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1、光纤通信,8.1 WDM工作原理 8.1.1 WDM工作原理 8.1.2 WDM、DWDM与CWDM8.2 WDM工作原理 8.3 WDM系统中的关键器件 8.3.1 WDM系统中的光源,第八章 波分复用技术,第八章 波分复用技术,波分（频分）复用波分复用（WDM)频分复用（OFDM)密集波分复用（DWDM)粗波分复用（CWDM)时分复用码分复用空分复用副载波复用,光纤通信复用技术,电时分复用（TDM）存在的问题：“电子瓶颈”限制：10Gb/s40Gb/s 光纤色散限制 单波长通信系统远远不能有效利用光纤的带宽,问题的提出,波分复用（WDM）一根光纤同时传输几个不同波长的光载波，每个光载波携带
2、不同的信息。,WDM发展历程,1977年科学工作者提出WDM技术 1977年实现了1310/1550双波长复用系统 并提出波长间隔200GHz(1.6nm)；100GHz（0.8nm）、50GHz（0.4nm）目前水平：商用系统：4010Gb/s；实验室：8240Gb/s=3.28Tb/s WDM技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术,问题的提出,波分复用（WDM）,光纤损耗谱特性及单模光纤的带宽资源,波分复用（WDM）系统光纤的带宽,光纤带宽：,和分别为中心波长和相应的波段宽度,c为真空中光速。,波分复用（WDM）系统,1310nm的窗口：1.261.36m，相应的带宽为17.5THz。,
3、1550nm的窗口：1.481.58m，相应的带宽为12.5THz。,两个窗口总带宽超过30THz。如果信道频率间隔为50GHz（0.4nm），在理想情况下，一根光纤可以容纳600个信道。,波分复用定义和特点,波分复用(WDM)分为：密集波分复用（DWDM）光载波复用数大于8波，信道间隔小于3.2nm。粗波分复用技术(CWDM)波长范围：1280nm1625nmm；（345nm带宽）波长间隔：20nm（容纳16个光信道）；在城域网中，要求硬件成本更低、功耗和体积更小。,光频分复用(OFDM)波分复用密集程度与电通信的频分复用密集程度相当时。,目前单波长可以达到40Gb/s，但原中继器已经不能胜
4、任，单波长提高传输容量必须构建新的路由，升级比较困难。,（1）波分复用：每个波长无须达到40Gb/s，多个波长可大幅度提高通信容量。当今采用波分复用技术最高速率已达到11Tb/s。（2）采用光时分复用和光码分复用：但目前技术还不很成熟。单波长时分和码分在实验室已经达到640Gb/s(0.64Tb/s)。我们重点讲解波分复用技术。,升级措施：,8.1.1 WDM工作原理,8.1 WDM工作原理,一个波长在理论上比特率可达1Tb/s,而目前光时分复用才达0.64Tb/s。光孤子通信2007年达到80Gb/s和120Gb/s。普通方式比特率最高只能达到40Gb/s。而普通方式则是采用的2.5Gb/s
5、 和5Gb/s的单波长系统，其技术相当成熟。为了发挥光纤带宽很宽的优势，人们采用了多个波长传输系统波分复用系统。,8.1.1 WDM工作原理,WDM系统的频谱分布图,8.1.1 WDM工作原理,WDM与光纤特性,8.1.1 WDM工作原理,WDM系统的主要特性：,（1）通信容量升级容易,（2）实现全透明通信,无论异步还是同步数字系列，还是模拟通信，在整个传输过程中无须电交接，也无须电中继器，因此收发之间全透明。,8.1.1 WDM工作原理,（3）波分复用可以实现波长路由,线路中使用光路由器件（光分插复用器件、光交叉连接器、波长变换器），把实际波长作为中间或者最终地址(实际就是实现光交换)。,典
6、型的WDM光通信链路,8.1.1 WDM工作原理,光发送机：将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA）放大输出至光纤中传输。光中继放大：用采用了增益平坦技术的EDFA实现对不同波长光信号的相同增益放大。光接收机：先由前置光放大器（PA）放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。,8.1.1 WDM工作原理,光监控信道（OSC）：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s为的光监控信号，如帧同步、公务及各种网管开销字节(多余的字节)，与主信道的光信号合波输出；
7、在接收端，将收到的光信号进行分离，输出s波长的光监控信号和业务信道光信号。网络管理系统：通过光监控信道物理层传送开销字节和接收开销字节，对WDM进行管理。实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。,8.1.1 WDM工作原理,WDM系统波长区分配,目前光波分复用系统的工作主要波长：15301562nm,8.1.1 WDM工作原理,8.1.1 WDM工作原理,比单信道提高通信容量50倍。,波分复用系统的串扰,合波器不易相互串扰，而分波器容易串扰（与解复用器的分辨率有关）,串扰要求：,解：,8.1.2 WDM、DWDM与CWDM,1.WDM与DWDM,WDM最早的就是两个波长（1
8、310nm、1550nm）的波长间隔240nm。一般的波分复用技术（WDM)是在1525nm1565nm 范围进行波分复用,频道间隔比较大，410nm。,表8.1 是国际电信联盟制定的标准，信道间隔约为0.8nm（0.790.80nm）。,还有的公司能做到信道间隔0.4nm、0.2nm。,每个信道的中心波长也可用中心频率来表示。,密集波分复用对光源，复用器，解复用器要求很严格。,（1）用高稳定度的DFB：波长稳定，谱线要窄，需要高精度控制装置。（2）复用/解复用器要稳定，特别是解复用器的分辨率要高。,8.1.2 WDM、DWDM与CWDM,8.1.2 WDM、DWDM与CWDM,因此，密集波分
9、复用技术造价昂贵，但性价比高，主要用于主干线。,2.CWDM,粗波分复用信道波长间隔比较大，20nm.可以用于距离短的城域网中。激光器要求不严格：无须制冷，无须精确控制功率和波长。,复用器，解复用器要求也不严格,价格低，实现复用解复用比较容易。,表8.2是国际电信联盟对CWDM信道间隔的划分。全波长18个光信道。,8.2 WDM的基本组成 前边已介绍，也可自己看看这一节内容。,8.3 WDM系统中的关键器件,8.3.1 WDM系统中的光源,1.WDM系统对光源的要求,LED：谱线宽度50100nm,输出功率低，调制速率低，不适于WDM光源。,F-P腔LD：谱线宽度8nm左右，可作为粗波分复用（
10、CWDM）。,8.3.1 WDM系统中的光源,DFB和DBR LD：谱线宽度110-3nm，调制后最大也不过0.2nm,可作为密集波分复用的光源。,LD的调制速率可达数Gb/s到几十Gb/s。,对WDM系统的光源除了与其他光通信的一般要求外，还有特殊要求：,波长可调谐，线宽窄；单纵模工作；边模抑制比高，3040dB；啁啾小；波长和输出功率稳定；相对强度噪声小；功耗低。,8.3.1 WDM系统中的光源,2.可作为WDM系统光源的激光器件,为符合国际电信联盟规定，用DFB激光器作为光源。,可调谐措施：,（1）分段式DBRLD,DBR把电流分成两部分：有源LD信号电流和调谐电流。,DBR把电流分成三
11、部分：有源LD段,相位段,布拉格段。,DFB激光器的布拉格光栅制作在管芯中，不可改变,于是波长不可调谐。但它又随注入电流的改变折射率n 在变化，且波长还随温度变化，布拉格光栅常数 变化,波长又不稳定。,8.3.1 WDM系统中的光源,（2）集成腔LD,集成腔LD是在半导体芯片上制作多个可调谐激光器，每个可调谐激光器调谐一个波长，多个激光器通过集成波导复用器（多个输入端，一个输出端）耦合到光纤。,（3）光栅外腔激光器,在LD外边增加一个可移动和可转动的光栅，该光栅与LD的自然解理面构成一个外腔。移动光栅可粗调，转动光栅可细调。调谐范围达80nm，不足之处，体积大，稳定性差，调谐速度慢，早期曾用于
12、WDM系统，现在只当作测试光源。,8.3.1 WDM系统中的光源,8.3.2 WDM系统中的光接受,对WDM光接收机的三点要求：,光接收机必须对所复用的波长范围能均匀响应。即分离出来的各个波长进入各处光电检测器，每个光电检测器对应自己的入射光，响应度基本一致。接收机的灵敏度高于单信道接收机灵敏度。因为复用时的串扰会降低信噪比，所以要提高几dB的灵敏度。自动调谐时间要短。个别波长在解复用时，不一定符合接收端要求，必须自动进行调谐，（自动检测波长，转换到相应光电二极管上）时间要求几ns。,对WDM系统若用过去的中继器，光电光，只能真对一个波长，多个波长则会使中继器十分庞大，是不现实的。,用掺铒光纤
13、放大器EDFA，在1550nm窗口附近，约有35nm带宽。可以对该波长范围的WDM系统进行光放大。,EDFA的特点：带宽较宽（掺铝并通过滤波器均衡后）；增益高，噪声低（Fn5dB）；对偏振不敏感。,8.3.3 WDM系统中的光放大器,WDM光放大器应用时要注意三点：,增益的平坦性,即使是掺铝的EDFA，在35nm带宽内增益也不是平坦的，要想对各种波长进行同样的放大，必须对入射光进行预均衡。预均衡:发射机处预均衡，放大器中加均衡滤波器。,不均衡时，有的波长放大的很大而过载，有的则较小而不满足最小接收光功率要求。因此必须考虑均衡放大。,8.3.3 WDM系统中的光放大器,增益不同时,ASE噪声(无
14、信号输入时)基线平坦程度不同。有信号输入时,不同增益下,对不同波长放大不一致。,损耗不变滤波器的不足:,用于EDFA均衡的滤波器的种类,损耗特性不变的滤波器,损耗特性可调的滤波器,介质薄膜型,光纤光栅型,M-Z干涉滤波器,阵列波导滤波器,声光型滤波器,8.3.3 WDM系统中的光放大器,8.3.3 WDM系统中的光放大器,功率暂态与自动增益控制,图8.3.11 是某信道刚上路时,输出光功率随时间的变化关系。00.04s功率上升较快,下降也较快.0.040.1s功率变化不大,处于稳态.即稳定时间为0.04s。,当有些信道突然出现故障掉路或在网络节点进行上/下路时,EDFA的输入功率就会突然增加/
15、减小,导致EDFA的增益发生暂态变化，其他信道从EDFA的增益就会减小或增大，最终导致那些仍留在光纤链路上的信道到达各自接收机的功率发生暂态变化，这就叫做功率暂态。,8.3.3 WDM系统中的光放大器,8.3.3 WDM系统中的光放大器,是一个光放大器的kG倍。,选择最佳增益值使信噪比尽量保持不变。,多级级连时的总噪声系数Fn为,提高光发射机和光接收机的信噪比；,采用噪声系数Fn小的EDFA。,降低噪声措施,(2)ASE 噪声,在光纤链路中往往都有多个EDFA光放大器,这样就会导致前一个光放大器产生的自发辐射噪声被后级放大器放大,使噪声不断累加,于是信噪比降低。,8.3.3 WDM系统中的光放大器,Thank You!,
