（通信与信息系统专业论文）动态增益均衡（dge）在dwdm系统中的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着市场需求和技术进步的双重推动，密集波分复用( d w d m ) 光纤通信 技术正向着超长超高速、大容量以及动态可配置的网络化方向发展。但是目前 在d w d m 传输系统中，由于光纤的衰耗、掺饵光纤放大器( e d f a ) 的增益、 色散补偿模块( d c m ) 的插损以及其他光学部件的增益或损耗都随信号波长不 同而不同，使得d w d m 系统各通道间信号功率和信噪比不均衡，从而导致 d w d m 系统传输质量下降。而动态增益均衡器( d g e ) 可以均衡由于这些原因 引起的光通道功率变化和改善波道间信噪比的不一致。但是要将d g e 在d w d m 系统中的位置配置正确来达到光功率和信噪比均衡的效果，则需要进行理论的 研究以及设计应用软件进行方便快捷的计算是值得研究的问题，这些问题的顺 利解决使得系统配置人员配置d w d m 系统更加方便、快捷和准确，从而使d g e 在d w d m 系统中的应用更加广泛。 本论文首先分析了国内外d g e 的发展现状和存在的问题，介绍了d g e 的 工作原理、功率自动均衡算法和自动加重算法，详细的讨论了d w d m 系统中光 纤衰耗和e d f a 增益的不平坦性对系统的性能影响。通过分析实际d w d m 系统 中光纤传输的衰耗、e d f a 的增益与波长的数学关系、色散补偿模块( d c m ) 和静态增益平坦滤波器( g f f ) 的插损与波长的关系，根据在d w d m 系统中配 置了d g e 后接收端的功率和信噪比平坦度达到最小的最优算法，利用d e l p h i 编程语言编写出了d g e 应用软件，该软件不仅能够正确计算d w d m 系统中各 个放大器出端的单波道功率和信噪比，最重要的是能够计算d g e 在d w d m 系 统中的最优位置和最优加重系数。 最后通过测试某应用了d g e 的d w d m 系统工程，分析测试结果，比较测 试和软件计算的数据，验证了软件计算的正确性，为d g e 在d w d m 系统中广 泛的正确应用提供了强有力的理论依据，同时为d w d m 系统的参数配置提供了 方便快捷的途径。有了这些理论支持和d g e 应用软件的开发，使得d g e 在 d w d m 系统中的广泛应用是必然的发展趋势。 关键词：d w d m ，d g e ，功率自动加重，最优加重系数，最优位置 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed o u b l ed r i v i n go fm a r k e td e m a n da n dt e c h n o l o g yp r o g r e s s ，d e n s e w 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 g ( d w d m ) i sd e v e l o p e df o ran e t w o r kw h i c hi s s u p e r - l o n g ，s u p e rh i e , hs p e e d ，l a r g ec a p a c i t ya n dd y n a m i cr e e o n f i g u r a b l e a tp r e s e n t ， t h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o np r o b l e mh a sb e e ne x i s t e ds e r i o u s l yi nd w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h el o s so fo p t i c a lf i b e r ，t h eg a i no fe r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) ，t h ei n s 毹o nl o s so fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t e dm o d u l e ( d c m ) a n d o t h e ro p t i ca p p a r a t u sa r er e l a t e dw i t ht h ew a v e l e n g t ho fo p t i c a ls i g n a l ，t h e n o n - e q u a l i z a t i o np r o b l e mo f c h a n n e lo p t i c a lp o w e ra n ds i g n a l t o - n o i s er a t e ( o s n r ) i s a r i s eb e c a u s eo f a l lt h ef a c t o r si nd w d ms y s t e m t h ed w d mt r a n s m i s s i o nq u a l i t yi s d e g r a d e do w i n gt ot h en o n - e q u a l i z a t i o n t h en o n - a c c o r d a n c eo fc h a n n e lo p t i c a l p o w e ra n do s n ri so v e y c o l t i eb yt h ed y n a m i cg a i ne q u a l i z a t i o ne q u i p m e n t g e ) b u tt h er i g h tl o c a t i o no fd g ei nd w d m s y s t e mi sd e m a n d e dt or e s e a r c ht h et h e o r y a n dd e s i g na p p l i e ds o f t w a r e a f t e rt h e s ep r o b l e m sa 把s o l v e d , d w d ms y s t e m e q u i p m e n t sa r ee s i l ya n dr a p i d l yc o n f i g u r e db yp e o p l e ，d g ew i l lb eb r o a d l ya p p l i e d i nd w d m s y s t e m t h ed e v e l o p e da c t u a l i t ya n de x i s t e dp r o b l e m so fd g ei nh o m ea n do v e l s e a sa r e a n a l y z e di n t h i sp a p e r t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，p o w e ra u t o m a t i ce q u a l i z e da n d a g g r a v a t e da r i t h m e t i co fd g ea r ci n t r o d u c e d , t h ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c eb e c a u s eo f t h eo p t i c a lf i b e rl o s sa n de d f a g a i nn o n f l a t n e s si nd w d ms y s t e mi sd i s c u s s e di n d e t a i l t h em a t h e m a t i cm o d u l ew h i c hi sa b o u tt h er e l a t i o no ft h el o s so fo p t i cf i b e r , t h eg a i no fe d f aa n dw a v e l e n g t hi sb u i l t t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n s e r t i o nl o s so f d c m ，t h ei n s e r t i o nl o s so fg a i nf l a t n e s sf i l t e r ( g f f ) a n dw a v e l e n g t hi sa n a l y z e d b a s e do nt h ee x c e l l e n ta r i t h m e t i ct h a tt h ep o w e ra n do s n rf l a t n e s so fr e c e i v e ri s o p t i m i z e d a f t e rd g ec o n f i g u r e di nd w d ms y s t e m ，d g ea p p l i e ds o f t w a r ei s d e v e l o p e db yt h ed e l p h ip r o g r a ml a n g u a g e t h ep o w e ra n do s n ro fs i n g l es i g n a l c h a n n e lo fe d f ao u t p u tp o r tc a nb ec a l c u l a t e de x a c t l y , t h eb e s tp o s i t i o na n dt h eb c s t a g g r a v a t e dc o e f f i c i e n to fd g ei nd w d ms y s t e ma r ea l s od e c i d e db yt h ed o e a p p l i e ds o f t w a r e a tl a s ts o m ed w d mt r a n s m i s s i o ns y s t e mp r o j e c tc o n f i g u r e dd g ei st e s t e d ，t h e n 武汉理工大学硕士学位论文 t e s tr e s u l ti sa n a l y z e d ，t h ed a t ac a l c u l a t e db yd g ea p p l i e ds o f t w a r ea r ec o m p a r e d 、城t ht h et e s td a t a t h ee x a c h l e s so fs o f t w a r ec a l c u l a t e di sv a l i d a t e d d g ec a l lb e c o n f i g u r e de x a c t l ya n db r o a d l yi nd w d ms y s t e mb a s e do i lt h et h e o r ye v i d e n c e ，a c o n v e n i e n ta n df a s tw a yi sp r o v i d e dt 0t h ed w d m s y s t e mc o n f i g u r a t i o no w i n gt ot h e d o es o f t w a r e b a s e do nt h et h e o r ya n dt h es o r w a r ed e v e l o p e d ，t h ei n e v i t a b l e d e v e l o p e dt i d et h a td g e i sb r o a d l ya p p l i e di nd w d m s y s t e mi sg 翰d 1 翰i l yf o r m e d k e yw o r d s ：d w d m ；d g e ；p o w e ra u t o m a t i ca g g r a v a t e d ；b e s tp o s i t i o n ；b e s t a g g r a v a t e dc o e f f i c i e n t 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：萋担雄e t 期：幽：生：垫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输 多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段， 每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号【l 】闭。对波分复用系统 的研究始于8 0 年代中期，最早是1 3 l m a 和1 5 1 m a 两个波长窗口的波分复用，这 两种波分复用系统在国内外都已有实际应用。随着分布反馈动态单纵模半导体 激光器( d f b l d ) 【3 l 的出现，使得同一窗口内的波分复用系统成为可能。原则 上讲，在光纤的低损耗窗口都可以进行波分复用，但由于目前掺饵光纤放大器 ( e d f ：a ) 带宽平坦的范围在1 5 3 0 n m 1 5 6 5 n m ，所以当前使用的复用波长大都 在1 5 5 1 m a 左右，图1 1 为波分复用系统示意图。 图1 一l 波分复用系统示意图 在光发射端，携带不同信息的不同波长的光载波信号，用光波分复用器合 并到一起，送至同一根光纤中传输；接收端将这些光信号用解复用器分离，然 后分别送至相应波长的光接收机中作进一步处理。 当w d m 系统的相邻波长间隔比较窄( 一般小于2 r i m ) 时，我们就把这种 w d m 系统称为密集波分复用系统【4 】瞪】。d w d m 技术其实是w d m 技术的一种具 体表现形式，它是随着波分复用器件和光放大器( e d f a ) 技术的快速发展而走 武汉理工大学硕士学位论文 向商用，并在全球范围内迅速普及【6 】。 但是在d w d m 光传输系统中，由于掺铒光放大器( e d f a ) 、传输光纤、 色散补偿模块( d c m ) 1 7 l 、增益平坦滤波器( g f f ) 嗍以及其他光学部件的增益 或损耗与波长相关，因此通常情况下光传输链路中各信道功率和信噪比是不均 衡的。各信道功率不均衡引起的传输质量下降在长距离、高密度、高速度的 d w d m 系统中表现得非常明显【9 j 【1 0 1 。 目前，主要利用动态增益均衡技术来动态调整各信道的功率【l 。比较完善 的动态增益均衡可以通过在放大器内部添加增益均衡滤波器，或系统周期性的 增加o f f 和d g e 来实现。前者是通过优化e d f a 的增益平坦度，使e d f a 的增 益平坦度尽量小，从而减小e d f a 的增益不平坦性对d w d m 系统性能的影响； 后者是通过软硬件结合实现的，沿光纤线路有规律的添加g f f 和d g e ，对不同 的光信道的功率进行不同的衰减，从而使得在系统接收端处功率和信噪比平坦 度比较小。若通过两者共同配合，可对系统功率进行调整，保证光通道功率和 信噪比基本一致，降低由于线路或系统性能劣化对线路造成的影响。其中g f f 的主要特点是其插损随信号波长不同而变化，短波长的插损值小于长波长的插 损值，对于固定波长它的插损值是固定的。而d g e 设置了加重系数，在d w d m 系统中利用d o e 时，可以改变d g e 的加重系数，从而改变d g e 对某波长的衰 减，也就是d g e 对固定波长的衰减是动态变化的，总体而言d g e 也是对短波 长的插损小于长波长的插损。对g f f 和d g e 的特点进行比较，d g e 更能适应 d w d m 系统光通道功率的动态变化，所以在d w d m 系统中，更倾向于配置d g e 来达到减小d w d m 系统接收端的信噪比和功率平坦度的目的。 但是目前d w d m 系统配置人员主要根据实际经验来确定d g e 在d w d m 系统中的位置以及其加重系数，从经验中判断d g e 配置的正确性，根本没有理 论依据支持d g e 在d w d m 系统的位置和加重系数是最优的。因此在d w d m 系统中如何正确的配置d g e 来达到优化系统性能的目的，则需要从理论上研究 影响光通道功率和信噪比不均衡的因素，也就是找出光纤衰耗、e d f a 的增益、 d c m 和o f f 的插损与波长的数学关系，通过这些数学关系，设计出一个应用软 件方便快捷的计算出d g e 在d w d m 系统中的最优位置和最优加重系数，使 d g e 在d w d m 系统中的应用更加广泛，系统配置人员配置d w d m 系统更加方 便、快捷和准确。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外的发展现状 目前，国外有多家公司推出了采用多种技术制成的动态增益均衡器d g e 产 品。c y p r e s s 公司( 美) 所属s l m 公司推出的m o d e l 2 2 0 0 动态增益均衡是第一 个在超光谱解析度下应用衍射m e m s 技术的器件，l i g h t c o n n e c t 公司的d g e 是 运用平面s i o n 技术，l i g h t w a v e 和c o m i n g 公司联合推出了使用平面波导回路 ( p l c ) 技术的集成型d w d m 系统用d o e ，n o v e r a 公司研制的d g e p 动态频 谱( d s e ) 采用的是声光滤波技术，w a v e s p l i t t e r 科技公司的可调衰减器，集成了 a w g 复用器、功率检测器，使系统集成商能够更好的控制和监测传输信号功率， 实现光网络的动态管理【1 2 】。 d w d m ( t o s ) 系统因超大容量设备指标数量较多，设备调试和维护工作 量大，使得存在的主要问题主要集中在提高可靠性、降低功耗、集成化、提高 软件的智能化程度、增加升级的灵活性、降低成本、减少维护费用、提高设备 的维修速度等方面。在国内动态增益均衡器首先应用在实验室的长途超大容量 ( t b s 以上) 光传输设备中。但是无论是在国外的还是在国内的通信设备运营 商，d g e 都很少应用在实际d w d m 工程中，即使应用在工程中也只是利用d g e 的均衡作用来均衡通道间的功率不平坦，没有利用d g e 对d w d m 系统中的光 通道进行功率加重，更加缺乏通过网络管理系统在线动态化调节系统传输功率 谱。没有通过对d w d m 系统中光纤的衰耗、e d f a 的增益、d c m 和g f f 的插 损与波长的关系的分折，没有设计和编写d g e 应用软件来计算d w d m 系统中 各个放大器出端的通道功率和信噪比以及确定d g e 在系统中的最优位置和最优 加重系数。 1 3 本课题的主要工作和意义 随着市场需求和技术进步的双重推动，d w d m 光纤通信技术正向着超长、 超高速、大容量以及动态可配置的网络化方向发展【l 。虽然当前d w d m 的巨大 传输容量已能满足实际的需求，但是在现有的d w d m 容量基础上，加强系统性 能的优化以获得最佳的传输效果，已经成为值得考虑的现实问题。其中光通道 功率和信噪比要达到均衡是d w d m 系统性能得到优化的重要体现。在d w d m 光传输系统中，由于光纤衰减的非线性特性和色散、e d f a 增益的不平坦性、以 及其他光学部件的增益或损耗都随信号波长不同而不同，光纤受激拉曼散射效 武汉理工大学硕士学位论文 应会引起信号功率由短波长通道向长波长通道转移和光纤放大器老化等因素都 会使d w d m 系统各通道间信号功率不均衡。尽管在e d f a 中多采用静态增益均 衡来降低其增益不平坦性1 1 4 】，但残留的增益不平坦度( 如士o 5 d b ) 将随着e d f a 级联链路的增加而不断积累放大；另一方面，g f f 对固定波长的固定衰减以及 小的衰减量使得g f f 在d w d m 系统中的应用受到限制，所有这些均给接收端 的平坦度和光信噪比带来不利的影响。而d o e 对固定波长的动态衰减和大的衰 减量可以减小系统接收端功率和信噪比平坦度，优化系统性能【”】。对于d o e 在 d w d m 系统中的研究和应用分析，本课题的主要工作有： ( 1 ) 通过分析d w d m 系统中光纤衰耗和e d f a 增益的不平坦性对系统的 性能影响，找出了d w d m 系统中光纤传输的衰耗、e d f a 的增益以及d c m 和 g f f 的插损与波长的数学关系。 ( 2 ) 研究d g e 功率自动均衡和加重算法，根据在d w d m 系统中配置了 d g e 后接收端的功率和信噪比平坦度达到最小的最优算法，以及利用建立的 d w d m 系统中各个模块与波长的数学关系，应用d e l p h i 编程语言设计开发了 d g e 应用软件，并通过测试实际工程验证了d g e 软件的计算准确性。 而本课题研究的主要目的和意义有如下几点： ( 1 ) 在d w d m 系统中用d g e 代替g f f ，利用d g e 对光通道功率进行自 动加重，动态的调整对波长的衰减量，克服了级联e d f a 的增益不平坦性以及 其它因素给d w d m 系统带来的光通道功率和信噪比的不均衡性问题。 ( 2 ) 现有的d w d m 系统在平坦度方面，由于整个系统总跨距较长、波数 较多、段数多，传统的技术已不能满足线路配置要求。论文中确定了一种光功 率自动均衡和加重的算法，应用这种算法使得d g e 的应用优化了d w d m 系统 的性能，也就是使接收端的光通道功率和信噪比得到均衡，而且d g e 的应用在 某种程度上改善了短波长的信噪比。 ( 3 ) 通过分析d w d m 系统中光纤衰耗、e d f a 的增益、d c m 和g f f 的插 损与波长的特性，推导了在实际工程中它们与波长的数学关系。根据这些数学 关系，编写出了d g e 在d w d m 系统中的应用软件。 ( 4 ) 编写的d g e 应用软件可以计算出d w d m 系统中每个放大器出端单波 道的功率和信噪比，而且可以根据d g e 的加重算法确定d g e 在d w d m 系统中 的最优位置和最优加重系数。在确定了d g e 后，能计算出含有d g e 的d w d m 系统中各个放大器出端的单波道功率和信噪比。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 应用软件的这些功能可使系统配置人员在d w d m 系统的设备配置时 更加方便、快捷、准确，对通信设备运行商更具有理论说服力。 1 4 本章小结 本章介绍了随着光通信网络的发展，d w d m 的应用是目前光纤通信向高速 大容量发展的主导潮流。而其中光通道功率和信噪比要达到均衡是d w d m 系统 性能得到优化的重要体现，d g e 在d w d m 系统中的应用使得接收端的功率和 信噪比平坦度得到了很大的改善。通过d w d m 系统中各个模块与波长的关系来 编写软件确立d g e 在系统中的最优位置和最优加重系数，为d g e 在d w d m 系 统中的正确配置提供了强有力的理论依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章d g e 光功率自动均衡和加重算法分析 2 1 引言 在大容量点到点传输系统中，由于可用信道带宽较宽( 例如1 6 0 波d w d m 系统，在c 波段和l 波段共跨越带宽约8 0 h m ) ，为了使所有信道的接收功率都 落入接收机优化的误码性能范围内，获得信道一致、优良的系统性能，对整个 系统各个部分的通道一致性传输要求增高【1 3 】【1 0 3 。目前，多信道光源、c 波段和l 波段分别实现放大的e d f a 和宽带、低噪声放大的分布式喇曼放大器( r a ) ，在 c 波段和l 波段实现分波合波的大容量波分复用器件己经应用在长途超大容量 系统中，克服这些组成部分带来的信道功率不一致性成为大容量、长距离传输 系统面临的问题之一【1 7 】。此外，在宽带范围内的光纤传输会使光纤内硅基材料 组分的某些非线性效应增强，例如受激喇曼散射( s r s ) 效应，会使d w d m 信 号的短波长信道功率向长波长信道转移，造成信道功率谱的显著倾斜【l 硼。理论 分析和系统实验表明，当无电中继距离超过1 0 0 0 k m 、跨段数在1 0 段以上时， 传输线路形成的光谱倾斜在1 2 d b 以上。在这些情况下，即使接收端信道平均功 率为接收机最优输入功率，功率较低的信道会因趋近或低于接收机灵敏度而显 著提高误码率；功率较高的信道会因趋近或高于接收机过载功率点而使误码显 著恶化。这种情况的发生使大容量传输失去意义【1 9 1 1 2 0 。 在d w d m 系统中，由于掺铒光纤的增益谱限制，不同的波长其增益各不相 同，各信道增益的差别造成增益的不平坦性【2 l 】。当e d f a 在系统级联使用时， 由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的o s n r 迅速恶化圈，特别是在多 个e d f a 级联后，这种增益差值会逐渐使强信号愈强，弱信号愈弱，信道间功 率差别越来越大，以至到达接收端时，增益高的波长信道可能使接收机输入过 载，而增益小的波长信道则信噪比达不到要求，导致整个系统不能正常工作田】。 随着自动交换光网络技术的发展，整个网络系统的智能化程度显著提高， 能够自动进行波长配置和动态带宽资源分配的光分插复用( o a d m ) 和光交叉 连接( o x c ) 等节点设备将被广泛采用刚，传输链路和光节点中的波长负荷时 刻发生变化，光纤放大器工作状态的改变也将引起其自身增益谱的不均衡。而 6 武汉理工大学硕士学位论文 且，不仅需要对上波长通道与直通波长通道功率水平的差异进行动态补偿，同 时还要采用“阻挡滤波器( w a v e l e n g t hb l o c k e r ) ”对残留在链路中的下波长通道 信号进行有效的抑制 2 s 1 ( 2 6 1 。 总而言之，固定的g f f 显然难以适应上述因素引起的光纤放大器增益不平 坦和通道功率的不均衡。因此，迫切需要采用动态增益均衡技术保持系统的 o s n r 特性，以适应超高速率、超大容量和超长距离系统传输和网络动态配置的 要求 2 7 1 1 2 s l 。动态增益均衡器在光网络中的应用，必须与网络性能实时检测技术 咧、网络综合分析和优化技术相结合，构成智能化的光学特性管理系统，实时 化、动态化地调节网络光谱，确保网络传输性能稳定o o l 。 2 2d g e 的种类和特点 d g e 可以应用在d w d m 传输系统的c 和l 波段，在超长距离传输系统 中，能够使光信号通过数十个e d f a 而不需要电再生，支持网络重配置而不损 失o s n r 。 目前主要有以下几种动态增益均衡器【1 0 1 ： ( 1 ) 全光纤声光可调谐滤波器( a o t f ，a c o u s - t o - o p t i c a lt u n a b l ef i l t e r ) 注：r f 为射频，o p m 为光性能监测单元 图2 1 基于a o t f 的动态增益均衡器件 全光纤a o t f 把被空气包围的裸光纤作为声波波导，通过声波换能器将声 波加载到光纤上。全光纤a o t f 大都基于这种原理工作一声波与光波沿光纤 相互作用。发生较大的重叠，相互作用长度也很大，因此在很小的射频功率下 即可得到模式间1 0 0 的耦合；多个全光纤a o t f 级联，调整加载到光纤上声波 武汉理工大学硕士学位论文 信号的频率和电压，就能够灵活地调节带阻滤波器的波长位置和衰减幅度，得 到所需要的光谱轮廓；另外，由于光波只是在光纤中传输，因此损耗很小。如 图2 1 所示为基于a o t f 的动态增益均衡器的示意图。 ( 2 ) 级联式液晶光学谐波均衡器件( o h e ，o p t i c a lh a r m o n i ce q u a l i z e r ) 级联式液晶o h e 器件包含光性能监控单元( o p m ) 、数字信号处理单元 ( d s p ) 以及多级谐波均衡单元，如图2 2 所示。每个谐波均衡单元包括一个 液晶谐波滤波器( 用于调整波长位移) 和一个液晶光可变衰减器( 用于调整谐 波响应波形的幅度) 。o p m 单元通常置于光纤放大器输出端口，动态监测输出功 率的光谱轮廓；d s p 单元将o p m 单元采集的数据与所期望的增益谱轮廓进行比 较，计算出均衡该增益谱轮廓所需要的传递函数，并且进一步将该传递函数用 傅里叶级数展开，计算出每个谐波均衡单元所要进行的幅度调整和波长位移量 的大小；通过对液晶盒施加准确的偏压实现所要求的光谱响应特性，从而实现 d g e 。 图2 2 级联式液晶o h e 器件 ( 3 ) 非对称m a c h - z e h n d e r 干涉仪级联式d g e 器件 该d g e 器件采用平面光波导工艺技术制作，基于共振耦合器( r e s o n a n t c o u p l e r ) 原理，由一系列功率耦合器和延迟线多级级联构成。单一级器件实际 上是一个非对称马赫泽德( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪( m z i ) ，具有正弦波形光谱 响应特性，通过热光效应调整每级器件的耦合长度和延迟线长度以得到不同的 武汉理工大学硕士学位论文 谐波响应。将一系列不同的非对称m z i 级联，以一定方式( 控制算法) 使相应 的光谱响应特性合成在一起，最终得到所需要的光谱曲线，实现d g e 。 ( 4 ) 基于自由空间微光学+ 衍射光栅+ 阵列光衰减器组合的d g e 器件技术 这种器件技术充分利用了自由空间微光学技术的灵活性、衍射光栅良好的 色散特性以及偏振控制技术，其基本工作原理如图2 - - 3 所示。通过第1 个透镜 将光束准直入射在衍射光栅上，衍射光栅对多波长光束进行空间分光并通过第2 个透镜入射在光衰减器阵列( 主要的制作方法有液晶，m e m s 等) 上。经过衰 减后返回的多波长光信号再由衍射光栅合束进入输入光纤，采用光环行器对输 入输出光信号进行分离。 图2 3 利用自由空间衍射光栅技术的d g e 器件 ( 5 ) 平面集成阵列波导光栅+ 热光光衰减器阵列组合的d g e 器件技术1 1 2 1 该器件的制作工艺为标准的平面光波导工艺，所有功能单元均单片集成在 同一衬底上，如图2 4 所示。由一对阵列波导光栅和热光相移器阵列组成m z i ： 第1 个阵列波导光栅作为解复用器对输入多波长信号进行分光，由热光相移器 产生可控的相位延迟，通过m z i 产生所需要的各个波长通道的光衰减；第2 个 阵列波导光栅作为复用器合成所预期的光谱衰减曲线。 图2 4 基于平面集成阵列波导光栅的动态增益均衡器件 综上所述，目前己经有很多种基于不同原理和工艺的制作技术能够实现 9 武汉理工大学硕士学位论文 d g e ，它们各具特色，不仅可以补偿放大器带宽内的随机增益波动，还可以用 于放大器的自动增益斜率补偿，并且还可以用于光分插复用节点均衡直通 信道、减少残余下话路波长信号等等，但尚未有哪种器件技术成为市场主流。 d g e 器件的选用需要依据光纤通信系统的具体要求综合考虑诸多因素，例如光 谱分辨率、动态范围、残余增益起伏、响应速度、功耗指标、器件价格与可靠 性等。 2 3 d g e 的工作原理 论文中所用的d g e 器件采用的是衍射技术。d g e 在d w d m 系统中主要与 光性能监测器( o p m ) 1 3 1 】【3 2 】联合使用。o p m 在d w d m 系统中的主要作用是实 时监测光信号的重要性能指标，如信号波长、光功率和光信噪比，可以反应光 信号的中心波长漂移量，光功率变化和光信噪比的下降，其功能类似于光谱分 析仪o s a m a 3 3 1 ，将d g e 、o p m 和其它器件集成在一块盘子上，就称为d g e 单 盘。本论文中的d g e 使用的d g e 模块采用的是自由空间衍射光栅技术，由于 其技术成熟、性能稳定、兼容性好、耗电低等优点，成为了动态增益均衡单盘 的核心模块。图2 5 中简单的表示了d g e 的工作原理。 图2 5d g e 工作原理示意图 d w d m 系统中经过e d f a 放大后，功率不平坦的信号进入d g e ，o p m 主 要采集d g e 输入光信号各波的光功率、光信噪比( o s n r ) ，上报给网管系统 c p u ，由c p u 分析计算对d g e 下达指令，控制d g e 各波是否要衰减以及要衰 减的衰减量，实现功率自动均衡或加重，改善输入光的平坦度以及某些波的信 l o 武汉理工大学硕士学位论文 噪比，而且o p m 同时还可以监测其它线路的光性能，上报给网管系统，若监测 的性能参数没有到达指标要求，工程人员可以根据上报的警告对线路进行相应 的维护。 2 4d g e 光功率自动均衡和加重算法 图2 6 表示了d g e 在d w d m 系统的位置。在d w d m 系统中，由于d g e 的插损比较大，大约在1 0 d b 左右，根据光放大器增益补偿前一段光纤段衰减的 原则，d g e 一般放在光前置放大盘( o p a ) 和光功率放大盘( o b a ) 中间。 图2 6d g e 在d w d m 系统中的位置图 2 4 1d g e 衰减的特点 f 人 1 ： c z t - 2* 1c n c x r l l c r t + 2 图2 7不均衡的光功率谱 由于d g e 器件的特性，当对某波下达衰减指令后，其相邻波长的光功率也 会相应的减小，衰减量因不同的d g e 模块而定。论文中主要讨论的d g e 模块 对波的功率衰减特性如图2 7 所示，图中5 个波长间隔5 0 g h z ，对波c n 下达 衰减指令后，其他相邻波长q 矿e + i c 0 ：、g 一：的光功率也会较小，间隔越 小，受影响程度越大。例如：对波c n 的光功率下达衰减l d b m 的指令，其相隔 5 0 g h z 的波e 。和e 。的光功率同时也会减小o 5 d b m ，而其相隔1 0 0 g h z 的波 武汉理工大学硕士学位论文 e + ：和g 一：的光功率也减小了0 3 d b m 。如表格2 - - 1 ，为一实际测试结果，可以 看出，d g e 波长间隔小的波分系统的均衡效果影响很大。 表2 - - 1d g e 对不同波长间隔的光功率的影响 波长间隔2 0 0 g h z 间隔1 0 0 g h z 间隔5 0 g i - i z 间隔 均衡前均衡后均衡前均衡后 均衡前 均衡后 系统平坦度( d b ) 5 6 9 0 7 47 5 92 5 77 4 54 0 1 结论显而易见，波长间隔为2 0 0 g h z 的波分系统里，d g e 模块可以使系统 各波的功率达到比较均衡；而在波长间隔比较小的5 0 g 间隔系统里，由于对某 波的衰减会影响其相邻5 0 g h z 和1 0 0 g h z 波的功率，因此经过d g e 模块均衡后， 系统功率平坦度依然很大，其均衡效果不是很好。 2 4 2d g e 光功率自动均衡算法 d g e 光功率自动均衡的主要思想是以o p m 所采集的波的平均光功率为基 准，调整各波衰减的功率，使其光功率平坦度减小，优化功率平坦度。具体算 法可以按照两种情况分开讨论。 第一种情况：某些波已经功率锁定( 参照图2 8 ) x lx 2 x 3九 图2 - - 8 系统中某些波功率被锁定( 波 、五、五、五被锁定) ( 1 ) 计算已经功率锁定的波的平均光功率p ，最小光功率p m i n ，最大光功 率p m a x 。 ( 2 ) 确定待衰减的波c n 的光功率衰减量a p 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 若c n 相邻1 0 0 g h z 没有其他波，i l l - 若p ( c n ) p ，么p = p ( c n ) - p ； 若脸p ( c n 眨p m i n ，么p = 0 。 ( b ) 若c n 相邻1 0 0 g h z 有其他波。则： 若p ( c r l pp ，a p - k + p ( c n ) - p ，k 为待定常数，定为1 2 ； 若脸p ( c n 砭p m i n ，1 p = 0 。 ( c ) 若c n 相邻1 0 0 g h z 范围内有功率锁定的波c m ，则其功率要增大， 即反调。 一d p ( c m ) = k l + a c c m - 1 ) + k l a ( c m + 1 ) + k 2 a ( c m - 2 ) + k 2 a ( c m + 2 ) 上式中：么p ( c n l ) ：波c m 实际衰减值 a ( c m - 1 ) ：d g e 对波c m - i 下达的衰减值 k i：d g e 对波c m + l 、c m - 1 下达的衰减值对波 c m 的光功率的影响系数( c m + l 、c m 1 分别 为c m 相邻5 0 g h z 间隔的波，k 1 暂定为 o 5 1 。 k 2：d g e 对波c m - 2 、c m + 2 下达的衰减值对波 c m 的光功率的影响系数。( c m - 2 、c m + 2 为 c m 相邻1 0 0 g h z 间隔的波，k 2 暂定为o 3 ) 。 考虑到c m 反调的幅度不大，上式c m 相邻1 0 0 g h z 范围内功率锁定的波不 参与计算。 ( 3 ) 重复1 、2 ，直到满足功率平坦度要求。 图2 9 系统中无功率锁定的波 武汉理工大学硕士学位论文 第二种情况：没有波功率锁定( 参照图2 9 ) ，图中波前、以、墨为光功率 较小的波。 ( 1 ) 比较采集的光功率，确定其中的光功率的平均值，其平均光功率p 作 为其他波衰减的基准。 ( a ) 如果存在5 0 g 间隔的波，p 为所有5 0 g 间隔波的平均光功率。 ( b ) 否则如果存在l o o g 间隔的波，p 为所有1 0 0 g 间隔波的平均光功率。 ( c ) 否则，p 为所有波的平均光功率。 ( 2 ) 确定待衰减的波c n 的光功率衰减量a p 。 l p = p ( c n ) - p ； ( 3 ) 重复l 、2 ，直到满足功率平坦度要求。 图2 1 0 均衡前的光谱图平坦度= 7 2 8 d b 图2 1 l 均衡后的光谱图平坦度= 2 9 3 d b 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在实际使用d g e 时采用了上述的递推算法，经实验证明该算法能得出各通 道正确的衰减值，d g e 功能得以实现。图2 1 0 和2 - - 1 1 是在d w d m 系统工 程中，针对不同平坦度，应用d g e 对光通道功率进行均衡的一组测试数据，从 测试数据中可以看出，在d w d m 系统中应用d g e光通道功率进行均衡，极大 的改善了线路的平坦度。 2 4 3d g e 光功率自动加重算法 在d w d m 线路传输过程中，e d f a 的增益随着波长的变化而变化，在e d f a 的工作波长范围内，增益平坦度在o 5 d b 范围内，而且光纤损耗、色散补偿模块 ( d c m ) 以及其它无源光器件的插损也与波长相关，这就使得光信号功率经过 放大链路传输后，短波长的光功率损耗大，长波长的光功率损耗小。虽然平均光 功率可能是接收机最优的输入光功率，但是功率低的信道可能因为功率低于或 趋近于接收机的灵敏度而显著地提高了误码率，功率高的信道可能因为功率高 于或趋近于接收机过载功率而显著地恶化了误码率，从而使得d w d m 的大容量 和长距离传输失去了意义。 爱 d g l l 人 - r 主 准裹猫 d g l出c n 的衰减值 的耳坦度 - r 一 - 一 一繁 i j 一 图2 一1 2d g e 光功率自动加重原理示意图 d g e 加重是采用镜面反射的原理，对短波长的功率衰减小些，长波长的功 率衰减大些，从而使得经过d g e 加重后，短波长的功率l - b k ：波长的功率大些， 经过后面级联e d f a 的传输，到达接收端的信道间功率均衡，减小线路接收端的 武汉理工大学硕士学位论文 平坦度。d o e 单盘的基本思想是比较o p m 采集的各波的光功率，寻找所有波中 功率的最小值，以功率最小值为确定各波衰减量的基准值。图2 一1 2 为d g e 加 重原理的图形说明，图中形象的表达了d g e 的加重原理，加重系数k 不同，对信 道的光功率衰减量也不一样，k 值越大，衰减量也越大，可用式2 一l 来表达加重 系数k 与波的光功率衰减量的关系。 a p ( c n ) = 【p ( c n ) - p 盅】( k + 1 o ) ( 2 1 ) 式2 一l 中，a p ( c n ) 一波c n 的衰减量， p 。一采集的各波中功率的最小值， k d g e 的加重系数。 图2 1 3d g e 加重前的光谱图，波数= 7 7 图2 1 4d g e 加重后的光谱图，波数= 7 7 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 3 和2 1 4 是在某d w d m 工程中，应用d g e 对光通道功率进行加 重前后