光波分復用系統第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院2本章要點本章主要介紹以波分復用（WDM）為代表的多信道光纖通信系統及其關鍵技術，以及光時分復用（OTDM）技術原理。本章教學課時為4學時。第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院37.1光波分復用的基本概念回憶：復用的主要技術光通信中TDM的優缺點

WDM/FDM的引入第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院47.1.1光波分復用的基本概念光波分復用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術是在一根光纖上能同時傳送多波長光信號的一項技術。它是在發送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用）并作進一步處理，恢復出原信號送入不同的終端。因此，此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用（WDM）技術。第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院5圖7-1單模光纖的帶寬資源第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院6續圖7-1單模光纖的帶寬資源由圖7-1可見，1310nm波長段和1550nm波長段一共約有200nm低損耗區可用，這相當于30THz的頻帶寬度。但在目前的實際光纖通信系統中由于光纖色散和調制速率的限制，單信道TDM系統的通信速率一般被限制在10~40Gbit/s或以下，所以單模光纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發。第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院7WDM與DWDM由于目前一些光器件和相關技術還不十分成熟，因此要實現光信道十分密集的復用（稱為光頻分復用）還較為困難。在這種情況下，把在光纖同一低損耗窗口中信道間隔較小的波分復用稱為密集波分復用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）*。WDM技術對通信網絡的擴容升級、發展各種寬帶業務以及充分發掘光纖帶寬潛力具有十分重要的意義。與之對應的城域網中信道間隔較大(20nm)的稱為稀疏波分復用(CWDM，CoarseWavelengthDivisionMultiplexing).第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院87.1.2WDM系統的基本形式雙纖單向傳輸單纖雙向傳輸光分路插入傳輸第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院9圖7-2雙纖單向傳輸示意圖第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院10圖7-3單纖雙向傳輸示意圖第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院11光發射機光分插復用器OADM光分插復用器OADM光接收機光接收機光發射機光纖光纖光纖圖7-4光分路插入傳輸第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院127.2.1WDM系統的基本結構WDM系統主要由以下五個部分組成：光發送機、光中繼放大、光接收機、光監控信道和網絡管理系統。WDM系統總體結構示意圖如圖7-5所示。7.2WDM系統的基本結構與工作原理第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院13光合波器光轉發器11光轉發器2nBA光監控信道發送器光發送機λ1λn光纖光接收機λs光分波器光接收1lnPA光接收2λ1λn光纖光監控信道接收器λsLA光監控信道接收/發送器λsλs光中繼放大網絡管理系統圖7-5WDM系統總體結構示意圖（單向）第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院147.2.2WDM系統的分類方法根據WDM線路系統中是否設置有EDFA，可以將WDM線路系統分為有線路光放大器WDM系統和無線路光放大器WDM系統。第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院15*圖中給出的各參考點釋義見表7-1圖7-6有線路光放大器WDM系統的參考配置第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院16有線路光放大器WDM系統的分類與應用代碼

應用代碼一般采用以下方式構成：nWx-y·z，其中n是最大波長數目W代表傳輸區段（W＝L，V或U分別代表長距離、很長距離和超長距離）x表示所允許的最大區段數（x＞1）y是該波長信號的最大比特率（y＝4或16分別代表STM-4或STM-16）z代表光纖類型（z＝2，3，5分別代表G.652，G.653或G.655光纖）第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院17表7-2有線路放大器WDM系統的應用代碼應用長距離區段（每個區段的目標距離為80km）很長距離區段（每個區段的目標距離為120km）區段數58354波長4L5-y·z4L8-y·z4V3-y·z4V5-y·z8波長8L5-y·z4L8-y·z8V3-y·z8V5-y·z16波長16L5-y·z16L8-y·z16V3-y·z16V5-y·z第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院18圖7-7無線路光放大器WDM系統的參考配置*圖中給出的各參考點釋義見表7-3第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院197.2.3光波長區的分配目前在SiO2光纖上，光信號的傳輸都在光纖的兩個低損耗區段，即1310nm和1550nm。但由于目前常用的EDFA的工作波長范圍為1530～1565nm。因此，光波分復用系統的工作波長主要為1530～1565nm。在這有限的波長區內如何有效地進行通路分配，關系到提高帶寬資源的利用率及減少相鄰通路間的非線性影響等。第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院20標稱中心頻率和最小通路間隔為了保證不同WDM系統之間的橫向兼容性，必須對各個通路的中心頻率進行規范。所謂標稱中心頻率是指光波分復用系統中每個通路對應的中心波長。目前國際上規定的通路頻率是基于參考頻率為193.1THz，最小間隔為100GHz的頻率間隔系列。第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院21通路分配表16通路WDM系統的16個光通路的中心波長應滿足表7-4的要求，8通路的WDM系統的8個光通路的中心波長應選擇表中標有*的波長。第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院22表7-416通路和8通路WDM系統中心頻率序號標稱中心頻率（THz）標稱中心波長（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*第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院23更多波長的考慮隨著各種新業務對WDM系統容量的更高要求，32波乃至更多波長數的WDM系統已經成熟，其頻率間隔已經縮小到50GHz。32通路或更高容量的DWDM系統的波長分配可參見ITU-T和國標相關標準。為了滿足未來通信業務的需要，已經提出間隔低至12.5GHz的系統方案。密集的信道間隔對于光源波長的穩定度、精確度和復用/解復用器的性能指標提出了更高的要求第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院24中心頻率偏差中心頻率偏差定義為標稱中心頻率與實際中心頻率之差。對于16通路WDM系統，通道間隔為100GHz（約0.8nm），最大中心頻率偏移為±20GHz（約為0.16nm）；對于8通路WDM系統，通道間隔為200GHz（約為1.6nm）。為了未來向16通道系統升級，也規定對應的最大中心頻率偏差為±20GHz。第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院257.3光波分復用系統的關鍵技術WDM系統的應用對增加通信容量、信息網絡的建設有重大意義。但是目前還存在一些技術問題。例如對于激光器的波長及其穩定性要求較高；光纖的非線性對光放大器的輸出功率有很大的限制；“四波混頻”效應會造成信道間的串擾；光纖的色散效應限制了信道速率的提高；如何監測線路光放大器等問題。第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院267.3.1WDM系統的幾個技術問題光源的波長準確度和穩定度問題光信道的串擾問題光纖色散對傳輸的影響問題光纖的非線性效應問題

EDFA的動態可調整增益與鎖定問題

EDFA的增益平坦問題

EDFA的光浪涌問題

EDFA級聯使用時的噪聲積累問題第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院271.光源的波長準確度和穩定度問題在WDM系統中，必須對光源的波長進行精確的設定和控制，否則波長的漂移必然會造成系統無法穩定、可靠地工作。所以要求在WDM系統中要有配套的波長監測與穩定技術。目前采用的主要方法有溫度反饋控制法和波長反饋控制法來達到控制與穩定波長的目的。第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院28光信道的串擾問題光信道的串擾是影響接收機的靈敏度的重要因素。信道間的串擾大小主要取決于光纖的非線性和復用器的濾波特性。在信道間隔為1.6nm或0.8nm的情況下，目前使用的光解復用器在系統中可以保證光信道間的隔離度大于25dB，可以滿足WDM系統的要求，但對更高速率的系統尚待研究。第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院29光纖色散對傳輸的影響問題在系統中采用了EDFA后，衰減問題得到了解決，傳輸距離大大增加，但是色散也隨之增加，系統的無中繼傳輸距離由原來的受衰減限制變為了受色散限制。因此對于高速光纖通信而言，光纖的色散效應成為一個主要的限制因素必須解決，否則無法實現長距離通信。第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院30光纖的非線性效應問題對于常規的單信道光纖通信系統來說，入纖光功率較小，光纖呈線性狀態傳輸，各種非線性效應對系統的影響較小，甚至可以忽略。但在WDM系統中，隨著EDFA等放大器的使用，入纖的光功率顯著增大，光纖在一定條件下將呈現非線性特性，會對系統的性能，包括信道間串擾和接收機靈敏度等產生影響。第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院31EDFA的動態可調整增益與鎖定問題在WDM系統中，各光信道之間的信號傳輸功率有可能發生起伏變化，這就要求EDFA能夠根據信號的變化，實時地動態調整自身的工作狀態，從而減少信號波動的影響，保證整個信道的穩定。在WDM系統中，如果有一個或幾個信道的輸入光功率發生變化甚至輸入中斷時，剩下的信道增益即輸出功率會產生躍變，甚至會引起線路阻塞。所以EDFA必須具有增益鎖定功能來避免某些信道完全斷路時對其他信道的影響。第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院32EDFA的增益平坦問題WDM系統中，因各信道的波長不同而有增益偏差，經過多級放大后，增益偏差積累使各信道信號特性惡化，最終造成整個系統不能正常工作。因此，要使各信道上的增益偏差處在允許范圍內，放大器的增益必須平坦。第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院33EDFA的光浪涌問題EDFA的采用可使輸入光功率迅速增大，但由于EDFA的動態增益變化較慢，在輸入信號跳變的瞬間將產生浪涌即輸出光功率出現“尖峰”。峰值光功率可達數瓦，有可能造成光/電變換器和光連接器的損壞。第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院34EDFA級聯使用時的噪聲積累問題信號經過EDFA傳輸后，信噪比會產生劣化，且信噪比的劣化與級聯的EDFA的數量和放大器之間的光纖段跨距有關，跨距越大，信噪比劣化越嚴重。所以，放大器之間的光纖段跨距一般控制在80～120km之內，以保證信號傳輸性能對信噪比的要求。第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院357.3.2光源技術對WDM系統采用的光源技術主要有：波長可調諧激光器波長可調諧濾波器高精度光源外調制技術思考：從系統成本和復雜度角度考慮：多波長激光器陣列和可調諧激光器哪一種方案更好一些？第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院367.3.4光波分復用/解復用器與光濾波器技術光波分復用/解復用器（WDM/DWDM）是波分復用系統的關鍵器件。其功能是將多個波長不同的光信號復合后送入同一根光纖中傳送（波分復用器）或將在一根光纖中傳送的多個不同波長的光信號分解后送入不同的接收機（解復用器）。波分復用器和解復用器也分別被稱為合波器和分波器，是一種與波長有關的光纖耦合器。光波分復用器/解復用器性能的優劣對于WDM系統的傳輸質量有決定性的影響。第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院37WDM/DWDM器的結構原理根據制造的特點，WDM器件大致有熔錐光纖型、干涉濾波器型和光柵型等幾種類型。熔錐光纖型

干涉濾波器型

光柵型

集成光波導型

第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院38薄膜濾波器自聚焦透鏡自聚焦透鏡1×N分路器干涉濾波器型器件原理第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院39準直透鏡光柵光纖光纖光柵自聚焦透鏡(a)用傳統透鏡作準直器件(b)用自聚焦透鏡作準直器件光柵型器件原理第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院40平面陣列波導光柵型波分復用器第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院41WDM/DWDM器件性能插入損耗隔離度回波損耗工作波長范圍通路帶寬第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院427.3.5光轉發器（OTU）技術1.OTU的基本結構

WDM系統在發送端采用OTU，主要作用是把非標準的波長轉化為ITU-T所規定的標準波長，以滿足系統的波長兼容性?？梢愿鶕欠窬哂蠴TU將WDM系統分為集成式和開放式兩種。

第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院43G.692S1SDH波分復用器OAOA波分解復用器S2SNR1R2RNSDHSDHSDHSDHSDH集成式WDM系統示意圖第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院44G.957波分復用器波分解復用器S1SDHOTUOAOAS2SDHOTUSNSDHOTUR1SDHOTUG.957R2SDHOTURNSDHOTU開放式WDM系統示意圖思考：實際應用時集成式和開放式哪一種更為靈活？接收端的OUT是可選項。Why？第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院45圖7-17基于XGM原理OTU示意圖第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院467.3.6光纖傳輸技術

WDM系統中的光纖傳輸技術與一般的光纖通信系統相比，由于存在傳輸速率高和信道數量多等特點，因此存在著一些特殊的要求，包括光纖選型、色散補償技術和色散均衡技術等。第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院471.光纖選型從系統成本角度考慮，尤其是對原有采用G.652光纖的系統升級擴容而言，在G.652光纖線路上增加色散補償元件以控制整個光纖鏈路的總色散值也是一種可行的辦法。從長遠來看，未來WDM系統中可能會利用整個O、S、C和L波長段，因此色散平坦光纖G.656光纖可能會得到較大的應用。第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院48WDM系統中不能使用G.653光纖原因：

四波混頻效應原理示意f12f331f221f332f223f13f321f231f312f132f213f123f3f2f1頻率信道1信道3信道2fFWM=f1±f2±f3由于四波混頻（FWM）效應，多個波長會激發出新的感生波長，對原有信道產生影響和干擾。G.653光纖在1550nm波長處色散為零，FWM效應明顯，因此不適合用于WDM系統。第四十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日通信與信息工程學院492.色散補償技術隨著現代通信網對傳輸容量要求的急劇提高，原有光纖線路中大量使用的G.652光纖已不能適應，采用波分復用和色散補償技術在現有光纖系統上直接升級高速率傳輸系統是目前較為適宜的技術方法。關于WDM的一些技術問題已在