光纤通信-ch8 光复用技术

第八章光复用技术光纤通信单信道实用化系统的传输速率已从1976年的45Mbit/s发展到现在的10Gbit/s、40Gbit/s、100Gbit/s。线路的利用率得到很大的提高，但与光纤巨大的带宽潜力相比还微不足道。40Gbit/s和100Gbit/s指单信道速率，是通过对电信号的时分复用达到的。目前光纤的使用率光纤传输系统光纤巨大的带宽潜力：从1310nm附近到1550nm附近的带宽总和50THz。单信道：只利用了一个波长（频率1014Hz）。充分利用带宽→波分复用光纤的巨大带宽G.653G.652波长nm1310nm

波段1550nm

波段衰耗SCL光纤的各个通信窗口更详细的光纤通信窗口社会需求三网融合：指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一。

以后，手机可以看电视、上网，电视可以打电话、上网，电脑也可以打电话、看电视。三者之间相互交叉,形成你中有我、我中有你的格局。互联网电视、互联网视频----刚性需求；云计算----对上行速率要求高；etc；光进铜退----近年来，国际上铜的价格飞涨。→这些需求促进宽带化（速率提高）。

尤其是金融危机后，宽带化更成为一个重点。各国政府都在提计划。e.g.日本政府要求NTT：即使亏本，也要在农村地区推广FTTH。中国现在平均网速0.86Mb/s，韩国17Mb/s，香港8Mb/s，世界平均1.8Mb/s。提高速率，实现宽带化复用技术8.1光复用技术复用技术：为提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号且互不干扰的技术。本章介绍：光时分复用、光码分复用、光副载波复用、波分复用和光频分复用等几种常用光复用技术。

电的时分复用（ETDM）是一种成熟的技术，已在通信领域广泛应用。随着通信速率的提高，容量的扩大，其性能受到一系列因素的限制。这些因素主要是：数字集成电路的速率（电子电路的速率形成了“瓶颈”

）、高功率低噪声线性放大器的速率、激光器和调制器的调制带宽等。这些因素导致以电的时分复用为基础的强度调制----直接检测光通信系统的最高商用化速率约在10～40Gb/s左右。虽然依靠电处理技术的进步提高单信道传输速率已不现实，但在光路部分还有潜力可挖。光时分复用（OTDM）就是使设备中的电子电路只工作在相对较低的速率上，从而避开了电子设备对提高速率的限制，达到扩容的目的。

8.1.1光时分复用技术（OTDM）

光时分复用(OTDM)：利用光学的方法（e.g.高速光调制or高速光开关）将多路经过电时分复用后的光信号（已经由电信号变成光信号）在时域里复用到一路上，成为更高速率的光信号。一般单波长的承载速率可达100Gb/s，克服了目前的电子学瓶颈带来的速率限制。原理：在发送端的同一光波波长上，把时间周期性地分成帧，每一帧再分割成若干个时隙。再根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号。在接受端同步的条件下，分别向各个时隙内取回各自的信号，而互不干扰。图：OTDM传输系统原理

OTDM传输系统的关键技术：超短光脉冲发生技术、全光时分复用／解复用技术和超高速定时提取技术等。8.1.2光副载波复用（OSCM）将基带信号首先调制到GHz（微波频率）的副载波（电载波）上，再把副载波调制到100THz的光载波上。每个信道具有不同的副载波频率（频分复用），占据光载波附近光谱的不同部分，从而保证各信道上信号互不干扰。原理:副载波信道的复用和解复用是在电域而不是在光域进行的，因此，副载波复用具有几个信道能够共用一个价格昂贵的光器件，降低设备成本。注意：

因为副载波所传输的信号之间相互无关，彼此独立，故可实现模拟和数字以及图像信号的兼容，适用于用户接入网的CATV多频道的传输系统之中。

要想更多地利用光纤的带宽，副载波复用技术可以与波分复用技术联合使用。总结：每个信道或占有一个给定的波长、频率；或占有一个给定的时隙。并且，光复用和电复用结合。8.1.3光码分复用技术（OCDM）每个信道不是占有一个给定的波长、频率；或占有一个给定的时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。也即，不同信道的信号用互成正交的不同码序列来填充，再调制到同一光波上在光纤信道中传输，接受端用与发送方向相同的码序列进行相关接受，即可恢复出原信道的信号。由于采用的是正交码,相关接受时不会产生相互干扰。原理:改善网络性能，提高网络通信容量，提高系统信噪比，增强系统保密性，增加网络灵活性。优点:非相干光CDM:正交码数量有限，码间干扰大;相干光CDM:激光源频率稳定性差，光纤极化态不稳定，光脉冲相位难以控制问题:8.1.4光波分复用技术（WDM）WDM是在一光纤芯中同时传输多波长光信号的技术。原理:

在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，

在接受端将组合波长的光信号分开，恢复出原信号后送入不同的终端。它是目前研究最多，发展最快，应用最广泛的技术。

图7.6中心波长在1.3μm和1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口

(插图表示1.55μm传输窗口的多信道复用)超长距离（全光无中继）Corvis：160()2.5(Gb/s)3200(km)(Chicago-Seattle)Alcatel:48()10(Gb/s)4000(km)超高密度Nortel、Sycamore：160()10(Gb/s)Lucent:1022()；Essex:4000()

超大容量Siemens:7.04Tb/s(17640G)50kmNEC:3.2Tb/s(16020G)1500kmDWDM的报导

复用波长数也在不断增长。1997年BellLabs创造的最高记录是206个，到1999年11月，又实现了超密集波分复用（UDWDM，1022个波道），波长间隔为10GHz。最近，Essex宣称实现了4000个信道的DWDM系统，信道间隔为1GHz，相当于0.008nm，而Avanex又宣布他们已掌握了信道间隔为0.0032nm的技术，这些技术为大容量吉比特以太网和城域网的发展提供了有力的支持。

在超长距离方面，Corvis公司的160×2.5Gbit／s系统从芝加哥传输到西雅图，总长度3200km；而在实验室的环路实验方面，OFC2000上报道的NEC的3.2Tbit／s系统和Tyco的1.8Tbit／s系统分别传输了1500km和7000km。

发表于2001-7-16

WDM和EDFA的迅速实用化，为高速率、大容量信息的长距离传输提供了易于实现的方案，使通信网的传输容量极大地增加。而传输容量的增长又给交换节点带来巨大的压力和急待变革的动力，从而激发了以波长选路为基础的全光通信网的发展。在WDM传输系统应用过程中，人们发现，WDM技术在提高传输能力的同时，还有强大、灵活的联网优势，可以形成具有高度灵活性和生存性的全光网络（ITU-T定义为光传送网）。可以说，WDM对整个通信网产生长期、深远的影响。

充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本；

对各信道传输的信号的速率，格式具有透明性（附录），有利于数字信号和模拟信号的兼容；节省光纤和光中继器，便于对已建成系统的扩容；可以提供波长选路，使建立具有高度生存性和灵活性的WDM全光通信网成为可能。

WDM的主要优点：8.1.5光频分复用技术（FDM）

为了进一步提高光线带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小。一般认为，当相邻光载波的间隔小到0.1nm(10GHz)以下时，此时的复用称为光频分复用，它与波分复用在本质上没有区别。当光载波的间隔比较大时，用波长衡量比较方便，称之为波分复用;当光载波的间隔比较小时，用频率衡量比较方便，称之为频分复用。总结

相对于光纤巨大的带宽潜能，单独采用某一复用技术还只能利用光纤的很小一部分带宽资源，因此，可以复合采用几种复用技术。e.g.在每个时隙先采用码分复用，再采用时分复用，然后将时分复用后的信号再调制在不同的波长上。这是一种趋势，也是充分利用光纤带宽行之有效的方法。8.3密集波分复用技术EDFAbandwidth:1530-1565nm（35nm）CWDM(coarseWDM)-MANDWDM(denseWDM)-WANCWDM:channelspacing>=3.2nm(e.g.3.2nm,correspondingto8channelsinc-bandofEDFA)DWDM:channelspacing<1.6nm(?)1.6nm–200GHz0.8nm–100GHz0.4nm–50GHzAdvantage:

ultra-DWDMLucent:1022

λin1fiber,channelspaing10GHz(~0.1nm)LMGR(Canada,2000):65536

λ

in1fiber,using“声控光波”专利8.3.1WDM系统基本类型

双纤单向传输，单纤双向传输图7.7双纤单向WDM传输图7.8单纤双向WDM传输DWDM光纤传输系统色散补偿OMUXODMUXOA光发送光发送光发送λ１λ２λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝ正色散光纤负色散、大光斑光纤8.3.2WDM系统基本结构与工作原理实际的WDM系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统，如下图所示。光监控信道：监控系统内各信道的传输情况。光监控信号波长：1510nm光监控信道传递：光监控信号

＋帧同步字节、公务字节、网管开销字节网络管理系统：通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点，或接受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（如TMN）相连。4.3.波分复用/解复用器（p.79）4.3.1波分复用/解复用器的原理与分类WDM的制作与结构：WDM器件色散元件棱镜光栅传统光栅光纤光栅波导阵列光栅干涉元件带通滤波器截止型滤波器限波滤波器光耦合器+超窄带滤波器（密集型）全光纤型（熔融拉锥方法）偏振无关器件偏振相关器件平面光栅凹面光栅一般带宽超窄带WDM的制作与结构

目前，WDM复用系统中常用的复用，解复用器主要有光栅型、阵列波导光栅型、干涉膜滤波器型和光纤方向耦合器型。1，221直通臂耦合臂1

21212121

21

21

21

2公共臂1.光纤耦合器熔锥光纤型耦合器/波分复用器结构和特性P1(z)最大，P2(z)为零。(2)且(1)P1(λ1)最大，P2(λ1)为零；但P1(λ2)为零，P2(λ2)最大。(对于同一个长度z)

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，一般不用在目前的密集波分复用系统中（<8波）。

在其他类型的波分复用系统逐渐商品化后，这种结构将不会再作为波分复用器使用，作为耦合器在WDM系统中则大量被采用。2.光栅型：

光栅是能等宽等间隔地分割入射波前的、具有空间周期性结构的光学元件。常作为色散元件来分离不同波长的谱线。光栅分透射光栅和反射光栅两类。

闪耀光栅是反射光栅的一种，有较高的能量利用率，凹面反射光栅能自动聚焦成像。根据制作方法的不同，可划分线光栅、复制光栅和全息光栅3种。所有光栅的基本原理均相同.

以平面透射光栅为例，在平板玻璃上用金刚石刻刀刻划等宽等间距的平行刻线，未刻部分能透光，刻划部分因漫反射而不透光，这等效于大量等宽等间距的平行狭缝。。原理：利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱－不同波长成分以不同的角度出射）经过光栅的所有光波，进行相干叠加。光栅的每一个单元，是次波的叠加，按单缝衍射分析；不同单元之间，是分立衍射波之间的叠加，按多光束干涉分析。

光栅衍射是单缝衍射和缝间光线干涉两种效应的叠加亮纹的位置决定于缝间光线干涉的结果。缝数N=5

时光栅衍射的光强分布图包络线为单缝衍射的光强分布图k=1k=2k=0k=4k=5k=-1k=-2k=-4k=-5k=3k=-3k=6k=-6j=0j=0闪耀光栅除闪耀光栅的闪耀波长外，其它的波长也有足够的强度闪耀光栅体光栅型:输入光1432衍射光栅型波分复用器结构示意图光纤透镜光栅1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透镜的光栅型WDM光纤棒透镜光栅1+2+31231+2+3123输入光纤λ1+λ2+

λ3……输出光纤：每个λ占据一根光纤阵列波导光栅型(AWG-arrayedwaveguidegrating)－未来方向：

输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成m部分，它们之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定，输入波导i和阵列波导k之间的距离用表示，阵列波导k的长度比阵列波导(k-1)的长度长ΔL，同样阵列波导k和输出波导j之间距离用表示。AWG的工作原理：

设AWG的输入端口数和输出端口数均为n，输入耦合器为n×m形式，输出耦合器为m×n形式，输入和输出耦合器之间由m个波导连接，每相邻波导的长度差均为ΔL。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。

因此，光信号从输入波导i到输出波导j，经历了i与j之间m条不同通路后的相对相位为：

其中n1为输入和输出耦合器的折射率，n2为阵列波导的折射率，λ为光信号的波长。在输入波导i的光信号的波长中,满足Φijk为2π的整数倍的波长将在输出波导j输出。于是，通过适当设计，可以做成1×n波分解复用器和n×1波分复用器。如果设计输入耦合器和输出耦合器满足dinik=dini+kδini和doutkj=doutj+kδoutj则有

在输入波导i输入的那些波长中若满足：n1δini+n2ΔL+n1δoutj=pλ，p为整数，则波长为λ的光将在输出波导j输出。

ArrayWaveguideGrating(AWG)l1al3al2al4al1bl3bl2bl4bl1cl3cl2cl4cl1dl3dl2dl4dl1al3cl2dl4bl1bl3dl2al4cl1cl3al2bl4dl1dl3bl2cl4aRows....translateinto....columnsIfonlyoneinputisused:wavelengthdemultiplexer!AWG12341234123412341234123412341234AWG组合分配功能

－－静态波长路由器(wavelengthrouter)

图：波长路由器中应用

波长路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221

波长路由器是波长选路网络(WavelengthRoutingNetwork)中的关键部件，其功能可由下图的例子说明

它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组λ1,λ2,λ3和λ4WDM信号。

如果用来标记第i输入链路上的波长λj,则路由器的输入端口1上的波长记为、、、,输入端口2上的波长记为、、、。

在输入端口1上的波长中，如果和由输出端口1输出，则和由输出端口2输出；在输入端口2上的波长中，如果和由输出端口2输出，则和由输出端口1输出，这样，我们就称路由器交换了波长λ1和λ4。

在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口，每一路上只有4个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口数是N(≥2)，并且每一端口的波长数是W(≥2)。如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器。

静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。

波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。UCSBclaimsall-opticalrouteradvance

Theworld'sfirstmonolithictunableopticalrouteronasingleindium-phosphide(InP)chip,anddemonstratederror-freeoperationat40

Gbit/sperchannel.The4.25

mm

x

14.5

mmdeviceintegrateseighttunablewavelengthconverterstogetherwithanarrayedwaveguidegratingrouter(AWGR),whichareusedtodirectpacketsthroughtherouteraccordingtotheirwavelength.

Apr22,2009

/cws/article/tech/38779光纤光栅型:布拉格光栅1—161—1516窄带高反射BraggCondition:光纤光栅的应用16161—15、161—15、16FBG环形器16161616OpticalAdd/DropMultiplexer（OADM光分插复用器）OADM:OpticalAdd-DropMultiplexer光插分复用器

光插分复用器(OADM)是一种将不同的光信道混合并传送到或传送出单个光纤的WDM系统中使用的光多路技术设备。它可以将一个或多个新波长通道加入到一个现存的多波长WDM信号，或清除（放弃）一个或多个信道，并将这些信号传送到另外一个网络通道中。用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统本节点信息输入光纤1234DEMMUX输出光纤123411223344RXTX光纤光栅产品：

总的来看，光栅型WDM器件具有优良的波长选择特性，可以使波长间隔缩小到数nm到0.51nm左右，已能实现32～131个波长的复用。介质膜型（DTF）

利用不同结构的介质膜具有不同的滤光特性，来实现合分波。

优点：插入损耗低（<

7dB）；温度特性好（0.3pm/oC）。

缺点：分辨率、隔离度不很高。（仅可用于16通道以下）；

插损随通道数增加而增加。DTF结构示意图入射光介质膜1介质膜2介质膜3介质膜4自聚焦棒光2光3光4光一种干涉滤光膜型波分复用器：输入光纤14320(监管信道)干涉滤光膜另一种干涉滤光膜型DWDM1—161—15161—14158.4密集波分复用系统的非线性串扰在单信道的光通信系统中,对于光线特性主要考虑的是衰减和色散,它们限制着传输距离和容量。多信道的WDM+EDFA系统中,功率较大(14~17dBm),引起非线性效应:受激Raman散射、受激Brillorin散射、自相位调制、交叉相位调制、和四波混频效应。非线性的存在对于传输信号会引起附加损耗、

信道间窜话、信号频率移动等不良影响。

WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。

如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)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)，则在原来由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，相邻光纤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、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。点到点的波分复用系统向光传送网发展

密集WDM系统在90年代中期实用化后，很快在越洋海底光缆通信，陆地长途干线网中得到广泛应用，自1999年开始向城域网发展，将来还会向接入网进军。通过与光时分复用（OTDM）结合提高单信道的传输速率和不断增加复用路数，WDM技术将持续向更高速率、更大容量的方向发展；另一方面，点到点的波分复用系统已经在向光传送网发展。

在应用过程中，人们发现，WDM技术在提高传输能力的同时，还有强大、灵活的联网优势。利用光分插复用（OADM）设备，很容易在WDM链路的中间站以波长为单位实现上下路功能，或形成具有自愈功能的WDM环形网络。利用OADM和光交叉连接（OXC）设备，也可以形成结构复杂、具有波长选路和动态重构功能的光格形网，这种在光域传输、放大、交叉连接和分插复用的网络称为全光通信网或光传送网。

光传送网一经问世，即收到广泛的关注，被认为是未来网络升级的优选方案。各国和各大通信公司都投入巨大的人力，物力进行理论和实验研究，数十个实验网络已经在世界上建成。我国“863”立项的、含有6个OXC和7个OADM的中国高速光示范网（CAINONET）的研制已接近尾声，国家自然基金立项的中国高速光互连网的建设也已初步完成。随着WDM传输系统的广泛应用，点到点的WDM系统向光传送网的过渡成为必然的发展规律。双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素（自学）：

如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，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。另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。DECEMBER9,2010--ChinaTelecom,Huawei,andCorningInc.havejointlyannouncedcompletionofwhattheydescribeasChina'sfirst100-GbpsWDMultralonghaultransmissiontest.Thetestalsosetanewrecordfor100GWDMtransmissiondistanceofover3000kminaterrestrialfibersystem,thecompaniesassert.

ChinaTelecomsaysitislookingfor100GWDMultra-high-speedtransmissiontechnologyasthesuccessortothe40GWDMtransmissiontechnologycurrentlyinitsbackbonenetwork.Thetestfeaturedcoherentpolarizationmultiplexedquadraturephase-shiftkeying(PM-QPSK)technologyonHuawei'sOSN8800platform.C-band50-GHz-spacingandhybridtransmissionof100Gand40Gwerepartofthetest.

CorningsupplieditsSMF-28ULLultra-low-lossopticalfiber.SMF-28ULLisanITU-TG.652-compliantopticalfiberthathasultra-lowattenuation(averageattenuationat1550nm:0.168dB/km)andpolarizationmodedispersion(PMD).News附录

（Appendix）透明性

根据WDM光网络节点是否进行光信号的电处理，光网络可分为透明（Transparent）网络和不透明（Opaque）网络两种类型。对于透明光网络，信号在从源节点到宿节点传送过程中始终以光信号的形式进行，并在光域完成信号的再生、交换和波长变换。不透明光网络有两种实现形式：一种是交换过程在光域进行，可以使用本地光波长信号，而信号再生和波长变换都是通过光／电／光（0／E／0）方式实现的；另一种是将整个信号处理过程都在电域中途行。波长数8到16个，间隔达20nm之宽，滤波器通带宽度约13nm,对激光器要求大大降低DWDM激光器精度要求至少0.1nm,而CWDM可放松到2至3nm，成本大为降低CWDM对波长精度要求很低，因此激光器无须致冷器，功耗低，尺寸小，封装可用简单同轴结构，比传统碟型封装成本低,激光器模块成本低70%典型DWDM的薄膜滤波器需要150-200层镀膜，而20nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜，其成品率和成本都可以获得有效改进城域网用CWDM系统

目前商用光纤通信系统大都是基于10Gb/s的DWDM系统，40Gb/s的DWDM系统技术已经商用化。但随着宽带多媒体业务的迅猛增长，下一代无线宽带业务网络和光纤网络的融合，必将大大提高光纤骨干网络的带宽需求。光纤网络的进一步扩容，如需将单波长上的承载速率提高到160Gb/s，是采用ETDM(电时分复用)技术？还是OTDM(光时分复用)技术？或是直接在DWDM系统中通过增加信道数的方法来提高系统的容量？

160Gb/s的ETDM技术现在看来很难实现，除非在材料上有大的突破，实现起来成本也很高。DWDM技术很成熟，但由于放大器带宽、非线性、色散的动态补偿、光源频率稳定性等因数的限制，信道数不可能无限制的增加