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光波分复用器的工作原理

时间 : 2022年7月11日分类 :工程百科

    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，因此其中的完成光复用／解复用技术的核心器件――光波复用器的性能尤为关键，因而在此将就光波复用器的工作原理、结构和性能进行简要分析．
    1．光波分复用器的工作原理
    光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光器件，其原理如图8-3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．

图8-3 WDM光传输原理图

    当作为对光波波长起合成作用的器件时，从N个端口各自注入不同波长的光信号，在一个端口处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，注入到入射端的各种光波信号，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）．由以上分析可以知道，各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口．
    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他输出端口所隔离，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．
    (l)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一波长关系曲线表示，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，其插入损耗一波长关系如图8-4所示．从图中可以看出，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．

图8-4 复用器插入损耗一波长关系曲线

(2)解复用
解复用的光学特性，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达,如图8―5所示．从图中曲线可以看出，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。

图8-5 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
    不同工作通道的中心波长的选取是由设计者根据相应的国际、国家标准以及实际应用要求而确定．在ITU-T规定中，对于密集型波分复用器做出了具体的规定．例如对于l 550 nm区域，1552.52nm作为标准波长，其他复用波长的规定间隔为100 GHz(0.8 nm)，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．
    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．系统设计时一般容许几个分贝的插入损耗，但一般较好的商用产品均低于0.5 dB．
    ③相邻信道之间串音耦合器最大值L12, L23
    串音是指其他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30 dB；在模拟通信中则应大于50 dB．表8-1给出了某公司的光波分复用器的技术性能．

    3．单模光纤熔锥型耦合器
    由于单模光纤熔锥型耦合器是由全光纤构成的，因此用做光波长复用器时，非常便于与光纤通信系统耦合连接，而且具有连接损耗小、体积小、结构紧凑的特点．
    (l)结构
    如图8-6所示，它是将两根光纤扭绞在一起，并且通过对扭绞部分一边加热，一边加上拉力缓慢拉伸，从而使两光纤熔接在一起。

    (2)工作原理
    从图中可以看出，单模光纤熔锥型耦合器共有四个端口，其中1，3端口属于同一根光纤，2，4端口属于另一根光纤，那么如果把两不同波长（λ1 λ2）的光射线由端口1输入，则其中λ1波长的光射线由端口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，从而实现解复用的作用．同理，由2，4输入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．
    (3)耦合原理
    在波分复用和解复用过程中，单模光纤熔锥型耦合器的作用是互逆的，这里首先以解复用过程为例来说明其耦合原理．
    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

    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．
    由此可知，当

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γ，即

例如,现有波分复用系统中，两信道的中心波长分别为λ1 ,λ2，那么可以通过控制耦合比，使对λ1的γ（λ1）≈O（实际上可做到小于0. 01%），而对γ（λ2）≈l 00%，这就意味着，含λ1和λ2的光信号在经过该耦合器之后，λ1和λ2的光波分别由3，4端口输出，从而达到将两个波长的光射线分开的目的；当然，相反的使用也可将两波长的光射线达到合成的目的，如图8―7所示。

    (4)4λ-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，其结构如图8-8所示．
    此处四个信道的波长λl，λ2，λ3，λ4分别为l 200 nm,1 240 nm,1 280 nm，和l 320 nm．这样从图中可以清楚地看出，右端（P）点为4λ-WDM与单模光纤的连接点，通过此点四个信道分别完成λl，λ3与λ2，λ4的双向传输，由于选择器件(A)的波长选择度为40 nm，而(B)和(C)的波长选择度为80 nm，因此器件(A)可以把不同方向传输的λl，λ3和λ2，λ4分在两个信道，而(B)把λl，λ3分开，再分别经过(D)，(E)分成两个信道，表面上看起来此举似乎有些多余，但实际上它们起到一个带通滤液器的作用，从而大大减小了λ1，λ3两信道间的串扰，下面再来看一下输入到(C)的λ2，λ3两个信道，可见，经(C)合波并送人(A)，由于λ2与λ4的波长间隔为80 nm，而(A)的波长选择度为40 nm，故λ2和λ4共同由(A)的P点输出，并被耦合进光纤中．
    (5)N×N星型耦合器
    由于技术上的复杂性，直接拉制的商用星型耦合器件还仅限于低端口数（N= 3,4等）．对于高端口数的星型耦合器，则通常采用基本单元拼接法来获得．一般N小于16时，则可以采用4×4或8×8等器件作为基本单元，经过如图8-9给出的拼接法获得．

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