CN1794615A - 控制拉曼放大器增益的方法 - Google Patents

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Abstract

通过在模拟中估算其增益曲线、为在线测量选择NP个数据信道(λ1，λ2，λ3)以及从模拟的增益曲线(24)为选择的信道确定目标增益值，实现对分布式拉曼放大器(RA)的增益特性的控制。选择的信道的数目对应于泵浦波长(λP1，λP2，λP3)的数目。控制器(CTR)改变至少一个泵浦光信号(λ1，λ2，λ3)的功率，使得测量的NP个信号信道的任何功率值与其估算的目标增益值之间的功率差最小。

Description

控制拉曼放大器增益的方法
本发明基于优先权申请EP04293112.0提出，该申请在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及光纤通信系统领域，具体而言，涉及控制拉曼放大器增益的方法和装置。
背景技术
在光纤通信系统中，由于光纤中的吸收和散射，沿光纤传播的光信号会发生信号衰减。因此，光信号需要在长距离上进行周期性的放大，这可以由电中继器或光放大器实现。已知的光放大器的类型包括掺铒光纤放大器(EDFA)、半导体光放大器和拉曼放大器。因为拉曼放大器在宽信号波长带上具有平坦的增益，所以它作为波分复用(WDM)信号传输的理想的候选放大器近来引起越来越多的关注。
拉曼放大处理基于拉曼效应，拉曼效应是一种仅存在于高光强度状态下的非线性光处理，它包括，将通过非线性介质传播的光与该介质的振动模式相匹配，以及在不同的波长上对光进行再辐射。波长发生向上位移的再辐射光一般被称为斯托克斯线，而波长发生向下位移的光则被称为反斯托克斯线。量子力学将拉曼效应描述为分子上的光子散射使得分子发生振动态的跃迁。拉曼放大包括受激拉曼散射，其中，使用具有较高光频经常称之为泵浦波束的入射波束通过拉曼效应对较低频率的波束进行放大，该较低频率的波束经常被称之为斯托克斯波束或信号波束。
与EDFA中放大属性仅依赖于EDFA模块相反，传输线自身用作分布式拉曼放大器的增益介质，因此，放大属性，例如增益和增益均衡，与所用的光纤的类型、属性和特性以及光纤状况非常相关。例如，在硅纤维中，最强的拉曼散射，即最大拉曼增益，存在于大约13.2THz的频移上，该频移对应于大约1μm到1.5μm之间的泵浦波长的大约50-100nm的波长位移。在未完全获知光纤类型、属性、特性的全部信息以及沿着光纤光学传输线的状况的情况下，准确地预测包括增益、增益均衡和噪声频谱的拉曼放大器的性能是不可能的。
分布式拉曼放大器的典型特征在于开关增益，即当泵浦开时在光纤的输出端测得的信号功率与当泵浦关时的信号功率之比。为了对具体的拉曼放大器进行操作，相应的光纤链路的增益特性必须是已知的，以便允许对泵浦功率进行适当的调整。也可以对各种类型的光纤的拉曼效率相对于实验室中的泵浦功率进行初步校准，并且使用这些数值在现场内进行实际的安装。但是事实上，拉曼增益强烈地依赖于光纤在该泵浦波长上的损耗，并且安装的光纤链路的实际衰减特性事先是未知的，而是必须在现场确定的。另外，由于例如光纤绞接引起的本地衰减是无法准确预测的，并且所安装的光纤可能不具有与已经在实验室中进行初步校准的该种类型的光纤完全相同的拉曼效率。所以，仅依赖于指定光纤特性的方法能够取得不优于大约+/-20％的精确度。因此有必要对现场中的拉曼增益进行控制。
US6,734,954描述了一种通过闭环控制策略自动控制拉曼增益的系统和方法，该控制策略使用系统波长型态信息在光纤跨距内提供精确的拉曼增益的偏差。光谱分析器用来对波长的型态进行监控，它允许在跨距内对发送型态和接收型态进行映射。然后在中央位置对这个映射信息进行收集，使得可以在跨距内得到拉曼增益。然而，对整个增益谱进行测量是麻烦且不必要的，因为它将产生比调整增益曲线所需要的信息更多的信息。
所以本发明的目的在于提供一种用于对分布式拉曼放大器的增益特性进行控制的简化的方法和相关装置。
发明内容
本发明的这些目的以及后面将出现的目的是这样实现的，即，在模拟中对拉曼放大器的增益曲线进行估算，对于在线测量选择数据信道，然后由模拟的增益曲线确定所选择信道的目标增益值。所选择信道的数目对应于泵浦波长的数目。
具体而言，在包括光纤(F)的光纤通信系统中控制拉曼放大器(RA)增益的方法包括以下步骤：
a)将具有不同泵浦波长的NP个泵浦光信号注入所述光纤(F)，其中，其中NP为大于1的整数；
b)估算作为对应于所述NP个泵浦光信号的NP个预先确定的增益形状曲线的线性组合的增益曲线；
c)在这个曲线上选择NP个信号波长并且记录它们的目标增益值；
d)测量所述NP个信号波长的信号功率；
e)改变至少一个所述泵浦光信号的功率，使得测量的所述NP个信号信道中的任何信道的功率值与其估算的目标增益值之间的功率差最小。
光纤通信系统中拉曼放大器的控制器配置有所选择的NP个信道的目标增益值，该控制器将所测数值与NP个目标增益值进行比较，然后改变至少一个泵浦光信号的功率，使得测量的所述NP个信号信道中的任何信道的功率值与其估算的目标增益值之间的功率差最小。
本发明仅要求测量用于反馈处理的NP个信道的增益，而不是对整个信号谱上的增益进行测量。因此，对于信号检测，仅需要NP个信号滤波器和NP个光电二极管。另外，本发明不要求任何关于所安装的链路光纤的拉曼效率的信息，而仅需要标准的拉曼效率即已足够，该标准的拉曼效率即曲线形状。这是个非常有趣的特征，因为链路光纤通常具有很接近的拉曼效率形状，即，不同之处仅在于比例系数。再有，不需要关于光纤在泵浦波长上的衰减信息，并且不需要对拉曼泵浦—泵浦的相互作用进行计算。因此，所提出的控制算法实现起来快捷且容易。
附图说明
现在结合附图对本发明的优选实施例进行说明，所述附图中：
图1表示安装在光纤通信系统中的配置有NP个泵浦的拉曼放大器；
图2表示安装在光纤通信系统中的配置有NP个泵浦的另一种拉曼放大器，该放大器使用后向泵浦方案；
图3表示从对应于NP个泵浦的NP个预算的增益曲线的线性组合得到的增益估算曲线。
图4表示使用NP个信号信道进行细调后的增益形状；
图5表示与未使用本发明而得到的增益曲线所进行的比较。
具体实施方式
配置有拉曼放大器的光纤通信系统如图1所示。它包括光纤S，光纤S携带具有不同信号波长λi的多个信号信道。安装有三个泵浦激光器LD1-LD3，分别发射波长为λP1、λP2和λP3的泵浦光信号。泵浦光信号通过多路复用器MX和拉曼多路复用器RM馈送进光纤S，其在光纤中通过受激引起的拉曼散射导致信号信道的放大。
为了获得期望的增益特性，必须对泵浦激光器P1-P3的功率值进行适当的调整。从而，对三个选择的示例信道进行测量，并且对它们的信号能量进行比较。因此，抽头耦合器TC从光纤S提取部分光信号。分用器DMX与抽头耦合器TC进行耦合，并且将三个选择的信号波长λ1、λ2和λ3抽取出来，然后将该三个信号波长分别馈送到相应的光检测器PD1、PD2和PD3。分用器DMX包含与所选择的信号波长λ1、λ2和λ3匹配的滤波器。
测量值通过反馈信道传送到控制器CTR，该控制器CTR将测量值与目标增益值进行比较，确定是否任何激光器的泵浦功率必须降低或增加，并相应地对泵浦功率进行调整。控制器CTR可以置于拉曼泵浦LD1-LD3所安装的室内，置于网络的中心位置或检测器的位置。泵浦单元可以由NP个具有不同泵浦波长(λP1，λP2，λP3)的单个泵浦激光器LD1-LD3组成，但是也可以为发射NP个泵浦光信号的单个拉曼光纤激光器。
在另一个优选实施例中，使用后向拉曼泵浦方案，使得控制器CTR位于与测量输出信号功率的装置和泵浦单元相同的位置。如图2所示。
拉曼泵浦P1-P3的增益调整方法如下所示实现。在准备阶段，通过模拟估算目标增益型态而不用考虑任何泵浦的相互作用。这个初始的估算仅需要关于拉曼泵浦的数量NP(即，在具体实施例中为3个)、这些泵浦的波长(即λP1、λP2和λP3)以及光纤标准拉曼效率的信息。
光纤S的标准拉曼效率曲线CR(Δv)，其中Δv是泵浦和信号之间的频率漂移，经过离线测量、预定义的光纤特性或经过理论计算是已知的。单个泵浦P1-P3的拉曼效率曲线分别用加权系数a1、a2和a3进行加权。作为结果的叠加值由函数G(vS)描述：(vi＝C/λi)
G(vs)＝a1CR(vl-vS)+a2CR(v2-vS)+a3CR(v3-vS)
G(vS)是一个与用dB表示的总拉曼开关增益成比例的函数，它对总拉曼增益曲线的形状进行了定义。对系数a1、a2和a3进行调整，使得作为结果的增益曲线具有期望的形状。在优选的实施例中，所期望的形状具有平坦的增益。然而，也可以是其它的形状，例如斜坡，这可能依赖于用户的选择和具体需要。
系数a、b和c对于调整本身没有实际意义。它们仅仅定义了当对泵浦功率进行适当调整时理论上可以获得的最佳增益曲线。从这个估算的曲线，在信号传送带宽中选择出三个NP信号信道作为实际调整的基础。在优选实施例中，这些信道的光频率值vS与G的局部最大值相关。从这些信道的模拟所确定的G的值G(vS1)、G(vS2)和G(vS3)接着作为调整的目标值存储在控制器CTR中。
需要注意的是，这个模拟仅仅是本方法的最初步骤，并且在控制器CTR中不是必须执行的。但是，NP个目标值作为固定的外部参数被装载进控制器用于随后的调整。
然后，控制器CTR能够进行泵浦功率的实际调整以便符合模拟曲线。该调整可以从NP个泵浦的任意功率值开始。根据本发明，仅有NP个选择的信号信道用于拉曼放大系统的在线调整。然后通过反馈处理完成该调整，该反馈处理对NP个泵浦的泵浦功率进行调整，从而达到从这些信道的上述模拟中所确定的期望开关增益值G(vS1)、G(vS2)和G(vS3)。这样，通过仅对NP个信号增益进行监视，就可以获得对应于模拟曲线G的整个拉曼增益曲线。
图3和图4表示控制器CTR如何对泵浦P1-P3进行调整的例子。泵浦波长为λP1＝1425nm，λP2＝1436nm，λP3＝1463nm。在图3的示意图中，对应于这三个波长的增益形状曲线分别为曲线21、22和23。期望的增益形状为在从1530nm到1570nm的整个波长范围上的尽可能平坦的的曲线。系数a1、a2和a3，即三个泵浦的功率值之比值，估算为a1＝8，a2＝10，a3＝30。最终的叠加值G如曲线24所示。G以任意的单位表示，但是与整个用dB表示的拉曼开关增益成比例。根据光纤通信系统中的实际需要，可以将这个放大曲线乘上一个因数，该因数产生所要求的增益，例如20dB。
选择用于进行调整的三个信号信道为波长信道λ1 ＝1532nm，λ2＝1546nm，λ3＝1560nm。这些选择的信道对应于增益曲线的顶点，此为优选的实施例，但也可以作不同的选择。
必须注意到，因为泵浦之间有拉曼相互作用，所以在图3中模拟的泵浦比并没有重现实际的增益。这如图4中所示：泵浦的相互作用减小了从较低泵浦波长到较高泵浦波长的功率转移，这导致了带有正斜率的倾斜增益形状，如图4中的曲线31所示。实际上，为了使得增益曲线变得平坦从而使其与期望的曲线匹配，最低波长泵浦的泵浦功率必须增加而最高泵浦波长的功率必须减小。
因此，三个泵浦信号的功率调整的实现如下所示：
-随意选择泵浦功率的初始值。
-计算三个目标增益值和实际测量的增益值之间的增益差。
-调整对具有较高的目标增益值和实际增益值间的增益差的信号波长影响最大的泵浦功率。
-再次测量增益差。
-重复后两个步骤的处理，直到达到三个信道的期望增益，即，当达到图4中曲线32所示的曲线时。
本发明的原则是在模拟中对增益曲线进行估算，为在线测量选择数据信道，并且从模拟的增益曲线中为这些选择的信道确定目标增益值。其益处可以通过与图3中所示的进行比较的简单例子而轻易说明。假设没有上述的模拟，选择要进行测量的信道为λ1’＝1530nm，λ2’＝1552nm，λ3’＝1570nm。进一步假设所有的三个信道的目标增益值应当为20dB-有希望产生平坦的增益曲线。然而，在这种情况下调整泵浦功率值到20dB的结果如图5中所示。可以从图5中看出，增益变形比在图3中所示的优选示例大得多，即3.5dB而不是1dB。
在本发明的一个改进方案中，由发送器在选择的波长λ1、λ2和λ3处插入虚拟信道而不是实际数据信道，从而保证这些信道对于前面所述的在线调整过程总是可获得的，因为数据信道可能会由于网络中的某些点上的出错而中断或丢失。
已经描述了本发明的优选实施例，需要注意的是，本发明并不限于这里所描述的具体情况，所做的对于本发明的各种修改并不脱离本发明的宗旨。

Claims (8)

1.一种在包括光纤的光纤通信系统中控制拉曼放大器增益的方法，该方法包括以下步骤：
a)将NP个具有不同泵浦波长的泵浦光信号注入所述光纤，其中NP为大于1的整数；
b)估算作为对应于所述NP个泵浦光信号的NP个预先确定的增益形状曲线的线性组合的增益曲线；
c)在这个曲线上选择NP个信号波长并且确定它们的目标增益值；
d)测量所述NP个信号波长的信号功率；并且
e)改变至少一个所述泵浦光信号的功率，使得所测量的所述NP个信号信道中的任何信道的功率值与其估算的目标增益值之间的功率差最小。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：重复步骤d)和e)直到获得所述NP个信号波长的所述目标增益值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对于所述步骤b)，忽略拉曼泵浦相互作用。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在靠近所述估算的增益曲线的局部最大值处选择所述NP个信号波长。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述的步骤e)中，调整对具有最大目标增益和实际增益间的增益差的信号波长影响最大的泵浦信号的功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述选择的波长上插入虚拟信道。
7.一种在包括光纤的光纤通信系统中控制拉曼放大器增益的控制器，其中，所述拉曼放大器包括泵浦单元，用于将具有不同泵浦波长的NP个泵浦光信号注入所述光纤，其中NP为大于1的整数；其中，所述控制器包括用于改变至少一个所述NP个泵浦光信号的功率的装置，使得为NP个信号波长中任何信号波长测量的功率值和NP个配置的目标增益值中分别相对应的一个数值之间的功率差最小，并且采用所述控制器获取所述的目标值，获取所述目标值是通过以下方式实现，即，估算所述拉曼放大器的增益曲线，作为对应于所述NP个泵浦波长的NP个预先确定的增益形状曲线的叠加；在所述增益曲线上选择所述NP个信号波长；从所述估算的曲线确定所述NP个目标增益值。
8.一种拉曼放大器，包括泵浦单元，用于将所述具有不同泵浦波长的所述NP个泵浦光信号注入所述光纤，其特征在于，根据权利要求7所述的控制器。
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