WDM技术的原理及其应用与发展

                             （吴海西）

    摘要：电信运营商必须采用既经济有效又能满足业务需求的传输解决方案，才能更好地节约光纤资源，延长传输距离。波分复用（WDM）技术正是满足了运营商的诸多要求，才能被广泛地应用在当今的传输网络中。文章从 WDM技术的基本原理与特点入手，介绍了WDM 系统在现代传送网和数据业务中的应用，并指出了WDM技术的发展方向。
    关键词：波分复用 OADM OXC
  
    一、WDM技术概述 所谓波分复用（WDM），就是把具有不同标称波长的几个或几十个光通路信号复用到一根光纤中进行传送，每个光通路承载一个TDM方式的SDH信号。 采用WDM技术可以把光纤的传输容量扩大几倍甚至几十倍。WDM系统中最基本、也是最重要的是各复用光通路的SDH光传输设备，它们负责信号码流的发送与接收，以及开销的处理等。
   1．WDM的关键技术 WDM的关键技术包括三个方面：合／分波器、光放大器和光源器件。 合／分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。对它们的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。 光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，以解决WDM系统的超长距离传输问题。一般来讲，合／分波器的插入损耗较大，大大减小了WDM系统的传输距离（仅为三四十公里左右），满足不了实际需求。使用光放大器后，不仅可使WDM系统的传输距离达到常规要求，而且还可以实现超长距离传输，达到640km无电中继传输。因此对光放大器的要求是：有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。目前在1550nm波长范围皆采用掺饵光纤放大器（EDFA），但在1310nm波长范围尚无实用化的光放大器，所以目前WDM技术主要用于1550nm波长范围。最近，半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，这种放大器具有高增益、低噪声等特点，并能够对1310nm窗口的光信号进行放大，有望在近期得到商用。 WDM系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求，光源器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。 光纤通信系统的传输距离可能会受到系统损耗的限制，也可能会受到系统色散的限制，而在高速率传输的情况下，往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用只是解决了损耗受限的问题，而色散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。实践证明，采用传统的直接调制方式会使半导体激光器在高速率条件下工作时产生所谓调嗽声，它极大地限制了系统的传输距离。要想实现超长距离传输，必须减小或避免调嗽声现象，所以 WDM系统使用的光源器件必须放弃传统的直接调制方式而改用外调制方法，即所谓外调制型光源。 此外，ITU－T对WDM系统的工作波长及其偏差（频偏）作了严格的规定，如系统工作光波波长的偏差在±0.08nm范围，这就要求光源器件的发光波长非常稳定，否则复用光通路的信号可能会串到相邻的光通路之中，在解复用时会产生混乱。
    2．WDM技术的优点 WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点。
   （1）超大容量传输 WDM系统的传输容量十分巨大。由于WDM系统的复用光通路速率可以为2.5，10Gbit／s 等，而复用光通路的数量可以是4，8，16，32甚至更多，因此系统的传输容量可达到300－ 400Gbit／s。而这样巨大的传输容量是目前TDM方式根本无法做到的。 目前，（8－32）×2.5Gbit／s和16×10 Gbit／s的 WDM系统已经达到商用水平，而132×10Gbit／S的 WDM系统也已有报导。
   （2）节约光纤资源 对单波长系统而言，1个SDH系统就需要一对光纤，而对WDM系统来讲，不管有多少个SDH 分系统，整个复用系统只需要一对光纤就够了。例如对于16个2.5 Gbit／s系统来说，单波长系统需要 32根光纤，而WDM系统仅需要2根光纤。节约光纤资源这一点也许对于市话中继网络并非十分重要，但对于系统扩容或长途干线来说就显得非常可贵。
  （3）各通路透明传输、平滑升级扩容 只要增加复用光通路数量与设备，就可以增加系统的传输容量以实现扩容，而且扩容时对其它复用光通路不会产生不良影响。所以WDM系统的升级扩容是平滑的，而且方便易行，从而最大限度地保护了建设初期的投资。 WDM系统的各复用通路是彼此相互独立的，所以各光通路可以分别透明地传送不同的业务信号，如话音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。
  （4）充分利用成熟的TDM技术 以TDM方式提高传输速率虽然在降低成本方面具有巨大的吸引力，但面临着许多因素的限制，如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等。据分析，TDM方式的10 Gbit／s光传输设备已非常接近目前电子器件的工作速率极限，再进一步提高速率是相当困难的（至少目前的技术水平如此）。 而WDM技术则不然，它可以充分利用现已成熟的TDM技术，相当容易地使系统的传输容量达到80Gbit／s水平，从而避开开发更高速率TDM技术（10Gbit/s以上）所面临的种种困难。 目前TDM方式的2.5 Gbit／s光传输技术已十分成熟，WDM可以把几个甚至几十个2.5 Gbit/s的光传输系统作为复用通路进行复用，使传输容量成几倍甚至几十倍地增加，达到 10，20，40，80Gbit／s甚至更高水平。而目前用TDM方式达到如此高的传输容量几乎是不可能的。
   （5）利用EDFA实现超长距离传输 接饵光纤放大器（EDFA）具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。掺饵光纤放大器的光放大范围为1530－1565nm，但其增益曲线比较平坦的部分是 1540－1560nm，它几乎可以覆盖整个WDM系统的1550nm工作波长范围。所以用一个带宽很宽的掺饵光纤放大器就可以对WDM系统各复用光通路信号同时进行放大，以实现系统的超长距离传输，避免了每个光传输系统都需要一个光放大器的情况。WDM系统的超长传输距离可达到数百公里，节省大量中继设备，并降低成本。
   （6）对光纤的色散无过高要求 对WDM系统来讲，不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大，它对光纤色度色散系数的要求基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色度色散系数的要求。如 20 Gbiifs （8×2.5Gbit／s）的WDM系统对光纤色度色散系数的要求就是单个2.5 Gbit／s系统对光纤色度色散系数的要求，一般的G.652光纤都能满足。 但TDM方式的高速率信号却不同，其传输速率越高，传输同样距离所要求的光纤色度色散系数就越小。以目前敷设量最大的G.652光纤为例，用它直接传输2.5Gbit/s速率的光信号是没有多大问题的，但若传输TDM方式10Gbit/s速率的光信号，就对系统的色度色散等参数提出了更高的要求，同时对光纤的偏振模色散值也提出了较高的要求。
   （7）可组成全光网络 全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的，从而消除了电光转换中电子器件的瓶颈。例如，在某个局站可根据需求用光分插复用器（OADM）直接上、下几个波长的信号，或者用光交叉连接设备（OXC）对光信号直接进行交叉连接，而不必像现在这样首先进行光一电转换，然后对电信号进行上、下或交叉连接处理，最后再进行电一光转换，把转换后的光信号输入到光纤中进行传输。 WDM系统可以与OADM，OXC混合使用，以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络，以适应宽带传送网的发展需要。
   
    二、光波长区的分配