超長站距光纖通信研究

對超長站距光纖通信進(jìn)行研究，指出影響傳輸距離的主要因素，以及相應(yīng)的應(yīng)對技術(shù)，在此技術(shù)上，以南方電網(wǎng)羅百線路為例，進(jìn)行光纖超長距離傳輸電路設(shè)計，并開展相應(yīng)的測試，驗(yàn)證設(shè)計電路。

關(guān)鍵詞：超長站距光纖通信系統(tǒng);摻鉺光纖放大器;拉曼光纖放大器;啁啾光纖光柵

1超長站距光纖通信傳輸?shù)南拗埔蛩?/p>

光纖傳輸距離主要受光纖的衰減、色散、非線性三方面影響，分別對應(yīng)為光信噪比受限、色散受限和非線性受限。

1.1光信噪比受限

在進(jìn)行光傳輸系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)的接收光信噪比如下式(1)所示：

(1)

其中是指入纖信號光功率;為線路的衰減值;為光放大器的噪聲指數(shù)，是指系統(tǒng)總的跨段數(shù)，為光子的躍遷能量，約[8]。

由上式可以看出，信噪比受限主要有兩方面：一是信號經(jīng)過放大器時引入的噪聲，二是長距離傳輸引入的噪聲。

1.2色散受限

色散受限是指當(dāng)信號相鄰碼元間產(chǎn)生碼間干擾，造成接收機(jī)產(chǎn)生錯誤的電平判決從而產(chǎn)生誤碼。光纖中有三種基本色散效應(yīng)：模間色散、色度色散和偏振模色散。在單模光纖中，色度色散占主導(dǎo)地位。

1.3非線性受限

1.3.1克爾效應(yīng)：在進(jìn)入光纖的光功率較高的情況下，光纖會表現(xiàn)出與入射光的光強(qiáng)有很強(qiáng)相關(guān)性的折射率，從而改變了入射光在介質(zhì)中的傳輸特性這一現(xiàn)象。

1.3.2受激散射：受激散射是指由于光纖物質(zhì)中原子振動參與的光散射現(xiàn)象。在受激散射效應(yīng)中，受激布里淵散射閾值低于受激拉曼散射閾值，因此它是制約光纖通信入纖光功率大小的首要因素。

2超長站距光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

針對光信噪比(OSNR)受限的問題，常用的解決方法包括：降低光放大器的噪聲指數(shù)，例如使用等效噪聲指數(shù)為負(fù)值的拉曼放大技術(shù)與遙泵放大技術(shù);使用損耗較小的新型光纖技術(shù)，可以降低鏈路損耗，從而提高進(jìn)接收側(cè)前置放大器的光功率;采用前向糾錯編碼技術(shù)(FEC)降低接收機(jī)對系統(tǒng)光信噪比的要求等。針對色散受限問題，當(dāng)傳輸速率不大于或傳輸距離較短時，偏振模色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響較小，不需要考慮。而對于色度色散，通常采用啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償。

2.1前向糾錯技術(shù)

前向糾錯技術(shù)是在發(fā)送端的FEC編碼器將待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息按一定規(guī)則編碼產(chǎn)生監(jiān)督碼元，從而形成具備一定糾錯能力的碼字。而接收端的FEC譯碼器將收到的碼字序列按預(yù)先規(guī)定的規(guī)則譯碼，當(dāng)檢測到接收碼組中的監(jiān)督碼元有錯誤時，譯碼器就對其差錯進(jìn)行定位并糾錯，這樣可以獲得編碼增益，從而系統(tǒng)的傳輸距離得以提高。FEC可以分為帶外FEC和帶內(nèi)FEC。

2.2摻鉺光纖放大技術(shù)

摻鉺光纖和普通的單模光纖的區(qū)別在于它在光纖的芯部加入了微量的鉺，使得它能較好地吸收特定波長(一般是和)的光。摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)打破了光纖通信系統(tǒng)傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離大大提高。摻鉺光纖放大器主要用途如下。接收機(jī)前置放大、功率放大器、光中繼放大器。

2.3拉曼光纖放大器

拉曼光纖放大器是利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光放大的，在滿足更長距離和更大復(fù)用速率傳輸中顯示出明顯的優(yōu)勢。一是拉曼放大是非諧振過程，增益響應(yīng)僅依賴于泵浦波長及其帶寬，可以得到任意相應(yīng)波長的拉曼放大。二是其增益介質(zhì)為光纖本身，可以對光信號進(jìn)行在線放大，構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦。三是噪聲系數(shù)低，與常規(guī)摻鉺光纖放大器放大器混合使用，可做成具有寬帶寬、增益平坦、低噪聲和高輸出功率的混合放大系統(tǒng)。四是飽和功率高，增益譜的調(diào)整方式直接而且多樣。

2.4光纖光柵補(bǔ)償技術(shù)

光纖光柵補(bǔ)償技術(shù)因其具有色散補(bǔ)償量大、非線性小、對偏振不敏感、與光纖兼容性好、插入損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊等獨(dú)有的優(yōu)勢，使它稱為目前最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。光纖光柵就是光敏光纖在選定波長光照射后形成的折射率呈固定周期性分布的無源光器件。啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償器是目前具有較好應(yīng)用前景的色散解決方案。

3南方電網(wǎng)骨干光纖通信系統(tǒng)優(yōu)化方案的探討

3.1純光接口的傳輸距離分析

南方電網(wǎng)2.5Gbit/s的骨干光纖通信網(wǎng)絡(luò)，工作的傳輸速率為24883210kbit/s，工作波長的范圍在1550nm窗口。根據(jù)常用光卡特性可計算傳輸距離：L=(Ps-Pr-Pp-ΣAc)/(Af+As+Mc)=87km。

3.2解決方案分析

3.2.1解決信噪比限制的方案選擇

1)降低光放大器的噪聲指數(shù)，例如使用等效噪聲指數(shù)為負(fù)值的拉曼放大技術(shù)和遙泵放大技術(shù)。

2)降低鏈路損耗，提高系統(tǒng)接收機(jī)的光功率。如采用新型光纖技術(shù)，以降低系統(tǒng)傳輸光纖的衰減系數(shù);或者使用摻鉺光纖放大技術(shù)，以提高信號的光功率。

3)采用前向糾錯編碼技術(shù)以便降低接收機(jī)對系統(tǒng)光信噪比的要求，從而減少光纖通信系統(tǒng)的誤碼率。

3.2.2解決色散限制的方案選擇

1)激光器的調(diào)制技術(shù)，如采用外調(diào)制方式，降低光源的譜寬，從而提高激光器的色散容限值。

2)色散補(bǔ)償技術(shù)，如色散補(bǔ)償光纖(DCF)技術(shù)、光孤子傳輸技術(shù)、頻譜反轉(zhuǎn)技術(shù)以及啁啾光纖光柵技術(shù)。

3.2.3解決非線性限制的方案選擇

可以考慮采用控制入纖光功率以及適當(dāng)?shù)纳⒐芾砑夹g(shù)來解決非線性受限問題。在控制入纖光功率方面，主要有兩點(diǎn)：一是出于非線性限制的考慮，2.5G系統(tǒng)的入纖功率一般需要 +20dBm，因此本優(yōu)化方案在保證可靠性的前提下控制入纖功率在+18dBm左右。二是拉曼光放大模塊只加在收端：如果在線路發(fā)端再加一個拉曼光放大模塊，由于拉曼光放大模塊的負(fù)噪聲指數(shù)特性，可以使系統(tǒng)光信噪比改善+3dB，這可能使系統(tǒng)傳輸距離增加12km左右。在色散管理技術(shù)方面，采用對非線性不敏感的啁啾光纖光柵技術(shù)可在一定程度上減低系統(tǒng)非線性效應(yīng)的影響。

3.3解決方案確定

綜合運(yùn)用以上各種關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合南方電網(wǎng)骨干光纖通信網(wǎng)的實(shí)際情況，大幅度提高光纖傳輸距離可采用以下方案。以羅平變電站-百色變電站(羅百線)的線路示意圖為具體事例，本方案所用的技術(shù)方案包括：

3.3.1超強(qiáng)FEC技術(shù)。所采用的是光迅科技推出的FEC雙向轉(zhuǎn)化器設(shè)備，它集成了前向糾錯的編碼和解碼功能，通過它可以改善光傳輸系統(tǒng)的光信噪比，提高線路功耗預(yù)算，以達(dá)到提高線路傳輸距離的目的。

3.3.2色散補(bǔ)償技術(shù)。使用的是補(bǔ)償距離為100km的光迅科技推出的光纖光柵型色散補(bǔ)償模塊，它由光纖光柵和環(huán)行器或耦合器組成，具有體積小、重量輕、全光纖型、損耗低、低偏振模色散和非線性效應(yīng)小等特點(diǎn)。

3.3.3摻鉺光纖放大器、拉曼光纖放大器等光放大技術(shù)。其中摻鉺光纖放大器既作為前置放大又作為功率放大。方案使用的摻鉺光纖放大器是光迅科技推出的EDFA-BA系列摻鉺光纖放大器作為系統(tǒng)的功率放大器。拉曼光纖放大器采用后向泵浦的結(jié)構(gòu)方式使用，采用該接入方式可以抑制泵浦誘發(fā)的高頻偏振和強(qiáng)度噪聲，并能降低傳輸末端的光功率，有效地降低單元噪聲以及由此引起的光纖非線性效應(yīng)。方案使用光迅科技推出的開關(guān)增益大于14dB的拉曼放大器。

4結(jié)束語

本文采用上述電路進(jìn)行了實(shí)際測試，最終在長時間無誤碼的情況下，系統(tǒng)的最大衰減達(dá)到70dB(若不采用拉曼放大器為65dB)，結(jié)合南方電網(wǎng)光纖通信主干網(wǎng)的光纖參數(shù)，采用上述技術(shù)和方案，光纖傳輸?shù)淖畲缶嚯x已接近300公里。按照這一測試結(jié)果，可以減少大量中繼站，為電力系統(tǒng)光纖通信帶來巨大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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