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WDM,中国网通（集团）有限公司 2006年11月1日,中国网通运维人员岗位培训丛书传输专业,内部资料 注意保密,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,WDM原理与基本结构,WDM ：Wavelength Division Multiplexing 光波分复用技术是在一根光纤中同时传输多波长信号的技术。,光波分复用的基本原理是发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光纤线路上同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号送入不同终端。因用光波长分割复用，所以简称波分复用。,WDM技术的主要特点： 充分利用光纤的巨大带宽资源 同时传输多种不同类型的信号 实现单根光纤双向传输 多种应用形式,节约线路投资 降低器件的超高速要求 IP的传送通道 高度的组网灵活性、经济性和可靠性,WDM原理与基本结构,WDM基本形式,1、双纤双向传输 一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成。因此，同一波长在两个方向上可以重复利用。,WDM基本形式,2、单纤双向传输 光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输，所用波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。,1,光源1,检测器N+1,检测器2N,波分复用,波分复用,光源2N,光源N+1,检测器N,检测器1,光源N,1,N,N+1,2N,N,N+1,2N,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,WDM系统分为集成式WDM系统和开放式WDM系统两大类： 集成式WDM系统是指SDH终端必须具有满足G.692的光:接口，包括标准的光波长和满足长距离传输的光源。,WDM系统分类,开放式WDM系统是指在发送端设有光波长转发器（OTU），以便在不改变光信号数据格式的情况下，把光波长按照一定的要求重新转换，以满足WDM系统的设计要求。,WDM系统分类,SDH,SDH,解 复 用 器,OTU,复 用 器,OTU,SDH,OTU,OTU,SDH,EDFA,EDFA,S1,S2,Sn,R1,R2,Rn,接口,接口,接口,接口,WDM系统分类,根据WDM线路系统中是否设置有掺铒光纤放大器可将WDM线路系统分为两类： 有线光路放大器WDM，下图为其系统参考配置,TX1,TX2,TXn,Rx1,OA,Rx2,S1,f1,S2,f2,Sn,fN,RM1,RM2,RMN,MPI-S,MPI-R,R,S,SD1,SD2,SDn,R1,R2,Rn,Rxn,OM,OA,OA,OD,WDM系统分类,无线路放大器的WDM，下图为其系统参考配置,Tx1,Tx2,TxN,Rx2,Rx1,Rxn,S1,S2,Sn,f1,f2,fN,RM1,RM2,RMn,MPI-S,MPI-R,Sd1,Sd2,Sdn,R1,R2,Rn,OM,OA,OA,OM,功能结构,光终端复用设备OTM（Optical Terminal Multiplexer） 光线路放大设备OLA（Optical Line Amplifier） 光分插复用模块OADM（Optical Add/Drop Multiplexer） 光均衡模块OEQ（Optical Equalizer） 电中继设备REG（Regenerator）,OTM设备的信号流框图,OLA设备的信号流框图,串行OADM设备信号流框图,并行OADM设备信号流框图,REG信号流框图,光均衡设备,在超长距离传输ELH（Extra Long Haul）系统中无电中继传输的距离比长距离传输系统长很多，因此易产生以下问题： 光放大器的增益谱和光纤衰减谱的不平坦性的多级累加等原因，导致接收端光功率和信噪比不均衡； DCM的色散斜率和传输光纤不完全匹配，无法对所有波长实现100的补偿，导致接收端部分通道的色散补偿不能满足系统要求。 为了更好的实现光功率均衡和色散均衡补偿，在ELH系统中需要使用光均衡设备（OEQ）。,光均衡设备光功率均衡设备的信号流框图,光,监,控,信,号,接,入,单,元,OA,光监控信道,OA,光功率,均衡,光,监,控,信,号,接,入,单,元,OA,OA,光功率,均衡,光均衡设备色散均衡设备的信号流框图,光,监,控,信,号,接,入,单,元,OA,光监控信道,OA,色散,均衡,光,监,控,信,号,接,入,单,元,OA,OA,色散,均衡,DWDM组网,点到点组网 链形组网 环形组网,保护方式,基于单个波长的保护 1.基于单个波长，在SDH层实施的1+1保护。 2.基于单个波长，在SDH层实施的1:n保护 3.基于单个波长，同一DWDM系统内1：n保护 光复用段（OMSP）保护 只在光路上进行1+1保护，而不对终端线路进行保护 环网的应用 1.利用OADM组成的环 2.利用点到点DWDM系统组成的环,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,接口标准,开放式WDM系统在发送端采用OTU将非标准的波长转换为标准波长，该器件的主要作用在于把非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，以满足系统的波长兼容性。通常采用光/电/光的变换方式。如下图所示：,接口标准,下为符合G.957的发射机与OTU合并使用的示意图：,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,光波长分配,光纤有两个波长的低损耗窗口，即1310 nm和1550nm；均可用于光信号的传输，光波分复用系统的工作波长为1530 nm-1565nm。 在做波长分配时要注意两点： 尽量提高资源利用率 减少相临通路间的非线性影响。,光波长分配,绝对频率参考 选择193.1 THz作为频率间隔的参考频率。 通路间隔 指相邻通路间的标称频率可以是均匀频率间隔也可以是非均匀的。 (非均匀间隔可以抑制G.653光纤中的四波混频效应) 标称中心频率 保证不同WDM系统之间的横向兼容性。 中心频率偏差 定义为标称中心频率与实际中心频率之差。,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,主要性能,色散受限距离 传输限制 减少影响的方法 网络设计时的考虑 功率受限 噪声 非线性及其它影响,前向纠错编码(FEC),光波长转换单元采用前向纠错技术： 降低系统对接收端光信噪比的要求，延长各放大段或再生段间传送距离； 降低线路传输产生的误码率，提高DWDM传输网络的通讯质量。 目前业界提出的用于SDH/DWDM的实用化FEC技术主要有以下三种： 带内FEC 带外FEC 增强型FEC（EFEC）,波道均衡,自动功率控制（ALC） ALC功能有两种实现方式： 波数检测方式 功率参考方式 智能光功率调节（IPA） 当主光信道上的一段或多段光中继段上光功率信号丢失时，系统就能探测到链路上丢失了光信号，及时降低上游一个和下游再生段内的所有光放大器的输出光功率到达一个安全的阈值。 自动光功率均衡（APE） 系统提供的APE功能，可自动调节各通道的发送端光功率，使接收端信噪比得到优化。,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,WDM关键部件,光源 光电检测器 光放大器 光复用器和光解复用器,光源,光源的作用是产生激光或荧光，它是组成光纤通信系统的重要器件。 DWDM系统的光源的两个突出的特点是： 比较大的色散容纳值； 标准而稳定的波长。 激光器的调制方式 直接调制 间接调制 激光器的波长的稳定,光电检测器,光电检测器的作用是把接收到的光信号转换成相应的电信号。由于从光纤传送过来的光信号一般是非常微弱的，因此对光检测器提出了非常高的要求 在工作波长范围内有足够高的响应度。 在完成光电变换的过程中，引入的附加噪声应尽可能小。 响应速度快。线性好及频带宽，使信号失真尽量小。 工作稳定可靠。有较好的稳定性及较长的工作寿命。 体积小，使用简便。,光电检测器,满足上述要求的半导体光检测器主要有两类： PIN光电二极管（PIN） 雪崩光电二极管（APD） PIN光电二极管 PIN光电二极管是一种半导体器件，其构成是在P型和n型之间夹着本征（轻掺杂）区域。在这个器件反向偏置时，表现出几乎是无穷大的内部阻抗（即像开路一样），输出电流正比于输入光功率。 PIN光二极管的价格低，使用简单，但响应慢。 雪崩光电二极管（APD） 雪崩二极管的增益和响应速度都优于PIN发光二极管，但其噪声特性差。雪崩二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作用。,光放大器,光放大器简单地增强光信号： 两种主要类型的光放大器在使用： 半导体光放大器（SOA） 半导体光放大器实质上是半导体激光器的活性介质。换句话说，一个半导体放大器是一个没有或有很少光反馈的激光二极管。 光纤光放大器（FOA） 目前使用的光放大器多为掺铒光纤放大器（EDFA）。,掺铒光纤放大器（EDFA）,EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。 根据EDFA在DWDM光传输网络中的位置，可以分功率放大器（Booster Amplfier)，简称BA；线路放大器（Line Amplifier)，简称LA；前置放大器（preamplifier)，简称PA。,掺铒光纤放大器光学结构,图中是一种典型的双泵浦源的掺铒光纤放大器光学结构：,掺铒光纤（EDF）,铒离子的能级图：,EDFA的增益锁定,EDFA的增益锁定是一个重要问题，因为WDM系统是一个多波长的工作系统，当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到那些未丢失的信号上，使其它波长的功率变高。在接收端，由于电平的突然提高可能引起误码，而且在极限情况下，如果8路波长中7路丢失时，所有的功率都集中到所剩的一路波长上，功率可能会达到17dBm左右，这将带来强烈的非线性或接收机接收功率过载，也会带来大量误码。 EDFA的增益锁定有许多种技术，典型的有控制泵浦光源增益的方法。,EDFA的增益锁定,增益不锁定EDFA掉波、上波增益变化图,增益锁定EDFA掉波、上波增益变化图,掺铒光纤放大器主要优点,（1）工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。 （2）耦合效率高。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。 （3）能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF 中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。 （4）增益高、噪声指数较低、输出功率大，串话很小。 （5）增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振无关。 （6）增益特性与系统比特率和数据格式无关。 （7）掺铒光纤放大器（EDFA）是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。,掺铒光纤放大器主要缺点,（1）增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。 （2）增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不平坦。在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。 （3）光浪涌问题：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏。,拉曼光纤放大器,拉曼效应 在常规光纤系统中，光功率不大，光纤呈线性传输特性。当注入光纤非线性光学介质中的光功率非常高时，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。 拉曼光纤放大器的特点 其增益波长由泵浦光波长决定 其增益介质为传输光纤本身 噪声指数低,受激拉曼散射（SRS）,产生原理 受激拉曼散射是和光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应。受激拉曼散射使得信号波长就象是更长波长信号通道或者自发散射的拉曼位移光的一个拉曼泵。在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强。,多泵浦时的Raman增益谱,光纤Raman放大器是受激拉曼散射（SRS）的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱，且在13THz频率附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱范围内，弱信号光就可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器即称为光纤Raman放大器，光纤Raman放大器的增益谱如图所示。,光纤Raman放大器应用,光纤Raman放大器总是和掺铒光纤放大器联合使用，位于DWDM系统的接收端。Raman放大器采用反向泵浦的分布式放大使光信号在传输过程中得以放大，其实现方式如图所示。 泵浦光和信号光的传输方向是相反的，这种反向泵浦方式使得信号光和泵浦光的相位差别较大，Raman泵浦的功率波动会在反向的传输中被平均掉，由泵浦所产生的噪声就能被有效地抑制。,有关光放大器的技术指标,单路或合路光纤最大光功率电平为+17dBm或+20dBm，应保持光接头和光连接器的清洁。 光放大器必须有明显的安全标志以确保人身安全。当光纤断开时，应具有泵浦源自动关闭功能或将EDFA 输出功率降低到安全功率以内。 光放大器光器件（泵浦源）寿命应不小于30万h。,光复用器和光解复用器,波分复用系统的核心部件是波分复用器，即光复用器和光解复用器，实际均为光学滤波器，其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。 光波分复用器的种类有很多，大致可以分为四类：干涉滤光器型、光纤耦合器型、光栅型、阵列波导光栅型。,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,线路光功率计算,光功率是传输中重要的指标。它的传输依赖的基础。下面以某厂家设备介绍一下光功率的计算方法。 OTM发送端光功率计算 注： 1）Mn的插损指标（AWG或藕合器） 2）放大器输入光功率单波输入光功率10lg（波数） 3）FIU的插损问题。,线路光功率计算,OTM接收端光功率计算 注： 1）WPA单波输出光功率VOA衰减DCM插损WBA单波标准输入光功率。 2）OTU输入光功率WBA单波输出光功率（衰减器衰减）D32插损,WDM基础原理 WDM的分类、功能结构 WDM的接口标准 光波长分配 主要性能和光接口参数 WDM的关键部件 线路光功率计算 单波OSNR计算,单波OSNR计算噪声产生原理,光放大器在一个较宽的波段内产生光，即所谓放大的自发辐射（ASE）。在具有若干级联EDFA的传输系统中，光放大器的ASE噪声将同信号光一样重复一个衰减和放大周期。因为进来的ASE噪声在每个光放大器中均经过放大，并且叠加在本光放大器所产生的ASE上，所以总ASE噪声功率就随光放大器数目的增多而大致按比例增大，导致信号的光信噪比（OSNR）下降。,单波OSNR计算,光信噪比（OSNR）定义： 光信噪比是一个十分重要的参数，对估算和测量系统的误码性能和实际工程设计有着十分重要的意义。 OSNR=每信道的信号光功率/每信道的噪声光功率 需要注意的是：光信噪比并不是衡量系统性能的最确切标准，因为它没有考虑波形失真，在数字系统中BER才是最合适的性能参数。,影响系统OSNR的主要因素,使用的放大板的数量和类型，以及光放大板的输入光功率。 在系统中，放大板数量和类型发生变化，以及各光放大板的输入光功率变化，一般会引起系统光信噪比的变化。 OSNR与色散无关。 线路光纤长度发生变化，一般会引起线路光纤衰减值的变化。 如果可以通过调节光衰，保证放大板的输入光功率满足输入功率要求，那么系统的光信噪比不变化。,谢谢！,