超高速光纤通信

超高速光纤通信系统摘要本文介绍了目前超高速光纤通信系统的几种主要实现方式，探讨了各种方式的优点、关键技术和限制因素，并列举了一些超高速实验系统。

关键词超高速光纤光纤通信WDM OTDM 光孤子CDMA在低损耗传输窗口，光纤具有25 THz的带宽，其传输容量是非常巨大的。

到90年代初，光纤通信系统的传输速率限制在几十Gbit/s，远远低于25 THz的容量，这是因为光信号的传输有两个重要的限制因素：损耗和色散。

由于损耗的存在，必须每隔50～100 km对光信号进行中继放大；色散使光脉冲展宽，脉冲之间产生干扰，限制了码速率的提高。

此外由于超高速信号的产生、传输、恢复的限制，单信道传输速率不可能很高。

自1990年以来，有几项具有突破性的技术逐渐成熟：(1)EDFA（掺铒光纤放大器）减小了光纤损耗的限制，能在很宽的波长范围内提供高增益；(2)WDM（波分复用）可以在一根光纤中传输多路不同波长的信号；(3)色散管理可以在一定程度上解决信号传输过程中色散和非线性的限制。

这些新技术使光通信的速率极大的提高，从图１可以看出光纤通信的飞速发展。

相对于实验室研究，商用系统增长也很快，预计到2001、2002年1 Tbit/s的系统可以商用化。

实现超高速光纤通信主要有以下几种方式：光频域复用，光时域复用，采用特殊的光脉冲，采用特殊的编码方式使相同码元携带更多的信息。

本文简单介绍这几种方式的基本原理、优点、关键技术及受限制因素。

1 频域复用WDM（波分复用）、DWDM（密集波分复用）、FDM（频分复用）光频域复用就是使不同的光载波在频率上分开。

WDM、DWDM、FDM三种传输方式在基本原理上是相同的，只是波长之间的间隔不同，因而有不同的结构特点。

在80年代末期，采用FDM－相干检测的相干光通信一度成为研究的热点，但其苛刻的实现条件，如光源的稳频等使其难以在现有的器件水平下得到发展。

自掺铒光纤放大器问世以来，光通信的格局发生了巨大变化。

EDFA 改变了传统的光－电－光中继方式，它可以同时放大一根光纤中的多路光信号，使光中继的成本大大降低，可使一根光纤中传输的信息量极大增加，解决了传输中的损耗问题。

WDM中光波的波长间隔比较大，实现容易，因此迅速实用化。

WDM的关键技术有：(1) 器件及设备。

在WDM中有多个光载波，必须有频率稳定、多波长的光源；波长复用解复用器；宽带增益平坦的EDFA，稳定的可调谐滤波器，大规模开关阵列，波长转换器，光交叉连接设备（OXC），光分插复用设备（OADM）等。

(2) 长距离传输中的管理。

包括减小光传输中的色散，使各波长的色散相等，减小非线性的影响等。

(3) WDM组网。

包括网络结构和资源分配、维护控制。

主要研究WDM网络体系结构，在未来通信网中所处的位置；波长分配，路由选择算法；全光网络的运营维护管理、可重构性、可扩展性等问题。

目前，WDM主要应用于点到点的通信系统中，长距离传输的限制因素有：(1) 光信噪比SNR。

在长距离传输中ＥＤＦＡ的级联使ASE（放大的自发辐射）噪声累积，降低了光信噪比。

可以通过减小两放大器之间的距离或改善放大器的噪声指数以改善ＳＮＲ。

(2) 四波混频（FWM）。

在光纤中，两个或多个不同波长同向传输的信号相互混合（FWM）会产生其他频率的信号，当信道间距相等时这种寄生的边模将引起信道串扰，当色散接近零时FWM的影响最大。

为减少FWM，必须避免采用零色散波长接近WDM信号波长的光纤。

在长距离WDM系统中，广泛采用非零色散位移光纤1.55 μｍ的色散值一般为1～4 ps/(km/nm)。

避免FWM还可采用不等间隔的WDM信道，由于ＦＭＷ产生在相等的信道间隔处，所以这种方法不能抑制FWM的产生，但却可以减少它对其他信道的影响。

(3) 色散及色散斜率。

色散使光信号发生畸变，产生信号畸变有两种原因，一是发射机的寄生啁啾与色散的混合效应，另一种是光纤中的克尔效应与色散的混合，即光纤的非线性效应。

为了减少信号变形的影响，应使信号波长处的色散为零，但这与减少四波混频的要求相矛盾。

为了解决这一矛盾，可以采用色散管理技术，使传输中采用的光纤的色散值正负交替，系统总的色散为零。

色散斜率（或高次色散）使WDM不同信道的色散不同，使系统性能下降。

假设WDM信号带宽为10 nm，传输距离10000 km，色散斜率为0.07ps/(km/nm) ，经过传输各信道累积的色散差可达7000 ps/nm 。

减小色散斜率的方法有：在接收端加入色散均衡设备进行补偿，在系统中进行色散补偿，如采用光纤布拉格光栅色散补偿器等。

2 光时域复用—OTDMOTDM（光时分复用）与电时分复用（ETDM）相似，只是将复用技术移到光频上。

通过时分复用使光纤中的码速率极大提高。

OTDM相对于WDM有很多优点，其频带利用率很高，由于WDM信道之间必须有一定的保护频带，使WDM系统的频带利用率不可能很高，而OTDM采用超短光脉冲，单信道最高速率可达640 Gbit/s，可以充分利用频带资源。

由于传输只采用一个载波，OTDM系统可在光频上直接进行信号处理，控制管理非常方便。

OTDM的关键技术有：超短光脉冲的产生技术，时分复用解复用技术，同步和时钟提取技术，超高速光脉冲的传输和测量技术。

在高速TDM传输中，光脉冲宽度必须小于比特率的时隙；脉冲的谱宽应尽量窄，由于信号的谱宽决定了由色散限制的传输距离，最好采用变换极限光脉冲；为了保证各分级结构的时钟同步，必须有一个主振荡器产生同步时钟；脉冲产生要稳定，重复性好。

产生光脉冲的方法有：增益开关半导体激光器，分布反馈半导体激光器燉电吸收调制器组合光源、半导体锁模激光器、光纤锁模激光器．NTT公司的640 Gbit/s的OTDM传输实验就是采用环形光纤锁模激光器。

利用光纤非线性现象，如光克尔效应、四波混频（FWM）、XPM（交叉相位调制）等可以制作光开关，OTDM中的解复用技术就基于光开关的基础上。

由于电子瓶颈的限制，在超过100 Gbit/s 的传输中实现超高速的时分复用解复用，必须采用全光开关代替电开关。

由于OTDM采用超短光脉冲进行传输，使OTDM受到以下因素的限制：长距离传输中色散包括偏振模色散，对超短光脉冲的传输限制，使这种脉冲传输的距离有限；器件的不成熟，当传输速率达到20 Gbit/s，已接近半导体技术及微电子工艺的极限，必须开发出新的、成本可以接收的器件。

3 特殊的脉冲—光孤子（Soliton）孤立波或光孤子是一种在传输过程中形状和速度均不改变脉冲状的波，一些孤立波在相互碰撞后保持各自原来的形状和速度，好象是些粒子，所以也称孤立子。

在光纤中，光孤立子的产生是光纤中的色散和非线性效应共同作用的结果。

由于光孤子脉冲波形在传输过程中保持不变，减小了光纤色散对光纤传输速率及传输距离的限制，可以大大提高光纤通信的传输速率。

同时，利用光孤子可以实现频分复用、时分复用及双向传输。

也就是说以上讨论的WDM及OTDM技术中可以利用光孤子来传输。

由SPM产生的相移和由色散产生的相移周期性地相互抵消，使脉冲在频域和时域均不展宽，4 采用特殊的方式使相同码元携带更多的信息—光CDMACDMA是基于WDM和TDM之上的一种多路存取方式。

它可以使相同带宽和比特率的光信号携带更多的信息。

光纤CDMA（OCDMA）中的每一位数据都被一个序列编码，每个用户都有一个单独的序列。

OCDMA适合于多用户操作，它的主要限制因素是用户间的干扰。

OCDMA适合于突发业务系统，可在光领域完成网络功能处理，比如选择地址和路由。

利用光处理和异步传输的优势和突发环境业务下的多用户接入能力，OCDMA在ＬＡＮ应用方面显示出明显优势。

超高速光纤通信系统<2>基于不同的资源、编码方式和探测器可以组成不同的OCDMA系统。

OCDMA有相干和非相干处理两类，根据编码方法又可分为时域和频域两类。

基于非相干处理（光强）和宽带非相干资源的实现是较简单的，但相干处理可以将多接入用户间的互相干扰减少到零。

在非相干时域处理系统中，多用户间的干扰是影响系统性能的主要因素。

非相干系统的地址码之间是伪正交的，比如光正交码（OOC）和素数码。

自相关有一峰值、互相关不为零。

因为互相关不为零，解码器解码时，其他用户就会对信号产生干扰，当突发用户集中时，就有很高的误码率。

现在一般在解码器端用硬件限幅器减小干扰。

采用如图２所示的结构，可以明显的改善系统的性能。

在采用P等于5的素数码时，突发用户数不大时误码率可达到10－5，而在使用码长为500，码重为2的光正交码时，误码率可达到10－13。

世界各国都斥巨资研究超高速光纤通信系统，已报道的实验系统的传输速率已超过3 Tbit/s量级，表1列出了世界各国几年来比较有特点的实验系统。

光纤通信系统的飞速发展，使超高速的数据传输成为可能。

在未来的传输系统中，必然是多种技术并存，光WDM、OTDM、孤子、CDMA都将占据一定的地位。

在LAN中，OTDM和CDMA都显示出其优越性。

光时分复用和波分复用相结合在长距离传输中是比较有吸引力的方式，既可提高单信道的码速率和每赫兹的频带利用率，又可充分利用光纤的巨大带宽资源。

而在WDM 和OTDM中，都可以采用孤子来传输，同时利用CDMA技术使相同的码流携带的信息成倍提高。

由于新技术的不断涌现，对光纤的巨大带宽的充分利用已成为指日可待的事。