第3章 DWDM技术 【基础知识】 光纤具有巨大的潜在带宽，为了充分利用这些带宽，可以在不同频段上安排不同的光 信道，光的波分多路就是光的频分多路(FDM),习惯上称为波分多路复用(WDM)。WDM 是在同一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术。WDM技术的出现使光传输系统 容量成百倍地增长。 3.1WDM技术概述 3.1.1工作原理 光波分复用(WDM)技术就是在单根光纤内同时传送多个不同波长的光波，使得光 纤通信系统容量得以倍增的一种技术。WDM在发送端采用光复用器（合波器）将不同波 长的信号与光载波合并起来送入一根光纤进行传播：在接收端，再由一个光解复用器（分 波器)将这些承载不同信号波长的光载波分开。这种技术不仅适用于单模或多模光纤通信 系统，同时也适用于单向或双向传输。WDM系统的原理如图3.1所示。 光发送机 光纤 ,光接收机] 光发送机2 光放大器 光接收机 … 用器 光发送机 光接收机川 图3.1波分复用系统原理图 WDM系统有以下优点。 (1)可以充分利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长增加几倍、几十 倍、几百倍，可大量节约光纤。 (2)对不同的信号具有很好的兼容性。利用WDM技术，不同性质的信号（音频、视 频、数据、文字、图像等)可以调制在不同的波长上，各个波长相互独立，对数据格式
第 3 章 DWDM 技术 【基础知识】 光纤具有巨大的潜在带宽，为了充分利用这些带宽，可以在不同频段上安排不同的光 信道，光的波分多路就是光的频分多路（FDM），习惯上称为波分多路复用（WDM）。WDM 是在同一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术。WDM 技术的出现使光传输系统 容量成百倍地增长。 3.1 WDM 技术概述 3.1.1 工作原理 光波分复用（WDM）技术就是在单根光纤内同时传送多个不同波长的光波，使得光 纤通信系统容量得以倍增的一种技术。WDM 在发送端采用光复用器（合波器）将不同波 长的信号与光载波合并起来送入一根光纤进行传播；在接收端，再由一个光解复用器（分 波器）将这些承载不同信号波长的光载波分开。这种技术不仅适用于单模或多模光纤通信 系统，同时也适用于单向或双向传输。WDM 系统的原理如图 3.1 所示。 图 3.1 波分复用系统原理图 WDM 系统有以下优点。 （1）可以充分利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长增加几倍、几十 倍、几百倍，可大量节约光纤。 （2）对不同的信号具有很好的兼容性。利用 WDM 技术，不同性质的信号（音频、视 频、数据、文字、图像等）可以调制在不同的波长上，各个波长相互独立，对数据格式
第3章DWDM技术 95 速率的传输是透明的，因此可以同时进行传输。 (3)透明传输。波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。 一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号。 (4)网络生存性好。利用WDM技术选路实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透 明的、具有高度生存性的光网络。 (5)可以灵活组网。使用WDM的选路技术，可以在不改变光缆设施的条件下，调整 光通信网的网络结构，在通信网设计中具有灵活性和自由度，便于提高系统功能和扩展应 用范围。 按照工作波长的波段不同WDM系统可以分为两类：一类是在整个长波长波段内信道 间隔较大的波分复用，称为粗波分复用(CWDM):另一类是在1550nm波段的密集波分复 用(DWDM)。 早期的波分复用(WDM)通常只具有1310nm和1550nm两个通道（波长）的系统， 由于没有合适的光放大器，它只为一些短距离的应用提供双倍的传输容量。随着1550m窗 口掺铒光纤放大器的商用化，人们不再利用1310nm窗口而采用1550nm窗口传送多路光 载波信号。相对于原来的2波长WDM系统，1550m窗口波长间隔更加紧密，只有0.8~ 2nm,甚至小于0.8nm,人们称这种波分复用系统为密集波分复用系统(DWDM)。DWDM 和WDM的工作原理相同。 3.1.2WDM、DWDM与CWDM WDM是波分复用，分为DWDM和CWDM。DWDM是密集波分复用，波段间隔密 集(0.4nm或0.8nm),波道数量多，技术要求高，主要使用在干线上，本地网和城域网也 大量使用。单波道传输速率高，系统容量大。CWDM是粗波分复用，波道间隔宽(20nm), 波道数量少（稀疏波分复用系统一般工作在1260~1620nm波段，间隔为20nm,可复用 16个信道，其中1400m波段由于损耗较大，一般不用)，技术要求低，主要使用在城域 网的接入网中。CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用冷却激光，整个CWDM 系统的成本只有DWDM的30%。 CWDM与DWDM相比，区别主要体现在以下几个方面： (1)CWDM载波通道间距较宽，一根光纤上只能复用2~16个波长的光波，复用波长 数目较DWDM少。 (2)DWDM采用的是冷却激光，而CWDM调制激光采用非冷却激光，成本要低得多。 (3)CWDM对光纤介质没有特殊要求，应用范围较广，但传输距离一般限于城域网范 围：在干线部分DWDM仍然有着无法替代的优势。 (4)CWDM比DWDM具有更大的成本优势。 DWDM无疑是当今光纤应用领域的首选技术，但价格比较昂贵。CWDM体现了 DWDM的很多优点，同时成本在可接受的范围内，成为不少大城市的城域接入、中小城
第 3 章 DWDM 技术 95 速率的传输是透明的，因此可以同时进行传输。 （3）透明传输。波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。 一个 WDM 系统可以承载多种格式的“业务”信号。 （4）网络生存性好。利用 WDM 技术选路实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透 明的、具有高度生存性的光网络。 （5）可以灵活组网。使用 WDM 的选路技术，可以在不改变光缆设施的条件下，调整 光通信网的网络结构，在通信网设计中具有灵活性和自由度，便于提高系统功能和扩展应 用范围。 按照工作波长的波段不同 WDM 系统可以分为两类：一类是在整个长波长波段内信道 间隔较大的波分复用，称为粗波分复用（CWDM）；另一类是在 1550nm 波段的密集波分复 用（DWDM）。 早期的波分复用（WDM）通常只具有 1310nm 和 1550nm 两个通道（波长）的系统， 由于没有合适的光放大器，它只为一些短距离的应用提供双倍的传输容量。随着 1550nm 窗 口掺铒光纤放大器的商用化，人们不再利用 1310nm 窗口而采用 1550nm 窗口传送多路光 载波信号。相对于原来的 2 波长 WDM 系统，1550nm 窗口波长间隔更加紧密，只有 0.8～ 2nm，甚至小于 0.8nm，人们称这种波分复用系统为密集波分复用系统（DWDM）。DWDM 和 WDM 的工作原理相同。 3.1.2 WDM、DWDM 与 CWDM WDM 是波分复用，分为 DWDM 和 CWDM。DWDM 是密集波分复用，波段间隔密 集（0.4nm 或 0.8nm），波道数量多，技术要求高，主要使用在干线上，本地网和城域网也 大量使用。单波道传输速率高，系统容量大。CWDM 是粗波分复用，波道间隔宽（20nm）， 波道数量少（稀疏波分复用系统一般工作在 1260～1620nm 波段，间隔为 20nm，可复用 16 个信道，其中 1400nm 波段由于损耗较大，一般不用），技术要求低，主要使用在城域 网的接入网中。CWDM 调制激光采用非冷却激光，而 DWDM 采用冷却激光，整个 CWDM 系统的成本只有 DWDM 的 30%。 CWDM 与 DWDM 相比，区别主要体现在以下几个方面： （1）CWDM 载波通道间距较宽，一根光纤上只能复用 2～16 个波长的光波，复用波长 数目较 DWDM 少。 （2）DWDM 采用的是冷却激光，而 CWDM 调制激光采用非冷却激光，成本要低得多。 （3）CWDM 对光纤介质没有特殊要求，应用范围较广，但传输距离一般限于城域网范 围；在干线部分 DWDM 仍然有着无法替代的优势。 （4）CWDM 比 DWDM 具有更大的成本优势。 DWDM 无疑是当今光纤应用领域的首选技术，但价格比较昂贵。CWDM 体现了 DWDM 的很多优点，同时成本在可接受的范围内，成为不少大城市的城域接入、中小城
96 通信专业实务（中级）一传输与接入专业考试辅导 市的城域骨干网以及企业校园网等应用环境的低成本解决方案。 目前，粗波分复用商用产品进入市场主要依靠的是低成本，以及易部署和易维护方面 的技术优势。但CWDM还存在一些不足之处，主要表现在： (1)提供多业务的能力有待增强。 (2)业务汇聚能力比较薄弱。 (3)网络应用结构简单，网络保护能力差。 目前，DWDM技术己经成为通信网络带宽高速增长的最佳解决方案。无论是光域网、 城域网还是接入网，都将以DWDM为传输平台。基于DWDM的光传送网将构成整个通 信网的基础。 一般情况下，如果不特指l310nm或1550nm的两波长波分复用系统，WDM指的就是 DWDM系统。 3.1.3基本类型 对于DWDM系统，从不同的角度可以划分为不同的类型。按DWDM的工作方式（或 传输方向)分，可分为双纤单向传输方式和单纤双向传输方式：按DWDM的接口方式分， 可分为集成式WDM传输系统和开放式WDM传输系统。 1.双纤单向传输系统 双纤单向传输是最常使用的一种方式，即在一根光纤中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，如图32所示，这种方式同一波长或波长组 在两个方向上可以重复利用。 光源入 检测器孔， 波分复用 波分复用 N 光源入w 检测器乙x N 检测器 光源2 N+] 波分复用 波分复用 2N 检测器入、 元…w 光源2， 图3.2双纤单向传输的WDM系统示意图 双纤单向传输系统能充分利用光纤巨大的带宽资源，能较好地发挥DWDM系统的扩 容优势，该方式比较灵活方便。 2.单纤双向传输 单纤双向传输系统是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 号应安排在不同波长上。如图3.3所示，单纤双向传输系统允许双向全双工通路通信，但
96 通信专业实务（中级）——传输与接入专业考试辅导 市的城域骨干网以及企业校园网等应用环境的低成本解决方案。 目前，粗波分复用商用产品进入市场主要依靠的是低成本，以及易部署和易维护方面 的技术优势。但 CWDM 还存在一些不足之处，主要表现在： （1）提供多业务的能力有待增强。 （2）业务汇聚能力比较薄弱。 （3）网络应用结构简单，网络保护能力差。 目前，DWDM 技术已经成为通信网络带宽高速增长的最佳解决方案。无论是光域网、 城域网还是接入网，都将以 DWDM 为传输平台。基于 DWDM 的光传送网将构成整个通 信网的基础。 一般情况下，如果不特指 1310nm 或 1550nm 的两波长波分复用系统，WDM 指的就是 DWDM 系统。 3.1.3 基本类型 对于 DWDM 系统，从不同的角度可以划分为不同的类型。按 DWDM 的工作方式（或 传输方向）分，可分为双纤单向传输方式和单纤双向传输方式；按 DWDM 的接口方式分， 可分为集成式 WDM 传输系统和开放式 WDM 传输系统。 1．双纤单向传输系统 双纤单向传输是最常使用的一种方式，即在一根光纤中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，如图 3.2 所示，这种方式同一波长或波长组 在两个方向上可以重复利用。 图 3.2 双纤单向传输的 WDM 系统示意图 双纤单向传输系统能充分利用光纤巨大的带宽资源，能较好地发挥 DWDM 系统的扩 容优势，该方式比较灵活方便。 2．单纤双向传输 单纤双向传输系统是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 号应安排在不同波长上。如图 3.3 所示，单纤双向传输系统允许双向全双工通路通信，但
第3章DWDM技术 97 是其技术要求比双纤单向传输系统高。 光源入 检测器入 N 光源w 单根光针 检测器入x N 波分复用 波分复用 N+I 检测器入： 入…元 光源入 41 …y 2V 光源2w 2N 检测器入2w 图3.3单纤双向传输的WDM系统示意图 单纤双向传输允许单根光纤实现双向传输业务，节省了纤芯和系统器件，但系统需要 解决双向传输中光波的反射问题，在进行线路放大时还要采用双向光纤放大器。 3.开放式DWDM系统 它的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合TU-T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TU-T建议的波长，然后进行合波，如图3.4所示。 接口 接口 SDH OUT OUT SDH 解 用器 R2 EDFA EDFA 接口 用器 接口 SDH OUT OUT SDH 图3.4开放式WDM系统的组成 4.集成式DWDM系统 集成式DWDM系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合 DWDM系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合ITU-T建议的波长，这样他们 在接入合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波，如图3.5所示。 根据工程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
第 3 章 DWDM 技术 97 是其技术要求比双纤单向传输系统高。 图 3.3 单纤双向传输的 WDM 系统示意图 单纤双向传输允许单根光纤实现双向传输业务，节省了纤芯和系统器件，但系统需要 解决双向传输中光波的反射问题，在进行线路放大时还要采用双向光纤放大器。 3．开放式 DWDM 系统 它的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合 ITU-T 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 建议的波长，然后进行合波，如图 3.4 所示。 图 3.4 开放式 WDM 系统的组成 4．集成式 DWDM 系统 集成式 DWDM 系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合 DWDM 系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合 ITU-T 建议的波长，这样他们 在接入合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波，如图 3.5 所示。 根据工程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
98 通信专业实务（中级）一传输与接入专业考试辅导 S1 RI SDH SDH R2 用器 EDFA EDFA 解复用器 SDH SDH Sn Rn 图3.5集成式WDM系统的组成 3.2 DWDM系统组成 一般来说，WDM系统主要由以下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3.6所示。 光发射机 光中继放大 光 光接收机 光转发 器1 接收1 光转发 器n 光监控信道 接收n 接收/发送 ””””””” 光监控信 道发送器 网络管理系统 图3.6WDM系统总体结构示意图 光发射机是WDM系统的核心，根据TU-T的建议和标准，除了对WDM系统中发射 激光器的中心波长有特殊的要求外，还需要根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤 的类型和无线电中继传输的距离)来选择具有一定色度色散容限的发射机在发送端首先将 终端设备（如SDH端机）输出的光信号，利用光传送单元(Optical Transponder Unit,.OTU) 把符合TU-TG957建议的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号，利 用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器(BA)放大输出通路光信号。 经过长距离光纤传输(80~120k)后，需要对光信号进行光中继放大。目前使用的 光放大器多数为掺铒光纤放大器(EDFA)。在WDM系统中，必须采用增益平坦技术，使 EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益，同时，还需要考虑到不同数量的光信道 同时工作的各种情况，能够保证光信道的增益竞争不影响传输性能。在应用时，可根据具 体情况，将EDFA用作“线放(LA)”、“功放(BA)”“前放(PA)
98 通信专业实务（中级）——传输与接入专业考试辅导 图 3.5 集成式 WDM 系统的组成 3.2 DWDM 系统组成 一般来说，WDM 系统主要由以下 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 3.6 所示。 图 3.6 WDM 系统总体结构示意图 光发射机是 WDM 系统的核心，根据 ITU-T 的建议和标准，除了对 WDM 系统中发射 激光器的中心波长有特殊的要求外，还需要根据 WDM 系统的不同应用（主要是传输光纤 的类型和无线电中继传输的距离）来选择具有一定色度色散容限的发射机在发送端首先将 终端设备（如 SDH 端机）输出的光信号，利用光传送单元（Optical Transponder Unit，OTU） 把符合 ITU-T G.957 建议的非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的光信号，利 用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA）放大输出通路光信号。 经过长距离光纤传输（80～120km）后，需要对光信号进行光中继放大。目前使用的 光放大器多数为掺铒光纤放大器（EDFA）。在 WDM 系统中，必须采用增益平坦技术，使 EDFA 对不同波长的光信号具有相同的放大增益，同时，还需要考虑到不同数量的光信道 同时工作的各种情况，能够保证光信道的增益竞争不影响传输性能。在应用时，可根据具 体情况，将 EDFA 用作“线放（LA）”、“功放（BA）”“前放（PA）
第3章DWDM技术 99 在接收端，光放置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，采用分波器从主 信道光信号中分出特定波长的光信道。 光监控信道的主要功能是监控系统内各信道的传输情况。 网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点，或接收来自其他节点 的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功 能，并与上层管理系统（如TMN)相连。 组成模块主要包括： (1)光转发器/光波长转换器(OTU)。 (2)波分复用器件（分波/合波器）无源部分。 (3)光放大器（光后置放大器(OBA),光线路放大器(OLA),光前置放大器(OPA)。 (4)光监控信道/通路(OSC)。 3.2.1光波长转换器 根据光接口的兼容性DWDM系统可以分成开放式和集成式两种系统结构。集成式系 统要求接入光接口满足DWDM光接口标准（即ITU-TG692波长标准）：开放式系统在波 分复用器前加入了光波长转换器(OTU):将SDH光接口（即ITU-TG957)转换成符合TU-T G692规定的接口标准 OTU的基本功能是完成G957到G692的波长转换的功能，使得SDH系统能够接入 DWDM系统，如图3.7所示。 OTU SDH DWDM 957 OE 系统 定时再生 EO 系统 图3.7OTU的功能示意图 另外，OTU还可以根据需要增加定时再生的功能。没有定时再生电路的OTU实际上 只是完成波长转换，适用于传输距离较短的系统。 3.2.2光复用器和光解复用器 DWDM的基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来并耦合进光缆线路上同 一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离，并做进一步处理后恢复出 原信号送入不同终端。因此光复用器件（合波器）和光解复用器（分波器）是波分复用系 统的核心部件，其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能
第 3 章 DWDM 技术 99 在接收端，光放置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道光信号，采用分波器从主 信道光信号中分出特定波长的光信道。 光监控信道的主要功能是监控系统内各信道的传输情况。 网络管理系统通过光监控信道物理层传送开销字节到其他节点，或接收来自其他节点 的开销字节对 WDM 系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功 能，并与上层管理系统（如 TMN）相连。 组成模块主要包括： （1）光转发器/光波长转换器（OTU）。 （2）波分复用器件（分波/合波器）无源部分。 （3）光放大器（光后置放大器（OBA），光线路放大器（OLA），光前置放大器（OPA）。 （4）光监控信道/通路（OSC）。 3.2.1 光波长转换器 根据光接口的兼容性 DWDM 系统可以分成开放式和集成式两种系统结构。集成式系 统要求接入光接口满足 DWDM 光接口标准（即 ITU-T G.692 波长标准）；开放式系统在波 分复用器前加入了光波长转换器(OTU)；将 SDH 光接口（即 ITU-T G.957）转换成符合 ITU-T G.692 规定的接口标准。 OTU 的基本功能是完成 G.957 到 G.692 的波长转换的功能，使得 SDH 系统能够接入 DWDM 系统，如图 3.7 所示。 图 3.7 OTU 的功能示意图 另外，OTU 还可以根据需要增加定时再生的功能。没有定时再生电路的 OTU 实际上 只是完成波长转换，适用于传输距离较短的系统。 3.2.2 光复用器和光解复用器 DWDM 的基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来并耦合进光缆线路上同 一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号进行分离，并做进一步处理后恢复出 原信号送入不同终端。因此光复用器件（合波器）和光解复用器（分波器）是波分复用系 统的核心部件，其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能
100 通信专业实务（中级）一传输与接入专业考试辅导 光波分复用器的种类很多，大致可以分为4类：干涉滤光器型、光纤耦合器型、光橱 型、阵列波导光栅(AWG)型。 通常对波分复用器件的基本要求有： (1)插入损耗小： (2)偏振灵敏度低： (3)隔离度大： (4)带内平坦： (5)复用通路多： (6)温度稳定性好： (7)机械尺寸小，防震性能好等。 在目前的DWDM从系统中，小于32路波道的系统主要采用多层介质薄膜技术，随着 阵列波导(AWG)器件的发展，高于32路波道的系统一般采用AWG器件。 3.2.3光放大器 放大器用来提升光信号，不需要转换光信号到电信号，补偿由于通过长距离传播而导 致的功耗或衰减。在小于65km的链路上通常并不需要光放大器。 在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。再 生器首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行处理，最后将电信号转 换为光信号送到光纤中去。 尽管再生器对于单波长低速率的通信很适用，但对于高速率的多个波长系统显然是相 当复杂的：每一个波长就需要一个再生器，如有N个波长就需要N个这样的再生器，造价 是相当高的。另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现代价也是很大的。 补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接对光信号进行放大，提高光信号功率， 而无须转换成电信号。 目前在长途干线和DWDM中广泛使用的光放大器是对单个或多个波长光信号直接 放大。 光纤放大器有两类。一类是利用在光纤纤芯掺入稀土元素（如铒、错等）构成的放大 器，如掺铒光纤放大器(EDFA)、掺错光纤放大器(PDFA)等：另一类是利用光纤中的 非线性效应所构成的放大器，如受激布里渊散射放大器(SBA)、受激拉曼散射放大器 (SRA) 其中EDFA适合长波长1550nm窗口的光信号放大，而PDFA适合1310nm窗口的光 信号放大。 光放大器的主要特性有：增益、增益效率、增益波动、增益带宽、增益饱和以及噪声。 (1)增益是输出光功率与输入光功率的比值（以dB为单位）。 (2)增益效率是增益相对于输入光功率的函数
100 通信专业实务（中级）——传输与接入专业考试辅导 光波分复用器的种类很多，大致可以分为 4 类：干涉滤光器型、光纤耦合器型、光栅 型、阵列波导光栅（AWG）型。 通常对波分复用器件的基本要求有： （1）插入损耗小； （2）偏振灵敏度低； （3）隔离度大； （4）带内平坦； （5）复用通路多； （6）温度稳定性好； （7）机械尺寸小，防震性能好等。 在目前的 DWDM 从系统中，小于 32 路波道的系统主要采用多层介质薄膜技术，随着 阵列波导（AWG）器件的发展，高于 32 路波道的系统一般采用 AWG 器件。 3.2.3 光放大器 放大器用来提升光信号，不需要转换光信号到电信号，补偿由于通过长距离传播而导 致的功耗或衰减。在小于 65km 的链路上通常并不需要光放大器。 在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。再 生器首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行处理，最后将电信号转 换为光信号送到光纤中去。 尽管再生器对于单波长低速率的通信很适用，但对于高速率的多个波长系统显然是相 当复杂的：每一个波长就需要一个再生器，如有 N 个波长就需要 N 个这样的再生器，造价 是相当高的。另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现代价也是很大的。 补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接对光信号进行放大，提高光信号功率， 而无须转换成电信号。 目前在长途干线和 DWDM 中广泛使用的光放大器是对单个或多个波长光信号直接 放大。 光纤放大器有两类。一类是利用在光纤纤芯掺入稀土元素（如铒、镨等）构成的放大 器，如掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）等：另一类是利用光纤中的 非线性效应所构成的放大器，如受激布里渊散射放大器（SBA）、受激拉曼散射放大器 （SRA）。 其中 EDFA 适合长波长 1550nm 窗口的光信号放大，而 PDFA 适合 1310nm 窗口的光 信号放大。 光放大器的主要特性有：增益、增益效率、增益波动、增益带宽、增益饱和以及噪声。 （1）增益是输出光功率与输入光功率的比值（以 dB 为单位）。 （2）增益效率是增益相对于输入光功率的函数
第3章DWDM技术 101 (3)增益带宽是放大器放大信号的有效频率范围。 (4)增益饱和，增益饱和时增益随信号功率的增加而减小。 (5)增益波动是在增益带宽内的增益变化范闱（以B为单位）。 (6)与放大光信号有关的噪声包括两个方面：光场噪声和强度/光电流噪声。光场噪声 中最主要的噪声是光放大器中输出的A$E(放大的自发辐射)噪声。强度/光电流噪声是指 与光束相联系的功率或光电流的波动，常见的强度噪声类型有：①散粒噪声；②信号与自 发辐射差拍噪声：③自发辐射与自发辐射差拍噪声等。 1)掺饵光纤放大器(EDFA) 掺饵光纤放大器是将稀土元素饵(E)离子注入到光纤芯层中，形成一种特殊光纤， 在泵浦源作用下可直接对某一波段的光信号进行放大。 (1)EDFA的组成结构 EDFA的基本组成包括：泵浦激光、耦合器、光隔离器和掺铒光纤(EDF),耦合器能 有效地将信号光和泵浦光耦合进或出参铒光纤，光隔离器将反射回放大器的光减小到一个 可接受的水平。目前，由于980nm和1480nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率，因此 得到了广泛应用。 EDFA是目前光纤放大器中具有代表性的一种。其常用的结构有三种：同向泵浦、反 向泵浦和双向泵浦。同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从参铒光纤的输入端注入 的结构，也称为前向泵浦。反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光 纤的结构，也称为后向泵浦。双向泵浦是同向泵浦、反向泵浦相结合的方式。 (2)EDFA的优点 EDFA的优点主要体现在： ①转移效率高，从泵浦源吸收的光功率转移到被放大的光信号上的功率效率高： ②放大的谱宽与目前WDM系统的光谱范围一致，适合WDM光纤通信： ③具有较高的饱和输出光功率： ④动态范围大： ⑤噪声指数小： ⑥与光纤的耦合损耗小： ⑦增益稳定性好： ⑧增益时间常数较大。 当然，EDFA也存在ASE噪声、串扰、增益饱和等问题。 2)受激拉曼光纤放大器(SRA) 图3.8所示为SRA的原理性结构示意图，频率为op和os的泵浦光和信号光通过WDM 合波器输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过$RS效应转移给 信号光，使信号光得到放大。泵浦光和信号光也可分别在光纤的两端输入，在反向传输过 程中同样能实现弱信号的放大
第 3 章 DWDM 技术 101 （3）增益带宽是放大器放大信号的有效频率范围。 （4）增益饱和，增益饱和时增益随信号功率的增加而减小。 （5）增益波动是在增益带宽内的增益变化范闱（以 dB 为单位）。 （6）与放大光信号有关的噪声包括两个方面：光场噪声和强度/光电流噪声。光场噪声 中最主要的噪声是光放大器中输出的 ASE（放大的自发辐射）噪声。强度/光电流噪声是指 与光束相联系的功率或光电流的波动，常见的强度噪声类型有：①散粒噪声；②信号与自 发辐射差拍噪声；③自发辐射与自发辐射差拍噪声等。 1）掺饵光纤放大器（EDFA） 掺饵光纤放大器是将稀土元素饵（Er）离子注入到光纤芯层中，形成一种特殊光纤， 在泵浦源作用下可直接对某一波段的光信号进行放大。 （1）EDFA 的组成结构 EDFA 的基本组成包括：泵浦激光、耦合器、光隔离器和掺铒光纤（EDF），耦合器能 有效地将信号光和泵浦光耦合进或出掺铒光纤，光隔离器将反射回放大器的光减小到一个 可接受的水平。目前，由于 980nm 和 1480nm 的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率，因此 得到了广泛应用。 EDFA 是目前光纤放大器中具有代表性的一种。其常用的结构有三种：同向泵浦、反 向泵浦和双向泵浦。同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入 的结构，也称为前向泵浦。反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光 纤的结构，也称为后向泵浦。双向泵浦是同向泵浦、反向泵浦相结合的方式。 （2）EDFA 的优点 EDFA 的优点主要体现在： ① 转移效率高，从泵浦源吸收的光功率转移到被放大的光信号上的功率效率高； ② 放大的谱宽与目前 WDM 系统的光谱范围一致，适合 WDM 光纤通信； ③ 具有较高的饱和输出光功率； ④ 动态范围大： ⑤ 噪声指数小； ⑥ 与光纤的耦合损耗小； ⑦ 增益稳定性好； ⑧ 增益时间常数较大。 当然，EDFA 也存在 ASE 噪声、串扰、增益饱和等问题。 2）受激拉曼光纤放大器（SRA） 图 3.8 所示为 SRA 的原理性结构示意图，频率为 ωp和 ωas的泵浦光和信号光通过 WDM 合波器输入至光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过 SRS 效应转移给 信号光，使信号光得到放大。泵浦光和信号光也可分别在光纤的两端输入，在反向传输过 程中同样能实现弱信号的放大
102 通信专业实务（中级）一传输与接入专业考试辅导 光滤波器 (a 光纤耦合器 光纤 基态 (a) (b) 图3.8SRA放大器原理示意图 SRA最显著的优点是：它能够提供整个波段的光放大。通过适当改变泵浦激光器的光 波波长就可以得到在任意波段进行光放大的宽带放大器，甚至可在1279~1670m整个波 段内提供放大。 光纤拉曼放大器有两种类型和两种应用：一种称为集中式SRA,另一种称为分布式 SRA。集中式SRA以主要作为高增益、高功率放大：分布式SRA以主要作为光纤传输系 统中传输光纤损耗的分布式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输。 3)受激布里渊光纤放大器(SBA) SBA利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的后向散射光来实现对光信号 的放大。其主要特点是高增益、低噪声、窄带宽，因而可以形成分布式放大，用作光滤波 器。可以应用于： (1)作高增益、低噪声的光前置放大器，提高接收机的灵敏度。 (2)多通道的相干光通信，能有选择性地放大光载波，抑制调制产生的边频，这样放 大后的光载波可以用作本振光，实现零差检测。 (3)多通道光选择器，如SCM(副载波调制)、WDM光纤通信系统。 SBA是一种高增益、低功率输出、窄带宽放大器。实际多信道通信系统中，SBS(受 激布里渊散射)过程通常要限制信道间隔和通道数，同时限制信号功率和通信距离，因此 应设法降低SBS影响。 4)半导体光放大器(SOA) SOA的基本工作原理如图3.9所示，其中激活介质（有源层）吸收了外部泵浦提供的 能量，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。输入光信号会通过受激辐射 过程，激活这些电子使其跃起迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号。 SOA有两种主要结构：法布里-珀罗放大器(FPA)和非谐振的行波放大器(TWA)。 SOA最重要的优点是它使用InGaAsP制造，因此小型、紧凑，可以与其他半导体和元 件集成在一起
102 通信专业实务（中级）——传输与接入专业考试辅导 （a） （b） 图 3.8 SRA 放大器原理示意图 SRA 最显著的优点是：它能够提供整个波段的光放大。通过适当改变泵浦激光器的光 波波长就可以得到在任意波段进行光放大的宽带放大器，甚至可在 1279～1670nm 整个波 段内提供放大。 光纤拉曼放大器有两种类型和两种应用：一种称为集中式 SRA，另一种称为分布式 SRA。集中式 SRA 以主要作为高增益、高功率放大；分布式 SRA 以主要作为光纤传输系 统中传输光纤损耗的分布式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输。 3）受激布里渊光纤放大器（SBA） SBA 利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的后向散射光来实现对光信号 的放大。其主要特点是高增益、低噪声、窄带宽，因而可以形成分布式放大，用作光滤波 器。可以应用于： （1）作高增益、低噪声的光前置放大器，提高接收机的灵敏度。 （2）多通道的相干光通信，能有选择性地放大光载波，抑制调制产生的边频，这样放 大后的光载波可以用作本振光，实现零差检测。 （3）多通道光选择器，如 SCM（副载波调制）、WDM 光纤通信系统。 SBA 是一种高增益、低功率输出、窄带宽放大器。实际多信道通信系统中，SBS（受 激布里渊散射）过程通常要限制信道间隔和通道数，同时限制信号功率和通信距离，因此 应设法降低 SBS 影响。 4）半导体光放大器（SOA） SOA 的基本工作原理如图 3.9 所示，其中激活介质（有源层）吸收了外部泵浦提供的 能量，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。输入光信号会通过受激辐射 过程，激活这些电子使其跃起迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号。 SOA 有两种主要结构：法布里-珀罗放大器（FPA）和非谐振的行波放大器（TWA）。 SOA 最重要的优点是它使用 InGaAsP 制造，因此小型、紧凑，可以与其他半导体和元 件集成在一起
第3章DWDM技术 103 AR AR 有源层 光纤 光纤 电流注入 AR:防反射涂层 泵浦源 图3.9SOA的基本工作原理示意图 5)其他光纤放大器 掺镨光纤放大器(PDFA):EDFA光纤放大器只能对155Om波段的光信号进行放大， 为了能对1310nm波段的光信号进行放大，人们在光纤中参入错。PDFA适用于EDFA不 能放大的光波波段，对现有的光纤线路的升级和扩容有重要的意义。 掺铝(AL)EDFA:为了使EDFA本身具有平坦的增益，在纤芯中掺铒的同时掺入铝， 迫使铒的放大能级分布改变，加宽可放大的频率。通过对EDFA掺铝可以扩大I550m波 长区。如果进一步提高铝掺杂浓度，不管是对小信号功率，还是大信号功率都能提高1540m 时的增益，因而可减小增益差以达到平坦增益的目的。 宽带碲化物EDFA:碲化物光纤折射率高，能提供的受激发射截面比氟化物和石英大。 在160Om波长时，EDFA在碲化物中的受激发射面是氟化物和石英的两倍。而且碲化物 材料辐射寿命短，不到氟化物光纤和石英光纤的二分之一，它反射的受激发射截面也小， 所以，应用掺碲化物光纤制作放大器可实现宽带放大。用这种光纤制作EDFA,增益特性 平坦，可放大的频带特别宽，而且，与石英系光纤相比，频带向长波长一侧移动。 3.2.4DWDM传输系统的监控与管理 由于DWDM传输系统中传送的是多个波长的信号，因此可以利用其中一个波长的信 号专门对系统进行管理，这个信道就是所谓的光监控信道(OSC)。 光监控信道(OSC)应满足以下条件： (1)不应限制光放大器的泵浦波长。 (2)不应限制两线路放大器之间的距离。 (3)不应限制未来在1310nm波长上的业务应用。 (4)线路放大器失效时监控信道仍然可用。 (5)OSC在每个光放大器中继站上，信息都能被正确地接收下来，而且还可附加上新 的监控信号。 (6)双纤单向传输中，若其中一根光纤被切断，监控信息仍然能被线路终端接收到。 1)DWDM系统的监控方式 (1)带外波长监控技术
第 3 章 DWDM 技术 103 图 3.9 SOA 的基本工作原理示意图 5）其他光纤放大器 掺镨光纤放大器（PDFA）：EDFA 光纤放大器只能对 1550nm 波段的光信号进行放大， 为了能对 1310nm 波段的光信号进行放大，人们在光纤中掺入镨。PDFA 适用于 EDFA 不 能放大的光波波段，对现有的光纤线路的升级和扩容有重要的意义。 掺铝（AL）EDFA：为了使 EDFA 本身具有平坦的增益，在纤芯中掺铒的同时掺入铝， 迫使铒的放大能级分布改变，加宽可放大的频率。通过对 EDFA 掺铝可以扩大 1550nm 波 长区。如果进一步提高铝掺杂浓度，不管是对小信号功率，还是大信号功率都能提高 1540nm 时的增益，因而可减小增益差以达到平坦增益的目的。 宽带碲化物 EDFA：碲化物光纤折射率高，能提供的受激发射截面比氟化物和石英大。 在 1600nm 波长时，EDFA 在碲化物中的受激发射面是氟化物和石英的两倍。而且碲化物 材料辐射寿命短，不到氟化物光纤和石英光纤的二分之一，它反射的受激发射截面也小， 所以，应用掺碲化物光纤制作放大器可实现宽带放大。用这种光纤制作 EDFA，增益特性 平坦，可放大的频带特别宽，而且，与石英系光纤相比，频带向长波长一侧移动。 3.2.4 DWDM 传输系统的监控与管理 由于 DWDM 传输系统中传送的是多个波长的信号，因此可以利用其中一个波长的信 号专门对系统进行管理，这个信道就是所谓的光监控信道（OSC）。 光监控信道（OSC）应满足以下条件： （1）不应限制光放大器的泵浦波长。 （2）不应限制两线路放大器之间的距离。 （3）不应限制未来在 1310nm 波长上的业务应用。 （4）线路放大器失效时监控信道仍然可用。 （5）OSC 在每个光放大器中继站上，信息都能被正确地接收下来，而且还可附加上新 的监控信号。 （6）双纤单向传输中，若其中一根光纤被切断，监控信息仍然能被线路终端接收到。 1）DWDM 系统的监控方式 （1）带外波长监控技术
