崔亦斌
摘要 从WDM+TDM 40Gbit/s所遇到的技术难题着手，从各个角度分析并提出技术解决方法，最后探讨其在今后的应用前景。
关键词 波分复用 时分复用 编码方式 拉曼放大器 偏振模色散 应用前景
一、概述
目前国内电信市场出现多家运营公司竞争的局面，各家都在积极拓展自己的服务范围，提高市场占有率，竞争的气氛日益浓厚。我国加入WTO指日可待，电信业务市场的对外开放已经开始，外国公司的进入必然会带来更高技术层次的竞争，加之现阶段业务需求结构发生了重大变化，越来越多的用户提出了业务多样化的要求，在这种情况下，利益的驱动将会使电信运营公司进一步加快业务和技术的更新，以更多更好的服务谋求更大的效益。
与传输领域直接相关的就是对传输带宽的需求。目前IP骨干网节点设备2.5Gbit/s线速路由器已经大规模应用于组网，10Gbit/s线速路由器也已经走出实验室，高速IP路由器技术的发展为ISP组建高速IP骨干网提供了技术装备上的保障。
由于WDM技术的迅速发展和成熟，WDM系统已成为进一步增加光纤传输容量的有效手段，同时随着TDM 40Gbit/s技术的成熟和价格下降等因素，可以预见，在不远的将来（估计1-2年内）WDM+TDM 40Gbit/s技术将成为骨干网传输系统中的主流技术，并且毋庸置疑，在WDM单波道上开通40Gbit/s业务比在4个波道上开通10Gbit/s业务要经济得多。
本文将就WDM+TDM 40Gbit/s技术的技术实现、经济性等几个方面作一些分析和展望。
二、经济分析
性能价格比是各个电信运营商首要考虑的问题。当初，在2.5Gbit/s成为传输主流技术，而10Gbit/s技术刚刚商用时，其价格是2.5Gbit/s设备的5.5倍，显然不能被大家接受。但随着102.5Gbit/s技术的不断成熟，价格也迅速下降到目前的2.5倍，其结果就是10Gbit/s技术的领先者牢牢地占领了市场。
可以预测，40Gbit/s技术的发展也会出现上述同样的结果。
DWDM+40Gbit/s系统实现的主要难题在于与现有WDM+10Gbit/s系统在距离受限方面的矛盾，如果40G WDM系统能实现1000km以上无电再生的传输，则电再生器的节省就将成为影响价格的一个重要因素。
10Gbit/s的价格成分中一般一个波道色度色散补偿占4000-5000美元，而40Gbit/s系统中需要考虑的色散补偿包括色度色散补偿和偏振模色散（PMD）补偿两部分，一个波道色散补偿占8000-10000美元，相对于10Gbit/s系统需要增加一倍的投资，这样则导致40Gbit/s系统可能会在跨距少而短的城域网系统中得到应用。
三、技术难题
对于WDM＋40Gbit/s系统的传输限制主要有光信噪比（OSNR）、色度色散、偏振模色散和非线性效应4个方面。
1.光信噪比
光信噪比（OSNR）定义为光信号功率与光噪声功率之比，对于WDM＋40Gbit/s系统而言，低噪声放大器的采用是传输更长距离的重要因素，因为单纯地提高发送光功率会导致交叉相位调制（XPM）和自相位调制（SPM）的产生，使信号光谱展宽，难以达到传送目标距离的要求。
2.色度色散
由发送源光谱特性引起的光纤色度色散是导致制约传输容量的一个支配性因素。色度色散会导致光谱的展宽，限制了跨段的长度和数量，这种限制还会因为WDM系统波道数越多、色散曲线斜率越大而变得更不好补偿。对于WDM＋40Gbit/s系统可言，色散容限为60ps。
3.偏振模色散
各偏振状态之间的差分群时延（DGD）会产生符号间干涉。对于系统设计人员而言，如何减少偏振模色散对40G WDM传输系统的限制成为新的难题，目前可以使用大有效面积的光纤来解决。
4.非线性效应
当在高比特率系统中为了增加中继间距而提高发送光功率时，信号和光纤之间的非线性相互作用开始出现。对于大容量和无再生长距离系统，光纤的非线性特性是影响系统性能的重要因素。一般光纤非线性效应可分类为：
（1）散射（如受激布里渊散射、受激拉曼散射等）影响。
（2）与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（如自相位调制、交叉相位调制、调制不稳定性、四波混频、光孤子形式等）。
对于WDM+40Gbit/s系统而言，由于入纤功率的提升会增加非线性效应的影响，目前一般通过采用信号归零（RZ）的编码技术或采用大有效面积的光纤来减少非线性效应的影响。
5.光复用技术
如何实现10G到40G的复用技术问题目前ITU-T还没有完整的建议。
四、技术实现
由于40G WDM系统有其广泛的应用和发展前景，目前各设备供应端正在积极解决40G WDM系统带来的技术难题。但往往一个问题的解决会带来另一个问题的加剧，需要综合考虑40G WDM系统的各个技术问题，才能得到最佳的技术解决方案。
1.信号调制和编码
为了可靠、正确无误的传送数字信号，必须采用各种特殊的编码方式。对于10G信号，一般采用非归零（NRZ）的编码方式，经常使用分布反馈（DFB）激光器和外调制器进行编码。
但对于40G信号这样做会增加非线性效应的影响。目前对于40G信号一般采用Rz的编码方式，会有更高的入纤功率、更高的光信噪比和更低的误码率，同时会减少光纤非线性效应的影响和偏振模色散。
2.拉曼（Raman）放大器
由于40G WDM系统的距离受限，为了传输更长的距离，需要使用较多的电再生器。通过采用拉曼放大器和掺铒光纤放大器（EDFA）的结合，利用受激拉曼效应（SRS），用短波长的泵浦波放大长波长的信号波，分布放大、降低系统的噪声累积，实现超长无电跨距40G WDM系统。
拉曼放大器利用光纤本身对信号进行放大，信号在传输过程中的固有损耗可以在光纤内部进行补偿。一种应用较广的拉曼放大器称之为分布式拉曼放大器（DRA）。
分布式拉曼放大器工作的基本原理是自激拉曼散射（SRS）效应，当波长较短（与信号波长相比）的泵浦光馈入光纤时，发生此类效应。拉曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。泵浦光光子释放其自身的能量，释放出基于信号光波长的光子，将其能量叠加在信号光上，从而完成对信号光的放大。
与以往的WDM系统相比，每通路光信号的发送功率较低，这样有可能只激活了光纤固有损耗中的一部分，从而可以降低经过这个区段内的衰减。而输出光功率的降低，使得每个通路经过线路放大器后，信号放大的同时，所引入的非线性损耗降低，这样使得信号尽可能以线性模式（如准线性模式）传输。因此输出信号的光信噪比增大，从而保证在没有电再生设备的条件下，信号可以传输更远的距离。
表征噪声的一个指标是光信噪比，32波在LEAF光纤上传输125km。EDFA和采用拉曼放大器＋EDFA的对比可以看出，后者的噪声基底明显下降，光信噪比比前者高出4dB。
3.前向纠错（FEC）技术
FEC技术是通过一种特殊的编码方法，使得能够在接收机侧对所接受到的信号进行检测和纠码的过程。例如，接收端采用FEC可以对发送“0”信号而接收“1”信号的状态进行检测和纠正。目前FEC的实现方式主要有两种：带内FEC（In-Band FEC）和带外FEC（Out-of -Band FEC）。通过采用增强型前向纠错技术（Super Out-Of-Band FEC），可以提升系统增益国8dB左右。对于40Gbit/s系统而言，采用FEC技术对于提高系统的光信噪比是一种简便而经济的策略。
4.偏振模色散的补偿
双折射光纤会产生一个称为偏振模色散的群时延。这种偏振模色散导致偏振正交状态之间的群时延有差别。
偏振模色散效应和光纤的色度色散一起会导致系统的进一步劣化。
在减小偏振模色散影响方面所作的努力都与减小光缆制造引入的双折射有关，诸如优化光纤生产、保证光纤的同心度、减小纤芯的残余应力、采用精密的光缆结构等。目前，在业界讨论比较多的偏振模色散补偿技术主要有：无啁啾（Chrip-Free）的偏振模色散补偿技术和预啁啾（Pre-Chirped）的RZ调制技术。
5.新材料的采用
10G系统中电吸收调制激光器一般采用铌酸锂（LiNbO3）或铟镓砷磷（InGaAsP）化合物，40G系统中将会采用一些新型的材料，如铝砷化镓（AlGaAs）和硅锗（SiGe）化合物等。
四、结束语
只要40G WDM系统能在色散、非线性效应等方面得到很好的技术处理，可以实现超长无电跨距，就会得到业界广泛的应用。据悉，北电、朗讯、西门子等大设备供应商都将于2001年底或2002年初推出40G的产品。可以相信，不远的将来，随着40G系统的广泛应用，更高速TDM和DWDM的结合必将成为今后传输技术的发展方向。
摘自《邮电设计技术》2001.11
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