1、光纤通信系统第7章 光波分复用系统第7章 光波分复用系统采用时分复用方式是传统数字通信提高传输效率、降低传输成本的有效措施。无论是PDH系列的34Mbit/s、140Mbit/s、565Mbit/s系统的还是SDH系列的155Mbit/s、622Mbit/s、2488Gbit/s、9952Mbit/s系统都是按照这一原则进行。但是随着现代电信网对传输容量要求的急剧提高，利用时分复用方式已经日益接近硅和砷化镓半导体技术的极限。并且传输设备的价格也很高。随着传输频率的提高，光纤色散的影响也越加严重。而另一方面光纤的光谱范围尚未得到充分开发。因而系统进一步扩容的唯一出路就是把电时分复用转到光波分复用
2、上来，即从光域上用波分复用方式来提高传输速率。本章主要介绍光波分复用技术的基本原理。7.1 光波分复用的基本概念7.1.1光波分复用的基本概念光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）技术是在一根光纤上能同时传送多波长光信号的一项技术。它是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。因此，此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用（WDM）技术。要能在一根光纤上同时传输多个波长信号，那么光纤必须要由足够的带宽资源。目前单模光
3、纤的适用工作区有两个，即1310nm和1550nm波长段两个低损耗区域。单模光纤的带宽资源如图7.1所示。图7.1 单模光纤的带宽资源由图可见，1310nm波长段，其低损耗区大约从12601360nm，共100nm。1550nm波长段，其低损耗区从1480nm1580nm，共100nm。因此，两个工作波长段一共约有200nm低损耗区可用，这相当于30000GHz的频带宽度。但在目前的实际光纤通信系统中由于光纤色散和调制速率的限制，其通信速率被限制在10Gbit/s或以下，所以单模光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发。由于目前一些光器件和相关技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的复用（称为光
4、频分复用）还较为困难。在这种情况下，把在光纤同一低损耗窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）。目前应用在1550nm波长区段内，复用8、16或更多的波长在一对光纤上（也可采用单纤）构成光纤通信系统，两个波长之间的间隔为0.8nm、1.6nm或更低。WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带业务（如CATV、HDTV、BIPISDN等），充分发掘光纤带宽潜力，实现高速通信等具有十分重要的意义。尤其是应用掺铒光纤放大器（EDFA）的WDM系统更是对现代信息网络具有更大的吸引力。应用非零色散位移光纤（NZDSF
5、）加掺铒光纤放大器（EDFA）加光子集成（PIC）的密集波分复用系统正在成为高速光纤通信系统发展的主要技术方向。就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤通信传输链路都升级为WDM传输，那么就可以在这些WDM链路的交叉处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备（OXC），或进行光上/下路的光分插复用器（OADM）。则在原有以光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路。完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活地动态建立和释放，这就是全新的、新一代的WDM全光网。7.1.2 WDM系统
6、的基本形式WDM系统的基本构成主要有以下三种基本形式：1. 双纤单向传输双纤单向传输示意图如图7.2所示。图7.2 双纤单向传输示意图单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长1，2，3，n的已调光信号通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长携带的，所以彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同光波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输，原理相同。2. 单纤双向传输单纤双向传输示意图如图7.3所示。图7.3 单纤双向传输示意图双向WDM是指光通路在一根光纤上同时向两个不同方向传送，
7、所有波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。单向WDM系统在开发和应用方面都比较广泛。双向WDM系统的开发和应用相对来说技术要求更高些。双向WDM系统在设计和应用时要考虑到几个关键因素。如为了抑制多通道的干扰，必须要注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串话的类型和数值、两个方向传输的功率电平和相互间的依赖性及自动功率关断等问题。同时还必须使用双向放大器。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。3. 光分路插入传输光分路插入传输示意图如图7.4所示。图7.4 光分路插入传输图7.4中，通过解复用器将光信号1从线路中分出来，利用复用器将光信号3插入线路中
8、进行传输。通过线路中间设置的分插复用器或光交叉连接器，可使各波长的光信号进行合流或分流，实现光信号的上/下通路与路由分配。这样就可以根据光纤通信线路沿线的业务量分布情况和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。7.2 WDM系统的基本结构与工作原理7.2.1 WDM系统的基本结构WDM系统主要由以下五个部分组成：光发送机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。WDM系统总体结构示意图如图7.5所示。图7.5 WDM系统总体结构示意图（单向）图7.5中，光发送机是WDM系统的核心，根据ITU-T的建议和标准除了对WDM系统中发送激光器的中心波长有特殊要求之外，还要根据WDM系统
9、的不同应用（主要是传输光纤的类型和无中继传输的距离）来选择具有一定色散容量的发送机。在发送端首先将来自终端设备（例如SDH端机）输出的光信号，利用光转发器（OTU）把符合ITU-TG.957建议的非特定波长的光信号转换成稳定的特定波长的光信号；利用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA）放大输出多通路光信号。经过长距离传送后（80120km），需要对光信号进行光中继放大。目前使用的光放大器多为掺铒光纤放大器（EDFA），在WDM系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益。同时，还需要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，能够保证光信道的增益竞争不影响
10、传输性能。在应用时，可根据具体情况，将EDFA用作线路放大器（LA）、功率放大器（BA）和前置放大器（PA）。在接收端，光前置放大器放大经传输而衰减的主信道光信号，采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般光接收机对光信号的灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有一定噪声的信号，要由足够的电带宽性能。光监控信道主要功能是监控系统内的各信道的传输情况。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，将接收到的光信号分波，分别输出s（1510nm）波长的光监控信号和业务信道信号。帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节
11、等都是通过光监控信道来传递的。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接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理。实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统互连。7.2.2 WDM系统的分类方法根据WDM线路系统中是否设置有EDFA，可以将WDM线路系统分为有线路光放大器WDM系统和无线路光放大器WDM系统。1. 有线路光放大器WDM系统1） 有线路光放大器WDM系统的参考配置有线路光放大器WDM系统的参考配置如图7.6所示。图7.6有线路光放大器WDM系统的参考配置图7.6中，Tx1，Tx2，Txm为光发送机，Rx1，Rx2，Rxm为光接收机，OA为光放
12、大器，OM为合波器，OD为分波器。图中所示的WDM系统中的各参考点定义如表7.1所示。表7.1 图7.6所对应的各参考点定义参考点定义S1Sn通道1n在发送机输出连接器处光纤上的参考点RM1RMn通道1n在OM/OA的光输入连接器处光纤上的参考点MPI-SOM/OA的光输出连接器后面光纤上的参考点S线路光放大器的光输出连接器后面光纤上的参考点R线路光放大器的光输入连接器前面光纤上的参考点MPI-R在OM/OA的光输入连接器前面光纤上的参考点SD1SDn通道1n在OA/OD的光输出连接器处光纤上的参考点R1Rn通道1n接收机光输入连接器处光纤上的参考点2） 有线路光放大器WDM系统的分类与应用代
13、码在有线路光放大器的WDM系统的应用中，线路放大器之间目标距离的标称值为80km和120km，需要再生之前的总目标距离标称值为360km、400km、600km和640km（这里所提的目标距离仅用来分类，并非是技术指标）。WDM系统的应用代码一般采用以下方式构成：nWx-yz，其中n是最大波长数目W代表传输区段（WL，V或U分别代表长距离、很长距离和超长距离）x表示所允许的最大区段数（x1）y是该波长信号的最大比特率（y4或16分别代表STM4或STM16）z代表光纤类型（z2，3，5分别代表G.652，G.653或G.655光纤）表7.2给出了相应的分类与应用代码表7.2 有线路放大器WDM
14、系统的应用代码应 用长距离区段（每个区段的目标距离为80kn）很长距离区段（每个区段的目标距离为120km）区段数58354波长4L5-yz4L8-yz4V3-yz4V5-yz8波长8L5-yz4L8-yz8V3-yz8V5-yz16波长16L5-yz16L8-yz16V3-yz16V5-yz2. 无线路光放大器WDM系统（1）无线路光放大器WDM系统的参考配置无线路光放大器WDM系统的参考配置如图7.7所示。图7.7无线路光放大器WDM系统的参考配置（2）无线路光放大器WDM系统的分类和应用代码无线路光放大器WDM系统可将8个或16个光通路复用在一起，每个通路的速率可以是STM4、STM16
15、或其他，也可以将不同速率的通路同时混合在一起。这些系统在G。652，G.653和G.655光纤传输的目标距离的标称值为80km，120km和160km。表7.3给出了相应的分类和应用代码（各符号的定义与前述相同，此时x1，表示无线路放大器，表中不予表述）表7.3 无线路光放大器WDM系统的应用代码应用长距离（目标距离80km）很长距离（目标距离120km）超长距离（目标距离160km）4波长4L-yz4V-yz4U-yz8波长8L-yz8V-yz8U-yz16波长16L-yz16V-yz16U-yz7.2.3 光波长区的分配目前在SiO2光纤上，光信号的传输都在光纤的两个低损耗区段，即1310
16、nm和1550nm。但由于目前常用的EDFA的工作波长范围为15301565nm。因此，光波分复用系统的工作波长应该在15301565nm。在这有限的波长区内如何有效地进行通路分配，关系到提高带宽资源的利用率及减少相邻通路间的非线性影响等。1. 标称中心频率和最小通路间隔为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必须对各个通路的中心频率进行规范。所谓标称中心频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。对于频率间隔系列的选择应该满足以下要求：（1） 至少应提供16个波长，因为当单通路速率为STM16
17、时，则一根光纤上的16个通路就可提供40Gbit/s。（2） 波长数量不能太多，因为对这些波长的监控是一个比较复杂的问题。（3） 所有波长都应位于光放大器增益曲线相对比较平坦的部分，可使光放大器在整个波长范围内提供相对较为均匀的增益。对于EDFA，它的增益曲线相对较平坦的区域就是15401560nm。（4） 这些波长应与系统中光放大器使用的泵浦波长无关。（5） 所有通路在这个范围内均应保持均匀间隔。2. 通路分配表16通路WDM系统的16个光通路的中心波长应满足表7.4的要求，8通路的WDM系统的8个光通路的中心波长应选择表中标有*的波长。表7.4 16通路和8通路WDM系统中心频率序号标称中
18、心频率（THz）标称中心波长（nm）1192.101560.61*2192.201559.793192.301558.98*4192.401558.175192.501557.36*6192.601556.557192.701555.75*8192.801554.949192.901554.13*10193.001553.3311193.101552.52*12193.201551.7213193.301550.9214193.401550.12*15193.501549.3216193.601548.51*3. 中心频率偏差中心频率偏差定义为标称中心频率与实际中心频率之差。对于16通路WDM
19、系统，通道间隔为100GHz（约0.8nm），最大中心频率偏移为20GHz（约为0.16nm）；对于8通路WDM系统，通道间隔为200GHz（约为1.6nm）。为了未来向16通道系统升级，也规定对应的最大中心频率偏差为20GHz。7.3 光波分复用系统的关键技术7.3.1 WDM系统的几个技术问题WDM系统的应用对增加通信容量、信息网络的建设有重大意义。但是目前还存在一些技术问题。例如对于激光器的波长及其稳定性要求较高；光纤的非线性对光放大器的输出功率有很大的限制；“四波混频”效应会造成信道间的串扰；光纤的色散效应限制了信道速率的提高；如何监测线路光放大器等都会出现，其主要问题如下：1. 光源
20、的波长稳定问题在WDM系统中，必须对光源的波长进行精确的设定和控制，否则波长的漂移必然会造成系统无法稳定、可靠地工作。所以要求在WDM系统中要有配套的波长监测与稳定技术。目前采用的主要方法有温度反馈控制法和波长反馈控制法来达到控制与稳定波长的目的。2. 光信道的串扰问题光信道的串扰是影响接收机的灵敏度的重要因素。信道间的串扰大小主要取决于光纤的非线性和解复用器的滤波特性。在信道间隔为1.6nm或0.8nm的情况下，目前使用的光解复用器在系统中可以保证光信道间的隔离度大于25dB，可以满足WDM系统的要求，但对更高速率的系统尚待研究。3. 光纤色散对传输的影响问题在系统中采用了EDFA后，衰减问
21、题得到了解决，传输距离大大增加，但是色散也随之增加，系统的无中继传输距离由原来的受衰减限制变为了受色散限制。因此对于高速光纤通信而言，光纤的色散效应成为一个主要的限制因素必须解决，否则无法实现长距离通信。4. 光纤的非线性效应问题对于常规的光纤通信系统来说，入纤光功率不大，光纤呈线性状态传输。在WDM系统中，采用EDFA后，光功率增大，光纤在一定条件下将呈现非线性特性，极大地限制了EDFA的放大性能和长距离无中继传输的实现。光纤的非线性效应主要有散射效应包括受激布利渊散射（SBS）和受激啦曼散射（SRS）和折射率效应包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和“四波混频”（FWM），这些
22、效应的产生都与注入到光纤中的光功率有关。SRS是指当较强的光入射到光纤中时，会引起光纤材料中的分子振动，进而调制入射的光强，导致WDM系统中短波长通道的一部分能量转移到相邻的通道中去，产生过大的信号衰减，从而限制系统的通路数。SBS现象与SRS类似，与SRS相比SBS峰值增益很大，频移和增益带宽很小，且只是后向散射，影响力也要强些，尤其是光源谱线宽度越窄，门限功率越低，影响越大。SPM是指当光纤输入的光强变化时，光纤的折射率也将随之变化，从而引起光波的相位产生变化，与光纤的色散相结合，就会导致频谱展宽，产生频率啁啾，并随长度的增加而积累。光功率变化越快，导致频率变化越大，对系统中的高速窄脉冲影
23、响较大。XPM是指由于折射率随入射光强的变化，而导致信号的相位受其通路功率的调制，引起通道间的串扰。FWM是指当多个具有较强功率的光波信号，在光纤中混合传输时，将会产生新的光波长，引起串扰，从而限制了使用的波长数。目前的WDM已经找到了一些有效的方法来克服上述的光纤非线性效应对信号传输的影响。特别是对于光信道数16的WDM系统，注入的总光功率一般不会大于17dBm，比产生SRS效应的阈值小的多。因此，不会有SRS的影响。G.655光纤的使用可以克服FWM效应。XPM一般发生在通道数大于32的WDM系统中，这可通过增大光纤的有效面积的方法来解决。5. EDFA的动态可调整增益与锁定问题目前，ED
24、FA的带宽已经达到了3540nm，虽然其通带内的增益平坦度并不十分理想，但能满足普通波长密度的WDM系统的要求，然而对于密集型波分复用系统传输还不够。在WDM系统中，各光信道之间的信号传输功率有可能发生起伏变化，这就要求EDFA能够根据信号的变化，实时地动态调整自身的工作状态，从而减少信号波动的影响，保证整个信道的稳定。在WDM系统中，如果有一个或几个信道的输入光功率发生变化甚至输入中断时，剩下的信道增益即输出功率会产生跃变，甚至会引起线路阻塞。所以EDFA必须具有增益锁定功能来避免某些信道完全断路时对其他信道的影响。6. EDFA的增益平坦问题WDM系统中，因各信道的波长不同而有增益偏差，经
25、过多级放大后，增益偏差积累使各信道信号特性恶化，最终造成整个系统不能正常工作。因此，要使各信道上的增益偏差处在允许范围内，放大器的增益必须平坦。7. EDFA的光浪涌问题EDFA的采用可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号跳变的瞬间将产生浪涌即输出光功率出现“尖峰”。峰值光功率可达数瓦，有可能造成光/电变换器和光连接器的损坏。8. EDFA级联使用时的噪声积累问题信号经过EDFA传输后，信噪比会产生劣化，且信噪比的劣化与级联的EDFA的数量和放大器之间的光纤段跨距有关，跨距越大，信噪比劣化越严重。所以，放大器之间的光纤段跨距一般控制在80120km之内，以保证信号
26、传输性能对信噪比的要求。尽管目前WDM系统已经实用，但以WDM技术为标志的全光网技术仍有许多要解决的新问题和一些与之相适应的配套技术。如光源技术、光波复用和解复用技术、光纤技术、光放大技术、监控技术等。这些技术问题正在逐步加以解决。7.3.2 光源技术1. 用于WDM系统的光源在WDM系统中，一般采用分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器作为光源，它们与一般FP激光器相比具有两个优点：（1） 动态单纵模窄线宽振荡由于DFB激光器中的光栅的栅距很小，形成了一个微型的谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大。因此，光波谱线宽度比FP激光器窄很多，并能在高速调
27、制下也能保持单纵模振荡。（2） 波长稳定性好由于DFB激光器内的光栅有助于锁定在给定的波长上，其温度漂移约为。量子阱（QW，Quantum Well）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生长的半导体激光器，是一种很有发展前途的激光器，可用于WDM系统。它的结构与一般的双异质结激光器相似，只是有源区的厚度很薄。QW激光器与一般的双异质结激光器相比，具有以下优点：1） 阈值电流低。其阈值电流密度可降至双异质结激光器的1/3和1/5。2） 谱线宽度变窄，与双异质结激光器相比，可缩小一倍。3） 频率啁啾小，动态单纵模特性好。2. 光源调制类型目前，在WDM系统中主要采用外调
28、制器。激光器产生稳定的大功率激光，外调制器以低啁啾对光进行调制，以使激光器工作在连续波形式，能更有效的克服频率啁啾，从而获得大于直接调制的色散受限距离。目前应用的光外调制器有马赫曾德尔调制器，它的主要特性是啁啾数值很低，色散受限距离很长，但插入损耗较大，需要较高的调制电压。3. 波长可调谐半导体激光器一般半导体激光器的光谱线较宽，传输性能不好。为了得到单色性能良好的光源，目前采用了DFB、DBR等多种结构的单波长激光器，获得了单色性能良好的单波长振荡，但由于其振荡波长是由制造器件时，衍射栅的周期决定。虽然能改变注入电流等方法，使其折射率发生变化，从而改变波长，可控制的波长范围为10nm左右。但
29、都无法实现较大范围波长的控制和调谐。为了实现能在宽范围内的波长选择，做成一种超周期结构衍射栅（SSG）激光器。SSG采用了衍射栅周期随位置而变化的结构，它具有多个波长的反射峰，利用这种衍射栅制成DBR激光器的发射镜。由于产生的光波长是与栅周期相对应的，因此，根据这种随位置而变得周期性，即可反射各种波长的光。目前，按照这种原理制作的SSGDBR激光器，已能实现在1550nm波长段，波长可变范围超过100nm。另外，外腔可调的半导体激光器、双极DFB激光器、三极DFB激光器、多波长光纤环形激光器均可以调谐激射的光波长。7.3.3 波长可调谐滤光器技术只允许特定波长的光顺利通过的器件称为滤光器或光滤
30、波器。如果所通过的光的波长可以改变，则称为波长可调谐滤光器。这种激光器在波分复用系统、全光交换系统中具有广泛的应用价值。下面介绍一种FP腔型滤光器F-P腔型滤光器的主体是F-P谐振腔，其结构是一对高度平行的高反射率镜面构成的腔体，如图7.8所示。设光波入射腔体的角度为i，谐振腔长为L，材料折射率为n0。凡满足下面相位条件的光波，可形成稳定振荡并输出等间隔的梳状波形。相位条件为：在两个反射镜之间一次往返传输后的相位变化量是2的整数倍，即 (7.1)式中的m为正整数。图7.8 F-P谐振腔与光传输特性示意图一般情况下，当m取定后，确定满足相位条件具有峰值透过率波长的因素是n，L和i，所以通过设计和
31、调谐这三个参数，即可实现波长可调谐的目的。F-P腔传输性能参数为自由谱域（FSR，Free Space Range）：相邻波长间的距离；带宽（BW，Band Width）：谐振峰值1/2处的光谱宽度；精细度（F，Fineness）：自由谱域与谱宽的比值。目前，世界上已研制出多种结构的波长可调谐滤光器，其基本原理都是通过改变腔长、材料折射率或入射角度来达到可调谐的目的。7.3.4 光波分复用/解复用器与光滤波器技术光波分复用/解复用器（WDM/DWDM）是波分复用系统的关键器件。其功能是将多个波长不同的光信号复合后送入同一根光纤中传送（波分复用器）或将在一根光纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的接收机（解复用器）。波分复用器和解复用器也分别被称为合波器和分波器，是一种与波长有关的光纤耦合器。光波分复用器/解复用器性能的优劣对于WDM系统的传输质量有决定性
