第07章 WDM传输技术

HO离子吸收峰 红外吸收 瑞利散射 波长(nm) 概述 1、光纤带宽： 1300nm窗口约100nm， 1550nm窗口约100nm，共200nm，约30THz HO离子吸收峰 第三传输窗口 第二传输窗口 第一传输窗口 1300 1550 850 紫外吸收 红外吸收 瑞利散射 0.2 2.5 损耗(dB/km) 波长(nm) 光纤损耗谱特性

TDM signal signal1 signal2 概述 2、电时分复用（ETDM）面临的问题： “电子瓶颈”限制： 10Gb/s→40Gb/s… 光纤色散限制 单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽 signal1 signal2 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 TDM signal

概述 3、信道复用技术 WDM：一根 光纤 同时传输几个不同波长的光载波，每个光载波携带不同的信息 OTDM: 在光域实现时分复用，增加单波长信道的容量 SCM：兼容有线电视模拟传输系统 TDMA：多用于点对多点的接入网（PON）中的上行信号的传输。多用户共享同一信道，增加信道的利用率。

波长计划 分类 简单WDM（简称WDM）：1310nm/1550nm，用于PON接入网络 CWDM（Coarse WDM）： 传统的CWDM: 850nm窗口，主要用于多模光纤的接入网中 WWDM (Wide WDM): 10GE WAN 城域CWDM:主要用于城域网 DWDM (Dense WDM ）主要用于长距离传输系统

波长计划（续） 简单WDM： 主要用于采用单纤双向传输方式的光纤接入网中（如PON），在上下行方向采用不同的波长，1310nm为上行波长（用户到中心局）；1550nm为下行波长(中心局到用户)。 采用熔融光纤波分复用器实现波长的复用/解复用 Downstream 1550nm Upstream 1310nm

波长计划（续） CWDM-传统CWDM 20世纪80年代提出，用于850nm传输窗口的多模光纤局域网（如：视频分配网，双向单纤网络等） 20世纪90年代后期，随着10G以太网技术的兴起，采用850窗口的4波长传送10GE被列入10GE LAN的标准之一（IEEE802.3)

波长计划（续） CWDM-WWDM： IEEE802.3 10GE WAN标准之一： 多模光纤， 1310nm窗口， 单信道速率3.125Gb/s， 传输距离10km.

波长计划（续） CWDM-城域CWDM 随着CWDM技术在长距离通信中的应用。宽带城域网络问题逐渐成为通信网络的瓶颈。宽带、灵活及低成本是城域网追求的主要目标。采用CWDM技术是实现这一目标的有效手段。 ITU-T G.694.2规定了城域CWDM的波长分配方案

波长计划（续） CWDM优越性： 降低对激光器波长漂移的限制，无制冷激光器（如VCSEL）成为其首选器件 降低滤波器件的制作难度及成本

波长计划（续） DWDM ITU-T G.694.1规定了DWDM的波长分配方案 波长间隔包括200GHz,100GHz,50GHz 目前长距离系统主要使用C-band(1530nm~1565mn)和L-band(1565nm~1625nm)的波长

损耗限制与光放大 色散限制与色散补偿 非线性限制与色散管理

WDM概述 基于掺铒光纤放大器（EDFA）；现代光纤通信的标志技术 功放 线放 预放 MUX DEMUX 波分复用（WDM）系统 1 光发射机 N 1 2 3 光接收机 EDFA 功放 线放 预放 MUX DEMUX 波分复用（WDM）系统

基本限制及解决措施 光纤损耗光放大ASE引入信噪比恶化 光纤色散光脉冲展宽码间干扰色散补偿DCF附加损耗信噪比恶化 光纤非线性信号畸变色散管理

级联EDFA系统 光放大器仅对光信号进行简单放大，不能再生信号 光放大器对信号进行放大的同时引入ASE噪声 损耗限制与光放大 级联EDFA系统 光放大器仅对光信号进行简单放大，不能再生信号 光放大器对信号进行放大的同时引入ASE噪声 光放大器的ASE噪声积累导致的OSNR下降，在不考虑色散的情况下（损耗限制系统），成为限制系统传输距离的主要因素 系统的自调整：EDFA的增益饱和可使系统工作于一种自调整状态，即EDFA的输入信号功率发生变化时，放大器增益作相应改变，输出功率保持恒定，保证系统稳定工作 级联EDFA系统设计的主要任务： 设计放大器间隔使系统在满足传输要求的情况下，具有最小的成本

损耗限制与光放大 考虑系统中的某一信道以及相邻两级放大器的情况，放大器的增益和输出功率可由下式确定： 放大器增益（忽略放大器产生的ASE引起的自饱和）： 放大器的输入输出功率满足： 对于自调整系统满足：

损耗限制与光放大 因此，在自调整系统中，有： 放大器的增益以及输出功率可通过求解上述方程组得出。 由于在每级附加ASE噪声的存在 ，在ASE较小的情况下，可以假定 则N级级联EDFA的输出总ASE噪声为： 上式表明： 在系统输出端的ASE噪声功率正比于EDFA的增益和级数的积 在系统总损耗（等于各级的增益和级数的积）一定的情况下，显然小增益、多级数比大增益、少级数的系统的输出信噪比要高，由此推理，将传输光纤作为放大介质的分布式放大器（如喇曼光纤放大器）具有最优的信噪比特性。

损耗限制与光放大 1、系统信噪比的确定 无中继系统的信噪比 Tx Rx L 功放 预放 求解步骤： A、根据光发射机功率及功放参数求解功放增益GB B、功放的信号输出功率： C、功放附加的ASE噪声功率 D、预放的输入功率 E、根据预放的输入功率及其参数求解预放的增益Gpre

损耗限制与光放大 F、系统总的ASE噪声功率 G、系统输出的信号功率 H、求出系统的OSNR 由N个光纤段（N+1级级联EDFA）组成的系统的OSNR 通常假定 ASE噪声为： 用dB表示：

损耗限制与光放大 根据上式和前述的系统对OSNR的要求，可以得出系统在不同码率B和不同的中继距离配置下相应的最大传输距离 反之，也可以根据系统的要求以及允许的成本，设计系统的中继距离以及对EDFA的要求 通常，对于一个饱和功率为Ptotal的EDFA，在不考虑ASE噪声影响的情况下，认为：当EDFA用作单波长信道放大时，输出信号功率Ps就是Ptotal；当用于WDM系统中时，每信道的输出功率Ps= Ptotal/M（M为信道数） 在工程上，1550nm波段的WDM系统中，中继距离通常取80km、100km、120km（相应的光纤链路损耗分别按22dB、30dB、33dB计算） 表：Bo=0.1nm、Q=20、Fn=6dB、Ps=8dBm

损耗限制与光放大 2、结论 为保证系统的误码特性，光接收机入端的光信噪比应高于某一值，为此必须适当选择中继距离以满足系统要求。另一方面，若能降低对OSNR的要求，则可有效地增加系统的中继距离降低系统的成本。为此，除了采用提高发射机消光比外，另一种有效的方法是采用前向纠错码（FEC）技术（可减低OSNR要求3~5dB） ASE噪声随放大器级数线性增长，而随放大器级间损耗（增益）指数增长，当系统总长度一定时，低增益、多级数比高增益少级数有高得多的OSNR，进而推广，分布式放大器有最优的效果 提高EDFA的输出功率是改善OSNR及增加中继距离有效的方法，但应以不产生非线性效应为限。为此，选择低非线性系数的光纤（如大有效面积光纤）有利于增加系统的传输距离及容量

损耗限制与光放大 Tx Rx EDFA FRA 信号幅度 ASE噪声 距离

光纤色散与色散补偿 光纤色散与色散补偿 光纤色散限制 信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的光脉冲信号的展宽，从而限制了系统的传输距离--色散限制 如果色散限制的距离短于损耗限制的距离，称之为色散限制系统。反之，损耗限制系统。 色散类型 模间色散（仅多模光纤有） 波导色散 材料色散 偏振模色散 波长色散

色散限制 光纤色散与色散补偿 对脉冲宽度的限制 如果色散限制的距离短于损耗限制的距离，称之为色散限制系统。反之，损耗限制系统 色散限制距离与光纤色散、信号啁啾、工作波长、光源线宽、码率（调制展宽）、调制方式等因素有关。 T L 1/B

光纤色散与色散补偿 第一代光纤通信系统（ 850nm，多模光纤，多模激光器） 模间色散是主要限制因素 对于阶跃折射率多模光纤系统： 甚至1Mb/s的系统仍是色散限制系统 对于剃度折射率多模光纤系统 当码率大于100Mb/s时，系统变为色散限制系统 基于剃度折射率多模光纤的第一个商用通信系统（FT-3)于1980年投入使用，码率45Mb/s，中继间隔10km。

光纤色散与色散补偿 第二代光纤通信系统（ 1310nm，单模光纤，多模激光器） 主要限制因素：较宽的光源谱宽导致的脉冲展宽 典型地：取D=1ps/(km-nm),=2nm,=1/4, 则BL125(Gb/s)-km 系统码率高于1Gb/s时，系统呈现为色散限制 第三代光纤通信系统（ 1550nm，单模光纤，单模激光器） 主要限制因素：光纤色散导致的脉冲展宽 典型地：取=0.491, D=17 (ps/nm.km),=1550nm, 则B2L<11126 (Gb/s).km 系统码率高于8Gb/s时，系统呈现为色散限制

光纤色散与色散补偿 实际上，对于第三代系统，直接调制导致频率啁啾是系统传输容量的主要限制因素。 采用外调制技术或色散位移光纤可有效提高系统的传输容量 第四、五代级联EDFA放大的长距离通信系统 采用EDFA技术，光纤损耗被有效补偿，光纤损耗不再是系统的主要限制因素 光纤色散本质上是一种线性过程，采用色散补偿思想，可以有效补偿色散导致的脉冲展宽 EDFA引入的ASE噪声积累、光纤非线性导致的脉冲畸变以及偏振模色散成为通信系统的主要问题 在单波长通道系统中，主要的非线性限制是自相位调制（SPM）

光纤色散与色散补偿 在光电中继系统中，SPM的作用限于中继间隔内 在EDFA光放大系统中，SPM存在积累问题，随着传输距离的增加，对系统的影响愈加严重 对于多波长通道的WDM系统，光纤非线性效应还包括XPM、FWM以及SRS，其中XPM的影响最严重。 不同于光纤色散，光纤非线性效应是一种不可补偿的物理过程，在系统设计中只能尽可能减小其影响。 现代通信系统中采用的主要措施包括: 色散管理、调制格式、前向纠错、电均衡等

光纤色散与色散补偿 色散补偿技术 EDFA的应用使得光纤损耗不再成为通信系统主要的限制因素。代之以，光纤色散成为现代通信系统面临的主要问题。由于色散过程本质上是线性过程，采用补偿技术可以有效地解决色散问题 采用窄线宽光源和零色散光纤是解决色散限制问题的方法之一 但是： 其一，窄线宽光源可扩展的传输距离有限； 其二，绝大部分已铺设的光纤是G.652，在1550nm色散较大（D=16ps/(nm-km)） 因此，在现代光纤通信系统中必须通过色散补偿措施解决色散限制问题

基本思想： 光纤色散与色散补偿 脉冲传输方程： 忽略高阶色散（3＝0），方程解为： 色散诱导的信号畸变源于相位因子exp(i 2z2/2) 色散补偿就是试图消除这个相位因子，从而使信号得以恢复

光纤色散与色散补偿 色散补偿措施 主要包括： 预啁啾 色散补偿光纤 啁啾光纤光栅补偿技术

预啁啾技术 在发射端，通过改变发射信号的特征，达到消除（或减小）色散导致的脉冲展宽 即：改变 可使传输前后的光脉冲在形状上保持不变 光纤色散与色散补偿 预啁啾技术 在发射端，通过改变发射信号的特征，达到消除（或减小）色散导致的脉冲展宽 即：改变 可使传输前后的光脉冲在形状上保持不变 实际系统中实现上述改变并不是件容易的事。 啁啾脉冲： 当2C<0，脉冲初始窄化，而后展宽

光纤色散与色散补偿 脉冲展宽 倍的传输距离: 色散长度 例：取C=1相对于无啁啾（C=0）脉冲，延长传输距离36％ 最大增加因子为 ，相应于 在1550nm波段，光纤色散系数2<0, 因此要求预啁啾系数C>0 直接调制方式的C<0,不满足要求 通常采用外调制方式实现 需根据传输码率和光纤色散调整C

光纤色散与色散补偿 实现方法一： 调频(FM)＋调幅(AM) 小量（～1mA）改变激光器工作电流，实现FM 外调制方式实现AM 小量改变激光器工作电流，保证小的幅度噪声引入 －调制深度，m－调制频率， 0－光载波频率 啁啾系数：

光纤色散与色散补偿 实现方式二： 调相方式 求啁啾系数C 通过LiNbO3相位调制器实现 DFB Laser AM Phase mod. data cos(mt)

色散补偿光纤（DCF） 光纤色散与色散补偿 预啁啾技术只能增加传输距离 倍左右，不适合更长距离的传输 预啁啾技术只能增加传输距离 倍左右，不适合更长距离的传输 采用色散补偿光纤补偿色散导致的脉冲展宽，是目前长距离通信系统中的主体技术 补偿机理： 考虑由两种不同色散参数的光纤组成的传输系统，输出光脉冲可表示为： 其中：L=L1+L2, L1,L2表示两种光纤的长度；21， 22表示两种光纤的色散 可见，如果满足条件 或 色散导致的相位因子就可完全消除，光纤输入输出信号完全一致。 上述条件称之为色散补偿条件

如果考虑入二阶色散，则要求同时满足 ，该条件为二阶色散（或色散斜率，或宽带）补偿条件 光纤色散与色散补偿 如果考虑入二阶色散，则要求同时满足 ，该条件为二阶色散（或色散斜率，或宽带）补偿条件 由于当前通信系统中，标准单模光纤的D>0(反常色散区），要求DCF的D<0（正常色散） D D1 DL L L D2 DCF的设计（负色散光纤）： 通过减小相对折射率（增加包层折射率），减小光纤的V参数，使光纤的模场直径（MFD）或有效面积变大，更多的光功率“溢出”到包层中传输，改变了波导色散特性，最终形成D~-100ps/(nm-km)的色散特性 小的V参数使光纤弯曲损耗增大（＝0.4~0.6dB/km)，增加系统损耗 可实现宽带补偿（斜率补偿）

啁啾光纤光栅补偿技术 光纤色散与色散补偿 啁啾光纤光栅的色散为: 式中,neff为有效折射率,c为真空中光速,c光栅两端反射波长之差,L为光栅长度 例如,已知1cm长的光栅,可产生1000ps/nm的色散.如果要补偿10Gb/s(光带宽为0.1nm) 300km SSMF的系统(总色散约510ps/nm),则需要约5mm长的光栅

Chirped Bragg grating • • •  llong lshort

特点: 体积小 损耗小 价格便宜 补偿带宽窄,实现宽带的WDM多信道补偿技术: -长啁啾光纤光栅 -级联光栅(相位匹配问题) -取样光纤光栅 光纤色散与色散补偿 特点: 体积小 损耗小 价格便宜 补偿带宽窄,实现宽带的WDM多信道补偿技术: -长啁啾光纤光栅 -级联光栅(相位匹配问题) -取样光纤光栅 色散曲线波动(ripple)问题 需要环型器

光纤非线性与色散管理 Basic Nonlinear Interaction 光纤非线性与色散管理 Single Channel Multiple channels (WDM) Four-wave mixing (FWM) Cross-phase modulation (XPM) Single channel self-phase modulation Modulation instability（MI） Self-phase modulation（SPM) (Solitons) Nonlinear intersymbol interference Coherent cross-talk Timing jitter & Pulse distortion Intrachannel Cross-phase modulation (IXPM) Intrachannel Four-wave mixing (IFWM) Pulse Distortion Timing jitter Amplitude Jitter 10Gb/s and above 10Gb/s and below

光纤非线性与色散管理 通道内非线性效应 色散导致光脉冲展宽造成相邻脉冲交叠，进而引起通道自身的相邻脉冲间的非线性作用，称之为通道内非线性效应（包括IXPM,IFWM两种）。 相对应，在多通道系统中，不同波长信道间的非线性作用称为通道间的非线性效应（包括：FWM， XPM） IXPM导致时间抖动，IFWM导致幅度抖动和ghost 脉冲

光纤非线性与色散管理 IXPM---诱导脉冲频移---timing jitter Ghost 脉冲的形成

IXPM随着局部色散的增大而减小，而IFWM呈现为增大趋势 光纤非线性与色散管理 通道内非线性效应与局部色散的关系 IXPM随着局部色散的增大而减小，而IFWM呈现为增大趋势

传输技术： 光纤非线性与色散管理 控制色散积累，使相邻脉冲无交叠，即最大脉宽<1/B---类孤子传输 脉冲深度交叠，最大脉宽>>1/B，小的脉冲峰值功率，较小的非线性作用----伪线性传输，CRZ传输 伪线性传输 类孤子传输

效应 脉冲功率P 局部色散D 平均色散 色散积累 SPM 小 >0 XPM 大 FWM IXPM IFWM OSNR 6.4光纤非线性效应与色散管理技术 减小非线性效应造成的系统损伤 效应 脉冲功率P 局部色散D 平均色散 色散积累 SPM 小 >0 XPM 大 FWM IXPM IFWM OSNR

考虑非线性效应的系统设计问题 脉冲功率的控制 色散积累的控制 局部色散的优化（折中） 正的（反常）平均色散 －－色散管理技术 光纤非线性与色散管理 考虑非线性效应的系统设计问题 脉冲功率的控制 色散积累的控制 局部色散的优化（折中） 正的（反常）平均色散 －－色散管理技术 周期分段补偿 足够大的局部色散 预补偿 欠补偿

采用周期性分段补偿避免通道内非线性 光纤非线性与色散管理 如果没有非线性，色散补偿完全可以只在接收端实施，与补偿位置无关 通道内非线性（IXPM,IFWM)的存在，允许的脉冲展宽程度被限制 也即，限制了系统允许的最大色散积累 控制色散积累的措施：周期性分段补偿 Lm：色散map周期 色散积累 L2 L1 L Lm L 集中补偿 分段补偿

保持正的平均色散避免SPM效应在正常色散区将加剧脉冲展宽的问题 光纤非线性与色散管理 保持正的平均色散避免SPM效应在正常色散区将加剧脉冲展宽的问题 SPM效应将诱导上啁啾（C>0),在正常色散区（2>0）将加剧脉冲展宽 为此，保持正的平均色散（反常色散）避免上述问题 通常又称之为欠补偿 L 平均色散

采用预补偿减低脉冲峰值功率减小非线性效应 光纤非线性与色散管理 采用预补偿减低脉冲峰值功率减小非线性效应 预补偿使得：平均光功率最大处（EDFA输出）脉冲最宽（积累色散最大），峰值功率最低 Post-compensation Cumulated dispersion Pre-compensation In-line compensation Tx Rx Optical power Pulse’s width

适当的局部色散折中SPM、XPM、FWM、IXPM、IFWM的影响 光纤非线性与色散管理 适当的局部色散折中SPM、XPM、FWM、IXPM、IFWM的影响 SPM诱导的非线性相移需通过色散才能转换为强度畸变，因此，希望小的光纤局部色散以减小这种转换 但小的局部色散将延长了信道间的走离时间，增加了XPM的作用时间，加剧了XPM对系统的恶化，因此希望较大的光纤局部色散以减小XPM的影响 小的局部色散同时使FWM效应要求的相位匹配条件更易满足，加剧了FWM对系统的恶化，因此希望较大的光纤局部色散以减小FWM的影响 此外，IXPM随着局部色散的增大而减小，而IFWM则呈现为增大趋势 研究表明，优化的局部色散在8～11ps/nm-km