波分复用技术讲稿.doc

波分复用技术（WDM）

第一、发展和起源
1、 光复用技术的发展
l 空分复用SDM（Space Division Multiplexing）
—— 线性增加光纤对和传输设备
—— 是一种十分有限的扩容方式
优点：扩容方案简单，容易实现
缺点：线路敷设困难，没有充分利用光纤带宽
l 时分复用TDM（Time Division Multiplexing）
—— PDH、SDH
—— 是一种被普遍采用的扩容方式
优点：成倍提高传输容量，降低了设备和线路成本
缺点：升级至更高速率需要完全更换设备和中断服务，速率升级缺乏灵活性
l 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）
—— 是一种在一根光纤内实现多路光信道传输的有效扩容方案
优点：充分利用光纤线路资源，极大地提高传输容量
缺点：需要较多光器件，增加了失效和故障的概率
l TDM + WDM
——充分利用TDM和WDM技术的优点进行系统扩容

2、两波长复用和密集波分复用DWDM
l 两波长复用
—— 两波长系统：1310nm和1550nm
—— 中继方式：光/电/光（原因：无兼顾2个窗口的光放大器件）
—— 采用熔融波分复用器件，插入损耗小
l 密集波分复用DWDM（Dense WDM）
—— 在1550nm窗口的多波长系统
—— 中继方式：光

3、DWDM发展状况

表1. 关于WDM光通信网未来发展趋势的预测（1999年）

1995年
2000年
2005年
2010年
传输速率
2.5Gbps
2.5Gbps
2.5Gbps
2.5Gbps
系统总容量
2.5Gbps
2.5Gbps
2.5Gbps
2.5Gbps
波长信道数
4
64
128
256
波长信道间隔
200GHz
100GHz
50GHz
50GHz
全光传输距离
100km
500km
2500km
10000km
网络结构
点到点
环行网
小型格状网
格状网
节点构成
光端机
固定OADM
可变OADM+固定OXC
可变OXC
表2. WDM器件市场增长趋势 单位：亿美元

2000
2001
2002
2003
2004
RHK
18
22.5
28.1
35.2
43.9
KMI
4.3
5.7
7.5
10
13.3
ElectroniCast
10.8
13.5
16.9
21.1
27

3.2 国内发展
l 1998年4月：清华大学、北京大学和北京邮电大学合作完成了4波长4节点的WDM实验网
l 1999年1月：武汉邮电科学研究院研制了济南—青岛8×2.5Gbps密集型WDM系统工程

第二、基本原理
1、光传输波段的划分
表3. 光传输波段的划分
波段分类
波长范围
O波段(Original)
1260nm~1360nm
E波段(Extended)
1360nm~1460nm
S波段(Short Wavelength)
1460nm~1530nm
C波段(Conventional)
1530nm~1565nm
L波段(Long Wavelength)
1565nm~1625nm
U波段(Ultra-Long Wavelength)
1625nm~1675nm

2、光波长与频率的换算
λ×f = c
λ——波长；f——光波频率；c——光在真空中的传播速度，一般采用3.0×108m/s。

3、WDM概念
l 把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传输（每个波长承载一个TDM电信号）
l 目前常用的复用波长都是在C波段范围内（1530nm~1565nm）
4、粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）
l 粗波分复用（Corse WDM）
—— 通道间隔 ~ 20nm
—— 复用波长范围1270nm ~ 1610nm （间隔20nm，共18个波长）
—— 只适用于短距离、低速率的城域网
l 密集波分复用
—— 通道间隔≤200GHz

5、工作方式
5.1 双纤单向传输
n 一根光纤只完成一个方向的光信号传输，反向光信号传输由另一根光纤来完成。同一个波长在两个方向上可以重复利用。

5.2 单纤双向传输
n 在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向的光信号应安排在不同的波长上。
n 比单向传输节约一半光纤器件。两个方向传输的信号不交互产生FWM（四波混频）。
n 需要采用特殊措施对付光反射；必须采用双向光纤放大器和光环形器。

5.3 光分插传输
n 通过OADM实现各波长信号在中间站的分出和插入（即上/下光路）

6、中心频率
根据ITU-T G.692的规定，所有DWDM系统的信道间隔为100GHz（0.8nm），参考中心频率为193.1THz（即1552.52nm）。

表4. ITU-T G.692建议的DWDM系统的中心频率
中心
频率
（THz）
中心
波长
(nm)
中心
频率
（THz）
中心
波长
(nm)
中心
频率
（THz）
中心
波长
(nm)
中心
频率
（THz）
中心
波长
(nm)
中心
频率
（THz）
中心
波长
(nm)
195.9
1530.33
194.9
1538.19
193.9
1546.12
192.9
1554.13
191.9
1562.23
195.8
1531.12
194.8
1538.98
193.8
1546.92
192.8
1554.94
191.8
1563.05
195.7
1531.90
194.7
1539.77
193.7
1547.72
192.7
1555.75
191.7
1563.85
195.6
1532.68
194.6
1540.56
193.6
1548.51
192.6
1556.55

195.5
1533.47
194.5
1541.35
193.5
1549.32
192.5
1557.36

195.4
1534.25
194.4
1542.14
193.4
1550.12
192.4
1558.17

195.3
1535.04
194.3
1542.94
193.3
1550.92
192.3
1558.98

195.2
1535.82
194.2
1543.73
193.2
1551.72
192.2
1559.79

195.1
1536.61
194.1
1544.53
193.1
1552.52
192.1
1560.61

195.0
1537.40
194.0
1545.32
193.0
1553.33
192.0
1561.42

第三、DWDM对光纤的要求
1、单模光纤
G.652单模光纤 满足ITU-T.G.652要求的单模光纤，常称为非色散位移光纤，其零色散位于1．3um窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为0．36dB／km）。我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dB／km）的1550nm光纤窗口。
G.653单模光纤 满足ITU-T.G.653要求的单模光纤，常称色散位移光纤（DSF＝Dispersion Shifted Fiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。美国AT＆T早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。但在日本，将色散补偿技术*用于G.653单模光纤线路，仍可解决问题。
G.654单模光纤 满足ITU-T.G.654要求的单模光纤，常称截止波长位移光纤，在1550nm处具有最低衰减。主要应用在传输距离长且不能插入有源器件的无中继海底光缆通信系统。这种光纤的缺点是制造特别困难，价格十分昂贵，使用较少。
G.655单模光纤 满足ITU-T.G.655要求的单模光纤，常称非零色散位移光纤或NZDSF（＝NonZero Dispersion Shifted Fiber）。属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值（按ITU-T.G.655规定，在波长1530-1565nm范围对应的色散值为0.1-6.0ps／nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应。商品光纤有如AT&T的TrueWave光纤，Corning的SMF-LS光纤（其零色散波长典型值为1567.5nm，零色散典型值为0.07ps／nm2.km）以及Corning的LEAF光纤。我国的“大保实”光纤等。
DCF光纤 Dispersion Compensating Fiber色散补偿单模光纤 是具有大的负色散光纤,这类光纤是针对已敷设的1310nm设计的一种新型的光纤。在G.652光纤中加入一定的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总的色散进似为零。
DFF光纤 Dispersion-flattened Fiber色散平坦光纤 将从1.3um到1.55um的较宽波段的色散，都能作到很低，几乎达到零色散的光纤。

2、典型光纤衰减

3、光纤色散特性

4、DWDM对光纤要求
n 衰减小
n 有适量的色散系数（1~6ps/nm.km）；色散斜率要小；在工作区是正色散
n 适量增大光纤的有效面积

5、适合DWDM的光纤
n G.652光纤（2.5Gbps低速系统）
n G.655光纤（10Gbps、40Gbps及以上高速系统）

第四、系统结构与实例
1、WDM光传送网的分层结构：WDM承载SDH业务
电路层
SDH通道层
SDH电复用短层
光通道层
光复用段层
光传送段层
物理层（光纤）

2、光传输的逻辑分层示意图

3、DWDM节点组成单元
•光复用解复用单元（OM/OD）：在发送端将多路不同波长信号复用到一根光纤中，在接收端将一根光纤中的不同波长信号分开至不同的光纤中。

•光接口变换单元（OTU）：把来自SDH设备的光信号转换为满足波分复用系统要求（G.692）的光信号。也称为光波长转换器。
•光放大器（OA）：放大光信号功率，补偿光缆线路衰耗，延长传输距离。
•光监控通道（OSC）：为系统的监控信息、公务电话信息及其它辅助信息提供传输通道。
•公务电话（OWR）：完成公务联络
•管理控制（MCP）：完成WDM网络的监控管理。
4、系统应用代码

各字母的含义：
n 表示最大波长数。
W 表示传输区段的长度等级；L表示长距离，V表示甚长距离，V表示超长距离。
x 表示最大允许的区段数，其值为1时表示系统只有一个区段，即没有线路放大器，此时也可以不写。
y 表示STM速率等级，其中y=4或16，分别表示STM-4或STM-16。
z 表示光纤类型，其中z=2表示G.652光纤，z=3表示G.653光纤，z=5表示G.655光纤。
4.1、无在线放大器系统

4.2、有在线光放大器系统

5、开放式DWDM系统和集成式DWDM系统
n 开放式系统特点：具有波长变换接口。将G.957光信号变换G.692光信号。
应用：可以和任何厂家的 SDH、PDH、吉比特路由器、数字电视设备互连通。

n 集成式系统特点：没有波长变化接口。要求复用终端的光信号满足G.692要求。
应用：不同厂家的设备不能互连通。组网灵活性受到限制。

6、济南—青岛DWDM系统

7、DWDM节点的完整结构

第五、系统主要元件
1、 光波长转换器OTU
2、
〈1〉工作原理
n 无定时再生功能的OTU：仅具有转换波长功能

n 有定时再生功能的OTU：具有转换波长和中继功能

〈2〉应用
n 没有再生中继功能的OTU应用示例

n OTU作为再生中继器的应用示例

2、光放大器OA
〈1〉光放大器种类

〈2〉EDFA工作原理

光耦合器：耦合信号光和泵浦光；
光隔离器：抑制反射光；
光滤波器：过滤自发辐射（ASE）噪声。

在EDFA光放大器增益曲线上，将1525nm~1540nm范围称做蓝带区，将1540nm~1565nm范围称做红带区。一般来说，当传输容量小于40Gbps时，优先使用红带区。
EDFA增益平坦曲线：

〈3〉EDFA基本结构与改进
（1）同向泵浦EDFA

（2）反向泵浦EDFA

（3）双向泵浦EDFA

（4）反射型泵浦EDFA
〈4〉EDFA应用
a 前置放大器PA
位置：安装在中继段末尾，光接收设备之前。
作用：对衰减的小信号进行放大，提高光接收机的接收灵敏度。
B 线路放大器LA
位置：整个中继段的中间。
作用：对传输信号进行放大。
c 后置放大器BA
位置：置于终端复用设备或中继设备的发射光源之后，在中继段靠前的位置。
作用：实现发射功率的助推，提高注入光纤的光功率，延长传输距离。

〈5〉C波段DEFA和L波段EDFA
参 数
C - 波段
L - 波段
工作波长
1528 - 1560 nm
1570 - 1604 nm
标称增益
18 - 30 dB
18 - 30 dB
最大输出功率
13dBm - 23dBm
13dBm - 23dBm
增益平坦性
1dB(峰 - 峰值)
1dB(峰 - 峰值)
噪声指数(dB)
5.0dB
6.0dB
工作湿度（℃）
- 5 - 65℃
- 5 - 65℃
存放温度（℃）
- 25 - 85℃
- 25 - 85℃

〈6〉拉曼放大器
Raman光纤放大器是利用光纤的非线性效应实现信号光的放大，在理论上只要有合适的泵浦光，就能够得到任意波长光信号的放大，成功解决了EDFA放大区域小的缺点，使系统厂商能更充分地利用光纤的带宽资源。由于其利用非线性效应，因此要使用比EDFA更高的泵浦光功率，通常EDFA需要不到300MW，而Raman放大器通常需要700MW或更高的泵浦光功率，而单一泵浦难以有如此大的光功率，而且要获得宽带平坦的增益需要不同波长的泵浦源，因此需要有泵浦光合成器对多个泵浦光进行混合。

〈7〉掺铥光纤放大器TDFA
在最新发现的1475-1510nm宽约35nm的Ｓ波段中，损耗和色散值都不太大，特性也较为平坦，适用于ＤＷＤＭ（密集波分复用），并且与Ｃ波段和Ｌ波段相连。但原来用于Ｃ波段和Ｌ波段的ＥＤＦＡ（掺铒光纤放大器）已明显地不适用该波段，而最近试制成功的掺铥光纤放大器（ＴＤＦＡ）可以对Ｓ波段提供有用的功率放大。
　　ＴＤＦＡ是通过在氟化物光纤的纤芯中掺铥（Ｔｍ3+）制成的，它可将增益带宽从Ｓ+1450--1480ｎｍ移至Ｓ波段1480-1510ｎｍ。

3、光复用器和解复用器
在实际使用中，分波器和合波器有两种：一种用于光复用终端设备，将1550nm窗口各个工作信道复接/分接，这是要求较高的无源光器件；另一种应用于线路光纤段的始点/终点，完成监控通道（1510nm或1310nm波长）和主光通道的复用/解复用，实际上是一种两波长的光器件。
3.1、种类
（1）光栅型波分复用器
闪烁光栅WDM原理：

光导纤维中Bragg光栅滤波器：

（2）介质薄膜型波分复用器（DTF）

（3）熔锥型波分复用器

用3dB耦合器组成的光复用器的原理图：

（4）集成光波导波分复用器

3.2、特性比较
器件类型
机理
批量生产
通道间隔
通道数
串音
插入损耗
主要缺点
衍射光栅型
角色散
一般
0.5~10
4~131
-30
3~6
温度敏感
介质薄膜型
干涉/吸收
一般
1~100
2~32
-25
2~6
通道数较少
熔锥型
波长依赖型
较容易
10~100
2~6
-(10~45)
0.2~1.5
通道数少
集成光波导型
平面波导
容易
1~5
4~32
-25
6~11
插入损耗大

3.3、部分厂商WDM器件（2000年）
厂商
波长数
合波器
分波器
Alcatel
16
DTF
DTF
Siemens
16
无源耦合器
DTF
Erission
8、16
无源耦合器
DTF
Lucent
16
无源耦合器
AWG
NEC
32
AWG
龙骨型平面阵列波导
Nortel
16
DTF
DTF
古河电工
8
无源耦合器
DTF
Ciena
16
无源耦合器
光纤Bragg光栅

第六、WDM光网络系统及发展趋势

1、1998年部科委对WDM系统建议
项目
建议参数
单纤单向或单纤双向的WDM系统
选择单纤单向WDM系统
光信道数
4路或8路
光纤类型
G.652光纤
中心波长
红带范围内1545nm~1565nm
光信道速率
2.5Gbit/s
光监控信道波长
取1510nm
光放大器间距
80km、120km
再生段间距
600km
保护方式
在SDH层面上的保护
网元管理
WDM系统独立的网元管理

2、光网络发展

大唐电信光通信分公司DWDM设备：见

常用缩略词汇：
DWDM
Dense Wavelength Division Multiplexing
密集波分复用
EDFA
Erbium Doped Fiber Amplifier
掺饵光纤放大器
OADM
Optical Add and Drop Multiplexer
光分插复用器
OXC
Optical Cross Connect equipment
光交叉连接设备
PDH 
Plesiochronous Digital Hierarchy
准同步数字体系
SDH 
Synchronous Digital Hierarchy
同步数字体系
TDM 
Time Division Multiplexing
时分复用
TDFA
Thulium Doped Fiber Amplifier
掺铥光纤放大器
DCF
Dispersion Compensating Fiber
色散补偿光纤

<INTERNET摘录>
常见问题：
问题一：WDM与DWDM有不同？
回答一：基本上尚无一个严谨的定义，但是一般认为，波道间距 (channel spacing)大于1nm且波道总数低于8以下，称之 为WDM系统，反之，若波道间距小于1nm且波道总数大 于8以上者，即称之为DWDM系统，现有的商用系统大 部份属于后者。
问题二：DWDM最多能传送几个波道？
回答二：DWDM到底能传送几个波道(channel)，必须考虑光纤的损 失特性及半导体雷射、光滤波器、光放大器等技术的配合，以现有的商用技术，C band(1530 ~1565nm)加L band(1565 ~1615nm)，采用ITU-T建议0.8nm波道间距，约可传送100 个波道；若采用0.4nm波道间距，则可传送200个波道。
问题三：DWDM的每个波道可载送那些信号？
回答三：理论上毫无限制 (必须配合波道间距)，但是为了有效运用 波道，现有产品以传送STM-16及STM-64信号为主，低于2.5Gb/s时，则先在transponder集缩或多工，视各厂家产架构而定，特殊应用与设计则不在此限。
问题四：DWDN系统中用何种镜片？
回答四：DWDM系统中所用镜片大致有薄膜镜片、阵列波导光栅(AWG)光纤光栅阵列、干涉光纤等，使用则视波导数而定，第一种为使用光学镀膜方式制作，第二种使用平面波导制作技术达成。