基于1 310/1 550 nm波長轉(zhuǎn)換器的超長距離光通信系統(tǒng)設(shè)計

林禮華，張正江，姚發(fā)興

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

0 引 言

電力系統(tǒng)發(fā)展迅猛，電網(wǎng)對光纖通信系統(tǒng)的要求日益增強(qiáng)。如何提高電網(wǎng)通信質(zhì)量和服務(wù)水平，做好電力光纖通信設(shè)備日常維護(hù)，是提升電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性與可靠性，保障電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。在光傳輸設(shè)備的組網(wǎng)應(yīng)用中，傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)無保護(hù)系統(tǒng)已無法滿足電力通信業(yè)務(wù)的可靠性要求。充分利用現(xiàn)有資源技術(shù)，將原來的傳輸網(wǎng)配置得更加穩(wěn)定，至關(guān)重要。

在南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局的光傳輸網(wǎng)改造中，采用優(yōu)化組網(wǎng)方式建立環(huán)網(wǎng)保護(hù)。一條路徑發(fā)生故障時，另一條路徑繼續(xù)傳送業(yè)務(wù)，可以有效避免業(yè)務(wù)中斷。但是，由于備用路徑光纖傳輸距離較長，光傳輸系統(tǒng)因纖芯衰耗、色散等問題無法正常通信，必須采用超長距離傳輸設(shè)備改善系統(tǒng)性能。另外，在光纖單模傳輸系統(tǒng)中，借助波長轉(zhuǎn)換器可以高效、可靠、簡便地將1 310 nm波長轉(zhuǎn)換為適合長距離傳輸?shù)? 550 nm波長[1]，實現(xiàn)波長的重新利用，提高了光通信系統(tǒng)波長重用率和網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性。

1 光波長選擇

圖1為光纖傳輸窗口衰減示意圖?？梢钥闯?，光波長衰減特性曲線中，有850 nm、1 310 nm、1 550 nm三個低損耗窗口。其中，850 nm用于多模短距離傳輸，1 310 nm和1 550 nm可用于單模傳輸。

圖1 光纖傳輸窗口衰減示意圖

在光纖單模傳輸系統(tǒng)中，1 310 nm和1 550 nm均為模塊的中心波長，1 310 nm和1 550 nm波長多用于中長距離傳輸。其中，1 310 nm光傳輸窗口稱為0色散窗口，光信號在此窗口傳輸過程中色散最小，但損耗較大，通常應(yīng)用于40 km以內(nèi)的傳輸；1 550 nm窗口稱為最小損耗窗口，光信號在此窗口傳輸過程中衰減最小，但色散較大，通常應(yīng)用于40 km以上的傳輸，無中繼可以直接傳輸120 km。由于二者的色散和損耗不同，在光纖傳輸系統(tǒng)實際應(yīng)用過程中，1 310 nm光模塊一般按0.35 dB/km計算鏈路損耗，1 550 nm光模塊則按0.20 dB/km計算鏈路損耗。

2 波長轉(zhuǎn)換器

波長轉(zhuǎn)換器也叫波長轉(zhuǎn)換模塊，可以將某一波長的輸入光信號轉(zhuǎn)換為另一波長的輸出光信號，具有單多模光纖轉(zhuǎn)換、波長轉(zhuǎn)換、光中繼的功能，是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件之一。圖2為波長轉(zhuǎn)換器示意圖，即λ1波長的光信號經(jīng)波長轉(zhuǎn)換器后輸出指定波長為λ2的光信號，有效解決了波長限制問題。

圖2 波長轉(zhuǎn)換器

根據(jù)波長變換過程中信號是否經(jīng)過光/電域的轉(zhuǎn)換，波長轉(zhuǎn)換器分為光—電—光波長轉(zhuǎn)換器和全光波長轉(zhuǎn)換器。光—電—光波長轉(zhuǎn)換器是將光信號經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)化為電信號，電信號再調(diào)制成所需波長的光源，實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換功能。光—電—光波長轉(zhuǎn)換器的技術(shù)相對成熟，其工作穩(wěn)定，可以實現(xiàn)定時、再生、整形功能，能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。但是，由于引入了光/電變換和時鐘提取，對速率和信號格式不透明，存在電子瓶頸問題。而全光波長轉(zhuǎn)換器不經(jīng)過電域處理，直接把信號從一個波長轉(zhuǎn)換到另一個波長，在光域中直接實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，克服了光—電—光波長轉(zhuǎn)換器中電子器件的速度、透明性低的問題[2]。

3 超長距離傳輸

超長距離傳輸是指無中繼距離傳輸超過100 km。一般的傳輸系統(tǒng)由于衰耗、色散等問題，無法達(dá)到相關(guān)要求。超長距離通信在設(shè)計時，必須考慮以下幾個問題[3]。

3.1 色散問題

脈沖在光纖中傳輸時，寬度會被逐漸展寬。當(dāng)展寬超過一定的容限后，就會導(dǎo)致接收端誤判產(chǎn)生誤碼，影響系統(tǒng)性能。色散容限的劣化程度通常與速率的平方成反比。當(dāng)色散超過色散容限后，必須進(jìn)行色散補(bǔ)償。

3.2 線路衰耗

光信號在光纖中傳輸時，功率會隨著傳輸距離的增加而下降，即發(fā)生衰耗。當(dāng)光功率下降到一定程度時，傳輸系統(tǒng)將無法正常工作。線路的衰耗主要包括線路本身的損耗、活接頭的損耗、系統(tǒng)的通道代價以及光纜損耗的富裕度，需要通過配置不同型號的放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償。放大器根據(jù)其所在位置不同，通常分為BA（Booster-Amplifier，功率放大器）、LA（Line-Amplifier，線路放大器）和PA（Pre-Amplifier，前置放大器）。

3.3 光信噪比

對于長距離通信系統(tǒng)，OSNR（Optical Signal Noise Ratio，光信噪比）也是一個十分重要的參數(shù)，其大小決定了信號質(zhì)量的優(yōu)劣。為了保證光通信系統(tǒng)的OSNR，除配置摻餌光纖放大器進(jìn)行功率提升外，對于跨距較大的場合，還需要配置相應(yīng)的前向糾錯或拉曼光纖放大器。

3.4 非線性效應(yīng)

非線性問題主要是解決發(fā)射端入纖功率的限制問題。通過調(diào)整信號光脈寬，進(jìn)一步提高入纖功率閾值。目前，它的相關(guān)技術(shù)已集成到前向糾錯中。在長距離通信中，非線性問題也是必須考慮的。

4 波長轉(zhuǎn)換器在超長距離光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

天生橋局興義辦公樓—馬窩換流站的光纜通信線路，以下簡稱“興換光纜”，長約50 km，為常規(guī)架空普通光纜，承擔(dān)著天生橋局、天生橋水力發(fā)電總廠與生產(chǎn)現(xiàn)場的通信聯(lián)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸，在安全生產(chǎn)、行政辦公和工作聯(lián)系中發(fā)揮著極為重要的作用。

“興換光纜”是單一路由運(yùn)行，未形成環(huán)網(wǎng)保護(hù)。若光纜線路上出現(xiàn)故障，將中斷天生橋局、天生橋水力發(fā)電總廠與生產(chǎn)現(xiàn)場的通信聯(lián)絡(luò)。為此，從興義辦公樓新建一條光路至興仁換流站，形成興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—興義辦公樓的光環(huán)網(wǎng)，搭建興義辦公樓至馬窩換流站的通信通道環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)，為其安全生產(chǎn)提供可靠的通信保障。

4.1 光傳輸網(wǎng)改造前

光傳輸網(wǎng)改造前，為馬窩換流站—興義辦公樓配置4塊L-4.1 622 M 1+1光卡，其中馬窩換流站、興義辦公樓各2塊；為天生橋局生活區(qū)—興義辦公樓配置4塊S-4.1 622 M 1+1光卡，天生橋局生活區(qū)、興義辦公樓各2塊.改造前光傳輸網(wǎng)示意圖，如圖3所示。

圖3 傳輸網(wǎng)示意圖

表1為廠家提供的板卡參數(shù)。可以看出，L-4.1光卡可容許的傳輸衰耗A=25～28.5 dB，S-4.1光卡可容許的傳輸衰耗A=15.8～19.8 dB。

表1 光卡參數(shù)

4.2 環(huán)網(wǎng)中遇到的問題

（1）從興義辦公樓新建一條光纜至220 kV興義變，并利用220 kV興義變—220 kV長征變—盤南電廠—興仁換流站空余纖芯進(jìn)行跳接，形成興義辦公樓—220 kV興義變—220 kV長征變—盤南電廠—興仁換流站的光纜路由。全長170 km，中間無中繼，普通光卡無法進(jìn)行如此長距離的傳輸。

（2）為降低光傳輸設(shè)備組網(wǎng)成本，使用現(xiàn)有1 310 nm光卡實現(xiàn)超長距離傳輸。具體地，在興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—興義辦公樓光傳輸網(wǎng)組網(wǎng)中增加光放大器，將1 310 nm波長轉(zhuǎn)換為1 550 nm波長。

4.3 解決辦法

興義辦公樓—220 kV興義變—220 kV長征變—盤南電廠—興仁換流站的光路配置為：在設(shè)備上配置1 310 nm波長的光卡，同時增加1 310/1 550 nm波長轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)光放大器，實現(xiàn)光路的正常傳輸。改造后，興義辦公樓至興仁換流站的光路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改造后興義辦公樓-興仁換流站超長距離光路結(jié)構(gòu)

4.4 傳輸網(wǎng)改造后

圖5為改造后的傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

其中：

（1）每站配置622M中長距光卡2塊，現(xiàn)有4塊，無光放傳輸距離60 km。為構(gòu)成光環(huán)網(wǎng)通信，需再配2塊中長距光卡。興仁—馬窩方向、興仁—興義方向傳輸距離超過100 km，需配置10 dBm以上光放，每個方向2塊，共需4塊。

（2）155M電卡，興義辦公樓配置2塊，興仁換流站配置1塊，馬窩換流站配置1塊，分別用于興義—興仁、興義—馬窩綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)?，F(xiàn)有2塊，需再配置2塊155M電卡。

圖5 改造后傳輸網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（3）環(huán)網(wǎng)建成后，興義—馬窩行政電話、興義—興仁行政電話、興義—興仁烽火PCM、興義—公司視頻會議，2M通道由單鏈路接入改為1+1通道保護(hù)接入。

5 結(jié) 論

本文對天生橋局興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—天生橋局興義辦公樓光傳輸環(huán)網(wǎng)進(jìn)行改造，利用1 310/1 550 nm波長轉(zhuǎn)換器配合光放大器等設(shè)備，搭建天生橋局興義辦公樓—興仁換流站超長距離傳輸光路，建設(shè)成本低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

天生橋局興義辦公樓—興仁換流站超長距離傳輸光路建立后，形成天生橋局興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—天生橋局興義辦公樓光傳輸環(huán)網(wǎng)保護(hù)，能夠有效避免單條光路故障造成的業(yè)務(wù)中斷，為天生橋局視頻會議系統(tǒng)、OA辦公網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)物資系統(tǒng)、語音電話系統(tǒng)的業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了更加可靠的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 安亞青，李文田.全光波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].光電子技術(shù)與信息，2004，17（6）：49-53.

[2] 趙同剛，任建華，趙榮華，等.自動交換光網(wǎng)絡(luò)中全光波長轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用和實現(xiàn)[J].半導(dǎo)體光電，2002，23（5）：324-327.

[3] 單 蓉.電力通信網(wǎng)無中繼超長距傳輸方案研究[J].微計算機(jī)信息，2010，26（3）：139-140.