浅析光网络中的复用技术

在光纤通信中，复用技术被认为是扩展现存光纤网络工 程容量的主要手段。复用技术主要包括时分复用TDM（Time Division Multiplexing）技术、空分复用SDM（Space Division Multiplexing）技术、波分复用WDM（WaveLength Division Multiplexing）技术和频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）技术。但是，因为FDM和WDM一般认为并没有本质上的区别，所以可以认为波分复用是"粗分"，而频分复用是"细分"，从而把 两者归入一类。下面主要讨论空分复用（SDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）、稀疏波分复用(CWDM)、光分插复用（OADM）复用方式。

1.TDM技术

TDM技术在电子学通信中已经是很成熟的复用技术。这种技术就是将传输时间分割成若干个时隙，将需要传输的多路信号按一定规律插入相应时隙，从而实现多 路信号的复用传输。但是，这种技术在电子学通信使用中，由于受到电子速度、容量和空间兼容性诸多方面的限制，使得电子时分复用速率不能太高。例如，PDH 信号仅达到0.5Gbps，尽管SDH体 制信号采用同步交错复接方法己达到10Gbps（STM-64）的速率，但是，达到20Gbps却是相当困难的。另一方面，在光纤中，对于光信号产生的损 耗（Attnuation）、反射（Reflectance）、颜色色散（Chromatic Dispersion）以及偏振模式色散PMD（Polarization Mode Dispersion）都将严重影响高速率调制信号的传输。当信号达到STM-64或者更高速率时，PMD的脉冲扩展效应，就会造成信号"模糊"，引起接 收机对于信号的错误判断从而产生误码。这是由于不同模式的偏振光在光纤运行中会产生轻微的时间差，因而一般要求PMD系数必须在0.1ps/km以下。综 上所述，电时分复用技术的局限性，将电子学通信的传输速率限制在10～20Gbps以下。

1.1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。

1.1.1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。

1.1.2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。

1.1.3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.SDM技术

对SDM的一般理解是：多条光纤的复用即光缆的 复用。在某些地方，有现成的光纤通信网管道，并且还有空余的位置。所以为了增加容量，可以在管道中拉入更多光纤，这比电子学方法更便捷。对于空分复用的另 一种理解是：在一根光纤中实现空分复用，即对于光纤的纤芯区域光束的空间分割。因为单模光纤纤芯部分芯径仅有9～10mm，而且传输的光束波面各点相位要 存在涨落，因而这种波面的空间分割是极为困难的。尽管最近有人提出了相干度的理论分割方法，但是距离实用化还有漫长的道路要走。

3.WDM技术

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，WDM技术是在一根光 纤上承载多个波长（信道）系统，将一根光纤转换为多条"虚拟"纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。每个信道运行速度高达2.5～10Gbps。

WDM技术作为一种系统概念，可以追溯到1970年初，在当时仅用两个波长，在1300nm窗口一个波长、在1500nm窗口一个波长，利用WDM技术 实现单纤全双工传输。初期的WDM网络主要致力于点对点系统的研究，作为WDM技术发展的重要阶段，1987年Bellcore在LAMB-DANET规 划中开发出有18个波长波道的WDM系统。具有开拓性进展的是1978年K.O.Hill等人首次发现掺锗光纤中的光感应光栅效应，在此基础上Meltz 等人于1989年终于研究发明出紫外光侧面写入光折度光栅技术，从而使采用光纤光栅实现WDM复用技术获得突破性进展，其复用波道数增加到100个以上。 初期报道在1550nm窗口实现25个波道的WDM系统，总容量达到500Gbps。接着又有报道在1550nm窗口实现25个波道的WDM系统，其波道 间隔仅为0.6nm，总容量达1.1Tbps，到1999年中期WDM实用化系统已经实现96个波道。北电公 司宣布于2000年起开发有160个波长波道数的WDM系统，每个波道传输10Gbps，其一根光纤传输信息总容量为1.6Tbps。由于WDM系统技术 的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。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。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。
　　
   3.1密集波分复用DWDM

所谓密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing）技术，也就是人们常说的DWDM，指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。

DWDM首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率（波长，lambda），然后把信号复用到一根光纤中去，采用这种方式就可以大大增加已铺设光缆的 带宽。由于引入（incoming）信号并不在光层终止，接口的速率和格式就可以保持独立，这样就允许服务供应商把DWDM技术和网络中现有的设备集成起 来，同时又获得了现有铺设光缆中没有得以利用的大量带宽。

DWDM可以把多个光信号搭配起来传输，结果这些光信号可以编成同一组同时被放大并且通过单一的光纤传输，网络的带宽也就大大增加了。每个承载的信号都可以设置为不同的传输速率（OC–3/12/24等）和不同的格式（SONET、ATM、 数据等）。比方说，某个DWDM网络可以在DWDM基础上混合OC–48 （2.5 Gbps）和OC–192 （10 Gbps）两种速率的SONET信号。从而获得高达40 Gbps的巨大带宽。采用DWDM的系统在达到以上目标的同时仍然可以维持和现有传输系统同等程度的系统性能、可靠性和稳固性。今后的DWDM终端更可以 承载总计80个波长之多的OC–48以达到200 Gbps的传输速率或者高达40波长的 OC–192以达到400 Gbps的传输速率，这个带宽已经足以在一秒钟之内传输9万卷的大百科全书！

3.2FDM技术

FDM是将在光纤中传输的光波按其频率进行分割成若干光波频道，使其每个频道作为信息的独立载体。从而实现在一条光纤中的多频道复用传输。FDM技术可以 与WDM技术联合使用，使复用路数成倍提高，即首先将光波波道按波长进行粗分，若每个波道宽度为Δλ，则在每个宽度为Δλ波道内，再载入几个频道(f1、 f2、…、fn)，每个频道还可以独立荷载信息。由于相干光通信提供了极好的选择性，因此FDM技术与其相结合，为采用FDM技术的光纤网络实用化创造了条件。光FDM复用技术设备复杂，对于光器件性能的要求高，因此进入实用工程阶段还需要不少努力。

3.3稀疏波分复用(CWDM)

DWDM（密集波分复用）无疑是当今光纤应用领域的首选技术，但其昂贵的价格影响其广泛应用。面对通信市场的需求，CWDM（稀疏波分复用）应运而生。稀疏波分复用，顾名思义，是密集波分复用的近亲，它们的区别主要有二点：

3.3.1CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，"稀疏"与"密集"称谓的差别就由此而来；

3.3.2CWDM 调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因 此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。

CWDM用很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、SONET环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。尤其值得一提的是CWDM与PON（无源光网络）的搭配使用。PON是一种廉价的、一点对多点的光纤通信方式，通过与CWDM相结合，每个单独波长信道都可作为PON的虚拟光链路，实现中心节点与多个分布节点的宽带数据传输。

目前，有几家公司正推出与CWDM相关的产品。LuxN公司出品的WideWav系列CWDM模块支持8个CWDM信道，或者支持4个CWDM信道加 16个DWDM信道。时代华纳公司已与LuxN公司签署长期采购协议，用包含WideWave模块的WavSystem DWDM设备在纽约、俄亥俄等地部署千兆以太网。Ocular公司推出的采用CWDM技术的产品有OSX-6000和OSX-1000两个系列的交换机，其最大特色在于能为高端用户提供专用波长信道服务和SAN服务。

但是，CWDM是成本与性能折衷的产物，不可避免地存在一些性能上的局限。业内专家指出，CWDM目前尚存在以下4点不足：

（1）CWDM在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；

（2）复用器、复用解调器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是DMDM相应设备的简单改型；

（3）CWDM还未形成标准。

4.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）。OADM具有选择性， 可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，或仅仅通过某个波长信号，但不影响其他波长信道的传输。OADM在光域内实现了SDH中的分插复用器在时域内完 成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。它能提高网络的可靠性，降低节点成本，提高网络运行效率，是组建全光网必不可少的关键性设备。 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：WDMMUX/DEMUX；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， 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。