第八章光波分复用系统概述

1、本章要点 本章主要介绍以波分复用（WDM）为代表的多信道光纤通信系统及其关键技术，以及光时分复用（OTDM）技术原理。 2DWDM的特点1、充分利用光纤的巨大带宽，带宽可达25THz和更长的传输距离。2、简化系统结构和设计，减少投资和维护费用。3、可节约大量光纤，扩容方便。4、可完成各种电信业务的综合和分离。5、可透明传输数据业务。6、可实现网络交换和恢复，具有高度生存性。及更灵活的组网方式 SDM(Space Division Multiplexer)时分复用时分复用 TDM(Time Division Multiplexer)波分复用波分复用 WDM(Wavelength Division

2、 Multiplexer)8.1 波分复用原理8.1.1 WDM系统基本概念 光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项技术。它是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），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（解复用）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。因此，此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用（WDM）技术。复用技术是为了提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。6图8-1 单模光纤的带宽资源可用谱宽可用谱宽

3、(dB/km)(nm)130014001500160012601360148015807单模光纤的带宽资源 由图8-1可见，1310nm波长段和1550nm波长段一共约有200nm低损耗区可用，这相当于30THz的频带宽度。但在目前的实际光纤通信系统中由于光纤色散和调制速率的限制，单信道TDM系统的通信速率一般被限制在1040Gbit/s或以下，所以单模光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发。 8CWDM 与 DWDM 根据WDM系统中不同信道之间的波长或频率间隔，可以分为信道间隔较大、复用信道数较小的稀疏波分复用（CWDM）系统和密集波分复用（DWDM）。CWDM系统的信道间隔一般为20nm，而

4、DWDM系统信道间隔可以为1.6nm、0.8nm或更低。98.1.2 WDM系统的应用形式 双纤单向传输 单纤双向传输 光分路插入传输10优点：各信道通过不同光波长携带，彼此不会混淆。同一波长可以在两个方向重复利用缺点：光纤及光器件资源利用率不高11图8-2 双纤单向传输WDM系统图8-3 单纤双向传输WDM系统 12优点：双向光纤可以减少使用光纤和线路放大器的数量，节约成本。缺点：要求较高，需要解决多通道干扰，要进行光放大，以延长传输距离图图8-4 光分路插入传输光分路插入传输WDM系统系统13423132,43,光发射机光分插复用器OADM光分插复用器OADM光接收机光接收机光发射机光纤光

5、纤光纤21,8.2 WDM系统结构及分类8.2.1 WDM系统的基本结构 WDM系统主要由光发送机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统等部分组成。14图图8-5 WDM系统总体结构示意图（单向）系统总体结构示意图（单向）15光 合 波 器光转发器11光转发器2nBA光监控信道发送器光发送机1n光纤光接收机s光 分 波 器光接收1lnPA光接收21n光纤光监控信道接收器sLA 光监控信道接收/ 发送器ss光中继放大网络管理系统8.2.2 WDM系统分类方法 根据WDM线路系统中是否设置有EDFA，可以将WDM线路系统分为有线路光放大器WDM系统和无线路光放大器WDM系统。16图8-6

6、 有线路光放大器WDM系统的参考配置 Tx1TxnTx2Rx1RxnRx2OA/ODOM/OAOAS1RMPI-SRM1fnSnf2S2f1RMnRM2RnR2R1SMPI-RSD1SDnSD217*图中给出的各参考点释义见表8-1有线路光放大器WDM系统的分类与应用代码 应用代码一般采用以下方式构成：nWx-yz，其中 n是最大波长数目 W代表传输区段（WL，V或U分别代表长距离、很长距离和超长距离） x表示所允许的最大区段数（x1） y是该波长信号的最大比特率（y4或16分别代表STM-4或STM-16） z代表光纤类型（z2，3，5分别代表G.652，G.653或G.655光纤）18表表

7、8-2 8-2 有线路放大器有线路放大器WDMWDM系统的应用代码系统的应用代码应 用长距离区段（每个区段的目标距离为80km）很长距离区段（每个区段的目标距离为120km）区段数58354波长4L5-yz4L8-yz4V3-yz4V5-yz8波长8L5-yz4L8-yz8V3-yz8V5-yz16波长16L5-yz16L8-yz16V3-yz16V5-yz19图8-7无线路光放大器WDM系统的参考配置Tx1TxnTx2Rx1RxnRx2OA/ODOM/OAS1MPI-SRM1fnSnf2S2f1RMnRM2RnR2R1MPI-RSD1SDnSD220*图中给出的各参考点释义见表8-38.2.

8、3 WDM系统波长规划为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必须对各个波长通路的中心频率（中心波长）进行标准化。ITU-T已经制订了两个针对WDM系统的建议G.694.1和G.694.2，分别对应于DWDM和CWDM系统。G.694.1标准主要针对的是光纤中最常用的C波段（15301560nm）和L波段（15601625nm）。21G.694.1波长规划 规定DWDM系统中应以193.1 THz为参考中心频率（对应的参考中心波长为1552.52nm），不同信道间的间隔可以为12.5 GHz、25 GHz、50GHz、100GHz或其整数倍，总的可用范围为184.5 THz（1624.89nm

9、）至195.937 THz（1530.04nm）。若相邻波长通路间隔为12.5GHz，可容纳约915个波长；若相邻波长通路间隔为25GHz，可容纳约457个波长；若相邻波长通路间隔为50GHz，可容纳约228个波长；若相邻波长通路间隔为100GHz，可容纳约114个波长。22WDM波长规划原则 除了考虑需要满足的系统总容量（复用的波长总数）外，还要考虑以下因素：（1）避开传输光纤的零色散区域以减小和消除四波混频（FWM）效应的影响；（2）选取的波长应尽可能处于光放大器的增益平坦区域，以避免在实际应用时由于多个光放大器级联造成的不同波长通路间输出功率不同的情况。231. 中心频率规划 考虑到光纤

10、损耗系数较低和光放大器增益较为平坦的都集中在C波段（15301565nm），因此16波长的WDM系统一般选取C波段设置波长，而对于32波长或更多复用波长的DWDM系统而言，可以把总的工作波长分为两组（称为红带和蓝带），分别进行光放大和前向纠错等方法，使得系统的总体性能（如端到端的光信噪比）获得优化。24表表8-4 32通路通路DWDM系统中心频率系统中心频率序号标称中心频率（THz）标称中心波长（nm）1192.101560.612192.201559.793192.301558.9830195.001537.4031195.101536.6132195.201535.8225表8-5 CWD

11、M系统标称中心波长标称中心波长（nm）127112911331135113711391157115911611262. 中心频率偏差 中心频率偏差定义为标称中心频率与实际中心频率之差，影响其大小的主要因素包括光源啁啾、信号带宽、自相位调制（SPM）效应引起的脉冲展宽、以及温度和老化等。对于16通路WDM系统，通道间隔为100GHz（约0.8nm），最大中心频率偏移为20GHz（约为0.16nm）；对于8通路WDM系统，通道间隔为200GHz（约为1.6nm）。为了未来向16通道系统升级，也规定对应的最大中心频率偏差为20GHz。278.3 WDM系统关键技术 由于同时有多个不同波长通路在一根光

12、纤中同时传输，因此对于WDM系统而言会存在一些单信道光纤通信系统中没有的问题，包括：（1） 光源的波长准确度和稳定度（2）信道串扰（3）色散（4）非线性效应（5）光放大器引入的传输损伤281. 光源的波长准确度和稳定度问题 在WDM系统中，首先要求光源具有较高的波长准确度，否则可能会引起不同波长信号之间的干扰。再有就是必须对光源的波长进行精确的设定和控制，否则波长的漂移必然会造成系统无法稳定、可靠地工作。所以要求在WDM系统中要有配套的波长监测与稳定技术。 目前采用的主要方法有温度反馈控制法和波长反馈控制法来达到控制与稳定波长的目的。 29光信道的串扰问题 光信道的串扰是影响接收机的灵敏度的重

13、要因素。信道间的串扰大小主要取决于光纤的非线性和复用器的滤波特性。在信道间隔为1.6nm或0.8nm的情况下，目前使用的光解复用器在系统中可以保证光信道间的隔离度大于25dB，可以满足WDM系统的要求，但对更高速率的系统尚待研究。30光纤色散对传输的影响问题 u WDM系统中普遍使用了光放大器，光纤线路的损耗得以有效解决，但随着总传输距离不断延长，色散累计值也会随之增加，系统成为色散性能受限系统。对于WDM系统中单个信道速率达到10Gb/s乃至40Gb/s以上时，需要采取色散补偿措施。u 由于光纤的色散系数与波长有关，因此对于WDM系统中的不同波长需要采取差异化或自适应的色散补偿措施，即针对光

14、纤的色散斜率进行补偿。u 此外，还要考虑偏振模色散（PMD）和高阶色散等对系统性能的影响。31光纤的非线性效应问题 对于常规的单信道光纤通信系统来说，入纤光功率较小，光纤呈线性状态传输，各种非线性效应对系统的影响较小，甚至可以忽略。但在WDM系统中，随着EDFA等放大器的使用，入纤的光功率显著增大，光纤在一定条件下将呈现非线性特性，会对系统的性能，包括信道间串扰和接收机灵敏度等产生影响。32光放大器引入的传输损伤 在WDM系统中，各光信道之间的信号传输功率有可能发生起伏变化，这就要求EDFA能够根据信号的变化，实时地动态调整自身的工作状态，从而减少信号波动的影响，保证整个信道的稳定。在WDM系

15、统中，如果有一个或几个信道的输入光功率发生变化甚至输入中断时，剩下的信道增益即输出功率会产生跃变，甚至会引起线路阻塞。所以EDFA必须具有增益锁定功能来避免某些信道完全断路时对其他信道的影响。338.3.1 光源技术 对WDM系统采用的光源技术主要有： 波长可调谐激光器 波长可调谐滤波器 高精度光源 外调制技术348.3.2波分复用器/解复用器 光波分复用/解复用器（WDM/DWDM）是波分复用系统的关键器件。其功能是将多个波长不同的光信号复合后送入同一根光纤中传送（波分复用器）或将在一根光纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的接收机（解复用器）。波分复用器和解复用器也分别被称为合波器

16、和分波器，是一种与波长有关的光纤耦合器。 光波分复用器/解复用器性能的优劣对于WDM系统的传输质量有决定性的影响。 35WDM/DWDM器的结构原理 根据制造的特点，WDM器件大致有熔锥光纤型、干涉滤波器型和光栅型等几种类型。 熔锥光纤型 干涉滤波器型 光栅型 集成光波导型 36熔锥光纤型37介质薄膜干涉滤波器型介质薄膜干涉滤波器型38薄膜滤波器自聚焦透镜自聚焦透镜122143211234432112341N分路器光栅型光栅型391准直透镜光栅光纤12344321光纤44321光栅自聚焦透镜(a) 用传统透镜作准直器件(b) 用自聚焦透镜作准直器件23集成光波导型集成光波导型40WDM/DWD

17、M器件性能 插入损耗 隔离度 回波损耗 工作波长范围 通路带宽4121.5logiLNiijijPPClg10irPPRLlg108.3.3 光转发器（OTU） 根据光接口的兼容性可以分成开放式和集成式两种系统结构。集成式系统要求接入光接口满足DWDM光接口标准（即ITU-T G.692波长标准），开放式系统在波分复用器前加入了波长转换器（OTU），将SDH光接口（即ITU-TG.957）转换成符合ITU-TG.692规定的接口标准。OTU 的基本功能是完成G.957到G.692的波长转换功能，使得包括SDH在内的各类不具备WDM标准波长的光纤通信系统能够接入WDM系统，另外，OTU还可以根据

18、需要增加定时再生的功能。42图8-13 OTU应用示例43SDH系统DWDM系 统O/EE/O定时再生G957G692OTUOTU应用场合44图8-17 基于XGM原理OTU示意图SOACWttsCW连续波激光器SOA半导体光放大器s包含信息的原始波长信号t目标波长信号1 0 10 1 0458.3.4 光纤传输技术 WDM系统中的光纤传输技术与一般的光纤通信系统相比，由于存在传输速率高和信道数量多等特点，因此存在着一些特殊的要求，包括光纤选型、色散补偿技术和色散均衡技术等。461. 光纤选型 在使用1550nm波长段的光纤通信系统中，对单波长、长距离的通信采用G.653光纤（DSF光纤）具有

19、很大的优越性。但当G.653光纤用于WDM系统中时，可能在零色散波长区出现严重的非线性效应，其中四波混频FWM对系统的影响尤为明显。 FWM效应产生的大量寄生波长或感生波长与初始的某个传输波长一致，造成严重的干扰。如在已有的G.653光纤线路上开通WDM系统，一般可以采用非等间隔布置波长和增大波长间隔等方法。但总的来看，G.653光纤不适合于高速率、大容量、多波长的WDM系统。47WDM系统中不能使用G.653光纤原因：四波混频效应原理示意48f12f331f221f332f223f13f321f231f312f132f213f123f3f2f1频率信道1信道3信道2fFWM=f1f2f3由于

20、四波混频（FWM）效应，多个波长会激发出新的感生波长，对原有信道产生影响和干扰。G.653光纤在1550nm波长处色散为零，FWM效应明显，因此不适合用于WDM系统。DWDM系统光纤选型 为了有效抑制四波混频效应，可以选择G.655非零色散位移光纤（NZ DSF）。这样既避开了零色散区（避免FWM效应），同时又保持了较小的色散值，利于传输高速率的信号。而为了适应WDM系统单个信道的传输速率需求，可以使用偏振模色散性能较好的G.655B和G.655C光纤。从系统成本角度考虑，尤其是对原有采用G.652光纤的系统升级扩容而言，在G.652光纤线路上增加色散补偿元件以控制整个光纤链路的总色散值也是一

21、种可行的办法。未来WDM系统中可能会利用整个O、S、C和L波长段，因此色散平坦光纤G.656光纤可能会得到较大的应用，如果单信道速率要求较低的话，无水峰的G.652C和G.652D也可以选择。492. 色散补偿技术 随着现代通信网对传输容量要求的急剧提高，原有光纤线路中大量使用的G.652光纤已不能适应，采用波分复用和色散补偿技术在现有光纤系统上直接升级高速率传输系统是目前较为适宜的技术方法。5051色散补偿原理色散补偿原理普通光纤普通光纤光纤光栅光纤光栅光环形器光环形器低频低频高频高频高频高频低频低频Lg色散补偿光纤DCF 对光纤一阶群速度色散（GVD）完全补偿的条件为 （8-4） 式中 传

22、输光纤在波长处的色散系数； 色散补偿光纤在波长处的色散系数； 传输光纤的长度； 色散补偿光纤的长度。 520)()(ccttLDLD)(tD)(cDtLcLDCF的品质因数 DCF的品质因数FOM（Figure of Merit）定义为 （8-6）式中 FOM为品质因数，单位（ps/nmdB）；D色散系数，单位（ps/nmkm）衰减系数，单位（dB/km）。 FOM是DCF的重要参数，可以用来对不同类型的DCF进行性能比较。 53DFOM 色散补偿光纤DCF与常规单模光纤色散特性D/ps/kmnm/nm+20-20-50+5+1513101550G.652DCF54常规单模光纤在1550nm附

23、近具有高的色散，不利于高速率光纤通信系统色 散 补 偿 光 纤 在1550nm附近具有负色散，可以抵消常规单模光纤的正色散其他色散补偿技术u预啁啾技术u色散均衡器u光相位共轭色散补偿553. 偏振模色散补偿u电补偿技术u光电结合补偿方法u光域补偿564. 色散均衡技术 在原有采用G.652光纤的系统中，采用色散补偿技术只能实现整个链路或者其中部分数字段的总色散为零，但是由于色散补偿元件是分段式的使用的，这就可能造成光纤链路的色散值呈现起伏波动的情况，这也不利于WDM系统。因此需要引入色散均衡技术，在保证整个链路色散最小的同时，中间任意数字段的色散起伏都不会很大。578.3.4光放大器增益箝制技

24、术WDM系统中，个别波长通道的故障或者波长上下路等网络配置的更改，都会引起光纤链路中实际传输波长数量的变化，光功率也随之变化。为了保证每个波长通道的输出功率稳定，光放大器的增益应能随实际应用的波长数进行自动调整，即需要光放大器的泵浦源输出功率能够随着输入信号的变化进行自动调整。光放大器的增益箝制技术就是指当输入功率在一定范围内变化时，光放大器的增益随之变化并使得其他波长通道的输出功率保持温度的技术。光放大器的增益箝制实现机制主要包括总功率控制法、饱和波长法、载波调制法和全光增益箝制法等。588.3.5 光监控信道技术 在使用光放大器作为中继器的WDM系统中，由于光放大器中不提供业务信号的上下，

25、同时在业务信号的开销位置中（如SDH的帧结构）也没有对光放大器进行监控的冗余字节，因此缺少能够对光放大器以及放大中继信号的运行状态进行监控的手段。此外，对WDM系统的其他各个组成部件的故障告警、故障定位、运行中的质量监控、线路中断时备用线路的监控等也需要冗余控制信息。为了解决这一问题，WDM系统中通常采用的是业务以外的一个新波长上传送专用监控信号，即设置光监控信道（OSC）。59OSC的设置原则uOSC的波长不应与光放大器的泵浦波长重叠；uOSC不应限制两线路放大器之间的距离；uOSC提供的控制信息不收光放大器的限制，即线路放大器失效时监控信道应尽可能可用；uOSC传输应该是分段的，且具有均衡

26、放大、识别再生、定时功能和双向传输功能，在每个光放大器中继站上，信息能被正确的接收下来；u只考虑在两根光纤上传输的双向系统，允许OSC在双向传输，以便若其中一根光纤被切断后，监控信息仍然能被线路终端接受到。60OSC实现技术 带外监控技术n 对于使用EDFA作为线路放大器的WDM系统，需要一个额外的光监控信道。ITU-T建议采用一个特定波长作为光监控信道，传送监测管理信息。此波长位于业务信息传输带宽之外时可选用151010nm，速率为2048kb/s。 带内监控技术n 选用位于EDFA增益带宽内的波长15324.0nm作为监控信道波长。此时监控系统的速率可取为155Mbit/s。 61图8-2

27、8 带外波长监控示意图分波器合波器监控系统2048kbit/sEDFAPDLD下光路上光路628.4 WDM设备与组网uWDM设备类型u光交叉连接（OXC）和光分插复用器（OADM）uWDM网络结构u广播选择网和波长选路网uWDM网络保护u光通道层保护和光复用段层保护631OADM(1) OADM的功能波长上、下话路的功能。具有波长转换功能。具有光中继放大和功率平衡功能。提供复用段和通道保护倒换功能，支持各种自愈环。具有多业务接入功能。(2) OADM的基本结构 由分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM 由耦合单元、滤波单元和合波器构成的OADM 电声光可调滤波器构成的OADM 由波长光栅

28、路由器(WGR)构成的OADM OADM节点主光通道的体系结构框图 图是基于分波器、空间交换单元和合波器组成的OADM 图由耦合单元、滤波单元和合波器构成的OADM结构 图由电声光可调滤波器构成的OADM结构 图是由波长光栅路由器(WGR)构成的OADM的结构图 71光分插复用器（光分插复用器（OADM）有点像电中继器的作用有点像电中继器的作用，但不同的是在光域内对信道进行取出和插入。，但不同的是在光域内对信道进行取出和插入。 具有OADM和光放大器的点对点网络波长管理波长管理E/O 1 2 N.光纤光纤 1 2 N光光复复用用E/OE/OOAOADM k k光纤光纤 1 2 N光光解解复复用

29、用O/E.O/EO/E光放光放大器大器信道信道信道信道信道信道12N信道信道信道信道信道信道12NOA具有OADM节点和集线器环网 1 2 N. . . .E/OOADM j j解解复复用用O/E.复复用用OADM i iOADM k kIPSTM 1 2 N. . . . 1 2 N. . . . 1 2 N. . . .1路路由由器器IPSTM集集线线器器N73通信业务种类很多，有同步的（STM，如SDH）和异步（ATM）的，实时的（如话音）和非实时的（如数据），低带宽的和高带宽的，以及电路交换的和非电路交换的等。DWDM系统设计成支持几种业务，一种可能的方法是把不同种类的业务用不同的波长

30、传输。另一种可能是对不同种类的业务打包，然后采用第六章介绍的复用技术复用他们，在同一个波长上传输。DWDM系统集线器系统集线器波波长长管管理理E/OTCP/IPATMSTME/OE/OTCP/IPATMSTMO/EO/EO/ETCP/IPATMSTMTCP/IPATMSTM 1 2 N 1 2 N光光复复用用光光解解复复用用 1 2 N. . . .光光纤纤时时钟钟提提取取.74广播星形耦合器WDM分配网络 多址接入网 星形耦合器节点节点发射机1解复用器WDM光接收机.电接口发射机2解复用器WDM光接收机.电接口节点节点1节点234N. 星形耦合器信号输入调谐电流 单频激光器信号输出光调谐接收

31、器光接收机1N12N351光发送机 在图中，每个信道使用单独的光载波频率发送电信号，所有发送机的输出功率复合进无源星形耦合器，并且分配相等的功率到所有的接收机。每个用户接收所有的信道，使用调谐光接收机选择它们中的一个。这种网络有时也叫做广播-选择网络。2OXC(1) OXC的功能 与SDH网络中的DXC设备的功能相比，它们在网络中的地位和作用相同，但功能上存在下列区别。OXC是在光域完成交叉连接功能的，而DXC是在电层上进行交叉连接。OXC可以对不同速率和采用任何传输格式的信号进行交叉连接操作；DXC设备针对不同传输格式和不同传输速率的信号的处理方式不同。DXC受电子速率的限制，交叉连接速率较低；OXC无论在交叉连接速率、接入速率以及总容量等方面，都优于DXC。OXC中无需进行时钟信号同步与开销处理，便于网络升级(无需更换设备)，而DXC必须进行时钟信号同步与开销处理，在网络升级时必须更换设备。(1) OXC的功能 OXC的实现方式OXC共有三种实现方式：光纤交叉连接波长交叉连接波长转换交叉连接(1) OXC的功能 OXC的主要功能OXC可以在光纤和波长两个层面上为网络提供带宽管理，如动态重构光网络、提供光信道的交叉连接以及本地上、下话路操作、动