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Tb/s光纤通信传输系统的开发现状及关键技术

2/14/2005来源:光纤通信人气:10936

Tb/s光纤通信传输系统的开发现状及关键技术 摘要 随着通信需求的急速增长,光纤通信系统的传输速率日益提高,Tb/s的单纤容量成 为当前研究开发的重点。本文介绍了国际上Tb/s系统的进展情况、实现此系统的关 键技术以及目前尚需克服的一些主要问题。 关键词 光纤通信 WDM EDFA 传输系统 1 国际上Tb/s系统的进展 近年来,通信流量,尤其是以Internet为主的数据通信流量,出现了爆炸式的增长。 通信流量的急剧增长,一方面给传统的传输系统造成了很大的压力,迫使系统供应商增加 带宽,减小网络的拥塞;另一方面它也带来了新的机遇,为新技术的采用敞开了大门。从 1996年第一次达到单芯1 Terabits/S(太比特每秒,10bit/S,简写为Tb/s)的容量(相 当于1.5亿路电话)到1999年2月OFC会议(世界光通信大会美国)上报道的3Tb/s的系统, 各大系统供应商为此作出了不懈的努力。 1996年的OFC会议上涌现了许多Tb/S的系统。富士通在150km 1.3pm零色散光纤上55X 20Gb/s的实验,达到了1.1Tb/S的容量。NTT利用光时分复用OTDM和波分复用WDM技术实现 了10 ×100Gb/s的系统,所用光纤为色散位移光纤,传输距离40km。朗讯利用波分复用技 术和偏振复用技术实现了50 ×20Gb/s、55km、非零色散位移光纤的传输实验;50个通道采 用25个波长和两个正交偏振态联合复用。在1996年的ECOC(欧洲光通信会议)上,NEC报道 了132×20Gb/s的传输系统,传输距离120km,采用标准单模光纤(SMF)和色散补偿光纤 (DCF)。该系统采用光双极性编码技术,带宽利用率达到0.6bit/s/Hz。 在此后的几年中,各大系统供应商在容量、频带利用率、传输距离、放大器技术、所 用光纤种类、复用方式上进行了不懈的努力。在1999年的OFC会议上,NTT实现了当时的最 高容量——3Tb/S的系统。 说明OTDM:光时分复用;WDM:波分复用;EDFA:掺饵光纤放大器;DSF:色散位移光 纤;TEDFA:掺碲的EDFA;SMF:标准单模光纤;True wave光纤:真波光纤;由Lucent发明; C波段:常规波段(1530- 1560nm;L波段:长波波段(1560-1620nm);NZDSF:非零色散 位移光纤。PD表示报道本实验系统的文献的会议编号。 以上各系统不仅在容量上代表了目前国际上的最高水平,所采用的技术也是最先进的。 实际上,常规石英单模光纤本身在1.55Pm波段提供了约25THz的低损耗窗口,目前的超大容 量系统也仅仅使用了其中很小的一部分,所以向25THz的目标前进的历程还会持续相当长的 一段时间。也许在2000年的OFC会议上更大容量的系统会有所报道。 2 Tb/s系统的关键技术 2.1 复用技术 常规石英单模光纤本身在1.55Pm波段提供了约25THz的低损耗窗口,也就是说在不考虑 光纤损耗对传输的限制时,1.55Pm的单一光载波能够以近25Tb/s的比特率进行基带调制。 但是,当前的光电器件不可能达到这么高的速率,激光器、外调制器、开关和检测器的带 宽充其量不超过100GHz。因此,依靠单路高速信道只可能利用光纤带宽的极小一部分,要 提高光纤带宽的利用率,必须依靠多信道系统。 常用的复用方式有时分复用(TDM)、波分复用(WDM)或频分复用(EDM)、空分复用 (SDM)、码分复用(CDM)。其中,TDM在当今的网络中非常普及。目前已能实现速率高于 40Gb/S的光电器件和集成电路。不过光通信中TDM研究的热点是在光域内进行时分(解) 复用(OTDM)。复用通常是利用平面波导延迟线陈列(或平面光波电路PLC)或者高速光开 关来实现;而全光时域解复用器则常常基于四波混频(FWM)或非线性光纤环形锐(NOLM) 等。 波分复用(WDM)技术是目前比较成熟的一项技术。它将位于不同光波长上的多个信道 送进同一根光纤传输,而每个信道可以采用较为成熟、廉价的低码串通信系统(例如 2.5 Cb/s或10Gb/s)。这样可以几倍甚至上百倍地提高传输容量。这是目前最有效的利用光纤 带宽的方法。另一方面,WDM的各个波长信道本身可以是TDM、SCM信道。迄今为止,所有Tb /S的传输实验都利用了WDM技术。市场上已有容量高达几百Gb/s的密集WDM传输系统产品。 光码分复用是近年兴起的~项技术,其基本原理与电码分复用类似。它的优点是频带 利用率高、交换方便、保密性好。另外,朗讯的~个Tb/S传输实验还利用了偏振(极化) 复用技术,但传输距离有限,稳定性也值得怀疑。 2.2 发射机技术 光发射机的核心问题是如何将高码率的电数字比特流调制到光上去,这些技术大体上 分为内调制和外调制两大类,表中第一项为内调制,其余的都是外调制。 从表中可以看出,高码率系统要求外调制技术,其主要原因是外调制技术基本上不引 人光载波的啁啾现象(光载频随时间的变化现象),从而大大减小了传输的色散效应,提 高了传输距离。电吸收(EA)调制器的主要优点是它可以和光源(半导体激光器)集成在 同一芯片上,目前的商用2.5Gb/S系统就有用此类调制器的。LiNbO3调制器是目前高码率 系统最常用的,也是以上几种技术中性能最好的技术。 电调制的最高码率受限于电路技术本身,目前可以做到40Gb/S的调制速率,但要实 现更高的调制速率就很困难了,这在高速通信系统中被称为电子瓶颈。实现更高容量的通 信系统就需要前文提到的光复用技术。 2.3 宽带放大器 掺铒光纤放大器(EDFA)是WDM技术实用化的关键,它具有许多优点,如对偏振不敏 感、无串扰、噪声接近量子噪声极限、可同时放大多个波长信号等,但普通EDFA的放大带 宽只有约35nm(1530一1565um),只覆盖了石英单模光纤低损耗窗口的一部分。这样就限 制了能够容纳的波长信道数。因此,要进一步提高传输容量,增大光放大器的带宽非常必 要。目前的方法有: (1)掺饵氟化物光纤放大器(EDFFA),据报道可以实现75nm的放大带宽,增益为18dB, 增益差别为±1.8dB; (2)碲化物EDFA,带宽可达76nm,增益差别为±1dB; (3)控制掺饵光纤的粒子数反转程度,放大1570~1600nm波段,称为增益平移掺饵光 纤放大器(GS-EDFA),这与普通的EDFA组合起来可以得到带宽约80nm的宽带放大器; (4)最近比较引人注目的是光纤喇曼放大器,喇曼效应是所有石英光纤中都有的非线 性现象,人射光波的一个光子被一个由分子运动形成的声子散射成为另一个低频光子,同 时分子完成振动态之间的跃迁,人射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移波。石英光 纤中的喇曼增益谱宽达40THz,主峰在13THz附近。利用这一特性,光纤可以用作宽带放大 器。但受激喇曼效应的泵浦阈值较高,实现喇曼放大器的关键是高功率泵浦,例如,如泵 浦波长为1450nm,要获得20dB的峰值增益,泵浦功率需要400mW(色散位移光纤)或620mW (常规单模光纤)。光纤喇曼放大器的优点是:可以在任何波长处提供增益,只要能得到 所需的泵浦波长;增益介质是光纤,可以制成分立式或分布式的放大器;噪声低。将喇曼 放大器与EDFA组合起来,可以得到带宽高于100nm的光放大器。 2.4 色散补偿技术 在较低速率时,光纤可以看成是对数据速率无关的传输媒质,但对高速信道来说,却 不是如此。绝大多数已敷设的光纤在1310nm波段呈现零色散,而在1550nm波段则具有18ps /nm.km的色散。色散效应将导致脉冲展宽从而引起误码,这是高速系统长距离传输的主 要限制。理论色散限制定义为理想WDM系统承受1dB功率代价的距离。对2.5Gb/S的系统来 说,这个限制为1000km,但在实际系统中,接收机时钟恢复系统的非理想性也对色散代价 有贡献,因此通常采用一个更保守的600km距离作为色散限制。对采用常规光纤的10Gb/S 系统来说,色散限制仅仅为50km,因而在长距离光纤段中必须采用某种形式的色散补偿技 术。目前色散补偿的主要方法有:(1)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,但DCF的色散斜率与常规光纤不能完全匹配,导致不 能在多个波长上同时精确地补偿色散效应,有残余的色散;(2)色散补偿用闲瞅光纤光 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,但目前制 作的啁啾光纤光栅相位特性还不是很平滑;(3)色散管理,利用+/-色散系数的光纤交 错连接,保证总的净色故为零,不过这种方法不适合已敷设的光纤系统;(4)在发射机 引入预色散补偿。对单个信道来说,系统设计时,就色散问题而言,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;对多信道系统来说,色散斜率和色散补偿元件的波长相关性也必须考虑。 2.5 孤子WDM传输技术 在超大容量的传输系统中,色散是限制传输距离和容量的一个主要因素。但是,在光 纤的反常色散区,由于光纤色散和非线性效应的相互作用,一定峰值功率和形状的光脉冲 在传输过程中可以保持脉冲形状和宽度不变。如果光纤没有损耗,则可以传输无限远,因 而称为孤子。在高速光纤通信系统中,使用孤子的好处是利用光纤本身的非线性来平衡光 纤的色散,因而可以显著增加无中继传输距离。孤子还具有抗干扰能力强,能够抑制极化 模色散(PMD)等优点。 近几年来,色散管理阳(Dispersion Management)技术的出现,大大克服了传统光 孤子传输系统中的主要问题,简化了系统,使其向实用化又迈进了一大步。色散管理和孤 子技术的结合,突破了以往孤子只在长距离传输上具有优势,继而向高速、中长距 离方向发展。日本在高速孤子通信系统和基础研究方面进行了大量的理论和实验研究工 作。KDD R&D实验室成功地研制了电吸收外调制器光孤子源,最大重复频率可达20GHz, 并成功地进行了8×20Gb/S及40Gb/s长距离光孤子传输实验。作为欧盟ACTS项目的重要 部分,MIDAS(Multi-gigabit Ihterconnection using Dispersion com pensation and Advanced Soliton techniques)在瑞典已成功进行了40Gb/s单一波长的孤子实验。在 美国,马里兰大学(UMBC)与Bell实验室合作,进行了超长距离的孤子传输。 3 Tb/s系统尚雳进一步研究的一些问题 3.1 光纤非线性问题 光纤中的非线性效应有自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、 受激喇曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。SPM的起源是光纤的局部折射率与光强 有关(光Kerr效应),因而信号的强度反过来又会调制信号的相位,SPM与色散一起会导 致信号脉冲的展宽或畸变。XPM是因为某个信道的强度会调制其他信道的相位,而这种相 位调制通过色散转变为强度调制,从而引人信道间的串扰。XPM与波长信道的间隔成反比。 FWM的形成是,两个信道的光信号通过三阶非线性混频导致频率为2w1-w2的新的光信号。 在信道等间隔分布的情况下,FWM产生的新成分有可能落在某个信道波长上,从而导致串 扰。FWM的形成需要严格的相位匹配条件,因此只有在零色散波长上才比较明显,主要影 响零色散光纤系统,在常规单模光纤中不需考虑。SRS的后果是将较短波长信道的能量转 移到较长波长上,不过阈值较高,对系统影响较小。SBS则是因为光波与晶格中的声波相 互作用,导致功率背向散射,使光功率下降;SBS的阈值与光波的谱宽有关,对于连续光, 闭值约为9dBm,而对外调制光,阈值上升到12dBm。因此,SBS对通常的系统影响很小。总 的来说,在光纤的各种非线性效应中,XPM、SRS和SBS的影响很小,FWM主要影响零色散波 长附近的系统,SPM的影响最大,限制了各个信道最大的输入光功率。在高速系统的设计 中,必须综合考虑SPM、色散和放大器放大自发辐射(ASE)噪声的影响,并且这种影响与 信道比特率、光纤种类和长度都有关。通过降低信道功率,使用大模杨光纤,并使奇偶数 信道偏振正交等方法,可以减少非线性效应。较低速、更多信道数的方案比高速、较少信 道数的方案受色散、光纤非线性的影响更少。 3.2 偏振模色散(PMD)问题 单模光纤实际上可以维持两个偏振正交的简并模。如果光纤是严格的圆柱形且材料是 各向同性的,两个正交方向偏振态的模式不会相互耦合。然而光纤实际形状往往略偏离圆 柱形并且材料也有各向异性的微小起伏,这些因素破坏了模式简并,导致两偏振态的混合, 两个偏振方向的传播常数也略有不同,这个性质称为光纤双折射。它将产生偏振模式色散 (PMD),使不同偏振的光波不能同时到达接收端,从而引入码间串扰。PMD是继衰减、色 散之后限制传输速度和距离的又一个重要因素。 PMD最大特点是它具有随机性,其值随光纤所处的环境变化而发生波动,PMD的值与光 纤长度和光纤的偏振模式耦会长度有关。由于PMD的值是一个随机变量,所以它的特性常 用平方平均值来描述。实验表明PMD基本上满足麦克斯韦尔分布,其均方根值与光纤长度 的平方根成正比。通常用PMD参数来表示光纤PMD的特性,其单位为ps/km。由PMD引入的对 数字通信系统的影响,可以参照色散问题的理论。 解决PMD问题的途径有两条。首先可以提高光纤制造工艺,减小光纤的不对称度和不 一致性,从而减小PMD参数。目前各大光纤制造商都在努力提高自己的光纤制造水平,其 值可以小于0.5ps/km。其次可以采用实时监测、动态补偿的办法。由于PMD值的变化特征 时间在分的量级上,这为监测、补偿提供了一个较长的处理时间。目前的主要问题是监测 手段和补偿手段还不很成熟,也需要较高的成本。 3.3 超大容量OTDM的问题 超大容量OTDM必须解决高速窄脉冲源的问题,光源的稳定性、脉冲的啁啾特性。复用 时的同步问题都有待进一步研究。在接收端,10GHz的电时钟信号从160Gb/s的数据流中提 取出来后用作解复用时钟。全光的时钟提取、提取后的时钟信号与数据的同步问题、解复 用器的稳定性等也需要进一步研究。 3.4 放大器的问题 一个好的光放大器要求高的输出功率、低噪声系数、平坦的增益谱特性、大的放大带 宽。尽管目前在放大器的研究上取得了很大的进步,但仍需进一步努力。放大器的另一类 问题是它的监测与控制。由于实际通信系统的各参数会随时间、环境等外界因素的变动而 发生改变,这就要求放大器的工作点也相应地改变,以达到最佳状态。这在超大容量的系 统中尤为重要。这些控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡。 3.5 WDM复用、解复用器 随着波分复用数的不断增加、波长通道间隔的不断减小,WDM复用/解复用器的要求也 越来越高。它要求高的中心波长的稳定性,平坦的带通特性,对其他通道的高抑制能力, 陡峭的滚降特性等。实现WDM复用/解复用的技术通常有阵列波导光栅(AWG)、光纤光栅 (FBG)和其他干涉型滤光器件。