――喇曼光纖放大器在國(guó)內(nèi)的首次工程應(yīng)用
                     于林生 董勝  唐斯寧  印新達(dá)

摘要：本文重點(diǎn)討論和介紹了喇曼光纖放大器在長(zhǎng)跨距SDH線路中的應(yīng)用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要考慮和解決的問(wèn)題，探討了超長(zhǎng)跨距SDH光傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案和測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，本文討論了喇曼光纖放大器在實(shí)際線路應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題，首次給出了喇曼光纖放大器在國(guó)內(nèi)2.5Gbit/s系統(tǒng)200公里G.652光纖上的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果，對(duì)喇曼光纖放大器的推廣和應(yīng)用具有積極的參考意義。
關(guān)鍵詞：喇曼光纖放大器，長(zhǎng)跨距光傳輸，工程應(yīng)用。

1，喇曼光纖放大器及其應(yīng)用
    喇曼光纖放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激喇曼散射（SRS）效應(yīng)，在形式上表現(xiàn)為處于泵浦光的喇曼增益帶寬內(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。相對(duì)于摻鉺光纖放大器，喇曼光纖放大器有明顯的不同：（1）理論上只要有合適的喇曼泵浦源，就可以對(duì)光纖窗口內(nèi)任一波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行放大。（2）可以利用傳輸光纖本身作增益介質(zhì)，并具有很寬的增益譜和較低的等效噪聲指數(shù)。（3）可以通過(guò)調(diào)整各個(gè)泵浦的功率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)增益平坦度。喇曼光纖放大器是未來(lái)高速、大容量光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
2，喇曼光纖放大器在超長(zhǎng)跨距SDH光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用及基本要求
    喇曼光纖放大器在SDH系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是針對(duì)超長(zhǎng)跨距的光纖傳輸系統(tǒng)，例如跨海通信，陸地長(zhǎng)距離光纖傳輸。在這些情況下，將分布式喇曼光纖放大器用作前置光纖放大器，憑借其低噪聲特性，提高系統(tǒng)的整體接受靈敏度，從而延長(zhǎng)傳輸距離或提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量。由于分布式喇曼光纖放大器的特殊性，必須考慮使用的安全性、可靠性、和理性。從實(shí)際使用的要求看，應(yīng)該滿足這些要求：（1）具有信號(hào)光功率監(jiān)控和無(wú)光自動(dòng)關(guān)斷的功能；（2）泵浦輸出功率穩(wěn)定，盡可能采用硬件電路閉環(huán)控制的恒定功率輸出方式；（3）在信號(hào)波長(zhǎng)處具有足夠大的有效增益。（4）應(yīng)充分考慮實(shí)際光纜的衰減系數(shù)和整個(gè)跨段的衰耗。
3，超長(zhǎng)跨距SDH光傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案
（1）長(zhǎng)跨距光纖傳輸需要考慮的問(wèn)題
對(duì)于2.5Gbit/s跨距光纖傳輸系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要考慮下述幾個(gè)基本方面。
A 有無(wú)光纖衰耗受限的問(wèn)題？結(jié)合功率光纖放大器、線路光放大器、前置光纖放大器一般可以解決光傳輸線路損耗受限的問(wèn)題。
B 有無(wú)非線性問(wèn)題,尤其是受激布里淵散射---SBS的問(wèn)題。使用光功率放大器時(shí),如果信號(hào)光的光譜很窄(如采用EA調(diào)制的光發(fā)送模塊),受激布里淵散射(SBS)很容易產(chǎn)生,限制了光放大器的入纖光功率(例如13dBm)，在傳輸光纖一定的情況下，只能采用對(duì)發(fā)送激光器施加低頻擾動(dòng)，拓寬信號(hào)光譜寬度的方法進(jìn)行抑制。
C 有無(wú)色散受限的問(wèn)題？色散受限主要取決于光纖和發(fā)射信號(hào)本身，在光纖一定的情況下，通過(guò)選用不同的發(fā)射模塊可以避免色散的限制。
D 有無(wú)噪聲受限的問(wèn)題？光傳輸線路的噪聲來(lái)源包括：發(fā)射光信號(hào)的質(zhì)量（SNR、消光比、譜寬等）、光放大器的噪聲（噪聲指數(shù)NF）、光纖中的非線性效應(yīng)引起的噪聲、接收系統(tǒng)本聲的特性（靈敏度、電帶寬、噪聲特性等）。由于前置光纖放大器的輸入信號(hào)功率小，引入的信號(hào)帶內(nèi)與帶外噪聲功率非常明顯，表現(xiàn)為進(jìn)入光接受機(jī)之前信號(hào)載噪比SNR的下降，為了提高系統(tǒng)的SNR，在前置光纖放大器內(nèi)集成合適帶寬的光濾波器是必要的。
（2）長(zhǎng)跨距光纖傳輸?shù)姆桨?
根據(jù)實(shí)際線路情況，我們提出如下方案，應(yīng)用Raman放大器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)跨距SDH光傳輸, 

此方案用前置喇曼光纖放大器代替了前置EDFA 。
（3）接收靈敏度的提高
    在此方案中，我們已解決SBS及色散問(wèn)題，無(wú)需考慮它們的影響，光功率放大器的入纖功率為19dBm。由于發(fā)送光信號(hào)本身及經(jīng)過(guò)光功率放大器后，信號(hào)的光載噪比足夠高（優(yōu)于30dB）, 前置光纖放大器是引入噪聲的主要環(huán)節(jié)，其噪聲主要為信號(hào)與自發(fā)輻射ASE見(jiàn)間的拍噪聲，前放的噪聲水平可由其噪聲指數(shù)及內(nèi)置光濾波器的帶寬共同確定。采用一致的光濾波器，在前放增益足夠的情況下，前置光纖放大器的噪聲指數(shù)NF直接決定系統(tǒng)的接收靈敏度（即光纜末端靜入前置光纖放大器的光功率值）。
    目前前置摻鉺光纖放大器的平均噪聲指數(shù)水平為4.5dB, 而喇曼光纖放大器的平均噪聲指數(shù)水平為0dB。因而，直觀上可以大體確定使用喇曼光纖放大器作為前置光纖放大器的接受系統(tǒng)與使用EDFA作前置光纖放大器的系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)接受靈敏度方面可以提高4.5dB。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    RFA-PA做前放時(shí)有較好的效果，根本原因在于RFA-PA的噪聲指數(shù)比EDFA-PA的噪聲指數(shù)低得多。實(shí)際系統(tǒng)中是選擇EDFA還是RFA作前置光纖放大器取決于實(shí)際線路中是信號(hào)功率（增益）對(duì)靈敏度的影響大還是光放大器的噪聲特性（NF）對(duì)靈敏度影響大？這與接收機(jī)的水平及具體使用環(huán)境下的放大器的增益相關(guān)。
（4）喇曼放大器信號(hào)光功率檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)與安全控制
    分布式喇曼光纖放大器的入纖泵浦光功率可能超過(guò)500mW,需要采取必要的安全措施。除了保證光纖連接器端面潔凈以外，喇曼放大器自身應(yīng)該能夠檢測(cè)信號(hào)光功率，保證在光纜線路無(wú)光或斷開(kāi)的情況下，自動(dòng)關(guān)閉泵浦激光器，信號(hào)恢復(fù)時(shí)能正常工作。在此，我們反復(fù)強(qiáng)調(diào)檢測(cè)信號(hào)功率，而不是包含噪聲功率（ASE）的總功率。這是因?yàn)榉植际椒糯笃鞔嬖诤笙蚍瓷涞淖园l(fā)輻射噪聲，噪聲水平隨增益的提高而增大，如何在噪聲背景下準(zhǔn)確檢測(cè)小信號(hào)功率本身是一個(gè)技術(shù)難題，也是影響其應(yīng)用的一個(gè)因素。我們的方法是在線路發(fā)送端采用定波長(zhǎng)的光信號(hào)傳輸，喇曼放大器通過(guò)探測(cè)信號(hào)波長(zhǎng)處兩個(gè)不同固定帶寬內(nèi)的總功率，計(jì)算出實(shí)際的信號(hào)功率值，在準(zhǔn)確定標(biāo)的基礎(chǔ)上，信號(hào)功率計(jì)算采用以下計(jì)算公式：實(shí)際信號(hào)功率＝2(第2路探測(cè)器檢測(cè)的光功率)－(第一路探測(cè)器檢測(cè)的光功率)。
    通過(guò)這種方法，消除了信號(hào)底部的噪聲功率的影響,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，我們可以檢測(cè)到－45dBm的弱小信號(hào)光功率。另一方面，可以同時(shí)探測(cè)信號(hào)底部ASE功率的水平，根據(jù)ASE功率的水平可以在線間接反映線路的喇曼增益值。
4  喇曼光纖放大器在SDH線路上的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
（1）所應(yīng)用的光纜線路說(shuō)明
    實(shí)際系統(tǒng)為佳木斯地區(qū)同江－撫遠(yuǎn)的線，是G.652光纖2.5G系統(tǒng)，要求無(wú)光中繼傳輸200km，這段線路的溫度低，光纜的損耗大，環(huán)境條件苛刻，光纖使用情況如圖2所示。試驗(yàn)方包括黑龍江省工程局、武漢光迅科技有限公司、同江及撫遠(yuǎn)傳輸機(jī)房。

圖2   光纜線路實(shí)際連接示意圖
圖2中方框內(nèi)的數(shù)據(jù)表示對(duì)應(yīng)的法蘭盤號(hào)：對(duì)于撫遠(yuǎn)而言，50號(hào)法蘭盤接ODF架上的7＃光纜，48號(hào)法蘭盤接ODF架上的8＃光纜。對(duì)于同江而言，37號(hào)法蘭盤接ODF架上的4＃光纜，38號(hào)法蘭盤接ODF架上的5＃光纜。箭頭表示了光信號(hào)的傳輸方向。同江至撫遠(yuǎn)的實(shí)際光纜長(zhǎng)度為203km,其中同江－撫遠(yuǎn)光纜線路損耗為53.4dB,撫遠(yuǎn)－同江光纜線路損耗為55.1dB。
（2）傳輸應(yīng)用方案。本次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用采用前述的傳輸方案，系統(tǒng)接收靈敏度試驗(yàn)和誤碼測(cè)試采用的光路結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3  誤碼測(cè)試連接圖
    圖3中，復(fù)用和解復(fù)用由SDH系統(tǒng)完成，所以用虛線箭頭；實(shí)際的光路連接用實(shí)線箭頭表示。箭頭的方向表示信息流的方向。
（3）系統(tǒng)設(shè)備與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果
    系統(tǒng)設(shè)備包括：黑龍江省工程局提供的WG-ANT-20SDH分析儀；武漢光迅公司提供的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)EDFA、拉曼光纖放大器、光功率計(jì)和光衰減器，華為公司optix2500+（Metro3000）光傳輸系統(tǒng)。其中，轉(zhuǎn)發(fā)EDFADE中心波長(zhǎng)為1550.92nm，色散受限距離大于250km，并采用SBS抑制技術(shù)使放大器入纖光功率可以達(dá)到18dBm以上；同江機(jī)房的接受光盤實(shí)測(cè)靈敏度為－34.1dBm，撫遠(yuǎn)機(jī)房的接受光盤實(shí)測(cè)靈敏度為－32.4dBm。
    測(cè)試內(nèi)容包括兩個(gè)方向的光纜實(shí)際衰耗、發(fā)送端和接收端各點(diǎn)的光功率、喇曼光纖放大器的實(shí)際增益、光接收機(jī)的靈敏度、系統(tǒng)極限接收靈敏度、短期和長(zhǎng)期誤碼率、應(yīng)用前后線路的穩(wěn)定性等。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。
          表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果（單位:dBm）

    經(jīng)過(guò)24小時(shí)誤碼測(cè)試后，相應(yīng)光口復(fù)測(cè)的功率如下表：
表3 試驗(yàn)前后輸出與接收端光功率復(fù)測(cè)結(jié)果

對(duì)比表2和表3的測(cè)試數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)線路光功率及喇曼增益非常穩(wěn)定。
（4）應(yīng)用結(jié)果的對(duì)比分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出利用喇曼放大器后系統(tǒng)的功率余量為：同江至撫遠(yuǎn)線路為（－34.7）－（－42.2）=7.5dB；撫遠(yuǎn)至同江為（－36.8）－（44.4）＝7.6dB。這樣，即使光盤壽命終了時(shí)接收靈敏度會(huì)下降到－32dBm（V－16.2）和-28dBm（Le－16.2），線路的功率余量仍然大于3dB�？梢�(jiàn)線路長(zhǎng)期工作有足夠的設(shè)計(jì)余量保證，喇曼光纖放大器可以用于解決長(zhǎng)跨距SDH線路的傳輸問(wèn)題。
6 總結(jié):本文深入分析了長(zhǎng)跨距SDH光傳輸?shù)闹饕獑?wèn)題,詳細(xì)討論了喇曼光纖放大器的應(yīng)用和設(shè)計(jì)及相關(guān)問(wèn)題的解決方案,首次給出了喇曼光纖放大器在國(guó)內(nèi)2.5Gbit/s系統(tǒng)200公里G.652光纖上的工程應(yīng)用結(jié)果，對(duì)喇曼光纖放大器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有積極的參考意義。本文中提到的喇曼放大器及配套產(chǎn)品，自2002年12月至今已經(jīng)在線路上穩(wěn)定運(yùn)行兩個(gè)多月，經(jīng)受住了光纜線路在零下30攝氏度的環(huán)境考驗(yàn)，充分說(shuō)明了技術(shù)方案的實(shí)用性。