WDM原理专题培训教材(DOC 66页)

WDM原理专题-B 文档密级：内部公开 资料编码 产品名称 使用对象 产品版本 编写部门 资料版本 WDM原理专题-B 拟制： 日期： 审核： 日期： 审核： 日期： 批准： 日期： 华为技术有限公司版权所有侵权必究修订 日期 修订版本 作者 描述 目录61内容说明61.1内容介绍61.2内容结构72波分复用技术概述72.1波分复用光传输技术72.1.1波分复用的基本概念82.1.2WDM技术的发展背景92.2DWDM原理概述112.3WDM设备的传输方式112.3.1单向WDM112.3.2双向WDM122.4开放式与集成式系统122.5WDM系统组成132.6WDM的优势142.7CWDM简介152.8思考题153WDM传输媒质153.1光纤的结构173.2光纤的模式173.2.1传播模式概念183.2.2多模光纤183.2.3单模光纤193.3模场直径和有效面积203.4光纤的种类213.5光纤的基本特性213.5.1光纤的损耗233.5.2光纤中的色散263.5.3单模光纤的非线性效应293.6思考题304DWDM关键技术304.1光源314.1.1激光器的调制方式334.1.2激光器的波长的稳定354.2光电器354.2.1PIN光电二极管354.2.2雪崩光电二极管（APD）364.3光放大器364.3.1光放大器概述374.3.2掺铒光纤（EDF）384.3.3EDFA增益平坦控制394.3.4EDFA的增益锁定414.3.5掺铒光纤放大器的优缺点424.3.6拉曼光纤放大器434.3.7有关光放大器的技术指标434.4光复用器和光解复用器444.4.1光栅型波分复用器464.4.2介质薄膜型波分复用器474.4.3熔锥型波分复用器474.4.4集成光波导型波分复用器484.4.5波分复用器件性能比较484.4.6对光复用器件的基本要求494.5光监控信道494.5.1光监控通路要求504.5.2监控通路接口参数504.5.3监控通路的帧结构514.6新技术514.6.1码型技术584.6.2FEC技术614.7思考题615DWDM光传输系统的技术规范615.1ITU-T有关WDM系统的建议625.2传输通道参考点的定义625.3光波长区的分配645.4思考题656专用词汇及缩略语关键词：WDMDWDM光纤光源光放大复用和解复用光监控信道摘要：本课程主要介绍了波分复用技术的基础知识，并对DWDM的主要关键技术、DWDM光传输技术规范进行了讲解。通过本课程，您可以对WDM知识以及光传输网络的发展方向，有一个较全面的了解。缩略语清单：无。参考资料清单：（1）《光纤通信基础》（2）《密集波分复用技术导论》（3）《DWDM传输系统原理与测试》（4）《高速光纤通信ITU-T规范与系统设计》（5）《城域光网络》（6）《TA052401光监控信道及其在DWDM系统中的应用ISSUE1.0》（7）《光纤与光器件专题-B》（8）《光放大器专题-B》WDM原理专题-B内容说明内容介绍本文主要介绍了波分复用技术的基础知识，并对DWDM的主要关键技术、DWDM光传输技术规范进行了讲解。通过本课程，您可以对WDM知识以及光传输网络的发展方向，有一个较全面的了解。内容结构内容分为四章：第一章波分复用技术概述这一章内容告诉你什么是波分复用技术，WDM如何发展而来，WDM的工作方式和组成形式以及WDM的特点。通过本章的学习，可以使我们对于光传输网络前沿技术——WDM有一个基本的了解。第二章WDM传输媒质这一章主要介绍光纤的结构、种类和特性。通过这一章的学习使我们对于G.652、G.653、G.654、G.655光纤有一个基本的认识，同时对于色散、非线性等概念有一个基本的了解。第三章DWDM的关键技术如果要把DWDM这种新型技术转化为商品，在硬件上如何实现呢？带着这个疑问从本节内容中可以了解到DWDM的关键技术以及实现方法，包括光源、光放大和波分复用器件等内容。第四章DWDM光传输系统的技术规范本章内容主要介绍了ITU-T对于WDM系统的一些建议以及规范，使我们对于在WDM系统中涉及的到的ITU-T一些知识有一个基本的了解。波分复用技术概述(目标：掌握WDM的基本概念。掌握WDM的基本原理、传输方式以及WDM的组成。了解WDM的产生背景、技术特点。波分复用光传输技术波分复用的基本概念光通信系统可以按照不同的方式进行分类。如果按照信号的复用方式来进行分类，可分为频分复用系统（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）、时分复用系统（TDM-TimeDivisionMultiplexing）、波分复用系统（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）和空分复用系统（SDM-SpaceDivisionMultiplexing）。所谓频分、时分、波分和空分复用，是指按频率、时间、波长和空间来进行分割的光通信系统。应当说，频率和波长是紧密相关的，频分也即波分，但在光通信系统中，由于波分复用系统分离波长是采用光学分光元件，它不同于一般电通信中采用的滤波器，所以我们仍将两者分成两个不同的系统。波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用（OFDM），只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制。随着电-光技术的向前发展，在同一光纤中波长的密度会变得很高。因而，使用术语密集波分复用（DWDM-DenseWavelengthDivisionMultiplexing），与此对照，还有波长密度较低的WDM系统，较低密度的就称为稀疏波分复用（CWDM-CoarseWaveDivisionMultiplexing）。这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的TDM系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。而使用DWDM技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。WDM技术的发展背景随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形式膨胀。信息时代要求越来越大容量的传输网络。近几年来，世界上的运营公司及设备制造厂家把目光更多地转向了WDM技术，并对其投以越来越多的关注，增加光纤网络的容量及灵活性，提高传输速率和扩容的手段可以有多种，下面对几种扩容方式进行比较。空分复用SDM（SpaceDivisionMultiplexer）空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。在光缆制造技术已经非常成熟的今天，几十芯的带状光缆已经比较普遍，而且先进的光纤接续技术也使光缆施工变得简单，但光纤数量的增加无疑仍然给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便，并且对于已有的光缆线路，如果没有足够的光纤数量，通过重新敷设光缆来扩容，费用将会成倍增长。而且，这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽，造成光纤带宽资源的浪费。作为通信网络的建设，不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容，事实上，在工程之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数。因此，空分复用的扩容方式是十分受限。时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexer）时分复用也是一项比较常用的扩容方式，从传统PDH的一次群至四次群的复用，到如今SDH的STM-1、STM-4、STM-16乃至STM-64的复用。通过时分复用技术可以成倍地提高光传输信息的容量，极大地降低了每条电路在设备和线路方面投入的成本，并且采用这种复用方式可以很容易在数据流中抽取某些特定的数字信号，尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用。但时分复用的扩容方式有两个缺陷：第一是影响业务，即在“全盘”升级至更高的速率等级时，网络接口及其设备需要完全更换，所以在升级的过程中，不得不中断正在运行的设备；第二是速率的升级缺乏灵活性，以SDH设备为例，当一个线路速率为155Mbit/s的系统被要求提供两个155Mbit/s的通道时，就只能将系统升级到622Mbit/s，即使有两个155Mbit/s将被闲置，也没有办法。对于更高速率的时分复用设备，目前成本还较高，并且40Gbit/s的TDM设备已经达到电子器件的速率极限，即使是10Gbit/s的速率,在不同类型光纤中的非线性效应也会对传输产生各种限制。现在，时分复用技术是一种被普遍采用的扩容方式，它可以通过不断地进行系统速率升级实现扩容的目的，但当达到一定的速率等级时，会由于器件和线路等各方面特性的限制而不得不寻找另外的解决办法。不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式，基本的传输网络均采用传统的PDH或SDH技术，即采用单一波长的光信号传输，这种传输方式是对光纤容量的一种极大浪费，因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长信道来讲几乎是无限的。我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡，另一方面却让大量的网络资源白白浪费。波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）WDM波分复用是利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同速率（波长）的光混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。可以通过增加新的波长特性，按用户的要求确定网络容量。对于2.5Gb/s以下的速率的WDM,目前的技术可以完全克服由于光纤的色散和光纤非线性效应带来的限制，满足对传输容量和传输距离的各种需求。WDM扩容的缺点是需要较多的光纤器件，增加失效和故障的概率。TDM和WDM技术合用利用TDM和WDM两种技术的优点进行网络扩容是应用的方向。可以根据不同的光纤类型选择TDM的最高传输速率，在这个基础上再根据传输容量的大小选择WDM复用的光信道数，在可能情况下使用最多的光载波。毫无疑问，多信道永远比单信道的传输容量大，更经济。DWDM原理概述DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。与通用的单信道系统相比，密集WDM（DWDM）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。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频率不同的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器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。事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（相干光通信技术）是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（WDM），再把在同一窗口中信道间隔较小的DWDM称为密集波分复用（DWDM）。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的16个波、40个波、80乃至更多个波长的复用称为DWDM。DWDM系统的构成及光谱示意图如图1-1所示。发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器（掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率），再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。DWDM系统的构成及频谱示意图WDM设备的传输方式单向WDM如图1-2所示，单向波分复用系统采用两根光纤，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。WDM的单向传输方式这种WDM系统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扩大几倍至几十倍。在长途网中，可以根据实际业务量的需要逐步增加波长来实现扩容，十分灵活。在不清楚实际光缆色散的前提下，也是一种暂时避免采用超高速光系统而利用多个2.5Gbit/s系统实现超大量传输的手段。双向WDM如图1-3所示，双向波分复用系统则只用一根光纤，在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号应安排在不同波长上。单纤双向WDM传输方式允许单根光纤携带全双工通路，通常可以比单向传输节约一半的光纤器件，由于两个方向传输的信号不交互产生FWM（四波混频）产物，因此其总的FWM产物比双纤单向传输少很多，但缺点是该系统需要采用特殊的措施来对付光反射（包括由于光接头引起的离散反射和光纤本身的瑞利后向反射），以防多径干扰；当需要将光信号放大以延长传输距离时，必须采用双向光纤放大器以及光环形器等元件，但其噪声系数稍差。WDM的双向传输方式ITU-T建议G.692文件对于单纤双向WDM和双纤单向WDM传输方式的优劣并未给出明确的看法。实用的WDM系统大都采用双纤单向传输方式。开放式与集成式系统DWDM通常有两种应用形式：开放式DWDM集成式DWDM开放式DWDM系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合ITU-T建议的光接口。DWDM系统采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，不同终端设备的光信号转换成不同的符合ITU-T建议的波长，然后进行合波。集成式DWDM系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合DWDM系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合ITU-T建议的波长，这样他们在接入合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波。根据工程的需要可以选用不同的应用形式。在实际应用中，开放式DWDM和集成式DWDM可以混合使用。WDM系统组成N路波长复用的WDM系统的总体结构主要由发送和接收光复用终端（OMT）单元与中继线路放大（ILA）单元三部分组成，如果按组成模块来分有：光波长转换单元（OTU）；波分复用器：分波/合波器（ODU/OMU）；光放大器（BA/LA/PA）；光监控信道/通路（OSC）；光波长转换单元（OTU）将非标准的波长转换为ITU-T所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（O/E/O）的变换，即先用光电二极管PIN或APD把接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的合乎要求的光波长信号。波分复用器可分为发端的光合波器。光合波器用于传输系统的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。光分波器用于传输系统的接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将多个不同波长信号分类开来。光放大器不但可以对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大器，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。在目前实用的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能被广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统中，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。光监控信道是为WDM的光传输系统的监控而设立的。ITU-T建议优选采用1510nm波长，容量为2Mbit/s。靠低速率下高的接收灵敏度（-48dBm）仍能正常工作。但必须在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路。WDM的优势光纤的容量是极其巨大的，而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。为了充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以密集WDM（DWDM）技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。WDM技术具有如下特点：超大容量目前使用的普通光纤可传输的带宽是很宽的，但其利用率还很低。使用DWDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍。现在商用最高容量光纤传输系统为3.2Tbit/s系统，华为公司波分系统可实现192x10Gbit/s或者80x40Gbit/s方案结构。对数据的“透明”传输由于DWDM系统按光波长的不同进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。一个WDM系统的业务可以承载多种格式的“业务”信号，如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系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样。系统升级时能最大限度地保护已有投资在网络扩充和发展中，无需对光缆线路进行改造，只需更换光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，而且利用增加一个波长即可引入任意想要的新业务或新容量。高度的组网灵活性、经济性和可靠性利用WDM技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络结构要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便，由此而带来的网络的灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。可兼容全光交换可以预见，在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上/下、交叉连接等都是在光上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此，WDM技术将是实现全光网的关键技术之一，而且WDM系统能与未来的全光网兼容，将来可能会在已经建成的WDM系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。CWDM简介DWDM（密集波分复用）无疑是当今光纤应用领域的首选技术，但其也存在着价格比较昂贵的一面。有没有可能以较低的成本享用波分复用技术呢？面对这一需求，CWDM(稀疏波分复用)应运而生。稀疏波分复用，顾名思义，是密集波分复用的近亲，它们的区别有两点：（1）CWDM载波通道间距较宽，因此一根光纤上只能复用2到16个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；（2）CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光，它需要冷却技术来稳定波长，实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。随着越来越多的城域网运营商开始寻求更合理的传输解决方案，CWDM越来越广泛地被业界接受。在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。目前的稀疏波分复用系统一般工作在从1260nm到1620nm波段，间隔为20nm，可复用16个波长通道，其中1400nm波段由于损耗较大，一般不用。相对于密集波分复用系统，稀疏波分复用系统在提供一定数量的波长和100公里以内的传输距离的同时，大大降低了系统的成本，并具有非常强的灵活性。因此稀疏波分复用系统主要应用于城域网中。CWDM用很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、SONET环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。但是，CWDM是成本与性能折衷的产物，不可避免地存在一些性能上的局限。业内专家指出，CWDM目前主要存在以下三点不足：（1）CWDM在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；（2）复用器、复用调制器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是DWDM相应设备的简单改型；（3）CWDM还未形成标准。综上所述，波分复用系统从20世纪90年代中期开始，受市场需要和技术发展的驱动，在国内外都呈现出了飞速发展的态式，主要应用于长途传输网的密集波分复用系统和应用于城域网以及以太网的稀疏波分复用系统都有了很大的突破并得到了大量的商用，同时，系统的发展主要取决于关键技术的突破和相关标准的制定，过去数年的发展都证明了这一点。思考题什么是WDM、DWDM以及CWDM？简述WDM设备的两种传输方式？什么是开放式与集成式系统？简述WDM系统的组成？WDM传输媒质(目标：掌握光纤的基本结构和种类。了解光纤的基本特性。光纤的结构通信中使用的光纤，其核心部分是由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性耐磨的塑料护套，整根光纤呈圆柱形。光纤的典型结构如图1-4所示。光纤的典型结构三种典型光纤纤芯的粗细、材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的影响。图1-5所示为三种典型光纤的情况。从图中可看出，纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为阶跃折射率光纤。另一种是，纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减少，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称为渐变折射率光纤。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5所示。光纤的模式传播模式概念光是一种频率极高的电磁波，根据波动光学和电磁场理论，通过繁琐地求解麦克斯韦方程组之后就会发现：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。事实上，光在光纤中只能以一组独立的光线传播。换句话说，如果我们能够看到光纤的内部的话，我们会发现一组光束以不同的角度传播，传播的角度从零到临界角αc，传播的角度大于临界角αc的光线穿过纤芯进入包层（不满足全反射的条件），最终能量被涂敷层吸收，见图1-6。这些不同的光束称为模式。通俗的讲，模式的传播角度越小，模式的级越低。所以，严格按光纤中心轴传播的模式称为零级模式，或基模；其它与光纤中心轴成一定角度传播的光束皆称为高次模。光在阶跃折射率光纤中的传播多模光纤随着纤芯直径的粗细不同，光纤中传输模式的数量多少也不同。因此，阶跃折射率光纤或渐变折射率光纤又都可以按照传输模式的数量多少，分为单模光纤和多模光纤。光在阶跃折射率多模光纤中的传播当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1微米），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传播模式。这样的光纤称为多模光纤。光在阶跃折射率多模光纤中的传播轨迹如图1-9所示，光在渐变折射率多模光纤中的传播轨迹如图1-8所示。光在渐变折射率多模光纤中的传播由于不同的传播模式具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离传输之后会产生时延差，导致光脉冲变宽，这种现象称为模式色散。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于低速率、短距离的光纤通信。单模光纤当光纤的几何尺寸(主要是芯径d1)较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在5~10微米范围，这时，光纤只允许一种模式(基模)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤中心轴线的形式以直线方式传播，如图1-9所示。光在单模光纤中的传播轨迹因为光在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，其余的高次模全部截止，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤特别适用于大容量长距离传输。模场直径和有效面积在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输，纤芯的直径不能反映光纤中光能量的分布（如图1-10），于是提出了模场直径的概念。模场直径就是描述单模光纤中光能集中程度的参量。有效面积与模场直径的物理意义相同。通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径与有效面积主要对通过光纤的能量密度有关。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成系统的光信噪比降低，大大影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。模场直径光纤的种类由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，国际上已一致认同DWDM系统将只使用单模光纤作为传输媒质。目前，ITU-T已经在G.652、G.653、G.654和G.655建议中分别定义了4种不同设计的单模光纤。其中G.652光纤是目前已广泛使用的单模光纤，称为1310nm性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位的光纤。按纤芯折射率剖面，又可分为匹配包层光纤和下陷包层光纤两类，两者的性能十分相近，前者制造简单，但在1550nm波长区的宏弯损耗和微弯损耗稍大；而后者连接损耗稍大。G.653光纤称为色散移位光纤或1550nm性能最佳光纤。这种光纤通过设计光纤折射率的剖面，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速超长距离光纤传输成为可能。G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。这类光纤的设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm的色散较高，可达18ps/(nm.km)，必须配用单纵模激光器才能消除色散的影响。G.654光纤主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤是非零色散移位单模光纤，与G.653光纤相近，从而使1550nm附近保持了一定的色散值，避免在DWDM传输时发生四波混频现象，适合于DWDM系统应用。除上述所讲的四种已正式标准化的光纤外，还有一种适合于更大容量和更长传输距离的大有效面积光纤也已经问世。其零色散点在1510nm左右，但有效面积增大到72平方m以上，因而可以更有效地克服非线性影响，最适合以10Gbit/s为基础的DWDM系统应用。(想一想：在我国，大面积敷设的是哪一种光纤？光纤的基本特性光纤的损耗光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。红外和紫外吸收损耗光纤材料组成的原子系统中，一些处于低能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，这种吸收的中心波长在紫外的0.16µm处，吸收峰很强，其尾巴延伸到光纤通信波段，在短波长区，吸收峰值达1dB/km，在长波长区则小得多，约0.05dB/km。在红外波段光纤基质材料石英玻璃的Si-O键因振动吸收能量，这种吸收带损耗在9.1µm、12.5µm及21µm处峰值可达10dB/km以上,因此构成了石英光纤工作波长的上限。红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸。但影响小于紫外吸收带。在λ=1.55µm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB/km。氢氧根离子（OH-）吸收损耗在石英光纤中，O-H键的基本谐振波长为2.73µm，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95µm波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。目前，由于工艺的改进，降低了氢氧根离子（OH-）浓度，这些吸收峰的影响已很小。金属离子吸收损耗光纤材料中的金属杂质，如：金属离子铁（Fe3+）、铜（Cu2+）、锰（Mn3+）、镍（Ni3+）、钴（Co3+）、铬（Cr3+）等，它们的电子结构产生边带吸收峰（0.5~1.1µm），造成损耗。现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子（OH-）、过渡金属离子（铜、铁、铬等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。散射损耗由于材料的不均匀使光散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。瑞利散射损耗是光纤材料二氧化硅的本征损耗。它是由材料折射指数小尺度的随机不均匀性所引起的。在光纤制造过程中，二氧化硅材料处于高温熔融状态，分子进行无规则的热运动。在冷却时，运动逐渐停息。当凝成固体时，这种随机的分子位置就在材料中“冻结”下来，形成物质密度的不均匀，从而引起折射指数分布不均匀。这些不均匀，像在均匀材料中加了许多小颗粒，其尺度很小，远小于波长。当光波通过时，有些光子就要受到它的散射，从而造成了瑞利散射损耗，这正像大气中的尘粒散射了光，使天空变蓝一样。瑞利散射的大小与光波长的四次方成反比。因此对短波长窗口的影响较大。另外，在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗增加。弯曲损耗光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，光纤可能出现两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲。（例如，在敷设光缆时可能出现这种弯曲）；一种是微弯曲，产生微弯曲的原因很多，光纤和光缆的生产过程中，限于工艺条件，都可能产生微弯曲。不同曲率半径的微弯曲沿光纤随机分布。大曲率半径的弯曲光纤比直光纤中传输的模式数量要少，有一部分模式辐射到光纤外引起损耗；随机分布的光纤微弯曲，将使光纤中产生模式耦合，造成能量辐射损耗。光纤的弯曲损耗不可避免，因为不能保证光纤和光缆在生产过程中或是在使用过程中，不产生任何形式的弯曲。弯曲损耗与模场直径有关。G.652光纤在1550nm波长区的弯曲损耗应不大于1dB，G.655光纤在1550nm波长区的弯曲损耗应不大于0.5dB。弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大；决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。衰减系数损耗是光纤的主要特性之一，描述光纤损耗的主要参数是衰减系数。光纤的特性光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用dB/km。衰减系数是光纤最重要的特性参数之一。因为在很大程度上它决定了光纤通信的传输距离。在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1310nm和1550nm附近，也就是我们通常说的1310nm窗口和1550nm窗口，1550nm窗口又可以分为C-band（1525nm~1562nm）和L-band（1565nm~1610nm）。光纤的色散光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。色散引起的脉冲展宽示意图光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。色度色散、也称为模内色散，又可以分为材料色散和波导色散，模式色散也称为模间色散。一般情况下单模光纤中不存在模式色散。模式色散对于多模中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生色散，称模式色散。模式色散主要存在于多模光纤中。色度色散由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。材料色散：由于材料折射率随光信号频率（波长）的变化而不同，光信号不同频率（波长）成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称材料色散。波导色散：由于光纤波导结构引起的色散称波导色散，它的大小可以和材料色散相比拟。一般在单模光纤中只考虑材料色散和波导色散。色散系数就是单位波长间隔内光波长信号通过单位长度光纤所产生的时延差，用D表示，单位是ps/nm.km。偏振模色散（PMD）偏振模色散由于信号光的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散，它也是光纤的重要参数之一。在实际的光纤中，由于光纤制造工艺造成纤芯截面一定程度的椭圆度，或者是由于材料的热涨系数的不均匀性造成光纤截面上各向异性的应力而导致光纤折射率的各向异性，这两者均能造成两个偏振模传播速度的差异，从而产生群时延的不同，形成了偏振模色散，见图1-13。由于引起偏振模色散的因素是随机产生的，因而偏振模色散是一个随机量。码间干扰（ISI）在光纤数字通信系统中，色散将导致14码间干扰，下面将解释码间干扰现象。码间干扰光纤通信都采用脉冲编码形式，即传输一系列的“1”，“0”光脉冲。实际光源是非零谱宽的，光源输出的光信号被电脉冲进行强度调制。所谓光的强度（光强）是指单位面积上的光功率。强度调制即是使光波的强度与调制信号电流成正比地变化。调制信号具有调制光源的每一波长成分。图1-14中描述的是两个光脉冲的情况，光脉冲宽度为T，光纤的输入脉冲波形较窄。设光谱的最快和最慢波长为λ1、λ3，其光脉冲谱宽为∆λ=λ3-λ1。不同波长在光纤中的传输速度不同，设λ1和λ3分别是最快和最慢的波长。其它波长的传输速度介于这两个极端情况之间。当经过长距离传输后，各个波长以稍有差别的时间到达光纤终端，即有时延差ΔT。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使得光脉冲加长了（T+ΔT），这叫作脉冲展宽。光脉冲传输的距离越远，脉冲展宽越严重。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，称为码间干扰。码间干扰将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。偏振模色散也会产生码间干扰，不过其影响一般在10GBit/s及以上的速率才表现出来。光纤的非线性效应从本质上讲，所有介质都是非线性的，只是一般情况下非线性特征很小，难以表现出来。当光纤的入纤功率不大时，光纤呈现线性特征，当光放大器和高功率激光器在光纤通信系统中使用后，光纤的非线性特征愈来愈显著。原因是在单模光纤指的光信号被约束的模场内，而单模光纤有效面积非常小（如G.652光纤的有效面积大约为80μm2），因而光功率密度非常高，低损耗又使得高光功率可以维持很长的距离。单模光纤的非线性效应一般可以分：受激非弹性散射、克尔效应。受激非弹性散射效应受激非弹性散射是指从入射波到散射波的能量转移，之所以称之为非弹性，是因为入射波与散射波的波长（频率）不相同，入射光子的频率高（能量高），波长较短，散射光子的频率低（能量低），波长较长，入射光子与散射光子的能量差以声子的形式释放。受激拉曼散射和受激布里渊散射属于受激非弹性散射。受激拉曼散射（SRS）受激拉曼散射是光纤中很重要的非线性过程，它可看作是介质中分子振动对入射光（称为泵浦光）的调制，对入射光产生散射作用。设入射光的频率为ω1，介质的分子振动频率为ωv，则散射光的频率为ωs=ω1-ωv和ωas=ω1+ωv，这种现象叫受激拉曼散射。所产生的频率为ωs的散射光叫斯托克斯波（Stokes），频率为ωas的散射光叫反斯托克斯波。对斯托克斯波可用物理图像描述如下：一个入射的光子消失，产生了一个频率下移的光子（即Stokes波）和一个有适当能量和动量的光子，使能量和动量守恒。受激拉曼散射对多信道光纤通信的影响是，当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动，调制入射光强产生了间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带的斯托克斯线强于高频边带的反司托克斯线，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（长波长）将获得光增益，高频波（短波长）将衰减，其能量转移到低频波上去了，其结果将导致系统中短波长光信号（即高频波）产生信号衰减，长波长光信号（即低频波）产生信号增强。在多信道系统中,受激拉曼散射效应使短波长的信道充当泵浦源而将能量转移给长波长的信道，从而引起系统中各信道之间的串话，对通信性能带来不良影响；另一方面，受激拉曼散射效应可以利用来制作拉曼光纤激光器和拉曼光纤放大器等。对于单信道光纤系统，入纤光功率远小于光纤中受激拉曼效应的阈值功率，因而受激拉曼效应不会对系统的性能产生严重影响。受激布里渊散射（SBS）受激布里渊散射与受激拉曼散射在物理过程上十分相似，入射的频率为ωp的泵浦波将一部分能量转移给频率为ωs的斯托克斯波，并发出频率为Ω的声子。Ω=ωp-ωsSBS频移(10~13GHz)和增益带宽(20~100MHz)远小于SRS的相应值。其次峰值SBS增益比SRS大两个量级。另外，光纤中的受激拉曼散射发生在前向，即斯托克斯波和泵浦波传播方向相同，而受激布里渊散射发生在后向，其斯托克斯波和泵浦波传播方向相反。光纤中的受激布里渊散射的阑值功率比受激拉曼散射的低得多。在光纤中，一旦达到受激布里渊散射阙值，将产生大量的后向传输的斯托克斯波。这将对光通信系统产生不良影响。另一方面，它又可用来构成布里渊放大器和激光器等光纤元件。在连续波的情况下，受激布里渊射易于产生，因为它的阈值相对较低。脉冲工作情况下有所不同，如果脉冲宽度T0<10ns，受激布里渊散射将会减弱或被抑制，几乎不会发生。克尔效应我们把介质的折射率随光强的变化而变化的现象称为克尔效应。在单模光纤中，克尔效应表现为自相位调制、交叉相位调制、四波混频。自相位调制(SPM)由于克尔效应，信号光强度的瞬时变化引起光脉冲自身的相位变化。这种效应叫做自相位调制。在单波长系统中当强度变化导致相位变化时自相位调制效应将逐渐展宽信号的频谱，如图1-15所示。在光纤的正常色散区中，由于色度色散效应，一旦自相位调制效应引起频谱展宽，沿着光纤传输较远时光脉冲将出现较大的展宽。同时在正常色散区，光纤的色度色散效应和自相位调制效应可能会互相补偿，从而信号的展宽也会小一些。图1-15说明了在G.652光纤中的低啁啾强度调制信号的自相位调制引起传输脉冲的压缩。自相位调制引起传输脉冲的压缩和谱展宽一般情况下，SPM效应只在高累积色散或超长系统中比较明显。色散受限系统可能不能容忍自相位调制效应。在信道间隔很窄的多通道系统中，由自相位调制引起的频谱展宽可能在相邻信道间产生干扰。交叉相位调制（XPM）在多波长系统中，当光强度的变化导致相位变化时，由于相邻信道间的相互作用，互相位调制一般会展宽信号频谱。XPM引起的频谱展宽度与信道间隔有关，因为不同的群速引起的色散会导致沿光纤传播的要分离开的脉冲的互作用。一旦XPM引起频谱展宽，信号在沿光纤长度传播时就会因色度色散效应而经受一次较大的瞬时展宽。XPM可通过选择适当的信道间隔的手段加以控制。研究表明，XPM引起的多信道系统信号失真只发生于相邻信道。多信道系统的中心信道的信噪比（SNR）将接近于单信道的信噪比，这是因为信道的间隔增大了缘故，因此，信号因信道之间有适当的间隔而使XPM影响可忽略不计。在对每信道功耗为5mw的系统进行的模拟试验中，已证实100GHz的信道间隔足以减小XPM的影响。XPM导致的色散代价也可采取在系统沿线按适当间隔进行色散补偿的办法加以控制。四波混频（FWM）不同波长的三个光波同时在光纤中传播时，通过石英介质相互作用产生新的波长，新的波长地频率是三者的组合，如下列公式；flnm=fl±fn±fm这种现象称为四波混频，见图1-16。四波混频导致功率（光能量）从一个波长信道转移到另一个波长信道，这个现象对多信道系统的性能主要有两个不利影响：(1)原有波长的光能量因转移而损失，影响系统的BER、信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。理论研究表明：四波混频的产生要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，不同波长的光信号的群速度几乎相同，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应。三光波互作用产生的混频产物实验结果也证明：在G.653光纤上四波混频比在G.652和G.655光纤上严重得多，带来的传输损伤也大。适当地色散可以抑制四波混频产生。另外，四波混频对信道间隔也是敏感的。采取不均匀信道间隔和较大信道间隔等手段减少四波混频影响，这样即使在G.653光纤能运行DWDM系统。采取不均匀信道间隔，可保证由3个或更多个信道产生的混频产物不致于恰巧跌落在其它信道波长上，然而由信号向混频产物的功率传递（即信号功率损耗）却仍然存在，误码率（BER）和信噪比依然受影响思考题光纤的种类有那些，各有什么特点？色散的种类有哪些？非线性的种类有哪些？DWDM关键技术(目标：了解DWDM光源的要求及解决方法。了解DWDM光放大技术。了解DWDM复用和解复用技术。了解DWDM的光监控信道。了解DWDM的新型关键技术。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。目前应用于光纤通信的光源半导体激光器LD（LaserDiode）和半导体发光二极管LED（LightEmittingDiode），都属于半导体器件。共同特点是：体积小、重量轻、耗电量小。LD和LED相比，其主要区别在于，前者发出的是激光，后者发出的是荧光，因此，LED的谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效率也低；但它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输系统，在高速率的PDH和SDH设备上被广泛采用。高速光纤通信系统中使用的光源分为多纵模（MLM）激光器和单纵模（SLM）激光器两类。从性能上讲，这两类半导体激光器的主要区别在于它们发射频谱的差异。MLM激光器的发射频谱的线宽较宽，为nm量级，而且可以观察到多个谐振峰的存在。SLM激光器发射频谱的线宽，为0.1nm量级，而且只能观察到单个谐振峰。SLM激光器比MLM激光器的单色性更好。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个纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上，并且具有很好的稳定性；另一方面，DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH系统传输50~60km增加到500~600km，在延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应｛如受激布里渊散射效应（SBS）、受激拉曼散射效应（SRS）、自相位调制效应（SPM）、交叉相位调制效应（XPM）、调制的不稳定性以及四波混频（FWM）效应等｝，要求DWDM系统的光源使用技术更为先进、性能更为优越的激光器。总之，DWDM系统的光源的两个突出的特点是：1.比较大的色散容纳值；2.标准而稳定的波长。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，即直接调制和间接调制。直接调制直接调制：又称为内调制，即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来改变激光器输出光波的强弱。传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的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，具有结构简单、损耗小、成本低的特点，但由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100公里，传输速率≤2.5Gbit/s。对于不采用光线路放大器的DWDM系统，从节省成本的角度出发，可以考虑使用直接调制激光器。间接调制间接调制：这种调制方式又称做外调制。即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。结构如图1-17所示。恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理，而在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量。间接调制方式的激光器比较复杂、损耗大、而且造价也高，但调制频率啁啾很小，可以应用于传输速率≥2.5Gbit/s，传输距离超过300公里以上的系统。因此，一般来说，在使用光线路放大器的DWDM系统中，发射部分的激光器均为间接调制方式的激光器。外调制激光器的结构常用的外调制器有光电调制器、声光调制器和波导调制器等。光电调制器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。声光调制器是利用介质的声光效应制成。所谓声光效应，是声波在介质中传播时，介质受声波压强的作用而产生变化，这种变化使得介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性。波导调制器是将钛（Ti）扩散到铌酸锂（LInBO2）基底材料上，用光刻法制出波导的具体尺寸。它具有体积小、重量轻、有利于光集成等优点。根据光源与外调制器的集成和分离情况，又可以分为集成式外调制激光器和分离式外调制激光器两种方式。集成外调制技术日益成熟，是DWDM光源的发展方向。常见的是更加紧凑小巧，与光源集成在一起，性能上也满足绝大多数应用要求的电吸收调制器。电吸收调制器是一种损耗调制器，它工作在调制器材料吸收区边界波长处，当调制器无偏压时，光源发送波长在调制器材料的吸收范围之外，该波长的输出功率最大，调制器为导通状态；当调制器有偏压时，调制器材料的吸收区边界波长移动，光源发送波长在调制器材料的吸收范围内，输出功率最小，调制器为断开状态。如图1-18所示。电吸收调制器可以利用与半导体激光器相同的工艺过程制造，因此光源和调制器容易集成在一起，适合批量生产，因此发展速度很快。例如，铟镓砷磷（InGaAsP）光电集成电路，是将激光器和电吸收调制器集成在一块芯片上，该芯片再置于—热电制冷器（TEC）上。这种典型的光电集成电路，称为电吸收调制激光器（EML），可以支持2.5Gbit/s信号传输600km以上的距离，远远超过直接调制激光器所能传输的距离，其可靠性也与标准OFB激光器类似，平均寿命达20年。电吸收调制器的吸收波长的改变示意图分离式外调制激光器常用的是恒定光输出激光器（CW+LiNbO3）马赫-策恩德（Mach-Zehnder）外调制器。如图1-19所示。M-Z外调制器示意图该调制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材料，即其折射率会随着外部施加的电信号大小而变化，由于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器的输出端再次结合时，合成的光信号是一个强度大小变化的干涉信号，通过这种办法，将电信号的信息转换到了光信号上，实现了光强度调制。分离式外调制激光器的频率啁啾可以等于零，而且相对于电吸收集成式外调制激光器，成本较低。激光器的波长的稳定在DWDM系统中，激光器波长的稳定是一个十分关键的问题，根据ITU-TG.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光信道间隔的正