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全光通信及其关键技术
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作者:
lczhy00001
时间:
2004-2-1 22:01
标题:
全光通信及其关键技术
自从光纤被引入通信网以来，它已为通信网的发展作出了重要的贡献。随着通信网传输容量的不断增加，光纤通信也发展到了一个新的高度。但是，在目前的光纤通信系统中，网络的各个节点要经过多次的光－电、电－光变换，而其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上存在诸多缺点，如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等，由此产生通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这一问题，充分发挥光纤通信的极宽频带、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低等优点，于是提出了全光通信。 一、全光通信及其特点 全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。全光通信与传统的通信网络与现有的光纤通信系统相比，具有其独具的特点： ? (１)全光通信是历史发展的必然。电子交换机代替了模拟传输，在数字传输之后，引入了数字交换。现在采用光传输技术是历史的螺旋上升，光网络是下一步必然的发展对象。 (２)降低成本。在采用电子交换及光传输的体系中，光／电及电／光转换的接口是必要的，如果整个采用光技术可以避免这些昂贵的光电转换器材。而且，在全光通信中，大多采用无源光学器件，从而降低了成本和功耗。 ? (３)解决了“电子瓶颈”问题。在目前的光纤系统中，影响系统容量提高的关键因素是电子器件速率的限制。如电子交换速率大概为每秒几百兆位，而只在大规模图像传输研究领域达Ｔｂｉｔ／ｓ的速率。ＣＭＯＳ技术及ＥＣＬ技术的交换机系统可以达到Ｇｂｉｔ／ｓ范围，不久的将来，采用砷化镓技术可使速率达到几十个Ｇｂｉｔ／ｓ以上，但是电子交换的速率也似乎达到了极限。为此，网络需要更高的速度则应采用光交换与光传输相结合的全光通信。 二、全光通信的关键技术 为了实现准确、有效、可靠的全光通信，应采用以下关键技术： １．光多址技术 光多址技术是光纤通信系统的关键技术之一。选用哪一种光多址方式直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、设备的复杂度及成本等。光多址方式主要有３种：光波分多址、光时分多址、副载波多址。 （１）光波分多址(ＷＤＭＡ)是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元?ＯＮＵ?，用以实现上行信号的传输，即各(ＯＮＵ)根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。在ＷＤＭＡ系统中为了实现任何允许节点共享信道的多波长接入，必须建立一个防止或处理碰撞的协议。该协议包括固定分配协议、随机接入协议（包括预留机制、交换和碰撞预留技术）及仲裁规程和改装发送许可等。 目前，对ＷＤＭＡ的研究比较广泛，已提出了两种ＷＤＭＡ网络：单转发网络和多转发网络。前者有：屹ＩＢＭ ＢＡＩＮＢＯＷ的单转发副载波控制的ＷＤＭＡ网络，即在每一个节点上只需一个激光器，并在控制信道上采用副载波多址接入?ＳＣＭＡ?来解决控制信道竞争问题；亿具有低功耗，树型或多星型结构的无源光波分多址网络等；后者包括：具有多种可能配置的Ｇｅｍｎｅｔ网络，具有ＫＡＶＴＥ拓扑结构的多转发网络、基于超图理论的超图网络及由斯坦福大学光通信实验室开发的Ｓｔａｒｎｅｔ网络。 （２）副载波多址?ＳＣＭＡ?多用于光交换局到不同ＯＮＵ的控制信号的传送。其基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ＯＮＵ端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并从中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用ＳＣＭＡ接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。 （３）光时分多址（ＯＴＤＭＡ?是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个ＯＮＵ在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ＯＮＵ向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ＯＮＵ的距离，并在下行信号中规定ＯＮＵ的严格发送定时。 除以上多址技术之外，随着光纤通信技术的发展，还会出现其他的多址方式，如利用不同的代码序列来区分各ＯＮＵ的光码分多址，利用不同的光纤或将光纤中的光束沿空间分割给不同的ＯＮＵ来实现通信的空分多址方式等。当然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如将光时分多址与光波分多址相结合，可进一步提高系统容量。 ２．全光信息再生技术 在光纤通信中，光纤的损耗和色散严重影响通信质量。损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。目前，对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。而最近，出现了全光信息再生技术，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。 ３．网络管理控制 为了充分发挥全光通信的优势，必须研究开发行之有效的网络管理控制系统。网络的配置管理、信道的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需要解决的技术。由于全光网络采用了先进的多址技术，因此如何根据当前的业务负载及信道的使用情况来动态地分配信道资源，对于全光网络尤为重要。只有高效地分配信道，才可使系统达到最大容量和最佳通信质量。 ４．光交换网络技术 光交换是指光纤传送的信息直接进行交换。与电子数字程控交换相比，光交换无需在光纤传输线路和交换机之间设置光端机进行光／电、电／光变换，并且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。光交换技术作为全新的交换技术，与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络，从而将通信网和广播网综合在一个网中，成为通信的未来发展方向。它主要有５种交换方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换、复合型光交换及自由空间光交换。 （１）空分光交换是指空间划分的交换。其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等。如耦合波导型交换元件铌酸锂，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸锂为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光束将发生能量交换。能量交换的强弱随复合系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光束就在波导上完全交错。如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。 时分光交换方式的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种方式下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。 （２）时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。 （３）波分光交换方式能充分利用光路的宽带特性，可以获得以电子线路所不能实现的波分型交换网。可调波长滤波器和波长变换器是实现波分交换的基本元件，前者的作用是从输入的多路波分光信号中选出所需波长的光信号，后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换成适当的波长后输出。这可以通过ＤＦＢ（分布反馈型）和ＤＢＲ（分布ＤＢＲ反射）型的半导体激光器来实现。 （４）复合型光交换是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。例如，在波分技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多级链路连接，链路连接在各级内均采用波分交换技术。因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施是在链路上利用波分复用方法，实现多路化链路的连接，空分－波分复合型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。除此之外，还可将波分和时分技术结合起来得到另一种极有前途的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为１６，则可实现２５６路的时分——波分复合型交换。 （５）自由空间光交换可以看作是一种空分交换，然而这种交换方式在空分复用方面具有显著的特点，尤其是它在１ｍｍ范围内具有高达１０μｍ量级的分辩率，因此自由空间光交换方式被认为是一种新型交换技术。 除以上必须采取的关键技术外，为了进一步提高全光通信的系统容量及获得最大的传输距离，还可采用非线性（光孤子）传输技术、变换极限超短光脉冲的产生等技术。三、光时分多址／光时分复用全光网络的探讨 目前，对全光网络的研究比较广泛。总体上，研究较深入的全光网络是ＷＤＭＡ／ＷＤＭ 。其ＯＮＵ到光交换局的上行信号采用ＷＤＭＡ方式，光交换局到ＯＮＵ的下行信号采用ＷＤＭ。其光交换网络技术是利用波分光交换和空分光交换相结合的复合光交换方式。但是，笔者认为，从光纤通信的长期发展来说，光时分多址／光时分复用（ＯＴＤＭＡ／ＯＴＤＭ）全光网络具有更大的发展前途。因为该网络与ＷＤＭＡ／ＷＤＭ全光网络相比，具有更高的频谱利用率，更容易实现信道的动态分配、更高的系统容量等优点。其网络拓扑结构建议多采用星型或树型。其下行采用ＯＴＤＭ实现信号传输，并可在某些固定的传输控制信号，如测距脉冲、同步脉冲、严格的发送定时及控制ＯＮＵ的激光器发送功率的脉冲信号等；上行采用ＯＴＤＭＡ方式用以实现不同ＯＮＵ的多址连接。其交换方式采用光时分交换方式。每一帧可分为１６或３２个时隙，用以与各ＯＮＵ相连。四、结束语 光多址技术、全光时钟提取技术、全光信息再生技术、光放大技术、光线性（光孤子）传输技术等，是将以电子技术为基础的信息处理技术升级到光子技术的关键技术。随着光纤通信技术的发展，可望在不久的将来定会出现实用化的全光信息处理系统，到那时全新的光纤通信技术以及其他的光信息处理技术将会有质的飞跃。(于洋)
全光网概况
??全光网络（全光通信网络，全光通信技术简称AON）是指光信息流在网络中传输及交换时始终以光信号的形式存在，而不需要经过光电、电光的变换过程。也就是说，信息从源节点到目标节点的传输过程始终在光域内进行。因此，全光网络对信号具有透明性。它通过波长选择器件实现路由选择。全光网络还具有扩展性、可重构性和可操作性。全光网络的基本类型有3种：星形网、总线网和树形网。全光网络的相关技术主要包括全光交换、光交叉连接、全光中继和光复用/去复用等。
全光交换
??传统的光交换因为在交换过程中存在光电、电光的转变过程，所以它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制（主要是要受到光电、电光转换器件转换速度的限制），使得整个光通信系统的带宽受到限制。直接光交换可省去光电、电光的转换过程，充分利用光通信的宽带特性。因此，全光交换被认为是未来宽带通信网最具潜力的新一代交换技术。
??对全光交换的探索始于70年代，到80年代中期发展比较迅速。总的来说全光交换技术还处于开发的初级阶段，2005年之前不大可能有任何形式的全光交换的广泛应用。21世纪初全光交换技术将达到实用化水平，商用全光交换机将进入市场。目前，采用极短脉冲的超高速ATM全光交换较为普遍，交换容量可达64Gp/ｓ，最近已有实验样机。对于全光交换技术，可分成光路交换技术和分组交换技术。光路交换又可以分成3种类型，即空分（SD）、时分（TD）和波分/频分（WD/FD）光交换，以及由这些交换组合而成的结合型。
（1）SD
??空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点可以由机械、电或光来控制，并按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息交换。各种机械、电或光控制的相关器件均可用作空分光交换。构成光矩阵的开关以铌酸锂定向耦合器最为引人注目。
??空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一类是基于波导技术的波导空分，另一类是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。最近，日本开发了两种空分光交换系统：多媒体交换系统和模块光互连器。两种系统均采用8×8二氧化硅光开关。多媒体光交换系统支持Ｇ4传真、10Mp/ｓ局域网和400Mp/ｓ的高清晰度电视。
（2）TD
??时分光交换系统可以与光传输系统很好配合以构成全光网络，所以时分光交换技术研究开发进展很快，而且其交换速率几乎每年提高一倍，目前已研制出几种时分光交换系统。1985年日本NEC成功地实现了256Mb/ｓ（4路64Mb/ｓ）彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1×4铌酸锂定向耦合器矩阵开关作选通器，双稳态激光二极管作存储器（开关速率1Gb/ｓ），组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mb/ｓ试验系统。1996年推出了世界上第一台采用光纤延迟线和4×4铌酸锂光开关的32Mp/ｓ时分复用交换系统。
??实现光时分交换系统的关键部件是开发高速光逻辑器件，目前世界各国研究机构正加紧对此进行研究。
（3）WD/FD
??波分光交换，即光信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，用波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）构成。波分光交换能构充分利用光路的宽带特性，不需要高速率交换，技术上较容易实现。1997年采用高速MI（Michelson Interferometer）波长转换器的20Gb/ｓ波分复用光交换系统已制造成功。目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开发出一种太比级的波分光交换系统，它采用的波分复用数为128，最大终端数达2048，复用级别相当于1.2Tb/ｓ的交换吞吐量。
光交叉连接（OXC）
??OXC是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护、恢复以及自动配线和监控的重要手段。OXC主要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。为增加OXC的可靠性，每个模块都具有主用和备用冗余结构，可自动进行主备倒换。输入接口、输出接口直接与光纤链路相连，分别对输入输出信号进行适配、放大。管理控制单元通过编程对光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口模块进行监测和控制。光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠，并且要具有单向、双向和广播形式的功能。OXC也有空分、时分和波分3种类型。目前比较成熟的技术是波分复用和空分技术，时分技术还不成熟。如果将波分复用技术和空分技术相结合，可大大提高交叉连接矩阵的容量和灵活性。目前，日本NEC公司已研制出的8×8无极性LiNbO3光交叉矩阵，由64个无极性定向耦合开关单元组成，所有开关单元都以简单树形结构（STS）的形式集成在LiNbO3芯片上。英国BT实验室研制的OXC采用WDM技术与空分技术相结合，已用于波分复用系统，在伦敦地区本地网络上进行了现场实验，传输速率为622Mb/ｓ。另外，西门子、NTT和爱立信等国外大公司所属实验室对OXC的结构、应用技术也进行了类似研究和实验。
全光中继
??传统的光纤传输系统采用的是光——电——光再生中继器，这种方式的中继设备十分复杂，会影响系统的稳定性和可靠性。多年来，人们一直在探索直接在光路上对信号进行放大传输的技术，即用一个全光传输型中继器代替目前这种再生中继器。科技人员已经开发出半导体光放器（SOA）和光纤放大器（掺铒光纤放大器EDFA、掺镨光纤放大器PDFA、掺铌光纤放大器NDFA）。EDFA具有高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等优点，可以促进超大容量、超高速、全光传输等一批新型传输技术的发展。利用光放大器构成的全光通信系统的主要特点是：工作波长恰好是在光纤损耗最低的1.55μｍ波长，与线路的耦合损耗很小，噪声低（4～8dB），频带宽（30～40nm），很适用于WDM传输。但是在WDM传输中，由于各个信道的波长不同，有增益偏差，经过多级放大后，增益偏差累积，低电平信道信号SNR恶化，高电平信道信号也因光纤非线性效应而使信号特性恶化。为了使EDFA的增益平坦，主要采用＂增益均衡技术＂和＂光纤技术＂。＂增益均衡技术＂利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的原理，均衡抵消增益不均匀性。目前主要使用光纤光栅、介质多层薄膜滤波器、平面光波导作为均衡器。＂光纤技术＂是通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变掺铒光纤EDF特性，从而改善EDFA的特性。其技术包括以下几个方面：
（1）研制掺铒碲化物玻璃光纤。
??用这种光纤制作的EDFA，可使增益特性平坦，频带扩宽。而且频带向长波长一侧移动。有研究结果证明，这种光纤制作的EDFA最高带宽达80nm。在1535～1561nm之间实现了增益基本平坦，最大偏差不超过1.5dB。
（2）多芯EDFA。
??多芯EDFA使用的EDF是多纤芯的。激励光能大致均匀地分配到每一纤芯中，各个纤芯内的光信号均以小信号进行放大，从而在很宽的波长范围内获得接近平坦的增益。
（3）研制掺铒氟化物光纤放大器，在较宽的频带内可获得平坦的增益。
（4）通过在掺铒光纤中掺铝，改变铒的放大能级分布，加宽可放大的频带。
（5）用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行组合，制作混合型EDFA。
??目前研究的混合型EDFA主要有：AlEDF和PAlEDF组合；AlEDF和PYbEDF组合；掺铒石英光纤和掺铒氟化物光纤组合。这样可以使增益平坦性、噪声特性和放大效率达到最佳。EDFA最高输出功率已达27dBm，这种光纤放大器可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中光图像信号分配系统、空间光通信等。目前光放大技术主要是采用EDFA。SOA虽然研制得比较早，但受噪声、偏振相关性等影响，一直没有达到实用化。但应变量子阱材料的SOA研制成功，引起了人们的广泛兴趣，且SOA具有结构简单、成本低、可批量生产等优点，人们渴望能研制出覆盖EDFA、PDFA应用窗口的1310nm和1550nm的SOA。用于1310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制，研究进展比较缓慢，尚未实用。
光复用/去复用技术
（1）光时分复用（OTDM）
??光时分复用是用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同信道，经复用后在同一根光纤传输的扩容技术。光时分复用技术主要包括:超窄光脉冲的产生与调制技术、全光复用/去复用技术、光定时提取技术。
??1）超窄光脉冲的产生。
??光时分复用要求光源提供5～20GHz的占空比相当小的超窄光脉冲输出，实现的方法有增益开关法、LD的模式锁定法、电吸收连续光选通调制法及光纤光栅法、SC（Supercontinum）光脉冲。增益开关法可以产生脉宽5～7ps、脉冲重复频率在10GHz左右可任意调整的光脉冲，其优点是很容易与其它信号同步。增益开关法已用于各种高速光传输实验中的脉冲源产生和光测量中。SC光脉冲宽度可大于1ps，最窄达0.17ps。另外，利用调整线性调制光纤光栅的色散值对电吸收调制器输出的光脉冲形状进行修正，也可以产生脉宽为5.8ps、占空比为6.3%的10GHz的光脉冲。
??2）全光复用/去复用技术。
??全光时分复用可由光延迟线和3dB光方向耦合器构成。在超高速系统中，最好将光延迟线及3dB光方向耦合器集成在一个平面硅衬底上，形成平面光波导回路（PLC）作为光复用器。全光去复用器在光接收端对OTDM信号进行去复用。目前已研制出4种形式的器件作为去复用器:光克尔开关矩阵光去复用器、交叉相位调制频移光去复用器、四波混频开关光去复用器和非线性光纤环路镜式（NOLM）光去复用器。无论采用何种器件，都要求其工作性能可靠稳定，控制用光信号功率低，与偏振无关。
??3）光定时提取技术。
??光定时提取要求超高速运转、低相位噪声、高灵敏度以及与偏振无关。目前已研制出一种采用高速微波混频器作为相位探测器构成的锁相环路（PLL），另外使用法布里—珀罗干涉光路构成的光振荡回路（FPT）也可以完成时钟恢复功能。
（2）波分复用（WDM）
??光波分复用是多个信源的电信号调制各自的光载波，经复用后在一根光纤上传输，在接收端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源滤波器直接检测的常规通信方式实现信道的选择。采用WDM技术不仅可以扩大通信容量，而且可以为通信带来巨大的经济效益。因而，近几年对这方面的研究方兴未艾，特别是密集波分复用（DWDM）技术可望很快获得应用。目前，大部分公司的DWDM系统都是以2.5Gb/ｓ为基本速率，仅加拿大北电网络等少数公司是以10Gb/ｓ为基本速率。北电（Nortel）的8×10Gb/ｓ波分复用系统开通实际业务的运营商。MCI公司70%的网络中已采用了WDM系统。泛欧运营商HER公司（HermsEuropeRailtel）将采用Cienc公司的40×2.5Gb/ｓ系统。Williams公司将为Frontier在休士顿、亚特兰大等地的网络提供16×10Gb/ｓ的ＤWDM系统。目前，国内开发ＤWDM系统的单位有原邮电部五所、北京大学、华为公司和武汉邮电科学研究院等。武汉邮电研究院的8×2.5Gb/ｓ波分复用系统已用于济南—青岛工程。
（3）光分插复用（OADM）
??在波分复用（WDM）光网络领域，人们的兴趣越来越集中到光分插复用器上。这些设备在光波长领域内具有传统SDH分插复用器（SDHADM）在时域内的功能。特别是OADM可以从一个WDM光束中分出一个信道（分出功能），并且一般是以相同波长往光载波上插入新的信息（插入功能）。对于OADM，在分出口和插入口之间以及输入口和输出口之间必须有很高的隔离度（25dB），以最大限度地减少同波长干涉效应，否则将严重影响传输性能。已经提出了实现OADM的几种技术：WDMＤEMUX和MUX的组合；光循环器间或在MachZehnder结构中的光纤光栅;用集成光学技术实现的串联MachZehnder结构中和干涉滤波器。前两种方式使隔离度达到最高，但它们需要昂贵的设备，如WDMMUX/DEMUX或光循环器。MachZehnder结构（用光纤光栅或光集成技术）还在开发中，并需要进一步改进以达到所要求的隔离度。上面几种OADM都被设计成以固定的波长工作。最近，意大利电信中心研究实验室研制了一种新结构——使用干涉滤波器的OADM。与传统的单根光纤设计相比，它提供了插入口和分出口之间的高隔离度，具有对输出口分出信号双倍的抑制功能以及波长可调性。这种方法的可行性已通过样机进行了试验，测得的输入和分出口之间隔离度55dB，对分出信道的抑制16dB，调节范围8nm。从目前来看，全光网络首先是应用于局域网（LAN）、城域网（MAN）等内部的光路由选择，所采用的技术主要是基于WDM和宽带的EDFA。从长远来说，全光网必然向着波分、时分、空分3种方式结合的方向发展。其应用将扩展到广域网。网络范围可以覆盖整个国家或几个国家，最终实现一个高速大容量能满足未来通信业务需求的全光网络。
铌酸锂光波导模场观测、传输损耗测量系统
项目简介
项目研究的背景及用途：航天部8358所需要快速无损检测光波导模式和损耗的设备。?本成果可对光波导的模场进行采集，处理，对波导损耗进行无损测量。
技术原理及工艺流程：光纤和透镜端部耦合--二次成像--半透半反分光器?测量结果与耦合损耗无关
成果水平及主要技术指标：模场直径d的重复性＜0.5μm?光强分辨率(ΔI)min/I??max?≤5%?空间分辨率优于0.5μm?损耗测量精度5%
生产规模及产量：以销定产
所需厂房面积：无特殊要求
主要设备：常用电子仪器
市场分析及效益预测：在光通讯器件研究和生产单位推广。
天津大学科技处
联系电话: 022-27405745
传 真: 022-27401797
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通讯地址: 天津市南开区卫津路92号
邮政编码: 300072
WDM系统中的光电器件
信息产业部电信研究院 张成良 张海懿
WDM系统本质上是光域上的模拟系统，WDM技术第一次把复用方式从电域转移到光域，在光域上用彼长复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，因而大大增加了光电器件，而且光模拟系统的性能很大程度上取决于各器件的特性。相对于SDH系统，WDM系统增加了波分复用器（解复用器）、光放大器等器件，另外对激光器信号的波长准确性和稳定性也提出了较高的要求。下面我们分3部分介绍WDM系统中的光电器件，即激光器、波分复用器和光放大器。
激光器
过去SDH系统工作波长是在一个很宽的区域内，而WDM系统的最重要特点是每个系统采用不同的波长，一般波长问隔为100GHz或2OOGHz，这对激光器提出了较高要求。除了准确的工作波长外，在整个寿命期间波长偏移量都应在一定的范围之内，以避免不同的波长相互干扰。即激光器必须工作在标准波长、且具有很好的稳定性。
另一方面，由于采用了光放大器，WDM系统的无再生中继距离大大延长。SDH系统再生距离一般在50～6Okm，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字信号继续传输。而WDM系统中，每隔8okm有一个EDFA，只进行放大，没有整形和定时功能，不能有效去除因线路色散和反射等带来的不利影响，系统经50O～60Okm传输后才进行光／电再生，因而要求光源的色散受限距离大大延长。由过去的5O～60km提高到6O0km以上，这对光源的要求大大提高。总体上，应用在WDM系统上的光源有2个突出特点：（1）比较大的色散容纳值。（2）标准而稳定的波长。
1．1外调制技术
对于直接调制来讲，单纵模激光器引起的啁啾（Chirp）噪声已成为限制其传输距离的主要因素。即使采用a值较小的应变型超晶格激光器，在G．652光纤上传输2．5 Gb／s的色散受限距离也只有120km左右。这对于国家干线WDM系统要求的5OO～60Okm是不够的。从原理上讲，很难消除直接调制带来的Chirp噪声，人们把眼光转向了外调制。
与直接调制不同，在外调制情况下，高速电信号不再直接调制激光器，而是加载在某一媒介上，利用该媒介的物理特性使通过的激光器信号的光波特性发生变化，从而间接建立了电信号与激光的调制关系。在外调制情况下，激光器产生稳定的大功率激光，而外调制器以低啁啾对它进行调制，从而获得远大于直接调制的色散受限距离。目前，投入实用的主要有两种：一种是电吸收型外调制器，一种是波导型铌酸锂马赫一曾德尔调制器。
1．1．1 电吸收外调制器（EML激光器）
电吸收外调制器是一种强度调制器，也是第一种大量生产的钢镓砷磷（InGaAsP）光电集成器件。它将激光器和调制器集成到一片芯片上。EML激光器芯片的激光器段工作于恒定功率或CW模式。输入信号加在调制器上，因此调制器像一个开关，让光通过或把光关断。这使得产生的信号的啁啾声（Chirp）非常小，囚此可以在标准的光纤上传播非常长的距离，并且信号的失真很小，典型的EML激光器支持超过600km的距离。
电吸收外调制器的最突出的优点是体积较小，集成度好。另外驱动电压低，耗电量小，在已有的WDM陆地系统中，绝大部分公司的产品都采用了这种类型的外调制器。
1．1．2 马赫-曾德尔（Mach一Zehnder）外调制器
马赫-曾德尔波导型外调制器也是一种强度调制器。它使用单独的一个单纵模DFB激光器和一个外调制器。激光器也工作于连续波（CW）状态，在外加调制电场的情况下，由于银酸锂（LiNbO3）良好的电光效应，使波导的折射率发生改变，通过波导的光的强度相应发生变化，实现波导输出的光幅度调制。马赫-曾德尔调制器在原理上其啁啾参数可以为零，因而调制速率极高，几乎不受光纤色散的限制，调制线宽很窄，消光比高。缺点是调制器与偏振矿态相关，激光器和调制器之间的连接必须使用保偏光纤。在10Gb／5以上超高速WDM系统传输时，MZ外调制器成为克服光纤色散影响的主要手段。
1．2波长稳定技术
WDM系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各个通路的信号波长不同，而且对中心频率偏移有严格规定。如对于8×2．5Gb／s WDM系统，通路间隔选择2OOGHz，到寿命终了时的波长偏移不大于±20GHz。相邻两个通路如果波长偏移过大，就会造成通路间的串扰过大，产生误码。就目前技术而言，最简单的方法是依靠稳定激光器的温度和偏流保证。但这种方法无法解决由于激光器老化、温度变化引起的波长变化。当波长精度要求较高时，需要使用更严格的波长控制技术。 使用波长敏感器件对可调制连续波光源的波长进行控制的原理如图1所示。波长敏感器件的输出电压随LD发射光波长变化而变化，这一电压变化信息经适当处理可用来直接或间接控制LD发射的光波长，使其稳定在规定的工作波长上。
波分复用器件
波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合波器，如图2（a）所示。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器，如图2（b）所示。有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。
WDM器件有多种制造方法，目前已广泛商用的WDM器件可以分为4类，即角色散器件、干涉滤波器、熔锥型波分复用器和集成光波导型。下面分别进行介绍。
2．1光栅型波分复用器
光栅型波分复用器件属于角色散型器件。当人射光照射到光栅上后，由于光栅的角色散作用，使不同波长的光信号以不同的角度出射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，从而完成波长的选择作用，如图3所示。
总的来看，光栅型WDM器件具有优良的波长选择特性，可以使波长间隔缩小到数nm到0.51nm左右。另外，光栅型器件是并联工作的，插入损耗不会随复用信道的增多而增加，己能实现32～131个波长的复用，但对温度稳定性要格外注意。以16通路WDM为例，由于光源在1550nm波长的温度系数大约为0．4nm／℃，环境温度变化30℃就足以引起约0.4nm的波长偏移，对于通路带宽仅0.31nm的情况将至少导致3dB的失配损耗，其严重性可见一斑。因而采用温控措施是必要的。
除上述传统光栅器件外，近来一种利用紫外光将折射率光栅刻在光纤芯区的光纤光栅受到了很大重视，如图4所示。据报道其性能甚佳，带内频响很平坦，带外抑制比很高，插入损耗不大，性能十分稳定，156Onm的温度系数为0.Olnm／℃，滤波特性滚降斜率优于15odB／11m，带外抑制比可以高达50dB。
它具有理想的滤光特性、便于设计制造、效率高等优点，因此可制作成倍道间隔非常小的带通、带阻滤波器。目前已广泛用于WDM系统中。
2.2 介质簿膜滤波器型波分复用器
光滤波器有两类，一类为干涉滤波器，另一类是吸收滤波器，两者均可由介质薄膜（DTF）构成。DTF干涉滤波器由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜按照设计要求组合起来，每层的厚度为V4波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成。当光入射到高折射率层时，反射光没有相移。当光入射到低折射率层时，反射光经历18O°相移。由于层厚1／4波长（9O°），因而经低折射率层反射的光经历36O°相移，与经高折射率层的反射光同相叠加。这样在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反射光。在这高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光，据此可以使之对一定波长范围呈通带，对另外波长范围呈阻带，从而形成所要求的滤波特性。利用这种具有特定波长选择特性的干涉滤波器就可以将不同的波长分离或者合并起来，如图5所示。
采用DTF干涉滤波器型WDM器件的主要优点是设计与所用光纤参数几乎完全无关，可以实现结构稳定的小型化器件，信号通带较平坦，与极化无关，插入损耗较低，温度特性很好，可达0.OOlnm／℃以下，但通路数不会很多，目前可达16路。
2.3 熔锥型波分复用器
熔拉双锥（熔锥）型光纤耦合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔融在一起。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合达到所需要的耦合功率。熔锥型WDM器件制造简单，更易于批量生产，因而应用更广泛。
熔锥型WDM器件的特点是插入损耗低（最大值5dB，典型0.2dB），无需波长选择器件，此外还具有较好的光通路带宽／通路间隔比和温度稳定性，不足之处是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较差（20dB左右），一般不用在目前的密集波分复用系统中。
2.4 集成光波导型WDM器件
集成光波导型WDM器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有一切平面波导技术的潜在优点，诸如适于批量生产、重复性好、尺寸小，可以在光掩膜过程中实现复杂的光路、与光纤的对准容易等等，因而代表了一种先进的WDM器件技术。目前平面波导型WDM器件有各种实现方案，其中一种称为龙骨型的平面波导WDM器件较有前途。器件由2个星形耦合器经M个非耦合波导构成，耦合波导不等长从而形成光栅，两端的星形耦合器由平面设置的两个共焦阵列径向波导构成。这种波导型WDM器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但带内频响尚不够平坦，图6所示为一个龙骨型平面波导WDM器件的结构原理。
2.5 各种WDM器件的性能比较
表1是各种WDM器件主要特性的比较结果，需要注意特性参数是随波长数不同而变化的，表中数值只是大致范围，仅供参考。
表1 各种WDM器件性能比较
器件类型机理批量生产通路间（nm）通路数串音（dB）插入损耗（dB）主要缺点
衍射光栅型角色散一般0.5～104～131≤-303～6温度敏感
DTF型干涉/吸收一般1～1002～32≤-252～6通路数较少
熔锥型波长依赖性较容易10～1002～6≤-（15-45）0.2～1.5通路数少
集成光波导型平面波导容易1～54～32≤256～11插入损耗大
在合波器上，8～16路WDM系统，几乎所有的公司都采用了无源的星型光耦合器作为波分复用器的合波器，有的采用1：n，有的出于线路保护的考虑，采用了2：n耦合器，一路输出接工作通路，另一个接保护通路。这主要是因为简单、便宜，相互间隔离度好。缺点是引入的损耗大，以1：8耦合器为例，可以达10dB左右。而在解复用器上，对于8～16路的WDM系统，现在的厂家大部分选用了DTF干涉滤波器解复用器或平面波导型解复用器；而对于16路以上的WDM系统，复用器和解复用器大多都选用平面波导型复用器，因为该类型复用器的损耗与通路数无关。
光放大器
在WDM系统中，光放大器有3种应用：发送侧波分复用器之后放大信号的光放大器——功率放大器，线路上的光放大器 线路放大器，接收侧解复用器之前的光放大器 前置放大器。迄今为止，人们已研究成功3种光放大器，即半导体激光放大器、非线性光纤拉曼放大器和掺稀土元素的光纤放大器。掺稀土元素的光纤放大器又可分为掺铒光纤放大器（EDFA）和掺镨光纤放大器（PDFA），其中，EDFA适合于长波长1550nm窗口的光信号放大，而PDFA适用于1310nm窗口的光信号。目前已经达到实用化水平并在WDM系统应用的就是掺铒光纤放大器EDFA。
3.1 光放大器原理
一个典型的EDFA由掺铒光纤、泵浦源和波分复用器组成。其中掺铒光纤提供放大，泵浦源提供足够强的泵浦功率，波分复用器将信号与泵浦光混合，掺铒光纤放大器构成如图7所示。
EDFA是利用激光泵浦石英光纤中掺铒离子（E3+）的受激辐射来实现对155Onm波段光信号的放大。由于光放大器有很宽频带一般在15301nm～1565nm，这给采用EDFA的光系统提供了“透明”特性，放大与信号码率和信号格式无关，而且能把各波长信号光同时放大。
泵浦源有两种，即98Onm和148Onm。980nm泵浦源可以保持较低的噪声系数，而148Onm泵浦源有着更高的泵浦效率，可以获得较大的输出功率（相对于980nm，大3dB左右）。在实际的线路放大器应用中，对于8路WDM系统，大多采用98Ollm，这是因为G.652光纤的WDM系统主要是色散受限，而非损耗受限，因而采用1480nm会增大系统功率衰耗，提高EDFA的输出功率并没必要；采用98Onm获得最佳的噪声系数反而有利干系统性能。但是对于16路以上的WDM系统，则采用了1480nm的泵浦源。这是由于较大的分路比减少了可用功率范围，必须采用功率更大的泵浦源。也有的公司采用了两级泵浦，1，级采用98Onm，一级采用1480nm泵浦源。既改善了噪声系数，又增大了输出功率。但是，出于激光安全性和光纤非线性的考虑，输出光功率一般限制在十17dBm以下，这也是激光器3A的安全要求。
3.2 EDFA的增益平坦度
EDFA的增益。波长特性不平坦导致不同波长的接收光功率差异。对于多级级连EDFA系统尤其重要。在多波长级联EDFA系统中，信号频带内的ASE（放大的自发光辐射）噪声在每个EDPA得到累积，累积的ASE噪声还会由于Kerr效应给信号带来相位上的噪声，扩展了信号频谱，EDFA级联数目较多时，多级级联后的EDFA的增益曲线极不平坦，可选用的增益区减小，各波长信号的增益不平衡，必须采取均衡措施。
解决增益均衡的途径首先是实现增益谱的平坦。
方法大体上可分为滤波器型和本征型两类：滤波器型是在EDFA中内插无源滤波器将153Onm的增益峰降低，或专门设计其透射谱与掺饵光纤增益谱相反的光滤波器将增益谱削平，但结构工艺都较复杂，附加损耗大，输出功率会减校本征型是采用高铝掺杂光纤或氟化物光纤。这类方法的最大优点是无需制作和引入附加元件，掺铝光纤还可以增大放大器的放大频谱范围。但氟化物光纤与石英光纤材料的不共性招致放大器工艺和可靠性的诸多麻烦。
3．3掺铒光纤放大器的增益均衡技术
EDFA的增益均衡是一个重要问题。WDM系统是一个多波长工作系统，当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到存在的信号上，使其它波长的功率提高。在接收端，由于电平的突然提高会带来误码，而且在极限情况下，当8路波长中7路丢失时，所有的功率都集中到一个波长上，功率会达到+17dBm左右，这又会带来强烈的非线性或接收机过载，也会带来误码。
EDFA的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持（输出／输入）增益不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。
另外，还有饱和波长的方法。在发送端，除了8（16）路工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长。在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定。当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。
作者:
熊楠
时间:
2004-2-10 20:08
标题:
全光通信及其关键技术
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