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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标题: ( 19 )光纤网络波分复用及光时分复用技术新进展
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 10 13:59:35 2003) , 转信

光纤网络波分复用及光时分复用技术新进展
南京电子工程研究所　　蒋庆全　
摘　要：介绍了光纤网络中的波分复用（祝模停和光时分复（Ｏ裕模停两种技
术的概念、各自的优缺点及最新的实验进展状况。
关键词：光纤网　光交换　波分复用　光时分复用
一、引言
人们对宽带业务日趋增长的需求，促进了对大容量系统及网络的广泛研究。预计在未来
２０年内，国家级网络的更高层或传输层需支撑的容量为现有容量的１００倍以上。目
前可设想的是，基于同步数字体系（樱Ｈ）和交换术（如异步传输模式）的传输将
能满足近期网络基本设施的需求。然而，这些方法皆以电子信号处理为基础，从长远观
点来看，主要基于电子设备的网络解决办法将变得日趋复杂和昂贵。故可以认为，在未
来的网络中，光纤将在如下两个方面起着日益增大的作用。
首先，标准安装光纤的容量比目前所用的要大得多（至少是１０００倍）。挖掘此种潜
在容量可从如下两个方面入手。一是波分复用（ＷＤＭ），采用该方法时，不同载波频
率（波长）的信号在光纤上被复用，因而可用的光纤频谱能得到更为有效的利用。二是
采用超高比特率（如１００Ｇｂｉｔ／ｓ）传输。此种方法采用极窄脉冲和频宽的带宽
，这样再次有效地利用了光纤的可用光谱。产生这些极高比特率的方法是在光域内直接
复用光纤分支数据流，因而这种技术被称为光时分复用（Ｏ裕模停。从较长远的观点
来看，预计未来的网络将综合采用祝模秃停希裕Ｍ。
先进的光纤技术的第二个应用领域是交换和路由选定。目前，电信网络中的全部信号处
理都是以电子方式实现的。如在ＳＤＨ网络的上层，要用电子方式实现２５Ｇｂｉｔ
／ｓ复用的交叉互连。随着所需交换容量的增大，要以有效和经济合算的方式实现该项
功能将日趋困难。然而，近几年来的研究表明，可将祝模痛输、波长多路复、多路
解调及光空间交换组合到一起，用于实现全光纤式交叉互连网络。这种方法有助于减少
对电子交叉互连的需求。因此，祝模图埃希裕Ｍ在开发光纤网络中便起着主导作用，
且不仅仅是一种用于点对点系统容量升级的技术。对大型网络（如大城市网络、国家级
网络或国际级网络）来说，采用波长路由选定的方法可建立通信路径，用波长来定义路
由。此种技术现已日臻完善，且是ＷＤＭ应用的一个主要趋势。
ＯＴＤＭ是给网络所需光纤介质提供多址连接的一种辅助方法。然而实现ＯＴＤＭ所涉
及的技术与祝Ｍ涉及的术有颇大差异。祝模退用的元件几乎都是现成商用的元
部件，而Ｏ裕模退用的元件尚有许多仍局限于实验室范围内。另外，还有众多问题
尚未完全获得解决。皮秒（ｐｓ）脉冲的生成、多路复用处理及多路解调与同步都很重
要，因此，ＯＴＤＭ目前被视为较祝模透长远的技术。在众多网络中，与Ｏ裕Ｍ有
关的超高比特率将需要采用非线性传输（光弧子），以克服色散的不良影响，尽管这种
传输方式已得到充分了解，但迄今仍未得到充分的开发。
二、光纤网络的波分复用
概括地说，ＷＤＭ网络技术目前的应用（本节系指传输和路由选定）主要在电信传输和
接入网络、用户住宅网络及局域网的范围内。欧洲、美国和日本进行了一些主要的研究
和开发项目，因而传输和接入领域已取得了较大进展。因众多项目涉及到采用多波长、
远距离及先进的元部件，故显露出祝模偷局限性与面临的挑战，从而也确定了该领域
内目前众多研究的方向。考虑到通信量，对于远距离需大量的波长（目前通常认为上限
为１０，未来的网络约为１００）的状况，造成信道间串扰的光纤非线性因素会限制波
长数与距离之积。非线性的两个主要影响是４波混合（ＷＭ）和受激拉曼散射（ＳＲ
Ｓ）；上述两个因素的影响程度取决于每个信道的功率、总距离及信道间隔。ＷＭ的
影响是，不同波长（频率）的两个信号通过光纤的非线性折射率而相互作用，从而产生
附加的和频与差频。这些新的频率分量的大小取决于信道间隔（随间隔的减小而增大）
，光纤色散（随色散的减小而增大）及每个信道的功率。
性能的下降是由如下两个方面造成的：一是不同频率产生的新频率分量会带来信号能量
的损耗，因而增大误码率；二是在具有大量等间隔信道的系统中，新的频率分量可能直
接落入分配给其它信道的频率上，这会引起严重的串扰问题。正如理论上表明的那样，
假若４个波长皆以４ｎｍ分隔，每个信道功率为０ｄＢｍ、色散系数为２（ｐｓ／ｎｍ
）／ｋｍ，此时在串扰变得严重之前，则可传输的最大距离为５００ｋｍ。对大型网络
而言，显然这是个局限。目前已提出多种技术来克服这一局限。一个简便的方法是在波
段上采用不等的波长间隔，这样新的频率分量就不会落在现有的信号上；该方法的缺点
是未能有效利用可用的带宽，并且不能消除由于新频率分量的产生而带来的能量减少。
作为一个实例，最近有一篇论文报道了在１３７ｋｍ色散偏移光纤上８条１０Ｇｂｉｔ
／ｓ信道的传输状况。采用不等的信道间隔，可使有用功率预算提高７ｄＢ，与相等信
道间隔相比增大了３０ｋｍ的间距。
第二种更为完善的方法是，采用半间隔光谱倒置技术。该方法的理论依据：假若在系统
的中点上实现了信号（包括单个信道及附加疲祝头至）的相位共（光谱倒置），那
么系统远端的信号将与传输的信号完全一样（即无失真）。可使用光半导体激光放大器
（ＳＬＡ）来实现相位共轭，此种系统已在实验室验证过了；然而，半间隔倒置的要求
却难以在网络中实现。第三种最实用的方法是，利用疲祝头至仅产生于低色散光纤段
的特性。要实现高性能系统所需的端对端低色散，可采用将标准光纤段（在１５μｍ
时具有高色散）与色散补偿光纤段相结合的方法。此种技术大大降低了疲祝头至的生
成与累加。利用此种技术已成功地进行过在１０００ｋｍ上传输１６个１０Ｇｂｉｔ／
ｓ信道的演示。
非线性的第二个主要影响是由受激拉曼散射造成的。在此种影响下，光纤上的光与分子
的振动相互作用，所产生的散射光的波长比入射光的波长要长些。假若该较长的波长存
在另一信号，则它就要进行放大，附加的能量便要从原先的信号传送过来。故在信道之
间就有能量损耗并出现串扰。此种影响的大小是波长间隔（随间隔的增大而增大）及每
信道上的功率之函数。举例来说，假如一个系统有４个信道，每信道的功率为０ｄＢｍ
，并以４ｎｍ分隔开，则在串扰严重之前，该系统的传输距离可达１００００ｋｍ。如
果有８个波长，那么该距离便降至１０００ｋｍ。迄今尚未有一种简便的方法可消除受
激拉曼散射，主要的方法是确保信道功率足够低。必须记住，需要一个最小的信号功率
来维持一个合适的信噪比。作为如何综合利用这些技术的实例，最近报道的一个实验进
行了在８０００ｋｍ距离上传输８个等间隔（０５３ｎｍ）与５Ｇｂｉｔ／ｓ信道的
试验。主要光纤段采用了色散偏移光纤（－２（ｐｓ／ｎｍ）／ｋｍ），并以９０ｋｍ
标准光纤提供补偿。每信道的路径平均功率限制在约９０μＷ以内，避免受激拉曼散射
和色散调节，确保了观测不到任何疲祝头至。网络中祝Ｍ的应用，对波长转换提出
了更高的要求。如上所述，祝模屯络通常采用波长路由选定，这样通过网络的信号路
径由其波长确定。由于种种原因，不便采用大量波长，如目前的网络演示器采用波长数
不超过１０，故在网络中某一瞬间，由于原有波长分布的原因，不太可能用单一波长建
立起一条路由。在此种状况下，信号经过网络时可能会改变波长，因而实际的波长路径
可更为有效地利用空闲波长。
最简单的转换器建立在半导体光放大器中交叉增益调制现象基础上；其余技术则是将诸
如ＦＷＭ现象作为转移方法。增益饱和技术如图１所示。在图１中，λ１输入信号调制
半导体激光放大器的增益，此种增益被波长λ２的连续波（ＣＷ）源偏压饱和（λ２有
用输出波长）。放大器增益由输入信号引起的变量对ＣＷ源进行调制；而带通滤波器的
输出信号（已调至λ２）是新波长λ２的输入信号。此种技术在整个放大器带宽上（约
４０ｎｍ）都有效。高输入信号功率获得最佳结果（约－５ｄＢｍ），取得了数据率高
达２０Ｇｂｉｔ／ｓ的转换。此类转换器的消光比欠佳，从而限制了网络中能使用的转
换器的数量。目前还在继续进行技术改进的研究，如采用交叉相位调制技术，为消除相
互干扰，采用成对半导体放大器。
图１　波长转换器
如网络含有众多远距离链路，信号须通过多个节点，此种长路径将涉及大量掺饵光纤放
大器（牛模Ａ）。这些元部件并未有理想的平坦增益响应。众多此类特性的级联会使
得端对端传输性能与单级放大器差异增大。这是ＷＤＭ系统设计中存在的严重问题。比
如，假若单级放大器在通带末端的两个信道间存在１ｄＢ的增益差，则在２０个此种放
大器之后，此种增益差便是２０ｄＢ，从而使系统无法运行。因而需要一些校正方法，
目前有众多方案正在调研之中。如上述的１６个１０Ｇｂｉｔ／ｓ实验中，在第８个、
１８个和２２个放大器后面置放一个可调谐的增益均衡器，这样在１０００ｋｍ之后每
个信道便具有相同的信噪比。研制增益平坦的放大器是另一种最大限度减少这一问题严
重性的重要方法。有众多技术令人颇感兴趣，有些涉及到采用光滤波器来构成放大器的
通带，或采用特性曲线更为自然平坦的含氟化物的光纤。更近期的技术是，促使放大器
在带外波长上产生激光，从而使其特性平坦。
由于滤波器性能不理想或交换机不完善造成的串扰是确定祝模托诺间隔的一个主要因
素。另外，由于在某些情况下，串扰会随着通过每个节点而累加，因而会限制路径上可
能的节点数。来自与该信号不同的波长源产生的串扰能量称为带间串扰。通常这是由于
使用了非理想的滤波器，来自相邻信道的局部能量亦出现在检测器上，带内串扰起因于
名义上处于同一波长的不同信号的干扰；这是一种网络效应，而不是一种点对点的系统
效应。产生带内串扰可有多种原因，如多路复用后不理想的多路解调，或不理想的空间
交换结构。带内串扰的主要特征是，一旦存在便不可将其消除，并随节点数增多而累加
；这便严重地限制了可通过的节点数。对串扰重要性的认识促进了对串扰特性有所改进
的滤波器和交换机的研究。
上述讨论集中于ＷＤＭ系统及网络中目前的一些主要研究领域。还有许多其它领域亦在
研究之中，如波长标准化及其基准，以及可调激光器或激光阵列领域的技术开发。
三、光时分复用
上述讨论表明，由于光纤的非线性大大限制了容量与距离之积，故祝Ｍ具有局限性。
下面将主要阐述光时分复用（ＯＴＤＭ）的性能。此种技术使用单一波长，以支撑超过
４０Ｇｂｉｔ／ｓ的容量，但其采用时钟脉冲频率和辅助速率（较易于由电子分系统支
撑）。Ｏ裕模突贡用作点对点技术，但其潜在容量使其更适于在网络中应用。
图２是Ｏ裕模拖统示意图。用一个合适的光源（如锁模激光器）产生一系列很窄的归
零光脉冲，并将其分裂成Ｎ个信号流（图中为４个）。然后，这Ｎ个信号流中的每一个
被ＢＧｂｉｔ／ｓ的辅助电信号逐个地调制，并延迟１／Ｎ个时钟周期，随后被多路复
用，产生一个（Ｎ×Ｂ）Ｇｂｉｔ／ｓ的集合数据率。目前的研究表明，集合数据率可
达２００Ｇｂｉｔ／ｓ。当然，还必须认真考虑以这种高数据率运行的系统光纤色散效
应。有两种方法正在加以考虑，第一种方法是采用色散调节技术，如采用色散补偿光纤
，以确保总色散接近于零，第二种方法是，使用光弧子传输。在后一种技术中，要仔细
选取信号功率和脉冲波形，这样，通过与自相位调制有关的压缩抵消与线性色散有关的
扩展效应。因此，ＯＴＤＭ是远距离上支撑超高容量的一项技术，并不存在与祝Ｍ有
关的质量下降问题。
图２　希裕模拖统示意图　
　
与ＷＤＭ不同，ＯＴＤＭ正处于研究阶段。开发实际系统的主要活动是实现实用脉冲源
和多路复用器、多路解调器、时钟脉冲提取及同步分系统，下面扼要介绍一下这些领域
内近年来的研制状况。ＯＴＤＭ脉冲必须具有颇高的光谱纯度，这样，由于脉冲频谱与
光纤色散的相互作用而引起的脉冲展宽便会最小。当脉冲频谱是脉冲自身的傅里叶变换
时，效果最佳，即实现了“有限变换”的运行。产生高质量的脉冲有多种方法，但锁模
光纤环状激光器（ＭＬ－ＦＲＬ）是目前一种常用的技术。图３示出ＭＬ－ＦＲＬ的示
意图。激光腔包括一个含有掺饵放大器的光纤环，用以提供增益。
图３　锁模光纤环状激光器　
　以往返激光腔行程时间的谐波驱动调制器可实现锁模。谐波与调制器驱动的同步通常
需要对整个激光腔长的有效控制。实现这点的方法是监控激光器输出的小数部分，从而
可将其用于对光纤长度进行有效的控制。如在最近的一次实验中，此种激光器使用于生
成３５ｐｓ的脉冲。在此种状况下，光纤环路以６３ＧＨｚ驱动，采用电动式延迟
线来改变和稳定激光腔长，可得到３５ｐｓ的脉冲串。随后，此种脉冲被外部调制，
并以１６为单元被时分多路复用，从而产生１００Ｇｂｉｔ／ｓ的脉冲串（最近该速率
已增至２００Ｇｂｉｔ／ｓ）。此种脉冲在５００ｋｍ的色散偏移光纤上传输，总传输
损耗仅为１保ｄＢ。因此，锁模光激光器为Ｏ裕模头射机提供了一种脉冲甚短的
强光源。
第二个研究领域是多路解调。Ｏ裕Ｍ多路解调的主要特点如下：·多路解调器以单独
辅助信道的时钟脉冲速率（而不是全线速率）驱动。·时钟脉冲信号驱动可选取接收信
道之一的光门。·电光或全光门方法皆可供采用。全光式技术允许直接选取一个或多个
单独的信道，尤为令人感兴趣。所用的两项技术是光纤非线性光环路镜（Ｎ希蹋），
它包括基于半导体激光放大器的光环路镜及ＦＷＭ多路解调器。上述这些器件示于图４
。
图４　可供选用的多路解调器
光纤环路技术，用于环路的不同方向上传送的两个信号间产生不同的相位，在此种情况
下，图４中的非线性元件是长约１０ｋｍ的光纤。在ＮＯＬＭ中，采用３ｄＢ的耦合器
在光纤环路的两个方向上传送数据。于是，光时钟脉冲信号便注入环路并与循环数据相
互发生作用。因光纤折射率取决于信号密度，故具有足够功率的同向传送时钟脉冲信号
，将使原有信号改变π相位，而反向传送信号的相移小至可忽略不计。因此，在３ｄＢ
耦合器上重新组合时，数据信号干扰并选取基于相对相位差的输出口。由于同向与反向
传送分量间的相对相位差为π的信道将被丢掉，而其它信道的该相位差为零，故这些信
道出现在干涉仪的不同输出口上。这样，单个的信道可被丢掉，而余下的信道可被再发
送。该类多路解调器的缺点是，当光纤的非线较性弱时，便需较长的光纤，使得对环境
温度的灵敏度提高。然而，极佳的结果业已展示，如最近演示了１０ＧＨｚ的重复频率
进行的亚皮秒的多路解调。该实验中，由零色散、色散平坦的光纤构造了环路镜。此种
方法确保了时钟脉冲和数据波形的色散基本相同，因而使控制脉冲信号之间的分离最小
。使用高功率的牛模疲将控制脉冲功率增至约３Ｗ，可使环长度短至００ｍ。实
验中，借助于增益变换ＤＦＢ激光二极管，利用分离出的时钟脉冲（１０ＧＨｚ）来产
生亚ｐｓ控制脉冲。然后，用这种控制脉冲分解单个的亚ｐｓ信号。此种技术应能实现
Ｔｂｉｔ／ｓ的Ｏ裕模拖低场０氲体激光放大器（ＳＬＡ）亦可用作图４的环路配置
中的非线性元件。ＳＬＡ的非线性比等长光纤的大得多，故其环路便可短得多，然而，
最快速度比仅有光纤的环路要慢些。
ＦＷＭ多路解调器如图４所示，控制脉冲（产生于与接收信号不同的波长上）与信号合
成，通过ＦＷＭ处理（产生对应于和频与差频的分量），在波长（λ０）上产生一个新
的频率分量。随后借助带通滤波器选取该新频率分量，得到多路解调的信道。此项技术
尚不十分有效，但它并不相互干扰，因而具有相对不易受外界干扰影响的优点。因此，
要对一个特定的信道实现精确的多路解调，控制脉冲的同步必不可少。这就需要从接收
的数据中提取时钟脉冲。上述的１００Ｇｂｉｔ／ｓ实验中，采用光锁相环（基于ＳＬ
Ａ的ＦＷＭ）提取了６３ＧＨｚ的时钟脉冲，随后利用该时钟脉冲驱动ＭＬ－ＦＲＬ
，以产生控制脉冲，于是控制脉冲在ＦＷＭ多路解调器中与信号合成。因此，在实现Ｏ
ＴＤＭ系统和网络所需的耐用多路解调和多路复用分系统方面将不断地取得重大进展。
四、ＷＤＭ与ＯＴＤＭ的比较如上所述，可以预计，从较长远的观点来看，ＷＤＭ和Ｏ
ＤＭ将在同一网络内并存。如由于远距离传输大量波长（１０）受到限制，假若波
长数需大量增多，则拓扑结构可能并不适用。随着容量需求的增长，此种状况便可能会
出现，远景模型表明，网络总容量需２Ｔｂｉｔ／ｓ。
图５示出利用ＯＴＤＭ高速公路将ＷＤＭ的各小岛互连，网络如何细分为更小的网络。
因此，在此种状况下，在特殊的接口点上，需要祝Ｍ与Ｏ裕模拖统互联。此种接口
需将Ｎ信道的祝模拖低秤射至Ｎ信道的Ｏ裕模拖低常电子设备愈小愈好。此种多路
复用转换器已在采用半导体光纤放大器的基础上提出。Ｏ裕模透速公路将很可能采用
非线性（光弧子）传输，并且随着容量需求的增大而扩展，其方法是采用少量波长多路
复用的Ｏ裕模托道。
图５　采用祝模秃Ｏ裕模偷网络结构
五、结论
ＷＤＭ系统正日臻成熟，并已开始应用于实际的点对点系统中。此种技术在全光纤网络
的研制中亦令人颇感兴趣，在某些网络中，多址需在远距离上使用大量信道，在此种情
况下，由于光纤的非线性会产生串扰，将导致祝模偷性能下降。其余问题出自非理想
的元部件，如光放大器、交换机及多路复用器／多路解调器。新近有关在祝模头面的
研究是了解其局限性并改进元部件的性能。有些局限性可通过采用ＯＴＤＭ来克服，该
领域的研究将继续成为人们研究之热点和重点。Ｏ裕模推今尚未成熟，最近的众多研
究集中在实现分系统（如光源和多路解调器）方面。从较长远观点来看，网络很可能会

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※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]

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