80G_密集波分复用技术原理.doc

目录第一章密集波分复用原理第二章系统应用第三章系统描述第四章操作接口和单元盘描述第五章管理、配置和维护第六章附录 1-14 第 一 章密集波分复用技术原理一、光波分复用技术的产生二、波分复用原理三、波分复用器件四、光源五、增益平坦的光纤放大器六、光纤选型七、影响波分复用系统的几个因素八、光波分复用系统实际应用举例一、光波分复用技术的产生 随着通信网络传输容量不断增长的需要以及网络交互性,灵活性的要求,产生了各种复用技术,在数字光纤通信中除了大家熟知的时分复用(TDM)方式外, 还出现了其他的复用方式,包括光时分复用(OTDM),波分复用(WDM),频分复用(FDM)以及微波副载波复用(SCM)等方式,而这些复用方式的出现,则使通信网的传输效率大大提高。然而,信号速率大于10Gb/s的时分复用方式由于对激光器的谱线要求很高,同时由于色散的影响必须使用色散补偿技术, 实现上还存在一些问题，因此光 的波分复用技术就被提到了前台，由于不同波长的光信号不会产生互相干涉,利用波分复用技术看来更适于在短时间内提高系统的通信容量。二、波分复用原理 所谓波分复用, 就是采用波分复用器(合波器)在发送端将特定的不同波长的信号光载波合并起来,并送入一根光纤传输; 在接收侧,再由另一波分复用器 (分波器)将这些不同波长的光载波分开,随着所用波分复用器件的不同,可以复用的波长数从两个至数十个不等。图1-1 是N个波长的WDM系统的构成示意图。 图11 WDM系统示意图波分复用方式的主要特点有: 可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使一根光纤的传输容量很快地扩大几倍至几十倍。 使N个波长复用起来在单根光纤中传输,极大地节约了光纤。 WDM与光纤放大器结合可以节约大量电再生器,简化了维护管理,降低了长途成本。 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立,因而可以完成各种电信业务的综合和分离,包括数字信号和模拟信号, 以及PDH信号与SDH信号的综合和 分离。 在长途网应用时,可以根据实际业务量需要逐步增加波长来扩容, 十分经 济灵活。 在实际光缆极化模色散不清的前提下,也是一种暂时避免采用超高速光系统而利用多个2.5Gb/s系统实现超大容量传输的手段。 利用WDM选路来实现网络交叉连接和恢复,从而可能实现未来透明的,高度生存性的全光网络。 波分复用的主要缺点是波分复用器件引入的插入损耗较大，减少了系统可用 功率，虽然靠光纤放大器可以补偿功率的损失, 然而会遭受光纤非线性的影 响,波长较多时需仔细设计。此外,波长较多时, 需要精确地选择激光器波长 并始终维持激光器波长稳定性及相同波长的备用器件,不甚方便，目前靠WDM方式已经实现了132个20Gb/s的超大容量传输实验,前景甚好。三、波分复用器件 波分复用系统的核心部件是波分复用器件,其特性好坏在很大程度上决定了 整个系统的性能。目前已广泛商用的WDM器件可以分为3大类,即角色散器件,干涉滤波器和光纤耦合器。1.光栅型WDM最流行的光栅,是在玻璃衬底上沉积环氧树脂,然后再在环氧树脂上制造光栅线,构成所谓反射型闪烁光栅。入射光照射到光栅上后,由于光栅的角色散作 用,不同波长的光信号以不同的角度反射,然后经透镜会聚到不同的输出光纤, 从而完成波长选择功能，反过程也同样可行。上述不同波长的分离和合并 功能就是WDM功能，闪烁光栅的优点是高分辨的波长选择作用,可以将绝大部分的能量集中反射到所需要的波长,使光强大大增加。2.薄膜滤波器型WDM另一类WDM器件利用光滤波技术,可由介质薄膜(DTF)构成。DTF干涉滤波器是 由几十层不同材料不同折射率和不同厚度的介质膜按照设计要求组合起来的,每层的厚度为1/4波长,一层为高折射率,一层为低折射率,交替迭合而成.当光入射到高折射率层时,反射光没有相移; 当入射到低折射率层时,反射光经 历180度相移。由于层厚1/4波长,因而经低折射率层反射的光经历360度相移后与经高折射率层的反射光同相叠加，这样在中心波长附近, 各层反射光叠 加,在滤波器前端形成很强的反射光。在这高反射区之外,反射光突然降低, 大部分光成了投射光。据此可以使之对一定波长范围呈通带, 而对另外波长 范围呈阻带,形成所要求的滤波特性。3.熔锥型WDM利用熔锥型耦合器的波长依赖性可以制作WDM器件，如图1-2所示，其耦合长度L随波长而异，对于一特定的耦合器, 不同波长的理想功率比呈正弦性,从 而形成对不同波长具有不同通透性的滤波特性,据此可以构成WDM器件。 熔锥型WDM器件的优点是插入损耗低,无需波长选择器件,十分简单,适于批量生产,此外还具有较好的光通路带宽/通路间隔比和温度稳定性。不足之处是 尺寸稍大,复用波长数少(典型用于双波长WDM),光滤波特性对温度十分敏感,隔离度较差(20dB左右)。采用多个熔锥式耦合器级联应用的方法可以改进隔离度(提高到3040dB),适当增加复用波长数(小于6个)。图12熔锥型WDM4.集成光波导型WDM 集成光波导型WDM器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件,如图13所 示，它具有一切平面波导技术的潜在优点, 诸如适于批量生产,重复性好,尺 寸小,可以在光掩模过程中实现复杂的光路, 与光纤的对准容易等等,因而代 表了一种先进的 WDM技术。典型制造过程是在硅晶片上沉积一层薄薄的二氧 化硅玻璃,并利用光刻技术形成所需的图案, 腐蚀成形。目前平面波导型WDM 器件已有各种实现方案，一种典型的器件是平面波导选路器, 由两个星形耦 合器经M个非耦合波导构成,耦合波导不等长从而形成光栅。两端的星形耦合器由平面设置的两个公焦阵列径向波导构成。这种波导型WDM器件十分紧凑,通路损耗差小,隔离度已达25dB, 通路数大(至少已实现32路),易于批量生产 但带内顶部不够平坦,对温度和极化较敏感,其周期性滤波特性会引起一些串扰。总的看, 这类平面波导器件具有很好的发展前途。目前，朗讯科技的 WaveStarTM OLS 80G和 WaveStarTM OLS 400G光线路系统采用的正是这种集成光波导型WDM器件。图13集成光波导型WDM 除了上述传统WDM器件外,还可以利用多个光滤波器来分离单个波长, 实现波 分复用功能。传统使用的法布里珀罗腔滤波器尽管很方便, 但需要复杂的 电控制,价格较昂贵,限制了其在实际商用系统的大量应用。近来利用布拉格 光纤光栅做滤波器的工作有了重大进展，其制造方法是利用高功率紫外光波束干涉在光纤芯区中形成周期性的折射率变化,即布拉格光栅,精细度可达每厘米10000线，布拉格光纤光栅的设计和制造比较快捷方便,成本较低插入损耗很小,温度特性稳定,其滤波特性带内十分平坦,而带外又十分陡峭,整个器件可以直接与光纤熔接成一体。然而这类光纤光栅滤波器的适用波长范围较窄, 只适用于单个波长，带来的好处则是可以随着所用波长数的增减而增减 滤波器,应用比较灵活。这种采用多个光纤光栅滤波器来代替一个WDM器件的方法,代表了一种新的DWDM设计思路和方向。四、光源 波分复用系统对光源的基本要求,首先是要具有较窄的谱线宽度,这主要是因为波分复用系统是一个色散受限的系统。由于使用了在线的光纤放大器, 功 率预算已不是问题，起决定作用的主要是信号的色散导致的误码率增加, 而 光信号的谱线越宽,色散就越严重, 为此使用以分布反馈式激光器(DFB)为主 的窄线宽激光器是高速率通信的必然趋势。除了这些常规要求外, 还要求波 长可微调并具有一定的波长稳定性。波分复用系统中所用的光源有两类, 即采用铌酸锂的MZ调制器与电吸收调制 器, 目前的陆地波分复用系统多以2.5Gb/s速率为基础,因而趋势是采用更加 紧凑小巧,可与光源集成在一起,性能上也足以满足绝大多数应用要求的电吸收调制器。这是第一种大量生产的铟镓砷磷(InGaAsP)光电集成电路,将激光器和电吸收调制器集成在一块芯之上, 该芯片再置于一热电制冷器上，如 图1-4所示。典型的上述光电集成电路(又称电吸收调制激光器EML)可以支持2.5Gb/s信号传输600km以上的距离, 远远超过直接调制激光器所能传播的距 离(200km)。其可靠性也与标准的DFB激光器类似,平均寿命达140年。 图14InGaAsP光电集成电路在密集波分复用系统(DWDM)中,由于各个通路的间隔很小(可达0.8nm), 因而 对光源的波长稳定性有严格的要求,例如0.5nm的波长变化就足以使一个通路移到另一个通路上。在实际系统中通常必须控制在0.2nm以内,其具体要求因波长间隔而异,波长间隔越密要求越高,需要采取严格的波长稳定技术。 五、增益平坦的光纤放大器(EDFA)长距离的光信号传输必须使用中继器对已衰减的光信号进行放大。传统的再生器采用的是光-电光方式,并且每个放大器只能放大一个波长的信号。对于一个有16个波长的波分复用系统, 这种方式显然是非常昂贵的。掺铒光纤 放大器的提出使这一问题得到很好的解决。掺铒光纤放大器的工作原理是: 泵浦激光器的光将硅光纤中的铒离子激发到 较高的能级,当此时有信号光输入,则由于量子能级的共振跃迁, 高能级的铒 离子将回落到较低的能级,同时发出与信号光的频率,位相和偏振态完全相同的光子,或称为受激辐射光。于是,信号光得到放大, 并将作为种子再次通过 同样的过程不断得到放大，该过程非常类似于激光器的工作原理，并且由于掺铒光纤放大器可以同时对一个较宽波长范围的信号光进行放大, 因此非常 适合于波分复用系统。目前主要使用1480nm或980nm的激光器作为泵浦源,如图1-5所示。 图15EDFA光纤放大器在实际使用过程中经常碰到的问题是, 掺铒光纤放大器对不同波长的信号的 放大增益并不完全相同,若采用光放大器级联的方式,收端的信噪比就会非常小。为解决放大器增益不平坦的问题, 目前通常采用15491561nm的平坦区 域或利用在输入端对不同波长的光信号进行预均衡的手段予以改善。但当复用波长数增加时,必须借助其他的方法.较多采用的是在硅光纤中掺杂铝, 来 平抑增益的波动,扩大可使用波长的范围。其1dB增益平坦区已能扩展至整个铒通带,基本解决了普通硅EDFA增益不平坦的问题。六.光纤的选型1.G.652光纤目前世界上绝大多数国家的光缆均采用该种光纤。该光纤在1310nm附近具有最小的色散系数,在1550nm附近的衰耗系数最低,在1550nm附近的典型色散系数为17ps/nm.km左右。如果采用电吸收调制激光器的话,则G.652光纤可以将2.5Gb/s速率的信号传输至少600km左右, 完全满足绝大多数陆地传输系统的 要求，因此可以作为波分复用系统的传输媒介。2.G.653光纤该光纤通过对芯径的折射率结构的改变使得光纤的最小色散点移到了1550nm附近,适合波长为1550nm的单信道传输,但决不能用于波分复用系统, 因为该 光纤在1550nm的色散系数太小,导致各复用波长之间极易产生四波混频效应,增加了系统的误码率。3.G.655光纤该光纤又被称为非零色散光纤,其最大的特点是在1550nm附近区域的色散不 完全为零,而是维持了一定的色散。这种措施导致了两个主要的优点:a)光信号的色散足够小,以致可以支持10Gb/s的高速信号的长距离传输;b)光信号不会因为色散值过低而产生四波混频现象。因此该种光纤最适合1550nm波段波分复用信号的传输。G.655G.652G.653图16不同型号光纤的衰耗和色散七、影响波分复用系统的几个因素1.色散从电磁学的基本原理可以知道,不同波长,或不同频率的光在除真空以外的媒质中传播时的速率并不相同。在介质的正常色散区域, 波长较长的光具有更 快的传播速率;反之,在反常色散区域,波长较短的光具有更快的传播速率。光通信中信号就是一个个的光脉冲编码, 而对任意一个光脉冲进行傅立叶分 析可以发现它包含了各种不同的频率成分, 或者说不同的波长成分。从上述 对色散所做的解释可以知道光纤中是存在色散的, 即一个脉冲的不同频率成 分的传播速率将有所不同。举例来说,在一种反常色散介质中(目前所使用的光纤对波分复用系统来说均是反常色散介质),一个脉冲的短波长部分的传播速率要大于长波长部分,这样,经过长距离传输后, 同一个脉冲的不同频率部 分将在时间上拉开,换句话说,脉冲将由于光纤中固有的色散而被展宽, 当展 宽到一定程度,原本为0的信号将有一定的光功率,如果光功率超过对1的判决门限,则0信号将被误判为1,造成误码，如图1-7所示。所以,在光纤通信中我们不希望出现过大的色散效应。 图17脉码展宽造成误码如何在波分复用系统中尽量避免色散所造成的影响是设计时必须着重考虑的问题。a)首先,使用谱宽较窄的光源。最早的半导体激光器由于具有很宽的谱宽,即含有较多的频率成分,将会造成严重的色散。目前较多采用了分布反馈式半导体激光器(DFB),这是一种非常接近单频的激光器。同时不再使用原来的直接调制的方法, 而改用电吸收调制器或MZ调制 器用以改善调制过程中出现的谱线展宽。b)其次，采用G.655非零色散光纤,减小光纤的色散系数, 色散系数决定了脉 冲展宽的速度。从前面对光纤的介绍可以知道,G.655光纤的色散系数要比传统的G.652光纤小将近13ps/nm.km,在很大程度上改善了色散。c)利用光纤中的非线性效应。采用了光纤放大器后, 信号的功率得到了很大 的提高, 庖淮胧冉饩隽讼呗飞系乃模衷谝欢潭壬隙孕藕诺纳 到了一定的补偿。由于信号功率的提高,将在光纤中激励起一些非线性效应,较为常见的是自位相调制(SPM)。简单地说,这种非线性效应将使脉冲的前沿向长波长方向移动, 而后沿向短波长方向移动。由于对波分复用系统来说是 反常色散,即短波长的成分传播得比长波长成分快,因此结合自位相调制和反常色散,脉冲的后沿将以较快的速度逼近前沿,从而使整个脉冲得以被压缩, 改善了系统的传输质量。d)采用色散补偿光纤(DCF)。色散补偿光纤的色散系数与普通的光纤 恰好相 反,如果在普通光纤中是反常色散的话, 则色散补偿光纤将提供正常色散,使 系统总的色散大致为零。但色散补偿光纤的衰耗一般较大, 必须使用光纤放 大器对信号的衰减进行补偿.2.非线性效应所谓非线性效应指的是当光信号的功率足够大时, 将使光纤对信号的极化响 应呈非线性从而引发的一系列效应。主要可以归纳为两大类: 折射率的非线 性响应及非弹性散射。前者有自位相调制(SPM),交叉位相调制(XPM),光孤子效应以及四波混频过程。后者主要包括受激喇曼散射(SRS) 及受激布里渊散 射(SBS)。在波分复用系统中,对系统产生较大影响的主要是自位相调制,交叉位相调制以及四波混频过程。尤其是四波混频过程, 它会使相隔非常小的信道互相作 用,并产生许多不需要的旁瓣,由此引起的直接影响就是将信号的能量转移到了旁瓣上,降低了信号功率,使信噪比减小,甚至引起不同信道之间的串扰。 为了消除四波混频的影响,必须使相邻信道之间的间隔足够大,同时要在光纤中保持一定的色散,如图1-8所示，这就是为什么不能在波分复用系统中使用G.653光纤的原因。 图18在光纤中保持一定色散可减小四波混频3.长途传输中的积累效应在密集波分复用系统中,有一个严格的工程规范,它指出一个波分复用系统在无需对信号进行时钟再生和整形前可以跨越的最大中继段数目以及每个中继段之间的最大距离。 图1-9所示的是一个以16波长系统为例的工程规范。这 一工程规范是由每个中继段的信噪比来决定的。除了上述的两种效应外, 还 有哪些因素决定了信噪比呢?主要有三点:a)自发辐射噪声(ASE)的影响自发辐射噪声是使用光纤放大器时所特有的一种噪声来源, 它是由于光纤放 大器的宽放大范围导致的,除了信号光外,光纤放大器还将对一些自发产生的随机光信号进行放大,这些随机信号就是噪声来源,它将作为背景噪声存在并消耗了一部分泵浦光的能量,使信号光功率降低,并且这种噪声还将随着中继站的增加而不断得到积累,使系统信噪比降低。b)增益不平坦导致的信噪比降低由于光纤放大器对不同波长信号的增益不是完全相同的, 虽然采用增益均衡 技术可改善增益的平坦度, 但不同波长的信号仍有略为不同的增益。随着中 继站的增加,大增益信号和小增益信号的功率差将越来越显著,最终降低了系统的信噪比。c)抖动的积累抖动是传输过程中所固有的, 但采用光纤放大器作为中继器将不对信号的抖 动进行调整,因此,由于抖动的存在,中继站的数目必须有所限制。 图19OLS系统中继段数目和每个中继段的距离总的来说,由于各种器件及技术的成熟,采用光密集波分复用将是未来光通信领域中一种主要的传输方式,并将为全光网的实现提供传输层的基础。八、光波分复用系统实际组网应用举例1.使用WDM组建传输骨干网图110是一个利用波分复用系统组建SDH骨干网