WDM—波分复用（ Wavelength Division Multiplexing ）技术原理及其在OTN中的应用

一、WDM概述

       WDM指的是Wavelength Division Multiplexing，即波分复用技术。它是一种利用不同波长的光信号在同一根光纤中传输多路信号的技术。简单来说，WDM技术就是将多路信号通过不同波长的光信号传输到目的地，从而实现高速、大容量的光通信。在WDM系统中，每个波长可以被视为一个独立的通道，可以在同一根光纤中传输多个不同波长的光信号。WDM技术是现代光通信网络中广泛应用的基础技术之一，它能够提高光通信的速度、容量和可靠性。这里引用波分复用中常用的举例来直观的展示出WDM的工作模式。

        简要来说，就是把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送，我们把这种方式就叫做波分复用。  

二、SDM、TDM、WDM三种光纤通信传输技术

        既然提到了WDM，就不得不提及一下SDM与TDM，这里SDM与TDM简单了解即可。

        SDM、TDM、WDM是三种不同的光纤通信传输技术，它们分别代表空分复用（Space Division Multiplexing）、时分复用（Time Division Multiplexing）和波分复用（Wavelength Division Multiplexing）。

1. SDM（空分复用）：它是利用光纤内不同的光模式来传输多个信号的技术。例如，可以通过同时传输多个光模式，或将不同波长的光分配到不同的空间模式上，从而将多个信号传输到同一个光纤中。

2. TDM（时分复用）：它是通过将不同的信号按照时间顺序依次传输来实现多个信号在同一条光纤中传输的技术。在 TDM 中，每个信号占用光纤的一小段时间，并且这些信号在时间上不重叠，以便在接收端能够正确地分离出各个信号。

3. WDM（波分复用）：它是通过将不同波长的光信号传输到同一条光纤中来实现多个信号在同一条光纤中传输的技术。在 WDM 中，每个信号占用不同的波长，并且这些波长在光纤中不重叠，以便在接收端能够正确地分离出各个信号。

三、WDM波分复用的波长区间

        波分复用技术中常用的波长区间包括：

1. CWDM波长区间：CWDM是指“Coarse Wavelength Division Multiplexing”，即粗波分复用（稀疏波分复用）。在CWDM中，波长的间隔通常为20纳米，覆盖波长区间为1270-1610纳米。

2. DWDM波长区间：DWDM是指“Dense Wavelength Division Multiplexing”，即密集波分复用。在DWDM中，波长的间隔通常为0.8纳米或更小，覆盖波长区间为C波段（1530-1565纳米）和L波段（1565-1625纳米）。

   

           C波段的频率范围为4GHz到8GHz，因此其频率的平均值为(4GHz + 8GHz)/2 = 6GHz。根据波速等于频率乘以波长的公式，可以计算出C波段的平均波长：
                       波速 = 频率 × 波长
            因此，波长 = 波速 ÷ 频率
            根据国际通用的波速值299,792,458 m/s（即光速），将频率转换为赫兹（Hz）和波长转换为厘米（cm）：平均波长 = 光速 ÷ 平均频率 = 299,792,458 m/s ÷ 6 GHz = 0.049965 cm = 0.49965 mm因此，C波段中的160个波长数量即为:160 = (7.5 cm - 3.75 cm) / 0.049965 cm                                                                                                                                                       扩展C波段可以提供更多的波长和频段，这使得DWDM技术在C波段范围内能够实现更高的信道密度和更高的带宽容量。通过使用DWDM技术，可以将不同的信号传输在不同的波长上，从而使得一根光纤可以传输更多的信号，提高光纤通信的传输效率和可靠性。扩展C波段指的是对C波段（用于卫星通信和其他通信应用的频段）进行了扩展，将其频段范围从原来的160个波长扩展到了192个波长。这意味着在原有的C波段频谱范围内，增加了32个波长的频段。因此，扩展C波段的关键在于增加了32个波长的频段，并且每个波长的长度缩小了，这有助于提高通信质量和可靠性。同时，GHz作为频率单位也可以用来描述C波段的频率范围。                                                                                                                                            这里我们提及一下WDM应用部分——OTN光传输网络（Optical Transport Network），在光传输网络（OTN）中，通常使用DWDM（密集波分复用）技术，通过在单根光纤上同时传输多个波长的光信号来实现高速数据传输。其中，每个波长通常被称为一个“波道（channel），也可以称为“波长”。在DWDM系统中，通常会将C波（1525~1565nm）中的波长进行密集波分复用，以实现更高的带宽利用率，在这种情况下，这些C波段中的波长通常被分成了80个等距的波长间隔（每个间隔为0.8nm），因此通常称为“80波”，而拓展C波段中为192个，实际在OTN应用中为96个可用波，这也是目前最新的应用。                                            因此，OTN应用中的80波和C波段的160波之间存在着直接的关系，因为这些80波就是从C波段中选出来的，每个波长间隔为0.8nm，总共80个。同时，需要注意的是，C波段中包含了更多的波长（或者说更多的频道），不仅仅是80个波长。

3. LWDM波长区间：LWDM是指“Long Wavelength Division Multiplexing”，即长波长波分复用。在LWDM中，波长的间隔通常为2纳米，覆盖波长区间为1570-1620纳米，用于在PON网络中传输多个信号。

        补充：SWDM（Short Wavelength Division Multiplexing）是一种短波长波分复用技术，用于在现有多模光纤基础上实现高速率的数据传输。SWDM利用850纳米和940纳米两个波长分别传输不同的数据流，可以在现有的多模光纤基础上实现高达40Gbps的传输速率。SWDM使用的波长区间是850纳米和940纳米，因此不属于传统的CWDM和DWDM技术所使用的波长区间。不过，SWDM也是一种波分复用技术，因此可以看作是WDM技术的一种变体。

四、N路波长复用的WDM系统的总体结构

  这几介绍一下WDM波分复用的系统结构，如上图所示：

                OTU：光波长转换单元

                ODU/ＯＭＵ：波分复用器（分波/合波器）

                BA/LA/PA：光放大器，这里统称为OA

                OSC/ESC：光/电监控信道

                DCM：色散补偿模块（Dispersion Compensation Module）

  我们在这里简单介绍一下光放大器：掺铒光纤放大器（EDFA）和 拉曼光纤放大器（RFA）

        掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RFA）是两种常见的光纤放大器，用于增强光信号的强度。它们的基本工作原理有所不同：

        1.掺铒光纤放大器（EDFA）：通过将掺有铒元素的光纤暴露于泵浦光的能量下，可以实现信号的放大。当铒离子被激发时，它们会释放能量并发射光子，这将增强信号并放大光信号的强度。

        2.拉曼光纤放大器（RFA）：拉曼光纤放大器是一种基于拉曼散射的光纤放大器。当光信号通过光纤时，它会与分子相互作用并散射。如果信号的频率与分子振动频率匹配，则光子将散射成具有不同频率的新光子。这种现象称为拉曼散射。通过选择合适的泵浦光源和光纤参数，可以在光纤中产生拉曼放大。

        总的来说，掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器都是将泵浦光的能量转移给信号光来实现放大的。它们的应用领域各有不同。例如，掺铒光纤放大器主要用于光纤通信和激光器的增益，而拉曼光纤放大器则主要用于激光器和光谱分析等应用中。这里不过多介绍，以下为掺铒光纤放大器（EDFA）的内部结构图（仅供参考）     

         这里继续介绍一下监控技术：光监控技术（OSC）和电监控技术（ESC）：

     光监控原理图：

     电监控原理图：

         OSC帧结构：

         这里不过多介绍其工作原理，有兴趣的可以去单独学习这部分内容：引用一篇文章可做参考

         https://www.eda365.com/portal.php?mod=view&aid=188521

         来自： EDA365 | 助力硬件研发

五、传输模式

1. 单向传输：即光信号只沿一个方向传输，这是最简单的传输模式。

2. 双向传输：在同一光纤上，同时传输两个方向的光信号。双向传输需要使用双向光模块。

3. 单向环形传输：在一个环形的光纤路径上，将多路光信号进行传输。

4. 双向环形传输：在一个环形的光纤路径上，同时传输两个方向的光信号。双向环形传输需要使用双向光模块。

5. 点对点传输：将一个光信号从一个点传输到另一个点，这是最常见的传输模式。

这些传输模式在不同的应用场景下有不同的优缺点，需要根据具体的需求进行选择。

这里以双向传输为例：单纤双向

六、WDM应用（主要用于光通讯及光网络中）

         以下是一些常见的应用：

1. 长距离光传输：由于WDM技术能够在同一光纤上传输多个信号，因此可以大幅度提高光纤的传输容量，支持更长距离的光传输。

2. 光通信：WDM技术可以在同一光纤上传输多个不同的数据流，因此可以提高光通信的带宽和传输效率。这在光纤通信系统中尤其有用，因为光纤的带宽相对较小。

3. 光网络：WDM技术可以用于光网络中的光路交换和波分复用技术，允许同时传输多个独立的信号，提高网络的传输容量和效率。

4. 光放大器：WDM技术可以用于增强光信号，因为多个光信号可以被同时传输和放大，因此可以提高光放大器的效率。

5. 光传感器：WDM技术可以用于光纤传感器中，因为它可以同时传输多个不同波长的激光光源，使得多种物理量得以同时测量。

        这里简单介绍一下OTN中波分系统的信号流构成

七、光纤的结构及衰耗

             光纤是一种由纤维状的玻璃或塑料制成的通信传输媒介。其主要结构包括：光纤芯（Core）：光纤芯是一条直径非常小的中心区域，通常是几微米到几十微米。它是光线传输的主要区域，因为光线在这个区域被反射和折射；包层（Cladding）：包层是光纤芯外面的一层，通常由高折射率的材料制成。包层的主要作用是保护光纤芯，防止光线在传输过程中被损失或干扰。护层（Buffer）：护层是光纤的最外层，通常由聚合物材料制成。它的作用是保护光纤不受物理损伤，并提供机械强度和保护。如下图所示：

         注：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。按照传输模式的数量多少，光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径极细，直径一般小10μm；多模光纤的纤芯直径较粗，通常直径等于50μm左右。 

        上图为光衰图，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。吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，其中的过量金属杂质和氢氧根OH-离子对光的吸收而产生的损耗。散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2 、 GeO2 和 P2O5 等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。综合以上几个方面的损耗，单模光纤在1310nm 和 1550nm 波长区的衰减常数一般分别为 0.3~0.4dB/km(1310nm) 和 0.17~0.25dB/km(1550nm) 。 ITU-T G.652 建议规定光纤在 1310nm 和 1550nm 的衰减常数应

分别小于 0.5dB/km 和 0.4dB/km 。

 八、光纤的色散/色度色散/色度色散补偿

        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。 色度色散CD(Chromatic Dispersion)：由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。

         G.652光纤是目前已广泛使用的单模光纤，称为1310nm性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位的光纤。
        G.653光纤称为色散移位光纤或1550nm性能最佳光纤。这种光纤通过设计光纤折射率的剖面，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速超长距离光纤传输成为可能。
        G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。这类光纤的设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm的色散较高，可达18ps/(nm.km)，必须配用单纵模激光器才能消除色散的影响。G.654光纤主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。
        G.655光纤是非零色散移位单模光纤，与G.653光纤相近，从而使1550nm附近保持了一定的色散值，避免在DWDM传输时发生四波混频现象，适合于DWDM系统应用。

     目前降低色度色散的影响主要是采用色散补偿模块对光纤中的色散累积进行补偿,主要方式为使用DCF（色散补偿光纤）。色散补偿光纤与普通传输光纤的不同之处是它在1550nm处具有负的色散系数，DCF补偿法实际上就是利用这种负色散的光纤，抵消 G.652 /G.655光纤中的正色散。

         本篇文章主要介绍波分复用的原理和技术应用，主要方向为光传输网络内容，有相关工作和学习需求的读者可用来参考。