1、第二章 DWDM传输原理,第二章 DWDM的工作原理,内容介绍 2.1 DWDM的工作原理2.2 DWDM系统的组成网元2.3 DWDM光传输系统的技术标准与应用,第一节 DWDM的工作原理,WDM的工作原理： 在发送端采用光复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传播 在接收端，再由一个光解复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。,采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量WDM可分为密集波分复用DWDM和稀疏波分复用CWDM DWDM系统是指波长间隔相对较小，波长复用相对密集，各信道共用光纤一个（低损耗）窗口，在传输过程中共享光纤放大器的高容量WD
2、M系统。,二、工作方式,工作方式 双纤单向 单纤双向1、双纤单向传输 双纤单向传输是在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 同一波长在两个方向上可以重复利用,2.单纤双向传输 单纤双向传输是在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输 两个方向的光信号应安排在不同波长上 单纤双向传输允许单根光纤携带全双工通路,2.2 工作方式（cont.）,三、密集波分复用系统的光纤选型,为适应不同的光传输系统，开发了多种类型的光纤 常用的有G.652光纤、G.655光纤和G.653、G.654光纤,G.652光纤（即常规单模光纤） 两个应用窗口 损耗：1310nm处0.34dB
3、/km1550nm处0.2dB/km色散：1550nm处17ps/nm km零色散点：1310nm窗口,3.3 密集波分复用系统的光纤选型（cont.）,由于1550nm色散较大，用于DWDM中传输距离受到限制G.652光纤最小波长范围是 1260nm1360nm,2. G.653光纤（即色散位移光纤DSF）通过改变折射率的分布将1310nm附近的零色散点，位移到1550nm附近，从而使光纤的低损耗窗口与零色散窗口重合 零色散点：1550nm窗口较适合应用于单波长远距离传输,3.3 密集波分复用系统的光纤选型（cont.）,由于1550nm色散小，用于DWDM中传输会产生严重的四波混频（FWM
4、）举例： 在零色散波长区，传输3路WDM系统，传输25km以后，就可能产生不可弥补的失真，解决的办法有： 采用不等间隔的波长安排 增加光通路的间隔 适当缩短光放大器的间距,3. G.655光纤（即非零色散位移光纤NZSMF） 在1550nm窗口同时具有较小色散和衰减在15301565nm区间典型参数为损耗：小于0.25dB/km色散：16ps/nm km,3.3 密集波分复用系统的光纤选型（cont.）,适用于DWDM系统，目前长途网大量敷设该类光纤 由于ITU-T G.655 建议中只要求色散的绝对值为1.06.ps/(nmkm)，对于它的正负没有要求 因而G.655光纤的工作区色散可以为正
5、也可以为负，当零色散点位于短波长区时，工作区色散为正，当零色散点位于长波长区时，工作区色散为负。,四、光纤的非线性效应及解决,光场较弱时，光纤的各种特征参数不随光场强弱改变 在很强的光场作用下，光纤的非线性效应产生了 这种非线性效应可能成为限制DWDM系统性能的因素,强光场下光纤非线性效应 受激散射：分子或声子振动受激拉曼散射受激布里渊散射 克尔效应：折射率效应自相位调制交叉相位调制四波混频,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,1、 受激散射（1） 受激拉曼散射（SRS） 产生原因：光纤材料的分子振动引起 当一定强度的光入射到光纤中时，会引起光纤材料分子的振动，低频边带称斯托克斯线，
6、高频边带称反斯托克斯线，前者强度强于后者。两者之间的频差称为斯托克斯频率。,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,当两个频率间隔恰好为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，高频波的能量将转移到低频波上，这就是所谓的受激拉曼散射（SRS） 影响：导致WDM系统中短波长通路产生过大的信号衰减，从而限制了通路数 SRS可能成为未来极高密度DWDM系统光通路数受限的主要因素,（2）. 受激布里渊散射(SBS)产生原因：光纤材料的声子振动引起影响：对DWDM的通路数影响不大,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,SBS与SRS区别： 第一，峰值SBS增益比
7、SRS大2个数量级； 第二，SBS频移（10-13GHz）和增益带宽（20-100MHz）远小于SRS的相应值； 第三，SBS只出现在向后散射方向上，其影响要大于SRS。,2、克尔效应 又称为折射率效应，即光纤的折射率n随着光强的变化而变化的非线性现象，其表达式为：表达式表示了折射率受光功率、光纤有效截面积等因素影响的程度,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,克尔效应可以产生下面的三种非线性效应： 自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM） 四波混频（FWM）,（1）. 自相位调制(SPM) 产生原因：光波的相位随折射率和传播距离而变，而折射率又是光强的函数，因而光波的相位也随光强
8、而变化。 影响：产生脉冲的展宽或压窄,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,举例说明： 由于SPM随长度而积累，因而是采用G.652光纤的单波长系统的基本非线性损伤，门限功率大约为18dBm。 在G652光纤的1550nm窗口，光纤的色散系数为正值，光载波的群速度与载波频率成正比，于是上述脉冲的前沿由于频率低而传播慢，后沿由于频率高而传播快，造成脉冲变窄压缩现象，从而在很大程度上实现了色散补偿，延长了系统色散受限距离。,由SPM引起的非线性影响的结果有两种可能：当使用色散系数为负的光纤工作区时，系统色散受限距离变短；当使用色散系数为正的光纤工作区时，系统色散受限距离反而会延长。 SPM
9、的效果与输入信号的光强成正比，与光纤衰减系数及有效纤芯面积成反比。 利用低色散光纤可以减少SPM对系统性能的影响。,（2）. 交叉相位调制（XPM) 产生原因：在多波长系统中，克尔效应会导致信号的相位受其它通路功率的调制，这种现象称交叉相位调制 影响：在多波长系统中，通路间会产生相互交调，其影响程度和比特率B、光纤色散D、光纤放大器间隔数M、光纤衰减系数Af等因素有关,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,（3）. 四波混频（FWM） 产生原因：当多个具有一定强度的光波在光纤中混合时，光线的非线性会导致产生其它新的波长，即四波混频效应 影响：产生串音干扰或过大的信号衰减，从而限制了波长
10、数 一旦产生，任何均衡技术无法消除 FWM效率取决于通路间隔和光纤色散等因素,2.4 光纤的非线性效应及解决（cont.）,第二节 DWDM系统的组成网元,一、 光源 LED与LD主要区别在于： LD发出的是激光，LED发出的是荧光 LED谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效率也较低 LED输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低 LED适用于短距离、小容量的传输系统 LD适用于长距离、大容量的传输系统,DWDM系统的工作波长较为密集，一般波长间隔为几个纳米到零点几纳米，要求激光器工作在一个标准波长上，并且有很好的稳定性 DWDM系统的无电再生中继长度要求较高，在传输系统的色散受限距离大大延
11、长的同时，为了克服非线性效应，要求系统光源更为先进、性能更为优越 DWDM系统的光源两个突出的特点是： A.比较大的色散容纳值 B.标准而稳定的波长,1 、激光器的调制方式 目前广泛使用的光纤通信系统均为强度调制直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类： 直接调制 间接调制。,（1）直接调制 直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。传统的PDH和2.5Gbit/s速率下的SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用的都是这种调制方式。 直接调制方式的特点是，输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低。,（2）间接调制 不直接调制光源
12、，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际起到一个开关的作用。这种调制方式又称为外调制 间接调制需要使用恒定光源，恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源,常用的外调制器 电光调制器 声光调制器 波导调制器电光调制器的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。,根据光源与外调制器的集成和分离情况，可以分为集成外调制激光器和分离外调制激光器两种方式。 分离外调制激光器是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路，这两个光支路采用的材料是电光性材料，其折射率会随外部输施加的电信号而放大，由于
13、光支路的折射率变化将导致信号相位的变化，故两个支路的信号在调制解调器的输出端再次结合，合成的光信号是个强度大小变化的干涉信号。,2、 激光器的波长的稳定与控制 在DWDM系统中，ITU-T G.692要求： 中心波长的偏差光信道间隔的十分之一通常用温度来控制，如DFB或集成电吸收调制激光器。 直接使用波长敏感器件对光源进行波长反馈控制是一种较理想的方法,举例： 分布反馈式激光器（DFB）的波长稳定是利用波长和管芯温度的对应特性，通过控制激光器的管芯处的温度来控制的。 对于1.5umDBF激光器，波长温度系数大约为13GHZ/C。 因此，在25C-35C范围内中心波长符合要求的激光器，通过对管芯
14、温度的反馈控制可以稳定激光器的波长。,波长控制原理,二、光波长转换器（OTU）,DWDM可以分为两类： （1）开放式系统结构：只要光波长符合G.957光接口标准，系统需光波长转换器 （2）集成式系统结构：要求复用终端和DWDM系统是一个厂家,1、 工作原理 分为两类： （1）没有定时再生电路的OTU,没有定时再生电路的OTU实际上有一个光/电转换器和一个高性能的电/光转换器构成 适用于传输距离较短，仅以波长转换为目的的情况。,（2）有定时再生电路的OTU：增加了一个定时再生的功能，对所接收信号进行了一次整形,2、 OTU的应用 （1）没有定时再生电路的OTU往往被应用于DWDM系统边缘，完成波
15、长转换,（2）有定时再生电路的OTU可以置于数字段中，作为REG使用,三、光放大器（OA）,光放大器是一种不需要经过光电光变换而直接对光信号进行放大的有源器件。 光放大器增益是在放大器工作波长区间内，输出光信号功率与输入光信号功率的差值。 光纤放大器中EDFA使用最为广泛,1、掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理 （1）. EDFA基本结构： 掺铒光纤EDF 泵浦光源 耦合器 隔离器等部件组成光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分复用器件来实现。,（3） EDFA的基本结构与改进方式同向泵浦泵浦光于信号光在EDF光纤中传送方向相同，具有较好的噪声性能,反向泵浦泵浦光与信号光在E
16、DF中传送方向相反具有较高的输出信号功率,双向泵浦使用两个泵浦光源从EDF两端注入泵浦光，具有更高的输出信号功率，EDFA性能与信号传输方向无关,改进的EDFA反射型泵浦，通过反射镜对信号进行二次放大，采用光环形器保证光信号的单方向传播，且具有较高的增益,2、 EDFA的应用（1）. 应用的形式分为三种：后置功率放大器（BA）线路放大器（LA）前置放大器（PA）,后置放大器在中继段的位置,后置放大器：在发射光源后，在中继段前部 提高注入光功率,线路放大器：在中继段中间 增加传输距离,线路大器在中继段的位置,前置放大器：在中继段末尾，光接收设备之前 对输入信号进行预放,前置大器在中继段的位置,（
17、2） 在应用中应注意的问题A.非线性问题由于光功率增大而引起B.光浪涌问题由于动态增益变化慢，输入能量跳变的瞬间而产生，输出光功率出现尖峰C.色散问题无中继距离大大延长，但色散变大衰减受限系统变为色散受限系统,四、光复用器和解复用器,作为DWDM系统核心部件，按照其制造的 方法可分为三大类：角色散器件干涉滤波器光纤耦合器,1、 光栅型波分复用器 属于角色散型器件，是利用角色散元件来分离和合并不同波长的光信号。,优点：波长选择性好（间隔可达0.5nm）隔离度高（间隔为1nm时可达55dB）缺点：插入损耗较大（38dB）对极化敏感 制造难度较高，不适合大批量生产,2、 介质薄模型波分复用器 由介质
18、薄膜（DTF）构成，属于干涉型。,优点：可实现结构稳定的小型化器件信号通带平坦插入损耗低、通路间隔度好与极化无关 缺点：通路数不会很多 在DWDM中，48个波长时，较为理想,3、 熔锥型波分复用器 熔锥型波分复用器是将两根或多根光纤靠贴在一起适度熔融而成的一种表面交互式器件。,优点：插入损耗低工艺简单适于批量生产 缺点：相邻信道隔离度较差外形尺寸稍大,4、 集成光波导波分复用器 属于混合型的一类,优点：波长间隔小信道数多通带平坦可集成生产 缺点：插入损耗较大 该技术是超高速、大容量DWDM系统的首选,第三节 DWDM光传输系统的技术标准与应用,一、二略,三、参数定义,1、 中心频率和波长 ITU-T G.692建议DWDM系统： 参考频率：193.1THz（即1552.52nm） 频率间隔：100GHz的整数倍（约0.8nm） 容量小于40Gb/s时优先使用红带区蓝带区：15251540nm红带区：15401565nm 目前32通路WDM系统的最小频率间隔为100GHz,Thank you!,
