摘要：通信技术的到来对于人类来说是一次巨大的进步，我国电网通信行业飞速发展，正向着5G时代发展，在此过程中新技术新方法的应用对于行业来说十分重要，波分复用技术长久以来就是其中的一项难点，本文通过实际案例分析了波分复用技术在电网通信中的应用，经过研究得出了其在基础学科和实际应用中的优缺点，对于行业中科研人员和实际工作人员均具有重要意义。
1、前言
随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求早现加速增长的趋势。发展迅速的各种新型业务（特别是高速数据和视频业务）对通信网的带宽（或容量）提出了更高的要求。为了适应通信网传输容量的不断增长利满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种复用技术。在光纤通信系统中除了大家熟知的时分复用（TDM）技术外，还出现了其他的复用技术，例如光时分复用（OTDM）、光波分复用（WDM）、光频分复用（OFDM）以及副载波复用（SCM）技术。本文主要讲述WDM基本技术。
2、波分复用技术
在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法。即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带宽滤波器滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。
光波分复用（WDM：Wavelength Division Multiplexing）： 在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术.光波分复用的基本原理：在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用）；并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输；在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。CWDM：利用1.3和1.55μm附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统。由于1310/1550 nm的复用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用。DWDM：在1.55（1.50~1.60）μm窗口，同时用8，16或更多个波长的WDM系统，其中各波长之间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应于200GHz，100GHz或更窄的频率间隔。DWDM技术得到广泛应用。目前水平：商用系统：40×10Gb/s实验室：82×40Gb/s=3.28Tb/s基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网。光发送机——将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器（OTU）转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA）放大输出至光纤中传输。光中继放大——用采用了增益平坦技术的EDFA（LA）实现对不同波长光信号的相同增益放大。光接收机——先由前置光放大器（PA）放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。光监控信道（OSC）——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的光监控信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出为λs波长的光监控信号和业务信道光信号。网络管理系统——通过光监控信道物理层传送的开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。WDM系统如图1所示。
图1 WDM系统
3、波分复用技术的应用
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输。双纤单向传输单向WDM传输：指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送；由于各信号是通过不同光波长携带的，彼此之间不会混淆；在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。双向WDM传输：指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。双向WDM系统的优点：可以减少使用光纤和线路放大器的数量。双向WDM系统的缺点：其开发和应用相对说来要求较高。如为了抑制多通道干扰（MPI），必须注意光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道（OSC）传输、自动功率关断等，要使用双向光纤放大器。从原理上讲，这种器件是互易的（双向可逆），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。因此复用器和解复用器是相同的（除非有特殊的要求）。介质膜波分复用器的优点：通带特性好（平顶、隔离度高～25dB）；偏振相关损耗小（～0.2dB）；插损低（5～7dB）；采用高稳定的带通滤光片，温度敏感性小（0.0005nm/oC，不需温控）。介质膜波分复用器的缺点：波长数不大于16CH；波长间隔不小于0.8nm；价格较高；是16通道WDM系统中主要选用的器件。阵列波导光栅（AWG），也称作相位阵列（Phased Array），是WDM 通信系统中的关键器件，除了可作为波分复用/解复用器外，它还是光互连器件的关键组成部分，已经成为WDM系统中不可缺少的核心器件。在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。列阵波导光栅复用器能同时提供有波长选择的N ×N 联结。它可以工作在高衍射级，因而可有10- 2纳米级的分辨率。同时，它还可用作分波器、合波器、波长选择开关、多波长激光器等。用SiO 2，InGaAsP/ In 以及多种有机材料制备的实用化器件已经出现。它结构紧凑，集成度高，性能稳定，信号畸变小，通道间窜扰小，误码率低，输入输出及片内的损耗都较低。可以确信，采用列阵波导光栅的高可靠性的N 通道的DWDM 光互联系统是可以实现的。AWG由三个主要部分，即输入/输出（I/O）光波导阵列、两个相同的自由传播区的平板波导和弯曲的波导阵列。I/O光波导阵列和弯曲的波导阵列通过平板波导连接。SiO2/Si和InGaAsP/InP是目前最为成熟的材料系统。AWG得主要性能指标包括低的中心波长偏移，高的通带光谱响应、低的信道串扰、低的插入损耗和低的偏损依赖性等，由于AWG主要应用是DWDM系统的WDM/DEWDM器件，其信道波长间隔相当窄，因此，必须精确地控制AWG的中心波长。AWG应用：波长路由器波长路由器即NXN型复用、/解复用。每根输入波导中的N个不同波长的光波分布到N个输出波导中，分布规律如下图所示。每根输出波导接收到的N个光波分别来自N个输入波导，这便实现了路由选择功能。应用上复用/解复用（16通道以上WDM系统中最具竞争力的器件）。AWG特点如下：
?信道间隔（1.6 0.8 0.4nm）
?端口（1′8 1′16 1′32 1′64）
?需要温控（0.01nm/C0）
?插损不随通道数增加（6~7dB）
?高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损）
?隔离度~22dB
?PDL<1dB
光波分复用器件由于这类器件的工作机制是干涉效应的滤光，故这类器件又称为干涉膜滤光型复用器。制作这类器件的关键是设计不同折射率介质膜和严格镀膜气体及精密可控的膜厚。适当的设计和工艺控制可以制作出只透射一个波长而反射其它波长的滤光器，把这种功能的滤光器称为通带波分复用（BWDM）滤光器。若将多个波长的通带波分复用滤光器以一定方式连接起来，便可构成所需信道数的波分复用器。光纤光栅是利用紫外（UV）激光诱导光纤纤芯折射率分布呈周期性变化的机制形成的折射率光栅。利用这种折射率光栅，让特定波长的光通过反射和衰减实现波长选择，便可制作成波分复用器件。根据折射率变化周期，分成短周期和长周期光纤光栅。为满足人们对带宽无止境的需求和更好地利用现有光放大器的带宽，除把希望寄托于集成光学（IO）的AWG波分复用器外，近年提出一种光数字复用器，这种复用器是一种光数字复用技术的波分复用器。之所以把它称为数字复用器，是因为在数学这种器件的滤波函数被称为梳状滤波函数，即该函数像一把梳子，可以对信号的频谱进行梳理和交叉，故有人又把这种器件称为光梳滤波器或光交叉复用器。利用这种器件可以把复用的多波长光信号分解成按奇、偶波长数排列的两组光束，每组光束的波长间隔为原复用光信号波长间隔的二倍。这种功能使较窄信道间隔的WDM 系统进一步解复用为较疏松的DWDM，为更加密集的DWDM系统的系统设计和实施提供可行途径。常规滤光型和AWG型波分复用器分别采用分振幅的干涉和分波前的干涉方式。然而，这两种方式有个共同点，那就是为了实现特定频率的滤波，都采用低阶干涉（如零阶或者1阶干涉）。所以，滤光片的厚度和AWG阵列波导中相邻波导间的光程差都是在波长量级。
4、总结
电网通信中的波分复用技术是重要的通信技术，在实际应用中十分广泛，对于基础知识的掌握和在实际应用中实践对于此项技术来说十分重要，我国通信技术应该进一步拓展新技术的应用，让更多优秀的科研成果为人民造福。
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论文作者:伍明铭
论文发表刊物:《河南电力》2018年14期
论文发表时间:2018/12/29
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