wdm的工作原理及技术特点是什么（通信传输之旅WDM原理）
wdm的工作原理及技术特点是什么（通信传输之旅WDM原理）WDM系统由光发射机、光接收机、光中继器、光监控信道和管理系统系统五部分组成。跟一般的单波长通信系统是一样的，WDM系统要分为发送端、接收端以及中间的传输链路。如果传输的链路距离比较长，也就是光纤的传输链路要是超过了它所允许的最大中继距离，那么这时候中间就要加一个光的中继器，起到承前启后的作用。波分复用系统的工作波段位于C波段、L波段。所谓波分复用的概念无非就是指在光波波长上，它具有多个光波波长，通过合波器给它汇成一个多波，同时耦合进光纤进行传输，到了接收端，用波长解复用器给它分解到各个单一的波长上，进行单波长信号的接收，这就是波分复用的概念。既然波分复用系统是指多个波长在光纤中间同时传输，那么波长与波长之间的间隔应该是多少呢？根据间隔的多少，我们进行种类的划分：总共可以分为DWDM（密集波分复用系统，波长与波长之间的间隔在0.8-2nm之间）、WDM（波分复用系统）、CWDM（粗波分复用
关键: 结构 模式
一、WDM概念与系统结构
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是指在一根光纤中间能够同时传输多个波长的信号。
是指将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，各个单波波长送到各自相应的接收机上，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，就称为波分复用。
所谓波分复用的概念无非就是指在光波波长上，它具有多个光波波长，通过合波器给它汇成一个多波，同时耦合进光纤进行传输，到了接收端，用波长解复用器给它分解到各个单一的波长上，进行单波长信号的接收，这就是波分复用的概念。
既然波分复用系统是指多个波长在光纤中间同时传输，那么波长与波长之间的间隔应该是多少呢？
根据间隔的多少，我们进行种类的划分：总共可以分为DWDM（密集波分复用系统，波长与波长之间的间隔在0.8-2nm之间）、WDM（波分复用系统）、CWDM（粗波分复用系统，波长与波长之间的间隔一般在20nm）三种复用系统。
波分复用系统的工作波段位于C波段、L波段。
WDM系统
WDM系统由光发射机、光接收机、光中继器、光监控信道和管理系统系统五部分组成。跟一般的单波长通信系统是一样的，WDM系统要分为发送端、接收端以及中间的传输链路。如果传输的链路距离比较长，也就是光纤的传输链路要是超过了它所允许的最大中继距离，那么这时候中间就要加一个光的中继器，起到承前启后的作用。
发送端：波分复用系统的发送端是由多个单波长组成，这些单波长可能是1310的，也可能是非标准的1550的波长，由于对于波分复用系统来说，它在光纤中间同时传的多波波长必须是符合一定协议要求的，波长都有相应的规定。那么，在系统中间，单波波长送来的信号有可能不符合其协议的要求，因此这里首先要经过一个光的转发器，完成从一般非标准的波长到标准波长的转换，因此这时候的入1的波长就是经过OTU（波长转换器）将非标准的波长给它转换成标准的波长入1，入1到n有n个入纤波长都经过OTN转换成1到n个符合协议标准的工作波长。然后再经过一个光的合波器，也就是我们说的波分复用器，进行合波处理，形成一个多波长信号。
中间链路：由合波器输出的多波长信号送到一个EDFA掺铒光纤放大器（在图中我们用三角形表示）对信号进行放大，由于掺铒光纤放大器的放大范围是在1528到1565的范围内，而监控信道的工作波长工作是在1510波段上，也就是说掺铒光纤放大器不会对其进行放大。在这里，由掺铒光纤放大器输出的光放大信号会经过光耦合器将多波长信号和1510信号进行合波处理，然后送到光纤上去。
光纤上所传输的信号就包括多波长信号和1510的监控信号这两种多波波长。多波波长经过光纤传输，如果传输距离比较长，由于光纤损耗的影响，随着距离的增加光功率会下降，到了一定距离必须进行中继放大，对信号进行放大处理，否则到了接收端低于信号灵敏度，这个信号就会无法恢复，出现大量的误码，影响通信质量。波分复用系统所采用的光中继器都是光层面上的中继器，也就是用的EDFA来进行放大，EDFA对1510的波长没有放大能力，所以在这里首先要进行分波，把1510的信号分波出来，分波的信号送到光监控信道上，光监控信道有一个专门的传输网络——控制和管理信号的网络来实现网络的监控和管理。由网络送来的监控管理信号要插入到1510里面去的话，要用一个耦合器将放大后的多波长信号和1510信号合波，然后送到下一段的光纤链路上来进行信息的传递。
接收端：在接收端，首先也是一个光耦合器，这个耦合器也是起到分波作用，将1510的信息分出来，取出来的信息送到监控网络上去，剩下的多波长信息经过掺铒光纤放大器送到光的合波器上，由合波器进行分波处理，（合波器和分波器其实是一个器件，可以起到合波作用也可以起到分波作用，看其是在哪个端即对应哪个作用），由分波器输出入1到入n的单波长信息，送到各自的光接收机上去，由接收机1到接收机n分别进行接收。这就是系统整体信息流的传输过程。
我们可以看出来多个波长信息的合波是在发送端由一个合波器来完成的，在接收端由一个光的分波器来完成多波长信息的分波，对于监控信息，是利用耦合器（这个耦合器也是双向的，既可以起耦合作用，也可以起分波作用）将1510的信息分出来，剩下的多波长信息直通。对于监控信息，是用一个监控网络来实现其信息的传递，在整个WDM系统中间，1510是作为其监控波长来使用的。
在这里我们对其各部分的功能做一个总结：
光放大器：对多波长信号同时进行放大处理，用在发送端作为发送放大器，用在中继器是作为中继放大用的，放在接收端是作为它的前置放大器用的，前置放大器主要是为了提高接收端接收机的接收灵敏度，放大器在系统中放的位置不一样，在系统中的作用也是不一样的。
光分波器：对多波长信号中分解出所需的特定波长的信号。
光耦合器：多波长信号与监控信号的耦合。
在这里，光监控信道：监控波长窗口1510nm，速率2Mb/s
说明：不在EDFA的放大范围之内。
二、WDM传输模式和应用模式
基本应用形式
对于波分复用系统来说，由于它的光器件合波器和分波器可以用一个器件来完成，也就是一个器件既起到合波作用，也起到分波作用。因此，它的应用形式有这样的两种形式，一种是单向传输的形式，另一种是双向传输的形式。
对于单向传输的形式，我们叫做单向结构的WDM。这种系统的明显标志我们可以看到，它的发送端是由若干个单波波长信号系统送来的，通过一个光发送机，然后再经过一个合波器以后，耦合成多波长信号，经过发送端的放大器放大以后，耦合进光纤，这时候在光纤中间传的是一个多波长信号，而且这个信号从左边的发送端传送到右边的接收端，其传输方向在这里都是一个方向。也就是所有波长上所携带的信息都是沿相同方向来进行传输的。这种结构我们叫做单向结构的WDM系统。
而下面的示意图是一个双向结构的WDM系统，之所以叫做双向结构的WDM系统，是因为其发送端有两个方向，一个是从左到右，一个是从右到左。上面的波长经过光的转发器、合波器以后输出的信息假设是个入a的波长，在光纤中间传输，由发送端到接收端，由右边的光接收机进行接收。由右边的发送端机2经过合波器输出的信息通过光纤进行信息的传输，这时候传输的波长是入b，由右传到左，经过合波器送到左边的光接收机上去。这时候光纤线路上所携带的波长有2个，一个是入a、一个是入b，方向也有2个，一个向左一个向右，两个业务流的流向是不一样。因此我们说其是双向结构的WDM系统。
无论是单向的也好，双向的也好，WDM系统给系统的组网带来了灵活性。特别是在业务需求比较紧张的地方，可以用原有的光纤多增加一个波长就可以提供多一路的业务流进行信息的传递。当然，这种方式单向结构的WDM系统就可以使用。而双向的WDM系统可以根据组网的要求，不同
三、WDM中的关键技术——光源技术
光源产生的途径
热效应第一类是热效应产生的光。太阳光就是很好的例子，此外蜡烛等物品也都一样，此类光随着温度的变化会改变颜色。
原子跃迁第二类原子跃迁发光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。
辐射发光第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。如，同步加速器（synchrotron）工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量。另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种。所谓的“切伦科夫辐射”，就是指带电粒子在介质中的速度可能超过介质中的光速，在这种情况下会发生辐射，类似于“音爆”。
四、WDM中的关键技术——光放大器技术
光放大器就是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。
光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。光放大器自从1990年代商业化以来已经深刻改变了光纤通信工业的现状。
EDFAEDFA是英文“Erbium Doped Fiber Amplifier”的缩写，即掺铒光纤放大器，是一种使用铒离子来作为增益介质的光纤放大器。光放大器能够直接放大光信号，而无需在放大之前将信号转换为电信号，这也是最突出的功能，是长距离光通信中重要的光学部件。
EDFA在DWDM系统中已经得到广泛地使用，通常用于补偿长距离光通信中的链路损耗。最重要的特征是它可以同时放大多路光信号，并且可以与WDM技术轻松组合。EDFA的常用波段是C波段和L波段。
EDFA工作原理EDFA的放大作用是通过1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与铒离子相互作用产生的。Er3 （铒离子）有三个工作能级：E1 E2和E3，如图所示。其中E1能级最低，称为基态；E2能级为亚稳态，E3能级最高，称为激发态。
图1：EDFA工作原理
Er3 在未受任何光激励的情况下，处在最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断地激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。如由E1跃迁至E3，由于粒子在E3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以无辐射跃迁过程落到亚稳态E2上。在该能级上，相对来讲粒子有较长的存活寿命，此时，由于泵浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子数就不断增加，而E1能级上的粒子数就减少，这样，在这段掺铒光纤中实现了粒子数反转分布状态，就具备了实现光放大的条件。
当输入光信号的光子能量E=hf正好等于E2和E1的能级差时，即E2-E1=hf，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子，从而大大增加了光子数量，使得输入光信号在掺铒光纤中变为一个强的输出光信号，实现了对光信号的直接放大。
EDFA光路结构掺铒光放大器主要是由掺铒光纤（EDF）、泵浦(pump)、分光器（coupler）、光耦合器(WDM)、光隔离器(isolator)、增益平坦滤波器(GFF)、可调衰减器（VOA）、光探测器（PD）组成。
图2：EDFA双级光路示意图
分光器：将光功率按照一定比例进行分路传输，通常采用熔融拉锥工艺。
光耦合器：将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）。
光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。
掺铒光纤：增益光纤是光放大器的主体，将稀土元素铒离子Er3 注入到纤芯中，通过用MCVD、PCVD等制造方法制备掺铒光纤。
泵浦激光器：为信号放大提供能量，中心波长980nm半导体激光器，输出光功率从几十毫瓦到1瓦。
增益平坦滤波器：抑制ASE噪声，降低噪声对EDFA性能的影响，提高改善EDFA增益平坦度和OSNR。
可调衰减器：对光功率进行动态调节的器件，在EDFA中经常用于调整增益斜率以及功率衰减。
光探测器：探测光功率的大小，对于输入和输出光功率进行实时监控。
EDFA优劣EDFA的出现解决了传统传输系统光-电-光的低效转换问题，实现了光-光转换，EDFA光纤放大器还具备以下几大性能优势：
优势Ø 高增益。增益是EDFA的重要参数之一，通常与输入信号光功率和输出信号光功率密切相关，光纤放大器的动态增益范围可达30~40dB。
Ø 低噪声。EDFA的噪声主要来自自发辐射(ASE)，理论上讲，EDFA的噪声为3dB，实际情况往往高于3dB，通常范围在4~7dB之间。
Ø 宽频带。EDFA中心工作波长通常在1550nm处，频带宽度是20~40nm，能够进行多通道传输，增加传输容量。
Ø 低损耗。EDFA工作波长刚好是光纤通信最佳波段（1500~1600nm），这一波段属于最低损耗区域，传输距离也比较长。
劣势Ø 成本高。由于EDFA的全球年用量仅在一百万台左右规模，所以其物料和制造成本相对较高。
Ø 饱和输出功率有限。目前EDFA的最大输出功率可以做到23~26dBm水平，如果进一步提高输出功率就需要用到铒镱共掺的光纤放大器解决方案。
EDFA的出现，使光纤通信技术产生了质的飞跃，它是WDM系统中，最有力的关键技术。光放大器的实用化，使WDM技术迅速成熟并得到商用，同时也为全光通信奠定了扎实的基础。
拉曼放大器
拉曼光纤放大器（RFA）是密集波分复用（DWDM）通信系统的重要组成部分。在许多非线性光学介质中，对波长较短的泵浦光的散射使得一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。
如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为RFA。
拉曼放大器就是利用受激拉曼散射效应（Stimulated Raman Scattering），通过将强泵浦光和较弱的信号光同时在一根光纤中传输，强泵浦光与光纤发生振荡散射，然后以较长频率的光发射出去，而这个频率的光就是我们弱信号光的频率。
（一）是不是所有的入射信号光都能被放大呢？
针对特定频率的泵浦光，在光纤介质中，需要信号光与泵浦光满足峰值增益频偏13.2THz差，也就是上面图中大约100nm的频谱偏移，信号光正好处于这个增益谱宽内就可以了。
（二）能不能所有入射信号光都可以被放大？
增益谱宽所在的范围是与泵浦光频率相关的话，只要有合适的多个泵浦光频率，那么我们就能实现所需信号光的增益放大。
（三）泵浦光、增益和光纤长度的关系？
当泵浦光功率很小的时候，拉曼增益是很大，但随着光纤距离增加，衰减的也快！因此拉曼放大器的泵浦光的功率都很高。所以千万不要用眼睛直视。至于增益与光纤长度的关系则成一个非线性的关系，还是直接上图吧，比较直观。
总结一下吧：
拉曼放大器的增益范围由泵浦光的频率决定；
只要有合适的泵浦光，可以实现所需信号光的增益，增益范围非常广；
增益放大的能力比较弱，但产生的噪声也比较小。
五、WDM中的关键技术——光复用器与解复用器
波分复用器原理
波分复用器和解复用器是一种基于TFF（薄膜滤波器）的波分复用产品，复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，解复用器将光纤中的信号分解为不同波长的信号。
复用器的每个端口都对应一个特定的波长，并用不同的颜色进行了标识。
CWDM波分复用器的内部结构
光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本要求是：插入损耗小、隔离度大、带内平坦，带外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好、复用通路数多、尺寸小等。
(1) 插入损耗插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比
(2) 串扰抑制度串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度来表示这一程度。对于解复用器
(3) 回波损耗回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比
(4) 反射系数反射系数是指在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比
(5) 工作波长范围工作波长范围是指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围(λmin到λmax)。
(6) 信道宽度信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。
(7) 偏振相关损耗偏振相关损耗(PDL: Polarization?dependent Loss)是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。
六、WDM中的关键技术-监控技术
光监控信道是指主要用于监控系统内各信道的传输情况，在发送端插入本节点产生的波长为A。（1510nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，从接收到的光信号中分离出光监控信号。另外，帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都能通过光监控信道传输。由于光监控信号是利用EDFA工作波段以外的波长，因此光监控信号不能通过EDFA，只能在EDFA的后面插入，在EDFA的前面取出。
光监控信道的波长不能为980nm，1480nm，因为掺铒光纤放大器(EDFA)使用以上波长的激光器作泵浦源，拉曼光纤放大器也使用1480nm附近波长的激光器作泵浦源。
光监控信道的波长不能为1310nm，因为这样会占用了1310窗口的带宽资源，妨碍了1310nm窗口的业务。光监控信道的接收灵敏度可以做得很高，这样一来，不会因为OSC的功率问题限制站点距离，具体是两个光放大器之间的距离。因此光监控信道需要采用低速率的光信号，保证较高的接收灵敏度。
OSC设置原则
应该是分段的，均衡放大、识别再生、定时功能和双向功能，在每一个光放大器中继站上，信息能正确的被接下来。
