WDM在光纖通信實驗中的設計與實現(xiàn)

楊 東， 蔣華勤

(黃河科技學院 嵌入式系統(tǒng)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(xiàn)了，兩波長WDM(1 310/1 550 nm)系統(tǒng)20世紀80年代就在美國AT&T通信網(wǎng)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(xiàn)的方案, 使通信網(wǎng)的傳輸容量極大地提升。而傳輸容量的提升又給交換節(jié)點(Optical Cross-Connection,OXC)帶來巨大的壓力和急需研究的動力，從而激發(fā)了以波長路由為基礎的全光通信網(wǎng)的發(fā)展[1]。WDM 技術在提高傳輸能力的同時，還有強大、靈活的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢, 可以形成具有高度靈活性和生存性的全光網(wǎng)絡[2]?？梢哉f，WDM 對整個通信網(wǎng)產(chǎn)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(tǒng)實驗是非常必要的?？梢宰寣W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(tǒng)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(fā)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(jīng)濟效益[3]。對于已經(jīng)鋪設的光纜，采用WDM技術也可實現(xiàn)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(qū)帶來的巨大的帶寬資源，根據(jù)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(fā)送端由各復用通路的光源A1，A2，…，An分別發(fā)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(xiàn)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(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 WDM原理圖

完整的WDM系統(tǒng)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(tǒng)中最重要的元件之一，不需要經(jīng)光電轉換便可放大光能量。在EDOFA的制造上是以常規(guī)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(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)中一個重要的應用元件，其作用是在一個光導纖維傳送網(wǎng)絡中塞入/取出(Add-Drop)多個波長信道；置OADM于網(wǎng)絡的結點處，控制不同波長信道的光信號傳至適當?shù)奈恢肹8]。

OXC設置于網(wǎng)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?shù)牟ㄩL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(jīng)轉換)及波長轉換(輸出至同一光導纖維，波長經(jīng)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]?？紤]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(shù)

2.1 復用通路數(shù)

復用通路數(shù)是指波分復用器件能進行復用與解復用的光通路數(shù)量，它與器件的分辨率、隔離度等參數(shù)密切相關。顯然復用通路數(shù)越多越好，復用通路數(shù)越多，WDM系統(tǒng)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(shù)也不相同，常見的復用通路數(shù)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)在1 550 nm波長區(qū)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(guī)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(shù)

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(tài)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(tài)不可能完全一致，而同一波分復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[14]。

3 WDM光纖通信實驗設計

根據(jù)WDM光纖通信實驗要求，設計出波分復用系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)射電路和接收電路如圖3所示。根據(jù)圖2，利用FC-FC連接器(法蘭盤)完成光纖發(fā)射電路、接收電路和WDM器件的連接。

(a) 模擬信號、數(shù)字信號的波分復用傳輸

(b) 雙數(shù)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(shù)碼管產(chǎn)生數(shù)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(tǒng)的發(fā)送和接收電路，使用FC-FC連接器(法蘭盤)，把光纖通信系統(tǒng)發(fā)送信號送入到WDM的合波端口，經(jīng)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(fā)射電路

(b) 光纖傳輸接收電路

4 WDM光纖通信實驗實現(xiàn)

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(fā)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(chuàng)新實驗，光纖傳輸?shù)陌l(fā)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(jù)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(xiàn)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(shù)和應用。對于作為線路放大器(LA)的WDM光纖傳輸系統(tǒng)，光監(jiān)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(tǒng)，由于EDFA的增益區(qū)為1530～1565 nm，所以光監(jiān)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(tǒng)，初步了解了WDM傳輸系統(tǒng)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(tǒng)及分析系統(tǒng)性能，深刻地認識到了WDM技術的實際應用形式，激發(fā)起學生對WDM光纖傳輸系統(tǒng)進一步深入研究的興趣。學生通過實驗設計和實現(xiàn)，了解WDM在高速光通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)和全光網(wǎng)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(tài)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