1 超長站距光纖通信傳輸的限制因素

 

　　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

 

　　在進行光傳輸系統設計時，系統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，是指系統總的跨段數，為光子的躍遷能量，約-58dB[8]。

 

　　由上式可以看出，信噪比受限主要有兩方面：一是信號經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

 

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

 

　　1.3非線性受限

 

　　1.3.1克爾效應：在進入光纖的光功率較高的情況下，光纖會表現出與入射光的光強有很強相關性的折射率，從而改變了入射光在介質中的傳輸特性這一現象。

 

　　1.3.2受激散射：受激散射是指由于光纖物質中原子振動參與的光散射現象。在受激散射效應中，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的關鍵技術

 

　　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，例如使用等效噪聲指數為負值的拉曼放大技術與遙泵放大技術；使用損耗較小的新型光纖技術，可以降低鏈路損耗，從而提高進接收側前置放大器的光功率；采用前向糾錯編碼技術（FEC）降低接收機對系統光信噪比的要求等。針對色散受限問題，當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行色散補償。

 

　　2.1前向糾錯技術

 

　　前向糾錯技術是在發送端的FEC編碼器將待發送的數據信息按一定規則編碼產生監督碼元，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先規定的規則譯碼，當檢測到接收碼組中的監督碼元有錯誤時，譯碼器就對其差錯進行定位并糾錯，這樣可以獲得編碼增益，從而系統的傳輸距離得以提高。FEC可以分為帶外FEC和帶內FEC。

　　2.2摻鉺光纖放大技術

 

　　摻鉺光纖和普通的單模光纖的區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打破了光纖通信系統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泵浦光通過光纖傳輸產生受激拉曼散射（SRS）效應來實現光放大的，在滿足更長距離和更大復用速率傳輸中顯示出明顯的優勢。一是拉曼放大是非諧振過程，增益響應僅依賴于泵浦波長及其帶寬，可以得到任意相應波長的拉曼放大。二是其增益介質為光纖本身，可以對光信號進行在線放大，構成分布式放大，實現長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦。三是噪聲系數低，與常規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。四是飽和功率高，增益譜的調整方式直接而且多樣。

 

　　2.4光纖光柵補償技術

 

　　光纖光柵補償技術因其具有色散補償量大、非線性小、對偏振不敏感、與光纖兼容性好、插入損耗低、結構緊湊等獨有的優勢，使它稱為目前最有應用前景的技術之一。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償器是目前具有較好應用前景的色散解決方案。

 

　　3 南方電網骨干光纖通信系統優化方案的探討

 

　　3.1純光接口的傳輸距離分析

 

　　南方電網2.5Gbit/s的骨干光纖通信網絡，工作的傳輸速率為24883210kbit/s，工作波長的范圍在1550nm窗口。根據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，例如使用等效噪聲指數為負值的拉曼放大技術和遙泵放大技術。

 

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

 

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

 

　　3.2.2解決色散限制的方案選擇

 

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

 

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

　　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的色散管理技術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：一是出于非線性限制的考慮，2.5G系統的入纖功率一般需要<+20dBm，因此本優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：如果在線路發端再加一個拉曼光放大模塊，由于拉曼光放大模塊的負噪聲指數特性，可以使系統光信噪比改善+3dB，這可能使系統傳輸距離增加12km左右。在色散管理技術方面，采用對非線性不敏感的啁啾光纖光柵技術可在一定程度上減低系統非線性效應的影響。

 

　　3.3解決方案確定

 

　　綜合運用以上各種關鍵技術，結合南方電網骨干光纖通信網的實際情況，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，本方案所用的技術方案包括：

 

　　3.3.1超強FEC技術。所采用的是光迅科技推出的FEC雙向轉化器設備，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的光信噪比，提高線路功耗預算，以達到提高線路傳輸距離的目的。

 

　　3.3.2色散補償技術。使用的是補償距離為100km的光迅科技推出的光纖光柵型色散補償模塊，它由光纖光柵和環行器或耦合器組成，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小等特點。

 

　　3.3.3摻鉺光纖放大器、拉曼光纖放大器等光放大技術。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的功率放大器。拉曼光纖放大器采用后向泵浦的結構方式使用，采用該接入方式可以抑制泵浦誘發的高頻偏振和強度噪聲，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。方案使用光迅科技推出的開關增益大于14dB的拉曼放大器。

 

　　本方案線路連接示意圖如下：

 

 

　　4 結束語

 

　　本文采用上述電路進行了實際測試，最終在長時間無誤碼的情況下，系統的最大衰減達到70dB（若不采用拉曼放大器為65dB），結合南方電網光纖通信主干網的光纖參數，采用上述技術和方案，光纖傳輸的最大距離已接近300公里。按照這一測試結果，可以減少大量中繼站，為電力系統光纖通信帶來巨大的安全效益和經濟效益。