密集波分复用传输原理

密集波分复用传输原理第一页，共五十七页，2022年，8月28日内容提要一、DWDM的工作原理二、DWDM系统的组成网元三、DWDM光传输系统的技术标准与应用第二页，共五十七页，2022年，8月28日一、DWDM的工作原理

九十年代以来，以Internet为代表的信息技术革命正在深刻地改变传统电信概念和体系

目前北美Internet骨干网的业务量几乎每6～9个月翻一番，比著名的CPU性能进展more定律（18个月左右翻番）快2～3倍话音业务数据业务宽带综合业务B-ISDN

世界电话业务年增长率为10%，数据业务年增长40%中国话音业务14%的增长率，数据业务400%增长第三页，共五十七页，2022年，8月28日容量的需求2502001501005001151352IP23106250话音话音和IP通信量的增长情况1996199719981999201020201058第四页，共五十七页，2022年，8月28日Tbit技术到干线网21世纪的传输

Gbit技术到办公室/家庭Mbit技术到个人第五页，共五十七页，2022年，8月28日扩容技术空分复用

SDM(SpaceDivisionMultiplexer)时分复用

TDM(TimeDivisionMultiplexer)波分复用

WDM(WavelengthDivisionMultiplexer)第六页，共五十七页，2022年，8月28日（1）SDM靠增加光纤数量的方式线性增加传输系统的容量，传输设备也线性增加。空分多路复用的扩容方式十分受限。（2）TDM是比较常用的扩容方式，从PDH的一次群至四次群的复用，到SDH的STM-1、STM-4、STM-16至STM-64的复用。但达到一定的速率等级时，会受到器件和线路等特性的限制。

DWDM技术不仅大幅度地增加了网络的容量，而且还充分利用了光纤的宽带资源，减少了网络资源的浪费。扩容的选择第七页，共五十七页，2022年，8月28日何谓DWDM？DWDM

(DenseWavelengthDivisionMultiplexer)技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在一条光纤内同时传输。通常把光信道间隔较大(甚至在光纤的不同窗口上)的复用称为光波分复用(WDM)，而把在同一窗口中信道间隔较小的WDM称为密集波分复用(DWDM)。

第八页，共五十七页，2022年，8月28日WDM技术分类第九页，共五十七页，2022年，8月28日DWDM系统的构成及频谱分布第十页，共五十七页，2022年，8月28日系统分类

根据光发送端是否采用OTU（光波长转换器）来看，DWDM系统可分为集成式DWDM系统和开放式DWDM系统。集成式系统不需配置波长转换器，其所承载的SDH终端具有满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源。开放式系统就是在波分复用器前加入OTU，将SDH非规范的波长转换为标准波长。OTU对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号，OTU输出端是满足G.692的光接口：标准的光波长、满足长距离传输的光源。

第十一页，共五十七页，2022年，8月28日

1310nm/1550nm窗口的波分复用

仍用于接入网，但很少用于长距离传输

1550nm窗口的密集波分复用(DWDM)

可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络波分复用技术的发展第十二页，共五十七页，2022年，8月28日DWDM的工作方式（1）双纤单向传输双纤单向传输指一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成。因此，同一波长在两个方向可以重复利用。第十三页，共五十七页，2022年，8月28日单纤双向传输指在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向的光信号应安排在不同波长上。（2）单纤双向传输DWDM的工作方式(续1)第十四页，共五十七页，2022年，8月28日通过光分插复用器（OADM）可以实现各波长的光信号在中间站的分出与插入，即完成上/下光路，利用这种方式可以完成DWDM系统的环形组网。DWDM的工作方式(续2)（3）光信号的分出和插入传输第十五页，共五十七页，2022年，8月28日DWDM技术特点高容量：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍低成本：在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本透明性：与信号速率、格式无关,是引入宽带新业务（例如CATV)的方便手段波长路由：利用WDM选路实现网络交换和恢复从而实现未来透明的、具有高度生存性的光联网第十六页，共五十七页，2022年，8月28日二、DWDM系统的组成网元

第十七页，共五十七页，2022年，8月28日DWDM系统的五大组成部分

合波和分波无源部分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、色散容限大的激光器发射源能容忍一定SNR信号的光接收机

光传输和光放大小色度色散系数光纤增益平坦和增益锁定的EDFA光放大器

光监控信道1510nm

DWDM系统网管光传送网分层模型

第十八页，共五十七页，2022年，8月28日光传输和光放大部分第十九页，共五十七页，2022年，8月28日光的传输影响光传输的光纤参数 光纤的衰减 光纤的色散 光纤的非线性效应

第二十页，共五十七页，2022年，8月28日光纤衰耗产生机理材料吸收：本征材料吸收：硅(SiO2)非本征材料吸收：杂质，如OH-离子瑞利(Rayleigh)散射：辐射损耗第二十一页，共五十七页，2022年，8月28日光纤衰耗第二十二页，共五十七页，2022年，8月28日随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽劣化的程度随数据速率的平方增大决定了电中继器之间的距离光纤的色散模间色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)第二十三页，共五十七页，2022年，8月28日色散对传输的限制第二十四页，共五十七页，2022年，8月28日

在常规光纤系统中，光纤呈现线性传输特性。然而，当光功率增加到一定值时，光纤开始呈现非线性特性。因为在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。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以及光纤放大器的使用，这种光纤的非线性已成为最终限制系统性能的因素。光纤的非线性效应单信道多信道折射率效应光强度波引起的折射率的调制自相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)四波混频(FWM)散射效应受激布里渊散射(SBS)受激拉曼散射(SRS)第二十五页，共五十七页，2022年，8月28日传输使用的三种不同类型的单模光纤G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655大有效面积G.655第二十六页，共五十七页，2022年，8月28日光纤衰耗第二十七页，共五十七页，2022年，8月28日三种光纤色散情况比较第二十八页，共五十七页，2022年，8月28日大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652单模光纤（NDSF）第二十九页，共五十七页，2022年，8月28日低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。G.653单模光纤（DSF）第三十页，共五十七页，2022年，8月28日在1530－1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。可以有正的或负的色散——海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。为DWDM系统的应用而设计的G.655单模光纤(NZ-DSF)结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。第三十一页，共五十七页，2022年，8月28日EDFA光放大器基本原理

EDFA利用掺入石英光纤中的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大。放大器的主要特性由掺杂元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。掺铒光纤放大器采用掺铒离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，如下图所示。第三十二页，共五十七页，2022年，8月28日隔离器WDMEDF隔离器泵浦激光器输入信号输出信号隔离器WDMEDF隔离器输入信号输出信号泵浦激光器隔离器WDMEDF隔离器输入信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器前向泵浦后向泵浦双向泵浦EDFA光放大器的分类第三十三页，共五十七页，2022年，8月28日EDFA光放大器第三十四页，共五十七页，2022年，8月28日EDFA在线路中的应用合波器分波器功率放大器前置放大器线路放大器第三十五页，共五十七页，2022年，8月28日光线放(OLA)增益G=20~25dBPout=+17dBm增益G=20~25dBPin=-28dBmATT增益G=25、30/33dBPout=+17dBm增益G=30~35dBPout=+17dBm光功放(OBA)光预放(OPA)OBAOPAOBAOLAOPA第三十六页，共五十七页，2022年，8月28日

光放大器应满足ITU-T建议G.663、G.691及其他相关建议。

EDFA的主要技术参数：工作波长范围、输入功率范围、输出功率范围、饱和输出功率、噪声系数、偏振相关增益、小信号增益、增益平坦度、增益变化、增益斜度、输入光回损、输出光回损等。

对EDFA模块的其它要求：-具有泵浦源自动关闭功能。-寿命不小于30万小时。-具有放大器自动增益均衡（控制）功能。DWDM系统对光放大的基本要求第三十七页，共五十七页，2022年，8月28日EDFA光放大器的应用要求单信道应用：增益大噪声小自动功率控制多信道应用：增益平坦级连使用噪声小自动增益控制第三十八页，共五十七页，2022年，8月28日发射和接收有源部分第三十九页，共五十七页，2022年，8月28日中心波长和中心频率196.0199.0195.0194.0193.0192.0191.015051510153015351540154515501555156015651570OSC信道151010nmC-BandL-Band(THz)(nm)中心频率(中心波长)偏差n/5，n为光信道间隔

标称中心频率或波长是以193.1THz（1552.52nm)为中心、间隔为100GHz的整数倍。DWDM系统对光发射和光接收的

基本要求第四十页，共五十七页，2022年，8月28日光发送机

光源的波长稳定12指定波长符合ITU-T规定波长漂移/5(ITU-T)/10(国家)光源的色散容限光谱宽度@-20dB<0.2nm第四十一页，共五十七页，2022年，8月28日光发送机

光谱特性

121-XdB发光二极管（LED）121-XdB121-XdB多纵模激光器（MLM）单纵模激光器（SLM）第四十二页，共五十七页，2022年，8月28日温度反馈控制T(C)(nm)对于1.5mDFB激光器，波长温度系数约为13GHz/C管芯温度和波长关系曲线0TEC温度控制器TEC温度控制电路0激光输出温度传感器激光器管芯波长控制技术之一第四十三页，共五十七页，2022年，8月28日波长反馈控制TEC温度控制器TEC温度控制电路0激光输出温度传感器激光器管芯采用介质膜滤波片的波长锁定波长控制技术之二第四十四页，共五十七页，2022年，8月28日

直接调制方式

－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；随调制速率增高，模数增加，激光器谱线展宽（啁啾）。限制使用在<2.5Gbps速率下，较短距离传输。调制方式第四十五页，共五十七页，2022年，8月28日

间接调制方式

－激光器光源＋开关－复杂、损耗大、价格贵；

分离外调制 铌酸锂（LiNbO3）Mach-Zehnder集成外调制电吸收（EA）III-V族半导体Mach-Zehnder

－线性调频（啁啾）无或小－用于>2.5Gbps高速率传输

调制方式温度波长控制电路第四十六页，共五十七页，2022年，8月28日光接收机接收机必须承受的影响：信号畸变噪声串扰第四十七页，共五十七页，2022年，8月28日光转发器（Transponder）*以目前工艺水平的组件比特率可达40Gbit/s*消光比得到改善，并可用外调制对信号进行整形*高SNR*与偏振无关*操作简单O/E/O波长转换器第四十八页，共五十七页，2022年，8月28日合波和分波无源部分第四十九页，共五十七页，2022年，8月28日

DWDM系统中使用的波分复用器件的性能应满足ITU-TG.671及相关建议的要求。合波器

常用的合波器类型有耦合型、介质薄膜滤波型和集成光波导型。

合波器的参