DWDM系统及相关技术

1、1信息产业部武汉邮电科学研究院 王加强王加强中国的光通信从这里开始中国的光通信从这里开始DWDM系统与相关技术系统与相关技术2 王加强 毕业于北京邮电大学（原北京邮电学院） 信息产业部武汉邮电科学研究院高级工程师 中国通信学会会员 光纤通信专业技术资格认证培训师 具有光纤传输系统设计与施工经历 编著出版专业技术教材光纤通信工程 （北邮出版社2003）教师专业历简介教师专业历简介3 光纤传输系统概述 DWDM 系统结构与指标 光纤与光缆 有源与无源光器件 光放大与色散补偿技术 DWDM 系统应用代码 DWDM 系统设备配置内内 容容 提提 要要41966年：高锟的论点1970年：光纤（康宁）器件

2、（贝尔）、1976（中国武汉）系统建设：市话（1982）长话（1987）八纵八横波长应用：850nm1310nm1550nm（S、C、L）光纤应用：MMSM新型：G.655、LEAF、EDF、DCF信号类型：模拟数字（PDHSDH）传输速率：8M、34M、140M、155M、622M、2.5G、10G使用波长:单一波长波分复用密集波分复用(DWDM)光纤传输技术演变光纤传输技术演变5光纤传输的应用类型光纤传输的应用类型 电信网：长途干线系统、城域网系统 移动网（骨干网、交换-基站、光纤直放） 专用网：铁道、电力、军事、化工、高速 广电网：HFC图象传输（CATV） 计算机网：城域网、局域网 用

3、户接入：FTTC、FTTB、FTTHASON6光缆传输的不同应用网络干线光网络干线光网络城域光网络城域光网络办公室办公室接入光网络接入光网络7移动电话网由移动台、中继传输系统、基站和移动交换局组成移动交换局和基站之间通过中继线相连，基站和移动台之间为无线接入方式移动交换局又和本地电话网中的市话局相连组成移动电话网 移动通信网的结构移动通信网的结构8CATVCATV光网络结构光网络结构 (HFC)(HFC)前 端服务区2002000家庭用户干线放大器线路延伸器干线网干线网(星型星型)配线网配线网(树型树型)用户引入线用户引入线分路器分路器分路器9用户接入网基本应用结构用户接入网基本应用结构(PO

4、N)交换机交换机OLTOLTOLT1:N1:N1:NnONUpFTTCFTTBFTTH传输链路传输链路ONUONU10传输方式的变化传输方式的变化 支持信息传输的三大媒介： 1、数字微波传输 2、卫星传输 3、光纤传输 光纤传输具有独特的优越性、巨大的传输带宽 目前，百分之八十以上的信息通过光纤传输 全国各运营商及专网光缆线路长度已达350万公里以上11光纤传输扩容方式光纤传输扩容方式 光纤通信技术主要围绕提高传输容量与增大传输距离发展。光纤通信技术主要围绕提高传输容量与增大传输距离发展。(PDHSDHWDM(PDHSDHWDM） 提高传输容量的手段有： 1、SDM采用增加光纤对扩大通信容量。

5、 2、TDM不断提高信道传输速率。 3、WDM增加信道数量。 增大传输距离的方式有： 1、进行光放大 2、采用色散补偿与前向纠错技术 3、实现光孤子通信12波分复用扩容波分复用扩容（WDMWDM） WDM的含义的含义Wavelength Division Multiplexing利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用利用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（其信号类型、制式与速率均可不同）的光信号。波长（其

6、信号类型、制式与速率均可不同）的光信号。合波器合波器Tx 1Tx nEDFA分波器分波器Rx 1Rx nEDFAEDFA13DWDM的特点的特点 优点优点 充分利用光纤带宽实现超大容量传输 EDFA 直接光放大，降低成本 对速率和调制方式透明 系统升级容易 有限的传输速率可降低光纤色散的影响 网络层次分明，业务调度方便 适应未来光网络建设的要求 高容量,低成本,透明性,波长分插复用14DWDM的特点主要技术问题主要技术问题 光纤非线性的影响,特别是四波混频 需宽带增益平坦的光放大器 光源的波长稳定性和波长一致性 光无源器件的插入衰耗及可靠性15 TDM和和WDM技术合用技术合用 利用利用TDM

7、TDM和和WDMWDM两种技术使网络容量巨增两种技术使网络容量巨增1. 根据不同的光纤类型选择TDM的最高传输速率2. 根据传输容量的大小选择DWDM复用的光信道数 WDMWDM的容量（总传输速率）的容量（总传输速率）由两方面因素决定：可同时使用的波道数N，以及每一波道可传输的最大速率（容量）V， WDM的容量即传输的最大信息速率C=N V。16 6416 8 1 比特率比特率(TDM)2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s20Gb/s 80Gb/s 320Gb/s40Gb/s 160Gb/s 640Gb/s160Gb/s 640Gb/s 2.56Tb/sWDM 通路数通路数网络容量演进网

8、络容量演进17都是传输技术，SDH使用的是TDM技术（电域），而WDM使用的主要是WDM技术光域）。一般来说在WDM系统中的每一波道仍然使用的是TDM技术所以通常WDM可以作为SDH的传输平台，即SDH可作为WDM系统中的业务来传输。WDM和SDH的关系18WDM系统在传送网中的位置系统在传送网中的位置SDH通道层通道层WDM光路光路层层电路层（如电路层（如ATM，IP等等）IP路由层路由层DXCADMOADMWDM系统系统OXCATM19光波分复用应用类型光波分复用应用类型 DWDM (Dense WDM) DWDM (Dense WDM) 密集波分复用密集波分复用波长间隔小于波长间隔小于1

9、000GHz (1000GHz (约约8nm8nm），一般在），一般在1550nm1550nm窗口采用，窗口采用，用于长距离传输用于长距离传输CWDM (Coarse WDM) CWDM (Coarse WDM) 粗波分复用粗波分复用波长间隔介于波长间隔介于10nm 10nm 到到50nm50nm，通常为，通常为20nm20nm，可在，可在1310nm1310nm和和1550nm1550nm窗口采用，用于城域网窗口采用，用于城域网WWDM (Wide WDM) WWDM (Wide WDM) 宽波分复用宽波分复用波长间隔大于波长间隔大于50nm50nm，一般指，一般指1310nm/1550nm

10、1310nm/1550nm复用，仍用于复用，仍用于接入网，但很少用于长距离传输接入网，但很少用于长距离传输20 以信道速率分类：以信道速率分类：2.5Gbit/s 、10Gbit/s及混合速率及混合速率 以以信号类型分类：信号类型分类：数字信号和模拟信号数字信号和模拟信号 以信道承载以信道承载业务类型分类业务类型分类：PDH、SDH、ATM、 IP 或混合业务等或混合业务等 以信道数分类：以信道数分类： 4 、8 、16 、32 .160 .等等 以总容量分类：以总容量分类： 20Gbit/s、 40Gbit/s、 1.6Tbit/s等等 以传输方向分类：以传输方向分类： 单纤单向和单纤双向系

11、统等单纤单向和单纤双向系统等 以地理域分类：以地理域分类： 海底系统、陆地系统等海底系统、陆地系统等 以网络功能分类：以网络功能分类：骨干网骨干网.城域网或局域网城域网或局域网 以系统接口分类：以系统接口分类：集成式或开放式系统集成式或开放式系统DWDMDWDM系统的分类系统的分类21没有互操作性没有互操作性成本较低成本较低各种设备供应厂家各种设备供应厂家各种速率接入各种速率接入任意波长接入任意波长接入各种数据格式各种数据格式任意时刻接入任意时刻接入成本较高成本较高开放式系统开放式系统集成式系统集成式系统集成式与开放式集成式与开放式22波长转换波长转换特点：特点：* 使用使用DWDM和线路和线

12、路放大器放大器优点：优点：* 低成本增加带宽低成本增加带宽OADMOADMOADM I P ATM SDH I P oxcOADMOADMOADMOADMOADMWDMWDM 1 n 1 n特点：特点：* 基于波长的自愈环基于波长的自愈环优点：优点：* 快速保护的快速保护的OADM环环*直接连接其他业务网络直接连接其他业务网络降低成本降低成本特点：特点：* 使用使用OXC优点：优点：* 更为灵活的配置网络更为灵活的配置网络点点-到到-点点单单WDM自愈环自愈环全光网络全光网络多个多个WDM自愈环自愈环光网络的演变光网络的演变结构变化结构变化23DWDM系统五大组成部分系统五大组成部分 合波和分

13、波无源部分 信道隔离度高的光解复用器信道隔离度高的光解复用器 发射和接收有源部分： 特定波长和波长稳定、色散容限满足传输距离要求的激光器特定波长和波长稳定、色散容限满足传输距离要求的激光器发射源；发射源； 能容忍一定能容忍一定SNR信号的光接收机信号的光接收机。 光传输和光放大部分 小色散系数光纤小色散系数光纤 增益平坦和增益锁定的增益平坦和增益锁定的EDFA光放大器光放大器 光监控信道部分 系统网管部分24OMUTX OTU1 1TX OTU2 2TX OTU32 32EMUOWUOSCODURX OTU16 2 1RX OTU16 32 31OMTOMTDWDM系统结构图系统结构图OMUT

14、X OTU1 1TX OTU2 2TX OTU32 32EMUOWUOSCODURX OTU16 2 1RX OTU16 32 31OMTOMTEMUOWUOSCILAILA25DWDM系统涉及的产品系统涉及的产品 1. 光传输设备光传输设备（波分复用终端、光分插复用机、中继机） 2.2.光纤、光缆及附件光纤、光缆及附件（接头盒、终端盒、光配线架） 3.3.光器件：有源器件光器件：有源器件（光源、光探测器、波长转换器OTU） 无源器件无源器件（连接器、隔离器、衰减器、波分复用器） 4.4.测试仪器与专用工具：测试仪器与专用工具： 误码分析仪、光谱仪、光功率计、光纤熔接机、OTDR 26波分复用

15、技术进展波分复用技术进展 无电再生距离不断延长无电再生距离不断延长 光放大、色散补偿、 波分复用信道数不断增加波分复用信道数不断增加 波段扩展（CC+L）、光源调制 Lucent公司在Bell实验室已实现UDWDM，可在一根光纤中传输1022波，信道间隔为10G（0.08nm），总容量达10Tb/s以上。27 OM/ OA OTU1 RM1 1 S R MPI-S MPI-R SDn SD2 SD1 S1 OTUn RMn n Sn OTU2 RM2 2 S2 G.957 OA 波波长长范范围围 波波长长稳稳定定度度 波波长长间间隔隔 发发射射输输出出光光功功率率 发发射射消消光光比比 光光纤

16、纤衰衰减减 光光纤纤色色度度色色散散 光光纤纤 P PM MD D 光光纤纤非非线线性性效效应应 O OA A 的的增增益益平平坦坦特特性性 O OA A 的的噪噪声声指指数数 O OA A 自自动动增增益益控控制制 复复用用器器插插损损 复复用用器器插插损损差差异异 解解复复用用器器插插损损 解解复复用用器器信信道道间间串串扰扰 接接收收机机的的动动态态范范围围 接接收收机机的的电电带带宽宽 接接收收机机 O OS SN NR R 灵灵敏敏度度 接接收收机机带带噪噪声声 OA R S OA/ OD DWDMDWDM相关技术相关技术28光纤传输接口指标（光纤传输接口指标（发送）发送） 1、工作

17、波长（）：线路传输特性与系统工作波长密切相关。 850nm.1310nm.1550nm(S.C.L波段) 2、平均发送光功率（Ps） ： 功率单位：mw、w（制造、购买光源用） dBm（设计、施工、测量用） dBm=10 Log Ps/1mw（毫瓦分贝值） 29光纤工作波段光纤工作波段工作窗口工作窗口 波段名称波段名称 标称波长标称波长 波长范围（波长范围（nm）第一窗口第一窗口 850第二窗口第二窗口 O波波 段段 1310 1280-1360第三窗口第三窗口 S波波 段段 1550 1460-1530 C波波 段段 1550 1530-1565第四窗口第四窗口 L波波 段段 1550 15

18、65-1625第五窗口第五窗口 E波段波段 波长扩展波长扩展 1360-1460303、光谱特性（）：-3dB与-20dB谱宽 信号脉冲包含的波长范围4、边模抑制比（SMSR）： SMSR = Pmain/ Pside30dBSMSR = Pmain/ Pside30dB5、消光比（EXT）： EXT=PEXT=P。/P1x100%10% or 10lgP1/P/P1x100%10dB10dBP。：全零码的光功率值，P1：全1码的光功率 值。光纤传输接口指标光纤传输接口指标（发送发送）31光谱特性光谱特性 1 2 1-XdB发光二极管（发光二极管（LED） 1 21-XdB1 21-XdB多纵

19、模激光器（多纵模激光器（MLM）单纵模激光器（单纵模激光器（SLM） 1 32DWDM系统光接口指标系统光接口指标（接收接收）1 1、接收灵敏度、接收灵敏度 （Pr）在满足规定的误码指标的条件下，光接收机所需最小光功率值。在满足规定的误码指标的条件下，光接收机所需最小光功率值。2 2、接收动态范围、接收动态范围 （D） 在满足规定的误码指标的条件下，光接收机所需最小光功率与在满足规定的误码指标的条件下，光接收机所需最小光功率与所允许的最大光功率值之差。所允许的最大光功率值之差。 D=10 Log Pmax/ Pmin （ dB）Pr=10LogPmin/1mw （dBm） Pr与探测器类型、传

20、输速率有关。33不同工作条件下的接收灵敏度不同工作条件下的接收灵敏度 速率等级速率等级 2Mb/s STM-4 STM-16 STM-64 误码指标误码指标 BER 10 10 10接收灵敏度接收灵敏度 -50dBm -32dBm -28dBm -20dBm Pr-9-10-12灵敏度与系统误码指标相关!34光发光发光收光收可变衰减器可变衰减器光功率计光功率计码码误误检检测测电码电码驱动驱动误码分析仪误码分析仪本端环回测量法本端环回测量法灵敏度与动态范围的测量灵敏度与动态范围的测量35DWDM系统光纤技术系统光纤技术 波分复用技术与光纤传输性能关系密切 一般要求光纤低衰耗并保持一定色散以克服非

21、线性效应 光纤的有效通光面积直接影响传输光功率、信道数目以及信号质量。36包层包层n纤芯n12涂复层涂复层n11.468n2 1.464介质折射率的差别形成光波导包层包层涂复层涂复层光纤结构光纤结构37光纤光缆制造工艺光纤光缆制造工艺u原料提纯u熔炼制棒u拉丝涂覆u套塑成缆38 原料：SiCL4、 GeCL4 、 CCL2F2 、 O2、 提纯方式： 精馏 去除沸点相差较大的杂质 吸附 去除化学键极性不同的物质 纯度要求：99.99%光纤主要原料及提纯光纤主要原料及提纯39GeCL4O2CCLF2SiCL42熔炼车床石英反应管CL2熔炼制棒熔炼制棒40MCVDMCVD制棒工艺制棒工艺41MCV

22、DMCVD法与法与PCVDPCVD法法沉积温度：约16501650缩棒温度：约17501750予制棒长度：1 1、1.21.2（m m） 直径：60806080（mmmm）相对折射率差： = 0.0030.004= 0.0030.004制棒工艺参数制棒工艺参数42梯度多模梯度多模常规单模常规单模色散位移色散位移最低衰减最低衰减非零色散位移非零色散位移SiO2SiO2+FSiO2+GeSiO2+GeSiO2SiO2SiO2+FSiO2光纤折射率分布光纤折射率分布43掺杂作用机理掺杂作用机理 沉积过程中掺Ge可提高折射率，但过量会 增大光纤衰耗。 为保持光纤一定的折射率差，亦可采用掺 F形成凹陷包

23、层。（G.654） 折射率分布的双环型结构中，内环调节零色散波长，外环则可实现大有效通光面积并控制弯曲敏感度。 光纤传输特性差异主要由制棒工艺决定 制棒工艺是光纤制备的核心技术44测径仪调速温控涂覆固化筛选收丝轮加热炉拉丝涂覆拉丝涂覆45拉丝速度：1520m/s拉丝长度：350400Km/棒（28g/Km）筛选张力：管道、直埋 3-5N 架空、海底 5-7N一层涂复：丙烯树脂（180m 抗拉）二层涂复：环氧树脂（250m 抗压）拉丝工艺参数拉丝工艺参数46可有不同分类方式可有不同分类方式按传导模数分：单 模（SM）多 模（MM）按折射率分布：渐变型（GI） 阶跃型（SI）按特殊用途分： EDF

24、、DCF、LEAF.按ITU-T或IEC文号分： G652（ B1 ）、G655（B4）.光纤的类别光纤的类别47纵模 指激光能量的频谱成分，即波长成分 单纵模激光器的频率仍有一定的分布范围横模 指电磁场的横向场分布 分为基模TEM00和高阶模TEMmn偏振模 指同一光波模式所包含的相互正交的两个偏振态TEM00 TEM11 模的概念模的概念48G.651光纤 G.652光纤 G.653光纤G.654光纤G.655光纤G.656光纤G.657光纤ITU-T建议文号建议文号49不同光纤折射率分布不同光纤折射率分布G.651G.652G.653G.654G.655SiO2SiO2+FSiO2+Ge

25、SiO2+GeSiO2SiO2SiO2+FSiO2SiO2+Ge50光纤命名与标准对照光纤命名与标准对照 光纤名称光纤名称 ITU-T标准标准 IEC标准标准 非色散位移光纤非色散位移光纤 G.652 A、B、C B1.1、B1.3 色散位移光纤色散位移光纤 G.653 B2 截止波长位移光纤截止波长位移光纤 G.654 B1.2 非零色散位移光纤非零色散位移光纤 G.655 A、B B4注注:与与G.652A相比相比, G.652B有偏振色散要求有偏振色散要求,仍归于仍归于B1.1 G.654(B1.2)为为1550nm最低衰耗光纤最低衰耗光纤,G.652C(B1.3)为全波光纤为全波光纤5

26、1 光的折射：光的折射： 光的全反射：光的全反射：010112132231Sin=12=1.464/1.468=85.8入射角入射角=90-85.8=4.2度，度，近于直线传播近于直线传播光纤的导光原理（阶跃型）光纤的导光原理（阶跃型）52光纤的基本参数光纤的基本参数1.几何尺寸光纤种类 SM MM 数据光纤纤芯直径 9 50 62.5包层直径 1252.2.相对折射率差 =121nnn 单位mmmEDF 4.5DCF6 653光纤的基本参数光纤的基本参数3.数值孔径：NA= = n1=Sin2数值孔径表示光纤接收光信号并满足全反射传导的能力常规单模光纤的NA值约为0.108多模光纤的NA值大

27、于单模光纤，故光耦合效率高。NA值与折射率差有关，太大会形成多模传输。2221nn 54光纤的基本参数光纤的基本参数4、模场直径：d =12n12 单模光纤中不限于纤芯中导光，模场直径表示光纤中 光能量集中的程度（光斑尺寸）。信号波长越长，则d值越大。模场直径大的光纤对弯曲越敏感，但接续损耗小。55光纤的基本参数光纤的基本参数 5.5.规一化频率V与截止波长V=2单模传输条件：VVc=2.405c=24052.工作波长 c6.6.截面形状：包层不圆度 1%、同心度误差 0.8m56光纤的传输特性光纤的传输特性u 衰减特性u 色散特性u 双折射与偏振特性u 非线性效性57 光纤传输中各种因素引起

28、的信号能量损失 传输衰耗是系统设计、光功率分配、中继距离确定的重要参数 定义： PinPoutL= 10 L g Pin /Pout L（dB）光纤传输衰减光纤传输衰减58一、光纤材料固有损耗： 1 1、 瑞利散射瑞利散射光纤工艺中材料结晶产生的不 均匀组织引起。其效率与光波长的四次方成反比。 2 2、材料吸收、材料吸收光纤材料（含杂质）对光信号的吸收。可分为紫外吸收与红外吸收。 光纤衰减机理光纤衰减机理59dB/Km瑞利散射紫外吸收红外吸收13101550（nm）OH吸收峰吸收峰850光纤衰减曲线光纤衰减曲线60二、结构缺陷损耗 制棒工艺中产生的纤芯不均匀、界面不平整、气泡、杂质、微弯等。辐

29、射模传导模光纤衰减机理光纤衰减机理61三、附加损耗主要指光纤使用中引起的损耗。接续损耗 包括：1、光纤固定熔接损耗（一般小于0.05dB)2、活动连接损耗(一般小于0.3dB) （光活动连接器类型：FC/PC、SC/APC、MU/PC）弯曲损耗 : 任何使用场合光纤弯曲半径 应不小于40mm。 光纤衰减机理光纤衰减机理62cSfrsMAAMeAcpp2=LPs：光源发光功率（：光源发光功率（dBm），），Pr：接收灵敏度（：接收灵敏度（dBm），），Me：设备裕量（：设备裕量（dB），）， Ac：活动连接损耗（：活动连接损耗（dB），），Af：光纤衰耗系数（：光纤衰耗系数（dB/Km），），M

30、c：线路裕量（：线路裕量（dB/Km） As：线路熔接损耗平均值（：线路熔接损耗平均值（dB/Km） 2.5Gb/s及以下速率系统一般为衰减限制系统。（Km）衰减对中继距离的限制衰减对中继距离的限制63光纤衰耗的测量光纤衰耗的测量常用测量方法： 1、剪断法 2、插入法 3、背向散射法剪断法测量：（ITU-T建议的基准方法） 光源光功率计滤模器被测光纤（L）P1P22m= Lg L1012PP（dB/Km）64 OTDR是光缆线路测量中最重要的仪表工作原理光纤传输中的背向散射(光纤衰减中的瑞利散射)与菲涅尔反射实际传输线路中，菲涅尔反射通常发生在活动连接器与光纤裂纹处。OTDR即是利用背向散射与

31、菲涅尔反射光返回到仪器的时间与信息，测定线路长度、衰耗及障碍点的位置。(故谓之“光时域”)背向散射法背向散射法(OTDR)(OTDR)测量测量65光源光源定向耦合器定向耦合器光探测器光探测器微处理机微处理机对数变换器对数变换器低噪放大器低噪放大器取样积分器取样积分器平均处理器平均处理器显示器显示器脉冲驱动器脉冲驱动器被测光纤线路被测光纤线路背向散射光背向散射光OTDR结构结构66单盘光纤长度或中继段长度 L= t.c/2 n 单盘光纤衰耗或中继段总衰耗 dB/km = 10/L lg P1/ P2光纤接头损耗线路故障点的位置此外,测试资料存储、打印、视频显示OTDR测试功能测试功能67动态范围

32、指对线路传输损耗的最大测量范围。动态范围越大的OTDR，其测量距离越长。如：OTDR动态范围为40dB，则其测量长度视光纤线路衰耗而定，若线路衰减为0.28/KM，测量长度为： 40400.28dB/KM0.28dB/KM143 (KM)143 (KM)OTDR技术指标技术指标68测量盲区 被测光纤的入射端由于反射功率过大而使放大器件饱和造成此段曲线被掩盖，是为”盲区“盲区的长度与信号强度（即脉冲宽度）成正比： Z = Pw c/ 2n Z = Pw c/ 2n （m m）可插入辅助光纤避开盲区OTDR技术指标69 工作波长: 根据光纤适用光波长（1310、 1550nm） 折射率 n： 与被

33、测光纤实际折射率相符（供货商提供）n值设定对测量准确性影响甚大，在10km长 度，n值增大0.01,则测量长度减小约67m。 脉冲宽度Pw： 根据测量距离设定（参照 OTDR说明书）OTDR测量参数的设置测量参数的设置70O T D R被测光纤被测光纤辅助光纤辅助光纤活动连接器活动连接器光纤适配器光纤适配器OTDR测试连接测试连接71背向散射曲线背向散射曲线接头损耗接头损耗裂纹处反射裂纹处反射端面反射端面反射可根据曲线尾部反射形状可根据曲线尾部反射形状判断线路情况。判断线路情况。典型典型OTDROTDR测量曲线测量曲线72光纤传输色散光纤传输色散色散的概念红紫白光.73光纤传输色散光纤传输色散

34、光信号脉冲中含有不同的波长成分（光源谱宽）或不同传输模式,其传输速度与路径的差别会产生传输时延差,从而引起光脉冲展宽,严重时会造成码间干扰.脉冲展宽量: = D () x x L74光纤传输的色度色散光纤传输的色度色散 在单模光纤中，由于光源谱宽的影响，光脉冲含有不同的波长成分，引起光纤不同的折射率和传输速度的差异，所以到达接收端的时间不一致，导致光脉冲展宽，严重时会造成码间干扰。色散的产生与光源和光纤的特性有关色度色散包括：材料色散、波导色色度色散包括：材料色散、波导色散散 75光纤色散机理光纤色散机理n 模式色散模式色散 不同传导模之间产生的传输时延差. （在多模传输中占主导,单模传输不存

35、在模间色散.）76光纤色散机理光纤色散机理材料色散材料色散 不同波长成分的光在光纤中引起不同折射率,形成传输时延差. (单模传输在短波长段占主导) 波导色散波导色散 分别在纤芯与包层中传导的光由于折射率不同、传导速度的差异造成的传输时延差。 (单模传输中在长波长段影响显著)材料色散与波导色散均与光信号的波长差异有关，故统称为波长色散或色度色散。77单模光纤色散曲线单模光纤色散曲线Ps/nm Km（nm）材料色散波导色散1310总色散0 色散单位色散单位: PS/nm.km 色散有正、负之分且可以抵消色散有正、负之分且可以抵消78几种改进型光纤的色散曲线几种改进型光纤的色散曲线Ps/nm Km（

36、nm）013101550G.652G.655G.653（G.654）79快轴快轴 PMD传输线路传输线路慢轴慢轴距离距离没有模式耦合没有模式耦合传输线路传输线路快轴快轴慢轴慢轴距离距离有模式耦合有模式耦合 对于单模光纤，由于存在偏振现象，单模光纤中的LPx01和LPy01两个模的相位常数x和y不相等，从而导致这两个模式传输不同步,传输速度不相等，从而形成色散，这种色散称为偏振模式色散。但是它与多模光纤中的模色散不同，它是由于单模光纤结构上的缺陷或纤芯折射率分布不均匀等因素造成的。对于理想的单模光纤，偏振模色散是不存在的。偏振模色散偏振模色散80PMDPMD的影响的影响标准规定标准规定:无电再生

37、传输距离内,PMD的最大展宽量即应小于或等于信号脉冲时隙的10%,以保证系统功率代价不超出1dB. 不同传输速率的脉冲时隙宽度:64K 2.048M 622M 2.5G 10G 40G (b/s )64K 2.048M 622M 2.5G 10G 40G (b/s )15.6S 488ns 1.6ns 400ps 100ps 25ps15.6S 488ns 1.6ns 400ps 100ps 25psPMD单位: ps/km :故限制距离为: L = ( L = (/ PMD)/ PMD) kmkm281PMDPMD的影响的影响功率代价为功率代价为1dB1dB的的PMDPMD系数系数 速率速率

38、 最大最大 PMD PMD 系数系数 (Gb/s) (ps) (ps/km) 2.5 40 2.0 10 10 0.5 20 5 0.25 40 2.5 0.125400KM光纤链路82色散对光传输的影响n 传输速率一定的条件下，限制传输距离传输速率一定的条件下，限制传输距离 传输速率提高四倍,则中继距离缩短为 1/16 (G.652,1550nm) n 中继距离一定的条件下中继距离一定的条件下, ,限制传输速率限制传输速率 610B：线路速率 ：光源系数，单纵模0.31多纵模0.12D: 光纤色散系数:光源谱线宽度83光纤非线性效应 光纤传输特性与光功率无关，谓之线性光纤传输特性与光功率无关

39、，谓之线性 光纤传输特性在强光功率作用下发生变化，光纤传输特性在强光功率作用下发生变化， 则谓之非线性则谓之非线性 在常规光纤系统中，光纤呈现线性传输特性在DWDM系统中，由于多波长能量叠加与光放大器的应用，光纤开始呈现非线性特性。随着传输速率的提高，传输距离的延长，波分复用通路的增加，这种光纤的非线性已成为最终限制系统性能的因素。非线性问题已成为新一代光纤系统设计考虑的重要方面。84受激散射效应： 拉曼散射拉曼散射 （SRS） 布里渊散射（布里渊散射（SBS）折射率效应：（Kerr） 自相位调制自相位调制 （SPM） 交叉相位调制（交叉相位调制（XPM） 四波混频四波混频 （FWM）通常将产

40、生某种非线性效应的光功率值称为其通常将产生某种非线性效应的光功率值称为其“阈值阈值” 光纤非线性效应类型光纤非线性效应类型85 受激布里渊散射受激布里渊散射(SBS)InputiOutputi - 20Mhz 信号光子被光纤中的原子吸收而重新发射出较低频率的光子 (在1500nm波段低20Mhz). 吸收和发射光子之间的能量差被转换成光子- a sound wave - 按与信号相反方向传播. 称之为 anti-Stokeanti-Stoke波波Anti-Stokes Wave(sound phonons)86受激拉曼散射 (SRS) 1 2 1 2100nmor 1 2 1 287非线性折射

41、非线性折射（KerrKerr效应）效应） 光纤的折射率光纤的折射率n n随光强而变化的非线性效应称为随光强而变化的非线性效应称为KerrKerr效应，效应，其表达式为：其表达式为： n = n0 +N2P/AefN N0 0：光纤的正常折射率，：光纤的正常折射率， N N2 2：非线性系数，：非线性系数，P P：光功率：光功率, , A Aeffeff：光纤有效通光面积：光纤有效通光面积 88自相位调制自相位调制(SPM)(SPM)n随着信号强度的变化，光纤的折射率也跟着变化。随着信号强度的变化，光纤的折射率也跟着变化。SPMSPM导致啁啾导致啁啾(chirp) (chirp) 自身相位变化自

42、身相位变化脉冲的边缘被频移89交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM）n多波长系统中由于折射率的变化引起相邻信道的光脉冲相位互多波长系统中由于折射率的变化引起相邻信道的光脉冲相位互相调制。相调制。nXPM会造成波分复用系统的信号串扰。会造成波分复用系统的信号串扰。nXPM可选用具有一定色散值的光纤加以抑制。可选用具有一定色散值的光纤加以抑制。90 f1 f2 2f1 - f2 2f2 - f1 f1 f2 四波混频（四波混频（FWMFWM） 两个信号的差拍在不同频率上产生谐振，导致信道间产生两个信号的差拍在不同频率上产生谐振，导致信道间产生 新的波长而引起混频串扰新的波长而引起混频串扰 FW

43、M效应的影响取决于信号功率、信道间隔、光纤色散效应的影响取决于信号功率、信道间隔、光纤色散以以 及有效通光面积及有效通光面积 FWM是是WDM系统的重要非线性损伤系统的重要非线性损伤。克服克服FWMFWM的措施：的措施：1 降低传输光功率 2 增大通光面积 4 保持一定色散 3 增大信道间断91四波混频四波混频(FWM)(FWM)的光谱观察的光谱观察1546.5波长(1nm/div)波长(1nm/div)色散位移光纤色散位移光纤（25km）D=0ps/(nm*km)真波光纤（真波光纤（50km）D=2.5ps/(nm*km)衰耗(10dB/div)衰耗(10dB/div)1546.52nm1n

44、m 1.5nm2nm1nm 1.5nm注入光功率注入光功率=3dBm/通道通道92小结小结: : 光纤非线性的影响光纤非线性的影响 单单信信道道 多多信信道道 折折射射率率效效应应 自自相相位位调调制制 (SPM) 交交叉叉相相位位调调制制 (XPM) 四四波波混混频频 (FWM) 散散射射效效应应 受受激激布布里里渊渊散散射射 (SBS) 受受激激拉拉曼曼散散射射 (SRS) 93 G.652： 大多数已安装的光纤，目前工程中广泛应用。 在1550nm处，衰耗低而色散较大，对速率提高有限制： 传输速率提高传输速率提高4 4倍，则色散受限距离缩短为倍，则色散受限距离缩短为1/161/16。 如

45、：如：2.5Gb/s928Km 10Gb/s58Km2.5Gb/s928Km 10Gb/s58KmG.652+DCF方案升级扩容成本高，适于方案升级扩容成本高，适于2.5Gb/s及以下速率的及以下速率的DWDM系统系统 G.655 ： 在1550 nm处保持较小色散，以克服四波混频。适于 10Gb/s及以上DWDM系统。(郎讯G655:真菠,康宁G655:LEAF)光纤的选用光纤的选用94成缆要求n由于光纤细而脆的特点，在工程应用中应对光纤成缆以提供全面保护（温度影响、水气、化学侵蚀、机械破坏等）n基本类型:根据不同的应用要求采用不同元件、材料与结构。光光 缆缆95光缆的类别光缆的类别 缆芯结

46、构不同分为: 中心管式 层绞式 骨架式光缆 敷设条件不同分为:架空光缆、管道光缆、直埋光缆和水底光缆 光缆中光纤的松紧状态不同分为: 紧结构 松结构 半松半紧结构光缆 使用环境与缆中材料不同可分为:金属加强构件、非金属加强构件 阻燃、防蚁光缆、电力光缆按照：96层绞式光缆层绞式光缆经过套塑的光纤单元（管）螺旋绞合在中心加强构件上在缆芯周围加装各种护层并填充缆膏。光缆中光纤芯数最大可做到200芯以上适用于架空、管道、直埋、水下等各种方式97中心束管式光缆中心束管式光缆装有多根光纤的松套管置于光缆截面的中心位置。单根高炭钢丝作为加强构件平行置于中心管的两边或周围光缆中光纤芯数最大为36芯光缆结构简

47、单、轻便且对光纤保护有利。适用于架空、管道或直埋方式98叠带式光缆叠带式光缆带状光纤缆结构类同于非带状光纤缆，可分为中心管式、松套层绞式和骨架式三大类99n目前尚无ITU-T建议，采用 GB/T（908-2000）n完整代号分为两大部分：n型式代号（左边字母或数字）n1、光缆类型：GY、GJ、GH、GTn2、加强件:无符号、F、Gn3、特征代号：B、T、Z、X、G、D.光缆型式代号光纤规格代号光缆型号标识光缆型号标识1004、护层代号：PE、PVC、A、S、L、Q、 W、 33、43、535、外护套代号：Y（或03，可略）、V光纤规格代号（右边数字或字母）依次为：光纤芯数、光纤类型（D、J、S

48、模场直径/包层外径、工作波长（1、2、3）、 衰耗系数、适用温度（A、B、C、D）光缆型号标识光缆型号标识101nGYXTW24D9/125GYXTW24D9/125（236236）A AnGYTA3336D9/125GYTA3336D9/125（325325）B BnGYDTS192D9/125GYDTS192D9/125（230230）A AnGJFV1D9/125GJFV1D9/125（325325）D D光缆型号标识光缆型号标识102n一、温度影响n高温：光纤与涂覆层材料膨胀系数不一致引起光纤受拉，影响光纤强度。n低温：涂覆层材料的收缩迫使光纤产生微弯，传输衰耗增大。n二、机械特性n拉

49、伸单根光纤抗拉强度大于 7 Kg。光纤光缆的应用条件光纤光缆的应用条件103n弯曲不同弯曲半径R对光纤与光缆的影 n 响不同。n光纤：当R2mm，光纤可能断裂。n R20mm，光纤传输损耗会增大。n R 40mm，会造成光纤弯曲疲劳。n光缆：运输与施工过程中，光缆的动态允许弯曲半径大于缆径20倍，静态弯曲半径大于缆径15倍。光纤光缆的应用条件光纤光缆的应用条件1041、根据合同要求确定的项目： 缆芯结构、光纤类型、光纤芯数2、光缆机械特性项目： 拉伸、弯曲、扭转、曲绕、冲击3、光纤特性项目：几何特性：包层不圆度1%、同心度 误差0.8m，包层外径125m传输特性：衰减、色散、截止波长、模场 直

50、径105光缆工程特性项目光缆工程特性项目1、 接续损耗、光缆绝缘电阻、护层材料 及厚度、金属层与PE护层粘接强度 2、缆中光纤排序及色标规定、光缆外护 层标识、缆盘标识3、 耐环境性能（温度、水分） 缆中油膏滴流性、截面渗水性、 外护套开裂性 106成品光缆规定标识成品光缆规定标识： 20062006 GYTS 36B1 GYTS 36B1 *M 上海移动缆盘标识: 盘号. 光缆主要代号. 盘长. 允许弯曲半径.滚动方向107 DWDMDWDM系统系统 有源与无源器件108n 半导体光源半导体光源 (LD,LED, DFB, MQW, n VCSEL)n 半导体光探测器半导体光探测器 ( PI

51、N, APD)n 光放大器光放大器 (EDFA, RFA，SOA)n 光波长转换器光波长转换器 (OTU)n 光调制器光调制器 (MZ，EA) 光有源器件基本类型光有源器件基本类型109 光源的波长稳定光源的波长稳定 1 2对光源的要求：对光源的要求：精确、稳定的发光波长。精确、稳定的发光波长。极小的光谱宽度极小的光谱宽度保证跨距的光功率保证跨距的光功率良好的消光比良好的消光比 工作波长范围的响应度工作波长范围的响应度足够的灵敏度与动态范围。足够的灵敏度与动态范围。光发送与接收要求光发送与接收要求110中心频率中心频率中心波长中心波长8 8波波1616波波3232波波中心频率中心频率中心波长中

52、心波长8 8波波1616波波3232波波1 1196.1196.11528.771528.772121194.1194.11544.531544.532 2196.0196.01529.551529.552222194.0194.01545.321545.323 3195.9195.91530.331530.332323193.9193.91546.121546.1214144 4195.8195.81531.121531.122424193.8193.81546.921546.9215155 5195.7195.71531.901531.902525193.7193.71547.721547

53、.7216166 6195.6195.61532.681532.682626193.6193.61548.511548.511 117177 7195.5195.51533.471533.472727193.5193.51549.321549.321 12 218188 8195.4195.41534.251534.251 12828193.4193.41550.121550.123 319199 9195.3195.31535.041535.042 22929193.3193.31550.821550.822 24 420201010195.2195.21535.821535.823 330

54、30193.2193.21551.721551.725 521211111195.1195.11536.611536.614 43131193.1193.11552.521552.523 36 622221212195.0195.01537.401537.405 53232193.0193.01553.331553.337 723231313194.9194.91538.191538.196 63333192.9192.91554.131554.134 48 824241414194.8194.81538.981538.987 73434192.8192.81554.941554.949 92

55、5251515194.7194.71539.771539.778 83535192.7192.71555.751555.755 5101026261616194.6194.61540.561540.569 93636192.6192.61556.551556.55111127271717194.5194.51541.351541.3510103737192.5192.51557.361557.366 6121228281818194.4194.41542.141542.1411113838192.4192.41558.171558.17131329291919194.3194.31542.94

56、1542.9412123939192.3192.31559.981559.987 7141430302020194.2194.21543.731543.7313134040192.2192.21559.791559.79151531314141192.1192.11560.611560.618 816163232G.692-DWDMG.692-DWDM信道与波长规范信道与波长规范111 直接调制直接调制 输出功率正比于调制电流； 简单、损耗小、价廉； 使用FP或DFB激光器二极管； 线性调频（啁啾）波长随调制电流变化，展宽激光器线宽。 限制使用在 2.5Gbps 高速率传输 对于模拟信号要求线

57、性度 偏振无关 马马赫赫策策恩恩德德或或 电电吸吸收收调调制制器器 电流 驱动电流 D DF FB B 激激光光器器 光源调制方式光源调制方式（2）113输入电路输入电路激光器激光器驱动电路驱动电路DFB激光器激光器偏置偏置控制电控制电路路TEC控制电路控制电路输入电路输入电路调制器调制器驱动电驱动电路路EA调制器调制器偏置偏置控制电路控制电路TEC控制电路控制电路DFB激光器激光器光发射模块光发射模块114 光探测器光探测器n在线路接收端完成光/电变换的器件n有多种类型：真空光电管、光电倍增管、半导体光探测器。光纤通信中信号较弱，只有半导体探测器能满足要求。n光探测器工作原理n光电效应一定结

58、构的半导体材料受到光照射时产生电动势或光电流的现象。115光探测器种类光探测器种类n 光电二极管（光电二极管（PINPIN）n 结构简单、灵敏度低、只具备结构简单、灵敏度低、只具备O/EO/E变换功能，无放大作用，用于短距离光变换功能，无放大作用，用于短距离光信号接收。信号接收。n 雪崩管（雪崩管（APDAPD）n APDAPD除具有除具有O/EO/E变换功能，还具有内部增益。变换功能，还具有内部增益。n 灵敏度高，适于长距离通信。灵敏度高，适于长距离通信。n 探测器中的暗电流（无光入射时的反向电流）会产生噪声，此外，探测器中的暗电流（无光入射时的反向电流）会产生噪声，此外，APDAPD还还有

59、倍增噪声。有倍增噪声。116n响应波长n光电效应须发生在 h vEg条件下，若其能n量值正好与Eg值对应的光频即为响应频率，n而相对应的波长即为响应波长。n响应速度n从探测器收到光信号到产生电流的时间。n它反应了光电转换的速度，对系统传输速率的提高有直接影响。探测器参数探测器参数117APD前置前置放大器放大器时钟时钟/数据数据恢复恢复AGC控制控制AGC放大器放大器APD偏置偏置告警检测告警检测数据出数据出时钟出时钟出光信号入光信号入光接收模块光接收模块118波长转换技术波长转换技术 n 为了使波分复用设备和其他通用设备（如SDH，PDH，ATM等）互连，需要光接口变换。光接口转换器应当满足

60、以下的基本要求:n 比特率透明。n 不降低消光比。输出具有高的光信噪比和良好的谱特性（超低啁啾声，适宜的光谱宽度），以便保证足够的无再生传输距离n 输出的光信号波长稳定，功率稳定。119光光脉脉冲冲信信号号 电电光光调调制制器器 O O- -E E E E- -O O 电电信信号号处处理理 D DF FB B 激激光光器器 光光转转发发器器（O OT TU U） 直直流流光光 * 根据不同信道速率设计 以目前工艺水平的组件比特率可达40Gbit/s* 消光比得到改善，并利用外调制对信号进行整形* 高SNR* 与偏振无关* 操作简单波长转换器（OTU）120灵活的灵活的OTUOTU应用应用121