淺析光網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)用技術(shù)

1、淺析光網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)用技術(shù)摘要：本文主要就光網(wǎng)絡(luò)中的幾大復(fù)用技術(shù)作了簡要的闡述，主要討論空分復(fù)用（SDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（ WDM WDM ）、稀疏波分復(fù)用(CWDM)、光分插復(fù)用（OADM）復(fù)用方式。 2007158929184 關(guān)鍵詞：TDM, WDM, CWDM, OADM在 光纖 光纖 通信中，復(fù)用技術(shù)被認(rèn)為是擴(kuò)展現(xiàn)存光纖網(wǎng)絡(luò)工程容量的主要手段。復(fù)用技術(shù)主要包括時(shí)分復(fù)用TDM（Time Division Multiplexing）技術(shù)、空分復(fù)用SDM（Space Division Multiplexing）技術(shù)、波分復(fù)用WDM（WaveLength Division Mul

2、tiplexing）技術(shù)和頻分復(fù)用FDM（Frequency Division Multiplexing）技術(shù)。但是，因?yàn)镕DM和WDM一般認(rèn)為并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所以可以認(rèn)為波分復(fù)用是“粗分”，而頻分復(fù)用是“細(xì)分”，從而把兩者歸入一類。下面主要討論空分復(fù)用（SDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）、稀疏波分復(fù)用(CWDM)、光分插復(fù)用（OADM）復(fù)用方式。1.TDM技術(shù)TDM技術(shù)在電子學(xué)通信中已經(jīng)是很成熟的復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)就是將傳輸時(shí)間分割成若干個(gè)時(shí)隙，將需要傳輸?shù)亩嗦沸盘柊匆欢ㄒ?guī)律插入相應(yīng)時(shí)隙，從而實(shí)現(xiàn)多路信號的復(fù)用傳輸。但是，這種技術(shù)在電子學(xué)通信使用中，由于受到電子速度、容量和

3、空間兼容性諸多方面的限制，使得電子時(shí)分復(fù)用速率不能太高。例如，PDH信號僅達(dá)到0.5Gbps，盡管 SDH SDH 體制信號采用同步交錯(cuò)復(fù)接方法己達(dá)到10Gbps（STM-64）的速率，但是，達(dá)到20Gbps卻是相當(dāng)困難的。另一方面，在光纖中，對于光信號產(chǎn)生的損耗（Attnuation）、反射（Reflectance）、顏色色散（Chromatic Dispersion）以及偏振模式色散PMD（Polarization Mode Dispersion）都將嚴(yán)重影響高速率調(diào)制信號的傳輸。當(dāng)信號達(dá)到STM-64或者更高速率時(shí)，PMD的脈沖擴(kuò)展效應(yīng)，就會(huì)造成信號“模糊”，引起接收機(jī)對于信號的錯(cuò)誤判斷

4、從而產(chǎn)生誤碼。這是由于不同模式的偏振光在光纖運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生輕微的時(shí)間差，因而一般要求PMD系數(shù)必須在0.1ps/km以下。綜上所述，電時(shí)分復(fù)用技術(shù)的局限性，將電子學(xué)通信的傳輸速率限制在1020Gbps以下。1.1光時(shí)分復(fù)用（OTDM）光時(shí)分復(fù)用是用多個(gè)電信道信號調(diào)制具有同一個(gè)光頻的不同信道，經(jīng)復(fù)用后在同一根光纖傳輸?shù)臄U(kuò)容技術(shù)。光時(shí)分復(fù)用技術(shù)主要包括:超窄光脈沖的產(chǎn)生與調(diào)制技術(shù)、全光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)、光定時(shí)提取技術(shù)。超窄光脈沖的產(chǎn)生。光時(shí)分復(fù)用要求光源提供520GHz的占空比相當(dāng)小的超窄光脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)的方法有增益開關(guān)法、LD的模式鎖定法、電吸收連續(xù)光選通調(diào)制法及光纖 光柵 光柵 法、SC（Sup

5、ercontinum）光脈沖。增益開關(guān)法可以產(chǎn)生脈寬57ps、脈沖重復(fù)頻率在10GHz左右可任意調(diào)整的光脈沖，其優(yōu)點(diǎn)是很容易與其它信號同步。增益開關(guān)法已用于各種高速光傳輸實(shí)驗(yàn)中的脈沖源產(chǎn)生和光測量中。SC光脈沖寬度可大于1ps，最窄達(dá)0.17ps。另外，利用調(diào)整線性調(diào)制光纖光柵的色散值對電吸收調(diào)制器輸出的光脈沖形狀進(jìn)行修正，也可以產(chǎn)生脈寬為5.8ps、占空比為6.3%的10GHz的光脈沖。全光復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)。全光時(shí)分復(fù)用可由光延遲線和3dB光方向耦合器構(gòu)成。在超高速系統(tǒng)中，最好將光延遲線及3dB光方向耦合器集成在一個(gè)平面硅襯底上，形成平面光波導(dǎo)回路（PLC）作為光復(fù)用器。全光去復(fù)用器在光接收

6、端對OTDM信號進(jìn)行去復(fù)用。目前已研制出4種形式的器件作為去復(fù)用器:光克爾開關(guān)矩陣光去復(fù)用器、交叉相位調(diào)制頻移光去復(fù)用器、四波混頻開關(guān)光去復(fù)用器和非線性光纖環(huán)路鏡式（NOLM）光去復(fù)用器。無論采用何種器件，都要求其工作性能可靠穩(wěn)定，控制用光信號功率低，與偏振無關(guān)。光定時(shí)提取技術(shù)。光定時(shí)提取要求超高速運(yùn)轉(zhuǎn)、低相位噪聲、高靈敏度以及與偏振無關(guān)。目前已研制出一種采用高速微波混頻器作為相位探測器構(gòu)成的鎖相環(huán)路（PLL），另外使用法布里珀羅GANSHE光路構(gòu)成的光振蕩回路（FPT）也可以完成時(shí)鐘恢復(fù)功能。2.SDM技術(shù) 對SDM的一般理解是：多條光纖的復(fù)用即光纜的復(fù)用。在某些地方，有現(xiàn)成的光纖通信網(wǎng)管道

7、，并且還有空余的位置。所以為了增加容量，可以在管道中拉入更多光纖，這比電子學(xué)方法更便捷。對于空分復(fù)用的另一種理解是：在一根光纖中實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，即對于光纖的纖芯區(qū)域光束的空間分割。因?yàn)閱文９饫w纖芯部分芯徑僅有910mm，而且傳輸?shù)墓馐娓鼽c(diǎn)相位要存在漲落，因而這種波面的空間分割是極為困難的。盡管最近有人提出了相干度的理論分割方法，但是距離實(shí)用化還有漫長的道路要走。3.WDM技術(shù)光波分復(fù)用是多個(gè)信源的電信號調(diào)制各自的光載波，經(jīng)復(fù)用后在一根光纖上傳輸，在接收端可用外差檢測的相干通信方式或調(diào)諧無源濾波器直接檢測的常規(guī)通信方式實(shí)現(xiàn)信道的選擇。采用WDM技術(shù)不僅可以擴(kuò)大通信容量，而且可以為通信帶來巨大的

8、經(jīng)濟(jì)效益。因而，近幾年對這方面的研究方興未艾，WDM技術(shù)是在一根光纖上承載多個(gè)波長（信道）系統(tǒng)，將一根光纖轉(zhuǎn)換為多條“虛擬”纖，每條虛擬纖獨(dú)立工作在不同波長上。每個(gè)信道運(yùn)行速度高達(dá)2.510Gbps。所謂密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)，也就是人們常說的DWDM，指的是一種光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這一技術(shù)利用 激光 激光 的波長按照比特位并行傳輸或者字符串行傳輸方式在光纖內(nèi)傳送數(shù)據(jù)。DWDM首先把引入的光信號分配給特定頻帶內(nèi)的指定頻率（波長，lambda），然后把信號復(fù)用到一根光纖中去，采用這種方式就可以大大增加已鋪設(shè)光纜的帶寬。由于引

9、入（incoming）信號并不在光層終止，接口的速率和格式就可以保持獨(dú)立，這樣就允許服務(wù)供應(yīng)商把DWDM技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的設(shè)備集成起來，同時(shí)又獲得了現(xiàn)有鋪設(shè)光纜中沒有得以利用的大量帶寬。DWDM可以把多個(gè)光信號搭配起來傳輸，結(jié)果這些光信號可以編成同一組同時(shí)被放大并且通過單一的光纖傳輸，網(wǎng)絡(luò)的帶寬也就大大增加了。每個(gè)承載的信號都可以設(shè)置為不同的傳輸速率（OC3/12/24等）和不同的格式（ SONET SONET 、ATM、數(shù)據(jù)等）。比方說，某個(gè)DWDM網(wǎng)絡(luò)可以在DWDM基礎(chǔ)上混合OC48 （2.5 Gbps）和OC192 （10 Gbps）兩種速率的SONET信號。從而獲得高達(dá)40 Gbps的

10、巨大帶寬。采用DWDM的系統(tǒng)在達(dá)到以上目標(biāo)的同時(shí)仍然可以維持和現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)同等程度的系統(tǒng)性能、可靠性和穩(wěn)固性。今后的DWDM終端更可以承載總計(jì)80個(gè)波長之多的OC48以達(dá)到200 Gbps的傳輸速率或者高達(dá)40波長的 OC192以達(dá)到400 Gbps的傳輸速率，這個(gè)帶寬已經(jīng)足以在一秒鐘之內(nèi)傳輸9萬卷的大百科全書！3.2FDM技術(shù)FDM是將在光纖中傳輸?shù)墓獠ò雌漕l率進(jìn)行分割成若干光波頻道，使其每個(gè)頻道作為信息的獨(dú)立載體。從而實(shí)現(xiàn)在一條光纖中的多頻道復(fù)用傳輸。FDM技術(shù)可以與WDM技術(shù)聯(lián)合使用，使復(fù)用路數(shù)成倍提高，即首先將光波波道按波長進(jìn)行粗分，若每個(gè)波道寬度為，則在每個(gè)寬度為波道內(nèi)，再載入幾個(gè)頻

11、道(f1、f2、fn)，每個(gè)頻道還可以獨(dú)立荷載信息。由于相干光通信提供了極好的選擇性，因此FDM技術(shù)與其相結(jié)合，為采用FDM技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化創(chuàng)造了條件。光FDM復(fù)用技術(shù)設(shè)備復(fù)雜，對于光器件性能的要求高，因此進(jìn)入實(shí)用工程階段還需要不少努力。3.3稀疏波分復(fù)用(CWDM)DWDM（密集波分復(fù)用）無疑是當(dāng)今光纖應(yīng)用領(lǐng)域的首選技術(shù)，但其昂貴的價(jià)格影響其廣泛應(yīng)用。面對通信市場的需求，CWDM（稀疏波分復(fù)用）應(yīng)運(yùn)而生。稀疏波分復(fù)用，顧名思義，是密集波分復(fù)用的近親，它們的區(qū)別主要有二點(diǎn)：CWDM載波通道間距較寬，因此，同一根光纖上只能復(fù)用5到6個(gè)左右波長的光波，“稀疏”與“密集”稱謂的差別就由此而來；C

12、WDM調(diào)制激光采用非冷卻激光，而DWDM采用的是冷卻激光。冷卻激光采用溫度調(diào)諧，非冷卻激光采用電子調(diào)諧。由于在一個(gè)很寬的波長區(qū)段內(nèi)溫度分布很不均勻，因此溫度調(diào)諧實(shí)現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。CWDM避開了這一難點(diǎn)，因而大幅降低了成本，整個(gè)CWDM系統(tǒng)成本只有DWDM的30%。CWDM用很低的成本提供了很高的接入帶寬，適用于點(diǎn)對點(diǎn)、 以太網(wǎng) 以太網(wǎng) 、SONET環(huán)等各種流行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特別適合短距離、高帶寬、接入點(diǎn)密集的通信應(yīng)用場合，如大樓內(nèi)或大樓之間的網(wǎng)絡(luò)通信。尤其值得一提的是CWDM與 PON PON （無源光網(wǎng)絡(luò)）的搭配使用。PON是一種廉價(jià)的、一點(diǎn)對多點(diǎn)的光纖通信方式，通過與CWDM相結(jié)

13、合，每個(gè)單獨(dú)波長信道都可作為PON的虛擬光鏈路，實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)與多個(gè)分布節(jié)點(diǎn)的 寬帶 寬帶 數(shù)據(jù)傳輸。目前，有幾家公司正推出與CWDM相關(guān)的產(chǎn)品。LuxN公司出品的WideWav系列CWDM模塊支持8個(gè)CWDM信道，或者支持4個(gè)CWDM信道加16個(gè)DWDM信道。時(shí)代華納公司已與LuxN公司簽署長期采購協(xié)議，用包含WideWave模塊的WavSystem DWDM設(shè)備在紐約、俄亥俄等地部署千兆以太網(wǎng)。Ocular公司推出的采用CWDM技術(shù)的產(chǎn)品有OSX-6000和OSX-1000兩個(gè)系列的 交換機(jī) 交換機(jī) ，其最大特色在于能為高端用戶提供專用波長信道服務(wù)和SAN服務(wù)。但是，CWDM是成本與性能折衷

14、的產(chǎn)物，不可避免地存在一些性能上的局限。業(yè)內(nèi)專家指出，CWDM目前尚存在以下4點(diǎn)不足：（1）CWDM在單根光纖上支持的復(fù)用波長個(gè)數(shù)較少，導(dǎo)致日后擴(kuò)容成本較高；（2）復(fù)用器、復(fù)用解調(diào)器等設(shè)備的成本還應(yīng)進(jìn)一步降低，這些設(shè)備不能只是DMDM相應(yīng)設(shè)備的簡單改型；（3）CWDM還未形成標(biāo)準(zhǔn)。4.光分插復(fù)用（OADM）在波分復(fù)用（WDM）光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，人們的興趣越來越集中到光分插復(fù)用器上。這些設(shè)備在光波長領(lǐng)域內(nèi)具有傳統(tǒng)SDH分插復(fù)用器（SDHADM）在時(shí)域內(nèi)的功能。特別是OADM可以從一個(gè)WDM光束中分出一個(gè)信道（分出功能），并且一般是以相同波長往光載波上插入新的信息（插入功能）。OADM具有選擇性，可以從

15、傳輸設(shè)備中選擇下路信號或上路信號，或僅僅通過某個(gè)波長信號，但不影響其他波長信道的傳輸。OADM在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了SDH中的分插復(fù)用器在時(shí)域內(nèi)完成的功能，而且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號。它能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低節(jié)點(diǎn)成本，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率，是組建全光網(wǎng)必不可少的關(guān)鍵性設(shè)備。對于OADM，在分出口和插入口之間以及輸入口和輸出口之間必須有很高的隔離度（>25dB），以最大限度地減少同波長干涉效應(yīng)，否則將嚴(yán)重影響傳輸性能。已經(jīng)提出了實(shí)現(xiàn)OADM的幾種技術(shù)：WDMMUX/DEMUX；光循環(huán)器間或在MachZehnder結(jié)構(gòu)中的光纖光柵;用集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)MachZehnder結(jié)構(gòu)中和干涉濾波器。前兩種方式使隔離度達(dá)到最高，但它們需要昂貴的設(shè)備， MachZehnder結(jié)構(gòu)（用光纖光柵或光集成技術(shù)）還在開發(fā)中，并需要進(jìn)一步改進(jìn)以達(dá)到所要求的隔離度。上面幾種OADM都被設(shè)計(jì)成以固定的波長工作。最近，意大利電信中心研究實(shí)驗(yàn)室研制了一種新結(jié)構(gòu)使用干涉濾波器的OADM。與傳統(tǒng)的單根光纖設(shè)計(jì)相比，它提供了插入口和分出口之間的高隔離度，具有對輸出口分出信號雙倍的抑制功能以及波長可調(diào)