光傳輸技術(shù)發(fā)展非常迅速，特別是線路系統(tǒng)，其傳輸速率的提升是所有技術(shù)中最快的，這主要?dú)w功于WDM系統(tǒng)的快速發(fā)展。在過(guò)去的5年里，沒有任何一種傳輸技術(shù)像WDM發(fā)展那么迅速。在1997年之前，很少有人明白WDM這個(gè)英文縮寫代表什么，而今天則很少有人不明白這3個(gè)字母縮寫的含義.

　 目前超長(zhǎng)距離WDM系統(tǒng)傳輸更是受到制造商、運(yùn)營(yíng)商的充分關(guān)注.所謂超長(zhǎng)距離傳輸是不采用電再生中繼的全光傳輸，從而大大減少了光/電轉(zhuǎn)換次數(shù)，降低傳輸成本，提高了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和可靠性。實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)電中繼傳輸距離達(dá)到3000km，在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)達(dá)到10000km。這也是向全光傳輸邁出的重要一步。

　　本文將從WDM技術(shù)特點(diǎn)、RAMAN放大器、超強(qiáng)FEC、色散補(bǔ)償?shù)确矫嬗懻撟钚碌陌l(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)。

　　一、光纖與WDM技術(shù)

　　WDM波分復(fù)用并不是一個(gè)新概念，在光纖通信出現(xiàn)伊始，人們就意識(shí)到可以利用光纖的巨大帶寬進(jìn)行波長(zhǎng)復(fù)用傳輸，但是在20世紀(jì)90年代之前，該技術(shù)卻一直沒有重大突破，其主要原因在于TDM的迅速發(fā)展，從155Mbit/s到622Mbit/s，再到2.5Gbit/s系統(tǒng)，TDM速率一直以過(guò)幾年就翻4倍的速度提高。人們?cè)谝环N技術(shù)進(jìn)行迅速的時(shí)候很少去關(guān)注另外的技術(shù)。1995年左右，WDM系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，一個(gè)重要原因是當(dāng)時(shí)人們?cè)赥DM10Gbit/s技術(shù)上遇到了挫折，眾多的目光就集中在光信號(hào)的復(fù)用和處理上，WDM系統(tǒng)才在全球范圍內(nèi)有了廣泛的應(yīng)用。

　　WDM系統(tǒng)的發(fā)展離不開光纖，光纖是目前人們發(fā)現(xiàn)的頻率響應(yīng)最好、帶寬最寬、損耗最小的傳輸媒質(zhì)。它提供了近似無(wú)窮無(wú)盡的帶寬。另外該媒質(zhì)硅元素在自然界存在廣泛，比起銅纜等介質(zhì)要便宜得多。正是有了這種傳輸媒質(zhì)，人們才有可能進(jìn)行波長(zhǎng)分割處理。從光纖通信發(fā)展的幾個(gè)階段看，所應(yīng)用的技術(shù)都與光纖有密切聯(lián)系。WDM是在光纖上實(shí)行的頻分復(fù)用技術(shù)，更是與光纖有著不可分割的聯(lián)系。目前的WDM系統(tǒng)是在1550nm窗口實(shí)施的多波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，因而在深入討論WDM技術(shù)以前，有必要討論一下光纖的特性，特別是光纖的帶寬和損耗特性。

　　由于單模光纖G.652具有內(nèi)部損耗低、帶寬大、易于升級(jí)擴(kuò)容和成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以從20世紀(jì)80年代末起，我國(guó)在國(guó)家干線網(wǎng)上敷設(shè)的都是常規(guī)單模光纖。常規(guī)石英單模光纖同時(shí)具有1550nm和1310nm兩個(gè)窗口。

　　理論上，WDM技術(shù)可以利用的單模光纖帶寬達(dá)到300nm，即37THz帶寬，即使按照波長(zhǎng)間隔為0.8nm（100GHz）計(jì)算，理論上也可以開通400個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)，因而目前光纖的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有利用。WDM技術(shù)的出現(xiàn)正是為了充分利用這一帶寬，而光纖本身的寬帶寬、低損耗特性也為WDM系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了可能。

　　二、WDM技術(shù)及特點(diǎn)

　　所謂WDM波長(zhǎng)復(fù)用就是指不同顏色的光（人眼看不見）在同一根光纖中傳輸，就像在自由空間中赤栓黃綠青藍(lán)紫七色光都在傳輸，由于它們的光譜成分不同，在大氣中傳輸是各不干擾的。WDM系統(tǒng)傳送的光是不可見光，但它們都在一根光纖中傳輸，每束光占用了一段帶寬，各自無(wú)干擾地傳輸，在接收端采用解復(fù)用器（等效于光帶通濾波器）將各種顏色的光信號(hào)分開。由于在光域上信號(hào)頻率差別比較大，人們更喜歡采用波長(zhǎng)來(lái)定義頻率上的差別，因而稱為波分復(fù)用。WDM本質(zhì)上是光域上的頻分復(fù)用FDM技術(shù)。每個(gè)波長(zhǎng)通路通過(guò)頻域的分割實(shí)現(xiàn)，每個(gè)波長(zhǎng)通路占用一段光纖的帶寬。WDM系統(tǒng)采用的波長(zhǎng)都是不同的，也就是特定標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，為了區(qū)別于SDH系統(tǒng)普通波長(zhǎng)，有時(shí)又稱為彩色光接口，而稱普通光系統(tǒng)的光接口為“白色光口”或“白光口”。

　　人們?cè)谡務(wù)揥DM系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)會(huì)談到DWDM。WDM和DWDM是在不同發(fā)展時(shí)期對(duì)WDM系統(tǒng)的稱呼。在20世紀(jì)80年代初，人們想到并首先采用的是在光纖的兩個(gè)低損耗窗口1310nm窗口和1550nm窗口各傳送1路光波長(zhǎng)信號(hào)，也就是1310nm、1550nm兩波分的WDM系統(tǒng)。隨著1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系統(tǒng)的相鄰波長(zhǎng)間隔變得很窄（一般小于1.6nm），且工作在一個(gè)窗口內(nèi)，共享EDFA光放大器。為了區(qū)別于傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)，人們稱這種波長(zhǎng)間隔更緊密的WDM系統(tǒng)為密集波分復(fù)用系統(tǒng)。所謂密集，是指相鄰波長(zhǎng)間隔而言，過(guò)去WDM系統(tǒng)是幾十nm的波長(zhǎng)間隔，現(xiàn)在的波長(zhǎng)間隔只有0.4-2nm。密集波分復(fù)用技術(shù)其實(shí)是波分復(fù)用的一種具體表現(xiàn)形式。如果不特指1310nm、1550nm的兩波分WDM系統(tǒng)外，人們談?wù)摰腤DM系統(tǒng)就是DWDM系統(tǒng)。

　　WDM系統(tǒng)除了極大地提高傳送容量外，還可以降低系統(tǒng)成本，其主要特點(diǎn)是：（1）可以節(jié)約成本。EDFA的透明性可以同時(shí)放大多路波長(zhǎng)，從而大大減少SDH再生器的數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。在國(guó)家骨干網(wǎng)的傳輸時(shí)，距離越長(zhǎng)節(jié)省成本越多。特別適合于國(guó)土龐大的國(guó)家。（2）提高系統(tǒng)的可靠性。由于WDM系統(tǒng)大多數(shù)是光電器件，而光電器件的可靠性很高，因此系統(tǒng)的可靠性也可以保證。（3）可以提高承載信號(hào)的傳輸性能。由于WDM系統(tǒng)大大減少了電子電路的處理，特別是SDH再生中繼器的使用，因此，減少了抖動(dòng)的積累，另外WDM系統(tǒng)良好的光路設(shè)計(jì)可以保證SDH客戶信號(hào)無(wú)誤碼運(yùn)行。（4）可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍。（5）波分復(fù)用通道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號(hào)速率有電調(diào)制方式無(wú)關(guān)。一個(gè)WDM系統(tǒng)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù)”信號(hào)，ATM，IP或者將來(lái)有可能出現(xiàn)的信號(hào)，WDM系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對(duì)于“業(yè)務(wù)”層信號(hào)來(lái)說(shuō)，WDM的每個(gè)波長(zhǎng)就像“虛擬”的光纖一樣。

　　三、超長(zhǎng)距離傳輸

　　WDM技術(shù)并不能保證信號(hào)無(wú)限距的全光中繼傳輸，目前，2.5G或10G的WDM信號(hào)經(jīng)過(guò)400-600多km傳輸后，還需要進(jìn)行電再生中繼，依賴電再生設(shè)備保證傳輸進(jìn)行再生后重新進(jìn)行傳輸，但不可避免的是整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴。在長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，再生中繼是加大成本投入的代名詞。所謂電再生距離指的是在兩個(gè)電再生站之間所能傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)距離。對(duì)于普通WDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般每經(jīng)過(guò)80km有1個(gè)光放大器EDFA對(duì)信號(hào)進(jìn)行光放大，要保持比較長(zhǎng)的電再生距離，必須盡可能地容許光傳送段的段數(shù)。這樣可以大大減少光電轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而減少系統(tǒng)成本。

　　對(duì)于WDM系統(tǒng)傳輸來(lái)說(shuō)，目前對(duì)傳輸距離造成限制的主要因素是：光信噪比OSNR、色散和非線性。色散的問(wèn)題可以通過(guò)色散補(bǔ)償光纖完成。光信噪比OSNR的受限是通過(guò)RAMAN放大器、超強(qiáng)FEC技術(shù)的引進(jìn)而解決的。

　　光信噪比OSNR是光纖信號(hào)與噪聲的比值。OSNR的大小決定了信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣。一般對(duì)于10Gbit/s信號(hào)接收端要求在25dB以上（沒有前向糾錯(cuò)編碼FEC技術(shù)時(shí)），光信噪比在WDM系統(tǒng)發(fā)送端一般有35-40dB左右，但是經(jīng)過(guò)第1個(gè)光放大器后，信號(hào)OSNR將有比較明顯的下降，以后每經(jīng)過(guò)一個(gè)光放大器EDFA，OSNR都將繼續(xù)下降，但下降的速度會(huì)逐漸放慢。劣化主要原因在于光放大器在放大信號(hào)、噪聲的同時(shí)，還引入了新的ASE噪聲，也就是本放大器的噪聲，使總噪聲水平提高，OSNR下降。下降速度逐步放慢的原因在于隨著線路中級(jí)聯(lián)的放大器數(shù)目增加，“基底”噪聲水平提高，僅增加一個(gè)EDFA ASE對(duì)總噪聲水平的影響不大。

　　EDFA的噪聲系數(shù)決定了系統(tǒng)ASE噪聲的積累速度。目前商用化EDFA噪聲系數(shù)為5-7dB，要解決光信噪比OSNR受限問(wèn)題，必須降低光放大器的噪聲系數(shù)。為了克服噪聲的積累，在超長(zhǎng)距傳輸環(huán)境下，引入了一種特殊的放大器－－喇曼放大器，降低了光放大器的噪聲系數(shù)和噪聲累積速度，大大延伸了光電傳輸距離。

　　1.RAMAN放大器應(yīng)用和特點(diǎn)

　　RAMAN放大器基本原理是受激喇曼散射效應(yīng)，其表現(xiàn)形式是不同頻帶的光功率轉(zhuǎn)移，即高頻波光能量轉(zhuǎn)移到低頻波上去，也就是短波長(zhǎng)光能量將轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)上。效率最高的能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在波長(zhǎng)間距100nm左右，即1450nm泵浦源在1550nm產(chǎn)生的RAMAN增益最高，因此要放大C+L波段1530-1605nm的工作波長(zhǎng)，最佳泵浦源波長(zhǎng)在1420-1500nm波段，從理論上講，采用RAMAN放大器可以放大任何波長(zhǎng)的工作信號(hào)。

　　從實(shí)現(xiàn)RAMAN放大的方式來(lái)看，現(xiàn)在應(yīng)用都是采用傳輸線路光纖作為工作媒質(zhì)，而不像EDFA專門用一段摻鉺光纖進(jìn)行放大。在采用RAMAN放大器的WDM系統(tǒng)中，只需要泵浦源，而不再需要特殊的工作媒質(zhì)。正常EDFA的噪聲系數(shù)為5-7dB,ＲＡＭＡＮ放大器由于是分布式，其等效噪聲系數(shù)很小，大約在-2-1dB。由于RAMAN放大器在前，RAMAN+EDFA放大器很大程度上決定于RAMAN放大器的噪聲系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，采用RAMAN放大器后可以減小光放大器噪聲系數(shù)3dB左右，也就是光放大器噪聲從6dB降低到3dB以下，至少延長(zhǎng)傳輸距離1倍，從而延長(zhǎng)光電傳輸距離1200km以上。

　　從應(yīng)用上看，RAMAN更多采用的是后向泵浦。如果RAMAN泵浦源和工作波長(zhǎng)在同一個(gè)方向傳輸，尕浦源與工作波長(zhǎng)信號(hào)傳輸方向和路徑相同，經(jīng)過(guò)的相位改變也相同，其偏振態(tài)的關(guān)系維持一個(gè)固定相位，即信號(hào)開始傳輸時(shí)的相位差。由于RAMAN增益的偏振效應(yīng)，如果工作波長(zhǎng)與泵浦源的偏振態(tài)相差90°，則信號(hào)無(wú)法獲得增益，如果相差45°，其增益也會(huì)受到影響。只有工作信號(hào)偏振態(tài)與泵浦源完全一致時(shí)，信號(hào)才能獲得有效增益。而實(shí)際光工作信號(hào)經(jīng)過(guò)許多段光放大段的傳輸，其偏振態(tài)隨光纖傳輸變化很大，是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)值，每個(gè)光放大器站放置的泵浦源很難保證與工作波長(zhǎng)偏振態(tài)一致，其RAMAN增益的效率將降低。由于偏振增益的關(guān)系，RAMAN放大器一般不采用同向泵浦，而采用反向泵浦。

　　2.超強(qiáng)FEC技術(shù)

　　在超長(zhǎng)距離WDM系統(tǒng)中，一般在光傳送單元（OTU）內(nèi)配備前向糾錯(cuò)（FEC）功能，這種采用電子電路的復(fù)雜性來(lái)?yè)Q取光功率預(yù)算的增加，是延長(zhǎng)光電再生距離有效手段。目前采用的是G.975規(guī)定的海纜Reedsolomon編碼方法，雖然使開銷增加了7％，但可以使OSNR增益達(dá)到5-7dB。為了更大程度地提高功率預(yù)算，廠商又采用了新的FEC技術(shù)，即采用更多冗余字節(jié)進(jìn)行糾錯(cuò)。一種廣泛應(yīng)用的是交織或級(jí)聯(lián)ReedSolomon編碼（多重R-S編碼）－－RS(255,237)和RS(255,244)級(jí)聯(lián)編碼，線路速率為12.502Gbit/s，開銷增加25％，可以提高增益7-9dB，比G.975規(guī)定的R-S的編碼效益高2-3dB，傳輸距離提高1.5-2倍左右。也有廠商采用BCH-20編碼方案，BCH-20編碼實(shí)施起來(lái)比R-S更加復(fù)雜，但效率更高，開銷增加7％，增益也可以達(dá)到9dB左右，也就是說(shuō)，BCH采用7％開銷可以達(dá)到R-S編碼25％的作用，但物理實(shí)現(xiàn)上更加困難。

　　采用超強(qiáng)FEC編碼后，光信噪比OSNR的預(yù)算要增加2-3dB左右，RAMAN放大器應(yīng)用提高OSNR預(yù)算3dB，兩者相加光鏈路預(yù)算增加5-6dB，也就是光傳輸距離增加到4倍左右，這將使光電傳輸距離從500km提高到2000km，從而更大程度地減少背對(duì)背OTU中繼站，減少系統(tǒng)成本。

　　3.色散補(bǔ)償技術(shù)

　　對(duì)于超長(zhǎng)距離的傳輸，各種線性或非線性的積累都比較嚴(yán)重，必須予以補(bǔ)償。色散是一種主要線性補(bǔ)償對(duì)象。一般采用色散補(bǔ)償光纖技術(shù)。

　　對(duì)于G.652光纖，都是有一定斜率的，斜率大約為0.06-0.07ps/nm2.km，要補(bǔ)償該斜率，DCF光纖也要有相應(yīng)的斜率分布。由于DCF光纖的長(zhǎng)度只有G.652光纖的1/5-1/6，因此如果DCF的斜率是G.652光纖的5-6倍，則恰好補(bǔ)償完G.652光纖高端和低端的色散，也就是要求DCF光纖的色散斜率為0.4ps/nm2.km左右。而實(shí)際商用DCF光纖的斜率約為（0.35-0.45）ps/nm2.km，因此可以較好地補(bǔ)償G.652光纖斜率。

　　而對(duì)于G.652光纖，情況則發(fā)生了比較大的變化，首先是LEAF光纖的斜率較大，典型值為0.09ps/nm2.km，另外一個(gè)重要問(wèn)題是LEAF光纖的色散系統(tǒng)不大，一般在3-6ps/nm2.km，DCF光纖的長(zhǎng)度只有1/20，因此要較好補(bǔ)償LEAF光纖整個(gè)頻帶的色散，DCF的斜率必須為0.09×20＝1.8ps/nm2.km，而實(shí)際上DCF的斜率只有0.4ps/nm2.km左右，因此對(duì)于LEAF光纖的WDM系統(tǒng)，色散斜率的補(bǔ)償更加困難，目前LEAF光纖斜率補(bǔ)償還是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

　　基于高階模HOM，色散補(bǔ)償?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)在于它能對(duì)任何C和l波段的非零色散位移光纖所需要的負(fù)色散及斜率進(jìn)行精確的匹配，也有人主張采用高階模HOM光纖技術(shù)來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償，但實(shí)際應(yīng)用效果尚待觀察。

　　四、總結(jié)

　　WDM技術(shù)第一次把復(fù)用方式從電信號(hào)轉(zhuǎn)移到光信號(hào)，在光域上用波長(zhǎng)復(fù)用（即頻率復(fù)用）的方式提高傳輸速率，光信號(hào)實(shí)現(xiàn)了直接復(fù)用和放大，而不再回到電信號(hào)上處理，并且各個(gè)波長(zhǎng)彼此獨(dú)立，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式透明。因此，從某種意義上講，WDM技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)志著光通信時(shí)代的真正到來(lái)。

　　超長(zhǎng)距離傳輸是向光傳輸邁出的重要一步，也是RAMAN放大器、超強(qiáng)FEC、色散補(bǔ)償?shù)刃录夹g(shù)應(yīng)用發(fā)展的必然結(jié)果，超長(zhǎng)距離傳輸將大大降低傳輸成本，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和可靠性。特別對(duì)于中國(guó)這樣田土面積龐大的國(guó)家，該技術(shù)有著廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

摘自《現(xiàn)代通信》