光纤通信WDM系统结构设计（1）

光纤通信WDM系统结构设计（1）
⽬录
第⼀章前⾔................................................................................................. ２第⼆章光纤通信原理...................................................................................... ３
2.1光发射机............................................................................................. ３
2.2光接收机............................................................................................. ３
2.3光中继/放⼤器.................................................................................... ４第三章 WDM技术的主要特点及应⽤................................................................ ５
3.1 WDM的特点 ......................................................................................... ５
3.1.1传输容量超⼤ ........................................................................... ５
3.1.2传输距离超长 ........................................................................... ５
3.1.3节约光纤................................................................................... ５
3.1.4系统平滑升级扩容.................................................................... ５
3.1.5适合未来业务发展的需要 ........................................................ ６
3.2 WDM系统的应⽤形式 .......................................................................... ６第四章光纤通信WDM系统结构设计思想........................................................ ８第五章光纤通信WDM系统结构设计 ............................................................ １０
5.1信道中⼼频率(波长) ....................................................................... １０
5.2波分复⽤器件 .................................................................................. １２
5.3复⽤器.............................................................................................. １２
5.4光放⼤器(OA) .................................................................................. １２
5.5光波长转换器(OTU) ......................................................................... １３
5.6⾊散补偿模块(DCM) ......................................................................... １４
5.7主光通道指标 .................................................................................. １５第六章系统测试结果................................................................................... １７
6.1测试参考点配置............................................................................... １７
6.2测试项⽬.......................................................................................... １７参考⽂献....................................................................................................... １９致谢........................................................................................................... ２０
摘要：随着⼈类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。

为了适应通信⽹传输容量的不断增长和满⾜⽹络互性、灵活性的要求，产⽣了各种复⽤技术。

WDM技术是在⼀根光纤中同时传输多个波长光信号的⼀项技术。

本⽂主要运⽤光纤通信原理以及WDM技术，设计⼀种光纤通信WDM系统结构，对结构各个部分进⾏了详细的设计，最后对系统进⾏测试。

关键词：光纤通信;波分复⽤;光接收机;系统结构
ABSTRACT：With the advent of the information age of human society, the demand for communication is increasing rapidly. In order to adapt to the increasing transmission capacity of communication network and meet the requirements of network interoperability and flexibility, various multiplexing technologies have been developed. WDM technology is a technology that transmits multi-wavelength optical signals in one optical fiber at the same time. In this paper, the principle of optical fiber communication and WDM technology are used to design a structure of optical fiber communication WDM system. Each part of the structure is designed in detail. Finally, the system is tested.
KEY WORDS: Optical fiber communication; wavelength division multiplexing; optical receiver; system structure
第⼀章前⾔
互联⽹的出现彻底改变了信息通信⽹络的基础结构。

在20世纪末⾄21世纪初，对带宽需求的增长推动了全球电信业的发展。

尽管随后的“互联⽹泡沫”在资本投资市场遭到了破灭，但是互联⽹流量仍获得了快速增长。

随着诸如云计算(Cloud Computing )、流媒体(streaming video) , IP (Internet Protocol)电视等新应⽤的出现，其再次推动了全球互联⽹对带宽的需求。

思科公司于2014年6⽉发布的最新⽹络流量预测⽩⽪书表明，到2018年全球互联⽹流量将等于2005年全球互联⽹流量的64倍，过去五年中全球IP流量⼰增长了5倍以上，并将在接下来的5年内继续增长3倍。

如图1-1所⽰，到2016年底，年度全球互联⽹IP流量将突破皆字节(1000艾字节)⼤关，到2018年，全球总体IP流量将从2013年的每⽉51艾字节增长到每⽉132艾字节。

图1-1全球互联⽹总体IP流量增长预测⽰意图为了适应通信⽹传输容量的不断增长和满⾜⽹络互性、灵活性的要求，产⽣了各种复⽤技术。

波分复⽤（WDM）技术的基本原理是在同⼀根光纤中形成具有不同调制⽅式的多个信道，同时传输有不同波长的多个信号。

通常以GHz或nm这两种计量单位来表⽰任何两个信道的波长间隔，如200GHz或1.6nm, 100GHz或0.8nm等。

当波长的间隔⼩于等于100GHz或0.8nm时，WDM 就被称为密集波分复⽤(DWDM)技术。

使⽤WDM技术就可以在原有传输速率的基础上，成倍地扩⼤光纤的传输能⼒。

波分复⽤WDM系统的主要优点是：可以充分利⽤光纤的巨⼤带宽资源，使传输容量迅速扩⼤⼏倍⾄上百倍；在⼤容量长途传输时可以节约⼤量光纤和再⽣器，⼤⼤降低传输成本；与信号速率及电调制⽅式⽆关，是引⼊宽带新业务的⽅便⼿段；利⽤WDM选路实现⽹络交换和恢复可望实现未来透明的、具有⾼度⽣存性的光层传送联⽹。

第⼆章光纤通信原理
光纤通信系统的主要⼯作流程如图2-1。

图2-1光纤通信系统
2.1光发射机
在光纤通信系统中光发射机的主要作⽤是完成电⼀光转换，并⽤利⽤耦合技术有效地把光信号送⼊传输光纤。

光源是⼀个⾮常关键的发射机组件。

⽬前，光纤通信系统均采⽤半导体激光器LD和发光⼆极管LED作为光源，它是实现电信号变换到光信号的器件，在光纤通信中具有重要地位。

光纤通信可靠⼯作的关键需要有性能好、寿命长、使⽤⽅便的光源来保证。

光纤通信对半导体发光器件的发光波长、⼯作时间、藕合效率及线谱宽度均有要求。

光发射机的关键技术指标包括平均输出光功率、调制特性、温度特性、消光⽐以及应答速度。

平均输出光功率通常是指光源尾纤的平均输出光功率，因此⼜称其为平均发送光功率。

光电器件⽣产商通常会提供⼀段带有藕合光纤⼜称为尾纤的光源组件以⽅便⽤户使⽤。

在光纤通信⽹络中，可通信的距离和光源送⼊光纤的光功率成正⽐，这就必要求光源的输出光功率既不能过⼤也不能过⼩，合适最好。

但是，理论上如果光源送⼊光纤的光功率太⼤，光纤将可能⼯作在⾮线性状态。

⾮线性状态下光纤的各种特征参数会随输⼊的光强形成⾮线性的变化，光纤因此便成了⼀种⾮线性器件，这种⾮线性器件会产⽣很强的频率转换作⽤和其他效应。

显然，这对光纤的正常⼯作会有不利影响。

2.2光接收机
光接收机的作⽤是把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放⼤、再⽣恢复为原传输的信号，在整个光通信系统中起着⾮常重要的作⽤。

光检测器⼜称为光探测器或光检波器，它位于光接收机的最前端，是光接收机中最重要的部分之⼀，具有光探测能⼒，能将光信号转化为电信号供后续系统模块进⾏处理，其性能好坏直接影响整个光接收机性能。

由于经过长
距离传输后，光接收机需要⽤光检测器来放⼤微弱的光信号。

因此，这个部件需要能够做到以下实现：(1)能够灵敏的将较⼩⼊射光功率输出为较⼤光电流；
(2)能够快速响应，能够避免因速度差异带来的系统速度瓶颈问题；(3)能够尽可能降低的噪声，以降低器件⾃⾝噪⾳对信号的
影响；(4)具有良好的线性特性，以保证转换过程中信号能维持原来的频率、相位或幅度，即检测器输出的电信号能不失真地反应出所接收到的光信号；(5)稳定的性能，⾼可靠性，低功耗，具有较⼩的体积、较长的⼯作寿命等。

2.3光中继/放⼤器
由光纤的传输特性可知，光纤的损耗和⾊散影响着光纤通信距离。

为了保证光纤长距离传输的性能指标，需要在信道的适当位置上设计中继站点，⼀种是光/电/光转换形式，另⼀种是直接对光进⾏放⼤的光放⼤器。

为了达到延长传输距离的⽬的，可以通过使⽤光再⽣中继器，它的功能是是重新传输标准的数字光信号，这些信号往往是那些因长距离传输⽽受到损耗及⾊散畸变光脉冲信号转变⽽来的。

数字光信号的再⽣中继⽅式主要有两种:“电中继”⽅式和“光信号放⼤+再⽣中继”的⽅式。

较常⽤的是前者，它先将微弱变形的光信号线转换为电信号，经过放⼤整形后转换成标准数字电信号，最后调制成光信号，沿光纤信道继续传输。

后者是按照“放⼤+整形”的进程转换微弱光信号为电信号，⽽后再进⾏⼀次上述过程。

第三章 WDM技术的主要特点及应⽤
WDM，顾名思义，指的是通过波长的复⽤只需增加波长就可以实现系统的扩容，即为将⼏个或⼏⼗个不同波长的光通信信号复⽤，通过⼀根光纤传输的技术。

3.1 WDM的特点
WDM近年来⼀直是研究的热点，受到运⾏商和设备产商的青睐，主要是具有以下⼏个优点：
3.1.1传输容量超⼤
WDM系统能充分利⽤现在的TDM技术，现在TDM技术如lOGb/s⼰经⾮常成熟，⽽复⽤的光通路数量为40个、80个⽬前商⽤最多是160个，传输容量能达到1. 6Tb/s,⽽且还有相当的潜⼒可以挖掘。

3.1.2传输距离超长
WDM系统的传输距离主要得益于放⼤器的使⽤。

EDFA具有⾼增益、宽带宽、低噪声等优点，通过放⼤器进⾏光中继放⼤，可以延长传输的距离。

光纤喇曼放⼤器⽐EDFA噪声更低，传输距离能达2000km。

3.1.3节约光纤
⽬前的SDH系统以单波长为主，每个系统1对光纤，⽽WDM系统是⼏⼗个波长复⽤在⼀根光纤传输，1个WDM系统只需要1对光纤，⽐如80x10Gb/s系统，只需要2根光纤，⽽单波长的SDH系统需要160根，⼤⼤节约了光纤的投资。

对于⽬前城市内管城区线资源紧张如上海南京路、淮海路及徐汇等商业圈的线路系统扩容也⾮常⽅便。

3.1.4系统平滑升级扩容
正如前⾯所说，WDM系统是充分利⽤⽬前使⽤的TDM技术的，只要增加复⽤光波长通路数和设备，就可以增加系统的传输容量扩容，对原来的光通路基本⽆影响，因此系统升级平滑、⽅便。

⽽且WDM系统的各复⽤信道是相互独⽴的，所以各信道可以分别透明地传送不同的业务信号，如语⾳、数据和图像等，彼此互不⼲扰，这给使⽤者带来了极⼤的便利。

3.1.5适合未来业务发展的需要
全光业务⼀直是光⽹络发展的⽅向，WDM技术⽤于⽹络中可以实现⼤容量的全光交换(光互连⽹络)，增加了⽹络的灵活性，简化了⽹络结构。

3.2 WDM系统的应⽤形式
WDM基本形式主要有双纤单向传输和单纤双向传输两种。

单向传输指的是所有光通路同时在⼀根光纤上沿着同⼀⽅向传送。

如图3-1发送信端将不同波长的信号通过复⽤器组合在⼀起在⼀根光纤传输。

在接受端通过解复⽤将不同波长信号分开，完成多路光信号传输。

反⽅向传输通过另外根光纤，原理相同。

图3-1双纤单向传输
图3-2单纤双向传输
双向传输WDM系统指的是⼀根光纤同时向两个⽅向传输。

为了实现全双⼯通信，如上图3-2所⽰，必须将波长分开。

双纤单向传输WDM系统在开发和应⽤上⽐较⼴泛。

单纤双向传输WDM 系统能减少光纤和放⼤器的使⽤，但要求更⾼，⽐如需要注意双向通道之间的间隔、串扰等问题，在以后会更加⼴泛应⽤。

第四章光纤通信WDM系统结构设计思想
本⽂系统⽅案设计的⽬的就是定义传输结构和传输参数，使传送距离和光信噪⽐(OSNR)、误码率(BER)达到通信⼀的标准。

WDM系统的发送端是将多个终端光发射机的光信号复⽤在⼀根光纤中进⾏传输，在接收端将光信号解复⽤，并由多个终端光接收机来接收。

因此，WDM系统是构建于单信道系统之上的。

WDM系统的每个信道的性能都应与相应的单信道系统要求⼀致。

如:使⽤WDM系统承载SDH系统，则每个信道都应符合 6.957光接⼝标准的要求。

设计中考虑了⽬前能够实⽤的设备和器件⽔平，使系统的性能和成本控制在合理的范围之内。

各种设备配置以及参数确定是系统实现的依据，但在实际构建中可以根据情况做出某些调整。

但总的原则是在实现设计要求的前提下，使性能更加优化，成本更低。

WDM系统的功能框图如图4-1所⽰。

系统使⽤的是单纤单向结构，⽤两根光纤实现双向通信。

为保证系统的设备兼容性，采⽤开放式的设计，⽤光波长转换器（OTU）实现与终端设备的连接。

图4-1 WDM系统传输功能框图
图中，⼦路径指线路中两个设备之间的光纤路径；主光路径是从发送端波分复⽤器到接收端波分复⽤器之间的光纤路径。

这⾥，接收设备可以是中继设备或解复⽤器。

主光路径也称为光再⽣段。

中继设备将光信号解复⽤，通过具有再⽣电路的光波长转换器（OTU）进⾏信号的整形、抑制噪声、提⾼功率，然后再⽤波长复⽤器把各波长信号复⽤在⼀起转发出去。

从中继设备发送的光信号要恢复到最初发送时的状态。

接收端的波分复⽤器的作⽤是将复⽤信道分开，通过各⾃的光波长转换器
（OTU）送⼊终端设备，完成信号的传输。

光信号经过⼀个光再⽣段以后，⼜恢复为初始状态。

因此，主光路径是最⼩的功能完整单元。

WDM传输系统由⼀个或多个主光路径组成，通过设计主光路径，就可以完成整个WDM系统的设计。

在下⾯的⽅案设计中，将只考虑单个再⽣段的情况，在需要长距离传输的时候，只要加⼊中继设备即可延长WDM系统的传输距离。

第五章光纤通信WDM系统结构设计
在长距离WDM系统的实验研究中，往往采⽤⾊散补偿光纤DCF作为⾊散管理的主要⼿段。

对新敷设的传输系统来说，在光信号的传输的同时⼜实现了⾊散补偿，是⼀个⽐较好的⽅法。

但是要对已有的系统进⾏WDM改造，DCF的加⼊就有许多困难，⽐较合理的⽅法是在每个中继站点加⼊⾊散补偿模块DCM。

图5-1是WDM传输系统的总体设计框图。

图5-1 32×10Gbit/s 480km WDM系统总体设计图系统设计的性能指标为：在最坏情况下，系统的位误码率(BER)不⼤于10-12。

系统参数主要包括：信道中⼼频率(波长)、波分复⽤器件、光放⼤器(OA)、光波长转换器(OTU)、⾊散补偿模块(DCM)等设备的主要设计参数。

5.1信道中⼼频率(波长)
对于常规G.652光纤，ITU-T G.692共给出了以193.1 THz为绝对参考频率，间隔为100GHz(0.8nm)的41个标准波长(192.1THz~196.1THz)，即1528.77nm~1560.61 nm。

根据信息产业部于2001年11⽉1⽇开始实施的WDM 系统技术要求
（32×10Gbit/s部分），选⽤其中频率在192.1 THz~195.2THz之间的32个波长为系统传输的中⼼波长，如表3.2所⽰。

在这个波长区间，EDFA 的增益相对平坦，其增益差在1.5dB以内，⽽且增益较⾼，可充分利⽤EDFA 的⾼增益区。

在多级级联的WDM系统中，容易实现各通路的增益均衡。

表3.1系统中⼼频率(波长)
5.2波分复⽤器件
波分复⽤器件是WDM系统的核⼼器件之⼀，基本要求是:插⼊损耗⼩、隔离度⼤、带内平坦、带外插⼊损耗变化陡峭、温度稳定性好、复⽤通路数⽬多、尺⼨⼩等等。

波分复⽤器件分为两种：复⽤器和解复⽤器，它们的主要指标有:插⼊损耗、反射系数、⼯作波长范围、偏振相关损耗、相邻通路隔离度等。

5.3复⽤器
⽬前32信道的波长复⽤器通常采⽤集成光波导或介质薄膜滤波器等技术制作，相关参数如表3.2所⽰。

表3.2复⽤器的参数指标
5.4光放⼤器(OA)
在WDM系统中，光放⼤器有三种应⽤形式:功率放⼤器(BA)、线路放⼤器(LA)、前置放⼤器(PA)。

这三种应⽤都可以⽤EDFA 光放⼤器来实现。

作为光放⼤器，不仅要求增益平坦，⽽且还必须有⾃动增益控制功能: 当32路信号中的某些信号失去的时候，应不影响其它信道的正常⼯作，没有突发误码产⽣;在极限情况下，如果同时失去31路信号，剩余的⼀个信道应在10ms内恢复正常⽆误码⼯作;即使发⽣光纤断开的情况，EDFA光放⼤器应能够⾃动关闭泵浦源。

当逐路增加承载的信道数量的时候，不影响其它信道的性能;当同时增加多个信道时，系统也应当不受影响:如果在运⾏时增加或减少承载的信道数量，EDFA各项参数可以⾃动调整。

光功率放⼤器(BA)
光功率放⼤器(Boost Amplifier)⽤在复⽤器输出端的后⾯，⽤于提⾼系统的发送光功率，BA的参数要求如表3.3所⽰。

表3.3光功率放⼤器的参数要求
2.光线路放⼤器(LA )
光线路放⼤器(Line Amplifier)⽤在⽆源光纤段之间以补充光纤损耗，延长中继长度，LA的参数要求如表3.4所⽰。

5.5光波长转换器(OTU)
系统设计采⽤开放式WDM结构，采⽤光波长转换器(OTU)作为WDM系统与终端设备之间的接⼝设备。

在中继设备⾥使⽤的OTU，还具有信号再⽣电路，以实现信号的3R中继功能。

发送端OUT的作⽤是将终端设备的光信号转换为符合6.692规范的标准波长，其接⼝要求如表3.5所⽰。

表3.5发送端OTU接⼝要求
2.接收端OTU
发送端OUT的作⽤是将解复⽤器输出的光信号转换终端设备要求的光信号，其接⼝要求如表3.6所⽰。

表3.6接收端OTU接⼝要求
5.6⾊散补偿模块(DCM)
由于G.652光纤的⾊散值为正，因此系统使⽤负⾊散DCM来进⾏⾊散补偿。

DCM应当置于光放⼤器的中间级(MSA )，即两级泵浦源之间。

因为两级放⼤器本来就需要⼀定的线路损耗，这样，DCM模块不额外增加线路损耗，对系统光信噪⽐的影响降⾄最⼩。

DCM的补偿原则根据光功率预算的结果⽽定，并综合考虑⾮线性效应的影响。

DCM的参数要求如表3.7所⽰。

由于⽬前DCM并不能补偿光纤的⾊散斜率。

对于整个复⽤波段，对总的⾊散补偿量可以根据实际应⽤的情况采取⽋补偿和完
全补偿两种设计⽅法:⽋补偿是以1546nm波长补偿到绝对⾊散量的92%为原则。

这样，长波长区(1545nm以上)⽋补偿更加厉害，⽽在短波长区(1540nm以下)为近似完全补偿;⽽完全补偿则对复⽤波段的⾊散平均值(1545nm附近)进⾏完全补偿，这种补偿⽅法在蓝带出现过补偿，⽽在红带出现⼀定的⽋补偿。

5.7主光通道指标
从发送端的复⽤器输出耦合器之后的MPI-S点到接收端解复⽤器输⼊耦合器之前的MP1-P点，这段距离称为系统的主光通道。

光信号在主光通道上的传输指标直接影响系统性能，表3.8给出了主光通道的指标要求，其中线路衰减指线路的损耗，没有考虑加⼊DCM的功率代价。

表3.8 WDM主光通道指标
在每个EDFA光中继站和WDM系统终端站点上，主光通道配备不中断业务监测接⼝(可以接⼊监测仪表)，允许在不中断传输业务的情况下，对波分复
⽤终端站和线路放⼤器中继站的主光通道进⾏实时监测。

第六章系统测试结果
在项⽬实施的过程中，要对系统进⾏相关参数测试和性能指标测试，这是检验系统性能是否达到设计要求的重要⼿段。

6.1测试参考点配置
根据相关标准的规定，图6-1给出了⼀个单向WDM系统测试的参考点配置。

图6-1系统测试参考点配置
S1、S2...Sn分别是信道1, 2... .n的发射端输出耦合器之后的光纤上的测试点。

直接处于OTU的输出发射器(Tx)之后，⽤于测量光发射器的光输出参数。

RM1, RM2......RMn分别为信道1、2...n在复⽤器(OM)的输⼊耦合器之前的光纤上的测试点。

⽤于测量复⽤器的光输⼊参数。

MPI-S为复⽤器输出耦合器之后的光纤上的测试点。

⽤于测量复⽤器的光输出参数。

R'是线路放⼤器输出耦合器之前的光纤上的测试点。

⽤于测量线路放⼤器(OA)的光输⼊参数。

S’是线路放⼤器输出耦合器之后的光纤上的测试点。

⽤于测量线路放⼤器(OA)的光输出参数。

MPI-R为解复⽤器(OD)输⼊耦合器之前的光纤上的测试点。

⽤于测量解复⽤器的光输⼊参数。

SD1、SD2……SDn分别是解复⽤器信道1, 2...n输出耦合器之后的光纤上的测试点。

⽤于测量解复⽤器的光输出参数。

R1, R2.... .Rn分别是信道1、2...n的接收端输⼊耦合器的光纤上的测试点。

直接处于OTU的光接收器(Rx)之前，⽤于测量光接收器的光输⼊参数。

6.2测试项⽬
系统性能测试项⽬包括各个信道波长及其稳定性、光传输信噪⽐、各单元的输出光功率和各单元的接收光功率。

6.2.1波长及其稳定性
信道波长的准确性及稳定性是保证多个波长能够复⽤进⼊⼀根光纤并进⾏可靠传输的重要指标。

因此，测试信道波长是否符合设计要求是⾄关重要的。

这项测试包括在发射机的输出耦合器Sn点测试各个信道的中⼼波长及波长漂移:在复⽤器的输出耦合器MPI-S点和光放⼤器的输出耦合器S’点测试各个信道的中⼼波长及信道间隔是否满⾜设计要求。

6.2.2光信噪⽐
对于速率为l0Gbids的系统，设计要求光信噪⽐在25dB以上。

由于在系统中使⽤了多种光学器件，各种器件的插⼊损耗各不相同，可能带来额外的功率损耗:同时，由于信道串扰、放⼤⾃发发射(ASE)等噪声的引⼊，也会降低系统的光信噪⽐。

因此，有必要在各个光输⼊点上进⾏信噪⽐的测试。

进⾏这项测试的参考点包括:光放⼤器输⼊耦合器R'点、光解复⽤器输⼊耦合器MPI-R 点、接收端输⼊耦合器Rn点。

6.2.3各单元的输出光功率
各个单元的输出光功率是⽹络设计所需要的⼀项重要参数。

这项测试包括:发射端输出藕合器Sn点的输出光功率;光复⽤器输出耦合器MPI-S点的输出光功率;光放⼤器输出耦合器S’奠定输出光功率。

6.2.4各单元的接收光功率
系统中不同单元对接收光功率的要求是不⼀样的，在WDM系统中，要分别对各单元的接收光功率进⾏测试，以确保接收到的光功率在过载功率之内。

这项狈(试包括:光复⽤器输⼊耦合器Rmn点的接收光功率;光解复⽤器输⼊耦合器MPI-R点的接收光功率;接收端输⼊耦合器Rn点的接收光功率。

通过上⾯这些测试项⽬，可以⽐较全⾯的衡量WDM系统的传输性能。

在实际部署系统的时候，要根据各项测试得到的参数，在设计许可的范围内进⾏调整，以保证系统性能的稳定性、可靠性，以及与其它相关设备互联的兼容性。