唐大維

[摘 要]文章從光纖通信發(fā)展中的復(fù)用技術(shù)入手，總結(jié)每種復(fù)用技術(shù)各自的特點，找出技術(shù)發(fā)展的瓶頸，探尋更適用于當(dāng)今光交換網(wǎng)的復(fù)用方式，著力于當(dāng)今通信網(wǎng)絡(luò)的擴容問題，并就未來復(fù)用技術(shù)的趨勢與應(yīng)用前景作出展望。

[關(guān)鍵詞] 通信技術(shù)；復(fù)用技術(shù)；光纖

中圖分類號：TP203 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0251-01

1 波分復(fù)用技術(shù)（WDM）

波分復(fù)用技術(shù)可以說是光纖通信復(fù)用技術(shù)的經(jīng)典了，它標(biāo)志著復(fù)用技術(shù)從電域邁向了光域，其意義堪比第一個吃螃蟹的人。

1.1 波分復(fù)用技術(shù)的原理

波分復(fù)用技術(shù)是指在一根光纖上同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合（復(fù)用）起來， 并耦合到光纖線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復(fù)用）， 并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端。

1.2 波分復(fù)用的主要優(yōu)勢

波分復(fù)用主要是在一根光纖內(nèi)傳輸多個波長的數(shù)據(jù)，因此其最大的優(yōu)勢就是擴充了帶寬，復(fù)用幾個波長就增加幾倍的帶寬。另外光信號在各個波長中獨立傳輸，互不干擾。同時各波分復(fù)用信道對信息比特、數(shù)據(jù)格式和電調(diào)制方式透明化，對光纖通信系統(tǒng)的擴容具有很大方便性。新加入的另一系統(tǒng)在調(diào)制方式和傳輸速率上不受原系統(tǒng)的約束和限制，且不同容量的光纖系統(tǒng)及數(shù)字和模擬信號均可兼容傳輸。

1.3 波分復(fù)用的瓶頸

波分復(fù)用技術(shù)的瓶頸一是在器件上，二是在技術(shù)上。在器件上，以二氧化硅為材料的光纖可利用的波長范圍有限，雖然摻餌放大器帶寬吻合二氧化硅衰減特性曲線，但是隨著波分復(fù)用傳輸技術(shù)的速率增加，所用到的摻餌放大器（EDFA）達到了自己的極限，其增益不平坦性開始產(chǎn)生較大的影響，增益平坦濾波器起到的作用越來越小。而在技術(shù)上，限制波分復(fù)用技術(shù)進一步發(fā)展的因素還有色散、交叉相位調(diào)制干擾和四波混頻等影響因素。未來的波分復(fù)用技術(shù)，應(yīng)向消除二氧化硅材料的衰減峰及采用增益更平坦、帶寬更寬的放大器的方向做進一步研究。

2 時分復(fù)用技術(shù)（OTDM）

為了可以在帶寬資源一定的情況下更好地提高傳輸速率，同時減小波分復(fù)用技術(shù)中非線性因素對光信號傳輸?shù)挠绊?，光時分復(fù)用的技術(shù)被研究了出來。

2.1時分復(fù)用技術(shù)的原理

光時分復(fù)用的原理同電時分復(fù)用類似，以4路復(fù)用信號為例。在復(fù)用器的輸入端光脈沖被分成4路，各自被各路的電信號所調(diào)制。調(diào)制后的各路光信號又各自延遲一相對應(yīng)的延時量， 然后在輸出端合成為4倍速率的信號。

2.2 時分復(fù)用的主要優(yōu)勢

光時分復(fù)用技術(shù)能克服由放大器級聯(lián)導(dǎo)致的譜不均勻性、非理想的濾波器和波長變換所引起的串話、光纖非線性的限制、苛刻要求的波長穩(wěn)定性裝置及昂貴的可調(diào)濾波器等諸多技術(shù)難題，單波長的傳輸簡化了放大器級聯(lián)管理和色散的技術(shù)問題。另外，光時分復(fù)用技術(shù)可簡單地接入極高的線路速率（高達幾百Gbit/s），雖然網(wǎng)絡(luò)的總速率雖然很高，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，電子器件只需以本地的低數(shù)據(jù)速率工作。

2.3 時分復(fù)用的瓶頸

時分復(fù)用的瓶頸在于光脈沖的發(fā)送與提取上。發(fā)送端，光脈沖的形狀往往無法達到高斯脈沖般標(biāo)準(zhǔn)，寬窄程度則更受限于光纖環(huán)形鎖模激光器。光脈沖質(zhì)量越好，則成本越高，如何降低成本成為限制光時分復(fù)用技術(shù)的一大問題。超窄光脈沖的提取是另一大瓶頸，和前面相同，如何能夠研發(fā)出小體積低成本具有相應(yīng)功能的半導(dǎo)體器件，提高穩(wěn)定性與可靠性并降低成本，是光時分復(fù)用技術(shù)從實驗室走向商用的第一大難題。

3 碼分復(fù)用技術(shù)（OCDMA）

光碼分復(fù)用通信系統(tǒng)，是給每個用戶分配唯一的光正交碼的碼字作為該用戶的地址碼（或稱簽名序列）對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息用該地址碼進行光編碼，實現(xiàn)信道復(fù)用。在接收端，用與發(fā)端相同的地址碼進行光解碼，實現(xiàn)用戶之間相互通信。

3.1 碼分復(fù)用技術(shù)的原理

OCDM是在電CDM技術(shù)基礎(chǔ)上演變出來的。當(dāng)數(shù)據(jù)為“ 1”時光開關(guān)接通，將窄光脈沖送至光正交碼編碼器，輸出一長度為n、碼重（碼字中包含“1”的個數(shù)）為w 的光正交碼，送入公共信道（ N個用戶）實現(xiàn)復(fù)用。

3.2 碼分復(fù)用技術(shù)的主要優(yōu)勢

比起波分復(fù)用與時分復(fù)用技術(shù)，碼分復(fù)用技術(shù)可以直接實現(xiàn)光信號的復(fù)用與交換，沒有像光波分復(fù)用系統(tǒng)那樣對波長具有嚴(yán)格的要求，另一方面，也不需要光時分復(fù)用那樣嚴(yán)格的時鐘同步，收發(fā)設(shè)備的成本很低。而且碼分復(fù)用技術(shù)可以動態(tài)分配帶寬，沒有嚴(yán)格的容量意義，擴展與網(wǎng)管都非常容易，保密性較高，多址接入的方式更加靈活。

3.3 碼分復(fù)用技術(shù)的瓶頸

與移動通信類似，光碼分復(fù)用的技術(shù)也存在著隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)性能不斷降低的劣勢，是一種干擾受限系統(tǒng)。此外，光碼分復(fù)用技術(shù)實用性并不強，全光CDMA可支持的用戶數(shù)有限，多用戶的光脈沖同時在一條光纖上傳輸，串?dāng)_問題尚待更好的解決方式。目前由于光相位調(diào)制技術(shù)，相干光解調(diào)技術(shù)發(fā)展不夠成熟，只能使用脈沖時間編碼的方式，編碼方式較為單一。

4 模分復(fù)用技術(shù)（MDM）

雖然傳統(tǒng)基于單模光纖的通信系統(tǒng)的容量不斷增加，但始終無法突破固有的香農(nóng)極限。為了使光通信系統(tǒng)容量能進一步的提高，模分復(fù)用技術(shù)便應(yīng)運而生。

4.1 模分復(fù)用技術(shù)的原理

單模光纖將已調(diào)制的信號傳送至與之相連的模式轉(zhuǎn)換器，提高模式的階數(shù)，將低階模式轉(zhuǎn)換成高階模式。在進行了模式轉(zhuǎn)換之后，高階模式被一根短距離的少模光纖傳輸至空間模式復(fù)用器，彼此正交的模式經(jīng)過它作用后被復(fù)用在了一起，之后光波按照一定的歸一化頻率V形成導(dǎo)模進行傳輸。

4.2 模分復(fù)用技術(shù)的主要優(yōu)勢

模分復(fù)用技術(shù)最大優(yōu)勢就是充分?jǐn)U展了帶寬容量，與波分復(fù)用類似，有幾種模式就擴充了幾倍。同時由于具有比較大的有效面積，多模光纖可以減少光纖非線性現(xiàn)象。且較大的纖芯直徑和數(shù)值孔徑讓多模光纖在安裝與維護上都比單模光纖要容易。

4.3 模分復(fù)用技術(shù)目前的研究瓶頸

模分復(fù)用畢竟是要采用多模光纖進行傳輸，因此它的模間色散較為嚴(yán)重，目前實驗室更多是在少模光纖的基礎(chǔ)上進行研究以減少模間色散的影響。而且模間色散的問題讓多模光纖不適用于長距離傳輸，更多用于短距離局域網(wǎng)的互聯(lián)。此外，模分復(fù)用技術(shù)對器件要求也會比較高，做出低成本集成化的傳輸器件較為不易。

5 全光網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)的未來展望

全光網(wǎng)絡(luò)，是指信號只是在進出網(wǎng)絡(luò)時才進行電/光和光/電的變換，而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。如今網(wǎng)絡(luò)中全光的傳輸技術(shù)已經(jīng)可以由無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)得以實現(xiàn)。就目前來看，組網(wǎng)中的復(fù)用技術(shù)主要依靠波分復(fù)用與時分復(fù)用，也包括一部分的碼分復(fù)用技術(shù)，雖然運行當(dāng)前的光交換網(wǎng)絡(luò)沒有問題，但是隨著未來用戶數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)的換代升級也是肯定要進行的。

就目前的研究成果和本文所介紹的技術(shù)來看，WDM/OCDMA的混合復(fù)用技術(shù)是下一代復(fù)用技術(shù)的首選。時分復(fù)用技術(shù)雖然提升了速率，但是并沒有有效地擴展帶寬，不能夠同時為所有用戶提供千兆比特級的服務(wù)。而且時分復(fù)用對光器件要求十分苛刻，其較高的成本無法應(yīng)用于下一代商用網(wǎng)絡(luò)?；旌蟇DM/OCDMA中，WDM技術(shù)實現(xiàn)用戶的大容量高帶寬接入，OCDMA技術(shù)能夠使多用戶同時靈活、安全地接入網(wǎng)絡(luò)，兩者起到相得益彰的效果；網(wǎng)絡(luò)中的大部分處理過程都是在光域中進行的，關(guān)鍵設(shè)備基本都是無源的，可以做到維護簡單。

參考文獻

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