WDM技术及其应用研究

波分复用（WDM）技术及其应用研究摘要：本文首先介绍了WDM的技术背景，然后探讨了WDM技术的特点及关键技术，然后对该技术的实际应用作了简要探讨，最后对WDM的现状及发展趋势作了简要分析。关键词：WDM，DWDM，CWDM，波分复用，数据通信，传输容量1技术背景首先，波分复用技术是多路复用技术的一种。多路复用技术包括：时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDMA)、波分复用(WDM)。(1)时分复用(TDM)：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片(时隙)，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，所以信号之间不会互相干扰。(2)频分复用(FDM)：当信道带宽大于各路信号的带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段，不同路的信号在不同的频段内传送，各个频段之间不会相互影响，所以不同路的信号可以同时传送。(3)码分复用(CDMA)：这种技术多用于移动通信，不同的移动台(或手机)可以使用同一个频率，但是每个移动台(或手机)都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“码序列”都有不同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台(或手机)，所以又叫做“码分多址”技术。(4)波分复用(WDM)：这是FDM在光纤信道的一个变例。是指在一根光纤上不只是传送一个载波，而是同时传送多个波长不同的光载波。这样一来，原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道变为可传送多个不同波长光载波的信道，从而使得光纤的传输能力成倍增加。目前数据业务成爆炸式的增长趋势，使得传输网络传输网络带宽需求随之增长，对WDM技术的需求应运而生。下面介绍它的主要发展阶段。光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。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，WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代。双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为2×17Gb/s。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/sTDM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30%左右。因此在系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。（2）波分复用器件不成熟。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技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了16×2.5Gb/s系统，Lucent公司推出8×2.5Gb/s系统，目前试验室已达Tb/s速率。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）利用TDM方式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高；（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，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率，WDM技术是能够商用化最简单的光复用技术。2基本概念和特点2.1基本概念波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。下图为单向、双向波分复用技术原理图。图一单向、双向波分复用技术原理图光波分复用包括频分复用和波分复用。光频分复用(FDM)技术和光波分复用(WDM)技术无明显区别，因为光波是电磁波的一部分，光的频率与波长具有单一对应关系。通常也可以这样理解，光频分复用指光频率的细分，光信道非常密集。光波分复用指光频率的粗分，光倍道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口。图二波分复用技术光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器(也称合波/分波器)分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。通常，由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长11，l2通过同一光纤传送时，在与分波器中输入端l2的功率与11输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。WDM设备有DWDM设备和CWDM设备。密集型光波复用：（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）是能组合一组光波长用一根光纤进行传送。这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰减）。这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量；稀疏型波分复用：CWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM就是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备。2.2，技术特点光波分复用的技术特点与优势如下:(1)充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310nm-1550nm)极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。(2)具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。(3)对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。(4)由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。(5)有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。(6)系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。目前，由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高，技术实施有一定难度，同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面，因而WDM的实际应用还不多。但是，随着有线电视综合业务的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来，表现出广阔的应用前景，甚至将影响CATV网络的发展格局。3关键技术3.1光纤技术多模光纤(Multi—ModeFiber)中心玻璃芯较粗(50或62．5pm)，包层外直径125肛m，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600Mbit／km的光纤在2km时则只有300Mbit的带宽了。多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。因此，多模光纤不适合用于长距离、大容量的DwDM系统。单模光纤的芯径一般为9或10μm，包层外直径为125μm，只能传一种模式的光。光纤的工作波长有短波长o．85f肼、长波长1．3lμm和1．55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小。因此，其模间色散很小，适用于远程通信。但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。而DWDM系统的光源谱宽窄、稳定性好，DwDM系统选用单模光纤是非常适合的。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特点，国际上已一致认同DWDM系统将只使用单模光纤作为传输介质。单模光纤可分为G．652、G．653、G．654、G．65j几种光纤。G．652：标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，国际电信联盟（ITU－T）把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大，约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。G.653色散位移光纤：针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1.3μm移到1.55μm的色散位移光纤（DSF，Dis?persion－ShiftedFiber）。ITU把这种光纤的规范编为G.653。然而，色散位移光纤在1.55μm色散为零，不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤（NZ－DSF）———G.655。光纤在1.3μm附近有最小的色散，称为零色散波长，这正是早期光纤通信采用1.3μm为工作波长的原因.如果改变光纤的材料以及光芯的半径，则零色散波长会有相应的变化。人们利用多包层的光纤还能在1.25--1.65μm波长范围调节零色散波长。使零色散波长移开1.3μm的光纤被称为色散位移光纤。G.654衰减最小光纤：为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55μm波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3μm波长区域的色散为零，但在1.55μm波长区域色散较大，约为（17～20）ps/（nm·km）。ITU把这种光纤规范为G.654。3.2光源技术3.2.1发光二极管（LED）：发光二极管谱线较宽，发散角大，功率密度小，适用于短距离、低码速的数字光纤遮信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。LED通常和多模光纤耦合，用于1.35μm或0．85μm波长的小容量、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1．3lμn、或1．55μm大容量、长距离光通信系统。3.2.2半导体激光器(LD)半导体激光器光谱线较窄，功率密度大，适用于长距离大容量的光纤通信系统，尤其是单模半导体激光器，在高速率，大容量的数字光纤通信系统中得到广泛的应用。DWDM的系统工作波长较为密集，一般波长间隔为几个纳米到零点几个纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上并且有很好的稳定性；另一方面，DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH传输系统的50—60km增加到500—600km。延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应如受激布里渊散射效应（SBS），受激拉曼散射效应（SRS），自相位调制效应（SPM），交差相位调制效应（XPM）等等，要求DWDM系统的光源实用技术更为先进、性能更为优越的激光器。帐篷内股指，DWDM系统光源的两个突出特点是：比较大的色散容量值和标准而且稳定的波长。LD技术已经可以满足这样的需求。用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），其基本工作原理