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        關(guān)于光纖通信傳輸?shù)膹?fù)用技術(shù)的探討

        2016-04-25 00:39:33唐大維
        中國科技博覽 2016年14期
        關(guān)鍵詞:復(fù)用技術(shù)通信技術(shù)光纖

        唐大維

        [摘 要]文章從光纖通信發(fā)展中的復(fù)用技術(shù)入手,總結(jié)每種復(fù)用技術(shù)各自的特點(diǎn),找出技術(shù)發(fā)展的瓶頸,探尋更適用于當(dāng)今光交換網(wǎng)的復(fù)用方式,著力于當(dāng)今通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容問題,并就未來復(fù)用技術(shù)的趨勢與應(yīng)用前景作出展望。

        [關(guān)鍵詞] 通信技術(shù);復(fù)用技術(shù);光纖

        中圖分類號(hào):TP203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-914X(2016)14-0251-01

        1 波分復(fù)用技術(shù)(WDM)

        波分復(fù)用技術(shù)可以說是光纖通信復(fù)用技術(shù)的經(jīng)典了,它標(biāo)志著復(fù)用技術(shù)從電域邁向了光域,其意義堪比第一個(gè)吃螃蟹的人。

        1.1 波分復(fù)用技術(shù)的原理

        波分復(fù)用技術(shù)是指在一根光纖上同時(shí)傳輸多波長光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)組合(復(fù)用)起來, 并耦合到光纖線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸,在接收端又將組合波長的光信號(hào)分開(解復(fù)用), 并作進(jìn)一步處理,恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。

        1.2 波分復(fù)用的主要優(yōu)勢

        波分復(fù)用主要是在一根光纖內(nèi)傳輸多個(gè)波長的數(shù)據(jù),因此其最大的優(yōu)勢就是擴(kuò)充了帶寬,復(fù)用幾個(gè)波長就增加幾倍的帶寬。另外光信號(hào)在各個(gè)波長中獨(dú)立傳輸,互不干擾。同時(shí)各波分復(fù)用信道對(duì)信息比特、數(shù)據(jù)格式和電調(diào)制方式透明化,對(duì)光纖通信系統(tǒng)的擴(kuò)容具有很大方便性。新加入的另一系統(tǒng)在調(diào)制方式和傳輸速率上不受原系統(tǒng)的約束和限制,且不同容量的光纖系統(tǒng)及數(shù)字和模擬信號(hào)均可兼容傳輸。

        1.3 波分復(fù)用的瓶頸

        波分復(fù)用技術(shù)的瓶頸一是在器件上,二是在技術(shù)上。在器件上,以二氧化硅為材料的光纖可利用的波長范圍有限,雖然摻餌放大器帶寬吻合二氧化硅衰減特性曲線,但是隨著波分復(fù)用傳輸技術(shù)的速率增加,所用到的摻餌放大器(EDFA)達(dá)到了自己的極限,其增益不平坦性開始產(chǎn)生較大的影響,增益平坦濾波器起到的作用越來越小。而在技術(shù)上,限制波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的因素還有色散、交叉相位調(diào)制干擾和四波混頻等影響因素。未來的波分復(fù)用技術(shù),應(yīng)向消除二氧化硅材料的衰減峰及采用增益更平坦、帶寬更寬的放大器的方向做進(jìn)一步研究。

        2 時(shí)分復(fù)用技術(shù)(OTDM)

        為了可以在帶寬資源一定的情況下更好地提高傳輸速率,同時(shí)減小波分復(fù)用技術(shù)中非線性因素對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀鈺r(shí)分復(fù)用的技術(shù)被研究了出來。

        2.1時(shí)分復(fù)用技術(shù)的原理

        光時(shí)分復(fù)用的原理同電時(shí)分復(fù)用類似,以4路復(fù)用信號(hào)為例。在復(fù)用器的輸入端光脈沖被分成4路,各自被各路的電信號(hào)所調(diào)制。調(diào)制后的各路光信號(hào)又各自延遲一相對(duì)應(yīng)的延時(shí)量, 然后在輸出端合成為4倍速率的信號(hào)。

        2.2 時(shí)分復(fù)用的主要優(yōu)勢

        光時(shí)分復(fù)用技術(shù)能克服由放大器級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的譜不均勻性、非理想的濾波器和波長變換所引起的串話、光纖非線性的限制、苛刻要求的波長穩(wěn)定性裝置及昂貴的可調(diào)濾波器等諸多技術(shù)難題,單波長的傳輸簡化了放大器級(jí)聯(lián)管理和色散的技術(shù)問題。另外,光時(shí)分復(fù)用技術(shù)可簡單地接入極高的線路速率(高達(dá)幾百Gbit/s),雖然網(wǎng)絡(luò)的總速率雖然很高,但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),電子器件只需以本地的低數(shù)據(jù)速率工作。

        2.3 時(shí)分復(fù)用的瓶頸

        時(shí)分復(fù)用的瓶頸在于光脈沖的發(fā)送與提取上。發(fā)送端,光脈沖的形狀往往無法達(dá)到高斯脈沖般標(biāo)準(zhǔn),寬窄程度則更受限于光纖環(huán)形鎖模激光器。光脈沖質(zhì)量越好,則成本越高,如何降低成本成為限制光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的一大問題。超窄光脈沖的提取是另一大瓶頸,和前面相同,如何能夠研發(fā)出小體積低成本具有相應(yīng)功能的半導(dǎo)體器件,提高穩(wěn)定性與可靠性并降低成本,是光時(shí)分復(fù)用技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向商用的第一大難題。

        3 碼分復(fù)用技術(shù)(OCDMA)

        光碼分復(fù)用通信系統(tǒng),是給每個(gè)用戶分配唯一的光正交碼的碼字作為該用戶的地址碼(或稱簽名序列)對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息用該地址碼進(jìn)行光編碼,實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。在接收端,用與發(fā)端相同的地址碼進(jìn)行光解碼,實(shí)現(xiàn)用戶之間相互通信。

        3.1 碼分復(fù)用技術(shù)的原理

        OCDM是在電CDM技術(shù)基礎(chǔ)上演變出來的。當(dāng)數(shù)據(jù)為“ 1”時(shí)光開關(guān)接通,將窄光脈沖送至光正交碼編碼器,輸出一長度為n、碼重(碼字中包含“1”的個(gè)數(shù))為w 的光正交碼,送入公共信道( N個(gè)用戶)實(shí)現(xiàn)復(fù)用。

        3.2 碼分復(fù)用技術(shù)的主要優(yōu)勢

        比起波分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用技術(shù),碼分復(fù)用技術(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的復(fù)用與交換,沒有像光波分復(fù)用系統(tǒng)那樣對(duì)波長具有嚴(yán)格的要求,另一方面,也不需要光時(shí)分復(fù)用那樣嚴(yán)格的時(shí)鐘同步,收發(fā)設(shè)備的成本很低。而且碼分復(fù)用技術(shù)可以動(dòng)態(tài)分配帶寬,沒有嚴(yán)格的容量意義,擴(kuò)展與網(wǎng)管都非常容易,保密性較高,多址接入的方式更加靈活。

        3.3 碼分復(fù)用技術(shù)的瓶頸

        與移動(dòng)通信類似,光碼分復(fù)用的技術(shù)也存在著隨著用戶數(shù)的增加,系統(tǒng)性能不斷降低的劣勢,是一種干擾受限系統(tǒng)。此外,光碼分復(fù)用技術(shù)實(shí)用性并不強(qiáng),全光CDMA可支持的用戶數(shù)有限,多用戶的光脈沖同時(shí)在一條光纖上傳輸,串?dāng)_問題尚待更好的解決方式。目前由于光相位調(diào)制技術(shù),相干光解調(diào)技術(shù)發(fā)展不夠成熟,只能使用脈沖時(shí)間編碼的方式,編碼方式較為單一。

        4 模分復(fù)用技術(shù)(MDM)

        雖然傳統(tǒng)基于單模光纖的通信系統(tǒng)的容量不斷增加,但始終無法突破固有的香農(nóng)極限。為了使光通信系統(tǒng)容量能進(jìn)一步的提高,模分復(fù)用技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

        4.1 模分復(fù)用技術(shù)的原理

        單模光纖將已調(diào)制的信號(hào)傳送至與之相連的模式轉(zhuǎn)換器,提高模式的階數(shù),將低階模式轉(zhuǎn)換成高階模式。在進(jìn)行了模式轉(zhuǎn)換之后,高階模式被一根短距離的少模光纖傳輸至空間模式復(fù)用器,彼此正交的模式經(jīng)過它作用后被復(fù)用在了一起,之后光波按照一定的歸一化頻率V形成導(dǎo)模進(jìn)行傳輸。

        4.2 模分復(fù)用技術(shù)的主要優(yōu)勢

        模分復(fù)用技術(shù)最大優(yōu)勢就是充分?jǐn)U展了帶寬容量,與波分復(fù)用類似,有幾種模式就擴(kuò)充了幾倍。同時(shí)由于具有比較大的有效面積,多模光纖可以減少光纖非線性現(xiàn)象。且較大的纖芯直徑和數(shù)值孔徑讓多模光纖在安裝與維護(hù)上都比單模光纖要容易。

        4.3 模分復(fù)用技術(shù)目前的研究瓶頸

        模分復(fù)用畢竟是要采用多模光纖進(jìn)行傳輸,因此它的模間色散較為嚴(yán)重,目前實(shí)驗(yàn)室更多是在少模光纖的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究以減少模間色散的影響。而且模間色散的問題讓多模光纖不適用于長距離傳輸,更多用于短距離局域網(wǎng)的互聯(lián)。此外,模分復(fù)用技術(shù)對(duì)器件要求也會(huì)比較高,做出低成本集成化的傳輸器件較為不易。

        5 全光網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)的未來展望

        全光網(wǎng)絡(luò),是指信號(hào)只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)才進(jìn)行電/光和光/電的變換,而在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和交換的過程中始終以光的形式存在。如今網(wǎng)絡(luò)中全光的傳輸技術(shù)已經(jīng)可以由無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。就目前來看,組網(wǎng)中的復(fù)用技術(shù)主要依靠波分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用,也包括一部分的碼分復(fù)用技術(shù),雖然運(yùn)行當(dāng)前的光交換網(wǎng)絡(luò)沒有問題,但是隨著未來用戶數(shù)目的增加,網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)的換代升級(jí)也是肯定要進(jìn)行的。

        就目前的研究成果和本文所介紹的技術(shù)來看,WDM/OCDMA的混合復(fù)用技術(shù)是下一代復(fù)用技術(shù)的首選。時(shí)分復(fù)用技術(shù)雖然提升了速率,但是并沒有有效地?cái)U(kuò)展帶寬,不能夠同時(shí)為所有用戶提供千兆比特級(jí)的服務(wù)。而且時(shí)分復(fù)用對(duì)光器件要求十分苛刻,其較高的成本無法應(yīng)用于下一代商用網(wǎng)絡(luò)?;旌蟇DM/OCDMA中,WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶的大容量高帶寬接入,OCDMA技術(shù)能夠使多用戶同時(shí)靈活、安全地接入網(wǎng)絡(luò),兩者起到相得益彰的效果;網(wǎng)絡(luò)中的大部分處理過程都是在光域中進(jìn)行的,關(guān)鍵設(shè)備基本都是無源的,可以做到維護(hù)簡單。

        參考文獻(xiàn)

        [1]楊薇.光波分復(fù)用技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用[J].科技傳播,2014.

        [2]章喆.高速DWDM通信技術(shù)及進(jìn)展[J].光通信研究,2015.

        [3]王健全.復(fù)用技術(shù)在光通信中的應(yīng)用[J].信息網(wǎng)絡(luò),2002.

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