通信运行部培训章节件DWDM原理0915.ppt

DWDM原理,通信运行部培训课件V1.0,课程内容,一、概述：DWDM技术背景二、课程：DWDM原理 1、什么是DWDM?2、DWDM的关键技术 3、一些重要概念 4、DWDM相关标准 5、参考资料与思考题,课程内容,课程内容,学完本课程你能够：1、了解并掌握WDM的一些基本概念及WDM的传输原理、方式及组成 2、了解WDM传输媒质 3、掌握WDM技术原理和关键技术实现方法 4、了解WDM光传输系统的技术规范,课程目标,一、概述：DWDM技术背景,怎样提高传输系统容量？,SDM,TDM,WDM,WDM与TDM结合,课程内容,光通信是目前发展最快的领域。商用DWDM系统最大容量为320 Gb/s、1.6Tb/s。实验室进行了大容量DWDM的试验。,光交叉连接与波长路由器已经问世；数据与光的结合，未来的网络可能将是把IP/ATM交换机直接接至光传送网上；向光组网的转变是宽带革命的核心。,城域DWDM已经开始应用；DWDM系统已从42.5Gb/s 向3210Gb/s、1.6Tb/s系统过渡。运营商：中国电信、中国移动、联通、网通、铁通等。,一、概述：DWDM技术背景,DWDM发展,课程内容,一、概述：DWDM技术背景,DWDM发展,课程内容,小盒子波分城域波分的细分，用于边缘接入层主要为点对点组网和环形网，环形组网也解决光层保护问题。容量一般在8波以下，可能采用CWDM技术。单波速率一般不大于2.5G。,一、概述：DWDM技术背景,DWDM发展,二、DWDM原理,1、什么是DWDM？1.1、DWDM原理 1.2、传输网络分层/SDH与DWDM的关系 1.3、DWDM与SDH比较,课程内容,1、什么是DWDM?,把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送(如每个波承载一种TDM 电信号）的方式统称为波分复用。,WDM：波长间隔比较大，在不同传输窗口（比如：1310nm、1550nm）DWDM：波长密集，同一传输窗口（比如1550nm）CWDM：粗波分复用，同一传输窗口内波长间隔大（比如1550nm）双纤双向：一根光纤传送一个方向的信号，系统使用两根光纤单纤双向：一根光纤传送两个方向的信号，系统使用一根光纤,1.1、DWDM原理,课程内容,1、什么是DWDM?,1.1、DWDM原理,课程内容,1.2、传输网络分层/SDH与DWDM的关系,可见：SDH是DWDM所承载的业务种类之一，在网络层次中，DWDM处于更低层，更靠近物理层。在同时使用DWDM和SDH的网络，对业务的保护，我们提倡在SDH层的自愈保护。,应用层(SDH/ATM/IP),光通道层,光段层,光放大层,物理层,再生段,复用段,通道层,应用层,光层,电层（SDH）,1、什么是DWDM?,课程内容,1.SDH本质上是数字系统；DWDM本质上更象模拟系统2.SDH是电域的同步复用；DWDM是光域上的复用3.SDH的核心是交叉连接；DWDM的核心是光功率和信噪比4.SDH更倾向于“软件”；DWDM更倾向于“硬件”,1、什么是DWDM?,1.3、DWDM与SDH比较,二、DWDM原理,2、DWDM关键技术？2.1、DWDM功能模块 2.2、DWDM应用形式 2.3、光源技术 2.4、光源种类 2.5、光检测器件 2.6、光放大器 2.7、光无源器件 2.8、光纤非线性问题 2.9、光监控技术,课程内容,OTU,OUT,WPA,1,n,合波器,OTU,OTU,1,n,OTM,OLA,OTM,WBA,波长转换,合波器,光放大,分波器,分波器,OSC,OSC,OSC,波长转换器（O T U）的功能是完成G.957光信号到G.692固定波长光的转换。,合波器和分波器完成G.692固定波长光信号的合波和分波。,光放大器包括BA、PA、LA。BA是功放，通过提升合波后的光信号功率，从而提升各 波长的输出光功率；PA是预放，通过提升输入合波信号的光功率，从而提升 各波长的接收灵敏度；LA是线放，完成对合波信号的纯光中继放大处理。,OSC（光监控信道）通常采用1625nm和1510nm，负责整个网络的监控数据传送。,2、DWDM关键技术?,2.1、DWDM功能模块,课程内容,1、开放式应用收端、发端都使用OTU。在发端将非G.692转换为G.692信号。收端OTU主要起再生作用，要弱化波长转换作用。2、集成式应用业务信号（比如SDH）本身已经满足G.692信号，收端发端都不需要OTU.3、半开放式应用如前所述，收端OTU的作用是再生，而不是波长转换，故在收端信号质量较好，或者收端业务接收单元对噪声容忍程度高式，可以在开放式系统的收端不用OTU.,2、DWDM关键技术?,2.2、DWDM应用形式,课程内容,1、标准稳定的波长，满足ITU-T建议，符合G.692规范。标准：对16/32波系统，为192.1193.6/195.2THz，间隔100GHz。对80波系统，为192.1196.1THZ，间隔50GHZ。稳定：工作时，不允许有大的波长漂移(ITU-T规定:中心波长偏差不大于中通道间隔的五分之一，在通常系统应用中中心波长偏差控制在0.2nm以内)2、具有良好的光谱性能(谱线宽度较窄)，高色散容限，满足远距离传输 在使用光放大技术后，DWDM系统再生段主要受色散和光信噪比的 限制。,2、DWDM关键技术?,2.3、光源技术,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.3、光源技术(续),THZ,理想情况下载波脉冲为一条直线,调制2.5G信号以后脉冲将展宽,调制10G信号以后脉冲将展宽为2.5G信号的4倍,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.3、光源技术(续),THZ,综上所述：所以对于10G信号其对于色散的要求更加严格。为了克服色散，我们不仅可以从1、减小光纤的色散来实现；2、也可以从光源技术上实现，从源头上控制色散。即通过选择性能优异的激光器，得到谱线较窄光谱；3、另外，也可以通过压缩调制信号的方式来减小因调制信号引起的谱线展宽现象；4、改进调制方式，来控制频率啁啾引起的色散。,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.3、光源技术(续),课程内容,3、马赫-策恩德尔调制光源(M-Z),1、直接调制光源,2、电吸收调制光源(EA),直接调制,外调制,光源,2、DWDM关键技术?,2.4、光源种类(按调制方式分),课程内容,优点：输出功率正比于调制电流、技术简单、成本较低缺点：调制电流的变化引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化就是频率啁啾，这是直接调制光源无法克服的波长(频率)抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的谱宽，使光源谱线特性变差，限制了传输距离；适用于短距离传输，用在2.5G及以下速率的非DWDM系统中,2、DWDM关键技术?,2.4、光源种类(按调制方式分)直接调制光源,调制电流,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光源种类(按调制方式分)外调制光源(EA),电调制信号,不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用；恒定光源是一个连续发送固定波长和功率高稳定的光源，在发光过程中不受电调制信号的影响，因此不产生频率啁啾，光线谱宽维持在最小。光调制对恒定光源发出的高稳定激光，根据电调制信号以“允许”或“禁止”通过的方式进行处理，在调制过程中，对光波的光谱特性不会产生任何影响，保证了光谱质量。技术复杂、损耗大、成本高。,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光源种类(外调制光源)电吸收调制(EML),课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光源种类(外调制方式)马赫.策恩德尔调制光源(M-Z),课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光源种类(按调制方式分)三种光源比较,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光电检测器件,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光电检测器件PIN光电二极管,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.4、光电检测器件APD雪崩二极管,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA),课程内容,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)半导体放大器(SOA),SOA采用应变量子阱结构的PN结器件,随着其输出功率、小信号增益、增益偏振灵敏度、噪声系数性能的大幅度提高，具有处理高速信号(10Gb/s)的能力，带宽宽、功耗低、增益高、结构紧凑、易于与其它半导体光电器件集成，工作波长可覆盖光纤的整个低损耗窗口，必将在未来的全光通信网络中得到广泛应用。,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)掺饵光纤放大器EDFA,课程内容,1.非线性：提高了光功率，但达到一定程度会产生非线性效应(限制了EDFA的放大性能和长距离无中继传输)。2.光浪涌 3.解决了衰减问题，但色散受限。,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)EDFA应用中问题,课程内容,Raman,分子震动，造成能量的转移。分离式和分布式两种。特点：后向放大，增益不高，噪声小，前端需要一定长度的尾纤,放大区域,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)光纤拉曼放大器(FRA),课程内容,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)三种放大器比较,课程内容,放大器增益不平坦的级联放大,放大器增益平坦的级联放大,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)增益平坦,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)增益锁定,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.5、光放大器(OA)应用形式,课程内容,INi,OUT,IN,OUTi,合波,分波,合波/(分波)器件是将不同波长的光信号合在一起/(按波长分开)的器件，是DWDM系统最核心器件，这是光层的最基本复用合解复用。故分波/合波器件也经常被叫做光复用/(光解复用)器件这里的“分”、“合”是相对波长/频率而言的，不是针对光功率而言。,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件光分波器/合波器,课程内容,特点：成本低，技术成熟，插损大插损理论计算方法：插损级数3dB输入端口编号与波长无关（对波长不敏感）对相邻波长隔离作用低,in,out,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件耦合型合波器件,设计上可以实现结构稳定的小型化器件，信号同带平坦，且与极化无关，插入损耗小，通路间隔度好。但通路数不会很多。,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件多层介质膜复用/解复用器件,课程内容,优点：插损小技术不成熟，应用少,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件光栅型波分复用器件,课程内容,优点：波长间隔小、信道数多、通带平坦等优点，非常适合超高速、大容量的DWDM系统。代表了波分复用器件的发展方向。缺点：对分波合波中心对温度敏感，需要温控电路模块。,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件阵列波导(AWG型波分复用器件),课程内容,隔离器,在光学界面处，总是存在程度不同的反射，回程光沿光路返回，会引起光源工作不稳定，产生频率漂移，幅度变化，从而影响整个系统的问题。隔离器就是对回程光进行抑止的光学器件,特点：插损小，非互易器件,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件光隔离器,课程内容,端口1,端口2,端口3,特点：光路不可逆，插损小，隔离度大,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件光环形器,课程内容,NM,N个输入,M个输出,常见的有11，12，22，1N主要技术指标：插损，隔离度，开关时间等,2、DWDM关键技术?,2.6、光无源器件光开关,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.7、光纤非线性问题传输媒介,通信中光纤由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成,最外层是一种弹性耐磨的塑料护套,整根光纤呈圆柱形。光纤典型结构如图所示。,课程内容,色散系数(ps/nmkm),正色散系数G.655光纤,波长(nm)负色散系数G.655光纤,1550,1310,17,1.1550nm波长区具有最小色散和衰减，适合DWDM系统、高速信号传输2.应用：TrueWave真波光纤(正色散区的SPM效应有利于传输)；LEAF-大有效面积光纤（克服非线性效应）,G.652光纤:大量铺设，传高速信号需色散补偿,G.653光纤:1550nm波长区混频严重，不适合DWDM,2、DWDM关键技术?,2.7、光纤非线性问题传输媒介,课程内容,常规光纤系统中，光功率不大，光纤呈现线性特性。但在DWDM系统中，非线性效应变得突出起来。受激散射1、受激拉曼散射（SRS）注入光引起光纤分子震动，调制入射光。产生频率为分子震动频率的边带。造成能 量向低频波段转移。低频波能量增加，高频波能量衰减。2、受激布里渊散射（SBS）现象与SRS一样。但增益带宽窄，实际系统中基本不影响其他波。与线宽大小有关系。克尔效应（折射率随光强变化而变化）1、自相位调制（SPM）相位受自身光强的调制，频谱展宽2、交叉相位调制（XPM）相位受其他通路光强变化的调制，频谱展宽3、四波混频效应（FWM）多波同时传输，非线性效应导致产生新的波长，造成原波长能量的转移和串绕。,2、DWDM关键技术?,2.7、光纤非线性问题非线性效应,课程内容,G.652、G.655(LEAF、TRUEWAVE)在1550窗口有正色散系数及正色散斜率，信号传输时造成正色散的累积，使脉冲展宽。补偿原理：DCF光纤有负色散系数，在传输光纤中接入这种光纤可抵消正色散，使脉冲得到压缩（DCF色散补偿器）。SDH系统补偿，只需一定的色散补偿量；DWDM系统补偿，色散量一定，且要求DCF有适当的负色散斜率。,2、DWDM关键技术?,2.7、光纤非线性问题DCF色散补偿,课程内容,1、衰减,3、非线性效应,2、色散,2、DWDM关键技术?,2.7、光纤非线性问题光纤选型需要考虑的因素,课程内容,传输有关DWDM系统管理和监控信息,1.工作波长优选1510nm2.速率优选2Mb/s，保证不经放大也超长传输3.接入和解出,不应限制OA上的泵浦光波；不应限制未来1310nm波长的业务；OA失效时仍有效；可超长传输；具有分段 双向传输功能。,2、DWDM关键技术?,2.8、监控技术,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.8、监控技术,课程内容,0时隙:帧定位字节,1时隙:E1字节（中继段公务)2时隙:F1字节,3-14时隙:D1 D12(数据通信通道),15时隙:E2字节(复用段公务),16-31时隙:保留字节,2、DWDM关键技术?,2.8、监控技术OSC帧结构,课程内容,2、DWDM关键技术?,2.8、监控技术光传输设备中的监控信道,二、DWDM原理,3、DWDM重要概念？3.1、mW、dBm、dB 3.2、谱宽/带宽 3.3、光信噪比 3.4、色散 3.5、插损 3.6、增益,课程内容,dBm10lg（P/1mW），其中P的单位为“mW”,于是1mW=0dBm，0.5mW=-3dBm，等等。在DWDM系统中，假定每波信号大小相同，那么：1波信号为1mW，即0dBm2波信号为2mW，即3dBmn波信号为nmW，即10lg（n）dBm,dB10lg（p1/p2）=P1-P2。其中p1、p2的单位为“mW”等线性单位，P1、P2的单位为dBm,于是得出：在DWDM系统主通道上，如果某处单波光功率为a(dBm)那么：2波信号为（a3）dBm3波信号为（a4.8）dBm4波信号为（a6）dBm5波信号为（a7）dBm,3、DWDM一些重要概念?,3.1、mW、dBm、dB,课程内容,1、是对信号在频域上的描述，常见的有-1dB谱宽，-5dB谱宽，-20dB谱宽2、谱宽宽，因为色散限制传输距离，但太窄，引起非线性效应也会限制传输距离。3、考虑色散影响，信号调制，会导致谱宽展宽。（比如对-20dB谱宽而言，2.5G:0.2nm，10G:0.3nm）,f（频率）,dBm（光功率）,谱宽,3、DWDM一些重要概念?,3.2、谱宽/带宽,课程内容,左图与右图信号有着相同的光功率，但左图噪声功能比较低，相对右图，其“有效功率”信噪比大。DWDM系统调试中，最希望出现的是左图，最不希望出现的是右图。,3、DWDM一些重要概念?,3.3、信噪比(OSNR),课程内容,可见：色散对高速率信号的影响要大于低速率信号的影响因为：低速率信号的两个脉冲之间间隔要大于高速率信号两个脉冲间间隔，能容忍更多的脉冲展宽。,3、DWDM一些重要概念?,3.4、色散,课程内容,由于光纤所传送信号的不同频率成分或模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象,光纤的色散特性：G.652、G.653；G.655（正负色散系数适合不同应用）,色散：材料色散、波导色散、模式色散。材料色散：纤芯材料折射率随频率的变化引起的。波导色散：光纤中具有同一模式但携带不同频率信号。共同点：不同频率成分所对应的不同群速度，引起脉冲展宽。,3、DWDM一些重要概念?,3.4、色散,课程内容,无源光器件,Pin,Pout,插损（Pin Pout）dB,所谓插损指特点光信号经过一无源光器件后光功率的丢失。这里的无源光器件可以是：法兰盘、分波合波器件、分路器、光开关、耦合器、衰减器等等。,3、DWDM一些重要概念?,3.5、插损,课程内容,OA,Pin,Pout,增益10lg（Pout/Pin）/功率单位为dBm时=（Pout Pin）dB/功率单位为dB时,增益指特定光信号经过OA后光功率的增加说明：DWDM系统中因为多波同时传输，其OA只能做到固定增益输出，做不到根据波长数的固定功率输出，这是DWDM致命的一个缺陷。DWDM系统中，越是前端光功率的变化，对系统性能影响越大，光功率劣化，是向下游传递的。,3、DWDM一些重要概念?,3.6、增益,课程内容,YDN 120-1999 光波分复用系统总体技术要求暂行规定YD/T1060-2000 322.5Gbit/s光波分复用系统技术要求YD/T1143-2001 32/1610Gbit/s光波分复用系统技术要求G.652单模光纤光缆的特性G.655 非零色散单模光纤光缆的特性G.661/G.662/G.663/G.681 与放大器相关的系列标准G.671 无源光器件要求G.957 SDH系统和设备的光接口G.691 具有光放大器SDH单信道和STM-64系统的光接口G.692 有光放大器多通路系统的光接口M.3100 通用网络信息模型G.otn 光传送网结构,4、DWDM相关标准?,4.1、DWDM相应ITU建议与国家标准,课程内容,5、参考资料与思考题?,5.1、参考资料？6.1.1、TC000003 WDM原理ISSUE1.1.pdf(本课件教材)6.1.2、TC000002 光放大器 ISSUE1.0.pdf 6.1.3、SOA半导体放大器.pdf,5.2、思考题？6.1.1、完成TC000003WDM原理ISSUE1.1.pdf中的思考题.,