光传输与光接入技术

“光传输与接入技术”是电气信息类专业中通信工程等相关专业的一门重要的专业课程，也是很多学校通信与信息系统专业硕士研究生的专业课程，其目的是通过对该课程的学习，使学生掌握飞速发展的各种接入网技术的理论、标准以及协议，为以后从事接入网技术相关工作奠定基础。
光传输光接入技术虽然层出不穷，日趋成熟，但当今很少有一本新而全的教材可以被使用。为此，作者在撰写的同时，把陈旧的理论内容作为发展历史让学生增加感性认识，重点讲授当今流行的成熟的技术注意跟踪以及光传输光接入技术发展的新技术、新理论。
《光传输与光接入技术》注重原理理论以及实验实践相结合的原则，因此本书在理论介绍的基础上，加入实践环节使读者能掌握工作岗位面临的实际问题。作者希望，通过对本书的讲解能使读者能在光传输光接入基本技术、光网络规划与建设、光网络设备的测试与管理以及系统的售前售后等方面有比较清晰的认识，对光传输、光接入方面的相关课程能提供一定的辅助作用。
《光传输与光接入技术》在编写的过程中，结合了国内外光传输、光接入方便的*研究成果和相关资料，力图对光网络的原理、关键技术以及应用作一种全面的介绍。另外，本书对基于华为OptiX 155/622H、EPON-MA5680T等设备的实验实践内容进行了详细的讲解，做到理论联系实际，使读者能更清晰的了解光传输以及光接入相关技术 

光传输与光接入技术虽然层出不穷，日趋成熟，但当今很少有一本新而全的教材可以被使用。为此，作者在编写本教材时，把以往的理论内容作为发展历史让学生增加感性认识，重点讲授当今流行的成熟技术，注意跟踪涉及光传输、光接入技术发展的新技术、新理论。本书注重理论与实验实践相结合，在理论介绍的基础上，加入实践环节，使读者能掌握工作岗位面临的实际问题。作者希望通过对本书内容的讲解，能使读者在光传输与光接入基本技术、光网络规划与建设、光网络设备的测试与管理以及系统的售前售后等方面有比较清晰的认识，对光传输、光接入方面的相关课程能提供一定的辅助作用。

 目录

第1章绪论

1.1光纤通信概述

1.2光纤通信系统

1.3光纤通信技术的趋势及展望

第2章光纤及光器件

2.1光纤原理

2.1.1光纤结构及原理

2.1.2光纤的种类

2.2光纤模式

2.2.1传输模式

2.2.2多模光纤和单模光纤

2.3光纤特性

2.3.1光纤的传输特性

2.3.2光纤的机械特性和温度特性

2.4光电器件发光原理

2.4.1光的发射和激射原理

2.4.2半导体PN结和PN结光源

2.5光电器件类型

2.5.1半导体发光器件

2.5.2光电检测器

2.5.3掺铒光纤放大器

第3章SDH传送网

3.1SDH基本概念

3.2SDH结构原理

3.2.1SDH帧结构

3.2.2SDH复用映射结构

3.2.3映射、定位和复用的概念

3.3SDH网络

3.3.1SDH网络的常见网元

3.3.2基本的网络拓扑结构

3.4光传送网

3.4.1光传送网的产生

3.4.2OTN的基本概念及特点

第4章基于SDH的光传输实训指导

4.1SDH设备总体介绍

4.1.1OptiX 155/622H（METRO 1000）设备介绍

4.1.2单板类型

4.2SDH设备管理配置方法介绍

4.2.1EB平台的操作

4.2.2命令行的学习

4.3SDH光接口参数测试实验

4.4SDH光传输点对点组网配置实验

4.5SDH链形组网配置实验

4.6SDH环形组网（通道环）配置实验

4.7SDH环形组网（复用段环）配置实验

4.8以太网口业务配置实验

第5章DWDM波分复用网络

5.1DWDM原理概述

5.1.1传统的网络扩容技术

5.1.2DWDM技术

5.2DWDM关键技术

5.2.1光源

5.2.2光复用/解复用器件

5.3掺铒光纤放大器

5.3.1EDFA的工作原理

5.3.2EDFA的应用

5.3.3EDFA的局限性

5.4光纤拉曼放大器

5.5DWDM网元

5.5.1DWDM网元设备

5.5.2DWDM网元性质

5.5.3DWDM网络保护

第6章EPON接入网

6.1接入网的概念

6.2光纤接入网

6.2.1光纤接入网定义

6.2.2光纤接入网的拓扑结构

6.3无源光网络

6.3.1PON技术概述

6.3.2PON系统模型

6.3.3FTTx业务模型

6.4EPON接入网

6.4.1EPON的信息流

6.4.2EPON的硬件实现

6.4.3EPON的关键技术

6.4.4EPON的前景展望

6.5GPON接入网

6.5.1GTC成帧技术分析

6.5.2OLT与ONU的定时关系

6.5.3GTC成帧技术在GPON系统中的应用

6.5.4GPON成帧技术与EPON成帧技术的区别

第7章基于EPON的光接入实训指导

7.1EPON设备总体介绍

7.1.1EPONMA5680T产品介绍

7.1.2EPONMA5680T硬件结构

7.1.3基本操作

7.2EPON管理环境搭建

7.3EPON ONT注册实验

7.4EPON 数据业务实验

7.5BRAS的配置

7.6EPON接入用户组网实验

7.7EPON组播业务实验

7.8EPON安全管理实验

7.9EPON FTTH组网实验

第8章网络规划与设计

8.1接入光缆网的架构

8.1.1接入光缆网目标架构

8.1.2接入光缆网层次划分和定义

8.1.3接入光缆网规划原则

8.2FTTH 组网

8.2.1组网概论

8.2.2已建住宅建筑举例

8.3设备施工规范

8.3.1OLT 安装施工

8.3.2ODF以及交换箱的安装施工

8.3.3光分路器箱施工

8.4线缆布放

8.4.1管道光缆的敷设

8.4.2埋式光缆的敷设

8.4.3楼道墙壁光缆的敷设

8.5光缆施工

8.5.1光缆施工过程

8.5.2光纤工程的熔接与测试

8.5.3光缆敷设

参考文献

 

前言

随着电信业务向综合化、数字化、智能化、宽带化和个人化方向发展，人们对电信业务多样化的需求也不断提高，同时由于主干网上SDH、ATM、无源光网络(PON)及DWDM技术的日益成熟和使用，通信技术进入了快速发展阶段。“光传输与接入技术”是电气信息类专业中通信工程等相关专业的一门重要的专业课程，也是很多学校通信与信息系统专业硕士研究生的专业课程，其目的是通过对该课程的学习，使学生掌握飞速发展的各种接入网技术的理论、标准以及协议，为以后从事接入网技术相关工作奠定基础。本书共8章，第1章主要介绍光纤通信的基本概念、光纤通信系统的基本组成以及光纤通信技术的发展趋势； 第2章主要讲解光网络中的主要光器件，其中重点说明了光纤的传输原理、导光模式、结构特点以及分类方法，另外也介绍了半导体激光器、光电检测器等常用光器件的作用及特点； 第3章介绍光传输技术，主要讨论SDH技术基本概念以及映射、定位、复用的概念，介绍SDH网络的基本网元以及常见的拓扑结构，说明了光传送网的产生以及OTN设备的概念、特点等；  第4章介绍基于SDH的光传输实训指导，其中以华为OptiX 155/622H（METRO 1000）设备为主要实验对象，讲述SDH光传输点对点组网配置、SDH链型组网配置、SDH环形组网配置等实训实验的内容、方法以及步骤； 第5章讲述光波分复用系统的原理、关键技术以及常用的DWDM网元类型，并分析了掺铒光纤放大器的工作原理和应用； 第6章主要介绍光接入网的概念、参考模型、网络拓扑结构以及相关技术，讲述无源光接入网的概念、相关器件、网络组成、拓扑结构、技术及应用，重点说明了EPON、GPON的工作原理； 第7章介绍基于EPON的光接入实训指导，其中以华为EPONMA5680T设备为主要实验对象，说明了EPON ONT注册、EPON数据业务、EPON接入用户组网等实训实验的内容、方法以及步骤； 第8章介绍光接入网的网络规划与设计，讨论了实际工程中包含的施工规范、设备安装以及光缆敷设等常见问题。在本书的编写过程中结合了大量的国内外研究成果，希望读者通过对本书的学习可以对光传输与光接入原理、关键技术以及应用有一个全面的认识。本书在理论知识的基础上，加上了光传输、光接入的实验实训内容，对培养读者的思维能力、创新能力、科学精神以及利用光传输、光接入技术知识解决实际问题的能力有重要的意义。本书尽量避免繁杂的公式推导，力求文字简单明了，并结合大量的图表进行说明，希望可以做到深入浅出地讲解，方便读者学习。参与本书编写的有王岩、张猛、孙海欣、商微微。在本书的编写过程中参考了大量的国内外通信以及光传输与光接入方面的文献，已在参考文献中一一列出，在此表示诚挚的感谢。另外感谢深圳市讯方技术股份有限公司对本书的编写提供了专业的参考意见。也对为本书的编写工作提供过指导与帮助的同事和朋友表示感谢。由于作者学术水平有限，书中存在不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

作者2018年1月于长春

第5章DWDM波分复用网络
5.1DWDM原理概述随着话音业务的飞速增长和各种新业务的不断涌现，特别是IP技术日新月异的发展，网络的容量必将会受到严重的挑战。5.1.1传统的网络扩容技术传统的传输网络扩容采用空分复用(space division multiplexing，SDM)或时分复用(time division multiplexing，TDM)两种方式。1. 空分复用空分复用(SDM)是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。在光缆制造技术已经非常成熟的今天，几十芯的带状光缆已经比较普遍，而且先进的光纤接续技术也使光缆施工变得简单，但光纤数量的增加无疑仍然给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便，并且对于已有的光缆线路，如果没有足够的光纤数量，通过重新敷设光缆来扩容，工程费用将会成倍增长。而且，这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽，造成光纤带宽资源的浪费。作为通信网络的建设，不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容，事实上，在工程之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数。因此，空分复用的扩容方式十分受限。2. 时分复用时分复用(TDM)也是一种比较常用的扩容方式，从传统PDH的一次群至四次群的复用，到如今SDH的STM1、STM4、STM16乃至STM64的复用。通过时分复用技术可以成倍地提高光传输信息的容量，极大地降低了每条电路在设备和线路方面投入的成本，并且采用这种复用方式可以很容易地在数据流中插入和抽取某些特定的字节，尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用。但时分复用的扩容方式有两个缺陷： 第一是影响业务，即在全盘升级至更高的速率等级时，网络接口及其设备需要完全更换，所以在升级的过程中，不得不中断正在运行的设备； 第二是速率的升级缺乏灵活性，以SDH设备为例，当一个线路速率为155Mb/s的系统被要求提供两个155Mb/s的通道时，就只有将系统升级到622Mb/s，即使有两个155Mb/s将被闲置。对于更高速率的时分复用设备，目前成本还较高，并且40Gb/s的TDM设备已经接近电子器件的速率极限，此外，即使是10Gb/s速率的信号在G.652光纤中的色散及非线性效应也会对传输产生各种限制。5.1.2DWDM技术不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式，基本的传输网络均采用传统的PDH或SDH技术，即采用单一波长的光信号传输，这种传输方式是对光纤容量的一种极大浪费，因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长通道来讲几乎是无限的。我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡，另一方面却让大量的网络资源白白浪费。密集波分复用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)技术就是在这样的背景下应运而生的，它不仅大幅度地增加了网络的容量，而且还充分利用了光纤的带宽资源，减少了网络资源的浪费。光纤的容量是极其巨大的，而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。为了充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以DWDM技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。1. DWDM技术特点DWDM技术具有如下特点。1) 超大容量目前使用的普通光纤可传输的带宽是很宽的，但其利用率还很低。使用DWDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍，因此也节省了光纤资源。2) 数据透明传输由于DWDM系统按不同的光波长进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。因此可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号的综合和分离。
3) 系统升级时能最大限度地保护已有投资在网络扩充和发展中，无须对光缆线路进行改造，只需升级光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务的方便手段。4) 高度的组网经济性和可靠性利用DWDM技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便，由此而带来网络的经济性和可靠性是显而易见的。5) 可构成全光网络可以预见，在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上下、交叉连接等都是在光层上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。因此，DWDM技术将是实现全光网的关键技术之一，而且DWDM系统能与未来的全光网兼容，将来可能会在已经建成的DWDM网络的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。波分复用技术利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同频率(波长)的光信号混合在一起进行传输，这些不同波长的光载波所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。波分复用网络扩容通过在光纤中增加新的波长通道来实现。由于目前一些光器件(如带宽很窄的滤光器、相干光源等)还不很成熟，因此，要实现光通道非常密集的光频分复用是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现分离光通道的波分复用。人们通常把光通道间隔较大(甚至在光纤不同窗口上)的复用称为光波分复用(WDM)，再把在同一窗口中通道间隔较小的WDM称为密集波分复用(DWDM)。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已。与通用的单通道系统相比，DWDM技术不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务的特点更使得它的应用前景一片光明。DWDM系统的构成及光谱示意图如图5.1所示。发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的多路光信号，经过光波分复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器(掺铒光纤功率放大器主要用来补偿波分复用器引起的功率损失，提高光信号的发送功率)，再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据实际情况选用光线路放大器，到达接收端经光前置放大器(主要用于提高接收灵敏度)放大以后，送入光波分解复用器分解出原来的各路光信号。

图5.1DWDM系统的构成及频谱示意图

2. DWDM系统分类DWDM系统按一根光纤中传输的光通道是单向的还是双向的可以分成单纤单向和单纤双向两种，按DWDM系统和客户端设备之间是否有光波长转换单元OTU分成开放式和集成式两种。1) 单纤单向DWDM如图5.2所示，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5.2单纤单向传输的DWDM系统

这种DWDM系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量扩大几十倍、几百倍直至上千倍。在长途网中，可以根据实际业务量的需要逐步增加波长通道(一个波长就是一个通道)的数量来实现扩容，十分灵活。在不清楚实际光缆色散的前提下，也是一种暂时避免采用超高速TDM系统而利用多个2.5Gb/s系统实现超大容量传输的手段。2) 单纤双向DWDM如图5.3所示，在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号应安排在不同波长上。

图5.3单纤双向传输的DWDM系统

单纤双向传输允许单根光纤携带全双工通道，通常可以比单向传输节约一半的光纤器件。由于两个方向传输的信号不交互产生FWM(四波混频)产物，因此其总的FWM产物比单纤单向传输少很多。缺点是该系统需要采用特殊的措施来对付光反射(包括由于光接头引起的离散反射和光纤本身的瑞利散射)，以防多径干扰； 当需要将光信号放大以延长传输距离时，必须采用双向光纤放大器，但其噪声系数稍差。3) 开放式DWDM开放式DWDM系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要这些接口符合ITUT G.957/G.691建议的光接口标准。DWDM系统采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，不同终端设备的光信号转换成不同的符合ITUT G.692建议的波长，然后进行合波。4) 集成式DWDM集成式DWDM系统不采用波长转换技术，它要求复用终端光信号的波长符合DWDM系统的规范，不同的复用终端设备接入DWDM系统的不同波长通道，从而在复用器中完成合波。根据工程的需要可以选用不同的应用形式。在实际应用中，开放式DWDM和集成式DWDM可以混合使用。5.2DWDM关键技术5.2.1光源
光源是构成DWDM系统的重要器件，目前应用于DWDM系统的光源主要是半导体激光器(laser diode，LD)。DWDM系统的工作波长较为密集，一般波长间隔为几纳米到零点几纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上，并且具有很好的稳定性； 另一方面，DWDM系统的无电再生中继长度从不含光线路放大器的单通道SDH系统最大传输约160km增加到500~600km，为延长传输系统的色散受限距离，DWDM系统的光源要使用色散容纳值很高的低啁啾激光器。总之，DWDM系统光源的两个突出特点是： (1)标准而稳定的波长； (2)比较大的色散容纳值。1. 激光器的调制方式目前广泛使用的光纤通信系统均为强度调制—直接检测系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即直接调制和间接调制。直接调制： 又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。传统的PDH和2.5Gb/s速率以下的SDH系统使用的LD或LED光源基本上采用的都是这种调制方式。直接调制方式的特点是输出功率正比于调制电流，具有结构简单、损耗小、成本低的特点，但由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的光学长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种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带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离小于等于100km，传输速率小于等于2.5Gb/s。对于无须采用光线路放大器的DWDM系统，从节省成本的角度出发，可以考虑使用直接调制激光器。间接调制： 这种调制方式一般又称作外调制，即不直接调制光源，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光开关的作用。结构如图5.4所示。

图5.4间接调制激光器的结构

恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理，而在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量。间接调制方式的激光器比较复杂、损耗大，而且造价也高，但调制频率啁啾很小，可以应用于传输速率大于等于2.5Gb/s，传输距离超过100km的系统。因此，一般来说，在使用光线路放大器的DWDM系统中，发射部分的激光器均为间接调制方式的激光器。常用的外调制器有电光调制器、声光调制器和波导调制器等。电光调制器基本工作原理是晶体的电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体； 声光调制器是利用介质的声光效应制成。所谓声光效应，是声波在介质中传播时，介质受声波压强的作用而产生变化，这种变化使得介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性； 波导调制器是将钛(Ti)扩散到铌酸锂(LiNbO3)基底材料上，用光刻法制出波导。它具有体积小、重量轻、有利于光集成等优点。根据光源与外调制器的集成和分离情况，又可以分为集成式外调制激光器和分离式外调制激光器两种。集成外调制技术日益成熟，是DWDM光源的发展方向。常见的是更加紧凑小巧、性能上也满足绝大多数应用要求的电吸收调制器。电吸收调制器是一种损耗调制器，它工作在调制器材料吸收区边界波长处。当调制器无偏压时，光源发送波长在调制器材料的吸收范围之外，该波长的输出功率最大，调制器为导通状态； 当调制器有偏压时，调制器材料的吸收区边界波长移动，光源发送波长在调制器材料的吸收范围内，输出功率最小，调制器为断开状态，如图5.5所示。

图5.5电吸收调制器的吸收波长的改变示意图

电吸收调制器可以利用与半导体激光器相同的工艺过程制造，因此光源和调制器容易集成在一起，适合批量生产，因此发展速度很快。例如，铟镓砷磷(InGaAsP)光电集成电路，是将激光器和电吸收调制器集成在一块芯片上，该芯片再置于热电制冷器(thermal electronic cooler，TEC)上。这种典型的光电集成电路，称为电吸收调制激光器(electroabsorption modulated laser，EML)，可以支持2.5Gb/s信号传输600km以上的距离，远远超过直接调制激光器所能传输的距离，其可靠性也与一般的DFB激光器类似。分离式外调制激光器常用的是连续波激光器(CW) 铌酸锂(LiNbO3)马赫策恩德(MachZehnder)外调制器。该调制器将输入光分成两路相等的信号，分别进入调制器的两个光支路，这两个光支路采用的材料是电光材料，即其折射率会随着外部施加的电信号大小而变化，由于光支路的折射率变化将导致信号相位的变化，故两个支路的信号在调制器的输出端再次结合时，合成的光信号是一个强度大小变化的干涉信号，通过这种办法，将电信号的信息转换到了光信号上，实现了光强度调制。分离式外调制激光器的频率啁啾可以接近于零。2. 激光器波长的稳定与控制在DWDM系统中，激光器波长的稳定是一个十分关键的问题，根据ITUT G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光通道间隔的五分之一，即对于光通道间隔为100GHz的系统，中心波长的偏差不能大于±20GHz。影响集成式电吸收调制激光器波长的主要因素之一是芯片温度的变化，其波长的温度依赖性典型值为0.08nm/℃，正常工作温度为25℃，在15~35℃温度范围内调节芯片的温度，即可使EML调定在一个指定的波长上，调节范围为1.6nm。芯片温度的调节依靠改变制冷器的驱动电流实现，再用热敏电阻作反馈便可使芯片温度稳定在一个基本恒定的温度上。除了温度外，激光器的驱动电流也能影响波长，其依赖性典型值为0.008nm/mA，比温度的影响约小一个数量级，在有些情况下，其影响可以忽略。此外，封装的温度也可能影响到器件的波长(例如从封装到激光器平台的连线带来的温度传导和从封装壳向内部的辐射，也会影响发光波长)。在一个设计良好的封装中其影响可以得到有效控制。以上这些方法可以有效解决相对短期变化波长的稳定问题，对于激光器老化等原因引起的波长长期变化就显得无能为力了。直接使用波长敏感元件对光源进行波长反馈控制比较理想，原理如图5.6所示，属于该类控制方案的标准波长控制和参考频率扰动波长控制均正在研制中。

图5.6波长控制原理

5.2.2光复用/解复用器件1. 光复用/解复用器件

图5.7光复用/解复用器

如图5.7所示，在DWDM系统中，复用器的主要作用是将多个波长通道合在一根光纤中传输； 解复用器的主要作用是将在一根光纤中传输的多个波长通道分离。DWDM系统性能好坏的关键是光复用/解复用器，其要求是复用通道数量足够、插入损耗小、隔离度高和通带范围宽等。从原理上讲，复用器与解复用器是相同的，只需要改变输入、输出的方向。DWDM系统中使用的光复用/解复用器的性能满足ITUT G.671及相关建议的要求。
光复用/解复用器有多种制造方法，制造的器件各有特点，目前已广泛商用的有4种： 光栅型、介质薄膜滤波器型、光纤耦合器型、阵列波导光栅型。光栅型复用/解复用器属于角色散型器件，利用角色散元件来分离和合并不同波长的光信号。最流行的衍射光栅是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后再在环氧树脂上制造光栅线，构成所谓闪耀光栅。入射光照射到光栅上后，由于光栅的角色散作用，不同波长的光信号以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，从而完成波长选择功能； 逆过程也成立，如图5.8所示。闪耀光栅的优点是高分辨的波长选择作用，可以将特定波长的绝大部分能量与其他波长进行分离且方向集中。

图5.8闪耀光栅型光复用/解复用器原理

闪耀光栅型复用器具有优良的波长选择性，可以使通道的波长间隔缩小到0.5nm左右。另外，光栅型器件是并联工作的，插入损耗不会随复用波长通道数量的增加而增加，因而可以获得较多的复用通道数。闪耀光栅的缺点是插入损耗较大，通常有3~8dB，对偏振很敏感，光通道带宽/通道间隔比尚不够理想，使光谱利用率不够高，对光源和光复用/解复用器的波长容错性要求较高。此外，其温度特性较差，典型器件的温度漂移大约为0.012nm/℃。若采用温度控制措施，则温度漂移可以减少至0.0004nm/℃。因此，对于光栅型光复用/解复用器采用温控措施是可行和必要的。这类光栅在制造上要求较精密，不适合于大批量生产，因此往往在实验室的科学研究中应用较多。除上述传统的光栅器件外，布拉格光纤光栅的制造技术也逐渐成熟起来，它的制造方法是利用高功率紫外激光波束干涉，从而在光纤纤芯区形成周期性的折射率变化，如图5.9所示。布拉格光纤光栅的设计和制造比较快捷方便，成本较低，插入损耗很小，整个器件可以直接与系统中的光纤融为一体。其滤波特性带内平坦，而带外十分陡峭(滚降斜率优于150dB/nm，带外抑制比高达50dB)，因此可以制作成通道间隔非常小的带通或带阻滤波器。然而这类光纤光栅滤波器的波长适用范围较窄，只适用于单个波长，带来的好处是可以随着使用的波长数变化而增减滤波器，应用比较灵活。

图5.9光导纤维中的布拉格光栅滤波器

介质薄膜滤波器型光复用/解复用器是由介质薄膜(dielectric thin film，DTF)构成的。DTF滤波器是由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜，按照设计要求组合起来的，每层的厚度为1/4波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成。当光入射到高折射率层时，反射光没有相移； 当光入射到低折射率层时，反射光经历180°相移。由于层厚1/4波长(90°相位)，因而经低折射率层反射的光经历360°相移后与高折射率层的反射光同相叠加。这样在中心波长附近各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反射光。在高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成为透射光。据此可以使薄膜干涉型滤波器对一定波长范围呈通带，而对另外波长范围呈阻带，形成所要求的滤波特性。介质薄膜滤波器型解复用器的结构原理如图5.10所示。

图5.10介质薄膜滤波器型解复用器原理

介质薄膜滤波器型光复用/解复用器的主要特点是，设计上可以实现结构稳定的小型化器件，信号通带平坦且与偏振无关，插入损耗低，通道隔离度好。缺点是通道数不能很多。具体特点还与结构有关，例如薄膜滤波器型光复用/解复用器在采用软型材料的时候，由于滤波器容易吸潮，受环境的影响而改变波长； 采用硬介质薄膜时，材料的温度稳定性优于0.0005nm/℃。另外，这种器件的设计和制造周期较长，产量较低。在DWDM系统中，当只有4~16个波长时，使用该型光复用/解复用器是比较理想的。光纤耦合器有两类，应用较广泛的是熔拉双锥(熔锥)式光纤耦合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔接在一起。由于不同的光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消逝波耦合来达到所需要的耦合功率。第二种是采用研磨和抛光的方法去掉光纤的部分包层，只留下很薄的一层包层，再将两根经同样方法加工的光纤对接在一起，中间涂有一层折射率匹配液，于是两根光纤可以通过包层里的消逝波发生耦合，得到所需要的耦合功率。熔锥型光复用/解复用器制造简单，应用广泛。阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWG)型光复用/解复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件，典型制造过程是在硅片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃，并利用光刻技术形成所需要的图案并腐蚀成型，其结构如图5.11所示。该器件可以集成生产，具有波长间隔小、通道数多、通带平坦等优点，非常适合于超高速、大容量DWDM系统使用，在今后的接入网中有很大的应用前景。而且，除了光复用/解复用器之外，还可以做成矩阵结构，对光通道进行上/下分插(OADM)，是今后光传送网络中实现光交换的优选方案。

图5.11AWG型光复用/解复用器原理

2. 光分插复用器(OADM)通过光分插复用器(OADM)可以实现各波长的光信号在中间站的分出与插入，即完成上/下光路，利用这种方式可以完成DWDM系统的环形组网。目前OADM只能够做成固定波长上/下的器件(如图5.12所示)，从而使该种工作方式的灵活性受到了限制。

图5.12光分插复用器OADM

OADM一般为介质薄膜滤波器型器件，原理类似复用/解复用器。

3. 梳状滤波器为实现50GHz通道间隔的密集波分复用系统，又要避免器件技术过于复杂和成本过高，出现了一种Interleaver技术，即梳状滤波器。利用这种技术可以很容易地实现通道间隔为50GHz的密集波分复用系统，并且可以使用已有的100GHz通道间隔的DWDM器件和成熟技术。
Interleaver的基本功能如图5.13所示，用一个50GHz间隔的Interleaver可以等间隔地把输入的通道间隔为50GHz的光信号分成奇数通道和偶数通道两组，而每组的通道间隔为100GHz，而后用通道间隔100GHz的分波单元把输入光信号解复用成单波长的光信号。反过来，也可以用Interleaver将间隔100GHz的奇数通道和偶数通道两组信号复用为间隔50GHz的一组信号。

图5.13Interleaver的功能框图

5.3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据码型无关等优点。它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。5.3.1EDFA的工作原理为了实现光功率放大的目的，将一些光无源器件、泵浦源和掺铒光纤以特定的光学结构组合在一起，就构成了EDFA光放大器。图5.14是一种典型的双泵浦源的掺铒光纤放大器光学结构。

图5.14EDFA光放大器内部典型光路图

如图5.14所示，输入信号光和泵浦激光器发出的泵浦光经过WDM器件合波后进入掺铒光纤EDF，其中两只泵浦激光器构成两级泵浦，EDF在泵浦光的激励下可以产生放大作用，从而也就实现了放大光信号的功能。掺铒光纤EDF是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度铒离子Er3 的光纤，为了阐明其放大原理，需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三能级结构，如图5.15所示，其中E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是激发态能级。

图5.15铒离子能级图

当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而，高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射跃迁(即不释放光子)落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能级，在该能级上，粒子的存活寿命较长，受到泵浦光激励的粒子，以无辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射信号光中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤传输过程中被不断放大的功能。WDM光耦合器，顾名思义，就是具有耦合的功能，其作用是将信号光和泵浦光耦合，一起送入掺铒光纤，也称光合波器，通常使用光纤熔锥型合波器。光隔离器ISO是一种利用法拉第旋光效应制成的、只能允许光单向传输的器件。光路中两只隔离器的作用分别是： 输入光隔离器可以阻挡掺铒光纤中反向ASE对系统发射器件造成干扰，以及避免反向ASE在输入端发生反射后又进入掺铒光纤产生更大的噪声； 输出光隔离器则可避免输出的放大光信号在输出端反射后进入掺铒光纤消耗粒子数，从而影响掺铒光纤的放大特性。泵浦激光器是EDFA的能量源泉，它的作用是为光信号的放大提供能量。通常是一种半导体激光器，输出波长为980nm或1480nm。泵浦光经过掺铒光纤时，将铒离子从低能级泵浦到高能级，从而形成粒子数反转，而当信号光经过时，能量就会转移到信号光中，从而实现光放大的作用。EDFA中所用的光分路器为一分二器件，其作用是将主信道上的光信号分出一小部分光信号送入光探测器，以实现对主信道中光功率的监测功能。光探测器PD是一种光强度检测器，它的作用是将接收的光通过光/电转换变成电流，从而对EDFA模块的输入、输出光功率进行监测。5.3.2EDFA的应用根据EDFA在DWDM光传输网络中的位置，可以分为3种： 功率放大器(booster amplifier，BA)； 线路放大器(line amplifier， LA)； 前置放大器(preamplifier，PA)。功率放大器被放置于终端复用设备或电中继设备的发射光源之后的位置，如图5.16所示。功率放大器的主要作用是提高发送光功率，通过提高注入光纤的光功率(一般在10dBm以上)，从而延长传输距离，故有的资料上称为功率助推放大器。此时对放大器的噪声特性要求不高，主要要求功率线性放大的特性。功率放大器通常工作在增益或输入功率饱和区，以便提高泵浦源功率转化为光信号功率的效率。

图5.16功率放大器在DWDM系统中的位置

线路放大器被放置于整个中继段的中间，如图5.17所示，是将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行直接放大的应用形式。一个中继段可以根据需要配置有多个线路放大器。线路放大器主要应用于长距离通信或CATV分配网，此时要求EDFA对小信号增益高，而且噪声系数小。

图5.17线路放大器在DWDM系统中的位置

前置放大器被放置在中继段的末尾、光接收设备之前，如图5.18所示。该放大器的主要作用是对经线路衰减后的小信号进行放大，从而提高光接收机的接收灵敏度，此时的主要问题是噪声问题。EDFA中的噪声主要是放大器的自发辐射噪声(amplified spontaneous emission，ASE)，该噪声将使光电检测器输出3个噪声分量，即由于光功率增加产生的额外散弹噪声、信号—自发辐射差拍噪声和自发辐射—自发辐射差拍噪声，通过使用窄带光滤波器(1nm带宽)可以滤掉大部分自发辐射—自发辐射差拍噪声，同时减少额外散弹噪声，但无法滤除信号—自发辐射差拍噪声。尽管如此，采用光滤波器的EDFA噪声特性已经得到很大改善。使用前置放大器，极大地改善了直接检测式接收机的灵敏度，例如2.5Gb/s速率的EDFA接收机灵敏度可以达到-43.3dBm，比没有使用EDFA的直接检测式接收机改进了约10dBm。

图5.18前置放大器在DWDM系统中的位置

在DWDM系统中，复用的光通道数越来越多，需要串接的光放大器数目也越来越多，因而要求单个光放大器占据的谱宽也越来越宽。然而，普通的以石英光纤为基础的掺铒光纤放大器的增益平坦区很窄，仅在1549~1561nm，大约12nm，在1530~1542nm的增益起伏很大，可高达8dB。这样，当DWDM系统的通道安排超出增益平坦区时，在1540nm附近的通道会遭受严重的信噪比劣化，无法保证正常的信号输出。为了解决上述问题，更好地适应DWDM系统的发展，人们开发出以掺铝的硅光纤为基础的增益平坦型EDFA放大器，大大地改善了EDFA的工作波长带宽，平抑了增益的波动。目前的成熟技术已经能够做到1dB增益平坦区几乎扩展到整个铒通带(1525~1560nm)，基本解决了普通EDFA的增益不平坦问题。未掺铝的EDFA和掺铝的EDFA的增益曲线对比如图5.19所示。

图5.19EDFA增益曲线平坦性的改进

技术上，将EDFA光放大器增益曲线中1525~1540nm称作蓝带区，将1540~1565nm称作红带区，一般来说，当传输的容量小于40Gb/s时，优先使用红带区。EDFA增益不平坦和平坦性能比较如图5.20所示。

图5.20EDFA增益平坦示意图

EDFA的增益锁定是一个重要问题，因为WDM系统是一个多波长的工作系统，当某些波长通道丢失时，由于增益竞争，其能量会转移到那些未丢失的通道上，使其他波长通道的功率变高。在接收端，由于电平的突然提高可能引起误码，而且在极限情况下，如果8路波长通道中的7路丢失时，所有的功率都集中到所剩的一个通道上，功率可能会达到17dBm，这将带来强烈的非线性或接收机接收功率过载，产生大量误码。因此需要对EDFA的增益进行锁定，使单个通道的增益不至于因为总通道数量的变化而变化。EDFA的增益锁定有许多种技术，典型的有控制泵浦光源增益的方法。EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入的某些波长通道丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持EDFA增益(输出/输入)不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定，如图5.21所示。其中TAP为光分路器，PUMP为泵浦激光器，PIN为光电二极管。

图5.21控制泵浦光源增益锁定技术

另外还有饱和波长的方法。在发送端，除了8路工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长，在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些通道丢失时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长通道的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定，当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，响应速度较控制泵浦源要快一些。5.3.3EDFA的局限性EDFA解决了DWDM系统中的线路损耗问题，但同时也带来了一些新的问题，仍有待进一步研究解决。1. 非线性问题虽然EDFA的采用提高了光功率，但是这个光功率并非越大越好。当光功率大到一定程度时，光纤将产生非线性效应(包括受激拉曼散射和受激布里渊散射等)，尤其是受激布里渊散射(SBS)受EDFA的影响更大，非线性效应会极大地限制EDFA的放大性能和长距离无中继传输的实现。2. 光浪涌问题由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号功率跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成光/电变换器和光连接器端面的损坏。3. 色散问题采用EDFA以后，因衰减限制无中继长距离传输的问题虽然得以解决，但随着距离的增加，总光纤色散也随之增加，原来的功率受限系统变成了色散受限系统。4. 光信噪比问题EDFA会在几十纳米宽的光谱区内产生所谓放大的自发辐射(ASE)，与ASE有关的差拍噪声会引起接收端光信噪比(optical signal to noise ratio，OSNR)劣化。这种差拍噪声随级联光放大器数目的增加而线性增加，因此，误码率随光放大器数目的增加而劣化。此外，噪声是随放大器的增益幅度以指数形式积累的。5.4光纤拉曼放大器高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会表现出非线性，光纤也不例外。受激拉曼散射(stimulated raman scattering，SRS)是光纤中一个很重要的三阶非线性过程。它可以看作是介质中分子振动对入射光(泵浦光)的调制，从而对入射光产生散射作用。假设入射光的频率为ωλ，介质的分子振动频率为ωv，则散射光的频率为ωs=ωλ－ωv，ωas＝ωλ ωv。在此过程中产生的频率为ωs的散射光叫斯托克斯光(stokes)，频率为ωas的散射光叫反斯托克斯光。可以用物理图像描述如下： 一个入射的光子消失，产生一个频率下移/上移的光子，即stokes波/反stokes波，剩余能量则被介质以分子振动的形式吸收，完成分子振动态之间的跃迁。光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱，且在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱范围内，弱信号光就可得到放大，这种基于SRS机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器。图5.22所示即是光纤拉曼放大器的增益谱示意图。

图5.22光纤拉曼放大器的增益谱示意图

某一波长的泵浦光，在其频率下移约为13THz(在1550nm波段，波长上移约为100nm)的位置可以产生一个增益很宽的增益谱(在常规单模光纤中功率为500mW的泵浦光可以产生约30nm的增益带宽)。光纤拉曼放大器的增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大。这种特性使光纤拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多个泵浦源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽(后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm)，因此，对于开发光纤的整个低损耗区1270~1670nm具有无可替代的作用。光纤拉曼放大器的增益介质为传输光纤本身。这种特性使光纤拉曼放大器可以对光信号进行在线分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。同时信号的放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频效应的干扰。光纤拉曼放大器的噪声指数低。光纤拉曼放大器与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，延长传输跨距。由于光放大器的使用极大地延长了传输系统的无电中继距离，使得色散成为限制光纤传输的一个重要因素。为了消除色散对信号传输的影响，可以采取多种技术，目前常用色散补偿光纤进行补偿。适合于DWDM系统光信号传输的光纤一般为G.652和G.655两类光纤，它们在1550nm窗口具有正色散系数及正色散斜率。当光信号在前述线路中传输一定距离后，会由于正色散的累积而造成光信号脉冲展宽，严重影响系统传输性能。色散补偿光纤(dispersion compensation fiber，DCF)采用无源补偿方法，利用色散补偿光纤本身具有的负色散来抵消传输光纤的正色散，使信号脉冲得到压缩。DCF特点如下： (1) 无源补偿方法，简单易行。(2) DCF满足ITUT G.671、G.692建议和其他相关建议要求。(3) 100％(±10%)斜率补偿，插损小且对波长不敏感。(4) 提供不同补偿距离的DCF，可以根据实际组网进行灵活配置。5.5DWDM网元5.5.1DWDM网元设备
DWDM网元一般按用途可分为光终端复用设备、光线路放大设备、光分插复用设备、电中继设备几种类型。以下以OptiX BWS 320G设备为例分别讲述各种网络单元在网络中所起的作用。1. 光终端复用设备在发送方向，光终端复用设备(optical terminal multiplexer，OTM)把波长为λ1~λ32的32个信号经复用器复用成一个DWDM主信道信号，然后对其进行光放大，并附加上波长为λs的光监控通道(optical supervisory channel，OSC)信号。在接收方向，OTM先把光监控通道信号取出，然后对DWDM主信道信号进行光放大，经解复用器解复用成32个波长的信号。OTM的信号流向如图5.23所示，其中TWC/RWC为发送/接收端光波长转换板，M32/D32为光复用/解复用板，WPA/WBA为光前置/功率放大器板，SC1为单向光监控通道处理板，SCA为光监控通道接入板，SDH为同步数字系列设备，A为光衰减器，M为检测光口MON。

图5.23OTM信号流向图

2. 光线路放大设备DWDM系统的光线路放大设备(optical line amplifier，OLA)在每个传输方向均配有一个光线路放大器。在每个传输方向先取出光监控通道信号并处理，再将主信道信号进行放大，然后将主信道信号与光监控通道信号合并送入光纤线路。OLA的信号流向如图5.24所示，SC2为双向光监控通道处理板。

图5.24OLA信号流向图

图中每个方向都采用一对WPA WBA的方式来进行光线路放大，也可用单一WLA或WBA的方式来进行单向的光线路放大。3. 光分插复用设备DWDM系统的光分插复用设备(OADM)有两种类型，一种是采用静态上/下波长的OADM模块，另一种是两个OTM采用背靠背的方式组成一个可上/下波长的OADM设备。1) DWDM系统静态光分插复用设备当OADM设备接收到线路的光信号后，先从中提取光监控通道信号，再用WPA将主光通道信号预放大，通过ADD/DROP单元从主光通道中按波长取下一定数量的波长通道后送出设备，要插入的波长经ADD/DROP单元直接插入主信道，再经功率放大后插入本地光监控通道信号，向远端传输。在本站下业务的通道，需经RWC与SDH设备相连，在本站上业务的通道，需经TWC与SDH设备相连(波长变化)。以OADM(上/下四通道)为例，其信号流向如图5.25所示，其中MR2为2通道ADD/DROP板，SCC为系统控制与通信板，OHP为开销与公务处理板，DCM为色散补偿模块。

图5.25静态OADM信号流向图

2) 两个OTM背靠背组成的光分插复用设备用两个OTM背靠背的方式组成一个可上/下波长的OADM设备。这种方式较之静态OADM要灵活，可任意上/下1到32个波长，更易于组网。如果某一路信号不在本站上下，可以从D32的输出口直接接入同一波长的TWC再进入另一方向的M32板。两个OTM背靠背组成的OADM的信号流向如图5.26所示。

图5.26两个OTM背靠背组成的OADM信号流向图

4. 电中继设备对于需要进行再生段级联的工程，要用到电中继设备(REG)。电中继设备无业务上下，只是为了延伸色散受限传输距离。电中继设备的信号流向如图5.27所示。

图5.27电中继设备REG的信号流向图

DWDM系统最基本的组网方式为点到点方式、链形组网方式、环形组网方式，由这3种方式可组合出其他较复杂的网络形式。与SDH设备组合，可组成十分复杂的光传输网络。其连接的基本拓扑结构可分为点对点连接方式、链形连接方式以及环形连接方式。点到点组网方式如图5.28所示。

图5.28DWDM的点到点组网示意图

链形组网方式如图5.29所示。

图5.29DWDM的链形组网示意图

在本地网特别是城域网的应用中，用户根据需要可以由DWDM的光分插复用设备构成环形网。环形组网如图5.30所示。

图5.30DWDM的环形网示意图

5.5.2DWDM网元性质1. 色散
色度色散是由发送光源光谱特性所导致的制约传输距离的一个支配性因素。在单模光纤中，色散以材料色散和波导色散为主，使信号中不同频率分量经光纤传输后到达光接收机的时延不同。在时域上造成光脉冲的展宽，引起光脉冲相互间的串扰，使得眼图恶化，最终导致系统误码性能下降。一般把光放大器加在一个系统上并不会明显地改变总色度色散。虽然在光放大器中作为有源增益媒质的掺稀土光纤会导致少量的色度色散，但这些光纤长度仅在数十米至数百米数量级。由于掺稀土光纤的单位长度色度色散与ITUT建议G.652所规范的光纤差别不大，因此相对几十至数百公里长的线路光纤来说，光放大器引入的色散影响可忽略不计。但随着光纤通信系统中传输速率的不断提高和光放大器极大地延长了无电中继的光信号传输距离，整个传输链路的总色散及其相应色散代价将可能变得很大而必须认真对待，色散限制已经成为目前决定许多系统再生中继距离的决定因素。无源色散补偿器件可同光放大器组合在一起，构成一个光放大子系统，光放大器可以弥补无源色散补偿器件的插入损耗。该子系统会给系统附加有限的色度色散，但其色散系数与系统光纤相反，这就会使系统总的色度色散减小。另外，采用G.655光纤和G.653光纤对减小色度色散是有利的。如全面考虑非线性损伤，则长途传输中G.655光纤的综合性能是最佳的。在进行DWDM网络设计时，一般先将整个网络划分为若干个再生中继距离段，使每个再生中继段距离都小于光源的色散受限距离，这样，整个网络的性能可以容忍色散的影响。2. 光功率光信号的长距离传输要求信号功率足以抵消光纤的损耗，G.652光纤在1550nm窗口的衰减系数一般为0.25dB/km左右，考虑到光接头、光纤冗余度等因素，综合的光纤衰减系数一般小于0.275dB/km。具体计算时，一般只对传输网络中相邻的两个设备作功率预算，而不对整个网络进行统一的功率预算。将传输网络中相邻的两个设备间的距离称作中继距离。
如图5.31所示，A站点为发送参考点S，B站点为接收参考点R，S点与R点间的距离为L，则中继距离L=(Pout -Pin)/a。

图5.31中继距离示意图

Pout为S点单通道的输出功率(单位为dBm)，S点的光功率与A站点的配置相关。Pin为R点的单通道最小允许输入功率(单位为dBm)。a为光缆每千米损耗(dB/km)(根据ITUT建议，取0.275dB/km，0.275dB/km已包含光纤接头、冗余度等各种因素的影响)。3. 光信噪比光放大器会在几十纳米宽的光谱区内产生所谓放大的自发辐射(ASE)，这个ASE对信号光来说就是一个噪声。在具有若干级联EDFA的传输系统中，光放大器的ASE噪声将同信号光一样，重复一个周期性的衰减和放大。因为输入光放大器的ASE噪声在每个光放大器中均经过放大，并且叠加在那个光放大器所产生的ASE上，所以总ASE噪声功率就随光放大器数目的增加而大致按比例增大，而信号功率则随之减小，最后，噪声功率可能超过信号功率。ASE噪声频谱分布也是沿系统纵向展开的。当来自第一个光放大器的ASE噪声被送入第二个光放大器时，第二个光放大器的增益分布就会因增益饱和效应而发生变化，同样，第三个光放大器的有效增益分布也会发生变化。这种效应会向下游传递给下一个光放大器。即使在每个光放大器处使用窄带滤波器，ASE噪声也会积累起来，这是因为噪声存在于包含着信号频段之内的缘故。光信噪比(OSNR)定义为： OSNR=单位带宽内每通道的信号光功率/单位带宽内每通道的噪声光功率。ASE噪声积累对系统的OSNR有影响，因为接收信号OSNR劣化的主要原因是与ASE有关的差拍噪声，这种差拍噪声随级联光放大器数目的增加而线性增加，因此，误码率随光放大器数目的增加而劣化。此外，噪声是随放大器的增益幅度以指数形式积累的。作为光放大器增益的一个结果，积累了许多个光放大器之后的ASE噪声频谱会有一个自发射效应导致的波长尖峰。特别要指出的是，如果考虑采用闭合全光环路的网络体制，那么若级联数目无限的光放大器，则ASE噪声就会无限积累起来。虽然有滤波器的系统中的ASE积累会因有滤波器而明显减小，但带内ASE仍会随光放大器的增多而增大。因此，OSNR会随光放大器的增多而劣化。ASE噪声积累可能因光放大器间隔的缩小而减小(当保持总增益等于总传输通道损耗时)，因为ASE是随放大器增益幅度的增大而以指数形式积累的。下面的滤波技术可进一步减小ASE噪声： 即采用ASE噪声滤波器或利用自滤波效应(自滤波方法)。自滤波方法适用于装设几十或更多个光放大器的系统。这种方法是把信号波长调整到自滤波波长上，从而使检测器接收到的ASE噪声减小，如同使用窄带滤波器一样。当采取缩短光放大器间隔和低增益光放大器的手段来减小初始ASE噪声时，这种方法是最有效的。如果考虑采用全光DWDM闭合环路网，那么自滤波方法就不适用。事实上，在光放大器整个增益频谱中形成的峰值可能对系统性能造成严重影响。在这种情况下，采用ASE滤波法可最大限度减小ASE噪声的积累。对于装有很少几个光放大器的系统，自滤波法不如ASE滤波法有效。ASE滤波法可灵活地选择信号波长，并具有其他的优点。必须谨慎地选择滤波器的特性，因为级联滤波器的通带比信号滤波器的通带窄(除非是有一个矩形的通带)。4. 非线性效应1) 受激布里渊散射(SBS)在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射门限，将有很强的前向传输信号光转化为后向传输。在受激布里渊散射中，前向传输的光以声子的形式散射，只有后向散射的光是在单模光纤内。在1550nm处散射光频率大约向下移动11GHz。SBS效应具有一个最低门限功率。研究表明，不同类型的光纤甚至同种类型的不同光纤之间的受激布里渊散射门限功率都不同。对于窄谱线光源的外调制系统，其典型值在5~10mW量级，但对直接调制激光器可能会达到20~30mW。由于G.653光纤的有效芯径面积较小，因此采用G.653光纤的系统的SBS门限功率比采用G.652光纤的系统的SBS门限功率略低一些。对于所有的非线性效应都是这样。SBS门限功率对光源谱线宽度和功率电平很敏感，但与通道数无关。SBS极大地限制了光纤中可以传输的光功率。图5.32描述了对于窄带光源的这种效应，这里所有的信号功率都落入了布里渊带宽内。前向传输功率逐渐饱和，而后向散射功率急剧增加。

图5.32窄带光源的SBS门限

在光源线宽明显大于布里渊带宽或者信号功率低于门限功率的系统中，SBS损伤不会出现。2) 受激拉曼散射(SRS)受激拉曼散射是光与二氧化硅分子振动模式间相互作用有关的宽带效应。受激拉曼散射使得信号波长就像是更长波长信号通道或者自发散射的拉曼位移光的一个拉曼泵。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。在单通道和多通道系统中都可能发生受激拉曼散射。仅有一个单通道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1W时可能会受到这种现象的损伤。然而在光谱范围较宽的多通道系统中，波长较短的信号通道由于受激拉曼散射影响，使得一部分功率转移到波长较长的信号通道中，从而可能引起信噪比性能的劣化。在G.653光纤上，系统的受激拉曼色散门限稍低于采用G.652光纤的系统，其原因是G.653光纤的等效芯径面积小。SRS对单通道系统不会产生实际的劣化影响，而对DWDM系统则可能会限制其系统的容量。在单通道系统中可以使用滤光器来滤除不需要的频率分量，然而迄今为止，还没有报道在多通道系统中用来消除SRS影响的可实用的技术； 也可以通过减小信号功率来减轻受激拉曼射效应的影响。不过在目前实施的经过认真设计的DWDM系统中没有出现明显的SRS限制。3) 自相位调制(SPM)由于克尔效应，信号光强度的瞬时变化引起其自身的相位调制，这种效应叫做自相位调制(selfphase modulation，SPM)。在单通道系统中，当强度变化导致相位变化时，自相位调制效应将逐渐展宽信号的频谱，如图5.33所示。在光纤的正常色散区中，由于色度色散效应，一旦自相位调制效应引起频谱展宽，沿着光纤传输的信号将经历更大的时域展宽。不过在反常色散区，光纤的色度色散效应和自相位调制效应能够互相补偿，使信号展宽变小。

图5.33自相位调制引起传输脉冲的压缩和谱展宽

一般情况下，SPM效应只在高累积色散或超长系统中比较明显。工作在正常色散区的色散受限系统可能不能容忍自相位调制效应。在通道间隔很窄的多通道系统中，由自相位调制引起的频谱展宽可能在相邻通道间产生干扰。脉冲压缩能抑制色度色散并提供一定的色散补偿。然而，最大色散限制和相应的传输距离限制仍然存在。图5.33说明了在G.652光纤中的低啁啾强度调制信号的自相位调制引起传输脉冲的压缩； 同时也可以说明频谱展宽。采用G.653光纤且将信号通道设置在零色散区附近，将有利于减小自相位调制效应的影响。对于使用G.652光纤且长度小于1000km的系统，可以在适当的间隔处进行色散补偿来控制自相位调制效应的影响。也可以通过减小输入光功率或者将系统工作波长设置在G.655光纤的零色散波长以上来削弱自相位调制效应的影响。4) 互相位调制(XPM)在多通道系统中，当光强度的变化导致相位变化时，由于相邻通道间的相互作用，互相位调制(cross phase modulation，XPM)一般会展宽信号频谱。XPM引起的频谱展宽度与通道间隔及光纤色散有关，因为色散引起的差分群速会导致沿光纤传播的相互作用的脉冲分离。一旦XPM引起频谱展宽，信号在沿光纤长度传播时就会因色度色散效应而经受一次较大的瞬时展宽。XPM导致的损伤在G.652光纤系统中比在G.653光纤和G.655光纤系统中更为明显。XPM引起的展宽会导致多通道系统中相邻通道间的干扰。XPM可通过选择适当的通道间隔的方法加以控制。研究表明，XPM引起的多通道系统信号失真只发生于相邻通道。因此，信号因通道之间有适当的间隔而使XPM影响可忽略不计。在对每通道功率为5mW的系统进行的模拟试验中，已证实100GHz的通道间隔足以减小XPM的影响。XPM导致的色散代价也可采取在系统沿线按适当间隔进行色散补偿的办法加以控制。5) 四波混频(FWM)四波混频(fourwave mixing，FWM)亦称四声子混合，是因不同波长的两、三个光波相互作用而导致在其他波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。这种相互作用可能发生于多通道系统的各信号之间、EDFA的自发辐射噪声与信号通道之间或单通道的主模与边模之间。3个信号的情况下，产生的混频产物如图5.34所示。

图5.34三光波互作用产生的混频产物

当通道间隔相等时，这些产物会恰恰落入相邻的信号通道之中。如果边带与初始信号之间的相位匹配条件达到了，那么沿着光纤传播的两个光波就会产生高效率的FWM。FWM边带的产生可能造成信号功率明显减小。更严重的是，当混频产物直接落入信号通道时会产生参量干扰，这种干扰决定于信号与边带的相位的相互作用，表现为信号脉冲幅度的增减。参量干扰导致接收机输出眼图的闭合，致使比特差错率(BER)性能劣化。依靠频率间隔和色度色散对互作用光波之间相位匹配的破坏作用可减小FWM产生的影响。在G.652光纤上的系统所受的FWM损伤比G.653光纤上的系统小。相反，若信号通道恰巧位于零色散点或邻近该点处，就可能导致在相对较短(即数十公里)的光纤长度上FWM产生激增。四波混频可能对使用G.653光纤的多通道系统造成严重的系统损伤，因为信号只经历一个很小的色度色散。在单通道系统中，FWM的相互作用可能出现在信号与ASE噪声之间，也可能出现在光发送机的主模与边模之间。积累的ASE通过非线性折射率效应将相位噪声叠加在信号载波上，从而使信号频谱尾部变宽。如前面指出的那样，G.655或G.652光纤的色散可用于抑制FWM边带的产生。还可安排不均匀的通道间隔，以缓解FWM损伤的严重程度。降低G.653光纤系统的功率电平，可允许多通道运行，但这会削弱光放大的优势。为了适当抑制混频产物，已提出了(现有或正在研究的新建议)在EDFA放大带宽范围内有一个最小允许色散(即非零色散)光纤的方案。用色散特性相反的非零色散光纤作替换段也可作为一种可能采用的方案，然而，这种替换可能因要把另一种光纤引入外部环境而在安装、运行和维护上遇到困难。还证实了一些采用较小有限色散的长光纤段和色散相反且较大的短段光纤(提供补偿)的类似方法。5.5.3DWDM网络保护由于DWDM系统承载的业务量很大，因此安全性特别重要。DWDM网络主要有两种保护方式： 一种是基于光通道的1 1或1∶n的保护。另一种是基于光线路的保护。1. 光通道保护光通道保护示意图如图5.35所示。这种保护机制与SDH系统的1 1复用段保护类似，所有的系统设备都需要有备份，SDH终端、复用器/解复用器、线路光放大器、光缆线路等，SDH信号在发送端被永久桥接在工作系统和保护系统，在接收端监视从这两个DWDM系统收到的SDH信号状态，并选择更合适的信号，这种方式的可靠性比较高，但是成本也比较高。在一个DWDM系统内，每一个光通道的倒换与其他通道的倒换没有关系，即工作系统里的TX1出现故障倒换至保护系统时，TX2可继续工作在工作系统上。

图5.351 1光通道保护

考虑到一条DWDM线路可以承载多条SDH通路，因而也可以使用同一DWDM系统内的空闲波长通道作为保护通路。如图5.36所示为n 1路的DWDM系统，其中n个波长通道作为工作波长，一个波长通道作为保护系统。但是考虑到实际系统中，光纤、光缆的可靠性比设备的可靠性要差，只对系统保护，而不对线路保护，实际意义不是太大。

图5.361∶n光通道保护

图5.37光线路保护
2. 光线路保护如图3.37所示，在发射端和接收端分别使用1∶2光分路器和光开关，或采用其他手段，在发送端对合路的光信号进行功率分配，在接收端，对两路输入光信号进行优选。
这种技术只在线路上进行1 1保护，而不对终端设备进行保护，只有光缆和DWDM的线路系统(如光线路放大器)是备份的，而DWDM系统终端站的SDH终端和复用器等则是没有备份的。相对于1 1光通道保护，光线路保护降低了成本。光线路保护只有在具有不同路由的两条光缆中实施时才有实际意义。3. 网络管理信息通道备份在DWDM传输网中，网络管理信息一般是通过光监控通道传送的，若光监控通道与主信道采用同一物理通道，这样在主信道失效时，光监控通道也往往同时失效，所以必须提供网络管理信息的备份通道。在环形组网中，当某段传输失效(如光缆损坏等)时，网络管理信息可以自动改由环形另一方向的监控通道传送，这时不影响对整个网络的管理。如图5.38所示为环形组网时网络管理信息通道的自动备份方式。

图5.38环形组网时网络管理信息通道备份示意图(某段传输失效时)

但是，当某段中某站点两端都失效时，或者是在点对点和链形组网中某段传输失效时，网络管理信息通道将失效，这样网络管理者就不能获取失效站点的监控信息，也不能对失效站点进行操作。为防止这种情况出现，网络管理信息应该选择使用备份通道，例如，通过数据通信网。在需要进行保护的两个网元之间，通过路由器接入数据通信网，建立网络管理信息备份通道。在网络正常时，网络管理信息通过主管理信道传送，如图5.39所示。

图5.39网络管理信息通道备份示意图(正常时)

当主信道发生故障时，网元自动切换到备份通道上传送管理信息，保证网络管理系统对整个网络的监控和操作。整个切换过程是不需要人工干预自动进行的。网络管理信道备份示意如图5.40所示。

图5.40网络管理信息通道备份示意图(主信道失效时)

值得注意的是： 在网络规划中，备份管理信道和主信道应选择不同的路径，这样才能起到备份的作用。