光的波分復用技術

　　引言：光的波分復用技術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。光波分復用技術，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，采用光的波分復用技術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。

　　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，波分復用(WDM)技術的誕生。在此之前1986年，英國南普敦大學在光纖基質(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。波分復用(WDM)+EDFA系統(tǒng)解決了光電子、微電子對傳輸設備的“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，隨著光纖通信技術的快速發(fā)展和光纜、元器件技術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)務的自動交換光網(wǎng)絡發(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)務傳輸容量，而且為各種各樣的新業(yè)務提供了實現(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。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，一方面波分復用設備、光學元器件等日趨成熟，WDM+EDFA技術逐漸從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)、接入網(wǎng)滲透;另一方面光交叉技術(OXC)、光分插復用(OADM)設備的開發(fā)應用，點到點的WDM系統(tǒng)正在向能夠通過復雜光網(wǎng)絡傳輸不同波長信道的、面向用戶、提供光路由的光網(wǎng)絡演進。但要構建實用化的高速、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，光學器件引起的光信號在光纖中的串擾、噪聲累積等問題;

　　(2)WDM設備中的高穩(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)設備的標準化、互操作、網(wǎng)管和價格昂貴的等問題。

　　二、波分復用技術

　　1、波分復用技術的基本概念與原理

　　波分復用(WDM)技術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，在接收端，經(jīng)解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，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，稱為波分復用技術。所以WDM技術可以在不增加光纖纖芯的情況下使傳輸容量成倍的增加。特別是密集波分復用的應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用，但由于目前EDFA帶寬平坦的范圍在1530nm～1565nm，所以當前使用的復用波長大都在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，所以當前密集波分復用系統(tǒng)主要工作在C波段(1530nm～1565 nm)。

　　2、波分復用技術的主要特點

　　(1)充分利用光纖巨大的帶寬資源波分復用技術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)務信號的綜合和分離。

　　(3)多種應用形式

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

　　(4)節(jié)約線路投資采用WDM技術可使多個波長信號復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。在網(wǎng)絡擴充和發(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技術選路，實現(xiàn)網(wǎng)絡交換和恢復，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。

　　3、制約WDM系統(tǒng)發(fā)展的因素

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

　　(1)光信道的串擾問題串擾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和無源光解復用器的濾波特性。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，使得非線性效應比傳統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)更嚴重，因此非線性效應成為影響系統(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，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，而FWM、XPM、SRS為多信道非線性效應，并且多信道非線性效應對系統(tǒng)的影響最為嚴重。這些非線性效應限制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、波分復用光傳輸系統(tǒng)中的關鍵技術

　　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)中普遍采用波分復用(WDM)技術+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，并且色散補償光纖的纖芯較細也容易產(chǎn)生非線性效應。而光纖非線性效應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來克服。

　　(1)拉曼放大器技術在WDM長距離傳輸系統(tǒng)中，拉曼放大器技術是非常受矚目的光傳輸技術，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是主要目的。

　　(2)色散補償技術

　　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，會使不同信道之間的串擾加大。除了采用DCF外，還可以使用其他的色散補償技術，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)、預啁啾補償技術(per-chirping)等。

　　(3)前向糾錯編碼(FEC)技術

　　在光傳輸系統(tǒng)中采用前向糾錯編碼(FEC)技術，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)端增加相應的編譯碼器，無需增加和改動線路設備，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

　　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)絡配置，在網(wǎng)絡波長數(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

　　信號調(diào)制技術是WDM長距離傳輸系統(tǒng)的一項重要技術。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任。光的波分復用技術就是提高其傳輸速率的一項關鍵技術，由于篇幅所限，本文只是簡要介紹和討論了光的波分復用技術，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、非線性效應影響等問題。

　　參考文獻：

　　[1]顧畹儀，李國瑞.光纖通信系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學出版社，1999.

　　[2]方強，梁猛.光纖通信.西安：西安電子科技大學出版社，2003.

　　[3]李海，宋元勝，吳玉蓉.光纖通信原理及應用.北京：中國水利水電出版社，2005.

　　[4]張勁松，陶智勇，韻湘.光波分復用技術.北京：北京郵電大學出版社，2002.

　　[5]劉德明，孫軍強，魯平，嚴敏.光纖光學.北京：科學出版社，2008.