波分原理

波分复用的概念
普通单波传输
IP SDH SDH ATM 光纤的巨大带宽没有得到充分利用 增加网络容量是靠提高传输速率实现的 元器件电气性能限制了传输速率的继续增加 SDH
波分复用的概念
多波传输 客户侧 SDH IP ATM SDH
波长转换
波分侧 OTN OTN OTN OTN OSC
光放站
客户侧 SDH IP ATM SDH
O T U
O T U
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单纤双向系统：一根光纤实现两个方向的光信号同时传输，两个方向信号安 排在不同波长上 优点：节省光纤资源 缺点：光放站必须用双向光纤放大器及光环形器等器件，噪声系数较差，系 统设计复杂
应用模式 • 根据应用模式的不同，波分系统分为开放式系统和集成式系统 • 两者的区别是是否对客户信号有要求。开放式系统本身有OTU单元， 对符合ITU-T建议的光接口信号均可接入，集成式系统没有OTU单元， 要求用户接入的信号必须符合WDM相关规范并且不同信号接入的波 长也不能相同 • WDM系统采用开放式还是集成式可以根据实际需要决定，也可以混 合使用 • 随着器件性能不断提高，一些设备的光接口具备了定波长输出功能， 这样的光接口可以不经过OTU单元直接上合波单元
WDM系统传输模式 单纤单向：
O T U
O T U
• • •
单纤单向系统：一根光纤只传输一个方向光信号，另一个方向由另一根光纤 完成，实际应用时收发各有一套独立系统，又称双纤双向系统 优点：可以充分利用单根光纤带宽，增加波长时比较方便 实际应用中大多数系统都采用单纤单向方式
WDM系统传输模式 单纤双向：
CWDM和DWDM
• 根据波长间隔的不同，将波分系统分为稀疏波分系统CWDM和密集波分系 统DWDM
类别 波长间隔
CWDM 20nm/2500GHz
DWDM 100GHz/0.8nm、50GHz/0.4nm、 25GHz/0.2nm
C-偶数波：191.30THz-196.00THz C-奇数波：191.35THz-196.05THz C-偶数波扩展：191.325THz-196.025THz C-奇数波扩展：191.375THz-196.075THz L-偶数波：186.95THz-190.85THz L-奇数波：187.00THz-190.90THz
WDM系统组成
O OTU OTU …… OTU ESC • • • • M U / O A OSC OSC OSC OA O A / O D U OTU ESC OTU OTU ……
OTU：波长转换单元，将非标准波长转换为符合ITU-T规范的标准波长，应用 光/电/光转换进行调制，不同的业务信号有不同的OTU板一一对应 OMU/ODU：光合波/分波单元，用于将不同波长的光信号进行混合或分离， 其核心单元是无源器件，对经过的光信号有插入损耗 OA：光放大单元，可分为预放(PA)、线放(LA)、功放(BA)，用于不同场合 OSC：光监控信道，是为光信道监控设置的，有1510nm和1625nm两个波道， 速率是2Mbit/s，该信道接收灵敏度很高（-48dbm），不参与任何光放大过程； ESC是电监控信道，是靠OTU帧空闲字节来传递监控信息，不能反映光通道 的实际情况，是低成本应用下的一种监测方式
波分原理
传输技术发展史
数字传输 （全光网络OTN） 1600Gbit/s 320Gbit/s 80Gbit/s
数字传输 （波分复用WDM） 光缆传输 数字传输 （时分复用） SDH 电缆传输 数字传输
（时分复用）PDH
40Gbit/s 10Gbit/s 2.5Gbit/s 622Mbit/s 155Mbit/s 140Mbit/s 8448kbit/s 2048kbit/s 64kbit/s
载波传输 （频分复用） 实线传输 （音频电缆）
如何增加网络容量？
SDM空分复用 增加光纤数量 缺点：时间、 成本（线路、 设备）
如何增加网络容量？
TDM时分复用 PDH、SDH 缺点：升级影 响业务、速率 升级复杂、无 法达到更高速 率
SDM空分复用 增加光纤数量 缺点：时间、 成本（线路、 设备）
光纤的色散
功率 出现光功率叠加
传送L1km后
传送L2km后
时间 λ1 λ2 λ1 λ2 λ1 λ2
• 光纤的色散是指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不 同频率成分因群速度不同，在传播过程中互相散开，从而引起信号失 真的物理现象
光纤的色散
• 色散系数的定义：一般只针对单模光纤 来说，定义为每公里的光纤由于单位谱 色散系数 G.652光纤 G.655光纤 G.653光纤 宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性 17ps/nm·km 关系，单位是ps/nm·km 例如：G.652光纤传播2.5G信号时在 1550nm窗口的色散系数约为 波长 1310nm 1550nm 17ps/nm·km，若在此光纤上传播的波 分通道间隔为0.8nm，那么每传播1km 色散斜率补偿光纤(DSCF) 到达对端的两个波长时延差距为： 17ps/nm·km×1km ×0.8nm=13.6ps G.652光纤称1310性能最佳光纤，又称色散未移位光纤，是目前大规模应用的光纤 G.652 1310 G.653光纤称1550性能最佳光纤，又称色散位移光纤，这种光纤不仅在1550nm衰耗 最低，而且色散系数为零，使超高速超长距离光纤传输成为可能，但这种光纤存在 严重的多波混频现象，不能应用于WDM系统 G.654光纤称为截止波长移位光纤，这种光纤重点降低1550nm的衰减，零色散点仍 在1310nm附近，1550nm处色散系数较高，必须配用单纵模激光器才能消除色散的 影响，主要应用在需要很长再生段距离的海底光纤通信 G.655光纤成非零色散移位光纤，使1550nm附近存在一定色散，从而避免了多波混 频现象，非常适合DWDM系统使用 目前降低色散的主要措施是采用色散补偿模块来补偿光纤中色散的积累，色散补偿 模块的主要组成部分是DCF色散补偿光纤，这种光纤在1550nm处具有负的色散系数 DCF模块是无源损耗器件，存在一定的插入损耗
WDM的关键技术-光放大器
• 光纤放大器可分为掺稀土离子光放大器和非线性放大器，掺稀土离子放大器的工 作原理是受激辐射，非线性放大器是利用光纤的非线性效应放大光信号，目前实 用化的光纤放大器主要有掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼放大器(RFA) 光放大器的工作不需要光-电-光转换，可以描述为对任何比特率和任何格式的信号 都是透明的 根据光放大器在DWDM系统中的位置，可分为功率放大器(BA)、线路放大器(LA)、 前置放大器(PA) DCM模块一般加在预放和功放之间，有的光放板已经集成了预放和功放
波长范围
1271nm～ 1611nm
容量 激光器类型 价格 传输距离
18×5Gb/s=90Gb/s
非冷却激光器，波长不稳定
192×10Gb/s=1920Gb/s或
80×40Gb/s=320源自文库Gb/s
冷却激光器，波长稳定
低 不超过100km
高 可达5000km
CWDM和DWDM
• 相对于密集波分系统，稀疏波分系统在提供一定 数量的波长和100公里以内的传输距离的同时， 大大降低了系统成本，并具有非常强的灵活性。 因此稀疏波分系统主要应用于城域网中。CWDM 系统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，如大楼内或大楼间的通信。
WDM的关键技术
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光源技术 光放大器技术 光复用器和解复用器 监控技术
WDM的关键技术-光源 • WDM的光源是指波分侧的光源，一般是指OTU发往波分侧的光源 • WDM对光源的要求： 1、输出标准且稳定的波长 2、有较大的色散容限 关于色散容限的说明：假如某OTU单板色散容限为800ps/nm， 在G.652光纤中传输，该光纤色散系数为20ps/nm·km，那么该系统 色散受限距离L=800/20=40km，也就是说传输距离超过40km就必须 加色散补偿模块进行补偿，所以色散容限越大越好 • 光源的调制方式主要有直接调制、电吸收(EA)调制、马赫-策恩德尔 (M-Z)调制等，其中EA调制目前应用较为广泛
如何增加网络容量？
WDM波分复用 以不同波长承载不同信 号混合传输 成本：最大限度利用现 有光芯
TDM时分复用 PDH、SDH SDM空分复用 增加光纤数量 缺点：时间、 成本（线路、 设备） 缺点：升级影 响业务、速率 升级复杂、无 法达到更高速 率
性能：容量巨大，目前 1600Gbit/s技术已经广 泛应用 前景：技术成熟，升级 容易
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光纤的衰耗和色散 • 影响光信号在光纤中传输距离的主要因素是光纤的衰耗和色散 • 光纤衰耗与信号速率无关，只与光纤本身有关，而色散不仅与光纤本身 有关，还与信号速率有关，信号速率越高，色散越大 • 例如：某段光纤衰减常数为0.25dB/km，1550nm窗口2.5G信号色散系 数为17ps/nm·km，10G信号色散系数为35ps/nm； 一个2.5G系统在其中传播，发端光功率为0dBm，收端灵敏度为22dBm，2.5G光信号的色散系数为1800ps/nm，那么受衰耗限制的传输 距离是22dBm/0.25dB/km=88km，受色散限制的传输距离是 1800ps/nm/ 17ps/nm·km=106km，可以看出2.5G系统传输距离主要受 衰耗限制； 换成10G系统进行传输，收端灵敏度不变，那么衰耗限制仍为 88km，色散限制的传输距离变成1800ps/nm/ 35ps/nm·km=51km，可 以看出10G系统传输距离主要受色散限制
波长转换
光放站
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波分侧和客户侧划分标准：波长是否是标准波长
波分复用的概念
• 把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送，这种方 式叫做波分复用（Wavelength Division Multiplexing） • WDM技术是利用单模光纤的巨大带宽及低损耗的特性，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，WDM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， 使它的应用前景十分光明。
光纤的结构
n2 n1
纤芯 包层 护套
• 纤芯折射率n1>包层折射率n2，这是光信号在光纤中传输的必要条件 • 按照传输模式的数量多少，光纤分为单模光纤和多模光纤 • 单模光纤直径一般小于10µm • 多模光纤直径一般在50µm左右
光纤的衰耗
dB/km 5 4 3 2 1
850～900nm 多模传送用 O波段
S C L 波 波 波 E波段 段 段 段 U波段
900
1200 1300 1400
1500 1600
1700
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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 吸收损耗主要由制造光纤的材料本身决定，散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观 变化或成分浓度不均造成的局部折射率不均匀引起 在衰耗曲线的1400nm波段附近存在衰耗水峰现象，对于光传输系统来说该波段不可用 光纤衰耗的最低点在1550nm附近 ITU-T建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减常数应分别小于0.5dB/km和0.4dB/km
波分系统的波道划分 • 可利用的频率波段主要有C波段和L波段，现阶段WDM系统优先选择 C波段进行传输 • 光波频率从192.100THz至196.075THz称为C波段，在此波段范围内 每隔25GHz分为一个波道，共可划分160个波道 • 光波频率从191.300THz至192.075THz为扩展C波段，该波段范围内 每25GHz划分一个波段，可划分32个波道，这样整个C波段可利用的 波道是192个 • 光波频率从186.95THz至190.90THz为L波段，在此波段范围内每隔 50GHz分为一个波道，共可划分80个波道 • 绝对频率：DWDM中允许的通路频率是基于频率为193.1THz，通道 最小间隔为100GHz、50GHz或者25GHz的频率间隔系列，193.1THz 称为DWDM系统的绝对频率 • 波长与频率关系：C=λf，C是光速