CN1472585A - 具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器，其中拉曼放大部分包括一组泵浦激光器阵列、泵浦合波装置、一段拉曼增益光纤、信号/泵浦的复用器、信号/泵浦解复用器、信号解复用器；增益反馈控制装置包括信号输入输出功率测量和泵浦激光器控制器2个部分。作为分立式拉曼光纤放大器，可以采用色散补偿光纤来作为拉曼增益介质，实现C+L波段(1428－1604nm)的色散补偿。增益反馈控制部分控制着14xxnm的N个泵浦激光器的输出功率，由此可实现光信号波段的增益谱的平滑和波动控制。

Description

具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器

技术领域：

本发明涉及光纤放大器，特别是一种具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器。

技术背景：

光纤放大器已经普遍应用于光纤通信系统中。对于第四代光波系统，其重点是利用波分复用(WDM)技术同时传输多个信道来增加传输容量。对于多信道的光波系统，需要采用光放大器，它能对所有的信道同时放大而不需要像电光中继器那样对各个信道解调后再分别进行放大。随着光通信系统工作带宽的不断增加，要求光纤放大器的带宽也不断增加。

拉曼光纤放大器的基本机理是泵浦光子被光纤吸收使光纤分子发生机械振动，再发射一个斯托克斯频率的光子。因为斯托克斯频率不是一个固定值，所以拉曼光纤放大器可以实现任意波段内的宽带放大。而1300nm窗口的高速传输是非常吸引人的，它能消除非色散位移光纤对色散补偿的需要。这样的标准光纤已广泛地安装在通信系统中。以前在这一波长下的放大技术主要采用半导体放大器和掺镨光纤放大器等技术，而且都是集中在单信道传输中。拉曼光纤放大器可以使1300nm波长区的波分复用(WDM)传输得以实现，使现有的1300nm通信系统升级，扩大传输容量，增加传输距离。在第四代的密集波分复用(DWDM)和光孤子通信系统中，工作带宽包括C波段和L段，掺铒光纤放大器(EDFA)由于带宽的限制只能独立工作在C波段或L波段，而经过优化的拉曼光纤放大器可以同时放大C波段和L波段，并且在放大的带宽内实现增益平坦。

对于消偏的激励源，拉曼光纤放大器偏振相关增益不敏感、不同波长的信号之间串扰噪声较低，良好的饱和输出功率和很好的噪声系数，特别是分布式拉曼光纤放大器，由于其增益介质本身就是传输光纤，从而可以避免在光纤传输中信号光功率降得太低。

尽管拉曼光纤放大器能实现宽带放大并具有以上良好的特性，但是在单泵浦工作时，拉曼光纤放大器的3dB增益带宽只有30nm左右，图2给出了一个典型的单泵浦反向激励拉曼光纤放大器的特性增益谱线。为了同时放大C波段和L波段，实现宽带放大，并使它们具有平坦的增益，需要多泵浦激励的方式来均衡拉曼光纤放大器的增益。

这种扩展和平滑增益谱线的方式需要找出多泵浦的激励波长和功率的一种优化组合，然而一种优化组合只能针对某一特定的增益目标与带宽要求，当增益目标变化以后，就需要寻找新的优化组合。而且一种优化组合选定以后，当该拉曼光纤放大器的工作条件发生改变，就可能使原来平滑的增益谱线出现波动。这种工作条件的改变包括很多方面，诸如输入信号强度的影响、饱和输出功率的影响、某波段增益目标的变化，甚至工作环境的变化等。从图1的拉曼放大部分可以看出，其各个连接部分中包括泵浦阵列和大量的波分复用器件。器件数量越多，光纤放大器的整体稳定性就越差，某一个器件由于环境原因引起的不稳定对整体性能的影响也越难以估计。一个简单的例子就是由于环境的变化造成某一个或几个泵浦激光器波长不确定的漂移，尽管这种漂移幅度不大(按现有的技术指标小于2nm)，但这足以破坏原先的优化条件，使原来平滑的增益谱线出现波动。而且这种波动是动态的，不可确定的。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器，为密集波分复用系统提供大容量的通信信道，该拉曼光纤放大器在工作环境发生变化其输出增益谱即将发生变化时，通过对输出增益谱的监测，并随时改变相关泵浦激光器的泵浦功率，实现波动控制，以保持其平滑的增益谱线。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器，自光信号输入至光信号输出包括依次相连的信号/泵浦波分复用器、拉曼增益光纤和信号/泵浦波分解复用器，其特点是：

①.在信号/泵浦波分复用器之前设有分光器，在该分光器的分光方向上依次设有信道解复用器和pin管阵列接收检测器组成信号输入功率测量装置；

②.在信号/泵浦波分解复用器之后也设有分光器，在该分光器的分光方向上依次设有信道解复用器和pin管阵列接收检测器组成信号输出功率测量装置；

③.pin管阵列接收检测器检测的电信号都记入泵浦激光器阵列控制器，该泵浦激光器阵列控制器据此控制2n个激光器构成的泵浦激光器阵列的工作，各泵浦激光器的激光功率由泵浦合波装置耦合在一起经信号/泵浦波分解复用器以反向激励方式输入拉曼增益光纤；

④.所述信号/泵浦波分复用器还设有微弯泄漏光纤。

所述的泵浦激光器阵列为一具有n个波长的共2n个泵浦激光器组成的阵列，对每一波长由两个波长和功率相同的泵浦激光器以偏振态正交的方式构成。

所述的泵浦合波装置的构成，包括n个偏振合波器，每个偏振合波器的后端级联一相应波长的隔离器，再通过多级马赫一曾特波分复用器将各对不同波长的泵浦激光器的泵浦能量耦合在一起。

所述的波分复用器，还可采用熔融拉锥双信道合波器，也可采用薄膜滤波的波分复用器。

所述的拉曼增益光纤采用色散补偿光纤。

所述的信号/泵浦波分解复用器采用薄膜滤波Y型波分复用器。

所述的泵浦激光器阵列控制器包括n(波长数)个模数转换器(A/D)和微处理器(MCU)，其增益反馈控制的具体步骤如下：

一、信号增益的测量

①.信号输入功率测量装置和信号输出功率测量装置测得各波长(n个波长)输入、输出信号的即时光功率，并输出相应的电信号；

②.泵浦激光器阵列控制器的A/D转换器将各波长与光功率相应的电信号由模拟量转化为数字信号；

③.经微处理器处理，求得每个波长信号的增益，即获得增益谱；

二、微调每一泵浦激光器的泵浦功率，测量它对信号增益的影响

①.泵浦激光器阵列控制器控制各泵浦激光器的功率；

②.分别略微增加或减小泵浦激光器阵列中某一个泵浦激光器的功率，利用第一步中所述的增益测量方法测得该泵浦激光器功率增加和功率减小时相应的二个信号增益谱，并存储，测量完毕恢复该泵浦激光器的功率；

③.对其余的泵浦激光器重复②的步骤，获得每个泵浦激光器的泵浦功率对信号增益谱的影响，并存储；

三、在出现增益波动时，根据每个泵浦激光器对信号增益的影响，由泵浦激光器阵列控制器对各泵浦激光器功率进行调整，不断测量，不断调整，以保持增益的动态平滑，保证各波长的增益处于增益目标范围内。

本发明的技术效果：

①.本发明采用泵浦激光器阵列反向激励方式来均衡宽带光谱内的信号增益，激励源反向输入可以减小增益拉曼光纤内信号光功率的变化，有利于避免信号光功率过大而造成较大的非线性效应；

②.本发明采用两个波长相同和功率相同的泵浦激光器以偏振态正交的方式接入一个偏振合波器，可以减少信号增益与泵浦的偏振态的相关性；

③.而且在每一个偏振合波器之后端级联一个相应波长的隔离器，这样可避免泵浦激光器因反射光引起的啁啾和受到反射光的损伤，有利于减少输出增益谱线波动因素，有利于增益谱线的平滑；

④.采用薄膜滤波Y型波分复用器作信号/泵浦波分解复用器，既可将合波后的泵浦激光耦合进拉曼增益光纤，同时信号光又可通过它从光纤中耦合输出，而且具有较宽的带宽；

⑤.采用色散补偿光纤作拉曼增益光纤，既能进行色散补偿，又具有大的拉曼增益。

附图说明：

图1是本发明拉曼光纤放大器的结构简图。

图2是本发明拉曼光纤放大器泵浦合波装置连接关系示意图。

图3是已有的普通单泵浦反向激励拉曼光纤放大器的特性增益谱线。

图4是本发明拉曼光纤放大器的特性增益谱线。图中：

1—分光器    2—信号/泵浦波分复用器    3—拉曼增益光纤

4—信号/泵浦波分解复用器  5—分光器    6、12—信号解复用器

7、13—pin管接收阵列    8—泵浦激光器控制器

9—泵浦激光器阵列  10—泵浦合波装置  101—偏振合波器(N个)

102—隔离器(N个)  103—波分复用器    11—微弯泄漏光纤

具体实施方式：

首先请参阅图1，图1是本发明具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器的结构简图。由图可知，本发明具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器，自信号输入至信号输出依次包括分光器1、信号/泵浦波分复用器2、拉曼增益光纤3、信号/泵浦波分解复用器4、分光器5，其特点是：

①.采用2n个泵浦激光器构成泵浦激光器阵列9，通过一泵浦合波装置10把各泵浦源的功率耦合在一起以反向激励的方式，由信号/泵浦波分解复用器4将合波后的泵浦光耦合进拉曼增益光纤3；

②.由分光器1、信号解复用6和pin管接收机阵列7构成输入信号功率测量装置，具体地说就是：由分光器1将信号分出例如1％经信号解复用器6分离出各个输入信号波长(例如n个信号波长)的光信号送pin管接收机阵列7检测各个波长输入光信号的功率，并输出相应的电信号；

③.由分光器5、信号解复用器12和pin管接收机阵列13构成输出信号功率测量装置，由分光器5将输入信号分出例如1％经信号解复用器12分离出各个输入信号波长(例如n个信号波长)的光信号送pin管接收机阵列13检测各个波长输出光信号的功率，并输出相应的电信号；

④.还设有泵浦激光器控制器8，它根据各个波长的输入即时光信号功率相应的电信号与各个波长的即时输出光信号功率相应的电信号相比，即可获得各个波长信号在通过该光放大器后的增益，该泵浦激光器控制器8根据各波长信号增益控制各一路泵浦激光器的泵浦强度，以获得平滑的增益谱线。

参考图1，在拉曼放大部分，本发明采用多泵浦阵列反向激励的方式来均衡宽带的信号增益。激励源反向输入可以减小增益光纤3内信号光功率的变化，有利于避免信号光功率过大而造成较大的非线性效应。本发明采用了多个泵浦激光器(Laser Diode)构成源阵列，通过一个泵浦合波装置10把各泵浦源的功率耦合在一起。

信号/泵浦波分解复用器4将合波后的泵浦光耦合进拉曼增益光纤3，同时信号光通过信号/泵浦波分解复用器4从增益光纤3中耦合出去。

理论上所有的光纤都有受激拉曼效应，都可以作为拉曼增益光纤。本发明作为分布式光纤放大器采用了色散补偿光纤(DCF)，这样既能进行色散补偿、又有大的拉曼增益。分布式拉曼光纤放大器的特征是其增益光纤就是传输光纤，它一般采用色散位移光纤(DSF)和非零色散位移光纤(NZ-DSF)，如果使用标准光纤(SMF)需要进行色散补偿。无论对于哪一种光纤，在本发明的光纤放大器中都可以实现对宽带增益的平滑以及对增益波动的控制。

在拉曼增益光纤的输入端，输入的信号光通过一个1∶99分光器1后，99％的信号光功率送入一个的信号/泵浦波分复用器2，耦合进拉曼增益光纤3。同时剩余泵浦功率通过该信号/泵浦波分解复用器耦合出来，并利用光纤的微弯损耗泄漏掉剩余的泵浦功率。

本发明的增益反馈控制装置包括信号输入输出功率测量和泵浦激光器控制器两个部分。信号输入输出功率测量部分包括2组1∶99分光器、信号解复用器和p-i-n管接收阵列，分别用来测量输入信号和输出信号的光功率。输入信号通过1∶99分光器后，分支出的1％的输入信号光通过一个信号解复用器，分离出各个输入信号波长的光信号，再由p-i-n光电二极管的接收机阵列检测各个波长输入光信号的功率，并输出相应的电信号。同样地在输出端检测各个波长输出光信号的功率，并输出相应的电信号。泵浦激光器控制器根据与输入和输出各波长信号光相应的电信号，即可得出相应的各波长信号在通过该光放大器后的增益；泵浦激光器控制器根据各波长信号增益控制每一路泵浦激光器强度。

图2给出了结构图中泵浦合波装置的具体连接方式。本发明采用了多个泵浦激光器(Laser Diode)构成源阵列，构成源阵列的波长数越多，对增益谱线的平滑程度的控制就越好，但是泵浦合波装置的结构和泵浦控制就越复杂，因此要在性能和价格比上作出一定的选择。由于泵浦激光器输出为线偏振光，为了减少信号增益与泵浦的偏振态相关，本新型采用两个波长与功率相同的泵浦激光器以偏振态正交的方式接入一个偏振合波器(PMBC)，消除该波长泵浦源的线偏振态。对于具有n个波长的源阵列需要N＝2n个泵浦激光器。

为了避免泵浦激光器因反射光引起的强度噪声和受到反射光的损伤，每个PMBC的后端级联一个相应波长的隔离器。

本发明采用马赫-曾特波分复用器(MZI-WDM)将各对不同波长的泵浦源耦合在一起。MZI-WDM是基于MZ滤波器利用光的干涉来选择波长的。泵浦合波还可根据实际要求采用其它的波分复用器件来实现，例如利用熔融拉锥技术的双信道合波器(DCPC)，其特征是结构简单，价格低廉，但其要求各泵浦源的波长间隔相等。为了适应本发明对增益均衡的要求，需要采用波长间隔不等的泵浦源和马赫-曾特波分复用器。此外，还可以利用薄膜滤波技术的波分复用器(MWDM)进行泵浦合波，其特征是具有较宽的带宽。

图3给出了一个典型的单泵浦反向激励时拉曼光纤放大器的特性增益谱线。早在1928年，印度物理学家C.V.RAMAN首先发现了拉曼散射现象；1972年，光纤中的受激拉曼散射效应被发现。受激拉曼散射是指在一些非线性介质中，高能量(高频率)的泵浦光由于非弹性散射，将一部分能量转移给另一频率的光束上，频率的下移量是分子振动的模式决定的。用量子力学可以作如下解释：一个高能量的泵浦光子入射到介质中，被一个分子吸收。电子先从基态跃迁至虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定的。然后，虚能级电子在信号光的感应作用下，回到振动态的高能级，同时发出一个和信号光频率相同，相位相同和振动方向相同的光子，称之为斯托克斯光子。如果泵浦光功率超过阈值，光增益大于光损耗，则信号光被放大。根据能量守恒，有hvs＝hvp-Eh或者Es＝Ep-Eh。hvs、Es表示发出的信号光的能量；hvp，Ep表示泵浦光的能量；Eh表示分子振动的高能级能量。斯托克斯光子的频率是由分子的振动能级决定的。用光纤作放大介质，它的分子振动能级是分立的能带，所以拉曼增益具有很宽的频谱，并在13.2THz附近有一个主峰。如果一个弱信号和强泵浦光同时传输，并且弱信号在放大频谱内，那么泵浦光将一部分能量转移给信号光，从而实现信号的放大。基于这种原理的放大器就是拉曼光纤放大器。

参考图4，它给出了某一特定的工作条件和增益目标下，一组优化泵浦组合所激励的拉曼光纤放大器的平滑增益谱线。在多泵浦激励的情况下，不但存在着每个泵浦源对各路信号的拉曼效应，还包括泵浦之间复杂的拉曼耦合效应。由于泵浦源的功率比信号功率大得多，因此这种效应对各泵浦源在光纤中的功率分布以至于对信号增益都会产生很大的影响。不能把信号的增益看作各个泵浦源单独激励时他们各自增益的线性叠加。每个泵浦的改变由于复杂的耦合关系都会影响到整个波段的信号增益。因此本发明根据实测的信号增益，逐渐的调整泵浦源的强度，最终达到平滑增益，减小波动的目的。

作为例子，一个工作于图4所示的平滑增益谱线时的放大器，由于工作条件的某种改变，在1550nm附近的信号增益有一个突然的下降。为了补偿这一波段内的信号增益，可以调整泵浦阵列中某几个泵浦源的输出强度获得，由于上述原因每个泵浦的功率改变会影响整个波段内的信号增益，所以在调整泵浦源输出强度的过程中，增益实测装置不断的测量每个泵浦源功率的改变对整个波段信号增益的影响，最后综合各个泵浦源对信号增益的影响，决定泵浦阵列中的各泵浦源强度的渐变，然后根据渐变效果做下一次的增益实测和泵浦调整。最终实现对1550nm附近信号的增益补偿，同时保证其他波长处的增益仍然在增益目标的范围内。

当然，在不违背本发明精神和发明范围的条件下，还可以有很多其它的实施例。例如，实际应用中对该光纤放大器的信号增益幅度和工作带宽有了一个新目标要求，这就要求整体的泵浦源阵列的输出功率根据实测增益和要求增益作整体的改变。

Claims (7)

1、一种具有动态增益波动控制的拉曼光纤放大器，自光信号输入至光信号输出包括依次相连的信号/泵浦波分复用器(2)、拉曼增益光纤(3)和信号/泵浦波分解复用器(4)，其特征在于：

①.在信号/泵浦波分复用器(2)之前设有分光器(1)，在该分光器(1)的分光方向上依次设有信道解复用器(12)和pin管阵列接收检测器(13)组成信号输入功率测量装置；

②.在信号/泵浦波分解复用器(4)之后也设有分光器(5)，在该分光器(5)的分光方向上依次设有信道解复用器(6)和pin管阵列接收检测器(7)组成信号输出功率测量装置；

③.pin管阵列接收检测器(7)和(13)检测的电信号都记入泵浦激光器阵列控制器(8)，该泵浦激光器阵列控制器(8)据此控制2n个激光器构成的泵浦激光器阵列(9)的工作，各泵浦激光器的激光功率由泵浦合波装置(10)耦合在一起经信号/泵浦波分解复用器(4)以反向激励方式输入拉曼增益光纤(3)；

④.所述信号/泵浦波分复用器(2)还设有微弯泄漏光纤(11)。

2、根据权利要求1所述的拉曼光纤放大器，其特征在于所述的泵浦激光器阵列(9)为一具有n个波长的共2n个泵浦激光器组成的阵列，对每一波长由两个波长和功率相同的泵浦激光器以偏振态正交的方式构成。

3、根据权利要求1或2所述的拉曼光纤放大器，其特征在于所述的泵浦合波装置(10)的构成，包括n个偏振合波器(101)，每个偏振合波器(101)的后端级联一相应波长的隔离器(102)，再通过多级马赫一曾特波分复用器(103)将各对不同波长的泵浦激光器的泵浦能量耦合在一起。

4、根据权利要求3所述的拉曼光纤放大器，其特征在于所述的波分复用器(103)，还可采用熔融拉锥双信道合波器，也可采用薄膜滤波的波分复用器。

5、根据权利要求1所述的拉曼光纤放大器，其特征在于所述的拉曼增益光纤(3)采用色散补偿光纤。

6、根据权利要求1所述的拉曼光纤放大器，其特征在于所述的信号/泵浦波分解复用器(4)采用薄膜滤波Y型波分复用器。

7、根据权利要求1所述的拉曼光纤放大器，其特征在于所述的泵浦激光器阵列控制器(8)包括n(波长数)个模数转换器(A/D)和微处理器(MCU)，其增益反馈控制的具体步骤如下：

一、信号增益的测量

①.信号输入功率测量装置和信号输出功率测量装置测得各波长(n个波长)输入、输出信号的即时光功率，并输出相应的电信号；

②.泵浦激光器阵列控制器(8)的A/D转换器将各波长与光功率相应的电信号由模拟量转化为数字信号；

③.经微处理器处理，求得每个波长信号的增益，即获得增益谱；

二、微调每一泵浦激光器的泵浦功率，测量它对信号增益的影响

①.泵浦激光器阵列控制器(8)控制每个泵浦激光器的功率；

②.分别略微增加或减小泵浦激光器阵列(9)中某一个泵浦激光器的功率，利用第一步中所述的增益测量方法测得该泵浦激光器功率增加和功率减小时相应的二个信号增益谱，并存储，测量完毕恢复该泵浦激光器的功率；

③.对其余的泵浦激光器重复②的步骤，获得每个泵浦激光器的泵浦功率对信号增益谱的影响，并存储；

三、在出现增益波动时，根据每个泵浦激光器对信号增益的影响，由泵浦激光器阵列控制器(8)对各泵浦激光器功率进行调整，不断测量，不断调整，以保持增益的动态平滑，保证各波长的增益处于增益目标范围内。

Images