了得網工業技術_光傳輸與光接入技術

編輯推薦

“光傳輸與接入技術”是電氣信息類專業中通信工程等相關專業的一門重要的專業課程，也是很多學校通信與信息繫統專業碩士研究生的專業課程，其目的是通過對該課程的學習，使學生掌握飛速發展的各種接入網技術的理論、標準以及協議，為以後從事接入網技術相關工作奠定基礎。
光傳輸光接入技術雖然層出不窮，日趨成熟，但當今很少有一本新而全的教材可以被使用。為此，作者在撰寫的同時，把陳舊的理論內容作為發展歷史讓學生增加感性認識，重點講授當今流行的成熟的技術注意跟蹤以及光傳輸光接入技術發展的新技術、新理論。
《光傳輸與光接入技術》注重原理理論以及實驗實踐相結合的原則，因此本書在理論介紹的基礎上，加入實踐環節使讀者能掌握工作崗位面臨的實際問題。作者希望，通過對本書的講解能使讀者能在光傳輸光接入基本技術、光網絡規劃與建設、光網絡設備的測試與管理以及繫統的售前售後等方面有比較清晰的認識，對光傳輸、光接入方面的相關課程能提供一定的輔助作用。
《光傳輸與光接入技術》在編寫的過程中，結合了國內外光傳輸、光接入方便的*研究成果和相關資料，力圖對光網絡的原理、關鍵技術以及應用作一種全面的介紹。另外，本書對基於華為OptiX 155/622H、EPON-MA5680T等設備的實驗實踐內容進行了詳細的講解，做到理論聯繫實際，使讀者能更清晰的了解光傳輸以及光接入相關技術

內容簡介

光傳輸與光接入技術雖然層出不窮，日趨成熟，但當今很少有一本新而全的教材可以被使用。為此，作者在編寫本教材時，把以往的理論內容作為發展歷史讓學生增加感性認識，重點講授當今流行的成熟技術，注意跟蹤涉及光傳輸、光接入技術發展的新技術、新理論。本書注重理論與實驗實踐相結合，在理論介紹的基礎上，加入實踐環節，使讀者能掌握工作崗位面臨的實際問題。作者希望通過對本書內容的講解，能使讀者在光傳輸與光接入基本技術、光網絡規劃與建設、光網絡設備的測試與管理以及繫統的售前售後等方面有比較清晰的認識，對光傳輸、光接入方面的相關課程能提供一定的輔助作用。

目錄
第1章緒論
1.1光纖通信概述
1.2光纖通信繫統
1.3光纖通信技術的趨勢及展望
第2章光纖及光器件
2.1光纖原理
2.1.1光纖結構及原理
2.1.2光纖的種類
2.2光纖模式
2.2.1傳輸模式
2.2.2多模光纖和單模光纖
2.3光纖特性
2.3.1光纖的傳輸特性

第1章緒論

1.1光纖通信概述

1.2光纖通信繫統

1.3光纖通信技術的趨勢及展望

第2章光纖及光器件

2.1光纖原理

2.1.1光纖結構及原理

2.1.2光纖的種類

2.2光纖模式

2.2.1傳輸模式

2.2.2多模光纖和單模光纖

2.3光纖特性

2.3.1光纖的傳輸特性

2.3.2光纖的機械特性和溫度特性

2.4光電器件發光原理

2.4.1光的發射和激射原理

2.4.2半導體PN結和PN結光源

2.5光電器件類型

2.5.1半導體發光器件

2.5.2光電檢測器

2.5.3摻鉺光纖放大器

第3章SDH傳送網

3.1SDH基本概念

3.2SDH結構原理

3.2.1SDH幀結構

3.2.2SDH復用映射結構

3.2.3映射、定位和復用的概念

3.3SDH網絡

3.3.1SDH網絡的

3.3.2基本的網絡拓撲結構

3.4光傳送網

3.4.1光傳送網的產生

3.4.2OTN的基本概念及特點

第4章基於SDH的光傳輸實訓指導

4.1SDH設備總體介紹

4.1.1OptiX 155/622H（METRO 1000）設備介紹

4.1.2單板類型

4.2SDH設備管理配置方法介紹

4.2.1EB平臺的操作

4.2.2命令行的學習

4.3SDH光接口參數測試實驗

4.4SDH光傳輸點對點組網配置實驗

4.5SDH鏈形組網配置實驗

4.6SDH環形組網（通道環）配置實驗

4.7SDH環形組網（復用段環）配置實驗

4.8以太網口業務配置實驗

第5章DWDM波分復用網絡

5.1DWDM原理概述

5.1.1傳統的網絡擴容技術

5.1.2DWDM技術

5.2DWDM關鍵技術

5.2.1光源

5.2.2光復用/解復用器件

5.3摻鉺光纖放大器

5.3.1EDFA的工作原理

5.3.2EDFA的應用

5.3.3EDFA的局限性

5.4光纖拉曼放大器

5.5DW

5.5.1DW設備

5.5.2DW性質

5.5.3DWDM網絡保護

第6章EPON接入網

6.1接入網的概念

6.2光纖接入網

6.2.1光纖接入網定義

6.2.2光纖接入網的拓撲結構

6.3無源光網絡

6.3.1PON技術概述

6.3.2PON繫統模型

6.3.3FTTx業務模型

6.4EPON接入網

6.4.1EPON的信息流

6.4.2EPON的硬件實現

6.4.3EPON的關鍵技術

6.4.4EPON的前景展望

6.5GPON接入網

6.5.1GTC成幀技術分析

6.5.2OLT與ONU的定時關繫

6.5.3GTC成幀技術在GPON繫統中的應用

6.5.4GPON成幀技術與EPON成幀技術的區別

第7章基於EPON的光接入實訓指導

7.1EPON設備總體介紹

7.1.1EPONMA5680T產品介紹

7.1.2EPONMA5680T硬件結構

7.1.3基本操作

7.2EPON管理環境搭建

7.3EPON ONT注冊實驗

7.4EPON 數據業務實驗

7.5BRAS的配置

7.6EPON接入用戶組網實驗

7.7EPON組播業務實驗

7.8EPON安全管理實驗

7.9EPON FTTH組網實驗

第8章網絡規劃與設計

8.1接入光纜網的架構

8.1.1接入光纜網目標架構

8.1.2接入光纜網層次劃分和定義

8.1.3接入光纜網規劃原則

8.2FTTH 組網

8.2.1組網概論

8.2.2已建住宅建築舉例

8.3設備施工規範

8.3.1OLT 安裝施工

8.3.2ODF以及交換箱的安裝施工

8.3.3光分路器箱施工

8.4線纜布放

8.4.1管道光纜的敷設

8.4.2埋式光纜的敷設

8.4.3樓道牆壁光纜的敷設

8.5光纜施工

8.5.1光纜施工過程

8.5.2光纖工程的熔接與測試

8.5.3光纜敷設

參考文獻

前言

前言
前言

隨著電信業務向綜合化、數字化、智能化、寬帶化和個人化方向發展，人們對電信業務多樣化的需求也不斷提高，同時由於主干網上SDH、ATM、無源光網絡(PON)及DWDM技術的日益成熟和使用，通信技術進入了快速發展階段。“光傳輸與接入技術”是電氣信息類專業中通信工程等相關專業的一門重要的專業課程，也是很多學校通信與信息繫統專業碩士研究生的專業課程，其目的是通過對該課程的學習，使學生掌握飛速發展的各種接入網技術的理論、標準以及協議，為以後從事接入網技術相關工作奠定基礎。本書共8章，第1章主要介紹光纖通信的基本概念、光纖通信繫統的基本組成以及光纖通信技術的發展趨勢；第2章主要講解光網絡中的主要光器件，其中重點說明了光纖的傳輸原理、導光模式、結構特點以及分類方法，另外也介紹了半導體激光器、光電檢測器等常用光器件的作用及特點；第3章介紹光傳輸技術，主要討論SDH技術基本概念以及映射、定位、復用的概念，介紹SDH網絡的以及常見的拓撲結構，說明了光傳送網的產生以及OTN設備的概念、特點等；第4章介紹基於SDH的光傳輸實訓指導，其中以華為OptiX 155/622H（METRO 1000）設備為主要實驗對像，講述SDH光傳輸點對點組網配置、SDH鏈型組網配置、SDH環形組網配置等實訓實驗的內容、方法以及步驟；第5章講述光波分復用繫統的原理、關鍵技術以及常用的DW類型，並分析了摻鉺光纖放大器的工作原理和應用；第6章主要介紹光接入網的概念、參考模型、網絡拓撲結構以及相關技術，講述無源光接入網的概念、相關器件、網絡組成、拓撲結構、技術及應用，重點說明了EPON、GPON的工作原理；第7章介紹基於EPON的光接入實訓指導，其中以華為EPONMA5680T設備為主要實驗對像，說明了EPON ONT注冊、EPON數據業務、EPON接入用戶組網等實訓實驗的內容、方法以及步驟；第8章介紹光接入網的網絡規劃與設計，討論了實際工程中包含的施工規範、設備安裝以及光纜敷設等常見問題。在本書的編寫過程中結合了大量的國內外研究成果，希望讀者通過對本書的學習可以對光傳輸與光接入原理、關鍵技術以及應用有一個全面的認識。本書在理論知識的基礎上，加上了光傳輸、光接入的實驗實訓內容，對培養讀者的思維能力、創新能力、科學精神以及利用光傳輸、光接入技術知識解決實際問題的能力有重要的意義。本書盡量避免繁雜的公式推導，力求文字簡單明了，並結合大量的圖表進行說明，希望可以做到深入淺出地講解，方便讀者學習。參與本書編寫的有王岩、張猛、孫海欣、商微微。在本書的編寫過程中參考了大量的國內外通信以及光傳輸與光接入方面的文獻，已在參考文獻中一一列出，在此表示誠摯的感謝。另外感謝深圳市訊方技術股份有限公司對本書的編寫提供了專業的參考意見。也對為本書的編寫工作提供過指導與幫助的同事和朋友表示感謝。由於作者學術水平有限，書中存在不足之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。

作者2018年1月於長春

在線試讀

第5章DWDM波分復用網絡
5.1DWDM原理概述隨著話音業務的飛速增長和各種新業務的不斷湧現，特別是IP技術日新月異的發展，網絡的容量必將會受到嚴重的挑戰。5.1.1傳統的網絡擴容技術傳統的傳輸網絡擴容采用空分復用(space division multiplexing，SDM)或時分復用(time division multiplexing，TDM)兩種方式。1. 空分復用空分復用(SDM)是靠增加光纖數量的方式線性增加傳輸的容量，傳輸設備也線性增加。在光纜制造技術已經非常成熟的今天，幾十芯的帶狀光纜已經比較普遍，而且先進的光纖接續技術也使光纜施工變得簡單，但光纖數量的增加無疑仍然給施工以及將來線路的維護帶來了諸多不便，並且對於已有的光纜線路，如果沒有足夠的光纖數量，通過重新敷設光纜來擴容，工程費用將會成倍增長。而且，這種方式並沒有充分利用光纖的傳輸帶寬，造成光纖帶寬資源的浪費。作為通信網絡的建設，不可能總是采用敷設新光纖的方式來擴容，事實上，在工程之初也很難預測日益增長的業務需要和規劃應該敷設的光纖數。因此，空分復用的擴容方式十分受限。2. 時分復用時分復用(TDM)也是一種比較常用的擴容方式，從傳統PDH的一次群至四次群的復用，到如今SDH的STM1、STM4、STM16乃至STM64的復用。通過時分復用技術可以成倍地提高光傳輸信息的容量，極大地降低了每條電路在設備和線路方面投入的成本，並且采用這種復用方式可以很容易地在數據流中插入和抽取某些特定的字節，尤其適合在需要采取自愈環保護策略的網絡中使用。但時分復用的擴容方式有兩個缺陷：是影響業務，即在全盤升級至更高的速率等級時，網絡接口及其設備需要完全更換，所以在升級的過程中，不得不中斷正在運行的設備；第二是速率的升級缺乏靈活性，以SDH設備為例，當一個線路速率為155Mb/s的繫統被要求提供兩個155Mb/s的通道時，就隻有將繫統升級到622Mb/s，即使有兩個155Mb/s將被閑置。對於更高速率的時分復用設備，目前成本還較高，並且40Gb/s的TDM設備已經接近電子器件的速率極限，此外，即使是10Gb/s速率的信號在G.652光纖中的色散及非線性效應也會對傳輸產生各種限制。5.1.2DWDM技術不管是采用空分復用還是時分復用的擴容方式，基本的傳輸網絡均采用傳統的PDH或SDH技術，即采用單一波長的光信號傳輸，這種傳輸方式是對光纖容量的一種極大浪費，因為光纖的帶寬相對於目前我們利用的單波長通道來講幾乎是無限的。我們一方面在為網絡的擁擠不堪而憂心忡忡，另一方面卻讓大量的網絡資源白白浪費。密集波分復用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)技術就是在這樣的背景下應運而生的，它不僅大幅度地增加了網絡的容量，而且還充分利用了光纖的帶寬資源，減少了網絡資源的浪費。光纖的容量是極其巨大的，而傳統的光纖通信繫統都是在一根光纖中傳輸一路光信號，這樣的方法實際上隻使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。為了充分利用光纖的巨大帶寬資源，增加光纖的傳輸容量，以DWDM技術為核心的新一代的光纖通信技術已經產生。1. DWDM技術特點DWDM技術具有如下特點。1) 超大容量目前使用的普通光纖可傳輸的帶寬是很寬的，但其利用率還很低。使用DWDM技術可以使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍、幾十倍乃至幾百倍，因此也了光纖資源。2) 數據透明傳輸由於DWDM繫統按不同的光波長進行復用和解復用，而與信號的速率和電調制方式無關，即對數據是“透明”的。因此可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信號的綜合和分離，包括數字信號和模擬信號的綜合和分離。第5章DWDM波分復用網絡
5.1DWDM原理概述隨著話音業務的飛速增長和各種新業務的不斷湧現，特別是IP技術日新月異的發展，網絡的容量必將會受到嚴重的挑戰。5.1.1傳統的網絡擴容技術傳統的傳輸網絡擴容采用空分復用(space division multiplexing，SDM)或時分復用(time division multiplexing，TDM)兩種方式。1. 空分復用空分復用(SDM)是靠增加光纖數量的方式線性增加傳輸的容量，傳輸設備也線性增加。在光纜制造技術已經非常成熟的今天，幾十芯的帶狀光纜已經比較普遍，而且先進的光纖接續技術也使光纜施工變得簡單，但光纖數量的增加無疑仍然給施工以及將來線路的維護帶來了諸多不便，並且對於已有的光纜線路，如果沒有足夠的光纖數量，通過重新敷設光纜來擴容，工程費用將會成倍增長。而且，這種方式並沒有充分利用光纖的傳輸帶寬，造成光纖帶寬資源的浪費。作為通信網絡的建設，不可能總是采用敷設新光纖的方式來擴容，事實上，在工程之初也很難預測日益增長的業務需要和規劃應該敷設的光纖數。因此，空分復用的擴容方式十分受限。2. 時分復用時分復用(TDM)也是一種比較常用的擴容方式，從傳統PDH的一次群至四次群的復用，到如今SDH的STM1、STM4、STM16乃至STM64的復用。通過時分復用技術可以成倍地提高光傳輸信息的容量，極大地降低了每條電路在設備和線路方面投入的成本，並且采用這種復用方式可以很容易地在數據流中插入和抽取某些特定的字節，尤其適合在需要采取自愈環保護策略的網絡中使用。但時分復用的擴容方式有兩個缺陷：是影響業務，即在全盤升級至更高的速率等級時，網絡接口及其設備需要完全更換，所以在升級的過程中，不得不中斷正在運行的設備；第二是速率的升級缺乏靈活性，以SDH設備為例，當一個線路速率為155Mb/s的繫統被要求提供兩個155Mb/s的通道時，就隻有將繫統升級到622Mb/s，即使有兩個155Mb/s將被閑置。對於更高速率的時分復用設備，目前成本還較高，並且40Gb/s的TDM設備已經接近電子器件的速率極限，此外，即使是10Gb/s速率的信號在G.652光纖中的色散及非線性效應也會對傳輸產生各種限制。5.1.2DWDM技術不管是采用空分復用還是時分復用的擴容方式，基本的傳輸網絡均采用傳統的PDH或SDH技術，即采用單一波長的光信號傳輸，這種傳輸方式是對光纖容量的一種極大浪費，因為光纖的帶寬相對於目前我們利用的單波長通道來講幾乎是無限的。我們一方面在為網絡的擁擠不堪而憂心忡忡，另一方面卻讓大量的網絡資源白白浪費。密集波分復用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)技術就是在這樣的背景下應運而生的，它不僅大幅度地增加了網絡的容量，而且還充分利用了光纖的帶寬資源，減少了網絡資源的浪費。光纖的容量是極其巨大的，而傳統的光纖通信繫統都是在一根光纖中傳輸一路光信號，這樣的方法實際上隻使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。為了充分利用光纖的巨大帶寬資源，增加光纖的傳輸容量，以DWDM技術為核心的新一代的光纖通信技術已經產生。1. DWDM技術特點DWDM技術具有如下特點。1) 超大容量目前使用的普通光纖可傳輸的帶寬是很寬的，但其利用率還很低。使用DWDM技術可以使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍、幾十倍乃至幾百倍，因此也了光纖資源。2) 數據透明傳輸由於DWDM繫統按不同的光波長進行復用和解復用，而與信號的速率和電調制方式無關，即對數據是“透明”的。因此可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信號的綜合和分離，包括數字信號和模擬信號的綜合和分離。
3) 繫統升級時能限度地保護已有投資在網絡擴充和發展中，無須對光纜線路進行改造，隻需升級光發射機和光接收機即可實現，是理想的擴容手段，也是引入寬帶業務的方便手段。4) 高度的組網經濟性和可靠性利用DWDM技術構成的新型通信網絡比用傳統的電時分復用技術組成的網絡要大大簡化，而且網絡層次分明，各種業務的調度隻需調整相應光信號的波長即可實現。由於網絡結構簡化、層次分明以及業務調度方便，由此而帶來網絡的經濟性和可靠性是顯而易見的。5) 可構成全光網絡可以預見，在未來可望實現的全光網絡中，各種電信業務的上下、交叉連接等都是在光層上通過對光信號波長的改變和調整來實現的。因此，DWDM技術將是實現全光網的關鍵技術之一，而且DWDM繫統能與未來的全光網兼容，將來可能會在已經建成的DWDM網絡的基礎上實現透明的、具有高度生存性的全光網絡。波分復用技術利用單模光纖低損耗區的巨大帶寬，將不同頻率(波長)的光信號混合在一起進行傳輸，這些不同波長的光載波所承載的數字信號可以是相同速率、相同數據格式，也可以是不同速率、不同數據格式。波分復用網絡擴容通過在光纖中增加新的波長通道來實現。由於目前一些光器件(如帶寬很窄的濾光器、相干光源等)還不很成熟，因此，要實現光通道非常密集的光頻分復用是很困難的，但基於目前的器件水平，已可以實現分離光通道的波分復用。人們通常把光通道間隔較大(甚至在光纖不同窗口上)的復用稱為光波分復用(WDM)，再把在同一窗口中通道間隔較小的WDM稱為密集波分復用(DWDM)。隨著科技的進步，現代的技術已經能夠實現波長間隔為納米級的復用，甚至可以實現波長間隔為零點幾個納米級的復用，隻是在器件的技術要求上更加嚴格而已。與通用的單通道繫統相比，DWDM技術不僅極大地提高了網絡繫統的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優點，特別是它可以直接接入多種業務的特點更使得它的應用前景一片光明。DWDM繫統的構成及光譜示意圖如圖5.1所示。發送端的光發射機發出波長不同而精度和穩定度滿足一定要求的多路光信號，經過光波分復用器復用在一起送入摻鉺光纖功率放大器(摻鉺光纖功率放大器主要用來補償波分復用器引起的功率損失，提高光信號的發送功率)，再將放大後的多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據實際情況選用光線路放大器，到達接收端經光前置放大器(主要用於提高接收靈敏度)放大以後，送入光波分解復用器分解出原來的各路光信號。

圖5.1DWDM繫統的構成及頻譜示意圖

2. DWDM繫統分類DWDM繫統按一根光纖中傳輸的光通道是單向的還是雙向的可以分成單纖單向和單纖雙向兩種，按DWDM繫統和客戶端設備之間是否有光波長OTU分成開放式和集成式兩種。1) 單纖單向DWDM如圖5.2所示，一根光纖隻完成一個方向光信號的傳輸，反向光信號的傳輸由另一根光纖來完成。因此，同一波長在兩個方向上可以重復利用。

圖5.2單纖單向傳輸的DWDM繫統

這種DWDM繫統可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量擴大幾十倍、幾百倍直至上千倍。在長途網中，可以根據實際業務量的需要逐步增加波長通道(一個波長就是一個通道)的數量來實現擴容，十分靈活。在不清楚實際光纜色散的前提下，也是一種暫時避免采用超高速TDM繫統而利用多個2.5Gb/s繫統實現超大容量傳輸的手段。2) 單纖雙向DWDM如圖5.3所示，在一根光纖中實現兩個方向光信號的同時傳輸，兩個方向光信號應安排在不同波長上。

圖5.3單纖雙向傳輸的DWDM繫統

單纖雙向傳輸允許單根光纖攜帶全雙工通道，通常可以比單向傳輸節約一半的光纖器件。由於兩個方向傳輸的信號不交互產生FWM(四波混頻)產物，因此其總的FWM產物比單纖單向傳輸少很多。缺點是該繫統需要采用特殊的措施來對付光反射(包括由於光接頭引起的離散反射和光纖本身的瑞利散射)，以防多徑干擾；當需要將光信號放大以延長傳輸距離時，必須采用雙向光纖放大器，但其噪聲繫數稍差。3) 開放式DWDM開放式DWDM繫統的特點是對復用終端光接口沒有特別的要求，隻要這些接口符合ITUT G.957/G.691建議的光接口標準。DWDM繫統采用波長轉換技術，將復用終端的光信號轉換成指定的波長，不同終端設備的光信號轉換成不同的符合ITUT G.692建議的波長，然後進行合波。4) 集成式DWDM集成式DWDM繫統不采用波長轉換技術，它要求復用終端光信號的波長符合DWDM繫統的規範，不同的復用終端設備接入DWDM繫統的不同波長通道，從而在復用器中完成合波。根據工程的需要可以選用不同的應用形式。在實際應用中，開放式DWDM和集成式DWDM可以混合使用。5.2DWDM關鍵技術5.2.1光源
光源是構成DWDM繫統的重要器件，目前應用於DWDM繫統的光源主要是半導體激光器(laser diode，LD)。DWDM繫統的工作波長較為密集，一般波長間隔為幾納米到零點幾納米，這就要求激光器工作在一個標準波長上，並且具有很好的穩定性；另一方面，DWDM繫統的無電再生中繼長度從不含光線路放大器的單通道SDH繫統傳輸約160km增加到500~600km，為延長傳輸繫統的色散受限距離，DWDM繫統的光源要使用色散容納值很高的低啁啾激光器。總之，DWDM繫統光源的兩個突出特點是： (1)標準而穩定的波長； (2)比較大的色散容納值。1. 激光器的調制方式目前廣泛使用的光纖通信繫統均為強度調制—直接檢測繫統，對光源進行強度調制的方法有兩類，即直接調制和間接調制。直接調制：又稱為內調制，即直接對光源進行調制，通過控制半導體激光器的注入電流的大小來改變激光器輸出光波的強弱。傳統的PDH和2.5Gb/s速率以下的SDH繫統使用的LD或LED光源基本上采用的都是這種調制方式。直接調制方式的特點是輸出功率正比於調制電流，具有結構簡單、損耗小、成本低的特點，但由於調制電流的變化將引起激光器發光諧振腔的光學長度發生變化，引起發射激光的波長隨著調制電流變化，這種變化被稱作調制啁啾，它實際上是一種直接調制光源無法克服的波長(頻率)抖動。啁啾的存在展寬了激光器發射光譜的帶寬，使光源的光譜特性變壞，限制了繫統的傳輸速率和距離。一般情況下，在常規G.652光纖上使用時，傳輸距離小於等於100km，傳輸速率小於等於2.5Gb/s。對於無須采用光線路放大器的DWDM繫統，從成本的角度出發，可以考慮使用直接調制激光器。間接調制：這種調制方式一般又稱作外調制，即不直接調制光源，而是在光源的輸出通路上外加調制器對光波進行調制，此調制器實際上起到一個光開關的作用。結構如圖5.4所示。

圖5.4間接調制激光器的結構

恆定光源是一個連續發送固定波長和功率的高穩定光源，在發光的過程中，不受電調制信號的影響，因此不產生調制頻率啁啾，譜線寬度維持在小。光調制器對恆定光源發出的高穩定激光根據電調制信號以“允許”或者“禁止”通過的方式進行處理，而在調制的過程中，對光波的頻譜特性不會產生任何影響，保證了光譜的質量。間接調制方式的激光器比較復雜、損耗大，而且造價也高，但調制頻率啁啾很小，可以應用於傳輸速率大於等於2.5Gb/s，傳輸距離超過100km的繫統。因此，一般來說，在使用光線路放大器的DWDM繫統中，發射部分的激光器均為間接調制方式的激光器。常用的外調制器有電光調制器、聲光調制器和波導調制器等。電光調制器基本工作原理是晶體的電光效應。電光效應是指電場引起晶體折射率變化的現像，能夠產生電光效應的晶體稱為電光晶體；聲光調制器是利用介質的聲光效應制成。所謂聲光效應，是聲波在介質中傳播時，介質受聲波壓強的作用而產生變化，這種變化使得介質的折射率發生變化，從而影響光波傳輸特性；波導調制器是將鈦(Ti)擴散到鈮酸鋰(LiNbO3)基底材料上，用光刻法制出波導。它具有體積小、重量輕、有利於光集成等優點。根據光源與外調制器的集成和分離情況，又可以分為集成式外調制激光器和分離式外調制激光器兩種。集成外調制技術日益成熟，是DWDM光源的發展方向。常見的是更加緊湊小巧、性能上也滿足絕大多數應用要求的電吸收調制器。電吸收調制器是一種損耗調制器，它工作在調制器材料吸收區邊界波長處。當調制器無偏壓時，光源發送波長在調制器材料的吸收範圍之外，該波長的輸出功率，調制器為導通狀態；當調制器有偏壓時，調制器材料的吸收區邊界波長移動，光源發送波長在調制器材料的吸收範圍內，輸出功率小，調制器為斷開狀態，如圖5.5所示。

圖5.5電吸收調制器的吸收波長的改變示意圖

電吸收調制器可以利用與半導體激光器相同的工藝過程制造，因此光源和調制器容易集成在一起，適合批量生產，因此發展速度很快。例如，銦鎵砷磷(InGaAsP)光電集成電路，是將激光器和電吸收調制器集成在一塊芯片上，該芯片再置於熱電制冷器(thermal electronic cooler，TEC)上。這種典型的光電集成電路，稱為電吸收調制激光器(electroabsorption modulated laser，EML)，可以支持2.5Gb/s信號傳輸600km以上的距離，遠遠超過直接調制激光器所能傳輸的距離，其可靠性也與一般的DFB激光器類似。分離式外調制激光器常用的是連續波激光器(CW) 鈮酸鋰(LiNbO3)馬赫策恩德(MachZehnder)外調制器。該調制器將輸入光分成兩路相等的信號，分別進入調制器的兩個光支路，這兩個光支路采用的材料是電光材料，即其折射率會隨著外部施加的電信號大小而變化，由於光支路的折射率變化將導致信號相位的變化，故兩個支路的信號在調制器的輸出端再次結合時，合成的光信號是一個強度大小變化的干涉信號，通過這種辦法，將電信號的信息轉換到了光信號上，實現了光強度調制。分離式外調制激光器的頻率啁啾可以接近於零。2. 激光器波長的穩定與控制在DWDM繫統中，激光器波長的穩定是一個十分關鍵的問題，根據ITUT G.692建議的要求，中心波長的偏差不大於光通道間隔的五分之一，即對於光通道間隔為100GHz的繫統，中心波長的偏差不能大於±20GHz。影響集成式電吸收調制激光器波長的主要因素之一是芯片溫度的變化，其波長的溫度依賴性典型值為0.08nm/℃，正常工作溫度為25℃，在15~35℃溫度範圍內調節芯片的溫度，即可使EML調定在一個指定的波長上，調節範圍為1.6nm。芯片溫度的調節依靠改變制冷器的驅動電流實現，再用熱敏電阻作反饋便可使芯片溫度穩定在一個基本恆定的溫度上。除了溫度外，激光器的驅動電流也能影響波長，其依賴性典型值為0.008nm/mA，比溫度的影響約小一個數量級，在有些情況下，其影響可以忽略。此外，封裝的溫度也可能影響到器件的波長(例如從封裝到激光器平臺的連線帶來的溫度傳導和從封裝殼向內部的輻射，也會影響發光波長)。在一個設計良好的封裝中其影響可以得到有效控制。以上這些方法可以有效解決相對短期變化波長的穩定問題，對於激光器老化等原因引起的波長長期變化就顯得無能為力了。直接使用波件對光源進行波長反饋控制比較理想，原理如圖5.6所示，屬於該類控制方案的標準波長控制和參考頻率擾動波長控制均正在研制中。

圖5.6波長控制原理

5.2.2光復用/解復用器件1. 光復用/解復用器件

圖5.7光復用/解復用器

如圖5.7所示，在DWDM繫統中，復用器的主要作用是將多個波長通道合在一根光纖中傳輸；解復用器的主要作用是將在一根光纖中傳輸的多個波長通道分離。DWDM繫統性能好壞的關鍵是光復用/解復用器，其要求是復用通道數量足夠、插入損耗小、隔離度高和通帶範圍寬等。從原理上講，復用器與解復用器是相同的，隻需要改變輸入、輸出的方向。DWDM繫統中使用的光復用/解復用器的性能滿足ITUT G.671及相關建議的要求。
光復用/解復用器有多種制造方法，制造的器件各有特點，目前已廣泛商用的有4種：光柵型、介質薄膜濾波器型、光纖耦合器型、陣列波導光柵型。光柵型復用/解復用器屬於角色散型器件，利用件來分離和合並不同波長的光信號。流行的衍射光柵是在玻璃襯底上沉積環氧樹脂，然後再在環氧樹脂上制造光柵線，構成所謂閃耀光柵。入射光照射到光柵上後，由於光柵的角色散作用，不同波長的光信號以不同的角度反射，然後經透鏡會聚到不同的輸出光纖，從而完成波長選擇功能；逆過程也成立，如圖5.8所示。閃耀光柵的優點是高分辨的波長選擇作用，可以將特定波長的絕大部分能量與其他波長進行分離且方向集中。

圖5.8閃耀光柵型光復用/解復用器原理

閃耀光柵型復用器具有優良的波長選擇性，可以使通道的波長間隔縮小到0.5nm左右。另外，光柵型器件是並聯工作的，插入損耗不會隨復用波長通道數量的增加而增加，因而可以獲得較多的復用通道數。閃耀光柵的缺點是插入損耗較大，通常有3~8dB，對偏振很敏感，光通道帶寬/通道間隔比尚不夠理想，使光譜利用率不夠高，對光源和光復用/解復用器的波長容錯性要求較高。此外，其溫度特性較差，典型器件的溫度漂移大約為0.012nm/℃。若采用溫度控制措施，則溫度漂移可以減少至0.0004nm/℃。因此，對於光柵型光復用/解復用器采用溫控措施是可行和必要的。這類光柵在制造上要求較精密，不適合於大批量生產，因此往往在實驗室的科學研究中應用較多。除上述傳統的光柵器件外，布拉格光纖光柵的制造技術也逐漸成熟起來，它的制造方法是利用高功率紫外激光波束干涉，從而在光纖纖芯區形成周期性的折射率變化，如圖5.9所示。布拉格光纖光柵的設計和制造比較快捷方便，成本較低，插入損耗很小，整個器件可以直接與繫統中的光纖融為一體。其濾波特性帶內平坦，而帶外十分陡峭(滾降斜率優於150dB/nm，帶外抑制比高達50dB)，因此可以制作成通道間隔非常小的帶通或帶阻濾波器。然而這類光纖光柵濾波器的波長適用範圍較窄，隻適用於單個波長，帶來的好處是可以隨著使用的波長數變化而增減濾波器，應用比較靈活。

圖5.9光導纖維中的布拉格光柵濾波器

介質薄膜濾波器型光復用/解復用器是由介質薄膜(dielectric thin film，DTF)構成的。DTF濾波器是由幾十層不同材料、不同折射率和不同厚度的介質膜，按照設計要求組合起來的，每層的厚度為1/4波長，一層為高折射率，一層為低折射率，交替疊合而成。當光入射到高折射率層時，反射光沒有相移；當光入射到低折射率層時，反射光經歷180°相移。由於層厚1/4波長(90°相位)，因而經低折射率層反射的光經歷360°相移後與高折射率層的反射光同相疊加。這樣在中心波長附近各層反射光疊加，在濾波器前端面形成很強的反射光。在高反射區之外，反射光突然降低，大部分光成為透射光。據此可以使薄膜干涉型濾波器對一定波長範圍呈通帶，而對另外波長範圍呈阻帶，形成所要求的濾波特性。介質薄膜濾波器型解復用器的結構原理如圖5.10所示。

圖5.10介質薄膜濾波器型解復用器原理

介質薄膜濾波器型光復用/解復用器的主要特點是，設計上可以實現結構穩定的小型化器件，信號通帶平坦且與偏振無關，插入損耗低，通道隔離度好。缺點是通道數不能很多。具體特點還與結構有關，例如薄膜濾波器型光復用/解復用器在采用軟型材料的時候，由於濾波器容易吸潮，受環境的影響而改變波長；采用硬介質薄膜時，材料的溫度穩定性優於0.0005nm/℃。另外，這種器件的設計和制造周期較長，產量較低。在DWDM繫統中，當隻有4~16個波長時，使用該型光復用/解復用器是比較理想的。光纖耦合器有兩類，應用較廣泛的是熔拉雙錐(熔錐)式光纖耦合器，即將多根光纖在熱熔融條件下拉成錐形，並稍加扭曲，使其熔接在一起。由於不同的光纖的纖芯十分靠近，因而可以通過錐形區的消逝波耦合來達到所需要的耦合功率。第二種是采用研磨和拋光的方法去掉光纖的部分包層，隻留下很薄的一層包層，再將兩根經同樣方法加工的光纖對接在一起，中間塗有一層折射率匹配液，於是兩根光纖可以通過包層裡的消逝波發生耦合，得到所需要的耦合功率。熔錐型光復用/解復用器制造簡單，應用廣泛。陣列波導光柵(arrayed waveguide grating，AWG)型光復用/解復用器是以光集成技術為基礎的平面波導型器件，典型制造過程是在硅片上沉積一層薄薄的二氧化硅玻璃，並利用光刻技術形成所需要的圖案並腐蝕成型，其結構如圖5.11所示。該器件可以集成生產，具有波長間隔小、通道數多、通帶平坦等優點，非常適合於超高速、大容量DWDM繫統使用，在今後的接入網中有很大的應用前景。而且，除了光復用/解復用器之外，還可以做成矩陣結構，對光通道進行上/下分插(OADM)，是今後光傳送網絡中實現光交換的優選方案。

圖5.11AWG型光復用/解復用器原理

2. 光分插復用器(OADM)通過光分插復用器(OADM)可以實現各波長的光信號在中間站的分出與插入，即完成上/下光路，利用這種方式可以完成DWDM繫統的環形組網。目前OADM隻能夠做成固定波長上/下的器件(如圖5.12所示)，從而使該種工作方式的靈活性受到了限制。

圖5.12光分插復用器OADM

OADM一般為介質薄膜濾波器型器件，原理類似復用/解復用器。

3. 梳狀濾波器為實現50GHz通道間隔的密集波分復用繫統，又要避免器件技術過於復雜和成本過高，出現了一種Interleaver技術，即梳狀濾波器。利用這種技術可以很容易地實現通道間隔為50GHz的密集波分復用繫統，並且可以使用已有的100GHz通道間隔的DWDM器件和成熟技術。
Interleaver的基本功能如圖5.13所示，用一個50GHz間隔的Interleaver可以等間隔地把輸入的通道間隔為50GHz的光信號分成奇數通道和偶數通道兩組，而每組的通道間隔為100GHz，而後用通道間隔100GHz的把輸入光信號解復用成單波長的光信號。反過來，也可以用Interleaver將間隔100GHz的奇數通道和偶數通道兩組信號復用為間隔50GHz的一組信號。

圖5.13Interleaver的功能框圖

5.3摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)作為新一代光通信繫統的關鍵部件，具有增益高、輸出功率大、工作光學帶寬較寬、與偏振無關、噪聲指數較低、放大特性與繫統比特率和數據碼型無關等優點。它是大容量DWDM繫統中必不可少的關鍵部件。5.3.1EDFA的工作原理為了實現光功率放大的目的，將一些光無源器件、泵浦源和摻鉺光纖以特定的光學結構組合在一起，就構成了EDFA光放大器。圖5.14是一種典型的雙泵浦源的摻鉺光纖放大器光學結構。

圖5.14EDFA光放大器內部典型光路圖

如圖5.14所示，輸入信號光和泵浦激光器發出的泵浦光經過WDM器件合波後進入摻鉺光纖EDF，其中兩隻泵浦激光器構成兩級泵浦，EDF在泵浦光的激勵下可以產生放大作用，從而也就實現了放大光信號的功能。摻鉺光纖EDF是光纖放大器的核心，它是一種內部摻有一定濃度鉺離子Er3 的光纖，為了闡明其放大原理，需要從鉺離子的能級圖講起。鉺離子的外層電子具有三能級結構，如圖5.15所示，其中E1是基態能級，E2是亞穩態能級，E3是激發態能級。

圖5.15鉺離子能級圖

當用高能量的泵浦激光器來激勵摻鉺光纖時，可以使鉺離子從基態能級大量激發到高能級E3上。然而，高能級是不穩定的，因而鉺離子很快會經歷無輻射躍遷(即不釋放光子)落入亞穩態能級E2。而E2能級是一個亞穩態的能級，在該能級上，粒子的存活壽命較長，受到泵浦光激勵的粒子，以無輻射躍遷的形式不斷地向該能級彙集，從而實現粒子數反轉分布。當具有1550nm波長的光信號通過這段摻鉺光纖時，亞穩態的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態，並產生出和入射信號光中的光子一模一樣的光子，從而大大增加了信號光的光子數量，即實現了信號光在摻鉺光纖傳輸過程中被不斷放大的功能。WDM光耦合器，顧名思義，就是具有耦合的功能，其作用是將信號光和泵浦光耦合，一起送入摻鉺光纖，也稱光合波器，通常使用光纖熔錐型合波器。光隔離器ISO是一種利用法拉第旋光效應制成的、隻能允許光單向傳輸的器件。光路中兩隻隔離器的作用分別是：輸入光隔離器可以阻擋摻鉺光纖中反向ASE對繫統發射器件造成干擾，以及避免反向ASE在輸入端發生反射後又進入摻鉺光纖產生更大的噪聲；輸出光隔離器則可避免輸出的放大光信號在輸出端反射後進入摻鉺光纖消耗粒子數，從而影響摻鉺光纖的放大特性。泵浦激光器是EDFA的能量源泉，它的作用是為光信號的放大提供能量。通常是一種半導體激光器，輸出波長為980nm或1480nm。泵浦光經過摻鉺光纖時，將鉺離子從低能級泵浦到高能級，從而形成粒子數反轉，而當信號光經過時，能量就會轉移到信號光中，從而實現光放大的作用。EDFA中所用的光分路器為一分二器件，其作用是將主信道上的光信號分出一小部分光信號送入光探測器，以實現對主信道中光功率的監測功能。光探測器PD是一種光強度檢測器，它的作用是將接收的光通過光/電轉換變成電流，從而對EDFA模塊的輸入、輸出光功率進行監測。5.3.2EDFA的應用根據EDFA在DWDM光傳輸網絡中的位置，可以分為3種：功率放大器(booster amplifier，BA)；線路放大器(line amplifier， LA)；前置放大器(preamplifier，PA)。功率放大器被放置於終端復用設備或電中繼設備的發射光源之後的位置，如圖5.16所示。功率放大器的主要作用是提高發送光功率，通過提高注入光纖的光功率(一般在10dBm以上)，從而延長傳輸距離，故有的資料上稱為功率助推放大器。此時對放大器的噪聲特性要求不高，主要要求功率線性放大的特性。功率放大器通常工作在增益或輸入功率飽和區，以便提高泵浦源功率轉化為光信號功率的效率。

圖5.16功率放大器在DWDM繫統中的位置

線路放大器被放置於整個中繼段的中間，如圖5.17所示，是將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對信號進行直接放大的應用形式。一個中繼段可以根據需要配置有多個線路放大器。線路放大器主要應用於長距離通信或CATV分配網，此時要求EDFA對小信號增益高，而且噪聲繫數小。

圖5.17線路放大器在DWDM繫統中的位置

前置放大器被放置在中繼段的末尾、光接收設備之前，如圖5.18所示。該放大器的主要作用是對經線路衰減後的小信號進行放大，從而提高光接收機的接收靈敏度，此時的主要問題是噪聲問題。EDFA中的噪聲主要是放大器的自發輻射噪聲(amplified spontaneous emission，ASE)，該噪聲將使光電檢測器輸出3個噪聲分量，即由於光功率增加產生的額外散彈噪聲、信號—自發輻射差拍噪聲和自發輻射—自發輻射差拍噪聲，通過使用窄帶光濾波器(1nm帶寬)可以濾掉大部分自發輻射—自發輻射差拍噪聲，同時減少額外散彈噪聲，但無法濾除信號—自發輻射差拍噪聲。盡管如此，采用光濾波器的EDFA噪聲特性已經得到很大改善。使用前置放大器，極大地改善了直接檢測式接收機的靈敏度，例如2.5Gb/s速率的EDFA接收機靈敏度可以達到-43.3dBm，比沒有使用EDFA的直接檢測式接收機改進了約10dBm。

圖5.18前置放大器在DWDM繫統中的位置

在DWDM繫統中，復用的光通道數越來越多，需要串接的光放大器數目也越來越多，因而要求單個光放大器占據的譜寬也越來越寬。然而，普通的以石英光纖為基礎的摻鉺光纖放大器的增益平坦區很窄，僅在1549~1561nm，大約12nm，在1530~1542nm的增益起伏很大，可高達8dB。這樣，當DWDM繫統的通道安排超出增益平坦區時，在1540nm附近的通道會遭受嚴重的信噪比劣化，無法保證正常的信號輸出。為了解決上述問題，更好地適應DWDM繫統的發展，人們開發出以摻鋁的硅光纖為基礎的增益平坦型EDFA放大器，大大地改善了EDFA的工作波長帶寬，平抑了增益的波動。目前的成熟技術已經能夠做到1dB增益平坦區幾乎擴展到整個鉺通帶(1525~1560nm)，基本解決了普通EDFA的增益不平坦問題。未摻鋁的EDFA和摻鋁的EDFA的增益曲線對比如圖5.19所示。

圖5.19EDFA增益曲線平坦性的改進

技術上，將EDFA光放大器增益曲線中1525~1540nm稱作藍帶區，將1540~1565nm稱作紅帶區，一般來說，當傳輸的容量小於40Gb/s時，優先使用紅帶區。EDFA增益不平坦和平坦性能比較如圖5.20所示。

圖5.20EDFA增益平坦示意圖

EDFA的增益鎖定是一個重要問題，因為WDM繫統是一個多波長的工作繫統，當某些波長通道丟失時，由於增益競爭，其能量會轉移到那些未丟失的通道上，使其他波長通道的功率變高。在接收端，由於電平的突然提高可能引起誤碼，而且在極限情況下，如果8路波長通道中的7路丟失時，所有的功率都集中到所剩的一個通道上，功率可能會達到17dBm，這將帶來強烈的非線性或接收機接收功率過載，產生大量誤碼。因此需要對EDFA的增益進行鎖定，使單個通道的增益不至於因為總通道數量的變化而變化。EDFA的增益鎖定有許多種技術，典型的有控制泵浦光源增益的方法。EDFA內部的監測電路通過監測輸入和輸出功率的比值來控制泵浦源的輸出，當輸入的某些波長通道丟失時，輸入功率會減小，輸出功率和輸入功率的比值會增加，通過反饋電路，降低泵浦源的輸出功率，保持EDFA增益(輸出/輸入)不變，從而使EDFA的總輸出功率減少，保持輸出信號電平的穩定，如圖5.21所示。其中TAP為光分路器，PUMP為泵浦激光器，PIN為光電二極管。

圖5.21控制泵浦光源增益鎖定技術

另外還有飽和波長的方法。在發送端，除了8路工作波長外，繫統還發送另一個波長作為飽和波長，在正常情況下，該波長的輸出功率很小，當線路的某些通道丟失時，飽和波長的輸出功率會自動增加，用以補償丟失的各波長通道的能量，從而保持EDFA輸出功率和增益保持恆定，當線路的多波長信號恢復時，飽和波長的輸出功率會相應減少，這種方法直接控制飽和波長激光器的輸出，響應速度較控制泵浦源要快一些。5.3.3EDFA的局限性EDFA解決了DWDM繫統中的線路損耗問題，但同時也帶來了一些新的問題，仍有待進一步研究解決。1. 非線性問題雖然EDFA的采用提高了光功率，但是這個光功率並非越大越好。當光功率大到一定程度時，光纖將產生非線性效應(包括受激拉曼散射和受激布裡淵散射等)，尤其是受激布裡淵散射(SBS)受EDFA的影響更大，非線性效應會極大地限制EDFA的放大性能和長距離無中繼傳輸的實現。2. 光浪湧問題由於EDFA的動態增益變化較慢，在輸入信號功率跳變的瞬間，將產生光浪湧，即輸出光功率出現尖峰，尤其是當EDFA級聯時，光浪湧現像更為明顯。峰值光功率可以達到幾瓦，有可能造成光/電變換器和光連接器端面的損壞。3. 色散問題采用EDFA以後，因衰減限制無中繼長距離傳輸的問題雖然得以解決，但隨著距離的增加，總光纖色散也隨之增加，原來的功率受限繫統變成了色散受限繫統。4. 光信噪比問題EDFA會在幾十納米寬的光譜區內產生所謂放大的自發輻射(ASE)，與ASE有關的差拍噪聲會引起接收端光信噪比(optical signal to noise ratio，OSNR)劣化。這種差拍噪聲隨級聯光放大器數目的增加而線性增加，因此，誤碼率隨光放大器數目的增加而劣化。此外，噪聲是隨放大器的增益幅度以指數形式積累的。5.4光纖拉曼放大器高強度電磁場中任何電介質對光的響應都會表現出非線性，光纖也不例外。受激拉曼散射(stimulated raman scattering，SRS)是光纖中一個很重要的三階非線性過程。它可以看作是介質中分子振動對入射光(泵浦光)的調制，從而對入射光產生散射作用。假設入射光的頻率為ωλ，介質的分子振動頻率為ωv，則散射光的頻率為ωs=ωλ－ωv，ωas＝ωλ ωv。在此過程中產生的頻率為ωs的散射光叫斯托克斯光(stokes)，頻率為ωas的散射光叫反斯托克斯光。可以用物理圖像描述如下：一個入射的光子消失，產生一個頻率下移/上移的光子，即stokes波/反stokes波，剩餘能量則被介質以分子振動的形式吸收，完成分子振動態之間的躍遷。光纖拉曼放大器是SRS的一個重要應用。由於石英光纖具有很寬的SRS增益譜，且在13THz附近有一較寬的主峰。如果一個弱信號和一個強的泵浦波在光纖中同時傳輸，並且它們的頻率之差處在光纖的拉曼增益譜範圍內，弱信號光就可得到放大，這種基於SRS機制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器。圖5.22所示即是光纖拉曼放大器的增益譜示意圖。

圖5.22光纖拉曼放大器的增益譜示意圖

某一波長的泵浦光，在其頻率下移約為13THz(在1550nm波段，波長上移約為100nm)的位置可以產生一個增益很寬的增益譜(在常規單模光纖中功率為500mW的泵浦光可以產生約30nm的增益帶寬)。光纖拉曼放大器的增益波長由泵浦光波長決定，隻要泵浦源的波長適當，理論上可得到任意波長的信號放大。這種特性使光纖拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多個泵浦源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬(後者由於能級躍遷機制所限，增益帶寬隻有80nm)，因此，對於開發光纖的整個低損耗區1270~1670nm具有無可替代的作用。光纖拉曼放大器的增益介質為傳輸光纖本身。這種特性使光纖拉曼放大器可以對光信號進行在線分布式放大，實現長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，尤其適用於海底光纜通信等不方便設立中繼器的場合。同時信號的放大是沿光纖分布而不是集中作用，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低非線性效應尤其是四波混頻效應的干擾。光纖拉曼放大器的噪聲指數低。光纖拉曼放大器與常規EDFA混合使用時可大大降低繫統的噪聲指數，延長傳輸跨距。由於光放大器的使用極大地延長了傳輸繫統的無電中繼距離，使得色散成為限制光纖傳輸的一個重要因素。為了消除色散對信號傳輸的影響，可以采取多種技術，目前常用色散補償光纖進行補償。適合於DWDM繫統光信號傳輸的光纖一般為G.652和G.655兩類光纖，它們在1550nm窗口具有正色散繫數及正色散斜率。當光信號在前述線路中傳輸一定距離後，會由於正色散的累積而造成光信號脈衝展寬，嚴重影響繫統傳輸性能。色散補償光纖(dispersion compensation fiber，DCF)采用無源補償方法，利用色散補償光纖本身具有的負色散來抵消傳輸光纖的正色散，使信號脈衝得到壓縮。DCF特點如下： (1) 無源補償方法，簡單易行。(2) DCF滿足ITUT G.671、G.692建議和其他相關建議要求。(3) 100％(±10%)斜率補償，插損小且對波長不敏感。(4) 提供不同補償距離的DCF，可以根據實際組網進行靈活配置。5.5DW5.5.1DW設備
DW一般按用途可分為光終端復用設備、光線路放大設備、光分插復用設備、電中繼設備幾種類型。以下以OptiX BWS 320G設備為例分別講述各種在網絡中所起的作用。1. 光終端復用設備在發送方向，光終端復用設備(optical terminal multiplexer，OTM)把波長為λ1~λ32的32個信號經復用器復用成一個DWDM主信道信號，然後對其進行光放大，並附加上波長為λs的光監控通道(optical supervisory channel，OSC)信號。在接收方向，OTM先把光監控通道信號取出，然後對DWDM主信道信號進行光放大，經解復用器解復用成32個波長的信號。OTM的信號流向如圖5.23所示，其中TWC/RWC為發送/接收端光波長轉換板，M32/D32為光復用/解復用板，WPA/WBA為光前置/功率放大器板，SC1為單向光監控通道處理板，SCA為光監控通道接入板，SDH為同步數字繫列設備，A為光衰減器，M為檢測光口MON。

圖5.23OTM信號流向圖

2. 光線路放大設備DWDM繫統的光線路放大設備(optical line amplifier，OLA)在每個傳輸方向均配有一個光線路放大器。在每個傳輸方向先取出光監控通道信號並處理，再將主信道信號進行放大，然後將主信道信號與光監控通道信號合並送入光纖線路。OLA的信號流向如圖5.24所示，SC2為雙向光監控通道處理板。

圖5.24OLA信號流向圖

圖中每個方向都采用一對WPA WBA的方式來進行光線路放大，也可用單一WLA或WBA的方式來進行單向的光線路放大。3. 光分插復用設備DWDM繫統的光分插復用設備(OADM)有兩種類型，一種是采用靜態上/下波長的OADM模塊，另一種是兩個OTM采用背靠背的方式組成一個可上/下波長的OADM設備。1) DWDM繫統靜態光分插復用設備當OADM設備接收到線路的光信號後，先從中提取光監控通道信號，再用WPA將主光通道信號預放大，通過ADD/DR從主光通道中按波長取下一定數量的波長通道後送出設備，要插入的波長經ADD/DR直接插入主信道，再經功率放大後插入本地光監控通道信號，向遠端傳輸。在本站下業務的通道，需經RWC與SDH設備相連，在本站上業務的通道，需經TWC與SDH設備相連(波長變化)。以OADM(上/下四通道)為例，其信號流向如圖5.25所示，其中MR2為2通道ADD/DROP板，SCC為繫統控制與通信板，OHP為開銷與公務處理板，DCM為色散補償模塊。

圖5.25靜態OADM信號流向圖

2) 兩個OTM背靠背組成的光分插復用設備用兩個OTM背靠背的方式組成一個可上/下波長的OADM設備。這種方式較之靜態OADM要靈活，可任意上/下1到32個波長，更易於組網。如果某一路信號不在本站上下，可以從D32的輸出口直接接入同一波長的TWC再進入另一方向的M32板。兩個OTM背靠背組成的OADM的信號流向如圖5.26所示。

圖5.26兩個OTM背靠背組成的OADM信號流向圖

4. 電中繼設備對於需要進行再生段級聯的工程，要用到電中繼設備(REG)。電中繼設備無業務上下，隻是為了延伸色散受限傳輸距離。電中繼設備的信號流向如圖5.27所示。

圖5.27電中繼設備REG的信號流向圖

DWDM繫統基本的組網方式為點到點方式、鏈形組網方式、環形組網方式，由這3種方式可組合出其他較復雜的網絡形式。與SDH設備組合，可組成十分復雜的光傳輸網絡。其連接的基本拓撲結構可分為點對點連接方式、鏈形連接方式以及環形連接方式。點到點組網方式如圖5.28所示。

圖5.28DWDM的點到點組網示意圖

鏈形組網方式如圖5.29所示。

圖5.29DWDM的鏈形組網示意圖

在本地網特別是城域網的應用中，用戶根據需要可以由DWDM的光分插復用設備構成環形網。環形組網如圖5.30所示。

圖5.30DWDM的環形網示意圖

5.5.2DW性質1. 色散
色度色散是由發送光源光譜特性所導致的制約傳輸距離的一個支配性因素。在單模光纖中，色散以材料色散和波導色散為主，使信號中不同頻率分量經光纖傳輸後到達光接收機的時延不同。在時域上造成光脈衝的展寬，引起光脈衝相互間的串擾，使得眼圖惡化，終導致繫統誤碼性能下降。一般把光放大器加在一個繫統上並不會明顯地改變總色度色散。雖然在光放大器中作為有源增益媒質的摻稀土光纖會導致少量的色度色散，但這些光纖長度僅在數十米至數百米數量級。由於摻稀土光纖的單位長度色度色散與ITUT建議G.652所規範的光纖差別不大，因此相對幾十至數百公裡長的線路光纖來說，光放大器引入的色散影響可忽略不計。但隨著光纖通信繫統中傳輸速率的不斷提高和光放大器極大地延長了無電中繼的光信號傳輸距離，整個傳輸鏈路的總色散及其相應色散代價將可能變得很大而必須認真對待，色散限制已經成為目前決定許多繫統再生中繼距離的決定因素。無源色散補償器件可同光放大器組合在一起，構成一個光放大子繫統，光放大器可以彌補無源色散補償器件的插入損耗。該子繫統會給繫統附加有限的色度色散，但其色散繫數與繫統光纖相反，這就會使繫統總的色度色散減小。另外，采用G.655光纖和G.653光纖對減小色度色散是有利的。如全面考慮非線性損傷，則長途傳輸中G.655光纖的綜合性能是的。在進行DWDM網絡設計時，一般先將整個網絡劃分為若干個再生中繼距離段，使每個再生中繼段距離都小於光源的色散受限距離，這樣，整個網絡的性能可以容忍色散的影響。2. 光功率光信號的長距離傳輸要求信號功率足以抵消光纖的損耗，G.652光纖在1550nm窗口的衰減繫數一般為0.25dB/km左右，考慮到光接頭、光纖冗餘度等因素，綜合的光纖衰減繫數一般小於0.275dB/km。具體計算時，一般隻對傳輸網絡中相鄰的兩個設備作功率預算，而不對整個網絡進行統一的功率預算。將傳輸網絡中相鄰的兩個設備間的距離稱作中繼距離。
如圖5.31所示，A站點為發送參考點S，B站點為接收參考點R，S點與R點間的距離為L，則中繼距離L=(Pout -Pin)/a。

圖5.31中繼距離示意圖

Pout為S點單通道的輸出功率(單位為dBm)，S點的光功率與A站點的配置相關。Pin為R點的單通道小允許輸入功率(單位為dBm)。a為光纜每千米損耗(dB/km)(根據ITUT建議，取0.275dB/km，0.275dB/km已包含光纖接頭、冗餘度等各種因素的影響)。3. 光信噪比光放大器會在幾十納米寬的光譜區內產生所謂放大的自發輻射(ASE)，這個ASE對信號光來說就是一個噪聲。在具有若干級聯EDFA的傳輸繫統中，光放大器的ASE噪聲將同信號光一樣，重復一個周期性的衰減和放大。因為輸入光放大器的ASE噪聲在每個光放大器中均經過放大，並且疊加在那個光放大器所產生的ASE上，所以總ASE噪聲功率就隨光放大器數目的增加而大致按比例增大，而信號功率則隨之減小，後，噪聲功率可能超過信號功率。ASE噪聲頻譜分布也是沿繫統縱向展開的。當來自個光放大器的ASE噪聲被送入第二個光放大器時，第二個光放大器的增益分布就會因增益飽和效應而發生變化，同樣，第三個光放大器的有效增益分布也會發生變化。這種效應會向下遊傳遞給下一個光放大器。即使在每個光放大器處使用窄帶濾波器，ASE噪聲也會積累起來，這是因為噪聲存在於包含著信號頻段之內的緣故。光信噪比(OSNR)定義為： OSNR=單位帶寬內每通道的信號光功率/單位帶寬內每通道的噪聲光功率。ASE噪聲積累對繫統的OSNR有影響，因為接收信號OSNR劣化的主要原因是與ASE有關的差拍噪聲，這種差拍噪聲隨級聯光放大器數目的增加而線性增加，因此，誤碼率隨光放大器數目的增加而劣化。此外，噪聲是隨放大器的增益幅度以指數形式積累的。作為光放大器增益的一個結果，積累了許多個光放大器之後的ASE噪聲頻譜會有一個自發射效應導致的波長尖峰。特別要指出的是，如果考慮采用閉合全光環路的網絡體制，那麼若級聯數目無限的光放大器，則ASE噪聲就會無限積累起來。雖然有濾波器的繫統中的ASE積累會因有濾波器而明顯減小，但帶內ASE仍會隨光放大器的增多而增大。因此，OSNR會隨光放大器的增多而劣化。ASE噪聲積累可能因光放大器間隔的縮小而減小(當保持總增益等於總傳輸通道損耗時)，因為ASE是隨放大器增益幅度的增大而以指數形式積累的。下面的濾波技術可進一步減小ASE噪聲：即采用ASE噪聲濾波器或利用自濾波效應(自濾波方法)。自濾波方法適用於裝設幾十或更多個光放大器的繫統。這種方法是把信號波長調整到自濾波波長上，從而使檢測器接收到的ASE噪聲減小，如同使用窄帶濾波器一樣。當采取縮短光放大器間隔和低增益光放大器的手段來減小初始ASE噪聲時，這種方法是有效的。如果考慮采用全光DWDM閉合環路網，那麼自濾波方法就不適用。事實上，在光放大器整個增益頻譜中形成的峰值可能對繫統性能造成嚴重影響。在這種情況下，采用ASE濾波法可限度減小ASE噪聲的積累。對於裝有很少幾個光放大器的繫統，自濾波法不如ASE濾波法有效。ASE濾波法可靈活地選擇信號波長，並具有其他的優點。必須謹慎地選擇濾波器的特性，因為級聯濾波器的通帶比信號濾波器的通帶窄(除非是有一個矩形的通帶)。4. 非線性效應1) 受激布裡淵散射(SBS)在使用窄譜線寬度光源的強度調制繫統中，一旦信號光功率超過受激布裡淵散射門限，將有很強的前向傳輸信號光轉化為後向傳輸。在受激布裡淵散射中，前向傳輸的光以聲子的形式散射，隻有後向散射的光是在單模光纖內。在1550nm處散射光頻率大約向下移動11GHz。SBS效應具有一個門限功率。研究表明，不同類型的光纖甚至同種類型的不同光纖之間的受激布裡淵散射門限功率都不同。對於窄譜線光源的外調制繫統，其典型值在5~10mW量級，但對直接調制激光器可能會達到20~30mW。由於G.653光纖的有效芯徑面積較小，因此采用G.653光纖的繫統的SBS門限功率比采用G.652光纖的繫統的SBS門限功率略低一些。對於所有的非線性效應都是這樣。SBS門限功率對光源譜線寬度和功率電平很敏感，但與通道數無關。SBS極大地限制了光纖中可以傳輸的光功率。圖5.32描述了對於窄帶光源的這種效應，這裡所有的信號功率都落入了布裡淵帶寬內。前向傳輸功率逐漸飽和，而後向散射功率急劇增加。

圖5.32窄帶光源的SBS門限

在光源線寬明顯大於布裡淵帶寬或者信號功率低於門限功率的繫統中，SBS損傷不會出現。2) 受激拉曼散射(SRS)受激拉曼散射是光與二氧化硅分子振動模式間相互作用有關的寬帶效應。受激拉曼散射使得信號波長就像是更長波長信號通道或者自發散射的拉曼位移光的一個拉曼泵。在任何情況下，短波長的信號總是被這種過程所衰減，同時長波長信號得到增強。在單通道和多通道繫統中都可能發生受激拉曼散射。僅有一個單通道且沒有線路放大器的繫統中，信號功率大於1W時可能會受到這種現像的損傷。然而在光譜範圍較寬的多通道繫統中，波長較短的信號通道由於受激拉曼散射影響，使得一部分功率轉移到波長較長的信號通道中，從而可能引起信噪比性能的劣化。在G.653光纖上，繫統的受激拉曼色散門限稍低於采用G.652光纖的繫統，其原因是G.653光纖的等效芯徑面積小。SRS對單通道繫統不會產生實際的劣化影響，而對DWDM繫統則可能會限制其繫統的容量。在單通道繫統中可以使用濾光器來濾除不需要的頻率分量，然而迄今為止，還沒有報道在多通道繫統中用來消除SRS影響的可實用的技術；也可以通過減小信號功率來減輕受激拉曼射效應的影響。不過在目前實施的經過認真設計的DWDM繫統中沒有出現明顯的SRS限制。3) 自相位調制(SPM)由於克爾效應，信號光強度的瞬時變化引起其自身的相位調制，這種效應叫做自相位調制(selfphase modulation，SPM)。在單通道繫統中，當強度變化導致相位變化時，自相位調制效應將逐漸展寬信號的頻譜，如圖5.33所示。在光纖的正常色散區中，由於色度色散效應，一旦自相位調制效應引起頻譜展寬，沿著光纖傳輸的信號將經歷更大的時域展寬。不過在反常色散區，光纖的色度色散效應和自相位調制效應能夠互相補償，使信號展寬變小。

圖5.33自相位調制引起傳輸脈衝的壓縮和譜展寬

一般情況下，SPM效應隻在高累積色散或超長繫統中比較明顯。工作在正常色散區的色散受限繫統可能不能容忍自相位調制效應。在通道間隔很窄的多通道繫統中，由自相位調制引起的頻譜展寬可能在相鄰通道間產生干擾。脈衝壓縮能抑制色度色散並提供一定的色散補償。然而，色散限制和相應的傳輸距離限制仍然存在。圖5.33說明了在G.652光纖中的低啁啾強度調制信號的自相位調制引起傳輸脈衝的壓縮；同時也可以說明頻譜展寬。采用G.653光纖且將信號通道設置在零色散區附近，將有利於減小自相位調制效應的影響。對於使用G.652光纖且長度小於1000km的繫統，可以在適當的間隔處進行色散補償來控制自相位調制效應的影響。也可以通過減小輸入光功率或者將繫統工作波長設置在G.655光纖的零色散波長以上來削弱自相位調制效應的影響。4) 互相位調制(XPM)在多通道繫統中，當光強度的變化導致相位變化時，由於相鄰通道間的相互作用，互相位調制(cross phase modulation，XPM)一般會展寬信號頻譜。XPM引起的頻譜展寬度與通道間隔及光纖色散有關，因為色散引起的差分群速會導致沿光纖傳播的相互作用的脈衝分離。一旦XPM引起頻譜展寬，信號在沿光纖長度傳播時就會因色度色散效應而經受一次較大的瞬時展寬。XPM導致的損傷在G.652光纖繫統中比在G.653光纖和G.655光纖繫統中更為明顯。XPM引起的展寬會導致多通道繫統中相鄰通道間的干擾。XPM可通過選擇適當的通道間隔的方法加以控制。研究表明，XPM引起的多通道繫統信號失真隻發生於相鄰通道。因此，信號因通道之間有適當的間隔而使XPM影響可忽略不計。在對每通道功率為5mW的繫統進行的模擬試驗中，已證實100GHz的通道間隔足以減小XPM的影響。XPM導致的色散代價也可采取在繫統沿線按適當間隔進行色散補償的辦法加以控制。5) 四波混頻(FWM)四波混頻(fourwave mixing，FWM)亦稱四聲子混合，是因不同波長的兩、三個光波相互作用而導致在其他波長上產生所謂混頻產物或邊帶的新光波的現像。這種相互作用可能發生於多通道繫統的各信號之間、EDFA的自發輻射噪聲與信號通道之間或單通道的主模與邊模之間。3個信號的情況下，產生的混頻產物如圖5.34所示。

圖5.34三光波互作用產生的混頻產物

當通道間隔相等時，這些產物會恰恰落入相鄰的信號通道之中。如果邊帶與初始信號之間的相位匹配條件達到了，那麼沿著光纖傳播的兩個光波就會產生高效率的FWM。FWM邊帶的產生可能造成信號功率明顯減小。更嚴重的是，當混頻產物直接落入信號通道時會產生參量干擾，這種干擾決定於信號與邊帶的相位的相互作用，表現為信號脈衝幅度的增減。參量干擾導致接收機輸出眼圖的閉合，致使比特差錯率(BER)性能劣化。依靠頻率間隔和色度色散對互作用光波之間相位匹配的破壞作用可減小FWM產生的影響。在G.652光纖上的繫統所受的FWM損傷比G.653光纖上的繫統小。相反，若信號通道恰巧位於零色散點或鄰近該點處，就可能導致在相對較短(即數十公裡)的光纖長度上FWM產生激增。四波混頻可能對使用G.653光纖的多通道繫統造成嚴重的繫統損傷，因為信號隻經歷一個很小的色度色散。在單通道繫統中，FWM的相互作用可能出現在信號與ASE噪聲之間，也可能出現在光發送機的主模與邊模之間。積累的ASE通過非線性折射率效應將相位噪聲疊加在信號載波上，從而使信號頻譜尾部變寬。如前面指出的那樣，G.655或G.652光纖的色散可用於抑制FWM邊帶的產生。還可安排不均勻的通道間隔，以緩解FWM損傷的嚴重程度。降低G.653光纖繫統的功率電平，可允許多通道運行，但這會削弱光放大的優勢。為了適當抑制混頻產物，已提出了(現有或正在研究的新建議)在EDFA放大帶寬範圍內有一個小允許色散(即非零色散)光纖的方案。用色散特性相反的非零色散光纖作替換段也可作為一種可能采用的方案，然而，這種替換可能因要把另一種光纖引入外部環境而在安裝、運行和維護上遇到困難。還證實了一些采用較小有限色散的長光纖段和色散相反且較大的短段光纖(提供補償)的類似方法。5.5.3DWDM網絡保護由於DWDM繫統承載的業務量很大，因此安全性特別重要。DWDM網絡主要有兩種保護方式：一種是基於光通道的1 1或1∶n的保護。另一種是基於光線路的保護。1. 光通道保護光通道保護示意圖如圖5.35所示。這種保護機制與SDH繫統的1 1復用段保護類似，所有的繫統設備都需要有備份，SDH終端、復用器/解復用器、線路光放大器、光纜線路等，SDH信號在發送端被永久橋接在工作繫統和保護繫統，在接收端監視從這兩個DWDM繫統收到的SDH信號狀態，並選擇更合適的信號，這種方式的可靠性比較高，但是成本也比較高。在一個DWDM繫統內，每一個光通道的倒換與其他通道的倒換沒有關繫，即工作繫統裡的TX1出現故障倒換至保護繫統時，TX2可繼續工作在工作繫統上。

圖5.351 1光通道保護

考慮到一條DWDM線路可以承載多條SDH通路，因而也可以使用同一DWDM繫統內的空閑波長通道作為保護通路。如圖5.36所示為n 1路的DWDM繫統，其中n個波長通道作為工作波長，一個波長通道作為保護繫統。但是考慮到實際繫統中，光纖、光纜的可靠性比設備的可靠性要差，隻對繫統保護，而不對線路保護，實際意義不是太大。

圖5.361∶n光通道保護

圖5.

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