基于G.652 光纖的超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江尚軍，吳錦虹，羅青松

(中國電子科技集團(tuán)公司第34 研究所，廣西桂林 541004)

0 引 言

長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)采用無中繼傳輸技術(shù)體制，整個(gè)傳輸線路部分不需要中繼供電，具有可靠性高、開通迅速、維護(hù)方便等突出特點(diǎn)，特別適用于海底、荒漠、高原和戈壁等一些不易建中繼站的長途光纜通信場合。據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)道，國外長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)普遍采用G. 654 低損耗大芯徑光纖實(shí)現(xiàn)，2.5 Gbit/s 單通道系統(tǒng)最長跨距記錄為529 km［1，2］?！癎.654光纖制造工藝復(fù)雜，國內(nèi)尚不具備該類光纖的生產(chǎn)能力，如何基于國產(chǎn)常規(guī)G.652光纖實(shí)現(xiàn)長跨距無中繼傳輸，成為了許多國內(nèi)光通信廠商及科研院所關(guān)注的焦點(diǎn)，并在我國長距離電力通信專用網(wǎng)絡(luò)中取得逐步應(yīng)用［3～5］?！睘榱嗽诂F(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳輸跨距的進(jìn)一步延伸，進(jìn)行了基于G.652 光纖的超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并搭建試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

1 G.652 光纖超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)特點(diǎn)

相比G.654 光纖，采用G.652 光纖的超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)更容易遭受光纖損耗和非線性效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)起來技術(shù)難度更大，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

(1)鏈路總體傳輸損耗大:G.652 光纖衰減系數(shù)(1550 nm 波長窗口典型值為0.20 dB/km)比G.654光纖(1550 nm 波長窗口典型值為0.17 dB/km)大，傳輸同樣距離積累的鏈路損耗高(如450 km 系統(tǒng)的總體鏈路損耗在90 dB 以上)，增加了系統(tǒng)光功率預(yù)算量。

(2)光纖非線性效應(yīng)明顯:G.652 光纖有效面積(典型值83 μm2)比G.654 光纖小(典型值100 μm2)，信號(hào)光和泵浦光在光纖中傳輸時(shí)能量更集中，容易產(chǎn)生受激布里淵散射(SBS)等非線性效應(yīng)，導(dǎo)致光纖可注入的有效光功率減少。

(3)損耗、色散、非線性交互問題突出:采用G.652 光纖的超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)，是一個(gè)光纖損耗、色散和非線性綜合受限的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮損耗、色散和非線性對系統(tǒng)傳輸特性的影響，還要綜合考慮三者聯(lián)合作用對光脈沖演化的重要影響，進(jìn)而確定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。

因此，對于基于G.652 光纖的超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)，需根據(jù)G.652 光纖指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)和各組成單元優(yōu)化設(shè)計(jì)，從技術(shù)體制上解決系統(tǒng)傳輸損耗、色散和非線性綜合受限問題。

2 G.652 光纖超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)組成

超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)由光傳輸設(shè)備和光傳輸線路兩部分組成，具體如圖1 所示。其中，光傳輸設(shè)備主要由超強(qiáng)前向糾錯(cuò)單元、EDFA 光功率放大器、EDFA 光前置放大器、遙泵層疊泵浦、拉曼光放泵浦和動(dòng)態(tài)色散管理濾波單元等部分組成;光傳輸線路由功放/前放增益模塊和G.652 傳輸光纖組成。

圖1 G.652 光纖超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)組成

系統(tǒng)各組成單元主要功能是:①超強(qiáng)前向糾錯(cuò)單元在輸入信號(hào)中添加開銷信息，在接收端糾正傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼，改善和優(yōu)化光通信鏈路傳輸質(zhì)量;②EDFA 光功率放大器在發(fā)射端最大限度地提升進(jìn)入G.652 光纖線路的信號(hào)光功率，EDFA 光前置放大器在接收端提升光接收機(jī)的靈敏度;③遙泵層疊泵浦將大功率泵浦光傳輸?shù)竭h(yuǎn)端增益模塊，使遠(yuǎn)端增益模塊獲得泵浦能量，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)光的遠(yuǎn)程遙泵放大;④拉曼光放泵浦利用G.652 傳輸光纖作為增益介質(zhì)，對信號(hào)光進(jìn)行分布式低噪聲放大;⑤動(dòng)態(tài)色散管理濾波單元降低系統(tǒng)色散功率代價(jià)，濾除系統(tǒng)累積噪聲，改善提高信號(hào)接收靈敏度;⑥功放/前放增益模塊放置遙泵增益介質(zhì)，其中沒有任何有源器件;⑦G.652 傳輸光纖提供穩(wěn)定、可靠的信號(hào)傳輸通道。

3 G.652 光纖超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

限制G.652 光纖超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)的因素有很多，損耗、色散和光信噪比是決定系統(tǒng)傳輸距離的主要因素。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，并通過多次試驗(yàn)和工程應(yīng)用，針對這些限制因素采用相應(yīng)的技術(shù)手段得以解決。

3.1 損耗受限設(shè)計(jì)

信號(hào)光在G.652 光纖中傳播時(shí)，由于光纖衰耗特性的存在，會(huì)導(dǎo)致功率逐漸減弱，當(dāng)信號(hào)光功率減弱到一定程度時(shí)，接收端將不能從噪聲中檢測出信號(hào)。對于超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)，由于傳輸線路由三段級聯(lián)的光纖鏈路共同組成，整體損耗受限距離宜采用分段計(jì)算。超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)的損耗受限傳輸距離分析模型如圖2 所示，由于在L1光纖段、L3光纖段既有泵浦鏈路，又有信號(hào)鏈路，損耗受限傳輸距離同時(shí)受到泵浦光和信號(hào)光兩方面的制約，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)只能取兩者之間的最小值。

圖2 超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)損耗受限傳輸距離分析模型

根據(jù)圖2 所示的損耗受限傳輸距離分析模型，參照YD 5095-2010 規(guī)定的最壞值計(jì)算法［6］，超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)最終損耗受限傳輸距離為

上述公式中，Pt為EDFA 光功率放大器輸出光功率;Pr1為功放增益模塊最小接收光功率;Pt1為功放增益模塊輸出光功率;Pr2為前放增益模塊最小接收光功率;Pt2為前放增益模塊輸出光功率;Pr為EDFA 光前置放大器最小接收光功率;PSFEC為超強(qiáng)前向糾錯(cuò)編碼增益;PRaman為拉曼光放開關(guān)增益;Pp為光通道功率代價(jià);∑Ac為各光纖段活動(dòng)連接器損耗之和;Mc為各光纖段線路富余量;αf為G.652 光纖衰減常數(shù);αs為光纖固定熔接接頭平均損耗。由計(jì)算公式可知:損耗受限距離主要與系統(tǒng)可用光功率和光纖衰減系數(shù)有關(guān)，在光纖衰減系數(shù)固定的情況下，系統(tǒng)可用光功率決定著無中繼傳輸距離。采用EDFA 光放大+遙泵光放大+拉曼光放大綜合手段來提升系統(tǒng)可用光功率，以彌補(bǔ)信號(hào)傳輸時(shí)光纖衰減帶來的損耗，各項(xiàng)具體措施實(shí)現(xiàn)效果如下:

(1)在發(fā)射端配置EDFA 光放大器，可將光信號(hào)入纖功率由終端設(shè)備發(fā)出的0 dBm 左右提升至17 dBm 以上，如在此基礎(chǔ)上采用射頻信號(hào)調(diào)制相位調(diào)制器改變信號(hào)功率譜密度來提高SBS 功率門限，發(fā)射端入纖功率可進(jìn)一步提升至22 dBm。

(2)在接收端配置反向分布式拉曼光放大器，通過采用包層泵浦、級聯(lián)諧振腔技術(shù)，合理配置拉曼泵浦波長和功率，解決拉曼增益斜率控制問題，實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)低噪聲放大，獲得了20 dB 以上的開關(guān)增益。

(3)在鏈路中間配置遙泵光放大器，采用1390 nm+1480 nm 層疊泵浦傳輸和光纖拉曼頻移技術(shù)，提高泵浦注入功率，延長了遙泵作用距離。

(4)根據(jù)理論分析結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來優(yōu)化混合光放大鏈路結(jié)構(gòu)，確保了系統(tǒng)總體功率預(yù)算值超過110 dB。

3.2 色散受限設(shè)計(jì)

由于信號(hào)光存在一定的譜線寬度，信號(hào)光的不同頻率成分在G.652 光纖中傳播速度不同，從而產(chǎn)生色散效應(yīng)，造成長途傳輸后的信號(hào)脈沖展寬。色散引起的脈沖展寬會(huì)使得脈沖的部分能量逸出到比特時(shí)間以外形成碼間干擾，導(dǎo)致比特時(shí)間內(nèi)光脈沖的能量減少造成接收功率下降。色散受限中繼段距離可采用下式估算

式中，DSR為S 和R 點(diǎn)之間允許的最大色散值;Dm為傳輸光纖工作波長范圍內(nèi)的最大色散系數(shù)(G.652光纖在1550 nm 波長窗口典型值為20 ps/(nm·km))。在設(shè)計(jì)中，采用外調(diào)制激光器，色散容限達(dá)12800 ps/nm，系統(tǒng)理論上的色散限制距離為640 km。

同時(shí)，根據(jù)ITU-T G.957 建議規(guī)定的光纖通信系統(tǒng)2 dB 功率代價(jià)值，超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮色散功率代價(jià)指標(biāo)要求，其總體色散功率代價(jià)應(yīng)不超過2 dB。色散功率代價(jià)和光源譜寬、傳輸速率、傳輸距離等因素相關(guān)，并可由下式計(jì)算

圖3 啁啾光纖光柵動(dòng)態(tài)色散補(bǔ)償技術(shù)原理

3.3 光信噪比受限設(shè)計(jì)

光信噪比定義為光信號(hào)功率與光噪聲功率之比。光放大器在對光信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)輻射放大(ASE)噪聲。超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)光纖線路很長，導(dǎo)致信號(hào)衰減非常嚴(yán)重，經(jīng)過多級放大器放大后，ASE 噪聲可能會(huì)同信號(hào)能量相當(dāng)，造成接收端無法正確辨別信號(hào)，即所謂的光信噪比受限。

在ITU-T 建議G.692 中，對于EDFA 光放大器級聯(lián)系統(tǒng)，接收端光信噪比可近似表達(dá)為

式中，Pout是發(fā)射端入纖功率;L 是放大器間的光纖段損耗;NF 是放大器的噪聲指數(shù);N 是鏈路中的光纖段數(shù);h 為普朗克常量，ν 為信號(hào)光頻率，Δνo為光譜帶寬，對于1550 nm 的信號(hào)光，在0.1 nm 光譜帶寬下，10lg(hvΔνo)= －58 dBm。顯然，式(7)只適用于各放大器間光纖段衰減相同，且放大器增益正好補(bǔ)償中繼段衰減的特殊情況。對于超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)，各光纖段的衰減不同，放大器增益也不是正好補(bǔ)償光纖段衰減，并且各個(gè)放大器的參數(shù)也不同，接收端光信噪比應(yīng)采用如下公式計(jì)算［7］

式中，Pin為信號(hào)輸入功率;Fsys為系統(tǒng)噪聲指數(shù)，計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)j為第j 站放大器的噪聲指數(shù);Lj為第j 站光纖對信號(hào)的衰減值;Δμ =GjLj為第j 站放大器增益與光纖衰減值的乘積。從上述信噪比計(jì)算公式可以看出，想要改善提高接收端光信噪比，必須提升入纖光功率、降低系統(tǒng)噪聲指數(shù)，主要措施有兩項(xiàng)。

(1)對信號(hào)光源施加低頻擾動(dòng)(如對信號(hào)光源作附加調(diào)制或?qū)ν庹{(diào)制器作附加調(diào)相)，增大入射光的譜寬以提高SBS 門限功率，使得光放大器高輸出功率能夠有效地注入G.652 光纖。但是，信號(hào)譜寬的增大顯然會(huì)加劇色散受限的影響，這就需要在色散和非線性因素之間進(jìn)行折衷權(quán)衡。

(2)優(yōu)化系統(tǒng)中各放大器增益和噪聲特性，改善光纖中的非線性效應(yīng)引起的噪聲因素，如:采用多級泵浦結(jié)構(gòu)、選用NF 優(yōu)化的鉺纖及合理設(shè)計(jì)鉺纖長度來降低EDFA 光放大器噪聲指數(shù)，并獲取較高信號(hào)增益;在光放大器中設(shè)置帶通濾波器濾除掉信號(hào)光周邊的一些噪聲。

除了改善接收端光信噪比使其達(dá)到系統(tǒng)可接受的范圍，降低系統(tǒng)信噪比門限也是解決超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)信噪比受限問題的主要措施。目前降低系統(tǒng)信噪比門限比較成熟實(shí)用的方法是采用前向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)，即在發(fā)送端信號(hào)中加入冗余信息，在接收端根據(jù)信號(hào)的冗余性采用一定的算法發(fā)現(xiàn)并剔除傳輸過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。根據(jù)采用的編碼方式不同，其糾錯(cuò)能力也不盡相同，所能降低光信噪比門限的能力也隨之不同。如常見的RS(255，239)編碼，其編碼增益典型值在5 dB 左右(2.5 Gbit/s 速率)。針對超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)，需要糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的FEC 技術(shù)進(jìn)一步提高編碼增益，更大程度地降低系統(tǒng)光信噪比要求。根據(jù)現(xiàn)有高速集成電路的復(fù)雜性和工藝水平，RS+BCH 級聯(lián)超強(qiáng)前向糾錯(cuò)編碼方案是個(gè)較好的選擇，其技術(shù)原理如圖4 所示。

圖4 級聯(lián)編碼超強(qiáng)前向糾錯(cuò)技術(shù)原理

編碼時(shí)，用戶數(shù)據(jù)首先進(jìn)入RS 編碼器進(jìn)行第一級編碼，編碼后的數(shù)據(jù)稱為外碼;外碼接著進(jìn)行交織并進(jìn)入第二級BCH 編碼器編碼，最后得到的完整編碼數(shù)據(jù)稱為內(nèi)碼。解碼過程與編碼過程相反，不同之處在最后的解碼迭代過程，它可對接收到的信號(hào)進(jìn)行反復(fù)解碼，從而能夠以普通FEC 編碼冗余度來獲得更高的編碼增益。

選用ITU-T 建議G.975.1 中規(guī)定的RS(1023，1007)+BCH(2047，1952)級聯(lián)編碼方式［8］，編碼冗余度為7%，編碼增益約8 dB(2.5 Gbit/s 速率)，降低了線路中不良因素對系統(tǒng)性能的影響，增加了一定的系統(tǒng)富余量。

4 結(jié) 語

在超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，綜合應(yīng)用高增益低噪聲EDFA 光放大、遠(yuǎn)程遙泵光放大、分布式拉曼光放大、啁啾光纖光柵動(dòng)態(tài)色散管理、RS+BCH 級聯(lián)編碼超強(qiáng)前向糾錯(cuò)等技術(shù)，克服了G.652 光纖傳輸損耗、色散和非線性限制因素，實(shí)現(xiàn)了提升系統(tǒng)可用光功率、降低系統(tǒng)色散功率代價(jià)、延長系統(tǒng)信噪比受限距離的總體目標(biāo)，可為該類系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供參考。并且，構(gòu)建了基于國產(chǎn)G.652 光纖的470 km 無中繼全光通信系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)(傳輸鏈路損耗為94.2 dB)，對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)光功率與信噪比、拉曼開關(guān)增益、超強(qiáng)前向糾錯(cuò)編碼增益、系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和長期誤碼率等指標(biāo)進(jìn)行了全面測試，試驗(yàn)結(jié)果符合工程設(shè)計(jì)要求。目前，研制開發(fā)的G.652 光纖超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)光纜通信工程中獲得實(shí)際應(yīng)用。

［1］ HANSEN P B，ESKILDEN L. 529 km Unrepeaterted Transmission at 2.488 Gbit/s Using Dispersion Compensation，F(xiàn)orward Error Correction，and Remote Post-and Pre-Amplifiers Pumped by Diode-Pumped Raman Lasers［J］. Electronics Letters，1995，31(17):1460-1461.

［2］BRANDON E，BLONDE J P. Raman Limited，Truly Unrepeatered Transmission at 2.5 Gbit/s over 453 km with+30 dBm Launch Signal Power［J］. Optical Communication，1998(1):563-564.

［3］李琦，徐峰. 內(nèi)蒙古電網(wǎng)超長距離光纖傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)與應(yīng)用［J］. 內(nèi)蒙古石油化工，2008(2):8-9.

［4］熊煌，李樹辰，宋璇坤.超長站距光傳輸技術(shù)及其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29(185):7-10.

［5］周昊，黃麗艷，張學(xué)勇，等. 超長距通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 電力系統(tǒng)通信，2010，31(212):26-29.

［6］YD 5095-2010. 同步數(shù)字體系(SDH)光纖傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2011.

［7］楊寧，楊鑄，漆啟年，曾祥雨.DWDM 系統(tǒng)中級聯(lián)EDFA光信噪比計(jì)算［J］. 通信學(xué)報(bào)，2003，24(1):75-82.

［8］ITU-T Rec.G.975.1. Forward Error Correction for High Bit-Rate DWDM Submarine Systems［S］.2004.