寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法
2023-12-03 12:22:36
專利名稱：寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信領域，特別是一種可以對光信號的傳輸損耗和色散進行同步補償的高性能全光放大器。具體講，本發明涉及寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法。
背景技術：
隨著Internet的飛速發展，全球範圍內對信息的需求量呈爆炸式的增長，這給承擔信息傳輸任務的光纖通信系統帶來了巨大的壓力。必須不斷有效地提高通信系統的傳輸容量，才能滿足信息量飛速增長的需求。提高現有光纖通信系統的傳輸能力通常有三種途徑採用密集波分復用(DWDM)技術，減小信道間隔，增加信道數量；採取時分復用技術，提高單信道的傳輸速率；採用寬帶光放大器，增加光纖通信系統的可用帶寬。這三種方法不是孤立的，實際中往往是幾種方法同時採用共同來推動光纖通信系統向高速率、大容量、長距離方向發展。
限制光纖通信系統性能提高的因素主要有兩個損耗和色散。目前，業內成熟的做法是用摻鉺光纖放大器(EDFA)來對光信號在光纖中的傳輸損耗進行補償，用色散補償光纖(DCF)模塊來對一定長度的傳輸光纖帶來的色散進行補償。隨著光纖通信技術的發展，這兩種技術的局限性日益明顯。首先，EDFA的工作帶寬主要集中在C帶，雖然目前已開發出L帶的EDFA，但EDFA無法實現對C+L帶光信號的同時放大。通常是在放大節點將信號分為C帶和L帶，然後再送入相應波段的EDFA進行放大。放大後的信號再合到一起送入光纖繼續傳輸。這不僅增加了系統的複雜程度，也提高了運營和維護的成本；其次，目前色散補償模塊的損耗還比較高，它在補償信號傳輸色散的同時，對信號造成了較大的衰減。通常必須在色散補償模塊的末端加一EDFA，對其帶來的損耗進行補償。這又進一步提高了系統的複雜程度，增加了運營和維護的成本。
發明內容
為克服現有技術的不足，本發明的目的在於提出一種可在寬帶範圍內(如，C+L帶)對光信號的色散進行補償的同時對信號進行放大的分立式色散補償型光纖喇曼放大器，該放大器便於使用和維護，從功能上使色散補償和損耗補償集成化，在對信號進行色散補償的同時對信號提供放大，簡化色散補償節點結構，大大降低系統運營和維護的成本。
本發明採用的技術方案是一種分立式色散補償型寬帶光纖喇曼放大器，構成為波長分別為λ1、λ2、λ3和λ4的4個波長雷射光源，兩個隔離器、色散補償模塊、泵浦/信號合波器，兩個偏振合波器、保偏光纖消偏器、寬帶泵浦合波器，兩個耦合器，消偏隔離器，一個隔離器、色散補償模塊、泵浦/信號合波器、另一個隔離器依次串接；兩個偏振合波器分別對應連接λ1、λ2雷射光源，兩個偏振合波器的輸出連接到兩個耦合器中的一個耦合器耦合後輸出連接到寬帶泵浦合波器，λ3和λ4雷射光源的輸出經兩個耦合器中的另一個耦合器耦合後依次經保偏光纖消偏器和消偏隔離器輸出連接到寬帶泵浦合波器，寬帶泵浦合波器輸出到泵浦/信號合波器，寬帶泵浦合波器輸出的泵浦光經泵浦/信號合波器注入增益光纖，增益光纖中泵浦光的傳輸方向與信號光的傳輸方向相反。
其中，保偏光纖消偏器由三段保偏光纖按1∶2∶4的長度比、偏振主軸夾角呈45°焊接在一起。
兩個波長為λ1和兩個波長為λ2的雷射光源輸出光分別偏振態正交的通過對應連接的偏振合波器。
此外，還包括對雷射光源供電和控制的驅動電源，驅動電源的構成為線性穩壓電路，緩啟動(關斷)電路，恆流源電路，電位器，過流保護電路，單片機，半導體雷射器，測溫電路，液晶顯示，製冷電路；線性穩壓電路，緩啟動(關斷)電路，恆流源電路、半導體雷射器，測溫電路、單片機依次相連；恆流源電路分別和電位器、過流保護電路相連；半導體雷射器分別和過流保護電路、製冷電路相連；單片機分別和線性穩壓電路、緩啟動(關斷)電路、液晶顯示、製冷電路相連。
一種寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，以簡單打靶法為基礎，通過同向泵浦近似法來獲得後向泵浦的初始功率近似，並採用改進的牛頓法和Broyden秩1法作為打靶法循環過程中的初值修正方法。
所述的一種寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法是(1)設置isRefine＝T，isRK1＝F，isRayleighAndASE＝F；(2)用同向泵浦近似法解得後向波的初始功率近似值；(3)計算誤差向量r(sk)；(4)判斷isRK1是否為「T」；(5)如果isRK1＝T，設置雅克比矩陣Δr(sk)＝Bk；(6)如果isRK1＝F，用差分法計算雅克比矩陣Δr(sk)；(7)用改進的Newton法修正初值，重新計算誤差向量r(sk+1)；(8)判斷精度是否滿足要求；(9)如果精度滿足要求，判斷isRefine是否為「T」；(10)如果isRefine＝T，設置isRefine＝F，isRayleighAndASE＝T；(11)如果精度不滿足要求，判斷是否用Broyden秩1法計算雅克比矩陣；(12)如果可用Broyden秩1法，計算Bk+1，設置isRK1＝T；(13)如果不能用Broyden秩1法，設置isRK1＝F；(14)更新初始功率近似值，進入下一步打靶；(15)輸出結果，仿真結束。
isRefine＝F表示不進行初值優化；isRefine＝T表示進行初值優化；isRK1＝F表示下一次打靶中不能用Broyden秩1法近似計算雅克比矩陣；isRK1＝T表示下一次打靶中可以用Broyden秩1法近似計算雅克比矩陣；
isRayleighAndASE＝F表示中不考慮ASE和Rayleigh後向散射；isRayleighAndASE＝T表示要考慮ASE和Rayleigh後向散射；Δr(sk)表示第k次打靶得到的雅克比矩陣；Bk表示由Broyden秩1法近似的第k次打靶的雅克比矩陣。
採用高效的改進的牛頓法來修正打靶過程中的初值。
採用Broyden秩1法來計算初值修正過程中的雅克比矩陣以減少計算量。
本發明可取得下列效果首先，從結構上來說，獨立於系統的分立式的模塊化設計，便於使用和維護；其次，色散補償和損耗補償集成化，在對信號進行色散補償的同時對信號提供放大，有利於簡化色散補償節點結構；最後，帶寬寬且增益譜型可控，可以對寬帶信號同時進行放大，而且無需專門的增益平坦元件，只需通過適當調節各個泵浦源的泵浦功率即可實現增益平坦，這可以大大簡化通信系統中放大和色散補償節點的結構。因此，分立式色散補償型光纖喇曼放大器在光纖通信系統中的應用有利於簡化網絡結構，從而大大降低系統運營和維護的成本。
圖1是本發明電路部分的原理框圖。
圖2是三段式保偏光纖消偏器的結構示意圖。
圖3是本發明的結構示意圖。
圖4是本發明樣機的實物照片。
圖5是實驗測得的本發明增益和噪聲特性。
圖6是本發明在實際系統中的應用示意圖。
圖7是本發明仿真軟體流程圖。
圖1中1.線性穩壓電路，2.緩啟動(關斷)電路，3.恆流源電路，4.電位器，5.過流保護電路，6.單片機，7.半導體雷射器，8.測溫電路，9.液晶顯示，10.製冷電路。
圖2中11.第一段保偏光纖，12.第二段保偏光纖，13.第三段保偏光纖，14.第一段保偏光纖的快軸，15.第一段保偏光纖的慢軸，16.第二段保偏光纖的快軸，17.第二段保偏光纖的慢軸，18第三段保偏光纖的快軸，19第三段保偏光纖的慢軸。
圖3中21.輸入端，22.隔離器，23.色散補償模塊，24.泵浦/信號合波器，25.隔離器，26.輸出端，27.寬帶泵浦合波器，28.WDM，29.隔離器，210.保偏光纖消偏器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)。
圖4中31.LD電源開關，32.電位器調節旋鈕，33.液晶顯示面板，34.輸入埠，35.輸出埠，36.總電源鎖。
圖6中
41.傳輸光纖，42.分立式色散補償型寬帶光纖喇曼放大器具體實施方式
為了克服光纖通信系統中信號放大和色散補償過程中的上述不足，本發明提出了一種可在寬帶範圍內(如，C+L帶)對光信號的色散進行補償的同時對信號進行放大的分立式色散補償型光纖喇曼放大器。
本發明主要由半導體雷射器驅動電源、半導體泵浦雷射器(LD)、色散補償模塊、隔離器、耦合器、消偏器六種器件組成。
本發明解決其技術問題所採用的方案是(1)設計了高效穩定的仿真算法和軟體系統。該算法將打靶法、改進的牛頓法、Broyden秩一法相結合，可以快速準確對各種結構的光纖喇曼放大器的增益和噪聲特性進行仿真，從而根據實際應用需要選擇所需泵浦源的數量、波長、各泵源功率、增益光纖的最佳長度、泵浦結構等參數，以選取經濟可行的實施方案(2)半導體雷射器驅動電源設計採用數位技術與模擬技術相結合的方案，以實現對LD安全穩定地供電和方便地控制。電路開啟、關斷、溫控、保護以及用戶界面顯示等由單片機輸出的數位訊號來控制，而LD工作電流通過電位器以模擬的方式調節。電路原理框圖如圖1所示；(3)採取對泵浦光消偏的措施來降低放大器的偏振相關增益。採取了兩種方案偏振合波器消偏和保偏光纖消偏器消偏。由於喇曼效應使各波間的相互作用，短波長的泵浦光需要有較高的泵浦功率，需要由兩個LD來提供。因此，對短波長的泵浦光採取偏振合波器，將來自兩個LD的泵浦光正交地耦合到一起以達到消偏的目的。而長波長泵浦需要的泵浦功率較低，一個LD的輸出功率即可滿足要求。對長波長泵浦採取保偏光纖消偏器消偏。保偏光纖消偏器(如圖2所示)由三段適當長度的保偏光纖按1∶2∶4的長度比、按偏振主軸夾角呈45°焊接在一起。與傳統的兩段式保偏光纖消偏器相比，三段結構對保偏光纖之間45°的焊接精度要求要低得多。(4)泵浦方式採取後向泵浦。如圖3所示，合波後的泵浦光通過一泵浦/信號復用器4進入增益光纖，信號光從1端輸入。在增益光纖中泵浦光和信號光的傳輸方向相反。這種反向泵浦結構不僅有利於降低泵浦源功率波動帶來的噪聲，而且可以降低放大器的偏振相關增益。(5)整機採取分層結構。電路部分位於下層，而所有的光學元件位於上層。採用這種分層式一體化整機結構，光路和電路相對獨立，既可避免相互間的影響，方便調試和使用，同時還有利於減小整機的體積。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
放大器所需的泵浦數量、波長、功率、增益光纖長度、泵浦結構等參數需根據實際應用的需要通過仿真確定。下面以4波泵浦C+L波段分立式色散補償型光纖喇曼放大器為例，對本發明的具體實施予以進一步說明。
如圖7所示，圖中71.設置isRK1＝F，isASE＝F，isRayleigh＝F，求解相同信號、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程，以得到後向泵浦光在輸入端的初始猜測功率；設置isASE＝T，isRayleigh＝T；72.判斷isRK1是否為「T」。73.設置雅克比矩陣Δr(sk)＝Bk；74.求解Raman方程得到雅克比矩陣Δr(sk)；75.用改進的Newton法對後向泵浦光的輸入端功率進行修正；76.判斷是否達到允許誤差容限；77.判斷是否可以用Broyden秩一法計算下一次打靶的雅克比矩陣；78.用Broyden秩一法計算Bk+1；設置isRK1＝T，進入下一次打靶；79.設置isRK1＝F，進入下一次打靶；710.輸出結果，仿真結束。
如圖3所示，兩個波長為λ1的LD214和兩個波長為λ2的LD215的輸出光分別偏振態正交的通過偏振合波器211和偏振合波器212進行消偏後，由WDM 28將輸出雷射合波並送入寬帶泵浦合波器27的一端。半導體雷射器216和217的輸出先經WDM 213合波後進入保偏光纖消偏器210進行消偏，消偏後的雷射經隔離器29送入寬帶泵浦合波器27的另一端。從寬帶泵浦合波器27輸出的泵浦光，通過信號/泵浦合波器24耦合入色散補償模塊23。信號光從21端輸入，經隔離器22進入增益光纖(即，色散補償模塊)。在增益光纖中，泵浦光和信號光是反向傳輸的，因此，該結構為反向泵浦結構。放大後的信號通過一隔離器25後從輸出端26輸出。隔離器22作用是為了隔離掉剩餘的泵浦光。隔離器25的作用是為了防止通信系統中的隨機散射等對放大器性能造成影響。隔離器29的作用是對LD進行保護，防止泵浦光反饋回半導體雷射器將其燒壞。由於偏振合波器211和212具有隔離作用，因此不需再加隔離器對LD214和LD215進行保護。
圖5所示為實驗測得的增益和噪聲特性曲線。信號源為可調諧半導體雷射器，進入放大器的光信號功率約-10dBm。由圖可見，該放大器可在1525~1600nm帶寬內提供大於12dB的淨增益，噪聲指數低於7.5dB。
由於光纖損耗和色散的影響，光纖通信系統中的信號光經過一定長度單模光纖的傳輸後必須對傳輸過程帶來的損耗和色散進行補償才能繼續傳輸。本發明在光纖通信系統中的應用如圖6所示。在每個中繼段的末端，光纖通信系統中的信號光被送入本發明進行放大並對傳輸過程中帶來的色散進行補償，放大後的信號被送入下一個中繼段繼續傳輸，直至信號接收端。
以上實施例是以我們研製的樣機為例討論的。該樣機為4波泵浦，色散補償模塊為可對40公裡普通單模光纖的色散進行補償。實際應用中可根據中繼段色散量的大小選擇合適長度的色散補償模塊作為增益介質，根據系統的帶寬來選擇泵浦源的數量和波長，以達到最佳的性價比。
分立式色散補償型光纖喇曼放大器主要應用於光纖通信系統中色散補償節點，對光信號的傳輸損耗和色散進行同步補償，也可以與EDFA配合使用，在EDFA不能提供放大的帶寬內提供放大或對EDFA的增益進行平坦。
權利要求
1.一種寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，其特徵是以簡單打靶法為基礎，通過同向泵浦近似法來獲得後向泵浦的初始功率近似，並採用改進的牛頓法和Broyden秩1法作為打靶法循環過程中的初值修正方法。
2.根據權利要求1所述的一種寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，其特徵是，(1)設置isRefine＝T，isRK1＝F，isRayleighAndASE＝F；(2)用同向泵浦近似法解得後向波的初始功率近似值；(3)計算誤差向量r(sk)；(4)判斷isRK1是否為「T」；(5)如果isRK1＝T，設置雅克比矩陣Δr(sk)＝Bk；(6) 如果isRK1＝F，用差分法計算雅克比矩陣Δr(sk)；(7)用改進的Newton法修正初值，重新計算誤差向量r(sk+1)；(8)判斷精度是否滿足要求；(9)如果精度滿足要求，判斷isRefine是否為「T」；(10)如果isRefine＝T，設置isRefine＝F，isRayleighAndASE＝T；(11)如果精度不滿足要求，判斷是否用Broyden秩1法計算雅克比矩陣；(12)如果可用Broyden秩1法，計算Bk+1，設置isRK1＝T；(13)如果不能用Broyden秩1法，設置isRK1＝F；(14)更新初始功率近似值，進入下一步打靶；(15)輸出結果，仿真結束。isRefine＝F表示不進行初值優化；isRefine＝T表示進行初值優化；isRK1＝F表示下一次打靶中不能用Broyden秩1法近似計算雅克比矩陣；isRK1＝T表示下一次打靶中可以用Broyden秩1法近似計算雅克比矩陣；isRayleighAndASE＝F表示中不考慮ASE和Rayleigh後向散射；isRayleighAndASE＝T表示要考慮ASE和Rayleigh後向散射；Δr(sk)表示第k次打靶得到的雅克比矩陣；Bk表示由Broyden秩1法近似的第k次打靶的雅克比矩陣。
3.根據權利要求1所述的一種寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，其特徵是，採用高效的改進的牛頓法來修正打靶過程中的初值。
4.根據權利要求1所述的一種寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，其特徵是，採用Broyden秩1法來計算初值修正過程中的雅克比矩陣以減少計算量。
全文摘要
本發明寬帶光纖喇曼放大器高效仿真方法，涉及光纖通信領域。具體講本發明涉及分立式色散補償型寬帶光纖喇曼放大器參數確定方法。為提供一種立式色散補償型寬帶光纖喇曼放大器參數確定方法，本發明採用的技術方案是，求解相同信號、泵浦配置下的前向泵浦Raman方程、設置雅克比矩陣Δr(s
文檔編號H04B10/12GK101051167SQ20071009744
公開日2007年10月10日 申請日期2005年10月11日 優先權日2005年10月11日
發明者寧繼平, 韓群, 陳志強, 孫良勇, 龐璐 申請人:天津大學