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拉曼光纤放大器在长途网中的应用
2006年5月18日 14:31  来源:光波通信  作者:于林生,董胜,唐斯宇,印新达
  拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射(SRS)效应,在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输,从而使弱信号光得到放大。 相对于掺铒光纤放大器,拉曼光纤放大器有明显的不同:1、理论上只要有合适的拉曼泵浦源,就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大。2、可以利用传输光纤本身作增益介质,并具有很宽的增益谱和较低的等效噪声指数。3、可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度。拉曼光纤放大器是未来高速、大容量光纤通信系统的关键技术之一。

  拉曼光纤放大器在SDH系统中的应用主要是针对超长跨距的光纤传输系统,例如跨海通信、陆地长距离光纤传输。在这些情况下,将分布式拉曼光纤放大器用作前置光纤放大器,凭借其低噪声特性,提高系统的整体接收灵敏度,从而延长传输距离或提高系统设计余量。由于分布式拉曼光纤放大器的特殊性,必须考虑使用的安全性、可靠性、合理性。从实际使用的要求看,应该满足这些要求:1、具有信号光功率监控和无光自动关断的功能;2、泵浦输出功率稳定,尽可能采用硬件电路死循环控制的恒定功率输出方式;3、在信号波长处具有足够大的有效增益。4、应充分考虑实际光缆的衰减系数和整个跨段的衰耗。  
  
  超长跨距SDH光传输系统的实现方案 
 
  1、长跨距光纤传输需要考虑的问题

  对于2.5Gbit/s长跨距光纤传输系统,工程设计时,一般需要考虑下述几个基本方面:

  A、有无光纤衰耗受限的问题?结合功率光纤放大器、线路光放大器、前置光纤放大器,一般可以解决光传输线路损耗受限的问题。

  B、有无非线性问题,尤其是受激布里渊散射(SBS)的问题?使用光功率放大器时,如果信号光的光谱很窄(如采用EA调制的光发送模块),受激布里渊散射(SBS)很容易产生,限制了光放大器的入纤光功率(例如13dBm),在传输光纤一定的情况下,只能采用对发送激光器施加低频扰动,拓宽信号光谱宽度的方法进行抑制。

  C、有无色散受限的问题?色散受限主要取决于光纤和发射信号本身,在光纤一定的情况下,通过选用不同的发射模块可以避免色散的限制。

  D、有无噪声受限的问题?光传输线路的噪声来源包括:发射光信号的质量(SNR、消光比、谱宽等)、光放大器的噪声(噪声指数)、光纤中的非线性效应引起的噪声、接收系统本身的特性(灵敏度、电带宽、噪声特性等)。由于前置光纤放大器的输入信号功率小,引入的信号带内与带外噪声功率非常明显,表现为进入光接收机之前信噪比(SNR)的下降,为了提高系统的SNR,在前置光纤放大器内集成合适带宽的光滤波器是必要的。

  2、长跨距光纤传输方案  根据实际线路情况,我们提出如下方案,应用拉曼放大器实现长跨距SDH光传输,此方案用前置拉曼光纤放大器代替了前置EDFA。

  3、接收灵敏度的提高

  在此方案中,我们已解决SBS及色散问题,无需考虑它们的影响,光功率放大器的入纤功率为19dBm。由于发送光信号本身及经过光功率放大器后,信号的光信噪比足够高(优于30dB),前置光纤放大器成为引入噪声的主要环节,其噪声主要为信号与自激辐射(ASE)之间的拍噪声,前放的噪声水平可由其噪声指数及内置光滤波器的带宽共同确定。采用一致的光滤波器,在前放增益足够的情况下,前置光纤放大器的噪声指数直接决定系统的接收灵敏度(即光缆末端进入前置光纤放大器的光功率值)。

  目前前置掺铒光纤放大器的平均噪声指数水平为4.5dB,而拉曼光纤放大器的平均噪声指数水平为0dB。因而,直观上可以大体确定,使用拉曼光纤放大器作为前置光纤放大器的接收系统与使用EDFA作前置光纤放大器的系统相比,在系统接收灵敏度方面可以提高4.5dB。

  RFA-PA有较好的效果,根本原因在于RFA-PA的噪声指数比EDFA-PA的噪声指数低得多。实际系统中是选择EDFA还是RFA作前置光纤放大器取决于实际线路中是信号功率(增益)对灵敏度的影响大还是光放大器的噪声特性对灵敏度影响大?这与接收机的水平及具体使用环境下的放大器的增益相关。

  4、信号光功率的检测与安全控制

  分布式拉曼光纤放大器的入纤泵浦光功率可能超过500mW,需要采取必要的安全措施。除了保证光纤连接器端面洁净以外,拉曼放大器自身应该能够检测信号光功率,保证在光缆线路无光或断开的情况下,自动关闭泵浦激光器,信号恢复时能正常工作。在此,我们反复强调检测信号功率,而不是包含噪声功率的总功率。这是因为分布式放大器存在自激辐射噪声,噪声水平随增益的提高而增大,如何在噪声背景下准确检测信号功率是一个技术难题,也是影响其应用的一个因素。我们的方法是在线路发送端采用定波长的光信号传输,拉曼放大器通过探测信号波长处两个不同固定带宽内的总功率,计算出实际的信号功率值。

  通过这种方法,消除了信号底部的噪声功率的影响,现场应用中,我们可以检测到-45dBm的弱小信号光功率。另一方面,可以同时探测信号底部ASE功率的水平,根据ASE功率的水平可以在线间接反映线路的拉曼增益值。  
  
  拉曼光纤放大器SDH线路上的现场应用  

  实际系统为佳木斯地区“同江-抚远”线路,是2.5G

  G.652光纤系统,要求无光中继传输200km,这段线路的温度低,光缆的损耗大,环境条件苛刻。

  图2中同江至抚远的实际光缆长度为203km,其中同江-抚远光缆线路损耗为53.4dB,抚远-同江光缆线路损耗为55.1dB。 

  本次现场应用采用前述的传输方案 

  现场测试内容包括两个方向的光缆实际衰耗、发送端和接收端各点的光功率、拉曼光纤放大器的实际增益、光接收机的灵敏度、系统极限接收灵敏度、短期和长期误码率、应用前后线路的稳定性等。实际测试结果如表2和表3所示。  经过24小时误码测试后。 

  对比表2和表3的测试数据,可以发现线路光功率及拉曼增益非常稳定。 

  根据现场测试数据,可以得出利用拉曼放大器后系统的功率余量为:同江至抚远线路为(-34.7)-(-42.2)=7.5dB;抚远至同江为(-36.8)-(44.4)=7.6dB。这样,即使光盘寿命终了时接收灵敏度会下降到-32dBm(V-16.2)和-28dBm(Le-16.2),线路的功率余量仍然大于3dB。可见线路长期工作有足够的设计余量保证,拉曼光纤放大器可以用于解决长跨距SDH线路的传输问题。
 
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