光波分复用技术管理规范标准.docx

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光波分复用技术管理规范标准

光波分复用技术讲座

第一讲WDM技术的基本原理

信息产业部电信研究院xxx

目前，WDM（波分复用）技术发展十分迅速，已展现出巨大的生命力和光明的发展前景，我国的光缆干线和一些省干线已开始采用WDM系统，并且国一些厂商也正在开发这项技术。

为帮助读者了解和熟悉这一新技术，我们组织了该系列讲座。

第一讲是WDM技术的基本原理；第二讲介绍WDM系统中应用的光电器件的种类与其主要原理，以与它们的应用情况；第三讲介绍WDM系统的技术规，特别是信息产业部刚刚制定发布的16（8）×2.5Gb／sWDM系统规，并予以较详细的说明；第四讲主要是关于WDM系统管理方面的要求，以与WDM和SDH网管系统的关系；第五讲是关于WDM系统测试方法和相关仪表；第六讲主要探讨采用0ADM组环的技术，另外还将讨论基于OXC和0ADM的全光网技术。

欢迎读者朋友随时对该讲座提出意见和要求（热线：

2）。

1概述

——在过去20年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为现代通信网的基础平台。

就我国长途传输网而言，截止到1998年底，省际干线光缆长度已接近2O万km。

光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，以与近来风起云涌的WDM系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。

——波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，两波长WDM（1310／1550nm）系统80年代就在美国AT&T网中使用，速率为2×1.7Gb／s。

但是到90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：

（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb／s—622Mb／s—2.5Gb／sTDM技术相对简单。

据统计，在2.5Gb／s系统以下（含2.5Gb／s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降3O％左右。

正由于此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。

（2）波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器／解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化。

——1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺饵光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。

Lucent率先推出8×2.5Gb／s系统，Ciena推出了16×2.5Gb／s系统，试验室目前已达Tb／s速率，世界上各大设备生产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大的兴趣，WDM系统在全球围有了较广泛的应用。

发展迅速的主要原因在于：

（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（1530～1565nm）区域采用WDM技术成为可能。

（2）TDM10Gb／s面临着电子元器件的挑战，利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，TDM已没有太多的潜力可控，并且传输设备的价格也很高。

（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb／s系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的影响日益加重。

人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。

——从光纤通信发展的几个阶段看，所应用的技术都与光纤密切相关。

80年代初期的多模光纤通信，所应用的是多模光纤的850nm窗口；80年代未、90年代初期的PDH系统，所应用的是单模光纤1310nm窗口；1993年开始的SDH系统开始转向1550nm窗口；WDM是在光纤上实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系。

目前的WDM系统是在155Onm窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨论WDM技术以前，有必要讨论一下光纤的特性，特别是光纤的带宽和损耗特性。

2光纤的基本特性

——由于单模光纤具有部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。

从80年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。

常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550nm窗口。

多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：

1310nm窗口的衰减在（0.3～0.4）dB／km；1550nm窗口的衰减在（O.19～0.25）dB／km。

——从上图可以看出，除了在1380nm有一个OH-根离子吸收峰导致损耗比较大外，其它区域光纤损耗都小于0.5dB／km（据报道已有公司推出了ALLWAVE全波光纤，消除了这一损耗峰峰值，使整个频带更加平坦）。

现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱（1310～1550nm）极少的一部分。

以常规SDH2.5Gb／s系统为例，在光纤的带宽中只占很小一部分，大约只有0.02nm左右；全部利用掺饵光纤放大器EDFA的放大区域带宽（1530～1565）nm的35nm带宽，也只是占用光纤全部带宽（1310～157Onm）的1／6左右。

——理论上，WDM技术可以利用的单模光纤带宽达到200nm，即25THz带宽，即使按照波长间隔为0.8nm（100GHz）计算，理论上也可以开通200多个波长的WDM系统，因而目前光纤的带宽远远没有利用。

WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为WDM系统的应用和发展提供了可能。

3WDM技术原理

——在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。

——同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。

由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。

——所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（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输。

在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。

由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输

即可。

根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，现在商用化的一般是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图2给出了其系统组成。

——WDM本质上是光域上的频分复用（FDM）技术。

要想深刻理解WDM系统的本质，有必要对传输技术的发展进行一下总结。

从我国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。

开始的明线、中同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4kHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统则是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb／s；而WDM技术是光纤上频分复用技术，16（8）×2.5Gb／s的WDM系统则是光域上的FDM模拟技术和电域上TDM数字技术的结合。

——下面列出了几种传输技术实现方式：

——.明线技术，FDM模拟技术，每路4kHz；

——.小同轴电缆6O路FDM模拟技术，每路4kHz；

——.中同轴电缆1800路FDM模拟技术，每路4kHz；

——.光纤通信140Mb／sPDH系统，TDM数字技术，每路64kb／ｓ；

——.光纤通信2.5Gb／sSDH系统，TDM数字技术，每路64kb／s；

——.光纤通信N×2.5Gb／sWDM系统，TDM数字技术+光频域FDM模拟技术，每路64kb／s。

——WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图3所示。

每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：

（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。

（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb／s或更高速率的数字系统。

4WDM技术的主要特点

————可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。

————使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。

另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。

————由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以与PDH信号和SDH信号的综合与分离。

————波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率与电调制方式无关。

一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。

WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。

————在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。

————利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。

————在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。

距离越长，节省成本就越多。

5WDM和DWDM

——人们在谈论WDM系统时，有时会谈到DWDM（密集波分复用系统）。

WDM和DWDM是同一回事吗？

它们之间到底有那些差别呢？

其实，WDM和DWDM应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对WDM系统的称呼，它们与WDM技术的发展历史有着紧密的关系。

——在80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm和1550nm窗口各传送1路光波长信号，也就是131Onm／155Onm两波分的WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。

该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光／电／光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。

很长一段时间在人们的理解中，WDM系统就是指波长间隔为数十nm的系统，例如1310nm／1550nm两波长系统（间隔达200多nm）。

因为在当时的条件下，实现几个nm波长间隔是不大可能的。

——随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的应用进入了一个新时期。

人们不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口传送多路光载波信号。

由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般（1.6nm），且工作在一个窗口共享EDFA光放大器，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。

所谓密集，是指相临波长间隔而言。

过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.8～2）nm，甚至<0.8nm。

密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。

由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。

——在DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。

在两个波分复用终端之间，采用一个EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。

在DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光／电／光再生中继器将共同存在，EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光／电／光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。

——现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。

从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。

一般情况下，如果不特指1310nm／1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

6总结

——过去无论PDH的34Mb／s-140Mb／s-565Mb／s，还是SDH的155Mb／s-622Mb／s-2.4Gb／s，其扩容升级方法都是采用电的TDM方式，即在电信号上进行的时间分割复用技术，光电器件和光纤完成的只是光电变换和透明传输，对信号在光域上没有任何处理措施（甚至于放大）。

WDM技术的应用第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。

因此，从某种意义上讲，WDM技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。

第二讲WDM系统中的光电器件

信息产业部电信研究院xxx

——WDM系统本质上是光域上的模拟系统，WDM技术第一次把复用方式从电域转移到光域，在光域上用彼长复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，因而大大增加了光电器件，而且光模拟系统的性能很大程度上取决于各器件的特性。

相对于SDH系统，WDM系统增加了波分复用器（解复用器）、光放大器等器件，另外对激光器信号的波长准确性和稳定性也提出了较高的要求。

下面我们分3部分介绍WDM系统中的光电器件，即激光器、波分复用器和光放大器。

1激光器

——过去SDH系统工作波长是在一个很宽的区域，而WDM系统的最重要特点是每个系统采用不同的波长，一般波长问隔为100GHz或2OOGHz，这对激光器提出了较高要求。

除了准确的工作波长外，在整个寿命期间波长偏移量都应在一定的围之，以避免不同的波长相互干扰。

即激光器必须工作在标准波长、且具有很好的稳定性。

——另一方面，由于采用了光放大器，WDM系统的无再生中继距离大大延长。

SDH系统再生距离一般在50～6Okm，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字信号继续传输。

而WDM系统中，每隔8okm有一个EDFA，只进行放大，没有整形和定时功能，不能有效去除因线路色散和反射等带来的不利影响，系统经50O～60Okm传输后才进行光／电再生，因而要求光源的色散受限距离大大延长。

由过去的5O～60km提高到6O0km以上，这对光源的要求大大提高。

总体上，应用在WDM系统上的光源有2个突出特点：

（1）比较大的色散容纳值。

（2）标准而稳定的波长。

——1．1外调制技术

——对于直接调制来讲，单纵模激光器引起的啁啾（Chirp）噪声已成为限制其传输距离的主要因素。

即使采用a值较小的应变型超晶格激光器，在G．652光纤上传输2．5Gb／s的色散受限距离也只有120km左右。

这对于国家干线WDM系统要求的5OO～60Okm是不够的。

从原理上讲，很难消除直接调制带来的Chirp噪声，人们把眼光转向了外调制。

——与直接调制不同，在外调制情况下，高速电信号不再直接调制激光器，而是加载在某一媒介上，利用该媒介的物理特性使通过的激光器信号的光波特性发生变化，从而间接建立了电信号与激光的调制关系。

在外调制情况下，激光器产生稳定的大功率激光，而外调制器以低啁啾对它进行调制，从而获得远大于直接调制的色散受限距离。

目前，投入实用的主要有两种：

一种是电吸收型外调制器，一种是波导型铌酸锂马赫一曾德尔调制器。

——1．1．1电吸收外调制器（EML激光器）

——电吸收外调制器是一种强度调制器，也是第一种大量生产的钢镓砷磷（InGaAsP）光电集成器件。

它将激光器和调制器集成到一片芯片上。

EML激光器芯片的激光器段工作于恒定功率或CW模式。

输入信号加在调制器上，因此调制器像一个开关，让光通过或把光关断。

这使得产生的信号的啁啾声（Chirp）非常小，囚此可以在标准的光纤上传播非常长的距离，并且信号的失真很小，典型的EML激光器支持超过600km的距离。

——电吸收外调制器的最突出的优点是体积较小，集成度好。

另外驱动电压低，耗电量小，在已有的WDM陆地系统中，绝大部分公司的产品都采用了这种类型的外调制器。

——1．1．2马赫-曾德尔（Mach一Zehnder）外调制器

——马赫-曾德尔波导型外调制器也是一种强度调制器。

它使用单独的一个单纵模DFB激光器和一个外调制器。

激光器也工作于连续波（CW）状态，在外加调制电场的情况下，由于银酸锂（LiNbO3）良好的电光效应，使波导的折射率发生改变，通过波导的光的强度相应发生变化，实现波导输出的光幅度调制。

马赫-曾德尔调制器在原理上其啁啾参数可以为零，因而调制速率极高，几乎不受光纤色散的限制，调制线宽很窄，消光比高。

缺点是调制器与偏振矿态相关，激光器和调制器之间的连接必须使用保偏光纤。

在10Gb／5以上超高速WDM系统传输时，MZ外调制器成为克服光纤色散影响的主要手段。

——1．2波长稳定技术

——WDM系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各个通路的信号波长不同，而且对中心频率偏移有严格规定。

如对于8×2．5Gb／sWDM系统，通路间隔选择2OOGHz，到寿命终了时的波长偏移不大于±20GHz。

相邻两个通路如果波长偏移过大，就会造成通路间的串扰过大，产生误码。

就目前技术而言，最简单的方法是依靠稳定激光器的温度和偏流保证。

但这种方法无法解决由于激光器老化、温度变化引起的波长变化。

当波长精度要求较高时，需要使用更严格的波长控制技术。

——使用波长敏感器件对可调制连续波光源的波长进行控制的原理如图1所示。

波长敏感器件的输出电压随LD发射光波长变化而变化，这一电压变化信息经适当处理可用来直接或间接控制LD发射的光波长，使其稳定在规定的工作波长上。

2波分复用器件

——波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合波器，如图2（a）所示。

反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器，如图2（b）所示。

有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。

——WDM器件有多种制造方法，目前已广泛商用的WDM器件可以分为4类，即角色散器件、干涉滤波器、熔锥型波分复用器和集成光波导型。

下面分别进行介绍。

——2．1光栅型波分复用器

——光栅型波分复用器件属于角色散型器件。

当人射光照射到光栅上后，由于光栅的角色散作用，使不同波长的光信号以不同的角度出射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，从而完成波长的选择作用

，如图3所示。

——总的来看，光栅型WDM器件具有优良的波长选择特性，可以使波长间隔缩小到数nm到0.51nm左右。

另外，光栅型器件是并联工作的，插入损耗不会随复用信道的增多而增加，己能实现32～131个波长的复用，但对温度稳定性要格外注意。

以16通路WDM为例，由于光源在1550nm波长的温度系数大约为0．4nm／℃，环境温度变化30℃就足以引起约0.4nm的波长偏移，对于通路带宽仅0.31nm的情况将至少导致3dB的失配损耗，其严重性可见一斑。

因而采用温控措施是必要的。

——除上述传统光栅器件外，近来一种利用紫外光将折射率光栅刻在光纤芯区的光纤光栅受到了很大重视，如图4所示。

据报道其性能甚佳，带频响很平坦，带外抑制比很高，插入损耗不大，性能十分稳定，156Onm的温度系数为0.Olnm／℃，滤波特性滚降斜率优于15odB／11m，带外抑制比可以高达50dB。

——它具有理想的滤光特性、便于设计制造、效率高等优点，因此可制作成倍道间隔非常小的带通、带阻滤波器。

目前已广泛用于WDM系统中。

2.2介质簿膜滤波器型波分复用器

——光滤波器有两类，一类为干涉滤波器，另一类是吸收滤波器，两者均可由介质薄膜（DTF）构成。

DTF干涉滤波器由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜按照设计要求组合起来，每层的厚度为V4波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成。

当光入射到高折射率层时，反射光没有相移。

当光入射到低折射率层时，反射光经历18O°相移。

由于层厚1／4波长（9O°），因而经低折射率层反射的光经历36O°相移，与经高折射率层的反射光同相叠加。

这样在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反射光。

在这高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光，据此可以使之对一定波长围呈通带，对另外波长围呈阻带，从而形成所要求的滤波特性。

利用这种具有特定波长选择特性的干涉滤波器就可以将不同的波长分离或者合并起来，如图5所示。

——

采用DTF干涉滤波器型WDM器件的主要优点是设计与所用光纤参数几乎完全无关，可以实现结构稳定的小型化器件，信号通带较平坦，与极化无关，插入损耗较低，温度特性很好，可达0.OOlnm／℃以下，但通路数不会很多，目前可达16路。

2.3熔锥型波分复用器

——熔拉双锥（熔锥）型光纤耦合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔融在一起。

由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合达到所需要的耦合功率。

熔锥型WDM器件制造简单，更易于批量生产，因而应用更广泛。

——熔锥型WDM器件的特点是插入损耗低（最大值<5dB，典型0.2dB），无需波长选择器件，此外还具有较好的光通路带宽／通路间隔比和温度稳定性，不足之处是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较差（20dB左右），一般不用在目前的密集波分复用系统中。

2.4集成光波导型WDM器件

——集成光波导型WDM器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有一切平面波导技术的潜在优点，诸如适于批量生产、重复性好、尺寸小，可以在光掩膜过程中实现复杂的光路、与光纤的对准容易等等，因而代表了一种先进的WDM器件技术。

目前平面波导型WDM器件有各种实现方案，其中一种称为龙骨型的平面波导WDM器件较有前途。

器件由2个星形耦合器经M个非耦合波导构成，耦合波导不等长从而形成光栅，两端的星形耦合器由平面设置的两个共焦阵列径向波导构成。

这种波导型WDM器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但带频响尚不够平坦，图6所示为一个龙骨型平面波导WDM器件的结构原理。

2.5各种WDM器件的性能比较

——表1是各种WDM器件主要特性的比较结果，需要注意特性参数是随波长数不同而变化的，表中数值只是大致围，仅供参考。

表1各种WDM器件性能比较

器件类型

机理

批量生产

通路间（nm）

通路数

串音

（dB）

插入损耗

（dB）

主要缺点

衍射光栅型

角色散

一般

0.5～10

4～131

≤-30

3～6

温度敏感

DTF型

干涉/吸收

一般

1～100

2～32

≤-25

2～6

通路数较少

熔锥型

波长依赖性

较容易

10～100

2～6

≤-（15-45）

0.2～1.5

通路数少

集成光波导型

平面波导

容易

1～54

4～32

≤25

6～11

插入损耗大

——在合波器上，8～16路WDM系统，几乎所有的公司都采用了无源的星型光耦合器作为波分复用器的合波器，有的采用1：

n，有的出于线路保护的考虑，采用了2：

n耦合器，一路输出接工作通路，另一个接保护通路。

这主要是因为简单、便宜，相互间隔离度好。

缺点是引入的损耗大，以1：

8耦合器为例，可以达10dB左右。

而在解复用器上，对于8～16路的WDM系统，现在的厂家大部分选用了DTF干涉滤波器解复用器或平面波导型解复用器；而对于16路以上的WDM系统，复用器和解复用器大多