WDM技术和要求.doc

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第1章 WDM概述
1.1 WDM技术的产生背景
1.1.1 光网络复用技术的发展
随着信息时代宽带高速业务的不断发展, 不但要求光传输系统向更大容量、 更长距离发展, 而且, 要求其交互便捷。因此, 在光传输系统中引入了复用技术。所谓复用技术是指利用光纤宽频带、 大容量的特点, 用一根光纤或光缆同时传输多路信号。在多路信号传输系统中, 信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。
光纤传输网的复用技术经历了空分复用( SDM) 、 时分复用( TDM) 到波分复用( WDM) 三个阶段的发展。
SDM技术设计简单、 实用, 但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数, 投资效益较差; TDM技术的应用很广泛, 缺点是线路利用率较低; WDM技术在1根光纤上承载多个波长( 信道) , 使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。
光纤通信系统经历了几个发展阶段, 从70年代末的PDH系统, 90年代中期的SDH系统(经历了准同步数字体系( PDH) 、 同步数字体系( SDH) , 和波分复用( WDM) 三个阶段), 以及近来风起云涌的DWDM系统, 乃至将来的智能光网络技术, 光纤通信系统自身正在快速地更新换代。
波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了, 80年代末、 90年代初, AT&T贝尔实验室的厉鼎毅( T.Y.Lee) 博士大力倡导波分复用( DWDM) 技术, 两波长WDM( 1310／1550nm) 系统80年代就在美国AT&T网中使用, 速率为2×1.7Gb／s。可是到90年代中期, WDM系统发展速度并不快.
从技术和经济的角度, DWDM技术是当前最经济可行的扩容技术手段。
WDM
WDM又叫波分复用技术, 是新一代的超高速的光缆技术, 所谓波分复用技术, 就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波, 让数据传输速度和容量获得倍增, 它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源, 采用合波器, 在发送端将不同规定波长的光载波进行合并, 然后传入单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载分开的复用方式, 由于不同波长的载波是相互独立的, 因此双向传输问题, 迎刃而解。根据不同的波分复用器( 分波器, 合波器X能够复用不同数量的波长。
通信系统的设计不同, 每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同, WDM能够细分为CWDM( 稀疏波分复用) 和DWDM( 密集波分复用) 。CWDM的信道间隔为20nm, 而DWDM的信道间隔从0.4nm 到1.2nm, 因此相对于DWDM, CWDM称为稀疏波分复用技术。
DWDM是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有信息( 模拟或数字) 的光载波, 只 需经过增加波长( 信道) 实现系统扩容的光纤通信技术。它将几种不同波长的光信号组合( 复用) 起来传输, 传输后将光纤中组合的光信号再分离开( 解复用) , 送入不同的通信终端, 即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道, 我们也能够称之为虚拟光纤。
1.2 光波分复用和解复用器件的技术
概述
光波分复用器与解复用器属于光波分复用器件, 又称为合波器与分波器, 实际上是一种光学滤波器件。
在发送端, 合波器( OM) 的作用是把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波, 然后输入到光纤中进行传输, 即对光波起复用作用。
在接收端, 分波器( OD) 的作用是把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的各复用光通路信号, 然后分别输入到相应的各光通路接收机中, 即对光波起解复用作用。
由于光合、 分波器性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响, 因此, 要求合、 分波器的衰耗、 偏差、 信道间的串扰必须小。
1.2.1 光波分复用器件介绍
以下将简要介绍4种常见的波分复用器, 以及不同波长数量的DWDM系统常见的复用器类型。
1． 常见光波分复用器简介
( 1) 光栅型波分复用器
光栅型波分复用器属于角色散型器件。
利用不同波长的光信号在光栅上反射角度不同的特性, 分离、 合并不同波长的光信号, 工作原理如Error! Reference source not found.所示。

图 01 光栅型波分复用器原理图
光栅型波分复用器具有优良的波长选择性, 波长间隔可缩小到0.5 nm左右。可是, 由于光栅在制造上要求非常精密, 不适合大批量生产, 常见于实验室的科学研究。
( 2) 介质薄膜型波分复用器
介质薄膜型波分复用器由薄膜滤波器( TFF) 构成。
TFF由几十层不同材料、 不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成。一层为高折射率, 一层为低折射率, 从而对一定的波长范围呈通带, 而对另外的波长范围呈阻带, 形成所要求的滤波特性。工作原理如Error! Reference source not found.所示。

图 02 介质薄膜型波分复用器原理图
介质薄膜型波分复用器是一种结构稳定的小型化无源光器件, 信号通带平坦, 插入损耗低, 通路间隔度好。
( 3) 阵列波导波分复用器( AWG) Arrayed Waveguide Grating
阵列波导波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件, 工作原理如Error! Reference source not found.所示。

图 03 阵列波导型复用器原理图
AWG结构紧凑, 插损小, 是光传送网络中实现合分波的优选方案。
( 4) 耦合型波分复用器
耦合型波分复用器是将两根或者多根光纤靠贴在一起适度熔融而成的一种表面交互式器件, 一般用于合波器, 工作原理如Error! Reference source not found.所示。

图 04 耦合器型合波器原理图
耦合器型波分复用器只能实现合波功能, 制造成本低, 可是引入损耗较大。
2． DWDM系统的复用/解复用器件
不同波长系统使用的光波分复用器件对应关系如Error! Reference source not found.所示。

表 01 DWDM系统与光波分复用器件的对应关系
光波分
复用器类型
合波器
分波器
32波以下
40波
80波以上
32波以下
40波
80波以上
耦合型
√
-
-
-
-
-
阵列波导型
√
√
√
√
√
√
介质薄膜型
√
√
-
√
√
-
光栅型
-
-
√
-
-
√
1.2.2主要性能指标
1．复用通路数
代表波分复用器件进行复用与解复用的光通路数量, 与器件的分辨率、 隔离度等参数密切相关。
2． 插入损耗
波分复用器件本身对光信号的衰减作用, 直接影响系统的传输距离。
不同类型的波分复用器件插损值不同, 插损越小越好。
3． 隔离度
表征光元器件中各复用光通路彼此之间的隔离程度。通路的隔离度越高, 波分复用器件的选频特性就越好, 串扰抑制比也越大, 各复用光通路之间的相互干扰影响也越小。
该参数仅对波长敏感型器件( 薄膜滤波器型和AWG型器件) 有意义。对耦合型器件, 参数无意义。
4． 反射系数
在波分复用器件的输入端, 反射光功率与入射光功率之比为反射系数。反射系数值越小越好。
5． 偏振相关损耗( PDL)
偏振相关损耗是指由光波的偏振态变化引起的插入损耗最大变化值。
光是频率极高的电磁波, 因此存在波的振动方向问题( 偏振) 。输入到波分复用器件中的各复用通路光信号, 其偏振态不可能完全一致, 而同一波分复用器件对不同偏振态的光波, 其衰减作用也略有不同。PDL值越小越好。
6． 温度系数
温度系数是指, 由于环境温度变化引起的复用通路中心工作频率的偏移。波分复用器件的温度系数越小越好。系数越小, 说明各复用通路的中心工作频率越稳定。
7． 带宽
波长敏感型器件( 薄膜滤波器型和AWG型器件) 参数之一, 对于耦合型波分复用器无意义。
带宽包括-0.5dB通道宽度和-20dB通道宽度两种。
l -0.5dB通道宽度
当分波器插入损耗下降0.5dB时, 相应工作波长的变化值。
描述分波器的带通特性。良好的带通特性曲线应平坦、 宽阔, 带宽值越大越好。
l -20dB通道宽度
当分波器插入损耗下降20dB时, 相应工作波长的变化值。
描述分波器的阻带特性。阻带特性曲线应陡峭, 带宽值越小越好。
1.3 DWDM工作波长范围
石英光纤有三个常见的低损耗窗口: 850nm窗口、 1310nm窗口和1550nm窗口, 如Error! Reference source not found.所示。

O: Original Band, 原始波段 E: Extend Band, 扩展波段 S: Short Band, 短波段
C: Conventional Band, 常规波段 L: Long Band, 长波段
图 1.31 光纤通信中的低损窗口
1． 850nm窗口
波长范围600nm~900nm。主要用于多模光纤, 传输损耗较大( 平均损耗2dB/km) 。一般适用于短距的接入网环境, 如光纤通道( FC) 业务。
2． 1310nm窗口
该波长区的可用波长下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数, 上限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响。工作范围为1260nm~1360nm, 平均损耗0.3dB/km~0.4dB/km。
由于当前尚无工作于1310nm窗口的宽带光放大器, 因此不适用于DWDM系统。(CWDM器件不能用在长距离传输的设备)
3． 1550nm窗口
该波长区的下限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响, 而上限主要受限于红外吸收损耗和弯曲损耗的影响。工作波长位于1460nm~1625nm, 平均损耗0.19dB/km~0.25dB/km。
1550nm窗口的损耗最低, 可用于SDH信号的短距和长距通信。同时, 由于当前常见的光放大器EDFA在该窗口具有良好的增益平坦度, 因此, 1550nm窗口也适用于DWDM系统。
1550nm窗口的工作波长分为3部分( S波段、 C波段和L波段) , 波长范围如Error! Reference source not found.所示。

图 1.32 1550nm窗口工作波长划分
( 1) S波段( 1460nm~1530nm) : 由于EDFA工作波长范围位于C波段或L波段, 因此, 当前DWDM系统中不使用S波段。
( 2) C波段( 1530nm~1565nm) : 常见于40波以下DWDM系统( 频道间隔100GHz) 、 80波DWDM系统( 频道间隔50GHz) 以及SDH系统(同步数字体系)的工作波长区。
( 3) L波段( 1565nm~1625nm) : 80波以上DWDM系统的工作波长区。此时, 频道间隔为50GHz。
1.4 DWDM系统的工作波长
工作波长区说明
以下按DWDM系统的复用通道的数量, 分别介绍不同系统的工作波长范围、 频率范围、 通路间隔、 中心频率偏差。
1． 8/16/32/40/48波系统
工作波长范围: C波段( 1530nm~1565nm)
频率范围: 191.3THz~196.0THz
通路间隔: 100 GHz
中心频率偏差: ±20GHz( 速率低于2.5Gbit/s) ; ±12.5GHz( 速率10Gbit/s)
2． 80/96波系统
工作波长范围: C波段( 1530nm~1565nm)
频率范围: C波段( 191.30THz~196.05THz)
通路间隔: 50GHz
中心频率偏差: ±5GHz
3． 160/176波系统
工作波长范围: C波段( 1530nm~1565nm) +L波段( 1565nm~1625nm)
频率范围: C波段( 191.30 THz~196.05 THz) , 共96波;
L波段( 186.95 THz~190.90 THz) , 共80波。
通路间隔: 50GHz
中心频率偏差: ±5GHz
1.4.1 DWDM波长分配
密集波分设备的工作波长严格遵循ITU-T建议的G.692标准, 采用多信道系统使用的特定中心波长和中心频率值。
1． 当密集波分设备为C波段40波及以下波长系统时, 通路间隔100 GHz, 波长分配如Error! Reference source not found.所示。
表01 基于C波段的40 CH波长分配
波长
序号
子波段
名称
标称中心频率
( THz)
标称中心波长
( nm)
波长
序号
子波段
名称
标称中心频率
( THz)
标称中心波长
( nm)
1
C100_1
192.1
1560.61
21
C100_1
194.1
1544.53
2
C100_1
192.2
1559.79
22
C100_1
194.2
1543.73
3
C100_1
192.3
1558.98
23
C100_1
194.3
1542.94
4
C100_1
192.4
1558.17
24
C100_1
194.4
1542.14
5
C100_1
192.5
1557.36
25
C100_1
194.5
1541.35
6
C100_1
192.6
1556.55
26
C100_1
194.6
1540.56
7
C100_1
192.7
1555.75
27
C100_1
194.7
1539.77
8
C100_1
192.8
1554.94
28
C100_1
194.8
1538.98
9
C100_1
192.9
1554.13
29
C100_1
194.9
1538.19
10
C100_1
193.0
1553.33
30
C100_1
195.0
1537.40
11
C100_1
193.1
1552.52
31
C100_1
195.1
1536.61
12
C100_1
193.2
1551.72
32
C100_1
195.2
1535.82
13
C100_1
193.3
1550.92
33
C100_1
195.3
1535.04
14
C100_1
193.4
1550.12
34
C100_1
195.4
1534.25
15
C100_1
193.5
1549.32
35
C100_1
195.5
1533.47
16
C100_1
193.6
1548.51
36
C100_1
195.6
1532.68
17
C100_1
193.7
1547.72
37
C100_1
195.7
1531.90
18
C100_1
193.8
1546.92
38
C100_1
195.8
1531.12
19
C100_1
193.9
1546.12
39
C100_1
195.9
1530.33
20
C100_1
194.0
1545.32
40
C100_1
196.0
1529.55
注: 子波段名称C100_1表示C波段波长间隔为100 GHz的第1个子波段。
1.5 主要性能指标
( 1) 通路间隔
通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差, 包括均匀通路间隔和非均匀通路间隔。当前, 多数采用均匀通路间隔。
DWDM系统最小通路间隔为50GHz的整数倍。
l 复用通路为8波时, 通路间隔为200GHz。
l 复用通路为16波/32波/40/48波时, 通路间隔为100GHz。
l 复用通路为80波以上时, 通路间隔为50GHz。
采用的通路间隔越小, 要求分波器的分辨率越高, 复用的通路数也越多。
( 2) 标称中心频率
标称中心频率是指DWDM系统中每个复用通路对应的中心波长( 频率) 。
例如, 当复用通路为16波/32波/40波时, 第1波的中心频率为192.1THz, 通路间隔为100GHz, 频率向上递增。
( 3) 中心频率偏移
中心频率偏移又称频偏, 是指复用光通路的实际中心工作频率与标称中心频率之间的偏差。
国标规定, 100GHz频率间隔的系统, 速率为2.5Gbit/s以下时, 最大中心频率偏移为±20GHz( 约±0.16nm) ; 速率为10Gbit/s时, 最大中心频率偏移为±12.5GHz。50GHz频率间隔的系统, 最大中心频率偏移为±5GHz。
( 4) 光功率单位
W: 功率单位是瓦特。光传输中的光能量比较小, 一般用mW进行计量。
dBm: dBm单位是一个绝对值, 是和1mW的功率值的绝对值: P dBm=10*log10(P/P0) =10*log10(pmW/1mW)
dB: dB单位是一个相对值, 是P1相对于参考点P2的功率值:
P1-P2 dB=10*log10(P1/P2) =10*log10(P1/P0)- 10*log10(P2/P0)
( 5) 衰耗
衰耗就是能量的损失。对于无源器件, 带来的都是衰耗。衰耗是一个相对量, 一般选择无源器件的输出作为参考点, 输入功率和输出功率的比值作为该器件的衰耗。光纤衰耗与光纤的长度呈正比, 即光纤衰耗是具有累积性质的。
( 6`) 增益
增益就是能量的提升。对于放大器, 能够带来增益。
增益是一个相对量, 一般选择放大器的输入作为参考点, 输出功率和输入功率的比值作为该器件的增益。

1.6 WDM系统的相关定义
WDM 波分复用( WDM, Wavelength Division Multiplexing) 是指, 在1根光纤上承载多个波长( 信道) 系统, 将1根光纤转换为多条”虚拟”纤, 每条虚拟纤独立工作在不同波长上。由于WDM系统技术的经济性与有效性, 使之成为当前光纤通信网络最广泛使用的光波复用技术。
WDM一般有3种复用方式, 即1310nm和1550nm波长的波分复用、 粗波分复用( CWDM) 和密集波分复用( DWDM) 。
( 1) 1310 nm和1550 nm波长的波分复用
这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长: 1310nm窗口一个波长, 1550nm窗口一个波长, 利用WDM技术实现单纤双窗口传输, 这是最初的波分复用的使用情况。
( 2) 密集波分复用( DWDM)
简单的说, DWDM技术是指相邻波长间隔较小的WDM技术, 工作波长位于1550nm窗口。能够在一个光纤上承载8~160个波长。主要应用于长距离传输系统。

图 1.61 DWDM系统示意图
( 3) 粗波分复用( CWDM)
CWDM技术是指相邻波长间隔较大的WDM技术, 相邻信道的间距一般大于等于20nm, 波长数目一般为4波或8波, 最多18波。CWDM使用1200nm ~1700nm窗口。
CWDM采用非制冷激光器、 无光放大器件, 成本较DWDM低; 缺点是容量小、 传输距离短。因此, CWDM技术适用于短距离、 高带宽、 接入点密集的通信应用场合, 如大楼内或大楼之间的网络通信。
1.7 DWDM基本概念
DWDM( Dense Wavelength Division Multiplexing) 密集波分复用技术是在波长1550nm窗口附近, 在EDFA能提供增益的波长范围内, 选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波, 这些光载波各自受不同数字信号的调制, 复合在一根光纤上传输, 提高了每根光纤的传输容量。这些光载波的波长间隔为0.4～2nm, 如Error! Reference source not found.所示。

图 1.71 DWDM载波波长间隔
DWDM设备一般由五部分组成, 如Error! Reference source not found.所示。

图 1.72 DWDM系统组成
1.8 DWDM的特点和优势
1． 充分利用光纤的带宽资源, 传输容量巨大
DWDM系统中的各波长相互独立, 可透明传输不同的业务, 如SDH、 GbE、 ATM等信号, 实现多种信号的混合传输。如Error! Reference source not found.所示, 多个光信号经过采用不同的波长复用到一根光纤中传输, 每个波长上承载不同信号, 在一根光纤中传输, 大大提高了光纤容量, 极大的节约了光纤资源, 降低线路建设成本。

图 1.81 DWDM传输容量巨大
2． 超长的传输距离
利用掺铒光纤放大器( EDFA) 等多种超长距传输技术, 能够对DWDM系统中的各通路信号同时放大, 实现系统的长距传输。
3． 平滑升级扩容
由于DWDM系统中的每个波长通道透明传输数据, 不对通道数据进行任何处理, 因此, 扩容时, 只需增加复用光波长通路数即可, 方便易行。
1.9 DWDM的发展趋势
1. 更高的通道速率
DWDM系统的通道速率由2.5Gbit/s发展到当前的10Gbit/s, 基于40Gbit/s速率的系统已进入商用阶段。
2． 更多波长复用数量
DWDM系统多用于8/16/32个波长, 通道间隔为100GHz, 工作波长位于C波段。随着技术的不断发展, DWDM系统的工作波长可覆盖C、 L波段, 间隔50GHz。最高可提供160波的复用。
3． 超长的全光传输距离
经过提高全光传输的距离, 减少电再生点的数量, 可降低建网的初始成本和运营成本。
传统的DWDM系统采用EDFA延长无电中继的传输距离, 当前, 经过分布式拉曼放大器、 超强前向纠错技术( FEC) 、 色散管理技术、 光均衡技术以及高效的调制格式等, 可从当前的600km左右扩展到 km以上。

2.0掺铒光纤放大器( EDFA) 技术
EDFA技术原理
1． 放大原理
铒( Er) 是一种稀土元素。在制造光纤的过程中, 掺入一定量的Er3+离子, 形成掺铒光纤。这种光纤中的Er3+离子会吸收光子的能量, 使自身的能级发生变化, 即激励。用来做为激励的光源被称为泵浦光源, 它所发出的激励光波被称为泵浦光。
Error! Reference source not found.为掺铒光纤放大器的原理图。

图 01 掺铒光纤放大器放大原理图

2． 组成
EDFA主要由铒掺杂光纤( EDF) 、 泵浦光源、 WDM耦合器、 隔离器等部件组成, 结构如Error! Reference source not found.所示。
图 02 掺铒光纤放大器的组成
WDM耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起; 隔离器的作用是抑制光反射, 以确保光放大器工作稳定; 泵浦激光器产生泵浦光源。
2.1CWDM和DWDM的关系
1． CWDM和DWDM的波长范围
CWDM系统的工作波长范围由使用光纤决定。
如果采用常规光纤, 即G.652 A&B光纤, 波长范围是1470nm~1610nm; 有水峰的光纤只能传输8波＋1310nm窗口的波长。
2.如果采用无水峰光纤, 即G.652 C&D光纤, 波长范围是1270nm~1610nm。18个波长占用了整个无水峰光纤的低插损窗口。( 1260-1460/1460-1620) 1270.1290.1310.1330.1350.1370.1390.1410.1430 1450/1470.1490.1510.1530.1550.1570.1590.1610) , 小波长用1310, 大波长用1550
DWDM系统主要工作在1550nm窗口, 波长范围是1460nm~1625nm。
2． CWDM和DWDM的通道间隔
CWDM的通道间隔是20nm。
DWDM的通道间隔是0.4～2nm。
3． CWDM和DWDM的单波速率
当前CWDM的单波最高速率是2.5G。
当前DWDM的单波最高速率是40G。
4． CWDM和DWDM的波长数
CWDM能提供8~18个波长, 每个波长能够达到2.5G的带宽。因此CWDM设备能够节省大量的光纤, 特别是当环网的汇聚型业务时。
DWDM系统根据不同的工作波长范围, 能提供8~160个波长。
5． CWDM和DWDM的光放大器
CWDM系统不使用EDFA。
DWDM当前使用的有掺铒光纤放大器( EDFA) 、 拉曼放大器和遥泵放大器。
6． CWDM和DWDM的传输距离
CWDM由于没有采用EDFA, 传输距离成为重要的技术指标。CWDM的功率损耗必须小于30dB。这样一来, CWDM的典型传输距离只能达到40～80km。
DWDM经过不同类型的光转发板( OTU) 、 掺铒光纤放大器( EDFA) 、 前向纠错( FEC) 技术、 超强前向纠错( AFEC) 技术、 归零码( RZ) 技术、 增强型光放大器( EOA) 、 分布式RAMAN放大器和遥泵技术等超长距技术, 实现从几公里直至 km以上的超长无电中继传输。如果采用多复用段级联, 传输距离可延长至 0 km以上。
7． CWDM和DWDM的成本
CWDM系统不使用EDFA, 采用廉价的无制冷激光器, 波长容差为±2~3nm, 成品率高。采用廉价的CWDM滤波器, 比DWDM在指标、 工艺上要求低。而且继承了DWDM可平滑升级的特点, 采用模块化设计, 随着业务的增长, 在原有设备平台上插入新OTU模块, 来增加传输带宽。降低初期投资。
8． CWDM和DWDM的应用场合
CWDM采用非制冷激光器、 无光放大器件, 成本较DWDM低; 缺点是容量小、 传输距离短。因此, CWDM技术适用于短距离、 高带宽、 接入点密集的通信应用场合, 主要应用于城域汇聚层, 接入层, 专网, 小城市骨干层。
DWDM主要应用于城域骨干层、 长途骨干网, 经过运用掺铒光纤放大器( EDFA) , 实现超长距离无再生中继、 超大容量传输。
1- 通路间隔和通道间隔( 波长间隔) 的区别?
2- DWDM通路间隔一般分几种? 每种对应的通道间隔是多少? 每种通道间隔对应的复用通道的数量一般是多少?
3- DWDM 对应的那几个波段? 波段的对应的波长范围? 在那个工作窗口上?
4- CWDM 的工作的波长范围? 波长间隔是多少? 最大有多少个通道数量? 在那个工作窗口上?

我住香港, 香港民用网络带宽基本上都是100M的, 只要99港币一个月, 1G很少有民用的, 也没见有什么商家宣传家用1G带宽, 不过这里的网费的确比大陆便宜些
大陆1M 98元, 10M300元