CN100451802C - 宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法，涉及光纤通信领域。具体讲本发明涉及分立式色散补偿型宽带光纤喇曼放大器参数确定方法。为提供一种立式色散补偿型宽带光纤喇曼放大器参数确定方法，本发明采用的技术方案是，求解相同信号、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程、设置雅克比矩阵Δr(s_k)＝B、求解Raman方程得到雅克比矩阵Δr(s_k)、用改进的Newton法对后向泵浦光的输入端功率进行修正、判断是否达到允许误差容限、判断是否可以用Broyden秩一法计算下一次打靶的雅克比矩阵、用Broyden秩一法计算B_k+1、进入下一次输出结果，仿真结束。本发明主要用于制作高性能全光放大器。

Description

宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法

本发明是分立式色散补偿型宽带光纤喇曼放大器及其参数确定方法发明申请的分案申请，原申请的申请日：2005年10月11日，申请号：200510015366.7，名称：分立式色散补偿型宽带光纤喇曼放大器及其参数确定方法。

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别是一种可以对光信号的传输损耗和色散进行同步补偿的高性能全光放大器。具体讲，本发明涉及宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法。

背景技术

随着Internet的飞速发展，全球范围内对信息的需求量呈爆炸式的增长，这给承担信息传输任务的光纤通信系统带来了巨大的压力。必须不断有效地提高通信系统的传输容量，才能满足信息量飞速增长的需求。提高现有光纤通信系统的传输能力通常有三种途径：采用密集波分复用(DWDM)技术，减小信道间隔，增加信道数量；采取时分复用技术，提高单信道的传输速率；采用宽带光放大器，增加光纤通信系统的可用带宽。这三种方法不是孤立的，实际中往往是几种方法同时采用共同来推动光纤通信系统向高速率、大容量、长距离方向发展。

限制光纤通信系统性能提高的因素主要有两个：损耗和色散。目前，业内成熟的做法是用掺铒光纤放大器(EDFA)来对光信号在光纤中的传输损耗进行补偿，用色散补偿光纤(DCF)模块来对一定长度的传输光纤带来的色散进行补偿。随着光纤通信技术的发展，这两种技术的局限性日益明显。首先，EDFA的工作带宽主要集中在C带，虽然目前已开发出L带的EDFA，但EDFA无法实现对C+L带光信号的同时放大。通常是在放大节点将信号分为C带和L带，然后再送入相应波段的EDFA进行放大。放大后的信号再合到一起送入光纤继续传输。这不仅增加了系统的复杂程度，也提高了运营和维护的成本；其次，目前色散补偿模块的损耗还比较高，它在补偿信号传输色散的同时，对信号造成了较大的衰减。通常必须在色散补偿模块的末端加一EDFA，对其带来的损耗进行补偿。这又进一步提高了系统的复杂程度，增加了运营和维护的成本。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种可在宽带范围内(如，C+L带)对光信号的色散进行补偿的同时对信号进行放大的分立式色散补偿型光纤喇曼放大器，该放大器便于使用和维护，从功能上使色散补偿和损耗补偿集成化，在对信号进行色散补偿的同时对信号提供放大，简化色散补偿节点结构，大大降低系统运营和维护的成本。

本发明采用的技术方案是：

一种分立式色散补偿型宽带光纤喇曼放大器，构成为：波长分别为λ₁、λ₂、λ₃和λ₄的4个波长激光光源，两个隔离器、色散补偿模块、泵浦/信号合波器，两个偏振合波器、保偏光纤消偏器、宽带泵浦合波器，两个耦合器，消偏隔离器，一个隔离器、色散补偿模块、泵浦/信号合波器、另一个隔离器依次串接；两个偏振合波器分别对应连接λ₁、λ₂激光光源，两个偏振合波器的输出连接到两个耦合器中的一个耦合器耦合后输出连接到宽带泵浦合波器，λ₃和λ₄激光光源的输出经两个耦合器中的另一个耦合器耦合后依次经保偏光纤消偏器和消偏隔离器输出连接到宽带泵浦合波器，宽带泵浦合波器输出到泵浦/信号合波器，宽带泵浦合波器输出的泵浦光经泵浦/信号合波器注入增益光纤，增益光纤中泵浦光的传输方向与信号光的传输方向相反。

其中，保偏光纤消偏器由三段保偏光纤按1∶2∶4的长度比、偏振主轴夹角呈45°焊接在一起。

两个波长为λ₁和两个波长为λ₂的激光光源输出光分别偏振态正交的通过对应连接的偏振合波器。

此外，还包括对激光光源供电和控制的驱动电源，驱动电源的构成为：线性稳压电路，缓启动(关断)电路，恒流源电路，电位器，过流保护电路，单片机，半导体激光器，测温电路，液晶显示，制冷电路；线性稳压电路，缓启动(关断)电路，恒流源电路、半导体激光器，测温电路、单片机依次相连；恒流源电路分别和电位器、过流保护电路相连；半导体激光器分别和过流保护电路、制冷电路相连；单片机分别和线性稳压电路、缓启动(关断)电路、液晶显示、制冷电路相连。

一种宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法，以简单打靶法为基础，通过同向泵浦近似法来获得后向泵浦的初始功率近似，并采用改进的牛顿法和Broyden秩1法作为打靶法循环过程中的初值修正方法。

所述的一种宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法是：

(1)设置isRK1＝F，isASE＝F，isRayleigh＝F，求解相同信号、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程，以得到后向泵浦光在输入端的初始猜测功率；设置isASE＝T，isRayleigh＝T；

(2)判断isRK1是否为“T”；

(3)设置雅克比矩阵Δr(s_k)＝B_k；

(4)求解Raman方程得到雅克比矩阵Δr(s_k)；

(5)用改进的Newton法对后向泵浦光的输入端功率进行修正；

(6)判断是否达到允许误差容限；

(7)判断是否可以用Broyden秩一法计算下一次打靶的雅克比矩阵；

(8)用Broyden秩一法计算B_k+1；设置isRK1＝T，进入下一次打靶；

(9)设置isRK1＝F，进入下一次打靶；

(10)输出结果，仿真结束，

isRK1＝F表示下一次打靶中不能用Broyden秩一法近似计算雅克比矩阵；

isRK1＝T表示下一次打靶中可以用Broyden秩一法近似计算雅克比矩阵；

isASE＝F表示后面的仿真计算中不考虑自发喇曼散射；

isASE＝T表示后面的仿真计算中要考虑自发喇曼散射；

isRayleigh＝F表示后面的仿真计算中不考虑瑞利散射；

isRayleigh＝T表示后面的仿真计算中要考虑瑞利散射；

Δr(s_k)表示第k次打靶得到的雅克比矩阵；

B_k表示由Broyden秩一法近似的第k次打靶的雅克比矩阵。

采用高效的改进的牛顿法来修正打靶过程中的初值。

采用Broyden秩1法来计算初值修正过程中的雅克比矩阵以减少计算量。

本发明可取得下列效果：

首先，从结构上来说，独立于系统的分立式的模块化设计，便于使用和维护；其次，色散补偿和损耗补偿集成化，在对信号进行色散补偿的同时对信号提供放大，有利于简化色散补偿节点结构；最后，带宽宽且增益谱型可控，可以对宽带信号同时进行放大，而且无需专门的增益平坦元件，只需通过适当调节各个泵浦源的泵浦功率即可实现增益平坦，这可以大大简化通信系统中放大和色散补偿节点的结构。因此，分立式色散补偿型光纤喇曼放大器在光纤通信系统中的应用有利于简化网络结构，从而大大降低系统运营和维护的成本。

附图说明

图1是本发明电路部分的原理框图。

图2是三段式保偏光纤消偏器的结构示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是本发明样机的实物照片。

图5是实验测得的本发明增益和噪声特性。

图6是本发明在实际系统中的应用示意图。

图7是本发明仿真软件流程图。

图1中：

1.线性稳压电路，2.缓启动(关断)电路，3.恒流源电路，4.电位器，5.过流保护电路，6.单片机，7.半导体激光器，8.测温电路，9.液晶显示，10.制冷电路。

图2中：

11.第一段保偏光纤，12.第二段保偏光纤，13.第三段保偏光纤，14.第一段保偏光纤的快轴，15.第一段保偏光纤的慢轴，16.第二段保偏光纤的快轴，17.第二段保偏光纤的慢轴，18第三段保偏光纤的快轴，19第三段保偏光纤的慢轴。

图3中：

21.输入端，22.隔离器，23.色散补偿模块，24.泵浦/信号合波器，25.隔离器，26.输出端，27.宽带泵浦合波器，28.WDM，29.隔离器，210.保偏光纤消偏器211.偏振合波器，212.偏振合波器，213.WDM，214.LD(λ₁)，215.LD(λ₂)，216.LD(λ₃)，217.LD(λ₄)。

图4中：

31.LD电源开关，32.电位器调节旋钮，33.液晶显示面板，34.输入端口，35.输出端口，36.总电源锁。

图6中：

41.传输光纤，42.分立式色散补偿型宽带光纤喇曼放大器

具体实施方式

为了克服光纤通信系统中信号放大和色散补偿过程中的上述不足，本发明提出了一种可在宽带范围内(如，C+L带)对光信号的色散进行补偿的同时对信号进行放大的分立式色散补偿型光纤喇曼放大器。

本发明主要由半导体激光器驱动电源、半导体泵浦激光器(LD)、色散补偿模块、隔离器、耦合器、消偏器六种器件组成。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：(1)设计了高效稳定的仿真算法和软件系统。该算法将打靶法、改进的牛顿法、Broyden秩一法相结合，可以快速准确对各种结构的光纤喇曼放大器的增益和噪声特性进行仿真，从而根据实际应用需要选择所需泵浦源的数量、波长、各泵源功率、增益光纤的最佳长度、泵浦结构等参数，以选取经济可行的实施方案(2)半导体激光器驱动电源设计采用数字技术与模拟技术相结合的方案，以实现对LD安全稳定地供电和方便地控制。电路开启、关断、温控、保护以及用户界面显示等由单片机输出的数字信号来控制，而LD工作电流通过电位器以模拟的方式调节。电路原理框图如图1所示；(3)采取对泵浦光消偏的措施来降低放大器的偏振相关增益。采取了两种方案：偏振合波器消偏和保偏光纤消偏器消偏。由于喇曼效应使各波间的相互作用，短波长的泵浦光需要有较高的泵浦功率，需要由两个LD来提供。因此，对短波长的泵浦光采取偏振合波器，将来自两个LD的泵浦光正交地耦合到一起以达到消偏的目的。而长波长泵浦需要的泵浦功率较低，一个LD的输出功率即可满足要求。对长波长泵浦采取保偏光纤消偏器消偏。保偏光纤消偏器(如图2所示)由三段适当长度的保偏光纤按1∶2∶4的长度比、按偏振主轴夹角呈45°焊接在一起。与传统的两段式保偏光纤消偏器相比，三段结构对保偏光纤之间45°的焊接精度要求要低得多。(4)泵浦方式采取后向泵浦。如图3所示，合波后的泵浦光通过一泵浦/信号复用器4进入增益光纤，信号光从1端输入。在增益光纤中泵浦光和信号光的传输方向相反。这种反向泵浦结构不仅有利于降低泵浦源功率波动带来的噪声，而且可以降低放大器的偏振相关增益。(5)整机采取分层结构。电路部分位于下层，而所有的光学元件位于上层。采用这种分层式一体化整机结构，光路和电路相对独立，既可避免相互间的影响，方便调试和使用，同时还有利于减小整机的体积。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

放大器所需的泵浦数量、波长、功率、增益光纤长度、泵浦结构等参数需根据实际应用的需要通过仿真确定。下面以4波泵浦C+L波段分立式色散补偿型光纤喇曼放大器为例，对本发明的具体实施予以进一步说明。

如图7所示，图中：71.设置isRK1＝F，isASE＝F，isRayleigh＝F，求解相同信号、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程，以得到后向泵浦光在输入端的初始猜测功率；设置isASE＝T，isRayleigh＝T；72.判断isRK1是否为“T”。73.设置雅克比矩阵Δr(s_k)＝B_k；74.求解Raman方程得到雅克比矩阵Δr(s_k)；75.用改进的Newton法对后向泵浦光的输入端功率进行修正；76.判断是否达到允许误差容限；77.判断是否可以用Broyden秩一法计算下一次打靶的雅克比矩阵；78.用Broyden秩一法计算B_k+1；设置isRK1＝T，进入下一次打靶；79.设置isRK1＝F，进入下一次打靶；710.输出结果，仿真结束。

如图3所示，两个波长为λ₁的LD214和两个波长为λ₂的LD215的输出光分别偏振态正交的通过偏振合波器211和偏振合波器212进行消偏后，由WDM 28将输出激光合波并送入宽带泵浦合波器27的一端。半导体激光器216和217的输出先经WDM 213合波后进入保偏光纤消偏器210进行消偏，消偏后的激光经隔离器29送入宽带泵浦合波器27的另一端。从宽带泵浦合波器27输出的泵浦光，通过信号/泵浦合波器24耦合入色散补偿模块23。信号光从21端输入，经隔离器22进入增益光纤(即，色散补偿模块)。在增益光纤中，泵浦光和信号光是反向传输的，因此，该结构为反向泵浦结构。放大后的信号通过一隔离器25后从输出端26输出。隔离器22作用是为了隔离掉剩余的泵浦光。隔离器25的作用是为了防止通信系统中的随机散射等对放大器性能造成影响。隔离器29的作用是对LD进行保护，防止泵浦光反馈回半导体激光器将其烧坏。由于偏振合波器211和212具有隔离作用，因此不需再加隔离器对LD214和LD215进行保护。

图5所示为实验测得的增益和噪声特性曲线。信号源为可调谐半导体激光器，进入放大器的光信号功率约-10dBm。由图可见，该放大器可在1525~1600nm带宽内提供大于12dB的净增益，噪声指数低于7.5dB。

由于光纤损耗和色散的影响，光纤通信系统中的信号光经过一定长度单模光纤的传输后必须对传输过程带来的损耗和色散进行补偿才能继续传输。本发明在光纤通信系统中的应用如图6所示。在每个中继段的末端，光纤通信系统中的信号光被送入本发明进行放大并对传输过程中带来的色散进行补偿，放大后的信号被送入下一个中继段继续传输，直至信号接收端。

以上实施例是以我们研制的样机为例讨论的。该样机为4波泵浦，色散补偿模块为可对40公里普通单模光纤的色散进行补偿。实际应用中可根据中继段色散量的大小选择合适长度的色散补偿模块作为增益介质，根据系统的带宽来选择泵浦源的数量和波长，以达到最佳的性价比。

分立式色散补偿型光纤喇曼放大器主要应用于光纤通信系统中色散补偿节点，对光信号的传输损耗和色散进行同步补偿，也可以与EDFA配合使用，在EDFA不能提供放大的带宽内提供放大或对EDFA的增益进行平坦。

Claims (3)

1.一种宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法，其特征是，

(1)设置isRK1＝F，isASE＝F，isRayleigh＝F，求解相同信号、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程，以得到后向泵浦光在输入端的初始猜测功率；设置isASE＝T，isRayleigh＝T；

(2)判断isRK1是否为“T”；

(3)设置雅克比矩阵Δr(s_k)＝B_k；

(4)求解Raman方程得到雅克比矩阵Δr(s_k)；

(5)用改进的Newton法对后向泵浦光的输入端功率进行修正；

(6)判断是否达到允许误差容限；

(7)判断是否可以用Broyden秩一法计算下一次打靶的雅克比矩阵；

(8)用Broyden秩一法计算B_k+1；设置isRK1＝T，进入下一次打靶；

(9)设置isRK1＝F，进入下一次打靶；

(10)输出结果，仿真结束，

isRK1＝F表示下一次打靶中不能用Broyden秩一法近似计算雅克比矩阵；

isRK1＝T表示下一次打靶中可以用Broyden秩一法近似计算雅克比矩阵；

isASE＝F表示后面的仿真计算中不考虑自发喇曼散射；

isASE＝T表示后面的仿真计算中要考虑自发喇曼散射；

isRayleigh＝F表示后面的仿真计算中不考虑瑞利散射；

isRayleigh＝T表示后面的仿真计算中要考虑瑞利散射；

Δr(s_k)表示第k次打靶得到的雅克比矩阵；

B_k表示由Broyden秩一法近似的第k次打靶的雅克比矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法，其特征是，采用改进的牛顿法来修正打靶过程中的初值。

3.根据权利要求1所述的一种宽带光纤喇曼放大器高效仿真方法，其特征是，采用Broyden秩1法来计算初值修正过程中的雅克比矩阵以减少计算量。

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