大型光纤网络DWDM

DWDM基本原理

课程目标：

? 掌握DWDM网络的意义及适用环境。 ? 掌握DWDM原理，实现DWDM的关键技术。

参考资料：

? 《光波分复用系统》 ? 《现代通信基础与技术》 ? 《DWDM传输系统原理与测试》

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第1章 DWDM概述

目 录

第1章 DWDM概述 .................................................................................................................... 3 1.1 DWDM技术的产生背景 ..................................................................................................... 3

1.1.1 光网络复用技术的发展.............................................................................................. 3 1.1.2 PDH、SDH以及DWDM ............................................................................................ 3 1.2 DWDM技术概述 ................................................................................................................ 6

1.2.1 DWDM技术与其他复用技术的区别 ........................................................................... 6 1.2.2 DWDM与SDH的关系 .............................................................................................. 8 1.2.3 工作波长范围...........................................................................................................10 1.3 DWDM的特点和优势 ........................................................................................................12 1.4 DWDM的发展趋势 ...........................................................................................................13 第2章 光纤传输概述..................................................................................................................15 2.1 光纤的基本知识................................................................................................................15

2.1.1 光纤简介..................................................................................................................15 2.1.2 光纤应用频率使用概况.............................................................................................18 2.1.3 常用单模光纤类型及特点 .........................................................................................18 2.2 DWDM系统的工作波长 ....................................................................................................19

2.2.1 工作波长区说明 .......................................................................................................19 2.2.2 波长分配..................................................................................................................20 2.3 光纤传输特性 ...................................................................................................................24

2.3.1 光纤损耗..................................................................................................................24 2.3.2 色散.........................................................................................................................25 2.3.3 光纤的非线性效应....................................................................................................28 2.4 新的光纤类型 ...................................................................................................................30

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第1章 DWDM概述

第1章 DWDM概述

? 知识点

? DWDM定义和产生背景 ? DWDM发展趋势

1.1 DWDM技术的产生背景

在介绍DWDM技术之前，我们需要了解光网络的发展。本节将从复用技术和传输技术两方面阐述DWDM技术的产生背景。

1.1.1 光网络复用技术的发展

通信网络中，包括多种传输媒介，如双绞线、同轴线、光纤、无线传输。其中，光纤传输的特点是传输容量大、质量好、损耗小、保密性好、中继距离长等。 随着信息时代宽带高速业务的不断发展，不但要求光传输系统向更大容量、更长距离发展，而且，要求其交互便捷。因此，在光传输系统中引入了复用技术。所谓复用技术是指利用光纤宽频带、大容量的特点，用一根光纤或光缆同时传输多路信号。在多路信号传输系统中，信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。

光纤传输网的复用技术经历了空分复用（SDM）、时分复用（TDM）到波分复用（WDM）三个阶段的发展。

SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差；TDM技术的应用很广泛，如PDH、SDH、ATM、IP都是基于TDM的传输技术，缺点是线路利用率较低；WDM技术在1根光纤上承载多个波长（信道），使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段，多用于干线网络。

1.1.2 PDH、SDH以及DWDM

传统的光纤传输技术，如准同步数字体系（PDH）、同步数字体系（SDH），采用“一纤一波”的方式，由于受器件自身特性的限制，其传输容量及扩容方式均无法满足通信网络飞速发展的要求。同时，光纤的巨大带宽资源无法得到充分利用。

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第1章 DWDM概述

密集波分复用技术（DWDM）的出现，成为了光纤扩容最有效、最经济的手段。DWDM技术以其独有的技术优势，成为能迅速、简单、经济、有效地扩展光纤传输容量的途径，可以充分满足目前网络宽带业务发展的需求，同时也为通向未来全光传输网奠定了良好的基石。

以下将简要介绍PDH、SDH到DWDM的发展过程，以及各种技术的接口规范。 1． PDH

早期的光传输系统采用准同步数字体系PDH，是在原有模拟电话网的基础上引入PCM（脉冲编码调制）数字传输技术发展起来的，采用比特填充和码位交织的方法将低速率等级的信号复合成高速信号。

PDH系统的基群信号采用同步时分复用方式，其他高次群的复用均采用准同步（或称异步）的时分复用方式。

PDH系统包括欧洲、北美和日本3个地区性的速率等级标准，如表 1.1-1所示。

表 1.1-1 PDH码速率

国家、地区 欧洲、中国 北美 日本 一次群（基群） 2.048Mbit/s 30路 1.544Mbit/s 24路 1.544Mbit/s 24路 二次群 8.448Mbit/s 120路（30×4） 6.312Mbit/s 96路（24×4） 6.312Mbit/s 96路（24×4） 三次群 34.368Mbit/s 44.736Mbit/s 672路（96×7） 32.064Mbit/s 480路（96×5） 四次群 139.264Mbit/s 274.176Mbit/s 4032路（672×6） 97.728Mbit/s 1440路（480×3） 480路（120×4） 1920路（480×4） 从20世纪70年代初期至80年代，PDH系统和设备在数字网中获得大规模的推广应用。但是随着光纤通信技术的发展，以及用户对通信业务需求的增加，PDH的弱点也越来越明显。

（1） 3种速率标准互不兼容，不利于国际互通的发展。

（2） 没有世界性的标准光接口规范。各个厂家自行开发的专用光接口互不兼容，

限制了联网的灵活性，增加网络的复杂性和运营成本。

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第1章 DWDM概述

（3） PDH是建立在点对点传输基础上的复用结构。只支持点对点传输，无法满

足复杂网络组网。

（4） 运行、管理和维护必须依靠人工的数字信号交叉连接和停业务测试进行，

无法满足现代通信网对监控和网管的需求。

（5） 随着速率的增加，采用PDH技术实现高次群复用的难度明显增大，不能适

应光纤数字通信大容量超高速率传输发展的需要。 2． SDH

20世纪80年代中期，由美国贝尔通信研究所提出了同步光网络（SONET）的概念。1988年，原CCITT（ITU-T的前身）接受了SONET的概念，形成了世界统一的传输网技术标准，并重新命名为同步数字体系（SDH）。 SDH信号采用同步复用方式和灵活的复用映射结构。各种不同等级的码流在帧结构净负荷内规律排列，净负荷与网络同步，只需借助相应软件，即可使高速信号一次直接分插出低速支路信号，也就是所谓的一步解复用特性。

SDH系统的速率规范如表 1.1-2所示。

表 1.1-2 SDH信号等级

SDH等级（ITU-T） STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 OC等级（SONET） OC-3 OC-12 OC-48 OC-192 线路速率（Mbit/s） 155.520 622.080 2488.320 9953.280 SDH规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级、接口码型特性，提供了一个国际支持框架，在此基础上发展并建成了一种灵活、可靠、便于管理的世界电信传输网。这种传输网易于扩展，适于新电信业务的开展，并且使不同厂家生产的设备互通成为可能。

但是，当传输速率超过10Gbit/s后，系统色散等不良影响将加重长距传输的难度，同时，SDH系统是基于单波长的时分复用系统，单波长传输无法

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第1章 DWDM概述

充分利用光纤的巨大带宽，因此，在骨干网，引入了WDM技术，极大的扩大了光纤的传输容量。 3． DWDM

DWDM是WDM技术中的一种。由于相邻波长间隔较小（1nm~10nm量级），因此，称为密集波分复用（DWDM）。目前，实用的DWDM系统工作在1550nm窗口，以便利用EDFA放大器的增益频谱特性对复合光波长信号进行直接放大。为满足系统之间的横向兼容性，光通路的中心波长必须符合G.692标准。

DWDM系统中，每个光通路可承载不同的客户信号，如SDH信号、PDH光信号、ATM信号等。

由于光纤通信以及组网技术在适应多业务需求和宽带化方面具有独特的优势，因此，高速的SDH系统和N×2.5Gbit/s、N×10Gbit/s的DWDM系统成为了核心网的主体和支柱。

1.2 DWDM技术概述

DWDM是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有信息（模拟或数字）的光载波，只需通过增加波长（信道）实现系统扩容的光纤通信技术。它将几种不同波长的光信号组合（复用）起来传输，传输后将光纤中组合的光信号再分离开（解复用），送入不同的通信终端，即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道。

1.2.1 DWDM技术与其他复用技术的区别

本节主要对比光纤通信系统中几种常用的复用技术。 1． TDM

时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）是指，各路信号在同一条光纤上利用不同的时间间隔（即时隙）进行信号传输。

TDM的优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输。 缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，线路利用率较低。同时，由于高速电子器件和激光器调制能力的限制，因此，很难实现容量超过40Gbit/s的系统。

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第1章 DWDM概述

TDM术的应用很广泛，如PDH、SDH、ATM、IP。 2． SDM

空分复用（SDM，Space Division Multiplexing）是指，利用空间分割构成不同的信道，实现光复用的技术。例如，在光缆中，通过增加芯线数或使用更多光纤构成不同的信道。

SDM对各路基带信号分别进行光强度调制，每路信号用一根光纤传输，各路信号互不影响，传输性能最佳。

SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差。 3． SCM

微波副载波复用（SCM，Sub-Carrier Multiplexing）是指，将多个基带信号分别调制到不同频率的微波载频中，完成电的频分复用（FDM），再利用该比特流调制单个光载波进入光纤。在接收端，先由光电检测器捡出电FDM群路信号，再使用微波技术对不同的微波载频进行解复用，恢复原基带信号。该技术目前主要应用在接入网的CATV多频道传输系统中。 4． WDM

波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是指，在1根光纤上承载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络最广泛使用的光波复用技术。

WDM通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。

（1） 1310 nm和1550 nm波长的波分复用

这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长：1310nm窗口一个波长，1550nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤双窗口传输，这是最初的波分复用的使用情况。

（2） 密集波分复用（DWDM）

简单的说，DWDM技术是指相邻波长间隔较小的WDM技术，工作波长位于1550nm窗口。可以在一个光纤上承载8~160个波长。主要应用于长

距离传输系统。

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第1章 DWDM概述

DWDM技术的详细介绍，请参见本手册其他章节。

（3） 粗波分复用（CWDM）

CWDM技术是指相邻波长间隔较大的WDM技术，相邻信道的间距一般大于等于20nm，波长数目一般为4波或8波，最多16波。CWDM使用1200nm ~1700nm窗口。

CWDM采用非制冷激光器、无光放大器件，成本较DWDM低；缺点是容量小、传输距离短。因此，CWDM技术适用于短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。

1.2.2 DWDM与SDH的关系

1． DWDM与SDH在光网络传送层的关系

DWDM系统与SDH系统均属于传送网层，二者都是建立在光纤传输媒质上的传输手段，在传送网中的关系如图 1.2-1所示。

电路层（如ATM、IP）SDH通道层DXCSDH系统ADMDWDM光路层OADMDWDM系统OTM 图 1.2-1 DWDM、SDH在传送网中的关系

SDH系统是在电通道层上进行的复用、交叉连接和组网，而WDM系统是在光域上进行的复用、交叉和组网。

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第1章 DWDM概述

2． DWDM与SDH对承载信号的复用方式

SDH是基于单波长（一根光纤传输一个波长光路）的时分复用（TDM）系统，当传输速率超过10Gbit/s后，系统色散等不良影响将加重长距传输的难度。

DWDM技术在一根光纤中同时传输不同波长的多个光载波信号，充分利用光纤的带宽资源，增加系统的传输容量。 3． DWDM可同时传输多种不同类型的信号

目前，DWDM系统的客户层信号多属SDH信号，但是由于DWDM系统中使用的各波长相互独立，与业务信号的格式无关，因此每个波长可以传输特性完全不同的光信号，实现多种信号的混和传输。 DWDM系统与一些常用业务的关系如图 1.2-2所示。

IPATMSDHATMEthernet其他SDH开放式光接口DWDM光纤物理层

图 1.2-2 DWDM与其他业务的关系

4． DWDM与SDH信号的光接口标准

SDH设备的光接口符合ITU-T G.957建议，该标准对工作中心波长没有特别规定。

在DWDM系统中，光接口必须满足ITU-T G.692建议。该建议规定了每个光通路的参考频率、通路间隔、标称中心频率（即中心波长）、中心频率频率偏差等参数。

为此，DWDM系统提供开放式DWDM系统和集成式DWDM系统。

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第1章 DWDM概述

? 开放式系统：WDM系统的发送侧提供有光波长转换器（OTU），使具有非标准波长的客户信号经过OTU转换为符合G.692的标准波长。所谓“开放式”，是指DWDM系统对输入信号的工作波长没有特殊要求，如图 1.2-2中经过“开放式接口”接入的信号；

? 集成式系统：要求所有接入DWDM系统的客户信号都必须满足G.692标准，如图 1.2-2中未经过“开放式接口”接入的信号。

5． DWDM与SDH的综合应用

通过DWDM与SDH的综合使用，可更有效的提高光纤网络的传输容量。

1.2.3 工作波长范围

石英光纤有三个低损耗窗口：860nm窗口、1310nm窗口和1550nm窗口，如图 1.2-3所示。

3.0~140THz2.5OH吸收峰损耗（dB/km）2.01.51.00.5O080010001200E1400SCL1600波长（nm）

O：Original Band，原始波段 E：Extend Band，扩展波段 S：Short Band，短波段

C：Conventional Band，常规波段 L：Long Band，长波段

-~50THzOH-吸收峰OH-吸收峰图 1.2-3 光纤通信中的低损窗口

1． 860nm窗口

波长范围600nm~900nm。主要用于多模光纤，传输损耗较大（平均损耗2dB/km）。一般适用于短距的接入网环境，如光纤通道（FC）业务。

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第1章 DWDM概述

2． 1310nm窗口

该波长区的可用波长下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数，上限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响。工作范围为1260nm~1360nm，平均损耗0.3dB/km~0.4dB/km。

1310nm窗口可用于STM-N信号（N＝1、4、16）的局内、短距和长距通信，光源类型采用多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED）。由于目前尚无工作于1310nm窗口的宽带光放大器，所以不适用于DWDM系统。 3． 1550nm窗口

该波长区的下限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响，而上限主要受限于红外吸收损耗和弯曲损耗的影响。工作波长位于1460nm~1625nm，平均损耗0.19dB/km~0.25dB/km。

1550nm窗口的损耗最低，可用于SDH信号的短距和长距通信。同时，由于目前常用的光放大器EDFA在该窗口具有良好的增益平坦度，因此，1550nm窗口也适用于DWDM系统。

1550nm窗口的工作波长分为3部分（S波段、C波段和L波段），波长范围如图 1.2-4所示。

图 1.2-4 1550nm窗口工作波长划分

（1） S波段（1460nm~1530nm）：由于EDFA工作波长范围位于C波段或L波

段，因此，目前DWDM系统中不使用S波段。

（2） C波段（1530nm~1565nm）：常用于40波以下DWDM系统（频道间隔

100GHz）、80波DWDM系统（频道间隔50GHz）以及SDH系统的工作波长区。

（3） L波段（1565nm~1625nm）：80波以上DWDM系统的工作波长区。此时，

频道间隔为50GHz。

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第1章 DWDM概述

1.3 DWDM的特点和优势

1． 充分利用光纤的带宽资源，传输容量巨大

DWDM技术充分利用光纤的巨大带宽（约25THz）资源，扩展系统的传输容量。

2． 超长的传输距离

利用掺铒光纤放大器（EDFA）等多种超长距传输技术，可以对DWDM系统中的各通路信号同时放大，实现系统的长距传输。 3． 丰富的业务接入类型

DWDM系统中的各波长相互独立，可透明传输不同的业务，如SDH、GbE、ATM等信号，实现多种信号的混和传输。 4． 节约光纤资源

DWDM系统将多个单信道波长复用后，在一根光纤中传输，极大的节约了光纤资源，降低线路建设成本。 5． 平滑升级扩容

由于DWDM系统中的每个波长通道透明传输数据，不对通道数据进行任何处理，因此，扩容时，只需增加复用光波长通路数即可，方便易行。 6． 充分利用成熟的TDM技术

目前，TDM方式的光传输技术，如SDH，已经十分成熟，通过WDM技术可以将传输容量呈几倍甚至几十倍的增加，扩容成本比TDM方式扩容低。

7． 可组成全光网络

全光网络是未来光传送网的发展方向。在全光网络中，通过WDM系统与网络节点中的光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）相连，直接对光波长信号及所带的各种业务进行光路的上下和交叉连接，组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性和高经济性的全光网络，适应未来信息化社会对宽带传送网的发展需要。

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第1章 DWDM概述

1.4 DWDM的发展趋势

1． 更高的通道速率

DWDM系统的通道速率由2.5Gbit/s发展到目前的10Gbit/s，基于40Gbit/s速率的系统已进入实验阶段，技术日渐成熟。 2． 更多波长复用数量

早期DWDM系统多用于8/16/32个波长，通道间隔为100GHz，工作波长位于C波段。随着技术的不断发展，DWDM系统的工作波长可覆盖C、L波段，间隔50GHz。如中兴通讯的ZXWM M900设备，最高可提供160波的复用。

3． 超长的全光传输距离

通过提高全光传输的距离，减少电再生点的数量，可降低建网的初始成本和运营成本。

传统的DWDM系统采用EDFA延长无电中继的传输距离，目前，通过分布式拉曼放大器、超强前向纠错技术（FEC）、色散管理技术、光均衡技术以及高效的调制格式等，可从目前的600km左右扩展到2000km以上。 4． 从点到点WDM走向全光网络

普通的点到点DWDM系统，主要由光终端复用器（OTM）组成，尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽，组网能力不灵活。随着电交叉系统的不断发展，节点容量的不断扩大，点到点组网显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的希望转向光节点，即光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。

通过OADM可构成链型、环型光网络。OADM设备控制不同波长信道的光信号传至适当的位置，并可实现光层业务的保护和恢复。

OXC是下一代光通迅的路由交换机。在全光网络中的主要功能包括：提供以波长为基础的连接功能，光通路的波长分插功能，对波长通路进行疏导以实现对光纤基础设施的最大利用率，实现在波长、波长组和光纤级上的保护和恢复。OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各路信号以适当的波长输出。通过OADM和OXC可组建更为复杂的环型网络。在下一代IP Over DWDM的电信／网络体系结构中，OXC将有望以光信号传送取代现有的电交换/路由的地位。

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第1章 DWDM概述

5． IP over DWDM技术的发展

Internet骨干网的带宽增长迅猛，如果不采用DWDM技术，那么仅Internet的数据流量就可以占满整个单波光纤系统的容量（目前，商用化单波长光纤系统的最大传输速率为10Gbit/s）。因此，IP over DWDM将是未来网络通信的主要技术。

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第2章 光纤传输概述

? 知识点

? 光纤传输基本知识； ? 常用光纤类型和应用； ? 光纤的传输特性

2.1 光纤的基本知识

2.1.1 光纤简介

1． 光纤的结构

光纤是一种导光性能极好、直径很细的圆柱形玻璃纤维，主要由纤芯、包层和涂覆层构成，基本结构如图 2.1-1所示。

涂覆包层纤芯n2n1

n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率

图 2.1-1 光纤结构

（1） 纤芯

主体材料为SiO2（石英），掺杂微量的掺杂剂，如二氧化锗（GeO2），用以提高纤芯的折射率（n1）。纤芯的直径通常在5μm ~50μm之间。

（2） 包层

一般采用纯SiO2，外径为125μm。包层的折射率（n2）低于纤芯的折射率（n1）。

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第2章 光纤传输概述

（3） 涂覆

涂覆层采用环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径约250μm。通过增加涂覆，增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。 2． 光纤的分类

（1） 按照折射率的分布形状分类

光线在光纤中传递时，各条光线分别以一个合适的角度入射到纤芯与包层的交界面上。由于纤芯的折射率（n1）大于包层的折射率（n2），因此，当光线的入射角度满足全反射条件时，即可使光线在分界面上不断反复进行全内反射，以“之”字形路径向前行进，使光能限制在纤芯中，形成传输波。

根据光纤截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型光纤。折射率与光纤结构的关系，以及光线在光纤中的传输如图 2.1-2所示。

包层包层n2纤芯光线n2纤芯光线n1

n1

a. 阶跃型光纤 b. 渐变型光纤

图 2.1-2 阶跃型光纤和渐变型光纤对比

（2） 按照光纤的材料分类

按照光纤的材料分类，除石英系光纤之外，还有多种成分的玻璃光纤、采用石英纤芯和塑料包层的石英塑料光纤、采用塑料纤芯和塑料包层的全塑料光纤等。

这些光纤的损耗比石英光纤大，通常只用于楼内、室内等短距离系统。

（3） 按照传输模式分类

光线属于电磁波范畴。因此，光线在光纤中传播时，不仅需要满足纤芯与包层的全反射条件，还需要满足电磁波在传输过程中的相干加强条件。

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第2章 光纤传输概述

对于具体的光纤结构，只有一系列特定的电磁波才可以在光纤中有效传输。这些特定的电磁波就称为光纤模式。光纤中，可传导的模式数量由光纤的具体结构和折射率径向分布决定。

如果光纤中只支持一个传导模式（基模），则称该光纤为单模光纤，纤芯中只有一条光线传输；如果光纤支持多个传导模式，则称该光纤为多模光纤，纤芯中的每个光线均为一个传输模式，如图 2.1-2所示的光纤既是两种典型的多模光纤。

单模光纤与多模光纤的区别如表 2.1-1所示。

表 2.1-1 单模光纤和多模光纤对比

传输模式 纤芯 色散影响 单模光纤 只支持基模传输 较小（约5μm ~10μm） 主要由光信号中不同频率成分的传输速度引起。随着光信号光谱宽度的增大而增大 类型 工作窗口 应用场合 普通单模光纤（SMF）、色散位移光纤（DSF）、色散补偿光纤（DCF）等 1310nm和1550nm 长距、大容量的光纤通信系统 多模光纤 支持多个传导模式 较大（约50μm） 由于不同模式的传输速度不同，因此具有较大的模式色散，直接影响传输带宽和传输距离 普通多模光纤（MMF） 850nm和1310nm 短距、低速的光纤通信系统 17

第2章 光纤传输概述

2.1.2 光纤应用频率使用概况

随着光纤制造工艺的改进，光纤传输损耗逐年降低，目前已存在5个低损耗窗口，各窗口的划分如图 2.1-3所示。

3.0~140THz2.5OH吸收峰损耗（dB/km）2.01.51.00.5O080010001200E1400SCL1600波长（nm）

O：Original Band，原始波段 E：Extend Band，扩展波段 S：Short Band，短波段

C：Conventional Band，常规波段 L：Long Band，长波段

-~50THzOH-吸收峰IOH-吸收峰IIVIIIIV图 2.1-3 低损耗窗口划分

5个窗口的光信号的标记、波长范围、使用光纤类型和应用场合，如表 2.1-1所示。

表 2.1-2 低损窗口特性比较

窗口 标记（nm） 850 I II 1310（O波段） 1260~1360 多模光纤/G.652/G.653 短距、低速 III 1550（C波段） 1530~1565 G.652/G.653/G.655 IV 1600（L波段） 1565~1625 G.652/G.653/G.655 长距、高速 V 1360~1530 （E+S波段） 1360~1530 全波光纤 波长范围（nm） 600~900 光纤类型 应用场合 多模光纤 短距、低速 2.1.3 常用单模光纤类型及特点

本节将简要介绍G.652、G.653和G.655三种单模光纤的特点和用途，以及DWDM系统使用的光纤类型。 1． G.652（普通单模光纤）

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第2章 光纤传输概述

也称为色散非位移单模光纤，可以应用于1310nm波长和1550nm波长窗口的区域。在1310nm窗口区域有近似于零的色散，在1550nm窗口损耗最低，但是具有17ps/km?nm的色散值。

当G.652光纤应用于1310nm窗口时，仅适用于SDH系统；当G.652光纤应用于1550nm窗口时，适用于SDH系统和DWDM系统，如果单通道速率大于2.5Gbit/s，需要进行色散补偿。 2． G.653（色散位移单模光纤）

该类型光纤在1550nm窗口同时获得最低损耗和最小色散值。因此，主要运用于1550nm窗口。

适用于高速、长距的单波长通信系统。但是采用DWDM技术时，在零色散波长区将出现严重的四波混频非线性问题，导致复用信道光信号能量的衰减以及信道串扰。

3． G.655（非零色散位移单模光纤）

该类型光纤在1550nm窗口的光纤色散的绝对值不为零并处于某个范围内，保证该窗口处具有最低损耗和较小的色散值。

适用于高速、长距的光通信系统。同时，由于非零色散值抑制了非线性四波混频对DWDM系统的影响，因此，该类型光纤主要用于DWDM系统。

2.2 DWDM系统的工作波长

2.2.1 工作波长区说明

根据DWDM系统的复用通道的数量、频率间隔，分别介绍40波以下系统、80波系统和160波系统的工作波长。 1． 8/16/32/40波系统

工作波长范围：C波段（1530nm~1565nm） 频率范围：192.1THz~196.0THz 通路间隔：100 GHz

中心频率偏差：±20GHz（速率低于2.5Gbit/s）；±12.5GHz（速率10Gbit/s）

19

第2章 光纤传输概述

2． 80波系统

工作波长范围：C波段（1530nm~1565nm） 频率范围：C波段（192.1THz~196.0THz） 通路间隔：50GHz 中心频率偏差：±5GHz 3． 160波系统

工作波长范围：C波段（1530nm~1565nm）+L波段（1565nm~1625nm） 频率范围：C波段（192.1THz~196.0THz）+L波段（190.90 THz~186.95 THz） 通路间隔：50GHz 中心频率偏差：±5GHz

2.2.2 波长分配

DWDM系统的工作波长遵循ITU-T建议的G.692标准，采用多信道系统使用的特定中心波长和中心频率值。

1． C波段40波100GHz间隔波长系统的波长分配，如表 2.2-1所示。

表 2.2-1 基于C波段的40CH/100GHz间隔波长分配

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 中心频率（THz） 192.1 192.2 192.3 192.4 192.5 192.6 192.7 192.8 192.9 193.0 193.1 193.2 193.3 193.4 波长（nm） 1560.61 1559.79 1558.98 1558.17 1557.36 1556.55 1555.75 1554.94 1554.13 1553.33 1552.52 1551.72 1550.92 1550.12 20

第2章 光纤传输概述

序号 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 中心频率（THz） 193.5 193.6 193.7 193.8 193.9 194.0 194.1 194.2 194.3 194.4 194.5 194.6 194.7 194.8 194.9 195.0 195.1 195.2 195.3 195.4 195.5 195.6 195.7 195.8 195.9 196.0 波长（nm） 1549.32 1548.51 1547.72 1546.92 1546.12 1545.32 1544.53 1543.73 1542.94 1542.14 1541.35 1540.56 1539.77 1538.98 1538.19 1537.40 1536.61 1535.82 1535.04 1534.25 1533.47 1532.68 1531.90 1531.12 1530.33 1529.55 2． C/C+波段80波50GHz间隔波长系统的波长分配，如表 2.2-2所示。

表 2.2-2 基于C/C+波段的80 CH/50 GHz间隔波长分配

波长 序号 1 2 3 4 5 标称中心频率 THz 196.05 196.00 195.95 195.90 195.85 标称中心波长 nm 1529.16 1529.55 1529.94 1530.33 1530.72 波长 序号 41 42 43 44 45 标称中心频率 THz 194.05 194.00 193.95 193.90 193.85 标称中心波长 nm 1544.92 1545.32 1545.72 1546.12 1546.52 21

第2章 光纤传输概述

波长 序号 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 标称中心频率 THz 195.80 195.75 195.70 195.65 195.60 195.55 195.50 195.45 195.40 195.35 195.30 195.25 195.20 195.15 195.10 195.05 195.00 194.95 194.90 194.85 194.80 194.75 194.70 194.65 194.60 194.55 194.50 194.45 194.40 194.35 194.30 194.25 194.20 194.15 194.10 标称中心波长 nm 1531.12 1531.51 1531.90 1532.29 1532.68 1533.07 1533.47 1533.86 1534.25 1534.64 1535.04 1535.43 1535.82 1536.22 1536.61 1537.00 1537.40 1537.79 1538.19 1538.58 1538.98 1539.37 1539.77 1540.16 1540.56 1540.95 1541.35 1541.75 1542.14 1542.54 1542.94 1543.33 1543.73 1544.13 1544.53 波长 序号 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 标称中心频率 THz 193.80 193.75 193.70 193.65 193.60 193.55 193.50 193.45 193.40 193.35 193.30 193.25 193.20 193.15 193.10 193.05 193.00 192.95 192.90 192.85 192.80 192.75 192.70 192.65 192.60 192.55 192.50 192.45 192.40 192.35 192.30 192.25 192.20 192.15 192.10 标称中心波长 nm 1546.92 1547.32 1547.72 1548.11 1548.51 1548.91 1549.32 1549.72 1550.12 1550.52 1550.92 1551.32 1551.72 1552.12 1552.52 1552.93 1553.33 1553.73 1554.13 1554.54 1554.94 1555.34 1555.75 1556.15 1556.55 1556.96 1557.36 1557.77 1558.17 1558.58 1558.98 1559.39 1559.79 1560.20 1560.61 22

第2章 光纤传输概述

3． L/L+波段80波50GHz间隔波长系统的波长分配，如表 2.2-3所示。

表 2.2-3 基于L/L+波段的80CH/50GHz间隔波长分配

波长 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 标称中心频率 THz 190.90 190.85 190.80 190.75 190.70 190.65 190.60 190.55 190.50 190.45 190.40 190.35 190.30 190.25 190.20 190.15 190.10 190.05 190.00 189.95 189.90 189.85 189.80 189.75 189.70 189.65 189.60 189.55 189.50 189.45 189.40 189.35 189.30 189.25 标称中心波长 nm 1570.42 1570.83 1571.24 1571.65 1572.06 1572.48 1572.89 1573.30 1573.71 1574.13 1574.54 1574.95 1575.37 1575.78 1576.20 1576.61 1577.03 1577.44 1577.86 1578.27 1578.69 1579.10 1579.52 1579.93 1580.35 1580.77 1581.18 1581.60 1582.02 1582.44 1582.85 1583.27 1583.69 1584.11 波长 序号 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 标称中心频率 THz 188.90 188.85 188.80 188.75 188.70 188.65 188.60 188.55 188.50 188.45 188.40 188.35 188.30 188.25 188.20 188.15 188.10 188.05 188.00 187.95 187.90 187.85 187.80 187.75 187.70 187.65 187.60 187.55 187.50 187.45 187.40 187.35 187.30 187.25 标称中心波长 nm 1587.04 1587.46 1587.88 1588.30 1588.73 1589.15 1589.57 1589.99 1590.41 1590.83 1591.26 1591.68 1592.10 1592.52 1592.95 1593.37 1593.79 1594.22 1594.64 1595.06 1595.49 1595.91 1596.34 1596.76 1597.19 1597.62 1598.04 1598.47 1598.89 1599.32 1599.75 1600.17 1600.60 1601.03 23

第2章 光纤传输概述

波长 序号 35 36 37 38 39 40 标称中心频率 THz 189.20 189.15 189.10 189.05 189.00 188.95 标称中心波长 nm 1584.53 1584.95 1585.36 1585.78 1586.20 1586.62 波长 序号 75 76 77 78 79 80 标称中心频率 THz 187.20 187.15 187.10 187.05 187.00 186.95 标称中心波长 nm 1601.46 1601.88 1602.31 1602.74 1602.17 1603.57 2.3 光纤传输特性

2.3.1 光纤损耗

功率传输损耗是光纤最基本和最重要的参数之一。由于光纤损耗的存在，光纤中传输的光功率将随传输距离的增加按指数衰减。 1． 光纤损耗的产生以及低损窗口

光纤损耗主要包括两个方面：

（1） 来自光纤本身的损耗，包括光纤材料本身的固有吸收损耗、材料中的杂质

吸收损耗（尤其是残留在光纤内的OH-成分导致的损耗）、瑞利散射损耗以及由于光纤结构不完善引起的散射损耗。

（2） 由于光纤经过集束制成光缆，在各种环境下进行光缆敷设、光纤接续以及

作为系统的耦合与连接等引起的光纤附加损耗。包括光纤/光缆的弯曲损耗、微弯损耗、光纤线路中的连接损耗、光器件之间的耦合损耗等。 光纤的衰减谱如图 2.1-3所示。窗口I的平均损耗值为2dB/km，窗口II的平均损耗值为0.3dB/km~0.4dB/km，窗口III的平均损耗值为0.19dB/km~0.25dB/km，窗口V的1380nm处存在OH吸收峰。 2． 常用光纤的线路损耗如表 2.3-1所示。

表 2.3-1 单模光纤损耗值

光纤类型 典型损耗值（1310nm） 典型损耗值（1550nm） 工作窗口 G.652 0.3dB/km~0.4dB/km 0.15dB/km~0.25dB/km 1310nm和1550nm - 0.19dB/km~0.25dB/km 1550nm G.653 - 0.19dB/km~0.25dB/km 1550nm G.655 -

24

第2章 光纤传输概述

2.3.2 色散

2． 光纤损耗与信噪比的关系

光信噪比（OSNR）是指光信号功率与噪声功率的比值。OSNR是一个十分重要的参数，对估算和测量系统的误码性能、工程设计与维护都有重要意义。

以DWDM系统接收端的OSNR计算公式为例： OSNR = Pout - 10㏒M - L + 58 - NF - 10㏒N 其中：Pout：为入纤光功率（dBm）；

M：为WDM系统的复用通路数；

L：为任意两个光放大器之间的损耗即区段损耗（dB）； NF：为光放大器EDFA的噪声系数（dB）； N：为WDM系统合、分波器之间的光放大器数目。

由公式可知，在其他参数不变的情况下，线路损耗越大，OSNR越低，此时，光线路的传输质量下降。

DWDM系统在进行初期设计时，除了要考虑损耗受限和色散受限之外，还要考虑接收端的光信噪比OSNR以及Q值、误码率。只有三者全部满足要求，设计才算成立。

当光纤的输入端入射光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时间上的展宽，这种现象即为色散，以单模光纤中的色散现象为例，如图 2.3-1所示。

光功率单模光纤光功率时间时间入射光脉冲波形出射光脉冲波形

图 2.3-1 光纤中的色散现象

25

第2章 光纤传输概述

色散将导致码间干扰，在接收端将影响光脉冲信号的正确判决，误码率性能恶化，严重影响信息传送。

单模光纤中的色散主要由光信号中不同频率成分的传输速度不同引起，这种色散称为色度色散。在色度色散可以忽略的区域，偏振模色散也成为单模光纤色散的主要部分。

以下主要介绍色度色散和偏振模色散的现象、原因以及对DWDM系统的影响。

2.3.2.1 色度色散

1． 色度色散简介

色度色散包括材料色散和波导色散。

（1） 材料色散：由于光纤材料石英玻璃对不同光波长的折射率不同，而光源具

有一定的光谱宽度，不同的光波长引起的群速度也不同，从而造成了光脉冲的展宽。

（2） 波导色散：对于光纤的某一传输模式，在不同的光波长下的群速度不同引

起的脉冲展宽。它与光纤结构的波导效应有关，因此也称为结构色散。 材料色散大于波导色散。根据色散的计算公式，在某一特定波长位置上，材料色散有可能为零，这一波长称为材料的零色散波长。幸运的是，该波长恰好位于1310nm附近的低损耗窗口，如G.652就是零色散光纤。 尽管光器件受色散的影响很大，但存在一个可以容忍的最大色散值（即色散容纳值）。只要产生的色散在容限之内，仍可保证正常的传输。 2． 色度色散的影响

色度色散主要会造成脉冲展宽和啁啾效应。

（1） 脉冲展宽

脉冲展宽是光纤色散对系统性能的影响的最主要的表现。当传输距离超过光纤的色散长度时，脉冲展宽过大，这时，系统将产生严重的码间干扰和误码。

（2） 啁啾效应

色散不仅使脉冲展宽，还使脉冲产生了相位调制。这种相位调制使脉冲的不同部位对中心频率产生了不同的偏离量，具有不同的频率，即脉冲的啁啾效应（Chirp）。

26

第2章 光纤传输概述

啁啾效应将使光纤划分为正常色散光纤和反常色散光纤。正常色散光纤中，脉冲的高频成分位于脉冲后沿，低频成分位于脉冲前沿；反常色散光纤中，脉冲的低频成分位于脉冲后沿，高频成分位于脉冲前沿。在传输线路中，合理使用两种光纤，可以抵消啁啾效应，消除脉冲的色散展宽。 3． 如何消除色度色散对DWDM系统的影响

对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。

2.3.2.2 偏振模色散

偏振模色散（PMD）是存在于光纤和光器件领域的一种物理现象。

单模光纤中的基模存在两个相互正交的偏振模式，理想状态下，两种偏振模式应当具有相同的特性曲线和传输性质，但是由于几何和压力的不对称导致了两种偏振模式具有不同的传输速度，产生时延，形成PMD，如图 2.3-2所示。PMD的单位通常为ps/km。

光纤入射光出射光1/2

时延 图 2.3-2 单模光纤中的PMD现象

在数字传输系统，PMD将导致脉冲分离和脉冲展宽，对传输信号造成降级，并限制载波的传输速率。

PMD与其他色散相比，几乎可以忽略，但是无法完全消除，只能从光器件上使之最小化。脉冲宽度越窄的超高速系统中，PMD的影响越大。

27

第2章 光纤传输概述

2.3.3 光纤的非线性效应

在常规光纤通信系统中，发送光功率低，光纤呈线性传输特性。但是，对于DWDM系统而言，当采用掺铒光纤放大器（EDFA）后，光纤呈现非线性效应。 光纤非线性效应使DWDM系统多波通道之间产生严重的串扰，引起光纤通信系统的附加衰减，限制发光功率、EDFA的放大性能和无电再生中继距离。 非线性效应主要包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）。 1． 自相位调制（SPM）

由于折射率与光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均产生延迟。随着传输距离的增大，相移不断积累，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制（SPM），如图 2.3-3所示。

图 2.3-3 SPM现象

当系统使用色散系数为负的光纤工作区时（例如G.653光纤的短波长区，或工作区色散为负的G.655光纤），SPM将导致色散受限距离变短；当使用色散系数为正的光纤工作区时（例如G.652、G.653光纤的长波长区，或工作区色散为正的G.655光纤），SPM将延长色散受限距离。

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第2章 光纤传输概述

SPM影响主要发生在靠近发送机侧的一定距离内，同时，低色散光纤也可减少SPM对系统性能的影响。 2． 交叉相位调制（XPM）

当两个或多个不同频率的光波在非线性介质中同时传输时，每个频率光波的幅度调制都将引起光纤折射率的相应变化，从而使其他频率的光波产生非线性相位调制，即交叉相位调制（XPM）。

XPM通常伴随SPM产生。XPM将引起一系列非线性效应，如DWDM系统通道之间的信号干扰、光纤非线性双折射等现象，造成光纤传输的偏振不稳定性。同时，XPM对脉冲的波形和频谱也会产生影响。 适当的增大色散可削弱XPM的影响。 3． 四波混频（FWM）

FWM是指当多个频率的光载波以较强功率在光纤中同时传输时，由于光纤的非线性效应引发多个光载波之间出现能量交换的一种物理过程。 FWM导致复用信道光信号能量的衰减以及信道串扰。如图 2.3-4所示，由于FWM的影响，导致在其他波长产生了一个新光波。

入射光出射光新光波

图 2.3-4 FWM现象

FWM的产生与光纤色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散的增加，混频效率迅速降低。DWDM系统通过采用G.655光纤，回避了1550nm零色散波长区出现的FWM效应。 4．

受激拉曼散射（SRS）

受激拉曼散射的过程：

（1） 频率为vin的入射光子与介质相互作用，可能发射一个频率为vs=vin-vv的斯托克斯光子和一个频率为vv的光学声支子，在这个过程中能量保持守恒，光波产生下频移。

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第2章 光纤传输概述

（2） 频率为vin的入射光子与介质相互作用，也可能吸收一个频率为vv的声子而产生一个频率为va=vin-vv的反斯托克斯光子，在这个过程中能量同样保持守恒，光波产生上频移。

这是一个由非线性效应引起的受激非弹性散射过程，起源于光子与光学声子（分子震动态）之间相互作用和能量交换。

SRS效应将使短波长的信号被衰减，长波长信号被增强，如图 2.3-5所示。

入射光功率...出射光功率...λ1λ2λ3λ图 2.3-5 SRS现象

λ1λ2λ3λ

SRS效应在光纤通信中有很多方面的应用，如利用拉曼增益可以制作分布式拉曼放大器，对光信号提供分布式宽带放大，如中兴通讯DWDM设备的DRA板即利用SRS效应实现光放大功能。另一方面，SRS对通信系统也会产生一定的负面影响，在DWDM系统中，短波长信道的光会作为泵浦光将能量转移至长波长信道中，形成通道间的拉曼串扰。 5． 受激布里渊散射（SBS）

属于由非线性效应引起的受激非弹性散射过程，起源于光子与声学声子（晶体震动态）之间的相互作用和能量交换。

SBS效应可以制成光纤布里渊激光器和放大器。另一方面，SBS将引起信号光源的不稳定性，以及反向传输通道间的串话。但是，随着系统传输速率的提高，SBS的峰值增益显著降低，因此，SBS对高速光纤传输系统不会构成严重影响。

2.4 新的光纤类型

本节将简要介绍一些新型光纤的特点和应用场合。 1． G.654光纤

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第2章 光纤传输概述

G.654光纤工作在1550nm窗口上，平均损耗0.15dB/km~0.19dB/km，比其他类型光纤的损耗低。零色散点仍然位于1310nm窗口。 主要适用于长中继距离的光传输系统。 2． 全波光纤

全波光纤，即无水峰光纤，通过消除1385nm附近的氢氧根（OH）离子，从而消除由OH-离子引起的附加水峰衰减，使光纤衰减仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定。

ITU-T的建议无水峰光纤的编号为G.652 C&D，属于G.652光纤的一种，统一名称为波长扩展的色散非位移单模光纤。

全波光纤的损耗在1310nm~1600nm波段趋于平坦。由于内部已清除氢氧根，因而光纤即便暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。

全波光纤可以提供从1280nm到1625nm的完整传输波段，全部可用波长范围比常规光纤增加约一半。 3． 真波光纤

真波光纤是目前被广泛应用的一种非零色散位移单模光纤（G.655光纤）。光纤特性与G.655光纤类似。真波光纤的零色散点在1530nm以下的短波长区，在1549nm~1561nm的色散系数为2.0ps／nm·km~3.0ps／nm·km。 真波光纤的色散斜率和色散系数小，可容忍更高的非线性效应，适用于大容量的光传输系统，降低了建网成本。 4． 大有效纤芯面积光纤

大有效纤芯面积光纤也属于非零色散位移单模光纤（G.655光纤），它从本质上改进了系统抗非线性的能力。

超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，色散可以通过色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿来消除。光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。有效面积越大，可承受的光功率越高，因而可以更有效地克服非线性影响。

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