光纤通信-08-光波分复用

第8章光波分复用第8章光波分复用在前面所讨论的光纤通信系统中，是以单波长系统为研究对象的在单波长系统中，采用了时分复用（TDM）方式来提高传输效率，降低传输成本如早期PDH体系的34Mb/s、140Mb/s系统，以及SDH体系的155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s乃至10Gb/s系统，现在的传输速率已经可以达到40Gb/s水平等第8章光波分复用由于受到电子迁移速率的限制，进一步提高传输速率已经十分困难并且随着传输速率的提高，光纤色散的影响也越加严重而另一方面，光纤的巨大带宽潜力没有得到充分的开发利用因此，系统进一步扩容的唯一出路是充分利用光纤的带宽潜力，从光域上用波分复用技术来提高传输效率第8章光波分复用不同波长的光彼此之间可以无影响地独立传输信息，因此在同一根光纤中可以有多个信道，每个信道有不同的光载波波长（频率）这种在单根光纤中同时传输多个波长信道的技术就是波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）采用波长复用的方法可以显著提高单根光纤的信息传输容量第8章光波分复用20世纪90年代密集波分复用（DWDM，DenseWDM）技术兴起并迅速发展，广泛应用到通信网中，引发了光通信系统和网络的重大变革第8章光波分复用8.1光波分复用的基本原理8.2波分复用系统的构成8.3WDM的关键技术8.1光波分复用的基本原理光纤链路的优势是许多不同的波长可以在1300~1600nm的光谱带宽内沿一根光纤同时传递把多个波长复合到同一根光纤上的技术称为波分复用（WDM）从概念上讲，WDM与频分复用（FDM）相同，WDM的中心波长（或光频率）之间必须有适当的间隔，以避免相互间的信道串扰一、WDM基本概念在点到点的光纤链路中，一条光纤线路的发送端有一个光源，在接收端有一个光检测器不同的光源使用不同的光纤以彼此分隔然而，由于光源的谱线宽度很窄，只占用了光纤传输带宽的极小一部分一、WDM基本概念一个DFB激光器的调制输出带宽是10~50MHz，约相当于10-3nm的谱线宽度，使用这种光源时，一般需要0.4~1.6nm的保护带使用这样光源的单波长系统，只能用到标准光纤传输带宽的极小部分一、WDM基本概念单模光纤的带宽很宽，在光纤的两个低损耗传输窗口，1270~1350nm（1310nm）窗口和1480~1600nm（1550nm）窗口，其带宽可以按照式（8-1）计算：对于1310nm窗口的可用谱宽Δλ=80nm，相应的光带宽约为14THz类似地，对于1550nm窗口的可用谱宽为Δλ=120nm，光带宽为15THz一、WDM基本概念两个低损耗窗口大约得到30THz（200nm）的总的光纤带宽所以单模光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发通过采用波分复用技术可以扩大传输容量一、WDM基本概念波分复用技术可以有WDM、DWDM、OFDM等不同提法实际上，它们在本质上都是光波长分割复用（或光频率分割复用），所不同的是复用信道波长（频率）间隔不同一、WDM基本概念20世纪80年代中期，复用信道的波长间隔为几十纳米到数百纳米例如将1310nm和1550nm的复用称为WDM，现在称为简单WDM主要用于采用单纤双向传输方式的光纤接入网中（如PON），在上、下行方向采用不同的波长1310nm为上行波长（用户到中心局）1550nm为下行波长（中心局到用户）一、WDM基本概念20世纪90年代后，EDFA实用化，为了能在EDFA的35nm带宽（4THz）内同时放大多个波长的信号，波长间隔必须减小，即采用DWDM，其波长间隔为nm级（如0.8nm）OFDM一般指波长间隔小于100GHz的波分复用，在20世纪80年代，主要指相干光通信，90年代以后，出现了非相干OFDM一、WDM基本概念在波分复用技术的发展应用过程中，还有一种WDM技术称为粗波分复用（CWDM，CoarseWDM），主要应用于接入网和城域网随着DWDM技术在长距离通信中的应用，宽带城域网络问题逐渐成为通信网络的瓶颈，宽带、灵活及低成本是城域网追求的主要目标，采用CWDM技术是实现这一目标的有效手段一、WDM基本概念目前，WDM系统主要指密集波分复用系统（DWDM），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ITU-T建议的标准的波长间隔为0.8nm（在1550nm波长对应100GHz频率间隔）的整数倍，或整数分之一如0.4nm，0.8nm，1.6nm等一、WDM基本概念包括各种类型光放大器的典型WDM链路中各种元件的使用以及频谱示意一、WDM基本概念在发送端有几个独立调制的光源，每一个都只能在一个波长上发射光信号复用器的作用是将光信号合路到一串密集波长信号频谱内，并把这些信号耦合进一根光纤中在接收端，解复用器将光信号分离送入正确的信道中检测由于光检测器在包括所有WDM信道的宽波长范围上总是敏感的，所以解复用器需要提供良好的波长（信道）隔离二、WDM工作形式波分复用系统主要有两种工作形式：双纤单向传输单向WDM是指所有光通道同时在一根光纤上沿同一方向传送单纤双向传输双向WDM是指光通道在一根光纤上实现两个方向信号的同时传输二、WDM工作形式单向WDM在发送端将载有各种信息的、具有不同波长λ1、λ2、……、λN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光波长携带，所以不会彼此混淆二、WDM工作形式双向WDM由于波长彼此分开，从而实现彼此双方全双工通信图中的波分复用功能是具有波长选路功能的复用／解复用器二、WDM工作形式单向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要求更高双向WDM系统在设计和应用时要考虑几个关键因素如为了抑制多通道的干扰，必须要注意光反射的影响、双向通道之间的隔离、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、光监控信道传输和自动功率关断等问题同时要使用双向光纤放大器二、WDM工作形式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波和分波，实现光信息的上／下通道与路由分配，这样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二、WDM工作形式DWDM有两种应用形式：开放式DWDM采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成符合ITU-T建议的波长，然后进行合波集成式DWDM没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号符合ITU-T建议的波长，然后进行合波三、WDM的技术特性WDM的主要系统特性如下：①提高了光纤的频带利用率，增加了系统容量②对不同的信号具有很好的兼容性，增强透明性③节约投资④降低对光电器件的超高速要求⑤可以灵活组网8.2波分复用系统的构成WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带业务（如CATV、HDTV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一、WDM系统的基本结构一般来说，WDM系统主要由五个部分组成：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二、光波长分配光纤具有两个低损耗窗口，即1310nm和1550nm在这两个低损耗窗口中均可进行波分复用，但是由于目前的光放大器EDFA的工作波长范围为1530~1565nm，因此目前波分复用的波长范围为1530~1565nm对这个有限的波长范围区域进行光通道分配时，需要考虑带宽利用率和非线性及串扰的影响等1．标称中心频率和最小通道间隔为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必须对各个光通道的中心频率（波长）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道对应的中心波长通道间隔指的是相邻光通道之间的标称频率差，既可以是均匀的，也可以是非均匀的非均匀通道间隔可以用来抑制四波混频效应（FWM）但目前的规范和大多数应用采用均匀通道间隔1．标称中心频率和最小通道间隔ITU-T目前规定的各个信道的波长间隔为0.8nm（在1550nm波长对应100GHz频率间隔）的整数倍，或整数分之一如0.4nm，0.8nm，1.6nm等在可用的1530~1565nm波长范围内，目前广泛使用的是各个通道频率基于参考频率为193.1THz、最小间隔为100GHz的频率间隔系列2．通道分配表我国国标《光波分复用系统总体技术要求》中对32波以及16波、8波的WDM系统的中心波长进行了规定序号中心频率（THz）波长（nm）序号中心频率（THz）波长（nm）1192.101560.61*9192.901554.13*2192.201559.7910193.001553.333192.301558.98*11193.101552.52*4192.401558.1712193.201551.725192.501557.36*13193.301550.926192.601556.5514193.401550.12*7192.701555.75*15193.501549.328192.801554.9416193.601548.51*3．中心频率偏差中心频率偏差定义为标称中心频率和实际中心频率之差对于信道间隔大于200GHz的系统，各个信道的偏差应小于信道间隔的1/516通道WDM的系统通道间隔为100GHz（约0.8nm），最大中心频率偏移为±20GHz8通道WDM系统的通道间隔为200GHz（约为1.6nm），为了能向16通道升级，最大中心频率偏差也为±20GHz三、SDH与WDM的关系目前实际应用的WDM系统的客户层信号都是基于SDH的，也就是N×2.5（10Gb/s）SDH系统但并不是说WDM系统只能承载SDH信号WDM系统的一个最重要特点是与业务无关，也就是说业务透明它可以承载各种格式的信号，无论是PDH、SDH，还是IP、ATM信号三、SDH与WDM的关系SDH和WDM的相同点在于都是建立在光纤这一物理介质上，利用光纤作为传输手段，但两者也有本质的区别WDM是更趋近于物理介质（光纤、光缆）的系统，它是在光域上进行复用，在点到点的应用上，加上OXC、OADM就构成网的概念SDH则是在电路层实施的“光同步传送网”技术，它提出了一整套传送网的国际标准，不仅规定了复用方法，还描述了组网原则三、SDH与WDM的关系相对WDM技术而言，SDH和PDH、ATM一样，都只是WDM系统所承载的业务，也就是说，SDH和WDM之间是客户层与服务层的关系现在WDM技术似乎只有一个客户，即SDH系统，但实际上WDM具有承载多客户信号的能力随着网络的演进和发展以及透明性的增加，WDM将会承载越来越多的不同信号，拥有越来越多的客户，形成真正的多色网三、SDH与WDM的关系Cisco和Ciena公司认为随着全光网络的发展，全光网络最终会直接面对各种业务网，如IP、ATM或可能出现的其它格式信号，不再需要SDH作为传输手段SDH的复接设备最终将会被淘汰，未来的网络将基于分组和基于信元的协议数据交换机和高速路由器直接通过光网络的WDM设备相连接，以STM-16的速率进入网络，应用于话音和低速数据的SDH复接设备就不再需要了三、SDH与WDM的关系但是，这只是一种长远的目标可以相信，SDH会在一个很长的时期内继续存在，特别是对于数据业务量不算太大，以电路交换为主的国家另外，SDH网络具有的许多优点还没有充分发挥，没有形成真正意义上的“光同步传送网”8.3WDM的关键技术WDM技术对现代光纤通信网络的发展具有重大意义，WDM具备良好的技术优势和良好的经济性，既能满足爆炸性增长的市场需求，又有广阔的发展前景但是要实现WDM传输，需要许多与其相适应的高新技术和器件，其中包括光源、光合波／分波器、光放大器、光线路技术以及监控技术等1．WDM光源技术WDM传输系统使用的光源是产生符合WDM系统要求的光波器件目前有多波长光源、绝对波长光源、分布反馈型激光器和超级周期结构衍射光栅分布反馈型激光器等波长可变半导体激光器，以及多波长光纤环形激光器等应用于WDM系统的光源，其发光波长必须精确、稳定、便于集成，有与之配套的波长监测与稳定技术，可靠性高、成本低2．光放大器光放大器是光纤通信中的关键器件之一，用途有前置放大、线路放大、功率放大等光放大器分为光纤放大器（OFA）半导体光放大器（SOA）2．光放大器SOA早期受到噪声、偏振相关性等因素影响，不能实用化采用应变量子阱材料的SOA研制成功，SOA再度受到关注SOA结构简单，适于批量生产，成本低，寿命长，功耗小，还能与其它部件一块集成，使用波长覆盖了1300~1600nm波长，因此SOA是进一步研究的重要器件之一2．光放大器光纤放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）以及利用光的非线性效应的光纤拉曼放大器（FRA）等多种其中EDFA已经成熟并在WDM系统中商业化，成为现阶段光放大器的主流对EDFA的要求是高增益、宽带宽、低噪声、通带内增益平坦等FRA以其带宽宽、噪声系数低、高分布式放大、波长可选择而发展迅速3．光信道间的串扰问题光信道的串扰是影响接收机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2.5Gb/s系统中可以保证光信道间的隔离度大于25dB，基本上