CN1215662C

CN1215662C - 喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法及其控制电路

Info

Publication number: CN1215662C
Application number: CNB021390053A
Authority: CN
Inventors: 刘贤炳; 谢秋红; 王红启; 郭正钧; 杨铸; 杨壮
Original assignee: Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Current assignee: Fiberhome Telecommunication Technologies Co Ltd
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: CN1481086A

Abstract

本发明提供一种喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，包括对喇曼泵浦光输出功率进行间接检测，对各个泵浦激光器的参数进行配置与管理，其特征是检测泵浦激光器的背光功率作为反馈控制信号，经过消截距与斜率补偿处理，得到泵浦输出功率的采集值P1，利用一个包括微处理单元的反馈环控制电路，对多个激光器的输出功率进行配置和自动控制，微处理单元依据采集值P1并通过调节泵浦激光器的驱动电流来实现对泵浦输出功率的配置和控制。

Description

喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法及其控制电路

技术领域

本发明涉及一种喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法及其控制电路，应用于电信传输领域，尤其涉及需要采用光放大的光纤通信系统，例如高速、长距离或超长距离的密集波分复用(DWDM)系统和高速、单信道的光同步数字网(SDH)，特别是应用于喇曼放大子系统，也可用于需要灵活配置泵浦激光器功率的其他光放大装置。

背景技术

喇曼放大是一种光放大技术，通常用于光纤通信领域。喇曼光纤放大器具有简单的结构，主要由泵浦源和光纤构成。不象掺铒光纤放大器(EDFA)，喇曼光纤放大器对光纤没有特殊要求，甚至可以是普通的传输光纤。喇曼光纤放大器在效率上不如EDFA，但它有许多神奇的功效，使EDFA望尘莫及。首先，喇曼放大没有特定的放大频段，只要泵浦波长选择恰当，原则上可以放大任何波段的光信号，例如，可以根据需要，研制C波段、L波段、C+L波段、S波段或O波段的喇曼光纤放大器。其次、利用多波长泵浦技术，很容易构造出增益谱很宽(～100nm)且增益平坦度很高(～1dB)的放大器。最重要的是，喇曼放大器可以采用普通传输光纤作为增益介质，特别适合分布式放大。分布喇曼光纤放大器具有非常好的噪声性能，它的等效噪声指数突破了EDFA的3dB量子极限，甚至可以是负值。

目前，喇曼放大器主要以分布放大的形式应用于密集波分复用(DWDM)系统，用来显著改善信号的光信噪比(OSNR)。此时，喇曼放大器的一个重要技术指标是它所能够达到的增益平坦度，一般通过多波长泵浦技术实现所需要的值。由于喇曼放大增益及其平坦度随着光纤的不同而不同，在各种场合都实现平坦的喇曼放大并非易事，需要一个灵活的泵浦功率控制方案。当前，喇曼放大器的供应商只提供多波长的激光器泵浦源(喇曼增益模块)，对于如何有效地将它应用于系统，一般不提供解决方案。严格说来，器件商提供的喇曼增益模块还算不上是真正意义上的喇曼放大器，从喇曼增益模块到实用化的分布喇曼光纤放大器，还有很多工作要做。

在DWDM系统中，为了实现平坦的喇曼增益，需要精心调节各个泵浦激光器的输出功率。在实验室里，这项工作一般这样完成：将多波长信号源(也可以是宽谱光源或可调激光光源)、光谱分析仪等测试仪表接入分布喇曼光纤放大器(包含光纤和多波长的激光器泵浦源)，直接调节各个泵浦激光器的驱动电流，同时利用光谱分析仪观测喇曼放大器的开关增益谱，直到调平为止。这种调节方式对喇曼放大器没有什么特别的要求，只要各个泵浦激光器的驱动电流可调即可。可是，这种原始的调节方式并不适合工程应用。原因在于，分布的喇曼放大特性与线路光纤密切相关，随着光纤种类的不同，喇曼增益谱有很大的差异。在包含分布喇曼放大的DWDM系统中，为了实现增益平坦，需要调节线路上每个喇曼泵浦模块中各个泵浦激光器的输出功率。商用的喇曼模块通常包含4～8个泵浦激光器，一个长距离的DWDM系统含有数个至数十个跨段，可见这项调节工作将是非常烦琐的，而且需要配备多波长信号源和光谱分析仪等测试设备。在实验室完成这样的工作还是可以接受的，如果在工程开通和维护过程中还需要进行这样的调节，则不仅费事费力，大大提高开通和维护成本，而且往往很难有这样的实验条件。

发明内容

本发明的目的是设计一个功能齐全、配置灵活的分布喇曼放大子系统，将所有复杂、烦琐的工作放在子系统设计过程中解决，使分布喇曼放大器的系统应用将变得轻松自如。实际应用时，根据线路光纤种类和所需喇曼放大增益的不同，只需在网管界面上进行简单的配置，就能实现平坦的喇曼放大增益，避免工程开通和维护过程中烦琐的泵浦功率调节问题。

本发明的技术方案是：喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法术包括对喇曼泵浦激光器输出功率进行间接检测，对各个泵浦激光器的参数进行配置与管理，利用半导体激光器正向输出光功率与背光功率成正比这一特性，检测各个泵浦激光器的背光功率作为反馈控制信号，分别经过消截距与斜率补偿处理，处理后的检测点称为P点，对各个P点进行采集，得到每个泵浦输出功率的采集值P1，利用一个包括微处理单元MPU的反馈环控制电路，对每个泵浦激光器的输出功率进行配置和自动控制，微处理单元对每个P点的采集值P1，作为对每个泵浦激光器输出功率配置和控制的依据，微处理单元对泵浦激光器输出功率的配置和控制，通过调节泵浦激光器的驱动电流来实现。

所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，利用一个微处理单元实现对多个泵浦激光器输出功率的配置与自动控制，该微处理单元通过高级数据链路控制协议HDLC与喇曼放大子系统所在设备的网元管理单元EMU进行通信，从而提供人机交互接口，实现对各个泵浦激光器输出功率的网管配置和网管连续调节。

所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，对于网管配置方式，对应每一种模式，网管预先存放各个模式对应的驱动电流初始值和P点的功率参考值P2，在网管界面上选定一种模式后，其对应的驱动电流值即被送给相应的泵浦激光器，将P点的采集值P1与对应的P点的功率参考值P2进行比较，如果差别在规定以上，开始调整过程，否则不需进行调整，维持驱动电流值保持不变，直到所要求的光功率的值发生变化。

所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，在网管连续调节方式中，在网管界面上输入相应的要求输出的光功率，网管计算出对应的驱动电流初始值与P点的参考值，下载配置。

一种喇曼放大子系统中的背光监测反馈环控制电路，包括喇曼增益模块50和反馈环电路，喇曼增益模块50由泵浦激光器及其驱动电路、波分复用器和偏振束混合器、PIN探测器构成，实现多波长泵浦光的混合输出；喇曼增益模块50的输出至反馈环电路，反馈环电路包括：消截距、斜率补偿单元60，消截距、斜率补偿单元60的输出经A/D转换电路40送至微处理单元20，微处理单元20的输出经过D/A电路30返回到喇曼增益模块50，控制激光器的驱动电流。

所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环控制电路，在背光监测反馈环中利用减法器实现消截距，利用比例放大器实现斜率补偿。

本发明的优点：背光监测反馈环(BFM Feedback Loop)技术的一个突出特点是通过BFM监视泵浦功率，从而作为反馈控制的依据。这种技术是对泵浦功率进行直接配置，因此在准确性和长期稳定性方面远远优于对泵浦偏流的配置。此外，由于监测的是BFM，这种技术不会对泵浦输出功率带来任何损失。反馈环中还包括消截距和斜率补偿技术，用来补偿不同喇曼增益模块的离散性，保证任何喇曼模块中任意一个泵浦激光器的输出光功率与其相应的参考电压呈一确定的正比关系。本发明利用背光监测反馈环技术成功实现了一种配置灵活、实用的分布喇曼放大子系统，该子系统具有实用、多样化的泵浦功率控制方式，特别便于喇曼放大器的系统应用。控制方式包括：人工调节方式、网管配置方式、网管连续调节方式。

附图说明

图1是背光监测反馈环的软件流程图。

图2是背光监测反馈环(BFM Feedback Loop)技术的背光监测反馈环控制电路实现框图。

图3是消截距与斜率补偿技术的具体实现电路。

具体实施方式

下面进一步说明本发明的原理和实施案例：

本发明公开的背光监测反馈环技术，其能量检测是检测泵浦激光器的背光输出功率作为反馈控制信号，直接对泵浦输出功率进行配置与控制，并不需要从输出的泵浦光中抽取部分能量进行检测，同时利用消截距与斜率补偿技术解决了泵浦激光器的离散性问题。

图2给出了本发明的背光监测反馈环控制电路一个具体实施例，从图中可以看出，背光监测反馈环(BFM Feedback Loop)类似于通常的激光器自动功率控制电路，但它包含一个较大的反馈环，其特点是环中包含有微处理器(MPU)20以及消截距、斜率补偿单元60。

在本发明的实施案例中，背光监测反馈环由喇曼增益模块(RGM)50、消截距和斜率补偿电路60、A/D电路40和D/A电路30、微处理单元(MPU)20等部分构成。

图2中，70是人工调节方式下的调节电压。80是拨动开关，用来完成人工调节方式与另外两种方式之间的切换。喇曼增益模块(RGM)50由泵浦激光器及其驱动电路、各种无源光器件(如波分复用器MUX、偏振束混合器PBC)、PIN探测器等部分构成。一般以模块形式封装，对外提供电接口和光接口。

A/D电路40和D/A电路30完成模拟量和数字量之间的转换，便于MPU单元20进行数据处理。

微处理单元(MPU)20主要用来控制RGM中各个泵浦激光器的输出功率，必要时关断泵浦，其控制规程通过软件实现。此外它还负责采集子系统的告警、性能等信息上报给网元管理单元(EMU)10。MPU单元20与EMU电路10之间通过高级数据链路控制协议(HDLC)进行通信。

如图3所示：消截距和斜率补偿电路60是为了补偿不同的喇曼增益模块的离散性以及泵浦激光器的老化效应，保证任何喇曼增益模块中任意一个泵浦激光器的输出光功率与其相应的参考点P之间的对应关系呈一确定的正比关系。它由减法电路61和比例放大器63组成，其中62为各个泵浦激光器截距所对应的电压值。

背光监测反馈环的工作过程如下：检测泵浦激光器的背光输出，经过消截距与斜率补偿处理，得到泵浦输出功率的绝对参考值，这个值严格对应一个输出光功率值。这个参考值一般以电压形式表示，它与泵浦输出功率近似为正比关系，比例系数由设计者确定，一旦确定下来，则具有通用性，不再受泵浦激光器离散性的影响。微处理单元(MPU)对这个参考电压进行采集，作为对泵浦输出功率配置和控制的依据。微处理单元对泵浦输出功率的配置和控制，仍然通过调节泵浦激光器的驱动电流来实现。例如，欲将一个泵浦激光器的输出功率配置为100mW，对应的参考电压应该为2V，MPU对泵浦激光器配置一个初始的驱动电流，并检测参考点的电压，结果一般不会正好是2V，MPU将以一个合适的步长对驱动电流进行调整，直到参考点电压落在一定的误差范围为止。以后这个调整过程将动态进行，保证参考点电压在2V附近徘徊，从而保证泵浦激光器始终输出100mw功率。

消截距与斜率补偿技术：

消截距与斜率补偿技术用来实现泵浦激光器输出功率与参考点电压的严格一一对应，而不受泵浦激光器离散性的影响。下面对其基本原理进行描述。

一般说来，半导体激光器的背向光功率P_back与其正向输出光功率P_out成正比，即

P_back＝k₁P_out (1)

其中k₁为比例系数，它与具体的激光器有关，具有离散性。

背光探测得到的光电流与背向光功率P_back近似成正比，比例系数就是探测器的响应度。为了信号处理的方便，将背光探测得到的光电流转换为电压。得到的电压值V_d与P_back不一定成正比，但仍然是线性关系，有

V_d＝k₂P_back+V_b (2)

式中V_b为一截距电压，k₂为斜率，与探测器的响应度有关，具有离散性。

对电压值V_d进行处理，首先减去截距V_b，再乘以一个比例系数k′，得到一个参考电压V_ref，即

V_ref＝k′(V_d-V_b) (3)

由(1)、(2)、(3)式得到，参考电压V_ref与激光器输出功率P_out为正比关系，即

V_ref＝kP_out (4)

比例系数为：k＝k′·k₁k₂ (5)

由(4)、(5)可知，尽管k₁、k₂具有离散性，但经过消截距后，可以利用比例系数k′进行斜率补偿，使参考电压V_ref与激光器输出功率P_out为一确定的正比关系。

在背光监测反馈环中，可以利用减法器实现消截距，利用比例放大器实现斜率补偿。

图1是背光监测反馈环的软件流程图。泵浦功率的控制规程如下：

MPU接收来自网管的指令，如果在网管连续调节方式，则根据接收到的一组泵浦功率值计算出各个泵浦激光器驱动电流的初始值和P点的参考值P2，下载计算出的驱动电流初始值到各个泵浦激光器。监测P点的采集值P1，并将P1同P2比较，如果P1比P2大两个单位以上，则将驱动电流下调一个单位；如果P1比P2小两个单位以上，则将驱动电流上调一个单位；如果P1与P2之间的差值在两个单位以内，则对驱动电流不作调整。这样的过程继续进行下去，直到MPU接收到网管新的指令。

MPU接收来自网管的指令，如果是网管配置方式，则根据接收到的工作模式的代码，从MPU的存贮器ROM中读出各个泵浦激光器驱动电流的初始值和P点的参考值P2，下载驱动电流初始值到各个泵浦激光器。监测P点的采集值P1，并将P1同P2比较，如果P1比P2大两个单位以上，则将驱动电流下调一个单位；如果P1比P2小两个单位以上，则将驱动电流上调一个单位；如果P1与P2之间的差值在两个单位以内，则对驱动电流不作调整。这样的过程继续进行下去，直到MPU接收到网管新的指令。

背光监测反馈环控制电路是一个包含微处理单元(MPU)的反馈控制电路，其基本思想是通过探测背光功率实现对激光器输出功率的反馈控制。它与常规的基于背光监测的激光器自动功率控制方案有些类似，但实现的方式和发挥的作用都有很大的不同。常规的激光器自动功率控制电路纯粹由硬件电路实现，反应速度快，其作用是稳定激光器的输出。而本发明公开的背光监测反馈环基于微处理器实现，包含大量的软件成分，因此具有十分丰富的功能，但反应速度稍慢。它所起的作用是利用一个微处理器实现多个激光器输出功率的配置与自动控制，它还通过高级数据链路控制协议(HDLC)与网元管理单元(EMU)进行通信，从而提供人机交互接口。需要说明的是，本发明公开的背光监测反馈环本身就包含激光器自动功率控制电路部分，其作用只是为了稳定泵浦激光器输出。

控制方式包括：

1、人工调节方式，使喇曼放大器在网管、微处理单元失效的情况下仍能提供平坦的增益；

2、网管配置方式，针对不同的增益和不同类型的光纤预置有9种工作模式，将来还可根据需要进行扩充；

3、网管连续调节方式，在一定范围内，通过网管可以随意调节各个泵浦激光器的输出功率，从而实现所需要的喇曼增益和增益平坦度。利用这种方式，还可以在一定程度上补偿因EDFA级联引起的增益不平坦。

本发明利用背光监测反馈环技术成功实现了一种配置灵活、实用的分布喇曼放大子系统，该子系统具有实用、多样化的泵浦功率控制方式，特别便于喇曼放大器的系统应用。

Claims

1.一种喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，包括对喇曼泵浦激光器输出功率进行间接检测，对各个泵浦激光器的参数进行配置与管理，其特征是利用半导体激光器正向输出光功率与背光功率成正比这一特性，检测各个泵浦激光器的背光功率作为反馈控制信号，分别经过消截距与斜率补偿处理，处理后的检测点称为P点，对各个P点进行采集，得到每个泵浦输出功率的采集值P1，利用一个包括微处理单元MPU的反馈环控制电路，对每个泵浦激光器的输出功率进行配置和自动控制，微处理单元对每个P点的采集值P1，作为对每个泵浦激光器输出功率配置和控制的依据，微处理单元对泵浦激光器输出功率的配置和控制，通过调节泵浦激光器的驱动电流来实现。

2.根据权利要求1所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，其特征是利用一个微处理单元实现对多个泵浦激光器输出功率的配置与自动控制，该微处理单元通过高级数据链路控制协议HDLC与喇曼放大子系统所在设备的网元管理单元EMU进行通信，从而提供人机交互接口，实现对各个泵浦激光器输出功率的网管配置和网管连续调节。

3.根据权利要求1或2所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，其特征是对于网管配置方式，对应每一种模式，网管预先存放各个模式对应的驱动电流初始值和P点的功率参考值P2，在网管界面上选定一种模式后，其对应的驱动电流值即被送给相应的泵浦激光器，将P点的采集值P1与对应的P点的功率参考值P2进行比较，如果差别在规定以上，开始调整过程，否则不需进行调整，维持驱动电流值保持不变，直到所要求的光功率的值发生变化。

4.根据权利要求1或2所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环方法，其特征是在网管连续调节方式中，在网管界面上输入相应的要求输出的光功率，网管计算出对应的驱动电流初始值与P点的参考值，下载配置。

5.一种喇曼放大子系统中的背光监测反馈环控制电路，其特征是：包括喇曼增益模块(50)和反馈环电路，喇曼增益模块(50)由泵浦激光器及其驱动电路、波分复用器和偏振束混合器、PIN探测器构成，实现多波长泵浦光的混合输出；喇曼增益模块(50)的输出至反馈环电路，反馈环电路包括：消截距、斜率补偿单元(60)，消截距、斜率补偿单元(60)的输出经A/D转换电路(40)送至微处理单元(20)，微处理单元(20)的输出经过D/A电路(30)返回到喇曼增益模块(50)，控制激光器的驱动电流。

6.根据权利要求5所述的喇曼放大子系统中的背光监测反馈环控制电路，其特征是在背光监测反馈环中利用减法器实现消截距，利用比例放大器实现斜率补偿。