光纤通信系统的超长距离传输方案

光纤通信系统的超长距离传输方案郁张维 1 ,张徐亮 1 ,金如翔 2 ,黄俊华 3( 1. 浙江大学 光及电磁波研究中心 ,浙江 杭州 310027; 2. 上海莱特利公司 ,上海 201614;3. 通光集团有限公司 ,上海 200122 )摘要 :延长单段无中继光传输距离对于减少网络节点间的电中继和光中继 ,降低长距离传输成本具有很实际的意义 。文章分析了光纤通信超长距离传输的关键技术 ,及其性能优势和经济效益 ,同时介绍了国 内外超长距离光纤传输技术现状 ;提出了基于 DRFA + EDFA 混合放大技术 ,实现传输速率为 2. 5 Gbit / s、无中继距离为 250 km 的传输技术解决方案 。方案采用成熟的技术 ,使用了市场上比较常见的器件 ,具有很 高的性价比 。关键词 :超长距离传输 ;掺铒光纤放大 ;分布式光纤喇曼放大中图分类号 : TN913. 33文献标识码 : B文章编号 : 1005 - 7641 ( 2005) 05 - 0006 - 03高系统的 O SNR、增 加 系 统 中 继 长 度 、提 高 波 分 复 用(WDM )系统的通道数和抑制光纤非线性效应是其主 要目的 。( 2 )前向纠错 ( FEC )编码减少误码率在光传输系统中采用 FEC 技术 ,能够减少系统的 误码率 。其编码增益提供了一定的系统富余量 ,从而0 引言最近几年 ,光通信系统传输距离有了飞跃式的增 加 1 。为了克服长距离传输中光纤对信号的衰减 ,在光 纤通信系统中每隔一定的距离就必须设有中继站 ,以便 对光信号进行再生或放大 。不管是在建设阶段还是在 维护阶段 ,中继站在光纤网络建设成本中都占有不小的 比重 ,特别是在跨山区 、无人区的电力通信网络和跨海 光纤网络中 ,中继站的成本更是昂贵 。因此 ,延长单段 无中继光传输距离是一个具有实际意义的问题 。超长距离光纤传输 充 分利 用最 新 的光 纤传 输 技 术 ,对多种数字业务具有透明的传输特性 ,减少了网络节点间的电中继和光中继 ,大大降低了长距离传输的成本 。传输线在每个传输端站之间是无源的 ,使得系 统的可靠性和传输质量都得到了保证 ,性价比很高 。1 关键技术超长距离光纤传输技术是一系列关键技术的集成 2 。 ( 1)光纤喇曼放大器 ( FRA )对光纤损耗进行补偿 在超长距离光纤传输系统中 ,喇曼放大器技术是最关键的光传输技术 。它可以将传输光纤本身变成一 个放大器 ,也可以放大掺铒光纤放大器 ( ED FA ) 所不 能放大的波段 。它利用普通的传输光纤就能实现分布 式放大 ,从而大大提高系统的光信噪比 (O SNR ) 。FRA 利用光纤自身对信号进行放大 ,信号在传输 过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿 。一种应用较广的 FRA被称之为分布式光纤喇曼放大器 (DFRA ) 。对于超长距离光纤传输系统来说 ,利用喇曼放大器提降低光链路中线性及非线性因素对系统性能的影响 。对于有光放大器的系统 ,可以增加光放大器间隔 、延长传输距离 、提高信道速率 、减小单通道光功率 。 FEC的 实现方式有带外 FEC 系统和带内 FEC 系统两种 。带 内 FEC的增益一般为 3 dB 左右 ,而带外 FEC 的增益远高于带内 ,因此 ,超长距系统均采用带外 FEC 编码 。使用带外 FEC 时 , O SNR 总体改善情况可达 7 9 dB ,大大提高了系统的传输距离 。( 3 )码型技术提升系统的传输性能 由于不同线路调制码型的光信号在色散容限 、自相位调制 ( SPM ) 、交叉相位调制 ( XPM )等非线性的容 纳能力 、频谱利用率等方面各有特点 ,对于超宽频带的 超长距离 WDM 传输系统 ,非归零 (NR Z) 、归零 ( R Z) 等码型都有各自的特色 。NR Z码 应 用 简 单 、成 本 低 、频 谱 效 率 高 , 是 目 前SDH 系统和 WDM 系 统 中 应 用 最 广 泛 的 码 型 。由 于 NR Z码元过渡不归零 , 对传输损伤敏感 , 不适用于高 速超长距离光信号的传输 。R Z码的主要缺点是信号频谱宽度相对 NR Z码较 大 ,增加调制器使系统变得复杂 、成本高 。为了进一步 提高 R Z码的传输性能 ,近年来还出现了载频抑制 R Z ( CS - R Z) 和 啁 啾 R Z ( CR Z) 等 码 型 。在 CS - R Z 码中 ,相邻码元的电场振幅符号相反 ,从而达到降低光谱 宽度的目的 ,在功率较高的情况下 ,不但增加了色散容光通信系统超长距离无中继传输技术研讨会论文限 ,而且有更强的抵抗 SPM 和四波混频 ( FWM ) 等光纤非线性效应的能力 。CR Z码采用了三级调制技术 ( R Z幅度调制 、相位 调制和数据调制 ) ,其相位调制器在发射端对 R Z脉冲的上升沿和下降沿上加入一定的啁啾量 ,抵抗非线性效应的能力非常优异 。此外 , CR Z码还具有良好的抵 抗偏振相关损耗 ( PDL )和偏振模色散 ( PMD )的能力 ,具有更高的传输稳定性 。( 4 )色散补偿延伸光传输的距离 色散是限制光纤传输距离的主要因素 。色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散补偿 。色度色散补偿的方式包括色散补偿器件和色散补偿模块 。目前使用 最多的是色散补偿模块 (DCM ) ,通常用在 ED FA 的两级之间 ,用以补偿 DCM 的插损 。目前 ,对于动态的色度色散补偿方式也进行了大量的研究 ,但是真正商用 的产品尚不多 。从技术角度来看 ,利用超长距离光纤传输系统中 的 ED FA 与 FRA 结合的放大技术 ,及采用色散和非线 性容限较高的码型等超长距离光纤传输技术 ,都可以延长光放段的传输距离 ,用于骨干网中部分长跨距中 ,这是目前比较普遍的超长距离光纤传输技术应用 。2 性能优势和经济效益 3 ( 1 )简化网络结构 ,提供端到端传送业务 在超长距离光传输网络中 ,每一对收发设备连接网络中的任意两点 ,提供端到端的业务传送 。在到达 目的地之前 ,业务信号一直处于光层 ,业务传输效率更高 ,网络结构进一步扁平化 ,便于实现向智能光网络的 顺利演进 。( 2 )更强的稳定性和运维功能 由于减少了有源器件的使用 ,超长距离光传输系统可进一步降低功耗和空间占用 ,也有助于增强系统设备的稳定性 ,减少故障隐患 。同时 ,也可方便地集成 多种光层自动调节功能和增值服务功能 ,如内置光谱分析单元 、光纤光缆在线监测技术 、监控信道时钟等 ,极大地方便了对传输设备的运营 、维护和管理 。( 3 )灵活的升级扩容能力 长途骨干传输网的建设要求传输设备具有较大的初期容量和更大的终期容量 ,以同时满足目前业务状况和今后几年甚至更长时间的业务发展需求 。超长距 离光传输技术能够以模块叠加的方式提供业务容量的平滑升级扩容 ,能够很好地解决长途干线对容量及在 线扩容的问题 ,最大限度地保护前期投资 。总之 ,超长 距 离 光 纤 传 输 系 统 可 以 不 用 或 减 少 电中继 、光中 继 的 数 量 , 延 伸 光 中 继 之 间 的 距 离 , 降系统 ,可以解决对带宽的迫切需要 ,同时节省大量的光中继和电中继 ,降低系统的成本和维护费用 ,与光 分插复 用 ( OADM ) 技 术 结 合 , 在 骨 干 网 上 可 以 实 现大城市之间 的 快 速 直 达 车 , 在 中 间 的 大 城 市 站 点 可 以采用 OADM 来上下业务 。超长距离光传输系统的上述特性 ,决定了其能以更高的经济性 、可靠度和灵 活性满足骨 干 网 的 建 设 需 求 , 为 网 络 投 资 和 运 营 提供更高的回报率 。3 国内外技术现状国内外一些主要的光通信公司都开发了自己的超 长距离光纤传输系统 ,使用的主要技术为前向纠错 、分 布式喇曼放大 + ED FA、色散管理 ,光源采用外调制激 光器 ,传输光纤主要采用非零色散位移光纤 、大有效面 积光纤 、色散补偿光纤等 。科维思 ( Co rvis) 公司所推 出的 350 km 无中继系统在 几年 前 已投 入商 业 运转 。 也有采用光孤子源的系统 ,不过这样的系统成本比较 高 ,维持孤子传输的技术也比较复杂 。( 1 ) N TT Op tica l N e two rk System s L abo ra to rie s采用 脉宽管理方法来实现长距离通信 (如图 1 所示 ) ,传输速率为 10 Gb it / s,无中继距离为 300 km。图 1 中每段D SF的色散值都不一样 ,可根据脉冲宽度管理的需要 而设定 4 。图 1 日本 N TT系统( 2 )美国 Tyco海底系统有限公司实验室采用喇曼放大和 ED FA 泵浦技术实现了 240 km 无中继传输 ,传 输速率是 8 2. 5 Gb it / s,系统结构如图 2所示 5 。图 2 美国 Tyco系统( 3 )北电 网 络 在 英 国 的 实 验 室 采 用 双 向 喇 曼 泵浦技术开发 了 一 个 超 长 距 离 传 输 系 统 , 其 传 输 速 率 为 32 40 Gb it / s,无中继距离为 240 km ,系统结构如图 3 所示 6 。技术非常重要 。本方案对 D FRA 采用二级泵浦并结合自动增益控制方法 ,同时利用 DCF芯径小的特点 ,提高 传输线上信号功率水平最低部分的喇曼增益 ,从而提高最低信号 功 率水 平 , 实现 色 散补 偿 、动态 增 益稳 定的D FRA。使用该技术可使传输跨距延长 50 km 以上 。5 结束语超长距离光纤传输 技 术是 一系 列 关键 技术 的 集 成 ,可以有不同的解决方案 。现有的方案成本一般都比较高 。我们提出的分布式喇曼放大 、掺铒光纤放大 、电吸收调制激光器 、前向纠错 、色散管理解决方案 ,采用较为熟悉的 、成熟的技术和市场上常见的器件 ,传输速 率可达 2. 5 Gbit / s,无中继传输距离至少可达到 250 km ,其性价比较高 。图 3 北电网络 (英国 )系统D R FA + ED FA 混合放大方案( 1 )系统结构目前 ,在超长距离系统中使用的比较成熟的技术 是分布式喇曼放大 、掺铒光纤放 大 、电 吸收 调制 激 光器 、前向纠错 、色散管理 ,本方案将采用这些我们比较 熟悉的技术 。系统所用的器件在市场上都比较常见 , 容易获得 。预 计该 系统 可 实 现 2. 5 Gb it / s的 传 输 速率 ,无中继传输距离至少为 250 km ,系统也容易升级 ,结构如图 4所示 。4参考文献 :赵梓森 . 光纤通信工程 (修订本 ) M . 人民邮电出版社 ,1999. 通信网走向下一代光传输篇超长距离光传输技术走向成熟 DB /OL . http: / /www. cnii. com. cn /20030915 / ca2317 96. htm. 邓建 . 超长距波分传输的发展趋势和经济效益 N . 华为 技术报 , 2004.A. Sano, Y. M iyamo to, T. Ka taoka and K. H agimo to. Long -sp an R ep ea te rle ss Tan sm ission System s w ith Op tica l Amp li2fie rs U sing Pu lse W id th M anagem en t J . J. L igh twave Tech. J une 1998 , vo l. 16. no. 6 , pp. 977 - 985.M. X. M a, H. D. Kido rf, K. Ro ttw itt, F. W. Ke rfoo t, C. R. D avid son. 240 - km R ep ea te r Sp ac ing in a 5280 - km WDM System Exp e rim en t U sing 82. 5 Gb it / s NR Z Tran sm ission J . IEEE Pho ton. Tech. L e tt. , J une 1998 , vo l. 10 , no.6, pp. 893 - 895.Y. Zhu,W. S. L ee, C. R. Fludger and A. Hadjifo tiou. A ll - R a2m an un rep eatered transm ission of 1. 28 Tb it / s ( 3 240 Gb it / s)ove r 240 km conven tiona l 80 m2 ND SF emp loying b i - d i2rec tiona l p ump ing J . in O FC 2002 Tech. D ig. , ThFF2, pp.608 - 609. 1 2 3 4 5 6 图 4 DR FA + ED FA 混合放大方案( 2 )系统的主要特点1 ) DR FA + ED FA 混合放大器的优化设计采用 D FRA 与 ED FA 组成一种混合放大器来对信 号进行中继放大 ,既利用了 D FRA 低噪声的特性 ,也利用了 ED FA 高增益及易控制的特性 ,大大降低了系统 的噪声指数 , 增加了传输跨距 , 可获 得 较好 的系 统 性能 。混合放大器的优化设计比单独设计 D FRA 和 ED 2FA 要复杂得多 ,本方案在分别设计 D FRA 和 ED FA 的 基础上 ,合理分配两者的增益值 ,并综合噪声系数和非 线性效应 ,实现性价比最优的混合放大器 。2 )色散补偿 、动态增益稳定的 D FRA在高速率的光纤通信系统中 ,色散已成为光信号传 输质量劣化 、误码率增加的不可忽视因素 。OADM 的使用必然影响到光放大器的增益稳定 ,所以动态增益稳定郁张维 ( 1981 - ) ,女 ,浙江宁波人 ,博士 ,主要从事光放大器和超宽带流媒体全光网络等方面的研究 。张徐亮 ( 1979 - ) ,男 ,浙江金华人 ,博士 ,主要从事光放大 器和温度传感器等方面的研究 。金如翔 ( 1959 - ) ,男 ,上海人 ,高级工程师 ,教授 ,在光纤通 信领域具有 20多年的技术和产品开发经验 ,涉及领域包括各类光电器件 、光电模块和大容量全光网络的设计和建设 。目前 正从事超宽带流媒体全光网络和无源光网 ( PON )的开发 。黄俊华 ( 1949 - ) , 男 , 上 海 人 , 高 级 工 程 师 , 从 事 光 纤 、光 缆 、特种光缆的研制 、开发和光通信工程应用的技术及管理工 作 。(下转第 35页 )光纤放大器 、光纤通信系统方面的研究工作 。谢同林 ( 1942 - ) ,男 ,河北临西人 ,访美学者 ,研究员 ,主要从事光通信器件方面的研究工作 。L on g span un repea ted f iber comm un ica t ion sy stem techn ica l op t ion su ita b le for the we st e lec tr ic power comm un ica t ionX IA J iang 2zhen, X IE Tong2lin( Ch ina E lec tron ic s Techno logy Group Co rpo ra tion NO. 23 R e sea rch In stitu te, Shangha i 200437 , Ch ina)A b stra c t:Long Sp an U n rep ea ted F ibe r Comm un ica tion System is in troduced in th is p ap e r. The d iffe rence be tween the common op tica l com 2 m un ica tion system and th is system is tha t long sp an un rep ea ted fibe r comm un ica tion system is m ade up of no t on ly fibe r boo ste r and fibe r p re2 amp lifie r bu t a lso remo te2p ump ed fibe r boo ste r, remo te2p ump ed fibe r p reamp lifie r, R am an amp lifie r and FEC techn ique e tc. Th is k ind of system is u sua lly u sed in som e sp ec ia l occa sion s whe re the sp an is longe r than the sp an of common fibe r comm un ica tion system bu t no t too long. The system is a techn ica l op tion fo r e lec tric powe r comm un ica tion in W e st Ch ina w ith comp lica ted geograp hy and environm en t cond i2 tion s. A nd the techn ique is rea listica lly fea sib le.Keyword s: e rb ium 2dop ed fibe r amp lifie r; remo te2p ump ed amp lifie r; un rep ea ted fibe r comm un ica tion system(上接第 8页 )Schem e for u ltra 2lon g span op t ica l f iber comm un ica t ion sy stemYU Z hang 2w ei1 , ZHAN G X u2liang 1 , J IN R u 2x iang 2 , HUAN G J un 2hua 3( 1. Cen te r fo r Op tica l and E lec trom agne tic R e sea rch, Zhe jiang U n ive rsity, H angzhou 310027, Ch ina;2. L igh te lli Co rpo ra tion, Shangha i 201614 , Ch ina;3. Tongguang Group Co. , L td, Shangha i 200122 , Ch ina)A b stra c t: Extend ing the d istance of single segm en t un rep ea ted tran sm ission can dec rea se the quan tity of e lec tric rep ea te rs and op tic rep ea te rs among ne two rk node s, the re a re p rac tica l sign ificance fo r reduc ing co st of long d istance tran sm ission. The p ap e r ana lyze s the key techn ique,p e rfo rm ance advan tage and econom ic benefit of u ltra2long sp an tran sm ission in op tic comm un ica tion, in troduce s the cu rren t sta tu s of techno lo2gy deve lopm en t in Ch ina and o the r coun trie s, ad p re sen ts; a tran sm ission schem e of 2. 5 Gb it / s ove r 250 km un rep ea ted sp an, wh ich is ba sed on the D FRA + ED FA hyb rid amp lifica tion techno logy. Th is schem e adop te s m a tu re techn ique, u se s device s ea sily ava ilab le, the refo re ha s h igh ra tio of qua lity ove r p rice.Keyword: u ltra2long sp an tran sm ission; E rb ium 2dop ed fibe r amp lifie r; d istribu ted fibe r R am an amp lifie r(上接第 13页 )D iscu ss ion an d ana ly s is on u ltra 2lon g ha u l tran sm iss ion schem eof e lec tr ic a er ia l op t ica l ca b le sHUAN G J un 2hua, ZHAN G J ian