（光学专业论文）cwdm自愈环网和光电结合3r技术.pdf

摘要 粗波分复用( c w d m ) 系统是当今城域网中接入网部分的最佳解决方式，具有容量大、 业务透明性高和成本较低等优点。针对通信网络系统的自愈功能要求，本文提出了一 种固定波长分插复用( o a d m ) 的c w d m 自愈环网系统，该系统具有高性价比、多业务透 明传输和自愈可靠性等优点，能够满足目前一些网络的应用要求。针对当今c w d m 系统 环网结构损耗较大的问题，本文分析了传统的光一电一光3 r 再生技术和全光3 r 再生技 术，取其优点，将全光时钟提取和电路恢复数据交叉技术相结合，提出新型3 r 再生技 术方案。该技术方案比全光方式成本低，并且能在电层面进行波长转换和光路交换， 应用更灵活。与电的时钟数据恢复( c d r ) 相比，消除了电时钟提取的对速率限制，同 时对码型和速率的不敏感提高业务传输的透明性。因此具有广泛的应用前景。 关键词：粗波分复用自愈环网城域网3 r 再生 c w d mt e c h n o l o g yi sab e s t s o l u t i o nf o r t h ea o c e s sn e t w o r ko fm e t r o p o l i t a n t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k s i th a sm a n yv i r t u e s ，f o ri n s t a n c eh i g hb a n d w i d t h ，t r a n s p a r e n c yt o t r a f n ca n dl o wc o s t i na l l u s i o nt ot h ed e m a n do fs e l f - r e c o v e r yf u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ks y s t e m t h i sa s s a yp o i n t so u tas e l f - r e c o v e r yc w d m r i n gn e t w o r ks y s t e mw i t h o a d mo fi n v a r i a b l el i g h t - w a v e t h i ss y s t e mc a np r o v i d eh i g hp e r f o r m a n c ew i t hl o wc o s t , t r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o nw i t hl o t so fp r o t o c o l sa n ds e l f r e c o v e r y , t h e s ev i r t u e sc a ns a t i s f y s o m ea p p l i c a t i o n sn o w a d a y s b e c a u s eo ft h ep o t e n t i a lp r o b l e mo ft o d a y sc w d m s y s t e m r i n gn e t w o r ks t r u c t u r ew i t hh i g ha t t e n u a t i o n 。t h i sa s s a yc o n c l u d e sw i t l las i m p l ea n a l y s i so f t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et y p i c a lo e - o3 rr e g e n e r a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h ea l l - o p t i c a l3 r r e g e n e r a t i o nt e c h n i q u e s ，t h e np o i n t so u tan e w3 rr e g e n e r a t i o nt e c h n i q u e c o m p a r i n gt o a l l - o p t i c a lw a y , t h i st e c h n i q u ec a np r o v i d eal o wc o s t ，t r a n s f o r m i n gl i g h t - w a v ea n d e x c h a n g i n go p t i c a li n f o r m a t i o ni nc i r c u i t c o m p a r i n gt oc i r c u i tc l o c kd a t ar e c o v e r y , i tc a n a l s oe l i m i n a t et h el i m i to fr a t ea n de n h a n c ei t sc a p a b i l i t yo ft r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o nd u et o i n s e n s i t i v i t yt oc o d es h a p ea n dr a t e t h e r e f o r e ，t h i st e c h n i q u eh a sab r o a d e na p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s ：c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs e l f - r e c o v e r yr i n gn e t w o r k 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，c w d m 自愈环网和光电结合3 r 技术 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：銮垄蕴丝曼年立月笪日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士，博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文 作者签名：堑舀丝星年立月鲨日 指导导师签名：壹! ! 望丝! 垒年土月翌日 1 1c w d m 系统简介 第一章绪论 近年来，随着密集波分复用( d w d m ) 技术广泛应用于高速宽带骨干网及d w d m 系统的 大量铺设，限制传输发展的瓶颈逐渐由原先的骨干网转移到了城域网。在短途的应用 中，采用粗波分复用( c w 叫) 技术可比采用d w d m 技术节省3 0 的成本“1 。这是由于c w d m 技术具有较大的波长间隔和通带宽度，降低了对激光器、滤波器及复用解复用器等器 件的要求，大幅度降低了制造成本。c w 咖系统通过波长转换单元实现与客户端设备的 适配和互联互通，使城域网中的多种协议、多种速率业务同时共存。 城域网( m e t r o ) 原指城域范围的计算机网络。今天城域网业务的主体正在发生深刻 的变化，数据通信和电信技术的发展赋予城域网新的内涵，将城域网的概念延伸到整 个通信网络。业务类型从单纯的时分复用业务为主、2 m b s 为颗粒向数据业务为主、宽 带接口过渡。业务类型的变化必然带来物理层基础网络的变化。运营商面临着对城域 传送网络重新规划设计和建设的任务，如何进行有效的规划，保证从过去单纯满足话 音传输为主、相对静态的网络过渡到支持多业务、动态扩展性强的网络，是每个运营 商都关心的问题。 c w d m 系统主要面向城域网接入层嘲，是一种低成本的波分复用( w 嗍) 系统。系统 中的波长转换单元把承载的业务信号波长转换为c w d m 系统选定的波长，波分复用单元 把输入的不同波长光信号耦合到一根光纤，传输到接收端后经过光解复用单元，将信 号分离出来再送到相应的网络设备。c w d m 的信道间隔为2 0 h m ，而d w d m 的信道间隔从 0 2 r i m 到1 2 n m ，所以相对于d w d m ，c w i ) m 被称为粗波分复用技术。根据i t u tg 6 9 4 2 的建议0 1 ，c w d m 的工作波段可在1 2 9 0 n m 1 6 1 0 n m 的频谱内扩展到1 6 个复用波长，波 长间的信号互不牵涉，每个波长都可以进行灵活上下。c w d m 技术以其低成本、大容量、 业务的透明性和易扩展性成为一种经济实用的宽带城域传送网建设方案。 目前城域网主要的组建方法有两种：一种是相对较大的三级组网方法，另一种是相 对小一些的二级组网方法。针对不同的城市规模可选择合适的组建方式，但无论是三 级组网方法还是二级组网方法，c w d m 技术都是应用在网络的接入层部分，即直接面对小 区用户。图1 1 所示为三级组网方法，主要分骨干网、汇聚网和接入网三个级别：骨 干网节点最少，承载的业务量也是最大的，一般采用d w d m 设备来实现；汇聚网的节点 要比骨干网多一些，一般采用s d h 设备实现；而接入网的节点数量最多，有时候可达 到几千个，综合参考设备的价格和性能，最佳选择是c w d m 设备。对于一个中等城市来 说，假设有3 0 0 万人口，平均分布在城市的各个小区，如果每个小区平均有3 0 0 0 人， 则整个城市就需要1 0 0 0 个小区，每个小区都需要配一台c w d m 设备。如此多的设备如 用价格昂贵的d w i ) m 设备或s d h 设备代替是不实际的。所以利用三级网来实现3 0 0 万人 口城市的网络需求，最佳选择就是使用1 0 个d w d m 节点设备，1 0 0 个s d h 节点设备，1 0 0 0 个c w d m 节点设备来组建网络。 一d w d m 设 c w d m 设 s d h 设备 图1 1 城市三级网示意图 对一些小城市来说，二级网就能满足城市的网络需求，结构如图1 2 所示。二级网 中把骨干网和汇聚网缩减成一个网，用s d h 设备或d w d m 设备均可实现。接入层仍然需 要c w d m 设备。所以在城域网中，c w d m 系统由于价格便宜、带宽容量大、透明度高等优 势是目前接入网最佳解决方案。 c w d m 设备 s d h 设备 图1 2 城市二级网示意图 当今的网络内容不再局限于传统的t d m 语音等业务，随着网络的发展与深化，一 网多业务的要求越来越显著，而c w d m 系统的性能恰好满足了这个要求。又由其成本低、 传输透明性好和容量大等优点，c w i ) m 系统占据了其他设备无法取代的地位。目前c w d m 2 主要运用在城域网范围内，支持多业务接入，包括s o n e t s d h 、a t m 、g e 、f i b e rc h a n n e l 等电信和i p 数据业务。在业务信号复杂多变的城域网中，c w d m 系统对信号所具有的透 明性可以对从不同设备出来的信号不进行速率和帧结构调整，直接进行透明传输，给 用户以最大的灵活性和方便。 根据c w d m 系统的使用方向，在实际应用中也面临着很多问题。首先，c w d m 系统在 城域网中的位置是接入层，直接面向用户，一个网内就可能需要几千台甚至更多的设 备，设备的性价比便成为重要问题之一；其次，c w d m 系统配网对传输距离都有一定的 要求，一个c w d m 环形网要求能够覆盖一定的区域范围，这样才能满足各种复杂的组网 情况，而系统中的各种损耗及高速率下的色散却严重的限制了传输距离。再有，对于 越来越多类型业务的增加，多业务同网传输显得至关重要，c w d m 系统要有相当的透明 性才行。然而目前无源c w d m 全光交换网络还处于研发阶段，难以实现商用，所以对业 务类型的限制也无法完全摆脱。设计网络的时候要尽可能想办法解决上述的问题，尽 量使组网更加灵活、可靠，这对实际应用是十分重要的。灵活可靠的组网技术能够大 大地简化网络结构。 1 2c w d m 组网技术和信号再生技术研究现状 为了满足通信网络组网灵活的要求，c w d m 系统的结构经常需要点对多点或多点对 多点，这就需要波长的分插复用功能( o 加m ) 。由o a 聊组成环形结构，可以实现环形 自愈的功能，增加网络的可靠性，这也是城域通信网的要求之一。因此，目前电信设 备供应商，例a c t e l 、m e r i t o n 等都推出自愈环网的c w d m 系统。 c w d m 环网技术的关键体现在c w d m 系统的主要光学器件性能和自愈功能上，尤其体 现在0 a d m 功能的实现。0 a d m 具有分波合波的功能和自愈切换功能，通常还具备波长转 换、信号放大和再生功能。目前的研究主要集中在自愈机制的实现和调度业务的机制 上。s t a n f o r d 大学的s u s s e s s 网研究组提出了t d m 和w d m 结合的业务调度和保护机制 【铂 o c w d m 技术由于对发光光源和波分复用的要求放宽了，在光源和0 a d m 实现分插复用 方面的成本比d w d m 技术要低很多。然而，c w d m 系统的o a d m 对光能量的衰减很大，通 常由8 个o a d m 节点组成的c w d m 环网系统的传输距离在每波长传输速率l o g b i t s 的条 件下只有几十公里左右，达不到城域网的实用要求。 因此，高速c w d m 环网系统在城域网中应用的主要问题转移到光能量衰减问题。目 前关于c w d m 通信系统的研究也集中在这个方面，解决衰减的最佳办法是将信号进行再 生。根据再生信号的程度，再生方法可以分为一层到三层的再生，即l r 、2 r 和3 r 。c w d m 的l r 全波段放大比较困难，因为其光波波长覆盖了整个1 2 0 0 n m 到1 6 0 0 n m 的范围。现 有全光放大的办法有e d f a 、拉曼放大和s o a ( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) ， 只有s o a 可以覆盖较宽的c w d m 工作范围。1 。但是s o a 的增益平坦度和噪声问题影响其 3 广泛应用”，通常需要多个s o a 才能覆盖所有工作波段。美国学者s e o i j i np a r k 等人 提出了通过生长新型半导体材料改变半导体中势垒间隔来实现更好增益平坦度和更小 噪声的办法”1 ，虽然如此，但还没有较好的s o a 商用放大器。 目前最简单的方法是将系统中各波长分别解下来以后分别进行再生。根据再生机制 不同，这类办法又分为全光和光一电一光( o - e - 0 ) 。通盘考虑衰减和色散等因素，需要对 各路信号进行3 r 再生，信号再生后不但对能量有补偿，同时可以去除色散等其他影响 因素。3 r 再生的关键是时钟数据恢复( c d r ) ，包括以锁相环为基础的时钟恢复和由恢 复的时钟对源信号的判决，其时钟恢复是核心。相应的全光的3 r 再生的关键就是全光 的c d r ，即时钟恢复和信号判决都是在光层面进行，其核心是光时钟提取。现在全光时 钟提取的办法主要依靠s o a 的非现性交叉增益调制和交叉相位调制等非线性效应。 c w d m 系统目前处理再生的主流机制是o - e - o 的方法，因为o - e - o 方法价格相对便 宜，同时当其恢复出电信号后又方便波长的转换和路由交换。o - e 一0 形式的3 r 再生的 关键是在光信号转换成电信号后的c d r ，即电信号的时钟和数据恢复，包括电形式的时 钟提取和信号判别。电时钟提取的办法是各种电的锁相环，由于电锁相环内寄生电容 电感的限制，目前电c d r 的速率极限在l o g b s 到4 0 g b s ，达到极限时的实现成本会很高， 不符合c w d m 的廉价要求，同时电锁相环对信号的码型和速率有依赖，因此o - e _ 0 的方 法对不同码型和速率的业务透明传输也有很大的限制。 1 3 本论文主要内容 现有的c w d m 系统由于缺乏可靠性保证，又因为c w d m 系统网络中需要使用大量的光 器件，这样会大大增加网络的损耗等影响传输距离的因素。为此本文提出了一种固定 波长分插复用( o a d m ) 的c w d m 自愈环网系统。该系统以满足c w l ) m 系统在城域网的高 性价比为设计目标，综合平衡灵活性、多业务传输和可靠性各项要求，每节点固定上 下一个波长，省去光交换，并且简化环自愈机制，能够满足大多数的应用要求。 针对c w d m 网络中损耗、色散等严重限制传输距离的问题，我们综合o - e 一0 中使用 的电c d r 办法和全光c d r 办法，提出解决c w d m 系统3 r 再生的新机制，即利用光时钟 提取、电或光的锁相同步和电的判决三部分组成光电结合的3 r 再生方法。 4 第二章现有c w d m 系统和3 r 方案介绍及激光器锁模原理 2 1c w d m 系统解决方案 c w d m 的应用方案主要有三种方式：点对点型、点带链型和环型。大部分应用要求 网络的灵活性并不高，外加损耗也很小，所以中间很少加放大器。无放大器的情况下 点对点的传输距离能达到8 0 公里。如果想增加c w l ) m 组网灵活性和网络功能，就需要 引入大量的光器件，而这些器件的应用必然会影响光信号的质量，带来能量损耗、延 时和抖动积累，为了克服这些影响，3 r 再生技术的应用起着关键作用。 c w 嗍技术完全是根据市场的需要量身定制的，它延续了密集波分复用高带宽的技 术优势，同时也具有d w d m 技术所不具备的多业务接口混合传输、低成本、低功耗、小 体积等诸多优点。适用于点对点、以太网、s o n e t 环等各种流行的网络结构，特别适合 短距离、高带宽、接入点密集的应用场合。一般的c w d m 设备可分为单纤单向、单纤双 向和双纤双向粗波分复用设备。对于g 6 5 2 型光纤的8 波长通道设备来说，单纤双向 设备可通过一根光纤双向传输4 波业务，单纤单向设备可通过一根光纤单向传输8 波 业务，双纤双向设备可通过一对光纤双向传输8 波业务。尤其值得一提的是c w d m 与无 源光网络( p o n ) 的搭配使用。p o n 是一种廉价的、一点对多点的光纤通信方式，通过 与c w d m 相结合，每个单独波长信道都可作为p o n 的虚拟光链路，实现中心节点与多个 分节点的宽带数据传输。下面简单介绍一下三种组网方案。 ( 1 ) 点对点型的8 波或1 6 波c w d m 组网方案目前应用较为普遍，在o 8 0 k m 范围内与直 接铺设光纤相比有较大的成本优势，传输距离一般都可以满足城域的要求，所以无需 外加放大器。如图2 1 所示，一条物理光纤链路实现多通道传输，两端点可以同时实现 多业务传输，具有完全的透明性。这种组网方案最大的缺点是无灵活性，对于有复杂 要求的网络便无能为力了。 2 m 话音 口 a n 订 图2 1c l r 蹦设备点对点应用示意图 2 m 话音 碑 a n 订 5 ( 2 ) 点带链型的组网方案主要用于总部到沿途各分支机构，中间节点通常采用o a 咖 类型的c w i ) m 设备。这种组网方法可以看成是一种特殊的星形结构，如图2 2 所示，每 个分点都用不同的波长通道与主点进行通信，并且完全透过与自己无关的波长信息。 这种组网方案没有保护措施，所以可靠性较差，一旦前面光纤出现故障，后面节点业 务就全部中断。因此这种网络方案不适用于那些要求可靠性传输的网络，严重限制了 此方案的应用范围。 业务 业务 业务 业务 图2 2c w d m 设备点带链型应用示意图 ( 3 ) 在城域接入网中采用c w d m 设备可以组成环网，有利于节省光纤和促进多业务 融合，可以说是c w d m 技术的典型应用方案。如图2 3 所示，c w i ) m 分插复用设备可以将 i p 业务、语音业务、视频图像业务通过一个物理的光纤环，实现多个逻辑环的叠加。 图2 3c w d m 设备组环应用于核心网示意图 6 每个环上承载一个独立的业务，互不干扰。在这种“物理环网+ 逻辑环网”的典型组网 中，整个逻辑环实质上是由一段一段的“点对点”波分复用传输组成，所以整个环的 长度没有限制，点数越多，距离越长，一般来说两点之间距离不超过8 0 公里，如果超 过8 0 公里，必须考虑采用电中继或者光放大设备。 目前城域网内的传输一般可以采用a t m 、s d h 或d w d m 网，但这几种解决方案都存 在建设周期长、开通维护成本高和实际应用不灵活等方面的缺点。并且根据城域网的 实际特点，其传输距离普遍较短，无需使用放大器。若采用和广域网一样的d w d m 设备， 无疑将会在成本上得不偿失。但这种环网方案的缺点是必须在每个节点处将全部业务 解下来，恢复成电信号处理后再上传回c w d m 网络，这样针对每项业务都必须外加服务 器进行处理，即使是不需要处理的节点，也要增设额外的设备，会大大增加了网络建 设费用。 低成本、易开通、透明性好的c w d m 作为一种新兴的传输网，为城域接入网与核心 网的连接提供了全新的解决方案。利用粗波分复用技术在光城域网现有的网络基础上 提高通信容量( 波长带宽x n ) 、扩展带宽，能够有效解决光纤的资源问题。因此，目前 在行业范围内c w d m 得到了广泛认可。 2 23 r 再生方案 3 r 再生技术( r e a m p li f y i n g ，r e s h a p i n ga n dr e t i m i n g ) 是将损伤的信号重新进 行放大、整型和时钟恢复，是一种非常重要的处理技术。在长途干线上，它可以用来 克服信号传输过程中的衰减、噪声、串扰和非线性积累，大大扩展了信号的传输距离。 尤其在未来的光网络中，由于光交叉互联和光交换过程，使得无法确定信号从源端到 目的端的节点数，也就是说经过的光纤长度变得不可预测。在这种情况下，现有的固 定色散补偿等技术无法克服色散带来的影响，必须采用信号再生技术来保证网络的灵 活性和可扩展性。因此信号再生技术被认为是光网络的基本技术。 实现3 r 再生有三个关键步骤，如图2 4 所示，一是线路时钟提取，二是时钟与数 据的相位同步，三是判决门。一般的3 r 再生系统都是由能够完成这三个功能的三部分 模块组成。线路时钟提取是将数据线路上隐含的时钟信息提取出来，用于判决门产生 新的数据信号，实现这部分功能的方法目前有两种：一种是传统的电锁相环时钟提取 技术；另一种是全光时钟提取技术。时钟与数据的相位同步是为了让判决门在判决时 能够比较精确地提取数据信息，实现的主要方法也有两种：一种是利用电子芯片做鉴 相器：另一种是利用光学非线性效应实现的全光鉴相器。判决门是为了重新恢复线路 上的数据，也分为光、电两种方式。其中全光方式是让数据信号作为驱动门，判决时 钟信号输出的波形，从而产生新的再生光信号。全电的方式是利用电子芯片，根据时 钟信号对数据信号进行采样，最终恢复数据。 7 图2 43 r 再生系统总体结构 就整个3 r 再生系统来说，目前主要有两种方式：o _ e - 0 的方式和全光方式。 ( 1 ) o - e - o 的方式首先要将数据信号恢复成电信号，然后在电层面上对信号进行 时钟提取、相位同步、判决门采样工作，最后驱动光源重新产生光信号。其中线路时 钟提取部分采用的是基于电锁相环的电子芯片，相位同步和判决门也都是采用目前成 熟的电子芯片进行处理，所以整个系统的关键部分都是在电路上实现的。 传统的光传输系统当信号需要中继放大的时候，都是以o _ e _ o 的形式对信号进行再 生的。当光信号被转换成电信号后，由于电信号的处理技术十分成熟，因此如果有必 要的话还可以做进一步交叉连接的处理。整个3 r 再生系统中，各关键部分都是由电子 芯片实现的，但有着重要作用的电锁相环时钟提取部分却比其他部分的对速率的限制 严重得多，因此首先由于电锁相环的限制，o - e o 的再生方式对适应的速率就加上了限 制。有实验表明，当传输速率为l o g b i t s 的时候，用传统的电锁相环来做时钟恢复就 已经很困难了，即使恢复出来时钟，时钟的精度也很差。不过目前已有人用电锁相环 成功将4 0 g b i t s 速度的时钟恢复出来，不过其代价却十分昂贵，精度和稳定性也不是 很理想，难以用于商业传输网络当中。电路锁相环的时钟恢复还有一个局限就是对传 输协议的不透明性，针对不同的协议，要有专门的锁相环处理芯片与之对应，最终的 传输设备也只能适用于一种协议的传输，灵活性大打折扣。 ( 2 ) 全光的方式是指整个3 r 再生过程都是在光层面完成的。系统也是由三部分组 成：全光时钟提取、全光鉴相和光判决，基本结构如图2 5 所示。从外部接收到的光信 号首先被分成两路，一路用于时钟提取，提取出的时钟与原信号波长可以相同，也可 以不同，通常都会选择时钟脉冲波长与信号波长不同；另一路信号经e d f a 放大后，作 为光判决门的控制光，与相位同步的时钟信号一起注入光判决门，从而实现对光信号 的再生。 全光3 r 再生技术被认为是解决长途传输，适用于高速、高质量传输的最终方案。在 长途高速传输线路中，光信号能量的衰减，可以通过全光放大器得到补偿。但是经过 各级放大器也会产生一定的噪声，最后由于这些噪声的累积，使得信号再怎么放大也 无法被识别，这时就需要通过3 r 再生来恢复原始信号。在几个放大器中间插入一个3 r 8 图2 5 全光3 r 再生器的原理图 再生设备，可以保证光信号重新恢复原始信号形态，保证高速远距离传输。全光3 r 中， 光时钟提取单元能够从输入光信号中提取出抖动很小、信噪比很高并具有理想波形的 位时钟光脉冲。光数据信号控制光判决门的开关，使通过它的时钟光脉冲受到数据信号 的调制，从而输出3 r 再生后的光数据信号。应用全光3 r 再生系统，不但可以提高传输速 率，还可以做到传输协议的完全透明性，一台设备可以适用于几种不同的传输协议。 但是目前全光3 r 再生技术整体上并不十分成熟，在全光层面实现交叉连接也非常困 难，这样就降低了此技术的实用性，无法进行交叉连接也严重的限制了网络的灵活性。 所以就现今的全光3 r 再生技术而言，还不能在实际应用中发挥其理想的性能，仍然处 于实验室研究阶段。为了解决现今一些实用方案里光网络对3 r 再生的需求问题，我们 将传统成熟的3 r 再生技术和全光3 r 再生技术中的一些比较成熟技术相结合，设计一种 比较实际，符合当前实用情况的3 r 再生办法。 2 3 注入锁模光纤激光器全光时钟提取 全光时钟提取技术是全光3 r 再生器、t d m 通信系统以及全光交换的核心技术。全光 时钟提取的技术有很多种，本文设计的3 r 再生方案采用的是基于注入锁模光纤激光器 的时钟提取方法。 2 3 1 交叉增益调制 半导体光放大器( s o a ) 中的非线性效应之一交叉增益调制是来自于它的增益 饱和效应。我们知道在一定的注入电流下，s o a 会形成一个粒子数反转分布，上能级的 粒子数要比下能级多。当放大一个小信号时，“一次”受激辐射跃迁消耗的上能级载流 子较少，要经过多次雪崩放大才可以耗尽上能级的载流子，因此放大倍数大。 9 反过来，如果被放大的信号较大，“一次”受激辐射跃迁要消耗较多的上能级载流子， 因此几次雪崩就可能将上能级的载流子消耗殆尽，放大倍数小。这种小信号放大倍数大， 大信号放大倍数小的现象，称为增益饱和效应。在忽略s o a 自发辐射损耗时，s o a 的输出 光功率为”1 “铆卜一1 ) 到 眨1 ) 当有两个波长的光注入时，己- e 仇) + 兄仉) ，其中圪( ) 和最( 九) 分别为两个波长的 输入功率。如果两个波长的光功率相差很大，如己“) 口巴( 九) ，则可认为g 主要取决 于最“) ，即 g 眇g o e x p 卜一d 掣， 亿z ， 这样对于九就会有j 乙( 屯) 一g ( ) 圪( 尢) 。 由此可见，改变一个波长光信号的大小，就可以改变另一个光的放大倍数，这就是 交叉增益调制。但是，无论控制光多大都不可能获得1 0 0 的调制度，这将导致输出光存 在残留的“基座”，会降低消光比，影响下一级光信号处理器件的性能。 基于s o a 的交叉增益调制( x g m ) 进行波长变换的原理如图2 6 所示。当信号光和连 续光( 探测光) 同时入射到s o a 时，信号光的强度变化使s o a 的增益也发生了变化：当 信号光的强度增加时，s o a 的增益会变小；当信号光的强度变小时，s o a 的增益会增大。 因此信号光对s o a 增益的调节将使得输出的探测光的强度也随之变化，从而使其所承载 的信息转移到探测光上去了。图2 6 9 ( a ) 为探测光和信号光同向注入，输出端既有 原信号的光，又有变换后的探测波长，所以采用一个滤波器滤除信号光。( b ) 为探测 光和信号光反向注入，输出端可以省去滤波器。 图2 6s o a 的x g m 示意图 ( b ) 2 3 2 交叉相位调制 交叉相位调制也是来自于s o a 中的载流子饱和现象。载流子分布随注入光子数的改 变而改变，从而导致折射率的改变。当放大器载流子密度变化时，将引起折射率 n 一雄+ 加”变化，其实部代表光场相位的延迟，虚部描述器件的损耗或增益，二者之比就 定义为线宽增强因子口“”： 些掣 ( 2 3 ) 鬲。i f u 。 可以证明，s o a 中因增益饱和而引起的相移为“”： 妒o ) 一- 寺al n i g ( o ( 2 4 ) 由( 2 4 ) 式可以看出，只要改变昂( ) ，就可以改变相移。假定改变己( 凡) 前的信号 光的增益为g 1 ，改变后的增益是g 2 ，由于控制光的存在而导致的附加相移为： 卸一九一唬- l a i n 鲁 ( 2 5 ) 由此可以看出，控制光相对于原先波长光( 信号光) 的大小，决定了非线性相移的大 小。通常小信号增益g l = 1 0 2 0 d b ，我们取较小值g l - l o d b ，匕一7 m w ，线宽增强 因子a - 5 7 左右“2 “”如果输入功率为l m w 的信号光要产生石相移，则“半波功率” 只( 丸) - 4 6 3 5 5 m w ，也就是说，并不需要很大的控制功率就可以产生石相移。 2 3 3 锁模理论介绍 锁模的定义就是使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间的相干波。要将各模 变成时间相干波需要具备三个条件：1 各纵模频率间隔相等并固定一石c 2 各模 振动方向或方式相同。这两条件是激光器固有性质。3 要使各相邻纵模之间具有固定 的相位关系：+ 。一- 常数。 我们以环行光纤激光器的锁模为例介绍锁模原理。设光在真空中的速度为c ，光纤 的折射率为n ，那么光在光纤激光器内环行一周所用的时间为t 一, , z c ，t 的倒数为 五一c 此，是激光器的基频，也称为纵模间隔。假定振荡的纵模电场表示为： ( f ) = c o s ( ) ，定义处于增益曲线中心频率的纵模鼋- 0 ，因此在锁模环形光纤 激光器的滤波器带宽内会有2 n + 1 个纵模起振，总的输出光场为： 1 1 ( f ) 2 善( f ) 。荔e s f + 】 2 6 其中e 、和峨分别为第n 个模的振幅、初始相位和中心频率。假设各纵模具有相同 的振幅。当各纵模相互独立工作时，他们没有固定的相位关系，所以输出的总强度 只是每个模式的输出强度之和。 如果相邻两纵模之间的相位差恒定+ 。一一a = 常数，假定在嘞处相位- 0 a 纵模间隔为a m ，则- + q a t o 。激光器输出的总光波场是2 + 1 个纵模相干的结果： e ( f ) 。；乓p ) 。；岛o o s 【( + 口y + q a ( 2 7 ) 经分析计算得： s i n 去( 2 n + 1 x a 耐+ a ) 】 e ( t ) 一日兰7 一s 雄- a ( t ) c o s t o ： ( 2 8 ) s i n i - 妄( a a g + 口) 】 由上式结果可知，2 n + 1 个模式的合成电场的频率为仍为厶。式中彳( f ) 为合成电场的 振幅。由于输出光强，( f ) 正比于e ( f 归( f ) ，所以有： s i n i 去( 2 n + 项饼+ 口) 】 i ( t ) * a 2 0 ) 一2 【- r 一】2 ( 2 9 ) s i n 去( n t + a ) 当耐+ 口= 幼圻时，( m = 0 、1 、2 ) 输出光强达到最大，其值，。为： l “( 2 n + 1 ) 2 爵 ( 2 1 0 ) 从前面的论述可知，当各个模式的相位不相关，即没有锁模时，其输出功率为各模 式功率之和，即( 2 n + 1 ) 爵。与公式( 2 6 ) 给出的结论相比，显然锁模后脉冲峰值功率 是未锁模时的( 2 n + 1 1 倍。图2 7 为7 个振荡模的输出光场。由激光器的长腔结构( 几 十到几百米) ，决定了激光器的基频很低，大约几m h z ，而激光器工作时通常被调制到 很高的频率，所以这时激光器通常工作在高次谐波锁模状态。 彳 2 3 4 锁模全光时钟提取 图2 77 个振荡模的输出光场 t 由于当激光器处于非锁模的条件下，各振荡模的振幅和相位无规则分布，输出的光 强是各纵模光强的无规则叠加。而处于锁模的条件下，输出的光波是一序列的光脉冲 形式。对于每一脉冲来说，脉宽窄了，峰值功率也会大大增加。全光时钟提取就是在 自由运转的激光器中加入调制器，主动锁模，使得激光器输出锁模光脉冲，即光时钟 脉冲。 调制器的作用是调制激光工作物质的增益或腔内损耗，从而使腔内光场受到调制， 如果满足调制频率厶是腔基频五的整数倍，即厶- ，就可以实现锁模。在光纤激 光器中加上调制频率为厶一慨的调制器后，如增益曲线的中心频率，0 处的纵模首先振 荡，其调制后的光场为： e o ( t ) “+ 毛c o s ( 幼厶) c o s ( 幼口+ ) ( 2 1 1 ) 毛c o s ( 纫l ) 是调制信号，令毛- m 。，称为调制系数，它的大小取决于调制信号 的大小，o ) 可改写为： 磊o ) 。( 1 + 虬c o s ( 2 口l ) ) s ( h 席+ ) ( 2 1 2 ) 将上式展开，可得 m 岛( f ) 一昂c o s ( 纫f o t + ) + 二= e o c o s ( 2 口( ，0 + 厶弘+ ) + 兰争c o “抽( ，o l ) t + ) 可见，当一束频率为f o 的光波受到调制以后， ( 2 1 3 ) 又产生了两个频率为，0 ，州的光波( 边 1 3 频) ，并n - - - 个光波的相位相同，满足相位固定的锁模条件。又因为丘- 昵，所以新 产生的两个边频f o 厶也同样是腔内纵模，并且这两个模式幅度调制的结果又将产生 新的边频，因而激起频率为f o - - 2 1 模式的振荡，如此继续下去，直到线宽范围内的所 有纵模间隔为l 的模式均被耦合而产生振荡为止。可见，利用锁模进行全光时钟提取 的关键是必须保证腔内调制频率和腔内纵模基频间隔成整数倍关系。 2 4 全光鉴相器原理介绍 全光鉴相器用来鉴别两路光脉冲信号间的走离程度。输入的误差信号p 2 是两路输 入光瞬时相位差的毋函数，即 ( f ) 一厶 a o ( t ) l ( 2 1 4 ) 式中，函数。乙为鉴相特性，一般是周期函数。 在基于光纤非线性效应的全光鉴相器中“”，由于单模光纤或色散位移光纤非线性 系数低，为产生足够的误差信号需要使用较长的光纤。随着光纤长度的增加，由色散 效应引起的脉冲走离变得严重。当走离大小与信号周期可比拟时，鉴相器将无法工作。 采用高非线性光纤可以有效解决上述问题，较短长度的光纤就可以提供足够的输出光 功率，附加的脉冲走离影响很小。鉴相器结构如图所示，数据光和时钟光进入高非线 性光纤，产生的四波混频光被滤出，由低速光电探测器接收，其平均光功率经过光电 转换作为误差信号输出。由于四波混频强度随信号光和时钟光瞬时功率的增加而增加， 当两路光脉冲序列走离较小时四波混频较强，平均光功率较高，输出的误差信号较大； 反之亦然，从而实现鉴相功能。 图2 8全光鉴相器结构图 1 4 第三章c w d m 自愈环网组网设计及网络性能限制因素分析 3 1c w d m 技术标准 国际电信联盟( i t u - t ) 已制定了一系列关于d w d m 的标准建议书，其中关于网络 管理、保护倒换等部分的标准可以直接被粗波分复用( c w d m ) 系统所引用，而关于粗 波分复用系统波长划分和应用光接口的标准建议则需要重新制订，这就是g 6 9 4 2 ( 粗 波分复用系统的波长划分的建议) 和g 6 9 5 ( 粗波分复用应用光接口的技术标准) 。 这两个建议使得粗波分复用技术规范化走出了关键的一步。 g 6 9 4 2 建议的第一版是在2 0 0 2 年5 月i t u - ts g l 5 研究组会议上通过的，其2 0 h m 波长间隔是各厂商都认可的划分，该建议将粗波分复用系统波长频谱划分为三个波段， 分别是： “0 波段”包括五个波长：1 2 7 0 n m 、1 2 9 0 h m 、1 3 1 0 n m 、1 3 3 0 h m 和1 3 5 0 n m 。 “e 波段”包括五个波长：1 3 7 0 h m 、1 3 9 0 n m 、1 4 1 0 h m 、1 4 3 0 h m 和1 4 5 0 n m 。 “s + c + l 波段”包括从1 4 7 0 h m 到1 6 1 0 n m 的范围，间距为2 0 n m 的八个波长：1 4 7 0 h m 、 1 4 9 0 h m 、1 5 1 0 h m 、1 5 3 0 n m 、1 5 5 0 h m 、1 5 7 0 衄、1 5 9 0 h m 和1 6 1 0 n m 。 在对老版本的g 6 9 4 2 建议研究以后，根据实际工作经验，i t u - t 提出关于粗波分 复用系统中心波长不对称偏移的文稿，提议g 6 9 4 2 的波长栅格偏移+ l n m ，这个提议 在2 0 0 3 年1 0 月的s g l 5 会议上通过，并对g 6 9 4 2 进行了修改。 而在g 6 9 5 建议的制订中，对参考模型的定义一直争论不休，一种是“b l a c kb o x ” 模型，另一种是“b l a c kl i n k ”模型，最终两种模型都得到了采纳，并对单纤单向和 单纤双向的光接口的两种模型参数进行了定义。 3 2c w d m 自愈环网组网设计 c w d m 网络在城域接入网、校园网以及一些专用网络上有着重要的应用。而这些应 用通常都需要较大的带宽，并且要求有故障保护倒换功能，即自愈功能。c w d m 网络本 身特性可以满足带宽要求，为了实现线路保护功能，需要通过设计组网结构来实现。 我们从s d h 的保护倒换得到启发，设计了带保护的环形的c w d m 网络，在物理层实现保 护功能。此组网方法不但可以实现线路保护功能，还能为布网节省大量的光纤，从而 节省了光纤的铺设费用，对实际应用有重要价值。保护倒换功能能够保证当传输线路 发生故障时及时进行线路切换，从而达到不问断业务传输的目的。 3 2 1 自愈环网上下行传输方案设计 在能够实现保护倒换的前提下，设计网络的另一个要求是用环行的组网方式实现 星形的组网功能。对波长共享通道来说，选择各通道合适的波长十分重要。目前商用 的光纤类型大多为g 6 5 2 型，所以我们设计的c w d _ i 组网方案也以g 6 5 2 型光纤来考虑， 这种光纤因残留有氢氧根离子，导致1 3 8 3 m l 波长附近出现明显的吸收峰。e 波段吸收 峰引起传输损耗的典型值约为l d b k , , , ，极大影响了删系统的传输距离和可用波长范 围。避开这个吸收峰后，根据c w d m 标准可知，用g 6 5 2 型光纤组成的自愈环网最多可 实现8 波长信道的讲咖系统，各信道波长分别为1 4 7 1 n m 、1 4 9 1 n m 、1 5 1 l n m 、1 5 3 1 n m 、 1 5 5 1 n j 、1 5 7 1 n m 、1 5 9 1 m u 、1 6 1 1 r i m 。因此我们设计的c w d m 自愈环网中只有一个中心节 点，最多可带8 个分节点，各分节点与主节点之间能够同时自由上下波长业务，并且 无论环网在哪里出现故障，各通道都能够以自己合适的方式进行保护倒换。如图3 1 所示为一个简单的c 删自愈环网的组网方法，下面以三波长四节点的组网方式为例阐 述其工作原理。 图3 1c 1 d m 系统单环结构 下行传输方向( 从中心节点到各分节点) ：中心点设备从上层应用接收到多用户的 不同业务信息后，将各个业务信息对应其目的节点，分别承载到对应的波长上。承载 信息的光波要经过合波器合波，然后被耦合到一根光纤中，再被分路器分成两路，从 两个方向进入光纤环路。顺时针方向的混合光沿着内环传输，逆时针方向的混合光沿 着外环传输。顺时针方向的混合光信号经过节点3 时，由于此节点特定分插复用器的 作用，对应于节点3 的光波被过滤下来，而其他光波会直接通过此节点。但由于使用 了光器件的原因，直接通过的信号质量会受到影响，所以要求光器件引起的信号质量 变差的程度要控制在系统可容忍的范围之内。被过滤下来的光信号由分节点转换成电 信号或者转换到其他波长上进行下步处理。同理，节点2 和1 都能够过滤出其对应 的特定波长。混合光信号是由两个方向进入环网的，所以每个分节点都能过滤下来2 个载有相同信息相