無中繼光纖鏈路:關鍵技術簡介,光放大技術,色散補償技術,接收機,前向糾錯技術,典型

無中繼光纖鏈路（repeaterless fiber optic link）是光纖傳輸媒介中不包括任何中繼器的鏈路。無中繼光纖傳輸系統是指在光纖鏈路上不包括任何光電中繼設備的傳輸系統，其關鍵技術包括光放大技術、光纖拉曼放大技術等。

中文名稱	無中繼光纖鏈路
英文名稱	repeaterless fiber optic link
定　　義	光纖傳輸媒介中不包括任何中繼器的鏈路。
套用學科	通信科技（一級學科），光纖傳輸與接入（二級學科）

基本介紹

中文名：無中繼光纖鏈路
外文名：repeaterless fiber optic link

關鍵技術簡介,光放大技術,色散補償技術,接收機,前向糾錯技術,典型信道速率無中繼光纖傳輸系統,16×2.5(Gbit/s)的無中繼傳輸系統,16×10(Gbit/s)的無中繼傳輸系統,25×40(Gbit/s)的無中繼傳輸系統,

關鍵技術簡介

光信號在光纖中傳輸由於光纖對光能量的吸收、色散、輻射的損耗，使得光纖內傳輸的光功率隨傳輸距離的增加而衰減。為保證接收機接收到信號的誤碼率在特定範圍之內，在長跨距傳輸中需加光發大器對功率進行放大。對於現在普遍使用的G652光纖還需考慮其色散損耗的問題，在長跨距傳輸系統中加入色散補償模組。因此光放大技術、色散補償和高靈敏度的接收機成為解決長跨距無中繼傳輸的關鍵技術。

光放大技術

基本的放大技術包括功率放大器(BA)、前置放大器(PA)、線路放大器(LA)等·功率放大器(BA)一般安裝在光發射機的輸出端，用於提高發射機的輸出功率，前置放大器(PA)通常安裝在接收機的前面來增大接收機的靈敏度，線路放大器(LA)安裝線上路中間用於中繼放大光信號。目前常用的放大器有摻餌光纖放大器(EDFA)、光纖拉曼放大器(FRA)。

1、摻餌光纖放大器(EDFA)

EDFA中的餌元素的輻射光譜在1550nm的視窗處，因而EDFA工作波長為z550nm，工作範圍在1530nm到1560nm。EDFA具有高增益、低噪聲、輸出功率高、串話小、對溫度偏振不敏感、禍合效率高、易與傳輸光纖禍合連線、損耗低、不易自激、對信號速率和格式透明，並具有幾十納米的放大頻寬等優點。實現了對一根光纖中傳輸的多路光信號的同時放大，在WDM系統中成功套用，極大地增加了光纖傳輸系統的信息容量。

EDFA噪聲低，因而可以用作光接收機的前置放大器以提高接收靈敏度，也可作光發射機的功率放大器。作為功率放大器EDFA一BA時能使雷射器的傳送功率從0dBm提高到10dBm，提升輸出功率從而可將通信傳輸距離延長10一20km。EDFA在光纖通信系統中一個重要套用就是作為線路放大器，置於鏈路內部，用來補償傳輸損耗，延長線路長度。置於接收機之前做前置放大器EDFA一PA時增益為25dB，對於高速率長跨距的傳輸系統，由於對光信噪比要求比較高，一般採用高功率的信號轉發EDFA(RT-EDFA)作為功放，RT-EDFA通過專門的光信號轉發和光放大技術，將光端機輸出的光信號接收、再生、放大，然後通過高色散容限的光發射機轉發輸出，延長設備的傳輸距離。為了消除高功率帶來的SBS對系統的影響，RT-ED隊採用直調方式，其輸出功率可達19dBm，輸入功率動態範圍大，在-17dBm~-3dBm之間，性能穩定可靠。

2、光纖拉曼放大器(FRA)

根據增益介質的不同，FRA可分為兩種類型:分散式拉曼放大器(DRA)和分立式拉曼放大器(DCRA)。由於DRA利用普通傳輸光纖(如標準單模光纖SSFM、色散位移光纖DSF和非零色散位移光纖NZDSF等)作為增益介質，因而結構簡單、更新換代方便，加之DRA本身固有的增益譜靈活、OSNR高和非線性低的特點，成為FRA套用的主流。分散式拉曼放大器(DRA)按照泵浦與信號傳播方向關係可以分為同向(前向)泵浦和反向(後向)泵浦。同向泵浦一般放在發射機或功率放大器的後面，相當於功放，使信號延傳輸光纖逐步放大，從而可以降低信號的入纖功率，減小非線性的影響。反向泵浦的拉曼放大器一般置於傳輸光纖的末端，前置放大器的前端，功能相當於PA，前向Raman增益大於16dB，後向泵浦拉曼增益20dB。

較之於EDFA，FRA噪聲係數小、具有較寬的增益範圍(可達100nm)，且可以改變其位置和範圍等優點，但其缺點是泵浦效率低、需要大功率的泵浦源、對偏振敏感、增益平坦度不易控制。現在更傾向於把兩者結合起來，利用EDFA的高增益和FRA的低噪聲特性形成混合的拉曼FRA+EDFA一隊放大系統，以延長系統的最大傳輸距離。

3、遙泵放大器(RoPA)

長跨距無中繼光纖通信系統中，為了進一步延長傳輸距離，可在光纖鏈路中間部分對光信號進行預先放大。在傳輸光纖的適當位置熔入一段摻餌光纖，並從單段長跨距傳輸系統的端站(發射端或接收端)傳送一個高功率泵浦光，經過光纖傳輸和合波器後注入餌纖並激勵餌離子。信號光在餌纖內部獲得放大，並可顯著提高傳輸光纖的輸出光功率。由於泵浦雷射器的位置和增益介質(餌纖)不在同一個位置，因此稱為“遙泵(RemotePump)”。遙泵在光纜線路中插入餌纖作為增益介質，這些點不需要供電設施，也無需維護，適合沙漠、高原、湖泊、海峽等地形複雜的環境。根據傳輸距離的需要，給定餌纖線上路中的長度和位置，調整泵浦雷射器的功率，得到預期的放大增益值。

色散補償技術

光纖通信系統中色散引起數位訊號脈衝展寬，產生碼間干擾，使得系統誤比特率提高，限制了信號在光纖中的無中繼傳輸的距離，因而實現高速率長跨距無中繼傳輸必須進行色散補償。本文對系統的色散補償技術採用的是惆啾光纖光柵(CDBG)，它在1550nm波長處具有和單模光纖符號相反的色散，達到了補償模組的目的。並且，惆啾光柵具有較高的品質因子，插入損耗低，非線性小，體積小重量輕，可以濾除EDFA的自發輻射噪聲，易於實現動態的色散補償，本章系統設備配置選用色散補償模組採用CDBG技術。

接收機

接收機靈敏度是描述其準確監測光信號能力的一種性能指標，對數字接收機，其靈敏度定義為:在保證誤碼機率不大於10^-9條件下，接收機最小的接收功率。

目前常用的光信號有PIN光電二極體和APD雪崩光電二極體。PIN光電二極體工作偏壓低，使用容易，但沒有內部增益，因此對接收機靈敏度要求高的系統，應選用APD雪崩光電二極體。APD作接收器件時，具有更高的靈敏度但輸入信號功率若超過一定值會導致飽和甚至損壞，所以通常用於長跨距傳輸。

前向糾錯技術

糾錯編碼是超長距離傳輸中增加系統餘量的一項有效的關鍵技術，它通過在信號中加入少量的冗餘信息來發現並剔除傳輸過程中由噪聲引起的誤碼，以較低的成本和較小的頻寬損失換取高質量的傳輸。前向糾錯編碼(FEC)技術是目前高速光通信系統中運用最多的糾錯編碼方式。它是指信號在被傳輸之前預先對其進行一定的格式處理，在接收端則按規定的算法進行解碼並檢錯糾錯。

FEC屬於差錯控制編碼中的信道編碼，在高速光傳輸網路系統中的套用方式可分為帶內編碼FEC(In-band FEC)和帶外編碼FEC(Out-of-band FEC)。

帶內FEC方案是ITU一T在2000年10月通過的G707建議中提出的。所謂帶內，是指將FEC的冗餘監督位置於SONET/SDH原有幀格式開銷中的未定義位上，無須增加額外的頻寬，利用SDH幀中的一部分開銷位元組裝載FEC碼的監督碼元。帶內FEc的優點是不用改變soNET/sDH的幀格式、無須提高線路速率，但其糾錯能力非常有限，可以提高系統性能3~4dB。ITU一T在2001年制定的G.707標準中便提出了適合DWDM光傳輸網(OTN)2.5、10、40Gb/S速率的帶外FEC方案，所謂帶外，是指FEC為了實現糾錯所增加的冗餘校驗位不是像帶內FEC那樣插入原有幀格式的空閒位中，而是附加在數據幀之後，需要增加額外的頻寬，即使用帶外FEC後線路速率會提高。帶外FEC由於增加了線路速率，具有較高的糾錯能力，可以靈活地選擇糾錯容限以滿足系統的需要。帶外FEC採用RS編解碼，編碼增益高於帶內FEC，使用帶外FEC時系統總體性能改善能夠達到約7~9dB，因此超長距離系統均採用帶外FEC編碼。

典型信道速率無中繼光纖傳輸系統

16×2.5(Gbit/s)的無中繼傳輸系統

圖為16×2.5(Gbit/s)的無中繼傳輸系統實驗。

該實驗利用低損耗(約0.175dB/km)的單一純矽光纖(PSCF)作為信息載體，2個遙泵光放大器(ROPA)分別在距發射端50km和接收端100km處對被衰減的信號進行放大，2個ROPA均採用雙向泵浦結構，同時為了提供較高的泵浦功率，發射端ROPA的反向泵源利用了喇曼放大(大功率的1319nm Nd:YAG雷射器對1480nm的泵源提供喇曼增益)。收發機(RX/TX)中採用了前向糾錯(FEC)編解碼技術，同時為了提高接收靈敏度，系統採用雪崩光電二極體(APD)接收機。對於2.5Gbit/s長跨距無中繼系統來說，最主要的傳輸物理受限因素為光纖的損耗，故該系統主要採用了利用喇曼放大的ROPA。

16×10(Gbit/s)的無中繼傳輸系統

圖為16×10(Gbit/s)的無中繼傳輸系統實驗。針對圖1中為了給ROPA提供遠程泵浦光源，系統採用了顯然不符合經濟性原則的額外光纖的問題，本系統通過傳輸光纖給摻鉺光纖(EDF)提供泵浦光源，同時通過在鏈路始末端利用大有效面積光纖降低較大泵浦和信號功率下由非線性效應引起的傳輸性能的惡化。此外，為了最大限度地降低信號衰減的影響，這裡採用了雙向喇曼泵浦結構(反向為二階泵浦方式，1360nm對1480nm提供額外喇曼增益)。由於歸零差分相移鍵控(RZ-DPSK)與常規的開關鍵控(OOK)碼型相比，具有高的接收靈敏度和非線性容忍度，系統採用了該新型調製碼型。由於該系統的傳輸距離更長，信道速率也有所增加，故綜合採用了EFEC、大有效面積的傳輸光纖、高效的調製碼型、ROPA和喇曼放大的雙向泵浦形式。這一系統是目前在10Gbit/s信道速率下所實現的最長無中繼傳輸距離的系統。

25×40(Gbit/s)的無中繼傳輸系統

圖為25×4(Gbit/s)(總傳輸容量達到Tbit)的無中繼傳輸系統實驗。由於在40Gbit/s系統中PMD的影響非常明顯，因此系統採用了低PDM係數的正色散光纖(PDF)。同時為了抑制色散和非線性效應的綜合影響，採用了大有效面積的正色散光纖(EE-PDF，22ps/(nmkm))和信號頻寬內呈現負色散的非零色散位移光纖(NZ-DSF)共同組成傳輸鏈路。該系統在未採用FEC技術的條件下，信道最小Q值為15.6dB。若進一步最佳化鏈路色散，並採用EFEC技術，則系統傳輸距離可進一步提高。

無中繼光纖鏈路