關(guān)于Tbs光纖通信傳輸系統(tǒng)

1、Tb/s光纖通信傳輸系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)摘要 隨著通信需求的急速增長，光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率日益提高，Tbs的單纖容量成 為當(dāng)前研究開發(fā)的重點(diǎn)。本文介紹了國際上Tb/s系統(tǒng)的進(jìn)展情況、實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的關(guān) 鍵技術(shù)以及目前尚需克服的一些主要問題。關(guān)鍵詞 光纖通信 WDM EDFA 傳輸系統(tǒng)1 國際上Tbs系統(tǒng)的進(jìn)展 近年來，通信流量，尤其是以Internet為主的數(shù)據(jù)通信流量，出現(xiàn)了爆炸式的增長。通信流量的急劇增長，一方面給傳統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)造成了很大的壓力，迫使系統(tǒng)供應(yīng)商增加帶寬，減小網(wǎng)絡(luò)的擁塞；另一方面它也帶來了新的機(jī)遇，為新技術(shù)的采用敞開了大門。從1996年第一次達(dá)到單芯1 TerabitsS（

2、太比特每秒，10bitS，簡(jiǎn)寫為Tb/s）的容量（相當(dāng)于1.5億路電話）到1999年2月OFC會(huì)議（世界光通信大會(huì)美國）上報(bào)道的3Tbs的系統(tǒng)，各大系統(tǒng)供應(yīng)商為此作出了不懈的努力。 1996年的OFC會(huì)議上涌現(xiàn)了許多TbS的系統(tǒng)。富士通在150km 1.3pm零色散光纖上55X20Gb/s的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了1.1TbS的容量。NTT利用光時(shí)分復(fù)用OTDM和波分復(fù)用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了10 ×100Gb/s的系統(tǒng)，所用光纖為色散位移光纖，傳輸距離40km。朗訊利用波分復(fù)用技術(shù)和偏振復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了50 ×20Gb/s、55km、非零色散位移光纖的傳輸實(shí)驗(yàn)；50個(gè)通道采用25個(gè)波長和兩個(gè)

3、正交偏振態(tài)聯(lián)合復(fù)用。在1996年的ECOC（歐洲光通信會(huì)議）上，NEC報(bào)道了132×20Gb/s的傳輸系統(tǒng)，傳輸距離120km，采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）和色散補(bǔ)償光纖（DCF）。該系統(tǒng)采用光雙極性編碼技術(shù)，帶寬利用率達(dá)到0.6bit/s/Hz。 在此后的幾年中，各大系統(tǒng)供應(yīng)商在容量、頻帶利用率、傳輸距離、放大器技術(shù)、所用光纖種類、復(fù)用方式上進(jìn)行了不懈的努力。在1999年的OFC會(huì)議上，NTT實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的最高容量3TbS的系統(tǒng)。 說明OTDM：光時(shí)分復(fù)用；WDM：波分復(fù)用；EDFA：摻餌光纖放大器；DSF：色散位移光纖；TEDFA：摻碲的EDFA；SMF：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；True wa

4、ve光纖：真波光纖；由Lucent發(fā)明；C波段：常規(guī)波段（1530- 1560nm；L波段：長波波段（15601620nm）；NZDSF：非零色散位移光纖。PD表示報(bào)道本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的文獻(xiàn)的會(huì)議編號(hào)。 以上各系統(tǒng)不僅在容量上代表了目前國際上的最高水平，所采用的技術(shù)也是最先進(jìn)的。實(shí)際上，常規(guī)石英單模光纖本身在1.55Pm波段提供了約25THz的低損耗窗口，目前的超大容量系統(tǒng)也僅僅使用了其中很小的一部分，所以向25THz的目標(biāo)前進(jìn)的歷程還會(huì)持續(xù)相當(dāng)長的一段時(shí)間。也許在2000年的OFC會(huì)議上更大容量的系統(tǒng)會(huì)有所報(bào)道。2 Tbs系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1 復(fù)用技術(shù) 常規(guī)石英單模光纖本身在1.55Pm波段提供了

5、約25THz的低損耗窗口，也就是說在不考慮光纖損耗對(duì)傳輸?shù)南拗茣r(shí)，1.55Pm的單一光載波能夠以近25Tbs的比特率進(jìn)行基帶調(diào)制。但是，當(dāng)前的光電器件不可能達(dá)到這么高的速率，激光器、外調(diào)制器、開關(guān)和檢測(cè)器的帶寬充其量不超過100GHz。因此，依靠單路高速信道只可能利用光纖帶寬的極小一部分，要提高光纖帶寬的利用率，必須依靠多信道系統(tǒng)。 常用的復(fù)用方式有時(shí)分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）或頻分復(fù)用（EDM）、空分復(fù)用（SDM）、碼分復(fù)用（CDM）。其中，TDM在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)中非常普及。目前已能實(shí)現(xiàn)速率高于40GbS的光電器件和集成電路。不過光通信中TDM研究的熱點(diǎn)是在光域內(nèi)進(jìn)行時(shí)分（解）復(fù)用（O

6、TDM）。復(fù)用通常是利用平面波導(dǎo)延遲線陳列（或平面光波電路PLC）或者高速光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)；而全光時(shí)域解復(fù)用器則常?；谒牟ɑ祛l（FWM）或非線性光纖環(huán)形銳（NOLM）等。 波分復(fù)用（WDM）技術(shù)是目前比較成熟的一項(xiàng)技術(shù)。它將位于不同光波長上的多個(gè)信道送進(jìn)同一根光纖傳輸，而每個(gè)信道可以采用較為成熟、廉價(jià)的低碼串通信系統(tǒng)（例如 2.5Cbs或10Gb/s）。這樣可以幾倍甚至上百倍地提高傳輸容量。這是目前最有效的利用光纖帶寬的方法。另一方面，WDM的各個(gè)波長信道本身可以是TDM、SCM信道。迄今為止，所有TbS的傳輸實(shí)驗(yàn)都利用了WDM技術(shù)。市場(chǎng)上已有容量高達(dá)幾百Gb/s的密集WDM傳輸系統(tǒng)產(chǎn)品。 光碼

7、分復(fù)用是近年興起的項(xiàng)技術(shù)，其基本原理與電碼分復(fù)用類似。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶利用率高、交換方便、保密性好。另外，朗訊的個(gè)TbS傳輸實(shí)驗(yàn)還利用了偏振（極化）復(fù)用技術(shù)，但傳輸距離有限，穩(wěn)定性也值得懷疑。2.2 發(fā)射機(jī)技術(shù) 光發(fā)射機(jī)的核心問題是如何將高碼率的電數(shù)字比特流調(diào)制到光上去，這些技術(shù)大體上分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩大類，表中第一項(xiàng)為內(nèi)調(diào)制，其余的都是外調(diào)制。 從表中可以看出，高碼率系統(tǒng)要求外調(diào)制技術(shù)，其主要原因是外調(diào)制技術(shù)基本上不引人光載波的啁啾現(xiàn)象（光載頻隨時(shí)間的變化現(xiàn)象），從而大大減小了傳輸?shù)纳⑿?yīng)，提高了傳輸距離。電吸收（EA）調(diào)制器的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以和光源（半導(dǎo)體激光器）集成在同一芯片上，目前的

8、商用2.5GbS系統(tǒng)就有用此類調(diào)制器的。LiNbO3調(diào)制器是目前高碼率系統(tǒng)最常用的，也是以上幾種技術(shù)中性能最好的技術(shù)。 電調(diào)制的最高碼率受限于電路技術(shù)本身，目前可以做到40GbS的調(diào)制速率，但要實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制速率就很困難了，這在高速通信系統(tǒng)中被稱為電子瓶頸。實(shí)現(xiàn)更高容量的通信系統(tǒng)就需要前文提到的光復(fù)用技術(shù)。2.3 寬帶放大器 摻鉺光纖放大器（EDFA）是WDM技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)偏振不敏感、無串?dāng)_、噪聲接近量子噪聲極限、可同時(shí)放大多個(gè)波長信號(hào)等，但普通EDFA的放大帶寬只有約35nm（1530一1565um），只覆蓋了石英單模光纖低損耗窗口的一部分。這樣就限制了能夠容納的波長

9、信道數(shù)。因此，要進(jìn)一步提高傳輸容量，增大光放大器的帶寬非常必要。目前的方法有： （1）摻餌氟化物光纖放大器（EDFFA），據(jù)報(bào)道可以實(shí)現(xiàn)75nm的放大帶寬，增益為18dB，增益差別為±1.8dB； （2）碲化物EDFA，帶寬可達(dá)76nm，增益差別為±1dB； （3）控制摻餌光纖的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，放大15701600nm波段，稱為增益平移摻餌光纖放大器（GS-EDFA），這與普通的EDFA組合起來可以得到帶寬約80nm的寬帶放大器； （4）最近比較引人注目的是光纖喇曼放大器，喇曼效應(yīng)是所有石英光纖中都有的非線性現(xiàn)象，人射光波的一個(gè)光子被一個(gè)由分子運(yùn)動(dòng)形成的聲子散射成為另一個(gè)低

10、頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，人射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移波。石英光纖中的喇曼增益譜寬達(dá)40THz，主峰在13THz附近。利用這一特性，光纖可以用作寬帶放大器。但受激喇曼效應(yīng)的泵浦閾值較高，實(shí)現(xiàn)喇曼放大器的關(guān)鍵是高功率泵浦，例如，如泵浦波長為1450nm，要獲得20dB的峰值增益，泵浦功率需要400mW（色散位移光纖）或620mW（常規(guī)單模光纖）。光纖喇曼放大器的優(yōu)點(diǎn)是：可以在任何波長處提供增益，只要能得到所需的泵浦波長；增益介質(zhì)是光纖，可以制成分立式或分布式的放大器；噪聲低。將喇曼放大器與EDFA組合起來，可以得到帶寬高于100nm的光放大器。2.4 色散補(bǔ)償技術(shù) 在較低

11、速率時(shí)，光纖可以看成是對(duì)數(shù)據(jù)速率無關(guān)的傳輸媒質(zhì)，但對(duì)高速信道來說，卻不是如此。絕大多數(shù)已敷設(shè)的光纖在1310nm波段呈現(xiàn)零色散，而在1550nm波段則具有18psnm.km的色散。色散效應(yīng)將導(dǎo)致脈沖展寬從而引起誤碼，這是高速系統(tǒng)長距離傳輸?shù)闹饕拗?。理論色散限制定義為理想WDM系統(tǒng)承受1dB功率代價(jià)的距離。對(duì)2.5GbS的系統(tǒng)來說，這個(gè)限制為1000km，但在實(shí)際系統(tǒng)中，接收機(jī)時(shí)鐘恢復(fù)系統(tǒng)的非理想性也對(duì)色散代價(jià)有貢獻(xiàn)，因此通常采用一個(gè)更保守的600km距離作為色散限制。對(duì)采用常規(guī)光纖的10GbS系統(tǒng)來說，色散限制僅僅為50km，因而在長距離光纖段中必須采用某種形式的色散補(bǔ)償技術(shù)。目前色散補(bǔ)償?shù)?/p>

12、主要方法有：（1）色散補(bǔ)償光纖（DCF），它在1550nm波段有很大的負(fù)色散，可以補(bǔ)償常規(guī)光纖的色散，但DCF的色散斜率與常規(guī)光纖不能完全匹配，導(dǎo)致不能在多個(gè)波長上同時(shí)精確地補(bǔ)償色散效應(yīng)，有殘余的色散；（2）色散補(bǔ)償用閑瞅光纖光柵，這種方法器件緊湊、插入損耗小，其色散斜率可以控制為與傳輸光纖相同，但目前制作的啁啾光纖光柵相位特性還不是很平滑；（3）色散管理，利用+-色散系數(shù)的光纖交錯(cuò)連接，保證總的凈色故為零，不過這種方法不適合已敷設(shè)的光纖系統(tǒng)；（4）在發(fā)射機(jī)引入預(yù)色散補(bǔ)償。對(duì)單個(gè)信道來說，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就色散問題而言，必須考慮的因素有發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的色散容許量、色散補(bǔ)償技術(shù)和補(bǔ)償元件的位置，還需

13、精確測(cè)量已敷設(shè)光纖的色散；對(duì)多信道系統(tǒng)來說，色散斜率和色散補(bǔ)償元件的波長相關(guān)性也必須考慮。2.5 孤子WDM傳輸技術(shù) 在超大容量的傳輸系統(tǒng)中，色散是限制傳輸距離和容量的一個(gè)主要因素。但是，在光纖的反常色散區(qū)，由于光纖色散和非線性效應(yīng)的相互作用，一定峰值功率和形狀的光脈沖在傳輸過程中可以保持脈沖形狀和寬度不變。如果光纖沒有損耗，則可以傳輸無限遠(yuǎn)，因而稱為孤子。在高速光纖通信系統(tǒng)中，使用孤子的好處是利用光纖本身的非線性來平衡光纖的色散，因而可以顯著增加無中繼傳輸距離。孤子還具有抗干擾能力強(qiáng)，能夠抑制極化模色散（PMD）等優(yōu)點(diǎn)。 近幾年來，色散管理陽（Dispersion Management）技術(shù)

14、的出現(xiàn)，大大克服了傳統(tǒng)光孤子傳輸系統(tǒng)中的主要問題，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，使其向?qū)嵱没诌~進(jìn)了一大步。色散管理和孤子技術(shù)的結(jié)合，突破了以往孤子只在長距離傳輸上具有優(yōu)勢(shì)，繼而向高速、中長距離方向發(fā)展。日本在高速孤子通信系統(tǒng)和基礎(chǔ)研究方面進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。KDD RD實(shí)驗(yàn)室成功地研制了電吸收外調(diào)制器光孤子源，最大重復(fù)頻率可達(dá)20GHz，并成功地進(jìn)行了8×20GbS及40Gbs長距離光孤子傳輸實(shí)驗(yàn)。作為歐盟ACTS項(xiàng)目的重要部分，MIDAS（Multi-gigabit Ihterconnection using Dispersion com pensation and Advanced

15、Soliton techniques）在瑞典已成功進(jìn)行了40Gb/s單一波長的孤子實(shí)驗(yàn)。在美國，馬里蘭大學(xué)（UMBC）與Bell實(shí)驗(yàn)室合作，進(jìn)行了超長距離的孤子傳輸。3 Tbs系統(tǒng)尚靂進(jìn)一步研究的一些問題3.1 光纖非線性問題 光纖中的非線性效應(yīng)有自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）、受激喇曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS）。SPM的起源是光纖的局部折射率與光強(qiáng)有關(guān)（光Kerr效應(yīng)），因而信號(hào)的強(qiáng)度反過來又會(huì)調(diào)制信號(hào)的相位，SPM與色散一起會(huì)導(dǎo)致信號(hào)脈沖的展寬或畸變。XPM是因?yàn)槟硞€(gè)信道的強(qiáng)度會(huì)調(diào)制其他信道的相位，而這種相位調(diào)制通過色散轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度調(diào)制，從而引

16、人信道間的串?dāng)_。XPM與波長信道的間隔成反比。FWM的形成是，兩個(gè)信道的光信號(hào)通過三階非線性混頻導(dǎo)致頻率為2w1-w2的新的光信號(hào)。在信道等間隔分布的情況下，F(xiàn)WM產(chǎn)生的新成分有可能落在某個(gè)信道波長上，從而導(dǎo)致串?dāng)_。FWM的形成需要嚴(yán)格的相位匹配條件，因此只有在零色散波長上才比較明顯，主要影響零色散光纖系統(tǒng)，在常規(guī)單模光纖中不需考慮。SRS的后果是將較短波長信道的能量轉(zhuǎn)移到較長波長上，不過閾值較高，對(duì)系統(tǒng)影響較小。SBS則是因?yàn)楣獠ㄅc晶格中的聲波相互作用，導(dǎo)致功率背向散射，使光功率下降；SBS的閾值與光波的譜寬有關(guān)，對(duì)于連續(xù)光,閉值約為9dBm，而對(duì)外調(diào)制光，閾值上升到12dBm。因此，SBS

17、對(duì)通常的系統(tǒng)影響很小。總的來說，在光纖的各種非線性效應(yīng)中，XPM、SRS和SBS的影響很小，F(xiàn)WM主要影響零色散波長附近的系統(tǒng)，SPM的影響最大，限制了各個(gè)信道最大的輸入光功率。在高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須綜合考慮SPM、色散和放大器放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲的影響，并且這種影響與信道比特率、光纖種類和長度都有關(guān)。通過降低信道功率，使用大模楊光纖，并使奇偶數(shù)信道偏振正交等方法，可以減少非線性效應(yīng)。較低速、更多信道數(shù)的方案比高速、較少信道數(shù)的方案受色散、光纖非線性的影響更少。3.2 偏振模色散（PMD）問題 單模光纖實(shí)際上可以維持兩個(gè)偏振正交的簡(jiǎn)并模。如果光纖是嚴(yán)格的圓柱形且材料是各向同性的，兩個(gè)正

18、交方向偏振態(tài)的模式不會(huì)相互耦合。然而光纖實(shí)際形狀往往略偏離圓柱形并且材料也有各向異性的微小起伏，這些因素破壞了模式簡(jiǎn)并，導(dǎo)致兩偏振態(tài)的混合，兩個(gè)偏振方向的傳播常數(shù)也略有不同，這個(gè)性質(zhì)稱為光纖雙折射。它將產(chǎn)生偏振模式色散（PMD），使不同偏振的光波不能同時(shí)到達(dá)接收端，從而引入碼間串?dāng)_。PMD是繼衰減、色散之后限制傳輸速度和距離的又一個(gè)重要因素。 PMD最大特點(diǎn)是它具有隨機(jī)性，其值隨光纖所處的環(huán)境變化而發(fā)生波動(dòng)，PMD的值與光纖長度和光纖的偏振模式耦會(huì)長度有關(guān)。由于PMD的值是一個(gè)隨機(jī)變量，所以它的特性常用平方平均值來描述。實(shí)驗(yàn)表明PMD基本上滿足麥克斯韋爾分布，其均方根值與光纖長度的平方根成正比。通常用PMD參數(shù)來表示光纖PMD的特性，其單位為ps/km。由PMD引入的對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的影響，可以參照色散問題的理論。 解決PMD問題的途徑有兩條。首先可以提高光纖制造工藝，減小光纖的不對(duì)稱度和不一致性，從而減小PMD參數(shù)。目前各大光纖制造商都在努力提高自己的光纖制