2.5G 726 km与10G 681 km超长单跨距传输系统的设计与研究*

项 旻 ，朱一峰 ，隋 亮 ，黄 超 ，孙淑娟 ，龙 函

（1.武汉光迅科技股份有限公司，湖北 武汉 430074；2.中国南方电网超高压输电公司，广东 广州 510623；3.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

随着国家电网特高压项目的建设，换流站之间的传输距离将越来越远，对于穿越无人区、崇山峻岭、荒野沙漠的传输链路，中继站的建设和维护将十分困难，而解决这一问题的有效手段就是利用超长距无中继光传输技术跨过这些区域，由于无中继光传输链路中无有源设备，不需电力供应，因此维护方便，这不仅简化了传输方案，解决了中继站建设和维护的问题，而且还大大减少了系统建设和运维成本。因此，研究超长距无中继光传输技术对特高压工程的建设和发展显得尤为重要。

目前，电力通信系统主要应用的是2.5 Gb/s和10 Gb/s SDH（Synchronous Digital Hierarchy， 同 步数字体系）系统传输，Hansen P B等人利用双向遥泵技术实现了2.5 Gb/s速率529 km的传输[1]，2010年Chang D I等人在10 Gb/s调制速率下使用超低损大有效面积光纤和增强型遥泵技术实现了645 km的传输[2]。在更高速率和更大容量系统，对无中继传输技术的研究同样取得了很好成果[3-8]。

在光通信系统中，入纤光功率和传输距离有着密切的关系，提高入纤光功率可有效的增加传输距离，但由于光在光纤中单位有效面积的最大光功率是一定的，当超过最大阈值会产生非线性效应，严重影响系统通信。因此提高光纤单位有效面积的光功率阈值，将直接影响到传输距离的长短，而研究表明大有效面积光纤可以明显改善光功率阈值允许更大的入纤光功率，并且大有效面积光纤损耗更低，使其在超长距通信中有重要意义。目前G.654大有效面积光纤广泛应用于海底光缆，现在陆地上也有应用。和传输介质一样，传输技术对传输距离也有着重要的影响，与传统的传输技术相比，相干传输有着可以降低接收端对OSNR （Optical Signal Noise Ratio，光信噪比）的要求，提高接收机的灵敏度等优点，被越来越多的应用在通信传输系统中[9-11]。

本文首次将2.5 Gb/s PM-BPSK（Polarization Multiplexed Binary Phase Shift Keying，偏振复用的二进制相移键控）和10 Gb/s PM-QPSK （Polarizationmultiplexed Quadrature Phase Shift Keying，偏振复用正交相移键控）调制技术应用在无中继传输系统中，结合增强型遥泵放大器（Remote Optical Pump Amplifier，ROPA）[12-13]、相干传输技术和大有效面积光纤实现了2.5G 726 km（112 dB）和10G 681 km（105 dB）超长距无中继传输。

1 实验系统设计

在系统中，2.5G和10G均采用1550.12 nm波长传输，2.5 Gb/s信号使用PM-BPSK调制方式以及7%开销的硬判决前向纠错编码（Hard-Decision Forward Error Correction，HD-FEC）技术，使线路侧信号速率达到2.67Gb/s，2.5G HD-FEC技术可以将误码率（Bit Error Ratio，BER）从2.0E-03降低到1.0E-15；10 Gb/s信号使用PM-QPSK调制方式以及15%开销的HD-FEC技术，使线路侧信号速率达到11.5 Gb/s，10G HD-FEC技术可以将误码率从3.6E-03降低到1.0E-15。在系统发射端，信号光通过一个可调色散补 偿 模 块（Tunable Dispersion Compensation Module，DCM）进行精确色散补偿后进入掺铒光纤放大器（Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA）。为了抑制非线性效应的影响，2.5G和10G系统的预色散补偿量分别为-2750 ps/nm和-3250 ps/nm。同时为了减少自发辐射噪声（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）的影响，在发送端和接收端各配置一个带宽为100 GHz的滤波器。2.5G和10G传输系统框图如图1所示。

图1 2.5G与10G传输系统框图

实验所使用的传输光纤为长飞G.654大有效面积光纤，其平均色散量为19.8 ps/(nm·km)，有效面积达到125 μm2，随路遥泵的泵浦光和信号光共用一根光纤。传输链路被两个远程增益单元（Remote Gain Unit，RGU）分为3部分，对于2.5G传输系统，前后部分传输距离分别为120.5 km和175.3 km，中间部分传输距离为430.2 km，线路总跨距为726 km，损耗为112 dB（RGU的损耗不计算在内）；对于10G传输系统，前后部分传输距离分别为130.9 km和170.3 km，中间部分传输距离为374.8 km，线路总跨距为681 km，损耗为105 dB（RGU的损耗不计算在内），传输链路长度和损耗分别由OTDR及光谱仪（Optical Spectrum Analyzer，OSA）精确测量所得。

实验使用的拉曼泵浦激光器均采用了高阶拉曼放大技术。发送端和接收端的一阶拉曼泵浦模块由2个波长范围从1450 nm到1500 nm的波长组成，主要对信号光进行拉曼放大以及给RGU提供残留的泵浦光。随路泵浦源波长会向长波方向转移，这将会给信号波长提供更多的拉曼增益并减小相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）[2]，随路和旁路一阶泵浦源使用不同的泵浦波长，这样可以让所有泵浦单元的泵浦光耦合至RGU内，使信号光在RGU内达到更大增益，用于对一阶泵浦源的泵浦波长进行拉曼放大的高阶的泵浦源由4个波长组成，范围从1 300 nm到1 450 nm。

2 实验数据讨论

通过调整信号光入纤光功率、前后向随旁路泵浦功率使系统性能达到最佳，图2（a）展示了2.5G信号传输726 km和图2（b）展示了10G信号传输681 km模拟光功率变化曲线。我们将2.5G和10G系统信号光入纤光功率分别设置为-10.8 dBm和-4.5 dBm，发送端前向随路泵浦光功率分别设置为2 780 mW和2 330 mW，接收端后向随路遥泵的泵浦光功率均设置为2 670 mW，2.5G系统入纤光功率与前向随路泵浦功率比10G系统的高是由于2.5G传输系统有更高的非线性效应容限。由于旁路遥泵泵浦光功率在不产生非线性效应的情况下越大越好，因此对于2.5G和10G系统，前向旁路遥泵的泵浦光功率均设置为2 820 mW。前向RGU分别放置在2.5G和10G系统距离发送端120.5 km和130.9 km处，由于2.5G传输系统前向RGU信号光输出光功率达到14.7 dBm，10G系统14.7 dBm入光会产生严重的受激布里渊散射散射效应，所以对于10G系统，将第一段光纤长度增加10.4 km。随着第一段光纤长度增加，前向RGU信号光输出光功率减小为11.7 dBm。

图2 模拟的信号光功率分布曲线

对于2.5G系统，到达前向RGU的随路泵浦光功率为12.2 mW，旁路泵浦光功率分别为17.5 mW和18.2 mW；对于10G系统，到达前向RGU的随路泵浦光功率为5.5 mW，旁路泵浦光功率分别为11.4 mW和11.2 mW。由于RGU的增益效率是一样的，所以2.5G和10G传输系统前向RGU的增益分别为11.9 dB和15.4 dB。对于后向遥泵，由于传输光纤长度的一致，因此两个系统到达后向RGU的随路泵浦光功率均为1.99 mW，2个旁路泵浦光功率分别1.99 mW和2.07 mW，实验测得对于2.5G和10G传输系统，后向RGU的增益基本相同，分别为24.1 dB和23.8 dB。

接收端的光谱图如图3所示。对FEC客户侧使用BER分析仪进行纠后误码率测试，2.5G传输系统接收端OSNR为0.36 dB/0.1 nm，10G传输系统接收端OSNR为6.47 dB/0.1 nm。对2.5G和10G传输系统，平均纠前BER分别控制在1.1E-03和2.5E-03，24小时纠前BER稳定性如图4所示。我们也测试了2.5G和10G相干系统的背靠背传输性能，对于2.5G相干传输系统，背靠背OSNR可以达到-0.7 dB（纠前BER为2.0E-04），对于10G相干传输系统，背靠背OSNR为5.3 dB（纠前BER为3.6E-03）。

图3 接收端2.5G的信号光谱

图4 纠前误码率24小时稳定性测试结果

3 结 语

本文介绍了一种无中继超长距光传输系统方案，并对此方案进行了实验验证，实验结果表明通过结合2.5 Gb/s PM-BPSK调制技术和10 Gb/s PM-QPSK调制技术、增强型多旁路遥泵技术、相干传输技术和大有效面积光纤等技术，可将2.5G SDH信号传输至726 km（跨损112 dB），10G SDH信号传输至681 km（跨损105 dB）。根据所查文献可知，此长度是目前2.5G和10G SDH信号最远传输距离。