1.2 WDM技术的发展过程

1.2.1 光网络复用技术的发展

光纤通信技术的应用首先解决了通信能够长距离传输的问题，但随着信息时代宽带高速业务的不断发展，对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。因此，在传输系统中引入了复用技术。所谓复用技术是指利用光纤宽频带、大容量的特点，用一根光纤或光缆同时传输多路信号。光纤传输网的复用技术经历了空分复用（SDM）、时分复用（TDM）到波分复用（WDM）三个阶段的发展。SDM技术设计简单、实用，但必须按信号复用的路数配置所需要的光纤传输芯数，投资效益较差；TDM技术的应用很广泛，如PDH，SDH，ATM，IP都是基于TDM的传输技术，据统计，在2.5Gb/s（或Gbps）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。正因为如此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术，缺点是线路利用率较低；WDM技术是在一根光纤上承载多个波长（信道）的复用技术，这种技术的成功应用解决了通信能够长距离、大容量传输的问题，并成为完成信息骨干网络传输的主要手段。

在多路信号传输系统中，信号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。就SDH电时分复用而言，1992年商用速率为155Mb/s，到1998年已经发展到10Gb/s，现在先进国家的水平已达到40Gb/s。但是，由于电子迁移速率的限制，进一步提高电时分复用的速率已经很困难，光电器件成本也很高，电子技术已成为光纤通信进一步发展的瓶颈。为了克服这一瓶颈，人们自然想到了在光域中进行复用，以进一步增大系统容量，提高线路利用率，降低经营成本。光复用的主要技术有：光时分复用（optical time division multiplexing，OTDM）、光码分复用（optical code division multiplexing，OCDM），光波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）和光频分复用（optical frequency division multiplexing，OFDM）。

光时分复用（OTDM）指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。其基本原理是在发送端的同一载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使每个信源在每帧内只能按指定的时隙向信道发送信号，接收端在同步的条件下，分别在各个时隙中取回各自的信号而不混乱，光时分复用原理示意图如图1-1所示。利用光时分复用技术可以获得较高的速率带宽比，可克服掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）增益不平坦、四波混频（four wave mixing，FWM）、非线性效应等诸多因素限制，而且可解决复用端口的竞争，增加全光网络的灵活性。但由于其关键技术比较复杂，实现这些技术的器件特别昂贵，制作和实现均很困难，并且由于偏振模色散对高速信号的限制，所以这项技术迟迟没有得到很大的发展和应用。

光码分复用（OCDM）技术是CDM（Code Division Multiplexing）技术和光纤通信技术相结合的产物，在这种复用技术中，每个信道不是占用一个给定的波长、频率或者时隙，而是以一个特有的编码脉冲序列方式来传送其比特信息。其基本原理是不同信道的信号用互成正交的不同码序列来填充，经过填充的信道信号调制在同一光波上，在光纤信道中传输，接收端用与发送方向相同的码序列进行相关接收，即可恢复出原信道的信号，OCDM复用示意图如图1-2所示。由于采用的是正交码，相关接收时不会产生相互干扰。光码分复用技术能极大地改善网络的性能，提高网络的通信容量，提高系统信噪比，增强系统保密性，增加网络灵活性。但OCDM实用化还有一些障碍，在非相干光CDM方面，由于正交码的数量有限，码间干扰较大，限制了用户数量；在相干光CDM方面，存在着激光源的频率稳定度差，光纤极化态不稳定及光脉冲相位难以控制等主要问题。

光波分复用（WDM）技术是在一根光纤中同时传输多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（复用）起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开（解复用），并进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。它是目前研究最多、发展最快、应用最为广泛的光复用技术。经过多年的发展和应用，波分复用技术已趋于成熟，而且越来越成为现代通信系统中不可替代的传输技术。目前，波分复用系统的传输容量正以极快的速度增长，直接基于WDM传输的业务也越来越多。

为了进一步提高光纤带宽利用率，相邻两光载波的间隔将越来越小，一般认为：当相邻光载波的间隔小到0.1nm（10GHz）以下时，此时的复用称为光频分复用。它与波分复用在本质上是没有什么区别的。频率表示每秒出现的波峰数，波长表示此电磁波的一个波峰到另一个相邻波峰的长度，两者互为倒数关系。在光载波间隔比较大时，用波长衡量比较方便，一般称为波分复用。而当光载波间隔比较小时，用波长来衡量就显得不方便了，习惯称为频分复用系统。

波分复用技术从20世纪80年代末、90年代初，光纤通信兴起之初就出现了，AT&T贝尔实验室的厉鼎毅（T.Y.Lee）博士大力倡导波分复用（WDM）技术，两波长WDM（1310nm/1550nm）系统在20世纪80年代就在美国AT&T网中使用，速率为2×1.7Gb/s。

WDM发展迅速的主要原因在于以下几方面：

（1）TDM10Gb/s面临着电子元器件的挑战，TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高。

（2）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM 10Gb/s系统的传输，光纤色度色散和偏振模色散的影响日益加重。人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率，而WDM技术是目前能够商用化的最简单的光复用技术。

（3）光电器件的迅速发展。1985年英国南安普顿大学首先研制出掺饵光纤放大器。1990年，比瑞利（Pirelli）研制出第一台商用光纤放大器。EDFA的成熟和商用化，使光放大区域（1530～1565nm）采用WDM技术成为可能。

从技术和经济的角度看，WDM技术都是目前最经济可行的扩容技术手段。

1.2.2 WDM在传输网中的定位

从WDM系统发展的方向来看，将光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）结合将形成一个光层网络——光传送网。未来光传送网的发展就应是在SDH电网络层面以下建设光网络层，即传送网将在拓扑上分为光、电两个网络层面，而WDM系统则是“光网络层”的核心部分。

WDM系统在传送网中的位置如图1-3所示，其中SDH和WDM是客户层与服务层的关系。PDH，ATM和IP等信号与SDH也是客户层与服务层的关系。

1.2.3 WDM系统的分类

WDM系统分为无电中继系统和无中继系统两类。

无电中继长距离传输系统是指发射端和接收端之间光信号不需要经过光/电/光（optical electrical optical，OEO）的转化，只需要经过光放大器和其他无源光器件对光信号进行端到端的传输。根据我国关于WDM系统的行业标准，无电中继光纤传送系统就传输距离而言，可以划分为以下3种：长度在1000km以下的称常规长距离传输系统LH（Long Haul）；长度在1000～2000km范围内的称亚超长距离传输系统ELH（Enhanced Long Haul）。长度大于2000km以上的称超长距离传输系统ULH（Ultra-Long Haul）。

无中继长距离传输系统是指发射端和接收端之间既没有OEO也没有光放大器设备对传输的光信号进行处理，一般把超过120km的无中继传输系统称为超长无中继传输系统。

由于技术上没有显著的差别，本书把ELH，ULH和超长无中继传输系统统称为ULH传输系统。书中无特指超长距离ULH传输系统外，一般均为常规距离的WDM传输系统。

1.2.4 WDM的研究、应用现状与发展趋势

目前，全球在建的商用光纤通信系统基本上都是WDM系统，同时原有的光纤通信系统也都陆续被改造成WDM系统。随着WDM分插技术和网管技术的发展，WDM系统将进入城域网领域，为未来的全光交换网络提供技术支撑。在WDM研究开发方面，美国和西欧国家一直处于领先地位。美国按照其NGI的规划，由国防部下属的国防高级项目研究署牵头，以政府研究开发项目的形式，通过大学、国家实验室、电信设备生产商和电信业务提供商的联合协作，先后进行了多个WDM光传送网项目的研究开发，如MONET，NTON，WEST等。

我国也十分重视WDM技术，除了理论研究和技术跟踪外，还对商用化试验做了很多开发工作。目前，WDM系统在我国骨干网和省二级骨干传送网的网络上得到了广泛的应用，基于10Gb/s和2.5Gb/s的DWDM系统已经成为基本的传送平台，基于10Gb/s单通路速率的400Gb/s或800Gb/s系统在我国干线建设中已经大量商用。较为成熟的ULH（超长距离）传输距离为3000km，波长间隔在50GHz，使用C+L波段的160波系统。

超大容量WDM系统的发展不仅彻底发掘了巨大的光传输链路的容量，而且也成为IP业务快速发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。从长远发展来看，WDM主要技术会朝多个方向发展。

1.单波长传输速率不断提高

单波长速率由155Mb/s发展到目前的10Gb/s，而40Gb/s速率的系统已进入实验阶段，技术日渐成熟。利用TDM和WDM两种技术进行网络扩容将是未来应用的方向。

2.更多波长复用数量

短短的几年时间内，WDM相邻波长间隔经历了200GHz—100GHz—50GHz（目前商用系统的波道间隔），乃至25GHz的演变，每前进一步，系统可容纳的波长数就可以增加一倍。随着技术的不断发展，WDM系统的工作波段已由C波段发展到L波段、S波段甚至全波段。如中兴通讯的ZXWM M900设备，最高可提供160波的复用。

3.超长的全光传输距离

通过提高全光传输的距离，减少电再生点的数量，可降低建网的初始成本和运营成本。传统的WDM系统采用EDFA延长无电中继的传输距离。目前，通过分布式喇曼放大器、超强前向纠错技术（FEC）、色散管理技术、光均衡技术以及高效的调制格式等，传输距离可从目前的600km左右扩展到2000km以上。

4.从点到点WDM走向全光网络

全光网络是未来光纤传送网的发展方向。普通的点到点WDM系统，主要由光终端复用器（OTM）组成，尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽，组网能力不灵活。随着电交叉系统的不断发展，节点容量的不断扩大，点到点组网显然无法跟上网络传输链路容量的增长速度。进一步扩容的希望转向光节点，即光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。在全光网络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的。

通过OADM可构成链形、环形光网络。OADM设备控制不同波长信道的光信号传至适当的位置，并可实现光层业务的保护和恢复。WDM系统可以与光分插复用器OADM、光交叉连接设备OXC混合使用，以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。

5.IP over DWDM技术的发展

Internet骨干网的带宽增长迅猛，如果不采用WDM技术，那么仅Internet的数据流量就可以占满整个单波光纤系统的容量（目前，商用化单波长光纤系统的最大传输速率为10Gb/s）。因此，IPoverDWDM将是未来网络通信的主要技术。