波分复用概念与其技术讲解波分复用WDM是将两种或多种不同波长.docx

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波分复用概念与其技术讲解波分复用WDM是将两种或多种不同波长

波分复用概念与其技术讲解

波分复用（WDM）是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器（亦称合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器（亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。

通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。

按照通道间隔的不同，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0.2nm到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。

CWDM和DWDM的区别主要有二点：

一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。

冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。

由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。

CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。

CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。

在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。

由于光波长与频率的关系：

=×。

实际上为一种频分复用，所以WDM通常也被称为光频分复

用（OFDM）,WDM系统的主要优点为：

1．充分利用光纤的低损耗波段，大大增加光纤的传输容量，降低成本

2．对革新到传输的信号的速率，格式具有透明性，有利于数字信号和模拟信号的兼容

3．节省光纤和光中继器，便于对已经建成的系统进行扩容

4．可以提供波长选路，使建立透明，灵活，具有高度生存性的WDM网络成为可能

46.2.2波分复用/解复用器件

在整个WDM系统中，需要使用多种波长的光信号，通常光纤的损耗随着传输距离的增长而增大。

光纤的传输损耗与工作波长有关。

故现有光通讯系统中通常选择850nm,1310nm和1550nm的光波用于传输（如右图所示），为了保证不同的DWDM系统之间的横向兼容性，ITU-T定义了以193.1THz（1552.52nm）为中心频率，通道最小间隔为100GHz。

下图为8/16/32个信道使用频段。

激光发射器

通常可以使用多种可调整波长的激光发射器来实现。

常用的发射器有分布式反馈激光器，分布是布拉格反射激光器，机械可调激光器，外腔可调激光器，垂直共振腔表面放射激光器。

在一些较新的系统中，通常使用外腔可调激光器，其工作原理如下图：

外腔可调激光器包括光学镜以及外部光栅，还包括一个完整的热调谐器，外腔可调激光器输出功率超过20mW。

垂直共振腔表面放射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,VCSEL）是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种半导体激光器，具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。

因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。

典型的VCSEL结构如图所示，其有源区由多量子阱组成，有源区上下两边分别由多层四分之一波长厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR，相邻层之间的折射率差使每组叠层的Bragg波长附近的反射率达到极高（＞99％）的水平，需要制作的高反射率器的对数依据每对层的折射率而定，激光器的偏置电流流过反射器，它们是高掺杂的以便减小串联电阻．由一组少量的量子阱提供光增益，典型的量子阱数为1至4个，它们被置于驻波图形的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。

出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一个取值更大一些。

VCSEL与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：

小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％；VCSEL的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管（LED）兼容，大规模制造的成本很低。

由于VCSEL可以快速并直接调制2.5Gbps的信号，所以在设计时无需额外的外部调制部件。

放大器（Amplifiers）通常经过长距离的传输，光纤信号会逐渐衰减。

传统的放大器采用光-电-光转换的方式，到90年代初期，出现EDFA掺铥光纤放大器以及RFA喇曼放大器。

EDFA掺铥光纤放大器工作原理如下，EDFA的工作波长窗口为1550nm窗口（如右图所示），掺铥光纤是EDFA的核心，它以石英光纤作为基础材料，在光纤芯子中掺入一定量的铥离子（Er3+），这种光纤在泵浦光的激励下形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光子，形成光的放大，如下图

一个典型的EDFA由掺铥光纤，泵浦源，光隔离器，光耦合器和光滤波器组成。

泵浦光源通常为980nm或者1480nm光源。

通常EDFA有如下3种构成方式

双向泵浦方式放大效率最好，而同向泵浦噪音最低。

EDFA采用细长纤形的原因主要是使有源区获得较高能量密度，同时光和物质作用区长可以加强放大能力，并且可以降低对泵浦光源功率的要求。

EDFA工作在1530nm~1560nm范围与光纤最小损耗窗口一致。

同时掺铥光纤进行激励的泵浦光源仅需几十毫瓦，增益可高达40dB，同时噪音维持在3~4dB，输出功率可以达到14~20dBm同时容易与光纤连接。

与传统的光-电-光放大器对比，EDFA可以同时对多路信号进行放大，更加适合DWDM系统的传输。

EDFA的基本应用形式有3种如下图所示

当喇曼光纤放大器（RFA）出现后，更多的采用EDFA+RFA的方式进行放大。

RFA的工作原理是建立在光纤喇曼散射基础上的，喇曼散射是指入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余的能量被介质以分子振动的形式吸收，完成振动态之间的跃迁，斯托克斯频移νr=νp−νs（νp指泵浦光频率，νs指信号光频率）由分子振动能级决定，其值决定了受激喇曼散射（SRS）的频率范围。

泵浦光子经过分子的散射作用成为另一个低频斯托克斯光子，同时其余能量转移给声子，分子完成了振动态之间的跃迁。

当一束信号光和一个强泵浦光在光纤中同时传输时，如果信号光的波长位于泵浦光波长的Raman增益谱内，则光纤受激喇曼散射效应而被放大。

RFA具有很多优点，首先增益介质为普通光纤，同时增益波长由泵浦光波长决定，并且增益高，串扰小，噪声系数低，频谱范围宽，温度稳定性好等特点。

通常EDFA+RFA放大器如下图所示：

波分复用/解复用器件

波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合渡器，反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器，有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。

（1）多层介质膜方式

介质簿膜滤波器型波分复用器有两类，一类为干涉滤渡器，另一类是吸收滤波器，两者均可由介质薄膜（DTF）构成DTF干涉滤波器由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜按照设计要求组合起来，每层的厚度为V4波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成。

当光入射到高折射率层时，反射光没有相移。

当光入射到低折射率层时，反射光经历180度相移。

由于层厚1／4波长（90度），因而经低折射率层反射的光经历360。

相移，与经高折射率层的反射光同相叠加。

这样在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反射光。

在这高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光，据此可以使之对一定渡长范围呈通带，对另外波长范围呈阻带，从而形成所要求的滤波特

性利用这种具有特定波长选择特性的干涉滤波器就可以将不同的波长分离或者合并起来，如图所示：

采用DTF干涉滤波器型DwDM器件的主要优点是设计与所用光纤参数几乎完全无关，可以实现结构稳定的小型化器件，信号通带较平坦，与极化无关，插入损耗较低，温度特性很好。

（2）布拉格光栅

利用紫外光将折射率光栅（FBG）刻在光纤芯区的光纤光栅。

其性能甚佳，带内频响很平坦，带外抑制比很高，插入损耗不大，性能十分稳定，1560nm的温度系数为0．01nm/oC，带外抑制比可以高达50dB。

它具有理想的滤光特性、便于设计制造、效率高等优点，因此可制作成倍道间隔非常小的带通、带阻滤波器。

目前已广泛用于DWDM系统中。

其原理如图所示：

（3）Mach-Zehnder干涉

MZI（Mach-ZehnderInterferometer）通常以集成光波导的形式出现，用两个3dB定向耦合器连接两条不同长度的光通路。

（4）波导光栅阵列

波导光栅阵列（AWG）器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有一切平面波导技术的潜在优点，诸如适于批量生产、重复性好、尺寸小，可以在光掩膜过程中实现复杂的光路、与光纤的对准容易等等，因而代表了一种先进的DWDM器件技术。

目前平面波导型DWDM器件有各种实现方案，其中一种称为龙骨型的平面波导WDM器件较有前途。

器件由2个星形耦合器经M个非耦合波导构成。

耦合波导不等长从而形成光栅，两端的星形耦合器由平面设置的两个共焦阵列径向波导构成。

这种波导型DWDM器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但带内频响尚不够平坦.

（5）波长交织复用器

随着复用波长的不断增加，可以使用光梳状滤波器对信号频谱进行梳理和交织，可以把复用得多波长信号分解成按奇偶波长排列的两组光束，可以使密集型DWDM系统进一步分解为两组较稀疏的DWDM信号。

同时也可以反向使用，使稀疏信号合成为更密集的信号

光耦合器/光隔离器/光环行器

在WDM系统中，通常还要使用一些无源器件，如光耦合器，光隔离器及光环行器等，它们的工作

原理如下图所示：

46.2.3影响WDM的因素

随着DWDM的不断扩容，解决传输容量的办法由2种：

首先可以加大每信道的传输速率，但从2.5Gbps

到10Gbps会带来严重的色散问题,

色散问题通常使用色散补偿单元DCU来进行处理，通常有两种处理方法，一种是使用一段在1.550um处具有色散系数的色散补偿光纤（DispersionCompensationfiber,DCF）去抵消常规光纤或NZDSF中的正色散系数。

另一种方法是使用啁啾光纤光栅法，啁啾（Chirp）在光通信中指脉冲信号的相位随时间的变化率。

光信号在色散系数为负的光纤中传输时，高频成分因船舶速度较快而逐渐集中到脉冲前沿，低频成分逐渐集中于脉冲的后沿，两者时差越来越大，脉冲变得越来越宽，采用预啁啾就是在脉冲进入光纤前，使其相位适当的随时间变化，使脉冲从前沿到后沿的频率逐渐升高。

从而脉冲在传输过程中变窄，抵消色散导致的脉冲变宽。

进一步减小信道间距也可以提高DWDM的容量，例如通道间距从100GHz减到50GHz，但会带来如四波混频等非线性效应。

DWDM中，四波混频是最棘手的。

四波混频是光纤折射率的内在非线性导致的。

不同的DWDM信道中非线性的相互作用造成了导致通道间干涉的边频的出现。

四波混频有两类，一种是三个光子合成一个光子，f4=f1+f2+f3，当f1=f2=f3时，对应三次谐波的产生，当f1=f2!

=f3时，对应频率上转换，相应的频率为2f1+f3；另一种是两个光子f1和f2的湮灭，同时产生新的光子f3和f4，f3+f4=f1+f2，频移为f1-f3=f4-f1（假定f4大于f3）。

第二种情形在光纤中更容易实现相位匹配，只要泵浦波进入光纤并满足相位匹配条件，频率为f3和f4斯托克斯和反斯托克斯光就能从噪声开始形成。

另外，如果频率f3的弱信号随同泵谱光一起进入光纤，此信号将被放大，同时产生频率为f4的新频率光。

对于四波混频可以采用加大通光面积和保持一定色散的方式来进行抑制。

同时，高速传送导致偏振极化色散PMD（如下图）效应更加明显，特别在10Gbps线路中，PMD对整个线路影响非常大。

偏振模色散（PMD）起因于光纤的双折射现象，由于制造过程或外部应力使光纤形状为椭圆型所造成的。

由于应力随时间变化，PMD和彩色色散不一样，会随着时间而改变。

PMD通常采用由保偏光纤，基于锂酸铌调制器的分布式品衡器或者双折射非线性啁啾光纤布拉格光栅构成，同时利用电域信号反馈，进行PMD补偿，如下图所示：

由于PMD与波长有关，对于WDM系统中的PMD很难用统一的PMDC来进行补偿，如果采用解复用后再进行PMD补偿的方法，由于信道数太多，补偿系统过于庞大，显然是不太经济的．因此对高速DWDM系统，如何有效地监测不同信道的PMD，并在解复用之前对PMD进行有效的实时补偿，是值得研究的课题．由于PMD的随机性，在多信道DWDM系统中，一根光纤传输多个波长的信道，PMD随波长呈一定的统计规律，并不是所有的通道中PMD都同时恶化，因此可以有选择性地对坏通道进行补偿即所谓最坏通道补偿法。

另一个较重要的非线性效应就是自相位调制，随着“1”、“0”信号的交替，注入光纤的光能量变化较大，这使光纤的折射率也跟随变化，所传光波的相位自然随折射率和传输距离而变化，这种相位上的变化同时带来频率的相对调制。

因为在光脉冲的前沿与后沿光能量的时变率最高，而光载频的变化在光脉冲的前后沿处又最明显，前沿处载频降低，后沿处载频升高。

光通道的色散使不同的载频传输时延发生差异，造成接收光波形失真，这种影响就是自相位调制（SPM）。

通常SPM效应的补偿需要对功率进行动态的调制，在高速（≥10Gb/s）WDM系统中，XPM将成为一个显著的问题。

交叉相位调制（XPM）的产生是由于外信道光功率引起的折射率非线性变化，导致相位变化,因此XPM将加剧WDM系统中SPM的啁啾及相应的脉冲展宽效应。

增加信道间隔可以抑制XPM.

衡量光信号可以使用OSNR（光纤信噪比），OSNR=10Log10（Ps/Pn）其中Ps=Powerlevelofthesignal（dB）Pn=Powerlevelofthenoise（dB）OSNRFINAL=PIN+58–PS–NF–10Log10NPIN=Amplifierinputpower（dB）PS=Totalspanloss（dB）NF=NFoftheamplifier（dB）N=Numberofspans例如如下系统：

PS=a*100dB+3dB=23dB

PTMIN=–2dBm，PIN=–2dB

NF=NFoftheamplifier=6dB

N=Numberofspans=4

OSNRFINAL=PIN+58–PS–NF–10Log10N=21dB

PRX=PIN–Loss（Span0）+Gain（A1）–Loss（Span1）+Gain（A2）–Loss（Span2）+Gain（A3）–Loss（Span3）

Loss（Span0）=（a*10）+2=（0.2*10）+2=4dB

Loss（Span1）=（a*100）+2.5=（0.2*100）+2.5=22.5dB

Loss（Span2）=（a*89）+3=（0.2*89）+3=20.8dB

Loss（Span3）=（a*99）+2.75=（0.2*99）+2.75=22.55dB

PRX=–2–4+21–22.5+21–20.8+21–22.55=–8.85dB

如果PRX在接收器的动态范围内，则我们称这个系统是稳定的。

46.2.4DWDM系统整个DWDM传输系统如下图所示,通常包括一个光转换器，用于将SDH光信号转换为DWDM信号，然后进行复用，在传输过程中使用光放大器进行信号放大，同时中间可以接入OADM和OXC，到末端使用DCU对色散进行补偿，最后将信号解复用。

在传统的DWDM网络中，放大器增益，色散补偿等参数需要人为的手工调节，同时还需要很多的外部测量设备，需要使用光时域反射仪OTDR，用于测量光纤线路损耗，接头位置等光纤品质参数，对于DWDM系统，通常还需要使用OSA光频谱分析仪，分析各个波长品质的工作，可以看到光纤截面上的所有波长的信噪比和功率水平等参数。

OSA对于传统DWDM网络而言，是一个非常重要的工具

ROADM的引入，也是整个网络的灵活性大大加强。

ROADM为可重构OADM，可以通过软件层面对OADM进行控制，目前较成熟的是第三代动态可重新配置的光分插复用（ROADM）系统提供全自动的光层，其中包括可重新配置的光分插复用，单波长粒度，自动功率和瞬态控制，以及确保业务质量和故障管理的连续实时性能监测。

同时对于光纤链路的老化，可以进行自动的补偿，可重配置的OADM在将信号从一个网络向另一个网络传输时不需要经过O-E-O转发，可以消除光电光转换的成本。

对于运营商而言，网络的开通将不需要使用复杂的手段，而仅仅通过ROADM的配置即可，同时ROADM内含智能色散补偿，智能信号放大等单元，大大降低了人工配置的复杂度，通常仅需要一套清洁工具维持接口干净就可以配置整个DWDM系统了。

ROADM工作原理如下图

在新型的智能波分复用设备中，引入了众多动态调节设备，通过一套外部控制反馈系统，可以自动进行调节。

例如在传输过程中，原有的放大器仅对每个Channel进行放大，这样会导致某些Channel功率过大对传输产生影响。

另一点就是OADM，OADM加入的波长可能功率水平和原有传输的功率水平不一致导致单个Channel功率过高。

通常在智能波分网络中，可以采用自动功率调节的方法