科创学院上课课件波分复用系统W.ppt
l 波分复用系统波分复用系统 （WDM）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指的是将不同波长的光信号汇集在一根光纤中发射传输，在接收端将它们分开。光纤中发射传输，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 10G TDM技术的相对简单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。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WDM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s系统为例，系统为例，16波分波分单向就可达到单向就可达到40Gbs的传输速率，这足以的传输速率，这足以满足未来几年的业务需求；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s以上的高速率系统。因而在制定规范的过程以上的高速率系统。因而在制定规范的过程中，我们主要考虑了基于中，我们主要考虑了基于s 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。对于承载信号为其他格式信号为其他格式(例如例如IP)的系统和其它速率的系统和其它速率（例如（例如10Gb/sN）暂不作要求。）暂不作要求。工作波长区的选择工作波长区的选择 对于常规光纤，给出了以为标准频率、对于常规光纤，给出了以为标准频率、间隔为间隔为100GHz的的41个标准波长个标准波长196.1THz)，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的系统，到寿命终了时的频率偏移的系统，到寿命终了时的频率偏移应不大于应不大于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 D D Df1.6nm200GHz0.8nm100GHz0.4nm50GHzCWDMnCoarse Wavelength Division 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(2)单向单向WDM传输是指所有光通路同时在一根传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。光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。如图所示，所用波不同的方向传输。如图所示，所用波长相互分开，长相互分开，以实现双向全双工的通以实现双向全双工的通信。信。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 足的光接口；标准的光波长、满足长距离足的光接口；标准的光波长、满足长距离的光源。整个系统构造比较简单，但是不的光源。整个系统构造比较简单，但是不能直接接纳过去老能直接接纳过去老SDH系统和不同厂家的系统和不同厂家的系统。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的接的接口波长转换为的标准波长光接口。可以接口波长转换为的标准波长光接口。可以接纳过去的老纳过去的老SDH系统，并实现不同厂家互系统，并实现不同厂家互联，但联，但OTU的引入可能对系统性能带来一的引入可能对系统性能带来一定的负面影响。定的负面影响。双双向向WDM系系统统在在设设计计和和应应用用时时必必须须要要考考虑虑几几个个关关键的系统因素：键的系统因素：如为了抑制多多通通道道干干扰扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、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、光光监监控控信信道道(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，通过在中间设置光光分分插插复复用用器器(OADM)或光光交交叉叉连连接接器器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上上下下路路(Add/Drop)和路路由由分分配配，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(OXC)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光转移，送出特定波长信号送入合波器波器(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，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。规定了波长稳定性极为重要。规定了DWDM系统中系统中每通道允许的波长最大偏移量小于每通道允许的波长最大偏移量小于1/5通道间通道间隔。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长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；激光器的老的变化，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，有必要采用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。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波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术。长控制技术和基于波长反馈的波长控制技术。2光纤技术光纤技术 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。目前光纤既解决了光纤的线性色散受限问目前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，对于运行题，又解决了光纤的非线性问题，对于运行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 在在这这一一部部分分我我们们将将介介绍绍各各种种各各样样的的波波长长选选择择技术，技术，即即光滤波技术光滤波技术。光光滤滤波波器器在在WDM系系统统中中是是一一种种重重要要元元器器件件，与与波波分分复复用用有有着着密密切切关关系系，常常常常用用来来构构成成各各种种各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 波波长长分分插插复复用用器器(Wavelength 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 波波长长路路由由器器是是波波长长选选路路网网络络(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上的波长记为 、,输入端口2上的波长记为 、。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。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。如如果果一一个个波波长长路路由由器器的的路路由由方方式式不不随随时时间间变变化化，就就称称为为静静态态路路由由器器；路路由由方方式式随随时时间间变变化化，则则称称之之为为动动态态路由器路由器。静静态态路路由由器器可可以以用用波波分分复复用用器器来来构构成成，如如下下图图所所示示。波波长长分分插插复复用用器器可可以以看看成成是是波波长长路路由由器器的的简简化化形形式式，它它只只有有一一个个输输入入端端口口和和一一个个输输出出端端口口，再加上一个用于分插波长的本地端口。再加上一个用于分插波长的本地端口。OADMOADMl1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l42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的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、干涉等物理现光学特性，及色散、偏振、干涉等物理现象实现分波及其合波的功能。象实现分波及其合波的功能。主主要要有有光光栅栅型型、干干涉涉滤滤波波片片型型、阵阵列列光光波导型和熔锥型四种基本形式。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 nBOE1 1 1 nL1L2 1 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 0 ,1，n 1，n 0n1L1n2L2薄膜谐振多腔滤波器薄膜谐振多腔滤波器(Thin Film Resonant Multicavity Filter)由由反反射射介介质质薄薄膜膜隔隔开开的的两两个个或或多多个腔构成。个腔构成。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 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 1,8 1 2 8 7公共端公共端-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 25GHzInterleaver50GHzInterleaver100GHzInterleaver50GHzInterleaver200GHz 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 WDM 1P1(1)N2(1)WDM 1P1(1)N2(1)远端串扰系数远端串扰系数近端串扰系数近端串扰系数
