超長距光傳輸系統(tǒng)中光放大器綜合配置技術(shù)研究

周文婷，崔力民，張 瑋，遲榮華，孫小菡

（1.國網(wǎng)新疆電力公司信息通信公司，烏魯木齊830000；2.東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國家地方聯(lián)合工程研究中心，南京210096；3.無錫中興光電子技術(shù)有限公司，江蘇無錫214068）

超長距光傳輸系統(tǒng)中光放大器綜合配置技術(shù)研究

周文婷1，崔力民1，張 瑋1，遲榮華2，3，孫小菡2*

（1.國網(wǎng)新疆電力公司信息通信公司，烏魯木齊830000；2.東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國家地方聯(lián)合工程研究中心，南京210096；3.無錫中興光電子技術(shù)有限公司，江蘇無錫214068）

針對一個超長距OTN光傳送網(wǎng)傳輸案例，我們設(shè)計了不同的放大器配置方案并進(jìn)行了實驗研究。通過實驗，發(fā)現(xiàn)使用雙向拉曼放大器的配置方案或者使用遙泵放大器的配置方案，都可以完成傳輸任務(wù)，但是系統(tǒng)傳輸余量比較小。而使用拉曼加遙泵放大器的配置方案則可以得到更多的功率裕度和更高的輸出信噪比，而且價格適中。

光傳送網(wǎng)；超長距；光放大器；綜合配置

光傳送網(wǎng)OTN（Optical Transmission Net）技術(shù)是通信行業(yè)近幾年發(fā)展迅速的一種新技術(shù)［1-3］，在繼承了傳統(tǒng)密集波分復(fù)用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，增加了類似同步數(shù)字序列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）或多業(yè)務(wù)傳送平臺MSTP（Multi Service Transfer Plat?form）技術(shù)組網(wǎng)和電路調(diào)度的靈活性，是DWDM和SDH技術(shù)的綜合體，可實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)信號封裝和透明傳輸，大顆粒的帶寬復(fù)用、交叉和配置。隨著國家電網(wǎng)公司及各省電力公司集團(tuán)化運(yùn)作、精益化管理的不斷深入，信息化項目快速推進(jìn)，備用調(diào)度中心建設(shè)投運(yùn)，省干、國干通信網(wǎng)將承載大量的IP業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，現(xiàn)有的SDH/MSTP傳輸網(wǎng)已經(jīng)不具備提供更寬通道的條件，省級以上電力通信網(wǎng)新建大容量OTN系統(tǒng)成為必然。

目前OTN技術(shù)在電信、廣電系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用廣泛，電力系統(tǒng)應(yīng)用也逐漸增多，全國已有山西、山東、遼寧、浙江、四川等省電力公司的OTN骨干通信網(wǎng)相繼投入使用。電力通信系統(tǒng)距離一般都比較長，超高壓交流、特高壓直流變電站站距一般在300 km～400 km之間。OTN超長距傳輸成為一個迫在眉睫需要解決的問題了。

目前國際上超長距離傳輸可以達(dá)到400 km甚至更長［4-8］。但是這種超長距離經(jīng)常要用到新型超低損耗光纖和大有效面積光纖［9-10］，其價格非常昂貴，大規(guī)模商用尤其是在國家電網(wǎng)邊遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模鋪設(shè)還需要一段時間。實際情況是，很多已經(jīng)鋪設(shè)好的光纖都是十幾年前鋪設(shè)好的G.652單模光纖，損耗比較大，如果換光纖，帶來巨大成本，不容易被接受。所以要實現(xiàn)已鋪設(shè)光纖的超長距傳輸，就需要在放大器配置方案上動腦筋，盡量做到既能保證傳輸，又有一定的系統(tǒng)設(shè)計余量，而且成本上又比較經(jīng)濟(jì)，同時施工方便，長期運(yùn)行做到安全可靠。

本文我們針對一個傳輸波長為10通道，傳輸距離為350 km的OTN電力傳輸系統(tǒng)，做了幾種放大器配置方案。在配置方案中，我們綜合考慮了雙向拉曼放大技術(shù)，遙泵放大技術(shù)及遙泵加拉曼的放大技術(shù)。最后通過實際測試，得出了幾種配置方案的優(yōu)缺點。通過選擇不同的放大器配置方案，在功率預(yù)算，光信噪比等方面得到不同的結(jié)果。最后得出結(jié)論：拉曼放大加遙泵放大的配置方案是比較理想的放大器配置方案。這種配置方案不僅可以在接收端獲得較小的接收靈敏度，較高的輸出信噪比，而且系統(tǒng)設(shè)計余量最大，且成本適中。

1 實驗

1.1 OTN超長距系統(tǒng)中的光纖放大器

OTN超長距系統(tǒng)中配置的光纖放大器通常有3類：摻鉺光纖放大器（EDFA），拉曼放大器及遙泵放大器。

第1類為EDFA。一般來說，EDFA是實現(xiàn)長距傳輸必選的放大器，所以本文的放大器配置中都包含了EDFA，因為技術(shù)成熟，下文不再做特殊說明。圖1中發(fā)射端和接收端各配置了一個EDFA。其中在發(fā)射端是功率放大器BA（Booster Amplifier），用來提高發(fā)射端的信號功率，其最大輸出功率達(dá)到24.5 dBm。配置在接收機(jī)前面的是前置放大器PA（Pre-Amplifier），它由一個兩級的放大器構(gòu)成，增益是可調(diào)的，其中間級可接入色散補(bǔ)償光纖（DCF），此放大器起了兩個作用，放大接收信號并且補(bǔ)償DCF帶來的功率損耗。

第2類為拉曼放大器。拉曼放大器也有兩種配置方式，一般來說，在OTN超長距傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸距離為200 km～280 km左右，通常只配置一個反向泵浦的拉曼放大器輔助EDFA就夠了。在280 km～350 km的傳輸方案中，則需要考慮配置雙向拉曼放大器，這種方案就是在輸入端配置一個同向泵浦的拉曼放大器CoPRA（Co-Pumped Raman Amplifier），在輸出端配置一個反向泵浦的拉曼放大器CtPRA（Couter-pumped Raman Amplifier）。本實驗中配置的同向拉曼放大器的標(biāo)稱增益為6 dB。反向拉曼放大器的標(biāo)稱增益為12 dB。

第3類為遙泵放大器。遙泵放大器根據(jù)傳輸方向分前向遙泵放大器和反向遙泵放大器。另外根據(jù)泵浦是否在信號中傳輸分為隨路遙泵和旁路遙泵。由于后向遙泵比前向遙泵可以提供更多增益，因此優(yōu)先考慮采用后向遙泵。

隨著遠(yuǎn)程增益單元（RGU）在系統(tǒng)中放置的位置不同，其泵浦源及光信號進(jìn)入餌纖的功率是不同的，相應(yīng)地，遠(yuǎn)程增益單元的增益及噪聲指數(shù)也隨著其放置的變化而變化。遠(yuǎn)程增益單元與遠(yuǎn)程泵浦單元（RPU）有最佳的距離，滿足此距離將得到最佳的OSNR。通常在G.652光纖中，該距離為80 km～100 km比較合適。

1.2 OTN電力傳輸系統(tǒng)

圖1是一個典型的電力超長距OTN傳輸案例。該案例中，要求傳輸距離達(dá)到350 km，按照0.2 dB/km的損耗系數(shù)來計算，線路總損耗為70 dB，實際測試下來系統(tǒng)總損耗為69.8 dB，與估算相近。在發(fā)射端和接收端都放置了超強(qiáng)前向糾錯（EFEC）編解碼設(shè)備用來提高信噪比容限。10個9.95 Gbit/s信號從單板給出，首先經(jīng)過EFEC進(jìn)行編碼，經(jīng)過編碼后的信號速率為10.7 Gbit/s，然后經(jīng)過MUX合波，進(jìn)入功率放大器BA進(jìn)行功率放大，然后進(jìn)入傳輸光纖。在350 km光纖傳輸中，單純的EDFA無法完成傳輸，所以需要配置拉曼放大器或者遙泵放大器。同時在實際應(yīng)用中，拉曼放大器可以用于同向泵浦，也可以用于后向泵浦，遙泵放大器可以選用隨路遙泵也可以選用旁路遙泵。由于對信號的平坦度有嚴(yán)格要求，測試中我們選擇了旁路遙泵的方案。為了確定最好的傳輸結(jié)果，我們需要合理配置各種光放大器。圖2中分別給出了3種放大器配置方案。其中圖2（a）為雙向拉曼放大器配置方案。拉曼泵浦光從正反兩個方向注入到光纖中，拉曼泵浦波長為1 440 nm和1 455 nm。同向拉曼放大器的泵浦光與BA放大后的信號共同注入到光纖中，最大泵浦功率為900 mW。反向拉曼放大器泵浦光從接收端注入到光纖中，最大泵浦功率為900 mW。

圖1 實驗裝置

圖2（b）是單純使用遙泵放大器的配置方案。在大約270 km處放置遙泵增益模塊，該模塊由80 km之外的遙泵泵浦源進(jìn)行泵浦。旁路遙泵通過一段長80 km的單模光纖到達(dá)增益模塊。旁路遙泵的泵浦源波長為1 480 nm，其輸出最大功率為1 000 mW。圖2（c）中給出同向拉曼放大器加遙泵放大器的配置方案，其同向拉曼放大器的泵浦參數(shù)與圖2（a）是一致的，其遙泵放大器的泵浦參數(shù)與圖2（b）是一致的。

圖2 不同放大器配置方案

2 實驗結(jié)果與分析

實驗中所用的TX模塊為自制10G XFP（10 Giga?bit Small Form Factor Pluggable）模塊，傳輸距離為40 km，且?guī)в蠸BS抑制功能［11-12］。實驗中，我們首先采用圖2（a）的配置方案。通過配置同反向拉曼放大器的泵浦功率和微調(diào)VOA的衰減值，得到極限傳輸損耗為71 dB。

然后將反向拉曼放大器換掉，在270 km光纖處配置RGU增益模塊，該模塊由一段18 m長的摻鉺光纖構(gòu)成。同時在旁路80 km的位置配置其RPU泵浦單元。首先關(guān)閉同向拉曼的泵浦光，使同向拉曼放大器不起作用，就是圖2（b）單純遙泵放大器的配置方案。將RPU功率設(shè)置到最大功率的時候，此時得到系統(tǒng)極限傳輸損耗為73.2 dB。

最后我們測試圖2（c）的放大器配置方案，就是在上述測試情況下打開同向拉曼的泵浦光。信號光的具體傳輸過程描述如下：經(jīng)過BA放大的光信號，同功率為900 mW的拉曼泵浦光一同進(jìn)入總長為270 km的前段光纖傳輸，同時得到拉曼分布式放大。然后信號光到達(dá)RGU模塊進(jìn)行集總式放大。位于線路末端的大功率激光器將功率為1 000 mW，波長為1 480 nm的遠(yuǎn)程泵浦光通過WDM合波器反向注入到信號鏈路中，到達(dá)RGU時衰減至9.7 mW左右，該功率作為泵浦光對RGU增益模塊進(jìn)行泵浦。信號光經(jīng)PA放大后進(jìn)入DCF補(bǔ)償鏈路積累的色散，隨后進(jìn)入EFEC接收機(jī)進(jìn)行前向糾錯解碼，最后送回網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行誤碼分析。這種放大器配置情況下，我們調(diào)整VOA的衰減值，得到78.5 dB的極限傳輸損耗。圖3給出了圖2（c）配置情況下，我們測試到的遙泵模塊的增益和噪聲情況。從圖3可以看出，RGU模塊產(chǎn)生的平均增益為23.9 dB，平均噪聲為5.8 dB。

圖3 放大器配置（c）中RGU的增益和噪聲

通過上面的實驗我們發(fā)現(xiàn)，圖2中的3種放大器配置方式都可以實現(xiàn)G.652光纖傳輸350 km的目標(biāo)。但是實際工程預(yù)算的情況下，要綜合考慮系統(tǒng)的長期使用壽命，即要考慮光纖的老化，連接器損耗，系統(tǒng)設(shè)備老化等因素，一般要求留有5 dB～6 dB的設(shè)計余量，這樣前述兩種配置方案的功率余量就不夠了，選擇拉曼加遙泵的配置方案（c）就更為穩(wěn)妥一些。圖4給出了3種放大器配置情況下的極限傳輸?shù)妮敵鲂旁氡取？梢娫诟髯詷O限傳輸情況下，3種放大器配置方式的輸出信噪比相近。從中我們也可以推知，如果在同樣的傳輸損耗下，同向拉曼加遙泵的配置方案可以獲得最高的輸出信噪比。

圖4 3種放大器配置情況下傳輸?shù)腛SNR結(jié)果

實驗中我們單純使用遙泵放大器就可以大大提高系統(tǒng)的傳輸距離，其效果比使用雙向拉曼的效果還要好，但是成本卻比雙向拉曼配置方式低。如果遙泵放大器配合同向拉曼放大器更可進(jìn)一步增加系統(tǒng)傳輸距離。這是因為同向拉曼放大器的分布式放大機(jī)理，使得信號光功率在進(jìn)入光纖的頭幾十公里一直保持在非線性閾值以下，大大降低了非線性造成的影響。同向拉曼放大器配合輸出功率適中的BA使用，非線性產(chǎn)生的通道代價將會得到明顯的改善。

3 結(jié)論

針對一個特定的超長距OTN傳輸案例，我們配置了不同的放大器方案并進(jìn)行了實驗研究。通過研究發(fā)現(xiàn)同向拉曼加遙泵放大的配置方案具有更好的損耗容限，更多的功率裕度，更高的輸出信噪比，配置方案也比較經(jīng)濟(jì)合理。如果系統(tǒng)余量要求不高的話或者光纖性能好一些的話，完成350 km的傳輸也可以只使用遙泵方案，其成本更低。

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周文婷（1974-），女，碩士，江西人，國網(wǎng)新疆電力公司信息通信公司副總經(jīng)理、高級工程師，研究方向為信息通信技術(shù)，zhouwenting@xj.sgcc.com.cn；

孫小菡（1955-），女，漢族，東南大學(xué)電子與科學(xué)學(xué)院教授，主要研究方向為光波電子學(xué)與光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，xhsun@ seu.edu.cn。

Study on Integrated Configuration of Optical Amplifiers in the Ultra Long Haul Optical Transmission System

ZHOU Wenting1，CUI Limin1，ZHANG Wei1，CHI Ronghua2，3，SUN Xiaohan2*
（1.Xinjiang Electric Power Company Information Communication Co.，Ltd，Wulumuqi 830000，China；2.Southeast University，National Research Center for Optical Sensing/Communications Integrated Networking，Nanjing 210096，China；3.Wuxi Zhongxing Optoelectronics Technology Co.，Ltd，Wuxi Jiangsu 214068，China）

Aiming at a long haul OTN(optical transmission network)transmission system,different amplifier configuration schemes are designed and corresponding experiments are made.Using Raman amplifier plus remotely pumped EDFA amplifier scheme,a 350km unrepeated transmission system are realized with more power margin, higher OSNR and better price performance ratio.

optical transmission network（OTN）；ultra long haul；optical amplifiers；integrated configuration

TN913.31

A

1005-9490（2016）06-1360-04

4320F

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.016

2015-12-01 修改日期：2015-12-14