第四章 光波分复用与放大

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

光波分复用与放大 Optical Wavelength Division Multiplexing and amplying

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

光纤通信系统分类类别 短波长光纤通信系统 按光波 长波长光纤通信系统 长划分 超长波长光纤通信系统 光纤特 多模光纤通信系统 点划分 单模光纤通信系统 传输信 光纤数字通信系统 号形式 光纤模拟通信系统 外差相干光通信系统 全光通信通信系统 其他 波分复用系统 光孤子通信系统 特点系统工作波长为：0.8~0.9mm,中继距离短，10km以内系统工作波长为：1.0~1.6mm,中继距离长，100km以上 系统工作波长为：2mm以上，中继距离长，1000km以上 石英多模光纤：传输容量小，一般在140Mbit/s以下 石英多模光纤：传输容量大，一般在140Mbit/s以上 传输数字信号，抗干扰能力强 传输模拟信号，适合短距离和模拟电视图像信号传输 光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量大，设别复杂 全部利用光器件实现的系统，如光交换和光放大 在同一根光纤上同时传多个光载波信号，通信容量大 以波形和幅度均不变的光脉冲(光孤子)方式实现光信号 传输，利用光放大补充能量。可实现无光 /电变换的长距 离传输

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

WDM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(FDM)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。

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

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16/40/80波长系统，这取决于所允许的光载波波长 的间隔大小。

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。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 SDH 2.5Gb/s或更高速率的数字系统。

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

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。

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

光波分复用技术*光纤的低损耗窗口吸收谱

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

光波分复用技术*波分复用的常规分类 1) 光频分复用(OFDM):光频(信)道间距很小 的频分复用 2) 密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于 10nm的波分复用， D:Dense (密集) 3) 粗波分复用(CWDM):光频(信)道间距大于 10nm 的波分复用, C: Coarse (粗),也称稀疏波 分复用 * DWDM(1550波段)的标准信道间距 Δλ=1.6nm, 0.8nm, 0.4nm (200GHz, 100GHz, 50GHz)

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

WDM系统的基本形式WDM系统的基本构成主要有以下三种形式： 双纤单向传输 单纤双向传输 含OADM的传输 1 双纤单向传输 一根光纤上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。 优点：同一波长可以在两个方向上重复利用 缺点：光纤以及光器件资源利用率不高 1 N N+1 2N光发射机l1 光发射机ln 光接收机l1

1 N

l1…lN

光接收机ln

光接收机l1

光发射机l1

N+1 2N

光接收机ln

l1…lN

光发射机ln

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

2 双纤单向传输 一根光纤上完成两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号安排在不同 的波长上。 优点：节约成本 缺点：需要解决光反射产生的多径干扰；需要进行光放大，以延长传输距 离等。光发射机l1 光发射机lN 光接收机l1 光接收机lN

光接收机lN+1光接收机l2N

l1 …lN lN+1…l2N

光发射机lN+1光发射机l2N

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

3 含OADM的传输 通过光分/插复用器(OADM)可以实现各波长光信号在中间站的分出与 插入，即

完成上/下光路。利用这种方式可以实现WDM系统的环形组网。

l1 …lNOADM

l1 …lNOADM

l1 …lN

l1

l1

l2

l2

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

DWDM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，以及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，即与信号速率及电调制方式无关。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。

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

WDM系统的组成网元

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

WDM的网元组成光发射机 光中继放大 光接收机

OTU 1

光 合 波 器

BA

LA

PA

光 分 波 器

OTU N

ls光监控信 道发送器

ls光监控信道接 收/发送

ls

ls光监控信 道接收器

网络管理系统

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

1 激光器 过去SDH系统工作波长是在一个很宽的区域内，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200GHz,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 量都应在一定的范围之内，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50~60km,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80km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500~600km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50~60km提高到600km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。 ——

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

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，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。 有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。

l1…lN

l1…lN

合波器

分波器

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

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 熔锥型波分复用器、干涉滤波器、角色散器件和阵列波导型波分复用器。

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。 干涉膜滤波器型光合波分波器 在初期的WDM系统中，由于波道数少，多采用干涉膜滤波器作为光合波 分波器。但要分离间隔为1nm左右的波长较为困难。后来通过收进制膜方法， 制成了可以分离间隔为1nm的波长的滤波器。目前WDM传输技术发展得非常 迅速，要求分离的波长的波道间隔越来越窄，所以还需要进一步改进制膜方 法。另外，干涉膜滤波器是采用串联分波的，波道间的损耗偏差较大，这也 是需要改进的。

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

光栅型波分复用器一种是由光纤阵列、透镜和光栅构成的光合波分波器。 基本原理：多个波长的光束入射衍射光栅时，每个波长分量朝着空间 内不同的点衍射，从而可以实现 光合波分波的作用。 光纤 l1 l2 lN l1+l2+…+lN 衍射光栅 透镜

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

阵列波导型波分复用器 阵列波导光栅(AWG,Array Waveguide Grating)的概念是荷兰Delft 大学 的Smit 在1988 年提出来的。AWG 可实现数十个乃至上百个波长的复用与 解复用利用。 AWG基础：干涉测量技术的原理。在光纤输入端上的多个波长进入与波 导阵列相耦合的空腔S1。每个波导的光学长度不一样使得在与光纤阵列耦 合的空腔S2中与波长相关的相位延时不同。每个波长的相位差使干涉的结 果会在某根光纤上得到的某个波长的最大贡献。 用扇形波导代替光纤阵列更利用集成。 波导阵列

S1光纤 l1+l2+…+lN

S2

光纤阵列l2 lN l1

研究生光通信技术加深篇,通信光纤,sdh光同步数字传送网

3 光放大器为什么需要放大器

由

于长距离的传输，信号的光功率电平必须周期性地调整。 光放大器是重建被衰落的光信号，从而扩展数据源和目的地之间

有效的光纤长度的关键器件。 放大器的主要特征：增益、增益效益、增益带宽、增益饱和、偏 振灵敏度和噪声等。 增益是输出功率对输入功率的比值 增益效率是增益对输入功率的函数 带宽是频率的函数，增益带宽是放大器有效的频率范围 增益饱和是尽管输入功率增加但输出功率不再增加 噪声是放大器固有的特征 偏振灵敏度是光放大器的增益与信号偏振的依赖关系 在光通信网络中，有两种不同的放大方式：

再生器和光放大器

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2scj.html