隨著電力光纖通信距離變得越來越長, 超長距離全光傳輸是光通信發展的目標之一。文章首先簡單介紹了超長站距光傳輸的主要技術，并為電力系統中超長距離全光傳輸系統的設計和建設提供技術指向。

　　《光纖與電纜及其應用技術》雜志是創辦于1967年，是公開發行的通信專業科技期刊，國際標準刊號為ISSN1006-1908，國內統一刊號CN31-1480/TN。主管單位是信息產業部，主辦單位是中國電子科技集團公司第二十三研究所。每期約有十萬字，逢雙月出版，全國郵局發行，郵發代號：4-562，征訂量大面廣，影響巨大,擁有廣泛而穩定的讀者群，發行范圍主要涉及全國各大電信公司，光纖、光纜、光無源器件、光通信系統、通信電纜、射頻電纜、特種線纜和微波傳輸線及其連接器等研制和生產廠家，及其相關配套的設備、材料供應商，大專院校和科研單位，各地圖書館等。

　　引言

　　超長距離光傳輸技術的研究已經開展多年，相關的實驗室測試和現場試驗已經證明了超長距光傳輸的可行性。超長距離光傳輸中所應用的相關技術，已從實驗室進入到市場應用，我國也已經制定出版了超長距離光傳輸相關的通信行業標準。在市場需求的推動作用下，構架一個高性能、低成本的基礎光網絡逐漸成為運營商考慮的重點。超長距離光傳輸是指不采用電再生中繼的全光傳輸。由于減少了光/電轉換次數,并且可以利用光纖豐富的帶寬資源,超長距離傳輸技術大大降低了長距離傳輸的成本,同時系統的可靠性和傳輸質量都得到了保證。在超長距離傳輸解決方案中,色散補償、拉曼放大器、前向糾錯(FEC)、調制方式等已經成為被眾多電信運營商、設備供應商和科研人員廣泛認同的關鍵技術,其中拉曼放大器、色散補償等技術在電力系統超長距離光通信中也得到較好的應用。

　　1 超長距離全光傳輸的幾種關鍵技術

　　1.1 色散補償

　　色散是光纖的基本屬性之一,光傳播的速度取決于介質的折射率,由于光纖的折射率與波長相關,不同波長的光在光纖中傳播的速度不同,產生色散效應。光纖色散對通信系統的性能影響主要表現在對傳輸中繼距離和傳輸速率的限制。由于色散效應,經過調制后的光脈沖在傳播過程中會變形、展寬和失真,最終限制系統的總體性能。

　　在電力系統光通信中,對于10Gbit/s系統, 色散的影響對光纖長度的限制是100km,對于40Gbit/s系統,沒有色散補償,光纖長度將不能超過10km,因此高速超長距離全光通信傳輸系統必須考慮色散補償問題。克服色散的主要方法有兩種:一是采用性能較好的激光源,二是采用色散補償和管理技術。目前,最常用的色散補償方法包括采用基模/高階模色散補償光纖、色散補償光纖光柵、高階模色散補償器和VIPA (Visual ImagePhase Array)器件等等。綜合考慮可靠性、溫度穩定性、色散紋波性和成本等因素,在這些補償方法中,利用基模/高階模色散補償光纖是最好的色散補償方法,但是這種光纖具有較強的非線性效應, 會使得不同信道之間的串擾加大。在40Gbit/s系統當中,環境因素的變化會造成色散量大小的隨機波動,因而還要求色散補償模塊是可調諧的,需要使用動態色散補償,應該選擇光纖光柵器件、VIPA器件和平面波導器件等方案。

　　1.2 拉曼放大器

　　拉曼光纖放大器的原理是基于光纖中的非線性效應:受激拉曼散射(SRS)。拉曼放大器利用光纖作為放大介質,經SRS效應,把短波長泵浦光的能量轉化為長波長信號光的能量,實現對信號光的放大。與摻餌光纖放大器(EDFA)不同,拉曼放大器放大的光譜范圍由光泵浦源決定,理論上講只要泵浦源的波長適當,拉曼放大器具有極寬的增益頻譜,可以放大任意波長的信號光。此外,拉曼放大器具有頻譜范圍寬、噪聲指數低、增益高、溫度穩定性好、光纖兼容性好等優點,是實現長距離光傳輸的理想光放大器。

　　但是,拉曼放大器也有自身不可避免的缺陷,它受瑞利后向散射和信號的雙瑞利后向散射效應所限制,這些效應在系統中引起多點反射和多路徑干涉,產生碼間干擾,使BER性能惡化,導致系統性能的下降。與EDFA放大器相比,在信號功率較低時,拉曼放大器的泵浦效率是很低的。對于WDM信號來說,還涉及到拉曼放大帶來的德爾菲線性損耗問題。

　　1.3 前向糾錯(FEC)

　　糾錯編碼是超長距離傳輸中增加系統余量的一項有效的關鍵技術,它通過在信號中加入少量的冗余信息來發現并剔除傳輸過程中由噪聲引起的誤碼,以較低的成本和較小的帶寬損失換取高質量的傳輸。前向糾錯技術是目前高速光通信系統中運用最多的糾錯編碼方式。所謂前向糾錯 (Forward error correction, FEC)是指信號在被傳輸之前預先對其進行按一定格式處理,在接收端則按規定的算法進行解碼以達到找出錯碼并糾錯的目的。

　　FEC是以犧牲有效帶寬為代價來換取高的傳輸質量,其在光傳輸系統中的應用具有能延長光信號傳輸距離,降低光發射機發射功率等優點。目前,業界提出的基于SDH/DWDM的實用化的FEC的實現方式有三種:帶外FEC(Out-of-band FEC)、帶內FEC(In-band FEC)和增強型FEC(Super-FEC)。帶外FEC的增益遠高于帶內,因此超長距系統均采用帶外FEC編碼。而采用增強型FEC時,OSNR可以提高9dB,大大提高了系統的傳輸距離,如采用基于BCH的TPC[BCH(128,113,6)×BCH(256,239,6),碼率為0.82]可以取得10.1dB的編碼增益。

　　1.4 編碼調制

　　在光通信系統中,不同的線路碼型抗光纖信道中噪聲、色散、非線性影響的程度不同,選擇合適的碼型能夠在不增加其他設施的條件下延長最大傳輸距離。碼型技術成為繼色散補償、拉曼放大和FEC等技術之后的有一種超長距離全光傳輸的關鍵技術。

　　目前有許多種可用的編碼格式,主要分為兩大類:歸零(RZ, return- to-zero)編碼和不歸零(NRZ,non-return-to-zero)編碼。其中RZ編碼主要包括RZ(常規RZ碼)、CRZ(啁啾RZ碼)、CS-RZ(載波抑制RZ)等方式。CRZ碼采用了三級調制技術(RZ幅度調制、相位調制和數據調制),其相位調制器在發射端對RZ脈沖的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量,抵抗非線性效應的能力非常優異。此外,CRZ還具有優良的抵抗偏振相關損耗(PDL)和偏振模色散(PMD)的能力,具有更高的傳輸穩定性。它的缺點是調制技術比較復雜,對三級調制之間的定時和時延要求很高。在CS-RZ碼中,相鄰碼元的電場振幅的符號相反,從而達到降低光譜寬度的目的,在功率較高的情況下,不但增加了色散容限,而且有更強的抵抗SPM和FWM等光纖非線性效應的能力。

　　相同速率下的RZ碼、CRZ碼和CS-RZ碼具有比NRZ碼有更寬的頻譜范圍,可以更好地抑制光纖非線性效應的影響,適合于在大功率長距離傳輸條件下工作,但它展寬了信號的頻譜,限制了信道的間隔,而且色散容限也大大降低。雖然在超長距離傳輸中,CRZ碼的性能更好,但是CRZ碼的調制比較復雜,提高了系統的成本,所以更多的時候是采用RZ碼。對于信道間隔小的系統,采用頻譜寬度小的NRZ碼或CS-RZ碼能減小非線性串擾的影響,表現出比CRZ碼和RZ碼好的性能,而對于信道間隔大的系統,采用寬頻譜的CRZ碼和RZ碼能較好地抑制非線性串擾的影響。

　　2 超長距離全光傳輸技術在電力系統通信的應用建議

　　超長距離全光傳輸結構簡單,具有端到端的特點,在城際網、無人地區建網得到廣泛的應用,這些優勢使其在電力系統中發揮著重要的作用。按照國家電網公司未來電網發展規劃,到2016年,基本建成以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展, 具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網。電壓等級的升高在提高電力線路輸送能力的同時也大大拓展了 相鄰變電站間的距離,因而電力通信網對超長距離全光傳輸技術的需求非常迫切。

　　由于光傳輸系統中存在的衰耗及色散等因素的影響,限制了光信號的傳輸距離。在電力系統通信中,傳統的光通信系統中繼距離一般在200km以下,當站距超過200km時,通常采用建設再生中繼站的辦法來延長傳輸距離。尤其是偏遠地區,光傳輸受限時,中途也很難設置中繼站,運行管理維護也很困難,而超長距離全光傳輸系統可以行之有效的解決這些問題,保障電網運行的安全可靠性,降低成本,提高經濟效益。

　　目前拉曼放大器在電力系統通信中應用比較廣泛。

　　拉曼放大技術能較好的提高系統的SNR,但是不能完全解決超長距離全光傳輸的問題。在系統設計時,需將上述若干關鍵技術和當前各種先進技術(如:動態增益均衡技術、偏振模色散抑制技術、非線性效應抑制技術以及新型光纖技術等)充分結合起來,才能更好的提高傳輸容量和距離,實現真正意義上的超長距離全光傳輸系統。

　　參考文獻

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