APCN2海缆系统的实现方案及色散补偿技术在其中的应用DOC.docx
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APCN2海缆系统的实现方案及色散补偿技术在其中的应用DOC
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）
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，λ0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
），因此通过选用频率啁啾系数小的激光器，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。
§3.2PMD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。
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：
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块（DCM）具有较好补偿LEAF光纤色散斜率的能力。
此外，较大的有效面积将增大产生非线形效应影响的阈值,HOM光纤还能提供很大的负色散，意味着可以用较短的光纤补偿给定的总色散。
本章小结：
本章介绍了几种色散补偿的方法，提出了非线形四频混波和色散斜率的概念，在长距离传输时在考虑色散补偿的同时也要考虑这两个因素对系统的影响。
第五章色散补偿在APCN2海底光缆中的应用
现在海缆系统中均使用容量大，速率高传输系统稳定的密集波分复用技术（DWDM）,以APCN2（亚太II号）海缆为例，其工作在1550nm窗口采用NEC的10Gb/s*66波系统，在这种情况下G.652在1310nm窗口零色散的光纤由于会产生波间干扰而无法使用，采用G.655的非零色散位移光纤进行传输，不会产生干扰，但由于光纤中不同频率的传播并不一样，在1530nm的频率窗口低端，信号色散较少，而在1565nm以上则可以传送更多的信号以及更远的距离。
在APCN2海缆系统中采用康宁公司的海底LEAF光纤＋SMF（G.652）光纤＋由色散补偿光纤构成的色散补偿模块的组合方式使得海底光缆DWDM系统具有最佳的传输质量。
APCN2海缆系统在1530nm－1565nm工作区域共使用66个工作波长，信道间隔为50GHZ（0.4nm），中心波长为1552.52nm，为表明这些工作波长的特征和区别和减少系统放大器所需要的成本我们将它们分为以下三个子波段见表5.1
波长编号
波长范围
所属波段
λ1－λ18
1539.37nm-1546.12nm
S波段
λ19－λ51
1546.52nm-1559.39nm
M波段
λ52－λ66
1559.79nm-1565.50nm
L波段
表5.1APCN2系统波段的划分
在APCN2海缆系统中色散补偿分为两个部分，一为海缆线路补偿部分主要作用是针对通过长距离海缆线路传输后上所积累的色散进行补偿，二为DWDM终端设备色散补偿，其主要通过色散补偿模块分别为各工作波长提供最符合其工作需要的色散值。
APCN2海缆色散补偿机制见（图5.1）
图5.1APCN2海缆系统的色散补偿机制
§5.1海缆线路色散补偿：
APCN2海缆系统在海缆线路中采用的是7段康宁公司的海底LEAF（大有效面积光纤）＋1段SMF（非色散位移光纤G.652）传输方式。
为什么在海缆中要使用康宁公司的LEAF光纤（G.655）呢？
由于它的零色散处于长波长区1570nm附近，在1530nm-1565nm光放大区域，光纤的色散值均为负值，处于-3.5~-1.0ps/nm.km之间，在常用的1549～1560nm之间。
其色散值在-2.4ps/（nm.km）左右，在超长距离传输时，积累的色散为负值，因此只需要采用常规G.652光纤就可以对其进行色散补偿（如下图所示）。
LEAF光纤由于模长直径的增加，从而使得有效面积增加更有效的克服非线性影响。
正是由于大有效面积光纤增大了光传输距离，所有这种光纤系统只需很少的光放大器和中继器，而且用SMF常规光纤来补偿负色散比用DCF光纤来补偿正色散要便宜许多，从而直接降低了网络建设和维护的成本。
特性名称
单位
波长
康宁海底LEAF
衰减
dB/km
1550nm
0.23
工作波长
Nm
1530-1565
1530-1565
色散
Ps/nm.km
1560nm
-3.5~-1.0
零色散波长
Nm
1570
零色散斜率
Ps/nm2.km
0.12
偏振模色散
Ps/km1/2
单纤值
0.2
模场直径
1550nm
9.0-9.6
有效面积
71
表5.2康宁海底LEAF大有效面积光纤的特性
图5.2海缆的色散补偿（中心波长1552.52nm）
注：
1.1block相当于两个海底中继器之间的距离约为60km。
2.LEAF:
-2.4ps/nm/km0.12ps/nm2/km@1560nm
SMF:
+19ps/nm/km0.08ps/nm2/km@1560nm
我们根据上图所提供的传输光纤参数计算一下的系统通过一个跨段距离传输后光纤的色散值：
（色散系数（LEAF）×距离/block×block）+（色散系数（SMF）×距离/block×block）＝跨段的色散总值
依据以上公式得：
（－2.4ps/nm/km×60km×7段）+（+19ps/nm/km×60km×1段）＝-1008ps/nm+1140ps/nm=+132ps/nm
由上式计算的结果我们可以看到通过一个跨段8个中继段将近500km距离传输后，光缆累积的色散值仅为＋132ps/nm，运用SMF光纤可以有效的抵消LEAF光纤所累积的大量负色散。
§5.2DWDM终端设备色散补偿：
APCN2海缆系统在DWDM终端设备中采用的是单波补偿（Individual）＋波段（Block）补偿+系统色散补偿（Batch）的三层补偿方式来满足66个不同波长各自所需要得色散值。
实现方式主要是在DWDM设备的收发端装载具有DCF色散补偿光纤的补偿模块单元。
见（图3.3）
使用的DCF光纤色散值为－85ps/nm/km，色散斜率为0.02ps/nm2/km
图5.3用DCF光纤制成的色散补偿模块
下面具体介绍下三种不同终端色散补偿模式的工作原理：
A.Batch（整体补偿）
Batch整体色散补偿指对整个系统的所有子波段的波长进行色散补偿，原理如下图所示：
图5.4Batch色散补偿原理
由于APCN2海缆系统两个终端登陆局之间的长度为几千千米，LEAF光缆长度与SMF光缆不可能完全按照7：
1的8段来进行配置组合（如下图5.5所示），SMF的正色散补偿值是为固定的,静态的不可改变的,即加入一个Block的SMF光缆段后线路要完全按照预定要求达到匹配是非常困难的,尤其在靠近两个终端附近，一段SMF光缆也许只能对应3，4个LEAF光缆段或者更少（假如人为的增加光缆长度达到7:
1的平衡会造成工程成本的提高,网络维护成本的提高是不可取的）.这样在线路中同样会积累一部分正色散从而影响传输质量，这时线路中多余的正色散就需要由终端DWDM设备Batch补偿来完成。
图5.5Batch负色散补偿
那么究竟需要终端设备多大的Batch补偿呢？
我们可以按照上面所提到的参数来计算一下最大值：
如上图所示整个海缆系统多余正色散的最大值为靠近终端两端均为SMF光纤所积累的正色散：
（19×60×2）＋0.08×（1560－1552.52）×60×2＝＋2350ps/nm@1552.52nm
即在这种绝对情况下系统可能冗余的最大正色散值为2350ps/nm@1560nm
当然在实际情况中APCN2系统线路积累的正色散值没有那么大一般约为＋700ps/nm左右，这样通过两个终端站的Batch色散补偿来消除，实际应用为发送端和接收端各承担一半即Batch色散值为各－350ps/nm。
发送端的色散补偿我们可以称为预补偿（Pre-dispersioncompensation）,接收端的色散补偿我们称为后补偿（Post-dispersioncompensation）。
当然系统也有LEAF光缆冗余情况的存在，这样线路所累积的总色散值就为负值了，如下图5.6所示：
图5.6Batch正色散补偿
海缆系统中所可能冗余的最大负色散值为多余7段LEAF光缆所累积的色散。
按照以上公式计算得：
（－2.4×60×7）＋0.12×（1560－1552.52）×60×7＝-1384ps/nm@1552.52nm
即在绝对情况下系统可能冗余的最大负色散值为－1384ps/nm@1560nm
消除负色散APCN2终端系统使用由SMF光纤制成的色散补偿模块来实现，使用的SMF光纤色散值为，＋18ps/nm/km,色散斜率为：
0.073ps/nm2/km
当然APCN2海缆系统所累积的负色散一般也不会那么大，一般为－700ps/nm左右，通过两个终端站的Batch色散补偿来消除，实际应用为发送端和接收端各承担一半即Batch色散值为各＋350ps/nm。
所有Batch色散补偿值
发送端
接收端
＋side
＋700ps/nm
+350ps/nm
+350ps/nm
－side
-700ps/nm
-350ps/nm
-350ps/nm
表5.3系统Batch色散补偿值
通过Batch色散补偿后A-B（图5.4）1539.37-1565.50工作区域内，零色散波长从1570nm附近转移到1552nm附近。
图中红色线表示海缆经过长距离传输后的色散值，蓝色线表示Batch色散补偿值。
黑色线表示为经过Batch色散补偿后系统的总色散值。
B.Block（块补偿）
既然Batch已经补偿了多余累积的系统色散，那为什么还需要Block补偿呢？
由于在APCN2海缆中DWDM总共使用了66个信道，波段跨度从1530nm到1565nm，而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。
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，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。
所以必须为处于波段两边的信道再次进行色散补偿，由于DCF光纤构成的色散补偿模块比较昂贵，所以最经济的方法是采用一个DCF模块对多个信道同时补偿，将工作波长划分为若干个子波段即（S,M,L）,其中对S波段和L波段的信道进行Block色散补偿，M波段的信道由于色散斜率比较小所以不需要进行Block补偿。
Block色散补偿的工作原理如下图所示;
图5.7Block色散补偿原理
图中1539.37nm-1565.50nm为整个系统66个波长的工作波段，分为S波段，M波段和L波段，在S波段中（A处）各波长所累积的色散值为负值，如果总负色散值超过了－1000ps/nm就需要用用由SMF光纤制成的色散补偿模块来消除，在L波段中（B处）各波长所累积的色散值为正值，如果总正色散值超过＋1000ps/nm就需要用由DCF光纤制成的色散补偿模块来消除。
M波段中的波长所积累的色散有正，有负还有为零，由于色散值均在一个合适的范围内，所以M波段中的波长不需要进行Block色散补偿。
S波段的工作范围为1539.37nm-1546.12nm，对应的工作波长为λ1－λ18，中心波长为1542.74nm。
由于S波段中信道所累积的色散值为负值，所以采用
用SMF光纤构成的色散补偿模块来抵消负色散，色散值为＋18ps/nm/km,色散斜率为0.073ps/nm2/km。
L波段的工作范围为1559.79nm-1565.50nm，对应的工作波长为λ52－λ66，中心波长为1562.64nm。
由于L波段中信道所累积的色散值为正值，所以采用DCF光纤所构成的色散补偿模块来抵消正色散。
色散补偿值随着传输距离的增加而增大，色散补偿由两个终端站设备发送端和接收端各承担一半。
见表5.4
波长（nm）
1000km
2000km
3000km
发送端
接收端
发送端
接收端
发送端
接收端
S波段1539.37nm-1546.12nm
+500ps/nm
（1542.74nm）
+500ps/nm
（1542.74nm）
+1040ps/nm
（1542.74nm）
+1040ps/nm
（1542.74nm）
+1590ps/nm
（1542.74nm）
+1590ps/nm
（1542.74nm）
M波段1546.52nm-1559.39nm
0
0
0
0
0
0
L波段1559.79nm-1565.50nm
-520ps/nm
（1562.64nm）
-500ps/nm
（1562.64nm）
-1060ps/nm
（1562.64nm）
-780ps/nm
（1550.72nm）
-1650ps/nm
（1562.64nm）
-1170ps/nm
（1556.79nm）
表5.4各波段Block色散补偿值
C.单波补偿（Individual）
在经过了子波段的Block色散补偿后，但是Block补偿也属于区域补偿由于子波段内的色散差还有一定的差别，会造成有的信道补偿不够，而有的信道已经过补偿，此外没有经过Block色散补偿的M波段中有些信道也需要少许的色散补偿来达到传输的最佳效果所以在APCN2海缆系统中还需要分别对每个波道进行单波的色散补偿。
单波色散补偿原理如下图所示：
图5.8Individual色散补偿原理
图中黑线表示各波长在经过Block块色散补偿后的色散值，有的波长色散值为正值有的波长为负值，在通过有效的单波色散补偿后，蓝色线所示，各波长的色散值接近于零（非零）图中红色箭头所示。
其中消除正色散用的是DCF色散补偿光纤所制成的色散补偿模块，消除负色散用的是SMF光纤所制成的色散补偿模块。
单波色散补偿值是远远小于Block色散补偿的。
下面表格为终端设备传输距离为1000公里和3000公里时某些波长的Block色散补偿值和Individual色散补偿值，见下表
表5.5传输距离为1000km色散补偿值
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
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