1、1 1第3章 高速率大容量光纤传输系统v 3.1 光纤通信的复用技术光纤通信的复用技术v 3.2 WDM/DWDM波分复用网络波分复用网络v 3.3 光放大技术及光放大器光放大技术及光放大器v 3.4 高速光纤技术高速光纤技术2 2 随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信系统运载信息能力通信系统运载信息能力的要求也日趋增强。 目前发展迅速的各种新型业务各种新型业务(高速数据、高速视频以高速数据、高速视频以及高速局域网等业务及高速局域网等业务)对通信网的带宽带宽(容量容量)提出了更高的要求，促使光纤传输系统向着更高速率、更大容量更高速率、更大容量的方向发展。 人们采用了各
2、种复用方法复用方法3 3 复用技术是为了提高通信线路的利用率提高通信线路的利用率而采用的在在同同一传输线路一传输线路上上同时传输多路不同信号同时传输多路不同信号而互不干扰而互不干扰的技术。 本节主要讲述波分复用波分复用、频分复用频分复用、副载波复用副载波复用、时分时分复用复用、空分复用空分复用和光码分复用光码分复用等几种常用的光复用技术。3.1 光纤通信的复用技术光纤通信的复用技术4 43.1.1 波分复用波分复用(WDM)技术技术 波分复用(WDM)是指在一根光纤一根光纤上同时传送多个波长多个波长的光载波的光载波，因此又称为光波长分割复用。 也即，将一根光纤转换为多条将一根光纤转换为多条“虚
3、拟虚拟”纤纤，每条虚拟纤独立工作在不同的波长上。 应用WDM技术，原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一光信道单一光信道变为可传送多个波长光载波的光信道多个波长光载波的光信道，使得光纤系统的容量大大地增加容量大大地增加，对实现高速通信有着十分重要的意义。5 5图3-1 WDM系统6 6WDM系统把光波作为信号的载波光波作为信号的载波，在发送端在发送端，采用复用器(合波器合波器)将载有信息的不同波长的光载波在光频域内以光频域内以一定的波长间隔一定的波长间隔合并起来，并送入一根光纤中进行传输；在接收端在接收端，再利用解复用器(分波器分波器)将各个不同波长的光载波分开，并作进一步的处理，恢复出原信
4、号后送入不同的终端。 在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输- 使一根光纤起到多根光纤的作用使一根光纤起到多根光纤的作用7 7 根据相邻信道波长之间的间隔不同，波分复用可分成粗粗波分复用(CWDM)和密集密集波分复用(DWDM)， 将相邻信道中心波长的间隔为50 nm100 nm的系统称为CWDM系统， 将相邻信道中心波长的间隔为 1 nm10 nm的系统称为DWDM系统。8 83.1.2 光频分复用光频分复用(OFDM)技术技术 光频分复用(OFDM)与光波分复用在本质上一样与光波分复用在本质上一样。 光频分复用是指当多个光信道在光频域内排列非常密集时，
5、不适合用波长来表征不适合用波长来表征而更适合用频率来衡量更适合用频率来衡量。一般将相邻光载波间隔小于相邻光载波间隔小于1 nm的系统的系统称为FDM系统。FDM系统将在光纤中传输的光波按其频率分割成若干按其频率分割成若干光波频道光波频道，每个频道作为信息的独立载体，实现在一条光在一条光纤中的多频道复用传输纤中的多频道复用传输。9 9 在发送端，在发送端，将各支路信息以适当的调制方式调制在相应的光载频上，经合波器合波器将各路FDM信号耦合到一根光纤中传输； 在接收端在接收端，用分波器将各种光载波信号分开，但在密集频分的情况下，传统的WDM器件难以区分各路光载波，需要采用分辨率更高的技术来选取各个
6、光载波，如利用可调谐光滤波器和相干光通信技术。 在接收端选取光载波的方法主要有两种，在接收端选取光载波的方法主要有两种，一种方法一种方法是利用相干光纤通信的外差检测方法，用本振激光器调谐；另一种方法另一种方法是利用常规的光纤通信的直接检测与可调谐光纤滤波器。10 103.1.3 副载波复用副载波复用(SCM)技术技术 光副载波复用首先首先将多路基带信号多路基带信号调制到不同频率的射频射频(副载波副载波，一般为超短波到微波的频率段)上， 然后然后将多路副载波信号多路副载波信号复用后再去复用后再去调制一个光载波调制一个光载波。 在发送端在发送端经过两次调制，先是进行电调制，载波是电射频波，再进行光
7、调制，载波是光波。 在接收端在接收端，同样也需要二步解调，首先利用光电检测器恢复出多路射频信号，然后用电子学的方法从各射频波中恢复出多路基带信号。 副载波复用系统采用两次两次调制和解调调制和解调， 两重载波两重载波：光波光波和射频波（副载波）射频波（副载波）11 11图3-2 SCM系统12 12SCM系统具有以下特点：(1)可采用现有成熟的微波技术和设备，实现较为简单，成本较低；(2)可以传输模拟信号,也可以传输数字信号，还可以同时传输模拟信号和数字信号，实现各种不同业务的兼容；(3)SCM系统只接收本地载波频带内的信号和噪声，因此接收灵敏度较高；(4)信道之间相互独立，不需要复杂的定时同步
8、技术。13 133.1.4 时分复用时分复用(TDM)技术技术 在电通信系统中，时分复用(TDM)技术是已经发展很成熟的一种复用方式，并且得到了广泛应用。但随着传输速率的提高，为进一步提高信息的传输速率，需考虑利用光的复接和分接技术。光时分复用(OTDM)技术是电时分复用技术在光学领域电时分复用技术在光学领域的延伸和扩展的延伸和扩展，使用高速光电器件高速光电器件来代替电子器件电子器件，完全完全在光域上实现从低速率到高速率的复用。在光域上实现从低速率到高速率的复用。14 14OTDM是用多路电信号调制具有同一个光频的不同光不同光通道通道(时隙时隙)，经复用后在同一根光纤中传输的技术。 在发送端发
9、送端对多个低速率数据流在光域进行复用，在接在接收端收端用光学方法进行解复用， 在光TDM中，各支路脉冲的位置用光学方法来调整，并由光纤耦合器光纤耦合器来合路合路，复用和解复用设备中的电子电路只工作在相对较低的速率。 （传统的电TDM是利用复用器的分路时钟，分别读取各个支路的信号进行合路。在电TDM信号中，各个支路的位置由复用器时钟来控制）15 15图3-3 时分复用系统16 16OTDM在发送端在发送端的同一载波波长上，把把时间时间分割成周分割成周期性的期性的帧帧，每一帧每一帧再分割成再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则时隙分配原则，使每个信元在每帧内只能按指定的时隙指定的时隙向向信
10、道发送信号信道发送信号； 接收端接收端在同步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号而不混扰。 17 17 OTDM可分为比特交错比特交错OTDM和分组交错分组交错OTDM，这两种复用方式都需要利用帧脉冲信号帧脉冲信号来区分不同的复用数据或分组。 比特交错比特交错OTDM在传输过程中按顺序将比特流比特流从1至n循环编号，编号为i的比特在第i路时隙中传输，每个时隙对应一个待复用的支路信息(一个比特)，同时还有一个帧脉冲信息，主要用于电路交换业务。 分组交错分组交错OTDM 帧中每个时隙对应一个待复用支路的分组信息(若干个比特区)，而帧脉冲作为不同分组的界限，主要用于分组交换业务。18 18比特交
11、错比特交错OTDM的实现的实现如图3-5所示。锁模激光器输出窄脉冲周期序列，经分路器分为n路，每路窄脉冲周期序列分别分配给各支路数据流，第i支路光数据流(i1，2，,n)脉冲通过适当长度的光纤延迟线延时i个时隙，未延时的光脉冲作为帧脉冲，延迟后的各路光脉冲经调制器被每路支路数据流(电信号)外调制，调制后的光脉冲以及帧脉冲经合路器形成高速光脉冲流在光纤中进行传输，其中帧脉冲的发送功率高于数据脉冲，以便于解复用。19 19图3-4 OTDM复接原理2020在接收端，在接收端，复用后的高速光脉冲流经分路器经分路器分成两个数据流，将其中一个数据流延迟延迟i个时隙个时隙后送入门限判决器门限判决器，由于帧
12、脉冲的能量大于数据脉冲的能量，因此判决器的输出为被延迟了i个时隙的帧脉冲，帧脉冲在时间上所处的位置与要提取的第i支路的信号脉冲相一致，将延时后的帧脉冲数据流与复接脉冲数据流进行逻辑与操作，与门输出的即为第i支路的数据流。21 21图3-5 比特交错OTDM的实现22223.1.5 空分复用空分复用(SDM)技术技术 空分复用(SDM)是指利用空间的分割空间的分割实现复用实现复用的一种方式，将多根光纤多根光纤组合成束组合成束实现空分复用，或者在同一根在同一根光纤中实现空分复用光纤中实现空分复用。 空分复用有两种：光纤复用光纤复用和波面分割复用波面分割复用。光纤复用光纤复用是指将多根光纤组合成束多
13、根光纤组合成束组成多个信道，相互独立传输信息。在光纤复用系统中，每根光纤只用于一个方向的信号传输，双向通信需要一对光纤双向通信需要一对光纤，即所需的光纤数量加倍。光纤复用可以认为是最早的和最简单最早的和最简单的光波复用方式。2323波面分割复用波面分割复用是指在同一根光纤中的纤芯区域纤芯区域光束沿光束沿空间进行波面分割空间进行波面分割复用。 由于单模光纤纤芯部分芯径很小，而且传输的光束波波面各点的面各点的相位值相位值存在存在随机变化随机变化，所以这种波面的空间分割是极为困难的。尽管最近提出了相干度的理论分割方法，采用多维相干度调制解调器实现多路空分复用，但是距离实用化还有漫长的道路要走。242
14、43.1.6 光码分复用光码分复用(OCDM)技术技术 光码分复用(OCDM)的工作原理与电码分复用相似，都是利用利用地址码调制地址码调制和和扩展频谱扩展频谱的原理来实现的原理来实现多址通信多址通信的。 发发送端送端给每个信道每个信道分配一个唯一的光正交码光正交码作为该信该信道的地址码道的地址码，对要传输的数据信息用用该地址码进行进行光编码光编码，将多路光编码信号多路光编码信号调制在同一光波上调制在同一光波上并在光纤信道中传输，实现多信道复用多信道复用； 接收端接收端用与发送端相应的地址码进行光解码，即可恢复出原信道的信号。OCDM系统如图。2525图3-6 OCDM系统2626OCDM系统采
15、用单极性正交码单极性正交码作为地址码地址码，单极性正交码是在二值域(1，0)上取值，且具有尖锐的自相关峰和弱的互相关性。它与传统的电域CDMA系统所采用的扩频序列有着本质上的区别。本质上的区别。 传统的扩频序列为传统的扩频序列为双极性扩频码双极性扩频码，取值为(1，1)，即正负电平都有，具有良好的自相关和互相关特性。不不能应用于能应用于现有的 IM-DD 光纤通信中。 直接检测的是光信号强度，光信号的强度为 有光有光 (对对应应“1”) 和 无光无光 (对应对应“0”)，这种双极性扩频码在二值域(1，0)上取值，其互相关峰很大，对系统的性能有致命的影响。 2727OCDM系统的核心部件核心部件
16、是光编解码器光编解码器，光编解码器的结构和特性直接影响系统的功率损耗、用户的规模、系统的误码率、运行的成本以及整个系统的灵活性。 根据地址码占用的资源不同，OCDM系统的编解码方式主要分为三种：时域编码、频域编码和空域编码。 在技术上最成熟的最成熟的是时域编码。时域编码。时域编码时域编码是利用时域的光序列时域的光序列进行编码，也称为扩频编码频域编码频域编码是对光脉冲的光谱光脉冲的光谱进行编码，又称为光谱编码；空域编码空域编码是利用空间光纤空间光纤进行编码。 2828OCDM系统时域编码的原理如图。在发送端，在发送端，光编码器将数据比特数据比特转换成扩频序列扩频序列；而在接收端在接收端，光解码器
17、利光解码器利用相关解码原理用相关解码原理将扩频序列扩频序列恢复为数据比特数据比特。 编码器根据地址码地址码将所要传输的二进制数据二进制数据“1”变换变换成成高速率光脉冲序列高速率光脉冲序列，光脉冲序列由地址码确定，对数据对数据“0”不进行编码不进行编码。经编码后，系统的传输速率增大传输速率增大了，频频谱展宽谱展宽了，展宽倍数为地址码的长度，通过设计合适的地址码，多个用户可共用一个光带宽， 接收端用与发送端相同的地址码对接收到的编码信号接收端用与发送端相同的地址码对接收到的编码信号进行解码，即可恢复出原信道的信号。进行解码，即可恢复出原信道的信号。2929图3-7 OCDM系统的时域编码3030
18、 波分复用(WDM)是高速全光通信中高速全光通信中传输容量潜力最大的一种多信道复用方式。 WDM技术对网络的扩容升级扩容升级、发展宽带新业务发展宽带新业务、充分充分挖掘和利用光纤带宽能力挖掘和利用光纤带宽能力、实现超高速通信实现超高速通信等具有十分重要的意义。3.2 WDM/DWDM波分复用网络波分复用网络31 313.2.1 WDM/DWDM的概念的概念 WDM是指利用一根光纤一根光纤同时传送多个不同波长的光载多个不同波长的光载波波，这些不同波长的光载波所承载的信号可以可以具有相同的速率和相同的数据格式，也可以也可以具有不同的速率和不同的数据格式。WDM的基本原理的基本原理：在发送端在发送端
19、采用复用器(合波器)将不同波长的光信号进行合并，在接收端在接收端利用解复用器(分波器)将合并的光信号分开并送入不同的终端。 采用WDM技术后，使一个光波长作为载波的单一光信道可变为可变为多个不同波长的光信道同时在光纤中传输同时在光纤中传输，从而扩大了光纤通信系统的传输容量扩大了光纤通信系统的传输容量。3232单根光纤在波长分别为1310nm和1550nm处有两个低损低损耗窗口耗窗口，分别有频率为12THz和15THz的带宽，均可进行长距离通信，利用利用WDM技术可以在技术可以在1310nm和和1550nm窗口内窗口内进行复用，实现系统的扩容进行复用，实现系统的扩容。 早在20世纪80年代初，人
20、们首先想到首先想到的就是在两个低损耗窗口各传输一路光波长信号，实现在一根光纤中同时实现在一根光纤中同时传送两个波长的光载波，传送两个波长的光载波，这就是1310nm/1550nm两波长的WDM系统。3333 EDFA(掺铒光纤放大器)的商用化，不再利用1310 nm窗口，而是只在只在1550 nm窗口窗口传输多路光载波信号。 从本质上说，DWDM只是WDM的一种形式，而WDM更具有普遍性。3434 一般情况下，如不特指1310 nm/1550 nm两波长的WDM系统，人们所说的WDM系统就是指DWDM系统系统。 目前WDM都是工作在1550 nm波长区段内的，其中称1525 nm1550 nm
21、波段为C波段波段目前系统所使用的波段 若能消除光纤损耗谱中的尖峰，则可在1280 nm1620 nm波段内充分利用光纤的低损耗特性，使WDM系统的可用波长范围达到340 nm左右，大大提高光纤通信系统的传输容量。3535WDM系统的优点系统的优点：(1)超大容量传输超大容量传输。(低损耗波段)使一根光纤的传输容量比单波长传输时的增加几倍至几十倍，可达到300 Gb/s400 Gb/s，从而降低了成本降低了成本，具有很大的应用价值，在很大程度上解决了传输带宽问题。(2)传输多种不同类型信号传输多种不同类型信号。WDM系统各复用通路使用的各信号波长彼此相互独立各信号波长彼此相互独立，因而可以传输特
22、性完全不同的业务信号，完成各种通信业务的合成与分解，包括数字包括数字信号和模拟信号，信号和模拟信号，以及准准同步数字序列信号同步数字序列信号和同步数字序同步数字序列信号列信号，实现多媒体信号(语音、数据和图像等)的传输。3636(3)多种网络应用形式多种网络应用形式。根据不同的需求，WDM技术可有很多种应用形式，如长途干线网络、广播式分配网络以及多路多址局域网络应用等。(4)扩充网络容量，减少投资扩充网络容量，减少投资。对已建的光纤通信系统扩容较方便，只要原系统的功率富余度较大，进一步增容不用敷设更多的光纤线路，也无须使用高速率的网络部分，只要更换光端机就可实现网络容量的扩充只要更换光端机就可
23、实现网络容量的扩充。3737(5)组网灵活可靠组网灵活可靠。在网络节点使用光分插复用器光分插复用器(OADM)可直接上/下路光波长信号，或使用光交叉连接设光交叉连接设备备(OXC)对光波长直接进行交叉连接，组成具有高灵活性、高可靠性和高生存性的全光网络。(6)实用高效实用高效,性能优良性能优良。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)技术技术在特定的频带内，无须进行光/电转换就可直接放大光信号直接放大光信号，为高密度波分复用传输系统的应用提供了最佳扩展空间。(7)业务透明业务透明。波分复用通道对数据格式是透明的波分复用通道对数据格式是透明的，与信号传输速率及电调制方式无关，可通过增加一个附加波
24、长引入新业务或新容量，如IPoverWDM技术。3838(8)降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求。随着信息传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，因此使用WDM技术既可降低对一些器件在性能上的要求，又可实现大容量信息的传输。39393.2.2 DWDM的组成的组成 1.DWDM的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理DWDM系统主要由六部分组成，即光发射机、光中继光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道、网络管理系统放大器、光接收机、光监控信道、网络管理系统和光纤光纤。在发送端，光发射机光发射机首先将来自终端设备符合G.957协议的非特定波长的光信号,经光波转发器光波转
25、发器(OTU)转换为G.692定义的稳定的特定波长的光信号，然后利用光合波器光合波器将多个不同波长的光信号合成多通路光信号，经光功率放大器光功率放大器放大后送入光纤信道。4040图3-10 DWDM系统的基本结构41 41光中继放大器光中继放大器把单根光纤中多个波长的光信号同时放大以补偿线路损耗，从而延长通信距离。目前一般使用目前一般使用EDFA，而且必须采用增益平坦技术增益平坦技术使EDFA对不同波长的光信号具有相同的增益。在接收端在接收端，经传输而衰减的主信道光信号由光前置放光前置放大器放大大器放大后，利用分波器分波器从主信道的光信号中分出各个特定波长的光信号，再经OTU转换成原终端设备所
26、具有的非特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度和过载功率等参数的要求，而且要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。4242光监控信道光监控信道主要用于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为s (1510nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，从接收到的光信号中分离出光监控信号。 另外，帧同步字节、公务字节帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节网管所用的开销字节等都能通过光监控信道传输。由于光监控信号是利用光监控信号是利用EDFA工作波段以外的波长工作波段以外的波长，因此光监控信号不能通过光监控信号不能通过EDFA，只能在EDF
27、A的后面插入后面插入，在EDFA的前面取出前面取出。4343网络管理系统网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点，或者接收其他节点的开销字节对DWDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理系统(如TMN)相连。44442.DWDM的基本构成的基本构成DWDM系统的基本构成主要有双纤单向传输双纤单向传输、单纤双单纤双向传输向传输和光分路插入传输光分路插入传输三种基本形式。双纤单向双纤单向DWDM传输传输是指所有光通路在一根光纤上同时沿同一方向传送。 在发送端在发送端，将具有不同波长1,2,n的载有各种信息的已调光信号经光复用器组合在一起，并在一根光纤
28、中单向传输。在接收端在接收端，通过解复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输。由于各信号是通过不同光波长携带的，因此互相间不会产生干扰。同理，反方向同理，反方向的信息通过另一根光纤传输。的信息通过另一根光纤传输。4545图3-11 双纤单向DWDM传输4646 单纤双向单纤双向DWDM传输传输是指光通路在一根光纤上同时沿光通路在一根光纤上同时沿两个不同的方向传送两个不同的方向传送，所有波长是相互分开的，以实现双向全双工的通信。4747 双纤单向双纤单向DWDM传输系统传输系统设备简单，易于实现，但所使用的光纤和线路放大器的数量较多。 单纤双向单纤双向DWDM传输系统传输系统的开发和应
29、用相对要求较高，在设计和应用双向DWDM传输系统时需考虑几个关键因素， 如为抑制多通道干扰，须注意如为抑制多通道干扰，须注意光反射的影响、双向通道间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向的功率电平值和相互的依赖性、光监控信道传输和自动功率关断等问题，同时还必须使用双向光纤放大器必须使用双向光纤放大器。 虽然单纤双向单纤双向DWDM传输系统传输系统的实现较复杂，但与双纤单向DWDM传输系统相比，可以减少光纤和线路放大器的使用数量，降低系统的成本降低系统的成本。4848光分路插入传输光分路插入传输结构如图。 两端都需要一组复用复用/解复用器解复用器MD，通过解复用器将光信号1、2从线路中分出来，并且利
30、用复用器将光信号3、4插入到线路中进行传输。 通过各波长光信号的合波和分波合波和分波实现信息的上上/下通路下通路，这样就可以根据光纤通信线路沿线的业务量分布，合理地安排插入或分出信号，如哪些信号是本地区内使用的，哪些信号是跨地区使用的等。49493.DWDM系统中的主要设备系统中的主要设备在DWDM系统中使用的主要设备有DWDM激光器激光器、光光波复用器、光接收器和光放大器波复用器、光接收器和光放大器等。(1)DWDM激光器激光器。选用1550 nm波段的高分辨率或窄高分辨率或窄带激光器带激光器。当信号沿光纤传输时，光信号的传输功耗小，能保证尽可能长的传输距离和信号完整性。(2)光波复用器光波
31、复用器。它是DWDM系统中最关键的设备最关键的设备。从原理上说，光复用器是双向可逆光复用器是双向可逆的，若将一个光复用器的输入和输出调换过来，则就是解复用器解复用器。5050(3)光接收器光接收器。负责检测进入的光波信号，并将它转换转换为一种适当的电信号为一种适当的电信号，以便接收设备处理。(4)光放大器光放大器。用来提升光信号，补偿补偿由于长距离传输而导致光信号功耗的衰减光信号功耗的衰减。51 513.2.3 DWDM关键技术关键技术 DWDM系统的关键技术包括三个方面，即光源技术、光源技术、光滤波技术、光放大技术。光滤波技术、光放大技术。1.光源技术光源技术光源技术是DWDM系统的关键要素
32、之一，光源特性的光源特性的优劣直接影响到优劣直接影响到DWDM系统的传输性能。系统的传输性能。DWDM系统同时传输多个光信道的信号，每个信道采用不同的波长，且波每个信道采用不同的波长，且波长间的间隔很小，长间的间隔很小，因此对光源有着较高的要求。5252 为避免不同波长信道的互相干扰，即要求激光器的输要求激光器的输出波长是标准的和稳定的出波长是标准的和稳定的。 另外，由于采用了光放大器，因此DWDM系统的无再生中继距离可大大延长。 例如，SDH系统的再生距离一般为系统的再生距离一般为50 km60 km，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字信号继续传输；而DWDM系统每隔系统每隔80 km
33、采用一个采用一个EDFA，它只对信号进行放大，没有整形和定时功能。在进行500 km600 km的传输后才进行光/电再生，因此需要延长光源的色散受限距离，将其提高到600 km以上。DWDM系统中光源的突出特点是有比较大的色散容纳值和标准而稳定的波长。5353DWDM系统中常用的光源主要有分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB)、量子阱、量子阱(QW)半导体激光器、掺铒光纤激光器、波半导体激光器、掺铒光纤激光器、波长可调谐激光器长可调谐激光器。5454(1)分布反馈激光器分布反馈激光器。DFB是一种典型的单纵模激光器单纵模激光器(SLM)，其产生单纵模的机制是利用布拉格反射原理。其优点如下：动态
34、单纵模窄线宽振荡。由于DFB激光器中光栅的栅距很小，形成一个微型的谐振腔谐振腔，对波长具有良好的选择性，因此光波谱线宽度很窄光波谱线宽度很窄，并能在高速调制下保持单高速调制下保持单纵模振荡纵模振荡。 波长稳定性好。DFB激光器中的光栅有助于将信号锁定在所需的工作波长上，且其温度漂移很小，约为0.08 nm/。5555图3-14 布拉格反射5656 (2)量子阱量子阱。量子阱(QW)半导体激光器是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠的半导体激光器，是极有发展前途的一种激光器。具有如下优点：5757阈值电流低阈值电流低。由于其中“阱”的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有
35、源区内粒子数反转浓度很高，大大降低了阈值电流，其阈值电流低密度可降至双异质结激光器的1/3和1/5。谱线宽度很窄谱线宽度很窄。与双异质结激光器相比，其谱线宽度可缩小一倍。温度灵敏度低温度灵敏度低。调制速度快。频率啁啾小，动态单纵模特性好频率啁啾小，动态单纵模特性好，横模控制能力强。5858(3)掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器。其利用光纤光栅技术光纤光栅技术，把掺铒光纤在相隔一定长度的两处接入光栅，两光栅之间相当于谐两光栅之间相当于谐振腔，振腔，光波的传输由光纤承担。泵浦光从掺铒光纤激光器左边光栅耦合进入光纤，由于光栅的选频作用，因此谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过隔离器输出线
36、宽窄、功率高和噪声低的激光。 图3-15 掺铒光纤激光器5959掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器具有如下优点： 输出激光的稳定性及光谱纯度均优于半导体激光器。 输出光功率较高，可达到10mW以上，并且噪声低。 谱线宽度极窄，可做到2.5kHz，并且有较宽的调谐范围，其值可达50nm。6060 (4)波长可调谐激光器波长可调谐激光器。波长可调谐激光器可以根据需要进行光波长的改变。 改变波长的方法之一是通过改变注入电流通过改变注入电流，使发光材料的折射率发射改变，从而在一定范围内改变和控制激光器的输出波长。 其主要考虑的性能指标是波长调谐速度波长调谐速度和波长调谐范围。波长调谐范围。61 612.光滤
37、波技术光滤波技术光滤波器只允许特定波长只允许特定波长(频率频率)的光顺利通过的光顺利通过，也称为滤光器。如果通过它的波长波长(频率频率)可以改变可以改变，则称为波长可可调谐光滤波器调谐光滤波器。光滤波器在DWDM系统和全光交换系统中具有重要的应用价值。 最典型的一种可调谐光滤波器可调谐光滤波器是F-P光滤波器光滤波器，其基本原理如图。6262图3-16 F-P光滤波器6363三种介质由一对高度平行的高反射率镜面分割开，形成一个波长选择性的F-P光滤波器腔体光滤波器腔体。 谐振腔的长度为L，材料折射率为n，当光波以入射角度入射左镜子时，其中部分的入射光透过镜子射向右镜子，光波在右镜子处部分透射(
38、T1)，部分反射。同理，反射的光波在左镜子处部分透射(R1)，部分反射。然后新的反射光波在右镜子处又一次部分透射(T2)，部分反射，这样一直持续下去，以至于右镜子处有无数多的透射波右镜子处有无数多的透射波。与激光的相干长度相比，镜子间的距离非常小，所有这些波可以看做是来自同一相干激光光源相干激光光源。6464 如果这些波之间的相位差为2的整数倍即同相同相，那么它们相干相加后都将发送出去。也就是说，当两个反射镜之间往返传输后的相位变化量是2的整数倍时，即(3.1)该波长的光被通过。在式(3.1)中，m为正整数。一般情况下，当m取定后，确定波长的因素是确定波长的因素是L、n和和，通过设计，通过设计
39、这三个参数，即这三个参数，即可实现波长的可调谐可实现波长的可调谐。6565实现实现DWDM复用复用/解复用的滤波器技术解复用的滤波器技术是DWDM系统的关键技术之一，该技术可实现将多个不同波长的光信号结合结合在一起送入一根光纤中传输，或者将一根光纤中传输的多个不同波长的光信号分解后分解后送入不同的接收机。 复用复用/解复用滤波器解复用滤波器也称为光合波器光合波器/分波器分波器。从原理上说，该器件的光路是互逆的，只要将分波器的输入端和输出端反过来使用就是合波器。 光波分复用光波分复用/解复用器性能的优劣解复用器性能的优劣对对DWDM系统的传系统的传输质量有着决定性的影响，输质量有着决定性的影响，
40、DWDM系统对其性能的要求是损耗及其偏差要小，信道间的串扰要小，通带损耗要平坦，偏振相关性要低等。6666 常用的光波分复用/解复用器：光栅型光波分复用器光栅型光波分复用器 介质膜滤波器型光波分复用器介质膜滤波器型光波分复用器(1)光栅型光波分复用器光栅型光波分复用器。利用色散原理利用色散原理，可使入射的多波长复合光分散为各个波长分量的光，或者使入射的多个不同波长的光聚集为复合光。 含有多波长的光信号入射聚焦在光栅上，由于光栅对不同波长光的衍射角不同，因此把复合光信号分解成不同波长的光信号，再经透镜聚焦后分别注入每根输出光纤上。若使用凹面光栅则可省去聚焦透镜，并且该器件的光路是可逆的。6767
41、图3-17 光栅型光波分复用器6868 (2)介质膜滤波器型光波分复用器介质膜滤波器型光波分复用器。利用多层介质膜的利用多层介质膜的滤光作用选择波长，滤光作用选择波长，使某波长的光通过，其他波长的光被阻止。 按照设计要求，介质膜滤波器由多层不同折射率的介质膜组合而成，每层的厚度为1/4波长，用一层为高折射率高折射率的介质膜的介质膜和一层为一层为低折射率低折射率的介质膜的介质膜相间组成。当光入射到高折射率层时，反射光不产生相移，而入射到低折射率层时，反射光经历180的相移，6969图3-18 介质膜滤波器7070由于该层的厚度为波长的1/4(90)，因此经低折射率层反射的光经历光经历360的相移
42、的相移与经高折射率层反射的光经高折射率层反射的光同相叠加同相叠加。 这样，在中心波长附近各层的反射光叠加，在滤波器输入面形成很强的反射光，而在高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成为透射光。 由此可使某一波长范围呈带通状态，对其余波长范围使某一波长范围呈带通状态，对其余波长范围呈带阻状态，呈带阻状态，从而形成所要求的滤波特性滤波特性，起到解复用解复用的作用。将多个波长的滤波器组合起来，可构成所需信道数的解复用器。71 713.光放大技术光放大技术由于光纤传输损耗等因素的影响，限制了光纤通信系统的传输距离。光放大器的出现，使光信号传输的中继放大问题得到了有效解决信号传输的中继放大问题得到了有效
43、解决。正是光放大器的商用化，促使DWDM系统迅速发展系统迅速发展。 光放大器光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直接对光信直接对光信号进行放大号进行放大的有源器件有源器件，能高效地补偿光功率在光纤传输中的损耗，延长通信系统的传输距离。 光放大器不但可以对光信号进行放大，同时还具有还具有实实时、高增益、宽频带、在线、低噪声、低损耗时、高增益、宽频带、在线、低噪声、低损耗的全光放大全光放大功能功能，是长距离、大容量和高速率光通信系统不可缺少的关键器件。7272光放大器在DWDM系统中主要有三种用途：一是一是在发发射机端射机端，用作功率放大器以提高发射机的功率，称为功率功率放大放大；二是二是在接
44、收机端接收机端，用作光预放大器以提高光接收机的灵敏度，称为前置放大前置放大；三是三是在光纤线路中，用作中继中继放大器放大器以补偿传输损耗和延长传输距离，称为中继放大中继放大或线路放大。在DWDM系统中，应用最多的是掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)。EDFA具有高增益、低噪声、大输出功率和宽频具有高增益、低噪声、大输出功率和宽频带等优点，带等优点，为确保传输质量，DWDM系统中需要增益平坦增益平坦和增益锁定的和增益锁定的EDFA。7373 增益平坦度增益平坦度(GF)是DWDM系统对EDFA的一个特殊要求，GF是指在可用的增益通带内，最大增益波长点的增益最大增益波长点的增益与与最小增益波
45、长点的增益最小增益波长点的增益之差之差。显然，GF的值越小越好的值越小越好。 各信道的增益相差较大。在经过多级EDFA级联后，这个差值会积累得越来越大，以至于在接收端增益大的接收端增益大的波长信道的信号可能会使接收机的输入过载接收机的输入过载，而增益小的增益小的波长信道可能因信噪比达不到要求而使信号淹没信号淹没，致使系统无法正常工作。 增益均衡技术增益均衡技术可以改善改善EDFA的增益平坦性的增益平坦性，其利用损耗特性与放大器的同一波长特性相反的增益均衡器来改善增益的不均匀性。 随着DWDM系统的发展，对放大器的增益平坦技术增益平坦技术提出了更高的要求，需要EDFA具有自动增益控制自动增益控制
46、功能。74743.2.4 DWDM网络特性及保护网络特性及保护 DWDM系统最基本的组网方式有三种：点到点组网、点到点组网、链形组网和环形组网链形组网和环形组网，由此可以组合出其他较为复杂的网复杂的网络络形式。DWDM系统线路保护的方式线路保护的方式主要有两种：一种是基于单个波长在单个波长在SDH层实施的层实施的11或或1 n的保护的保护；另一种是基于于光复用段光复用段保护保护(OMSP)，在光路上同时对合路信号进行保合路信号进行保护护。此外，还有基于环网的保护环网的保护。7575图3-19 DWDM系统的组网方式76761.基于单个波长的保护基于单个波长的保护基于单个波长在SDH层实施的11
47、保护系统，所有的所有的系统设备系统设备SDH终端、波分复用器终端、波分复用器/解复用器、线路光放大器解复用器、线路光放大器以及光缆线路以及光缆线路等都需要有备份需要有备份，SDH信号在发送端被永久地桥接在工作系统和保护系统，在接收端监视从这两个DWDM系统收到的SDH信号状态，并选择更合适的信号。这种方式的可靠性比较高可靠性比较高，但成本也比较高成本也比较高。7777图3-20 基于单个波长在SDH层实施的11保护7878图3-21 基于单个波长在SDH层实施的1 n保护79792.基于单个波长同一基于单个波长同一DWDM系统内系统内1 n保护保护 同一DWDM系统内1 n保护是指在同一DWD
48、M系统内，有n个波长通道个波长通道作为工作波长工作波长，1个波长通路个波长通路作为保护系保护系统。统。 考虑到实际系统中光纤和光缆的可靠性比设备的可靠性要差，它只对系统进行保护只对系统进行保护，而不对线路进行保护.80802.光复用段保护光复用段保护(OMSP)这种技术只在光路上进行只在光路上进行11保护保护，而不对终端线路进行保护。 在发送端和接收端发送端和接收端分别使用1 2光分路器和光开关，在发送端发送端对合路的光信号进行分离光信号进行分离，而在接收端接收端对光信号光信号进行选路进行选路。在这种保护系统中，只有光缆和DWDM的线路系统是备份的，而DWDM系统终端站的SDH终端和复用器是没
49、有备用的。 在实际系统中，也可以用M 2的耦合器代替复用器和1 2分路器，相对于11保护，减少了成本。OMSP只有在独立的两条光缆中实施才有实际意义。81 81图3-22 光复用段保护82823.2.5 DWDM新技术及其发展新技术及其发展 DWDM系统的关键技术已逐渐成熟，目前DWDM技术呈现出如下发展趋势：(1) 更高的通道速率更高的通道速率。DWDM系统的通道速率由2.5 Gb/s发展到目前的10 Gb/s，基于40 Gb/s速率的DWDM系统已进入实验阶段，技术日渐成熟。(2) 更多波长复用数量更多波长复用数量。早期的DWDM系统多用于8/16/32个波长，通道间隔为100 GHz，工
50、作波长位于C波段。随着技术的发展，DWDM系统的各种波长可覆盖C波段和L波段，通道间隔为50 GHz。8383(3) 超长的全光距离传输超长的全光距离传输。通过提高全光传输的距离，减少电再生点的数量，可降低建网的初始成本和运营成本。 传统的传统的DWDM系统采用系统采用EDFA来延长无电中继传输距来延长无电中继传输距离，离，目前，通过分布式拉曼放大器、超强前向纠错技术分布式拉曼放大器、超强前向纠错技术(FEC)、色散管理技术、光均衡技术以及高效调制技术、色散管理技术、光均衡技术以及高效调制技术等，无电中继传输距离可由600 km扩展到2000 km以上。8484(4) 从点到点从点到点WDM走
