【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€(gè)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(jì)（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(shí)傳輸多個(gè)不同波長的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù) 定波長的光信號(hào)。光波分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用（ OFDM），只是因?yàn)楣獠ㄍǔ２捎貌ㄩL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(huì)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(gè)“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(shí)間內(nèi)的運(yùn)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(kuò)容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(shí)傳輸若干個(gè)信道的信號(hào)，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(gè)信道的信號(hào)。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(hào)光載波分開。由于在光的頻域上信號(hào)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(gè)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(hào)可以看成相互獨(dú)立地 (不考慮光纖非線性時(shí) )，從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。雙向傳輸?shù)膯栴}也很容易解決，只需將兩個(gè)方向的信號(hào)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(jìn)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(jí)的復(fù)用，甚至可以實(shí)現(xiàn)波長間隔為零點(diǎn)幾個(gè)納米級(jí)的復(fù)用，只是在器件的技術(shù)要求上更加嚴(yán)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(shí)驗(yàn)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(gè)發(fā)射機(jī) ， 發(fā)射機(jī)湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)光波承載 1路信號(hào) ，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(bǔ)合波器引起的功率損失和提高光信號(hào)的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號(hào)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(dá)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(gè)光濾波器 (1N)， 濾波器 1對載有信號(hào) 1的光信號(hào) (波長 1)有選擇通過的作用， …… 濾波器 N對載有信號(hào) N的光信號(hào) (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(shí)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(hào)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(hào)是通過不同波長的光攜帶的，所以彼此間不會(huì)混淆，在接收端通過光的復(fù)用器將不同波長的光信號(hào)分開，完成多路光信號(hào)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(jì)（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(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸，所用的波長相互分開，以實(shí)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(gè)方向傳輸?shù)男盘?hào)不交互產(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(diǎn)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(hào)放大以延長傳輸距離時(shí)，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(shí)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(jì)（論文） 17 WDM 系統(tǒng)的特點(diǎn)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(diǎn)： (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?，但其利用率還很低。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(jì)效益。 (2) 對各類業(yè)務(wù)信號(hào)“透明”傳輸。 由于 WDM系統(tǒng)按光波長的不同進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用，而與信號(hào)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(hào)，如數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)等， 即對數(shù)據(jù)是“透明”的。 因此， 一個(gè) WDM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù) ”信號(hào)，如 ATM、 IP或者將來有可能出現(xiàn)的信號(hào)。WDM系統(tǒng)完成的是透明傳輸，對于“業(yè)務(wù)”層信號(hào)來說， WDM系統(tǒng)中的各個(gè)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(jìn)一步增容 ， 實(shí)現(xiàn)多個(gè)單向信號(hào)或雙向信號(hào)的傳送而不用對原系統(tǒng)作大改動(dòng) ， 具有較強(qiáng)的靈活性。 (4) 系統(tǒng)擴(kuò)容升級(jí)容易。 WDM通信網(wǎng)是一個(gè)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(shí)升級(jí)擴(kuò)容，以滿足未來新業(yè)務(wù)的需求 。 在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中，無需對光纜線路進(jìn)行改造，只需更換光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，是理想的擴(kuò)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(gè)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(jì)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(shí)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(hào)的波長即可實(shí)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(jì)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(shí)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(hào)波長的改變和調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。因此， WDM技術(shù)將是實(shí)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(huì)在已經(jīng)建成的 WDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)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(shí)又湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 可實(shí)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(hào)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(jìn)一步提高，還限制了信號(hào)的傳輸距離； (2) EDFA的級(jí)聯(lián)所引起的增益頻譜不平坦會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，需要對光放大器進(jìn)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(jìn)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(bǔ)償不能對所有信道完全精確地進(jìn)行補(bǔ)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(fù)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(jì)（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(jì)是一項(xiàng)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(jì)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(shí) ，都要進(jìn)行 冗長繁雜的計(jì)算。 在完成設(shè)計(jì)后 ，為了驗(yàn)證 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能是否滿足預(yù)定 要求，還需反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與測試。 而光纖通信系統(tǒng) 中 如果每次都直接用真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 不僅耗資昂貴，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，有時(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)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(jì)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(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，既能提高設(shè)計(jì)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(fèi)用，還能極大地促進(jìn)光纖通信的基礎(chǔ)理論研究。 我們在設(shè)計(jì) WDM系統(tǒng)時(shí)，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(jì)、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(gè)基于實(shí)際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級(jí)模擬器，OptiSystem具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級(jí)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(jìn)行擴(kuò)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(jì)、器件模型和演示。巨大的有源和無源器件的庫包括實(shí)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?yàn)槭菫榱朔舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)者、光通訊工程師、研究人員和學(xué)術(shù)界的要求而設(shè)計(jì)的， OptiSystem滿足了急速發(fā)展的光子市場對一個(gè)強(qiáng)有力而易于使用的光系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的需求。優(yōu)點(diǎn)：投資風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低，快速投入市場，快速、低成本的原型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)性能的全面認(rèn)識(shí)，輔助設(shè)計(jì)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(jì)選項(xiàng)和腳本 ， 直接存取大規(guī)模的系統(tǒng)特征數(shù)據(jù) ， 自動(dòng)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(yuǎn)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(jí)到系統(tǒng)級(jí)的光通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)， CATV或者 TDM?WDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) ， SONET?SDH的環(huán)形設(shè)計(jì)， 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(jì) ， 色散圖設(shè)計(jì) ， 不同接受模式下誤碼率（ BER）和系統(tǒng)代 價(jià) 的評估 。 放大的系統(tǒng) BER和連接預(yù)算計(jì)算主要特點(diǎn) 。 Optisystem軟件的界面十分友好，操作簡單。開始運(yùn)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(jì)（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(jìn)行主要仿真工作的操作界面，相當(dāng)于你的試驗(yàn)平臺(tái)，在這里我們可以完成插入器件，編輯器件，連