[通信工程电子信息工程信息工程论文]全光通信关键技术

[通信工程电子信息工程信息工程论文]全光通信关键技术内容摘要：

带宽不断提升，以 10Gbit/s 甚至更高速率 为基础的密集波分复用系统必然成为主流的光传输系统。 掺铒光纤放大器（ EDFA）由于其增益平坦及噪声等局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求。 而相对于掺铒光纤放大器，光纤拉曼放大器具有更大的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放大器自发辐射噪声低等优点，光纤拉曼放大器是唯一能在 1292～ 1660nm 的光谱上进行放大的器件。 并且，拉曼散射效应在所有类型的光纤上都存在，与各类光纤系统具有良好的兼容性，包括已铺设和新建的各种光纤链路。 光纤拉曼放大器与新型大有效面积传输光纤、高光谱效率调制码型和向前纠错技术 被称为现代大容量、长距离光纤传输的四大关键技术。 光纤拉曼放大器的工作原理和性能 （ SRS） 受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。 光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光即得到放大。 其工作原理示意图 如下： 12 图 RFA 工作原理示意图 RFA 中一个入射泵浦光子通过光纤非线性散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余能量被介质以分子振动（光学声子） 的形式吸收，完成振动态之间的跃迁。 斯托克斯频移 Vr=VpVs 由分子振动能级决定，其值决定了 SRS 的频率范围，其中 Vp是泵浦光的频率， Vs 是信号光的频率。 对非晶态石英光纤来说，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可在较宽频差 VpVs范围（ 40THz）内通过 SRS 实现信号光的放大。 拉曼光纤放大器相对于掺铒光纤放大器有明显不 同： （ 1）理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱； （ 2）可以利用传输光纤本身作增益介质，此特点使光纤拉曼放大器可以对光信号的放大构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通讯等不方便建立中继站的场合； （ 3）可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度； （ 4）具有较低的等效噪声指数，此特点使其与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。 （ 3）光纤拉曼放大器性能分析 光纤拉曼放大器的性能决定了它在未来高 速、大容量光纤通信系统中将发挥关键作用，表 1中对光纤拉曼放大器与半导体光放大器（ SOA）、掺铒光纤放大器（ EDFA）的主要特征和性能指标进行了比较： 13 光纤拉曼放大器的分类 1．分布式拉曼光纤放大器（ LRA） 分布式拉曼放大器基于光纤受激拉曼散射（ SRS）效应，一般采用反向泵浦方式，实现方法如下：将高功率连续运转激光从光纤跨段的输出端注入传输光纤，该泵浦光的传输方向与信号光传输方向相反。 泵浦激光器的波长比信号光短约 100nm。 高功率光场泵浦光纤中的组分物质产生虚激发态；电子从这些 虚激发态向基态跃迁，从而实现光信号的增益。 分布式拉曼放大器传输光纤本身就是增益介质，信号在光纤中传输的同时得到放大，使得拉曼放大器的等效噪声指数为负。 低噪声系数分布式拉曼放大器可以有效克服四波混频等非线性效应的影响，并改善系统的光信噪比（ OSNR）。 2．分立式拉曼光纤放大器（ DRA） 分立式拉曼放大器采用的放大介质通常是色散补偿光纤或高非线性光纤，比如 DCF 光纤或者碲基光纤。 目前 DCF 光纤拉曼增益系数比 SMF 提高了 10 倍左右，作为拉曼增益介质后还可以组成色散补偿模块（ DCM）。 采用碲基光纤，其拉曼增益系数 比石英光纤高 16倍，峰值达到 55W/km。 光纤拉曼放大器的应用与进展 目前，分布式光纤拉曼放大器进展很快，国外很多长距离、超大容量的密集波分复用光通讯系统（ DWDM） 所使用的光放大器大多是分布式光纤拉曼放大器，这不仅可以充分利用光纤资源，降低成本，而且可以降低增益介质中的光密度，以便减少由于非线性效应 14 产生的四波混频、信道间串扰所引起的系统性能劣化。 但拉曼放大器的增益较低（实际线路中使用时不超过 16dB），而 EDFA 虽然噪声指数上不如拉曼放大器，但小信号增益可以超过 30dB，因此将拉曼放大器与 EDFA 结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。 图 EDFA+DRA 混合式宽带放大器 由 980nm 泵浦的 EDFA 进行 C 波段的放大，由 1497nm 拉曼泵浦源负责 L波段的放大。 其增益谱线由于叠加在 1535（ EDFA 产生）、 1560（叠加产生）和 1600nm（拉曼放大产生）附近出现 3 个增益峰值，大小为 ~2dB 而在 1540 和 1560 附近出现两个 0dB 左右的谷底。 采用 GFF 后将所有信号增益控制在 0dB 左右，这样实现了 80nm 带宽、 256 10Gbit/s11000km 的传输。 目前 所面临的问题 在深入研究 FRA 的过程中，泵浦源的选择与配置、噪声的控制等都是急待解决的问题。 其中，光纤的色散特性会引起传输中的前后码产生干扰，即码间干扰，限制了传输码速率和传输距离。 针对目前传输线路上铺设的 G652 单模光纤所存在的色散较大的问题，可以将 DCF 光纤作为 G652 光纤的色散补偿和色散斜率补偿部分，组成补偿型 FRA。 除了复杂的、高难度的工程设计以外，为了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器经常会使用超过 1W（ 30dBm）的放大器。 因此，光传输系统对拉曼放大器附近的光纤连接头与光纤镕接点的质量有很 高的要求，以尽量减少反射与损耗对拉曼增益机制的副作用。 同时为了防止高能量激光对工程维护人员可能造成的伤害，自动光功率关闭（ ALS）与人员特别培训都是不可或缺的。 15 第三章 光复用技术 光纤 最重要的一个特点是容量大，可以传送高速率的数字信号。 为了更进一步提高光纤的利用率，参考已经比较成熟的电复用方法，人们采用了各种光的复用方法。 如波分复用、频分复用、时分复用、 空分复用 、 副载波复用、码分复用等。 其中，被认为最具潜力的是波分复用 、 频分复用和码分复用。 波分复用技术（ WDM） 随着全球互联 网（ Inter）的迅猛发展，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成 为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。 同时，无论是从数据传输的用户数量还是从单个用户需要的带宽来讲，都比过去大很多。 特别是后者，它的增长将直接需要系统的带宽以数量级形式增长。 因此如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。 面对市场需求的增长，现有通信网络的传输能力的不足的问题，需要从多种可供选择的方案中找出低成本的解决方法。 缓和光纤数量的不足的一种途径是敷设更多的光纤，这对那些光纤安装耗资少的网络来说，不失为一种解决方案。 但这不仅受到许多物理条件的限制，也 不能有效利用光纤带宽。 另一种方案是采用时分复用（ TDM）方法提高比特率，但单根光纤的传输容量仍然是有限的，何况传输比特率的提高受到电子电路物理极限限制。 第三种方案是波分复用（ WDM）技术。 WDM 系统利用已经敷设好的光纤，使单根光纤的传输容量在高速率 TDM 的基础上成 N 倍地增加。 WDM 能充分利用光纤的带宽，解决通信网络传输能力不足的问题，具有广阔的发展前景。 WDM 波分复用并不是一个新概念，在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在 20 世纪 90 年代之前，该技术却一直没有重大突 破，其主要原因在于 TDM 的迅速发展，从 155Mbit/s 到 622Mbit/s，再到 ， TDM速率一直以过几年就翻 4倍的速度提高。 人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的技术。 1995年左右， WDM系统的发展出现了转折，一个重要原因是当时人们在 TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上， WDM 系统才在全球范围内有了广泛的应用。 16 波分复用技术的概念 波分复用 (WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号 (携带各种信息 )在发送端经复用器 (亦称合 波器， Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术； 在接收端，经解复用器 (亦称分波器或称去复用器， Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。 这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。 通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。 按照通道间隔的不同， WDM可以细分为 CWDM（稀疏波分复用）和 DWDM（密集波分复用）。 CWDM 的信道间隔为 20nm，而 DWDM 的信道间隔从 到 ，所以相对于 DWDM， CWDM 称为稀疏波分复用技术。 CWDM 和 DWDM 的区别主要有二点：一是 CWDM 载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用 5到 6个左右波长的光波， “ 稀疏 ” 与 “ 密集 ” 称谓的差别就由此而来；二是 CWDM调制激光采用非冷却激光，而 DWDM 采用的是冷却激光。 冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。 由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。 CWDM 避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个 CWDM 系统成本只有 DWDM 的 30%。 CWDM 是通过利 用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。 在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。 波分复用技术的优点 WDM 技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点： (1) 传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。 对单波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于 WDM 系统，不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。 例如对于 16 个 ，单波长光纤系统需要 32根光纤，而 WDM 系统仅需要 2根光纤。 (2) 对各类业务信 号 “ 透明 ” ，可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号等，并能对其 (3) 网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要换端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量，因此 WDM 技术是理想的扩容手段。 17 (4) 组建动态可重构的光网络，在网络节点使用光分插复用器（ OADM）或者使用光交叉连接设备（ OXC），可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。 波分复用技术目前存在的问题 以 WDM 技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等巨大优势，已成为未来高速传输网的发展方向，但在真正实现之前，还必须解决下列问题。 1． 网络管理 目前， WDM 系统的网络管理，特别是具有复杂的上 /下通路需求的 WDM 网络管理仍处于不成熟期。 如果 WDM 系统不能进行有效的网络管理，将很难在网络中大规模采用。 例如在故障管理方面，由于 WDM 系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦 WDM 系统发生故障，操作系统应能及时发现故障，并找出故障原因。 但到目前为止，相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面， WDM 系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比 特误码率并不适用于衡量 WDM 的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。 如果这些问题不及时解决，将阻碍 WDM 系统的发展。 2．互连互通 由于 WDM 是一项新生的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的 WDM 产品互通性较差，特别是在上层的网络管理方面。 为了保证 WDM 系统在网络中大规模实施，需保证 WDM系统间的互操作性以及 WDM 系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。 3．光器件 一些重要光器件的不成熟将直接限制未来光传输网的发展，如可调谐激光器等。 对于一些大的运营公司 来说，在网络中处理几个不同的激光器就已经非常棘手了，更不用说几十路光信号了。 通常光网络中需要采用 4～ 6 个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还无法进入商用。 DWDM 技术 1． DWDM 对光纤性能的要求 DWDM 是密集的多波长光信道复用技术，光纤的非线性效应是影响 WDM 传输系统性能的主要因素。 光纤的非线性效应主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等因素密切相关；光功率密度越大、信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重；色散与各种非线性效应之 18 间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零 而显著增加。 随着 WDM 技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越大，因而光纤的非线性效应对 DWDM 传输系统性能的影响也越来越大。 克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能，如增加光纤的有效传光面积，以减小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应；减小光纤的色散斜率，以扩大 DWDM 系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散 ， 以及在。