波分基础知识培训
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2012/7/11
Security Level:
WDM光层配置基础
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Huawei Confidential
1
高速信号的调制，传输和接收技术
传输参数计算
影响波分系统的诸要素
波分复用系统
波分系统性能的优劣是 多个方面因素综合作用的结果
积累色散 λ1 λ2 Distance
匹配，存在正或负的残余色散，此外温度的
变化也会导致残余色散的产生。
SMF
DCF
λ3
短波长信道产生正的残余色散，长波长产生负的残余色散
自动色散补偿，用于提供残余色散容限，主要
有CFBG,ETALON和电域色散补偿，其中
CFBG（啁啾光纤光栅布拉格）的可调色散补偿 器早已是成熟商用化的产品。
0 Insertion Loss (dB) -10 -20 -30 -40
OSNR Penalty(dB)
SingleROADM 2 cascade 4 cascade 8 cascade 12 cascade 16 cascade
1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
光纤。将其直接接入普通单模光纤传输系统中，使整条光纤线路满足
WDM 系统对光纤色散的要求。（不同光纤采用对应的DCF进行补偿）
Other：相干网络色散容限很大，一般不需要考虑色散补偿。
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Page 17
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Page 10
非线性效应
40G每比特的周期只有10G信号的1/4，脉冲严重交迭，
需要考虑非线性效应。影响40G的主要的非线性效应有： SPM,XPM,FWM。
BER (log10, 1600km)
-1
色散
滤波代价
PMD
前向纠错 OTU
编码方式
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Page 13
2
传输参数计算
高速信号的调制，传输和接收技术
光放大器OA原理
OA
Input optical signal Amplified optical signal
OSNR最优
OA种类最少
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色散补偿
Why ：脉冲展宽将导致接收端信号脉冲消光比的下降，即“1”码与“0” 码的电平接近，造成接收机的误判。为避免误码出现，应采取措施补 偿光脉冲在光纤传输过程中引起的脉冲展宽，光纤脉冲的展宽程度随 着传输距离的增长而越来越严重。 Goal ：色散补偿实际上是根据OTU色散容限要求对网络进行色散补偿， 使最终的残余色散量在OTU色散容限要求范围内。 How：色散补偿光纤是一种具有较大负色散系数和负色散斜率的特殊
NRZ-DQPSK RZ-DQPSK
BER after 1600km vs. DQPSK Channel Power
(20x80km/22dB SSMF, -20km pre-, ~100% line-, 2xROADMs)
-2
eDQPSK eDQPSK, 100GHz
-3
SPM会产生频谱展宽，但可以和通过色散管理抑制，另
衰耗
色散
非线性
信噪比 DHD JGDJ DJ
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Page 3
传输媒质介绍和分类
色散系数 (ps/nm· km)
17
G.653 G.652 负色散 G.655
1310 正色散
G.655
1550
波长 （nm）
PMD补偿——PMDC
Source：Signals, Systems and Electronics, 2007. ISSSE '07.
现网中光信号的偏振态（SOP）不是静止的，而是变化的。 通常对于直埋光缆系统SOP变化速度的典型值为20 rad/s；对于架空光缆系统 其典型值为50 rad/s。 光信号SOP不断变化导致PMDC实际上无法商用，目前对网络PMD的解决方案是提升 编码技术，通过增大容限解决光纤PMD问题。
光放大器OA即无需光-电-光转换，能直接将光信号放大的器件 分为半导体光放大器和光纤放大器两种
光纤放大器已商用：掺铒光纤OA（EDFA）、拉曼光纤OA
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OA配置原则
满足光功率预算
经过光纤线路损耗和DCM/VOA的插损，接收端（OA、OTU）接收的信号光 功率应该在正常工作范围内 收端输入信号在接受范围内是基本前提 任一OA站点 OSNR=58+Pin-NF 降低NF，提升Pin（选小Gain的OA） 便于交付备货
OSNRdB 58 P in dB NF dB 10 log N
实际 OSNR OSNR容限 （非线性，色散，PDM代价）
OSNR预算
Tx
饱和发射功率（超过将引起非线性代价）。
Rx
接收机OSNR灵敏度（容限） 10^-3 BER (FEC) 相对10G接受降低6dB(4X)
距离
WSS Node Number
ODB eDQPSK DPSK
-50 -60 -50 -40 -35 -30 -10 0 10 30 35 Frequency Offset (GHz)
40
50
ODB码型经过8级WSS ROADM的代价小于0.4dB eDQPSK码型经过8级WSS ROADM的代价小于0.3dB DPSK码型每过1对Interleaver将引入0.6~0.7dB的代价
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Page 7
色散和残余色散补偿
采用DCF或CFBG可以补偿光纤的色散，但
不可能做到完全补偿到，存在残余色散。
40G允许的残余色散，如收端（－5km，5km），中间（－10km，10km）
DCF的色散斜率很难和传输光纤的斜率相
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Page 11
放大器噪声和OSNR
工程上定义光信噪比（OSNR）为信号光功率与信号波长附近指定的带宽内（通常0.1nm） 信号和噪声功率的比值 OSNR=Psig/P n 放大器提升信号功率的同时也附加了自发辐射噪声（ASE）,长距离传送多极放大器噪声 会积累，限制总的传送距离。 对于40G、100G高速传输系统，需要有OSNR的余量，应对色散，非线性，PMD,滤波效应 引起的OSNR代价，即级联放大器的OSNR> OSNR代价＋OSNR灵敏度
采用ADC色散补偿，自动定位到最佳色散补偿量，扩大了色散窗口
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Page 8
偏振模色散（PMD）和差分群时延(DGD)
光纤本身的非圆对称性导致两个正交偏振态 沿光纤传输而发生偏离，称为Polarization Mode Dispersion (偏振模色散)
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Page 4
光纤损耗
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。 衰减系数
5dB/km 4dB/km 3dB/km
2dB/km
1dB/km
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
-4
外两种非线性效应主要是信道内的 IXPM和IFWM,但二
者也可以通过均衡色散管理得到很好的抑制
-5
-6
-5Leabharlann -4-3-2-1
0
1
2
3
4
5
6
7
相位调制技术PSK，每比特码元能量均等（等包络），在
Launch Power (dBm /ch)
相同的平均功率下码元的峰值功率比OOK小3dB，受
XPM的影响很小，主要的XPM影响时混合传输时，10G对 40G通道的影响 混传代价： 10G脉冲延展远慢于40G，10G OOK信号幅 度变化， XPM扭曲了40G信号的相位，恶化了40G性能， 限制了传输距离。混传设计原则：40G信号优选远离10G 波长，其次是一侧与10G相邻。
光纤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。
光纤说明
G.652光纤：大量铺设，传高速信号需色散补偿； G.653光纤：1550nm波长区混频严重，不适合DWDM； G.655光纤： 1. 1550nm波长区具有最小色散和衰减，适合DWDM系统、高速信号传输； 2. TrueWave真波光纤(正色散区的SPM效应有利于传输)； LEAF-大有效面积光纤（克服非线性效应）；
40G的频谱宽度(如DPSK的频谱)超过50GHz的R/OADM通道带宽会产生滤波损伤 级联会使损伤加重，因为滤波器的中心频率存在一定偏差，多个滤波器级联会使通道带宽进一步变窄， 产生级联滤波代价。 40G eDQPSK 80波系统ROADM代价表
WSS个数 额外传输代价 1 0 2 0.1 3 0.3 4 0.4 5 0.5 6 0.5 7 0.5 8 0.5 9 0.5
T >T
差分群时延Differential Group Delay衡量两个正 交偏振态之间相位相差的大小，
工程上选用脉冲的1/10作为PMD的容限估算
2.5Gbps 40ps 10Gbps 10ps 40Gbps 2.5ps 100Gbps 1ps
PMD容限与信号速率成反比，用1dB 功率代价OSNRL 来定义 ，选择合适的码型可减弱PMD的影响，如 CSRZ,DPSK和eDQPSK在1dB OSNR代价下，DGD分别为 3.5,3.5和6ps
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Page 5
Attenuation (dB/km)
什么是色散
棱镜中
red
orange
yellow
White light
green cyan blue purple
光纤的色散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。 形象的说，就是光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽展宽（变粗）。
1dB/2dB OSNR代价下，DGD分别为6ps/8ps 40G DQPSK网络能够容忍的最大DGD值为13.2ps
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Page 9
级联滤波代价
40G LC WSS ROADM Cascading Penalty（WSD9＋WSM9）
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Page 12
基本概念汇总
信噪比 光 层 设 计 指 标
信号光功率与信号波长附近指定的带宽内(通常0.1nm)信号和噪声 功率的比值。
经过长距传输，信号中的各个频率分量到达接收端的时延不同，导 致信号产生符号间干扰，色散的影响是随信号速率的平方成反比。 因为滤波器的中心频率存在一定偏差，多个滤波器级联会使通道带 宽进一步变窄，产生级联滤波代价。 光纤本身的非圆对称性导致两个正交偏振态沿光纤传输而发生偏离， PMD容限与信号速率成反比，用1dB 功率代价OSNR来定义 。 Forward error correction（FEC）可以检测误码和纠正误码，可以使 中等误码率改善成较低误码率，改善的成效取决于噪声的特性和所 采用的FEC技术。 将传送码流转换成便于光纤中输接收和检测的线路码型 。 10G：NRZ、RZ ;40G:ODB、DQPSK传、DPSK、PDM－BPSK;100G： PDM－QPSK
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色散的分类
材料色散 色度色散 波导色散 偏振模色散 模间色散
单模光纤色散
多模光纤色散
1）材料色散：由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化，使得光纤中不同频率 的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。 2）波导色散（结构色散）：光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号， 因为不同的传播群速度而引起的色散。 以上两种色散都与波长（频率）有关，称为色度色散。
Security Level:
WDM光层配置基础
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1
高速信号的调制，传输和接收技术
传输参数计算
影响波分系统的诸要素
波分复用系统
波分系统性能的优劣是 多个方面因素综合作用的结果
积累色散 λ1 λ2 Distance
匹配，存在正或负的残余色散，此外温度的
变化也会导致残余色散的产生。
SMF
DCF
λ3
短波长信道产生正的残余色散，长波长产生负的残余色散
自动色散补偿，用于提供残余色散容限，主要
有CFBG,ETALON和电域色散补偿，其中
CFBG（啁啾光纤光栅布拉格）的可调色散补偿 器早已是成熟商用化的产品。
0 Insertion Loss (dB) -10 -20 -30 -40
OSNR Penalty(dB)
SingleROADM 2 cascade 4 cascade 8 cascade 12 cascade 16 cascade
1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
光纤。将其直接接入普通单模光纤传输系统中，使整条光纤线路满足
WDM 系统对光纤色散的要求。（不同光纤采用对应的DCF进行补偿）
Other：相干网络色散容限很大，一般不需要考虑色散补偿。
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非线性效应
40G每比特的周期只有10G信号的1/4，脉冲严重交迭，
需要考虑非线性效应。影响40G的主要的非线性效应有： SPM,XPM,FWM。
BER (log10, 1600km)
-1
色散
滤波代价
PMD
前向纠错 OTU
编码方式
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2
传输参数计算
高速信号的调制，传输和接收技术
光放大器OA原理
OA
Input optical signal Amplified optical signal
OSNR最优
OA种类最少
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色散补偿
Why ：脉冲展宽将导致接收端信号脉冲消光比的下降，即“1”码与“0” 码的电平接近，造成接收机的误判。为避免误码出现，应采取措施补 偿光脉冲在光纤传输过程中引起的脉冲展宽，光纤脉冲的展宽程度随 着传输距离的增长而越来越严重。 Goal ：色散补偿实际上是根据OTU色散容限要求对网络进行色散补偿， 使最终的残余色散量在OTU色散容限要求范围内。 How：色散补偿光纤是一种具有较大负色散系数和负色散斜率的特殊
NRZ-DQPSK RZ-DQPSK
BER after 1600km vs. DQPSK Channel Power
(20x80km/22dB SSMF, -20km pre-, ~100% line-, 2xROADMs)
-2
eDQPSK eDQPSK, 100GHz
-3
SPM会产生频谱展宽，但可以和通过色散管理抑制，另
衰耗
色散
非线性
信噪比 DHD JGDJ DJ
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传输媒质介绍和分类
色散系数 (ps/nm· km)
17
G.653 G.652 负色散 G.655
1310 正色散
G.655
1550
波长 （nm）
PMD补偿——PMDC
Source：Signals, Systems and Electronics, 2007. ISSSE '07.
现网中光信号的偏振态（SOP）不是静止的，而是变化的。 通常对于直埋光缆系统SOP变化速度的典型值为20 rad/s；对于架空光缆系统 其典型值为50 rad/s。 光信号SOP不断变化导致PMDC实际上无法商用，目前对网络PMD的解决方案是提升 编码技术，通过增大容限解决光纤PMD问题。
光放大器OA即无需光-电-光转换，能直接将光信号放大的器件 分为半导体光放大器和光纤放大器两种
光纤放大器已商用：掺铒光纤OA（EDFA）、拉曼光纤OA
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
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OA配置原则
满足光功率预算
经过光纤线路损耗和DCM/VOA的插损，接收端（OA、OTU）接收的信号光 功率应该在正常工作范围内 收端输入信号在接受范围内是基本前提 任一OA站点 OSNR=58+Pin-NF 降低NF，提升Pin（选小Gain的OA） 便于交付备货
OSNRdB 58 P in dB NF dB 10 log N
实际 OSNR OSNR容限 （非线性，色散，PDM代价）
OSNR预算
Tx
饱和发射功率（超过将引起非线性代价）。
Rx
接收机OSNR灵敏度（容限） 10^-3 BER (FEC) 相对10G接受降低6dB(4X)
距离
WSS Node Number
ODB eDQPSK DPSK
-50 -60 -50 -40 -35 -30 -10 0 10 30 35 Frequency Offset (GHz)
40
50
ODB码型经过8级WSS ROADM的代价小于0.4dB eDQPSK码型经过8级WSS ROADM的代价小于0.3dB DPSK码型每过1对Interleaver将引入0.6~0.7dB的代价
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色散和残余色散补偿
采用DCF或CFBG可以补偿光纤的色散，但
不可能做到完全补偿到，存在残余色散。
40G允许的残余色散，如收端（－5km，5km），中间（－10km，10km）
DCF的色散斜率很难和传输光纤的斜率相
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放大器噪声和OSNR
工程上定义光信噪比（OSNR）为信号光功率与信号波长附近指定的带宽内（通常0.1nm） 信号和噪声功率的比值 OSNR=Psig/P n 放大器提升信号功率的同时也附加了自发辐射噪声（ASE）,长距离传送多极放大器噪声 会积累，限制总的传送距离。 对于40G、100G高速传输系统，需要有OSNR的余量，应对色散，非线性，PMD,滤波效应 引起的OSNR代价，即级联放大器的OSNR> OSNR代价＋OSNR灵敏度
采用ADC色散补偿，自动定位到最佳色散补偿量，扩大了色散窗口
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Page 8
偏振模色散（PMD）和差分群时延(DGD)
光纤本身的非圆对称性导致两个正交偏振态 沿光纤传输而发生偏离，称为Polarization Mode Dispersion (偏振模色散)
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Page 4
光纤损耗
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。 衰减系数
5dB/km 4dB/km 3dB/km
2dB/km
1dB/km
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
-4
外两种非线性效应主要是信道内的 IXPM和IFWM,但二
者也可以通过均衡色散管理得到很好的抑制
-5
-6
-5Leabharlann -4-3-2-1
0
1
2
3
4
5
6
7
相位调制技术PSK，每比特码元能量均等（等包络），在
Launch Power (dBm /ch)
相同的平均功率下码元的峰值功率比OOK小3dB，受
XPM的影响很小，主要的XPM影响时混合传输时，10G对 40G通道的影响 混传代价： 10G脉冲延展远慢于40G，10G OOK信号幅 度变化， XPM扭曲了40G信号的相位，恶化了40G性能， 限制了传输距离。混传设计原则：40G信号优选远离10G 波长，其次是一侧与10G相邻。
光纤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。
光纤说明
G.652光纤：大量铺设，传高速信号需色散补偿； G.653光纤：1550nm波长区混频严重，不适合DWDM； G.655光纤： 1. 1550nm波长区具有最小色散和衰减，适合DWDM系统、高速信号传输； 2. TrueWave真波光纤(正色散区的SPM效应有利于传输)； LEAF-大有效面积光纤（克服非线性效应）；
40G的频谱宽度(如DPSK的频谱)超过50GHz的R/OADM通道带宽会产生滤波损伤 级联会使损伤加重，因为滤波器的中心频率存在一定偏差，多个滤波器级联会使通道带宽进一步变窄， 产生级联滤波代价。 40G eDQPSK 80波系统ROADM代价表
WSS个数 额外传输代价 1 0 2 0.1 3 0.3 4 0.4 5 0.5 6 0.5 7 0.5 8 0.5 9 0.5
T >T
差分群时延Differential Group Delay衡量两个正 交偏振态之间相位相差的大小，
工程上选用脉冲的1/10作为PMD的容限估算
2.5Gbps 40ps 10Gbps 10ps 40Gbps 2.5ps 100Gbps 1ps
PMD容限与信号速率成反比，用1dB 功率代价OSNRL 来定义 ，选择合适的码型可减弱PMD的影响，如 CSRZ,DPSK和eDQPSK在1dB OSNR代价下，DGD分别为 3.5,3.5和6ps
Huawei Confidential
Page 5
Attenuation (dB/km)
什么是色散
棱镜中
red
orange
yellow
White light
green cyan blue purple
光纤的色散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。 形象的说，就是光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽展宽（变粗）。
1dB/2dB OSNR代价下，DGD分别为6ps/8ps 40G DQPSK网络能够容忍的最大DGD值为13.2ps
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Page 9
级联滤波代价
40G LC WSS ROADM Cascading Penalty（WSD9＋WSM9）
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基本概念汇总
信噪比 光 层 设 计 指 标
信号光功率与信号波长附近指定的带宽内(通常0.1nm)信号和噪声 功率的比值。
经过长距传输，信号中的各个频率分量到达接收端的时延不同，导 致信号产生符号间干扰，色散的影响是随信号速率的平方成反比。 因为滤波器的中心频率存在一定偏差，多个滤波器级联会使通道带 宽进一步变窄，产生级联滤波代价。 光纤本身的非圆对称性导致两个正交偏振态沿光纤传输而发生偏离， PMD容限与信号速率成反比，用1dB 功率代价OSNR来定义 。 Forward error correction（FEC）可以检测误码和纠正误码，可以使 中等误码率改善成较低误码率，改善的成效取决于噪声的特性和所 采用的FEC技术。 将传送码流转换成便于光纤中输接收和检测的线路码型 。 10G：NRZ、RZ ;40G:ODB、DQPSK传、DPSK、PDM－BPSK;100G： PDM－QPSK
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色散的分类
材料色散 色度色散 波导色散 偏振模色散 模间色散
单模光纤色散
多模光纤色散
1）材料色散：由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化，使得光纤中不同频率 的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。 2）波导色散（结构色散）：光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号， 因为不同的传播群速度而引起的色散。 以上两种色散都与波长（频率）有关，称为色度色散。