光波分复用技术的分析与研究.doc

光波分复用技术的分析与研究摘 要 波分复用(WDM)就是将两种以及多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经由复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合到一起，并耦合至光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经由解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。面对市场需求的增长，现有通信网络传输能力的不足，需要从多种可以选择的方案中找到最合适且成本较低的解决方法。缓和光纤数量不足存在一种方法就是敷设更多的光纤，但此方法既受到许多物理因素的限制，又不能有效利用光纤带宽。另一种方案是用时分复用（TDM）的做法提高比特率，即便如此，单根光纤的传输容量依然有限，而且传输比特率的提高将受到电子电路物理极限的限制。所以最合适的方案就是波分复用（WDM)技术，WDM系统通过利用已经敷设完成的光纤，使单根光纤的传输容量能够在高速TDM的基础上N倍的增加，充分利用光纤的带宽，解决通信网络传输能力不强的问题，具有光明的发展前景。WDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既全光网，将是光通讯的最高阶段。 建立一个以WDM和OXC（光交叉连接）为基础的光网络层，实现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈将是未来的趋势。现在WDM技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术作为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网的发展起到决定性的作用。 关键词: 波分复用；DWDM；IP OVER WDM；光网络细致一些（进满页） Analysis and Research of optical wavelength division multiplexing technology ABSTRACT Wavelength division multiplexing (WDM) is two and a variety of different wavelengths of light carrier signal (carry various kinds of information) in the transmitter via a multiplexer (also called combiners, Multiplexer) join together, and is coupled to the optical lines of the same optical fiber transmission technology; at the receiving end, the solution multiplexer (also known as the wavelength division multiplexer or demultiplexer, Demultiplexer) optical carrier wavelength of various separation, and then by the optical receiver for further processing to recover the original signal. This in the same optical fiber transmission at the same time two or more different wavelength optical signal technique, called wavelength division multiplexing. In the face of growing demand, insufficient transmission capacity of existing communication network, need to find the best solution and low cost can choose from a variety of schemes. To ease the number of fiber deficiency is a method of laying more fiber, but this method is affected by many physical factors, and can not effectively utilize the bandwidth of optical fiber. Another solution is to use time division multiplexing (TDM) approach to improve the bit rate, even so, the transmission capacity of a single fiber is still limited, and the transmission bit rate will increase by electronic circuit physical limit. So the most appropriate solution is the wavelength division multiplexing (WDM) technology, the WDM system through the use of optical fiber has been installed complete, increasing the transmission capacity of a single optical fiber based on high speed TDM N times, make full use of the bandwidth of the fiber, solving the transmission capacity of communication network is not strong, has a bright development prospect. WDM is a kind of in the optical domain multiplexing technique, forming a network of all-optical network a light layer, will be the highest stage of optical communication. The establishment of a WDM and OXC (optical cross connect) optical network layer based, to achieve the user end to all-optical network connection, with a pure all-optical network to eliminate bottlenecks photoelectric conversion will be the future trend. Now WDM technology is based on point-to-point manner, but the point to point WDM technology as the first step of all-optical network communication, is the most important step, through application and practice it is decisive for the development of all optical network play. Key Words: Wavelength division multiplexing; DWDM; IP Over WDM; Optical network目 录第一章 波分复用技术（WDM）的介绍1 1.1 波分复用技术的概念2 1.2 WDM的技术原理4 1.3 与WDM技术有关的技术7第二章 WDM系统的三大关键技术10 2.1 光源技术10 2.2 光放大技术15 2.3 光传输技术17第三章 WDM发展过程18 3.1 发展阶段18 3.2 发展迅速的原因19 3.3 DWDM技术19第四章 WDM的主要优点22第五章 WDM技术的应用24 5.1 WDM在长途干线传输网中的应用26 5.2 WDM技术在城域网中的应用26 5.3 WDM在数据业务中的应用29 5.4 WDM技术在无源光网络中的应用30第六章 WDM存在的问题31 第一章 波分复用技术（WDM）的介绍 波分复用技术是指于同一根光纤中同时使两个或两个以上的光波长信号各自通过不同光信道传输信息,也称为光波分复用技术,简称WDM。光的波分复用包括两部分，分别是频分复用波分复用。两种技术基本没有明显区别,因为光波就是电磁波的一部分,光的频率和波长具有单一对应的关系。通常也可以这样理解,光频分复用是指光频率的细分,光信道相对非常密集。光波分复用是指光频率的粗分,光倍道则相隔较远,甚至处于光纤的不同窗口。其实波分复用技术很在就已经出现，出现早期的时候，虽然人们早已经对其有一个模糊的概念，但是对它一直都没有非常重大的研究，原因是在当时，TDM的发展非常快，即从原来的155Mbit/s系统过渡到了2.5Gbit/s系统，中间经历了到622Mbit/s系统的过程。可以发现，几年就会以原来4倍速率增长的TDM速率很严重的阻止了波长复用技术对巨大光纤宽带的利用。的惯性思维决定了大家都在一种技术当前进行得非常迅速的时候很少去想起关注另外的技术。1995年开始，WDM系统的发展突然出现了转机，迎来了属于自己的春天，一个非常重要的原因在于那个时期人们在研究TDM的10Gbit/s技术的时候遭遇到了挫折，在这样的情况下，众多的目光才由此就集中在了光信号的复用和处理上，WDM系统这才开始在全球范围内有了广泛的应用。1.1 波分复用技术的概念波分复用技术是一根光纤承受并传输着两个或及其以上的不同波长的光信号，这也就是其原理所在。具体过程如图1所示。 图.波分复用器原理 Figure 1 .WDM Principle 其原理的不同自然会导致结果的不同。稀疏型波分复用即CWDM与密集型波分复用是根据每两个通道之间的间距所产生的分类。具体来说，稀疏型波分复用的间距约为20nm，与其不同的是，密集型波分复用的间距为0.2nm-1.2nm。而导致两者之间差别如此大的原因是对于不同的通信的系统，它们的设计原理不同。CWDM和DWDM的区别主要有一下两点：一是CWDM载波通道的间距较宽，同一根光纤上大约只能复用5到6个波长的光波，“稀疏型”与“密集型”称谓的差别也就由此而来；二是CWDM调制激光时采用非冷却激光，而DWDM则采用的是冷却激光。冷却激光需要采用温度调谐，非冷却激光采用的则是电子调谐。由于一个很宽的波长区段内温度的分布很不均匀，因此温度调谐要实现起来难度很大，成本也很高。CWDM技术避开了这一难点，大幅地降低了成本，整个CWDM系统的成本只有DWDM的30%。CWDM是通过光复用器将在不同的光纤中传输的波长来结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端，利用解复用器将分解的波长分别送至不同的光纤中，接入不同的接收机。如下表1：表1.与比较表Table 1.CWDM compare with DWDM名称CWDMDWDM每纤光波长数目8-16（O,E,S,C,L带）40-80（C，L带）波长间隔20nm(2500GHz)0.8nm(100GHz)每波长容量最大2.5Gb/s最多10Gb/s光纤汇聚容量20-40Gb/s100-1000Gb/s激光器发射类型非制冷的DFB带制冷的DFB，外调制滤波器技术薄膜薄膜，AWG,Bragg光栅传输距离最大70公里最大900公里总成本很低高应用领域企业，城域接入地区，城域核心 一般来说，光波分复用共分为两个器件，主要的类型涉及熔融拉锥型、光栅性、介质膜型以及平面型，且这两个的工作原理相差不大。分别为应用波长复用器和解复用器，前者主要用于分割，两者分别处于光纤的两端位置以用来完成对于不同的光波的耦合以及分离的目的。光波分复用有很多的特点，其中主要由以下几个方面：1、 在资源利用方面，它非常全面而巧用了光纤的消耗最少的一个阶段，也是我们目前主要的引用波段，因此是光线传送的内容大大增加。对于单模光纤，它可以被充分利用的最大限度为25THz。2、 灵活性非常好。原因是就一些比较老旧的且容量芯数不足够多的光纤系统而言，只要我们在其基础之上增大容量已达到单双向信息传输的目的，就避免了很多不必要的麻烦以及过程。3、 在资金节约方面，由于上一点已经提到，减少了很多光纤的使用，所以大大节省了资金的利用。另外一点，它的维修费用也非常低。 4、容量大。一根光纤能够同时传送多个信号，且信号可以方便的插入或抽出。它的优势还在于受其他影响如速率等非常小，因此会非常顺利的完成一系列的步骤。 5、仪器的共享性使得成本大大减少。尤其是对于很多信号的传输来说。 6、安全性有保障。随着社会不断发展，WDM相对于其他设备的特点必将日益凸显出来，更深一层的原因还在于网络技术的不断更新、人民大众对网络质量的要求不断提高以及相对于开发一方来说，更深一层的资金成本问题需要被解决等等。而WDM的光明前景，很可能会影响到CATV的未来发展。但返回来看WDM，实际上它还没有被广泛应用，原因是资源利用还较为充足，其技术的施展也存在着一定的困难，而且，若利用这个原理来进行改善，对其应用的设备要求较为精准，如光的接收仪器以及光的发射仪器等等。但是WDM系统中的设备大量减少，无疑为系统的安全性提供了巨大的保障。1.2 WDM技术原理总的来说，单膜的光纤在损耗最低的区域会带来很多有益的资源，而WDM的主要目的就是能够充分的利用到这一点。光波传输过程中必然涉及到发送端和接收端。发送端的主要作用在于其内部安置的设备具有将不同信号光波聚合到一起的能力，以进行统一的传送。而接收一端的主要作用在于其内部安置的设备具有将这些不同信号光波分离开来的设备，当然，信号的种类，波长数目不同。目前，系统所决定的波长基本上为8和16波长的系统。以上所说的设备也就是信号的载波，其实就是光波，光波有着不同频率以及波长的性质决定了它必然作为载体。实际上，上面所提到的频分复用技术就是WDM设计的原理所在。而技术中的分割技术使占用光纤宽带的波长通路有了实现的可能，但是它与以前的同轴系统技术不同的地方在于：1、 同轴系统频率是依赖于电信号来进行一系列的工作，而WDM系统则是利用光信号进行。简单来说，两者的传播介质不同。2、 两者传送的目的是不相同的。同轴系统传送的是语音信号，而WDM系统传送的是数字信号，不过两者都是在每个通路上来说的。依据DWDM系统的传输距离，可以把长途光纤传输系统分为常规长距离传输系统、亚超长距离传输系统、超长传输系统。对于小于1000km传输距离的WDM系统称为常规长距离传输系统，在10002000km传输距离的WDM系统可称为亚超长传输系统，大于2000km传输距离的WDM系统则称为超长距离传输系统。如图2所示： 图2 SDH+WDM传输原理Figure 2 .SDH + WDM transmission schematics1.3 与WDM技术有关的技术1.3.1 遥泵技术遥泵技术简单来说就是解决在跨距传送中的信号灯光受阻碍等问题，它专门针对单段的长跨距问题。在该传输系统中，输出端口处的光功率一般都很小，如果经光功率放大处理后，非常容易造成接收端OSNR受限，所以此时就需要引用高光纤功率。为了避免同时出现非线性失真，总光功率大小一般要求在30dBm以下。遥泵的称呼由来是因为泵浦激光器的位置与铒纤所在的位置不同。它的光源在很多时候都会采用1480nm的激光仪器，目的是解决在长期运输过程中出现的损耗问题。但是关于如何解决OSNR受阻碍而造成的使得传输的距离变长的问题，是依靠铒纤来解决的。具体步骤是在发射端发射一个高功率的泵浦光，在铒纤的帮助下合成铒离子一时的输出的光信号得到增强。根据泵浦光与信号光在两个不同或相同的光纤中进行传送工作，所以遥泵又分为两种形态，分别为“旁路”与“随路”而后者的泵浦光可以根据某种设施将信号光放大以达到将传送的距离增大的目的，这样做的优势就在于其一，它可以节省很多的资源以及资金，将资源充分利用。其二，它应用的前景非常广阔。深层一步来说，遥泵技术可以综合利用多种技术，如光纤中的有效界面的利用以及管理、在两级遥泵中的增益区域等。1.3.2 SDH与PDH的介绍SDH和PDH也是光纤的传输过程中非常重要的两个概念，前者的具体含义是同步数字系列，后者的主要含义是准数字同步系列。准同步数字系列（PDH）适用的系统，是在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号有规定的标准速率。每个时钟的精度虽然都已经很高，但一些微小的差别总还是会有。为了通信的质量能够得以保证，这些时钟的差别被要求不能超过规定的范围。所以，严格来说这种同步方式并不能是真正的同步，所以叫做“准同步”。总的来说，由于PDH的标准相对来说较低一些，所以SDH相应的被生产出来，相对来说，SDH的标准更为先进一些，更为迅速一些。1.SDH的概念同步数字体系即SDH是由美国的Bell通信技术中心研究发现的。它的具体含义就是将两种功能结合到一起，分别为交换的功能和复接线路的传输功能，在经过统一的设备传送到网络。它的作用非常大，不仅可以有效率的管理网络，业务监督，还可以实现连接多个厂商进行交流，动态网络的监控维护工作。这些作用有效地利用了资源，节省下了大部分资金，使得网络变得更为通畅快捷变为了现实。1988年，国际电话电报咨询委员会正式的命名SDH，并使其不仅应用于光纤领域，又应用于卫星的传输领域。目前，它已经成为当今世界的热点问题，得到了许多人的支持。2.SDH的产生背景提到SDH的产生背景，随着社会的不断发展，它的出现是必然的。早在1970以及1980年之后，各种的网络技术就应运而生。其中包括综合各个方面的业务、X.25帧中继的设备以及涉及光纤等各个设备等等。之后，信息社会逐步来临，人们的需求欲望增加，他们希望网络能够更加经济有效，快捷方便，并且还能够为他们提供更加广泛的业务，并且随着信息交流的普遍增加，我们所要传送的信息不仅仅是通话，而且还涉及文字，图像，视频，音乐等内容。在这种情况下，SDH被开发出来，并且此技术被应用的越来越广泛。它的出现不仅解决了很多用户的麻烦问题，而且还加大了网络宽带的利用效率。现在，主要的网络都采取SDH这项技术，而且另一大特点是它的资金利用率越来越低。在网络存在着很大的单调性以及宽带方面的阻碍性，如果只在其基础之上加以改变，就不存在着实际性的意义。SDH在同步复制，网络管理能力，以及巨大的灵活性以及可靠性方面都给应用它的人带来了很多实质性的益处，并且在以后的网络发展中，还会有很多的优点 应运而生。3.SDH的基本传输原理SDH采用的信息结构等级称为同步传送模块STMN（Synchronous Transport，N=1，4， 16，64），最基本的模块为STM1，四个STM1同步复用构成STM4，16个STM1或者四个 STM4同步复用构成STM16。SDH用的是块状的帧结构方式来承载信息，每帧均由纵向的9行和横向的 270N列字节组成，每个字节包含8bit，整个帧结构可以分类为段开销区、STMN净负荷区和管理单元指针区三个区域，其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配以保证信息能够正常灵活地传送，它又分为再生段开销（ Regenerator Section Overhead，RSOH）和复用段开销（ Multiplex Section Overhead，MSOH）；净负荷区的作用是存放那些真正用于信息业务的比特和一些少量的用于通道维护管理的通道开销字节；管理单元指针区的作用是指示净负荷区内的信息首字节在STMN帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷。SDH的帧传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串型码流依次传输，每帧传输时间为125s，每秒传输11251000000帧，对STM1而言每帧字节为8bit（92701）=19440bit，则STM1的传输速率为194408000=155.520Mbits；而STM4的传输速率为4155.520Mbits=622.080Mbits；STM16的传输速率为16155.520（或4622.080）=2488.320Mbits。4.SDH的特点：下面具体介绍SDH的特点，正是因为SDH具有这样的特点，它才能够如此快速的发展。（1）SDH使用数字交叉相连等许多先进技术，直接使网络的重组治愈功能较其他的更上一层；而网管功能十分强悍是由于信号中的二十分之一开销比特存在于它的帧结构，且形成了自成一体的网络管理系统，主要为网络智能化、利用信道的能力和提高生存能力做出了贡献，同时也在不知不觉中减少了用于网络维修的维管费；（2）SDH的网络灵活性也是它不容忽视的特点之一，这是因为SDH的网络具有许多拓扑结构，这种结构还为网络性能的优化、自动配置和网络监管等提供了方便，除此之外网络的安全性也得到了保障；（3）SDH之所以能将飞速传递的信号在短时间内分出支路信号来传递速度较慢的信号就是因为净负荷区内SDH与系统相连接的码流排列的十分整齐，这样就提高了DXC的效率；（4）SDH还具有相当灵活的交换以及传输功能。它通过自由组合功能块来改变网络层次结构，形成各种拓扑结构。 （5）SDH在国际上有统一制订的标准，比如数字的传输速度快慢以及光路接口是否符合规定等。它强大的横向兼容能兼容当前的PDH并且能顺利的接受各种信号，使网络变得十分安全。5.SDH的发展趋势SDH由其传输速度更快、电路方便、便于管理和维护以及具有统一标准等诸多优点成为传输体系中当之无愧的新生代领先体系并得到了国家和科研机构的大力研究和发展，在应用上也基本取代了以前的传输体系。在标准化方面，已建立和即将建立的一系列建议已基本上覆盖了SDH的方方面面。在干线网和长途网、中继网、接入网中它开始广泛应用。在通信中得到了更为具体的开发应用，例如在卫星通信、光纤通信等方面。近些年，点播电视、多媒体业务和其他宽带业务如雨后春笋般纷纷出现，为SDH应用在接入网中提供了广阔的空间。SDH技术应用于接入网的好处是：（1）对于要求高可靠、高质量业务的大型企事业用户，SDH可以提供较为理想的网络性能和业务可靠性。（2）可以将网管范围扩展至用户端，简化维护工作。（3）利用SDH固有灵活性，可使网络运营者更快、更有效地提供用户所需的长期和短期业务需求。随着网络的发展，SDH技术不断进步，它将进一步为终端用户提供宽带服务，在迎接ATM、CATV、多媒体、因特网、全光网络带来的机会和提出的挑战中，将得到更加广泛的应用。结合上文论述的内容我们可以得到这样的一个结论，现如今传输体系的中坚力量已经成为优势明显的SDH传输体系。而光波分复用（WDM）技术与之相结合无异于强强联手，这样一来SDH可以发挥的作用和范围就变得相当广泛。而具有光明前景的SDH作为现代数字传输网较为基本的发展方向，已经被看到曙光的各个国家列为新世纪高速通信网项目的主要应用项目之一。第二章 WDM系统的三大关键技术 本章介绍分析WDM的关键技术，详细介绍了光源技术，光放大技术，光传输技术，并提出了如何应用到实际中，并深入讲述了激光器的几种分类，以及其对于WDM技术的重要性和可应用性。2.1 光源技术我们比较熟知的就是激光器以及发光二极管，它们也是最常用的两种光源。一般来讲大容量的、长距离的通信都是采用激光器，这是因为发光二极管在耦合效率以及调制速率等方面都不如激光器，且激光器输出特性线性明显强于发光二极管，所以发光二极管基本上被应用于数字传输。发光二极管除了没有光学谐振腔外，其他与激光器相同。发光二极管的特性不如激光管，主要区别表现在发光二极管发出的是萤光，不象激光那样具有较好的单色性和方向性，同时调制速度较低，谱线宽度较大，与光纤的耦合效率低，但是发光二极管也有不少优点，例如电流光输出特性曲线线性好，使用寿命长、成本低、可靠性高，因此特别适用于中、小容量数字和模拟光纤传输系统。2.1.1 激光器的构成能利用光的受激辐射原理使光在某些物质中震荡发射或者变大的器件就是激光器。当光或者其他刺激源对受激物质进行刺激时，该物质的一部分粒子会吸收刺激的能量变成高能量状态，如果大部分粒子都受到刺激变成高能量粒子状态，物质就能对特定波长的某种光进行放大作用，而这种光辐射会在穿过特定物质后产生与入射光波基本一致的辐射，能够完成这样操作的装置就是激光放大器。2.1.2 激光器的原理除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方法包括电、化学、光学、核能及化学等多种激励方式。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（ 见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。2.1.3 激光工作物质激光工作物质也被叫做激光增益煤质，是一种能放大辐射并且能使粒子束反转的物理体系。它的形态不固定，可能是固体，可能是气体，可能是液体，还有可能是半导体。要求激光工作物质在粒子的特定能级间将粒子最大程度的，最长限度的反转，同时还要保证反转效率，正是因为这样的要求，对工作物质的迁跃和能级结构才有严格的规定。2.1.4 激励抽运系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成，这种激励方式也称作灯泵浦。气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。2.1.5 按激励方式分类的激光器光泵式激光器：指以光泵方式激励的激光器，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器。电激励式激光器：大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励，而一般常见的半导体激光器多是采用结电流注入方式进行激励，某些半导体激光器亦可采用高能电子束注入方式激励。化学激光器：这是专门指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器，反希望产生的化学反应可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。核泵浦激光器；指专门利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励工作物质的一类特种激光器，如核泵浦氦氩激光器等。2.1.6 光纤激光器在我们所熟知的光纤通讯系统中有很多光源，其中最有发展前景的光源就是光纤激光器，它的作用相当强大，不需要另外的介质，它本身就可以充当导波介质，而且它还可以转换波长，能够将泵浦波长转换为稀土离子激射波长，而后者不受前者的约束，主要是由一些稀土掺杂剂决定的，所以，光纤激光器可以采用低廉的原材料，既节约了成本，又降低损耗，它主要是利用的廉价的短波长，进行转换，节省了人力物力财力。 这种光纤激光器有很多类型，而不论什么类型，产生连续光或者是超短光肪冲，像是稀土类掺杂、非线性效应、单晶光纤都属于光纤激光器，它的腔型可以分为F-P腔、环型腔等等。随着社会的进步，科技的不断发展，光纤通讯也在进行不断地更新进步，其中可调谐激光器就是科技不断进步的成果，它的出现使得资源成本大大减少，光源备用数量也没有以前那么多，同时性价比也提高了，以此更加规范了通信系统，使得通讯系统更加完善。2.2 光放大技术光纤通讯技术的最大成果就是光放大器的开发使用，所谓的光放大器就是将光信号放大，这一技术的开发促进了光纤通讯的发展，顺应了时代的潮流，在没有光放大器的时候要做到放大光信号主要靠的是光电间的变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器主要有3种:光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。2.2.1 光纤放大器光纤通讯技术的核心就是光纤放大器，而它也是密集波分复用系统的重要环节，密集波分复用系统的应用主要是建立在光纤放大器基础之上的，在光纤的一头有一个较宽的窗口，可以接受密集波分复用系统的信号传递。达到一定的效应。而光纤放大器的出现扩展了这个传输过程，而且没有消耗过多的资源，并且顺利取代了以前的放大器类型，使得光纤的运输网络变得更加简单。虽然有这么多优点，但随着科技的不断进步，它也逐渐出现了一些局限性，就是带宽过小，要想让更多的信道传输过去就很有可能会出现串话的现象，所以说还是有很大的改进空间的，可用的带宽只有30nm。所以，是光纤放大器的限定带宽影响了密集波分复用系统的容量，而由资料表明光纤放大器可以把波段放大，例如可将1590nm扩展到1600nm。贝尔实验室和NH的研究化硅和饵的双波段光纤放大器。它由两个单独的子带放大器组成：传统1550nmEDFA(1530nm1560nm);1590nm的扩展波段光纤放大器EBFA。将这两者的结合使用，可以将带宽放大，这样就有效的避免了串话现象的发生，所以EBFA促进了光纤通信发展，这一技术的出现能够解决带宽不足的种种缺陷，同时避免了很多常见的问题。光放大器有很多类型，常见的就是光纤放大器和半导体光放大器，而光纤放大器又有很多类型，像是掺镨(Pr)光纤放大器、拉曼放大器等等都属于光纤放大器。掺铒(Er)光纤放大器的应用比较广泛，在光纤通讯中也比较普遍，而掺镨的放大器它的工作波长要比掺铒(Er)光纤放大器短，它的转换速度也不高，现在还没用在实际中应用。拉曼放大器是一种新型的放大器，它可以应用在比较大的场合中。很多人都比较喜欢半导体光放大器，因为它的结构简单，应用起来方便。2.2.2 半导体放大器 半导体放大器就是将光信号放大，大体上来说和激光器差不多，都是将光信号进行放大，所不同的就是它的效应更强一些，对于光的效应更大一些，更能起到较强的作用。 这种半导体光放大器与其他的光放大器相比，结构比较简单，体积较小，容易集成，使用时间长，消耗较小，能够在开关、转换波长以及在线放大器中有所应用。然而又优点就会存在缺点，相对来讲，它的噪声较大，干扰强，对于其他的偏振现象比较敏感，而且它的工作很不稳定，受环境影响比较大，在实际应用中也存在较大的局限性。光放大器的的工作原理主要就是将光信号放大，利用一定的介质将铒离子进行转换，让粒子接受辐射从而使得信号放大。而光放大器的工作波长范围不大属于损耗较小的窗口，1540nm1560nm是增益谱比较平坦的阶段，光放大器恰恰涵盖了这个阶段，从而使得它具有增益高这个优点，并且在波长范围内提供的都是比较平坦的增益，同时它的噪声比较小，不会造成太大的干扰，彼此信号不会产生影响，不会出现串话的现象；与线路的耦合损耗小；具有透明性，放大特性与系统比特率、信号格式和编码无关；成本低，与再生电路相比具有较大的成本优势；结构简单，易与传输光纤耦合。就目前来讲，光放大器的技术已经相当普遍，能够在实际当中广泛的应用。2.3 光传输技术组成光传输技术的主要是有发送信号；传送信号以及接收信号这三部分。光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电光转换器件转换为光信号，目前，发送端电光转换器件一般采用发光二极管或半导体激光管。发光二极管的输出光功率较小，信号调制速率相对低，但价格便宜，其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈线性关系，比较适宜于短距离、低速、模拟信号的传输；激光二极管输出功率大，信号调制速率高，但价格较高，适宜于远距离、高速、数字信号的传输。光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端，当前光纤大多为透过率较好的单或多模石英光纤，近红外波段 0.84µm、1.55µm 、1.31µm。有光信号接收端的功能是：将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号，光电转换器件一般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管。组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配。发送端电光转换器件采用中心发光波长为0.84µm的高亮度近红外半导体发光二极管，传输光纤采用多模石英光纤，接收端光电转换器件采用峰值响应波长为0.8-0.9 µm的硅光电二极管。2.3.1 光信号发送端的工作原理具体的工作原理是通过二极管来运行的，根据光的不同，对光的强度进行调制，将不同强度的光发送到电位器上，再一步步调节静态电流，就能够改变发送出的光的功率，一般情况下，静态的电流都控制在020毫安，在其对面的驱动值为02000单位，如果发送出的电流比较小的时候，他们就能够显现出一定的关系，输入的音频信号就可以传输到另一方，然后和发光二极管进行调和就能够将传输的音频信号转换成光信号，通过耦合器的连接，就可传送到另一光纤上，传输的信号较低的是由电容和电阻这两个因素控制的，一般系统较低频率要控制在20Hz以下。2.3.2 光信号接收端的工作原理接收光信号就是将发送出的光信号耦合到二极管上，二极管的作用就是将光信号进行转换，变成电流信号，光电二极管也是在光纤通讯中比较常用的一个工具，在使用二极管的时候，把传送出来的电流信号转变为光信号，然后再将转变后的光信号变为电压信号，然后将电压信号当中的音频信号再加以耦合，让其在播放器的作用下发声。这种光电二极管的频率比较高，在生活中也是比较常见的，应用范围广泛。2.3.3 传输光纤的工作原理石英光纤是目前通讯业普遍采用的一种光纤，它的内部有两层，折射率较大的在外层，里面包裹着一小层，所谓的光纤技术就是说在光纤的内部发生光的全反射，使得光在光纤内部进行传播，而光线就是所说的传播介质，光只能沿着光纤进行传播，光纤的传输光的方式主要有两种，分别是多模光纤和单模光纤，而根据折射率的不同又可分为阶跃型和渐变性，前者的介质是两种圆形的互相对称的同轴介质，而不管是哪种他们的折射率都不大相同，内层的折射率要高于外层的折射率。所谓的梯度折射率，顾名思义就是在光纤内部是按照一定的梯度传递光源的，从而能够改变光的折射率，这样做是为了增加带宽，使得模传播的群速较接近。而多模折射率阶跃型因为速度的原因会在模之间产生色散，使得通讯的带宽受到影响。相比于阶跃型，渐变性的光纤因为群速度相同，所以带宽就大大增加，带宽最高的是单模带宽，就是只传输一种光模式的光纤，。现在通讯业普遍都是用带宽最大的单模光纤。石英光纤的主要技术指标有衰减特性，数值孔经和色散等。 数值孔径：数值孔径描述光纤与光源、探测器和其他光学器件耦合时特性，其大小可以表示光纤采集光的能力。在立体角2max范围内入射到光纤端面的光线在光纤内部界面产生全反射而得以传输，在2max范围外入射到光纤端面的光线则在光纤内部界面不产生全反射而是透射到包层而马上被衰减掉。NA=Sinmax表示光纤的数值孔经：，其数值为01-06，对应的max在90330，多模光纤具有较大的数值孔径，单模光纤的数值孔经相对较小，所以一般单模光纤需用LD半导体激光器作为其光源。第三章 WDM的发展过程 随着光纤通信的发展，WDM技术也飞速的发展，本章除了研究WDM技术的发展过程，同时也介绍列举了其发展迅速的原因。3.1 发展阶段科技更新的速度是很快的，同样光纤通讯也在不断地进步发展，从80年代末的PDH系统到后来逐渐发展的SDH系统，WDM系统，光纤通讯经历了一场又一场的变革，而WDM在80年代的时候就已经被美国的光纤通信部门所采用，当时的速率可达到每秒217Gb。整体来说WDM系统在19世纪50年代的时候，发展前景并不好，发展得也不快，其原因大致为：（1）时分复用（TDM）这项技术迅速发展，因为155Mb/s-622Mb/s-2.5Gb/s TDM相对来说是比较容易的。按照材料显示，在小于等于2.5Gb/s的系统中，系统的每一次升级都会带来成本的降低，据统计，每一比特大约30%。所以，在系统加速更新的时候，一般人们都会选择TDM。（2）波分复用器件不成熟。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化，1997年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集型波分复用（DWDM）系统。CIENA推出了162.5Gb/s系统，Lucent公司推出82.5Gb/s系统，目前试验室已经可以达到Tb/s速率。3.2 发展迅速的原因 随着时代的发展与技术的更新进步，传输技术从电复用渐渐倾向于光复用，WDM技术开始迅速发展及运用，主要原因在于：1.让WDM技术应用于光放大器，对于这项技术的实现主要是在于光电器件发展的迅猛，更重要的是EDFA逐渐商务化，走向成熟； 2.因为TDM技术中应用的差不多已经达到了硅、镓和砷的极限了，所以导致TDM承受力、能力有限，而且传输设备成本大，从而WDM技术越来越受到大家的欢迎。3.因为TDM10Gb/s系统受到了光纤窗口的抑制的，导致光纤色散受到的影响越来越重。现在就在研究利用光频来提高效率，也就是所说的光复用，需要代替传统的电复用。即WDM技术就是利用了光复用科技。3.3 DWDM技术研究WDM系统时，经常想到DWDM（密集波分复用系统）。WDM和DWDM是同一回事吗？它们之间到底有那些差别呢？实质上，WDM和DWDM是不同时期不同的称呼，本质上表示的是同一种技术，反映了WDM技术的发展历程。在80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm和1550nm窗口各传送1路光波长信号，也就是1310nm1550nm两波分的WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。这种系统方法操作简单方便，往往应用熔融的波分复用器件，损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光电光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。很长一段时间内在人们的理解中，WDM系统就是指波长间隔为数十nm的系统，例如1310nm1550nm两波长系统（间隔达200nm）。因为在当时的条件下，实现几个nm波长间隔是不大可能的。 随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口传送多路光载波信号。由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般1.6nm），且工作在一个窗口内共享EDFA光放大器，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。我们指的密集是与相临波长间隔比较来说的。过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.82nm)，甚至0.8nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。3.3.1 DWDM对光纤性能的要求 目前，大家习惯性叫DWDM系统为WDM。实际上，WDM的确应用的更为广泛，更为大众所接受，因为DWDM系统对于定义的概念并不明确清晰，当今社会，科技越来越发达，早已解决了以前十分不易解决的密集的波长间隔，目前已经“稀疏”多了。一般情况下，如果不特指1310nm1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。 作为多波长光的技术，DWDM常应用于密集的复用技术，对于影响到WDM系统传输功能的主要的原因即为光纤的非线性效应。其中信道间隔、光纤色散、光功率的密度等等都会影响到光纤的非线性效应。而且光纤的非线性效应程度与光的功率密度成正比，与信道间隔成反比；然而，光纤色散就与光纤的非线性效应有着千丝万缕的复杂的关系了。WDM技术发展迅速，在光纤传输中信道间距逐渐变小，效率不断增大，这样一来，光纤传输的非线性效应发展得就越来越快。3.3.2 DWDM系统中的光源 DWDM中的光源所具有的的要求如下：（1）波长的范围宽；(2)尽可能多的信道数；(3)每信道波长的光谱宽度应尽可能窄；(4)各信道波长及其间隔应高度稳定。所以，反馈激光器（DFB-LD）广泛应用于波分复用系统中的光源，更为重要的是，现在大部分的激光器都采用的是量子阱DFB激光器。 随着科学技术的进步，用在波分复用系统中的光源除了分立DFB-LD、可调谐激光器、面发射激光器外，还有两种形式。其一是激光二极管的阵列，或是阵列的激光器与电子器件的集成，实际是光电集成回路(OEIC)，与分立的DFB-LD相比，这种激光器在技术上前进了一大步，它体积缩小、功耗降低、可靠性高，应用上简单、方便。超连续光源是另一种新的光