光纤通信系统

1、第7章光波分复用系统采用时分复用方式是传统数字通信提高传输效率、降低传输成本的有效措施。无论是 PDH 系列的 34Mbit/s、140Mbit/s、565Mbit/s 系统的还是 SDH 系列的 155Mbit/s、622Mbit/s、 2488Gbit/s、9952Mbit/s系统都是按照这一原则进行。但是随着现代电信网对传输容量要求 的急剧提高，利用时分复用方式已经日益接近硅和砷化镓半导体技术的极限。并且传输设备 的价格也很高。随着传输频率的提高，光纤色散的影响也越加严重。而另一方面光纤的光谱 范围尚未得到充分开发。因而系统进一步扩容的唯一出路就是把电时分复用转到光波分复用 上来，即从光

2、域上用波分复用方式来提高传输速率。本章主要介绍光波分复用技术的基本原理。7.1光波分复用的基本概念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。要能在一根光纤上同时传输多个波长信号，那么光纤必须要由足够的带宽资源。目前单 模光纤的

3、适用工作区有两个，即1310nm和1550nm波长段两个低损耗区域。单模光纤的带 宽资源如图7.1所示。图7.1单模光纤的带宽资源由图可见，1310nm波长段，其低损耗区大约从12601360nm，共100nm。1550nm波 长段，其低损耗区从1480nm1580nm，共100nm。因此，两个工作波长段一共约有200nm 低损耗区可用，这相当于30000GHz的频带宽度。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，其通信速率被限制在10Gbit/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。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

4、 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）。目前应用在 1550nm波长区段内，复用8、16或更多的波长在一对光纤上（也可采用单纤）构成光纤通 信系统，两个波长之间的间隔为0.8nm、1.6nm或更低。WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带业务（如CATV、HDTV、BIP-ISDN等）， 充分发掘光纤带宽潜力，实现高速通信等具有十分重要的意义。尤其是应用掺铒光纤放大器 （EDFA）的WDM系统更是对现代信息网络具有更大的吸引力。应用非零色散

5、位移光纤 （NZDSF）加掺铒光纤放大器（EDFA）加光子集成（PIC）的密集波分复用系统正在成为 高速光纤通信系统发展的主要技术方向。就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤通信传输链路都升级为WDM传输，那么 就可以在这些WDM链路的交叉处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接 设备（OXC），或进行光上/下路的光分插复用器（OADM）。则在原有以光纤链路组成的物 理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光链路中的波长通道可以连接起来， 形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路。完成端到端的信息传送，并且这种光通路可 以根据需要灵活地动态建立和释放，这就是全新的、新一代的W

6、DM全光网。7.1.2 WDM系统的基本形式WDM系统的基本构成主要有以下三种基本形式:双纤单向传输双纤单向传输示意图如图7.2所示。图7.2双纤单向传输示意图单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种 信息的、具有不同波长入，入2,入3,入n的已调光信号通过光复用器组合在一起，并在 一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长携带的，所以彼此之间不会混淆。在接收 端通过光解复用器将不同光波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一 根光纤传输，原理相同。单纤双向传输单纤双向传输示意图如图7.3所示。图7.3单纤双向传输示意图双向WDM是指光通路在一

7、根光纤上同时向两个不同方向传送，所有波长相互分开， 以实现彼此双方全双工的通信联络。单向WDM系统在开发和应用方面都比较广泛。双向WDM系统的开发和应用相对来 说技术要求更高些。双向WDM系统在设计和应用时要考虑到几个关键因素。如为了抑制 多通道的干扰，必须要注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串话的类型和数值、两 个方向传输的功率电平和相互间的依赖性及自动功率关断等问题。同时还必须使用双向放大 器。但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。光分路插入传输光分路插入传输示意图如图7.4所示。图7.4光分路插入传输图7.4中，通过解复用器将光信号A 1从线路中

8、分出来，利用复用器将光信号入3插入线 路中进行传输。通过线路中间设置的分插复用器或光交叉连接器，可使各波长的光信号进行 合流或分流，实现光信号的上/下通路与路由分配。这样就可以根据光纤通信线路沿线的业 务量分布情况和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。7.2 WDM系统的基本结构与工作原理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系统总体结构示意图如图7.5所示。图7.5 WDM系统总体结构示意图（单向）图7.5中，光发送机是WDM系统的核心，根据ITU-T的建议和标准除了对WDM系统 中发送

9、激光器的中心波长有特殊要求之外，还要根据WDM系统的不同应用（主要是传输 光纤的类型和无中继传输的距离）来选择具有一定色散容量的发送机。在发送端首先将来自 终端设备（例如SDH端机）输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU-TG957建议 的非特定波长的光信号转换成稳定的特定波长的光信号；利用合波器合成多通路光信号，通 过光功率放大器（BA）放大输出多通路光信号。经过长距离传送后（80120km）,需要对光信号进行光中继放大。目前使用的光放大 器多为掺铒光纤放大器（EDFA）,在WDM系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不 同波长的光信号具有相同的放大增益。同时，还需要考虑到不同数

10、量的光信道同时工作的各 种情况，能够保证光信道的增益竞争不影响传输性能。在应用时，可根据具体情况，将EDFA 用作线路放大器（LA）、功率放大器（BA）和前置放大器（PA）。在接收端，光前置放大器放大经传输而衰减的主信道光信号，采用分波器从主信道光信 号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般光接收机对光信号的灵敏度、过载功率 等参数的要求，还要能承受有一定噪声的信号，要由足够的电带宽性能。光监控信道主要功能是监控系统内的各信道的传输情况。在发送端，插入本节点产生的 波长为入（1510nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的 s光信号分波，分别输出入（1510nm

11、）波长的光监控信号和业务信道信号。帧同步字节、公 s务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传递的。网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字 节对WDM系统进行管理。实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与 上层管理系统互连。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。1.有线路光放大器WDM系统1）有线路光放大器WDM系统的参考配置有线路光放大器WDM系统的参考配置如图7.6所示。图7.6有线路光放大器WDM系统的参考配置图7.6中，

12、Tx1，Tx2，Txm为光发送机，Rx1，Rx2，Rxm为光接收机，OA为光放大器，OM为合波器，OD为分波器。 Xm图中所示的WDM系统中的各参考点定义如表7.1所示。表7.1图7.6所对应的各参考点定义参考点定义S,Sn通道1n在发送机输出连接器处光纤上的参考点RM1RMn通道1n在OM/OA的光输入连接器处光纤上的参考点MPI-SOM/OA的光输出连接器后面光纤上的参考点S线路光放大器的光输出连接器后面光纤上的参考点R线路光放大器的光输入连接器前面光纤上的参考点MPI-R在OM/OA的光输入连接器前面光纤上的参考点SD1 SDn通道1n在OA/OD的光输出连接器处光纤上的参考点R,Rn通

13、道1n接收机光输入连接器处光纤上的参考点2）有线路光放大器WDM系统的分类与应用代码在有线路光放大器的WDM系统的应用中，线路放大器之间目标距离的标称值为80km和120km，需要再生之前的总目标距离标称值为360km、400km、600km和640km （这里所 提的目标距离仅用来分类，并非是技术指标）。WDM系统的应用代码一般采用以下方式构成：nWx-y - z，其中n是最大波长数目W代表传输区段（W=L, 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（y=4或16分别代表STM-4或STM-16） z代表光纤类型（z=2, 3,

14、5分别代表G652, G653或G655光纤）表7.2给出了相应的分类与应用代码表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80kn）很长距离区段（每个区段的目标距离为120km）区段数58354波长4L5-y z4L8-y z4V3-y z4V5-y z8波长8L5-y z4L8-y z8V3-y z8V5-y z16波长16L5-y z16L8-y z16V3-y z16V5-y z2,无线路光放大器WDM系统（1）无线路光放大器WDM系统的参考配置无线路光放大器WDM系统的参考配置如图7.7所示。图7.7无线路光放大器WDM系统的参考配置（2）无线路光放大

15、器WDM系统的分类和应用代码无线路光放大器WDM系统可将8个或16个光通路复用在一起，每个通路的速率可以 是STM-4、STM-16或其他，也可以将不同速率的通路同时混合在一起。这些系统在G。 652, G.653和G655光纤传输的目标距离的标称值为80km，120km和160km。表7.3给出了相应的分类和应用代码（各符号的定义与前述相同，此时x=1,表示无线 路放大器，表中不予表述）表7.3无线路光放大器WDM系统的应用代码应用长距离（目标距离80km）很长距离（目标距离120km）超长距离（目标距离160km）4波长4L-y z4V-y z4U-y z8波长8L-y z8V-y z8U

16、-y z16波长16L-y z16V-y z16U-y z7.2.3光波长区的分配目前在S1O2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 波长应该在15301565nm。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。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

17、为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。对于频率间隔系列的选择应该满足以下要求：至少应提供16个波长，因为当单通路速率为STM-16时，则一根光纤上的16个 通路就可提供40Gbit/s。波长数量不能太多，因为对这些波长的监控是一个比较复杂的问题。所有波长都应位于光放大器增益曲线相对比较平坦的部分，可使光放大器在整个波 长范围内提供相对较为均匀的增益。对于 EDFA，它的增益曲线相对较平坦的区域就是 15401560nm。这些波长应与系统中光放大器使用的泵浦波长无关。所有通路在这个范围内均应保持均匀间隔。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

18、，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。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)1192.101560.61*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.

19、3216193.601548.51*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16通道系统升级，也规定对 应的最大中心频率偏差为20GHz。7.3光波分复用系统的关键技术7.3.1 WDM系统的几个技术问题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；

20、“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都会出现，其主要问题如下：光源的波长稳定问题在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。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 非线性和解复用器的滤波特性。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

21、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。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。光纤的非线性效应问题对于常规的光纤通信系统来说，入纤光功率不大，光纤呈线性状态传输。在WDM系 统中，采用EDFA后，光功率增大，光纤在一定条件下将呈现非线性特性，极大地限制了 EDFA的放大性能和长距离无中继传输的实现。光纤的非线性效应主要有散射效应包括受激布利

22、渊散射（SBS）和受激啦曼散射（SRS） 和折射率效应包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和“四波混频”（FWM）， 这些效应的产生都与注入到光纤中的光功率有关。SRS是指当较强的光入射到光纤中时，会引起光纤材料中的分子振动，进而调制入射的 光强，导致WDM系统中短波长通道的一部分能量转移到相邻的通道中去，产生过大的信 号衰减，从而限制系统的通路数。SBS现象与SRS类似，与SRS相比SBS峰值增益很大，频移和增益带宽很小，且只是 后向散射，影响力也要强些，尤其是光源谱线宽度越窄，门限功率越低，影响越大。SPM是指当光纤输入的光强变化时，光纤的折射率也将随之变化，从而引起光波的相

23、位产生变化，与光纤的色散相结合，就会导致频谱展宽，产生频率啁啾，并随长度的增加而 积累。光功率变化越快，导致频率变化越大，对系统中的高速窄脉冲影响较大。XPM是指由于折射率随入射光强的变化，而导致信号的相位受其通路功率的调制，引 起通道间的串扰。FWM是指当多个具有较强功率的光波信号，在光纤中混合传输时，将会产生新的光波 长，引起串扰，从而限制了使用的波长数。目前的WDM已经找到了一些有效的方法来克服上述的光纤非线性效应对信号传输的 影响。特别是对于光信道数16的WDM系统，注入的总光功率一般不会大于+17dBm， 比产生SRS效应的阈值小的多。因此，不会有SRS的影响G655光纤的使用可以克

24、服FWM 效应。XPM 一般发生在通道数大于32的WDM系统中，这可通过增大光纤的有效面积的方 法来解决。EDFA的动态可调整增益与锁定问题目前，EDFA的带宽已经达到了 3540nm，虽然其通带内的增益平坦度并不十分理想， 但能满足普通波长密度的WDM系统的要求，然而对于密集型波分复用系统传输还不够。 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

25、起线路阻塞。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。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。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。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

26、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80120km之内，以保证信号传输性能对信噪比的要求。尽管目前WDM系统已经实用，但以WDM技术为标志的全光网技术仍有许多要解决 的新问题和一些与之相适应的配套技术。如光源技术、光波复用和解复用技术、光纤技术、 光放大技术、监控技术等。这些技术问题正在逐步加以解决。7.3.2光源技术用于WDM系统的光源在WDM系统中，一般采用分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光 器作为光源，它们与一般F-P激光器相比具有两个优点：（1）动态单纵模窄线宽振荡由于DFB

27、激光器中的光栅的栅距很小，形成了一个微型的谐振腔，对波长具有良好的 选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大。因此，光波谱线宽度比F-P激光器窄很多， 并能在高速调制下也能保持单纵模振荡。（2）波长稳定性好由于DFB激光器内的光栅有助于锁定在给定的波长上，其温度漂移约为0.8 A/oC。量子阱（QW，Quantum Well）半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材 料中间或交替重叠生长的半导体激光器，是一种很有发展前途的激光器，可用于WDM系 统。它的结构与一般的双异质结激光器相似，只是有源区的厚度很薄。QW激光器与一般的 双异质结激光器相比，具有以下优点：1）阈值电流低。其阈值电流密

28、度可降至双异质结激光器的1/3和1/5。2）谱线宽度变窄，与双异质结激光器相比，可缩小一倍。3）频率啁啾小，动态单纵模特性好。光源调制类型目前，在WDM系统中主要采用外调制器。激光器产生稳定的大功率激光，外调制器 以低啁啾对光进行调制，以使激光器工作在连续波形式，能更有效的克服频率啁啾，从而获 得大于直接调制的色散受限距离。目前应用的光外调制器有马赫一曾德尔调制器，它的主要 特性是啁啾数值很低，色散受限距离很长，但插入损耗较大，需要较高的调制电压。波长可调谐半导体激光器一般半导体激光器的光谱线较宽，传输性能不好。为了得到单色性能良好的光源，目前 采用了 DFB、DBR等多种结构的单波长激光器，

29、获得了单色性能良好的单波长振荡，但由 于其振荡波长是由制造器件时，衍射栅的周期决定。虽然能改变注入电流等方法，使其折射 率发生变化，从而改变波长，可控制的波长范围为10nm左右。但都无法实现较大范围波长 的控制和调谐。为了实现能在宽范围内的波长选择，做成一种超周期结构衍射栅（SSG）激光器。SSG 采用了衍射栅周期随位置而变化的结构，它具有多个波长的反射峰，利用这种衍射栅制成 DBR激光器的发射镜。由于产生的光波长是与栅周期相对应的，因此，根据这种随位置而 变得周期性，即可反射各种波长的光。目前，按照这种原理制作的SSG-DBR激光器，已 能实现在1550nm波长段，波长可变范围超过100nm

30、。另外，外腔可调的半导体激光器、双极DFB激光器、三极DFB激光器、多波长光纤环 形激光器均可以调谐激射的光波长。7.3.3波长可调谐滤光器技术只允许特定波长的光顺利通过的器件称为滤光器或光滤波器。如果所通过的光的波长可 以改变，则称为波长可调谐滤光器。这种激光器在波分复用系统、全光交换系统中具有广泛 的应用价值。下面介绍一种F-P腔型滤光器F-P腔型滤光器的主体是F-P谐振腔，其结构是一对高度平行的高反射率镜面构成的腔 体，如图7.8所示。设光波入射腔体的角度为。|，谐振腔长为L，材料折射率为n0。凡满足 下面相位条件的光波，可形成稳定振荡并输出等间隔的梳状波形。相位条件为：在两个反射 镜之

31、间一次往返传输后的相位变化量0是2n的整数倍，即4兀 nL cos 08 =i = 2 m 兀（7.1）入式中的m为正整数。图7.8 F-P谐振腔与光传输特性示意图一般情况下，当m取定后，确定满足相位条件具有峰值透过率波长的因素是n，L和0尸 所以通过设计和调谐这三个参数，即可实现波长可调谐的目的。F-P腔传输性能参数为自由谱域（FSR，Free Space Range）：相邻波长间的距离；带宽（BW，Band Width）:谐振峰值1/2处的光谱宽度；精细度（F，Fineness）：自由谱域与谱宽的比值。目前，世界上已研制出多种结构的波长可调谐滤光器，其基本原理都是通过改变腔长、 材料折射率

32、或入射角度来达到可调谐的目的。7.3.4光波分复用/解复用器与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，其性 能指标有插入损耗和串扰。WDM系统对光波分复用器/解复用器的特性要求是损耗及其偏 差要小，信道间的串扰要小，通带损耗平坦等。本节主要对光波分复用器/解

33、复用器的结构原理、性能作一介绍。1. WDM/DWDM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。（1） 熔锥光纤型WDM/DWDM在前面5.2节中所述的熔锥型光纤耦合器，总的耦合功率分光比只取决于锥形耦合长度 和包层厚度。利用此种熔锥光纤耦合器的波长依赖性，可以制成WDM器件。在此种器件 中，改变熔锥拉锥工艺可使分路器输出端的分光比随波长急剧变化。如图7.9所示，该器件结构类似于2X2单模光纤耦合器。通过设计熔锥区的锥度，控 制拉锥速度，使直通臂对波长为入1的光有接近100%的输出，而对波长为入2的光输出接近 于零。使耦合臂对波长为入2的光有接近10

34、0%的输出，而对波长为入2的光输出接近于零。 这样当输入端有入1和入2的两个波长的光信号同时输入时，入1和入2的光信号分别从输入臂 和耦合臂输出，作为波分复用器。反之，如果直通臂和耦合臂分别有入和入2的光信号输入 时，也能合并后从另一端输出，作为解复用器。图7.9熔锥光纤型波分复用器结构和特性熔锥光纤型WDM的特点是插入损耗低（最小值低于0.5dB），结构简单，不需要波长 选择器，有较高的通路带宽和通路间隔比。缺点是复用路数偏少（一般用于双波长），隔离 度较低（20dB）o（2） 干涉滤波器型WDM/DWDM采用多层介质膜作为光滤波器，使某一波长的光通过而其他波长的光被截止。干涉滤波器由多层不

35、同材料（如TiO2和SiO2）、不同折射率和不同厚度的介质膜按照设 计要求组合而成，每层厚度为入/4。一层为高折射率层，一层为低折射率层交替叠加而成。 如图7.10所示。当光入射到高折射率层时，反射光不产生相移，当光入射到低折射率层时， 经反射的光经过360相移，与经高折射率层的反射光同相叠加。这样在中心波长附近，各 层反射光叠加在滤波器输入端面形成很强的反射光。在偏离反射光波长两侧，反射光陡然降 低，大部分光成为透射光。据此原理，可对某一波长范围的光呈带通，而对其他波长呈带阻， 从而达到所要求的滤波特性。利用这种对某指定波长有选择性的干涉滤波器就可以将不同光 波长的光信号分离或合并起来。图7

36、.10介质薄膜干涉滤波器型WDM器的原理示意图图7.11所示是用自聚焦棒透镜与干涉滤光片组成的波分解复用器。图7.11干涉滤光片波分解复用器结构入射波长为入和入2的光信号，由于自聚焦棒透镜的作用聚焦于干涉滤光片上。波长为 入1的光透过干涉滤光片，经透镜成为平行光，由输出光纤输出。波长为入2的光由干涉滤光 片反射，由输出光纤输出。从而完成了入1和入2的波分解复用功能。如果从两根输出光纤分 别输入入1和入2的光，则两个波长的光可以复合从一根光纤输出，从而完成波分复用功能。（3） 光栅型 WDM/DWDM使用光栅特别是衍射光栅，也能使入射的多波长复合光分散为各个波长分量的光，或者 将各个波长的光聚集

37、成多波长的复合光。在原理上，任何具有一定宽度、平行、等节距或变 节距的波纹结构都可以作为衍射光栅。光栅型的WDM/DWDM种类很多，下面只介绍一种 体型平面或曲面光栅WDM，如图7.12所示。图7.12体型光栅波分复用/解复用器体型平面或曲面光栅波分复用/解复用器是采用在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光 栅。输入光纤输入的多波长光信号经普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波 长的光分开；然后，经透镜将各波长的光聚焦在各自的输出光纤，实现了多波长光信号的分 接；反之，也可实现各个波长的复合。2. WDM/DWDM 性能WDM/DWDM是一种有波长选择的耦合器，它的性能及评价方法与普通耦

38、合器有相似 之处，但也有不同之处。（1） 插入损耗Li指某特定波长的光信号，通过WDM/DWDM通道时，所引入的功率损耗，即因增加了 WDM/DWDM而产生的附加损耗。定义为：该器件的输入和输出端口之间的光功率比，用 分贝表示L = 10 lgP（dB）（7.2）i Po式中：Pi为输入端口的功率，Po为输出端口的功率。插入损耗包括两个方面：一是器件本身存在的固有损耗，另外就是由于器件的接入在光 纤线路的连接处产生的接续损耗。（2）隔离度（串扰）Cij串扰就是其他信道的信号耦合进某信道，并使该信道的传输质量下降的程度，可用隔离 度表示。对于解复用器 TOC o 1-5 h z C = -10

39、lgP（dB）（7.3）jPi式中，Pi是波长为入i的光信号的输入光功率，Pij是波长为入1的光信号串入到波长为入j 的信道的光功率。11JJ在系统应用要求中，希望信道之间的串扰越小越好，也即信道间的隔离度越大越好。信 道间的串扰大小不仅与WDM的设计和制造有关，还与所用的光发送机的光源谱线宽度有 关。谱线宽度越窄的光源，串扰越小，其影响可以忽略不计。但对谱线宽度较宽的光源，其 影响不可忽视，它将影响接收机的灵敏度。（3）回波损耗RL回波损耗是指从复用器的输入端口返回的光功率Pr与发送进输入端口的输入光功率Pi 之比，用分贝表示RL = -10 lg （7.4）Pi在系统中要求回波损耗越大越好

40、。（4）工作波长范围工作波长范围是指WDM器件能够按照规定性能要求工作的波长范围。（5）通路带宽通路带宽是指分配给某一特定光源的波长范围。考虑到实际光波长与标称波长的偏差， 环境温度变化会引起激光器波长的变化，光源本身的谱线宽度，待传送的光信号的速率等， 因而波分复用系统中光源的通路带宽应足够宽，即相邻的光源波长之间的间隔应足够大才能 避免不同光源之间的串音干扰。根据通路带宽的宽窄不同，WDM系统可以分为三类：稀疏型WDM，其通路间隔10 100nm，用于25个复用系统；密集型WDM,其通路间隔为110nm，用于510个复 用系统；致密型WDM，其通路间隔为0.11.0nm，用于20100个以

41、上的复用系统。这种 复用器也称为光频分复用系统（OFDM）。7.3.5光转发器（OUT）技术1. OTU的基本结构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。OTU器件目前使用的还是光/电/光的变换形式。先由光电二极管PIN或者APD把接收 到的光信号转换为电信号，经过定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该信号对 标准波长的激光器重新进行调制，从而得到新的合乎要求的标准光波长信号（G.692要求的 标准波长）。至于采用全光直接变换的波长转发器目前尚未商用。符合G957的发送机与OTU合并使用的示意图如图7.13所示。

42、图7.13符合G957的发送机与OTU合并使用的示意图图中，OTU的前端为符合G957要求的SDH发送机接口 S，OTU的输出端为符合G.692 要求的WDM系统接口 Sn，在S点符合G957的Tx发送功率有时会超过OTU的输入过载功 率，这时需要在s点插入固定的光衰减器。x2. OTU的使用（1） 在发送端使用OTU图7.14为发送端使用OTU的示意图。在发送端OTU的位置位于具有G957接口的SDH 设备与波分复用器之间。图中SS2，Sn是符合WDM系统要求的SDH接口。当把符合 G,957的发送机和OTU结合起来作为G.692光发送机时，参考点Sn位于OTU输出光连接器 后面。图7.14

43、发送端OTU的应用示意图（2） 在中继器中使用OTU图7.15给出如何使用OTU作为再生中继器的示意图。其中S1，S2，Sn是符合WDM 系统要求的SDH接口。而作为再生中继器使用的OTU除执行光/电/光转换、定时再生功能 外，还需要具有对某些再生段开销字节进行监控功能。图7.15有再生中继功能的OTU的应用示意图（3） 在接收端使用OTU图7.16给出了在接收端使用OTU的示意图。其位置位于具有G.957接口的SDH接收 机前面。图中S1，S2，Sn是符合WDM系统要求的SDH接口。OTU输出符合G957输出 特性的光信号，G,957接收机参考点位于OTU输出光连接器后面。图7.16接收端O

44、TU的应用示意图7.3.6光纤传输技术在第2章中已经介绍过各种单模光纤的性能。在使用在1550nm波长段的光纤通信系统 中，对单波长、长距离的通信采用G653光纤（DSF，即色散位移光纤）具有很大的优越性。 但当G653光纤用于WDM系统中时，由于线路中采用了光放大器，光纤中传播的光功率大 大增加，这就会在零色散波长区出现严重的非线性效应。非线性产生一种“四波混频”现象(FWM，Four Wavelength Mixing)，降低了系统的性能质量，限制了 WDM技术的应用。所谓四波混频是指当多个频率的光波以很大的功率在光纤中同时传输时，由于非线性效 应引发多个光波之间出现能量交换的一种物理过程

45、。假设有三个频率分别为f1、f2和f3的光 波同时在光纤中传输，将引发频率为f4的第4个光波出现，f4 =匕土f2土f3因此有相当大的信 道功率可能通过“四波混频”转移到新的光场中去。这种能量转移不仅导致信道中光功率的 衰减，而且引起各信道之间的彼此干扰。对于色散位移光纤而言，其零色散波长为1550nm，光放大器的适应波长也为1550nm， 在这一波长下工作，光纤的色散可为零，但对于WDM信号来说，相互作用的各光波具有 相同的传输相位，反而使得“四波混频“更为严重。它所产生的新波长往往与某一传播波长 相同。为了有效抑制“四波混频“，选择了非零色散位移光纤(NZDSF)。其特点是将色散位 移光纤

46、的零色散点进行移动，使在15401565nm范围内色散值保持在1.04.0ps/nm - km， 既避开了零色散区，又保持了较小的色散值。而零色散区可设置在入=1550nm以下或以上 较短的波长范围内(如1520nm或1570nm)。采用非零色散位移光纤其突出的优点就是兼容了常规单模光纤G652和色散位移光纤(DSF，G653 )的优点。NZDSF与DSF相比，除了零色散点移动外，其余特性相当。在入=1550nm波长处具 有最小损耗和色散。虽然其色散系数不为零，但是与G.652光纤相比已解决了中继距离受色 散限制的弱点。可以在光纤的低色散区和低损耗区开通WDM系统，而不受四波混频的影 响。理论

47、分析表明，单根NZDSF的传输速率可达80Gbit/s，而且将来升级也较为灵活。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，如何在保留原有系统的前提下解决G.652光纤在入=1550nm波长下的色散受限 问题，应用WDM技术开通更高速率的通信系统已是升级扩容的当务之急。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10章中讲述。7.3.7 WDM系统的监控技术在应用EDFA来代替现有光纤系统中中继器的WDM系统中，由于EDFA的光中继器 上业

48、务信号不能上/下，无电接口接入，只有光信号放大，而且在业务信号的开销位置上(如 SDH的帧结构)也没有对EDFA进行监控的字节，因此必须增加一个电信号对EDFA的运 行状态进行监控。现在通常采用的是在一个新波长上传送监控信号。另外对WDM系统的 各相关部件的故障告警、故障定位、运行中的质量监控、线路中断时备用线路的监控等也需 要监控。所以在WDM系统中考虑设置了光监控信道(OSC，Optical Supervisory Channel)0光监控信道应满足以下几个条件：OSC不应限制光放大器的泵浦波长；OSC不应限制两线路放大器之间的距离；OSC不能限制未来在1310nm波长上的业务应用；OSC

49、仅对使用光线路放大器的系统有效，此时没有直接的电接口接入到监 控系统；线路放大器失效时监控信道仍然可用；OSC传输应该是分段的，且具有均衡放大、识别再生、定时功能和双向传 输功能，在每个光放大器中继站上，信息能被正确的接收下来；只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许OSC在双向传输，以便若其中一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接受到。在WDM系统中，当EDFA是用于功率放大器或前置放大器时，传输系统自身用的监 控信道就可以用来对它们进行监控。但对于作线路放大器的EDFA，必须采用单独的光信道 来传输监控管理信息。常用的监控技术有以下几种：（1）带外波长监控技术对于使用EDFA作为线路放

50、大器的WDM系统，需要一个额外的光监控信道。ITU-T建 议采用一个特定波长作为光监控信道，传送监测管理信息。此波长位于业务信息传输带宽之 外时可选用1510+10nm。由于是位于EDFA的增益带宽（15301565nm）之外，所以称为 带外波长监控技术。如图7.17所示。监控信号不能通过EDFA必须在EDFA前取出（下 光路），在EDFA之后插入（上光路）。由于带外监控信道的光信号得不到EDFA的放大， 所以传送的监控信息的速率可以低一些，一般取为2048kbit/s，一般2048kbit/s系统的接收 灵敏度优于-50dBm，所以虽不经过EDFA放大也能正常工作。图7.17带外波长监控示意图（2）带内波长监控技术选用位于EDFA增益带宽内的波长1532 + 4.0nm作为监控信道波长。此时监控系统的 速率可取为155Mbit/s。尽管1532nm的波长已处于EDFA增益平坦区边缘的下降区，但因 1