非线性光环镜在电力通信中的应用思考

施 瑾， 徐志强， 钱 胜

（1.浙江省电力设计院，杭州 310012；2.浙江电力调度运行技术中心，杭州 310008；3.杭州电子科技大学通信工程学院，杭州 310018）

电力信息化

非线性光环镜在电力通信中的应用思考

施 瑾1， 徐志强2， 钱 胜3

（1.浙江省电力设计院，杭州 310012；2.浙江电力调度运行技术中心，杭州 310008；3.杭州电子科技大学通信工程学院，杭州 310018）

因为具有独特的优点，非线性光环镜（NOLM）是光通信系统中非常重要的器件。本文阐述了非线性光环镜的基本原理，主要介绍了应用NOLM作为光判决单元、全光2R中继器以及脉冲整形器等在电力高速光通信系统中潜在的应用，分别研究了它们的原理、特点及发展状况。

非线性光纤环镜；光传输系统；中继器

0 引言

目前电网构架已形成相当规模，对电网管理的自动化水平的要求不断提高，大量涉及电力生产、运行、管理的各种信息需要稳定、可靠、迅速地进行传输，这无疑是对电力系统通信提出更高要求。随着信息化时代的到来，电力通信服务的对象不再局限于电力调度，电力系统通信需要提供多种业务的服务，包括通信、远动、继电保护、办公自动化等，这就要求电力系统通信网络稳定可靠和具有高效率[1]。光纤通信以其传输频带宽、通信容量大、衰减小、抗电磁干扰和传输质量高的特点，在电力系统中有着广泛的应用。但光纤通信系统因各种噪声、码间干扰、光发送机激光器图案效应以及电力系统早期敷设光纤较大的偏振模色散特性等各种因素产生的脉冲畸变及抖动，降低了系统的传输性能，限制了系统的传输容量。

为了抑制抖动和噪声对系统性能的影响，提出了多种方案，例如应用光域（或者电域）锁相环、平滑相位泄漏技术、滤波技术等。但是噪声和定时抖动产生的因素比较复杂，上述抑制方法都有其局限性[2]。非线性光纤环镜 （Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM）具有结构简单、响应速度快、成本低廉、易于实现等优点，在光通信系统中光脉冲整形和产生、全光信号处理、信道解复用和参量放大等领域有着巨大的潜在应用价值[3-9]，因而得到了广泛的重视。

本文探讨将NOLM应用于电力系统光传输系统中，研究利用NOLM强度滤波特性提高光通信系统的传输性能，并进一步探讨其在电力系统光通信中的潜在应用。

1 NOLM基本工作原理

NOLM的基本结构如图1所示，包括一个光纤耦合器和与耦合器的两臂相连形成闭环的一段光纤。通常NOLM采用功率耦合比为50/50的平衡干涉结构，信号脉冲输入光功率（Pin）输入后分成沿相反方向传输的两束光，沿环路传输完后具有相同的相移，这两个信号分量在耦合器中进行干涉，全部反射回输入端口，这时NOLM结构相当于一个反射镜，所以被称为非线性光纤环镜。若打破其平衡结构，光纤环在高功率和低功率下将表现出不同的特性，这些特性使许多复杂的全光信号处理功能的简单实现成为可能。

图1 非线性光纤环境基本结构

2 在电力通信系统中的应用

2.1 光接收机光域判决单元

为了将NOLM应用于电力通信光接收机中，构建非线性光判决单元，如图2虚线框中所示。该装置由光放大器 （也可以是光接收机的前置放大器），一段正常色散光纤 （Normal Dispersion Fiber,NDF），以及非平衡NOLM构成。将该单元置于传统的归零信号（Return to Zero,RZ）开关键控（On-off Keying，OOK）的高速光通信系统接收机前，将有效改善接收到的信号质量。其工作原理是：接收的光脉冲由于各种因素影响产生脉冲畸变和定时抖动，经接收机前置放大器放大后，在NDF传输的过程中，由于群速度色散和非线性Kerr效应的影响，脉冲的时域波形将被展宽，再经过NDF后，脉冲中心部分将变得相对平坦，接下来信号经过非平衡NOLM，产生强度滤波作用，使得较小的干扰和脉冲的拖尾得到抑制，整个装置类似于一个波形转换器。若NDF段脉冲展宽在可控范围之内，则整个装置将有效降低定时偏差对系统性能的影响，降低系统误码率，有效提升接收机的性能。图2为应用NOLM作为光判决单元的光通信系统的示意图。该系统为电力系统常见的级联掺铒光纤放大器（EDFA）的光传输系统，每传输段由G.652光纤和色散补偿光纤（DCF）构成，利用EDFA补偿光功率损耗。

图2 光判决单元示意

为了探讨其对光通信系统性能的改善作用，采用数值仿真研究方法，利用Q值法判定系统的传输性能，对系统传输速率40 Gbps、普通单模光纤长度100 km、色散补偿光纤20 km光传输系统的抖动均方值假定为0.1UI，占空比为0.5时仿真得到眼图如图3所示，仿真中仅考虑随机性抖动，并假定其服从高斯分布，因为研究NOLM对抖动引起系统性能下降的抑制作用，因此这种假设应该是合理的。其中图3（a）为没有应用非线性光判决单元时输出眼图，图3（b）为应用非线性光判决单元后输出眼图。可以发现，系统定时抖动和噪声使得眼图张开度减小，系统性能下降。在接收端应用非线性光判决单元将降低信号判决时刻对定时抖动的敏感性，能有效抑制放大器噪声和抖动等因素引起的对信号波形的微扰，使得眼图张开度增加，从而改善了接收机性能。将这种装置应用于电力系统光通信系统中，能够以较小的代价获得系统传输性能的提升。

图3 系统眼图

2.2 全光2R中继器

早期电力系统光传输利用的是电域中继器，其最大的优点是依靠成熟的技术，可以实现定时提取（Retiming），整形（Reshaping），再生（Regeneration），即3R中继。这种3R中继消除了噪声的累积，进行长距离传输不至于严重恶化系统性能。但是这种电域中继将带来“电子瓶颈”效应，无法充分利用光通信巨大带宽优势[6]。全光网络是光通信发展的必然趋势，在所有全光信号处理技术中，全光中继作为一种恢复光信号的质量的方法被认为是未来全光通信系统的一种关键技术，虽然通常需要3R中继，但是在大多数情况下考虑到简单和成本效益2R（放大、整形）中继也具有非常大的吸引力。

全光2R中继器核心组件是一个非线性光逻辑门，在光域执行判决功能。光逻辑门通常利用半导体和光纤非线性现象来实现。基于半导体的设备利用半导体光放大器饱和吸收效应或者电吸收调制器中的交叉增益/吸收/相位调制实现，工作速率主要受限于载流子寿命。在高速传输情形下慢的载流子恢复时间将导致不能容忍的码型效应，它将恶化恢复信号的质量，在信号再生中是一个非常严重的问题。另一方面，基于光纤的设备，包括利用非线性干涉法的非线性光纤环镜，工作速率决定于非常快的光纤非线性效应，可以提供的响应时间在飞秒数量级。基于 光纤的设备与半导体设备相比在尺寸上相对较大，但是最近随着高非线性光纤的发展已经得到了很大的改善。高非线性光纤可以使得在很短光纤上相对较低的光功率实现同样的功能。基于光纤的再生器由于其具有简单，高速的特点在未来全光网络中具有非常大的吸引力。

一个基于损耗和增益非平衡的NOLM如图4所示，NOLM结构中包含了一个前置放大器，在实用中前置放大可以通过置于NOLM前的在线放大器的线性增益获得。在如图4所示装置中，输入信号被50∶50耦合器分成两部分，在光纤环中相向传输，由于环路衰减器或者放大器的存在，两个信号具有不同的功率值，在相互产生干涉前光纤非线性克尔效应将产生不同相移，这种干涉导致了依赖信号功率的幅度传输函数 （强度滤波）。NOLM实现脉冲再生功能的原理如下：利用NOLM有效的饱和吸收作用将低强度的噪声和色散波从高功率脉冲中滤除，这将恢复脉冲的幅度和波形。同样，让NOLM入射功率稍大于透射率随入射功率变化曲线的峰值功率，也能起到稳定输入信号功率的波动的作用。在RZ-OOK系统中，“0”比特时隙中噪声和辐射波和“1”比特时隙中脉冲幅度的波动都被NOLM所抑制，信号波形得到放大，起到了再生，整形的2R中继功能。但是NOLM对脉冲定时信息不敏感，不能抑制系统的定时抖动，这个不足通过在接收端增加基于NOLM的光判决单元或者在线路中增加滤波器来加以克服。

图4 基于增益/损耗非平衡NOLM的光中继器示意图

S.Bascolo等研究显示[6]，在速率为40 Gbps，采用EDFA作为在线放大的RZ-OOK系统中，若没有采用基于NOLM的2R中继，则系统传输约3 900 km后系统Q因子（可用来导出系统误比特率，反映系统的传输性能，Q值越大，误码率越小）就已经小于6，而采用基于NOLM的2R中继，传输了40 000 km系统Q因子还约等于10。Chi Nan等人的研究[9]也表明，应用基于色散非平衡的NOLM作为2R中继，可以有效地提高光接收机灵敏度。

2.3 脉冲整形

光纤中传输的光脉冲通常都伴随有很宽的基座，随着电力通信系统传输速率的增加，单波长速率已达40 Gbps，这对于传输信号的脉宽有了更高要求。由于NOLM的强度滤波特性，可以将其设计成通过强度高的脉冲中心部分而阻塞强度低的基座部分以除去脉冲的基座[2]。此外，NOLM也可以用于扼制短脉冲演化过程中所产生的低强度的高阶色散波和拉曼散射波。同时，对于应用EDFA而产生的自发辐射噪声引起脉冲功率的起伏也有相应的抑制作用。用NOLM对脉冲整形具有结构简单、成本低廉的优点，广泛应用于电力通信系统的低端光信号处理领域。

3 结语

NOLM是目前也是将来很长一段时间内光纤通信系统中非常具有实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型的光电子器件，而且由于这些器件具有强度滤波等优良性能而使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。对NOLM的研究和开发正渗透到光纤通信系统每个角落甚至光学测量[10]、光传感[11]等领域。展望将来，具有低成本和快速响应特点的NOLM在电力系统光通信中将扮演重要的角色。

[1]吴姝俐.SDH传输体系在电力通信系统中的应用 [J].青海电力，2008，27（4）：45-48.

[2]钱胜，祁永敏，王天枢，等.非线性光环镜在光通信系统中的新应用[J].光纤通信技术，2009，33（5）：34-37.

[3]Doran N J,Wood D.Nonlinear Optical Loop Mirror[J]. Optics Letters,1988，13（1）∶56-58.

[4]阿格瓦.非线性光纤光学原理及应用[M].贾东方，余震虹等译.北京：电子工业出版社，2002.

[5]沈晓强.光纤偏振模色散 [D].南京：南京邮电大学，2003.

[6]Sonia Boscolo,Sergei K T,Keith J B.Nonlinear loop mirror-based all-opticalsignal processing in fiber-optic communications[J].Optics Fiber Technology，2008，13（4）∶299-316.

[7]Pottiez O,Ibarra-Escamilla B,Kuzin E A.Large amplitude noise reduction in ultra short pulse trains using a power-symmetric nonlinear opticalloop mirror[J].Optics &Laser Technology，2009，41（4）∶384-391.

[8]张宝富,万谦,葛海波.宽带光网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社,2002.

[9]CHI Nan，XU Lin，Oxenlowe Leif，et al.2R regenerator based on high non-linear dispersion-imbalanced loop mirror[J].Optics Communications，2002，206（6）∶295-300.

[10]Ibarra-Escamilla B,Kuzin E A,Gutierrez-Zainos F,et al. Measurement of beat length in short low-birefringence fibers using the fiber optical loop mirror[J].Optics Communications，2003，217（6）∶211-219.

[11]Frazao O,Correia C,Baptista J M,et al.Ring fibre laser with interferometer based in long period grating for sensing applications[J].Optics Communications，2008，281（22）∶5601-5604.

（本文编辑：杨 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，工程师，从事电力系统通信设计工作。