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详述光波分复用(WDM)技术

来源:网教中国 作者: 出处:巧巧读书 2006-03-23 进入讨论组

  随着科学技术的发展与进步,用在波分复用系统中的光源除了分立的DFB-LD、可调谐激光器、面发射激光器外,还有两种形式。

其一是激光二极管的阵列,或是阵列的激光器与电子器件的集成,实际是光电集成回路(OEIC),与分立的DFB-LD相比,这种激光器在技术上前进了一大步,它体积缩小、功耗降低、可靠性高,应用上简单、方便。另一种新的光源——超连续光源。

  超连续光源,确切地说应该是限幅光谱超连续光源(Spectrum Sliced Supercontinuum Source)。研究表明,当具有很高峰值功率的短脉冲注入光纤时,由于非线性传播会在光纤中产生超连续(SC)宽光谱,它能限幅成为许多波长,并适合于作波分复用的光源,这就是所谓的限幅光谱超连续光源。

3.实现DWDM的关键技术和设备

  实现光波分复用和传输的设备种类很多,各个功能模块都有多种实现方法,具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。总体上看,在DWDM系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。

1)光发送/接收器

  光发送/接收器主要产生和接收光信号。主要要求具有较高的波长精度控制技术和较为精确的输出功率控制技术。两种技术都有两种实现方法。常用控制波长的方式包括:温度控制,使激光器工作在恒定的温度条件下来达到控制精度的要求;波长反馈技术,采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长,并通过激光器控制电路对输出波长进行精确控制。

2)波分复用器

  波分复用器(OMD)包括合波器和分波器。

  光合波器用于传输系统发送端,是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件,它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号,输入的不同波长的光波由同一个输出端口输出。

  光分波器用于传输系统接收端,正好与光合波器相反,它具有一个输入端口和多个输出端口,它将多个不同波长的光信号分离开来。

  光合波器一般有耦合器型、介质膜滤波器型和集成光波导型等种类。光分波器主要有介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型等种类。其中,集成光波导技术使用最为广泛,它利用光平面波导构成N×M个端口传输分配器件,可以接收多个支路输入并产生多个支路输出,利用不同通道的置换,可用作合波器,也可用作分波器。具有集成化程度高的特点,但是对环境较为敏感。

3)光放大器

  光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器,是光纤通信中的关键部件之一。目前使用的光放大器分为光纤放大器(OFA)和半导体光放大器(SOA)两大类,光纤放大器又有掺饵光纤放大器(EDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA)、掺铌光纤放大器(NDFA)。其中,掺饵光纤放大器(EDFA)的性能优越,已经在波分复用实验系统、商用系统中广泛应用,成为现阶段光放大器的主流。对EDFA的基本要求是高增益且在通带内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关等。半导体光放大器(SOA)早期受噪声、偏振相关性等因素的影响,性能不达到实用要求,后来在应变量子阱材料的SOA研制成功后,再度引起人们的关注。SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小、还能与其它配件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用。

4)光监控通道

  根据ITU-TG.692建议要求,DWDM系统要利用EDFA工作频带以外的一个波长对EDFA进行监控和管理。目前在这个技术上的差异主要体现在光监控通道(OSC)波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。

4.DWDM应用

  DWDM既可用于陆地与海底干线,也可用于市内通信网,还可用于全光通信网。

  市内通信网与长途干线的根本不同点在于各交换局之间的距离不会很长,一般在10km上下,很少超过15km的,这就不用装设线路光放大器,只要DWDM系统终端设备成本足够低就将是合算的。已有人试验过一种叫做MetroWDM都市波分多路系统的方案,表明将WDM用于市内网的局间干线可以比由TDM提升等级的办法节省约30%的费用。同时WDM系统还具有多路复用保护功能,对运行安全有利。交换局到大楼FTTB或到路边FTTC这一段接入网也可用DWDM系统,或可节省费用或可更好地保护用户通信安全。

  利用DWDM系统传输的不同波长可以提供选寻路由和交换功能。在通信网的结点处装上波长的光的插分复接器WADM OADM,就可以在结点处任意取下或加上几个波长信号,对业务增减十分方便。每一结点的交叉连接也会是波长的或光的交叉连接WXCOXC。如果再配以光波长变换器OTU或光波长发生器,以使在波长交叉连接时可改用其他波长则更加灵活适应需要了。这样整个通信网包括交换在内就可完全在光域中完成,通信网也就成了“全光通信网AON”,即多波长光通信网MONET。无疑,DWDM在构建AON中起了关键作用。

五、CWDM技术简介
 
 1.CWDM标准制定情况
 
   美国的1400nm商业利益组织正在致力于为CWDM系统制定标准。目前建议草案考虑的CWDM系统波长栅格分为三个波段。“O波段”包括四个波长: 1290、1310、1330和1350nm,“E波段”包括四个波长: 1380、1400、1420 和1440nm,“S+C+L”波段包括从1470nm到1610nm的范围,间距为20nm的八个波长。这些波长利用了光纤的全部光谱,包括在1310、1510和1550nm处的传统光源,从而增加了复用的信道数
 
   20nm的信道间距允许利用廉价的不带冷却器的激光发射机和宽带光滤波器,同时,它也躲开了1270nm高损耗波长,并且使相邻波段之间保持了30nm的间隙。
 
   尽管目前还没有CWDM的技术标准,在市场上已经存在一个事实上的城域网标准:IEEE已经制定了万兆以太网10GbE标准。CWDM的标准将据此来制定。
 
   CWDM的复用/解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。相邻波长间隔根据无冷却的激光器在很宽的温度范围内工作产生的波长漂移来决定。目前被确定为20nm,其中心波长为:1491,1511,1531等一直到1611nm。而在1300nm波段,IEEE以太网定义通道宽度为20nm,但是中心波长为1290,1310,1330和1359nm。在1400nm波段如何定义还不知道。目前已经成立CWDM用户组开始结束CWDM城域网标准的混乱状态。
 
   虽然 CWDM目前尚没有形成统一的技术标准,不过,CWDM用户组已经成立,估计不远的将来,这种混乱的局面将结束。目前已经有设备生产厂商着手开发 CWDM的传输设备,并已经有设备投入商用化,能够支持从100Mbit/s-2.5Gbit/s的传输速率。
 
 2.CWDM系统的关键技术与模块
 
   (1)新型光纤技术
 
   光纤具有丰富的频带资源和优异的传输性能,是通信网络理想的传输媒质。影响光信号传输距离的光纤参数主要有衰减、色散和非线性。城域网覆盖范围通常在50~80km左右,一般不需要光放大器和中继设备,光纤色散和非线性并非关键问题。
 
   CWDM对传输媒质没有特殊要求,各种单模光纤多模光纤都可以采用CWDM技术。城域内目前大量使用G.652光纤。这种光纤因残留有氢氧根离子,导致1383nm波长附近出现明显的吸收峰。E波段吸收峰引起传输损耗的典型值约为1dB/km,极大影响了WDM系统的传输距离和可用波长范围。目前商用的4波、8波和16波CWDM系统通常选取1290~1610nm的波长范围,如O波段:1290nm、1310nm、1330nm、1350nm;E波段:1380nm、1400nm、1420nm、1440nm;以及S + C+L波段8个波长:1470~1610nm。
 
   为了扩展光纤的可用波长范围,提高复用信道数量,许多公司纷纷推出各种新型的G.652C光纤。其中零水峰光纤(ZWPF)有效消除氢氧根吸收峰的影响,提供更低的相邻信道信号衰减。对ZWPF来说,损耗值以1/λ4的速度(由于瑞利散射效应减弱以及OH吸收峰的消除)逐渐减小,在1550nm附近得到最小值。这种光纤的色散系数与传统单模光纤相同,大体分布在13~19ps/nm·km。ZWPF光纤提供的有效波长范围比传统单模光纤多出100nm,使CWDM信道数量增益高达33%以上。同时,G.652C光纤完全与传统单模光纤兼容,支持所有标准的系统规范。
 
   目前,ZWPF光纤越来越受到业界的关注。MRV公司和LUNX公司推出的16波CWDM系统就采用了OFS的AllWave光纤产品,传输距离可达70km。Transmode公司宣称已经实现2.5Gbit/s速率的全波CWDM传输系统,无中继放大情况下传输距离超过80km。
 
   (2)光收发模块
 
   光收发模块是光通信系统的主要部件。目前常见的光收发模块有分立的光发射模块、光接收模块和光收发一体模块三种。它们的发展趋势是小型化、低成本、低功耗、远距离、高速率和热插拔。
 
   CWDM收发模块通常采用DFB激光器或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)作为光源。CWDM系统使用的DFB激光器无需集成致冷器,温度漂移系数约为0.08nm/℃。这种激光器在0到70℃温度范围内的波长热漂移约6nm左右,加上制造过程的波长容差±(2~3)nm,整体波长变化范围在12nm以内。因此,CWDM信道间隔和通道宽度足够适应无致冷DFB激光器的波长变化,激光器的工作温度范围也相对较宽。而DWDM系统采用的DFB激光器温度漂移系数为Δλ/10(nm/℃),波长容差的典型值为±0.1nm。除温度外,CWDM无致冷激光器还需要考虑的问题就是色散代价。激光器芯片的优化设计能够延长色散受限系统的传输距离。
 
   VCSEL是一种新型的半导体激光器。与常规边缘发射激光器的结构不同,VCSEL激光器的出光窗口在芯片表面,发光束方向与芯片表面垂直,无需解调就可以进行在线测试和封装,有利于实现低成本、大规模的工业化生产。VCSEL激光器具有的低功耗和高效的光纤耦合特性,能够便利地制成二维阵列,实现大规模光电集成。目前应用最为广泛的商用VCSEL激光器及收发模块通常都是850nm发射波长的多模芯片,其原因是受成本、输出功率和技术成熟度等因素的限制。近年来,VCSEL激光器相关技术发展迅速。随着现代高速光纤网络的发展,VCSEL有望取代DFB激光器,成为光通信领域最理想、最有前途的低成本光源。

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