光纖通信-08-光波分復(fù)用

第8章光波分復(fù)用第8章光波分復(fù)用在前面所討論的光纖通信系統(tǒng)中，是以單波長(zhǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象的在單波長(zhǎng)系統(tǒng)中，采用了時(shí)分復(fù)用（TDM）方式來(lái)提高傳輸效率，降低傳輸成本如早期PDH體系的34Mb/s、140Mb/s系統(tǒng)，以及SDH體系的155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s乃至10Gb/s系統(tǒng)，現(xiàn)在的傳輸速率已經(jīng)可以達(dá)到40Gb/s水平等第8章光波分復(fù)用由于受到電子遷移速率的限制，進(jìn)一步提高傳輸速率已經(jīng)十分困難并且隨著傳輸速率的提高，光纖色散的影響也越加嚴(yán)重而另一方面，光纖的巨大帶寬潛力沒(méi)有得到充分的開發(fā)利用因此，系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)容的唯一出路是充分利用光纖的帶寬潛力，從光域上用波分復(fù)用技術(shù)來(lái)提高傳輸效率第8章光波分復(fù)用不同波長(zhǎng)的光彼此之間可以無(wú)影響地獨(dú)立傳輸信息，因此在同一根光纖中可以有多個(gè)信道，每個(gè)信道有不同的光載波波長(zhǎng)（頻率）這種在單根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)信道的技術(shù)就是波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）采用波長(zhǎng)復(fù)用的方法可以顯著提高單根光纖的信息傳輸容量第8章光波分復(fù)用20世紀(jì)90年代密集波分復(fù)用（DWDM，DenseWDM）技術(shù)興起并迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用到通信網(wǎng)中，引發(fā)了光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的重大變革第8章光波分復(fù)用8.1光波分復(fù)用的基本原理8.2波分復(fù)用系統(tǒng)的構(gòu)成8.3WDM的關(guān)鍵技術(shù)8.1光波分復(fù)用的基本原理光纖鏈路的優(yōu)勢(shì)是許多不同的波長(zhǎng)可以在1300~1600nm的光譜帶寬內(nèi)沿一根光纖同時(shí)傳遞把多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)合到同一根光纖上的技術(shù)稱為波分復(fù)用（WDM）從概念上講，WDM與頻分復(fù)用（FDM）相同，WDM的中心波長(zhǎng)（或光頻率）之間必須有適當(dāng)?shù)拈g隔，以避免相互間的信道串?dāng)_一、WDM基本概念在點(diǎn)到點(diǎn)的光纖鏈路中，一條光纖線路的發(fā)送端有一個(gè)光源，在接收端有一個(gè)光檢測(cè)器不同的光源使用不同的光纖以彼此分隔然而，由于光源的譜線寬度很窄，只占用了光纖傳輸帶寬的極小一部分一、WDM基本概念一個(gè)DFB激光器的調(diào)制輸出帶寬是10~50MHz，約相當(dāng)于10-3nm的譜線寬度，使用這種光源時(shí)，一般需要0.4~1.6nm的保護(hù)帶使用這樣光源的單波長(zhǎng)系統(tǒng)，只能用到標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸帶寬的極小部分一、WDM基本概念單模光纖的帶寬很寬，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口，1270~1350nm（1310nm）窗口和1480~1600nm（1550nm）窗口，其帶寬可以按照式（8-1）計(jì)算：對(duì)于1310nm窗口的可用譜寬Δλ=80nm，相應(yīng)的光帶寬約為14THz類似地，對(duì)于1550nm窗口的可用譜寬為Δλ=120nm，光帶寬為15THz一、WDM基本概念兩個(gè)低損耗窗口大約得到30THz（200nm）的總的光纖帶寬所以單模光纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發(fā)通過(guò)采用波分復(fù)用技術(shù)可以擴(kuò)大傳輸容量一、WDM基本概念波分復(fù)用技術(shù)可以有WDM、DWDM、OFDM等不同提法實(shí)際上，它們?cè)诒举|(zhì)上都是光波長(zhǎng)分割復(fù)用（或光頻率分割復(fù)用），所不同的是復(fù)用信道波長(zhǎng)（頻率）間隔不同一、WDM基本概念20世紀(jì)80年代中期，復(fù)用信道的波長(zhǎng)間隔為幾十納米到數(shù)百納米例如將1310nm和1550nm的復(fù)用稱為WDM，現(xiàn)在稱為簡(jiǎn)單WDM主要用于采用單纖雙向傳輸方式的光纖接入網(wǎng)中（如PON），在上、下行方向采用不同的波長(zhǎng)1310nm為上行波長(zhǎng)（用戶到中心局）1550nm為下行波長(zhǎng)（中心局到用戶）一、WDM基本概念20世紀(jì)90年代后，EDFA實(shí)用化，為了能在EDFA的35nm帶寬（4THz）內(nèi)同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)，波長(zhǎng)間隔必須減小，即采用DWDM，其波長(zhǎng)間隔為nm級(jí)（如0.8nm）OFDM一般指波長(zhǎng)間隔小于100GHz的波分復(fù)用，在20世紀(jì)80年代，主要指相干光通信，90年代以后，出現(xiàn)了非相干OFDM一、WDM基本概念在波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用過(guò)程中，還有一種WDM技術(shù)稱為粗波分復(fù)用（CWDM，CoarseWDM），主要應(yīng)用于接入網(wǎng)和城域網(wǎng)隨著DWDM技術(shù)在長(zhǎng)距離通信中的應(yīng)用，寬帶城域網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題逐漸成為通信網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，寬帶、靈活及低成本是城域網(wǎng)追求的主要目標(biāo)，采用CWDM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段一、WDM基本概念目前，WDM系統(tǒng)主要指密集波分復(fù)用系統(tǒng)（DWDM），應(yīng)用在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，復(fù)用8、16或更多的波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上（也可采用單纖）構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)ITU-T建議的標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)間隔為0.8nm（在1550nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)100GHz頻率間隔）的整數(shù)倍，或整數(shù)分之一如0.4nm，0.8nm，1.6nm等一、WDM基本概念包括各種類型光放大器的典型WDM鏈路中各種元件的使用以及頻譜示意一、WDM基本概念在發(fā)送端有幾個(gè)獨(dú)立調(diào)制的光源，每一個(gè)都只能在一個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)射光信號(hào)復(fù)用器的作用是將光信號(hào)合路到一串密集波長(zhǎng)信號(hào)頻譜內(nèi)，并把這些信號(hào)耦合進(jìn)一根光纖中在接收端，解復(fù)用器將光信號(hào)分離送入正確的信道中檢測(cè)由于光檢測(cè)器在包括所有WDM信道的寬波長(zhǎng)范圍上總是敏感的，所以解復(fù)用器需要提供良好的波長(zhǎng)（信道）隔離二、WDM工作形式波分復(fù)用系統(tǒng)主要有兩種工作形式：雙纖單向傳輸單向WDM是指所有光通道同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送單纖雙向傳輸雙向WDM是指光通道在一根光纖上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向信號(hào)的同時(shí)傳輸二、WDM工作形式單向WDM在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(zhǎng)λ1、λ2、……、λN的已調(diào)光信號(hào)通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸由于各信號(hào)是通過(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶，所以不會(huì)彼此混淆二、WDM工作形式雙向WDM由于波長(zhǎng)彼此分開，從而實(shí)現(xiàn)彼此雙方全雙工通信圖中的波分復(fù)用功能是具有波長(zhǎng)選路功能的復(fù)用／解復(fù)用器二、WDM工作形式單向WDM系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用方面都比較廣泛，雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)要求更高雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素如為了抑制多通道的干擾，必須要注意光反射的影響、雙向通道之間的隔離、串?dāng)_的類型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題同時(shí)要使用雙向光纖放大器二、WDM工作形式通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器（OADM）或光交叉連接器（OXC），可使各波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合波和分波，實(shí)現(xiàn)光信息的上／下通道與路由分配，這樣可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)二、WDM工作形式DWDM有兩種應(yīng)用形式：開放式DWDM采用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將復(fù)用終端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-T建議的波長(zhǎng)，然后進(jìn)行合波集成式DWDM沒(méi)有采用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，它要求復(fù)用終端的光信號(hào)符合ITU-T建議的波長(zhǎng)，然后進(jìn)行合波三、WDM的技術(shù)特性WDM的主要系統(tǒng)特性如下：①提高了光纖的頻帶利用率，增加了系統(tǒng)容量②對(duì)不同的信號(hào)具有很好的兼容性，增強(qiáng)透明性③節(jié)約投資④降低對(duì)光電器件的超高速要求⑤可以靈活組網(wǎng)8.2波分復(fù)用系統(tǒng)的構(gòu)成WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)（如CATV、HDTV等），充分發(fā)掘光纖帶寬潛力，實(shí)現(xiàn)高速通信等具有十分重要的意義一、WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)，WDM系統(tǒng)主要由五個(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)二、光波長(zhǎng)分配光纖具有兩個(gè)低損耗窗口，即1310nm和1550nm在這兩個(gè)低損耗窗口中均可進(jìn)行波分復(fù)用，但是由于目前的光放大器EDFA的工作波長(zhǎng)范圍為1530~1565nm，因此目前波分復(fù)用的波長(zhǎng)范圍為1530~1565nm對(duì)這個(gè)有限的波長(zhǎng)范圍區(qū)域進(jìn)行光通道分配時(shí)，需要考慮帶寬利用率和非線性及串?dāng)_的影響等1．標(biāo)稱中心頻率和最小通道間隔為了保證不同WDM系統(tǒng)之間的橫向兼容性，必須對(duì)各個(gè)光通道的中心頻率（波長(zhǎng)）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)通道對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)通道間隔指的是相鄰光通道之間的標(biāo)稱頻率差，既可以是均勻的，也可以是非均勻的非均勻通道間隔可以用來(lái)抑制四波混頻效應(yīng)（FWM）但目前的規(guī)范和大多數(shù)應(yīng)用采用均勻通道間隔1．標(biāo)稱中心頻率和最小通道間隔ITU-T目前規(guī)定的各個(gè)信道的波長(zhǎng)間隔為0.8nm（在1550nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)100GHz頻率間隔）的整數(shù)倍，或整數(shù)分之一如0.4nm，0.8nm，1.6nm等在可用的1530~1565nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，目前廣泛使用的是各個(gè)通道頻率基于參考頻率為193.1THz、最小間隔為100GHz的頻率間隔系列2．通道分配表我國(guó)國(guó)標(biāo)《光波分復(fù)用系統(tǒng)總體技術(shù)要求》中對(duì)32波以及16波、8波的WDM系統(tǒng)的中心波長(zhǎng)進(jìn)行了規(guī)定序號(hào)中心頻率（THz）波長(zhǎng)（nm）序號(hào)中心頻率（THz）波長(zhǎng)（nm）1192.101560.61*9192.901554.13*2192.201559.7910193.001553.333192.301558.98*11193.101552.52*4192.401558.1712193.201551.725192.501557.36*13193.301550.926192.601556.5514193.401550.12*7192.701555.75*15193.501549.328192.801554.9416193.601548.51*3．中心頻率偏差中心頻率偏差定義為標(biāo)稱中心頻率和實(shí)際中心頻率之差對(duì)于信道間隔大于200GHz的系統(tǒng)，各個(gè)信道的偏差應(yīng)小于信道間隔的1/516通道WDM的系統(tǒng)通道間隔為100GHz（約0.8nm），最大中心頻率偏移為±20GHz8通道WDM系統(tǒng)的通道間隔為200GHz（約為1.6nm），為了能向16通道升級(jí)，最大中心頻率偏差也為±20GHz三、SDH與WDM的關(guān)系目前實(shí)際應(yīng)用的WDM系統(tǒng)的客戶層信號(hào)都是基于SDH的，也就是N×2.5（10Gb/s）SDH系統(tǒng)但并不是說(shuō)WDM系統(tǒng)只能承載SDH信號(hào)WDM系統(tǒng)的一個(gè)最重要特點(diǎn)是與業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)業(yè)務(wù)透明它可以承載各種格式的信號(hào)，無(wú)論是PDH、SDH，還是IP、ATM信號(hào)三、SDH與WDM的關(guān)系SDH和WDM的相同點(diǎn)在于都是建立在光纖這一物理介質(zhì)上，利用光纖作為傳輸手段，但兩者也有本質(zhì)的區(qū)別WDM是更趨近于物理介質(zhì)（光纖、光纜）的系統(tǒng)，它是在光域上進(jìn)行復(fù)用，在點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)用上，加上OXC、OADM就構(gòu)成網(wǎng)的概念SDH則是在電路層實(shí)施的“光同步傳送網(wǎng)”技術(shù)，它提出了一整套傳送網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不僅規(guī)定了復(fù)用方法，還描述了組網(wǎng)原則三、SDH與WDM的關(guān)系相對(duì)WDM技術(shù)而言，SDH和PDH、ATM一樣，都只是WDM系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)，也就是說(shuō)，SDH和WDM之間是客戶層與服務(wù)層的關(guān)系現(xiàn)在WDM技術(shù)似乎只有一個(gè)客戶，即SDH系統(tǒng)，但實(shí)際上WDM具有承載多客戶信號(hào)的能力隨著網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和發(fā)展以及透明性的增加，WDM將會(huì)承載越來(lái)越多的不同信號(hào)，擁有越來(lái)越多的客戶，形成真正的多色網(wǎng)三、SDH與WDM的關(guān)系Cisco和Ciena公司認(rèn)為隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)最終會(huì)直接面對(duì)各種業(yè)務(wù)網(wǎng)，如IP、ATM或可能出現(xiàn)的其它格式信號(hào)，不再需要SDH作為傳輸手段SDH的復(fù)接設(shè)備最終將會(huì)被淘汰，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)將基于分組和基于信元的協(xié)議數(shù)據(jù)交換機(jī)和高速路由器直接通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)的WDM設(shè)備相連接，以STM-16的速率進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于話音和低速數(shù)據(jù)的SDH復(fù)接設(shè)備就不再需要了三、SDH與WDM的關(guān)系但是，這只是一種長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)可以相信，SDH會(huì)在一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)繼續(xù)存在，特別是對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量不算太大，以電路交換為主的國(guó)家另外，SDH網(wǎng)絡(luò)具有的許多優(yōu)點(diǎn)還沒(méi)有充分發(fā)揮，沒(méi)有形成真正意義上的“光同步傳送網(wǎng)”8.3WDM的關(guān)鍵技術(shù)WDM技術(shù)對(duì)現(xiàn)代光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重大意義，WDM具備良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)性，既能滿足爆炸性增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，又有廣闊的發(fā)展前景但是要實(shí)現(xiàn)WDM傳輸，需要許多與其相適應(yīng)的高新技術(shù)和器件，其中包括光源、光合波／分波器、光放大器、光線路技術(shù)以及監(jiān)控技術(shù)等1．WDM光源技術(shù)WDM傳輸系統(tǒng)使用的光源是產(chǎn)生符合WDM系統(tǒng)要求的光波器件目前有多波長(zhǎng)光源、絕對(duì)波長(zhǎng)光源、分布反饋型激光器和超級(jí)周期結(jié)構(gòu)衍射光柵分布反饋型激光器等波長(zhǎng)可變半導(dǎo)體激光器，以及多波長(zhǎng)光纖環(huán)形激光器等應(yīng)用于WDM系統(tǒng)的光源，其發(fā)光波長(zhǎng)必須精確、穩(wěn)定、便于集成，有與之配套的波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定技術(shù)，可靠性高、成本低2．光放大器光放大器是光纖通信中的關(guān)鍵器件之一，用途有前置放大、線路放大、功率放大等光放大器分為光纖放大器（OFA）半導(dǎo)體光放大器（SOA）2．光放大器SOA早期受到噪聲、偏振相關(guān)性等因素影響，不能實(shí)用化采用應(yīng)變量子阱材料的SOA研制成功，SOA再度受到關(guān)注SOA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于批量生產(chǎn)，成本低，壽命長(zhǎng)，功耗小，還能與其它部件一塊集成，使用波長(zhǎng)覆蓋了1300~1600nm波長(zhǎng)，因此SOA是進(jìn)一步研究的重要器件之一2．光放大器光纖放大器有摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖放大器（PDFA）以及利用光的非線性效應(yīng)的光纖拉曼放大器（FRA）等多種其中EDFA已經(jīng)成熟并在WDM系統(tǒng)中商業(yè)化，成為現(xiàn)階段光放大器的主流對(duì)EDFA的要求是高增益、寬帶寬、低噪聲、通帶內(nèi)增益平坦等FRA以其帶寬寬、噪聲系數(shù)低、高分布式放大、波長(zhǎng)可選擇而發(fā)展迅速3．光信道間的串?dāng)_問(wèn)題光信道的串?dāng)_是影響接收機(jī)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解復(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2.5Gb/s系統(tǒng)中可以保證光信道間的隔離度大于25dB，基本上