光密集波分复用技术3

 在技术发展和市场需求的共同推动下，光密集波分复用（ＤＷＤＭ）系统被应用于传输网上，极大地提高了传输容量。本系列讲座前两讲介绍了光密集波分复用技术的原理及相关技术，这一讲将进一步介绍相关技术及ＤＷＤＭ网络系统的组织。

３．４ 色散特性

    色度色散是由发送源光谱特性和光纤色度色散导致的制约传输容量的一个支配性因素。光放大本来并不会明显改变色度色散，除非是把色散补偿功能合并为一个放大子系统。

    光放大器围绕着信号波长产生光，即所谓自激发射放大（ＡＳＥ）。通常，自激发射放大成分不被调制，因而它不能与信号同步地检出。在许多光放大器的实现中，在放大器、信号信道或接收器之中的滤波器闭塞了自激发射放大，否则就会出现光噪声。自激发射放大的较宽频谱并不改变信号的频谱特性与光纤色度色散之间的互作用。

    一般，光放大器并不会改变色度色散造成的传输限制。某些非线性效应可能由于高输出放大的功率电平所导致的光纤色度色散产生互作用（特别是自相位调制）。随着光纤通信系统中传输速率的不断提高和掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）的应用，色散限制已经成为目前决定许多系统再生中继距离的决定因素。在单模光纤中，色散以材料色散和波导色散为主，使信号中不同频率分量经光纤传输后到达光接收机的时延不同。在时域上造成光脉冲的展宽，引起光脉冲相互间的串扰，使得眼图恶化。最终导致系统误码性能下降。

    信号中不同频率分量来源于激光源的光谱特性。它们包括波长、光谱宽度、激光器啁啾声等。目前对１ ５５０ｎｍ区域单纵模（ＳＬＭ）激光器的－２０ｄＢ光谱宽度已可达到近０．０５ｎｍ，因此，限制再生中继距离的决定因素是激光器啁啾声。

    光纤放大器的存在并不影响系统中的色度色散效应，因而不要求规范把这些效应减小到最低限度的特定方法。然而，使长距离无再生中继系统成为可能的光放大器（ＯＦＡ）却会使这种系统中的色度色散导致的系统损伤变得很严重。

    在一些光放大子系统中，一种无源色散补偿功能可同光放大器组合在一起，构成一个放大子系统，该子系统会给系统附加有限的色度色散，其符号与系统光纤相反。这就会使系统的色度色散较小。该功能可同光放大器装设在一起，光放大器还用以弥补与无源色散补偿功能相关的损耗。

    传输系统中色度色散的变化是因存在无源色散补偿功能而导致的，而不是光放大器导致的。

３．５ 其它有关光放大器的特性

３．５．１ 噪声积累

    在具有若干个级联光放大器的传输系统中，产生于光放大器的自激发射放大噪声将同信号光一样重复一个衰减和放大周期。因为进来的自激发射放大（ＡＳＥ）噪声在每个光放大器中均经过放大，并且叠加在那个光放大器所产生的自激发射放大上，所以总自激发射放大噪声功率就随光放大器数目的增多而大致按比例增大，而信号功率则随之减小。噪声功率可能超过信号功率。

    自激发射放大噪声频谱分布也是沿系统长度展开的。当来自第一个光放大器的自激发射放大噪声被送入第二个光放大器时，第二个光放大器的增益分布就会因增益饱和效应导致自激发射放大噪声而发生变化。同样，第三个光放大器的有效增益分布会被第二个光放大器修改。这种效应会向下传递给下一个光放大器。即使在每个光放大器处使用窄带滤波器，自激发射放大噪声也会积累起来，这是因为噪声存在于包含着信号的频段之内的缘故。

   自激发射放大噪声积累对系统的信噪比（ＳＮＲ）有影响，因为接收信号ＳＮＲ劣化主要是与自激发射放大有关的差拍噪声。这种差拍噪声随光放大器的数目的增加而以线性形式增加。因此，误码率随光放大器数目的增加而劣化。此外，噪声是随放大器的增益幅度以指数形式积累的。

    作为光放大器增益的一个结果，接了许多个光放大器之后的自激发射放大噪声频谱会有一个自发射效应的波长尖峰。特别要指出的是，如果考虑采用闭合全光环路的网络体制，那么若级联数目无限的光放大器，则自激发射放大噪声就会积累起来。虽然有滤波器的系统中的自激发射放大积累会因有滤波器而明显变小，但带内自激发射放大仍会随光放大器的增多而增大。因此，ＳＮＲ会随光放大器的增多而劣化。

    自激发射放大噪声积累可能因光放大器间隔的缩小而减小（当保持总增益等于总传输通道损耗时），因为自激发射放大是随放大器增益幅度的增大而以指数形式积累的。在滤波技术中采用自激发射放大噪声滤波器或利用自滤波效应（自滤波方法）可进一步减小非期待自激发射放大噪声。

     自滤波方法适用于装设几十或更多个光放大器的系统。这种方法是把信号波长调整到自滤波波长上，从而使检测器接收到的自激发射放大噪声减小，如同使用窄带滤波器一样。采取缩短光放大器间隔和低增益光放大器的手段来减小初始自激发射放大噪声，是最有效的。

     如果考虑全光ＷＤＭ闭合环路网，那么自滤波方法就不适用。事实上，在光放大器整个增益频谱中形成的峰值可能对系统性能造成严重影响。在这种情况下，采用自激发射放大滤波法可极度减小自激发射放大噪声的积累。这是通过对送往网络节点的ＷＤＭ信道在未倒换出节点之前进行滤波的手段达到的。

    对于装有很少几个光放大器的系统，自滤波法不如自激发射放大滤波法有效。自激发射放大滤波法可灵活地选择信号波长，并具有其它的优点。必须谨慎地选择滤波器的特性，因为级联滤波器的通带比信号滤波器的通带窄（除非是有一个矩形的频带）。

３．５．２ 自滤波效应

    作为无滤波系统中的自激发射放大噪声积累结果，自激发射放大频谱的特性分布（或全部增益谱）曲线总有一个峰值。峰值谱线宽度随光放大器数目的增多而变窄，直至达到某一个光放大器数目后最终饱和为止。在数十个ＯＦＡ后可能导致仅有２～３ｎｍ的谱线宽度。这种效应称为自滤波。

    自滤波效应决定于辐射和吸收截面的光谱形式和光放大器的反转度。自滤波波长可能随着在等质玻璃中主要成分、输入光功率的变化而改变，或者随着放大器间损耗及其与波长的相关性、泵浦波长和掺杂光纤的光纤长度变化而改变。一般可认为自滤波效应对单路系统是合乎愿望的，但对多路系统却是不理想的。

    对于装设了数量有限的光放大器的系统，自滤波增益峰值谱线宽度保持得很宽，但即使把信号波长调整至峰值波长上也不会减小自激发射放大噪声积累。在装设了许多光放大器并有一个良好开发的自滤波增益峰的系统中，ＳＮＲ可能很高；但若信号波长偏离自滤波波长，ＳＮＲ则会劣化。这种偏离可能出现在系统重新配置和维修之后，这是因为放大器间损耗改变了的缘故。

    具有级联光放大器的多信道系统可能因信道功率的变化而受损，该功率变化随光放大器数目的增多而以指数形式增大（光放大器的数目是指数）。对于多信道系统，信道总数的变化会导致增益／频谱的变化，这种变化会干扰其它信道。饱和引起的与频谱有关的增益也会使信道中增益发生变化。因此，损耗分配裕度必须谨慎地按有无滤波器的两种系统中的掺铒光纤放大器增益频谱来设计。

    当最佳色散波长、自滤波波长和信号波长相一致时，用自滤波法改善ＳＮＲ是最有效的。这种方法不要求使用自激发射放大噪声滤波器，这种滤波器可能引起与滤波器的偏振相关损耗有关的劣化。在跨洋海底系统中，这是特别适用的。另一方面，对自滤波的依赖性影响到复杂系统的设计、配置和维修，这是因为信号波长总是必须与变化的自滤波波长相一致。光放大器增益和放大器间损耗的频谱特性均应尽可能一致。另一方面，自滤波增益峰可能不够窄，因而会降低ＳＮＲ的改善程度，并给预防长系统中饱和引起的自激发射放大噪声带来困难。

    为克服上述这些缺陷，可用自激发射放大滤波法把滤波通带调整到信号频率上，以减小自激发射放大积累。通常可采用ＦＷＨＭ小于１ｎｍ的滤波器。这样就能极度减小自激发射放大噪声积累，系统就可不受诸如系统设计的复杂性、重新配置和维修以及光放大器的短间隔要求和各光放大器性能的一致性的约束了。

在多路系统中，一个物理上独立的光放大器放大每个信道，可防止自滤波效应导致信道间的功率离散。然而，这种方法要求价格昂贵的分用设备、独立的光放大器和复用设备。一种替代的方法是改善每个网络节点的光信道的功率均衡，然而这种方法要求的附加手段是采用低饱和光放大器或低强度反转的光放大器，因为这会有低的波长相关衰耗，从而可减小信道间功率的离散。

    然而，在级联强反转的掺铒光纤放大器中，会随着掺铒光纤放大器数目的增多而在第一个１ ５３０ｎｍ增益峰处产生自激发射放大，需要用滤波器将其滤除。此外，采用预加重法可通过基于从末端接收到的信号信息调整每个信道的发送光功率，最大限度地减小信道的ＳＮＲ差别。

３．５．３ 光浪涌的发生

     当光信号输入功率在充分泵激的掺铒光纤放大器中急剧增大时，会因掺铒光纤放大器的缓慢增益动态而导致光浪涌。光浪涌尤其可能是由输出功率控制的掺铒光纤放大器产生的。这是因为用于这种掺铒光纤放大器的泵浦功率随光输入功率的减小而增大，而当输入功率突然恢复时会产生光浪涌的缘故。如果掺铒光纤放大器早已处于饱和态，那么光输入功率的额外激增就不会导致明显的光浪涌。

在级联掺铒光纤放大器中，在特定条件下，光浪涌峰值功率在几瓦特范围内变化，有可能损伤光电变换器或电的前置放大器以及包括光连接器端面等光器件。光浪涌对人眼也是有害的。

    预防光浪涌可考虑下列因素：

    当检知输入信号丢失时，减小或切断送往掺铒光纤放大器的泵浦功率；

    当检知输入信号恢复时，恢复送往掺铒光纤放大器的功率电平。在这方面，再激活泵浦激光器使之达到标称值应逐步实现，而且应该确定相关的最小再激活时间。

     出于安全的考虑，当光缆段断裂时可能需要自动关闭光放大器。

     人工再启动和为了测试的人工再启动仅在激光器被切断情况下有效。在实施１＋１保护倒换情况下，工作通道接收器应该切断工作通道的发送器。同理，保护通道接收器应该切断保护通道的发送器。

３．６ ＷＤＭ系统光信噪比

    光信噪比是影响波分复用系统误码性能最重要因素之一，对于级联多个掺铒光纤放大器线路放大器的波分复用系统尤为重要。光信噪比（ＯＳＮＲ）定义为：

ＯＳＮＲ＝每信道的信号光功率／每信道的噪声光功率

     对于多个级联线路光放大器的波分复用系统，噪声的光功率主要由放大的自发辐射噪声支配。

３．７ 掺铒光纤放大器的增益钳制及均衡

３．７．１ 增益谱平坦化

    解决增益均衡的途径首先是实现增益谱的平坦化。方法大体上可分为滤波型和本征型两类：前者是在掺铒光纤放大器中内插无源窄带带阻滤波器将１ ５３０ｎｍ的增益峰降低，或专门设计其透射谱与掺铒光纤增益谱相反的光滤波器将增益谱削平，但结构工艺都较复杂，附加损耗大，通常以牺牲输出功率为代价。后者是采用高铝掺杂光纤或氟化物光纤等宽增益谱光纤。这类方法的最大优点是无需制作和引入附加元件，但氟化物光纤与石英光纤材料的不共容性招致放大器工艺和可靠性的诸多麻烦，高掺铝／铒光纤和增益谱互补光纤在波分复用信道数不太多时（例如４～８路），可能更具发展前途。此外，对已报道的各种方法的比较表明，就带宽特性而言，９８０ｎｍ泵浦比１ ４８０ｎｍ泵浦为优，本征型比滤波型要好。

    对实际８路ＷＤＭ系统来说，按标定信道间隔２００ＧＨｚ（１．６ｎｍ）估计，均衡带宽要求１０ｎｍ左右。利用分配泵浦级联放大增益补偿技术，对多段分配泵浦级联放大光路的增益补偿特性进行深入的理论模拟，优化级联光纤段长度和泵浦功率配比，可以构成尽可能平坦的荧光谱。另一可能的方案是利用高掺ＡＬ或级联ＡＬ／Ｅｒ光纤和ＡＬ／Ｐ／Ｅｒ共掺光纤增益补偿，国外已报道了在４．４ｄＢｍ输入下±０．１ｄＢ的带宽已达１７ｎｍ。

３．７．２ 信道动态均衡

     利用其透射谱与级联ＥＤＦＡ累积放大增益谱互补的无源滤波均衡器，只能将累积增益谱压平，但并不能保证增益恒定。可以在ＥＤＦＡ中引入选频激射机制，实现增益锁定，或通过信道调顶技术和ＥＤＦＡ泵浦功率遥控技术来实现。

光密集波分复用系统实现中的技术问题，随着技术的不断发展，可能会有更有效的解决方法，而且在不同配置下的系统，这些问题对系统性能的影响程度也不完全一样，比如在以２．５Ｇｂｉｔ／ｓ为基础的波分复用系统中ＰＭＤ就不是问题，但在以１０Ｇｂｉｔ／ｓ为基础的系统中这就成为非常突出的问题。

４ 光密集波分复用系统的组网

    伴随知识经济时代的到来，因特网、ＩＰ、图像、数据、电子商务等业务急剧增长，对传输容量提出了更高的带宽要求。中国在１９９８年已开始在十大干线上建设波分复用系统，使用８（１６）×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ波分复用传输系统（含在线光纤放大器）实现扩容满足近期业务需求。各省电信主管部门亦着手准备采用波分复用系统实现扩容。

     现有的波分复用系统基本上都是简单的点对点系统，因此目前这些系统都是点对点型或者链路型，如济南—青岛８×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ密集波分复用系统就是点对点系统，而广州—惠州—汕头系统为链路系统，惠州为两套背靠背波分复用端机，广州—惠州—汕头工程配置。

     在这些点对点系统的基础上，通过ＯＡＤＭ、ＯＸＣ等设备可以构成高度透明、灵活调度业务，并且具有快速自愈和路由选择能力的超大容量的国家骨干光网络。目前，在光网络的研究和试验方面，美国和西欧各国的发展水平处于当今国际领先地位。在美国和西欧许多国家已经完成的ＷＤＭ光传送网现场实验系统中，其组网方式有很多，比较典型的有：美国的ＤＡＲＰＡ计划中的多波长传送网络（ＭＯＮＥＴ）和国家透明光传送网（ＮＴＯＮ）、欧共体先进通信技术与业务（ＡＣＴＳ）计划的泛欧光通信网（ＯＰＥＮ）、泛欧光传送网（ＰＨＯＴＯＮ）、光城域通信网（ＭＥＴＯＮ）和光通信网管理（ＭＯＯＮ）。此外，还有法国Ａｌｃａｔｅｌ的全光网实验系统以及加拿大的国家光因特网计划（ＣＡＮＡＲＩＥ）。

       ＷＤＭ光网络利用不同的光波长识别不同的信息通道，在光交叉互连（ＯＸＣ）及光上／下路节点（ＯＡＤＭ）上，通过识别光波波长完成信息的路由选择及上下路，极大地简化了传统的分插复用和交叉互连功能，信息的传输及交换全部在光域中进行，避免了网络节点上繁杂的光／电、电／光转换设备以及由此引入的信号衰减、失真、系统功率损耗及成本提高等缺点。光网络对信息传输速率、调制方式、传送协议等透明，而且具有扩展灵活、重构方便等突出的优点。（续完）

（收稿日期：１９９９－０９－０９）