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拉曼光纤放大器在国内工程中的应用

　　1拉曼光纤放大器及其应用

　　拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射（SRS）效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光得到放大。

　　拉曼光纤放大器是未来高速、大容量光纤通信系统的关键技术之一。相对于掺铒光纤放大器，拉曼光纤放大器有明显的不同：

　　（1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大；

　　（2）可以利用传输光纤本身作增益介质，并具有很宽的增益谱和较低的等效噪声指数；

　　（3）可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度。

　　2在超长跨距SDH光传输系统中的应用及基本要求

　　拉曼光纤放大器在SDH系统中的应用主要是针对超长跨距的光纤传输系统，例如跨海通信，陆地长距离光纤传输。在这些情况下，将分布式拉曼光纤放大器用作前置光纤放大器，凭借其低噪声特性，来提高系统的整体接收灵敏度，从而延长传输距离或提高系统设计余量。由于分布式拉曼光纤放大器的特殊性，必须考虑使用的安全性、可靠性、合理性。从实际使用的要求看，应该满足以下要求：

　　（1）具有信号 
光功率监控和无光自动关断的功能；

　　（2）泵浦输出功率稳定，尽可能采用硬件电路闭环控制的恒定功率输出方式；

　　（3）在信号波长处具有足够大的有效增益；

　　（4）应充分考虑实际光缆的衰减系数和整个跨段的衰耗。

　　3超长跨距SDH光传输系统的实现方案

　　3.1长跨距光纤传输需要考虑的问题

　　对于2.5Gbit/s长跨距光纤传输系统，工程设计时，一般需要考虑下述几个方面。

　　（1）有无光纤衰耗受限的问题。结合光功率放大器、光线路放大器、前置光纤放大器一般可以解决光传输线路损耗受限的问题。

　　（2）有无非线性问题，尤其是受激布里渊散射（SBS）的问题。使用光功率放大器时，如果信号光的光谱很窄（如采用EA调制的光发送模块），就很容易产生激布里渊散射，限制了光放大器的入纤光功率（如13dBm）。在传输光纤一定的情况下，只能采用对发送激光器施加低频扰动，拓宽信号光谱宽度的方法进行抑制。

　　（3）有无色散受限的问题。色散受限主要取决于光纤和发射信号本身，在光纤一定的情况下，通过选用不同的发射模块可以避免色散的限制。

　　（4）有无噪声受限的问题。光传输线路的噪声来源包括：发射光信号的质量（SNR、消光比、谱宽等）、光放大器的噪声（噪声指数NF）、光纤中的非线性效应引起的噪声、接收系统本声的特性（灵敏度、电带宽、噪声特性等）。由于前置光纤放大器的输入信号功率小，引入的信号带内与带外噪声功率非常明显，表现为进入光接收机之前信噪比（SNR）的下降。为了提高系统的SNR，在前置光纤放大器内集成合适带宽的光滤波器是必要的。

　　3.2长跨距光纤传输系统方案

　　根据实际线路情况，笔者提出了应用拉曼放大器代替前置EDFA，实现长跨距SDH光传输的方案，如图1所示。

图1实现方案

　　3.3接收灵敏度的提高

　　在此方案中，我们已解决SBS及色散问题，无需考虑它们的影响，光功率放大器的入纤功率为19dBm。由于发送光信号本身及经过光功率放大器后，信号的光载噪比足够高（优于30dB），前置光纤放大器是引入噪声的主要环节，其噪声主要为信号与自发辐射（ASE）之间的拍噪声，前放的噪声水平可由其噪声指数及内置光滤波器的带宽共同确定。采用一致的光滤波器，在前置放大器增益足够的情况下，前置光纤放大器的噪声指数（NF）直接决定系统的接收灵敏度（即光缆末端进入前置光纤放大器的光功率值）。

　　目前前置掺铒光纤放大器的平均噪声指数水平为4.5dB，而拉曼光纤放大器的平均噪声指数水平为0dB。因而，直观上可以大体确定使用拉曼光纤放大器作为前置光纤放大器的接收系统与使用EDFA作前置光纤放大器的系统相比，在系统接收灵敏度方面可以提高4.5dB。实际测试结果如表1所示。

表1试验结果

　　RFA-PA作前置放大器时有较好的效果，根本原因在于RFA-PA的噪声指数比EDFA-PA的噪声指数低得多。实际系统中是选择EDFA还是RFA作前置光行放大器取决于实际线路中信号功率（增益）对灵敏度的影响大还是光放大器的噪声特性对灵敏度影响大，这与接收机的水平及具体使用环境下的放大器的增益相关。
3.4拉曼放大器信号光功率检测的实现与安全控制

　　分布式拉曼光纤放大器的入纤泵浦光功率可能超过500mW，需要采取必要的安全措施。除了保证光纤连接器端面洁净以外，拉曼放大器自身应该能够检测信号光功率，保证在光缆线路无光或断开的情况下，自动关闭泵浦激光器，信号恢复时能正常工作。在此，笔者反复强调检测信号功率，而不是包含噪声功率的总功率。这是因为分布式放大器存在后向反射的自发辐射噪声，噪声水平随增益的提高而增大，如何在噪声背景下准确检测小信号功率本身是一个技术难题，也是影响其应用一个因素。我们的方法是在线路发送端采用定波长的光信号传输，拉曼放大器通过探测信号波长处两个不同固定带宽内的光功率，通过减去ASE功率值计算出实际的信号功率值。信号功率计算采用以下计算公式

　　Ps=2P1-P2

　　式中：

　　Ps--------实际信号功率（dBm）

　　P1--------带宽1（50GHz）内光功率(dBm）

　　P2--------带宽2（100GHz）内光功率（dBm）

　　通过这种方法，消除了信号底部的噪声功率的影响，现场应用中，我们可以检测到-45dBm的弱小信号光功率。另一方面，可以同时探测信号底部ASE功率的水平，根据ASE功率的水平可以在线间接反映线路的拉曼增益值。

　　4在SDH线路上的现场应用

　　4.1所应用的光缆线路说明

　　实际应用为佳木斯地区同江至抚远的光缆，采用的是G.652光纤2.5G系统，要求无光中继传输200km。这段线路的温度低，光缆的损耗大，环境条件苛刻。试验方包括黑龙江省工程局、武汉光迅科技有限公司、同江及抚远传输机房。

图2光缆线路实际连接示意图

　　图2中箭头表示了光信号的传输方向。同江至抚远的实际光缆长度为203km，其中同江至抚远光缆线路损耗为53.4dB，抚远至同江光缆线路损耗为55.1dB。

　　4.2传输应用方案

　　本次现场应用采用前述的传输方案，系统接收灵敏度试验和误码测试采用的光路结构如图3所示。

图3误码测试连接图

　　图3中，复用和解复用由SDH系统完成，用虚线箭头；实际的光路连接用实线箭头表示。箭头方向表示信息流的方向。

　　4.3系统设备与实际运行结果

　　系统设备包括；黑龙江省工程局提供的WG-ANT-20SDH分析仪，武汉光迅公司提供的信号转发EDFA、拉曼光纤放大器、光功率计和光衰减器，华为公司optix2500+(Metro3000)光传输系统，其中，转发EDFADE中心波长为1550.92nm，色散受限距离大于250km，并采用SBS抑制技术使放大器入纤光功率可以达到18dbm以上，同江机房的接收光盘实测灵敏度为-34.1dBm，抚远机房的接收光盘实测灵敏度为-32.4dBm。

　　测试内容包括两个方向的光缆实际衰耗、发送端和接收端各点的光功率、拉曼光纤放大器的实际增益、光接收机的灵敏度、系统极限接收灵敏度、短期和长期误码率、应用前后线路的稳定性等。实际测试结果如表2和表3所示。

　　经过24h误码测试后，相应光口复测的功率如表1所示。

　　对比表2和表3的测试数据，可以发现线路光功率及拉曼增益非常稳定。

　　4.4应用结果的对比分析

　　根据现场测试数据，正常情况下，抚远接收端拉曼放大器的输入光功率（即光缆末端输出功率）为　　PFI-λF=18.7-53.4=-34.7

　　式中：

　　PFI----------抚远接收端EDFA输出功率（dBm）

　　λF----------抚远接收端线路衰减（dBm）

　　同江接收端拉曼放大器的输入光功率（即光缆末端输出功率）为

　　PTI-λT=18.3-55.1=-36.8

　　式中：

　　PTI----------同江接收端EDFA输出功率（dBm）

 
　　λT----------同江接收端线路衰减（dBm）

　　而系统无误码情况下，实际拉曼放大器极限输入功率分别达到：-42.2dBm和-44.4dBm。因此使用拉曼放大器作前置放大器后，系统的功率余量为：同江至抚远线路为（-34.7）-（-42.2）＝7.5dB；抚远至同江为（-36.8）-（-44.4）＝7.6dB。这样，即使光盘寿命终了时接收灵敏度会下降到-32dBm（V-16.2）和-25dBm（Le-16.2），线路的功率余量仍然大于3dB。可见线路长期工作有足够的设计余量保证，拉曼光纤放大器可以用于解决长跨距SDH线路的传输问题。

　　5总结

　　文中提到的拉曼放大器及配套产品，自2002年12月至今已经在线路上稳定运行7个多月，经受住了光缆线路在-30℃的环境考验，充分说明了技术方案的实用性。