基于1 310/1 550 nm波長轉換器的超長距離光通信系統設計

林禮華，張正江，姚發興

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400）

0 引 言

電力系統發展迅猛，電網對光纖通信系統的要求日益增強。如何提高電網通信質量和服務水平，做好電力光纖通信設備日常維護，是提升電力系統業務穩定性與可靠性，保障電網安全、優質、經濟運行的關鍵。在光傳輸設備的組網應用中，傳統點對點無保護系統已無法滿足電力通信業務的可靠性要求。充分利用現有資源技術，將原來的傳輸網配置得更加穩定，至關重要。

在南方電網超高壓輸電公司天生橋局的光傳輸網改造中，采用優化組網方式建立環網保護。一條路徑發生故障時，另一條路徑繼續傳送業務，可以有效避免業務中斷。但是，由于備用路徑光纖傳輸距離較長，光傳輸系統因纖芯衰耗、色散等問題無法正常通信，必須采用超長距離傳輸設備改善系統性能。另外，在光纖單模傳輸系統中，借助波長轉換器可以高效、可靠、簡便地將1 310 nm波長轉換為適合長距離傳輸的1 550 nm波長[1]，實現波長的重新利用，提高了光通信系統波長重用率和網絡配置的靈活性。

1 光波長選擇

圖1為光纖傳輸窗口衰減示意圖。可以看出，光波長衰減特性曲線中，有850 nm、1 310 nm、1 550 nm三個低損耗窗口。其中，850 nm用于多模短距離傳輸，1 310 nm和1 550 nm可用于單模傳輸。

圖1 光纖傳輸窗口衰減示意圖

在光纖單模傳輸系統中，1 310 nm和1 550 nm均為模塊的中心波長，1 310 nm和1 550 nm波長多用于中長距離傳輸。其中，1 310 nm光傳輸窗口稱為0色散窗口，光信號在此窗口傳輸過程中色散最小，但損耗較大，通常應用于40 km以內的傳輸；1 550 nm窗口稱為最小損耗窗口，光信號在此窗口傳輸過程中衰減最小，但色散較大，通常應用于40 km以上的傳輸，無中繼可以直接傳輸120 km。由于二者的色散和損耗不同，在光纖傳輸系統實際應用過程中，1 310 nm光模塊一般按0.35 dB/km計算鏈路損耗，1 550 nm光模塊則按0.20 dB/km計算鏈路損耗。

2 波長轉換器

波長轉換器也叫波長轉換模塊，可以將某一波長的輸入光信號轉換為另一波長的輸出光信號，具有單多模光纖轉換、波長轉換、光中繼的功能，是光網絡的重要器件之一。圖2為波長轉換器示意圖，即λ1波長的光信號經波長轉換器后輸出指定波長為λ2的光信號，有效解決了波長限制問題。

圖2 波長轉換器

根據波長變換過程中信號是否經過光/電域的轉換，波長轉換器分為光—電—光波長轉換器和全光波長轉換器。光—電—光波長轉換器是將光信號經過光/電轉化為電信號，電信號再調制成所需波長的光源，實現波長轉換功能。光—電—光波長轉換器的技術相對成熟，其工作穩定，可以實現定時、再生、整形功能，能夠有效改善網絡傳輸性能。但是，由于引入了光/電變換和時鐘提取，對速率和信號格式不透明，存在電子瓶頸問題。而全光波長轉換器不經過電域處理，直接把信號從一個波長轉換到另一個波長，在光域中直接實現波長轉換，克服了光—電—光波長轉換器中電子器件的速度、透明性低的問題[2]。

3 超長距離傳輸

超長距離傳輸是指無中繼距離傳輸超過100 km。一般的傳輸系統由于衰耗、色散等問題，無法達到相關要求。超長距離通信在設計時，必須考慮以下幾個問題[3]。

3.1 色散問題

脈沖在光纖中傳輸時，寬度會被逐漸展寬。當展寬超過一定的容限后，就會導致接收端誤判產生誤碼，影響系統性能。色散容限的劣化程度通常與速率的平方成反比。當色散超過色散容限后，必須進行色散補償。

3.2 線路衰耗

光信號在光纖中傳輸時，功率會隨著傳輸距離的增加而下降，即發生衰耗。當光功率下降到一定程度時，傳輸系統將無法正常工作。線路的衰耗主要包括線路本身的損耗、活接頭的損耗、系統的通道代價以及光纜損耗的富裕度，需要通過配置不同型號的放大器進行功率補償。放大器根據其所在位置不同，通常分為BA（Booster-Amplifier，功率放大器）、LA（Line-Amplifier，線路放大器）和PA（Pre-Amplifier，前置放大器）。

3.3 光信噪比

對于長距離通信系統，OSNR（Optical Signal Noise Ratio，光信噪比）也是一個十分重要的參數，其大小決定了信號質量的優劣。為了保證光通信系統的OSNR，除配置摻餌光纖放大器進行功率提升外，對于跨距較大的場合，還需要配置相應的前向糾錯或拉曼光纖放大器。

3.4 非線性效應

非線性問題主要是解決發射端入纖功率的限制問題。通過調整信號光脈寬，進一步提高入纖功率閾值。目前，它的相關技術已集成到前向糾錯中。在長距離通信中，非線性問題也是必須考慮的。

4 波長轉換器在超長距離光通信系統中的應用

天生橋局興義辦公樓—馬窩換流站的光纜通信線路，以下簡稱“興換光纜”，長約50 km，為常規架空普通光纜，承擔著天生橋局、天生橋水力發電總廠與生產現場的通信聯絡、數據傳輸，在安全生產、行政辦公和工作聯系中發揮著極為重要的作用。

“興換光纜”是單一路由運行，未形成環網保護。若光纜線路上出現故障，將中斷天生橋局、天生橋水力發電總廠與生產現場的通信聯絡。為此，從興義辦公樓新建一條光路至興仁換流站，形成興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—興義辦公樓的光環網，搭建興義辦公樓至馬窩換流站的通信通道環網通信系統，為其安全生產提供可靠的通信保障。

4.1 光傳輸網改造前

光傳輸網改造前，為馬窩換流站—興義辦公樓配置4塊L-4.1 622 M 1+1光卡，其中馬窩換流站、興義辦公樓各2塊；為天生橋局生活區—興義辦公樓配置4塊S-4.1 622 M 1+1光卡，天生橋局生活區、興義辦公樓各2塊.改造前光傳輸網示意圖，如圖3所示。

圖3 傳輸網示意圖

表1為廠家提供的板卡參數。可以看出，L-4.1光卡可容許的傳輸衰耗A=25～28.5 dB，S-4.1光卡可容許的傳輸衰耗A=15.8～19.8 dB。

表1 光卡參數

4.2 環網中遇到的問題

（1）從興義辦公樓新建一條光纜至220 kV興義變，并利用220 kV興義變—220 kV長征變—盤南電廠—興仁換流站空余纖芯進行跳接，形成興義辦公樓—220 kV興義變—220 kV長征變—盤南電廠—興仁換流站的光纜路由。全長170 km，中間無中繼，普通光卡無法進行如此長距離的傳輸。

（2）為降低光傳輸設備組網成本，使用現有1 310 nm光卡實現超長距離傳輸。具體地，在興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—興義辦公樓光傳輸網組網中增加光放大器，將1 310 nm波長轉換為1 550 nm波長。

4.3 解決辦法

興義辦公樓—220 kV興義變—220 kV長征變—盤南電廠—興仁換流站的光路配置為：在設備上配置1 310 nm波長的光卡，同時增加1 310/1 550 nm波長轉換器及相應光放大器，實現光路的正常傳輸。改造后，興義辦公樓至興仁換流站的光路結構如圖4所示。

圖4 改造后興義辦公樓-興仁換流站超長距離光路結構

4.4 傳輸網改造后

圖5為改造后的傳輸網結構圖。

其中：

（1）每站配置622M中長距光卡2塊，現有4塊，無光放傳輸距離60 km。為構成光環網通信，需再配2塊中長距光卡。興仁—馬窩方向、興仁—興義方向傳輸距離超過100 km，需配置10 dBm以上光放，每個方向2塊，共需4塊。

（2）155M電卡，興義辦公樓配置2塊，興仁換流站配置1塊，馬窩換流站配置1塊，分別用于興義—興仁、興義—馬窩綜合數據網。現有2塊，需再配置2塊155M電卡。

圖5 改造后傳輸網結構

（3）環網建成后，興義—馬窩行政電話、興義—興仁行政電話、興義—興仁烽火PCM、興義—公司視頻會議，2M通道由單鏈路接入改為1+1通道保護接入。

5 結 論

本文對天生橋局興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—天生橋局興義辦公樓光傳輸環網進行改造，利用1 310/1 550 nm波長轉換器配合光放大器等設備，搭建天生橋局興義辦公樓—興仁換流站超長距離傳輸光路，建設成本低，設備運行穩定。

天生橋局興義辦公樓—興仁換流站超長距離傳輸光路建立后，形成天生橋局興義辦公樓—興仁換流站—馬窩換流站—天生橋局興義辦公樓光傳輸環網保護，能夠有效避免單條光路故障造成的業務中斷，為天生橋局視頻會議系統、OA辦公網絡、生產物資系統、語音電話系統的業務安全穩定運行提供了更加可靠的保障。

參考文獻：

[1] 安亞青，李文田.全光波長轉換技術的原理及應用[J].光電子技術與信息，2004，17（6）：49-53.

[2] 趙同剛，任建華，趙榮華，等.自動交換光網絡中全光波長轉換器的應用和實現[J].半導體光電，2002，23（5）：324-327.

[3] 單 蓉.電力通信網無中繼超長距傳輸方案研究[J].微計算機信息，2010，26（3）：139-140.