超长站距光纤通信研究

超长站距 Nhomakorabea纤通信研究
据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，对超长站距光纤通信进行研究，指出影响传输距离的主要因素，以及相应的应对技术，在此技术上，以南方电网罗百线路为例，进行光纤超长距离传输电路设计，并开展相应的测试，验证设计电路。 1 超长站距光纤通信传输的限制因素 光纤传输距离主要受光纤的衰减、色散、非线性三方面影响，分别对应为光信噪比受限、色散受限和非线性受限。 1.1光信噪比受限 在进行光传输系统设计时，系统的接收光信噪比如下式（1）所示： （1） 其中是指入纤信号光功率；为线路的衰减值；为光放大器的噪声指数，是指系统总的跨段数，为光子的跃迁能量，约-58dB[8]。 由上式可以看出，信噪比受限主要有两方面：一是信号经过放大器时引入的噪声，二是长距离传输引入的噪声。 1.2色散受限 色散受限是指当信号相邻码元间产生码间干扰，造成接收机产生错误的电平判决从而产生误码。光纤中有三种基本色散效应：模间色散、色度色散和偏振模色散。在单模光纤中，色度色散占主导地位。 1.3非线性受限 1.3.1克尔效应：在进入光纤的光功率较高的情况下，光纤会表现出与入射光的光强有很强相关性的折射率，从而改变了入射光在介质中的传输特性这一现象。 1.3.2受激散射：受激散射是指由于光纤物质中原子振动参与的光散射现象。在受激散射效应中，受激布里渊散射阈值低于受激拉曼散射阈值，因此它是制约光纤通信入纤光功率大小的首要因素。 2 超长站距光纤通信系统的关键技术 针对光信噪比（OSNR）受限的问题，常用的解决方法包括：降低光放大器的噪声指数，例如使用等效噪声指数为负值的拉曼放大技术与遥泵放大技术；使用损耗较小的新型光纤技术，可以降低链路损耗，从而提高进接收侧前置放大器的光功率；采用前向纠错编码技术（FEC）降低接收机对系统光信噪比的要求等。针对色散受限问题，当传输速率不大于或传输距离较短时，偏振模色散对光纤传输系统的影响较小，不需要考虑。而对于色度色散，通常采用啁啾光纤光栅进行色散补偿。 2.1前向纠错技术 前向纠错技术是在发送端的FEC编码器将待发送的数据信息按一定规则编码产生监督码元，从而形成具备一定纠错能力的码字。而接收端的FEC译码器将收到的码字序列按预先规定的规则译码，当检测到接收码组中的监督码元有错误时，译码器就对其差错进行定位并纠错，这样可以获得编码增益，从而系统的传输距离得以提高。FEC可以分为带外FEC和带内FEC。 2.2掺铒光纤放大技术 掺铒光纤和普通的单模光纤的区别在于它在光纤的芯部加入了微量的铒，使得它能较好地吸收特定波长（一般是和）的光。掺铒光纤放大器的出现打破了光纤通信系统传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离大大提高。掺铒光纤放大器主要用途如下。接收机前置放大、功率放大器、光中继放大器。 2.3拉曼光纤放大器 拉曼光纤放大器是利用强泵浦光通过光纤传输产生受激拉曼散射（SRS）效应来实现光放大的，在满足更长距离和更大复用速率传输中显示出明显的优势。一是拉曼放大是非谐振过程，增益响应仅依赖于泵浦波长及其带宽，可以得到任意相应波长的拉曼放大。二是其增益介质为光纤本身，可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦。三是噪声系数低，与常规掺铒光纤放大器放大器混合使用，可做成具有宽带宽、增益平坦、低噪声和高输出功率的混合放大系统。四是饱和功率高，增益谱的调整方式直接而且多样。 2.4光纤光栅补偿技术 光纤光栅补偿技术因其具有色散补偿量大、非线性小、对偏振不敏感、与光纤兼容性好、插入损耗低、结构紧凑等独有的优势，使它称为目前最有应用前景的技术之一。光纤光栅就是光敏光纤在选定波长光照射后形成的折射率呈固定周期性分布的无源光器件。啁啾光纤光栅色散补偿器是目前具有较好应用前景的色散解决方案。 3 南方电网骨干光纤通信系统优化方案的探讨 3.1纯光接口的传输距离分析 南方电网2.5Gbit/s的骨干光纤通信网络，工作的传输速率为24883210kbit/s，工作波长的范围在1550nm窗口。根据常用光卡特性可计算传输距离：L=（Ps-Pr-Pp-ΣAc）/（Af+As+Mc）=87km。 3.2解决方案分析 3.2.1解决信噪比限制的方案选择 1）降低光放大器的噪声指数，例如使用等效噪声指数为负值的拉曼放大技术和遥泵放大技术。 2）降低链路损耗，提高系统接收机的光功率。如采用新型光纤技术，以降低系统传输光纤的衰减系数；或者使用掺铒光纤放大技术，以提高信号的光功率。 3）采用前向纠错编码技术以便降低接收机对系统光信噪比的要求，从而减少光纤通信系统的误码率。 3.2.2解决色散限制的方案选择 1）激光器的调制技术，如采用外调制方式，降低光源的谱宽，从而提高激光器的色散容限值。 2）色散补偿技术，如色散补偿光纤（DCF）技术、光孤子传输技术、频谱反转技术以及啁啾光纤光栅技术。 3.2.3解决非线性限制的方案选择 可以考虑采用控制入纤光功率以及适当的色散管理技术来解决非线性受限问题。在控制入纤光功率方面，主要有两点：一是出于非线性限制的考虑，2.5G系统的入纤功率一般需要<+20dBm，因此本优化方案在保证可靠性的前提下控制入纤功率在+18dBm左右。二是拉曼光放大模块只加在收端：如果在线路发端再加一个拉曼光放大模块，由于拉曼光放大模块的负噪声指数特性，可以使系统光信噪比改善+3dB，这可能使系统传输距离增加12km左右。在色散管理技术方面，采用对非线性不敏感的啁啾光纤光栅技术可在一定程度上减低系统非线性效应的影响。 3.3解决方案确定 综合运用以上各种关键技术，结合南方电网骨干光纤通信网的实际情况，大幅度提高光纤传输距离可采用以下方案。以罗平变电站-百色变电站（罗百线）的线路示意图为具体事例，本方案所用的技术方案包括： 3.3.1超强FEC技术。所采用的是光迅科技推出的FEC双向转化器设备，它集成了前向纠错的编码和解码功能，通过它可以改善光传输系统的光信噪比，提高线路功耗预算，以达到提高线路传输距离的目的。 3.3.2色散补偿技术。使用的是补偿距离为100km的光迅科技推出的光纤光栅型色散补偿模块，它由光纤光栅和环行器或耦合器组成，具有体积小、重量轻、全光纤型、损耗低、低偏振模色散和非线性效应小等特点。 3.3.3掺铒光纤放大器、拉曼光纤放大器等光放大技术。其中掺铒光纤放大器既作为前置放大又作为功率放大。方案使用的掺铒光纤放大器是光迅科技推出的EDFA-BA系列掺铒光纤放大器作为系统的功率放大器。拉曼光纤放大器采用后向泵浦的结构方式使用，采用该接入方式可以抑制泵浦诱发的高频偏振和强度噪声，并能降低传输末端的光功率，有效地降低单元噪声以及由此引起的光纤非线性效应。方案使用光迅科技推出的开关增益大于14dB的拉曼放大器。 本方案线路连接示意图如下： 4 结束语 本文采用上述电路进行了实际测试，最终在长时间无误码的情况下，系统的最大衰减达到70dB（若不采用拉曼放大器为65dB），结合南方电网光纤通信主干网的光纤参数，采用上述技术和方案，光纤传输的最大距离已接近300公里。按照这一测试结果，可以减少大量中继站，为电力系统光纤通信带来巨大的安全效益和经济效益。