什么是波分复用技术

什么是波分复用技术

在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息,称为光波分复用技术,简称WDM。光波分复用包括频分复用和波分复用。光频分复用(FDM)技术和光波分复用(WDM)技术无明显区别,因为光波是电磁波的一部分,光的频率与波长具有单一对应关系。

通常也可以这样理解,光频分复用指光频率的细分,光信道非常密集。光波分复用指光频率的粗分,光倍道相隔较远,甚至处于光纤不同窗口。光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器(也称合波/分波器)分别置于光纤两端,实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型,介质膜型,光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。通常,由于光链路中使用波分复用设备后,光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长11,l2通过同一光纤传送时,在与分波器中输入端l2的功率与11输出端光纤中混入的功率之间的差值称为隔离度。光波分复用的技术特点与优势如下:

(1)充分利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310nm-1550nm)极少一部分,波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz,传输带宽充足。

(2)具有在同一根光纤中,传送2个或数个非同步信号的能力,有利于数字信号和模拟信号的兼容,与数据速率和调制方式无关,在线路中间可以灵活取出或加入信道。

(3)对已建光纤系统,尤其早期铺设的芯数不多的光缆,只要原系统有功率余量,可进一步增容,实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动,具有较强的灵活性。

(4)由于大量减少了光纤的使用量,大大降低了建设成本、由于光纤数量少,当出现故障时,恢复起来也迅速方便。

(5)有源光设备的共享性,对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。

(6)系统中有源设备得到大幅减少,这样就提高了系统的可靠性。目前,由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高,技术实施有一定难度,同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面,因而WDM的实际应用还不多。但是,随着有线电视综合业务的开展,对网络带宽需求的日益增长,各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等,WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来,表现出广阔的应用前景,甚至将影响CATV网络的发展格局。

WDM 一劳永逸的传输带宽解决技术

WDM又叫波分复用技术，是新一代的超高速的光缆技术，所谓波分复用技术，就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长的光载波进行合并，然后传入单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载波分开的复用方式，由于不同波长的载波是相互独立的，所以双向传输问题，迎刃而解。根据不同的波分复用器（分波器，合波器），可以复用不同数量的波长。

WDM技术的特点：可以几倍几十倍的提升带宽：我们现在采用的TDM技术，可将现有的单波传输带宽，从2.5G/S扩到10G/S，已接近其物理极限，而采用WDM技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源，现在人们利用的只是光纤低损耗区（1310nm~1550nm）的极少一部分，即使利用EDFA的放大区域带宽（1530nm~1565nm）也只用了1/6，而WDM技术可充分利用单模光纤的巨大带宽（约25T/HZ，相当25000G/S），如此大的带宽，可以说完全解决我们的网络带宽问题。可以承载不同格式，信号速率及电调制的信号，只要增加一个附加波长，就可以引入不同业务如（CATV，HDTV，B-ISDN）等新业务。使用N个波长复用，在大容量长途传输时可节约大量光纤，对于早期的芯数不多的光纤系统，利用此技术，不必做较大改动，就可以轻松扩容。利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复，可以实现透明的具有高度生存性的光网络。

发展前景: WDM是一种在光域上的复用技术,形成一个光层的网络既"全光网",将是光通讯的最高阶段。建立一个以WDM和OXC(光交叉连接)为基础的光网络层,实现用户端到端的全光网连接,用一个纯粹的"全光网"消除光电转换的瓶颈,将是未来的趋势。现在WDM技术还是基于点到点的方式,但点到点的WDM技术做为全光网通讯的第一步,也是最重要的一步,它的应用和实践对于全光网的发展有举足轻重的影响。

波分复用技术的分析与展望

晓娜高雪松

北京理工大学信息科学技术学院100081

摘要：本文详细介绍了WDM的发展历程，阐述了其具体工作原理，指出了其工作特点，分析了其目前急待解决的技术问题，对其发展方向和发展前景进行了展望。

关键词：多路复用技术，波分复用技术（WDM），光传输网，全光网

引言

20年中光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，

90年代中期的SDH系统，以及近来的WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代[1]。双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为2×17Gb/s。90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb/s-622Mb/s-2.5Gb/sTDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb/s系统以下（含2.5Gb/s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30%左右。因此在系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。（2）波分复用器件不成熟。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化，1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了16×2.5Gb/s系统，Lucent公司推出8×2.5Gb/s系统，目前试验室已达Tb/s速率。发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（1530～1565nm）区域采用ＷＤＭ技术成为可能；（2）利用TDM方

（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s 式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高；

系统的传输，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率，WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。

WDM技术原理

在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用[2]。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，一般商用化是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图1给出了其系统组成。

WDM本质上是光频上的频分复用（FDM）技术。从我国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4KHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb/s；而ＷＤＭ技术是光纤上频分复用技术，16（8）×2.5Gb/s的WDM系统则是光频上的FDM模拟技术和电频率上TDM数字技术的结合[3]。如表1所示：

WDM本质上是光频上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图2所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4KHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb/s或更高速率的数字系统。

WDM技术的主要特点

WDM技术具有很多优势，在近几年得到快速发展。如图3所示，可利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍；多波长复用在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可大量节约光纤；对于早期安装的电缆，芯数较少，利用波分复用无需对原有系统作较大的改动即可进行扩容操作；由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合与分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离；波分复用通道对数据格式透明，即与信号速率及电调制方式无关。

如图4所示，一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP等；在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的有利手段[4]，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量；利用WDM 技术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；在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本[5]。

WDM技术目前存在的问题

以WDM技术为基础的具有分插复用和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等优势，已成为未来高速传输网的发展方向，很好的解决下列技术问题有利于其实用化。

（1）WDM是一项新的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面[6]。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。

（2）WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。在网络中大规模采用需要对WDM系统进行有效网络管理。例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时自动发现，并找出故障原因；目前为止相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。

（3）一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的发展，如可调谐激光器等。通常光网络中需要采用4～6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还很难商用化[7]。

WDM的发展方向

WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。今后全光技术的发展表现在以下几个方面[8]：

可变波长激光器。到目前为止，光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波。将来会出现激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、稳定性和可靠性。不仅如此，可变波长的激光器更有利于大批量生产，降低成本。

全光中继器。目前的中继器需要经过光-电-光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生（整形、定时、数据再生）。电再生器体积大、耗电多、成本高。掺铒光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而无法解决色散的影响，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。未来的全光中继器不需要光-电-光的处理过程，可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放

大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。

光交叉连接设备（OXC）。未来的OXC可以利用软件对各路光信号灵活的交叉连接。OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都将发挥作用。

光分插复用器（OADM）。目前采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。未来的OADM对上、下光信号将完全可控，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网（光网络）十分灵活[9]。

WDM的发展前景

应用WDM技术第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。当前研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平可达到100╳10Gbit/s，中继距离400km；30╳40Gbit/s，中继距离85km；64╳5Gbit/s，中继距离720km。密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路。目前商用系统的传输能力仅是单根光纤可能传输容量为数十Tbit/s的1/100。

我国开展WDM技术的研究起步比较晚，首先在长途干线上采用WDM技术进行点到点扩容，后在节点上采用OADM、OXC技术进行上/下话路。我国于1997年引进第一套8波长WDM系统，并安装在西安至武汉的干线上。1998年我国开始大规模引进8×2.5Gb/sWDM 系统，对总长达2万多km的12条省际光缆干线进行扩容改造。同时各省内干线也相继采用WDM技术扩容，如在“南昌-九江”光缆扩容工程中，采用的就是AT&T公司的设备和双窗口WDM系统，即在G.652光纤的1310nm、1550nm两个低损耗工作窗口分别运行一个系统。这样可在不拆除1310nm窗口原有PDH设备的情况下，利用未使用的1550nm窗口，加开SDH2.5Gb/s系统。为保证我国干线网的高速率、大容量并有足够的余量确保网络安全和未来发展的需要，采用WDM技术的工作已全面展开。

WDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既全光网，将是光通讯的最高阶段[10]。建立一个以WDM和OXC（光交叉连接）为基础的光网络层，实现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈将是未来的趋势。现在WDM 技术还是基于点到点的方式，但点到点的WDM技术作为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步，它的应用和实践对于全光网的发展起到决定性的作用。

参考文献

[1]顾畹仪。全光通信网[M]。北京：人民邮电出版社，1999

[2]吴海西。WDM技术的原理及其应用与发展[J]。现代电信科技，2000，（10）：6-10

[3]张劲松，陶智勇，韵湘，光波分复用技术。北京邮电大学出版社，2002

[4]解金山，陈宝珍。光纤数字通信技术，电子工业出版社，2002，4（5）

[5]Patrick R Trischitta, William C Marra. Applying WDM technology to undersea cable networks. IEEE Commun. Mag., 1998: 62～66

[6]LiangXiongjian, ZhangXueyuan, YangXu. The development of telecommunications in China. IEEE Commun. Mag., 1998: 54～58

[7]Patricia V.Hatton, Frank Cheston. WDM deployment in the local exchange network.IEEE Commun. Mag., Feb. 1998: 56～61

[8]赵梓森。世界光纤通信发展新动向[A]。全国第九次光纤通信暨第十届集成光学学术会议[C]。1999

[9] 张成良,韦乐平.光通信技术发展的新趋势.电信科学,1999,(6):1～4

[10] 彭承柱.密集光波分复用系统及其发展趋势.电信科学,1998,(4):1～5

波分复用系统

WDM与DWDM

人们在谈论WDM系统时，常常会谈到DWDM（密集波分复用系统）。WDM和DWDM是同一回事吗？它们之间到底有那些差别呢？其实，WDM和DWDM应用的是同一种技术，它们是在不同发展时期对WDM 系统的称呼，它们与WDM技术的发展历史有着紧密的关系。

在80年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低损耗窗口1310nm和1550nm 窗口各传送1路光波长信号，也就是1310nm／1550nm两波分的WDM系统，这种系统在我国也有实际的应用。该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小；没有光放大器，在每个中继站上，两个波长都进行解复用和光／电／光再生中继，然后再复用在一起传向下一站。很长一段时间内在人们的理解中，WDM系统就是指波长间隔为数十nm的系统，例如1310nm／1550nm两波长系统（间隔达200多nm）。因为在当时的条件下，实现几个nm波长间隔是不大可能的。

随着1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口传送多路光载波信号。由于这些WDM系统的相邻波长间隔比较窄（一般1.6nm），且工作在一个窗口内共享EDFA光放大器，为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统。所谓密集，是对相临波长间隔而言的。过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔小多了，只有（0.8～2）nm，甚至<0.8nm。密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。由于DWDM光载波的间隔很密，因而必须采用高分辨率波分复用器件来选取，例如平面波导型或光纤光栅型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分复用器件。

在DWDM长途光缆系统中，波长间隔较小的多路光信号可以共用EDFA光放大器。在两个波分复用终端之间，采用一个EDFA代替多个传统的电再生中继器，同时放大多路光信号，延长光传输距离。在DWDM 系统中，EDFA光放大器和普通的光／电／光再生中继器将共同存在，EDFA用来补偿光纤的损耗，而常规的光／电／光再生中继器用来补偿色散、噪声积累带来的信号失真。

现在，人们都喜欢用WDM来称呼DWDM系统。从本质上讲，DWDM只是WDM的一种形式，WDM更具有普遍性，DWDM缺乏明确和准确的定义，而且随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，在技术实现上也越来越容易，已经变得不那么“密集”了。一般情况下，如果不特指1310nm／1550nm的两波分WDM系统，人们谈论的WDM系统就是DWDM系统。

基于波分复用技术的城域网建设探讨

当前，通信技术正朝着宽带化、智能化、大众化和个人化的方向发展。随着骨干传输网、局域网容量的大幅度增长，网络宽带已经转移到位于这两者之间的中间网络——城域网。受用户业务多样化要求和网络发展方向的驱动，特别是接入层IP业务带宽的长途网DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)容量的爆增，波分复用技术在城域网中得到了初步的应用。1波分复用(发展。

WDM技术在20世纪80年代开始出现，早期使用间隔很大的两个波长1 310 nm和1 550 nm(或者850 nm和1 310 nm)区域，宽带WDM。波分复用的基本思路是如果将多个发送波长适当错开的发源信号同时在一根光纤上传送，就可以大大增加光纤的信息传

20世纪90年代早期，出现了第二代WDM,有时也被称为窄带WDM,使用2~8个信道，这些信道在1 550 nm窗口的间隔为400 G 90年代中期，带16~40信道，间隔为100~200 GHz的密集波分复用器(DWDM)出现了，复用波长有2、4、8、16、32、40个波长。系统中，最典型的2波复用就是在1.3 μm的单模光纤上传送节目，再在1.55 μm的波长上提供数据传输业务。在通信系统中，用4波开始，再以4波长为单位倍增，如40 Gbps就是用2.5 Gbps×16波来实现的。如今，拥有4~40个信道，每个信道最高容量的系统已经问世，并且有若干厂商可以提供商用产品。WDM技术本质上就是光域上的频分复用FDM技术。90年代末，DWDM系统已64~160平行信道，间隔为50 GHz甚至25 GHz。DWDM技术不断地提高信道的密度，这对光纤的负载能力带来了巨大的影响。在19首个10 Gbps出现的时候，容量增加的速度从每4年增加4倍提高到每年增加4倍。

WDM技术过去主要是在光纤的C波段(1 530～1 565 nm)使用。最新的技术已将石英光纤在1.3～1.6 μm的两个低损耗窗口打一个区域，未来的WDM可在1.3～1.6 μm的全波段窗口中使用，每根光纤的复用光波长数可达几千，传输容量可高达数十个太(T 于全光DWDM设备的第三代网络将能够动态地配置和管理网络，为业务提供商提供迫切需要的解决方案，可以认为WDM技术将为光展提供几乎取之不尽的资源。

采用波分复用系统的主要优点是：可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量迅速扩大几倍至上百倍；在大容量长途传输约大量光纤和再生器，大大降低传输成本；与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；利用WDM选路实现网络复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光层传送联网。

2MAN(Metro Area Network)建设

2.1宽带城域网(MAN)建设的要求和关键特征

目前，宽带城域网建设正成为国家信息化建设的热点。城域网通常是指覆盖城市及其郊区范围、为城域多业务提供综合传送平主要应用于大中型城市地区，城域网以多业务光传送网络为基础，实现话音、数据、图像、多媒体、IP等接入。它主要完成接入和个人用户与在骨干网络上的运营商之间全方位的协议互通，因此要求城域网：一方面，能够满足日益增长的数据传送需求；另一为长途骨干网在本地的延伸，城域网必须与长途骨干网络保持协调发展，从而有效地为长途骨干网吸纳业务流量，简而言之，即能多种最终用户接入长途干线网络。城域网的关键特征是公用多业务网，它具有一系列有别于其他网络的特点：面向公用网应用和多网络范围小；多业务网络；只需中等容量；需要支持各种客户层信号和快速提供客户层信号所需的带宽；节点成本低。因此建设城要考虑以下几点：应该有效支持从电路交换网向分组交换网的过渡，将来应该对IP传送最佳；网络的链路容量和节点数可以不受有光的透明性，适应各种现有和将来可能出现的协议和业务；具有拓扑灵活性，可快速扩展业务；可以实现快速业务指配。

2.2主要光传输技术的比较