施 瑾， 徐志強， 錢 勝

（1.浙江省電力設計院，杭州 310012；2.浙江電力調度運行技術中心，杭州 310008；3.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州 310018）

電力信息化

非線性光環(huán)鏡在電力通信中的應用思考

施 瑾1， 徐志強2， 錢 勝3

（1.浙江省電力設計院，杭州 310012；2.浙江電力調度運行技術中心，杭州 310008；3.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州 310018）

因為具有獨特的優(yōu)點，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)中潛在的應用，分別研究了它們的原理、特點及發(fā)展狀況。

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)構架已形成相當規(guī)模，對電網(wǎng)管理的自動化水平的要求不斷提高，大量涉及電力生產(chǎn)、運行、管理的各種信息需要穩(wěn)定、可靠、迅速地進行傳輸，這無疑是對電力系統(tǒng)通信提出更高要求。隨著信息化時代的到來，電力通信服務的對象不再局限于電力調度，電力系統(tǒng)通信需要提供多種業(yè)務的服務，包括通信、遠動、繼電保護、辦公自動化等，這就要求電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡穩(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量高的特點，在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應用。但光纖通信系統(tǒng)因各種噪聲、碼間干擾、光發(fā)送機激光器圖案效應以及電力系統(tǒng)早期敷設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，降低了系統(tǒng)的傳輸性能，限制了系統(tǒng)的傳輸容量。

為了抑制抖動和噪聲對系統(tǒng)性能的影響，提出了多種方案，例如應用光域（或者電域）鎖相環(huán)、平滑相位泄漏技術、濾波技術等。但是噪聲和定時抖動產(chǎn)生的因素比較復雜，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）具有結構簡單、響應速度快、成本低廉、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在光通信系統(tǒng)中光脈沖整形和產(chǎn)生、全光信號處理、信道解復用和參量放大等領域有著巨大的潛在應用價值[3-9]，因而得到了廣泛的重視。

本文探討將NOLM應用于電力系統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)中，研究利用NOLM強度濾波特性提高光通信系統(tǒng)的傳輸性能，并進一步探討其在電力系統(tǒng)光通信中的潛在應用。

1 NOLM基本工作原理

NOLM的基本結構如圖1所示，包括一個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的平衡干涉結構，信號脈沖輸入光功率（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，這兩個信號分量在耦合器中進行干涉，全部反射回輸入端口，這時NOLM結構相當于一個反射鏡，所以被稱為非線性光纖環(huán)鏡。若打破其平衡結構，光纖環(huán)在高功率和低功率下將表現(xiàn)出不同的特性，這些特性使許多復雜的全光信號處理功能的簡單實現(xiàn)成為可能。

圖1 非線性光纖環(huán)境基本結構

2 在電力通信系統(tǒng)中的應用

2.1 光接收機光域判決單元

為了將NOLM應用于電力通信光接收機中，構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構成。將該單元置于傳統(tǒng)的歸零信號（Return to Zero,RZ）開關鍵控（On-off Keying，OOK）的高速光通信系統(tǒng)接收機前，將有效改善接收到的信號質量。其工作原理是：接收的光脈沖由于各種因素影響產(chǎn)生脈沖畸變和定時抖動，經(jīng)接收機前置放大器放大后，在NDF傳輸?shù)倪^程中，由于群速度色散和非線性Kerr效應的影響，脈沖的時域波形將被展寬，再經(jīng)過NDF后，脈沖中心部分將變得相對平坦，接下來信號經(jīng)過非平衡NOLM，產(chǎn)生強度濾波作用，使得較小的干擾和脈沖的拖尾得到抑制，整個裝置類似于一個波形轉換器。若NDF段脈沖展寬在可控范圍之內，則整個裝置將有效降低定時偏差對系統(tǒng)性能的影響，降低系統(tǒng)誤碼率，有效提升接收機的性能。圖2為應用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)常見的級聯(lián)摻鉺光纖放大器（EDFA）的光傳輸系統(tǒng)，每傳輸段由G.652光纖和色散補償光纖（DCF）構成，利用EDFA補償光功率損耗。

圖2 光判決單元示意

為了探討其對光通信系統(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，對系統(tǒng)傳輸速率40 Gbps、普通單模光纖長度100 km、色散補償光纖20 km光傳輸系統(tǒng)的抖動均方值假定為0.1UI，占空比為0.5時仿真得到眼圖如圖3所示，仿真中僅考慮隨機性抖動，并假定其服從高斯分布，因為研究NOLM對抖動引起系統(tǒng)性能下降的抑制作用，因此這種假設應該是合理的。其中圖3（a）為沒有應用非線性光判決單元時輸出眼圖，圖3（b）為應用非線性光判決單元后輸出眼圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)定時抖動和噪聲使得眼圖張開度減小，系統(tǒng)性能下降。在接收端應用非線性光判決單元將降低信號判決時刻對定時抖動的敏感性，能有效抑制放大器噪聲和抖動等因素引起的對信號波形的微擾，使得眼圖張開度增加，從而改善了接收機性能。將這種裝置應用于電力系統(tǒng)光通信系統(tǒng)中，能夠以較小的代價獲得系統(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)點是依靠成熟的技術，可以實現(xiàn)定時提?。≧etiming），整形（Reshaping），再生（Regeneration），即3R中繼。這種3R中繼消除了噪聲的累積，進行長距離傳輸不至于嚴重惡化系統(tǒng)性能。但是這種電域中繼將帶來“電子瓶頸”效應，無法充分利用光通信巨大帶寬優(yōu)勢[6]。全光網(wǎng)絡是光通信發(fā)展的必然趨勢，在所有全光信號處理技術中，全光中繼作為一種恢復光信號的質量的方法被認為是未來全光通信系統(tǒng)的一種關鍵技術，雖然通常需要3R中繼，但是在大多數(shù)情況下考慮到簡單和成本效益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體和光纖非線性現(xiàn)象來實現(xiàn)?；诎雽w的設備利用半導體光放大器飽和吸收效應或者電吸收調制器中的交叉增益/吸收/相位調制實現(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時間將導致不能容忍的碼型效應，它將惡化恢復信號的質量，在信號再生中是一個非常嚴重的問題。另一方面，基于光纖的設備，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?？斓墓饫w非線性效應，可以提供的響應時間在飛秒數(shù)量級。基于 光纖的設備與半導體設備相比在尺寸上相對較大，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較低的光功率實現(xiàn)同樣的功能?；诠饫w的再生器由于其具有簡單，高速的特點在未來全光網(wǎng)絡中具有非常大的吸引力。

一個基于損耗和增益非平衡的NOLM如圖4所示，NOLM結構中包含了一個前置放大器，在實用中前置放大可以通過置于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，兩個信號具有不同的功率值，在相互產(chǎn)生干涉前光纖非線性克爾效應將產(chǎn)生不同相移，這種干涉導致了依賴信號功率的幅度傳輸函數(shù) （強度濾波）。NOLM實現(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度的噪聲和色散波從高功率脈沖中濾除，這將恢復脈沖的幅度和波形。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)定輸入信號功率的波動的作用。在RZ-OOK系統(tǒng)中，“0”比特時隙中噪聲和輻射波和“1”比特時隙中脈沖幅度的波動都被NOLM所抑制，信號波形得到放大，起到了再生，整形的2R中繼功能。但是NOLM對脈沖定時信息不敏感，不能抑制系統(tǒng)的定時抖動，這個不足通過在接收端增加基于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（可用來導出系統(tǒng)誤比特率，反映系統(tǒng)的傳輸性能，Q值越大，誤碼率越?。┚鸵呀?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，單波長速率已達40 Gbps，這對于傳輸信號的脈寬有了更高要求。由于NOLM的強度濾波特性，可以將其設計成通過強度高的脈沖中心部分而阻塞強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程中所產(chǎn)生的低強度的高階色散波和拉曼散射波。同時，對于應用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的抑制作用。用NOLM對脈沖整形具有結構簡單、成本低廉的優(yōu)點，廣泛應用于電力通信系統(tǒng)的低端光信號處理領域。

3 結語

NOLM是目前也是將來很長一段時間內光纖通信系統(tǒng)中非常具有實用價值的無源光器件之一，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NOLM的研究和開發(fā)正滲透到光纖通信系統(tǒng)每個角落甚至光學測量[10]、光傳感[11]等領域。展望將來，具有低成本和快速響應特點的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)通信設計工作。