江尚軍，吳錦虹，羅青松

(中國電子科技集團公司第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體制，整個傳輸線路部分不需要中繼供電，具有可靠性高、開通迅速、維護方便等突出特點，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)公開文獻報道，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現(xiàn)，2.5 Gbit/s 單通道系統(tǒng)最長跨距記錄為529 km［1，2］。“G.654光纖制造工藝復雜，國內尚不具備該類光纖的生產能力，如何基于國產常規(guī)G.652光纖實現(xiàn)長跨距無中繼傳輸，成為了許多國內光通信廠商及科研院所關注的焦點，并在我國長距離電力通信專用網絡中取得逐步應用［3～5］?！睘榱嗽诂F(xiàn)有的技術基礎上實現(xiàn)傳輸跨距的進一步延伸，進行了基于G.652 光纖的超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)設計，并搭建試驗系統(tǒng)進行了實際驗證。

1 G.652 光纖超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)特點

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的影響，實現(xiàn)起來技術難度更大，主要體現(xiàn)在三個方面。

(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)光功率預算量。

(2)光纖非線性效應明顯:G.652 光纖有效面積(典型值83 μm2)比G.654 光纖小(典型值100 μm2)，信號光和泵浦光在光纖中傳輸時能量更集中，容易產生受激布里淵散射(SBS)等非線性效應，導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)，是一個光纖損耗、色散和非線性綜合受限的系統(tǒng)，設計時不僅要考慮損耗、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，進而確定系統(tǒng)總體設計方案。

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 光纖指標參數(shù)，進行總體結構和各組成單元優(yōu)化設計，從技術體制上解決系統(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，光傳輸設備主要由超強前向糾錯單元、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超強前向糾錯單元在輸入信號中添加開銷信息，在接收端糾正傳輸過程中產生的誤碼，改善和優(yōu)化光通信鏈路傳輸質量;②EDFA 光功率放大器在發(fā)射端最大限度地提升進入G.652 光纖線路的信號光功率，EDFA 光前置放大器在接收端提升光接收機的靈敏度;③遙泵層疊泵浦將大功率泵浦光傳輸?shù)竭h端增益模塊，使遠端增益模塊獲得泵浦能量，實現(xiàn)對信號光的遠程遙泵放大;④拉曼光放泵浦利用G.652 傳輸光纖作為增益介質，對信號光進行分布式低噪聲放大;⑤動態(tài)色散管理濾波單元降低系統(tǒng)色散功率代價，濾除系統(tǒng)累積噪聲，改善提高信號接收靈敏度;⑥功放/前放增益模塊放置遙泵增益介質，其中沒有任何有源器件;⑦G.652 傳輸光纖提供穩(wěn)定、可靠的信號傳輸通道。

3 G.652 光纖超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)設計

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。經過多年的研究開發(fā)，并通過多次試驗和工程應用，針對這些限制因素采用相應的技術手段得以解決。

3.1 損耗受限設計

信號光在G.652 光纖中傳播時，由于光纖衰耗特性的存在，會導致功率逐漸減弱，當信號光功率減弱到一定程度時，接收端將不能從噪聲中檢測出信號。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，又有信號鏈路，損耗受限傳輸距離同時受到泵浦光和信號光兩方面的制約，實際設計時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為超強前向糾錯編碼增益;PRaman為拉曼光放開關增益;Pp為光通道功率代價;∑Ac為各光纖段活動連接器損耗之和;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，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，以彌補信號傳輸時光纖衰減帶來的損耗，各項具體措施實現(xiàn)效果如下:

(1)在發(fā)射端配置EDFA 光放大器，可將光信號入纖功率由終端設備發(fā)出的0 dBm 左右提升至17 dBm 以上，如在此基礎上采用射頻信號調制相位調制器改變信號功率譜密度來提高SBS 功率門限，發(fā)射端入纖功率可進一步提升至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，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，實現(xiàn)弱信號低噪聲放大，獲得了20 dB 以上的開關增益。

(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，提高泵浦注入功率，延長了遙泵作用距離。

(4)根據(jù)理論分析結合試驗數(shù)據(jù)來優(yōu)化混合光放大鏈路結構，確保了系統(tǒng)總體功率預算值超過110 dB。

3.2 色散受限設計

由于信號光存在一定的譜線寬度，信號光的不同頻率成分在G.652 光纖中傳播速度不同，從而產生色散效應，造成長途傳輸后的信號脈沖展寬。色散引起的脈沖展寬會使得脈沖的部分能量逸出到比特時間以外形成碼間干擾，導致比特時間內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 點之間允許的最大色散值;Dm為傳輸光纖工作波長范圍內的最大色散系數(shù)(G.652光纖在1550 nm 波長窗口典型值為20 ps/(nm·km))。在設計中，采用外調制激光器，色散容限達12800 ps/nm，系統(tǒng)理論上的色散限制距離為640 km。

同時，根據(jù)ITU-T G.957 建議規(guī)定的光纖通信系統(tǒng)2 dB 功率代價值，超長跨距無中繼傳輸系統(tǒng)設計還應考慮色散功率代價指標要求，其總體色散功率代價應不超過2 dB。色散功率代價和光源譜寬、傳輸速率、傳輸距離等因素相關，并可由下式計算

圖3 啁啾光纖光柵動態(tài)色散補償技術原理

3.3 光信噪比受限設計

光信噪比定義為光信號功率與光噪聲功率之比。光放大器在對光信號進行放大的同時，會產生自發(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，導致信號衰減非常嚴重，經過多級放大器放大后，ASE 噪聲可能會同信號能量相當，造成接收端無法正確辨別信號，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 為信號光頻率，Δνo為光譜帶寬，對于1550 nm 的信號光，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償光纖段衰減，并且各個放大器的參數(shù)也不同，接收端光信噪比應采用如下公式計算［7］

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

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。

(1)對信號光源施加低頻擾動(如對信號光源作附加調制或對外調制器作附加調相)，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，信號譜寬的增大顯然會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行折衷權衡。

(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引起的噪聲因素，如:采用多級泵浦結構、選用NF 優(yōu)化的鉺纖及合理設計鉺纖長度來降低EDFA 光放大器噪聲指數(shù)，并獲取較高信號增益;在光放大器中設置帶通濾波器濾除掉信號光周邊的一些噪聲。

除了改善接收端光信噪比使其達到系統(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用的方法是采用前向糾錯編碼(FEC)技術，即在發(fā)送端信號中加入冗余信息，在接收端根據(jù)信號的冗余性采用一定的算法發(fā)現(xiàn)并剔除傳輸過程中產生的錯誤。根據(jù)采用的編碼方式不同，其糾錯能力也不盡相同，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)，需要糾錯能力更強的FEC 技術進一步提高編碼增益，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雜性和工藝水平，RS+BCH 級聯(lián)超強前向糾錯編碼方案是個較好的選擇，其技術原理如圖4 所示。

圖4 級聯(lián)編碼超強前向糾錯技術原理

編碼時，用戶數(shù)據(jù)首先進入RS 編碼器進行第一級編碼，編碼后的數(shù)據(jù)稱為外碼;外碼接著進行交織并進入第二級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進行反復解碼，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 語

在超長跨距無中繼全光通信系統(tǒng)設計過程中，綜合應用高增益低噪聲EDFA 光放大、遠程遙泵光放大、分布式拉曼光放大、啁啾光纖光柵動態(tài)色散管理、RS+BCH 級聯(lián)編碼超強前向糾錯等技術，克服了G.652 光纖傳輸損耗、色散和非線性限制因素，實現(xiàn)了提升系統(tǒng)可用光功率、降低系統(tǒng)色散功率代價、延長系統(tǒng)信噪比受限距離的總體目標，可為該類系統(tǒng)的規(guī)劃和設計提供參考。并且，構建了基于國產G.652 光纖的470 km 無中繼全光通信系統(tǒng)試驗平臺(傳輸鏈路損耗為94.2 dB)，對系統(tǒng)各節(jié)點光功率與信噪比、拉曼開關增益、超強前向糾錯編碼增益、系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和長期誤碼率等指標進行了全面測試，試驗結果符合工程設計要求。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)已經在多個光纜通信工程中獲得實際應用。

［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. 內蒙古電網超長距離光纖傳輸?shù)膶嶒炁c應用［J］. 內蒙古石油化工，2008(2):8-9.

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

［5］周昊，黃麗艷，張學勇，等. 超長距通信技術在電力系統(tǒng)中的應用［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)工程設計規(guī)范［S］.2011.

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

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