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物理与工程 Vol.17 No.5 2007
波分复用器在光纤通信中的应用
李叶芳 王晓旭 柳 华
(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连 116024)
(收稿日期:2006212201)
摘 要 在光纤通信领域中使用波分复用技术,可以极大地提高网络的传输容量及速率,是解
决现代通信技术带宽危机的有效方法.本文介绍了波分复用(WDM)器件的特性,并以双路双向光纤通信为例说明应用WDM技术的优势.
关键词 波分复用器;光纤通信;双路双向光纤通信
THEAPPLICATIONOFWAVELENGTHDIVISION
MULTIPLEXERINFIBERCOMMUNICATIONLiYefang WangXiaoxu LiuHua
(SchoolofPhysicsandOptoelectronicTechnology,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning, 116024)
Abstract Thetransmissioncapacityandrateinfibercommunicationcouldbesignificantlyimprovedbyusingwavelengthdivisionmultiplexer(WDM),whichisoneofthemosteffectivewaystosettlethebandwidthcrisis.ThecharacteristicsofWDMareintroduced,andtheadvantagesofWDMareillustratedwithtwo2waybi2directionalfibercommunication.
KeyWords wavelengthdivisionmultiplexer;fibercommunication;two2waybi2directionalfibercommunication
引言
自1880年贝尔设计的“光电话”装置被证实
光波可以传送信息开始,真正使光通信到来的时代是20世纪80年代以后.一个完整的光通信系统应具备3个条件:①光源;②光纤;③光电检测器.1966年,美藉华人高锟博士发表论文,指出“用石英玻璃纤维传送光信号来进行通信”.1970年,美国康宁公司首次研制成功了光纤,为光通信提供了理想的传输介质.在这一时期,半导体激光器也被研制成功,波长适用于光纤低损耗传输的光源在光纤通信中起到了决定性的作用.这一切使光纤通信的发展极为迅速.但是随着信息传送量与日俱增,通信网的传输容量成为阻碍其发展的瓶颈.20世经纪80年代初,波分复用技术就已经出现了,但波分复用器还没有成熟.1995年以后,波分复用技术获得了突破,这为解决通信技术
危机提出了有效方法.波分复用技术是指使用多束激光在同一条光纤上同时传输多个不同波长光波的技术,其关键器件是波分复用器(WDM).本文介绍波分复用器的特性,将其用于光纤通信实验有通俗易懂、步骤简单及技术先进的特点. 波分复用器的特性
光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的器件,将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器;将同一根光纤送来的多波长信号分解为个别波长输出的器件称为光解复用器.在图1中,M是光波分复用器;D是光解复用器.
在早期,波分复用器有粗波分复用及密集波分复用器之分.波长在1310nm及1550nm两个窗口各传输一路光波信号的被称为粗波分复用器(WDM).粗波分复用器的特点是插入损耗小,
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历360°相移,与经高折射率层的反射光同相叠加,
这样在中心波长附近,各层反射光叠加,在滤波器输入端面形成很强的反射光.在偏离高反向波长两侧,反向光陡然降低,大部分光成为透射光,因此,可使某一波长范围呈带通,而对其他波长范围呈带阻,从而形成所要求的滤波特性.这种滤波器的优点是:信道带宽平坦、插入损耗低、结构尺寸小、性能稳定、与偏振无关.
图1 WDM光传输原理
WDM器件易于制作,信道间隔宽.通常把波长间隔
小于2nm的复用器称为密集波分复用器(DWDM).
现在波长间隔小于0.8nm的波分复用器已经获得了应用,密集波分复用器因为波长间隔较小可以使多路信号共用一个掺铒光纤放大器实现多路放大,因此可以用作远距离光纤通信.现在,人们将WDM及DWDM统称为WDM器件.
光波分复用器主要有角色散型、介质膜干涉型和平面波导型等结构. 角色散型波分复用器
利用角色散元件分离与合并不同波长的光信号,从而实现波分复用的器件,称为角色散型波分复用器.实际中比较常用的是衍射光栅型波分复用器,如图2所示.在这里色散元件的作用是反射不同波长的光信号,使之成为不同取向的光束.当
λλ输入光纤中含有λ…、1、2、n的多波长光信号时,
通过光栅衍射后,不同波长的光由于衍射角的不同出射在不同的方向,这样便可以将不同波长的光分别送入不同光纤或探测器,实现了光波分复用技术中的分波作用.角色散型波分复用器的特点是分辨率高,方向集中,但器件受温度变化产生的影响不容忽视.
图3 介质膜干涉型光分复用器
集成光波导型波分复用器
集成光波导型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件.如图4所示,在光纤A上
λλ载送多个波长λ…、1、2、n,让所有波长的光从A
透射进入波导W1、W2、…、Wn阵列相耦合的空腔S1.每个波导的光学长度不同使得在与光纤阵列耦合的空腔S2中与波长相关的相位延迟不同.每个波长的相位差使干涉的结果会在某根输出光纤上得到某个波长的最大贡献.平面波导型波分复用器具有波长间隔小、信道数多、通带平坦等优点,非常适于超高速、大容量WDM系统使用.
图2 光栅型波分复用器
图4 集成光波导型波分复用器
介质膜干涉型光分复用器
介质膜干涉型光分复用器是由多层不同材料(TiO2和SiO2)、不同折射率和不同厚度的介质膜λ,一层为高折4
射率,一层为低折射率,交替叠合而成.如图3所示,当一束光入射到高折射率层时,反射光不产生相移;当光入射到低折射率层时,反射光经历180°
λ相移.由于层厚,因而经低折射率层反射的光经
4按设计要求组合而成,每层厚度为
通常人们希望波分复用器的插入损耗小;串音隔离度大;通道带宽宽,在实际应用中要根据情况选择器件.
技术在光纤通信中的应用
光纤通信系统由光发送机、光接收机及波分复用器3部分组成.光发送机的作用是将要传输的电信号加载到光源的发射光束上使其成为光信
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号,然后送入光纤实现通信.光接收机的作用是将光信号转换回电信号,恢复光载波所携带的原信号.波分复用器是光纤通信系统中的关键器件,在图1中,如果没有使用WDM器件,系统将要多投入n-1根光纤,如果光纤通信的形式是由多个用
户协同工作,那么使用WDM技术的优势会更加突出,我们在教学实验中,安排了双路双向光纤通信实验,以此来优化光纤通信系统,实验装置如图5所示.
图5 双路双向光纤通信系统 在图5中,PC1～PC4是计算机,用来接收和显示通信信息;R/T1～R/T4是中心波长分别为850nm及1310nm的光发射机和相应的接收机,这种仪器的特点是同一波长的光接收和发射集成为一个仪器,仪器的型号分别是CTV23002BTFC、HTB2i1100;符号T表示是发射端、R表示是接收端;WDM1～WDM4是波长为850/1310nm的多模光纤波分复用/解复用器件.
工作过程如下:由摄像机拍摄的动态图像通过接口线传输到计算机PC1中,启动安装在计算机上的Netmeeting程序使这一信息进入波长为850nm的光收发机R/T1中,光收发机经过调制将这一动态信息加载到波长为850nm的光束中,光束在光纤中传输到达WDM1器件.另一路信息的传输由计算机PC3完成,使用光信道为1310nm的光收发机R/T3,信号调制及传输的过程与850nm相同.二路信号分别进入波分复用器WDM1合波后,由光纤进行远距离传输进入解复用器WDM2,WDM2将这二路信号按波长的不同完成分路,将850nm通道的光束送到850nm的光收发机R/T2中、将1310nm的光束送到1310nm的光收发机R/T4中,R/T2、R/T4分别将光信息解调成电信号再经过放大后输送到等候着的计算机PC2、PC4中,通信的内容就可以在计算机上显示,实现会议.同理,双路双向光纤通信系统亦可以反方向操作实现通信.
实验中应注意:(1)只能是相同波长的一路互相通信.(2)采用Netmeeting程序完成通信的软操作.我们在设计这个实验中采用动态图像作为传输信号,通信时双方一定在打开Netmeeting
时,甲方将IP地址告诉乙方,而乙方在开启Netmeeting程序后,先呼叫甲方,并输入乙方的IP地址,才能使双方通道畅通,经过确认后,双方进入会议进行图像和语音传输.(3)通信中,窗口
的大小、画中画、聊天等都可以通过程序自身的功能得到实现. 结论
波分复用器是为解决光纤通信网络中因信道传输容量小、速率低而应用的器件,但是作为光无源器件,除在光纤通信中使用外,还可以用在其他需要进行分波、合波的光学系统中,并且同样可以达到使系统简单、容易实现的特点.对于双路双向通信实验,如果没有使用WDM器件,由于接线过多,初学者不易理出头绪.使用WDM后,光路相对简单了,实验装置造价也低了许多,更主要的是因为应用了当前科技领域的新器件、新知识,无论从知识性及趣味性对学生来说都是一次很好的学习,因此深受学生的喜爱.
参 考 文 献
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