WDM在光纖通信實驗中的設計與實現

楊 東， 蔣華勤

(黃河科技學院 嵌入式系統應用技術實驗室， 河南 鄭州 450063)

0 引 言

波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術從光纖通信開始就出現了，兩波長WDM(1 310/1 550 nm)系統20世紀80年代就在美國AT&T通信網中使用。隨著WDM和摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Optical Fiber Ampdifier,EDOFA)的迅速實用化, 為高速率、大容量信息的長距離傳輸提供了便于實現的方案, 使通信網的傳輸容量極大地提升。而傳輸容量的提升又給交換節點(Optical Cross-Connection,OXC)帶來巨大的壓力和急需研究的動力，從而激發了以波長路由為基礎的全光通信網的發展[1]。WDM 技術在提高傳輸能力的同時，還有強大、靈活的聯網優勢, 可以形成具有高度靈活性和生存性的全光網絡[2]。可以說，WDM 對整個通信網產生長期、深遠的影響。

基于WDM技術的廣泛應用和需求，為本科生“光纖通信”實驗課中增加WDM光纖通信傳輸系統實驗是非常必要的。可以讓學生掌握了WDM的理論基礎的同時把理論技術實用化，結合實驗設計，熟練掌握WDM在光纖通信系統中的應用。不僅拓展了學生的視野，還為學生今后進一步的研究打堅實的基礎。

1 WDM基本原理

在一根光纖內同時傳送幾個不同波長的光信號的通信方式叫做WDM，采用WDM技術，只要在發送端和接收端增加少量的合波、分波設備，就可以大幅度增加光纖的傳輸容量，提高經濟效益[3]。對于已經鋪設的光纜，采用WDM技術也可實現多路傳輸，起到降低成本和擴充容量的作用[4]。WDM技術就是為了充分利用單模光纖低損耗區帶來的巨大的帶寬資源，根據每一信道光波的頻率(或波長)不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發送端由各復用通路的光源A1，A2，…，An分別發出具有不同標稱波長的光信號：λ1、λ2、…，λn，采用波分復用器(合波器)將不同波長的光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸；在接收端，再由一波分復用器(分波器) 分別輸入到相應的各復用通路光接收機檢波信號A1，A2，…，An中，將這些不同波長承載不同信號的光載波分開，從而在一根光纖中可實現多路光信號的復用傳輸，同時把光纖的傳輸容量擴大幾倍甚至幾十倍[5]。波分復用系統原理圖如圖1所示。

圖1 WDM原理圖

完整的WDM系統由以下兩類組成：① WDM分波前后所需的元件，如EDOFA、合波/分波多工器(Multiplexer/DeMultiplexer，Mux/DeMux)；② WDM的應用，如光塞/取多工器(Optical Add /Drop Multiplexer，OADM)、光交換鏈接器(Optical Cross Conncets，OXC)[6]。

EDOFA是WDM系統中最重要的元件之一，不需要經光電轉換便可放大光能量。在EDOFA的制造上是以常規石英系光纖為母材摻進鉺離子，由于鉺離子的摻入，提供了一個1 550 nm的能帶，使得原本的信號和高功率泵激激光(波長980 nm或1 480 nm，功率10～1 500 mW)得以提高光信號的強度，而不需將光信號轉換成電信號之后才能放大[7]。

Mux/DeMux是WDM系統中不可或缺的兩種元件。也就是我們常說的復用、解復用器。DWDM使光導纖維網絡能同時傳送多個波長的信號，而Mux則是負責將多個波長匯集在一起的；DeMux則是負責將匯集至一起的波長分開的元件。OADM是WDM系統中一個重要的應用元件，其作用是在一個光導纖維傳送網絡中塞入/取出(Add-Drop)多個波長信道；置OADM于網絡的結點處，控制不同波長信道的光信號傳至適當的位置[8]。

OXC設置于網絡上重要的匯接點，匯集各方不同波長的輸入，再將各信號以適當的波長輸送至合適的光導纖維中[9]。它可提供光導纖維切換(連接不同光導纖維，波長不轉換)、波長切換(連接不同光導纖維，波長經轉換)及波長轉換(輸出至同一光導纖維，波長經轉換)3種切換功能。OXC并提供由恢復、波長管理及話務彈性調度。單模光纖的傳輸譜分為4個窗口；① 770～910 nm，簡稱為850nm窗口，也稱為第一波段；② 1 280～1 350 nm，簡稱為1 310 nm窗口，也稱為第二波段； ③ 1 530～1 560 nm，簡稱為1 550 nm窗口，也稱為第三波段或C波段； ④ 1 560～1 620 nm，簡稱為第四波段或L波段； ⑤ 1 350～1 530 nm，簡稱為第五波段[10]。考慮到單模光纖在1 310 nm附近具有最低色散，且在1 550 nm波長處具有最低損耗，實驗設計采用1 310/1 550 nm波段傳輸。

2 WDM器件的主要性能參數

2.1 復用通路數

復用通路數是指波分復用器件能進行復用與解復用的光通路數量，它與器件的分辨率、隔離度等參數密切相關。顯然復用通路數越多越好，復用通路數越多，WDM系統的傳輸容量會可能會越大，但受分辨率、隔離度等性能的影響，不同類型波分復用器件的最大復用通路數也不相同，常見的復用通路數有1、8、16、32、40、48等[11]。

2.2 插入損耗

波分復用器件本身對光信號有衰減作用，器件輸入端口與輸出端口的光功率之比定義為插入損耗，如下式：

(1)

其中：Pi為發送到輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。

波分復用器件的插入損耗對WDM系統的傳輸距離起著十分重要的影響。假設波分復用器件的插損值為5 dB，那么合、分波器加在一起就是10 dB，導致傳輸系統在1 550 nm波長區的再生傳輸距離，可能會從80 km減少到40 km左右，這樣短的傳輸距離是很難滿足實際工程的傳輸需求。一般規定插入損耗要小于10 dB，性能良好的可保持在5 dB以下[12]。

2.3 隔離度

波長隔離度又叫遠端串擾，它是波分復用器本身對其各復用光通路信號的彼此隔離程度。通路的隔離度越高，波分復用器件的選頻特性就越好；它的串擾抑制比也越大，各復用光通路之間的相互干擾影響也就會越小[13]。

2.4 反射系數

在波分復用器件的輸入端，反射光功率與入射光功率之比稱為反射，如下式所示：

(2)

其中：Pr為輸入端的反射光功率；Pi為輸入端的入射光功率。通常情況下，要求器件的反射小于-40 dB。

2.5 偏振相關損耗

因光波的偏振態變化而造成的插入損耗的最大變化值，叫作偏振相關損耗(Polarization Dependent Loss, PDL)。光是頻率極高的電磁波，所以存在著波的振動方向問題(偏振)。輸入到波分復用器件中的各復用通路光信號，其偏振態不可能完全一致，而同一波分復用器件對不同偏振態的光波，其衰減作用也略有不同，其值越小越好[14]。

3 WDM光纖通信實驗設計

根據WDM光纖通信實驗要求，設計出波分復用系統實驗框圖，如圖2所示。結合自主設計的1 310/1 550 nm光纖通信傳輸系統發射電路和接收電路如圖3所示。根據圖2，利用FC-FC連接器(法蘭盤)完成光纖發射電路、接收電路和WDM器件的連接。

(a) 模擬信號、數字信號的波分復用傳輸

(b) 雙數字的CMI碼波分復用傳輸

通過電路中的駐極體話筒，送入語音或視頻模擬信號；通過撥動8位數碼管產生數字信號。波分復用器的分波信號和合波信號分別通過光纖傳輸系統的發送和接收電路，使用FC-FC連接器(法蘭盤)，把光纖通信系統發送信號送入到WDM的合波端口，經過長距離傳輸之后，再把不同波長信號通過WDM分波端口輸出[15]。

(a) 光纖傳輸發射電路

(b) 光纖傳輸接收電路

4 WDM光纖通信實驗實現

通過2個FC-FC波分復用器、5個FC-FC連接器，1 310/1 550 nm光纖傳輸發射、接收電路各2套，組建WDM光纖通信實驗。該實驗的設計為綜合性創新實驗，光纖傳輸的發射和接收電路需要學生自己設計、焊接和調試電路。在前期的實驗準備中，要求學生熟練識別常用元器件，設計電路圖，印制電路板，焊接和調試電路。根據圖2所示原理框圖，連接實驗電路，通過連接器完成光纖傳輸電路和波分復用器件的連接，實現WDM光纖通信實驗設計。結合示波器和光功率計測試輸入信號和輸出信號及測試點光功率，通過觀察雙蹤示波器驗證WDM光纖通信實驗性能和結果，并對WDM在光纖通信中的應用進行分析。

通過WDM光纖通信實驗的設計，讓學生了解和掌握波分復用器件的主要性能參數和應用。對于作為線路放大器(LA)的WDM光纖傳輸系統，光監控通路在每個光再生器處(光放大器)以足夠低的誤碼率進行分插。對于作為EDOFA的WDM光纖傳輸系統，由于EDFA的增益區為1530～1565 nm，所以光監控通路工作波長必須位于EDOFA有用增益帶寬外面。

5 結 語

學生通過自主設計和組建WDM 2種不同形式和結構的傳輸系統，初步了解了WDM傳輸系統的工作原理、基本形式及性能指標。并且通過實際動手組建系統及分析系統性能，深刻地認識到了WDM技術的實際應用形式，激發起學生對WDM光纖傳輸系統進一步深入研究的興趣。學生通過實驗設計和實現，了解WDM在高速光通信系統、接入網和全光網絡等領域中的廣闊的應用。

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·名人名言·

聰明的資質、內在的干勁、勤奮的工作態度和堅忍不拔的精神。這些都是科學研究成功所需的其他條件。

——貝費里奇