胡 杨，付成鹏，陈 俊，卜勤练，余春平

(1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205)

0 引 言

分布式拉曼光纤放大器(Distribute Raman Fiber Amplifier，DRFA)由于增益频带宽和光信噪比高等优异特性，在近年来成为光纤放大技术中的研究热点，在现代通信系统中的应用与日俱增[1]。由于DRFA以传输光纤为增益介质，在放大过程中输入信号与输出信号无法同时监控，导致实时信号增益无法直接获取；另一方面，光纤链路中不可控的接头损耗[2](包括DRFA与光纤连接头的损耗、光纤中的熔接损耗以及光纤弯折引起的损耗等异常损耗)会极大地影响DRFA的增益。传统DRFA增益控制方式大多采用自动泵浦功率控制(Automatic Pump Power Control，APPC)。这种方式无法实现拉曼增益实时反馈控制，且线路中的接头损耗会使增益精度出现严重偏差，在级联DRFA的情况下更是会严重影响传输信号质量，大幅缩短传输距离。

基于上述问题，本文研究并改进了通过带外放大自发辐射(Amplifying Spontaneous Emission，ASE)对DRFA进行自动增益控制(Automatic Gain Control ，AGC)的方法并实验验证了该方法的合理性，探究了传统APPC方式下接头损耗对DRFA增益的影响规律。针对距离泵浦源不同位置的接头损耗提出了一种等效距离为0处接头损耗的方法并修正了拉曼增益与期望带外ASE功率的关系，最后通过带外ASE监控与接头损耗补偿相结合的方法实现了拉曼增益精确控制。本文实验采用后向泵浦DRFA模块，模块集成了光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)的功能以实现对光纤链路接头损耗大小及位置的精确探测。

1 DRFA AGC的原理与方法

根据相关标准的明确规定，DRFA的开关增益是指在开泵情况下输出参考平面(如图1中的参考平面B)的信号功率值(dBm)与关泵情况下输入参考平面(如图1中的参考平面A)的信号功率值(dBm)之差，DRFA的拉曼增益则是输出参考平面处开关增益与拉曼泵浦模块的插入损耗值IL(IL<0，单位dB)之和。如图1所示，λ1～λ48为1 528～1 566 nm的C波段范围内48路不同波长的信号；P1～Pn为实现拉曼增益平坦设置的一组n个不同波长的泵浦激光器组。

图1 后向泵浦DRFA基本框图

DRFA中泵浦光在对信号光受激放大的同时，也会对自发拉曼散射产生的非相干自发辐射进行放大。自发辐射在各个方向上随机进行，但只有在与信号光同向或反向时才被泵浦光放大。产生的ASE频带很宽，几乎占据整个拉曼增益谱。拉曼增益与ASE功率有一定的函数关系，本文所提AGC原理便是从这种函数关系出发，通过理论推导确立这种函数关系，以此作为DRFA AGC方式的理论基础。

研究表明[3-4]，对于后向泵浦DRFA，带外ASE功率与拉曼增益存在如下关系：

式中：PASE(L)为长度为Lkm的传输光纤末端处的带外ASE功率；λ0和Δλ分别为截取的带外ASE的中心波长和波长间隔；h为普朗克常量；c为光速；αp为泵浦光在光纤中的传输损耗；G为拉曼增益，单位为dB。当传输距离较大时，exp(-αpL)可以忽略，对式(1)进一步化简：

将式(2)中PASE(L)的单位从mW转换成dBm，作出PASE(L)与G的关系曲线如图2所示。

图2 PASE(L)与G的关系曲线图

由图可知，当增益超过4 dB后，PASE(L)与DRFA的信号增益G呈线性关系，由于工作带宽内的ASE功率受到信号自身自发辐射谱以及线宽的影响而不便探测，所以我们选取工作带宽外的ASE功率进行探测并作为衡量DRFA增益的重要标准，这样既能对增益进行更精确地控制，又不会影响工作波段内的信号。因此可以将DRFA的拉曼增益G与带外ASE功率的函数关系近似为线性关系，即

式中：Pout-of-band ase为带外ASE功率，单位为dBm；k1和b1为拟合Pout-of-band ase与拉曼增益G关系的参数，其与各种光纤环境等因素密切相关。

当有两个及以上的波长泵浦时，不同泵浦波长的不同泵浦功率可以得到同一个带外ASE功率值，但增益有可能不同，为了消除不唯一解的问题，限制不同波长泵浦功率只能按照一定的比例变化，即

式中：P1和P2分别为不同波长的泵浦功率，单位为mW；k2和b2为拟合两个波长泵浦功率之比与拉曼增益G关系的参数，其与各种光纤环境等因素密切相关。

因此本文探讨的DRFA AGC原理，是通过建立DRFA当前放大过程中带外ASE功率PASE(l)和增益G的线性关系，将控制量从放大过程中不可直接测量的DRFA增益转化成可以直接探测的带外ASE功率。在工程应用中，DRFA对带外ASE信号进行监控，建立拉曼增益、带外ASE功率及泵浦功率比例的对应关系链表并存入DRFA模块的内存中。当DRFA进行AGC时，通过设置的目标增益查表获取对应的带外ASE功率值并据此调节泵浦功率使带外ASE功率达到控制目标值。

2 接头损耗对拉曼增益控制影响的理论分析

由于DRFA以传输光纤作为增益介质，光纤中不可控的接头损耗或熔接点损耗会对拉曼增益带来较大影响。无论是APPC模式下的DRFA，还是基于带外ASE功率监控AGC的DRFA，这种影响都不可避免，为此本文就接头损耗对基于带外ASE功率监控进行AGC的DRFA的影响进行理论分析。分析采用控制变量法，在完全相同的信号输入功率Pin、光纤链路和后向泵浦DRFA模块条件下，分析与DRFA距离为 0处的接头损耗对拉曼增益及带外ASE功率关系的影响规律。为了更直观地分析该规律，建立如图3所示的物理模型。

图3 接头损耗Att对拉曼增益与带外ASE功率关系影响的物理模型

图3(a)为接头损耗Att=0时的物理模型，为了分析方便，图中虚拟了1个0 dB的接头损耗；图3(b)所示为接头损耗Att<0时的物理模型。其中参考平面A、B和C分别为光纤末端输出参考平面、拉曼泵浦模块输入参考平面以及拉曼泵浦模块输出参考平面。由于传输光纤末端与泵浦之间距离极短，几乎不产生拉曼增益，且两图中采用相同的光源、传输光纤与拉曼泵浦模块，即从反向泵浦进入传输光纤参考平面A处的泵浦功率相同，于是有：

由于拉曼增益等于开关增益与拉曼泵浦模块的插损值(IL<0)之和，所以此时图3(a) 和图3(b)中DRFA拉曼增益严格相同。接下来研究两图中带外ASE的关系。带外ASE功率单位为dBm，接头损耗Att≤0，单位为dB。由于DRFA探测的带外ASE功率实际是参考平面B处的ASE功率，而图3(a)和图3(b)中参考平面B处的带外ASE功率分别为

由式(6)和式(7)可知，拉曼增益相同条件下，若在距泵浦输出端口0 km处有Att<0的接头损耗，探测到的带外ASE功率需要加上接头损耗值。再结合增益与带外ASE功率的关系式(3)，则拉曼增益与带外ASE功率的关系可修正为

式中，att0 km为接头损耗在0 km处的等效值。通过对带外ASE与增益关系式的校正，我们可以根据设置的增益值，重新计算带外ASE功率期望值并将其作为反馈控制量，最后按照上节介绍的AGC方式，调节泵浦功率使得光电二极管(Photo-Diode，PD)探测的带外ASE功率保持在期望值附近。这样就能消除接头损耗对拉曼增益的影响，将DRFA的实际增益锁定在设置值。

3 实验结果及分析

3.1 实验装置

按照图4所示的实验光路结构图，其主要由信号源、100 km的G.652传输光纤、光谱仪以及本文所提集成OTDR功能的DRFA组成。其中DRFA部分包括泵浦激光器、信号WDM器、窄带滤波器以及带外ASE探测PD。OTDR部分由脉冲信号收发端、环行器和信号WDM器构成。合理配置OTDR动态范围和脉宽等参数使其探测范围能够覆盖100 km光纤上的所有接头损耗。环行器和WDM器之间加了一段100 m光纤以规避OTDR出光口的盲区。信号源包含C波段从1 528～1 566 nm的48路信号光，根据光纤拉曼增益谱选取中心波长为1 425和1 455 nm的两个泵浦激光器来放大C波段信号光。

图4 实验光路结构图

3.2 拉曼增益与带外ASE功率的关系

实验首先研究了拉曼增益与带外ASE功率的关系，用窄带滤波器截取1 nm波长间距的带外ASE并通过光电探测器PD进行探测，如图4所示。在接头损耗很小的情况下按照一定比例调节泵浦功率，保持拉曼增益平坦并记录不同的拉曼增益及相应带外ASE功率，带外ASE功率PASE和拉曼增益G的关系如图5所示。

图5 带外ASE功率PASE和拉曼增益G的关系

由图可知，实验测得的带外ASE功率和拉曼增益关系的线性度非常好，与式(2)反映的关系曲线一致，所以将带外ASE作为反馈变量来控制拉曼增益是很合适的。

3.3 接头损耗对传统APPC方式下DRFA增益的影响

目前国内光通信系统中所使用的DRFA产品大多采用APPC模式进行增益控制，在DRFA生产过程中调试泵浦，建立增益与多个泵浦功率比例的关系。在工程应用中设置增益值通过预设的关系来调节泵浦功率。这种方式在线路中存在接头损耗的情况下，增益控制精度很不理想。如图6所示，先将本文的DRFA模块设置在APPC模式，调节泵浦功率使平均增益分别为8.0和13.1 dB,保持光纤总长度100 km不变，在线路上与DRFA距离Xkm处接入衰减点，分别使X等于0、5、10、20、25和35来模拟工程中随机在不同位置出现的接头损耗。设置接头损耗Y为-0.5或-1.0 dB，通过光谱仪在DRFA模块开泵和关泵时分别扫光并拟合出不同位置处-0.5及-1.0 dB接头损耗对平均增益的影响，如图6所示。

图6 不同增益相同泵浦功率时， -0.5及-1.0 dB接头损耗在不同位置处对平均增益的影响

由图6可知，(1) 接头损耗大小一定，在0 km处对平均增益影响最大，随着与泵浦距离的增加对平均增益的影响逐渐变小。在0 km处，-0.5和-1.0 dB接头损耗分别使8.0 dB平均增益减小约1.2和2.2 dB，使13.1 dB平均增益减小约1.8和3.4 dB；而在35 km处,-0.5和-1.0 dB接头损耗分别使8.0 dB平均增益减小0.10和0.25 dB, 使13.1 dB平均增益减小0.2和0.4 dB，远小于0 km处相同大小接头损耗对平均增益的影响。(2) 接头损耗位置和大小一定，平均增益越大，接头损耗对增益的影响越大。比如，-0.5和-1.0 dB接头损耗在0 km处分别对8.0 dB平均增益造成约1.2和2.2 dB的减小量，而对13.1 dB平均增益造成约1.8和3.4 dB更大的减小量。在工程线路中，常采用级联DRFA的方式延长信号传输距离，此时累加的接头损耗影响更是会使增益精度出现严重偏差，极大地影响信号的传输质量。

3.4 等效为距离泵浦输出端口0 km处接头损耗的实验验证

如上所述，拉曼增益与带外ASE功率及0 km处接头损耗值att0 km有明确的函数关系，为了消除距离泵浦输出端口不同位置处接头损耗对拉曼增益的影响，需要将距离泵浦输出端口不同位置处的接头损耗等效成att0 km。实验采用不同大小的接头损耗衰减点接入传输光纤的不同位置处(1、3、5、10、15、20、25和30 km)，调节泵浦功率，使得拉曼增益与没有接头损耗时相同，得出接头损耗不同位置时对应的泵浦功率，单位为mW，将没有接头损耗时的泵浦功率与这两组接头损耗不同位置时对应的泵浦功率相比并转换为对数单位，即可得到等效为0 km处的接头损耗值att0 km。得到距离泵浦输出端不同位置不同大小的接头损耗与等效到0 km处的接头损耗值att0 km的关系如图7所示。

图7 不同位置不同大小的接头损耗与其等效到att0 km的关系

在图7基础上通过线性插值的方式就能得到任意距离任意大小的接头损耗与其0 km处接头损耗等效值的关系并建立链表存入DRFA模块中，再结合拉曼放大器内置的OTDR功能探测出的接头损耗的位置和大小，代入链表后得出当前光纤链路环境下的att0 km，从而更完善地校正带外ASE功率和增益的关系式，实现拉曼增益AGC精确控制。

3.5 带外ASE功率校正后测出的拉曼增益谱

在对本文所提DRFA模块校正带外ASE功率期望值与增益的关系后，将DRFA工作模式设置成带外ASE反馈调节的AGC模式，并重新按照3.3节中的实验环境和实验步骤进行实验，同样设置拉曼增益分别为8.0和13.1 dB，并在不同位置放置接头损耗。此时通过DRFA内置的OTDR模块探测接头损耗的大小和位置，代入上节中的关系链表中,得到对应att0 km,从而由式(8)对带外ASE功率进行校正，调节泵浦功率,使得PD探测的带外ASE功率保持在期望值附近进行增益控制。光谱仪测出的拉曼增益谱如图8所示。

图8 带外ASE功率校正后，不同增益下不同位置处-0.5 dB接头损耗对应的拉曼增益谱

由图可知，在接头损耗为0的情况下设置DRFA拉曼增益为8.0 dB时，在1 528～1 566 nm的波段范围内信号光的增益平坦度为0.49 dB，平均增益为8.02 dB；设置拉曼增益为13.1 dB时,信号光的增益平坦度为0.53 dB，平均增益为13.13 dB。当光纤链路不同位置存在不同大小接头损耗时，DRFA仍能根据带外ASE的反馈值自动调节泵浦功率使拉曼增益偏差保持在0.2 dB以内。对比3.3节中传统APPC模式下DRFA因接头损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 结束语

本文研究并改进了一种通过带外ASE信号对DRFA进行实时AGC的方法。针对工程光纤链路中随机出现的接头损耗，在DRFA模块内部集成了OTDR功能以探测光纤链路中接头损耗的大小及距离泵浦源的距离，并通过将距离泵浦源不同位置处的接头损耗等效为0 km处接头损耗从而对期望带外ASE和增益的关系进行统一校正，以实现更精确地拉曼增益控制。在相同的光纤链路环境和DRFA模块的实验条件下，通过对比传统APPC控制方式与本文所提带外ASE反馈控制方式下接头损耗对拉曼增益的影响，证实了本文所提针对DRFA的AGC方式能够更好地达到预期的效果，满足现代通信系统对拉曼增益控制精度的要求。