胡 楊，付成鵬，陳 俊，卜勤練，余春平

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205)

0 引 言

分布式拉曼光纖放大器(Distribute Raman Fiber Amplifier，DRFA)由于增益頻帶寬和光信噪比高等優(yōu)異特性，在近年來成為光纖放大技術(shù)中的研究熱點(diǎn)，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與日俱增[1]。由于DRFA以傳輸光纖為增益介質(zhì)，在放大過程中輸入信號(hào)與輸出信號(hào)無法同時(shí)監(jiān)控，導(dǎo)致實(shí)時(shí)信號(hào)增益無法直接獲取；另一方面，光纖鏈路中不可控的接頭損耗[2](包括DRFA與光纖連接頭的損耗、光纖中的熔接損耗以及光纖彎折引起的損耗等異常損耗)會(huì)極大地影響DRFA的增益。傳統(tǒng)DRFA增益控制方式大多采用自動(dòng)泵浦功率控制(Automatic Pump Power Control，APPC)。這種方式無法實(shí)現(xiàn)拉曼增益實(shí)時(shí)反饋控制，且線路中的接頭損耗會(huì)使增益精度出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，在級(jí)聯(lián)DRFA的情況下更是會(huì)嚴(yán)重影響傳輸信號(hào)質(zhì)量，大幅縮短傳輸距離。

基于上述問題，本文研究并改進(jìn)了通過帶外放大自發(fā)輻射(Amplifying Spontaneous Emission，ASE)對(duì)DRFA進(jìn)行自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control ，AGC)的方法并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的合理性，探究了傳統(tǒng)APPC方式下接頭損耗對(duì)DRFA增益的影響規(guī)律。針對(duì)距離泵浦源不同位置的接頭損耗提出了一種等效距離為0處接頭損耗的方法并修正了拉曼增益與期望帶外ASE功率的關(guān)系，最后通過帶外ASE監(jiān)控與接頭損耗補(bǔ)償相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了拉曼增益精確控制。本文實(shí)驗(yàn)采用后向泵浦DRFA模塊，模塊集成了光時(shí)域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)的功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖鏈路接頭損耗大小及位置的精確探測(cè)。

1 DRFA AGC的原理與方法

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的明確規(guī)定，DRFA的開關(guān)增益是指在開泵情況下輸出參考平面(如圖1中的參考平面B)的信號(hào)功率值(dBm)與關(guān)泵情況下輸入?yún)⒖计矫?如圖1中的參考平面A)的信號(hào)功率值(dBm)之差，DRFA的拉曼增益則是輸出參考平面處開關(guān)增益與拉曼泵浦模塊的插入損耗值IL(IL<0，單位dB)之和。如圖1所示，λ1～λ48為1 528～1 566 nm的C波段范圍內(nèi)48路不同波長的信號(hào)；P1～Pn為實(shí)現(xiàn)拉曼增益平坦設(shè)置的一組n個(gè)不同波長的泵浦激光器組。

圖1 后向泵浦DRFA基本框圖

DRFA中泵浦光在對(duì)信號(hào)光受激放大的同時(shí)，也會(huì)對(duì)自發(fā)拉曼散射產(chǎn)生的非相干自發(fā)輻射進(jìn)行放大。自發(fā)輻射在各個(gè)方向上隨機(jī)進(jìn)行，但只有在與信號(hào)光同向或反向時(shí)才被泵浦光放大。產(chǎn)生的ASE頻帶很寬，幾乎占據(jù)整個(gè)拉曼增益譜。拉曼增益與ASE功率有一定的函數(shù)關(guān)系，本文所提AGC原理便是從這種函數(shù)關(guān)系出發(fā)，通過理論推導(dǎo)確立這種函數(shù)關(guān)系，以此作為DRFA AGC方式的理論基礎(chǔ)。

研究表明[3-4]，對(duì)于后向泵浦DRFA，帶外ASE功率與拉曼增益存在如下關(guān)系：

式中：PASE(L)為長度為Lkm的傳輸光纖末端處的帶外ASE功率；λ0和Δλ分別為截取的帶外ASE的中心波長和波長間隔；h為普朗克常量；c為光速；αp為泵浦光在光纖中的傳輸損耗；G為拉曼增益，單位為dB。當(dāng)傳輸距離較大時(shí)，exp(-αpL)可以忽略，對(duì)式(1)進(jìn)一步化簡(jiǎn)：

將式(2)中PASE(L)的單位從mW轉(zhuǎn)換成dBm，作出PASE(L)與G的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 PASE(L)與G的關(guān)系曲線圖

由圖可知，當(dāng)增益超過4 dB后，PASE(L)與DRFA的信號(hào)增益G呈線性關(guān)系，由于工作帶寬內(nèi)的ASE功率受到信號(hào)自身自發(fā)輻射譜以及線寬的影響而不便探測(cè)，所以我們選取工作帶寬外的ASE功率進(jìn)行探測(cè)并作為衡量DRFA增益的重要標(biāo)準(zhǔn)，這樣既能對(duì)增益進(jìn)行更精確地控制，又不會(huì)影響工作波段內(nèi)的信號(hào)。因此可以將DRFA的拉曼增益G與帶外ASE功率的函數(shù)關(guān)系近似為線性關(guān)系，即

式中：Pout-of-band ase為帶外ASE功率，單位為dBm；k1和b1為擬合Pout-of-band ase與拉曼增益G關(guān)系的參數(shù)，其與各種光纖環(huán)境等因素密切相關(guān)。

當(dāng)有兩個(gè)及以上的波長泵浦時(shí)，不同泵浦波長的不同泵浦功率可以得到同一個(gè)帶外ASE功率值，但增益有可能不同，為了消除不唯一解的問題，限制不同波長泵浦功率只能按照一定的比例變化，即

式中：P1和P2分別為不同波長的泵浦功率，單位為mW；k2和b2為擬合兩個(gè)波長泵浦功率之比與拉曼增益G關(guān)系的參數(shù)，其與各種光纖環(huán)境等因素密切相關(guān)。

因此本文探討的DRFA AGC原理，是通過建立DRFA當(dāng)前放大過程中帶外ASE功率PASE(l)和增益G的線性關(guān)系，將控制量從放大過程中不可直接測(cè)量的DRFA增益轉(zhuǎn)化成可以直接探測(cè)的帶外ASE功率。在工程應(yīng)用中，DRFA對(duì)帶外ASE信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，建立拉曼增益、帶外ASE功率及泵浦功率比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系鏈表并存入DRFA模塊的內(nèi)存中。當(dāng)DRFA進(jìn)行AGC時(shí)，通過設(shè)置的目標(biāo)增益查表獲取對(duì)應(yīng)的帶外ASE功率值并據(jù)此調(diào)節(jié)泵浦功率使帶外ASE功率達(dá)到控制目標(biāo)值。

2 接頭損耗對(duì)拉曼增益控制影響的理論分析

由于DRFA以傳輸光纖作為增益介質(zhì)，光纖中不可控的接頭損耗或熔接點(diǎn)損耗會(huì)對(duì)拉曼增益帶來較大影響。無論是APPC模式下的DRFA，還是基于帶外ASE功率監(jiān)控AGC的DRFA，這種影響都不可避免，為此本文就接頭損耗對(duì)基于帶外ASE功率監(jiān)控進(jìn)行AGC的DRFA的影響進(jìn)行理論分析。分析采用控制變量法，在完全相同的信號(hào)輸入功率Pin、光纖鏈路和后向泵浦DRFA模塊條件下，分析與DRFA距離為 0處的接頭損耗對(duì)拉曼增益及帶外ASE功率關(guān)系的影響規(guī)律。為了更直觀地分析該規(guī)律，建立如圖3所示的物理模型。

圖3 接頭損耗Att對(duì)拉曼增益與帶外ASE功率關(guān)系影響的物理模型

圖3(a)為接頭損耗Att=0時(shí)的物理模型，為了分析方便，圖中虛擬了1個(gè)0 dB的接頭損耗；圖3(b)所示為接頭損耗Att<0時(shí)的物理模型。其中參考平面A、B和C分別為光纖末端輸出參考平面、拉曼泵浦模塊輸入?yún)⒖计矫嬉约袄闷帜K輸出參考平面。由于傳輸光纖末端與泵浦之間距離極短，幾乎不產(chǎn)生拉曼增益，且兩圖中采用相同的光源、傳輸光纖與拉曼泵浦模塊，即從反向泵浦進(jìn)入傳輸光纖參考平面A處的泵浦功率相同，于是有：

由于拉曼增益等于開關(guān)增益與拉曼泵浦模塊的插損值(IL<0)之和，所以此時(shí)圖3(a) 和圖3(b)中DRFA拉曼增益嚴(yán)格相同。接下來研究?jī)蓤D中帶外ASE的關(guān)系。帶外ASE功率單位為dBm，接頭損耗Att≤0，單位為dB。由于DRFA探測(cè)的帶外ASE功率實(shí)際是參考平面B處的ASE功率，而圖3(a)和圖3(b)中參考平面B處的帶外ASE功率分別為

由式(6)和式(7)可知，拉曼增益相同條件下，若在距泵浦輸出端口0 km處有Att<0的接頭損耗，探測(cè)到的帶外ASE功率需要加上接頭損耗值。再結(jié)合增益與帶外ASE功率的關(guān)系式(3)，則拉曼增益與帶外ASE功率的關(guān)系可修正為

式中，att0 km為接頭損耗在0 km處的等效值。通過對(duì)帶外ASE與增益關(guān)系式的校正，我們可以根據(jù)設(shè)置的增益值，重新計(jì)算帶外ASE功率期望值并將其作為反饋控制量，最后按照上節(jié)介紹的AGC方式，調(diào)節(jié)泵浦功率使得光電二極管(Photo-Diode，PD)探測(cè)的帶外ASE功率保持在期望值附近。這樣就能消除接頭損耗對(duì)拉曼增益的影響，將DRFA的實(shí)際增益鎖定在設(shè)置值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

按照?qǐng)D4所示的實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)圖，其主要由信號(hào)源、100 km的G.652傳輸光纖、光譜儀以及本文所提集成OTDR功能的DRFA組成。其中DRFA部分包括泵浦激光器、信號(hào)WDM器、窄帶濾波器以及帶外ASE探測(cè)PD。OTDR部分由脈沖信號(hào)收發(fā)端、環(huán)行器和信號(hào)WDM器構(gòu)成。合理配置OTDR動(dòng)態(tài)范圍和脈寬等參數(shù)使其探測(cè)范圍能夠覆蓋100 km光纖上的所有接頭損耗。環(huán)行器和WDM器之間加了一段100 m光纖以規(guī)避OTDR出光口的盲區(qū)。信號(hào)源包含C波段從1 528～1 566 nm的48路信號(hào)光，根據(jù)光纖拉曼增益譜選取中心波長為1 425和1 455 nm的兩個(gè)泵浦激光器來放大C波段信號(hào)光。

圖4 實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)圖

3.2 拉曼增益與帶外ASE功率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)首先研究了拉曼增益與帶外ASE功率的關(guān)系，用窄帶濾波器截取1 nm波長間距的帶外ASE并通過光電探測(cè)器PD進(jìn)行探測(cè)，如圖4所示。在接頭損耗很小的情況下按照一定比例調(diào)節(jié)泵浦功率，保持拉曼增益平坦并記錄不同的拉曼增益及相應(yīng)帶外ASE功率，帶外ASE功率PASE和拉曼增益G的關(guān)系如圖5所示。

圖5 帶外ASE功率PASE和拉曼增益G的關(guān)系

由圖可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的帶外ASE功率和拉曼增益關(guān)系的線性度非常好，與式(2)反映的關(guān)系曲線一致，所以將帶外ASE作為反饋?zhàn)兞縼砜刂评鲆媸呛芎线m的。

3.3 接頭損耗對(duì)傳統(tǒng)APPC方式下DRFA增益的影響

目前國內(nèi)光通信系統(tǒng)中所使用的DRFA產(chǎn)品大多采用APPC模式進(jìn)行增益控制，在DRFA生產(chǎn)過程中調(diào)試泵浦，建立增益與多個(gè)泵浦功率比例的關(guān)系。在工程應(yīng)用中設(shè)置增益值通過預(yù)設(shè)的關(guān)系來調(diào)節(jié)泵浦功率。這種方式在線路中存在接頭損耗的情況下，增益控制精度很不理想。如圖6所示，先將本文的DRFA模塊設(shè)置在APPC模式，調(diào)節(jié)泵浦功率使平均增益分別為8.0和13.1 dB,保持光纖總長度100 km不變，在線路上與DRFA距離Xkm處接入衰減點(diǎn)，分別使X等于0、5、10、20、25和35來模擬工程中隨機(jī)在不同位置出現(xiàn)的接頭損耗。設(shè)置接頭損耗Y為-0.5或-1.0 dB，通過光譜儀在DRFA模塊開泵和關(guān)泵時(shí)分別掃光并擬合出不同位置處-0.5及-1.0 dB接頭損耗對(duì)平均增益的影響，如圖6所示。

圖6 不同增益相同泵浦功率時(shí)， -0.5及-1.0 dB接頭損耗在不同位置處對(duì)平均增益的影響

由圖6可知，(1) 接頭損耗大小一定，在0 km處對(duì)平均增益影響最大，隨著與泵浦距離的增加對(duì)平均增益的影響逐漸變小。在0 km處，-0.5和-1.0 dB接頭損耗分別使8.0 dB平均增益減小約1.2和2.2 dB，使13.1 dB平均增益減小約1.8和3.4 dB；而在35 km處,-0.5和-1.0 dB接頭損耗分別使8.0 dB平均增益減小0.10和0.25 dB, 使13.1 dB平均增益減小0.2和0.4 dB，遠(yuǎn)小于0 km處相同大小接頭損耗對(duì)平均增益的影響。(2) 接頭損耗位置和大小一定，平均增益越大，接頭損耗對(duì)增益的影響越大。比如，-0.5和-1.0 dB接頭損耗在0 km處分別對(duì)8.0 dB平均增益造成約1.2和2.2 dB的減小量，而對(duì)13.1 dB平均增益造成約1.8和3.4 dB更大的減小量。在工程線路中，常采用級(jí)聯(lián)DRFA的方式延長信號(hào)傳輸距離，此時(shí)累加的接頭損耗影響更是會(huì)使增益精度出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，極大地影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

3.4 等效為距離泵浦輸出端口0 km處接頭損耗的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如上所述，拉曼增益與帶外ASE功率及0 km處接頭損耗值att0 km有明確的函數(shù)關(guān)系，為了消除距離泵浦輸出端口不同位置處接頭損耗對(duì)拉曼增益的影響，需要將距離泵浦輸出端口不同位置處的接頭損耗等效成att0 km。實(shí)驗(yàn)采用不同大小的接頭損耗衰減點(diǎn)接入傳輸光纖的不同位置處(1、3、5、10、15、20、25和30 km)，調(diào)節(jié)泵浦功率，使得拉曼增益與沒有接頭損耗時(shí)相同，得出接頭損耗不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的泵浦功率，單位為mW，將沒有接頭損耗時(shí)的泵浦功率與這兩組接頭損耗不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的泵浦功率相比并轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)單位，即可得到等效為0 km處的接頭損耗值att0 km。得到距離泵浦輸出端不同位置不同大小的接頭損耗與等效到0 km處的接頭損耗值att0 km的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同位置不同大小的接頭損耗與其等效到att0 km的關(guān)系

在圖7基礎(chǔ)上通過線性插值的方式就能得到任意距離任意大小的接頭損耗與其0 km處接頭損耗等效值的關(guān)系并建立鏈表存入DRFA模塊中，再結(jié)合拉曼放大器內(nèi)置的OTDR功能探測(cè)出的接頭損耗的位置和大小，代入鏈表后得出當(dāng)前光纖鏈路環(huán)境下的att0 km，從而更完善地校正帶外ASE功率和增益的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)拉曼增益AGC精確控制。

3.5 帶外ASE功率校正后測(cè)出的拉曼增益譜

在對(duì)本文所提DRFA模塊校正帶外ASE功率期望值與增益的關(guān)系后，將DRFA工作模式設(shè)置成帶外ASE反饋調(diào)節(jié)的AGC模式，并重新按照3.3節(jié)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣設(shè)置拉曼增益分別為8.0和13.1 dB，并在不同位置放置接頭損耗。此時(shí)通過DRFA內(nèi)置的OTDR模塊探測(cè)接頭損耗的大小和位置，代入上節(jié)中的關(guān)系鏈表中,得到對(duì)應(yīng)att0 km,從而由式(8)對(duì)帶外ASE功率進(jìn)行校正，調(diào)節(jié)泵浦功率,使得PD探測(cè)的帶外ASE功率保持在期望值附近進(jìn)行增益控制。光譜儀測(cè)出的拉曼增益譜如圖8所示。

圖8 帶外ASE功率校正后，不同增益下不同位置處-0.5 dB接頭損耗對(duì)應(yīng)的拉曼增益譜

由圖可知，在接頭損耗為0的情況下設(shè)置DRFA拉曼增益為8.0 dB時(shí)，在1 528～1 566 nm的波段范圍內(nèi)信號(hào)光的增益平坦度為0.49 dB，平均增益為8.02 dB；設(shè)置拉曼增益為13.1 dB時(shí),信號(hào)光的增益平坦度為0.53 dB，平均增益為13.13 dB。當(dāng)光纖鏈路不同位置存在不同大小接頭損耗時(shí)，DRFA仍能根據(jù)帶外ASE的反饋值自動(dòng)調(diào)節(jié)泵浦功率使拉曼增益偏差保持在0.2 dB以內(nèi)。對(duì)比3.3節(jié)中傳統(tǒng)APPC模式下DRFA因接頭損耗引起的的增益偏差可知，本文的AGC方法大幅提高了DRFA的增益控制精度。

4 結(jié)束語

本文研究并改進(jìn)了一種通過帶外ASE信號(hào)對(duì)DRFA進(jìn)行實(shí)時(shí)AGC的方法。針對(duì)工程光纖鏈路中隨機(jī)出現(xiàn)的接頭損耗，在DRFA模塊內(nèi)部集成了OTDR功能以探測(cè)光纖鏈路中接頭損耗的大小及距離泵浦源的距離，并通過將距離泵浦源不同位置處的接頭損耗等效為0 km處接頭損耗從而對(duì)期望帶外ASE和增益的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一校正，以實(shí)現(xiàn)更精確地拉曼增益控制。在相同的光纖鏈路環(huán)境和DRFA模塊的實(shí)驗(yàn)條件下，通過對(duì)比傳統(tǒng)APPC控制方式與本文所提帶外ASE反饋控制方式下接頭損耗對(duì)拉曼增益的影響，證實(shí)了本文所提針對(duì)DRFA的AGC方式能夠更好地達(dá)到預(yù)期的效果，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)拉曼增益控制精度的要求。