WDM技术及其应用研究

1、波分复用(WDM)技术及其应用研究摘要：本文首先介绍了WDM的技术背景，然后探讨了WDM技术的特点及关键技术，然后对该技术的实际应用作了简要探讨，最后对WDM的现状及发展趋势作了简要分析。关键词：WDM，DWDM，CWDM，波分复用，数据通信，传输容量1技术背景首先，波分复用技术是多路复用技术的一种。多路复用技术包括：时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDMA)、波分复用(WDM)。时分复用(TDM)：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片(时隙)，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道

2、进行传输，所以信号之间不会互相干扰。频分复用(FDM):当信道带宽大于各路信号的带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段，不同路的信号在不同的频段内传送，各个频段之间不会相互影响，所以不同路的信号可以同时传送。码分复用(CDMA):这种技术多用于移动通信，不同的移动台(或手机)可以使用同一个频率，但是每个移动台(或手机)都被分配带有一个独特的“码序列”该序列码与所有别的“码序列”都有不同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台(或手机)，所以又叫做“码分多址”技术。波分复用(WDM)：这是FDM在光纤

3、信道的一个变例。是指在一根光纤上不只是传送一个载波，而是同时传送多个波长不同的光载波。这样一来，原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道变为可传送多个不同波长光载波的信道，从而使得光纤的传输能力成倍增加。目前数据业务成爆炸式的增长趋势，使得传输网络传输网络带宽需求随之增长，对WDM技术的需求应运而生。下面介绍它的主要发展阶段。光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代。双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为2x17G

4、b/s。90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb/s-622Mb/s-2.5Gb/sTDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb/s系统以下（含2.5Gb/s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30%左右。因此在系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。（2）波分复用器件不成熟。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化，1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了16x2.5Gb/s系统，Lucent公司推出8x2.5Gb/s系

5、统，目前试验室已达Tb/s速率。发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用WDM技术成为可能；（2）利用TDM方式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高；（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s系统的传输，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率，WDM技术是能够商用化最简单的光复用技术。2基本概念和特点2.1基本概念波分复用（WDM）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

6、器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器（亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。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。下图为单向、双向波分复用技术原理图。图一单向、双向波分复用技术原理图光波分复用包括频分复用和波分复用。光频分复用(FDM)技术和光波分复用(WDM)技术无明显区别，因为光波是电磁波的一部分，光的频率与波长具有单一对应关系。通常也可以这样理解，光频分复用指光频率的细分，光信道非常密集。光波分复用指光频率的粗

7、分，光倍道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口。图二波分复用技术光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器(也称合波/分波器)分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。通常，由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长11,12通过同一光纤传送时，在与分波器中输入端12的功率与11输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。WDM设备有DWDM设备和CWDM设备。密集型光波复用：（DWDM：DenseWavelengthDivisionM

8、ultiplexing）是能组合一组光波长用一根光纤进行传送。这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰减）。这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量；稀疏型波分复用：CWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM就是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备。22,技术特点光波分复用的技术特点与优势如下

9、:（1）充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱（1310nm-1550nm）极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz,传输带宽充足。（2）具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。（3）对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。（4）由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本

10、、由于光纤数量少，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。（5）有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。（6）系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。目前，由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高，技术实施有一定难度，同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面，因而WDM的实际应用还不多。但是，随着有线电视综合业务的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来，表现出广阔的应用前景，甚至将影响CATV网络的发展格局。3关键技术3.1光

11、纤技术多模光纤(MultiModeFiber)中心玻璃芯较粗(50或62.5pm)，包层外直径125肛m，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600Mbit/km的光纤在2km时则只有300Mbit的带宽了。多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。因此，多模光纤不适合用于长距离、大容量的DwDM系统。单模光纤的芯径一般为9或10pm，包层外直径为125pm，只能传一种模式的光。光纤的工作波长有短波长o.85f肼、长波长1.3lpm和1.55pm。光纤损耗一般是随波长加长而减小。因此，其模间色散很小，适用于远程通信。但还存在着材

12、料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。而DWDM系统的光源谱宽窄、稳定性好，DwDM系统选用单模光纤是非常适合的。单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的特点，国际上已一致认同DWDM系统将只使用单模光纤作为传输介质。单模光纤可分为G.652、G.653、G.654、G.65j几种光纤。G.652：标准单模光纤是指零色散波长在1.3pm窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITUT)把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是当工作波长在1.3pm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3pm波段的损耗较大，约为0

13、.3dB/km0.4dB/km；在1.55pm波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在1.3pm波段为3.5ps/nmkm，在1.55pm波段的损耗较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55pm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。G.653色散位移光纤：针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1.3pm移到1.55pm的色散位移光纤(DSF,Dis?persionShiftedFiber)ITU把

14、这种光纤的规范编为G.653。然而，色散位移光纤在1.55pm色散为零，不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频(FWM)导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散,FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤(NZDSF)G.655。光纤在1.3pm附近有最小的色散，称为零色散波长，这正是早期光纤通信采用1.3pm为工作波长的原因如果改变光纤的材料以及光芯的半径，则零色散波长会有相应的变化。人们利用多包层的光纤还能在1.25-1.65pm波长范围调节零色散波长。使零色散波长移开1.

15、3pm的光纤被称为色散位移光纤。G654衰减最小光纤：为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55pm波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3pm波长区域的色散为零，但在1.55pm波长区域色散较大，约为(1720)ps/(nmkm)oITU把这种光纤规范为G.654。3.2光源技术3.2.1发光二极管(LED)：发光二极管谱线较宽，发散角大，功率密度小，适用于短距离、低码速的数字光纤遮信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。LED通常和多模光纤耦合，用于1.35pm或0.85pm波长的小容量

16、、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1.31pn、或1.55pm大容量、长距离光通信系统。3.2.2半导体激光器(LD)半导体激光器光谱线较窄，功率密度大，适用于长距离大容量的光纤通信系统，尤其是单模半导体激光器，在高速率，大容量的数字光纤通信系统中得到广泛的应用。DWDM的系统工作波长较为密集，一般波长间隔为几个纳米到零点几个纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上并且有很好的稳定性；另一方面，DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH传输系统的5060km增加到500600km。延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应如受激布里渊散射效应(SBS)，受激拉曼

17、散射效应(SRS)，自相位调制效应(SPM)，交差相位调制效应(XPM)等等，要求DWDM系统的光源实用技术更为先进、性能更为优越的激光器。帐篷内股指，DWDM系统光源的两个突出特点是：比较大的色散容量值和标准而且稳定的波长。LD技术已经可以满足这样的需求。用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD）,其基本工作原理是：想半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生手机辐射，再利用光学谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。对LD的要求如下：1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即850nm、1310nm和1550nm）；2）能够在室温下长时间连续工作，并

18、能提供足够的输出光功率。目前LD的尾纤输出功率可达500yW2mW；LED的尾纤输出功率可达10yW左右；3）与光纤的耦合率高；4）光源的普线度要窄。较好的LD谱线宽度可达0.1nm；5）寿命长，工作稳定。3.3波长转换技术3.3.1光/电/光型的波长转换器（WC）：先将光信号转换成电信号，经定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而实现波长变换。由于光电变换技术已很成熟，且它对信号具有再生能力，具有输入动态范围较大，无需光滤波器件且对输入偏振不敏感等许多优点，是目前唯一的一种非常成熟的波长变换器。但是它对信号格式和调制速率不透明，系统升级受限、应

19、用范围受限。相干型波长变换器，主要原理是应用四波混频（FWM）原理。根据所使用的器件不同，又可分为：基于无源波导中FWM效应；半导体激光器中FWM效应；半导体光放大器中FWM效应。基于光控逻辑门的波长变换器，采用的原理主要有XGM效应和XPM效应。所采用的器件与相干型波长变换器的器件类似也可分为无源波导型、半导体激光器型和半导体放大器型。图三光电波长转换器3.3.2全光型波长转换器：其波长转换技术主要flI半导体光放大器(SOA)构成，如图4所示。波长为入的光信号与需要转换为波长为入的连续光信号同时12送入半导体光放大器，SOA对入射光功率存在增益饱和特性，结果使得输入光信号所携带的信息转换到

20、.入上，通过滤波器取出.入光信号，即可实现从入12至从的全光波长转换。123.4波分复用解复用技术合波器(OMU)和分波器(ODU)是DWDM系统的核心部件，它们实际上均为光学滤波器，其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。因此，对波分复用器件提出的基本要求是：插入损耗小、隔离度大、带内平坦、带外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好、复用通路数多以及尺寸小等。OMU/ODU器件有多种制造方法，目前已广泛商用的有：光栅型、薄膜滤波器型、熔锥型耦合器和集成光波导型器件等。3.5光放大技术3.5.1掺铒光纤放大器(EDFA):掺铒光纤放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier,缩写为E

21、DFA）是90年代开始在光纤传输系统中应用的新型器件，它的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。掺铒光纤主要在1.55um波段的应用的有源光纤的研究基础上发展起来的。前期的工作是研究光纤激光器和研究掺稀土元素光纤，后来发现了在光纤中掺铒元素能够实现放大的作用，其工作波长对应于光纤的1.55um传输波长，人们用掺铒光纤制作成功掺铒光纤放大器。何谓CATV用掺铒光纤放大器？它的应用状况如何？在近几年来，光纤CATV系统特别是1500nm光纤CATV系统包括模拟系统和数字系统在我们国家迅速发展，掺铒光纤放大器在光纤CATV系统中也得到了广泛应用。功率放大器是在CATV系统的前端将发射机的输出光放大后

22、再进行分配，以供各方向的光纤干线传输用。功率放大器与功率分配器也可考虑做成两段重复使用。从远离前端处将光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以补偿分支损耗。在光纤传输网络管理中如何实现对掺铒光纤放大器的监控？光纤放大器作为整个系统的一个功能模块，纳入网管系统的方法一般有两种：其一是通过光纤放大器的232C接口电路将光纤放大器的性能参数和告警信息传输给网管系统，进行统一管理，显示和处置。其二是由光纤放大器的开关量信息接口向网管系统送开关量信息进行管理显示。在工程实践中已采用过这两种成功的方法。何谓DWDM用增益平坦掺铒光纤放大器？它的应用状况如何？采用在1550nm窗口

23、附近的密集型WDM技术是扩大现有光纤通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纤放大器是DWDM传输系统的关键部件，可以十分有效地解决由于光波分复用/解复用带来的插入损耗，使WDM系统的中继问题变得十分简单。由于EDFA具有40nm的工作带宽，它可以同时放大多个波长不同的光信号，因此它可以十分方便地应用于DWDM系统中，补偿各种光衰耗。3.5.2拉曼放大器：拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（SRS）。拉曼现象早在1928年就被ChandrasekharaRaman爵士所发现。目前对SRS效应的研究已形成一套比较完整的理论体系。在早期单模光纤中首先测得了石英光纤中的拉曼增益系

24、数，其增益谱的典型特征是具有较宽的带宽，可在很宽的范围内获的拉曼增益。对于一定的拉曼增益，输出端的拉曼散射光强与泵浦光功率和光纤长度成正比，与光纤芯径成反比。对于光纤中的拉曼效应进一步研究发现，泵浦光与斯托克斯色散光的偏振方向对拉曼过程影响很大，当使用长光纤时，由于泵浦光与斯托克斯光无法实现同方向偏振方向传输，将使拉曼阈值成倍地上升。拉曼光纤放大器在观察到SRS效应后不久就有所考虑，在80年代末至90年代直至现在逐渐引起人们的广泛关注。1972年Stolen等首先在拉曼光纤放大器的实验中发现了拉曼增益，初期的研究主要侧重于研制拉曼光纤激光器。80年代在光纤通信应用的推动下开始研究拉曼光纤放大器

25、。1981年Tkeda采用1.017pm的泵浦光放大1.064pm的信号光，经1.3km单模光纤放大获得了30dB小信号增益。1983年Desurvire等用2.4km的单模光纤放大1.24pm的光信号，获得45dB的小信号增益。1986年Olsson用拉曼光纤放大器作为光纤通信系统接收机的前置放大器。1987年Edagawa研究了拉曼光纤放大器的宽带多信道放大特性。1989年Mollenauer采用41.7km的光纤环和1.46pm的色心激光器泵源，利用拉曼增益放大脉宽55ps、波长1.56pm的孤子脉冲稳定传输了6000km。1995年Grubb等实现了4x10G/sWDM多通道放大。19

26、96年Stentz等研制成1.3pm拉曼光纤放大器。1997年Masuda等研制成EDFA与拉曼光纤放大器混和结构的宽带放大器。1999年拉曼光纤放大器成功的应用于DWDM系统，Bell实验室演示了拉曼放大结合EDFA的1.6Tbit/s400km的传输系统。拉曼光纤放大器其固有的全波段可放大特性和可利用传输光纤做在线放大的优点使其进一步收到广泛关注，今后会逐渐在光放大器家族占据重要地位！3.6监控技术一ESC波分产品以前对网元进行操作、管理和维护（0AM）都是采用专用的监控信道单板OSC实现。随着城域波分技术的发展，从降低产品成本的角度出发，产品提出了利用固定帧结构业务中的开销字节进行DCC

27、通信的思路，这样就可以直接通过OTU单板的对接实现网元之间的通信，这就是电监控信道（ESC）。与OSC不同的是ESC是采用随路的方式，即监控信息随主业务新号一起传送，到对端再将他们分离，这种方式不再另外占用波长资源。4应用电力通信专网的纤芯资源相对较充裕，但随着对越送电和西电东送规模的不断扩大，电网发展迅猛，需要传送的信息种类和数量不断增多，特别是专用纤芯继电保护业务和以太网业务的不断增多，对电力通信专网的纤芯资源造成了一定的压力。纤芯资源紧张的地区或站（厂）之间通过新建ADss或OPGW光缆，可以满足电网的需要，但投资巨大，工期长，不太经济。随着DWDM技术的发展和商用化，可以考虑在现有光缆系统的基础上，建设电力啪M光通信网，以满足电网调度、自动控制、办公系统、继电保护和安自等业务对电力通信容量的要求。WDM的应用形式有集成式和开放式两种。开放式WDM系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合ITU-T建议的光接口标准。集成是的DWDM系统没有才有波长转换技，它要求复用终端的光信号的波长符合DWDM虚脱的规范，不同的复用终端的光信号的波长符合DWDM的规范，不同的复用终端设备发送