賈振生  張成良
                （中國電信集團(tuán)北京研究院北京100035）
[b摘要:[/b]當(dāng)前光傳送網(wǎng)中WDM 技術(shù)主要在光纖的C 波段使用，隨著以IP 業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對傳輸帶寬需求的進(jìn)一步增長，更長波長的L 波段的開發(fā)和應(yīng)用越來越成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文深入分析了L 波段應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)，主要包括了碼型技術(shù)、光纖的選擇、光放大技術(shù)以及系統(tǒng)的色散補(bǔ)償和PMD 補(bǔ)償技術(shù)；文章還給出了當(dāng)前商用波分市場上包含L 波段應(yīng)用的1.6T 系統(tǒng)的產(chǎn)品特點(diǎn)，最后結(jié)合前面的技術(shù)及產(chǎn)品分析，并針對中國業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢和光傳送骨干網(wǎng)的實(shí)際情況，提出了L 波段應(yīng)用的建議。
關(guān)鍵詞L 波段調(diào)制碼型光纖光放大色散補(bǔ)償
    近年來，以數(shù)據(jù)、視頻為主的Internet 業(yè)務(wù)每年在爆炸性激增，并逐步超越語音業(yè)務(wù)成為干線鏈路中傳送的主要信息流，這使得目前長途傳輸網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)總量迅速飆生，促使人們不斷尋求新的解決方案進(jìn)一步增加鏈路帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)的能力。
    利用密集波分復(fù)用（DWDM）方式，充分挖掘光纖本身巨大的帶寬資源，是提高傳輸容量最有效的出路�；�于此，長途骨干光網(wǎng)繼續(xù)向超長距離的超密集波分復(fù)用(Ultra DWDM)系統(tǒng)加速邁進(jìn)，這意味著將出現(xiàn)更多的覆蓋波段、更窄的信道間隔、更高的信道速率和更長的再生器跨度。傳統(tǒng)DWDM 在C 波段的研發(fā)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，單一波長的傳輸速率從2.5 Gbit/s 到10 Gbit/s，目前現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)水平已達(dá)到40 Gbit/s，超長距離傳輸達(dá)到了數(shù)千公里無再生。從商用化的角度看，在近幾年內(nèi)最可能得到商用的系統(tǒng)將從目前320 Gbit/s 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向單信道速率為10 Gbit/s、波長信道數(shù)在100～160 之間覆蓋C 和L 兩個(gè)波段、傳輸距離可達(dá)數(shù)千公里的DWDM 系統(tǒng)，其直接的應(yīng)用是大國的國家級干線和國際干線。由于這種包含L 波段應(yīng)用的超寬頻帶傳輸系統(tǒng)中仍存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題有待解決和商用化。因此，目前該領(lǐng)域吸引著一大批研究機(jī)構(gòu)和公司企業(yè)進(jìn)行研究。
    從中國地域特點(diǎn)來看，幅員遼闊、人口眾多，地區(qū)信息化增長潛力較大。因此包含C 和L兩個(gè)波段的寬頻帶傳輸系統(tǒng)在國內(nèi)有著廣闊的市場和應(yīng)用前景，這將使各個(gè)運(yùn)營公司傳輸鏈路的投資和運(yùn)營成本降低，同時(shí)提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，進(jìn)一步提高帶寬供給的競爭力，在未來的國內(nèi)外市場中占據(jù)應(yīng)有的市場份額，并使其能在下一代的信息傳輸技術(shù)方面繼續(xù)與國內(nèi)外研究保持同步發(fā)展。
1 重點(diǎn)技術(shù)
1.1 碼型技術(shù)
    由于不同線路調(diào)制碼型的光信號在光纖色散、SPM（Self-Phase Modulation：自相位調(diào)制）、XPM（Cross Phase Modulation：交叉相位調(diào)制）等非線性的容納能力、頻譜利用率以及對解復(fù)用器的要求等方面具有不同的特點(diǎn)，尤其是在數(shù)千公里以上的超寬頻帶和超長距離傳輸中，不同碼型在傳輸能力以及系統(tǒng)復(fù)雜度方面的不同將顯得尤為突出。C 波段傳輸
各種碼型表現(xiàn)出來的特性在L 波段也有著類似的性質(zhì)，圖1 給出了當(dāng)前傳輸碼型中研究與應(yīng)用較多的幾種。
    對于NRZ 碼，應(yīng)用簡單、成本低、頻譜效率高，在目前主要干線上使用，但其光比特序列的平均功率電平比RZ 編碼高，這使得它們更容易受到非線性失真的影響，由于每一個(gè)脈沖的NRZ 碼元過渡不歸零，它們對傳輸損傷更為敏感，因而對于L 波段而言，不適用于高速超長距離光信號的傳輸。
    對于RZ 碼，非線性容限能力提高，由于其相鄰的光脈沖之間光功率會回到0，相對于NRZ碼來說其定時(shí)變得更為豐富，有利于恢復(fù)時(shí)鐘，可以減小由連1 高功率碼帶來的碼型效應(yīng)，對于長距離和高速率的系統(tǒng)較NRZ 碼更合適，RZ 碼的主要缺點(diǎn)是相對于NRZ，比特過渡的數(shù)量較多而導(dǎo)致信號頻譜寬度的增加，增加調(diào)制器使系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本提高，但相對于NRZ 碼來說，在未來的L 波段的太比特以上容量、長距離的傳輸系統(tǒng)中會得到廣泛使用。
    對于CS-RZ 碼，是在傳統(tǒng)歸零碼基礎(chǔ)上，在每個(gè)相鄰符號位的載波之間加入π的相位差，而不論符號位中是0 碼還是1 碼。載波的相位差也可以看作是信號加一個(gè)負(fù)號而載波不變。這個(gè)有正負(fù)雙極性的信號，其均值為零，所以它的頻譜中，零頻率處無δ函數(shù)導(dǎo)致的尖峰；相應(yīng)的乘以載波以后，在載頻處也沒有尖峰。其頻譜寬度介于RZ 和NRZ 之間，可在增加功率的同時(shí)，保持其非線性容限性能，更適合于在未來L 波段單通道為40Gbit/s 的波分系統(tǒng)中應(yīng)用，但其成本相對較高，目前還處于實(shí)驗(yàn)階段。
雙二進(jìn)制(duobinary)非歸零碼是在傳統(tǒng)非歸零碼基礎(chǔ)上，每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)0 碼，就把載波的相位增加或減少π。引入這樣的相位使得它的頻譜變窄，色散容納能力也增強(qiáng)了，同時(shí)它也具有抑制SBS 的性能。DPSK 是先對要傳輸?shù)拇a列進(jìn)行差分編碼，然后再進(jìn)行相位調(diào)制。先進(jìn)行差分編碼的好處在于，接收端可以通過一個(gè)兩臂時(shí)延相差一個(gè)碼元周期的MZ 干涉儀得到可以直接檢測的信號。而在信號傳輸?shù)倪^程中，由于是相位調(diào)制，其光功率保持恒定，故光纖折射率變化較小，這將回避SPM、XPM 等非線性效應(yīng)。雙二進(jìn)制碼和DPSK 碼是當(dāng)前科研的重點(diǎn)，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長一段距離。
1.2 光纖的選擇
    目前光纖光纜市場符合ITU-T G.65X 規(guī)定的新型特種光纖種類繁多，如針對G.655 型光纖，就有以增加模場有效面積以減小非線性效應(yīng)為方向的Corning 的LEAF 光纖和以低色散斜率為方向的Alcatel 的Teralight 光纖，還有其它廠家的，如長飛的大保實(shí)光纖、原朗訊的TW-RS 等。為了滿足特定需要以及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，要綜合考慮光纖的參數(shù)指標(biāo)：要使光信號非線性小，要選擇大有效面積；要使光信號的FWM/XPM 作用小，要選擇色散系數(shù)大；要使色散補(bǔ)償要求低，需選擇相對色散斜率小；要滿足色散補(bǔ)償光纖長度短，需色散系數(shù)��；要使拉曼放大泵浦功率小、效率高，需選擇小有效面積等，因此選擇與新型器件、新型系統(tǒng)相適應(yīng)的光纖，要權(quán)衡各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。
    與傳統(tǒng)C 波段相比，L 波段的色散與衰減值都發(fā)生了變化。依據(jù)典型商用光纖的參數(shù)可以初步得到一些數(shù)據(jù)，如表1 所示�？梢钥闯鰮p耗值相差不大，基本上還處于第三傳輸窗口的底部，因有一定的斜率，所以在L 波段的邊緣1 625 nm（0.205 dB/km）處會有些差距；而對于色散值則變化比較明顯，G.652 光纖的兩個(gè)波長色散相差2.6 ps/nm/km 左右，G.655 光纖為3.1 ps/nm/km 左右。
          表1 C 波段和L 波段的比較
主要性能指標(biāo)C     波段（1 550 nm）     L 波段（1 600 nm）
損耗（dB/km）          0.188           0.19 G.652
色散（ps/nm/km）      16.69           19.3
損耗（dB/km）          0.197           0.201 G.655
色散（ps/nm/km）       4.813           7.99
    由于G.652B/C 光纖在C 波段和L 波段的色度色散系數(shù)較大，一般為17～22 ps/nm/km，同時(shí)它還有較大的模場有效面積，非線性容限將增強(qiáng)。因此，它可以克服光纖非線性的劣化影響，目前商用的N×2.5 Gbit/s 的DWDM 系統(tǒng)大都采用G.652 光纖，在更高速的N×10 Gbit/s的DWDM 系統(tǒng)時(shí),則需要采用色散補(bǔ)償措施,增加了光纖放大器，提高了系統(tǒng)成本，當(dāng)信道間隔減小，信道數(shù)進(jìn)一步增加并將使用波段擴(kuò)展至L 波段，其過大的色度色散系數(shù)將成為制約系統(tǒng)使用的主要因素，因此對于未來L 波段的應(yīng)用并不推薦G.652 光纖的使用。
    對比而言，由于G.655 光纖具有較低的色散系數(shù)和較小的模場有效面積,因此，它可以有效地克服光纖色度色散系數(shù)的劣化影響，適用于開放通道基礎(chǔ)速率為10 Gbit/s 甚至40Gbit/s 的系統(tǒng)，從應(yīng)用情況來看，G.655A 光纖在技術(shù)上已完全成熟，進(jìn)入了大規(guī)模的應(yīng)用時(shí)期。在國內(nèi)，國家干線光纜網(wǎng)上已開始使用G.655A 光纖，而G.655B 光纖在G.655A 的基礎(chǔ)
上，更適合超高密度超寬頻帶波分系統(tǒng)的應(yīng)用，目前G.655B 型光纖生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)很成熟，今后對于L 波段系統(tǒng)而言，G.655B 光纖應(yīng)該成為首選。
1.3 光放大技術(shù)
    光信號放大功能由光放大器實(shí)現(xiàn)。其中C 波段摻鉺光纖放大器(EDFA)已廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，目前，能實(shí)現(xiàn)L 波段放大的光纖放大器有三種：增益位移摻鉺光纖放大器(GS-EDFA)、摻鉺碲化物光纖放大器（EDTFA）和光纖喇曼放大器（FRA）。
    近年來，隨著GS-EDFA 技術(shù)的不斷成熟和完善，利用其實(shí)現(xiàn)L 波段、C＋L 波段和帶寬更寬的S＋C＋L 三波段的WDM 傳輸?shù)膱?bào)道也越來越多�，F(xiàn)在，GS-EDFA 的基本原理和特性已經(jīng)研究得比較深入，其飽和增益特性、增益平坦、溫度穩(wěn)定性及補(bǔ)償方法等方面均有研究。其它各種適用于L 波段的光通信器件，如信號源、耦合器、增益平坦濾波器等也不斷地被研制成功，隨著L 波段市場應(yīng)用需求的增強(qiáng)，GS-EDFA 的商業(yè)應(yīng)用指日可待。
    與L 波段EDFA 相比，EDTFA 的基本結(jié)構(gòu)是相同的，但所需的摻鉺光纖的長度在相同摻雜濃度下大大減小。EDTFA 具有增益帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有自身難以克服的不足，如難以與常規(guī)的石英光纖熔接，只能采用V 型槽連接法，導(dǎo)致較大的插入損耗。由于碲化物光纖具有較高的非線性系數(shù)，EDTFA 在WDM 系統(tǒng)中引起的交叉相位調(diào)制(XPM)和四波混頻(FWM)效應(yīng)遠(yuǎn)高于石英基質(zhì)EDFA，因此，EDTFA 在傳輸系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的時(shí)機(jī)尚不成熟。
    光纖拉曼放大器（FRA）除了同EDFA 一樣，具有全光纖結(jié)構(gòu)，易與傳輸光纖實(shí)現(xiàn)良好的耦合，對傳輸信號格式及調(diào)制速率透明的優(yōu)點(diǎn)外，其放大頻帶的靈活性（包括頻帶的位置及帶寬），及由其分布式放大所帶來的低噪聲的特點(diǎn)，使其成為經(jīng)濟(jì)可靠地實(shí)現(xiàn)大容量長距離光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。
    三種L 波段光纖放大器中，增益位移摻鉺光纖放大器是研究最多，也是最成熟和最接近商用的；摻鉺碲化物光纖放大器由于具有較大的增益帶寬和較小的噪聲指數(shù)而異軍突起，正處于研究最熱的階段；光纖喇曼放大器能實(shí)現(xiàn)的增益帶寬更寬，噪聲指數(shù)也較小，但由于成本等方面的限制，目前主要用于EDFA 無法放大的波段，或作為分布式光纖放大器與EDFA 組成混合放大器，用于提高WDM 系統(tǒng)的傳輸性能，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步提高，成本的進(jìn)一步下降，DRA的應(yīng)用將會越來越廣。
1.4 色度色散補(bǔ)償與PMD 補(bǔ)償
    L 波段的應(yīng)用意味著色散控制需要在C 和L 兩個(gè)波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)，色散斜率的存在和波長范圍的擴(kuò)展，意味著較短波長與較長波長之間的色散累積差別將增大，因而針對不同波長就會有不同的補(bǔ)償量。L 波段有著更長的波長，對G.655 和G.652 兩種光纖類型而言，其色散系數(shù)比C 波段大2～3 ps/nm/km，因而在補(bǔ)償過程中，與C 波段有所不同，要重新考慮整個(gè)系統(tǒng)的傳輸距離，分析補(bǔ)償量。對于L 波段的系統(tǒng)，基本在10 Gbit/s 及其以上速率應(yīng)用，因其色散與偏振模色散的影響變得很嚴(yán)重，在色散補(bǔ)償技術(shù)方面，L 和C 兩個(gè)波段具有類似的性質(zhì)，相應(yīng)的補(bǔ)償方法也基本一致。
    在補(bǔ)償技術(shù)的選擇方面，長啁啾光纖光柵等色散補(bǔ)償模塊的方法由于帶寬窄、溫度敏感及復(fù)雜的封裝等問題，真正商用還需進(jìn)一步觀察。高階模色散管理和采用頻譜反轉(zhuǎn)技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)姆绞郊夹g(shù)先進(jìn)，但設(shè)備較復(fù)雜，穩(wěn)定性沒有足夠的保證，還不是當(dāng)前應(yīng)用的重點(diǎn)，但要積極跟蹤其商用化發(fā)展。當(dāng)前，盡管存在著各種缺點(diǎn)，色散補(bǔ)償光纖仍是對原有G.652 光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償與管理的主流商用方案。對于偏振模色散的補(bǔ)償，對于2.5 Gbit/s 和10 Gbit/s商用系統(tǒng)還不需考慮，而對于超長距傳輸以及40 Gbit/s 系統(tǒng)則不可避免地要去考慮，而且還應(yīng)注意到高階PMD 的問題，在目前PMD 補(bǔ)償器件并不成熟的條件下，PMD 補(bǔ)償?shù)脑瓌t是：盡量選取優(yōu)良光纖和優(yōu)良碼型以及采用FEC 或EFEC 技術(shù)，避免PMD 的補(bǔ)償。
2 市場產(chǎn)品
    在過去的幾年中，2.5 Gbit/s 系統(tǒng)是實(shí)際應(yīng)用設(shè)備的主體，但在北美對于2.5 Gbit/s 系統(tǒng)的使用已經(jīng)基本飽和，在10G 系統(tǒng)已經(jīng)開通了4～8 個(gè)通道，對于中國而言，隨著業(yè)務(wù)的增長，10 Gbit/s 系統(tǒng)已經(jīng)開始在多個(gè)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。目前電信網(wǎng)絡(luò)中使用的波分系統(tǒng)的主流設(shè)備是32×10 Gbit/s、40×10 Gbit/s，全球?qū)嶋H敷設(shè)的DWDM 系統(tǒng)已經(jīng)超過3 000個(gè)，而實(shí)用化系統(tǒng)的最大容量已經(jīng)達(dá)到400 Gbit/s。在長距離傳輸系統(tǒng)中DWDM 已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)通道已有128、160、176 等數(shù)目，總傳輸容量可以達(dá)到Tbit/s。設(shè)備商由過去的少數(shù)壟斷發(fā)展到現(xiàn)在的百家爭鳴，而且各具特色，使得寬帶波分系統(tǒng)的市場供應(yīng)相當(dāng)繁榮。
    在商用波分產(chǎn)品中，包含L 波段應(yīng)用的系統(tǒng)主要是指1.6 Tbit/s 系統(tǒng)，目前世界上實(shí)用化1.6 Tbit/s 長距離傳輸系統(tǒng)的設(shè)備供應(yīng)商有多家。除了Alcatel、Lucent、Nortel、Siemens、NEC 等公司之外，在高容量長途光傳輸系統(tǒng)方面出現(xiàn)的一些新的設(shè)備，例如Corvis公司的3.2 Tbit/s 系統(tǒng)、Marconi 公司的SmartPhotoniX UPLx160 系統(tǒng)、Hitachi Telecom(USA) 公司的AMN 6100 等。
   1.6Tbit/s 的光傳輸設(shè)備均采用開放式機(jī)架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)支持多速率接口，可以實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)，支持多種類型的組網(wǎng)方式，如2 纖或4 纖環(huán)。系統(tǒng)單通道的傳輸速率為10 Gbit/s，工作波段在C 波段和L 波段兩個(gè)波段，在這兩個(gè)波段范圍內(nèi)各分配80 波，共160 波（只有Ciena公司的1.6Tbit/s 系統(tǒng)只工作在C 波段，采用25 GHz 通道間隔技術(shù)）。系統(tǒng)支持多種光纖類型，采用帶外FEC 設(shè)備（除Nortel 采用帶內(nèi)FEC）。一般采用MUX/DEMUX+Interleaver 技術(shù)。C 波段放大器主要采用傳統(tǒng)的、技術(shù)比較成熟的EDFA，L 波段放大器，有的廠商采用了GS-EDFA（傳輸距離在1000km 左右），有的采用EDFA+Raman 放大器技術(shù)，使系統(tǒng)信噪比改善、傳輸距離增加（傳輸距離達(dá)到2000 km）。設(shè)備采用色散補(bǔ)償模塊進(jìn)行色散補(bǔ)償，有的設(shè)備采用目前比較看好的光孤子技術(shù)作為超長距離傳輸方面使用（如Marconi、Lucent 的1.6Tbit/s 系統(tǒng)，使傳輸距離增大到3000 km）。
3 總結(jié)
    對于L 波段的應(yīng)用，要充分考慮L 波段重點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展和其產(chǎn)品的成熟程度，在此基礎(chǔ)上分析實(shí)際業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，同時(shí)還要研究各個(gè)運(yùn)營商自己當(dāng)前實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的容量及可升級的能力情況來綜合決定L 波段在現(xiàn)網(wǎng)中的實(shí)際投入應(yīng)用的時(shí)間。
    對于早期鋪設(shè)色散位移光纖的運(yùn)營商最為關(guān)心L 波段的應(yīng)用，像日本、意大利和南美洲一些國家的主要運(yùn)營商。因?yàn)镈SF 在C 波段1 550 nm 處色散為零，四波混頻的非線性影響較大，特別是當(dāng)進(jìn)一步減小信道間隔進(jìn)行擴(kuò)容的時(shí)候，這種影響將更加明顯。而在L 波段較小的色散，避免了各個(gè)通道之間的相位匹配，在很大程度上減輕了四波混頻造成的傳輸損傷，因此使用L 波段傳輸信號是其擴(kuò)充容量的首選。日本的NTT 于2003 年1 月30 日使用朗訊WaveStar. OLS 400GL 開通使用了L 波段，這可以說是世界上首個(gè)使用L 波段進(jìn)行實(shí)際信號傳輸?shù)倪\(yùn)營商。
    對于中國增長較快的數(shù)據(jù)多媒體業(yè)務(wù)，其所需帶寬當(dāng)前主要通過在一期系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)容，主要方式是在系統(tǒng)終端增加OTU 板，加開波分系統(tǒng)的波長通道來提高容量，而L 波段真正在中國的使用將是2 年以后的事情。而對于未來新建系統(tǒng)，應(yīng)該考慮到今后擴(kuò)容升級的問題，在選用波分設(shè)備時(shí)，初期可以配置較少，但應(yīng)具備升級到L-band 的能力。采用這樣的規(guī)劃，可以在未來避免重復(fù)性投資和減少追加投資。
    [作者簡介] 賈振生,清華大學(xué)碩士，中國電信集團(tuán)北京研究院技術(shù)部傳送與接入網(wǎng)研究室工程師；張成良，中國電信集團(tuán)北京研究院技術(shù)部主任，高級工程師，國內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)研究組傳送網(wǎng)組長。
    L-band Application in WDM System Jia Zhensheng, Zhang Chengliang
(China Telecom Beijing Research Institute, Beijing 100035)
Abstract Fiber c-band has been deployed by means of wavelength 
division multiplexing(WDM) technology in the current transport
networks. As the data traffic relying mainly on IP traffic being
right to the further growth for transmission bandwidth demand,
the development and application of Lband in fiber becomes
the focal point that people pay close attention to more and more.
The key technologies for L-band application are analyzed deeply 
here, which mainly include the modulation format,
the selection of fiber types, the optical amplification
technology, the chromatic dispersion compensation and 
polarization maintained dispersion(PMD) compensation technology.
The product characteristics of 1.6Terabits system in which
L-band is used in the current vendor markets are investigated.
Finally, combined the previous analysis for the key technologies
and the systems, and simultaneously considered the trend of
the traffic and the actual conditions of our country transmission
backbone network, the suggestions of L-band application are
presented Key words L-band modulation format fiber optical amplification dispersion compensation（收稿日期：2003-08-06）
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fiber lines with distributed Raman amplification in 1.28Tb/s
(32*40Gb/s),202km unrepeatered trasmission'