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光纤通信的发展现状和若干关键技术

2021-03-16

通信电源技术 2021年19期
关键词:复用器调制器色散

徐 震

(山信软件股份有限公司 莱芜自动化分公司,山东 济南 271104)

0 引 言

光纤通信具有传输信息量大、体积小、重量轻、抗干扰能力强、防窃听效果好以及投入成本低等特点,在移动通信领域得到了广泛应用。该技术的应用不仅给社会各领域的通信业务创造了一个安全稳定的运行环境,而且在改善通信效果、提高生产与工作效率等方面也发挥着不可替代的重要作用。

1 光纤通信的发展现状

20世纪60年代中期,英籍华人高锟博士发表了一篇利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维的论文,在论文当中,高锟博士论述了利用这种光学纤维材料可以作为通信媒质,这篇论文的发表也成为光纤通信技术诞生的里程碑。经过半个多世纪的发展和演变,光纤通信技术发展先后经历了4个阶段。

1.1 基础研究到商业应用的开发阶段

这一阶段所经历的时间节点为1966—1976年,在这10年间,研发人员开发出了多模光纤通信系统,该系统的短波长为0.85 μm,速率为34 Mb/s或者45 Mb/s,无中继传输距离约为10 km。从这一阶段光纤通信技术的发展历史看,属于光纤通信技术的初始发展期[1]。

1.2 速率与传输距离提升期

这一阶段所经历的时间节点为1976—1986年,在这10年间,研发人员主要围绕光纤通信的传输速率以及传输距离等课题展开。其中,一个历史性突破的事件是光纤通信系统由多模系统过渡到单模系统,并且工作波长也从原来的0.85 μm增加至1.3 μm,而传输速率则由原来的34~45 Mb/s提升到140~565 Mb/s,无中继传输距离也达到了50 km以上。

1.3 新技术研发期

这一阶段光纤通信所经历的时间节点为1986—1996年,在这10年间,研发人员将关注焦点逐步向新技术开发领域转移,其根本目标是实现光纤通信的远距离大容量传输。通过应用外调制技术,单模光纤通信系统的传输速率达到了2.5~10 Gb/s,无中继传输距离也突破了100 km,最远传输距离能够达到150 km[2]。

1.4 超大容量与超高速率发展期

从1996年开始,光纤通信技术也实现了跨越式发展,在前3个阶段的基础上,广大研发人员将目标锁定在超大容量、超高速率以及超长距离传输层面,利用光放大器使数据传输距离得以延长,利用电的时分复用使数据传输速率得以提升,同时利用密集型光波复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)技术增加了传输容量。另外,为了避免数据传输过程中出现损伤等突发情况,研发人员利用了调制格式、纠错编码以及色散管理等先进技术,使这一状况进一步得到改善。

2 密集波分复用关键技术

2.1 调制技术

在光纤通信中,较为常见的两种调制方式为直接调制与外调制。其中,直接调制操作简单,实用方便,但是在对激光器进行调制时极易产生啁啾。由于产生的这种啁啾与调制频率成正比,因此受到光纤色散作用的影响,容易出现脉冲展宽的现象,进而对中继传输距离造成不利影响。以常规单模光纤为例,该光纤的传输速率为2.5 Gb/s,受到光纤色散作用的影响,其传输距离仅能够达到120 km。如果改用外调制的方法,传输距离能够达到600 km以上。这主要是由于外调制技术能够大大削弱激光器输出的啁啾。基于此,如果光纤通信系统的传输速率达到10 Gb/s以上时,则需要使用外调制技术对传输距离进行有效调剂。

目前,在光纤通信领域较为常用的外调制器主要包括干涉仪型调制器与电吸收调制器。其中干涉仪型调制器的主要材质是半导体,也可以选用电光材料,这两种材料在消啁啾方面具有明显优势,并且能够适用于10 Gb/s以上传输速率的通信系统。而电吸收调制器对偏振具有极强的敏感性,因此很容易与激光器集成为一个整体。在这种情况下,该调制器的频率啁啾将明显大于干涉仪型调制器,由此可以看出,电吸收调制器只适合于传输距离较短的光纤通信系统[3]。

2.2 复用器与解复用器

复用器也称为合波器,该部件可以将不同波长的信号组合在一起,并送进一根光纤中,相反的,如果将经过同一根光纤送来的多波长信号分解为单个波长并分别输出的部件则称之为解复用器,也称为分波器。目前,复用器与解复用器的常见类型有各种光栅、多层介质薄膜滤波器、马赫曾德尔干涉仪、阵列波导光栅(如图1所示)以及声光可调谐滤波器等[4]。

图1 阵列波导光栅示意图

2.3 放大技术

密集型光波复用技术的迅猛发展与光放大器的应用有着密切关系,无论在试验系统还是在商用系统中,光放大器都得到了普遍推广和应用。目前,光放大器主要包括3种类型,即掺稀土离子放大器、非线性光纤放大器以及半导体光放大器。其中,掺稀土离子放大器所掺加的稀土成分主要有氟化物、碲化物等,非线性光纤放大器包括离散拉曼放大器和分布拉曼放大器,而半导体光放大器则主要包括增益钳制的半导体光放大器和线性光放大器[5]。

为了保证信号的传输质量,在密集型光波复用系统中使用的光放大器需要具备以下特点,即带宽足够、增益平坦、噪声低以及输出功率高。而在这些技术参数中,增益平坦是对光放大器的一个特殊要求,如果在数据传输过程中出现增益起伏的情况,则代表该工作波段处于不稳定的工作状态,这将会对数据传输质量造成严重影响。因此,为了改善这一状况,研发人员需要在原技术的基础上开发出一种增益均衡的放大技术,并研制出增益平坦的放大器。例如,在C波段与L波段,可以使用增益移位的掺铒光纤放大器与混合的拉曼放大器;在S波段可以使用掺铥氟化物光纤放大器与混合的拉曼放大器;在1 300 nm波段,即O波段,则可以使用掺镨光纤放大器与半导体放大器。这样既可以提高光信噪比,同时也能够降低纤芯中的光功率损耗[6]。

3 速率为40 Gb/s的光纤通信系统的关键技术

影响单个波长传输速率的主要因素包括集成电路材料、电子与空穴迁移率、传输介质的色散作用以及非线性特征等。与过去传输速率为10 Gb/s的光纤通信系统相比,40 Gb/s系统的传输速率提高了4倍,因此对光信噪比也提出更高的要求。为了保证40 Gb/s传输速率的光纤通信系统能够正常运转,放大器的波长平坦度以及功率均衡度也当更加精确,色散斜率更加敏感,同时进入光纤的功率不宜过大,从而有效避免非线性效应的产生[7]。基于对强制性要求的分析,在选择光纤时,应当选择标准化的光纤类型,如G651、G652、G653、G654以及G655等,都可以作为传输介质。其中:G651属于多模渐变型光纤,常用于中小容量与中短传输距离的通信系统中;G652属于常规的单模光纤,是目前全世界范围内普遍使用的一种光纤类型;G653属于色散位移光纤,由于其四波混频较为严重,因此已经停止生产和使用[8];G654型光纤常用于海底光缆通信系统当中;而G655光纤也称之为非零色散位移光纤,其应用价值等同于G652型光纤。

3.1 色散补偿与偏振模色散补偿技术

对于40 Gb/s的光纤通信系统来说,既要考虑偏振模色散补偿,同时也需要兼顾考虑色散斜率补偿。以G655光纤为例,该光纤在敷设之后,色散值一般介于1~6ps/(km·nm),这一数值对光纤线路产生的负面影响偏小,因此可以利用色散管理技术来消除色散积累。但是,由于目前在全世界范围内有90%以上的光纤线路采用了G652光纤,因此在长距离传输过程中极易出现色散积累,这就需要利用色散补偿光纤法、色散支持传输法、预啁啾技术以及光相位共轭技术等来消除色散积累,进而来延长中继传输距离[9]。

3.2 前向纠错技术

利用前向纠错技术可以有效改善光纤通信系统的误码性能,尤其在40 Gb/s的光纤通信系统中,应用该技术可以进一步提升传输速率、延长传输距离。前向纠错技术主要包括带内前向纠错与带外前向纠错,其中带内前向纠错技术主要是将纠错码加在被传送帧结构的空闲地方,而带外前向纠错技术则是在被传送的数据外添加额外的纠错码。而相比于带内纠错技术,带外纠错技术更容易获得5 dB以上的光信噪比增益,利用该技术能够等效提高光信噪比9 dB[10]。

4 结 论

从光纤通信的发展现状看,在历经了半个世纪的发展历程之后,光纤通信技术已经成为一个独立的技术体系,虽然在实际应用过程中还存在一些亟待解决的问题,但是在广大研发人员与技术人员的共同努力下,一些新型的实用技术也将逐步浮出水面,进而在改善信号传输质量的同时,能够为我国光纤通信事业的蓬勃发展注入源源不断的驱动力。

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