基于WDM系统关键因素的研究

2019-07-28 版权声明 举报文章

基于WDM系统关键因素的研究

[摘要]高速率、大容量一直是通信发展的追求。WDM系统能充分利用光纤的带宽,发掘光纤的潜力,也是未来全光网络发展的重要一步。本文主要从衰耗、色散和非线性等主要方面分析对WDM系统的影响,及目前针对这几大因素的解决方案。

[关键词]WDM系统 色散 放大器 非线性

[中图分类号]F407.6 [文献标识码]A

[文章编号]1672-5158(2013)05-0026-02

1 前言

数据业务已是当今互联网发展的主要推动力,特别是近年来IPTV、高清视频、3D游戏等业务的迅速发展,对于带宽的需求更是迫在眉睫。现有基于SDH为基础的MSTP平台能很好的支持10Gb/s的业务,而对40Gb/s甚至100Gb/s以上的业务目前还存在着瓶颈。而WDM系统能充分利用现有的基础,承载多种业务,缓减目前对网络带宽需求,并对网络资源整合,能够有效提高网络的可靠性和可维护性,有着巨大的发展空间。

2 WDM技术简介

WDM技术是一种光纤复用技术,将不同波长的光信号复用在一根光纤中传播。光在传播中会受到损耗和色散等因素的影响。目前,WDM技术比较成熟已经开始商用,但也存在很多因素影响WDM系统的可靠性,主要是线路衰耗、色散、非线性效应。

3 线路衰耗

波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了,两波长WDM(1310/1550nm)系统80年代就在美国AT&T网中使用,速率为2×1.7Gb/s。而多年来一直发展比较缓慢主要就是受到线路衰耗的影响。由于光信号通过光纤后,功率降低,限制了传输距离。在SDH系统中,主要采用再生中继器的办法,需要光电光的转换和处理。如果WDM系统也采用这种办法,就必须先把多波长分解到单波长光,转换为电信号放大,传输成本很高,仅仅节约了光缆不够实用。通常通过使用放大器的方法来解决线路衰耗问题。因此,直到光放大器的商用化才使得WDM技术焕发春天。

放大器在WDM系统中根据用途不用可分为光功率放大器、光线路放大器和光前置放大器。光功率放大器放在发送端台波器之后,主要是为了提高发射信号的功率。光功率放大器放在光纤线路中间,主要是光通过长距离传播后衰减达到28db左右,需要进行放大。光前置放大器放在接收端的分波器前,补偿信号在传输过程中的衰减。一股情况下,光功率放大器和光前置放大器会同时使用,以延长信号的传输距离,光功率放大器会根据实际情况选用。

目前,人们已经研究出半导体激光放大器、非线性光纤放大器和掺稀土元素的光纤放大器。在WDM系统中应用比较广泛的是掺铒放大器(EDFA)和喇曼光纤放大器(RFA)。掺铒放大器实用化始于1994年,是目前最为成熟的技术,它具有高增益、低噪声、有效工作波长宽、输出功率大的特点,并且价格较低,已经在WDM系统中大量使用。掺铒放大器由掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、隔离器等几个部分组成。主要是通过泵浦光源来激活铒离子,产生电子跃迁,而这些电子从高能级回到低能级时放出新光子来释放剩余能量,从而实现放大光信号功能。掺铒放大器又可以分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦噪声系数好,反向泵浦输出功率高,双向泵浦则输出功率高噪声系数与同向泵浦相当。由于EDFA工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500~1600nm),并且平均无故障时间高、寿命长,根据不同用途已经制成不同放大器广泛应用。喇曼光纤放大器是一种非线性放大器。喇曼现象最早由1928年Raman爵士发现的,即将一个光束在晶格振动过程中,自身能量转移而频率下移,将其能量叠加在信号光上,从而完成对信号光的放大。由于EDFA非常适合做C波段的放大器。而通过调节泵浦光的波长,喇曼光纤放大器可以放大几乎所有波长。当WDM的波数达到32波及以上的时候,就需要同时用C和L两个波段,采用EDFA和和喇曼光纤放大器相结合,就能有效的提供增益,特别适合高速率、长距离的通信。

4 色散

色散现象是光纤传输中另外要考虑的重要问题。色散现象主要是不同波长由于速度不同产生的延迟,引起误码。除了光纤外,光源的中心频率、接收机性能等都会影响色散。在wDM系统中主要要考虑的是色度色散和偏振模色散。

4.1色度色散

首先,我们讨论色度色散。当传输速率从10Gb/s增加到40Gb/s,比特间隔变小,色散容忍就降为原来的1/6,因此在高速率、宽频域的WDM系统受到色散影响就比较大。目前在工程上主要是用色散补偿光纤及光纤布拉格光栅补偿。

1)色散补偿光纤。目前工程中常用的是G.652光纤,其色散色度是正值。而色散补偿光纤色散度与G.652相反,是一种特制的为负色散值和负色散斜率的光纤。在工程中,将这两种光纤相互补偿,就能有效的控制色散。由于色散补偿光纤是一种无源的补偿办法,可以替代原光纤的任何位置,使用起来灵活方便,易于控制。由色散补偿光纤导致损耗增大的问题可以使用放大器来解决,因此得到大量的使用。

2)光纤布拉格光栅补偿。光纤光栅是利用光敏性制成的,使得不同的光反射的位置不同,形成相对的时间差。光纤布拉格光栅补偿的原理是当光脉冲通过线性啁啾光栅后,短波长的光时延比长波长的光时延大,正好起到了色散均衡作用,从而实现色散补偿。布拉格光栅所能补偿的色散量和带宽由光栅长度和啁啾量来决定,利用光纤对应变和温度的响应特性,实现啁啾光纤光栅动态调谐功能。布拉格光栅补偿的关键在于啁啾的精确控制。

当然还有预啁啾补偿方法,主要用在外调制系统中,在发射端激光器附加额外的正弦调制,使得光脉冲先变窄,后变宽,有效的减小信号的啁啾,也能有效的解决色度色散问题。

4.2偏振模色散

偏振模色散是目前WDM系统传输的难点之一。主要是由于偏振模色散不像色度色散具有稳定值,是动态变化的,因此对偏振模色散的补偿也需要是动态变化的实时过程,复杂度较高。偏正色散的容忍度与比特率成反比,40Gb/s的容忍度是10Gb/s的1/4,而偏振模色散又是一个统计量,和温度、光纤制造工艺、时间等都存在关系,测量也比较复杂。

目前针对偏振模色散主要采用的是良好的编码及调制技术。偏振模色散受限距离与调制码型有关,主要采用的是RZ码和DQPSK码。此外,还可以采用前向纠错(FEC)等技术来补偿,来避免使用比较复杂的偏振模色散补偿器件。前向纠错技术主要是在发送端对原始信号进行纠错编码,在接收端进行译码,自动发现并纠错,可以用效的提高信噪比,提高系统的性能。

5非线性效应

非线眭效应是光场和物质相互作用时,非线眭极化而产生的效应。在传统的光纤通信系统中,光纤中光场较弱,光纤的各项特征参量随光场做相应的线性变化,这样我们就认为光纤是一种线性介质。但随着光功率的增加,传输距离远,非线性效应就会累加。在WDM系统中信道数目增多,使得非线性效应比在SDH系统中的影响严重,因此非线性效应成为影响系统性能的主要因素之一。WDM系统中合波器、分波器的插入损耗较大,需要利用放大器补偿,在放大光功率的同时,也使得非线性效应大大增加。

非线性效应主要可以分为受折射率影响的调制效应如自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频效应FWM等及受技散射效应如受激布里渊区散射SBS和受激拉曼散射SRS等。

自相位调制SPM的产生是由于光波本身强度引起的折射率非线性变化,由于脉冲在前后沿及顶峰强度不同,因此脉冲的不同部分有不同的相移,由此产生脉冲的啁啾效应。在普通色散光纤中,高频分量传播速度较快,会使得脉冲会窄化过程,一定程度上抵消了色度色散的展宽。一般来说,只有在高色散或者传输距离较远的系统中,自相位调制影响比较明显,需要在适当的间隔进行色散补偿的方法来减少自相位调制的影响。

交叉相位调制XPM和自相位调制SPM主要区别是信号脉冲一个是对自身相位的影响,一个是对相邻通路产生的影响。除了上

述的采用色散补偿的方法还可以用色散小的G.653和G.655光纤来

四波混频效应FWM是因不同波长的两三个光波相互作用,导致产生新的光波,会产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。随着WDM系统中波长数量的增加,信道间隔增加,四波混频效FWM的影响也随之增大。目前主要是通过分析FWM与色散的关系,增加光纤的有效截面或采用较小的非线性折射率的光纤可以减小FWM的影响。

光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS产生原因都是一定强度的光波通过光纤介质时,引起光纤分子材料的振动,相互影响所调制的结果。受激拉曼散射sRS是光与硅原子振动模式间相互作用的结果。在WDM系统中短波长的信号被这种过程所衰减,而长波长信号得到增强,引起信道功率不平衡。一般情况下,SRS影响不大,在实际系统设计时不考虑其影响。SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果,区别在于SBS产生的转移能量较小。目前抑制SBS的办法主要是在激光器发送端加一个低频调制信号,提高SBS的门限值。

6 小结

以上研究表明,线路衰耗、色散和非线性直接影WDM系统的性能。在工程实际过程中,根据不同的传输隋况,选择合适放大器,合适的色散管理及补偿方案,合适的光纤可以有效的改善传输质量、提高系统性能。全光网络是未来网络的发展方向,波分系统作为全光网络的重要一步,大大简化了网络结构,降低成本,必将有着光辉的前景。当然,我们也看到波分系统还存在很多问题,选择相对成熟的方案,实现最大程度的标准化,解决目前存在的难点,推动全光网络的发展。

参考文献

[1]王延恒.光纤通信技术基础,天津大学出版社,1996

[2]郑波,臧志宏.40GWDM系统编码及色散补偿技术在工程中的应用

[3]沈建华,邵钟浩.四波混频对WDM系统的影响[J]光纤与电缆及其应用技术,2001

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