基于WDM系统关键因素的研究

汪炜　杨学林

[摘要]高速率、大容量一直是通信发展的追求。WDM系统能充分利用光纤的带宽，发掘光纤的潜力，也是未来全光网络发展的重要一步。本文主要从衰耗、色散和非线性等主要方面分析对WDM系统的影响，及目前针对这几大因素的解决方案。

[关键词]WDM系统 色散 放大器 非线性

[中图分类号]F407.6 [文献标识码]A

[文章编号]1672-5158（2013）05-0026-02

1 前言

数据业务已是当今互联网发展的主要推动力，特别是近年来IPTV、高清视频、3D游戏等业务的迅速发展，对于带宽的需求更是迫在眉睫。现有基于SDH为基础的MSTP平台能很好的支持10Gb/s的业务，而对40Gb/s甚至100Gb/s以上的业务目前还存在着瓶颈。而WDM系统能充分利用现有的基础，承载多种业务，缓减目前对网络带宽需求，并对网络资源整合，能够有效提高网络的可靠性和可维护性，有着巨大的发展空间。

2 WDM技术简介

WDM技术是一种光纤复用技术，将不同波长的光信号复用在一根光纤中传播。光在传播中会受到损耗和色散等因素的影响。目前，WDM技术比较成熟已经开始商用，但也存在很多因素影响WDM系统的可靠性，主要是线路衰耗、色散、非线性效应。

3 线路衰耗

波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，两波长WDM（1310/1550nm）系统80年代就在美国AT&T;网中使用，速率为2×1.7Gb/s。而多年来一直发展比较缓慢主要就是受到线路衰耗的影响。由于光信号通过光纤后，功率降低，限制了传输距离。在SDH系统中，主要采用再生中继器的办法，需要光电光的转换和处理。如果WDM系统也采用这种办法，就必须先把多波长分解到单波长光，转换为电信号放大，传输成本很高，仅仅节约了光缆不够实用。通常通过使用放大器的方法来解决线路衰耗问题。因此，直到光放大器的商用化才使得WDM技术焕发春天。

放大器在WDM系统中根据用途不用可分为光功率放大器、光线路放大器和光前置放大器。光功率放大器放在发送端台波器之后，主要是为了提高发射信号的功率。光功率放大器放在光纤线路中间，主要是光通过长距离传播后衰减达到28db左右，需要进行放大。光前置放大器放在接收端的分波器前，补偿信号在传输过程中的衰减。一股情况下，光功率放大器和光前置放大器会同时使用，以延长信号的传输距离，光功率放大器会根据实际情况选用。

目前，人们已经研究出半导体激光放大器、非线性光纤放大器和掺稀土元素的光纤放大器。在WDM系统中应用比较广泛的是掺铒放大器（EDFA）和喇曼光纤放大器（RFA）。掺铒放大器实用化始于1994年，是目前最为成熟的技术，它具有高增益、低噪声、有效工作波长宽、输出功率大的特点，并且价格较低，已经在WDM系统中大量使用。掺铒放大器由掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、隔离器等几个部分组成。主要是通过泵浦光源来激活铒离子，产生电子跃迁，而这些电子从高能级回到低能级时放出新光子来释放剩余能量，从而实现放大光信号功能。掺铒放大器又可以分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦噪声系数好，反向泵浦输出功率高，双向泵浦则输出功率高噪声系数与同向泵浦相当。由于EDFA工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500～1600nm），并且平均无故障时间高、寿命长，根据不同用途已经制成不同放大器广泛应用。喇曼光纤放大器是一种非线性放大器。喇曼现象最早由1928年Raman爵士发现的，即将一个光束在晶格振动过程中，自身能量转移而频率下移，将其能量叠加在信号光上，从而完成对信号光的放大。由于EDFA非常适合做C波段的放大器。而通过调节泵浦光的波长，喇曼光纤放大器可以放大几乎所有波长。当WDM的波数达到32波及以上的时候，就需要同时用C和L两个波段，采用EDFA和和喇曼光纤放大器相结合，就能有效的提供增益，特别适合高速率、长距离的通信。

4 色散

色散现象是光纤传输中另外要考虑的重要问题。色散现象主要是不同波长由于速度不同产生的延迟，引起误码。除了光纤外，光源的中心频率、接收机性能等都会影响色散。在wDM系统中主要要考虑的是色度色散和偏振模色散。

4.1色度色散

首先，我们讨论色度色散。当传输速率从10Gb/s增加到40Gb/s，比特间隔变小，色散容忍就降为原来的1/6，因此在高速率、宽频域的WDM系统受到色散影响就比较大。目前在工程上主要是用色散补偿光纤及光纤布拉格光栅补偿。

1）色散补偿光纤。目前工程中常用的是G.652光纤，其色散色度是正值。而色散补偿光纤色散度与G.652相反，是一种特制的为负色散值和负色散斜率的光纤。在工程中，将这两种光纤相互补偿，就能有效的控制色散。由于色散补偿光纤是一种无源的补偿办法，可以替代原光纤的任何位置，使用起来灵活方便，易于控制。由色散补偿光纤导致损耗增大的问题可以使用放大器来解决，因此得到大量的使用。

2）光纤布拉格光栅补偿。光纤光栅是利用光敏性制成的，使得不同的光反射的位置不同，形成相对的时间差。光纤布拉格光栅补偿的原理是当光脉冲通过线性啁啾光栅后，短波长的光时延比长波长的光时延大，正好起到了色散均衡作用，从而实现色散补偿。布拉格光栅所能补偿的色散量和带宽由光栅长度和啁啾量来决定，利用光纤对应变和温度的响应特性，实现啁啾光纤光栅动态调谐功能。布拉格光栅补偿的关键在于啁啾的精确控制。

当然还有预啁啾补偿方法，主要用在外调制系统中，在发射端激光器附加额外的正弦调制，使得光脉冲先变窄，后变宽，有效的减小信号的啁啾，也能有效的解决色度色散问题。

4.2偏振模色散

偏振模色散是目前WDM系统传输的难点之一。主要是由于偏振模色散不像色度色散具有稳定值，是动态变化的，因此对偏振模色散的补偿也需要是动态变化的实时过程，复杂度较高。偏正色散的容忍度与比特率成反比，40Gb/s的容忍度是10Gb/s的1/4，而偏振模色散又是一个统计量，和温度、光纤制造工艺、时间等都存在关系，测量也比较复杂。

目前针对偏振模色散主要采用的是良好的编码及调制技术。偏振模色散受限距离与调制码型有关，主要采用的是RZ码和DQPSK码。此外，还可以采用前向纠错（FEC）等技术来补偿，来避免使用比较复杂的偏振模色散补偿器件。前向纠错技术主要是在发送端对原始信号进行纠错编码，在接收端进行译码，自动发现并纠错，可以用效的提高信噪比，提高系统的性能。

5非线性效应

非线眭效应是光场和物质相互作用时，非线眭极化而产生的效应。在传统的光纤通信系统中，光纤中光场较弱，光纤的各项特征参量随光场做相应的线性变化，这样我们就认为光纤是一种线性介质。但随着光功率的增加，传输距离远，非线性效应就会累加。在WDM系统中信道数目增多，使得非线性效应比在SDH系统中的影响严重，因此非线性效应成为影响系统性能的主要因素之一。WDM系统中合波器、分波器的插入损耗较大，需要利用放大器补偿，在放大光功率的同时，也使得非线性效应大大增加。

非线性效应主要可以分为受折射率影响的调制效应如自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频效应FWM等及受技散射效应如受激布里渊区散射SBS和受激拉曼散射SRS等。

自相位调制SPM的产生是由于光波本身强度引起的折射率非线性变化，由于脉冲在前后沿及顶峰强度不同，因此脉冲的不同部分有不同的相移，由此产生脉冲的啁啾效应。在普通色散光纤中，高频分量传播速度较快，会使得脉冲会窄化过程，一定程度上抵消了色度色散的展宽。一般来说，只有在高色散或者传输距离较远的系统中，自相位调制影响比较明显，需要在适当的间隔进行色散补偿的方法来减少自相位调制的影响。

交叉相位调制XPM和自相位调制SPM主要区别是信号脉冲一个是对自身相位的影响，一个是对相邻通路产生的影响。除了上

述的采用色散补偿的方法还可以用色散小的G.653和G.655光纤来

四波混频效应FWM是因不同波长的两三个光波相互作用，导致产生新的光波，会产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。随着WDM系统中波长数量的增加，信道间隔增加，四波混频效FWM的影响也随之增大。目前主要是通过分析FWM与色散的关系，增加光纤的有效截面或采用较小的非线性折射率的光纤可以减小FWM的影响。

光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS产生原因都是一定强度的光波通过光纤介质时，引起光纤分子材料的振动，相互影响所调制的结果。受激拉曼散射sRS是光与硅原子振动模式间相互作用的结果。在WDM系统中短波长的信号被这种过程所衰减，而长波长信号得到增强，引起信道功率不平衡。一般情况下，SRS影响不大，在实际系统设计时不考虑其影响。SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，区别在于SBS产生的转移能量较小。目前抑制SBS的办法主要是在激光器发送端加一个低频调制信号，提高SBS的门限值。

6 小结

以上研究表明，线路衰耗、色散和非线性直接影WDM系统的性能。在工程实际过程中，根据不同的传输隋况，选择合适放大器，合适的色散管理及补偿方案，合适的光纤可以有效的改善传输质量、提高系统性能。全光网络是未来网络的发展方向，波分系统作为全光网络的重要一步，大大简化了网络结构，降低成本，必将有着光辉的前景。当然，我们也看到波分系统还存在很多问题，选择相对成熟的方案，实现最大程度的标准化，解决目前存在的难点，推动全光网络的发展。

参考文献

[1]王延恒.光纤通信技术基础，天津大学出版社，1996

[2]郑波，臧志宏.40GWDM系统编码及色散补偿技术在工程中的应用

[3]沈建华，邵钟浩.四波混频对WDM系统的影响[J]光纤与电缆及其应用技术，2001