第四章光波分复用与放大

光波分复用与放大

OpticalWavelengthDivisionMultiplexingandamplying

光纤通信系统分类以波形和幅度均不变的光脉冲（光孤子）方式实现光信号传输，利用光放大补充能量。可实现无光/电变换的长距离传输光孤子通信系统在同一根光纤上同时传多个光载波信号，通信容量大波分复用系统全部利用光器件实现的系统，如光交换和光放大全光通信通信系统传输模拟信号，适合短距离和模拟电视图像信号传输光纤模拟通信系统石英多模光纤：传输容量大，一般在140Mbit/s以上单模光纤通信系统系统工作波长为：2mm以上，中继距离长，1000km以上超长波长光纤通信系统系统工作波长为：1.0~1.6mm，中继距离长，100km以上长波长光纤通信系统光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量大，设别复杂外差相干光通信系统其他传输数字信号，抗干扰能力强光纤数字通信系统传输信号形式石英多模光纤：传输容量小，一般在140Mbit/s以下多模光纤通信系统光纤特点划分系统工作波长为：0.8~0.9mm，中继距离短，10km以内短波长光纤通信系统按光波长划分特点类别WDM技术原理

在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用(FDM)的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。

所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，现在商用化的一般是16/40/80波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。

WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb／s或更高速率的数字系统。

DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。在两个波分复用终端之间，采用一个EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。在DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光／电／光再生中继器将共同存在，EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光／电／光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。

现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指1310nm／1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

光波分复用技术*光纤的低损耗窗口吸收谱

光波分复用技术*波分复用的常规分类

1)光频分复用(OFDM)：光频(信)道间距很小的频分复用

2)密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于10nm的波分复用，D:Dense(密集)3)粗波分复用(CWDM)：光频(信)道间距大于10nm的波分复用,C:Coarse(粗)，也称稀疏波分复用*DWDM(1550波段)的标准信道间距

Δλ＝1.6nm,0.8nm,0.4nm(200GHz,100GHz,50GHz)WDM系统的基本形式WDM系统的基本构成主要有以下三种形式：

双纤单向传输单纤双向传输含OADM的传输1双纤单向传输一根光纤上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。优点：同一波长可以在两个方向上重复利用缺点：光纤以及光器件资源利用率不高光发射机l1光发射机ln光接收机l1光接收机ln光接收机l1光接收机ln光发射机l1光发射机ln1N1NN+12NN+12Nl1…lNl1…lN光发射机l1光发射机lN光接收机lN+1光接收机l2N光接收机l1光接收机lN光发射机lN+1光发射机l2Nl1…lNlN+1…l2N2双纤单向传输一根光纤上完成两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号安排在不同的波长上。优点：节约成本缺点：需要解决光反射产生的多径干扰；需要进行光放大，以延长传输距离等。3含OADM的传输通过光分/插复用器（OADM）可以实现各波长光信号在中间站的分出与插入，即完成上/下光路。利用这种方式可以实现WDM系统的环形组网。OADMOADMl1l1l2l2l1lN…l1lN…l1lN…DWDM技术的主要特点可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。

波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。距离越长，节省成本就越多。WDM系统的组成网元

WDM的网元组成OTU1光合波器BAOTUN光分波器LAPA光监控信道发送器光监控信道接收/发送光监控信道接收器网络管理系统光发射机光中继放大光接收机lslslsls1激光器过去SDH系统工作波长是在一个很宽的区域内，而WDM系统的最重要特点是每个系统采用不同的波长，一般波长问隔为100GHz或200GHz，这对激光器提出了较高要求。除了准确的工作波长外，在整个寿命期间波长偏移量都应在一定的范围之内，以避免不同的波长相互干扰。即激光器必须工作在标准波长、且具有很好的稳定性。

另一方面，由于采用了光放大器，WDM系统的无再生中继距离大大延长。SDH系统再生距离一般在50～60km，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字信号继续传输。而WDM系统中，每隔80km有一个EDFA，只进行放大，没有整形和定时功能，不能有效去除因线路色散和反射等带来的不利影响，系统经500～600km传输后才进行光／电再生，因而要求光源的色散受限距离大大延长。由过去的50～60km提高到600km以上，这对光源的要求大大提高。总体上，应用在WDM系统上的光源有2个突出特点：（1）比较大的色散容纳值。（2）标准而稳定的波长。

——2波分复用器件

波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合波器，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器。

有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。

l1…lNl1…lN合波器分波器

WDM器件有多种制造方法，目前已广泛商用的WDM器件可以分为4类，即熔锥型波分复用器、干涉滤波器、角色散器件和阵列波导型波分复用器。熔锥型波分复用器

熔拉双锥（熔锥）型光纤耦合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔融在一起。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合达到所需要的耦合功率。熔锥型WDM器件制造简单，更易于批量生产，因而应用更广泛。

熔锥型WDM器件的特点是插入损耗低（最大值<5dB，典型0.2dB），无需波长选择器件，此外还具有较好的光通路带宽／通路间隔比和温度稳定性，不足之处是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较差（20dB左右），一般不用在目前的密集波分复用系统中。

干涉膜滤波器型光合波分波器

在初期的WDM系统中，由于波道数少，多采用干涉膜滤波器作为光合波分波器。但要分离间隔为1nm左右的波长较为困难。后来通过收进制膜方法，制成了可以分离间隔为1nm的波长的滤波器。目前WDM传输技术发展得非常迅速，要求分离的波长的波道间隔越来越窄，所以还需要进一步改进制膜方法。另外，干涉膜滤波器是采用串联分波的，波道间的损耗偏差较大，这也是需要改进的。光栅型波分复用器

一种是由光纤阵列、透镜和光栅构成的光合波分波器。基本原理：多个波长的光束入射衍射光栅时，每个波长分量朝着空间内不同的点衍射，从而可以实现

光合波分波的作用。

光纤透镜衍射光栅l1l2lNl1+l2+…+lN阵列波导型波分复用器阵列波导光栅(AWG，ArrayWaveguideGrating)的概念是荷兰Delft大学的Smit在1988年提出来的。AWG可实现数十个乃至上百个波长的复用与解复用利用。

AWG基础：干涉测量技术的原理。在光纤输入端上的多个波长进入与波导阵列相耦合的空腔S1。每个波导的光学长度不一样使得在与光纤阵列耦合的空腔S2中与波长相关的相位延时不同。每个波长的相位差使干涉的结果会在某根光纤上得到的某个波长的最大贡献。用扇形波导代替光纤阵列更利用集成。l1+l2+…+lNl1l2lN波导阵列光纤阵列光纤S1S23光放大器

为什么需要放大器

由于长距离的传输，信号的光功率电平必须周期性地调整。光放大器是重建被衰落的光信号，从而扩展数据源和目的地之间有效的光纤长度的关键器件。放大器的主要特征：增益、增益效益、增益带宽、增益饱和、偏振灵敏度和噪声等。增益是输出功率对输入功率的比值增益效率是增益对输入功率的函数带宽是频率的函数，增益带宽是放大器有效的频率范围增益饱和是尽管输入功率增加但输出功率不再增加噪声是放大器固有的特征偏振灵敏度是光放大器的增益与信号偏振的依赖关系在光通信网络中，有两种不同的放大方式：

再生器和光放大器

再生器

再生器：接收（以高比特率）调制的光信号，将它转换为同样比特率的电信号，将电信号放大，再将该电信号变换回同样调制和同一比特速率的光信号。再生器组成：光接收器、电放大器、光发送器等三部分再生器的附加功能：定时、差错恢复、脉冲整形等再生器分类：1R放大器

2R具有放大和整形功能

3R有放大、整形和定时恢复功能

再生器放大单个波长并保持其强度。在多波长系统，需要相等数量的再生器。因此，可以认为在具有几个再生器（典型地，每隔40km一个）的光链路中多波长光纤系统的维护成本是很大的。光/电电/光放大器光接收机光发送机光的范围光的范围电的范围

光放大器

光放大器（OA）是基于通常的激光器原理的一种器件。它接收一个或多个每个均处于窗口光频内的光信号，同时放大所有的信号。这在多波长光通信系统中比再生器有更大的优点，因为一个器件代替了许多器件。OA是1R放大器，即它只直接地放大光信号。

OA有两种：半导体激光器型放大器（SOA）光纤型放大器（例如，掺铒光纤EDFA、掺铒光纤镨PDFA）AR：防反射包层ARAROA微弱信号输入放大的信号输出光纤光纤电流泵光纤放大器_EDFA原理EDFA(Erbiumdopedfiberamplifier)工作原理掺铒光纤能级图

光纤放大器_EDFA原理*掺铒光纤吸收谱吸收谱1480980820540670基态能级亚稳态光纤放大器_EDFA原理*铒离子在1550nm附近的吸收和荧光谱

掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成*基本构成：由掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、隔离器等组成光纤放大器_EDFA原理Input1480or980nmPumpLaserErbiumDopedFiberOutputIsolatorCoupler光纤放大器_EDFA原理光纤放大器原理图、外形图及其构成方框图光纤放大器_EDFA原理*掺铒光纤放大器结构的类型单级放大器同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦多级放大器前向--后向泵浦前向--前向泵浦后向--后向泵浦后向--前向泵浦光纤放大器_EDFA原理单级放大器

同向泵浦反向泵浦双向泵浦光纤放大器_EDFA原理多级放大器

前向-后向前向-前向后向-后向后向-前向光纤放大器_EDFA原理掺铒光纤放大器的特性*掺铒光纤放大器的基本参数

工作波段增益（G）增益效率（g）

增益效率（PCE）

噪声系数NF（NF）

光纤放大器_EDFA原理*掺铒光纤放大器技术参数公司型号光增益(dB)最大输出功率(dBm)噪声指数(dB)工作波长(nm)泵浦波长(nm)工作温度(oC)工作带宽(nm)TSIncFA102FA106283810164.561530~156098014800~600~603030AT&T1706×J1706×Q303511.515.5881540~156014801480-5~40-5~402020BT&DEFA200×EFA201×403515154.5<4.0153040~60-40~603535PITELErFA1115ErFA111825-33>3510-1518<7<715521552148014800~400~403030Corning单泵功放双泵功放12-1315-16449800~650~65光纤放大器_EDFA原理掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点：

1)工作波长位于光纤通信的最佳波段

(1500~1600nm)2)增益高;饱和输出功率大

3)噪声系数小;用于多信道时,串扰小，适用于波分复用系统

4)频带宽

40-80kmTerminalRegenerator-3R(Reamplify,ReshapeandRetime)Terminal120kmTerminalTerminalEDFA-1R(Reamplify)TerminalEDFAamplifiesalllTerminalTerminalTerminalTerminalTerminal

EDFA放大器一个典型的EDFA放大器由掺铒光纤EDFA、泵浦源和波分复用器组成。

掺铒光纤EDFA。EDFA是一段用稀土元素铒高浓度掺杂的几米长的光纤，提供提供放大。

EDFA是利用激光泵浦石英光纤中掺铒离子（E3+）的受激辐射来实现对1550nm波段光信号的放大。由于光放大器有很宽频带一般在1530nm～1565nm，这给采用EDFA的光系统提供了“透明”特性，放大与信号码率和信号格式无关，而且能把各波长信号光同时放大。

泵浦源提供足够强的泵浦功率。泵浦源有两种，即980nm和1480nm。

980nm泵浦源可以保持较低的噪声系数，而1480nm泵浦源有着更高的泵浦效率，可以获得较大的输出功率（相对于980nm，大3dB左右）。在实际的线路放大器应用中，对于8路WDM系统，大多采用980nm，这是因为G.652光纤的WDM系统主要是色散受限，而非损耗受限，因而采用1480nm会增大系统功率衰耗，提高EDFA的输出功率并没必要；采用980nm获得最佳的噪声系数反而有利干系统性能。

但是对于16路以上的WDM系统，则采用了1480nm的泵浦源。这是由于较大的分路比减少了可用功率范围，必须采用功率更大的泵浦源。也有的公司采用了两级泵浦，一级采用980nm，一级采用1480nm泵浦源。既改善了噪声系数，又增大了输出功率。波分复用器将信号与泵浦光混合。EDFA的应用基本形式光放大器有4种应用：发送侧波分复用器之后放大信号的光放大器：功率放大（BoosterAmplifer)

线路上的光放大器：线路放大(LineAmplifer)

接收侧解复用器之前的光放大器：前置放大(Preamplifer)

用于光纤局域网络中作为分配补偿放大器，以便增加节点数目：LAN放大TXRXEDFATXRXEDFAEDFATXRXEDFATXRXEDFA

DWDM中的EDFA为了确保WDM系统的传输质量，WDM中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。特别是增益平坦度，这是WDM传输系统对EDFA的一个特殊要求。另一方面，应用于WDM系统的光纤放大器较之单信道系统中的光纤放大器要求具有更宽的带宽。增益带宽：原则上讲，在石英光纤的两个低衰耗窗口都可以进行波分复用。但目前成熟的OA只适应于1550nm波段，其相应OA的可用增益频谱范围为1530～1565nm。20～40nm增益带宽可以满足4～32信道的WDM系统。增益平坦：EDFA的增益平坦度是指在整个可用的增益通带内，最大增益波长点和最小增益波长点的增益之差。克服EDFA增益不平坦的措施：选用EDFA增益平坦的区域增益均衡技术4光转发器（OTU，OpticalTransponderUnit）对于开放式波分复用系统而言，在发送端必须设有光波长转发器（OTU),其主要作用是在不改变光信号的数据格式的情形下（例如：SDH帧结构），将光波长按照一定的要求重新转换，以满足WDM系统的设计要求。这里所谓的“开放式”是指在同一个WDM系统中，可以接入不同厂商的SDH系统，将非规范的波长转换为标准波长。

OTU对输入信号波长没有特殊的要求，可以兼容任意厂家的SDH信号。OTU的输出端满足G.692的光接口标准，即标准的光波长和满足长距离传输的光源。具有OT的WDM系统，不再要求SDH具有G.692的标准，可以继续使用含有G.957接口的SDH设备，接纳过去的SDH系统，实现不同厂家SDH系统工作在一个WDM系统内。SDHOTUSDHOTU光合波器EDFA光分波器SDHOTUSDHOTUG.957G.957G.957G.957G.692G.692G.692G.692开放式DWDM系统SDHSDH光合波器EDFA光分波器SDHSDHG.692G.692G.692G.692集成式DWDM系统在现已有的商用产品中，目前使用的OUT依然是光/电/光(O/E/O)的变换方式：先用光电二极管PIN或APD将接收到的光信号转换为电信号，经过3R后，产生再生的电信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而得到新的合乎要求的标准光波长信号。基于O/O的全光波长变换器(OWC)目前没有商用。O/EE/O3R光输入光输出OTUWDMIsanemergingtechnologythatrepresentsagreatopportunityforbandwidthexpansionAasan“opticalfunnel”ontoonefiberusingdifferentcolorsoflight(l‘s)foreachsignalProvideslowflexibilityintrafficmanagementIsnotstringentonformatandrateofinputDataChannel2DataChannel3DataChannelnDataChannel1OpticalFiber

ITU-T的标称中心波长

ITU-T建议在C波段从1528.77nm开始并以50GHz/100GHz/200GHz的倍数递增形成通路（波长）。

第1个中心频率为1528.77nm(196.10THz)

第2个中心频率为1529.16nm(196.05THz)….

第81个中心频率为1560.61nm(192.10THz)DenseWDMWavelengthPlanITU-TwavelengthgridD-WDMWavelengths196.1 1528.77195.9 1530.33195.7 1531.90195.5 1533.47195.1 1536.61194.9 1538.19194.7 1539.77194.5 1541.30194.3 1542.90194.1 1544.50193.9 1546.10193.7 1547.72193.5 1549.32193.3 1550.92193.1 1552.52192.9 1554.13192.7 1555.75192.5 1557.36192.3 1558.98192.1 1560.60(THz)(nm)195.3 1535.04BLUEBANDREDBANDChannelspacingEXTENDEDBANDFuture:extendedLband(1560to1600nm)couldmorethandoubletheexistingwindow!4-ldense-WDMcostmodelLTELTELTELTELTELTELTELTETraditionalNetworkwithrepeaters,noWDMWDMwithregensWDMwithopticalamplifiers75%lessequipment75%fewerfibersLTELTELTELTELTELTELTELTELTELTELTELTELTELTELTELTE50%lessamp&fiberLTELTELTELTELTELTELTELTEWDM-bi-directionaloperation光通道层光复用层光传输层低阶通道层高阶通道层复用段层再生段层HigherLayersSDHOpticalLayer光通道层：为各种业务提供段到段的透明传送，主要功能包括：为网络路由提供灵活的光通道层连接重排；具有确保光通道层适配信息完整性的光通道开销处理能力；具有确保网络运营与管理功能得以实现的光通道层监测能力。光复用层：可为多波长光信号提供联网功能，包括：确保光复用层适配信息完整性的光