光纤大作业教材

光纤通信技术与光网络大作业作业类别（技术）作业题目：WDM技术概述及应用研究学号名：屈波锱完成日期：2016.6.1WDM技术概述及应用研究摘要:本文首先对WDM技术的现状、发展和制约因素做了简要介绍，然后重点论述了WDM技术：分别介绍了WDM技术基本概念和原理，WDM技术的主要特点WDM系统的结构和关键技术。然后，列举了WDM技术的应用并举具体实例，最后举例WDM技术的某一研究进展。随着人们对通信各种需求的日益增加，WDM这种能极大的提高通信传输速率的技术在各种应用方面扮演越来越重要的角色，对WDM的研究探索，对其难点的突破意义重大。本文从最基础最根本的知识介绍来认识它，逐步了解其应用的各个方面，最后放眼现阶段新进展。我们可以对WDM技术与应用有一个比较系统的了解，同时看到它的发展前景与未来。WDM技术现状，发展与难点背景、发展与现状难点：制约WDM系统发展的因素WDM技术WDM技术概念原理WDM的特点WDM的分类WDM系统WDM系统的结构WDM系统的关键技术WDM技术的应用WDM技术的几类应用具体实例第五节研究进展举例第一节、WDM技术现状，发展与难点一、背景、现状与发展光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。随着国际互联网业务和通信业的飞速发展，信息化给世界生产力和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为21世纪最重要的战略性产业。1970年美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB／km的低损耗石英光纤，证明光纤作为通信的传输媒介是大有希望的。同年，美国贝尔实验室实现了铝镓砷(GaAlAs)异质结半导体激光器在室温下连续工作，为光纤通信提高了理想的光源。这两项研究成果，奠定了光纤通信的发展基础。在20世纪70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟。主要表现在光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。与此同时，光纤的带宽和光源的寿命不断增加。光源和光电检测的性能不断改善。80年代是光纤通信大发展阶段。在这个时期，光纤通信迅速由0.8µnm波段转向1．3µm波段，由多模光纤转向单模光纤。通过理论分析和实践，在1．3µm和1．55µm波段分别实现了损耗为0．5dB/km和0.2dB/km的低损耗光纤传输。同时，石英光纤在1.31µm波段时色度色散为零，促使1．31µm波段单模光纤通信系统迅速发展。20世纪90年代，波分复用(WDM)技术的诞生。在此之前1986年，英国南普敦大学在光纤基质中加入铒类子作为激光工作物质，用氩离子激光器作为泵浦源，制作出了能对1．55µm的光信号进行直接放大的掺铒光纤放大器(EDFA)。这一发明克服了光信号在传输过程中使用光一电和电一光中继器带来的“瓶颈”限制。波分复用(WDM)+EDFA系统解决了光电子、微电子对传输设备的“瓶颈"制约。近年来，随着光纤通信技术的快速发展和光缆、元器件技术不断取得突破以及价格的逐年下降，传统的光纤通信网正在向下一代全光通信网快速演进，由高速骨干网向城域网和接入网延伸，由点到点的链路系统向交叉连接的传送网系统和面向业务的自动交换光网络发展。在新的发展阶段，高速大容量光纤传输系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且为各种各样的新业务提供了实现的可能。而更大的带宽又可让运营商更加灵活有效地提供服务。所以，必须不断提高光纤通信系统的传输容量来满足信息传送量快速增长的需要。光纤通信的发展趋势：进入21世纪以来，一方面波分复用设备、光学元器件等日趋成熟，WDM+EDFA技术逐渐从骨干网向城域网、接入网渗透；另一方面光交叉技术(OXC)、光分插复用(OADM)设备的开发应用，点到点的WDM系统正在向能够通过复杂光网络传输不同波长信道的、面向用户、提供光路由的光网络演进。但要构建实用化的高速、大容量全光通信网，还需要解决好3个方面的问题：(1)光纤的色散累积和非线性效应，光学器件引起的光信号在光纤中的串扰、噪声累积等问题：(2)WDM设备中的高稳定集成光源、波长可调的集成化探测器等问题，OXC、OADM设备中的波长变换器、可调光谐滤波器、光交叉连接矩阵等问题；(3)设备的标准化、互操作、网管和价格昂贵的等问题。二、难点：制约WDM系统发展的因素随着波分复用的应用，在WDM系统中出现了许多新的技术问题，主要有光纤的色散和非线性效应等，这些问题将不断地制约着WDM技术的发展，同时也是设计WDM系统需要考虑的因素。(1)光信道的串扰问题串扰问题是影响光接收机灵敏度的主要因素，取决于光纤的非线性效应和无源光解复用器的滤波特性。对于高速率的系统，需要认真研究。(2)光纤色散EDFA的应用使得衰减限制的问题得以解决，传输距离大大的增加，但总色散也将随之增加。因此，色散的影响将是一个主要的限制因素，尤其是对高速系统来说更为明显。(3)光纤的非线性由于WDM系统中信道数目增多，使得非线性效应比传统光纤传输系统更严重，因此非线性效应成为影响系统性能的主要因素之一。光纤传输系统中存在着很多非线性效应，对WDM系统有明显影响的主要有两类：SPM、XPM、FWM为非线性折射率调制；SBS和SI峪为受激散射。其中SPM和SBS是单信道非线性效应，而FWM、XPM、SRS为多信道非线性效应，并且多信道非线性效应对系统的影响最为严重。这些非线性效应限制WDM系统的传输容量和传输距离，影响系统的传输性能。第二节、WDM技术一、WDM技术概念原理WDM是波分复用WavelengthDivisionMultiplexing的缩写，是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。采用WDM技术可以把光纤的传输容量扩大几倍甚至几十倍。WDM系统中最基本、也是最重要的是各复用光通路的SDH光传输设备，它们负责信号码流的发送与接收，以及开销的处理等。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。WDM系统采用的波长都是不同的，也就是特定标准波长，为了区别于SDH系统普通波长，有时又称为彩色光接口，而称普通光系统的光接口为"白色光口"或"白光口"。二、WDM的特点(1)充分利用光纤巨大的带宽资源波分复用技术利用了光纤巨大的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波传输增加几倍至几十倍，从而有效地解决了传输容量的问题。(2)同时传输不同类型的信号由于WDM技术中使用的各波长相互独立，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。(3)多种应用形式根据需要，WDM技术可有很多应用形式，如长途干线网，广播式分配网络，多路多址局域网络等，因此对网络应用十分重要。(4)节约线路投资采用WDM技术可使多个波长信号复用起来在单根光纤中传输，在大容量长距离传输时可以节省大量光纤。另外，对已经建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统功率富余度较大，就可以进一步增容而不必对原系统做大的改动。(5)数据透明WDM通道对数据格式是透明的，即与信号速率及调制方式无关。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的方便手段。(6)高度的组网灵活性、经济性和可靠性利用WDM技术选路，实现网络交换和恢复，从而实现未来透明、灵活、经济且有高度生存性的光网络。三、WDM的分类1.DWDMWDM和DWDM应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对WDM系统的称呼，它们与WDM技术的发展历史有着紧密的关系。在80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两0n个低损耗窗口1310nm和1550nm窗口各传送1路光波长信号，也就是1310nm／1550nm两波分的WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光／电／光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。很长一段时间内在人们的理解中，WDM系统就是指波长间隔为数十nm的系统，例如1310nm／1550nm两波长系统（间隔达200多nm）。因为在当时的条件下，实现几个nm波长间隔是不大可能的。随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口传送多路光载波信号。由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般1.6nm），且工作在一个窗口内共享EDFA光放大器，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。所谓密集，是对相临波长间隔而言的。过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.8～2）nm，甚至<0.8nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。在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。2.CWDMCWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM就是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备。与DWDM的主要区别在于：相对于DWDM系统中0.2nm到1.2nm的波长间隔而言，CWDM具有更宽的波长间隔，业界通行的标准波长间隔为20nm。各波长所属的波段，覆盖了单模光纤系统的O、E、S、C、L等五个波段。由于CWDM系统的波长间隔宽，对激光器的技术指标要求较低。由于波长间隔达到20nm，所以系统的最大波长偏移可达－6.5℃～+6.5℃，激光器的发射波长精度可放宽到±3nm，而且在工作温度范围（－5℃～70℃）内，温度变化导致的波长漂移仍然在容许范围内，激光器无需温度控制机制，所以激光器的结构大大简化，成品率提高。另外，较大的波长间隔意味着光复用器/解复用器的结构大大简化。例如，CWDM系统的滤波器镀膜层数可降为50层左右，而DWDM系统中的100GHz滤波器镀膜层数约为150层，这导致成品率提高，成本下降，而且滤波器的供应商大大增加有利于竞争。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50%。第三节、WDM系统一、WDM系统结构一般来说，WDM系统主要由以下五部分组成：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WDM系统的关键技术光源WDM的光源要求：良好的光谱特性、输出具有较高的光信噪比WDM光源分类：直接调制光源、间接调制光源（电吸收调制光源，马赫-策恩德尔调制光源）2.光放大器=1\*GB2⑴半导体光放大器SOA半导体光放大器（SOA）是采用通信用激光器相类似的工艺制作的一种形波放大器，当偏置电流低于阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低、可实现增益兼开关功能等特性。它在波长变换，光交换，谱反转，时钟提取，解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，已经引起人们对SOA的广泛研究兴趣。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大，功率较小，对串扰和偏振敏感，与光纤耦合时损耗较大，工作稳定性较差等缺陷。=2\*GB2⑵掺饵光放大器EDFA掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中，就可以将大部分处于基态的被抽运到激发态上，处于激发态的又迅速无辐射的转移到亚稳态上，由于在于亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数的反转，此时，经过掺铒光纤的信号光子，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子能量迅速增加，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。目前广泛应用的EDFA通常工作在1530-1565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大，增益高，与偏振无关，噪声系数相对较低，且其放大特性与系统比特率和数据格式无关，能够同时放大多路信号等一系列优异的特性，从而在长距离光纤通信系统中占据了重要位置。=3\*GB2⑶拉曼放大器Raman虽然拉曼放大技术从1974年开始研究并应用，但是由于实现拉曼放大需要较大的泵浦功率（1～1000w），用于通信领域的泵浦光源在当时的技术条件下无法得到满足，所以进展一直较为缓慢。直到上世纪90年以后随着掺铒光纤放大器（EDFA）技术的成熟，大功率光纤激光器的获得及近几年大功率半导体激光器的研制成功，运用于通信领域的拉曼放大器就成了研究中的热点。Raman放大器具有许多优点：=1\*GB3①相对于EDFA和SOA增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大。这样拉曼放大器就可以扩展到EDFA所不能放大的波段，从而可以实现在全波段范围内的光放大。=2\*GB3②传输光纤本身可以作为增益介质，与光纤系统具有良好的兼容性；如此实现的拉曼放大器称为分布式放大，而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用的，光纤中各处的信号光功率都比较小，这样的话就可降低各种光纤非线性效应的干扰。=3\*GB3③噪声系数低。它和EDFA配合使用将大大提高传输系统的性能。=4\*GB3④拉曼增益谱比较宽，在普通光纤上单波长可实现约40nm范围内的有效增益，如采用多个泵浦，可以较容易实现宽带放大，并且增益谱调整的方式直接而且多样（可通过选择泵浦波长和强度）。=5\*GB3⑤拉曼放大器的饱和功率高，拉曼放大的作用时间为飞秒（fs）级，可实现对超短脉冲的放大。所有这些优点，使得拉曼放大器有着非常广阔的应用前景。3.无源光器件光栅型波分复用器介质薄膜型复用器波导阵列AWG梳状滤波器ITL耦合器、隔离器等等第四节、WDM技术的应用一、WDM的几类应用1.WDM在长途干线传输网中的应用与由分插复用器（ADM）和中继器构建的传统SDH长途干线网相比，DWDM系统由于采用具有多波长放大能力的掺饵光纤放大器技术，从而降低了长途干线网的中继成本，获得了广泛应用。在长途干线传输网中，DWDM负责解决业务的长距离传送，SDH负责解决业务的调度、上下和保护。根据目前长途干线网建设和维护中对DWDM的要求，总结出以下几个要点：①在长途干线网中，中继设备数量大为减少，具有统一管理DWDM和SDH设备能力的网管系统可降低网管系统的投资，简化维护工作。②长途干线中设备节点距离较远，给系统维护和故障排除带来很大不便。如果采用具有定时扫描各种光谱特性的内置光谱分析单元，维护人员就可以在网管中心实时了解动态运行中的每个波长的光功率。中心波长、光信噪比等光谱特性，实现系统在线监控，满足干线网远程监控与维护的需要。③目前ITU-T建议只定义了8×22dB，5×30dB，3×33dB种规模的光放大单元，但长途干线中实际再生段超出120km的情况很多，随着器件技术水平的提高，采用具有更多光放规格的DWDM系统，在工程设计时就可以超出上述受限范围，最终降低中继建设成本。④目前大多数DWDM系统尚不支持系统误码性能监测和连接完整性确认等重要功能，相反，SDH利用丰富的开销字节能很好地支持上述功能。目前国内有些厂商的DWDM系统在收端和发端的波长转换单元（OTU）进行波长转换的同时，将SDH帧结构中的B1字节提取出来进行校验，可实现在线监测和故障准确定位。⑤长途干线中具有再定时、再整形和再放大（3R）能力的OTU单元可在因距离原因导致光信噪比下降突破阈值。超出色散容限的节点替代SDH电中继设备，以降低建设成本。2.WDM技术在城域网中的应用随着技术的进步和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展，当然这种扩展不是直截了当的，还需要针对城域网的特定环境进行改造。适用于城域网领域的WDM系统称为城域网WDM系统，其主要特点和要求是：首先，低成本是城域网WDM系统最重要的特点，特别是按每波长计其成本必须明显低于长途网用的WDM系统。由于城域网范围传输距离通常不超过100km，因而不必使用长途网必须用的外调制器和光放大器。由于没有光放大器，也就不需要任何形式的通路均衡，从而减少了分波器和合波器的复杂性，也不会遭受与光放大器有关的非线性损伤。光放大段的设计仅仅是光损耗的设计，十分简单明了。最后，由于没有光放大器，波长数的增加和扩展也不再受光放大器频带的限制，容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件，特别是元源器件的成本大幅度下降，从而降低了整个系统的成本。城域网WDM系统容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务，这样用户可以灵活地传送任何格式的信号而不必受限于SDH的结构和格式。特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口，要能灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务，因而要求其光接口可以自动接收和适应从10Mbit／s到2.5Gbit／s范围的所有信号，包括SDH，ATM，IP，ESCON，FDDI、千兆以太网和光纤通路等。而对于应用在城域网核心的系统，将来有可能还会要求支持10Gbit／s的SDH信号和10Gbit／s的以太网信号。城域网WDM系统还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长。这样，系统可以通过简单地增加波长而迅速提供新的业务，极大地增强运营商的市场竞争能力。3.WDM技术在数据业务中的应用随着Internet的迅猛发展，对其骨干网的带宽提出了很大需求。从目前的发展看，最合适的解决方案是千兆以太网（GE）overDWDM，它可以提供几十个千兆比每秒的通信带宽，而且具有以太网的简易性，与其它类似速率的通信技术比较，具有价格低廉的特点。GEoverDWDM实现了以太网基础之上的平滑过渡，综合平衡了现有的端点工作站、管理工具和培训基础等各种因素。千兆以大网采用802.3Z协议，与10M，100M以太网具有同样的帧格式的帧长。对于广大的网络用户来说，这意味着现有的投资可以在合理的初始开销上延续到千兆以太网，而不需要对技术支持人员和用户进行重新培训，也不需要作另外的协议和中间件的投资。IPoverDWDM的通俗说法就是让IP数据包直接在光路上传送，减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层，其传输效率最高，节省了网络运营商的成本，同时也降低了用户获得多媒体通信业务的费用，是一种最直接、最经济的IP网络体系结构。GEoverDWDM是IPoverDWDM的一种廉价方式，非常适用于大型城域IP骨干网的应用。GEoverDWDM的基本原理和工作方式是：在发送端，将交换机、路由器等设备发出的千兆以太网光信号送给千兆以太网波长转换板进行光／电转换，变为电信号；此电信号分为两路，一路送给千兆以太网的MAC芯片，另一路去调制具有特定波长的激光器；通过千兆以太网的MAC芯片可以获取千兆以太网的传输情况，如数据包流量和错误的数据包数量，可以很方便地在传输网管设备上观察到千兆以大同的运行情况，及时查找传输线路故障；经过波长激光器调制的千兆以太网光信号同其它波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输。在接收端，通过分波器将各个波长的光信号从一根光纤分出，送入不同终端。分出的千兆以太网光信号被送给千兆以太网波长转换板，同样进行光-电-光转换，并在电层用千兆以太网的MAC芯片监视传输情况；最后将千兆以太网光信号送到交换机、路由器等设备的千兆以太网光口，完成GEoverDWDM的全过程。二、具体应用在某公司骨干DWDM系统建设中,兰州至乌鲁木齐干线采用的是Marconi公司16波×2.5G设备链型组网方案,该DWDM系统波道总数16波,通道间隔为100GHZ。传输线路利用原干线光缆中的1对G.652光纤,DWDM系统采用开放式结构,涉及到的设备类型主要有OTM、OADM、OLA以及SDH2.5G设备。其中OADM每方向可以上下4个光波信道。现就兰州至武威南区段系统构成举例说明。该区段系统设备组网示意图见下图色散容限计算:本系统设备的色散容限为12800ps/nm,按照G.652光纤采用20ps/nm.km色散系数计算,复用段距离可达640Km。可见该系统组网完全满足要求。衰耗计算:ITU建议中继距离一般在80Km、120Km和160Km。对于本设备来说有1×38dB、2×35dB、3×33dB等增益配置可选。河口南至永登间中继距离为71.18Km,那么线路衰耗大致为71.18Km×0.28dB/Km=20dB。考虑到本段有4个光纤活动连接器,每活动连接器衰耗按0.5dB计算,该段全程衰耗为22dB,采用1×38dB配置即可。永登至古浪间全长133.34Km,线路衰耗约为133.34Km×0.28dB/KM=37.34dB,加上活接头衰耗后全程衰耗约为39.34dB,因此该段需在打柴沟设光放大器,采用2×35dB配置即能满足要求。光信噪比OSNR计算:河口南至永登间OSNR=58+Pout-L-Nf-10lgN,其中每信道的输出光功率Pout取值5dBm;跨距衰耗L取值38dB;光放噪声系数Nf取值5.5dB,光放段数N为1,那么该段OSNR=58+5-38-5.5=19.5dB,满足本工程中设备OSNR≥18dB的要求。第五节、研究进展举例单波长40Gb/sWDM-PON相干接收等关键技术随着互联网规模的不断发展,IPTV、HDTV、三维播放等宽带业务不断增多,接入网的传输带宽需求持续增长。PON技术因具有容量大、结构简单