專利名稱：光纖拉曼放大器功率和增益譜的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
光纖拉曼放大器(FRA)功率和增益譜的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控方法屬于高速寬帶光纖通信與光放大器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及使用FRA的波分復(fù)用(WDM)光纖通信網(wǎng)絡(luò)中信道增益譜和功率譜的動(dòng)態(tài)均衡。
FRA的工作原理與EDFA完全不同，它是利用高功率激光泵浦傳輸光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)-受激拉曼散射(SRS)-將光信號(hào)直接放大。比如，將14××nm波段的泵浦光注入常規(guī)石英傳輸光纖，即可在15××nm波段獲得光增益。


圖1給出一個(gè)反向泵浦的分布式FRA光路結(jié)構(gòu)。采用波長分別為1425、1433、1463和1493nm的4支激光二極管(LD)作泵浦源，通過多波長合波器(MWB)合成一束，經(jīng)分光耦合器(199DC11)的111-114端直通，再經(jīng)波分復(fù)用耦合器(WDM)的121-123端耦合注入到100km傳輸光纖(SMF)，激發(fā)光纖中的SRS，15××nm波段的信號(hào)光從傳輸光纖的F1端輸入，并在傳播途中獲得分布拉曼放大，放大的信號(hào)光經(jīng)WDM12的123-122端直通從F2端輸出，由光譜儀(OSA12)監(jiān)測(cè)信號(hào)光輸出功率譜。從199DC11的113端引出1％的泵浦光，由光譜儀(OSA11)監(jiān)測(cè)泵浦光輸出功率譜。
與EDFA相比，F(xiàn)RA具有以下重要特點(diǎn)1、FRA的工作波段決定于泵浦波長，用適當(dāng)波長的泵浦光可在光纖的整個(gè)傳輸帶寬范圍(1292-1660nm)內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶光放大，易于擴(kuò)展新的通信波段。
2、FRA具有較寬的增益譜，單個(gè)波長泵浦的本征拉曼增益譜平坦范圍約20nm，采用適當(dāng)功率配比的多個(gè)波長泵浦可將增益譜進(jìn)一步展寬。
3、FRA是一種伴隨泵浦光沿光纖產(chǎn)生增益的分布放大器，具有很好的噪聲特性，有助于增加段間距、延長傳輸鏈路以及便于舊系統(tǒng)的容量升級(jí)。
現(xiàn)今的WDM光通信系統(tǒng)的典型傳輸帶寬為32nm(C波段)或80nm(C+L波段)。對(duì)于系統(tǒng)中使用的FRA，不僅要求它的增益譜在整個(gè)傳輸帶寬范圍內(nèi)起伏盡可能小，還要求具有對(duì)增益譜進(jìn)行在線調(diào)整、特別是動(dòng)態(tài)調(diào)控的功能。例如在WDM光通信網(wǎng)絡(luò)的工程實(shí)施中，需要調(diào)整光放大器因設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用條件的差異而造成的增益譜偏離；在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)放大器的信道數(shù)可能隨信道的上/下或網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)而增減，信道功率也可能因路由路徑的不同而漲落，都將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)光放大器增益譜或輸出功率譜的動(dòng)態(tài)畸變；另外，當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)或傳輸線路維護(hù)時(shí)，信道數(shù)目和功率的變化也會(huì)造成增益譜的改變。因此，光放大器增益譜或輸出功率譜的在線調(diào)整、特別是動(dòng)態(tài)調(diào)控是WDM光傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
目前，多波長泵浦FRA功率和增益譜調(diào)整技術(shù)有兩類1、系統(tǒng)信道功率譜集總均衡在傳輸系統(tǒng)中適當(dāng)安插損耗譜形可調(diào)的寬帶光學(xué)濾波器(稱為動(dòng)態(tài)增益均衡器(DGE)，如級(jí)聯(lián)光纖聲光濾波器，級(jí)聯(lián)液晶F-P濾波器等)，對(duì)多級(jí)級(jí)聯(lián)放大后畸變的信道功率譜進(jìn)行整形，使各信道功率保持均衡。目前，DGE已在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中常用。然而，DGE會(huì)引入大的插入損耗(～10dB)，不僅影響傳輸系統(tǒng)的噪聲特性，且價(jià)格昂貴，還必須配置光放大器以補(bǔ)償其附加損耗。因此，DGE一般用于長距離傳輸系統(tǒng)或環(huán)路傳輸實(shí)驗(yàn)中，對(duì)多個(gè)光節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行調(diào)控，不便隨FRA逐個(gè)模塊安裝。
2、FRA信道增益譜自動(dòng)均衡在FRA中監(jiān)測(cè)某幾個(gè)信道的功率或放大的自發(fā)拉曼散射(ASRS)輸出光譜，用監(jiān)測(cè)到的信道光功率或ASRS譜變化量反饋控制泵浦光功率，對(duì)多波長泵浦的增益譜形進(jìn)行調(diào)整。然而，因監(jiān)測(cè)量由多個(gè)泵浦光功率共同決定，反饋方法的收斂性難以確定；另外，通過反饋控制的增益譜調(diào)整速度受到限制，難以用于要求高速調(diào)控的系統(tǒng)。因此，雖然這種技術(shù)在摻鉺光纖放大器(EDFA)產(chǎn)品中已廣泛使用，但用到多個(gè)波長泵浦的FRA中卻遇到很大的困難。
光放大器增益譜在線調(diào)整的物理實(shí)質(zhì)是通過調(diào)整泵浦光功率使其在動(dòng)態(tài)運(yùn)行中的視在增益譜恒定在設(shè)定的標(biāo)的增益譜水平。這對(duì)于常規(guī)EDFA來說相對(duì)比較容易，因?yàn)镋DFA的增益譜完全由摻鉺光纖的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)度決定，只要確定標(biāo)的增益譜對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)度，根據(jù)視在增益譜的變化適當(dāng)調(diào)整泵浦光功率，控制粒子數(shù)反轉(zhuǎn)度不變即可保持增益譜的恒定。然而，F(xiàn)RA增益譜的成型機(jī)制與EDFA根本不同第一、FRA并不存在“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)度”這樣的物理參照；第二、多波長泵浦FRA的增益譜由各泵浦波長的增益譜疊加而成，而且在泵浦放大過程中還存在不同波長泵浦光之間以及信號(hào)光之間附加的SRS效應(yīng)，使得各波長泵浦光對(duì)增益譜的貢獻(xiàn)互不獨(dú)立。因此，試圖通過調(diào)整多個(gè)泵浦波長的光功率來實(shí)現(xiàn)FRA增益譜的在線調(diào)整是非常困難的，關(guān)鍵是要找到一種對(duì)FRA增益變化量與多波長泵浦光功率調(diào)整量的簡單算法。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提出一種對(duì)FRA動(dòng)態(tài)參量的簡單矩陣算法，用以實(shí)現(xiàn)一種FRA增益譜在線動(dòng)態(tài)調(diào)控的新技術(shù)。其基本思路是從WDM工程系統(tǒng)中FRA的實(shí)際工作狀態(tài)出發(fā)，利用微擾理論近似方法建立多波長泵浦光功率調(diào)整量與FRA增益譜變化量相依關(guān)系的簡單矩陣算法，得到一個(gè)便于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相關(guān)線性矩陣；根據(jù)監(jiān)測(cè)的視在增益譜偏離標(biāo)的增益譜的差值，通過此矩陣計(jì)算出泵浦光功率的相應(yīng)調(diào)整量，從而在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)FRA增益譜的在線動(dòng)態(tài)調(diào)控。
為闡明本發(fā)明關(guān)于FRA增益譜在線調(diào)控方法的工作原理，下面簡述利用微擾理論方法建立泵浦光功率調(diào)整量與增益譜變化量相依關(guān)系的簡單矩陣算法。
在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)RA通常工作在小信號(hào)或近小信號(hào)狀態(tài)，泵浦光功率沿光纖的分布主要取決于泵浦光間的相互作用。對(duì)于一個(gè)有N個(gè)泵浦波長的FRA，泵浦光沿光纖的傳輸規(guī)律可以寫成以下矩陣形式dPp(z)dz=-αpPp(z)-[Rp·Pp(z)]Pp(z)......(1)]]>其中Pp(z)是一個(gè)代表泵浦光功率的N×1向量，αp是一個(gè)代表泵浦光損耗的N×1向量，Rp是一個(gè)代表各泵浦光波長間拉曼增益系數(shù)的N×N矩陣。此外，定義一個(gè)代表泵浦光沿光纖積分(簡稱泵浦積分)的N×1向量I=∫0LPp(z)dz,]]>在下面的分析中用來計(jì)算FRA的增益。如果輸入泵浦光功率改變一個(gè)小量ΔPp，in，則Pp(z)和I將分別變?yōu)镻p(z)+ΔPp(z)和I+ΔI。將Pp(z)+ΔPp(z)代入(1)式，忽略ΔPp(z)的二階項(xiàng)，可得到一個(gè)關(guān)于ΔPp(z)的線性齊次微分方程組dΔPp(z)dz=-αpΔPp(z)-[Rp·Pp(z)]ΔPp(z)-[Rp·ΔPp(z)]Pp(z)=A(z)ΔPp(z).....(2)]]>其中A(z)是一個(gè)N×N矩陣，代表光纖特性和視在增益下泵浦光功率沿光纖分布的影響。
ΔPp(z)可以通過(2)式用正向歐拉法數(shù)值求解，取Δz為步長，則有ΔPp(0)＝ΔPp，inΔPp(Δz)＝ΔPp(0)+A(0)ΔPp(0)Δz＝[1+A(0)Δz]ΔPp，inΔPp(2Δz)＝ΔPp(Δz)+A(Δz)ΔPp(Δz)Δz＝[1+A(0)Δz]ΔPp，in...
ΔPp[(k+1)Δz]＝ΔPp(kΔz)+A(kΔz)ΔPp(kΔz)Δz＝[1+A(kΔz)Δz][1+A(0)Δz]ΔPp，in...于是，ΔI可以由下式計(jì)算ΔI=ΣkΔPp(kΔz)Δz]]>={1+[1+A(0)Δz]+[1+A(Δz)Δz][1+A(0)Δz]+LL}Δz·ΔPp,in]]>=H·ΔPp,in........(3)]]>其中H是一個(gè)N×N矩陣，代表泵浦光功率變化和泵浦積分變化之間的線性關(guān)系。
FRA的增益譜由泵浦積分I決定，對(duì)于M個(gè)輸入信道，增益譜可表示為Gnet＝-αsL+TSRS+4.343·Rp-s·I (4)其中Gnet是代表各信道凈增益的M×1向量，αs是各信道的損耗，Rp-s是一個(gè)代表信號(hào)光波長與泵浦光波長間拉曼增益系數(shù)的M×N矩陣，TSRS是一個(gè)代表信道間SRS效應(yīng)所致信道功率譜傾斜的M×1向量。在大多數(shù)應(yīng)用中，F(xiàn)RA輸出信號(hào)光功率遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)光功率，因而TSRS主要由輸入信號(hào)光功率決定，與FRA的增益無關(guān)。如果泵浦積分改變?chǔ)，則由(4)式得到相應(yīng)的增益譜變化量為ΔGnet＝4.343·Rp-s·ΔI (5)在增益譜的調(diào)整中，ΔGnet指在線FRA視在增益譜與標(biāo)的增益譜之差。對(duì)應(yīng)于ΔGnet的最優(yōu)ΔI可以用線性最小二乘方法由(5)式得到ΔI=(4.343·Rp-sT·ΔRp-s)-1·Rp-sT·ΔGnet≡R·ΔGnet....(6)]]>這里，最優(yōu)的含義是指在最小二乘意義下的最優(yōu)。R是一個(gè)N×M矩陣，代表視在增益譜與標(biāo)的增益譜之差與最優(yōu)泵浦積分調(diào)整量間的線性關(guān)系，它完全由傳輸光纖的拉曼增益系數(shù)決定。結(jié)合(3)、(6)兩式，對(duì)于給定的標(biāo)的增益譜，最優(yōu)的泵浦光功率調(diào)整量可由下式計(jì)算ΔPp，in＝Π·ΔGnet(7a)Π＝H-1·R(7b)其中Π是一個(gè)N×M矩陣，由R和H組成，其中R是一個(gè)完全由光纖特性決定的常矩陣，而H則與光纖特性和泵浦光功率沿光纖的分布都有關(guān)系，可利用(3)式算出。
(7)式表明，當(dāng)在線FRA視在增益譜偏離標(biāo)的增益譜ΔGnet時(shí)，為達(dá)到標(biāo)的增益譜的最優(yōu)泵浦光功率調(diào)整量ΔPp，in與ΔGnet保持以Π矩陣相關(guān)的線性關(guān)系，從而為FRA增益譜的調(diào)控提供了一個(gè)簡單而完整的矩陣算法。
在實(shí)際情況下，注入傳輸光纖中的各波長泵浦光功率變化ΔPp，in不便直接測(cè)量，而只能間接測(cè)量泵浦光功率電控參量的變化。在泵源的線性工作區(qū)，輸出光功率Pp與相應(yīng)的電控參量Cp(電流或電壓)呈線性關(guān)系，則可將(7a)式改寫成ΔCp＝Πd·ΔGnet或Πd-1·ΔCp=ΔGnet......(8a)]]>Πd＝KΠ (8b)式中Πd即為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)矩陣，K為描述各波長泵浦光功率與電控參量的線性關(guān)系的常矩陣。
本發(fā)明所述方法的特征在于它從波分復(fù)用(WDM)工程系統(tǒng)中FRA的實(shí)際工作狀態(tài)出發(fā)，利用微擾理論和近似方法建立多波長泵浦光功率調(diào)整量與FRA增益譜變化量相依關(guān)系的簡單矩陣算法，得到一個(gè)便于實(shí)際測(cè)量的相關(guān)線性矩陣；再根據(jù)監(jiān)測(cè)視在增益譜偏離標(biāo)的增益譜的差值，通過此矩陣計(jì)算出泵浦光功率的相應(yīng)調(diào)整值，從而在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)FRA功率和增益譜的在線動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控；它依次含有以下步驟。
(1)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定視在增益譜與標(biāo)的增益譜之差Gnet與泵浦電控參量調(diào)整量Cp的線性相關(guān)矩陣Πd(1.1)調(diào)整待測(cè)FRA各泵浦波長的功率配置，使其增益譜達(dá)到標(biāo)的要求；(1.2)調(diào)節(jié)某一泵浦波長λp，1的電控參量Cp，1以改變其光功率，但同時(shí)保持其他波長的光功率不變，得到Cp列矩陣中僅有的一個(gè)非零光素Cp，1；(1.3)測(cè)出任選的特征信道視在增益的變化量ΔGnet，1；(1.4)用下式計(jì)算Πd-1矩陣的相應(yīng)列；Πd-1·ΔCp=ΔGnet]]>(1.5)依此類推，逐個(gè)調(diào)整各泵浦波長λp，N的電控參量Cp，N以分別改變其光功率，使逐列測(cè)得完整的Πd-1矩陣；(1.6)對(duì)Πd-1取逆得到Πd；(2)在線反饋調(diào)控FRA增益譜(2.1)輸入標(biāo)的增益譜任選特征信道的增益值；上述測(cè)得的Πd矩陣；(2.2)用光監(jiān)測(cè)模塊(OPM)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)特征信道的視在增益值并輸入到FRA的控制電路系統(tǒng)；(2.3)自動(dòng)計(jì)算出增益偏離量ΔGnet；判斷ΔGnet＝0？；若ΔGnet≠0，則通過控制軟件中的Πd矩陣計(jì)算出相應(yīng)電控參量的調(diào)整量ΔCp以調(diào)節(jié)各波長的泵浦光功率，再重復(fù)執(zhí)行步驟(2.2)、(2.3)，再次判斷ΔGnet是否為零；若ΔGnet＝0，則視在增益譜便恒定在標(biāo)的增益譜的水平，程序終止。
所述方法的物理依據(jù)基于增益譜變化量與泵浦光功率變化量之間的線性相依關(guān)系，通過調(diào)整泵浦光功率實(shí)現(xiàn)對(duì)多波長泵浦FRA增益譜的調(diào)整，為FRA增益譜的在線動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了一種簡單而有效的電控調(diào)泵方法。這種方法既適用于分布式FRA，也適用于分立式FRA。
所述方法基于(7a)式所示視在增益譜與標(biāo)的增益譜之差ΔGnet與最優(yōu)泵浦光功率調(diào)整量ΔPp，in保持線性關(guān)系，其線性相關(guān)矩陣Π可根據(jù)R矩陣和H矩陣由(7b)式計(jì)算得出，其中R是一個(gè)完全由光纖特性決定的常矩陣，而H則與光纖特性和泵浦光功率沿光纖的分布都有關(guān)系，可由(3)式計(jì)算。
所述ΔGnet與ΔPp，in的Π矩陣線性相關(guān)可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定ΔGnet與泵浦電控參量調(diào)整量ΔCp的Πd矩陣線性相關(guān)來等效。所述電控參量Cp視不同泵浦源輸出光功率的電控機(jī)制而有所不同對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管(LD)泵源，所述各波長泵浦光功率的電控參量Cp是各LD的驅(qū)動(dòng)電流(或電壓)；對(duì)于光纖拉曼激光泵源，所述各波長泵浦光功率的電控參量Cp是相關(guān)波長光纖激光腔輸出耦合比的控制電壓。
所述Πd矩陣的測(cè)定不要求監(jiān)測(cè)整個(gè)信道增益譜的變化，可選擇若干特征信道的增益變化量作為泵浦光功率調(diào)整的依據(jù)，以減少Πd矩陣的維數(shù)。先調(diào)整待測(cè)FRA各泵浦波長的功率配置，使其增益譜達(dá)到標(biāo)的要求；再調(diào)節(jié)某一泵浦波長的電控參量使ΔCp列矩陣中只有一個(gè)非零元素，測(cè)出特征信道視在增益的變化量ΔGnet，由(8a)式計(jì)算Πd-1矩陣的相應(yīng)列；逐個(gè)調(diào)整各泵浦波長的電控參量而分別改變其光功率，則可逐列測(cè)得完整的Πd-1，從而得到Πd矩陣。將測(cè)得的Πd矩陣寫入FRA的控制軟件中。
試驗(yàn)證明本方法具有適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)整時(shí)間短，設(shè)備簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例Πd矩陣測(cè)量過程中逐個(gè)改變各波長泵浦光功率的增益譜。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例由實(shí)測(cè)的Πd矩陣計(jì)算不同標(biāo)的增益對(duì)應(yīng)的各波長泵浦光功率。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例用圖3所得各波長泵浦光功率一平均光增益關(guān)系調(diào)整的增益譜。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例用Πd矩陣二次反饋調(diào)整的實(shí)測(cè)增益譜。
圖6是利用本發(fā)明Π矩陣算法對(duì)FRA進(jìn)行增益譜和功率譜動(dòng)態(tài)調(diào)控的計(jì)算結(jié)果，(a)FRA增益譜的動(dòng)態(tài)調(diào)控，(b)FRA功率譜的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
圖7是本發(fā)明的硬件原理框圖。
圖8是本發(fā)明中單片機(jī)的程序流程圖。
-對(duì)于ΔPp，in的實(shí)際測(cè)定，并不需要也不便于直接測(cè)量注入傳輸光纖中的各波長泵浦光功率變化，電控參量Cp的變化，即可由(8a)式得到相關(guān)矩陣Πd。以Πd代替Π對(duì)功率和增益譜調(diào)控效果的影響取決于輸出光功率Pp與相應(yīng)電控參量Cp間的線性程度。如果此線性度不高，(8b)式中的比例因子K不是常矩陣，則使用Πd會(huì)引入較大誤差。然而，對(duì)于半導(dǎo)體激光器泵源，在一定輸出功率范圍內(nèi)，輸出光功率Pp與相應(yīng)的電控參量Cp(驅(qū)動(dòng)電流或電壓)間有良好的線性關(guān)系；對(duì)于光纖拉曼激光泵源，利用壓電陶瓷調(diào)控光纖光柵的反射率以調(diào)節(jié)相應(yīng)波長的激光功率，輸出光功率Pp與相應(yīng)的電控參量Cp(壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓)間通常也有良好的線性關(guān)系。因此，以Πd代替Π對(duì)功率和增益譜進(jìn)行調(diào)控的誤差可予忽略。
Πd矩陣的實(shí)驗(yàn)測(cè)量步驟如下首先，調(diào)整待測(cè)FRA各泵浦波長的功率配置，使其增益譜達(dá)到標(biāo)的要求；然后，調(diào)節(jié)某一泵浦波長λp，1的電控參量Cp，1而改變其光功率，保持其它波長的光功率不變，則ΔCp列矩陣中只有一個(gè)非零元素Cp，1，測(cè)出特征信道視在增益的變化量ΔGnet，1，則由(8a)式可計(jì)算Πd-1矩陣的相應(yīng)列；依次類推，逐個(gè)調(diào)整各泵浦波長λp，N的電控參量Cp，N而分別改變其光功率，則可逐列測(cè)得完整的Πd-1矩陣，由此取逆可以得到Πd。
2、FRA增益譜的在線調(diào)控在FRA模塊制作和調(diào)試階段，將設(shè)定標(biāo)的增益譜特征信道的增益值和上述實(shí)測(cè)的Πd矩陣預(yù)先寫入FRA的控制軟件；用光監(jiān)測(cè)模塊(OPM)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)特征信道的視在增益值，輸入到FRA的控制電路系統(tǒng)，計(jì)算出增益偏離量ΔGnet；通過控制軟件中的Πd矩陣計(jì)算出相應(yīng)電控參量的調(diào)整量ΔCp而調(diào)節(jié)各波長的泵浦光功率，使視在增益譜恒定在標(biāo)的增益譜的水平。
以圖1所示采用4支LD作泵源的FRA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，傳輸光纖為100km普通單模光纖(SMF)，擬用于160信道C+L波段DWDM光通信系統(tǒng)。用一個(gè)C+L波段(1525-1610nm)的寬譜ASE源作信號(hào)光源，總輸出功率約4mW，從F1端輸入傳輸光纖，用光譜儀OSA12從傳輸光纖的F2端監(jiān)測(cè)輸出光譜，泵浦激光開啟與關(guān)閉時(shí)測(cè)得的輸出功率(dBm)譜之差即為FRA的開關(guān)增益譜。用光譜儀OSA11從分光耦合器199 DC11的113端監(jiān)測(cè)各泵浦波長的輸出光功率，同時(shí)監(jiān)測(cè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。調(diào)節(jié)各泵浦波長的功率配置，測(cè)出平均凈增益約-12dB的標(biāo)的增益譜，在圖2中以“■”點(diǎn)標(biāo)記，增益波動(dòng)幅度約0.8dB；再逐個(gè)調(diào)節(jié)每支LD的驅(qū)動(dòng)電流而改變各泵浦波長的光功率，分別測(cè)出各個(gè)對(duì)應(yīng)的增益譜，如圖中其他譜形所示。由此計(jì)算出Πd-1矩陣的各矩陣元，進(jìn)而得到相應(yīng)的Πd矩陣。
利用所述測(cè)定的Πd矩陣，根據(jù)動(dòng)態(tài)運(yùn)行下FRA視在增益譜對(duì)標(biāo)的增益譜的偏移量ΔGnet，算出對(duì)應(yīng)ΔPp，in的相關(guān)電控參量調(diào)整量ΔCp，通過控制軟件對(duì)各泵浦波長的光功率進(jìn)行調(diào)整，即可通過電控調(diào)泵手段實(shí)現(xiàn)對(duì)FRA增益譜的在線動(dòng)態(tài)調(diào)控。
根據(jù)測(cè)得的Πd矩陣，設(shè)定平均增益的變化范圍從-17dB到-7dB，計(jì)算出保持增益譜平坦的泵浦光功率，如圖3所示。由圖可見，對(duì)應(yīng)各泵浦波長的凈增益Gnet與泵浦功率Pp，in保持良好的線性關(guān)系。利用圖3所確定的凈增益Gnet與泵浦功率Pp，in的關(guān)系，調(diào)節(jié)各泵浦LD的驅(qū)動(dòng)電流以改變各泵浦波長的光功率，測(cè)量各自對(duì)應(yīng)的增益譜，如圖4所示。可以看出，在6dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)[Gnet∈(-15dB，-9dB)]，增益譜度比較平坦，增益波動(dòng)小于1.2dB。從圖還看到，過大的增益調(diào)整將導(dǎo)致增益譜的傾斜，這是由于微擾近似帶來的結(jié)果。
所述方法在某一泵浦序列下測(cè)定的Πd矩陣具有相當(dāng)?shù)钠者m性，即利用同一Πd矩陣可在相當(dāng)大的增益變化范圍內(nèi)通過電控參量對(duì)其它的泵浦光功率組合進(jìn)行調(diào)整。這一特性使得Πd矩陣既可用于一次到位的電控調(diào)泵，也可用于二次反饋調(diào)控，即每次調(diào)整泵浦光功率后，可再次根據(jù)調(diào)整后的視在增益譜與標(biāo)的增益譜的偏差，利用原有Πd矩陣計(jì)算電控參量的修整值來進(jìn)行二次調(diào)整。這種二次反饋調(diào)控可使在線增益譜調(diào)整具有更大的動(dòng)態(tài)范圍。
在圖4的基礎(chǔ)上，根據(jù)初調(diào)視在增益譜對(duì)標(biāo)的增益譜的偏移量，再次利用測(cè)得的同一Πd矩陣和矩陣算法修正各波長泵浦光功率，圖5給出對(duì)增益譜進(jìn)行二次反饋調(diào)整后測(cè)得的凈增益譜?？梢钥闯觯畏答佌{(diào)控使動(dòng)態(tài)范圍增大，在10dB范圍內(nèi)增益譜都能夠保持平坦。
所述方法不僅可用于在線FRA增益譜得動(dòng)態(tài)調(diào)控，還可用來對(duì)輸出功率譜的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
圖6給出Π矩陣算法用于功率鎖定的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算中采用5波長泵浦的C+L波段FRA，泵浦波長分別為1423nm、1433nm、1443nm、1463nm和1493nm，傳輸光纖是100公里L(fēng)EAF光纖，輸入160信道，覆蓋C+L波段。(a)、(b)兩圖分別對(duì)應(yīng)FRA的凈增益譜和輸出光功率譜，粗實(shí)線代表0dBm/ch信號(hào)光功率輸入下的最平坦凈增益譜和對(duì)應(yīng)的輸出功率譜，細(xì)實(shí)線則是輸入信號(hào)光功率下降6dB情況下，泵浦調(diào)整前的凈增益譜和輸出光功率譜?？梢钥闯?，輸入信號(hào)光功率下降導(dǎo)致平均增益增高和增益譜向短波長方向上斜，而輸出信號(hào)光功率譜除了受增益譜變化的影響外，更重要的是輸入信號(hào)的下降使整個(gè)功率譜整體下降。圖中的虛線是利用Π矩陣算法調(diào)整后的凈增益譜和輸出光功率譜，可見輸出光功率譜基本調(diào)整回到原有的水平，相應(yīng)的凈增益譜增高了6dB。圖中點(diǎn)劃線則是在初次調(diào)整基礎(chǔ)上利用Π矩陣二次反饋調(diào)控后得到的凈增益譜和輸出光功率譜，可以看出，修正后的輸出光功率譜完全恢復(fù)到原有的水平，對(duì)應(yīng)的凈增益譜也更為平坦。
本發(fā)明方法的突出優(yōu)點(diǎn)是第一、將增益譜調(diào)整機(jī)制與光放大過程融為一體，使功率代價(jià)降到最低，無需另外配置DGE，使結(jié)構(gòu)大為簡化，設(shè)備成本降低；第二、算法中的關(guān)鍵參數(shù)Πd矩陣可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，并且在某一泵浦序列下測(cè)量的Πd矩陣具有一定的普適性，無需針對(duì)不同情況分別測(cè)量；第三、算法基于簡單的矩陣運(yùn)算，并有簡化余地，增益譜調(diào)整可以一次計(jì)算實(shí)現(xiàn)，無需反饋，調(diào)整時(shí)間短，適用于動(dòng)態(tài)調(diào)整；第四、該方法也可用于反饋方式，此時(shí)增益譜調(diào)整的動(dòng)態(tài)范圍大，收斂快。
權(quán)利要求
1.光纖拉曼放大器功率和增益譜的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控方法，其特征在于它從波分復(fù)用工程系統(tǒng)中光纖拉曼放大器的實(shí)際工作狀態(tài)出發(fā)，利用微擾理論和近似方法建立多波長泵浦光功率調(diào)整量與光纖拉曼放大器增益譜變化量相依關(guān)系的簡單矩陣算法，得到一個(gè)便于實(shí)際測(cè)量的相關(guān)線性矩陣；再根據(jù)監(jiān)測(cè)視在增益譜偏離標(biāo)的增益譜的差值，通過此矩陣計(jì)算出泵浦光功率的相應(yīng)調(diào)整值，從而在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光纖拉曼放大器功率和增益譜的在線動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控；它依次含有以下步驟。(1)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定視在增益譜與標(biāo)的增益譜之差Gnet與泵浦電控參量調(diào)整量Cp的線性相關(guān)矩陣Πd(1.1)調(diào)整待測(cè)光纖拉曼放大器各泵浦波長的功率配置，使其增益譜達(dá)到標(biāo)的要求；(1.2)調(diào)節(jié)某一泵浦波長λp，1的電控參量Cp，1以改變其光功率，但同時(shí)保持其他波長的光功率不變，得到Cp列矩陣中僅有的一個(gè)非零光素Cp，1；(1.3)測(cè)出任選的特征信道視在增益的變化量ΔGnet，1；(1.4)用下式計(jì)算Πd-1矩陣的相應(yīng)列；Πd-1·ΔCp=ΔGnet]]>(1.5)依此類推，逐個(gè)調(diào)整各泵浦波長λp，N的電控參量Cp，N以分別改變其光功率，使逐列測(cè)得完整的Πd-1矩陣；(1.6)對(duì)Πd-1取逆得到Πd；(2)在線反饋調(diào)控光纖拉曼放大器增益譜(2.1)輸入標(biāo)的增益譜任選特征信道的增益值；上述測(cè)得的Πd矩陣；(2.2)用光監(jiān)測(cè)模塊(OPM)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)特征信道的視在增益值并輸入到光纖拉曼放大器的控制電路系統(tǒng)；(2.3)自動(dòng)計(jì)算出增益偏離量ΔGnet；判斷ΔGnet＝0？；若ΔGnet≠0，則通過控制軟件中的Πd矩陣計(jì)算出相應(yīng)電控參量的調(diào)整量ΔCp以調(diào)節(jié)各波長的泵浦光功率，再重復(fù)執(zhí)行步驟(2.2)、(2.3)，再次判斷ΔGnet是否為零；若ΔGnet＝0，則視在增益譜便恒定在標(biāo)的增益譜的水平，程序終止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的光纖拉曼放大器功率和增益譜的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控方法，其特征在于對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管(LD)泵源，所述各波長泵浦光功率的電控參量Cp是各LD的驅(qū)動(dòng)電流或電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，所述光纖拉曼放大器功率和增益譜的動(dòng)態(tài)反饋飼控制方法，其特征在于對(duì)于光纖拉曼激光泵源，所述各波長泵浦光功率的電控參量Cp是相關(guān)波長光纖激光腔輸出耦合比的控制電壓。
全文摘要
光纖拉曼放大器(FRA)功率和增益譜的動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控方法屬于高速寬帶光纖通信與光放大器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它從波分復(fù)用(WDM)工程系統(tǒng)中FRA的實(shí)際工作狀態(tài)出發(fā)，利用微擾理論和近似方法建立多波長泵浦光功率調(diào)整量與FRA增益譜變化量相依關(guān)系的簡單矩陣算法，得到一個(gè)便于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相關(guān)線性矩陣；再根據(jù)監(jiān)測(cè)的視在增益譜偏離標(biāo)的增益譜的差值，通過此矩陣計(jì)算出泵浦光功率的相應(yīng)調(diào)整值，從而在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)FRA功率和增益譜的在線動(dòng)態(tài)反饋調(diào)控。它具有實(shí)現(xiàn)容易、調(diào)整時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)、功耗低、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/39GK1456932SQ03140580
公開日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者張巍, 彭江得, 劉小明 申請(qǐng)人:清華大學(xué)