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)、時分復(fù)用(TDM、波分復(fù)用(WDMWDM)、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

2、 Multiplexing )技 術(shù)和頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing)技術(shù)。但是，因為 FDM和 WDMr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)就是將傳輸時間分割成若 干個時隙，將需要傳輸?shù)亩嗦沸盘柊匆欢ㄒ?guī)律插入相應(yīng)時隙， 從而實現(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

3、于受到電子速度、 容量和空間兼容性諸多方面的限 制，使得電子時分復(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 PM(DPolarizationModeDispersion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，PMD的脈沖擴(kuò)展效應(yīng)， 就會造成

4、信號“模糊”， 引起接收機(jī)對于信號的錯誤判斷從而產(chǎn)生誤碼。 這是由于 不同模式的偏振光在光纖運行中會產(chǎn)生輕微的時間差，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 光時分復(fù)用( OTDM光時分復(fù)用是用多個電信道信號調(diào)制具有同一個光頻的不同信道，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)、光定時提取技術(shù)。1.1.1 超窄光脈沖的產(chǎn)生。光時分復(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，實現(xiàn)的方法有增益開關(guān)法、LD

5、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(Supercontinum )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 實驗中的脈沖源產(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。1.1.2 全光復(fù)用 / 去復(fù)用技術(shù)。全光時分復(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

6、將光延遲 線及3dB光方向耦合器集成在一個平面硅襯底上，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)。1.1.3 光定時提取技術(shù)。光定時提取要求超高速運轉(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），另外使用法布里一珀羅GANSH光路構(gòu)成的光

7、振蕩回路（FPT也可以完成時鐘恢復(fù)功能。2.SD M技術(shù)對SDM勺一般理解是：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， 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。因為單模光纖纖芯部分芯徑僅有910mm而且傳輸?shù)墓馐娓鼽c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)用是多個信源的電信號調(diào)制各自的光載波， 經(jīng)復(fù)用后在

8、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， 每條虛擬纖獨立工作在不同波長上。 每個信道運行速度高 達(dá) 2.5 10Gbps。WDM技術(shù)作為一種系統(tǒng)概念，可以追溯到1970年初，在當(dāng)時僅用兩個波長，在1300nm窗口一個波長、在 1500nm窗口一個波長，利用 WDM技術(shù)實現(xiàn)單纖全雙工傳輸。初期的 WDM 網(wǎng)絡(luò)主要致力于點對點系統(tǒng)的研究，作

9、為WDM技術(shù)發(fā)展的重要階段，1987年Bellcore在LAMB-DANE規(guī)劃中開發(fā)出有18個波長波道的 WDM系統(tǒng)。具有開拓性進(jìn)展的是 1978年 K.O.Hill 等人首次發(fā)現(xiàn)摻鍺光纖中的光感應(yīng)光柵效應(yīng)， 在此基礎(chǔ)上 Meltz 等人于 1989年終 于研究發(fā)明出紫外光側(cè)面寫入光折度光柵技術(shù)，從而使采用光纖光柵實現(xiàn)WDMC用技術(shù)獲得突破性進(jìn)展，其復(fù)用波道數(shù)增加到100個以上。初期報道在 1550nm窗口實現(xiàn)25個波道的WDM系統(tǒng)，總?cè)萘窟_(dá)到 500Gbps。接著又有報道在 1550nm窗口實現(xiàn)25個波道的 WDMR統(tǒng)， 其波道間隔僅為 0.6nm,總?cè)萘窟_(dá)1.1Tbps，到1999年中期W

10、D牘用化系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn) 96個波道。北電公司宣布于2000年起開發(fā)有160個波長波道數(shù)的 WD系統(tǒng)，每個波道傳輸10Gbps, 其一根光纖傳輸信息總?cè)萘繛?.6Tbps。由于WDM系統(tǒng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與有效性，使之成為當(dāng)前光纖通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的主要手段。特別是密集波分復(fù)用(DWDM技術(shù)可望很快獲得應(yīng)用。目前，大部分公司的 DWDM!統(tǒng)都是以2.5Gb/ s為基本速率，僅加拿大北電網(wǎng)絡(luò)等少數(shù)公司是 以10Gb/ s為基本速率。 MCI公司70%的網(wǎng)絡(luò)中已采用了 WDM系統(tǒng)。泛歐運營商 HER公司(HermsEuropeRailtel )將采用 Cienc 公司的 40X 2.5Gb/ s 系統(tǒng)。 Will

11、iams 公司將為Frontier在休士頓、亞特蘭大等地的網(wǎng)絡(luò)提供16X 10Gb/s的D WDM系統(tǒng)。目前，國內(nèi)開發(fā)DWDM系統(tǒng)的單位有原郵電部五所、北京大學(xué)、華為公司和武漢郵電科學(xué)研究院等。武漢郵 電研究院的8X 2.5Gb/ s波分復(fù)用系統(tǒng)已用于濟(jì)南一青島工程。3.1 密集波分復(fù)用 DWDM所謂密集波分復(fù)用( Dense Wavelength Division Multiplexing )技術(shù)，也就是人們常 說的 DWD，M 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)。DWD首先把引入的光信號分配給特定頻帶內(nèi)的指定頻率

12、(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。由于引入(in comi ng )信號并不在光層終止，接口的速率和格式就可以保持獨立，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，同時又獲得了現(xiàn)有鋪設(shè)光纜中沒有得以利用的大量帶 寬。DWD可以把多個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。 每個承載的信號都可以設(shè)置為不同的 傳輸速率(OC- 3/12/24 等)和不同的格式( SONETSONET、ATM數(shù)據(jù)等)。比方說，某 個DWD網(wǎng)絡(luò)可以在 DWDI基礎(chǔ)上

13、混合 OC- 48 (2.5 Gbps )和OC- 192 (10 Gbps)兩種速 率的SONET!號。從而獲得高達(dá) 40 Gbps的巨大帶寬。采用 DWD的系統(tǒng)在達(dá)到以上目標(biāo)的 同時仍然可以維持和現(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DWD終端更可以承載總計 80個波長之多的 OC- 48以達(dá)到200 Gbps的傳輸速率或者高達(dá) 40波長的 OC- 192以達(dá)到400 Gbps的傳輸速率，這個帶寬已經(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，使其每個頻道作為信息的獨立載體。從而實現(xiàn)在一條光纖中的多頻

14、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，若每個波道寬度為入，則在每個寬度為 入波道內(nèi)，再載入幾個頻道(f1、f2、fn)，每個頻道還可以獨立荷 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)實用化創(chuàng)造了條件。光FDMM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)運而生。稀疏波分復(fù)用，顧名思義，

15、 是密集波分復(fù)用的近親，它們的區(qū)別主要有二點：3.3.1CWDM載波通道間距較寬，因此，同一根光纖上只能復(fù)用 5到6個左右波長的光波，“稀 疏”與“密集”稱謂的差別就由此而來；3.3.2CWDM調(diào)制激光采用非冷卻激光，而 DWD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 實現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。CWD避開了這一難點，因而大幅降低了成本，整個CWDM系統(tǒng)成本只有DWDF的 30%CWD用很低的成本提供了很高的接入帶寬，適用于點對點、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

16、入點密集的通信應(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 CWDI與 PON PON （無源光網(wǎng)絡(luò)）的搭配使用。 PON是一種廉價的、一點對多點的光纖通信方式，通過與CWDI相結(jié)合，每個單獨波長信道都可作為PON的虛擬光鏈路，實現(xiàn)中心節(jié)點與多個分布節(jié)點的寬帶寬帶數(shù)據(jù)傳輸。目前，有幾家公司正推出與CWD相關(guān)的產(chǎn)品。LuxN公司出品的 WideWav系列CWDI模塊支持8個CWDI信道，或者支持4個CWDI信道加16個DWD信道。時代華納公司已與 LuxN 公司簽署長期采購協(xié)議，用包含WideWave模塊的 WavSystemDWD設(shè)備在紐約、俄亥俄等地部署千兆以太網(wǎng)。Ocula

17、r公司推出的采用 CWDI技術(shù)的產(chǎn)品有 OSX-6000和OSX-1000兩個系 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，CWDI是成本與性能折衷的產(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，CWDI目前尚存在以下 4點不足：（1）CWDI在單根光纖上支持的復(fù)用波長個數(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 DIDI目應(yīng)設(shè)備 的簡單改型；（3）CWD還未形成標(biāo)準(zhǔn)。4. 光分插復(fù)用（ OADI）在波分復(fù)用（ WD）I 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

18、長領(lǐng)域內(nèi)具有傳統(tǒng) SDH分插復(fù)用器（SDHAD）在時域內(nèi)的功能。特別是 OADI可以從 一個WDIfc束中分出一個信道 （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）。 OADH有選擇性，可以從傳輸設(shè)備中選擇下路信號或上路信號，或僅僅 通過某個波長信號，但不影響其他波長信道的傳輸。OADIfc光域內(nèi)實現(xiàn)了 SDH中的分插復(fù)用器在時域內(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)點成本，提高網(wǎng)絡(luò)運行效率， 是組建全光網(wǎng)必不可少的關(guān)鍵性設(shè)備。對 于OADI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)提出了實現(xiàn)OADI勺幾 種技術(shù)：WDMMUX/DEMU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)計成以固定的波長工作。最近，意大利電信中心研究實驗室研制 了一種新結(jié)構(gòu)一一使用干涉濾波器的O