WDM 系统中L 波段的应用

                    贾振生  张成良
                （中国电信集团北京研究院北京100035）
[b摘要:[/b]当前光传送网中WDM 技术主要在光纤的C 波段使用，随着以IP 业务为主的数据业务对传输带宽需求的进一步增长，更长波长的L 波段的开发和应用越来越成为人们关注的重点。本文深入分析了L 波段应用的重点技术，主要包括了码型技术、光纤的选择、光放大技术以及系统的色散补偿和PMD 补偿技术；文章还给出了当前商用波分市场上包含L 波段应用的1.6T 系统的产品特点，最后结合前面的技术及产品分析，并针对中国业务发展的趋势和光传送骨干网的实际情况，提出了L 波段应用的建议。
关键词L 波段调制码型光纤光放大色散补偿
    近年来，以数据、视频为主的Internet 业务每年在爆炸性激增，并逐步超越语音业务成为干线链路中传送的主要信息流，这使得目前长途传输网络的业务总量迅速飙生，促使人们不断寻求新的解决方案进一步增加链路带宽，提高网络传输业务的能力。
    利用密集波分复用（DWDM）方式，充分挖掘光纤本身巨大的带宽资源，是提高传输容量最有效的出路。基于此，长途骨干光网继续向超长距离的超密集波分复用(Ultra DWDM)系统加速迈进，这意味着将出现更多的覆盖波段、更窄的信道间隔、更高的信道速率和更长的再生器跨度。传统DWDM 在C 波段的研发已经取得了很大进展，单一波长的传输速率从2.5 Gbit/s 到10 Gbit/s，目前现场实验水平已达到40 Gbit/s，超长距离传输达到了数千公里无再生。从商用化的角度看，在近几年内最可能得到商用的系统将从目前320 Gbit/s 系统转向单信道速率为10 Gbit/s、波长信道数在100～160 之间覆盖C 和L 两个波段、传输距离可达数千公里的DWDM 系统，其直接的应用是大国的国家级干线和国际干线。由于这种包含L 波段应用的超宽频带传输系统中仍存在一些关键的技术问题有待解决和商用化。因此，目前该领域吸引着一大批研究机构和公司企业进行研究。
    从中国地域特点来看，幅员辽阔、人口众多，地区信息化增长潜力较大。因此包含C 和L两个波段的宽频带传输系统在国内有着广阔的市场和应用前景，这将使各个运营公司传输链路的投资和运营成本降低，同时提高整个系统运行的可靠性，进一步提高带宽供给的竞争力，在未来的国内外市场中占据应有的市场份额，并使其能在下一代的信息传输技术方面继续与国内外研究保持同步发展。
1 重点技术
1.1 码型技术
    由于不同线路调制码型的光信号在光纤色散、SPM（Self-Phase Modulation：自相位调制）、XPM（Cross Phase Modulation：交叉相位调制）等非线性的容纳能力、频谱利用率以及对解复用器的要求等方面具有不同的特点，尤其是在数千公里以上的超宽频带和超长距离传输中，不同码型在传输能力以及系统复杂度方面的不同将显得尤为突出。C 波段传输
各种码型表现出来的特性在L 波段也有着类似的性质，图1 给出了当前传输码型中研究与应用较多的几种。
    对于NRZ 码，应用简单、成本低、频谱效率高，在目前主要干线上使用，但其光比特序列的平均功率电平比RZ 编码高，这使得它们更容易受到非线性失真的影响，由于每一个脉冲的NRZ 码元过渡不归零，它们对传输损伤更为敏感，因而对于L 波段而言，不适用于高速超长距离光信号的传输。
    对于RZ 码，非线性容限能力提高，由于其相邻的光脉冲之间光功率会回到0，相对于NRZ码来说其定时变得更为丰富，有利于恢复时钟，可以减小由连1 高功率码带来的码型效应，对于长距离和高速率的系统较NRZ 码更合适，RZ 码的主要缺点是相对于NRZ，比特过渡的数量较多而导致信号频谱宽度的增加，增加调制器使系统变得复杂，成本提高，但相对于NRZ 码来说，在未来的L 波段的太比特以上容量、长距离的传输系统中会得到广泛使用。
    对于CS-RZ 码，是在传统归零码基础上，在每个相邻符号位的载波之间加入π的相位差，而不论符号位中是0 码还是1 码。载波的相位差也可以看作是信号加一个负号而载波不变。这个有正负双极性的信号，其均值为零，所以它的频谱中，零频率处无δ函数导致的尖峰；相应的乘以载波以后，在载频处也没有尖峰。其频谱宽度介于RZ 和NRZ 之间，可在增加功率的同时，保持其非线性容限性能，更适合于在未来L 波段单通道为40Gbit/s 的波分系统中应用，但其成本相对较高，目前还处于实验阶段。
双二进制(duobinary)非归零码是在传统非归零码基础上，每当出现一个0 码，就把载波的相位增加或减少π。引入这样的相位使得它的频谱变窄，色散容纳能力也增强了，同时它也具有抑制SBS 的性能。DPSK 是先对要传输的码列进行差分编码，然后再进行相位调制。先进行差分编码的好处在于，接收端可以通过一个两臂时延相差一个码元周期的MZ 干涉仪得到可以直接检测的信号。而在信号传输的过程中，由于是相位调制，其光功率保持恒定，故光纤折射率变化较小，这将回避SPM、XPM 等非线性效应。双二进制码和DPSK 码是当前科研的重点，距离实际应用还有很长一段距离。
1.2 光纤的选择
    目前光纤光缆市场符合ITU-T G.65X 规定的新型特种光纤种类繁多，如针对G.655 型光纤，就有以增加模场有效面积以减小非线性效应为方向的Corning 的LEAF 光纤和以低色散斜率为方向的Alcatel 的Teralight 光纤，还有其它厂家的，如长飞的大保实光纤、原朗讯的TW-RS 等。为了满足特定需要以及系统优化设计的要求，要综合考虑光纤的参数指标：要使光信号非线性小，要选择大有效面积；要使光信号的FWM/XPM 作用小，要选择色散系数大；要使色散补偿要求低，需选择相对色散斜率小；要满足色散补偿光纤长度短，需色散系数小；要使拉曼放大泵浦功率小、效率高，需选择小有效面积等，因此选择与新型器件、新型系统相适应的光纤，要权衡各个参数之间的关系。
    与传统C 波段相比，L 波段的色散与衰减值都发生了变化。依据典型商用光纤的参数可以初步得到一些数据，如表1 所示。可以看出损耗值相差不大，基本上还处于第三传输窗口的底部，因有一定的斜率，所以在L 波段的边缘1 625 nm（0.205 dB/km）处会有些差距；而对于色散值则变化比较明显，G.652 光纤的两个波长色散相差2.6 ps/nm/km 左右，G.655 光纤为3.1 ps/nm/km 左右。
          表1 C 波段和L 波段的比较
主要性能指标C     波段（1 550 nm）     L 波段（1 600 nm）
损耗（dB/km）          0.188           0.19 G.652
色散（ps/nm/km）      16.69           19.3
损耗（dB/km）          0.197           0.201 G.655
色散（ps/nm/km）       4.813           7.99
    由于G.652B/C 光纤在C 波段和L 波段的色度色散系数较大，一般为17～22 ps/nm/km，同时它还有较大的模场有效面积，非线性容限将增强。因此，它可以克服光纤非线性的劣化影响，目前商用的N×2.5 Gbit/s 的DWDM 系统大都采用G.652 光纤，在更高速的N×10 Gbit/s的DWDM 系统时,则需要采用色散补偿措施,增加了光纤放大器，提高了系统成本，当信道间隔减小，信道数进一步增加并将使用波段扩展至L 波段，其过大的色度色散系数将成为制约系统使用的主要因素，因此对于未来L 波段的应用并不推荐G.652 光纤的使用。
    对比而言，由于G.655 光纤具有较低的色散系数和较小的模场有效面积,因此，它可以有效地克服光纤色度色散系数的劣化影响，适用于开放通道基础速率为10 Gbit/s 甚至40Gbit/s 的系统，从应用情况来看，G.655A 光纤在技术上已完全成熟，进入了大规模的应用时期。在国内，国家干线光缆网上已开始使用G.655A 光纤，而G.655B 光纤在G.655A 的基础
上，更适合超高密度超宽频带波分系统的应用，目前G.655B 型光纤生产技术已经很成熟，今后对于L 波段系统而言，G.655B 光纤应该成为首选。
1.3 光放大技术
    光信号放大功能由光放大器实现。其中C 波段掺铒光纤放大器(EDFA)已广泛应用于实际工程中，目前，能实现L 波段放大的光纤放大器有三种：增益位移掺铒光纤放大器(GS-EDFA)、掺铒碲化物光纤放大器（EDTFA）和光纤喇曼放大器（FRA）。
    近年来，随着GS-EDFA 技术的不断成熟和完善，利用其实现L 波段、C＋L 波段和带宽更宽的S＋C＋L 三波段的WDM 传输的报道也越来越多。现在，GS-EDFA 的基本原理和特性已经研究得比较深入，其饱和增益特性、增益平坦、温度稳定性及补偿方法等方面均有研究。其它各种适用于L 波段的光通信器件，如信号源、耦合器、增益平坦滤波器等也不断地被研制成功，随着L 波段市场应用需求的增强，GS-EDFA 的商业应用指日可待。
    与L 波段EDFA 相比，EDTFA 的基本结构是相同的，但所需的掺铒光纤的长度在相同掺杂浓度下大大减小。EDTFA 具有增益带宽大等优点，同时也具有自身难以克服的不足，如难以与常规的石英光纤熔接，只能采用V 型槽连接法，导致较大的插入损耗。由于碲化物光纤具有较高的非线性系数，EDTFA 在WDM 系统中引起的交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)效应远高于石英基质EDFA，因此，EDTFA 在传输系统中实际应用的时机尚不成熟。
    光纤拉曼放大器（FRA）除了同EDFA 一样，具有全光纤结构，易与传输光纤实现良好的耦合，对传输信号格式及调制速率透明的优点外，其放大频带的灵活性（包括频带的位置及带宽），及由其分布式放大所带来的低噪声的特点，使其成为经济可靠地实现大容量长距离光纤传输的关键技术之一。
    三种L 波段光纤放大器中，增益位移掺铒光纤放大器是研究最多，也是最成熟和最接近商用的；掺铒碲化物光纤放大器由于具有较大的增益带宽和较小的噪声指数而异军突起，正处于研究最热的阶段；光纤喇曼放大器能实现的增益带宽更宽，噪声指数也较小，但由于成本等方面的限制，目前主要用于EDFA 无法放大的波段，或作为分布式光纤放大器与EDFA 组成混合放大器，用于提高WDM 系统的传输性能，随着相关技术的进一步提高，成本的进一步下降，DRA的应用将会越来越广。
1.4 色度色散补偿与PMD 补偿
    L 波段的应用意味着色散控制需要在C 和L 两个波段同时实现，色散斜率的存在和波长范围的扩展，意味着较短波长与较长波长之间的色散累积差别将增大，因而针对不同波长就会有不同的补偿量。L 波段有着更长的波长，对G.655 和G.652 两种光纤类型而言，其色散系数比C 波段大2～3 ps/nm/km，因而在补偿过程中，与C 波段有所不同，要重新考虑整个系统的传输距离，分析补偿量。对于L 波段的系统，基本在10 Gbit/s 及其以上速率应用，因其色散与偏振模色散的影响变得很严重，在色散补偿技术方面，L 和C 两个波段具有类似的性质，相应的补偿方法也基本一致。
    在补偿技术的选择方面，长啁啾光纤光栅等色散补偿模块的方法由于带宽窄、温度敏感及复杂的封装等问题，真正商用还需进一步观察。高阶模色散管理和采用频谱反转技术进行色散补偿的方式技术先进，但设备较复杂，稳定性没有足够的保证，还不是当前应用的重点，但要积极跟踪其商用化发展。当前，尽管存在着各种缺点，色散补偿光纤仍是对原有G.652 光纤进行色散补偿与管理的主流商用方案。对于偏振模色散的补偿，对于2.5 Gbit/s 和10 Gbit/s商用系统还不需考虑，而对于超长距传输以及40 Gbit/s 系统则不可避免地要去考虑，而且还应注意到高阶PMD 的问题，在目前PMD 补偿器件并不成熟的条件下，PMD 补偿的原则是：尽量选取优良光纤和优良码型以及采用FEC 或EFEC 技术，避免PMD 的补偿。
2 市场产品
    在过去的几年中，2.5 Gbit/s 系统是实际应用设备的主体，但在北美对于2.5 Gbit/s 系统的使用已经基本饱和，在10G 系统已经开通了4～8 个通道，对于中国而言，随着业务的增长，10 Gbit/s 系统已经开始在多个运营商的网络中得到应用。目前电信网络中使用的波分系统的主流设备是32×10 Gbit/s、40×10 Gbit/s，全球实际敷设的DWDM 系统已经超过3 000个，而实用化系统的最大容量已经达到400 Gbit/s。在长距离传输系统中DWDM 已经得到广泛应用，系统通道已有128、160、176 等数目，总传输容量可以达到Tbit/s。设备商由过去的少数垄断发展到现在的百家争鸣，而且各具特色，使得宽带波分系统的市场供应相当繁荣。
    在商用波分产品中，包含L 波段应用的系统主要是指1.6 Tbit/s 系统，目前世界上实用化1.6 Tbit/s 长距离传输系统的设备供应商有多家。除了Alcatel、Lucent、Nortel、Siemens、NEC 等公司之外，在高容量长途光传输系统方面出现的一些新的设备，例如Corvis公司的3.2 Tbit/s 系统、Marconi 公司的SmartPhotoniX UPLx160 系统、Hitachi Telecom(USA) 公司的AMN 6100 等。
   1.6Tbit/s 的光传输设备均采用开放式机架结构，系统支持多速率接口，可以实现多业务，支持多种类型的组网方式，如2 纤或4 纤环。系统单通道的传输速率为10 Gbit/s，工作波段在C 波段和L 波段两个波段，在这两个波段范围内各分配80 波，共160 波（只有Ciena公司的1.6Tbit/s 系统只工作在C 波段，采用25 GHz 通道间隔技术）。系统支持多种光纤类型，采用带外FEC 设备（除Nortel 采用带内FEC）。一般采用MUX/DEMUX+Interleaver 技术。C 波段放大器主要采用传统的、技术比较成熟的EDFA，L 波段放大器，有的厂商采用了GS-EDFA（传输距离在1000km 左右），有的采用EDFA+Raman 放大器技术，使系统信噪比改善、传输距离增加（传输距离达到2000 km）。设备采用色散补偿模块进行色散补偿，有的设备采用目前比较看好的光孤子技术作为超长距离传输方面使用（如Marconi、Lucent 的1.6Tbit/s 系统，使传输距离增大到3000 km）。
3 总结
    对于L 波段的应用，要充分考虑L 波段重点技术的发展和其产品的成熟程度，在此基础上分析实际业务的发展需求，同时还要研究各个运营商自己当前实际网络的容量及可升级的能力情况来综合决定L 波段在现网中的实际投入应用的时间。
    对于早期铺设色散位移光纤的运营商最为关心L 波段的应用，像日本、意大利和南美洲一些国家的主要运营商。因为DSF 在C 波段1 550 nm 处色散为零，四波混频的非线性影响较大，特别是当进一步减小信道间隔进行扩容的时候，这种影响将更加明显。而在L 波段较小的色散，避免了各个通道之间的相位匹配，在很大程度上减轻了四波混频造成的传输损伤，因此使用L 波段传输信号是其扩充容量的首选。日本的NTT 于2003 年1 月30 日使用朗讯WaveStar. OLS 400GL 开通使用了L 波段，这可以说是世界上首个使用L 波段进行实际信号传输的运营商。
    对于中国增长较快的数据多媒体业务，其所需带宽当前主要通过在一期系统的基础上进行扩容，主要方式是在系统终端增加OTU 板，加开波分系统的波长通道来提高容量，而L 波段真正在中国的使用将是2 年以后的事情。而对于未来新建系统，应该考虑到今后扩容升级的问题，在选用波分设备时，初期可以配置较少，但应具备升级到L-band 的能力。采用这样的规划，可以在未来避免重复性投资和减少追加投资。
    [作者简介] 贾振生,清华大学硕士，中国电信集团北京研究院技术部传送与接入网研究室工程师；张成良，中国电信集团北京研究院技术部主任，高级工程师，国内通信标准研究组传送网组长。
    L-band Application in WDM System Jia Zhensheng, Zhang Chengliang
(China Telecom Beijing Research Institute, Beijing 100035)
Abstract Fiber c-band has been deployed by means of wavelength 
division multiplexing(WDM) technology in the current transport
networks. As the data traffic relying mainly on IP traffic being
right to the further growth for transmission bandwidth demand,
the development and application of Lband in fiber becomes
the focal point that people pay close attention to more and more.
The key technologies for L-band application are analyzed deeply 
here, which mainly include the modulation format,
the selection of fiber types, the optical amplification
technology, the chromatic dispersion compensation and 
polarization maintained dispersion(PMD) compensation technology.
The product characteristics of 1.6Terabits system in which
L-band is used in the current vendor markets are investigated.
Finally, combined the previous analysis for the key technologies
and the systems, and simultaneously considered the trend of
the traffic and the actual conditions of our country transmission
backbone network, the suggestions of L-band application are
presented Key words L-band modulation format fiber optical amplification dispersion compensation（收稿日期：2003-08-06）
Reference:
[1] 韦乐平“下一代的光通信技术”，2002 年光网络研讨会，中国北京，2002 年6 月
[2] A. S. Siddiqui, S. G. Edirisinghe, J. J. Lepley, J. G. 
Ellison,S. D. Walker, "Dispersion-Tolerant Transmission Using
a Duobinary Polarization-Shift Keying Transmission Scheme,
"IEEE Photon. Technol. Lett.,vol. 14,pp. 158-160, Feb. 2002.
[3] Na Young Kim, Duckey Lee, Hosung Yoon et al. Limitation 
of PMD compensation due to polarization-dependent loss in 
high-speed optical transmission links. IEEE Photon. Technol.
Lett. 2002, 14(1):104-106
[4] K. Shimizu, et al, OFC'01, 'fiber-effective-area managed
fiber lines with distributed Raman amplification in 1.28Tb/s
(32*40Gb/s),202km unrepeatered trasmission'