第八章 波分复用技术
8.1 多信道复用技术
8.2 波分复用原理
8.3 光发送部分和光接收部分
8.4 波分复用器
8.5 掺铒光纤放大器 (EDFA)
8.6 WDM设计中考虑的重要问题
8.1 多信道复用技术
o 光时分复用 (OTDM)
o 光码分复用 (OCDM)
o 副载波复用 (SCM)
o 空分复用 (SDM)
o 光波分复用 (WDM)
8.2 波分复用原理
1,WDM DWDM OFDM
在文献中波分复用技术一般又有波分
复用 (WDM),密集波分复用 (DWDM)和光频
分复用 (OFDM)之分 。 一般的看法是光载波
复用数小于 8波, 信道间隔大于 3.2nm的系
统为 WDM。 而光载波复用数大于 8波, 信道
间隔小于 3.2nm的系统称为 DWDM。 波分复
用的密集程度与其他电通信的频分复用密
集程度相当时, 就称为 OFDM。
o ITU-T 建 议 一 直 只 提 WDM 和
Multichannel system(多信道系统 ),避免
WDM和 DWDM的区分和界定, 建议文
件规范的信道间隔也只窄到 50GHz。
o 目前真正实用化的光波分复用系统是
16× 2.5Gbit/s,16× 10Gbit/s和
32× 2.5Gbit/s,32× 10Gbit/s，
40× 10Gbit/s。我国目前也已达到了这一
实用化水平。
2,WDM系统概述
WDM系统有单纤双向波分复用系统和双
纤单向波分复用系统
o 单纤双向波分复用系统, 它只用一根光纤,
多个波长的信号可以在两个方向上同时传
播 。
o 双纤单向波分复用系统, 是用一对光纤,
在每一根光纤中光单向传输 。
3,WDM技术的主要特点
o 充分利用光纤的巨大带宽资源
o 同时传输多种不同类型的信号
o 实现单根光纤双向传输
o 多种应用形式
o 节约线路投资
o 降低器件的超高速要求
o IP的传送通道
o 高度的组网灵活性, 经济性和可靠性
8.3 光发送部分和光接收部分
1,光波长区的分配
光纤有两个长波长的低损耗窗口，即
1310nm和 1550nm窗口它们均可用于光信
号的传输，但由于目前的 EDFA的工作波
长为 1530～ 1565nm，因此 WDM系统应
这个波长区域内。
(1) 绝对参考频率 (AFR)
o 绝对参考频率是为维持光信号频率的精
度和稳定度而规范的特定频率参考 。
ITU-T建议 G.692文件, 确定 WDM系统
的绝对参考频率规范为 193.10THz。
(2)
o G.692 文件规范 WDM 的信道间隔为
25GHz的整数信, 目前优先选用的是
100GHz 和 50GHz 信道间隔 。 G.652 或
G.655光纤系统是均匀信道间隔 。 G.653
光纤采用非均匀信道间隔 。
(3)
o 所谓标准中心频率指的是光波分复用系
统中每个通路对应的中心波长的频率 。
(4)
o 中心频率偏差定义为标称中心频率与实
际中心频率之差 。
2、光转发器 (OTU)技术
WDM光的发射是采用光转发器技术,
开放式 WDM系统在发送端采用 OTU将
非标准的波长转换为标准波长
3、可调光滤波器
o WDM系统的光接收端均使用了波长可调的光滤波器,
其作用是在接收端于接收器前从多信道复用的光信号
中选择出一定波长的信号, 以供接收机进行接收 。
o 通常使用法布－珀罗 (F－ P)干涉仪作为光滤波器 。
o 另外还有一类是集成在 LiNbO3波导上的, 利用声光或
电光效应来改变介质的折射率, 从而实现对光波长选
择的光滤波器, 其中声光效应的滤波器调谐范围可做
到大于 100nm,而电光效应的滤波器调谐范围较小,
只能达到 10nm。
o 除此之外, 窄带的光放大器对入射复用信号的选择放
大, 也可以起到光滤波器的作用 。
8.4、波分复用器
波分复用器分发端合波器和收端的分
波器 。 合波器又称复用器, 分波器又称
解复用器 。
光波分复用器的种类很多, 大致分为
四大类,
o 熔维光纤型
o 介质膜干涉型
o 光栅型光波分复用器
o 阵列波导光栅 (AWG)型光波分复用器
8.5、掺铒光纤放大器 (EDFA)
1,EDFA概述
掺铒光纤放大器 (EDFA)是将铒 (Er)
离子注入到纤芯中, 形成了一种特殊光
纤, 它在泵浦光的作用下可直接对某一
波长的光信号进行放大 。
掺铒光纤放大器的主要优点是,
(1)工作波长处在 1.53～ 1.56μm范围, 与光纤最小
(2)对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低, 仅需几十
毫瓦, 而拉曼放大器需 0.5～ 1W的泵浦源进行
(3)增益高, 噪声低, 输出功率大 。 它的增益可达
40dB,噪声系数可低至 3～ 4dB,输出功率可
达 14～ 20dBm
(4)连接损耗低, 因为它是光纤型放大器, 因此与
光纤连接比较容易, 连接损耗可低至 0.1dB。
2、掺铒光纤为什么具有放大功能
在制造光纤过程中, 设法掺入一定量的三价铒离
子形成掺铒光纤, 铒离子在未受任何光激励的情况
下, 电子处在最低能级 (基态 )4I15/2上, 当泵浦光射
入, 铒粒子吸收泵浦光的能量, 电子向高能级跃迁 。
并迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态变至亚稳态 (即
4I13/2能级 ),由于源源不断地进行泵浦, 粒子数不断
增加, 从而实现了粒子数反转 。
当具有 1 550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤
时, 亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态,
并产生出和入射光信号中的光子一样的光子, 从而
大大增加了信号光中的光子数量, 即实现了信号光
在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能 。
3,EDFA的基本结构
EDFA主要是由掺铒光纤 (EDF),泵浦光源,
光耦合器, 光隔离器以及光滤波器等组成 。
EDFA按照它的泵浦方式不同, 有三种基本结
构形式,
o
o
o
从输出功率上来看, 单泵浦的输出功率可达
14dBm,而双泵浦的输出功率可达 17dBm。
4,EDFA的性能指标
(1)
EDFA
o 放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加, 但当
泵浦功率达到一定值时, 放大器增益出现饱和 。
o 功率增益随掺铒光纤长度的增加而上升, 当光纤长
度达到一定值后, 增益反而逐渐下降 。 可见, 当光
纤为某一长度时, 可获得最佳增益, 这个光纤长度
称为最大增益的光纤长度 。
o 因此，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择合适的
泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。
(2)输出功率特性
当饱和增益下降 3dB时所对应的输出功率值
为 3dB饱和输出功率 。 它代表了掺铒光纤放大器
的最大输出能力 。
(3)噪声特性
掺铒光纤放大器的噪声主要来源有,
o 信号光的散弹噪声；
o 信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍噪声；
o 被放大的自发辐射光的散弹噪声；
o 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声 。
5,EDFA
EDFA具体的应用形式有以下四种 。
o 线路放大 (Line Amplifier)
o 功率放大 (Booster Amplifier)
o 前置放大 (Preamplifiev)
o LAN放大 (LAN Amplifier)
8.6 WDM设计中考虑的重要问题
1,WDM的信道串扰
(1)
线性串扰通常发生在解复用过程中, 取决于
用于选择信道的光滤波器的特性 。
(2) 非线性串扰
由于是光纤非线性效应引起的, 故这种串扰
便称之为非线性串扰 。 光纤的非线性效应包括
受激喇曼散射, 受激布里渊散射, 交叉相位调
制和四波混频等 。
2、系统设计方案概述
(1) 复用路数与波长范围的选择
WDM系统的最大复用路数决于两个因素：
信道最大可利用带和最小信道间隔 。 EDFA的
最大可利用带宽要分成两种情况,
o 20nm带宽, 即 1540～ 1560nm范围, 无需作通
带平坦化处理 。
o 32nm,即 1528.77～ 1560.61nm范围, 需要作
通带平坦化处理 。
(2)
单通道系统的传输速率取决于通信容量的需求
和通信成本的合理化 。
(3)
WDM
o 新建 WDM系统的路由不再选用 G.653光纤, 旧路
由的 G.653光纤用于 WDM系统需采取不等间隔信
道波长配置, 复用路数通常选为 8波 。
o STM-16 系统一般使用 G.652 光纤, 可以实现
120km的跨距传输, 具有成本优势 。 且未来有
1310和 1550两个波段同时使用的潜力 。
o 2.5Gbit/s速率以上, 长跨距宜选用 G.655光纤 。
o 允许同一个系统中 G.652光纤和 G.655光纤混用 。
(4)
o WDM的分站切忌满足小通信容量中间站
o
o 分配给同一站的信道尽量不用邻近信道,
o WDM系统用于城域网时应选用环保护信
道
(5)
8.1 多信道复用技术
8.2 波分复用原理
8.3 光发送部分和光接收部分
8.4 波分复用器
8.5 掺铒光纤放大器 (EDFA)
8.6 WDM设计中考虑的重要问题
8.1 多信道复用技术
o 光时分复用 (OTDM)
o 光码分复用 (OCDM)
o 副载波复用 (SCM)
o 空分复用 (SDM)
o 光波分复用 (WDM)
8.2 波分复用原理
1,WDM DWDM OFDM
在文献中波分复用技术一般又有波分
复用 (WDM),密集波分复用 (DWDM)和光频
分复用 (OFDM)之分 。 一般的看法是光载波
复用数小于 8波, 信道间隔大于 3.2nm的系
统为 WDM。 而光载波复用数大于 8波, 信道
间隔小于 3.2nm的系统称为 DWDM。 波分复
用的密集程度与其他电通信的频分复用密
集程度相当时, 就称为 OFDM。
o ITU-T 建 议 一 直 只 提 WDM 和
Multichannel system(多信道系统 ),避免
WDM和 DWDM的区分和界定, 建议文
件规范的信道间隔也只窄到 50GHz。
o 目前真正实用化的光波分复用系统是
16× 2.5Gbit/s,16× 10Gbit/s和
32× 2.5Gbit/s,32× 10Gbit/s，
40× 10Gbit/s。我国目前也已达到了这一
实用化水平。
2,WDM系统概述
WDM系统有单纤双向波分复用系统和双
纤单向波分复用系统
o 单纤双向波分复用系统, 它只用一根光纤,
多个波长的信号可以在两个方向上同时传
播 。
o 双纤单向波分复用系统, 是用一对光纤,
在每一根光纤中光单向传输 。
3,WDM技术的主要特点
o 充分利用光纤的巨大带宽资源
o 同时传输多种不同类型的信号
o 实现单根光纤双向传输
o 多种应用形式
o 节约线路投资
o 降低器件的超高速要求
o IP的传送通道
o 高度的组网灵活性, 经济性和可靠性
8.3 光发送部分和光接收部分
1,光波长区的分配
光纤有两个长波长的低损耗窗口，即
1310nm和 1550nm窗口它们均可用于光信
号的传输，但由于目前的 EDFA的工作波
长为 1530～ 1565nm，因此 WDM系统应
这个波长区域内。
(1) 绝对参考频率 (AFR)
o 绝对参考频率是为维持光信号频率的精
度和稳定度而规范的特定频率参考 。
ITU-T建议 G.692文件, 确定 WDM系统
的绝对参考频率规范为 193.10THz。
(2)
o G.692 文件规范 WDM 的信道间隔为
25GHz的整数信, 目前优先选用的是
100GHz 和 50GHz 信道间隔 。 G.652 或
G.655光纤系统是均匀信道间隔 。 G.653
光纤采用非均匀信道间隔 。
(3)
o 所谓标准中心频率指的是光波分复用系
统中每个通路对应的中心波长的频率 。
(4)
o 中心频率偏差定义为标称中心频率与实
际中心频率之差 。
2、光转发器 (OTU)技术
WDM光的发射是采用光转发器技术,
开放式 WDM系统在发送端采用 OTU将
非标准的波长转换为标准波长
3、可调光滤波器
o WDM系统的光接收端均使用了波长可调的光滤波器,
其作用是在接收端于接收器前从多信道复用的光信号
中选择出一定波长的信号, 以供接收机进行接收 。
o 通常使用法布－珀罗 (F－ P)干涉仪作为光滤波器 。
o 另外还有一类是集成在 LiNbO3波导上的, 利用声光或
电光效应来改变介质的折射率, 从而实现对光波长选
择的光滤波器, 其中声光效应的滤波器调谐范围可做
到大于 100nm,而电光效应的滤波器调谐范围较小,
只能达到 10nm。
o 除此之外, 窄带的光放大器对入射复用信号的选择放
大, 也可以起到光滤波器的作用 。
8.4、波分复用器
波分复用器分发端合波器和收端的分
波器 。 合波器又称复用器, 分波器又称
解复用器 。
光波分复用器的种类很多, 大致分为
四大类,
o 熔维光纤型
o 介质膜干涉型
o 光栅型光波分复用器
o 阵列波导光栅 (AWG)型光波分复用器
8.5、掺铒光纤放大器 (EDFA)
1,EDFA概述
掺铒光纤放大器 (EDFA)是将铒 (Er)
离子注入到纤芯中, 形成了一种特殊光
纤, 它在泵浦光的作用下可直接对某一
波长的光信号进行放大 。
掺铒光纤放大器的主要优点是,
(1)工作波长处在 1.53～ 1.56μm范围, 与光纤最小
(2)对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低, 仅需几十
毫瓦, 而拉曼放大器需 0.5～ 1W的泵浦源进行
(3)增益高, 噪声低, 输出功率大 。 它的增益可达
40dB,噪声系数可低至 3～ 4dB,输出功率可
达 14～ 20dBm
(4)连接损耗低, 因为它是光纤型放大器, 因此与
光纤连接比较容易, 连接损耗可低至 0.1dB。
2、掺铒光纤为什么具有放大功能
在制造光纤过程中, 设法掺入一定量的三价铒离
子形成掺铒光纤, 铒离子在未受任何光激励的情况
下, 电子处在最低能级 (基态 )4I15/2上, 当泵浦光射
入, 铒粒子吸收泵浦光的能量, 电子向高能级跃迁 。
并迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态变至亚稳态 (即
4I13/2能级 ),由于源源不断地进行泵浦, 粒子数不断
增加, 从而实现了粒子数反转 。
当具有 1 550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤
时, 亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态,
并产生出和入射光信号中的光子一样的光子, 从而
大大增加了信号光中的光子数量, 即实现了信号光
在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能 。
3,EDFA的基本结构
EDFA主要是由掺铒光纤 (EDF),泵浦光源,
光耦合器, 光隔离器以及光滤波器等组成 。
EDFA按照它的泵浦方式不同, 有三种基本结
构形式,
o
o
o
从输出功率上来看, 单泵浦的输出功率可达
14dBm,而双泵浦的输出功率可达 17dBm。
4,EDFA的性能指标
(1)
EDFA
o 放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加, 但当
泵浦功率达到一定值时, 放大器增益出现饱和 。
o 功率增益随掺铒光纤长度的增加而上升, 当光纤长
度达到一定值后, 增益反而逐渐下降 。 可见, 当光
纤为某一长度时, 可获得最佳增益, 这个光纤长度
称为最大增益的光纤长度 。
o 因此，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择合适的
泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。
(2)输出功率特性
当饱和增益下降 3dB时所对应的输出功率值
为 3dB饱和输出功率 。 它代表了掺铒光纤放大器
的最大输出能力 。
(3)噪声特性
掺铒光纤放大器的噪声主要来源有,
o 信号光的散弹噪声；
o 信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍噪声；
o 被放大的自发辐射光的散弹噪声；
o 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声 。
5,EDFA
EDFA具体的应用形式有以下四种 。
o 线路放大 (Line Amplifier)
o 功率放大 (Booster Amplifier)
o 前置放大 (Preamplifiev)
o LAN放大 (LAN Amplifier)
8.6 WDM设计中考虑的重要问题
1,WDM的信道串扰
(1)
线性串扰通常发生在解复用过程中, 取决于
用于选择信道的光滤波器的特性 。
(2) 非线性串扰
由于是光纤非线性效应引起的, 故这种串扰
便称之为非线性串扰 。 光纤的非线性效应包括
受激喇曼散射, 受激布里渊散射, 交叉相位调
制和四波混频等 。
2、系统设计方案概述
(1) 复用路数与波长范围的选择
WDM系统的最大复用路数决于两个因素：
信道最大可利用带和最小信道间隔 。 EDFA的
最大可利用带宽要分成两种情况,
o 20nm带宽, 即 1540～ 1560nm范围, 无需作通
带平坦化处理 。
o 32nm,即 1528.77～ 1560.61nm范围, 需要作
通带平坦化处理 。
(2)
单通道系统的传输速率取决于通信容量的需求
和通信成本的合理化 。
(3)
WDM
o 新建 WDM系统的路由不再选用 G.653光纤, 旧路
由的 G.653光纤用于 WDM系统需采取不等间隔信
道波长配置, 复用路数通常选为 8波 。
o STM-16 系统一般使用 G.652 光纤, 可以实现
120km的跨距传输, 具有成本优势 。 且未来有
1310和 1550两个波段同时使用的潜力 。
o 2.5Gbit/s速率以上, 长跨距宜选用 G.655光纤 。
o 允许同一个系统中 G.652光纤和 G.655光纤混用 。
(4)
o WDM的分站切忌满足小通信容量中间站
o
o 分配给同一站的信道尽量不用邻近信道,
o WDM系统用于城域网时应选用环保护信
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