WDM基本原理简介

波分复用原理简介产生背景传输带宽的需求增长，传输系统需扩容：增加系统数量(光纤数量)：敷设光缆，没有有效利用光纤带宽提高系统速率(TDM时分复用PDH/SDH)：10Gb/s,40Gb/s电子器件技术极限/成本/G.652光纤1550nm窗口的高色散波分复用（WDM）技术EDFA(erbium-dopedfiberamplifier掺铒光纤放大器)的成熟和商用化基本概念波分复用(WDM)充分利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源，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，将多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器(亦称分波器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。波分复用在本质上是光域上的频分复用（FDM）技术。通道间隔的不同，可分为：–CWDM（CoarseWavelengthDivisionMultiplexing稀疏/粗波分复用）信道间隔为20nm–DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing密集波分复用）信道间隔从0.2nm到1.2nm。波分复用技术的优点(1)传输容量大，可以充分利用光纤的巨大带宽资源，节约宝贵的光纤资源。(2)对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型、多种格式的业务信号。对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。(3)扩容方便。WDM技术是理想的扩容手段。对于早期芯数不多的光纤系统，利用此技术，不必做较大改动，就可以轻松扩容。增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量。(4)组建动态可重构的光网络，在网络节点使用光分插复用器（OADM）或者使用光交叉连接设备（OXC），可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。WDM系统参考配置:系统接口示意图S1...Sn：信道1…n的发送机的输出光连接器处光纤上的参考点；RM1...RMn：OM/OA相对于信道1…n的输入光连接器前面的光纤上的参考点；MPI-S：OM/OA输出光连接器之后光纤上的参考点；S'：线路OA输出光连接器之后光纤上的参考点R'：线路OA输入光连接器之前光纤上的参考点MPI-R：OA/OD输入光连接器之前光纤上的参考点；SD1...SDn：OA/OD输出光连接器处的参考点；R1...Rn：接收机的输入光连接器处的参考点；G.957兼容光发送/接收器结合波长转换实现G.692发送器示意图G.691(STM-64)结合波长转换实现G.692发送器示意图DWDM系统的应用–集成式DWDM接入的单光传输设备终端具有满足G.692标准的光源（结构简单，体积小，多业务多速率）–开放式DWDM在波分复用器前加入波长转换单元，输出满足G.692，输入符合G.957/G.691光接口标准（兼容现有多厂商普通光源，确定波长(1310/1550)确定速率）–双纤双向系统–单纤双向系统实现DWDM的关键技术和器件（1）光源波长稳定、高色散容限–波长转换单元(O/E/O)（2）光复用/解复用无源器件，插入损耗小、隔离度大、偏振相关性低–合波器：耦合器型、介质膜滤波器型、集成光波导型(阵列波导光栅AWG)…–分波器：介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型…–光梳状滤波器(Interleaver)（100GHz--50GHz间隔）（3）光放大器高增益、增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关–掺铒光纤放大器（EDFA）–光纤喇曼放大器（FRA）（全波段，分布式，低噪声）（4）光监控通道OpticalSupervisoryChannel(OSC):由于光中继器只有光信号放大，没有电接口接入，业务信号开销(如SDH)也没有对EDFA监控的字节。为了对EDFA光中继器进行监视和管理而引入OSC，利用EDFA工作频带以外的一个波长进行监控和管理，传送网管、公务和监控信息。–ITU-T：1510nm(或1480nm,1310nm,EDFA带内)–国标：1510nm2Mbit/sCMI码（5）色散补偿由于光纤对不同频率分量的群速度色散不同将导致信号各频率分量之间产生群时延差，表现为时域脉冲展宽，引起符号间干扰，限制系统传输速率的提高和传输距离的延伸。高速(10Gb/s、40Gb/s)长距离传输系统必须解决好色散补偿问题。–色散补偿光纤（DCF）：负色散斜率，衰减较大，置于EDFA两级放大之间（6）前向纠错编码技术(FEC技术)前向纠错FEC是通过在传输码列中加入冗余位，在接受端通过纠错译码自动纠正传输中的差错来实现码纠错功能。从而降低OSNR(光信躁比)要求，延长传输距离。–带内FEC：利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的监督码元。编码增益较小。G.707–带外FEC：带外FEC的编码冗余度大，纠错能力强，具有较强的灵活性，编码增益较高。改变了调制速率。G.975(10.664Gb/s)/G.709(10.709Gb/s)–增强型FEC：应用于时延要求不严、编码增益要求特别高的光通信系统带外FECWDM相关标准波长分配DWDM:C波段、L波段ITU-TG.694.1国标50GHz间隔193.1+n×0.05(THz)(80*10Gb/s)(160*10Gb/s)196.05~191.80(优选196.05~192.10)196.05~191.80(C)+190.90~186.95(L)100GHz间隔193.1+n×0.1(THz)32*2.5Gb/s),32*10Gb/s16*10Gb/s40*10Gb/s连续频带192.1~195.2分离频带192.1~193.6,194.5~196.0192.1~193.6192.1~196.0CWDM:1271nm~1611nm(间隔20nm,共18个)应用代码有线路放大器的多通道系统应用代码nWx-y.zn最大波长数W跨距(间距)–L长距离long-haul;(目标距离80公里，22dB)–V甚长距离verylong-haul;(目标距离120公里，33dB)–V’(目标距离100公里，30dB，国标)–U超长距离ultralong-haul.(目标距离160公里，44dB)x最大跨距段(中继间隔)数量(x=1表示没有线路放大器，可省略)y波长信号的最高比特率(STM等级)z光纤类型:–2G.652光纤.–3G.653光纤.–5G.655光纤.WDM网元类型OTM光终端复用设备OADM光分插复用器OLA光线路放大器*OXC光交叉连接设备WDM系统的分层结构WDM保护方式1．基于单个波长，在SDH层实施保护：1+11:N自愈环2．光通道层保护(OCHP)3．光复用段层保护(OMSP)4．光线路保护(OLP)附录光纤波段Band波段Descriptor描述Range范围(nm)ObandOriginal原始1260to1360EbandExtended扩展1360to1460SbandShortwavelength短波1460to1530CbandConventional常规1530to1565LbandLongwavelength长波1565to1625UbandUltralongwavelength超长波1625to1675光纤类型G.652G.653G.655Non-zeroDispersion-shifted波长频率换算λf＝c,λ:波长；f:频率；c＝2.99792458*108m/s(真空光速)频率间隔与波长间隔：例f1=193.1THz,λ1=1552.52nm,Δf=100GHz,Δλ=?f1*λ1=c,(f1+Δf)(λ1-Δλ)=c(193.1+0.1)*1012(1552.52-Δλ)*10-9=2.99792458*108Δλ≈0.80nm掺铒光纤放大器EDFA放大原理每个光子的能量为：Ｅ=hv其中：Ｅ为光子的能量，v为光的频率，h为普朗克常数。掺铒光纤中的Er3+离子所处的能量状态处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与Er3+离子的某两个能级之间的能量差相等时，Er3+离子就会与光子发生相互作用，产生受激辐射和受激吸收效应。受激辐射是指Er3+离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子（即光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同）；受激吸收是指Er3+离子与光子相互作用从低能级跃迁到高能级，并且吸收激发光子激发态与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量差与1550nm的光子能量相同。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为1530~1570nm。*1310nm波长：掺镨光纤放大器(PDFA)光纤拉曼放大器（FRA）放大原理分布式拉曼放大器工作的基本原理是受激拉曼散射（SRS）效应：是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上。当波长较短（与信号波长相比）的泵浦光馈入光纤时，发生此类效应。泵浦光光子释放其自身的能量，释放出基于信号光波长的光子，将其能量叠加在信号光上，从而完成对信号光的放大。光纤喇曼放大器最重要的特点是增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可对光纤可用带宽内任意波长进行放大。其增益介质为普通传输光纤本身，分布式放大，噪声指数低。国际电联ITU-T建议：G.692带光放大器的多信道系统的光接口OpticalinterfacesformultichannelsystemswithopticalamplifiersG.694.1WDM应用的光谱珊格：DWDM频率珊格SpectralGridsforWDMApplications:DWDMFrequencyGridG.694.2WDM应用的光谱珊格：CWDM频率珊格SpectralGridsforWDMApplications:CDWDMWavelengthGrid……中华人民共和国通信行业标准：YD/T1060-2000《光波分复用系统（WDM）技术要求——32×2.5Gbit/s部分》YD/T1143-2001《光波分复用（WDM）技术要求——16×10Gb/s、32×10Gb/s部分》YD/T1279-2003《光波分复用系统（WDM）技术要求——160×10Gb/s、80×10Gb/s部分》……上海电信企业标准网站：