APCN2海缆系统的实现方案及色散补偿技术在其中的应用

APCN2海缆系统的实现方案及色散补偿技术在其中的应用

第一章 APCN2系统概述

§1.1 引言

引言：

自从1985年世界上第一条海底光缆问世以来，海底光缆的建设在全世界的得到了蓬勃的发展。海底光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优势，在通信领域，尤其是国际通信中起到重要的作用。由于海底光缆系统是应用于特殊的物理环境中的光通信系统，与陆地光缆系统相比相应的系统设计更加复杂，面临的技术难题更多。另外，由于海底光缆系统设计容量大、建设期长，其技术发展比同期陆地光缆系统相比一直保持领先。随着近年来Internet业务和全球通信的迅速发展，海底光缆系统也从90年代初的兆比特等级增加上千倍，以横跨东南亚的APCN2(亚太II号)海缆为例采用DWDM波分复用技术每对光纤可承载66个信道其中64个信道为业务信道，2个信道为监测波，业务波长每个信道传送速率为10Gb/s（STM-64）的SDH业务，总容量可达到2.56Tb/s。海缆的传输距离很长，APCN2海缆系统总共要连接8个国家和地区的10个终端登陆局，一般两个终端登陆局之间的传输距离为1000公里以上，有的距离甚至超过了3000公里。光信号通过长距离光纤传输后会产生色散，光纤的色散会引起传输信号的畸变，在通过超长距离海缆传输后累计的色散将直接导致通信质量的下降，降低色散的影响对海缆系统来说是至关重要的。

§1.2 网络拓扑结构

第二章 APCN2海缆系统的设备选型及功能分析

§2.1线路终端系统（DWDM终端系统）的

一． 色散的概述

1．在光纤数字通信中，由于光纤的信号并不是单色光而是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同频率成分和不同模式成分的传输速率不同，经过光纤传输之后会发生脉冲畸变，它表现为脉冲展宽现象。一个冲激光脉

冲在光纤中的脉冲展宽称为光纤的脉冲色散或脉冲分散。色散的危害很大，尤其对码速较高的数字传输有严重的影响，引起码间串扰，使传输的带宽减小，即传输带宽能力降低。（图1.1）

原始脉冲图1.1色散影响后的脉冲

光纤色散主要有模间色散，材料色散和波导色散等。单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散，波导色散和折射剖面色散组成，这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号，传输同样的距离，需要不同的时间之差，波长相距1nm（频差124.3GHZ）的两个光脉冲传输1km距离的时延差值被称为色散系数，通常用D（λ）表示，单位为ps/(nm.km).

色散的特性，纯石英玻璃材料色散与波长的关系，在波长为1.29μm附近有一个零色散波长λ0。不同掺杂材料和掺杂浓度会使λ0有所移动，但移动变化甚微，随着波长的变化色散在λ0两边有不同的极性，λ

0

处的传播速度最大，

波长离λ0越远，速度下降越多，如此会造成不同的脉冲畸变。

波导色散是光纤波导结构参数的函数，在一定波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径α，相对折射率Δ及剖面形状决定，通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵制石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长点的位置，即使光纤的总色散在希望的波长上实现总零色散和负色散的目的，正是用这种方法才研制出了色散位移光纤，非零色散位移光纤和色散补偿光纤。

在实际应用中，根据实际情况采取使用不同特性的光纤组网方式来达到理想的色散需求，以保证信号传输的质量。

第三章 克服色散的几种技术

DA技术即色散容纳技术，就是通过一些技术手段减小或消除色散的影响，延长

传输距离，一般主要使用以下几种解决方法：

§3.1压缩光源的谱线宽度:

色散对光脉冲传输的影响主用表现在经过传输的光脉冲将受到展宽，而这种展宽的大小在一定传输距离的情况下，取决于传输光纤的色散系数和光源发送的光波的频谱宽度。光源的频谱宽度越宽（频率啁啾系数越大越大），光纤色散对光脉冲的展宽越大，传输距离越短（根据式L?71400），因此通过选用频率啁22?DB?啾系数小的激光器，可以减少传输线路色散的影响。

频率啁啾是单纵模激光器才有的系统损伤，当单纵模激光器工作于直接调制时，注入电流的变化会引起载流子密度变化，进而使有源区的折射率指数发生变化，结果使激光器的谐振腔的光通路长度发生变化，导致波长随时间偏移，发生所谓的频率啁啾现象，表现为光源的波长稳定性差，光谱宽。当光脉冲经过光纤传输后，由于光纤色散的作用，使受频率啁啾声影响的光脉冲波形发生展宽。光源频率啁啾系数较大，对高速信号的传输距离的限制是很大的，一般10Gbit/s信号只能传输几公里。减少光源啁啾系数的一个有效办法是，采用外调制的激光器（即间接调制光源），它是由一个恒定光源和一个光调制器构成的，通过使用恒定光源，避免了直接调制时激励电流的变化，从而减少了光源发出光波长的偏移，达到降低频率啁啾系数的目的，采用外调制器使激光器工作在连续波方式，是一种比较彻底和简单易行的克服频率啁啾影响的方法，目前外调制器的技术已经比较成熟，在海光缆DWDM系统中，几乎所有的光源使用均为外调制激光器。

§3.2 PMD自动监测补偿：

PMD随温度、应力等路由环境变化，通信系统实际运用过程中时时监测PMD状态，根据监测结果进行适时自动补偿是解决PMD问题的重要方案之一。PMD自动补偿方案分电域的自动补偿和光域的自动补偿。光域的补偿设备构成简单，与调制方式和其它引起波形失真的主要因素－波长色散、非线形效应无关，而且光域处理信号快。电域补偿设备比较复杂，且只能在接收机内进行，补偿量有限，应用可能收到限制。具体的PMD补偿方案大体有如下三种：

A.光路上对光信号进行补偿：光路上的补偿分利用保偏光纤、非线形啁秋布拉

格光栅（NG-FBG）等几种方式。

B.光接收机内对电信号进行补偿：利用延迟线的电子均衡补偿器

C．光电结合方案：两个光接收机接收两个偏振模信号，电学时延补偿后混和输出，相位信息又反馈控制光路上的偏振状态。

由于目前PMD色散补偿技术仍然未进入商用阶段，超长距离的传输需要选择更小PMD系数的光纤。

§3.3色散补偿光纤的运用：

G.652光纤（SMF）在1550nm窗口的典型色散为17ps/(nm.km),当传输距离增长时，光脉冲将在累积色散的作用下，产生脉冲展宽，这种展宽将引起码间干扰和模式噪声，而限制传输距离，采用色散补偿光纤（DCF）对传输线路的色散性能进行补偿是一项比较成熟的技术。色散补偿光纤是一种特制的光纤，其色度色散为负值，恰好与G.652光纤相反，可以抵消G.652常规光纤色散的影响。通常这类光纤典型色散系数为－90ps/(nm.km),因而DCF只需在总线路长度上占G.652光纤长度的1/5，即可使总链路色散值接近于零。通常认为采用DCF来进行色散补偿是一种十分简单易行的无源补偿方式，然而这种色散补偿的主要缺点是DCF衰减较大，约为0.5dB/km,而且DCF光纤价格比较昂贵。目前使用DCF色散补偿光纤对系统进行色散补偿在现阶段光纤数字通信中得到了广泛的使用.

§3.4选用大有效面积光纤：

首先我们来讨论另外一个影响长距离大容量DWDM通信系统的现象四波混频非线形效应（FWM）。光波是一种高频电磁波，不同波长（频率）的光波复用在一起进行传输时，光纤的非线形会导致产生其它新的波长（见下图），即四波混频效应（FWM）,并用FWM效率来度量。

2ω1-ω2ω1ω22ω2-ω1频率新波长四波混频产生的原理

显然，在新波长的产生以及原有波长信号能量的转移消耗，会在多波长系统中产生串音干扰或过大的信号衰减，从而限制了波长数。这是一种非线形过程，一旦产物产生，用任何均衡技术无法消除，因此必须事先防范。通常，FWM效率取决于通路间隔和光纤的色散。通路间隔越窄，光纤色散越小，不同光波间相位匹配就越好，FWM效率也越高，影响也越重。为了克服FWM效应引起的串音干扰，不同波长间的最小通路间隔应满足下式：?W?0.25M.P D式中M是光纤放大器间隔数，D是光纤色散系数，P表示单个通路的平均功率，单位为mW。由式中可见，D越小，FWM影响越严重。在零色散区，D趋于零，各波长信号以相同速率传播，相位匹配极好，导致及其严重的FWM效应，应尽量避免。故在DWDM系统中具有少量的色散能有效的抑止FWM，故利于DWDM长距离大容量的传输。专门为DWDM系统开放研制的G.655光纤设计思想是使零色散点波长不落在1550nm附近，有意使1550nm附近呈现一定大小的色散。 而大有效面积光纤（LEAF）是在G.655光纤的基础上开发的，可以减轻色散的线形和高功率的非线形影响，提高入纤功率，增加波分复用数，代表光纤发展的方向，它的缺点是色散斜率比较大，约为0.1ps/(nm2.km)。大有效面积光纤在海底光缆系统中得到了广泛的应用.

§3.5色散补偿模块的使用：

在海底光缆DWDM系统中相邻每个信道之间是有色散差的，差值的大小与色散斜率有关，所谓色散斜率指光纤的色散随波长而变化的速率，又称高阶色散，单位为ps/(nm2.km)在通过长距离的海缆传输后，由于色散的积累，各波段的色散都随着传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各波段通道的色散累积量是不同的，位于两侧边缘通路的色散累积量差别最大，以G.652光纤为例，在1530nm处色散系数约为15.5ps/nm/km，在1565nm处约为17.6ps/nm/km，色散斜率（色散系数对波长的微分）为0.08ps/nm2/km，LEAF光纤的色散斜率为0.12ps/nm2/km。当传输超过一定距离后，会使具有较大色散累积量的通路色散值超标，从而限制整个DWDM系统的传输质量.一般的海缆线路上的色散补偿不能使色散斜率得到完全补偿，这就需要在DWDM终端的接收端和发送端对不同通道的色散进行单独的调节，一种由高阶模（HOM）光纤组成的光纤色散补偿模

1000km波长（nm）1538.37 λ11542.54 λ91546.12 λ181548.91 λ251552.52 λ341556.96 λ451559.79 λ521582.64 λ591585.5 λ66发送端 ps/nm总需补偿值ps/nmBlock 补偿Individual补偿S波段M波段L波段+1370+1016+616+304-100-398-710-1031-1361-5200+500000000000接收端 ps/nmBlock 补偿Individual补偿+390+500+20-380+3000-100-400+100-500-210-530

表5.5传输距离为1000km色散补偿值

3000km波长（nm）1538.37 λ11542.54 λ91546.12 λ181548.91 λ251552.52 λ341556.96 λ451559.79 λ521582.64 λ591585.5 λ66发送端 ps/nm总需补偿值ps/nmBlock 补偿Individual补偿S波段M波段L波段+4310+3247+2047+1111-100-1389-2338-3294-4263-16500+1590+5900-590+5600-690000接收端 ps/nmBlock 补偿Individual补偿+580+1590+70-680+5500-100-700+480-1170-470-1430

表5.6传输距离为3000km色散补偿值

比较表5.5和5.6的数据我们可以得到以下几个结论：

1. 波段两侧的信道所需的色散补偿绝对值要大于中间信道，越靠近边缘的波长色散累积越大。

2. 1552.52nm波长的色散绝对值是最小的几乎接近于零，对它进行单波补偿使其拥有一定的负色散，是为了防止非线形效应的产生。

3. 每个波长所需的色散补偿值是不一样的通过单波色散补偿可以使得每个信道波长获得不同所需匹配的色散值，而通过Block补偿可以大大减少所需的由DCF光纤制成的色散补偿模块，从而降低设备建设和运行维护的成本。

4. 随着传输距离的增加，信道所需的色散补偿值也越大，波段两侧的信道波长由于色散斜率的存在而累积的色散越大。

本章小结：本章通过对APCN2（亚太II号）海缆系统的色散补偿机制描述，对其线路色散补偿和DWDM终端设备色散补偿进行分析。

第六章 色散补偿的影响及消除方式：

§6.1 色散补偿的影响

由于在设备DWDM终端大量使用DCF光纤和SMF光纤制成的色散补偿模块来进行色散补偿，在缓和色散限制的同时也会产生副作用，它们的插入损耗都非常大为5.5dB,补偿的色散量越大使用的色散补偿模块越多，对线路系统增加的附加衰减越大，对光纤放大器补偿能力要求越高。在APCN2海缆中使用掺饵光纤放大器（EDFA）来满足这一需求。

§6.2 光放大器的运用

光放大器（OA）是一种不需要经过光/电/光的变换而直接对光信号进行放大的有源器件，能够补偿光功率在光纤传输中的损耗，延长通信系统的传输距离。在DWDM系统中使用最多的也是掺饵光纤放大器。它的工作原理为在石英光纤的芯层之中，掺入共三价稀土金属元素Er（饵）后形成一种特殊的光纤，这种光纤在泵浦光的激励下可放大光信号，其特点是高增益、低噪声、能放大不同速

率和方式的信号，并能在近几十纳米范围内同时放大多波长信号，对偏振不敏感等。增益可高达10dB～30dB，输出功率大为10dBm～20dBm，与光纤的极化状态无关，张驰时间为10ms，所需泵浦功率低（数十毫瓦）

前文已经提到光信号在经过色散补偿模块后插入损耗很大，对信号衰减影响很大，故在APCN2海缆DWDM系统中，光纤每通过一次DCM色散补偿就需要通过放大器进行光功率补偿。见图5.1

DCMOA MODDCM:dispersion compensation moduleOA MOD:optical amplifier module

图6.1 光放大器的应用

本章小结：本章对色散补偿对系统光衰减所带来的影响进行描述，指出使用EDFA放大器可对线路光功率衰减进行有效的补偿。 海底光缆技术的发展趋势 1．高系统带宽

采用C波段和L波段并行EDFA中继器的6850公里无电再生试验已经实现66nm带宽的传输；

采用拉曼放大中继器的试验也证实了37.5GHz波长间隔、240x12.0 Gbit/s、7400公里无电中继传输技术，带宽范围在1536.4nm到1610.4nm之间共74nm。拉曼放大器结构比采用C波段和L波段EDFA的中继器结构要简单，放大器采用4种泵浦源，其波长范围在1430 nm 到1502 nm之间，这种拉曼放大器的优点是容易控制增益波形，并减少增益均衡带来的损耗；

最近报道，中继器采用C波段EDFA和L波段拉曼两种放大器，实现38GHz波长间隔、256x12.3Gbit/s、11000公里的无电中继传输，整个带宽从1527 nm 到 1606.6 nm共80nm。 2．高频带效率

尽管试验证明了60-80nm带宽越洋传输的可能性，但是超宽的传输频带需要精确的色散管理和增益均衡，在商用过程中将面临一些困难。所以提高频带效率是追求每光纤总容量的另一课题。

权衡波道线路速率和FEC增益是增加频带效率的一个关键因素。42GHz波道间隔、120x22 Gbit/s RZ 信号经过6200 km无电中继传输的实验实现了频带效率48%。

选择不同的调制方式也是改进频带效率的另一个重要因素。据报道，19GHz波道间隔、200x11.4Gbit/s的传输终端，实现9200公里无电再生传输，本实验利用LiNbO3调制器产生的vestigial-sideband RZ (VSB-RZ) 信号改进频谱效率，达到53%。 实际上，可以利用光滤波产生这样一个带宽受限的信号。相应的实验是，利用光滤波产生的VSB-RZ信号实现50 GHz波道间隔、100 x 20 Gbit/s，传输距离4000公里， 频带效率达到57%。最近采用光滤波的CS-RZ信号也使75 x 42.7 Gbit/s的容量到达4500公里对端，频谱效率达到60%。事实上，因为简单、无源的特点，通过光滤波器限制带宽的方式是比较有用的。但是光滤波器可能造成波形畸变，可以通过全光波形再生器来降低这种影响。基于这种技术的55 x 42.7 Gbit/s、2500公里的实验实现频谱效率80%。

结束语

海底光缆系统一直在追求高的传输速率，从而降低系统造价、设备功耗以及降低网络管理系统的负荷。实用化的光通信系统在DWDM技术的推动下，其容量正有条不紊地向高速大容量系统发展，限制超长距离海缆系统发展的主要矛盾已经发生根本的变化，以由衰减受限转变到以色散受限、非线形受限，光源的预啁啾、PMD补偿和色散斜率的补偿已经基本解决目前光通信系统的色散受限问题，

但是对于单波超过40Gb/s的DWDM系统、全光网、智能光网络的发展，必须进一步解决动态色散补偿等问题。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ebut.html