光波分复用技术的高速传输系统

光波分复用技术（WDM，Wavelength Division Multiplexer）的出现使光通信系统的容量几十倍、成百倍地增长，可以说没有波分复用技术也就没有现在蓬勃发展的光通信事业。目前我国的干线传输系统和大中城市的城域网已采用了WDM 技术。WDM 技术在实现产业化的同时，向着超高速率、超大容量、超长距离发展，WDM 已成为不可替代的主导技术。随着网络IP化的不断发展，WDM 高速传输系统向着更大容量的100G/400G WDM 演进。

1.WDM 系统的基本结构、工作原理和特点

（1）WDM 系统构成

WDM 技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来（复用），并送入光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

WDM 系统按照工作波长的波段不同可以分为两类：一类是采用1 310 nm 和1 550 nm 波长的复用，称为粗波分复用（CWDM）；另一类是在1 550 nm 波段的密集波分复用（DWDM），它是在同一窗口中信道间隔较小的波分复用，可以同时采用8、16或更多个波长在一对光纤上（也可采用单纤）构成光纤通信系统，其中每个波长之间的间隔为1.6 nm、0.8 nm 或更低，对应的带宽为200 GHz、100 GHz或更窄的带宽。如果光纤由OH 根所致的损耗峰可以消除的话，那么可以使波分复用系统的可用波长范围扩展到1 280～1 620 nm 波段，达到340 nm 左右，大大提高传输容量。目前DWDM 采用的信道波长是等间隔的，如k×0.8 nm，k为正整数。由于EDFA 成功地应用于DWDM 系统，极大地增加了光纤中可传输的信息容量和传输距离。

WDM 系统的基本构成主要有两种基本形式：双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输是指采用两根光纤实现两个方向信号传输，完成全双工通信。如图9.35所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调制的光信号λ1，λ2，…，λn通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，在接收端通过光解复用器将不同光波长的信号分开，分别送入不同的光接收机，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输，其原理相同。

图9.35　双纤单向传输示意图

单纤双向传输是指光通路在一根光纤中同时沿着两个不同的方向传输，双向传输的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信。

DWDM 系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。DWDM 系统的总体构成如图9.36所示，其中光发射机是DWDM 系统的核心，根据ITU-T 建议和标准，光发射机中的半导体激光器必须能够发射标准的波长，并具有一定的光谱线宽，此外还必须稳定、可靠。

图9.36　DWDM 系统的总体构成

在系统的发送端首先将来自终端设备（如SDH 端机）输出的光信号，利用光转发器（OTU）把非规范的波长的光信号转换成符合ITU-T 建议的标准波长的光信号；利用光复用器（或称作光合波器）合成多通路光信号；通过光功率放大器（BA）放大输出多通路光信号，以提高进入光纤的光功率，一般采用EDFA 作为光功率放大器。

经过长距离（80～120 km）光纤传输后，需要对光信号进行光中继放大。目前使用的光中继放大器多数为EDFA。在接收端，光前置放大器（PA）放大经过传输而衰减的主信道的光信号，光前置放大器仍可采用EDFA。采用光解复用器（或称分波器）将主信道的多路信号分开，送入不同的光接收机。光接收机必须具备一定的灵敏度、动态范围、足够电带宽和噪声性能。

DWDM 系统中的光监控信道的功能是监控系统内各信道的传输情况。在发送端插入光监控信号λs，它与主信道的光信号合波后输出；在接收端将收到的光信号分波，分别输出光监控信号和主信道的光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传输的。监控信道的波长可选1 310 nm、1 480 nm 或1 510 nm，它们位于EDFA 的增益带宽之外，所以这种监控称为带外波长监控技术。

网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到网络其他节点或接收来自其他节点的开销字节对DWDM 系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统连接。

在实现DWDM 系统中，最关键的器件主要有：满足ITU-T 建议波长要求的半导体激光器、滤波器、耦合器、光波分复用器和解复用器、光放大器等。在DWDM 系统中所用的光源，一般要求是发光波长精确、稳定，发射功率稳定，光谱线宽窄，成本低，具有配套的波长监测与稳定技术。

（2）WDM 技术的主要特点

①充分利用了光纤的巨大带宽资源（低损耗波段），使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而增加了光纤的传输容量，在很大程度上解决了传输的带宽问题。

②WDM 技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH 信号和SDH 信号，实现多媒体信号（如音频、视频、数据、文字、图像等）的混合传输。

③WDM 技术可以实现单根光纤的双向传输，以节省大量的线路投资。

④WDM 技术可以有多种应用形式，如长途干线的传输网络、广播式分配网络、局域网等。

⑤WDM 技术使N 个波长复用起来在单根光纤中传输，在大容量长途传输时可以节约大量光纤，对已经建成的光纤通信系统可以很容易地进行扩容升级，因而WDM 技术可以节约线路投资。

⑥随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足。使用WDM 技术可以降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。

⑦WDM 的信道对数据格式是透明的，即与信号的速率和电调制方式无关，在网络扩充和发展中是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务的方便手段。

⑧利用WDM 技术可以实现高度的组网灵活性、经济性和可靠性。

2.高速调制/码型技术

对于10 Gbit/s及以下速率的光纤通信系统，普遍采用开关键控（OOK）和直接检测的非归零码型（NRZ）。这种调制码型的实现方式简单，对于10 Gbit/s及以下速率的信号有很好的传输性能。随着线路传输速率提升到40 Gbit/s和100 Gbit/s，如果仍采用NRZ OOK 调制码型，传输性能会受到限制，其原因是随着传输速率的提高，信号频谱将会展宽，信号带内的噪声也会相应地增加。此外，对于接收光信噪比要求也相应提高，需要提高单通道光功率，而非线性效应的影响会引入一定的系统代价。调制码型方式直接影响系统的信噪比、色度色散、偏振模色散容限以及非线性效应等性能。因此需要引入新的调制码型，才能实现与10 Gbit/s系统相当的传输性能。

对于40 Gbit/s光传输系统，以差分相移键控（DPSK）和正交相移键控（DQPSK）两种调制码型为主，同时部分引入偏振复用-正交相移键控（DP/PM-QPSK）调制码型。对于100 Gbit/s光传输系统，调制码型的选择相对统一，引入了偏振复用技术，DP/PM-QPSK 调制码型成为主流选择。

3.色散补偿技术

光信号在光纤中传输时，除光纤的衰减以外，色散是限制光信号传输距离的一个重要因素。光纤中的色散包括色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）。为了实现超大容量和超长距离的传输，需要采用相应的色散补偿技术。

（1）色度色散补偿技术

色度色散是指不同波长的信号光在光纤中传输时的群延时差不同所引起的光脉冲展宽，从而影响信号的现象。

单模光纤中的色散主要包括材料色散和波导色散两部分，如图9.37所示。对于普通单模光纤，其零色散波长为1 310 nm。而在1 550 nm 处的色散系数为17 ps/nm·km，随着传输速率的提高，对于10 Gbit/s的光信号，就已经很难实现长距离的传输。

图9.37　普通单模光纤中的色散

对于10 Gbit/s的传输系统来说，一般采用色散补偿模块（DCM）对光纤线路的色散进行补偿，DCM 一般由色散补偿光纤（DCF）组成。单波长速率提高到40 Gbit/s和100 Gbit/s，就需要对色散进行精确管理和使用相应的色散补偿技术，否则将无法实现长距离的传输。

对于40 Gbit/s和100 Gbit/s传输系统，色度色散的补偿方案有两种：其一是采用DCM和可调色散补偿器（TDC）的方法，TDC 是对光信号残余色散做精确的补偿；其二是采用电域色散补偿技术。电域色散补偿技术是基于相干光接收技术、数字信号处理技术和均衡化算法的色散补偿技术。对相干接收的40 Gbit/s和100 Gbit/s传输系统，由于采用了DPSK 和DQPSK、DP/PM-QPSK 等高阶的调制码型，一般不需要在线路中采用DCM 进行色散补偿，仅需要在接收端通过数字信号处理算法在电域统一进行色散补偿。电域色散补偿技术可以实现很高的色散容限，同时大大简化了系统规划和设计的难度。

（2）偏振模色散补偿技术

光纤中的光信号，一般存在两个正交的偏振态。光纤的弯曲、变形、应力受温度等多种因素的影响，使得光纤中沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数β不同，从而导致这两偏振态的传输速度不同步，形成偏振模色散（PMD）。PMD 是影响高速长距离光传输系统性能的一个关键因素。

PMD 的一个显著特征是具备动态统计特性，PMD 值是在一个较大的范围内随外界环境、压力等因素的变化而不断变化的，因而系统的PMD 非常难以统计和控制。此外，PMD 还有一阶PMD 及高阶PMD 之分。

对于40 Gbit/s传输系统，由于采用了DPSK 和DQPSK 等高阶的调制码型，其PMD 容限有一定的提升，一般不需要进行额外的PMD 补偿。对于100 Gbit/s传输系统，由于采用了相干光接收技术和数字信号处理技术，可以在电域对PMD 进行补偿，因此100 Gbit/s的系统具有非常高的PMD 容限。对40 Gbit/s相干系统，同样由于采用了电域对PMD 进行补偿，系统具备了很高的PMD 容限。

4.非线性效应抑制技术

随着光纤中光信号强度的提升，光纤开始表现为非线性介质，尤其是EDFA 的应用，光纤中的光信号相比之前有了大幅度的提升，这使得光纤中的非线性效应愈来愈显著。

影响WDM 系统性能的非线性效应主要包括通道内非线性效应和通道间非线性效应。通道内非线性效应包括两大类：一是信号与噪声之间相互作用产生的非线性效应，包括非线性相位噪声（NPN）和参量放大引起的调制不稳定（MI）；二是信号与信号之间产生的非线性效应，包括自相位调制（SPM）、通道内交叉相位调制（XPM）和通道内四波混频效应（FWM）。通道间非线性效应也包括信号与噪声之间相互作用产生的非线性相位噪声，以及信号与信号之间的非线性效应。

随着WDM 系统单通道传输速率的提高，非线性效应对系统的影响越来越显著。对于大于10 Gbit/s的系统而言，通道内非线性效应的影响起主要作用。非线性效应的主要影响表现在会引起非线性相移，从而对信号脉冲形状和幅度都会产生影响，降低信号质量，影响传输距离。对于40 Gbit/s和100 Gbit/s传输系统，则需要采用非线性抑制技术来提高系统的传输性能。目前非线性抑制技术可以对SPM、XPM 和FWM 效应引起的非线性损伤进行有效抑制或补偿。对于NPN，还没有有效的手段对其进行有效抑制或补偿。

非线性抑制和补偿技术主要有色散管理技术和电域补偿技术两类。

色散位移光纤在1 550 nm 单一波长处，进行长距离传输具有很大优越性，但当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光放大器时，这种光纤就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，限制了WDM 系统的应用。因此，非零色散位移光纤才发展起来，并成为超高速光纤传输系统的主要选择之一。由于色散对光纤中的非线性效应产生直接的影响，因此在实际系统应用中，可以通过色散管理技术对非线性效应进行抑制，从而降低非线性效应对系统性能的影响。色散管理技术主要是对光纤链路的色散图谱进行设计，以达到同时实现色散补偿和非线性效应抑制的目的。

目前在电域对非线性效应进行补偿的研究仍在进行中，对于相干40 Gbit/s和100 Gbit/s系统，由于采用了相干接收和数字信号处理技术，在电域进行非线性效应的补偿已经成为可能。

5.前向纠错（FEC）技术

FEC技术已经广泛应用于光纤通信系统中，它在高速、长距离的色散限制系统中的使用尤为重要。它使得系统在传输中产生的突发性长串误码和随机单个误码得到纠正，提高了通信的质量，同时也提高了接收机的灵敏度，延长了无中继传输距离，增加了传输容量，是提高系统可靠性的一个重要手段。

FEC技术的原理是在发射端通过某种编码加入校验比特，在接收端利用比特之间的校验关系，通过某种方式的译码计算来对信号中的错误进行纠正，从而实现在接收时可以容忍一定误码存在而不至于使客户业务产生误码，这一方法得当提升了系统的传输能力。

目前长距离光传输系统基本都采用带外FEC 方式。带外FEC 是在帧尾为FEC 增加相关的开销区域，专门用于装载FEC校验比特，在接收端采用相应的算法进行纠错。

FEC的译码方式分为硬判决译码和软判决译码两种。硬判决FEC 译码器输入为0，1电平，由于其复杂度低，理论成熟，已经广泛应用于多种场景。软判决FEC译码器输入为多级量化电平。在相同码率下，软判决较硬判决有更高的增益，但译码复杂度会成倍增加。10 Gbit/s和40 Gbit/s WDM 系统所采用的均为硬判决FEC。对于100 Gbit/s系统，除了采用硬判决FEC之外，为了实现更好的FEC纠错性能，软判决FEC也在实际商用产品中应用。