关于高速光通信的新技术

  随着“信息高速公路”战略的全面展开，全世界的电信网开始了一场新的革命，光纤传输速率在以每１０年增长１００倍的速度飞速增长。目前，实用化系统速率已达８０Ｇｂｉｔ／ｓ，一对光纤能传送１００万条以上的话路，可以在０．１ｓ内传完３０卷大英百科全书。单波长光纤系统速率已达１０Ｇｂｉｔ／ｓ，但潜力已尽，所以走波分复用之路已成为提高光纤容量的必然选择。下世纪初，实用化的系统速率估计可达３２０Ｇｂｉｔ／ｓ，全球波分复用传输系统的市场将由１９９６年的１亿美元，增长到２０００年的１５亿美元、２００５年的１２５亿美元。以ＳＤＨ ２．５Ｇｂｉｔ／ｓ为代表的实用高速光通信系统正在中国的干线网、省级网、本地网中迅速扩展，占据着广大的市场。

    在中国的高速光通信市场里，国外产品仍唱主角，可喜的是国内一些厂家不甘落后，相继开发出自己的２．５Ｇｂｉｔ／ｓ系统，如武汉邮电科学研究院、深圳中兴通讯等。国外市场更是如此，据悉日本ＫＤＤ公司将于１９９９年投入运行容量高达１００Ｇｂｉｔ／ｓ的１４波波分复用海底光缆系统。可见，高速光通信无论在研究领域还是在实用化领域都掀起了新的一波热潮。

１ 高频信号处理

     目前ＳＤＨ中应用广泛、速率较高的ＩＴＵ标准是ＳＴＭ－１６，速率达２．５Ｇｂｉｔ／ｓ，可同时传３万条话路，１０Ｇｂｉｔ／ｓ的ＷＤＭ系统仍然是由４个２．５Ｇｂｉｔ／ｓ系统光路组合而成，电路处理难度仍然在２．５Ｇｂｉｔ／ｓ，而２．５Ｇｂｉｔ／ｓ群路板是ＳＴＭ－１６系统最难处理的部分。在２．５Ｇｂｉｔ／ｓ群路板上，电信号的处理包括光电转换、高低频转换、解扰、排序和虚帧处理。

    光电转换可采用现成的光电模块，或以外围电路和中央芯片来实现。高低频转换可采用２．５Ｇｂｉｔ／ｓ套片下至１５５Ｍｂｉｔ／ｓ，再采用ＥＣＬ电路降至７７Ｍｂｉｔ／ｓ。这期间需要注意７７Ｍｂｉｔ／ｓ的相位问题。扰码和虚帧处理起来较为复杂，下面分别予以阐述。

１．１ 扰码

     在同步数字传输系统中，各站点保持时钟同步是至关重要的。下一站的定时单元需要从线路中提取，线路信号需要含有丰富的定时单元。这要求线路码形避免长“１”或长“０”码的出现。在光发射端待扰的信码与一个伪随机序列进行模２和，生成扰码信号输出；在光接收端加扰的信码与一个伪随机序列再次进行模２和，还原了扰码前的信号。由于ＳＴＭ－１６线路速率很高，ＥＣＬ电路虽然能够处理这么高速率的信号，但ＥＣＬ电路逻辑单元较少，所以只能用ＣＭＯＳ的可编程逻辑（ＦＰＧＡ）来实现解扰和排序等复杂的逻辑。将２．５Ｇｂｉｔ／ｓ光信号进行光电转换，降为７７Ｍｂｉｔ／ｓ电信号后，再进入ＦＰＧＡ进行解扰、排序和Ｂ１处理。

    ＩＴＵ建议中，ＳＤＨ的扰码是一个７阶串行帧同步扰码器，工作在线路速率。因为不可能在２．５Ｇｂｉｔ／ｓ速率上进行扰码，所以可采用３２阶并行扰码技术来达到在线路串行扰码的同样效果，从而将２．５Ｇｂｉｔ／ｓ扰码的处理难度降至ＣＭＯＳ电路可以接受的７７Ｍｂｉｔ／ｓ频率上。

１．２ 虚帧

    虚帧问题是ＳＤＨ信号处理中较难处理而又必须处理的问题。一般采用的解复用芯片ＳＳＳＢ１４８只要在线路码形上出现一次Ｆ６２８就出现一个帧头。在随机码的净负荷中会不断地出现Ｆ６２８，这样就不断地出现假帧头，这种现象称之为虚帧。为克服虚帧现象，可采用如图１所示的流程，流程中的ＦＰＧＡ需要处理１５５ＭＨｚ的时钟和１５５ＭＨｚ的帧头信号，又要进行长达数帧的７７Ｍｂｉｔ／ｓ计数。

２ 中继距离计算

     高速光通信的传输距离不仅受限于衰耗，而且受限于色散。对于大部分通信技术人员来说，对光纤线路衰耗的计算比较熟悉，对色散的限制作用则比较陌生。下面主要介绍光源、比特率、传播距离和光纤色散之间的关系。

     由于光纤的损耗谱线在１ ３１０ｎｍ和１ ５５０ｎｍ处衰耗最小，统计平均分别为０．４ｄＢ／ｋｍ和０．２５ｄＢ／ｋｍ。相应地，光源也分为１ ３１０ｎｍ和１ ５５０ｎｍ两种，常用的光纤根据ＩＴＵ标准分为３种：在波长为１ ３１０ｎｍ处色散最小，适于中短距离传输的Ｇ．６５２光纤；在波长为１ ５５０ｎｍ处色散最小，适于长距离传输的Ｇ．６５３光纤；在波长为１ ５５０ｎｍ处衰耗优化、１ ３１０ｎｍ处色散最小时，适于超长距离传输的Ｇ．６５４光纤。光源按波长分为１ ３１０ｎｍ、１ ５５０ｎｍ两种，按光源谱宽分为发光二极管（ＬＥＤ）、多模激光器、单模激光器。色散对距离的限定因素主要集中在以下３类：

（１）码间干扰

    指每根谱线产生相同的光脉冲波形所经历的色散不同，从而引起脉冲展宽而相互干扰。

（２）模分配噪声

     虽然激光器功率总和不变，但发射端各根谱线的功率随机起伏，造成接收端不同比特展宽不同。

（３）啁啾噪声

    当单模激光器工作于直接调制时，有源区折射率随注入电流的变化而变化，从而引起震荡波长的偏移，因光纤的色散而导致接收端光脉冲的展宽。

当光源为ＬＥＤ时，色散功率来自码间干扰；光源为多模激光器时，主要是码间干扰和模分配噪声；单模激光器主要来自码间干扰、啁啾噪声；分布反馈（ＤＦＢ）激光器谱宽极窄，主要是啁啾噪声的影响。

    色散和传输距离之间的关系为：

                    Ｌ＝１０－６·ε／（Ｂ·Ｄ·δλ），ε＝σ／Ｔ

     其中，σ是脉冲均方根的展宽值，Ｔ是信号时隙宽度，Ｂ代表比特率（单位为Ｍｂｉｔ／ｓ），Ｄ是光纤色散系数，Ｌ是光纤长度，δλ是光源的均方根谱宽。δλ与光源－３ｄＢ脉冲全宽τ３和－２０ｄＢ脉冲全宽τ２０之间的关系为：

τ３＝２．３５δλ，τ２０＝６．０７δλ

      当光源为ＦＰ腔激光器时，由ＰＩＳＩ＋ＰＭＰＮ＝１ｄＢ和典型设置推出ε＝０．１１５；

       当光源为单模激光器和ＬＥＤ时，由ＰＩＳＩ＝１ｄＢ和典型设置推出ε＝０．３０６；

       当光源为分布反馈（ＤＦＢ）激光器时，由ＰＩＳＩ＋ＰＣ＝２ｄＢ和典型设置推出ε＝０．４９１。

       其中，ＰＩＳＩ为码间干扰等效功率代价，ＰＭＰＮ为模分配噪声的等效功率代价，ＰＣ为啁啾噪声造成的色散功率代价。对于窄光谱光源，严格说来，应有下式：

Ｂ２Ｌ＝（１６Ｄλ２／（２πｃ））－１

      也就是说，Ｂ与Ｌ－１／２成正比，而不是与Ｌ－１成正比，式中未考虑啁啾噪声。

３ 延长中继距离的新技术

      在较高速率和较长距离的光通信系统中，色散和衰耗是制约中继距离的关键因素。巨大的需求刺激着新技术不断涌现，以下介绍一些延长中继距离的主要技术。

３．１ 光放大器技术

     采用光放大器，实现了光的直接放大，降低了系统复杂性，提高了系统可靠性，为长距离无中继传输奠定了基础。光放大器分为３种：喇曼光纤放大器、半导体激光放大器和掺铒光纤放大器。

（１）喇曼光纤放大器

    光纤中的入射光强度超过阈值时，产生高强度的受激喇曼散射，使得信号光通过介质获得放大，它能够实现宽带可调的高效、高增益的放大，响应速度快、设备简单，但需要大功率的激光器作光源。

（２）半导体激光放大器（ＳＬＡ）

    利用半导体激光器有源区的增益作用可实现光放大。应用于光纤通信中的主要是行波半导体激光放大器（ＴＷ－ＳＬＡ），它具有很宽的增益带宽、很好的温度稳定性，但饱和功率较低，信噪比较低，插入损耗较大。

（３）掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）

    掺铒光纤放大器是目前应用最为广泛的光放大器。信号光以适当的功率与泵浦光耦合后，经隔离器进入掺铒光纤，利用掺铒光纤在泵浦光作用下的放大作用使得信号光得到放大。隔离器的作用主要是防止反射引起光源变化，并使得信号光在掺铒光纤中单向传输。

    ＥＤＦＡ之所以能够脱颖而出，是因为它有着许多优越的特性：增益谱较宽（达３５ｎｍ），可用于宽带放大；较高的饱和输出功率（达２０ｍＷ），可用于功率放大；自发辐射谱较弱；噪声较低；连接损耗小；温度特性好。ＥＤＦＡ根据泵浦源的不同，又可分为３种：８２０ｎｍ、９８０ｎｍ、１ ４８０ｎｍ。其中８２０ｎｍ泵浦增益低，但性能可靠，价格较低；９８０ｎｍ泵浦增益系数最高，噪声最低；１ ４８０ｎｍ泵浦增益较高，饱和输出功率最大，且可用于分布式放大器。它们的主要性能参数包括增益特性、输入输出特性、饱和特性、增益带宽特性、噪声特性。

３．２ 外调制器

     要实现数千兆以上的超高速调制或谱宽极窄的光脉冲时，需要用到光外调制器。调制半导体激光器时，由于啁啾噪声谱宽无法做到很窄，又由于光纤色散效应限制了速率的提高和传输距离的延长，而外调制技术可以做到光脉冲谱宽很窄，因此，应用于光纤通信中的外调制器是电光晶体ＬｉＮｂＯ３光波导外调制器，它利用电压在ＬｉＮｂＯ３晶体中产生电光效应控制光的透过率来实现光调制。武汉邮电科学研究院在海南某工程中采用了这项技术，实现了１７０ｋｍ无中继光传输。

３．３ 色散补偿技术

    ＥＤＦＡ问世以后，高速光通信的主要障碍便是色散，这也是国际上近几年的研究热点之一，比较典型的技术有大负色散补偿光纤技术（ＤＣＦ）、中途频谱反转技术和Ｂｒａｇｇ光栅色散补偿技术。

（１）大负色散补偿光纤技术

     大负色散补偿光纤技术以其结构简单、性能可靠等因素已经实用化。在光接收端加上大负色散补偿光纤补偿长距离光纤传输后积累的正色散，以便总色散接近零。目前实验室水平可以做到色散为－２７３ｐｓ／ｎｍ．ｋｍ的光纤，Ｃｏｒｎｉｎｇ和ＡＴ＆Ｔ等公司推出了色散约－１００ｐｓ／ｎｍ．ｋｍ的实用化补偿光纤，可用于高速、长距离的光通信系统和１ ３１０ｎｍ系统的升级，但必须考虑插入补偿光纤后带来的额外衰耗。

（２）中途频谱反转技术

    中途频谱反转技术集成化程度很高，如图２所示。它是在光纤线路中间点插入一个频谱反转器，使得反转器进去和出来的光信号色散特性正好相反，主要原理是利用了在半导体激光放大器或色散位移光纤里的四波混频相位共轭现象。频谱反转器常引入约１０ｄＢ左右的光损耗，可用ＥＤＦＡ作补偿，可加一级光滤波器以滤出ＥＤＦＡ和频谱反转器引入的自发辐射噪声。这种方案具有集成化程度高，与线路长短无关的特点。

（３）Ｂｒａｇｇ光栅色散补偿技术

    这项技术是在光接收端加上Ｂｒａｇｇ光纤光栅来实现补偿光纤色散。它具有高集成度、低插入损耗的特点。已有报道在传输速率为１０Ｇｂｉｔ／ｓ，波长为１．５５μｍ处的光传输系统中，用１２０ｍｍ长的光栅来补偿２７０ｋｍ的Ｇ．６５２光纤色散，色散功率损失只有２．２ｄＢ。目前，光栅的制作水平仍有待发展。

４ 提高光通信容量的手段和限制因素

    提高光通信容量有两种方法，一种是时分复用技术（ＴＤＭ），一种是波分复用技术（ＷＤＭ）。以日本为代表的一派，主张发展ＴＤＭ；以美国为代表的一派，主张发展ＷＤＭ。这是因为日本主要铺的是Ｇ．６５３光纤（零色散点在１．５５μｍ），美国主要铺的是Ｇ．６５２光纤（零色散点在１．３１μｍ）。根据中国铺设的光纤情况，宜采用ＷＤＭ方式复用。中兴通讯公司北京研究所即将推出８×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ和１６×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ ＷＤＭ系统。Ｌｕｃｅｎｔ公司在１９９８年１１月的北京通信展上展示了ＷａｖｅＳｔａｒ ＴＭＯＬＳ ８０Ｇｂｉｔ／ｓ、ＷａｖｅＳｔａｒ ＴＭＯＬＳ ４００Ｇｂｉｔ／ｓ ＷＤＭ系统。后者最大容量可达３．２Ｔｂｉｔ／ｓ。ＷＤＭ系统成本主要集中在光分波器和激光器上，随着技术进步和生产批量化，这两项成本必然能够下降，光系统的成本就会非常便宜，光纤的巨大带宽将会得到充分利用，ＦＤＤＨ和ＦＤＤＢ就不再是一个梦想，新的一场电信革命正在向我们走来。

参考文献

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９ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｉ Ｌａｍｉｎｇ，Ｄａｖｉｄ Ｊ Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ，ｅｔ ａｌ．．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ６ｐｓ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｕｌｓｅｓ ｏｖｅｒ ５０ｋｍ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｆｉｂｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｍｉｄｐｏｉｎｔ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｏ Ｅｌｉｍｉｎａｔｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．ＯＦＣ＇９４，ｐａｐ Ｗｅｃ ８．２：３４５～３４８

１０ Ｐｅｔｅｒ Ａ Ｋｒｕｇ，Ｔｏｍ Ｓｔｅｐｈｅｎｓ，ｅｔ ａｌ．．２７０ｋｍ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｔ １０Ｇｂｉｔ／ｓ ｉｎ Ｎｏｎ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ－Ｓｈｉｆｔｅｄ Ｆｉｂｒｅ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｙ Ｃｈｉｒｐｅｄ １２０ｍｍ Ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ． ＥＣＯＣ＇９５，ｐａｐ ＰＤ２７－２

（收稿日期：１９９９－０１－０６）

[摘要] 文章简述了高速光通信的发展概况，论述了高速光通信的技术难点，分析了色散限制因素，介绍了光放大、外调制和色散补偿技术，并展望了未来通信的发展趋势。

[关键词] 光通信 衰耗 色散

[Abstract] Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｏｕｔｌｉｎｅｓ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ－ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍ-ｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎ-ｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐａ-ｐｅｒ， ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔ-ｅｄ．

[Keywords] Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ