第七章 多信道复用技术

1. 第七章多信道复用技术 内容提要 7.1复用技术的基本概念 7.2光波分复用技术 7.2.1光波分复用系统结构 7.2.2光波分复用通信技术的特点 7.2.3 光波分复用器 7.2.4 光波分复用的主要应用 7.3密集波分复用技术 7.3.1密集波分复用系统的结构 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 7.3.3 关键技术问题 7.3.4 密集波分复用技术的应用 返回

2. 内容提要 在目前实用的光纤通信系统中，还延用传统的强度调制－直接检波（IM/DD）的系统方式，即电/光转换和光/电转换的信号传输方式，虽然随着大规模集成电路的不断发展，系统容量也得到了不断提高，但电子器件处理信息的速率还远远低于光纤所能提供的巨大负荷量。为了进一步满足各种宽带业务对网络容量的需求，进一步挖掘光纤的频带资源，开发和使用新型光纤通信系统将成为未来的趋势，其中采用多信道复用技术，即在同一根光纤上传输多个信道，便是行之有效的方式之一。这是一个利用极大光纤容量的简单方式。这种方式是用多个信道调制各自的光载波，接收端使用频率选择器件对多个复用信道进行解复用。本章将就各种复用方式的工作原理、特点和实现的关键技术问题进行讨论。

3. 7.1复用技术的基本概念 光纤通信复用技术主要分类如下 波分复用（WDM） 光波复用 光纤通信技术 空分复用（SDM） 时分复用（TDM） 光信号复用 光码分复用（OCDM） 副载波复用（SCM）

4. 7.2光波分复用技术 目前所使用的光纤通信系统，大多还停留在由单个光源组成的系统上，其发光波长只占用了光纤具有极宽频谱中的极窄的一部分。为了提高光纤的频谱利用率，因而可以将多个发送波长适当错开的光源信号同时耦合进一根光纤，这样大大增加了光纤的传输信息容量。

5. 光端机1收 光端机1发 WDM WDM 光端机2收 光端机2发 光端机n发 光端机n收 7.2.1光波分复用系统结构 光波分复用通信传输系统有单向和双向两种结构 1.单向结构 所谓单向结构是指如图7－1所示的不同波长的光信号都在单独一根光纤中沿同一方向进行传输的系统结构方式。由此可见，采用单向传输结构的光波分复用系统，可以很方便地扩大系统传输 图7－1单向结构WDM传输系统 容量。其总传输容量为各不同波长信道传输容量之和。如果在某光波分复用系统中，共存在n个不同波长的信道，并且每个信道的传输容量相同的话，则总容量为每一个光纤通信系统容量的n倍。那么，对于传输两信道的WDM系统来说，如果每一系统的传输速率为2.5Gbit/s（30240话路），则经WDM扩容后，系统容量可达到30240×n话路。

6. WDM 光端机1发 WDM 光端机1收 光端机2收 光端机2发 7.2.1光波分复用系统结构 2.双向结构 所谓双向传输结构是指如图7－2所示，在单根光纤中，光信号可以在两个相反方向传输，即某波长沿一个方向传输，而另一波长沿相反方向传输，从而实现将不同方向的信息混合在一根光纤上，达到单纤双向传输的目的。 图7－2双向结构WDM传输系统 将上述两种情况进行比较，可以看出单向WDM传输系统的扩容效率高，具有升级效应，同时并不要求对原有的光纤设施进行改动，而单根光纤的双向传输结构，具有简化传输网络等方面的优点。

7. 7.2.2光波分复用通信技术的特点 1.光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高 在波分复用技术中，技术的关键在于光波分复用器，它应具有将几种不同波长的光信号按一定顺序组合起来传输的功能，又具有将组合起来传输的光信号分开，并分别送入相应终端设备的功能，目前实用的光波分复用器，都为一个无源纤维光学器件，由于不含电源，因而器件具有结构简单、体积小、可靠、易于和光纤耦合等特点。另外由于波分复用器具有双向可逆性，即一个器件可以起到将不同波长的光信号进行组合和分开的作用，因此便于在一根光纤上实现双向传输的功能 2.不同容量的光纤系统以及不同性质的信号均可兼容传输 由于光波分复用器是对不同波长的光载波信号以一定的次序进行排列以达到提高光纤频带的信息以及数据，在光波分复用系统中将呈现透明传输，这样无论新加入的另一个系统的调制方式的传输速率如何，均不受原系统的制约，使不同容量的光纤系统以及多种信息（声音、视频、图像、数据、文字、图形等）均可兼容传输。

8. 7.2.2光波分复用通信技术的特点 3.提高光纤的频带利用率 在目前实用的光纤通信系统中，多数情况是仅传输一个光波长的光信号，其只占据了光纤频谱带宽中极窄的一部分，远远没能充分利用光纤的传输带宽，因而复用技术的使用大大地提高了频带利用率。 这里顺便提及光波分复用按波长的分类：一般来说，两光波之间的波长间隔为10～100nm时称为波分复用（稀疏波分复用）；波长间隔为1～10nm时称为紧密波分复用；当波长间隔小于1nm（10GHz）情况时，则称之为光频分复用（FDM）。如果采用后面将要介绍的相干光通信技术，则频率间隔能够进一步缩小到0.1nm，那么一根光纤内可以安排2000个光载波，若每一光载波信号的传输速率达到2.4Gbit/s，则一根光纤就能同时传送10万路广播电视信号

9. 7.2.2光波分复用通信技术的特点 4.可更灵活地进行光纤通信组网 5.存在插入损耗和串光问题 由于使用光波分复用技术，可以在不改变光缆设施的条件下，调整光通信系统的网络结构，因而在光纤通信组网设计中极具灵活性和自由度，便于对系统功能和应用范围的扩展。 光波分复用方式的实施，主要是依靠波分复用器件来完成的。它的使用会引入插入损耗，这样将降低系统的可用功率。此外，一根光纤中不同波长的光信号会产生相互影响，造成串光的结果，从而影响接收灵敏度。

10. 7.2.3 光波分复用器 采用光波分复用技术，可以将原一根光纤只传输一个波长光源所携带信息的状态，改变成在一根光纤中能够传输由不同波长的光源所携带的多波长信息的状态。在此有必要对其中完成光复用/解复用技术的核心器件--光波复用器的工作原理、结构以及性能作简要分析。

11. λ1P1(1#端口) λ2P2(2#端口) P0(0#端口) Λ1λ2…λn λnPn(n#端口) 7.2.3 光波分复用器 1.光波分复用器的工作原理 光波分复用是对光波波长进行分离与合成的光器件。它既可以作为光复用器，也可以作为光解复用器。其原理如图7-3所示，其中的一个端口作为器件的输出/输入端，而N个端口作为器件的输入/输出端。 当作为对光波波长起合成作用（复用）的器件时，从N个发送端口各自 图7－3WDM光传输原理图 注入不同波长的光信号，将其组合起来并耦合进同一根光纤传输，最终在一个端口将获得按一定光波波长顺序分开的光波信号；当器件作为解复用器时，在同一根光纤入射端注入的各种光波信号，将分别根据其波长的不同，传输到对应的不同出射端口（N个端口之一）。由上可知，各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。

12. 50 L23 L12 Δλ2 40 插损 (dB) 30 20 10 … λ2 λ3 λ1 λn 7.2.3 光波分复用器 2.光波分复用器的光学特性 为了保证器件的正常工作，则在作为解复用器时，要求器件具有最低的插入损耗，同时该光信号应被其它输出端口所隔离。同理，当作为复用器时，则要求给定工作波长的光信号从对应输入端口（N个端口之一）被传输到单端口时，具有最低的插入 波长(nm) 图7－4复用器波长－插入损耗关系曲线 损耗，同时又被其他输入端口所隔离。根据上述特性，可以分别画出复用器和解复用器的光学特性曲线。 （1）复用器 复用器的光学特性可以用给定的输入端口的插入损耗-波长关系曲线表示。例如，由N个端口之一的2#输入端注入的光信号传输到单端口时，其插入损耗-波长关系如图7-4。由图知，在λ2处插入损耗最小，这样2#端口注入的光信号可以很好地传送到单端口。

13. 50 40 插损 (dB) 30 20 10 L2 L1 波长(nm) λ1 λ2 λ3 λn+1 Δλ12 Δλ23 7.2.3 光波分复用器 图7－5解复用器波长－插入损耗关系曲线 （2）解复用（器） 解复用（器）的光学特性，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长-插入损耗关系曲线来表示，如图7-5，从图中可以看出，每一个从输入端到输出端的工作通道都有一个最小损耗分布，其具有的光学特性参数如下所述。

14. 50 40 插损 (dB) 30 20 10 L2 L1 波长(nm) λ1 λ2 λ3 λn+1 Δλ12 Δλ23 7.2.3 光波分复用器 图7－5解复用器波长－插入损耗关系曲线 ①中心波长λ和中心波长的工作范围△λ 一般，根据相应的国际、国家标准以及实际应用来确定工作通道的中心波长的选取。在ITU-T规定中，对于密集型波分复用器作出了具体的规定。例如对于1550nm区域，1552.52nm作为标准波长，其它复用波长的规定间隔为100GHz（0.8nm），或其整数倍（n*0.8nm），中心波长的工作范围是以1.0nm表示，或者以平均信道之间间隔的10%表示。

15. 50 40 插损 (dB) 30 20 10 L2 L1 波长(nm) λ1 λ2 λ3 λn+1 Δλ12 Δλ23 7.2.3 光波分复用器 图7－5解复用器波长－插入损耗关系曲线 ②中心波长对应的最小插入损耗L1，L2 插入损耗是指由于系统中使用了光波分复用/解复用器件，给系统引入的附加损耗。见图。

16. 50 40 插损 (dB) 30 20 10 L2 L1 波长(nm) λ1 λ2 λ3 λn+1 Δλ12 Δλ23 7.2.3 光波分复用器 图7－5解复用器波长－插入损耗关系曲线 ③相邻信道之间串音是指其它信道的信号被耦合进某一信道，从而引起传输质量的下降。在数字通信系统中，一般用信道隔离度表示，并应大于30dB；在模拟通信中则应大于50dB。见下表（表7-1）

17. 7.2.3 光波分复用器 表7-1 2# 光波复用器技术性能

18. L 光纤2输出 输出功率 1 3 2 4 光纤1输出 输入功率 7.2.3 光波分复用器 图7－6单模光纤熔锥型波分复用器结构示意图 3.单模光纤熔锥型耦合器 由于单模光纤熔锥型耦合器是全光纤构成的，因为用做光波长复用器时，非常便于与光纤通信系统耦合连接，具有连接损耗小、体积小、结构紧凑等优点。 ⑴结构 如图7-6，它是将两根光纤绞合，在高温下使之熔融，拉伸成双锥形，从而使两光纤熔接在一起。

19. L 光纤2输出 输出功率 1 3 2 4 光纤1输出 输入功率 7.2.3 光波分复用器 图7－6单模光纤熔锥型波分复用器结构示意图 ⑵工作原理 从图中可以看出，单模光纤熔锥型耦合器是一个两波导四端口元件。其中1#-3#和2#-3#端口是直通臂（同一根光纤），1#-4#和2#-3#是耦合臂。如果把两不同波长（λ1+λ2）的光射线由端口1#输入，则其中λ1波长的端口3#输出，而另一个波长为λ2的光射线，则耦合到输出端口4#输出，从而实现复用的作用。同理，由3#、4#输出的两个不同波长的光，则由1#端口共同输出，从而实现复用的作用。

20. 7.2.3 光波分复用器 ⑶耦合原理 在波分复用和解复用过程中，单模光纤熔锥形耦合器的作用是互逆的。就其耦合原理先以解复用过程为例来说明。 如果工作波长为λ1+λ2，输入功率为p1的光射线从1#端口输入，则根据光波导理论可知，3#、4#端口的输出功率分别为 P3/P1=cos2（K*L） P4/P1=sin2 (K*L) 其中，L为光纤耦合长度； K为两光纤之间的耦合系数。该系数与光射线的工作波长，熔锥截面的纤芯折射率以及外包层介质折射率有关。 显然，输出功率P3和P4是随着所传输光射线的波长和耦合长度的变化而呈现周期性变化的规律，因而可以根据需要选择适当的波长和熔拉技术来调节两光纤的纤芯距，精确控制功率的转移，使不同波长的光射线得到不同的耦合比r，即 r=P4/（P3+P4）*100%

21. λ1 λ1 λ1 λ3(B) λ3 λ3 λ1 λ3 λ2 λ4 光纤 λ2 (A) (P) λ2 λ4(C) λ4 7.2.3 光波分复用器 ⑷4λ-WDM（4*4星型耦合器） 一个4λ-WDM器件可以由5个二波分熔锥型单模光纤耦合器，通过串联而构成，结构如下(图7－8)。 图中右端P点是4λ-WDM与单模光纤的连接点，通过该点四个信道分别完成λ1，λ3与λ2，λ4的双向传输。根据A处 λ1 λ3 λ2 λ4 图7－8 4λ-WDM结构 与B.C两处的波长选择度不同，因此器件A先将不同方向传输的λ1，λ3和λ2，λ4分在两个信道，然后在B处把λ1，λ3分开，接下来的D处与E处相当于两个带通滤液器，从而大大减小了λ1，λ3两信道的串扰。而λ2，λ4两个信道输入到C处在此合波，并送入A处。最后λ2和λ4共同由A处的P点输出，并耦合进光纤中。

22. 7.2.4 光波分复用的主要应用 波分复用技术被得到普遍的关注，它一般适用于长途、大容量光纤通信系统，特别是对于超长距离、大容量的（≥5Gbit/s）光纤通信系统中。下面简要介绍一个实用的10Gbit/s单模双向传输光波分复用网。

23. EDFA MZ Ch.1 LD 1553nm 40km DSF 40km DSF BPE MZ LD Ch.2 OC 1554nm REP.1 EDFA Ch.3 LD/EA 1555nm MZ LD Ch.4 发射机 1556nm 40km DSF 40km DSF 40km DSF 40km DSF 40km DSF 40km DSF 40km DSF 40km DSF REP.4 REP.3 REP.2 BPF PD EDFA 40km DSF 60km DSF ATT 数据时钟 Rx REP.5 接收机 1.系统结构 图7-9是一个点对点的全双工四波长复用传输的星型用户网，其中四个信道的工作波长分别为1553nm，1554nm和1556nm，它们是通过4λ-WDM器件来完成复用功能的。然后将4λ-WDM器件的输出光信号送到掺铒光放大器中进行信号放大，使每个信道的光功率分别调到-12dBm,-13dBm,-14dBm和-15dBm，并将其耦合进色散位移光纤（DSF）中，当经长度为500km，以若干EDFA为中继器的传输光纤的传输之后，在光接收端再经过解复用，将从接收到的合成光信号中分解出原信道中所传信号。 图7－9 全双工四波长光WDM传输网

24. 10dB/div -20dBm -50dBm -80dBm 1575nm 1550nm 1525nm RES:0.1nm （5nm/div） 2.接收端的光谱特性和误码特性 7.2.4 光波分复用的主要应用 在上述系统中，各信道所使用的光源为分布反馈（DFB）激光器，其谱宽Δλ约在0.2-0.4nm左右，具有很尖锐的谱线，几乎接近单色，因此在经过500km的光纤传输之后，在光接受端所接受到的光信号的光谱特性如图7-10所示。从图中 图7－10 接收端的光谱特性 可以看出，各信道谱线非常清晰，相互之间无明显的串扰现象。由此可知，当所有信道都能实现，BER＜10-9时，系统中由EDFA的放大自发辐射（ASE）累积而引起的功率代价在2.5-3.6之间。

25. 7.2.4 光波分复用的主要应用 3.中继系统 由于光纤衰减因素的影响，使得传输的光信号随着传输距离的增加而减小，若传输距离过长，则光接收机所接收到的光功率愈小，严重时会产生误码，影响整个系统的传输质量，因而干线传输中的最大中继间距和中继系统的结构便成为光波分复用干线传输中的重要课题。目前一般的光纤通信系统中最大中继距离的实用水平大致为：60-80km（用于2.5Gbit/s系统中），40km（用于10Gbit/s系统中）。如果想进一步提高最大中继距离的长度，可采用色散位移光纤。它可以减小各信道在光接收机的输入端所接收的光信号的信躁比之间的差别。

26. 7.3密集波分复用技术 当光波波长间隔小于0.8nm时的复用技术，称为密集波分复用（DNDM）技术 ，正是由于此复用状态下，各信道之间的光载波间隔比光波分复用情况下的信道 间隔窄的多，因而大大增加了复用信道数量。提高了光纤频带利用率，当然也增加了其技术的复杂程度，随着调制.复用.传输等方面技术上的进步，该技术已经开始进入应用阶段。在此将简单介绍DWDM系统的结构，原理和系统性能。

27. λ1 λ1 Tx Rx λ2 λ2 Tx Rx … … 光纤 λN λN Tx Rx 7.3.1密集波分复用系统的结构 图7－12 点对点的传输方式结构示意图 1.点对点传输方式 （1）系统结构 在图7-12给出了点对点的传输方式的系统结，与图7-1比较其结构相同，但由于DWDM方式下,各信道的波长间隔小于0.8nm，与波长复用方式比较，可传输的数目更多，频带利用率更高，然而在采用DWDM的点对点的传输方式时。诸如信道间隔.光纤带宽和光纤损耗都直接对系统容量产生影响

28. 7.3.1密集波分复用系统的结构 （2）信道间隔 当DWDM系统数目愈多时，信道间的波长间隔也就愈窄。信道之间更易存在相互干扰，严重是影响系统的传输质量，因而系统中所选用的信道间隔必须满足最小信道间隔的要求。通常对于强度调制-直接检波的方式的光信号，在进行光频分复用时，要求信道间隔大于0.7nm，而对于相干检测方式的光信号，则要求信道间隔可以小到只有信道码速率的5-6倍，即几GHZ 目前在1.55um附近的光纤低损耗窗口可以做到120nm的宽度，如果采用相干检测方式 ，信道间隔在码率为2Gbt/s下可以做到10ghz，则可以在120nm范围内进行1500个信道的复用，这样有效码率达到2gbit/s×1500=3tbit/s。如果再用光放大器结合起来使用，则可以克服由光纤损耗而引起的对中继距离的限制。从而大大提高系统的容量和传输距离 （3）光纤带宽

29. λ1 λ1…λn 1 λ2 2 λN N 7.3.1密集波分复用系统的结构 2. 广播式分配网络 广播式分配网络可以分配信息到多个用户。通过光纤总线或星型网络分配电视信号到城市小区用户就是一个例子。通过网络。每个用户可接受所有的信道。使用一个星型耦合器的多信道分配网络。每个信道使用单独的光载波频率发送电视信号，所有发信机的输出功率复合进无源星型耦合器，并且分配相等的功率到所有的接收机。每个用户接收所有的信道。使用调谐接收机选择它们中的一个。这种网络有时也称为广播-选择网络 图7－13 广播式分配网络的典型结构

30. 7.3.1密集波分复用系统的结构 广播网络的极限容量受分配损耗和插入损耗的限制，就目前的工艺水平而言，插入损耗可以做到很小，而分配损耗却随用户数目的增加。对于N × N 星型耦合器，每个用户接收到的平均功率pr由下式给出 pR=（pT/N）（1-δ）log2N（1-CL） 式中pr是平均发射功率，N是用户数，δ是星型3耦合器的插入损耗，参数Cl是其它损耗，如光纤损耗和连接器损耗。为了满足网络工作的要求，接受到的光功率应该超过接受机灵敏度P 假如我们用每比特平均光子数NP表示Prec，则Prec=NPhvB 在上式中用 Prec代替PR，等效带宽BN由下式给出 PT BN=（———）（1-δ）log2N（1-CL） NPhv 对于外差接收，NP典型值是100，典型的发射功率为1Mw，1。55um光波系统的光子能力hv=0.8ev，对于无损耗性耦合器（δ=0）和无损耗传输（CL）此时式中的BN=78Tb/s。

31. 7.3.1密集波分复用系统的结构 对于直接检测，如果我们事业N =1000，BN 值可减小到7.8Tb/s。由于其他损耗的存在，实际上比BN还要小。在图中表示直接检测和外差检测两种情况下的BN值与信道数的关系。对于理想的无损耗星型耦合器（顶端平行实线），BN=10Tb/s。虚线表示δ=0.05（耦合器损耗 0.2db）时BN值的降低情况，实线表示实际相干接收机的BN值。对于N=1600，B=622 ， BN 值近似为1TB/s（直接检测）。对于N=4800的外差检测系统BN值可增加到3倍（BN=3TB）。顶端平行实线表示理想的无损耗情况（假定接收灵敏度为100个光子/比特），虚线表示星型耦合器中的每个耦合器只有0.2db损耗时的影响。

32. 7.3.1密集波分复用系统的结构 使用光放大器可以克服分配损耗，扩大网络容量。在一个实验中，使用两个掺铒光纤放大器演示了广播网络容量，可达3950万用户的能力。该实验波长间距为2nm，使用12个DFB 激光器，每个激光器用2.2Gb/s的信号调制，整个系统可传送384个数字电视频道到3950万用户。光放大器的作用是补偿分配损耗，以便确保每个用户能得到 足够强的功率，解调出所需要信道的信号。另一个实验表明，在527km范围内WDM广播网络以39.81Gb/s的速率工作。可以供4.4× 107个用户同时接收电视信号。

33. λ1 λ1…λn 7.3.1密集波分复用系统的结构 到目前为止，已经对DWDM广播式分配网络进行了大量的实验研究，最早的实验是在1９８６年进行的。实验中采用了IM/DD方式，并利用８×８星型耦合器，这样将间隔为１５nm的７个信号进行分配，而在接收端利用机械调协的１０nm带宽的滤波器进行波长选择，其调协范围为４００nm。每 1 λ2 2 λN N 图7－14 广播式分配网络的典型结构 一路码率达到280mbit/s。随着光学技术的不断发展，星型 耦合器可以做到128×128，这样在相干检测情况下，信道间隔可小到6GHZ，从而使信道数目达到100，也使人们看到了为数目量大的用户提供服务的可能性。

34. 节点＃N 节点＃1 LD Tx λ1 . . 电接口 . 接收器 分波器 节点＃5 N×N 星型 耦合器 LD Tx λ2 电接口 接收器 分波器 节点＃4 节点＃2 节点＃3 图7－15多路多址局域网络结构示意图 3.多路多址局域网络 图7-15是多路多址局域网络的结构式意图，从图中可以看出，该网络是利用n×n星型耦合器，将n个通信接点联系在一起，每一接点中具有一个不同的发射波长λi和一个能够接受所有发射波长的接受机，这样每一个节点既能向所有节点发送信息，又能通过采用波长可调滤波器或衍射光栅分波器，把n个波长信道分开。并送入n个光接收器，再又节点处理后送入用户，从而达到接收网络中的所有用户传输信息的目的

35. 节点＃N 节点＃1 LD Tx λ1 . . 电接口 . 接收器 分波器 节点＃5 N×N 星型 耦合器 LD Tx λ2 电接口 接收器 分波器 节点＃4 节点＃2 节点＃3 图7－15多路多址局域网络结构示意图 这种网络结构具有很多优点，它可用于点对点的大流量的通信，同时网络中传输的各载波信息彼此独立，互不相关，而且每一段载波信息可以采用不同的调制方式（数字和模拟）和不同的码率，据有关报道，曾利用该种网络结构进行了一个具有18个节点，网径为57.8km的实验，每一节点发射机的码率为1.5Gbit/s，使得网络的有效码速达到27Gbit/s

36. 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 1.可调光滤波器 在图7-14和7-15中的接收端均使用了波长可调的光滤波器，其作用是在接收段于接收器前从多信道复用的光信号中选择出一定波长的信号，以供接收机进行接收。为了使接收机能够接收所有信道送来的信号，因而要求光滤波器具有可调谐性，并且调谐范围应该能够覆盖整个系统的波长范围，而滤波器的带宽则应该大于信道带宽，同时小于信道的间隔，这样可以避免信息的丢失和信道间串扰。所谓串扰是指一个信道的能量转移到另一个信道，因而档信道之间存在串扰时，会引起接收信号误码率的升高，如果此时仍要求系统能够保持正常工作，那么系统必须在保证一定误码率的前提下，增加接收机信道信号的光功率，这样串扰便引起接收灵敏度的下降，因而对串扰产生机理的研究更显其重要性，经分析可知，串扰又分为线形串扰和非线形串扰。

37. 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 通常使用法布里-珀罗（F-P）干涉仪作为光滤波器，其多谐振峰的传输特性如图所示。其中△vl为F-P的自由谱宽，△VFP为透过峰的宽度，它们均由F-P的结构参数决定，即 △VL=c/2nL △VFP =(1-R)/π√R －△VL =(1-R)/π√R ·c/2nL △Vq =q·c/2nL (q=1,2,3,…) 式中，c为真空中的光速，n为构成F-P的材料折射率，L为F-P的腔长度，R为F-P两个腔面的反射率，Vη为透过峰的光频率。 (7-4) (7-5) (7-6) 由式（7-6）可知，透过峰的该光频率与F-P的腔长度有关，如果改变其腔长L，则可以改变透过峰的频率。因而可以将F-P的一个腔面固定在压电陶瓷上，通过外加电压改变压电陶瓷的伸缩性，是F-P腔长发生变化，从而达到对F-P的透过峰进行调谐的目的。

38. 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 由上面的分析可知，为了保证DWDM系统中各信道信息的正常传输，同时避免各信道间的相互干扰，因而透过峰宽度△VFP应该大于每一信道的信号带宽.小于信道间隔，另外自由谱宽△VL应该大于系统复用信号的带宽，以避免DWDM系统中的信道丢失。 另外还有一类是集成在LiNbO3波导上，利用声光或电光效应来改变介质的折射率，从而实现对光波长选择的光波器，其中声光效应的滤波器调谐范围可做到大于100nm ，而电光效应的滤波器调谐范围较小，只能达到10nm。 除此之外，窄带的光放大器对入射复用信号的选择放大，也可以起到光滤波器的作用。例如具有很窄带宽的光受激布里渊放大器，其带宽约100MHZ，这样可以通过对泵浦长的调谐来实现对多路复用信号的选择放大作用

39. 光纤 自动聚焦透镜 λ1 闪耀光栅 λ2 λ3 λ1＋λ2＋λ3 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 图7－16 衍射光栅分波器结构示意图 2.衍射光栅分波器 衍射光栅分波器在DWDM系统中与在WDM系统中的作用是一样的，都是将多路复用信号逐一地传送到相应的接收信道上，从而实现解复用的目的。下面介绍其结构和工作原理 ⑴系统结构 如图7-16，衍射光栅分波器是由闪耀光栅和自聚焦透镜构成。

40. 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 光纤 自动聚焦透镜 ①闪耀光栅 光栅是在一块能够透射或反射的平面上，平行并等距离地刻画出一系列槽痕，从而形成许多相同间隔的狭缝，显然在这些槽痕处，其透射率或反射率会明显地变化，因而根据被衍射的光为反射光还是透射光，光栅被分为反射光栅和透射光栅。 λ1 λ2 闪耀光栅 λ3 λ1＋λ2＋λ3 图7－16 衍射光栅分波器结构示意图 从图7-16可知，此处闪耀光栅为反射光栅，而且它的槽痕具有小阶梯形状。它能够使经过它的入射光在某一方向集中，而具有最大的光强，有利于与光纤的耦合，同时减小了中间的插入损耗

41. 包层 纤芯 λ λ/4 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 图7－17 自聚焦透镜原理图 ②自聚焦透镜 图7-16中所使用的透镜为一个体积较小自聚焦透镜 ，这种透镜通常是采用具有梯度型折射率分布的光纤制成的，从图7-18中可以看出，由于梯度型折射率分布光纤中的光波具有汇聚作用，从而具有自聚焦的性质。这样如果截取λ/4的长度，并将端面抛光，便形成了自聚焦透镜，若再将光栅直接刻制在透镜端面上，则可使器件的结构更加小，同时可以大大提高其稳定性。

42. 光纤 自动聚焦透镜 λ1 闪耀光栅 λ2 λ3 λ1＋λ2＋λ3 7.3.2 DWDM复用系统中的关键器件 ⑵工作原理 当光纤阵列中某根输入光纤中的光信号经透镜聚焦，形成平行光束射向闪耀光栅时，由于光栅对光波存在衍射作用，因而使不同波长的光信号衍射后出射的方向不同，这样可以按一定规律将其耦合进光纤中，而且光栅狭缝数目越大，则不同波长的衍射角越大，更便于输出光纤的排列。从图7-17中可以清楚地看出，不同波长对应着不同的输出光纤，因而接收机就可以根据用户的要求，选择相应的输出光纤中所传输的光信号，以实现接收相应的信道信息的目的 图7－16 衍射光栅分波器结构示意图

43. 7.3.3 关键技术问题 在光频分复用系统中，除了插入损耗和分配损耗之外，影响系统传输性能的重要因素还有信道串扰和载频漂移，在此分别加以说明。 1.信道串扰 所谓串扰是指一个信道的能量转移到另一个信道，因而当信道之间存在串扰时，会引起接收信号误码率的升高，如果此时仍要求系统能够保持正常工作，那么系统必须在保证一定误码率的前提下，增加接收机信道信号的光功率，这样串扰便引起接收灵敏度的下降，因而对串扰产生机理的研究更显其重要性。经以下分析可知，串扰又分线性串扰和非线性串扰。

44. 2 F=100 BER=10-6 BER=10-9 BER=10-12 BER=0 串扰功率代价(dB) 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 7.3.3 关键技术问题 (1) 线性串扰 线性串扰通常发生在解复用过程中，它与信道间隔、解复用方式以及器件的性能有关。在强度调制－直接检波的多路复用光通信系统中，常采用光滤波器作为复解用器，因而串扰的大小取决于选择信道的光滤波器的特性。 如果在复用系统中共存在N个信道， 1.0 图7－18 直接检波多路复用系统中的信道串扰功率代价与N/F的关系 那么当采用F-P滤波器选择第m个信道时，以所有其他信道均为“1”码时对该信道的串扰影响最为严重。由此信道串扰给系统引入功率代价，此代价也可以用误码率进行度量，如图7-18所示。从图中可以看出，不同的误码率下，信道串扰功率代价与N/F(N为信道数、F为F-P滤波器精细度)的关系。即当F=100,N/F=0.33, BER=10-9时，功率代价小于0.2Db,实验数据表明这样的F-P滤波器，信道间隔可以减小到比特率的1/3。

45. 2 F=100 BER=10-6 BER=10-9 BER=10-12 BER=0 串扰功率代价(dB) 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 7.3.3 关键技术问题 (2) 线性串扰 当光纤处于非线性工作状态时，光纤中的几种非线性效应均可能在信道间构成串扰，具体来讲，就是一个信道的光强和相位将受到其他相邻信道的影响，从而形成串扰。由于是光纤非线性效应引起的，故这种串扰称之为非线性串扰。 图7－18 直接检波多路复用系统中的信道串扰功率代价与N/F的关系 光纤的非线性效应包括受激喇曼散射、受激布里渊散射、交叉相位调制和四波混频等，这些将在本书最后一章关于光纤非线性效应一节中进行详细分析，在此就不做论述了。

46. 7.3.3 关键技术问题 2.稳频 由于发射激光器的频率（或波长）会随着工作条件（例如温度和电流）的变化而发生漂移。例如在InGaAsP激光器中，注入电流没变化1mA，波长便会改变0.02nm,而温度每变化1℃，则波长将会改变0.1～0.5nm。因而保持每个信道的载波的稳定是多信道光纤通信系统设计中的又一重要方面。 可见，在系统中，特别是在密集频分复用系统中，只有采取有效措施来保持各载波频率的相对稳定，从而使信道间隔恒定，才能使系统正常工作。通常具体可实施的稳频方案有多种，这将在下一章相干光通信系统中有关稳频措施中进行介绍。

47. 7.3.4 密集波分复用技术的应用 图7－19 16个信道×10Gbit/s的OFDM传输系统示意图 图7－19给出了采用色散补偿光纤和增益均衡技术的DWDM多路复用系统，从图中可以看出，它是由多信道发送机、信道选择接收机和中继系统构成。

48. 7.3.4 密集波分复用技术的应用 1.多信道发送机 在图7-19中共有16个信道，每个信道的传输速率均为10Gbit/s,光源均采用DBR-LD分布反馈激光器，其各信道均以80GHz为信道间隔，实现从1549.53nm到1559.13nm16个信道的波长排列，这样16个信道的输出光可以通过16×2的星型耦合器实现光频率复用。由于使用了星型耦合器，会给系统带来插入损耗，因而采用B-AMP助推放大器来补偿功率的损失，随后将复用光信号直接耦合进光纤中传输

49. 7.3.4 密集波分复用技术的应用 2.中继系统 中继系统是指从A点到B点的信号传输系统。它包括1000km的单模光纤和172.5km的色散补偿光纤。由于随着传输距离的不断增加，信号的传输衰减也随之增加，因而采用光放大器来补偿功率的损失，因此在系统中，除了8，16，22，25，和27号段外，所有各段放大器的跨度间隔为40km的SMF和7.5km的DCF,每跨度的损耗达到12dB，其中SMF为8dB，DCF为4dB。这样用DCF的负色散来抵消单模光纤色散，是多数跨度零色散波长在1563nm ,色散斜率达到0.077ps/(nm2·km)，因而在B点，以信道8为例，其色散约为700ps/nm. 除此之外，在中继系统中，还使用了三个光带通滤波器（BPF）和8个光纤光栅，以便消除980nm泵浦掺铒光纤放大器的1533nm的自发辐射噪声（ASE），同时还采用了3个波导型调谐增益均衡器（GEQ），分别放置于8，16和22号段内，它可以使通过1000km传输后的各光信道的信噪比特性基本相同，从而达到均衡光信噪比（SNR）的目的。

50. 7.3.4 密集波分复用技术的应用 3.信道选择接收机 由于在接收端B点所接收的信号为光频分多路复用信号，因而在图7－19中信道选择工作是由信道选择滤波器来完成的，单在信道选择过程中因存在分配损耗，从而限制了信道数目。为了增加信道数目，在其后使用了980nm泵浦光前置放大器（PRE-AMP）和一个具有0.6nm带宽的干涉滤波器（OFIL），以补偿因信道选择带来的光功率损失，而在信道选择器和光前置放大器之后，还使用了SMF和DCF，这样可以通过分别适当地选择它们各自地长度，使每一信道地色散值达到最佳地目的。 由于密集波分复用技术的潜力巨大，极具经济效益，因而受到广泛的关注，但就目前的技术水平来说，也仅仅进入初步商用阶段，但可以肯定，随着技术的不断进步，其巨大的开发价值将得以确认。