光信息专业实验报告：WDM光波分复用实验

光信息专业实验报告：WDM光波分复用实验
（XXX年5月22日星期四）
【实验目的和内容】
了解波分复用技术和各种波分复用器件的工作原理和制作工艺；
认识波分复用器的基本技术参数的实际意义，学会测量插入损耗，隔离度，偏振相关损耗等；
分析测量误差的来源。

【实验基本原理】
波分复用技术（WDM）
波分复用技术就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它能充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源。

在发送端经复用器(亦称合波器) 将不同规定波长的光载波汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器(亦称分波器)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

图1 波分复用系统图
波分复用系统最大的优点是节约光纤。

它将原来需要多对光纤承载的系统复用在一对或一根光纤上传输，大大节约光纤的用量，对于租用光纤的运营商更有吸引力；其次ＷＤＭ系统结合掺铒光纤放大器，大大延长了无电中继的传输距离，减少中继站的数目，节约了建设和运行维护成本；波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关，可以承载多种业务，在现在多业务需求的运营环境下很有竞争力；利用ＷＤＭ技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。

根据我国实际应用情况，1310/1550nm两波复用扩容系统，980/1550nm、1480/1550nmEDFA
泵浦合波系统，1510/1550nm、1650/1550nm监控信道合波系统的使用都很广泛。

目前多波长波分复用器一般研制的产品都在1550nm区域，这是由于掺铒光纤放大器的需要，也是因为光纤在1550nm区域具有更小的损耗。

一个16路密集波分复用（D WDM）系统的16个光通路的中心频率（或中心波长），信道间隔为100GHz，0.8nm。

为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器件提出的基本要求包括：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。

波分复用器件的原理和制作工艺
对于不同的应用领域，WDM器件有不同的技术要求和不同的制造方法。

制作分光器件的方法一般有：介质干涉滤光片、光栅、光纤熔融拉锥技术、波导阵列光栅和光纤光栅等
1.介质干涉滤光片型
图2 介质膜干涉滤光片构成的一个四通道分波器
图2是利用介质膜干涉滤光片构成的一个四通道分波器，四个滤光片依次将λ1、λ2、λ3、λ4四个波长分别滤出，实现波长解复用。

2.光栅型
图3是由光栅、准直透镜和一个光纤阵列构成的密集波分复用器件，利用光栅衍射效应进行分光，经透镜准直后耦合进入光线阵列。

图4 光栅型密集波分复用器原理图
3.熔融拉锥全光纤型
光纤熔融拉锥方法原理如“实验20光纤耦合器件”所述，如图5，制作中，拉伸停止在A或B点可制作窄带分光器，停在C点可制作单窗口宽带耦合器，停在D点双窗口宽带耦合器，E点1310/1550两波分复用器。

图4 熔融垃锥型波分复用器制作原理图
熔融拉锥法制作全光纤型波分复用器主要应用于双波长的复用，例如，1310/1550nm的
WDM 器件，掺饵光纤放大中的980/1550nm 和1480/1550nm 的WDM 器件，光学监控系统中的1510/1550nm 或者1550/1650nm 的WDM 器件。

4.波导阵列光栅型
图5所示是一种新型密集波分复用器，它是由输入、输出波导、空间耦合器和波导阵列光栅构成。

图5 波导阵列光栅型密集波分复用器原理图
【基本技术参数】
插入损耗（Insert Loss ）：
无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比（dB ），
in
out P P L I lg 10..-= （1） 其中，in P 发送进输入端口的光功率，out P 是从输出端口接收到的光功率。

附加损耗(Excess Loss)：
功率分配耦合器的所有输出端口光功率总和相对于全部输入光功率的减少量：
..10lg out
i in P E L P =-∑ （2）
E.L.是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制造过程的整个器件的固有损耗
隔离度(Isolation)：
器件输入端口的光进入非指定输出端口光能量的大小，又称串扰，WDM 器件将来自一个输入端口的n 个波长（λ1λ2…λn ）信号分离后送到n 个输出端口，每个端口对应一个特定的标称波长λj (j=1,…,n),隔离度为
)()
(lg 10)(i i i j i j P P C λλλ-= （3）
偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss ）：
光信号以不同的偏振态输入时，对应输出端口插入损耗最大变化值。

min max
..10lg P P D L P =- （4） 各种偏振态可通过偏振控制器获得。

循序改变光纤型偏振控制器的三个活动片（光线缠绕在里面）可导致光纤的扭曲，从而产生双折射现象，引起偏振态的改变。

λ1、λ2、λ3、λ4 . . . λ1
λ2
λ3
λ4。

【实验用具与装置图】
1310/1550nm 光波分复用器、通信波段稳定化光源、光功率计、跳线、适配器、偏振控制器、镜头纸、单模标准跳线等。

图6 实验用1310/1550nm WDM示意图
【数据记录与处理】
1、测量波分复用器分波性能
如图6为实验用的波分复用器，为其三个端口标号后进行实验，在实验数据中功率P下的标号中“in”与“out”表示的是该端口的输入功率与输出功率，数字的标号（“1”、“2”、“3”）表示的是所接端口的标号（如“P in1”表示端口1光源的输入功率）。

表1为测量波分复用器的分波性能的数据
表1 正向分波测数据
次数 1 2 3
单位μW dBm μW dBm μW dBm
波长（nm）1310
P in3208.3 -6.81 205.6 -6.87 205.9 -6.86
P out1205.0 -6.88 202.5 -6.93 205.1 -6.88
P out20.2970 -35.27 0.3966 -34.01 0.6505 -31.86 1550
P in3204.2 -6.98 199.3 -6.98 198.3 -7.02
P out1 1.015 -29.92 1.141 -29.43 0.3320 -34.83
P out2201.0 -6.93 194.3 -7.11 192.6 -7.16
由于每次测量时，光源的光功率会由于光纤扭曲或者光源的不稳定产生变化，故我们将每次的测量结果作为一次独立的测量数据。

先对每次结果计算WDM的各项性能指标。

再求其均值与标准偏差。

根据公式（1）、（2）、（3）计算WDM正向分波时的插入损耗I.L.、隔离度ISO.以及额外损耗E.L.。

用以dBm单位计算其指标时，采用公式（5）与（6）计算得到插入损耗I.L.以及隔离度ISO.，以dBm单位制计算额外损耗E.L.时难以直接进行计算，如一
定要采用dBm单位制，需先将dBm单位制的数据由10)
( 10dBm
P
mW 转换成μW单位制下的值，而这将失去了采用dBm单位制的意义，故不予采纳。

I.L.=P in−P out (5)
ISO.=P in−P ISO (6) 得到以下的数据（表2）：
表2 实验指标计算值
次数 1 2 3
单位μW dBm μW dBm μW dBm
波长（nm）1310
I.L.0.0694 0.07 0.0660 0.06 0.0169 0.02
E.L.28.3900 28.39 27.0807 27.08 24.9872 24.98
WDM
3
1
2
1310/1550nm
1310nm
1550nm
用公式（7）（8）计算其均值与标准误差
u ̅=
∑u i N i N (6) σu =√∑(u i −u
̅)2N i N(N−1)
(7) 用u =u ̅±σu 的表示方法得到最终的指标见表3：
表3 正向分波指标测试结果
结果分析：
算得的结果μW 为单位时与dBm 为单位相比一致性很高，但是还是有一点点差别。

原因在于：一方面，光功率计μW 和dBm 两种量程的精度并不完全一致，另一方面，两种单位制的数据并不同时，切换量程时功率可能已发生变化，严格的说应是6次测量，3次以μW 为单位，3次以dBm 为单位。

两种计算方法得出的结果基本一致，则根源于两种单位制之间的关系)1)(lg(10mW
mW P dBm ，但显然，用dBm 单位来的更简单方便。

实验得到的结果可知，对于传输两种波长光，其插入损耗与额外损耗基本很小，而且其隔离度很大。

这表明了所测试的WDM 波分复用器具有很良好的性能。

而且在实验中可以发现。

1310nm 波长的插入损耗，额外损耗以及隔离度普遍优于1550nm 波长光。