第6章光纤通信新技术.ppt

7.1 7.1 光纤放大器光纤放大器7.2 7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 7.3 光交换技术光交换技术7.4 7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 7.7 波长变换技术波长变换技术第第 7 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录第第7 7章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 光光纤纤通通信信发发展展的的目目标标是是提提高高通通信信能能力力和和通通信信质质量量，降降低低价价格，满足社会需要。格，满足社会需要。进进入入2020世世纪纪9090年年代代以以后后，光光纤纤通通信信成成为为一一个个发发展展迅迅速速、技术更新快、新技术不断涌现的领域。技术更新快、新技术不断涌现的领域。已经实用化或者有重要应用前景的新技术：已经实用化或者有重要应用前景的新技术：（1 1）光放大技术。代替光）光放大技术。代替光-电电-光再生中继器。光再生中继器。（2 2）光波分复用技术）光波分复用技术。扩大网络通信的容量。扩大网络通信的容量。（3 3）光交换技术。突破电子线路的极限速率）光交换技术。突破电子线路的极限速率20Gb/s20Gb/s，是实现是实现全光通信的关键技术。全光通信的关键技术。（4 4）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。）光孤子通信。改善色散的影响，实现超长距离传输。（5 5）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。）相干光通信。提高灵敏度，增加传输距离。（6 6）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。）光时分复用技术。提高传输速率，扩大传输容量。（7 7）波长变换技术。扩大）波长变换技术。扩大WDMWDM网络的灵活性和可扩容性。网络的灵活性和可扩容性。光放大器的发展历史：（1）1980年以后，首先出现了利用半导体技术的半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）的法布里泊罗型半导体激光放大器，并开始对行波式半导体激光放大器进行研究。（2）另一方面，随着光纤技术的发展，出现了利用光纤非线性效应的光纤拉曼放大器。（3）1987年，英国南安普敦大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55m波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。（4）短短几年时间，EDFA迅速走向实用化，由于光纤放大器的问世，在1990年到1992年不到两年的时间里光纤系统的容量增加了整整一个数量级，而在此之前为达到相同的增长却花费了整整8年时间。这明确表明了光放大器的巨大作用，为光纤通信展现了无限广阔的发展前景。种类：种类：(1)(1)半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA）半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。(2)(2)光纤放大器光纤放大器掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）分布光纤拉曼放大器（分布光纤拉曼放大器（DRADRA）非线性光纤放大器非线性光纤放大器卓至飞高公司系列光纤放大器：卓至飞高公司系列光纤放大器：RF-1550-XXI型型EDFARF-1550-XX野外型野外型EDFAEDFASOA7.17.1光光 纤纤 放放 大大 器器 光光纤纤放放大大器器的的性性能能与与光光偏偏振振方方向向无无关关，器器件件与与光光纤纤的的耦耦合损耗很小，因而得到广泛应用。合损耗很小，因而得到广泛应用。光光纤纤放放大大器器实实际际上上是是把把工工作作物物质质制制作作成成光光纤纤形形状状的的固固体体激光器，所以也称为光纤激光器。激光器，所以也称为光纤激光器。2020世世纪纪8080年年代代末末期期，波波长长为为1.55 1.55 mm的的掺掺铒铒(ErEr)光光纤纤放放大大器器(EDFA(EDFA：ErbiumErbiumDoped Doped Fiber Fiber Amplifier)Amplifier)研研制制成成功功并并投投入入实实用用，把把光光纤纤通通信信技技术术水水平平推推向向一一个个新新高高度度，成成为为光光纤纤通信发展史上一个重要的里程碑。通信发展史上一个重要的里程碑。7.1.17.1.1掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理如如图图，在在掺掺铒铒光光纤纤(EDF)(EDF)中中，铒铒离离子子(Er(Er3+3+)有有三三个个能能级级：其其中中能能级级1 1代代表表基基态态，能能量量最最低低；能能级级2 2是是亚亚稳稳态态，处处于于中中间间能能级级；能级能级3 3代表激发态，代表激发态，能量最高。能量最高。（1 1）当泵浦）当泵浦(Pump,(Pump,抽运抽运)光的光子光的光子能量等于能级能量等于能级3 3和能级和能级1 1的能量差时，的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态发态(13)(13)。（2 2）但是激发态是不稳定的，）但是激发态是不稳定的，ErEr3+3+很快返回到能级很快返回到能级2 2（无辐射跃迁）。（无辐射跃迁）。（3 3）如果输入的信号光的光子能量）如果输入的信号光的光子能量等于能级等于能级2 2和能级和能级1 1的能量差，则处的能量差，则处于能级于能级2 2的的ErEr3+3+将跃迁到基将跃迁到基态态(21)(21)，产生受激辐射光，因而信号光得，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。到放大。从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的从掺铒光纤放大器的工作原理可以看出，光放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦应提高对泵浦光的吸收，光的吸收，使基态使基态ErEr3+3+尽可能跃迁到激发态，图尽可能跃迁到激发态，图7.1(b)7.1(b)示出示出EDFAEDFA增益和吸收频谱。增益和吸收频谱。波长在波长在1.5 1.5 mm附近时附近时，吸收和增益最大，吸收和增益最大。图图7.2(a)7.2(a)示示出出输输出出信信号号光光功功率率和和输输入入泵泵浦浦光光功功率率的的关关系系，由由图图可可见见，泵泵浦浦光光功功率率转转换换为为信信号号光光功功率率的的效效率率很很高高，达达到到92.6%92.6%。当当泵泵浦浦光光功功率率为为60 60 mWmW时时，吸吸收收效效率率(信信号号输输入入光光功功率率-信号输出光功率信号输出光功率)/)/泵浦光功率为泵浦光功率为88%88%。图图7.2（b）是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当是小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵泵浦光功率小于浦光功率小于6mW时，增益线性增加，增益系数为时，增益线性增加，增益系数为6.3dB/m。7.1.27.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性图图7.3(a)7.3(a)为为光光纤纤放放大大器器构构成成原原理理图图，主主要要构构成成部部件件及及功功能能为为：（1 1）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。）光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性。（2 2）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。）光耦合器（波分复用器）：把信号光和泵浦光混合起来。（3 3）掺珥光纤：长约）掺珥光纤：长约10100m10100m，ErEr 3+3+浓度约为浓度约为25mg/kg25mg/kg。（4 4）泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为泵浦光源：形成粒子数反转分布。光功率为10100mW10100mW，工作波长为工作波长为0.98 0.98 mm。实用光纤放大器外形图及其构成方框图EDFAEDFA构成器件的性能选择：构成器件的性能选择：EDFAEDFA的增益取决于的增益取决于ErEr 3+3+的浓度的浓度、光纤长度光纤长度和和直径直径以及以及泵浦光功泵浦光功率率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。等多种因素，通常由实验获得最佳增益。（1 1）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为）对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 1480 mm的的InGaAsPInGaAsP多量子阱多量子阱(MQW)(MQW)激光器，激光器，输出光功率高达输出光功率高达100 100 mWmW,泵浦光转换为信号光效率在泵浦光转换为信号光效率在6 dB/6 dB/mWmW以上。以上。波长为波长为980 nm980 nm的泵浦的泵浦光转换效率更高，达光转换效率更高，达10 dB/10 dB/mWmW，而且噪声较低，是未来发展的而且噪声较低，是未来发展的方向。方向。（2 2）对波分复用器的基本要求是插入损耗小。熔拉双锥光纤耦）对波分复用器的基本要求是插入损耗小。熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。（3 3）对光隔离器的作用是它的基本要求是插入损耗小，反射损）对光隔离器的作用是它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。耗大。图图7.47.4是是EDFAEDFA商商品品的的特特性性曲曲线线，图图中中显显示示出出增增益益、噪噪声声指指数数和和输输出出信信号号光光功功率率与与输输入入信信号号光光功功率率的的关关系系。在在泵泵浦浦光光功功率率一一定定的的条条件件下下，当当输输入入信信号号光光功功率率较较小小时时，放放大大器器增增益益不不随随输输入入信信号号光光功功率率而而变变化化，基基本本上上保保持持不不变变。当当信信号号光光功功率率增增加加到到一一定定值值(一一般般为为-20-20 dBmdBm)后后，增增益益开开始始随随信信号号光光功功率率的的增增加加而而下下降降，因因此此出出现现输输出出信信号号光光功功率率达达到到饱饱和和的的现现象象。掺掺铒铒光光纤纤越越长，饱和度越深。长，饱和度越深。表7.1列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。表表7.1掺铒光纤放大器技术参数掺铒光纤放大器技术参数7.1.37.1.3掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点和应用EDFAEDFA有许多优点，有许多优点，并已得到广泛应用。并已得到广泛应用。EDFAEDFA的主要优点有：的主要优点有：(1)(1)工工作作波波长长正正好好落落在在光光纤纤通通信信最最佳佳波波段段(1500(15001600 1600 nm)nm)；其其主主体体是是一一段段光光纤纤(EDF)(EDF)，与与传传输输光光纤纤的的耦耦合合损损耗耗很很小小，可可达达0.1 dB0.1 dB。(2)(2)增增益益高高，约约为为303040 40 dB;dB;饱饱和和输输出出光光功功率率大大，约约为为101015 15 dBmdBm;增益特性与光偏振状态无关。增益特性与光偏振状态无关。(3)(3)噪噪声声指指数数小小，一一般般为为4 47 7 dB;dB;用用于于多多信信道道传传输输时时，隔隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。离度大，无串扰，适用于波分复用系统。(4)(4)频频带带宽宽，在在1550 1550 nmnm窗窗口口，频频带带宽宽度度为为202040 40 nmnm，可可进行多信道传输，有利于增加传输容量。进行多信道传输，有利于增加传输容量。如如果果加加上上1310 1310 nmnm掺掺镨镨光光纤纤放放大大器器(PDFA)(PDFA)，频频带带可可以以增增加加一一倍倍。所所以以“波波分分复复用用+光光纤纤放放大大器器”被被认认为为是是充充分分利利用用光光纤纤带宽增加传输容量最有效的方法。带宽增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波良好效果。副载波CATVCATV系统，系统，WDMWDM或或OFDMOFDM系统，相干光系统以系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了及光孤子通信系统，都应用了EDFAEDFA，并并大幅度增加了传输距离。大幅度增加了传输距离。EDFAEDFA的应用，的应用，归纳起来可以分为三种形式，归纳起来可以分为三种形式，如图如图7.57.5所示。所示。（1 1）中继放大器（）中继放大器（LALA）。）。（2 2）前置放大器（前置放大器（PAPA）。）。（3 3）后置放大器（后置放大器（BABA）。）。图7.5光纤放大器的应用形式 (a)中继放大器；(b)前置放大器和后置放大器 半导体光放大器 现代光放大器中最早出现的使半导体光放大器（SOA）。它的基本结构、原理和特性与半导体激光器非常相似。它们工作原理都是基于激光半导体介质固有的受激辐射光放大机制，所不同的在于SOA去掉了构成激光振荡的谐振腔，并且SOA使用电流直接激励驱动的。半导体光放大器的优点是尺寸小、频带宽、增益高；但缺点是与光纤的耦合损耗太大、易受环境温度的影响、工作稳定性较差。但半导体光放大器容易集成，适宜同光集成和光电集成电路结合使用。通常光半导体放大器分为两大类：一种是将普通半导体激光器用作光放大器，称为法布里泊罗（F-P）半导体激光放大器（FPA），另一种是在F-P激光器的两个端面上涂上抗反射膜，以获得宽频、低噪的高输出特性。由于这种放大器是在光行进过程中对光进行放大的，故被称为行波式光放大器。光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器是建立在拉曼放大工作原理之上。所谓拉曼放大实际上是放大器的一个非谐振过程，其放大增益相应仅仅依赖于泵浦波长。因此只要选择合适的泵浦源就可以获得任意波长的拉曼放大。EDFA的出现确实极大的促进了现代光通信系统的发展。但是随着现代光网络进一步发展：（1）一方面EDFA已经不能满足现有系统对超大容量的要求（2）另一方面EDFA也会带来光信号信噪比的不断恶化而不能满足超长距离传输的要求。为此，必须要提出一种既要满足超宽带宽要求，又能满足超低噪声要求的新型光放大器。光纤拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪声指数小等特性，成为了新一代放大器的首选。除此之外拉曼放大器还具备另外一个非常突出的优点就是能同其他光放大器（比如EDFA）进行有机结合，通过有机的混合使用可以构成宽带宽、低噪声、增益平坦、高输出功率、响应时间短的混合放大系统。但这种混合放大系统也有对所需泵浦功率较大、对光偏振敏感的缺点。另外由于拉曼放大器的增益较低，从经济性的角度考虑，它不适合单独做功率放大器。因此拉曼放大器特别适合与EDFA相结合作为超长距离WDM系统的功率放大器。这样既能获得较大的增益，又能保证得到较高的光信噪比。7.2 7.2 光波分复用技术光波分复用技术 随随着着人人类类社社会会信信息息时时代代的的到到来来，对对通通信信的的需需求求呈呈现现加加速速增增长长的的趋趋势势。发发展展迅迅速速的的各各种种新新型型业业务务(特特别别是是高高速速数数据据和和视视频频业业务务)对对通通信信网网的的带带宽宽(或或容容量量)提提出出了了更更高高的的要要求求。为为了了适适应应通通信信网网传传输输容容量量的的不不断断增增长长和和满满足足网网络络交交互互性性、灵灵活活性性的的要求，产生了各种复用技术。要求，产生了各种复用技术。在在光光纤纤通通信信系系统统中中除除了了大大家家熟熟知知的的时时分分复复用用(TDM)(TDM)技技术术外外，还还出出现现了了其其他他的的复复用用技技术术，例例如如光光时时分分复复用用(OTDM)(OTDM)、光光波波分分复复用用(WDM)(WDM)、光光频频分分复复用用(OFDM)(OFDM)以以及及副副载载波波复复用用(SCM)(SCM)技技术术。本节主要讲述本节主要讲述WDMWDM技术。技术。7.2.17.2.1光波分复用原理光波分复用原理 1.WDM1.WDM的概念的概念 光光波波分分复复用用(WDM(WDM：Wavelength Wavelength Division Division Multiplexing)Multiplexing)技技术术是是在在一一根根光光纤纤中中同同时时传传输输多多个个波波长长光光信信号号的的一一项项技技术术。其其基基本本原原理理是是在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的光光信信号号组组合合起起来来(复复用用)，并并耦耦合合到到光光缆缆线线路路上上的的同同一一根根光光纤纤中中进进行行传传输输，在在接接收收端端又又将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开(解解复复用用)，并并作作进进一一步步处处理理，恢恢复复出出原原信信号号后后送送入入不不同同的的终终端端，因因此此将将此此项项技技术术称称为为光光波波长长分分割割复复用用，简称光波分复用技术。简称光波分复用技术。图7.6 中心波长在1.3m和1.55m的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示1.55m传输窗口的多信道复用)两个窗口合在一起，总带宽超过30 THz。如果信道频率间隔为10 GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。光纤的带宽很宽。如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31 m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽(|f|=|-c/2|,和分别为中心波长和相应的波段宽度，c为真空中光速)为17700 GHz；波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口，相应的带宽为12500 GHz。由由于于目目前前一一些些光光器器件件与与技技术术还还不不十十分分成成熟熟，因因此此要要实实现现光光信信道道十十分分密密集集的的光光频频分分复复用用(OFDM)(OFDM)还还较较为为困困难难。在在这这种种情情况况下下，人人们们把把在在同同一一窗窗口口中中信信道道间间隔隔较较小小的的波波分分复复用用称称为为密密集集 波波 分分 复复 用用(DWDM(DWDM：Dense Dense Wavelength Wavelength Division Division Multiplexing)Multiplexing)。一一般般波波长长间间隔隔小小于于0.8nm0.8nm。WDMWDM、DWDMDWDM和和OFDMOFDM在在本本质质上上没没有有多多大大区区别别。以以往往技技术术人人员员习习惯惯采采用用WDM WDM 和和DWDMDWDM来来区区分分是是1310/1550 1310/1550 nm nm 简简单单复复用用还还是是在在1550 1550 nmnm波波长长区区段内密集复用。段内密集复用。目目前前，“掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(EDFA)+(EDFA)+密密集集波波分分复复用用(WDM)+(WDM)+非非零零色色散散光光纤纤(NZDSF(NZDSF，即即G.655G.655光光纤纤)+)+光光子子集集成成(PIC)(PIC)”正正成成为为国国际际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)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)，则在原来由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，相邻光纤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、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、新一代的WDM全光网络。2.WDM2.WDM系统的基本形式系统的基本形式 光光波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器是是WDMWDM技技术术中中的的关关键键部部件件，将将不不同同波波长长的的信信号号结结合合在在一一起起经经一一根根光光纤纤输输出出的的器器件件称称为为复复用用器器(也也叫叫合合波波器器)。反反之之，经经同同一一传传输输光光纤纤送送来来的的多多波波长长信信号号分分解解为为各各个个波波长长分分别别输输出出的的器器件件称称为为解解复复用用器器(也也叫叫分分波波器器)。从从原原理理上上讲讲，这这种种器器件件是是互互易易的的(双双向向可可逆逆)，即即只只要要将将解解复复用用器器的的输输出出端端和和输输入入端端反反过过来来使使用用，就就是是复复用用器器。因因此此复复用用器器和解复用器是相同的和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。WDMWDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：(1)(1)双双纤纤单单向向传传输输。单单向向WDMWDM传传输输是是指指所所有有光光通通路路同同时时在在一一根根光光纤纤上上沿沿同同一一方方向向传传送送。如如图图7.77.7所所示示，在在发发送送端端将将载载有有各各种种信信息息的的、具具有有不不同同波波长长的的已已调调光光信信号号1 1,2 2,n n通通过过光光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。图7.7双纤单向WDM传输图图7.8单纤双向单纤双向WDM传输传输(2)(2)单纤双向传输。单纤双向传输。双向双向WDMWDM传输是指光通路在一根光纤上同传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。时向两个不同的方向传输。如图如图7.87.8所示，所用波长相互分开，所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。以实现双向全双工的通信。双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑制多通道干扰(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。所以双向WDM系统的开发和应用相对说来要求较高，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(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，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。3.3.光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数对对波波分分复复用用器器的的基基本本要要求求是是：插插入入损损耗耗小小，隔隔离离度度大大，带带内内平平坦坦，带带外外插插入入损损耗耗变变化化陡陡峭峭，温温度度稳稳定定性性好好，复复用用通通路路数数多多，尺寸小等。尺寸小等。(1)(1)插插入入损损耗耗。插插入入损损耗耗是是指指由由于于增增加加光光波波分分复复用用器器/解解复复用用器器而而产产生生的的附附加加损损耗耗，定定义义为为该该无无源源器器件件的的输输入入和和输输出出端端口口之间的光功率之比之间的光功率之比，即，即=10lg其中其中P P0 0为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；P P0 0为从输出端口接收到为从输出端口接收到的光功率。的光功率。(2)串串扰扰抑抑制制度度。串串扰扰是是指指其其他他信信道道的的信信号号耦耦合合进进某某一一信信道道，并并使使该该信信道道传传输输质质量量下下降降的的影影响响程程度度，有有时时也也可可用用隔隔离离度度来表示这一程度。来表示这一程度。对于解复用器对于解复用器其其中中Pi是是波波长长为为i的的光光信信号号的的输输入入光光功功率率，Pij是是波波长长为为i的光信号串入到波长为的光信号串入到波长为j信道的光功率。信道的光功率。(3)回回波波损损耗耗。回回波波损损耗耗是是指指从从无无源源器器件件的的输输入入端端口口返返回的光功率与输入光功率的比，即回的光功率与输入光功率的比，即RL=-10(7.3)其其中中Pj为为发发送送进进输输入入端端口口的的光光功功率率，Pr为为从从同同一一个个输输入入端端口接收到的返回光功率。口接收到的返回光功率。(4)(4)反反射射系系数数。反反射射系系数数是是指指在在WDMWDM器器件件的的给给定定端端口口的的反反射射光光功率功率P Pr r与入射光功率与入射光功率P Pj j之比，即之比，即 R=10 (7.4)R=10 (7.4)(5)(5)工工作作波波长长范范围围。工工作作波波长长范范围围是是指指WDMWDM器器件件能能够够按按照照规规定定的性能要求工作的波长范围的性能要求工作的波长范围(minmin到到maxmax)。(6)(6)信信道道宽宽度度。信信道道宽宽度度是是指指各各光光源源之之间间为为避避免免串串扰扰应应具具有有的的波长间隔。波长间隔。(7)(7)偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗。偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗(PDL:(PDL:PolarizationPolarizationdependent dependent Loss)Loss)是是指指由由于于偏偏振振态态的的变变化化所所造造成的插入损耗的最大变化值。成的插入损耗的最大变化值。7.2.2WDM系统的基本结构系统的基本结构实实际际的的WDM系系统统主主要要由由五五部部分分组组成成：光光发发射射机机、光光中中继继放大、光接收机、光监控信道放大、光接收机、光监控信道和和网络管理系统网络管理系统，如图，如图7.9所示所示图7.9实际WDM系统的基本结构系统工作过程：系统工作过程：（1）在发送端首先将来自终端设备）在发送端首先将来自终端设备(如如SDH端机端机)输出的光信号，输出的光信号，利用光转发器利用光转发器(OTU)把符合把符合ITUTG.957建议的非特定波长的光建议的非特定波长的光信号转换成符合信号转换成符合ITUTG.692建议的具有稳定的特定波长的光信建议的具有稳定的特定波长的光信号。号。（2）利用合波器合成多路光信号；）利用合波器合成多路光信号；通过光功率放大器通过光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大输出多路光信号。放大输出多路光信号。（3）经过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器）经过一定距离传输后，要用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信对光信号进行中继放大。此时，号进行中继放大。此时，EDFA用作用作“线放线放(LA：LineAmplifier)”。EDFA必须采用增益平坦技术，使得必须采用增益平坦技术，使得EDFA对不对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。同波长的光信号具有接近相同的放大增益。（4）在在接接收收端端，光光前前置置放放大大器器(PA)放放大大经经传传输输而而衰衰减减的的主主信信道道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接接收收机机不不但但要要满满足足一一般般接接收收机机对对光光信信号号灵灵敏敏度度、过过载载功功率率等等参参数数的的要要求求，还还要要能能承承受受有有一一定定光光噪噪声声的的信信号号，要要有有足足够够的的电带宽。电带宽。WDM的发展方向：WDM未来总的发展方向是向全光网络发展，具体体现在以下几个方面：（1）可变波长激光器（2）全光中继器（3）光交叉连接设备（OXC）（4）光分插复用设备（OADM）中国中国联联通全国骨干网和中国移通全国骨干网和中国移动东动东部网以及后部网以及后续扩续扩建建项项目均采用了目均采用了西门西门子的子的InfinityMTS提供提供160个波道，每波道个波道，每波道10Gbit/s，共，共1.6Tbit/s的容量的容量波分复用系统。波分复用系统。7.2.3WDM7.2.3WDM技术的主要特点技术的主要特点1.1.充分利用光纤的巨大带宽资源充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段)，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。2.2.同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH信号和SDH信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等)的混合传输等。3.3.节省线路投资节省线路投资 采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。4.4.降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求 随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。5.5.高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、经济性和可靠性经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。7.2.47.2.4光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器光滤波技术：即波长选择技术。光滤波技术：即波长选择技术。光光滤滤波波器器在在WDMWDM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样的的波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器。光滤波器的三种应用：光滤波器的三种应用：（1 1）单纯的滤波应用）单纯的滤波应用(图图7.10(a)7.10(a)光滤波器l1,l2,l3,l4l2,l3,l4l1(a)(a)单纯的滤波应用；波分复用器(b)l1l2l3l4l1,l2,l3,l4波长路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l4(c)1111222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l412212（2）波分复用/解复用器中应用(图7.10(b)（3）波长路由器中应用(图7.10(c)。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WDMWDM终端终端和和波长路由器波长路由器以以及及波长波长分插复用器分插复用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer,WADM)(Wavelength Add/Drop Multiplexer,WADM)中。中。(b)波分复用器中应用(c)波长路由器中应用路由器交换了波路由器交换了波长长1和和4。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路由由器器。静静态态路路由由器可以用波分复用器来构成，如图器可以用波分复用器来构成，如图7.117.11所示。所示。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，再再加加上上一一个个用用于于分分插插波波长长的的本地端口。本地端口。图7.11由波分复用器构成静态路由器对光滤波器的主要要求有：对光滤波器的主要要求有：(1)一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的偏振态无关。在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的插入损耗与光的偏振有关(PDL:Polarizationdependent Loss),则输出光功率将极其不稳定。(2)一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。温度系数是指温度每变化1的波长漂移。一个WDM系统要求在整个工作温度范围(大约100)内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。(3)在一个WDM系统中，随着级联的滤波器越来越多，系统的通带就变得越来越窄。为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带传输特性应该是平直的，以便能够容纳激光器波长的微小变化。单个滤波器的通带的平直程度常用1 dB带宽来衡量，如图7.12所示。图7.12光滤波器的1dB带宽波长选择技术及其在WDM系统中的应用。1.1.光栅光栅 光栅(Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。在WDM系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。图7.13是光栅的两个例子，图7.13(a)是透射光栅，图7.13(b)是反射光栅。图7.13光栅(a)透射光栅；(b)反射光栅光栅的基本原理（以透射光栅为例）光栅的基本原理（以透射光栅为例）如图如图7.14所示，设两个相邻缝隙间所示，设两个相邻缝隙间的距离即栅距为的距离即栅距为a,光源离光栅平面光源离光栅平面足够远足够远(相对于相对于a而言而言)，入射角为，入射角为i，衍射角为衍射角为d，通过两相邻缝隙对通过两相邻缝隙对应光线的光程差由应光线的光程差由()决定，而决定，而7.14透射光栅的工作原理光栅方程为光栅方程为a(sini-sind)=m其中其中m为整数，当为整数，当a和和i一定时，不同的一定时，不同的d对应不同的波长对应不同的波长，也就也就是说，像面上是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是可用作的不同点对应不同的波长，于是可用作WDM中的解复用器。中的解复用器。2.2.布喇格光栅布喇格光栅 布布喇喇格格光光栅栅(Bragg(Bragg Grating)Grating)广广泛泛用用于于光光纤纤通通信信之之中中。一一般般情情况况下下，传传输输媒媒质质的的周周期期性性微微扰扰可可以以看看作作是是布布喇喇格格光光栅栅；这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。应用：应用：（1 1）半半导导体体激激光光器器使使用用布布喇喇格格光光波波导导作作分分布布反反馈馈可可以以获获得得单单频输出频输出(如如DFBDFB激光器激光器)；（2 2）在在光光纤纤中中，写写入入布布喇喇格格光光栅栅后后可可以以用用于于光光滤滤波波器器、光光分分插复用器和色散补偿器。插复用器和色散补偿器。设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件：其中为光栅周期，则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。在反射型滤波器中，我们假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。设0=2neff/0，其中0为输入光的波长，neff为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这个波长0就称作布喇格波长。随着入射光波的波长偏离布喇格波长，其反射率就会降低，如图7.15(a)所示。如果具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，则只有波长等于布喇格波长的光才反射，而其它的光全部透射。(b)布喇格光栅的反射谱（变迹折射率）图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为变迹光栅(Apodized Grating)的光栅，它与渐变折射率光纤有点类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小，变迹光栅的功率反射谱如图7.15(b)所示。注意变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。图7.15（a)布喇格光栅的反射谱均匀折射率3.3.光纤光栅光纤光栅 光光纤纤光光栅栅(Fiber(Fiber Grating)Grating)是是一一种种非非常常有有吸吸引引力力的的全全光光纤纤器器件件，其其用用途途非非常常广广泛泛，可可用用作作光光滤滤波波器器、光光分分插插复复用用器器和和色色散补偿器散补偿器。对对于于全全光光纤纤器器件件，其其主主要要优优点点有有：插插入入损损耗耗低低，易易于于与与光光纤纤耦耦合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低合，对偏振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低。光纤中写入光栅的原理：光纤中写入光栅的原理：在在传传统统光光纤纤的的SiOSiO2 2中中掺掺入入少少量量锗锗(GeGe)后后就就具具有有了了光光敏敏特特性性，再由紫外再由紫外(UV)(UV)光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。干干涉涉法法：若若用用两两束束相相干干的的紫紫外外光光照照射射掺掺杂杂后后的的光光纤纤纤纤芯芯，则则照照射射光光束束的的强强度度将将沿沿着着光光纤纤长长度度方方向向周周期期性性地地变变化化，强强度度高高的的地地方方纤纤芯芯折折射射率率增增加加，强强度度低低的的地地方方纤纤芯芯折折射射率率几几乎乎无无任任何何变变化化，这样就在光纤中写入了光栅。这样就在光纤中写入了光栅。衍衍射射法法：可可以以使使用用位位相相版版(phase(phase mask)mask)来来写写入入光光栅栅。位位