光波分復(fù)用系統(tǒng)_第1頁(yè)
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光波分復(fù)用系統(tǒng)_第3頁(yè)
光波分復(fù)用系統(tǒng)_第4頁(yè)
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光波分復(fù)用系統(tǒng)第一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(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)。第二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院37.1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的引入第三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院47.1.1光波分復(fù)用的基本概念光波分復(fù)用(WDM,WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖上能同時(shí)傳送多波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。它是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(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(zhǎng)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(zhǎng)分割復(fù)用,簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。第四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院5圖7-1單模光纖的帶寬資源第五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(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(zhǎng)段和1550nm波長(zhǎng)段一共約有200nm低損耗區(qū)可用,這相當(dāng)于30THz的頻帶寬度。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10~40Gbit/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)。第六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院7WDM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,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)*。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。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,CoarseWavelengthDivisionMultiplexing).第七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院87.1.2WDM系統(tǒng)的基本形式雙纖單向傳輸單纖雙向傳輸光分路插入傳輸?shù)诎隧?yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院9圖7-2雙纖單向傳輸示意圖第九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院10圖7-3單纖雙向傳輸示意圖第十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院11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)光纖光纖光纖圖7-4光分路插入傳輸?shù)谑豁?yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院127.2.1WDM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系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-5所示。7.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理第十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院13光合波器光轉(zhuǎn)發(fā)器11光轉(zhuǎn)發(fā)器2nBA光監(jiān)控信道發(fā)送器光發(fā)送機(jī)λ1λn光纖光接收機(jī)λs光分波器光接收1lnPA光接收2λ1λn光纖光監(jiān)控信道接收器λsLA光監(jiān)控信道接收/發(fā)送器λsλs光中繼放大網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)圖7-5WDM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖(單向)第十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院147.2.2WDM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(wú)線路光放大器WDM系統(tǒng)。第十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院15*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)的參考配置第十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(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-y·z,其中n是最大波長(zhǎng)數(shù)目W代表傳輸區(qū)段(W=L,V或U分別代表長(zhǎng)距離、很長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離)x表示所允許的最大區(qū)段數(shù)(x>1)y是該波長(zhǎng)信號(hào)的最大比特率(y=4或16分別代表STM-4或STM-16)z代表光纖類型(z=2,3,5分別代表G.652,G.653或G.655光纖)第十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(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(zhǎng)距離區(qū)段(每個(gè)區(qū)段的目標(biāo)距離為80km)很長(zhǎng)距離區(qū)段(每個(gè)區(qū)段的目標(biāo)距離為120km)區(qū)段數(shù)58354波長(zhǎng)4L5-y·z4L8-y·z4V3-y·z4V5-y·z8波長(zhǎng)8L5-y·z4L8-y·z8V3-y·z8V5-y·z16波長(zhǎng)16L5-y·z16L8-y·z16V3-y·z16V5-y·z第十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院18圖7-7無(wú)線路光放大器WDM系統(tǒng)的參考配置*圖中給出的各參考點(diǎn)釋義見表7-3第十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院197.2.3光波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍為1530~1565nm。因此,光波分復(fù)用系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)主要為1530~1565nm。在這有限的波長(zhǎng)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)烽g的非線性影響等。第十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院20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(zhǎng)。目前國(guó)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。第二十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院21通路分配表16通路WDM系統(tǒng)的16個(gè)光通路的中心波長(zhǎng)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(zhǎng)應(yīng)選擇表中標(biāo)有*的波長(zhǎng)。第二十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院22表7-416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(zhǎng)(nm)1192.101560.61*2192.201559.793192.301558.98*4192.401558.175192.501557.36*6192.601556.557192.701555.75*8192.801554.949192.901554.13*10193.001553.3311193.101552.52*12193.201551.7213193.301550.9214193.401550.12*15193.501549.3216193.601548.51*第二十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院23更多波長(zhǎng)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波乃至更多波長(zhǎng)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(zhǎng)分配可參見ITU-T和國(guó)標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足未來(lái)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(zhǎng)的穩(wěn)定度、精確度和復(fù)用/解復(fù)用器的性能指標(biāo)提出了更高的要求第二十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院24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(lái)向16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。第二十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院257.3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(zhǎng)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。第二十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院267.3.1WDM系統(tǒng)的幾個(gè)技術(shù)問題光源的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度問題光信道的串?dāng)_問題光纖色散對(duì)傳輸?shù)挠绊憜栴}光纖的非線性效應(yīng)問題

EDFA的動(dòng)態(tài)可調(diào)整增益與鎖定問題

EDFA的增益平坦問題

EDFA的光浪涌問題

EDFA級(jí)聯(lián)使用時(shí)的噪聲積累問題第二十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院271.光源的波長(zhǎng)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(zhǎng)進(jìn)行精確的設(shè)定和控制,否則波長(zhǎng)的漂移必然會(huì)造成系統(tǒng)無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)反饋控制法來(lái)達(dá)到控制與穩(wěn)定波長(zhǎng)的目的。第二十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院28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。第二十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院29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(wú)中繼傳輸距離由原來(lái)的受衰減限制變?yōu)榱耸苌⑾拗?。因此?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(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。第二十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院30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(lái)說,入纖光功率較小,光纖呈線性狀態(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。第三十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院31EDFA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€路阻塞。所以EDFA必須具有增益鎖定功能來(lái)避免某些信道完全斷路時(shí)對(duì)其他信道的影響。第三十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院32EDFA的增益平坦問題WDM系統(tǒng)中,因各信道的波長(zhǎng)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。第三十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院33EDFA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。第三十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院34EDFA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。第三十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院357.3.2光源技術(shù)對(duì)WDM系統(tǒng)采用的光源技術(shù)主要有:波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)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(zhǎng)激光器陣列和可調(diào)諧激光器哪一種方案更好一些?第三十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院367.3.4光波分復(fù)用/解復(fù)用器與光濾波器技術(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(zhǎng)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饫w中傳送的多個(gè)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)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。第三十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院37WDM/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

第三十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院38薄膜濾波器自聚焦透鏡自聚焦透鏡1×N分路器干涉濾波器型器件原理第三十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院39準(zhǔn)直透鏡光柵光纖光纖光柵自聚焦透鏡(a)用傳統(tǒng)透鏡作準(zhǔn)直器件(b)用自聚焦透鏡作準(zhǔn)直器件光柵型器件原理第三十九頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院40平面陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用器第四十頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院41WDM/DWDM器件性能插入損耗隔離度回波損耗工作波長(zhǎng)范圍通路帶寬第四十一頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院427.3.5光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)技術(shù)1.OTU的基本結(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(zhǎng)轉(zhuǎn)化為ITU-T所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng),以滿足系統(tǒng)的波長(zhǎng)兼容性。可以根據(jù)是否具有OTU將WDM系統(tǒng)分為集成式和開放式兩種。

第四十二頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院43G.692S1SDH波分復(fù)用器OAOA波分解復(fù)用器S2SNR1R2RNSDHSDHSDHSDHSDH集成式WDM系統(tǒng)示意圖第四十三頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院44G.957波分復(fù)用器波分解復(fù)用器S1SDHOTUOAOAS2SDHOTUSNSDHOTUR1SDHOTUG.957R2SDHOTURNSDHOTU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?第四十四頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院45圖7-17基于XGM原理OTU示意圖第四十五頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院467.3.6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。第四十六頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院471.光纖選型從系統(tǒng)成本角度考慮,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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,未來(lái)WDM系統(tǒng)中可能會(huì)利用整個(gè)O、S、C和L波長(zhǎng)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。第四十七頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院48WDM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f12f331f221f332f223f13f321f231f312f132f213f123f3f2f1頻率信道1信道3信道2fFWM=f1±f2±f3由于四波混頻(FWM)效應(yīng),多個(gè)波長(zhǎng)會(huì)激發(fā)出新的感生波長(zhǎng),對(duì)原有信道產(chǎn)生影響和干擾。G.653光纖在1550nm波長(zhǎng)處色散為零,F(xiàn)WM效應(yīng)明顯,因此不適合用于WDM系統(tǒng)。第四十八頁(yè),共五十四頁(yè),2022年,8月28日通信與信息工程學(xué)院492.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

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