光纤通信系统 53 波分复用系统 WDM

波分复用系统（WDM）1.波分复用系统及技术概念发展概况主要特点WDM系统的技术规范WDM系统的基本类型及其应用波分复用的相关技术什么是波分复用技术？WDM:(WavelengthDvisionMultiplexing)简单地说，不同的信号汇集在一起传输而互不干扰称为复用。“波分复用技术”指的是将不同波长的光信号汇集在一根光纤中发射传输，在接收端将它们分开。WDM技术的发展概况两波长WDM(1310/1550nm)80年代在AT&T网中使用90年代中期，发展缓慢从155M－622M－2.5G－10GTDM技术的相对简单性和波分复用器件的发展还没有完全成熟。1995年开始，高速发展(1)光纤色散和偏振模色散限制了10Gb/s的传输。(2)TDM10Gb/s面临着电子元器件响应时间的挑战。(3)光电器件的迅速发展。我国光通信的先行者武汉邮电科学研究院研制的波分复用技术，为光网络传输提供了实现“高速信息公路”的可能。1997年，武汉邮电科学研究院承担了具有国际领先水平的波分复用光网络技术的研究与开发。1999年，国产首条密集波分复用系统工程在山东投入实际运行，表明我国光通信产业在该领域中已取得了重大的突破，并一跃成为世界上少数能够开发、生产这一设备的国家之一。目前，我国已能够自行提供从集成式，半开放式到全开放式整个系列的密集波分复用系统。该系统将覆盖国家干线网，本地网、教育网。主要特点充分利用了光纤的巨大带宽节约了大量的光纤降低了器件的超高速要求通道对传输信号完全透明可扩展性好WDM系统的技术规范为了引进产品和国内自行开发的产品具有统一性，制定我国的标准十分必要。（a）现实的需要性，以2.5Gb／s系统为例，16波分单向就可达到40Gb／s的传输速率，这足以满足未来几年的业务需求；（b）技术的可行性。当前波分复用器件和激光器元件的技术都满足16个波长以上的复用。从当前应用上看，WDM系统只用于2.5Gb／s以上的高速率系统。因而在制定规范的过程中，我们主要考虑了基于2.5Gb／sSDH的干线网WDM系统的应用，承载信号为SDHSTM-16系统，即2.5Gb/s×N的WDM系统。对于承载信号为其他格式(例如IP)的系统和其它速率（例如10Gb/s×N）暂不作要求。工作波长区的选择对于常规G.652光纤，ITU-TG.692给出了以193.1THz为标准频率、间隔为100GHz的41个标准波长(192.1～196.1THz)，即1530～1561nm。（通道数量，中心波长，波长间隔，中心频率偏移等）通道号中心波长中心频率4波系统8波系统16波系统32波系统11535.82195.2*21536.61195.1*31537.40195.0*41538.19194.9*51538.98194.8*61539.77194.7*71540.56194.6*81541.35194.5*91542.14194.4*101542.94194.3*111543.73194.2*121544.53194.1*131545.32194.0*141546.12193.9*151546.92193.8*161547.72193.7*通道号中心波长中心频率4波系统8波系统16波系统32波系统171548.51193.6**181549.32193.5****191550.12193.4**201550.92193.3***211551.72193.2**221552.52193.1****231553.33193.0**241554.13192.9***251554.94192.8**261555.75192.7****271556.55192.6**281557.36192.5***291558.17192.4**301558.95192.3****311559.79192.2**321560.61192.1***WDM系统除了对各个通路的信号波长有明确的规定外，对中心频率偏移也有严格规定。通路中心频率偏移定义为通路实际的中心频率与通路中心频率标称值的差值。对通路间隔选择100GHz的16×2.5Gb/sWDM系统，到寿命终了时的频率偏移应不大于±20GHz。1310nm/1550nm窗口的波分复用:仍用于接入网，很少用于长距离传输1550nm窗口的密集波分复用(DWDM):广泛用于长距离传输1550nm窗口的稀疏波分复用(CWDM):用于城域网DWDMDenseWavelengthDivisionMultiplexerITU-TG692信道间隔：nm量级DlDf1.6nm200GHz0.8nm100GHz0.4nm50GHzCWDMCoarseWavelengthDivisionMultiplexer稀疏波分复用、粗波分复用信道间隔：20nm常用的波长为1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1590nm以及1610nm。正在考虑1290nm、1310nm、1330nm、1350nm、1380nm、1400nm、1420nm、1440nmWDM系统的基本类型及其应用(1)双纤单向传输单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。图7.7双纤单向WDM传输光发射机…光发射机复用器光纤放大器解复用器光接收机光接收机…1nl1lnl1…ln1n光接收机…光接收机解复用器光纤放大器复用器光发射机光发射机…1′n′l1…lnl1ln1′n′单纤双向传输光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的光发射机…光发射机光接收机光接收机…1nl1lnl1…ln1n光接收机…光接收机复用/解复用器光纤放大器光发射机光发射机…1′n′ln＋1…l2n1′n′复用/解复用器ln＋1l2n图7.8单纤双向WDM传输集成式波分复用系统：就是SDH终端具有满足G.692的光接口；标准的光波长、满足长距离的光源。整个系统构造比较简单，但是不能直接接纳过去老SDH系统和不同厂家的系统。开放式波分复用系统：就是波分复用器前端加入波长转移单元OTU，将当前SDH的G.957接口波长转换为G.692的标准波长光接口。可以接纳过去的老SDH系统，并实现不同厂家互联，但OTU的引入可能对系统性能带来一定的负面影响。双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素：如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道(OSC)传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。但与单向WDM系统相比，双向WDM系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。波长变换器（OUT）光分插复用设备(OADM）光放大设备(EDFA)光交叉互连设备(OXC)DWDM的线路光速率可从10Gbit/s、20Gbit/s、40Gbit/s、80Gbit/s、320Gbit/s直至1600Gbit/s。半开放式波分复用系统波长转移单元OTU(OpticalTransitionUnit)：将SDH终端送来的光信号，经过光—电—光转移，送出特定波长信号送入合波器(OMU)。SDH(SynchronousDigitalHierarchy)同步数字系列波分复用的相关技术1．光源技术WDM系统须利用长波长光源器件，它不仅要求激光管的发射波长高度稳定，保证器件与波导之间实现最佳耦合，插入损耗小，同时要求能把多路激光管和必要的附属电路集成在同一芯片上，使得多路光载波信号能够在一根光纤中加以传输。密集波分复用中的光源技术DWDM系统中，信道间距小，各个光通道的波长稳定性极为重要。ITU-TG.692规定了DWDM系统中每通道允许的波长最大偏移量小于1/5通道间隔。DWDM系统中使用的主要为DFB激光器，激光器管芯的温度变化会引起材料折射率及腔长的变化，引起激光器的波长变化；激光器的老化同样会引起激光器的波长漂移，有必要采用外部波长基准锁定激光器的波长。激光器波长的稳定技术就分基于温度反馈的波长控制技术和基于波长反馈的波长控制技术。2．光纤技术光纤通信中的非线性特性是影响WDM系统传输性能的关键因素。目前G.655光纤既解决了光纤的线性色散受限问题，又解决了光纤的非线性问题，对于运行1OGbit／s或更高速率系统比较容易，是WDM系统使用的主要光纤。3．光纤放大器技术4．光分波合波技术2.波分复用器件功能:功能原理及其分类技术指标为提升系统容量,实现在一根光纤中传输多个波长信号。合波分波波分复用器MUX波分解复用器DEMUX在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术，即光滤波技术。光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件，与波分复用有着密切关系，常常用来构成各种各样的波分复用器和解复用器。波分复用器和解复用器主要用在:•WDM终端•波长路由器•波长分插复用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)波分复用器件在WDM终端的应用波分复用器l1l2l3l4l1,l2,l3,l4波长路由器是波长选路网络(WavelengthRoutingNetwork)中的关键部件，其功能可由下图说明l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波长路由器波分复用器件在波长路由器中应用如果用来标记第i输入链路上的波长λj,则路由器的输入端口1上的波长记为、、、,输入端口2上的波长记为、、、。ijl11l12l13l14l21l22l23l24l在输入端口1上的波长中，如果和由输出端口1输出，则和由输出端口2输出；在输入端口2上的波长中，如果和由输出端口2输出，则和由输出端口1输出，这样，我们就称路由器交换了波长λ1和λ4。12l13l11l14l22l23l21l24l在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口，每一路上只有4个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口数是N(≥2)，并且每一端口的波长数是W(≥2)它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组λ1,λ2,λ3和λ4WDM信号。l1l2l3l4l1,l2,l3,l41111l1,l2,l3,l42222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221解复用器复用器如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为动态路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。OADMl1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l422l2l2原理及其分类波分复用器件是利用了一些特殊材料的光学特性，及色散、偏振、干涉等物理现象实现分波及其合波的功能。主要有光栅型、干涉滤波片型、阵列光波导型和熔锥型四种基本形式。1.色散型（光栅型）闪耀光栅光栅是指具有周期性透射或反射结构的器件。不同频率的光照射光栅时，由于衍射效应，透射或反射光将以不同的空间角度传播，就可将不同频率的光在空间进行合波或分波。闪耀光栅剖面图lnBOE1l1lnL1L2l1F1┋透射式二元光学波分复用器件光纤布拉格光栅＋环形器2.干涉滤波片型采用干涉滤波片来实现不同波长的光的分离，实现分/合波功能。由于采用了微等离子体镀膜技术，介质膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善，工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，中心波长温度系数可