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光纤通信系统的关键技术_光波技术基础

时间:2021-11-04 百科知识 联系我们

光纤通信系统的关键技术_光波技术基础

为了充分发挥光纤的带宽潜力,克服光纤损耗以及色散的影响、延长中继距离、扩大传输容量、降低成本一直都是光通信发展目标。系统的码速距离积一再提高,几乎每4年增加一个数量级,极大满足了人们对于信息传递速度、质量以及容量的要求。在光通信的发展过程中,各种技术不断涌现,推动着光通信技术不断地前进。

①研制新型光纤、有源以及无源光器件、系统端机的集成化与模块化,提高速率与性能,简化结构降低成本,是系统发展的技术基础。实现“光电子器件集成化”是器件研发工作者的追求目标,为新一代的光通信系统与网络提供新的功能器件。

②波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术,使单根光纤上能同时传输几十、几百个甚至上千个波长,实现超高速、超大容量的传输。WDM技术使得网络容量提高了两个数量级以上,为当今数据业务、Internet的超速发展提供了海量的带宽。WDM在光网络中的作用犹如IC在电子学革命中的作用。

③光放大器技术,尤其是掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)、光纤拉曼放大器(Fiber Raman Amplifier,FRA)及应用。没有EDFA,就没有当今WDM技术的辉煌与成功。目前比较引人注目的光纤拉曼放大器(FRA),利用了光纤中的SRS效应,使信号与一个强泵浦波同时传输,并且其频率差位于泵浦波的拉曼增益谱宽之内,则此信号可被光纤放大。拉曼放大器的一个特性是有很宽的带宽,可以在任何波长处提供增益,只要能得到所需的泵浦波长,并且增益介质是光纤,可以制成分立式或分布式的放大器,另外一个显著优点是噪声低,可以满足在小信号放大时对光信噪比(OSNR)的要求。但受激拉曼效应的泵浦阈值较高,实现拉曼放大器的关键是高功率泵浦。例如,泵浦波长为1 450nm,要获得20dB的峰值增益,泵浦功率需要400mW(G.655光纤)或620mW(G.652光纤)。所以一般建议在超过2 000km的超长距系统或单跨段距离超过100km时,为满足OSNR的要求,才使用拉曼放大器,当然为满足L波段放大的要求,也可以使用拉曼放大器,但一般长距系统应尽量避免使用。

④高速大容量光网络技术。光网络已经从电子交换和路由的第一代,发展到今天采用可重构光分插复用(ROADM)或可重构光交叉连接(ROXC)以及自动交换光网络(ASON)的第二代,并正向采用突发或分组交换的第三代演进,以提供更大的容量以及灵活性、可靠性。为此,必须在关键技术、系统技术及网络控制、管理与规划等方面不断创新。

⑤光接入网技术。“接入”是指连接用户和网络运营商边缘交换局之间“最后一公里”网络。现在的接入网90%以上仍然采用的是双绞线的模拟系统,制约了全光网络的发展。光接入网技术能很好地解决这一难题。(www.guayunfan.com)

⑥光纤孤子通信技术。光孤子是在无损耗光纤中传输时能始终保持其形状不变的一种光脉冲。利用光孤子技术可实现高速信号的长距离传输。近几年来,随着色散补偿和色散管理的实施,色散管理孤子(Dispersion Management Solition)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。色散管理孤子是一种非严格意义上的光孤子,它使用归零码技术,通过对光脉冲的精心设计,利用传输光纤的周期性色散补偿,使脉冲的时域波形和频谱形状沿着链路获得周期性恢复。理论上讲,色散管理孤子比NRZ码有8dB的性能提升,但由于实际操作中每一跨段的精确色散补偿有很大的难度,对性能有了一定限制。

⑦色散补偿技术。在10Gbit/s以上的高速系统中,必须考虑色散补偿问题。最常用的色散补偿的方法是使用色散补偿光纤(DCF),它在1 550nm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,尤其对于G.655光纤,色散斜率的补偿比较困难。目前比较先进的方法是针对光谱优化的色散补偿,可以通过子波带的精细补偿来补偿色散斜率。另外一种色散补偿的方法是使用啁啾光纤光栅,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,但目前制作的啁啾光纤光栅相位特性还不是很平滑,技术还不成熟。

⑧编码调制技术。新型的编码方式主要有RZ码、CS-RZ码、Super NRZ码等。RZ码的优点是平均功率低,非线性容限能力有了提高,相对于NRZ码,接收端的OSNR可以提高1~2dB。且随着调制技术的成熟,成本不会增加很多。新型的CS-RZ码,其频谱宽度介于RZ和NRZ之间,可在增加功率的同时,保持其非线性容限性能,但其成本相对较高,目前还处于实验阶段。Super NRZ码是在NRZ码上发展的又一种新的编码技术。它一方面展宽了NRZ码的频谱,降低了谱功率密度;另一方面还补偿了非线性效应产生的相位变化,从而抵消了非线性带来的信号幅度波形的变化。而且时域脉冲的变窄也增强了抗码间干扰的能力,相对于NRZ码,接收端的OSNR可以提高3dB以上,技术成熟以后,在高速超长距离光信号的传输中将是一种很有竞争力的编码方式。

⑨前向纠错技术。对于高速率长距离系统,除了在光域上提高OSNR外,还可以在电域上进行编码纠错。目前比较流行的办法是采用前向纠错FEC,能在接收端光信噪比OSNR较低的情况下依然获得较佳的误码性能指标。ITU-T G.707建议中利用SDH的段开销SOH中空余字节以BCH-3码方式增加了FEC选项,应用到高速SDH系统上预期可获得2~3dB的误码性能改善。如希望得到更多的改善,则可使用带外FEC。例如,利用超强FEC(SFEC)可以获得高达10dB以上净编码增益的误码性能改善。

⑩动态均衡技术。动态均衡技术主要指动态功率调整。目前,比较完善的动态增益均衡可以通过放大器内部增加增益均衡滤波器和系统周期性增加自动增益均衡器来实现。前者通过优化中间级衰减,控制放大器输入功率,维持增益平坦度,属于单板级别。后者是通过软硬件结合实现的,沿光纤线路周期性地设置增益平坦滤波器,减少增益波动,属于系统级别。通过两者共同配合,可对系统功率进行调节,保证线路功率基本一致,降低由于线路或系统性能劣化对线路造成的影响。

发展新技术的根本目的在于更好地满足光纤通信系统日益增长的信息需求。其中,WDM技术与光放大器技术的完美结合,极大地提高了光纤通信系统的性能与通信容量,成为现代光纤通信系统最为重要的技术,是通向全光网络的桥梁。