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DWDM原理 DWDM系统概述光纤的基本特性DWDM系统关键技术DWDM系统技术规范 主要内容 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 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铺设的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 光通信的三个发展阶段 DWDM在传输网中的定位 WDM定义 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 WDM分类 粗波分复用 CWDM 密集波分复用 DWDM 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 DWDM系统基本结构 DWDM网元基本类型 OTM OLA OADM TDM 单纤单波长电再生 DWDM 单纤多波长全光放大 DWDM与SDH在对承载信号的复用方式的区别 DWDM的特点 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 DWDM技术能在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道 DWDM特点 SDH技术 超长距离无电中继传输 降低成本 DWDM特点 32 10G 16 10G 40 10G 平滑扩容 DWDM技术发展趋势 DWDM系统概述光纤的基本特性DWDM系统关键技术DWDM系统的技术规范 主要内容 光纤的结构 n1 n2 光纤传输特性 损耗色散非线性 损耗 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 是光纤基础材料 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 由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 散射损耗 损耗 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 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 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 光纤类型和损耗谱 色散 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 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 色散 色度色散 脉冲展宽 ps D ps nm km S nm L km Time 脉冲展宽 1 4比特周期时会引起误码 脉冲展宽 光纤色散效应对传输的影响 色散 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 环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力是引起PMD的主要因素PMD与其他色散相比 几乎可以忽略 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 光纤PMD PMD色散的影响 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1 6T长距 LONGHAUL 超长距 ULTRALONGHAUL 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 光纤非线性效应 SPM 自相位调制 SPM 光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化 引起光信号自身的相位调整 这种效应叫做自相位调制 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 XPM 交叉相位调制 XPM 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 FWM 四波混频 FWM 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 FWM对DWDM系统的影响 受激拉曼散射 SRS 光纤非线性效应 SRS 受激布里渊散射 SBS 光纤非线性效应 SBS 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 DWDM系统概述光纤的基本特性DWDM系统关键技术DWDM系统的技术规范 主要内容 光转发技术光波分复用器和解复用器技术掺铒光纤放大器 EDFA 技术WDM系统的监控技术 WDM系统关键技术 WDM系统组成示意图 2 5G速率以下的SDH信号接口标准 光转发技术 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 采用光 电 光变换的方法实现波长转换 首先利用光电探测器将从SDH光端机过来的光信号转换成电信号 经过限幅放大 时钟提取 数据再生后 再将电信号调制到激光器或外调制器上 OTU原理 光转发技术 OTU DWDM系统对于输入光源有特殊要求 WDM系统的电再生间距可达640Km 而SDH系统的电再生间距仅50 60Km 因此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 光源技术 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 光转发技术 激光器 缺点 直接调制 光转发技术 直接调制 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 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 光转发技术 啁啾效应 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 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640km 光转发技术 色散容限 外调制 光转发技术 间接调制 在外调制情况下 高速电信号不直接调制激光器 而是加在某一介质上 利用该介质的物理特性使通过的激光器信号的光波特性发生变化 从而建立电信号和激光的调制关系 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 光转发技术 外调制 外调制 光转发技术 波长稳定技术 温度反馈控制技术波长反馈控制技术波长集中监控技术 波长稳定技术 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 OM OD技术 波分复用器件 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 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 原理示意图 OM OD技术 光栅型滤波器 缺点温度稳定性不好 OM OD技术 光栅型复用器 光栅型复用器 解复用器的原理及特点 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 原理示意图 OM OD技术 介质薄膜滤波器复用器 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 OM OD技术 介质薄膜滤波器复用器 介质薄膜滤波器型复用器 解复用器的原理及特点 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 优点与光纤参数无关 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 原理示意图 OM OD技术 耦合器型复用器 缺点尺寸较大 信道隔离度差 复用的波长数少 OM OD技术 耦合器型复用器 耦合器型复用器原理及特点 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 原理示意图 OM OD技术 阵列波导波分复用器 缺点需要温度补偿 OM OD技术 阵列波导波分复用器 阵列光波导型 AWG 复用器的原理及特点 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 OM OD技术 DWDM系统与光波分复用器件的对应关系 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 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 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 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 光放大技术 放大器分类 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 光放大技术 EDFA的工作原理 光放大技术 重要性能指标 增益G噪声系数NF带宽增益平坦度Gp p总输入 输出功率范围输入 输出光反射系数 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特别是增益平坦度 这是DWDM系统对EDFA的特殊要求 光放大技术 重要性能指标 光放大技术 EDFA的应用分类 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 根据泵浦源的不同而分类 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 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 EDFA增益平坦示意图 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 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 光监控技术 光监控通道 OSC 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 光监控技术 光监测信道应考虑的问题 采用1510nm的波长信号速率为2 048Mb s接收机灵敏度 48dbm信号码型 CMI信号发送功率 0 7dbm 光监控技术 光监测信道的实现 监控通道的实现 DWDM系统概述光纤的基本特性DWDM系统关键技术DWDM系统的技术规范 主要内容 集成式系统和开放式系统工作波长主要性能指标 DWDM技术规范 OTU OpticalTransponderUnitOMU OpticalMultiplexingUnit 集成式系统和开放式系统 波段划分 C波段波长范围为1530nm 1565nmL波段波长范围为1565nm 1625nm 系统工作波长 标称中心频率 工作波长说明 8 16 32 40波系统工作波长范围 C波段 1530nm 1565nm 频率范围 192 1THz 196 0THz通路间隔 100GHz中心频率偏差 20GHz 速率低于2 5Gbit s 12 5GHz 速率10Gbit s 工作波长说明 80波系统工作波长范围 C波段 1530nm 1565nm 频率范围 C波段 192 10 196 00THz和192 15 196 05THz 通路间隔 50GHz中心频率偏差 5GHz 160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 192 10 196 00THz和192 15