超长距离全光传输技术方案比较[1]

    1 引言
     光纤通信问世以来，一直向着两个目标不断发展。一是延长中继距离，二是提高传输速率。光纤的吸收和散射导致光信号的衰减，光纤的色散将使光脉冲发生畸变，导致误码率增高，信号传输质量降低，限制了通信距离。为了满足长距离传输的需要，必须在光纤线路上加入中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形。传统的中继器是采用光—电—光的工作方式，电信号的响应速度有限，中继站的电子设备便成了高速传输的“瓶颈”。过去十年中，掺铒光纤放大器（edfa）的应用大大增加了无电中继的传输距离；密集波分复用（dwdm）技术已成功地应用于光通信系统，极大地增加了光纤中可传输信息的容量，降低了系统的成本。光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。但随着波分复用信道数的增加，单通道速率的提高，光纤的非线性效应成为限制系统性能的主要因素，长距离传输必须克服色散和非线性效应的影响。如何提高光纤传输系统容量、增加无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域研究的热点。下一代实现超长距离传输的主要解决方案有：拉曼放大技术、光孤子传输技术、全谱wdm（full-spectrum wdm）技术。对这几种解决方法分别介绍如下。
     2 拉曼放大技术
     石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（srs）增益谱（约40thz），并在与泵浦光波长频率相差13thz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。
     光纤拉曼放大器分为两类：集中式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。分布式拉曼放大器可对光信号进行在线放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。分布拉曼放大技术自1999年成功的用于dwdm传输系统，就再次受到广泛关注，成为超长距离全光传输中的重要技术。表1列出了近三年来采用分布式拉曼放大器进行的传输实验。
    
    
    
     分布式拉曼放大器对超长距离全光wdm传输中通道数增加、传输速率提高以及系统性能的改善起着非常重要的作用：
     （1） dwdm系统中，传输容量和复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起非线性效应也越来越强，严重的限制了传输距离。由于分布式拉曼放大器的放大作用是沿光纤分布的，而不是集中作用的，使得光纤中各处的信号光功率都较小，可降低非线性效应特别是四波混频效应的干扰。
     （2） 分布式拉曼放大器由于光纤本身既是增益媒质，又是传输媒质，光纤既存在损耗，又产生增益，增益可补偿损耗，因此，采用分布式拉曼放大器可降低信号的入射功率，同时保证适当的光信噪比（osnr），入射功率降低了，也可有效地抑制非线性效应。
     （3） 拉曼放大器增益波长由泵浦光波长决定 ，使用多个泵浦源还可得到比edfa宽得多的增益带宽。
     （4）拉曼放大器辅助传输可提高信噪比，信噪比的提高是实现超长距离的关键。表2是1tbit/s （100chx10gbit/s）wdm的光信号，波长范围为1542.7nm至1562.5nm,经过25km单模光纤的（smf）+175km的色散位移单模光纤（dsf）和常规edfa放大后的性能与采用拉曼辅助传输的性能的比较。显然，采用拉曼辅助传输后，osnr提高了4.7db。
    
    
    
     分布式拉曼放大器与edfa混合使用能有效地降低系统传输跨距的噪声。图1为用520mw的1450nm光源泵浦时的噪声指数随波长的变化。
    
    
    
     图1 左：分布拉曼辅助传输单元； 右：噪声指数随波长的变化
     （5） 用分布式拉曼放大器可直接提高q因子值。图2示出了使用拉曼辅助传输前后系统q值随入射信号功率的变化关系。由图2可见，分布拉曼不但使系统的q值升高了，还使得最佳入射信号光功率降低了许多，这对降低光纤非线性对信号的串扰有非常积极的作用。
     图2 分布拉曼辅助传输对系统q值-信号入射功率关系曲线的影响
    
    
    
     分布式拉曼放大器具有跨距延伸效应，它可使长距离传输干线上撤除昂贵的3r再生器和趋向透明性。但是，拉曼放大器也存在一些问题：传输光纤中的拉曼增益被放大自发辐射的瑞利后向散射和信号的双瑞利后向散射所限制。它们将引起多点反射和多路径干涉，产生码间干扰，降低信噪比，使ber性能降级，导致系统性能的下降。对无瑞利散射时和有放大自发辐射的单、双瑞利散射时osnr随泵浦功率变化的计算结果表明，瑞利散射限制了osnr的最大值。
    
     3 光孤子传输
     光孤子的存在是群速度色散（gvd）和自相位调制（spm）间相互作用时表现出来的一种特殊形式的包络脉冲，具有保形稳幅的传输特征。群速度和自相位调制单独作用于光纤传输的光脉冲时均限制光纤通信的性能。群速度色散使波形展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断积累，使波形变陡。若将这两种对立因数结合在一起，相互平衡就有可能保持波形稳定不变。光孤子现象就是利用随光强而变化的自相位调制特性来补偿光纤中的群速度色散，从而使光脉冲波形在传输过程中维持不变。光纤传输损耗则由光纤放大器的增益来补偿。
     光纤孤子通信是一种充满活力的先进通信方案，是目前单信道速率最高、传输速率最高的通信方案，孤子不仅能够克服群速度色散的限制，在而且具有抵抗pmd的能力，理论上、技术上已得到了确认，但在工程上又存在争议。这主要是由于edfa问世，在宽带edfa带通内采用全光线性wdm技术同样可实现高速长距离传输。在线性系统中，放大器间距长，系统技术难度小，成本低，但无中继传输距离短，在长距离系统中仍需3r再生器，且在长距离和多信道通信系统中无法避免非线性效应的影响，须采用附加的补偿技术。在非线性孤子通信系统中，采用孤子效应整形机制，无须3r中继器，技术难度大、成本高。但可采用色散补偿和色散管理技术方案，这可降低技术难度。这时的孤子已不是严格意义上的光孤子，而变成一种非线性类孤子脉冲或准孤子。
     色散补偿技术用于光孤子通信系统可对ase噪音、孤子相互作用与色散波等进行控制，达到提高系统传输速率增大传输距离和通信容量的目的。目前提出的补偿方案有：
     （1） 终端正色散补偿，在光纤线路终端接一段短而色散量大的正色散光纤，以补偿ase噪声引起的孤子到达时间抖动。研究表明，当色散补偿量达到系统色散总量的50%时，对孤子定时抖动的控制作用最佳，此方案结构简单、经济，并可用于波分复用，以提高通信容量。但是，由于接入的正色散量过大，会引起孤子展宽，限制控制作用发挥。
     （2） 终端正色散补偿与在线滤波控制混合补偿，借助前级滤波器的预处理作用，降低终端正色散补偿光纤的补偿总量和有此产生的色散波以达到最佳的控制效果。
     （3） 周期性集总式色散补偿，为降低高的集总式色散补偿产生的色散波，沿传输系统周期地接入短的色散参数较低的正色散光纤或其它色散补偿元件，将集总式补偿变成准分布的补偿，达到更好的补偿效果。
     （4） 周期性分布式补偿，传输系统用长度接近的正负色散光纤交替连接而成，正色散光纤不仅起色散补偿作用，而且也是传输链路的主要组成部分，正负色散光纤色散参数和长度依一个孤子周期内平均色散为较低的负色散要求确定，以实现长放大器间距、低噪声孤子稳定传输。
     最近几年出现的色散管理孤子，使得光孤子通信增添了新的活力。色散管理孤子是一种周期性分布式补偿方案，由于光纤的色散在空间上交替变化，脉冲在传输过程中经历周期性的展宽和压缩，非常稳定。色散管理孤子比等效的常规孤子有更好的性能，通过合理的选择色散图，可以使光纤的净色散很低，减小脉冲的gorden—hause抖动，孤子的相互作用也小得多。但是，研究表明，对于超长距离传输，信号质量（即snr）仍不够，为了保证传输质量，需要加拉曼放大器。准孤子+拉曼放大器的方案在商用上受到价格方面的挑战，一方面是拉曼放大器昂贵，另一方面是为精确补偿每一跨距端部的色散和失真，还需要其它昂贵的器件。
     4 全谱wdm（full-spectrum wdm）