光纤通信 第九章

第九章波分复用技术9.1多信道复用技术9.2光波分复用原理9.3光波分复用技术9.4光波分复用器9.5WDM光传送网9.6WDM系统设计本章内容9.1多信道复用技术光放大与色散补偿技术解决了传输距离问题，但还需要解决光波承载信息容量问题，这就要求我们研究多信道复用技术。解决这个问题有许多方案，可以从光信号和光波两个方面来考虑，主要有光时分复用(OTDM)技术、光码分复用(OCDM)技术、副载波复用(SCM)技术、波分复用(WDM)技术等。1.光时分复用(OTDM)技术光时分复用是指将多个通道的低速率数字信息以时间分割的方式插入到同一个物理信道（光纤）中，复用之后的数字信息成为高速率的数字流。光时分复用与电时分复用不同，光时分复用的电数字信号还是低速率的数字流，但是复用的光信号是高速率的数字流，这样就绕开了高速电子器件和半导体激光器直接调制能力的限制；而电时分复用是低速率的电数字信号直接复用成高速率的电数字信号。光时分复用可分为比特间插OTDM和分组间插OTDM两种方法。1）比特间插OTDM比特间插OTDM的原理见图9-1-1。在比特间插OTDM帧中，每个时隙对应一个待复用的支路信息(一个比特)，同时有一个帧脉冲信息，形成高速的OTDM信号，主要用于电路交换业务。2）分组间插OTDM分组间插OTDM的原理见图9-1-2。分组间插OTDM帧中每个时隙对应一个待复用支路的分组信息(若干个比特区)，帧脉冲作为不同分组的界限，主要用于分组交换业务。2.光码分复用(OCDM)技术光码分复用(OCDM)通信是将码分多址通信技术与大容量光纤通信技术相结合的一种通信方式，它是在OCDM通信系统中，每个用户都拥有一个唯一的地址码。在进行数据信息的传输时，首先用该地址码数据信息进行光调制，同样，在接收端用与发射端相同的址码进行光解码，从而实现用户间的通信。在OCDM中，一般只能用光强度作为调制信息，即相当于(0,1)单极性码。OCDM系统的地址码主要有光正交码、素数码、二次同余码及混合码等。下面简单介绍光正交码，一个正交码C是一串{0,1}序列码，可表示为（n，ω，λa，λc），其中n是码长也称为扩频系数，ω是码重(码中1的个数)，λa是自相关限，为任意一个码字自相关的最大侧峰值，λc是互相关限，为任意两个不同码字之间的互相关的最大值。如一个光正交码C为(10，3，1，1)，则码长为10，码重为3，λa=λc=1。x是C中的一个码字，其码中三个“1”出现在0，4，7位置上，即编码为（1，0，0，0，1，0，0，1，0，0），可以用码字区组简单表示为(0，4，7)。如图9-1-3所示，当对信息比特进行编码时，就要将每一比特转换为该码字OCDM的优点

在解码过程中，不需要获得各chip的同步信息，只要解码器是编码器的时域反演即可将编码信号正确解码，这相对于OTDM方式大大简化；保密性很好，数据只能由一个特有的解码序列来恢复，该密匙可以始终保密，如果没有解码器,，有信道的频谱是重叠的，无法解复用；抗干扰信号的频谱非常宽，以至窄带噪声和干扰信号对数据的传输和恢复没有明显的影响。3．副载波复用(SCM)副载波复用（SCM）的概念源于微波频分复用通信技术，它利用光纤在光载波上传输多信道微波信号。如图9-1-5所示在副载波复用技术中，包含两次调制，第一次是电调制，即将多个基带信号分别调制到具有不同的微波频率的电载波上；然后再进行光调制，即将这些经频分复用的群信号调制到光载波，从而形成光信号，使之进入光纤。同样在接收端先进行光解调，再进行电解调，恢复为原各路基带信号。由于通常称电载波为副载波，因此该复用方式简称为副载波复用方式。9.2光波分复用原理1.OWDM原理波分复用（OWDM）是在一根光纤中同时传输两种或多种不同波长的光波信号，WDM原理如图9-2-1所示。

n个光发送机发送出由不同波长λ1，λ2，…λn承载的光信号，通过光复用器耦合到同一根单模光纤中，经过光纤传输到达接收端后，由解复用器将不同波长信号在空间上分开，分别进入各自的光接收机。对于长途通信，还需要在传输光纤中加入中继器或光放大器，以补偿光信号的损耗。最初的WDM系统为1310/1550nm两波长系统，它是利用光纤的两个低损耗窗口1310nm和1550nm各传送一路光波信号的系统，主要用于对原来1310nm系统进行扩容，两个波长之间的间隔达两百多纳米，通常称为粗波分复用（CWDM）系统。目前的WDM系统复用的波数很多，而通道间隔则更小，只有0.8~2nm，甚至小于0.8nm，因此这样的系统习惯上称为密集波分复用（DWDM）系统。

DWDM系统广泛用于长途通信，然而随着技术的发展，用户需求的提高，现在也越来越多地将其应用到城域网和接入网之中。2.WDM系统的特点WDM系统具有以下的主要特点：(1)充分利用光纤的巨大带宽资源(2)同时传输多种不同类型的信号(3)节约线路投资(4)多种应用形式(5)降低器件的超高速要求(6)高度的组网灵活性、经济性和可靠性3.WDM技术的应用形式WDM技术从传输方向分：单纤双向结构双纤单向结构如图9-2-2所示。图(a)为双向结构，它是采用两根光纤，每根光纤中所有波长的信号都在同一方向上传播。图(b)为双向结构，系统则只用一根光纤，多个波长的信号可以在两个方向上同时传播。9.3光波分复用技术1.WDM系统的结构WDM系统是由光发射机、光接收机、光中继器和光监控与管理系统构成，如图9-3-1所示为双向结构中其中一条单向传输的WDM系统总体结构示意图。2.光波长区的分配WDM系统的光发射机首先要解决光信号分割问题，如图9-3-2所示，光信号是按照频率分割的，各通道的波长是固定分配的。WDM系统的技术规范包括：

1)绝对参考频率(AFR)和信道间隔绝对参考频率是为维持光信号频率的精度和稳定度而规范的特定频率参考。AFR的应用包括：WDM测试设备的校准、为制作和校准WDM器件提供参考频率、直接为多信道系统提供基准频率、控制和维持光源的工作波长。ITU-T建议G.692文件，在考虑了各国的频率标准和国际度量衡委员会(CIPM)的相关建议的基础上，确定WDM系统的绝对参考频率规范为193.10THz。关于信道间隔，G.692文件规范WDM的信道间隔为25GHz的整数信，目前优先选用的是100GHz和50GHz信道间隔。G.652或G.655光纤系统是均匀间隔。G.653光纤采用非均匀间隔来抑制四波混频效应。2)标准中心频率和偏差为了保证不同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，所谓标称中心频率指的是光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。标准中心频率见表9-3-1，表中列出了在1528～1561nm之间，以50GHz及100GHz或以上为通路间隔。标准中心频率（50GHz间隔）/THz标准中心频率（100GHz间隔）/THz标准中心波长(nm)标准中心频率（50GHz间隔）/THz标准中心频率（100GHz间隔）/THz标准中心波长(nm)196.10196.101528.77194.10194.101544.53196.05

1529.16194.05

1544.92196.00196.001529.55194.00194.001545.32195.95

1529.94193.95

1545.72195.90195.901530.33193.90193.901546.12195.85

1530.72193.85

1546.52195.80195.801531.12193.80193.801546.92195.75

1531.51193.75

1547.32195.70195.701531.90193.70193.701547.72195.65

1532.29193.65

1548.11195.60195.601532.68193.60193.601548.51195.55

1533.07193.55

1548.91195.50195.501533.47193.50193.501549.32195.45

1533.86193.45

1549.72195.40195.401534.25193.40193.401550.12195.35

1534.64193.35

1550.52195.30195.301535.04193.30193.301550.92195.25

1535.43193.25

1551.32195.20195.201534.82193.20193.201551.72195.15

1536.22193.15

1552.12195.10195.101536.61193.10193.101552.52表9-3-1标准中心频率标准中心频率（50GHz间隔）/THz标准中心频率（100GHz间隔）/THz标准中心波长(nm)标准中心频率（50GHz间隔）/THz标准中心频率（100GHz间隔）/THz标准中心波长(nm)195.05

1537.00193.05

1552.93195.00195.001537.40193.00193.001553.33194.95

1537.79192.95

1553.73194.90194.901538.19192.90192.901554.13194.85

1538.58192.85

1554.54194.80194.801538.98192.80192.801554.94194.75

1539.37192.75

1555.34194.70194.701539.77192.70192.701555.75194.65

1540.16192.65

1556.15194.60194.601540.56192.60192.601556.55194.55

1540.95192.55

1556.96194.50194.501541.35192.50192.501557.36194.45

1541.75192.45

1557.77194.40194.401542.14192.40192.401558.17194.35

1542.54192.35

1558.58194.30194.301542.94192.30192.301558.98194.25

1543.33192.25

1559.39194.20194.201543.73192.20192.201559.79194.15

1544.13192.15

1560.20

192.10192.101560.61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。由于16通路WDM系统的通道间隔为100GHz，最大中心频率偏移为±20GHz(约为0.16nm)。对于8通路WDM系统，采用均匀间隔200GHz(约为1.6nm)作为通路间隔，而且为了未来向16通路系统升级，规定对应的最大中心频率偏差为±20GHz(约为0.16nm)。3.光转发器技术WDM光的发射是采用光转发器（OUT）技术，OUT是WDM的关键技术之一。开放式WDM系统在发送端采用OTU将非标准的波长转换为标准波长，图9-3-3是一个OTU的示意图，该器件的主要作用在于把非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，以满足系统的波长兼容性

4.可调光滤波接收技术WDM系统的光接收端均使用了波长可调的光滤波器，光滤波器也称为波长选择器。其作用是在接收端于接收器前从多信道复用的光信号中选择出一定波长的信号，以供接收机进行接收。

波长选择器有:(1)F-P光腔型;(2)介质膜干涉型;(3)光栅型(4)波导型

通常使用法布－珀罗(F－P)干涉仪作为光滤波器，其多谐振峰的传输特性如图9-3-5所示。

图9-3-6为电可调液晶光滤波器的结构图，其基本原理是用外加直流电场改变液晶分子的取向，从而改变腔中填充材料的折射率来实现谐振频率的微调。两侧的透光材料镜面涂覆夹着液晶腔构成光学谐振腔。

图9-3-7是另一种光波长选择器，为角度可调F-P腔式滤波器。基本元件是装在一个可旋转支架上的F-P标准具(即F-P谐振腔)，通过转动支架改变FP谐振腔的激光束的入射角来调整谐振波长。9.4光波分复用器光波分复用器是实现不同的光信号合波和分波的器件。光波分复用器分为发端的合波器和收端的分波器。合波器又称复用器，其功能是将满足G.692规范的多个单通路光信号合成为一路合波信号，然后耦合进同一根光纤传输。分波器又称解复用器，它的作用是在收端将一根光纤传输的合波信号再还原成单路波长光信号，然后分别耦合进不同的光纤。光波分复用器是WDM系统的关键器件。

光波分复用器的种类很多。应用不同的领域，WDM器件的技术要求和制造方法都不相同，大致可分为：熔锥光纤型介质膜干涉型光栅型波导型1.熔维光纤型这是最早使用的一种波分复用器。熔锥型波分复用器的原理有人用瞬逝波理论描述。当两根单模光纤的纤芯充分靠近时，单模光纤中的两个基模(LP01横电横磁混合模)会通过瞬逝波产生相互耦合，在一定的耦合系数和耦合长度下，便可以造成不同波长成分的波道分离，而实现分波效果。

熔锥光纤波分复用器的制作与结构参见图9-4-1，图9-4-1(a)为熔锥型波分复用器制作装置的示意图，图中的夹具一方面是使两根光纤预先靠紧，同时又起控制光纤耦合距离的作用，合适的耦合系数则直接由通光监测来控制。图9-4-1(b)为成品的示意图。熔锥光纤波分复用器具有可逆性，因此也能用于分波。利用熔锥技术很容易制成1310nm/1550nm、1480nm/1550nm、980nm/1550nm等二波长WDM器件，而且被广泛采用，它的最大优点是插入损耗非常低，可小于0.1dB。2.介质膜干涉型介质膜干涉型波分复用器的基本单元由玻璃衬底上交替地镀上折射率不同的两种光学薄膜制成，它实际上就是光学仪器中广范应用的增透膜，如图9-4-2所示。3.光栅型光波分复用器所谓光栅是指在一块能够透射或反射的平面上刻划平行且等距的槽痕，形成许多具有相同间隔的狭缝。当含有多波长的光信号在通过光栅时产生衍射，不同波长成分的光信号将以不同的角度出射，因此，该器件与棱镜的作用一样，均属角色散型器件。用于WDM中的主要是闪耀光栅，它的刻槽具有一定的形状，如图9-4-4中所示的小阶梯，当光纤阵列中某根输入光纤中的光信号经透镜准直后，以平行光束射向闪耀光栅。由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差异的各种平行光束返回透镜传输，再经透镜聚焦后，以一定规律分别注入输出光纤之中。在图9-4-4中的透镜一般采用体积较小的自聚焦透镜，见图9-4-5。若将光栅直接刻制在透镜端面，则可使器件结构更加紧凑，稳定性大大提高。所谓自聚焦透镜是一种具有渐变折射率分布的光纤，由于它对光线具有会聚作用，因而具有透镜的性质。如果截取1/4的长度并将端面研磨抛光，即形成了自聚焦透镜，可实现准直或聚焦。自聚焦透镜常用S或GRIN表示。4.阵列波导光栅(AWG)型光波分复用器波导阵列型光栅(ArrayedWaveguideGrating，AWG)器件的结构如图9-4-7所示。由输入输出波导群、两个盘形波导及AWG一起集成在衬底上而构成。各波导路径长度差所产生的效应与闪耀光栅沟槽作用相当，从而起到“光栅”之用，输入和输出端通过扇形波导与AWG相连。当某根输入光纤中含有多波长信号时，则在输出端的各光纤中分别具有相关波长的光信号。这种结构可实现数十个乃至上百个波长的复用与解复用，其原因是利用了N×N矩阵形式，即在N个不同波长上可同时传输N×N路光信号。AWG型光波分复用器具有波长间隔小、信道数多、通带平坦等优点，非常适合超高速、大容量WDM系统使用，因此已成为目前研制、开发与应用的重点。9.5WDM光传送网

1.WDM光传送网与通信网的关系从图中可以看出，最下层就是光传送层。最上层是业务层，各种不同业务网络提供不同的业务信号，如视频、音频和数据信号，业务层直接为电交换/复用层提供服务内容，最后要通过光传送/网络层在光域上进行信号传输。可见各层之间的关系与SDH传送网是相同的，即下层为上层提供支持手段，上层为下层提供服务内容。2.WDM光传送网分层结构按照G.805建议的规定，从垂直方向上光传送网分为光通道(OCH)层、光复用段(OMS)层和光传输段(OTS)层三个独立层网络，它们之间的关系如图9-5-2所示。3.WDM网络的关键设备1）光分插复用器(OADM)OAMD的主要功能包括：波长上、下话路的功能、具有波长转换功能、具有光中继放大和功率平衡功能、提供复用段和通道保护倒换功能、具有多业务接入功能等。分插复用单元是OADM的基本功能单元，其构成方案有很多，归纳起来主要有以下四种形式：分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM；耦合单元、滤波单元和合波器构成的OADM；电声光可调滤波器耦合单元、滤波单元和合波器构成的OADM波长光栅路由器（WGR）构成的OADM。下面简单介绍分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM。图9-5-4为基于分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM结构示意图。2）光数字交叉连接器（OXC）

OXC是一种光网络节点设备，它可在光层上进行交叉连接和灵活的上下话路操作，同时还提供网络监控和管理功能，它是实现可靠地网络保护与恢复以及自动配线和监控的重要手段。OXC的主要功能是可以在光纤和波长两个层面上为网络提供带宽管理，如动态重构光网络、提供光信道的交叉连接以及本地上下话路操作、动态调节各个光纤中的流量分布等。同时在出现断纤故障时，OXC还能提供1+1光复用段保护，即使用其中的光开关将原主用信道中所传输的信号倒换到备用信道上，而当故障排除之后再倒换回主用信道，从而实现网络保护与恢复功能。如果在出现故障线路的两个节点之间启用波长转换，那么可通过波长路由重新选择功能来实现更复杂的网络恢复。9.6WDM系统设计

WDM系统的性能，除了插入损耗和分配损耗以及噪声等影响因素之外，最大的影响因素是信道串扰，常分为：1)线性串扰2)非线性串扰四波混频现象

四波混频(FourWaveMixing，FWM)是指两个以上不同波长的光信号在光纤的非线性影响下，除了原始的波长信号外还会产生许多原始波长之外的混合成分(或叫边带)。图9-6-1为两个波长f1和f2的四波混频，从图上可以清楚地看到由于四波混频产生了两个新的频率2f1-f2和2f2–f1，N个原始波长信号频率四波混频将会产生更多个额外的波长信号。四波混频边带的出现会导致信号功率的大量耗散。当各通路按相等的间隔分开时混频产物直接落到信号通路上，则会引起信号脉冲幅度的衰减，致使接收器输出的眼图开启程度减小，于是误码性能降低。1.复用路数与波长范围的选择原则上讲，WDM系统允许的复用路数越多，通信成本就越低。WDM系统的最大复用路数取决于两个因素：信道最大可利用带宽和最小信道间隔。信道最大可利用带宽受制于光放大器的平坦增益带宽。我们这里讲的平坦增益带宽是指增益波动不超过1dB的波长范围。目前WDM系统中实用的光放大器是EDFA。典型的EDFA(高掺铝)增益谱线如图9-6-2所示。EDFA的最大可利用带宽要分成两种情况：①20nm带宽，即1540～1560nm范围，无须进行通带平坦化处理。②32nm，即1528.77～1560.61nm范围，需要进行通带平坦化处理。如上所述给出表9-6-1，供设计时参考。表中加*是现在的ITU-T文件没有这样