楊 東， 蔣華勤

(黃河科技學(xué)院 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450063)

0 引 言

波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術(shù)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(jì)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(shí)用化, 為高速率、大容量信息的長距離傳輸提供了便于實(shí)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(diǎn)(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(chǔ)的全光通信網(wǎng)的發(fā)展[1]。WDM 技術(shù)在提高傳輸能力的同時(shí)，還有強(qiáng)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(luò)[2]?？梢哉f，WDM 對整個(gè)通信網(wǎng)產(chǎn)生長期、深遠(yuǎn)的影響。

基于WDM技術(shù)的廣泛應(yīng)用和需求，為本科生“光纖通信”實(shí)驗(yàn)課中增加WDM光纖通信傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是非常必要的?？梢宰寣W(xué)生掌握了WDM的理論基礎(chǔ)的同時(shí)把理論技術(shù)實(shí)用化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，熟練掌握WDM在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。不僅拓展了學(xué)生的視野，還為學(xué)生今后進(jìn)一步的研究打堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 WDM基本原理

在一根光纖內(nèi)同時(shí)傳送幾個(gè)不同波長的光信號的通信方式叫做WDM，采用WDM技術(shù)，只要在發(fā)送端和接收端增加少量的合波、分波設(shè)備，就可以大幅度增加光纖的傳輸容量，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。對于已經(jīng)鋪設(shè)的光纜，采用WDM技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)多路傳輸，起到降低成本和擴(kuò)充容量的作用[4]。WDM技術(shù)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(gè)信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端由各復(fù)用通路的光源A1，A2，…，An分別發(fā)出具有不同標(biāo)稱波長的光信號：λ1、λ2、…，λn，采用波分復(fù)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(jìn)行傳輸；在接收端，再由一波分復(fù)用器(分波器) 分別輸入到相應(yīng)的各復(fù)用通路光接收機(jī)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(shí)現(xiàn)多路光信號的復(fù)用傳輸，同時(shí)把光纖的傳輸容量擴(kuò)大幾倍甚至幾十倍[5]。波分復(fù)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(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)鉺離子，由于鉺離子的摻入，提供了一個(gè)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(qiáng)度，而不需將光信號轉(zhuǎn)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(fù)用、解復(fù)用器。DWDM使光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)傳送多個(gè)波長的信號，而Mux則是負(fù)責(zé)將多個(gè)波長匯集在一起的；DeMux則是負(fù)責(zé)將匯集至一起的波長分開的元件。OADM是WDM系統(tǒng)中一個(gè)重要的應(yīng)用元件，其作用是在一個(gè)光導(dǎo)纖維傳送網(wǎng)絡(luò)中塞入/取出(Add-Drop)多個(gè)波長信道；置OADM于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)處，控制不同波長信道的光信號傳至適當(dāng)?shù)奈恢肹8]。

OXC設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)上重要的匯接點(diǎn)，匯集各方不同波長的輸入，再將各信號以適當(dāng)?shù)牟ㄩL輸送至合適的光導(dǎo)纖維中[9]。它可提供光導(dǎo)纖維切換(連接不同光導(dǎo)纖維，波長不轉(zhuǎn)換)、波長切換(連接不同光導(dǎo)纖維，波長經(jīng)轉(zhuǎn)換)及波長轉(zhuǎn)換(輸出至同一光導(dǎo)纖維，波長經(jīng)轉(zhuǎn)換)3種切換功能。OXC并提供由恢復(fù)、波長管理及話務(wù)彈性調(diào)度。單模光纖的傳輸譜分為4個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(fù)用通路數(shù)

復(fù)用通路數(shù)是指波分復(fù)用器件能進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)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(guān)。顯然復(fù)用通路數(shù)越多越好，復(fù)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(fù)用器件的最大復(fù)用通路數(shù)也不相同，常見的復(fù)用通路數(shù)有1、8、16、32、40、48等[11]。

2.2 插入損耗

波分復(fù)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(fù)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(shè)波分復(fù)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(dǎo)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(shí)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(yuǎn)端串?dāng)_，它是波分復(fù)用器本身對其各復(fù)用光通路信號的彼此隔離程度。通路的隔離度越高，波分復(fù)用器件的選頻特性就越好；它的串?dāng)_抑制比也越大，各復(fù)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(fù)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(guān)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(guān)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(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[14]。

3 WDM光纖通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)WDM光纖通信實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)出波分復(fù)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖，如圖2所示。結(jié)合自主設(shè)計(jì)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(fù)用傳輸

(b) 雙數(shù)字的CMI碼波分復(fù)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(fù)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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

通過2個(gè)FC-FC波分復(fù)用器、5個(gè)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(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，光纖傳輸?shù)陌l(fā)射和接收電路需要學(xué)生自己設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試電路。在前期的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中，要求學(xué)生熟練識別常用元器件，設(shè)計(jì)電路圖，印制電路板，焊接和調(diào)試電路。根據(jù)圖2所示原理框圖，連接實(shí)驗(yàn)電路，通過連接器完成光纖傳輸電路和波分復(fù)用器件的連接，實(shí)現(xiàn)WDM光纖通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)合示波器和光功率計(jì)測試輸入信號和輸出信號及測試點(diǎn)光功率，通過觀察雙蹤示波器驗(yàn)證WDM光纖通信實(shí)驗(yàn)性能和結(jié)果，并對WDM在光纖通信中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

通過WDM光纖通信實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生了解和掌握波分復(fù)用器件的主要性能參數(shù)和應(yīng)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(gè)光再生器處(光放大器)以足夠低的誤碼率進(jìn)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(jié) 語

學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)和組建WDM 2種不同形式和結(jié)構(gòu)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(biāo)。并且通過實(shí)際動手組建系統(tǒng)及分析系統(tǒng)性能，深刻地認(rèn)識到了WDM技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用形式，激發(fā)起學(xué)生對WDM光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)一步深入研究的興趣。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，了解WDM在高速光通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)和全光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中的廣闊的應(yīng)用。

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·名人名言·

聰明的資質(zhì)、內(nèi)在的干勁、勤奮的工作態(tài)度和堅(jiān)忍不拔的精神。這些都是科學(xué)研究成功所需的其他條件。

——貝費(fèi)里奇