DWDM系统在城域网中的应用

发布: 2010-10-21 00:30 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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　　DWDM技术基础

　　DWDM的出现是光纤传输技术发展的一个最重要里程碑。在以下的讨论中我们简要地追述光纤技术发展的各个阶段和DWDM在发展中的地位。接着我们研究DWDM系统的组成和功能。
　　
　　光纤传输的演进

　　光纤传输的可行性在19世纪已经进行过实验，但是这项技术真正出现飞跃是在20世纪下半叶光纤核心的发明之后，最初应用在工业和医疗领域，例如腹腔镜手术中。在具备通过光纤传输光的能力后，下一步就是寻找具有有效能量和带宽窄的光源。发光二极管（LED）和半导体激光器很好地适应了这些要求。自从1960年被发明以来，激光已经发展了好几代。到今天半导体激光器在光通讯中应用得最广泛。

　　光波可以携带比最高的无线电频率高10000倍的信息。此外，光纤比铜线有利之处是能够使信号传输很远的距离，而误码率很低，不受电干扰，保密性好，重量轻。

　　由于有这些优点，在1960年中叶，研究人员们建议采用光纤作为传输媒介。然而，使用玻璃却存在一个障碍：信号强度的损失，或称衰减。最后，在1970年，康宁生产出第一根通讯级光纤，衰减低于20分贝/公里，这种纯净的玻璃光纤越过了衰减的极限使得光纤成为一种可行的技术。

　　开始的革新进行得很慢，由于私人和政府的垄断使得电话公司小心从事。AT&T首先将多模光纤传输的速度标准化为DS3(45 Mbps)，其后很快发现，单模光纤的传输能力比老式光纤大10倍。在20世纪80年代初，MCI，接着是Sprint在其美国的长途网络中采用了单模光纤。

　　光纤的进一步发展与光谱中衰减非常低的特殊区域的使用紧密关联。这些区域称为窗口，位于高吸收端之间。早期的系统在850nm附近使用，这是硅类光纤的第一个窗口。接着第二个1310的窗口（S带）被发现具有更低的衰减，然后是第3个窗口（C带）位于1550 nm 的损耗还要低。现在，第4个窗口（L带，位于1625nm 附近）正在进行研究和初步应用。　　　
　　DWDM技术的发展

　　WDM在20世纪80年代开始出现，早期使用间隔很大的两个波长1310nm和1550nm(或者850nm和1310nm)区域，有时被称为宽带WDM。注意：其中的一根光纤是用来进行发射，另外一根是用来接收。这是最有效的设置，在DWDM系统中也常用到。
　　
　　20世纪90年代早期，出现了第二代WDM, 有时也被称为窄带WDM, 使用2个到8个信道。这些信道在1550nm窗口的间隔为400 GHz。到了90年代中期，带16到40信道，间隔为100到200 GHz的密集波分复用器（DWDM）出现了。90年代末，DWDM系统已经发展到有64到160平行信道，间隔为50甚至25 GHz。可以看到技术是朝着波长数越来越多而波长间隔在不断缩小的方向发展的。由于提高了波长的密度，系统在结构的形式上越来越灵活。
　　　　
　　DWDM技术不断地提高信道的密度，这对光纤的负载能力带来了巨大的影响。在1995年，当首个10 Gbps出现的时候，容量增加的速率从每4年增加4倍增到每年增加4倍。
　　
　　DWDM系统功能

　　在其核心，DWDM包含少量的物理层功能。

　　波长以电磁频谱中的绝对值来表示。有效光波是在其中心波长周围很窄的窄带。
　　　　
　　系统执行以下主要功能：

　　产生光信号——固体激光器必须发出稳定的，特定窄带的光信号，同时携带被模拟信号调制的数字信息。

　　合并光信号——现在的DWDM系统使用多路复用器合并光信号。在合复用和解复用的过程中会有固定的损耗。这种损耗与信道数有关，但是可以通过放大器来弥补。放大器可以同时将所有波长一起放大而不需要预先转换为电的形式。

　　传送信号——在光纤传输中必须考虑到串扰效应和信号能量的损失。这些影响可以通过控制一系列因素而被减小，如信道空间、波长公差和光能量大小。在传输链上，还需要对光信号进行放大。

　　分离接收到的信号——在接收端，合并了的信号必须被分离出来。尽管这比合并信号显得简单一些，但是实际上有很多技术难题。

　　接收信号——光电探测器接收分离了的信号。
　　
　　除了这些功能以外，DWDM系统还必须装备客户界面以接收输入信号。这项功能由收发机来实现，DWDM的传输界面是和DWDM系统相连的光纤。

　　使用的技术

　　光网络不同于SONET/SDH，它不依赖于电形式的数据处理。因此，它的发展更多地依赖于光学的发展。在上面所述的早期形式中，WDM可以携带两个宽带波长信号，并传输相对较短的距离。要将这种初始的形式更进一步，WDM需要提高现有的技术和发明新的技术。光滤波片的改进和窄带激光的出现使DWDM能够在光纤上合并更多的信号。增益平坦放大器的发明，结合传输光纤发送光信号，大大提高了DWDM传输更远距离的能力。

　　其他技术包括采用低损耗和更好传输特性的光纤、EDFA，和诸如在光上下路复用器中采用光纤布拉格光栅，这些对DWDM的发展同样重要。
　　
　　组成和操作

　　DWDM是光网络的核心技术。DWDM的主要组成可以依据它们在系统中的位置区分为以下这些：

　　在发送端，激光必须发射精确稳定的波长。

　　在链路中，光纤在相应的波长频谱内需要有低损耗和良好的传输性能，除此之外增益平坦放大器可以在更远的跨度对信号进行放大。

　　在接收端，是光电探测器以及使用薄膜滤光片或衍射器的解复用器。

　　光上下路复用器和光交叉连接器件

　　这些和其他的一些器件，包括它们潜在的技术，将在下一节进行讨论。其中的很多，尤其是正面和反面的竞争性技术，对于系统设计者比对终端用户或网络设计者或许更加重要，其他读者也许也会感兴趣。请注意所有这些都是概括性的信息，并不是全面和权威的描述。
　　
　　光纤

　　以下是DWDM器件和技术的介绍,包括复习一下光纤的知识，重点是它在DWDM中的应用。
　　
　　光纤是如何工作的

　　光纤的主要用途是将光波以最小的损耗进行传输。光纤包括在外包层里的纤细玻璃丝，称为核心和涂覆层，能够使光以在真空中速度的2/3进行传输。简单来说，光的传播通常可以用全反射原理来进行解释。在这种现象中，进到交界面的光被100%反射回来。与此相比，镜面反射只有90%。

　　光是反射还是折射依赖于光密和光梳介质交界处入射角的大小。全反射的产生需要有以下一些条件：

　　• 光线是由光密媒质进入到光疏媒质。材料密度和真空密度相比就是材料的折射率。

　　• 入射角要小于临界角。临界角是入射光线不会产生折射而全部反射回来的最大角度。

　　光纤核心的全反射原理。核心具有比覆层高的折射率，使到达交界面的光线角度低于临界角。第二束光线不符合临界角要求，因此发生了折射。
　　　
　　光纤包含了两种不同的高纯度硅材料——核心和覆层——它们都混进了一些特定的元素，称为掺杂剂，以调整它们的折射率系数。两种材料不同的折射率系数导致大部分传输的光在覆层界面回弹，然后保持在核心当中。临界角可通过光入射到光纤时的角度进行控制。覆层外的两层或多层包层保护光纤不被损坏。
　　
　　多模和单模光纤

　　目前常用的两种光纤是多模光纤和单模光纤。多模光纤是首个商业化的光纤，它有比单模光纤大的核心。它得名于众多模式或光线能同时由波导运载。第一种多模光纤光传输的样本，称为阶跃光纤。阶跃是指整个核心具有统一的折射率，这样在核心与涂覆层的交界处的折射率为阶跃。注意两种模式在到达终点时传过的距离不相同。这种光线到达时间的不相同称为模色散。这种现象造成在接收端的信号质量差并最终限制了传输的距离。这就是为什么多模光纤不能被广泛应用的原因。
　　
　　为了补偿阶跃光纤的色散的缺点，发明了渐变光纤。渐变光纤是指核心的折射率是逐渐变化的——由核心中间向外逐渐减少。中心的高折射率降低了光线的速度，使所有光线能够差不多同时到达目的地，减少了模式色散。

　　第二种常用的光纤，单模光纤，具有相对小得多的核心，仅能够允许光的一个模式穿越。因此，信号的保真度能够在比较长的距离范围很好地被保持下来，模式色散也大大地减少。这些是由于它具有比多模光纤更高的带宽容量。由于它的大信息传输容量和低内在损耗，单模光纤是长距离和宽带宽应用包括DWDM的理想选择。
　　　　
　　单模光纤设计

　　单模光纤的设计历史已经有数十年了。3种基本的类型和它们的ITU-T规格是：

　　•非色散位移光纤 (NDSF), G.652

　　•色散位移光纤 (DSF), G.653

　　•非零色散位移光纤 (NZ-DSF), G.655

　　如早前所讨论的，在红外光谱有4个窗口可供光纤传输使用。第一个靠近850 nm，几乎专为短程和多模应用。非色散位移光纤，通常称作标准单模光纤，是适用于第二窗口，靠近1310nm。

　　为了优化光纤在这个窗口的性能，光纤的彩色色散在1310nm被设计为接近零。

　　由于光纤越来越普遍的使用以及对提高带宽和传输距离的要求，靠近1550 nm的第三窗口被用来进行单模传输。

　　第三窗口（C 带）具有两个优势：有非常低的衰减；工作频率和掺铒光纤放大器（EDFA）一样。但是它的色散特性受到了严格的限制，通过使用稍窄线宽和更高能量的激光能在一定程度上克服这个限制。但由于第三窗口具有比1310nm窗口低的衰减，制造商们提出了色散位移光纤的设计，将零色散点移到1550nm区域。尽管这种方法目前并不意味着在1550 nm窗口最低衰减和零色散点能够做到重合，但它在没有补偿时在接近零色散点的地方具有破坏性的非线性效应。由于这个限制，这些光纤不适用于DWDM。

　　第三种非零色散位移光纤是为DWDM应用的需要而设计出来的，目的是降低1550nm区域的色散，但不是降低为零。这种方法对色散进行了有效地控制。
　　
　　传输挑战

　　光在光纤中的传输有几个障碍需要处理。可以分为以下三个大类：

　　• 衰减——信号在光纤中传输时能量的减弱，或称光能的损失。

　　• 彩色色散——光脉冲在光纤中传输时的发散。

　　• 非线性——光和它穿过的材料相互作用的累积效应, 导致光波的改变和光波间的相互作用。

　　这些效应都有好几个产生的原因，并非所有都对DWDM有影响。以下的章节讨论和DWDM有关的影响。
　　
　　衰减

　　光纤的衰减是由固有的因素造成，主要是散射和吸收，而外在因素包括在制造过程中，环境影响和物理弯曲所产生的应力。散射最普遍的形式——瑞利散射，是由于光纤在冷却时密度发生非常微小的变化造成的。这种变化比使用的波长还要小，因此变成了散射的介质。散射对于短波长的影响要比长波长大，这限制了低于800nm波长的应用。
　　　
　　吸收所产生的衰减是由材料本身的固有特性所造成的，包括玻璃中的杂质以及某些原子的缺陷等。这些杂质吸收了光能量，导致光强发生变化。短波长时瑞利散射的影响较大，而固有吸收在较长波长下是比较重要的，并且会在大于1700nm波长时显著增加。不过，光纤制造过程中产生的水峰吸收已经在某些新型光纤中被消除了。
　　　
　　影响光纤衰减的主要因素是光纤的长度和光波波长。由瑞利散射，内部吸收和所有原因造成的衰减的每公里衰减分贝（dB/km）。
　　　　
　　光纤的衰减主要通过使用光放大器进行补偿。
　　
　　色散

　　色散是光脉冲在光纤中传输时的发散。色散会导致信号的扭曲，这就限制了光纤带宽的利用。
　　
　　影响DWDM系统的常见色散有两种。一种彩色色散是线性的，另外一种偏振模色散（PMD）是非线性的。
　　
　　彩色色散

　　彩色色散的产生是由于不同的波长以不同的速度传输。在单模光纤中，彩色色散有两个组成部分：材料色散和波导色散。

　　材料色散在光波以不同的速度穿过材料时发生。一个光源无论它有多窄，实际都包含着好几个波长。这样，当这一系列的波长穿越介质的时候，每个波长到达的时间都不相同
　　波导色散是由于光纤核心和覆层折射率系数的不同引起的。有效折射率系数与波长的变化关系如下：

　　• 在短波长，光被很好地限制在核心中。这样有效折射率系数与核心材料的折射率系数很接近。

　　• 在中波长，光稍微地发散到覆层中。这减少了有效折射率系数。

　　• 在长波长，大部分的光发散到覆层中。这导致有效折射率系数与覆层的非常接近。

　　波导色散现象的结果是一个或多个波长相互的传输延迟。

　　色散位移光纤总的彩色色散。对于非色散位移光纤，零色散波长在1310nm。　　
　　
　　尽管在低于OC-48的速度时，彩色色散通常影响细微，但它的确会随着速度的提高而增加。新型的零色散位移光纤大大减少了这些影响，也可以通过色散补偿器进行补偿。
　　
　　偏振模色散

　　多数单模光纤支持两相互垂直的偏振态，垂直和水平方向。由于这些偏振状态不能维持脉冲之间会发生相互作用，导致信号的失真

　　偏振模色散（PMD）是由于制造过程或外部应力使光纤形状为椭圆型所造成的。由于应力随时间变化，PMD和彩色色散不一样，会随着时间而改变。PMD在低于OC-192的速度时影响很小。
　　
　　其他非线形效应

　　除了PMD以外，还有其他线性效应。由于非线性效应通常在当光能量很高时出现，因此它们在DWDM中非常重要。

　　线性效应如衰减和色散都可以进行补偿，但是非线性效应只会累积，它们是光纤所能够传输的数据量的最基本的限制。最重要的非线性效应是受激布里渊散射，受激拉曼散射，自锁相调制和四波混频。在DWDM中，四波混频是最棘手的。

　　四波混频是光纤折射率的内在非线性导致的。不同的DWDM信道中非线性的相互作用造成了导致通道间干涉的边频的出现。3个频率相互作用产生了第四个频率，结果会导致串扰和信噪比的降低。
　　
　　四波混频限制了DWDM系统的信道容量，它不能通过滤波片或其他光学和电学的手段消除，它会随着光纤长度的增加而增加。由于DSF容易导致四波混频，因此它不适合于WDM的应用。这也导致了NZ-DSF的发明，它的有利之处在于能够使用少量的彩色色散来降低四波混频的影响。
　　
　　概要

　　在长途网络中铺设的光纤大多数是在1550nm窗口具有高色散的单模光纤(G.652)，这限制了OC-192传输的距离。色散可以被降低到一定程度, 也可以花费一点采用色散补偿设备。非零色散位移光纤能够被用做OC-192 传输, 但是高的光功率导致了非线性效应的产生。

　　在短程网络中，PMD和非线性效应不像在长途网络中那么严重，在高速系统（OC-192或更高）中更为普遍。2.5 Gbps或低于这个速度的DWDM系统短途内不受这些非线性效应的影响。单模光纤的主要类型和它们的应用可以概括如下：

　　• 非色散位移光纤（标准SM光纤）适用在1310nm区域的TDM（单通道）系统中或1550nm区域的DWDM(带色散补偿器)。这种光纤同样支持距离大于300米的10 Gigabit以太网标准。

　　• 色散位移光纤——适用于1550nm区域的TDM，单不适用于这个区域的DWDM。

　　• 非零色散位移光纤——在1550nm区域均适合于TDM和DWDM。

　　• 最新一代光纤——包括允许能量在覆层中传输产生少量色散以抵消四波混频的光纤，以及允许在不需要脉冲扩展情况下而远离最佳波长点波长应用的色散平坦光纤。
　　
　　注意：当速率提高到40 Gbps及更高时, 系统设计和光纤设计的相互依赖性将变得更加重要。

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