喇曼掺铒光纤放大器的增益谱均衡的方法 【技术领域】
本发明涉及一种喇曼掺铒光纤放大器技术，特别是使喇曼掺铒光纤放大器的增益谱均衡的方法。
背景技术
现有的光网络系统，均已采用光放大器作为中继单元，对经光纤传输后衰减的信号进行放大，使信号向下一级传输。受光放大器自身的噪声特性影响，信号经过每级光放大后，其信噪比均会有一定程度的劣化，考虑到接收端信噪比的要求，当信噪比劣化到一定程度时，需要加电中继，进行信号再生。
传统的光网络中继单元由掺铒光纤放大器(EDFA)组成，低功率的信号光直接进入EDFA进行放大，再向下一级传送。这种结构的缺点在于EDFA引入的噪声过大，信噪比的劣化比较快，限制了级联数目的增加，从而限制了无电中继的距离。
由放大器级联理论可知，第一级放大器的噪声特性对整个放大单元的噪声特性影响最大，如果信号先由低噪声地放大器放大，将决定整个放大单元噪声特性优于单纯用EDFA做中继。
喇曼(RAMAN)光纤放大器因其具有低噪声特性被认为是实现无电中继长距离传输的基础。随着RAMAN光纤放大器的逐渐成熟，光通信系统迈入了新的阶段。RAMAN光纤放大器是利用光纤中受激喇曼散射(SRS)效应工作的。RAMAN光纤放大器的主要特点是：可做成连续放大器，在普通通信光纤中连续放大；性能稳定，具有双向性，对反射光不敏感；增益范围可以连续选择，如果泵浦光波长合适，则RAMAN光纤放大器可对任何波长的光进行放大。因为RAMAN光纤放大器对信号提供的增益通常为十几个dB，不能提供足够的增益，也就是说仅靠RAMAN光纤放大器自身来完成一个光信号的中继是不现实的，所以综合性能成本，在实际系统中采用喇曼、掺铒光纤混合结构光纤放大器来实现信号的中继。图1为当前RAMAN+EDFA放大器作为中继单元的一般结构，该中继单元由RAMAN光纤放大器101、可调衰减器(VOA)102和EDFA 103组成，其中VOA103用于调节增益谱均衡。实验证明，这种结构的放大器的噪声特性远远优于相同规格的单纯EDFA，从而增加了级联数目，大大扩展了无电中继的距离。
在密集波分复用(DWDM)系统中，要求光放大器对各信道的增益保持基本一致，也就是说要增益均衡或增益平坦。众所周知由于掺铒光纤本身的特性，EDFA的增益谱是不平坦的，需要加入增益平坦滤波器(GFF)进行均衡。图2为未加GFF的EDFA典型增益谱。为了使其增益谱较为平坦，必须添加一个与之匹配的GFF，则该GFF的插损谱如图3所示。
当采用RAMAN+EDFA放大器结构时，RAMAN光纤放大器也将引入增益谱的不平坦。针对这种结构目前主要采用两种解决方法：一种是RAMAN光纤放大器和EDFA分别加GFF进行平坦，其优点是模块灵活组合的能力强，但增加了GFF个数，引入更多的附加损耗，降低了性能，同时又增加了成本。因此通常选择另一种方法，该方法虽然也是将RAMAN光纤放大器和EDFA分别进行设计，但将两种放大器的增益谱合起来进行平坦，在这种方法里一般GFF放在EDFA中。如图4所示为根据该方法设计的用于两波长泵浦RAMAN光纤放大器+EDFA放大器结构的GFF的插损谱。但这种模块设计中的缺陷是，还是将RAMAN光纤放大器的增益谱和EDFA的增益谱孤立起来，分别考虑，造成的结果是，RAMAN光纤放大器和EDFA的增益谱叠加起来变得更陡峭。由图3和图4比较可知，GFF的深度增加了2dB左右。对于GFF制造者而言，越深、越陡的曲线，设计的难度就越大，生产和监控都更困难，从而成本就越高，产品特性如误差函数、附加损耗等就越差；而对于GFF使用者而言，GFF可替代性差，价格高，性能降低。特别地，即使GFF性能不变，由于放大器固有的插入损耗的增加，也导致了功率的浪费，以及噪声特性的劣化。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种使RAMAN+EDFA放大器的增益谱均衡的方法，能够使RAMAN+EDFA放大器的增益谱线更加平坦，以减小GFF的深度，提高GFF的可生产性，从而降低放大器的内部插损、噪声、功率损耗，及其成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种使喇曼掺铒光纤放大器的增益谱均衡的方法，应用于含有至少两个以上不同波长泵浦的喇曼光纤放大器，包括以下步骤：
a.将掺铒光纤放大器的增益谱线翻转，等比例平移到喇曼光纤放大器增益谱线所在的位置范围，并设定该平移后的增益谱线为目标曲线；
b.根据目标曲线、精度要求以及成本确定喇曼光纤放大器的泵浦数目以及每个泵浦的波长，其中，精度要求是将输出增益谱的平坦度控制在固定增益范围内；
c.根据目标曲线、精度要求以及步骤b得到的泵浦数目确定每个泵浦的波长和功率值；
d.调节喇曼光纤放大器中的泵浦数目为步骤b所确定的泵浦数目，调节喇曼光纤放大器中每个泵浦的波长和功率为步骤c所确定的波长和功率值。
该方法步骤b所述的精度要求是将输出增益谱的平坦度控制在固定范围内。
步骤c中喇曼光纤放大器每个泵浦的波长和泵浦功率的确定是通过单纯形算法与共轭方向算法相结合的工程优化的方法实现。其中，单纯形算法与共轭方向算法结合进一步包括；
c1.以每个泵浦的波长和功率值分别作为优化变量，构造一个单纯形，采用单纯形算法对其进行优化；
c2.对步骤c1优化后得到的含有优化变量的顶点采用共轭方向算法进一步优化，直到对优化变量通过仿真算法得到的性能曲线与目标曲线接近到满足精度要求。
步骤c1进一步包括：将至少两倍于优化变量的值作为优化变量数目，构造一个单纯形。
步骤c2中所述性能曲线与目标曲线接近到满足精度要求是所得性能曲线相对目标曲线的误差平方和小到精度允许的范围。
由于本发明综合地考虑了RAMAN光纤放大器和EDFA的增益谱，并通过调节RAMAN光纤放大器的增益谱使之与EDFA互补，GFF的深度大大减小了。对GFF的生产者来说，可生产性好，性能提高，成本下降。对GFF的使用者来说，放大器模块的内部插损减小，功率浪费少，噪声性能好，同时放大带宽增加，成本也有所下降。
【附图说明】
图1为RAMAN+EDFA结构的光中继单元示意图；
图2为EDFA的增益谱曲线；
图3为用于EDFA的典型GFF插损谱；
图4为一个用于RAMAN+EDFA的GFF插损谱；
图5为RAMAN增益因子分布图；
图6为单泵浦的RAMAN光纤放大器增益谱；
图7为两泵浦的RAMAN光纤放大器增益谱；
图8为本发明方法实施例的流程图；
图9为实施例中通过本发明方法优化后的RAMAN光纤放大器增益谱；
图10为实施例中根据本发明方法优化后增益谱设计的GFF与原来的GFF的插损谱比较。
【具体实施方式】
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细说明。
对于RAMAN光纤放大器而言，单一波长的泵浦光只能对大约40nm的有限波长范围内的信号光进行有效的放大，信号光与泵浦光的频率差为13THz，相对国际电联(ITU-T)的标准波长而言，即波长相隔100nm左右的地方实现最大的增益。图5表示了RAMAN增益因子的分布情况，纵坐标是增益因子，其与增益量成正比，横坐标是泵浦光与信号光之间的频率差。
对RAMAN光纤放大器选择特定波长的泵浦光，将对特定波段的信号光进行放大。图6表示了泵浦波长为1450nm的单泵浦RAMAN光纤放大器的增益谱，从图中可以看出，其最大增益(Max Gain)为12.82dB，最小增益(Min Gain)3.923dB，其增益平坦度(Flatness)为8.896dB。
为了实现整个传输带宽内较均衡的增益，必须使用多个波长的泵浦光。比如C BAND，即1427～1461nm带至少两个泵浦，在C+L BAND，即1427～1605nm带至少3个泵浦。通过合理选择泵浦波长，调整不同波长的泵浦功率，可以调节不同波长的信号光的增益，这就是增益谱可调的原因，也是RAMAN光纤放大器固有的优点。图7是双泵浦波长RAMAN光纤放大器增益谱的一个典型例子。从图中可以看出，其最大增益为10.95dB，最小增益8.982dB，增益谱的平坦度达到了1.975dB，较之图6中的一个泵浦的增益谱曲线已有明显的增加。
单从RAMAN光纤放大器角度看，这个增益谱是可以接受的。但是一旦和EDFA级联起来，会发现总的增益谱变得更加陡峭，从而所用的GFF深度增加，图4的GFF就是一个例子。这是由于设计RAMAN光纤放大器的时候，没有综合考虑整体效果，将RAMAN光纤放大器和EDFA隔离起来考虑的结果。在设计RAMAN光纤放大器时，应该对增益谱进行充分的考虑，使它能够尽量地和EDFA进行互补。也就是说，在设计RAMAN光纤放大器时，对各个泵浦的波长和功率的选择不能只考虑RAMAN光纤放大器自身的增益特性，而是要将与之串联的EDFA也考虑进去。简单地说，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下为例，参见图8所示流程图，对本发明方法的步骤做具体说明。
步骤801，将EDFA的增益谱进行翻转，并按比例向下平移到RAMAN光纤放大器的增益谱线所在范围，得到一条目标增益谱曲线。
步骤802，根据目标曲线的形状、精度要求以及成本确定RAMAN光纤放大器的泵浦数目。考虑到该波长范围内目标曲线有两个峰值，因此至少应选择两个不同波长的泵浦；又考虑到放大后的输出光还要通过GFF继续平坦，不需要很高的精度，只要将RAMAN+EDFA放大器的输出谱平坦度控制在4dB以内就可以了，并考虑到尽量节省成本，因此采用两个不同波长的泵浦就足够了。
步骤803，采用工程优化的办法，确定RAMAN光纤放大器两泵浦的波长和功率值，以使RAMAN光纤放大器的增益谱与目标增益谱尽量接近。
这里喇曼光纤放大器每个泵浦波长和泵浦功率的确定，是采用单纯形(Simplex)算法与共轭方向(Powell)算法相结合的工程优化的方法，首先采用Simplex算法进行初步优化。对于k个优化变量的单纯形法，经典做法是：在k维空间中，以k个优化变量作为其中一个顶点，此顶点的坐标即为各优化变量的初始值，然后再另外随机或者人为构造k个顶点，这样共构造k+1个顶点的单纯形。目的是使单纯形在这k维空间“张开”，比如二维空间中三角形，三维空间中四面体是最基本的单纯形。但是容易发生“低维流形”，比如三角形三个点接近直线，这个单纯形就降为一维的了。因此为了避免上述情况的发生，本发明采用2k个顶点构造单纯形，比如二维空间的矩形，三维空间的多面体。这样大大降低了降维的可能性。在本实施例中假设有n个泵浦，由于每个泵浦有波长和功率两个变量，则总的优化变量就有2n个，由上可知，对于2n个优化变量，本发明的单纯形顶点数取为4n而不是2n+1，这样既不会增加计算量，同时也保证了足够的顶点数。然后用Simplex算法进行优化，得到一个较为合适的优化点。这是由于Simplex算法具有全局性好、速度快的特点，但它的结果较为粗糙，不够精确。于是再采用Powell算法对Simplex算法中得到的优化点进行进一步优化。直到这2n个优化变量通过仿真算法得到的性能曲线与目标曲线接近到满足精度要求，即误差平方和小到精度要求允许的范围为止。
步骤804，调节喇曼光纤放大器中的泵浦数目为步骤802所确定的泵浦数目，调节喇曼光纤放大器中每个泵浦的波长和功率为步骤803所确定的波长和功率值。
如图9所示为本实施例中优化后的RAMAN光纤放大器增益谱曲线与翻转的EDFA增益谱即目标增益谱曲线的比较。图9可以看出，优化后的RAMAN光纤放大器增益谱曲线901与目标曲线902已十分接近。RAMAN增益谱曲线901在保证增益绝对量的同时，应尽量与目标曲线902达成一致。由图中看出，RAMAN光纤放大器的最大增益11.00dB，最小增益8.829dB，有效增益约为10dB，平坦度约为2.17dB，叠加EDFA增益谱以后，平坦度达到3.772dB。
之后，再根据优化后的RAMAN光纤放大器增益谱与EDFA增益谱的叠加曲线，设计所需GFF的插损曲线。
图10显示了新老GFF的插损谱比较。新GFF插损曲线1001的深度为3.8dB，老GFF插损曲线1002，即图4中的根据未优化的RAMAN光纤放大器与EDFA的增益谱相叠加而设计的GFF插损曲线，它的深度为7.2dB。不难看出，新设计方案产生的GFF大大优于原先的GFF。
当然，如果采用更多的泵浦其增益谱曲线与目标曲线匹配效果会更好，这样就可以根据不同的需要来选择RAMAN光纤放大器泵浦的数目和泵浦波长，更好的实现RAMAN+EDFA结构的放大器的增益均衡。
以上所述，仅为本发明的较佳的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。