2003-5-27
李允博 张成良
摘要 对1.6Tbit/s与800Gbit/s光波分复用系统进行了概括和描述，介绍了该系统波长分布范围、波分复用器件的要求、系统分类以及光安全进程要求。同时，对系统所应用的新技术，如喇曼放大器、色散补偿技术等做了描述。
关键词 波分复用(WDM) 喇曼放大器 色散补偿
一、引言
在过去几年中，WDM技术使得光纤丰富的带宽资源得以开发利用。然而，2.5Gbit/s或10Gbit/s的WDM信号经过400-600km传输后，还需要进行电再生中继。整个系统结构复杂，成本昂贵。如何在实现全光传输的前提下，降低传输成本，延长传输距离，是一个急需解决的问题。
在超长距传输环境下，引入了许多新的技术，如采用喇曼放大器。在传输过程中，进行波形管理、功率管理、色散管理，以及信号编码采用RZ编码和超强FEC等技术。信号在无电中继传输的距离达到3000km，在实验室甚至达到了10000km。鉴于国内外WDM技术发展迅速，1.6Tbit/s与800Gbit/s的WDM设备已经有商用化产品，并在干线网络上有实际应用。为了给研制和运营部门提供技术依据，在以往WDM标准基础上，制定了《光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分》。
二、光波分复用系统(WDM)技术标准介绍
我国于1997年在省际干线(西安－武汉)引入第一条WDM系统(Lucent公司的8*2.5Gbit/s系统),从此揭开了WDM系统在中国大规模应用的序幕，WDM技术系列标准的研究和制定也正式开始。1999年，我国第一个针对WDM技术的标准——《光波分复用系统总体技术要求暂行规定》(YDN120--1999)正式发布，标准中对8*2.5Gbit/sWDM系统及16*2.5Gbit/sWDM系统的技术要求进行了规范。2000年，发布了《光波分复用系统(WDM)技术要求——32*2.5Tbit/s部分》(YD/T1060--2000)。2000年对于中国WDM技术发展和应用是一个新的里程碑。从1997-1999年间，基于2.5Tbit/sSDH系统的地位受到了严重挑战，以中国电信为代表的运营商开始全面转向SDH10Gbit/s与WDM320Gbit/s系统，基于10Gbit/sWDM系统开始成为传输系统的主流。从2000年开始，对基于单波长为10Gbit/s的WDM系统的标准制定开始迅速展开。当时，正逢中国电信对10Gbit/sSDH和320Gbit/sWDM的选择测试。经过对实际设备及系统的测试，以及与各运营商和国内外厂家单位进行广泛的技术交流，制定出了《光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分》(YD/T1143-2001)。
《光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分》是为了适应超长距WDM系统的应用而制定的，该标准规定了1.6Tbit/s和800Gbit/s的WDM系统技术要求。
1.标准的适用范围
该标准给出的具体参数针对160路与80路的点到点线性WDM系统，承载信号为SDH STM-64系统或10Gbit/s以太网信号，即1.6Tbit/s和800Gbit/s的WDM系统。规定的参数包括波长区划分、波分复用器件的要求、光接口参数、波长转换器(OTU)的要求、OADM要求及网管要求等。光放大器和主光通道的参数适用于单方向使用增益范围为192.1-196.1THz和186.95-190.90THz的光放大器，波长间隔最小为50GHz。该标准适用于2000km以内的长途传输。对于不采用喇曼放大器，采用非NRZ调制方式达到1000-2000km距离传输的系统不在标准范围之内。 此外，该标准对于WDM系统应用的新技术、向前纠错(带内和带外)的功能、喇曼放大器的应用、梳状滤波器及色散补偿技术都作了相应的规范。
2.1.6Tbit/s和800Gbit/sWDM系统波长分布
1.6Tbit/s的WDM系统在C波段的基础上，启用新的波长区段——L波段，C+L波段共160个波长，波段内的波长间隔为50GHz。C波段的波长分布范围为191.80-196.05THz(1529.16-1563.05nm)，该范围内共有86个波长,建议优选192.10-196.61nm)这80个波长。L波段的波长分布范围为186.95-190.90THz(1570.42-1603.57nm)。 由于波长数目增多，相邻波长的间隔减少。1.6Tbit/sWDM系统对激光器的稳定性要求更加严格，规定最大中心频率偏移为GHz(约为0.04nm)，而320Gbit/sWDM系统的要求为2.5GHz(约为0.1nm)。最大中心频率偏移为寿命终了值，即在系统设计寿命终了时，考虑了温度、湿度等各种因素仍能满足数值。
基于C+L波段80通路的WDM系统，用于超过1500km长距离传输时，可以分别采用C波段的40个波长和L波段的40个波长，波段内的波长间隔为100GHz。
实际应用的1.6Tbit/s系统中，C波段和L波段是完全分开的，其中C波段和L波段各具80个波长。而C波段和L波段内80波的，可以通过梳状滤波器将两个基础波长间隔为100GHz40波复用器交织复用构成，也可以直接采用50GHz间隔的复用器件构成。
采用梳状滤波器方案，要完成C波段80波的复用，需要2个C波段复用器(其中两个波段相邻波长的差别为50GHz)和1个梳状滤波器(C-Interleaver)。梳状滤波器是一个3端子器件，两个输入端是两路波长间隔均为100GHz的40波群路信号，输出端则为波长间隔为50GHz的80波信号。在通过波分复用器或耦合器将C波段的80波和L波段的80波复用为160波的系统。
为了确保大容量WDM系统的性能，要求波分复用器件插入损耗小，间隔度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，尺寸小等。目前的复用器／解复用器一般是以40波为基本单位，相邻通道间隔为100GHz，在技术实现上较为成熟。当复用通路数为80个时，相邻通道间隔为50HGz，这时对复用器件隔离度的要求就更加严格了。
3.喇曼放大器的应用
超长距WDM系统中的光放大器除了应用传统意义上的掺铒光纤放大器外，最主要的是对喇曼放大器的应用。掺铒放大器的增益取决于掺杂元素的浓度，而喇曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。喇曼放大器就地取材，利用干线光纤作为工作的媒质。其增益特性还取决于光纤的性能，如对泵浦光的吸收能力、光纤有效面积等。
采用喇曼放大器的系统，每通路光信号的发送功率较低。而输出光功率的降低，使得每个通路经过线路放大器后，信号得到放大的同时，所引入的非线性损耗降低，这样使得信号尽可能以线性模式(如准线性模式)传输。因此，输出信号的光信噪比增大，从而保证在没有电再生中继设备的条件下，信号可以传输更远的距离。
对于采用喇曼放大器的800Gbit/s和1.6Tbit/sWDM系统，其光接口参数有N(22dB长距离间隔)与M(30dB(甚长距离间隔)两种。由于喇曼放大器有一定的增益，线路损耗由EDFA和喇曼光放大器共同承担，其效果等级于两极光放大器(EDFA+REMAN)串联。由于后一级喇曼放大器具有较小的噪声系统，其等效噪声系数相应减少。
在应用喇曼放大器的系统中，为了实现光纤非线性效应，喇曼泵谱源输出功率必须很高，处于安全考虑，其总输出功率必须小于+29dBm(800mw)。由于喇曼泵谱源的高功率，必须保证相应连接部分的清洁，这对运行维护提出了很高的要求。不能让喇曼放大器的泵谱源功率输出裸露在空间，光纤切断时，系统应具有喇曼泵谱源自动关闭功能，以防止对人体造成伤害。
对80/160路WDM系统，当逐路增加承载的通路数量时，不应影响其它通路的性能。当同时增加多个通路时，系统也应不受影响。当运行中增加或减少承载的通路数量时，系统的各项参数应可以进行自动调整，不需要进行其他任何硬件或软件的改动。对于光放大器(包括EDFA+喇曼放大器)增益的调整，可以基于单个光放大器或整个光复用段进行。单个光放大器的增益调整时间小于50ms，整个光复用段全部光信号调整完成时间应小于60s，包括各个波长的发送功率、预均衡和全部光放大器的增益调整时间。
4.系统分类
由于喇曼光放大器在WDM系统的应用和超强FEC的应用，1.6Tbit/s与800Gbit/s系统的分类和应用代码增加，超长距传输系统分为常规LH(Long haul)长距离传输系统、亚超长传输系统ELH(Enhanced long haul)和超长传输系统ULH(Ultra-long haul)。对于传输距离小于1000kmWDM系统称为常规长距离传输系统，传输距离在1000-2000km系统称为亚超长传输系统，传输距离大于2000kmWDM系统成为超长传输距离系统。
对于亚超长传输系统，又可以分为波长间隔100GHz系统与波长间隔为50GHz系统。对于需要亚超长距离传输的波长并不需要那么多，为了尽可能达到更远的距离，则对于亚超长距离传输WDM系统，允许进行波长间隔100GHz的传输。
800Gbit/s和1.6Tbit/s的系统分类如下：
(1)没有喇曼放大器，只有常规带外FEC的80/160波WDM系统，定义有8*22dB和3*30dB两种光接口。
(2)具有常规FEC与喇曼光放大器的80/160波WDM系统(50GHz间隔)，定义有14*22dB与6*30dB两种光接口。
(3)具有常规FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，定义有20*22dB与8*30dB两种光接口。
(4)具有超强FEC与喇曼光放大器的80/160波WDM系统(50GHz间隔)，定义有18*22dB与7*30dB两种光接口。
(5)具有超强FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，定义有25*22dB与9*30dB两种光接口。
在这里，传输距离最远的系统，定义的是最具有超强FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，传输距离为2000km。由于是多波长系统，需要考虑沿途某些站点对波长上下的需求，因此会产生对OADM应用的需求。OADM的出现会减少区段的数量，与传输距离的远近无关。为保证接受机的正常接受，对于采用常规带外FEC的WDM系统，在主光通路接收点(MPI-R)，光接口光信噪比为20dB。采用超强带外FEC的WDM系统，光接口光信噪比为18dB。
5. 色度色散补偿
对于超长距离的传输，色散是一种主要线性补偿对象，一般都采用DCF色散补偿光纤技术。目前，采用2个色散补偿模块分别补偿C/L波段信号。对于超过1000km的传输，为了实现精确补偿，不排除采用多个色散斜率补偿模块对每个子波段进行补偿。
由于G.652光纤和G.655光纤在1550nm窗口是正色散，因此WDM系统在此光纤上使用的色散补偿光纤主要为负色散的DCM模块，此模块在一段距离之后对于不同的波长给予不同的色散补偿。色散补偿模块一般用于发送端功放、线路光放和接收端预放的中间级，其补偿原则根据光功率预算的结果而定。
由于G.652/G.655光纤都有一定斜率，有可能会在一个频段内造成比较大的色散差异。要补偿这些斜率，DCF光纤也要有相应的斜率分布。在C/L频带内，在一个光复用段内，补偿后剩余色散差别应小于500ps/nm。 6.自动光功率降低(APR)和自动激光关断(ALS)进程
光缆切断、设备失效及光连接器拔出等均会导致光功率丢失。出于安全的考虑，在主光通道一个光段内光功率丢失的情况下，需要系统实施ALS与APR进程。功率减少后，剩余的所有通道的功率(包括由光监控通路OSC来的功率)减少10dBm水平以内，不排除光放大器的完全关闭。为便于在链路重新连接好后系统能容易的恢复，同时考虑实施自动(或人工)重启动进程。对于带喇曼增益型的光放大器，WDM系统也必须满足同样的光安全要求，并必须保证在APR进程中对喇曼泵浦也进行光安全进程处理。
三、结束语
在今后的光网络建设中，必将会面临大容量、超长距离(1000km以上)的信号传送问题。<光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s 部分和800Gbit/s部分>的制定，为我国1.6Tbit/s 部分和800Gbit/sWDM系统的研制、生产、工程应用及入网测试给出了统一的技术依据，为科研和网络建设提供了标准和规范。
李允博 张成良
摘要 对1.6Tbit/s与800Gbit/s光波分复用系统进行了概括和描述，介绍了该系统波长分布范围、波分复用器件的要求、系统分类以及光安全进程要求。同时，对系统所应用的新技术，如喇曼放大器、色散补偿技术等做了描述。
关键词 波分复用(WDM) 喇曼放大器 色散补偿
一、引言
在过去几年中，WDM技术使得光纤丰富的带宽资源得以开发利用。然而，2.5Gbit/s或10Gbit/s的WDM信号经过400-600km传输后，还需要进行电再生中继。整个系统结构复杂，成本昂贵。如何在实现全光传输的前提下，降低传输成本，延长传输距离，是一个急需解决的问题。
在超长距传输环境下，引入了许多新的技术，如采用喇曼放大器。在传输过程中，进行波形管理、功率管理、色散管理，以及信号编码采用RZ编码和超强FEC等技术。信号在无电中继传输的距离达到3000km，在实验室甚至达到了10000km。鉴于国内外WDM技术发展迅速，1.6Tbit/s与800Gbit/s的WDM设备已经有商用化产品，并在干线网络上有实际应用。为了给研制和运营部门提供技术依据，在以往WDM标准基础上，制定了《光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分》。
二、光波分复用系统(WDM)技术标准介绍
我国于1997年在省际干线(西安－武汉)引入第一条WDM系统(Lucent公司的8*2.5Gbit/s系统),从此揭开了WDM系统在中国大规模应用的序幕，WDM技术系列标准的研究和制定也正式开始。1999年，我国第一个针对WDM技术的标准——《光波分复用系统总体技术要求暂行规定》(YDN120--1999)正式发布，标准中对8*2.5Gbit/sWDM系统及16*2.5Gbit/sWDM系统的技术要求进行了规范。2000年，发布了《光波分复用系统(WDM)技术要求——32*2.5Tbit/s部分》(YD/T1060--2000)。2000年对于中国WDM技术发展和应用是一个新的里程碑。从1997-1999年间，基于2.5Tbit/sSDH系统的地位受到了严重挑战，以中国电信为代表的运营商开始全面转向SDH10Gbit/s与WDM320Gbit/s系统，基于10Gbit/sWDM系统开始成为传输系统的主流。从2000年开始，对基于单波长为10Gbit/s的WDM系统的标准制定开始迅速展开。当时，正逢中国电信对10Gbit/sSDH和320Gbit/sWDM的选择测试。经过对实际设备及系统的测试，以及与各运营商和国内外厂家单位进行广泛的技术交流，制定出了《光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分》(YD/T1143-2001)。
《光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s部分与800Gbit/s部分》是为了适应超长距WDM系统的应用而制定的，该标准规定了1.6Tbit/s和800Gbit/s的WDM系统技术要求。
1.标准的适用范围
该标准给出的具体参数针对160路与80路的点到点线性WDM系统，承载信号为SDH STM-64系统或10Gbit/s以太网信号，即1.6Tbit/s和800Gbit/s的WDM系统。规定的参数包括波长区划分、波分复用器件的要求、光接口参数、波长转换器(OTU)的要求、OADM要求及网管要求等。光放大器和主光通道的参数适用于单方向使用增益范围为192.1-196.1THz和186.95-190.90THz的光放大器，波长间隔最小为50GHz。该标准适用于2000km以内的长途传输。对于不采用喇曼放大器，采用非NRZ调制方式达到1000-2000km距离传输的系统不在标准范围之内。 此外，该标准对于WDM系统应用的新技术、向前纠错(带内和带外)的功能、喇曼放大器的应用、梳状滤波器及色散补偿技术都作了相应的规范。
2.1.6Tbit/s和800Gbit/sWDM系统波长分布
1.6Tbit/s的WDM系统在C波段的基础上，启用新的波长区段——L波段，C+L波段共160个波长，波段内的波长间隔为50GHz。C波段的波长分布范围为191.80-196.05THz(1529.16-1563.05nm)，该范围内共有86个波长,建议优选192.10-196.61nm)这80个波长。L波段的波长分布范围为186.95-190.90THz(1570.42-1603.57nm)。 由于波长数目增多，相邻波长的间隔减少。1.6Tbit/sWDM系统对激光器的稳定性要求更加严格，规定最大中心频率偏移为GHz(约为0.04nm)，而320Gbit/sWDM系统的要求为2.5GHz(约为0.1nm)。最大中心频率偏移为寿命终了值，即在系统设计寿命终了时，考虑了温度、湿度等各种因素仍能满足数值。
基于C+L波段80通路的WDM系统，用于超过1500km长距离传输时，可以分别采用C波段的40个波长和L波段的40个波长，波段内的波长间隔为100GHz。
实际应用的1.6Tbit/s系统中，C波段和L波段是完全分开的，其中C波段和L波段各具80个波长。而C波段和L波段内80波的，可以通过梳状滤波器将两个基础波长间隔为100GHz40波复用器交织复用构成，也可以直接采用50GHz间隔的复用器件构成。
采用梳状滤波器方案，要完成C波段80波的复用，需要2个C波段复用器(其中两个波段相邻波长的差别为50GHz)和1个梳状滤波器(C-Interleaver)。梳状滤波器是一个3端子器件，两个输入端是两路波长间隔均为100GHz的40波群路信号，输出端则为波长间隔为50GHz的80波信号。在通过波分复用器或耦合器将C波段的80波和L波段的80波复用为160波的系统。
为了确保大容量WDM系统的性能，要求波分复用器件插入损耗小，间隔度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，尺寸小等。目前的复用器／解复用器一般是以40波为基本单位，相邻通道间隔为100GHz，在技术实现上较为成熟。当复用通路数为80个时，相邻通道间隔为50HGz，这时对复用器件隔离度的要求就更加严格了。
3.喇曼放大器的应用
超长距WDM系统中的光放大器除了应用传统意义上的掺铒光纤放大器外，最主要的是对喇曼放大器的应用。掺铒放大器的增益取决于掺杂元素的浓度，而喇曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。喇曼放大器就地取材，利用干线光纤作为工作的媒质。其增益特性还取决于光纤的性能，如对泵浦光的吸收能力、光纤有效面积等。
采用喇曼放大器的系统，每通路光信号的发送功率较低。而输出光功率的降低，使得每个通路经过线路放大器后，信号得到放大的同时，所引入的非线性损耗降低，这样使得信号尽可能以线性模式(如准线性模式)传输。因此，输出信号的光信噪比增大，从而保证在没有电再生中继设备的条件下，信号可以传输更远的距离。
对于采用喇曼放大器的800Gbit/s和1.6Tbit/sWDM系统，其光接口参数有N(22dB长距离间隔)与M(30dB(甚长距离间隔)两种。由于喇曼放大器有一定的增益，线路损耗由EDFA和喇曼光放大器共同承担，其效果等级于两极光放大器(EDFA+REMAN)串联。由于后一级喇曼放大器具有较小的噪声系统，其等效噪声系数相应减少。
在应用喇曼放大器的系统中，为了实现光纤非线性效应，喇曼泵谱源输出功率必须很高，处于安全考虑，其总输出功率必须小于+29dBm(800mw)。由于喇曼泵谱源的高功率，必须保证相应连接部分的清洁，这对运行维护提出了很高的要求。不能让喇曼放大器的泵谱源功率输出裸露在空间，光纤切断时，系统应具有喇曼泵谱源自动关闭功能，以防止对人体造成伤害。
对80/160路WDM系统，当逐路增加承载的通路数量时，不应影响其它通路的性能。当同时增加多个通路时，系统也应不受影响。当运行中增加或减少承载的通路数量时，系统的各项参数应可以进行自动调整，不需要进行其他任何硬件或软件的改动。对于光放大器(包括EDFA+喇曼放大器)增益的调整，可以基于单个光放大器或整个光复用段进行。单个光放大器的增益调整时间小于50ms，整个光复用段全部光信号调整完成时间应小于60s，包括各个波长的发送功率、预均衡和全部光放大器的增益调整时间。
4.系统分类
由于喇曼光放大器在WDM系统的应用和超强FEC的应用，1.6Tbit/s与800Gbit/s系统的分类和应用代码增加，超长距传输系统分为常规LH(Long haul)长距离传输系统、亚超长传输系统ELH(Enhanced long haul)和超长传输系统ULH(Ultra-long haul)。对于传输距离小于1000kmWDM系统称为常规长距离传输系统，传输距离在1000-2000km系统称为亚超长传输系统，传输距离大于2000kmWDM系统成为超长传输距离系统。
对于亚超长传输系统，又可以分为波长间隔100GHz系统与波长间隔为50GHz系统。对于需要亚超长距离传输的波长并不需要那么多，为了尽可能达到更远的距离，则对于亚超长距离传输WDM系统，允许进行波长间隔100GHz的传输。
800Gbit/s和1.6Tbit/s的系统分类如下：
(1)没有喇曼放大器，只有常规带外FEC的80/160波WDM系统，定义有8*22dB和3*30dB两种光接口。
(2)具有常规FEC与喇曼光放大器的80/160波WDM系统(50GHz间隔)，定义有14*22dB与6*30dB两种光接口。
(3)具有常规FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，定义有20*22dB与8*30dB两种光接口。
(4)具有超强FEC与喇曼光放大器的80/160波WDM系统(50GHz间隔)，定义有18*22dB与7*30dB两种光接口。
(5)具有超强FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，定义有25*22dB与9*30dB两种光接口。
在这里，传输距离最远的系统，定义的是最具有超强FEC与喇曼光放大器的80波WDM系统(100GHz间隔)，传输距离为2000km。由于是多波长系统，需要考虑沿途某些站点对波长上下的需求，因此会产生对OADM应用的需求。OADM的出现会减少区段的数量，与传输距离的远近无关。为保证接受机的正常接受，对于采用常规带外FEC的WDM系统，在主光通路接收点(MPI-R)，光接口光信噪比为20dB。采用超强带外FEC的WDM系统，光接口光信噪比为18dB。
5. 色度色散补偿
对于超长距离的传输，色散是一种主要线性补偿对象，一般都采用DCF色散补偿光纤技术。目前，采用2个色散补偿模块分别补偿C/L波段信号。对于超过1000km的传输，为了实现精确补偿，不排除采用多个色散斜率补偿模块对每个子波段进行补偿。
由于G.652光纤和G.655光纤在1550nm窗口是正色散，因此WDM系统在此光纤上使用的色散补偿光纤主要为负色散的DCM模块，此模块在一段距离之后对于不同的波长给予不同的色散补偿。色散补偿模块一般用于发送端功放、线路光放和接收端预放的中间级，其补偿原则根据光功率预算的结果而定。
由于G.652/G.655光纤都有一定斜率，有可能会在一个频段内造成比较大的色散差异。要补偿这些斜率，DCF光纤也要有相应的斜率分布。在C/L频带内，在一个光复用段内，补偿后剩余色散差别应小于500ps/nm。 6.自动光功率降低(APR)和自动激光关断(ALS)进程
光缆切断、设备失效及光连接器拔出等均会导致光功率丢失。出于安全的考虑，在主光通道一个光段内光功率丢失的情况下，需要系统实施ALS与APR进程。功率减少后，剩余的所有通道的功率(包括由光监控通路OSC来的功率)减少10dBm水平以内，不排除光放大器的完全关闭。为便于在链路重新连接好后系统能容易的恢复，同时考虑实施自动(或人工)重启动进程。对于带喇曼增益型的光放大器，WDM系统也必须满足同样的光安全要求，并必须保证在APR进程中对喇曼泵浦也进行光安全进程处理。
三、结束语
在今后的光网络建设中，必将会面临大容量、超长距离(1000km以上)的信号传送问题。<光波分复用系统(WDM)技术要求——1.6Tbit/s 部分和800Gbit/s部分>的制定，为我国1.6Tbit/s 部分和800Gbit/sWDM系统的研制、生产、工程应用及入网测试给出了统一的技术依据，为科研和网络建设提供了标准和规范。
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