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1、光波分复用,周向阳 光信息科学与技术 华中科技大学武昌分校,光纤通信 第八章,8.1 波分复用的基本原理 8.2 波分复用系统的构成 8.3 WDM的关键技术,第八章 光波分复用,8.1 波分复用的基本原理,时分复用是将传输时间分割成若干个时隙，将需要传输的多路信号按一定规律插入相应时隙，从而实现多路信号的复用传输。,传统的系统扩容方式时分复用受到电子瓶颈的制约，难以继续采用满足带宽的需求。,8.1.1 波分复用的基本概念实质就是光频分复用,WDM技术是以光波作为载波，在同一根光纤内同时传输多个不同波长的光载波信号的技术。,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
2、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。,WDM的工作描述：,WDM技术的定义：,8.1.1 波分复用的基本概念,WDM的工作描述（图解）：,8.1.1 波分复用的基本概念,石英光纤可用带宽：,一根光纤可复用路数,理论上，WDM可利用G.652带宽达到200nm。1310nm窗口80nm（1270nm1350nm）及1550nm窗口120nm（1480nm1600nm）。,按照波长信道间隔为10GHz计算，理论上可开通2500多个信道的W
3、DM系统。,8.1.1 波分复用的基本概念发展,1310nm/1550nm窗口的波分复用 仍用于接入网，但很少用于长距离传输 1550nm窗口的密集波分复用(DWDM) 可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络,1310nm1550nm窗口的稀疏波分复用（CWDM） 可广泛用于城域网的建设，用于建设全光网络,DWDM（密集波分复用）：信道波长间隔为1.6nm、0.8nm、0.4nm、0.2nm的波分复用系统。,8.1.1 密集波分复用的基本概念,序号 中心频率（THz） 波长（nm） 1 192.1 *1560.61 2 192.2 1559.79 3 192.3 *1558.98 4 192.
4、4 1558.17 5 192.5 *1557.36 6 192.6 1556.55 7 192.7 *1555.75 8 192.8 1554.94 9 192.9 *1554.13 10 193.0 1553.33 11 193.1 *1552.52 12 193.2 1551.72 13 193.3 *1550.92 14 193.4 1550.12 15 193.5 *1549.32 16 193.6 1548.51,ITU-T G.692建议： 16通路和8通路DWDM系统中心频率,O波段,E波段,S波段,C波段,L波段,CWDM（稀疏波分复用）：信道波长间隔为20nm的波分复用系统
5、。,8.1.1 稀疏波分复用CWDM的基本概念,光纤通信传输窗口,8.1.2 波分复用的工作方式单纤双向,波分复用系统按工作方式分类：单纤双向和单纤双向。,单纤双向指光通道在同一根光纤上同时向两个不同方向传输，所用波长相互分开，实现双向全双工通信。,8.1.2 波分复用的工作方式双纤双向,波分复用系统按信号流向分类：单纤单向和双纤单向。,单纤单向指所有光通道同时在一根光纤上沿同一个方向传送。,8.1.3 波分复用的技术特征,高容量：可充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。 低成本：在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本。 透明性：与信号速率、
6、格式无关, 是引入宽带新业务（例如CATV ) 的方便手段。 波长路由：利用WDM选路实现网络交换和恢复从而实现未来透明的、具有高度生存性的光联网,8.1.3 波分复用的技术特征DWDM,优势： DWDM波长间隔小，因此在光纤的低损耗窗口可传输的信道数更多，系统的传输容量更高。 劣势： DWDM要求光源有精确的波长及很好的波长稳定性； DWDM对波分复用器和解复用器的性能也提出更高的要求（带宽更窄、稳定性更好）；,高性能 高价格,8.1.3 波分复用的技术特征CWDM,优势： 信道间隔较宽，由激光器的波长漂移而带来的信道串扰对系统的影响较小，一般CWDM光源可采用不带制冷器的半导体激光器。 信
7、道间隔较宽，同时对波分复用器和解复用器的要求降低。,劣势： CWDM系统采用了O+E+S+C+L波段，使得难以应用于长途通信，只应用于短途。,低性能 低价格,8.2 波分复用系统的构成基本结构,WDM系统的基本结构,光监控信道（OSC： Optical Supervisory Channel）的主要功能是监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为s（1510 nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出s（1510 nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是通过光监控信道来传送的。 网络管理系统
8、通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统（如TMN）相连。,8.2.1 波分复用系统的基本结构功能描述,8.2.1 波分复用系统的分类,波分复用系统可分为：,开放式,集成式,8.2.1 波分复用的基本结构开放式,8.2.1 波分复用的基本结构集成式,8.3 WDM的关键技术,（1）光源 （2）光波长转换器 （3）光接收机 （4）光放大器 （5）波分复用器/解复用器 （6）光纤,8.3.1 DWDM系统中的光源,DWDM系统对光源的要求？ 激光器波长的稳定与控制方式 可调谐激光器
9、实现技术,1）DWDM系统对光源的特殊要求：,标准而稳定的波长：系统工作波长较为密集，一般波长间隔为几纳米到零点几纳米，要求激光器工作在一个标准波长上，具有很好的稳定性； 比较大的色散容纳值。为延长传输系统的色散受限距离，DWDM系统的光源要使用色散容纳值很高的低啁啾激光器。,8.3.1 DWDM系统中的光源系统要求,中心波长和中心频率,标称中心频率或波长是以193.1THz（1552.52nm)为中心、间隔为100GHz的整数倍。,8.3.1 DWDM系统中的光源系统要求,指定波长符合ITU-T规定 波长漂移 /5（ITU-T） /10（国家）,光源的色散容限 光谱宽度-20dB 0.2nm
10、,8.3.1 DWDM系统中的光源系统要求,2）激光器波长的稳定与控制方式,WDM系统中，激光器波长的稳定十分关键，根据ITU-T G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光信道间隔的十分之一。,DFB的波长稳定：利用波长和管芯温度的对应特性，通过控制激光器管芯处的温度。对于1.5mDFB-LD，波长温度系数约为13GHz/oC。在25oC35oC范围内通过对管芯温度的反馈控制就可稳定LD的波长。 EML的波长稳定：改变温度来实现，波长温度系数0.08nm/oC，正常工作温度为25oC。在15oC35oC温度范围内调节芯片的温度，可使EML调节在指定的波长上。,影响波长漂移的因素有：温度、驱
11、动电流、老化。,8.3.1 DWDM系统中的光源控制方式,LD驱动电流也影响波长，灵敏度为0.008oC/mA，比温度的影响小一个数量级，其影响可以忽略。封装的温度也可能影响到器件的波长。,对于老化等原因所引起的波长长期变化，则要采用更加严格的波长反馈技术：采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长，并通过激光器控制电路对输出波长进行精确控制。,8.3.1 DWDM系统中的光源控制方式,电流控制技术通过改变注入电流实现波长的调谐，具有纳秒级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小。 温控技术通过改变激光器内的温度改变有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。单个模块的调谐宽度不宽，一般只有几个n
12、m，且调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间，因此这种激光器目前用在WDM系统中实用价值不大。基于温控技术主要有DFB和DBR-LD。 机械控制主要基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB、ECL和VCSEL等结构。,3）常见的可调谐激光器实现技术,8.3.1 DWDM系统中的光源可调谐激光器的实现,8.3.2 DWDM系统中的接收机,接收机必须能工作在复用波长所覆盖的范围上。并且尽可能使光接收机中的PIN/APD的波长响应度平坦化。 接收机的灵敏度尽可能高（最小接收光功率尽可能小）。 调谐时间短。,8.3.3 WDM
13、系统中的光放大器系统要求,足够的带宽 平坦的增益 低噪声系数 高输出功率,DWDM系统对光放大器的要求：,光放大器在DWDM系统中常作线路放大器、功率放大器和前置放大器。,1）增益带宽与增益平坦度,1997年4月，ITU-T Gmcs建议的波分复用波长范围为1528.77nm1565.61nm，可见目前应用的波长资源（1530nm1565nm ）还十分有限。 目前20 nm40 nm增益带宽可以满足432信道的波分复用系统。要进一步增大带宽以利用波长资源，则必须开发新型的光放大器。,8.3.3 WDM系统中的光放大器放大器的增益带宽,8.3.3 WDM系统中的光放大器增益竞争与增益控制,WDM
14、系统是一个多波长工作系统， EDFA工作时当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到存在的信号上，使其波长的功率提高。在接收端，由于电平的突然提高会带来误码；而且在极限情况下，当8路波长中7路丢失时，所有的功率都集中到一个波长上，功率会达到+17dBm左右，这又会带来强烈的非线性或接收机过载，也会带来误码。,自动增益控制模式 自动功率控制模式 自动电流控制模式,增益控制方法：,自动增益控制模式： 控制泵浦源增益的方法。EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的功率输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持（输出输入）增益不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。,8.3.3 WDM系统中的光放大器自动增益控制模式,自动功率控制模式： 在发送端，除了8（16）路工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长。在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持 EDFA输出功率和增益保持恒定。当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。,8.3
