WDM 技術和要求

1、第1章 WDM概述1.1 WDM技術的產(chǎn)生背景1.1.1 光網(wǎng)絡復用技術的發(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。所謂復用技術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技術的應用很廣泛，缺點是線路利用率較低；W

2、DM技術在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，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（）博士大力倡導波分復用（DWDM）技術，兩波長WDM（13101550nm）系統(tǒng)80年代就在美國AT&T網(wǎng)中使用，速率為2×1.7G

3、bs。但是到90年代中期，WDM系統(tǒng)發(fā)展速度并不快.從技術和經(jīng)濟的角度，DWDM技術是目前最經(jīng)濟可行的擴容技術手段。 WDMWDM又叫波分復用技術，是新一代的超高速的光纜技術，所謂波分復用技術，就是在單一光纖內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X可以復用不同數(shù)量的波長。通信系統(tǒng)的設計不同，每個波長之間的間隔寬度

4、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 到1.2nm，所以相對于DWDM，CWDM稱為稀疏波分復用技術。 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。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。1.2 光波分復用和解復用器件的技術概述光波分復用器與解復用器屬

5、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

6、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 01所示。圖 01 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）介質薄膜型波分復用器介質薄膜型波分復用器由薄膜濾波器（TFF）構成。TFF由幾十層不同材料、不同折射率和不同厚度的介質膜組合而成。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，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 02所示。圖

7、02 介質薄膜型波分復用器原理圖介質薄膜型波分復用器是一種結構穩(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為基礎的平面波導型器件，工作原理如圖 03所示。圖 03 陣列波導型復用器原理圖AWG結構緊湊，插損小，是光傳送網(wǎng)絡中實現(xiàn)合分波的優(yōu)選方案。（4）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 04所示。圖 04 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

8、，但是引入損耗較大。2DWDM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系如表 01所示。表 01 DWDM系統(tǒng)與光波分復用器件的對應關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-陣列波導型介質薄膜型-光柵型-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。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

9、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)僅對波長敏感型器件（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偏振相關損耗（PDL）偏振相關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，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。6溫度系數(shù)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

10、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。l-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。l-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1550n

11、m窗口，如圖 1.31所示。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 1.31 光纖通信中的低損窗口1850nm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)務。21310nm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/km0.4

12、dB/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)31550nm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1460nm1625nm，平均損耗0.19dB/km0.25dB/km。1550nm窗口的損耗最低，可用于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 1.32所示。圖

13、 1.32 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)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。18

14、/16/32/40/48波系統(tǒng)工作波長范圍：C波段（1530nm1565nm）頻率范圍：191.3THz196.0THz通路間隔：100 GHz中心頻率偏差：±20GHz（速率低于2.5Gbit/s）；±12.5GHz（速率10Gbit/s）280/96波系統(tǒng)工作波長范圍：C波段（1530nm1565nm）頻率范圍：C波段（191.30THz196.05THz）通路間隔：50GHz中心頻率偏差：±5GHz3160/176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 THz196.05 TH

15、z），共96波；L波段（186.95 THz190.90 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01所示。表01 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_1194.11544.532

16、C100_1192.21559.7922C100_1194.21543.733C100_1192.31558.9823C100_1194.31542.944C100_1192.41558.1724C100_1194.41542.145C100_1192.51557.3625C100_1194.51541.356C100_1192.61556.5526C100_1194.61540.567C100_1192.71555.7527C100_1194.71539.778C100_1192.81554.9428C100_1194.81538.989C100_1192.91554.1329C100_11

17、94.91538.1910C100_1193.01553.3330C100_1195.01537.4011C100_1193.11552.5231C100_1195.11536.6112C100_1193.21551.7232C100_1195.21535.8213C100_1193.31550.9233C100_1195.31535.0414C100_1193.41550.1234C100_1195.41534.2515C100_1193.51549.3235C100_1195.51533.4716C100_1193.61548.5136C100_1195.61532.6817C100_11

18、93.71547.7237C100_1195.71531.9018C100_1193.81546.9238C100_1195.81531.1219C100_1193.91546.1239C100_1195.91530.3320C100_1194.01545.3240C100_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。l復用通路為8波時，通路間隔為20

19、0GHz。l復用通路為16波/32波/40/48波時，通路間隔為100GHz。l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±20GHz

20、（約±0.16nm）；速率為10Gbit/s時，最大中心頻率偏移為±12.5GHz。50GHz頻率間隔的系統(tǒng)，最大中心頻率偏移為±5GHz。（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的功率值的絕對值：P dBm=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

21、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，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)技術的經(jīng)濟性與有效性，使之成為當前光

22、纖通信網(wǎng)絡最廣泛使用的光波復用技術。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在20世紀70年代初時僅用兩個波長：1310nm窗口一個波長，1550nm窗口一個波長，利用WDM技術實現(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技術是指相鄰波長間隔較小的WDM技術，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)。圖 1.61 DWDM系統(tǒng)示意圖（3）粗波分復用（C

23、WDM）CWDM技術是指相鄰波長間隔較大的WDM技術，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）密集波分復用技術是在波長1550nm窗口附近，在EDFA能提供增益的波長范圍內，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

24、各自受不同數(shù)字信號的調制，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 1.71所示。圖 1.71 DWDM載波波長間隔DWDM設備通常由五部分組成，如圖 1.72所示。圖 1.72 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 1.81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.

25、81 DWDM傳輸容量巨大 2超長的傳輸距離利用摻鉺光纖放大器（EDFA）等多種超長距傳輸技術，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。隨著技術的不斷發(fā)展，DWDM系統(tǒng)的工

26、作波長可覆蓋C、L波段，間隔50GHz。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、超強前向糾錯技術（FEC）、色散管理技術、光均衡技術以及高效的調制格式等，可從目前的600km左右擴展到2000km以上。2.0摻鉺光纖放大器（EDFA）技術EDFA技術原理1放大原理鉺（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，形成摻鉺光纖。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。用來做為激勵的

27、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 01為摻鉺光纖放大器的原理圖。圖 01 摻鉺光纖放大器放大原理圖2組成EDFA主要由鉺摻雜光纖（EDF）、泵浦光源、WDM耦合器、隔離器等部件組成，結構如圖 02所示。圖 02 摻鉺光纖放大器的組成WDM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的關系1CWDM和DWDM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

28、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）0.1330.1350.1370.1390.1410.1430 1450/），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。2CWDM和DWDM的通道間隔CWDM的通道間隔是20nm。DWDM的通道間隔是0.42nm。3CWDM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。4CWDM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的帶寬。所以CWDM設備可以節(jié)省大量的光纖，