DWDM传输系统新技术及光发射机的设计特点

摘要：本文主要介绍DWDM(密集波分复用)传输系统新技术与器件应用,并着重对实用DWDM光发射机设计与组成特点作分析说明。

关键词：光复用器  分布反馈式激光器   FEC(前向错误纠正)   数字封包技术  调制器

近几年来，随着科学技术的迅速发展，通信领域的信息传送量正以一种加速的形式膨胀，因特网流量的快速增加要求数据传输能力持续增长，信息时代要求越来越大容量的传输网路。

当承载长途传输使用的光纤都已经被占用时, 为了避免数据高速路上的流量堵塞，网络提供商需要提供一种快速、灵活、低成本的带宽扩展技术，绝不是在原有路子上增加一条新的光纤,而是尽可能利用已有的光纤进行扩容。其中之一是转向密集波分复用（DWDM）数据传输技术，它有效增加了现有光纤基础设施的网络数据吞吐能力，其传输率己突破大比特(Tbit/s)。

1、 DWDM(密集波分复用)系统结构与技术

所谓密集波分复用(DWDM)技术，就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一通路光波的频率(或波长)不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个通路，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器(光合波器)将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复用器(光分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。

由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时)，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可复用的波长数也不同，从2个至n个不等，现在商用化的一般是8波长、16波长和32波长等系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，其图1为DWDM系统结构示意图。

从图1中可以看出,光复用器在解决光缆线路的扩容或复用中起关键性作用,它能将多个光载波(λ1….. λn)进行合波和分波,使光纤纤通信容量成倍提高。

传统的长途光纤传输系统中，数据传输总是采用低色散第二光学窗口（1300nm范围）内的一个波长或低损耗第三光学窗口（1500/1600nm范围）内的一个波长，并且总是在一个特定的速率上传输。为了获得更高的传输能力，可以采用时分复用（TDM）技术或在已有光缆旁铺设新光缆等二种方法来提高速率。

但第二种方法成本太高,为了获得更高的传输能力,通过提高现有光纤网络速率来增加带宽是一种合理的选择。但是成熟、低成本高速IC开发工艺的缺乏，以及光纤介质的物理特性（如光纤的偏振模色散）限制了传输速率超过40Gbps的商用系统发展。把单根光纤传输速率从2.5Gbps提高到10Gbps能将带宽提高四倍，而密集波分复用技术（DWDM）能将带宽提高160倍。所谓密集，是针对相临波长间隔而言的。过去的WDM系统是几十纳米的通路间隔，现在的通路间隔则小多了，只有0.8～2nm，甚至小于0.8nm为0.4nm。由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率的波分复用器件来选取，如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。

DWDM利用一根光纤同时传输多个波长，多路高速信号可以在光纤介质中同时传输，每路信号占用不同波长。

DWDM传输的一个显著特点是“速率透明”，即光学器件和技术在系统中占据主导地位，如光复用/解复用器，光线路放大器，以及将来超长距离传输的光3R再生技术等。原则上，链路上不存在速率受限的器件，不需要改变光线路元件来获得更高的速率。

2、 DWDM系统器件与应用

2.1 DWDM传输系统的基本构成

DWDM传输系统的基本构成是光复用器、光线路放大器（OLA）和光解复用器（图2）。一个光复用器将所有接收到的L波段（1530nm?1565nm）和C波段（1570nm?1620nm）的光波合路为一个波长复用的光信号。现在的技术可以达到波长间隔0.4nm或者更密，可用波长160个。L和C波段的限制取决于光线路放大器，目前的光线路放大器仅能放大L或C波段中的一个。而且1300nm窗口的光线路放大器还没有实用化。

掺铒光纤放大器(EDFA)

用光线路放大器（OLA）可以克服了高速长距离传输的{zd0}障碍,其OLA形式有半导体放大器(SOA)和掺铒光纤放大器(EDFA)。

由于掺铒光纤放大器(EDFA)成熟并大量应用,具有高增益、高输出、宽频带低噪声,增长特性与偏振无关,以及数据速率与格式透明等一系列优点，所以已成为目前大容量长距离的DWDM系统在传输技术领域必不可少的技术手段。

一个EDFA包括980nm或者1480nm的泵浦激光，它将电子搬运到高能级上。如果入射光波长在L或C波段，这些高能级的电子回迁到低能级，释放出同入射光相同波长的光子。光域的放大结果同速率没有关系。根据光复用和解复用器之间的距离，可以采用不同数量的EDFA进行级联，其典型间隔为100公里。该技术使得光信号传输几百公里而不需要进行电信号的再生。EDFA的缺点是一些高能级的电子自发回迁到低能级时，会产生不相干的光噪声。由于DWDM系统链路通常有多个OLA，这种光噪声在随后的EDFA中得到逐级放大，同没有采用OLA的系统相比，{zh1}的累积噪声降低了接收机的信噪比（SNR）。而且，这种光噪声的影响是不对称的，即对逻辑高电平信号的影响要大于逻辑低电平信号。在接收机端，光解复用器把输入的波分复用信号分别解调到与发射机端相应的单个光波长上。

解复用过程使用带宽非常窄的光滤波器，这种光滤波器的设计必须非常精细，以满足很小的波长间隔。除了上面提到的基本系统器件外，一个DWDM系统还包括其他的功能器件——如光复用器后面的功率放大器，色散补偿器或者在光解复用器前面的光前置放大器。这些器件都是为提高系统性能，扩展链路长度而采用的。

2.2关于克服色散技术的采用

由于在1550nm波长附近,如G.625光纤的色散典型值为17ps/nm-km。当光纤的衰减问题得到解决以后,则色散受限就变成了决定系统传输距离的一个主要问题。为此必须采用克服色技术。而色散补偿滤波器(DCF)是色散补偿光纤的运用,该(DCF)是一种特殊的光纤,其色度色散为负值,恰好与G.652光纤相反,可以抵消G.652常规光纤色散的影响。用DCF来进行色度补偿是一种十分简单易行的无源补偿方法,特别是对于波分复用系统,其成本由多个波长的系统分担更其优越性。

2.3节点技术

速率透明的网络（全光网）除了需要透明的DWDM点对点连接外，还需要其他的网络器件，如光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）,其功能是光纤之间、光纤以波长为单位之间的切换。它可以克服交叉连接的局限性,是实现全光通信关键技术之一。已有一些原型系统可以展示全光网的可行性，但是当今的网络设备（甚至那些被称为OADM和OXC的）仍主要是由电子器件而不是由光器件组成,这也是DWDM中的主要技术-节点技术。

此外，在没有成熟的全光替代方案的前提下，超长距离的点对点连接可能需要电的3R再生（取决于线路长度）。因此，全光网的实现还需要几年的时间。但不管部分还是全光网络是否实现，网络的线路终端必须将光信号转换为电信号，光设备仍然要依靠基于电的通信系统。

一个DWDM长途点对点传输系统网络终端设备可以是专用的线路终端卡或波长应答器。线路终端卡通常在新铺设的系统中使用，例如，在中心局（CO）直接从DWDM链路上发送和接收信号。另一方面，如果DWDM链路必须同原先的单波长CO设备的光网络接口相连，那么就需要使用波长应答器。以下的讨论针对DWDM光纤网络中一个O/E接收机和发射机的专门设计，既适用于线路终端卡也适用于波长应答器。

3、 关于DWDM光发射机设计组成

光发射机是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送人光纤的传输装置组成，图3(a)是光发射机的主要部件示意图。DWDM光发射机是由不同波长的半导体、激光器和相关的控制电路组成,核心器件是DFB(分布反馈式)激光器.通常电-光调制器也是光发射机的组成部分。DWDM光发射信号必须采用外部调制制器，因各路信号速率均在2.5Gb/s以上,直接强度调制会因频率啁啾声加上光纤的波色散使长距离传输的光脉冲波形恶化。

DWDM系统的发射机(或称光源)有好几种,值此介绍集成式光源DFB(分布反馈)+EAM(电吸收调制器式)。见图3(b)所示。值此对10Gb/s DWDM发射机设计组成作一分折。

“带外”FEC(前向错误纠正)与数字封包技术

如果只是SDH(同步数字系列)/SONET(同步光网络)数据，可以利用信号帧结构中的冗余字节来实现“带内”前向纠错(FEC)技术。FEC(前向错误纠正)所需的字节通过开销处理ASIC电路插入帧结构。而对于协议无关的DWDM系统，必须使用“带外”FEC，这样虽然提高了速率，但是同带内FEC相比，也提高了效率。可选择ITU(国电信联盟所属电信标准部)-T G.975建议中定义的Reed Solomon FEC算法是实现带外FEC。该算法为纠错而附加的开销使得传输速率增加7%。这是因为在FEC技术应用中,辅助信息和主信息同时传输,若主信息丢失或接收误码, 辅助信息可以重构主信息。典型情况下,FEC模式的冗余信息量是比较小的,不会占用大量的额外带宽,所以可保持很高的效率。

同Reed Solomon FEC相比，ITU-T G.709中定义的数字封包(在图3(b)中左方块可见)技术更具有优势。信号通过一个“超级帧结构”进行打包，这与信号速率和所采用协议都无关，（除了附加的FEC字节）这种帧结构还包括把负荷送到目的地所需的地址字节。数字封包技术的开销将提高一定百分比的传输速率，具体值取决于采用哪种数字封包技术。不管是采用带外FEC还是数字封包技术，都需要附加IC来支持相关的算法，或者必须将算法集成到发射机的开销处理ASIC中。

串行器、时钟发生器与再定时触发器

FEC或者数字封包处理在传输信号的低速并行数据流中实现。并行信号经过这种处理后，必须经过串行处理形成高速的传输信号，这需要一个带片上时钟合成器的串行器(在图3中方块可见)来产生传输时钟(从图3(b)中方块所示可见)。

长途干线所传输的信号应该具有非常低的抖动，这要求串化器输出抖动应尽可能的低，即集成时钟合成器采用的外部时钟源抖动应尽可能的低。在很多情况下，系统可用的参考时钟 (从图3中方块所示的MAX3637)不但不能满足抖动要求，而且其频率也低于要求。采用外部VCXO或者VCSO的时钟发生器能够提供所需要的低抖动参考频率，并且可以和内部VCO电路xx集成在一起，从而降低器件成本和体积。

串化器输出级不能驱动光发射机，需要增加一个驱动器(从图3(b)中方块中间所示可见)。但这样增加抖动，为了减小数据抖动，驱动器输入级需要集成一个再定时触发器(从图3(b)中方块中间所示)。一般情况下触发器使用由串化器产生的串行时钟(从图3中方块所示可见)，但是串化器输出与驱动器再定时输入间的非理想连接会引起时钟劣化，同样会降低传输信号的抖动性能。因此再定时功能必须是可选的。

另一个同驱动级集成在一起的功能模块是脉宽校正器，它引入一个预失真来补偿光器件中信号上升和下降时的不对称。

电吸收调制器（EAM）与匹配阻抗

{zh1}，将串行信号转换到指定波长的光信号上。为了管理多达160个不同的光波长，波长间隔不能超过0.4nm。那么光源必须具有高的波长稳定度(由波长锁定模块解决)，以及很窄的线宽和较低的啁啾（由高速调制引起的光谱线跳动现象）。目前已不再采用直接调制的激光器，而采用电吸收调制器（EAM）或者马赫－增德尔调制器（MZ）调制CW激光器来满足长距离传输的要求。

由于光调制器（与激光二极管不同）的匹配阻抗一般是50欧姆，所以一般采用调制器驱动而不直接调制激光驱动器来实现EAM或MZ驱动。因此，调制器驱动器应针对50欧姆负载优化，而且应输出调制电压而不是电流。EAM需要一个大约3V的{zd0}调制电压，MZ则为7V。MZ调制器提供最窄的谱线宽度，但是需要相对较高的调制电压，与EAM相比，价格也高许多。因此，MZ调制器一般应用于超长距离传输。

这两种调制器调制电压都需要一个直流预偏来优化光调制器的啁啾效应。带有内部预偏的调制器和驱动器输出之间仅需要一个连接。这样可以节省模块的体积，并通过去掉设置T形偏置网络所需的外部电感降低了产品生产难度。

DFB(分布反馈式)激光器

在图3(b)中的右面方块表示在这些发射机的光模块中包括一个可通过控制温度设置波长的珀耳帖器件，一个能够输出连续光的激光二极管（CW激光二极管，DFB类型），以及一个高速电压驱动的调制器。珀耳帖器件（一个热电制冷器-TEC）驱动电路需要能够提供几安培电流来设置CW激光器输出与温度相关的指定波长。为了保持调整好的波长不变，TEC控制电路必须xx控制温度。其热电制冷器(TEC)是利用珀尔帖效应来冷却器件的过程。

如果TEC控制电路所有功能都使用功率控制FET(场效应管)和放大器等分离器件实现，电路所占空间可能会很大。幸好，目前已有带片上功率FET和控制环路的全集成、小体积的TEC驱动器(MAX1987)，可以支持对空间敏感的模块集成和多路网络接口应用。另外，波长间隔0.4nm或者小于0.4nm的DWDM系统需要一个波长锁定模块，这种模块同样适用于0.8nm的系统（与系统配置有关）。借助TEC驱动器/控制器，基于标准具的控制单元（F-P滤波器）可将光波长锁定在误差窗口内。

因发射机的另外一个重要参数是用户初始定义的光发射功率，在老化和温度变化的情况下，CW激光器仍要保证此发射功率。CW激光器的特征曲线斜率随着时间推移和温度升高而下降，因此激光器的驱动电路必须设定并维持平均光发射功率。通过比较CW激光器的监视二极管光电流（与输出光功率成正比）和初始定义的与所需光功率有关的参考值，自动功率控制回路将保证功率的稳定性。

另外，驱动器还应包括能够指示激光器寿命结束的告警标志，为激光器安全而设置的关断功能，CW激光器偏置电流监控输出，激光器{zd0}偏置电流设置，以及平均光功率监视器。此外，低速导频控制可用于调制输出光信号振幅。此特性可用于（例如）DWDM系统中的信道识别。

4、结束语

由于DWDM系统光发射机采用上述“带外”FEC(前向错误改正)与数字封包技术一系列计新技术,所以满足了DWDM系统以下两点重要之求：即,{dy}，光链路应该尽可能的长，不需要电信号的再生，以降低系统成本。第二，系统应该能够提供高可靠的数据传送。可以使用前向纠错技术（FEC）来提高服务质量并延伸线路长度。