淺析光網(wǎng)絡中的復用技術

在光纖通信中，復用技術被認為是擴展現(xiàn)存光纖網(wǎng)絡工 程容量的主要手段。復用技術主要包括時分復用TDM（Time Division Multiplexing）技術、空分復用SDM（Space Division Multiplexing）技術、波分復用WDM（WaveLength Division Multiplexing）技術和頻分復用FDM（Frequency Division Multiplexing）技術。但是，因為FDM和WDM一般認為并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所以可以認為波分復用是“粗分”，而頻分復用是“細分”，從而把 兩者歸入一類。下面主要討論空分復用（SDM）、時分復用（TDM）、波分復用（WDM）、稀疏波分復用(CWDM)、光分插復用（OADM）復用方式。

1.TDM技術

TDM技術在電子學通信中已經(jīng)是很成熟的復用技術。這種技術就是將傳輸時間分割成若干個時隙，將需要傳輸?shù)亩嗦沸盘柊匆欢ㄒ?guī)律插入相應時隙，從而實現(xiàn)多 路信號的復用傳輸。但是，這種技術在電子學通信使用中，由于受到電子速度、容量和空間兼容性諸多方面的限制，使得電子時分復用速率不能太高。例如，PDH 信號僅達到0.5Gbps，盡管SDH體 制信號采用同步交錯復接方法己達到10Gbps（STM-64）的速率，但是，達到20Gbps卻是相當困難的。另一方面，在光纖中，對于光信號產(chǎn)生的損 耗（Attnuation）、反射（Reflectance）、顏色色散（Chromatic Dispersion）以及偏振模式色散PMD（Polarization Mode Dispersion）都將嚴重影響高速率調(diào)制信號的傳輸。當信號達到STM-64或者更高速率時，PMD的脈沖擴展效應，就會造成信號“模糊”，引起接 收機對于信號的錯誤判斷從而產(chǎn)生誤碼。這是由于不同模式的偏振光在光纖運行中會產(chǎn)生輕微的時間差，因而一般要求PMD系數(shù)必須在0.1ps/km以下。綜 上所述，電時分復用技術的局限性，將電子學通信的傳輸速率限制在10～20Gbps以下。

1.1光時分復用（OTDM）

光時分復用是用多個電信道信號調(diào)制具有同一個光頻的不同信道，經(jīng)復用后在同一根光纖傳輸?shù)臄U容技術。光時分復用技術主要包括:超窄光脈沖的產(chǎn)生與調(diào)制技術、全光復用/去復用技術、光定時提取技術。

1.1.1超窄光脈沖的產(chǎn)生。光時分復用要求光源提供5～20GHz的占空比相當小的超窄光脈沖輸出，實現(xiàn)的方法有增益開關法、LD的模式鎖定法、電吸收連續(xù)光選通調(diào)制法及光纖光柵法、SC（Supercontinum）光脈沖。增益開關法可以產(chǎn)生脈寬5～7ps、脈沖重復頻率在10GHz左右可任意調(diào)整的光脈沖，其優(yōu)點是很容易與其它信號同步。增益開關法已用于各種高速光傳輸實驗中的脈沖源產(chǎn)生和光測量中。SC光脈沖寬度可大于1ps，最窄達0.17ps。另外，利用調(diào)整線性調(diào)制光纖光柵的色散值對電吸收調(diào)制器輸出的光脈沖形狀進行修正，也可以產(chǎn)生脈寬為5.8ps、占空比為6.3%的10GHz的光脈沖。

1.1.2全光復用/去復用技術。全光時分復用可由光延遲線和3dB光方向耦合器構成。在超高速系統(tǒng)中，最好將光延遲線及3dB光方向耦合器集成在一個 平面硅襯底上，形成平面光波導回路（PLC）作為光復用器。全光去復用器在光接收端對OTDM信號進行去復用。目前已研制出4種形式的器件作為去復用器: 光克爾開關矩陣光去復用器、交叉相位調(diào)制頻移光去復用器、四波混頻開關光去復用器和非線性光纖環(huán)路鏡式（NOLM）光去復用器。無論采用何種器件，都要求 其工作性能可靠穩(wěn)定，控制用光信號功率低，與偏振無關。

1.1.3光定時提取技術。光定時提取要求超高速運轉(zhuǎn)、低相位噪聲、高靈敏度以及與偏振無關。目前已研制出一種采用高速微波混頻器作為相位探測器構成的鎖相環(huán)路（PLL），另外使用法布里—珀羅干涉光路構成的光振蕩回路（FPT）也可以完成時鐘恢復功能。

2.SDM技術

對SDM的一般理解是：多條光纖的復用即光纜的 復用。在某些地方，有現(xiàn)成的光纖通信網(wǎng)管道，并且還有空余的位置。所以為了增加容量，可以在管道中拉入更多光纖，這比電子學方法更便捷。對于空分復用的另 一種理解是：在一根光纖中實現(xiàn)空分復用，即對于光纖的纖芯區(qū)域光束的空間分割。因為單模光纖纖芯部分芯徑僅有9～10mm，而且傳輸?shù)墓馐�波面各點相位要 存在漲落，因而這種波面的空間分割是極為困難的。盡管最近有人提出了相干度的理論分割方法，但是距離實用化還有漫長的道路要走。

3.WDM技術

光波分復用是多個信源的電信號調(diào)制各自的光載波，經(jīng)復用后在一根光纖上傳輸，在接收端可用外差檢測的相干通信方式或調(diào)諧無源濾波器直接檢測的常規(guī)通信方 式實現(xiàn)信道的選擇。采用WDM技術不僅可以擴大通信容量，而且可以為通信帶來巨大的經(jīng)濟效益。因而，近幾年對這方面的研究方興未艾，WDM技術是在一根光 纖上承載多個波長（信道）系統(tǒng)，將一根光纖轉(zhuǎn)換為多條“虛擬”纖，每條虛擬纖獨立工作在不同波長上。每個信道運行速度高達2.5～10Gbps。

WDM技術作為一種系統(tǒng)概念，可以追溯到1970年初，在當時僅用兩個波長，在1300nm窗口一個波長、在1500nm窗口一個波長，利用WDM技術 實現(xiàn)單纖全雙工傳輸。初期的WDM網(wǎng)絡主要致力于點對點系統(tǒng)的研究，作為WDM技術發(fā)展的重要階段，1987年Bellcore在LAMB-DANET規(guī) 劃中開發(fā)出有18個波長波道的WDM系統(tǒng)。具有開拓性進展的是1978年K.O.Hill等人首次發(fā)現(xiàn)摻鍺光纖中的光感應光柵效應，在此基礎上Meltz 等人于1989年終于研究發(fā)明出紫外光側面寫入光折度光柵技術，從而使采用光纖光柵實現(xiàn)WDM復用技術獲得突破性進展，其復用波道數(shù)增加到100個以上。 初期報道在1550nm窗口實現(xiàn)25個波道的WDM系統(tǒng)，總容量達到500Gbps。接著又有報道在1550nm窗口實現(xiàn)25個波道的WDM系統(tǒng)，其波道 間隔僅為0.6nm，總容量達1.1Tbps，到1999年中期WDM實用化系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)96個波道。北電公 司宣布于2000年起開發(fā)有160個波長波道數(shù)的WDM系統(tǒng)，每個波道傳輸10Gbps，其一根光纖傳輸信息總容量為1.6Tbps。由于WDM系統(tǒng)技術 的經(jīng)濟性與有效性，使之成為當前光纖通信網(wǎng)絡擴容的主要手段。特別是密集波分復用（DWDM）技術可望很快獲得應用。目前，大部分公司的DWDM系統(tǒng)都是 以2.5Gb/ｓ為基本速率，僅加拿大北電網(wǎng)絡等少數(shù)公司是以10Gb/ｓ為基本速率。MCI公司70%的網(wǎng)絡中已采用了WDM系統(tǒng)。泛歐運營商HER 公司（HermsEuropeRailtel）將采用Cienc公司的40×2.5Gb/ｓ系統(tǒng)。Williams公司將為Frontier在休士頓、亞 特蘭大等地的網(wǎng)絡提供16×10Gb/ｓ的ＤWDM系統(tǒng)。目前，國內(nèi)開發(fā)ＤWDM系統(tǒng)的單位有原郵電部五所、北京大學、華為公司和武漢郵電科學研究院等。武漢郵電研究院的8×2.5Gb/ｓ波分復用系統(tǒng)已用于濟南—青島工程。
　　
   3.1密集波分復用DWDM

所謂密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing）技術，也就是人們常說的DWDM，指的是一種光纖數(shù)據(jù)傳輸技術，這一技術利用激光的波長按照比特位并行傳輸或者字符串行傳輸方式在光纖內(nèi)傳送數(shù)據(jù)。

DWDM首先把引入的光信號分配給特定頻帶內(nèi)的指定頻率（波長，lambda），然后把信號復用到一根光纖中去，采用這種方式就可以大大增加已鋪設光纜的 帶寬。由于引入（incoming）信號并不在光層終止，接口的速率和格式就可以保持獨立，這樣就允許服務供應商把DWDM技術和網(wǎng)絡中現(xiàn)有的設備集成起 來，同時又獲得了現(xiàn)有鋪設光纜中沒有得以利用的大量帶寬。

DWDM可以把多個光信號搭配起來傳輸，結果這些光信號可以編成同一組同時被放大并且通過單一的光纖傳輸，網(wǎng)絡的帶寬也就大大增加了。每個承載的信號都可以設置為不同的傳輸速率（OC–3/12/24等）和不同的格式（SONET、ATM、 數(shù)據(jù)等）。比方說，某個DWDM網(wǎng)絡可以在DWDM基礎上混合OC–48 （2.5 Gbps）和OC–192 （10 Gbps）兩種速率的SONET信號。從而獲得高達40 Gbps的巨大帶寬。采用DWDM的系統(tǒng)在達到以上目標的同時仍然可以維持和現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)同等程度的系統(tǒng)性能、可靠性和穩(wěn)固性。今后的DWDM終端更可以 承載總計80個波長之多的OC–48以達到200 Gbps的傳輸速率或者高達40波長的 OC–192以達到400 Gbps的傳輸速率，這個帶寬已經(jīng)足以在一秒鐘之內(nèi)傳輸9萬卷的大百科全書！

3.2FDM技術

FDM是將在光纖中傳輸?shù)墓獠ò雌漕l率進行分割成若干光波頻道，使其每個頻道作為信息的獨立載體。從而實現(xiàn)在一條光纖中的多頻道復用傳輸。FDM技術可以 與WDM技術聯(lián)合使用，使復用路數(shù)成倍提高，即首先將光波波道按波長進行粗分，若每個波道寬度為Δλ，則在每個寬度為Δλ波道內(nèi)，再載入幾個頻道(f1、 f2、…、fn)，每個頻道還可以獨立荷載信息。由于相干光通信提供了極好的選擇性，因此FDM技術與其相結合，為采用FDM技術的光纖網(wǎng)絡實用化創(chuàng)造了條件。光FDM復用技術設備復雜，對于光器件性能的要求高，因此進入實用工程階段還需要不少努力。

3.3稀疏波分復用(CWDM)

DWDM（密集波分復用）無疑是當今光纖應用領域的首選技術，但其昂貴的價格影響其廣泛應用。面對通信市場的需求，CWDM（稀疏波分復用）應運而生。稀疏波分復用，顧名思義，是密集波分復用的近親，它們的區(qū)別主要有二點：

3.3.1CWDM載波通道間距較寬，因此，同一根光纖上只能復用5到6個左右波長的光波，“稀疏”與“密集”稱謂的差別就由此而來；

3.3.2CWDM 調(diào)制激光采用非冷卻激光，而DWDM采用的是冷卻激光。冷卻激光采用溫度調(diào)諧，非冷卻激光采用電子調(diào)諧。由于在一個很寬的波長區(qū)段內(nèi)溫度分布很不均勻，因 此溫度調(diào)諧實現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。CWDM避開了這一難點，因而大幅降低了成本，整個CWDM系統(tǒng)成本只有DWDM的30%。

CWDM用很低的成本提供了很高的接入帶寬，適用于點對點、以太網(wǎng)、SONET環(huán)等各種流行的網(wǎng)絡結構，特別適合短距離、高帶寬、接入點密集的通信應用場合，如大樓內(nèi)或大樓之間的網(wǎng)絡通信。尤其值得一提的是CWDM與PON（無源光網(wǎng)絡）的搭配使用。PON是一種廉價的、一點對多點的光纖通信方式，通過與CWDM相結合，每個單獨波長信道都可作為PON的虛擬光鏈路，實現(xiàn)中心節(jié)點與多個分布節(jié)點的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

目前，有幾家公司正推出與CWDM相關的產(chǎn)品。LuxN公司出品的WideWav系列CWDM模塊支持8個CWDM信道，或者支持4個CWDM信道加 16個DWDM信道。時代華納公司已與LuxN公司簽署長期采購協(xié)議，用包含WideWave模塊的WavSystem DWDM設備在紐約、俄亥俄等地部署千兆以太網(wǎng)。Ocular公司推出的采用CWDM技術的產(chǎn)品有OSX-6000和OSX-1000兩個系列的交換機，其最大特色在于能為高端用戶提供專用波長信道服務和SAN服務。

但是，CWDM是成本與性能折衷的產(chǎn)物，不可避免地存在一些性能上的局限。業(yè)內(nèi)專家指出，CWDM目前尚存在以下4點不足：

（1）CWDM在單根光纖上支持的復用波長個數(shù)較少，導致日后擴容成本較高；

（2）復用器、復用解調(diào)器等設備的成本還應進一步降低，這些設備不能只是DMDM相應設備的簡單改型；

（3）CWDM還未形成標準。

4.光分插復用（OADM）

在波分復用（WDM）光網(wǎng)絡領域，人們的興趣越來越集中到光分插復用器上。這些設備在光波長領域內(nèi)具有傳統(tǒng)SDH分插復用器（SDHADM）在時域內(nèi)的 功能。特別是OADM可以從一個WDM光束中分出一個信道（分出功能），并且一般是以相同波長往光載波上插入新的信息（插入功能）。OADM具有選擇性， 可以從傳輸設備中選擇下路信號或上路信號，或僅僅通過某個波長信號，但不影響其他波長信道的傳輸。OADM在光域內(nèi)實現(xiàn)了SDH中的分插復用器在時域內(nèi)完 成的功能，而且具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號。它能提高網(wǎng)絡的可靠性，降低節(jié)點成本，提高網(wǎng)絡運行效率，是組建全光網(wǎng)必不可少的關鍵性設備。 對于OADM，在分出口和插入口之間以及輸入口和輸出口之間必須有很高的隔離度（>25dB），以最大限度地減少同波長干涉效應，否則將嚴重影響傳 輸性能。已經(jīng)提出了實現(xiàn)OADM的幾種技術：WDMMUX/DEMUX；光循環(huán)器間或在MachZehnder結構中的光纖光柵;用集成光學技術實現(xiàn)的串 聯(lián)MachZehnder結構中和干涉濾波器。前兩種方式使隔離度達到最高，但它們需要昂貴的設備， MachZehnder結構（用光纖光柵或光集成技術）還在開發(fā)中，并需要進一步改進以達到所要求的隔離度。

上面幾種OADM都 被設計成以固定的波長工作。最近，意大利電信中心研究實驗室研制了一種新結構——使用干涉濾波器的OADM。與傳統(tǒng)的單根光纖設計相比，它提供了插入口和 分出口之間的高隔離度，具有對輸出口分出信號雙倍的抑制功能以及波長可調(diào)性。這種方法的可行性已通過樣機進行了試驗，測得的輸入和分出口之間隔離度 >55dB，對分出信道的抑制>16dB，調(diào)節(jié)范圍>8nm。

從目前來看，全光網(wǎng)絡首先是應用于局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）等內(nèi)部的光路由選擇，所采用的技術主要是基于WDM和寬帶的EDFA。從長遠來說，全光網(wǎng)必然向著波分、時分、空分3種方式結合的方向發(fā)展。其應用將擴展到廣域網(wǎng)。網(wǎng)絡范圍可以覆蓋整個國家或幾個國家，最終實現(xiàn)一個高速大容量能滿足未來通信業(yè)務需求的全光網(wǎng)絡。