基于WDM 的技術應用與設計分析

項秋實，周澤鑫，馬敬珉，謝東辰

（江蘇師范大學江蘇圣理工學院中俄學院 江蘇 徐州 221000）

0 引言

縱觀近代的通信發展史，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］首次發表有關光纖通信的論文，從理論上分析證明使用光纖作為傳輸介質以實現光通信的可能性。 至此，光纖通信技術在他的預言下迅速發展，成為現代通信的主要方式。 隨著互聯網信息時代的到來，信息技術發展迅速。 然而，互聯網的流量增速已經極大超越了光纖傳輸的流量增速，如今所使用的“光纖”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。

波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）技術實現難度小、成本低，具有較高的性價比，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、組網靈活等優點，在現代光纖通信中得到廣泛應用。

1 光纖與多信道復用技術

1.1 光纖概述

從光纖通信的發展來看，所應用的技術都與光纖密切相關。 利用光導纖維傳輸光波信號的通信方式就是光纖通信。 光纖是光導纖維，同時又叫作介質圓波導，是光纖通信技術的重要產物。 它的典型結構為多層同軸圓柱體，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作用涂覆層。 因此，由外而內依次為涂覆層、包層、纖芯。 如圖1 所示。

圖1 光導纖維結構

光導纖維由高純二氧化硅組成，也就是常說的石英玻璃。 光纖通信主要發生在近紅外區，波長范圍0.8 ～1.8 μm，對應的頻率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。

按照光纖中的傳導模式數量的不同，光纖可分為單模光纖與多模光纖。 由于單模光纖具有內部損耗低、帶寬大、易于升級擴容和成本低的優點，因而得到了廣泛應用。隨著對光纖內部損耗的進一步研究，發現波長范圍在1 310 ～1 550 nm 之間的光纖損耗更小，更適合應用于波分復用技術中。

1.2 多信道復用技術

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

表1 常見的多信道復用技術

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

2 波分復用技術的原理及構成

2.1 波分復用技術原理

光的波分復用是指將攜帶各種信息的不同波長的載波信號，在發射端光被波分復用器耦合到同一光纖中傳輸，再經過光放大器的放大操作將信號傳送到接收端，最終經過解復用器分解操作，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）為光的波分復用發送端。 它由若干光發射機、若干不同波長的載波光信號、光復用器、光纖以及光放大器組成。 光發射機作為光端機的一種，大多數采用直接調制的方法。 它的作用是將電端機送來的電信號調制成相應的光信號送入光纖中傳輸。 目前我國的光發射端機的性能要求為入纖光功率要在0.01～10 mW 之間，穩定性為5%～10%，消光比一般小于0.1。 其中，消光比的定義如式（1）所示：

光復用器用來匯合由不同光端機發射而來的光波信號，同時將它們耦合到光纖線路中進行傳輸。 光放大器的作用是對光纖通信系統中的光信號進行放大。 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變為信號光的能量實現放大作用。

圖2（b）為光的波分復用接收端。 它由與光發射機相同數量的光接收機、載波光信號、解復用器組成。 其中，光解復用器用來分解經過放大器放大處理后的耦合信號，將它們傳輸到對應的光接收機中進行信號的接收處理。 光接收機是一種電光轉換設備，在光纖通信系統中，常被用來將經過光纖傳輸的光信號還原為電信號輸出。 基本原理為光信號進入光電檢測器時，產生一種感光電流。 感光電流在經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，經數據恢復處理后，得到所需要的電信號［2］。

2.2 波分復用系統的性能分析

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

表2 常用光復用器／解復用器

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

（1）系統光信噪比評估法

系統接收端的光信噪比（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、放大器的噪聲系數和傳輸的跨段數有關，它們之間的關系如式（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；N為總的跨段數。

（2）系統非線性代價評估

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

3 波分復用技術的應用設計

3.1 WDM 的應用分析

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、單纖雙向兩種應用形式。 雙纖單向，是指使用兩根光纖，分別負責一個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纖維，負責兩個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 應用形式

兩種形式的傳輸方式所使用的光纖、光放大器數量各不相同。 單纖雙向WDM 相較于雙纖單向而言，減少了光纖的使用數量，降低了成本。 為了降低整個系統的抗干擾性，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，同時讓兩個或者兩個以上的光波長信號通過不同光信道分別傳輸信息，該技術手段切實符合當代通信的需要［5］。 在光纖通信中，每個信道中的噪聲如若得不到及時消除就會積累起來，此現象將會影響光導纖維的使用壽命和信號的傳輸質量，低效率的信號傳輸和低質量的光纖使用壽命使得通信成本大大增加。而WDM 技術則可以有效緩解此現象。 綜合來看，采用WDM 的光纖通信系統具有以下幾個特點［6］：

（1）充分利用光纖帶寬。

（2）有效減少噪聲干擾。

（3）同時傳輸多種波長信號。

（4）降低成本，節約資源。

3.2 WDM 的系統設計分析

一個完整的WDM 系統是由光纖、光端機、光中繼設備、監測設備以及管理系統組成。 為充分利用單模光纖低損耗帶來的巨大帶寬，可以根據載波信號的波長的不同將光纖的低損耗窗口劃分成多個信道，由于不同波長的載波信號可以看作是相互獨立的，因此可以在一根光纖中實現多路光信號的傳輸［7］。 目前使用最多且最具研究價值的波分復用系統多采用雙纖單向結構。 具體系統設計如圖4 所示。

圖4 WDM 系統結構

在WDM 的發射端采用傳統的光轉發器（optical transponder unit，OTU）技術。 光轉發器技術是光波分復用的關鍵技術之一［8］。 在設計時，不僅可以在光發送端設置光轉換器，也可以在光放大、光接收部分使用。 傳統的光波長轉換器技術采用光—電—光的調制方式［9］。 光轉發器調制技術具有較小的傳輸損耗，同時保障了傳輸信號的質量。 但是，煩瑣的光—電—光轉換會影響系統的傳輸速率，降低了光纖通信的效率。

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

4 結語

綜上所述，波分復用技術支持大容量、低損耗、高速率的通信，符合現代通信的需要，具有極高的研究價值。 本文簡要闡述了WDM 系統的基本原理，設計并分析了光波分復用技術的系統工作結構圖。 同時對系統中的元器件提出修改與優化的建議，為超大容量通信的發展提供理論依據與參考。