拉曼光纤放大器传输光纤接头损耗的探测方法与流程
本发明涉及一种拉曼光纤放大器(RFA:Raman Fiber Amplifier)，尤其是一种拉曼光纤放大器传输光纤接头损耗的探测方法。
背景技术：
RFA是基于受激拉曼散射机制设计的，由于噪声指数低，与掺铒光纤放大器配合使用时，可显著提高光信噪比，减小误码率，增大传输距离，目前RFA广泛应用于长距离光通讯传输系统中。传统RFA一般通过定标目标增益与泵总功率之间的数学关系完成增益控制。
在RFA的工程应用中，由于环境洁净度不够，放大器的输出端面很容易污染或者损坏,导致RFA与传输光纤的连接损耗变大。同类传输光纤中，因为制作工艺、批次等原因，各光纤的衰减系数等不可能完全相同；其次长时间应用引起的老化、环境因素的变化等，也会导致光纤性能发生变化。与出厂测试用标准光纤相比，我们将这些可变因素导致的光纤损耗(包括连接头损耗)统称为接头损耗。接头损耗会影响拉曼光纤放大器的性能，因此有必要及时了解这种损耗进而采用相应的解决措施。
专利CN102749783中阐述了通过带外自发辐射放大光功率计算接头损耗的方法。专利CN105258920(正在公开)中的采用的方法同样是基于带外自发辐射放大光功率。上述方法均需要对RFA光路设计进行更改优化，通过增加光器件提取带外自发辐射放大光功率，进而进行增益控制及接头损耗计算，目前这种增益控制方式技术并不成熟，在实际使用环境中受限因素太多，比如两篇专利中均没有提及对传输系统背景噪声的处理，当系统背景噪声比例较大时，会导致增益控制异常、接头损耗计算错误。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种拉曼光纤放大器传输光纤接头损耗的探测方法，通过接头损耗数据可以得知实际传输光纤性能及相对于标准传输光纤的性能变化。本发明采用的技术方案是：
一种拉曼光纤放大器传输光纤接头损耗的探测方法，包括：
将RFA的开关增益表示为：
Gon/off＝K*Pp+C (3)
Gon/off为RFA的开关增益，单位为dB；K、C为校准系数；PP定义为入纤泵浦总功率,单位为mw；
定标K、C值：采用标准传输光纤，输入光功率设定为拉曼线性区域内的典型值，入纤泵浦总功率分别设置为PP1、PP2…PPn，扫描出对应的开关增益Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn，对数组{Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn；PP1、PP2…PPn}进行线性拟合，得到公式(3)中的K、C值；其中n≧2；
实际使用中，读取实际入纤拉曼泵浦总功率Pp(actual)，通过开关泵时的输出功率监测器的监测值计算实际开关增益Gon/off(actual)：
式(4)中，Pout(pump_on)表示开泵时的RFA输出功率；Pout(pump_off)表示关泵时的RFA输出功率；ASE为RFA产生的自发辐射放大功率；
根据公式(3)计算出Pp(actual)所对应的理论开关增益Gon/off(theory)，
Gon/off(theory)＝K*Pp(actual)+C (301)
定义接头损耗Loss1，接头损耗Loss1计算公式为：
Loss1＝Gon/off(theory)-Gon/off(actual) (5)
由公式(3)可知，当引入接头损耗时，RFA的开关增益与入纤泵浦功率仍是线性关系，只是校准系数不同；因此公式(4)可以表达为：
Gon/off(actual)＝K’*Pp(actual)+C’ (6)
其中，K’、C’为实际传输系统所对应的校准系数；
根据公式(301)、(5)、(6)，Loss1为：
Loss1＝Pp(actual)*(K-K’)+(C-C’) (7)
接头损耗Loss1用于表明实际传输光纤性能变化。
进一步地，本发明还定义了接头损耗Loss2，Loss2计算公式为：
把公式(4)计算得到的实际开关增益Gon/off(actual)代入公式(3)，计算出来Gon/off(actual)所对应的理论入纤泵浦总功率Pp(theory)；即：
Pp(theory)＝[Gon/off(actual)-C]/K (302)
根据公式(302)、(6)、(8)，Loss2为：
由于C及C<<Gon/off(actual)，公式(9)简化为：
接头损耗Loss2也可用于表明实际传输光纤性能变化。
本发明的优点在于：
1)与传统RFA光学设计完全相同，外部因素影响可忽略，无需要增加任何光学器件，成本不会增加。
2)可通过固件代码升级及相关定标完成接头损耗的探测计算，实现方法简单。
附图说明
图1为RFA光路示意图。
图2为本发明的K、C拟合示意图。
图3为本发明的Loss1、Loss2仿真计算示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
传统FRA设计示意图如图1所示，包括WDM(信号泵浦耦合器)、分光器、输出监测器、泵浦激光器(组)、泵浦监测器。RFA的常规光路结构是本专业领域内的最为常见的光学结构之一，本专业内的人员均熟悉了解，故不再详细介绍。
对于某一泵浦波长，RFA的小信号开关增益可由公式(1)表示：
其中，gR为光纤拉曼增益系数；Aeff为光纤有效面积；Pp为入纤泵浦功率；k为偏振因子；Leff为光纤有效长度，定义为Leff＝1-exp(-αpL)/αp；αp为泵浦光在光纤中的衰减系数；L为光纤长度，小信号是指信号功率小到不会影响泵浦功率在光纤中的分布；公式(1)是RFA开关增益的经典理论公式。
公式(1)两边同时取对数：
公式(2)表明，拉曼开关增益与入纤泵浦功率为过原点的线性关系；在实际RFA中，由于各种因素的影响，该线性函数会稍有偏差，公式(2)可修正为：
Gon/off＝K*Pp+C (3)
公式(3)中，Gon/off为RFA的开关增益，单位为dB；K、C为校准系数，针对不同的光纤，K、C值不同，需要定标校准出来；PP为入纤泵浦功率，由于RFA中一般采用泵浦激光器组，故PP统一定义为入纤泵浦总功率，单位mw。下文中若无特别说明，参数定义及单位均参考公式(3)。图2给出一个实际RFA模块中的K、C值线性拟合结果。
具体校准过程及接头损耗计算方法如下：
定标K、C值：采用标准传输光纤，光纤长度一般取50～100km，输入光功率设定为拉曼线性区域内的典型值，入纤泵浦总功率分别设置为PP1、PP2…PPn，通过光谱分析仪扫描出对应的拉曼开关增益Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn，对数组{Gon/off1，Gon/off2…Gon/offn；PP1、PP2…PPn}进行线性拟合，得到公式(3)中的K、C值；其中n≧2，一般n＝4即可。图2给出了K、C拟合案例，其中R2表示拟合曲线的线性度。如果RFA使用的传输光纤种类不同，则需要校准不同种类光纤对应的K、C值。
实际使用中，待RFA控制稳定后，读取并记录实际入纤拉曼泵浦总功率Pp(actual)，通过开关泵时的输出功率监测器的监测值计算实际开关增益Gon/off(actual)：
式中，Pout(pump_on)表示开泵时的RFA输出功率，单位mw；Pout(pump_off)表示关泵时的RFA输出功率，单位mw；ASE为RFA产生的自发辐射放大功率(噪声功率)，单位mw，需要定标校准，ASE校准方法为本专业内人员所熟悉，此外不再赘述。开泵与关泵分别指泵浦激光器(组)开启、关闭；
根据公式(3)计算出Pp(actual)所对应的理论开关增益Gon/off(theory)，
Gon/off(theory)＝K*Pp(actual)+C (301)
接头损耗Loss1定义：与出厂测试用标准光纤相比，实际传输光纤受各种因素影响引起的损耗变化，包括连接头损耗，统称为接头损耗；接头损耗Loss1计算公式为：
Loss1＝Gon/off(theory)-Gon/off(actual) (5)
由公式(3)可知，当引入接头损耗时，RFA的开关增益与入纤泵浦功率仍是线性关系，只是校准系数不同；因此公式(4)可以表达为：
Gon/off(actual)＝K’*Pp(actual)+C’ (6)
其中，K’、C’为实际传输系统所对应的校准系数；
根据公式(301)、(5)、(6)，Loss1为：
Loss1＝Pp(actual)*(K-K’)+(C-C’) (7)
公式(7)中，(K-K’)及(C-C’)为固定值，其中(C-C’)近似为0；通过公式(7)可以得知，Loss1会随着实际入纤泵浦总功率Pp(actual)的变化而变化，故公式(5)用于判定实际传输光纤性能变化时，其整体趋势是正确的，但细节方面会有偏差(特别当实际入纤泵浦总功率Pp(actual)比较大时)。
Loss1可反映当实际入纤泵浦总功率Pp(actual)一定时，实际使用的传输光纤，相较于出厂时的标准传输光纤，引起开关增益的变化；
引入Loss2，与Loss1定义相同，均定义为接头损耗，但计算公式与Loss1不同；Loss2计算公式为：
其中Pp(theory)的计算方法为：把公式(4)计算得到的实际开关增益Gon/off(actual)代入公式(3)，计算出来Gon/off(actual)所对应的理论入纤泵浦总功率Pp(theory)；即：
Pp(theory)＝[Gon/off(actual)-C]/K (302)
根据公式(302)、(6)、(8)，Loss2为：
由于C及C’<<Gon/off(actual)，公式(9)简化为：
由公式(10)可知，当C及C’<<Gon/off(actual)时，根据公式(8)计算出来的Loss2理论上为一个固定值。比较公式(7)及公式(10)可知loss1与Loss2具有相同的正负性。
Loss2可反映当开关增益一定，实际使用的传输光纤，相较于出厂时的标准传输光纤，引起入纤泵浦总功率的变化；
在一个RFA仿真模型中，其中标准光纤长度为80km，衰减系数为0.2dB/km。当光纤衰减系数为0.22dB/km，其条件完全保持不变时，由仿真结果计算出来的Loss1及Loss2如图3所示。
根据公式(301)、公式(4)、公式(5)计算出Loss1；根据公式(302)、公式(4)、公式(8)计算出Loss2。与出厂测试使用的标准传输光纤相比，根据Loss1及Loss2的计算结果，可得到实际传输光纤的性能变化：：
1)若Loss1≦0、Loss2≦0，表明实际传输光纤性能优于出厂测试使用的标准传输光纤，此时RFA可满足实际应用。
2)若Loss1>0、Loss2>0，表明实际传输光纤性能劣于出厂测试使用的标准传输光纤。常规的RFA在设计上一般留有0.5～0.8dB左右的余量(入纤泵浦总功率有10％～20％左右的余量)，特别地当loss2>1dB时，需要对传输光纤质量及接头质量进行检查，否则RFA可能无法满足实际系统应用，甚至造成RFA及传输系统损伤。
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