CN1598680A - 一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在光传输系统中，实现对在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置和方法，尤其涉及一种在密集波分复用光传输系统中，对前向、后向或双向含有多个泵浦激光器的光纤拉曼放大器，实现增益自动控制的装置和方法。通过监测光纤输入端的信号的波长和功率计算光纤拉曼放大器各泵浦激光器所需要的驱动电压或电流，实现目标增益。根据光纤输入端信号的变化，系统可以自动在线控制光纤拉曼放大器的增益保持不变或实现目标的变化。本发明取得了简化控制装置的进步，达到了自动在线控制光纤拉曼放大器增益的效果，节省了设备成本，提高了控制精度和效率。

Description

一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种在光传输系统中，实现对在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置和方法，尤其涉及一种在密集波分复用光传输系统中，对前向、后向或双向含有多个泵浦激光器的光纤拉曼放大器，实现增益自动控制的装置和方法。本发明可以在传输或色散补偿光纤等各类光纤中，实现增益平坦等任意增益需求的在线自动控制调节。

背景技术

光纤拉曼放大器利用光纤本身的非线性光学效应——受激拉曼散射(SRS)，对光信号直接进行光放大。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的增益主峰，因此光纤拉曼放大器的工作波段决定于泵浦光的波长。理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大。比如，将波长1450nm的泵浦光注入光纤，即可在1550nm波段获得光增益。如果合理选择多个泵浦光的波长，通过调节各波长的功率配置可以精确定位拉曼增益谱的形状和位置，实现在光纤的整个通带内平坦放大。

光纤拉曼放大器有两种类型：一种称为集总式光纤拉曼放大器，使用小芯径、高折射率差的光纤提高拉曼增益效率。许多色散补偿光纤(DCF)模块正是利用了DCF的拉曼增益效率高的特点，利用拉曼放大补偿DCF的损耗，作成宽带无损耗色散补偿模块^[1]；另一种称为分布式拉曼放大器，主要利用传输光纤实现分布式补偿放大器。另外，按照信号光与泵浦光的传播方向可分为前向泵浦和后向泵浦，以及两种方式混合的双向泵浦。每种泵浦方式都有各自的优缺点，适用于不同的放大需求。

虽然理论上通过调整各泵浦激光器的功率光纤拉曼放大器可以实现系统的增益需求，但在实际应用中对增益实施控制是非常复杂的。首先光纤的长度、掺杂浓度、芯径面积和衰减系数都对增益有直接影响；其次，各个泵浦光的波长以及泵浦的方式也是影响增益的主要因素；最难以预料的是光纤拉曼放大器增益效果和输入信号的波长、功率以及它们之间的相互作用有关。由于信号之间同样存在SRS(Stimulated RamanScatter)效应，功率从短波长信道向长波长信道转移，在不同的信道数和功率情况下，转移程度不同，光纤拉曼放大器的增益控制必须考虑这个因素的影响。以上三点都增加了光纤拉曼放大器的控制难度。

传统的调节方法是在大量实验的基础上取得经验数据，在实际应用中利用经验数据实现增益控制。由于影响增益的因素太多，该方法费时费力，无法达到最佳的效果，同时它不能实现自动在线调节。

最新的美国申请公开发明专利United States Patent 6,519,082和中国专利1385747A都实现了增益的自动调节。它们都是通过比较光信号的输出光功率和目标功率的偏差，计算和优化反馈结果，并利用反馈结果来控制各泵浦波长的功率，最终达到满足容忍度范围的增益控制。这种方法的主要缺点是反馈控制的装置复杂，反馈调节没有明确的算法和方向，目标实现需要不确定的多次反馈才有可能达到，且针对不同情况下的容忍度不能先期确定。

从光纤拉曼放大器实用化以来，对光纤中的SRS效应一直是研究的热点。目前，理论计算的精确程度已经达到非常高的水平，结果多次得到实验的验证^[2，3]。因此本发明基于系统的实际参数，通过信号性能监测模块上报信号的信息，中央处理模块理论上直接计算求得各种增益要求下的各泵浦激光器的功率，并下发给泵浦光源控制模块驱动泵浦激光器，实现增益在线自动控制的目的。

参考文献：

1.Lars Grüner-Nielsen，Yujun Qian，Bera Pá1sdóttir，Peter BorgGaarde，Susanne and Torben Veng，“Module forsimultaneous C+L-band dispersion compensation and Ramanamplification”，OFC2002，TuJ6，65-66，(2002)

2.C.R.S.Fludger，V.Handerek，R.J.Mears“Fundamental NoiseLimits in Broadband Raman Amplifiers”，OFC200l，MA5-1，(2001)

3.Yujun Qian，Sussanne Jacob S.Andersen，Peter B.Gaarde，Carsten G. Bera Pàlsdóttir and Lars Grüner-Nielsen“Bi-directionally Pumped Discrete Raman Amplifier withOptimised Dispersion Compensation for Non-shiftedTransmission Fibre”ECOC’02，4.1.6，(2002)

发明内容

本发明的目的在于提出了一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置和方法。

本发明克服现有技术中反馈控制装置复杂，且目标实现需要不确定的多次反馈才有可能达到的技术问题；针对不同情况下的允许度不能先期确定的缺点，实现自动在线控制光纤拉曼放大器的增益。

本发明的构思是：通过监测光纤输入端的信号的波长和功率计算光纤拉曼放大器各泵浦激光器所需要的驱动电压或电流，实现目标增益。具体的说，是把光性能监测模块实时在线监测到的光信号信息上报给中央处理模块，根据光纤的具体性能，通过中央处理模块自动计算出满足目标增益需求的光纤拉曼放大器各泵浦光的光功率配置，并向泵浦光源控制模块下达驱动信息，由泵浦光源控制模块对各泵浦激光器实施驱动，实现需要的增益要求。根据光纤输入端信号的变化，系统可以自动在线控制光纤拉曼放大器的增益保持不变或实现目标的变化。

本发明是这样实现的：

一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置，用于具有多个泵浦激光器的光纤拉曼放大器的增益控制，其特征在于所述装置包括：

光性能监测模块1，置于提供光增益的光纤输入端处，用于测量输入光信号的功率和波长，所得到的监测数据上报给中央处理模块；

中央处理模块：

用于接收用户预先或随时设置的目标增益，

根据光性能监测模块1上报的各信道的功率和波长，以及系统存储的光纤的性能参数、光纤拉曼放大器各泵浦激光器的波长和它们的驱动电流或电压与输出耦合进入光纤中的光功率的关系，计算出以目标增益为目标，理论上所能达到的最优增益谱型，以及达到该增益谱型所需要的光纤拉曼放大器各泵浦激光器的驱动电流或电压，

下达驱动命令给光纤拉曼放大器的泵浦光源控制模块；

光纤拉曼放大器的泵浦光源控制模块，接收中央处理模块下达的驱动命令驱动各泵浦激光器，使各泵浦光输入光纤。

还包括：

光性能监测模块2，置于光纤拉曼放大器的输出端处，用于测量输出光信号的功率和波长，所得到的监测数据上报给中央处理模块；

所述中央处理模块接收光性能监测模块2上报的各信道的功率和波长，并计算实际增益和目标增益的差异。

所述具有多个泵浦激光器的光纤拉曼放大器，包括：

前向泵浦光纤拉曼放大器；

后向泵浦光纤拉曼放大器；

双向泵浦光纤拉曼放大器；

利用传输光纤的分布式光纤拉曼放大器；

利用高效增益光纤的集总式光纤拉曼放大器。

所述利用高效增益光纤的集总式光纤拉曼放大器包括基于色散补偿光纤的能够实现色散补偿的光纤拉曼放大器。

所述中央处理模块接收用户预先或随时设置的目标增益，包括但不限于增益平坦、增益倾斜或任意的增益谱型。

一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，包括以下步骤：

步骤一，通过光性能检测模块1在光纤输入端监测输入光信号的波长和功率；

步骤二，在中央处理模块内，计算需要的各泵浦激光器的驱动电压或电流；

步骤三，由泵浦光源控制模块按中央处理器的计算结果驱动各泵浦激光器。

还包括：

步骤四，通过光性能检测模块2在光纤拉曼放大器输出端监测光信号的波长和功率；

步骤五，在中央处理模块内，计算实际增益和目标增益的差异。

通过分波方式监测光信号的波长和功率。

所述步骤一进一步包括：

通过99∶1的耦合器从信号光中分出一定比例的光；

从分得的信号光中测量各信道的波长和功率；

向中央处理模块上报测试数据。

所述步骤二进一步包括：

接收在光纤输入端监测输入光信号的波长和功率，

从存储器提取预先存储的光纤性能，包括但不限于长度、与波长相关的衰减系数、与波长相关的拉曼增益系数和与波长相关的色散；从存储器提取预先存储的光纤拉曼放大器各泵浦激光器的波长、泵浦方向、驱动电压或电流与耦合进光纤的光功率的关系；从存储器提取或从用户界面接收目标增益命令，

计算理论上和目标增益最接近的增益谱型；计算所需要的各泵浦激光器的驱动电压或电流，

向泵浦光源控制模块下发驱动命令。

所述在中央处理模块内进行的计算进一步包括：

步骤一、程序首先初始化光纤参数和泵浦参数；

步骤二、在泵浦光功率设为0的情况下计算信号功率沿光纤的分布；

步骤三、计算光功率在光纤上的积分；计算信号的总衰减；

步骤四、由目标增益计算需要泵浦提供的毛增益；

步骤五、利用优化的算法，例如遗传算法，寻找满足毛增益的泵浦功率分布；

步骤六、在该泵浦功率分布情况下重新计算信号光功率沿光纤的分布；

步骤七、如果两次光信号功率沿光纤分布之差不满足精度要求，把新的光信号功率沿光纤分布代入步骤三重新计算，反复以上过程直至满足精度要求；

步骤八、利用计算得出的泵浦光功率分布求相应的驱动电压或电流，计算结束。

所述步骤四进一步包括：

通过99∶1的耦合器从信号光中分出一定比例的光；

从分得的信号光中测量各信道的波长和功率；

向中央处理模块上报测试数据。

采用本发明所述方法和装置，与现有技术相比，取得了简化控制装置的进步，达到了自动在线控制光纤拉曼放大器增益的效果，节省了设备成本，提高了控制精度和效率。

附图说明

图1是本发明拉曼光纤放大器及其增益控制装置的结构关系示意图；

图2是本发明所述实现增益控制的流程图；

图3是本发明所述目标增益、理论计算增益和实际得到的增益之间的结果比较示意图；

图4是输入信号变化时增益在线自动控制的实验结果示意图；

图5是本发明所述中央处理模块进行的计算流程图。

具体实施方式

本发明所述的在线自动控制光纤拉曼放大器增益装置由以下几部分组成：

光性能监测模块1：光性能监测模块1安置在用于提供光增益的光纤输入端处，测量输入光信号的功率和波长。光性能监测模块1所得到的监测数据上报给中央处理模块；

中央处理模块：中央处理模块接收用户预先或随时设置的目标增益，包括但不限于增益平坦、增益倾斜或任意的增益谱型。根据光性能监测模块1上报的各信道的功率和波长，以及系统存储的光纤的性能参数、光纤拉曼放大器各泵浦激光器的波长和它们的驱动电流或电压与输出耦合进入光纤中的光功率的关系，中央处理模块计算出以目标增益为目标，理论上所能达到的最优增益谱型，以及达到该增益谱型所需要的拉曼放大器各泵浦激光器的驱动电流或电压；下达驱动命令给拉曼放大器泵浦光源控制模块；接收光性能监测模块2上报的各信道的功率和波长，并计算实际增益和目标增益的差异；

光纤拉曼放大器的泵浦光源控制模块：接收中央处理模块下达的驱动命令驱动各泵浦激光器，使各泵浦光正向、反向或双向输入光纤。

光性能监测模块2：光性能监测模块2安置在拉曼放大器的输出端处，测量输出光信号的功率和波长。光性能监测模块2所得到的监测数据上报给中央处理模块；

本发明所述自动在线控制拉曼光纤放大器增益的方法如下：

第一步：光性能监测模块1监测光纤输入端口各信号信道的波长和光功率；

本步骤又包括但不限于下列步骤：

1.从信号光中分出一定比例的光，例如用99∶1的耦合器；

2.从分得的信号光中测量各信道的波长和功率；

3.向中央处理模块上报测试数据；

第二步：中央处理模块计算各泵浦激光器需要的驱动值；

本步骤又包括但不限于下列步骤：

1.接收光性能监测模块上报的各信道的波长和功率；

2.从存储器提取预先存储的光纤性能，包括但不限于长度、与波长相关的衰减系数、与波长相关的拉曼增益系数和与波长相关的色散等；从存储器提取预先存储的拉曼放大器各泵浦激光器的波长、泵浦方向、驱动电压或电流与耦合进光纤的光功率的关系；从存储器提取或从用户界面接收目标增益命令；

3.计算理论上和目标增益最接近的增益谱型；计算所需要的各泵浦激光器的驱动电压或电流；

4.向泵浦光源控制模块下发驱动命令；

第三步：泵浦光源控制模块按中央处理模块下发的驱动命令驱动各泵浦激光器；

第四步：光性能监测模块2监测拉曼放大器输出端口各信号信道的波长和光功率；

本步骤又包括但不限于下列步骤：

1.从信号光中分出一定比例的光，例如用99∶1的耦合器；

2.从分得的信号光中测量各信道的波长和功率；

3.向中央处理模块上报测试数据。

本发明的实现主要由信号监测模块、中央处理模块和泵浦光源控制模块完成。信号监测模块位于增益光纤的信号输入端接收光信号，中央处理模块分析、计算光纤拉曼放大器的泵浦激光器的控制参数，泵浦光源控制模块接收中央处理模块的命令完成光纤拉曼放大器的泵浦激光器的控制。

图1显示了反向泵浦结构的光纤拉曼放大器的增益控制示意图，本发明同样适用于正向或双向泵浦结构的光纤拉曼放大器。光信号100在进入光纤500时被分光，分光的很小一部分，例如5％，被光性能监测模块210监测，监测的信息包括信号的波长和功率，例如用OCM(OpticalChannel Measure)可实现该功能。测得的信号性能上报给中央处理模块400。中央处理模块400可以是专用的计算机，也可以用系统的网络管理计算机兼顾。中央处理模块400调用存储或输入的光纤性能，包括但不限于光纤长度、和波长有关的衰减系数、和波长有关的色散系数、和波长有关的增益系数等，调用存储或输入的各泵浦激光器的波长、各泵浦激光器的泵浦方向以及驱动电压或电流与耦合进光纤的光功率的关系，调用存储或输入的目标增益。综合以上信息和性能监测模块210上报的信号信息，中央处理模块400通过计算得出各泵浦激光器需要的驱动电压或电流，并向泵浦光源控制模块300下发控制命令。泵浦光源控制模块300完成对各泵浦激光器的驱动，实现光纤拉曼放大器的增益控制功能。光性能监测模块220放置在光纤拉曼放大器的输出端监测输出信号，把监测到的信号波长和功率上报给中央处理模块400，中央处理模块400计算实际的增益以及和目标增益的差别，按需求通过界面或文件显示给用户。

整个增益控制方法的流程如图2所示，系统开始工作后，光性能监测模块210首先监测信号上报给中央处理模块400，如果光纤中没有信号，中央处理模块400将上报给网管或用户，并把泵浦激光器输出设置为0，然后转到光性能监测模块210继续监测光纤中的光信号。如果光纤内有光信号，中央处理模块400将比较本次测量数据和上次测量数据的差别，系统初次启动时，上次测量数据默认为0。如果两次测量的差别小于允许值，中央处理模块400不做任何处理，流程返回到光性能监测模块210继续监测光纤内的光信号。如果两次测量的差别大于允许值，中央处理模块将重新计算所需要的泵浦驱动信息并下发给泵浦光源控制模块300。泵浦光源控制模块300按命令完成各泵浦激光器的驱动，光性能监测模块220监测光纤拉曼放大器输出的信号性能信息并上报给中央处理模块400，然后流程返回光性能监测模块210监测输入光信号。

图3展示了一个反向泵浦光纤拉曼放大器增益控制实例的实验数据。在下达目标增益后，理论计算的最优值和实际得到的增益比较。实验基于100kmG652光纤，为模拟真实传输情况，59个信号波长的间距不相等，入纤光功率也随机分布在-3dBm～6dBm之间，反向泵浦的波长为1425nm、1439nm、1457nm、1495nm，增益为10dB时，泵浦功率分别为190mW、122mW、154mW、129mW，光纤拉曼放大器增益控制系统达到实现增益平坦的要求。实验中通过调节衰减器把输入信号整体衰减2dB，为保持光纤拉曼放大器输出端信号的输出功率不变，增益控制系统自动把增益调节到12dB，如图4所示，泵浦功率分别为234mW，148mW，199mW，132mW，光纤拉曼放大器增益控制系统自动完成了在线增益控制，满足精度要求。

光纤中信号和泵浦的传输满足标准传输耦合方程，如方程1所示

(+/-)dP.sub.k/dz＝alfa.sub.k*P.sub.k+Sigma<n+m，j＝1>{g.sub.jk*P.sub.k*P.sub.j}

k＝1，2，...，n+m.    (1)

其中P.sub.k是第k个波长的光功率，下标k＝1，2，...，n表示信号信道，k＝n+1，...，n+m表示泵浦光，alfa.sub.k是第k个波长的衰减系数，Sigma指后面大括号中的项从j＝1到j＝m+n求和，g.sub.jk是第j个信道相对于第k个信道的拉曼增益系数。关于该方程的解法有很多种，图5详细描述了其中一个计算方法实例的流程。

步骤一、程序首先初始化光纤参数和泵浦参数；

步骤二、在泵浦光功率设为0的情况下计算信号功率沿光纤的分布；

步骤三、计算光功率在光纤上的积分I.sub.k；计算信号的总衰减，如式(2)所示，

AllLoss.sub.k＝exp(-alfa.sub.k L+Sigma<n，j＝1>{g.sub.jkI.sub.k})    (2)

步骤四、由目标增益AimGain.sub.k计算需要泵浦提供的毛增益GrossGain.sub.k，它们符合关系式(3)，

AimGain.sub.k＝AllLoss.sub.k*GrossGain.sub.k  (3)

其中毛增益如式(4)表达

GrossGain.sub.k＝exp(Sigma<n+m，j＝n+1>{g.sub.jk*I.sub.k})  (4)

步骤五、利用优化的算法，例如遗传算法，寻找满足毛增益的泵浦功率分布；

步骤六、在该泵浦功率分布情况下重新计算信号光功率沿光纤的分布。

步骤七、如果两次光信号功率沿光纤分布之差不满足精度要求，把新的光信号功率沿光纤分布代入步骤三重新计算，反复以上过程直至满足精度要求；

步骤八、利用计算得出的泵浦光功率分布求相应的驱动电压或电流，计算结束。

Claims (12)

1、一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置，用于具有多个泵浦激光器的光纤拉曼放大器的增益控制，其特征在于所述装置包括：

光性能监测模块1，置于提供光增益的光纤输入端处，用于测量输入光信号的功率和波长，所得到的监测数据上报给中央处理模块；

中央处理模块：

用于接收用户预先或随时设置的目标增益，

根据光性能监测模块1上报的各信道的功率和波长，以及系统存储的光纤的性能参数、光纤拉曼放大器各泵浦激光器的波长和它们的驱动电流或电压与输出耦合进入光纤中的光功率的关系，计算出以目标增益为目标，理论上所能达到的最优增益谱型，以及达到该增益谱型所需要的光纤拉曼放大器各泵浦激光器的驱动电流或电压，

下达驱动命令给光纤拉曼放大器的泵浦光源控制模块；

光纤拉曼放大器的泵浦光源控制模块，接收中央处理模块下达的驱动命令驱动各泵浦激光器，使各泵浦光输入光纤。

2、如权利要求1所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置，其特征在于还包括：

光性能监测模块2，置于光纤拉曼放大器的输出端处，用于测量输出光信号的功率和波长，所得到的监测数据上报给中央处理模块；

所述中央处理模块接收光性能监测模块2上报的各信道的功率和波长，并计算实际增益和目标增益的差异。

3、如权利要求1所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置，其特征在于：

所述具有多个泵浦激光器的光纤拉曼放大器，包括：

前向泵浦光纤拉曼放大器；

后向泵浦光纤拉曼放大器；

双向泵浦光纤拉曼放大器；

利用传输光纤的分布式光纤拉曼放大器；

利用高效增益光纤的集总式光纤拉曼放大器。

4、如权利要求3所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置，其特征在于：

所述利用高效增益光纤的集总式光纤拉曼放大器包括基于色散补偿光纤的能够实现色散补偿的光纤拉曼放大器。

5、如权利要求1所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的装置，其特征在于：

所述中央处理模块接收用户预先或随时设置的目标增益，包括但不限于增益平坦、增益倾斜或任意的增益谱型。

6、一种实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，包括以下步骤：

步骤一，通过光性能检测模块1在光纤输入端监测输入光信号的波长和功率；

步骤二，在中央处理模块内，计算需要的各泵浦激光器的驱动电压或电流；

步骤三，由泵浦光源控制模块按中央处理器的计算结果驱动各泵浦激光器。

7、如权利要求6所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，其特征在于还包括：

步骤四，通过光性能检测模块2在光纤拉曼放大器输出端监测光信号的波长和功率；

步骤五，在中央处理模块内，计算实际增益和目标增益的差异。

8、如权利要求6所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，其特征在于：

通过分波方式监测光信号的波长和功率。

9、如权利要求6所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，其特征在于所述步骤一进一步包括：

通过99:1的耦合器从信号光中分出一定比例的光；

从分得的信号光中测量各信道的波长和功率；

向中央处理模块上报测试数据。

10、如权利要求6所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，其特征在于所述步骤二进一步包括：

接收在光纤输入端监测输入光信号的波长和功率，

从存储器提取预先存储的光纤性能，包括但不限于长度、与波长相关的衰减系数、与波长相关的拉曼增益系数和与波长相关的色散；从存储器提取预先存储的光纤拉曼放大器各泵浦激光器的波长、泵浦方向、驱动电压或电流与耦合进光纤的光功率的关系；从存储器提取或从用户界面接收目标增益命令，

计算理论上和目标增益最接近的增益谱型；计算所需要的各泵浦激光器的驱动电压或电流，

向泵浦光源控制模块下发驱动命令。

11、如权利要求10所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，其特征在于所述在中央处理模块内进行的计算进一步包括：

步骤一、程序首先初始化光纤参数和泵浦参数；

步骤二、在泵浦光功率设为0的情况下计算信号功率沿光纤的分布；

步骤三、计算光功率在光纤上的积分；计算信号的总衰减；

步骤四、由目标增益计算需要泵浦提供的毛增益；

步骤五、利用优化的算法，例如遗传算法，寻找满足毛增益的泵浦功率分布；

步骤六、在该泵浦功率分布情况下重新计算信号光功率沿光纤的分布；

步骤七、如果两次光信号功率沿光纤分布之差不满足精度要求，把新的光信号功率沿光纤分布代入步骤三重新计算，反复以上过程直至满足精度要求；

步骤八、利用计算得出的泵浦光功率分布求相应的驱动电压或电流，计算结束。

12、如权利要求7所述实现在线光纤拉曼放大器增益自动控制的方法，其特征在于所述步骤四进一步包括：

通过99:1的耦合器从信号光中分出一定比例的光；

从分得的信号光中测量各信道的波长和功率；

向中央处理模块上报测试数据。

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