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第 1 章 WDM 概述
1.1 WDM 技术的产生背景 1.1.1 光网络复用技术的开展 随着信息时代宽带高速业务的不断开展,不但要求光传输系统向更大容量、更长 距离开展,而且,要求其交互便捷.因此,在光传输系统中引入了复用技术.所 谓复用技术是指利用光纤宽频带、大容量的特点,用一根光纤或光缆同时传输多 路信号.在多路信号传输系统中,信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要 作用. 光纤传输网的复用技术经历了 空分复用 〔 SDM 〕、 时分复用 〔 TDM 〕 到波分复用
〔 WDM 〕 三个阶段的开展. . SDM 技术设计简单、实用,但 必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数, 投资效益较差； TDM 技术的应用很广泛, 缺点是线路利用率较低； WDM 技术在 1根光纤上承载多个波长〔信道〕, , 使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段. . 光纤通信系统经历了几个开展阶段,从 70 年代末的 PDH 系统, 90 年代中期的 SDH系统 〔 经历了准同步数字体系〔 PDH 〕、同步数字体系〔 SDH 〕,和波分复用 〔 WDM 〕三个阶段 〕 ,以及近来风起云涌的 DWDM 系统,乃至将来的智能光网 络技术,光纤通信系统自身正在快速地更新换代. 波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了, 80 年代末、 90 年代初, AT&T 贝尔 实验室的厉鼎毅 〔T.YLee 〕博士大力倡导波分复用〔 DWDM 〕技术, , 两波长 WDM 〔 1310 / / 1550nm 〕 系统 80 年代就在美国 AT&T 网中使用,速率为 2 X 1.7Gb / s . 但是到 90 年代中期, WDM 系统开展速度并不快 . 从技术和经济的角度, DWDM 技术是目前最经济可行的扩容技术手段. WDM WDM 又叫波分复用技术,是新一代的超高速的光缆技术,所谓波分复用技术, 就是 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波, ,让数据传输速度和容量获得倍 增,它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源,采用合波器,在发送端将 不同规定波长的光载波进行合并,然后传入单模光纤.在接收局部将再由分波器 将 不同波长的光载分开的复用方式, , 由于不同波长的载波是相互独立的, 所以双
向传输问题,迎刃而解.根据不同的波分复用器〔分波器,合波器 X 可以复用不 同数量的波长. 通信系统的设计不同,每个波长之间的间隔宽度也有不同.根据通道间隔的不同, WDM 可以细分为 CWDM 〔稀疏波分复用〕和 DWDM 〔密集波分复用〕. . CWDM 的信道间隔为 20nm , , 而 DWDM 的信道间隔从 0.4nm 到 1.2nm , , 所以相对于
DWDM , , CWDM 称为稀疏波分复用技术. . DWDM 是一种能在一根光纤上同 时传送多个携带有信息〔模拟或数字〕的光载波, 只需通过增加波长〔信道〕实现系统扩容的光纤通信技术.它将几种不同波长的 光信号组合〔复用〕起来传输,传输后将光纤中组合的光信号再别离开〔解复用〕, 送入不同的通信终端,即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道,我们也可以 称之为虚拟光纤. 1.2 光波分复用和解复用器件的技术
概述
光波分复用器与解复用器属于光波分复用器件,又称为合波器与分波器,实际上 是一种 光学滤波器件. 在发送端,合波器〔 OM 〕的作用是把具有标称波长的各复用通路光信号合成为 一束光波,然后输入到光纤中进行传输,即对光波起复用作用. 在接收端,分波器 〔OD 〕的作用是把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的各 复用光通路信号,然后分别输入到相应的各光通路接收机中,即对光波起解复用 作用. 由于光合、分波器性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响,因此, 要求合、
分波器的衰耗、偏差、信道间的串扰必须小. . 1.2.1 光波分复用器件介绍 以下将简要介绍 4 种常见的波分复用器,以及不同波长数量的 DWDM 系统常用的复用器类型. 1 .常用光波分复用器简介 〔 1 〕 光栅型波分复用器
光栅型波分复用器属于角色散型器件.
利用不同波长的光信号在光栅上反射角度不同的特性,别离、合并不同波 长的光信号,工作原理如图 0-1 所示.
光栅型波分复用器具有优良的波长选择性,波长间隔可缩小到 0.5 nm 左右. 但是,由于光栅在制造上要求非常精密,不适合大批量生产,常用于实验 室的科学研究. 〔 2 〕介质薄膜型波分复用器 介质薄膜型波分复用器由薄膜滤波器〔 TFF 〕构成. TFF 由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成.一层 为高折射率,一层为低折射率,从而对一定的波长范围呈通带,而对另外 的波长范围呈阻带,形成所要求的滤波特性.工作原理如图 0-2 所示.
介质薄膜型波分复用器是一种结构稳定的小型化无源光器件,信号通带平 坦,插入损耗低,通路间隔度好.
九九图 0-1 光栅型波分复用器原理图 九 图 0-2 介质薄膜型波分复用器原理图
〔 3 〕 阵列波导波分复用器 〔 AWG 〕
Arrayed Waveguide Grating 阵列波导波分复用器是以光集成技术为根底的平面波导型器件,工作原理 如图 0-3 所示.
图 0-3 阵列波导型复用器原理图
AWG 结构紧凑,插损小,是光传送网络中实现合分波的优选方案. 〔 4 〕 耦合型波分复用器
耦合型波分复用器是将两根或者多根光纤靠贴在一起适度熔融而成的一种 外表交互式器件,一般用于合波器,工作原理如图 0-4 所示.
入 1 入 2 入 3 入4 入 5 入 6 入 7 图 0-4 耦合器型合波器原理图
耦合器型波分复用器只能实现合波功能,制造本钱低,但是引入损耗较大. 2 . DWDM 系统的复用 / 解复用器件 不同波长系统使用的光波分复用器件对应关系如表 0-1 所示. 表 0-1 DWDM 系统与光波分复用器件的对应关系 光波分 复用器类型 合波器 分波器 32 波以下 40 波 80 波以上 32 波以下 40 波 80 波以上 耦合型 V
阵列波导型 V V V V V V 介质薄膜型 V V
V V
光栅型
V
V
1.2.2 主要性能指标
1 .复用通路数 代表波分复用器件进行复用与解复用的光通路数量,与器件的分辨率、隔 离度等参数密切相关. 2 .插入损耗 波分复用器件本身对光信号的衰减作用,直接影响系统的传输距离. 不同类型的波分复用器件插损值不同, 插损越小越好. . 3 .隔离度 表征光元器件中各复用光通路彼此之间的隔离程度. 通路的隔离度越高 , 波分复用器件的选频特性就越好,串扰抑制比也越大,各复用光通路之间 的相互干扰影响也越小. 该参数仅对波长敏感型器件〔薄膜滤波器型和 AWG 型器件〕有意义.对 耦合型器件,参数无意义. 4 .反射系数 在波分复用器件的输入端,反射光功率与入射光功率之比为反射系数. 反
射系数值越小越好. . 5 .偏振相关损耗〔 PDL 〕
偏振相关损耗是指由光波的偏振态变化引起的插入损耗最大变化值. .
光是频率极高的电磁波,所以存在波的振动方向问题〔偏振〕.输入到波分 复用器件中的各复用通路光信号,其偏振态不可能完全一致,而同一波分 复用器件对不同偏振态的光波,其衰减作用也略有不同. PDL 值越小越好. .
6 .温度系数 温度系数是指,由于环境温度变化引起的复用通路中央工作频率的偏移. 波分复用器件的温度系数越小越好.系数越小,说明各复用通路的中央工 作频率越稳定. 7 . 带宽 波长敏感型器件〔薄膜滤波器型和 AWG 型器件〕参数之一,对于耦合型 波分复用器无意义. 带宽包括- - 0.5dB 通道宽度和- - 20dB 通道宽度两种. • - 0.5dB 通道宽度 当分波器插入 损耗下降 0.5dB 时, , 相应工作波长的变化值. 描述分波器的带通特性.良好的带通特性曲线应平坦、宽阔,带宽值越大 越好. • - 20dB 通道宽度 当分 波器插入损耗下降 20dB 时, , 相应工作波长的变化值. .
描述分波器的阻带特性.阻带特性曲线应陡峭,带宽值越小越好. 1.3 DWDM 工作波长范围 石英光纤有三个常用的低损耗窗口：
850nm 窗口、 1310nm 窗口和 1550nm 窗口,如图 1.3-1 所示.
损耗 (dB/km)
O：
Original Band,原始波段 E：
Extend Band,扩展波段 S：
Short Band,短波段 C：
Conventional Band,常规波段 L：
Long Band,长波段 图 1.3-1 光纤通信中的低损窗口 1. 850nm 窗口 波长范围 600nm~900nm .主要用于多模光纤,传输损耗较大〔平均损耗 2dB/km 〕.一般适用于短距的接入网环境,如光纤通道〔 FC 〕业务. 2. 1310nm 窗口 该波长区的可用波长下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数,上限 主要受限于 1385nm 处 OH 根吸收峰的影响. 工作范围为 1260nm~1360nm , 平均损耗 0.3dB/km 〜 0.4dB/km . 由于目前尚无工作于 1310nm 窗口的宽带光放大器, , 所以不适用于 DWDM 系统. . 〔 〔CWDM 器件不能用在长距离传输的设备 〕 3. 1550nm 窗口 该波长区的下限主要受限于 1385nm 处 OH 根吸收峰的影响,而上限主要 受限于红外吸收损耗和弯曲损耗的影响. 工作波长位于 1460nm~1625nm , 平均损耗 0.19dB/km 〜 0.25dB/km . 1550nm 窗口的损耗最低,可用于 SDH 信号的短距和长距通信.同时,由 于目前常用的光放大器 EDFA 在该窗口具有良好的增益平坦度, , 因此 , 1550nm窗口也适用于 DWDM 系统. . 1550nm 窗口的工作波长分为 3 局部 〔 S 波段、 C 波段和 L 波段〕,波长范 围如图 1.3-2 所示. Conventional band 1530- 1565nm 1565- 1625nm 图 1.3-2 1550nm窗口工作波长划分
〔 1 〕 S 波段〔 1460nm 〜 1530nm 〕：
由于 EDFA 工作波长范围位于 C 波段或 L 波
段, , 因此, , 目前 DWDM 系统中不使用 S 波段.
(2) C 波段( 1530nm 〜 1565nm )：
常用于 40 波以下 DWDM 系统( ( 频道间隔
100GHz ) ) 、 80 波 DWDM 系统( ( 频道间隔 50GHz ) ) 以及 SDH 系统 ( 同步数
字体系 ) 的工作波长区. . (3) L 波段( 1565nm 〜 1625nm )：
80 波以上 DWDM 系统的工作波长区. . 此时 , 频道间隔为 50GHz . . 1.4 DWDM 系统的工作波长 工作波长区说明
以下按 DWDM 系统的复用通道的数量,分别介绍不同系统的工作波长范围、频 率范围、通路间隔、中央频率偏差. 1. 8/16/32/40/48 波系统 工作波长范围：
C 波段( ( 1530nm~1565nm ) ) 频率范围：
191.3THz 〜 196.0THz 通路间隔：
100 GHz 中央频率偏差：
±20GHz (速率低于 2.5Gbit/s )； ±12.5GHz (速率 10Gbit/s ) 2. 80/96 波系统 工作波长范围：
C 波段( ( 1530nm~1565nm ) ) 频率范围：
C 波段( 191.30THz 〜 196.05THz ) 通路间隔：
50GHz 中央频率偏差：
±5GHz 3. 160/176 波系统 工作波长范围：
C 波段( ( 1530nm~1565nm ) +L 波段( ( 1565nm~1625nm ) ) 频率范围：
C 波段( 191.30 THz 〜 196.05 THz ),共 96 波； L 波段( 186.95 THz 〜 190.90 THz ),共 80 波. 通路间隔：
50GHz 中央频率偏差：
±5GHz
1.4.1 DWDM 波长分配
密集波分设备的工作波长严格遵循 ITU-T 建议的 G.692 标准,采用多信道系统使用的特定中央波长 和中央频率值. 1 .当密集波分设备为 C 波段 40 涉及以下波长系统时,通路间隔 100 GHz ,波长 分配如表 0-1 所示. 表 0-1 基于 C 波段的 40 CH 波长分配 波长 序号 子波段 名称 标称中央频率 (THz) 标称中央波长 (nm) 波长 序号 子波段 名称 标称中央频率 (THz) 标称中央波长 (nm) 1 C100_1 192.1 1560.61 21 C100_1 194.1 1544.53 2 C100_1 192 2 1559 79 22 C100_1 194 2 1543 73 3 C100_1 192.3 1558.98 23 C100_1 194.3 1542.94 4 C100 1 192.4 1558.17 24 C100 1 194.4 1542.14 5 C100_1 192.5 1557.36 25 C100_1 194.5 1541.35 6 C100_1 192.6 1556.55 26 C100_1 194.6 1540.56 7 C100 1 192 7 1555 75 27 C100 1 194 7 1539 77 8 C100_1 192.8 1554.94 28 C100_1 194.8 1538.98 9 C100_1 192.9 1554.13 29 C100_1 194.9 1538.19 10 C100_1 193 0 1553 33 30 C100_1 195 0 1537 40 11 C100_1 193.1 1552.52 31 C100_1 195.1 1536.61 12 C100_1 193.2 1551.72 32 C100_1 195.2 1535.82 13 C100_1 193 3 1550 92 33 C100_1 195 3 1535 04 14 C100_1 193.4 1550.12 34 C100_1 195.4 1534.25 15 C100 1 193.5 1549.32 35 C100 1 195.5 1533.47 16 C100_1 193.6 1548.51 36 C100_1 195.6 1532.68 17 C100_1 193.7 1547.72 37 C100_1 195.7 1531.90 18 C100 1 193 8 1546 92 38 C100 1 195 8 1531 12 19 C100_1 193.9 1546.12 39 C100_1 195.9 1530.33 20 C100 1 194.0 1545.32 40 C100 1 196.0 1529.55 注：子波段名称 C100_1表示 C波段波长间隔为 100 GHz的第 1个子波段.
1.5 主要性能指标
( 1 )通路间隔 通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差,包括均匀通路间隔和 非均匀通路间隔.目前,多数采用均匀通路间隔. DWDM 系统最小通路间隔为 50GHz 的整数倍.
• 复用通路为 8 波时, , 通路间隔为 200GHz . . • 复用通路为 16 波 /32 波 /40/48 波时, , 通路间隔为 100GHz . . • 复用通路为 80 波以上时, , 通路间隔为 50GHz . . 采用的通路间隔越小,要求分波器的分辨率越高,复用的通路数也越多. ( 2 )标称中央频率 标称中央频率是指 DWDM 系统中每个复用通路对应的中央波长( ( 频率) ).
例如,当复用通路为 16 波 /32 波 /40 波时,第 1 波的中央频率为 192.1THz , 通路间隔为 100GHz ,频率向上递增. ( 3 )中央频率偏移 中央频率偏移又称频偏, , 是指复用光通路的实际中央工作频率与标称中央
频率之间的偏差. .
国标规定, 100GHz ...