【正文】 信系統(tǒng)。在本質(zhì)上， 頻率和波長是緊密相關(guān)的，頻分也即波分，但在光通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長是采用光學(xué)分光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以 在此 我們?nèi)詫烧叻殖蓛蓚€不同的系統(tǒng)。波分復(fù)用是光湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種預(yù) 定波長的光信號。光波分復(fù)用的實質(zhì)是在光纖上進行光頻分復(fù)用（ OFDM），只是因為光波通常采用波長而不用頻率來描述、監(jiān)測與控制。隨著電 光技術(shù)的向前發(fā)展，在同一光纖中波長的密度會變得很高。因而，使用術(shù)語密集波分復(fù)用（ DWDMDense Wavelength Division Multiplexing），與此對照，還有波長密度較低的 WDM系統(tǒng)，較低密度的就稱為稀疏波分復(fù)用（ CWDMCoarse Wave Division Multiplexing）。這里可以將一根光纖看作是一個“多車道 ” 的公用道路，傳統(tǒng)的 TDM系統(tǒng)只不過利用了這條道路的一條車道，提高比特率相當(dāng)于在該車道上加快行駛速度來增加單位時間內(nèi)的運輸量。而使用 DWDM技術(shù)，類似利用公用道路上尚未使用的車道，以獲取光纖中未開發(fā)的巨大傳輸能力。 與通用的單信道系統(tǒng)相比，密集 WDM（ DWDM）不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點，特別是它可以直接接入多種業(yè)務(wù)更使得它的應(yīng)用前景十分光明。 波分復(fù)用（ WDM） 技術(shù)的 原理 在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常利用頻分 復(fù)用的方法，即在同一根電纜中同時傳輸若干個信道的信號，接收端根據(jù)各載波頻率的不同，利用帶通濾波器就可濾出每一個信道的信號。同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光的頻分復(fù)用的方法來提高系統(tǒng)的傳輸容量，在接收端采用解復(fù)用器 (等效于光帶通濾波器 )將各信號光載波分開。由于在光的頻域上信號頻率差別比較大，人們更喜歡采用波長來定義頻率上的差別，因而這樣的復(fù)用方法稱為波分復(fù)用。 采用 WDM技術(shù)可以將每根光纖的巨大帶寬分成許多互不重疊的波長信道，每個信道都可以并行，異步和高速地按當(dāng)前電子處理數(shù)據(jù)的極限速率來傳輸數(shù)據(jù)，從而可以充 分利用光纖地巨大帶寬。由于不同波長地光載波信號可以看成相互獨立地 (不考慮光纖非線性時 )，從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復(fù)用傳輸。雙向傳輸?shù)膯栴}也很容易解決，只需將兩個方向的信號分別安排在不同波長傳輸即可。 人們通常把光信道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復(fù)用稱為光波分復(fù)用（ WDM），再把在同一窗口中信道間隔較小的 WDM稱為密集波分復(fù)用（ DWDM）。 隨著科技的進步，現(xiàn)代的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長間隔為納米級的復(fù)用，甚至可以實現(xiàn)波長間隔為零點幾個納米級的復(fù)用，只是在器件的技術(shù)要求上更加嚴格，可用的波長數(shù)也 將極 大增大。 現(xiàn)在商用化的一般是 8波長、 16波長、 32波長、 64波長、 128波長等系統(tǒng)， 更多的波分復(fù)用數(shù)的波分復(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室中獲得。 WDM系統(tǒng)的構(gòu)成及光譜示意圖如 圖 。 發(fā)送端內(nèi)有 N個發(fā)射機 ， 發(fā)射機湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 所發(fā)出的光的波長是不同的，它們的波長分別為波長 1N， 每個光波承載 1路信號 ，經(jīng)過光波長復(fù)用器復(fù)用在一起送入摻鉺光纖功率放大器 （ EDFA） （摻鉺光纖放大器主要用來彌補合波器引起的功率損失和提高光信號的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據(jù)情況決定有或沒有光線路放大器，到達接收端經(jīng)光前置 放大器（主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大以后， 在接收端有 N個光濾波器 (1N)， 濾波器 1對載有信號 1的光信號 (波長 1)有選擇通過的作用， …… 濾波器 N對載有信號 N的光信號 (波長 N)有選擇通過的作用 。 圖 WDM 系統(tǒng)的構(gòu)成及光譜示意圖 WDM 系統(tǒng)的 基本形式 WDM 系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要分雙纖單向傳輸和 單纖雙向 傳輸兩種方式。 雙纖 單向 WDM 是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送， 在發(fā)送端將載有各種信息的具有不同波長的已調(diào)光信號通過光延長用器組合在一起，并在一 根光纖中單向傳輸，由于各信號是通過不同波長的光攜帶的，所以彼此間不會混淆，在接收端通過光的復(fù)用器將不同波長的光信號分開，完成多路光信號的傳輸，而反方向則通過另一根光纖傳送 ，其傳輸方式如圖 。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 λ 11光源 λ NN……波分復(fù)用檢測器 λ 1檢測器 λ N…… 1 Nλ N……光源 λ 1波分復(fù)用檢測器 λ 1N + 1……檢測器 λ N2N波分復(fù)用 波分復(fù)用λ 1 λ N……光源 λ N……光源 λ 12NN+1 圖 WDM 的單向傳輸方式 [19] 單纖 雙向 WDM 是指光通路在一要光纖上同時向兩個不同的方向傳輸，所用的波長相互分開，以實現(xiàn)彼此雙方全雙工的通信聯(lián)絡(luò) ，其傳輸方式如圖 。單纖雙向 WDM傳輸方式允許單根光纖攜帶全雙工通路，通?？梢员葐蜗騻鬏敼?jié)約一半的光纖器件，由于兩個方向傳輸?shù)男盘柌唤换ギa(chǎn)生 FWM（四波混頻）產(chǎn)物，因此其總的 FWM產(chǎn)物比雙纖單向傳輸少很多，但缺點是該系統(tǒng)需要采用特殊的措施來對付光反射（包括由于光接頭引起的離散反射和光纖本身的瑞利后向反射），以防多徑干擾；當(dāng)需要將光信號放大以延長傳輸距離時，必須采用雙向光纖放大器以及光環(huán)形器等元件，但其噪聲系數(shù)稍差 ，所以目前實際應(yīng)用較少 目前單向的 WDM 系統(tǒng) 在開發(fā)和應(yīng)用方面都比較廣泛 。 λ 11光源 λ NN……波分復(fù)用檢測器 λ 1檢測器 λ N…… 1 Nλ N……光源 λ 1波分復(fù)用檢測器 λ N+ 1N + 1……檢測器 λ 2N2Nλ N+ 1 λ 2N……光源 λ 2N……光源 λ N + 12NN + 1單根光纖 圖 WDM 的雙向傳輸方式 [19] 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 WDM 系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢 WDM系統(tǒng)之所以在光通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中不可替代的組成部分 ，與其所具有的特性是密不可分的。 WDM系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： (1) 充分利用光纖的巨大帶寬資源 。 目前使用的普通光纖可傳輸?shù)膸捠呛軐挼模淅寐蔬€很低。使用 WDM技術(shù)可以在不需要敷設(shè)新光纜的條件下，大大增加現(xiàn)有常規(guī)單模光纖的傳輸容量，因而大大節(jié)約投資，具有巨大的經(jīng)濟效益。 (2) 對各類業(yè)務(wù)信號“透明”傳輸。 由于 WDM系統(tǒng)按光波長的不同進行復(fù)用和解復(fù)用，而與信號的速率和電調(diào)制方式無關(guān)， 因此可以傳輸不同類型的信號，如數(shù)字信號、模擬信號等， 即對數(shù)據(jù)是“透明”的。 因此， 一個 WDM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù) ”信號，如 ATM、 IP或者將來有可能出現(xiàn)的信號。WDM系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對于“業(yè)務(wù)”層信號來說， WDM系統(tǒng)中的各個光波長通道就像“虛擬”的光纖一樣。 (3) 改造現(xiàn)有系統(tǒng)成本低。對已建光纖系統(tǒng) ， 尤其早期鋪設(shè)的芯數(shù)不多的光纜 ，只要原系統(tǒng)有功率余量 ， 可進一步增容 ， 實現(xiàn)多個單向信號或雙向信號的傳送而不用對原系統(tǒng)作大改動 ， 具有較強的靈活性。 (4) 系統(tǒng)擴容升級容易。 WDM通信網(wǎng)是一個協(xié)議透明、格式透明的網(wǎng)絡(luò)，可以 不斷地將現(xiàn)有的電網(wǎng)絡(luò)迭加到光網(wǎng)絡(luò)上。 WDM網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要隨時升級擴容，以滿足未來新業(yè)務(wù)的需求 。 在網(wǎng)絡(luò)擴充和發(fā)展中，無需對光纜線路進行改造，只需更換光發(fā)射機和光接收機即可實現(xiàn)，是理想的擴容手段，也是引入寬帶業(yè)務(wù)（例如 CATV、 HDTV和 BISDN等）的方便手段，而且利用增加一個波長即可引入任意想要的新業(yè)務(wù)或新容量。 (5) 高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性 。 利用 WDM技術(shù)構(gòu)成的新型通信網(wǎng)絡(luò)比用傳統(tǒng)的電時分復(fù)用技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要大大簡化，而且網(wǎng)絡(luò)層次分明，各種業(yè)務(wù)的調(diào)度只需調(diào)整相應(yīng)光信號的波長即可實現(xiàn)。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化、層次分明以及業(yè)務(wù)調(diào)度方便，由此而帶來的網(wǎng)絡(luò)的靈活性、經(jīng)濟性和可靠性是顯而易見的 。 (6) 可兼容全光交換 。 可以預(yù)見，在未來可望實現(xiàn)的全光網(wǎng)絡(luò)中，各種電信業(yè)務(wù)的上 /下、交叉連 接等都是在光上通過對光信號波長的改變和調(diào)整來實現(xiàn)的。因此， WDM技術(shù)將是實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且 WDM系統(tǒng)能與未來的全光網(wǎng)兼容，將來可能會在已經(jīng)建成的 WDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)。 (7) 降低器件的超高速要求。 隨著傳輸速率不斷提高 ， 許多光電器件的 響應(yīng)速度明顯不足 ， 使用 WDM 技術(shù)可以降低對一些器件在性能上的極高要求 ， 同時又湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 可實現(xiàn)大容量傳輸。 WDM 系統(tǒng) 中存在的問題 (1) 光纖的非線性效應(yīng)引起信道串?dāng)_或信號畸變隨著光纖中信道數(shù)目或信道間隔的減小而增加，這不僅限制了光纖傳輸容量的進一步提高，還限制了信號的傳輸距離； (2) EDFA的級聯(lián)所引起的增益頻譜不平坦會嚴重影響信號傳輸質(zhì)量，需要對光放大器進行復(fù)雜的增益均衡； (3) 波分復(fù)用系統(tǒng)對光源波長 的穩(wěn)定性要求很高，需要對光波頻率進行復(fù)雜的控制以保持系統(tǒng)的性能； (4) 寬帶 WDM系統(tǒng)需要考慮 色散斜率， 色散補償不能對所有信道完全精確地進行補償。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致 WDM系統(tǒng)的邊緣信道上產(chǎn)生正負色散累積，導(dǎo)致不同信道的傳輸能力產(chǎn)生差異。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 第四章 基于光子晶體光纖的 WDM 系統(tǒng)的仿真研究 光纖通信技術(shù) 的設(shè)計是一項十分繁復(fù)的工作 ， 涉及 到多學(xué)科領(lǐng)域， 無論在做系統(tǒng)設(shè)計或初始方案，還是新型傳輸系統(tǒng)與結(jié)構(gòu) 的探索與研究 時 ，都要進行 冗長繁雜的計算。 在完成設(shè)計后 ，為了驗證 所設(shè)計的系統(tǒng)性能是否滿足預(yù)定 要求，還需反復(fù)進行實驗研究與測試。 而光纖通信系統(tǒng) 中 如果每次都直接用真實系統(tǒng)進行實驗， 不僅耗資昂貴，費工費時，有時甚至難于找到問題癥結(jié)所在，因此，解決上述問題的有效方法是采用計算機仿真技術(shù)，即通過建立器件、部件乃至系統(tǒng)的模型，并用模型在計算機上做實驗，利用計算機的高速運算處理能力，完成對光纖通信設(shè)備與系統(tǒng)的分析、設(shè)計以及性能優(yōu)化與評估測試。顯然，建立光纖通信系統(tǒng)的計算機仿真平臺，既能提高設(shè)計的一次成功率，大大縮短新產(chǎn)品研制周期和節(jié)省投資費用，還能極大地促進光纖通信的基礎(chǔ)理論研究。 我們在設(shè)計 WDM系統(tǒng)時，使用了一款光通信工作者常用的軟件 —— Optisystem仿真軟件。 Optisystem 仿真軟件簡介 OptiSystem是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計、測試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統(tǒng)到 LANS和 MANS都適用。一個基于實際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級模擬器，OptiSystem具有強大的模擬環(huán)境和真實的器件和系統(tǒng)的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展，而成為一系列廣泛使用的工具。全面的圖形用戶界面控制光子器件設(shè)計、器件模型和演示。巨大的有源和無源器件的庫包括實際的、波長相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)的掃描和優(yōu)化允 許用戶研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。因為是為了符合系統(tǒng)設(shè)計者、光通訊工程師、研究人員和學(xué)術(shù)界的要求而設(shè)計的， OptiSystem滿足了急速發(fā)展的光子市場對一個強有力而易于使用的光系統(tǒng)設(shè)計工具的需求。優(yōu)點：投資風(fēng)險大幅度降低，快速投入市場，快速、低成本的原型設(shè)計，系統(tǒng)性能的全面認識，輔助設(shè)計容差參數(shù)的參數(shù)靈敏性評估 ， 面向用戶的直觀的設(shè)計選項和腳本 ， 直接存取大規(guī)模的系統(tǒng)特征數(shù)據(jù) ， 自動的參數(shù)掃描和優(yōu)化。應(yīng)用 OptiSystem允許對物理層任何類型的虛擬光連接和寬帶光網(wǎng)絡(luò)的分析，從遠距離通訊到 MANS和 LANS都適用。它的廣泛應(yīng)用包括 ： 物理層的 器件級到系統(tǒng)級的光通訊系統(tǒng)設(shè)計， CATV或者 TDM?WDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 ， SONET?SDH的環(huán)形設(shè)計， Radio over Fiber系統(tǒng)，自由空間光通信系 （ FSO） ，傳輸器、信道、放大器和接收器的設(shè)計 ， 色散圖設(shè)計 ， 不同接受模式下誤碼率（ BER）和系統(tǒng)代 價 的評估 。 放大的系統(tǒng) BER和連接預(yù)算計算主要特點 。 Optisystem軟件的界面十分友好，操作簡單。開始運行后 ， 可以看到 圖 所示的操作界面。操作界面包含任務(wù)區(qū)（ Project layout）、泊塢窗（ Dockers）、湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 狀態(tài)欄（ Status Bar）。 圖 Optisystem 軟件操作界面 任務(wù)區(qū)（ Project layout） 是我們進行主要仿真工作的操作界面，相當(dāng)于你的試驗平臺，在這里我們可以完成插入器件，編輯器件，連