光纤通信课件第6章解析
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光纤通信课件第6章 WDM
WDM系统的基本结构
光接收机： 由光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信 号。 光分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。 接收机不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载 功率等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号， 要有足够的电带宽。
WDM系统的基本结构
光监控信道（OSC: Optical Supervisory Channel）： 主要功能：监控系统内各信道的传输情况。 在发送端，插入本结点产生的波长为λs（1510 nm）的 光监控信号，与主信道的光信号合波输出。 在接收端，将接收到的光信号分离，输出λs 波长的光 监控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是 通过光监控信道来传送的。
WDM复用原理
波分复用的常规分类
➢ 光频分复用(OFDM)：光频(信)道间距很小的频分复用。 ➢ 密集波分复用(DWDM):光频(信)道间距小于10nm的波分
复用，D:Dense (密集) ➢ 粗波分复用(CWDM)：光频(信)道间距大于10nm 的波分复
用, C: Coarse (粗)，也称稀疏波分复用。 ➢ DWDM(1550波段)的标准信道间距：
WDM复用原理
WDM系统的基本构成： 将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件 称为复用器(也叫合波器)。 反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个 波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。 复用器和解复用器一般是相同的(除非有特殊的要求)。
WDM复用原理
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： 双纤单向传输： 单向WDM传输：所有光通路同时在一根光纤上沿同 一方向传送。在发送端将载有各种信息的、具有不同 波长的已调光信号λ1,λ2,…,λn通过光复用器组合在一起， 并在一根光纤中单向传输。在接收端通过光解复用器 将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。
第六章 无源与有源光器件—3
个来回，则偏振方向将一共旋 转90度，这是其实现光隔离功 能的本质特征；位相延迟波片 当光从一个方向通过它时，将 使偏振方向旋转45度；而光从 另一个方向通过它时，将使偏 振方向旋转-45度。这意味着 光束通过波片往返一次，其初 始的偏振状态将不被改变。有 了上述对三个关键器件功能的 分析，参考光隔离器的工作机 理，则易于理解图6.31所示的 三端口光环形器的工作原理。
光纤光栅
光纤光栅的功能与机理
光纤光栅是一类重要的无源光器件，也是一类重要的特种光 纤，它能有选择地反射和透射某此波长的光。 1.基本概念 光纤光栅的结构特征是，一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤 长度方向呈周期性的变化(如先增大，后减小，再次增大)。纤芯折 射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射，这种效应与分布 在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的 不同波长光谱展开的现象类似。光纤光栅中“条纹”处的折射率高 于纤芯中其他部分的折射率，这种折射率变化的分布结构，将使通 过其中的光发生布拉格散射效应，最终使光纤光栅能选择性地反射 某些选定的波长，而使其他波长的光波透射。为此，光纤光栅又称 为反射型或短周期光栅，亦称为“光纤布拉格光栅”(Fiber Bragg Grating，BFG)。1990年光纤布拉格光栅开始出现。
图6.31 光环形器原理结构示意图
6.3.3 光衰减器
为防止强光可能使接收机过载(例如发射机距接收机很时， 接收机接收的光信号可能很强)，光路中需要使用光衰减器。 光衰减器是光滤波器的一种，但它又区别于其他类型的光 滤波器。在光纤系统中，光滤波器是指光透过率随波长而显著 变化的光器件。例如，一个滤波器可以对1530~1565nm掺铒放 大器工作波段的光透过，而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB； 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强，去 掉多余的光能量。衰减器若对某一波长光衰减了3dB，则对其 他所有波长的衰减也都应为3dB。具体衰减方法通常是通过衰 减器吸收掉多余的光能量，由于光信号的这些能量相对于衰减 器来说很弱，因而不会引起衰减器显著的发热现象。由于衰减 器对光信号能量的吸收，因而减小了由于反射、散射等返回光 对激光发射机可能产生的噪声影响。
第6章数字光纤通信系统
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
•2、复用示意图
Multiplexor (MUX) Demultiplexor (DEMUX，or DMX)
Sometimes just called a MUX
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•4、PDH体制电接口和光接口的主要参
数 •对基群2.048Mb/s
•编码传号反转码
•Coded Mark Inversion
•E1
•E2
•E3
•E4
•CMI编码
•输入码字 编码结果
•0
01
•1
00/11交替
第6章数字光纤通信系统
•发送顺序
•采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC:Virtual Container)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由 于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.3 同步数字系列SDH
•3、SDH复用结构
•SDH高速率等级有： • STM-4， STM-16， STM-64， STM-256 •相应速率为STM-1的4，16，64，256倍。
•时隙=8bit=前7bit(信息)+末位1bit(信令)
•一次群(基群)速率T1=193bit/125 µs=1.544Mb/s 第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•PDH-E基群帧结构
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
•2、复用示意图
Multiplexor (MUX) Demultiplexor (DEMUX，or DMX)
Sometimes just called a MUX
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.1 复用原理介绍
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•4、PDH体制电接口和光接口的主要参
数 •对基群2.048Mb/s
•编码传号反转码
•Coded Mark Inversion
•E1
•E2
•E3
•E4
•CMI编码
•输入码字 编码结果
•0
01
•1
00/11交替
第6章数字光纤通信系统
•发送顺序
•采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC:Virtual Container)的概念， 解决了低速信号复接成高速信号时，由 于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。
第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.3 同步数字系列SDH
•3、SDH复用结构
•SDH高速率等级有： • STM-4， STM-16， STM-64， STM-256 •相应速率为STM-1的4，16，64，256倍。
•时隙=8bit=前7bit(信息)+末位1bit(信令)
•一次群(基群)速率T1=193bit/125 µs=1.544Mb/s 第6章数字光纤通信系统
•6.1 两种传输体制
•6.1.2 准同步数字系列PDH
•PDH-E基群帧结构
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
第6章 光放大器和光中继器
光纖
接收器
接收器
EDFA
發射器
Pre-Amplifier
接收器
第 6章
光放大器和光中继器
§6-6光中继器 光脉冲信号从光发射机输出，经光纤传输若干距 离后，由于光纤损耗和色散影响，将使光脉冲信号 的幅度受到衰减，波形出现失真，这样，就限制了
光纤中的长距离传输，为此，需在光波经过一定距
离传输后加上一个光中继器，经放大衰减的信号， 恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。
外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转 分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原
理相同。
简言之，在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现 了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号 得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源 区的能量密度很高，光与物质的作用区很长，这样， 可以降低对泵浦源功率的要求。
动端机面不改动线路。
第 6章
光放大器和光中继器
§6-2 EDFA的结构 一、构成
EDFA主要由掺铒光纤（EDF），泵浦光源，光
耦合器，光隔离器以及光波滤波器组成（如图6.1）。
第 6章
光放大器和光中继器
WDM 光纖耦合器 輸入光
摻鉺光纖
輸出光
1480或980 nm 激勵光源
光隔離器 光帶通 濾波器
第 6章
光放大器和光中继器
由于E2和E1有一定的宽度，使EDFA的放大效应具 有一定的波长范围，E＝hf（h：普朗克常数），其典
型值为1530～1570nm，在这个范围内，EDFA都能提
供有用的增益和相对平坦特性，表明它们能对波分多 路（WDM）信号的每一路都提供放大作用，而相对平
坦增益带宽意味着，WDM各路光纤信号需采用特殊手
第6章 光纤器件--有源器件2-y
Ip N+
RL
输出 电压 Vout
光生电流 W = 5~50 m m E ~ Vr / W C d PIN管分布电容
Pin
入射光 hv >Eg
抗反射膜
电 极
Ip
Cd
RL
Vout
W
PIN 二极管与 PN 二极管的主要区别是，在 P 和 N 层之间 加入了一个 I 层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（5 ~ 50）mm，可吸收绝大多数光子，使量子效率提高，使光生 电流增加。 Np Nn
1.0
(2~5)nm
Dl 1/2
GaAlAs: (30~50)nm InGaAsP: (60~120)nm
0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4
0.02nm
0.2
0 -60 -40
0.2
-20 0 波长 /nm
-20
0 波长 /nm
20
40
60
0 -40
20
40
0 -0.4
-0.2
0
0.2
0.4
波长 /nm
第六章 光纤有源器件
1.光调制器 2.光源 3.光探测器 4.光放大器
1. 光调制器
直接调制：信号直接调制光源的输出光强 外调制：信号通过外调制器对连续输出光进行调制
直接调制
外调制
直接调制是信号直接 调制光源的输出光强。 外调制是信号通过外 调制器对连续输出光 进行调制。 用直接调制时，注入 电流的变化要非常大， 并引入不希望有的线 性调频（啁啾）。
2
声光调制器
电极
电极引线 电声换能器 耦合介质 声光介质
通信原理_第6章信道复用和多址技术.
特点：简单，信道利用率低,不稳定。最大吞吐量仅为容 量的18.4%。
各种ALOHA方案网络吞吐量 S与提供负载 G的关系如图。
具有捕获效应的S-ALOHA 0.54
归一化信道吞吐量(S)
0.45 0.36 0.27 0.18 0.09 0.00 0.00 0.5
(a) 工作示意图。4个地球站，其中一个为基准站。
基准站任务：为其他各站发射定时信号。基准站也可由某一地球站兼 任。帧周期(帧)：所有地球站在卫星内占有的整个时间间隔。 分帧（子帧）:每个地球站占有的时隙帧。 (b) 帧结构。帧周期为125μs）或其整倍数。 帧:由所有分帧和一个基准站分帧组成。分帧的长度可以一样也可以 不一样。由前置码和数据两部分组成。
在FDMA中，是指各地球站占用转发器的频段；
在TDMA中，是指各站占用的时隙；
在CDMA中，是指各站使用的正交码组。
20/48
6.3.1 频分多址
FDMA按频率划分，把各站发射的信号配置在卫星频带内 的指定位置上,各中心频率留有保护频带。 示意图。
保护频带
转发器频带分配
f A fB
3/48
6.1.1 频分复用
低通滤波器 调制器 MOD 带通滤波器 BPF 带通滤波器 BPF 解调器 DEM 低通滤波器 LPF
f1 (t )
LPF
f1 (t )
01
f 2 (t )
消息输入 LPF MOD BPF
f S (t )
主调制器 MOD 信道 主解调器 DEM BPF
波分复用的两波道间隔为10 ~ 100nm。当间隔为1 ~ 10nm， 甚至1nm以下时，称为密集波分复用（DWDM）。
《光纤通信》原荣 第三版 第6章 复习思考题参考答案
第6章复习思考题参考答案6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。
若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。
若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。
但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。
若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。
图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。
从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。
在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。
在公用电话网和CA TV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。
从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。
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(2)单纤双向传输
如图6-3所示，单纤双向传输是指在一根光纤中 实现两个方向光信号的同时传输，两个方向的光 信号应安排在不同的波长上。
图6-3 单纤双向传输的WDM系统
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.2 WDM工作方式
(2)单纤双向传输
通过在中间设置光分插复用器（OADM）或光交 叉连接器（OXC）可以实现各波长的光信号在中 间站的分出与插入，即完成光路的上/下，如图 64 所示。
6.2 WDM系统结构与设备
光纤通信
6.2.3 WDM组网与网络保护
2．WDM网络保护
（1）基于单个波长的保护
① 基于单个波长，在SDH层实施的1＋1保护
6.2 WDM系统结构与设备 光纤通信
6.2.2 WDM系统设备
1．光终端复用器
图6-11 OTM信号流向图
6.2 WDM系统结构与设备 光纤通信
6.2.2 WDM系统设备
2．光线路放大器
图6-12 OLA信号流向图
6.2 WDM系统结构与设备 光纤通信
6.2.2 WDM系统设备
3．光分插复用器
6.1
WDM技术概述
WDM工作方式
光纤通信
6.1.2
(1)双纤单向传输
如图6-2所示，双纤单向传输是指一根光纤只完成一 个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根 光纤来完成。因此，同一波长在两个方向上可以重 复利用。
图6-2
双纤单向传输的WDM系统
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.2 WDM工作方式
图6-13
静态OADM（32/2）信号流向图
6.2 WDM系统结构与设备
光纤通信
6.2.2 WDM系统设备
双OTM背靠背组成的OADM的信号流向如图6-14所 示。
图6-14
两个OTM背靠背组成的OADM信号流向图
6.2 WDM系统结构与设备光ຫໍສະໝຸດ 通信6.2.2 WDM系统设备
4．电中继器
图6-4 光信号的分出和插入传输
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.3 WDM系统类型
WDM系统可以分为集成式WDM系统和开放式WDM 系统两大类。
1．集成式WDM系统
图6-5
集成式WDM系统
6.1
WDM技术概述
WDM系统类型
光纤通信
6.1.3
2．开放式WDM系统
图6-6
开放式WDM系统
本章实践要求及教学情境
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.1 WDM概述
1．WDM技术产生背景 随着话音业务的快速增长和各种新业务的不断涌 现，特别是IP技术的广泛应用，网络扩容受到严 重的挑战。传统的传输网络扩容方法采用两种方 式：
（1）空分多路复用（SDM）
（2）时分多路复用（TDM）
光纤通信
第六章
WDM系统
概要
光纤通信
本章内容
WDM系统设备与组网。 WDM系统的关键技术。 WDM系统规范。 WDM系统结构与设备。 WDM系统规范。 WDM系统的关键技术。
本章重点、难点
概要
光纤通信
本章学习的目的和要求
掌握WDM概念和系统结构。 掌握WDM系统的设备和组网。 了解WDM系统的关键技术。 掌握WDM系统规范。 到到光纤通信实训室或运营商传输机房，考察了解 相关WDM设备和组网情况。
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.4 WDM系统应用类型
1．有线路光放大器的WDM系统
图6-7 有线路光放大器的WDM系统参考配置
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.4 WDM系统应用类型
1．有线路光放大器的WDM系统
当把一个符合ITU-T G.957的发射机和光波长转换器结合起来作 为G.692光发射机时，则如同在参考配置中定义的一样，参考点 Sn位于光波长转换器的输出光连接器后面，如图6-8所示。在这 种情况下，符合G.957的发射机和波长转换器之间的接口是从 G.957给定的S点的一系列规定中选出来的。
图6-8
符合G.957的发射机和光转发器联合使用
6.1
WDM技术概述
光纤通信
• 6.1.4 WDM系统应用类型
• 2．无线路光放大器的WDM系统
• （1）无线路光放大器的WDM系统参考配置 • 无线路光放大器的WDM系统的参考配置如图6-9所 示。
图6-9
无线路光放大器的WDM系统的参考配置
6.2 WDM系统结构与设备 光纤通信
6.1
WDM技术概述
光纤通信
图6-1
WDM系统的基本组成及频谱示意图
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.1 WDM概述
2．WDM的概念和特点
（2）WDM技术的特点
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
充分利用光纤的巨大带宽资源。 多种类型的信号可同时传输。 系统升级时能最大限度地保护已有投资。 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 降低器件的超高速要求。 可兼容全光交换。
6.2.1 WDM系统的基本结构
一般来说，WDM系统主要由5部分组成：光 发射机、光中继放大、光接收机、光监控信 道和网络管理系统，如图6-10所示。
图6-10
WDM系统总体结构示意图（单向）
6.2 WDM系统结构与设备 光纤通信
6.2.2 WDM系统设备
WDM设备一般按用途可分为光终端复用器（OTM）、 光线路放大器（OLA）、光分插复用器（OADM） 和电中继器（REG）几种类型。下面以华为公司的 波分320G设备为例讲述各种网络单元类型在网络中 所起的作用。
6.1
WDM技术概述
光纤通信
6.1.1 WDM概述
2．WDM的概念和特点
（1）WDM的概念
波分复用（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多个波 长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同 波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路 上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长 的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出 原信号后送入不同的终端，因此，将此项技术称为光 波长分割复用，简称光波分复用技术。
图6-15
电中继器（REG）的信号流向 图
6.2 WDM系统结构与设备
光纤通信
6.2.3 WDM组网与网络保护
1．WDM组网
WDM系统最基本的组网方式为点到点组网、链形组网和环形组网。
（a）WDM的点到点组网示意图
（b）WDM的链形组网示意图
（c）WDM的环形组网示意图
图6-16 WDM的基本组网示意图