光纖與WDM技術

1、密集波分復用 DWDM 技術與超長距離傳輸 原文出自【比特網(wǎng)】 ，轉載請保留原文鏈接： /25/9038525.shtml導讀本文將從 WDM技術特點、RAMAN放大器、超強FEC、色散補償?shù)确矫嬗懻撟钚碌?發(fā)展和關鍵技術。光傳輸技術發(fā)展非常迅速，特別是線路系統(tǒng)，其傳輸速率的提升是所有技術中最快的， 這主要歸功于 WDM 系統(tǒng)的快速發(fā)展。 在過去的 5 年里，沒有任何一種傳輸技術像 WDM 發(fā) 展那么迅速。在 1997 年之前，很少有人明白 WDM 這個英文縮寫代表什么，而今天則很少 有人不明白這 3 個字母縮寫的含義 .目前超長距離 WD

2、M 系統(tǒng)傳輸更是受到制造商、運營商的充分關注.所謂超長距離傳輸是不采用電再生中繼的全光傳輸，從而大大減少了光/電轉換次數(shù)，降低傳輸成本，提高了系統(tǒng)的傳輸質量和可靠性。實際應用中，無電中繼傳輸距離達到3000km ，在實驗室已經(jīng)達到10000km。這也是向全光傳輸邁出的重要一步。本文將從 WDM技術特點、RAMAN放大器、超強 FEC、色散補償?shù)确矫嬗懻撟钚碌?發(fā)展和關鍵技術。一、光纖與 WDM 技術WDM 波分復用并不是一個新概念， 在光纖通信出現(xiàn)伊始， 人們就意識到可以利用光纖 的巨大帶寬進行波長復用傳輸，但是在 20 世紀 90 年代之前，該技術卻一直沒有重大突破， 其主要原因在于 TDM

3、 的迅速發(fā)展，從 155Mbit/s 到 622Mbit/s ，再到 2.5Gbit/s 系統(tǒng)， TDM 速率一直以過幾年就翻 4 倍的速度提高。 人們在一種技術進行迅速的時候很少去關注另外的 技術。1995年左右，WDM系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了轉折， 一個重要原因是當時人們在 TDM10Gbit/s 技術上遇到了挫折， 眾多的目光就集中在光信號的復用和處理上， WDM 系統(tǒng)才在全球范圍 內有了廣泛的應用。WDM 系統(tǒng)的發(fā)展離不開光纖，光纖是目前人們發(fā)現(xiàn)的頻率響應最好、帶寬最寬、損耗 最小的傳輸媒質。 它提供了近似無窮無盡的帶寬。 另外該媒質硅元素在自然界存在廣泛， 比 起銅纜等介質要便宜得多。 正是

4、有了這種傳輸媒質， 人們才有可能進行波長分割處理。 從光 纖通信發(fā)展的幾個階段看， 所應用的技術都與光纖有密切聯(lián)系。 WDM 是在光纖上實行的頻 分復用技術， 更是與光纖有著不可分割的聯(lián)系。 目前的 WDM 系統(tǒng)是在 1550nm 窗口實施的 多波長復用技術，因而在深入討論 WDM 技術以前，有必要討論一下光纖的特性，特別是 光纖的帶寬和損耗特性。由于單模光纖 G.652 具有內部損耗低、帶寬大、易于升級擴容和成本低的優(yōu)點，所以從 20 世紀 80 年代末起，我國在國家干線網(wǎng)上敷設的都是常規(guī)單模光纖。常規(guī)石英單模光纖同 時具有 1550nm 和 1310nm 兩個窗口。理論上，WDM技術可以利

5、用的單模光纖帶寬達到 300nm，即37THz帶寬，即使按照 波長間隔為0.8nm(100GHz)計算，理論上也可以開通 400個波長的 WDM系統(tǒng)，因而目前光 纖的帶寬遠遠沒有利用。 WDM 技術的出現(xiàn)正是為了充分利用這一帶寬， 而光纖本身的寬帶 寬、低損耗特性也為 WDM 系統(tǒng)的應用和發(fā)展提供了可能。二、WDM 技術及特點所謂 WDM 波長復用就是指不同顏色的光 (人眼看不見 )在同一根光纖中傳輸， 就像在自 由空間中赤栓黃綠青藍紫七色光都在傳輸， 由于它們的光譜成分不同， 在大氣中傳輸是各不 干擾的。 WDM 系統(tǒng)傳送的光是不可見光，但它們都在一根光纖中傳輸，每束光占用了一段 帶寬，各自

6、無干擾地傳輸，在接收端采用解復用器(等效于光帶通濾波器 )將各種顏色的光信號分開。 由于在光域上信號頻率差別比較大， 人們更喜歡采用波長來定義頻率上的差別， 因 而稱為波分復用。 WDM 本質上是光域上的頻分復用 FDM 技術。每個波長通路通過頻域的 分割實現(xiàn)，每個波長通路占用一段光纖的帶寬。 WDM 系統(tǒng)采用的波長都是不同的，也就是 特定標準波長，為了區(qū)別于 SDH 系統(tǒng)普通波長，有時又稱為彩色光接口，而稱普通光系統(tǒng) 的光接口為“白色光口”或“白光口” 。人們在談論 WDM 系統(tǒng)時，有時會談到 DWDM 。 WDM 和 DWDM 是在不同發(fā)展時期 對 WDM 系統(tǒng)的稱呼。在 20 世紀 80

7、 年代初，人們想到并首先采用的是在光纖的兩個低損 耗窗口 1310nm 窗口和 1550nm 窗口各傳送 1 路光波長信號，也就是 1310nm、 1550nm 兩波 分的 WDM 系統(tǒng)。隨著 1550nm 窗口 EDFA 的商用化， WDM 系統(tǒng)的相鄰波長間隔變得很窄 (一般小于1.6nm)，且工作在一個窗口內，共享EDFA光放大器。為了區(qū)別于傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)，人們稱這種波長間隔更緊密的 WDM 系統(tǒng)為密集波分復用系統(tǒng)。所謂密集，是指相 鄰波長間隔而言，過去 WDM 系統(tǒng)是幾十 nm 的波長間隔，現(xiàn)在的波長間隔只有 0.4-2nm。 密集波分復用技術其實是波分復用的一種具體表現(xiàn)形式。如果不特

8、指1310nm、1550nm 的兩波分 WDM 系統(tǒng)外，人們談論的 WDM 系統(tǒng)就是 DWDM 系統(tǒng)。WDM 系統(tǒng)除了極大地提高傳送容量外， 還可以降低系統(tǒng)成本， 其主要特點是： (1)可以 節(jié)約成本。 EDFA 的透明性可以同時放大多路波長，從而大大減少 SDH 再生器的數(shù)目，降 低系統(tǒng)成本。 在國家骨干網(wǎng)的傳輸時， 距離越長節(jié)省成本越多。 特別適合于國土龐大的國家。 (2)提高系統(tǒng)的可靠性。由于 WDM 系統(tǒng)大多數(shù)是光電器件，而光電器件的可靠性很高，因 此系統(tǒng)的可靠性也可以保證。 (3)可以提高承載信號的傳輸性能。由于 WDM 系統(tǒng)大大減少 了電子電路的處理， 特別是 SDH 再生中繼器的

9、使用， 因此， 減少了抖動的積累， 另外 WDM 系統(tǒng)良好的光路設計可以保證 SDH 客戶信號無誤碼運行。 (4)可以充分利用光纖的巨大帶寬 資源，使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍。(5)波分復用通道對數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號速率有電調制方式無關。一個 WDM 系統(tǒng)可以承載多種格式的“業(yè) 務”信號， ATM ， IP 或者將來有可能出現(xiàn)的信號， WDM 系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對于“業(yè) 務”層信號來說， WDM 的每個波長就像“虛擬”的光纖一樣。三、超長距離傳輸WDM技術并不能保證信號無限距的全光中繼傳輸，目前，2.5G或10G的WDM信號經(jīng)過 400-600 多 km 傳輸后

10、，還需要進行電再生中繼，依賴電再生設備保證傳輸進行再生后 重新進行傳輸， 但不可避免的是整個系統(tǒng)結構復雜，成本昂貴。在長距離傳輸系統(tǒng)中，再生中繼是加大成本投入的代名詞。 所謂電再生距離指的是在兩個電再生站之間所能傳輸?shù)淖铋L 距離。 對于普通 WDM 系統(tǒng)來說， 一般每經(jīng)過 80km 有 1 個光放大器 EDFA 對信號進行光放 大，要保持比較長的電再生距離， 必須盡可能地容許光傳送段的段數(shù)。 這樣可以大大減少光 電轉換次數(shù)，從而減少系統(tǒng)成本。對于 WDM 系統(tǒng)傳輸來說，目前對傳輸距離造成限制的主要因素是：光信噪比 OSNR 、 色散和非線性。色散的問題可以通過色散補償光纖完成。光信噪比 OSN

11、R 的受限是通過 RAMAN 放大器、超強 FEC 技術的引進而解決的。光信噪比 OSNR 是光纖信號與噪聲的比值。 OSNR 的大小決定了信號質量的優(yōu)劣。一 般對于 10Gbit/s 信號接收端要求在 25dB 以上 （沒有前向糾錯編碼 FEC 技術時 ），光信噪比在 WDM 系統(tǒng)發(fā)送端一般有 35-40dB 左右，但是經(jīng)過第 1 個光放大器后， 信號 OSNR 將有比較 明顯的下降，以后每經(jīng)過一個光放大器EDFA ，OSNR 都將繼續(xù)下降，但下降的速度會逐漸放慢。劣化主要原因在于光放大器在放大信號、噪聲的同時，還引入了新的 ASE 噪聲，也 就是本放大器的噪聲， 使總噪聲水平提高， OSN

12、R 下降。 下降速度逐步放慢的原因在于隨著 線路中級聯(lián)的放大器數(shù)目增加， “基底”噪聲水平提高，僅增加一個 EDFA ASE 對總噪聲水 平的影響不大。EDFA 的噪聲系數(shù)決定了系統(tǒng) ASE 噪聲的積累速度。目前商用化 EDFA 噪聲系數(shù)為 5-7dB ，要解決光信噪比 OSNR 受限問題，必須降低光放大器的噪聲系數(shù)。為了克服噪聲的 積累，在超長距傳輸環(huán)境下，引入了一種特殊的放大器-喇曼放大器，降低了光放大器的噪聲系數(shù)和噪聲累積速度，大大延伸了光電傳輸距離。1. RAMAN 放大器應用和特點RAMAN 放大器基本原理是受激喇曼散射效應，其表現(xiàn)形式是不同頻帶的光功率轉移， 即高頻波光能量轉移到低

13、頻波上去， 也就是短波長光能量將轉移到長波長信號上。 效率最高 的能量轉移發(fā)生在波長間距 100nm 左右，即 1450nm 泵浦源在 1550nm 產(chǎn)生的 RAMAN 增 益最高，因此要放大 C+L 波段 1530-1605nm 的工作波長，最佳泵浦源波長在 1420-1500nm 波段，從理論上講，采用 RAMAN 放大器可以放大任何波長的工作信號。從實現(xiàn) RAMAN 放大的方式來看，現(xiàn)在應用都是采用傳輸線路光纖作為工作媒質，而 不像 EDFA 專門用一段摻鉺光纖進行放大。在采用 RAMAN 放大器的 WDM 系統(tǒng)中，只需 要泵浦源， 而不再需要特殊的工作媒質。 正常 EDFA 的噪聲系數(shù)

14、為 5-7dB,RAMAN 放大器由 于是分布式，其等效噪聲系數(shù)很小，大約在-2-1dB。由于RAMAN 放大器在前， RAMAN+EDFA 放大器很大程度上決定于 RAMAN 放大器的噪聲系數(shù)。一般來說，采用 RAMAN 放大器后可以減小光放大器噪聲系數(shù) 3dB 左右，也就是光放大器噪聲從 6dB 降低 到 3dB 以下，至少延長傳輸距離 1 倍，從而延長光電傳輸距離 1200km 以上。從應用上看， RAMAN 更多采用的是后向泵浦。如果 RAMAN 泵浦源和工作波長在同 一個方向傳輸， 尕浦源與工作波長信號傳輸方向和路徑相同， 經(jīng)過的相位改變也相同， 其偏 振態(tài)的關系維持一個固定相位，即

15、信號開始傳輸時的相位差。由于RAMAN 增益的偏振效應，如果工作波長與泵浦源的偏振態(tài)相差90，則信號無法獲得增益，如果相差45，其增益也會受到影響。 只有工作信號偏振態(tài)與泵浦源完全一致時， 信號才能獲得有效增益。 而 實際光工作信號經(jīng)過許多段光放大段的傳輸， 其偏振態(tài)隨光纖傳輸變化很大， 是一個動態(tài)數(shù) 值，每個光放大器站放置的泵浦源很難保證與工作波長偏振態(tài)一致，其RAMAN 增益的效率將降低。由于偏振增益的關系， RAMAN 放大器一般不采用同向泵浦，而采用反向泵浦。2. 超強 FEC 技術在超長距離 WDM系統(tǒng)中，一般在光傳送單元（OTU）內配備前向糾錯（FEC）功能，這種采用電子電路的復雜

16、性來換取光功率預算的增加， 是延長光電再生距離有效手段。 目前采用 的是G.975規(guī)定的海纜Reedsolomon編碼方法，雖然使開銷增加了7%,但可以使OSNR增益達到 5-7dB 。為了更大程度地提高功率預算，廠商又采用了新的FEC 技術，即采用更多冗余字節(jié)進行糾錯。一種廣泛應用的是交織或級聯(lián)ReedSolomon 編碼 （多重 R-S 編碼）-RS（255,237）和RS（255,244）級聯(lián)編碼，線路速率為12.502Gbit/s，開銷增加 25%，可以提高增益7-9dB，比G.975規(guī)定的R-S的編碼效益高2-3dB，傳輸距離提高1.5-2倍左右。也 有廠商采用 BCH-20 編碼方

17、案, BCH-20 編碼實施起來比 R-S 更加復雜,但效率更高,開銷 增加7%，增益也可以達到 9dB左右，也就是說，BCH采用7%開銷可以達到 R-S編碼25% 的作用,但物理實現(xiàn)上更加困難。采用超強 FEC 編碼后，光信噪比 OSNR 的預算要增加 2-3dB 左右， RAMAN 放大器應 用提高 OSNR 預算 3dB ，兩者相加光鏈路預算增加 5-6dB ，也就是光傳輸距離增加到 4倍左 右，這將使光電傳輸距離從 500km提高到2000km，從而更大程度地減少背對背 OTU中繼 站，減少系統(tǒng)成本。3. 色散補償技術對于超長距離的傳輸， 各種線性或非線性的積累都比較嚴重， 必須予以補

18、償。 色散是一 種主要線性補償對象。一般采用色散補償光纖技術。對于G.652光纖，都是有一定斜率的，斜率大約為0.06-0.07ps/nm2.km，要補償該斜率，DCF 光纖也要有相應的斜率分布。由于 DCF 光纖的長度只有 G.652 光纖的 1/5-1/6，因此如 果DCF的斜率是G.652光纖的5-6倍，則恰好補償完 G.652光纖高端和低端的色散，也就是要求 DCF 光纖的色散斜率為 0.4ps/nm2.km 左右。而實際商用 DCF 光纖的斜率約為 （0.35-0.45）ps/nm2.km，因此可以較好地補償 G.652光纖斜率。而對于G.652光纖，情況則發(fā)生了比較大的變化，首先是 LEAF光纖的斜率較大，典型 值為0.09ps/nm2.km，另外一個重要問題是 LEAF光纖的色散系統(tǒng)不大，一