【文章內(nèi)容簡介】 帶寬不斷提升，以 10Gbit/s 甚至更高速率 為基礎(chǔ)的密集波分復(fù)用系統(tǒng)必然成為主流的光傳輸系統(tǒng)。摻鉺光纖放大器（ EDFA）由于其增益平坦及噪聲等局限性，已經(jīng)不能完全滿足光通信系統(tǒng)發(fā)展的要求。而相對于摻鉺光纖放大器，光纖拉曼放大器具有更大的增益帶寬、靈活的增益譜區(qū)、溫度穩(wěn)定性好以及放大器自發(fā)輻射噪聲低等優(yōu)點，光纖拉曼放大器是唯一能在 1292～ 1660nm 的光譜上進行放大的器件。并且，拉曼散射效應(yīng)在所有類型的光纖上都存在，與各類光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性，包括已鋪設(shè)和新建的各種光纖鏈路。光纖拉曼放大器與新型大有效面積傳輸光纖、高光譜效率調(diào)制碼型和向前糾錯技術(shù) 被稱為現(xiàn)代大容量、長距離光纖傳輸?shù)乃拇箨P(guān)鍵技術(shù)。 光纖拉曼放大器的工作原理和性能 （ SRS） 受激拉曼散射是強激光的光電場與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動或與晶體中的晶格相耦合產(chǎn)生的，具有很強的受激特性，即與激光器中的受激光發(fā)射有類似特性：方向性強，散射強度高。 光纖拉曼放大器的工作原理是基于石英光纖中的受激拉曼散射效應(yīng)，在形式上表現(xiàn)為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)的弱信號與強泵浦光波同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光即得到放大。其工作原理示意圖 如下： 12 圖 RFA 工作原理示意圖 RFA 中一個入射泵浦光子通過光纖非線性散射轉(zhuǎn)移部分能量，產(chǎn)生低頻斯托克斯光子，而剩余能量被介質(zhì)以分子振動（光學(xué)聲子） 的形式吸收，完成振動態(tài)之間的躍遷。斯托克斯頻移 Vr=VpVs 由分子振動能級決定，其值決定了 SRS 的頻率范圍，其中 Vp是泵浦光的頻率， Vs 是信號光的頻率。對非晶態(tài)石英光纖來說，其分子振動能級融合在一起，形成了一條能帶，因而可在較寬頻差 VpVs范圍（ 40THz）內(nèi)通過 SRS 實現(xiàn)信號光的放大。 拉曼光纖放大器相對于摻鉺光纖放大器有明顯不 同： （ 1）理論上只要有合適的拉曼泵浦源，就可以對光纖窗口內(nèi)任一波長的信號進行放大，因此它具有很寬的增益譜； （ 2）可以利用傳輸光纖本身作增益介質(zhì)，此特點使光纖拉曼放大器可以對光信號的放大構(gòu)成分布式放大，實現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，尤其適用于海底光纜通訊等不方便建立中繼站的場合； （ 3）可以通過調(diào)整各個泵浦的功率來動態(tài)調(diào)整信號增益平坦度； （ 4）具有較低的等效噪聲指數(shù)，此特點使其與常規(guī)的摻鉺光纖放大器混合使用時可大大降低系統(tǒng)噪聲指數(shù)。 （ 3）光纖拉曼放大器性能分析 光纖拉曼放大器的性能決定了它在未來高 速、大容量光纖通信系統(tǒng)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用，表 1中對光纖拉曼放大器與半導(dǎo)體光放大器（ SOA）、摻鉺光纖放大器（ EDFA）的主要特征和性能指標(biāo)進行了比較： 13 光纖拉曼放大器的分類 1．分布式拉曼光纖放大器（ LRA） 分布式拉曼放大器基于光纖受激拉曼散射（ SRS）效應(yīng)，一般采用反向泵浦方式，實現(xiàn)方法如下：將高功率連續(xù)運轉(zhuǎn)激光從光纖跨段的輸出端注入傳輸光纖，該泵浦光的傳輸方向與信號光傳輸方向相反。泵浦激光器的波長比信號光短約 100nm。高功率光場泵浦光纖中的組分物質(zhì)產(chǎn)生虛激發(fā)態(tài)；電子從這些 虛激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷，從而實現(xiàn)光信號的增益。分布式拉曼放大器傳輸光纖本身就是增益介質(zhì)，信號在光纖中傳輸?shù)耐瑫r得到放大，使得拉曼放大器的等效噪聲指數(shù)為負。低噪聲系數(shù)分布式拉曼放大器可以有效克服四波混頻等非線性效應(yīng)的影響，并改善系統(tǒng)的光信噪比（ OSNR）。 2．分立式拉曼光纖放大器（ DRA） 分立式拉曼放大器采用的放大介質(zhì)通常是色散補償光纖或高非線性光纖，比如 DCF 光纖或者碲基光纖。目前 DCF 光纖拉曼增益系數(shù)比 SMF 提高了 10 倍左右，作為拉曼增益介質(zhì)后還可以組成色散補償模塊（ DCM）。采用碲基光纖，其拉曼增益系數(shù) 比石英光纖高 16倍，峰值達到 55W/km。 光纖拉曼放大器的應(yīng)用與進展 目前，分布式光纖拉曼放大器進展很快，國外很多長距離、超大容量的密集波分復(fù)用光通訊系統(tǒng)（ DWDM） 所使用的光放大器大多是分布式光纖拉曼放大器，這不僅可以充分利用光纖資源，降低成本，而且可以降低增益介質(zhì)中的光密度，以便減少由于非線性效應(yīng) 14 產(chǎn)生的四波混頻、信道間串?dāng)_所引起的系統(tǒng)性能劣化。但拉曼放大器的增益較低（實際線路中使用時不超過 16dB），而 EDFA 雖然噪聲指數(shù)上不如拉曼放大器，但小信號增益可以超過 30dB，因此將拉曼放大器與 EDFA 結(jié)合起來的混合放大器是一種理想的應(yīng)用形式。 圖 EDFA+DRA 混合式寬帶放大器 由 980nm 泵浦的 EDFA 進行 C 波段的放大，由 1497nm 拉曼泵浦源負責(zé) L波段的放大。其增益譜線由于疊加在 1535（ EDFA 產(chǎn)生）、 1560（疊加產(chǎn)生）和 1600nm（拉曼放大產(chǎn)生）附近出現(xiàn) 3 個增益峰值，大小為 ~2dB 而在 1540 和 1560 附近出現(xiàn)兩個 0dB 左右的谷底。采用 GFF 后將所有信號增益控制在 0dB 左右，這樣實現(xiàn)了 80nm 帶寬、 256 10Gbit/s11000km 的傳輸。 目前 所面臨的問題 在深入研究 FRA 的過程中，泵浦源的選擇與配置、噪聲的控制等都是急待解決的問題。其中，光纖的色散特性會引起傳輸中的前后碼產(chǎn)生干擾，即碼間干擾，限制了傳輸碼速率和傳輸距離。針對目前傳輸線路上鋪設(shè)的 G652 單模光纖所存在的色散較大的問題，可以將 DCF 光纖作為 G652 光纖的色散補償和色散斜率補償部分，組成補償型 FRA。 除了復(fù)雜的、高難度的工程設(shè)計以外，為了得到理想的增益效果，分布式拉曼放大器經(jīng)常會使用超過 1W（ 30dBm）的放大器。因此，光傳輸系統(tǒng)對拉曼放大器附近的光纖連接頭與光纖镕接點的質(zhì)量有很 高的要求，以盡量減少反射與損耗對拉曼增益機制的副作用。同時為了防止高能量激光對工程維護人員可能造成的傷害，自動光功率關(guān)閉（ ALS）與人員特別培訓(xùn)都是不可或缺的。 15 第三章 光復(fù)用技術(shù) 光纖 最重要的一個特點是容量大，可以傳送高速率的數(shù)字信號。為了更進一步提高光纖的利用率，參考已經(jīng)比較成熟的電復(fù)用方法，人們采用了各種光的復(fù)用方法。如波分復(fù)用、頻分復(fù)用、時分復(fù)用、 空分復(fù)用 、 副載波復(fù)用、碼分復(fù)用等。其中，被認為最具潛力的是波分復(fù)用 、 頻分復(fù)用和碼分復(fù)用。 波分復(fù)用技術(shù)（ WDM） 隨著全球互聯(lián) 網(wǎng)（ Inter）的迅猛發(fā)展，以因特網(wǎng)技術(shù)為主導(dǎo)的數(shù)據(jù)通信在通信業(yè)務(wù)總量中的比列迅速上升，因特網(wǎng)業(yè)務(wù)已成 為多媒體通信業(yè)中發(fā)展最為迅速、競爭最為激烈的領(lǐng)域。同時，無論是從數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩魯?shù)量還是從單個用戶需要的帶寬來講，都比過去大很多。特別是后者，它的增長將直接需要系統(tǒng)的帶寬以數(shù)量級形式增長。因此如何提高通信系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)帶寬，以滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求成為大家關(guān)心的焦點。 面對市場需求的增長，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力的不足的問題，需要從多種可供選擇的方案中找出低成本的解決方法。緩和光纖數(shù)量的不足的一種途徑是敷設(shè)更多的光纖，這對那些光纖安裝耗資少的網(wǎng)絡(luò)來說，不失為一種解決方案。但這不僅受到許多物理條件的限制，也 不能有效利用光纖帶寬。另一種方案是采用時分復(fù)用（ TDM）方法提高比特率，但單根光纖的傳輸容量仍然是有限的，何況傳輸比特率的提高受到電子電路物理極限限制。第三種方案是波分復(fù)用（ WDM）技術(shù) 。 WDM 系統(tǒng)利用已經(jīng)敷設(shè)好的光纖，使單根光纖的傳輸容量在高速率 TDM 的基礎(chǔ)上成 N 倍地增加。 WDM 能充分利用光纖的帶寬，解決通信網(wǎng)絡(luò)傳輸能力不足的問題，具有廣闊的發(fā)展前景。 WDM 波分復(fù)用并不是一個新概念，在光纖通信出現(xiàn)伊始，人們就意識到可以利用光纖的巨大帶寬進行波長復(fù)用傳輸，但是在 20 世紀 90 年代之前，該技術(shù)卻一直沒有重大突 破，其主要原因在于 TDM 的迅速發(fā)展，從 155Mbit/s 到 622Mbit/s，再到 ， TDM速率一直以過幾年就翻 4倍的速度提高。人們在一種技術(shù)進行迅速的時候很少去關(guān)注另外的技術(shù)。 1995年左右， WDM系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，一個重要原因是當(dāng)時人們在 TDM10Gbit/s技術(shù)上遇到了挫折，眾多的目光就集中在光信號的復(fù)用和處理上， WDM 系統(tǒng)才在全球范圍內(nèi)有了廣泛的應(yīng)用。 16 波分復(fù)用技術(shù)的概念 波分復(fù)用 (WDM)是將兩種或多種不同波長的光載波信號 (攜帶各種信息 )在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器 (亦稱合 波器， Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸?shù)募夹g(shù)； 在接收端，經(jīng)解復(fù)用器 (亦稱分波器或稱去復(fù)用器， Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復(fù)原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。 通信系統(tǒng)的設(shè)計不同，每個波長之間的間隔寬度也有不同。按照通道間隔的不同， WDM可以細分為 CWDM（稀疏波分復(fù)用）和 DWDM（密集波分復(fù)用）。 CWDM 的信道間隔為 20nm，而 DWDM 的信道間隔從 到 ，所以相對于 DWDM， CWDM 稱為稀疏波分復(fù)用技術(shù)。 CWDM 和 DWDM 的區(qū)別主要有二點：一是 CWDM 載波通道間距較寬，因此，同一根光纖上只能復(fù)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；二是 CWDM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 是通過利 用光復(fù)用器將在不同光纖中傳輸?shù)牟ㄩL結(jié)合到一根光纖中傳輸來實現(xiàn)。在鏈路的接收端，利用解復(fù)用器將分解后的波長分別送到不同的光纖，接到不同的接收機。 波分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點 WDM 技術(shù)之所以在近幾年得到迅猛發(fā)展是因為它具有下述優(yōu)點： (1) 傳輸容量大，可節(jié)約寶貴的光纖資源。對單波長光纖系統(tǒng)而言，收發(fā)一個信號需要使用一對光纖，而對于 WDM 系統(tǒng)，不管有多少個信號，整個復(fù)用系統(tǒng)只需要一對光纖。例如對于 16 個 ，單波長光纖系統(tǒng)需要 32根光纖，而 WDM 系統(tǒng)僅需要 2根光纖。 (2) 對各類業(yè)務(wù)信 號 “ 透明 ” ，可以傳輸不同類型的信號，如數(shù)字信號、模擬信號等，并能對其 (3) 網(wǎng)絡(luò)擴容時不需要敷設(shè)更多的光纖，也不需要使用高速的網(wǎng)絡(luò)部件，只需要換端機和增加一個附加光波長就可以引入任意新業(yè)務(wù)或擴充容量，因此 WDM 技術(shù)是理想的擴容手段。 17 (4) 組建動態(tài)可重構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用光分插復(fù)用器（ OADM）或者使用光交叉連接設(shè)備（ OXC），可以組成具有高度靈活性、高可靠性、高生存性的全光網(wǎng)絡(luò)。 波分復(fù)用技術(shù)目前存在的問題 以 WDM 技術(shù)為基礎(chǔ)的具有分插復(fù)用功能和交叉連接功能的光傳輸網(wǎng)具有易于重構(gòu)、良好的擴展性等巨大優(yōu)勢，已成為未來高速傳輸網(wǎng)的發(fā)展方向，但在真正實現(xiàn)之前，還必須解決下列問題。 1． 網(wǎng)絡(luò)管理 目前， WDM 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理，特別是具有復(fù)雜的上 /下通路需求的 WDM 網(wǎng)絡(luò)管理仍處于不成熟期。如果 WDM 系統(tǒng)不能進行有效的網(wǎng)絡(luò)管理，將很難在網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模采用。例如在故障管理方面，由于 WDM 系統(tǒng)可以在光通道上支持不同類型的業(yè)務(wù)信號，一旦 WDM 系統(tǒng)發(fā)生故障，操作系統(tǒng)應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)故障，并找出故障原因。但到目前為止，相關(guān)的運行維護軟件仍不成熟；在性能管理方面， WDM 系統(tǒng)使用模擬方式復(fù)用及放大光信號，因此常用的比 特誤碼率并不適用于衡量 WDM 的業(yè)務(wù)質(zhì)量，必須尋找一個新的參數(shù)來準(zhǔn)確衡量網(wǎng)絡(luò)向用戶提供的服務(wù)質(zhì)量等。如果這些問題不及時解決，將阻礙 WDM 系統(tǒng)的發(fā)展。 2．互連互通 由于 WDM 是一項新生的技術(shù)，其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定較粗，因此不同商家的 WDM 產(chǎn)品互通性較差，特別是在上層的網(wǎng)絡(luò)管理方面。為了保證 WDM 系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模實施，需保證 WDM系統(tǒng)間的互操作性以及 WDM 系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)間互連、互通，因此應(yīng)加強光接口設(shè)備的研究。 3．光器件 一些重要光器件的不成熟將直接限制未來光傳輸網(wǎng)的發(fā)展，如可調(diào)諧激光器等。對于一些大的運營公司 來說，在網(wǎng)絡(luò)中處理幾個不同的激光器就已經(jīng)非常棘手了，更不用說幾十路光信號了。通常光網(wǎng)絡(luò)中需要采用 4～ 6 個能在整個網(wǎng)絡(luò)中進行調(diào)諧的激光器，但目前這種可調(diào)諧激光器還無法進入商用。 DWDM 技術(shù) 1． DWDM 對光纖性能的要求 DWDM 是密集的多波長光信道復(fù)用技術(shù)，光纖的非線性效應(yīng)是影響 WDM 傳輸系統(tǒng)性能的主要因素。光纖的非線性效應(yīng)主要與光功率密度、信道間隔和光纖的色散等因素密切相關(guān)；光功率密度越大、信道間隔越小，光纖的非線性效應(yīng)就越嚴重；色散與各種非線性效應(yīng)之 18 間的關(guān)系比較復(fù)雜，其中四波混頻隨色散接近零 而顯著增加。隨著 WDM 技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)越來越多，信道間距越來越小，傳輸功率越來越大，因而光纖的非線性效應(yīng)對 DWDM 傳輸系統(tǒng)性能的影響也越來越大。 克服非線性效應(yīng)的主要方法是改進光纖的性能，如增加光纖的有效傳光面積，以減小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以減小四波混頻效應(yīng)；減小光纖的色散斜率，以擴大 DWDM 系統(tǒng)的工作波長范圍，增加波長間隔；同時，還應(yīng)盡量減小光纖的偏振模色散 ， 以及在