CN1212713C - 一种动态增益均衡方法以及使用该方法的光传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法及使用该方法的光传输系统，该系统包括多个光信号发射机、波分复用器、功率放大器、多段光纤线路、多个线路放大器、前置放大器、解复用器和多个光信号接收机、一个无损耗动态增益均衡器、一个光性能监视器，该无损耗动态增益均衡器由泵浦/信号合波装置、多波长泵浦激光器阵列、控制电路组成，其中控制电路对监测点光谱进行分析，从而调节多波长泵浦激光器阵列中各激光器输出功率，各泵浦激光器的输出合成一路后在泵浦/信号合波器中与线路上光信号进行合波，使线路监测点的光谱达到预期的功率平坦度。

Description

一种动态增益均衡方法以及使用该方法的光传输系统

技术领域

本发明涉及一种光传输系统，更具体地说，涉及用于光传输系统的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法及使用该方法的波分复用(WDM)光传输系统。

背景技术

随着电信业务尤其是以IP为代表的数据业务的爆炸式增长，人们对电信传输容量的需求与日俱增，目前通常采用波分复用(WDM)技术实现网络的快速扩容。波分复用(WDM)技术实际上就是一种多信道的光传输技术，即每个不同波长的光都承载一个特定比特率的信道，然后将它们复用成一路光信号在单根光纤中传输。接收时，利用光的分波器件对各个信道进行解复用，然后分别进行接收处理。为了补偿光纤和其他光器件的衰减，线路中通常利用光放大技术对各个信道同时进行放大。因此，实际的波分复用光传输系统一般就是基于光放大技术的多信道光传输系统。

与单信道的光纤通信系统不同，在波分复用光传输系统中，一个需要特别关注的问题就是多级光放大器级联后的增益不平坦问题。此外，即使放大器的增益平坦度是理想的，各个波长的信道在光纤线路中传输时依然可能存在光功率的不均衡。无论是放大器的增益不平坦，还是信道光功率的不均衡，都可能造成各信道的光信噪比(OSNR)不均衡，致使某些信道受到严重的非线性损伤或噪声损伤，无法实现无误码传输。

在波分复用光传输系统中，有多种因素会造成信道光功率的发散(divergence)。其中一些因素是静态的，主要起源于器件的增益或损耗对波长的相关性，例如，光放大器的增益不平坦、合波/分波器各通道插损的差异、光纤衰减与波长的关系等。另外，受激喇曼散射(SRS)效应也会引起光功率水平的倾斜。动态因素包括器件损耗—波长关系随温度的变化、偏振相关损耗(PDL)和信道的增减等。

在波分复用光传输系统中，增益不平坦或信号功率不均衡的危害是显而易见的。随着传输距离的增加，这种不平坦性将变得越来越大。其中一些信道尽管信噪比很高，但由于入纤功率太高，光纤非线性与色散的联合作用使信号波形严重失真，导致误码。相反，另外一些信道因增益不够，功率相对较低，致使光信噪比(OSNR)达不到要求而误码。

对单信道的光传输系统，这种增益不平坦性也不容忽视。这是因为，如果比特率太高(如40Gbit/s)，由于信道的带宽足够大，相对小的增益纹波(ripple)或倾斜(tilt)就可导致信号的显著失真。

由于引起WDM系统光功率不平衡和光信噪比不平衡的主要原因是光放大器的增益不平坦，因此人们一直致力于降低单个光放大器的增益平坦度。目前对商用的掺铒光纤放大器(EDFA)而言，通过内置专门设计的增益平坦滤波器(GFF)，可以将放大器的增益平坦度控制在1dB以内。

对于目标距离只有数百公里的常规波分复用光传输系统，通过选用平坦特性比较好的EDFA和采用预加重(pre-emphasis)技术，基本上可以实现无误码传输。但对于目标距离超过一千公里甚至达到数千公里的长距离(LH)或超长距离(ULH)密集波分复用(DWDM)系统而言，数十个放大器的级联将导致10dB以上的增益纹波，因此必须从系统角度解决每信道的光功率均衡问题，即需要采用动态增益均衡(DGE)技术。如果仍然试图从改进EDFA的增益平坦度出发，采用固定的增益均衡技术，则需要将单个EDFA的增益平坦度降低至0.1dB以下。这样做不仅技术难度大，而且非常不经济。而且，除了光放大器之外，线路中的光纤和其他光器件也可能产生平坦度的劣化，其他不可预知的因素如温度变化、偏振相关损耗、老化效应等也会造成各信道光功率的失衡。单纯从光放大器本身去寻求解决方案是无济于事的，应该考虑采用动态增益均衡技术。

所谓WDM系统的动态增益均衡(DGE)，其实也就是WDM信道的光功率均衡，是传输链路上由监测点和控制点构成的一个闭合反馈环路。在监测点放置光性能监视器件(OPM)，控制点放置光功率均衡器。在监测点获取各信道的光功率信息，并将这个信息反馈到控制点，调节光功率均衡器，使监测点的各信道光功率达到一个平坦的目标值。这个控制过程可以是动态实时的，也可以只配置一次。在传输链路上，监测点和控制点可以位于同一位置，也可以放在不同的站点，但监测点应该位于控制点的下游。

在控制点放置的光功率均衡器是动态增益均衡技术的核心部件，也称为动态增益均衡器(DGE)。从研制方法来看，动态增益均衡器(DGE)的种类有很多，包含有基于衍射微机电系统(D-MEMS)的动态增益均衡器、基于液晶(LC)技术的动态增益均衡器，以及利用可变光衰减器(VOA)加上合波/分波器构成的分立式DGE等。所有这些器件采用的方法都是对光的衰减进行控制。

由于常规的DGE器件普遍采用衰减的方法实现光功率的均衡，本质上，DGE就是一个波长选择的光衰减器阵列，能够实时产生系统定义的“衰减—波长”响应。目前商用的DGE插入损耗在5dB左右，动态范围在10dB以上，因此最大损耗超过15dB。损耗元件加入到WDM传输链路，要求光放大器提供更大的增益，必然带来更大的放大器噪声，降低光信噪比(OSNR)。光纤线路越长，需要加入的DGE就越多，对OSNR的劣化也就越大。可见，采用常规基于衰减的动态增益均衡方法实现对WDM系统光功率均衡的同时，带来的副作用也是显而易见的。损耗元件的引入，劣化了WDM系统的OSNR性能，从而限制了系统的目标传输距离。

发明内容

本发明目的是提供一种可以克服上述问题的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法以及使用该方法的光传输系统。也就是说，本发明公开的动态增益均衡和信道功率均衡方法是无损耗的，采用该方法构建的WDM光传输系统，不仅能够实现各信道的功率均衡，而且能够显著改善光信噪比(OSNR)，更有利于超长距离光传输。

为了避免动态增益均衡器(DGE)对WDM系统光信噪比(OSNR)的劣化，本发明公开一种无损耗的动态增益均衡和信道功率均衡方法，并详细介绍如何采用该方法实现长距离(LH)或超长距离(ULH)的波分复用光传输系统。

本发明用于波分复用光传输系统的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法，包括下列步骤：在波分复用光传输系统中需要进行功率均衡的链路上选择控制点和监测点，在该两点之间形成反馈环路；在所述控制点设置无损耗动态增益均衡器；在所述监测点利用光性能监视器监测波分复用信号的光谱，将所监测到的光谱信息反馈给在控制点上的无损耗动态增益均衡器的控制电路；利用该无损耗动态增益均衡器内控制电路分析监测点光谱信息，并根据分析结果产生控制信号；利用该控制信号控制上述无损耗动态增益均衡器内泵浦激光器阵列中各个激光器的输出光功率；所述各个泵浦激光器的输出光经合波后被送到该无损耗动态增益均衡器内泵浦/信号合波装置，并在该装置中与链路中光信号进行合波，将监测点波分复用信号的平坦度调节到预期值。

本发明使用无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法的波分复用光传输系统，包括顺序连接的多个光信号发射机、波分复用器、功率放大器、多段光纤线路、多个线路放大器、前置放大器、解复用器和多个光信号接收机，其特征在于：一个无损耗动态增益均衡器，安置在需要进行功率均衡的链路之前的控制点，所述无损耗动态增益均衡器由泵浦/信号合波装置、多波长泵浦激光器阵列、控制电路组成，其中控制电路通过外部通信接口接收需要进行功率均衡的链路之后的监测点光谱信息并对该信息进行分析，根据分析结果对多波长泵浦激光器阵列中各个激光器输出光功率进行调节，各个激光器输出光合成一路后在泵浦/信号合波器中与链路上光信号进行合波，使线路上需要进行功率均衡的链路之后的监测点的光谱达到预期的功率平坦度；一个光性能监视器，安置在需要进行功率均衡的链路之后的监测点，将所监测出的监测点光谱信息通过直接电缆连接或通过光监控信道反馈到上述无损耗动态增益均衡器的控制电路。

下面详细解释本发明的工作原理：

按照本发明，通过在传输链路上由监测点和控制点构成一个闭合反馈环路来实现监测点位置的信道光功率均衡。在监测点放置光性能监视器件(OPM)，也可以是普通商用的多信道光谱分析仪(OSA)。控制点放置光功率均衡器，但这里不采用基于衰减的常规DGE器件，而是采用一个无损耗的动态增益均衡器(LF-DGE)。

本发明公开的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，实质上就是一个多波长的喇曼(Raman)泵浦模块。利用控制点前面的一段传输光纤的分布喇曼放大效应，通过调节喇曼泵浦模块中每个波长泵浦激光器的输出功率，从而调节喇曼增益谱的形状，使监测点WDM信号中各信道的功率得到均衡。

根据受激喇曼散射(SRS)效应，在普通的传输光纤中单波长泵浦获得的喇曼增益谱是高度不平坦的，但多个波长的泵浦得到的总增益曲线基本上是单波长增益谱的对数相加。因此，只要选用的泵浦激光器波长数足够多，并且每个波长泵浦激光器的输出功率可调，就可以得到各种想要的喇曼增益谱形状。

喇曼放大器作为无损耗的动态增益均衡器(LF-DGE)使用，追求的不是喇曼放大器本身的增益平坦，而是传输系统中监测点的信道光功率均衡。

本发明公开的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，包括LF-DGE控制电路、多波长泵浦激光器阵列、以及泵浦/信号合波器等部分。另外还提供外部通信接口，用来同光性能监视器(OPM)交换信息。LF-DGE输出的高功率泵浦光通常反向入射到传输光纤，即与信号传播方向相反的泵浦光实现对信号光的分布喇曼放大。

利用所述的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，可以方便地构建长距离(LH)或超长距离WDM光传输系统。根据系统设计要求，可以在任何光纤跨段(span)的接收侧放置LF-DGE，通过与监测点的OPM构成反馈环路，实现监测点信道功率的均衡。

所述的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法，有别于常规的无源光衰减方式，是一种有源的光均衡方案。其特征是不仅没有附加的插入损耗，相反，还提供了一定的分布放大增益，从而在实现动态增益均衡的同时，显著改善了WDM系统的光信噪比(OSNR)。

所述的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，其特征是采用了分布喇曼(Raman)放大技术，因此具有分布喇曼放大器的全部优点，如低噪声放大、工作波段不受限制、覆盖的工作波长范围可以很宽等。

所述的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，其特征是具有高的动态范围，动态范围由喇曼放大器的最大增益决定，主要受泵浦输出功率限制。对于目前的工艺水平，在标准单模光纤上工作，动态范围大于10dB不成问题。

所述的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，其特征是具有非常平滑的谱响应特性。常规的DGE每隔一定的波长带宽(如100GHz)设置一个衰减控制点，由于受到谱分辨率的限制，很难做到精细控制。对于LF-DGE，只要泵浦波长选择合适，并且波长数量足够多，可以得到与多级放大器级联后增益谱完全相反、平滑的增益曲线，从而实现理想的增益均衡。

所述的无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)，其特征是不带来额外的色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)。对常规的DGE而言，色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)是可能影响系统性能的重要技术指标。

采用本发明公开的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法构筑的WDM光传输系统，其特征是具有更高的光信噪比(OSNR)设计富余度，利用这个富余度可以用来降低光纤非线性的影响、延长传输距离等。

附图说明

图1是无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)的结构示意图，

图2是采用无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法的波分复用光传输系统示意图。

具体实施方式

图1画出了无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)的一个优选实施例。本质上，它就是一个多波长的喇曼泵浦模块，以反向泵浦方式工作。它本身没有放大作用，也没有增益均衡功能。只有与它前面的传输光纤一道，才能构成完整的分布喇曼放大器。通过动态改变放大器的增益谱而起到动态增益均衡(DGE)的作用。

无损耗动态增益均衡器(LF-DGE)模块100由LF-DGE控制电路10、多波长泵浦激光器阵列20、泵浦/信号合波器30、以及光信号的输入/输出接口和电信号的输入/输出接口等。

LF-DGE控制电路10的功能是控制多波长泵浦激光器阵列20中各个泵浦激光器的输出功率，并与光性能监视器(OPM)交换信息。以OPM提供的数据作为依据，调节各个泵浦激光器的输出功率，直到监测点的信道光功率达到一定的平坦度。

多波长泵浦激光器阵列20包含多个泵浦激光器，其功能是提供多波长的高功率泵浦输出。泵浦激光器按照波长进行分组，每个波长可以只含有一个激光器，也可以是两个激光器的合成。只含一个激光器时应采用专门的去偏振技术，保证激光器输出光的偏振度在10％以下。包含两个激光器时可以采用偏振复用的方法对两路光进行合成，同时实现去偏振。去偏振的目的，是为了使分布喇曼放大器的增益与偏振无关。多波长泵浦激光器阵列20中选用波长的数目以及各个波长的具体数值需要预先进行设计，为了达到比较理想的增益均衡效果，采用的波长通常要求在8个以上。对于C波段和L波段信号光的放大，泵浦源选择14XXnm系列的激光器，通常采用半导体激光二极管(LD)。不同波长的泵浦光通过波分复用器合成一路送到泵浦/信号合波器30。

泵浦/信号合波器30完成泵浦光与信号光的混合。对于反向泵浦的LF-DGE，泵浦光与信号光的传播方向相反，即信号光的输入口同时也是泵浦光的输出口。

光信号的输入/输出接口包括信号输入口(泵浦输出口)和信号输出口，另外还可能包含信号监视口和泵浦监视口。LF-DGE模块的本征插损也就是泵浦/信号合波器30的插损，这个值通常不超过0.5dB，而且很容易被喇曼增益抵消。

电信号的输入/输出接口是LF-DGE模块的外部通信接口，用来与光性能监视器(OPM)交换信息。

下面通过一个优选的波分复用(WDM)系统实施例，详细描述无损耗的动态增益均衡和信道功率均衡方法在多信道、长距离(LH)或超长距离(ULH)光传输系统中的应用。

图2是采用无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法的波分复用光传输系统示意图。发送端的客户信号200包含N路特定波长的光信号，分别从发射机Tx1、Tx2、…、TxN发出，经过波分复用器(MUX)300合波和功率放大器(BA)400放大后，进入光纤线路。线路中每个跨段(span)放置一个线路放大器(LA)500，用来补偿光纤线路的衰减。信号经过最后一个光纤跨段后，送入前置放大器(PA)600进行放大。再经过解复用器(DEMUX)将一路波分复用信号还原成N路不同波长的光信号，最后送到各自的接收机800进行接收处理。

上面所述的WDM传输系统具有一定的通用性和广泛性，信号比特率可以是2.5Gbit/s、10Gbit/s等各种速率，系统的工作频带可以是C波段、L波段或C+L波段。系统的各个组成部分也不是特指某个具体器件，例如，发射机Tx1、Tx2、…、TxN和接收机Rx1、Rx2、…、RxN既可以是客户端的发送机和接收机，也可以是WDM系统的光转发单元(OTU)；波分复用器和解复用器可以包含多级复用解复用、奇数波和偶数波的间插(interleave)等；放大器BA、LA和PA则可以包含更复杂的结构，如可变光衰减器(VOA)、色散补偿模块(DCM)等，也可以是C波段和L波段分别放大后的复合体。

由于光放大器增益不平坦的积累，以及光纤和其他光器件的衰减对波长的敏感性，WDM信号在线路中经过多个光纤跨段传输后，各信道的功率将变得高低不平。如果不采取功率均衡措施，将引起接收端多个信道的误码或不通。只要采用无损耗的动态增益均衡和信道功率均衡方法，则不仅能够解决功率均衡的问题，还能改善WDM信号的光信噪比(OSNR)，提高系统的传输能力。

无损耗的动态增益均衡和信道功率均衡通过将LF-DGE模块100和OPM模块900构成反馈环路来实现。反馈环路既可以是本地环路(小环)，也可以是远程环路(大环)。例如，当需要对线路中某个线路放大器LA的输出信号实施动态功率均衡时，可将LF-DGE模块直接放在本站，构成本地环路。LF-DGE模块位于LA之前，紧挨着前一段传输光纤，OPM放置在LA之后的监测点。因为LF-DGE和OPM位于同一站点，二者之间的通信比较容易，可以直接用电缆线相连。但为了达到更好的均衡效果，往往需要将LF-DGE模块放置在更前面的站点。此时LF-DGE模块仍位于传输光纤和线路放大器之间，但与OPM分别位于不同的站点。二者之间不能直接通过电缆线构成环路，但可以利用WDM系统的光监控信道(OSC)互换信息。

LF-DGE反馈环路的工作过程如下：OPM模块在监测点获取WDM信号的光谱信息(各个信道的功率值)，并将这一信息动态地反馈给前面的LF-DGE模块。LF-DGE模块内的控制电路对收到的光谱信息进行分析，按照一定的控制算法对多波长泵浦激光器阵列中各个激光器输出功率进行调节，从而调节分布喇曼放大器的增益谱，也就调整了线路监测点的光谱，直到监测点达到预期的功率平坦度为止。如果达不到预期值或超过了LF-DGE模块的动态范围，则上报告警信息。

至于线路中到底应该放置多少个LF-DGE，以及LF-DGE和OPM相对位置的确定，需要根据线路的传输距离以及具体的线路配置来定。通常，在DGE所处的位置对WDM信号平坦化得不到最佳的性能。

Claims (5)

1.一种使用无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法的波分复用光传输系统，包括顺序连接的多个光信号发射机、波分复用器、功率放大器、多段光纤线路、多个线路放大器、前置放大器、解复用器和多个光信号接收机，其特征在于：

一个无损耗动态增益均衡器，安置在需要进行功率均衡的链路之前的控制点，所述无损耗动态增益均衡器由泵浦/信号合波装置、多波长泵浦激光器阵列、控制电路组成，其中控制电路通过外部通信接口接收需要进行功率均衡的链路之后的监测点光谱信息并对该信息进行分析，根据分析结果对多波长泵浦激光器阵列中各个激光器输出光功率进行调节，各个激光器输出光合成一路后被送到泵浦/信号合波器中与链路上光信号进行合波，使线路上需要进行功率均衡的链路之后的监测点的光谱达到预期的功率平坦度；

一个光性能监视器，安置在需要进行功率均衡的链路之后的监测点，将所监测出的监测点光谱信息通过直接电缆连接或通过光监控信道反馈到上述无损耗动态增益均衡器的控制电路。

2.按照权利要求1所述的波分复用光传输系统，其特征在于当对远程链路进行均衡时，安置无耗损动态增益均衡器的控制点与安置光性能监视器的监测点之间的链路可以包括多段光纤线路、多个线路放大器、前置放大器，所述光性能监视器的输出信号可以通过波分复用光传输系统的光监控信道传输给无耗损动态增益均衡器的控制电路。

3.按照权利要求1所述的波分复用光传输系统，其特征在于所述光信号发射机、光信号接收机可以是客户端的发射机、接收机或波分复用光传输系统的光转发单元，所述波分复用器和解复用器可以进行多级复用/解复用或奇数波和偶数波的间插，所述功率放大器、线路放大器和前置放大器可以包含可变光衰减器、色散补偿模块，所述光性能监视器可以是多信道光谱分析仪。

4.一种用于波分复用光传输系统的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法，包括下列步骤：

在波分复用光传输系统中需要进行功率均衡的链路上选择控制点和监测点，在该两点之间形成反馈环路；

在所述控制点设置无损耗动态增益均衡器；

在所述监测点利用光性能监视器监测波分复用信号的光谱，将所监测到的光谱信息反馈给在控制点上的无损耗动态增益均衡器的控制电路；

利用该无损耗动态增益均衡器内控制电路分析监测点光谱信息，并根据分析结果产生控制信号；

利用该控制信号控制上述无损耗动态增益均衡器内泵浦激光器阵列中各个激光器的输出光功率；

所述各个泵浦激光器的输出光经合波后，被送到该无损耗动态增益均衡器内泵浦/信号合波装置，并在该装置中与链路中光信号进行合波，将监测点的光谱平坦度调节到预期值。

5.按照权利要求4的无损耗动态增益均衡和信道功率均衡方法，其特征在于：

在选择控制点与监测点的所述步骤中，上述控制点和监测点可以被选择得使其间的链路上包括多段光纤线路、多个线路放大器、前置放大器；

在监测点利用光性能监视器监测波分复用信号光谱的所述步骤中，有关光谱信息的信号通过波分复用光传输系统的光监控信道传输给无损耗动态增益均衡器的控制电路。

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