WDM技术原理及结构分析
发布时间：2010-08-13 17:10:17 热度：4172
8/13/2010，本文简要介绍光波分复用系统的基本原理、结构组成、功能配置、关键技术部件和技术特点，说明光波分复用WDM系统是今后光通信发展的方向。
一、光波分复用（WDM）技术
光波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是在一根光纤中同时同时多个波长的光载波信号，而每个光载波可以通过FDM或TDM方式，各自承载多路模拟或多路数字信号。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。
WDM技术对网络的扩容升级，发展宽带业务，挖掘光纤带宽能力，实现超高速通信等均具有十分重要的意义，尤其是加上掺铒光纤放大器（EDFA）的WDM对现代信息网络更具有强大的吸引力。
二、WDM系统的基本构成
WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的，所以彼此间不会混淆，在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。目前单向的WDM系统 在开发和应用方面都比较广泛，而双向WDM由于在设计和应用时受各通道干扰、光反射影响、双向通路间的隔离和串话等因素的影响，目前实际应用较少。
三、双纤单向WDM系统的组成
以双纤单向WDM系统为例，一般而言，WDM系统主要由以下5部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。
1.光发射机
光发射机是WDM系统的核心，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还应根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离）来选择具有一定色度色散容量的发射机。在发送端首先将来自终端设备输出的光信号利用光转发器把非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的信号，再利用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA）放大输出。
2.光中继放大器
经过长距离（80~120km）光纤传输后，需要对光信号进行光中继放大，目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EDFA）。在WDM系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益，并保证光信道的增益竞争不影响传输性能。
3.光接收机
在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道信号，采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信道，接收机不但要满足对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。
4.光监控信道
光监控信道的主要功能是监控系统内各信道的传输情况。在发送端插入本节点产生的波长为λs（1550nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出。在接收端，将接收到的光信号分波，分别输出λs（1550nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管使用的开销字节都是通过光监控信道来传递的。
5.网络管理系统
网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能。
四、光波分复用器和解复用器
在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。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；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。从原理上说，该器件是互易（双向可逆）的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复用器性能指标主要有接入损耗和串扰，要求损耗及频偏要小，接入损耗要小于1.0~2.5db，信道间的串扰小，隔离度大，不同波长信号间影响小。 在目前实际应用的WDM系统中，主要有光栅型光波分复用器和介质膜滤波器型光波分复用器。
1.光栅型光波分复用器
闪耀光栅是在一块能够透射或反射的平面上刻划平等且等距的槽痕，其刻槽具有小阶梯似的形状。当含有多波长的光信号通过光栅产生衍射时，不同波长成分的光信号将以不同的角度射出。当光纤中的光信号经透镜以平行光束射向闪耀光栅时，由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差异的各种平行光返回透镜传输，再经透镜聚焦后，以一定规律分别注入输出光纤，从而将不同波长的光信号分别以不同的光纤传输，达到解复用的目的。根据互易原理，将光波分复用输入和输出互换即可达到复用的目的。
2.介质膜滤波器型光波分复用器
目前WDM系统工作在1550nm波长区段内，用8，16或更多个波长，在一对光纤上（也可用单光纤）构成光通信系统。每个波长之间为1.6nm、0.8nm或更窄的间隔，对应200GHz、100GHz或更窄的带宽。
五、WDM技术的主要特点
1.充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。
2.由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，实现多媒体信号混合传输。
3.由于许多通信都采用全双式方式，因此采用WDM技术可节省大量线路投资。
4.根据需要，WDM技术可以有很多应用形式，如长途干线网、广播式分配网络，多路多地局域网等，因此对网络应用十分重要。
5.随着传输速率不断提高，许多光电器件的响应速度明显不足，使用WDM技术可以降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。
6.利用WDM技术选路，实现网络交换和恢复。
一、光波分复用（WDM）技术
光波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是在一根光纤中同时同时多个波长的光载波信号，而每个光载波可以通过FDM或TDM方式，各自承载多路模拟或多路数字信号。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。
WDM技术对网络的扩容升级，发展宽带业务，挖掘光纤带宽能力，实现超高速通信等均具有十分重要的意义，尤其是加上掺铒光纤放大器（EDFA）的WDM对现代信息网络更具有强大的吸引力。
二、WDM系统的基本构成
WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。单向WDM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的，所以彼此间不会混淆，在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。目前单向的WDM系统 在开发和应用方面都比较广泛，而双向WDM由于在设计和应用时受各通道干扰、光反射影响、双向通路间的隔离和串话等因素的影响，目前实际应用较少。
三、双纤单向WDM系统的组成
以双纤单向WDM系统为例，一般而言，WDM系统主要由以下5部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。
1.光发射机
光发射机是WDM系统的核心，除了对WDM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外，还应根据WDM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离）来选择具有一定色度色散容量的发射机。在发送端首先将来自终端设备输出的光信号利用光转发器把非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的信号，再利用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA）放大输出。
2.光中继放大器
经过长距离（80~120km）光纤传输后，需要对光信号进行光中继放大，目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EDFA）。在WDM系统中必须采用增益平坦技术，使EDFA对不同波长的光信号具有相同的放大增益，并保证光信道的增益竞争不影响传输性能。
3.光接收机
在接收端，光前置放大器（PA）放大经传输而衰减的主信道信号，采用分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信道，接收机不但要满足对光信号灵敏度、过载功率等参数的要求，还要能承受一定光噪声的信号，要有足够的电带宽性能。
4.光监控信道
光监控信道的主要功能是监控系统内各信道的传输情况。在发送端插入本节点产生的波长为λs（1550nm）的光监控信号，与主信道的光信号合波输出。在接收端，将接收到的光信号分波，分别输出λs（1550nm）波长的光监控信号和业务信道光信号。帧同步字节、公务字节和网管使用的开销字节都是通过光监控信道来传递的。
5.网络管理系统
网络管理系统通过光监控信道传送开销字节到其他节点或接收来自其他节点的开销字节对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能。
四、光波分复用器和解复用器
在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。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；反之，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。从原理上说，该器件是互易（双向可逆）的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。光波分复用器性能指标主要有接入损耗和串扰，要求损耗及频偏要小，接入损耗要小于1.0~2.5db，信道间的串扰小，隔离度大，不同波长信号间影响小。 在目前实际应用的WDM系统中，主要有光栅型光波分复用器和介质膜滤波器型光波分复用器。
1.光栅型光波分复用器
闪耀光栅是在一块能够透射或反射的平面上刻划平等且等距的槽痕，其刻槽具有小阶梯似的形状。当含有多波长的光信号通过光栅产生衍射时，不同波长成分的光信号将以不同的角度射出。当光纤中的光信号经透镜以平行光束射向闪耀光栅时，由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差异的各种平行光返回透镜传输，再经透镜聚焦后，以一定规律分别注入输出光纤，从而将不同波长的光信号分别以不同的光纤传输，达到解复用的目的。根据互易原理，将光波分复用输入和输出互换即可达到复用的目的。
2.介质膜滤波器型光波分复用器
目前WDM系统工作在1550nm波长区段内，用8，16或更多个波长，在一对光纤上（也可用单光纤）构成光通信系统。每个波长之间为1.6nm、0.8nm或更窄的间隔，对应200GHz、100GHz或更窄的带宽。
五、WDM技术的主要特点
1.充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍到几十倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。
2.由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，实现多媒体信号混合传输。
3.由于许多通信都采用全双式方式，因此采用WDM技术可节省大量线路投资。
4.根据需要，WDM技术可以有很多应用形式，如长途干线网、广播式分配网络，多路多地局域网等，因此对网络应用十分重要。
5.随着传输速率不断提高，许多光电器件的响应速度明显不足，使用WDM技术可以降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。
6.利用WDM技术选路，实现网络交换和恢复。
