WDM在光纤通信实验中的设计与实现

杨 东， 蒋华勤

(黄河科技学院 嵌入式系统应用技术实验室， 河南 郑州 450063)

0 引 言

波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术从光纤通信开始就出现了，两波长WDM(1 310/1 550 nm)系统20世纪80年代就在美国AT&T通信网中使用。随着WDM和掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Ampdifier,EDOFA)的迅速实用化, 为高速率、大容量信息的长距离传输提供了便于实现的方案, 使通信网的传输容量极大地提升。而传输容量的提升又给交换节点(Optical Cross-Connection,OXC)带来巨大的压力和急需研究的动力，从而激发了以波长路由为基础的全光通信网的发展[1]。WDM 技术在提高传输能力的同时，还有强大、灵活的联网优势, 可以形成具有高度灵活性和生存性的全光网络[2]。可以说，WDM 对整个通信网产生长期、深远的影响。

基于WDM技术的广泛应用和需求，为本科生“光纤通信”实验课中增加WDM光纤通信传输系统实验是非常必要的。可以让学生掌握了WDM的理论基础的同时把理论技术实用化，结合实验设计，熟练掌握WDM在光纤通信系统中的应用。不仅拓展了学生的视野，还为学生今后进一步的研究打坚实的基础。

1 WDM基本原理

在一根光纤内同时传送几个不同波长的光信号的通信方式叫做WDM，采用WDM技术，只要在发送端和接收端增加少量的合波、分波设备，就可以大幅度增加光纤的传输容量，提高经济效益[3]。对于已经铺设的光缆，采用WDM技术也可实现多路传输，起到降低成本和扩充容量的作用[4]。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大的带宽资源，根据每一信道光波的频率(或波长)不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端由各复用通路的光源A1，A2，…，An分别发出具有不同标称波长的光信号：λ1、λ2、…，λn，采用波分复用器(合波器)将不同波长的光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接收端，再由一波分复用器(分波器) 分别输入到相应的各复用通路光接收机检波信号A1，A2，…，An中，将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输，同时把光纤的传输容量扩大几倍甚至几十倍[5]。波分复用系统原理图如图1所示。

图1 WDM原理图

完整的WDM系统由以下两类组成：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的应用，如光塞/取多工器(Optical Add /Drop Multiplexer，OADM)、光交换链接器(Optical Cross Conncets，OXC)[6]。

EDOFA是WDM系统中最重要的元件之一，不需要经光电转换便可放大光能量。在EDOFA的制造上是以常规石英系光纤为母材掺进铒离子，由于铒离子的掺入，提供了一个1 550 nm的能带，使得原本的信号和高功率泵激激光(波长980 nm或1 480 nm，功率10～1 500 mW)得以提高光信号的强度，而不需将光信号转换成电信号之后才能放大[7]。

Mux/DeMux是WDM系统中不可或缺的两种元件。也就是我们常说的复用、解复用器。DWDM使光导纤维网络能同时传送多个波长的信号，而Mux则是负责将多个波长汇集在一起的；DeMux则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。OADM是WDM系统中一个重要的应用元件，其作用是在一个光导纤维传送网络中塞入/取出(Add-Drop)多个波长信道；置OADM于网络的结点处，控制不同波长信道的光信号传至适当的位置[8]。

OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各信号以适当的波长输送至合适的光导纤维中[9]。它可提供光导纤维切换(连接不同光导纤维，波长不转换)、波长切换(连接不同光导纤维，波长经转换)及波长转换(输出至同一光导纤维，波长经转换)3种切换功能。OXC并提供由恢复、波长管理及话务弹性调度。单模光纤的传输谱分为4个窗口；① 770～910 nm，简称为850nm窗口，也称为第一波段；② 1 280～1 350 nm，简称为1 310 nm窗口，也称为第二波段； ③ 1 530～1 560 nm，简称为1 550 nm窗口，也称为第三波段或C波段； ④ 1 560～1 620 nm，简称为第四波段或L波段； ⑤ 1 350～1 530 nm，简称为第五波段[10]。考虑到单模光纤在1 310 nm附近具有最低色散，且在1 550 nm波长处具有最低损耗，实验设计采用1 310/1 550 nm波段传输。

2 WDM器件的主要性能参数

2.1 复用通路数

复用通路数是指波分复用器件能进行复用与解复用的光通路数量，它与器件的分辨率、隔离度等参数密切相关。显然复用通路数越多越好，复用通路数越多，WDM系统的传输容量会可能会越大，但受分辨率、隔离度等性能的影响，不同类型波分复用器件的最大复用通路数也不相同，常见的复用通路数有1、8、16、32、40、48等[11]。

2.2 插入损耗

波分复用器件本身对光信号有衰减作用，器件输入端口与输出端口的光功率之比定义为插入损耗，如下式：

(1)

其中：Pi为发送到输入端口的光功率；Po为从输出端口接收到的光功率。

波分复用器件的插入损耗对WDM系统的传输距离起着十分重要的影响。假设波分复用器件的插损值为5 dB，那么合、分波器加在一起就是10 dB，导致传输系统在1 550 nm波长区的再生传输距离，可能会从80 km减少到40 km左右，这样短的传输距离是很难满足实际工程的传输需求。一般规定插入损耗要小于10 dB，性能良好的可保持在5 dB以下[12]。

2.3 隔离度

波长隔离度又叫远端串扰，它是波分复用器本身对其各复用光通路信号的彼此隔离程度。通路的隔离度越高，波分复用器件的选频特性就越好；它的串扰抑制比也越大，各复用光通路之间的相互干扰影响也就会越小[13]。

2.4 反射系数

在波分复用器件的输入端，反射光功率与入射光功率之比称为反射，如下式所示：

(2)

其中：Pr为输入端的反射光功率；Pi为输入端的入射光功率。通常情况下，要求器件的反射小于-40 dB。

2.5 偏振相关损耗

因光波的偏振态变化而造成的插入损耗的最大变化值，叫作偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss, PDL)。光是频率极高的电磁波，所以存在着波的振动方向问题(偏振)。输入到波分复用器件中的各复用通路光信号，其偏振态不可能完全一致，而同一波分复用器件对不同偏振态的光波，其衰减作用也略有不同，其值越小越好[14]。

3 WDM光纤通信实验设计

根据WDM光纤通信实验要求，设计出波分复用系统实验框图，如图2所示。结合自主设计的1 310/1 550 nm光纤通信传输系统发射电路和接收电路如图3所示。根据图2，利用FC-FC连接器(法兰盘)完成光纤发射电路、接收电路和WDM器件的连接。

(a) 模拟信号、数字信号的波分复用传输

(b) 双数字的CMI码波分复用传输

通过电路中的驻极体话筒，送入语音或视频模拟信号；通过拨动8位数码管产生数字信号。波分复用器的分波信号和合波信号分别通过光纤传输系统的发送和接收电路，使用FC-FC连接器(法兰盘)，把光纤通信系统发送信号送入到WDM的合波端口，经过长距离传输之后，再把不同波长信号通过WDM分波端口输出[15]。

(a) 光纤传输发射电路

(b) 光纤传输接收电路

4 WDM光纤通信实验实现

通过2个FC-FC波分复用器、5个FC-FC连接器，1 310/1 550 nm光纤传输发射、接收电路各2套，组建WDM光纤通信实验。该实验的设计为综合性创新实验，光纤传输的发射和接收电路需要学生自己设计、焊接和调试电路。在前期的实验准备中，要求学生熟练识别常用元器件，设计电路图，印制电路板，焊接和调试电路。根据图2所示原理框图，连接实验电路，通过连接器完成光纤传输电路和波分复用器件的连接，实现WDM光纤通信实验设计。结合示波器和光功率计测试输入信号和输出信号及测试点光功率，通过观察双踪示波器验证WDM光纤通信实验性能和结果，并对WDM在光纤通信中的应用进行分析。

通过WDM光纤通信实验的设计，让学生了解和掌握波分复用器件的主要性能参数和应用。对于作为线路放大器(LA)的WDM光纤传输系统，光监控通路在每个光再生器处(光放大器)以足够低的误码率进行分插。对于作为EDOFA的WDM光纤传输系统，由于EDFA的增益区为1530～1565 nm，所以光监控通路工作波长必须位于EDOFA有用增益带宽外面。

5 结 语

学生通过自主设计和组建WDM 2种不同形式和结构的传输系统，初步了解了WDM传输系统的工作原理、基本形式及性能指标。并且通过实际动手组建系统及分析系统性能，深刻地认识到了WDM技术的实际应用形式，激发起学生对WDM光纤传输系统进一步深入研究的兴趣。学生通过实验设计和实现，了解WDM在高速光通信系统、接入网和全光网络等领域中的广阔的应用。

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·名人名言·

聪明的资质、内在的干劲、勤奋的工作态度和坚忍不拔的精神。这些都是科学研究成功所需的其他条件。

——贝费里奇