光纖通信第九章

1、第九章第九章 波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)v9.1 9.1 多信道復(fù)用技術(shù)多信道復(fù)用技術(shù)v9.29.2光波分復(fù)用原理光波分復(fù)用原理v9.39.3光波分復(fù)用技術(shù)光波分復(fù)用技術(shù)v9.4 9.4 光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器v9.5 WDM9.5 WDM光傳送網(wǎng)光傳送網(wǎng)v9.6 WDM9.6 WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章內(nèi)容9.1 多信道復(fù)用技術(shù)多信道復(fù)用技術(shù)v光放大與色散補(bǔ)償技術(shù)解決了傳輸距離問題，光放大與色散補(bǔ)償技術(shù)解決了傳輸距離問題，但還需要解決光波承載信息容量問題，這就但還需要解決光波承載信息容量問題，這就要求我們研究多信道復(fù)用技術(shù)。要求我們研究多信道復(fù)用技術(shù)。v解決這個(gè)問題有許多方案，可以從光信號和

2、解決這個(gè)問題有許多方案，可以從光信號和光波兩個(gè)方面來考慮，主要有光時(shí)分復(fù)用光波兩個(gè)方面來考慮，主要有光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)、光碼分復(fù)用技術(shù)、光碼分復(fù)用(OCDM)技術(shù)、副技術(shù)、副載波復(fù)用載波復(fù)用(SCM)技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用(WDM)技術(shù)技術(shù)等。等。1.光時(shí)分復(fù)用光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù)技術(shù)v光時(shí)分復(fù)用是指將多個(gè)通道的低速率數(shù)字信息以時(shí)光時(shí)分復(fù)用是指將多個(gè)通道的低速率數(shù)字信息以時(shí)間分割的方式插入到同一個(gè)物理信道（光纖）中，間分割的方式插入到同一個(gè)物理信道（光纖）中，復(fù)用之后的數(shù)字信息成為高速率的數(shù)字流。光時(shí)分復(fù)用之后的數(shù)字信息成為高速率的數(shù)字流。光時(shí)分復(fù)用與電時(shí)分復(fù)用不同，光時(shí)分

3、復(fù)用的電數(shù)字信號復(fù)用與電時(shí)分復(fù)用不同，光時(shí)分復(fù)用的電數(shù)字信號還是低速率的數(shù)字流，但是復(fù)用的光信號是高速率還是低速率的數(shù)字流，但是復(fù)用的光信號是高速率的數(shù)字流，這樣就繞開了高速電子器件和半導(dǎo)體激的數(shù)字流，這樣就繞開了高速電子器件和半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制能力的限制；而電時(shí)分復(fù)用是低速率光器直接調(diào)制能力的限制；而電時(shí)分復(fù)用是低速率的電數(shù)字信號直接復(fù)用成高速率的電數(shù)字信號。的電數(shù)字信號直接復(fù)用成高速率的電數(shù)字信號。v光時(shí)分復(fù)用可分為比特間插光時(shí)分復(fù)用可分為比特間插OTDM和分組間插和分組間插OTDM兩種方法。兩種方法。1）比特間插）比特間插OTDM v比特間插OTDM的原理見圖9-1-1。在比特間插OT

4、DM幀中，每個(gè)時(shí)隙對應(yīng)一個(gè)待復(fù)用的支路信息(一個(gè)比特)，同時(shí)有一個(gè)幀脈沖信息，形成高速的OTDM信號，主要用于電路交換業(yè)務(wù)。v2 2）分組間插）分組間插OTDMOTDMv分組間插分組間插OTDMOTDM的原理見圖的原理見圖9-1-29-1-2。分組間插。分組間插OTDMOTDM幀幀中每個(gè)時(shí)隙對應(yīng)一個(gè)待復(fù)用支路的分組信息中每個(gè)時(shí)隙對應(yīng)一個(gè)待復(fù)用支路的分組信息( (若干若干個(gè)比特區(qū)個(gè)比特區(qū)) )，幀脈沖作為不同分組的界限，主要用，幀脈沖作為不同分組的界限，主要用于分組交換業(yè)務(wù)。于分組交換業(yè)務(wù)。2. 2. 光碼分復(fù)用光碼分復(fù)用(OCDM) (OCDM) 技術(shù)技術(shù)v光碼分復(fù)用光碼分復(fù)用(OCDM)(O

5、CDM)通信是將碼分多址通信技通信是將碼分多址通信技術(shù)與大容量光纖通信技術(shù)相結(jié)合的一種通信術(shù)與大容量光纖通信技術(shù)相結(jié)合的一種通信方式，它是在方式，它是在OCDMOCDM通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都擁有一個(gè)唯一的地址碼。在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的擁有一個(gè)唯一的地址碼。在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸時(shí)，首先用該地址碼數(shù)據(jù)信息進(jìn)行光調(diào)傳輸時(shí)，首先用該地址碼數(shù)據(jù)信息進(jìn)行光調(diào)制，同樣，在接收端用與發(fā)射端相同的址碼制，同樣，在接收端用與發(fā)射端相同的址碼進(jìn)行光解碼，從而實(shí)現(xiàn)用戶間的通信。進(jìn)行光解碼，從而實(shí)現(xiàn)用戶間的通信。v在OCDM中，一般只能用光強(qiáng)度作為調(diào)制信息，即相當(dāng)于(0,1)單極性碼。OCDM系統(tǒng)的地址

6、碼主要有光正交碼、素?cái)?shù)碼、二次同余碼及混合碼等。下面簡單介紹光正交碼，一個(gè)正交碼C是一串0,1序列碼，可表示為（n，a，c），其中n是碼長也稱為擴(kuò)頻系數(shù)，是碼重(碼中1的個(gè)數(shù))，a是自相關(guān)限，為任意一個(gè)碼字自相關(guān)的最大側(cè)峰值，c是互相關(guān)限，為任意兩個(gè)不同碼字之間的互相關(guān)的最大值。v如一個(gè)光正交碼C為(10，3，1，1)，則碼長為10，碼重為3，a=c=1。x是C中的一個(gè)碼字，其碼中三個(gè)“1”出現(xiàn)在0，4，7位置上，即編碼為（1，0，0，0，1，0，0，1，0，0），可以用碼字區(qū)組簡單表示為(0，4，7)。如圖9-1-3所示，當(dāng)對信息比特進(jìn)行編碼時(shí)，就要將每一比特轉(zhuǎn)換為該碼字OCDMOCDM的優(yōu)

7、點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) v在解碼過程中，不需要獲得各在解碼過程中，不需要獲得各chipchip的同步信息，只的同步信息，只要解碼器是編碼器的時(shí)域反演即可將編碼信號正確要解碼器是編碼器的時(shí)域反演即可將編碼信號正確解碼，這相對于解碼，這相對于OTDMOTDM方式大大簡化；方式大大簡化；v保密性很好，數(shù)據(jù)只能由一個(gè)特有的解碼序列來恢保密性很好，數(shù)據(jù)只能由一個(gè)特有的解碼序列來恢復(fù)，該密匙可以始終保密，如果沒有解碼器復(fù)，該密匙可以始終保密，如果沒有解碼器, ,，有，有信道的頻譜是重疊的，無法解復(fù)用；信道的頻譜是重疊的，無法解復(fù)用；v抗干擾信號的頻譜非常寬，以至窄帶噪聲和干擾信抗干擾信號的頻譜非常寬，以至窄帶噪聲和干擾

8、信號對數(shù)據(jù)的傳輸和恢復(fù)沒有明顯的影響。號對數(shù)據(jù)的傳輸和恢復(fù)沒有明顯的影響。3副載波復(fù)用副載波復(fù)用(SCM)v副載波復(fù)用（副載波復(fù)用（SCMSCM）的概念源于微波頻分復(fù)用）的概念源于微波頻分復(fù)用通信技術(shù)，它利用光纖在光載波上傳輸多信通信技術(shù)，它利用光纖在光載波上傳輸多信道微波信號。如圖道微波信號。如圖9-1-59-1-5所示所示v在副載波復(fù)用技術(shù)中，包含兩次調(diào)制，第一次是電調(diào)制，即將多個(gè)基帶信號分別調(diào)制到具有不同的微波頻率的電載波上；然后再進(jìn)行光調(diào)制，即將這些經(jīng)頻分復(fù)用的群信號調(diào)制到光載波，從而形成光信號，使之進(jìn)入光纖。同樣在接收端先進(jìn)行光解調(diào)，再進(jìn)行電解調(diào)，恢復(fù)為原各路基帶信號。由于通常稱電載

9、波為副載波，因此該復(fù)用方式簡稱為副載波復(fù)用方式。9.29.2光波分復(fù)用原理光波分復(fù)用原理v1. OWDM原理v波分復(fù)用（OWDM）是在一根光纖中同時(shí)傳輸兩種或多種不同波長的光波信號，WDM原理如圖9-2-1所示。 vn個(gè)光發(fā)送機(jī)發(fā)送出由不同波長1，2，n承載的光信號，通過光復(fù)用器耦合到同一根單模光纖中，經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，由解復(fù)用器將不同波長信號在空間上分開，分別進(jìn)入各自的光接收機(jī)。對于長途通信，還需要在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以補(bǔ)償光信號的損耗。v最初的最初的WDMWDM系統(tǒng)為系統(tǒng)為1310/1550nm1310/1550nm兩波長系統(tǒng)，兩波長系統(tǒng)，它是利用光纖的兩個(gè)低損耗窗口

10、它是利用光纖的兩個(gè)低損耗窗口1310nm 1310nm 和和1550nm1550nm各傳送一路光波信號的系統(tǒng)，主要用各傳送一路光波信號的系統(tǒng)，主要用于對原來于對原來1310nm 1310nm 系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，兩個(gè)波長之系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容，兩個(gè)波長之間的間隔達(dá)兩百多納米，通常稱為粗波分復(fù)間的間隔達(dá)兩百多納米，通常稱為粗波分復(fù)用（用（CWDMCWDM）系統(tǒng)。）系統(tǒng)。v目前的目前的WDMWDM系統(tǒng)復(fù)用的波數(shù)很多，而通道間隔系統(tǒng)復(fù)用的波數(shù)很多，而通道間隔則更小，只有則更小，只有0.82nm0.82nm，甚至小于，甚至小于0.8nm0.8nm，因，因此這樣的系統(tǒng)習(xí)慣上稱為密集波分復(fù)用此這樣的系統(tǒng)習(xí)慣上稱為密集波

11、分復(fù)用（DWDMDWDM）系統(tǒng)。）系統(tǒng)。 vDWDM系統(tǒng)廣泛用于長途通信，然而隨著技系統(tǒng)廣泛用于長途通信，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶需求的提高，現(xiàn)在也越來越術(shù)的發(fā)展，用戶需求的提高，現(xiàn)在也越來越多地將其應(yīng)用到城域網(wǎng)和接入網(wǎng)之中。多地將其應(yīng)用到城域網(wǎng)和接入網(wǎng)之中。2.WDM2.WDM系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)vWDMWDM系統(tǒng)具有以下的主要特點(diǎn)：系統(tǒng)具有以下的主要特點(diǎn)：v(1) (1) 充分利用光纖的巨大帶寬資源充分利用光纖的巨大帶寬資源v(2) (2) 同時(shí)傳輸多種不同類型的信號同時(shí)傳輸多種不同類型的信號v(3) (3) 節(jié)約線路投資節(jié)約線路投資v(4) (4) 多種應(yīng)用形式多種應(yīng)用形式v(5) (5

12、) 降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求v(6) (6) 高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性3. WDM技術(shù)的應(yīng)用形式技術(shù)的應(yīng)用形式vWDMWDM技術(shù)從傳輸方向分：技術(shù)從傳輸方向分：v單纖雙向結(jié)構(gòu)v雙纖單向結(jié)構(gòu)v如圖如圖9-2-2所示。圖所示。圖 (a)為雙向結(jié)構(gòu)，它是采用兩根為雙向結(jié)構(gòu)，它是采用兩根光纖，每根光纖中所有波長的信號都在同一方向上光纖，每根光纖中所有波長的信號都在同一方向上傳播。圖傳播。圖 (b)為雙向結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)則只用一根光纖，多為雙向結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)則只用一根光纖，多個(gè)波長的信號可以在兩個(gè)方向上同時(shí)傳播。個(gè)波長的信號可以在兩個(gè)方向上同時(shí)傳播。9.3光

13、波分復(fù)用技術(shù)光波分復(fù)用技術(shù)v1. WDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)vWDM系統(tǒng)是由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、光中繼器和光監(jiān)控與管理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖9-3-1所示為雙向結(jié)構(gòu)中其中一條單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。2.光波長區(qū)的分配光波長區(qū)的分配vWDMWDM系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)首先要解決光信號分割問系統(tǒng)的光發(fā)射機(jī)首先要解決光信號分割問題，如圖題，如圖9-3-29-3-2所示，光信號是按照頻率分割所示，光信號是按照頻率分割的，各通道的波長是固定分配的。的，各通道的波長是固定分配的。WDMWDM系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范包括：系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范包括： v1) 絕對參考頻率(AFR)和信道間隔v絕對參考頻率是為維持光信號頻率的精度和穩(wěn)定度而

14、規(guī)范的特定頻率參考。AFR的應(yīng)用包括：WDM測試設(shè)備的校準(zhǔn)、為制作和校準(zhǔn)WDM器件提供參考頻率、直接為多信道系統(tǒng)提供基準(zhǔn)頻率、控制和維持光源的工作波長。vITU-T建議G.692文件，在考慮了各國的頻率標(biāo)準(zhǔn)和國際度量衡委員會(CIPM)的相關(guān)建議的基礎(chǔ)上，確定WDM系統(tǒng)的絕對參考頻率規(guī)范為193.10THz。v關(guān)于信道間隔，G.692文件規(guī)范WDM的信道間隔為25GHz的整數(shù)信，目前優(yōu)先選用的是100GHz和50GHz信道間隔。G.652或G.655光纖系統(tǒng)是均勻間隔。G.653光纖采用非均勻間隔來抑制四波混頻效應(yīng)。2) 標(biāo)準(zhǔn)中心頻率和偏差 v為了保證不同WDM系統(tǒng)之間的橫向兼容性，必須對各個(gè)

15、通路的中心頻率進(jìn)行規(guī)范，所謂標(biāo)稱中心頻率指的是光波分復(fù)用系統(tǒng)中每個(gè)通路對應(yīng)的中心波長。標(biāo)準(zhǔn)中心頻率見表9-3-1，表中列出了在15281561nm之間，以50GHz及100GHz或以上為通路間隔。標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（50GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（100GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心波長標(biāo)準(zhǔn)中心波長(nm)標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（50GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（100GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心波長標(biāo)準(zhǔn)中心波長(nm)196.10196.101528.77194.10194.101544.53196.051529.161

16、94.051544.92196.00196.001529.55194.00194.001545.32195.951529.94193.951545.72195.90195.901530.33193.90193.901546.12195.851530.72193.851546.52195.80195.801531.12193.80193.801546.92195.751531.51193.751547.32195.70195.701531.90193.70193.701547.72195.651532.29193.651548.11195.60195.601532.68193.60193.601

17、548.51195.551533.07193.551548.91195.50195.501533.47193.50193.501549.32195.451533.86193.451549.72195.40195.401534.25193.40193.401550.12195.351534.64193.351550.52195.30195.301535.04193.30193.301550.92195.251535.43193.251551.32195.20195.201534.82193.20193.201551.72195.151536.22193.151552.12195.10195.10

18、1536.61193.10193.101552.52表9-3-1標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（50GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（100GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心波長標(biāo)準(zhǔn)中心波長(nm)標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（50GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心頻率標(biāo)準(zhǔn)中心頻率（100GHz間隔）間隔）/ THz標(biāo)準(zhǔn)中心波長標(biāo)準(zhǔn)中心波長(nm)195.051537.00193.051552.93195.00195.001537.40193.00193.001553.33194.951537.79192.951553.73194.90194.901538.19192

19、.90192.901554.13194.851538.58192.851554.54194.80194.801538.98192.80192.801554.94194.751539.37192.751555.34194.70194.701539.77192.70192.701555.75194.651540.16192.651556.15194.60194.601540.56192.60192.601556.55194.551540.95192.551556.96194.50194.501541.35192.50192.501557.36194.451541.75192.451557.7719

20、4.40194.401542.14192.40192.401558.17194.351542.54192.351558.58194.30194.301542.94192.30192.301558.98194.251543.33192.251559.39194.20194.201543.73192.20192.201559.79194.151544.13192.151560.20192.10192.101560.61中心頻率偏差v中心頻率偏差定義為標(biāo)稱中心頻率與實(shí)際中心頻率之差。由于16通路WDM系統(tǒng)的通道間隔為100GHz，最大中心頻率偏移為20GHz(約為0.16nm)。對于8通路WDM系統(tǒng)

21、，采用均勻間隔200GHz(約為1.6nm)作為通路間隔，而且為了未來向16通路系統(tǒng)升級，規(guī)定對應(yīng)的最大中心頻率偏差為20GHz(約為0.16nm)。3.光轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)光轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)vWDMWDM光的發(fā)射是采用光轉(zhuǎn)發(fā)器（光的發(fā)射是采用光轉(zhuǎn)發(fā)器（OUTOUT）技術(shù)，）技術(shù)，OUTOUT是是WDMWDM的關(guān)鍵技術(shù)之一。開放式的關(guān)鍵技術(shù)之一。開放式WDMWDM系統(tǒng)在發(fā)送端采用系統(tǒng)在發(fā)送端采用OTUOTU將非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波長，圖將非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波長，圖9-3-39-3-3是一是一個(gè)個(gè)OTUOTU的示意圖，該器件的主要作用在于把非標(biāo)準(zhǔn)的示意圖，該器件的主要作用在于把非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為的波長轉(zhuǎn)

22、換為ITU-TITU-T所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長，以滿足系所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長，以滿足系統(tǒng)的波長兼容性統(tǒng)的波長兼容性 4. 可調(diào)光濾波接收技術(shù)可調(diào)光濾波接收技術(shù)vWDMWDM系統(tǒng)的光接收端均使用了波長可調(diào)的光濾系統(tǒng)的光接收端均使用了波長可調(diào)的光濾波器，光濾波器也稱為波長選擇器。波器，光濾波器也稱為波長選擇器。v其作用是在接收端于接收器前從多信道復(fù)用其作用是在接收端于接收器前從多信道復(fù)用的光信號中選擇出一定波長的信號，以供接的光信號中選擇出一定波長的信號，以供接收機(jī)進(jìn)行接收。收機(jī)進(jìn)行接收。 v波長選擇器有波長選擇器有: :v(1)F-P(1)F-P光腔型光腔型; ;v(2)(2)介質(zhì)膜干涉型介質(zhì)膜干涉型;

23、;v(3)(3)光柵型光柵型v(4)(4)波導(dǎo)型波導(dǎo)型 v通常使用法布珀羅通常使用法布珀羅(F(FP)P)干涉儀作為光濾干涉儀作為光濾波器，其多諧振峰的傳輸特性如圖波器，其多諧振峰的傳輸特性如圖9-3-59-3-5所示。所示。 v圖圖9-3-69-3-6為電可調(diào)液晶光濾波器的結(jié)構(gòu)圖，其為電可調(diào)液晶光濾波器的結(jié)構(gòu)圖，其基本原理是用外加直流電場改變液晶分子的基本原理是用外加直流電場改變液晶分子的取向，從而改變腔中填充材料的折射率來實(shí)取向，從而改變腔中填充材料的折射率來實(shí)現(xiàn)諧振頻率的微調(diào)。兩側(cè)的透光材料鏡面涂現(xiàn)諧振頻率的微調(diào)。兩側(cè)的透光材料鏡面涂覆夾著液晶腔構(gòu)成光學(xué)諧振腔。覆夾著液晶腔構(gòu)成光學(xué)諧振腔

24、。 v圖圖9-3-79-3-7是另一種光波長選擇器，為角度可調(diào)是另一種光波長選擇器，為角度可調(diào)F-PF-P腔式濾波器?；驹茄b在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)腔式濾波器?；驹茄b在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架上的支架上的F-PF-P標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)準(zhǔn)具( (即即 F-PF-P諧振腔諧振腔) )，通過轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動支架改變動支架改變FPFP諧振腔的激光束的入射角來調(diào)諧振腔的激光束的入射角來調(diào)整諧振波長。整諧振波長。9.4 光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器v光波分復(fù)用器是實(shí)現(xiàn)不同的光信號合波和分光波分復(fù)用器是實(shí)現(xiàn)不同的光信號合波和分波的器件。光波分復(fù)用器分為發(fā)端的合波器波的器件。光波分復(fù)用器分為發(fā)端的合波器和收端的分波器。合波器又稱復(fù)用器，

25、其功和收端的分波器。合波器又稱復(fù)用器，其功能是將滿足能是將滿足G.692G.692規(guī)范的多個(gè)單通路光信號合規(guī)范的多個(gè)單通路光信號合成為一路合波信號，然后耦合進(jìn)同一根光纖成為一路合波信號，然后耦合進(jìn)同一根光纖傳輸。分波器又稱解復(fù)用器，它的作用是在傳輸。分波器又稱解復(fù)用器，它的作用是在收端將一根光纖傳輸?shù)暮喜ㄐ盘栐龠€原成單收端將一根光纖傳輸?shù)暮喜ㄐ盘栐龠€原成單路波長光信號，然后分別耦合進(jìn)不同的光纖。路波長光信號，然后分別耦合進(jìn)不同的光纖。光波分復(fù)用器是光波分復(fù)用器是WDMWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。 v光波分復(fù)用器的種類很多。應(yīng)用不同的領(lǐng)域，光波分復(fù)用器的種類很多。應(yīng)用不同的領(lǐng)域，WDM

26、WDM器件的技術(shù)要求和制造方法都不相同，大器件的技術(shù)要求和制造方法都不相同，大致可分為：致可分為：v熔錐光纖型熔錐光纖型v介質(zhì)膜干涉型介質(zhì)膜干涉型v光柵型光柵型v波導(dǎo)型波導(dǎo)型1.熔維光纖型熔維光纖型v這是最早使用的一種波分復(fù)用器。熔錐型波這是最早使用的一種波分復(fù)用器。熔錐型波分復(fù)用器的原理有人用瞬逝波理論描述。分復(fù)用器的原理有人用瞬逝波理論描述。v當(dāng)兩根單模光纖的纖芯充分靠近時(shí)，單模光當(dāng)兩根單模光纖的纖芯充分靠近時(shí)，單模光纖中的兩個(gè)基模纖中的兩個(gè)基模(LP01 (LP01 橫電橫磁混合模橫電橫磁混合模) )會通會通過瞬逝波產(chǎn)生相互耦合，在一定的耦合系數(shù)過瞬逝波產(chǎn)生相互耦合，在一定的耦合系數(shù)和耦

27、合長度下，便可以造成不同波長成分的和耦合長度下，便可以造成不同波長成分的波道分離，而實(shí)現(xiàn)分波效果。波道分離，而實(shí)現(xiàn)分波效果。 v熔錐光纖波分復(fù)用器的制作與結(jié)構(gòu)參見圖9-4-1，圖9-4-1 (a)為熔錐型波分復(fù)用器制作裝置的示意圖，圖中的夾具一方面是使兩根光纖預(yù)先靠緊，同時(shí)又起控制光纖耦合距離的作用，合適的耦合系數(shù)則直接由通光監(jiān)測來控制。圖9-4-1 (b)為成品的示意圖。v熔錐光纖波分復(fù)用器具有可逆性，因此也能用于分波。利用熔錐技術(shù)很容易制成1310nm/1550nm、1480nm/1550nm、980nm/1550nm等二波長WDM器件，而且被廣泛采用，它的最大優(yōu)點(diǎn)是插入損耗非常低，可小于

28、0.1dB。2.介質(zhì)膜干涉型介質(zhì)膜干涉型v介質(zhì)膜干涉型波分復(fù)用器的基本單元由玻璃介質(zhì)膜干涉型波分復(fù)用器的基本單元由玻璃襯底上交替地鍍上折射率不同的兩種光學(xué)薄襯底上交替地鍍上折射率不同的兩種光學(xué)薄膜制成，它實(shí)際上就是光學(xué)儀器中廣范應(yīng)用膜制成，它實(shí)際上就是光學(xué)儀器中廣范應(yīng)用的增透膜，如圖的增透膜，如圖9-4-29-4-2所示。所示。3.光柵型光波分復(fù)用器v所謂光柵是指在一塊能夠透射或反射的平面上刻劃平行且等距的槽痕，形成許多具有相同間隔的狹縫。當(dāng)含有多波長的光信號在通過光柵時(shí)產(chǎn)生衍射，不同波長成分的光信號將以不同的角度出射，因此，該器件與棱鏡的作用一樣，均屬角色散型器件。v用于用于WDMWDM中的

29、主要是閃耀光柵，它的刻槽具有一定的中的主要是閃耀光柵，它的刻槽具有一定的形狀，如圖形狀，如圖9-4-49-4-4中所示的小階梯，當(dāng)光纖陣列中某中所示的小階梯，當(dāng)光纖陣列中某根輸入光纖中的光信號經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，以平行光束根輸入光纖中的光信號經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，以平行光束射向閃耀光柵。由于光柵的衍射作用，不同波長的射向閃耀光柵。由于光柵的衍射作用，不同波長的光信號以方向略有差異的各種平行光束返回透鏡傳光信號以方向略有差異的各種平行光束返回透鏡傳輸，再經(jīng)透鏡聚焦后，以一定規(guī)律分別注入輸出光輸，再經(jīng)透鏡聚焦后，以一定規(guī)律分別注入輸出光纖之中。纖之中。 v在圖9-4-4中的透鏡一般采用體積較小的自聚焦透鏡，見圖

30、9-4-5。若將光柵直接刻制在透鏡端面，則可使器件結(jié)構(gòu)更加緊湊，穩(wěn)定性大大提高。所謂自聚焦透鏡是一種具有漸變折射率分布的光纖，由于它對光線具有會聚作用，因而具有透鏡的性質(zhì)。如果截取1/4的長度并將端面研磨拋光，即形成了自聚焦透鏡，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直或聚焦。自聚焦透鏡常用S或GRIN表示。4.4.陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG)(AWG)型光波分復(fù)用器型光波分復(fù)用器v波導(dǎo)陣列型光柵波導(dǎo)陣列型光柵(Arrayed Waveguide Grating (Arrayed Waveguide Grating ，AWG)AWG)器件的結(jié)構(gòu)如圖器件的結(jié)構(gòu)如圖9-4-79-4-7所示。所示。v由輸入輸出波導(dǎo)群、兩個(gè)

31、盤形波導(dǎo)及AWG一起集成在襯底上而構(gòu)成。各波導(dǎo)路徑長度差所產(chǎn)生的效應(yīng)與閃耀光柵溝槽作用相當(dāng)，從而起到“光柵”之用，輸入和輸出端通過扇形波導(dǎo)與AWG相連。當(dāng)某根輸入光纖中含有多波長信號時(shí)，則在輸出端的各光纖中分別具有相關(guān)波長的光信號。 v這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)乃至上百個(gè)波長的復(fù)這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)數(shù)十個(gè)乃至上百個(gè)波長的復(fù)用與解復(fù)用，其原因是利用了用與解復(fù)用，其原因是利用了NN矩陣形式，矩陣形式，即在即在N個(gè)不同波長上可同時(shí)傳輸個(gè)不同波長上可同時(shí)傳輸NN路光信路光信號。號。vAWG型光波分復(fù)用器具有波長間隔小、信道型光波分復(fù)用器具有波長間隔小、信道數(shù)多、通帶平坦等優(yōu)點(diǎn)，非常適合超高速、數(shù)多、通帶平坦等優(yōu)點(diǎn)

32、，非常適合超高速、大容量大容量WDM系統(tǒng)使用，因此已成為目前研制、系統(tǒng)使用，因此已成為目前研制、開發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)。開發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)。9.5 WDM9.5 WDM光傳送網(wǎng)光傳送網(wǎng)v1. WDM光傳送網(wǎng)與通信網(wǎng)的關(guān)系光傳送網(wǎng)與通信網(wǎng)的關(guān)系v從圖中可以看出，最下層就是光傳送層。最上層是業(yè)務(wù)層，各種不同業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供不同的業(yè)務(wù)信號，如視頻、音頻和數(shù)據(jù)信號，業(yè)務(wù)層直接為電交換/復(fù)用層提供服務(wù)內(nèi)容，最后要通過光傳送/網(wǎng)絡(luò)層在光域上進(jìn)行信號傳輸?？梢姼鲗又g的關(guān)系與SDH傳送網(wǎng)是相同的，即下層為上層提供支持手段，上層為下層提供服務(wù)內(nèi)容。2. WDM光傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)光傳送網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)按照G.805建議的規(guī)定，從垂

33、直方向上光傳送網(wǎng)分為光通道(OCH)層、光復(fù)用段(OMS)層和光傳輸段(OTS)層三個(gè)獨(dú)立層網(wǎng)絡(luò)，它們之間的關(guān)系如圖9-5-2所示。3. WDM網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備v1）光分插復(fù)用器）光分插復(fù)用器(OADM)vOAMD的主要功能包括：波長上、下話路的的主要功能包括：波長上、下話路的功能、具有波長轉(zhuǎn)換功能、具有光中繼放大功能、具有波長轉(zhuǎn)換功能、具有光中繼放大和功率平衡功能、提供復(fù)用段和通道保護(hù)倒和功率平衡功能、提供復(fù)用段和通道保護(hù)倒換功能、具有多業(yè)務(wù)接入功能等。換功能、具有多業(yè)務(wù)接入功能等。v分插復(fù)用單元是OADM的基本功能單元，其構(gòu)成方案有很多，歸納起來主要有以下四種形式：v分波器、空

34、間交換單元和合波器組成的OADM；v耦合單元、濾波單元和合波器構(gòu)成的OADM；v電聲光可調(diào)濾波器耦合單元、濾波單元和合波器構(gòu)成的OADMv波長光柵路由器（WGR）構(gòu)成的OADM。v下面簡單介紹分波器、空間交換單元和合波器組成的OADM。圖9-5-4為基于分波器、空間交換單元和合波器組成的OADM結(jié)構(gòu)示意圖。2）光數(shù)字交叉連接器（OXC） vOXC是一種光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它可在光層上進(jìn)行交叉連接和靈活的上下話路操作，同時(shí)還提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理功能，它是實(shí)現(xiàn)可靠地網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)以及自動配線和監(jiān)控的重要手段。vOXC的主要功能是可以在光纖和波長兩個(gè)層面上為網(wǎng)絡(luò)提供帶寬管理，如動態(tài)重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)、提供光信道的

35、交叉連接以及本地上下話路操作、動態(tài)調(diào)節(jié)各個(gè)光纖中的流量分布等。同時(shí)在出現(xiàn)斷纖故障時(shí)，OXC還能提供1+1光復(fù)用段保護(hù)，即使用其中的光開關(guān)將原主用信道中所傳輸?shù)男盘柕箵Q到備用信道上，而當(dāng)故障排除之后再倒換回主用信道，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)功能。如果在出現(xiàn)故障線路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間啟用波長轉(zhuǎn)換，那么可通過波長路由重新選擇功能來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。9.6 WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)vWDMWDM系統(tǒng)的性能，除了插入損耗和分配損耗以系統(tǒng)的性能，除了插入損耗和分配損耗以及噪聲等影響因素之外，最大的影響因素是及噪聲等影響因素之外，最大的影響因素是信道串?dāng)_信道串?dāng)_ ，常分為常分為：v1) 1) 線性串?dāng)_線性串?dāng)_

36、v2) 2) 非線性串?dāng)_非線性串?dāng)_四波混頻現(xiàn)象四波混頻現(xiàn)象 v四波混頻四波混頻(Four Wave Mixing(Four Wave Mixing，F(xiàn)WM)FWM)是指兩個(gè)是指兩個(gè)以上不同波長的光信號在光纖的非線性影響以上不同波長的光信號在光纖的非線性影響下，除了原始的波長信號外還會產(chǎn)生許多原下，除了原始的波長信號外還會產(chǎn)生許多原始波長之外的混合成分始波長之外的混合成分( (或叫邊帶或叫邊帶) )。v圖圖9-6-1為兩個(gè)波長為兩個(gè)波長f1和和f2的四波混頻，從圖上可以清楚地看的四波混頻，從圖上可以清楚地看到由于四波混頻產(chǎn)生了兩個(gè)新的頻率到由于四波混頻產(chǎn)生了兩個(gè)新的頻率2f1 -f2和和2f2

37、f1，N個(gè)個(gè)原始波長信號頻率四波混頻將會產(chǎn)生更多個(gè)額外的波長信號。原始波長信號頻率四波混頻將會產(chǎn)生更多個(gè)額外的波長信號。四波混頻邊帶的出現(xiàn)會導(dǎo)致信號功率的大量耗散。當(dāng)各通路四波混頻邊帶的出現(xiàn)會導(dǎo)致信號功率的大量耗散。當(dāng)各通路按相等的間隔分開時(shí)混頻產(chǎn)物直接落到信號通路上，則會引按相等的間隔分開時(shí)混頻產(chǎn)物直接落到信號通路上，則會引起信號脈沖幅度的衰減，致使接收器輸出的眼圖開啟程度減起信號脈沖幅度的衰減，致使接收器輸出的眼圖開啟程度減小，于是誤碼性能降低。小，于是誤碼性能降低。1.復(fù)用路數(shù)與波長范圍的選擇v原則上講，WDM系統(tǒng)允許的復(fù)用路數(shù)越多，通信成本就越低。WDM系統(tǒng)的最大復(fù)用路數(shù)取決于兩個(gè)因素

38、：信道最大可利用帶寬和最小信道間隔。信道最大可利用帶寬受制于光放大器的平坦增益帶寬。我們這里講的平坦增益帶寬是指增益波動不超過1dB的波長范圍。目前WDM系統(tǒng)中實(shí)用的光放大器是EDFA。典型的EDFA(高摻鋁)增益譜線如圖9-6-2所示。vEDFAEDFA的最大可利用帶寬要分成兩種情況：的最大可利用帶寬要分成兩種情況：v 20nm20nm帶寬，即帶寬，即154015401560nm1560nm范圍，無須進(jìn)行通范圍，無須進(jìn)行通帶平坦化處理。帶平坦化處理。v 32nm32nm，即，即1528.771528.771560.61nm1560.61nm范圍，需要進(jìn)行范圍，需要進(jìn)行通帶平坦化處理。通帶平坦化處理。v如上所述給出表9-6-1，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。表中加*是現(xiàn)在的ITU-T文件沒有這樣的復(fù)用路數(shù)，但是不存在妨礙未來全光網(wǎng)絡(luò)的光路標(biāo)準(zhǔn)化問題和設(shè)計(jì)應(yīng)用。表9-6-1 復(fù)用路數(shù)、波長范圍、信道間隔及所用器件的選擇2. 速率等級的選擇速率等級的選擇v單通道系統(tǒng)的傳輸速率取決于通信容量的需單通道系統(tǒng)的傳輸速率取決于通信容量的需求和通信成本的合理化。求和通信成本的合理化。 v等級選擇的原則性意見是：站間距離長，總等級選擇的原