可扩展拉曼放大器及其控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种实现光信号放大的装置和方法，尤其涉及通讯领域的密集波分复用光通信设备，使用分组的拉曼放大器实现波分复用光通信系统传输带宽的扩展，以便利进行设备升级扩容及其相应的控制方法。
背景技术
在密集波分复用系统中，为了实现传输距离的延长要使用光放大器。一种实现放大的方法是拉曼放大，就是将大功率的泵浦光馈入传输光纤，由于光纤中的受激拉曼散射效应(SRS效应)，泵浦光能量会转移到比其波长长的信号光中，实现信号光的放大。拉曼放大的作用范围较宽，因此适合于波分复用光传输系统中。可选择合适的泵浦波长，使放大作用的最佳工作范围位于要传输信号的多个工作波长处。在波分复用系统中，每个光通道的中心波长不同，在一定的波长间隔情况下，光通道数量越多占用的带宽越宽。由于SRS效应的增益谱不平坦，为了实现较宽波长区域内的信号放大，保证全部信道获得放大的效果相同或相近，可以使用多个波长的泵浦光功率共同作用于信号工作地波长范围，优化选择多个泵浦的波长，可以使总增益谱在信号工作的波长范围内的平坦性满足系统设计要求。因此，在一定的波长间隔情况下要传输的光通道数量不同，对所使用的拉曼放大器泵浦波长和泵浦数量要求也不同。公开发表的文献(但不限于)[(1).M.-S.Kao and J.Wu，‘Signal light amplification bystimulated Raman scattering in an N-channel WDM opticalfiber communication system，’J.Lightwave Technology，vol.7，pp.1290-1299，1989.(2).M.-S.Kao and J.Wu，‘Extendingtransmission distance of high-density WDM systems using posttransmitter fiber Raman amplifiers，’J.Lightwave Technology，vol.9，pp.394-399，1991.(3)P.B.Hansen，L.Eskildsen，S.G.Grubb，A.J.Stentz，T.A.Strasser，J.Judkins，J.J.Demarco，R.Pedrazzani，and D.J.DiGiovanni，‘Capacity upgrades of transmissionsystems by Raman amplifier，’IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.9，pp.262-264，1997.]对用泵浦激光器或多泵浦激光器实现WDM光信号放大的原理、实现方式进行了深入的介绍。但公开发表的文献并未包含在工程应用中如何组装、控制和管理多个泵浦激光器来实现设备带宽的渐进扩展。例如在较早使用的密集波分复用光传输系统中，光通道的范围在C波段，即波长在1550nm附近；而新的商用化设备可以实现C波段和L波段(波长在1585nm附近)的共同传输，光通信设备的发展趋势将使更多带宽成为光信号传输的工作范围。由于拉曼放大器的成本较高，在设备中应用时，放大器的工作范围应可以扩展，即视设备带宽需求范围的不同而可配置，将支持不同波段放大的泵浦源分开。当系统工作在某个波段时，只使用对该波段起放大作用的放大器；而当系统工作在更宽的波段时，通过扩展配置的方式实现更宽的波段的信号放大。公开的专利说明US6292288Raman amplifier，optical repeater，and raman amplification method，Akasaka，et al.公布了按照一定功率和波长选择的原则实现多泵浦激光器组合的方法，构成多泵浦拉曼放大器。公开的专利说明US6417959Raman fiber amplifier公布了与US6292288不同功率和波长选择的原则实现多泵浦激光器组合的方法，构成多泵浦拉曼放大器。公开的专利说明EP1187276 Optical amplifier for wide band raman amplification ofwavelength division multiplexed(WDM)signa lights中公布了由多泵浦激励源实现宽带信号放大的拉曼放大器。在以上公开的专利说明中，均未说明如何实现在线升级式可扩展拉曼放大器组合，即独立工作的主放大器和可扩充的辅放大器。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服使用拉曼放大器实现渐进式带宽升级的困难，解决在传输信号的波长范围大量扩大时，对扩容的光通道实现放大的问题。扩容时，不改变原先配置在设备中的拉曼放大器，直接增加配置扩展装置来实现拉曼放大器的升级和系统有效工作波长范围的扩大。
本发明的扩展拉曼放大器，包括：主放大器和辅放大器，所述主放大器和辅放大器中包含提供泵浦光源的泵浦激光器、合波器以及激光器控制电路，该激光器控制电路通过通信接口与设备通信总线相连，实现设备管理系统对泵浦激光器工作状态的检测和控制；辅放大器的泵浦光源通过合波器合波后，通过光纤接口输入到主放大器中，并汇同主放大器中的泵浦光一起通过合波滤波器和主放大器的光纤接口，输入到传输光纤中。
所述激光器控制电路包含CPU最小控制单元、泵浦激光器驱动电路和激光器工作性能采集电路；各电路之间通过数据线和控制线相连接。
所述泵浦激光器驱动电路和激光器工作性能采集电路包括AD/DA转换电路和放大器电路。
所述辅放大器可为一个或多个。
所述主放大器具有多个光纤接口与辅放大器相连接，来自于多个光纤接口的泵浦光与主放大器内的泵浦光功率进行合成。
所述主放大器和辅放大器具有活动连接器式光接口和可插拔的电接口，使之在物理上可以相互连接或拆离，并可以装入设备或拆离设备。
通过与设备通信总线相连接的电接口接收来自设备管理系统的查询数据报文、配置数据更新报文，通过与设备通信总线相连接的电接口向设备管理系统发送上报信息报文。
本发明的一种控制可扩展拉曼放大器的方法，包括下列步骤：
1)设备管理系统通过设备通信总线对可扩展拉曼放大器发送不同类型的查询数据报文；
2)放大器响应查询，向设备管理系统上报被查信息报文；
3)根据上述的查询结果和系统增益要求，设备管理系统向放大器发出配置数据更新报文，更新各放大器的配置数据。
4)放大器中的微处理器和激光器控制电路可以根据新的配置数据控制激光器，使之按照期望的光功率值输出。
所述不同类型的查询数据报文包括：属性信息查询报文、性能信息查询报文、配置信息查询报文；所述上报信息报文包括：属性信息上报报文、配置信息上报报文、性能信息上报报文或配置数据报文。
所述配置数据包括各激光器当前的偏置电流、制冷电流、背光检测或管芯温度。
所述更新放大器配置数据包括对激光器偏置电流及制冷电流的数据更新。
采用本发明所述装置，与现有技术相比，取得了光通信设备扩容方式的进步，达到了通过在线使用扩展放大器的方式对更宽的波段的光信号实现拉曼放大的效果，节省了待升级设备的初期投资成本。使光传输设备的工作带宽可以灵活地扩展。
【附图说明】
图1是可扩展的拉曼放大装置结构图。
图2是辅放大器和主放大器之间光路连接方式的变化结构，作为体现与图1相同设计构思的另一实施例。
图3是主放大器和辅放大器控制电路的基本结构框图。
主要元器件标号说明：
11 主放大器
12，13，32，33 偏振复用器
L11，L12，L21，L22，L31，L32，L41，L42 激光器
31 辅放大器
14，18，34，41 合波滤波器
C1，C2，C3，C4，C5，C6 法兰盘式光纤接口
15，35 隔离器
16 合波器
17，36 激光器控制电路
B 通信总线 CPU 微处理器
ROM 读存储器 RAM 随机读写存储器
FPGA 可编程逻辑电路 I/O 输入/输出接口
CS 控制信号线 AD/DA 模数/数模转换
J1 电源连接器 J2 信号连接器
D1，D2，D-ROM，D-RAM，D-FPGA 数据线
EN-FPGA，EN-PAM，EM-ROM 控制线
JP1，JP2 激光器接口
VC，VC1，VCC，VO，VP 偏置电压
A1，A2，A3，A4 放大器电路
I1 激光器偏置电流输入端
I2 激光器制冷电流输入端
O1 激光器背光功率检测信号输出端
O2 激光器管芯工作温度输出
【具体实施方式】
参见图1，给出了通过一个光接口和一个总线接口相连接的主放大器和辅放大器的实现方式。
如图1所示，11是实现拉曼放大的主放大器，在主放大器11中，虚线框内表示通用的泵浦激光器组合。以2个泵浦波长、每个波长由2只激光器组成为例，主放大器11中L11和L12是两只具有不同偏振方向、相同工作波长的激光器；12是偏振复用器；L21和L22是两只具有不同偏振方向、相同工作波长的激光器；13是偏振复用器；14是合波滤波器。激光器L11和激光器L12输出光经过偏振复用器12后合为1路具有正交偏振光的特定波长的光。激光器L21和激光器L22输出光经过偏振复用器13后合为1路具有正交偏振光的另一特定波长的光。偏振复用器12和偏振复用器13的输出光经过合波滤波器14后耦合在同一光波导中。合波滤波器14输出的光为主放大器11所提供的总泵浦光。
C3是法兰盘式光纤接口，使辅放大器31输出的泵浦光可以通过这个接口进入主放大器。
18表示合波滤波器或耦合器，从辅放大器经过光纤接口C3进入主放大器11的光功率可以和由合波滤波器14输出的光功率合并。
15是主放大器中使用的隔离器，用来避免线路中不希望有的光功率进入虚线框所表示的泵浦激光器组。
C1、C2是法兰盘式光纤接口，在C1与C2之间是主放大器11内信号光的波导通路。信号光经过光纤接口C1与传输光纤相连接，经过光纤接口C2与设备内其他装置相连接。信号光可以沿C1至C2方向传递，也可以沿C2至C1的方向传递。
16是合波器，通过合波器把泵浦光功率耦合到信号光的波导通路中。泵浦光经过合波器16后将被传送到光纤接口C1。
17是主放大器11内的激光器控制电路。包含CPU最小操作系统、泵浦激光器驱动电路和激光器工作性能采集电路，实现对泵浦激光器工作状态的检测和控制。激光器控制电路还包含通信接口，通信接口的信号线使用电连接器与设备通信总线B的载体相连。
31是实现拉曼放大的辅放大器，在辅放大器31中，虚线框内表示按照通用的泵浦激光器组合方法实现的装置，仍然以2个泵浦波长、每个波长由2只激光器组成为例，辅放大器31中L31和L32是两只具有不同偏振方向、相同工作波长的激光器；32是偏振复用器；L41和L42是两只具有不同偏振方向、相同工作波长的激光器；33是偏振复用器；34是合波滤波器。激光器L31和激光器L32输出光经过偏振复用器32后合为1路具有正交偏振光的特定波长的光。激光器L41和激光器L42输出光经过偏振复用器33后合为1路具有正交偏振光的另一特定波长的光。偏振复用器32和偏振复用器33的输出光经过合波滤波器34后耦合在同一光波导中。合波滤波器34输出的光为辅放大器31所提供的总泵浦光。
C4是法兰盘式光纤接口，使辅放大器31输出的泵浦光可以通过这个接口输出。
35是辅放大器中使用的隔离器，用来避免光纤接口C4至C3的连接导致不希望有的光功率进入虚线框所表示的泵浦激光器组。
36是辅放大器31内的激光器控制电路。包含CPU最小操作系统、泵浦激光器驱动电路和激光器工作性能采集电路，实现对泵浦激光器工作状态的检测和控制。激光器控制电路还包含通信接口，通信接口的信号线使用电连接器与设备通信总线B的载体相连。
B是设备通信总线，通信总线存在于设备的物理载体，通过电连接器分别与主放大器和辅放大器的激光器控制电路通信接口相连。图1的实施例所体现的发明特征是：主放大器和辅放大器通过一个光接口和一个总线接口相连接。
作为体现与图1相同设计构思的另一方案，图2的变化结构描述了主放大器通过多路光纤接口和辅放大器相连接的实现方式。
图2在虚线框内表示的部分与图1相区别，其中C3，C4，C5，C6是法兰盘式光纤接口，表示在主放大器和辅放大器之间具有多于1个光纤连接。
41是具有多个输入端口的合波滤波器。实现主放大器和通过光纤接口C3...C5接入的来自于辅放大器全部泵浦光的合波。
注意在辅放大器中没有使用合波滤波器，而是将多路泵浦光分别经过光纤接口C4...C6输出。
注意本图体现的构思是主放大器具有多个用于扩展的光纤接口，来自于多个光纤接口的泵浦光与主放大器内的泵浦光功率进行合成。
图2所描述的实施方式的意义还在于，由于主放大器具有多个用于扩展的光纤接口，使可使用的扩展装置可以多于1个。
在图1和图2中所涉及的合波滤波器(14，34，18，41)，要根据连接方式和泵浦波长来设计合适的传输特性，可由器件供应商提供定做的滤波器。例如在图1的实施方式中，为了实现C波段的信号放大，泵浦激光器L11和L12的波长假定为λ1＝1421.5nm，泵浦激光器L21和L22的波长假定为λ2＝1455.0nm，则合波滤波器14可以采用的2个输入端口的λ1\λ2合波器；通过引入辅放大器来实现C+L波段的信号放大，泵浦激光器L31和L32的波长假定为λ3＝1439.0nm，泵浦激光器L41和L42的波长假定为λ4＝1495.0nm，则合波滤波器34可以采用2个输入端口的λ3\λ4合波器，合波滤波器18可以采用2个输入端口的交织型合波器，一个端口输入λ1和λ2，另一个端口输入λ3和λ4。再例如在图2的实施方式中，仍采用上述波长的激光器，则合波滤波器41可以采用4个输入端口的λ1\λ2\λ3\λ4合波器，为了实现更大的扩展能力，合波滤波器41可以设计为具有更多的合波输入端口，更多的合波输入端口将对应更多泵浦波长，使主放大器的扩展能力增强。
在图1和图2中的主放大器11和辅放大器31都包含泵浦激光器控制电路17、36及设备通信接口，其结构由图3来描述。
由微处理器CPU、只读存储器ROM、随机读写存储器RAM、可编程逻辑电路FPGA构成最小控制单元，各电路芯片之间通过数据线(D-ROM，D-RAM，D-FPGA)和控制线(EN-FPGA，EN-RAM，EN-ROM)相连接；CPU通过数据线D1和I/O接口电路连接到J2。J2是与设备总线B间的信号连接器。电路中还包含标准的DC/DC转换电路，输出各个部分功能电路所需要的偏置电压(VC，VC1，VCC，VO，VP)。DC/DC转换电路连接到J1，J1是与设备总线B间的电源连接器，电源连接器J1与信号连接器J2共同实现放大器和设备总线的电气连接，用插针和插座的形式实现，可进行插拔。
由AD/DA转换电路、放大器电路(A1，A2，A3，A4)构成泵浦激光器驱动和性能采集部分。JP1，JP2表示不同的泵浦激光器1，2的接口，泵浦激光器接口的应用遵照商用激光器的用户应用资料。以JP1为例，I1表示激光器偏置电流输入端，I2表示激光器制冷电流输入端，O1表示激光器背光功率检测信号输出端，O2表示激光器管芯工作温度输出端。
CPU通过数据线D2与AD/DA转换电路通信。当需要控制泵浦激光器1的输出功率时，CPU控制FPGA选择AD/DA的输出端口，片选控制信息由控制信号线CS输出至AD/DA转换电路；同时CPU通过数据线D2向AD/DA转换电路输出数据，实现DA转换后通过FPGA所选择的端口输出模拟工作电流并保持，再经过放大后送到泵浦激光器1的接口JP1的偏置电流输入端I1。当需要控制泵浦激光器1的管心温度时，CPU控制FPGA选择AD/DA的输出端口，片选控制信息由控制信号线CS输出至AD/DA转换电路；同时CPU通过数据线D2向AD/DA转换电路输出数据。实现DA转换后通过FPGA所选择的端口输出模拟工作电流并保持，再经过放大后送到泵浦激光器1的接口JP1的制冷电流输入端I2。当需要检测泵浦激光器1的输出功率时，CPU控制FPGA选择AD/DA的输入端口，泵浦激光器1的接口JP1的O1端输出信号经过适当放大后输入到AD/DA电路，实现AD转换后经过数据线D2输出到CPU。当需要检测泵浦激光器的制冷电流时，CPU控制FPGA选择AD/DA转换的输入端口，泵浦激光器1的接口JP1的O2端输出信号经过适当放大后输入到AD/DA电路，实现AD转换后经过数据线D2输入到CPU。当对泵浦激光器进行控制时需要对相应的性能进行检测以便进行更精确的反馈调节。
当需要进行检测和控制的泵浦激光器较多时，需要更多的检测和控制电路，分别与各个激光器的接口相连，根据激光器的数量、需要进行检测和控制的参数数量来选择合适的AD/DA转换器，实现多路检测和控制。
CPU将把激光器的控制和性能检测数据存入RAM，作为“性能列表”，以方便设备管理，可以通过数据总线B经过CPU进行查询。
在ROM中，需要储存有标志信息，以便设备识别主放大器和辅放大器。
在实现增益控制时，各个泵浦激光器的输出功率的分配比例会影响信号所在带宽内的增益平坦性。对应于系统所需要的工作增益和增益平坦性要求，各个泵浦激光器的输出功率是可知的，各个泵浦激光器的输出功率值与其偏置电流相对应。可以将各个泵浦的偏置电流值存储于ROM，作为“设置列表”，以便CPU遵照该数据实施控制。若此存储偏置电流的存储器具有电可擦除功能，则“设置列表”可在线修改，并在设备掉电后不会丢失。
放大器上电后CPU将查询ROM中存有的缺省“设置列表”，按照规定的偏置电流值对主放大器上的泵浦激光器实施控制；控制完成后的状态信息将存入RAM中的“性能列表”中，包括当前的偏置电流、制冷电流、背光检测、管芯温度等。
若ROM包含电可擦除功能，全部工作信息也可以保存在ROM中。这样做的好处是掉电后工作数据不丢失。
上文所述实施例中，由于主放大器和辅放大器具有活动连接器式光接口和可插拔的电接口，使之在物理上可以相互连接或拆离，并可以灵活地装入设备或拆离设备。
为实现放大器控制，以满足增益要求和增益平坦性要求，本发明提供一种对扩展放大器进行升级控制的方法。
首先设备管理系统可以通过设备总线B对放大器装置实施以下查询：
属性信息查询(对应报文1)
性能信息查询(对应报文2)
配置信息查询(对应报文3)
放大器可以通过I/O接口向设备总线B输出以下报文：
属性信息上报(对应报文4)
性能信息上报(对应报文5)
配置信息上报(对应报文6)
设备管理系统可以通过设备总线B对放大器装置实施以下控制：
配置数据更新(对应报文7)
下面分别给出上述报文1-7的实施例：
报文1：[H，A，C1，L，P]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C1是协议编码，在这里表示查询本装置属性值；L表示报文长度。
报文2：[H，A，C2，L，F]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C2是协议编码，在这里表示对本装置实施性能查询；L表示报文长度；F表示向本装置查询的性能值类别，包括当前的偏置电流、制冷电流、背光检测、管芯温度等。
报文3：[H，A，C3，L，C]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C3是协议编码，在这里表示对本装置实施配置信息查询；L表示报文长度；C表示向本装置查询的性能值类别，包括配置的偏置电流、制冷电流等。
为回应报文1的查询，放大器还将通过I/O接口向设备总线B输出以下格式的报文：
报文4：[H，A，C4，L，P]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C4是协议编码，在这里表示上报本装置属性值；L表示报文长度；P表示本装置的属性，用于区别放大器的类型。
为回应报文2的查询，放大器还将通过I/O接口向设备总线B输出以下格式的报文：
报文5：[H，A，C5，L，F，V1，V2，...，Vn]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C5是协议编码，在这里表示本装置性能值上报；L表示报文长度；F表示向本装置查询的性能值类别，包括当前的偏置电流、制冷电流、背光检测、管芯温度等；V1，V2，...，Vn表示上报的n个性能值。
为回应报文3的查询，放大器还将通过I/O接口向设备总线B输出以下格式的报文：
报文6：[H，A，C6，L，C，V1，V2，...，Vn]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C6是协议编码，在这里表示本装置配置信息上报；L表示报文长度；C表示向本装置查询的配置信息类别，包括配置的偏置电流、制冷电流等；V1，V2，...，Vn表示上报的n个配置信息值。
设备管理系统对放大器装置实施配置数据更新时，通过设备总线B对放大器发送以下格式的报文
报文7：[H，A，C7，L，C，V1，V2，...，Vn]
其中H表示报文头，是为了实现通信同步的固定格式脉冲串；A表示本装置在设备中的地址标志；C7是协议编码，在这里表示对本装置进行配置数据更新；L表示报文长度；C表示要更新的配置信息类别，包括配置的偏置电流、制冷电流等；V1，V2，...，Vn表示上报的n个配置信息值。
设备管理系统通过设备通信总线对可扩展拉曼放大器发送不同类型的查询数据报文；或可扩展拉曼放大器主动通过设备通信总线向设备管理系统上报表明属性的报文。
当设备中只有主放大器时，放大器可主动上报报文4或经过报文1查询上报报文4，用来对放大器进行识别；系统使用报文2和报文3可以进行配置、性能查询，可默认放大器初始化状态，也可以通过报文7实施配置数据更新。放大器接收到报文7后将根据新的配置值对泵浦激光器实施新的功率控制。
设备通过接入辅放大器实现工作带宽升级。带宽升级时带来了增益变化和平坦性变化的问题。
当设备接入辅放大器时，辅放大器可主动上报报文4或经过报文1查询上报报文4，用来对放大器进行识别；辅放大器的泵浦光功率将改变增益谱，因此为了实现优化的在线增益和增益平坦性，需要重新调节主放大器的泵浦输出功率。此时系统使用含有不同地址的报文2和报文3可以分别对主放大器和辅放大器进行配置、性能查询，可默认主放大器和辅放大器初始化状态，也可以通过报文7分别对主放大器和辅放大器实施配置数据更新。主放大器和辅放大器分别接收到报文7后将根据新的配置值对泵浦激光器实施新的功率控制。放大器中的微处理器和激光器控制电路可以根据新的配置数据控制激光器，使之按照期望的光功率值输出。发给主放大器和辅放大器的报文将根据报文内包含的地址相区别。