通信运行部培训章节件DWDM原理20060915

DWDM原理

［通信运行部培训课件V1.0］使用信息检索服务课程内容一、概述：DWDM技术背景二、课程：DWDM原理1、什么是DWDM?2、DWDM的关键技术3、一些重要概念

4、DWDM相关标准5、参考资料与思考题课程内容使用信息检索服务课程内容学完本课程你能够：1、了解并掌握WDM的一些基本概念及WDM的传输原理、方式及组成2、了解WDM传输媒质3、掌握WDM技术原理和关键技术实现方法4、了解WDM光传输系统的技术规范课程目标使用信息检索服务一、概述：DWDM技术背景怎样提高传输系统容量？SDMTDMWDMWDM与TDM结合使用信息检索服务课程内容光通信是目前发展最快的领域。商用DWDM系统最大容量为320Gb/s、1.6Tb/s。实验室进行了大容量DWDM的试验。光交叉连接与波长路由器已经问世；数据与光的结合，未来的网络可能将是把IP/ATM交换机直接接至光传送网上；向光组网的转变是宽带革命的核心。城域DWDM已经开始应用；DWDM系统已从4×2.5Gb/s向32×10Gb/s、1.6Tb/s系统过渡。运营商：中国电信、中国移动、联通、网通、铁通等。一、概述：DWDM技术背景DWDM发展使用信息检索服务课程内容32/40×10Gb/s32/40×2.5Gb/s16×2.5Gb/s4×2.5Gb/s160×10Gb/s一、概述：DWDM技术背景DWDM发展使用信息检索服务课程内容小盒子波分城域波分的细分，用于边缘接入层主要为点对点组网和环形网，环形组网也解决光层保护问题。容量一般在8波以下，可能采用CWDM技术。单波速率一般不大于2.5G。城域波分用于接入层或城市内解决业务汇聚和光层的业务保护骨干波分用于国干、省干，传输距离长主要解决传输距离一、概述：DWDM技术背景DWDM发展使用信息检索服务二、DWDM原理1、什么是DWDM？1.1、DWDM原理1.2、传输网络分层/SDH与DWDM的关系1.3、DWDM与SDH比较使用信息检索服务课程内容1、什么是DWDM?把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送(如每个波承载一种TDM电信号）的方式统称为波分复用。WDM：波长间隔比较大，在不同传输窗口（比如：1310nm、1550nm）DWDM：波长密集，同一传输窗口（比如1550nm）CWDM：粗波分复用，同一传输窗口内波长间隔大（比如1550nm）双纤双向：一根光纤传送一个方向的信号，系统使用两根光纤单纤双向：一根光纤传送两个方向的信号，系统使用一根光纤1.1、DWDM原理使用信息检索服务课程内容1、什么是DWDM?1.1、DWDM原理使用信息检索服务课程内容1.2、传输网络分层/SDH与DWDM的关系可见：SDH是DWDM所承载的业务种类之一，在网络层次中，DWDM处于更低层，更靠近物理层。在同时使用DWDM和SDH的网络，对业务的保护，我们提倡在SDH层的自愈保护。应用层(SDH/ATM/IP)光通道层光段层光放大层物理层再生段复用段通道层应用层光层电层（SDH）1、什么是DWDM?使用信息检索服务课程内容1.SDH本质上是数字系统；DWDM本质上更象模拟系统2.SDH是电域的同步复用；DWDM是光域上的复用3.SDH的核心是交叉连接；DWDM的核心是光功率和信噪比4.SDH更倾向于“软件”；DWDM更倾向于“硬件”1、什么是DWDM?1.3、DWDM与SDH比较使用信息检索服务二、DWDM原理2、DWDM关键技术？2.1、DWDM功能模块2.2、DWDM应用形式2.3、光源技术

2.4、光源种类

2.5、光检测器件

2.6、光放大器

2.7、光无源器件

2.8、光纤非线性问题

2.9、光监控技术使用信息检索服务课程内容OTUOUT

WPA

1

n合波器OTUOTU

1

nOTMOLAOTMWBA波长转换合波器光放大分波器分波器OSCOSCOSC波长转换器（OTU）的功能是完成G.957光信号到G.692固定波长光的转换。合波器和分波器完成G.692固定波长光信号的合波和分波。光放大器包括BA、PA、LA。BA是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各波长的输出光功率；PA是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升各波长的接收灵敏度；LA是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。OSC（光监控信道）通常采用1625nm和1510nm，负责整个网络的监控数据传送。2、DWDM关键技术?2.1、DWDM功能模块使用信息检索服务课程内容1、开放式应用收端、发端都使用OTU。在发端将非G.692转换为G.692信号。收端OTU主要起再生作用，要弱化波长转换作用。2、集成式应用业务信号（比如SDH）本身已经满足G.692信号，收端发端都不需要OTU.3、半开放式应用如前所述，收端OTU的作用是再生，而不是波长转换，故在收端信号质量较好，或者收端业务接收单元对噪声容忍程度高式，可以在开放式系统的收端不用OTU.2、DWDM关键技术?2.2、DWDM应用形式使用信息检索服务课程内容1、标准稳定的波长，满足ITU-T建议，符合G.692规范。标准：对16/32波系统，为192.1～193.6/195.2THz，间隔100GHz。对80波系统，为192.1~196.1THZ，间隔50GHZ。

稳定：工作时，不允许有大的波长漂移(ITU-T规定:中心波长偏差不大于中通道间隔的五分之一，在通常系统应用中中心波长偏差控制在0.2nm以内)2、具有良好的光谱性能(谱线宽度较窄)，高色散容限，满足远距离传输在使用光放大技术后，DWDM系统再生段主要受色散和光信噪比的限制。2、DWDM关键技术?2.3、光源技术使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.3、光源技术(续)THZ理想情况下载波脉冲为一条直线调制2.5G信号以后脉冲将展宽调制10G信号以后脉冲将展宽为2.5G信号的4倍使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.3、光源技术(续)THZ综上所述：所以对于10G信号其对于色散的要求更加严格。为了克服色散，我们不仅可以从1、减小光纤的色散来实现；2、也可以从光源技术上实现，从源头上控制色散。即通过选择性能优异的激光器，得到谱线较窄光谱；3、另外，也可以通过压缩调制信号的方式来减小因调制信号引起的谱线展宽现象；4、改进调制方式，来控制频率啁啾引起的色散。使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.3、光源技术(续)光源种类特点应用LED发出荧光、谱线较宽（约为20nm）、输出特性曲线较好、寿命长、成本低应用于短距离、小容量通信系统LD发出激光、谱线宽度约为1~5nm长距离、大容量通信系统、在高速率PDH、SDH系统中广泛应用MLM谱线宽度比SLM宽度要宽为nm量级高速光纤通信系统SLM谱线宽度约为0.1nm量级高速光纤通信系统使用信息检索服务课程内容3、马赫-策恩德尔调制光源(M-Z)1、直接调制光源2、电吸收调制光源(EA)直接调制外调制光源2、DWDM关键技术?2.4、光源种类(按调制方式分)使用信息检索服务课程内容优点：输出功率正比于调制电流、技术简单、成本较低缺点：调制电流的变化引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化就是频率啁啾，这是直接调制光源无法克服的波长(频率)抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的谱宽，使光源谱线特性变差，限制了传输距离；适用于短距离传输，用在2.5G及以下速率的非DWDM系统中2、DWDM关键技术?2.4、光源种类(按调制方式分)—直接调制光源调制电流使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光源种类(按调制方式分)—外调制光源(EA)电调制信号不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用；恒定光源是一个连续发送固定波长和功率高稳定的光源，在发光过程中不受电调制信号的影响，因此不产生频率啁啾，光线谱宽维持在最小。光调制对恒定光源发出的高稳定激光，根据电调制信号以“允许”或“禁止”通过的方式进行处理，在调制过程中，对光波的光谱特性不会产生任何影响，保证了光谱质量。技术复杂、损耗大、成本高。使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光源种类(外调制光源)—电吸收调制(EML)使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光源种类(外调制方式)—马赫.策恩德尔调制光源(M-Z)使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光源种类(按调制方式分)—三种光源比较使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光电检测器件使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光电检测器件—PIN光电二极管使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.4、光电检测器件—APD雪崩二极管使用信息检索服务课程内容半导体光放大器(SOA)拉曼放大器(Raman)掺铒光纤放大器(EDFA)2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—半导体放大器(SOA)SOA采用应变量子阱结构的PN结器件,随着其输出功率、小信号增益、增益偏振灵敏度、噪声系数性能的大幅度提高，具有处理高速信号(>10Gb/s)的能力，带宽宽、功耗低、增益高、结构紧凑、易于与其它半导体光电器件集成，工作波长可覆盖光纤的整个低损耗窗口，必将在未来的全光通信网络中得到广泛应用。使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—掺饵光纤放大器EDFA使用信息检索服务课程内容1.非线性：提高了光功率，但达到一定程度会产生非线性效应(限制了EDFA的放大性能和长距离无中继传输)。2.光浪涌3.解决了衰减问题，但色散受限。2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—EDFA应用中问题使用信息检索服务课程内容Raman分子震动，造成能量的转移。分离式和分布式两种。特点：后向放大，增益不高，噪声小，前端需要一定长度的尾纤放大区域2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—光纤拉曼放大器(FRA)使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—三种放大器比较使用信息检索服务课程内容放大器增益不平坦的级联放大放大器增益平坦的级联放大2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—增益平坦使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—增益锁定使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.5、光放大器(OA)—应用形式使用信息检索服务课程内容INiOUTINOUTi合波分波合波/(分波)器件是将不同波长的光信号合在一起/(按波长分开)的器件，是DWDM系统最核心器件，这是光层的最基本复用合解复用。故分波/合波器件也经常被叫做光复用/(光解复用)器件这里的“分”、“合”是相对波长/频率而言的，不是针对光功率而言。2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—光分波器/合波器使用信息检索服务课程内容特点：成本低，技术成熟，插损大插损理论计算方法：插损＝级数×3dB输入端口编号与波长无关（对波长不敏感）对相邻波长隔离作用低inout2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—耦合型合波器件使用信息检索服务λ３λ１λ1—4λ４λ２λ１滤波器λ３滤波器自聚焦棒透镜玻璃设计上可以实现结构稳定的小型化器件，信号同带平坦，且与极化无关，插入损耗小，通路间隔度好。但通路数不会很多。2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—多层介质膜复用/解复用器件使用信息检索服务课程内容优点：插损小技术不成熟，应用少2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—光栅型波分复用器件使用信息检索服务课程内容l1

l2

lN

l2l1

lNSlab波导阵列波导硅基片优点：波长间隔小、信道数多、通带平坦等优点，非常适合超高速、大容量的DWDM系统。代表了波分复用器件的发展方向。缺点：对分波合波中心对温度敏感，需要温控电路模块。2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—阵列波导(AWG型波分复用器件)使用信息检索服务课程内容隔离器在光学界面处，总是存在程度不同的反射，回程光沿光路返回，会引起光源工作不稳定，产生频率漂移，幅度变化，从而影响整个系统的问题。隔离器就是对回程光进行抑止的光学器件特点：插损小，非互易器件2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—光隔离器使用信息检索服务课程内容端口1端口2端口3特点：光路不可逆，插损小，隔离度大2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—光环形器使用信息检索服务课程内容N×MN个输入M个输出常见的有1×1，1×2，2×2，1×N主要技术指标：插损，隔离度，开关时间等2、DWDM关键技术?2.6、光无源器件—光开关使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.7、光纤非线性问题—传输媒介通信中光纤由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成,最外层是一种弹性耐磨的塑料护套,整根光纤呈圆柱形。光纤典型结构如图所示。使用信息检索服务课程内容色散系数(ps/nm·km)正色散系数G.655光纤波长λ(nm)负色散系数G.655光1550nm波长区具有最小色散和衰减，适合DWDM系统、高速信号传输2.应用：TrueWave真波光纤(正色散区的SPM效应有利于传输)；LEAF-大有效面积光纤（克服非线性效应）G.652光纤:大量铺设，传高速信号需色散补偿G.653光纤:1550nm波长区混频严重，不适合DWDM2、DWDM关键技术?2.7、光纤非线性问题—传输媒介使用信息检索服务课程内容常规光纤系统中，光功率不大，光纤呈现线性特性。但在DWDM系统中，非线性效应变得突出起来。受激散射1、受激拉曼散射（SRS）注入光引起光纤分子震动，调制入射光。产生频率为分子震动频率的边带。造成能量向低频波段转移。低频波能量增加，高频波能量衰减。2、受激布里渊散射（SBS）现象与SRS一样。但增益带宽窄，实际系统中基本不影响其他波。与线宽大小有关系。克尔效应（折射率随光强变化而变化）1、自相位调制（SPM）相位受自身光强的调制，频谱展宽2、交叉相位调制（XPM）相位受其他通路光强变化的调制，频谱展宽3、四波混频效应（FWM）多波同时传输，非线性效应导致产生新的波长，造成原波长能量的转移和串绕。2、DWDM关键技术?2.7、光纤非线性问题—非线性效应使用信息检索服务课程内容G.652、G.655(LEAF、TRUEWAVE)在1550窗口有正色散系数及正色散斜率，信号传输时造成正色散的累积，使脉冲展宽。补偿原理：DCF光纤有负色散系数，在传输光纤中接入这种光纤可抵消正色散，使脉冲得到压缩（DCF色散补偿器）。SDH系统补偿，只需一定的色散补偿量；DWDM系统补偿，色散量一定，且要求DCF有适当的负色散斜率。2、DWDM关键技术?2.7、光纤非线性问题—DCF色散补偿使用信息检索服务课程内容1、衰减3、非线性效应2、色散2、DWDM关键技术?2.7、光纤非线性问题—光纤选型需要考虑的因素使用信息检索服务课程内容传输有关DWDM系统管理和监控信息1.工作波长优选1510nm2.速率优选2Mb/s，保证不经放大也超长传输3.接入和解出不应限制OA上的泵浦光波；不应限制未来1310nm波长的业务；OA失效时仍有效；可超长传输；具有分段双向传输功能。2、DWDM关键技术?2.8、监控技术使用信息检索服务课程内容2、DWDM关键技术?2.8、监控技术使用信息检索服务课程内容0时隙:帧定位字节1时隙:E1字节（中继段公务)2时隙:F1字节3-14时隙:D1D12(数据通信通道)15时隙:E2字节(复用段公务)16-31时隙:保留字节0131141516232、DWDM关键技术?2.8、监控技术—OSC帧结构使用信息检索服务课程内容OMOD2BAPAODOM

2OSC信息入OSC信息出2、DWDM关键技术?2.8、监控技术—光传输设备中的监控信道使用信息检索服务二、DWDM原理3、DWDM重要概念？3.1、mW、dBm、dB3.2、谱宽/带宽3.3、光信噪比

3.4、色散

3.5、插损

3.6、增益使用信息检索服务课程内容dBm＝10×lg（P/1mW），其中P的单位为“mW”于是1mW=0dBm，0.5mW=-3dBm，等等。在DWDM系统中，假定每波信号大小相同，那么：1波信号为1mW，即0dBm2波信号为2mW，即3dBmn波信号为n×mW，即10×lg（n）dBmdB＝10×lg（p1/p2）=P1-P2。其中p1、p2的单位为“mW”等线性单位，P1、P2的单位为dBm于是得出：在DWDM系统主通道上，如果某处单波光功率为a(dBm)那么：2波信号为（a＋3）dBm3波信号为（a＋4.8）dBm4波信号为（a＋6）dBm5波信号为（a＋7）dBm…………3、DWDM一些重要概念?3.1、mW、dBm、dB使用信息检索服务课程内容1、是对信号在频域上的描述，常见的有-1dB谱宽，-5dB谱宽，-20dB谱宽2、谱宽宽，因为色散限制传输距离，但太窄，引起非线性效应也会限制传输距离。3、考虑色散影响，信号调制，会导致谱宽展宽。（比如对-20dB谱宽而言，2.5G:0.2nm，10G:0.3nm）f（频率）dBm（光功率）谱宽3、DWDM一些重要概念?3.2、谱宽/带宽使用信息检索服务课程内容

dBm（功率）f（频率）光信噪比

dBm（功率）f（频率）光信噪比左图与右图信号有着相同的光功率，但左图噪声功能比较低，相对右图，其“有效功率”－－信噪比大。DWDM系统调试中，最希望出现的是左图，最不希望出现的是右图。3、DWDM一些重要概念?3.3、信噪比(OSNR)使用信息检索服务课程内容t展宽前t传输一段距离后可见：色散对高速率信号的影响要大于低速率信号的影响因为：低速率信号的两个脉冲之间间隔要大于高速率信号两个脉冲间间隔，能容忍更多的脉冲展宽。3、DWDM一些重要概念?3.4、色散使用信息检索服务课程内容由于光纤所传送信号的不同频率成分或模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象光纤的色散特性：G.652、G.653；G.655（正负色散系数适合不同应用）色散：材料色散、波导色散、模式色散。材料色散：纤芯材料折射率随频率的变化引起的。波导色散：光纤中具有同一模式但携带不同频率信号。共同点：不同频率成分所对应的不同群速度，引起脉冲展宽。3、DWDM一些重要概念?3.4、色散使用信息检索服务课程内容无源光器件PinPout插损＝（Pin－

Pout）dB所谓插损指特点光信号经过一无源光器件后光功率的丢失。