波分复用

波分复用(WDM)在光纤通信中的应用 (一)

解金山黄章勇

本文作者解金山先生，深圳飞通光电子技术有限公司科技委主任、教授;黄章勇先生，总裁、教授。

一引言

光波波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术;在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)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。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。原则上讲，只要是波长处在光纤的低衰耗、低色散窗口的光波，都可进行光波复用。不过，目前的复用波长多数都在长波长波段，即1550nm附近。最简单的复用是1310nm和1550nm波长的反向传输，也称为粗糙的波分复用，以CWDM来表示。复用波长之间的间隔，只要彼此容易分离即可。为了使其标准化，ITU-T建议波长间隔定为0.8nm(即100GHz)，或是0.8nm的整数倍。当前绝大多数的厂家是按照这个要求行事的，但也有例外。倘若复用波长数很多，间隔又很小，则称为密集波分复用(DWDM)。这种复用方式早期又称为光频分复用(FDM)。

波分复用可以是单向传输也可双向传输。光之所以能如此传输，完全是由于光波不同于通常的电磁波所致，不同光波之间没有相互干扰，它既可以平行同向或反向传输，又可交叉传输。正因为如此，光波复用技术才得以实现。由于每个光载波可以携带各种各样的大量信息，所以，波分复用不仅能大幅度提高通信容量，而且也能大幅度降低光纤通信系统的工程造价。对于已建光纤通信系统的扩容也是一种经济、高效的方法。因此，这种技术得到了空前的大发展。

随着信息化社会的深层次发展，尤其是因特网的普及和广泛使用，信息流量呈爆炸性增加。在这种背景下，DWDM的开发与商用得到极为迅速的发展。单信道(Channel)的容量已从2.5Gb/s提高到10Gb/s，20Gb/s，40Gb/s，至今最高320Gb/s，将来甚至更高。与此同时，信道密度也大大提高。从4、8、12、16、32信道，提高到100多信道;而且，另一种重要的光复用技术，即光时分复用技术(OTDM)也得到重要应用。DWDM+OTDM的结合将极大地提高通信容量。并在核心网和接入网中被广泛采用。这种复合光域的复用技术，在发展超长距离超大容量的光纤通信系统中是不可替代的。

二WDM传输系统的基本构成

图1表示WDM传输系统的基本构成，是典型的点到点系统。合波与分波用的波分复用器一般都是采用光栅、光学部件等制成，通过选频原理将波长分开。传输光纤都使用单模光纤(SMF)。由于传输距离长、复用路数多，一般都需要光放大器将衰减的光信号进行光放大，下面，我们将对WDM系统各个重要组成部分的详细情况作专题讨论。

三WDM网络的组网方式

目前大多数WDM网络都采用单级复用方式，即所有波长一次复用及一次解复用成单一波长。WDM网络中的光线路终端(OLT)和光的上下复用器(OADM)提供光通道，以特定的波长通过网络实现端到端的全光连接。OLT和OADM采用单级复用和解复用，要求上/下的波长从通过的波长中分离出来，图1所示的系统就是单级复用方式。然而，随着信息量的大幅度增加，复用的波长数量越来越大。若仍采用单级复用方式，在某种情况下既无必要又会造成投资成本的增加。于是就出现了两级复用的组网方式，即采用多捆扎(Multitiered)复用方法:首先将复用的波长按照需要解复用成含有许多波长的波段，然后再将各波段解复用成单一波长。这里所说的波段，即是含有一定数量波长的捆扎。图2为有捆扎(即含有波段与信道)与无捆扎(只包含有信道，单一波长)时节点结构及其可连接性示意图。

现在讨论复用方法。图2(a)是两级复用结构。节点1是一个16波长的光线路终端，其中第一波段含有4个波长，进一步解复用成4个单一波长信道;其它波段仍原封不动。第一波段的一些信道能以光的形式通过并到达另一个光线路终端(如波长2通到节点2);其它波长，如波长4，则以电的形式通过转发器(Transponder)，并依次与顾主(Client)设备连接，如SONET ADM或IP路由器。其它波段也可原封不动地以光的形式到达其它节点，如图2中的波段4。图2(b)是单级(仅仅有单一波长的信道)复用结构，就是通常的波分复用的工作原理，这里不再赘述。

两级复用方式虽然复杂，但在复用波长数量较多的情况下有许多好处。捆扎的光波段，可以避免或减少光的跳变次数;在整个信息传送的过程中，不可避免地有再生、转换等过程，若直通光波信号，则会明显地带来成本优势，并减少传输过程中的损耗;采用波段通过还可减少系统管理所必须的实体数量，既简化网络管理，又节省网管的开销;此外，也有利于线路的保护。

四DWDM系统中的光源

密集波分复用系统中的光源应具有以下4点要求: (1)宽的波长范围; (2)尽可

能多的信道数; (3)每信道波长的光谱宽度应尽可能窄; (4)各信道波长及其间隔应高度稳定。正因为这样，在波分复用系统中使用的激光光源，几乎都是分布反馈激光器(DFB-LD)，而且目前多为量子阱DFB激光器。

随着科学技术的发展与进步，用在波分复用系统中的光源除了分立的DFB-LD、可调谐激光器、面发射激光器外，还有两种形式。其一是激光二极管的阵列，或是阵列的激光器与电子器件的集成，实际是光电集成回路(OEIC)，与分立的DFB-LD相比，这种激光器在技术上前进了一大步，虽然制造技术上难度较大，却给应用带来了许多好处和方便:体积缩小、功耗降低、可靠性大大提高，应用上也带来简化与方便。现在，重点介绍另一种新的光源——超连续光源。

超连续光源，确切地说应该是限幅光谱超连续光源(Spectrum Sliced Supercontinuum Source)。研究表明，当具有很高峰值功率的短脉冲注入光纤时，由于非线性传播会在光纤中产生超连续(SC)宽光谱，它能限幅成为许多波长，并适合于作波分复用的光源，这就是所谓的限幅光谱超连续光源。

图3上部为限幅光谱超连续光源，也即是发射机组成示意图。由调谐锁模光纤激光器(MLFL)与外部RF合成器激励作为主时钟的同步而得到2PS脉冲的9.953GHz序列，波长为1554.2nm。231-1伪随机图形编码成幅度为600mW的脉冲，并将其耦合进4km的色散位移光纤(DSF)，o=1573nm。在标准色散区域，由于自相位调制而发生光谱展宽。然后由信道间隔为50GHz的WDM解复用器将其限幅为40个信道。其波长范围从1546.24nm到1562.01nm。延迟线用于不同信道的解相关数据图形。任何一对信道之间的延迟差，对于维持它们的解相关已是足够大。WDM Demux/Mux(解复用/复用)组合中的滤波器，导致信道带宽约0.16nm。各信道功率的大小使用集成动态波长平衡器(Eq)进行均衡。最后由增益平坦功率放大器将其输出功率放大，使之达到21dBm。图3下部分别示出了激光器、色散位移光纤以及功率放大器输出的脉冲光谱。

采用上述限幅光谱的超连续光源，在标准单模光纤上已实现无误码(BER<10-10)传输544km，单信道速率为10Gb/s，总的传输容量为400Gb/s (40ch×10Gb/s)。这证明超连续能导致高质量限幅光谱WDM信道，并适合于大容量、长距离的传送应用。

图4是类似的超连续纵模限幅的多波长DWDM光源。前5个元件是超连续(SC)发生器。主动锁模光纤激光器产生脉宽为1.2PS的Sech脉冲的10GHz系列，波长1552nm，ΔτΔυ=0.32。使用一个光放大器(OA)，将脉冲系列放大到平均800mW。于是超连续(SC)光将在三节光纤中产生。前两节光纤决定孤子效应脉冲压缩及光谱展宽。这两节光纤分别为6.8m的单模光纤(SMF28)和15.7m的色散位移(DS)光纤，零色散波长o=1492nm。第三节光纤仍为色散位移光纤，长6.6m，o=1546nm，用色散效应整形脉冲光谱。为了滤除窄的空间光谱模式，采用脉冲间插器增加SC重复率达40GHz。通过具有31GHz20dB带宽的单色仪作为可调谐带通滤波器选择纵模，就可得到连续波(CW)信道。其结果由诊断仪作出检