[科普中国]-无中继光纤链路

关键技术简介

光信号在光纤中传输由于光纤对光能量的吸收、色散、辐射的损耗，使得光纤内传输的光功率随传输距离的增加而衰减。为保证接收机接收到信号的误码率在特定范围之内，在长跨距传输中需加光发大器对功率进行放大。对于现在普遍使用的G652光纤还需考虑其色散损耗的问题，在长跨距传输系统中加入色散补偿模块。因此光放大技术、色散补偿和高灵敏度的接收机成为解决长跨距无中继传输的关键技术2。

光放大技术基本的放大技术包括功率放大器(BA)、前置放大器(PA)、线路放大器(LA)等·功率放大器(BA)一般安装在光发射机的输出端，用于提高发射机的输出功率，前置放大器(PA)通常安装在接收机的前面来增大接收机的灵敏度，线路放大器(LA)安装在线路中间用于中继放大光信号。目前常用的放大器有掺饵光纤放大器(EDFA)、光纤拉曼放大器(FRA)。

1、掺饵光纤放大器(EDFA)

EDFA中的饵元素的辐射光谱在1550nm的窗口处，因而EDFA工作波长为z550nm，工作范围在1530nm到1560nm。EDFA具有高增益、低噪声、输出功率高、串话小、对温度偏振不敏感、祸合效率高、易与传输光纤祸合连接、损耗低、不易自激、对信号速率和格式透明，并具有几十纳米的放大带宽等优点。实现了对一根光纤中传输的多路光信号的同时放大，在WDM系统中成功应用，极大地增加了光纤传输系统的信息容量。

EDFA噪声低，因而可以用作光接收机的前置放大器以提高接收灵敏度，也可作光发射机的功率放大器。作为功率放大器EDFA一BA时能使激光器的发送功率从0dBm提高到10dBm，提升输出功率从而可将通信传输距离延长10一20km。EDFA在光纤通信系统中一个重要应用就是作为线路放大器，置于链路内部，用来补偿传输损耗，延长线路长度。置于接收机之前做前置放大器EDFA一PA时增益为25dB，对于高速率长跨距的传输系统，由于对光信噪比要求比较高，一般采用高功率的信号转发EDFA(RT-EDFA)作为功放，RT-EDFA通过专门的光信号转发和光放大技术，将光端机输出的光信号接收、再生、放大，然后通过高色散容限的光发射机转发输出，延长设备的传输距离。为了消除高功率带来的SBS对系统的影响，RT-ED队采用直调方式，其输出功率可达19dBm，输入功率动态范围大，在-17dBm~-3dBm之间，性能稳定可靠。

2、光纤拉曼放大器(FRA)

根据增益介质的不同，FRA可分为两种类型:分布式拉曼放大器(DRA)和分立式拉曼放大器(DCRA)。由于DRA利用普通传输光纤(如标准单模光纤SSFM、色散位移光纤DSF和非零色散位移光纤NZDSF等)作为增益介质，因而结构简单、更新换代方便，加之DRA本身固有的增益谱灵活、OSNR高和非线性低的特点，成为FRA应用的主流。分布式拉曼放大器(DRA)按照泵浦与信号传播方向关系可以分为同向(前向)泵浦和反向(后向)泵浦。同向泵浦一般放在发射机或功率放大器的后面，相当于功放，使信号延传输光纤逐步放大，从而可以降低信号的入纤功率，减小非线性的影响。反向泵浦的拉曼放大器一般置于传输光纤的末端，前置放大器的前端，功能相当于PA，前向Raman增益大于16dB，后向泵浦拉曼增益20dB。

较之于EDFA，FRA噪声系数小、具有较宽的增益范围(可达100nm)，且可以改变其位置和范围等优点，但其缺点是泵浦效率低、需要大功率的泵浦源、对偏振敏感、增益平坦度不易控制。现在更倾向于把两者结合起来，利用EDFA的高增益和FRA的低噪声特性形成混合的拉曼FRA+EDFA一队放大系统，以延长系统的最大传输距离。

3、遥泵放大器(RoPA)

长跨距无中继光纤通信系统中，为了进一步延长传输距离，可在光纤链路中间部分对光信号进行预先放大。在传输光纤的适当位置熔入一段掺饵光纤，并从单段长跨距传输系统的端站(发射端或接收端)发送一个高功率泵浦光，经过光纤传输和合波器后注入饵纤并激励饵离子。信号光在饵纤内部获得放大，并可显著提高传输光纤的输出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介质(饵纤)不在同一个位置，因此称为“遥泵(RemotePump)”。遥泵在光缆线路中插入饵纤作为增益介质，这些点不需要供电设施，也无需维护，适合沙漠、高原、湖泊、海峡等地形复杂的环境。根据传输距离的需要，给定饵纤在线路中的长度和位置，调整泵浦激光器的功率，得到预期的放大增益值。

色散补偿技术光纤通信系统中色散引起数字信号脉冲展宽，产生码间干扰，使得系统误比特率提高，限制了信号在光纤中的无中继传输的距离，因而实现高速率长跨距无中继传输必须进行色散补偿。本文对系统的色散补偿技术采用的是惆啾光纤光栅(CDBG)，它在1550nm波长处具有和单模光纤符号相反的色散，达到了补偿模块的目的。并且，惆啾光栅具有较高的品质因子，插入损耗低，非线性小，体积小重量轻，可以滤除EDFA的自发辐射噪声，易于实现动态的色散补偿，本章系统设备配置选用色散补偿模块采用CDBG技术。

接收机接收机灵敏度是描述其准确监测光信号能力的一种性能指标，对数字接收机，其灵敏度定义为:在保证误码概率不大于10^-9条件下，接收机最小的接收功率。

目前常用的光信号有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。PIN光电二极管工作偏压低，使用容易，但没有内部增益，因此对接收机灵敏度要求高的系统，应选用APD雪崩光电二极管。APD作接收器件时，具有更高的灵敏度但输入信号功率若超过一定值会导致饱和甚至损坏，所以通常用于长跨距传输。

前向纠错技术纠错编码是超长距离传输中增加系统余量的一项有效的关键技术，它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由噪声引起的误码，以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输。前向纠错编码(FEC)技术是目前高速光通信系统中运用最多的纠错编码方式。它是指信号在被传输之前预先对其进行一定的格式处理，在接收端则按规定的算法进行解码并检错纠错。

FEC属于差错控制编码中的信道编码，在高速光传输网络系统中的应用方式可分为带内编码FEC(In-band FEC)和带外编码FEC(Out-of-band FEC)。

带内FEC方案是ITU一T在2000年10月通过的G707建议中提出的。所谓带内，是指将FEC的冗余监督位置于SONET/SDH原有帧格式开销中的未定义位上，无须增加额外的带宽，利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的监督码元。带内FEc的优点是不用改变soNET/sDH的帧格式、无须提高线路速率，但其纠错能力非常有限，可以提高系统性能3~4dB。ITU一T在2001年制定的G.707标准中便提出了适合DWDM光传输网(OTN)2.5、10、40Gb/S速率的带外FEC方案，所谓带外，是指FEC为了实现纠错所增加的冗余校验位不是像带内FEC那样插入原有帧格式的空闲位中，而是附加在数据帧之后，需要增加额外的带宽，即使用带外FEC后线路速率会提高。带外FEC由于增加了线路速率，具有较高的纠错能力，可以灵活地选择纠错容限以满足系统的需要。带外FEC采用RS编解码，编码增益高于带内FEC，使用带外FEC时系统总体性能改善能够达到约7~9dB，因此超长距离系统均采用带外FEC编码。

典型信道速率无中继光纤传输系统16×2.5(Gbit/s)的无中继传输系统图为16×2.5(Gbit/s)的无中继传输系统实验。

该实验利用低损耗(约0.175dB/km)的单一纯硅光纤(PSCF)作为信息载体，2个遥泵光放大器(ROPA)分别在距发射端50km和接收端100km处对被衰减的信号进行放大，2个ROPA均采用双向泵浦结构，同时为了提供较高的泵浦功率，发射端ROPA的反向泵源利用了喇曼放大(大功率的1319nm Nd:YAG激光器对1480nm的泵源提供喇曼增益)。收发机(RX/TX)中采用了前向纠错(FEC)编译码技术，同时为了提高接收灵敏度，系统采用雪崩光电二极管(APD)接收机。对于2.5Gbit/s长跨距无中继系统来说，最主要的传输物理受限因素为光纤的损耗，故该系统主要采用了利用喇曼放大的ROPA。

16×10(Gbit/s)的无中继传输系统图为16×10(Gbit/s)的无中继传输系统实验。针对图1中为了给ROPA提供远程泵浦光源，系统采用了显然不符合经济性原则的额外光纤的问题，本系统通过传输光纤给掺铒光纤(EDF)提供泵浦光源，同时通过在链路始末端利用大有效面积光纤降低较大泵浦和信号功率下由非线性效应引起的传输性能的恶化。此外，为了最大限度地降低信号衰减的影响，这里采用了双向喇曼泵浦结构(反向为二阶泵浦方式，1360nm对1480nm提供额外喇曼增益)。由于归零差分相移键控(RZ-DPSK)与常规的开关键控(OOK)码型相比，具有高的接收灵敏度和非线性容忍度，系统采用了该新型调制码型。由于该系统的传输距离更长，信道速率也有所增加，故综合采用了EFEC、大有效面积的传输光纤、高效的调制码型、ROPA和喇曼放大的双向泵浦形式。这一系统是目前在10Gbit/s信道速率下所实现的最长无中继传输距离的系统。

25×40(Gbit/s)的无中继传输系统图为25×4(Gbit/s)(总传输容量达到Tbit)的无中继传输系统实验。由于在40Gbit/s系统中PMD的影响非常明显，因此系统采用了低PDM系数的正色散光纤(PDF)。同时为了抑制色散和非线性效应的综合影响，采用了大有效面积的正色散光纤(EE-PDF，22ps/(nmkm))和信号带宽内呈现负色散的非零色散位移光纤(NZ-DSF)共同组成传输链路。该系统在未采用FEC技术的条件下，信道最小Q值为15.6dB。若进一步优化链路色散，并采用EFEC技术，则系统传输距离可进一步提高1。