专利名称：在光纤通信线路中使用拉曼放大器调整osnr的方法
技术领域：
本发明涉及一种设计、建立和管理包含诸如拉曼放大器等大功率光学放大 器的光网络的方法。
背景技术：
在现有技术中有许多计算和调整3W信网络中光信噪比(OSNR)的解决方 案。特别是，有许多用于控制和调整包含拉曼光放大器的光线路中的OSNR的 方法。
图1 (现有技术)给出了一个典型的单跨距(span)光通信系统10。实际上， 这样的系统可能包含若干个跨距。
所述系统10最初包含位于系统的发射端的多路复用装置12，位于系统的接 收端的多路解复用装置14，在发送端的光放大器(EDFA) 13和接收端的EDFA 17之间用于传输多路复用光信号的光纤链路15，以及紧邻f连路的接收端插入的 后向拉曼放大器(BRA) 18。系统设计者的目的在于链路的接收端的任一信道 接收器的输入端OSNR大于该接收器的OSNR容限，即是误比特率(BER)仍 然优于比如说通常可接受的标准值10—12的最小OSNR。所需OSNR必须大于接 收器的OSNR容限+系统设计者所选择的余量。改善系统OSNR的可能方法之 一M3^顿EDFA13的功率放大器的输出功率，^M加至恍纤的输入功率提 高到可能的最大值。可能的最大值通常由系统非线性界限设定。
本领域技术人员应当知晓，在高功率级别上，非线性现象比如自相位调制 (SPM)，交叉相位调制(XPM)以及四波混频(FWM)会导致信号失真以及系 统的性能(或者BER)降低。
系统的非线性界限应当作如下理解。当网络在非线性界限下工作时，非线 性恶化(由于光纤中的非线性作用引起的性能降低)不超过系统设计者确定的 值(比如，1或2GB)。实际上，非线性界限的舰可以解释为系统的一种劍牛， 即施加于光纤的功率增加导致所述相同BER所需实际OSNR的增加。通常，当 光线路的性能不能再M其自身资源而改进同时不越过其非线性界限时，网络设计者在线路中插入前向拉曼放大器(FRA)。
图1为此阐明了在链路15的始端插入FRA16 (由虚箭头标出)。 不少文献，例如l)Essiambre et al.正EE photon. Techn. Lett. Vol.14, pp. 914(2002); 2)Periine and WinfUl.正EE photon. Techn. Lett. Vol. 14, pp. 1199(2002)解
释了前向拉曼放大器(FRA)能够让系统设计者增加施加于光纤的有效输入功 率，由此改善系统OSNR，而不舰非线性界限。
以上文献提出了各种各样但相当复杂的数学公式以能够在理论上计算特定 通信系统所需的FRA功率。然而，这些以及其他一些之前的工作适用于过于一 般的系统；1艮难将他们的包括很多系统参数的计算方法应用到实际系统中。
申请A^/f知，现有技术没有给出一个简单有效的关于如何估计FRA所需增 益的建议，用于在实际M信系统中获得设计的OSNR值。同样，也没有找到 在实际系统中的有效OSNR调整的建议。 发明目的
因此本发明的目的在于提供为系统设计者提供一种简单的工具，使能够在 信线路中有效地运用FRA并且在线路的接收端实现OSNR调整。
发明内容
在设计光线路时，获得所期望的OSNR值的问,少包括以下三个子问题:
a) 在需要时为光线路选择合适的拉曼放大器；
b) 调整线路的接收端的OSNR，使其不低于接收器容限；禾口
c) 为fflil光线路传输的各个光信道调整接收端处的OSNR。
本发明人已经获得了能够用于工作于基本接近非线性界限的任意实际长传 输系统的公式，该公式表明所需前向拉曼放大器(HIA)的增益能够相当精确 地由所期望的OSNR提高值唯一确定，并且由此可以获得几乎线性的调整函数， 该函数用于由FRA增益调节弓胞的OSNR进行细微调整。
实际上，本发明人已经发JM过合适地选取FRA增益值，就能够取得任何 合理的OSNR改善(比如说，高达5dB)。
本发明人还发现当在工作于基本接近非线性界限的长传输系统中增加和调 整FRA时，所期望的OSNR增量实际上并不取决于后向拉曼放大器BRA的增 益(如果系统中包含的话)以及其他很多通常在现有技术所描述的理论公式中出现的参数。
长传输系统应当被理解为这样一种光通信系统，在该系统中，分别与光纤 跨距的发送端和接收端相关联的两个光网络节点之间的光纤跨距中的功率损耗 值L要远大于与其发送端相关联的FHA (前向拉曼放大器)的工作增益值^。
如果BRA (后向拉曼放大器)已经在相同的系统(跨距)接收端中存在， 那么，^#应当被理解为 b〉Maxof(G,，(^), 其中，G,为FRA的工作增益值，
R为BRA的工作增益值，如果存在的话，
L为光纤跨距中的功率损耗，作为无源光纤的特性，仅仅取决于光纤长度和 质量。
雌地，功率损耗值L比增益值G,高出至少一个数量级(大约10dB)，增 益值G,也被称为"开关增益"(如果BRA存在，那么称为R的"开关增益")。
通常情况下BRA增益与FRA增益处于同一数量级。然而，即使在^〉〉(7/ 的情况下，长传输系统的条件仍然可以保持一致，并可以重写为1>〉&。
例如，本发明人所发现的上述公式应用到具有增益为G,10dB的FRA的光 跨距中，那么光跨距的功率损耗L大概为20dB或者更高。
在本文描述中，术语"增益"将会间断地与本领域中可接受的术语"开关 增益" 一起使用。
特别是，在本发明人为工作于接近非线性界限的实际长传输系统设计的认 为实际可行的一系列假设之下，本发明人表明通过在光纤跨距的发送端引入 FRA，接收端的光信号的OSNR就冑^J多根据OSNR改善值i 。，的函数而得到改 善，该函数近似线性(或者至少近似于线性部分)
^o纖=G/ / ^肌 (1)
其中&为FRA幵关增益，&为FRA的被称为非线性增强因数，可由下式 确定
&L = (ln(G, ))_〃 [r(//) - r(//, ln(G,))](2 ) 其中〃="/"，
a为信号波长上的光纤衰减(实际上为C波段上的平均光纤衰减)，可从每条特定光纤得到，/ 为拉曼泵浦波长的光纤衰减(实际上为泵浦波长上的平均
值)，r(;c)和r(x,力分别为Gamma函数和不完全Gamma函数。
应当注意，尽管各条光纤上的系数"和/ 可能稍有不同，但是它们的比率 // = "/-几乎保持恒定。本领域技术人员可以很容易得到上述表达式(2)的其 余分量。
由于新式的FRA包含两个拉曼泵浦，泵浦之间的同步操作使为每个传输信 号波长取相等拉曼增益成为可能。因此，完全相同的公式(2)实际上可以应用 于多信道信号的每一个光信道上。
此外，本发明人已经表明在FRA开关增益为0-20dB的实际范围内，光传输 线路的接收端的OSNR改善值&一的函数可以近似分为以下线性区段
<formula>formula see original document page 9</formula>
(3)
(4)
(5)
可选地，在0-12dB的范围内，函数可以近似为 Aos;w = 0.35G, 对于 0t/5 < G, S 12dS (6) 适当的计算和验证实验己经进行过，并且已经证明了建议的方法。 简而言之，当设计传输线路时，针对长光纤光传输线路，本发明人建i皿择
旨詢多达到根据公式(1)计算出的某个"开关"增益的FRA，以所需的量来改善
线路的OSNR。
根据这种形式，本发明人提出了一种选择前向拉曼放大器(FRA)的方法， 该放大器(FRA)插入到给定光纤光传输线路的发送端，用于在所述传输线路 的接收端处提供改善的OSNR，所改善的程度不低于所需的改善量尺。皿，该方 fe&括通过使用OSNR改善值的调整函数(尺。'，)来确定所述FRA的(工作) 增益G,的所需值，该函数基本上近似于下式定义
<formula>formula see original document page 9</formula>(1)
其中T^是FRA的非线性增强因数，-
7 肌=(ln(G, ))-〃 [r(" — r( A ln(G,)) j 其中/^a/Z ，
"为在信号波长上的光纤衰减， -为拉曼泵浦波长的光纤衰减，<formula>formula see original document page 9</formula>(2)r("禾卩ro,力分别为Gamma函数和不完全Gamma函数；
如果以下两个条件满足的话，该方法可实施
给定光纤传输线路在非线性界限下工作，
给定光纤传输线路的功率损失L远大于确定的增益G,。
可以考虑选择能够达至杯低于所需增益G,的增益值的FRA。
该方法可肖腿一步包括在光纤传输线路的发送端插入所选择的FRA (即能 够达到不低于增益G,的增益值的FRA)。
此外，发明人建议增加一个步骤，根据所述公式(1)所表示的调整函数， ffiil调节所述FRA的增益来调整(校准，微调)传输线路接收端的OSNR。
由于任何拉曼放大 卩包括泵浦，增益调整可以i!31控制所述FRA的泵浦 来实现。
发明xas提出了另一种方法，用于在其发送端包含现有的FRA的真实给定
的光纤传输线路中调整OSNR的方法；该方法包括
^OT基本上由公式(1)表达的调整函数，M31调节所述FRA的增益来调整 所述传输线路的接收端处的OSNR。
假设给定传输线路在没有越过非线性界限的情况下工作，并且l^G,其
中
G,为现有的FRA的工作(或者实际)增益值， L为给定光纤传输线路的功率损耗值。
对于Jd^两种方法，功率损耗L应当比所确定的增益G,高出;^勺一4^M^及。 在给定传输线路最初包括后向拉曼放大器BRA的情况下，传输线路应当满
足劍牛:功率损耗L远大于G,和^之间的最大值(比如，高出大约一个数量级)，
其中A为BRA的工作(或者实际)增益值。
调整OSNR的步骤实际上包括对于某个需要的OSNR改善值，FRA的增益
被调节一个由所述调整函数得至啲值。
选择FRA的方法，以及在包含FRA的线路中调整OSNR的方法，实质上
都可以通过j顿调整函数(1)的近似线性来简化。
应当知道的是，调整函数能够被表示为根据公式3， 4， 5的统性近似和。 ，方法最终能够fflil使用针对实际所需的FRA增益区间和OSNR增长区
间的调整函数的特定线性区段来简化。此外，对于通过所述传输线路传输的多信道光业务量，发明人建议调整
OSNR，以便在"最差"光信道中达到所述需要的OSNR的改善值，其中最差 光信道被认为是在当前使用的FRA增益值G,下具有最低OSNR的光信道。
在一个特定实施例中，光纤传输线路包括在线路的传送端和接收端之间的单 光纤跨距。
需要补充的是，上述方法可以应用于一种光系统，该光系统由包含多个光 跨距的光纤传输线路形成，每个光跨距都在近似非线性界限下工作并且装备有 FRA，这样所有所述FRA的G,值大lLh相同；其中齡跨距满足要求L〉〉G/， 或者在多个光跨距的任意一个装备有BRA的情况下满足要求L>〉Max of (G,，G,)。系统的OSNR就可以如公式l，公式6和/或公式3， 4, 5中所示的那 样M:同步调节^^跨距的FRA增益G,而进行调整。
一般而言，发明人发现了一种方法，用于选取光纤传输线路的发送端的前 向拉曼放大器(FRA)的增益(^和光纤传输线路的接收端的信噪比(OSNR) 之间的关系，该传输线路满足上述提到的关于长线路的所有限制；其中该方法 包括使用调整函数/ 。皿秉选取上述关系，所述调整函数/ 。,胃可以写成如公式 (1)的形式，或者写成一个或多个在FRA增益为0-12dB或0-20dB的实际范围 内的线性近似的形式。
比如调整函数可以写成一个或多个的形式，或者写成如下所示的线性近似和 的形式
尺o测=0.39G,， 对于(W5 < G, S 6d5 (3)
= 0.27G, + 0.7 对于 6t/S < G,《13t/S (4) 尺。s顺=0.2G, +1.55 对于13t/5 < G,《20o^ (5) 更加近似地，调整函数可以写成单一线性近似区间的形式，该单一统性近似 区间包括了更加受限的FRA增益的实际范围 "乖=0.3 5G, 0必< S 12必 (6)
上述一般方法可以应用于
a) 通过调节线路的发送端处现有的FRA的增益，调整给定传输线路的 接收端处的OSNR;
b) 选择插入到光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器(FRA)，用 于在所述传输线路的接收端处提供所需的OSNR或OSNR的改善。发明人所披露和经检验的关系式提供了一种令人惊讶地简单而方便的工具，
用于帮助网络设计者确定FRA开关增益，从而保证达到所需的OSNR或所需的 系统的OSNR的改善。
本发明将进一步fflil以下非限制性附图来更详细地描述，如下
图1为包含配置了 BRA和FRA的长传输线路的多信道通信系统的简化框图。
图2为发明人所建议的用于长光纤传输线路的调整函数在最常使用的FRA 增益的区间和OSNR变化的区间内的示意图。 图3为图2中所示函数的线性近似。
图4为在FRA增益的区间比图1所示更大的范围内调整函数的示意图。 图5， 6， 7为图4所示的调整函数的各个不同区段，其中在FRA增益的不 同区间内该函数的局部线性近似。
具体实施例方式
图1与背景技术的描述相关。
图2图示出发明人所提出的调整函数，用于确定FRA的开关增益的最小值， 如果该FTEIA与长光纤传输线路的发送端相关联，并且被要求在光纤跨距的接收 端处取得一定程度的OSNR改善。
一个典型的长光纤传输线路如图1所示的单跨距(15)。
让我们考虑这个例子，线路满足以下两个条件它在非线性界限下工作(不 具备任何非线性效应)，并且它的光纤损耗L远大于FRA(16)的最大增益值化。 如果，比如现有的FRA的Q是10dB，那么当线路长到足够产生大约20dB或 者更多的光纤损耗时，该方法能被精确地应用。反过来也是一样地，如果相当 长的给定传输线路还不具有拉曼放大器并且它需要特定的OSNR改善的话，那 么，方法肖滩快速估计所需的ERA增益。
根据公式(1)建立的调整函数能够用于FRA增益的大部分实际区间，即从 0至廿12dB。
上述图表能够获得关于如何选取(获得)FRA增益的实用答案，用于在长 传输线路的接收端处获得特定所需的OSNR的改善。
应当知道的是，所关注的传输线路可以包括多个类似于跨距15的光纤跨距，^h光纤跨距都包括FRA和BRA，这些FRA和BRA的增益大致相同并且满 足上述两个条件。在这种情况下，可以使用相同的调整函数，通过同步调节每 个跨距中的ERA的增益来调整线路的接收端处的OSNR。
如图3所示，出于简单实用的原因，调整函数(1)可以被相当精确地近似， 使得所需的OSNR的改善变为FRA的幵关增益的线性函数。
实际上，对于FRA的开关增益的0-12dB的实际区域，用于长光纤传输线路 的OSNR改善函数可以被线性化为下式
iW=0.35G, (6)
图3为OSNR改善与FRA开关增益之间的精确函数(虚线)和近似函数(实 线)。
图4为用于长光纤传输线路，在FRA增益G,的更大范围内(从0到20dB) 所建立的调整函数。为了以合理精确度在实践中运用上述函数，将该函数划分 为一定数量的更小区段并且分别线性化这些区段是有用的。
图5为图4所示的在FRA增益Gf从0到6dB的范围内的上述调整函数的 局部线性^fi似。该函数近似如下
i^湖二0.39G,， 对于 (k^〈G,^6c^ (3)
图6为图4所示的在FRA增益G,从6到13dB的范围内上述调整函数的局 部线性近似。该函数近似如下
^纖=+0.7 对于 6必< G, 2 13必 (4)
图7为图4所示的在FRA增益G,从13到20dB的范围内，调整函数的 局部线性近似。该函数近似如下
A。鹏=02G/+1.55 对于 13t/5 <G,《20c^ (5)
如图3， 5， 6和7所示的上述近似的调整函数可以被网络设计者用于实际估 计所需FRA的增益Gf，以用于获得线路的接收端处的OSNR的特定改善，并 且进一步可以用于增益的调节一一增益值的特定区间中的每一个。
在这些图中，调整函数用虚线表示，近似线性化函数用实线表示。
清楚地是，在不改变本发明的原理的前提下，描述调整函数的公式(1)和 公式(2)可以稍做改变，所述改变后的公式(调整函数)应当被认为是本发明 的一部分。
权利要求
1、一种选择前向拉曼放大器(FRA)的方法，所述前向拉曼放大器被插在给定光纤传输线路的发送端处，用于在所述传输线路的接收端处提供OSNR的改善，其改善程度不低于某个要求的量ROSNR，上述方法包括通过使用OSNR改善的调整函数来确定所述FRA的所需要的增益Gf的值，该调整函数基本上近似于如下公式ROSNR＝Gf/RNL(1)其中RNL为FRA的因数，可基本上近似由下式计算RNL＝μGf(ln(Gf))-μ[Γ(μ)-Γ(μ，ln(Gf))](2)其中μ＝α/β，α为在信号波长上的光纤衰减，β为拉曼泵浦波长的光纤衰减，Γ(x)和Γ(x，y)分别为Gamma函数和不完全Gamma函数；该方法在满足以下两个条件时可实施给定光纤传输线路在非线性界限下工作，给定光纤传输线路的功率损失L远大于所确定的增益Gf。
2、 如权利要求1所述的方法，进一步包括在光纤传输线路中插入FRA的 步骤，所述FRA肖的多达到的增益值不低于Gf 。
3、 如权利要求2所述的方法，进一步包括根据所述调整公式，通过调节所 述FRA的增益来调整传输线路的接收端处的OSNR的步骤。
4、 一种在给定光纤传输线路中调整OSNR的方法，所述光纤传输线路的 发送端包含现有的FRA，《叚设给定光纤传输线路在非线性界限下工作，且, 其中为现有的FRA的工作增益值， L为给定光纤传输线路的功率损耗值， 该方法包括使用调整函数W。皿，3M调节所述FRA的增益来调整所述传输线路的接收 端处的OSNR，所述调整函数/ 。皿基本上近似于公式<formula>formula see original document page 2</formula> (1)其中l为FRA的因数，可基本上近似由下式计算 <formula>formula see original document page 3</formula> (2) 其中<formula>formula see original document page 3</formula> 为在信号波长上的光纤衰减， P为拉曼泵浦波长的光纤衰减，r(x)禾Br(:c,力分别为Gamma函数和不完全Gamma函数。
5、如上述任何一个权利要求所述的方法，其中给定光纤传输线路最初包括 后向拉曼发大器BRA，并且满足劍牛功率损耗L远大于G,和A之间的最大 值，其中&为BRA的工作增益值。
6、如上述任何一个权利要求所述的方法，其中给定传输线路满足条件功 率损耗L比所确定的增益G,高出大约一个数量级，或者比^和A之间的ltt 值高出大约一个数量级，其中&为BRA的工作增益值。
7、 如权利要求3-6中的任何一个所述的方法，其中调整OSNR的步骤包括 调节所述FRA增益值，该值由所述调整函数针对某个要求的OSNR改善而产生。
8、 如权利要求3-7中的任何一个所述的方法，其中所述FRA增益的调节 是ffiil控制所述FRA的泵浦而实现。
9、 如，任何一个权利要求所述的方法，其中所述调整函数以其线性近似 的形式而被使用。
10、如权利要求9所述的方法，其中所述调整函数在FRA增益为0到20dB 的实际范围内以一个或多个如下线性近似的形式而被使用 <formula>formula see original document page 3</formula>, 对于<formula>formula see original document page 3</formula> (3 )<formula>formula see original document page 3</formula> 对于 <formula>formula see original document page 3</formula>(4) <formula>formula see original document page 3</formula> 对于 <formula>formula see original document page 3</formula> (5)。
11、如权利要求10所述的方法，其中所述调整函数在FRA增益为0到12dB的实际范围内以如下线性近似的形式而使用<formula>formula see original document page 3</formula> (6)。
12、 一种用于选择在光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器(FRA) 的增益(^和光纤传 俞线路的接收端处的光信噪比(OSNR)之间的关系的方法， 假设所述传输线路在非线性界限下工作，所述光纤传输线路的功率损失L远大于所要选择的增益值G,;所述方法包括使用调整函数i 。皿来选择上述关系，所述调整函数w。皿在 FRA增益为0到20dB的实际范围内是一个或多个如下线性近似的形式W鍾二0.39G, 对于 0必〈G,《6必 (3)W画=0.27G, + 0.7 对于6必< G, S 13必 (4)A謹二0.2G,+1.55 对于13必〈G,《20必 (5)。
13、 一种用于选择在光纤传输线路的发送端处的前向放大器(FRA)的增 益Gf和光纤传输线路的接收端处的光信噪比(OSNR)之间的关系的方法，假 设所述传输线路在非线性界限下工作，所述光纤传输线路的功率损失L远大 于所要选取的增益值G,;所述方法包括使用调整函数A。，来选择上述关系，所述调整函数/ 。，在 FRA增益为0到12dB的实际范围内是如下线性近似的形式 A。纖=0.350, 对于 Ocffi < G, S 12aB (6)。
14、 如权利要求3-13中的任何一个所述的方法，其中调整多信道光信号的 OSNR的步骤通过调整光信道的OSNR而实现，所述光信道在当前使用的FRA 增益值Gf下具有最低OSNR。
15、 如上述任何一个权利要求所述的方法，其中所述光纤传输线路包括在 所述线路的发送端和接收端之间的单光纤跨距。
16、 如权利要求3-15中的任何一个所述的方法，其中所述光纤传输线路包 含多个光跨距，#^所，距都工作于接近非线性界限并且装备有FRA，这样 所有所述FRA的^值大致上相同；其中^跨距满足要求L》c^，或者在所 述，距的任意一，备有BRA的情况下满足要求L Max of (G/ );该方法包括根据公式l，公式6和/或公式3， 4， 5，恋il同步调节每个跨距 的G,来调整所述线路的OSNR。
17、 一种用于选择光纤传输线路的发送端处的前向放大器(FHA)的增益G, 和光纤传输线路的接收端处的光信噪比(OSNR)之间的关系的方法，假设所述传输线路在非线性界限下工作，所述光纤传输线路的功率损失L远大 于所要选择的增益值G,所述方法包括使用OSNR改善的调整函数凡_ 择上述关系，该函数基本上近似于下式定义尺o扁二G/ZW肌 (1)其中&为FRA的因数，可基本上近似由下式计算 7 见=/^,(1n(G,)r[r(/0 —r(从ln(G,))] (2) 其中= ， 为在信号波长上的光纤衰减， p为拉曼泵浦波长的光纤衰减，r("禾卩r(jc，力分别为Gamma函数和不完全Gamma函数。
全文摘要
本发明涉及一种用于选择光纤传输线路的发送端处的前向拉曼放大器(FRA)的增益G<sub>f</sub>和光纤传输线路的接收端处的光信噪比(OSNR)之间的关系的方法，该光纤传输线路满足实际长传输线路的限制。该方法包括使用调整函数ROSNR来选择上述关系，该调整函数可以写成简化公式的形式，也可以写成在FRA增益的实际范围内的一个或多个线性近似的形式。
文档编号H04B10/291GK101416428SQ200780011643
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月30日
发明者E·里克特曼 申请人:Eci电信公司