电力超长距离光纤通信遥泵放大系统设计

电力超长距离光纤通信遥泵放大系统设计王辉;王琴;张勇【摘要】Fiber-optic communication is the most important transmission means for power line protection and signal control.By now there is not yet any case of the commercial operation of Remote Optical Pump Amplifier (ROPA)system in Chinas elec-tric power grids and so no design experience,therefore it is a research subj ect to be urgently enhanced to design a reliable ultra-long-distance ROPA fiber-optic circuit for electric power system communication.This thesis introduces the basic principle of the ROPA technology,presents a ROPA system scheme adoptable in practical proj ect and analyzes this scheme in connection with practical proj ect cases.The proposed design method can be used as important reference for the discussed system design.%光纤通信是电力输电线路保护及 控制信号最重要的传输手段。由于遥泵放大技术在国内电力系统中尚无正式运行案 例，设计经验较少，因此，如何设计可靠的超长距离遥泵放大光纤线路，成为电力 系统通信亟待完善的课题。文章介绍了遥泵放大技术的基本原理，提出了一种适合 在电力系统超长距离光纤通信工程中采用的遥泵放大系统方案，并结合实际工程案 例进行分析。所提出的设计方法可作为电力系统超长距离遥泵放大系统设计的重要 4七参考。期刊名称】 光通信研究年(卷),期】 2014(000)006【总页数】3页(P32-34)关键词】超长距离传输系统;遥泵放大;远端泵浦单元;掺铒光纤;拉曼放大 【作 者】王辉;王琴;张勇 【作者单位】中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉 430071;国网湖北省 电力公司运行检修公司，武汉 430050;国网湖北省电力公司信息通信公司，武汉 430077【正文语种】中文【中图分类】TN914电力特高压交流线路的长度一般在300-400 km，特高压直流线路的长度一般在 1 000 km以上，已远远超过光缆线路无中继传输的极限，需要随输电线路建设多 个光纤中继站，对光信号进行再生放大。由于高压输电线路路径一般较偏僻，光纤 中继站的选址、工程建设和运行维护较困难，因此，需采用最先进的超长距离传输 技术，尽可能地延长光缆线路无中继传输距离，减少光纤中继站的建设，从而提高 光缆线路的可靠性，减少运维成本。近年来，在电力系统的光纤传输系统中新的技 术不断应用，如：EDFA（掺铒光纤放大器）技术、拉曼放大技术、SBS（受激布里渊 散射）非线性效应抑制技术、遥泵放大技术、EFEC（增强型前向纠错）技术和ULL（超 低损耗）光纤等，一次又一次地刷新了光缆线路无中继传输距离的极限1。其中， 遥泵放大技术是目前实现350 km以上无中继光纤传输的有效技术之一。本文介 绍了遥泵系统的基本构成，以及同纤遥泵和异纤遥泵的区别；分析了泵浦光如何对 RGU（掺铒光纤增益单元）中的信号光进行放大，以及泵浦光在传输过程中产生的拉 曼效应对信号光放大的过程。结合埃塞俄比亚复兴大坝工程363 km遥泵放大光 纤通信线路，提出了遥泵放大系统的设计方法，并采用相关软件进行验算。个完整的遥泵系统实际上是由一个RGU和一个RPU（远端泵浦单元）所组成。遥 泵方案示意图参见图1。遥泵方式是将高功率泵浦激光器放在信号的终端（发送端 或接收端），将泵浦光源传输到设置在线路远端的RGU中，利用EDF（掺铒光纤）中 铒离子能级的跃迁，实现对信号光的放大。根据泵浦方式的不同，泵浦放大系统可以分为同纤泵浦与异纤泵浦两类。泵浦光和 信号光在同一根纤芯中传输称为同纤遥泵，在不同的纤芯中传输称为异纤遥泵。其 中，同纤遥泵在传输高功率的泵浦光源的过程中产生的拉曼效应可以对同纤的信号 光进行放大。EDF能对光信号进行放大的根本原因是EDF中的铒离子存在于不同的能级中，当 它存在于高能级同时有一个光子通过时，该光子可以刺激它释放掉一部分能量而回 到更加稳定的低能级。被释放掉的那部分能量会以新光子的形式传递出去。而释放 出来的光子与激发它的光子的波长、频率、相位、偏振态和传输方向等完全一致， 从而实现了信号光的放大。EDF的增益与光纤中铒离子浓度、掺杂半径、光纤长 度、泵浦波长及功率、信号波长及功率等因素有关2。铒离子吸收发射截面图参 见图2。EDFA泵浦光的波长一般为980和1 480 nm，其中1 480 nm波长的泵浦光具有 更高的泵浦效率。遥泵系统中的RGU距离泵浦源较远（一般在50 100 km），考 虑到980 nm波长的光在光纤中衰减较大，而1 480 nm波长的泵浦光具有更高 的效率，因此一般选用1 480 nm波长的泵浦光。在单波系统中，远端RGU -般 采用同向泵浦的方式。同向泵浦示意图参见图3。同纤遥泵同时还利用了光纤的拉曼效应对信号光进行放大。拉曼效应是在光纤中传 输高功率信号时发生的非线性效应（受激拉曼散射），泵浦光子的能量产生了一个与 信号光同频率的光子和一个声子，高功率信号的一部分能量经拉曼效应传递给信号 光，实现对信号光的放大3。拉曼增益强度与泵浦光强和泵浦光与信号光的频率差有很大关系，差值为13 THz 时，这种增益达到极点。因此，要放大1 530-1 605 nm的工作波长，最佳泵浦 源波长在1 420-1 500 nm波段，遥泵的泵浦光波长为1 480 nm，产生的拉曼 效应能够对信号光进行放大3。光纤中的受激拉曼增益谱如图4所示。在埃塞俄比亚复兴大坝输变电工程中，由Gerd水电站至Dedesa变电站的光缆长 度约为363 km，采用G.655D光纤（康宁的Leaf大有效面积光纤）。由于光缆长度 过长，整个系统的衰耗很大，必须在系统中采用遥泵放大技术。整个系统由光放大 器、预放大器、EFEC、CoRFA（前向拉曼放大器）和遥泵等放大器件组成。超长距 离无中继传输遥泵放大方案配置如图5所示。全段光纤的参数如下：光纤衰减系数为0.20 dB/km,光缆衰减为72.6 dB,固定接 头衰减系数为0.01 dB/km,固定接头衰减为3.63 dB,活动连接器衰耗为1 dB,光通 道代价为2 dB,光缆衰减富余度为5 dB,总衰减为84.23 dB,光纤色散系数为4.5 ps/（nmkm）,总色散为1 633.5 ps/nm,光放大器发送功率为17 dBm,SBS+前向 喇曼等效增益为8 dB,加预放后接收灵敏度为-38 dBm后向拉曼等效增益为6 dB,EFEC功率增益为8 dB,遥泵功率增益为9 dB,功率电平富余度为1.77 dBm。 该遥泵系统采用同纤遥泵的工作方式。RPU发送的泵浦光功率为30.5 dBm（波长 为1 480 nm） , RGU的有效输入泵浦功率为9-10 dBm，考虑一定的余量，要求 最终到达RGU的泵浦功率约为12 dBm。波长为1 480 nm的泵浦光在G.655D 光纤中的衰减系数约为0.24 dB/km（含光纤熔接头损耗），因此RGU距RPU泵浦 源的最佳距离L=（30.5-12）/0.24=77.08 km。即需在距变电站约77 km处，选择 个交通方便、便于维护的输电线路铁塔，将RGU安装在该铁塔上。我们将上述理论计算结果输入OTA（光传输系统分析）软件进行验算得知，当RGU 足距后端泵浦源的距离为77 km时，前置放大器输出信号的OSNR（光信噪比）为 13.85 dB，符合系统设计要求。由OTA软件计算出的RGU距后端泵浦源的最优 距离为89 km , EDF的最佳长度约为27.8 m，泵浦源功率为1 000 mW，前置放 大器输出信号的理论OSNR为15.97 dB。遥泵放大技术是目前实现350 km以上无中继光纤传输的最有效的技术之一。虽 然目前遥泵放大技术在电力系统中还没有正式运用，但多年来电力系统开设了许多 遥泵放大系统的试验光纤线路，经过多年的实践检验，遥泵技术已经逐步完善。在 近期投入运行的多条长距离、大容量的特高压直流线路中有望正式采用该技术。遥 泵技术在电力系统超长距无中继传输线路中的应用将会越来越广泛。如何写摘要？ 摘要是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献 重要内容的短文。其基本要素包括研究的目的、方法、结果和结论，有时也包括 “其他”(不属于研究、研制、调查的主要目的，但就其见识和情报价值而言也是 重要的信息)。 编写摘要时不得简单地重复题名中已有的信息，要排除在本学科领 域中已成常识的内容，要用第三人称的写法。应采用“对进行了研究”、“报 告了现状”、“进行了调查”等记述方法，不必使用“本文”、“作者” 等作为主语。摘要的篇幅为200 300字；英文摘要应与中文摘要相对应。【相关文献】1 姜利民，罗玉兴，印新达电力系统光纤通信超长站距传输技术的研究J.电力系统通信， 2008，29(185)：22-27.2 韦乐平，张成良.光网络系统、器件与互联网技术 M. 北京：人民邮电出版社，2006: 95-98.3 龚倩，徐荣，叶小华，等高速超长距离光传输技术M.北京：人民邮电出版社，2005 : 120-122.