光纖的容量極其巨大，采用DWDM密集波分復用技術可充分利用光纖的帶寬資源，增加光纖的傳輸容量。為了使讀者了解這一技術，本系列講座將分４個部分分別敘述光密集波分復用技術產生的背景、光密集波分復用技術的原理、系統實現中的技術問題及解決方向、光密集波分復用網絡系統的組織。本期先介紹光密集波分復用技術產生的背景、光密集波分復用技術的原理。

DWDM系統組成圖

１ 在高速光通信發展中產生的光密集波分復用技術

 

新技術的出現和應用往往受到兩方面的制約和推動，第一是市場的需求，第二是技術的發展。光密集波分復用技術也是如此。

 

１．１ 技術發展的推動：波分復用（ＷＤＭ）比時分復用（ＴＤＭ）更現實

在光纖中傳送的信號速率達到２．４８８Ｇｂｉｔ／ｓ量級后，為了滿足市場對帶寬的要求，如何進一步拓展系統的傳輸容量呢？以下的途徑可以考慮采用。

（１）向更高比特率的ＴＤＭ發展

長期以來，不斷提高時分復用的比特率是增加信息傳送容量的主要手段。曾用時分復用的方法從ＳＴＭ－１發展到ＳＴＭ－６４，更進一步發展遇到了很多困難，這就是近年來影響ＴＤＭ進展的主要原因。

（２）采用光波分復用（ＷＤＭ）

把多個不同波長（頻率）的光信號加入到一根光纖中進行傳送（每個波長承載一個ＴＤＭ信號），可充分利用光纖帶寬資源，從而增加傳送容量。伴隨光纖放大器和各類光器件（特別是窄譜線寬度、波長穩定的激光器和布拉格光柵）的進展，ＷＤＭ系統異軍突起，越來越顯露出其優勢。目前已商用的產品有４×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（１０Ｇｂｉｔ／ｓ）、８×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（２０Ｇｂｉｔ／ｓ）、１６×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（４０Ｇｂｉｔ／ｓ）、４０×２．５Ｇｂｉｔ／ｓ（１００Ｇｂｉｔ／ｓ）。實驗室內出現的１３２×２０Ｇｂｉｔ／ｓ（２．６４Ｔｂｉｔ

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DWDM應用圖

／ｓ）也已有報告。

當然ＷＤＭ系統并不是在任何場合都能顯示出其優越性，對某些特定的用途ＴＤＭ傳輸系統可能會更適合。然而當光纖資源較為緊張的情況下，人們往往把ＷＤＭ作為目前系統升級擴容的首選方案。

（３）其它增加信息傳送容量的辦法

其它辦法有光的時分復用（ＯＴＤＭ）以及光孤子傳輸等。但是，尚需一段實用化過程后才能應用。

WDM/OTDM混合光網絡系統結構圖

１．２ 技術發展的延續

電信界中曾有過模擬載波系統，使用金屬線纜為介質。采用頻分復用的方法，將模擬信號調制到不同的頻段，從而在一條金屬導體中傳輸多路信號。使用帶通濾波器又可以將其分開還原成各路模擬信號。

雖然模擬系統已經在中國通信網上退役，但隨著光纖通信技術的發展，人們已經成功地將這種頻分復用的原理應用在光纖通信系統中，從而誕生了光通信中的波分復用技術。

目前工作在光纖的低損耗波長區中的ＰＤＨ或ＳＤＨ光傳輸設備通常只用到其中的一個波長，每根光纖在該波長區中容納一個ＰＤＨ或ＳＤＨ信號。在波分復用技術出現之前，每根光纖傳送一路光信號。采用密集波分復用技術，可以將一個低損耗波長區分成多個很窄的波長段，每個波長段傳送一路光信號，于是在一根光纖中即可傳送多路光信號，從而光纖的傳輸容量即帶寬得以幾倍乃至幾十倍地增加。其基本結構如圖１所示。

圖一? DWDM點對點傳輸系統

１．３ 技術的發展：光網絡的需求

光網絡指采用光學原理來實現光波長的管理、調度、監測，形成一種對光信號而言是透明傳送的網絡。

組成光網絡的設備，目前有光分插復用器（ＯＡＤＭ）、光交叉連接設備（ＯＤＸＣ）。它們分插和交換的基本單位是來自一根或多根光纖中含有的各個波長上傳送的光信號。光波分復用將一根光纖從單一波長引入了多波長復用，目前的波分復用系統，雖然尚未解決這些波長之間的分插與交叉，但已進行了管理、復用和監測等，因而是實現光網絡的第一步。

要實現光網絡，在此基礎上還要引入可調諧激光器、全光信號處理器、波長選路和變換、光柵、寬帶光放大器、全光再生器、端對端的網管等技術，以及使用新型光纖，在必要的時候還需要將光信號變換到電信號進行處理。

 

１．４ 關鍵器件技術的成熟和商用為ＷＤＭ準備了條件

很明顯，要將若干路光信號復用到一根光纖中傳送，必然要用到類似于載波通信系統中的合路器和帶通濾波器等器件。在光密集波分復用系統中，我們稱之為合波器和分波器，它們都是無源光器件。由于這些無源光器件的應用，必然會帶來光信號功率的損失，所以必須要有相應的措施來彌補這一部分功率的損失。同時為了系統的傳輸距離進一步延伸，在適當的中繼距離還應對光纖線路段的功率損耗加以彌補，這就需要用到光放大器。為了將若干路不同波長的光信號復用在同一根光纖中互不干擾地傳輸，在接收端又能準確地分解出各個不同波長的光信號，就要求每一路光信號的波長都應該嚴格地控制在一定的范圍之內。因此我們可以看到，要實現光密集波分復用傳輸，要借助器件解決上述問題，因而器件非常關鍵。

經過不懈的努力，進入９０年代以來，這些器件的制造技術日趨成熟，各種無源光器件的性能已經十分穩定，而且大量提供商用。同時光放大器尤其是摻鉺光纖放大器取得了重大進展，高波長穩定度的分布反饋（ＤＦＢ）激光器以及更小啁啾聲的外調制技術都得以實現，性能和價格都能滿足商用要求。雖然目前這些器件價格較貴，導致ＷＤＭ設備價格較高，但這些關鍵器件的制造技術已經成熟并商用化，為光密集波分復用的實現提供了技術上的基礎和推動力。

１．５ 市場需求的推動

在一根光纖中只開通２．５Ｇｂｉｔ／ｓ帶寬已經不能適應市場需求。更高帶寬的需求是由Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、廣播電視的數字化傳輸以及用戶對多媒體服務開始有需求等原因引發的，它們需要比以前大得多的帶寬。

Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的出現使上網用戶激增，從而形成對傳輸帶寬的爆炸式的需求。ＩＰ不僅用于數據傳輸，也開始傳語音、圖像等。在此基礎上，出現了諸如ＩＰｏｖｅｒ ＤＷＤＭ等技術，這無疑又要求光傳輸的帶寬、復用方式等迅速跟上。

隨著通信的發展，少數企業壟斷電信全行業的局面將結束。隨之而來，企業不但可以向用戶出售服務，也可以同其它運營商交易通信元素。例如有的公司專門經營干線敷設光纜，擁有較大量的帶寬。他們可以將一個波長或一根光纖出售或在某一時期出租給同行。這種經營方式的出現也促使ＷＤＭ市場需求的發展。

 

１．６ 波分復用給通信業帶來了些什么

 

１．６．１ 用目前最經濟的手段實現超大容量傳輸

光纖的容量是極其巨大的，傳統的光纖通信系統都是在一根光纖中傳輸一路光信號，這樣的方法實際上只使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。充分利用光纖的巨大帶寬資源，增加光纖的傳輸容量，以密集波分復用（ＤＷＤＭ）技術為核心的新一代的光纖通信技術已經產生。ＤＷＤＭ技術具有如下特點：

采用波分復用技術可以使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍、幾十倍乃至幾百倍。日本ＮＥＣ公司已經在實驗室實現了１３２×２０Ｇｂｉｔ／ｓ的密集波分復用系統，傳輸距離１２０ｋｍ。該系統總帶寬為３５ｎｍ（從１５２９～１ ５６４ｎｍ），信道間隔３３ＧＨｚ，可以傳４０００萬路電話。

中國國內研制的８（１６）×２．４Ｇｂｉｔ／ｓ ＷＤＭ系統已經在多處開通，達到國際商用化系統的水平。它提供了２０Ｇｂｉｔ／ｓ或４０Ｇｂｉｔ／ｓ帶寬，滿足了所在干線近一段時期的發展需求。

 

１．６．２ 組網和升級更方便

由于波分復用系統是按光波長的不同進行復用和分用，與信號的速率和格式關系不大，對數據率幾乎是“透明”的，因此可以傳輸完全不同的信號，完成各種電信業務信號的綜合和分離，例如ＰＤＨ信號和ＳＤＨ信號的綜合與分離。

在網絡擴充和發展中，無需對已開通ＷＤＭ的光纜線路進行改造，是理想的擴容手段，也是引入寬帶業務（例如ＣＡＴＶ、ＨＤＴＶ和Ｂ－ＩＳＤＮ等）的方便手段。當可使用的波長還未完全使用時，擴容基本上是增加ＳＤＨ終端。

 

１．６．３ 可能成為ＩＰ的直接傳送通道

目前ＩＰ還是通過ＡＴＭ＋ＳＤＨ或ＳＤＨ再通過ＷＤＭ傳送的。目前正研究ＩＰ直接上ＷＤＭ。

 

１．６．４ 高度的組網靈活性、經濟性和可靠性

利用波分復用技術構成的新型通信網絡結構、網絡層次分明，明顯地分為ＳＤＨ層和波分復用層，各種業務的調度只需調度相應光信號的波長即可實現。由于網絡結構簡化、層次分明、業務調度方便，因而帶來的網絡靈活性、經濟性和可靠性是顯而易見的。

 

１．６．５ 進入光網絡的第一步

波分復用技術將是實現光網絡的關鍵技術之一，未來的光網絡將來可能會在已經建成的波分復用系統的基礎上實現透明的、具有高度生存性的光網絡。電信網使用波分復用設備可為基于波長復用的光通信網的組網、維護等方面積累運行和維護經驗。

 

２ 光密集波分復用系統的構成及基本原理如圖2：

圖2

２．１ 密集波分復用系統的基本組成

用于光纖通信的光波其實是信號的載波，它具有一定的波長或頻率，而光波的傳輸介質——光纖有巨大的帶寬資源。波分復用技術就是將若干電信號分別調制到不同頻率的光信號上，然后利用合波器把這些光信號復用在同一根光纖中傳播的光傳輸技術。

由于目前一些光器件（如帶寬很窄的濾波器、相干光源等）還不很成熟，因此要實現光信道非常密集的光頻分復用是很困難的。但基于目前的器件水平，已經可以實現光信道相隔較遠的頻分復用。人們通常把光信道間隔非常密集的光頻細分的復用稱作光頻分復用（ＯＦＤＭ），而把光信道相隔較遠（甚至在光纖不同窗口上）的復用稱為光波分復用（ＷＤＭ），進一步把在同一窗口中信道間隔較小的波分復用則稱為密集波分復用（ＤＷＤＭ）。

完整的密集波分復用系統發送端設有光接口變換器，它不改變來自ＳＤＨ設備的光信號數據格式（例如ＳＤＨ幀結構），但把光波長按一定的要求重新轉換，其波長的精度和穩定度滿足ＷＤＭ系統設計要求。有時為了盡量延伸再生段的距離，還必須要求光接口變換器輸出的光信號譜寬很窄，同時信號的頻率啁啾要小，以便能忍受更大的光纖色散累積引起的脈沖畸變。

經光接口變換器處理過的光信號再送入光合波器，將若干路信號合在一條光纖上。由于各路光信號的波長互不相同，所以在同一根光纖中傳輸卻不會導致互相干擾。

波分復用系統經常用到光放大器。它們又分為光功率放大器，光線路放大器和光前置放大器。由于合波器一般來說為無源器件，它在將各路光信號復用在一起的同時會帶來光功率的損失，即有一定的插入損耗。為了彌補這部分的功率損失，需要用到光功率放大器來提升進入光纖的信號功率，放大以后的多路光信號送入光纖傳輸。

如果傳輸距離很長，每隔一定的距離還要用光線路放大器對被光纜線路損耗掉的光功率加以補償，到達接收端以后經光前置放大器（主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大送入光波長分用器。光波長分用器實際上是一個多路光濾波器，它根據光波長的不同分解出原來的各路光信號。

 

２．２ 密集波分復用系統各部分的

基本原理

如前所述，密集波分復用系統由光接口變換器、合波器、光放大器以及分波器等幾部分組成，下面介紹它們的基本原理。

 

２．２．１ 光接口變換器

光接口變換器是密集波分復用系統與ＳＤＨ設備或其它設備相連接的關鍵設備。它不但將來自ＳＤＨ設備或其它設備的光信號轉發成波長準確度和穩定度符合波分復用系統要求的光信號，同時為了實現波分復用系統的長距離傳輸，還要求輸出信號的動態譜寬很窄，頻率啁啾很小。目前光接口變換有以下幾種實現方法：

基于半導體光放大器（ＳＯＡ）的全光變換

這又分為半導體光放大器交叉增益調制的接口變換、半導體光放大器交叉相位調制的接口變換、半導體光放大器四波混頻的接口變換等，但目前這些技術都還未成熟到可普及的程度。

基于光／電／光（Ｏ／Ｅ／Ｏ）的變換器

目前在商用化的波分復用系統中大量采用的是這種方式。其基本原理是先將來自ＳＤＨ設備或其它設備的來光信號接收下來，變成電信號，然后再將這個電信號調制到波長和譜寬等都滿足波分復用系統要求的光載波上，從而完成光接口變換的功能。這種光接口變換的方式具有若干優點，如技術較成熟，容易實現；由于將光信號變為電信號，進行了３Ｒ或２Ｒ再生處理，信號質量得以改善；可以插入ＳＤＨ開銷處理電路，進行故障定位；成本低、可靠性高、便于監測和維護等。但是也存在對數據率不透明等缺點。

 

２．２．２ 光放大器

摻鉺光纖放大器（ＥＤＦＡ）是密集波分復用系統中的另一個重要部件。光放大的應用自１９８７年起才開始研究，１９９０年生產出第一種商用產品。在第二窗口（１３１０ｎｍ）最有前途的有源材料似乎是摻雜在氟化玻璃光纖中的鐠（Ｐｒ ３＋），在第三窗口（１ ５５０ｎｍ）最有前途的有源材料是鉺（Ｅｒ３＋）。

ＥＤＦＡ的工作原理是利用激光泵浦石英光纖中摻鉺離子（Ｅｒ ３＋）的受激輻射來實現對１５５０ｎｍ波段光信號的放大。實用化的ＥＤＦＡ采用９８０ｎｍ或１ ４８０ｎｍ波長的激光器作泵源，泵浦光經耦合器通入摻鉺光纖，激發其中的鉺離子從低能位躍遷至高能位，形成粒子數反轉分布區；當波長為１５５０ｎｍ的信號光通過同一耦合器進入摻鉺光纖時，因感應誘發使Ｅ ｒ３＋產生受激輻射從而發出增強的光信號。摻鉺光纖中鉺的濃度為１００～１ ０００ｐｐｍ之間，集中在２～４μｍ纖芯中。為了防止放大器的自激振蕩及傳輸光路中的光反射，在放大器輸入和輸出端需設置光隔離器。由于光放大器有很寬的頻帶（幾十納米），它們對于光波系統提供了各種“透明”特性：在放大時不必考慮它們的碼率或調制方式，而且能把波分復用的各個信道的信號光全部放大。

在實際應用中，通常按照不同的應用方式將摻鉺光纖放大器分為以下幾種類型：

（１）功率放大器

主要目的是補償無源光器件的損耗和提高發送光功率。應工作于深飽和區，必要時可使用雙泵源以便發送光功率，為此通常使用

１ ４８０ｎｍ泵源。目前功率放大器的輸出功率可達＋１７ｄＢｍ以上。

（２）前置放大器

主要目的是提高接收機的靈敏度，通常工作于小信號狀態。為了降低噪聲，通常使用９８０ｎｍ泵源。目前前置放大器的噪聲系數可大于等于４ｄＢ。已經接近量子極限（３ｄＢ）。一般在每秒吉比特數量級，它可提高ＡＰＤ接收機靈敏度約１０ｄＢ。

（３）線路放大器

主要用于光中繼器。為了增加中繼間距，既要高的發送光功率又要高的增益和低的噪聲。通常工作于近飽和區。目前線路放大器的輸出功率可達＋１７ｄＢｍ以上；小信號增益可達４４ｄＢ。

 

２．２．３ 合波器和分波器

合波器和分波器都是無源光器件，它們的性能好壞對整個系統的特性有非常重要的影響。目前用于實現合波和分波功能的方法很多，各有其優缺點，下面分別介紹：

（１）光導纖維中布拉格光柵

光導纖維中布拉格光柵是使用紫外光干涉在光纖中形成周期性的折射率變化（光柵）制成的光器件。

它具有理想的濾波特性（通帶平坦、過渡帶陡峭、阻帶防衛度高、信道間隔非常?。?、溫度穩定性優良、便于設計制造、成本效率高等優點。因此可制作成信道間隔非常小的帶通、帶阻濾波器。盡管光導纖維中布拉格光柵出現是近幾年的事，但目前已經廣泛用于密集型ＷＤＭ系統中。

（２）介質膜波分復用器

通過介質膜結構的不同選擇可以構成長波通、短波通和帶通濾光器。一個實際的帶通濾光器，它對波長在通帶寬度內的光有很高的透射率，而對波長在阻帶內的光有很高的反射率，因此它可以作為波長敏感元件來構成復分用器件。濾光片通帶和阻帶透射率的大小，不僅影響器件的插入損耗，而且也決定了器件的路際串音。濾光片的通帶寬度和阻帶寬度限制了兩復用信道的波長范圍，同時也對光源的譜線寬度提出了一定的要求。

（３）光柵型波分復用器

光柵濾光器的選擇性很高。要求很高的精確性；對溫度敏感需要恒溫措施；光柵效率較低；對偏振也較敏感。

（４）星型耦合器

星型耦合器是實現Ｍ×Ｎ個端口傳輸分配的器件。對ＤＷＤＭ系統，Ｍ通常為１（或２），Ｎ通常為４到幾十。

為了實現兩單模光纖之間的光耦合，可采用兩種方法：一是把光纖拉成錐形，然后熔融在一起；二是采用研磨和拋光的方法去除光纖的一部分包層，在兩光纖相互接觸的面上只留下很薄的一層包層，然后將同樣研磨、拋光的兩光纖緊靠在一起，通過包層里的消失波發生耦合。若干個這種器件級連構成Ｍ×Ｎ個端口傳輸分配的器件。

其突出優點是插入損耗非常低，并且便于生產、造價低廉。

（５）波導型耦合器

利用光平面波導同樣可以構成Ｍ×Ｎ個端口傳輸分配的器件。與星型耦合器比較性能稍好一些，但是價格要高得多。

使用光導纖維中布拉格光柵加星型（或波導型）耦合器作為密集ＷＤＭ的光分用、復用部件是目前的主要手段。

最后以一個８波長的波分復用系統為例，分別示出系統中各主要參考點的光譜特性來說明波分復用系統的工作原理。合波器輸出端的光譜，８個光波信號的波長以等間距排列。

合波器輸出的光信號經過功率放大器、光纖以及線路放大器和前置放大器以后，其光譜比光譜的底部明顯升高，這就是摻鉺光纖放大器級連導致噪聲積累的結果。

光前置放大器輸出的光信號直接進入分波器，分波器不但能還原出各路光信號，而且由于它的濾波特性還能濾出放大器帶來的部分噪聲，最后將還原后的信號送入ＳＤＨ設備或者其它設備的光接收機，完成信號的分離。