基于G.652 光纤的超长跨距无中继全光通信系统设计

江尚军，吴锦虹，罗青松

(中国电子科技集团公司第34 研究所，广西桂林 541004)

0 引 言

长跨距无中继全光通信系统采用无中继传输技术体制，整个传输线路部分不需要中继供电，具有可靠性高、开通迅速、维护方便等突出特点，特别适用于海底、荒漠、高原和戈壁等一些不易建中继站的长途光缆通信场合。据公开文献报道，国外长跨距无中继传输系统普遍采用G. 654 低损耗大芯径光纤实现，2.5 Gbit/s 单通道系统最长跨距记录为529 km［1，2］。“G.654光纤制造工艺复杂，国内尚不具备该类光纤的生产能力，如何基于国产常规G.652光纤实现长跨距无中继传输，成为了许多国内光通信厂商及科研院所关注的焦点，并在我国长距离电力通信专用网络中取得逐步应用［3～5］。”为了在现有的技术基础上实现传输跨距的进一步延伸，进行了基于G.652 光纤的超长跨距无中继全光通信系统设计，并搭建试验系统进行了实际验证。

1 G.652 光纤超长跨距无中继传输系统特点

相比G.654 光纤，采用G.652 光纤的超长跨距无中继传输系统更容易遭受光纤损耗和非线性效应的影响，实现起来技术难度更大，主要体现在三个方面。

(1)链路总体传输损耗大:G.652 光纤衰减系数(1550 nm 波长窗口典型值为0.20 dB/km)比G.654光纤(1550 nm 波长窗口典型值为0.17 dB/km)大，传输同样距离积累的链路损耗高(如450 km 系统的总体链路损耗在90 dB 以上)，增加了系统光功率预算量。

(2)光纤非线性效应明显:G.652 光纤有效面积(典型值83 μm2)比G.654 光纤小(典型值100 μm2)，信号光和泵浦光在光纤中传输时能量更集中，容易产生受激布里渊散射(SBS)等非线性效应，导致光纤可注入的有效光功率减少。

(3)损耗、色散、非线性交互问题突出:采用G.652 光纤的超长跨距无中继全光通信系统，是一个光纤损耗、色散和非线性综合受限的系统，设计时不仅要考虑损耗、色散和非线性对系统传输特性的影响，还要综合考虑三者联合作用对光脉冲演化的重要影响，进而确定系统总体设计方案。

因此，对于基于G.652 光纤的超长跨距无中继全光通信系统，需根据G.652 光纤指标参数，进行总体结构和各组成单元优化设计，从技术体制上解决系统传输损耗、色散和非线性综合受限问题。

2 G.652 光纤超长跨距无中继传输系统组成

超长跨距无中继全光通信系统由光传输设备和光传输线路两部分组成，具体如图1 所示。其中，光传输设备主要由超强前向纠错单元、EDFA 光功率放大器、EDFA 光前置放大器、遥泵层叠泵浦、拉曼光放泵浦和动态色散管理滤波单元等部分组成;光传输线路由功放/前放增益模块和G.652 传输光纤组成。

图1 G.652 光纤超长跨距无中继传输系统组成

系统各组成单元主要功能是:①超强前向纠错单元在输入信号中添加开销信息，在接收端纠正传输过程中产生的误码，改善和优化光通信链路传输质量;②EDFA 光功率放大器在发射端最大限度地提升进入G.652 光纤线路的信号光功率，EDFA 光前置放大器在接收端提升光接收机的灵敏度;③遥泵层叠泵浦将大功率泵浦光传输到远端增益模块，使远端增益模块获得泵浦能量，实现对信号光的远程遥泵放大;④拉曼光放泵浦利用G.652 传输光纤作为增益介质，对信号光进行分布式低噪声放大;⑤动态色散管理滤波单元降低系统色散功率代价，滤除系统累积噪声，改善提高信号接收灵敏度;⑥功放/前放增益模块放置遥泵增益介质，其中没有任何有源器件;⑦G.652 传输光纤提供稳定、可靠的信号传输通道。

3 G.652 光纤超长跨距无中继传输系统设计

限制G.652 光纤超长跨距无中继全光通信系统的因素有很多，损耗、色散和光信噪比是决定系统传输距离的主要因素。经过多年的研究开发，并通过多次试验和工程应用，针对这些限制因素采用相应的技术手段得以解决。

3.1 损耗受限设计

信号光在G.652 光纤中传播时，由于光纤衰耗特性的存在，会导致功率逐渐减弱，当信号光功率减弱到一定程度时，接收端将不能从噪声中检测出信号。对于超长跨距无中继全光通信系统，由于传输线路由三段级联的光纤链路共同组成，整体损耗受限距离宜采用分段计算。超长跨距无中继全光通信系统的损耗受限传输距离分析模型如图2 所示，由于在L1光纤段、L3光纤段既有泵浦链路，又有信号链路，损耗受限传输距离同时受到泵浦光和信号光两方面的制约，实际设计时只能取两者之间的最小值。

图2 超长跨距无中继传输系统损耗受限传输距离分析模型

根据图2 所示的损耗受限传输距离分析模型，参照YD 5095-2010 规定的最坏值计算法［6］，超长跨距无中继全光通信系统最终损耗受限传输距离为

上述公式中，Pt为EDFA 光功率放大器输出光功率;Pr1为功放增益模块最小接收光功率;Pt1为功放增益模块输出光功率;Pr2为前放增益模块最小接收光功率;Pt2为前放增益模块输出光功率;Pr为EDFA 光前置放大器最小接收光功率;PSFEC为超强前向纠错编码增益;PRaman为拉曼光放开关增益;Pp为光通道功率代价;∑Ac为各光纤段活动连接器损耗之和;Mc为各光纤段线路富余量;αf为G.652 光纤衰减常数;αs为光纤固定熔接接头平均损耗。由计算公式可知:损耗受限距离主要与系统可用光功率和光纤衰减系数有关，在光纤衰减系数固定的情况下，系统可用光功率决定着无中继传输距离。采用EDFA 光放大+遥泵光放大+拉曼光放大综合手段来提升系统可用光功率，以弥补信号传输时光纤衰减带来的损耗，各项具体措施实现效果如下:

(1)在发射端配置EDFA 光放大器，可将光信号入纤功率由终端设备发出的0 dBm 左右提升至17 dBm 以上，如在此基础上采用射频信号调制相位调制器改变信号功率谱密度来提高SBS 功率门限，发射端入纤功率可进一步提升至22 dBm。

(2)在接收端配置反向分布式拉曼光放大器，通过采用包层泵浦、级联谐振腔技术，合理配置拉曼泵浦波长和功率，解决拉曼增益斜率控制问题，实现弱信号低噪声放大，获得了20 dB 以上的开关增益。

(3)在链路中间配置遥泵光放大器，采用1390 nm+1480 nm 层叠泵浦传输和光纤拉曼频移技术，提高泵浦注入功率，延长了遥泵作用距离。

(4)根据理论分析结合试验数据来优化混合光放大链路结构，确保了系统总体功率预算值超过110 dB。

3.2 色散受限设计

由于信号光存在一定的谱线宽度，信号光的不同频率成分在G.652 光纤中传播速度不同，从而产生色散效应，造成长途传输后的信号脉冲展宽。色散引起的脉冲展宽会使得脉冲的部分能量逸出到比特时间以外形成码间干扰，导致比特时间内光脉冲的能量减少造成接收功率下降。色散受限中继段距离可采用下式估算

式中，DSR为S 和R 点之间允许的最大色散值;Dm为传输光纤工作波长范围内的最大色散系数(G.652光纤在1550 nm 波长窗口典型值为20 ps/(nm·km))。在设计中，采用外调制激光器，色散容限达12800 ps/nm，系统理论上的色散限制距离为640 km。

同时，根据ITU-T G.957 建议规定的光纤通信系统2 dB 功率代价值，超长跨距无中继传输系统设计还应考虑色散功率代价指标要求，其总体色散功率代价应不超过2 dB。色散功率代价和光源谱宽、传输速率、传输距离等因素相关，并可由下式计算

图3 啁啾光纤光栅动态色散补偿技术原理

3.3 光信噪比受限设计

光信噪比定义为光信号功率与光噪声功率之比。光放大器在对光信号进行放大的同时，会产生自发辐射放大(ASE)噪声。超长跨距无中继传输系统光纤线路很长，导致信号衰减非常严重，经过多级放大器放大后，ASE 噪声可能会同信号能量相当，造成接收端无法正确辨别信号，即所谓的光信噪比受限。

在ITU-T 建议G.692 中，对于EDFA 光放大器级联系统，接收端光信噪比可近似表达为

式中，Pout是发射端入纤功率;L 是放大器间的光纤段损耗;NF 是放大器的噪声指数;N 是链路中的光纤段数;h 为普朗克常量，ν 为信号光频率，Δνo为光谱带宽，对于1550 nm 的信号光，在0.1 nm 光谱带宽下，10lg(hvΔνo)= －58 dBm。显然，式(7)只适用于各放大器间光纤段衰减相同，且放大器增益正好补偿中继段衰减的特殊情况。对于超长跨距无中继全光通信系统，各光纤段的衰减不同，放大器增益也不是正好补偿光纤段衰减，并且各个放大器的参数也不同，接收端光信噪比应采用如下公式计算［7］

式中，Pin为信号输入功率;Fsys为系统噪声指数，计算公式为

式中，Fj为第j 站放大器的噪声指数;Lj为第j 站光纤对信号的衰减值;Δμ =GjLj为第j 站放大器增益与光纤衰减值的乘积。从上述信噪比计算公式可以看出，想要改善提高接收端光信噪比，必须提升入纤光功率、降低系统噪声指数，主要措施有两项。

(1)对信号光源施加低频扰动(如对信号光源作附加调制或对外调制器作附加调相)，增大入射光的谱宽以提高SBS 门限功率，使得光放大器高输出功率能够有效地注入G.652 光纤。但是，信号谱宽的增大显然会加剧色散受限的影响，这就需要在色散和非线性因素之间进行折衷权衡。

(2)优化系统中各放大器增益和噪声特性，改善光纤中的非线性效应引起的噪声因素，如:采用多级泵浦结构、选用NF 优化的铒纤及合理设计铒纤长度来降低EDFA 光放大器噪声指数，并获取较高信号增益;在光放大器中设置带通滤波器滤除掉信号光周边的一些噪声。

除了改善接收端光信噪比使其达到系统可接受的范围，降低系统信噪比门限也是解决超长跨距无中继传输系统信噪比受限问题的主要措施。目前降低系统信噪比门限比较成熟实用的方法是采用前向纠错编码(FEC)技术，即在发送端信号中加入冗余信息，在接收端根据信号的冗余性采用一定的算法发现并剔除传输过程中产生的错误。根据采用的编码方式不同，其纠错能力也不尽相同，所能降低光信噪比门限的能力也随之不同。如常见的RS(255，239)编码，其编码增益典型值在5 dB 左右(2.5 Gbit/s 速率)。针对超长跨距无中继传输系统，需要纠错能力更强的FEC 技术进一步提高编码增益，更大程度地降低系统光信噪比要求。根据现有高速集成电路的复杂性和工艺水平，RS+BCH 级联超强前向纠错编码方案是个较好的选择，其技术原理如图4 所示。

图4 级联编码超强前向纠错技术原理

编码时，用户数据首先进入RS 编码器进行第一级编码，编码后的数据称为外码;外码接着进行交织并进入第二级BCH 编码器编码，最后得到的完整编码数据称为内码。解码过程与编码过程相反，不同之处在最后的解码迭代过程，它可对接收到的信号进行反复解码，从而能够以普通FEC 编码冗余度来获得更高的编码增益。

选用ITU-T 建议G.975.1 中规定的RS(1023，1007)+BCH(2047，1952)级联编码方式［8］，编码冗余度为7%，编码增益约8 dB(2.5 Gbit/s 速率)，降低了线路中不良因素对系统性能的影响，增加了一定的系统富余量。

4 结 语

在超长跨距无中继全光通信系统设计过程中，综合应用高增益低噪声EDFA 光放大、远程遥泵光放大、分布式拉曼光放大、啁啾光纤光栅动态色散管理、RS+BCH 级联编码超强前向纠错等技术，克服了G.652 光纤传输损耗、色散和非线性限制因素，实现了提升系统可用光功率、降低系统色散功率代价、延长系统信噪比受限距离的总体目标，可为该类系统的规划和设计提供参考。并且，构建了基于国产G.652 光纤的470 km 无中继全光通信系统试验平台(传输链路损耗为94.2 dB)，对系统各节点光功率与信噪比、拉曼开关增益、超强前向纠错编码增益、系统工作稳定性和长期误码率等指标进行了全面测试，试验结果符合工程设计要求。目前，研制开发的G.652 光纤超长跨距无中继全光通信系统已经在多个光缆通信工程中获得实际应用。

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