WDM波分复用技术讲座

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WDM波分复用技术讲座
第一讲 WDM技术的基本原理
　　 目前，WDM（波分复用）技术发展十分迅速，已展现出巨大的生命力和光明的发展前景，我国的光缆干线和一些省内干线已开始采用WDM系统，并且国内一些厂商也正在开发这项技术。为帮助读者了解和熟悉这一新技术，我们组织了该系列讲座。第一讲是WDM技术的基本原理；第二讲介绍WDM系统中应用的光电器件的种类及其主要原理，以及它们的应用情况；第三讲介绍WDM系统的技术规范，特别是信息产业部刚刚制定发布的16（8）×2.5Gb／s WDM系统规范，并予以较详细的说明；第四讲主要是关于WDM系统管理方面的要求，以及WDM和SDH网管系统的关系；第五讲是关于WDM系统测试方法和相关仪表；第六讲主要探讨采用0ADM组环的技术，另外还将讨论基于OXC和0ADM的全光网技术。
1 概述
　　在过去20年里，光纤通信的发展超乎了人们的想象，光通信网络也成为现代通信网的基础平台。就我国长途传输网而言，截止到1998年底，省际干线光缆长度已接近2O万km。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，以及近来风起云涌的WDM系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。
　　波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了，两波长WDM（1310／1550nm）系统80年代就在美国AT&T网中使用，速率为2×1.7Gb／s。但是到90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb／s—622Mb／s—2.5Gb／s TDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb／s系统以下（含2.5Gb／s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降3O％左右。正由于此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。（2）波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器／解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化。
　　1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺饵光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Lucent率先推出8×2.5Gb／s系统，Ciena推出了16×2.5Gb／s系统，试验室目前已达Tb／s速率，世界上各大设备生产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大的兴趣，WDM系统在全球范围内有了较广泛的应用。发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（1530～1565nm）区域采用WDM技术成为可能。（2）TDM10Gb／s面临着电子元器件的挑战，利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，TDM已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高。（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb／s系统的传输，光纤色度色散和极化模色散的影响日益加重。人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。
　　从光纤通信发展的几个阶段看，所应用的技术都与光纤密切相关。80年代初期的多模光纤通信，所应用的是多模光纤的850nm窗口；80年代未、90年代初期的PDH系统，所应用的是单模光纤1310nm窗口；1993年开始的SDH系统开始转向1550nm窗口；WDM是在光纤上实行的频分复用技术，更是与光纤有着不可分割的联系。目前的WDM系统是在155Onm窗口实施的多波长复用技术，因而在深入讨论WDM技术以前，有必要讨论一下光纤的特性，特别是光纤的带宽和损耗特性。
2 光纤的基本特性
　　由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。从80年代未起，我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口，最小衰减窗口位于1550nm窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为：1310nm窗口的衰减在（0.3～0.4）dB／km；1550nm窗口的衰减在（O.19～0.25）dB／km。

　　从上图可以看出，除了在1380nm有一个OH-根离子吸收峰导致损耗比较大外，其它区域光纤损耗都小于0.5dB／km（据报道已有公司推出了ALLWAVE全波光纤，消除了这一损耗峰峰值，使整个频带更加平坦）。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱（1310～1550nm）极少的一部分。以常规SDH 2.5Gb／s系统为例，在光纤的带宽中只占很小一部分，大约只有0.02nm左右；全部利用掺饵光纤放大器EDFA的放大区域带宽（1530～1565）nm的35nm带宽，也只是占用光纤全部带宽（1310～157Onm）的1／6左右。
　　理论上，WDM技术可以利用的单模光纤带宽达到200nm，即25THz带宽，即使按照波长间隔为0.8nm（100GHz）计算，理论上也可以开通200多个波长的WDM系统，因而目前光纤的带宽远远没有利用。WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为WDM系统的应用和发展提供了可能。
3 WDM技术原理
　　在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。
　　同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。 　　所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，现在商用化的一般是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图2给出了其系统组成。

　　WDM本质上是光域上的频分复用（FDM）技术。要想深刻理解WDM系统的本质，有必要对传输技术的发展进行一下总结。从我国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、中同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4kHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统则是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb／s；而WDM技术是光纤上频分复用技术，16（8）×2.5Gb／s的WDM系统则是光域上的FDM模拟技术和电域上TDM数字技术的结合。
　　下面列出了几种传输技术实现方式：
　　.明线技术，FDM模拟技术，每路电话4kHz；
　　.小同轴电缆6O路FDM模拟技术，每路电话4kHz；
　　.中同轴电缆1800路FDM模拟技术，每路电话4kHz；
　　.光纤通信140Mb／s PDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb／ｓ；
　　.光纤通信2.5Gb／s SDH系统，TDM数字技术，每路电话64kb／s；
　　.光纤通信N×2.5Gb／s WDM系统，TDM数字技术+光频域FDM模拟技术，每路电话64kb／s。
　　WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图3所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH 2.5Gb／s或更高速率的数字系统。

4 WDM技术的主要特点
　　　　可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。
　　　　使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外，对于早期安装的芯数不多的电缆，芯数较少，利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。
　　　　由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。
　　　　波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，WDM的每个波长就像“虚拟”的光纤一样。
　　　　在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。
　　　　利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。
　　　　在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本。距离越长，节省成本就越多。
5 WDM和DWDM
　　人们在谈论WDM系统时，有时会谈到DWDM（密集波分复用系统）。WDM和DWDM是同一回事吗？它们之间到底有那些差别呢？其实，WDM和DWDM应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对WDM系统的称呼，它们与WDM技术的发展历史有着紧密的关系。
　　在80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm和1550nm窗口各传送1路光波长信号，也就是131Onm／155Onm两波分的WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光／电／光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。很长一段时间内在人们的理解中，WDM系统就是指波长间隔为数十nm的系统，例如1310nm／1550nm两波长系统（间隔达200多nm）。因为在当时的条件下，实现几个nm波长间隔是不大可能的。
　　随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口传送多路光载波信号。由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般（1.6nm），且工作在一个窗口内共享EDFA光放大器，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。所谓密集，是指相临波长间隔而言。过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.8～2）nm，甚至<0.8nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。

　　在DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。在两个波分复用终端之间，采用一个EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。在DWDM系统中，EDFA光放大器和普通的光／电／光再生中继器将共同存在，EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光／电／光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。
　　现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指1310nm／1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

6 总 结
　　过去无论PDH的34Mb／s-140Mb／s-565Mb／s，还是SDH的155Mb／s-622Mb／s-2.4Gb／s，其扩容升级方法都是采用电的TDM方式，即在电信号上进行的时间分割复用技术，光电器件和光纤完成的只是光电变换和透明传输，对信号在光域上没有任何处理措施（甚至于放大）。WDM技术的应用第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。因此，从某种意义上讲，WDM技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。