现有技术)示出了C波段和L波段被划分为10个子波段的示例；
图6(现有技术)示出了与光节点一起实现的典型SRS补偿器；
图7示出了根据本发明的各种实施例的更新的光节点的高级功能框图；
图8描述了根据本发明的各种实施例的SRS估计器的代表性组件的高级框图；
图9呈现了根据本发明的各种实施例的在瞬变之前和瞬变期间的每信道功率的示例；
图10示出了根据本发明的各种实施例的沿着两个更新的光节点之间的光缆实现的慢速每信道功率检测器；
图11示出了根据本发明的各种实施例的导频音检测器(pilot tone detector，PTD)；以及
图12描述了根据本发明的各种实施例的流程图，该流程图表示涉及在更新的光节点上实现以估计SRS引起的增益变化的方法的处理。
应当理解，在所有附图和对应的描述中，相同的特征通过相同的附图标记标识。此外，还应理解，附图和随后的描述仅用于说明的目的，并且此类公开内容并不意图限制权利要求的范围。
具体实施方式
下文将参考附图更全面地描述所描述技术的各种代表性实施例，在附图中示出了代表性实施例。但是，本发明技术构思可以以许多不同的形式实施，并且不应解释为限于本文所述的代表性实施例。确切地说，提供这些代表性实施例是为了使本发明透彻和完整，并将本发明技术的范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，可能放大了层和区域的尺寸和相对尺寸。在整个说明书中，相同附图标记指代相同元素。
应当理解，尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语用于区分一个元件和另一个元件。因此，在不脱离本发明技术的教示的情况下，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件。如本文中所使用，术语“和/或”包括一个或多个关联列出项的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，也可以存在中间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其他词语(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)应以类似的方式解释。
本文使用的术语仅用于描述特定的代表性实施例，并不用于限制本发明技术。除非上下文清楚说明，否则本文所用的单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式。还应理解，本说明书中所使用的术语“包括”用于说明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
此外，本文中描述本发明技术的原理、方面和实现方式以及其具体示例的所有说明都旨在包括其结构和功能同等物，无论它们是目前已知的还是未来开发的。因此，例如，本领域技术人员将理解，本文中任何框图都表示体现本发明技术的原理的说明性电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图、流程图表、状态转换图、伪代码等表示可以基本上表示在计算机可读介质中并因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论这种计算机或处理器是否被显式示出。
图中所示的各种元件(包括标记为“处理器”的任何功能块)的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当软件关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，这些功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独处理器(其中一些处理器可以共享)提供。在本发明技术的一些实施例中，处理器可以是通用处理器，如中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，或专用于特定用途的处理器，如数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)。此外，术语“处理器”的显式使用不应解释为专门指能够执行软件的硬件，并且可以隐式地包括但不限于专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)，用于存储软件的只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)和非易失性存储器。也可以包括其他传统和/或定制硬件。
软件模块，或暗指软件的模块或单元，在本文中可以表示为流程图元素或指示过程步骤的执行和/或文本描述的其他元素的任何组合。这样的模块可以由显式或隐式示出的硬件执行。此外，应当理解，模块可以包括例如但不限于提供所需能力的计算机程序逻辑、计算机程序指令、软件、堆栈、固件、硬件电路或其组合。
讨论了这些基本情况之后，现在将考虑一些非限制性的示例来说明本发明的各方面的各种实现方式。
如上文简单论述，受激拉曼散射(SRS)会导致能量从较短波长转移至较长波长。该过程发生在任何两个波长之间。图1(现有技术)示出了三个波长λ1、λ2、λ3上的能量转移的示例。如图所示，λ1<λ2<λ3，来自λ1的能量被转移至λ2和λ3，来自λ2的能量被转移至λ3。SRS引起的能量转移可以取决于信道功率、信道间隔、光纤类型、光纤长度。每个信道的SRS引起的增益可以数学地估计。简化的计算方法如下所示。也可以容易地得到更准确的模型。
为了确定由SRS效应引起的WDM信号的增益或损失，通常起点是计算距离L处的信号功率PS(L)。信号功率PS(L)与距离0处的功率PS(0)相关，并被给出为：
其中，αS是信号的光纤损耗系数，P0是光纤输入端处的泵浦功率，Aeff是有效面积，gR是拉曼增益系数，并且Leff是有效非线性长度，并被给出为：
其中，αP是泵浦波长处的衰减。图2(现有技术)示出了对于不同光纤的典型拉曼增益系数与频移的关系。
以dB为单位的总增益(包括拉曼增益和光纤衰减)被给出为：
需要说明的是，等式(3)针对一个信号和一个泵浦。但是，可以针对具有功率[P(λ1)，P(λ2)...P(λn)]的n个波长信号推广等式(3)，每个波长信号都可以充当针对其他n–1个波长信号的泵浦光。为了将等式(3)推广到n个波长信号，频移矩阵Fshiftt可以表示为：
拉曼增益向量GR由下式给出：
GR(λ1，λ2...λn)＝[P(λ1)，P(λ2)...P(λn)]gR(Fshift) (5)
在上述处理中，频移矩阵反映了拉曼增益系数与两个信道之间的频率间隔大致成比例的事实。为此，等式(3)被改写为：
因此，给定光纤参数和信道状况，可以针对每个信道通过等式(6)计算SRS引起的增益。需要说明的是，在基于密集WDM(dense WDM，DWDM)的光通信网络中，进入光纤的信道发射功率或多或少是固定的/确定的，影响SRS引起的增益的因素之一是信道负载(即信道数量和位置)。
如上所述，传统上，只使用C波段进行WDM信号的传输。但是，为了满足不断增长的带宽需求和总容量的增加，C+L波段的传输已经商业化。可以设想，由于光放大器的放大带宽有限，分开执行C波段和L波段WDM信号放大。
图3(现有技术)描述了光通信网络的部分100的高级功能框图。如图所示，部分100包括光节点102和光缆104。已示出，光节点102包括第一波分复用器(WDM)106、C波段放大器108、L波段放大器110和第二WDM 110。但是，光节点102可以包括一个或多个光网络元件和模块(其可以包括有源和无源元件/模块中的任一者或两者)。为了简洁和可操作性的目的，这些元件已从图3中省略。
光节点102还可以包含一个或多个激光光源，这些激光光源用于产生、发出或发射具有一定脉冲持续时间的光脉冲。在某些实施例中，一个或多个脉冲激光光源可以包括一个或多个激光二极管，例如但不限于：法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光二极管、量子阱激光器、分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)激光器、分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光器或垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)。例如，给定的激光二极管可以是铝-镓-砷(aluminum-gallium-arsenide，AlGaAs)激光二极管、铟-镓-砷(indium-gallium-arsenide，InGaAs)激光二极管，或铟-镓-砷-磷(indium-gallium-arsenide-phosphide，InGaAsP)激光二极管，或任何其他合适的激光二极管。
此外，光节点102可以包括多个光放大器，例如C波段放大器108、L波段放大器110，在一些示例中，这些放大器可以基于掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)，用于放大光WDM信号。光通信网络的部分100还可以使用一个或多个光网络元件和模块(其可以包括有源和无源元件/模块中的任一者或两者)，例如，光滤波器、WSS、阵列波导光栅、光发射器、光接收器、处理器和其他合适的组件。但是，为了简洁和可操作性的目的，这些元件已从图3(现有技术)中省略。
可以设想，光通信网络可以包括以与光节点102的方式类似的方式实现的多个光节点。这样的多个光节点可以借助于包括光缆104的链路通信连接，其中，每个光缆可以包括多个光纤。光纤可以是任何合适的类型的，例如单模光纤、多模光纤、标准单模光纤(standard single mode fiber，SSMF)、大有效面积光纤(large effective area fiber，LEAF)等。链路还包括多个光放大器，例如，EDFA。
在讨论了光节点102的情况下，通常，C+L波段的WDM信号通过光缆104传输。光节点102用于接收C+L波段的WDM信号，并将WDM信号转发给第一WDM 106。第一WDM 106用于将C+L波段的WDM信号分为C波段的WDM信号和L波段的WDM信号。第一WDM 106将C波段的WDM信号提供给C波段放大器108，并将L波段的WDM信号提供给L波段放大器110。C波段放大器108用于放大C波段的WDM信号，L波段放大器110用于放大L波段的WDM信号。放大后的C波段的WDM信号和L波段的WDM信号被提供给第二WDM 112。第二WDM 112用于组合放大后的C波段的WDM信号和L波段的WDM信号，并通过光缆104传输放大后的C+L波段的WDM信号。
有时，C波段放大器108或L波段放大器110在光节点102中发生故障。在这种情况下，光节点300之后的光纤中的SRS引起的增益GSRS(λ)急剧变化。为此，应调整留存的放大器的增益/增益倾斜，以补偿SRS引起的增益GSRS(λ)的影响。因为SRS引起的增益GSRS(λ)很大程度上取决于信道状况。图4(现有技术)示出了假设仅存在C波段、仅存在L波段和存在C+L波段的情况下SRS引起的增益GSRS(λ)的模拟结果120。针对模拟使用的参数是80km单模光纤(single mode fiber，SMF)，进入SMF的每信道功率为1dBm，每个波段80个信道。
如图所示，模拟结果120示出了针对不同波长仅由于C波段的SRS引起的增益GSRS(λ)122、由于C+L波段的SRS引起的增益GSRS(λ)124、仅由于L波段的SRS引起的增益GSRS(λ)126。在模拟结果120中观察到，SRS在短波长区域中引起负增益，在长波长区域中引起正增益。
此外，对于C+L场景的SRS引起的增益GSRS(λ)124与对于仅C波段场景的SRS引起的增益GSRS(λ)122或对于仅L波段场景的SRS引起的增益GSRS(λ)126相比强得多。也就是说，如果C+L波段的WDM信号传播通过光节点100，并且如果C波段放大器108或L波段放大器110被丢弃(例如放大器故障)或添加(例如恢复)，则SRS引起的增益GSRS(λ)可能会急剧变化。
如果一个放大器发生故障，则应调整另一个放大器，以抵消SRS引起的增益变化。例如，如果L波段放大器110发生故障，则应调整C波段放大器108的增益和增益斜率，以抵消光缆104中的SRS增益变化。此外，如果C波段放大器108发生故障，则应调整L波段放大器110的增益和增益斜率，以抵消光缆104中的SRS增益变化。
SRS引起的增益GSRS(λ)可以通过具有光放大器的相反增益斜率来补偿。例如，基于EDFA的光放大器的增益斜率可以通过改变泵浦激光功率或内部可变光衰减器(variableoptical attenuator，VOA)或其他措施来改变。
如何调整光放大器的增益和增益斜率由SRS引起的增益变化决定，该SRS引起的增益变化可通过等式(6)估计。为了估计SRS引起的增益变化，需要每信道功率信息。需要说明的是，光放大器故障可能在微秒时间尺度下发生，因此需要快速每信道功率检测。
由于以亚微秒时间尺度监测每信道功率是不切实际的，因此在某些现有技术中，与C+L波段关联的整个光谱被划分为多个子波段，每个子波段的总功率由光电检测器以亚微秒时间尺度监测。该每个子波段的总功率用于估计SRS引起的增益。例如，图5(现有技术)示出了C波段和L波段被划分为10个子波段的示例130。
图6(现有技术)示出了与光节点102一起实现的典型SRS补偿器200。如图所示，典型的SRS补偿器200包括多个带通滤波器202、多个快速光电检测器(photodetector，PD)204和SRS估计器206。多个带通滤波器202从光缆104中抽取一些功率，C+L波段的WDM信号通过该光缆104传播。多个带通滤波器202用于将与C+L波段的WDM信号关联的光谱划分为如示例130(图5(现有技术))所示的子波段。然后，多个带通滤波器202将C波段和L波段的子波段提供给多个快速PD 204。多个快速PD 204用于将光信号转换为电信号(例如，电压、电流和/或功率信号)，以计算每个子波段的功率。SRS估计器206然后通过使用等式(6)估计SRS引起的C+L波段的WDM信号的增益变化。估计的SRS引起的增益变化用于控制C波段放大器108和L波段放大器110的增益和增益斜率。
尽管通过典型的SRS补偿器200估计和补偿SRS引起的增益变化可以实时(例如，以微秒时间尺度)完成，但是，在子波段中，只有总功率是已知的，而没有关于各信道分布的信息。为此，估计的SRS引起的增益变化将具有误差，并且对应的补偿可能会劣化由C波段放大器108和L波段放大器110提供的SRS补偿。为了提高性能，典型的SRS补偿器200需要增加子波段的数量。这种子波段功率检测方案的实施成本高昂，因为它需要附加的硬件，如多个光带通滤波器以及多个快速PD。此外，在硬件需求方面，现有系统的成本仍然很高，因为它需要多个光带通滤波器(例如，在上述情况下为10个)以及多个快速PD。
因此，图7示出了根据本发明的各种实施例的更新的光节点300的高级功能框图。如图所示，更新的节点300包括第一快速PD 302、第二快速PD 304和SRS估计器306以及光节点102的其他组件。需要说明的是，更新的光节点300可以包括其他组件和模块，但为了简洁和可操作性的目的，它们已从图7中省略。
需要说明的是，第一快速PD 302和第二快速PD 304已被示出为C波段放大器108和L波段放大器110之外的附加的组件。但是，应当理解，这种用于总功率监测的快速PD可能已经存在于大多数光放大器例如基于EDFA的光放大器中，以用于定期监测/控制。因此，进一步降低了所需的硬件复杂性。由此，在某些实施例中，第一快速PD 302的功能可以组合在C波段放大器108中并用C波段放大器108执行。类似地，第二快速PD 304的功能可以组合在L波段放大器110中并用L波段放大器110执行。
第一快速PD 302和第二快速PD 304用于分别从C波段放大器108和L波段放大器110的输出抽取一些功率，并将光信号转换为电信号，并且以亚微秒时间尺度计算与C波段的WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)和与L波段的WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)。即，以快速时间尺度测量快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)和Ptot-LBand(t)。在某些实施例中，快速时间尺度可以在0.1微秒到100微秒之间。
快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)和Ptot-LBand(t)被提供给SRS估计器306。SRS估计器306还被提供慢速每信道功率信息例如P(λ1)，P(λ2)...P(λn)，其中，P(λ1)，P(λ2)...P(λn)是C+L波段的慢速每信道功率。慢速每信道功率信息是以慢速时间尺度计算的。在某些实施例中，慢速时间尺度可以在0.1毫秒至100秒之间。这种慢速每信道功率信息可以从在光缆104中传播的WDM信号计算得到。在某些实施例中，慢速每信道功率信息可以通过任何适当的手段获得，例如通过使用光性能监测器(optical performance monitor，OPM)、监测每信道功率的设备等获得，或通过导频音等其他手段获得。关于慢速每信道信息的获得方式的进一步细节将在本发明的稍后部分中讨论。
在某些实施例中，为了计算C波段或L波段的每信道功率，SRS估计器306依赖于相应的C波段或L波段的最新的相对慢速每信道信息。设C+L波段的慢速每信道功率为P(λ1)，P(λ2)...P(λn)。即，P(λ1)是波长为λ1的WDM信号的慢速信道功率，P(λ2)是波长为λ2的WDM信号的慢速信道功率，等等。此外，设与C波段关联的波长为P(λ1)，P(λ2)...P(λk)，与L波段关联的波长为P(λk+1)，P(λk+2)...P(λn)。
已经观察到，在快速瞬变(C波段放大器108或L波段放大器110故障)期间，瞬时每信道功率由以下等式给出：
P(λi，t)＝k(t)P(λi) (7)
其中，k(t)是缩放因子，反映瞬变期间的快速功率变化。
对于C波段，快速总瞬时功率为Ptot-CBand(t)，其可以使用等式(7)表示如下：
还观察到，对于每个慢速每信道功率P(λi)，缩放因子k(t)几乎相同。为此，缩放因子k(t)可以使用等式(8)表示如下：
将等式(9)代入等式(7)，C波段的瞬时快速每信道功率可以表示为：
类似地，对于L波段，快速总瞬时功率为Ptot-LBand(t)，其可以使用等式(7)表示如下：
缩放因子k(t)可以使用等式(11)表示如下：
将等式(12)代入等式(7)，L波段的瞬时快速每信道功率可以表示为：
使用等式(6)和(10)，SRS估计器306可以估计C波段的SRS引起的增益，并可以提供控制信号以调整C波段放大器108的增益和增益斜率，以抵消光缆104的SRS增益变化。C波段放大器108还用于根据SRS估计器306提供的控制信号来调整C波段放大器108的增益。此外，使用等式(6)和(13)，SRS估计器306可以估计L波段的SRS引起的增益，并可以提供控制信号以调整L波段放大器110的增益和增益斜率，以抵消光缆104的SRS增益变化。L波段放大器110还用于根据SRS估计器306提供的控制信号来调整L波段放大器110的增益。
需要说明的是，在快速瞬变期间，尽管每个信道的绝对功率发生变化，但每个波段中信道之间的相对功率几乎保持相同。在C波段中，每个信道的相对功率由
给出，其中，P(λi)是与C波段中第i个波长λi关联的慢速功率，在L波段中，每个信道的相对功率由
给出，其中，P(λi)是与L波段中第i个波长λi关联的慢速功率。
需要说明的是，尽管SRS估计器306已被示出为更新的光节点300的组成部分，但在某些实施例中，SRS估计器306可以位于更新的光节点300的外部，而不限制本发明的范围。需要说明的是，SRS估计器306可以包括一个或多个计算设备，被表示为单个服务器。尽管SRS估计器306被表示为单个服务器，但SRS估计器306可以被实现为一个或多个真实或虚拟服务器。可以设想，当在每个光节点中实现SRS估计器306时，可以使用现有的硬件组件，从而在针对这种实现所需的资源方面节省一些成本。
图8描述了根据本发明的各种实施例的SRS估计器306的代表性组件的高级框图。应当理解，图8仅提供了SRS估计器306的一种实现方式的说明，并且并不意味着对可以实现不同实施例的环境的任何限制。在不偏离本文所呈现的原理的情况下，可以对所描述的环境进行许多修改以实现SRS估计器306。
如图所示，SRS估计器306使用一个或多个处理器410、一个或多个计算机可读随机存取存储器(RAM)412、一个或多个计算机可读只读存储器(read only memory，ROM)414、一个或多个计算机可读存储介质416、设备驱动器422、读/写(read/write，R/W)接口424、网络接口426，所有这些部件都通过通信结构120互连。通信结构428可以用被设计用于在处理器(例如微处理器、通信和网络处理器等)、存储器、外围设备和系统内的任何其他硬件组件之间传递数据和/或控制信息的任何架构来实现。
一个或多个操作系统418和一个或多个应用程序420存储在一个或多个计算机可读存储介质416上，以供一个或多个处理器410通过一个或多个相应的RAM 412(其通常包括高速缓存存储器)执行。在所示的实施例中，计算机可读存储介质416中的每一个可以是内部硬盘驱动器的磁盘存储设备、CD-ROM、DVD、记忆棒、磁带、磁盘、光盘，例如RAM、ROM、EPROM、闪存的半导体存储设备，或可以存储计算机程序和数字信息的任何其他计算机可读有形存储设备。
SRS估计器306还可以包括R/W驱动器或接口424，以从一个或多个便携式计算机可读存储介质436读取和向所述计算机可读存储介质436写入。所述设备上的应用程序420可以存储在一个或多个便携式计算机可读存储介质436上，通过相应的R/W驱动器或接口424读取，并加载到相应的计算机可读存储介质416中。
应当理解，在某些实施例中，存储在一个或多个便携式计算机可读存储介质436中的应用程序420可以将SRS估计器306配置为提供根据本发明的各种实施例的各种功能。
所述SRS估计器306上的应用程序420可以通过通信网络(例如，互联网、局域网或其他广域网或无线网络)和网络接口426从外部计算机或外部存储设备下载到SRS估计器306。程序可以从网络接口426加载到计算机可读存储介质416上。
SRS估计器306还可以包括显示屏430、键盘或小键盘432以及计算机鼠标或触摸板434。设备驱动器422可以接口至用于成像的显示屏430、至键盘或小键盘432、至计算机鼠标或触摸板434，和/或至用于对字母数字字符输入和用户选择进行压力感测的显示屏430(在触摸屏显示器的情况下)。设备驱动器422、R/W接口424和网络接口426可以包括硬件和软件(存储在计算机可读存储介质416和/或ROM 414上)。
本文描述的程序是基于在本发明的特定实施例中实现它们的应用来标识的。但是，应当理解，在本文中使用任何特定程序命名仅是为了方便，因此，本发明不应限于仅在这种命名所标识和/或暗指的任何特定应用中使用。
应当理解，SRS估计器306可以是服务器、台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、个人数字助理或任何可用于实现本发明技术的设备，如本领域技术人员应该理解的。
图9表示根据本发明的各种实施例的在瞬变之前和瞬变期间的每信道功率的示例。如图所示，452表示瞬变之前C波段放大器108的输出端处的每信道功率，456表示瞬变之前L波段放大器110的输出端处的每信道功率，瞬变之前即当C波段放大器108和L波段放大器110起作用时。在C波段放大器110发生故障的情况下，瞬变期间C波段放大器108的输出端处的每信道功率由454表示，瞬变期间L波段放大器110的输出端处的每信道功率由458表示。已经观察到，在瞬变之前和瞬变期间，C波段的相对每信道功率几乎保持不变，而C波段的绝对功率下降。同时，L波段放大器110的输出端处的每信道功率几乎保持不变。
在某些非限制性实施例中，慢速每信道功率可以由慢速每信道功率检测器提供给SRS估计器306。为此，图10示出了根据本发明的各种实施例的沿着两个更新的光节点300之间的光缆104实现的慢速每信道功率检测器502。如图所示，在光纤104中传播的C+L波段的WDM信号的一部分被抽取，并被提供给慢速每信道功率检测器502。慢速每信道功率检测器502用于提取慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)，并将提取的功率提供给SRS估计器306。
在某些实施例中，慢速每信道功率检测器502可以使用OPM实现。需要说明的是，OPM是本领域中熟知的组件，并且OPM的功能不应限制本发明的范围。
在其他非限制性实施例中，慢速每信道功率检测器502可以根据基于幅度调制导频音的信道监督来提取慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)。通过基于导频音的信道监督，在发射器处对导频音应用小的调制指数和相对低的频率(kHz至MHz)强度调制。C+L波段的WDM信号中的每个波长都分配有唯一的导频音频率。
需要说明的是，尽管慢速每信道功率检测器502已经被示出在更新的光节点300的外部，但在某些实施例中，在不限制本发明的范围的情况下，慢速每信道功率检测器502可以是更新的光节点300的组成部分。在这些实施例中，慢速每信道功率检测器502可以位于第二WDM 112的输出端处，或者可以放置在C波段放大器108和L波段放大器110的输出端处。
由此，图11示出了根据本发明的各种实施例的导频音检测器(pilot tonedetector，PTD)600。应当理解，在某些实施例中，慢速每信道功率检测器502的实现可以基于PTD 600。可以沿着光缆104通过将C+L波段的WDM信号的一小部分功率抽出到PTD 600中来检测导频音。如图所示，PTD 600包括PD 602、跨阻抗前置放大器(transimpedancepreamplifier，TIA)604、电放大器606、模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)608和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)610。需要说明的是，PTD 600可以包括其他组件和模块，但为了简洁和可操作性的目的，已经从图10中省略了它们。
PD 602可用于接收C+L波段的WDM信号的所抽取部分，并将该抽取部分转换为弱电信号。弱电信号可以被提供给TIA604，该TIA 604将弱电信号转换为足够强以耐受噪声且足够强以用于进一步处理的输出电信号。TIA的输出可以提供给电放大器606用于进一步放大。然后ADC 608将放大后的电信号转换为数字信号，并提供给DSP 610。对于每个信道，DSP610可用于从导频音幅度及其关联数据中提取慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)和信道标识信息，并将提取的功率提供给SRS估计器306。
需要说明的是，使用PTD 600避免了对导频音检测所需的高速组件的需求，因为导频音频率范围仅高达几十MHz。此外，可使用单个PTD 600监测C+L波段的WDM信号的所有波长，而无需使用任何昂贵的光解复用器。此外，通过使用PTD 600，可以以更快的速率(毫秒而不是秒)执行测量。
因此，借助于更新的光节点300，代替使用多个光带通滤波器和快速PD来获得子波段功率，使用慢速每信道功率以及C波段和L波段的快速总功率来获得快速每信道功率，而无需增加大量附加硬件。
图12描述了根据本发明的各种实施例的流程图，该流程图表示涉及在更新的光节点300上实现以估计SRS引起的增益变化的方法的处理700。
如图所示，处理700开始于步骤702，在步骤702中，第一波分复用器(WDM)接收C+L波段的WDM信号。如上所述，第一WDM 106接收通过光缆104传输的C+L波段的WDM信号。
处理700进行到步骤704，在步骤704中，第一WDM将接收到的C+L波段的WDM信号分为C波段WDM信号和L波段WDM信号。如前所述，第一WDM 106用于将C+L波段的WDM信号分为C波段的WDM信号和L波段的WDM信号。第一WDM 106将C波段的WDM信号提供给C波段放大器108，并将L波段的WDM信号提供给L波段放大器110。
处理700前进到步骤706，在步骤706中，C波段放大器放大C波段WDM信号。如上所述，C波段放大器108放大C波段的WDM信号。处理700进行到步骤708，在步骤708中，C波段放大器以快速时间尺度计算与C波段WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)。如上所述，C波段放大器108计算与C波段的WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)。
处理700前进到步骤710，在步骤710中，L波段放大器放大L波段WDM信号。如上所述，L波段放大器110放大L波段的WDM信号。处理700进行到步骤712，在步骤712中，L波段放大器以快速时间尺度计算与L波段WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)。如上所述，L波段放大器110计算与L波段的WDM信号关联的快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)。
处理700进行到步骤714，在步骤714中，慢速每信道功率检测器以慢速时间尺度提取与C+L波段的WDM信号关联的慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)。如前所述，慢速每信道功率检测器502用于提取慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)，并将提取的功率提供给SRS估计器306。
处理700前进到步骤716，在步骤716中，受激拉曼散射(SRS)估计器使用与C+L波段的WDM信号中的n个波长对应的慢速每信道功率P(λ1)，P(λ2)...P(λn)以及快速总瞬时功率Ptot-CBand(t)、快速总瞬时功率Ptot-LBand(t)，来估计SRS引起的C+L波段的WDM信号的增益变化。如前所述，使用等式(6)和(10)，SRS估计器306估计SRS引起的C波段的增益。此外，使用等式(6)和(13)，SRS估计器306估计SRS引起的L波段的增益。
在某些步骤中，基于所估计的SRS引起的C波段的增益，SRS估计器306可以提供控制信号来调整C波段放大器108的增益和增益斜率，以抵消光缆104的SRS增益变化。C波段放大器108还可以用于根据SRS估计器306提供的控制信号调整C波段放大器108的增益。
在某些步骤中，基于所估计的SRS引起的L波段的增益，SRS估计器306可以提供控制信号来调整L波段放大器110的增益和增益斜率，以抵消光缆104的SRS增益变化。L波段放大器110还可以用于根据SRS估计器306提供的控制信号调整L波段放大器110的增益。
最后，在步骤718中，第二WDM将放大后的C波段WDM信号和L波段WDM信号进行组合并通过光缆传输。如上所述，第二WDM 112用于组合放大后的C波段和L波段的WDM信号，并通过光缆104传输放大后的C+L波段的WDM信号。
应当理解，更新的光节点300、组成组件和关联处理的操作和功能可以通过基于硬件、基于软件和基于固件的元素中的任何一个或多个来实现。这类操作替代方案并不以任何方式限制本发明的范围。
还应当理解，尽管本文中提出的实施例已经参考特定的特征和结构描述，但很明显，可以在不脱离这些公开内容的情况下进行各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为对论述的实现方式或实施例和权利要求书限定的其原理的说明，并且预期覆盖属于本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。
Claims (20)
1.一种光通信系统，其特征在于，包括：
第一波分复用器(WDM)，用于接收C+L波段的WDM信号，所述第一WDM还用于将接收到的WDM信号分为C波段WDM信号和L波段WDM信号；
C波段放大器，用于放大所述C波段WDM信号，并以第一时间尺度计算与所述C波段WDM信号关联的第一总瞬时功率；
L波段放大器，用于放大所述L波段WDM信号，并以所述第一时间尺度计算与所述L波段WDM信号关联的第二总瞬时功率；
慢速每信道功率检测器，用于以第二时间尺度提取与所述WDM信号关联的慢速每信道功率；
受激拉曼散射(SRS)估计器，用于使用与所述WDM信号中的n个波长对应的所述慢速每信道功率以及所述第一总瞬时功率、所述第二总瞬时功率，来估计SRS引起的所述WDM信号的增益变化，其中，n为整数；以及
第二WDM，用于将放大后的C波段WDM信号和L波段WDM信号进行组合并通过光缆传输。
2.根据权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，所述第一时间尺度包括快速时间尺度，并且所述快速时间尺度为微秒级。
3.根据权利要求1或2所述的光通信系统，其特征在于，所述第二时间尺度包括慢速时间尺度，并且所述慢速时间尺度在毫秒至秒的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光通信系统，其特征在于，所述SRS估计器如下所示计算C波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于C波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于C波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是C波段中k个慢速每信道功率的总和，Ptot-CBand(t)是时刻t处的与所述C波段WDM信号关联的所述第一总瞬时功率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光通信系统，其特征在于，所述SRS估计器如下所示计算L波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于L波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于L波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是L波段中n-k个慢速每信道功率的总和，Ptot-LBand(t)是时刻t处的与所述L波段WDM信号关联的所述第二总瞬时功率。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光通信系统，其特征在于，所述SRS估计器如下所示估计SRS引起的增益变化：
其中，GR是拉曼增益向量，αS是信号的光纤损耗系数，Aeff是光纤的有效面积，Leff是所述光纤的有效非线性长度，L是所述光纤的实际长度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光通信系统，其特征在于，所述SRS估计器根据所估计的SRS引起的增益来生成用于调整所述C波段放大器或所述L波段放大器中的至少一个的增益的至少一个控制信号。
8.根据权利要求7所述的光通信系统，其特征在于，所述C波段放大器或所述L波段放大器中的至少一个还用于根据所述至少一个控制信号调整所述C波段放大器或所述L波段放大器中的至少一个的增益。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光通信系统，其特征在于，所述慢速每信道功率检测器包括光性能监测器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光通信系统，其特征在于，所述慢速每信道功率检测器包括导频音检测器。
11.一种光通信方法，其特征在于，包括：
接收C+L波段的波分复用器(WDM)信号；
将接收到的WDM信号分为C波段WDM信号和L波段WDM信号；
放大所述C波段WDM信号；
以第一时间尺度计算与所述C波段WDM信号关联的第一总瞬时功率；
放大所述L波段WDM信号；
以所述第一时间尺度计算与所述L波段WDM信号关联的第二总瞬时功率Ptot-LBand(t)；
以第二时间尺度提取与所述WDM信号关联的慢速每信道功率；
使用与所述WDM信号中的n个波长对应的所述慢速每信道功率以及所述第一总瞬时功率、所述第二总瞬时功率，来估计SRS引起的所述WDM信号的增益变化，其中，n为整数；以及
将放大后的C波段WDM信号和L波段WDM信号进行组合并通过光缆传输。
12.根据权利要求11所述的光通信方法，其特征在于，所述第一时间尺度包括快速时间尺度，并且所述快速时间尺度为微秒级。
13.根据权利要求11或12所述的光通信方法，其特征在于，所述第二时间尺度包括慢速时间尺度，并且所述慢速时间尺度在毫秒至秒的范围内。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的光通信方法，其特征在于，还包括如下所示计算C波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于C波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于C波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是C波段中k个慢速每信道功率的总和，Ptot-CBand(t)是时刻t处的与所述C波段WDM信号关联的所述第一总瞬时功率。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的光通信方法，其特征在于，还包括如下所示计算L波段中的瞬时快速每信道功率：
其中，P(λi，t)是时刻t处的对应于L波段中第i个波长的瞬时快速每信道功率，P(λi)是对应于L波段中第i个波长的慢速每信道功率，
是L波段中n-k个慢速每信道功率的总和，Ptot-LBand(t)是时刻t处的与所述L波段WDM信号关联的所述第二总瞬时功率。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的光通信方法，其特征在于，如下所示估计所述SRS引起的增益变化：
其中，GR是拉曼增益向量，αS是信号的光纤损耗系数，Aeff是光纤的有效面积，Leff是所述光纤的有效非线性长度，L是所述光纤的实际长度。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的光通信方法，其特征在于，还包括根据所估计的SRS引起的增益来生成用于调整所述C波段放大器或所述L波段放大器中的至少一个的增益的至少一个控制信号。
18.根据权利要求17所述的光通信方法，其特征在于，所述C波段放大器或所述L波段放大器中的至少一个根据所述至少一个控制信号调整所述C波段放大器或所述L波段放大器中的至少一个的增益。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的光通信方法，其特征在于，通过光性能监测器提取所述慢速每信道功率。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的光通信方法，其特征在于，通过导频音检测器提取所述慢速每信道功率。
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