【光波分复用系统(WDM)分析8800字】

光波分复用系统(WDM)分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u22011光波分复用系统(WDM)分析综述 194121.1WDM技术简介 131361.2WDM系统组成及工作原理 215251.3WDM系统的分类 4177361.4WDM系统关键技术与解决方法 528601.5光波分复用器和解复用器 9210761.6掺铒光纤放大器 1012951.7WDM技术的优点 111.1WDM技术简介图2-1WDM技术原理图WDM技术（如图1所示）基于其独特功能，可以在低损耗单模光纤域中更准确，更正确地使用高带宽资源。并且根据每个通道上光波的频率和波长，将低损耗光纤窗口分为多个通道，并将光波用作信号载体。（波滤波器）用于组合光信号。不同规则，不同波长的载波通过同一根光纤进行传输，即采用时分复用或频分复用的方式加载不同的光载波，多路模拟和数字信号。然后，在发送侧，将这些具有不同特性和不同波长的光信号组合并复用在一起，并通过光纤进行发送。分离不同波长的信号以进行多路分解操作，并进行进一步的详细处理，并将原始信号重构为原始信号，然后发送到不同的终端进行操作。因此，该技术被称为波分复用，简称为波分复用技术。由于可以将具有不同特性和波长的光载波信号视为彼此独立（在不考虑光纤非线性的情况下），因此可以在单根光纤上实现多个光信号的多路复用传输[2][3]。双向传输的问题也很容易解决：您只需要在两个方向上排列信号即可以不同的波长进行传输。取决于波分复用器，可以复用的波长数也变化，范围从2到数十。当今的商用系统通常是8和16波长系统，具体取决于允许的光学载波和波长之间的间隔。WDM技术是一种可以显着提高光纤传输系统吞吐量的技术，而无需依赖于增加光纤纤芯的数量。其中，密集的波分复用可以更加夸大地增加光纤传输系统的吞吐量。在当今高速和长距离光纤通信的时代，为了给人们提供更好的传输性能，还必须使用光纤放大器技术，完善的色散补偿技术和谐波失真防止技术来解决任何问题。问题缺点是传输效果降低。这种技术可在长距离和高容量下提供超高速光纤通信，吸引了无数设计人员进行进一步的研究和开发[4]。1.2WDM系统组成及工作原理1.1.1WDM系统的工作原理WDM系统的基本组成主要分为两种模式：双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输图2-2双纤单向传输原理图WDM双纤单向传输的原理是将一个光通道的所有信号同时组合到一条光纤中，并在同一方向上传输。在发送侧，使用光扩展器将承载不同信息的具有不同波长和规格的已调制光信号复用在一起，并在光纤上单向传输，因为每个信号都由具有不同波长的光承载，因此这是不可能的。彼此混淆。在接收端，光多路复用器通过分离具有不同波长规格的光信号来完成多个光信号的传输，并且相反的方向通过不同的光纤传输。单纤双向传输图2-3单纤双向传输原理图单光纤双向WDM意味着可以在主光纤上同时在两个不同方向上传输光路，并且所使用的波长彼此分开，以实现两侧之间的全双工通信。目前，WDM双纤单向双向光传输系统的应用和开发相对广泛，在使用过程中，WDM单通道双向双频光传输系统容易受到各种通道的干扰，光的反射，串扰和双向通道的干扰。设计。影响因素的实际示例，例如隔离效果，影响很小。1.1.2WDM系统的组成光发射机、光接收机、光中继放大器、光监控信道和网络管理系统五大部件是波分复用系统缺一不可的。五个部件有序的科学的连接，才可以称为完整的WDM系统。光发射机光学调频发射机属于WDM系统中非常重要的关键组件。它不仅在WDM系统中对激光发射器的管理中心波长有特定规定，而且还取决于传输光纤线路和传输的类型，而且需要选择具有一定程度的饱和度和散射量的最合适的FM发射器。推动端最重要的是将光信号的外部设备输出的光信号应用于光转换器，以转换非特征波长的不稳定光信号。它被转换为稳定的特殊波长信号，最后根据多路复用器转换为多通道光信号，然后根据激光功率放大器进行放大并输出。光接收机光接收机的功能实际上是对整个传输过程中由于各种原因引起的抗压强度衰减系数的信号进行测试，放大，整形并将其转换为原始传输信号，即恢复多路复用信号。到各种特殊波长的原始信号。光接收器本身必须满足许多标准，例如对光信号的灵敏度，各种主要参数是否合适以及抗光噪声信号的能力以及更高的网络带宽性能。光中继放大器由于信号已在很长的距离上传输，因此必须出于某些原因将信号的压缩强度衰减到一定程度。因此，有必要放大并求解该衰减后的信号，以确保不丢失任何帧，并且不会损害传输性能。如今，WDM系统中使用的光纤线路放大器通常都是掺all光纤线路放大器。使用该放大器执行衰减信号的放大增益值。光监控信道光学监控通道的关键功能是具有监视每个通道传输状况的系统功能，可以反映当今每个通道是否存在异常情况，方便大家调整和管理每个传输通道。网络管理系统Internet管理系统可以根据在光监控信道中传输的字节数，对所有WDM系统执行安全因素管理，常见故障管理和资源分配管理[5]。1.3WDM系统的分类1.3.1CWDM系统CWDM（CoarseWavelengthDivisionMultiplexing），稀疏波分复用器。CWDM：波长间隔设置一般小于且等于20nm，最常用的间隔就是刚好20nm，且整个波长范围处在1470nm到1610nm之间。CWDM调制激光器采用非制冷型激光器。与DWDM相比，CWDM系统的更大优势取决于低成本，并且组件的成本特别体现在滤光片和激光发生器中。若要提高成品率，降低资金投入，那么选用20nm做为CWDM的信道间隔是非常合适的，其可以使得使用的激光器发生器需要的性能变低，让复用器和解复用器的结构变得更简单实用。1.3.2DWDM系统DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing），密集波分复用器。DWDM：波长间隔设置一般要大于10nm，通常采用1550~1570nm波段，最常见的波长间隔设置有200GHz、100GHz、50GHz三种。远距离输送是DWDM的特点。跟前面一个系统进行细致的比较，我吗可以发现DWDM的波长间隔更近，使得它可以设置8到160个波长在光纤线路上。借助EDFA（掺In光纤传感器），DWDM可以胜任非常长的距离传输工作。DWDM采用的是制冷型激光器。图2-4CWDM通路间隔图2-5DWDM通路间隔1.4WDM系统关键技术与解决方法1.4.1光纤中的色散色散是限制光纤通信系统传输实际效果的因素之一。过度的色散不仅对脉冲信号的传输具有很强的带宽控制，而且对模拟信号的传输也有很大的危害，从而引起光单脉冲加宽的情况。随着传输距离的增加色散现象会随着传输距离的增长持续增大，色散现象越来越明显。色散越大，码间影响越明显，这将大大增加误差率，并显着降低光纤传输系统的传输速度。如今，WDM系统早已成为日常光纤通信的日常生活。不可替代的影响，因此分散问题已成为要解决的主要问题之一。没有人可以忽略光纤色散对所有WDM系统的危害[6]。1.4.2光纤色散的种类模式色散

由于在多模光纤中，其传输模式的多样，导致了传输路径的不同，因此信号走过的整个路程也就不一样，最终的终点也就不同，这些原因就引发了脉冲展宽。在一根光纤里存在两种次模即高次模与低次模，高次模要走很长的距离才能到达最终的目的地，而低次模就很省力了，只需走很短的距离就能到达目的地，所以高次模与低次模走到终点所需的时间也就不同，它们两所走的时间差就是这根光纤所产生的脉冲展宽。所以脉冲展宽越大，就代表时延差越大，色散也就越大，该根光纤也就越长。材料色散

由光源自身原材料的特性引起的色散称为原材料色散。由光纤的原材料制成的石英玻璃管的折射率不是恒定值，因此不同的透射光波长的折射率也不同。在光纤通信系统中传输的数据信号光实际上是从光源传输发出的。它不是理想的某一种特定波长，它具有其自己的独特频谱带宽。但是当它传播在折射率为n的物质中时，它符合以下公式计算方法：v=C/n（C是空气中的光透射率）。因此，根据上述公式计算，可以得出结论，波长不同，光速也不同，折射率也相应变化。一定光谱宽度的光脉冲在光纤中传输时，因为光的波长不同，所以每个波的透射率也不同。当它到达终端站时，将存在延迟差，这导致单个脉冲波的波形变宽。波导色散由于包层和光纤纤芯之间的折射率差很小，因此在边界条件下产生完全反射后，一些光会进入包层当中去，而在包层中经过一定距离后，一些光会返回进入芯层并再次传输，因为进入包层的光的抗压强度和波长不同，并且路径的长度也不同。最后，到达重点的时间长短也有所不同，因此会发生脉冲展宽，因此入射光所具有的频率值越低，进入包层的光强度比例越大，这些光波传播的路程也就会变得非常远。长久以来，由于这种散射是由光纤线路中的光波导引起的，因此也称人们称之为波导色散[7]。1.4.3三种色散间的对比在没有意外情况的情况下，波导色散强度低于材料色散强度，色散强度低于模态色散强度。如果在光纤系统中选择了多模光纤，则其色散强度是波导色散强度，原料色散强度和模态色散强度的总和。其中，模式色散具有三者中最强的限制网络带宽的核心作用，所以相较下其他两个色散系统的损害就非常的小。如果在光纤系统设计中选择了单模光纤，则由于传输模式是单一的，因此模式色散基本没有可能存在，此时，光源的总色散强度就是波导色散强度和材料色散强度的总和。为了减少色散对于系统的危害，光传输系统的设计过程必须使用窄谱激光发生器作为光源。当今的色散补偿光纤，色散补偿光纤和色散偏移光纤可以解决普通光纤的色散问题。目前来看，高速光纤通信的真正障碍是光的偏振模色散。这是由光纤的不同几何形状引起的，在光纤的制造和应用中出现了这个问题是完全无法无视的。1.4.4色散补偿技术及其详细介绍如今，光纤传输网络中常用的大多数光纤是G.652通用单模光纤，这种光纤的色散系数约为16ps/nm/km。针对于该光传输系统中的光纤色散补偿技术，其关键选择的方法和技术是：光纤色散补偿技术，字符相差阵列法，光纤光栅补偿法，双二进制编码法，相位共轭法和色散支持传输技术等方法，这些方法当中是使用最广泛的光纤光栅尺补偿方法和DCF光纤补偿方法。下面的重点是解释DCF光纤补偿方法和光纤光栅补偿方法[7]。1.4.5DCF补偿技术从开展掺铒光纤放大器的科学研究到现在，并随着掺铒光纤放大器研究的逐渐上市，大多数的厂商选择了色散位移光纤作为传输光纤，可以完成超长距离光纤传输，传输距离超过200公里，并且选择了无中继的技术。中继技术是采用位于1550nm波长带内的光。但是，由于1310nm单模光纤已经普及了我国所有的光纤传输网络，因此如果要重新建设，无疑是一项耗资巨大的工程，但是又由于1310nm光纤如果使用1550nm的话应用操作模式，将产生16ps/nm/km色散的实际效果。因此，不能将1310nm单模光纤传输线路用于1550nm以下的长距离数据高速传输。为了更好地处理这种色散所引起的问题，研发了DCF色散补偿技术。1.4.6色散补偿光纤技术原理色散补偿光纤DCF在1550nm的光波长附近具有较大的负色散，约为-50至500ps/nm/km，由于1310nm单模光纤已经普及了我国的所有光纤传输网络，因此对用于解决该问题的专业色散补偿光纤DCF被科学研究了出来，它是一种新型的单模光纤。在使用中，色散补偿光纤DCF和一般的单模光纤SMF可以串联连接形成传输线，从而可以处理发送数据信号时一般单模光纤需要产生的色散条件，并且可以实现更好的中继，增加中继的距离。这样的操作如果没有正常进行，那么在1550nm光纤工作模式下使用1310nm光纤，它将产生16ps/nm/km色散的实际效果，这将导致所有系统的传输质量下降。色散补偿光纤DCF具有负色散，因此可以补偿色散，然后确保所有传输网络的线路的总色散几乎等同于零，从而完成高速率，大容量和长距离的光纤通信过程。但是即使如此，色散补偿光纤DCF也有他的一些缺陷。尽管它增加了系统的中继距离，但也导致了线路传输损耗的大大升高。在这样的情况下，在选择DCF进行色散补偿的传输系统中，通常需要连接掺铒光纤放大器（EDFA）来补偿传输线路的那些损耗部分。1.4.7光纤光栅补偿法可以通过使用光线独有的光敏性来制造光纤光栅，光敏性是由激光直接照射的混合光的折射率的变化，这与光强度的空间布局有关。其光的强度越大，它的变化越显著。若是用某种独特波长的光照射该光线上，则其折射率将有规律的变化，即光纤光栅。光纤光栅可用于补偿色散。有两种类型的用于色散补偿的光纤光栅：对称光纤光栅和非对称光纤光栅。在日常生产生活中，大多数应用啁啾光纤光栅在日常生活中用于执行色散补偿。啁啾光纤光栅是指其周期时间沿光纤方位角周期时间线性变换的光栅。由于啁啾光纤光栅可以在其所属的光栅循环时间内匹配特定的反射波波长，因此各个波长的光的最终在反射后达到的位置也会有所不同，并且时间差是一对一的相对性，同样由于这种情况单模光纤中不同波长的群速度也都大不相同。波长越长，群速度越大，而波长越短，群速度越小。因此，根据该基本原理，会在一段光纤的前段上对应循环时间较长和较长的循环时间部分的光栅。相应光栅的通过环行器连接到光纤。长波长的数据信号将在光栅光纤的前端反射回光纤内部，而短波长的数据信号将通过光栅在光栅光纤的末端反射。这样，光波长的较短部分比光波长的较长部分留出更多的来回一圈的时间，并且该延迟差可用于补偿由光纤中的色散引起的延迟差[8]。1.4.8光纤中的非线性效应因为光纤线路中存在一些问题，例如：折射率。由于光线折射的实际作用，入射光的强度的大小将经过折射发生一些变化，这样的现象导致产生了光纤的非线性效应。光纤线路中的非线性现象，包括受激拉曼散射，受激布里渊散射，四波混频，自相位调制和交叉相位调制等等。由于存在非线性效应，因此WDM光传输系统的传输距离和传输容量被造成很大的限制，这严重干扰了一个系统的性能。目前人类还遭受无法对WDM光传输系统的主要参数设计方案的困扰。在设计主要参数（例如信道功率，信道间隔，信道数量等等）时，设计方案可能比预期的要困难很多。其中，四波混频效果系统造成了最为严重的破坏。弹性过程非线性效应与非弹性过程非线性效应是光纤中产生非线性效应的两个关键类型。产生受激布里渊散射和受激拉曼散射的关键是受激散射引起的整个非弹性的过程，这是由磁场和极化介质之间的各种能量交换引起的。再看相位调制，交叉相位调制和四波混频却是由非线性系统的折射率引起的弹性过程，并且磁场和极化介质二者关系中没有能量的互换​​。由于上述各种非线性效应的危害，WDM光传输系统中的信道会造成非常大的串扰和功率损耗成本，这极大地限制了光纤通信系统的传输容量量并限制了更长的传输距离。人们对设计理想的系统参数非常困难，因此研究如何解决非线性效应非常必要，它可以大大的帮助人们提升光纤系统的性能。1.4.9非线性效应的种类散射效应因为人类世界上所有的基础物质都是由基本粒子组成的，例如分子和原子。在正常情况下，这种基本粒子会在各种物质中振动，冲击和进行自发热适应运动，而不会受到干扰，而在光纤中的散射效应实际上同样是因为当激光波基于光纤物质并通过它时，基本粒子在物质中不间断的振动，冲击和自发热运动所造成的结果。四波混频光纤的三阶非线性极化作用引起的光波之间的耦合效应称为四波混频（四声子混合）。四波混频的关键在于在特定波长的光下，光纤的折射率发生了变化，并且光波的相位差在不同的频率下发生了变化，从而产生了新的波长的光波。这种变化主要发生在多通道系统的数据信号当中，这可能导致各种参数影响，例如和频，差频和三倍频等多种不同的效应[9]。1.4.10光纤传输的非线性效应光纤传输的衰减和色散和光纤长度的变化有着密切的一系列关系，它们是线性变化的线性效应，而网络带宽系数和光纤长度又是与前面相反的非线性离散的效应。这些东西在WDM系统中反映得更多更普遍。1.4.11非线性效应的具体解决办法在WDM光传输系统中，非线性离散效应的影响主要是由不同信道间的相互影响引起的。由于非线性离散系统的本身会产生出来一个新的频率，并在数据信号中传输走一小部分能量，因此这种情况会导致特定信道的总功率产生损耗，而新产生的频率是因为获得了信号中的部分能量，这将导致信道之间明显的数据信号串扰，并最终导致一整个WDM光传输系统的各种各项数据与器件的性能下降。如果发生了非线性离散效应，则不可能消除由其自身引起产生的频率，当今的技术还无法消除此类额外附加的非线性离散信号，因此只能尽早提高非线性效应的预防和削弱。有两种方法可以预防非线性效应并且很有效：一种是设置信道的参数，另一种是管理色散。三种设置信道间隔的方法：间隔一致的信道设置法、间隔不一致的信道设置法和间隔部分一致的信道设置法。色散分布有两种类型：均与色散分布类型，非均匀色散分布类型。1.5光波分复用器和解复用器光波分复用器和光波分解复用器在一整个WDM系统中都有非常关键的影响和地位，如果它们的性能有问题，可能会严重破坏所有WDM系统的传输性能。因此，在所有WDM光传输系统中，光波分复用器和光波分解复用器在传输质量方面具有关键作用和功能。光波分复用器光波分复用器的作用实际上是将几个不同规格和型号的信号组合在一起，然后在同一根光纤线上传输它们，然后在后端应用解复用器进行反作用。将要多路复用在一起并在同一根光纤线上传输的多个规格和型号的数据信号分解为单一规格和型号的信号再输出。两个器件是可以彼此转换的。复用器的输入端和输出端的同时反过来，复用器就成为了解复用器，同样的解复用器的输入端和输出端的反向施加成便为复用器。光波分复用器和光波分解复用器的关键性能参数是连接损耗和串扰。如果需要选择光波分复用器或光波分解复用器，则其频率偏差和连接损耗应尽可能更小。若能够成功实现了这两个要素，就可以减少具有不同波长的信号之间的干扰，并且信道之间的串扰也将减少，隔离度也会增加。当前的WDM系统中使用了两种关键类型的光波分复用器，一种是光栅型光波分复用器，另一种是介质薄膜型光波分复用器。1.6掺铒光纤放大器输入光信号输入光信号光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器泵浦光源图2-6掺铒光纤放大器示意图目前，传统的电子设备光纤线路中继器具有许多缺点。不仅部件结构过于复杂，而且应用非常不方便，其成本和价格也非常昂贵。尤其是当机器设备从低速转换为高速传输模式时，中继器肯定会出现一些相应的拆卸和更换，这不仅不方便，而且还需要对本不需要消耗的大量开销进行投资。此时，掺铒光纤放大器的存在已完全解决了这一缺陷，不仅不需要随着信号方法的改变而改变，而且当设备扩展或用于光波分复用的时候，无需拆卸。凭借这一优势，掺铒光纤放大器已成为全球光传输系统中必不可少的关键原件，其独有的优点已被大家所公认，其应用范围也越来越广。下面详细说明掺铒光纤放大器的原理和结构。1.6.1掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器主要由有源媒介，掺杂浓度值，泵浦光源，光耦合器和光隔离器等等构建而成。来自光源的信号光和泵浦光可以在掺铒光纤线上传输，而不受方向的限制，无论是沿相同方向传输（也称为沿相同方向泵浦）还是沿反方向传输也称为（反方向泵浦）或两个不同方向的传输（也叫做为双向泵送）都是可以的。当信号光和泵浦光同一个时间加入到掺铒光纤中的时候，由于泵浦光作用，使得铒离子被激发到很高的电子能级，然后迅速变为亚稳态能级。当由于入射信号光的影响和作用而变为基态时，掺铒光纤放大器发出与该信号光匹配的光子，从而实现了信号得放大。1.6.2掺铒光纤放大器的物理结构在掺铒光纤放大器中，隔离器在输入端有一个，在输出端有一个。其功能是更好地在单个方向上传输光信号。泵浦激光发生器的存在是为了更好地向系统供给能量。掺铒光纤放大器根据其内部光纤耦合器将输入的光信号和泵浦光耦合到相同的掺铒光纤之内，并经过掺铒光纤作用将泵浦光的能量传递到输入光信号之内。最后给输入的的光信号的动能放大了。在实际的生产生活中，掺铒光纤放大器不仅可以用于获得非常大的输出激光功率，而且还可以具有其他关键的主要参数，例如较低的噪声指数值。掺铒光纤放大器内部运用了多个泵浦源的结构，并且在其中安隔离器在放大器的中间，起到相互保护和隔离的作用。为了更好地获得更宽和更平坦的增益值曲线，还添加了一个增益值平坦滤波器[9]。1.6.3掺铒光纤放大器的优点单模光纤的最低损耗的覆盖领域和掺铒光纤放大器的放大覆盖区域非常相似，导致了他们彼此之间的匹配度非常不错，该现象使得如果用掺铒光纤放大器去放大单模光纤里的光信号，那么会让传输产生的损耗非常的小，可以更好的传输更长的距离。掺铒光纤放大器拥有较强透明度的优点在数字信号的数据率和数字信号的格式两方面也有