超長距光傳輸拉曼放大器處理方案研究

邢志江,馮華才

(華能瀾滄江水電有限公司華能小灣水電廠,云南 大理 675702)

超長距光傳輸拉曼放大器處理方案研究

邢志江,馮華才

(華能瀾滄江水電有限公司華能小灣水電廠,云南 大理 675702)

某電站的光傳輸系統(tǒng)是其采用的主要通信方式,在電站側(cè)配置了接受靈敏度為-46dBm和發(fā)送功率500 mW的拉曼放大器,以提高光纖線路的衰耗容限。從拉曼放大器的原理、特性和運(yùn)用出發(fā),討論了拉曼放大器的替換方法和關(guān)鍵參考指標(biāo)。

小灣電站；光傳輸系統(tǒng)；拉曼放大器；替換方法

1 前言

拉曼放大器是現(xiàn)代長距離光傳輸系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備,因其在全波段放大,提高線路傳輸增益,抑制非線性效應(yīng),提高光信號(hào)信噪比、提高系統(tǒng)傳輸容量和傳輸距離方面的良好特性和運(yùn)用,因此其在無中繼光傳輸系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)踐中發(fā)揮著越來越重要的作用。某電站距和平變電站248 km,距楚雄換流站253km,與兩個(gè)變電站均采用無中繼光傳輸系統(tǒng),其中一個(gè)傳輸系統(tǒng)采用的是ECI光傳輸設(shè)備,其拉曼放大器在維持光傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面起著重要作用。然而隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加,探索研究進(jìn)口設(shè)備元件的替代方法,具有重大意義。

2 拉曼放大器原理及運(yùn)用

受激拉曼散射 (SRS)：受激拉曼散射是強(qiáng)激光的光電場(chǎng)與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動(dòng)或與晶體中的晶格相耦合產(chǎn)生的,具有很強(qiáng)的受激特性,即與激光器中的受激光發(fā)射有類似特性：方向性強(qiáng),散射強(qiáng)度高。

光纖拉曼放大器工作原理：光纖拉曼放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應(yīng),在形式上表現(xiàn)為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)的弱信號(hào)與強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸,從而使弱信號(hào)光即得到放大,其工作原理如圖1所示。

圖1 拉曼放大器工作原理

RFA中一個(gè)入射泵浦光子通過光纖非線性散射轉(zhuǎn)移部分能量,產(chǎn)生低頻斯托克斯光子,而剩余能量被介質(zhì)以分子振動(dòng) (光學(xué)聲子)的形式吸收,完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。斯托克斯頻移Vr= Vp-Vs由分子振動(dòng)能級(jí)決定,其值決定了SRS的頻率范圍,其中Vp是泵浦光的頻率,Vs是信號(hào)光的頻率。對(duì)非晶態(tài)石英光纖來說,其分子振動(dòng)能級(jí)融合在一起,形成了一條能帶,因而可在較寬頻差Vp-Vs范圍 (40 THz)內(nèi)通過SRS實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大[1]。

2.1 拉曼放大器特點(diǎn)

1)提高光傳輸系統(tǒng)的增益波長范圍。拉曼散射增益波長主要由泵浦光的波長決定,不同于摻鉺光纖放大器受參雜離子的發(fā)射波長限制,因此只需要選擇合適的波長的泵浦,即可擴(kuò)大光傳輸系統(tǒng)的增益波長范圍,從而彌補(bǔ)摻鉺光纖放大器的不足,提高光傳輸頻譜利用率和傳輸速率。

2)節(jié)約投資成本。在拉曼放大器的傳輸系統(tǒng)中,光纖即是信號(hào)傳輸介質(zhì),也是信號(hào)增益介質(zhì),且采用的是分布式放大,正是拉曼放大器具備這一特點(diǎn),其能使光信號(hào)傳輸和光放大在同一根光纖中完成,而不需要增加額外設(shè)備,節(jié)約投資成本。

3)提高信噪比、降低非線性效應(yīng)、提高傳輸距離。分布式拉曼放大器可以有效降低信號(hào)的入射功率,同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)的信噪比,以此有效的降低非線性效應(yīng),提高信噪比和傳輸距離。

4)提高增益帶寬和增益平坦效果。拉曼放大器具有支持多泵浦工作的特性,單波長泵浦可實(shí)現(xiàn)40 nm范圍的有效增益,當(dāng)采用多個(gè)泵浦源時(shí),增加泵浦光波長數(shù)量,可實(shí)現(xiàn)寬帶放大,且其與摻鉺光纖放大器的增益特性具有很好的互補(bǔ)性,從而實(shí)現(xiàn)較寬的平坦增益譜。

5)拉曼光纖放大器的飽和功率高,拉曼放大作用時(shí)間為飛秒,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超短脈沖的放大[2]。

2.2 拉曼放大器的主要運(yùn)用

1)提高傳輸系統(tǒng)容量。電力系統(tǒng)一般采用的是OPGW構(gòu)建光纖傳輸通道,光纜維護(hù)較為復(fù)雜,通過增加光纜數(shù)量來提高系統(tǒng)容量的方式不僅施工難度和系統(tǒng)維護(hù)量大,且投資較高。在不增加光纖通道數(shù)量和系統(tǒng)傳輸速率的前提下,采用分布式拉曼放大器可以縮小信道間隔,從而增加光傳輸系統(tǒng)的信道數(shù)量,達(dá)到提高系統(tǒng)容量的目的。

2)拓展傳輸系統(tǒng)頻譜利用率、提高傳輸系統(tǒng)速率。現(xiàn)階段光傳輸系統(tǒng)主要采用的是C波段進(jìn)行信號(hào)傳輸,隨著DWDM技術(shù)的發(fā)展,通信波段逐步向S波段和L波段擴(kuò)展。普通的摻鉺光纖放大器因其波段覆蓋較窄,已無法滿足技術(shù)需要,而拉曼光纖大器的全波段放大特性使其可以工作在整個(gè)光纖的低損耗區(qū),較大的提高了頻譜利用率和傳輸系統(tǒng)速率。

3)增加無中繼傳輸距離。對(duì)于光傳輸系統(tǒng),中繼站的增加無形增加投資和維護(hù)成本,嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸速率,因此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無中繼傳輸,就必須解決光傳輸系統(tǒng)的信號(hào)衰減、色散容限和信噪比等制約問題。而分布式拉曼光纖放大器具有低噪聲、高增益等特性,其等效噪聲指數(shù)極低(-2～0 dB),比摻鉺光纖放大器的噪聲指數(shù)低5～7 dB,因此運(yùn)用分布式拉曼光纖放大器可明顯減小系統(tǒng)的非線性干擾,增大無中繼傳輸距離。

4)補(bǔ)償色散補(bǔ)償光纖的損耗。色散補(bǔ)償光纖的損耗系數(shù)遠(yuǎn)比單模光纖、非零色散位移光纖的衰耗系數(shù)和拉曼放大器的增益系數(shù)都要大,而較大的色散損耗,將直接影響光傳輸系統(tǒng)的傳輸距離、信號(hào)質(zhì)量和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用色散補(bǔ)償光纖與拉曼光纖放大器相配合的方式,可有效減小色散損耗。

5)通信系統(tǒng)升級(jí)。在光傳輸終端設(shè)備性能、光纖網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)質(zhì)量要求不變的前提下,要通過提高系統(tǒng)容量、提高傳輸速率的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí),就必須提高傳輸系統(tǒng)終端設(shè)備的信噪比。因分布式拉曼光纖放大器具有較好的低噪聲特性,因此用其來提高傳輸系統(tǒng)的信噪比,也可實(shí)現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的升級(jí)[2]。

3 光傳輸系統(tǒng)

云南電力干線2.5Gbit/t光纖環(huán)網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)A和網(wǎng)B兩套設(shè)備,網(wǎng)A設(shè)備為ECI公司的XDM系列設(shè)備,網(wǎng)B設(shè)備為華為公司的Metro/ASON系列設(shè)備。云南電網(wǎng)已建核心、滇西南、滇東北、滇南光纖環(huán)網(wǎng),各光纖環(huán)網(wǎng)分別配置2套2.5Gb/s光設(shè)備,構(gòu)成主、備雙層光纖環(huán)網(wǎng)。

小灣電站位于云南電網(wǎng)骨干網(wǎng)上,根據(jù)設(shè)計(jì)配置ECI公司XDM-1000設(shè)備與已有云南電網(wǎng)骨干光傳輸系統(tǒng) (主環(huán)及滇南干線)網(wǎng)A融合,其起到了小灣與云網(wǎng)和瀾滄江集控中心的光纖通信通道作用,如圖2所示。

圖2 云網(wǎng)網(wǎng)A拓?fù)鋱D

小灣至和平的衰減受限中繼長度和色散受限中繼長度為：

衰減受限中繼段長度：

L=(Ps-Pr-Pp-C-Mc)/(af+as)= (19-(-46)-2-1-5)/(0.20+0.01)=57/0.21= 271 km＞248 km

色散受限中繼段長度：Ldisp(km)=Dmax/| D|=10 800/18=600 km＞271 km。

雖然理論計(jì)算衰減受限長度和色散受限長度均大于光纜實(shí)際長度,但為了保證SDH設(shè)備在運(yùn)行過程中有充足的余度,在電站側(cè)安裝了一臺(tái)后向分布式拉曼放大器,防止前置放大器工作在臨界區(qū),導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰事故的發(fā)生。

4 ECI光傳輸設(shè)備運(yùn)行情況分析

云南電力小灣電站—和平站的通信傳輸線路為248 km,線路理論損耗為55dB,光纖色散系數(shù)18 Ps/nm·km,兩側(cè)均采用ECI XDM1000傳輸設(shè)備。為了突破和平站至小灣電站傳輸系統(tǒng)衰減和色散的制約因素,傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置如下：

和平站側(cè)配置了發(fā)送功率17 dBm的功率放大器,以提高信號(hào)傳輸功率；小灣電站側(cè)配置了接受靈敏度為-46dBm和發(fā)光功率500 mW的分布式后向拉曼放大器,以此增加了MO_PAS信號(hào)接收的余度；在拉曼放大器的后端配置放大功率18 dBm和接受靈敏度-39 dBm的預(yù)放,以提供18 dBm的功率輸出,以避免SBS現(xiàn)象的發(fā)生；最后光信號(hào)進(jìn)入色散容限為3400 ps/nm的波長轉(zhuǎn)換卡,該波長轉(zhuǎn)換卡采用2.7 G的可調(diào)波長轉(zhuǎn)換器OTX27-AT,其具有擾動(dòng)功能和FEC功能,雖然此波長轉(zhuǎn)換卡具有很高的色散容限,還是增加了95km的色散補(bǔ)償卡,以補(bǔ)償光纖達(dá)到減少非線性現(xiàn)象的目的。

然而電廠采用的ECI XDM-1000型光傳輸設(shè)備,在電站運(yùn)行的4年中,共發(fā)生2起因拉曼放大器故障引起的通信故障,干擾了設(shè)備的正常運(yùn)行。由于該設(shè)備價(jià)格昂貴,同時(shí)返廠維修周期較長,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)帶來極大的隱患,所以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況,提出了采用國產(chǎn)拉曼放大器替代原廠拉曼放大器的方案,以解決存在的問題。

5 替代方案分析

ECI設(shè)備采用可調(diào)波長轉(zhuǎn)換器OTX27-AT,現(xiàn)工作波長的中心頻率為192.1THz(CH1),然而95km的色散補(bǔ)償卡DCM具有中心波長鎖定功能,僅僅能對(duì)192.1THz這個(gè)頻率的波長進(jìn)行色散補(bǔ)償。其他的設(shè)備如 HP,BWD OFAR RAMAN,MO_PAS都為寬頻設(shè)備,對(duì)C波段的波長均有放大作用。因此針對(duì)ECI傳輸設(shè)備的這個(gè)特點(diǎn),提出了兩種解決方案。

1)方案一：僅僅增加寬頻的RFA,能對(duì)C波段全波段放大,且中心工作頻率滿足現(xiàn)有ECI傳輸設(shè)備的工作要求。

2)方案二：將OTX27-AT工作波長的中心頻率調(diào)整到193.4THz,利用長距離RFA(帶濾波器,工作波長中心頻率為193.4THz,帶寬0.8 nm)和光柵型DCM(工作波長中心頻率為193.4THz),以達(dá)到現(xiàn)有ECI設(shè)備工作頻率與新增加的拉曼放大器的工作頻率特性兼容的目的。

3)方案一的分析：僅僅增加寬頻全波段RFA,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

直接用光迅科技的寬頻ACCELINK RFA替換ECI XDM-1000內(nèi)置OFA_R RAMAN拉曼板卡,傳輸設(shè)備無需調(diào)整也無需更換。此方案優(yōu)點(diǎn)是僅僅增加一臺(tái)寬頻拉曼設(shè)備,以替代原裝拉曼,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,中間環(huán)節(jié)少,投資較低,同時(shí)利用省網(wǎng)現(xiàn)有的拉曼管理系統(tǒng),只需將新增拉曼通過FE接口接入傳輸設(shè)備,能對(duì)新增拉曼設(shè)備進(jìn)行全方位的運(yùn)行監(jiān)視；缺點(diǎn)是該裝置在ECI的傳輸系統(tǒng)中運(yùn)用較少,設(shè)備需要定制,備品備件的購置周期相對(duì)較長,此外接受靈敏度較原裝拉曼放大器低11dBm。

圖3 替換解決方案一拓?fù)鋱D

4)方案二分析：長距RFA和DCM組合,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 替換解決方案二拓?fù)鋱D

用光迅科技的寬頻ACCELIN RFA和機(jī)架式DCM分別替換ECI內(nèi)置OFA_R RAMAN拉曼板卡和色散補(bǔ)償單元。這種方案需要對(duì)ECI傳輸設(shè)備進(jìn)行微調(diào),將OTX27-AT中心頻率調(diào)整到193.4THz,保證傳輸正常。該方案的優(yōu)點(diǎn)是該拉曼放大器是光迅生產(chǎn)的通用型,產(chǎn)品較多,不需要定制,可以有效的縮短供貨周期；缺點(diǎn)是需要更換兩臺(tái)原裝設(shè)備,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大,不同設(shè)備之間的混合使用,增加了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn),投資較高,同時(shí)色散補(bǔ)償單元無法進(jìn)行網(wǎng)管監(jiān)控。

6 結(jié)束語

通過介紹拉曼放大器的工作原理及作用,闡述了拉曼放大器在小灣電站SDH傳輸系統(tǒng)中的作用,討論了武漢光迅生產(chǎn)的拉曼放大器替換ECI XDM1000光傳輸設(shè)備拉曼放大器的實(shí)施方案,得出了解決其關(guān)鍵問題——光迅拉曼放大器與ECI傳輸設(shè)備色散補(bǔ)償中心頻率的兼容問題的方法。小灣電站探索性的對(duì)原裝拉曼進(jìn)行更換,為ECI XDM1000系列拉曼放大器的替代方法提供了重要的參考,為減少日常維護(hù)中對(duì)進(jìn)口裝置的依賴,提高設(shè)備維護(hù)效率,降低運(yùn)行維護(hù)成本提供了重要參考價(jià)值。

[1]熊倫.拉曼光纖放大器的運(yùn)用與研究進(jìn)展 [J].制造技術(shù), 2006,186(23)：186-188.

[2]王傳林,阮雙琛,余重秀.拉曼光纖放大器原理及運(yùn)用 [J] .深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版,2004,21(1)：86-90.

[3]曹培炎.光纖拉曼放大器的原理和運(yùn)用 [J].光纖與電纜及其運(yùn)用技術(shù),2005,5：8-11.

[4]武漢光迅科技股份有限公司.C波段多波長拉曼放大器用戶手冊(cè) [Z].

[5]云南金陸科技有限公司.ECI光傳輸系統(tǒng)維護(hù)手冊(cè).

Research of Raman Amplifier for Ultra Long-haul Optical Transmission in Xiaowan Hydropower Station

XING Zhijiang,FENG Huacai (Huaneng Lancang River Hydropower Co.Ltd Huaneng Xiaowan Hydropower Plant,Dali Yunnan 675702)

The optical transmission system is the main method of communication,in order to improve the stability of system working,the station sideconfiguration of the receiving sensitivity for Raman amplifier-46 dBm and the transmit power 500 mW,in order to improve the attenuation of optical fiber line tolerance.However,with the running time increases,the fault of Raman amplifier rate gradually increased,in order toimprove the efficiency of maintenance,reduce maintenance costs,this paper from the Raman amplifier principle,characteristic andapplication of the substitution method,discusses the key reference of Xiaowan power station Raman amplifier indicators,and the implementation of the Xiaowan hydropower station,has got good effect.

xiaowan hydropower station；optical transmission system；raman amplifier；alternative methods

TM72

B

1006-7345(2014)02-0064-04

2013-12-27

邢志江 (1983)男,工程師,主要從事水電站自動(dòng)控制與通信系統(tǒng)維護(hù)工作 (e-mail)hnxingzhj@126.com。