第八章 光复用技术 教学文案

8.1 光复用技术的基本概念 7-1
8.2 光时分复用技术
7
8.3 密集波分复用技术
20-3
8.4 DWDM的非线性串扰 11
8.1 光复用技术的基本概念
光纤通信经过30多年的发展，单信道实用化系 统的传输速率从1976年的45Mbit/s发展到了10Gbit/s， 线路的利用率得到了很大提高，但与光纤巨大的带宽 潜力相比这点带宽仍属微不足道
光接收机主要包括光前置放大器和分波器，光 前置放大器放大经传输而衰减的主信道光信号，分 波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号送往 各终端设备。接收机不但要满足一般接收机对光信 号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受有 一定光噪声的信号，要有足够的电带宽
光监控信道的主要功能是监控系统内各信道的 传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为 λs=1510nm的光监控信号，与主信道的光信号合波 输出；在接收端，将接收到的光信号分离，分别输 出业务信道光信号和λs波长的光监控信号。帧同步 字节、公务字节和网管所用的开销字节等都通过光 监控信道来传送。
并行调制时分复用 串行调制时分复用
8.2.2 分组交错光时分复用
分组交错光时分复用和比特交错光时分复 用一样，首先由锁模激光器产生窄脉冲周期序 列，然后将窄脉冲周期序列分路为n路，每路 窄脉冲周期序列分别被一个支路数据流的电信 号外调制。与比特交错不同的是：调制后的数 据流需经多级压缩，减少脉冲间的间隔以便将 若干路脉冲合路成一个压缩信息包分组
(4) 可扩展性好，加入新节点不会影响原有 设备， WDM技术具有高度的组网灵活性、如 长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。 还可以利用WDM技术选择路由，实现网络交换 和故障恢复，从而实现未来的透明、 灵活、经 济且具有高度生存性的全光网络
(5) 可降低对器件的超高速要求：随着传输 速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已 明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在 性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输
对于分组交错复用码的解复用，一种 实用的方法是采用并行与门堆，使用低速 的控制脉冲依次打开各个并行的与门，将 输入的高速串行的复用数据流变换为低速 的并行数据流，见152页解复用原理图8.8
8.3 密集波分复用技术
如前所述，光波分复用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。由于目前光 器件与技术还不十分成熟，要实现光信道波长间隔小 于0.1nm的十分密集的光频分复用OFDM还较为困难。 人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为密 集波分复 DWDM：Dense WDM。由于参铒光纤放大 器EDFA的增益局限于1530~1600nm，目前DWDM是 在1550nm窗口实现8，16或更多个波长的复用，各个 波 长 之 间 的 间 隔 为 1.6nm 、 0.8nm 或 更 低 ， 约 对 应 于 200GHz，100GHz或更窄的带宽
2.
重点2
光波分复用器是WDM技术中的关键部件，这种 器件是双向可逆的，将复用器的输出和输入端反过来 使用就是解复用器。同一光波分复用器既可作合波器， 又可作分波器，具有方向的可逆性，因此可以同一根 光纤上实现双向传输，全双工通信
3.
考虑到各波长之间的影响最小和各个厂家的设 备能互通工作，WDM使用的激光器发出的光的中心 波长、波长间隔、中心频率偏移等均有严格的规定， 必需符合ITU-T G.692建议，见140页表8.1，
密 光放大器来克服衰耗。解决色散的办法是使用色散
集成式波分复用系统是指光同步传送网SDH的 终端具有满足G.692建议的光接口，标准的光波长， 满足长距离传输的光源，这些标准都是SDH系统本身 所不要求的，即把标准的光波长和满足长距离传输的 光源集成在SDH系统中，使整个系统的构造比较简单
4.
重点3
开放式系统是在波分复用器前加入波长转 换器OTU，将SDH非规范的波长转换为标准波 长 ， 使 不 同 厂 家 的 SDH 系 统 可 以 工 作 在 同 一 WDM系统中
为了进一步提高光纤带宽利用率，相邻两光载 波的间隔将越来越小，当相邻光载波的间隔小到 0.1nm(10GHz)以下时，用波长来衡量其间隔已很不方 便，所以对于波长间隔小于0.1nm的复用一般称为光 频分复用OFDM
重点1 传统复用技术将带宽，时隙等固定地分配 给各个请求连接的终端，不论该终端是否进行通信， 一直占用所分配的带宽或时隙，直到该终端被拆除， 称为静态复用或同步复用
波分复用技术的应用：
WDM技术对网络升级、发展宽带业务， 如CATV，HDTV和 IP over WDM等、充分挖 掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有 十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是 对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，掺 铒光纤放大器EDFA+密集波分复用WDM+非 零色散光纤NZDSF，即G.655光纤+光子集成 PIC正成为国际上长途高速光纤通信线路的主 要技术方向
压缩的原理由耦合器和两个半导体放大器实现； 耦合器用于合路，将调制后的两路光脉冲合并为一路； 两个半导体放大器SOA具有高电平驱动时透光，低电 平驱动时吸光的特性，它们的驱动时钟相位相差 180°，放大器的作用一是对分路损耗进行补偿，二 是在互补的两路时钟驱动下轮流透光，透光的高电平 的宽度取决于每组的比特数，从而实现光脉冲分组的 轮流输出，使一组通过延迟线，另一组则不通过延迟 线；延迟线的作用是将比特组延迟一定的时间
波分复用技术主要特点：
(1) 充分利用光纤的巨大带宽潜力，光纤有很宽 的低损耗波段，WDM技术使一根光纤的传输容量比单 波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而降低成 本，具有很大的应用价值和经济价值
(2) 节省线路投资：采用WDM技术可使N个波长 复用起来在单根光纤中传输，也可 使 用 单 根 光 纤 双 向 传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外， 对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功 率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的 改动
(3)同时传输多种不同类型的信号： WDM 通道对传输码率、数据格式及调制方式均具有 透明性，可同时提供多种协议的业务，不受限 制地提供端到端业务
由于WDM技术使用的各波长的信道相互独 立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号， 完成各种电信业务信号的综合传输，如PDH准 同步数字系列信号和SDH同步数字系列信号， 数字信号和模拟信号，音频、视频、数据等多 种业务的混合传输
光时分复用OTDM的原理与电时分复用相同，
8 只是在光域中进行，把各个支路光信号变换成高速
.
2 率、窄超短脉冲信号，然后插入到复用信道已分配
好的时隙中。即将高速的10Gbit/s，甚至40Gbit/s支
光 路数据流直接复用进光域，产生极高比特率的合成
时 分
光数据流。根据每个支路每次复用的比特数的不同，
8.3.1 WDM
WDM系统从不同的角度可以分为不 同的类型，常见的分类方法有：按传输方 向分，可以分为双纤单向波分复用系统和 单纤双向波分复用系统；按光接口类型分， 可以分为集成式波分复用系统和开放式波 分复用系统
1.
单向DWM是指所有光路同时在一根光纤 上沿同一方向传送，双纤单向WDM传输如下 图所示
复用技术是为了进一步提高通信线路的利用率， 在同一线路上互不干扰地同时传输多路信号，当前正 在使用和研究的光纤复用技术主要包括：光波分复用、 光时分复用、光副载波复用和光码分复用
光波分复用(Wavelength Division Multiplexing， WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的 一项技术。即在发送端将不同波长的光信号组合起来， 耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收 端将不同波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复 出原信号后送入不同的终端
本 择具有一定色度色散容限的发射机
结
构
光发射机主要由光转发器，合波器，光功率
与 放大器BA组成，首先由光转发器将来自各个终端的
工 作 原
非特定波长的光信号，转换成标准的光波长和满足 长距离传输要求的光信号；再由合波器合成多路光
理
光中继放大部分的核心是掺铒光纤放大器EDFA， 经过一定距离传输后，由EDFA对光信号进行在线放 大 。 在 WDM 系 统 中 ， 还 须 采 用 增 益 平 坦 技 术 ， 使 得 EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。 还要保证多信道同时工作时，光信道的增益竞争不 影响传输性能
复 光时分复用可分为比特交错和分组交错两种，比特
用 交错每个时隙对应支路的一个比特，主要用于电路
技 交换。分组交错每个时隙对应支路的一个分组，主
术 要用于分组交换业务，可以和IP技术相结合，具有
更广阔的前景
8.2.1 比特交错光时分复用
比特交错光时分复用时，首先由锁模激光 器产生窄脉冲周期序列，然后将窄脉冲周期序 列分路为n路，每路窄脉冲周期序列分别被一个 支路数据流(电信号)外调制，对已调制过的第i 支路光数据流(i=1，2，…n)脉冲通过适当长度 的硅光纤延时i×τ(光在硅光纤中传播速度约为 2×108m/s，1km的光纤提供约5μs的时延)，这 样，不同支路光脉冲流延迟时间不同，在时间 上复用不会重叠，便于数据流的复接
网络管理系统通过光监控信道对WDM系统实现 配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能， 并与上层管Baidu Nhomakorabea系统相连
图8-14 WDM系统总体结构图，主要由光发射机、 光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统 五部分组成
.
8
限制单信道光纤通信的主要因素是衰耗和色散。
4 通过采用高输出功率的激光器，高灵敏度的接收器，
第八章 光复用技术 46
随着信息社会的发展，对通信的需求呈现 加速增长趋势。发展迅速的各种新型业务，特 别是高速数据和视频业务不断对通信网的带宽 提出更高的要求。为了适应光纤通信系统传输 容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的 要求，产生了各种光复用技术，本章介绍光复 用技术的基本概念，和两种主要的光复用技术： 光时分复用和光波分复用
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为 WDM传输，就可以在WDM的交叉结点处设置以波 长为单位对光信号进行交叉连接设备OXC，或进行 光上下链路的光分插复用器OADM，在光纤链路物 理层上面会形成一个新的光层，在这个新的光层中 可以实现路由选择，相邻光纤链路中的波长通道可 以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光 通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可 以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前 引人注目的、 新一代的WDM全光网络
另一类崭新的动态复用技术是统计复用，全称 为 统 计 时 分 多 路 复 用 Statistical Time Division Multiplexing STDM，或异步时分多路复用。主要特 点是动态地，按需分配公共信道中的时隙，这样使所 有的时隙都能得到充分利用，从而更有效地提高了线 路的利用率，统计表明统计复用比静态的时分复用可 提高传输效率2~4倍，广泛地用于数据通信
1.3μm和1.55μm两低损耗传输窗口，EDFA增益 局限及DWDM通路
光纤的带宽很宽，用λ和Δλ分别表示低损耗传 输窗口的中心波长和相应的窗口宽度，根据带宽与 波长的对应关系：
Δf =Δλ * c /λ
波长为1.31μm的窗口，宽度为1.25～1.35μm， 相应的带宽为17700GHz；波长为1.55μm的窗口，宽 度为1.50～1.60μm，相应的带宽为12500GHz。两个 窗口合在一起，总带宽超过30THz。如果信道频率间 隔 为 10GHz ， 在 理 想 情 况 下 ， 一 根 光 纤 可 以 容 纳 3000个信道，光密集波分复用技术因此大有用武之 地
8
实际的WDM系统主要由光发射机、光中继放大、
. . WDM
3
光接收机、光监控信道和网络管理系统共五部分组 成
2
光发射机位于WDM系统的发送端，是WDM系统
的核心，除了对系统中发射激光器的中心波长有特
系 统 基
殊的要求外，还需要根据WDM系统的不同应用，特 别是传输光纤的类型和无电中继传输的距离，来选