徐榮 龔倩 紀(jì)越峰 葉培大
摘 要 基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式發(fā)展帶來了對(duì)帶寬的無限需求,而密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)在滿足不斷增長的帶寬需求的同時(shí)還具有不可比擬的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢。本文對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞 密集波分復(fù)用（DWDM） WDM光網(wǎng)絡(luò) 全光聯(lián)網(wǎng) 關(guān)健技術(shù)
WDM光網(wǎng)絡(luò)在不斷進(jìn)步的同時(shí)仍有大量問題需要解決,如設(shè)備價(jià)格昂貴,標(biāo)準(zhǔn)化問題,如何在不同用戶間分配波長,如何對(duì)用戶鑒權(quán)以及保留性問題,串?dāng)_問題,一體化網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制和互操作問題等。光聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)主要取決于關(guān)鍵網(wǎng)元設(shè)備的成熟與否。研究或發(fā)明可用于WDM的新技術(shù)和新器件具有極其重要的意義,一種新技術(shù)或新器件可使整個(gè)系統(tǒng)的性能大大改善,有時(shí)會(huì)推翻整個(gè)舊系統(tǒng)。因此現(xiàn)在有許多大大小小新的老的公司,都投入了較大力量開發(fā)WDM新技術(shù)和新的光器件。
1 關(guān)鍵器件
以光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建未來高速、大容量的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決高速光傳輸、復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)�；诠獾姆植鍙�(fù)用（OADM）技術(shù),網(wǎng)絡(luò)間的光交叉互連（OXC）技術(shù),集成化的窄帶、高速、波長可調(diào)的低噪聲探測器技術(shù),以及可用于光纖網(wǎng)絡(luò)干線傳輸?shù)�、速率可達(dá)4OGbit／s的、波長可調(diào)諧的、高穩(wěn)定的增益耦合DFB激光器／光調(diào)制器的集成光源。
1）光纖傳輸 通常認(rèn)為單模光纖SMF色散很大,對(duì)減少四波混頻（FWM）引起的干擾有好處,但需要很多的補(bǔ)償光纖。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)表明SMF（G.652）和DSF（G.653）用于WDM系統(tǒng)時(shí),其SPM,XPM的危害較小,不像想象的那么嚴(yán)重。過去理論和實(shí)驗(yàn)表明DSF光纖的FWM干擾嚴(yán)重,不宜作WDM系統(tǒng)。然而采用喇曼放大后,其放大作用是沿光纖分布而不是集中的,因而發(fā)送的光功率可減小,從而FWM干擾可降低,因此WDM在DSF光纖中傳輸仍能取得較好的效果。偏陣模色做（PMD）、色散補(bǔ)償是長距離大容量WDM系統(tǒng)必然遇到的問題,如果想得到一個(gè)又寬又平的波段。那么對(duì)色散補(bǔ)償器件的色散和色散斜率同時(shí)有一定要求。
2）DWDM光源 WDM光網(wǎng)絡(luò)對(duì)光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高傳輸距離）、工作波長穩(wěn)定,為此要研究開發(fā)高速、低啁啾、工作波長可調(diào)且高度穩(wěn)定的光源。從世界范圍的發(fā)展趨勢上看集成光源是首選方案,激光器與調(diào)制器的集成兼有了激光器波長穩(wěn)定、可調(diào)與調(diào)制器的高速、低啁啾等功能。有多種集成光源：其一是DFB半導(dǎo)體激光器與電吸收調(diào)制器的單片集成。其二是DFB半導(dǎo)體激光器與M-Z型調(diào)制器的單片集成：也有分布布拉格反射器（DBR）激光器與調(diào)制器的單片集成以及有半導(dǎo)體與光纖柵構(gòu)成的混合集成DBR激光器。
3）DWDM探測器 波長可調(diào)諧的窄帶光探測器是WDM光網(wǎng)絡(luò)中一種高效率、高信噪比的下載話路的光接收技術(shù)。為了使系統(tǒng)的尺寸大大降低,可考慮將前置放大電路和探測器集成在一起。該類器件的每個(gè)探測器必須對(duì)應(yīng)不同的信道,所以探測器必須是窄帶的,同時(shí)響應(yīng)的峰值波長必須對(duì)準(zhǔn)信道的中心波長,所以響應(yīng)帶寬必須在一定范圍內(nèi)可調(diào)諧。此外要求探測器間的串?dāng)_要小。共振腔增強(qiáng)型（RCE）光探測器集窄帶可調(diào)諧濾波器與探測器于一體,是這類探測器的首選方案。
4）波長轉(zhuǎn)換 全光波長轉(zhuǎn)換模塊在接入端應(yīng)用是對(duì)從路由器或其它設(shè)備來的光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將非匹配波長上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到符合ITU規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)波長上然后插入到光耦合器中;而當(dāng)它用于波長交換節(jié)點(diǎn)時(shí),它對(duì)光通路進(jìn)行交換和執(zhí)行波長重用功能,因此它在波長路由全光網(wǎng)中有著非常巨大的作用。寬帶透明性和快速響應(yīng)是波長轉(zhuǎn)換器的基本要求。在全光波長交換的多種（包括交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、非線性光學(xué)環(huán)鏡）技術(shù)中,最有前途的全光轉(zhuǎn)發(fā)器是在半導(dǎo)體光放大器（SOAs）中基于交叉相位調(diào)制原理集成進(jìn)Mach-Zehnder干涉儀（MZI）或Michelson干涉儀（MI）而構(gòu)成的帶波長轉(zhuǎn)換器,它被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高速、大容量光網(wǎng)絡(luò)中波長轉(zhuǎn)換的理想方案。
在大規(guī)模使用WDM組網(wǎng)時(shí),特別是通道調(diào)度時(shí),可能需要把某一波長變換為另一波長,或者需要整個(gè)波段的變換。Lucent研制的光波段變換器是利用LiNbO3的二階非線性系數(shù)x（2）：x（2）對(duì)光波長進(jìn)行變換的。光波導(dǎo)是周期極狀LiNbO3光波導(dǎo)（Periodically poled waveguide）。
5）光放大器 為了克服光纖中的衰減就需要放大器。現(xiàn)在摻鉺光纖放大器EDFA已被廣泛應(yīng)用于長距離通信系統(tǒng)中,它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益帶寬。
對(duì)于寬帶EDFA放大器特別需要在整個(gè)WDM帶寬上的增益平坦特性。日前己有基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器DBFA（Dual-band fiber amplifier）,其帶寬可覆蓋1528～1610nm范圍。它由常規(guī)的EDFA和擴(kuò)展帶光纖放大器EBFA（Extended band fiber amplifer）共同組成。相類似的產(chǎn)品有Bell Lab的超寬帶光放大器UWOA（Ultra-Wideband Optical Amplifier）,它有80nm的可用帶寬可對(duì)單根光纖中多達(dá)100路波長信道進(jìn)行放大。它覆蓋了C波段（1530～1656nm）和L波段（1565～1620nm）。
英國帝國學(xué)院（UK Imperial College）研制了寬帶的喇曼放大器。受激拉曼放大（Stimulated Raman Amplify）是在常規(guī)光纖中直接加入光泵功率,利用光纖的非線性使光信號(hào)放大的。單光泵的喇曼放大的增益帶寬較窄,采用波長為1420nm和1450nm兩個(gè)光泵的喇曼放大器可得到很寬的帶寬（1480～1620nm）。喇曼放大的增益可達(dá)30dB,噪聲系數(shù)小于6dB。光泵功率為860mW。
6）光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）光分插復(fù)用器OADMs（Optical Add Drop Muxs）實(shí)現(xiàn)在WDM光纖中有選擇地上／下（drop or add）特定的任何速率、格式和協(xié)議類型的所需光波長信道。它是高速大容量WDM光纖網(wǎng)絡(luò)與用戶接口的界面。OADM一般是復(fù)用器、解復(fù)用器、光開關(guān)陣列的單片集成或混合集成�？烧{(diào)波長工作的OADM器件正在開發(fā)之中,并且已取得突破性進(jìn)展。另外WDM光網(wǎng)絡(luò)間的交叉互連也將逐步過渡到完全采用光的形式進(jìn)行。國際上已經(jīng)有單片集成OXC的實(shí)驗(yàn)室工作報(bào)道,但是更多的工作是集中在其中的關(guān)鍵器件上,主要有為了解決網(wǎng)絡(luò)阻塞和合理利用網(wǎng)絡(luò)資源的波長轉(zhuǎn)換器件。AWG（Array Waveguide Grating）是最適于DWDM復(fù)用與解復(fù)用以及作為核心器件構(gòu)成OADM和OXC的新型關(guān)鍵器件。因?yàn)锳WG可與石英光纖高效耦合使插入損耗很低、能夠?qū)崿F(xiàn)低成本集成。此外,AWG減輕了對(duì)光源面陣的集成度的要求,采用多個(gè)單波長激光器與其耦合就可以實(shí)現(xiàn)DWDM目標(biāo)。該研究的技術(shù)關(guān)鍵在于掌握厚層波導(dǎo)的制備技術(shù),設(shè)法避免因應(yīng)力引入偏振色散,甚至導(dǎo)致器件破裂。
7）光開關(guān) 光波導(dǎo)開關(guān)集成面陣也是構(gòu)成OXC和OADM的關(guān)鍵部件,目前實(shí)用的光開關(guān)陣列,大都是用LiNbO3光波導(dǎo)開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。這種光開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模單片集成難度較大,尤其難以與操作電路實(shí)現(xiàn)OEIC集成,也有采用SiO2／Si的熱光開關(guān),但響應(yīng)速度較慢,約為毫秒量級(jí),只適用于信道切換,對(duì)信元／包的交換,其響應(yīng)速度不能滿足要求,要實(shí)現(xiàn)信元／包交換至少響應(yīng)時(shí)間要達(dá)到微秒量級(jí)。而準(zhǔn)實(shí)時(shí)交換（如在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的交換）則要達(dá)到納秒量級(jí)。網(wǎng)絡(luò)中信息資源的利用率決定于OXC的集成規(guī)模和運(yùn)行的靈活程度,所以最終的OXC應(yīng)當(dāng)是單片集成的。技術(shù)關(guān)鍵是發(fā)展高速響應(yīng)Si基彼導(dǎo)光開關(guān),而利用電注入折變效應(yīng)構(gòu)成的SOI型SiO2／Si波導(dǎo)光開關(guān),可以實(shí)現(xiàn)小于微秒的光開關(guān)運(yùn)作,有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模單片集成。 |
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