密集波分复用（DWDM）技术实现原理分析*

2021-04-27钟昌锦刘斌付益李沼云

广东通信技术 2021年4期

［钟昌锦刘斌付益李沼云］

1 引言

随着互联网及宽带数据传输服务的高速发展，长距离光纤传输系统对光通信容量的需求剧增。如何利用现有的光纤传输系统，进一步提高光通信容量以满足这种日益膨胀的需求，已成为光通信领域研究的重点。目前世界上各大运营公司和设备制造厂商都对其商业应用化展现出浓厚兴趣。

密集波分复用（DWDM）技术可以让光纤传输量得到极大的增加。起初，波分复用（WDM）技术能使在同一根光纤中同时传送的波长数量从4猛增到32个，而利用DWDM技术这个数字已经远超200个。随着密集波分复用（DWDM）技术、光时分复用（OTDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）技术的发展和普及，光通信技术正向着高速、大容量通信系统方向发展，并且逐步向全光网络演进。

2 密集波分复用技术

2.1 密集波分复用技术及作用

波分复用器件包含合波器（OM）与分波器（OD），又称光复用器与解复用器，属于一种光学滤波无源器件。

在发送端，合波器的作用是把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波，然后输入到光纤中进行传输，即对光波起复用作用。

在接收端，分波器的作用是把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的各复用光通路信号，然后分别输入到相应的各光通路接入设备中，即对光波起解复用作用。

2.2 密集波分复用的种类

密集波分复用技术是一种能在一根光纤上同时传送多个携带有电信息（数字或模拟）的光载波，从而实现系统扩容的光纤通信技术。它将多种不同波长的光信号组合（复用）起来进行传输，传输后将光纤中组合的光信号再分离开（解复用），送入不同的光通信终端，即在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道，即可省掉大量的光纤资源。按实现原理分类，DWDM技术可分为以下常用的几种器件。

（1）光栅型密集波分复用

光栅型密集波分复用属于色散型器件。入射光进入光纤后，使光纤中的部分材质变化成近似布拉格衍射光栅，利用光学衍射的特性将不同波长的波分出来。其原理如图1所示。

图1 光栅型原理图

（2）介质薄膜型密集波分复用

介质薄膜型密集波分复用是通过介质薄膜滤波片实现，介质薄膜滤波片是由几十层不同材料、不同厚度和不同折射率的介质薄膜组合而成。一层为高折射率，一层为低折射率。由一层层高低折射率不同的薄膜形成的光学效应，使之对一定的波长范围呈通带，而对另外的波长范围呈阻带，形成所要求的窄带滤波特性。1×NDWDM器件的实现原理如图2所示。

（3）阵列波导型密集波分复用

图2 介质薄膜干涉型滤波器原理图

阵列波导型密集波分复用是以光集成技术为基础的平面波导型器件，在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层，续以微影制及反应式离子蚀刻法定义出数组波导，最后加上保护层制成。阵列波导型密集波分复用原理是利用波导的物理特性将不同波长的波细分出来，如图3所示。该器件方便集成生产，在后续的接入网中将有更多应用。该技术除了做成波分复用器外，还可以组合做成矩阵结构，对光信道进行上下分插（OADM），是今后光传送网络中实现光交换的优选方案。

图3 阵列波导型原理图

（4）耦合型密集波分复用

耦合型密集波分复用有两类，应用较广泛的是熔拉双锥（熔锥）式光纤耦合器，即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥型，并稍加扭曲，使其熔接在一起。由于不同的光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合来达到所需的耦合功率。第二种是采用研磨和抛光的方法去掉光纤的部分包层，只留下很薄的一层包层，再将两根经同样方法加工的光纤对接在一起，中间涂有一层折射率匹配液，于是两根光纤可通过包层里的消失波发生耦合，得到所需要的耦合功率，其原理如图4所示。耦合器型合波器制造成本低，通道间隔离度好，但是其引入损耗大。其中介质薄膜滤波器型属于波长敏感型光器件，耦合器属于波长不敏感光器件。所谓波长敏感指其相关通道的插入损耗和波长关系较大，非此通道的波长在此通道插入损耗极大，而波长不敏感则指其通道插入损耗和波长关系不大。

图4 耦合型原理图

3 主要技术指标

（1）插入损耗

插入损耗是指密集波分复用器件本身对光信号的衰减作用。密集波分复用器件的插入损耗对DWDM系统的传输距离影响很大。不同种型的密集波分复用器件有不同的插入损耗值。

（2）带宽

带宽参数仅对分波器有意义。目前针对分波器的带宽有二种提法，即-0.5 dB带宽和-20 dB带宽。其中-0.5 dB带宽是描述分波器带通特性，良好的带通特性曲线应该平坦、宽阔，所以其值越大越好，比如大于0.3 nm。而-20 dB带宽则是描述分波器阻带特性，阻带特性曲线应该陡峭，所以其值越小越好。

（3）隔离度

隔离度参数仅对波长敏感型器件有意义，一般合波器采用耦合型器件，没有隔离度的参数，但是分波器采用介质薄膜型器件，为波长敏感型器件，故隔离度对于分波器来讲，是一个非常重要的参数。它表征分波器本身对其各复用光通路信号的彼此隔离程度。通路的隔离度越高，密集波分复用器件的选频特性就越好，它的串扰抑制比也越大，各复用光通路之间的相互干扰影响也就越小。

（4）偏振相关损耗（PDL）

因光波的偏振态变化而造成的插入损耗的最大变化值，叫作偏振相关损耗。光是频率极高的电磁波，所以存在着波的振动方向问题（偏振）。输入到密集波分复用器件中的各复用通路光信号，其偏振态不可能完全一致，而同一波分复用器件对不同偏振态的光波，其衰减作用也略有不同，其值越小越好。