波分复用系统技术发展研究

马小青

提要随着固定及移动运营商网络的飞速发展，IPTV、3G等的应用对光通信网络提出了更高的要求。本文就光通信网络中的WDM系统中的相关技术发展方向做出研究，包括对于器件和接口标准化发展。

关键词：WDM；光器件；OTN

中图分类号：F62文献标识码：A

运营商传统的光传输网络一般为分为多个层面分级管理，比如接入、汇聚、核心和骨干网。以MSTP技术为代表的SDH设备根据业务接入容量以及保护特性不同占据着汇聚和核心层面，但是骨干网络由于要求传输容量巨大，主要由WDM设备承建，其系统结构如图1所示。（图1）

根据图1所示，WDM系统主要可以分为发射机和接收机、波长复用器和解复用器、光放大器；接收机类型一般比较稳定，分为PIN（光电二极管）型和APD（雪崩二极管）型，波长复用器和解复用技术目前相对来说也比较成熟，聚焦在AWG（波导阵列光栅）上，WDM系统器件的发展主要是发射机和光放大器。

发射机采用的激光器要求精度较高，因为WDM系统的工作波长较为密集，一般波长间隔为20纳米到0.8纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上，并且具有很好的稳定性；另一方面DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH系统传输50～60km增加到600km甚至更多，要求系统色散受限距离必须很大，为了克服光纤的非线性效应，如受激布里渊散射效应（SBS）、受激拉曼散射效应（SRS）、自相位调制效应（SPM）、交叉相位调制效应（XPM）以及四波混频效应（FWM）等，要求WDM系统的光源使用技术更为先进、性能更为优越的激光器。

根据对光源的不同调制方法，激光器的发展经历了三个阶段：直接调制、电吸收间接调制和M-Z调制。直接调制即直接对光源进行调制，通过控制激光器驱动（调制）电流的大小来改变激光器输出光波的强弱，但是由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起波长随着调制电流线性变化，是一种直接调制光源无法克服的波长抖动（啁啾），使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。电吸收间接调制是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用：当调制器无偏压时，光源发送波长在调制器材料的吸收范围之外，该波长的输出功率最大，调制器为导通状态；当调制器有偏压时，调制器材料的吸收区边界波长移动，光源发送波长在调制器材料的吸收范围内，输出功率最小，调制器为断开状态。

M-Z调制是将输入光分成两路相等的信号，分别进入调制器的两个光支路，这两个光支路采用的材料是电光材料，即其折射率会随着外部施加的电信号大小而变化，由于光支路的折射率变化将导致信号相位的变化，故两个支路的信号在调制器的输出端再次结合时，合成的光信号是一个强度大小变化的干涉信号，通过这种办法，将电信号的信息转换到了光信号上，实现了光强度调制。分离式外调制激光器的频率啁啾可以等于零。（表1）

从表1可以看出，不同调制器的色散容限直接决定其应用场景。直接调制一般应用在CWDM系统中，传输距离在80km之内，目前的电吸收调制型激光器广泛地应用在各种类型的WDM系统中，以良好的性能和合理的成本占据着大部分份额。M-Z调制型激光器在色散方面的性能注定使其成为了40G激光器的最佳选择。

光纤放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤拉曼放大器。EDFA放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。根据EDFA在DWDM光传输网络中的位置，可以分功率放大器，简称BA；线路放大器，简称LA；前置放大器，简称PA。光纤拉曼放大器的增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大，其增益介质为传输光纤本身、噪声指数低，当与常规EDFA混合使用时，可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。增益波长由泵浦光波长决定，因此对于开发光纤的整个低损耗区1270nm～1670nm具有无可替代的作用。

DWDM系统中，复用的光通路数越来越多，需要串接的光放大器数目也越来越多，因而要求单个光放大器占据的谱宽也越来越宽。EDFA的增益锁定是一个重要问题，因为WDM系统是一个多波长的工作系统，当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到那些未丢失的信号上，使其他波长的功率变高。在接收端，由于电平的突然提高可能引起误码，而且在极限情况下会带来强烈的非线性或接收机接收功率过载，也会带来大量误码。EDFA的增益锁定有许多种技术，典型的有控制泵浦光源增益的方法和饱和波长法。一般来说，拉曼放大器比较适合特定的长途传送领域，比如超长单跨WDM系统，而EDFA更广泛地应用在所有的DWDM系统中。

WDM系统在接口标准方面，主要是面向着客户侧业务信号所提供的装载帧技术的发展和面向系统的随路管理信号帧的发展。传统的WDM系统面向客户侧业务提供的是纯透传的功能，因此并不需要额外的帧结构来做信号的映射，只是完成了波长的转换、复用和传输。然而，随着业务网络的发展和演进，运营商扁平化管理的需求加强，IP业务冲击着传统的SDH+WDM模式，针对网路的发展，ITU-T（国际电信联盟）制定了OTN（光传送网络）标准。OTN是ITU-T在“先标准，后实现”的理想标准思路下构建起来的，因此OTN有效地避免了不同厂家在具体实现差异方面引发的争议，在理论架构上更加合理、清晰。相比于传统的SDH网络，OTN体系中各级业务容量的可扩展性强，交叉容量可扩展到几十T bit/s。同时，采用异步映射消除了全网同步的限制，更强的FEC纠错能力，简化系统设计，降低组网成本，在OAM方面提供了多达6级的TCM监视管理能力。（图2）

图2形象的描述了完整功能OTM接口OTM-n.m信号的组成，OTM-n.m由最多n个复用的波长和支持非随路开销的OTM开销信号组成。其中m可为1、2、3、12、23、123。M单独数字1或2或3表示承载的信号分别为OTU1［V］或OTU2［V］或OTU3［V］，m=12表示承载的信号部分为OTU1［V］，部分为OTU2［V］，m=23表示承载的信号部分为OTU2［V］，部分为OTU3［V］；m=123表示承载的信号部分为OTU1［V］，部分为OTU2［V］，部分为OTU3［V］。OTM-n.m信号的物理光特征规格由厂商决定，建议不做规定。

光层信号OCh由OCh净荷和OCh开销构成；OCh被调制入OCC后，多个OCC时分复用，构成OCG-n.m单元；而OMSn净荷则和OMSn开销共同构成OMU-n.m单元，与此类似，OTSn净荷和OTSn开销共同构成OTM-n.m单元。这几部分的光层单元的开销和通用管理信息一起构成了OTM开销信号OOS全称为OTM overhead signal，以非随路开销的形式由1路独立的光监控信道OSC负责传送。而电层单元OPUk、ODUk、OTUk的开销为随路开销，和净荷一同传送。

简化功能OTM接口OTM-nr.m信号的组成，OTM-nr.m由最多n个光通道复用组成，不支持非随路开销。目前，支持的规格有OTM 16r.m，m可为1、2、3、12、23、123，其中OTM 16r.1和OTM 16r.2信号的物理光特征规格在ITU-T建议G.959.1中有定义，而另外4种信号的物理光特性规格则有待进一步研究。OTM-nr.m和OTM-n.m的电层信号结构相同，光层信号方面则不支持非随路开销OOS，没有光监控信道，因此被称为简化功能OTM接口。

OTM-0.m仅由单个光信道组成，不支持随路开销OOS，没有特定的波长配置。由于只包含单个光通道，因此m只能为1、2或3，OTM 0.1，OTM 0.2和OTM-0.3信号的物理光特征规格在ITU-T建议G.959.1和G.693中有定义。以上就是对3种OTM接口包含的基本信息的介绍，可以看出，几种接口的电层信号结构都是相同的，均通过随路开销完成对电层信号的监控，区别在于完整功能OTM接口OTM-n.m的光层信号支持通过1路OSC传送非随路开销，而简化功能OTM接口OTM-nr.m和OTM-0.m不支持光层开销。

OTUk帧的大小是固定的，即无论是OTU1、OTU2，还是OTU3，都是4行4080列。对于OTU1帧，第1到16列为OTU1、ODU1、OPU1开销，第17到3824共3808列为客户信号，第3825到4080共256列为FEC区域，假设其装载的客户信号是STM-16的SDH信号，其速率为2488320kbit/s，那么将这些数值代入以下公式：

客户信号大小/OTU帧大小＝客户信号速率/标称OTU帧速率

得到：3808/4080＝2488320/标称OTU1帧速率，也即：标称OTU1帧速率＝255/238×2488320kbit/s。

而对于OTU2帧，4个ODU1时分复用进ODTUG2，4个ODU1作为OPU2净荷，占3808列，OPU2净荷中又有16列为OTU1、ODU1、OPU1开销，因此客户信号为3792列，代入公式得到：标称OTU2帧速率＝255/237×9953280kbit/s。

类似的，可以得到标称OTU3帧速率 ＝ 255/236×39813120kbit/s。

对OTU1/2/3帧速率进行归纳，可以得出以下结论：OTUk速率＝255/（239-k）×STM-N帧速率；其中k＝1、2、3时，对应的是STM-16、64、256的帧速率。OTU比特速率容差为±20ppm。

OTUk、ODUk以及OPUk等的主要开销分布大致为：（1）帧对齐开销用于帧定位，由6个字节的帧对齐信号开销FAS和1个字节的复帧对齐信号开销MFAS构成；（2）OTUk层开销用于支持一个或多个光通道连接的传送运行功能，由3个字节的段监控开销SM、2个字节的通用通信通道开销GCC0以及2个字节的保留作国际标准化用途开销RES构成，在OTUk信号组装和分解处被终结；（3）ODUk层开销用于支持光通道的维护和运行，由3个字节的用于端到端ODUk通道监控的开销PM、3个字节的用于6级串行连接监视开销TCM1～TCM6、1个字节的TCM激活/去激活协调协议控制通道开销TCMACT、1个字节的故障类型和故障位置上报通道开销FTFL、2个字节的实验通道字节EXP、各2个字节的通用通信通道开销GCC1和GCC2、4个字节的自动保护倒换和保护通信控制通道开销APS/PCC、6个字节的保留开销构成，ODUk开销在ODUk组装和分解处被终结，TC开销在对应的串行连接的源和宿处分别被加入和终结；（4）OPUk开销用于支持客户信号适配，由1个字节的净荷结构标识符开销PSI、3个字节的调整控制开销JC、1个字节的负调整机会字节开销NJO、3个字节的保留开销构成，在OPUk组装和分解处被终结。

WDM系统的发展不仅源于技术的推动，来自运营商角度的业务管理需求同样引领着网络向扁平化方向发展。基于新型调制技术的激光器将降低系统对OSNR、PMD方面的要求，基于拉曼和EDFA混合使用的放大器系统将使系统的传输跨段和距离得到提高，而OTN更从使用者的角度对业务提供了丰富的管理开销，对不同的业务做到了统一适配和调度，将是后SDH时代与IP技术融合的最佳方案。

（作者单位：西安欧亚学院信息工程学院）