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光纤专题(四)

2/14/2005来源:光纤通信人气:8444

光纤专题(四)
Tbit/s光网络的支撑技术容量

随着人类社会信息化时代的不断发展,对通信网的带宽和容量已提出了更高的要求。人们对通信业务的价值重视已经从"有无、时间、距离"逐步转向"个性、实时、网络、交互"。其典型特征有二,其一为"速度",使人与人的交流不存在时间、地理位置的差异;其二是"容量",使人类的生活、经济、政治及社会活动所需的巨大业务容量,完全可以依赖于这一坚实可靠的通信网络。而先进的光纤通信技术以其高速、宽带的明显特征而为世人瞩目。从1996年第一次达到1Tbit/s的容量到目前报道的7Tbit/s的系统,研究人员为此作出了不懈的努力。实际上,常规石英单模光纤本身在1550nm波段可提供约25THz的低损耗窗口,即便是目前的超大容量系统也仅仅使用了其中的一部分,因此未来光网络继续朝着Tbit/s速率乃至更高的速率发展已成必然。

从光纤通信演进与发展的角度来看,其关键技术主要反映在光传输、光交换、光接入、光联网等方面,如高速大容量光传输技术(光孤子、OTDM、SDH+WDM、先进性能的光纤等);光交换及关键网元技术(光交换机/光路由器、波长转换器、光放大器、光分组交换-OPS/OBS/PSR技术等);宽带光接入技术(WDM PON、Supper PON、WDM城域网/接入网等);新型组网技术(IP over WDM、OMPLS、MPLmS等);以及光通信网络的规划设计及相关标准、模块化的光节点技术、光节点的智能化管理及与现有电信管理系统的兼容、智能化的中央网管与网络的资源优化配置等。

从系统角度来看,以上这些支撑Tbit/s光网络的关键技术又基本上可分为光纤技术、光器件技术、光节点技术和光联网技术四大类。在这几方面,国际上都已进行了大量的研究。美国、西欧、日本等都在各主要实验室之间建立了光网络实验床,研究其中的各种关键问题。本文将对这些支撑技术进行分析与介绍。

一、光纤技术
现阶段的光纤通信主要采用石英光纤,实际使用以长波长单模光纤为主。光纤的主要性能有损耗、色散和非线性。目前商用化的单模光纤主要有常规单模光纤(G.652),色散位移单模光纤(G.653)、非零色散位移单模光纤(G.655)等,以及一些特种光纤(如:色散补偿光纤、掺铒光纤、保偏光纤等)。

由于G.655光纤既解决了光纤色散受限问题,又解决了光纤的非线性问题,因此对于运行Tbit/s光网络系统比较适宜。另外由于G.655 光纤克服了G.652光纤的色散受限和G.653光纤无法进行波分复用的缺点,所以它不仅适合于WDM系统,也可以用于高速率、大容量的TDM系统。目前北美新敷设干线光缆已放弃G.652光纤和G.653光纤,全部转向G.655光纤,而且第二代的G.655光纤-大有效面积光纤和小色散斜率光纤也已经大规模应用。另外还有一种光纤称之为全波光纤,它是通过进一步降低光纤中OH离子的浓度,消除吸收峰,将1400nm窗口的损耗降低,使可复用的波长数大大增加。使光纤中的传送波长在长波长区全部打通。

1.光纤色散效应。采用EDFA以后,光纤衰减限制的问题得以解决,传输距离可大大增加,但总色散也将随之增加。原来的损耗限制系统变成了色散限制系统。因此光纤色散效应的影响对于Tbit/s光网络而言将是一个主要的限制因素,其中的色度色散可通过色散补偿的管理技术予以解决,主要方法有:1用色散补偿光纤DCF,它在1550nm波段有很大的负色散,可以补偿常规光纤的色散; 2采用啁啾光纤光栅,这种方法器件紧凑、插入损耗小,其色散斜率可以控制为与传输光纤相同; 3色散管理,利用+/-色散系数的光纤交错连接,保证总的净色散为零,不过这种方法不适合已敷设的光纤系统;4在发射机引入色散预补偿,对单个信道的色散问题,必须考虑的因素有发射机、接收机的色散容许量、色散补偿技术和补偿元件的位置还需精确测量已敷设光纤的色散。

2.偏振模色散。偏振模色散(PMD)是由于光纤不是理想的圆柱形,引起线偏振光的两个偏振态分量的传输速度不一致。它与光纤制造工艺、受外界影响的自身应力状态、双折射效应等因素有关,并且具有随机性,其值随光纤所处的环境变化而发生波动。如何减少PMD是目前国际上的研究热点之一,现已提出了一些补偿方法,如光域补偿方法,电域补偿方法等。

3.光纤的非线性效应。对于常规光纤通信系统来说,光功率不大,光纤呈线性传输特性,采用EDFA后,光功率增大,光纤在一定条件下将呈现出非线性特性,极大地限制了EDFA的放大性能和长距离无中继传输的实现。光纤的非线性效应主要有散射效应(包括受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS)和折射率效应(包括自相位调制SPM、交叉相位调制XPM和四波混频FWM),这些效应的产生大部分都与注入到光纤的光功率有关。

从技术和光器件的发展情况来看,目前的WDM系统已找到了一些有效的解决方法以克服这些效应对传输的影响,特别是光信道数较少(16)的WDM系统,注入光纤的总光功率一般+17dBm,比产生SRS效应的阈值小得多,因此不会有SRS的影响;而使用激光器的外调制技术及辅以低频扰动技术也可克服SBS的窄带效应影响;四波混频(FWM)的效率与光纤的色散有很大的关系,G.655光纤是专门为WDM传输系统设计的光纤,既可克服FWM,又减小了光纤的色散,是使用高速WDM系统的最佳选择;交叉相位调制(XPM)一般对大于32信道的WDM系统影响突出,可通过增大光纤有效面积的办法来解决;而在G.652光纤上,自相位调制(SPM)会压缩传输光脉冲的宽度,与色散展宽脉冲宽度的效应相反,在一定程度上,可以利用SPM补偿色散展宽脉冲的效应。当然对于超大容量光网络而言,如何综合考虑非线性特性尚待进一步研究。

二、光器件技术
光器件技术是光网络乃至整个光通信的基础,光器件及其子系统的性能,将直接影响Tbit/s光网络的性能。尤其是一种新器件的诞生,有可能改善系统性能甚至直接推翻了旧系统。Tbit/s光网络所涉及的光器件很多,如光源、波分复用/解复用器、可调谐光器件、光开关、光放大器、光纤光栅器件等。

1.光开关技术。按照光束在开关中传输的媒质来分类,光开关可分为自由空间型和波导型光开关。自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和折射镜的移动或旋转来实现开关动作;波导型光开关主要是利用波导的热光、电光、或磁光效应来改变波导性质,从而实现开关动作。按照开关实现技术的物理机理来分,可以分为机械式开关、热光式开关和电光式开关。机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能,但它的开关尺寸比较大,开关动作时间比较长,不易集成。对波导开关而言,它的开关速度快,体积小,而且易于集成,但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差。因此如何在未来光网络中结合机械开关和波导开关两者的优点,以适应现代网络的要求,一直是研究的热点之一。Lucent公司的微机械光开关MEMS和Agilent公司的泡沫光开关的诞生即是目前最具代表性的二例,已成为未来大规模光网络中光开关器件的代表性器件。

2.波分复用/解复用器技术。在目前光网络中用的波长解复用器件一般是固定波长式的,主要包括有多层介质薄膜干涉滤波型、反射型衍射光栅型、光纤光栅型、刻蚀光栅和阵列波导光栅型等几种形式。其中多层介质膜式解复用器性能良好且稳定,已经得到广泛的应用。阵列波导光栅性能良好,能解开多个波长,并且适合大规模集成,是未来解复用器的代表性器件,目前美、日等国均在这方面进行了深入研究,在他们的Tbit/s的WDM系统大量使用。

3.光纤放大器技术。普通掺铒光纤放大器(EDFA)的放大带宽约为35nm1530~1565nm 只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的一部分。因此,要进一步提高传输容量 有必要增大光放大器的带宽。目前提出的方法有掺铒氟化物光纤放大器(EDFFA)、碲化物EDFA、增益平移掺铒光纤放大器(GS EDFA)。尤其是最近提出的光纤拉曼放大器,它可以在1292~1660nm范围内提供增益可以制成分布式的放大器且噪声低。另一种光放大技术是采用半导体光放大器(SOA),它虽然研制得比较早,具有结构简单、成本低、可批量生产等优点,但受噪声、功率、偏振相关性等影响,一直没有达到实用化。目前应变量子阱材料的 SOA研制成功,已引起了人们的广泛兴趣。

4.可调谐光源与探测器技术。光源是光纤通信系统中的关键光子器件,如高速激光器、增益开关半导体激光器、量子阱双稳态激光器、掺铒光纤激光器、主动锁模光纤环形孤子激光器、被动锁模光纤环形激光器、光纤光栅激光器、光收发模块等,近年来研制成功的多波长激光器阵列和"平面光路"组件已为人瞩目。在光网络研究与应用中,现已有多种光源可用,如多波长光源、绝对波长光源、波长可变半导体激光器等。与光源有关的调制技术是解决如何将高码率的电数字比特流调制到光上去,对于高速系统要求外调制技术主要包括电吸收(EA)调制器和LiNbO3调制器。

可调波长滤波器是实现波分光交换的基本元件,其原理是将合路后的波分复用信号送入可调波长滤波器,即可得到所要输出波长的光,完成波长交换的功能。可调波长滤波器有声光调制式、相移控制分布反馈激光放大器式可调谐滤波器。这类开关主要用于波分光路光交换及波分分组光交换网络。

5.全光波长变换技术。迄今为止,已报导了多种结构和机制的全光波长转换器。大体上可以分为以下几类:其一是以半导体光放大器为基础的包括(1)采用交叉增益调制(XGM-SOA)光波长转换器;(2)采用交叉相位调制干涉型(FWM-SOA)的波长转换器;(3)利用四波混频效应(FWM-SOA)光波长转换器等。其二是以半导体激光器为基础的包括(1)利用DBRLD (分布布拉格反射激光器)或 Y型LD中光吸收增益饱和机制的波长转换器;(2)利用边(侧面)注入的光双稳型波长转换器;3基于半导体激光器或光纤中的四波混频(FWM)效应或不同频率产生(DFG)的全光波长变换器以及非线性光纤环镜(NLOM)型波长变换器。