基于WDM 的技术应用与设计分析

项秋实，周泽鑫，马敬珉，谢东辰

（江苏师范大学江苏圣理工学院中俄学院 江苏 徐州 221000）

0 引言

纵观近代的通信发展史，较为成熟的通信方式主要有电通信、光通信两种。 自1880 年Bell 发明光电话以后，人类便有了“光通信”的概念。 1966 年7 月，高锟［1］首次发表有关光纤通信的论文，从理论上分析证明使用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。 至此，光纤通信技术在他的预言下迅速发展，成为现代通信的主要方式。 随着互联网信息时代的到来，信息技术发展迅速。 然而，互联网的流量增速已经极大超越了光纤传输的流量增速，如今所使用的“光纤”也即将消耗殆尽。 因此，提高光纤通信传输容量、传输速率的需求刻不容缓。

波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）技术实现难度小、成本低，具有较高的性价比，是目前增加光纤通信传输容量最有效的方式之一，凭借大容量、组网灵活等优点，在现代光纤通信中得到广泛应用。

1 光纤与多信道复用技术

1.1 光纤概述

从光纤通信的发展来看，所应用的技术都与光纤密切相关。 利用光导纤维传输光波信号的通信方式就是光纤通信。 光纤是光导纤维，同时又叫作介质圆波导，是光纤通信技术的重要产物。 它的典型结构为多层同轴圆柱体，主要由折射率较高的纤芯与折射率较低的包层组成，最外面一层起到保护作用涂覆层。 因此，由外而内依次为涂覆层、包层、纤芯。 如图1 所示。

图1 光导纤维结构

光导纤维由高纯二氧化硅组成，也就是常说的石英玻璃。 光纤通信主要发生在近红外区，波长范围0.8 ～1.8 μm，对应的频率170 ～400 THz 之间。 纤维的直径随光纤的种类而变化，一般处于1～100 μm 之间。

按照光纤中的传导模式数量的不同，光纤可分为单模光纤与多模光纤。 由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，因而得到了广泛应用。随着对光纤内部损耗的进一步研究，发现波长范围在1 310 ～1 550 nm 之间的光纤损耗更小，更适合应用于波分复用技术中。

1.2 多信道复用技术

光波具有巨大的可用带宽，理论上高达200 nm。 利用光纤的频带资源，可以提高信道的传输容量。 而多信道复用技术，解决了光波承载信息容量的问题。 常用的多信道复用技术有很多种，具体如表1 所示。

表1 常见的多信道复用技术

由此可见，OWDM 技术更具有灵活性与兼容性，同时满足了大容量传输信息通信的要求，在现代光纤通信技术中起到至关重要的作用。

2 波分复用技术的原理及构成

2.1 波分复用技术原理

光的波分复用是指将携带各种信息的不同波长的载波信号，在发射端光被波分复用器耦合到同一光纤中传输，再经过光放大器的放大操作将信号传送到接收端，最终经过解复用器分解操作，还原光信号的过程。

WDM 的工作原理如图2 所示。

图2 WDM 的工作原理图

图2 （a）为光的波分复用发送端。 它由若干光发射机、若干不同波长的载波光信号、光复用器、光纤以及光放大器组成。 光发射机作为光端机的一种，大多数采用直接调制的方法。 它的作用是将电端机送来的电信号调制成相应的光信号送入光纤中传输。 目前我国的光发射端机的性能要求为入纤光功率要在0.01～10 mW 之间，稳定性为5%～10%，消光比一般小于0.1。 其中，消光比的定义如式（1）所示：

光复用器用来汇合由不同光端机发射而来的光波信号，同时将它们耦合到光纤线路中进行传输。 光放大器的作用是对光纤通信系统中的光信号进行放大。 它的工作原理是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。

图2（b）为光的波分复用接收端。 它由与光发射机相同数量的光接收机、载波光信号、解复用器组成。 其中，光解复用器用来分解经过放大器放大处理后的耦合信号，将它们传输到对应的光接收机中进行信号的接收处理。 光接收机是一种电光转换设备，在光纤通信系统中，常被用来将经过光纤传输的光信号还原为电信号输出。 基本原理为光信号进入光电检测器时，产生一种感光电流。 感光电流在经过放大器的放大处理后，使得通过的电流被放大，具有足够的能量来抵抗传输线路中的噪声和损耗。 信号会被滤波器过滤以消除传输中的杂散信号，从而得到干净的来源信号，经数据恢复处理后，得到所需要的电信号［2］。

2.2 波分复用系统的性能分析

波分复用器和解复用器是组成波分复用系统的关键器件。 它们的性能在很大程度上决定着WDM 系统的质量。 影响光波分复用器和解复用器性能好坏的指标主要有插入损耗、回波损耗及偏振损耗等。 常用的几种光复用器、解复用器如表2 所示。

表2 常用光复用器／解复用器

一个WDM 系统性能的好坏由以下几个特性决定：损耗特性、色散特性、非线性效应、信噪比大小。 通常，对于一个波分复用系统是否合格有两种评估方式。

（1）系统光信噪比评估法

系统接收端的光信噪比（optical signal noise ratio，OSNR）与光信号的输入功率（信号入纤功率）、光纤的跨段损耗、放大器的噪声系数和传输的跨段数有关，它们之间的关系如式（2）所示：

式（2）中，Pm为信号光输入功率；L为跨段损耗；NF为放大器的噪声系数；N为总的跨段数。

（2）系统非线性代价评估

提高信号光的输入功率会引起光纤的非线性效应，非线性代价的大小是评估系统好坏的重要方式，是影响系统性能的重要限制因素［3］。

3 波分复用技术的应用设计

3.1 WDM 的应用分析

通信方式按照方向划分，有单工、半双工、全双工通信三种形式。 而WDM 从传输方向来讲，也有双纤单向、单纤双向两种应用形式。 双纤单向，是指使用两根光纤，分别负责一个方向的所有波长信号传输；而单纤双向，是指只使用一根光导纤维，负责两个方向上所有波长信号的传输工作［4］。 具体如图3 所示。

图3 WDM 应用形式

两种形式的传输方式所使用的光纤、光放大器数量各不相同。 单纤双向WDM 相较于双纤单向而言，减少了光纤的使用数量，降低了成本。 为了降低整个系统的抗干扰性，常常在单纤双向WDM 中增加光电隔离器，从另一方面增加了成本。

WDM 是指在同一根光纤中，同时让两个或者两个以上的光波长信号通过不同光信道分别传输信息，该技术手段切实符合当代通信的需要［5］。 在光纤通信中，每个信道中的噪声如若得不到及时消除就会积累起来，此现象将会影响光导纤维的使用寿命和信号的传输质量，低效率的信号传输和低质量的光纤使用寿命使得通信成本大大增加。而WDM 技术则可以有效缓解此现象。 综合来看，采用WDM 的光纤通信系统具有以下几个特点［6］：

（1）充分利用光纤带宽。

（2）有效减少噪声干扰。

（3）同时传输多种波长信号。

（4）降低成本，节约资源。

3.2 WDM 的系统设计分析

一个完整的WDM 系统是由光纤、光端机、光中继设备、监测设备以及管理系统组成。 为充分利用单模光纤低损耗带来的巨大带宽，可以根据载波信号的波长的不同将光纤的低损耗窗口划分成多个信道，由于不同波长的载波信号可以看作是相互独立的，因此可以在一根光纤中实现多路光信号的传输［7］。 目前使用最多且最具研究价值的波分复用系统多采用双纤单向结构。 具体系统设计如图4 所示。

图4 WDM 系统结构

在WDM 的发射端采用传统的光转发器（optical transponder unit，OTU）技术。 光转发器技术是光波分复用的关键技术之一［8］。 在设计时，不仅可以在光发送端设置光转换器，也可以在光放大、光接收部分使用。 传统的光波长转换器技术采用光—电—光的调制方式［9］。 光转发器调制技术具有较小的传输损耗，同时保障了传输信号的质量。 但是，烦琐的光—电—光转换会影响系统的传输速率，降低了光纤通信的效率。

光学调制器作为重要的光无源集成器件，被广泛地运用于光通信中。 相较于电光、声光调制，全光调制可以通过一束光控制另外一束光来克服对调制速率的限制，避免了烦琐的电—光—电信号的转换过程，无论从信号的衰减还是传输速率来看，都明显优于其他几种光调制的方法。因此，在今后的WDM 系统中可以采用一种基于光—光转换的全光调制器。 该新型调制转换器可以避免光—电—光的转换，具有较小的响应时间、较快的传输速率以及较小的传输损耗。 凭借全光的调制优势，WDM 系统可以更高效地传输信号，满足现代通信的需要。

4 结语

综上所述，波分复用技术支持大容量、低损耗、高速率的通信，符合现代通信的需要，具有极高的研究价值。 本文简要阐述了WDM 系统的基本原理，设计并分析了光波分复用技术的系统工作结构图。 同时对系统中的元器件提出修改与优化的建议，为超大容量通信的发展提供理论依据与参考。