摘要：本文從泵浦功率,、信號(hào)入纖功率及光纖損耗系數(shù)出發(fā)，對(duì)遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)中增益單元-RGU的放置位置進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,，經(jīng)過詳細(xì)的理論分析,，針對(duì)2.5Gbit/s的SDH系統(tǒng)，得到了某一泵浦功率與信號(hào)入纖功率情況下的光信噪比與RGU放置位置的關(guān)系，同時(shí)也得到了RGU的最佳放置位置與光纖損耗系數(shù)的關(guān)系,。
1. 引言
十二五期間特高壓電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)建設(shè)的骨干網(wǎng)架,，在電力系統(tǒng)中將發(fā)揮越來越重要的作用，而特高壓電網(wǎng)具有覆蓋范圍廣（多為跨區(qū)域電網(wǎng)）,、傳輸距離長(zhǎng),、輸電容量大等特點(diǎn)，但其線路路徑位置偏遠(yuǎn),，設(shè)置光中繼站維護(hù)不便且成本較高,，因此采用帶有遠(yuǎn)程泵浦的超長(zhǎng)站距光通信技術(shù)已成為跨大區(qū)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)；伴隨經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展,，帶動(dòng)了城市群的興起, 在長(zhǎng)江三角洲,、 珠江三角洲,、 環(huán)渤海灣等地都出現(xiàn)相鄰間隔不大于350公里的城市群,，城市群內(nèi)部相鄰城市之間的通信目前對(duì)帶寬的需求越來越高，因此這些地區(qū)正在成為遠(yuǎn)程泵浦無中繼傳輸?shù)囊粋€(gè)新的應(yīng)用熱點(diǎn)區(qū)域,；由于在一些沼澤,、沙漠、森林等無人區(qū),，中繼站建設(shè),、維護(hù)費(fèi)用高，所以這些地區(qū)也是遠(yuǎn)程泵浦無中繼傳輸潛在的應(yīng)用領(lǐng)域,。在所有應(yīng)用遠(yuǎn)程泵浦的系統(tǒng),，都無法回避的一個(gè)應(yīng)用問題是增益單元放置位置的選擇問題。本文將從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)增益單元的最佳放置位置進(jìn)行研究,。
2. 遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)中OSNR的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究
在光通信傳輸系統(tǒng)中,，影響誤碼率的主要是兩類因素，一是功率受限系統(tǒng),，一是光信噪比受限系統(tǒng),，由于EDFA在光傳輸系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用，光功率已不再是限制光通信傳輸距離的的主要因素,，如果功率不夠,，通過放大器對(duì)信號(hào)放大，功率將不再受限,，但是引入放大器的同時(shí),，也會(huì)引入噪聲，放大器引入的越多,，噪聲積累也就越嚴(yán)重,，OSNR劣化的也就會(huì)越嚴(yán)重，還有一種情況就是信號(hào)本身經(jīng)過很大的衰減后再經(jīng)過EDFA放大，由于此時(shí)信號(hào)本身的信噪比已經(jīng)很小,，經(jīng)過放大器放大后,，OSNR仍然會(huì)比較差，遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)就屬于此類型,。遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)原理圖如圖1所示：
圖1 遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)的原理框圖
圖中,，Tx為信號(hào)發(fā)射模塊，BA為功率放大器（Booster Amplifier）,，傳輸光纖1為遠(yuǎn)程增益單元（RGU-Remote Gain Unit）前面的傳輸光纖,，傳輸光纖2為遠(yuǎn)程增益單元（RGU）后面的傳輸光纖，這部分光纖在同纖泵浦的遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)中,，既要傳輸信號(hào),，也要傳輸RGU需要的泵浦光，這部分光纖在傳輸泵浦光的過程中,，會(huì)產(chǎn)生Raman增益,，Raman & RPU模塊是提供1480nm光的遠(yuǎn)程泵浦單元（RPU-Remote Pump Unit），PA為前置放大器（Pre-Amplifier）,， Rx為系統(tǒng)的接收模塊,。
2.1 遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)中OSNR理論分析
在光傳輸系統(tǒng)中，OSNR的計(jì)算主要是通過58公式實(shí)現(xiàn)的[1],，即：
1）
式中,，output power是某信道入纖光功率，Loss為跨距損耗,， NF為光放大器的噪聲指數(shù),，N為跨段數(shù)目，這個(gè)公式主要適用于等跨距損耗的系統(tǒng),，對(duì)于非等跨距的系統(tǒng),，我們首先視N=1，然后分布來計(jì)算就可以了,。對(duì)于遠(yuǎn)程泵浦的2.5Gbit/s的SDH系統(tǒng),，要想獲得最佳的OSNR，根據(jù)式1）分析,，要么信道的入纖功率比較高,，要么光纖的損耗比較小，要么放大器的噪聲指數(shù)比較低,，或者跨段數(shù)目比較少,。對(duì)于入纖光功率，由于SBS及自相位調(diào)制SPM的影響,，入纖功率不能太高,，對(duì)于有SBS抑制功能的發(fā)射模塊,，SPM受限功率一般要求小于23dBm，同時(shí)對(duì)于已經(jīng)鋪設(shè)好的線路,，光纖的衰減也是無法改變的,，因此要想改善系統(tǒng)的OSNR，最有可能的是降低放大器的噪聲指數(shù),。對(duì)于遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng),，實(shí)際上可以把其看作兩段不等損耗的跨距系統(tǒng)，在兩段光纖中間,，是作為線路放大器的遠(yuǎn)程增益單元RGU,。
分析整個(gè)傳輸系統(tǒng)的OSNR，其實(shí)就是分析整個(gè)系統(tǒng)的噪聲指數(shù),，根據(jù)噪聲指數(shù)的定義,，NF=OSNRin-OSNRout. 所以最終的
2)
單位 dB
對(duì)于EDFA級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，等效噪聲計(jì)算公式為
3）
其中所有參量均為線性單位,。
為了分析方便,，本文將整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分，RGU前面的功率放大器及光纖衰減看作一個(gè)整體放大器,，增益為G1,， 噪聲指數(shù)NF1,；RGU及后面的光纖衰減,、拉曼光纖放大器與前置放大器看作另一個(gè)放大器，增益為G2,，噪聲指數(shù)為NF2,。為了理論分析方便，假定功率放大器的增益為GB,，噪聲指數(shù)為NFB,；光纖的總的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，總傳輸損耗為TdB,；RGU的增益為G,，噪聲指數(shù)為NF，RGU之前的傳輸光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,，傳輸損耗為T1dB,； RGU之后的傳輸光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，傳輸損耗為T2 dB,，在1480nm波段的傳輸損耗為T3 dB,，RPU在光纖中產(chǎn)生的Raman增益為GR，等效噪聲指數(shù)為NFR,；PA的增益為G3,，噪聲指數(shù)為NF3.
對(duì)于無源的衰減器，其噪聲指數(shù)等于本身衰減值。
4）
5）
6）
7）
所有對(duì)于整個(gè)傳輸系統(tǒng)而言,，假定整體的噪聲指數(shù)為NF’,，則
8）
假如光纖在1550nm處的損耗系數(shù)為，單位dB/km,，則
9）
10）
對(duì)于傳輸光纖而言,，光纖的損耗系數(shù)與波長(zhǎng)的四次方的倒數(shù)成正比[2]，所以,，光纖在1480nm處的損耗系數(shù)將比1550nm處大0.02dB/km,，因此遠(yuǎn)程泵浦光經(jīng)過L2km的光纖傳輸后，到達(dá)RGU處的泵浦光將為P0-（+0.02）L2,，單位dBm,。
由于RGU的增益與噪聲指數(shù)與進(jìn)入RGU的泵浦功率密切相關(guān)，而泵浦功率又與光纖損耗及光纖長(zhǎng)度密切相關(guān),，同時(shí),，整體的噪聲指數(shù)與T1密切相關(guān)，因此,，RGU與RPU有個(gè)最佳的距離,，滿足此距離將得到最佳的OSNR。
為了滿足工程需要,，我們需要對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的假定,，假定傳輸總長(zhǎng)度為400km，功率放大器的增益為22dB,，噪聲指數(shù)5dB,，輸出功率為22dBm，RPU泵浦輸出功率為1W,。
由于RGU在屬于1480nm泵浦的小信號(hào)放大區(qū),，利用傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算RGU的增益與噪聲指數(shù)誤差非常大，所以本文采用黑盒模型[3]來計(jì)算RGU的增益與噪聲指數(shù),，實(shí)驗(yàn)測(cè)得RGU增益與噪聲指數(shù)與泵浦功率的關(guān)系曲線分別如圖2,、圖3所示。
圖2 RGU增益與泵浦功率的關(guān)系曲線
由圖2可以看出,，RGU增益受泵浦功率影響較大,，特別是在泵浦功率低于5dBm時(shí)，RGU主要表現(xiàn)為衰減,。因此RGU位置如果放置不好,，將大大影響系統(tǒng)性能。
圖3 RGU噪聲指數(shù)與泵浦功率的關(guān)系曲線
由圖3可以看出,，當(dāng)泵浦功率低于6dBm時(shí),，RGU噪聲指數(shù)將出現(xiàn)明顯的惡化,，結(jié)合圖2、圖3可以看出,，泵浦功率在RGU系統(tǒng)中最好不要小于6dBm,。
根據(jù)泵浦功率與RGU的增益與噪聲指數(shù)的關(guān)系，本文進(jìn)而求得最佳OSNR與光纖衰減的關(guān)系,，如圖4所示
圖4. 遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)中最佳OSNR與光纖衰減系數(shù)的關(guān)系
從圖4可以看出,，隨著光纖衰減系數(shù)的增大，最佳OSNR呈線性降低,，當(dāng)光纖衰減系數(shù)為0.21dB/km時(shí),，系統(tǒng)得到的最大OSNR為10dB，為增強(qiáng)型前向編碼糾錯(cuò)2.5Gbit/s 的 SDH系統(tǒng)的最小OSNR容限為9.5dB（誤碼率10E-12）,。如果光纖損耗系數(shù)繼續(xù)增大,，對(duì)于RPU 1W輸出的400km的遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)將不再適合。
本文還對(duì)RPU與RGU最佳距離與光纖衰減的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算,，其關(guān)系曲線如圖5所示：
圖5. RPU與RGU最佳距離與光纖衰減的關(guān)系曲線
從圖5可以看出,，隨著光纖衰減值的不斷增加，RPU與RGU之間的最佳距離逐漸縮小,。對(duì)于電力系統(tǒng)的OPGW光纖光纜或?qū)嶒?yàn)室的光纖,，其典型損耗系數(shù)大約為0.2dB/km，RPU與RGU之間的對(duì)應(yīng)的最佳距離為101km,。
另外本文還給出了光纖衰減最典型值0.20dB/km @1550nm情況下,， RPU與RGU不同距離時(shí)的OSNR值，如圖6所示：
圖6. 系統(tǒng)OSNR隨RPU & RGU之間距離的變化曲線
@ 光纖損耗系數(shù)=0.2dB/km @ 1550nm
從圖6可以看出,，當(dāng)光纖損耗系數(shù)為0.2dB/km時(shí),，RPU & RGU之間的最佳距離為101km,，此時(shí)對(duì)應(yīng)的OSNR為最大值13.96dB,。
2.2 實(shí)驗(yàn)研究
按照?qǐng)D1所示遠(yuǎn)程泵浦原理圖搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，Tx為速率為2.xx Gbit/s帶有SBS抑制功能的發(fā)射模塊,，其輸出功率為0dBm,，帶有EFEC，其OSNR編碼增益為8dB,；BA輸出功率為22dBm,，增益為22dB，噪聲指數(shù)5dB,；光纖全長(zhǎng)400km,，光纖損耗系數(shù)為0.195dB/km@ 1550nm， RPU為輸出功率1W,、輸出波長(zhǎng)為1480nm的泵浦模塊,，此遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng)為同纖泵浦方式,，在光纖中產(chǎn)生的Raman增益為20dB，等效噪聲指數(shù)為-3dB,， PA的增益為20dB,，噪聲指數(shù)為4.5dB。另外,，實(shí)驗(yàn)采用300km色散補(bǔ)償模塊,。誤碼儀采用Op-will 6200 10G誤碼分析儀
實(shí)驗(yàn)中，將RGU分別放置在距RPU為70km,、75 km,、80km、85km,、90km,、95km、100km,、105km,，得到的OSNR及誤碼率如表1所示：
表1. 不同位置情況下的OSNR與誤碼情況表
3. 結(jié)論
本文經(jīng)過理論分析，得出了RGU最佳放置的位置與光纖損耗系數(shù)的關(guān)系,，文章指出對(duì)于衰減系數(shù)為0.2dB/km的光纖及輸出功率為1W的遠(yuǎn)程泵浦系統(tǒng),，RGU的最佳放置位置是在距RPU 99km的地方，并以衰減系數(shù)為0.2dB/km實(shí)驗(yàn)室光纖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果完全吻合,。實(shí)際上，這只是實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果,，實(shí)際工程環(huán)境情況,，特別是環(huán)境溫度對(duì)光纖衰減系數(shù)、對(duì)RGU增益及噪聲指數(shù)的影響還需要進(jìn)行詳細(xì)的研究,。
參考文獻(xiàn)：
楊寧,，楊鑄等，DWDM系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)EDFA光信噪比計(jì)算,，通信學(xué)報(bào),，第24卷，第1期2003.1,，page 75~82,。
Govind P.Agrawal著，賈東方譯,，非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用,，第二版，page 6,。
J. Burgmeier, Andreas Cords, A Black Box Model of EDFA’s Operating in WDM Systems,，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 16, NO. 7, JULY 1998,，page 1271~1275