徐榮 龔倩 紀越峰 葉培大
摘 要 基于IP的數據業務的爆炸式發展帶來了對帶寬的無限需求,而密集波分復用（DWDM）系統在滿足不斷增長的帶寬需求的同時還具有不可比擬的聯網優勢。本文對其關鍵技術進行了探討。
關鍵詞 密集波分復用（DWDM） WDM光網絡 全光聯網 關健技術
WDM光網絡在不斷進步的同時仍有大量問題需要解決,如設備價格昂貴,標準化問題,如何在不同用戶間分配波長,如何對用戶鑒權以及保留性問題,串擾問題,一體化網絡管理機制和互操作問題等。光聯網的實現主要取決于關鍵網元設備的成熟與否。研究或發明可用于WDM的新技術和新器件具有極其重要的意義,一種新技術或新器件可使整個系統的性能大大改善,有時會推翻整個舊系統。因此現在有許多大大小小新的老的公司,都投入了較大力量開發WDM新技術和新的光器件。
1 關鍵器件
以光網絡構建未來高速、大容量的信息網絡系統需要重點解決高速光傳輸、復用與解復用技術。基于光的分插復用（OADM）技術,網絡間的光交叉互連（OXC）技術,集成化的窄帶、高速、波長可調的低噪聲探測器技術,以及可用于光纖網絡干線傳輸的、速率可達4OGbit／s的、波長可調諧的、高穩定的增益耦合DFB激光器／光調制器的集成光源。
1）光纖傳輸 通常認為單模光纖SMF色散很大,對減少四波混頻（FWM）引起的干擾有好處,但需要很多的補償光纖。實際的實驗表明SMF（G.652）和DSF（G.653）用于WDM系統時,其SPM,XPM的危害較小,不像想象的那么嚴重。過去理論和實驗表明DSF光纖的FWM干擾嚴重,不宜作WDM系統。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）、色散補償是長距離大容量WDM系統必然遇到的問題,如果想得到一個又寬又平的波段。那么對色散補償器件的色散和色散斜率同時有一定要求。
2）DWDM光源 WDM光網絡對光源的要求是高速（大容量）、低啁啾（以提高傳輸距離）、工作波長穩定,為此要研究開發高速、低啁啾、工作波長可調且高度穩定的光源。從世界范圍的發展趨勢上看集成光源是首選方案,激光器與調制器的集成兼有了激光器波長穩定、可調與調制器的高速、低啁啾等功能。有多種集成光源：其一是DFB半導體激光器與電吸收調制器的單片集成。其二是DFB半導體激光器與M-Z型調制器的單片集成：也有分布布拉格反射器（DBR）激光器與調制器的單片集成以及有半導體與光纖柵構成的混合集成DBR激光器。
3）DWDM探測器 波長可調諧的窄帶光探測器是WDM光網絡中一種高效率、高信噪比的下載話路的光接收技術。為了使系統的尺寸大大降低,可考慮將前置放大電路和探測器集成在一起。該類器件的每個探測器必須對應不同的信道,所以探測器必須是窄帶的,同時響應的峰值波長必須對準信道的中心波長,所以響應帶寬必須在一定范圍內可調諧。此外要求探測器間的串擾要小。共振腔增強型（RCE）光探測器集窄帶可調諧濾波器與探測器于一體,是這類探測器的首選方案。
4）波長轉換 全光波長轉換模塊在接入端應用是對從路由器或其它設備來的光信號進行轉換,將非匹配波長上的光信號轉換到符合ITU規定的標準波長上然后插入到光耦合器中;而當它用于波長交換節點時,它對光通路進行交換和執行波長重用功能,因此它在波長路由全光網中有著非常巨大的作用。寬帶透明性和快速響應是波長轉換器的基本要求。在全光波長交換的多種（包括交叉增益調制、交叉相位調制、四波混頻、非線性光學環鏡）技術中,最有前途的全光轉發器是在半導體光放大器（SOAs）中基于交叉相位調制原理集成進Mach-Zehnder干涉儀（MZI）或Michelson干涉儀（MI）而構成的帶波長轉換器,它被公認為是實現高速、大容量光網絡中波長轉換的理想方案。
在大規模使用WDM組網時,特別是通道調度時,可能需要把某一波長變換為另一波長,或者需要整個波段的變換。Lucent研制的光波段變換器是利用LiNbO3的二階非線性系數x（2）：x（2）對光波長進行變換的。光波導是周期極狀LiNbO3光波導（Periodically poled waveguide）。
5）光放大器 為了克服光纖中的衰減就需要放大器。現在摻鉺光纖放大器EDFA已被廣泛應用于長距離通信系統中,它能在1550nm窗口提供30nm左右的平坦增益帶寬。
對于寬帶EDFA放大器特別需要在整個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。它由常規的EDFA和擴展帶光纖放大器EBFA（Extended band fiber amplifer）共同組成。相類似的產品有Bell Lab的超寬帶光放大器UWOA（Ultra-Wideband Optical Amplifier）,它有80nm的可用帶寬可對單根光纖中多達100路波長信道進行放大。它覆蓋了C波段（1530～1656nm）和L波段（1565～1620nm）。
英國帝國學院（UK Imperial College）研制了寬帶的喇曼放大器。受激拉曼放大（Stimulated Raman Amplify）是在常規光纖中直接加入光泵功率,利用光纖的非線性使光信號放大的。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30dB,噪聲系數小于6dB。光泵功率為860mW。
6）光分插復用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）光分插復用器OADMs（Optical Add Drop Muxs）實現在WDM光纖中有選擇地上／下（drop or add）特定的任何速率、格式和協議類型的所需光波長信道。它是高速大容量WDM光纖網絡與用戶接口的界面。OADM一般是復用器、解復用器、光開關陣列的單片集成或混合集成。可調波長工作的OADM器件正在開發之中,并且已取得突破性進展。另外WDM光網絡間的交叉互連也將逐步過渡到完全采用光的形式進行。國際上已經有單片集成OXC的實驗室工作報道,但是更多的工作是集中在其中的關鍵器件上,主要有為了解決網絡阻塞和合理利用網絡資源的波長轉換器件。AWG（Array Waveguide Grating）是最適于DWDM復用與解復用以及作為核心器件構成OADM和OXC的新型關鍵器件。因為AWG可與石英光纖高效耦合使插入損耗很低、能夠實現低成本集成。此外,AWG減輕了對光源面陣的集成度的要求,采用多個單波長激光器與其耦合就可以實現DWDM目標。該研究的技術關鍵在于掌握厚層波導的制備技術,設法避免因應力引入偏振色散,甚至導致器件破裂。
7）光開關 光波導開關集成面陣也是構成OXC和OADM的關鍵部件,目前實用的光開關陣列,大都是用LiNbO3光波導開關實現的。這種光開關矩陣實現大規模單片集成難度較大,尤其難以與操作電路實現OEIC集成,也有采用SiO2／Si的熱光開關,但響應速度較慢,約為毫秒量級,只適用于信道切換,對信元／包的交換,其響應速度不能滿足要求,要實現信元／包交換至少響應時間要達到微秒量級。而準實時交換（如在計算機網絡中的交換）則要達到納秒量級。網絡中信息資源的利用率決定于OXC的集成規模和運行的靈活程度,所以最終的OXC應當是單片集成的。技術關鍵是發展高速響應Si基彼導光開關,而利用電注入折變效應構成的SOI型SiO2／Si波導光開關,可以實現小于微秒的光開關運作,有望實現大規模單片集成。 |
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