电力超长距光传输系统中低噪...EDFA设计及系统应用研究_卢贺.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：江苏省教育厅“未来网络科研基金项目”（）；江苏省成果转化项目（）收稿日期：修改日期：，（，；，；，）：（），（）：；：电力超长距光传输系统中低噪声指数国产化 设计及系统应用研究卢 贺，李伯中，邓 黎，吴广哲，陈 佟，马 超，王 雷，迟荣华，（国家电网有限公司信息通信分公司，北京；无锡市德科立光电子技术股份有限公司，江苏 无锡；无锡学院电子信息工程学院，江苏 无锡）摘 要：特高压输电线路是我国新基建的重要组成部分，受限于当前国际环境和我国地理环境的影响，电力通信网络长距离、国产化还面临着诸多问题。设计了一款基于国产化器件，采用波长优化、窄带滤波器级联、泵浦功率非均匀分配等技术的全国产化的超低噪声指数的，通过仿真设计和实验，分别验证了超低噪声指数放大器及其构成的电力超长跨距 系统，可实现 光纤、跨度的电力通信网络光传输系统。关键词：国产化光放大器；特高压；低噪声指数放大器；系统中图分类号：文献标识码：文章编号：（）我国地域辽阔，但能源分布、用电需求分布不均匀。水电集中于西南地区；风电、太阳能、煤炭资源集中于西北和北部地区；用电量则集中于中东部地区。受我国地理位置影响，在北部、西北、西南等地区，自然环境恶劣、基站建设困难大，边远地区用电困难，边疆国防安全建设也面临较大风险。西电东输工程中，特高压技术是目前电力能源输送的关键技术，特高压建设作为我国新基建的重要领域，在“双碳”目标背景下，有着巨大的发展空间。在长距离电力系统中，配套电力通信网络是实现自动化电网调度、电网保护等的基础，是确保电网安全稳定的关键技术。针对电力通信网络面临的应用环境复杂、无中继传输距离长、损耗跨度大等问题，目前主要采用、拉曼放大器、超低损光纤等方案。受国际环境影响，部分光通信器件技术被国外垄断，在当今国际环境影响下，国产化器件替代趋势尤为重要。无锡市德科立技术股份有限公司，已完成部分国产化光放大器、光模块等样品。对系统传输的影响分析图 所示的（）系统，接收端（）定义为接收端光信号功率与 带宽内噪声功率的比值，是判定光传输系统信号质量的重要指标。光传输线路中噪声的积累主要来自接收机电路本底噪声和放大器产生的自发辐射噪声（，）。光放大器在解决线路损耗的同时引入了，导致接收端 劣化，误码率增加。电 子 器 件第 卷图 系统拓扑图 影响分析光传输系统中，光放大器所产生的 远大于接收机电路本底噪声，因此对于接收端使用放大器的系统，接收端 的变化，可等效为放大器 对 的影响。放大器节点 级放大器对 的贡献值分别是，和 的关系式满足式（）：（）式中：的单位为线性单位。符合式（）：（）（）（）（）式中：为 级放大器的信号输入功率，单位为；为 级放大器的噪声指数（），单位为。单跨 系统配置方式为 时，、输入端功率的差值在 以上，综合式（）、式（），和 近似相等。因此相同 性能时，优化 的，可有效降低 接收端输入功率，增加传输跨度。影响分析图 所示的级联光路中，接收端 的等效噪声指数 符合式（）：（）图 级联示意图 以图 所示的双级光路结构 为例，信号光路部分由输入、（对应、）、中间级、（对应、）、输出 组成。为了便于分析 对 的影响，输入、输出端分别添加一台虚拟放大器，该虚拟放大器对系统无实质贡献，即增益 和 等于（）、和 等于（）。由式（）得：|（）由式（）分析可知：主要由 决定：较小，在粒子反转充分时，较大，此时 的影响较小。因此进入 的泵浦需保持较高功率值，保证 中较高的粒子数反转程度。输入端 对 的影响是直接累加的，降低 可有效优化。较大时，调整中间级损耗随波长的曲线，多波长 低增益下的 可得到改善。图 光路示意图 三能级单段光路设计的，粒子数反转充分时，理论 最小为 。实际产品受 的影响，最小理论值为（）。系统仿真及预算 放大器仿真基于 光纤的电力 系统，色度色散容限不超过 ，色散补偿引入的附加损耗，需要 进行功率补偿。因此 输入光功率要求低于，信号输出功率要求高于 ，采用的设计方案为：双段 设计，隔离器放置于 之间，有效抑制进入 的反向 功率，效率、的粒子反转程度较高。泵浦功率非均匀配置设计，提高 泵浦功率，保证粒子数反转程度，近似等于 。第 期 卢 贺，李伯中等：电力超长距光传输系统中低噪声指数国产化 设计及系统应用研究输出端窄带滤波器设计，有效抑制前向带外 功率，保证目标输出信号功率，有效降低输出总功率，预防接收机饱和。针对高功率（以上）目标输出时，和 之间放置窄带滤波器，有效抑制进入 的前向 功率，提高 的输出效率。无源器件（分光器、隔离器、泵浦信号复用器、滤波器等）损耗优化，降低输入端损耗。利用 软件对图 所示 进行仿真。仿真参数设定为：、；采用 ，、长度为 和 ，性能参数如表 所示；泵浦功 率 采 用 分 光 结 构，分 光 比 为；，时，、的仿真结果如图 所示，低至 ，和常规放大器相比，降低 。图 光路设计图图 光路仿真示意图表 光学性能参数参数数值工作波长 纤芯数值孔径吸收系数 吸收系数 本底损耗 截止波长 模场直径 偏振模色散 系统仿真根据图 仿真结果分析，波长越大，的 越小，图 所示的 系统传输效果最佳，因此优先选择 范围内波长作为传输波长。系统仿真参数设定：波长为 ；参数 ，输出功率采用 控制，输出功率为 ；参数 ，输出采用 控制，输出功率 。忽略非线性和色散影响，仿真结果如表 所示。当线路损耗为 时，达到 传输系统 理 论 容 限 值 ，此 时 输 入 功 率 为。由 光纤典型损耗系数 计算可得最大传输距离为 。图 仿真结果表 仿真结算结果放大器 系统实验 国产放大器设计方案根据章节 的仿真参数值制作 样品，光路详细结构如图 所示，其中分光器、隔离器、泵浦信号复用器、掺杂光纤、检测器、滤波器等所有光器件均采用国产器件。输入端无源器件的损耗小于 ，具体为：分光器基于熔融拉锥工艺，其分光比为，线路损耗小于 ；隔离器损耗小于 ；泵浦信号复用器基于熔融拉锥电 子 器 件第 卷工艺，信号损耗小于 。为国产 系列掺铒光纤，光学性能如表 所示，样品中、长度分别为 、。泵浦激光器采用国产 激光器，最大输出功率，泵浦功率 耦合进入，耦合进入。窄带滤波器分别放置在、之间及 之后。表 国产 光学性能参数参数数值工作波长 纤芯数值孔径 吸收系数 吸收系数 本底损耗 截止波长 模场直径 偏振模色散 无锡市德科立技术股份有限公司按照上述的国产化器件进行选型，制作了 放大器。放大器实测损耗 ，、。当输入光 为、输出功率 为 时，测试结果为 ，与章节 的仿真结果吻合。因此基于国产化器件，通过对输入端无源器件损耗控制、波长优化、窄带滤波器级联、泵浦功率非均匀分配等技术，实现了全国产化、噪声指标优异（）的。系统实验采用国产化 进行系统实验，实验拓扑结构如图 所示。采用（）的配置方案，其中传输光纤类型为，长度为，光纤损耗为，其中 前接入用于线路损耗调整，各设备性能参数如表 所示。表 设备清单及性能参数名称型号性能参数 单板 内含，阈值，色散容限为 ，输出波长为 。掺铒光纤放大器单板 含功率放大器 和前置放大器：输出功率，、。前置放大器带 滤波器，输出功率，、。色散补偿器单板针对 光纤，色散补偿距离大于等于 。使用 仪表进行误码测试，调节线路中，系统 误码率（）低于，产品工作模式及功率检测记录值如表 所示，其中系统传输跨度（）为，与表 仿真结果匹配。表 设备工作参数名称 工作模式 结语本文从系统 级联和 的 仿真设计出发，分析了接收端放大器 对系统传输性能的影响。基于国产化器件，采用波长优化、窄带滤波器级联、泵浦功率非均匀分配等技术，制作出低噪声指数的，其 仅为 。在实验室搭建了 拓扑的 超长距传输系统，模拟测试了工程现场应用场景下的系统性能，验证了运用国产化器件的低噪声指数放大器在超长距电力通信系统中的可行性，为国产化应用提供了理论支撑和相关实验数据。参考文献：龙诺亚，王飞，郑元伟 超 级别光纤传输技术在电力通信中的研究与应用 电力大数据，（）：王峰，马静，张亮，等 超长距光传输技术在宁夏电网中的应用 宁夏电力，（）：王云峰 超长距离无中继光传输技术及其应用 数码世界，（）：迟荣华，袁渊，王飞，等 双向抽运拉曼放大器在 超长距传输系统中的应用 激光与光电子学进展，（）：周文婷，崔力民，张玮，等 超长距光传输系统中光放大器综合配置技术研究 电子器件，（）：迟荣华，吕涛，王飞，等 基于二阶拉曼放大器的 超长距光传输系统的理论和实验研究 电子器件，（）：张菡，熊铖，李由 超长距 光传输系统带内四波混频现象研究 电子器件，（）：贾想，李献勤，桂桑，等 前向拉曼放大器在超长距传输系统的特殊用途 电子设计工程，（）：李伟华，吴广哲，陈皓，等 电力超长距光传输系统中 第 期 卢 贺，李伯中等：电力超长距光传输系统中低噪声指数国产化 设计及系统应用研究新型光纤的选择 电力信息与通信技术，（）：，：，杨祥林 光放大器机器应用 北京：电子工业出版社，：无锡市中兴光电子技术有限公司 低噪声指数掺铒光纤放大器设计优化方法：，：，：无锡市中兴光电子技术有限公司 带数字可调 抑制功能的光收发模：龙函，朱一峰，刘丽娜，等 一种提升 超长距光传输系统入纤光功率的方法 光通信技术，（）：卢 贺（），男，河南商丘人，硕士，高级工程师。研究方向：电力通信网及超长距光通信传输技；迟荣华（），女，山东莱阳人，博士，教授，正高级工程师。研究方向：光电子器件及高速光通信系统。