光纖通信系統2本章要點本章主要介紹以波分復用（WDM）為代表的多信道光纖通信系統及其關鍵技術，以及光時分復用（OTDM）技術原理。本章教學課時為4學時。38.1波分復用原理提高光纖通信系統的容量的方法包括時分復用（TDM）、波分復用（WDM）、空分復用（SDM）、模分復用（MDM）和極化復用（PDM）等

最常見的TDM方法的主要缺點是當電信號的傳輸速率達到較高等級（如10Gbit/s或更高時），對于光器件（如激光器和調制器）的開關速率等性能要求較高，實現難度較大，同時光纖中的色散和非線性等也限制了調制信號的速率。波分復用（WDM）為代表的多信道光纖通信系統成為實現大容量傳輸的主要技術方案之一。48.1.1WDM系統基本概念光波分復用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術是在一根光纖上能同時傳送多波長光信號的一項技術。它是在發送端將不同波長的光信號組合起來（復用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用）并作進一步處理，恢復出原信號送入不同的終端。因此，此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用（WDM）技術。5圖8-1單模光纖的帶寬資源6單模光纖的帶寬資源由圖8-1可見，1310nm波長段和1550nm波長段一共約有200nm低損耗區可用，這相當于30THz的頻帶寬度。但在目前的實際光纖通信系統中由于光纖色散和調制速率的限制，單信道TDM系統的通信速率一般被限制在10~40Gbit/s或以下，所以單模光纖尚有絕大部分的帶寬資源有待開發。7CWDM與DWDM根據WDM系統中不同信道之間的波長或頻率間隔，可以分為信道間隔較大、復用信道數較小的稀疏波分復用（CWDM）系統和密集波分復用（DWDM）。CWDM系統的信道間隔一般為20nm，而DWDM系統信道間隔可以為1.6nm、0.8nm或更低。8WDM技術的特點（1）可以充分利用光纖巨大的帶寬資源。（2）對不同的信號具有很好的兼容性。（3）節約投資。（4）降低光電器件的要求。（5）可以靈活組網。98.1.2WDM系統的應用形式雙纖單向傳輸單纖雙向傳輸光分路插入傳輸10圖8-2雙纖單向傳輸WDM系統11圖8-3單纖雙向傳輸WDM系統12光發射機光分插復用器OADM光分插復用器OADM光接收機光接收機光發射機光纖光纖光纖圖8-4光分路插入傳輸WDM系統138.2.1WDM系統的基本結構WDM系統主要由光發送機、光中繼放大、光接收機、光監控信道和網絡管理系統等部分組成。8.2WDM系統結構及分類14光合波器光轉發器11光轉發器2nBA光監控信道發送器光發送機λ1λn光纖光接收機λs光分波器光接收1lnPA光接收2λ1λn光纖光監控信道接收器λsLA光監控信道接收/發送器λsλs光中繼放大網絡管理系統圖8-5WDM系統總體結構示意圖（單向）158.2.2WDM系統分類方法根據WDM線路系統中是否設置有EDFA，可以將WDM線路系統分為有線路光放大器WDM系統和無線路光放大器WDM系統。16*圖中給出的各參考點釋義見表8-1圖8-6有線路光放大器WDM系統的參考配置17有線路光放大器WDM系統的分類與應用代碼

應用代碼一般采用以下方式構成：nWx-y·z，其中n是最大波長數目W代表傳輸區段（W＝L，V或U分別代表長距離、很長距離和超長距離）x表示所允許的最大區段數（x＞1）y是該波長信號的最大比特率（y＝4或16分別代表STM-4或STM-16）z代表光纖類型（z＝2，3，5分別代表G.652，G.653或G.655光纖）18表8-2有線路放大器WDM系統的應用代碼應用長距離區段（每個區段的目標距離為80km）很長距離區段（每個區段的目標距離為120km）區段數58354波長4L5-y·z4L8-y·z4V3-y·z4V5-y·z8波長8L5-y·z4L8-y·z8V3-y·z8V5-y·z16波長16L5-y·z16L8-y·z16V3-y·z16V5-y·z19圖8-7無線路光放大器WDM系統的參考配置*圖中給出的各參考點釋義見表8-3208.2.3WDM系統波長規劃為了保證不同WDM系統之間的橫向兼容性，必須對各個波長通路的中心頻率（中心波長）進行標準化。ITU-T已經制訂了兩個針對WDM系統的建議——G.694.1和G.694.2，分別對應于DWDM和CWDM系統。

G.694.1標準主要針對的是光纖中最常用的C波段（1530~1560nm）和L波段（1560~1625nm）。21G.694.1波長規劃

規定DWDM系統中應以193.1THz為參考中心頻率（對應的參考中心波長為1552.52nm），不同信道間的間隔可以為12.5GHz、25GHz、50GHz、100GHz或其整數倍，總的可用范圍為184.5THz（1624.89nm）至195.937THz（1530.04nm）。若相鄰波長通路間隔為12.5GHz，可容納約915個波長；若相鄰波長通路間隔為25GHz，可容納約457個波長；若相鄰波長通路間隔為50GHz，可容納約228個波長；若相鄰波長通路間隔為100GHz，可容納約114個波長。WDM波長規劃原則

除了考慮需要滿足的系統總容量（復用的波長總數）外，還要考慮以下因素：（1）避開傳輸光纖的零色散區域以減小和消除四波混頻（FWM）效應的影響；（2）選取的波長應盡可能處于光放大器的增益平坦區域，以避免在實際應用時由于多個光放大器級聯造成的不同波長通路間輸出功率不同的情況。22231.中心頻率規劃

考慮到光纖損耗系數較低和光放大器增益較為平坦的都集中在C波段（1530~1565nm），因此16波長的WDM系統一般選取C波段設置波長，而對于32波長或更多復用波長的DWDM系統而言，可以把總的工作波長分為兩組（稱為紅帶和藍帶），分別進行光放大和前向糾錯等方法，使得系統的總體性能（如端到端的光信噪比）獲得優化。24表8-432通路DWDM系統中心頻率序號標稱中心頻率（THz）標稱中心波長（nm）1192.101560.612192.201559.793192.301558.98………………30195.001537.4031195.101536.6132195.201535.8225表8-5CWDM系統標稱中心波長標稱中心波長（nm）127112911331……135113711391……157115911611262.中心頻率偏差中心頻率偏差定義為標稱中心頻率與實際中心頻率之差，影響其大小的主要因素包括光源啁啾、信號帶寬、自相位調制（SPM）效應引起的脈沖展寬、以及溫度和老化等。。對于16通路WDM系統，通道間隔為100GHz（約0.8nm），最大中心頻率偏移為±20GHz（約為0.16nm）；對于8通路WDM系統，通道間隔為200GHz（約為1.6nm）。為了未來向16通道系統升級，也規定對應的最大中心頻率偏差為±20GHz。278.3WDM系統關鍵技術

由于同時有多個不同波長通路在一根光纖中同時傳輸，因此對于WDM系統而言會存在一些單信道光纖通信系統中沒有的問題，包括：（1）光源的波長準確度和穩定度（2）信道串擾（3）色散（4）非線性效應（5）光放大器引入的傳輸損傷281.光源的波長準確度和穩定度問題

在WDM系統中，首先要求光源具有較高的波長準確度，否則可能會引起不同波長信號之間的干擾。再有就是必須對光源的波長進行精確的設定和控制，否則波長的漂移必然會造成系統無法穩定、可靠地工作。所以要求在WDM系統中要有配套的波長監測

與穩定技術。

目前采用的主要方法有溫度反饋控制法和波長反饋控制法來達到控制與穩定波長的目的。29光信道的串擾問題光信道的串擾是影響接收機的靈敏度的重要因素。信道間的串擾大小主要取決于光纖的非線性和復用器的濾波特性。在信道間隔為1.6nm或0.8nm的情況下，目前使用的光解復用器在系統中可以保證光信道間的隔離度大于25dB，可以滿足WDM系統的要求，但對更高速率的系統尚待研究。30光纖色散對傳輸的影響問題WDM系統中普遍使用了光放大器，光纖線路的損耗得以有效解決，但隨著總傳輸距離不斷延長，色散累計值也會隨之增加，系統成為色散性能受限系統。對于WDM系統中單個信道速率達到10Gb/s乃至40Gb/s以上時，需要采取色散補償措施。

由于光纖的色散系數與波長有關，因此對于WDM系統中的不同波長需要采取差異化或自適應的色散補償措施，即針對光纖的色散斜率進行補償。

此外，還要考慮偏振模色散（PMD）和高階色散等對系統性能的影響。31光纖的非線性效應問題對于常規的單信道光纖通信系統來說，入纖光功率較小，光纖呈線性狀態傳輸，各種非線性效應對系統的影響較小，甚至可以忽略。但在WDM系統中，隨著EDFA等放大器的使用，入纖的光功率顯著增大，光纖在一定條件下將呈現非線性特性，會對系統的性能，包括信道間串擾和接收機靈敏度等產生影響。32光放大器引入的傳輸損傷在WDM系統中，各光信道之間的信號傳輸功率有可能發生起伏變化，這就要求EDFA能夠根據信號的變化，實時地動態調整自身的工作狀態，從而減少信號波動的影響，保證整個信道的穩定。在WDM系統中，如果有一個或幾個信道的輸入光功率發生變化甚至輸入中斷時，剩下的信道增益即輸出功率會產生躍變，甚至會引起線路阻塞。所以EDFA必須具有增益鎖定功能來避免某些信道完全斷路時對其他信道的影響。338.3.1光源技術對WDM系統采用的光源技術主要有：波長可調諧激光器波長可調諧濾波器高精度光源外調制技術348.3.2波分復用器/解復用器光波分復用/解復用器（WDM/DWDM）是波分復用系統的關鍵器件。其功能是將多個波長不同的光信號復合后送入同一根光纖中傳送（波分復用器）或將在一根光纖中傳送的多個不同波長的光信號分解后送入不同的接收機（解復用器）。波分復用器和解復用器也分別被稱為合波器和分波器，是一種與波長有關的光纖耦合器。光波分復用器/解復用器性能的優劣對于WDM系統的傳輸質量有決定性的影響。35WDM/DWDM器的結構原理根據制造的特點，WDM器件大致有熔錐光纖型、干涉濾波器型和光柵型等幾種類型。熔錐光纖型

干涉濾波器型

光柵型

集成光波導型

熔錐光纖型3637薄膜濾波器自聚焦透鏡自聚焦透鏡1×N分路器介質薄膜干涉濾波器型38準直透鏡光柵光纖光纖光柵自聚焦透鏡(a)用傳統透鏡作準直器件(b)用自聚焦透鏡作準直器件光柵型39集成光波導型40WDM/DWDM器件性能插入損耗隔離度回波損耗工作波長范圍通路帶寬418.3.3光轉發器（OTU）

根據光接口的兼容性可以分成開放式和集成式兩種系統結構。集成式系統要求接入光接口滿足DWDM光接口標準（即ITU-TG.692波長標準），開放式系統在波分復用器前加入了波長轉換器（OTU），將SDH光接口（即ITU-TG.957）轉換成符合ITU-TG.692規定的接口標準。OTU的基本功能是完成G.957到G.692的波長轉換功能，使得包括SDH在內的各類不具備WDM標準波長的光纖通信系統能夠接入WDM系統，另外，OTU還可以根據需要增加定時再生的功能。圖8-13OTU應用示例42SDH系統DWDM系統O/EE/O定時再生G．957G．692OTU43OTU應用場合44圖8-17基于XGM原理OTU示意圖458.3.4光纖傳輸技術

WDM系統中的光纖傳輸技術與一般的光纖通信系統相比，由于存在傳輸速率高和信道數量多等特點，因此存在著一些特殊的要求，包括光纖選型、色散補償技術和色散均衡技術等。461.光纖選型

在使用1550nm波長段的光纖通信系統中，對單波長、長距離的通信采用G.653光纖（DSF光纖）具有很大的優越性。但當G.653光纖用于WDM系統中時，可能在零色散波長區出現嚴重的非線性效應，其中四波混頻FWM對系統的影響尤為明顯。FWM效應產生的大量寄生波長或感生波長與初始的某個傳輸波長一致，造成嚴重的干擾。如在已有的G.653光纖線路上開通WDM系統，一般可以采用非等間隔布置波長和增大波長間隔等方法。但總的來看，G.653光纖不適合于高速率、大容量、多波長的WDM系統。47WDM系統中不能使用G.653光纖原因：

四波混頻效應原理示意f12f331f221f332f223f13f321f231f312f132f213f123f3f2f1頻率信道1信道3信道2fFWM=f1±f2±f3由于四波混頻（FWM）效應，多個波長會激發出新的感生波長，對原有信道產生影響和干擾。G.653光纖在1550nm波長處色散為零，FWM效應明顯，因此不適合用于WDM系統。DWDM系統光纖選型

為了有效抑制四波混頻效應，可以選擇G.655非零色散位移光纖（NZDSF）。這樣既避開了零色散區（避免FWM效應），同時又保持了較小的色散值，利于傳輸高速率的信號。而為了適應WDM系統單個信道的傳輸速率需求，可以使用偏振模色散性能較好的G.655B和G.655C光纖。

從系統成本角度考慮，尤其是對原有采用G.652光纖的系統升級擴容而言，在G.652光纖線路上增加色散補償元件以控制整個光纖鏈路的總色散值也是一種可行的辦法。

未來WDM系統中可能會利用整個O、S、C和L波長段，因此色散平坦光纖G.656光纖可能會得到較大的應用，如果單信道速率要求較低的話，無水峰的G.652C和G.652D也可以選擇。48492.色散補償技術隨著現代通信網對傳輸容量要求的急劇提高，原有光纖線路中大量使用的G.652光纖已不能適應，采用波分復用和色散補償技術在現有光纖系統上直接升級高速率傳輸系統是目前較為適宜的技術方法。50色散補償光纖DCF對光纖一階群速度色散（GVD）完全補償的條件為（8-4）式中

——傳輸光纖在波長處的色散系數；——色散補償光纖在波長處的色散系數；——傳輸光纖的長度；——色散補償光纖的長度。

51DCF的品質因數DCF的品質因數FOM（FigureofMerit）定義為（8-6）式中 FOM為品質因數，單位（ps/nm·dB）；D——色散系數，單位（ps/nm·km）α——衰減系數，單位（dB/km）。FOM是DCF的重要參數，可以用來對不同類型的DCF進行性能比較。52色散補償光纖DCF與常規單模光纖色散特性常規單模光纖在1550nm附近具有高的色散，不利于高速率光纖通信系統色散補償光纖在1550nm附近具有負色散，可以抵消常規單模光纖的正色散其他色散補償技術預啁啾技術色散均衡器光相位共軛色散補償533.偏振模色散補償電補償技術光電結合補償方法光域補償54554.色散均衡技術在原有采用G.652光纖的系統中，采用色散補償技術只能實現整個鏈路或者其中部分數字段的總色散為零，但是由于色散補償元件是分段式的使用的，這就可能造成光纖鏈路的色散值呈現起伏波動的情況，這也不利于WDM系統。因此需要引入色散均衡技術，在保證整個鏈路色散最小的同時，中間任意數字段的色散起伏都不會很大。8.3.4光放大器增益箝制技術WDM系統中，個別波長通道的故障或者波長上下路等網絡配置的更改，都會引起光纖鏈路中實際傳輸波長數量的變化，光功率也隨之變化。為了保證每個波長通道的輸出功率穩定，光放大器的增益應能隨實際應用的波長數進行自動調整，即需要光放大器的泵浦源輸出功率能夠隨著輸入信號的變化進行自動調整。光放大器的增益箝制技術就是指當輸入功率在一定范圍內變化時，光放大器的增益隨之變化并使得其他波長通道的輸出功率保持溫度的技術。光放大器的增益箝制實現機制主要包括總功率控制法、飽和波長法、載波調制法和全光增益箝制法等。56578.3.5光監控信道技術

在使用光放大器作為中繼器的WDM系統中，由于光放大器中不提供業務信號的上下，同時在業務信號的開銷位置中（如SDH的幀結構）也沒有對光放大器進行監控的冗余字節，因此缺少能夠對光放大器以及放大中繼信號的運行狀態進行監控的手段。此外，對WDM系統的其他各個組成部件的故障告警、故障定位、運行中的質量監控、線路中斷時備用線路的監控等也需要冗余控制信息。為了解決這一問題，WDM系統中通常采用的是業務以外的