1、l 波分复用系统波分复用系统 （WDM）北京诚公通信工程监理股份有限公司四分公司1.波分复用系统及技术波分复用系统及技术n概念概念n发展概况发展概况n主要特点主要特点nWDM系统的技术规范系统的技术规范nWDM系统的基本类型及其应用系统的基本类型及其应用n波分复用的相关技术波分复用的相关技术n什么是波分复用技术？什么是波分复用技术？WDM:(Wavelength Dvision Multiplexing)简单地说，不同的信号汇集在一起传简单地说，不同的信号汇集在一起传输而互不干扰称为复用。输而互不干扰称为复用。“波分复用技术波分复用技术”指的是将不同波长的光信号汇集在一根光指的是将不同波长的光
2、信号汇集在一根光纤中发射传输，在接收端将它们分开。纤中发射传输，在接收端将它们分开。WDM技术的发展概况技术的发展概况n两波长两波长WDM(1310/1550nm)80年代在年代在AT&T网中使用网中使用n90年代中期年代中期，发展缓慢，发展缓慢 从从155M 622M 2.5G10G TDM技术的相对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。简单性和波分复用器件的发展还没有完全成熟。n1995年开始，高速发展年开始，高速发展 (1)光纤色散和偏振模色散限制了光纤色散和偏振模色散限制了10Gb/s的传输。的传输。(2)TDM 10Gb/s面临着电子元器件响应时间的挑战。面临着电子元器
3、件响应时间的挑战。(3)光电器件的迅速发展。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的波分复用技术，为光网络传输提供了实现“高高速信息公路速信息公路”的可能。的可能。1997年，武汉邮电科学研究院承担了具有国际年，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。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东投入实际运行，表明我国光通信产业在该领域中已取得
4、了重大的突破，并一跃成为世界上少数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。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。式到全开放式整个系列的密集波分复用系统。该该系统将覆盖国家干线网，本地网、教育网。系统将覆盖国家干线网，本地网、教育网。主要特点主要特点n充分利用了光纤的巨大带宽充分利用了光纤的巨大带宽n节约了大量的光纤节约了大量的光纤n降低了器件的超高速要求降低了器件的超高速要求n通道对传输信号完全透明通道对传输信号完全透明n可扩展性好可扩展性好W
5、DM系统的技术规范系统的技术规范 为了引进产品和国内自行开发的产品具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。有统一性，制定我国的标准十分必要。（a）现实的需要性，以）现实的需要性，以2.5Gbs系统为例，系统为例，16波分单向就可达到波分单向就可达到40Gbs的传输速率，的传输速率，这足以满足未来几年的业务需求；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）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光器元件的技术都满足16个波长以上的复用。个波长以上的复用。从当前应用上看，从当前应用上看，WDM系统只用于系统只用于2.5Gbs以
6、上的高速率系统。因而在制定规以上的高速率系统。因而在制定规范的过程中，我们主要考虑了基于范的过程中，我们主要考虑了基于2.5Gbs SDH的干线网的干线网WDM系统的应用，承载信号为系统的应用，承载信号为SDH STM-16系统，即系统，即2.5Gb/sN的的WDM系统系统。对于承载信号为其他格式。对于承载信号为其他格式(例如例如IP)的系的系统和其它速率（例如统和其它速率（例如10Gb/sN）暂不作要）暂不作要求。求。工作波长区的选择工作波长区的选择 对于常规对于常规G.652光纤，光纤，ITU-T G.692给给出了以出了以193.1THz为标准频率、间隔为为标准频率、间隔为100GHz的
7、的41个标准波长个标准波长(192.1196.1THz)，即，即15301561nm。（通道数量，中心波长，波长间隔，中心频率偏移等通道数量，中心波长，波长间隔，中心频率偏移等）WDM系统除了对各个通路的信号波长有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。明确的规定外，对中心频率偏移也有严格规定。通路通路中心频率偏移中心频率偏移定义为通路实际的中心频率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。对通路间隔选与通路中心频率标称值的差值。对通路间隔选择择100GHz的的162.5Gb/sWDM系统，到寿命系统，到寿命终了时的频率偏移应不大于终了时的频率偏移应不
8、大于20GHz。1310nm/1550nm窗口的波分复用窗口的波分复用:仍用于接入网，很少用于长距离传输仍用于接入网，很少用于长距离传输1550nm窗口的密集波分复用窗口的密集波分复用(DWDM):广泛用于长距离传输广泛用于长距离传输1550nm窗口的稀疏波分复用窗口的稀疏波分复用(CWDM):用于城域网用于城域网DWDMnDense Wavelength Division MultiplexernITU-T G692n信道间隔：信道间隔：nm量级量级D Dl lD Df1.6nm200GHz0.8nm100GHz0.4nm50GHzCWDMnCoarse Wavelength Divisio
9、n Multiplexern稀疏波分复用、粗波分复用稀疏波分复用、粗波分复用n信道间隔信道间隔：20nmn常用的波长为常用的波长为1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1590nm以及以及1610nm。n正在考虑正在考虑1290nm、1310nm、1330nm、1350nm、1380nm、1400nm、1420nm、1440nmWDM系统的基本类型及其应用系统的基本类型及其应用(1)双纤单向传输双纤单向传输 单向单向WDM传输是指所有光通路同时在一根光传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。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，因而由于
10、各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。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在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，开，完成多路光信号传输的任务。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。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。图图7.7 双纤单向双纤单向WDM传输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1nl1lnl1ln1n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1nl1lnl1ln1n单纤双向传输单纤双向传输 光通路在一根光纤上同时向两个光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。不同的方向
11、传输。如图如图7.8所示，所用所示，所用波长相互分开，波长相互分开，以实现双向全双工的以实现双向全双工的通信。通信。光发射机光发射机光接收机光接收机1nl1lnl1ln1n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1nln 1l2n1n复用/解复用器ln 1l2n图图7.8 单纤双向单纤双向WDM传输传输集成式波分复用系统集成式波分复用系统：就是：就是SDH终端具有满终端具有满 足足G.692的光接口；标准的光波长、满足长的光接口；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是不能直接接纳过去老SDH系统和不同厂
12、系统和不同厂家的系统。家的系统。开放式波分复用系统开放式波分复用系统：就是波分复用器前端：就是波分复用器前端加入波长转移单元加入波长转移单元OTU，将当前，将当前SDH的的G.957接口波长转换为接口波长转换为G.692的标准波长光的标准波长光接口。可以接纳过去的老接口。可以接纳过去的老SDH系统，并实系统，并实现不同厂家互联，但现不同厂家互联，但OTU的引入可能对系的引入可能对系统性能带来一定的负面影响。统性能带来一定的负面影响。双向双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素：键的系统因素：如为了抑制多通道干扰多通道干扰(MPI)，必须注意到光
13、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光分插复用器(OADM)或光交叉连光交叉连接器接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路上下路(Add/Drop)和路由分配路由分配，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(OX
14、C)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波长转移单元OTU(Optical Transition Unit)：将将SDH终端送来的光信号，经过光终端送来的光信号，经过光电电光转移，送出特定波长信号送入合波器光转移，送出特定波长信号送入合波器(OMU)。SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步数字系列同步数字系列 波分复用的相关技术波分复用的相关技术 1光源技术光源技术 WDM系统须利用长波长光源器件，它系统须利用长波长光源器件，
15、它不仅要求激光管的发射波长高度稳定，保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。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密集波分复用中的光源技术 nDWDM系统中，信道间距小，各个光通道的系统中，信道间距小，各个光通道的波长稳定性极为重要。波长稳定性极为重要。ITU-T G.692规定了规定了DWDM系统中每通道允许的波长最大偏移量系统
16、中每通道允许的波长最大偏移量小于小于1/5通道间隔。通道间隔。nDWDM系统中使用的主要为系统中使用的主要为DFB激光器，激激光器，激光器管芯的温度变化会引起材料折射率及腔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。要采用外部波长基准锁定激光器的波长。n激光器波长的稳定技术就分基于温度反馈的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波长控制技术和基于波长反馈的波长控制技术。术。2光
17、纤技术光纤技术 光纤通信中的非线性特性是影响光纤通信中的非线性特性是影响WDM系统系统传输性能的关键因素。传输性能的关键因素。目前目前G.655光纤既解决了光纤的线性色散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，对于受限问题，又解决了光纤的非线性问题，对于运行运行1OGbits或更高速率系统比较容易，是或更高速率系统比较容易，是WDM系统使用的主要光纤。系统使用的主要光纤。3光纤放大器技术光纤放大器技术4光分波合波技术光分波合波技术2.波分复用器件波分复用器件功能功能:n功能功能n原理及其分类原理及其分类n技术指标技术指标 为提升系统容量为提升系统容量,实现在一根光纤中传输
18、实现在一根光纤中传输多个波长信号。多个波长信号。合波合波分波分波波分复用器波分复用器 MUX波分解复用器波分解复用器 DEMUX 在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术，技术，即即光滤波技术光滤波技术。光滤波器在光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件，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与波分复用有着密切关系，常常用来构成各种各样的样的波分复用器和解复用器波分复用器和解复用器。波分复用器和解复用器主要用在波分复用器和解复用器主要用在:WDM终端终端 波长路由器波长路由器 波长分插复用器波长分插复用器(Wavelength
19、Add/Drop Multiplexer,WADM)波分复用器件在波分复用器件在WDM终端的应用终端的应用波分复用器波分复用器l1l2l3l4l1,l2,l3,l4 波长路由器波长路由器是是波长选路网络波长选路网络(Wavelength Routing Network)中的关键部件中的关键部件，其功能可由下图说明其功能可由下图说明l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波长路由器波长路由器波分复用器件在波长路由器中应用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j,则路由器的输入端口1上的波长
20、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1和4。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1,2,3和4 WDM信号。l1l2l3l4l1,l2,l3
21、,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，就如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为称为静态路由器静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为；路由方式随时间变化，则称之为动态动态路由器路由器。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。波长分插复用器波长分插复用器可以看成是波长路由器的简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，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
22、口。再加上一个用于分插波长的本地端口。OADMOADMl1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l422l2l2原理及其分类原理及其分类 波分复用器件是利用了一些特殊材料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。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。光波导型和熔锥型四种基本形式。1.色散型（光栅型）色散型（光栅型）闪耀光栅闪耀光栅 光栅是指具有周期性透射或反射结构的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
23、时，由于衍射器件。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播，就可将不同频率的光在空间进行合波或分波。分波。闪耀光栅剖面图闪耀光栅剖面图l lnBOE1l l1 1 l lnL1L2l l1 1F1透射式二元光学波分复用器件透射式二元光学波分复用器件光纤布拉格光栅环形器光纤布拉格光栅环形器2.干涉滤波片型干涉滤波片型n采用干涉滤波片来实现不同波长的光的分采用干涉滤波片来实现不同波长的光的分离，实现分离，实现分/合波功能。合波功能。n由于采用了微等离子体镀膜技术，介质膜由于采用了微等离子体镀
24、膜技术，介质膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善，工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，中心艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，中心波长温度系数可小于波长温度系数可小于3pm/C。同时，。同时，DWDM系统市场的日益增长也使多腔介质系统市场的日益增长也使多腔介质膜窄带滤光片的批量成本降低。膜窄带滤光片的批量成本降低。干涉滤波片干涉滤波片l l0 ,l l1，l lnl l1，l lnl l0n1L1n2L2薄膜谐振多腔滤波器薄膜谐振多腔滤波器(Thin Film Resonant Multicavity Filter)由反射介质薄由反射介质薄膜隔开的两个或多膜隔开的两
25、个或多个腔构成。个腔构成。腔 3腔 2腔 1反射介质玻璃衬底图图7.21 单腔、单腔、双腔、双腔、三腔介质薄膜滤波器的传输谱三腔介质薄膜滤波器的传输谱0.996 40 30 200 100.99811.0021.0043腔2腔1腔l0/l滤 波 器 的 传 输 谱 /dB 改成多腔后与单腔相比，通带顶部更加平坦，边缘更为尖改成多腔后与单腔相比，通带顶部更加平坦，边缘更为尖锐，如图所示。锐，如图所示。介质薄膜型波分复用器件介质薄膜型波分复用器件信道信道1信道信道2信道信道8信道信道7窄带滤波器窄带滤波器l l1,l l8l l1l l2l l8l l7公共端公共端1547.71555.71562
26、.1-450介质膜波分复用器件各信道上光传输特性介质膜波分复用器件各信道上光传输特性波长波长(nm)功功率率3.阵列光波导型阵列光波导型(AWG)nArrayed Waveguide GratingAWGl1 l2 l3 l4l1 l2 l3 l4l1l1 l2 l2 l3 l3 l4 l4 AWGl1 l2 l3 l4l1 l2 l3 l4l1l1 l2 l2 l3 l3 l4 l4 AWG可用作可用作n1波分复用器和波分复用器和1n波分解复用器波分解复用器AWGl1,l2,l3,l41111l1,l2,l3,l42222l1,l2,l3,l43333l1,l2,l3,l44444l1,l2
27、,l3,l41234l1,l2,l3,l44123l1,l2,l3,l43412l1,l2,l3,l42341基于基于AWG的静态波长路由器的静态波长路由器AWGAWG用于分插复用用于分插复用AWGl2l2 l3 l4 l3 l4 l2l2 l3 l4 l3 l4 l2l2 l3 l3 l4 l4 l2l2 l1 l1 l1 l1 熔锥型熔锥型n利用消逝波耦合原理进行分波或合波，即通利用消逝波耦合原理进行分波或合波，即通过熔拉两根单模光纤使两根光纤的纤芯相互过熔拉两根单模光纤使两根光纤的纤芯相互充分靠近，两个基模通过消逝波变为耦合模，充分靠近，两个基模通过消逝波变为耦合模，因而光功率可互易地由
28、一根光纤转移到另一因而光功率可互易地由一根光纤转移到另一根光纤。根光纤。n功率转移的大小与输入的两光波长和光纤的功率转移的大小与输入的两光波长和光纤的纤芯间距以及相互作用长度有关。可以通过纤芯间距以及相互作用长度有关。可以通过调节纤芯距和耦合长度来实现合波与分波。调节纤芯距和耦合长度来实现合波与分波。n它的优点是制作容易，使用方便，缺点是复它的优点是制作容易，使用方便，缺点是复用的两波长差较大，不适合于密度波分复用。用的两波长差较大，不适合于密度波分复用。光梳状滤波器光梳状滤波器(Interleaver)n一种三端口光分波一种三端口光分波/合波装置合波装置 25GHzInterleaver50
29、GHzInterleaver100GHzInterleaver50GHzInterleaver200GHz Demux200GHz Demux200GHz Demux200GHz Demux200GHz Demux200GHz Demux200GHz Demux200GHz Demux100GHzInterleaver100GHzInterleaver100GHzInterleaver波分复用器件的性能指标波分复用器件的性能指标 n中心波长及工作范围中心波长及工作范围n插入损耗插入损耗n波长隔离度、串扰波长隔离度、串扰WDMl l1P1(l l1)N2(l l1)WDMl l1P1(l l1)N2(l l1)2112lg10NPA2112lg10NPA远端串扰系数远端串扰系数近端串扰系数近端串扰系数
