――喇曼光纖放大器在國內的首次工程應用
                     于林生 董勝  唐斯寧  印新達

摘要：本文重點討論和介紹了喇曼光纖放大器在長跨距SDH線路中的應用，產品設計中需要考慮和解決的問題，探討了超長跨距SDH光傳輸系統的實現方案和測試結果。同時，本文討論了喇曼光纖放大器在實際線路應用中需要注意的問題，首次給出了喇曼光纖放大器在國內2.5Gbit/s系統200公里G.652光纖上的現場應用結果，對喇曼光纖放大器的推廣和應用具有積極的參考意義。
關鍵詞：喇曼光纖放大器，長跨距光傳輸，工程應用。

1，喇曼光纖放大器及其應用
    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，在形式上表現為處于泵浦光的喇曼增益帶寬內的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光即得到放大。相對于摻鉺光纖放大器，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，就可以對光纖窗口內任一波長的信號進行放大。（2）可以利用傳輸光纖本身作增益介質，并具有很寬的增益譜和較低的等效噪聲指數。（3）可以通過調整各個泵浦的功率來動態(tài)調整信號增益平坦度。喇曼光纖放大器是未來高速、大容量光纖通信系統的關鍵技術之一。
2，喇曼光纖放大器在超長跨距SDH光傳輸系統中的應用及基本要求
    喇曼光纖放大器在SDH系統中的應用主要是針對超長跨距的光纖傳輸系統，例如跨海通信，陸地長距離光纖傳輸。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，提高系統的整體接受靈敏度，從而延長傳輸距離或提高系統設計余量。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。從實際使用的要求看，應該滿足這些要求：（1）具有信號光功率監(jiān)控和無光自動關斷的功能；（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）在信號波長處具有足夠大的有效增益。（4）應充分考慮實際光纜的衰減系數和整個跨段的衰耗。
3，超長跨距SDH光傳輸系統的實現方案
（1）長跨距光纖傳輸需要考慮的問題
對于2.5Gbit/s跨距光纖傳輸系統，工程設計時，一般需要考慮下述幾個基本方面。
A 有無光纖衰耗受限的問題？結合功率光纖放大器、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題。
B 有無非線性問題,尤其是受激布里淵散射---SBS的問題。使用光功率放大器時,如果信號光的光譜很窄(如采用EA調制的光發(fā)送模塊),受激布里淵散射(SBS)很容易產生,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，只能采用對發(fā)送激光器施加低頻擾動，拓寬信號光譜寬度的方法進行抑制。
C 有無色散受限的問題？色散受限主要取決于光纖和發(fā)射信號本身，在光纖一定的情況下，通過選用不同的發(fā)射模塊可以避免色散的限制。
D 有無噪聲受限的問題？光傳輸線路的噪聲來源包括：發(fā)射光信號的質量（SNR、消光比、譜寬等）、光放大器的噪聲（噪聲指數NF）、光纖中的非線性效應引起的噪聲、接收系統本聲的特性（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功率小，引入的信號帶內與帶外噪聲功率非常明顯，表現為進入光接受機之前信號載噪比SNR的下降，為了提高系統的SNR，在前置光纖放大器內集成合適帶寬的光濾波器是必要的。
（2）長跨距光纖傳輸的方案
根據實際線路情況，我們提出如下方案，應用Raman放大器實現長跨距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及色散問題，無需考慮它們的影響，光功率放大器的入纖功率為19dBm。由于發(fā)送光信號本身及經過光功率放大器后，信號的光載噪比足夠高（優(yōu)于30dB）, 前置光纖放大器是引入噪聲的主要環(huán)節(jié)，其噪聲主要為信號與自發(fā)輻射ASE見間的拍噪聲，前放的噪聲水平可由其噪聲指數及內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NF直接決定系統的接收靈敏度（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水平為4.5dB, 而喇曼光纖放大器的平均噪聲指數水平為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與使用EDFA作前置光纖放大器的系統相比，在系統接受靈敏度方面可以提高4.5dB。實際測試結果如表1所示。

    RFA-PA做前放時有較好的效果，根本原因在于RFA-PA的噪聲指數比EDFA-PA的噪聲指數低得多。實際系統中是選擇EDFA還是RFA作前置光纖放大器取決于實際線路中是信號功率（增益）對靈敏度的影響大還是光放大器的噪聲特性（NF）對靈敏度影響大？這與接收機的水平及具體使用環(huán)境下的放大器的增益相關。
（4）喇曼放大器信號光功率檢測的實現與安全控制
    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，喇曼放大器自身應該能夠檢測信號光功率，保證在光纜線路無光或斷開的情況下，自動關閉泵浦激光器，信號恢復時能正常工作。在此，我們反復強調檢測信號功率，而不是包含噪聲功率（ASE）的總功率。這是因為分布式放大器存在后向反射的自發(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確檢測小信號功率本身是一個技術難題，也是影響其應用的一個因素。我們的方法是在線路發(fā)送端采用定波長的光信號傳輸，喇曼放大器通過探測信號波長處兩個不同固定帶寬內的總功率，計算出實際的信號功率值，在準確定標的基礎上，信號功率計算采用以下計算公式：實際信號功率＝2(第2路探測器檢測的光功率)－(第一路探測器檢測的光功率)。
    通過這種方法，消除了信號底部的噪聲功率的影響,現場應用中，我們可以檢測到－45dBm的弱小信號光功率。另一方面，可以同時探測信號底部ASE功率的水平，根據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線路上的現場應用
（1）所應用的光纜線路說明
    實際系統為佳木斯地區(qū)同江－撫遠的線，是G.652光纖2.5G系統，要求無光中繼傳輸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、同江及撫遠傳輸機房。

圖2   光纜線路實際連接示意圖
圖2中方框內的數據表示對應的法蘭盤號：對于撫遠而言，50號法蘭盤接ODF架上的7＃光纜，48號法蘭盤接ODF架上的8＃光纜。對于同江而言，37號法蘭盤接ODF架上的4＃光纜，38號法蘭盤接ODF架上的5＃光纜。箭頭表示了光信號的傳輸方向。同江至撫遠的實際光纜長度為203km,其中同江－撫遠光纜線路損耗為53.4dB,撫遠－同江光纜線路損耗為55.1dB。
（2）傳輸應用方案。本次現場應用采用前述的傳輸方案，系統接收靈敏度試驗和誤碼測試采用的光路結構如圖3所示：

圖3  誤碼測試連接圖
    圖3中，復用和解復用由SDH系統完成，所以用虛線箭頭；實際的光路連接用實線箭頭表示。箭頭的方向表示信息流的方向。
（3）系統設備與實際運行結果
    系統設備包括：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轉發(fā)EDFA、拉曼光纖放大器、光功率計和光衰減器，華為公司optix2500+（Metro3000）光傳輸系統。其中，轉發(fā)EDFADE中心波長為1550.92nm，色散受限距離大于250km，并采用SBS抑制技術使放大器入纖光功率可以達到18dBm以上；同江機房的接受光盤實測靈敏度為－34.1dBm，撫遠機房的接受光盤實測靈敏度為－32.4dBm。
    測試內容包括兩個方向的光纜實際衰耗、發(fā)送端和接收端各點的光功率、喇曼光纖放大器的實際增益、光接收機的靈敏度、系統極限接收靈敏度、短期和長期誤碼率、應用前后線路的穩(wěn)定性等。實際測試結果如表2和表3所示。
          表2 現場測試結果（單位:dBm）

    經過24小時誤碼測試后，相應光口復測的功率如下表：
表3 試驗前后輸出與接收端光功率復測結果

對比表2和表3的測試數據,可以發(fā)現線路光功率及喇曼增益非常穩(wěn)定。
（4）應用結果的對比分析。根據現場測試數據，可以得出利用喇曼放大器后系統的功率余量為：同江至撫遠線路為（－34.7）－（－42.2）=7.5dB；撫遠至同江為（－36.8）－（44.4）＝7.6dB。這樣，即使光盤壽命終了時接收靈敏度會下降到－32dBm（V－16.2）和-28dBm（Le－16.2），線路的功率余量仍然大于3dB�？梢娋�路長期工作有足夠的設計余量保證，喇曼光纖放大器可以用于解決長跨距SDH線路的傳輸問題。
6 總結:本文深入分析了長跨距SDH光傳輸的主要問題,詳細討論了喇曼光纖放大器的應用和設計及相關問題的解決方案,首次給出了喇曼光纖放大器在國內2.5Gbit/s系統200公里G.652光纖上的工程應用結果，對喇曼光纖放大器的設計和應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品，自2002年12月至今已經在線路上穩(wěn)定運行兩個多月，經受住了光纜線路在零下30攝氏度的環(huán)境考驗，充分說明了技術方案的實用性。