DWDM技术论文.doc

DWDM技术 目 录绪 论31 DWDM技术系统简述41.1 DWDM技术的特点41.2 DWDM产生的技术背景及基本结构41.3 DWDM技术的相关设备51.4 DWDM技术的基本原理和主要性能指标6 1.4.1 基本原理61.4.2 主要性能指标72 DWDM的几种关键技术82.1 光放大技术82.2 增益均衡技术92.3 光合波与分合波技术92.4 节点技术93. 系统器件93.1 光源93.1.1 光源系统工作原理93.2 分复用/解复用器103.3 光器件应用114. DWDM系统的完善124.1 系统的快速自愈124.2 色散补偿124.2.1 色散补偿器124.2.2 非线性色散补偿13结 论14参考文献15绪论在通信事业飞速发展的今天，各种新型的电信业务，如个人通信业务、商业数据、Cable-TV等，对传输容量的需求与日俱增，人们对宽带通信提出了前所未有的要求,一些原有的通信技术,如时分复用(TDM)和波分复用(WDM)等已不能满足宽带通信的要求。在这种情况下,密集波分复用(DWDM)作为一种新兴的通信技术即应运而生，它解决了传输宽带紧张这一“瓶颈”问题，成为当今电信网发展的新热点。本文从我国光纤通信的现状和DWDM 技术的应用出发,对DWDM光纤通信热门课题进行了讨论和分析,主要对其主要的技术进行了详细的分析,并且提出了改进的方案,指出了我国未来在DWDM技术领域存在巨大的发展空间和由此带来的市场前景。DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。它具有良好的优势和经济性，能满足急剧增长的通信业务的需求。所以，从某种意义上来说，DWDM技术的应用标志着光通信时代“真正”的到来。而DWDM技术的关键在于器件，包括有源器件和无源器件，比如：高速半导体激光器、调制器及集成器件、调制器及集成组件、高速高灵敏度探测器、大功率泵浦源、新型光纤、光纤放大器、光开关、滤波器、波长转换器、多波长合波器和分波器以及OADM、OXC 等节点设备。基于DWDM 技术大规模的应用, 可以认为它将对 21 世纪的社会经济发展产生极大影响, 是进入新世纪通信发展的核心。作为传输设备方面的供应商, 应注意市场需求动态, 把握网络发展的衔接性和可持续发展性, 根据用户网络的不同情况, 及时地为用户提供独到的网络解决方案及具有很强竞争力的产品。作为通信领域发展最为迅速的前沿技术,DWDM具有不可估量的发展潜力和光明前途。由于DWDM的先进性和经济性, 所带来的市场前景是广阔的。这里还要提一下,DWDM系统对光纤的选型有一定的要求。比如, 采用什么样的光纤, 对城域网问题不大, 但对长途干线建设至关重要。由于DWDM系统是多个光信号在一根光纤中同时传输, 因此增加了光纤中光功率密度, 很容易引起四波混频 (FWM ,Fou rW aveM ix ing)等非线性现象。如果光纤色散不为零, 即光纤中有少量色散, 则有利于抑制四波混频的产生。因此对DWDM 系统, 从技术性能讲应采用性能优良的非零色散光纤 (N ZD SF) , 即称其为G. 1655 光纤。但从当前市场价格来看, G. 655光纤的价格是普通光纤 (SM F)即常规光纤 G. 652 光纤的3倍。所以针对我国当前的情况,DWDM系统线路采用标准的G. 652光纤也是可以满足要求的。DWDM技术系统简介1.1 DWDM技术的特点 1.超大容量目前使用的普遍光纤可传输的带宽是很宽的，但其利用率还很低。使用DWDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍，因此也节省了光纤资源。2.数据透明传输 由于DWDM系统按不同的光波长进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。因此可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号的综合和分离。 3.系统升级时能最大限度地保护已有投资 在网络扩充和发展中，无需对光缆线路进行改造，只需升级光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务的方便手段。 4.高度的组网经济性和可靠性 利用DWDM技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便，由此而带来网络的经济性和可靠性是显而易见的。 5.可构成全光网络 可以预见，在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上下、交叉连接等，都是在光层上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此，DWDM技术将是实现全光网络的关键技术之一，而且DWDM系统能与未来的全光网兼容，将来可能会在已经建成的DWDM网络的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。1.2 DWDM产生的技术背景及基本结构业务类型的变化： 语音业务数据业务宽带综合业务容量需求的变化： Tbit/s容量到干线网 Gbit/s容量到家庭、办公室 Mbit/s容量到个人扩容方式的限制： 时分复用TDM 空分复用SDMDWDM系统:光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。1.3 DWDM技术的相关设备 目前DWDM技术的相关设备有下列几种：（1） 光放大器，（2）DWDM终端机，（3）光塞取多工机，（4）光交接机。 将DWDM相关设备之主要功能叙述如下：(1) 光放大器 具有光信号格式与位元速率之透通性，运作与1550nm区域有相当高之增益、高光输出功率及低杂讯指数，光放大器依据不同应用有下列三种： 光功率放大器（BoosterAmplifier，BA） 光前置放大器（Pre-Amplifier，PA） 光线路放大器（LineAmplifier，LA） 目前应用于多波长DWDM系统之光放大器大部分是掺铒光纤放大器（Erbium-DopedFiberAmplifier，EDFA）其主要组成包含一段掺铒光纤、帮浦雷射（PumpLaser）及DWDM组件。EDFA直接放大1550nm区域无需使用电子式再生器，可在相当大之波长范围内提供平坦增益，亦即单一EDFA能同时提供多个波长通路之增益，已取代大部分之再生器应用，成为长途光纤网络之构成部分。（2） DWDM终端机 DWDM终端机配合光放大器可应用于光传输网络，在传送端可接受多个波长之光信号输入，并转换成符合ITU-TG.692固定波长之光信号，经多工混合、光放大后传至光传送网络，在接收端可接收来自光传送网路之信号，经光前置放大、解多工及光滤波器后输出。（3） 光塞取多工机（OpticalAdd-DropMultiplexer，OADM）XX光塞取多工机（OpticalAdd-DropMultiplexer，OADM），可以在一个光传输网路之中间站塞入或取出个别的波长通道。一般而言，它是置于两个DWDM终端机之间来代替某一光放大器，目前大部分厂家已研制出固定型光塞取多工机，它对于要塞入或取出的波道必须事先设定，至于另一种称为可任意设定之光塞取多工机，则可藉由外部指令对于要塞入或取出的波道作任意的指配。（4） 光交接机（OpticalCross-Connect,OXC）在电信网路中使用波长愈来愈多时，对于这些波道须作弹性之调度或路由之改接，此时必须藉由光交接机，来完成此项功能，通常它可置于网路上重要的汇接口，在其输入端可接收不同波长信号，经由光交接机将它们指配到任一输出端，光交接机在连接至DWDM光纤时有以下三种切换方式：a. 光纤切换（Fiberswitching）：可连接任一输入光纤到任一输出光纤，但不会改变光纤内之波长。b. 波长切换（Wavelengthswitching）：同一输入光纤内之多个波长，可分别交接至不同输出光纤，较有弹性。c. 波长转换（Wavelengthconversion）:不同输入光纤内之相同波长，经转换后可以不同波长汇入同一输出光纤。光交接机可提供下列几种应用：（1）路由回复，（2）波长管理，（3）话务之调度和集中。1.4 DWDM技术的基本原理及主要性能指标1.4.1基本原理DWDM的定义:光波分技术（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。基本原理是在发送端将不同的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开并做进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。DWDM：同一窗口(1550m)中信道间隔较小的波分复用（8,16） DWDM的原理概况:DWDM 技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。与通用的单信道系统相比，密集 WDM （ DWDM ）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法。即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（相干光通信技术）是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（ WDM ），再把在同一窗口中信道间隔较小的 DWDM 称为密集波分复用（ DWDM ）。 随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的8个波、 16个波、 32个波乃至更多个波长的复用称为粗波分复用（CWDM ）。DWDM 系统的构成及光谱示意图如 图所示。发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器（掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率），再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。图1-1 DWDM系统的构成及频谱示意图1.4.2主要性能指标（1） 系统工作波长位于1550nm低耗窗口，分为C波段和L波段两部分。C波段（常规波段） 波长范围为：1530nm1560nm 工作频率：196.05THz192.10THz（1THz=1000GHz）L波段（长波长波段） 波长范围为：1565nm1625nm 工作频率：190.90THz186.95THz（1THz=1000GHz）（2） 通路间隔通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标频率差，包括均匀通路同路间隔和非均匀通路间隔。目前，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。复用通路为8波时，通路间隔为200GHz。复用通路为16波32波40波时，通路间隔为100GHz。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。（3） 标称中心频率标称中心频率是指DWDM系统每个复用的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，第一波的中心频率为192.10THz，通路间隔为100GHz，频率向上递增。（4） 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于标称中心频率之间的偏差。国际规定，100GHz频率间隔的系统，速率为2.5Gbits以下时最大中心频率偏移为20GHz（约0.16nm）；速率为10Gbits时，最大中心频率偏移为12.5GHz。50GHz频率间隔的系统，最大中心频率为5GHz。最大中心频率偏移是指，在系统设计寿命终结时，考虑到温度、湿度因素仍能满足的数值。（5） 色散容限色散反映了脉冲沿光纤传播时的展宽。脉冲展宽将导致接收端信号脉冲消光比的下降，即“1”码与“0”码的电平接近，造成接收机的误判。为避免误码出现，采取一定的措施补偿在光脉冲过程中引起的脉冲展宽，光脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。DWDM系统对光纤色散系数的要求，基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色散系数的要求。同时，由于DWDM系统的无电中继长度远远大于单个SDH系统，所以要求系统光源的色散容限距离必须延长。（6） 接收机灵敏度接收机灵敏度是指，输入信号处在1550nm窗口，误码率到10-12时，OUT输入端口的平均接受光功率的最小值。（7） 过载光功率过载光功率是指，驶入信号在1550nm窗口，误码率达到10-20是OUT输入端口处的平均光功率的最大值。DWDM的几种关键技术21 光放大技术光放大器（OA）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。OA的主要形式有半导体光放大器（SOA）和掺饵光纤放大器（EDFA）两种，前者近年来发展速度很快，已经成为目前大容量长距离的DWDM系统在传输技术领域必不可少的技术手段。2.2 增益均衡技术利用损耗特性和放大器的增益波长特性相反的增益均衡来抵消增益的不均衡性称为增益均衡技术。这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性准确吻合，使综合特性平坦。现在用的增益均衡器主要有标准光波滤波器、介质多模滤波光纤光栅及平面光波导等。2.3 光合波与分合波技术合分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。对它们的基本要求是：插人损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。2.4 节点技术WDM光传送网中的节点分为光交叉连接（OXC）节点、光分插（OADM）节点和混合节点（同时具有OXC和OADM功能的节点。OCX节点的功能类似SDH网络中的数字交叉连接设备（DXC），只不过是以广波信号为操对象在广域上实现的，无需进行光电电光转换和电信号处理。OXC主要由交叉连接矩阵、波长转换接口以及管理控制单元等，模块组成。同样的，OADM节点的功能类似于SDH网络的数字分插复用设备（ADM），它可以直接以光波信号为操作对象，利用光波复用技术在广域上实现波长信道的上下。系统器件3.1 光源3.1. 1 光源系统工作原理DWDM光源控制系统的主要功能就是通过对各个基本光源单元上的LD 组件的控制,实现基本光源通道输出功率、工作温度和输出波长的控制。整个DWDM光源控制系统主要包括基本光源单元、数字监控子系统和远程控制子系统,图1 为系统的总体框图。基本光源单元采用新型刀片式光源,每路基本光源单元都可以完全独立地完成一路光源输出,通过直接插拔就可以实现光源通道的增减。数字监控子系统以瑞萨SH2 单片机为控制核心,现场可编程门阵列( FPGA) 为数字2模拟信号接口,先进先出(FIFO) 为系统的数据缓冲区,这部分的主要功能是实现各路基本光源单元的选择和控制,完成对信号的采集、处理和数据传输。远程控制子系统采用通用接口总线( GPIB) 、通用串行总线(USB) 等接口实现光源系统和计算机相连,实现远程控制。3.2 分复用/解复用器复用器:将不同光源波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件，解复用器:经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件。DWDM器件:滤波器型、光栅型、耦合器型、阵列波导光栅型。主要技术要求:插入损耗低，各信道间的串扰少，即隔离度高，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，波长的温度稳定性好，低的偏振相关性。3.3 光器件应用DWDM系统完善4.1 系统的快速自愈一种具有自愈功能的波分复用无源光网路实现广播功能系统，由光线路终端OLT（1）通过两根单模光纤单模光纤（10）和单模光纤（11）而连接远端节点RN（23），远端节点RN（23）由分布光纤（24）和保护光纤（25）连接多个光网络单元ONU（26）构成，所述光线路终端OLT（1）由DFB（2）、共享波长发射机（6）和光接收机（7）分别1N波导光栅AWG（3）和1（N-1）阵列波导光栅AWG（9）连接一个第一环行器（4）和一个光开关（5）构成，其特征在于:1)所述远端节点RN（23）包括四个光环行器第二光环行器（12）、第三光环行（14）、第四光环行器（15）和第五光环行器（17），两个光纤布拉格光栅FBG第一光纤布拉格FBG（13）和第二光纤布拉格光栅FBG（18）、两个1（N-1）的星状耦合器第一星状耦合器（16）和第二星状耦合器（21）以及一个NN的阵列波导光栅AWG（20）；经ONT端的光开关（5）使单模光纤（10）和单模光纤（11）连接至第二光环行器（12）和第四光环行器（15），第一光纤布拉格光栅FBG（13）和第二光纤布拉格光栅FBG（18）的反射端口分别连接至1（N-1）的第一星状耦合器（16）和第二星状耦合器（21），该工作端3dB耦合器（19）和保护端3dB耦合器（22）接至一个NN阵列波导光栅AWG（20）的其余N各接口；所述星状耦合器的第一星状耦合器（16）、第二星状耦合器（21）和其工作端3dB耦合器（19）、保护端3dB耦合器（22）分别通过分布光纤（24）和相应的分布保护光纤（25）连接至各OUN（26）。2）共有N1个所述光网络单元ONU（26），每个光网络单元ONU是完全相同的，每个光网络单元ONU（26）由两个光耦合器第一光耦合器（28）和第二光耦合器（35）、两个监控单元（27）、两个控制单元（29）、两个广播信号接收机（32）、两个点对点信号接收机（33）以及两个RSOA（34）组成；所述分布光纤（24）连接光开关（30），保护光纤（25）经第一光耦合器（28）连接开关（30），光开关（30）经光耦合器（31）连接广播。4.2 色散补偿4.2.1 色散补偿器光纤损耗、色散和非线性是影响光纤传输能力的三个最主要因素。掺铒光纤放大器的研制成功基本解决了损耗的问题。随着全光通信速率的提高，色散和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显著。经过近年来的研究，光纤光栅色散补偿器已经基本解决了光纤传输系统中的色散问题。啁啾光纤光栅色散补偿原理图如图是光纤光栅作为色散补偿器的工作原理图，光纤光栅被偿色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纤光栅不同反射点有不同的反射波长，我们让红移分量在光栅前端反射，而让蓝移分量在光栅末端反射，即蓝移分量比红移分量多走2L的距离。由于色散在光脉冲中红蓝移分量之间产生的距离差，经过光栅后