WDM-技術(shù)和要求

1、第1章WDM概述1.1 WDM技術(shù)的產(chǎn)生背景1.1.1 光網(wǎng)絡復用技術(shù)的發(fā)展隨著信息時代寬帶高速業(yè)務的不斷發(fā)展，不但要求光傳輸系統(tǒng)向更大容量、更長 距離發(fā)展，而且，要求其交互便捷。因此，在光傳輸系統(tǒng)中引入了復用技術(shù)。所 謂復用技術(shù)是指利用光纖寬頻帶、大容量的特點，用一根光纖或光纜同時傳輸多 路信號。在多路信號傳輸系統(tǒng)中，信號的復用方式對系統(tǒng)的性能和造價起著重要 作用。光纖傳輸網(wǎng)的復用技術(shù)經(jīng)歷了 空分復用（SDM）、時分復用（TDM ）到波分復用 （WDM ）三個階段的發(fā)展。SDM技術(shù)設計簡單、實用，但必須按信號復用的路數(shù)配置所需要的光纖傳輸芯數(shù)，投資效益較差；TDM技術(shù)的應用很廣泛，缺點是線路

2、利用率較低；WDM技術(shù)在 1根光纖上承載多個波長（信道），使之成為當前光纖通信網(wǎng)絡擴容的主要手段。光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段，從70年代末的PDH系統(tǒng)，90年代中期的SDH系統(tǒng)（經(jīng)歷了準同步數(shù)字體系（PDH）、同步數(shù)字體系（SDH）,和波分復用 （WDM ）三個階段），以及近來風起云涌的 DWDM 系統(tǒng)，乃至將來的智能光網(wǎng) 絡技術(shù)，光纖通信系統(tǒng)自身正在快速地更新?lián)Q代。波分復用技術(shù)從光纖通信出現(xiàn)伊始就出現(xiàn)了，80年代末、90年代初，AT&T貝爾實驗室的厲鼎毅（T.Y.Lee）博士大力倡導波分復用 （DWDM ）技術(shù)，兩波長 WDM（1310/1550nm）系統(tǒng)80年代就在美國 AT&T網(wǎng)中使

3、用，速率為 2X1.7Gb/s。 但是到90年代中期，WDM系統(tǒng)發(fā)展速度并不快.從技術(shù)和經(jīng)濟的角度，DWDM技術(shù)是目前最經(jīng)濟可行的擴容技術(shù)手段。WDMWDM 又叫波分復用技術(shù)，是新一代的超高速的光纜技術(shù)，所謂波分復用技術(shù)， 就是在單一光纖內(nèi)同步傳輸多個不同波長的光波，讓數(shù)據(jù)傳輸速度和容量獲得倍增，它充分利用單模光纖的低損耗區(qū)的巨大帶寬資源，采用合波器，在發(fā)送端將 不同規(guī)定波長的光載波進行合并，然后傳入單模光纖。在接收部分將再由分波器 將不同波長的光載分開的復用方式，由于不同波長的載波是相互獨立的，所以雙X可以復用不向傳輸問題，迎刃而解。根據(jù)不同的波分復用器（分波器，合波器 同數(shù)量的波長。通信系

4、統(tǒng)的設計不同， 每個波長之間的間隔寬度也有不同。按照通道間隔的不同，WDM可以細分為CWDM （稀疏波分復用）和DWDM （密集波分復用）。CWDM 的信道間隔為 20nm ,而DWDM 的信道間隔從 0.4nm至U 1.2nm ,所以相對于 DWDM , CWDM稱為稀疏波分復用技術(shù)。DWDM是一種能在一根光纖上同時傳送多個攜帶有信息（模擬或數(shù)字）的光載波, 只需通過增加波長（信道）實現(xiàn)系統(tǒng)擴容的光纖通信技術(shù)。它將幾種不同波長的 光信號組合（復用）起來傳輸，傳輸后將光纖中組合的光信號再分離開（解復用），送入不同的通信終端， 即在一根物理光纖上提供多個虛擬的光纖通道，我們也可以稱之為虛擬光纖。

5、1.2 光波分復用和解復用器件的技術(shù)概述光波分復用器與解復用器屬于光波分復用器件，又稱為合波器與分波器，實際上 是一種光學濾波器件。在發(fā)送端，合波器（OM）的作用是把具有標稱波長的各復用通路光信號合成為 一束光波，然后輸入到光纖中進行傳輸，即對光波起復用作用。在接收端，分波器（OD）的作用是把來自光纖的光波分解成具有原標稱波長的各 復用光通路信號，然后分別輸入到相應的各光通路接收機中，即對光波起解復用 作用。由于光合、分波器性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有決定性的影響，因此，要求合、分波器的衰耗、偏差、信道間的串擾必須小。1.2.1 光波分復用器件介紹以下將簡要介紹4種常見的波分復用器，以及不同波

6、長數(shù)量的DWDM系統(tǒng)常用的復用器類型。1.常用光波分復用器簡介（1）光柵型波分復用器光柵型波分復用器屬于角色散型器件。利用不同波長的光信號在光柵上反射角度不同的特性，分離、合并不同波長的光信號，工作原理如圖0-1所示。n圖0-1光柵型波分復用器原理圖光柵型波分復用器具有優(yōu)良的波長選擇性，波長間隔可縮小到0.5 nm左右。但是，由于光柵在制造上要求非常精密，不適合大批量生產(chǎn)，常用于實驗 室的科學研究。(2)介質(zhì)薄膜型波分復用器介質(zhì)薄膜型波分復用器由薄膜濾波器(TFF)構(gòu)成。TFF由幾十層不同材料、不同折射率和不同厚度的介質(zhì)膜組合而成。一層 為高折射率，一層為低折射率，從而對一定的波長范圍呈通帶，

7、而對另外 的波長范圍呈阻帶，形成所要求的濾波特性。工作原理如圖0-2所示。圖0-2介質(zhì)薄膜型波分復用器原理圖介質(zhì)薄膜型波分復用器是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的小型化無源光器件，信號通帶平 坦，插入損耗低，通路間隔度好。(3) 陣列波導波分復用器( AWG ) Arrayed Waveguide Grating陣列波導波分復用器是以光集成技術(shù)為基礎的平面波導型器件，工作原理 如圖0-3所示。(4)AWG結(jié)構(gòu)緊湊，插損小，是光傳送網(wǎng)絡中實現(xiàn)合分波的優(yōu)選方案。耦合型波分復用器耦合型波分復用器是將兩根或者多根光纖靠貼在一起適度熔融而成的一種表面交互式器件，一般用于合波器，工作原理如圖0-4所示。入1入2入3入4入5

8、入6入7入8圖0-4耦合器型合波器原理圖耦合器型波分復用器只能實現(xiàn)合波功能，制造成本低，但是引入損耗較大。2.DWDM系統(tǒng)的復用/解復用器件不同波長系統(tǒng)使用的光波分復用器件對應關(guān)系如表0-1所示。表0-1 DWDM系統(tǒng)與光波分復用器件的對應關(guān)系光波分復用器類型合波器分波器32波以下40波80波以上32波以下40波80波以上耦合型V-陣列波導型VVVVVV介質(zhì)薄膜型VV-VV-光柵型-V-V1.2.2主要性能指標1. 復用通路數(shù)代表波分復用器件進行復用與解復用的光通路數(shù)量，與器件的分辨率、隔 離度等參數(shù)密切相關(guān)。2. 插入損耗波分復用器件本身對光信號的衰減作用，直接影響系統(tǒng)的傳輸距離。不同類型的

9、波分復用器件插損值不同，插損越小越好。3. 隔離度表征光元器件中各復用光通路彼此之間的隔離程度。通路的隔離度越高，波分復用器件的選頻特性就越好 ，串擾抑制比也越大，各復用光通路之間 的相互干擾影響也越小。該參數(shù)僅對波長敏感型器彳（薄膜濾波器型和AWG型器件）有意義。對耦合型器件，參數(shù)無意義。4. 反射系數(shù)在波分復用器件的輸入端，反射光功率與入射光功率之比為反射系數(shù)。反射系數(shù)值越小越好。5. 偏振相關(guān)損耗（PDL）偏振相關(guān)損耗是指由光波的偏振態(tài)變化引起的插入損耗最大變化值。光是頻率極高的電磁波， 所以存在波的振動方向問題 （偏振）。輸入到波分 復用器件中的各復用通路光信號，其偏振態(tài)不可能完全一致

10、，而同一波分復用器件對不同偏振態(tài)的光波，其衰減作用也略有不同。PDL值越小越好。溫度系數(shù)是指，由于環(huán)境溫度變化引起的復用通路中心工作頻率的偏移。 波分復用器件的溫度系數(shù)越小越好。系數(shù)越小，說明各復用通路的中心工作頻率越穩(wěn)定。7. 帶寬波長敏感型器件（薄膜濾波器型和AWG型器件）參數(shù)之一，對于耦合型波分復用器無意義。帶寬包括-0.5dB通道寬度和-20dB通道寬度兩種。-0.5dB通道寬度當分波器插入 損耗下降0.5dB時，相應工作波長的變化值 。描述分波器的帶通特性。良好的帶通特性曲線應平坦、寬闊，帶寬值越大 越好。-20dB通道寬度當分波器插入損耗下降 20dB時，相應工作波長的變化值。描述

11、分波器的阻帶特性。阻帶特性曲線應陡峭，帶寬值越小越好。1.3 DWDM工作波長范圍石英光纖有三個常用的低損耗窗口：850nm窗口、1310nm窗口和1550nm窗口，如圖1.3-1所示。損耗(dB/km)O： Original Band ,原始波段E： Extend Band,擴展波段S： Short Band,短波段C ： Conventional Band ,常規(guī)波段 L： Long Band,長波段圖1.3-1光纖通信中的低損窗口1. .850nm 窗口波長范圍600nm900nm。主要用于多模光纖，傳輸損耗較大（平均損耗2dB/km）。一般適用于短距的接入網(wǎng)環(huán)境，如光纖通道（ FC）業(yè)

12、務。2. 1310nm 窗口該波長區(qū)的可用波長下限主要受限于光纖截止波長和光纖衰減系數(shù)，上限 主要受限于1385nm處OH根吸收峰的影響。工作范圍為1260nm1360nm , 平均損耗 0.3dB/km0.4dB/km 。由于目前尚無工作于 1310nm窗口的寬帶光放大器，所以不適用于 DWDM 系統(tǒng)。（CWDM器件不能用在長距離傳輸?shù)脑O備）3. 1550nm 窗口該波長區(qū)的下限主要受限于1385nm處OH根吸收峰的影響，而上限主要受限于紅外吸收損耗和彎曲損耗的影響。工作波長位于1460nm7625nm ,平均損耗 0.19dB/km0.25dB/km 。1550nm窗口的損耗最低，可用于

13、SDH信號的短距和長距通信。同時，由 于目前常用的光放大器 EDFA在該窗口具有良好的增益平坦度，因此， 1550nm窗口也適用于 DWDM 系統(tǒng)。1550nm窗口的工作波長分為 3部分（S波段、C波段和L波段），波長范 圍如圖1.3-2所示。圖1.3-2 1550nm窗口工作波長劃分(1) S波段（1460nm1530nm）：由于EDFA工作波長范圍位于 C波段或L波 段，因此，目前 DWDM系統(tǒng)中不使用 S波段。(2) C波段(1530nm1565nm)：常用于40波以下 DWDM 系統(tǒng)(頻道間隔 100GHz)、80波DWDM 系統(tǒng)(頻道間隔 50GHz)以及SDH系統(tǒng)(同步數(shù) 字體系)

14、的工作波長區(qū)。(3) L波段(1565nm1625nm) ： 80波以上DWDM 系統(tǒng)的工作波長區(qū)。此時， 頻道間隔為50GHz。1.4 DWDM系統(tǒng)的工作波長工作波長區(qū)說明以下按DWDM系統(tǒng)的復用通道的數(shù)量，分別介紹不同系統(tǒng)的工作波長范圍、頻 率范圍、通路間隔、中心頻率偏差。1. .8/16/32/40/48 波系統(tǒng)工作波長范圍： C波段(1530nm1565nm )頻率范圍：191.3THz-196.0THz通路間隔：100 GHz中心頻率偏差： 及0GHz (速率低于 2.5Gbit/s); l2.5GHz (速率10GNt/s)2. 80/96波系統(tǒng)工作波長范圍： C波段(1530nm

15、-1565nm )頻率范圍：C 波段(191.30THz-196.05THz )通路間隔：50GHz中心頻率偏差：5GHz3. 160/176波系統(tǒng)工作波長范圍： C 波段(1530nm1565nm ) +L 波段(1565nm1625nm )頻率范圍：C 波段(191.30 THz-196.05 THz ),共 96 波；L 波段( 186.95 THz-190.90 THz ),共 80 波。通路間隔：50GHz中心頻率偏差：5GHz1.4.1 DWDM波長分配密集波分設備的工作波長嚴格遵循ITU-T建議的G.692標準，采用多信道系統(tǒng)使用的特定中心波長和中心頻率值。1 .當密集波分設備為

16、 C波段40波及以下波長系統(tǒng)時，通路間隔100 GHz ,波長分配如表0-1所示。表0-1基于C波段的40 CH波長分配波長 序號子波段 名稱標稱中心頻率(THz)標稱中心波長(nm)波長 序號子波段 名稱標稱中心頻率(THz)標稱中心波長(nm)1C100_1192.11560.6121C100_1194.11544.532C100_1192.21559.7922C100_1194.21543.733C100_1192.31558.9823C100_1194.31542.944C100_1192.41558.1724C100_1194.41542.145C100_1192.51557.362

17、5C100_1194.51541.356C100_1192.61556.5526C100_1194.61540.567C100_1192.71555.7527C100_1194.71539.778C100_1192.81554.9428C100_1194.81538.989C100 1192.91554.1329C100 1194.91538.1910C100 1193.01553.3330C100 1195.01537.4011C100 1193.11552.5231C100 1195.11536.6112C100 1193.21551.7232C100 1195.21535.8213C10

18、0 1193.31550.9233C100 1195.31535.0414C100 1193.41550.1234C100 1195.41534.2515C100 1193.51549.3235C100 1195.51533.4716C100 1193.61548.5136C100 1195.61532.6817C100 1193.71547.7237C100 1195.71531.9018C100 1193.81546.9238C100 1195.81531.1219C100 1193.91546.1239C100 1195.91530.3320C100 1194.01545.3240C10

19、0 1196.01529.55注：子波段名稱C100_1表示C波段波長間隔為100 GHz的第1個子波段1.5主要性能指標(1)通路間隔通路間隔是指兩個相鄰復用通路之間的標稱頻率差，包括均勻通路間隔和 非均勻通路間隔。目前，多數(shù)采用均勻通路間隔。DWDM系統(tǒng)最小通路間隔為 50GHz的整數(shù)倍。復用通路為8波時，通路間隔為 200GHz。復用通路為16波/32波/40/48波時，通路間隔為 100GHz。復用通路為80波以上時，通路間隔為50GHz。采用的通路間隔越小，要求分波器的分辨率越高，復用的通路數(shù)也越多。(2) 標稱中心頻率標稱中心頻率是指 DWDM 系統(tǒng)中每個復用通路對應的中心波長(頻

20、率)。例如，當復用通路為16波/32波/40波時，第1波的中心頻率為192.1THZ, 通路間隔為100GHz,頻率向上遞增。(3)中心頻率偏移中心頻率偏移又稱頻偏，是指復用光通路的實際中心工作頻率與標稱中心 頻率之間的偏差。國標規(guī)定，100GHz頻率間隔的系統(tǒng)，速率為 2.5Gbit/s以下時，最大中心 頻率偏移為 立0GHz (約i0.16nm);速率為10Gbit/s時，最大中心頻率偏 移為2.5GHz。50GHz頻率間隔的系統(tǒng)，最大中心頻率偏移為名GHz。(4) 光功率單位W:功率單位是瓦特。光傳輸中的光能量比較小，一般用 mW進行計量。dBm： dBm 單位是一個絕對值，是和1mW

21、的功率值 的絕對值：PdBm=10*log10(P/P0) =10*log10(pmW/1mW)dB: dB單位是一個相對值，是 P1相對于參考點P2的功率值：P1-P2 dB=10*log10(P1/P2) =10*log10(P1/P0)- 10*log10(P2/P0)(5) 衰耗衰耗就是能量的損失。對于無源器件，帶來的都是衰耗。衰耗是一個相對量，一般選擇無源器件的輸出作為參考點，輸入功率和輸出功率的比值作 為該器件的衰耗。光纖衰耗與光纖的長度呈正比，即光纖衰耗是具有累積 性質(zhì)的。(6、)增益增益就是能量的提升。對于放大器，能夠帶來增益。增益是一個相對量，一般選擇放大器的輸入作為參考點，

22、輸出功率和輸入 功率的比值作為該器件的增益。1.6 WDM系統(tǒng)的相關(guān)定義WDM 波分復用（WDM , Wavelength Division Multiplexing ）是指，在 1 根光纖上承載多個波長（信道）系統(tǒng)，將 1根光纖轉(zhuǎn)換為多條“虛擬”纖，每條虛擬纖獨立工作在不同波長上。由于 WDM系統(tǒng)技術(shù)的經(jīng)濟性與有效性，使之成為當前光纖通信網(wǎng)絡 最廣泛使用的光波復用技術(shù)。WDM 通常有3種復用方式，即1310nm和1550nm波長的波分復用、粗波分復 用（CWDM ）和密集波分復用（DWDM ）。（1） 1310 nm和1550 nm波長的波分復用這種復用技術(shù)在20世紀70年代初時僅用兩個波長

23、：1310nm窗口一個波長, 1550nm窗口一個波長，利用 WDM技術(shù)實現(xiàn)單纖雙窗口傳輸，這是最初 的波分復用的使用情況。（2） 密集波分復用（DWDM ）簡單的說，DWDM技術(shù)是指相鄰波長間隔較小的 WDM技術(shù)，工作波長 位于1550nm窗口?？梢栽谝粋€光纖上承載 8160個波長。主要應用于長 距離傳輸系統(tǒng)。An光纖放大器 光復用器光解復用器圖1.6-1 DWDM系統(tǒng)示意圖（3） 粗波分復用（CWDM ）CWDM技術(shù)是指相鄰波長間隔較大的WDM技術(shù)，相鄰信道的間距一般大于等于20nm,波長數(shù)目一般為 4波或8波，最多18波。CWDM 使用 1200nm 1700nm 窗口。CWDM采用非制

24、冷激光器、無光放大器件，成本較 DWDM低；缺點是容 量小、傳輸距離短。因此， CWDM技術(shù)適用于短距離、高帶寬、接入點密 集的通信應用場合，如大樓內(nèi)或大樓之間的網(wǎng)絡通信。1.7 DWDM基本概念DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing )密集波分復用技術(shù)是在波長1550nm窗口附近，在EDFA能提供增益的波長范圍內(nèi)，選用密集的但相互又有一定波長間隔的 多路光載波，這些光載波各自受不同數(shù)字信號的調(diào)制，復合在一根光纖上傳輸，提高了 每根光纖的傳輸容量。這些光載波的波長間隔為0.42nm,如圖1.7-1所示。圖1.7-1 DWDM載波波長間隔DWDM

25、設備通常由五部分組成，如圖 1.7-2所示。為發(fā)好機比轉(zhuǎn)發(fā)器1年發(fā)耨昨口信道1幅人 信道Z沒送尋北，靈翱戶允!幽信造接卡臨法北揄女機就的掄苴 接護器圖1.7-2 DWDM系統(tǒng)組成1.8 DWDM的特點和優(yōu)勢1 .充分利用光纖的帶寬資源，傳輸容量巨大DWDM系統(tǒng)中的各波長相互獨立，可透明傳輸不同的業(yè)務，如SDH、GbE、 ATM等信號，實現(xiàn)多種信號的混合傳輸。如圖 1.8-1所示，多個光信號通 過采用不同的波長復用到一根光纖中傳輸，每個波長上承載不同信號，在 一根光纖中傳輸，大大提高了光纖容量，極大的節(jié)約了光纖資源，降低線路建設成本。圖1.8-1 DWDM 傳輸容量巨大2 . 超長的傳輸距離利用

26、摻餌光名f放大器（EDFA）等多種超長距傳輸技術(shù)，可以對 DWDM系 統(tǒng)中的各通路信號同時放大，實現(xiàn)系統(tǒng)的長距傳輸。3 . 平滑升級擴容由于DWDM系統(tǒng)中的每個波長通道透明傳輸數(shù)據(jù)，不對通道數(shù)據(jù)進行任何處理，因此，擴容時，只需增加復用光波長通路數(shù)即可，方便易行。1.9 DWDM的發(fā)展趨勢1. 更高的通道速率DWDM系統(tǒng)的通道速率由 2.5Gbit/s發(fā)展到目前的10Gbit/s,基于40Gbit/s 速率的系統(tǒng)已進入商用階段。2. 更多波長復用數(shù)量DWDM系統(tǒng)多用于8/16/32個波長，通道間隔為100GHz ,工作波長位于 C 波段。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展 ，DWDM系統(tǒng)的工作波長可覆蓋 C、L

27、波段， 間隔50GHz o最高可提供160波的復用。3. 超長的全光傳輸距離通過提高全光傳輸?shù)木嚯x，減少電再生點的數(shù)量，可降低建網(wǎng)的初始成本 和運營成本。傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)采用EDFA延長無電中繼的傳輸距離，目前，通過分 布式拉曼放大器、超弓II前向糾錯技術(shù)（FEC）、色散管理技術(shù)、光均衡技術(shù)以及高效的調(diào)制格式等，可從目前的600km左右擴展到2000km以上。2.0摻餌光纖放大器（EDFA）技術(shù)EDFA技術(shù)原理1. 放大原理餌（Er）是一種稀土元素。在制造光纖的過程中，摻入一定量的Er3+離子,形成摻餌光纖。這種光纖中的Er3+離子會吸收光子的能量，使自身的能級發(fā)生變化，即激勵。用來做為激勵

28、的光源被稱為泵浦光源，它所發(fā)出的激勵光波被稱為泵浦光。圖0-1為摻餌光纖放大器的原理圖。必0w980nm泵浦光1480nm1550nm信號光1550nm受激輻射2. 組成Ni-CTXY-OO-CXXX?圖0-1摻銀光纖放大器放大原理圖EDFA主要由餌摻雜光纖（EDF）、泵浦光源、WDM耦合器、隔離器等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖 0-2所示。入1入2 入n 隔離器WDM合器 銀摻雜光纖隔離器圖0-2摻銀光纖放大器的組成入1入2PoutWDM耦合器的作用是將信號光和泵浦光合在一起；隔離器的作用是抑制 光反射，以確保光放大器工作穩(wěn)定；泵浦激光器產(chǎn)生泵浦光源。2.1CWDM 和DWDM的關(guān)系1. CWDM和D

29、WDM的波長范圍CWDM系統(tǒng)的工作波長范圍由使用光纖決定。如果采用常規(guī)光纖，即 G.652 A&B 光纖，波長范圍是 1470nm1610nm ;有水峰的光纖只能傳輸 8波+ 1310nm窗口的波 長。2.如果采用無水峰光纖，即 G.652 C&D光纖，波長范圍是 1270nm1610nm。 18 個波長占用了整個無水峰光纖的低插損窗口。(1260-1460/1460-1620)1270.1290.1310.1330.1350.1370.1390.1410.14301450/1470.1490.1510.1530.1550.1570.1590.1610),小波長用 1310,大波長用 1550DWDM 系統(tǒng)主要工作在1550nm 窗口，波長范圍是 1460nm1625nm 。2. CWDM 和DWDM 的通道間隔CWDM的通道間隔是20nm。DWDM的通道間隔是 0.42nm。3. CWDM和DWDM的單波速率目前CWDM的單波最高速率是 2.5G。目前DWDM 的單波最高速率是 40G。4. CWDM和DWDM的波長數(shù)CWDM能提供818個波長，每個波長可以達到 2.5G