光的波分復(fù)用技術(shù)

　　引言：光的波分復(fù)用技術(shù)是有效的擴大光纖通信線路的方法之一。其于1997年已進入商用，現(xiàn)正大面積地推廣及蓬勃地發(fā)展。光波分復(fù)用技術(shù)，即在1根光纖中，采用許多彼長的光作信息載體，以擴大光纖的傳輸容量。如果1個波長傳送速率是2.5Gb/s，若采用8個波長，則1根光纖的容量就擴大了8倍，其容量就為20Gb/s。可見，采用光的波分復(fù)用技術(shù)能極大的提高通信傳輸速率。點對點的WDM大容量系統(tǒng)的試用階段已經(jīng)過去，大規(guī)?；蛉娌捎肳DM系統(tǒng)的階段現(xiàn)已展開。發(fā)達國家和大公司正在規(guī)劃怎樣組建WDM網(wǎng)?采用多少波長?采用什么速率?如何上下信道?如何保護?如何管理等。國際電聯(lián)ITU-T現(xiàn)也為這些問題進行討論和制訂標準，還不完善。

　　一、光纖通信的發(fā)展和現(xiàn)狀

　　光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統(tǒng)。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信業(yè)的飛速發(fā)展，信息化給世界生產(chǎn)力和人類社會的發(fā)展帶來了極大的推動。光纖通信作為信息化的主要技術(shù)支柱之一，必將成為21世紀最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

　　1970年美國康寧玻璃公司研制出損耗為20dB/km的低損耗石英光纖，證明光纖作為通信的傳輸媒介是大有希望的。同年，美國貝爾實驗室實現(xiàn)了鋁鎵砷(GaAlAs)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器在室溫下連續(xù)工作，為光纖通信提高了理想的光源。這兩項研究成果，奠定了光纖通信的發(fā)展基礎(chǔ)。

　　在20世紀70年代，光纖通信由起步到逐漸成熟。主要表現(xiàn)在光纖的傳輸質(zhì)量大大提高，光纖的傳輸損耗逐年下降。與此同時，光纖的帶寬和光源的壽命不斷增加。光源和光電檢測的性能不斷改善。80年代是光纖通信大發(fā)展階段。在這個時期，光纖通信迅速由0.8µnm波段轉(zhuǎn)向1.3µm波段，由多模光纖轉(zhuǎn)向單模光纖。通過理論分析和實踐，在1.3µm和1.55µm波段分別實現(xiàn)了損耗為0.5dB/km和0.2dB/km的低損耗光纖傳輸。同時，石英光纖在1.31µm波段時色度色散為零，促使1.31µm波段單模光纖通信系統(tǒng)迅速發(fā)展。

　　20世紀90年代，波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的誕生。在此之前1986年，英國南普敦大學(xué)在光纖基質(zhì)中加入鉺類子作為激光工作物質(zhì)，用氬離子激光器作為泵浦源，制作出了能對1.55µm的光信號進行直接放大的摻鉺光纖放大器(EDFA)。這一發(fā)明克服了光信號在傳輸過程中使用光一電和電一光中繼器帶來的“瓶頸”限制。波分復(fù)用(WDM)+EDFA系統(tǒng)解決了光電子、微電子對傳輸設(shè)備的“瓶頸"制約。

　　光纖通信的迅速發(fā)展與光纖通信的優(yōu)越性是分不開的。光纖通信的主要優(yōu)點有：

　　傳輸損耗低，傳輸距離長;頻帶寬，通信容量大;抗干擾能力強，適合應(yīng)用于有強電干擾和電磁輻射的環(huán)境中，保密性好;

　　尺寸小，重量輕，有利于敷設(shè)和運輸;制造光纖的主要原料是Si02，它是地球上蘊藏量最豐富的物質(zhì)，經(jīng)濟性好。

　　近年來，隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展和光纜、元器件技術(shù)不斷取得突破以及價格的逐年下降，傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)正在向下一代全光通信網(wǎng)快速演進，由高速骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)和接入網(wǎng)延伸，由點到點的鏈路系統(tǒng)向交叉連接的傳送網(wǎng)系統(tǒng)和面向業(yè)務(wù)的自動交換光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。在新的發(fā)展階段，高速大容量光纖傳輸系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅增加了業(yè)務(wù)傳輸容量，而且為各種各樣的新業(yè)務(wù)提供了實現(xiàn)的可能。而更大的帶寬又可讓運營商更加靈活有效地提供服務(wù)。所以，必須不斷提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量來滿足信息傳送量快速增長的需要。

　　光纖通信的發(fā)展趨勢：

　　進入21世紀以來，一方面波分復(fù)用設(shè)備、光學(xué)元器件等日趨成熟，WDM+EDFA技術(shù)逐漸從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)、接入網(wǎng)滲透;另一方面光交叉技術(shù)(OXC)、光分插復(fù)用(OADM)設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用，點到點的WDM系統(tǒng)正在向能夠通過復(fù)雜光網(wǎng)絡(luò)傳輸不同波長信道的、面向用戶、提供光路由的光網(wǎng)絡(luò)演進。但要構(gòu)建實用化的高速、大容量全光通信網(wǎng)，還需要解決好3個方面的問題：

　　(1)光纖的色散累積和非線性效應(yīng)，光學(xué)器件引起的光信號在光纖中的串?dāng)_、噪聲累積等問題;

　　(2)WDM設(shè)備中的高穩(wěn)定集成光源、波長可調(diào)的集成化探測器等問題，OXC、OADM設(shè)備中的波長變換器、可調(diào)光諧濾波器、光交叉連接矩陣等問題;

　　(3)設(shè)備的標準化、互操作、網(wǎng)管和價格昂貴的等問題。

　　二、波分復(fù)用技術(shù)

　　1、波分復(fù)用技術(shù)的基本概念與原理

　　波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是將兩種或多種不同波長的光載波信號在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸?shù)募夹g(shù)，在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復(fù)原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或多個不同波長光信號的技術(shù)，稱為波分復(fù)用技術(shù)。所以WDM技術(shù)可以在不增加光纖纖芯的情況下使傳輸容量成倍的增加。特別是密集波分復(fù)用的應(yīng)用使光纖的傳輸容量進一步提高。原則上講，在光纖的低損耗窗口都可以進行波分復(fù)用，但由于目前EDFA帶寬平坦的范圍在1530nm～1565nm，所以當(dāng)前使用的復(fù)用波長大都在1550nm左右。ITU-T基于光纖的衰減譜對光纖的可用波段資源進行了詳細的劃分，如表1-1所示，所以當(dāng)前密集波分復(fù)用系統(tǒng)主要工作在C波段(1530nm～1565 nm)。

　　2、波分復(fù)用技術(shù)的主要特點

　　(1)充分利用光纖巨大的帶寬資源波分復(fù)用技術(shù)利用了光纖巨大的帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量比單波傳輸增加幾倍至幾十倍，從而有效地解決了傳輸容量的問題。

　　(2)同時傳輸不同類型的信號由于WDM技術(shù)中使用的各波長相互獨立，因而可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合和分離。

　　(3)多種應(yīng)用形式

　　根據(jù)需要，WDM技術(shù)可有很多應(yīng)用形式，如長途干線網(wǎng)，廣播式分配網(wǎng)絡(luò)，多路多址局域網(wǎng)絡(luò)等，因此對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用十分重要。

　　(4)節(jié)約線路投資采用WDM技術(shù)可使多個波長信號復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，在大容量長距離傳輸時可以節(jié)省大量光纖。另外，對已經(jīng)建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)功率富余度較大，就可以進一步增容而不必對原系統(tǒng)做大的改動。

　　(5)數(shù)據(jù)透明WDM通道對數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號速率及調(diào)制方式無關(guān)。在網(wǎng)絡(luò)擴充和發(fā)展中，是理想的擴容手段，也是引入寬帶新業(yè)務(wù)的方便手段。

　　(6)高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性利用WDM技術(shù)選路，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)，從而實現(xiàn)未來透明、靈活、經(jīng)濟且有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。

　　3、制約WDM系統(tǒng)發(fā)展的因素

　　隨著波分復(fù)用的應(yīng)用，在WDM系統(tǒng)中出現(xiàn)了許多新的技術(shù)問題，主要有光纖的色散和非線性效應(yīng)等，這些問題將不斷地制約著WDM技術(shù)的發(fā)展，同時也是設(shè)計WDM系統(tǒng)需要考慮的因素。

　　(1)光信道的串?dāng)_問題串?dāng)_問題是影響光接收機靈敏度的主要因素，取決于光纖的非線性效應(yīng)和無源光解復(fù)用器的濾波特性。對于高速率的系統(tǒng)，需要認真研究。

　　(2)光纖色散EDFA的應(yīng)用使得衰減限制的問題得以解決，傳輸距離大大的增加，但總色散也將隨之增加。因此，色散的影響將是一個主要的限制因素，尤其是對高速系統(tǒng)來說更為明顯。

　　(3)光纖的非線性由于WDM系統(tǒng)中信道數(shù)目增多，使得非線性效應(yīng)比傳統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)更嚴重，因此非線性效應(yīng)成為影響系統(tǒng)性能的主要因素之一。

　　光纖傳輸系統(tǒng)中存在著很多非線性效應(yīng)，對WDM系統(tǒng)有明顯影響的主要有兩類：SPM、XPM、FWM為非線性折射率調(diào)制;SBS和SI峪為受激散射。其中SPM和SBS是單信道非線性效應(yīng)，而FWM、XPM、SRS為多信道非線性效應(yīng)，并且多信道非線性效應(yīng)對系統(tǒng)的影響最為嚴重。這些非線性效應(yīng)限制WDM系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，影響系統(tǒng)的傳輸性能。

　　4、波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

　　帶寬需求對通信提出了很高的要求，使得光通信向更高速率更遠距離發(fā)展。而光纖通信系統(tǒng)在傳輸容量和速度方面得到增加的同時，光纖群速度色散、非線性效應(yīng)等問題日益突出，成為影響光纖傳輸性能的主要因素。

　　目前光纖通信系統(tǒng)中普遍采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)+摻鉺光纖放大器(EDFA)的方式來提高系統(tǒng)的容量和傳輸距離，光纖的入纖功率會引出非線性效應(yīng)，并且色散補償光纖的纖芯較細也容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)。而光纖非線性效應(yīng)和光纖的群速度色散(GVD)相互作用將制約光纖傳輸系統(tǒng)的性能，而且非線性效應(yīng)具有累積性。面臨著這些挑戰(zhàn)，需要綜合采用各種先進的技術(shù)來克服。

　　(1)拉曼放大器技術(shù)在WDM長距離傳輸系統(tǒng)中，拉曼放大器技術(shù)是非常受矚目的光傳輸技術(shù)，它可以放大EDFA所不能放大的波段，并且利用普通的傳輸光纖就能實現(xiàn)分布式放大，從而大大提高系統(tǒng)的光信噪比(OSNR)。對于WDM長距離傳輸系統(tǒng)來說利用拉曼放大器提高系統(tǒng)的OSNR、增加系統(tǒng)跨距長度、提高WDM系統(tǒng)的通路以及抑制光纖非線性效應(yīng)是主要目的。

　　(2)色散補償技術(shù)

　　在10Gbit/s及以上的高速長距離傳輸系統(tǒng)中，必須考慮色散補償問題。由于光纖在信號波長處的色散不為零，經(jīng)過長距離傳輸后，信號中的各個頻率分量到達接收端的時延不同，導(dǎo)致信號產(chǎn)生符號間干擾，為解決該問題需要對色散進行補償。群速度色散補償?shù)姆绞桨ㄉ⒀a償光纖和色散補償模塊，使用最多的是色散補償光纖(DCF)，其色散系數(shù)符號與傳輸光纖相反，可以有效補償傳輸光纖的色散問題，但這種色散補償光纖具有較大的非線性效應(yīng)，會使不同信道之間的串?dāng)_加大。除了采用DCF外，還可以使用其他的色散補償技術(shù)，啁啾光纖布拉格光柵(FBG)、虛擬鏡像相位列(VIPA)等。光纖孤子傳輸(Fiber Soliton Transmission)、中點譜反轉(zhuǎn)法(MSSI，Mid-Span Spectral Inversion)、色散支持傳輸(DST，Dispersion Supported Transmission)、平面光路法(POC，Planar Optical Circuit)、預(yù)啁啾補償技術(shù)(per-chirping)等。

　　(3)前向糾錯編碼(FEC)技術(shù)

　　在光傳輸系統(tǒng)中采用前向糾錯編碼(FEC)技術(shù)，即通過在信號中加入少量的冗余信息來發(fā)現(xiàn)并去除傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼∞.241。其編碼增益也提供了一定的系統(tǒng)富余量，從而降低光傳輸鏈路中線性及非線性因素對系統(tǒng)性能的影響。由于糾錯編碼只需要在收發(fā)端增加相應(yīng)的編譯碼器，無需增加和改動線路設(shè)備，具有成本低、靈活便捷、效果明顯的優(yōu)勢。對于有光放大器的系統(tǒng)，可以增加光放大器間隔，延長傳輸距離，提高信道速率，減小單通路光功率。

　　(4)動態(tài)增益均衡技術(shù)

　　對于長距離傳輸系統(tǒng)，保證整個線路上的增益平坦是很重要的。增益均衡用于保證線路上各個波長之間的增益平坦，在主光通道的入口盡可能和各個波長之間的功率電平一致。動態(tài)增益均衡的優(yōu)勢在于可以增加長距離傳輸系統(tǒng)的區(qū)段數(shù)目，可以在級聯(lián)50個EDFA情況下，不進行電再生中繼;支持動態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，在網(wǎng)絡(luò)波長數(shù)目發(fā)生重大差異時不會對O臥汛造成損傷;由于輸入光功率變化也會造成增益斜度劣化，而通過動態(tài)增益均衡，可以代替目前使用的可調(diào)光衰減器。

　　(5)新型光調(diào)制技術(shù)

　　信號調(diào)制技術(shù)是WDM長距離傳輸系統(tǒng)的一項重要技術(shù)。在WDM系統(tǒng)中每根光纖可利用的帶寬和可達到的譜頻率決定著光纖總?cè)萘?，而先進的信號調(diào)制格式可以提高系統(tǒng)的OSNR，對提升光傳輸系統(tǒng)的傳輸距離有很大益處。目前國內(nèi)外研究的碼型有：載波抑制的歸零碼CSRZ，單邊帶歸零碼SSBRZ，雙二進制碼Duobinary，啁啾歸零碼CRZ，相位交替的歸零碼APRZ，差分相移鍵控DPSK，傳號交替反轉(zhuǎn)碼AMI'曼徹斯特編碼Manchester code，差分正交相移鍵控DQPSK。以及兩種或三種調(diào)制格式的結(jié)合：雙二進制載波抑制的歸零碼DCSRZ，差分相移鍵控歸零碼RZ-DPSK，差分相移鍵控載波抑制的歸零碼CSRZ-DPSK，雙二進制歸零碼RZ—Duobinary，傳號交替反轉(zhuǎn)的歸零碼RZ-AMI，單邊帶調(diào)制的傳號交替反轉(zhuǎn)的歸零碼RZ-AMI SSB，單邊帶調(diào)制的雙二進制載波抑制的歸零碼DCSRZSSB，差分正交相移鍵控的歸零碼RZ-DQPSK，差分正交相移鍵控載波抑制的歸零碼CSRZ-DQPSK等。

　　(6)大容量干線的單位長基本速率可采用40Gb/s—NTT

　　由于電子技術(shù)的進步，用InP材料制作高速電子線路有所突破。采用0.1μm工藝，40Gb/s的晶體管HEMT和集成電路已可制成。光器件的速率本來就很高，所以現(xiàn)在生產(chǎn)40Gb/s已具備條件。加采用40Gb/s作為1個波長的基本速率，利用現(xiàn)己成熟的光濾波技術(shù)就可生產(chǎn)2Tb/s的WDM系統(tǒng)，其光頻譜利用率可達40～75%。三、結(jié)論：光纖通信由于它自身的優(yōu)越性而已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但如何進一步挖掘和提升其優(yōu)越性是我們每個有志這方面研究的人的義不容辭的責(zé)任。光的波分復(fù)用技術(shù)就是提高其傳輸速率的一項關(guān)鍵技術(shù)，由于篇幅所限，本文只是簡要介紹和討論了光的波分復(fù)用技術(shù)，為了進一步提高提高系統(tǒng)傳輸性能，還有一些問題需要我們?nèi)ソ鉀Q，如光纖群速度色散、非線性效應(yīng)影響等問題。

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