拉曼放大器的增益控制 【发明领域】
本发明涉及拉曼放大器及其增益控制。
【发明背景】
典型的光通信系统采用多个位于传输光纤长距离间(大于5公里)的分立放大器。分立放大器通常是掺铒光纤放大器，也称作EDFAs。掺铒光纤放大器之间的距离常常称作“间距长度”。一般间距长度为25到100公里。当通信信号在两个掺铒光纤放大器之间通过传输光纤传播时，信号衰减，而掺铒光纤放大器放大该信号强度。
人们知道，光通信系统能够结合掺铒光纤放大器使用分布式拉曼光纤放大器。该分布式拉曼光纤放大器用传输光纤作为增益介质，当它与掺铒光纤放大器一起使用时，在光通信系统中的间距数目能够增加到2倍或更多。另外，掺铒光纤放大器间的间距长度也能明显地增加。拉曼光纤放大器的增益特性依赖于各种传输光纤的特性，诸如泵浦光吸收，光纤的有效面积，和拉曼增益系数。
传输光纤的这些特性在不同类型光纤中可能不同，也由于在单一光纤类型中的制作方法不同。这样，在相同的泵浦功率量下，长度相同而间隔不同会产生不同的拉曼增益。
小信号和单泵浦波长的拉曼增益由下式表示：
Gain=exp[gRAeffαP(1-exp(-αPL))PP]]]>
其中gR是拉曼增益系数，αP是泵浦吸收，Aeff是有效面积，L是光纤长度，PP是泵浦功率。因此，如果参数Aeff，αP或gR在间隔间不同(或在间隔中的光纤间不同)，则拉曼增益也不同。小信号是指该信号比由泵源提供的泵浦总功率至少小10倍，最好为100倍。该信号是非消耗信号，即不改变光泵浦功率的分布(沿光纤的长度方向)。
光通信系统为在光纤间隔间有预定的增益来设计的。如果由分布式拉曼光纤放大器提供地增益与所需增益(预定)不同，则进入EDFA的信号输入功率与所设计的EDFA输入功率不同，而EDFA提供的增益光谱变斜。随后，这个问题将随后继的分布式拉曼光纤放大器和后继的EDFAs而变得更为严重。
发明概要
根据本发明的一个方面，一种拉曼光纤放大器，包括：传输光纤，至少一个为传输光纤提供光泵浦功率的光泵源；至少一个泵浦功率探测器，探测光泵浦功率；至少一个信号探测器，探测通过传输光纤传输的信号功率。拉曼光纤放大器也包括控制器，调节由泵源提供的泵浦功率，以调节由这个拉曼光纤放大器提供的增益或信号功率。
根据本发明的一个实施例，在拉曼光纤放大器中控制增益的方法，包括至少两个提供波长为λ1的光泵源，以及至少两个提供至少一个其它波长λi的光泵源，包括步骤：(i)对各个光泵浦决定泵浦驱动电流Ci，这样使相同波长泵源提供的功率几乎相同；(ii)决定泵浦驱动电流彼此相对的比率；(iii)用泵浦驱动电流驱动光泵浦，并保持这些比率；(iv)决定在各个泵浦波长中要提供的总泵浦功率Pi；(v)彼此相对按比例地调节驱动电流Ci，提供泵浦功率Pi。
本发明另外的特征和优点将在下面详细描述中阐述。本领域的普通技术人员通过下述描述或通过实施在本文描述的本发明将易于了解这些特征和优点。本文本包括详细描述，权利要求和附图。
须理解，前面的概要描述和后面的详细描述只是本发明的示例，其目的是提供概貌或框架，以供理解对其提出权利要求的本发明的特征和特点。附图为本发明提供了进一步的理解，并合并成为说明书的一部分。附图示出本发明的各个实施例，并和详细描述一起用于解释本发明的原则和实施。
附图概述
图1A和1B是示出分布式拉曼光纤放大器增益控制过程的流程图。
图2示出本发明分布式拉曼光纤放大器的第一个实施例。
图3示出本发明分布式拉曼光纤放大器的第二个实施例。
图4示出具有相同类型的九种示范传输光纤的拉曼增益光谱，及这些曲线的最大值和最小值间的相对差。
图5示出具有相同类型的九种示范传输光纤的拉曼增益光谱，也示出这些曲线的最大值和最小值间的相对差，通过偏差扣除使平均差中心为0.0。
图6A示出图2中完成增益控制过程的步骤170时的拉曼光纤放大器的拉曼增益光谱。
图6B示出完成增益控制过程的步骤180时的拉曼光纤放大器的拉曼增益光谱。
较佳实施例的详细描述
本发明的实施例使用至少一个(最好是数个)拉曼泵浦激光器来控制分布式拉曼放大器的拉曼增益。具体而言，唯一的控制算法提供了用于分布式拉曼放大器的灵活性插接和运行操作所需的增益控制和所需反馈。具体说，增益控制定义为增益幅度和/或增益形状的控制。
如上所述，拉曼放大器的增益性能依赖于各种传输光纤特性。因此，由于光纤间的这些参数变化，具有相同长度的不同光纤产生了不同的拉曼增益。本发明改进的拉曼光纤放大器调节拉曼泵浦激光器的泵浦功率，补偿光纤间的变化，这样甚至在间隔间的光纤特性不同时，传输系统的各个光纤间隔将提供所需拉曼增益。各个间隔的所需拉曼增益最好相同(也就是，在间隔间不变化)，因为进入后继EDFA(或另一种类型的分立放大器)的输入信号功率能够保持相同。根据本发明的一个实施例，分布式拉曼光纤放大器具有一个控制器，能够自动调节泵浦功率，补偿泵浦衰减。最后，分布式拉曼光纤放大器提供了启动(start)特性，在施加潜在最大损坏光泵浦功率前，确保光链路的连续性。
当输入信号为小信号时(也就是，当该信号的出现不会明显地消耗泵浦信号时)，拉曼增益成指数地正比于泵浦功率PP。适当地调节泵浦功率PP将使拉曼增益保持在所需值。在某些应用中，如果通信系统中的间隔长度彼此相等时，最好使各个间隔中的拉曼增益保持在恒定值，这称作恒定增益模式。另一种情况是调节泵浦功率，以使信号输出功率保持在其指定值，这称作恒定功率模式。
增益波动是随信号波长的增益变化。为加宽分布式拉曼光纤放大器的增益光谱并减小增益波动，拉曼光纤放大器最好使用在多于一个波长中提供泵浦功率的拉曼泵浦。对拉曼光纤放大器中的拉曼泵浦波长和功率进行选择，使其为所有信号提供特定增益线型。为保持这种特定增益线型，我们需要在各个泵浦波长分别控制总功率。我们通过图1A和图1B中的所述过程，取得了单个泵浦功率的控制，这将在下面描述。参考图2所示的分布式拉曼光纤放大器10，描述了表示这种光纤特性过程的一次实现。在图3中示出了替换实施例10’。这些分布式拉曼光纤放大器10，10’使用两个泵浦波长λ1，λ2和总共四个激光二极管泵源12A，12A’，12B，12B’(各个波长两个泵源)。这些泵源为长度长的单模传输光纤13提供光泵浦功率。须注意，虽然最好使用四个光泵源，也可使用两个光泵源(分别用于波长λ1，λ2)。对于长距离通信系统，传输光纤13的长度最好大于5km，更佳为大于50km，最佳大于80km。泵浦波长λ1，λ2范围为1350nm到1510nm。在此实施例中，各个光泵源12A，12A’，12B，12B’的泵浦功率在5mw到250mw间。各个波长λi的两个泵源所提供的光功率相互偏振垂直。我们指定，当波长为λgi的导向信号进入分布式拉曼光纤放大器10、10’，并且两个泵浦波长(λ1或λ2)的每一个的两个泵源开通时，分布式拉曼光纤放大器将分别提供拉曼增益g1i和g2i。在拉曼光纤放大器10，10’中对各个导向信号波长进入传输光纤13中的小信号发射功率约为0dBm。由泵源12A，12A’，12B，12B’提供的总光泵浦功率约为500毫瓦。相同波长λi的泵浦信号和偏振复用器14A，14B耦合在一起。然后，通过窄带波分复用器将不同的泵源波长λ1和λ2合并。泵浦波长的数目可大于两个。由多个泵源提供的泵浦功率可由一个级联窄带波分复用器或单个多光纤输入波分复用器结合起来。
在图2的分布式拉曼光纤放大器10中，两个98/2％分接头18A和18B分别位于偏振复用器14A，14B与窄带波长复用器16之间，以分出一小部分泵浦功率用于监测目的。更明确地说，当大多数泵功率提供到窄带波分复用器16时，通过泵浦探测器19A(对λ1)和19B(对λ2)探测某个泵浦功率。探测器19A，19B可以是例如，光电两极管探测器。通过传输光纤向泵源传输的任意后向泵浦功率提供到背散射监测器20A，20B，它们可以是，例如，瑞利背散射监测器。这些监视器20A，20B的功能在说明书的后面描述。波分复用器21将波长为λ1，λ2的泵浦功率(它相对于信号光功率是反向传播的功率耦合在传输光纤13上。在输出端23B和光增益平坦滤光器24间设置第二个分接头22，引导一小部分光信号进入信号监测器即探测器25的。
图3类似于图2，但放大器10’使用位于波分复用器26和输入端23A间的单一分接头18。然后在波分复用器26B和窄带波分复用器27A，27B间分出一小部分已分接的光(2％)，转送到各自的泵源监测器19A，19B的后向监测器20A，20B，和信号监测器25。
参考图1A和1B，我们现在提供对拉曼光纤放大器增益控制过程的一般描述。下面进行更详细的描述。
首先，我们校正泵源电流并选择一组特定的信号波长(它可以是一个或多个信号或放大的自发发射源)，用作分布式拉曼光纤放大器的导向信号。(这对应于图1A的步骤45和50)。第二，我们确定当各个拉曼泵源单独工作时导向信号可得到多少拉曼增益(dB)。(这相应于图1A的步骤60。)一旦有了这样的确定，则对通信系统的各个间隔(也就是对各个分布式拉曼放大器)，发送导向信号并分别在监测各个泵浦波长的泵浦功率。就是说，接通某一波长的泵源，断开所有其它波长的泵源。更具体地说，在所有泵源断开时监测输入导向信号的信号功率，然后接通一个波长的所有泵源，一旦这些光源被接通，这时缓慢调高这些泵源的驱动电流Ci，保证各个泵源提供相同量的光功率。当观察导向信号的拉曼增益量时就做好了这一点。(这对应于图1A中步骤70-100。)一旦导向信号的拉曼增益到达指定的增益量，则记录下光纤中的泵浦功率和泵源的相应驱动电流Ci。(这是图1A中的步骤110。)然后，断开对应于这个波长的泵源，并用相同的方式对其它泵源继续设定泵源功率和泵源驱动电流。(这相应于图1A的步骤160。)最后，在监控这信号增益把信号增益减为最小时，再调节泵功率。(这对应于图1A和1B的步骤170-190。)
为示出拉曼光纤放大器的增益控制过程，请参考图2和图3的拉曼光纤放大器示例。为了设置分布式拉曼光纤放大器10，10’，提供预定的拉曼增益量，需要校正泵源12A，12A’，12B，12B’，如下所示：
接通泵源12A，通过分接头监测器19A监测其功率并且记录电流C1以取得光泵浦功率的预定量。然后断开泵源12A接通泵源12A’，这个泵源提供相同波长的泵源功率就像上泵源12A提供的。监测其驱动电流C2，取得从泵源12A取得的相同量泵源功率。得到两个驱动电流(C1，C2)的比率后，则可总是驱动这两个泵源12A，12A’以提供相同的泵源功率量。对泵源12B和泵源12B’(波长为λ2)进行类似的设置并记录这两者的驱动电流系数C3，C4，后两者为了使泵源12B，12B’能提供相同的光泵源功率是需要的。如果泵浦波长λi多于两个，则对波长λ3，λ4等的泵源重复该过程。(这对应于图1A中的步骤45。)现在，断开所有的泵源，选择导向信号λg并指定拉曼增益g1。然后，我们发送导向信号λg(例如λg＝1525nm)，而探测器观察在信号探测器即信号监测器25的λg的相应信号功率(图1A中的步骤50-80)。然后，接通泵源12A和12A’(也就是，两个泵源的波长都为λ1)，缓慢调高其驱动电流C1，C2(通过保持电流比率恒定，从而由这些泵源提供相同的光功率量)，并监测信号增益。当信号增益到达预定值g1时，记录泵源电流(对泵源12A和泵源12A’，分别为C1和C2。)(对应于图1A的步骤90-110。)如果在用最大的允许电流驱动后，增益还未达到g1；则用能够提供更高泵源功率的泵源来替换这些泵源。下面，断开泵源12A和12A’，接通泵源12B和12B’，在此之后再缓慢调高其驱动电流(通过保持其电流比率恒定)。当导向信号增益到达预定值g2时，记录驱动电流(对泵源12B和12B’分别为C3和C4)。为使这些泵源能够一起工作而能取得所需的增益线型，我们用驱动电流C1，C2，C3和C4分别接通泵源12A，12A’，12B，12B’。(这相应于图1B中的步骤160。)这结束了为特定信号增益建立泵源功率比率的迭代(iterations)A。
最后，通过在保持泵源功率比率不变时改变总泵源功率(也就是通过保持泵源电流比率C1∶C2∶C3∶C4不变)，可对相同信号组态取得不同增益量。通过监测总增益取得该增益，定义为：(在所有泵源接通时在信号监测器处的总信号功率/在所有泵源断开时在信号监测器处的总信号功率)(图1B的步骤170)。这结束了确定取得指定增益所需泵源功率的迭代B。
更具体地说，用于迭代C的较佳实施例采用了多于一个信号监测器25。在这些监测器25前面的滤光器或波长分解器件限制了入射到各个监测器上的信号波长带宽。这样，各个监测器响应单一信号或信号窄的波长带宽。由于图1B的步骤180和190的输出是各个泵浦波长功率的调节，在较佳实施例中，可调谐的自由参数数目(泵浦波长)等于输入参数的数目(信号监测器)从而限制了最优化。监测和控制的这个水平是较佳的，因为它使得调谐这泵源功率，以提供在传输系统设计精确度之内的所需光谱增益线型。最好使信号监测器的数目比泵源波长数目更多。虽然将平坦的线型设想为较佳的光谱增益线型，其它的线型也是可以和需要的。
在传输光纤中，拉曼增益光谱的光频率峰值低于泵源频率，约13.2太赫(一百万兆赫)，相当于比给定的泵源波长约大105nm。因此，在一级情况下，最低信号频率频带与最低泵源频率耦合最强，也就是，这些频带间有线性映射。对各个各自的信号频带和泵源频率，一直到最高信号频带和最高泵源频率，也存在这种情况。因为这个频率映射，最好不仅使图2和3的信号监测器25的数目等于泵源频率的数目，而且通过滤光器或波长分解器件使其光学频率的中心在大约低于泵源频率约13.2太赫处。明确地说，最低信号频带最好应在比最低泵源频率低约13.2太赫处。下一个最低信号频带最好也低于下一个最低泵源频率约13.2太赫，这样的关系一直到最高的信号频带和最高的泵源频率。
下面是迭代C的较佳方法的更详细描述。
如果由任意信号探测器测量到的增益高于或低于设计值，则由监测器25产生电误差电压或电流。该电压或电流用于再调节泵源光功率。因此，泵源到泵源和信号到信号的功率转换将阻止这个映射是完全线性的，也就是，任何泵源的调节事实上将改变整个信号光谱。不过，通过继续假定线性映射，但迭代数次以取得收敛的方法也可使该过程仍然起作用。换言之，在对电误差响应的泵源功率第一次反馈循环后，产生的信号光谱将变得较平坦(或任何其它所需光谱形状)。随后的反馈循环将继续改进光谱形状，直到它匹配设计精度之内的所需形状。(这相应于图1B的步骤180和190。)
通过图6A和6B示出用于两个泵源波长的例子。在此例中，信号光谱分成两个谱带。当平坦光谱满意时，合适选择分离谱带的位置，使两个信号探测器上导致的光功率相等。参考图6B的曲线120，分离点接近波长带宽的中部。图6A示出当各个波长的泵源功率相同且增益为10dB时，信号的平均增益轮廓。图6A的y轴对应于拉曼增益，定义为泵源激光器接通时的输出信号功率除以泵源激光器断开时的输出信号功率。x轴以纳米为单位描述波长。曲线90示出增益对波长的曲线关系(也就是，增益波动)。如果信号在接近光谱(本例中为1546nm)中部分离，显然在最低波长监测器中有更多功率。一旦在保持恒定总增益不变时将入射到两个监测器上的功率调节为相等，对这两个波长设计，这增益纹波就能像理想的一样平坦。这种方法是迭代C的具体实施例，并在图6B中示出。y轴对应于拉曼增益，定义为泵源激光器接通时的输出信号功率除以泵源激光器断开时的输出信号功率。x轴以纳米为单位表示波长。曲线120示出增益与波长的曲线关系。在图6A中的增益纹波线90从1.7dB下降到图6B中的线120的0.9dB。泵源数目的增加能以更多硬件和用更多迭代和更复杂算法的代价进一步改进纹波。
现在通过图4中图示说明步骤50(图1A中)的导向波长λgi的选择。最好使用不同波长λi的导向信号λg以使增益波动成为最小。图4中的最左面垂直轴对应于由有拉曼增益系数gr除以有效面积(定义为每单位泵源功率每单位光纤长度的信号增益)，而水平轴为波长。曲线Ai描绘了为在分布式拉曼光纤放大器10，10’中所使用示范例传输光纤的九种不同光纤样品而测量的拉曼增益。须注意，在拉曼增益光谱中的最大的差是由于恒定偏差，这是调节泵源功率而需要考虑的偏差。实际上，在一个波长上这九种增益曲线是重正化的以使通过彼此交叉。该波长应该代表平均，恒定的DC偏差。图4中的第二y轴(也就是右面y轴)示出了增益光谱间的相对差，也就是，在光纤样品间的最大差除以最小的增益光谱。这些差用曲线B表示。图5中的第二y轴示出当DC背景的这个差。
很需要注意，当所有的泵源接通时，泵将在彼此之间转移能量。需要确定增益值g1和g2以补偿这种能量转移。信号也能够通过导致附加增益斜移的拉曼过程交换能量。因为EDFAs能够用内部VOA去除增益斜移来设计的，所以通过EDFA补偿该效应是较佳的。
我们能够通过监测来自泵源分接头的泵源功率，来控制泵的衰减。一旦我们为泵源设立了驱动电流C1，C2，C3和C4，则能够采用它们各自的驱动电流启动所有的泵源12A，12A’，12B，12B’。然后，分别观察并记录在未用于泵源波长λ1，λ2的的λ1和λ2泵源监测器22A，22B中的泵源功率，并把它们当作控制设定点。在λ1，λ2的泵监测器中继续监测泵源功率。假定观察到泵源监测器25中的泵源功率(与参考功率作比较)下降了。(这种功率下降一般是由于泵源衰减。)为纠正这样泵浦功率下降，需要调高泵源电流，增加相应的泵源功率〔也就是，用于泵源12A和泵源12A’(λ1波长)的驱动电流C1，C2和用于泵源12B和泵源12B’(λ2波长)的驱动电流C3，C4〕，直到在λi监测器25中的功率达到参考功率。可以控制与彼此无关的各个波长λi中的功率，这样能够通过电子反馈电路了解各个波长的泵源衰减。须注意，各个波长大概会独立衰减。不过，这种算法在监测器波长下调节两个泵源。幸运的是，当泵源衰减时，可忽略由于出现在正交偏振态中逐渐失衡的功率量而产生的与偏振有关的增益。
该算法在如果发生泵源故障情况下具有附加优点。如果各个泵源被独立控制，一个泵源故障不会改变其它泵源的工作状态。而采用同时控制两个泵源12A，12A’或12B，12B’时，一个泵源的故障会驱动另一个泵源直到它的最大设定电流。虽然不能保持设计的增益，但将会是取得可能是最高增益的软故障。
泵源信号背散射探测器20A，20B还提供了称作软启动的另一特征。如上所述，在图2和3中示出的实施例中，监测器20A和20B是瑞利背散射监测器。当然也可采用其它的背散射监测器。
泵浦背散射是一小部分泵源光向泵源方向的反方向传输的现象。在此实施例中，它以光信号方向传输。背散射功率包括大约为总泵浦功率的0.001。如果背散射功率量低降到低于某一程度(两倍或更多)，这表示出可能有光连接器的问题，例如是由于连接器接口的插入损耗。同样，如果背散射量提高到某一程度以上(2倍或更多)，也表示可能有问题，例如由于连接器接口处的高反射。如果照射到这种光连接器上的泵源光功率为200mw或500mw，这种光连接器可能会损坏，从而明显地损坏传输光纤13。而本发明中改进的拉曼光纤放大器防止了这些问题。
具体而言，将通过监测信号输出端保证光链接的连续性。除非探测到信号功率，不会施加泵源功率。不过，可以通过弄脏或匹配较差的光纤连接器探测信号。如上所述，施加200mw到500mw的泵源功率将损伤或摧毁光连接器。为避免这个问题，泵浦分接头耦合出从传输光纤返回到泵源的泵浦功率的一小部分，并将分出的泵浦功率输送到光电二极管。该光电二极管探测背散射泵浦功率，该功率可以是通过传输光纤重新获得的泵浦功率的瑞利散射，或是由于来自匹配较差的连接器或接头的反射而产生的散射。通过在传输光纤中施加小量的泵浦功率并从瑞利散射获知预期的功率，可以在施加高功率使连接器被损坏以前，确定是否有连接器故障或链接问题。如果探测到的功率比瑞利噪声底部大两倍或小两倍，则可假定这是来自连接器或链接的问题。
还可以想象也能采用诸如瑞利监测器这样的背散射监测器来探测环境导致的光纤衰减的变化或由于信号通道的下降或增加而发生的变化。例如，由于微弯曲产生的光纤衰减变化导致背散射功率的相应变化。这个信号也可以反馈到泵源以保持稳定增益。
最终，为信号损失可监测信号分接头。为了保证人眼安全，如果探测到信号损耗，需要在50ms内立即切断泵源。
作为结论，我们认为拉曼放大是可实施的，在本文所述的特征是：初始光纤特性的描述；为泵浦衰减进行的反馈控制；软启动；和必须快速断开泵源。
因此，本领域的普通技术人员将清楚在不背离本发明范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变化。这样，意味着本发明覆盖了本发明的修改和变化，只要它们包括在附加权利要求和其等价技术方案的范围内。