贾振生 张成良 中国电信集团北京研究院
摘要 当前光传送网中WDM技术主要在光纤的C波段使用，随着以IP业务为主的数据业务对传输带宽需求的进一步增长，更长波长的L波段的开发和应用越来越成为人们关注的重点。本文深入分析了L波段应用的关键技术，主要包括了码型技术、光纤的选择、光放大技术以及系统的色散补偿和PMD补偿技术，然后给出了当前商用WDM市场上包含L波段应用的1.6 Tbit/s系统的产品特点，最后结合前面的技术及产品分析，针对中国业务发展的趋势和光传送骨干网的实际情况，提出了L波段应用的建议。
关键词 L波段 调制码型 光纤 光放大 色散补偿
近年来，以数据、视频为主的Internet业务每年都在爆炸性激增，并逐步超越语音业务成为干线链路中传送的主要信息流，这使得目前长途传输网络的业务总量迅速飙升，促使人们不断寻求新的解决方案进一步增加链路带宽，提高网络传输业务的能力。
利用密集波分复用（DWDM）方式，充分挖掘光纤本身巨大的带宽资源，是提高传输容量最有效的出路。基于此，长途骨干光网络继续向超长距离的超密集波分复用(Ultra DWDM)系统加速迈进，这意味着将出现更多的覆盖波段、更窄的信道间隔、更高的信道速率和更长的再生器跨度。传统DWDM在C波段的研发已经取得了很大进展，单一波长的传输速率从2.5 Gbit/s提高到10 Gbit/s，目前现场实验水平已达到40 Gbit/s，超长距离传输达到了数千公里无再生。从商用化的角度看，在近几年内最可能得到商用的系统将从目前320 Gbit/s系统转向单信道速率为10 Gbit/s、波长信道数在100～160之间覆盖C和L两个波段、传输距离可达数千公里的DWDM系统。
中国幅员辽阔、人口众多，因此包含C和L两个波段的宽频带传输系统在国内有着广阔的市场和应用前景，这将使各个运营公司传输链路的投资和运营成本降低，同时提高整个系统运行的可靠性，进一步提高带宽供给的竞争力。
1 关键技术
1.1 码型技术
不同线路调制码型的光信号在光纤色散、SPM（self-phase modulation,自相位调制）、XPM（cross phase modulation,交叉相位调制）等非线性的容纳能力，频谱利用率以及对解复用器的要求等方面具有不同的特点，尤其是在数千公里以上的超宽频带和超长距离传输中，不同码型对系统传输能力以及系统复杂度的影响尤为突出。下面将简要介绍目前研究与应用较多的几种传输码型。
（1）NRZ码
NRZ码应用简单、成本低、频谱效率高，在目前主要干线上使用，但其光比特序列的平均功率电平比RZ编码高，这使得它们更容易受到非线性失真的影响，由于每一个脉冲的NRZ码元过渡不归零，它们对传输损伤更为敏感，因而对于L波段而言，不适用于高速超长距离光信号的传输。
（2）RZ码
RZ码对非线性容限能力提高，由于其相邻的光脉冲之间光功率会回到0，相对于NRZ码来说其定时变得更为丰富，有利于恢复时钟，可以减小由连1高功率码带来的码型效应，对于长距离和高速率的系统较NRZ码更合适，RZ码的主要缺点是相对于NRZ，比特过渡的数量较多而导致信号频谱宽度的增加，增加调制器使系统变得复杂，成本提高，但相对于NRZ码来说，在未来的L波段的太比特以上容量、长距离的传输系统中会得到广泛使用。
（3）CS-RZ码
CS-RZ码是在传统归零码基础上，在每个相邻符号位的载波之间加入π的相位差，而不论符号位中是0码还是1码。载波的相位差也可以看作是信号加一个负号而载波不变。这个有正负双极性的信号，其均值为零，所以它的频谱中，零频率处无δ函数导致的尖峰，相应的乘以载波以后，在载频处也没有尖峰。其频谱宽度介于RZ和NRZ之间，可在增加功率的同时，保持其非线性容限性能，更适合于在未来L波段单通道为40 Gbit/s的波分系统中应用，但其成本相对较高，目前还处于实验阶段。
（4）双二进制非归零码
双二进制(duobinary)非归零码是在传统非归零码基础上，每当出现一个0码，就把载波的相位增加或减少π。引入这样的相位使得它的频谱变窄，色散容纳能力也增强了，同时它也具有抑制SBS的性能。
（5）DPSK
DPSK是先对要传输的码列进行差分编码，然后再进行相位调制。先进行差分编码的好处在于，接收端可以通过一个两臂时延相差一个码元周期的MZ干涉仪得到可以直接检测的信号。而在信号传输的过程中，由于是相位调制，其光功率保持恒定，故光纤折射率变化较小，这将回避SPM、XPM等非线性效应。双二进制码和DPSK码是当前科研的重点，距离实际应用还有很长一段距离。
1.2 光纤的选择
目前光纤光缆市场符合ITU-T G.65X规定的新型特种光纤种类繁多，如针对G.655型光纤，就有以增加模场有效面积以减小非线性效应为方向的Corning的LEAF光纤和以低色散斜率为方向的Alcatel的Teralight光纤，还有其它厂家的，如长飞的大保实光纤、原朗讯的TW-RS等。为了满足特定需要以及系统优化设计的要求，要综合考虑光纤的参数指标：要使光信号非线性小，应选择大有效面积；要使光信号的FWM/XPM作用小，应选择色散系数大；要使色散补偿要求低，应选择相对色散斜率小；要满足色散补偿光纤长度短，应选择色散系数小；要使拉曼放大泵浦功率小、效率高，应选择小有效面积等，因此选择与新型器件、新型系统相适应的光纤，要权衡各个参数之间的关系。
与传统C波段相比，L波段的色散与衰减值都发生了变化。依据典型商用光纤的参数可以初步得到一些数据，如表1所示，比较分别属于两个波段的工作波长：1 550 nm和1 600 nm。可以看出损耗值相差不大，基本上还处于第三传输窗口的底部，因有一定的斜率，所以在L波段的边缘（1 625 nm）处会有些差距；而色散值则变化比较明显，G.652光纤的两个波长色散相差2.6 ps/(nm·km）左右，G.655光纤为3.1 ps/(nm·km)左右。
表1 C波段和L波段的比较
由于G.652B/C光纤在C波段和L波段的色度色散系数较大，一般为17～22 ps/（nm·km），同时还有较大的模场有效面积，非线性容限将增强。因此它可以克服光纤非线性的劣化影响，目前商用的N×2.5 Gbit/s的DWDM系统大都采用G.652光纤。在更高速的N×10 Gbit/s的DWDM系统时,则需要采用色散补偿措施,增加了光纤放大器，提高了系统成本，当信道间隔减小，信道数进一步增加并将使用波段扩展至L波段，其过大的色度色散系数将成为制约系统使用的主要因素，因此对于未来L波段的应用并不推荐使用G.652光纤。
由于G.655光纤具有较低的色散系数和较小的模场有效面积,因此，它可以有效地克服光纤色度色散系数的劣化影响，适用于开放通道基础速率为10 Gbit/s甚至40 Gbit/s的系统，从应用情况来看，G.655A光纤在技术上已完全成熟，进入了大规模的应用时期。在国内，国家干线光缆网上已开始使用G.655A光纤，而G.655B光纤在G.655A的基础上，更适合超高密度超宽频带波分系统的应用，目前G.655B型光纤生产技术已经很成熟，今后对于L波段系统而言，G.655B光纤应该成为首选。
1.3 光放大技术
光信号放大功能由光放大器实现。其中C波段掺铒光纤放大器(EDFA)已广泛应用于实际工程中，目前，能实现L波段放大的光纤放大器有三种：增益位移掺铒光纤放大器(GS-EDFA)、掺铒碲化物光纤放大器（EDTFA）和光纤喇曼放大器（FRA）。
近年来，随着GS-EDFA技术的不断成熟和完善，利用其实现L波段、C＋L波段和带宽更宽的S＋C＋L三波段的WDM传输的报道也越来越多。现在，人们对GS-EDFA的基本原理和特性已经研究得比较深入，包括饱和增益特性、增益平坦、温度稳定性及补偿方法等方面。各种适用于L波段的光通信器件，如信号源、耦合器、增益平坦滤波器等也不断地被研制成功，随着L波段市场应用需求的增强，GS-EDFA的商业应用指日可待。
与L波段EDFA相比，EDTFA的基本结构是相同的，但所需的掺铒光纤的长度在相同掺杂浓度下大大减小。EDTFA具有增益带宽大等优点，同时也具有自身难以克服的不足，如难以与常规的石英光纤熔接，只能采用V型槽连接法，导致较大的插入损耗。由于碲化物光纤具有较高的非线性系数，EDTFA在WDM系统中引起的交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)效应远高于石英基质EDFA，因此，EDTFA在传输系统中实际应用的时机尚不成熟。
光纤喇曼放大器（FRA）除了同EDFA一样，具有全光纤结构，易与传输光纤实现良好的耦合，对传输信号格式及调制速率透明的优点外，其放大频带的灵活性（包括频带的位置及带宽）及由其分布式放大所带来的低噪声的特点，使其成为经济可靠地实现大容量长距离光纤传输的关键技术之一。
三种L波段光纤放大器中，增益位移掺铒光纤放大器是研究最多，也是最成熟和最接近商用的；掺铒碲化物光纤放大器由于具有较大的增益带宽和较小的噪声指数而异军突起，正处于研究最热的阶段；光纤喇曼放大器能实现的增益带宽更宽，噪声指数也较小，但由于成本等方面的限制，目前主要用于EDFA无法放大的波段，或作为分布式光纤放大器与EDFA组成混合放大器，用于提高WDM系统的传输性能，随着相关技术的进一步提高，成本的进一步下降，DRA的应用将会越来越广。
1.4 色度色散补偿与PMD补偿
L波段的应用意味着色散控制需要在C和L两个波段同时实现，色散斜率的存在和波长范围的扩展，意味着较短波长与较长波长之间的色散累积差别将增大，因而针对不同波长就会有不同的补偿量。L波段有着更长的波长，对G.655和G.652两种光纤类型而言，其色散系数比C波段大2～3 ps/（nm·km），因而在补偿过程中，与C波段有所不同，要重新考虑整个系统的传输距离，分析补偿量。在色散补偿技术方面，L和C两个波段具有类似的性质，相应的补偿方法也基本一致。
在补偿技术的选择方面，长啁啾光纤光栅等色散补偿模块的方法由于带宽窄、对温度敏感及复杂的封装等问题，真正商用还需进一步观察。高阶模色散管理和采用频谱反转技术进行色散补偿的方式技术先进，但设备较复杂，稳定性没有足够的保证，还不是当前应用的重点，但要积极跟踪其商用化发展。当前，尽管存在着各种缺点，色散补偿光纤仍是对原有G.652光纤进行色散补偿与管理的主流商用方案。关于偏振模色散的补偿，2.5 Gbit/s和10 Gbit/s商用系统还不需考虑，而超长距传输以及40 Gbit/s系统则不可避免地要去考虑，而且还应注意到高阶PMD（偏振模色散）的问题，在目前PMD补偿器件并不成熟的条件下，PMD补偿的原则是：尽量选取优良光纤和优良码型以及采用FEC或EFEC技术，避免PMD的补偿。
2 在实际产品中的应用
在商用WDM产品中，包含L波段应用的主要是1.6 Tbit/s系统，目前世界上推出实用化1.6 Tbit/s长距离传输系统的设备供应商有多家，除了Alcatel、Lucent、Nortel、Siemens、NEC等光通信老牌公司之外，还有Corvis、Marconi、Hitachi Telecom (USA) 公司等。
1.6 Tbit/s的光传输设备均采用开放式机架结构，系统支持多速率接口，可以实现多业务，支持多种类型的组网方式，如2纤或4纤环。系统单通道的传输速率为10 Gbit/s，工作在C波段和L波段两个波段，在这两个波段范围内各分配80波，共160波（只有Ciena公司的1.6Tbit/s系统只工作在C波段，采用25 GHz通道间隔技术）。系统支持多种光纤类型，采用带外FEC设备（Nortel采用带内FEC），一般采用MUX/DEMUX+Interleaver技术。C波段放大器主要采用传统的、技术比较成熟的EDFA；对于L波段放大器，有的厂商采用了GS-EDFA（传输距离在1 000 km左右），有的采用EDFA+Raman放大器技术，使系统信噪比改善、传输距离增加（传输距离达到2 000 km）。设备采用色散补偿模块进行色散补偿，有的设备采用目前比较看好的光孤子技术作为超长距离传输方面使用（如Marconi、Lucent的1.6 Tbit/s系统，使传输距离增大到3 000 km）。
3 总结
对于L波段的应用，要充分考虑L波段关键技术的发展和产品的成熟程度，在此基础上分析实际业务的发展需求，同时还要研究各个运营商自己当前实际网络的容量及可升级的能力情况来综合决定L波段在现网中的实际投入应用的时间。
目前，早期铺设色散位移光纤的运营商最为关心L波段的应用，如日本、意大利和南美洲一些国家的主要运营商。因为DSF在C波段1 550 nm处色散为零，四波混频的非线性影响较大，特别是当进一步减小信道间隔进行扩容的时候，这种影响将更加明显。而在L波段较小的色散，避免了各个通道之间的相位匹配，在很大程度上减轻了四波混频造成的传输损伤，因此使用L波段传输信号是其扩充容量的首选。
对于中国增长较快的数据多媒体业务，其所需带宽当前主要通过在一期系统的基础上进行扩容，主要方式是在系统终端增加OTU板，加开波分复用系统的波长通道来提高容量，而L波段真正在中国的使用将是2年以后的事情。而对于未来新建系统，应该考虑到今后扩容升级的问题，在选用波分复用设备时，初期可以配置较少，但应具备升级到L波段的能力。采用这样的规划，可以在未来避免重复性投资和减少追加投资。
----《电信科学》
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