拉曼光纖放大器傳輸光纖接頭損耗的探測方法與流程
本發明涉及一種拉曼光纖放大器(RFA:Raman Fiber Amplifier)，尤其是一種拉曼光纖放大器傳輸光纖接頭損耗的探測方法。
背景技術：
RFA是基于受激拉曼散射機制設計的，由于噪聲指數低，與摻鉺光纖放大器配合使用時，可顯著提高光信噪比，減小誤碼率，增大傳輸距離，目前RFA廣泛應用于長距離光通訊傳輸系統中。傳統RFA一般通過定標目標增益與泵總功率之間的數學關系完成增益控制。
在RFA的工程應用中，由于環境潔凈度不夠，放大器的輸出端面很容易污染或者損壞,導致RFA與傳輸光纖的連接損耗變大。同類傳輸光纖中，因為制作工藝、批次等原因，各光纖的衰減系數等不可能完全相同；其次長時間應用引起的老化、環境因素的變化等，也會導致光纖性能發生變化。與出廠測試用標準光纖相比，我們將這些可變因素導致的光纖損耗(包括連接頭損耗)統稱為接頭損耗。接頭損耗會影響拉曼光纖放大器的性能，因此有必要及時了解這種損耗進而采用相應的解決措施。
專利CN102749783中闡述了通過帶外自發輻射放大光功率計算接頭損耗的方法。專利CN105258920(正在公開)中的采用的方法同樣是基于帶外自發輻射放大光功率。上述方法均需要對RFA光路設計進行更改優化，通過增加光器件提取帶外自發輻射放大光功率，進而進行增益控制及接頭損耗計算，目前這種增益控制方式技術并不成熟，在實際使用環境中受限因素太多，比如兩篇專利中均沒有提及對傳輸系統背景噪聲的處理，當系統背景噪聲比例較大時，會導致增益控制異常、接頭損耗計算錯誤。
技術實現要素：
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傳輸光纖接頭損耗的探測方法，通過接頭損耗數據可以得知實際傳輸光纖性能及相對于標準傳輸光纖的性能變化。本發明采用的技術方案是：
一種拉曼光纖放大器傳輸光纖接頭損耗的探測方法，包括：
將RFA的開關增益表示為：
Gon/off＝K*Pp+C (3)
Gon/off為RFA的開關增益，單位為dB；K、C為校準系數；PP定義為入纖泵浦總功率,單位為mw；
定標K、C值：采用標準傳輸光纖，輸入光功率設定為拉曼線性區域內的典型值，入纖泵浦總功率分別設置為PP1、PP2…PPn，掃描出對應的開關增益Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn，對數組{Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn；PP1、PP2…PPn}進行線性擬合，得到公式(3)中的K、C值；其中n≧2；
實際使用中，讀取實際入纖拉曼泵浦總功率Pp(actual)，通過開關泵時的輸出功率監測器的監測值計算實際開關增益Gon/off(actual)：
式(4)中，Pout(pump_on)表示開泵時的RFA輸出功率；Pout(pump_off)表示關泵時的RFA輸出功率；ASE為RFA產生的自發輻射放大功率；
根據公式(3)計算出Pp(actual)所對應的理論開關增益Gon/off(theory)，
Gon/off(theory)＝K*Pp(actual)+C (301)
定義接頭損耗Loss1，接頭損耗Loss1計算公式為：
Loss1＝Gon/off(theory)-Gon/off(actual) (5)
由公式(3)可知，當引入接頭損耗時，RFA的開關增益與入纖泵浦功率仍是線性關系，只是校準系數不同；因此公式(4)可以表達為：
Gon/off(actual)＝K’*Pp(actual)+C’ (6)
其中，K’、C’為實際傳輸系統所對應的校準系數；
根據公式(301)、(5)、(6)，Loss1為：
Loss1＝Pp(actual)*(K-K’)+(C-C’) (7)
接頭損耗Loss1用于表明實際傳輸光纖性能變化。
進一步地，本發明還定義了接頭損耗Loss2，Loss2計算公式為：
把公式(4)計算得到的實際開關增益Gon/off(actual)代入公式(3)，計算出來Gon/off(actual)所對應的理論入纖泵浦總功率Pp(theory)；即：
Pp(theory)＝[Gon/off(actual)-C]/K (302)
根據公式(302)、(6)、(8)，Loss2為：
由于C及C<<Gon/off(actual)，公式(9)簡化為：
接頭損耗Loss2也可用于表明實際傳輸光纖性能變化。
本發明的優點在于：
1)與傳統RFA光學設計完全相同，外部因素影響可忽略，無需要增加任何光學器件，成本不會增加。
2)可通過固件代碼升級及相關定標完成接頭損耗的探測計算，實現方法簡單。
附圖說明
圖1為RFA光路示意圖。
圖2為本發明的K、C擬合示意圖。
圖3為本發明的Loss1、Loss2仿真計算示意圖。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
傳統FRA設計示意圖如圖1所示，包括WDM(信號泵浦耦合器)、分光器、輸出監測器、泵浦激光器(組)、泵浦監測器。RFA的常規光路結構是本專業領域內的最為常見的光學結構之一，本專業內的人員均熟悉了解，故不再詳細介紹。
對于某一泵浦波長，RFA的小信號開關增益可由公式(1)表示：
其中，gR為光纖拉曼增益系數；Aeff為光纖有效面積；Pp為入纖泵浦功率；k為偏振因子；Leff為光纖有效長度，定義為Leff＝1-exp(-αpL)/αp；αp為泵浦光在光纖中的衰減系數；L為光纖長度，小信號是指信號功率小到不會影響泵浦功率在光纖中的分布；公式(1)是RFA開關增益的經典理論公式。
公式(1)兩邊同時取對數：
公式(2)表明，拉曼開關增益與入纖泵浦功率為過原點的線性關系；在實際RFA中，由于各種因素的影響，該線性函數會稍有偏差，公式(2)可修正為：
Gon/off＝K*Pp+C (3)
公式(3)中，Gon/off為RFA的開關增益，單位為dB；K、C為校準系數，針對不同的光纖，K、C值不同，需要定標校準出來；PP為入纖泵浦功率，由于RFA中一般采用泵浦激光器組，故PP統一定義為入纖泵浦總功率，單位mw。下文中若無特別說明，參數定義及單位均參考公式(3)。圖2給出一個實際RFA模塊中的K、C值線性擬合結果。
具體校準過程及接頭損耗計算方法如下：
定標K、C值：采用標準傳輸光纖，光纖長度一般取50～100km，輸入光功率設定為拉曼線性區域內的典型值，入纖泵浦總功率分別設置為PP1、PP2…PPn，通過光譜分析儀掃描出對應的拉曼開關增益Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn，對數組{Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn；PP1、PP2…PPn}進行線性擬合，得到公式(3)中的K、C值；其中n≧2，一般n＝4即可。圖2給出了K、C擬合案例，其中R2表示擬合曲線的線性度。如果RFA使用的傳輸光纖種類不同，則需要校準不同種類光纖對應的K、C值。
實際使用中，待RFA控制穩定后，讀取并記錄實際入纖拉曼泵浦總功率Pp(actual)，通過開關泵時的輸出功率監測器的監測值計算實際開關增益Gon/off(actual)：
式中，Pout(pump_on)表示開泵時的RFA輸出功率，單位mw；Pout(pump_off)表示關泵時的RFA輸出功率，單位mw；ASE為RFA產生的自發輻射放大功率(噪聲功率)，單位mw，需要定標校準，ASE校準方法為本專業內人員所熟悉，此外不再贅述。開泵與關泵分別指泵浦激光器(組)開啟、關閉；
根據公式(3)計算出Pp(actual)所對應的理論開關增益Gon/off(theory)，
Gon/off(theory)＝K*Pp(actual)+C (301)
接頭損耗Loss1定義：與出廠測試用標準光纖相比，實際傳輸光纖受各種因素影響引起的損耗變化，包括連接頭損耗，統稱為接頭損耗；接頭損耗Loss1計算公式為：
Loss1＝Gon/off(theory)-Gon/off(actual) (5)
由公式(3)可知，當引入接頭損耗時，RFA的開關增益與入纖泵浦功率仍是線性關系，只是校準系數不同；因此公式(4)可以表達為：
Gon/off(actual)＝K’*Pp(actual)+C’ (6)
其中，K’、C’為實際傳輸系統所對應的校準系數；
根據公式(301)、(5)、(6)，Loss1為：
Loss1＝Pp(actual)*(K-K’)+(C-C’) (7)
公式(7)中，(K-K’)及(C-C’)為固定值，其中(C-C’)近似為0；通過公式(7)可以得知，Loss1會隨著實際入纖泵浦總功率Pp(actual)的變化而變化，故公式(5)用于判定實際傳輸光纖性能變化時，其整體趨勢是正確的，但細節方面會有偏差(特別當實際入纖泵浦總功率Pp(actual)比較大時)。
Loss1可反映當實際入纖泵浦總功率Pp(actual)一定時，實際使用的傳輸光纖，相較于出廠時的標準傳輸光纖，引起開關增益的變化；
引入Loss2，與Loss1定義相同，均定義為接頭損耗，但計算公式與Loss1不同；Loss2計算公式為：
其中Pp(theory)的計算方法為：把公式(4)計算得到的實際開關增益Gon/off(actual)代入公式(3)，計算出來Gon/off(actual)所對應的理論入纖泵浦總功率Pp(theory)；即：
Pp(theory)＝[Gon/off(actual)-C]/K (302)
根據公式(302)、(6)、(8)，Loss2為：
由于C及C’<<Gon/off(actual)，公式(9)簡化為：
由公式(10)可知，當C及C’<<Gon/off(actual)時，根據公式(8)計算出來的Loss2理論上為一個固定值。比較公式(7)及公式(10)可知loss1與Loss2具有相同的正負性。
Loss2可反映當開關增益一定，實際使用的傳輸光纖，相較于出廠時的標準傳輸光纖，引起入纖泵浦總功率的變化；
在一個RFA仿真模型中，其中標準光纖長度為80km，衰減系數為0.2dB/km。當光纖衰減系數為0.22dB/km，其條件完全保持不變時，由仿真結果計算出來的Loss1及Loss2如圖3所示。
根據公式(301)、公式(4)、公式(5)計算出Loss1；根據公式(302)、公式(4)、公式(8)計算出Loss2。與出廠測試使用的標準傳輸光纖相比，根據Loss1及Loss2的計算結果，可得到實際傳輸光纖的性能變化：：
1)若Loss1≦0、Loss2≦0，表明實際傳輸光纖性能優于出廠測試使用的標準傳輸光纖，此時RFA可滿足實際應用。
2)若Loss1>0、Loss2>0，表明實際傳輸光纖性能劣于出廠測試使用的標準傳輸光纖。常規的RFA在設計上一般留有0.5～0.8dB左右的余量(入纖泵浦總功率有10％～20％左右的余量)，特別地當loss2>1dB時，需要對傳輸光纖質量及接頭質量進行檢查，否則RFA可能無法滿足實際系統應用，甚至造成RFA及傳輸系統損傷。
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