超長距光路子系統拉曼技術應用研究

摘要：文章鑒于拉曼放大器的優良特質以及在超長距傳輸中越來越多的配置研究，對比分析在超長距傳輸中拉曼放大器的性能，采用工程實踐的方式，分析了拉曼技術在超長距光路子系統中的應用。

關鍵詞：拉曼放大器；泵浦光；光信噪比；增益；DRS

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.016

中圖分類號：TM 73，TN 722" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-00-03

Application of Raman Technology in Ultra-long Distance Optical Path Subsystem

GAO Jianxin， CHEN Fengjie， ZHANG Xinqiao， SU Jin， LI Dongsheng

（Beijing Zhongdian Feihua Communication Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： This paper compares and analyzes the performance of Raman amplifier in ultra-long distance transmission， and analyzes the application of Raman technology in ultra-long distance optical path subsystem by means of engineering practice.

Key words： raman amplifier; pumpuguang; optical signal-to-noise ratio; gain; DRS

1" 超長距光放大器配置技術

長期以來，超長距傳輸系統因為在傳輸鏈路中間增加有源器件困難重重，因此傳輸距離受到很大限制。光放大器作為超長距傳輸系統的核心技術，一直是研究的重點，最為常用的放大器技術主要有遙泵放大器、拉曼放大器和摻鉺光纖放大器[1]。各技術主要內容介紹如下。

1.1 摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器（EDFA）是一種在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子的光信號放大器。目前，發展最為成熟的光放大器就是這種摻鉺光纖放大器他能夠放大（1530～1565 nm）該放大器工作在C波段，具有多路放大、高增益以及低噪聲等優點，但其不足是C波段僅占光纖低損耗頻譜的一小部分。為此，人們針對L波段（1570～1620 nm）研發了專門的EDFA放大器。

1.2 遙泵放大器

從組成和原理上來說，遙泵放大器與EDFA基本一致。二者的區別在于遙泵放大器的遠程增益單元（RGU）與泵浦源沒有集成在一起，分別在傳輸鏈路的接收端與發送端進行配置，這一設置使得遙泵放大器具有動態性能。從結構上來說，遙泵放大器將一段摻鉺光纖接入到EDFA系統的傳輸鏈路中，從傳輸端或接收端將泵浦光送入光纖。影響遙泵放大器性能的主要參數包括RGU入射泵浦光功率、RGU中摻鉺光纖長度和RGU配置距離[2]。

1.3 拉曼放大器

拉曼放大器的放大介質是光纖，短波長泵浦光的能量經受激拉曼散射（SRS）效應轉化為長波長信號光的能量，從而放大信號光。光泵浦源決定了拉曼放大器放大的光譜范圍，從理論上來說，只要泵浦源具備合適的波長，拉曼放大器增益頻譜范圍就可以極寬，實現任意波長的信號光放大。此外，增益高、頻譜范圍寬、溫度穩定性好、光纖兼容性好、噪聲指數低等都屬于拉曼放大器的優點，它是一種比較理想的可用于長距離光傳輸的光放大器[3]。

隨著超長距光纖傳輸鏈路，在電力通信與海底通信領域的廣泛應用，傳統EDFA級聯解決方案作為超長距傳輸放大器的重要組成部分，將提升單通道信號光功率的重點放在提升放大器總增益上，已無法滿足沿線放大的要求。同時，由于輸入光功率過大會造成ASE噪聲和較強的非線性損傷的引入，從而惡化傳輸系統性能。

拉曼放大器對信號的放大源自光纖自身，因此在傳輸過程中，信號的固有損耗在光纖內部就可以得到補償。泵浦光決定帶寬，這一特性又可以使拉曼放大器僅需改變泵浦光參數便可以實現實際放大頻譜的訂制。此外，采用沿線放大的拉曼放大器，其放大器的增益分散在光纖鏈路中，這樣在整段鏈路中信號光都能保持較低功率，使得非線性效應強度得到有效降低。鑒于上述拉曼放大器的優良特性，在超長距傳輸系統中對拉曼放大器的研究已越來越多。

2" 拉曼放大技術

拉曼放大技術是超長距傳輸系統中令人矚目的光傳輸技術。與摻餌光纖放大器相比，不但能放大摻鉺光纖放大器無法放大的波段，而且還能分布式放大普通光纖，而且還能增加波分復用系統的通路數，使光纖非線性效應得到抑制，系統跨距長度增加。

在非線性光纖光學中拉曼放大器是非常重要的。拉曼放大器采用的石英光纖，具有較寬的受激拉曼散射（SRS）增益譜，在13 THz附近會形成一個較寬的主峰。當一強泵浦光與一較弱的信號在光纖中同時傳輸，并且弱信號的波長在強泵浦光的拉曼增益帶寬內時，泵浦光將同時釋放基于信號光波長的光子和其自身的能量，其自身的能量將疊加在信號光上，這樣就可以放大弱信號光[4]。

2.1 一階拉曼放大器

拉曼放大器主要包括增益介質（傳輸光纖）、泵浦源、隔離器、波分復用器和濾波器等。信號源發出信號光之后經過隔離器，然后通過波分復用器與泵浦源發出的泵浦光進行合波，合波后信號光進入傳輸光纖中并進行分布式放大。其中，隔離器起到了抑制散射光干擾并減小瑞利散射噪聲的作用，同時保持信號光的單向傳輸。波分復用器主要是耦合信號光和泵浦光并將其輸入傳輸光纖；通過濾波器來實現對自發輻射噪聲的濾除，以此來減小拉曼放大的噪聲。

2.2 二階拉曼放大器

二階拉曼放大器是基于光纖中的受激拉曼散射的，能極大地優化噪聲特性。二階的拉曼放大器主要還是通過一階泵浦光對信號進行放大，高階泵浦光主要通過補充一階泵浦光的能量來得到更高增益。此外，在光纖傳輸過程中由于一階泵浦光能量能夠得到補充，使信號功率沿光纖分布得更加平均，因此通過這一特性能夠有效改善二階拉曼放大器的噪聲性能。

2.3 三階拉曼放大器

三階拉曼放大器經過一次斯托克斯頻移，將功率大、頻率高的三階泵浦光的能量轉移到二階泵浦光中的種子源上，從而產生強的二階泵浦光；新的增強二階泵浦光作為新的泵浦源來完成一階泵浦光放大，如此便實現了二次斯托克斯頻移；上述放大的一階泵浦光再次充當新的泵浦源，以新的泵浦源來泵浦更低頻率的信號光，至此完成三次斯托克斯頻移，實現對信號光的三階放大。三階拉曼光纖放大器的使用能夠提高系統光信噪比，并較好地減小噪聲指數。

3" 拉曼放大器的比較分析

3.1 二階拉曼比較分析

二階拉曼泵浦有不同于一階拉曼泵浦的配置方式，傳輸系統由于泵浦光配置方式的不同也會產生不同的效果。二階拉曼可采用二階全部向前（組合1）、二階全部向后（組合2）、一階向前二階向后（組合3）、一階向后二階向前（組合4）四種方式。按照這4種方式進行接收信號光功率仿真測試，結果如圖1所示。

由測試結果可以看出，一階泵浦光對放大器增益影響較大，將一階泵浦光置于接收端會獲得更高的增益。當二階泵浦光與一階泵浦光配置在同一端時，拉曼放大器性能較優。因此，將一階泵浦光與二階泵浦光配置在接收端，接收信號光功率最優。

3.2 三階拉曼比較分析

三階拉曼泵浦同樣有不同的配置方式，三階拉曼可采用三階前向（組合1）、三階后向（組合2）兩種方式。按照這兩種方式進行接收信號光功率仿真測試，結果如圖2所示。

由測試結果可以看出，前向拉曼放大器增益隨高階泵浦光功率提升基本保持不變，而后向拉曼放大器能夠極大地提升傳輸系統的性能，且后向拉曼放大器增益與高階拉曼泵浦光總功率成正向變化。

4" 國網某特高壓超長距傳輸系統建設方案

4.1 光纜路由設計

根據特高壓傳輸光纜建設方案，兩站采用ULL+超低損光纜直連，在送端與收端之間開通超長站距傳輸。兩站之間實際光纜鏈接如圖3所示。

4.2 配置方案

項目光傳輸光纖鏈路設計是10 Gbps光接口+10 Gbps增強型FEC+BA+前向+后向二階拉曼的配置方案，如圖4所示。

4.3 配置說明

（1）功率受限計算。根據功率受限公式，Ps=27 dBm；Pr=-31 dBm；Pp=2 dB；∑Ac=1 dB；α=0.016 dB/km；FEC編碼增益為10 dB；RFA等效增益為8 dB。衰耗受限距離計算公式為：（Ps+∑G-Pr-Pp-∑Ac）/（Af+As+α）=384.3 km≥377 km，達到設計要求。

注：Ps為光發送功率（dBm）；Pr為光接收靈敏度（dBm）；Pp為最大光通道代價（dB），取值2dB；G為各項放大器對系統功率的貢獻值；AC為連接器損耗之和，每個連接器取0.5dB；α為富裕度比例系數；Af為光纖平均衰減常數（dB/km）；As為光纖熔接頭每公里衰耗系數。

（2）色散受限預算。光纜采用G652光纖，總長度為377 km，FEC支持60 km的傳輸，配置320kMDCF作為收端。由于DCF差損較大，配置雙級PA補償差損。

（3）OSNR預算。滿足設計要求的10 Gbps系統OSNR均不低于26 dB，該方案采用增加FEC，將編碼增益提升10 dB，該系統OSNR的要求為大于16 dB。本設計模擬計算結果：OSNR=19.2 dB，滿足系統要求。

4.4 測試結果

本系統建成后經過實際測試，系統兩端的FEC在極限傳輸條件下的糾前誤碼率和觀察時間（24小時）內的糾后誤碼個數如圖5所示，FEC能容忍的最大糾前誤碼率為5.5×10-3，而兩端FEC的糾前誤碼率在4.2×10-9～4.6×10-9和4.5×10-9～4.9×10-9區間內穩定變化，觀察的24小時內糾后誤碼個數為0，系統在此期間運行穩定。系統此時的衰耗冗余量為8.05 dB，大于設計要求的6.03 dB，滿足設計要求和應用需求。

5" 結束語

本文結合特高壓通信工程建設項目進行了超長距光路子系統拉曼放大分析，拉曼放大器在帶寬、傳輸距離和功率方面性能較高。高階拉曼根據不同配置方式能夠提高光功率，極大改善信噪比。在特高壓通信工程中采用二階拉曼放大實現了377 km單跨距超長傳輸，測試結果符合設計要求，實現了通信鏈路的開通和運行。■

參考文獻

[1] 程細海，徐健，殷天峰，等．基于遙泵技術的超長距系統研究與應用[J]．光通信技術，2015（6）：23-26.

[2] 付成鵬．三階拉曼光纖放大器的研究與應用[D]．武漢：武漢郵電科學研究院，2019.

[3] 袁衛國，李垠韜，項旻等．基于雙向拉曼的電力超長距傳輸方案研究[J]．電力信息與通信技術，2016（4）：108-111.

[4] 曾常安，姚慶，黃麗艷．二階拉曼和一階遙泵組合的超長距技術在特高壓工程中的應用[J]．中國電力，2017（10）：41-45.