D011DWDM原理V1P2R.ppt

光通信D&T团队 DWDM基本原理 V1P2R1 主要内容 qDWDM系统概述 q光纤的基本特性 qDWDM系统关键技术 qDWDM系统的技术规范 2 光纤传输网的复用技术 光纤传输网的复用技术经历了三个阶段： 空分复用（SDM） 时分复用（TDM） 波分复用（WDM） 3 DWDM产生背景 从技术和经济的角度，DWDM技术是目前最经济可行 的扩容技术手段 利用TDM方式扩容已经日益接近技术的极限 已经敷设的G.652光纤的高色散限制了10Gbit/s以上信号 的传输 光电器件的迅速发展，特别是EDFA大规模的商用化 4 IP ATM SDH DWDM Open Optical Interface SDHATM IP 其它 DWDM在传输网中的定位 光纤物理层 DWDM 5 WDM定义光波分复用 N 2 1 N 2 1 N21 光复用器 光解复用器 光纤放大器 WDM将携带不同信息的多个光载波复合到一根光纤中进行传输 6 WDM分类 粗波分复用（CWDM） 密集波分复用（DWDM） 7 光功率(dBm) 1530 - 1565nm 波长 波长间隔：0.4-1.6nm DWDM的基本概念 DWDM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。 8 信道1 信道N 光分波 器 1 1 n n 接收接收1 1 接收接收n n 输出 光接收机 光转发器光转发器1 1 输入 信道1 信道N 1 1 n n 光转发器光转发器n n 光合波 器 光发射机 光监控道光监控道 发送器发送器 网络管理 系统 DWDM系统基本结构 光监控道光监控道 接收器接收器 ss LALA ss ss 光中继放大 PAPA ss BABA 光监控信道光监控信道 接收接收/ /发送发送 9 DWDM网元基本类型 客户侧 线路侧 1 n 1 n OTM 线路侧线路侧 OLA 客户侧 线路侧 线路侧 1 n1 n OADM OXC 10 DWDM的特点 1大容量透明传输节约光纤资源 多个光信号通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 :SDH2.5Gb/s、10Gb/s，ATM，IP等 波分复用通道对数据格式是透明的 11 DWDM特点 2超长距离无电中继传输，降低成本 SDH技术 DWDM技术 电再生设备 光放大设备 12 DWDM特点 3平滑扩容 810G 3210G 1610G 4010G 平滑扩容 13 可配置 OADM 点对点DWDM传输 可重构OXC OXC 1 2 N 1 2 N iikk DWDM技术发展趋势 14 主要内容 qDWDM系统概述 q光纤的基本特性 qDWDM系统关键技术 qDWDM系统的技术规范 15 光纤的结构 n1n2 纤芯包层 涂覆 n1 n2 16 光纤传输特性 损耗 色散 非线性 17 损耗 1吸收损耗 吸收损 耗 光波通过光纤材料时，一部分光能变成热 能，造成光功率的损失 光纤基础材料（如SiO2）固有的吸收， 不是杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收 基本确定了某一种材料吸收损耗的下限 本征 吸收 由光纤材料的不纯净而造成的附加吸 收损耗（灰尘，金属离子等） 杂质 吸收 18 散射损耗 损耗 2散射损耗 由于光纤的材料、形状、折射率分布等的 缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散 射，由此产生的损耗。 指光通过密度或折射率等不均匀的物质时 ，除了在光的传播方向以外，在其他方向 也可以看到光，这种现象叫光的散射。 散 射 19 由于光纤经过集束制成光缆，在各种环境下 进行光缆敷设、光纤接续以及作为系统的耦 合与连接等引起的光纤附加损耗 损耗 3附加损耗 光纤/光缆的弯曲损耗、微弯损耗 光纤线路中的连接损耗 光器件之间的耦合损耗等 附加损耗 20 损耗谱 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 8001000120014001600 波长（nm） 损耗 （dB/km） 140THz 50THz OH -吸收峰 OH -吸收峰 OH -吸收峰 OE S CL IIIIII IVV 850 1310 1550 理论值：0.190.35dB/km 工程值：0.275dB/km 21 光纤传输特性 2色散 损耗 色散 非线性 22 色 散 时间 光功率 入射光脉冲波形 单模光纤 时间 光功率 出射光脉冲波形 当光纤的输入端入射光脉冲信号经过长距离传输 以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时间上 的展宽，产生码间干扰，这种现象即为色散。 色散 23 光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度 不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。 脉冲展宽 T 色散 1色度色散 24 脉冲展宽 (ps) = D(ps/ nm*km) S(nm) L(km) 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 Input Output Time Time 脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码 脉冲展宽 色散 1色度色散的影响 25 色散 2偏振模色散PMD 光纤中的光传输可描述成完全是沿X轴振动和完全是 沿Y轴振动或一些光在两轴上的振动。 每个轴代表一个偏振“模” 两个偏振模的到达时间差偏振模色散PMD 26 环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力 几乎可忽略，但是无法完全消除，只能从光器件上使之最小化 脉冲宽度越窄的超高速系统中，PMD的影响越大 色散 2偏振模色散PMD 27 色散 2偏振模色散PMD的影响 28 色散补偿 从系统的角度来看，光纤色散与光纤的长度呈正比，即光 纤色散是具有累积性质的，因而光通信系统设计上存在着 有光纤色散决定的传输距离限制。 对于长距(LONG HAUL)、超长距（ULTRA LONG HAUL）应用，必须对色散进行控制和管理。 需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色 散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。 29 光纤传输特性 3非线性效应 损耗 色散 非线性 30 光纤非线性效应 1 自相位调制（SPM） 激光强度变化 光纤折射率变化 引起光信号自身的 相位调整 31 在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信 道的光强有关，也与其它相邻信道的光强有关 由于相邻信道间的相互作用，相互调制的相位变化 称为交叉相位调制（XPM） 光纤非线性效应 2 交叉相位调制（XPM） A通道 折射率 变化 B通道 信号 相位调整 B通道 折射率 变化 32 当多个一定强度的光波在光纤中混波时各个波长信道间 的非线性作用会导致新波长的产生；致使各波长信道间 能量的转移和互相串扰。 光纤非线性效应 3四波混频（FWM） 33 产生新的波长，使原有信号的光能量受到损 失，影响系统的信噪比等性能； 如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠 ，从而产生严重的串扰。 光纤非线性效应 3四波混频的影响 34 光纤非线性效应 4 受激拉曼散射（SRS）光子 输入 P 输出 P 35 光纤非线性效应 5受激布里渊散射（SBS）声子 36 单模光纤分类 G.652光纤： 常规单模光纤，又称色散未位移单模光纤（1310性能最佳 ， 0色散，低损耗） G.653光纤： 色散移位光纤；(1550nm性能最佳，0色散，容易 引起非 线性。） G.654光纤： G.655光纤： 非零色散移位单模光纤。该种光纤主要应用于1550nm工作 波长区，色散系数较小，色散受限距离达数百公里，并且可 以 有效减小四波混频 的影响。 截止波长移位的单模光纤 ；（1550低衰减，1310零色散） 主要用于海底光缆 37 主要内容 qDWDM系统概述 q光纤的基本特性 qDWDM系统关键技术 qDWDM系统的技术规范 38 WDM系统关键技术 光转发技术光转发技术 光波分复用器和解复用器技术光波分复用器和解复用器技术 光放大技术光放大技术 WDMWDM系统的监控技术系统的监控技术 39 2.5G速率以下的SDH信号接 口标准； 光转发技术 1光接口的规范 带有光放的多信道系统的光接口。 10G速率的SDH信号或者使用光放 的SDH信号光接口标准； G.957 G.691 G.692 40 SDH 光发射机 WDM 输出光 接收模块 (O/E) 监测及通讯电路 监控板 发射模块 (E/O) 光转发技术 2光转发单元（OTU） 采用光电光变换的方法实现波长转换 41 DWDM DWDM 系统系统对于输入光源有特殊要求！对于输入光源有特殊要求！ WDM系统的高速长距传输，使得WDM对于光源的色散容限要求要 远大于SDH对光源的要求 G.692中允许的WDM的通道频率是基于192.1THz，最小间隔是 50G/100G的频率间隔系列 频率要求 色散容限要 求 光转发技术 3光源技术 42 目前广泛使用的半导体光源包括激光器（LD）和发光二极管 （LED）。 LD 是相干光源，入纤功率大、谱线宽窄、调制速率高，适用于长距 高速系统； LED 是非相干光源，入纤功率小、谱线宽宽、调制速率低，适用于短 距低速系统。 DWDM系统的光源采用半导体激光器 光源技术光源类型 43 光源技术调制方式 直接调制 原理：利用电脉冲码流去直接控制半导体激光器的 工作电流，从而使其发出与电信号脉冲相应的光脉 冲流 优点：简单，损耗小，成本低 缺点：啁啾效应（激光器的超高速变化）和色散， 限制系统的传输系统和距离 应用：G.652光纤，传输距离小于80KM，速率小于 2.5G 44 缺点 直接调制 电流光信号 光源技术调制方式 1 引入啁啾效应和色散 对于直接调制，单纵模激光器引起的啁啾是限制其色散容限主要因素。 45 T 直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲 频谱展宽并在前后沿产生频谱红移和蓝移，在光纤色 散的作用下，引起脉冲的快速展宽和信号劣化。 光源技术啁啾效应 46 光源技术调制方式 2 间接调制（外调制） 原理：与直接调制不同，光源在外调制情况下，高速电信号不 再直接调制激光器，而是加载在某一媒介上，利用该媒介的物 理特性使通过的激光器的光波特性发生变化，从而间接建立了 电信号与激光的调制关系； 优点：激光器产生稳定的大功率激光，低啁啾效应，色散容限 值高，色散受限距离长； 缺点：成本相对直接调制高； 应用：传输距离大于80KM，速率高于2.5G 47 调制器件 输出 电信号 光源技术调制方式 2 优点 很低的啁啾，可以获得远大于直接调制的色散受限距离 间接调制（外调制） 48 光源技术调制方式 2 间接调制（外调制） 电吸收（EA）外调制器光源 马赫-策恩德 (Mach-Zehnder) 外调制器光源 49 如:光源色散容限值Ds=12800ps/nm,SMF（G.652） 光纤的色散参量值取D=20ps/km/nm，则该光源的色 散受限距离为640 km。 光源啁啾对系统传输距离的影响由色散容限参数值（Ds) 表示。 光源技术色散容限 50 光转发技术 4波长稳定技术 目前的波长稳定技术有以下三种： 温度反馈控制技术 波长反馈控制技术 波长集中监控技术 51 光转发技术小结 光接口规范 光转发单元 光源技术 光源类型 调制方式 波长稳定技术 稳定标准的波长 & 较大的色散容限 52 WDM系统关键技术 光转发技术光转发技术 光波分复用器和解复用器技术光波分复用器和解复用器技术 光放大技术光放大技术 WDMWDM系统的监控技术系统的监控技术 53 波分复用器件包括合波器和分波器，又叫光复用器 和光解复用器 复用器 fiber 解复用器 OM/OD技术波分复用器件 54 OM/OD技术OM/OD器件 合波器 （OM） 分波器 （OD) 把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的光通路信 号，分别输入到相应的光通路接收机中，即对光波起 解复用作用。 把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光 波，送到光纤中进行传输，对光波起复用作用。 55 光栅型光波分复用器 介质薄膜滤波器型（DTF) 耦合器型（熔锥型） 阵列波导光栅型(AWG) OM/OD技术OM/OD器件类型 56 OM/OD器件类型 1光栅型滤波器 57 OM/OD器件类型 1光栅型复用器 原理 属于角色散型器件，当光到光栅上后，由于光栅的角色散作用， 使不同的光信号以不同的角度出射，然后经过透镜会聚 到不同 的输出光纤，从而完成波长选择和分离的作用，反之就可以实现 波长的合并。 优点 波长选择特性优良，可以使波长间隔小到0.5nm左右 并联工作，插入损耗不会随复用信道的数目增加而增加 缺点 温度稳定性不好 58 合波光（1, 2. n） 1 2 3 n n-1 OM/OD器件类型 2介质薄膜滤波器复用器 59 OM/OD器件类型 2介质薄膜滤波器复用器 原理 利用几十层不同的介质薄膜组合起来，组成具有特定波长选择特性的 干涉滤波器，就可以实现将不同的波长分离或合并 优点 可以实现结构稳定的小型化器件 信号通带比较平坦 插入损耗较低 温度特性很好 缺点 加工复杂，但目前的工艺已经比较成熟 通路数不能太多。 60 1 2 3 4 。 。 。 34 OM/OD器件类型 3耦合器型复用器 61 OM/OD器件类型 3耦合器型复用器 原理 通过将多根光纤熔融在一起，使多个输入波长可以耦合在一起 ，达到波长合并的目的，但不能用来将不同波长进行分离。 优点 温度特性很好 光通道带宽较好 制造简单，易于批量生产 缺点 尺寸较大，信道隔离度差，复用的波长数少 62 OM/OD器件类型 4阵列波导波分复用器（AWG） 63 OM/OD器件类型 4阵列波导波分复用器（AWG） 原理 是以光集成技术为基础的平面波导型器件。 优点 并联工作，可以复用的通道数多 尺寸小 易于批量生产 缺点 需要温度补偿 64 信道隔离 度 插入损耗 复用通路 数 OM/OD技术波分复用器主要参数 代表波分复用器件能进行复用与解复用的光通路数 量， 它与器件的分辨率、隔离度等参数密切相关 它表征此光元器件中各复用光通路彼此之间的隔 离程度 波分复用器件本身对光信号的衰耗作用 65 中心波长 带 宽 反射系数 是指在波分复用器件的输入端，反射光功率 与入射光功率之比 进出复用器的波长与ITU-T规定的标准波长相比不 能相差太大偏差，否则会引起系统崩溃。 该参数仅对分波器有效，20dB描述分波器阻带 特性，0.5dB描述分波器带通特性 OM/OD技术波分复用器主要参数 66 波长 相对功率 要求：信道间功率均衡 良好的光谱特性（顶平而沿陡） OM/OD技术波分复用器光谱要求 67 WDM系统关键技术 光转发技术光转发技术 光波分复用器和解复用器技术光波分复用器和解复用器技术 光放大技术光放大技术 WDMWDM系统的监控技术系统的监控技术 68 光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输 的最大障碍光功率受限，这是光通信史上 的重要里程碑。 光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直 接对光信号进行放大的有源器件 光放大技术 69 光放大技术放大器分类 70 光放大技术掺铒光纤放大器 EDFA主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成 耦合器 光隔离器 光隔离器 掺铒光纤 泵浦激 光器 输入信号 输出信号 是为了保证泵浦光与 EDFA中合波器的反射光 不向外洩漏，光隔离器 的特点是只允许正方向 的光进入。 信号光和与泵浦光同时沿掺铒光 纤传 输，泵浦光的能量被光纤中 的铒离子吸收而跃迁到更 高的能 级，并可以通过能级间的受激发 射转移为信号光的能量。信号光 沿掺铒光纤长度不断放大，泵浦 光 沿掺铒光纤长度不断衰减 把铒离子从E1能级“泵” 到E3能级，使其形成粒 子数反转分布状态，为 受激幅射创造条件。 把泵浦光与信 号光合并在一 起输入到掺铒 光纤中 71 光放大技术 EDFA的工作原理 980nm 泵浦 快速非辐射跃迁 N 1 N 3 N 2 1530 1560nm信号 受激辐射跃迁和 自发辐射跃迁 15301560nm信号 受激吸收 1480nm 泵浦 72 DWDM系统中使用的EDFA必须具有: 足够的带宽 平坦的增益 低噪声系数 高输出功率 光放大技术重要性能指标 特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求！ 73 EDFA增益平坦示意图 74 光放大技术 EDFA的增益平坦度 解决增益均衡的途径首先是实现增益谱的平坦 可采用的方法大体上可分为滤波器型和本征型两类 75 合 波 器 1 2 n 光功率 放大 分 波 器 1 2 n 光线路 放大 光前置 放大 光线路 放大 合波信号功率提升 较大的输出功率 中继设备 补偿线路传输损耗 较小的噪声系数 较大输出光功率 提高接收灵敏度 要求噪声系数较小 光放大技术 EDFA的应用分类 76 采用1480的泵浦源的EDFA 特点：较高的泵浦效率，可以输出较 大功率，但噪声较高。 光放大技术 EDFA的泵浦源分类 有两种泵浦源 ：980nm 和1480nm 980nm 采用980nm的泵浦源的EDFA 特点：低噪声 1480nm 77 非线性问题 带宽 EDFA的光浪涌问题 光放大技术 EDFA的应注意的问题 78 当WDM系统的传输链路突然断开，如果光放大器的泵浦源不关闭， 继续向掺铒光纤 “泵浦”，使处于稳态的铒离子越积累越多；若此时有 一个较高功率的光信号输入，将使所有处于稳态的铒离子发生受激幅 射，从而导致光放大器的输出光功率出现“尖峰” ，“烧坏”光连接器和 光接收机，给系统带来无法弥补的损伤 光放大技术 EDFA的光浪涌问题 79 WDM系统关键技术 光转发技术光转发技术 光波分复用器和解复用器技术光波分复用器和解复用器技术 光放大技术光放大技术 WDMWDM系统的监控技术系统的监控技术 80 光监控技术光监测信道应考虑的问题 监控通路不应限制光放大器中泵浦光源的光波长（ 980nm和1480nm） 监控通路不应限制未来在1310nm波长的业务 线路放大器失效时，监控通路应仍然可用 监控通路不应限制两线路放大器间的传输距离 1510nm为优先选择通道 81 光监控技术光监控通道（OSC） 复用器解复用器 OBA OPA OPA OBA 解复用器复用器 OLA OLA OLA OLA OLA OLA OSC OSC OSC OSC OSC 82 采用10/100 M以太网技术，将ECC数据、 公务话音数据、APS数据和透明用户通道 数据以IP数据包的形式封装，并在以太网 数据帧中传递与交换。 光监控技术 分类（传输速率） 常用的两类监控 ：2M 和 100M 2Mbit/s 利用32个64 kbit/s字节承载系统的ECC数据 、公务话音数据、APS数据和透明用户通道 数据，并以PCM32帧格式进行传递与交换 。 100Mbit/ s 83 光监控技术 分类（传输速率） 实现实现 方式2M监监控系统统100M监监控系统统 应用场合干线城域 传输速率2.048Mbit/s100Mbit/s 灵敏度48dBm36dBm 实现32个64kbit/s字节以太网技术 帧结构PCM32IP数据包 线路编码信号翻转码 （CMI） 4B/5B编码 84 01311415 1623 2M典型OSC信息的帧结构 0时隙:帧定位字节 1时隙: E1字节（中继段公务) 2时隙:F1字节 3-14时隙: D1D12 (数据通信通道) 15时隙:E2字节(复用段公务) 16-31时隙:保留字节 85 主要内容 qDWDM系统概述 q光纤的基本特性 qDWDM系统关键技术 qDWDM系统的技术规范 86 集成式系统和开放式系统集成式系统和开放式系统 工作波长工作波长 主要性能指标主要性能指标 DWDM技术规范 87 OTU: Optical Transponder Unit OMU: Optical Multiplexing Unit IntegratedIntegrated集成式集成式 O M U G.692G.692 OpenOpen开放式开放式 O T U G.692G.692 155MSDH155MSDH 622MSDH622MSDH 2.5G SDH2.5G SDH 10G SDH10G SDH PDHPDH IP ATMATM 155MSDH155MSDH 622MSDH622MSDH 2.5G SDH2.5G SDH PDHPDH IP ATMATM 10G SDH10G SDH 集成式系统和开放式系统 88 集成式系统和开放式系统集成式系统和开放式系统 工作波长工作波长 主要性能指标主要性能指标 DWDM技术规范 89 波段划分 90 波段划分 波段名称说说明波长长范围围 O波段 原始(Original)1260-1360 E波段 扩展(Extended)1360-1460 S波段 短波(Short)1460-1530 C波段 常规(Conventional)1530-1565 L波段 长波(Long)1565-1625 U波段 超常(Ultralong)1625-1675 91 集成式系统和开放式系统集成式系统和开放式系统 工作波长工作波长 主要性能指标主要性能指标 DWDM技术规范 92 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 标称中心频率 标称中心 频率 是指WDM系统中每个复用通路对应 的中心波长（频率）。 93 标称中心频率 94 8/16/32/40/48 波系统 工作波长说明 工作波长范围：C波段（1530nm1565nm） 频率范围：191.3 THz 196.0 THz 通路间隔：10