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1、 第八章第八章 波分复用技术波分复用技术第八章第八章 波分复用技术波分复用技术 波分（频分）复用波分（频分）复用波分复用（波分复用（WDM)频分复用（频分复用（OFDM)密集波分复用（密集波分复用（DWDM)粗波分复用（粗波分复用（CWDM) 时分复用时分复用 码分复用码分复用 空分复用空分复用 副载波复用副载波复用光纤通信复用技术 电时分复用（TDM）存在的问题： “电子瓶颈”限制： 10Gb/s40Gb/s 光纤色散限制 单波长通信系统远远不能有效利用光纤的带宽问题的提出问题的提出信号信号1信号信号2TDM 信号信号 光的时分复用光的时分复用1111110011110000 波分复用（WD
2、M） 一根光纤同时传输几个不同波长的光载波，每个光载波携带不同的信息。 WDM发展历程 1977年科学工作者提出年科学工作者提出WDM技术技术 1977年实现了年实现了1310/1550双波长复用系统双波长复用系统 并提出并提出波长间隔波长间隔200GHz(1.6nm) ；100GHz（0.8nm）、）、50GHz（0.4nm） 目前水平：商用系统：目前水平：商用系统：4010Gb/s；实验室：实验室：8240Gb/s=3.28Tb/s WDM技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术 1 2 3 4 WDM光纤光纤问题的提出问题的提出波分复用波分复用（W
3、DM）光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源第三传输窗口第三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1310131015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)OH离子吸收峰离子吸收峰光纤带宽：光纤带宽：1300nm窗口约窗口约100nm，1550nm窗口约窗口约100nm，共共200nm，约，约30THznm(dB/km)波分复用波分复用（WDM）系统光纤的带宽系统光纤的带宽2cf光纤带宽：光纤带宽： 和和分别为中心波长和相应的波段宽度分别为中心波长和
4、相应的波段宽度, c为为真空中光速。真空中光速。波分复用（波分复用（WDM）系统系统1310nm的窗口：的窗口：1.261.36m，相应的带宽为，相应的带宽为17.5THz。1550nm的窗口的窗口：1.481.58m，相应的带宽为，相应的带宽为12.5THz。 两个窗口总带宽超过两个窗口总带宽超过30THz。如果信道频率间隔。如果信道频率间隔为为50GHz（0.4nm），在理想情况下，一根光纤可以），在理想情况下，一根光纤可以容纳容纳600个信道。个信道。波分复用定义和特点波分复用定义和特点 波分复用波分复用 (WDM) 分为分为： 密集波分复用密集波分复用（DWDM）光载波复用数大于光载波
5、复用数大于8 8波，信波，信道间隔小于道间隔小于3.2nm。 粗波分复用技术粗波分复用技术(CWDM)波长范围：波长范围：1280nm1625nmm；（；（345nm带宽带宽）波长间隔：波长间隔：20nm（容纳（容纳1616个光信道个光信道）；）；在城域网中，要求硬件成本更低、功耗和体积更小。在城域网中，要求硬件成本更低、功耗和体积更小。 光频分复用光频分复用 (OFDM) 波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。 目前单波长可以达到目前单波长可以达到40Gb/s，但原中继器已经不能胜任，但原中继器已经不能胜任，单波长提高传输容量必须
6、构建新的路由，升级比较困难。单波长提高传输容量必须构建新的路由，升级比较困难。（1 1）波分复用：波分复用：每个波长无须达到每个波长无须达到40Gb/s，多个波长可大幅度多个波长可大幅度提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到11Tb/s。（2 2）采用光时分复用和光码分复用：采用光时分复用和光码分复用：但目前技术还不很成熟。但目前技术还不很成熟。单波长时分和码分单波长时分和码分在实验室已经达到在实验室已经达到640Gb/s (0.64Tb/s)。升级措施：升级措施：8.1.1 WDM工作原理工作原理 8.1 8.1 WDM工作原理工作原
7、理 一个波长在理论上比特率可达一个波长在理论上比特率可达1Tb/s, ,而目前光时分复用而目前光时分复用才达才达0.64Tb/s。光孤子通信光孤子通信2007年达到年达到80Gb/s和和120Gb/s。 普通方式比特率最高只能达到普通方式比特率最高只能达到40Gb/s。 而而普通方式则是采用的普通方式则是采用的2.5Gb/s 和和5Gb/s的单波长系统的单波长系统，其其技术相当成熟。为了发挥光纤带宽很宽的优势，人们采用技术相当成熟。为了发挥光纤带宽很宽的优势，人们采用了多个波长传输系统了多个波长传输系统波分复用系统波分复用系统。WDM系统的频谱分布图系统的频谱分布图 WDM系统的主要特性：系统
8、的主要特性： （1）通信容量升级容易通信容量升级容易NBB Tb/s5Gb/s20250,Gb/s20,250BBN则当（2）实现全透明通信实现全透明通信 无论异步还是同步数字系列，还是模拟通信，在整个无论异步还是同步数字系列，还是模拟通信，在整个传输过程中无须电交接，也无须电中继器，因此收发之间传输过程中无须电交接，也无须电中继器，因此收发之间全透明。全透明。（3）波分复用可以实现波长路由波分复用可以实现波长路由 线路中使用光路由器件（光分插复用器件、光交叉连接线路中使用光路由器件（光分插复用器件、光交叉连接器、波长变换器），把实际波长作为中间或者最终地址器、波长变换器），把实际波长作为中间
9、或者最终地址 ( (实实际就是实现光交换际就是实现光交换) ) 。典型的典型的WDM光通信链路光通信链路 光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 NN 1 2 2 3 3EDFA功放功放线放线放预放预放MUXDEMUX典型的点对点光纤通信系统典型的点对点光纤通信系统 1 1 NN 3 3 2 2光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机1nPA光发射机光发射机光中继放大光中继放大光接收机光接收机.光监控信道光监控信道 接收接收/ /发送发送网络管理系统网络管理系统光光纤纤1n光光合合波波器器 BA光转发射光转发射1 1 光监控信光监控信道发送器道
10、发送器 光转发射光转发射n n LA光光纤纤光监控信光监控信道发送器道发送器 接收接收n n接收接收1 1 .光光分分波波器器S1n 1 nSSSn光发送机：光发送机：将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器转换为各自特定波长将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA）放大输放大输出至光纤中传输。出至光纤中传输。n光中继放大：光中继放大：用采用了增益平坦技术的用采用了增益平坦技术的EDFA实现对不同波长光信号的相同增实现对不同波长光信号的相同增益放大。益放大。
11、n光接收机：光接收机：先由前置光放大器先由前置光放大器（PA）放大经传输衰减的主信道光信号，再用分放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。 光监控信道（光监控信道（OSC）：）：监控系统内各信道的传输情况。在发监控系统内各信道的传输情况。在发送端，插入本节点产生的波长送端，插入本节点产生的波长s为的光监控信号，如帧同步、为的光监控信号，如帧同步、公务及各种网管开销字节公务及各种网管开销字节( (多余的字节多余的字节) )，与主信道的光信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出合波
12、输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出s波波长的光监控信号和业务信道光信号。长的光监控信号和业务信道光信号。 网络管理系统：网络管理系统：通过光监控信道物理层传送开销字节和接收通过光监控信道物理层传送开销字节和接收开销字节，对开销字节，对WDM进行管理。实现配置、故障、安全、性进行管理。实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。能管理等功能，并与上级管理系统通信。WDM系统波长区分配系统波长区分配目前光波分复用系统的工作主要波长：目前光波分复用系统的工作主要波长：153015301562nm1562nm个信道)个信道)(50nm8 . 0nm40N比单信道提高通信容量比
13、单信道提高通信容量50倍。倍。 波分复用系统的串扰波分复用系统的串扰 合波器不易相互串扰，而分波器容易串扰（与解复用器的合波器不易相互串扰，而分波器容易串扰（与解复用器的分辨率有关）分辨率有关）串扰要求：串扰要求：dB30本本通通道道的的光光功功率率率率邻邻近近光光通通道道串串入入的的光光功功串串扰扰比比解：解： 例题：例题：在在1550nm附近，即附近，即15251565nm, 。nm40用用DFB-LD时，若实现信道间隔时，若实现信道间隔 , ,则可复用多少光则可复用多少光信道？信道？ nm8 . 0 WDM最早的就是两个波长最早的就是两个波长（1310nm、1550nm）的波长间的波长间
14、隔隔240nm。一般的波分复用技术（一般的波分复用技术（WDM) )是在是在1525nm1565nm 范围进行波分复用范围进行波分复用, ,频道间隔比较大，频道间隔比较大，410nm。DWDM：nmnmnmC8 . 0 ,4 . 0 ,2 . 0CWDM：nm104CWDM：nmC20表表8.1 是国际电信联盟制定的标准，信道间隔约为是国际电信联盟制定的标准，信道间隔约为0.8nm（0.790.80nm）。还有的公司能做到信道间隔还有的公司能做到信道间隔0.4nm、0.2nm。每个信道的中心波长也可用中心频率来表示。每个信道的中心波长也可用中心频率来表示。 密集波分复用对光源，复用器，解复用器
15、要求很严格。密集波分复用对光源，复用器，解复用器要求很严格。（1 1）用高稳定度的用高稳定度的DFB：波长稳定，谱线要窄，需要高精度控波长稳定，谱线要窄，需要高精度控制装置。制装置。（2 2）复用复用/ /解复用器要稳定，特别是解复用器的分辨率要高。解复用器要稳定，特别是解复用器的分辨率要高。 因此，密集波分复用技术造价昂贵，但性价比高，主要用于因此，密集波分复用技术造价昂贵，但性价比高，主要用于主干线。主干线。 粗波分复用信道波长间隔比较大，粗波分复用信道波长间隔比较大，20nm. .可以用于距离可以用于距离短的城域网中。激光器要求不严格：无须制冷，无须精确控短的城域网中。激光器要求不严格：
16、无须制冷，无须精确控制功率和波长。制功率和波长。 复用器，解复用器要求也不严格复用器，解复用器要求也不严格, , 价格低，实现复用解价格低，实现复用解复用比较容易。复用比较容易。表表8.2是国际电信联盟对是国际电信联盟对CWDM信道间隔的划分。全波长信道间隔的划分。全波长18个个光信道。光信道。 前边已介绍，也可自己看看这一节内容。前边已介绍，也可自己看看这一节内容。 8.3.1 WDM系统中的光源系统中的光源1.1. WDM系统对光源的要求系统对光源的要求 LED：谱线宽度谱线宽度50100nm, ,输出功率低，调制速率低，不适于输出功率低，调制速率低，不适于WDM光源。光源。F-P腔腔LD
17、：谱线宽度谱线宽度8nm左右，可作为粗波分复用左右，可作为粗波分复用（CWDM）。）。8.3.1 WDM系统中的光源系统中的光源 DFB和和DBR LD：谱线宽度谱线宽度110-3nm，调制后最大也不调制后最大也不过过0.2nm, ,可作为密集波分复用的光源。可作为密集波分复用的光源。 LD的调制速率可达数的调制速率可达数Gb/s到几十到几十Gb/s。 对对WDM系统的光源除了与其他光通信的一般要求外，系统的光源除了与其他光通信的一般要求外，还有特殊要求：还有特殊要求： 波长可调谐，线宽窄；波长可调谐，线宽窄； 单纵模工作；边模抑制比高，单纵模工作；边模抑制比高，3040dB； 啁啾小；啁啾小
18、； 波长和输出功率稳定；波长和输出功率稳定； 相对强度噪声小；相对强度噪声小； 功耗低。功耗低。8.3.1 WDM系统中的光源系统中的光源2.可作为可作为WDM系统光源的激光器件系统光源的激光器件 为符合国际电信联盟规定，用为符合国际电信联盟规定，用DFB激光器作为光源。激光器作为光源。 可调谐措施：可调谐措施： （1）分段式DBRLDDBR把电流分成两部分：把电流分成两部分：有源有源LD信号信号电流和调谐电流。电流和调谐电流。DBR把电流分成三部分：把电流分成三部分：有源有源LD段段, ,相位段相位段, ,布拉格段。布拉格段。 DFB激光器的布拉格光栅制作在管芯中，不可改变激光器的布拉格光栅
19、制作在管芯中，不可改变, ,于于是波长不可调谐。但它又随注入电流的改变折射率是波长不可调谐。但它又随注入电流的改变折射率n 在变化，在变化，且波长还随温度变化，布拉格光栅常数且波长还随温度变化，布拉格光栅常数 变化变化, ,波长又不稳波长又不稳定。定。 8.3.1 WDM系统中的光源系统中的光源（2）集成腔集成腔LD 集成腔集成腔LD是在半导体芯片上制作多个可调谐激光器，每是在半导体芯片上制作多个可调谐激光器，每个可调谐激光器调谐一个波长，多个激光器通过集成波导复用个可调谐激光器调谐一个波长，多个激光器通过集成波导复用器（多个输入端，一个输出端）耦合到光纤。器（多个输入端，一个输出端）耦合到光
20、纤。（3）光栅外腔激光器光栅外腔激光器 在在LD外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与LD的自然解理面构成一个外腔的自然解理面构成一个外腔。移动光栅可粗调，转动光栅可细移动光栅可粗调，转动光栅可细调。调谐范围达调。调谐范围达80nm，不足之处，体积大，稳定性差，调谐不足之处，体积大，稳定性差，调谐速度慢，早期曾用于速度慢，早期曾用于WDM系统，现在只当作测试光源系统，现在只当作测试光源。8.3.1 WDM系统中的光源系统中的光源8.3.2 WDM系统中的光接受系统中的光接受对对WDM光接收机的三点要求：光接收机的三点要求： 光接收机必须对所复用的波
21、长范围能均匀响应光接收机必须对所复用的波长范围能均匀响应。即分离出。即分离出来的各个波长进入各处光电检测器，每个光电检测器对应自来的各个波长进入各处光电检测器，每个光电检测器对应自己的入射光，响应度基本一致。己的入射光，响应度基本一致。 接收机的灵敏度高于单信道接收机灵敏度接收机的灵敏度高于单信道接收机灵敏度。因为复用时的。因为复用时的串扰会降低信噪比，所以串扰会降低信噪比，所以要提高几要提高几dB的灵敏度。的灵敏度。 自动调谐时间要短。自动调谐时间要短。个别波长在解复用时，不一定符合接个别波长在解复用时，不一定符合接收端要求，必须自动进行调谐，（自动检测波长，转换到相收端要求，必须自动进行调
22、谐，（自动检测波长，转换到相应光电二极管上）时间要求应光电二极管上）时间要求几几ns。 对对WDM系统若用过去的中继器，光系统若用过去的中继器，光电电光，只能真对一光，只能真对一个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。 用掺铒光纤放大器用掺铒光纤放大器EDFA，在在1550nm窗口附近，约有窗口附近，约有35nm带宽。可以对该波长范围的带宽。可以对该波长范围的WDM系统进行光放大。系统进行光放大。 EDFA的特点：的特点： 带宽较宽（掺铝并通过滤波器均衡后）带宽较宽（掺铝并通过滤波器均衡后）； 增益高，噪声低增益高，噪声低（Fn5dB
23、）； 对偏振不敏感对偏振不敏感。8.3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器WDM光放大器应用时要注意三点：光放大器应用时要注意三点： 增益的平坦性增益的平坦性 即使是掺铝的即使是掺铝的EDFA，在在35nm带宽内增益也不是平坦带宽内增益也不是平坦的，要想对各种波长进行同样的放大，必须对入射光进行的，要想对各种波长进行同样的放大，必须对入射光进行预均衡。预均衡。预均衡预均衡: : 发射机处预均衡，放大器中加均衡滤波器。发射机处预均衡，放大器中加均衡滤波器。 不均衡时，有的波长放大的很大而过载，有的则较小而不均衡时，有的波长放大的很大而过载，有的则较小而不满足最小接收光功率要求。因此必须考
24、虑均衡放大。不满足最小接收光功率要求。因此必须考虑均衡放大。 8.3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器 增益不同时增益不同时, ,ASE噪声噪声( (无信号输入时无信号输入时) )基线平坦程度不基线平坦程度不同。有信号输入时同。有信号输入时, ,不同增益下不同增益下, ,对不同波长放大不一致。对不同波长放大不一致。损耗不变滤波器的不足损耗不变滤波器的不足: :用于用于EDFA均衡的滤波器的种类均衡的滤波器的种类 损耗特性不变的滤波器损耗特性不变的滤波器 损耗特性可调的滤波器损耗特性可调的滤波器 介质薄膜型介质薄膜型 光纤光栅型光纤光栅型 M-Z干涉滤波器干涉滤波器 阵列波导滤波器阵列
25、波导滤波器 声光型滤波器声光型滤波器 8.3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器ASE平平坦度坦度3.5dBASE平平坦度坦度11dB37信道1547.7 nm输入输入Pin=- -30dB增益增益G=24dB输入输入Pin- -30dB增益增益G增大，增大， ASE噪噪声谱更加不平坦。声谱更加不平坦。1547.7 nm8.3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器 功率暂态与自动增益控制功率暂态与自动增益控制 图图8.3.11 是某信道刚上路时是某信道刚上路时, ,输出光功率随时间的变化关输出光功率随时间的变化关系系。00.04s功率上升较快功率上升较快, ,下降也较快下降也较快
26、.0.040.1s功率变化不大功率变化不大, ,处于稳态处于稳态. .即稳定时间为即稳定时间为0.04s 。 当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行上当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行上/ /下路下路时时, , EDFA的输入功率就会突然增加的输入功率就会突然增加/ /减小减小, , 导致导致EDFA的增益的增益发生暂态变化，其他信道从发生暂态变化，其他信道从EDFA的增益就会减小或增大，最的增益就会减小或增大，最终导致那些仍留在光纤链路上的信道到达各自接收机的功率发终导致那些仍留在光纤链路上的信道到达各自接收机的功率发生暂态变化，这就叫做生暂态变化，这就叫做功率暂态功率暂态。8.
27、3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器8.3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器00.04s功率上升较快功率上升较快0.040.1s功率变化不大功率变化不大图图8.3.11 某信道上路时对系统其他信道产生的影响某信道上路时对系统其他信道产生的影响0.04 s s因此须对因此须对EDFA加加自动增益控制电路自动增益控制电路信号幅度（信号幅度（mV ）0.10 s s是一个光放大器的是一个光放大器的kG倍。倍。 选择最佳增益值使信噪比尽量保持不变选择最佳增益值使信噪比尽量保持不变。多级级连时的总噪声系数多级级连时的总噪声系数Fn为为 kGFFn提高光发射机和光接收机的信噪比提高光发射机和光接收机的信噪比； 采用噪声系数采用噪声系数Fn小的小的EDFA。 (）kiFFFFF .21的增益的增益每个每个 EDFAG 的个数的个数EDFAk 降低噪降低噪声措施声措施ASE 噪声噪声 在光纤链路中往往都有多个在光纤链路中往往都有多个EDFA光放大器光放大器, ,这样就会这样就会导致前一个光放大器产生的自发辐射噪声被后级放大器放导致前一个光放大器产生的自发辐射噪声被后级放大器放大大, ,使噪声不断累加使噪声不断累加, ,于是信噪比降低于是信噪比降低。8.3.3 WDM系统中的光放大器系统中的光放大器