波分培训+DWDM原理

1、光通信D&T团队DWDM原理原理DWDM系统概述系统概述光纤光纤的基本特性的基本特性DWDM系统关键技术系统关键技术DWDM系统技术规范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光纤传输网的复用技术经历了三个阶段：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产生背景产生背景从技术和经济的角度，从技术和经济的角度，DWDM技术是目前最经济可行的技术是目前最经济可行的扩容技术手段扩容技术手段利用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

2、展，特别是EDFA大规模的商用化PDHSDHDWDM155M622M2.5G10GG.957G.691G.692光通信的三个发展阶段光通信的三个发展阶段IPATMSDHDWDM光纤物理层光纤物理层Open Optical InterfaceSDHATMIP其它其它DWDM在传输网中的定位在传输网中的定位WDM定义定义lNl2l1lNl2l1lNl2l1光复用器光解复用器光纤放大器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分类分类粗波分复用（粗波分复用（CWDM）密集波分复用（密集波分复用（DWDM） 光功率(dBm)1530 - 1565nm 波长波长间隔：0.40.8nm

3、DWDM的基本概念的基本概念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。 输入输入 信道1 信道N 信道1 信道N光合波 器光分波 器输出输出网络管理系统光发射机光中继放大光接收机DWDM系统基本结构系统基本结构DWDM网元基本类型网元基本类型客户侧线路侧1n1n线路侧线路侧客户侧线路侧线路侧1 n1 nOTMOLAOADM接收端TRl l1 1电复用电复用电解复用电解复用发射端电再生光复用器光复用器光解复用器光解复用器lNl2l1l

4、Nl2l1lNl2l1光纤放大器光纤放大器TDM:TDM:单纤单波长电再生单纤单波长电再生DWDM:DWDM:单纤多波长全光放大单纤多波长全光放大DWDM与与SDH在对承载信号的在对承载信号的复用方式复用方式 的区别的区别DWDM的特点的特点大容量透明传输节约光纤资源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特点特点SDH技术超长距离无电中继传输，降低成本超长距离无电中继传输，降

5、低成本.DWDMDWDM技术技术电再生设备光放大设备DWDM特点特点810G3210G1610G4010G平滑扩容可配置可配置 OADMOADM点对点点对点DWDMDWDM传输传输可重构可重构OXCOXCOXCl1l2lNl1l2lNlililklkDWDM技术发展趋势技术发展趋势DWDM系统概述系统概述光纤光纤的基本特性的基本特性DWDM系统关键技术系统关键技术DWDM系统的技术规范系统的技术规范主要内容光纤的结构光纤的结构n1n1n2n2纤芯纤芯包层包层涂覆涂覆n1n2光纤传输特性光纤传输特性 损耗损耗 色散色散 非线性非线性损耗吸收损耗损耗吸收损耗吸收损吸收损耗耗光波通过光纤材料时，一部

6、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。本征吸本征吸收收杂质吸杂质吸收收散射损耗散射损耗损耗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。散散 射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。损耗附加损耗损耗附加损耗 光

7、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附加损耗光纤类型和损耗谱光纤类型和损耗谱00.51.01.52.02.53.08001000120014001600波长（nm）损耗（dB/km）140THz50THzOH -吸收峰OH -吸收峰OH -吸收峰OESCLIIIIII IVV色色 散散时间光功率入射光脉冲波形单模光纤时间光功率出射光脉冲波形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

8、。脉冲展宽脉冲展宽T色散色度色散色散色度色散脉冲展宽脉冲展宽 (ps) = D(ps/ nm*km) S(nm) L(km)1 0 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 0 1 0 1 1 0 1InputOutputTimeTime脉冲展宽脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码比特周期时会引起误码 脉冲展宽脉冲展宽光纤色散效应对传输的影响光纤色散效应对传输的影响色散偏振模色散色散偏振模色散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“模模”两个偏振模的到达时间差偏振模色散偏振模色散PMDPMD环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应

9、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。光纤光纤PMDPMD 色散的影响色散的影响色散补偿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(LONG HAUL)、超长距（ULTRA LONG HAUL）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。光纤非线性效应光纤非线性效应 SPM自相位调自相位调

10、制（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。传输前的脉冲宽度强度传输前的光谱传输后的脉冲宽度传输后的光谱强度在多波长系统中，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。光纤非线性效应光纤非线性效应 XPM交叉相位调交叉相位调制（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。 光纤非线性效应光纤非线性效应FWM四波混频四波混频（FWM）产生新的波长，使原有信

11、号的光能量受到损失，影产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；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。产生严重的串扰。 FWM 对对DWDM 系统的影响系统的影响受激拉曼散射受激拉曼散射 （SRSSRS）光纤非线性效应光纤非线性效应 SRS输入输出 lPlP受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS）光纤非线性效应光纤非线性效应 SBS散射功率输出功率输入功率25155-5-15-25-35-50510152025-15-10-5051015单模光纤分类单模光纤分类G.652光纤：

12、光纤： 常规单模光纤，又称色散未位移单模光纤（常规单模光纤，又称色散未位移单模光纤（1310性能最佳，性能最佳， 0色散，低损耗）色散，低损耗）G.653光纤：光纤： 色散移位光纤；色散移位光纤；(1550nm性能最佳，性能最佳，0色散，容易引起非线色散，容易引起非线性。）性。）G.654光纤：光纤：G.655光纤：光纤： 非零色散移位单模光纤。该种光纤主要应用于非零色散移位单模光纤。该种光纤主要应用于1550nm工作工作波长区，色散系数较小，色散受限距离达数百公里，并且可波长区，色散系数较小，色散受限距离达数百公里，并且可以以 有效减小四波混频有效减小四波混频 的影响。的影响。 截止波长移位

13、的单模光纤截止波长移位的单模光纤 ；（；（1550低衰减，低衰减，1310零色散）零色散）主要用于海底光缆主要用于海底光缆DWDM系统概述系统概述光纤的基本特性光纤的基本特性DWDM系统关键技术系统关键技术DWDM系统的技术规范系统的技术规范主要内容WDM系统关键技术系统关键技术WDM系统组成示意图系统组成示意图光监控信道接收/发送器lnl2l1l3G.692.光转发光转发光转发光转发合波器OBAOLAOPA光监控信道接收器光监控信道发送器分波器lnl 3l2l1.光转发光转发光转发光转发光发射机光接收机光中继放大器TX1TX2TX3TXnRX1RX2RX3RXn2.5G速率以下的速率以下的S

14、DH信号接口标准信号接口标准光转发技术光转发技术-光接口的规范光接口的规范带有光放的多信道系统的光接口带有光放的多信道系统的光接口10G速率的速率的SDH信号或者使用光放信号或者使用光放的的SDH信号光接口标准信号光接口标准G.957G.691G.692SDH光发射机WDM输出光接收模块(O/E)监测及通讯电路监控板发射模块(E/O)采用光采用光电电光变换的方法实现波长转换，首先利用光电探测器光变换的方法实现波长转换，首先利用光电探测器将从将从SDHSDH光端机过来的光信号转换成电信号，经过限幅放大、时钟光端机过来的光信号转换成电信号，经过限幅放大、时钟提取提取/ /数据再生后，再将电信号调制

15、到激光器或外调制器上。数据再生后，再将电信号调制到激光器或外调制器上。 OTU原理原理光转发技术光转发技术OTUWDM系统的电再生间距可达640Km，而SDH系统的电再生间距仅5060Km，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频率要求色散容限要色散容限要求求光转发技术光源技术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（目前广泛使用的半导体光源包括激光器（LDLD）和发光二极管）和发光二极管（LEDLED）。）。 LDLD是相干光源，入纤功率大、谱线宽窄、调制

16、速率高，适用于长距高速系统； LEDLED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。光转发技术激光器光转发技术激光器缺点缺点直接调制直接调制电流光信号光转发技术直接调制光转发技术直接调制引入啁啾效应和色散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。T直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲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。散的作用下，引起脉冲的快速

17、展宽和信号劣化。 光转发技术啁啾效应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光源啁啾对系统传输距离的影响由色散容限参数值（值（Ds)Ds)表示。表示。如如: :光源色散容限值光源色散容限值Ds=12800ps/nm,SMFDs=12800ps/nm,SMF（G.652G.652）光纤的色散参量）光纤的色散参量值取值取D=20ps/km/nmD=20ps/km/nm，则该光源的色散受限距离为，则该光源的色散受限距离为640 km640 km。光转发技术色散容限光转发技术色散容限调制器件调制器件输出输出电信号电信号外调外调制制光转发技术间接调制光转发技术间接调制在外调制情况下，

18、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光转发技术外调制电吸收（电吸收（EA）外调制器光源）外调制器光源马赫马赫-策恩德策恩德 (Mach-Zehnder) 外调制器光源外调制器光源外调制外调制光转发技术波长稳定技术光转发技术波长稳定技术 温度反馈控制技术温度反馈控制技术 波长反馈控制技术波长反馈控制技术 波长集中监控技术波长集中监控技术波长稳定技术波长稳定技术波分复用器

19、件包括合波器和分波器，又叫光复用器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和光解复用器复用器复用器fiber解复用器解复用器OM/OD技术波分复用器件技术波分复用器件OM/OD技术技术OM/OD器件器件合波器合波器（OM）分波器分波器（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。 光栅型光栅型光波分复用器光波分复用器 介质薄膜滤波器型（介质薄膜滤波器型（DTF) 耦合器型（熔锥型）耦合器型（熔锥型） 阵列波导光栅型阵列波导光栅型

20、(AWG)OM/OD技术技术OM/OD器件类型器件类型原理示意图原理示意图OM/OD技术技术-光栅型滤波器光栅型滤波器缺点缺点 温度稳定性不好 OM/OD技术技术-光栅型光栅型复用器复用器 光栅型复用器光栅型复用器/解复用器的原理及特点解复用器的原理及特点原理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原理示意图OM/OD技术技术-介质

21、薄膜滤波器复用器介质薄膜滤波器复用器 缺点缺点 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技术技术-介质薄膜滤波器复用器介质薄膜滤波器复用器 介质薄膜滤波器型复用器介质薄膜滤波器型复用器/解复用器的原理及特点解复用器的原理及特点原理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l l1l l2l l3l l4。llll l l3 3ll4 4 原理示意图原理示意图OM/OD技术技术-耦合器型复用器耦合器型复用器缺点

22、缺点尺寸较大，信道隔离度差，复用的波长数少OM/OD技术技术-耦合器型复用器耦合器型复用器 耦合器型复用器原理及特点耦合器型复用器原理及特点原理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原理示意图OM/OD技术技术-阵列波导波分复用器阵列波导波分复用器缺点缺点需要温度补偿OM/OD技术技术-阵列波导波分复用器阵列波导波分复用器 阵列光波导型（阵列光波导型（AWG）复用器的原理及特点）复用器的原理及特点原理原理是以光集成技术为基础的平面波导型器件。 优点优点

23、并联工作，可以复用的通道数多尺寸小易于批量生产OM/OD技术技术-DWDM系统系统与光波分复用器件的对应关系与光波分复用器件的对应关系光波分复用器光波分复用器类型类型合波器合波器分波器分波器32波以下40波80波以上32波以下40波80波以上耦合型-阵列波导型-介质薄膜型-光栅型-信道隔离信道隔离度度插入损耗插入损耗复用通路复用通路数数OM/OD技术波分复用器主要参数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中心波长带带 宽宽反射系数反射

24、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技术波分复用器主要参数波长波长相对功率相对功率要求：信道间功率均衡要求：信道间功率均衡 良好的光谱特性（顶平而沿陡）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输的最大障碍光功率受限，这是光通信光功率受限，这是光通信史上

25、的重要里程碑。史上的重要里程碑。 光放大器是一种不需要经过光光放大器是一种不需要经过光/ /电电/ /光变换而光变换而直接对光信号进行放大的有源器件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光放大技术放大器分类光放大技术放大器分类光放大技术掺铒光纤放大器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主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成 耦合器光隔离器光隔离器掺铒光纤泵浦激光器输入信号输出信号 是为了保证泵浦光与EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔离器的特点是只允许正方向的光进入。 信号光和与泵浦光同时沿掺铒光纤传 输，泵浦光的能量被光纤中的

26、铒离子吸收而跃迁到更 高的能级，并可以通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿掺铒光纤长度不断放大，泵浦光 沿掺铒光纤长度不断衰减把铒离子从E1能级“泵”到E3能级，使其形成粒子数反转分布状态，为受激幅射创造条件。 把泵浦光与信号光合并在一起输入到掺铒光纤中光放大技术光放大技术 EDFA的工作原理的工作原理980nm泵浦1480nm泵浦快速非辐射跃迁N1N30N21530 - 1560nm受激辐射跃迁和自发辐射跃迁1550nm信号受激吸收光放大技术重要性能指标光放大技术重要性能指标 增益增益G 噪声系数噪声系数NF 带宽带宽 增益平坦度增益平坦度Gp-p 总输入总输入/输出功率范围输出

27、功率范围 输入输入/输出光反射系数输出光反射系数DWDM系统中使用的系统中使用的EDFA必须具有必须具有: : 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重要性能指标合波器12n 光功率放大分波器12n 光线路放大光前置放大光线路放大用于对合波后的信号进行功率提升；对于噪声系数、增益要求不高，要求有较大的输出功率用在中继设备上，用于补偿线路的传输损耗；要求有较小的噪声系数和较大输出光功率用于提高接收机的灵敏度；要求噪声系数较小，对于输出功率没有太大的要求光放大技术光放大技术 EDFA的应用分类的应用分类

28、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。光放大技术光放大技术 EDFA的泵浦源分类的泵浦源分类根据泵浦源的不同而分类根据泵浦源的不同而分类 有两种泵浦源有两种泵浦源 ：980nm 和和1480nm980nm采用980nm的泵浦源的EDFA特点：低噪声1480nm增益EDFA增益谱波长均衡器增益波长铝或其它离子光纤得到的增益谱增益波长+光放大技术光放大技术 EDFA的增益平坦度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放大器增益平坦的级联放大放大器增益不平坦的级联放大EDFA增益平坦示意图增益平坦示

29、意图 非线性问题非线性问题 带宽带宽 EDFA的光浪涌问题的光浪涌问题光放大技术光放大技术 EDFA的应注意的问题的应注意的问题 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光放大技术 EDFA的光浪涌问题的光浪涌问题西复用器东复用器LALALALALALALALAT1R2T2R1OTSOMSAR0T0T3R3光监控技术光监控通道（光监控技术光监控

30、通道（OSC）复用器复用器解复用器解复用器OBAOPAOPAOBA解复用器解复用器复用器复用器OLAOLAOLAOLAOLAOLA OSC OSC OSC OSC 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光监控技术光监测信道应考虑的问题光监控技术光监测信道的实现光监控技术光监测信道的实现DWDM系统概述系统概述光纤的基本特性光纤的基本特性DWDM系统关键技术系统关键技术DWDM系统的技术规范系统

31、的技术规范主要内容DWDM技术规范技术规范OTU: Optical Transponder UnitOMU: Optical Multiplexing UnitOMUOTUIPIP集成式系统和开放式系统集成式系统和开放式系统波段划分波段划分00.51.01.52.02.53.08001000120014001600波长（nm）损耗（dB/km）140THz50THzOH-吸收峰OH-吸收峰OH-吸收峰OESCL波段名称波段名称说明说明波长范围波长范围O波段原始(Original)1260-1360E波段扩展(Extended)1360-1460S波段短波(Short)1460-1530C波段常

32、规(Conventional)1530-1565L波段长波(Long)1565-1625U波段超常(Ultralong)1625-1675 C波段波长范围为波段波长范围为1530nm1565nm L波段波长范围为波段波长范围为1565nm1625nm1530 nm1540 nm1550 nm1560 nm1570 nm1580 nm1590 nm1600 nmBLUE BANDBLUE BAND蓝带蓝带RED BANDRED BAND红带红带INFRA-RED BANDINFRA-RED BAND红外带红外带196.0196.0199.0199.0195.0195.0194.0194.0193

33、.0193.0192.0192.0191.0191.01505150515101510153015301535153515401540154515451550155015551555156015601565156515701570OSCOSC信道信道15101510 10nm10nmC-BandC-Bandl l(nm)(nm)L-Band L-Band 系统工作波长系统工作波长标称中心频率标称中心频率序号中心频率（THz）波长（nm）1192.11560.612192.21559.793192.31558.984192.41558.175192.51557.366192.61556.557192.71555.758192.81554.949192.91554.1310193.01553.3311193.11552.5212193.21551.7213193.31550.9214193.41550.1215193.5154