光波分復用系統(tǒng)

第七章光波分復用系統(tǒng)2024/12/61第七章光波分復用系統(tǒng)7.1光波分復用的基本概念7.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理7.3光波分復用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)7.4WDM系統(tǒng)的特點7.5光時分復用系統(tǒng)27.1光波分復用的基本概念回憶：復用的主要技術(shù)光通信中TDM的優(yōu)缺點

WDM的引入37.1.1光波分復用的基本概念

光波分復用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)是在一根光纖上能同時傳送多波長光信號的一項技術(shù)。它是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用）并作進一步處理，恢復出原信號送入不同的終端。因此，此項技術(shù)稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用（WDM）技術(shù)。4圖7-1單模光纖的帶寬資源5續(xù)圖7-1單模光纖的帶寬資源由圖7-1可見，1310nm波長段和1550nm波長段一共約有200nm低損耗區(qū)可用，這相當于30000GHz的頻帶寬度。但在目前的實際光纖通信系統(tǒng)中由于光纖色散和調(diào)制速率的限制，單信道TDM系統(tǒng)的通信速率被限制在10Gbit/s或以下，所以單模光纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發(fā)。6WDM與DWDM

由于目前一些光器件和相關(guān)技術(shù)還不十分成熟，因此要實現(xiàn)光信道十分密集的復用（稱為光頻分復用）還較為困難。在這種情況下，把在光纖同一低損耗窗口中信道間隔較小的波分復用稱為密集波分復用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。

WDM技術(shù)對通信網(wǎng)絡(luò)的擴容升級、發(fā)展各種寬帶業(yè)務以及充分發(fā)掘光纖帶寬潛力具有十分重要的意義。77.1.2WDM系統(tǒng)的基本形式雙纖單向傳輸單纖雙向傳輸光分路插入傳輸8圖7-2雙纖單向傳輸示意圖9WDM系統(tǒng)中，因各信道的波長不同而有增益偏差，經(jīng)過多級放大后，增益偏差積累使各信道信號特性惡化，最終造成整個系統(tǒng)不能正常工作。1WDM系統(tǒng)的幾個技術(shù)問題z代表光纖類型（z＝2，3，5分別代表，或光纖）從長遠來看，未來WDM系統(tǒng)中可能會利用整個O、S、C和L波長段，因此色散平坦光纖光纖可能會得到較大的應用。圖7-1單模光纖的帶寬資源中心頻率偏差定義為標稱中心頻率與實際中心頻率之差。集成式WDM系統(tǒng)示意圖EDFA的增益平坦問題第七章光波分復用系統(tǒng)由于目前一些光器件和相關(guān)技術(shù)還不十分成熟，因此要實現(xiàn)光信道十分密集的復用（稱為光頻分復用）還較為困難?？梢愿鶕?jù)是否具有OTU將WDM系統(tǒng)分為集成式和開放式兩種。第七章光波分復用系統(tǒng)可以完成多種電信業(yè)務的綜合和分離在WDM系統(tǒng)中，必須對光源的波長進行精確的設(shè)定和控制，否則波長的漂移必然會造成系統(tǒng)無法穩(wěn)定、可靠地工作。光纖的非線性效應問題圖7-3單纖雙向傳輸示意圖

10光發(fā)射機光分插復用器OADM光分插復用器OADM光接收機光接收機光發(fā)射機光纖光纖光纖圖7-4光分路插入傳輸11第七章光波分復用系統(tǒng)7.1光波分復用的基本概念7.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理7.3光波分復用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)7.4WDM系統(tǒng)的特點7.5光時分復用系統(tǒng)127.2.1WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

WDM系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：光發(fā)送機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。WDM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-5所示。13光合波器光轉(zhuǎn)發(fā)器11光轉(zhuǎn)發(fā)器2nBA光監(jiān)控信道發(fā)送器光發(fā)送機λ1λn光纖光接收機λs光分波器光接收1lnPA光接收2λ1λn光纖光監(jiān)控信道接收器λsLA光監(jiān)控信道接收/發(fā)送器λsλs光中繼放大網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)圖7-5WDM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖（單向）147.2.2WDM系統(tǒng)的分類方法

根據(jù)WDM線路系統(tǒng)中是否設(shè)置有EDFA，可以將WDM線路系統(tǒng)分為有線路光放大器WDM系統(tǒng)和無線路光放大器WDM系統(tǒng)。EDFA:摻鉺光纖放大器15圖7-6有線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置

*圖中給出的各參考點釋義見表7-116有線路光放大器WDM系統(tǒng)的分類與應用代碼應用代碼一般采用以下方式構(gòu)成：nWx-y·z，其中

n是最大波長數(shù)目

W代表傳輸區(qū)段（W＝L，V或U分別代表長距離、很長距離和超長距離）

x表示所允許的最大區(qū)段數(shù)（x＞1）

y是該波長信號的最大比特率（y＝4或16分別代表STM-4或STM-16）

z代表光纖類型（z＝2，3，5分別代表，或光纖）17表7-2有線路放大器WDM系統(tǒng)的應用代碼應用長距離區(qū)段（每個區(qū)段的目標距離為80km）很長距離區(qū)段（每個區(qū)段的目標距離為120km）區(qū)段數(shù)58354波長4L5-y·z4L8-y·z4V3-y·z4V5-y·z8波長8L5-y·z4L8-y·z8V3-y·z8V5-y·z16波長16L5-y·z16L8-y·z16V3-y·z16V5-y·z181光波分復用的基本概念波分復用器和解復用器也分別被稱為合波器和分波器，是一種與波長有關(guān)的光纖耦合器。WDM系統(tǒng)中通常采用的是單獨使用一個波長傳送監(jiān)控信號*，在WDM系統(tǒng)中該波長也被稱為光監(jiān)控信道（OSC，OpticalSupervisoryChannel）。2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理對于8通路WDM系統(tǒng)，通道間隔為200GHz（約為）。5GHz的系統(tǒng)方案，如此密集的信道間隔對于光源波長的穩(wěn)定度、精確度和復用/解復用器的性能指標提出了更高的要求標稱中心頻率和最小通路間隔干涉濾波器型WDM/DWDM但在目前的實際光纖通信系統(tǒng)中由于光纖色散和調(diào)制速率的限制，單信道TDM系統(tǒng)的通信速率被限制在10Gbit/s或以下，所以單模光纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發(fā)。2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理32通路或更高容量的DWDM系統(tǒng)的波長分配可參見ITU-T和國標相關(guān)標準。在WDM系統(tǒng)中，如果有一個或幾個信道的輸入光功率發(fā)生變化甚至輸入中斷時，剩下的信道增益即輸出功率會產(chǎn)生躍變，甚至會引起線路阻塞。光纖的非線性效應問題WDM系統(tǒng)中，因各信道的波長不同而有增益偏差，經(jīng)過多級放大后，增益偏差積累使各信道信號特性惡化，最終造成整個系統(tǒng)不能正常工作。光柵型DWDM器件原理圖7-7無線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置*圖中給出的各參考點釋義見表7-3197.2.3光波長區(qū)的分配目前在SiO2光纖上，光信號的傳輸都在光纖的兩個低損耗區(qū)段，即1310nm和1550nm。但由于目前常用的EDFA的工作波長范圍為1530～1565nm。因此，光波分復用系統(tǒng)的工作波長主要為1530～1565nm。在這有限的波長區(qū)內(nèi)如何有效地進行通路分配，關(guān)系到提高帶寬資源的利用率及減少相鄰通路間的非線性影響等。20標稱中心頻率和最小通路間隔為了保證不同WDM系統(tǒng)之間的橫向兼容性，必須對各個通路的中心頻率進行規(guī)范。所謂標稱中心頻率是指光波分復用系統(tǒng)中每個通路對應的中心波長。目前國際上規(guī)定的通路頻率是基于參考頻率為，最小間隔為100GHz的頻率間隔系列。21通路分配表

16通路WDM系統(tǒng)的16個光通路的中心波長應滿足表7-4的要求，8通路的WDM系統(tǒng)的8個光通路的中心波長應選擇表中標有*的波長。22表7-416通路和8通路WDM系統(tǒng)中心頻率序號標稱中心頻率（THz）標稱中心波長（nm）1192.101560.61*2192.201559.793192.301558.98*4192.401558.175192.501557.36*6192.601556.557192.701555.75*8192.801554.949192.901554.13*10193.001553.3311193.101552.52*12193.201551.7213193.301550.9214193.401550.12*15193.501549.3216193.601548.51*23更多波長的考慮隨著各種新業(yè)務對WDM系統(tǒng)容量的更高要求，32波乃至更多波長數(shù)的WDM系統(tǒng)已經(jīng)成熟，其頻率間隔已經(jīng)縮小到50GHz。32通路或更高容量的DWDM系統(tǒng)的波長分配可參見ITU-T和國標相關(guān)標準。為了滿足未來通信業(yè)務的需要，已經(jīng)提出間隔低至12.5GHz的系統(tǒng)方案，如此密集的信道間隔對于光源波長的穩(wěn)定度、精確度和復用/解復用器的性能指標提出了更高的要求24中心頻率偏差中心頻率偏差定義為標稱中心頻率與實際中心頻率之差。對于16通路WDM系統(tǒng)，通道間隔為100GHz（約），最大中心頻率偏移為±20GHz（約為）；對于8通路WDM系統(tǒng)，通道間隔為200GHz（約為）。為了未來向16通道系統(tǒng)升級，也規(guī)定對應的最大中心頻率偏差為±20GHz。25第七章光波分復用系統(tǒng)7.1光波分復用的基本概念7.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理7.3光波分復用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)7.4WDM系統(tǒng)的特點7.5光時分復用系統(tǒng)267.3光波分復用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

WDM系統(tǒng)的應用對增加通信容量、信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)有重大意義。但是目前還存在一些技術(shù)問題。例如對于激光器的波長及其穩(wěn)定性要求較高；光纖的非線性對光放大器的輸出功率有很大的限制；“四波混頻”效應會造成信道間的串擾；光纖的色散效應限制了信道速率的提高；如何監(jiān)測線路光放大器等問題。277.3.1WDM系統(tǒng)的幾個技術(shù)問題光源的波長準確度和穩(wěn)定度問題光信道的串擾問題光纖色散對傳輸?shù)挠绊憜栴}光纖的非線性效應問題

EDFA的動態(tài)可調(diào)整增益與鎖定問題

EDFA的增益平坦問題

EDFA的光浪涌問題

EDFA級聯(lián)使用時的噪聲積累問題281.光源的波長準確度和穩(wěn)定度問題在WDM系統(tǒng)中，必須對光源的波長進行精確的設(shè)定和控制，否則波長的漂移必然會造成系統(tǒng)無法穩(wěn)定、可靠地工作。所以要求在WDM系統(tǒng)中要有配套的波長監(jiān)測與穩(wěn)定技術(shù)。目前采用的主要方法有溫度反饋控制法和波長反饋控制法來達到控制與穩(wěn)定波長的目的。29光信道的串擾問題

光信道的串擾是影響接收機的靈敏度的重要因素。信道間的串擾大小主要取決于光纖的非線性和解復用器的濾波特性。在信道間隔為1.6nm或0.8nm的情況下，目前使用的光解復用器在系統(tǒng)中可以保證光信道間的隔離度大于25dB，可以滿足WDM系統(tǒng)的要求，但對更高速率的系統(tǒng)尚待研究。30光纖色散對傳輸?shù)挠绊憜栴}

在系統(tǒng)中采用了EDFA后，衰減問題得到了解決，傳輸距離大大增加，但是色散也隨之增加，系統(tǒng)的無中繼傳輸距離由原來的受衰減限制變?yōu)榱耸苌⑾拗?。因此對于高速光纖通信而言，光纖的色散效應成為一個主要的限制因素必須解決，否則無法實現(xiàn)長距離通信。31表7-2有線路放大器WDM系統(tǒng)的應用代碼復用器是用光學方法調(diào)整各支路脈沖的位置，并用光纖耦合器來合路。標稱中心頻率（THz）光通信中TDM的優(yōu)缺點中心頻率偏差定義為標稱中心頻率與實際中心頻率之差。根據(jù)制造的特點，WDM器件大致有熔錐光纖型、干涉濾波器型和光柵型等幾種類型。32通路或更高容量的DWDM系統(tǒng)的波長分配可參見ITU-T和國標相關(guān)標準。信道間的串擾大小主要取決于光纖的非線性和解復用器的濾波特性。光柵型WDM/DWDM（每個區(qū)段的目標距離為120km）WDM系統(tǒng)中，因各信道的波長不同而有增益偏差，經(jīng)過多級放大后，增益偏差積累使各信道信號特性惡化，最終造成整個系統(tǒng)不能正常工作。在這種情況下，把在光纖同一低損耗窗口中信道間隔較小的波分復用稱為密集波分復用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。光纖的非線性對光放大器的輸出功率有很大的限制；在WDM系統(tǒng)中，如果有一個或幾個信道的輸入光功率發(fā)生變化甚至輸入中斷時，剩下的信道增益即輸出功率會產(chǎn)生躍變，甚至會引起線路阻塞。目前在SiO2光纖上，光信號的傳輸都在光纖的兩個低損耗區(qū)段，即1310nm和1550nm。光纖的非線性效應問題

對于常規(guī)的單信道光纖通信系統(tǒng)來說，入纖光功率較小，光纖呈線性狀態(tài)傳輸，各種非線性效應對系統(tǒng)的影響較小，甚至可以忽略。但在WDM系統(tǒng)中，隨著EDFA等放大器的使用，入纖的光功率顯著增大，光纖在一定條件下將呈現(xiàn)非線性特性，會對系統(tǒng)的性能，包括信道間串擾和接收機靈敏度等產(chǎn)生影響。32EDFA的動態(tài)可調(diào)整增益與鎖定問題

在WDM系統(tǒng)中，各光信道之間的信號傳輸功率有可能發(fā)生起伏變化，這就要求EDFA能夠根據(jù)信號的變化，實時地動態(tài)調(diào)整自身的工作狀態(tài)，從而減少信號波動的影響，保證整個信道的穩(wěn)定。在WDM系統(tǒng)中，如果有一個或幾個信道的輸入光功率發(fā)生變化甚至輸入中斷時，剩下的信道增益即輸出功率會產(chǎn)生躍變，甚至會引起線路阻塞。所以EDFA必須具有增益鎖定功能來避免某些信道完全斷路時對其他信道的影響。33EDFA的增益平坦問題

WDM系統(tǒng)中，因各信道的波長不同而有增益偏差，經(jīng)過多級放大后，增益偏差積累使各信道信號特性惡化，最終造成整個系統(tǒng)不能正常工作。因此，要使各信道上的增益偏差處在允許范圍內(nèi)，放大器的增益必須平坦。34EDFA的光浪涌問題

EDFA的采用可使輸入光功率迅速增大，但由于EDFA的動態(tài)增益變化較慢，在輸入信號跳變的瞬間將產(chǎn)生浪涌即輸出光功率出現(xiàn)“尖峰”。峰值光功率可達數(shù)瓦，有可能造成光/電變換器和光連接器的損壞。35EDFA級聯(lián)使用時的噪聲積累問題

信號經(jīng)過EDFA傳輸后，信噪比會產(chǎn)生劣化，且信噪比的劣化與級聯(lián)的EDFA的數(shù)量和放大器之間的光纖段跨距有關(guān)，跨距越大，信噪比劣化越嚴重。所以，放大器之間的光纖段跨距一般控制在80～120km之內(nèi)，以保證信號傳輸性能對信噪比的要求。367.3.2光源技術(shù)對WDM系統(tǒng)采用的光源技術(shù)主要有：波長可調(diào)諧激光器波長可調(diào)諧濾波器高精度光源外調(diào)制技術(shù)377.3.4光波分復用/解復用器與光濾波器技術(shù)

光波分復用/解復用器（WDM/DWDM）是波分復用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。其功能是將多個波長不同的光信號復合后送入同一根光纖中傳送（波分復用器）或?qū)⒃谝桓饫w中傳送的多個不同波長的光信號分解后送入不同的接收機（解復用器）。

波分復用器和解復用器也分別被稱為合波器和分波器，是一種與波長有關(guān)的光纖耦合器。光波分復用器/解復用器性能的優(yōu)劣對于WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有決定性的影響。38WDM/DWDM器的結(jié)構(gòu)原理根據(jù)制造的特點，WDM器件大致有熔錐光纖型、干涉濾波器型和光柵型等幾種類型。熔錐光纖型WDM/DWDM

干涉濾波器型WDM/DWDM

光柵型WDM/DWDM

集成光波導型WDM/DWDM

39薄膜濾波器自聚焦透鏡自聚焦透鏡1×N分路器干涉濾波器型DWDM器件原理40準直透鏡光柵光纖光纖光柵自聚焦透鏡(a)用傳統(tǒng)透鏡作準直器件(b)用自聚焦透鏡作準直器件光柵型DWDM器件原理41平面陣列波導光柵型波分復用器42WDM/DWDM器件性能插入損耗隔離度回波損耗工作波長范圍通路帶寬437.3.5光轉(zhuǎn)發(fā)器（OTU）技術(shù)1.OTU的基本結(jié)構(gòu)

WDM系統(tǒng)在發(fā)送端采用OTU，主要作用是把非標準的波長轉(zhuǎn)化為ITU-T所規(guī)定的標準波長，以滿足系統(tǒng)的波長兼容性?？梢愿鶕?jù)是否具有OTU將WDM系統(tǒng)分為集成式和開放式兩種。

44G.692S1SDH波分復用器OAOA波分解復用器S2SNR1R2RNSDHSDHSDHSDHSDH集成式WDM系統(tǒng)示意圖45G.957波分復用器波分解復用器S1SDHOTUOAOAS2SDHOTUSNSDHOTUR1SDHOTUG.957R2SDHOTURNSDHOTU開放式WDM系統(tǒng)示意圖接收端的OTU是可選項46圖7-17基于XGM原理OTU示意圖47光纖的非線性對光放大器的輸出功率有很大的限制；熔錐光纖型WDM/DWDM第七章光波分復用系統(tǒng)由于OTDM系統(tǒng)中E/O轉(zhuǎn)換器前和O/E轉(zhuǎn)換器后均是基帶信號，與信號處理有關(guān)的電子設(shè)備均工作在基帶比特率下，因此不存在“電子瓶頸”。接收端的OTU是可選項圖7-6有線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置可以完成多種電信業(yè)務的綜合和分離第七章光波分復用系統(tǒng)所以EDFA必須具有增益鎖定功能來避免某些信道完全斷路時對其他信道的影響。可實現(xiàn)單纖雙向傳輸，節(jié)省大量*圖中給出的各參考點釋義見表7-3隨著各種新業(yè)務對WDM系統(tǒng)容量的更高要求，32波乃至更多波長數(shù)的WDM系統(tǒng)已經(jīng)成熟，其頻率間隔已經(jīng)縮小到50GHz。EDFA級聯(lián)使用時的噪聲積累問題此時監(jiān)控系統(tǒng)的速率可取為155Mbit/s。圖7-6有線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置7.3.6光纖傳輸技術(shù)

WDM系統(tǒng)中的光纖傳輸技術(shù)與一般的光纖通信系統(tǒng)相比，由于存在傳輸速率高和信道數(shù)量多等特點，因此存在著一些特殊的要求，包括光纖選型、色散補償技術(shù)和色散均衡技術(shù)等。481.光纖選型

從系統(tǒng)成本角度考慮，尤其是對原有采用光纖的系統(tǒng)升級擴容而言，在光纖線路上增加色散補償元件以控制整個光纖鏈路的總色散值也是一種可行的辦法。從長遠來看，未來WDM系統(tǒng)中可能會利用整個O、S、C和L波長段，因此色散平坦光纖光纖可能會得到較大的應用。492.色散補償技術(shù)

隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)對傳輸容量要求的急劇提高，原有光纖線路中大量使用的光纖已不能適應，采用波分復用和色散補償技術(shù)在現(xiàn)有光纖系統(tǒng)上直接升級高速率傳輸系統(tǒng)是目前較為適宜的技術(shù)方法。關(guān)于WDM的一些技術(shù)問題已在本章中闡述，色散補償問題將在第11章中詳細介紹。503.色散均衡技術(shù)

在原有采用光纖的系統(tǒng)中，采用色散補償技術(shù)只能實現(xiàn)整個鏈路或者其中部分數(shù)字段的總色散為零，但是由于色散補償元件是分段式的使用的，這就可能造成光纖鏈路的色散值呈現(xiàn)起伏波動的情況，這也不利于WDM系統(tǒng)。因此需要引入色散均衡技術(shù)，在保證整個鏈路色散最小的同時，中間任意數(shù)字段的色散起伏都不會很大。517.3.7WDM系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)

WDM系統(tǒng)中通常采用的是單獨使用一個波長傳送監(jiān)控信號*，在WDM系統(tǒng)中該波長也被稱為光監(jiān)控信道（OSC，OpticalSupervisoryChannel）。*思考：為什么需要獨立的波長傳送監(jiān)控信號？52OSC實