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光的波分复用技术—扩大线路传输容量

光的波分复用技术是有效的扩大光纤通信线路的方法之一。其于1997年已进入商用,现正大面积地推广及蓬勃地发展。光波分复用技术,即在1根光纤中,采用许多彼长的光作信息载体,以扩大光纤的传输容量。

如果1个波长传送速率是2.5Gb/s,若采用8个波长,则1根光纤的容量就扩大了8倍,其容量就为20Gb/s。可见,采用光的波分复用技术能极大的提高通信传输速率。

点对点的WDM大容量系统的试用阶段已经过去,大规模或全面采用WDM系统的阶段现已展开。发达国家和大公司正在规划怎样组建WDM网?采用多少波长?采用什么速率?如何上下信道?如何保护?如何管理等。国际电联ITU-T现也为这些问题进行讨论和制订标准,还不完善。

一、光纤通信的发展和现状

光纤通信系统是以光为载波,利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介,通过光电变换,用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展,信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一,必将成为21世纪最重要的战略性产业。

1970年美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB/km的低损耗石英光纤,证明光纤作为通信的传输媒介是大有希望的。同年,美国贝尔实验室实现了铝镓砷(GaAlAs)异质结半导体激光器在室温下连续工作,为光纤通信提高了理想的光源。这两项研究成果,奠定了光纤通信的发展基础。

在20世纪70年代,光纤通信由起步到逐渐成熟。主要表现在光纤的传输质量大大提高,光纤的传输损耗逐年下降。与此同时,光纤的带宽和光源的寿命不断增加。光源和光电检测的性能不断改善。80年代是光纤通信大发展阶段。在这个时期,光纤通信迅速由0.8μnm波段转向1.3μm波段,由多模光纤转向单模光纤。通过理论分析和实践,在1.3μm和1.55μm波段分别实现了损耗为0.5dB/km和0.2dB/km的低损耗光纤传输。同时,石英光纤在1.31μm波段时色度色散为零,促使1.31μm波段单模光纤通信系统迅速发展。

20世纪90年代,波分复用(WDM)技术的诞生。在此之前1986年,英国南普敦大学在光纤基质中加入铒类子作为激光工作物质,用氩离子激光器作为泵浦源,制作出了能对1.55μm的光信号进行直接放大的掺铒光纤放大器(EDFA)。这一发明克服了光信号在传输过程中使用光一电和电一光中继器带来的"瓶颈"限制。波分复用(WDM)+EDFA系统解决了光电子、微电子对传输设备的"瓶颈"制约。

光纤通信的迅速发展与光纤通信的优越性是分不开的。光纤通信的主要优点有:

传输损耗低,传输距离长;频带宽,通信容量大;抗干扰能力强,适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中,保密性好;

尺寸小,重量轻,有利于敷设和运输;制造光纤的主要原料是Si02,它是地球上蕴藏量最丰富的物质,经济性好。

近年来,随着光纤通信技术的快速发展和光缆、元器件技术不断取得突破以及价格的逐年下降,传统的光纤通信网正在向下一代全光通信网快速演进,由高速骨干网向城域网和接入网延伸,由点到点的链路系统向交叉连接的传送网系统和面向业务的自动交换光网络发展。在新的发展阶段,高速大容量光纤传输系统的出现不仅增加了业务传输容量,而且为各种各样的新业务提供了实现的可能。而更大的带宽又可让运营商更加灵活有效地提供服务。所以,必须不断提高光纤通信系统的传输容量来满足信息传送量快速增长的需要。

光纤通信的发展趋势:

进入21世纪以来,一方面波分复用设备、光学元器件等日趋成熟,WDM+EDFA技术逐渐从骨干网向城域网、接入网渗透;另一方面光交叉技术(OXC)、光分插复用(OADM)设备的开发应用,点到点的WDM系统正在向能够通过复杂光网络传输不同波长信道的、面向用户、提供光路由的光网络演进。但要构建实用化的高速、大容量全光通信网,还需要解决好3个方面的问题:

(1)光纤的色散累积和非线性效应,光学器件引起的光信号在光纤中的串扰、噪声累积等问题;

(2)WDM设备中的高稳定集成光源、波长可调的集成化探测器等问题,OXC、OADM设备中的波长变换器、可调光谐滤波器、光交叉连接矩阵等问题;

(3)设备的标准化、互操作、网管和价格昂贵的等问题。

二、波分复用技术

1、波分复用技术的基本概念与原理

波分复用(WDM)技术是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器(亦称合波器,Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术,在接收端,经解复用器(亦称分波器或称去复用器,Demultiplexer)将各种波长的光载波分离,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或多个不同波长光信号的技术,称为波分复用技术。所以WDM技术可以在不增加光纤纤芯的情况下使传输容量成倍的增加。特别是密集波分复用的应用使光纤的传输容量进一步提高。原则上讲,在光纤的低损耗窗口都可以进行波分复用,但由于目前EDFA带宽平坦的范围在1530nm~1565nm,所以当前使用的复用波长大都在1550nm左右。ITU-T基于光纤的衰减谱对光纤的可用波段资源进行了详细的划分,如表1-1所示,所以当前密集波分复用系统主要工作在C波段(1530nm~1565 nm)。

波分复用

2、波分复用技术的主要特点

(1)充分利用光纤巨大的带宽资源波分复用技术利用了光纤巨大的带宽资源,使一根光纤的传输容量比单波传输增加几倍至几十倍,从而有效地解决了传输容量的问题。

(2)同时传输不同类型的信号由于WDM技术中使用的各波长相互独立,因而可以传输特性完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合和分离。

(3)多种应用形式

根据需要,WDM技术可有很多应用形式,如长途干线网,广播式分配网络,多路多址局域网络等,因此对网络应用十分重要。

(4)节约线路投资采用WDM技术可使多个波长信号复用起来在单根光纤中传输,在大容量长距离传输时可以节省大量光纤。另外,对已经建成的光纤通信系统扩容方便,只要原系统功率富余度较大,就可以进一步增容而不必对原系统做大的改动。

(5)数据透明WDM通道对数据格式是透明的,即与信号速率及调制方式无关。在网络扩充和发展中,是理想的扩容手段,也是引入宽带新业务的方便手段。

(6)高度的组网灵活性、经济性和可靠性利用WDM技术选路,实现网络交换和恢复,从而实现未来透明、灵活、经济且有高度生存性的光网络。

3、制约WDM系统发展的因素

随着波分复用的应用,在WDM系统中出现了许多新的技术问题,主要有光纤的色散和非线性效应等,这些问题将不断地制约着WDM技术的发展,同时也是设计WDM系统需要考虑的因素。

(1)光信道的串扰问题串扰问题是影响光接收机灵敏度的主要因素,取决于光纤的非线性效应和无源光解复用器的滤波特性。对于高速率的系统,需要认真研究。

(2)光纤色散EDFA的应用使得衰减限制的问题得以解决,传输距离大大的增加,但总色散也将随之增加。因此,色散的影响将是一个主要的限制因素,尤其是对高速系统来说更为明显。

(3)光纤的非线性由于WDM系统中信道数目增多,使得非线性效应比传统光纤传输系统更严重,因此非线性效应成为影响系统性能的主要因素之一。

光纤传输系统中存在着很多非线性效应,对WDM系统有明显影响的主要有两类:SPM、XPM、FWM为非线性折射率调制;SBS和SI峪为受激散射。其中SPM和SBS是单信道非线性效应,而FWM、XPM、SRS为多信道非线性效应,并且多信道非线性效应对系统的影响最为严重。这些非线性效应限制WDM系统的传输容量和传输距离,影响系统的传输性能。

4、波分复用光传输系统中的关键技术

带宽需求对通信提出了很高的要求,使得光通信向更高速率更远距离发展。而光纤通信系统在传输容量和速度方面得到增加的同时,光纤群速度色散、非线性效应等问题日益突出,成为影响光纤传输性能的主要因素。

目前光纤通信系统中普遍采用波分复用(WDM)技术+掺铒光纤放大器(EDFA)的方式来提高系统的容量和传输距离,光纤的入纤功率会引出非线性效应,并且色散补偿光纤的纤芯较细也容易产生非线性效应。而光纤非线性效应和光纤的群速度色散(GVD)相互作用将制约光纤传输系统的性能,而且非线性效应具有累积性。面临着这些挑战,需要综合采用各种先进的技术来克服。

(1)拉曼放大器技术在WDM长距离传输系统中,拉曼放大器技术是非常受瞩目的光传输技术,它可以放大EDFA所不能放大的波段,并且利用普通的传输光纤就能实现分布式放大,从而大大提高系统的光信噪比(OSNR)。对于WDM长距离传输系统来说利用拉曼放大器提高系统的OSNR、增加系统跨距长度、提高WDM系统的通路以及抑制光纤非线性效应是主要目的。

(2)色散补偿技术

在10Gbit/s及以上的高速长距离传输系统中,必须考虑色散补偿问题。由于光纤在信号波长处的色散不为零,经过长距离传输后,信号中的各个频率分量到达接收端的时延不同,导致信号产生符号间干扰,为解决该问题需要对色散进行补偿。群速度色散补偿的方式包括色散补偿光纤和色散补偿模块,使用最多的是色散补偿光纤(DCF),其色散系数符号与传输光纤相反,可以有效补偿传输光纤的色散问题,但这种色散补偿光纤具有较大的非线性效应,会使不同信道之间的串扰加大。除了采用DCF外,还可以使用其他的色散补偿技术,啁啾光纤布拉格光栅(FBG)、虚拟镜像相位列(VIPA)等。光纤孤子传输(Fiber Soliton Transmission)、中点谱反转法(MSSI,Mid-Span Spectral Inversion)、色散支持传输(DST,Dispersion Supported Transmission)、平面光路法(POC,Planar Optical Circuit)、预啁啾补偿技术(per-chirping)等。

(3)前向纠错编码(FEC)技术

在光传输系统中采用前向纠错编码(FEC)技术,即通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并去除传输过程中产生的误码∞.241。其编码增益也提供了一定的系统富余量,从而降低光传输链路中线性及非线性因素对系统性能的影响。由于纠错编码只需要在收发端增加相应的编译码器,无需增加和改动线路设备,具有成本低、灵活便捷、效果明显的优势。对于有光放大器的系统,可以增加光放大器间隔,延长传输距离,提高信道速率,减小单通路光功率。

(4)动态增益均衡技术

对于长距离传输系统,保证整个线路上的增益平坦是很重要的。增益均衡用于保证线路上各个波长之间的增益平坦,在主光通道的入口尽可能和各个波长之间的功率电平一致。动态增益均衡的优势在于可以增加长距离传输系统的区段数目,可以在级联50个EDFA情况下,不进行电再生中继;支持动态网络配置,在网络波长数目发生重大差异时不会对O卧汛造成损伤;由于输入光功率变化也会造成增益斜度劣化,而通过动态增益均衡,可以代替目前使用的可调光衰减器。

(5)新型光调制技术

信号调制技术是WDM长距离传输系统的一项重要技术。在WDM系统中每根光纤可利用的带宽和可达到的谱频率决定着光纤总容量,而先进的信号调制格式可以提高系统的OSNR,对提升光传输系统的传输距离有很大益处。目前国内外研究的码型有:载波抑制的归零码CSRZ,单边带归零码SSBRZ,双二进制码Duobinary,啁啾归零码CRZ,相位交替的归零码APRZ,差分相移键控DPSK,传号交替反转码AMI'曼彻斯特编码Manchester code,差分正交相移键控DQPSK。以及两种或三种调制格式的结合:双二进制载波抑制的归零码DCSRZ,差分相移键控归零码RZ-DPSK,差分相移键控载波抑制的归零码CSRZ-DPSK,双二进制归零码RZ—Duobinary,传号交替反转的归零码RZ-AMI,单边带调制的传号交替反转的归零码RZ-AMI SSB,单边带调制的双二进制载波抑制的归零码DCSRZSSB,差分正交相移键控的归零码RZ-DQPSK,差分正交相移键控载波抑制的归零码CSRZ-DQPSK等。

(6)大容量干线的单位长基本速率可采用40Gb/s—NTT

由于电子技术的进步,用InP材料制作高速电子线路有所突破。采用0.1μm工艺,40Gb/s的晶体管HEMT和集成电路已可制成。光器件的速率本来就很高,所以现在生产40Gb/s已具备条件。加采用40Gb/s作为1个波长的基本速率,利用现己成熟的光滤波技术就可生产2Tb/s的WDM系统,其光频谱利用率可达40~75%。三、结论:光纤通信由于它自身的优越性而已经得到广泛的应用,但如何进一步挖掘和提升其优越性是我们每个有志这方面研究的人的义不容辞的责任。光的波分复用技术就是提高其传输速率的一项关键技术,由于篇幅所限,本文只是简要介绍和讨论了光的波分复用技术,为了进一步提高提高系统传输性能,还有一些问题需要我们去解决,如光纤群速度色散、非线性效应影响等问题。