密集波分复用DWDM技术与超长距离传输

　　光传输技术发展非常迅速，特别是线路系统，其传输速率的提升是所有技术中最快的，这主要归功于WDM系统的快速发展。在过去的5年里，没有任何一种传输技术像WDM发展那么迅速。在1997年之前，很少有人明白WDM这个英文缩写代表什么，而今天则很少有人不明白这3个字母缩写的含义.

　 目前超长距离WDM系统传输更是受到制造商、运营商的充分关注.所谓超长距离传输是不采用电再生中继的全光传输，从而大大减少了光/电转换次数，降低传输成本，提高了系统的传输质量和可靠性。实际应用中，无电中继传输距离达到3000km，在实验室已经达到10000km。这也是向全光传输迈出的重要一步。

　　本文将从WDM技术特点、RAMAN放大器、超强FEC、色散补偿等方面讨论最新的发展和关键技术。

　　一、光纤与WDM技术

　　WDM波分复用并不是一个新概念，在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20世纪90年代之前，该技术却一直没有重大突破，其主要原因在于TDM的迅速发展，从155Mbit/s到622Mbit/s，再到2.5Gbit/s系统，TDM速率一直以过几年就翻4倍的速度提高。人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的技术。1995年左右，WDM系统的发展出现了转折，一个重要原因是当时人们在TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，WDM系统才在全球范围内有了广泛的应用。

　　WDM系统的发展离不开光纤，光纤是目前人们发现的频率响应最好、带宽最宽、损耗最小的传输媒质。它提供了近似无穷无尽的带宽。另外该媒质硅元素在自然界存在广泛，比起铜缆等介质要便宜得多。正是有了这种传输媒质，人们才有可能进行波长分割处理。从光纤通信发展的几个阶段看，所应用的技术都与光纤有密切联系。WDM是在光纤上实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系。目前的WDM系统是在1550nm窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨论WDM技术以前，有必要讨论一下光纤的特性，特别是光纤的带宽和损耗特性。

　　由于单模光纤G.652具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，所以从20世纪80年代末起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口。

　　理论上，WDM技术可以利用的单模光纤带宽达到300nm，即37THz带宽，即使按照波长间隔为0.8nm（100GHz）计算，理论上也可以开通400个波长的WDM系统，因而目前光纤的带宽远远没有利用。WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为WDM系统的应用和发展提供了可能。

　　二、WDM技术及特点

　　所谓WDM波长复用就是指不同颜色的光（人眼看不见）在同一根光纤中传输，就像在自由空间中赤栓黄绿青蓝紫七色光都在传输，由于它们的光谱成分不同，在大气中传输是各不干扰的。WDM系统传送的光是不可见光，但它们都在一根光纤中传输，每束光占用了一段带宽，各自无干扰地传输，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各种颜色的光信号分开。由于在光域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而称为波分复用。WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术。每个波长通路通过频域的分割实现，每个波长通路占用一段光纤的带宽。WDM系统采用的波长都是不同的，也就是特定标准波长，为了区别于SDH系统普通波长，有时又称为彩色光接口，而称普通光系统的光接口为“白色光口”或“白光口”。

　　人们在谈论WDM系统时，有时会谈到DWDM。WDM和DWDM是在不同发展时期对WDM系统的称呼。在20世纪80年代初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm窗口和1550nm窗口各传送1路光波长信号，也就是1310nm、1550nm两波分的WDM系统。随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的相邻波长间隔变得很窄（一般小于1.6nm），且工作在一个窗口内，共享EDFA光放大器。为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。所谓密集，是指相邻波长间隔而言，过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔只有0.4-2nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。如果不特指1310nm、1550nm的两波分WDM系统外，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

　　WDM系统除了极大地提高传送容量外，还可以降低系统成本，其主要特点是：（1）可以节约成本。EDFA的透明性可以同时放大多路波长，从而大大减少SDH再生器的数目，降低系统成本。在国家骨干网的传输时，距离越长节省成本越多。特别适合于国土庞大的国家。（2）提高系统的可靠性。由于WDM系统大多数是光电器件，而光电器件的可靠性很高，因此系统的可靠性也可以保证。（3）可以提高承载信号的传输性能。由于WDM系统大大减少了电子电路的处理，特别是SDH再生中继器的使用，因此，减少了抖动的积累，另外WDM系统良好的光路设计可以保证SDH客户信号无误码运行。（4）可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。（5）波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率有电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM，IP或者将来有可能出现的信号，WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。

　　三、超长距离传输

　　WDM技术并不能保证信号无限距的全光中继传输，目前，2.5G或10G的WDM信号经过400-600多km传输后，还需要进行电再生中继，依赖电再生设备保证传输进行再生后重新进行传输，但不可避免的是整个系统结构复杂，成本昂贵。在长距离传输系统中，再生中继是加大成本投入的代名词。所谓电再生距离指的是在两个电再生站之间所能传输的最长距离。对于普通WDM系统来说，一般每经过80km有1个光放大器EDFA对信号进行光放大，要保持比较长的电再生距离，必须尽可能地容许光传送段的段数。这样可以大大减少光电转换次数，从而减少系统成本。

　　对于WDM系统传输来说，目前对传输距离造成限制的主要因素是：光信噪比OSNR、色散和非线性。色散的问题可以通过色散补偿光纤完成。光信噪比OSNR的受限是通过RAMAN放大器、超强FEC技术的引进而解决的。

　　光信噪比OSNR是光纤信号与噪声的比值。OSNR的大小决定了信号质量的优劣。一般对于10Gbit/s信号接收端要求在25dB以上（没有前向纠错编码FEC技术时），光信噪比在WDM系统发送端一般有35-40dB左右，但是经过第1个光放大器后，信号OSNR将有比较明显的下降，以后每经过一个光放大器EDFA，OSNR都将继续下降，但下降的速度会逐渐放慢。劣化主要原因在于光放大器在放大信号、噪声的同时，还引入了新的ASE噪声，也就是本放大器的噪声，使总噪声水平提高，OSNR下降。下降速度逐步放慢的原因在于随着线路中级联的放大器数目增加，“基底”噪声水平提高，仅增加一个EDFA ASE对总噪声水平的影响不大。

　　EDFA的噪声系数决定了系统ASE噪声的积累速度。目前商用化EDFA噪声系数为5-7dB，要解决光信噪比OSNR受限问题，必须降低光放大器的噪声系数。为了克服噪声的积累，在超长距传输环境下，引入了一种特殊的放大器－－喇曼放大器，降低了光放大器的噪声系数和噪声累积速度，大大延伸了光电传输距离。

　　1.RAMAN放大器应用和特点

　　RAMAN放大器基本原理是受激喇曼散射效应，其表现形式是不同频带的光功率转移，即高频波光能量转移到低频波上去，也就是短波长光能量将转移到长波长信号上。效率最高的能量转移发生在波长间距100nm左右，即1450nm泵浦源在1550nm产生的RAMAN增益最高，因此要放大C+L波段1530-1605nm的工作波长，最佳泵浦源波长在1420-1500nm波段，从理论上讲，采用RAMAN放大器可以放大任何波长的工作信号。

　　从实现RAMAN放大的方式来看，现在应用都是采用传输线路光纤作为工作媒质，而不像EDFA专门用一段掺铒光纤进行放大。在采用RAMAN放大器的WDM系统中，只需要泵浦源，而不再需要特殊的工作媒质。正常EDFA的噪声系数为5-7dB,ＲＡＭＡＮ放大器由于是分布式，其等效噪声系数很小，大约在-2-1dB。由于RAMAN放大器在前，RAMAN+EDFA放大器很大程度上决定于RAMAN放大器的噪声系数。一般来说，采用RAMAN放大器后可以减小光放大器噪声系数3dB左右，也就是光放大器噪声从6dB降低到3dB以下，至少延长传输距离1倍，从而延长光电传输距离1200km以上。

　　从应用上看，RAMAN更多采用的是后向泵浦。如果RAMAN泵浦源和工作波长在同一个方向传输，尕浦源与工作波长信号传输方向和路径相同，经过的相位改变也相同，其偏振态的关系维持一个固定相位，即信号开始传输时的相位差。由于RAMAN增益的偏振效应，如果工作波长与泵浦源的偏振态相差90°，则信号无法获得增益，如果相差45°，其增益也会受到影响。只有工作信号偏振态与泵浦源完全一致时，信号才能获得有效增益。而实际光工作信号经过许多段光放大段的传输，其偏振态随光纤传输变化很大，是一个动态数值，每个光放大器站放置的泵浦源很难保证与工作波长偏振态一致，其RAMAN增益的效率将降低。由于偏振增益的关系，RAMAN放大器一般不采用同向泵浦，而采用反向泵浦。

　　2.超强FEC技术

　　在超长距离WDM系统中，一般在光传送单元（OTU）内配备前向纠错（FEC）功能，这种采用电子电路的复杂性来换取光功率预算的增加，是延长光电再生距离有效手段。目前采用的是G.975规定的海缆Reedsolomon编码方法，虽然使开销增加了7％，但可以使OSNR增益达到5-7dB。为了更大程度地提高功率预算，厂商又采用了新的FEC技术，即采用更多冗余字节进行纠错。一种广泛应用的是交织或级联ReedSolomon编码（多重R-S编码）－－RS(255,237)和RS(255,244)级联编码，线路速率为12.502Gbit/s，开销增加25％，可以提高增益7-9dB，比G.975规定的R-S的编码效益高2-3dB，传输距离提高1.5-2倍左右。也有厂商采用BCH-20编码方案，BCH-20编码实施起来比R-S更加复杂，但效率更高，开销增加7％，增益也可以达到9dB左右，也就是说，BCH采用7％开销可以达到R-S编码25％的作用，但物理实现上更加困难。

　　采用超强FEC编码后，光信噪比OSNR的预算要增加2-3dB左右，RAMAN放大器应用提高OSNR预算3dB，两者相加光链路预算增加5-6dB，也就是光传输距离增加到4倍左右，这将使光电传输距离从500km提高到2000km，从而更大程度地减少背对背OTU中继站，减少系统成本。

　　3.色散补偿技术

　　对于超长距离的传输，各种线性或非线性的积累都比较严重，必须予以补偿。色散是一种主要线性补偿对象。一般采用色散补偿光纤技术。

　　对于G.652光纤，都是有一定斜率的，斜率大约为0.06-0.07ps/nm2.km，要补偿该斜率，DCF光纤也要有相应的斜率分布。由于DCF光纤的长度只有G.652光纤的1/5-1/6，因此如果DCF的斜率是G.652光纤的5-6倍，则恰好补偿完G.652光纤高端和低端的色散，也就是要求DCF光纤的色散斜率为0.4ps/nm2.km左右。而实际商用DCF光纤的斜率约为（0.35-0.45）ps/nm2.km，因此可以较好地补偿G.652光纤斜率。

　　而对于G.652光纤，情况则发生了比较大的变化，首先是LEAF光纤的斜率较大，典型值为0.09ps/nm2.km，另外一个重要问题是LEAF光纤的色散系统不大，一般在3-6ps/nm2.km，DCF光纤的长度只有1/20，因此要较好补偿LEAF光纤整个频带的色散，DCF的斜率必须为0.09×20＝1.8ps/nm2.km，而实际上DCF的斜率只有0.4ps/nm2.km左右，因此对于LEAF光纤的WDM系统，色散斜率的补偿更加困难，目前LEAF光纤斜率补偿还是一个需要解决的问题。

　　基于高阶模HOM，色散补偿的主要优点在于它能对任何C和l波段的非零色散位移光纤所需要的负色散及斜率进行精确的匹配，也有人主张采用高阶模HOM光纤技术来进行色散补偿，但实际应用效果尚待观察。

　　四、总结

　　WDM技术第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波长复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。因此，从某种意义上讲，WDM技术的应用标志着光通信时代的真正到来。

　　超长距离传输是向光传输迈出的重要一步，也是RAMAN放大器、超强FEC、色散补偿等新技术应用发展的必然结果，超长距离传输将大大降低传输成本，提高系统的传输质量和可靠性。特别对于中国这样田土面积庞大的国家，该技术有着广阔的市场和应用前景。

摘自《现代通信》