集成OTDR分布式拉曼放大器自動增益控制方法

胡 楊，付成鵬，陳 俊，卜勤練，余春平

(1.武漢郵電科學研究院，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中的研究熱點，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應用與日俱增[1]。由于DRFA以傳輸光纖為增益介質，在放大過程中輸入信號與輸出信號無法同時監(jiān)控，導致實時信號增益無法直接獲?。涣硪环矫?，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泵浦功率控制(Automatic Pump Power Control，APPC)。這種方式無法實現(xiàn)拉曼增益實時反饋控制，且線路中的接頭損耗會使增益精度出現(xiàn)嚴重偏差，在級聯(lián)DRFA的情況下更是會嚴重影響傳輸信號質量，大幅縮短傳輸距離。

基于上述問題，本文研究并改進了通過帶外放大自發(fā)輻射(Amplifying Spontaneous Emission，ASE)對DRFA進行自動增益控制(Automatic Gain Control ，AGC)的方法并實驗驗證了該方法的合理性，探究了傳統(tǒng)APPC方式下接頭損耗對DRFA增益的影響規(guī)律。針對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功率的關系，最后通過帶外ASE監(jiān)控與接頭損耗補償相結合的方法實現(xiàn)了拉曼增益精確控制。本文實驗采用后向泵浦DRFA模塊，模塊集成了光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)的功能以實現(xiàn)對光纖鏈路接頭損耗大小及位置的精確探測。

1 DRFA AGC的原理與方法

根據(jù)相關標準的明確規(guī)定，DRFA的開關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)的信號功率值(dBm)與關泵情況下輸入?yún)⒖计矫?如圖1中的參考平面A)的信號功率值(dBm)之差，DRFA的拉曼增益則是輸出參考平面處開關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48路不同波長的信號；P1～Pn為實現(xiàn)拉曼增益平坦設置的一組n個不同波長的泵浦激光器組。

圖1 后向泵浦DRFA基本框圖

DRFA中泵浦光在對信號光受激放大的同時，也會對自發(fā)拉曼散射產生的非相干自發(fā)輻射進行放大。自發(fā)輻射在各個方向上隨機進行，但只有在與信號光同向或反向時才被泵浦光放大。產生的ASE頻帶很寬，幾乎占據(jù)整個拉曼增益譜。拉曼增益與ASE功率有一定的函數(shù)關系，本文所提AGC原理便是從這種函數(shù)關系出發(fā)，通過理論推導確立這種函數(shù)關系，以此作為DRFA AGC方式的理論基礎。

研究表明[3-4]，對于后向泵浦DRFA，帶外ASE功率與拉曼增益存在如下關系：

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。當傳輸距離較大時，exp(-αpL)可以忽略，對式(1)進一步化簡：

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

圖2 PASE(L)與G的關系曲線圖

由圖可知，當增益超過4 dB后，PASE(L)與DRFA的信號增益G呈線性關系，由于工作帶寬內的ASE功率受到信號自身自發(fā)輻射譜以及線寬的影響而不便探測，所以我們選取工作帶寬外的ASE功率進行探測并作為衡量DRFA增益的重要標準，這樣既能對增益進行更精確地控制，又不會影響工作波段內的信號。因此可以將DRFA的拉曼增益G與帶外ASE功率的函數(shù)關系近似為線性關系，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關系的參數(shù)，其與各種光纖環(huán)境等因素密切相關。

當有兩個及以上的波長泵浦時，不同泵浦波長的不同泵浦功率可以得到同一個帶外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為擬合兩個波長泵浦功率之比與拉曼增益G關系的參數(shù)，其與各種光纖環(huán)境等因素密切相關。

因此本文探討的DRFA AGC原理，是通過建立DRFA當前放大過程中帶外ASE功率PASE(l)和增益G的線性關系，將控制量從放大過程中不可直接測量的DRFA增益轉化成可以直接探測的帶外ASE功率。在工程應用中，DRFA對帶外ASE信號進行監(jiān)控，建立拉曼增益、帶外ASE功率及泵浦功率比例的對應關系鏈表并存入DRFA模塊的內存中。當DRFA進行AGC時，通過設置的目標增益查表獲取對應的帶外ASE功率值并據(jù)此調節(jié)泵浦功率使帶外ASE功率達到控制目標值。

2 接頭損耗對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，光纖中不可控的接頭損耗或熔接點損耗會對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基于帶外ASE功率監(jiān)控進行AGC的DRFA的影響進行理論分析。分析采用控制變量法，在完全相同的信號輸入功率Pin、光纖鏈路和后向泵浦DRFA模塊條件下，分析與DRFA距離為 0處的接頭損耗對拉曼增益及帶外ASE功率關系的影響規(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對拉曼增益與帶外ASE功率關系影響的物理模型

圖3(a)為接頭損耗Att=0時的物理模型，為了分析方便，圖中虛擬了1個0 dB的接頭損耗；圖3(b)所示為接頭損耗Att<0時的物理模型。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增益與拉曼泵浦模塊的插損值(IL<0)之和，所以此時圖3(a) 和圖3(b)中DRFA拉曼增益嚴格相同。接下來研究兩圖中帶外ASE的關系。帶外ASE功率單位為dBm，接頭損耗Att≤0，單位為dB。由于DRFA探測的帶外ASE功率實際是參考平面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，探測到的帶外ASE功率需要加上接頭損耗值。再結合增益與帶外ASE功率的關系式(3)，則拉曼增益與帶外ASE功率的關系可修正為

式中，att0 km為接頭損耗在0 km處的等效值。通過對帶外ASE與增益關系式的校正，我們可以根據(jù)設置的增益值，重新計算帶外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，調節(jié)泵浦功率使得光電二極管(Photo-Diode，PD)探測的帶外ASE功率保持在期望值附近。這樣就能消除接頭損耗對拉曼增益的影響，將DRFA的實際增益鎖定在設置值。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗裝置

按照圖4所示的實驗光路結構圖，其主要由信號源、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WDM器、窄帶濾波器以及帶外ASE探測PD。OTDR部分由脈沖信號收發(fā)端、環(huán)行器和信號WDM器構成。合理配置OTDR動態(tài)范圍和脈寬等參數(shù)使其探測范圍能夠覆蓋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)。信號源包含C波段從1 528～1 566 nm的48路信號光，根據(jù)光纖拉曼增益譜選取中心波長為1 425和1 455 nm的兩個泵浦激光器來放大C波段信號光。

圖4 實驗光路結構圖

3.2 拉曼增益與帶外ASE功率的關系

實驗首先研究了拉曼增益與帶外ASE功率的關系，用窄帶濾波器截取1 nm波長間距的帶外ASE并通過光電探測器PD進行探測，如圖4所示。在接頭損耗很小的情況下按照一定比例調節(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帶外ASE功率，帶外ASE功率PASE和拉曼增益G的關系如圖5所示。

圖5 帶外ASE功率PASE和拉曼增益G的關系

由圖可知，實驗測得的帶外ASE功率和拉曼增益關系的線性度非常好，與式(2)反映的關系曲線一致，所以將帶外ASE作為反饋變量來控制拉曼增益是很合適的。

3.3 接頭損耗對傳統(tǒng)APPC方式下DRFA增益的影響

目前國內光通信系統(tǒng)中所使用的DRFA產品大多采用APPC模式進行增益控制，在DRFA生產過程中調試泵浦，建立增益與多個泵浦功率比例的關系。在工程應用中設置增益值通過預設的關系來調節(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模塊設置在APPC模式，調節(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，分別使X等于0、5、10、20、25和35來模擬工程中隨機在不同位置出現(xiàn)的接頭損耗。設置接頭損耗Y為-0.5或-1.0 dB，通過光譜儀在DRFA模塊開泵和關泵時分別掃光并擬合出不同位置處-0.5及-1.0 dB接頭損耗對平均增益的影響，如圖6所示。

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

由圖6可知，(1) 接頭損耗大小一定，在0 km處對平均增益影響最大，隨著與泵浦距離的增加對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，遠小于0 km處相同大小接頭損耗對平均增益的影響。(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8.0 dB平均增益造成約1.2和2.2 dB的減小量，而對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，常采用級聯(lián)DRFA的方式延長信號傳輸距離，此時累加的接頭損耗影響更是會使增益精度出現(xiàn)嚴重偏差，極大地影響信號的傳輸質量。

3.4 等效為距離泵浦輸出端口0 km處接頭損耗的實驗驗證

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)關系，為了消除距離泵浦輸出端口不同位置處接頭損耗對拉曼增益的影響，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。實驗采用不同大小的接頭損耗衰減點接入傳輸光纖的不同位置處(1、3、5、10、15、20、25和30 km)，調節(jié)泵浦功率，使得拉曼增益與沒有接頭損耗時相同，得出接頭損耗不同位置時對應的泵浦功率，單位為mW，將沒有接頭損耗時的泵浦功率與這兩組接頭損耗不同位置時對應的泵浦功率相比并轉換為對數(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的關系

在圖7基礎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系并建立鏈表存入DRFA模塊中，再結合拉曼放大器內置的OTDR功能探測出的接頭損耗的位置和大小，代入鏈表后得出當前光纖鏈路環(huán)境下的att0 km，從而更完善地校正帶外ASE功率和增益的關系式，實現(xiàn)拉曼增益AGC精確控制。

3.5 帶外ASE功率校正后測出的拉曼增益譜

在對本文所提DRFA模塊校正帶外ASE功率期望值與增益的關系后，將DRFA工作模式設置成帶外ASE反饋調節(jié)的AGC模式，并重新按照3.3節(jié)中的實驗環(huán)境和實驗步驟進行實驗，同樣設置拉曼增益分別為8.0和13.1 dB，并在不同位置放置接頭損耗。此時通過DRFA內置的OTDR模塊探測接頭損耗的大小和位置，代入上節(jié)中的關系鏈表中,得到對應att0 km,從而由式(8)對帶外ASE功率進行校正，調節(jié)泵浦功率,使得PD探測的帶外ASE功率保持在期望值附近進行增益控制。光譜儀測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接頭損耗對應的拉曼增益譜

由圖可知，在接頭損耗為0的情況下設置DRFA拉曼增益為8.0 dB時，在1 528～1 566 nm的波段范圍內信號光的增益平坦度為0.49 dB，平均增益為8.02 dB；設置拉曼增益為13.1 dB時,信號光的增益平坦度為0.53 dB，平均增益為13.13 dB。當光纖鏈路不同位置存在不同大小接頭損耗時，DRFA仍能根據(jù)帶外ASE的反饋值自動調節(jié)泵浦功率使拉曼增益偏差保持在0.2 dB以內。對比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 結束語

本文研究并改進了一種通過帶外ASE信號對DRFA進行實時AGC的方法。針對工程光纖鏈路中隨機出現(xiàn)的接頭損耗，在DRFA模塊內部集成了OTDR功能以探測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處接頭損耗從而對期望帶外ASE和增益的關系進行統(tǒng)一校正，以實現(xiàn)更精確地拉曼增益控制。在相同的光纖鏈路環(huán)境和DRFA模塊的實驗條件下，通過對比傳統(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拉曼增益的影響，證實了本文所提針對DRFA的AGC方式能夠更好地達到預期的效果，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對拉曼增益控制精度的要求。