第七章 光波分复用系统

1、光纤通信与数字传输光纤通信与数字传输 南京邮电大学南京邮电大学 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 通信与信息工程 学院 2 本章要点 本章主要介绍以波分复用（WDM）为代表的多 信道光纤通信系统及其关键技术，以及光时分复用 （OTDM）技术原理。 本章教学课时为4学时。 通信与信息工程 学院 3 7.1 光波分复用的基本概念 回忆：复用的主要技术 光通信中 TDM 的优缺点 WDM/FDM 的引入 通信与信息工程 学院 4 7.1.1 光波分复用的基本概念 光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤上能同时传送多波长 光信号的一项

2、技术。它是在发送端将不同波长的光信号 组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤 中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解 复用）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。 因此，此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用 （WDM）技术。 通信与信息工程 学院 5 图7-1 单模光纤的带宽资源 可用谱宽可用谱宽 (dB/km) (nm) 1300140015001600 1260136014801580 通信与信息工程 学院 6 续图7-1 单模光纤的带宽资源 由图7-1可见，1310nm波长段和1550nm波长段 一共约有200nm低损耗区可用，这相当于30THz的 频带宽

3、度。但在目前的实际光纤通信系统中由于光 纤色散和调制速率的限制，单信道TDM系统的通信 速率一般被限制在1040Gbit/s或以下，所以单模光 纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发。 通信与信息工程 学院 7 WDM 与 DWDM 由于目前一些光器件和相关技术还不十分成熟，因此要 实现光信道十分密集的复用（称为光频分复用）还较为困难。 在这种情况下，把在光纤同一低损耗窗口中信道间隔较小的 波分复用称为密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）*。 WDM技术对通信网络的扩容升级、发展各种宽带业务以 及充分发掘光纤带宽潜力具有十分重要的意义

4、。 与之对应的城域网中信道间隔较大(20nm)的称为稀疏波分复 用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing). 通信与信息工程 学院 8 7.1.2 WDM系统的基本形式 1. 双纤单向传输 2. 单纤双向传输 3. 光分路插入传输 通信与信息工程 学院 9 图7-2 双纤单向传输示意图 Tx1 Rx2n Rxn+1 Txn 1 2n n+1 n Rx1 Tx2n Txn+1 Rxn 1 2n n+1 n 解 复 用 器 解 复 用 器 复 用 器 复 用 器 光纤放大器 11n n+12n 光纤放大器 通信与信息工程 学院 10 图7-3 单

5、纤双向传输示意图 Tx1 Rx2n Rxn+1 Txn 1 2n n+1 n Rx1 Tx2n Txn+1 Rxn 1 2n n+1 n 解 复 用 器 解 复 用 器 复 用 器 复 用 器 光纤放大器 11n n+12n 通信与信息工程 学院 11 4 2 3 1 32, 43, 光发 射机 光分插 复用器 OADM 光分插 复用器 OADM 光接 收机 光接 收机 光发 射机 光纤 光纤光纤 21, 图7-4 光分路插入传输 通信与信息工程 学院 12 7.2.1 WDM系统的基本结构 WDM系统主要由以下五个部分组成：光发送机、 光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系 统。WDM

6、系统总体结构示意图如图7-5所示。 7.2 WDM系统的基本结构与工作原理 通信与信息工程 学院 13 光 合 波 器 光转发器1 1 光转发器2 n BA 光监控信 道发送器 光发送机 1 n 光纤 光接收机 s 光 分 波 器 光接收1 l n PA 光接收2 1 n 光纤 光监控信 道接收器 s LA 光监控信道 接收/ 发送器 ss 光中继放大 网络管理系统 图7-5 WDM系统总体结构示意图（单向） 通信与信息工程 学院 14 7.2.2 WDM系统的分类方法 根据WDM线路系统中是否设置有EDFA，可以将 WDM线路系统分为有线路光放大器WDM系统和无线 路光放大器WDM系统。 通

7、信与信息工程 学院 15 Tx1 Txn Tx2 Rx1 Rxn Rx2 OA /OD OM /OA OA S1 R MPI-S RM1 fn Sn f2 S2 f1 RMn RM2 Rn R2 R1 S MPI-R SD1 SDn SD2 *图中给出的各参考点释义见表7-1 图7-6 有线路光放大器WDM系统的参考配置 通信与信息工程 学院 16 有线路光放大器WDM系统的分类与应用代码 应用代码一般采用以下方式构成：nWx-yz，其中 n是最大波长数目 W代表传输区段（WL，V或U分别代表长距离、很长距 离和超长距离） x表示所允许的最大区段数（x1） y是该波长信号的最大比特率（y4或1

8、6分别代表STM-4 或STM-16） z代表光纤类型（z2，3，5分别代表G.652，G.653或 G.655光纤） 通信与信息工程 学院 17 表7-2 有线路放大器WDM系统的应用代码 应 用 长距离区段 （每个区段的目标距离为 80km） 很长距离区段 （每个区段的目标距离为 120km） 区段数5835 4波长4L5-yz4L8-yz4V3-yz4V5-yz 8波长8L5-yz4L8-yz8V3-yz8V5-yz 16波长16L5-yz16L8-yz16V3-yz16V5-yz 通信与信息工程 学院 18 图7-7无线路光放大器WDM系统的参考配置 Tx1 Txn Tx2 Rx1 R

9、xn Rx2 OA /OD OM /OA S1 MPI-S RM1 fn Sn f2 S2 f1 RMn RM2 Rn R2 R1 MPI-R SD1 SDn SD2 *图中给出的各参考点释义见表7-3 通信与信息工程 学院 19 7.2.3 光波长区的分配 目前在SiO2光纤上，光信号的传输都在光纤的两 个低损耗区段，即1310nm和1550nm。但由于目前 常用的EDFA的工作波长范围为15301565nm。因 此，光波分复用系统的工作波长主要为1530 1565nm。在这有限的波长区内如何有效地进行通路 分配，关系到提高带宽资源的利用率及减少相邻通 路间的非线性影响等。 通信与信息工程

10、学院 20 1. 标称中心频率和最小通路间隔 为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必 须对各个通路的中心频率进行规范。所谓标称中心 频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波 长。目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为 193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。 通信与信息工程 学院 21 2. 通路分配表 16通路WDM系统的16个光通路的中心波长应满 足表7-4的要求，8通路的WDM系统的8个光通路的 中心波长应选择表中标有*的波长。 通信与信息工程 学院 22 表7-4 16通路和8通路WDM系统中心频率 序号标称中心频率（THz）标称中心波长（nm） 1192.1

11、01560.61* 2192.201559.79 3192.301558.98* 4192.401558.17 5192.501557.36* 6192.601556.55 7192.701555.75* 8192.801554.94 9192.901554.13* 10193.001553.33 11193.101552.52* 12193.201551.72 13193.301550.92 14193.401550.12* 15193.501549.32 16193.601548.51* 通信与信息工程 学院 23 更多波长的考虑 随着各种新业务对WDM系统容量的更高要求，32波 乃至更多

12、波长数的WDM系统已经成熟，其频率间隔已经 缩小到50GHz。 32通路或更高容量的DWDM系统的波长分配可参见 ITU-T和国标相关标准。 为了满足未来通信业务的需要，已经提出间隔低至 12.5GHz的系统方案。 密集的信道间隔对于光源波长的稳定度、精确度和复 用/解复用器的性能指标提出了更高的要求 通信与信息工程 学院 24 3. 中心频率偏差 中心频率偏差定义为标称中心频率与实际中心频 率之差。对于16通路WDM系统，通道间隔为100GHz （约0.8nm），最大中心频率偏移为20GHz（约为 0.16nm）；对于8通路WDM系统，通道间隔为 200GHz（约为1.6nm）。为了未来向1

13、6通道系统升 级，也规定对应的最大中心频率偏差为20GHz。 通信与信息工程 学院 25 7.3 光波分复用系统的关键技术 WDM系统的应用对增加通信容量、信息网络的 建设有重大意义。但是目前还存在一些技术问题。 例如对于激光器的波长及其稳定性要求较高；光纤 的非线性对光放大器的输出功率有很大的限制； “四波混频”效应会造成信道间的串扰；光纤的色 散效应限制了信道速率的提高；如何监测线路光放 大器等问题。 通信与信息工程 学院 26 7.3.1 WDM系统的几个技术问题 1. 光源的波长准确度和稳定度问题 2. 光信道的串扰问题 3. 光纤色散对传输的影响问题 4. 光纤的非线性效应问题 5.

14、 EDFA的动态可调整增益与锁定问题 6. EDFA的增益平坦问题 7. EDFA的光浪涌问题 8. EDFA级联使用时的噪声积累问题 通信与信息工程 学院 27 1. 光源的波长准确度和稳定度问题 在WDM系统中，必须对光源的波长进行精确的 设定和控制，否则波长的漂移必然会造成系统无法 稳定、可靠地工作。所以要求在WDM系统中要有配 套的波长监测与稳定技术。目前采用的主要方法有 温度反馈控制法和波长反馈控制法来达到控制与稳 定波长的目的。 通信与信息工程 学院 28 2. 光信道的串扰问题 光信道的串扰是影响接收机的灵敏度的重要因 素。信道间的串扰大小主要取决于光纤的非线性和 复用器的滤波特

15、性。在信道间隔为1.6nm或0.8nm的 情况下，目前使用的光解复用器在系统中可以保证 光信道间的隔离度大于25dB，可以满足WDM系统的 要求，但对更高速率的系统尚待研究。 通信与信息工程 学院 29 3. 光纤色散对传输的影响问题 在系统中采用了EDFA后，衰减问题得到了解决， 传输距离大大增加，但是色散也随之增加，系统的 无中继传输距离由原来的受衰减限制变为了受色散 限制。因此对于高速光纤通信而言，光纤的色散效 应成为一个主要的限制因素必须解决，否则无法实 现长距离通信。 通信与信息工程 学院 30 4. 光纤的非线性效应问题 对于常规的单信道光纤通信系统来说，入纤光 功率较小，光纤呈线

16、性状态传输，各种非线性效应 对系统的影响较小，甚至可以忽略。但在WDM系统 中，随着EDFA等放大器的使用，入纤的光功率显著 增大，光纤在一定条件下将呈现非线性特性，会对 系统的性能，包括信道间串扰和接收机灵敏度等产 生影响。 通信与信息工程 学院 31 5.EDFA的动态可调整增益与锁定问题 在WDM系统中，各光信道之间的信号传输功率有可 能发生起伏变化，这就要求EDFA能够根据信号的变化， 实时地动态调整自身的工作状态，从而减少信号波动的 影响，保证整个信道的稳定。在WDM系统中，如果有一 个或几个信道的输入光功率发生变化甚至输入中断时， 剩下的信道增益即输出功率会产生跃变，甚至会引起线

17、路阻塞。所以EDFA必须具有增益锁定功能来避免某些信 道完全断路时对其他信道的影响。 通信与信息工程 学院 32 6. EDFA的增益平坦问题 WDM系统中，因各信道的波长不同而有增益偏 差，经过多级放大后，增益偏差积累使各信道信号 特性恶化，最终造成整个系统不能正常工作。因此， 要使各信道上的增益偏差处在允许范围内，放大器 的增益必须平坦。 通信与信息工程 学院 33 7. EDFA的光浪涌问题 EDFA的采用可使输入光功率迅速增大，但由于 EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号跳变的瞬间 将产生浪涌即输出光功率出现“尖峰”。峰值光功 率可达数瓦，有可能造成光/电变换器和光连接器的 损坏。

18、通信与信息工程 学院 34 8.EDFA级联使用时的噪声积累问题 信号经过EDFA传输后，信噪比会产生劣化，且 信噪比的劣化与级联的EDFA的数量和放大器之间的 光纤段跨距有关，跨距越大，信噪比劣化越严重。 所以，放大器之间的光纤段跨距一般控制在80 120km之内，以保证信号传输性能对信噪比的要求。 通信与信息工程 学院 35 7.3.2 光源技术 对WDM系统采用的光源技术主要有： 波长可调谐激光器 波长可调谐滤波器 高精度光源 外调制技术 思考：从系统成本和复杂度角度考虑：多波长激 光器阵列和可调谐激光器哪一种方案更好一些？ 通信与信息工程 学院 36 7.3.4 光波分复用/解复用器与

19、光滤波器技术 光波分复用/解复用器（WDM/DWDM）是波分复用 系统的关键器件。其功能是将多个波长不同的光信号复 合后送入同一根光纤中传送（波分复用器）或将在一根 光纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的 接收机（解复用器）。波分复用器和解复用器也分别被 称为合波器和分波器，是一种与波长有关的光纤耦合器。 光波分复用器/解复用器性能的优劣对于WDM系统 的传输质量有决定性的影响。 通信与信息工程 学院 37 1. WDM/DWDM器的结构原理 根据制造的特点，WDM器件大致有熔锥光纤型、 干涉滤波器型和光栅型等几种类型。 熔锥光纤型 干涉滤波器型 光栅型 集成光波导型 通信与信息工程

20、 学院 38 薄膜滤波器 自聚焦透镜自聚焦透镜 1 2 21 4321 1 2 3 4 4321 1 2 3 4 1N分路器 干涉滤波器型器件原理 通信与信息工程 学院 39 准直透镜 光栅 光纤 1 2 3 4 4321 光纤 1 4 4321 光栅 自聚焦透镜 (a) 用传统透镜作准直器件 (b) 用自聚焦透镜作准直器件 2 3 光栅型器件原理 通信与信息工程 学院 40 平面阵列波导光栅型波分复用器 通信与信息工程 学院 41 2. WDM/DWDM器件性能 插入损耗 隔离度 回波损耗 工作波长范围 通路带宽 通信与信息工程 学院 42 7.3.5 光转发器（OTU）技术 1. OTU的

21、基本结构 WDM系统在发送端采用OTU，主要作用是把非标准 的波长转化为ITU-T所规定的标准波长，以满足系统的 波长兼容性。可以根据是否具有OTU将WDM系统分为集 成式和开放式两种。 通信与信息工程 学院 43 G.692 S1 SDH 波 分 复 用 器 OAOA 波 分 解 复 用 器 S2 SN R1 R2 RN SDH SDH SDH SDH SDH 集成式WDM系统示意图 通信与信息工程 学院 44 G.957 波 分 复 用 器 波 分 解 复 用 器 S1 SDHOTU OAOA S2 SDHOTU SN SDHOTU R1 SDHOTU G.957 R2 SDHOTU RN

22、 SDHOTU 开放式WDM系统示意图 思考：实际应用时集成式和开放式哪一种更为灵活？ 接收端的OUT是 可选项。Why？ 通信与信息工程 学院 45 图7-17 基于XGM原理OTU示意图 SOA CW t t s CW连续波激光器 SOA半导体光放大器 s包含信息的原始波长信号 t目标波长信号 1 0 1 0 1 0 通信与信息工程 学院 46 7.3.6 光纤传输技术 WDM系统中的光纤传输技术与一般的光纤通信 系统相比，由于存在传输速率高和信道数量多等特 点，因此存在着一些特殊的要求，包括光纤选型、 色散补偿技术和色散均衡技术等。 通信与信息工程 学院 47 1. 光纤选型 从系统成本

23、角度考虑，尤其是对原有采用 G.652光纤的系统升级扩容而言，在G.652光纤线路 上增加色散补偿元件以控制整个光纤链路的总色散 值也是一种可行的办法。 从长远来看，未来WDM系统中可能会利用整个 O、S、C和L波长段，因此色散平坦光纤G.656光纤 可能会得到较大的应用。 通信与信息工程 学院 48 WDM系统中不能使用G.653光纤原因： 四波混频效应原理示意 f12 f331f221f332f223 f13 f321f 231 f312 f132 f213 f123 f3f2f1 频率 信道1信道3信道2 fFWM=f1f2f3 由于四波混频（FWM）效应，多个波长会激发出新的感生波长，

24、 对原有信道产生影响和干扰。G.653光纤在1550nm波长处色散 为零，FWM效应明显，因此不适合用于WDM系统。 通信与信息工程 学院 49 2. 色散补偿技术 随着现代通信网对传输容量要求的急剧提高， 原有光纤线路中大量使用的G.652光纤已不能适应， 采用波分复用和色散补偿技术在现有光纤系统上直 接升级高速率传输系统是目前较为适宜的技术方法。 关于WDM的一些技术问题已在本章中阐述，色散补 偿问题将在第11章中详细介绍。 通信与信息工程 学院 50 3. 色散均衡技术 在原有采用G.652光纤的系统中，采用色散补偿技 术只能实现整个链路或者其中部分数字段的总色散为零， 但是由于色散补偿元件是分段式的使用的，这就可能造 成光纤链路的色散值呈现起伏波动的情况，这也不利于 WDM系统。因此需要引入色散均衡技术，在保证整个链 路色散最小的同时，中间任意数字段的色散起伏都不会 很大。 通信与信息工程 学院 51 7.3.7 WDM系统的监控技术 WDM系统中通常采用的是单独使用一个波长传 送监控信号*，在WDM系统中该波长也被称为光监控 信道（OSC，Optical Supervisory Channel）。 *思考