超长距光传输拉曼放大器处理方案研究

邢志江,冯华才

(华能澜沧江水电有限公司华能小湾水电厂,云南 大理 675702)

超长距光传输拉曼放大器处理方案研究

邢志江,冯华才

(华能澜沧江水电有限公司华能小湾水电厂,云南 大理 675702)

某电站的光传输系统是其采用的主要通信方式,在电站侧配置了接受灵敏度为-46dBm和发送功率500 mW的拉曼放大器,以提高光纤线路的衰耗容限。从拉曼放大器的原理、特性和运用出发,讨论了拉曼放大器的替换方法和关键参考指标。

小湾电站；光传输系统；拉曼放大器；替换方法

1 前言

拉曼放大器是现代长距离光传输系统中非常重要的设备,因其在全波段放大,提高线路传输增益,抑制非线性效应,提高光信号信噪比、提高系统传输容量和传输距离方面的良好特性和运用,因此其在无中继光传输系统的建设和实践中发挥着越来越重要的作用。某电站距和平变电站248 km,距楚雄换流站253km,与两个变电站均采用无中继光传输系统,其中一个传输系统采用的是ECI光传输设备,其拉曼放大器在维持光传输系统稳定运行方面起着重要作用。然而随着设备运行时间的增加,探索研究进口设备元件的替代方法,具有重大意义。

2 拉曼放大器原理及运用

受激拉曼散射 (SRS)：受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的,具有很强的受激特性,即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强,散射强度高。

光纤拉曼放大器工作原理：光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应,在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输,从而使弱信号光即得到放大,其工作原理如图1所示。

图1 拉曼放大器工作原理

RFA中一个入射泵浦光子通过光纤非线性散射转移部分能量,产生低频斯托克斯光子,而剩余能量被介质以分子振动 (光学声子)的形式吸收,完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移Vr= Vp-Vs由分子振动能级决定,其值决定了SRS的频率范围,其中Vp是泵浦光的频率,Vs是信号光的频率。对非晶态石英光纤来说,其分子振动能级融合在一起,形成了一条能带,因而可在较宽频差Vp-Vs范围 (40 THz)内通过SRS实现信号光的放大[1]。

2.1 拉曼放大器特点

1)提高光传输系统的增益波长范围。拉曼散射增益波长主要由泵浦光的波长决定,不同于掺铒光纤放大器受参杂离子的发射波长限制,因此只需要选择合适的波长的泵浦,即可扩大光传输系统的增益波长范围,从而弥补掺铒光纤放大器的不足,提高光传输频谱利用率和传输速率。

2)节约投资成本。在拉曼放大器的传输系统中,光纤即是信号传输介质,也是信号增益介质,且采用的是分布式放大,正是拉曼放大器具备这一特点,其能使光信号传输和光放大在同一根光纤中完成,而不需要增加额外设备,节约投资成本。

3)提高信噪比、降低非线性效应、提高传输距离。分布式拉曼放大器可以有效降低信号的入射功率,同时保持适当的光信号的信噪比,以此有效的降低非线性效应,提高信噪比和传输距离。

4)提高增益带宽和增益平坦效果。拉曼放大器具有支持多泵浦工作的特性,单波长泵浦可实现40 nm范围的有效增益,当采用多个泵浦源时,增加泵浦光波长数量,可实现宽带放大,且其与掺铒光纤放大器的增益特性具有很好的互补性,从而实现较宽的平坦增益谱。

5)拉曼光纤放大器的饱和功率高,拉曼放大作用时间为飞秒,可以实现对超短脉冲的放大[2]。

2.2 拉曼放大器的主要运用

1)提高传输系统容量。电力系统一般采用的是OPGW构建光纤传输通道,光缆维护较为复杂,通过增加光缆数量来提高系统容量的方式不仅施工难度和系统维护量大,且投资较高。在不增加光纤通道数量和系统传输速率的前提下,采用分布式拉曼放大器可以缩小信道间隔,从而增加光传输系统的信道数量,达到提高系统容量的目的。

2)拓展传输系统频谱利用率、提高传输系统速率。现阶段光传输系统主要采用的是C波段进行信号传输,随着DWDM技术的发展,通信波段逐步向S波段和L波段扩展。普通的掺铒光纤放大器因其波段覆盖较窄,已无法满足技术需要,而拉曼光纤大器的全波段放大特性使其可以工作在整个光纤的低损耗区,较大的提高了频谱利用率和传输系统速率。

3)增加无中继传输距离。对于光传输系统,中继站的增加无形增加投资和维护成本,严重影响信号传输速率,因此实现系统的无中继传输,就必须解决光传输系统的信号衰减、色散容限和信噪比等制约问题。而分布式拉曼光纤放大器具有低噪声、高增益等特性,其等效噪声指数极低(-2～0 dB),比掺铒光纤放大器的噪声指数低5～7 dB,因此运用分布式拉曼光纤放大器可明显减小系统的非线性干扰,增大无中继传输距离。

4)补偿色散补偿光纤的损耗。色散补偿光纤的损耗系数远比单模光纤、非零色散位移光纤的衰耗系数和拉曼放大器的增益系数都要大,而较大的色散损耗,将直接影响光传输系统的传输距离、信号质量和通信系统的稳定性。采用色散补偿光纤与拉曼光纤放大器相配合的方式,可有效减小色散损耗。

5)通信系统升级。在光传输终端设备性能、光纤网络和信号质量要求不变的前提下,要通过提高系统容量、提高传输速率的方法实现系统升级,就必须提高传输系统终端设备的信噪比。因分布式拉曼光纤放大器具有较好的低噪声特性,因此用其来提高传输系统的信噪比,也可实现传输系统的升级[2]。

3 光传输系统

云南电力干线2.5Gbit/t光纤环网现有网A和网B两套设备,网A设备为ECI公司的XDM系列设备,网B设备为华为公司的Metro/ASON系列设备。云南电网已建核心、滇西南、滇东北、滇南光纤环网,各光纤环网分别配置2套2.5Gb/s光设备,构成主、备双层光纤环网。

小湾电站位于云南电网骨干网上,根据设计配置ECI公司XDM-1000设备与已有云南电网骨干光传输系统 (主环及滇南干线)网A融合,其起到了小湾与云网和澜沧江集控中心的光纤通信通道作用,如图2所示。

图2 云网网A拓扑图

小湾至和平的衰减受限中继长度和色散受限中继长度为：

衰减受限中继段长度：

L=(Ps-Pr-Pp-C-Mc)/(af+as)= (19-(-46)-2-1-5)/(0.20+0.01)=57/0.21= 271 km＞248 km

色散受限中继段长度：Ldisp(km)=Dmax/| D|=10 800/18=600 km＞271 km。

虽然理论计算衰减受限长度和色散受限长度均大于光缆实际长度,但为了保证SDH设备在运行过程中有充足的余度,在电站侧安装了一台后向分布式拉曼放大器,防止前置放大器工作在临界区,导致系统崩溃事故的发生。

4 ECI光传输设备运行情况分析

云南电力小湾电站—和平站的通信传输线路为248 km,线路理论损耗为55dB,光纤色散系数18 Ps/nm·km,两侧均采用ECI XDM1000传输设备。为了突破和平站至小湾电站传输系统衰减和色散的制约因素,传输系统设计和设备配置如下：

和平站侧配置了发送功率17 dBm的功率放大器,以提高信号传输功率；小湾电站侧配置了接受灵敏度为-46dBm和发光功率500 mW的分布式后向拉曼放大器,以此增加了MO_PAS信号接收的余度；在拉曼放大器的后端配置放大功率18 dBm和接受灵敏度-39 dBm的预放,以提供18 dBm的功率输出,以避免SBS现象的发生；最后光信号进入色散容限为3400 ps/nm的波长转换卡,该波长转换卡采用2.7 G的可调波长转换器OTX27-AT,其具有扰动功能和FEC功能,虽然此波长转换卡具有很高的色散容限,还是增加了95km的色散补偿卡,以补偿光纤达到减少非线性现象的目的。

然而电厂采用的ECI XDM-1000型光传输设备,在电站运行的4年中,共发生2起因拉曼放大器故障引起的通信故障,干扰了设备的正常运行。由于该设备价格昂贵,同时返厂维修周期较长,对现场设备运行维护带来极大的隐患,所以针对现场情况,提出了采用国产拉曼放大器替代原厂拉曼放大器的方案,以解决存在的问题。

5 替代方案分析

ECI设备采用可调波长转换器OTX27-AT,现工作波长的中心频率为192.1THz(CH1),然而95km的色散补偿卡DCM具有中心波长锁定功能,仅仅能对192.1THz这个频率的波长进行色散补偿。其他的设备如 HP,BWD OFAR RAMAN,MO_PAS都为宽频设备,对C波段的波长均有放大作用。因此针对ECI传输设备的这个特点,提出了两种解决方案。

1)方案一：仅仅增加宽频的RFA,能对C波段全波段放大,且中心工作频率满足现有ECI传输设备的工作要求。

2)方案二：将OTX27-AT工作波长的中心频率调整到193.4THz,利用长距离RFA(带滤波器,工作波长中心频率为193.4THz,带宽0.8 nm)和光栅型DCM(工作波长中心频率为193.4THz),以达到现有ECI设备工作频率与新增加的拉曼放大器的工作频率特性兼容的目的。

3)方案一的分析：仅仅增加宽频全波段RFA,系统结构如图3所示。

直接用光迅科技的宽频ACCELINK RFA替换ECI XDM-1000内置OFA_R RAMAN拉曼板卡,传输设备无需调整也无需更换。此方案优点是仅仅增加一台宽频拉曼设备,以替代原装拉曼,结构简单,中间环节少,投资较低,同时利用省网现有的拉曼管理系统,只需将新增拉曼通过FE接口接入传输设备,能对新增拉曼设备进行全方位的运行监视；缺点是该装置在ECI的传输系统中运用较少,设备需要定制,备品备件的购置周期相对较长,此外接受灵敏度较原装拉曼放大器低11dBm。

图3 替换解决方案一拓扑图

4)方案二分析：长距RFA和DCM组合,系统结构如图4所示。

图4 替换解决方案二拓扑图

用光迅科技的宽频ACCELIN RFA和机架式DCM分别替换ECI内置OFA_R RAMAN拉曼板卡和色散补偿单元。这种方案需要对ECI传输设备进行微调,将OTX27-AT中心频率调整到193.4THz,保证传输正常。该方案的优点是该拉曼放大器是光迅生产的通用型,产品较多,不需要定制,可以有效的缩短供货周期；缺点是需要更换两台原装设备,系统结构改动较大,不同设备之间的混合使用,增加了系统的运行稳定性风险,投资较高,同时色散补偿单元无法进行网管监控。

6 结束语

通过介绍拉曼放大器的工作原理及作用,阐述了拉曼放大器在小湾电站SDH传输系统中的作用,讨论了武汉光迅生产的拉曼放大器替换ECI XDM1000光传输设备拉曼放大器的实施方案,得出了解决其关键问题——光迅拉曼放大器与ECI传输设备色散补偿中心频率的兼容问题的方法。小湾电站探索性的对原装拉曼进行更换,为ECI XDM1000系列拉曼放大器的替代方法提供了重要的参考,为减少日常维护中对进口装置的依赖,提高设备维护效率,降低运行维护成本提供了重要参考价值。

[1]熊伦.拉曼光纤放大器的运用与研究进展 [J].制造技术, 2006,186(23)：186-188.

[2]王传林,阮双琛,余重秀.拉曼光纤放大器原理及运用 [J] .深圳大学学报理工版,2004,21(1)：86-90.

[3]曹培炎.光纤拉曼放大器的原理和运用 [J].光纤与电缆及其运用技术,2005,5：8-11.

[4]武汉光迅科技股份有限公司.C波段多波长拉曼放大器用户手册 [Z].

[5]云南金陆科技有限公司.ECI光传输系统维护手册.

Research of Raman Amplifier for Ultra Long-haul Optical Transmission in Xiaowan Hydropower Station

XING Zhijiang,FENG Huacai (Huaneng Lancang River Hydropower Co.Ltd Huaneng Xiaowan Hydropower Plant,Dali Yunnan 675702)

The optical transmission system is the main method of communication,in order to improve the stability of system working,the station sideconfiguration of the receiving sensitivity for Raman amplifier-46 dBm and the transmit power 500 mW,in order to improve the attenuation of optical fiber line tolerance.However,with the running time increases,the fault of Raman amplifier rate gradually increased,in order toimprove the efficiency of maintenance,reduce maintenance costs,this paper from the Raman amplifier principle,characteristic andapplication of the substitution method,discusses the key reference of Xiaowan power station Raman amplifier indicators,and the implementation of the Xiaowan hydropower station,has got good effect.

xiaowan hydropower station；optical transmission system；raman amplifier；alternative methods

TM72

B

1006-7345(2014)02-0064-04

2013-12-27

邢志江 (1983)男,工程师,主要从事水电站自动控制与通信系统维护工作 (e-mail)hnxingzhj@126.com。