非線性光環(huán)鏡在電力通信中的應(yīng)用思考

施 瑾， 徐志強(qiáng)， 錢 勝

（1.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012；2.浙江電力調(diào)度運(yùn)行技術(shù)中心，杭州 310008；3.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州 310018）

電力信息化

非線性光環(huán)鏡在電力通信中的應(yīng)用思考

施 瑾1， 徐志強(qiáng)2， 錢 勝3

（1.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012；2.浙江電力調(diào)度運(yùn)行技術(shù)中心，杭州 310008；3.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州 310018）

因?yàn)榫哂歇?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，非線性光環(huán)鏡（NOLM）是光通信系統(tǒng)中非常重要的器件。本文闡述了非線性光環(huán)鏡的基本原理，主要介紹了應(yīng)用NOLM作為光判決單元、全光2R中繼器以及脈沖整形器等在電力高速光通信系統(tǒng)中潛在的應(yīng)用，分別研究了它們的原理、特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r。

非線性光纖環(huán)鏡；光傳輸系統(tǒng)；中繼器

0 引言

目前電網(wǎng)構(gòu)架已形成相當(dāng)規(guī)模，對(duì)電網(wǎng)管理的自動(dòng)化水平的要求不斷提高，大量涉及電力生產(chǎn)、運(yùn)行、管理的各種信息需要穩(wěn)定、可靠、迅速地進(jìn)行傳輸，這無(wú)疑是對(duì)電力系統(tǒng)通信提出更高要求。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，電力通信服務(wù)的對(duì)象不再局限于電力調(diào)度，電力系統(tǒng)通信需要提供多種業(yè)務(wù)的服務(wù)，包括通信、遠(yuǎn)動(dòng)、繼電保護(hù)、辦公自動(dòng)化等，這就要求電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠和具有高效率[1]。光纖通信以其傳輸頻帶寬、通信容量大、衰減小、抗電磁干擾和傳輸質(zhì)量高的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但光纖通信系統(tǒng)因各種噪聲、碼間干擾、光發(fā)送機(jī)激光器圖案效應(yīng)以及電力系統(tǒng)早期敷設(shè)光纖較大的偏振模色散特性等各種因素產(chǎn)生的脈沖畸變及抖動(dòng)，降低了系統(tǒng)的傳輸性能，限制了系統(tǒng)的傳輸容量。

為了抑制抖動(dòng)和噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提出了多種方案，例如應(yīng)用光域（或者電域）鎖相環(huán)、平滑相位泄漏技術(shù)、濾波技術(shù)等。但是噪聲和定時(shí)抖動(dòng)產(chǎn)生的因素比較復(fù)雜，上述抑制方法都有其局限性[2]。非線性光纖環(huán)鏡 （Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在光通信系統(tǒng)中光脈沖整形和產(chǎn)生、全光信號(hào)處理、信道解復(fù)用和參量放大等領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[3-9]，因而得到了廣泛的重視。

本文探討將NOLM應(yīng)用于電力系統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)中，研究利用NOLM強(qiáng)度濾波特性提高光通信系統(tǒng)的傳輸性能，并進(jìn)一步探討其在電力系統(tǒng)光通信中的潛在應(yīng)用。

1 NOLM基本工作原理

NOLM的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)光纖耦合器和與耦合器的兩臂相連形成閉環(huán)的一段光纖。通常NOLM采用功率耦合比為50/50的平衡干涉結(jié)構(gòu)，信號(hào)脈沖輸入光功率（Pin）輸入后分成沿相反方向傳輸?shù)膬墒?，沿環(huán)路傳輸完后具有相同的相移，這兩個(gè)信號(hào)分量在耦合器中進(jìn)行干涉，全部反射回輸入端口，這時(shí)NOLM結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)反射鏡，所以被稱為非線性光纖環(huán)鏡。若打破其平衡結(jié)構(gòu)，光纖環(huán)在高功率和低功率下將表現(xiàn)出不同的特性，這些特性使許多復(fù)雜的全光信號(hào)處理功能的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖1 非線性光纖環(huán)境基本結(jié)構(gòu)

2 在電力通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 光接收機(jī)光域判決單元

為了將NOLM應(yīng)用于電力通信光接收機(jī)中，構(gòu)建非線性光判決單元，如圖2虛線框中所示。該裝置由光放大器 （也可以是光接收機(jī)的前置放大器），一段正常色散光纖 （Normal Dispersion Fiber,NDF），以及非平衡NOLM構(gòu)成。將該單元置于傳統(tǒng)的歸零信號(hào)（Return to Zero,RZ）開(kāi)關(guān)鍵控（On-off Keying，OOK）的高速光通信系統(tǒng)接收機(jī)前，將有效改善接收到的信號(hào)質(zhì)量。其工作原理是：接收的光脈沖由于各種因素影響產(chǎn)生脈沖畸變和定時(shí)抖動(dòng)，經(jīng)接收機(jī)前置放大器放大后，在NDF傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于群速度色散和非線性Kerr效應(yīng)的影響，脈沖的時(shí)域波形將被展寬，再經(jīng)過(guò)NDF后，脈沖中心部分將變得相對(duì)平坦，接下來(lái)信號(hào)經(jīng)過(guò)非平衡NOLM，產(chǎn)生強(qiáng)度濾波作用，使得較小的干擾和脈沖的拖尾得到抑制，整個(gè)裝置類似于一個(gè)波形轉(zhuǎn)換器。若NDF段脈沖展寬在可控范圍之內(nèi)，則整個(gè)裝置將有效降低定時(shí)偏差對(duì)系統(tǒng)性能的影響，降低系統(tǒng)誤碼率，有效提升接收機(jī)的性能。圖2為應(yīng)用NOLM作為光判決單元的光通信系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)為電力系統(tǒng)常見(jiàn)的級(jí)聯(lián)摻鉺光纖放大器（EDFA）的光傳輸系統(tǒng)，每傳輸段由G.652光纖和色散補(bǔ)償光纖（DCF）構(gòu)成，利用EDFA補(bǔ)償光功率損耗。

圖2 光判決單元示意

為了探討其對(duì)光通信系統(tǒng)性能的改善作用，采用數(shù)值仿真研究方法，利用Q值法判定系統(tǒng)的傳輸性能，對(duì)系統(tǒng)傳輸速率40 Gbps、普通單模光纖長(zhǎng)度100 km、色散補(bǔ)償光纖20 km光傳輸系統(tǒng)的抖動(dòng)均方值假定為0.1UI，占空比為0.5時(shí)仿真得到眼圖如圖3所示，仿真中僅考慮隨機(jī)性抖動(dòng)，并假定其服從高斯分布，因?yàn)檠芯縉OLM對(duì)抖動(dòng)引起系統(tǒng)性能下降的抑制作用，因此這種假設(shè)應(yīng)該是合理的。其中圖3（a）為沒(méi)有應(yīng)用非線性光判決單元時(shí)輸出眼圖，圖3（b）為應(yīng)用非線性光判決單元后輸出眼圖。可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)定時(shí)抖動(dòng)和噪聲使得眼圖張開(kāi)度減小，系統(tǒng)性能下降。在接收端應(yīng)用非線性光判決單元將降低信號(hào)判決時(shí)刻對(duì)定時(shí)抖動(dòng)的敏感性，能有效抑制放大器噪聲和抖動(dòng)等因素引起的對(duì)信號(hào)波形的微擾，使得眼圖張開(kāi)度增加，從而改善了接收機(jī)性能。將這種裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)光通信系統(tǒng)中，能夠以較小的代價(jià)獲得系統(tǒng)傳輸性能的提升。

圖3 系統(tǒng)眼圖

2.2 全光2R中繼器

早期電力系統(tǒng)光傳輸利用的是電域中繼器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是依靠成熟的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)提取（Retiming），整形（Reshaping），再生（Regeneration），即3R中繼。這種3R中繼消除了噪聲的累積，進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸不至于嚴(yán)重惡化系統(tǒng)性能。但是這種電域中繼將帶來(lái)“電子瓶頸”效應(yīng)，無(wú)法充分利用光通信巨大帶寬優(yōu)勢(shì)[6]。全光網(wǎng)絡(luò)是光通信發(fā)展的必然趨勢(shì)，在所有全光信號(hào)處理技術(shù)中，全光中繼作為一種恢復(fù)光信號(hào)的質(zhì)量的方法被認(rèn)為是未來(lái)全光通信系統(tǒng)的一種關(guān)鍵技術(shù)，雖然通常需要3R中繼，但是在大多數(shù)情況下考慮到簡(jiǎn)單和成本效益2R（放大、整形）中繼也具有非常大的吸引力。

全光2R中繼器核心組件是一個(gè)非線性光邏輯門，在光域執(zhí)行判決功能。光邏輯門通常利用半導(dǎo)體和光纖非線性現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)?；诎雽?dǎo)體的設(shè)備利用半導(dǎo)體光放大器飽和吸收效應(yīng)或者電吸收調(diào)制器中的交叉增益/吸收/相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)，工作速率主要受限于載流子壽命。在高速傳輸情形下慢的載流子恢復(fù)時(shí)間將導(dǎo)致不能容忍的碼型效應(yīng)，它將惡化恢復(fù)信號(hào)的質(zhì)量，在信號(hào)再生中是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。另一方面，基于光纖的設(shè)備，包括利用非線性干涉法的非線性光纖環(huán)鏡，工作速率決定于非常快的光纖非線性效應(yīng)，可以提供的響應(yīng)時(shí)間在飛秒數(shù)量級(jí)。基于 光纖的設(shè)備與半導(dǎo)體設(shè)備相比在尺寸上相對(duì)較大，但是最近隨著高非線性光纖的發(fā)展已經(jīng)得到了很大的改善。高非線性光纖可以使得在很短光纖上相對(duì)較低的光功率實(shí)現(xiàn)同樣的功能?；诠饫w的再生器由于其具有簡(jiǎn)單，高速的特點(diǎn)在未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò)中具有非常大的吸引力。

一個(gè)基于損耗和增益非平衡的NOLM如圖4所示，NOLM結(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)前置放大器，在實(shí)用中前置放大可以通過(guò)置于NOLM前的在線放大器的線性增益獲得。在如圖4所示裝置中，輸入信號(hào)被50∶50耦合器分成兩部分，在光纖環(huán)中相向傳輸，由于環(huán)路衰減器或者放大器的存在，兩個(gè)信號(hào)具有不同的功率值，在相互產(chǎn)生干涉前光纖非線性克爾效應(yīng)將產(chǎn)生不同相移，這種干涉導(dǎo)致了依賴信號(hào)功率的幅度傳輸函數(shù) （強(qiáng)度濾波）。NOLM實(shí)現(xiàn)脈沖再生功能的原理如下：利用NOLM有效的飽和吸收作用將低強(qiáng)度的噪聲和色散波從高功率脈沖中濾除，這將恢復(fù)脈沖的幅度和波形。同樣，讓NOLM入射功率稍大于透射率隨入射功率變化曲線的峰值功率，也能起到穩(wěn)定輸入信號(hào)功率的波動(dòng)的作用。在RZ-OOK系統(tǒng)中，“0”比特時(shí)隙中噪聲和輻射波和“1”比特時(shí)隙中脈沖幅度的波動(dòng)都被NOLM所抑制，信號(hào)波形得到放大，起到了再生，整形的2R中繼功能。但是NOLM對(duì)脈沖定時(shí)信息不敏感，不能抑制系統(tǒng)的定時(shí)抖動(dòng)，這個(gè)不足通過(guò)在接收端增加基于NOLM的光判決單元或者在線路中增加濾波器來(lái)加以克服。

圖4 基于增益/損耗非平衡NOLM的光中繼器示意圖

S.Bascolo等研究顯示[6]，在速率為40 Gbps，采用EDFA作為在線放大的RZ-OOK系統(tǒng)中，若沒(méi)有采用基于NOLM的2R中繼，則系統(tǒng)傳輸約3 900 km后系統(tǒng)Q因子（可用來(lái)導(dǎo)出系統(tǒng)誤比特率，反映系統(tǒng)的傳輸性能，Q值越大，誤碼率越小）就已經(jīng)小于6，而采用基于NOLM的2R中繼，傳輸了40 000 km系統(tǒng)Q因子還約等于10。Chi Nan等人的研究[9]也表明，應(yīng)用基于色散非平衡的NOLM作為2R中繼，可以有效地提高光接收機(jī)靈敏度。

2.3 脈沖整形

光纖中傳輸?shù)墓饷}沖通常都伴隨有很寬的基座，隨著電力通信系統(tǒng)傳輸速率的增加，單波長(zhǎng)速率已達(dá)40 Gbps，這對(duì)于傳輸信號(hào)的脈寬有了更高要求。由于NOLM的強(qiáng)度濾波特性，可以將其設(shè)計(jì)成通過(guò)強(qiáng)度高的脈沖中心部分而阻塞強(qiáng)度低的基座部分以除去脈沖的基座[2]。此外，NOLM也可以用于扼制短脈沖演化過(guò)程中所產(chǎn)生的低強(qiáng)度的高階色散波和拉曼散射波。同時(shí)，對(duì)于應(yīng)用EDFA而產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲引起脈沖功率的起伏也有相應(yīng)的抑制作用。用NOLM對(duì)脈沖整形具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力通信系統(tǒng)的低端光信號(hào)處理領(lǐng)域。

3 結(jié)語(yǔ)

NOLM是目前也是將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中非常具有實(shí)用價(jià)值的無(wú)源光器件之一，利用它可組成多種新型的光電子器件，而且由于這些器件具有強(qiáng)度濾波等優(yōu)良性能而使人們更加充分地利用光纖通信系統(tǒng)的帶寬資源。對(duì)NOLM的研究和開(kāi)發(fā)正滲透到光纖通信系統(tǒng)每個(gè)角落甚至光學(xué)測(cè)量[10]、光傳感[11]等領(lǐng)域。展望將來(lái)，具有低成本和快速響應(yīng)特點(diǎn)的NOLM在電力系統(tǒng)光通信中將扮演重要的角色。

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（本文編輯：楊 勇）

Consideration on the Application of NOLM in Electric Power Communication System

SHI Jin，XU Zhi-qiang，QIAN Sheng
（1.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China；2.Zhejiang Electric Power Dispatch Technology Center，Hangzhou 310008，China; 3.College of Communication Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The Nonlinear Optical Loop Mirror（NOLM）is a valuable componentin opticalcommunication system for its unique advantages.This paper describes the fundamental principles of NOLM,introduces the potential application of NOLM in electric high-speed optical communication system as optical decision elements, all-optical2R repeaters and pulse shapers etc.and studies the principles,characteristics and development.

Nonlinear Optical Loop Mirror（NOLM）；opticaltransmission system；repeater

TN929.1

B

1007-1881（2010）09-0054-04

2010-01-29

施 瑾 (1959-)，女，浙江杭州人，工程師，從事電力系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)工作。