基于WDM系統(tǒng)關(guān)鍵因素的研究

汪煒　楊學(xué)林

[摘要]高速率、大容量一直是通信發(fā)展的追求。WDM系統(tǒng)能充分利用光纖的帶寬，發(fā)掘光纖的潛力，也是未來全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步。本文主要從衰耗、色散和非線性等主要方面分析對(duì)WDM系統(tǒng)的影響，及目前針對(duì)這幾大因素的解決方案。

[關(guān)鍵詞]WDM系統(tǒng) 色散 放大器 非線性

[中圖分類號(hào)]F407.6 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1672-5158（2013）05-0026-02

1 前言

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要推動(dòng)力，特別是近年來IPTV、高清視頻、3D游戲等業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，對(duì)于帶寬的需求更是迫在眉睫。現(xiàn)有基于SDH為基礎(chǔ)的MSTP平臺(tái)能很好的支持10Gb/s的業(yè)務(wù)，而對(duì)40Gb/s甚至100Gb/s以上的業(yè)務(wù)目前還存在著瓶頸。而WDM系統(tǒng)能充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)，承載多種業(yè)務(wù)，緩減目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源整合，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可維護(hù)性，有著巨大的發(fā)展空間。

2 WDM技術(shù)簡(jiǎn)介

WDM技術(shù)是一種光纖復(fù)用技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用在一根光纖中傳播。光在傳播中會(huì)受到損耗和色散等因素的影響。目前，WDM技術(shù)比較成熟已經(jīng)開始商用，但也存在很多因素影響WDM系統(tǒng)的可靠性，主要是線路衰耗、色散、非線性效應(yīng)。

3 線路衰耗

波分復(fù)用技術(shù)從光纖通信出現(xiàn)伊始就出現(xiàn)了，兩波長(zhǎng)WDM（1310/1550nm）系統(tǒng)80年代就在美國(guó)AT&T;網(wǎng)中使用，速率為2×1.7Gb/s。而多年來一直發(fā)展比較緩慢主要就是受到線路衰耗的影響。由于光信號(hào)通過光纖后，功率降低，限制了傳輸距離。在SDH系統(tǒng)中，主要采用再生中繼器的辦法，需要光電光的轉(zhuǎn)換和處理。如果WDM系統(tǒng)也采用這種辦法，就必須先把多波長(zhǎng)分解到單波長(zhǎng)光，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)放大，傳輸成本很高，僅僅節(jié)約了光纜不夠?qū)嵱谩ＭǔＭㄟ^使用放大器的方法來解決線路衰耗問題。因此，直到光放大器的商用化才使得WDM技術(shù)煥發(fā)春天。

放大器在WDM系統(tǒng)中根據(jù)用途不用可分為光功率放大器、光線路放大器和光前置放大器。光功率放大器放在發(fā)送端臺(tái)波器之后，主要是為了提高發(fā)射信號(hào)的功率。光功率放大器放在光纖線路中間，主要是光通過長(zhǎng)距離傳播后衰減達(dá)到28db左右，需要進(jìn)行放大。光前置放大器放在接收端的分波器前，補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過程中的衰減。一股情況下，光功率放大器和光前置放大器會(huì)同時(shí)使用，以延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離，光功率放大器會(huì)根據(jù)實(shí)際情況選用。

目前，人們已經(jīng)研究出半導(dǎo)體激光放大器、非線性光纖放大器和摻稀土元素的光纖放大器。在WDM系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的是摻鉺放大器（EDFA）和喇曼光纖放大器（RFA）。摻鉺放大器實(shí)用化始于1994年，是目前最為成熟的技術(shù)，它具有高增益、低噪聲、有效工作波長(zhǎng)寬、輸出功率大的特點(diǎn)，并且價(jià)格較低，已經(jīng)在WDM系統(tǒng)中大量使用。摻鉺放大器由摻鉺光纖、泵浦光源、耦合器、隔離器等幾個(gè)部分組成。主要是通過泵浦光源來激活鉺離子，產(chǎn)生電子躍遷，而這些電子從高能級(jí)回到低能級(jí)時(shí)放出新光子來釋放剩余能量，從而實(shí)現(xiàn)放大光信號(hào)功能。摻鉺放大器又可以分為同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦噪聲系數(shù)好，反向泵浦輸出功率高，雙向泵浦則輸出功率高噪聲系數(shù)與同向泵浦相當(dāng)。由于EDFA工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段（1500～1600nm），并且平均無故障時(shí)間高、壽命長(zhǎng)，根據(jù)不同用途已經(jīng)制成不同放大器廣泛應(yīng)用。喇曼光纖放大器是一種非線性放大器。喇曼現(xiàn)象最早由1928年Raman爵士發(fā)現(xiàn)的，即將一個(gè)光束在晶格振動(dòng)過程中，自身能量轉(zhuǎn)移而頻率下移，將其能量疊加在信號(hào)光上，從而完成對(duì)信號(hào)光的放大。由于EDFA非常適合做C波段的放大器。而通過調(diào)節(jié)泵浦光的波長(zhǎng)，喇曼光纖放大器可以放大幾乎所有波長(zhǎng)。當(dāng)WDM的波數(shù)達(dá)到32波及以上的時(shí)候，就需要同時(shí)用C和L兩個(gè)波段，采用EDFA和和喇曼光纖放大器相結(jié)合，就能有效的提供增益，特別適合高速率、長(zhǎng)距離的通信。

4 色散

色散現(xiàn)象是光纖傳輸中另外要考慮的重要問題。色散現(xiàn)象主要是不同波長(zhǎng)由于速度不同產(chǎn)生的延遲，引起誤碼。除了光纖外，光源的中心頻率、接收機(jī)性能等都會(huì)影響色散。在wDM系統(tǒng)中主要要考慮的是色度色散和偏振模色散。

4.1色度色散

首先，我們討論色度色散。當(dāng)傳輸速率從10Gb/s增加到40Gb/s，比特間隔變小，色散容忍就降為原來的1/6，因此在高速率、寬頻域的WDM系統(tǒng)受到色散影響就比較大。目前在工程上主要是用色散補(bǔ)償光纖及光纖布拉格光柵補(bǔ)償。

1）色散補(bǔ)償光纖。目前工程中常用的是G.652光纖，其色散色度是正值。而色散補(bǔ)償光纖色散度與G.652相反，是一種特制的為負(fù)色散值和負(fù)色散斜率的光纖。在工程中，將這兩種光纖相互補(bǔ)償，就能有效的控制色散。由于色散補(bǔ)償光纖是一種無源的補(bǔ)償辦法，可以替代原光纖的任何位置，使用起來靈活方便，易于控制。由色散補(bǔ)償光纖導(dǎo)致?lián)p耗增大的問題可以使用放大器來解決，因此得到大量的使用。

2）光纖布拉格光柵補(bǔ)償。光纖光柵是利用光敏性制成的，使得不同的光反射的位置不同，形成相對(duì)的時(shí)間差。光纖布拉格光柵補(bǔ)償?shù)脑硎钱?dāng)光脈沖通過線性啁啾光柵后，短波長(zhǎng)的光時(shí)延比長(zhǎng)波長(zhǎng)的光時(shí)延大，正好起到了色散均衡作用，從而實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。布拉格光柵所能補(bǔ)償?shù)纳⒘亢蛶捰晒鈻砰L(zhǎng)度和啁啾量來決定，利用光纖對(duì)應(yīng)變和溫度的響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)啁啾光纖光柵動(dòng)態(tài)調(diào)諧功能。布拉格光柵補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于啁啾的精確控制。

當(dāng)然還有預(yù)啁啾補(bǔ)償方法，主要用在外調(diào)制系統(tǒng)中，在發(fā)射端激光器附加額外的正弦調(diào)制，使得光脈沖先變窄，后變寬，有效的減小信號(hào)的啁啾，也能有效的解決色度色散問題。

4.2偏振模色散

偏振模色散是目前WDM系統(tǒng)傳輸?shù)碾y點(diǎn)之一。主要是由于偏振模色散不像色度色散具有穩(wěn)定值，是動(dòng)態(tài)變化的，因此對(duì)偏振模色散的補(bǔ)償也需要是動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)過程，復(fù)雜度較高。偏正色散的容忍度與比特率成反比，40Gb/s的容忍度是10Gb/s的1/4，而偏振模色散又是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，和溫度、光纖制造工藝、時(shí)間等都存在關(guān)系，測(cè)量也比較復(fù)雜。

目前針對(duì)偏振模色散主要采用的是良好的編碼及調(diào)制技術(shù)。偏振模色散受限距離與調(diào)制碼型有關(guān)，主要采用的是RZ碼和DQPSK碼。此外，還可以采用前向糾錯(cuò)（FEC）等技術(shù)來補(bǔ)償，來避免使用比較復(fù)雜的偏振模色散補(bǔ)償器件。前向糾錯(cuò)技術(shù)主要是在發(fā)送端對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，在接收端進(jìn)行譯碼，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并糾錯(cuò)，可以用效的提高信噪比，提高系統(tǒng)的性能。

5非線性效應(yīng)

非線眭效應(yīng)是光場(chǎng)和物質(zhì)相互作用時(shí)，非線眭極化而產(chǎn)生的效應(yīng)。在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中，光纖中光場(chǎng)較弱，光纖的各項(xiàng)特征參量隨光場(chǎng)做相應(yīng)的線性變化，這樣我們就認(rèn)為光纖是一種線性介質(zhì)。但隨著光功率的增加，傳輸距離遠(yuǎn)，非線性效應(yīng)就會(huì)累加。在WDM系統(tǒng)中信道數(shù)目增多，使得非線性效應(yīng)比在SDH系統(tǒng)中的影響嚴(yán)重，因此非線性效應(yīng)成為影響系統(tǒng)性能的主要因素之一。WDM系統(tǒng)中合波器、分波器的插入損耗較大，需要利用放大器補(bǔ)償，在放大光功率的同時(shí)，也使得非線性效應(yīng)大大增加。

非線性效應(yīng)主要可以分為受折射率影響的調(diào)制效應(yīng)如自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM等及受技散射效應(yīng)如受激布里淵區(qū)散射SBS和受激拉曼散射SRS等。

自相位調(diào)制SPM的產(chǎn)生是由于光波本身強(qiáng)度引起的折射率非線性變化，由于脈沖在前后沿及頂峰強(qiáng)度不同，因此脈沖的不同部分有不同的相移，由此產(chǎn)生脈沖的啁啾效應(yīng)。在普通色散光纖中，高頻分量傳播速度較快，會(huì)使得脈沖會(huì)窄化過程，一定程度上抵消了色度色散的展寬。一般來說，只有在高色散或者傳輸距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)中，自相位調(diào)制影響比較明顯，需要在適當(dāng)?shù)拈g隔進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少自相位調(diào)制的影響。

交叉相位調(diào)制XPM和自相位調(diào)制SPM主要區(qū)別是信號(hào)脈沖一個(gè)是對(duì)自身相位的影響，一個(gè)是對(duì)相鄰?fù)樊a(chǎn)生的影響。除了上

述的采用色散補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟ€可以用色散小的G.653和G.655光纖來

四波混頻效應(yīng)FWM是因不同波長(zhǎng)的兩三個(gè)光波相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生新的光波，會(huì)產(chǎn)生三倍頻、和頻、差頻等多種參量效應(yīng)。隨著WDM系統(tǒng)中波長(zhǎng)數(shù)量的增加，信道間隔增加，四波混頻效FWM的影響也隨之增大。目前主要是通過分析FWM與色散的關(guān)系，增加光纖的有效截面或采用較小的非線性折射率的光纖可以減小FWM的影響。

光纖中的受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS產(chǎn)生原因都是一定強(qiáng)度的光波通過光纖介質(zhì)時(shí)，引起光纖分子材料的振動(dòng)，相互影響所調(diào)制的結(jié)果。受激拉曼散射sRS是光與硅原子振動(dòng)模式間相互作用的結(jié)果。在WDM系統(tǒng)中短波長(zhǎng)的信號(hào)被這種過程所衰減，而長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)得到增強(qiáng)，引起信道功率不平衡。一般情況下，SRS影響不大，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮其影響。SBS是光纖中泵浦光與聲子間相互作用的結(jié)果，區(qū)別在于SBS產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移能量較小。目前抑制SBS的辦法主要是在激光器發(fā)送端加一個(gè)低頻調(diào)制信號(hào)，提高SBS的門限值。

6 小結(jié)

以上研究表明，線路衰耗、色散和非線性直接影WDM系統(tǒng)的性能。在工程實(shí)際過程中，根據(jù)不同的傳輸隋況，選擇合適放大器，合適的色散管理及補(bǔ)償方案，合適的光纖可以有效的改善傳輸質(zhì)量、提高系統(tǒng)性能。全光網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，波分系統(tǒng)作為全光網(wǎng)絡(luò)的重要一步，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低成本，必將有著光輝的前景。當(dāng)然，我們也看到波分系統(tǒng)還存在很多問題，選擇相對(duì)成熟的方案，實(shí)現(xiàn)最大程度的標(biāo)準(zhǔn)化，解決目前存在的難點(diǎn)，推動(dòng)全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

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