DWDM系統(tǒng)在城域網(wǎng)中的應(yīng)用

　　DWDM技術(shù)基礎(chǔ)

　　DWDM的出現(xiàn)是光纖傳輸技術(shù)發(fā)展的一個最重要里程碑。在以下的討論中我們簡要地追述光纖技術(shù)發(fā)展的各個階段和DWDM在發(fā)展中的地位。接著我們研究DWDM系統(tǒng)的組成和功能。
　　
　　光纖傳輸?shù)难葸M(jìn)

　　光纖傳輸?shù)目尚行栽?9世紀(jì)已經(jīng)進(jìn)行過實驗，但是這項技術(shù)真正出現(xiàn)飛躍是在20世紀(jì)下半葉光纖核心的發(fā)明之后，最初應(yīng)用在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，例如腹腔鏡手術(shù)中。在具備通過光纖傳輸光的能力后，下一步就是尋找具有有效能量和帶寬窄的光源。發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器很好地適應(yīng)了這些要求。自從1960年被發(fā)明以來，激光已經(jīng)發(fā)展了好幾代。到今天半導(dǎo)體激光器在光通訊中應(yīng)用得最廣泛。

　　光波可以攜帶比最高的無線電頻率高10000倍的信息。此外，光纖比銅線有利之處是能夠使信號傳輸很遠(yuǎn)的距離，而誤碼率很低，不受電干擾，保密性好，重量輕。

　　由于有這些優(yōu)點，在1960年中葉，研究人員們建議采用光纖作為傳輸媒介。然而，使用玻璃卻存在一個障礙：信號強度的損失，或稱衰減。最后，在1970年，康寧生產(chǎn)出第一根通訊級光纖，衰減低于20分貝/公里，這種純凈的玻璃光纖越過了衰減的極限使得光纖成為一種可行的技術(shù)。

　　開始的革新進(jìn)行得很慢，由于私人和政府的壟斷使得電話公司小心從事。AT&T首先將多模光纖傳輸?shù)乃俣葮?biāo)準(zhǔn)化為DS3(45 Mbps)，其后很快發(fā)現(xiàn)，單模光纖的傳輸能力比老式光纖大10倍。在20世紀(jì)80年代初，MCI，接著是Sprint在其美國的長途網(wǎng)絡(luò)中采用了單模光纖。

　　光纖的進(jìn)一步發(fā)展與光譜中衰減非常低的特殊區(qū)域的使用緊密關(guān)聯(lián)。這些區(qū)域稱為窗口，位于高吸收端之間。早期的系統(tǒng)在850nm附近使用，這是硅類光纖的第一個窗口。接著第二個1310的窗口（S帶）被發(fā)現(xiàn)具有更低的衰減，然后是第3個窗口（C帶）位于1550 nm 的損耗還要低。現(xiàn)在，第4個窗口（L帶，位于1625nm 附近）正在進(jìn)行研究和初步應(yīng)用。　　　
　　DWDM技術(shù)的發(fā)展

　　WDM在20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)，早期使用間隔很大的兩個波長1310nm和1550nm(或者850nm和1310nm)區(qū)域，有時被稱為寬帶WDM。注意：其中的一根光纖是用來進(jìn)行發(fā)射，另外一根是用來接收。這是最有效的設(shè)置，在DWDM系統(tǒng)中也常用到。
　　
　　20世紀(jì)90年代早期，出現(xiàn)了第二代WDM, 有時也被稱為窄帶WDM, 使用2個到8個信道。這些信道在1550nm窗口的間隔為400 GHz。到了90年代中期，帶16到40信道，間隔為100到200 GHz的密集波分復(fù)用器（DWDM）出現(xiàn)了。90年代末，DWDM系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到有64到160平行信道，間隔為50甚至25 GHz�？梢钥吹郊夹g(shù)是朝著波長數(shù)越來越多而波長間隔在不斷縮小的方向發(fā)展的。由于提高了波長的密度，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)的形式上越來越靈活。
　　　　
　　DWDM技術(shù)不斷地提高信道的密度，這對光纖的負(fù)載能力帶來了巨大的影響。在1995年，當(dāng)首個10 Gbps出現(xiàn)的時候，容量增加的速率從每4年增加4倍增到每年增加4倍。
　　
　　DWDM系統(tǒng)功能

　　在其核心，DWDM包含少量的物理層功能。

　　波長以電磁頻譜中的絕對值來表示。有效光波是在其中心波長周圍很窄的窄帶。
　　　　
　　系統(tǒng)執(zhí)行以下主要功能：

　　產(chǎn)生光信號——固體激光器必須發(fā)出穩(wěn)定的，特定窄帶的光信號，同時攜帶被模擬信號調(diào)制的數(shù)字信息。

　　合并光信號——現(xiàn)在的DWDM系統(tǒng)使用多路復(fù)用器合并光信號。在合復(fù)用和解復(fù)用的過程中會有固定的損耗。這種損耗與信道數(shù)有關(guān)，但是可以通過放大器來彌補。放大器可以同時將所有波長一起放大而不需要預(yù)先轉(zhuǎn)換為電的形式。

　　傳送信號——在光纖傳輸中必須考慮到串?dāng)_效應(yīng)和信號能量的損失。這些影響可以通過控制一系列因素而被減小，如信道空間、波長公差和光能量大小。在傳輸鏈上，還需要對光信號進(jìn)行放大。

　　分離接收到的信號——在接收端，合并了的信號必須被分離出來。盡管這比合并信號顯得簡單一些，但是實際上有很多技術(shù)難題。

　　接收信號——光電探測器接收分離了的信號。
　　
　　除了這些功能以外，DWDM系統(tǒng)還必須裝備客戶界面以接收輸入信號。這項功能由收發(fā)機來實現(xiàn)，DWDM的傳輸界面是和DWDM系統(tǒng)相連的光纖。

　　使用的技術(shù)

　　光網(wǎng)絡(luò)不同于SONET/SDH，它不依賴于電形式的數(shù)據(jù)處理。因此，它的發(fā)展更多地依賴于光學(xué)的發(fā)展。在上面所述的早期形式中，WDM可以攜帶兩個寬帶波長信號，并傳輸相對較短的距離。要將這種初始的形式更進(jìn)一步，WDM需要提高現(xiàn)有的技術(shù)和發(fā)明新的技術(shù)。光濾波片的改進(jìn)和窄帶激光的出現(xiàn)使DWDM能夠在光纖上合并更多的信號。增益平坦放大器的發(fā)明，結(jié)合傳輸光纖發(fā)送光信號，大大提高了DWDM傳輸更遠(yuǎn)距離的能力。

　　其他技術(shù)包括采用低損耗和更好傳輸特性的光纖、EDFA，和諸如在光上下路復(fù)用器中采用光纖布拉格光柵，這些對DWDM的發(fā)展同樣重要。
　　
　　組成和操作

　　DWDM是光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。DWDM的主要組成可以依據(jù)它們在系統(tǒng)中的位置區(qū)分為以下這些：

　　在發(fā)送端，激光必須發(fā)射精確穩(wěn)定的波長。

　　在鏈路中，光纖在相應(yīng)的波長頻譜內(nèi)需要有低損耗和良好的傳輸性能，除此之外增益平坦放大器可以在更遠(yuǎn)的跨度對信號進(jìn)行放大。

　　在接收端，是光電探測器以及使用薄膜濾光片或衍射器的解復(fù)用器。

　　光上下路復(fù)用器和光交叉連接器件

　　這些和其他的一些器件，包括它們潛在的技術(shù)，將在下一節(jié)進(jìn)行討論。其中的很多，尤其是正面和反面的競爭性技術(shù)，對于系統(tǒng)設(shè)計者比對終端用戶或網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者或許更加重要，其他讀者也許也會感興趣。請注意所有這些都是概括性的信息，并不是全面和權(quán)威的描述。
　　
　　光纖

　　以下是DWDM器件和技術(shù)的介紹,包括復(fù)習(xí)一下光纖的知識，重點是它在DWDM中的應(yīng)用。
　　
　　光纖是如何工作的

　　光纖的主要用途是將光波以最小的損耗進(jìn)行傳輸。光纖包括在外包層里的纖細(xì)玻璃絲，稱為核心和涂覆層，能夠使光以在真空中速度的2/3進(jìn)行傳輸。簡單來說，光的傳播通�？梢杂萌�反射原理來進(jìn)行解釋。在這種現(xiàn)象中，進(jìn)到交界面的光被100%反射回來。與此相比，鏡面反射只有90%。

　　光是反射還是折射依賴于光密和光梳介質(zhì)交界處入射角的大小。全反射的產(chǎn)生需要有以下一些條件：

　　• 光線是由光密媒質(zhì)進(jìn)入到光疏媒質(zhì)。材料密度和真空密度相比就是材料的折射率。

　　• 入射角要小于臨界角。臨界角是入射光線不會產(chǎn)生折射而全部反射回來的最大角度。

　　光纖核心的全反射原理。核心具有比覆層高的折射率，使到達(dá)交界面的光線角度低于臨界角。第二束光線不符合臨界角要求，因此發(fā)生了折射。
　　　
　　光纖包含了兩種不同的高純度硅材料——核心和覆層——它們都混進(jìn)了一些特定的元素，稱為摻雜劑，以調(diào)整它們的折射率系數(shù)。兩種材料不同的折射率系數(shù)導(dǎo)致大部分傳輸?shù)墓庠诟矊咏缑婊貜�，然后保持在核心�?dāng)中。臨界角可通過光入射到光纖時的角度進(jìn)行控制。覆層外的兩層或多層包層保護(hù)光纖不被損壞。
　　
　　多模和單模光纖

　　目前常用的兩種光纖是多模光纖和單模光纖。多模光纖是首個商業(yè)化的光纖，它有比單模光纖大的核心。它得名于眾多模式或光線能同時由波導(dǎo)運載。第一種多模光纖光傳輸?shù)臉颖荆�稱為階躍光纖。階躍是指整個核心具有統(tǒng)一的折射率，這樣在核心與涂覆層的交界處的折射率為階躍。注意兩種模式在到達(dá)終點時傳過的距離不相同。這種光線到達(dá)時間的不相同稱為模色散。這種現(xiàn)象造成在接收端的信號質(zhì)量差并最終限制了傳輸?shù)木嚯x。這就是為什么多模光纖不能被廣泛應(yīng)用的原因。
　　
　　為了補償階躍光纖的色散的缺點，發(fā)明了漸變光纖。漸變光纖是指核心的折射率是逐漸變化的——由核心中間向外逐漸減少。中心的高折射率降低了光線的速度，使所有光線能夠差不多同時到達(dá)目的地，減少了模式色散。

　　第二種常用的光纖，單模光纖，具有相對小得多的核心，僅能夠允許光的一個模式穿越。因此，信號的保真度能夠在比較長的距離范圍很好地被保持下來，模式色散也大大地減少。這些是由于它具有比多模光纖更高的帶寬容量。由于它的大信息傳輸容量和低內(nèi)在損耗，單模光纖是長距離和寬帶寬應(yīng)用包括DWDM的理想選擇。
　　　　
　　單模光纖設(shè)計

　　單模光纖的設(shè)計歷史已經(jīng)有數(shù)十年了。3種基本的類型和它們的ITU-T規(guī)格是：

　　•非色散位移光纖 (NDSF), G.652

　　•色散位移光纖 (DSF), G.653

　　•非零色散位移光纖 (NZ-DSF), G.655

　　如早前所討論的，在紅外光譜有4個窗口可供光纖傳輸使用。第一個靠近850 nm，幾乎專為短程和多模應(yīng)用。非色散位移光纖，通常稱作標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，是適用于第二窗口，靠近1310nm。

　　為了優(yōu)化光纖在這個窗口的性能，光纖的彩色色散在1310nm被設(shè)計為接近零。

　　由于光纖越來越普遍的使用以及對提高帶寬和傳輸距離的要求，靠近1550 nm的第三窗口被用來進(jìn)行單模傳輸。

　　第三窗口（C 帶）具有兩個優(yōu)勢：有非常低的衰減；工作頻率和摻鉺光纖放大器（EDFA）一樣。 但是它的色散特性受到了嚴(yán)格的限制，通過使用稍窄線寬和更高能量的激光能在一定程度上克服這個限制。但由于第三窗口具有比1310nm窗口低的衰減，制造商們提出了色散位移光纖的設(shè)計，將零色散點移到1550nm區(qū)域。盡管這種方法目前并不意味著在1550 nm窗口最低衰減和零色散點能夠做到重合，但它在沒有補償時在接近零色散點的地方具有破壞性的非線性效應(yīng)。由于這個限制，這些光纖不適用于DWDM。

　　第三種非零色散位移光纖是為DWDM應(yīng)用的需要而設(shè)計出來的，目的是降低1550nm區(qū)域的色散，但不是降低為零。這種方法對色散進(jìn)行了有效地控制。
　　
　　傳輸挑戰(zhàn)

　　光在光纖中的傳輸有幾個障礙需要處理。可以分為以下三個大類：

　　• 衰減——信號在光纖中傳輸時能量的減弱，或稱光能的損失。

　　• 彩色色散——光脈沖在光纖中傳輸時的發(fā)散。

　　• 非線性——光和它穿過的材料相互作用的累積效應(yīng), 導(dǎo)致光波的改變和光波間的相互作用。

　　這些效應(yīng)都有好幾個產(chǎn)生的原因，并非所有都對DWDM有影響。以下的章節(jié)討論和DWDM有關(guān)的影響。
　　
　　衰減

　　光纖的衰減是由固有的因素造成，主要是散射和吸收，而外在因素包括在制造過程中，環(huán)境影響和物理彎曲所產(chǎn)生的應(yīng)力。散射最普遍的形式——瑞利散射，是由于光纖在冷卻時密度發(fā)生非常微小的變化造成的。這種變化比使用的波長還要小，因此變成了散射的介質(zhì)。散射對于短波長的影響要比長波長大，這限制了低于800nm波長的應(yīng)用。
　　　
　　吸收所產(chǎn)生的衰減是由材料本身的固有特性所造成的，包括玻璃中的雜質(zhì)以及某些原子的缺陷等。這些雜質(zhì)吸收了光能量，導(dǎo)致光強發(fā)生變化。短波長時瑞利散射的影響較大，而固有吸收在較長波長下是比較重要的，并且會在大于1700nm波長時顯著增加。不過，光纖制造過程中產(chǎn)生的水峰吸收已經(jīng)在某些新型光纖中被消除了。
　　　
　　影響光纖衰減的主要因素是光纖的長度和光波波長。由瑞利散射，內(nèi)部吸收和所有原因造成的衰減的每公里衰減分貝（dB/km）。
　　　　
　　光纖的衰減主要通過使用光放大器進(jìn)行補償。
　　
　　色散

　　色散是光脈沖在光纖中傳輸時的發(fā)散。色散會導(dǎo)致信號的扭曲，這就限制了光纖帶寬的利用。
　　
　　影響DWDM系統(tǒng)的常見色散有兩種。一種彩色色散是線性的，另外一種偏振模色散（PMD）是非線性的。
　　
　　彩色色散

　　彩色色散的產(chǎn)生是由于不同的波長以不同的速度傳輸。在單模光纖中，彩色色散有兩個組成部分：材料色散和波導(dǎo)色散。

　　材料色散在光波以不同的速度穿過材料時發(fā)生。一個光源無論它有多窄，實際都包含著好幾個波長。這樣，當(dāng)這一系列的波長穿越介質(zhì)的時候，每個波長到達(dá)的時間都不相同
　　波導(dǎo)色散是由于光纖核心和覆層折射率系數(shù)的不同引起的。有效折射率系數(shù)與波長的變化關(guān)系如下：

　　• 在短波長，光被很好地限制在核心中。這樣有效折射率系數(shù)與核心材料的折射率系數(shù)很接近。

　　• 在中波長，光稍微地發(fā)散到覆層中。這減少了有效折射率系數(shù)。

　　• 在長波長，大部分的光發(fā)散到覆層中。這導(dǎo)致有效折射率系數(shù)與覆層的非常接近。

　　波導(dǎo)色散現(xiàn)象的結(jié)果是一個或多個波長相互的傳輸延遲。

　　色散位移光纖總的彩色色散。對于非色散位移光纖，零色散波長在1310nm�！　�
　　
　　盡管在低于OC-48的速度時，彩色色散通常影響細(xì)微，但它的確會隨著速度的提高而增加。新型的零色散位移光纖大大減少了這些影響，也可以通過色散補償器進(jìn)行補償。
　　
　　偏振模色散

　　多數(shù)單模光纖支持兩相互垂直的偏振態(tài)，垂直和水平方向。由于這些偏振狀態(tài)不能維持脈沖之間會發(fā)生相互作用，導(dǎo)致信號的失真

　　偏振模色散（PMD）是由于制造過程或外部應(yīng)力使光纖形狀為橢圓型所造成的。由于應(yīng)力隨時間變化，PMD和彩色色散不一樣，會隨著時間而改變。PMD在低于OC-192的速度時影響很小。
　　
　　其他非線形效應(yīng)

　　除了PMD以外，還有其他線性效應(yīng)。由于非線性效應(yīng)通常在當(dāng)光能量很高時出現(xiàn)，因此它們在DWDM中非常重要。

　　線性效應(yīng)如衰減和色散都可以進(jìn)行補償，但是非線性效應(yīng)只會累積，它們是光纖所能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的最基本的限制。最重要的非線性效應(yīng)是受激布里淵散射，受激拉曼散射，自鎖相調(diào)制和四波混頻。在DWDM中，四波混頻是最棘手的。

　　四波混頻是光纖折射率的內(nèi)在非線性導(dǎo)致的。不同的DWDM信道中非線性的相互作用造成了導(dǎo)致通道間干涉的邊頻的出現(xiàn)。3個頻率相互作用產(chǎn)生了第四個頻率，結(jié)果會導(dǎo)致串?dāng)_和信噪比的降低。
　　
　　四波混頻限制了DWDM系統(tǒng)的信道容量，它不能通過濾波片或其他光學(xué)和電學(xué)的手段消除，它會隨著光纖長度的增加而增加。由于DSF容易導(dǎo)致四波混頻，因此它不適合于WDM的應(yīng)用。這也導(dǎo)致了NZ-DSF的發(fā)明，它的有利之處在于能夠使用少量的彩色色散來降低四波混頻的影響。
　　
　　概要

　　在長途網(wǎng)絡(luò)中鋪設(shè)的光纖大多數(shù)是在1550nm窗口具有高色散的單模光纖(G.652)，這限制了OC-192傳輸?shù)木嚯x。色散可以被降低到一定程度, 也可以花費一點采用色散補償設(shè)備。非零色散位移光纖能夠被用做OC-192 傳輸, 但是高的光功率導(dǎo)致了非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。

　　在短程網(wǎng)絡(luò)中，PMD和非線性效應(yīng)不像在長途網(wǎng)絡(luò)中那么嚴(yán)重，在高速系統(tǒng)（OC-192或更高）中更為普遍。2.5 Gbps或低于這個速度的DWDM系統(tǒng)短途內(nèi)不受這些非線性效應(yīng)的影響。單模光纖的主要類型和它們的應(yīng)用可以概括如下：

　　• 非色散位移光纖（標(biāo)準(zhǔn)SM光纖）適用在1310nm區(qū)域的TDM（單通道）系統(tǒng)中或1550nm區(qū)域的DWDM(帶色散補償器)。這種光纖同樣支持距離大于300米的10 Gigabit以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　• 色散位移光纖——適用于1550nm區(qū)域的TDM，單不適用于這個區(qū)域的DWDM。

　　• 非零色散位移光纖——在1550nm區(qū)域均適合于TDM和DWDM。

　　• 最新一代光纖——包括允許能量在覆層中傳輸產(chǎn)生少量色散以抵消四波混頻的光纖，以及允許在不需要脈沖擴展情況下而遠(yuǎn)離最佳波長點波長應(yīng)用的色散平坦光纖。
　　
　　注意： 當(dāng)速率提高到40 Gbps及更高時, 系統(tǒng)設(shè)計和光纖設(shè)計的相互依賴性將變得更加重要。