第3章光網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用技術(shù)

第3章光網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用技術(shù)3.1復(fù)用技術(shù)的發(fā)展及幾種典型復(fù)用技術(shù)的比較

1.什么是復(fù)用技術(shù)

“將多路數(shù)據(jù)組合成一路數(shù)據(jù)的過程。復(fù)用的目的是更好地共享信道資源，適應(yīng)信道傳輸?！?/p>

更確切的定義應(yīng)該是：按照某種方式，將多路數(shù)據(jù)復(fù)合到一個信道上或者一個介質(zhì)鏈路上傳輸。目的是為了更有效地利用介質(zhì)的傳輸帶寬，以降低單位數(shù)據(jù)的傳輸成本。2.為什么需要復(fù)用技術(shù)如果不采用復(fù)用技術(shù)，而是直接用光纖來傳輸?shù)退俾市盘柕脑?，不但會造成資源的極大浪費(fèi)，而且會使數(shù)據(jù)的傳輸成本非常高。復(fù)用技術(shù)的目的就是為了充分利用資源，降低通信成本。3.復(fù)用技術(shù)的發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)一開始采用的是脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式，先把模擬信號變成數(shù)字信號，再利用TDM技術(shù)組成一次群至五次群等，傳輸速率分別是2M、8M、34M、140M、560M，這種系統(tǒng)是PDH系統(tǒng)。SDH系列有STM-1（155Mbps）、STM-4(622Mbps)和STM-16(2.5Gbps)等。無論P(yáng)DH還是SDH，所采用的復(fù)用技術(shù)均為TDM技術(shù)。其他復(fù)用技術(shù)：碼分復(fù)用、光時分復(fù)用等，技術(shù)最成熟，使用最為廣泛的是波分復(fù)用（WDM）技術(shù)。4.幾種典型復(fù)用技術(shù)

空分復(fù)用（SDM）

時分復(fù)用（TDM）

光時分復(fù)用（OTDM）

光碼分復(fù)用（OCDM）

(1)空分復(fù)用（SDM）單純依靠增加光纖對的方式，線性增加系統(tǒng)的傳輸容量，傳輸容量是隨著鋪設(shè)光纖光纜的數(shù)量線性增加。這種擴(kuò)容方式的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，擴(kuò)容方案很容易實(shí)現(xiàn)。(2)時分復(fù)用（TDM）通過把時間劃分成更小的時間間隔，把來自不同源頭的數(shù)據(jù)比特承載在同一條鏈路上，提高傳輸鏈路的容量。

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，可以實(shí)現(xiàn)無縫升級。

缺點(diǎn)：第一，通過時分復(fù)用方式來擴(kuò)容，會影響到正在傳輸?shù)姆?wù)；第二，速率的升級缺乏靈活性。對于高速率系統(tǒng)的時分復(fù)用，目前實(shí)驗室中最高傳輸速率可以達(dá)到40Gbps，這個速率已經(jīng)接近電子器件的速率極限。時分復(fù)用(3)光時分復(fù)用（OTDM）

OTDM的原理就是將多個高速電調(diào)制信號分別轉(zhuǎn)換為等速率光信號，在光層上利用超窄光脈沖進(jìn)行時域復(fù)用，把多個光信號調(diào)制成更高速率的光信號，提高單個信道的數(shù)據(jù)傳輸速率。OTDM要走向?qū)嵱没仨毥鉀Q三個關(guān)鍵技術(shù)：

①超窄光脈沖的產(chǎn)生與調(diào)制

②全光時分復(fù)用

③全光時分解復(fù)用和定時提取技術(shù)

OTDM目前還是實(shí)驗室中的研究課題，離應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)還很遠(yuǎn)。OTDM可以把單信道傳輸速率提高到TDM無法達(dá)到的高速率，這種復(fù)用方式會隨著技術(shù)的成熟，在網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。（4）光碼分復(fù)用（OCDM）

OCDM是碼分多址技術(shù)在光域內(nèi)的應(yīng)用，給每個用戶分配一個唯一的光正交碼的碼字作為該用戶的地址碼。在發(fā)送端，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的地址碼進(jìn)行光正交編碼，然后實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用，在接收端，用與發(fā)送端相同的地址碼進(jìn)行光正交解碼。3.2波分復(fù)用（WDM）技術(shù)什么是波分復(fù)用

所謂的波分復(fù)用，就是在一根光纖上不只傳輸一個光載波，而是利用不同的頻段，同時傳輸多個不同波長的光載波。這些不同波長的光信號所承載的數(shù)字信號可以是相同速率、相同數(shù)據(jù)格式，也可以是不同速率、不同的數(shù)據(jù)格式。因為這些光載波波長不同，在傳輸頻帶內(nèi)的位置就不一樣，傳輸?shù)臅r候各自獨(dú)立傳輸，不會互相造成干擾。2.WDM技術(shù)的實(shí)質(zhì)

WDM波分復(fù)用在實(shí)質(zhì)上是頻分復(fù)用技術(shù)。在光信號的頻段內(nèi)，信號頻率都高達(dá)幾百THz，用頻率表示信道非常不便，以波長表示更適合。WDM系統(tǒng)的頻譜分布圖※

WDM、DWDM和CWDM的區(qū)別。3.WDM技術(shù)原理把低損耗窗口（1550nm窗口）劃分成若干個通路，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復(fù)用器（合波器）將不同波長光信號合并起來送入一根光纖傳輸，在接收端，再由另一個波分復(fù)用器（分波器）把這些不同波長分開。傳輸過程中，各個波長彼此之間是相互獨(dú)立的。所以，一方面不同的波長可以在同一根光纖中傳輸，另一方面不同的方向可以傳輸不同波長，用一根光纖就可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。WDM系統(tǒng)原理示意圖4.WDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

(1)超大容量傳輸

(2)節(jié)約光纖資源

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑升級

(4)充分利用了成熟的TDM技術(shù)

(5)利用EDFA實(shí)現(xiàn)超長距離傳輸

(6)對光纖色散無過高要求

(7)支持網(wǎng)絡(luò)向全光網(wǎng)的發(fā)展趨勢5.兩波分復(fù)用系統(tǒng)

WDM技術(shù)最早出現(xiàn)在上個世紀(jì)80年代初，針對每根光纖上只能傳輸一個波長，存在巨大的光纖資源浪費(fèi)的情況，首先考慮的是最簡單的方案：在光纖的兩個低損耗窗口（1310nm和1550nm），每個波段各自傳送一路波長信號，這就是最早的兩波長波分復(fù)用系統(tǒng)。1310/1550nmWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.多波長波分復(fù)用系統(tǒng)

90年代中后期EDFA的技術(shù)成熟，WDM系統(tǒng)的應(yīng)用就進(jìn)入了一個新時期，EDFA工作在1550nm窗口，1550nm窗口本身的損耗最低，新的WDM技術(shù)只采用1550nm窗口。在此窗口中采用多個波長，稱為多波長波分復(fù)用系統(tǒng)，即現(xiàn)代的WDM系統(tǒng)。1550nmDWDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.WDM系統(tǒng)實(shí)例-濟(jì)南－青島的WDM波分復(fù)用系統(tǒng)8.WDM系統(tǒng)的分類（1）集成式WDM系統(tǒng)集成式WDM系統(tǒng)指的是接入的SDH終端都具有符合G.692標(biāo)準(zhǔn)的光接口，這種SDH接口稱為彩色接口，也稱彩光口。集成式WDM系統(tǒng)（2）開放式WDM系統(tǒng)在波分復(fù)用器前面已經(jīng)加入了波長變換器（OTU），可以將非標(biāo)準(zhǔn)波長轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)波長。開放式WDM系統(tǒng)比集成式WDM系統(tǒng)更加復(fù)雜，但是其兼容性更好，便于對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行檢測，也便于信號的中繼。開放式WDM系統(tǒng)符合G.657的發(fā)射機(jī)與O/E/O型的光波長轉(zhuǎn)換器合并使用示意圖9.WDM系統(tǒng)的構(gòu)成（1）雙纖單向：單向WDM是指一根光纖只完成一個方向光信號的傳輸，反方向的光信號由另一光纖完成。雙纖單向傳輸（2）單纖雙向一根光纖上實(shí)現(xiàn)不同方向的傳輸，兩方向所用波長相互分開，允許單根光纖攜帶全雙工通路。與雙纖單向WDM相比，單纖雙向WDM系統(tǒng)可以減少光纖和線路放大器的數(shù)量。但雙向系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜。單纖雙向傳輸10.WDM系統(tǒng)的傳輸容量在光纖通信系統(tǒng)中，通常將所能達(dá)到的最大傳輸速率B和最長傳輸距離L的乘積BL，稱為系統(tǒng)的傳輸容量。有時，也把一根光纖中多個信號的總速率稱為容量。限制WDM系統(tǒng)傳輸容量的主要因素有：

(1)光纖損耗：采用EDFA補(bǔ)償損耗的影響；

(2)色散：利用色散補(bǔ)償光纖（DCF）對色散進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)非線性效應(yīng)：減小輸入光功率等。舉例：假設(shè)一個點(diǎn)到點(diǎn)的WDM系統(tǒng)，每根光纖中傳輸?shù)男盘枖?shù)目是n，每個信號的傳輸速率為B，系統(tǒng)中使用的光纖段數(shù)為k，每段長度為L，那么：

（1）光纖的總的傳輸速率為：BT=B×n;

（2）系統(tǒng)總的傳輸距離為：LT=L×k；

（3）系統(tǒng)的傳輸容量為：BT×LT=(B×n)×(L×n)若B=2.5Gbps，n=16，L=80km，k=8，則系統(tǒng)總傳輸容量為：

2.5Gbps×16×80km×8=25.6（Tbps·km）11.WDM系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范以下介紹的WDM系統(tǒng)的規(guī)范，指參考ITU-T的G.692規(guī)范所制定的n×2.5Gbps系統(tǒng)的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。并且，只考慮點(diǎn)到點(diǎn)的WDM技術(shù)，不考慮組網(wǎng)。（1）光波長區(qū)的分配①系統(tǒng)工作波長區(qū)ITU-T的G.692規(guī)定，WDM系統(tǒng)的工作波長范圍為1528.77~1560.61nm，對應(yīng)的工作頻率為198.1~192.1THz。②絕對頻率參考（AFR）絕對頻率參考是指WDM系統(tǒng)標(biāo)稱中心頻率的絕對參考點(diǎn)。G.692規(guī)定，絕對頻率參考為193.1THz，對應(yīng)的光波長為1552.52nm。絕對頻率參考加上通路間隔的倍數(shù)，就是每個信道的標(biāo)稱中心頻率（中心波長）。③通路間隔指兩個相鄰的光信道之間的標(biāo)稱中心頻率之差。通路間隔可以是均勻的，也可以是非均勻的。

G.692建議中規(guī)定，WDM通路間隔是100GHz（約0.8nm）的整數(shù)倍，通常采用的是200GHz（1.6nm）和100GHz（0.8nm）兩種通路間隔。④標(biāo)稱中心頻率標(biāo)稱中心頻率是指WDM系統(tǒng)中每個信道對應(yīng)的中心頻率，或者中心波長。G.692建議規(guī)定，標(biāo)稱中心頻率是基于絕對頻率參考為193.1THz、最小通路間隔為100GHz的頻率系列。8/16波長WDM系統(tǒng)的頻率系列序號中心頻率（THz）波長（nm）1192.11560.612192.21559.793192.31558.984192.41558.175192.51557.366192.61556.557192.71555.758192.81554.949192.91554.1310193.01553.3311193.11552.5212193.21551.7213193.31550.9214193.41550.1215193.51549.3216193.61548.51⑤中心頻率偏移簡稱頻偏，是指系統(tǒng)中信道的實(shí)際中心頻率與標(biāo)稱中心頻率之間的偏差。一般規(guī)定，對于8通路的WDM系統(tǒng)，考慮到以后向16波長WDM系統(tǒng)的升級，規(guī)定最大中心頻率偏移為±20GHz。例如：表中序號為5的信道，其頻偏最大范圍是192.5THz±20GHz，即：192.48~192.52THz，對應(yīng)波長范圍：1557.52~1557.20nm。（2）光接口分類對于N×2.5Gbps的WDM系統(tǒng)的長途應(yīng)用，國內(nèi)規(guī)定了3種光接口：8×22dB、3×33dB和5×30dB。其中，22dB、33dB和30dB表示的是每個區(qū)段允許的損耗，8、3和5表示的是整個系統(tǒng)的區(qū)段的數(shù)目。①8×22dB系統(tǒng)由8段組成，每段允許的光纖損耗是22dB。普通的G.652光纖平均每公里損耗為0.275dB，22dB的損耗對應(yīng)的距離是22/0.275=80km。8×22dB系統(tǒng)在中間沒有電的再生中繼過程的情況下，最遠(yuǎn)可以傳輸8×80=640km的距離。適合中國大多數(shù)地區(qū)使用。8×22dB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖②3×33dB

每段允許損耗可達(dá)33dB，對應(yīng)每區(qū)段長度為120km，總的傳輸距離可達(dá)360km。主要是考慮到西北地區(qū)，特別是沙漠地區(qū)會出現(xiàn)超長中繼距離的情況。③5×30dB整個系統(tǒng)由5段組成，每段傳輸距離大約為100km。這種光接口主要是作為補(bǔ)充。在組網(wǎng)的時候，根據(jù)實(shí)際情況，每個區(qū)段的距離都可以靈活選用80km、100km、或者120km，增加組網(wǎng)的靈活性。（3）光監(jiān)控信道（OSC）要求表2.2OSC的接口參數(shù)監(jiān)控波長1510nm監(jiān)控速率2Mbit/s信號碼型CMI信號發(fā)送功率0~7dBm光源類型MLMLD光譜特性待研究最小接收靈敏度-48dBm（4）安全要求ITU-T建議規(guī)定，單路或者合路信號的入纖最大光功率為+17dBm。在鏈路切斷情況下可能出現(xiàn)光浪涌現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)光浪涌，瞬間功率可能會遠(yuǎn)大于這個17dBm，造成器件損壞。①光浪涌的產(chǎn)生

在光纖突然被切斷或者其他原因?qū)е滦盘杹G失時，泵浦源繼續(xù)向EDFA注入高能光子，激發(fā)大量的鉺離子到達(dá)高能級，導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)上的鉺離子大量積累。一旦光信號重新注入EDFA時，會引起亞穩(wěn)態(tài)上大量鉺離子的受激輻射，EDFA的輸出達(dá)到很高的水平，例如30dBm(即1W)，這種光功率是非常危險的，極易損壞光連接器甚至光接收機(jī)，這種損壞是不可逆的。光浪涌的產(chǎn)生②光浪涌的防止一旦由于光纖切斷或者其他原因引起信號丟失，開始計時，當(dāng)時間累積到一定值，減小注入到EDFA的泵浦功率，甚至將泵浦功率完全切斷，在EDFA中就不會再積累高濃度的亞穩(wěn)態(tài)離子。當(dāng)鏈路故障排除后，等信號恢復(fù)一定時間，再恢復(fù)向EDFA的泵浦功率。光浪涌的防止12.WDM的現(xiàn)有技術(shù)水平及國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀（1）WDM現(xiàn)有的技術(shù)水平實(shí)驗室已經(jīng)達(dá)到10.92Tbps，商用化系統(tǒng)也已經(jīng)達(dá)到1.6Tbps。（2）國內(nèi)WDM技術(shù)的應(yīng)用水平以上海－杭州之間80×40Gbps系統(tǒng)為例：2005年開通

最大波長數(shù)：80

單波長傳輸速率：10/40Gbps

信道間隔：100GHz

使用波段：C＋L波段

線路碼型：NRZ＋FEC（非歸零碼，前向糾錯）

色散補(bǔ)償方案：DCF＋可調(diào)光纖光柵色散補(bǔ)償器

放大：C波段和L波段分開放大13.WDM技術(shù)的發(fā)展趨勢

（1）提高通路速率

（2）增加復(fù)用波長數(shù)

（3）擴(kuò)大應(yīng)用波長范圍3.3波分復(fù)用器件

WDM器件有多種制造方法，目前廣泛使用的WDM器件可以分為4類：

角色散器件

干涉濾波器

熔融拉錐型

集成波導(dǎo)型復(fù)用器(合波器)解復(fù)用器(分波器)······WDMWDM1.光柵型波分復(fù)用器光柵型波分復(fù)用器件屬于角色散器件，當(dāng)包含了多個波長信號的入射光照射到光柵上時，由于光柵的角色散作用，不同波長的光信號以不同的角度出射，經(jīng)過透鏡會聚到不同的輸出光纖，把多個信號分離，從而完成波長的解復(fù)用。塊狀光柵型波分復(fù)用器的典型結(jié)構(gòu)光纖光柵的制作及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.介質(zhì)薄膜濾波器型波分復(fù)用器多層介質(zhì)膜由分別具有高折射率和低折射率的兩種不同的介質(zhì)材料，交替疊加在一起構(gòu)成，每層的光學(xué)厚度都是要反射的光波長的1/4。工作原理：當(dāng)包含了若干個光信號的光波入射到介質(zhì)