数据网络及光传输综述.docx

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数据网络及光传输综述

论文

波分复用的光纤通信技术

摘要

近年来，通信行业发展迅速，大量的通信新业务不断涌现，信息高速公路正在全球范围内以惊人的速度发展建立起来。

所有这些应用都对大容量通信提出了越来越高的要求，使得光纤通信技术向着速度高、容量大、可伸缩性好的方向发展。

波分复用（WDM）系统的发展正是适应了这一时代潮流。

应用这种技术可以在同一根光纤上传输多路信道，从而使通信容量成倍的扩大。

不过，随着掺铒放大器（EDFA）在系统中的大量使用，也会带来一系列相关问题，如：

色散、增益失衡、非线性效应等等。

在建立一个WDM光纤通信系统的时候，必须很好地解决这些问题。

在本文中，将讨论这些WDM系统的关键技术，并给出一个WDM光纤通信系统的总体设计。

主要工作如下：

1．在对国内外WDM系统理论和实验研究进展进行广泛研究的基础上，重点讨论实现WDM系统的关键技术和如何克服色散、增益失衡和非线性等影响性能的因素。

2．基于国际电联的ITU-T系列参考标准和信息产业部的相关标准，进行32×10Gbit／s480km的WDM光纤通信系统总体设计和规划。

给出系统的详细参数并对系统性能进行相关计算，讨论优化系统的技术和手段。

关键词

WDM；光纤通信；传输系统；大容量系统

Abstract

Recentlycommunicationindustrydevelopveryfast,alargenewcommunicationservicesappered,theworldisnowbuildingCyber-highway.Allthesebringtheneedforlargerandlargercommunicationcapacity,whichstimulatefibercommunicationsystemdeveloptowardsadaptive,highspeed,largecapacitydatatransmission.

Wavelengthdivisionmultiplexing（WDM）systemdevelopedfollowingthetrend.Thesystemcangreatlyincreasethetransmissioncapacitybyincreasingthchannelsinasinglefiber.Butmulti-wavelengthtransmissionandthdemploymentofErbiumdopedDropedFiberAmplifier（EDFA）willcauseanumberofnewproblems,suchaschromaticdispersion,gainfluctuation,fluctuationandnon-lineareffectsetc.ThsproblemsshouldbesolvedinbuildingWDMfibertransmissionsystem.Inthispaper,thekeytechnologeisinWDMsystemarediscussed.Themainpartsinthisprojectareasfollows:

1.Basedonthewidelystudingofreferences,thedevelopmentonthetheoryandexperimentsofWDMsystemisreviewed.Thedegradationoftheperformanceofthesystem,whichiscausedbychromaticdispersion,gainfluctuationandfluctuationandnon-lineareffectsinfiber,isanalysedandsomescenariosaresuggestedtosolvethem.

2.BasedontherevelantstandardsofITU-Tandrelatedreferences,isdesigned.Thegeneralschemeof32X10Gbit/s480kmWDMtransmissionsystemaredesignedforthemostsystemswhichfiberaremodelG.652.Theparametersofthesystemaredefined,andtheperformanceiscalculated.

Keywords

WDM;Opticalfibercommunication；Transmissionsystem；Largecapacitysystem；

前言

在新一代高速全光通信网的研究中,作为相应的用于传输节点的高速信息传输技术,

光波分复用（OWDM）技术必将得到普遍推广,将成为未来全光高速率、长距离、大容

量光通信系统及宽带综合业务数字网（B-ISDN）的重要基础技术之一。

这一点国际上已

有共识。

目前已实用化的OWDM系统从总体上看有一个共同点,即它们均是光电器件

与光纤的组合体。

这样就势必带来光纤与光电器件的正确衔接和耦合问题。

实际上无论

多么先进的系统也无法避免这种衔接带来的损耗以及种种不便和不可靠因素,而且这种

通信系统实质上仍属于光电子通信模式。

目前传统的以电子技术为基础的信息传输技术

的速率提高大大落后于光子技术,其微电子集成电路的极限速率为10Gbit/s.所以其传

输速率、容量等最终受到通信制式制约。

为了克服这一电子瓶颈,急需发展以光子技术

为基础的全光信息通信技术,以有效利用光纤传输系统的固有传输能力。

而光纤自身的

潜在带宽容量远超过这一数字,因此应设法挖掘其潜藏的带宽,充分发挥光纤可传输更

高数字速率的优势。

基于各种全光纤型器件的实现,将以光纤Bragg光栅（FBG）为基础

的窄带型FBG滤波器、光纤激光器、光纤耦合器、掺铒光纤放大器（EDFA）、光检测器

以及各种高性能的全光纤器件组合到一条传输光纤中,构成具有相关性能的光子组件或

光子系统,即所谓的全光纤（All-fibers）集成[1,2]。

可以方便地在一条光纤线路上同时实现对不同波长信道的高速数据的密集OWDM和全光纤复用。

第一章全光纤OWDM通信系统

1.1波分复用技术在光传输系统中的应用

波分复用（WDM）是指在一根光纤中同时传输两个或多个光载波信号。

传播的方向可以是同向的，也可以是反向的。

根据ITU-T的有关协议，规定1552.52nm波长为基准，信道间隔Δλ=0.8nm，或是0.8nm的倍数关系。

目前多数的间隔是按照这个方法执行的

由于信道间隔不同，目前的波分复用大体上分为三种情况：

密集波分复用（DWDM）、粗波分复用（CWDM）和宽波分复用（WWDM），在频宽1000GHz情况下，其波长间隔分别小于8nm、50nm和大于50nm。

对光源波长稳定性的要求是±Δλ5。

一般来说，WDM系统结构主要由以下五部分组成：

光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统

光发射机是WDM系统的核心，根据ITU-T的建议和标准，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊要求以外，还需要根据WDM系统的不同应用来选择有一定容限的发射机。

在发送端首先将来自各终端设备输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU-TG.957建议的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号；利用合波器合成多通路光信号；通过光功率放大器（BA）放大输出多通路光信号。

光信号在进行一段距离光纤传输后，需要进行光中继放大，在进行整形后，信号传至接收端。

在接收端，信号在经过前置放大器放大后，通过分波器分离成特定波长的光信道，要求接收机不仅要满足对光信号要高度灵敏，还要能承受一定的噪声，要有足够的带宽。

光监控信道主要功能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端产生光监控信号与光信号合波输出，在接收端将接收到的光信号进行分波，分离出监控信号和光信号。

网络管理系统主要通过传输开销实现对WDM系统的配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，是与光网络传输相关的高层管理系统

1.2系统构成描述

光纤OWDM通信系统将由一系列新型全光纤器件构成。

诸如，光纤激光器，EDFA，FBG滤波器及光检测器等。

下面，将对该系统所涉及的几种重要的基础性器件作一些概述。

1.2.1光纤激光器

光纤激光器由于掺铒光纤具有增益特性,因此,当用980nm或1480nm的泵浦激光激发时光纤中铒离子就会产生增益放大。

只要引用适当的正反馈,激光放大器就会转变为光纤振荡7器,即光纤激光器。

而谐振腔只能反馈某一特定波长的光,具有选频特性。

输出单频激光,再经过光隔离器（ISO）就可输出窄线宽、高功率、低噪声的信号激光。

该激光器具有以下特点:

1）激光介质又是导波介质,耦合效率高,加之纤芯很细,易形成高功率密度,其几何尺寸又具有很高的“表面积/体积”比,故该激光器具有很高的转换效率和很低的激光阈值;2）光纤谐振腔的腔镜可直接制作在光纤截面上,或采用光纤耦合器方式构成谐振腔。

加之光纤具有极好的柔绕性。

因此光纤激光器可以设计得相当小巧灵活;3）光纤激光器具有良好的光纤兼容性、输出稳定性和单色性。

与半导体激光器（LD）相比,它有较高的光输出功率、较低的相对强度噪声（RIN）、极窄的线宽。

光纤激光器的单模输出可达到10mW以上,其RIN为发射噪声极限。

用有效的Er3+∶Yb3+光纤研制出7.6mW单频激光器,其线宽小于2.5kHz.显然优于线宽10MHz的分布反馈（DFB）激光器。

OWDM传输系统对光源的首要要求是可调谐性。

光纤激光器的优点之一就是连续波长可调。

当光栅和封包的光纤两者受力和受热均匀时,没有跳模现象。

光纤长几厘米的光纤激光器在所加应变为1%时,其调谐范围（大于10nm小于1~2nm）。

1.2.2EDFA掺铒光纤放大器

以EDFA为代表的掺铒光纤放大技术的成功,使得光纤通信容量及传输距离剧增。

不仅迅速地扩大了光纤传输能力,而且对光发送器、光接收器以及光中继器的高速化具有强大的推动力。

目前该器件已步入实用化阶段。

EDFA在LD足够大的输出功率抽运下,能够对波长1.55μm窗口的一定带宽范围内提供稳定可靠的增益。

因此说所用泵浦源的高功率和长寿命是保证EDFA性能的主要因素。

掺铒光纤可以在几个波长上被有效地激励[3,4]。

首先突破是采用1480nmInGaAsP多层量子阱（MQW）激光源;该波长处的泵浦增益系数较高,而且其波长与现有实用化的InGaAsP激光器相匹配。

对980nm的泵浦源而言,虽然它具有较高的量子转换效率,噪声低,是发展方向。

但由于980nm的LD性能还很不稳定,获得高功率泵浦源的技术比较困难,其长期寿命也是个问题。

而且其输出模场的椭圆度较高,耦合入掺铒光纤（EDF）的泵浦能量相对较低。

相对而言,1480nm半导体激光管的性能较好,并且它和单模光纤的耦合效率也可达到65%以上。

所以目前泵浦源多选用1480nm的MQWIn-GaAsP激光器,其输出功率可达100mW.当然泵浦功率也不宜过大,主要受限于光纤的布里渊散射。

EDFA高效率、高增益、低噪声、宽频带、与偏振状态无关,易与传输光纤连接,连接损耗小。

且光放大性能与调制方式以及传输速率无关。

由此可构成各种速率的OWDM传输系统,应用灵活。

在光纤传输线路中间隔一定距离设置光纤放大器,以替代传统的再生中继的光/电和电/光转换,使线路成为全光传输系统。

通常为扩展通信距离,必须以适当的方式补偿光纤传输的损耗,即在线路中插入必要的中继系统（均采用光-电-光转换形式的中继器）,即相当于插入一对光端机。

这种中继器的缺点是显而易见的,复杂、使用EDFA作为中继器则从根本上解决了这些问题。

可使光纤线路中继距离从现在的30~50km扩大到80~120km.同时由于整条线路是全光传输,整个线路的中间不需要任何光/电和电/光转换,省去了电信号的处理和放大,大大简化了系统装置,减少了器件,提高了系统的可靠性。

且同一EDFA可以对1.55μm窗口很宽的频带内的各种不同波长信号提供同样的增益。

即多路光载波只需同一EDFA,非常经济。

1.2.3FBG滤波器

在同一条光纤中复用和解复用多个频域排列紧密的波长信道,将极大地增加光通信的容量。

实际上OWDM技术的关键之一是选用高性能的光波分复用器。

基于全光纤通信构思,将新型全光纤器件FBG滤波器用于OWDM系统设计,以替代传统OWDM器件,更具先进性。

目前通常使用的OWDM器件可分为利用熔融拉锥技术制备的光纤型波分复用器;采用多层介质薄膜的干涉滤波器型波分复用器;利用闪耀光栅的分光原理制备的光栅型波分复用器以及导波干涉型波分复用器等。

干涉滤波器复用器的复用度较低,且只有采取特殊措施时才可能复用同一光纤传输窗口的信号;而光栅型波分复用器复用度虽高,但技术复杂。

FBG具有确定的中心反射波长。

其最大中心反射率可高可低,最高可接近100%.FBG的反射带宽（FWHM）有大的制造调节范围。

目前制造技术可达到0.028~40nm,FBG对于光传播的附加损耗很小,约1dB以下。

由于FBG具有很好的选频作用,故这一器件在频域中呈现出丰富多彩的传输特性,能研制出性能优异的光纤带通滤波器以及各种全光纤集成器件。

由于FBG的纤芯中的周期性折射率变化所产生的Bragg反射特性,使FBG实质是一种波长选择分布反射型带阻滤波器。

利用FBG反射Bragg共振波长附近的光,将其与-3dB光纤环路器相组合，既可得到在OWDM系统中具有重要作用的功能性器件FBG滤波器。

近年来,一些发达国家已投入相当的人力、物力,开展FBG及全光纤器件与集成系统的研究。

美国AT&T的研究工作起步较早。

1989年Meltz等人首次利用紫外光写入法研制成功FBG滤波器[6]。

ChevnikovSV[7]也报道了用单个准分子激光器制作近100%反射率、FWHM为0.05nm的FBG滤波器。

其制作工艺简单,重复性好,可以灵活写入任何波长。

日本NTT研制的FBG已生产出实用型产品。

中心波长500~1600nm,反射率为0.01%~99%,FWFM为0.1~20nm[8]。

国内的研制工作正加紧进行,其制备工艺日趋成熟。

中科院上海光机所研制的FBG滤波器中心波长1530.4nm,带宽1nm,信道隔离度15.5dB,传输损耗低于0.7dB（见赵浩,丁浩,刘斌等.光纤光折变光栅型光通信滤波器.深圳:

深圳大学,全国光电子学年会论文集,1996,179）。

中科院半导体研究所国家光电子中心与北方交通大学光波所合作开展研究,初步结果3dB带宽0.4nm,中心波长1559.4nm,反射率98.5%（见葛璜,安贵仁,任泽英等.紫外写入光纤布拉格光栅的实验研究.深圳:

深圳大学,全国光电子学年会论文集,1996,172）

1.2.4光检测器

将光信号转换成电信号的直接检测器件常用雪崩型光电二极管（APD）和PIN-PD.前者有倍增特性,接收灵敏度高,但结构较复杂,且由于带宽和噪声等问题难以提高速率。

因此,为了现高速检测,需要研究新型的APD.这要从减小结电容,降低雪崩上升时间以及改进结构、材料方面入手。

已有报道,采用超晶格薄模结构制作出10Gbit/s光通信用APD,能无中继传输100km.

PIN-PD结构简单,容易加宽频带。

因无倍增作用,接收灵敏度低。

近年来,由于EDFA的日趋实用化,PIN-PD与EDFA组合在一起,构成具有光前置放大器的直接检测光接收回路,很适合高速解调,应是该系统最佳的选择方案。

其中EDFA承担接收回路的预放功能,减轻了接收电路的负担。

而高灵敏度地接收高速光信号的前提是采用低噪声的ED-FA.

1.2.5OWDM系统的指标

OWDM系统的性能指标主要有信道宽度、插入损耗和信道隔离度。

信道宽度是指分配给某一特定光源的波长范围。

由于实际光波长与标称波长有偏差,环境温度变化会引起激光器波长的变化,激光器本身也有线宽。

在满足复用信道数量的前提下,光源的信道宽度应足够宽,即相邻光源之间的波长间隔应足够大,才能避免不同信道发射源之间的串扰。

插入损耗是指由于FBG滤波器的引入而导致的功率损耗。

包括FBG滤波器自身的固有损耗以及FBG滤波器与光纤的连接损耗。

FBG滤波器的固有损耗主要来自于光纤环路器和FBG的插入损耗。

通常采用比较法测量。

接入FBG滤波器时,测出器件输出端的输出功率P1,然后再用一段与器件等长度的传输光纤代替该器件。

在相同的测试条件下,测出其输出功率P2.则其插入损耗

LI=-10lg（P2/P1）

FBG滤波器型OWDM插入损耗较低,通常在1dB以下。

信道隔离度I是指由一个信道耦合到另一个信道中信号的大小,它客观地反映了OWDM器件对波长的选择能力,即某一光路对其他光路中的光信号的隔离程度。

这是系统最重要的性能指标。

隔离度越高,耦合过去的信号越小,也即意味着信道之间的串扰越小。

原则上隔离度大一些好,但具体允许值随用途的不同而定。

通常在发射端,经选频光纤激光器的输出线宽较窄,只要相邻光源波长间隔足够大,就不会有很大的光功率发射到指定信道的光谱宽度之外。

因此,对于信道间隔离度要求不太高。

而在接收端,由于光检测器的灵敏度在很宽光谱范围内都很高,因而,信道隔离度不够好时,较少一点泄露信号都会影响光检测器的接收灵敏度。

因此,对接收端FBG滤波器隔离度要求较高。

影响隔离度的主要因素有不理想的滤波特性、光源间光谱的重叠、杂散光以及高功率应用下的光纤非线性等。

对于具有有效的带通和通道插入功能的FBG滤波器来说,由于光纤环路器输入端口到输出端口的隔离度足够大,所以信道隔离度主要由FBG反射谱中对非Bragg波长的反射决定。

这种反射谱越大,信道隔离度越小。

因此,有必要提高FBG滤波器的尖锐滤波特性,即波长选择能力,以减小串扰。

通常用变迹法抑制反射光谱旁瓣,改善其反射特性。

使用窄带型FBG滤波器也可进一步抑制频带外的信号,从而减少散粒噪声。

通常系统最大串扰耦合产生于相邻的信道。

如图1所示,对波长λ2的信道,相邻信道波长为λ1和λ3.在发送端仅输入信道波长λn的信号光,经复用和解复用后,在接收端测出第n路和第n-1路信道的出纤功率分别为P（n）λn（信号功率）和P（n-1）λn（串扰功率）。

则对波长λn的信道隔离度

Iλn=-10lg[P（n-1）λn/P（n）λn]

若最大串扰不是来自相邻信道,则此时应测量该信道和某一对该信道产生最大串扰耦合的信道隔离度作为其测量结果。

1.3波分复用技术的有点及特点

WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点：

（1）充分挖掘光纤的巨大带宽资源。

光线具有巨大的带宽资源（低损耗波段），WDM技术使一根光纤的传输容量比但波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加了光纤的传输容量，降低了通信成本，具有很大的应用价值

和经济价值。

（2）同时传输多种不同类型的信号由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号和综合传输，如PDH信号和SDH信号、数字信号和模拟信号、多种业务（音频、视频、数据等）的混合传输等。

（3）降低线路成本采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光线，另外，对已经建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可以进一步增容而不必对原系统作大的改动。

（4）降低器件的超高速要求随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。

（5）高度的组网灵活性、经济性和可靠性WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。

可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。

2、WDM的现有水平和国内应用现状WDM技术的发展与成熟是推动全光通信网络发展的最重要因素，正是由于几十个甚至上百个波长可以在一根光纤里面同时传输，基于波长的光交换变成了现实，传统的电交换体制才终于失去了统治地位。

也正是由于波分复用技术，不同体制的信号如语音、文字、图形、视频等才有可能在一起传输。

在国内，WDM技术的演技和开发也很活跃，进展也十分迅速。

武汉邮电科学研究院、北京大学、清华大学、邮电部无所机构先后进行了传输实验或建设试验工程。

例如武汉邮电科学研究所在1997年10月成功进行了16（2.5Gbit/s）600KM单向传输系统的实验。

并且容量为40（10Gbit/s）的WDM系统也进行了传输实验，更高技术水平的WDM系统正在实验当中。

国内WDM技术仍处于快速发展的阶段，许多厂商的16、32通路的WDM系统已投入商用。

目前数百吉比特每秒的WDM系统已近在网络中实际运行，2004年4月19日，武汉邮电科学研究所承担的国家863重大项目32×10Gbit/sSDH波分复用系统在广西南宁通过了国家验收。

该项目是国家863计划的项目的重中之重，系统在STM-64上现带内前向纠错（FEC）功能，提供4个SDH10Gbit/s终端复用器设备，2个32×10Gbit/sWDM中继机及1个网元管理系统，把系统应用到实际工程

第二章光纤通信技术原理存在的问题

光纤通信的原理是：

在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．

　　光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：

短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤．采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信．中国光纤通信已进入实用阶段．

　　光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。

进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。

　　光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。

　　通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。

　　光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：

它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。

　　光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优