光密集波分复用技术2

 光波分复用（ＷＤＭ）系统可以加大线路的传输能力，适应通信业务的急剧增长，降低每路通信的成本费用，而光密集波分复用（ＤＷＤＭ）系统更增加了传输的光载波路数，加大了通信的容量，将有望应用于组成多波长光通信网或全光网，对未来的光通信起着极其重要的作用。

     上一讲已介绍光密集波分复用系统中的关键器件及其基本原理， 本讲将进一步讨论其中的技术问题及解决方向。

３ 光密集波分复用系统实现中的技术问题 及解决方向

    同单波长时分复用光传输系统相比较，光波分复用系统有以下几个特点：

（１）由于使用了掺铒光纤放大器，光纤中的光功率大大提高，由此带来的光纤非线性效应对系统传输性能的影响是系统设计中的一个难点；

（２）掺铒光纤放大器的使用会引入噪声，而且放大器的级连会使噪声不断积累，因此光信噪比的控制和分配也是系统设计中的一个重点；

（３）对于长距离的光密集波分复用系统，光接口转换器的波长控制和降低光源啁啾也是难点之一；

（４）使用掺铒光纤放大器还要做到增益平坦和增益均衡；

（５）要有满足标准要求和系统需要的网管及监控。

３．１ 超低啁啾声、波长稳定的光发送器及光接口变换

    对ＤＷＤＭ系统，波长稳定性要求主要取决于信道间隔。为使系统正常工作，光源波长必须在相应光滤波器有效带宽内。考虑到各种因素，最坏工作条件下、寿命终了时，对于Ｇ．６５２、Ｇ．６５５光纤上、均匀信道间隔为ｎＧＨｚ的系统，中心波长的精度应该在±ｎ／５ＧＨｚ左右；对于Ｇ．６５３光纤上、不均匀信道间隔的某些应用，中心波长精度要求可能达４ＧＨｚ左右。

     光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散，对大量应用的Ｇ．６５２光纤尤其如此。对ＷＤＭ系统，延长传输距离主要靠光纤放大器，色散值随传输距离线性累积而与光纤放大器无关，因此只能对光源的啁啾要求提得很苛刻。尽管使用色散管理技术（如使用色散补偿光纤）可以降低对光源的啁啾声要求，但要付出增加设备成本的代价。

    使用直接调制激光器远远满足不了ＤＷＤＭ系统对光源性能的要求。就目前技术而言，最简单的方法是使用仅靠温度控制的电吸收激光源和外调制激光源；对于中心波长精度要求小于１０ＧＨｚ的光源，需要更严格的波长控制技术。

３．１．１ 电吸收调制激光源

     电吸收调制激光器（ＥＭＬ）是第一种大量生产的铟镓砷磷（ＩｎＧａＡｓＰ）光电集成器件，它将激光器和调制器集成到一片芯片上。典型的ＥＭＬ激光器可支持超过６００ｋｍ的远距离传输，这远远超过了直接调制激光器所可能传输的距离。

    在典型的ＤＷＤＭ系统中，每个ＥＭＬ激光器必须被调到一个特定的波长上，这一调节是通过改变ＥＭＬ激光器芯片温度而实现的。通常，ＥＭＬ激光器通过在１５℃到３５℃温度范围内调节芯片的温度可以被调到一个指定的波长上。当决定波长温度调节范围时，最高工作温度是非常重要的。

     ＥＭＬ激光器是用于超长距离（目前对２．５Ｇｂｉｔ／ｓ速率，Ｇ．６５２光纤上无再生的传输距离可达８００ｋｍ以上）和ＤＷＤＭ的一个非常优秀的成本方案。它已被应用到实际系统中，并正成为这些类型的系统首选的器件。在不同的工作条件参数之间有许多的相互关系，在系统设计中必须对它们加以重视。

３．１．２ 外调制激光源

    外调制激光源使用单独的一个单纵模分布反馈（ＤＦＢ）激光器和外调制器。激光器也工作于连续波（ＣＷ）状态，波长精确性是靠激光器的精密制造、精密的温度控制和温度调整保证的（目前可达±１ＧＨｚ）。电调制信号直接控制外调制器的射频端实现光信号的调制。使用外调制器可获得＋／０／－的啁啾声系数。这种调制器可做到很高的消光比（动态消光比达１５ｄＢ以上）、较小的介入衰耗并适应高速率。由于这种调制器与偏振态相关，所以激光器和调制器之间的连接必须使用保偏光纤。

     就性能而言，总体来说，外调制激光源优于电吸收激光源。而从价格和体积方面讲，电吸收激光源优于外调制激光源。对于１０Ｇｂｉｔ／ｓ及其以上的传输速率，外调制激光源是较理想的。目前对２．５Ｇｂｉｔ／ｓ速率，Ｇ．６５２光纤上无再生的传输距离可达１ ０００ｋｍ以上。

３．１．３ 更严格的波长稳定技术

     上述激光源的波长稳定性均是依靠稳定激光器的温度来保证的，而对于激光器老化、温度变化引起的波长变化问题却无法解决。当波长精度要求较高时，就需要使用更严格的波长控制技术。这种技术包括：

（１）使用一个波长敏感器件对可调制连续波光源的波长进行控制，可达到波长稳定的目的；

（２）使用一个可调制连续波光源，其波长与具有标准波长光源的波长进行比较，产生的误差信号用来反馈控制该可调制连续波光源的波长，从而达到波长稳定的目的；

（３）使用激光锁模技术，把所有信道的波长锁定在一个标准波长光源的不同模式上。

     这些技术一个比一个复杂，只应用在波长精度要求较高的ＤＷＤＭ系统中。

     有的生产厂商已经将第１种具有严格波长控制技术的激光器和Ⅲ～Ｖ族化合物做成的Ｍ－Ｚ调制器集成在一起，体积和带电吸收调制器的激光器差不多，使用比较方便，不需要像ＬｉＮｂＯ３外调制器那样要求保偏光纤进行连接，是目前窄信道间隔、长距离波分复用系统的较理想选择。

３．１．４ 可调谐激光源

     可调谐激光源广泛用于ＷＤＭ系统部件性能测试，相当于模拟系统用的振荡器。对于测试光放大器的增益—波长相关特性、光分复接的衰耗—波长相关特性都是很有用的。在系统应用上，它可以作为ＷＤＭ系统的光源，可以很方便地进行波长配置，从而实现以光波长为基础的业务的保护、交叉连接、广播和调度。目前有的公司已经有４个相邻５０ＧＨｚ的波长可调的带电吸收调制器的激光器样品，商用化的产品将很快出现。

    综上，目前的ＤＷＤＭ系统中除了前面提到的多种激光源技术应用以外，为了进行故障定位和传输业务性能监测，还在光接口变换器中加入了ＳＤＨ的Ｂ１字节处理功能。它对进入ＤＷＤＭ系统的ＳＤＨ信号进行再生段误码性能监视，如果检测到输入信号丢失，光接口变换器自动倒换到本地振荡，并发送告警指示信号（ＡＩＳ），从而在系统出现故障时能快速地分辨出是ＤＷＤＭ系统还是接入其中的ＳＤＨ设备的问题，方便系统维护。

３．２ 光纤非线性

    当在高比特率系统中为了增加中继间距而提高发送光功率时，信号和光纤之间的非线性相互作用开始出现。对于大容量和无再生长距离系统，光纤的非线性特性是影响系统性能的重要因素。一般光纤非线性效应可分类为：（１）散射影响（如受激布里渊散射、受激喇曼散射等）。（２）与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（如自相位调制、互相位调制、调制不稳定性、四波混频、光孤子形式等）。若干参数严重影响非线性效应的效果，它们包括光纤色散、多信道系统的信道数和信道间隔、无再生系统的长度、信号光功率以及光源的谱线宽度等。

３．２．１ 受激布里渊散射（ＳＢＳ）

     在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射（ＳＢＳ）门限，将有很强的前向传输信号光转化为后向传输。在受激布里渊散射中，前向传输的光以音频声子的形式散射，只有后向散射的光是在单模光纤内。散射光波长大概在１ ５５０ｎｍ处向下移动１１ＧＨｚ。

      ＳＢＳ效应具有一最低门限功率。不同类型的光纤甚至同种类型的不同光纤之间的受激布里渊散射门限功率都不同。对于窄谱线光源的外调制系统，其典型值在５～１０ｍｗ量级，但对直接调制激光器可能会达到２０～３０ｍｗ之间。采用Ｇ．６５３光纤系统的ＳＢＳ门限功率比采用Ｇ．６５２光纤系统略低一些，对于所有的非线性效应都是这样。ＳＢＳ门限功率对光源谱线宽度和功率电平很敏感，但与信道数无关。

     在光源线宽明显大于布里渊带宽或者信号功率低于门限功率的系统中，ＳＢＳ损伤不会出现。

３．２．２ 受激喇曼散射（ＳＲＳ）

     受激喇曼散射是和光与硅原子振动模式相互作用有关的宽带效应。受激喇曼散射使得信号波长就像是更长波长信号通道或者自发散射的喇曼位移光的一个喇曼泵。在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到 增强。

    在单信道和多信道系统中都可能发生受激喇曼散射。仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于１Ｗ时可能会受到这种现象的损伤。然而在较宽信道间隔的多信道系统中，较短波长信号通道由于受激喇曼散射使得一部分功率转移到较长波长的信号信道中，从而可能引起信噪比性能的劣化。这可能引起总信道数、信道间隔、平均输入光功率及总系统长度一定的系统总容量受到限制。

     然而迄今为止，在多信道系统中用来消除ＳＲＳ影响的可实用的技术还没有报导。也可以通过减小输入信号功率来减轻受激喇曼散射效应的影响。不过在目前实施的经过认真设计的ＷＤＭ系统中没有出现明显的ＳＲＳ限制。

３．２．３ 自相位调制（ＳＰＭ）

    由于克尔效应，信号光强度的瞬时变化引起其自身的相位调制，这种效应叫做自相位调制（ＳＰＭ）。在单波长系统中，当光强度变化导致相位变化时，自相位调制效应将逐渐展宽信号的频谱。在光纤的正常色散区中，由于色度色散效应，一旦自相位调制效应引起频谱展宽，沿着光纤传输的信号将经历暂时较大的展宽。不过在异常色散区，光纤的色度色散效应和自相位调制效应可能会互相补偿，从而信号的展宽也会小一些。

    一般情况下，ＳＰＭ效应只在高累积色散或超长系统中比较明显。色散受限系统可能不能容忍自相位调制效应。在信道间隔很窄的多通道系统中，由自相位调制所引起的频谱展宽可能会在相邻信道间产生干扰。

     在Ｇ．６５２光纤中的低啁啾强度调制信号的自相位调制将引起脉冲的压缩，而对于具有异常色散特性的Ｇ．６５５光纤，这种信号的自相位调制效应是发射机功率的函数。脉冲压缩能抑制色度色散并提供一定的色散补偿。然而，最大色散限制和相应的传输距离限制仍然存在。

     采用Ｇ．６５３光纤且将信道设置在零色散区附近将有利于减少自相位调制效应的影响。对于使用Ｇ．６５２光纤且长度小于１ ０００ｋｍ的系统，可以在适当的间隔处进行色散补偿来控制自相位调制效应的影响，也可以通过减小输入光功率或者是将系统工作波长设置在Ｇ．６５５光纤的零色散波长以上来削弱自相位调制效应的影响。

３．２．４ 互相位调制（ＸＰＭ）

     在多波长系统中，当光强的变化导致相位变化时，由于相邻信道间的互作用，互相位调制一般会展宽信号频谱。ＸＰＭ引起的频谱展宽度与信道间隔有关，。一旦ＸＰＭ引起频谱展宽，信号在沿光纤长度传播时就会因色度色散效应而经受一次较大的瞬时展宽。

     ＸＰＭ导致的损伤在建议Ｇ．６５２光纤系统中比在建议Ｇ．６５３和Ｇ．６５５光纤系统中更为明显。ＸＰＭ引起的展宽导致了多信道系统中相邻信道间的干扰。

     ＸＰＭ可通过选择适当的信道间隔来加以控制。研究表明，ＸＰＭ引起的多信道系统信号失真只发生于相邻信道。多信道系统的中心信道的信噪比（ＳＮＲ）将接近于单信道系统的信噪比，这是因为信道的间隔增大了的缘故。作为结果，信号因信道之间有适当的间隔而使ＸＰＭ影响可忽略不计。在对每信道功耗为５ｍｗ的系统进行的模拟试验中，已证实１００ＧＨｚ的信道间隔足以减小ＸＰＭ的影响。ＸＰＭ导致的色散代价也可采取在系统沿线按适当间隔进行色散补偿的办法加以控制。

３．２．５ 四波混频（ＦＷＭ）

    四波混频（ＦＷＭ）亦称四声子混合，是在因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的情况下发生的。这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，光纤放大器（ＯＦＡ）的自发辐射噪声之间以及单信道的主模与边模之间。在两个信号的情况下，信号在它们拍频上的强度调制光纤的折射率并在一个差频上产生相位调制。该相位调制在由该差值确定的频率上生成两个边带。

     ＦＷＭ边带的产生可能造成信号功率明显减小。更严重的是，当混频产物直接落入信号通道时产生寄生干扰。这种干扰决定于信号与边带的相位互作用，表现为信号脉冲幅度的增损。

     依靠频率间隔和色度色散破坏互作用波之间的相位匹配可减小ＦＷＭ产生的影响。建议Ｇ．６５２光纤系统所受的ＦＷＭ损伤比建议Ｇ．６５３光纤系统小；相反，若信号通路恰巧位于零色散点或邻近该点处，就可能导致在相对较短（即数十公里）的光纤长度上ＦＷＭ产物激增。ＦＷＭ对信道间隔也是敏感的。

     四波混频可能对建议Ｇ．６５３光纤上的多波长系统造成严重的系统损伤，因为信号只能承受一个很小的色度色散值。

     在单信道系统中，ＦＷＭ互作用可能出现在信号与放大自激发射（ＡＳＥ）噪声之间，也可能出现在光发送器的主模与边模之间。由光克尔效应积累的ＡＳＥ噪声叠在信号载波上，从而使信号频谱尾部变宽。

      如前面指出的那样，可利用建议Ｇ．６５５那样的光纤色散来抑制ＦＷＭ带的产生，还可安排不均匀的信道间隔，以缓解ＦＷＭ损伤的严重程度。降低建议Ｇ．６５３光纤系统的功率电平可允许多路运行，但这会削弱光放大的优势。

     为了适当抑制混频产物的发生，已提出了使用（现有或正在研究的新建议）在光纤放大器（ＯＦＡ）放大带宽内具有一个最小允许色散（即非零色散）的光纤方案。色散特性相反的非零色散光纤替换段也可作为一种可供选用的方案，因为制成的光缆会保持一个接近于零的净色度色散。然而，这种替换可能因要把另一种光纤引入而在安装、运行和维护上遇到困难。另外还发现了一些采用色散稍有限定的长光纤段和色散相反且较大的短段光纤加以补偿的类似方法。

    已提出采取不均匀信道间隔和较大信道间隔减小非线性效应和允许在建议Ｇ．６５３光纤上安排密集型ＷＤＭ系统的手段。采取不均匀信道间隔，可保证由３个或更多个信道产生的混频产物不致于恰巧跌落在其它信道波长上。然而，由信号向混频产物的功率传递（即信号功率损耗）却会因造成信道间隔不均匀的配置而保持不变，仍会导致明显的眼图闭合现象。信道间隔的增大也可减小四波混频影响。这种缓解技术的使用可能因串接光放大器使增益谱宽变窄而受到制约。

３．２．６ 调制不稳定性（ＭＩ）

    调制不稳定性瞬断一个连续波信号或一个脉冲，使它们成为一个调制的形状。一个准单色信号会自发地产生两个对称的频率边带。这一现象可能在反常色散区（零色散波长以上的区域）观测到。

     采用降低功率电平或在零色散波长以上的区域工作可以最大限度地减小调制不稳定性的影响，也可采用色散管理的方法抑制边带的形成。此外，对接收到的信号进行电滤波可降低寄生放大噪声；外调制激光器给出狭窄的谱线，也可显著地减小调制不稳定性的影响。

３．３ 偏振特性

３．３．１ 偏振模色散（ＰＭＤ）

    众所周知，圆形对称电介质波导的基模是双简并的。在一根实际光纤中，这种简并是通过双折射分离的。对于保偏光纤，双折射是有意引入的；对于一般通信光纤，双折射是非期待产物，它是由于光纤受到应力扰动以随机方式引入的。

双折射光纤的情况是，一次项产生一个称为偏振色散的群时延。这种偏振色散导致的偏振正交状态之间的群时延有差别。虽然偏振模色散效应会随机改变光纤中脉冲传播的偏振状态，但是能够确定一对正交状态或主状态，即在输入端入射进光纤的信号在输出端保持不变时的状态。就一次项而言，这些状态与波长无关。然而在某些情况下，主状态可能呈现出与波长有关，和光纤的色度色散一起会导致系统的进一步劣化。

     光纤的双折射是由诸如应力、弯曲、纽绞、温度等随机引入的。随机的双折射机制重新确定局部的、沿光纤长度方向的双折射轴线，从而导致长度方向偏振模之间的耦合。

     在数字传输系统中，偏振模色散产生符号间干扰。当总色散等于０．４Ｔ（Ｔ为比特周期）时，大约引入１ｄＢ的光功率代价。目前研究表明，光纤或光缆倾向于按平均偏振模色散来规范，数字传输系统也是如此。计算机模拟预计，若平均偏振模色散不超过０．１Ｔ，则系统光功率代价超过１ｄＢ的概率会小于１０－９。

     在采用偏振扰码器（一种有意调制激光器偏振状态使之表现为无偏振状态的器件）的长距离放大系统中，偏振模色散导致信号偏振程度增大。偏振相关损耗与偏振烧孔相互作用而使系统性能劣化。当系统中出现附加偏振相关损耗时，会招致更大的二次损失。二次效应可能产生偏振模色散与色度色散之间的耦合，从而增加色散的统计分量。这一领域尚在研究之中。

     既然问题是由双折射引起的，因此在减小偏振模色散影响方面所作的努力都与减小光缆制造引入的双折射有关。诸如优化光纤生产、保证光纤的同心度、减小纤芯的残余应力、采用精密的光缆结构等。

     另一种方法是在系统输入、输出端插入偏振控制器。一个偏振分束器接在输出偏振控制器之后，用来产生误差信号。输出偏振控制器搜索该误差信号，再调整输入偏振控制器，使误差信号最小。在无误差信号点，输入偏振状态是系统的主状态。这种技术已经用于一个５Ｇｂｉｔ／ｓ系统的补偿。相干频分复用系统也采用了类似的技术。

３．３．２ 偏振相关损耗（ＰＤＬ）

     偏振相关损耗是由诸如隔离器、耦合器等光无源器件的二色性引起的。当信号通过二色性器件时，其电场平行于损耗轴线的部分就有衰减。与偏振模色散的情况一样，决定偏振相关损耗的轴线方向是随机变化的。

     在有放大的系统中，放大器是按功率守恒模式工作的。信号和噪声均受偏振相关损耗的影响。但是，因为噪声是非偏振的，所以信号和噪声所受的影响是不同的。噪声可分解为一个与信号平行的成分和一个与信号正交的成分。光放大可能增大其与信号正交的成分。此外，信号偏振变化导致模色散，所以噪声正交成分的大小随时波动。这会降低接收端信噪比，从而造成系统损伤。

     就偏振模色散情况而言，重要的是尽量减少组件的偏振模相关损耗。应当指出，该损耗对系统的影响是随放大器数量的增加而增大的。例如，在长途海缆系统中，其要求是极其苛刻的。在只有几个放大器的短途系统中的偏振模相关损耗对系统的影响尚在研究。

３．３．３ 偏振烧孔（ＰＨＢ）

    偏振烧孔（ＰＨＢ）是偏振饱和信号入射进掺铒光纤而产生的各向异性饱和所导致的结果。这会使利用偏振场定位的受激状态选择减少。因此，正交方向的可用增益较大。

因为偏振烧孔会使沿链路形成的噪声大于按简单的线性理论预算的噪声，所以偏振烧孔会影响系统性能。造成的影响是信噪比因偏振烧孔而降低以及在偏振模色散和偏振相关损耗的情况下最终测试的Ｑ值发生波动。由于有两种影响偏振烧孔的因素，影响系统性能的形式也就有两种。总效应与增益饱和成正比，随饱和度的增大而增大。

     我们首先考虑偏振泵浦激光器的影响。为达到讨论的目的，可认为泵浦偏振是固定不变的。泵浦导致正交偏振轴线方向的差分增益。正交于泵浦的噪声大于同向于泵浦的噪声。然而，沿途各放大器的泵浦激光器的偏振轴线是互不相干的。因此，积累效应类似于一种随机游动，可以认为引起偏振烧孔的泵浦是放大器偏振相关损耗的一个有关因素。所以，把放大器的数目加以平均而获得的噪声应是线性的，正如线性理论所预算的那样。

     偏振烧孔导致的总差分增益将随着放大链路沿途（由偏振模色散导致的）信号偏振状态的变化而变化。它之所以变化，是因为信号烧孔效应与泵激效应有关。当处于相应的偏振状态时，信号激光器和泵浦激光器会改变差分增益变化的幅度。因此，这样做虽然会使总噪声以非线性形式增大，但噪声可能随时波动。因此，如上所述，信噪比将下降，并随时波动。

    有几种减小偏振烧孔效应的手段。在小信号区进行放大是一种可行的办法，但这并不总是可能的，在许多情况下都不满足需要。实际上，最简单的办法是采用无偏振信号。无偏振信号可用许多手段产生，但采取偏振扰码来产生信号的方法最为普遍。若使用相位调制器，则偏振状态会随时在两种正交状态之间同时变化。这样，信号就似乎无偏振了。

     这表明，最好是按双倍的比特率来安排偏振调制。采取双倍比特偏振调制，幅度波动就处于检测器带宽以上的速率上，从而不被接收器感知。若采用这种技术，则很长的系统性能就得到改善，达到预期高可信度的目的。偏振调制已成为跨洋大系统的标准实现手段。

     然而，在长距离放大系统中，偏振模色散会引起信号的再次偏振，致使偏振烧孔造成系统性能劣化。这种效应证实了放大链路偏振现象的互作用的复杂性质。

（收稿日期：１９９９－０９－０９）