关于光波分复用技术与应用

龚　莉　王跃红

摘要:作者通过在武汉邮科院光纤通信的培训和实践,谈谈对WDM(波分复用)技术及原理的一点粗浅的认识及在青岛对青济光缆的波分复用技术应用的考察。

关键词:WDM(波分复用);FDM(频分复用);带宽;光纤色散

1光纤的基本特性

由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点,因而得到了广泛应用。从80年代末起,我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口,最小衰减窗口位于1550nm窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为:1310nm窗口的误减 在(0.3～0.4)dB/km;1550nm窗口的衰减在(0.19～0.25)dB/km。

在1380nm有一个OH-根离子吸收峰导致损耗比较大外,其它区域光纤损耗都小于0.5dB/km(据报道已有公司推出了ALL-WAVE全波光纤,消除了这一损耗峰峰值,使整个频帶更加平坦)。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱(1310～1550nm)极少的一部分。以常规SDH2.5Gb/s系统为例,在光纤的带宽中只占很小一部分,大约只有0.02nm左右;全部利用掺饵光纤放大器EDFA的放大区域带宽(1530～1565nm)的35nm带宽,也只是占用光纤全部带宽(1310～1570nm)的1/6左右。

理论上,WDM技术可以利用的单模光纤带宽达到200nm,即25THz带宽,即使按照波长间隔为0.8nm(100GHz)计算,理论上也可以开通200多个波长的WDM系统,因而目前光纤的带宽远远没有利用。WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽,而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为WDM系统的应用和发展提供了可能。

2波分复用的技术原理

在模拟载波通信系统中,为了充分利用电缆的带宽资源,提高系统的传输容量,通常利用频分复用的方法,即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号,接收端根据各载波频率的不同,利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。

同样,在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量,在接收端采用解复用器(等效于光带通滤波器)将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大,人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别,因而这样的复用方法称为波分复用。

所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源,根据每一信道光波的频率(或波长)不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,把光波作为信号的载波,在发送端采用波分复用器(合波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端,再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时),从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决,只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同,可以复用的波长数也不同,从2个至几十个不等,现在商用化的一般是是波长和16波长系统,这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。

WDM本质上是光域上的频分复用(FDM)技术。要想深刻理解WDM系统的本质,有必要对传输技术的发展进行一下总结。从我国几十年应用的传输技术来看,走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、中同轴电缆采用的都是FDM模拟技术,即电域上的频分复用技术,每路话音的带宽为4kHz,每路话音占据传输媒质(如同轴电缆)一段带宽;PDH、SDH系统则是在光纤上传输的TDM基带数字信号,每路话音速率为64kb/s;而WDM技术是光纤上频分复用技术,16(8)×2.5Gb/s的WDM系统则是光域上的FDM模拟技术和电域上TDM数字技术的结合。

WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术,每个波长通路通过频域的分割实现。每个波长通路占用一段光纤的带宽,与过去同轴电缆FDM技术不同的是:(1) 传输媒质不同,WDM系统是光信号上的频率分割,同轴系统是电信号上的频率分割利用。(2) 在每个通路上,同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号,而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH 2.5Gb/s或更高速率的数字系统。

3波分复用技术的主要特点

可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。

使N个波长复用起来在单模光纤中传输,在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外,对于早期安装的芯数不多的光缆,芯数较少,利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。

由于由一光纤中传输的信号波长彼此独立,因而可以传输特性完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合和分离,包括数字信号和模拟信号,以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。

波分复用通道对数据格式是透明的,即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号,ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输,对于“业务”层信号来说,WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。

在网络扩充和发展中,是理想的扩容手段,也是引入宽带新业务(例如CATV、HDTV和B-ISDN等)的方便手段,增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。

利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复,从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。WDM已不仅成为解决容量问题的手段,而且成为加速新业务量生成的基础。

在国家骨干网的传输时,EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目,从而减少成本。距离越长,节省成本就越多。

4波分复用的优点

超高速大容量:复用光通道速率为:622MB/S、25GB/S、10GB/S,复用通道数:4、8、16、32个或更多,超大容量传输:可达300GB/以上,可平滑升级扩容:根据需要随意增加复用光通道,各信道彼此独立,可透明传送不同业务。

可利用成熟TDM技术、避开更高速TDM技术难度,2.5GSDH技术已十分成熟,TDM方式10G SDH已达电子器件工作极限。

对光纤色散无过高要求:N*2.5G的WDM系统对光纤色散的要求,同单波长2.5G一样,G.652光纤适合于传输2.5GTDM信号,但难以传10G以上TDM信号,需进行色散补偿。

可利用宽带EDFA实现超长距离传输:用一个宽带EDFA可对复用光通道信号同时放大,可实现超长距离传输(可达640KM),节省大量中继设备。

适合向全光网络发展,可与光分插复用和光交叉连设备结合使用,组成具有高度生存性、超大容量的全光网络。

适合中国国情,我国目前铺设的光纤绝大部分为G.652光纤,不象G.653光纤那样存在混频效应(FWM)。

5波分复用的技术现状和发展

近几年已在北美开始大规模应用,敷设量已超过5000多终端,目前的商用系统主要为(8-16)X2.5GB/S,40波系统已投入应用,年底可达80/96波,2X16X10GB/S系统已投入实际商用,128X10GB/S系统已完成样机,实验室水平已达:2640GB/S(132X20GB/S),实用化系统容量:640GB/水(64X10GB/S),我国WDM实用化技术处于世界先进水平,仅落后于先进水平2年左右,WDM网络规模居世界第二,我国863安排的8X2.5GB/S已与青济和广汕线路投入应用,重庆移动长途传输干线渝西环DWDM 320G工程,采用UnitransZXWM

-32(320G)密集波分复 用系统和SDH Unitrans

系列设备建设。环网包括新牌坊、大坪、IDC中心、南坪、永川、北碚 六个OTM和ADM站点和江津、铜梁、潼南3个OLA站点。由武汉邮电科学研究院承担的国家863重大项目“32X10GB/SSDH波分复用系统”在广西南宁通过国家验收,该项目是国家863计划的重中之重项目。通过应用到实际工程-广西南宁至柳洲段,实现了在同一管理平台上对SDH和WDM的统一管理,具有较完善的管理维护功能。

从某种意义上讲,WDM技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来,标志着国产光传输设备的发展进入了一个崭新阶段。当前,WDM技术仍处于快速发展阶段,许多厂商的32 ×2.5Gb/s系统都已投入商用,另外N ×10Gb/s的WDM技术也发展很快,我们目前制定的规范仅仅对当前引进和建设的16(8)×2.5Gb/sWDM系统参数进行了具体规定,对于16通路以上的WDM系统的光接口参数还没有规范。但是许多普遍性原则,例如WDM分层结构、光接口分类、保护以及安全要求等在多通路WDM系统中仍将适用。另外加快32 ×10Gb/s(2.5Gb/s)和其它拓扑结构的WDM系统(如WDM环网)的标准化,以满足国内迅速发展的WDM技术的要求。