關于光波分復用技術與應用

龔　莉　王躍紅

摘要:作者通過在武漢郵科院光纖通信的培訓和實踐,談談對WDM(波分復用)技術及原理的一點粗淺的認識及在青島對青濟光纜的波分復用技術應用的考察。

關鍵詞:WDM(波分復用);FDM(頻分復用);帶寬;光纖色散

1光纖的基本特性

由于單模光纖具有內部損耗低、帶寬大、易于升級擴容和成本低的優點,因而得到了廣泛應用。從80年代末起,我國在國家干線網上敷設的都是常規單模光纖。常規石英單模光纖同時具有1550nm和1310nm兩個窗口,最小衰減窗口位于1550nm窗口。多數國際商用光纖在這兩個窗口的典型數值為:1310nm窗口的誤減 在(0.3～0.4)dB/km;1550nm窗口的衰減在(0.19～0.25)dB/km。

在1380nm有一個OH-根離子吸收峰導致損耗比較大外,其它區域光纖損耗都小于0.5dB/km(據報道已有公司推出了ALL-WAVE全波光纖,消除了這一損耗峰峰值,使整個頻帶更加平坦)。現在人們所利用的只是光纖低損耗頻譜(1310～1550nm)極少的一部分。以常規SDH2.5Gb/s系統為例,在光纖的帶寬中只占很小一部分,大約只有0.02nm左右;全部利用摻餌光纖放大器EDFA的放大區域帶寬(1530～1565nm)的35nm帶寬,也只是占用光纖全部帶寬(1310～1570nm)的1/6左右。

理論上,WDM技術可以利用的單模光纖帶寬達到200nm,即25THz帶寬,即使按照波長間隔為0.8nm(100GHz)計算,理論上也可以開通200多個波長的WDM系統,因而目前光纖的帶寬遠遠沒有利用。WDM技術的出現正是為了充分利用這一帶寬,而光纖本身的寬帶寬、低損耗特性也為WDM系統的應用和發展提供了可能。

2波分復用的技術原理

在模擬載波通信系統中,為了充分利用電纜的帶寬資源,提高系統的傳輸容量,通常利用頻分復用的方法,即在同一根電纜中同時傳輸若干個信道的信號,接收端根據各載波頻率的不同,利用帶通濾波器就可濾出每一個信道的信號。

同樣,在光纖通信系統中也可以采用光的頻分復用的方法來提高系統的傳輸容量,在接收端采用解復用器(等效于光帶通濾波器)將各信號光載波分開。由于在光的頻域上信號頻率差別比較大,人們更喜歡采用波長來定義頻率上的差別,因而這樣的復用方法稱為波分復用。

所謂WDM技術就是為了充分利用單模光纖低損耗區帶來的巨大帶寬資源,根據每一信道光波的頻率(或波長)不同可以將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道,把光波作為信號的載波,在發送端采用波分復用器(合波器)將不同規定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸。在接收端,再由一波分復用器(分波器)將這些不同波長承載不同信號的光載波分開的復用方式。由于不同波長的光載波信號可以看作互相獨立(不考慮光纖非線性時),從而在一根光纖中可實現多路光信號的復用傳輸。雙向傳輸的問題也很容易解決,只需將兩個方向的信號分別安排在不同波長傳輸即可。根據波分復用器的不同,可以復用的波長數也不同,從2個至幾十個不等,現在商用化的一般是是波長和16波長系統,這取決于所允許的光載波波長的間隔大小。

WDM本質上是光域上的頻分復用(FDM)技術。要想深刻理解WDM系統的本質,有必要對傳輸技術的發展進行一下總結。從我國幾十年應用的傳輸技術來看,走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路線。開始的明線、中同軸電纜采用的都是FDM模擬技術,即電域上的頻分復用技術,每路話音的帶寬為4kHz,每路話音占據傳輸媒質(如同軸電纜)一段帶寬;PDH、SDH系統則是在光纖上傳輸的TDM基帶數字信號,每路話音速率為64kb/s;而WDM技術是光纖上頻分復用技術,16(8)×2.5Gb/s的WDM系統則是光域上的FDM模擬技術和電域上TDM數字技術的結合。

WDM本質上是光域上的頻分復用FDM技術,每個波長通路通過頻域的分割實現。每個波長通路占用一段光纖的帶寬,與過去同軸電纜FDM技術不同的是:(1) 傳輸媒質不同,WDM系統是光信號上的頻率分割,同軸系統是電信號上的頻率分割利用。(2) 在每個通路上,同軸電纜系統傳輸的是模擬信號4kHz語音信號,而WDM系統目前每個波長通路上是數字信號SDH 2.5Gb/s或更高速率的數字系統。

3波分復用技術的主要特點

可以充分利用光纖的巨大帶寬資源,使傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍。

使N個波長復用起來在單模光纖中傳輸,在大容量長途傳輸時可以大量節約光纖。另外,對于早期安裝的芯數不多的光纜,芯數較少,利用波分復用不必對原有系統作較大的改動即可比較方便地進行擴容。

由于由一光纖中傳輸的信號波長彼此獨立,因而可以傳輸特性完全不同的信號,完成各種電信業務信號的綜合和分離,包括數字信號和模擬信號,以及PDH信號和SDH信號的綜合與分離。

波分復用通道對數據格式是透明的,即與信號速率及電調制方式無關。一個WDM系統可以承載多種格式的“業務”信號,ATM、IP或者將來有可能出現的信號。WDM系統完成的是透明傳輸,對于“業務”層信號來說,WDM的每個波長就像“虛擬”的光纖一樣。

在網絡擴充和發展中,是理想的擴容手段,也是引入寬帶新業務(例如CATV、HDTV和B-ISDN等)的方便手段,增加一個附加波長即可引入任意想要的新業務或新容量。

利用WDM技術選路來實現網絡交換和恢復,從而可能實現未來透明的、具有高度生存性的光聯網。WDM已不僅成為解決容量問題的手段,而且成為加速新業務量生成的基礎。

在國家骨干網的傳輸時,EDFA的應用可以大大減少長途干線系統SDH中繼器的數目,從而減少成本。距離越長,節省成本就越多。

4波分復用的優點

超高速大容量:復用光通道速率為:622MB/S、25GB/S、10GB/S,復用通道數:4、8、16、32個或更多,超大容量傳輸:可達300GB/以上,可平滑升級擴容:根據需要隨意增加復用光通道,各信道彼此獨立,可透明傳送不同業務。

可利用成熟TDM技術、避開更高速TDM技術難度,2.5GSDH技術已十分成熟,TDM方式10G SDH已達電子器件工作極限。

對光纖色散無過高要求:N*2.5G的WDM系統對光纖色散的要求,同單波長2.5G一樣,G.652光纖適合于傳輸2.5GTDM信號,但難以傳10G以上TDM信號,需進行色散補償。

可利用寬帶EDFA實現超長距離傳輸:用一個寬帶EDFA可對復用光通道信號同時放大,可實現超長距離傳輸(可達640KM),節省大量中繼設備。

適合向全光網絡發展,可與光分插復用和光交叉連設備結合使用,組成具有高度生存性、超大容量的全光網絡。

適合中國國情,我國目前鋪設的光纖絕大部分為G.652光纖,不象G.653光纖那樣存在混頻效應(FWM)。

5波分復用的技術現狀和發展

近幾年已在北美開始大規模應用,敷設量已超過5000多終端,目前的商用系統主要為(8-16)X2.5GB/S,40波系統已投入應用,年底可達80/96波,2X16X10GB/S系統已投入實際商用,128X10GB/S系統已完成樣機,實驗室水平已達:2640GB/S(132X20GB/S),實用化系統容量:640GB/水(64X10GB/S),我國WDM實用化技術處于世界先進水平,僅落后于先進水平2年左右,WDM網絡規模居世界第二,我國863安排的8X2.5GB/S已與青濟和廣汕線路投入應用,重慶移動長途傳輸干線渝西環DWDM 320G工程,采用UnitransZXWM

-32(320G)密集波分復 用系統和SDH Unitrans

系列設備建設。環網包括新牌坊、大坪、IDC中心、南坪、永川、北碚 六個OTM和ADM站點和江津、銅梁、潼南3個OLA站點。由武漢郵電科學研究院承擔的國家863重大項目“32X10GB/SSDH波分復用系統”在廣西南寧通過國家驗收,該項目是國家863計劃的重中之重項目。通過應用到實際工程-廣西南寧至柳洲段,實現了在同一管理平臺上對SDH和WDM的統一管理,具有較完善的管理維護功能。

從某種意義上講,WDM技術的應用標志著光通信時代的“真正”到來,標志著國產光傳輸設備的發展進入了一個嶄新階段。當前,WDM技術仍處于快速發展階段,許多廠商的32 ×2.5Gb/s系統都已投入商用,另外N ×10Gb/s的WDM技術也發展很快,我們目前制定的規范僅僅對當前引進和建設的16(8)×2.5Gb/sWDM系統參數進行了具體規定,對于16通路以上的WDM系統的光接口參數還沒有規范。但是許多普遍性原則,例如WDM分層結構、光接口分類、保護以及安全要求等在多通路WDM系統中仍將適用。另外加快32 ×10Gb/s(2.5Gb/s)和其它拓撲結構的WDM系統(如WDM環網)的標準化,以滿足國內迅速發展的WDM技術的要求。