光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)原理及結(jié)構(gòu)分析

簡(jiǎn)要介紹光波分復(fù)用系統(tǒng)的基本原理、結(jié)構(gòu)組成、功能配置、關(guān)鍵技術(shù)部件和技術(shù)特點(diǎn)，說(shuō)明光波分復(fù)用WDM系統(tǒng)是今后光通信發(fā)展的方向。
　　　　一、光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)
　　光波分復(fù)用（Wavelength?Division?Multiplexing，WDM）技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)同時(shí)多個(gè)波長(zhǎng)的光載波信號(hào)，而每個(gè)光載波可以通過(guò)FDM或TDM方式，各自承載多路模擬或多路數(shù)字信號(hào)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將這些組合在一起的不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開（解復(fù)用），并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。
　　WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容升級(jí)，發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)，挖掘光纖帶寬能力，實(shí)現(xiàn)超高速通信等均具有十分重要的意義，尤其是加上摻鉺光纖放大器（EDFA）的WDM對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)更具有強(qiáng)大的吸引力。
　　二、WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成
　　WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要分雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸兩種方式。單向WDM是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送，在發(fā)送端將載有各種信息的具有不同波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)通過(guò)光延長(zhǎng)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸，由于各信號(hào)是通過(guò)不同波長(zhǎng)的光攜帶的，所以彼此間不會(huì)混淆，在接收端通過(guò)光的復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開，完成多路光信號(hào)的傳輸，而反方向則通過(guò)另一根光纖傳送。雙向WDM是指光通路在一要光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸，所用的波長(zhǎng)相互分開，以實(shí)現(xiàn)彼此雙方全雙工的通信聯(lián)絡(luò)。目前單向的WDM系統(tǒng)?在開發(fā)和應(yīng)用方面都比較廣泛，而雙向WDM由于在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)受各通道干擾、光反射影響、雙向通路間的隔離和串話等因素的影響，目前實(shí)際應(yīng)用較少。
　　三、雙纖單向WDM系統(tǒng)的組成
　　以雙纖單向WDM系統(tǒng)為例，一般而言，WDM系統(tǒng)主要由以下5部分組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大器、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。
　　1.光發(fā)射機(jī)
　　光發(fā)射機(jī)是WDM系統(tǒng)的核心，除了對(duì)WDM系統(tǒng)中發(fā)射激光器的中心波長(zhǎng)有特殊的要求外，還應(yīng)根據(jù)WDM系統(tǒng)的不同應(yīng)用（主要是傳輸光纖的類型和傳輸距離）來(lái)選擇具有一定色度色散容量的發(fā)射機(jī)。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備輸出的光信號(hào)利用光轉(zhuǎn)發(fā)器把非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的信號(hào)，再利用合波器合成多通路光信號(hào)，通過(guò)光功率放大器（BA）放大輸出。
　　2.光中繼放大器
　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離（80~120km）光纖傳輸后，需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光中繼放大，目前使用的光放大器多數(shù)為摻鉺光纖光放大器（EDFA）。在WDM系統(tǒng)中必須采用增益平坦技術(shù)，使EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有相同的放大增益，并保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)不影響傳輸性能。
　　3.光接收機(jī)
　　在接收端，光前置放大器（PA）放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道信號(hào)，采用分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信道，接收機(jī)不但要滿足對(duì)光信號(hào)靈敏度、過(guò)載功率等參數(shù)的要求，還要能承受一定光噪聲的信號(hào)，要有足夠的電帶寬性能。
　　4.光監(jiān)控信道
　　光監(jiān)控信道的主要功能是監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況。在發(fā)送端插入本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λs（1550nm）的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出。在接收端，將接收到的光信號(hào)分波，分別輸出λs（1550nm）波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管使用的開銷字節(jié)都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳遞的。
　　5.網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)
　　網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)光監(jiān)控信道傳送開銷字節(jié)到其他節(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能。
　　四、光波分復(fù)用器和解復(fù)用器
　　在整個(gè)WDM系統(tǒng)中，光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量具有決定性作用。將不同光源波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根傳輸光纖輸出的器件稱為復(fù)用器；反之，將同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為個(gè)別波長(zhǎng)分別輸出的器件稱為解復(fù)用器。從原理上說(shuō)，該器件是互易（雙向可逆）的，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。光波分復(fù)用器性能指標(biāo)主要有接入損耗和串?dāng)_，要求損耗及頻偏要小，接入損耗要小于1.0~2.5db，信道間的串?dāng)_小，隔離度大，不同波長(zhǎng)信號(hào)間影響小。 在目前實(shí)際應(yīng)用的WDM系統(tǒng)中，主要有光柵型光波分復(fù)用器和介質(zhì)膜濾波器型光波分復(fù)用器。
　　1.光柵型光波分復(fù)用器
　　閃耀光柵是在一塊能夠透射或反射的平面上刻劃平等且等距的槽痕，其刻槽具有小階梯似的形狀。當(dāng)含有多波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)光柵產(chǎn)生衍射時(shí)，不同波長(zhǎng)成分的光信號(hào)將以不同的角度射出。當(dāng)光纖中的光信號(hào)經(jīng)透鏡以平行光束射向閃耀光柵時(shí)，由于光柵的衍射作用，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)以方向略有差異的各種平行光返回透鏡傳輸，再經(jīng)透鏡聚焦后，以一定規(guī)律分別注入輸出光纖，從而將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分別以不同的光纖傳輸，達(dá)到解復(fù)用的目的。根據(jù)互易原理，將光波分復(fù)用輸入和輸出互換即可達(dá)到復(fù)用的目的。
　　2.介質(zhì)膜濾波器型光波分復(fù)用器
　　目前WDM系統(tǒng)工作在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)，在一對(duì)光纖上（也可用單光纖）構(gòu)成光通信系統(tǒng)。其波長(zhǎng)與光纖損耗的關(guān)系見圖4。每個(gè)波長(zhǎng)之間為1.6nm、0.8nm或更窄的間隔，對(duì)應(yīng)200GHz、100GHz或更窄的帶寬。
　　五、WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)
　　1.充分利用光纖的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍到幾十倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　2.由于WDM技術(shù)中使用的各波長(zhǎng)相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號(hào)，完成各種信號(hào)的綜合和分離，實(shí)現(xiàn)多媒體信號(hào)混合傳輸。
　　3.由于許多通信都采用全雙式方式，因此采用WDM技術(shù)可節(jié)省大量線路投資。
　　4.根據(jù)需要，WDM技術(shù)可以有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線網(wǎng)、廣播式分配網(wǎng)絡(luò)，多路多地局域網(wǎng)等，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用十分重要。
　　5.隨著傳輸速率不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度明顯不足，使用WDM技術(shù)可以降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。
　　6.利用WDM技術(shù)選路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和恢復(fù)。