具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种将掺杂光纤放大器（如掺铒光纤放大器（EDFA）和掺铥光纤放大器（TDFA）等掺稀土光纤放大器）和拉曼光纤放大器（RFA）相结合的基于拉曼级联辅助的多波段混合光纤放大器，并相应提出了一种基于拉曼级联辅助的宽波段增益谱优化方法。本发明实现了掺稀土光纤放大器和RFA放大器的结合，从而可以兼顾掺稀土光纤放大器EDFA/TDFA的高增益和RFA的在线放大，可以更好改善平坦增益带宽。

本发明一实施例中，所述宽波段增益谱优化方法利用拉曼级联辅助的多波段混合光纤放大器，将掺杂光纤放大器（如EDFA/TDFA）和后向泵浦拉曼光纤放大器相结合，其中拉曼光纤放大器采用级联的方式辅助进行宽波段增益谱优化。这种拉曼级联辅助的多波段混合光纤放大器可以实现从S波段到U波段的放大及增益平坦，掺稀土光纤放大器（EDFA/TDFA）可以使信号放大的增益更高，级联的拉曼光纤放大器（RFA）可以使得增益谱更加平坦，这种混合光纤放大器可以实现多路波分复用信号的增益平坦化输出，具有宽带宽，高增益等特点，适于未来光通信的发展需求。

图1为本发明实施例提出的基于级联拉曼放大辅助的多波段混合光纤放大器的结构示意图。图2为本发明一实施例中利用拉曼级联辅助的宽波段增益谱优化方法的流程示意图。现结合图1和图2，对本发明实施例中利用拉曼级联辅助的的混合光纤放大器实现S-U波段的多波段放大以及优化其增益谱，使其增益谱更加平坦化的过程进行说明。

如图1所示，本发明实施例的基于级联拉曼放大辅助的光纤放大器包括：波分复用器（或称波分复用耦合器）、多个波长选择开关、EDFA、TDFA、第一分波器以及多级级联的多个后向泵浦RFA。

波分复用器用于接收多路信号光，对接收的多路信号光进行波分复用耦合，将宽波段信号耦合在一起，输出一束宽波段信号光；

多个波长选择开关用于从波分复用后的信号光中分别选择出多个波段的信号光。本发明实施例中，该多个波段可包括C波段至U波段内的多个波段，例如可包括C波段、L波段、S波段和U波段，也即，经波分复用的信号光进一步经多个波长选择开关将宽波段信号光分成S波段、C波段、L波段和U波段的信号光。在此，C波段、L波段、S波段和U波段仅为示例，本发明并不限于此，还可以适用于更多或更少的波段。

EDFA用于将选择出的多个波段的信号光中第一组波段的信号光在第一波长的泵浦光的激发下进行放大；该第一组波段例如可包括C波段和L波段。

TDFA用于将选择出的多个波段的信号光中第二组波段的信号光在第二波长的泵浦光的激发下进行放大；该第二组波段例如包括S波段和U波段。

C波段和L波段经过泵浦光 的激发下经由掺铒光纤放大器（EDFA）独立放大后以及S波段和U波段经过泵浦光的激发下经由掺铥光纤放大器（TDFA）独立放大后，掺杂光纤放大器中的增益波动会导致各个波段之间的性能不均衡，因此在本发明实施例中进一步经过RFA进行二次放大和增益平坦。发明人发现，拉曼放大器中若只使用一段光纤，不能很好满足系统对放大器的要求，因此本发明实施例中，采用包括多段级联拉曼光纤放大单元的级联RFA来使得增益平摊。作为示例，级联RFA可采用四段光纤级联的方式，来实现总增益的平坦。

在将经EDFA或TDFA放大的多波段信号光输入级联RFA之前，可先由第一分波器从经EDFA或TDFA放大的多波段信号光中分离出第一波长和第二波长的信号光，即去掉EDFA和TDFA的泵浦光，得到待进一步放大的多波段信号光。

级联RFA用于将待进一步放大的多波段信号光分别经对应的各段级联拉曼光纤放大单元中进行放大，并混合输出；也即，优选地，多波段信号光的波段数可以和级联拉曼光纤放大器RFA的拉曼光纤放大单元的个数对应。

解波分复用器用于对经多级级联的后向泵浦RFA混合输出的多波段光信号进行解波分复用操作，以分离出所述多路信号光。

更具体地，在本发明实施例中，在多路信号光（n路信号光）由波分复用器进行波分复用后，首先利用多个波长选择开关WSS1~WSS4将多个波段的信号光分别选择出来，例如利用波长选择开关WSS1将波段S波段的信号光选择出来；利用波长选择开关WSS2将波段C波段的信号光选择出来；利用波长选择开关WSS3将波段L波段的信号光选择出来；利用波长选择开关WSS4将波段U波段的信号光选择出来；然后各个波段的信号光经泵浦光或者的激发分别由EDFA/TDFA进行放大，如图1所示，C波段信号光经过泵浦光激发后由EDFA进行放大、L波段信号光经过泵浦光激发后由EDFA进行放大、S波段信号光经过泵浦光激发后由TDFA进行放大、U波段信号经过泵浦光激发后由TDFA进行放大；然后，经过EDFA/TDFA放大的信号光再经由级联的RFA进行二次放大，最后再通过解波分复用分离出各路信号光和泵浦光。根据需要，若需要放大的信号光不是全波段信号光，则经由预先设置的所有波长选择开关WSS中的部分WSS选择出特定波段的信号光，然后经过激发泵浦光或者进行EDFA/TDFA的放大，然后根据信号光所在波段选择泵浦光（）进行RFA放大；若需要全波段进行放大，则预先设置的所有WSS工作，分离各个波段的信号光，各个波段的信号光独立进行EDFA/TDFA放大之后，各个波段信号光再经由泵浦光（）分别通过级联RFA中的不同拉曼光纤放大单元进行放大。在本发明实施例中，级联的RFA包括级联的四根光纤和分部连接在四根光纤前端的耦合器，此外，在耦合器前端还设置有分波器，用于去除无用的泵浦光。如图1所示，TDFA放大后的S波段信号光经过泵浦光激发由第一RFA进行放大、EDFA放大后的C波段信号光经过泵浦光激发由第二RFA进行放大、EDFA放大后的L波段信号光经过泵浦光激发由第三RFA进行放大、TDFA放大后的U波段信号经过泵浦光激发由第四RFA进行放大。经过掺杂光纤放大器放大之后，各个波段的光信号都可以具有很高的增益，但是它的增益平坦带宽太小，所以通过级联的后向泵浦拉曼光纤放大器对信号光进行二次放大和增益平坦化。经过不同波段的分波器将各阶段放大后的光信号中的泵浦光分离出并去除。信号光增益的大小取决于泵浦光功率和泵浦光（）与信号光之间的频移，在级联的后向泵浦拉曼光纤放大器中，本发明实施例采用四段光纤使用不同的泵浦光，能够使得输出信号光增益平坦度更加优化，所以本发明采用四段光纤级联且注入不同波长泵浦光的方式对光信号进行放大。本发明实施例中，拉曼放大器选择后向泵浦的拉曼光纤放大器来对信号光进行放大和增益谱平坦化。

不同波长多路信号光（图1中示出波长分别为的n路信号光）经过波分复用后，首先利用波长选择开关将S波段、C波段、L波段和U波段的信号光选择出来，各个波段的信号光经过掺杂光纤放大器（EDFA/TDFA）进行独立放大，例如S波段和U波段的光信号经过TDFA，C波段和L波段的光信号经过EDFA。经过各掺杂光纤放大器放大之后，各个波段的光信号都可以具有很高的增益，但是它的增益平坦带宽太小，因此本发明实施例中进一步通过级联的拉曼光纤放大器对信号光进行二次放大和增益平坦化。信号光增益的大小取决于泵浦光功率和泵浦光与信号光之间的频移，在本发明实施例的级联的拉曼光纤放大器中，采用四段光纤使用不同的泵浦光，能够使得输出信号光增益平坦度更加优化，所以采用四段光纤级联且注入不同波长泵浦光的方式对光信号进行放大。拉曼光纤放大器选择后向泵浦的拉曼光纤放大器对信号光进行放大和增益谱平坦化。

与前述基于级联拉曼放大辅助的光纤放大器（混合光纤放大器）相应地，如图2所示，本发明的基于级联拉曼放大辅助的宽波段增益谱优化方法包括以下步骤：

步骤S110，接收多路信号光，对接收的多路信号光进行波分复用耦合操作。

步骤S120，利用多个波长选择开关从波分复用操作后的信号中分别选择出多个波段的信号光，所述多个波段包括C波段至U波段之间的多个波段。

更具体地，在接收的多路信号光为全波段信号光的情况下，经由与全波段信号光对应的预设的所有波长选择开关来分离出多个波段的信号光；在接收的多路信号光不是全波段信号光的情况下，经由所述所有波长选择开关中与需要放大的多路信号光对应的特定的多个波长选择开关来分离出多个波段的信号光。

步骤S130，将选择出的多个波段的信号光中第一组波段的信号光在第一波长的泵浦光的激发下经过掺铒光纤放大器EDFA进行放大，并将选择出的多个波段的信号光中第二组波段的信号光在第二波长的泵浦光的激发下经过掺铥光纤放大器TDFA进行放大。

步骤S140，将经EDFA或TDFA放大的多波段信号光分别经包括多段级联拉曼光纤放大单元的级联拉曼光纤放大器RFA进行放大。

更具体地，将经EDFA或TDFA放大后的多波段信号光中的各波段信号光在所述级联RFA的各段级联拉曼光纤放大单元中进行放大，各段级联拉曼光纤放大单元采用的泵浦光波长不同。

步骤S150，通过解波分复用分离出所述多路信号光。

在示例性实施例中，所述方法还包括：泵浦光分离步骤，用于从经各光纤放大器放大后的信号光中分离出泵浦光；以及利用光谱分析仪从各光纤放大器的输入和/或输出处收集光谱并提取增益。

当泵浦功率为100mW，波长为980nm时，EDFA的速率方程为：

（1）

公式（1）中：N ₂ (r,z,t)为亚稳态粒子浓度以及N ₁ (r,z,t)为基态粒子浓度，r表示亚稳态粒子的反应速率，z表示传输方向的方向轴，t表示时间变量；R _pa 、R _pe 、W _sa 、W _se 、W _ka 和W _ke 分别是泵浦光的吸收率、泵浦光的发射率、信号光的吸收速率、信号光的发射速率以及第k个ASW光源的吸收速率和发射速率；K为总的ASW光源数目；A21表示饵离子的荧光寿命。

（2）

公式（2）中，G _EDFA 为EDFA增益，P _sout为光纤末端的输出信号光功率，P _sin为输入信号光功率。

假设泵浦光和信号光沿掺杂光纤的正向传播，忽略光纤的损耗，则TDFA传输方程可表示为：

（3）

（4）

公式（3）和（4）中，表示信号光的功率，表示泵浦光功率，为掺铥光纤放大器对S波段（如1479nm波段）的受激吸收截面积，是受激发射截面积，是不同能级的受激发射截面积，是不同能级的受激吸收截面积，和为信号光和泵浦光与掺杂分布之间的重合积分，N₀，N₁，N₃分别为离子束浓度。

对于本发明的级联RFA，若光纤长度太小时，拉曼增益不足，因为拉曼增益随着光纤长度而增加；若光纤长度过长时，信号衰减更大，则需要使用大功率的泵浦信号，不利于RFA的制作，由于衰减增大，所以拉曼增益随着光纤长度而减小。在本发明实施例中，四段光纤长度选在6-10km左右。在四段级联的拉曼放大器中，不同泵浦光波长，激发宽波段系统中不同波段的信号光，经过掺杂光纤放大器放大和级联拉曼光纤放大器放大之后，可以使得最后叠加的混合增益谱更加平坦，对宽波段增益谱有所优化。作为一示例，四段级联的后向泵浦拉曼光纤放大器中四段光纤长度分别为L₁=8km、L₂=8km、L₃=8km、L₄=8km，在此，四段光纤长度仅为示例，本发明并不限于此，还可以是其他的数值。

由公式（1）可知，在光纤z=L₁+L₂+L₃+L₄处的各个信号光功率为：

（5）

公式（5）中，为第1段光纤的有效互作用长度，为第2段光纤的有效互作用长度，为第3段光纤的有效互作用长度，为第4段光纤的有效互作用长度；g _1i 为第1泵浦光与第i信道的信号光之间的拉曼增益系数，g _2i 为第2泵浦光与第i信道的信号光之间的拉曼增益系数，g _3i 为第3泵浦光与第i信道的信号光之间的拉曼增益系数，g _4i 为第4泵浦光与第i信道的信号光之间的拉曼增益系数；P _p1 (0)为第1个泵浦光功率，P _p2 (0)为第2个泵浦光功率，P _p3 (0)为第3个泵浦光功率，P _p4 (0)为第4个泵浦光功率；是第1个信道中的信号光衰减系数，是第2个信道中的信号光衰减系数，是第3个信道中的信号光衰减系数，是第4个信道中的信号光衰减系数，M是保偏系数，A_e为光纤有效截止面积。

本发明实施例中，经EDFA/TDFA和级联RFA混合放大后，本发明的EDFA/TDFA和级联RFA相结合的多波段混合光纤放大器的增益表示如下：

G_hybrid= G_Raman·G_EDFA/TDFA （6）

公式（6）中：G_Raman为拉曼放大器的开关增益，G_EDFA/TDFA为EDFA/TDFA的增益。

C波段信号单独经过EDFA放大后的增益谱图(EDFA Gain Spectrum)如图3A所示、C波段信号单独经过RFA放大之后的增益谱(RFA Gain Spectrum) 如图3B所示、C波段信号经过EDFA和RFA的混合放大器放大之后的增益谱图(Mixed Gain Spectrum) 如图3C所示，可以看出来混合放大器放大之后的增益谱图的最大最小差值仅为4dB左右，说明对C波段进行联合放大时可以使得C波段的增益谱更加平坦。L波段信号经过EDFA单独放大后的增益谱图(EDFA Gain Spectrum) 如图4A所示、L波段信号经过RFA单独放大之后的增益谱(RFA GainSpectrum) 如图4B所示、L波段信号经过EDFA和RFA的混合放大器放大之后的增益谱图(Mixed Gain Spectrum) 如图4C所示，可以看出来混合放大器放大之后的增益谱图的最大最小差值仅为5dB左右，说明对L波段的联合放大可以使得L波段的增益谱更加平坦。S波段信号经过TDFA单独放大后的增益谱图(TDFA Gain Spectrum) 如图5A所示、S波段信号经过RFA单独放大之后的增益谱(RFA Gain Spectrum) 如图5B所示、S波段信号经过TDFA和RFA的混合放大器放大之后的增益谱图(Mixed Gain Spectrum) 如图5C所示，通过混合放大器放大之后的增益谱图可以看出，对S波段的联合放大可以使得S波段的增益谱更加平坦。

宽波段信号光经过级联拉曼放大器辅助后的混合增益谱优化图如图6所示。根据图6所示，可以看出来，这种基于级联拉曼放大的宽波段增益谱优化方法，可以使得宽波段增益谱更加平坦，使得系统具有更好的误码率性能。

如上本发明提供的基于级联拉曼放大辅助的宽波段增益谱优化方法和装置，可以实现多路波分复用信号的增益平坦化输出，不仅具有宽带宽、高增益等特点，且使得宽波段增益谱更加平坦，从而使得系统具有更好的误码率性能，能够满足未来光通信的发展。

需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。