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光的波分復用技術 擴大線路傳輸
2014/11/14

一、光纖通信的發展和現狀

  光纖通信系統是以光為載波,利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導纖維作為傳輸媒介,通過光電變換,用光來傳輸信息的通信系統。隨著國際互聯網業務和通信業的飛速發展,信息化給世界生產力和人類社會的發展帶來了極大的推動。光纖通信作為信息化的主要技術支柱之一,必將成為21世紀最重要的戰略性產業。

  1970年美國康寧玻璃公司研制出損耗為20dB/km的低損耗石英光纖,證明光纖作為通信的傳輸媒介是大有希望的。同年,美國貝爾實驗室實現了鋁鎵砷(GaAlAs)異質結半導體激光器在室溫下連續工作,為光纖通信提高了理想的光源。這兩項研究成果,奠定了光纖通信的發展基礎。

   在20世紀70年代,光纖通信由起步到逐漸成熟。主要表現在光纖的傳輸質量大大提高,光纖的傳輸損耗逐年下降。與此同時,光纖的帶寬和光源的壽命不斷增 加。光源和光電檢測的性能不斷改善。80年代是光纖通信大發展階段。在這個時期,光纖通信迅速由0.8μnm波段轉向1.3μm波段,由多模光纖轉向單模 光纖。通過理論分析和實踐,在1.3μm和1.55μm波段分別實現了損耗為0.5dB/km和0.2dB/km的低損耗光纖傳輸。同時,石英光纖在 1.31μm波段時色度色散為零,促使1.31μm波段單模光纖通信系統迅速發展。

  20世紀90年代,波分復用(WDM)技術的誕生。在此之前1986年,英國南普敦大學在光纖基質中加入鉺類子作為激光工作物質,用氬離子激光器作為泵浦源,制作出了能對1.55μm的光信號進行直接放大的摻鉺光纖放大器(EDFA)。這一發明克服了光信號在傳輸過程中使用光一電和電一光中繼器帶來的“瓶頸”限制。波分復用(WDM)+EDFA系統解決了光電子、微電子對傳輸設備的“瓶頸"制約。

  光纖通信的迅速發展與光纖通信的優越性是分不開的。光纖通信的主要優點有:

  傳輸損耗低,傳輸距離長;頻帶寬,通信容量大;抗干擾能力強,適合應用于有強電干擾和電磁輻射的環境中,保密性好;

  尺寸小,重量輕,有利于敷設和運輸;制造光纖的主要原料是Si02,它是地球上蘊藏量最豐富的物質,經濟性好。

  近年來,隨著光纖通信技術的快速發展和光纜、元器件技術不斷取得突破以及價格的逐年下降,傳統的光纖通信網正在向下一代全光通信網快速演進,由高速骨干網向城域網和接入網延伸,由點到點的鏈路系統向交叉連接的傳送網系統和面向業務的自動交換光網絡發展。在新的發展階段,高速大容量光纖傳輸系統的出現不僅增加了業務傳輸容量,而且為各種各樣的新業務提供了實現的可能。而更大的帶寬又可讓運營商更加靈活有效地提供服務。所以,必須不斷提高光纖通信系統的傳輸容量來滿足信息傳送量快速增長的需要。

  光纖通信的發展趨勢:

  進入21世紀以來,一方面波分復用設備、光學元器件等日趨成熟,WDM+EDFA技術逐漸從骨干網向城域網、接入網滲透;另一方面光交叉技術(OXC)、光分插復用(OADM)設備的開發應用,點到點的WDM系統正在向能夠通過復雜光網絡傳輸不同波長信道的、面向用戶、提供光路由的光網絡演進。但要構建實用化的高速、大容量全光通信網,還需要解決好3個方面的問題:

  (1)光纖的色散累積和非線性效應,光學器件引起的光信號在光纖中的串擾、噪聲累積等問題;

  (2)WDM設備中的高穩定集成光源、波長可調的集成化探測器等問題,OXC、OADM設備中的波長變換器、可調光諧濾波器、光交叉連接矩陣等問題;

  (3)設備的標準化、互操作、網管和價格昂貴的等問題。

        波分復用技術的主要特點

  (1)充分利用光纖巨大的帶寬資源波分復用技術利用了光纖巨大的帶寬資源,使一根光纖的傳輸容量比單波傳輸增加幾倍至幾十倍,從而有效地解決了傳輸容量的問題。

  (2)同時傳輸不同類型的信號由于WDM技術中使用的各波長相互獨立,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。

  (3)多種應用形式根據需要,WDM技術可有很多應用形式,如長途干線網,廣播式分配網絡,多路多址局域網絡等,因此對網絡應用十分重要。

  (4)節約線路投資采用WDM技術可使多個波長信號復用起來在單根光纖中傳輸,在大容量長距離傳輸時可以節省大量光纖。另外,對已經建成的光纖通信系統擴容方便,只要原系統功率富余度較大,就可以進一步增容而不必對原系統做大的改動。

  (5)數據透明WDM通道對數據格式是透明的,即與信號速率及調制方式無關。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的方便手段。

  (6)高度的組網靈活性、經濟性和可靠性利用WDM技術選路,實現網絡交換和恢復,從而實現未來透明、靈活、經濟且有高度生存性的光網絡。

        制約WDM系統發展的因素

  隨著波分復用的應用,在WDM系統中出現了許多新的技術問題,主要有光纖的色散和非線性效應等,這些問題將不斷地制約著WDM技術的發展,同時也是設計WDM系統需要考慮的因素。

  (1)光信道的串擾問題串擾問題是影響光接收機靈敏度的主要因素,取決于光纖的非線性效應和無源光解復用器的濾波特性。對于高速率的系統,需要認真研究。

  (2)光纖色散EDFA的應用使得衰減限制的問題得以解決,傳輸距離大大的增加,但總色散也將隨之增加。因此,色散的影響將是一個主要的限制因素,尤其是對高速系統來說更為明顯。

  (3)光纖的非線性由于WDM系統中信道數目增多,使得非線性效應比傳統光纖傳輸系統更嚴重,因此非線性效應成為影響系統性能的主要因素之一。

   光纖傳輸系統中存在著很多非線性效應,對WDM系統有明顯影響的主要有兩類:SPM、XPM、FWM為非線性折射率調制;SBS和SI峪為受激散射。其 中SPM和SBS是單信道非線性效應,而FWM、XPM、SRS為多信道非線性效應,并且多信道非線性效應對系統的影響最為嚴重。這些非線性效應限制 WDM系統的傳輸容量和傳輸距離,影響系統的傳輸性能。

       波分復用光傳輸系統中的關鍵技術

  帶寬需求對通信提出了很高的要求,使得光通信向更高速率更遠距離發展。而光纖通信系統在傳輸容量和速度方面得到增加的同時,光纖群速度色散、非線性效應等問題日益突出,成為影響光纖傳輸性能的主要因素。

  目前光纖通信系統中普遍采用波分復用(WDM)技術+摻鉺光纖放大器(EDFA) 的方式來提高系統的容量和傳輸距離,光纖的入纖功率會引出非線性效應,并且色散補償光纖的纖芯較細也容易產生非線性效應。而光纖非線性效應和光纖的群速度 色散(GVD)相互作用將制約光纖傳輸系統的性能,而且非線性效應具有累積性。面臨著這些挑戰,需要綜合采用各種先進的技術來克服。

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