信息产业部电子第三十四研究所/黄勇宁
摘要 WDM与TDM是光传输网可采用的两种主要技术。对这两种技术的实现原理、优缺点以及相互关系作了详细的比较说明，并对未来光传输如何合理地选择WDM和TDM技术作了一些简要介绍。
一、引言
通信业务的飞速增长，特别是基于Internet网络的数字业务的增长，对网络的传输容量提出了越来越高的要求。光纤通信具有传输容量大、中继距离长、损耗小、不受电磁干扰等优点，已日益成为主要的通信传输手段，因此，以光纤通信为基础的光传输网将是未来网络的发展方向。
目前，光传输可采用多种扩容技术，其中的光波分复用（WDM）技术和光时分复用（TDM）技术各有优势，因此，如何在光传输网中选择合适的传输技术对网络的发展是至关重要的。
二、光波分复用技术
WDM是将光纤的可用波段分成若干个小信道，每个信道对应一个波长，使单波长传输变成多波长同时传输，从而大大增加光纤的传输容量。例如，如果每个波长的传输速率为2.5Gb/s，在一根光纤中同时使用4个波长，则光纤总的传输容量可达2.5×4＝10Gb/s。
WDM技术过去主要在光纤的C波段（1530-1565nm）使用。最新的技术已将石英光纤在1.3-1.6μm的全波段窗口中使用，每根光纤的复用光波长数可达几千，传输容量可高达数十个太比特。因此，完全可以认为WDM技术将为光传输网的发展提供几乎取之不尽的资源。
2.1WDM的关键技术
WDM系统由光合波器（光复用器）、光放大器和可以提取独立光波长的光分波器（光解复用器）组成。发射端的光发射机发出光波长不同且精度和稳定度能满足一定要求的光信号，经过光合波器、掺铒光纤放大器，送入光纤中传输（光纤线路中可根据需要设备光线路放大器）。到达接收端后，经光纤前置放大器放大，通过光分波器恢复成原来的各路光信号。
分/合波器是一种光学滤波器，其作用是对各路光波长信号进行复用与解复用。对分/合波器的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、良好的带通特性、温度稳定性好、复用波长数多、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系统的长距离传输问题。由于分/合波器的插入损耗较大，因此WDM系统的传输距离较短，一般仅为三四十公里，很难满足实际通信的需要。使用光放大器后，可实现600km以上的无电中继传输，对光放大器的基本要求是：增益高、宽带、噪声系数小等。
WDM系统的超长距离传输对光源提出了非常苛刻的要求。光源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受到系统损耗和色散的限制。在高速率传输情况下，色散占主要地位。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时产生啁啾，限制了系统的传输距离。为此WDM系统使用的光源必须放弃传统的直接调制方式，采用外调制方法，即所谓外调制型光源。
2.2WDM的技术优点
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）传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。对单波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于WDM系统，不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。例如对于16个2.5Gb/s系统来说，单波长光纤系统需要32根光纤，而WDM系统仅需要2根光纤。
2）对各类业务信号“透明”。可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号等，并能对其进行合成和分解。
3）网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要换端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量，因此WDM技术是理想的扩容手段。
4）组建动态可重构的光网络。在网络节点使用光分插复用器（OADM）直接上、下光波长信号，或者使用光交叉连接设备（OXC)对光波长直接进行交叉连接，可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。
2.3WDM技术目前存在的问题
以WDM技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等巨大优势，已成为未来高速传输网的发展方向，但在真正实现之前，还必须解决下列问题。
2.3.1网络管理
目前，WDM系统的网络管理，特别是具有复杂的上/下通路需求的WDM网络管理仍处于不成熟期。如果WDM系统不能进行有效的网络管理，将很难在网络中大规模采用。例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时发现故障，并找出故障原因。但到目前为止，相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。如果这些问题不及时解决，将阻碍WDM系统的发展。
2.3.2互连互通
由于WDM是一项新生的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性较差，特别是在上层的网络管理方面。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。
2.3.3光器件
一些重要光器件的不成熟将直接限制未来光传输网的发展，如可调谐激光器等，对于一些大的运营公司来说，在网络中处理几个不同的激光器就已经非常棘手了，更不用说几十路光信号了。通常光网络中需要采用4-6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还无法进入商用。
三 光时分复用技术
光时分复用（TDM）技术是一种超高速传输技术（可达100Gb/s），它使用极窄脉冲产生较大的带宽，可以更加有效地利用光纤的频谱资源。TDM将光支路数据流直接复用进光域，产生极高比特率的合成数据流。TDM可实现多路信号同时接入到同一根光纤，但TDM的实现方法与WDM完全不同。
TDM可用一个单一光波实现40Gb/s以上的速率。
将光源（如锁模激光器）产生的一系列极窄的归零光脉冲分成N个数据流，N个数据流中的每路信号经XGb/s（如STM-n）的支路电信号分别调制，延迟一个时钟周期，再经复用后产生总的数据速率为（N×X）Gb/s。
目前研究表明，TDM总的速率可达200Gb/s或更高。对于运行在如此高速率的光传输系统来说，光纤色散是一个非常重要的问题，一般可使用两种方法来解决，一种是使用色散管理（通过使用色散补偿光纤），使总的色散接近于零；另一种方法是使用孤子传输。孤子传输技术必须仔细考虑信号功率和脉冲波形，采用与压缩有关的自相位调制来解决色散影响的问题。因此，TDM是支持长距离、大容量传输较好的技术方案。
自20世纪90年代以来，美、英、日等国的一些研究机构对TDM系统进行了广泛的研究，并取得了较大进展。
在光传输网中使用TDM，必须考虑同步问题，不仅要考虑时域同步还要考虑频域同步。也就是说，对于TDM网络来说，通过不同的通路到达任何节点的脉冲序列需保持同步，以保证准确地解复用，同时它们还需具有同一光谱特性，以确保当数据流传向网络另一节点时，它们之间具有零偏移。实现大规模TDM网络的主要困难是插入数据通路与已在线的数据通路的光特性匹配，一个可行的办法是使用单个发送激光器在网络中分配信号。
TDM高速光通信系统主要由超短脉冲光源、光时分复用/解复用设备、光时钟信号的提取和同步、光接收以及传输光纤等部分组成。
TDM系统要求光源能产生高重复率、极小占空比的超窄光脉冲。脉宽越窄可以复用的路数越多，频宽也越宽。能满足这些要求的光源主要有锁模环形激光器、锁模半导体激光器等。
TDM传输系统的光时分复用技术比较容易实现，而光解复用技术实现起来难度较大。TDM对光解复用的要求是：快速稳定的无误码工作，控制功率低、偏振无关，定时抖动值小。目前主要采用光纤非线性光环路镜（NOLM--基于半导体激光放大器的光环路镜）以及FWM（四波混频）解复用器两种解复用技术。
从TDM系统中提取时钟信号是非常重要的。目前，时钟提取技术主要有光学谐振回路，注入锁模半导体激光器和锁相环路（PLL）等，较为成熟的是锁相环路。
为了实现具有分插复用功能的光网络，除了时钟提取外，还需要对帧和信道进行校准。在光传输网络中由于环境影响，也会产生抖动和漂移，因此在这些系统中将需要进行精确准直和信道相位控制。
TDM是一种实现大容量高速传输的强有力技术，它可以有效地利用光波长，并可以运行在不同距离和容量的网络中。TDM还可以采用非线性孤子传输以及一系列其它技术，消除超高速传输系统中的色散影响。随着大规模集成技术，如InP和硅平面波导技术的发展以及半导体光放大技术的发展，TDM技术将会取得重大进展并进入实用化。
四 WDM和TDM的关系
WDM和TDM都是超高速传输技术，TDM技术消除了电子器件速率的限制，可在单一波长上实现高速传输，但目前尚处于研究开发阶段。
在WDM系统中，由于光纤的非线性效应，系统受限于带宽距离积。对WDM技术的研究表明，光放大器的平坦增益范围，光纤的非线性效应（如自发拉曼散射和四波混频）等因素限制了WDM系统可复用的波长数和传输距离。而TDM技术则不存在这些限制，但目前TDM还只处于研究阶段。WDM所使用的器件基本上已经商用化，而TDM所需的器件还处在实验阶段，而且还有一些关键问题有待解决，如皮秒脉冲的产生和信号复用、解复用及同步等，因此同WDM相比，TDM是一个更长期的技术。
TDM系统可大大提高光谱带宽的利用率。例如一个40Gb/s的TDM传输系统的传输容量相当于16×25Gb/s的WDM系统。如果采用一个2nm通道间隔的WDM系统，它将占用掺铒光纤放大器的全部带宽。相反，TDM则仅占用1nm的波长范围，剩余的波长范围可用来传输WDM信号或传统的TDM信号，从而大大提高光谱带宽的利用率。
从长期应用考虑，WDM和TDM将在同一光传送网中共存。由于受当前技术手段的限制，WDM系统可复用的光波长数目和传输的距离都是有限的。还不能满足网络规模急剧增加对光波长数和传输距离的需求，这时可由TDM构成子网，而用TDM高速信道将多个WDM子网互连，组成更大规模的光传输网。
在子网中使用WDM，可大大增加网络的灵活性和可靠性，而TDM则是实现高速干线传输的有利途径。在WDM/TDM网络的接口点上，需要把N个WDM不同光波长上的信息全部转换成同一个波长、N个不同时隙信道的TDM系统。为了克服电子器件的瓶颈，应尽量少用电子器件，而在光域中完成转换。
总之，虽然TDM的研究取得了较大进展，是一种非常有效的复用方法，充分利用了可获光谱，但该技术不如WDM技术成熟，真正衫化还需时日。
五、结论
WDM技术已经在网络中广泛采用，是目前业已成熟且实际用于超大容量传输的光传输技术。WDM光传输网具有透明性、可重构性、网络生存性强等优点，未来的WDM光网络将向着基于光波长选路的光波长交换的灵活组网方向发展，具有快速的网络恢复及重构能力，是未来光传输网的主要发展方向。TDM是一种非常有效的光复用方法，它可以充分利用光谱资源，消除WDM系统因非线性效应产生的一些限制，近年来在研究领域虽取得了较大进展，但不够成熟，一些关键技术还有待解决。随着研究的不断深入，WDM技术和TDM技术将相互结合与补充，广泛地应用于未来超高速传输网。
摘自《国际线缆与连接》
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