摘要：本文從泵浦功率、信號入纖功率及光纖損耗系數(shù)出發(fā)，對遠程泵浦系統(tǒng)中增益單元-RGU的放置位置進行了理論分析與實驗研究，經(jīng)過詳細的理論分析，針對2.5Gbit/s的SDH系統(tǒng)，得到了某一泵浦功率與信號入纖功率情況下的光信噪比與RGU放置位置的關(guān)系，同時也得到了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、輸電容量大等特點，但其線路路徑位置偏遠，設(shè)置光中繼站維護不便且成本較高，因此采用帶有遠程泵浦的超長站距光通信技術(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)濟的飛躍發(fā)展，帶動了城市群的興起, 在長江三角洲、 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帶寬的需求越來越高，因此這些地區(qū)正在成為遠程泵浦無中繼傳輸?shù)囊粋€新的應(yīng)用熱點區(qū)域；由于在一些沼澤、沙漠、森林等無人區(qū)，中繼站建設(shè)、維護費用高，所以這些地區(qū)也是遠程泵浦無中繼傳輸潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。在所有應(yīng)用遠程泵浦的系統(tǒng)，都無法回避的一個應(yīng)用問題是增益單元放置位置的選擇問題。本文將從理論與實驗兩方面對增益單元的最佳放置位置進行研究。
2. 遠程泵浦系統(tǒng)中OSNR的理論分析與實驗研究
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，通過放大器對信號放大，功率將不再受限，但是引入放大器的同時，也會引入噪聲，放大器引入的越多，噪聲積累也就越嚴重，OSNR劣化的也就會越嚴重，還有一種情況就是信號本身經(jīng)過很大的衰減后再經(jīng)過EDFA放大，由于此時信號本身的信噪比已經(jīng)很小，經(jīng)過放大器放大后，OSNR仍然會比較差，遠程泵浦系統(tǒng)就屬于此類型。遠程泵浦系統(tǒng)原理圖如圖1所示：
圖1 遠程泵浦系統(tǒng)的原理框圖
圖中，Tx為信號發(fā)射模塊，BA為功率放大器（Booster Amplifier），傳輸光纖1為遠程增益單元（RGU-Remote Gain Unit）前面的傳輸光纖，傳輸光纖2為遠程增益單元（RGU）后面的傳輸光纖，這部分光纖在同纖泵浦的遠程泵浦系統(tǒng)中，既要傳輸信號，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，會產(chǎn)生Raman增益，Raman & RPU模塊是提供1480nm光的遠程泵浦單元（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 遠程泵浦系統(tǒng)中OSNR理論分析
在光傳輸系統(tǒng)中，OSNR的計算主要是通過58公式實現(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，這個公式主要適用于等跨距損耗的系統(tǒng)，對于非等跨距的系統(tǒng)，我們首先視N=1，然后分布來計算就可以了。對于遠程泵浦的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，同時對于已經(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)。對于遠程泵浦系統(tǒng)，實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程增益單元RGU。
分析整個傳輸系統(tǒng)的OSNR，其實就是分析整個系統(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
對于EDFA級聯(lián)系統(tǒng)，等效噪聲計算公式為
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；光纖的總的長度為L，總傳輸損耗為TdB；RGU的增益為G，噪聲指數(shù)為NF，RGU之前的傳輸光纖長度為L1，傳輸損耗為T1dB； RGU之后的傳輸光纖長度為L2，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）
所有對于整個傳輸系統(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）
對于傳輸光纖而言，光纖的損耗系數(shù)與波長的四次方的倒數(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，因此遠程泵浦光經(jīng)過L2km的光纖傳輸后，到達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度密切相關(guān)，同時，整體的噪聲指數(shù)與T1密切相關(guān)，因此，RGU與RPU有個最佳的距離，滿足此距離將得到最佳的OSNR。
為了滿足工程需要，我們需要對某些參數(shù)進行進一步的假定，假定傳輸總長度為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泵浦的小信號放大區(qū)，利用傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法計算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]來計算RGU的增益與噪聲指數(shù)，實驗測得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，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，當泵浦功率低于6dBm時，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，本文進而求得最佳OSNR與光纖衰減的關(guān)系，如圖4所示
圖4. 遠程泵浦系統(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，當光纖衰減系數(shù)為0.21dB/km時，系統(tǒng)得到的最大OSNR為10dB，為增強型前向編碼糾錯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，對于RPU 1W輸出的400km的遠程泵浦系統(tǒng)將不再適合。
本文還對RPU與RGU最佳距離與光纖衰減的關(guān)系進行了計算，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。對于電力系統(tǒng)的OPGW光纖光纜或?qū)嶒炇业墓饫w，其典型損耗系數(shù)大約為0.2dB/km，RPU與RGU之間的對應(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，當光纖損耗系數(shù)為0.2dB/km時，RPU & RGU之間的最佳距離為101km，此時對應(yīng)的OSNR為最大值13.96dB。
2.2 實驗研究
按照圖1所示遠程泵浦原理圖搭建實驗系統(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400km，光纖損耗系數(shù)為0.195dB/km@ 1550nm， RPU為輸出功率1W、輸出波長為1480nm的泵浦模塊，此遠程泵浦系統(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，實驗采用300km色散補償模塊。誤碼儀采用Op-will 6200 10G誤碼分析儀
實驗中，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，文章指出對于衰減系數(shù)為0.2dB/km的光纖及輸出功率為1W的遠程泵浦系統(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實驗室光纖進行了實驗驗證，實驗結(jié)果與驗證結(jié)果完全吻合。實際上，這只是實驗室的結(jié)果，實際工程環(huán)境情況，特別是環(huán)境溫度對光纖衰減系數(shù)、對RGU增益及噪聲指數(shù)的影響還需要進行詳細的研究。
參考文獻：
楊寧，楊鑄等，DWDM系統(tǒng)中級聯(lián)EDFA光信噪比計算，通信學(xué)報，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