基于WDM 的技術(shù)應(yīng)用與設(shè)計(jì)分析

項(xiàng)秋實(shí)，周澤鑫，馬敬珉，謝東辰

（江蘇師范大學(xué)江蘇圣理工學(xué)院中俄學(xué)院 江蘇 徐州 221000）

0 引言

縱觀近代的通信發(fā)展史，較為成熟的通信方式主要有電通信、光通信兩種。 自1880 年Bell 發(fā)明光電話以后，人類便有了“光通信”的概念。 1966 年7 月，高錕［1］首次發(fā)表有關(guān)光纖通信的論文，從理論上分析證明使用光纖作為傳輸介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)光通信的可能性。 至此，光纖通信技術(shù)在他的預(yù)言下迅速發(fā)展，成為現(xiàn)代通信的主要方式。 隨著互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代的到來，信息技術(shù)發(fā)展迅速。 然而，互聯(lián)網(wǎng)的流量增速已經(jīng)極大超越了光纖傳輸?shù)牧髁吭鏊伲缃袼褂玫摹肮饫w”也即將消耗殆盡。 因此，提高光纖通信傳輸容量、傳輸速率的需求刻不容緩。

波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度小、成本低，具有較高的性價(jià)比，是目前增加光纖通信傳輸容量最有效的方式之一，憑借大容量、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代光纖通信中得到廣泛應(yīng)用。

1 光纖與多信道復(fù)用技術(shù)

1.1 光纖概述

從光纖通信的發(fā)展來看，所應(yīng)用的技術(shù)都與光纖密切相關(guān)。 利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號的通信方式就是光纖通信。 光纖是光導(dǎo)纖維，同時(shí)又叫作介質(zhì)圓波導(dǎo)，是光纖通信技術(shù)的重要產(chǎn)物。 它的典型結(jié)構(gòu)為多層同軸圓柱體，主要由折射率較高的纖芯與折射率較低的包層組成，最外面一層起到保護(hù)作用涂覆層。 因此，由外而內(nèi)依次為涂覆層、包層、纖芯。 如圖1 所示。

圖1 光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)

光導(dǎo)纖維由高純二氧化硅組成，也就是常說的石英玻璃。 光纖通信主要發(fā)生在近紅外區(qū)，波長范圍0.8 ～1.8 μm，對應(yīng)的頻率170 ～400 THz 之間。 纖維的直徑隨光纖的種類而變化，一般處于1～100 μm 之間。

按照光纖中的傳導(dǎo)模式數(shù)量的不同，光纖可分為單模光纖與多模光纖。 由于單模光纖具有內(nèi)部損耗低、帶寬大、易于升級擴(kuò)容和成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。隨著對光纖內(nèi)部損耗的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)波長范圍在1 310 ～1 550 nm 之間的光纖損耗更小，更適合應(yīng)用于波分復(fù)用技術(shù)中。

1.2 多信道復(fù)用技術(shù)

光波具有巨大的可用帶寬，理論上高達(dá)200 nm。 利用光纖的頻帶資源，可以提高信道的傳輸容量。 而多信道復(fù)用技術(shù)，解決了光波承載信息容量的問題。 常用的多信道復(fù)用技術(shù)有很多種，具體如表1 所示。

表1 常見的多信道復(fù)用技術(shù)

由此可見，OWDM 技術(shù)更具有靈活性與兼容性，同時(shí)滿足了大容量傳輸信息通信的要求，在現(xiàn)代光纖通信技術(shù)中起到至關(guān)重要的作用。

2 波分復(fù)用技術(shù)的原理及構(gòu)成

2.1 波分復(fù)用技術(shù)原理

光的波分復(fù)用是指將攜帶各種信息的不同波長的載波信號，在發(fā)射端光被波分復(fù)用器耦合到同一光纖中傳輸，再經(jīng)過光放大器的放大操作將信號傳送到接收端，最終經(jīng)過解復(fù)用器分解操作，還原光信號的過程。

WDM 的工作原理如圖2 所示。

圖2 WDM 的工作原理圖

圖2 （a）為光的波分復(fù)用發(fā)送端。 它由若干光發(fā)射機(jī)、若干不同波長的載波光信號、光復(fù)用器、光纖以及光放大器組成。 光發(fā)射機(jī)作為光端機(jī)的一種，大多數(shù)采用直接調(diào)制的方法。 它的作用是將電端機(jī)送來的電信號調(diào)制成相應(yīng)的光信號送入光纖中傳輸。 目前我國的光發(fā)射端機(jī)的性能要求為入纖光功率要在0.01～10 mW 之間，穩(wěn)定性為5%～10%，消光比一般小于0.1。 其中，消光比的定義如式（1）所示：

光復(fù)用器用來匯合由不同光端機(jī)發(fā)射而來的光波信號，同時(shí)將它們耦合到光纖線路中進(jìn)行傳輸。 光放大器的作用是對光纖通信系統(tǒng)中的光信號進(jìn)行放大。 它的工作原理是基于激光的受激輻射，通過將泵浦光的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柟獾哪芰繉?shí)現(xiàn)放大作用。

圖2（b）為光的波分復(fù)用接收端。 它由與光發(fā)射機(jī)相同數(shù)量的光接收機(jī)、載波光信號、解復(fù)用器組成。 其中，光解復(fù)用器用來分解經(jīng)過放大器放大處理后的耦合信號，將它們傳輸?shù)綄?yīng)的光接收機(jī)中進(jìn)行信號的接收處理。 光接收機(jī)是一種電光轉(zhuǎn)換設(shè)備，在光纖通信系統(tǒng)中，常被用來將經(jīng)過光纖傳輸?shù)墓庑盘栠€原為電信號輸出。 基本原理為光信號進(jìn)入光電檢測器時(shí)，產(chǎn)生一種感光電流。 感光電流在經(jīng)過放大器的放大處理后，使得通過的電流被放大，具有足夠的能量來抵抗傳輸線路中的噪聲和損耗。 信號會被濾波器過濾以消除傳輸中的雜散信號，從而得到干凈的來源信號，經(jīng)數(shù)據(jù)恢復(fù)處理后，得到所需要的電信號［2］。

2.2 波分復(fù)用系統(tǒng)的性能分析

波分復(fù)用器和解復(fù)用器是組成波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。 它們的性能在很大程度上決定著WDM 系統(tǒng)的質(zhì)量。 影響光波分復(fù)用器和解復(fù)用器性能好壞的指標(biāo)主要有插入損耗、回波損耗及偏振損耗等。 常用的幾種光復(fù)用器、解復(fù)用器如表2 所示。

表2 常用光復(fù)用器／解復(fù)用器

一個(gè)WDM 系統(tǒng)性能的好壞由以下幾個(gè)特性決定：損耗特性、色散特性、非線性效應(yīng)、信噪比大小。 通常，對于一個(gè)波分復(fù)用系統(tǒng)是否合格有兩種評估方式。

（1）系統(tǒng)光信噪比評估法

系統(tǒng)接收端的光信噪比（optical signal noise ratio，OSNR）與光信號的輸入功率（信號入纖功率）、光纖的跨段損耗、放大器的噪聲系數(shù)和傳輸?shù)目缍螖?shù)有關(guān)，它們之間的關(guān)系如式（2）所示：

式（2）中，Pm為信號光輸入功率；L為跨段損耗；NF為放大器的噪聲系數(shù)；N為總的跨段數(shù)。

（2）系統(tǒng)非線性代價(jià)評估

提高信號光的輸入功率會引起光纖的非線性效應(yīng)，非線性代價(jià)的大小是評估系統(tǒng)好壞的重要方式，是影響系統(tǒng)性能的重要限制因素［3］。

3 波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 WDM 的應(yīng)用分析

通信方式按照方向劃分，有單工、半雙工、全雙工通信三種形式。 而WDM 從傳輸方向來講，也有雙纖單向、單纖雙向兩種應(yīng)用形式。 雙纖單向，是指使用兩根光纖，分別負(fù)責(zé)一個(gè)方向的所有波長信號傳輸；而單纖雙向，是指只使用一根光導(dǎo)纖維，負(fù)責(zé)兩個(gè)方向上所有波長信號的傳輸工作［4］。 具體如圖3 所示。

圖3 WDM 應(yīng)用形式

兩種形式的傳輸方式所使用的光纖、光放大器數(shù)量各不相同。 單纖雙向WDM 相較于雙纖單向而言，減少了光纖的使用數(shù)量，降低了成本。 為了降低整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性，常常在單纖雙向WDM 中增加光電隔離器，從另一方面增加了成本。

WDM 是指在同一根光纖中，同時(shí)讓兩個(gè)或者兩個(gè)以上的光波長信號通過不同光信道分別傳輸信息，該技術(shù)手段切實(shí)符合當(dāng)代通信的需要［5］。 在光纖通信中，每個(gè)信道中的噪聲如若得不到及時(shí)消除就會積累起來，此現(xiàn)象將會影響光導(dǎo)纖維的使用壽命和信號的傳輸質(zhì)量，低效率的信號傳輸和低質(zhì)量的光纖使用壽命使得通信成本大大增加。而WDM 技術(shù)則可以有效緩解此現(xiàn)象。 綜合來看，采用WDM 的光纖通信系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)［6］：

（1）充分利用光纖帶寬。

（2）有效減少噪聲干擾。

（3）同時(shí)傳輸多種波長信號。

（4）降低成本，節(jié)約資源。

3.2 WDM 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

一個(gè)完整的WDM 系統(tǒng)是由光纖、光端機(jī)、光中繼設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備以及管理系統(tǒng)組成。 為充分利用單模光纖低損耗帶來的巨大帶寬，可以根據(jù)載波信號的波長的不同將光纖的低損耗窗口劃分成多個(gè)信道，由于不同波長的載波信號可以看作是相互獨(dú)立的，因此可以在一根光纖中實(shí)現(xiàn)多路光信號的傳輸［7］。 目前使用最多且最具研究價(jià)值的波分復(fù)用系統(tǒng)多采用雙纖單向結(jié)構(gòu)。 具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 WDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在WDM 的發(fā)射端采用傳統(tǒng)的光轉(zhuǎn)發(fā)器（optical transponder unit，OTU）技術(shù)。 光轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)是光波分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)之一［8］。 在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅可以在光發(fā)送端設(shè)置光轉(zhuǎn)換器，也可以在光放大、光接收部分使用。 傳統(tǒng)的光波長轉(zhuǎn)換器技術(shù)采用光—電—光的調(diào)制方式［9］。 光轉(zhuǎn)發(fā)器調(diào)制技術(shù)具有較小的傳輸損耗，同時(shí)保障了傳輸信號的質(zhì)量。 但是，煩瑣的光—電—光轉(zhuǎn)換會影響系統(tǒng)的傳輸速率，降低了光纖通信的效率。

光學(xué)調(diào)制器作為重要的光無源集成器件，被廣泛地運(yùn)用于光通信中。 相較于電光、聲光調(diào)制，全光調(diào)制可以通過一束光控制另外一束光來克服對調(diào)制速率的限制，避免了煩瑣的電—光—電信號的轉(zhuǎn)換過程，無論從信號的衰減還是傳輸速率來看，都明顯優(yōu)于其他幾種光調(diào)制的方法。因此，在今后的WDM 系統(tǒng)中可以采用一種基于光—光轉(zhuǎn)換的全光調(diào)制器。 該新型調(diào)制轉(zhuǎn)換器可以避免光—電—光的轉(zhuǎn)換，具有較小的響應(yīng)時(shí)間、較快的傳輸速率以及較小的傳輸損耗。 憑借全光的調(diào)制優(yōu)勢，WDM 系統(tǒng)可以更高效地傳輸信號，滿足現(xiàn)代通信的需要。

4 結(jié)語

綜上所述，波分復(fù)用技術(shù)支持大容量、低損耗、高速率的通信，符合現(xiàn)代通信的需要，具有極高的研究價(jià)值。 本文簡要闡述了WDM 系統(tǒng)的基本原理，設(shè)計(jì)并分析了光波分復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖。 同時(shí)對系統(tǒng)中的元器件提出修改與優(yōu)化的建議，為超大容量通信的發(fā)展提供理論依據(jù)與參考。