第七章 光波分復(fù)用系統(tǒng)

1、光纖通信與數(shù)字傳輸光纖通信與數(shù)字傳輸 南京郵電大學(xué)南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院通信與信息工程學(xué)院 通信與信息工程 學(xué)院 2 本章要點(diǎn) 本章主要介紹以波分復(fù)用（WDM）為代表的多 信道光纖通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，以及光時(shí)分復(fù)用 （OTDM）技術(shù)原理。 本章教學(xué)課時(shí)為4學(xué)時(shí)。 通信與信息工程 學(xué)院 3 7.1 光波分復(fù)用的基本概念 回憶：復(fù)用的主要技術(shù) 光通信中 TDM 的優(yōu)缺點(diǎn) WDM/FDM 的引入 通信與信息工程 學(xué)院 4 7.1.1 光波分復(fù)用的基本概念 光波分復(fù)用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)是在一根光纖上能同時(shí)傳送多波長 光信號(hào)的一項(xiàng)

2、技術(shù)。它是在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào) 組合起來（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖 中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號(hào)分開（解 復(fù)用）并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)送入不同的終端。 因此，此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù)用 （WDM）技術(shù)。 通信與信息工程 學(xué)院 5 圖7-1 單模光纖的帶寬資源 可用譜寬可用譜寬 (dB/km) (nm) 1300140015001600 1260136014801580 通信與信息工程 學(xué)院 6 續(xù)圖7-1 單模光纖的帶寬資源 由圖7-1可見，1310nm波長段和1550nm波長段 一共約有200nm低損耗區(qū)可用，這相當(dāng)于30THz的 頻帶寬

3、度。但在目前的實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中由于光 纖色散和調(diào)制速率的限制，單信道TDM系統(tǒng)的通信 速率一般被限制在1040Gbit/s或以下，所以單模光 纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發(fā)。 通信與信息工程 學(xué)院 7 WDM 與 DWDM 由于目前一些光器件和相關(guān)技術(shù)還不十分成熟，因此要 實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的復(fù)用（稱為光頻分復(fù)用）還較為困難。 在這種情況下，把在光纖同一低損耗窗口中信道間隔較小的 波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）*。 WDM技術(shù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容升級(jí)、發(fā)展各種寬帶業(yè)務(wù)以 及充分發(fā)掘光纖帶寬潛力具有十分重要的意義

4、。 與之對(duì)應(yīng)的城域網(wǎng)中信道間隔較大(20nm)的稱為稀疏波分復(fù) 用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing). 通信與信息工程 學(xué)院 8 7.1.2 WDM系統(tǒng)的基本形式 1. 雙纖單向傳輸 2. 單纖雙向傳輸 3. 光分路插入傳輸 通信與信息工程 學(xué)院 9 圖7-2 雙纖單向傳輸示意圖 Tx1 Rx2n Rxn+1 Txn 1 2n n+1 n Rx1 Tx2n Txn+1 Rxn 1 2n n+1 n 解 復(fù) 用 器 解 復(fù) 用 器 復(fù) 用 器 復(fù) 用 器 光纖放大器 11n n+12n 光纖放大器 通信與信息工程 學(xué)院 10 圖7-3 單

5、纖雙向傳輸示意圖 Tx1 Rx2n Rxn+1 Txn 1 2n n+1 n Rx1 Tx2n Txn+1 Rxn 1 2n n+1 n 解 復(fù) 用 器 解 復(fù) 用 器 復(fù) 用 器 復(fù) 用 器 光纖放大器 11n n+12n 通信與信息工程 學(xué)院 11 4 2 3 1 32, 43, 光發(fā) 射機(jī) 光分插 復(fù)用器 OADM 光分插 復(fù)用器 OADM 光接 收機(jī) 光接 收機(jī) 光發(fā) 射機(jī) 光纖 光纖光纖 21, 圖7-4 光分路插入傳輸 通信與信息工程 學(xué)院 12 7.2.1 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) WDM系統(tǒng)主要由以下五個(gè)部分組成：光發(fā)送機(jī)、 光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系 統(tǒng)。WDM

6、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-5所示。 7.2 WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 通信與信息工程 學(xué)院 13 光 合 波 器 光轉(zhuǎn)發(fā)器1 1 光轉(zhuǎn)發(fā)器2 n BA 光監(jiān)控信 道發(fā)送器 光發(fā)送機(jī) 1 n 光纖 光接收機(jī) s 光 分 波 器 光接收1 l n PA 光接收2 1 n 光纖 光監(jiān)控信 道接收器 s LA 光監(jiān)控信道 接收/ 發(fā)送器 ss 光中繼放大 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng) 圖7-5 WDM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖（單向） 通信與信息工程 學(xué)院 14 7.2.2 WDM系統(tǒng)的分類方法 根據(jù)WDM線路系統(tǒng)中是否設(shè)置有EDFA，可以將 WDM線路系統(tǒng)分為有線路光放大器WDM系統(tǒng)和無線 路光放大器WDM系統(tǒng)。 通

7、信與信息工程 學(xué)院 15 Tx1 Txn Tx2 Rx1 Rxn Rx2 OA /OD OM /OA OA S1 R MPI-S RM1 fn Sn f2 S2 f1 RMn RM2 Rn R2 R1 S MPI-R SD1 SDn SD2 *圖中給出的各參考點(diǎn)釋義見表7-1 圖7-6 有線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置 通信與信息工程 學(xué)院 16 有線路光放大器WDM系統(tǒng)的分類與應(yīng)用代碼 應(yīng)用代碼一般采用以下方式構(gòu)成：nWx-yz，其中 n是最大波長數(shù)目 W代表傳輸區(qū)段（WL，V或U分別代表長距離、很長距 離和超長距離） x表示所允許的最大區(qū)段數(shù)（x1） y是該波長信號(hào)的最大比特率（y4或1

8、6分別代表STM-4 或STM-16） z代表光纖類型（z2，3，5分別代表G.652，G.653或 G.655光纖） 通信與信息工程 學(xué)院 17 表7-2 有線路放大器WDM系統(tǒng)的應(yīng)用代碼 應(yīng) 用 長距離區(qū)段 （每個(gè)區(qū)段的目標(biāo)距離為 80km） 很長距離區(qū)段 （每個(gè)區(qū)段的目標(biāo)距離為 120km） 區(qū)段數(shù)5835 4波長4L5-yz4L8-yz4V3-yz4V5-yz 8波長8L5-yz4L8-yz8V3-yz8V5-yz 16波長16L5-yz16L8-yz16V3-yz16V5-yz 通信與信息工程 學(xué)院 18 圖7-7無線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置 Tx1 Txn Tx2 Rx1 R

9、xn Rx2 OA /OD OM /OA S1 MPI-S RM1 fn Sn f2 S2 f1 RMn RM2 Rn R2 R1 MPI-R SD1 SDn SD2 *圖中給出的各參考點(diǎn)釋義見表7-3 通信與信息工程 學(xué)院 19 7.2.3 光波長區(qū)的分配 目前在SiO2光纖上，光信號(hào)的傳輸都在光纖的兩 個(gè)低損耗區(qū)段，即1310nm和1550nm。但由于目前 常用的EDFA的工作波長范圍為15301565nm。因 此，光波分復(fù)用系統(tǒng)的工作波長主要為1530 1565nm。在這有限的波長區(qū)內(nèi)如何有效地進(jìn)行通路 分配，關(guān)系到提高帶寬資源的利用率及減少相鄰?fù)?路間的非線性影響等。 通信與信息工程

10、學(xué)院 20 1. 標(biāo)稱中心頻率和最小通路間隔 為了保證不同WDM系統(tǒng)之間的橫向兼容性，必 須對(duì)各個(gè)通路的中心頻率進(jìn)行規(guī)范。所謂標(biāo)稱中心 頻率是指光波分復(fù)用系統(tǒng)中每個(gè)通路對(duì)應(yīng)的中心波 長。目前國際上規(guī)定的通路頻率是基于參考頻率為 193.1THz，最小間隔為100GHz的頻率間隔系列。 通信與信息工程 學(xué)院 21 2. 通路分配表 16通路WDM系統(tǒng)的16個(gè)光通路的中心波長應(yīng)滿 足表7-4的要求，8通路的WDM系統(tǒng)的8個(gè)光通路的 中心波長應(yīng)選擇表中標(biāo)有*的波長。 通信與信息工程 學(xué)院 22 表7-4 16通路和8通路WDM系統(tǒng)中心頻率 序號(hào)標(biāo)稱中心頻率（THz）標(biāo)稱中心波長（nm） 1192.1

11、01560.61* 2192.201559.79 3192.301558.98* 4192.401558.17 5192.501557.36* 6192.601556.55 7192.701555.75* 8192.801554.94 9192.901554.13* 10193.001553.33 11193.101552.52* 12193.201551.72 13193.301550.92 14193.401550.12* 15193.501549.32 16193.601548.51* 通信與信息工程 學(xué)院 23 更多波長的考慮 隨著各種新業(yè)務(wù)對(duì)WDM系統(tǒng)容量的更高要求，32波 乃至更多

12、波長數(shù)的WDM系統(tǒng)已經(jīng)成熟，其頻率間隔已經(jīng) 縮小到50GHz。 32通路或更高容量的DWDM系統(tǒng)的波長分配可參見 ITU-T和國標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 為了滿足未來通信業(yè)務(wù)的需要，已經(jīng)提出間隔低至 12.5GHz的系統(tǒng)方案。 密集的信道間隔對(duì)于光源波長的穩(wěn)定度、精確度和復(fù) 用/解復(fù)用器的性能指標(biāo)提出了更高的要求 通信與信息工程 學(xué)院 24 3. 中心頻率偏差 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。對(duì)于16通路WDM系統(tǒng)，通道間隔為100GHz （約0.8nm），最大中心頻率偏移為20GHz（約為 0.16nm）；對(duì)于8通路WDM系統(tǒng)，通道間隔為 200GHz（約為1.6nm）。為了未來向1

13、6通道系統(tǒng)升 級(jí)，也規(guī)定對(duì)應(yīng)的最大中心頻率偏差為20GHz。 通信與信息工程 學(xué)院 25 7.3 光波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) WDM系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)增加通信容量、信息網(wǎng)絡(luò)的 建設(shè)有重大意義。但是目前還存在一些技術(shù)問題。 例如對(duì)于激光器的波長及其穩(wěn)定性要求較高；光纖 的非線性對(duì)光放大器的輸出功率有很大的限制； “四波混頻”效應(yīng)會(huì)造成信道間的串?dāng)_；光纖的色 散效應(yīng)限制了信道速率的提高；如何監(jiān)測(cè)線路光放 大器等問題。 通信與信息工程 學(xué)院 26 7.3.1 WDM系統(tǒng)的幾個(gè)技術(shù)問題 1. 光源的波長準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度問題 2. 光信道的串?dāng)_問題 3. 光纖色散對(duì)傳輸?shù)挠绊憜栴} 4. 光纖的非線性效應(yīng)問題 5.

14、 EDFA的動(dòng)態(tài)可調(diào)整增益與鎖定問題 6. EDFA的增益平坦問題 7. EDFA的光浪涌問題 8. EDFA級(jí)聯(lián)使用時(shí)的噪聲積累問題 通信與信息工程 學(xué)院 27 1. 光源的波長準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度問題 在WDM系統(tǒng)中，必須對(duì)光源的波長進(jìn)行精確的 設(shè)定和控制，否則波長的漂移必然會(huì)造成系統(tǒng)無法 穩(wěn)定、可靠地工作。所以要求在WDM系統(tǒng)中要有配 套的波長監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定技術(shù)。目前采用的主要方法有 溫度反饋控制法和波長反饋控制法來達(dá)到控制與穩(wěn) 定波長的目的。 通信與信息工程 學(xué)院 28 2. 光信道的串?dāng)_問題 光信道的串?dāng)_是影響接收機(jī)的靈敏度的重要因 素。信道間的串?dāng)_大小主要取決于光纖的非線性和 復(fù)用器的濾波特

15、性。在信道間隔為1.6nm或0.8nm的 情況下，目前使用的光解復(fù)用器在系統(tǒng)中可以保證 光信道間的隔離度大于25dB，可以滿足WDM系統(tǒng)的 要求，但對(duì)更高速率的系統(tǒng)尚待研究。 通信與信息工程 學(xué)院 29 3. 光纖色散對(duì)傳輸?shù)挠绊憜栴} 在系統(tǒng)中采用了EDFA后，衰減問題得到了解決， 傳輸距離大大增加，但是色散也隨之增加，系統(tǒng)的 無中繼傳輸距離由原來的受衰減限制變?yōu)榱耸苌?限制。因此對(duì)于高速光纖通信而言，光纖的色散效 應(yīng)成為一個(gè)主要的限制因素必須解決，否則無法實(shí) 現(xiàn)長距離通信。 通信與信息工程 學(xué)院 30 4. 光纖的非線性效應(yīng)問題 對(duì)于常規(guī)的單信道光纖通信系統(tǒng)來說，入纖光 功率較小，光纖呈線

16、性狀態(tài)傳輸，各種非線性效應(yīng) 對(duì)系統(tǒng)的影響較小，甚至可以忽略。但在WDM系統(tǒng) 中，隨著EDFA等放大器的使用，入纖的光功率顯著 增大，光纖在一定條件下將呈現(xiàn)非線性特性，會(huì)對(duì) 系統(tǒng)的性能，包括信道間串?dāng)_和接收機(jī)靈敏度等產(chǎn) 生影響。 通信與信息工程 學(xué)院 31 5.EDFA的動(dòng)態(tài)可調(diào)整增益與鎖定問題 在WDM系統(tǒng)中，各光信道之間的信號(hào)傳輸功率有可 能發(fā)生起伏變化，這就要求EDFA能夠根據(jù)信號(hào)的變化， 實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的工作狀態(tài)，從而減少信號(hào)波動(dòng)的 影響，保證整個(gè)信道的穩(wěn)定。在WDM系統(tǒng)中，如果有一 個(gè)或幾個(gè)信道的輸入光功率發(fā)生變化甚至輸入中斷時(shí)， 剩下的信道增益即輸出功率會(huì)產(chǎn)生躍變，甚至?xí)鹁€

17、路阻塞。所以EDFA必須具有增益鎖定功能來避免某些信 道完全斷路時(shí)對(duì)其他信道的影響。 通信與信息工程 學(xué)院 32 6. EDFA的增益平坦問題 WDM系統(tǒng)中，因各信道的波長不同而有增益偏 差，經(jīng)過多級(jí)放大后，增益偏差積累使各信道信號(hào) 特性惡化，最終造成整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。因此， 要使各信道上的增益偏差處在允許范圍內(nèi)，放大器 的增益必須平坦。 通信與信息工程 學(xué)院 33 7. EDFA的光浪涌問題 EDFA的采用可使輸入光功率迅速增大，但由于 EDFA的動(dòng)態(tài)增益變化較慢，在輸入信號(hào)跳變的瞬間 將產(chǎn)生浪涌即輸出光功率出現(xiàn)“尖峰”。峰值光功 率可達(dá)數(shù)瓦，有可能造成光/電變換器和光連接器的 損壞。

18、通信與信息工程 學(xué)院 34 8.EDFA級(jí)聯(lián)使用時(shí)的噪聲積累問題 信號(hào)經(jīng)過EDFA傳輸后，信噪比會(huì)產(chǎn)生劣化，且 信噪比的劣化與級(jí)聯(lián)的EDFA的數(shù)量和放大器之間的 光纖段跨距有關(guān)，跨距越大，信噪比劣化越嚴(yán)重。 所以，放大器之間的光纖段跨距一般控制在80 120km之內(nèi)，以保證信號(hào)傳輸性能對(duì)信噪比的要求。 通信與信息工程 學(xué)院 35 7.3.2 光源技術(shù) 對(duì)WDM系統(tǒng)采用的光源技術(shù)主要有： 波長可調(diào)諧激光器 波長可調(diào)諧濾波器 高精度光源 外調(diào)制技術(shù) 思考：從系統(tǒng)成本和復(fù)雜度角度考慮：多波長激 光器陣列和可調(diào)諧激光器哪一種方案更好一些？ 通信與信息工程 學(xué)院 36 7.3.4 光波分復(fù)用/解復(fù)用器與

19、光濾波器技術(shù) 光波分復(fù)用/解復(fù)用器（WDM/DWDM）是波分復(fù)用 系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。其功能是將多個(gè)波長不同的光信號(hào)復(fù) 合后送入同一根光纖中傳送（波分復(fù)用器）或?qū)⒃谝桓?光纖中傳送的多個(gè)不同波長的光信號(hào)分解后送入不同的 接收機(jī)（解復(fù)用器）。波分復(fù)用器和解復(fù)用器也分別被 稱為合波器和分波器，是一種與波長有關(guān)的光纖耦合器。 光波分復(fù)用器/解復(fù)用器性能的優(yōu)劣對(duì)于WDM系統(tǒng) 的傳輸質(zhì)量有決定性的影響。 通信與信息工程 學(xué)院 37 1. WDM/DWDM器的結(jié)構(gòu)原理 根據(jù)制造的特點(diǎn)，WDM器件大致有熔錐光纖型、 干涉濾波器型和光柵型等幾種類型。 熔錐光纖型 干涉濾波器型 光柵型 集成光波導(dǎo)型 通信與信息工程

20、 學(xué)院 38 薄膜濾波器 自聚焦透鏡自聚焦透鏡 1 2 21 4321 1 2 3 4 4321 1 2 3 4 1N分路器 干涉濾波器型器件原理 通信與信息工程 學(xué)院 39 準(zhǔn)直透鏡 光柵 光纖 1 2 3 4 4321 光纖 1 4 4321 光柵 自聚焦透鏡 (a) 用傳統(tǒng)透鏡作準(zhǔn)直器件 (b) 用自聚焦透鏡作準(zhǔn)直器件 2 3 光柵型器件原理 通信與信息工程 學(xué)院 40 平面陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用器 通信與信息工程 學(xué)院 41 2. WDM/DWDM器件性能 插入損耗 隔離度 回波損耗 工作波長范圍 通路帶寬 通信與信息工程 學(xué)院 42 7.3.5 光轉(zhuǎn)發(fā)器（OTU）技術(shù) 1. OTU的

21、基本結(jié)構(gòu) WDM系統(tǒng)在發(fā)送端采用OTU，主要作用是把非標(biāo)準(zhǔn) 的波長轉(zhuǎn)化為ITU-T所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)波長，以滿足系統(tǒng)的 波長兼容性?？梢愿鶕?jù)是否具有OTU將WDM系統(tǒng)分為集 成式和開放式兩種。 通信與信息工程 學(xué)院 43 G.692 S1 SDH 波 分 復(fù) 用 器 OAOA 波 分 解 復(fù) 用 器 S2 SN R1 R2 RN SDH SDH SDH SDH SDH 集成式WDM系統(tǒng)示意圖 通信與信息工程 學(xué)院 44 G.957 波 分 復(fù) 用 器 波 分 解 復(fù) 用 器 S1 SDHOTU OAOA S2 SDHOTU SN SDHOTU R1 SDHOTU G.957 R2 SDHOTU RN

22、 SDHOTU 開放式WDM系統(tǒng)示意圖 思考：實(shí)際應(yīng)用時(shí)集成式和開放式哪一種更為靈活？ 接收端的OUT是 可選項(xiàng)。Why？ 通信與信息工程 學(xué)院 45 圖7-17 基于XGM原理OTU示意圖 SOA CW t t s CW連續(xù)波激光器 SOA半導(dǎo)體光放大器 s包含信息的原始波長信號(hào) t目標(biāo)波長信號(hào) 1 0 1 0 1 0 通信與信息工程 學(xué)院 46 7.3.6 光纖傳輸技術(shù) WDM系統(tǒng)中的光纖傳輸技術(shù)與一般的光纖通信 系統(tǒng)相比，由于存在傳輸速率高和信道數(shù)量多等特 點(diǎn)，因此存在著一些特殊的要求，包括光纖選型、 色散補(bǔ)償技術(shù)和色散均衡技術(shù)等。 通信與信息工程 學(xué)院 47 1. 光纖選型 從系統(tǒng)成本

23、角度考慮，尤其是對(duì)原有采用 G.652光纖的系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容而言，在G.652光纖線路 上增加色散補(bǔ)償元件以控制整個(gè)光纖鏈路的總色散 值也是一種可行的辦法。 從長遠(yuǎn)來看，未來WDM系統(tǒng)中可能會(huì)利用整個(gè) O、S、C和L波長段，因此色散平坦光纖G.656光纖 可能會(huì)得到較大的應(yīng)用。 通信與信息工程 學(xué)院 48 WDM系統(tǒng)中不能使用G.653光纖原因： 四波混頻效應(yīng)原理示意 f12 f331f221f332f223 f13 f321f 231 f312 f132 f213 f123 f3f2f1 頻率 信道1信道3信道2 fFWM=f1f2f3 由于四波混頻（FWM）效應(yīng)，多個(gè)波長會(huì)激發(fā)出新的感生波長，

24、 對(duì)原有信道產(chǎn)生影響和干擾。G.653光纖在1550nm波長處色散 為零，F(xiàn)WM效應(yīng)明顯，因此不適合用于WDM系統(tǒng)。 通信與信息工程 學(xué)院 49 2. 色散補(bǔ)償技術(shù) 隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)對(duì)傳輸容量要求的急劇提高， 原有光纖線路中大量使用的G.652光纖已不能適應(yīng)， 采用波分復(fù)用和色散補(bǔ)償技術(shù)在現(xiàn)有光纖系統(tǒng)上直 接升級(jí)高速率傳輸系統(tǒng)是目前較為適宜的技術(shù)方法。 關(guān)于WDM的一些技術(shù)問題已在本章中闡述，色散補(bǔ) 償問題將在第11章中詳細(xì)介紹。 通信與信息工程 學(xué)院 50 3. 色散均衡技術(shù) 在原有采用G.652光纖的系統(tǒng)中，采用色散補(bǔ)償技 術(shù)只能實(shí)現(xiàn)整個(gè)鏈路或者其中部分?jǐn)?shù)字段的總色散為零， 但是由于色散補(bǔ)償元件是分段式的使用的，這就可能造 成光纖鏈路的色散值呈現(xiàn)起伏波動(dòng)的情況，這也不利于 WDM系統(tǒng)。因此需要引入色散均衡技術(shù)，在保證整個(gè)鏈 路色散最小的同時(shí)，中間任意數(shù)字段的色散起伏都不會(huì) 很大。 通信與信息工程 學(xué)院 51 7.3.7 WDM系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù) WDM系統(tǒng)中通常采用的是單獨(dú)使用一個(gè)波長傳 送監(jiān)控信號(hào)*，在WDM系統(tǒng)中該波長也被稱為光監(jiān)控 信道（OSC，Optical Supervisory Channel）。 *思考