專利名稱：喇曼摻鉺光纖放大器的增益譜均衡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種喇曼摻鉺光纖放大器技術(shù)，特別是使喇曼摻鉺光纖放大器的增益譜均衡的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，均已采用光放大器作為中繼單元，對經(jīng)光纖傳輸后衰減的信號進行放大，使信號向下一級傳輸。受光放大器自身的噪聲特性影響，信號經(jīng)過每級光放大后，其信噪比均會有一定程度的劣化，考慮到接收端信噪比的要求，當(dāng)信噪比劣化到一定程度時，需要加電中繼，進行信號再生。
傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)中繼單元由摻鉺光纖放大器(EDFA)組成，低功率的信號光直接進入EDFA進行放大，再向下一級傳送。這種結(jié)構(gòu)的缺點在于EDFA引入的噪聲過大，信噪比的劣化比較快，限制了級聯(lián)數(shù)目的增加，從而限制了無電中繼的距離。
由放大器級聯(lián)理論可知，第一級放大器的噪聲特性對整個放大單元的噪聲特性影響最大，如果信號先由低噪聲的放大器放大，將決定整個放大單元噪聲特性優(yōu)于單純用EDFA做中繼。
喇曼(RAMAN)光纖放大器因其具有低噪聲特性被認(rèn)為是實現(xiàn)無電中繼長距離傳輸?shù)幕A(chǔ)。隨著RAMAN光纖放大器的逐漸成熟，光通信系統(tǒng)邁入了新的階段。RAMAN光纖放大器是利用光纖中受激喇曼散射(SRS)效應(yīng)工作的。RAMAN光纖放大器的主要特點是可做成連續(xù)放大器，在普通通信光纖中連續(xù)放大；性能穩(wěn)定，具有雙向性，對反射光不敏感；增益范圍可以連續(xù)選擇，如果泵浦光波長合適，則RAMAN光纖放大器可對任何波長的光進行放大。因為RAMAN光纖放大器對信號提供的增益通常為十幾個dB，不能提供足夠的增益，也就是說僅靠RAMAN光纖放大器自身來完成一個光信號的中繼是不現(xiàn)實的，所以綜合性能成本，在實際系統(tǒng)中采用喇曼、摻鉺光纖混合結(jié)構(gòu)光纖放大器來實現(xiàn)信號的中繼。圖1為當(dāng)前RAMAN+EDFA放大器作為中繼單元的一般結(jié)構(gòu)，該中繼單元由RAMAN光纖放大器101、可調(diào)衰減器(VOA)102和EDFA 103組成，其中VOA103用于調(diào)節(jié)增益譜均衡。實驗證明，這種結(jié)構(gòu)的放大器的噪聲特性遠遠優(yōu)于相同規(guī)格的單純EDFA，從而增加了級聯(lián)數(shù)目，大大擴展了無電中繼的距離。
在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中，要求光放大器對各信道的增益保持基本一致，也就是說要增益均衡或增益平坦。眾所周知由于摻鉺光纖本身的特性，EDFA的增益譜是不平坦的，需要加入增益平坦濾波器(GFF)進行均衡。圖2為未加GFF的EDFA典型增益譜。為了使其增益譜較為平坦，必須添加一個與之匹配的GFF，則該GFF的插損譜如圖3所示。
當(dāng)采用RAMAN+EDFA放大器結(jié)構(gòu)時，RAMAN光纖放大器也將引入增益譜的不平坦。針對這種結(jié)構(gòu)目前主要采用兩種解決方法一種是RAMAN光纖放大器和EDFA分別加GFF進行平坦，其優(yōu)點是模塊靈活組合的能力強，但增加了GFF個數(shù)，引入更多的附加損耗，降低了性能，同時又增加了成本。因此通常選擇另一種方法，該方法雖然也是將RAMAN光纖放大器和EDFA分別進行設(shè)計，但將兩種放大器的增益譜合起來進行平坦，在這種方法里一般GFF放在EDFA中。如圖4所示為根據(jù)該方法設(shè)計的用于兩波長泵浦RAMAN光纖放大器+EDFA放大器結(jié)構(gòu)的GFF的插損譜。但這種模塊設(shè)計中的缺陷是，還是將RAMAN光纖放大器的增益譜和EDFA的增益譜孤立起來，分別考慮，造成的結(jié)果是，RAMAN光纖放大器和EDFA的增益譜疊加起來變得更陡峭。由圖3和圖4比較可知，GFF的深度增加了2dB左右。對于GFF制造者而言，越深、越陡的曲線，設(shè)計的難度就越大，生產(chǎn)和監(jiān)控都更困難，從而成本就越高，產(chǎn)品特性如誤差函數(shù)、附加損耗等就越差；而對于GFF使用者而言，GFF可替代性差，價格高，性能降低。特別地，即使GFF性能不變，由于放大器固有的插入損耗的增加，也導(dǎo)致了功率的浪費，以及噪聲特性的劣化。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種使RAMAN+EDFA放大器的增益譜均衡的方法，能夠使RAMAN+EDFA放大器的增益譜線更加平坦，以減小GFF的深度，提高GFF的可生產(chǎn)性，從而降低放大器的內(nèi)部插損、噪聲、功率損耗，及其成本。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種使喇曼摻鉺光纖放大器的增益譜均衡的方法，應(yīng)用于含有至少兩個以上不同波長泵浦的喇曼光纖放大器，包括以下步驟a.將摻鉺光纖放大器的增益譜線翻轉(zhuǎn)，等比例平移到喇曼光纖放大器增益譜線所在的位置范圍，并設(shè)定該平移后的增益譜線為目標(biāo)曲線；b.根據(jù)目標(biāo)曲線、精度要求以及成本確定喇曼光纖放大器的泵浦?jǐn)?shù)目以及每個泵浦的波長，其中，精度要求是將輸出增益譜的平坦度控制在固定增益范圍內(nèi)；c.根據(jù)目標(biāo)曲線、精度要求以及步驟b得到的泵浦?jǐn)?shù)目確定每個泵浦的波長和功率值；d.調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器中的泵浦?jǐn)?shù)目為步驟b所確定的泵浦?jǐn)?shù)目，調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器中每個泵浦的波長和功率為步驟c所確定的波長和功率值。
該方法步驟b所述的精度要求是將輸出增益譜的平坦度控制在固定范圍內(nèi)。
步驟c中喇曼光纖放大器每個泵浦的波長和泵浦功率的確定是通過單純形算法與共軛方向算法相結(jié)合的工程優(yōu)化的方法實現(xiàn)。其中，單純形算法與共軛方向算法結(jié)合進一步包括；
c1.以每個泵浦的波長和功率值分別作為優(yōu)化變量，構(gòu)造一個單純形，采用單純形算法對其進行優(yōu)化；c2.對步驟c1優(yōu)化后得到的含有優(yōu)化變量的頂點采用共軛方向算法進一步優(yōu)化，直到對優(yōu)化變量通過仿真算法得到的性能曲線與目標(biāo)曲線接近到滿足精度要求。
步驟c1進一步包括將至少兩倍于優(yōu)化變量的值作為優(yōu)化變量數(shù)目，構(gòu)造一個單純形。
步驟c2中所述性能曲線與目標(biāo)曲線接近到滿足精度要求是所得性能曲線相對目標(biāo)曲線的誤差平方和小到精度允許的范圍。
由于本發(fā)明綜合地考慮了RAMAN光纖放大器和EDFA的增益譜，并通過調(diào)節(jié)RAMAN光纖放大器的增益譜使之與EDFA互補，GFF的深度大大減小了。對GFF的生產(chǎn)者來說，可生產(chǎn)性好，性能提高，成本下降。對GFF的使用者來說，放大器模塊的內(nèi)部插損減小，功率浪費少，噪聲性能好，同時放大帶寬增加，成本也有所下降。


圖1為RAMAN+EDFA結(jié)構(gòu)的光中繼單元示意圖；圖2為EDFA的增益譜曲線；圖3為用于EDFA的典型GFF插損譜；圖4為一個用于RAMAN+EDFA的GFF插損譜；圖5為RAMAN增益因子分布圖；圖6為單泵浦的RAMAN光纖放大器增益譜；圖7為兩泵浦的RAMAN光纖放大器增益譜；圖8為本發(fā)明方法實施例的流程圖；圖9為實施例中通過本發(fā)明方法優(yōu)化后的RAMAN光纖放大器增益譜；圖10為實施例中根據(jù)本發(fā)明方法優(yōu)化后增益譜設(shè)計的GFF與原來的GFF的插損譜比較。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明再作進一步詳細說明。
對于RAMAN光纖放大器而言，單一波長的泵浦光只能對大約40nm的有限波長范圍內(nèi)的信號光進行有效的放大，信號光與泵浦光的頻率差為13THz，相對國際電聯(lián)(ITU-T)的標(biāo)準(zhǔn)波長而言，即波長相隔100nm左右的地方實現(xiàn)最大的增益。圖5表示了RAMAN增益因子的分布情況，縱坐標(biāo)是增益因子，其與增益量成正比，橫坐標(biāo)是泵浦光與信號光之間的頻率差。
對RAMAN光纖放大器選擇特定波長的泵浦光，將對特定波段的信號光進行放大。圖6表示了泵浦波長為1450nm的單泵浦RAMAN光纖放大器的增益譜，從圖中可以看出，其最大增益(Max Gain)為12.82dB，最小增益(Min Gain)3.923dB，其增益平坦度(Flatness)為8.896dB。
為了實現(xiàn)整個傳輸帶寬內(nèi)較均衡的增益，必須使用多個波長的泵浦光。比如C BAND，即1427～1461nm帶至少兩個泵浦，在C+L BAND，即1427～1605nm帶至少3個泵浦。通過合理選擇泵浦波長，調(diào)整不同波長的泵浦功率，可以調(diào)節(jié)不同波長的信號光的增益，這就是增益譜可調(diào)的原因，也是RAMAN光纖放大器固有的優(yōu)點。圖7是雙泵浦波長RAMAN光纖放大器增益譜的一個典型例子。從圖中可以看出，其最大增益為10.95dB，最小增益8.982dB，增益譜的平坦度達到了1.975dB，較之圖6中的一個泵浦的增益譜曲線已有明顯的增加。
單從RAMAN光纖放大器角度看，這個增益譜是可以接受的。但是一旦和EDFA級聯(lián)起來，會發(fā)現(xiàn)總的增益譜變得更加陡峭，從而所用的GFF深度增加，圖4的GFF就是一個例子。這是由于設(shè)計RAMAN光纖放大器的時候，沒有綜合考慮整體效果，將RAMAN光纖放大器和EDFA隔離起來考慮的結(jié)果。在設(shè)計RAMAN光纖放大器時，應(yīng)該對增益譜進行充分的考慮，使它能夠盡量地和EDFA進行互補。也就是說，在設(shè)計RAMAN光纖放大器時，對各個泵浦的波長和功率的選擇不能只考慮RAMAN光纖放大器自身的增益特性，而是要將與之串聯(lián)的EDFA也考慮進去。簡單地說，就是在EDFA增益大的波段RAMAN增益小，EDFA增益小的波段RAMAN增益大。
以在C BAND下為例，參見圖8所示流程圖，對本發(fā)明方法的步驟做具體說明。
步驟801，將EDFA的增益譜進行翻轉(zhuǎn)，并按比例向下平移到RAMAN光纖放大器的增益譜線所在范圍，得到一條目標(biāo)增益譜曲線。
步驟802，根據(jù)目標(biāo)曲線的形狀、精度要求以及成本確定RAMAN光纖放大器的泵浦?jǐn)?shù)目。考慮到該波長范圍內(nèi)目標(biāo)曲線有兩個峰值，因此至少應(yīng)選擇兩個不同波長的泵浦；又考慮到放大后的輸出光還要通過GFF繼續(xù)平坦，不需要很高的精度，只要將RAMAN+EDFA放大器的輸出譜平坦度控制在4dB以內(nèi)就可以了，并考慮到盡量節(jié)省成本，因此采用兩個不同波長的泵浦就足夠了。
步驟803，采用工程優(yōu)化的辦法，確定RAMAN光纖放大器兩泵浦的波長和功率值，以使RAMAN光纖放大器的增益譜與目標(biāo)增益譜盡量接近。
這里喇曼光纖放大器每個泵浦波長和泵浦功率的確定，是采用單純形(Simplex)算法與共軛方向(Powell)算法相結(jié)合的工程優(yōu)化的方法，首先采用Simplex算法進行初步優(yōu)化。對于k個優(yōu)化變量的單純形法，經(jīng)典做法是在k維空間中，以k個優(yōu)化變量作為其中一個頂點，此頂點的坐標(biāo)即為各優(yōu)化變量的初始值，然后再另外隨機或者人為構(gòu)造k個頂點，這樣共構(gòu)造k+1個頂點的單純形。目的是使單純形在這k維空間“張開”，比如二維空間中三角形，三維空間中四面體是最基本的單純形。但是容易發(fā)生“低維流形”，比如三角形三個點接近直線，這個單純形就降為一維的了。因此為了避免上述情況的發(fā)生，本發(fā)明采用2k個頂點構(gòu)造單純形，比如二維空間的矩形，三維空間的多面體。這樣大大降低了降維的可能性。在本實施例中假設(shè)有n個泵浦，由于每個泵浦有波長和功率兩個變量，則總的優(yōu)化變量就有2n個，由上可知，對于2n個優(yōu)化變量，本發(fā)明的單純形頂點數(shù)取為4n而不是2n+1，這樣既不會增加計算量，同時也保證了足夠的頂點數(shù)。然后用Simplex算法進行優(yōu)化，得到一個較為合適的優(yōu)化點。這是由于Simplex算法具有全局性好、速度快的特點，但它的結(jié)果較為粗糙，不夠精確。于是再采用Powell算法對Simplex算法中得到的優(yōu)化點進行進一步優(yōu)化。直到這2n個優(yōu)化變量通過仿真算法得到的性能曲線與目標(biāo)曲線接近到滿足精度要求，即誤差平方和小到精度要求允許的范圍為止。
步驟804，調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器中的泵浦?jǐn)?shù)目為步驟802所確定的泵浦?jǐn)?shù)目，調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器中每個泵浦的波長和功率為步驟803所確定的波長和功率值。
如圖9所示為本實施例中優(yōu)化后的RAMAN光纖放大器增益譜曲線與翻轉(zhuǎn)的EDFA增益譜即目標(biāo)增益譜曲線的比較。圖9可以看出，優(yōu)化后的RAMAN光纖放大器增益譜曲線901與目標(biāo)曲線902已十分接近。RAMAN增益譜曲線901在保證增益絕對量的同時，應(yīng)盡量與目標(biāo)曲線902達成一致。由圖中看出，RAMAN光纖放大器的最大增益11.00dB，最小增益8.829dB，有效增益約為10dB，平坦度約為2.17dB，疊加EDFA增益譜以后，平坦度達到3.772dB。
之后，再根據(jù)優(yōu)化后的RAMAN光纖放大器增益譜與EDFA增益譜的疊加曲線，設(shè)計所需GFF的插損曲線。
圖10顯示了新老GFF的插損譜比較。新GFF插損曲線1001的深度為3.8dB，老GFF插損曲線1002，即圖4中的根據(jù)未優(yōu)化的RAMAN光纖放大器與EDFA的增益譜相疊加而設(shè)計的GFF插損曲線，它的深度為7.2dB。不難看出，新設(shè)計方案產(chǎn)生的GFF大大優(yōu)于原先的GFF。
當(dāng)然，如果采用更多的泵浦其增益譜曲線與目標(biāo)曲線匹配效果會更好，這樣就可以根據(jù)不同的需要來選擇RAMAN光纖放大器泵浦的數(shù)目和泵浦波長，更好的實現(xiàn)RAMAN+EDFA結(jié)構(gòu)的放大器的增益均衡。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種使喇曼摻鉺光纖放大器增益譜均衡的方法，應(yīng)用于含有至少兩個以上不同波長泵浦的喇曼光纖放大器，其特征在于包括以下步驟a.將摻鉺光纖放大器的增益譜線翻轉(zhuǎn)，等比例平移到喇曼光纖放大器增益譜線所在的位置范圍，并設(shè)定該平移后的增益譜線為目標(biāo)曲線；b.根據(jù)目標(biāo)曲線、精度要求以及成本確定喇曼光纖放大器的泵浦?jǐn)?shù)目；c.根據(jù)目標(biāo)曲線、精度要求以及步驟b得到的泵浦?jǐn)?shù)目確定每個泵浦的波長和功率值；d.調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器中的泵浦?jǐn)?shù)目為步驟b所確定的泵浦?jǐn)?shù)目，調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器中每個泵浦的波長和功率為步驟c所確定的波長和功率值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c中喇曼光纖放大器每個泵浦波長和泵浦功率的確定是通過單純形算法與共軛方向算法相結(jié)合的工程優(yōu)化方法實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟b所述的精度要求是將輸出增益譜的平坦度控制在固定范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的單純形算法與共軛方向算法進一步包括c1.以每個泵浦的波長和功率值分別作為優(yōu)化變量，構(gòu)造一個單純形，采用單純形算法對其進行優(yōu)化；c2.對步驟c1優(yōu)化后得到的含有優(yōu)化變量的頂點采用共軛方向算法進一步優(yōu)化，直到對優(yōu)化變量通過仿真算法得到的性能曲線與目標(biāo)曲線接近到滿足精度要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟c1進一步包括將至少兩倍于優(yōu)化變量的值作為優(yōu)化變量數(shù)目，構(gòu)造一個單純形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟c2中所述性能曲線與目標(biāo)曲線接近到滿足精度要求是所得性能曲線相對目標(biāo)曲線的誤差平方和小到精度允許的范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使喇曼摻鉺光纖放大器增益譜均衡的方法，應(yīng)用于含有至少兩個以上不同波長泵浦的喇曼光纖放大器，包括以下步驟a.將摻鉺光纖放大器增益譜線翻轉(zhuǎn)，等比例平移到與喇曼光纖放大器增益譜線的所在位置范圍，并設(shè)定該平移后的增益譜線為目標(biāo)曲線；b.根據(jù)目標(biāo)曲線、精度要求以及成本確定喇曼光纖放大器的泵浦?jǐn)?shù)目；c.根據(jù)目標(biāo)曲線、精度要求以及步驟b得到的泵浦?jǐn)?shù)目確定每個泵浦的波長和功率值；d.根據(jù)步驟b和步驟c的結(jié)果調(diào)節(jié)喇曼光纖放大器。通過本發(fā)明方法能夠使喇曼摻鉺光纖放大器的增益譜線更加平坦，以減小GFF的深度，提高GFF的可生產(chǎn)性，從而降低放大器的內(nèi)部插損、噪聲、功率損耗，及其成本。
文檔編號G02F1/39GK1490659SQ0213144
公開日2004年4月21日 申請日期2002年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月14日
發(fā)明者林東, 林 東 申請人:華為技術(shù)有限公司