第5章波分复用光纤通信系统

（3）光码分复用（OCDM）技术
在光域内进行码型分割复用，用不同的码型代表不同的信 道，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用。目前，该 技术尚在研究之中。
2．微波副载波复用（SCM）技术
在发送端用基带电信号对微波信号进行幅度、频率或相位 调制，形成已调信号副载波，再将多路已调信号副载波合 起来共同对一个光源进行强度调制，然后经单根光纤传输 ；在接收端经光/电转换后用可调微波本振信号混频进行 检测。目前，SCM在有线电视系统中已经商品化。
（2）双向波分复用系统
通信两端各有N个光发送器、N个光接收器和1个合波/分波器，通 信两端共用1根光纤。2N个光发送器发送2N个不同波长的光波， 分别与对端光接收器的接收波长一致。合波/分波器可以同时完 成光波的合并或分开。1根光纤能够同时传输来自两个不同方向 的光波，可以进行双工通信，故称为单纤双向WDM传输系统 。
2．波分复用系统的基本特点
（1）充分利用光纤的低损耗带宽资源，使单根光纤的传 输容量增大几倍至几十倍以上，进一步显示了光纤通信 的巨大优势。
（2）各个载波信道彼此独立，可以互不干扰地同时传输 不同特性的信号，各种信号的合路与分路能够方便地进 行，为宽带综合业务数字网的实现提供了可能。 （3）初步解决了中继全光化问题，为全光通信网的实现 奠定了基础。 （4）节省了光纤和光电型中继器，大大降低了建设成本 ，方便了已建成系统的扩容。
(a) 四个2×2耦合器构 成一个4×4耦合器
(b) 12个2×2耦合器构 成一个8×8耦合器
5.2.4 角度色散型波分复用器件
1．光栅：在玻璃衬底上沉积环氧树脂、在其上制造光 栅线而构成。光栅是利用多缝衍射原理，使得不同波长 的同级主极大出现在观测屏的不同位置上来实现分光。 其优点是波长选择性好、信道间隔小、复用信道数多，缺 点是插入损耗较大、对光信号的偏振性较敏感。 2．棱镜：利用折射率随波长而变化的性质，使得不同波 长的光线出现在不同位置上来实现分光。 光栅和棱镜都是利用角度色散来分光， 并通过合理的结 构设计制成波分复用器件。
波副载波复用光纤传输系统、相干光通信系
统、光纤孤子通信系统的基本概念和发展状
况。
1．多信道复用光纤通信技术
（1）光波分复用（OWDM）技术
在光域内进行波长分割复用，使不同的信道占用不同的 波长，在单根光纤、多个波长上完成多信道复用，而光 信号的中继放大则用掺铒光纤放大器来实现。该技术已 经实用化。 （2）光时分复用（OTDM）技术 在光域内进行时间分割复用，使不同的信道占用不同的 时隙，在单根光纤、单个波长上完成多信道复用。由于 要在光域内对信号进行选路、识别、同步等处理，故需 要全光逻辑和存储器件，而这些器件目前尚不成熟，所 以OTDM还在研究之中。
3. 相干光通信技术
在发送端用基带电信号对光载波进行幅度、频率或相 位调制，形成已调信号光波，经单根光纤传输后，在 接收端使用本振相干光与已调信号光波混频进行相干 检测。相干光通信对光源的谱线纯度和光频率的稳定 性要求非常苛刻，其完全实用化仍有相当大的距离。
4. 光纤孤子通信技术
大功率光脉冲输入光纤时，可以产生非线性效应导致光 脉冲压縮。通过适当选择有关参数，并采用光纤放大器 来补偿光纤损耗，可使非线性压縮与光纤色散展宽相互 抵消，从而使光纤中传输的光脉冲宽度始终保持不变， 这种光脉冲称为光孤子。利用光孤子作为载波，适合超 长距离、超高速的光纤通信。 目前，世界上已建立了多个光纤孤子实验系统，也进行 了现场试验。但从技术成熟性来看，光纤孤子通信还远 未达到实用水平。
2．研磨式光纤耦合器
将两根光纤一定长度部位的包层一侧研磨抛光，将两根光纤并 排放置使研磨抛光部位面对面紧贴在一起，在它们之间涂有一 层折射率匹配液，形成耦合区，在该区域能够产生光场之间的 耦合。根据包层研磨变薄程度的不同，也可以产生光场之间的 强、弱耦合。
3．波导型光纤耦合器 (即光波导耦合器)
实用中，常将多个2×2端口光纤耦合器适当串并联起来 ，构成比较复杂的多端口光纤耦合器，称为星形耦合器
5.2.6 波分复用系统对光纤的新要求 1．制约波分复用系统的主要因素
（1）偏振模色散（PMD）
由于实际单模光纤的几何形状不完善（如横截面不圆、轴心 线不居中等）和折射率分布不对称，致使单模光纤中基模的 两个正交极化分量在光纤中传播速度不一致，产生传播时延 差，引起光脉冲展宽的现象，称为偏振模色散。PMD具有 随机变化的特性，难于用传统固定的色散补偿方法来消除它 。在10 Gb/s及更高速率的波分复用系统中，偏振模色散成 为限制系统性能的一个主要因素。 偏振模色散平均时延差为 PMD DPMD L
图5-5 光栅型波分复用器原理图
除上述普通光栅做成的波分复用器以外，还有一种阵列波 导光栅（AWG）型波分复用器。AWG的特点是结构紧凑 、信道间隔更窄，适用于多信道的大型网络节点。AWG是 一种平面光路（Planar Light-wave Circuit, PLC）器件， 是目前研究开发的热点。
（3）非线性效应
光纤折射率与光波电场强度的二阶和二阶以上的变化关 系，称为非线性效应。由于非线性折射率的存在，产生 了几种重要的非线性效应。 自相位调制（SPM）
在非线性折射率作用下，光纤中传输的强光波，其光强 波动引起了光波自身相位发生波动，从而导致光波频谱 变化的现象，称为自相位调制。 自相位调制的危害性：SPM产生的频率变化可以导致传 输光波的频谱变宽，在这种情况下就会因模内色散而使 光脉冲的时域波形展宽，引起码间干扰。
3．波分复用系统的主要特性指标
（1）信道中心波长：指每个信道内分配给光源的波长。
（2）信道带宽与信道平坦带宽：信道带宽是指每个信道 内分配给光源的波长范围；信道平坦带宽是指幅度传输 特性曲线波动范围不超过1 dB的带宽大小，用来表示带 宽的平直程度。信道平坦带宽越大，越能容纳光源波长 的微小变化。 （3）信道间隔：是指相邻信道的波长间隔。通常信道间 隔大于信道带宽。
WDM器件某一输入端口的入射光功率 插入损耗 in 10lg( )(dB) WDM器件某一输出端口的出射光功率
（6）温度稳定性： 指温度每变化1℃时的波长漂移大小 。要求在整个工作温度范围内，波长漂移应当小于信道 带宽，远小于信道间隔。
（7）偏振稳定性： 指插入损耗对光波偏振状态的敏感程 度，敏感程度越大，则输出光功率越不稳定。
5.2.2 波分复用系统的组成
1．波分复用系统的基本构成和分类
波分复用系统与普通单波长光纤通信系统一样， 也是包括光纤、光发送器、光中继器、光接收器、 信道监控和网络管理系统等。然而，从各个组成部 分的功能特性、技术含量、研制难度来看，波分复 用系统要比普通光纤通信系统复杂得多。 波分复用系统分为单向波分复用系统和双向波分复用
系统两种类型。
（1）单向波分复用系统
发送端有N个光发送器和1个合波器，接收端有N个光接收器和1 个分波器，收发两端共用1根光纤。N个光发送器发送N个不同波 长的光波，这些光波通过合波器后合并起来，耦合进单根光纤进 行传输。合并光波传送到接收端后，分波器将这N个不同波长的 光波分开，分别送给与这些波长相对应的接收器，将光波载荷的 信息提取出来。利用两套相同的单向波分复用系统才可以进行双 工通信，这需要使用两根光纤，故称为双纤单向WDM传输系统 。目前，实际的WDM系统主要采用双纤单向传输方式。
DPMD是偏振模色散系数(ps/km1/2) ，要求： DPMD≤0.5 ps/km1/2 (10 Gb/s时) 或 0.2 ps/km1/2 (40 Gb/s时)
（2）高阶色散 光纤色散与光波长的二阶和二阶以上的变化关系，称为 高阶色散。通常，用零色散波长附近范围内的色散斜率 来反映高阶色散的大小，称为零色散斜率。零色散斜率 的定义式为
5.2.5 干涉型波分复用器件
1．介质膜滤波式波分复用器
由多层介质薄膜构成，其中高折射率层和低折射率层交 替叠合。
多层介质膜波分复用器的优点是带宽顶部平坦，波长响 应尖锐，温度稳定性好，插入损耗低，对光信号的偏振 性不敏感，在实际系统中应用较广泛。
2．马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉式波分复用器 马赫-曾德尔干涉式波分复用器是利用M-Z干涉仪两个 不同长度的光路，提供相移随波长的依赖关系，使得分 别从干涉仪两个输入端口射入的两波长光线，能够从一 个输出端口射出（即合波）；或者使得从干涉仪一个输 入端口射入的两波长光线，能够分别从两个输出端口射 出（即分波）。
2．几种波分复用的区别 （1）密集波分复用（DWDM）
DWDM是指频率间隔为100 GHz (相应波长间隔约为0.80 nm)，信道数为8,16, 32, 40等的复用；也可以是频率间隔 为200 GHz (相应波长间隔约为1.60 nm)，信道数为8,16等 的复用。 （2）粗波分复用（CWDM） CWDM是指波长间隔为20 nm (相应频率间隔约为2.50 THz)，信道数为4, 8或16的复用。 （3）宽带波分复用（BWDM） BWDM是指不在同一个低损耗窗口内、具有较宽波长间隔 的两个波长的复用。 （4）光频分复用（OFDM） OFDM是指1550 nm低损耗窗口内更多波长光信号的复用 ，其频率间隔为1～10 GHz，相应波长间隔约为0.008～ 0.08 nm。
4．波分复用器件的类型
包括复用器（即合波器）和解复用器（即分波器），它 们是多信道光波合并与分开所不可缺少的重要光学器件 。复用/解复用器主要分为光纤耦合型、角度色散型、 干涉型等几种类型。
5.2.3 光纤耦合型波分复用器件 1．熔锥式光纤耦合器
将并排放置的两根或多根光纤的一定长度部位扭绞在一起，将 扭绞处逐渐烧成熔融状态，同时慢慢拉伸光纤，使扭绞部位形 成耦合区。在耦合区内各个光纤的包层变薄，纤芯彼此靠近。 根据靠近程度的不同，可以形成光场之间的强、弱耦合。以致 在一根光纤内传输的光波，很容易跑到另一根光纤内传输和输 出；或者也容易分散跑到几根光纤内传输和输出 。