摘要：本文從泵浦功率、信號入纖功率及光纖損耗系數出發，對遠程泵浦系統中增益單元-RGU的放置位置進行了理論分析與實驗研究，經過詳細的理論分析，針對2.5Gbit/s的SDH系統，得到了某一泵浦功率與信號入纖功率情況下的光信噪比與RGU放置位置的關系，同時也得到了RGU的最佳放置位置與光纖損耗系數的關系。

1. 引言

十二五期間特高壓電網作為智能電網建設的骨干網架，在電力系統中將發揮越來越重要的作用，而特高壓電網具有覆蓋范圍廣（多為跨區域電網）、傳輸距離長、輸電容量大等特點，但其線路路徑位置偏遠，設置光中繼站維護不便且成本較高，因此采用帶有遠程泵浦的超長站距光通信技術已成為跨大區電網聯網的重要技術基礎；伴隨經濟的飛躍發展，帶動了城市群的興起, 在長江三角洲、 珠江三角洲、 環渤海灣等地都出現相鄰間隔不大于350公里的城市群，城市群內部相鄰城市之間的通信目前對帶寬的需求越來越高，因此這些地區正在成為遠程泵浦無中繼傳輸的一個新的應用熱點區域；由于在一些沼澤、沙漠、森林等無人區，中繼站建設、維護費用高，所以這些地區也是遠程泵浦無中繼傳輸潛在的應用領域。在所有應用遠程泵浦的系統，都無法回避的一個應用問題是增益單元放置位置的選擇問題。本文將從理論與實驗兩方面對增益單元的最佳放置位置進行研究。

2. 遠程泵浦系統中OSNR的理論分析與實驗研究

在光通信傳輸系統中，影響誤碼率的主要是兩類因素，一是功率受限系統，一是光信噪比受限系統，由于EDFA在光傳輸系統中的成熟應用，光功率已不再是限制光通信傳輸距離的的主要因素，如果功率不夠，通過放大器對信號放大，功率將不再受限，但是引入放大器的同時，也會引入噪聲，放大器引入的越多，噪聲積累也就越嚴重，OSNR劣化的也就會越嚴重，還有一種情況就是信號本身經過很大的衰減后再經過EDFA放大，由于此時信號本身的信噪比已經很小，經過放大器放大后，OSNR仍然會比較差，遠程泵浦系統就屬于此類型。遠程泵浦系統原理圖如圖1所示：

圖1 遠程泵浦系統的原理框圖

圖中，Tx為信號發射模塊，BA為功率放大器（Booster Amplifier），傳輸光纖1為遠程增益單元（RGU-Remote Gain Unit）前面的傳輸光纖，傳輸光纖2為遠程增益單元（RGU）后面的傳輸光纖，這部分光纖在同纖泵浦的遠程泵浦系統中，既要傳輸信號，也要傳輸RGU需要的泵浦光，這部分光纖在傳輸泵浦光的過程中，會產生Raman增益，Raman & RPU模塊是提供1480nm光的遠程泵浦單元（RPU-Remote Pump Unit），PA為前置放大器（Pre-Amplifier）， Rx為系統的接收模塊。

2.1 遠程泵浦系統中OSNR理論分析

在光傳輸系統中，OSNR的計算主要是通過58公式實現的[1]，即：

  1）

式中，output power是某信道入纖光功率，Loss為跨距損耗， NF為光放大器的噪聲指數，N為跨段數目，這個公式主要適用于等跨距損耗的系統，對于非等跨距的系統，我們首先視N=1，然后分布來計算就可以了。對于遠程泵浦的2.5Gbit/s的SDH系統，要想獲得最佳的OSNR，根據式1）分析，要么信道的入纖功率比較高，要么光纖的損耗比較小，要么放大器的噪聲指數比較低，或者跨段數目比較少。對于入纖光功率，由于SBS及自相位調制SPM的影響，入纖功率不能太高，對于有SBS抑制功能的發射模塊，SPM受限功率一般要求小于23dBm，同時對于已經鋪設好的線路，光纖的衰減也是無法改變的，因此要想改善系統的OSNR，最有可能的是降低放大器的噪聲指數。對于遠程泵浦系統，實際上可以把其看作兩段不等損耗的跨距系統，在兩段光纖中間，是作為線路放大器的遠程增益單元RGU。

分析整個傳輸系統的OSNR，其實就是分析整個系統的噪聲指數，根據噪聲指數的定義，NF=OSNRin-OSNRout. 所以最終的

 2)

單位  dB    

對于EDFA級聯系統，等效噪聲計算公式為

  3）

其中所有參量均為線性單位。

為了分析方便，本文將整個系統分為兩部分，RGU前面的功率放大器及光纖衰減看作一個整體放大器，增益為G1， 噪聲指數NF1；RGU及后面的光纖衰減、拉曼光纖放大器與前置放大器看作另一個放大器，增益為G2，噪聲指數為NF2。為了理論分析方便，假定功率放大器的增益為GB，噪聲指數為NFB；光纖的總的長度為L，總傳輸損耗為TdB；RGU的增益為G，噪聲指數為NF，RGU之前的傳輸光纖長度為L1，傳輸損耗為T1dB； RGU之后的傳輸光纖長度為L2，傳輸損耗為T2 dB，在1480nm波段的傳輸損耗為T3 dB，RPU在光纖中產生的Raman增益為GR，等效噪聲指數為NFR；PA的增益為G3，噪聲指數為NF3.
對于無源的衰減器，其噪聲指數等于本身衰減值。

 4）

 5）

 6）

 7）

所有對于整個傳輸系統而言，假定整體的噪聲指數為NF’，則

 8）

假如光纖在1550nm處的損耗系數為，單位dB/km，則

  9）

 10）

對于傳輸光纖而言，光纖的損耗系數與波長的四次方的倒數成正比[2]，所以，光纖在1480nm處的損耗系數將比1550nm處大0.02dB/km，因此遠程泵浦光經過L2km的光纖傳輸后，到達RGU處的泵浦光將為P0-（+0.02）L2，單位dBm。

由于RGU的增益與噪聲指數與進入RGU的泵浦功率密切相關，而泵浦功率又與光纖損耗及光纖長度密切相關，同時，整體的噪聲指數與T1密切相關，因此，RGU與RPU有個最佳的距離，滿足此距離將得到最佳的OSNR。

為了滿足工程需要，我們需要對某些參數進行進一步的假定，假定傳輸總長度為400km，功率放大器的增益為22dB，噪聲指數5dB，輸出功率為22dBm，RPU泵浦輸出功率為1W。

由于RGU在屬于1480nm泵浦的小信號放大區，利用傳統的數值計算方法計算RGU的增益與噪聲指數誤差非常大，所以本文采用黑盒模型[3]來計算RGU的增益與噪聲指數，實驗測得RGU增益與噪聲指數與泵浦功率的關系曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 RGU增益與泵浦功率的關系曲線

由圖2可以看出，RGU增益受泵浦功率影響較大，特別是在泵浦功率低于5dBm時，RGU主要表現為衰減。因此RGU位置如果放置不好，將大大影響系統性能。

圖3  RGU噪聲指數與泵浦功率的關系曲線

由圖3可以看出，當泵浦功率低于6dBm時，RGU噪聲指數將出現明顯的惡化，結合圖2、圖3可以看出，泵浦功率在RGU系統中最好不要小于6dBm。

根據泵浦功率與RGU的增益與噪聲指數的關系，本文進而求得最佳OSNR與光纖衰減的關系，如圖4所示

圖4. 遠程泵浦系統中最佳OSNR與光纖衰減系數的關系

從圖4可以看出，隨著光纖衰減系數的增大，最佳OSNR呈線性降低，當光纖衰減系數為0.21dB/km時，系統得到的最大OSNR為10dB，為增強型前向編碼糾錯2.5Gbit/s 的 SDH系統的最小OSNR容限為9.5dB（誤碼率10E-12）。如果光纖損耗系數繼續增大，對于RPU 1W輸出的400km的遠程泵浦系統將不再適合。

本文還對RPU與RGU最佳距離與光纖衰減的關系進行了計算，其關系曲線如圖5所示：

圖5. RPU與RGU最佳距離與光纖衰減的關系曲線

從圖5可以看出，隨著光纖衰減值的不斷增加，RPU與RGU之間的最佳距離逐漸縮小。對于電力系統的OPGW光纖光纜或實驗室的光纖，其典型損耗系數大約為0.2dB/km，RPU與RGU之間的對應的最佳距離為101km。

另外本文還給出了光纖衰減最典型值0.20dB/km @1550nm情況下， RPU與RGU不同距離時的OSNR值，如圖6所示：

圖6. 系統OSNR隨RPU & RGU之間距離的變化曲線

@ 光纖損耗系數=0.2dB/km @ 1550nm

從圖6可以看出，當光纖損耗系數為0.2dB/km時，RPU & RGU之間的最佳距離為101km，此時對應的OSNR為最大值13.96dB。

2.2 實驗研究

按照圖1所示遠程泵浦原理圖搭建實驗系統，Tx為速率為2.xx Gbit/s帶有SBS抑制功能的發射模塊，其輸出功率為0dBm，帶有EFEC，其OSNR編碼增益為8dB；BA輸出功率為22dBm，增益為22dB，噪聲指數5dB；光纖全長400km，光纖損耗系數為0.195dB/km@ 1550nm， RPU為輸出功率1W、輸出波長為1480nm的泵浦模塊，此遠程泵浦系統為同纖泵浦方式，在光纖中產生的Raman增益為20dB，等效噪聲指數為-3dB， PA的增益為20dB，噪聲指數為4.5dB。另外，實驗采用300km色散補償模塊。誤碼儀采用Op-will 6200 10G誤碼分析儀

實驗中，將RGU分別放置在距RPU為70km、75 km、80km、85km、90km、95km、100km、105km，得到的OSNR及誤碼率如表1所示：

表1. 不同位置情況下的OSNR與誤碼情況表

3. 結論

本文經過理論分析，得出了RGU最佳放置的位置與光纖損耗系數的關系，文章指出對于衰減系數為0.2dB/km的光纖及輸出功率為1W的遠程泵浦系統，RGU的最佳放置位置是在距RPU 99km的地方，并以衰減系數為0.2dB/km實驗室光纖進行了實驗驗證，實驗結果與驗證結果完全吻合。實際上，這只是實驗室的結果，實際工程環境情況，特別是環境溫度對光纖衰減系數、對RGU增益及噪聲指數的影響還需要進行詳細的研究。

參考文獻：

楊寧，楊鑄等，DWDM系統中級聯EDFA光信噪比計算，通信學報，第24卷，第1期2003.1，page 75~82。

Govind P.Agrawal著，賈東方譯，非線性光纖光學原理及應用，第二版，page 6。

J. Burgmeier, Andreas Cords, A Black Box Model of EDFA’s Operating in WDM Systems，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 16, NO. 7, JULY 1998，page 1271~1275