WDM技术和要求

1、第1章WDM概述1.1 WDM技术的产生背景光网络复用技术的发展随着信息时代宽带高速业务的不断发展，不但要求光传输系统向更大容量、更长 距离发展，而且，要求其交互便捷。因此，在光传输系统中引入了复用技术。所 谓复用技术是指利用光纤宽频带、大容量的特点，用一根光纤或光缆同时传输多 路信号。在多路信号传输系统中，信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要 作用。光纤传输网的复用技术经历了空分复用（SDM ）、时分复用（TDM ）到波分复用（WDM ）三个阶段的发展。SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数 ， 投资效益较差；TDM技术的应用很广泛，缺点是线路利用率较低

2、；WDM技术在 1根光纤上承载多个波长（信道），使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从 70年代末的PDH系统，90年代中期的 SDH系统（经历了准同步数字体系（PDH ）、同步数字体系（SDH），和波分复用（WDM ）三个阶段），以及近来风起云涌的 DWDM 系统，乃至将来的智能光网 络技术，光纤通信系统自身正在快速地更新换代。波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，80年代末、90年代初，AT&T贝尔实验室的厉鼎毅（）博士大力倡导波分复用 （DWDM ）技术，两波长 WDM（1310/1550nm ）系统80年代就在美国 AT&T网中使用

3、，速率为 2X 1.7Gb/s。 但是到90年代中期，WDM系统发展速度并不快.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。WDMWDM 又叫波分复用技术，是新一代的超高速的光缆技术，所谓波分复用技术， 就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将 不同规定波长的光载波进行合并，然后传入单模光纤。在接收部分将再由分波器 将不同波长的光载分开的复用方式，由于不同波长的载波是相互独立的，所以双向传输问题，迎刃而解。根据不同的波分复用器（分波器，合波器X可以复用不同数量的波长。通信系统

4、的设计不同， 每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM （稀疏波分复用）和DWDM （密集波分复用）。CWDM 的信道间隔为 20nm，而DWDM 的信道间隔从 0.4nm至U 1.2nm ,所以相对于 DWDM , CWDM称为稀疏波分复用技术。DWDM是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有信息（模拟或数字）的光载波, 只需通过增加波长（信道）实现系统扩容的光纤通信技术。它将几种不同波长的 光信号组合（复用）起来传输，传输后将光纤中组合的光信号再分离开（解复用），送入不同的通信终端， 即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道，我们也可以称之为虚拟光纤。1.

5、2光波分复用和解复用器件的技术概述光波分复用器与解复用器属于光波分复用器件，又称为合波器与分波器，实际上 是一种光学滤波器件。在发送端，合波器（0M）的作用是把具有标称波长的各复用通路光信号合成为 一束光波，然后输入到光纤中进行传输，即对光波起复用作用。在接收端，分波器（0D ）的作用是把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的各 复用光通路信号，然后分别输入到相应的各光通路接收机中，即对光波起解复用 作用。由于光合、分波器性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响，因此，要求合、分波器的衰耗、偏差、信道间的串扰必须小。光波分复用器件介绍以下将简要介绍4种常见的波分复用器，以及不同波长数量的DWDM

6、系统常用的复用器类型。1 . 常用光波分复用器简介（1）光栅型波分复用器光栅型波分复用器属于角色散型器件。利用不同波长的光信号在光栅上反射角度不同的特性，分离、合并不同波 长的光信号，工作原理如图 0-1所示。1,2,3.nn图0-1光栅型波分复用器原理图光栅型波分复用器具有优良的波长选择性，波长间隔可缩小到0.5 nm左右。但是，由于光栅在制造上要求非常精密，不适合大批量生产，常用于实验 室的科学研究。(2) 介质薄膜型波分复用器介质薄膜型波分复用器由薄膜滤波器(TFF)构成。TFF由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成。一层 为高折射率，一层为低折射率，从而对一定的波长范围

7、呈通带，而对另外 的波长范围呈阻带，形成所要求的滤波特性。工作原理如图0-2所示。图0-2介质薄膜型波分复用器原理图介质薄膜型波分复用器是一种结构稳定的小型化无源光器件，信号通带平 坦，插入损耗低，通路间隔度好。(3) 阵列波导波分复用器( AWG ) Arrayed Waveguide Grating阵列波导波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件，工作原理 如图0-3所示。图0-3阵列波导型复用器原理图AWG结构紧凑，插损小，是光传送网络中实现合分波的优选方案。(4) 耦合型波分复用器耦合型波分复用器是将两根或者多根光纤靠贴在一起适度熔融而成的一种 表面交互式器件，一般用于合波器，工

8、作原理如图0-4所示。入1入2入3入4入5入6入7入8图0-4耦合器型合波器原理图耦合器型波分复用器只能实现合波功能，制造成本低，但是引入损耗较大。2 . DWDM系统的复用/解复用器件不同波长系统使用的光波分复用器件对应关系如表0-1所示。表0-1 DWDM系统与光波分复用器件的对应关系光波分复用器类型合波器分波器32波以下40波80波以上32波以下40波80波以上耦合型V-阵列波导型VVVVVV介质薄膜型VV-VV-光栅型-V-V主要性能指标1 复用通路数代表波分复用器件进行复用与解复用的光通路数量，与器件的分辨率、隔 离度等参数密切相关。2 插入损耗波分复用器件本身对光信号的衰减作用，直

9、接影响系统的传输距离。不同类型的波分复用器件插损值不同，插损越小越好。3 隔离度表征光元器件中各复用光通路彼此之间的隔离程度。通路的隔离度越高，波分复用器件的选频特性就越好 ，串扰抑制比也越大，各复用光通路之间 的相互干扰影响也越小。该参数仅对波长敏感型器件（薄膜滤波器型和AWG型器件）有意义。对耦合型器件，参数无意义。4 反射系数在波分复用器件的输入端，反射光功率与入射光功率之比为反射系数。反射系数值越小越好。5 偏振相关损耗（PDL）偏振相关损耗是指由光波的偏振态变化引起的插入损耗最大变化值。光是频率极高的电磁波， 所以存在波的振动方向问题 （偏振）。输入到波分 复用器件中的各复用通路光信

10、号，其偏振态不可能完全一致，而同一波分 复用器件对不同偏振态的光波， 其衰减作用也略有不同。PDL值越小越好。温度系数是指，由于环境温度变化引起的复用通路中心工作频率的偏移。 波分复用器件的温度系数越小越好。系数越小，说明各复用通路的中心工作频率越稳定。7.带宽波长敏感型器件（薄膜滤波器型和AWG型器件）参数之一，对于耦合型波分复用器无意义。带宽包括-0.5dB通道宽度和-20dB通道宽度两种。-0.5dB通道宽度当分波器插入 损耗下降0.5dB时，相应工作波长的变化值 。描述分波器的带通特性。良好的带通特性曲线应平坦、宽阔，带宽值越大 越好。-20dB通道宽度当分波器插入损耗下降 20dB时

11、，相应工作波长的变化值。描述分波器的阻带特性。阻带特性曲线应陡峭，带宽值越小越好。1.3 DWDM工作波长范围石英光纤有三个常用的低损耗窗口：850nm窗口、1310nm窗口和1550nm窗口，如图1.3-1所示。O： Origi nal Ba nd，原始波段 E： Extend Band,扩展波段 S： Short Ban d,短波段C: Conven tio nal Ba nd，常规波段 L: Lo ng Ba nd，长波段图1.3-1光纤通信中的低损窗口1 .850nm 窗口波长范围600nm900nm。主要用于多模光纤，传输损耗较大（平均损耗2dB/km ）。一般适用于短距的接入网环境

12、，如光纤通道（ FC）业务。2. 1310nm 窗口该波长区的可用波长下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数，上限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响。工作范围为1260nm1360nm , 平均损耗 0.3dB/km0.4dB/km。由于目前尚无工作于 1310nm窗口的宽带光放大器，所以不适用于 DWDM 系统。（CWDM器件不能用在长距离传输的设备）3. 1550nm 窗口该波长区的下限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响，而上限主要受限于红外吸收损耗和弯曲损耗的影响。工作波长位于1460nm1625nm ,平均损耗 0.19dB/km0.25dB/km。1550nm窗口的

13、损耗最低，可用于SDH信号的短距和长距通信。同时，由于目前常用的光放大器EDFA在该窗口具有良好的增益平坦度，因此，1550nm窗口也适用于 DWDM 系统。1550nm窗口的工作波长分为 3部分（S波段、C波段和L波段），波长范 围如图1.3-2所示。1460nm1530nm15G5nm162! nmShort band 1460-1530nmConventionalLongbandBand1530-1565nm 1565- 1625nm图1.3-21550nm窗口工作波长划分（1）S波段（1460nm1530nm）:由于EDFA工作波长范围位于C波段或L波段，因此，目前 DWDM系统中不使

14、用 S波段。(2) C波段(1530nm 1565nm):常用于40波以下 DWDM 系统(频道间隔 100GHz )、80波DWDM 系统(频道间隔 50GHz )以及SDH系统(同步数 字体系)的工作波长区。(3) L波段(1565nm1625nm )： 80波以上DWDM 系统的工作波长区。此时， 频道间隔为50GHz。1.4 DWDM系统的工作波长工作波长区说明以下按DWDM系统的复用通道的数量，分别介绍不同系统的工作波长范围、频 率范围、通路间隔、中心频率偏差。1 .8/16/32/40/48 波系统工作波长范围： C波段(1530nm1565nm )频率范围：191.3THz196

15、.0THz通路间隔：100 GHz中心频率偏差：i20GHz (速率低于 2.5Gbit/s); ±2.5GHz (速率10Gbit/s)2. 80/96波系统工作波长范围： C波段(1530nm1565nm )频率范围：C 波段(191.30THz196.05THz )通路间隔：50GHz中心频率偏差：±5GHz3. 160/176波系统工作波长范围： C 波段(1530nm1565nm ) +L 波段(1565nm1625nm )频率范围：C 波段(191.30 THz196.05 THz ),共 96 波；L 波段(186.95 THz190.90 THz ),共 8

16、0 波。通路间隔：50GHz 中心频率偏差：±5GHz波长分配密集波分设备的工作波长严格遵循ITU-T建议的G.692标准，采用多信道系统使用的特定中心波长和中心频率值。1 .当密集波分设备为 C波段40波及以下波长系统时，通路间隔100 GHz ,波长分配如表0-1所示。表0-1基于C波段的40 CH波长分配波长子波段标称中心频率标称中心波长波长子波段标称中心频率标称中心波长序号名称(THz)(nm)序号名称(THz)(nm)1C100 1192.11560.6121C100 1194.11544.532C100 1192.21559.7922C100 1194.21543.733

17、C100 1192.31558.9823C100 1194.31542.944C100 1192.41558.1724C100 1194.41542.145C100 1192.51557.3625C100 1194.51541.356C100 1192.61556.5526C100 1194.61540.567C100 1192.71555.7527C100 1194.71539.778C100 1192.81554.9428C100 1194.81538.989C100 1192.91554.1329C100 1194.91538.1910C100 1193.01553.3330C100 1

18、195.01537.4011C100 1193.11552.5231C100 1195.11536.6112C100 1193.21551.7232C100 1195.21535.8213C100 1193.31550.9233C100 1195.31535.0414C100 1193.41550.1234C100 1195.41534.2515C100 1193.51549.3235C100 1195.51533.4716C100 1193.61548.5136C100 1195.61532.6817C100 1193.71547.7237C100 1195.71531.9018C100 1

19、193.81546.9238C100 1195.81531.1219C100 1193.91546.1239C100 1195.91530.3320C100 1194.01545.3240C100 1196.01529.55注：子波段名称C100_1表示C波段波长间隔为100 GHz的第1个子波段1.5主要性能指标(1) 通路间隔通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差，包括均匀通路间隔和 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132波/40/48波时，通路间隔为 100GHz

20、。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。(2) 标称中心频率标称中心频率是指 DWDM 系统中每个复用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1波的中心频率为192.仃Hz， 通路间隔为100GHz，频率向上递增。(3) 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频率与标称中心 频率之间的偏差。国标规定，100GHz频率间隔的系统，速率为 2.5Gbit/s以下时，最大中心 频率偏移为i20GHz (约±).16nm)；速率为10Gbit/s时，最大中心频率

21、偏 移为±12.5GHz。 50GHz频率间隔的系统，最大中心频率偏移为±)GHz。(4) 光功率单位W:功率单位是瓦特。光传输中的光能量比较小，一般用 mW进行计量。dBm : dBm 单位是一个绝对值，是和1mW 的功率值 的绝对值： PdBm=10*log10(P/P0) =10*log10(pmW/1mW)dB : dB单位是一个相对值，是 P1相对于参考点P2的功率值：P1-P2 dB=10*log10(P1/P2) =10*log10(P1/P0)- 10*log10(P2/P0)(5) 衰耗衰耗就是能量的损失。对于无源器件，带来的都是衰耗。衰耗是一个相对量，一

22、般选择无源器件的输出作为参考点，输入功率和输出功率的比值作 为该器件的衰耗。光纤衰耗与光纤的长度呈正比，即光纤衰耗是具有累积 性质的。(6、)增益增益就是能量的提升。对于放大器，能够带来增益。增益是一个相对量，一般选择放大器的输入作为参考点，输出功率和输入 功率的比值作为该器件的增益。1.6 WDM系统的相关定义WDM 波分复用（WDM， Wavelength Division Multiplexing ）是指，在 1 根光纤上承 载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。由于 WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络 最广泛使用的

23、光波复用技术。WDM通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM ）和密集波分复用（DWDM）。（1）1310 nm和1550 nm波长的波分复用这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长：1310nm窗口一个波长, 155Onm窗口一个波长，利用 WDM技术实现单纤双窗口传输，这是最初 的波分复用的使用情况。（2）密集波分复用（DWDM）简单的说，DWDM技术是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550nm窗口。可以在一个光纤上承载8160个波长。主要应用于长距离传输系统。九1rMA代纤放大器光复用器光解复用器图1.6-1 DWDM系统示

24、意图（3）粗波分复用（CWDM）CWDM技术是指相邻波长间隔较大的WDM技术，相邻信道的间距一般大于等于20nm,波长数目一般为 4波或8波，最多18波。CWDM 使用 1200nm 1700nm 窗口。CWDM采用非制冷激光器、无光放大器件，成本较 DWDM低；缺点是容 量小、传输距离短。因此， CWDM技术适用于短距离、高带宽、接入点密 集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。1.7 DWDM基本概念DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing )密集波分复用技术是在波长1550nm窗口附近，在EDFA能提供增益的波长范围内，选用密集的

25、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。这些光载波的波长间隔为0.42nm,如图1.7-1所示。光功率佩Bm)A_號长间隔；Q42runi1111LiJ1530 - 1560nm波长応图1.7-1 DWDM载波波长间隔DWDM设备通常由五部分组成，如图1.7-2所示。开坂飾机朮損收机图1.7-2 DWDM系统组成1.8 DWDM的特点和优势1. 充分利用光纤的带宽资源，传输容量巨大DWDM系统中的各波长相互独立，可透明传输不同的业务，如SDH、GbE、 ATM等信号，实现多种信号的混合传输。如图1.8-1所示，

26、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，在 一根光纤中传输，大大提高了光纤容量，极大的节约了光纤资源，降低线路建设成本。图1.8-1 DWDM 传输容量巨大2. 超长的传输距离利用掺铒光纤放大器（EDFA ）等多种超长距传输技术，可以对DWDM系统中的各通路信号同时放大，实现系统的长距传输。3. 平滑升级扩容由于DWDM系统中的每个波长通道透明传输数据，不对通道数据进行任 何处理，因此，扩容时， 只需增加复用光波长通路数即可，方便易行。1.9 DWDM的发展趋势1. 更高的通道速率DWDM系统的通道速率由 2.5Gbit/s发展到目前的10Gbit/s，基于4

27、0Gbit/s 速率的系统已进入商用阶段。2. 更多波长复用数量DWDM系统多用于8/16/32个波长，通道间隔为100GHz，工作波长位于 C 波段。随着技术的不断发展 ，DWDM系统的工作波长可覆盖 C、L波段， 间隔50GHz。最高可提供160波的复用。3. 超长的全光传输距离通过提高全光传输的距离，减少电再生点的数量，可降低建网的初始成本和运营成本。传统的DWDM系统采用EDFA延长无电中继的传输距离，目前，通过分 布式拉曼放大器、超强前向纠错技术（ FEC）、色散管理技术、光均衡技术 以及高效的调制格式等，可从目前的600km左右扩展到2000km以上。2.0掺铒光纤放大器（EDFA

28、）技术EDFA技术原理1. 放大原理铒（Er）是一种稀土元素。在制造光纤的过程中，掺入一定量的Er3+离子，形成掺铒光纤。这种光纤中的Er3+离子会吸收光子的能量，使自身的能级发生变化，即激励。用来做为激励的光源被称为泵浦光源，它所发出的激 励光波被称为泵浦光。图0-1为掺铒光纤放大器的原理图。1550nm信号光1480nm980nm泵浦光1550nm受激辐射图0-1掺铒光纤放大器放大原理图EDFA主要由铒掺杂光纤（EDF ）、泵浦光源、WDM耦合器、隔离器等部件组成，结构如图0-2所示。入1入2 入n隔离器WD耦合器铒掺杂光纤隔离器泵浦激光器图0-2掺铒光纤放大器的组成入1入2Pout入nW

29、DM耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起；隔离器的作用是抑制 光反射，以确保光放大器工作稳定；泵浦激光器产生泵浦光源。2.1CWDM禾口 DWDM的关系1. CWDM和DWDM的波长范围CWDM系统的工作波长范围由使用光纤决定。如果采用常规光纤，即G.652 A&B 光纤，波长范围是 1470nm1610nm ;有水峰的光纤只能传输 8波+ 1310nm窗口的波 长。2. 如果采用无水峰光纤，即 G.652 C&D光纤，波长范围是 1270nm1610nm。18 个波长占用了整个无水峰光纤的低插损窗口。(1260-1460/1460-1620),小波长用 1310,大波长用 1550DWDM 系统主要工作在1550nm 窗口，波长范围是1460nm1625nm。2. CWDM 和DWDM 的通道间隔CWDM的通道间隔是20nm。DWDM的通道间隔是 0.42nm。3. CWDM和DWDM的单波速率目前CWDM的单波最高速率是 2.5G。目前DWDM 的单波最高速率是 40G。4. CWDM和DWDM的波长数CWDM能提供818个波长，每个波长可以达到2.5G的带宽。所