邓建
目前，超长距离密集波分复用光传输系统正沿着增大传输容量和延长传输距离这两个方向发展。每一次传输容量和传输距离的大幅度提升，都与市场需求和关键技术的突破这两方面紧密相关。回顾光传输系统的历史发展轨迹可以明显地看出，无电中继传输距离的每一次较大规模提升，总是基于新技术的采用和关键问题的克服而实现的，同时又伴随着对传输距离的新限制因素的出现。这些物理限制因素包括放大自发射辐射噪声积累、色度色散、非线性效应和偏振模色散等。在单信道10Gbps的ULH DWDM光传输中，又以前三种物理效应最为明显，而偏振模色散（PMD）效应主要在更高速率如40G传输系统中才明显起作用。为了应对这些技术挑战，诞生了多种技术，包括喇曼放大技术、前向纠错技术、色散补偿和非线性技术等。
本文将对基于解决放大自发射辐射噪声积累问题的一些关键使能技术进行简要介绍。
一、放大自发辐射噪声和传输系统性能
放大自发辐射（ASE）噪声是光纤链路中光放大器生成的光噪声。所有的放大器都会带来额外的噪声，光放大器也一样。在EDFA中，铒离子周围的电子从基态被泵浦到激发态。在光信号穿过掺铒光纤（典型长度5-10米）时，前者从受激发的电子中抽取能量，信号也随之放大（通过受激辐射放大）。但是，电子会自发地回落到基态，同时随机辐射出光子。掺铒光纤的前端随机辐射生成的光子可在光纤的后部分获得放大。这种额外噪声可以由噪声指数（NF）描述，该参数说明了光放大器的放大特性有多“嘈杂”。实际应用中EDFA的噪声指数一般是6dB。由于光放大器不但能对输入的光信号和ASE噪声进行相同增益的放大，而且还会额外增加一部分ASE噪声功率，这种噪声还会沿着传输光纤路径积累起来。定义光信噪比（OSNR）为某信道的光功率与该信道波长上的ASE光功率之间的比值。显然，沿着传输光纤路径，OSNR数值是逐步降低（劣化）的。
对于一个带光放大的传输链路，作为衡量系统性能最终手段的接收比特误码率（BER）直接与接收器的OSNR有关，其它条件不变，OSNR越大，则BER越低。以2.5Gbps接收机为例，在背靠背（无传输）配置下接收消光比10dB的光信号，为获得10-12的BER所要求的最小OSNR的典型值为14-15dB，因此2.5Gbps传输系统接收机处的OSNR必须大于这一数值，以保证BER小于10-12。相应这一OSNR的数值称为传输系统的“OSNR容限”。在WDM传输系统中“OSNR容限”是衡量系统性能的最重要的光学指标之一。其它条件不变，传输系统的OSNR容限越低，系统性能也越优异。
显然，OSNR最终也会对传输距离造成限制。利用一个简单公式可以估计典型的带光放大的传输链路的OSNR。假设每段光纤的损耗相同，每段光纤使用的光放大器增益和噪声指数也相同，则在经过N段光纤传输后，光信号的OSNR为：
OSNR＝58dB＋入纤光功率－NF－每跨段损耗－10log（跨段数目） （1）
假设：单信道入纤光功率0dBm，每个放大器的噪声指数6dB，每个80公里光纤跨段损耗22dB，一个8跨段光放大传输链路给出的接收端OSNR约21dB。考虑到2.5Gbps收发机在背靠背配置中的典型OSNR容限为14-15dB。因此，在不计入传输代价时上例中的传输系统具有大于6dB的系统余量。
10Gbps接收器的带宽较大，不但容易受光噪声的影响，而且还容易受到电噪声的影响，因此其传输很难获得良好的原始BER。从图1中的NRZ码型的曲线外推可以得知，OSNR需要达到25dB才能得到10-15的BER。在0dBm入纤光功率的情况下，上述OSNR对应3个80公里跨段的光放大传输。因此需要采用适当的措施来延伸传输距离。
图1 10Gbps NRZ与RZ格式的OSNR-背靠背原始BER特性曲线比较
图1为10Gbps NRZ与RZ格式的OSNR-背靠背原始BER特性曲线的比较，RZ码型由SuperCRZ收发一体模块产生。
从式（1）可以看出，为使传输距离更长，同时保持足够的OSNR，可增加入纤光功率，入纤光功率增加3dB可将传输距离延长一倍。然而，一味地提高入纤光功率会引发较大的非线性效应，反而不利于超长距离的传输。
延长传输距离可采用两种方法：降低OSNR容限，如采用前向纠错（FEC）技术、码型技术等，或采用低噪声光放大器，延缓OSNR的劣化，如喇曼放大技术等。
下面分别介绍这两种技术。
二、前向误码校验技术
FEC技术通过在传输码列中加入冗余纠错码，可降低接收端的OSNR容限，从而达到改善系统性能、降低系统成本的目的。FEC所贡献的传输系统OSNR容限的降低可以称为“FEC编码增益”，编码增益越强，纠错性能越高。标准的ITU-T G.975 FEC可提供6dB的编码增益，在10Gbps系统中利用G.975 FEC技术可将8×10-5的原始BER纠错至10-15，前者对应的OSNR大约是14-15dB。因此，单信道10Gbps的DWDM传输（带FEC、色散补偿）性能与单信道2.5Gbps的DWDM系统几乎相同，OSNR容限都是20dB（已考虑6dB系统余量）。在0dBm入纤光功率情况下，两者的OSNR受限传输距离都可达到8×80公里。在单信道2.5Gbps的DWDM系统中使用G.975 FEC技术，前者的OSNR容限可降低至14dB（含6dB系统余量）。
目前业界提出的用于SDH/DWDM的实用化FEC技术主要有以下三种：
1、带内FEC
带内FEC利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的监督码元。这种方法的缺点是帧开销中可利用的字节数和帧长度有限，编码增益较小（3-4dB）。带内FEC常采用BCH3格式编解码，由ITU-T G.707标准支持。
2、带外FEC
带外FEC由ITU-T G.975/709标准支持。ITU-T G.975标准规定利用RS（255，239）码交织编解码，在帧尾插入校验字，编码冗余度7%。ITU-T G.709标准规定使用RS（255，238）编码，编码冗余度更大，开销也有一定的灵活性。带外FEC的编码冗余度大，纠错能力强，编码增益较高（5-6dB），并可方便地插入FEC开销而不受SDH帧格式的限制，具有较强的灵活性。缺点是插入的开销会增加线路速率，需对相应的设备进行一定的改动。由于受到设备厂商的广泛支持，目前带外FEC已经成为事实上的FEC编码标准。
3、增强型FEC（EFEC）
随着软/硬件技术的发展，光通信系统逐步引入了级联信道编码等大增益编码技术，进行增强型FEC的研制，主要应用于时延要求不严、编码增益要求特别高的光通信系统。涉及的码型包括RS级联码、分组Turbo码和Goppa码等。级联码不仅具有极强的纠正突发错误、随机错误的能力，提供更大的编码增益，而且更重要的是可以利用其构造方法，达到信道编码定理所给出的码限（Shannon）。虽然EFEC的编解码过程比较复杂，目前还较少应用，但由于其性能优势，必将发展成为一项实用技术，并成为下一代带外FEC的主流。
总体来讲，若对编码增益要求不太高，不想对现有系统进行大的调整，带内FEC是一种最佳方案，方便平滑升级。带外FEC具有灵活的开销，可用于需要更大的编码增益的通信系统，但由于会改变调制速率，需要根据码率对整个发送/接收设备作一定的更换。
三、喇曼放大技术
分布式喇曼放大器也是近期广泛研究和应用的新型光放大器方案。由于这种放大器在光传输系统扩容和增加传输距离方面具有巨大潜力，被认为是研发新一代高速超长距离DWDM光纤通信骨干网中的核心技术之一。分布式喇曼放大基于光纤受激喇曼散射（SRS）效应，一般采用反向泵浦方式。
具体的实现方法如下：将高功率（0.5W）连续运转激光从光纤跨段的输出端注入传输光纤，该泵浦光的传输方向与信号光传输方向相反。泵浦激光器的波长比信号光短约100nm。高功率光场泵浦光纤中的组分物质，产生虚激发态；电子从这些虚激发态向基态跃迁，从而实现光信号的增益，光放大方式与EDFA类似。
分布式喇曼与EDFA放大的主要区别在于：
1、分布式放大
喇曼放大采用传输光纤本身作为放大介质，增益区分布在很长距离（20公里）的传输光纤中，这对降低入纤光功率，减弱光纤非线性效应的危害具有非常积极的作用。
2、低噪声指数
分布式喇曼放大使光信号还远未到达传输光纤输出端口处即获得放大，可降低有效跨段损耗（在G.652光纤中的典型值是5.5dB）。在OSNR演化计算中，上述有效跨段损耗的降低通常被归结于光放大器噪声指数的降低。后向泵浦喇曼放大器的等效噪声指数一般为0dB。这对于为提高单跨段长度、增加系统OSNR预算和传输距离方面有显著的优势。
3、超宽带光放大
喇曼放大的增益波段由泵浦激光器波长所决定，通过选择合适的泵浦激光器波长，其增益范围可覆盖1300-1700nm的整个单模光纤低损耗频段，并在1550nm波长附近连续增益带宽达100nm，非常适合S-band、XL-band等常规EDFA难于放大的波段。
在实际应用中，分布式喇曼放大器也有一些需要注意的地方。例如，在机站集线器处总是有许多光纤连接器与光纤熔接连接，这种光纤连接会吸收泵浦光功率并产生后向散射，劣化信号光质量。此外，后泵浦喇曼放大带来的4-5dB OSNR改善，并不能完全贡献光纤跨段的数目和传输距离的增加，因为光纤跨段数目更重要的是由光纤非线性效应决定的。
除了反向泵浦分布式喇曼放大外，还诞生了其它形态的喇曼放大技术，如前向泵浦和双向泵浦喇曼放大，可提供更高的增益和更低的噪声指数，并可同时实现增益和噪声指数平坦。采用色散补偿光纤（DCF）作为增益介质制成的分立式喇曼放大器，可在对传输链路进行色散补偿的同时，实现对光信号的超宽带集总放大，并有调节增益斜率的潜力。此外，还有采用分布式、分立式喇曼放大器实现的全喇曼传输系统，连续增益带宽达到100nm，支持包括S-band、xL-band在内的超宽带传输。
当然，这些喇曼放大形态也有固有的缺点。前向泵浦和双向泵浦喇曼放大有较强的泵浦光相对强度噪声（RIN）转移的问题，对喇曼放大器的噪声特性有明显影响。特别是在G.655等色散系数较小的传输光纤中，这种RIN转移问题更为严重，会大大劣化喇曼放大器的噪声指数。分立式拉曼放大器的经济效益、噪声指数与EDFA相比尚无明显优势。
综上所述，分布式喇曼放大技术的最佳应用场合，应该是用于单长跨距系统，或者ULH传输系统中的个别长跨距。
四、遥泵技术
遥泵技术是用于单长跨距传输的专门技术，主要解决单长跨距传输中信号光的OSNR受限问题。大家知道，在对信号光进行光放大时，假设光放大器具有恒定不变的增益和噪声指数值，光放大器输入端的信号光功率越小，则光放大器输出信号光的OSNR越低，因此应尽量避免对低功率信号光进行放大。在单长跨距传输系统中，光纤输出端口处的光功率总是很小，经光功率放大后，极易造成接收端OSNR受限，因此单长跨距系统一般都采用高入纤光功率。同时为了避免出现非线性失真，总光功率一般限制在30dBm以下。
为了进一步解决OSNR受限、延长传输距离，可在光纤链路中间部分对光信号进行预先放大。在传输光纤的适当位置熔入一段掺铒光纤，并从单长跨距传输系统的端站（发射端或接收端）发送一个高功率泵浦光，经过光纤传输和合波器后注入铒纤并激励铒离子。信号光在铒纤内部获得放大，并可显著提高传输光纤的输出光功率。由于泵浦激光器的位置和增益介质（铒纤）不在同一个位置，因此称为“遥泵（Remote Pump）”，参见图2。
图2 遥泵技术原理
遥泵光源通常采用瓦级的1480nm激光器，以克服长距离光纤传输的损耗问题。根据泵浦光和信号光是否在一根光纤中传输，遥泵又分为“旁路”（泵浦光和信号光经由不同光纤传输）和“随路”（两者通过同一光纤传输）两种形态。随路方式中泵浦光还可对光纤中的信号光进行喇曼放大，进一步增加传输距离，并可节省光纤资源，应用广泛。遥泵技术通常还可综合其它新技术，如光纤有效截面管理、二阶喇曼泵浦、两级遥泵增益区等。目前遥泵技术已经在实验室中实现单长跨距传输420公里的记录。
总之，遥泵传输技术是在光缆线路中插入掺铒光纤等增益介质来进行光放大，这些点不需要供电设施，也无需维护，适合那些穿越沙漠、高原、湖泊、海峡的环境。不便之处在于，它需要在适当的位置切断光缆纤，将掺铒光纤串联到原来的光纤中，施工改动量和难度较大。
摘自 光纤新闻网
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