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1、WDM原理专题-B文档密级：内部公开资料编码产品名称使用对象产品版本编写部门资料版本WDM原理理专题-BB拟制：日期：审核：日期：审核：日期：批准：日期：华为技术有有限公司版权所有侵侵权必究修 订 记 录日期修订版本作者描述2008-03-17华为机密，未经许可不得扩散第1页, 共89页WDM原理专题-B文档密级：内部公开目录1内容说明明61.1内容容介绍61.2内容容结构62波分复用用技术概述述72.1波分分复用光传传输技术772.1.11波分复用用的基本概概念72.1.22WDM技术术的发展背背景82.2DWWDM原理理概述92.3WDDM设备的的传输方式式112.3.11单向WDMM11
2、2.3.22双向WDMM112.4开放放式与集成成式系统1122.5WDDM系统组组成122.6WDDM的优势势132.7CWWDM简介介142.8思考考题153WDM传传输媒质1153.1光纤纤的结构1153.2光纤纤的模式1173.2.11传播模式式概念1773.2.22多模光纤纤183.2.33单模光纤纤183.3模场场直径和有有效面积1193.4光纤纤的种类2203.5光纤纤的基本特特性213.5.11光纤的损损耗213.5.22光纤中的的色散2333.5.33单模光纤纤的非线性性效应2663.6思考考题294DWDMM关键技术术304.1光源源304.1.11激光器的的调制方式式31
3、4.1.22激光器的的波长的稳稳定334.2光电电检测器3354.2.11PIN光电电二极管3354.2.22雪崩光电电二极管（APD）354.3光放放大器3664.3.11光放大器器概述3664.3.22掺铒光纤纤（EDFF）374.3.33EDFAA增益平坦坦控制3884.3.44EDFAA的增益锁锁定394.3.55掺铒光纤纤放大器的的优缺点4414.3.66拉曼光纤纤放大器4424.3.77有关光放放大器的技技术指标4434.4光复复用器和光光解复用器器434.4.11光栅型波波分复用器器444.4.22介质薄膜膜型波分复复用器464.4.33熔锥型波分分复用器474.4.44集成光波
4、波导型波分分复用器474.4.55波分复用用器件性能能比较4884.4.66对光复用用器件的基基本要求4484.5光监监控信道4494.5.11光监控通通路要求4494.5.22监控通路路接口参数数504.5.33监控通路路的帧结构构504.6新技技术514.6.11码型技术术514.6.22FEC技术术584.7思考考题615DWDMM光传输系系统的技术术规范6115.1ITTU-T有有关WDMM系统的建建议615.2传输输通道参考考点的定义义625.3光波波长区的分分配625.4思考考题646专用词汇汇及缩略语语652008-03-17华为机密，未经许可不得扩散第4页, 共89页WDM原理
5、专题-B文档密级：内部公开关键词： WDM DWDDM 光光纤 光源 光放大 复用和和解复用 光监控控信道 摘要：本课程主要要介绍了波波分复用技技术的基础础知识，并并对DWDDM的主要要关键技术术、DWDDM光传输输技术规范范进行了讲讲解。通过过本课程，您您可以对WWDM知识识以及光传传输网络的的发展方向向，有一个个较全面的的了解。缩略语清单单：无。参考资料清清单：（1）光光纤通信基基础（2）密密集波分复复用技术导导论（3）DDWDM传传输系统原原理与测试试（4）高高速光纤通通信ITUU-T规范范与系统设设计（5）城城域光网络络（6）TTA0522401 光监控信信道及其在在DWDMM系统中的
6、的应用 IISSUEE1.0（7）光光纤与光器器件专题-B（8）光光放大器专专题-B2008-03-17华为机密，未经许可不得扩散第88页, 共89页WDM原理专题-B文档密级：内部公开WDM 原原理专题-B 1 内容说明1.1 内容介绍本文主要介介绍了波分分复用技术术的基础知知识，并对对DWDMM的主要关关键技术、DDWDM光光传输技术术规范进行行了讲解。通通过本课程程，您可以以对WDMM知识以及及光传输网网络的发展展方向，有有一个较全全面的了解解。1.2 内容结构内容分为四四章：第一章波分分复用技术术概述这一章内容容告诉你什什么是波分分复用技术术，WDMM如何发展展而来，WWDM的工工作方
7、式和和组成形式式以及WDDM的特点点。通过本本章的学习习，可以使使我们对于于光传输网网络前沿技技术WDMM有一个基基本的了解解。第二章 WWDM传输输媒质这一章主要要介绍光纤纤的结构、种种类和特性性。通过这这一章的学学习使我们们对于G.652、GG.6533、G.6654、GG.6555光纤有一一个基本的的认识，同同时对于色色散、非线线性等概念念有一个基基本的了解解。第三章 DWDDM的关键键技术如果要把DDWDM这这种新型技技术转化为为商品，在在硬件上如如何实现呢呢？带着这这个疑问从从本节内容容中可以了了解到DWWDM的关关键技术以以及实现方方法，包括括光源、光光放大和波波分复用器器件等内容
8、容。第四章DWWDM光传传输系统的的技术规范范本章内容主主要介绍了了ITU-T对于WWDM系统统的一些建建议以及规规范，使我我们对于在在WDM系系统中涉及及的到的IITU-TT一些知识识有一个基基本的了解解。2 波分复用技技术概述& 目标：掌握WDMM的基本概概念。掌握WDMM的基本原原理、传输输方式以及及WDM的组成。了解WDMM的产生背背景、技术术特点。2.1 波分复用光光传输技术术2.1.1 波分复用的的基本概念念光通信系统统可以按照照不同的方方式进行分分类。如果果按照信号号的复用方方式来进行行分类，可可分为频分分复用系统统（FDMM-Freequenncy DDivission Mul
9、ttipleexingg ）、时时分复用系系统（TDDM-Tiime DDivission Multtipleexingg）、波分分复用系统统（WDMM- Waaveleengthh Divvisioon Muultipplexiing）和和空分复用用系统（SSDM-SSpacee Divvisioon Muultipplexiing）。所所谓频分、时时分、波分分和空分复复用，是指指按频率、时时间、波长长和空间来来进行分割割的光通信信系统。应应当说，频频率和波长长是紧密相相关的，频频分也即波波分，但在在光通信系系统中，由由于波分复复用系统分分离波长是是采用光学学分光元件件，它不同同于一般电电通
10、信中采采用的滤波波器，所以以我们仍将将两者分成成两个不同同的系统。波分复用是是光纤通信信中的一种种传输技术术，它利用用了一根光光纤可以同同时传输多多个不同波波长的光载载波的特点点，把光纤纤可能应用用的波长范范围划分成成若干个波波段，每个个波段作一一个独立的的通道传输输一种预定定波长的光光信号。光光波分复用用的实质是是在光纤上上进行光频频分复用（OOFDM），只只是因为光光波通常采采用波长而而不用频率率来描述、监监测与控制制。随着电电-光技术术的向前发发展，在同同一光纤中中波长的密密度会变得得很高。因因而，使用用术语密集集波分复用用（DWDDM-Deense Waveelenggth DDivi
11、ssion Multtipleexingg），与此此对照，还还有波长密密度较低的的WDM系系统，较低低密度的就就称为稀疏疏波分复用用（CWDDM-Cooarsee Wavve Diivisiion MMultiiplexxing）。这里可以将将一根光纤纤看作是一一个“多车道”的公用道道路，传统统的TDMM系统只不不过利用了了这条道路路的一条车车道，提高高比特率相相当于在该该车道上加加快行驶速速度来增加加单位时间间内的运输输量。而使使用DWDDM技术，类类似利用公公用道路上上尚未使用用的车道，以以获取光纤纤中未开发发的巨大传传输能力。2.1.2 WDM技术术的发展背背景随着科学技技术的迅猛猛发展
12、，通通信领域的的信息传送送量正以一一种加速度度的形式膨膨胀。信息息时代要求求越来越大大容量的传传输网络。近近几年来，世世界上的运运营公司及及设备制造造厂家把目目光更多地地转向了WWDM技术术，并对其其投以越来来越多的关关注，增加加光纤网络络的容量及及灵活性，提提高传输速速率和扩容容的手段可可以有多种种，下面对对几种扩容容方式进行行比较。n 空分复用SSDM（Spacce Diivisiion MMultiiplexxer）空分复用是是靠增加光光纤数量的的方式线性性增加传输输的容量，传传输设备也也线性增加加。在光缆制造造技术已经经非常成熟熟的今天，几几十芯的带带状光缆已已经比较普普遍，而且且先进
13、的光光纤接续技技术也使光光缆施工变变得简单，但但光纤数量量的增加无无疑仍然给给施工以及及将来线路路的维护带带来了诸多多不便，并并且对于已已有的光缆缆线路，如如果没有足足够的光纤纤数量，通通过重新敷敷设光缆来来扩容，工工程费用将将会成倍增增长。而且且，这种方方式并没有有充分利用用光纤的传传输带宽，造造成光纤带带宽资源的的浪费。作作为通信网网络的建设设，不可能能总是采用用敷设新光光纤的方式式来扩容，事事实上，在在工程之初初也很难预预测日益增增长的业务务需要和规规划应该敷敷设的光纤纤数。因此此，空分复复用的扩容容方式是十十分受限。n 时分复用TTDM（Timee Divvisioon Muultip
14、plexeer）时分复用也也是一项比比较常用的的扩容方式式，从传统统PDH的一一次群至四四次群的复复用，到如如今SDHH的STM-1、STM-4、STM-16乃至至STM-64的复复用。通过过时分复用用技术可以以成倍地提提高光传输输信息的容容量，极大大地降低了了每条电路路在设备和和线路方面面投入的成成本，并且且采用这种种复用方式式可以很容容易在数据据流中抽取取某些特定定的数字信信号，尤其其适合在需需要采取自自愈环保护护策略的网网络中使用用。但时分复用用的扩容方方式有两个个缺陷：第第一是影响响业务，即即在“全盘”升级至更更高的速率率等级时，网网络接口及及其设备需需要完全更更换，所以以在升级的的过
15、程中，不不得不中断断正在运行行的设备；第二是速速率的升级级缺乏灵活活性，以SSDH设备备为例，当当一个线路路速率为1155Mbbit/ss的系统被被要求提供供两个1555Mbiit/s的的通道时，就就只能将系系统升级到到622MMbit/s，即使使有两个1155Mbbit/ss将被闲置置，也没有有办法。对于更高速速率的时分分复用设备备，目前成成本还较高高，并且440Gbiit/s的的TDM设备备已经达到到电子器件件的速率极极限，即使使是10GGbit/s的速率率,在不同类类型光纤中中的非线性性效应也会会对传输产产生各种限限制。现在，时分分复用技术术是一种被被普遍采用用的扩容方方式，它可可以通过
16、不不断地进行行系统速率率升级实现现扩容的目目的，但当当达到一定定的速率等等级时，会会由于器件件和线路等等各方面特特性的限制制而不得不不寻找另外外的解决办办法。不管是采用用空分复用用还是时分分复用的扩扩容方式，基基本的传输输网络均采采用传统的的PDH或SDH技术术，即采用用单一波长长的光信号号传输，这这种传输方方式是对光光纤容量的的一种极大大浪费，因因为光纤的的带宽相对对于目前我我们利用的的单波长信信道来讲几几乎是无限限的。我们们一方面在在为网络的的拥挤不堪堪而忧心忡忡忡，另一一方面却让让大量的网网络资源白白白浪费。n 波分复用WWDM（WWavellengtth Diivisiion MMul
17、tiiplexxing）WDM波分分复用是利利用单模光光纤低损耗耗区的巨大大带宽，将将不同速率率（波长）的的光混合在在一起进行行传输，这这些不同波波长的光信信号所承载载的数字信信号可以是是相同速率率、相同数数据格式，也也可以是不不同速率、不不同数据格格式。可以以通过增加加新的波长长特性，按按用户的要要求确定网网络容量。对对于2.55Gb/ss以下的速速率的WDDM,目前前的技术可可以完全克克服由于光光纤的色散散和光纤非非线性效应应带来的限限制，满足足对传输容容量和传输输距离的各各种需求。WWDM扩容容方案的缺缺点是需要要较多的光光纤器件，增增加失效和和故障的概概率。n TDM和WWDM技术术合
18、用利用TDMM和WDMM两种技术术的优点进进行网络扩扩容是应用用的方向。可可以根据不不同的光纤纤类型选择择TDM的的最高传输输速率，在在这个基础础上再根据据传输容量量的大小选选择WDMM复用的光光信道数，在在可能情况况下使用最最多的光载载波。毫无无疑问，多多信道永远远比单信道道的传输容容量大，更更经济。2.2 DWDM原原理概述DWDM技技术是利用用单模光纤纤的带宽以以及低损耗耗的特性，采采用多个波波长作为载载波，允许许各载波信信道在光纤纤内同时传传输。与通通用的单信信道系统相相比，密集集WDM（DWDMM）不仅极极大地提高高了网络系系统的通信信容量，充充分利用了了光纤的带带宽，而且且它具有扩
19、扩容简单和和性能可靠靠等诸多优优点，特别别是它可以以直接接入入多种业务务更使得它它的应用前前景十分光光明。在模拟载波波通信系统统中，为了了充分利用用电缆的带带宽资源，提提高系统的的传输容量量，通常利利用频分复复用的方法法。即在同同一根电缆缆中同时传传输若干个个频率不同同的信号，接接收端根据据各载波频频率的不同同利用带通通滤波器滤滤出每一个个信道的信信号。同样，在光光纤通信系系统中也可可以采用光光的频分复复用的方法法来提高系系统的传输输容量。事事实上，这这样的复用用方法在光光纤通信系系统中是非非常有效的的。与模拟拟的载波通通信系统中中的频分复复用不同的的是，在光光纤通信系系统中是用用光波作为为信
20、号的载载波，根据据每一个信信道光波的的频率（或或波长）不不同将光纤纤的低损耗耗窗口划分分成若干个个信道，从从而在一根根光纤中实实现多路光光信号的复复用传输。由于目前一一些光器件件（如带宽宽很窄的滤滤光器、相相干光源等等）还不很很成熟，因因此，要实实现光信道道非常密集集的光频分分复用（相相干光通信信技术）是是很困难的的，但基于于目前的器器件水平，已已可以实现现相隔光信信道的频分分复用。人人们通常把把光信道间间隔较大（甚甚至在光纤纤不同窗口口上）的复复用称为光光波分复用用（WDMM），再把把在同一窗窗口中信道道间隔较小小的DWDDM称为密密集波分复复用（DWWDM）。随着科科技的进步步，现代的的技
21、术已经经能够实现现波长间隔隔为纳米级级的复用，甚甚至可以实实现波长间间隔为零点点几个纳米米级的复用用，只是在在器件的技技术要求上上更加严格格而已，因因此把波长长间隔较小小的16个个波、400个波、880乃至更更多个波长长的复用称称为DWDDM。DWDM系系统的构成成及光谱示示意图如图1-1所所示。发送送端的光发发射机发出出波长不同同而精度和和稳定度满满足一定要要求的光信信号，经过过光波长复复用器复用用在一起送送入掺铒光光纤功率放放大器（掺掺铒光纤放放大器主要要用来弥补补合波器引引起的功率率损失和提提高光信号号的发送功功率），再再将放大后后的多路光光信号送入入光纤传输输，中间可可以根据情情况决定
22、有有或没有光光线路放大大器，到达达接收端经经光前置放放大器（主主要用于提提高接收灵灵敏度，以以便延长传传输距离）放放大以后，送送入光波长长分波器分分解出原来来的各路光光信号。图1-1 DWDM系系统的构成成及频谱示示意图2.3 WDM设备备的传输方方式2.3.1 单向WDMM如图1-2所示，单单向波分复复用系统采采用两根光光纤，一根根光纤只完完成一个方方向光信号号的传输，反反向光信号号的传输由由另一根光光纤来完成成。图1-2 WDM的单单向传输方方式这种WDMM系统可以以充分利用用光纤的巨巨大带宽资资源，使一一根光纤的的传输容量量扩大几倍倍至几十倍倍。在长途途网中，可可以根据实实际业务量量的需
23、要逐逐步增加波波长来实现现扩容，十十分灵活。在在不清楚实实际光缆色色散的前提提下，也是是一种暂时时避免采用用超高速光光系统而利利用多个22.5Gbbit/ss系统实现现超大量传传输的手段段。2.3.2 双向WDMM如图1-3所示，双双向波分复复用系统则则只用一根根光纤，在在一根光纤纤中实现两两个方向光光信号的同同时传输，两两个方向光光信号应安安排在不同同波长上。单纤双向WWDM传输输方式允许许单根光纤纤携带全双双工通路，通通常可以比比单向传输输节约一半半的光纤器器件，由于于两个方向向传输的信信号不交互互产生FWWM（四波波混频）产产物，因此此其总的FFWM产物物比双纤单单向传输少少很多，但但缺
24、点是该该系统需要要采用特殊殊的措施来来对付光反反射（包括括由于光接接头引起的的离散反射射和光纤本本身的瑞利利后向反射射），以防防多径干扰扰；当需要要将光信号号放大以延延长传输距距离时，必必须采用双双向光纤放放大器以及及光环形器器等元件，但但其噪声系系数稍差。图1-3 WDM的双双向传输方方式ITU-TT建议G.692文文件对于单单纤双向WWDM和双双纤单向WWDM传输输方式的优优劣并未给给出明确的的看法。实实用的WDDM系统大大都采用双双纤单向传传输方式。2.4 开放式与集集成式系统统DWDM通通常有两种种应用形式式：n 开放式DWWDMn 集成式DWWDM开放式DWWDM系统统的特点是是对复
25、用终终端光接口口没有特别别的要求，只只要求这些些接口符合合ITU-T 建议议的光接口口标准。DDWDM系系统采用波波长转换技技术，将复复用终端的的光信号转转换成指定定的波长，不不同终端设设备的光信信号转换成成不同的符符合ITUU-T建议议的波长，然然后进行合合波。集成式DWWDM系统统没有采用用波长转换换技术，它它要求复用用终端的光光信号的波波长符合DDWDM系系统的规范范，不同的的复用终端端设备发送送不同的符符合ITUU-T建议议的波长，这这样他们在在接入合波波器时就能能占据不同同的通道，从从而完成合合波。根据工程的的需要可以以选用不同同的应用形形式。在实实际应用中中，开放式式DWDMM和集
26、成式式DWDMM可以混合合使用。2.5 WDM系统统组成N路波长复复用的WDDM系统的的总体结构构主要由发发送和接收收光复用终终端（OMMT）单元元与中继线线路放大（IILA）单单元三部分分组成，如如果按组成成模块来分分有：l 光波长转换换单元（OOTU）；l 波分复用器器：分波/合波器（OODU/OOMU）；l 光放大器（BBA/LAA/PA）；l 光监控信道道/通路（OOSC）；光波长转换换单元（OOTU）将将非标准的的波长转换换为ITUU-T所规规范的标准准波长，系系统中应用用光/电/光（O/E/O）的的变换，即即先用光电电二极管PPIN或AAPD把接接收到的光光信号转换换为电信号号，然
27、后该该电信号对对标准波长长的激光器器进行调制制，从而得得到新的合合乎要求的的光波长信信号。波分复用器器可分为发发端的光合合波器。光光合波器用用于传输系系统的发送送端，是一一种具有多多个输入端端口和一个个输出端口口的器件，它它的每一个个输入端口口输入一个个预选波长长的光信号号，输入的的不同波长长的光波由由同一输出出端口输出出。光分波波器用于传传输系统的的接收端，正正好与光合合波器相反反，它具有有一个输入入端口和多多个输出端端口，将多多个不同波波长信号分分类开来。光放大器不不但可以对对光信号进进行直接放放大，同时时还具有实实时、高增增益、宽带带、在线、低低噪声、低低损耗的全全光放大器器，是新一一代
28、光纤通通信系统中中必不可少少的关键器器件。在目目前实用的的光纤放大大器中主要要有掺铒光光纤放大器器（EDFFA）、半半导体光放放大器（SSOA）和和光纤拉曼曼放大器（FFRA）等等，其中掺掺铒光纤放放大器以其其优越的性性能被广泛泛应用于长长距离、大大容量、高高速率的光光纤通信系系统中，作作为前置放放大器、线线路放大器器、功率放放大器使用用。光监控信道道是为WDDM的光传传输系统的的监控而设设立的。IITU-TT建议优选选采用15510nmm波长，容容量为2MMbit/s。靠低低速率下高高的接收灵灵敏度（-48dBBm）仍能能正常工作作。但必须须在EDFFA之前下下光路，而而在EDFFA之后上上
29、光路。2.6 WDM的优优势光纤的容量量是极其巨巨大的，而而传统的光光纤通信系系统都是在在一根光纤纤中传输一一路光信号号，这样的的方法实际际上只使用用了光纤丰丰富带宽的的很少一部部分。为了了充分利用用光纤的巨巨大带宽资资源，增加加光纤的传传输容量，以以密集WDDM（DWDMM）技术为为核心的新新一代的光光纤通信技技术已经产产生。WDM技术术具有如下下特点：n 超大容量目前使用的的普通光纤纤可传输的的带宽是很很宽的，但但其利用率率还很低。使使用DWDDM技术可可以使一根根光纤的传传输容量比比单波长传传输容量增增加几倍、几几十倍乃至至几百倍。现现在商用最最高容量光光纤传输系系统为3.2Tbiit/
30、s系系统，华为为公司波分分系统可实实现1922x10GGbit/s或者880x400Gbitt/s方案案结构。n 对数据的“透明”传输由于DWDDM系统按按光波长的的不同进行行复用和解解复用，而而与信号的的速率和电电调制方式式无关，即即对数据是是“透明”的。一个个WDM系系统的业务务可以承载载多种格式式的“业务”信号，如如ATM、IIP或者将将来有可能能出现的信信号。WDDM系统完完成的是透透明传输，对对于“业务”层信号来来说，WDDM系统中中的各个光光波长通道道就像“虚拟”的光纤一一样。n 系统升级时时能最大限限度地保护护已有投资资在网络扩充充和发展中中，无需对对光缆线路路进行改造造，只需更
31、更换光发射射机和光接接收机即可可实现，是是理想的扩扩容手段，也也是引入宽宽带业务（例例如CATTV、HDTVV和B-ISSDN等）的的方便手段段，而且利利用增加一一个波长即即可引入任任意想要的的新业务或或新容量。n 高度的组网网灵活性、经经济性和可可靠性利用WDMM技术构成成的新型通通信网络比比用传统的的电时分复复用技术组组成的网络络结构要大大大简化，而而且网络层层次分明，各各种业务的的调度只需需调整相应应光信号的的波长即可可实现。由由于网络结结构简化、层层次分明以以及业务调调度方便，由由此而带来来的网络的的灵活性、经经济性和可可靠性是显显而易见的的。n 可兼容全光光交换可以预见，在在未来可望
32、望实现的全全光网络中中，各种电电信业务的的上/下、交叉叉连接等都都是在光上上通过对光光信号波长长的改变和和调整来实实现的。因因此，WDDM技术将将是实现全全光网的关关键技术之之一，而且且WDM系统统能与未来来的全光网网兼容，将将来可能会会在已经建建成的WDDM系统的的基础上实实现透明的的、具有高高度生存性性的全光网网络。2.7 CWDM简简介DWDM（密密集波分复复用）无疑疑是当今光光纤应用领领域的首选选技术，但但其也存在在着价格比比较昂贵的的一面。有有没有可能能以较低的的成本享用用波分复用用技术呢？面对这一一需求，CCWDM(稀疏波分分复用)应应运而生。稀疏波分复复用，顾名名思义，是是密集波
33、分分复用的近近亲，它们们的区别有有两点：（11）CWDDM载波通通道间距较较宽，因此此一根光纤纤上只能复复用2到116个左右右波长的光光波，“稀疏”与“密集”称谓的差差别就由此此而来；（22）CWDDM调制激激光采用非非冷却激光光，而DWWDM采用用的是冷却却激光，它它需要冷却却技术来稳稳定波长，实实现起来难难度很大，成成本也很高高。CWDDM避开了了这一难点点，CWDDM系统采采用的DFFB激光器器不需要冷冷却，因而而大幅降低低了成本，整整个CWDDM系统成成本只有DDWDM的的30%。随随着越来越越多的城域域网运营商商开始寻求求更合理的的传输解决决方案，CCWDM越越来越广泛泛地被业界界接
34、受。在同一根光光纤中传输输的不同波波长之间的的间距是区区分DWDDM和CWWDM的主主要参数。目目前的稀疏疏波分复用用系统一般般工作在从从12600nm到11620nnm波段，间间隔为200nm，可可复用166个波长通通道，其中中14000nm波段段由于损耗耗较大，一一般不用。相对于密集集波分复用用系统，稀稀疏波分复复用系统在在提供一定定数量的波波长和1000公里以以内的传输输距离的同同时，大大大降低了系系统的成本本，并具有有非常强的的灵活性。因因此稀疏波波分复用系系统主要应应用于城域域网中。CCWDM用用很低的成成本提供了了很高的接接入带宽，适适用于点对对点、以太太网、SOONET环环等各种
35、流流行的网络络结构，特特别适合短短距离、高高带宽、接接入点密集集的通信场场合，如大大楼内或大大楼之间的的网络通信信。但是，CWWDM是成成本与性能能折衷的产产物，不可可避免地存存在一些性性能上的局局限。业内内专家指出出，CWDDM目前主主要存在以以下三点不不足：（11）CWDDM在单根根光纤上支支持的复用用波长个数数较少，导导致日后扩扩容成本较较高；（22）复用器器、复用调调制器等设设备的成本本还应进一一步降低，这这些设备不不能只是DDWDM相相应设备的的简单改型型；（3）CCWDM还还未形成标标准。综上所述，波波分复用系系统从200世纪900年代中期期开始，受受市场需要要和技术发发展的驱动动
36、，在国内内外都呈现现出了飞速速发展的态态式，主要要应用于长长途传输网网的密集波波分复用系系统和应用用于城域网网以及以太太网的稀疏疏波分复用用系统都有有了很大的的突破并得得到了大量量的商用，同同时，系统统的发展主主要取决于于关键技术术的突破和和相关标准准的制定，过过去数年的的发展都证证明了这一一点。2.8 思考题什么是WDDM、DWWDM以及及CWDMM？简述WDMM设备的两两种传输方方式？什么是开放放式与集成成式系统？简述WDMM系统的组组成？3 WDM传输输媒质&目标：掌握光纤的的基本结构构和种类。了解光纤的的基本特性性。3.1 光纤的结构构通信中使用用的光纤，其其核心部分分是由圆柱柱形玻璃
37、纤纤芯和玻璃璃包层构成成，最外层层是一种弹弹性耐磨的的塑料护套套，整根光光纤呈圆柱柱形。光纤纤的典型结结构如图1-4所示示。图1-4 光纤的典型型结构图1-5 三种典型光光纤纤芯的粗细细、材料和和包层材料料的折射率率，对光纤纤的特性起起着决定性性的影响。图1-5所示为三种典型光纤的情况。从图中可看出，纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为阶跃折射率光纤。另一种是，纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减少，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称为渐变折射率光
38、纤。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5所示。3.2 光纤的模式式3.2.1 传播模式概概念光是一种频频率极高的的电磁波，根根据波动光光学和电磁磁场理论，通通过繁琐地地求解麦克克斯韦方程程组之后就就会发现：当光在光光纤中传播播时，如果果光纤纤芯芯的几何尺尺寸远大于于光波波长长时，光在在光纤中会会以几
39、十种种乃至几百百种传播模模式进行传传播。事实上，光光在光纤中中只能以一一组独立的的光线传播播。换句话话说，如果果我们能够够看到光纤纤的内部的的话，我们们会发现一一组光束以以不同的角角度传播，传传播的角度度从零到临临界角c，传播的角角度大于临临界角c的光线穿穿过纤芯进进入包层（不不满足全反反射的条件件），最终终能量被涂涂敷层吸收收，见图1-6。这这些不同的的光束称为为模式。通通俗的讲，模模式的传播播角度越小小，模式的的级越低。所所以，严格格按光纤中中心轴传播播的模式称称为零级模模式，或基基模；其它它与光纤中中心轴成一一定角度传传播的光束束皆称为高高次模。图1-6 光在阶跃折折射率光纤纤中的传播播
40、3.2.2 多模光纤随着纤芯直直径的粗细细不同，光光纤中传输输模式的数数量多少也也不同。因因此，阶跃跃折射率光光纤或渐变变折射率光光纤又都可可以按照传传输模式的的数量多少少，分为单单模光纤和和多模光纤纤。图1-7 光在阶跃折折射率多模模光纤中的的传播当光纤的几几何尺寸（主主要是芯径径d1）远大大于光波波波长时（约约1微米），光光纤传输的的过程中会会存在着几几十种乃至至几百种传传播模式。这这样的光纤纤称为多模模光纤。光光在阶跃折折射率多模模光纤中的的传播轨迹迹如图1-9所示，光光在渐变折折射率多模模光纤中的的传播轨迹迹如图1-8所示示。图1-8 光在渐变折折射率多模模光纤中的的传播由于不同的的传
41、播模式式具有不同同的传播速速度与相位位，因此经经过长距离离传输之后后会产生时时延差，导导致光脉冲冲变宽，这这种现象称称为模式色色散。模式式色散会使使多模光纤纤的带宽变变窄，降低低了其传输输容量，因因此多模光光纤仅适用用于低速率率、短距离离的光纤通通信。3.2.3 单模光纤当光纤的几几何尺寸(主要是芯芯径d1)较小，与与光波长在在同一数量量级，如芯芯径d1在510微米范范围，这时时，光纤只只允许一种种模式(基模)在其中传传播，其余余的高次模模全部截止止，这样的的光纤称为为单模光纤纤。光在单单模光纤中中的传播轨轨迹，简单单地讲是以以平行于光光纤中心轴轴线的形式式以直线方方式传播，如如图1-9所示。
42、图1-9 光在单模光光纤中的传传播轨迹因为光在单单模光纤中中仅以一种种模式（基基模）进行行传播，其其余的高次次模全部截截止，从而而避免了模模式色散的的问题，故故单模光纤纤特别适用用于大容量量长距离传传输。3.3 模场直径和和有效面积积在光纤中，光光能量不完完全集中在在纤芯中传传输，部分分能量在包包层中传输输，纤芯的的直径不能能反映光纤纤中光能量量的分布（如如图1-10），于于是提出了了模场直径径的概念。模模场直径就就是描述单单模光纤中中光能集中中程度的参参量。有效效面积与模模场直径的的物理意义义相同。通通过模场直直径可以利利用圆面积积公式计算算出有效面面积。模场直径与与有效面积积主要对通通过光
43、纤的的能量密度度有关。模模场直径越越小，通过过光纤横截截面的能量量密度就越越大。当通通过光纤的的能量密度度过大时，会会引起光纤纤的非线性性效应，造造成系统的的光信噪比比降低，大大大影响系系统性能。因因此，对于于传输光纤纤而言，模模场直径（或或有效面积积）越大越越好。图1-10 模场直径3.4 光纤的种类类由于单模光光纤具有内内部损耗低低、带宽大大、易于升升级扩容和和成本低的的优点，国国际上已一一致认同DDWDM系系统将只使使用单模光光纤作为传传输媒质。目目前，ITTU-T已已经在G.652、G.6553、G.6554和G.6555建议中中分别定义义了4种不同设设计的单模模光纤。其中G.6652
44、光纤纤是目前已已广泛使用用的单模光光纤，称为为13100nm性能能最佳的单单模光纤，又又称为色散散未移位的的光纤。按按纤芯折射射率剖面，又又可分为匹匹配包层光光纤和下陷陷包层光纤纤两类，两两者的性能能十分相近近，前者制制造简单，但但在15550nm波波长区的宏宏弯损耗和和微弯损耗耗稍大；而而后者连接接损耗稍大大。G.6533光纤称为为色散移位位光纤或11550nnm性能最最佳光纤。这这种光纤通通过设计光光纤折射率率的剖面，使使零色散点点移到15550nmm窗口，从从而与光纤纤的最小衰衰减窗口获获得匹配，使使超高速超超长距离光光纤传输成成为可能。G.6544光纤是截截止波长移移位的单模模光纤。这
45、这类光纤的的设计重点点是降低11550nnm的衰减减，其零色色散点仍然然在13110nm附附近，因而而15500nm的色色散较高，可可达18pps/(nnm.kmm)，必须须配用单纵纵模激光器器才能消除除色散的影影响。G.654光光纤主要应应用于需要要很长再生生段距离的的海底光纤纤通信。G.6555光纤是非非零色散移移位单模光光纤，与GG.6533光纤相近近，从而使使15500nm附近近保持了一一定的色散散值，避免免在DWDDM传输时时发生四波波混频现象象，适合于于DWDMM系统应用用。除上述所讲讲的四种已已正式标准准化的光纤纤外，还有有一种适合合于更大容容量和更长长传输距离离的大有效效面积光
46、纤纤也已经问问世。其零零色散点在在15100nm左右，但但有效面积积增大到772平方 mm以上，因因而可以更更有效地克克服非线性性影响，最最适合以110Gbiit/s为为基础的DDWDM系系统应用。 想一想：在我国，大大面积敷设设的是哪一一种光纤？3.5 光纤的基本本特性3.5.1 光纤的损耗耗光纤的衰减减或损耗是是一个非常常重要的、对对光信号的的传播产生生制约作用用的 特性性。光纤的的损耗限制制了没有光光放大的光光信号的传传播距离。光光纤的损耗耗主要取决决于吸收损损耗、散射射损耗、弯弯曲损耗三三种损耗。3.5.1.1 吸收损耗光纤吸收损损耗是制造造光纤的材材料本身造造成的，包包括紫外吸吸收、
47、红外外吸收和杂杂质吸收。n 红外和紫外外吸收损耗耗光纤材料组组成的原子子系统中，一一些处于低低能的电子子会吸收光光波能量而而跃迁到高高能级状态态，这种吸吸收的中心心波长在紫紫外的0.16m处，吸收收峰很强，其其尾巴延伸伸到光纤通通信波段，在在短波长区区，吸收峰峰值达1ddB/kmm，在长波波长区则小小得多，约约0.055dB/kkm。在红外波段段光纤基质质材料石英英玻璃的SSi-O键因因振动吸收收能量，这这种吸收带带损耗在99.1m、12.5m及21m处峰值可可达10ddB/kmm以上,因此构成成了石英光光纤工作波波长的上限限。红外吸吸收带的带带尾也向光光纤通信波波段延伸。但但影响小于于紫外吸收收带。在=1.555m时，由红红外吸收引引起的损耗耗小于0.01dBB/km。n 氢氧根离子子（OH-）吸收损损耗在石英光纤纤中，O-H键的基基本谐振波波长为2.73m，与Si-O键的谐谐振波长相相互影响，在在光纤的传传输频带内内产生