密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)實現(xiàn)原理分析*

［鐘昌錦 劉斌 付益 李沼云］

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)及寬帶數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的高速發(fā)展，長距離光纖傳輸系統(tǒng)對光通信容量的需求劇增。如何利用現(xiàn)有的光纖傳輸系統(tǒng)，進一步提高光通信容量以滿足這種日益膨脹的需求，已成為光通信領(lǐng)域研究的重點。目前世界上各大運營公司和設(shè)備制造廠商都對其商業(yè)應(yīng)用化展現(xiàn)出濃厚興趣。

密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)可以讓光纖傳輸量得到極大的增加。起初，波分復(fù)用（WDM）技術(shù)能使在同一根光纖中同時傳送的波長數(shù)量從4猛增到32個，而利用DWDM技術(shù)這個數(shù)字已經(jīng)遠超200個。隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)、光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)和摻鉺光纖放大器（EDFA）技術(shù)的發(fā)展和普及，光通信技術(shù)正向著高速、大容量通信系統(tǒng)方向發(fā)展，并且逐步向全光網(wǎng)絡(luò)演進。

2 密集波分復(fù)用技術(shù)

2.1 密集波分復(fù)用技術(shù)及作用

波分復(fù)用器件包含合波器（OM）與分波器（OD），又稱光復(fù)用器與解復(fù)用器，屬于一種光學(xué)濾波無源器件。

在發(fā)送端，合波器的作用是把具有標稱波長的各復(fù)用通路光信號合成為一束光波，然后輸入到光纖中進行傳輸，即對光波起復(fù)用作用。

在接收端，分波器的作用是把來自光纖的光波分解成具有原標稱波長的各復(fù)用光通路信號，然后分別輸入到相應(yīng)的各光通路接入設(shè)備中，即對光波起解復(fù)用作用。

2.2 密集波分復(fù)用的種類

密集波分復(fù)用技術(shù)是一種能在一根光纖上同時傳送多個攜帶有電信息（數(shù)字或模擬）的光載波，從而實現(xiàn)系統(tǒng)擴容的光纖通信技術(shù)。它將多種不同波長的光信號組合（復(fù)用）起來進行傳輸，傳輸后將光纖中組合的光信號再分離開（解復(fù)用），送入不同的光通信終端，即在一根物理光纖上提供多個虛擬的光纖通道，即可省掉大量的光纖資源。按實現(xiàn)原理分類，DWDM技術(shù)可分為以下常用的幾種器件。

（1）光柵型密集波分復(fù)用

光柵型密集波分復(fù)用屬于色散型器件。入射光進入光纖后，使光纖中的部分材質(zhì)變化成近似布拉格衍射光柵，利用光學(xué)衍射的特性將不同波長的波分出來。其原理如圖1所示。

圖1 光柵型原理圖

（2）介質(zhì)薄膜型密集波分復(fù)用

介質(zhì)薄膜型密集波分復(fù)用是通過介質(zhì)薄膜濾波片實現(xiàn)，介質(zhì)薄膜濾波片是由幾十層不同材料、不同厚度和不同折射率的介質(zhì)薄膜組合而成。一層為高折射率，一層為低折射率。由一層層高低折射率不同的薄膜形成的光學(xué)效應(yīng)，使之對一定的波長范圍呈通帶，而對另外的波長范圍呈阻帶，形成所要求的窄帶濾波特性。1×NDWDM器件的實現(xiàn)原理如圖2所示。

（3）陣列波導(dǎo)型密集波分復(fù)用

圖2 介質(zhì)薄膜干涉型濾波器原理圖

陣列波導(dǎo)型密集波分復(fù)用是以光集成技術(shù)為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)型器件，在硅晶圓上沉積二氧化硅膜層，續(xù)以微影制及反應(yīng)式離子蝕刻法定義出數(shù)組波導(dǎo)，最后加上保護層制成。陣列波導(dǎo)型密集波分復(fù)用原理是利用波導(dǎo)的物理特性將不同波長的波細分出來，如圖3所示。該器件方便集成生產(chǎn)，在后續(xù)的接入網(wǎng)中將有更多應(yīng)用。該技術(shù)除了做成波分復(fù)用器外，還可以組合做成矩陣結(jié)構(gòu)，對光信道進行上下分插（OADM），是今后光傳送網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)光交換的優(yōu)選方案。

圖3 陣列波導(dǎo)型原理圖

（4）耦合型密集波分復(fù)用

耦合型密集波分復(fù)用有兩類，應(yīng)用較廣泛的是熔拉雙錐（熔錐）式光纖耦合器，即將多根光纖在熱熔融條件下拉成錐型，并稍加扭曲，使其熔接在一起。由于不同的光纖的纖芯十分靠近，因而可以通過錐形區(qū)的消失波耦合來達到所需的耦合功率。第二種是采用研磨和拋光的方法去掉光纖的部分包層，只留下很薄的一層包層，再將兩根經(jīng)同樣方法加工的光纖對接在一起，中間涂有一層折射率匹配液，于是兩根光纖可通過包層里的消失波發(fā)生耦合，得到所需要的耦合功率，其原理如圖4所示。耦合器型合波器制造成本低，通道間隔離度好，但是其引入損耗大。其中介質(zhì)薄膜濾波器型屬于波長敏感型光器件，耦合器屬于波長不敏感光器件。所謂波長敏感指其相關(guān)通道的插入損耗和波長關(guān)系較大，非此通道的波長在此通道插入損耗極大，而波長不敏感則指其通道插入損耗和波長關(guān)系不大。

圖4 耦合型原理圖

3 主要技術(shù)指標

（1）插入損耗

插入損耗是指密集波分復(fù)用器件本身對光信號的衰減作用。密集波分復(fù)用器件的插入損耗對DWDM系統(tǒng)的傳輸距離影響很大。不同種型的密集波分復(fù)用器件有不同的插入損耗值。

（2）帶寬

帶寬參數(shù)僅對分波器有意義。目前針對分波器的帶寬有二種提法，即-0.5 dB帶寬和-20 dB帶寬。其中-0.5 dB帶寬是描述分波器帶通特性，良好的帶通特性曲線應(yīng)該平坦、寬闊，所以其值越大越好，比如大于0.3 nm。而-20 dB帶寬則是描述分波器阻帶特性，阻帶特性曲線應(yīng)該陡峭，所以其值越小越好。

（3）隔離度

隔離度參數(shù)僅對波長敏感型器件有意義，一般合波器采用耦合型器件，沒有隔離度的參數(shù)，但是分波器采用介質(zhì)薄膜型器件，為波長敏感型器件，故隔離度對于分波器來講，是一個非常重要的參數(shù)。它表征分波器本身對其各復(fù)用光通路信號的彼此隔離程度。通路的隔離度越高，密集波分復(fù)用器件的選頻特性就越好，它的串擾抑制比也越大，各復(fù)用光通路之間的相互干擾影響也就越小。

（4）偏振相關(guān)損耗（PDL）

因光波的偏振態(tài)變化而造成的插入損耗的最大變化值，叫作偏振相關(guān)損耗。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）。輸入到密集波分復(fù)用器件中的各復(fù)用通路光信號，其偏振態(tài)不可能完全一致，而同一波分復(fù)用器件對不同偏振態(tài)的光波，其衰減作用也略有不同，其值越小越好。

4 特點及應(yīng)用情況分析

設(shè)計對4類密集波分復(fù)用器件特點及應(yīng)用進行分析如表1所示。

表1 特點及應(yīng)用情況分析表

5 結(jié)束語

密集波分復(fù)用技術(shù)的廣泛發(fā)展及應(yīng)用是未來光通信網(wǎng)絡(luò)的一大趨勢，盡管現(xiàn)階段的DWDM技術(shù)存在諸多缺點和局限性，但是作為實現(xiàn)全光網(wǎng)通信的重要器件，它的應(yīng)用和實踐對于全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。