管理信息化信息技术光波分复用技术讲座信息产业部

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1、管理信息化信息技术光波分复用技术 讲座信息产业部 管理信息化信息技术光波分复用技术 讲座信息产业部 2 光纤的基本特性 由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应 用。从 80 年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有 1550nm 和 1310nm 两个窗口，最小衰减窗口位于 1550nm 窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典 型数值为：1310nm 窗口的衰减在（0.30.4）dBkm；1550nm 窗口的衰减在（O.190.25）dB km。 从上图可以看出，除了在 1380nm 有一个 OH-根离子吸收峰导致损

2、耗比较大外，其它区域光纤损 耗都小于 0.5dBkm（据报道已有公司推出了 ALLWAVE 全波光纤，消除了这一损耗峰峰值，使整个 频带更加平坦）。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱（13101550nm）极少的一部分。以常规 SDH2.5Gbs 系统为例，在光纤的带宽中只占很小一部分，大约只有 0.02nm 左右；全部利用掺饵光 纤放大器 EDFA 的放大区域带宽（15301565）nm 的 35nm 带宽，也只是占用光纤全部带宽（1310 157Onm）的 16 左右。 理论上，WDM 技术可以利用的单模光纤带宽达到 200nm，即 25THz 带宽，即使按照波长间隔为 0.8nm（100

3、GHz）计算，理论上也可以开通 200 多个波长的 WDM 系统，因而目前光纤的带宽远远没有 利用。WDM 技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为 WDM 系 统的应用和发展提供了可能。 3WDM 技术原理 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分 复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用 带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。 同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采 用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域

4、上信号频率差别比较 大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。 所谓 WDM 技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的 频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送 端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接 收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于 不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路 光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的

5、信号分别安排在不同波长传 输 即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从 2 个至几十个不等，现在商用化的一 般是 8 波长和 16 波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图 2 给出了其系统组成。 WDM 本质上是光域上的频分复用（FDM）技术。要想深刻理解 WDM 系统的本质，有必要对传输技 术的发展进行一下总结。从我国几十年应用的传输技术来看，走的是 FDM-TDM-TDM+FDM 的路线。开 始的明线、中同轴电缆采用的都是 FDM 模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为 4kHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH 系统则是在光

6、纤上传输的 TDM 基 带数字信号，每路话音速率为 64kbs；而 WDM 技术是光纤上频分复用技术，16（8）2.5Gbs 的 WDM 系统则是光域上的 FDM 模拟技术和电域上 TDM 数字技术的结合。 下面列出了几种传输技术实现方式： .明线技术，FDM 模拟技术，每路电话 4kHz； .小同轴电缆 6O 路 FDM 模拟技术，每路电话 4kHz； .中同轴电缆 1800 路 FDM 模拟技术，每路电话 4kHz； .光纤通信 140MbsPDH 系统，TDM 数字技术，每路电话 64kb； .光纤通信 2.5GbsSDH 系统，TDM 数字技术，每路电话 64kbs； .光纤通信 N2

7、.5GbsWDM 系统，TDM 数字技术+光频域 FDM 模拟技术，每路电话 64kbs。 WDM 本质上是光域上的频分复用 FDM 技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图 3 所示。 每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆 FDM 技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM 系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆 系统传输的是模拟信号 4kHz 语音信号，而 WDM 系统目前每个波长通路上是数字信号 SDH2.5Gbs 或 更高速率的数字系统。 4WDM 技术的主要特点 可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传

8、输增加几倍至几十 倍。 使 N 个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外， 对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较 方便地进行扩容。 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种 电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及 PDH 信号和 SDH 信号的综合与分离。 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个 WDM 系统可以 承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP 或者将来有可能出现的信号。WDM 系统完成的是透明传输， 对于“业务”层信号来

9、说，WDM 的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。 在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如 CATV、HDTV 和 B- ISDN 等）的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。 利用 WDM 技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的 光网络。 在国家骨干网的传输时，EDFA 的应用可以大大减少长途干线系统 SDH 中继器的数目，从而 减少成本。距离越长，节省成本就越多。 5WDM 和 DWDM 人们在谈论 WDM 系统时，有时会谈到 DWDM（密集波分复用系统）。WDM 和 DWDM 是同一回事吗？ 它们之间到底有那些差别

10、呢？其实，WDM 和 DWDM 应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对 WDM 系统的称呼，它们与 WDM 技术的发展历史有着紧密的关系。 在 80 年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口 1310nm 和 1550nm 窗口各传送 1 路光波长信号，也就是 131Onm155Onm 两波分的 WDM 系统，这种系统在我 国也有实际的应用。该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大 器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光电光再生中继，然后再复用在一起传向下一 站。很长一段时间内在人们的理解中，WDM 系统就是指波长间隔为数十 n

11、m 的系统，例如 1310nm 1550nm 两波长系统（间隔达 200 多 nm）。因为在当时的条件下，实现几个 nm 波长间隔是不大可能 的。 随着 1550nm 窗口 EDFA 的商用化，WDM 系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用 1310nm 窗 口，而只在 1550nm 窗口传送多路光载波信号。由于这些 WDM 系统的相邻波长间隔比较窄（一般 （1.6nm），且工作在一个窗口内共享 EDFA 光放大器，为了区别于传统的 WDM 系统，人们称这种波 长间隔更紧密的 WDM 系统为密集波分复用系统。所谓密集，是指相临波长间隔而言。过去 WDM 系统 是几十 nm 的波长间隔，现在的

12、波长间隔小多了，只有（0.82）nm，甚至0.8nm。密集波分复用技 术其实是波分复用的一种具体表现形式。由于 DWDM 光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分 复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器 件。 在 DWDM 长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用 EDFA 光放大器。在两个波分复 用终端之间，采用一个 EDFA 代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距 离。在 DWDM 系统中，EDFA 光放大器和普通的光电光再生中继器将共同存在，EDFA 用来补偿光 纤的损耗，而常规的光电光再生中继器用来补偿色散、

13、噪声积累带来的信号失真。 现在，人们都喜欢用 WDM 来称呼 DWDM 系统。从本质上讲，DWDM 只是 WDM 的一种形式，WDM 更具 有普遍性，DWDM 缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在 技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指 1310nm1550nm 的两波分 WDM 系统，人们谈论的 WDM 系统就是 DWDM 系统。 6 总结 过去无论 PDH 的 34Mbs-140Mbs-565Mbs，还是 SDH 的 155Mbs-622Mbs-2.4Gbs，其 扩容升级方法都是采用电的 TDM 方式，即在电信号上进行的

14、时间分割复用技术，光电器件和光纤完 成的只是光电变换和透明传输，对信号在光域上没有任何处理措施（甚至于放大）。WDM 技术的应 用第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用（即频率复用）的方式提高传输 速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输 的数据格式透明。因此，从某种意义上讲，WDM 技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。 第二讲 WDM 系统中的光电器件 信息产业部电信研究院 xxx WDM 系统本质上是光域上的模拟系统，WDM 技术第一次把复用方式从电域转移到光域，在光域上 用彼长复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信

15、号实现了直接复用和放大，而不再回到电信 号上处理，因而大大增加了光电器件，而且光模拟系统的性能很大程度上取决于各器件的特性。相 对于 SDH 系统，WDM 系统增加了波分复用器（解复用器）、光放大器等器件，另外对激光器信号的 波长准确性和稳定性也提出了较高的要求。下面我们分 3 部分介绍 WDM 系统中的光电器件，即激光 器、波分复用器和光放大器。 1 激光器 过去 SDH 系统工作波长是在一个很宽的区域内，而 WDM 系统的最重要特点是每个系统采用不同 的波长，一般波长问隔为 100GHz 或 2OOGHz，这对激光器提出了较高要求。除了准确的工作波长 外，在整个寿命期间波长偏移量都应在一定

16、的范围之内，以避免不同的波长相互干扰。即激光器必 须工作在标准波长、且具有很好的稳定性。 另一方面，由于采用了光放大器，WDM 系统的无再生中继距离大大延长。SDH 系统再生距离一般 在 506Okm，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字信号继续传输。而 WDM 系统中，每隔 8okm 有一个 EDFA，只进行放大，没有整形和定时功能，不能有效去除因线路色散和反射等带来的不 利影响，系统经 50O60Okm 传输后才进行光电再生，因而要求光源的色散受限距离大大延长。由 过去的 5O60km 提高到 6O0km 以上，这对光源的要求大大提高。总体上，应用在 WDM 系统上的光源 有 2 个突出特点：（1）比较大的色散容纳值。（2）标准而稳定的波长。 11 外调制技术 对于直接调制来讲，单纵模激光器引起的啁啾（Chirp）噪声已成为限制其传输距离的主要因 素。即使采用 a 值较小的应变型超晶格激光器，在 G652 光纤上传输 25Gbs 的色散受限距离也 只有 120km 左右。这对于国家干线 WDM 系统要求的 5OO60Okm 是不够的。从原理上讲，很难消除直 接调制带