DWDM原理

［通信運行部培訓課件V1.0］使用信息檢索服務課程內(nèi)容一、概述：DWDM技術背景二、課程：DWDM原理1、什么是DWDM?2、DWDM的關鍵技術3、一些重要概念

4、DWDM相關標準5、參考資料與思考題課程內(nèi)容使用信息檢索服務課程內(nèi)容學完本課程你能夠：1、了解并掌握WDM的一些基本概念及WDM的傳輸原理、方式及組成2、了解WDM傳輸媒質(zhì)3、掌握WDM技術原理和關鍵技術實現(xiàn)方法4、了解WDM光傳輸系統(tǒng)的技術規(guī)范課程目標使用信息檢索服務一、概述：DWDM技術背景怎樣提高傳輸系統(tǒng)容量？SDMTDMWDMWDM與TDM結合使用信息檢索服務課程內(nèi)容光通信是目前發(fā)展最快的領域。商用DWDM系統(tǒng)最大容量為320Gb/s、1.6Tb/s。實驗室進行了大容量DWDM的試驗。光交叉連接與波長路由器已經(jīng)問世；數(shù)據(jù)與光的結合，未來的網(wǎng)絡可能將是把IP/ATM交換機直接接至光傳送網(wǎng)上；向光組網(wǎng)的轉變是寬帶革命的核心。城域DWDM已經(jīng)開始應用；DWDM系統(tǒng)已從4×2.5Gb/s向32×10Gb/s、1.6Tb/s系統(tǒng)過渡。運營商：中國電信、中國移動、聯(lián)通、網(wǎng)通、鐵通等。一、概述：DWDM技術背景DWDM發(fā)展使用信息檢索服務課程內(nèi)容32/40×10Gb/s32/40×2.5Gb/s16×2.5Gb/s4×2.5Gb/s160×10Gb/s一、概述：DWDM技術背景DWDM發(fā)展使用信息檢索服務課程內(nèi)容小盒子波分城域波分的細分，用于邊緣接入層主要為點對點組網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)，環(huán)形組網(wǎng)也解決光層保護問題。容量一般在8波以下，可能采用CWDM技術。單波速率一般不大于2.5G。城域波分用于接入層或城市內(nèi)解決業(yè)務匯聚和光層的業(yè)務保護骨干波分用于國干、省干，傳輸距離長主要解決傳輸距離一、概述：DWDM技術背景DWDM發(fā)展使用信息檢索服務二、DWDM原理1、什么是DWDM？1.1、DWDM原理1.2、傳輸網(wǎng)絡分層/SDH與DWDM的關系1.3、DWDM與SDH比較使用信息檢索服務課程內(nèi)容1、什么是DWDM?把不同波長的光信號復用到一根光纖中進行傳送(如每個波承載一種TDM電信號）的方式統(tǒng)稱為波分復用。WDM：波長間隔比較大，在不同傳輸窗口（比如：1310nm、1550nm）DWDM：波長密集，同一傳輸窗口（比如1550nm）CWDM：粗波分復用，同一傳輸窗口內(nèi)波長間隔大（比如1550nm）雙纖雙向：一根光纖傳送一個方向的信號，系統(tǒng)使用兩根光纖單纖雙向：一根光纖傳送兩個方向的信號，系統(tǒng)使用一根光纖1.1、DWDM原理使用信息檢索服務課程內(nèi)容1、什么是DWDM?1.1、DWDM原理使用信息檢索服務課程內(nèi)容1.2、傳輸網(wǎng)絡分層/SDH與DWDM的關系可見：SDH是DWDM所承載的業(yè)務種類之一，在網(wǎng)絡層次中，DWDM處于更低層，更靠近物理層。在同時使用DWDM和SDH的網(wǎng)絡，對業(yè)務的保護，我們提倡在SDH層的自愈保護。應用層(SDH/ATM/IP)光通道層光段層光放大層物理層再生段復用段通道層應用層光層電層（SDH）1、什么是DWDM?使用信息檢索服務課程內(nèi)容1.SDH本質(zhì)上是數(shù)字系統(tǒng)；DWDM本質(zhì)上更象模擬系統(tǒng)2.SDH是電域的同步復用；DWDM是光域上的復用3.SDH的核心是交叉連接；DWDM的核心是光功率和信噪比4.SDH更傾向于“軟件”；DWDM更傾向于“硬件”1、什么是DWDM?1.3、DWDM與SDH比較使用信息檢索服務二、DWDM原理2、DWDM關鍵技術？2.1、DWDM功能模塊2.2、DWDM應用形式2.3、光源技術

2.4、光源種類

2.5、光檢測器件

2.6、光放大器

2.7、光無源器件

2.8、光纖非線性問題

2.9、光監(jiān)控技術使用信息檢索服務課程內(nèi)容OTUOUT

WPA

1

n合波器OTUOTU

1

nOTMOLAOTMWBA波長轉換合波器光放大分波器分波器OSCOSCOSC波長轉換器（OTU）的功能是完成G.957光信號到G.692固定波長光的轉換。合波器和分波器完成G.692固定波長光信號的合波和分波。光放大器包括BA、PA、LA。BA是功放，通過提升合波后的光信號功率，從而提升各波長的輸出光功率；PA是預放，通過提升輸入合波信號的光功率，從而提升各波長的接收靈敏度；LA是線放，完成對合波信號的純光中繼放大處理。OSC（光監(jiān)控信道）通常采用1625nm和1510nm，負責整個網(wǎng)絡的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送。2、DWDM關鍵技術?2.1、DWDM功能模塊使用信息檢索服務課程內(nèi)容1、開放式應用收端、發(fā)端都使用OTU。在發(fā)端將非G.692轉換為G.692信號。收端OTU主要起再生作用，要弱化波長轉換作用。2、集成式應用業(yè)務信號（比如SDH）本身已經(jīng)滿足G.692信號，收端發(fā)端都不需要OTU.3、半開放式應用如前所述，收端OTU的作用是再生，而不是波長轉換，故在收端信號質(zhì)量較好，或者收端業(yè)務接收單元對噪聲容忍程度高式，可以在開放式系統(tǒng)的收端不用OTU.2、DWDM關鍵技術?2.2、DWDM應用形式使用信息檢索服務課程內(nèi)容1、標準穩(wěn)定的波長，滿足ITU-T建議，符合G.692規(guī)范。標準：對16/32波系統(tǒng)，為192.1～193.6/195.2THz，間隔100GHz。對80波系統(tǒng)，為192.1~196.1THZ，間隔50GHZ。

穩(wěn)定：工作時，不允許有大的波長漂移(ITU-T規(guī)定:中心波長偏差不大于中通道間隔的五分之一，在通常系統(tǒng)應用中中心波長偏差控制在0.2nm以內(nèi))2、具有良好的光譜性能(譜線寬度較窄)，高色散容限，滿足遠距離傳輸在使用光放大技術后，DWDM系統(tǒng)再生段主要受色散和光信噪比的限制。2、DWDM關鍵技術?2.3、光源技術使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.3、光源技術(續(xù))THZ理想情況下載波脈沖為一條直線調(diào)制2.5G信號以后脈沖將展寬調(diào)制10G信號以后脈沖將展寬為2.5G信號的4倍使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.3、光源技術(續(xù))THZ綜上所述：所以對于10G信號其對于色散的要求更加嚴格。為了克服色散，我們不僅可以從1、減小光纖的色散來實現(xiàn)；2、也可以從光源技術上實現(xiàn)，從源頭上控制色散。即通過選擇性能優(yōu)異的激光器，得到譜線較窄光譜；3、另外，也可以通過壓縮調(diào)制信號的方式來減小因調(diào)制信號引起的譜線展寬現(xiàn)象；4、改進調(diào)制方式，來控制頻率啁啾引起的色散。使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.3、光源技術(續(xù))光源種類特點應用LED發(fā)出熒光、譜線較寬（約為20nm）、輸出特性曲線較好、壽命長、成本低應用于短距離、小容量通信系統(tǒng)LD發(fā)出激光、譜線寬度約為1~5nm長距離、大容量通信系統(tǒng)、在高速率PDH、SDH系統(tǒng)中廣泛應用MLM譜線寬度比SLM寬度要寬為nm量級高速光纖通信系統(tǒng)SLM譜線寬度約為0.1nm量級高速光纖通信系統(tǒng)使用信息檢索服務課程內(nèi)容3、馬赫-策恩德爾調(diào)制光源(M-Z)1、直接調(diào)制光源2、電吸收調(diào)制光源(EA)直接調(diào)制外調(diào)制光源2、DWDM關鍵技術?2.4、光源種類(按調(diào)制方式分)使用信息檢索服務課程內(nèi)容優(yōu)點：輸出功率正比于調(diào)制電流、技術簡單、成本較低缺點：調(diào)制電流的變化引起激光器發(fā)光諧振腔的長度發(fā)生變化，引起發(fā)射激光的波長隨著調(diào)制電流線性變化，這種變化就是頻率啁啾，這是直接調(diào)制光源無法克服的波長(頻率)抖動。啁啾的存在展寬了激光器發(fā)射光譜的譜寬，使光源譜線特性變差，限制了傳輸距離；適用于短距離傳輸，用在2.5G及以下速率的非DWDM系統(tǒng)中2、DWDM關鍵技術?2.4、光源種類(按調(diào)制方式分)—直接調(diào)制光源調(diào)制電流使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光源種類(按調(diào)制方式分)—外調(diào)制光源(EA)電調(diào)制信號不直接調(diào)制光源，而是在光源的輸出通路上外加調(diào)制器對光波進行調(diào)制，此調(diào)制器實際上起到一個開關的作用；恒定光源是一個連續(xù)發(fā)送固定波長和功率高穩(wěn)定的光源，在發(fā)光過程中不受電調(diào)制信號的影響，因此不產(chǎn)生頻率啁啾，光線譜寬維持在最小。光調(diào)制對恒定光源發(fā)出的高穩(wěn)定激光，根據(jù)電調(diào)制信號以“允許”或“禁止”通過的方式進行處理，在調(diào)制過程中，對光波的光譜特性不會產(chǎn)生任何影響，保證了光譜質(zhì)量。技術復雜、損耗大、成本高。使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光源種類(外調(diào)制光源)—電吸收調(diào)制(EML)使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光源種類(外調(diào)制方式)—馬赫.策恩德爾調(diào)制光源(M-Z)使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光源種類(按調(diào)制方式分)—三種光源比較使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光電檢測器件使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光電檢測器件—PIN光電二極管使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.4、光電檢測器件—APD雪崩二極管使用信息檢索服務課程內(nèi)容半導體光放大器(SOA)拉曼放大器(Raman)摻鉺光纖放大器(EDFA)2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—半導體放大器(SOA)SOA采用應變量子阱結構的PN結器件,隨著其輸出功率、小信號增益、增益偏振靈敏度、噪聲系數(shù)性能的大幅度提高，具有處理高速信號(>10Gb/s)的能力，帶寬寬、功耗低、增益高、結構緊湊、易于與其它半導體光電器件集成，工作波長可覆蓋光纖的整個低損耗窗口，必將在未來的全光通信網(wǎng)絡中得到廣泛應用。使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—摻餌光纖放大器EDFA使用信息檢索服務課程內(nèi)容1.非線性：提高了光功率，但達到一定程度會產(chǎn)生非線性效應(限制了EDFA的放大性能和長距離無中繼傳輸)。2.光浪涌3.解決了衰減問題，但色散受限。2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—EDFA應用中問題使用信息檢索服務課程內(nèi)容Raman分子震動，造成能量的轉移。分離式和分布式兩種。特點：后向放大，增益不高，噪聲小，前端需要一定長度的尾纖放大區(qū)域2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—光纖拉曼放大器(FRA)使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—三種放大器比較使用信息檢索服務課程內(nèi)容放大器增益不平坦的級聯(lián)放大放大器增益平坦的級聯(lián)放大2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—增益平坦使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—增益鎖定使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.5、光放大器(OA)—應用形式使用信息檢索服務課程內(nèi)容INiOUTINOUTi合波分波合波/(分波)器件是將不同波長的光信號合在一起/(按波長分開)的器件，是DWDM系統(tǒng)最核心器件，這是光層的最基本復用合解復用。故分波/合波器件也經(jīng)常被叫做光復用/(光解復用)器件這里的“分”、“合”是相對波長/頻率而言的，不是針對光功率而言。2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—光分波器/合波器使用信息檢索服務課程內(nèi)容特點：成本低，技術成熟，插損大插損理論計算方法：插損＝級數(shù)×3dB輸入端口編號與波長無關（對波長不敏感）對相鄰波長隔離作用低inout2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—耦合型合波器件使用信息檢索服務λ３λ１λ1—4λ４λ２λ１濾波器λ３濾波器自聚焦棒透鏡玻璃設計上可以實現(xiàn)結構穩(wěn)定的小型化器件，信號同帶平坦，且與極化無關，插入損耗小，通路間隔度好。但通路數(shù)不會很多。2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—多層介質(zhì)膜復用/解復用器件使用信息檢索服務課程內(nèi)容優(yōu)點：插損小技術不成熟，應用少2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—光柵型波分復用器件使用信息檢索服務課程內(nèi)容l1

l2

lN

l2l1

lNSlab波導陣列波導硅基片優(yōu)點：波長間隔小、信道數(shù)多、通帶平坦等優(yōu)點，非常適合超高速、大容量的DWDM系統(tǒng)。代表了波分復用器件的發(fā)展方向。缺點：對分波合波中心對溫度敏感，需要溫控電路模塊。2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—陣列波導(AWG型波分復用器件)使用信息檢索服務課程內(nèi)容隔離器在光學界面處，總是存在程度不同的反射，回程光沿光路返回，會引起光源工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生頻率漂移，幅度變化，從而影響整個系統(tǒng)的問題。隔離器就是對回程光進行抑止的光學器件特點：插損小，非互易器件2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—光隔離器使用信息檢索服務課程內(nèi)容端口1端口2端口3特點：光路不可逆，插損小，隔離度大2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—光環(huán)形器使用信息檢索服務課程內(nèi)容N×MN個輸入M個輸出常見的有1×1，1×2，2×2，1×N主要技術指標：插損，隔離度，開關時間等2、DWDM關鍵技術?2.6、光無源器件—光開關使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.7、光纖非線性問題—傳輸媒介通信中光纖由圓柱形玻璃纖芯和玻璃包層構成,最外層是一種彈性耐磨的塑料護套,整根光纖呈圓柱形。光纖典型結構如圖所示。使用信息檢索服務課程內(nèi)容色散系數(shù)(ps/nm·km)正色散系數(shù)G.655光纖波長λ(nm)負色散系數(shù)G.655光1550nm波長區(qū)具有最小色散和衰減，適合DWDM系統(tǒng)、高速信號傳輸2.應用：TrueWave真波光纖(正色散區(qū)的SPM效應有利于傳輸)；LEAF-大有效面積光纖（克服非線性效應）G.652光纖:大量鋪設，傳高速信號需色散補償G.653光纖:1550nm波長區(qū)混頻嚴重，不適合DWDM2、DWDM關鍵技術?2.7、光纖非線性問題—傳輸媒介使用信息檢索服務課程內(nèi)容常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光功率不大，光纖呈現(xiàn)線性特性。但在DWDM系統(tǒng)中，非線性效應變得突出起來。受激散射1、受激拉曼散射（SRS）注入光引起光纖分子震動，調(diào)制入射光。產(chǎn)生頻率為分子震動頻率的邊帶。造成能量向低頻波段轉移。低頻波能量增加，高頻波能量衰減。2、受激布里淵散射（SBS）現(xiàn)象與SRS一樣。但增益帶寬窄，實際系統(tǒng)中基本不影響其他波。與線寬大小有關系。克爾效應（折射率隨光強變化而變化）1、自相位調(diào)制（SPM）相位受自身光強的調(diào)制，頻譜展寬2、交叉相位調(diào)制（XPM）相位受其他通路光強變化的調(diào)制，頻譜展寬3、四波混頻效應（FWM）多波同時傳輸，非線性效應導致產(chǎn)生新的波長，造成原波長能量的轉移和串繞。2、DWDM關鍵技術?2.7、光纖非線性問題—非線性效應使用信息檢索服務課程內(nèi)容G.652、G.655(LEAF、TRUEWAVE)在1550窗口有正色散系數(shù)及正色散斜率，信號傳輸時造成正色散的累積，使脈沖展寬。補償原理：DCF光纖有負色散系數(shù)，在傳輸光纖中接入這種光纖可抵消正色散，使脈沖得到壓縮（DCF色散補償器）。SDH系統(tǒng)補償，只需一定的色散補償量；DWDM系統(tǒng)補償，色散量一定，且要求DCF有適當?shù)呢撋⑿甭省?、DWDM關鍵技術?2.7、光纖非線性問題—DCF色散補償使用信息檢索服務課程內(nèi)容1、衰減3、非線性效應2、色散2、DWDM關鍵技術?2.7、光纖非線性問題—光纖選型需要考慮的因素使用信息檢索服務課程內(nèi)容傳輸有關DWDM系統(tǒng)管理和監(jiān)控信息1.工作波長優(yōu)選1510nm2.速率優(yōu)選2Mb/s，保證不經(jīng)放大也超長傳輸3.接入和解出不應限制OA上的泵浦光波；不應限制未來1310nm波長的業(yè)務；OA失效時仍有效；可超長傳輸；具有分段雙向傳輸功能。2、DWDM關鍵技術?2.8、監(jiān)控技術使用信息檢索服務課程內(nèi)容2、DWDM關鍵技術?2.8、監(jiān)控技術使用信息檢索服務課程內(nèi)容0時隙:幀定位字節(jié)1時隙:E1字節(jié)（中繼段公務)2時隙:F1字節(jié)3-14時隙:D1D12(數(shù)據(jù)通信通道)15時隙:E2字節(jié)(復用段公務)16-31時隙:保留字節(jié)0131141516232、DWDM關鍵技術?2.8、監(jiān)控技術—OSC幀結構使用信息檢索服務課程內(nèi)容OMOD2BAPAODOM

2OSC信息入OSC信息出2、DWDM關鍵技術?2.8、監(jiān)控技術—光傳輸設備中的監(jiān)控信道使用信息檢索服務二、DWDM原理3、DWDM重要概念？3.1、mW、dBm、dB3.2、譜寬/帶寬3.3、光信噪比

3.4、色散

3.5、插損

3.6、增益使用信息檢索服務課程內(nèi)容dBm＝10×lg（P/1mW），其中P的單位為“mW”于是1mW=0dBm，0.5mW=-3dBm，等等。在DWDM系統(tǒng)中，假定每波信號大小相同，那么：1波信號為1mW，即0dBm2波信號為2mW，即3dBmn波信號為n×mW，即10×lg（n）dBmdB＝10×lg（p1/p2）=P1-P2。其中p1、p2的單位為“mW”等線性單位，P1、P2的單位為dBm于是得出：在DWDM系統(tǒng)主通道上，如果某處單波光功率為a(dBm)那么：2波信號為（a＋3）dBm3波信號為（a＋4.8）dBm4波信號為（a＋6）dBm5波信號為（a＋7）dBm…………3、DWDM一些重要概念?3.1、mW、dBm、dB使用信息檢索服務課程內(nèi)容1、是對信號在頻域上的描述，常見的有-1dB譜寬，-5dB譜寬，-20dB譜寬2、譜寬寬，因為色散限制傳輸距離，但太窄，引起非線性效應也會限制傳輸距離。3、考慮色散影響，信號調(diào)制，會導致譜寬展寬。（比如對-20dB譜寬而言，2.5G:0.2nm，10G:0.3nm）f（頻率）dBm（光功率）譜寬3、DWDM一些重要概念?3.2、譜寬/帶寬使用信息檢索服務課程內(nèi)容

dBm（功率）f（頻率）光信噪比

dBm（功率）f（頻率）光信噪比左圖與右圖信號有著相同的光功率，但左圖噪聲功能比較低，相對右圖，其“有效功率”－－信噪比大。DWDM系統(tǒng)調(diào)試中，最希望出現(xiàn)的是左圖，最不希望出現(xiàn)的是右圖。3、DWDM一些重要概念?3.3、信噪比(OSNR)使用信息檢索服務課程內(nèi)容t展寬前t傳輸一段距離后可見：色散對高速率信號的影響要大于低速率信號的影響因為：低速率信號的兩個脈沖之間間隔要大于高速率信號兩個脈沖間間隔，能容忍更多的脈沖展寬。3、DWDM一些重要概念?3.4、色散使用信息檢索服務課程內(nèi)容由于光纖所傳送信號的不同頻率成分或模式成分的群速度不同，而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象光纖的色散特性：G.652、G.653；G.655（正負色散系數(shù)適合不同應用）色散：材料色散、波導色散、模式色散。材料色散：纖芯材料折射率隨頻率的變化引起的。波導色散：光纖中具有同一模式但攜帶不同頻率信號。共同點：不同頻率成分所對應的不同群速度，引起脈沖展寬。3、DWDM一些重要概念?3.4、色散使用信息檢索服務課程內(nèi)容無源光器件PinPout插損＝（Pin－

Pout）dB所謂插損指特點光信號經(jīng)過一無源光器件后光功率的丟失。