1.3 光纤通信复用技术

在通信系统中，复用技术是可以充分利用传输线信道容量的多维通信方法，它先合并从不同信息源得到的消息，接着把合并的信息通过一个设备进行传输，消息到达接收端后，再由接收端把合并的消息分开并分别重现。因此，简单来说，复用实质上是一种起着多通道作用的信息传输方式。在光通信系统中，为提高光纤频带的利用率，复用技术是一种很好的解决方案。

1.3.1 波分复用技术

波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器（亦称合波器）汇合在一起，并耦合到同一根光纤线路中进行传输的技术[17-20]，其原理如图1-3所示。在接收端，经解复用器（亦称分波器或称去复用器）把不同波长的载波分离开来，由光接收机恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用技术。

WDM本质上是光域上的频分复用技术。每个波长通路通过频域的分割实现每个波长通路占用一段光纤的带宽。

（1）波分复用技术

通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为稀疏波分复用（Coarse Wave Division Multiplexing，CWDM）和密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔为0.2～1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用。

CWDM和DWDM的区别主要有两点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此，一根光纤上只能复用2～16个波长的光信号；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本。

（2）WDM功能特点

WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有以下优点。

① 传输容量大，可节约光纤资源。对单波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于WDM系统，不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。

② 可以传输不同类型的信号并能对其进行合成和分解。

③ 扩容方便，通过更换终端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量。

④ 组建动态可重构的光网络，在网络节点使用一些器件和设备可以组成高灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。

1.3.2 光时分复用技术

光时分复用（Optical Time Division Multiplexing，OTDM）是用多路电信号调制具有同一个光频的不同光信号，再将这些光信号复用后，在同一根光纤介质中传输的技术[21-25]。在传输系统中，发送端的作用是在时域中把多个数据流复用在一起，接收端的作用是通过对复用信号进行光学处理把多个数据流分解出来，这是一种构成高比特率传输的有效方法。

实现光时分复用系统有两种方式，一是基于比特间插的复用方式，二是基于分组间插的复用方式。比特间插OTDM系统与WDM系统相似，都是将很大的光纤带宽进行分割形成许许多多的小带宽信道。另外，频谱资源的中心管理和当前的电交换技术使得边缘用户无法直接获得网络的带宽资源。而在分组OTDM系统中，时间被分割成以数十万比特为单位的时间片断，数据流可以在接入点以突发方式高速接入，因此从流量和时延两个方面看，多用户流量统计复用之后可以获得更好的网络性能。因此，分组OTDM网络是实现全光分组交换的最终技术选择，但目前业界主要还处在对比特间插的OTDM系统进行研究的阶段。

OTDM系统的关键技术主要包括：超短光脉冲生成技术、光时分复用/解复用技术、光时分交换、光时钟提取与同步技术。

1.3.3 空分复用技术

尽管对光纤中的时域和频域资源的研究与探索已经实现了容量的增长，但这种容量的提升并不是无穷的。在这种背景下，亟须在光纤通信系统中采用新的复用维度以实现信道容量的有效增长。多芯光纤传输、少模光纤传输、轨道角动量模式复用等多种空域维度复用技术成为继单模光纤时代后进一步挖掘光纤容量的有效方式。

作为一种新的复用技术，空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）技术利用空间的分割实现光纤维度的复用，被认为是突破单模光纤传输容量极限，满足未来大容量高速率光纤系统需求的一个必然趋势[26]。空分复用技术以多芯光纤（Multicore Fiber，MCF）、少模光纤（Few-Mode Fiber，FMF）以及少模-多芯光纤（Few-Mode-Multicore Fiber，FM-MCF）为主要的实现方式，可在不增加光缆铺设面积时提高光纤通信的容量。

相比传统的单模光纤，空分复用光纤的传输系统略有不同，光信号在不同的芯子中独立传输如图1-4（a）所示。而对于少模光纤传输系统，则需要在发射端和接收端增加模式复用器/解复用器，将信息加载到不同的模式如图1-4（b）所示。

SDM有多种实现方案。其中，多芯光纤传输是指在一个共同的包层区存在多根纤芯，通过大幅度提高单位面积的信息传输密度，进一步增加可以并行接入的信息；少模光纤传输是指在给定的工作波长上，在一根纤芯中传输若干种模式的光信号，通过使用模式选择复用器或滤波器，激发出基模之外的高阶模式，形成若干相互独立的空间传输信道；轨道角动量模式复用是指以光子轨道角动量作为信息传输载体，利用轨道角动量光束的阶数可以是任意整数以及模式之间的正交特性，对轨道角动量模式实施复用，以扩充信道传输容量并提升频谱利用率。

然而，在实际网络中，光信号在多芯光纤和少模光纤中进行传输时会受到芯间串扰和模间串扰的物理限制。以MCF而言，通过限定物理层面上不同的单模芯实现路径可区分，限制其芯间串扰最简单的方法是通过确保光纤中纤芯具有良好的分离性。对FMF而言，其以模分复用（Mode Division Multiplexing，MDM）方式进行传输，其中不同的路径具有显著的空间重叠，导致信号在传播时发生模式之间耦合。信号在这些模式中传输时，通常会表现出差分模式群时延（Differential Mode Group Delay，DMGD）以及模式相关损耗和增益。作为模式耦合和DMGD的结果，发射到特定模式中的给定数据符号的能量会扩展到相邻符号时隙中，从而降低其携带信息的成功接收率，这种现象通常被称为模间串扰。

不管采用哪种方式，空分复用技术的核心都是通过增加并行传输系统来提高传输容量。随着目前复用/解复用器、模式转换器和模式放大器等关键子系统器件和单元的出现，长距离空分复用传输已成为可能，是实现超大容量、超长距离、高频谱效率光纤传输最具潜力的实现方式之一，具有广阔的应用前景和发展空间。

1.3.4 多维复用技术

随着数据传输量的急剧增加，目前网络传输容量将很快达到极限，光通信复用技术中时间和频率维度已开发殆尽，研究者正在尝试通过引入多芯光纤和多模光纤来探索空间维度复用的可能性，从而解决即将到来的容量瓶颈。

空分复用技术进一步提高了光通信系统容量，未来的光网络势必朝着时域/频域/空域多维一体化的方向发展。然而，目前来讲，空域和时域/频域的结合只涉及单纯的点到点传输，仅实现了链路容量的增加，并未从根本上满足网络整体扩容的迫切需求。因此，未来面向时空频一体化光网络的部署应用，还面临着多维光交换节点如何实现的根本性问题。

多维复用即将波分复用、时分复用、空分复用等多种技术结合在一起，从时间维度、频率维度、相位维度、振幅维度、偏振维度和空间维度等多方面，进一步提高通信系统容量的技术，其具有以下特性。

（1）传统光网络约束限制条件

在无波长交换能力的波分复用光网络中，路由与波长分配（Routing and Wavelength Allocation，RWA）计算需遵循波长一致性约束条件，即对于光路连接请求，沿着从源节点到宿节点的路径为多条链路分配同一波长资源[27-28]。自演进到弹性光网络，RWA演变成了路由与频谱分配（Routing and Spectrum Allocation，RSA），约束限制条件也增加到了3个：① 频谱连续性约束限制条件，即沿着路由上的每条链路分配相同的频谱资源；② 频谱邻接性约束限制条件，即为每个光路连接请求分配连续的频谱隙；③ 频谱冲突性约束限制条件，即每个光路连接请求在频谱资源上所占用的带宽必须不冲突且隔离。假设业务所占用带宽中包含足够宽的保护带宽，可选择性地只考虑频谱连续性和频谱邻接性双重约束。

（2）多维光网络物理交换结构

基于频域与空域结合的多维光网络中各个纤芯的频谱隙是最重要的网络资源。频谱隙作为光网络中最重要的资源和带宽基本单元，严格遵循着频谱邻接性约束限制条件。因此，端到端服务必须沿着路径使用相同的频谱隙资源。同时，该服务可以由同一纤芯内的多个频谱隙承载，这些频谱隙在频域中必须是严格连续的，称为频谱连续性约束限制条件。每个纤芯应采用正交频分复用技术来提高频谱效率。在光纤交换结构中可以实现光纤、纤芯和频谱的自由切换功能，允许不同信道灵活地添加、丢弃和切换，其粒度可低至波长级别。在交换结构中，不同纤芯之间可以实现不同频谱隙的切换，但它们必须遵循频谱连续性约束限制条件，这意味着信号可以在保持相同频谱的同时自由地从一纤芯交换到另一纤芯，实际上频谱连续性约束从某种程度来说被这种自由芯间交换的特性弱化了。

（3）多维光网络物理串扰约束

多维光网络中存在一个特有的物理约束限制，被称为芯间串扰。芯间串扰指相邻纤芯之间可能会发生信号干扰，从而严重影响传输过程中的信号质量，导致良好的容量优势难以与长距离传输相互融合。为了减少串扰并实现紧密的纤芯排列，研究学者提出了一种沟槽辅助型多芯光纤，这种物理结构能够极大地削弱芯间串扰，优化光纤的传输性能参数[29]。

随着串扰问题的引入，路由与频谱分配演变为路由、纤芯与频谱分配（Routing, Core and Spectrum Allocation，RCSA），路由分配算法变得更加复杂。当相同的光谱切片在相邻的纤芯上重叠时，将产生芯间串扰，然而不同光谱切片或非相邻纤芯之间的串扰影响很小，可忽略不计。相邻纤芯之间的串扰会严重影响传播过程中的信号质量，因此在RCSA过程中必须严格考虑串扰因素，即进行串扰感知RCSA（Crosstalk-Aware RCSA，CA-RCSA）。需要注意的是，串扰检查是一个复杂的过程，当要配置所请求的光路时，新光路与其他已经提供的光路之间的芯间串扰应满足预定义的串扰门限数值，因为新光路引起的额外串扰可能会使配置光路的信号质量变差[30-33]。在具有芯间串扰的多芯光纤中，由于强有力物理串扰约束，频谱碎片状态更为复杂多样，为有效避免碎片大量产生，在RCSA算法中引入串扰感知模型十分必要和关键。

本书所描述的多维复用光网络，从现实情况出发，重点放在空域与频域相结合的多维复用光网络。在多维网络资源分配过程中，传统光网络的路由频谱分配问题被扩展为空分复用光网络的路由、纤芯和频谱分配问题。此外，在进行资源分配时，随着业务的建立与拆除，很容易产生资源碎片，如何更好更合理地进行多维网络资源分配，降低资源碎片也是一个重要问题。