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，這主要歸功于WDM系統(tǒng)的快速發(fā)展。在過去的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這個英文縮寫代表什么，而今天則很少有人不明白這3個字母縮寫的含義.

　 目前超長距離WDM系統(tǒng)傳輸更是受到制造商、運營商的充分關(guān)注.所謂超長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。實際應(yīng)用中，無電中繼傳輸距離達到3000km，在實驗室已經(jīng)達到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、RAMAN放大器、超強FEC、色散補償?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)用并不是一個新概念，在光纖通信出現(xiàn)伊始，人們就意識到可以利用光纖的巨大帶寬進行波長復(fù)用傳輸，但是在20世紀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速率一直以過幾年就翻4倍的速度提高。人們在一種技術(shù)進行迅速的時候很少去關(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，一個重要原因是當(dāng)時人們在TDM10Gbit/s技術(shù)上遇到了挫折，眾多的目光就集中在光信號的復(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)。它提供了近似無窮無盡的帶寬。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)，人們才有可能進行波長分割處理。從光纖通信發(fā)展的幾個階段看，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窗口實施的多波長復(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、易于升級擴容和成本低的優(yōu)點，所以從20世紀80年代末起，我國在國家干線網(wǎng)上敷設(shè)的都是常規(guī)單模光纖。常規(guī)石英單模光纖同時具有1550nm和1310nm兩個窗口。

　　理論上，WDM技術(shù)可以利用的單模光纖帶寬達到300nm，即37THz帶寬，即使按照波長間隔為0.8nm（100GHz）計算，理論上也可以開通400個波長的WDM系統(tǒng)，因而目前光纖的帶寬遠遠沒有利用。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

　　所謂WDM波長復(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分開。由于在光域上信號頻率差別比較大，人們更喜歡采用波長來定義頻率上的差別，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)。每個波長通路通過頻域的分割實現(xiàn)，每個波長通路占用一段光纖的帶寬。WDM系統(tǒng)采用的波長都是不同的，也就是特定標準波長，為了區(qū)別于SDH系統(tǒng)普通波長，有時又稱為彩色光接口，而稱普通光系統(tǒng)的光接口為“白色光口”或“白光口”。

　　人們在談?wù)揥DM系統(tǒng)時，有時會談到DWDM。WDM和DWDM是在不同發(fā)展時期對WDM系統(tǒng)的稱呼。在20世紀80年代初，人們想到并首先采用的是在光纖的兩個低損耗窗口1310nm窗口和1550nm窗口各傳送1路光波長信號，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)的相鄰波長間隔變得很窄（一般小于1.6nm），且工作在一個窗口內(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，是指相鄰波長間隔而言，過去WDM系統(tǒng)是幾十nm的波長間隔，現(xiàn)在的波長間隔只有0.4-2nm。密集波分復(fù)用技術(shù)其實是波分復(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，其主要特點是：（1）可以節(jié)約成本。EDFA的透明性可以同時放大多路波長，從而大大減少SDH再生器的數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。在國家骨干網(wǎng)的傳輸時，距離越長節(jié)省成本越多。特別適合于國土龐大的國家。（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，減少了抖動的積累，另外WDM系統(tǒng)良好的光路設(shè)計可以保證SDH客戶信號無誤碼運行。（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傳輸增加幾倍至幾十倍。（5）波分復(fù)用通道對數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號速率有電調(diào)制方式無關(guān)。一個WDM系統(tǒng)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù)”信號，ATM，IP或者將來有可能出現(xiàn)的信號，WDM系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對于“業(yè)務(wù)”層信號來說，WDM的每個波長就像“虛擬”的光纖一樣。

　　三、超長距離傳輸

　　WDM技術(shù)并不能保證信號無限距的全光中繼傳輸，目前，2.5G或10G的WDM信號經(jīng)過400-600多km傳輸后，還需要進行電再生中繼，依賴電再生設(shè)備保證傳輸進行再生后重新進行傳輸，但不可避免的是整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴。在長距離傳輸系統(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電再生站之間所能傳輸?shù)淖铋L距離。對于普通WDM系統(tǒng)來說，一般每經(jīng)過80km有1個光放大器EDFA對信號進行光放大，要保持比較長的電再生距離，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。

　　對于WDM系統(tǒng)傳輸來說，目前對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。色散的問題可以通過色散補償光纖完成。光信噪比OSNR的受限是通過RAMAN放大器、超強FEC技術(shù)的引進而解決的。

　　光信噪比OSNR是光纖信號與噪聲的比值。OSNR的大小決定了信號質(zhì)量的優(yōu)劣。一般對于10Gbit/s信號接收端要求在25dB以上（沒有前向糾錯編碼FEC技術(shù)時），光信噪比在WDM系統(tǒng)發(fā)送端一般有35-40dB左右，但是經(jīng)過第1個光放大器后，信號OSNR將有比較明顯的下降，以后每經(jīng)過一個光放大器EDFA，OSNR都將繼續(xù)下降，但下降的速度會逐漸放慢。劣化主要原因在于光放大器在放大信號、噪聲的同時，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聯(lián)的放大器數(shù)目增加，“基底”噪聲水平提高，僅增加一個EDFA ASE對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

　　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，也就是短波長光能量將轉(zhuǎn)移到長波長信號上。效率最高的能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在波長間距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，最佳泵浦源波長在1420-1500nm波段，從理論上講，采用RAMAN放大器可以放大任何波長的工作信號。

　　從實現(xiàn)RAMAN放大的方式來看，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)。一般來說，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，至少延長傳輸距離1倍，從而延長光電傳輸距離1200km以上。

　　從應(yīng)用上看，RAMAN更多采用的是后向泵浦。如果RAMAN泵浦源和工作波長在同一個方向傳輸，尕浦源與工作波長信號傳輸方向和路徑相同，經(jīng)過的相位改變也相同，其偏振態(tài)的關(guān)系維持一個固定相位，即信號開始傳輸時的相位差。由于RAMAN增益的偏振效應(yīng)，如果工作波長與泵浦源的偏振態(tài)相差90°，則信號無法獲得增益，如果相差45°，其增益也會受到影響。只有工作信號偏振態(tài)與泵浦源完全一致時，信號才能獲得有效增益。而實際光工作信號經(jīng)過許多段光放大段的傳輸，其偏振態(tài)隨光纖傳輸變化很大，是一個動態(tài)數(shù)值，每個光放大器站放置的泵浦源很難保證與工作波長偏振態(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FEC技術(shù)

　　在超長距離WDM系統(tǒng)中，一般在光傳送單元（OTU）內(nèi)配備前向糾錯（FEC）功能，這種采用電子電路的復(fù)雜性來換取光功率預(yù)算的增加，是延長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)進行糾錯。一種廣泛應(yīng)用的是交織或級聯(lián)ReedSolomon編碼（多重R-S編碼）－－RS(255,237)和RS(255,244)級聯(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編碼實施起來比R-S更加復(fù)雜，但效率更高，開銷增加7％，增益也可以達到9dB左右，也就是說，BCH采用7％開銷可以達到R-S編碼25％的作用，但物理實現(xiàn)上更加困難。

　　采用超強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背OTU中繼站，減少系統(tǒng)成本。

　　3.色散補償技術(shù)

　　對于超長距離的傳輸，各種線性或非線性的積累都比較嚴重，必須予以補償。色散是一種主要線性補償對象。一般采用色散補償光纖技術(shù)。

　　對于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，因此可以較好地補償G.652光纖斜率。

　　而對于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，另外一個重要問題是LEAF光纖的色散系統(tǒng)不大，一般在3-6ps/nm2.km，DCF光纖的長度只有1/20，因此要較好補償LEAF光纖整個頻帶的色散，DCF的斜率必須為0.09×20＝1.8ps/nm2.km，而實際上DCF的斜率只有0.4ps/nm2.km左右，因此對于LEAF光纖的WDM系統(tǒng)，色散斜率的補償更加困難，目前LEAF光纖斜率補償還是一個需要解決的問題。

　　基于高階模HOM，色散補償?shù)闹饕獌?yōu)點在于它能對任何C和l波段的非零色散位移光纖所需要的負色散及斜率進行精確的匹配，也有人主張采用高階模HOM光纖技術(shù)來進行色散補償，但實際應(yīng)用效果尚待觀察。

　　四、總結(jié)

　　WDM技術(shù)第一次把復(fù)用方式從電信號轉(zhuǎn)移到光信號，在光域上用波長復(fù)用（即頻率復(fù)用）的方式提高傳輸速率，光信號實現(xiàn)了直接復(fù)用和放大，而不再回到電信號上處理，并且各個波長彼此獨立，對傳輸?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)用標志著光通信時代的真正到來。

　　超長距離傳輸是向光傳輸邁出的重要一步，也是RAMAN放大器、超強FEC、色散補償?shù)刃录夹g(shù)應(yīng)用發(fā)展的必然結(jié)果，超長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。特別對于中國這樣田土面積龐大的國家，該技術(shù)有著廣闊的市場和應(yīng)用前景。

摘自《現(xiàn)代通信》