拉曼光纖放大器自動增益控制方法和拉曼光纖放大器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種拉曼光纖放大器自動增益控制方法，方案為：提取帶內或者帶外的放大自發輻射ASE功率，調整泵浦激光器的功率，使得拉曼光纖放大器RFA的輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向于滿足公式(3)；PaseT＝10*log(KG*10(Pout/10)+CG) (3)；PaseT、Pout分別為RFA產生的ASE功率理論值及拉曼輸出功率，單位dBm；G為拉曼增益，單位dB；KG、CG分別為該增益下的斜率、截距值。本方法適用范圍寬，既可用于輸入光功率變化較小的拉曼放大器增益控制，也可應用于輸入光功率變化范圍很大的拉曼放大器增益控制。
【專利說明】拉曼光纖放大器自動增益控制方法和拉曼光纖放大器
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光通訊領域，涉及拉曼光纖放大器（RFA :Raman Fiber Amplifier)自動 增益控制（AGC 〖Automatic Gain Control)方法。
【背景技術】
[0002] 隨著光纖通信系統傳輸容量、傳輸距離、傳輸速度的不斷提高，以摻鉺光纖放大 器（EDFA :Erbium_doped Optical Fiber Amplifier)為基礎的密集波分復用（DWDM :Dense Wavelength Division Multiplexing)系統已無法滿足100G及更高傳輸速率系統的需求， RFA由于噪聲指數低，目前廣泛應用于通信系統中，可優化光信噪比（0SNR :0ptical Signal Noise Ratio),減小誤碼率，增大傳輸距離。
[0003] RFA的增益介質是傳輸光纖本身，故RFA無法同時檢測到關泵時的輸入功率與開 泵時的信號功率，因此RFA的增益控制無法采用EDFA的增益控制方法：通過輸入輸出監測 器的監測結果進行自動增益控制。
[0004] 以往的RFA輸入功率比較小，工作區間主要位于小信號線性放大區。隨著帶寬的 增加，傳輸系統中的波長數目也越來越多，輸入功率的增大導致了 RFA的工作范圍超出了 小信號線性放大區。當RFA工作在線性增益與飽和增益的拐點處、或者飽和增益區時，一旦 輸入功率發生變化（如加減波），則采用恒定泵浦功率工作模式的RFA將無法滿足傳輸系統 的需求。
[0005] 在傳輸系統中，不同的客戶有著不同的傳輸光纖，其長度、衰減系數、拉曼增益系 數等都有較大差別。采用泵浦功率恒定工作模式的RFA，拉曼增益與出廠時的測試結果可能 有較大偏差，在施工過程中需要重新調試，極不方便。同時光纖的老化、溫度環境的變化、傳 輸光纖的長度變化、節點損耗等都會影響到拉曼增益。
[0006] 目前的RFA，一般通過提取信號帶內或者帶外ASE(Amplified Spontaneous Emission :放大自發輻射）功率實現增益的自動控制。
[0007] 專利US6373621中采用給泵浦激光器施加調制信號的方法來進行拉曼控制，該方 案可操作性差，實際意義不大。文中提出了采用周期性濾波器的方案，同專利02279586. 3、 02139185. 8采用Interleaver的方案類似，周期性濾波器無法兼容不同信號間隔的系統， 且體積大成本高，提取出來的ASE串擾很大，控制效果比較差。
[0008] 專利CN102307068A描述的是通過帶外ASE進行拉曼增益鎖定的方法。該專利中 提到了信號光串擾、0SC(0ptical Supervision Channel)信號串擾的處理措施，并提到了 系統背景ASE的處理。但該專利僅考慮了拉曼增益與ASE的數學關系，沒有考慮輸入功率 的影響，因此該專利只適合于輸入光功率保持不變或者變化范圍很小的RFA。
[0009] 專利CN141261A、CN202513934U中，主要介紹了信號帶內、帶外ASE的提取方法，至 于如何進行RFA的AGC控制，均無提及。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種拉曼光纖放大器自動增 益控制方法，本方法適用范圍寬，既可用于輸入光功率變化較小的拉曼放大器增益控制，也 可應用于輸入光功率變化范圍很大的拉曼放大器增益控制。本發明采用的技術方案是： [0011] 不同拉曼增益下，信號輸出功率與拉曼放大器本身所產生的ASE之間存在著數學 關系式，該數學關系式與增益、輸入光大小相關。當RFA增益為G時，其產生的ASE功率與 輸出功率關系式如公式（1)所示：
[0012] PaseT (mw) = f (Pout) (1)
[0013] 通過實驗及模擬，該關系式可以簡化為一階線性關系式：
[0014] PaseT(mw) = KG*Pout+CG (2)
[0015] 上述公式中的功率單位為mw。功率單位為dBm時，公式（2)可轉換為：
[0016] PaseT = 10*log(KG*10(P〇ut/lcl)+CG) (3)
[0017] 基于上述分析，本發明提出的拉曼光纖放大器自動增益控制方法，主要采用下述 方法：提取帶內或者帶外的放大自發輻射ASE功率，調整泵浦激光器的功率，使得拉曼光纖 放大器RFA的輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向于滿足公式（3);公式（3)中，Pase T、 Pout分別為RFA產生的ASE功率理論值及拉曼輸出功率，單位dBm ;G為拉曼增益，單位dB ; Ke、Ce分別為該增益下的斜率、截距值。
[0018] 進一步地，該方法涉及的參數包括：
[0019] PaseT :根據公式（3)計算出來的ASE功率理論值，單位dBm ;
[0020] PaseK :RFA本身所產生ASE功率，單位dBm ;
[0021] PaseD :ASE功率監測器6探測到的功率，單位dBm ;
[0022] PaseB :系統背景ASE功率，單位dBm ;
[0023] PaseBA :系統背景ASE經過RFA放大后的功率，單位dBm ;
[0024] PoutD :信號功率監測器7探測到的功率，單位dBm ;
[0025] i :PoutD 對 PaseD 的串擾，單位 dB ;
[0026] 該方法的具體步驟包括：
[0027] 計算PoutD對PaseD的串擾i ;
[0028] 計算PaseB，泵浦關閉，接入信號光，讀取PaseD、Pout D,采用公式（5)進行計算：
[0029] PaseB =10*l〇g(l〇{Pasc，D /10) -10((ρ〇,,,β1/10)) (5)
[0030] 計算PaseBA, PaseBA與PaseB的關系如公式（6)所示：
[0031] PaseBA = PaseB+(G*k+c) (6)
[0032] G為拉曼增益，k、c為校正系數；
[0033] 計算PaseK :設拉曼增益為G，PaseK的計算公式（7)為：
[0034] PaseR = 10*/og(l0(i>nsCi, /10) _ι〇('^^-〇/10) (7)
[0035] 根據當前RFA的輸出功率利用公式（3)計算出PaseT，比較Pase K、PaSeT，設判定窗 口為Λ，分為三種情況：
[0036] 1)當PaSeT-PaSeK>A時，則實際拉曼增益比理論拉曼增益要小，泵浦功率需要增 加；
[0037] 2)當PaSeT-PaSeK〈-A時，則實際拉曼增益比理論拉曼增益要大，泵浦功率需要減 小；
[0038] 3)當|PaseT-PaSeK|彡Λ時，則認為實際拉曼增益與理論拉曼增益相符合，泵浦 功率保持不變。
[0039] 本發明還提出了實現上述自動增益控制方法的拉曼放大器，包括：泵浦信號合波 器、帶外ASE濾波器、分光耦合器、泵浦激光器、ASE功率監測器、信號功率監測器、控制單 元；
[0040] 傳輸光纖與泵浦信號合波器的公共端相連，泵浦激光器的輸出端與泵浦信號合波 器的反射端相連，泵浦信號合波器的透射端與帶外ASE濾波器的公共端相連，帶外ASE濾波 器將輸入光分成兩部分：反射端為帶外信號，透射端為帶內信號，帶外ASE濾波器的透射端 與分光耦合器的公共端相連，反射端與帶通濾波器的輸入端相連；帶通濾波器的輸出端與 ASE功率監測器相連；分光耦合器的輔分光端與信號功率監測器相連，另一端主分光端則 為RFA模塊的輸出端；控制單元根據ASE功率監測器、信號功率監測器的監測數據，調整泵 浦激光器的功率，使得RFA輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向于滿足公式（3)。
[0041] 本發明的優點在于：
[0042] 1.本方法使用靈活，帶內、帶外ASE均可用于拉曼增益控制，且與ASE提取方法無 關。
[0043] 2.本方法適用范圍寬，既可用于輸入光功率變化較小的拉曼放大器增益控制，也 可應用于輸入光功率變化范圍很大的拉曼放大器增益控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發明的RFA模塊光路結構示意圖。
[0045] 圖2為本發明的k、c系數一階擬合曲線圖。
[0046] 圖3為本發明的Ke、Ce系數一階擬合曲線圖。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0048] 不同拉曼增益下，信號輸出功率與拉曼放大器本身所產生的ASE之間存在著數學 關系式，該數學關系式與增益、輸入光大小相關。當RFA增益為G時，其產生的ASE功率與 輸出功率關系式如公式（1)所示：
[0049] PaseT (mw) = f (Pout) (1)
[0050] 通過實驗及模擬，該關系式可以簡化為一階線性關系式：
[0051] PaseT(mw) = KG*Pout+CG (2)
[0052] 上述公式中的功率單位為mw。功率單位為dBm時，公式（2)可轉換為：
[0053] PaseT = 10*log(KG*10(P〇ut/lcl)+CG) (3)
[0054] 公式（3)中，PaseT、Pout分別為RFA產生的ASE功率理論值及拉曼輸出功率，單 位dBm ;G為拉曼增益，單位dB ;Ke、Ce分別為該增益下的斜率、截距值。
[0055] 本發明的技術方案主要是，提取帶內或者帶外放大自發輻射ASE功率，調整泵浦 激光器的功率，使得拉曼光纖放大器RFA的輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向于滿足公 式（3)時，增益控制完成。
[0056] 帶內 ASE、帶外 ASE 的提取方法很多，CN102307068A、CN141261A、CN202513934U 等 專利中均有提及。本發明中的AGC方案，與ASE的提取方法無關，故本發明僅給出RFA帶外 ASE提取的普通示意圖，如圖1所示，其中：
[0057] 器件1 :傳輸光纖，
[0058] 器件2 :泵浦信號合波器，
[0059] 器件3 :帶外ASE濾波器，
[0060] 器件4:分光耦合器，
[0061] 器件5 :泵浦激光器，本文簡稱泵浦，
[0062] 器件6 :ASE功率監測器，
[0063] 器件7 :信號功率監測器，
[0064] 器件8 :控制單元，
[0065] 器件9:帶通濾波器；
[0066] 特別說明，器件3為帶外ASE濾波器，器件透射波長為所傳輸的信號波長，反射波 長范圍為信號外波長。器件9為帶通濾波器，主要作用是過濾泵浦光及其它非必要光（如 0SC波），減小串擾，其透射波長需要覆蓋所使用的帶外ASE波長范圍。
[0067] 如圖1所示，信號光經過傳輸光纖1進入到RFA模塊中。傳輸光纖1與泵浦信號 合波器2的公共端相連，泵浦激光器5的輸出端與泵浦信號合波器2的反射端相連，泵浦信 號合波器2的透射端與帶外ASE濾波器3的公共端相連，帶外ASE濾波器3將輸入光分成 兩部分：反射端為帶外信號，主要包括帶外ASE、串擾的信號光及泵浦光等；透射端為帶內 信號，主要包括信號光、帶內ASE等。帶外ASE濾波器3的透射端與分光耦合器4的公共端 相連，反射端與帶通濾波器9的輸入端相連，帶通濾波器9的輸出端與ASE功率監測器6相 連；分光耦合器4的輔分光端（即小分光端）與信號功率監測器7相連，另一端主分光端 (即大分光端）則為RFA模塊的輸出端。控制單元8根據ASE功率監測器6、信號功率監測 器7的監測數據，調整泵浦激光器5的功率，使得RFA輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向 于滿足公式（3)，即認為增益調節完成。
[0068] 傳輸系統中一般會存在多個放大器，這些放大器本身會產生ASE(本文稱之為 System Background ASE，系統背景 ASE)，System Background ASE 經過 RFA 同樣會被放大， 因此在計算PaseK時必須消除System Background ASE的影響才能得到正確的結果。
[0069] 各參數符號及定義如下：
[0070] PaseT :Pase (Theory)，根據公式（3)計算出來的ASE功率理論值，單位dBm ;
[0071] PaseR :Pase (Raman)，RFA 本身所產生 ASE 功率，單位 dBm ;
[0072] PaseD :Pase (Detect)，ASE功率監測器6探測到的功率，單位dBm ;
[0073] PaseB :Pase (System Background ASE)，系統背景 ASE 功率，單位 dBm ;
[0074] PaseBA :Pase (System Background Amplified ASE)，系統背景 ASE 經過 RFA 放大后 的功率，單位dBm ;
[0075] PoutD :Pout(Detect)，信號功率監測器7探測到的功率，單位dBm ;
[0076] i :PoutD 對 PaseD 的串擾，單位 dB。
[0077] 其中，i的校準方法為：泵浦關閉，接入光信噪比0SNR 3 45dB的信號光，讀取 PaseD、PoutD，采用公式⑷進行計算：
[0078] i = PoutD-PaseD (4)
[0079] 校準i時，接入信號光的OSNR越高，則校準結果就越準確。
[0080] PaseB的計算方法：泵浦關閉，接入信號光，讀取PaseD、P〇Ut D，采用公式（5)進行計 算：
[0081] PaseH = IΟ/og(l 〇''?) _ ⑶
[0082] PaseBA的計算方法，PaseBA與PaseB的關系如公式（6)所示：
[0083] PaseBA = PaseB+(G*k+c) (6)
[0084] 一般地，可認為帶內ASE增益與信號增益是相同的，即校正系數k = 1、c = 0 ;帶 外ASE增益與信號增益是不同的，需校準出k、c值，校準方法為：
[0085] A-l) RFA模塊接傳輸光纖1 (長度會50km)，無輸入信號光；
[0086] A-2)開啟泵浦，調節泵浦功率分別為Pi?Pn，ASE功率監測器6與信號功率監測 器7的探測功率（探測功率單位是dBm)分別P6i?P6 n、P7i?P7n，其中η會3 ;
[0087] A-3)P6i ?P6n、P7i ?Ρ7η*別以第一個值為基準，計算各自增益值，獲得一組信號 增益值和一組對應的帶外增益值，通過線性擬合，求解出k、c值；
[0088] 一組信號增益值為（P72-P7J……
[0089] -組對應的帶外增益值為（P62-P6J……（P6U-P6);
[0090] 線性擬合的效果如圖2所示，圖2中，k為0. 811，c為0. 426 ;R2表示擬合線性度。
[0091] 計算PaseK :設拉曼增益為G，PaseK的計算公式（7)為：
[0092] PaseR = 10*/og(l0(/>^/10)/10)) (7)
[0093] 公式（7)中的右邊三項分別為：ASE功率監測器6探測功率、輸出光串擾功率、系 統背景ASE放大后功率。
[0094] 根據當前RFA的輸出功率利用公式（3)計算出PaseT，比較Pase K、PaSeT，設判定窗 口為Λ，分為三種情況：
[0095] 1)當PaSeT-PaSeK>A時，則實際拉曼增益比理論拉曼增益要小，泵浦功率需要增 加；
[0096] 2)當PaseT-PaseK〈_A時，則實際拉曼增益比理論拉曼增益要大，泵浦功率需要減 小；
[0097] 3)當|PaseT-PaSeK|彡Λ時，則認為實際拉曼增益與理論拉曼增益相符合，泵浦 功率保持不變。
[0098] 公式⑶中的Ke、Ce校準方法：結合光譜分析儀（OSA :0ptical spectrum analyzer)，通過調節泵浦功率進行校準，步驟如下：
[0099] B-1). RFA模塊接傳輸光纖（長度3 50km)，關閉泵浦，輸入光功率調整為最大值， 讀取PaseD、PoutD，計算Pase B ;開啟泵浦并調節泵浦功率，直到0SA掃描的拉曼增益值等于 要求值Gi，讀取PaseD、Pout D，計算出PaseK ;
[0100] B-2).把輸入光功率調整為中間值及最小值，重復（B-1)步驟，分別計算出匕下不 同輸入光對應的PaseK ;
[0101] B-3) ·使用公式⑵對三組PoutD、PaseK進行線性擬合（注：PoutD、Pase K需轉換 成mw單位，PaseKR換公式（2)中的PaseT:)，求解出Gi下的值。
[0102] B-4) ·重復（B-l) (B-2) (B-3)步驟，分別求解出 G2 ?Gn 下的（KC2、CC2)?（KCn、Cj， 即完成KpQ；值的校準。
[0103] 某增益下的KpQ；值擬合曲線如圖3所示。
[0104] 把所有的校準參數保存到模塊中，包括（Kei、Cei)?（K en、CJ、i及k、c值，RFA增 益自動控制主要步驟如下：
[0105] 1. RFA模塊上電，此時RFA泵浦處于關閉狀態，讀取PaseD、PoutD，計算出Pase B并 保存到模塊中。
[0106] 2.根據開關泵閾值判定是否開泵。
[0107] 3.當控制進入到AGC閉環后，按照RFA模塊中的設定參數及校準參數進行控制。
[0108] 4.根據PaseD、PoutD的監測結果，計算出Pase K及PaseT，采用上文中的判定方法 進行泵浦調節，直至PaseK及Pase T的偏差滿足判定窗口。
[0109] 5.整個控制過程為動態跟蹤；一旦泵浦關閉，則需要更新PaseB并保存到模塊中。
[0110] 放大器中存在多個泵浦激光器時，通過調用不同條件下的泵浦功率比例校準參 數，可滿足不同情況下的自動增益控制。為提高控制精度，專利中的擬合方法可更改為多階 曲線擬合。
[0111] 本發明已經詳細地介紹了拉曼自動增益控制理論并給出了控制流程，本領域內的 技術人員應該能夠理解。在不背離本發明范圍內，其形式和細節上可以做出各種改變，這些 改變都將落在本發明的權利保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種拉曼光纖放大器自動增益控制方法，其特征在于： 提取帶內或者帶外的放大自發輻射ASE功率，調整泵浦激光器的功率，使得拉曼光纖 放大器RFA的輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向于滿足公式（3);
(3) PaseT、Pout分別為RFA產生的ASE功率理論值及拉曼輸出功率，單位dBm;G為拉曼增 益，單位dB而、Qj分別為該增益下的斜率、截距值。
2. 如權利要求1所述的拉曼光纖放大器自動增益控制方法，其特征在于： 該方法涉及的參數包括： PaseT :根據公式（3)計算出來的ASE功率理論值，單位dBm; PaseK :RFA本身所產生ASE功率，單位dBm; Pase11 :ASE功率監測器（6)探測到的功率，單位dBm; PaseB :系統背景ASE功率，單位dBm; PaseBA :系統背景ASE經過RFA放大后的功率，單位dBm; Pout11 :信號功率監測器（7)探測到的功率，單位dBm;i:PoutD對PaseD的串擾，單位dB; 該方法的具體步驟包括： 計算PoutD對PaseD的串擾i; 計算PaseB，泵浦關閉，接入信號光，讀取PaseD、PoutD，采用公式（5)進行計算：
(5) 計算PaseBA，PaseBA與PaseB的關系如公式（6)所示：
(6) G為拉曼增益，k、c為校正系數； 計算PaseK :設拉曼增益為G，PaseK的計算公式（7)為：
(7) 根據當前RFA的輸出功率利用公式（3)計算出PaseT，比較PaseK、PaSeT，設判定窗口為A，分為三種情況： 1) 當
時，則實際拉曼增益比理論拉曼增益要小，泵浦功率需要增加； 2) 當
時，則實際拉曼增益比理論拉曼增益要大，泵浦功率需要減小； 3) 當
時，則認為實際拉曼增益與理論拉曼增益相符合，泵浦功率 保持不變。
3. 如權利要求2所述的拉曼光纖放大器自動增益控制方法，其特征在于： i的校準方法為：泵浦關閉，接入信噪比OSNR蘭45dB的信號光，讀取PaseD、PoutD，采 用公式（4)進行計算：
⑷。
4. 如權利要求2所述的拉曼光纖放大器自動增益控制方法，其特征在于： 當提取的是帶內ASE功率時，公式（6)中k= 1、c= 0 ; 當提取的是帶外ASE功率時，公式（6)中k、c值需要校準獲得，校準的方法為： A-l)RFA模塊接傳輸光纖（I)，無輸入信號光； A-2)開啟泵浦，調節泵浦功率分別為P1?Pn，ASE功率監測器（6)與信號功率監測器 ⑵的探測功率分別Pei?P6n、PT1?P7n，其中n蘭3 ; A-3)Pei?P6n、P7i?P7n分別以第一個值為基準，計算各自增益值，獲得一組信號增益 值和一組對應的帶外增益值，通過線性擬合，求解出k、c值。
5. 如權利要求2所述的拉曼光纖放大器自動增益控制方法，其特征在于： 公式（3)中的KpQj校準方法：結合光譜分析儀OSA，通過調節泵浦功率進行校準，步驟 如下： B-l).RFA模塊接傳輸光纖，關閉泵浦，輸入光功率調整為最大值，讀取 PaseD、PoutD，計算PaseB ;開啟泵浦并調節泵浦功率，直到OSA掃描的拉曼增益值等于 要求值G1，讀取PaseD、PoutD，計算出PaseK ; B-2).把輸入光功率調整為中間值及最小值，重復（B-I)步驟，分別計算出G1下不同輸 入光對應的PaseK ; 8-3).使用公式（2)對三組？01^1)、？&86 1;進行線性擬合，？&861;代換公式（2)中的？&86 1， 求解出G1下的Kt^Cei值；
(2) B-4).重復（B-I)、（B-2)、（B-3)步驟，分別求解出G2 ?Gn 下的（K^Ce2)?（Ken、Cj， 即完成KpQ值的校準。
6. -種實現如權利要求1?5中任一項所述自動增益控制方法的拉曼光纖放大器，其 特征在于，包括 ： 泵浦信號合波器（2)、帶外ASE濾波器（3)、分光耦合器（4)、泵浦激光器（5)、ASE功率 監測器（6)、信號功率監測器（7)、控制單元（8); 傳輸光纖（1)與泵浦信號合波器（2)的公共端相連，泵浦激光器（5)的輸出端與泵浦 信號合波器（2)的反射端相連，泵浦信號合波器（2)的透射端與帶外ASE濾波器（3)的公 共端相連，帶外ASE濾波器（3)將輸入光分成兩部分：反射端為帶外信號，透射端為帶內信 號，帶外ASE濾波器（3)的透射端與分光耦合器（4)的公共端相連，反射端與帶通濾波器 (9)的輸入端相連；帶通濾波器（9)的輸出端與ASE功率監測器（6)相連；分光耦合器（4) 的輔分光端與信號功率監測器（7)相連，另一端主分光端則為RFA模塊的輸出端；控制單元 (8)根據ASE功率監測器（6)、信號功率監測器（7)的監測數據，調整泵浦激光器（5)的功 率，使得RFA輸出功率與RFA產生的ASE功率趨向于滿足公式（3)。
【文檔編號】H01S3/067GK104242036SQ201410536508
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】王雷 申請人:無錫市中興光電子技術有限公司