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(kuò)大光纖通信線路的方法之一。其于1997年已進(jìn)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(zhǎng)的光作信息載體，以擴(kuò)大光纖的傳輸容量。如果1個(gè)波長(zhǎng)傳送速率是2.5Gb/s，若采用8個(gè)波長(zhǎng)，則1根光纖的容量就擴(kuò)大了8倍，其容量就為20Gb/s。可見(jiàn)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的WDM大容量系統(tǒng)的試用階段已經(jīng)過(guò)去，大規(guī)?；蛉娌捎肳DM系統(tǒng)的階段現(xiàn)已展開(kāi)。發(fā)達(dá)國(guó)家和大公司正在規(guī)劃怎樣組建WDM網(wǎng)?采用多少波長(zhǎng)?采用什么速率?如何上下信道?如何保護(hù)?如何管理等。國(guó)際電聯(lián)ITU-T現(xiàn)也為這些問(wèn)題進(jìn)行討論和制訂標(biāo)準(zhǔn)，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(xì)的光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，通過(guò)光電變換，用光來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。隨著國(guó)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(huì)的發(fā)展帶來(lái)了極大的推動(dòng)。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(jì)最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

　　1970年美國(guó)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)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(xiàng)研究成果，奠定了光纖通信的發(fā)展基礎(chǔ)。

　　在20世紀(jì)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(shí)，光纖的帶寬和光源的壽命不斷增加。光源和光電檢測(cè)的性能不斷改善。80年代是光纖通信大發(fā)展階段。在這個(gè)時(shí)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(guò)理論分析和實(shí)踐，在1.3µm和1.55µm波段分別實(shí)現(xiàn)了損耗為0.5dB/km和0.2dB/km的低損耗光纖傳輸。同時(shí)，石英光纖在1.31µm波段時(shí)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(jì)90年代，波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的誕生。在此之前1986年，英國(guó)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(duì)1.55µm的光信號(hào)進(jìn)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(hào)在傳輸過(guò)程中使用光一電和電一光中繼器帶來(lái)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(duì)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(kāi)的。光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)有：

　　傳輸損耗低，傳輸距離長(zhǎng);頻帶寬，通信容量大;抗干擾能力強(qiáng)，適合應(yīng)用于有強(qiáng)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(yùn)輸;制造光纖的主要原料是Si02，它是地球上蘊(yùn)藏量最豐富的物質(zhì)，經(jīng)濟(jì)性好。

　　近年來(lái)，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(jià)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(jìn)，由高速骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)和接入網(wǎng)延伸，由點(diǎn)到點(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)的可能。而更大的帶寬又可讓運(yùn)營(yíng)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(lái)滿足信息傳送量快速增長(zhǎng)的需要。

　　光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)：

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，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(kāi)發(fā)應(yīng)用，點(diǎn)到點(diǎn)的WDM系統(tǒng)正在向能夠通過(guò)復(fù)雜光網(wǎng)絡(luò)傳輸不同波長(zhǎng)信道的、面向用戶、提供光路由的光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。但要構(gòu)建實(shí)用化的高速、大容量全光通信網(wǎng)，還需要解決好3個(gè)方面的問(wèn)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(hào)在光纖中的串?dāng)_、噪聲累積等問(wèn)題;

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

　　(3)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、互操作、網(wǎng)管和價(jià)格昂貴的等問(wèn)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(zhǎng)的光載波信號(hào)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(jìn)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(zhǎng)的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。這種在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或多個(gè)不同波長(zhǎng)光信號(hào)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(jìn)一步提高。原則上講，在光纖的低損耗窗口都可以進(jìn)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(zhǎng)大都在1550nm左右。ITU-T基于光纖的衰減譜對(duì)光纖的可用波段資源進(jìn)行了詳細(xì)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(diǎn)

　　(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(wèn)題。

　　(2)同時(shí)傳輸不同類型的信號(hào)由于WDM技術(shù)中使用的各波長(zhǎng)相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)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(zhǎng)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(duì)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(gè)波長(zhǎng)信號(hào)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，在大容量長(zhǎng)距離傳輸時(shí)可以節(jié)省大量光纖。另外，對(duì)已經(jīng)建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)功率富余度較大，就可以進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)做大的改動(dòng)。

　　(5)數(shù)據(jù)透明WDM通道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號(hào)速率及調(diào)制方式無(wú)關(guān)。在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中，是理想的擴(kuò)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(jì)性和可靠性利用WDM技術(shù)選路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)透明、靈活、經(jīng)濟(jì)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(wèn)題，主要有光纖的色散和非線性效應(yīng)等，這些問(wèn)題將不斷地制約著WDM技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也是設(shè)計(jì)WDM系統(tǒng)需要考慮的因素。

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

　　(2)光纖色散EDFA的應(yīng)用使得衰減限制的問(wèn)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(gè)主要的限制因素，尤其是對(duì)高速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(yán)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的影響最為嚴(yán)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(duì)通信提出了很高的要求，使得光通信向更高速率更遠(yuǎn)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(shí)，光纖群速度色散、非線性效應(yīng)等問(wèn)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(lái)提高系統(tǒng)的容量和傳輸距離，光纖的入纖功率會(huì)引出非線性效應(yīng)，并且色散補(bǔ)償光纖的纖芯較細(xì)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(jìn)的技術(shù)來(lái)克服。

　　(1)拉曼放大器技術(shù)在WDM長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)分布式放大，從而大大提高系統(tǒng)的光信噪比(OSNR)。對(duì)于WDM長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)利用拉曼放大器提高系統(tǒng)的OSNR、增加系統(tǒng)跨距長(zhǎng)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(bǔ)償技術(shù)

　　在10Gbit/s及以上的高速長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，必須考慮色散補(bǔ)償問(wèn)題。由于光纖在信號(hào)波長(zhǎng)處的色散不為零，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，信號(hào)中的各個(gè)頻率分量到達(dá)接收端的時(shí)延不同，導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生符號(hào)間干擾，為解決該問(wèn)題需要對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償。群速度色散補(bǔ)償?shù)姆绞桨ㄉ⒀a(bǔ)償光纖和色散補(bǔ)償模塊，使用最多的是色散補(bǔ)償光纖(DCF)，其色散系數(shù)符號(hào)與傳輸光纖相反，可以有效補(bǔ)償傳輸光纖的色散問(wèn)題，但這種色散補(bǔ)償光纖具有較大的非線性效應(yīng)，會(huì)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(bǔ)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(diǎn)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(bǔ)償技術(shù)(per-chirping)等。

　　(3)前向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)

　　在光傳輸系統(tǒng)中采用前向糾錯(cuò)編碼(FEC)技術(shù)，即通過(guò)在信號(hào)中加入少量的冗余信息來(lái)發(fā)現(xiàn)并去除傳輸過(guò)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。由于糾錯(cuò)編碼只需要在收發(fā)端增加相應(yīng)的編譯碼器，無(wú)需增加和改動(dòng)線路設(shè)備，具有成本低、靈活便捷、效果明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于有光放大器的系統(tǒng)，可以增加光放大器間隔，延長(zhǎng)傳輸距離，提高信道速率，減小單通路光功率。

　　(4)動(dòng)態(tài)增益均衡技術(shù)

　　對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)，保證整個(gè)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(gè)波長(zhǎng)之間的增益平坦，在主光通道的入口盡可能和各個(gè)波長(zhǎng)之間的功率電平一致。動(dòng)態(tài)增益均衡的優(yōu)勢(shì)在于可以增加長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)的區(qū)段數(shù)目，可以在級(jí)聯(lián)50個(gè)EDFA情況下，不進(jìn)行電再生中繼;支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，在網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)數(shù)目發(fā)生重大差異時(shí)不會(huì)對(duì)O臥汛造成損傷;由于輸入光功率變化也會(huì)造成增益斜度劣化，而通過(guò)動(dòng)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(hào)調(diào)制技術(shù)是WDM長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)。在WDM系統(tǒng)中每根光纖可利用的帶寬和可達(dá)到的譜頻率決定著光纖總?cè)萘?，而先進(jìn)的信號(hào)調(diào)制格式可以提高系統(tǒng)的OSNR，對(duì)提升光傳輸系統(tǒng)的傳輸距離有很大益處。目前國(guó)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(jìn)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(hào)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(jìn)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(jìn)制歸零碼RZ—Duobinary，傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)的歸零碼RZ-AMI，單邊帶調(diào)制的傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)的歸零碼RZ-AMI SSB，單邊帶調(diào)制的雙二進(jìn)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(zhǎng)基本速率可采用40Gb/s—NTT

　　由于電子技術(shù)的進(jìn)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(lái)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(gè)波長(zhǎng)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(dá)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(jìn)一步挖掘和提升其優(yōu)越性是我們每個(gè)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，由于篇幅所限，本文只是簡(jiǎn)要介紹和討論了光的波分復(fù)用技術(shù)，為了進(jìn)一步提高提高系統(tǒng)傳輸性能，還有一些問(wèn)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(wèn)題。

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