超長(zhǎng)站距光纖通信研究

        對(duì)超長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)距離傳輸電路設(shè)計(jì)，并開展相應(yīng)的測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路。

　　1超長(zhǎng)站距光纖通信傳輸?shù)南拗埔蛩?，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(duì)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(jì)時(shí)，系統(tǒng)的接收光信噪，其中是指入纖信號(hào)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]。

　　　　1.2色散受限

　　色散受限是指當(dāng)信號(hào)相鄰碼元間產(chǎn)生碼間干擾，造成接收機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)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(huì)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(dòng)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(zhǎng)站距光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　針對(duì)光信噪比（OSNR）受限的問(wèn)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(cuò)編碼技術(shù)（FEC）降低接收機(jī)對(duì)系統(tǒng)光信噪比的要求等。針對(duì)色散受限問(wèn)題，當(dāng)傳輸速率不大于或傳輸距離較短時(shí)，偏振模色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的影響較小，不需要考慮。而對(duì)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(cuò)技術(shù)

　　前向糾錯(cuò)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(cuò)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(cè)到接收碼組中的監(jiān)督碼元有錯(cuò)誤時(shí)，譯碼器就對(duì)其差錯(cuò)進(jìn)行定位并糾錯(cuò)，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(zhǎng)（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(guò)光纖傳輸產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光放大的，在滿足更長(zhǎng)距離和更大復(fù)用速率傳輸中顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。一是拉曼放大是非諧振過(guò)程，增益響應(yīng)僅依賴于泵浦波長(zhǎng)及其帶寬，可以得到任意相應(yīng)波長(zhǎng)的拉曼放大。二是其增益介質(zhì)為光纖本身，可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行在線放大，構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無(wú)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(duì)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(shì)，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(zhǎng)光照射后形成的折射率呈固定周期性分布的無(wú)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(zhǎng)的范圍在1550nm窗口。根據(jù)常用光卡特性可計(jì)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(hào)的光功率。
　　3）采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)以便降低接收機(jī)對(duì)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(lái)解決非線性受限問(wèn)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(gè)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(duì)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(cuò)的編碼和解碼功能，通過(guò)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(yǔ)

　　本文采用上述電路進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，最終在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)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(cè)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(lái)巨大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。