远程泵浦系统中增益单元放置位置的优化配置的研究

2011-12-05 16:14

　　摘要：本文从泵浦功率、信号入纤功率及光纤损耗系数出发，对远程泵浦系统中增益单元-RGU的放置位置进行了理论分析与实验研究，经过详细的理论分析，针对2.5Gbit/s的SDH系统，得到了某一泵浦功率与信号入纤功率情况下的光信噪比与RGU放置位置的关系，同时也得到了RGU的最佳放置位置与光纤损耗系数的关系。

1. 引言

　　十二五期间特高压电网作为智能电网建设的骨干网架，在电力系统中将发挥越来越重要的作用，而特高压电网具有覆盖范围广（多为跨区域电网）、传输距离长、输电容量大等特点，但其线路路径位置偏远，设置光中继站维护不便且成本较高，因此采用带有远程泵浦的超长站距光通信技术已成为跨大区电网联网的重要技术基础；伴随经济的飞跃发展，带动了城市群的兴起, 在长江三角洲、珠江三角洲、环渤海湾等地都出现相邻间隔不大于350公里的城市群，城市群内部相邻城市之间的通信目前对带宽的需求越来越高，因此这些地区正在成为远程泵浦无中继传输的一个新的应用热点区域；由于在一些沼泽、沙漠、森林等无人区，中继站建设、维护费用高，所以这些地区也是远程泵浦无中继传输潜在的应用领域。在所有应用远程泵浦的系统，都无法回避的一个应用问题是增益单元放置位置的选择问题。本文将从理论与实验两方面对增益单元的最佳放置位置进行研究。

2. 远程泵浦系统中OSNR的理论分析与实验研究

　　在光通信传输系统中，影响误码率的主要是两类因素，一是功率受限系统，一是光信噪比受限系统，由于EDFA在光传输系统中的成熟应用，光功率已不再是限制光通信传输距离的的主要因素，如果功率不够，通过放大器对信号放大，功率将不再受限，但是引入放大器的同时，也会引入噪声，放大器引入的越多，噪声积累也就越严重，OSNR劣化的也就会越严重，还有一种情况就是信号本身经过很大的衰减后再经过EDFA放大，由于此时信号本身的信噪比已经很小，经过放大器放大后，OSNR仍然会比较差，远程泵浦系统就属于此类型。远程泵浦系统原理图如图1所示：

远程泵浦系统的原理框图

图1 远程泵浦系统的原理框图

图中，Tx为信号发射模块，BA为功率放大器（Booster Amplifier），传输光纤1为远程增益单元（RGU-Remote Gain Unit）前面的传输光纤，传输光纤2为远程增益单元（RGU）后面的传输光纤，这部分光纤在同纤泵浦的远程泵浦系统中，既要传输信号，也要传输RGU需要的泵浦光，这部分光纤在传输泵浦光的过程中，会产生Raman增益，Raman & RPU模块是提供1480nm光的远程泵浦单元（RPU-Remote Pump Unit），PA为前置放大器（Pre-Amplifier）， Rx为系统的接收模块。

2.1 远程泵浦系统中OSNR理论分析

　　在光传输系统中，OSNR的计算主要是通过58公式实现的[1]，即：

　　1）

式中，output power是某信道入纤光功率，Loss为跨距损耗， NF为光放大器的噪声指数，N为跨段数目，这个公式主要适用于等跨距损耗的系统，对于非等跨距的系统，我们首先视N=1，然后分布来计算就可以了。对于远程泵浦的2.5Gbit/s的SDH系统，要想获得最佳的OSNR，根据式1）分析，要么信道的入纤功率比较高，要么光纤的损耗比较小，要么放大器的噪声指数比较低，或者跨段数目比较少。对于入纤光功率，由于SBS及自相位调制SPM的影响，入纤功率不能太高，对于有SBS抑制功能的发射模块，SPM受限功率一般要求小于23dBm，同时对于已经铺设好的线路，光纤的衰减也是无法改变的，因此要想改善系统的OSNR，最有可能的是降低放大器的噪声指数。对于远程泵浦系统，实际上可以把其看作两段不等损耗的跨距系统，在两段光纤中间，是作为线路放大器的远程增益单元RGU。

　　分析整个传输系统的OSNR，其实就是分析整个系统的噪声指数，根据噪声指数的定义，NF=OSNRin-OSNRout. 所以最终的

单位 dB

　　对于EDFA级联系统，等效噪声计算公式为

　　3）

其中所有参量均为线性单位。

　　为了分析方便，本文将整个系统分为两部分，RGU前面的功率放大器及光纤衰减看作一个整体放大器，增益为G1，噪声指数NF1；RGU及后面的光纤衰减、拉曼光纤放大器与前置放大器看作另一个放大器，增益为G2，噪声指数为NF2。为了理论分析方便，假定功率放大器的增益为GB，噪声指数为NFB；光纤的总的长度为L，总传输损耗为TdB；RGU的增益为G，噪声指数为NF，RGU之前的传输光纤长度为L1，传输损耗为T1dB； RGU之后的传输光纤长度为L2，传输损耗为T2 dB，在1480nm波段的传输损耗为T3 dB，RPU在光纤中产生的Raman增益为GR，等效噪声指数为NFR；PA的增益为G3，噪声指数为NF3.

　　对于无源的衰减器，其噪声指数等于本身衰减值。

　　4）

　　 5）

　　6）

　　 7）

　　所有对于整个传输系统而言，假定整体的噪声指数为NF’，则

　　8）

　　假如光纤在1550nm处的损耗系数为，单位dB/km，则

　　9）

　　10）

　　对于传输光纤而言，光纤的损耗系数与波长的四次方的倒数成正比[2]，所以，光纤在1480nm处的损耗系数将比1550nm处大0.02dB/km，因此远程泵浦光经过L2km的光纤传输后，到达RGU处的泵浦光将为P0-（+0.02）L2，单位dBm。

　　由于RGU的增益与噪声指数与进入RGU的泵浦功率密切相关，而泵浦功率又与光纤损耗及光纤长度密切相关，同时，整体的噪声指数与T1密切相关，因此，RGU与RPU有个最佳的距离，满足此距离将得到最佳的OSNR。

　　为了满足工程需要，我们需要对某些参数进行进一步的假定，假定传输总长度为400km，功率放大器的增益为22dB，噪声指数5dB，输出功率为22dBm，RPU泵浦输出功率为1W。

　　由于RGU在属于1480nm泵浦的小信号放大区，利用传统的数值计算方法计算RGU的增益与噪声指数误差非常大，所以本文采用黑盒模型[3]来计算RGU的增益与噪声指数，实验测得RGU增益与噪声指数与泵浦功率的关系曲线分别如图2、图3所示。

RGU增益与泵浦功率的关系曲线

图2 RGU增益与泵浦功率的关系曲线

　　由图2可以看出，RGU增益受泵浦功率影响较大，特别是在泵浦功率低于5dBm时，RGU主要表现为衰减。因此RGU位置如果放置不好，将大大影响系统性能。

RGU噪声指数与泵浦功率的关系曲线

图3 RGU噪声指数与泵浦功率的关系曲线

由图3可以看出，当泵浦功率低于6dBm时，RGU噪声指数将出现明显的恶化，结合图2、图3可以看出，泵浦功率在RGU系统中最好不要小于6dBm。

　　根据泵浦功率与RGU的增益与噪声指数的关系，本文进而求得最佳OSNR与光纤衰减的关系，如图4所示

远程泵浦系统中最佳OSNR与光纤衰减系数的关系

图4. 远程泵浦系统中最佳OSNR与光纤衰减系数的关系

从图4可以看出，随着光纤衰减系数的增大，最佳OSNR呈线性降低，当光纤衰减系数为0.21dB/km时，系统得到的最大OSNR为10dB，为增强型前向编码纠错2.5Gbit/s 的 SDH系统的最小OSNR容限为9.5dB（误码率10E-12）。如果光纤损耗系数继续增大，对于RPU 1W输出的400km的远程泵浦系统将不再适合。

　　本文还对RPU与RGU最佳距离与光纤衰减的关系进行了计算，其关系曲线如图5所示：

RPU与RGU最佳距离与光纤衰减的关系曲线

图5. RPU与RGU最佳距离与光纤衰减的关系曲线

从图5可以看出，随着光纤衰减值的不断增加，RPU与RGU之间的最佳距离逐渐缩小。对于电力系统的OPGW光纤光缆或实验室的光纤，其典型损耗系数大约为0.2dB/km，RPU与RGU之间的对应的最佳距离为101km。

　　另外本文还给出了光纤衰减最典型值0.20dB/km @1550nm情况下， RPU与RGU不同距离时的OSNR值，如图6所示：

系统OSNR随RPU & RGU之间距离的变化曲线

图6. 系统OSNR随RPU & RGU之间距离的变化曲线

@ 光纤损耗系数=0.2dB/km @ 1550nm

从图6可以看出，当光纤损耗系数为0.2dB/km时，RPU & RGU之间的最佳距离为101km，此时对应的OSNR为最大值13.96dB。

2.2 实验研究

　　按照图1所示远程泵浦原理图搭建实验系统，Tx为速率为2.xx Gbit/s带有SBS抑制功能的发射模块，其输出功率为0dBm，带有EFEC，其OSNR编码增益为8dB；BA输出功率为22dBm，增益为22dB，噪声指数5dB；光纤全长400km，光纤损耗系数为0.195dB/km@ 1550nm， RPU为输出功率1W、输出波长为1480nm的泵浦模块，此远程泵浦系统为同纤泵浦方式，在光纤中产生的Raman增益为20dB，等效噪声指数为-3dB， PA的增益为20dB，噪声指数为4.5dB。另外，实验采用300km色散补偿模块。误码仪采用Op-will 6200 10G误码分析仪

　　实验中，将RGU分别放置在距RPU为70km、75 km、80km、85km、90km、95km、100km、105km，得到的OSNR及误码率如表1所示：

表1. 不同位置情况下的OSNR与误码情况表

不同位置情况下的OSNR与误码情况表

3. 结论

　　本文经过理论分析，得出了RGU最佳放置的位置与光纤损耗系数的关系，文章指出对于衰减系数为0.2dB/km的光纤及输出功率为1W的远程泵浦系统，RGU的最佳放置位置是在距RPU 99km的地方，并以衰减系数为0.2dB/km实验室光纤进行了实验验证，实验结果与验证结果完全吻合。实际上，这只是实验室的结果，实际工程环境情况，特别是环境温度对光纤衰减系数、对RGU增益及噪声指数的影响还需要进行详细的研究。

参考文献：

　　杨宁，杨铸等，DWDM系统中级联EDFA光信噪比计算，通信学报，第24卷，第1期2003.1，page 75~82。

　　Govind P.Agrawal著，贾东方译，非线性光纤光学原理及应用，第二版，page 6。

　　J. Burgmeier, Andreas Cords, A Black Box Model of EDFA’s Operating in WDM Systems，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 16, NO. 7, JULY 1998，page 1271~1275