WDM原理基础知识介绍培训讲学

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1、7/8/2020,WDM原理基础知识,光网络产品服务部 杨明张 42198,Page 2,了解WDM的基本概念、基本原理、组成结构 了解WDM的传输媒质 掌握DWDM的关键技术 掌握DWDM的受限因素及解决办法 了解华为波分典型组网,学习目标,学习完本课程，您应该能够：,Page 3,课程内容,第一章 波分复用技术概述 第二章 WDM 的传输媒质 第三章 DWDM的关键技术 第四章 WDM系统受限因素 第五章 典型组网信号流,Page 4,WDM产生的背景,采用SDM，铺设多芯新光缆(需考虑时间与成本),更高比特率TDM。STM-1-STM-64,一根光纤上传输多个信号,各种新业务的蓬勃发展，

2、需要的带宽越来越大,如何提高传输容量,什么是WDM？,小车/信号 高速路/光纤 加油站/光放站 巡逻车/监控信道,2.5G,10G,GE,把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送，这种方式我们把它叫做波分复用（ Wavelength Division Multiplexing ）。,WDM的概念,稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔大，一般为20nm 密集波分复用（DWDM）：波长间隔小，小于等于0.8nm,WDM对波长的要求,从技术实现的角度来说 各厂家可以选择任意波长进行波分复用 从技术兼容性的角度来说 我们必须对WDM系统中的光波长进行规范 ITU-T 对WDM系统中光波长的规定 G.

3、692建议、G.694.1建议、G.694.2建议 =波长频率分配表 WDM中的光波长必须严格遵照波长频率分配表,WDM典型模型,Page 9,双纤单向波分复用系统采用两根光纤，每根光纤只完成一个方向光信号的传输。,双纤单向WDM,单纤双向波分复用系统则只用一根光纤，在这根光纤中同时实现双向信号的传输。 单纤双向波分复用系统中，两个方向的信号光应安排在不同波长上。,单纤双向WDM,WDM系统的划分,开放式WDM系统 在终端复用设备中，具备光接口变换功能， 可以和任何厂家的 SDH 设备进行对接。 集成式WDM系统 在终端复用设备中，不具备光接口变换功能， SDH 设备中的光发送单元性能必须满足

4、波分系统的要求： 如：波长精度、光谱特性、发送光功率等等。 半开放式WDM系统 在终端复用设备中，发端具备光接口变换功能， 可以和任何厂家的 SDH 设备进行对接。,OTU：完成非标准波长信号光到符合G.694.1(2)的标准波长信号光的波长转换功能 OM/OD：完成G.694.1(2)固定波长信号光的合波/分波 OA: BA（功放）：通过提升合波后的光信号功率，从而提升各波长的输出光功率 PA（预放）：通过提升输入合波信号的光功率，从而提升各波长的接收灵敏度 LA（线放）：完成对合波信号的纯光中继放大处理 OSC: 通常采用1510nm和1625nm，负责整个网络的监控数据传送。（后来出现了

5、ESC技术,利用OTU光信号直接携带监控信息，在ESC方式下不需要OSC，但要求OTU支持ESC功能）,开放式WDM系统的组成,Page 13,本章小结,什么是WDM？ WDM对波长有何要求？ WDM可分为哪几种类型？ 开放式WDM系统由哪几部分组成？每部分的作用是什么？,Page 14,课程内容,第一章 波分复用技术概述 第二章 WDM 的传输媒质 第三章 DWDM的关键技术 第四章 WDM系统受限因素 第五章 典型组网信号流,光在光纤中传输的原理,N1Sin 1= N2Sin 2 Sinc=N2/N1 1 = c,折射定律以及全反射定律,光纤的结构,光纤的结构,纤芯的折射率n1 和包层的折

6、射率 n2 哪个更大一些？,Page 17,单模/多模光纤,随着纤芯直径的粗细不同，光纤中传输模式的数量多少也不同。因此光纤按照传输模式的数量多少，分为单模光纤和多模光纤 ： 当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在波导光纤中会以几十种或更多的传播模式进行传播，这样的光纤叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较粗，通常直径等于50um左右； 当光纤的几何尺寸可以与光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较细，通常直径为510um； 从光纤的外观上来看，两种光纤区别不大，包括塑料护套的光纤直

7、径都小于1mm； 波分系统里用的都是单模光纤,光纤的损耗特性,光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要包含吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收； 由于材料的不均匀使光散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。瑞利散射损耗是光纤材料二氧化硅的本征损耗； 光纤的弯曲会引起辐射损耗； 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗,Page 19,常规光纤损耗随波长变化曲线图,波长不同，损耗不同 1380nm附近由于氢氧根粒子吸收，光纤损耗急剧加大，俗称水峰

8、 ITU-T将单模光纤在1260nm以上的频带划分了O、E、S、C、L、U几个波段 容易看出，在这6个波段中，C波段和L波段损耗最小,Page 20,WDM中信号光窗口范围,因为C波段和L波段这两个传输窗口的传输衰耗最小，所以DWDM系统中信号光选择在C波段和L波段。 粗波分由于传输距离短，衰耗并非主要限制因素，所以CWDM系统中信号光跨越多个波段（13111611nm）。,光纤中的色散特性,光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。,光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散： 模式色散也称为模间色散

9、，模式色散主要存在于多模光纤中； 色度色散（CD）也称为模内色散，可以分为材料色散和波导色散； 偏振模色散（PMD）是由于信号光的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的，偏振模色散是由随机因素产生的，因而其为一随机量，难补偿； 色度色散系数就是单位波长间隔内光波长信号通过单位长度光纤所产生的时延差，用D表示，单位是ps/nm.km。偏振模色散系数则用PMDQ来表示，单位是ps/km （n为1/2）,Page 22,色度色散的影响,从TDM角度上说，色散将导致码间干扰。,光源是非零谱宽的，光源输出的光信号被电脉冲进行强度调制 ，调制信号具有调制光源的每一波长成分 。 由于各波长成分到达的

10、时间先后不一致，因而使得光脉冲加长（T+T），这叫作脉冲展宽。光脉冲传输的距离越远，脉冲展宽越严重。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，称为码间干扰。码间干扰将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。 但从WDM角度上说，色度色散有利于克服光纤的非线性造成的信道间干扰，如FWM和XPM。 需要辨证的看待色度色散的影响。,Page 23,偏振模色散（PMD）,由于信号光的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散，它也是光纤的重要参数之一。 引起偏振模色散的因素是随机产生的，因而偏振模色散是一个随机量。 PMD具有和色度色散相同的影响：引起脉冲展宽,Page 24,光纤的截止

11、波长,截止波长：单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长； 实际光波长比截止波长小时会有多个模式在单模光纤中传播，并呈现多模特性； 为避免模式噪声和模式色散，实际系统光缆中的最短光缆长度的截止波长应该小于系统的最低工作波长，截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高阶模的产生或可以将产生的高阶模式噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步； G.652光纤在22米长光缆上的截止波长1260nm，在220米长的跳线光缆截止波长1260nm，在短于2米长跳线光缆上的光纤的截止波长1250nm； G.655光纤在22米长光缆上的截止波长1480nm，在短于2米长光缆上的一次涂敷光纤上的

12、截止波长小于等于1470nm，220米长跳线光缆上的截止波长1480nm。,Page 25,光纤的模场直径,在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输，纤芯的直径不能反映光纤中光能量的分布 ，于是提出了模场直径的概念。,模场直径就是描述单模光纤中光能集中程度的参量 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成系统的光信噪比降低，大大影响系统性能。,思考：此值是越大越好还是越小越好？,从本质上讲，所有介质都是非线性的，只是一般情况下非线性特征很小，难以表现出来。当光纤的入纤功率不大时，光纤呈现线性特征，当光放大器和高功率

13、激光器在光纤通信系统中使用后，光纤的非线性特征愈来愈显著； 单模光纤的非线性效应一般可以分： 受激非弹性散射（受激拉曼散射SRS、受激布里渊散射SBS）、 克尔效应（自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频FWM）,注意：非线性效应一旦产生，就无法消除或补偿，必须尽量防止非线性效应的产生！ 使用模场直径大的光纤，可以降低通过光纤的功率密度，可以抑制非线性效应的产生。 最主要我们可以通过降低入纤光功率、采用大有效面积光纤等来防止非线性效应的发生。 非线性效应与色散相关，色散并不是越小越好。,单模光纤的非线性效应,ITU-T已经在G.652、G.653、G.654和G.655建议中分别定义了

14、4种不同设计的单模光纤，区别见下表：,G.652/G.653/G.655单模光纤,G.652/G.653/G.655单模光纤各自的特点,色散系数(ps/nmkm),正色散系数G.655光纤,波长(nm),1550,1310,17,1.1550nm波长区具有最小色散和衰减，适合DWDM系统、高速信号传输 2.应用：TrueWave真波光纤(正色散区的SPM效应有利于传输)；LEAF-大有效面积光纤（克服非线性效应）,G.652光纤:大量铺设，传高速信号需色散补偿,G.653光纤:1550nm波长区混频严重，不适合DWDM,负色散系数G.655光纤,Page 29,本章小结,WDM系统中使用的是单

15、模还是多模光纤？ 单模光纤中损耗最小的窗口是哪些窗口？ 信号光在单模光纤中传输会遇到哪些问题？ G.652/653/655光纤各自的特点是什么？ 色散是否越小越好？,Page 30,课程内容,第一章 波分复用技术概述 第二章 WDM 的传输媒质 第三章 DWDM的关键技术 第四章 WDM系统受限因素 第五章 典型组网信号流,DWDM系统的关键技术,光放大器,光监控技术,光源/光电检 测器,监控信道,合波分波技术,Page 32,DWDM光源技术,DWDM系统的光源具有两个最突出的特点： 1、比较大的色散容限值； 2、标准而稳定的波长； 因此选择半导体激光器（LD）作为光源。对于应用于高速光纤通

16、信系统中LD光源，又分为多纵模（MLM）激光器和单纵模（SLM）激光器两类 。,MLM,SLM,激光器的调制方式,优点：技术简单、成本较低 缺点：因存在1和0频率的变化，不可避免存在啁啾。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离；适用于短距离传输,直接调制光源,直接调制：直接调就是利用电信号的1和0控制激光器的开、关，使特定波长的光波携载电信号。,Page 35,间接调制光源,间接调制不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。,恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。 光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理，而在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量，适用于高速率、长距离传输。 常用的间接调制有两种：电吸收调制光源和M-Z光源,优点：频