光密集波分复用技术1

光纤的容量极其巨大，采用密集波分复用技术可充分利用光纤的带宽资源，

增加光纤的传输容量。为了使读者了解这一技术，本系列讲座将分４个部分分别叙述光密集波分复用技术产生的背景、光密集波分复用技术的原理、系统实现中的技术问题及解决方向、光密集波分复用网络系统的组织。本期先介绍光密集波分复用技术产生的背景、光密集波分复用技术的原理。

１ 在高速光通信发展中产生的光密集波分复用技术

     新技术的出现和应用往往受到两方面的制约和推动，第一是市场的需求，第二是技术的发展。光密集波分复用技术也是如此。

１．１ 技术发展的推动：波分复用（ＷＤＭ）比时分复用（ＴＤＭ）更现实

    在光纤中传送的信号速率达到２．４８８Ｇｂｉｔ／ｓ量级后，为了满足市场对带宽的要求，如何进一步拓展系统的传输容量呢？以下的途径可以考虑采用。

（１）向更高比特率的ＴＤＭ发展

    长期以来，不断提高时分复用的比特率是增加信息传送容量的主要手段。曾用时分复用的方法从ＳＴＭ－１发展到ＳＴＭ－６４，更进一步发展遇到了很多困难，这就是近年来影响ＴＤＭ进展的主要原因。

（２）采用光波分复用（ＷＤＭ）

    把多个不同波长（频率）的光信号加入到一根光纤中进行传送（每个波长承载一个ＴＤＭ信号），可充分利用光纤带宽资源，从而增加传送容量。伴随光纤放大器和各类光器件（特别是窄谱线宽度、波长稳定的激光器和布拉格光栅）的进展，ＷＤＭ系统异军突起，越来越显露出其优势。目前已商用的产品有４×２．５ Ｇｂｉｔ／ｓ（１０Ｇｂｉｔ／ｓ）、８×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（２０Ｇｂｉｔ／ｓ）、１６×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（４０Ｇｂｉｔ／ｓ）、４０×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（１００Ｇｂｉｔ／ｓ）。实验室内出现的１３２×２０Ｇｂｉｔ／ｓ（２．６４Ｔｂｉｔ

／ｓ）也已有报告。

     当然ＷＤＭ系统并不是在任何场合都能显示出其优越性，对某些特定的用途ＴＤＭ传输系统可能会更适合。然而当光纤资源较为紧张的情况下，人们往往把ＷＤＭ作为目前系统升级扩容的首选方案。

（３）其它增加信息传送容量的办法

    其它办法有光的时分复用（ＯＴＤＭ）以及光孤子传输等。但是，尚需一段实用化过程后才能应用。

１．２ 技术发展的延续

    电信界中曾有过模拟载波系统，使用金属线缆为介质。采用频分复用的方法，将模拟信号调制到不同的频段，从而在一条金属导体中传输多路信号。使用带通滤波器又可以将其分开还原成各路模拟信号。

    虽然模拟系统已经在中国通信网上退役，但随着光纤通信技术的发展，人们已经成功地将这种频分复用的原理应用在光纤通信系统中，从而诞生了光通信中的波分复用技术。

    目前工作在光纤的低损耗波长区中的ＰＤＨ或ＳＤＨ光传输设备通常只用到其中的一个波长，每根光纤在该波长区中容纳一个ＰＤＨ或ＳＤＨ信号。在波分复用技术出现之前，每根光纤传送一路光信号。采用密集波分复用技术，可以将一个低损耗波长区分成多个很窄的波长段，每个波长段传送一路光信号，于是在一根光纤中即可传送多路光信号，从而光纤的传输容量即带宽得以几倍乃至几十倍地增加。其基本结构如图１所示。

１．３ 技术的发展：光网络的需求

    光网络指采用光学原理来实现光波长的管理、调度、监测，形成一种对光信号而言是透明传送的网络。

     组成光网络的设备，目前有光分插复用器（ＯＡＤＭ）、光交叉连接设备（ＯＤＸＣ）。它们分插和交换的基本单位是来自一根或多根光纤中含有的各个波长上传送的光信号。光波分复用将一根光纤从单一波长引入了多波长复用，目前的波分复用系统，虽然尚未解决这些波长之间的分插与交叉，但已进行了管理、复用和监测等，因而是实现光网络的第一步。

    要实现光网络，在此基础上还要引入可调谐激光器、全光信号处理器、波长选路和变换、光栅、宽带光放大器、全光再生器、端对端的网管等技术，以及使用新型光纤，在必要的时候还需要将光信号变换到电信号进行处理。

１．４ 关键器件技术的成熟和商用为ＷＤＭ准备了条件

     很明显，要将若干路光信号复用到一根光纤中传送，必然要用到类似于载波通信系统中的合路器和带通滤波器等器件。在光密集波分复用系统中，我们称之为合波器和分波器，它们都是无源光器件。由于这些无源光器件的应用，必然会带来光信号功率的损失，所以必须要有相应的措施来弥补这一部分功率的损失。同时为了系统的传输距离进一步延伸，在适当的中继距离还应对光纤线路段的功率损耗加以弥补，这就需要用到光放大器。为了将若干路不同波长的光信号复用在同一根光纤中互不干扰地传输，在接收端又能准确地分解出各个不同波长的光信号，就要求每一路光信号的波长都应该严格地控制在一定的范围之内。因此我们可以看到，要实现光密集波分复用传输，要借助器件解决上述问题，因而器件非常关键。

     经过不懈的努力，进入９０年代以来，这些器件的制造技术日趋成熟，各种无源光器件的性能已经十分稳定，而且大量提供商用。同时光放大器尤其是掺铒光纤放大器取得了重大进展，高波长稳定度的分布反馈（ＤＦＢ）激光器以及更小啁啾声的外调制技术都得以实现，性能和价格都能满足商用要求。虽然目前这些器件价格较贵，导致ＷＤＭ设备价格较高，但这些关键器件的制造技术已经成熟并商用化，为光密集波分复用的实现提供了技术上的基础和推动力。

１．５ 市场需求的推动

    在一根光纤中只开通２．５Ｇｂｉｔ／ｓ带宽已经不能适应市场需求。更高带宽的需求是由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、广播电视的数字化传输以及用户对多媒体服务开始有需求等原因引发的，它们需要比以前大得多的带宽。

   Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的出现使上网用户激增，从而形成对传输带宽的爆炸式的需求。ＩＰ不仅用于数据传输，也开始传语音、图像等。在此基础上，出现了诸如ＩＰ ｏｖｅｒ ＤＷＤＭ等技术，这无疑又要求光传输的带宽、复用方式等迅速跟上。

     随着通信的发展，少数企业垄断电信全行业的局面将结束。随之而来，企业不但可以向用户出售服务，也可以同其它运营商交易通信元素。例如有的公司专门经营干线敷设光缆，拥有较大量的带宽。他们可以将一个波长或一根光纤出售或在某一时期出租给同行。这种经营方式的出现也促使ＷＤＭ市场需求的发展。

１．６ 波分复用给通信业带来了些 什么

１．６．１ 用目前最经济的手段实现超大容量传输

    光纤的容量是极其巨大的，传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。ＤＷＤＭ技术具有如下特点：

    采用波分复用技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍乃至几百倍。日本ＮＥＣ公司已经在实验室实现了１３２×２０Ｇｂｉｔ／ｓ的密集波分复用系统，传输距离１２０ｋｍ。该系统总带宽为３５ｎｍ（从１ ５２９～１ ５６４ｎｍ），信道间隔３３ＧＨｚ，可以传４ ０００万路电话。

中国国内研制的８（１６）×２．４Ｇｂｉｔ／ｓ ＷＤＭ系统已经在多处开通，达到国际商用化系统的水平。它提供了２０Ｇｂｉｔ／ｓ或４０Ｇｂｉｔ／ｓ带宽，满足了所在干线近一段时期的发展需求。

１．６．２ 组网和升级更方便

    由于波分复用系统是按光波长的不同进行复用和分用，与信号的速率和格式关系不大，对数据率几乎是“透明”的，因此可以传输完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，例如ＰＤＨ信号和ＳＤＨ信号的综合与分离。

    在网络扩充和发展中，无需对已开通ＷＤＭ的光缆线路进行改造，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务（例如ＣＡＴＶ、ＨＤＴＶ和Ｂ－ＩＳＤＮ等）的方便手段。当可使用的波长还未完全使用时，扩容基本上是增加ＳＤＨ终端。

１．６．３ 可能成为ＩＰ的直接传送通道

     目前ＩＰ还是通过ＡＴＭ＋ＳＤＨ或ＳＤＨ再通过ＷＤＭ传送的。目前正研究ＩＰ直接上ＷＤＭ。

１．６．４ 高度的组网灵活性、经济性 和可靠性

    利用波分复用技术构成的新型通信网络结构、网络层次分明，明显地分为ＳＤＨ层和波分复用层，各种业务的调度只需调度相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明、业务调度方便，因而带来的网络灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。

１．６．５ 进入光网络的第一步

    波分复用技术将是实现光网络的关键技术之一，未来的光网络将来可能会在已经建成的波分复用系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的光网络。电信网使用波分复用设备可为基于波长复用的光通信网的组网、维护等方面积累运行和维护经验。

２ 光密集波分复用系统的构成及基本原理

２．１ 密集波分复用系统的基本组成

    用于光纤通信的光波其实是信号的载波，它具有一定的波长或频率，而光波的传输介质——光纤有巨大的带宽资源。波分复用技术就是将若干电信号分别调制到不同频率的光信号上，然后利用合波器把这些光信号复用在同一根光纤中传播的光传输技术。

    由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤波器、相干光源等）还不很成熟，因此要实现光信道非常密集的光频分复用是很困难的。但基于目前的器件水平，已经可以实现光信道相隔较远的频分复用。人们通常把光信道间隔非常密集的光频细分的复用称作光频分复用（ＯＦＤＭ），而把光信道相隔较远（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（ＷＤＭ），进一步把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用则称为密集波分复用（ＤＷＤＭ）。

    完整的密集波分复用系统发送端设有光接口变换器，它不改变来自ＳＤＨ设备的光信号数据格式（例如ＳＤＨ帧结构），但把光波长按一定的要求重新转换，其波长的精度和稳定度满足ＷＤＭ系统设计要求。有时为了尽量延伸再生段的距离，还必须要求光接口变换器输出的光信号谱宽很窄，同时信号的频率啁啾要小，以便能忍受更大的光纤色散累积引起的脉冲畸变。

     经光接口变换器处理过的光信号再送入光合波器，将若干路信号合在一条光纤上。由于各路光信号的波长互不相同，所以在同一根光纤中传输却不会导致互相干扰。

    波分复用系统经常用到光放大器。它们又分为光功率放大器，光线路放大器和光前置放大器。由于合波器一般来说为无源器件，它在将各路光信号复用在一起的同时会带来光功率的损失，即有一定的插入损耗。为了弥补这部分的功率损失，需要用到光功率放大器来提升进入光纤的信号功率，放大以后的多路光信号送入光纤传输。

如果传输距离很长，每隔一定的距离还要用光线路放大器对被光缆线路损耗掉的光功率加以补偿，到达接收端以后经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大送入光波长分用器。光波长分用器实际上是一个多路光滤波器，它根据光波长的不同分解出原来的各路光信号。

２．２ 密集波分复用系统各部分的

       基本原理

      如前所述，密集波分复用系统由光接口变换器、合波器、光放大器以及分波器等几部分组成，下面介绍它们的基本原理。

２．２．１ 光接口变换器

光接口变换器是密集波分复用系统与ＳＤＨ设备或其它设备相连接的关键设备。它不但将来自ＳＤＨ设备或其它设备的光信号转发成波长准确度和稳定度符合波分复用系统要求的光信号，同时为了实现波分复用系统的长距离传输，还要求输出信号的动态谱宽很窄，频率啁啾很小。目前光接口变换有以下几种实现方法：

    基于半导体光放大器（ＳＯＡ）的全光变换

    这又分为半导体光放大器交叉增益调制的接口变换、半导体光放大器交叉相位调制的接口变换、半导体光放大器四波混频的接口变换等，但目前这些技术都还未成熟到可普及的程度。

    基于光／电／光（Ｏ／Ｅ／Ｏ）的变换器

    目前在商用化的波分复用系统中大量采用的是这种方式。其基本原理是先将来自ＳＤＨ设备或其它设备的来光信号接收下来，变成电信号，然后再将这个电信号调制到波长和谱宽等都满足波分复用系统要求的光载波上，从而完成光接口变换的功能。这种光接口变换的方式具有若干优点，如技术较成熟，容易实现；由于将光信号变为电信号，进行了３Ｒ或２Ｒ再生处理，信号质量得以改善；可以插入ＳＤＨ开销处理电路，进行故障定位；成本低、可靠性高、便于监测和维护等。但是也存在对数据率不透明等缺点。

２．２．２ 光放大器

     掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）是密集波分复用系统中的另一个重要部件。光放大的应用自１９８７年起才开始研究，１９９０年生产出第一种商用产品。在第二窗口（１ ３１０ｎｍ）最有前途的有源材料似乎是掺杂在氟化玻璃光纤中的镨（Ｐｒ ３＋），在第三窗口（１ ５５０ｎｍ）最有前途的有源材料是铒（Ｅｒ ３＋）。

    ＥＤＦＡ的工作原理是利用激光泵浦石英光纤中掺铒离子（Ｅｒ ３＋）的受激辐射来实现对１ ５５０ｎｍ波段光信号的放大。实用化的ＥＤＦＡ采用９８０ｎｍ或１ ４８０ｎｍ波长的激光器作泵源，泵浦光经耦合器通入掺铒光纤，激发其中的铒离子从低能位跃迁至高能位，形成粒子数反转分布区；当波长为１ ５５０ｎｍ的信号光通过同一耦合器进入掺铒光纤时，因感应诱发使Ｅ ｒ３＋产生受激辐射从而发出增强的光信号。掺铒光纤中铒的浓度为１００～１ ０００ｐｐｍ之间，集中在２～４μｍ纤芯中。为了防止放大器的自激振荡及传输光路中的光反射，在放大器输入和输出端需设置光隔离器。由于光放大器有很宽的频带（几十纳米），它们对于光波系统提供了各种“透明”特性：在放大时不必考虑它们的码率或调制方式，而且能把波分复用的各个信道的信号光全部放大。

在实际应用中，通常按照不同的应用方式将掺铒光纤放大器分为以下几种类型：

（１）功率放大器

    主要目的是补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。应工作于深饱和区，必要时可使用双泵源以便发送光功率，为此通常使用

１ ４８０ｎｍ泵源。目前功率放大器的输出功率可达＋１７ｄＢｍ以上。

（２）前置放大器

    主要目的是提高接收机的灵敏度，通常工作于小信号状态。为了降低噪声，通常使用９８０ｎｍ泵源。目前前置放大器的噪声系数可大于等于４ｄＢ。已经接近量子极限（３ｄＢ）。一般在每秒吉比特数量级，它可提高ＡＰＤ接收机灵敏度约１０ｄＢ。

（３）线路放大器

     主要用于光中继器。为了增加中继间距，既要高的发送光功率又要高的增益和低的噪声。通常工作于近饱和区。目前线路放大器的输出功率可达＋１７ｄＢｍ以上；小信号增益可达４４ｄＢ。

２．２．３ 合波器和分波器

    合波器和分波器都是无源光器件，它们的性能好坏对整个系统的特性有非常重要的影响。目前用于实现合波和分波功能的方法很多，各有其优缺点，下面分别介绍：

（１）光导纤维中布拉格光栅

    光导纤维中布拉格光栅是使用紫外光干涉在光纤中形成周期性的折射率变化（光栅）制成的光器件。

     它具有理想的滤波特性（通带平坦、过渡带陡峭、阻带防卫度高、信道间隔非常小）、温度稳定性优良、便于设计制造、成本效率高等优点。因此可制作成信道间隔非常小的带通、带阻滤波器。尽管光导纤维中布拉格光栅出现是近几年的事，但目前已经广泛用于密集型ＷＤＭ系统中。

（２）介质膜波分复用器

    通过介质膜结构的不同选择可以构成长波通、短波通和带通滤光器。一个实际的带通滤光器，它对波长在通带宽度内的光有很高的透射率，而对波长在阻带内的光有很高的反射率，因此它可以作为波长敏感元件来构成复分用器件。滤光片通带和阻带透射率的大小，不仅影响器件的插入损耗，而且也决定了器件的路际串音。滤光片的通带宽度和阻带宽度限制了两复用信道的波长范围，同时也对光源的谱线宽度提出了一定的要求。

（３）光栅型波分复用器

   光栅滤光器的选择性很高。要求很高的精确性；对温度敏感需要恒温措施；光栅效率较低；对偏振也较敏感。

（４）星型耦合器

     星型耦合器是实现Ｍ×Ｎ个端口传输分配的器件。对ＤＷＤＭ系统，Ｍ通常为１（或２），Ｎ通常为４到几十。

     为了实现两单模光纤之间的光耦合，可采用两种方法：一是把光纤拉成锥形，然后熔融在一起；二是采用研磨和抛光的方法去除光纤的一部分包层，在两光纤相互接触的面上只留下很薄的一层包层，然后将同样研磨、抛光的两光纤紧靠在一起，通过包层里的消失波发生耦合。若干个这种器件级连构成Ｍ×Ｎ个端口传输分配的器件。

    其突出优点是插入损耗非常低，并且便于生产、造价低廉。

（５）波导型耦合器

   利用光平面波导同样可以构成Ｍ×Ｎ个端口传输分配的器件。与星型耦合器比较性能稍好一些，但是价格要高得多。

    使用光导纤维中布拉格光栅加星型（或波导型）耦合器作为密集ＷＤＭ的光分用、复用部件是目前的主要手段。

     最后以一个８波长的波分复用系统为例，分别示出系统中各主要参考点的光谱特性来说明波分复用系统的工作原理。合波器输出端的光谱，８个光波信号的波长以等间距排列。

      合波器输出的光信号经过功率放大器、光纤以及线路放大器和前置放大器以后，其光谱比光谱的底部明显升高，这就是掺铒光纤放大器级连导致噪声积累的结果。

     光前置放大器输出的光信号直接进入分波器，分波器不但能还原出各路光信号，而且由于它的滤波特性还能滤出放大器带来的部分噪声，最后将还原后的信号送入ＳＤＨ设备或者其它设备的光接收机，完成信号的分离。（待续）

（收稿日期：１９９９－０６－１０）