DWDM原理与光纤传输_点到点dwdm系统流程介绍

波分复用 WDM

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)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。

波分复用是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。每个信号经过数据（文本、语音、视频等）调制后都在它独有的色带内传输。WDM能使电话公司和其他运营商的现有光纤基础设施容量大增。制造商已推出了WDM系统，也叫DWDM（密集波分复用）系统。

密集型光波复用（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）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。
DWDM解决问题，特点－超长距离 无电 中继传输，降低成本

WDM系统组成

WDM系统一般由OTU（Optical Transponder Unit，光转发单元）、合/分波单元、监控信道和光放大单元组成。

波分系统的基本组成

业务在WDM中的传输过程

1、首先需要将业务送到WDM的专有车辆（即OTU单元），将这些业务信号转换为WDM所认识的标准波长光信号。
进入WDM设备的业务信号是无波长信息的，这些无波长信息业务所采用的光即通常所说的灰光、白光或黑白光，灰光、白光或黑白光的波长是在某个范围内波动，没有特定的标准波长WDM系统所采用的标准光称为彩光，彩光在某个中心波长附近很小范围波动，具有标准波长。

2、承载着业务的标准波光信号车辆，驾驶到检查站（即合波单元），通过检查站安排进入不同车道，一车一道同时在高速公路上行驶。

3、车辆的行驶状况需要通过巡逻车也即监控信道执行监督，确保业务传输正常。

4、如果运输距离较长，还需要让车辆驶入统一加油站，即通过光放大单元，对业务信号再生放大，确保业务长途运输无损坏。

5、业务运输到终点站时，车辆再从检查站（即分波单元）出来，分流到对应的接收客户终端出口，业务从车辆卸货下来，即通过OTU单元转换成客户业务信号（也就是无波长信息的业务信号），送到客户手中。

WDM 类别分类

DWDM：使用波长为C波段和L波段。
C波段波长范围为1528 ～ 1561nm；L波段波长范围为1577 ～ 1603nm；
最大可支持192波系统。常用C波段80波系统，通路频率间隔为50GHz；
对于40/32波系统，通路波长间隔为100GHz(约0.8nm)。

C波段。C，是“conventional（常规）”的意思。C波段表现出的损耗最低，被广泛用于城域网、长途、超长途以及海底光缆系统。WDM波分复用系统中，也经常用到C波段。C波段旁边的L波段，是损耗第二低的波段，也是行业的主流选择之一。当C波段不足以满足带宽需求的时候，也会采用L波段作为补充。L，是“long-wavelength（长波长）”的意思。
1

CWDM：使用全部五个波段。
波长范围为1271 ～1611nm，波长间隔20nm，最大支持18个波；
成本低廉，但不支持光放大器，距离受限。

DWDM技术是在波长1550nm窗口附近，在EDFA能提供增益的波长范围内，选用密集的但相互又有一定波长间隔的多路光载波，这些光载波各自受不同数字信号的调制，复合在一根光纤上传输，提高了每根光纤的传输容量。

波分技术的优势

WDM缺点

如果WDM车辆上的业务“包裹”在运输过程中出错了，没办法识别。即WDM系统对业务的监控管理运维能力弱。

如果某业务在WDM系统指定波道传输后，该波道不能再给其他业务使用，会造成资源浪费。就好比，在高速公路上，每种车辆走的车道是固定，如果该车道空闲，其他类型车辆也是不可以走此车道的。

随着通信网络的发展，数据网络上的数据量急速激增，专家们不得不再继续开发WDM的潜力，改善WDM的能力，于是一种新技术诞生了——OTN。

DWDM网元基本类型，波分常见站点类型

波分的网元类型有四种：OTM、OLA、OADM以及OXC

1. OTM 在线形网的端站，把客户侧信号复用成DWDM线路信号，或反之；
2. OLA 设在网络的中间局站，目的是延长传输距离，但不能上、下电路；
3. OADM 设在网络的中间局站，完成直接上、下电路功能；
4. OXC 提供以波长为基础的连接功能，光通路的波长分插功能

OTM（Optical Terminal Multiplexer），光终端复用站

用于点到点或链型组网的端点，实现业务的上下。
OTM一般用在链型或点到点网络的两端，只与一个方向进行业务传递。
OTM站点需要用到OTU、合分波器、放大器、OSC等器件。所有的业务在此全部被OTU处理。

OLA（Optical Line Amplifier），光线路放大站

用于链型或环型组网，当两个业务上下站点之间距离较长时，可在之间增加光放大站点，保证信号传输的光功率。
OLA一般在业务传输距离较长的情况下用于业务收发两端之间。与两个方向进行业务传递。
OTM站点需要用到放大器和OSC等器件。没有业务上下，也不会对单独的波长进行处理，只起到放大光功率的作用。

OADM（Optical Add/Drop Multiplexer），光分插复用站

用于链型或环型组网，部分业务在此上下，部分业务穿通。是环型组网中最常见的站点类型，根据所使用合分波单元的不同，又可分为几种类型：
FOADM （Fixed Optical Add/Drop Multiplexer）：固定光分叉复用站，一般用普通的分叉复用器或合分波器构成；
使用介质薄膜滤波器的FOADM，一般用在上下波数比较少（少于16波）的情况下。优点在于结构简单，成本低，插入损耗小；缺点在于不能灵活升级，扩容需要中断业务。
一般用在接入层和边缘汇聚层，在环网内部，应尽量避免全网都配置成这种站点，以免产生自激。解决方法是核心站点上下波使用背靠背OTM。

ROADM （Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）：可重构光分叉复用站，由可重构光分插复用单元完成光调度。
如果要实现波长级别的业务调度，就必须采用可重构光分插复用器件（ROADM）。其特点是某一波长可以在器件的不同端口实现波长上下或者穿通、广播。
ROADM站点是渐渐兴起的一种新配置方式，在国外的应用较为广泛，并且具有较好的扩展性，最大支持9维度，并且可以从低维度到高维度平滑升级。

OXC（optical cross-connect），光交叉连接

OADM用在部分业务上下同时部分业务穿通的情况，可以用合分波器或者分插复用器来实现波长上下，这样的站点称为固定光分插复用站（FOADM）。特点是某个波长只能从固定的端口上下或穿通。
使用OMU+ODU组合的FOADM是最常见的，也称为背靠背OTM，优点在于业务并行上下，平滑扩容，容量大；缺点在于系统体积大，插损较大。
OXC 在OADM 的基础上演进而来的全光交叉，可以实现320x320 个 端口的光层调度。作为智能通道调度的硬件基础之一

光交叉连接是一种兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能OTN传输设备，OADM可以看成OXC结构的功能简化。

DWDM系统关键技术

1、光转发技术

光转发单元（OTU）
采用光—电—光变换的方法实现波长转换

光信号转换成电信号后，经过3R功能（再整形、再定时、再生），确保信号在进入波分系统时性能最好。
光接口不同，但是电接口一样，因此可以在电接口进行调制。

光模块(optical module)由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。
简单的说，光模块的作用就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。

2、光波分复用器和解复用器技术

OM/OD技术－波分复用器件
波分复用器件包括合波器和分波器，又叫光复用器和光解复用器

合波器（OM）
把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波，送到光纤中进行传输，对光波起复用作用。

分波器（OD)
把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的光通路信号，分别输入到相应的光通路接收机中，即对光波起解复用作用。

OM/OD器件类型

光栅型光波分复用器

介质薄膜滤波器型

耦合器型（熔锥型）

阵列波导光栅型(AWG)
AWG(Arrayed Waveguide Grating)是密集波分复用系统（DWDM）中的首选技术。一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，使用具有分波的能力。

原理
是以光集成技术为基础的平面波导型器件。
优点
并联工作，可以复用的通道数多
尺寸小
易于批量生产
缺点
需要温度补偿

OM/OD技术－波分复用器主要参数

复用通路数
代表波分复用器件能进行复用与解复用的光通路数量， 它与器件的分辨率、隔离度等参数密切相关

信道隔离度
它表征此光元器件中各复用光通路彼此之间的隔离程度

插入损耗
波分复用器件本身对光信号的衰耗作用

反射系数
是指在波分复用器件的输入端，反射光功率与入射光功率之比。

中心波长
进出复用器的波长与ITU-T规定的标准波长相比不能相差太大偏差，否则会引起系统崩溃。

带宽
该参数仅对分波器有效，－20dB描述分波器阻带特性，－0.5dB描述分波器带通特性。

3、光放大技术

光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直接对光信号进行放大的有源器件。

掺铒光纤放大器（EDFA）

EDFA主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成

DWDM系统中使用的EDFA必须具有:
足够的带宽
平坦的增益，即 放大后信号之间不能差距太大
低噪声系数，即 尽可能引入少的噪声
高输出功率

特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求

解决增益均衡的途径首先是实现增益谱的平坦
可采用的方法大体上可分为滤波器型和本征型两类

4、WDM系统的监控技术

监控通路不应限制光放大器中泵浦光源的光波长（980nm和1480nm）
监控通路不应限制未来在1310nm波长的业务
线路放大器失效时，监控通路应仍然可用
监控通路不应限制两线路放大器间的传输距离

1510nm为优先选择通道

DWDM系统的技术规范

波长定义

40波系统
工作波长范围：C波段（1530nm~1565nm）
频率范围：192.1 THz ~ 196.0 THz
通路间隔：100 GHz
中心频率偏差：±20GHz（速率低于2.5Gbit/s）；±12.5GHz（速率10Gbit/s）

40波系统的信道间隔是指在波分复用系统中，相邻两个信道之间的频率间隔。波分复用是一种多路复用技术，它允许多个信号通过同一根传输线路同时传输，提高了传输效率和带宽利用率。在波分复用系统中，40波系统是指系统中共有40个不同的光纤传输信道.

80波系统
工作波长范围：C波段（1530nm~1565nm）
频率范围：C波段 192.1THz-196.05THz
通路间隔：50GHz
中心频率偏差：±5GHz

光信噪比 (OSNR-Optical Signal Noise Ratio)

信噪比的定义是在光有效带宽为0.1nm内光信号功率和噪声功率的比值。光信号的功率一般取峰值，而噪声的功率一般取两相临通路的中间点的功率电平。光信噪比是一个十分重要的参数，对估算和测量系统有重大意义。
信噪比越大越好

光纤传输考虑要素

光纤损耗

吸收损耗
光波通过光纤材料时，一部分光能变成热能，造成光功率的损失

本征吸收
光纤基础材料（如SiO2）固有的吸收，不是杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收基本确定了某一种材料吸收损耗的下限

杂质吸收
由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗（灰尘，金属离子等）

散射损耗
由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗。

散射
指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象叫光的散射。

附加损耗
由于光纤经过集束制成光缆，在各种环境下进行光缆敷设、光纤接续以及作为系统的耦合与连接等引起的光纤附加损耗。

光纤色散

在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。

常见的光纤色散种类

色度色散（CD）

色度色散简介：色度色散包括材料色散和波导色散。
材料色散：由于光纤材料石英玻璃对不同光波长的折射率不同，而光源具有一定的光谱宽度，不同的光波长引起的群速率也不同，从而造成了光脉冲的展宽。
波导色散：对于光纤的某一传输模式，在不同的光波长下的群速度不同引起的脉冲展宽。它与光纤结构的波导效应有关，因此也被成为结构色散。
这两种色散中，哪一种占主导地位？材料色散大于波导色散。根据色散的计算公示，在某一特定波长位置上，材料色散有可能为零，这一波长称之为材料的零色散波长。幸运的是，该波长恰好位于1310 nm附近的低损耗窗口，如G.652就是零色散光纤。

色度色散的影响：色度色散主要会造成脉冲展宽和啁啾效应。脉冲展宽是光纤色散对系统性能的影响的最主要的表现。当传输距离超过光纤的色散长度时，脉冲展宽过大，这时，系统将产生严重的码间干扰和误码。色散不仅使脉冲展宽，还使脉冲产生了相位调制。这种相位调制使脉冲的不同部位对中心频率产生了不同的偏离量，具有不同的频率，即脉冲的啁啾效应（Chirp）。
消除色度色散在WDM系统的解决方案：
对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。ZTE 目前解决CD的方案是使用DCM模块。

偏振模色散 (PMD)

光纤中的光传输可描述成完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴振动或一些光在两轴上的振动。
每个轴代表一个偏振“模”
两个偏振模的到达时间差－－偏振模色散PMD
偏振模色散（PMD）是存在于光纤和光器件领域的一种物理现象。
单模光纤中的基模存在两个相互正交的偏振模式，理想状态下，两种偏振模式应当具有相同的特性曲线和传输性质，但是由于几何和压力的不对称导致了两种偏振模式具有不同的传输速度，产生时延，形成PMD。 PMD的单位通常为ps/km。

系统非线性

非线性效应 1－ 自相位调制（SPM）
光纤非线性效应 2－ 交叉相位调制（XPM）

四波混频（FWM）

当多个一定强度的光波在光纤中混波时各个波长信道间的非线性作用会导致新波长的产生；致使各波长信道间能量的转移和互相串扰。
通信中，四波混频(Four-Wave Mixing,FWM) 亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波，这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。
发生四波混频的原因是入射光中的某一个波长上的光会使光纤的折射率发生改变，则在不同的频率上产生了光波相位的变化，从而产生了新的波长的光波。
在DWDM系统中，当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时，四波混频将成为非线性串扰的主要因素。当信道间隔达到10GHZ 以下时，FWM 对系统的影响将最严重。

受激拉曼散射（SRS）光子

受激拉曼散射SRS产生原理：受激拉曼散射SRS是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应，在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强。

单模光纤分类

非零色散移位单模光纤。该种光纤主要应用于1550nm工作波长区，色散系数较小，色散受限距离达数百公里，并且可以 有效减小四波混频 的影响。