长沙理工大学：《光电子学》课程教学资源（实验指导）语音、图像光纤传输及波分复用（WDM）

语音、图像光纤传输及波分复用(WDM) [实验目的] 1.了解光纤模拟通信和数字通信的工作原理： 2.了解光纤波分复用技术(WDM0的工作原理： [实验原理] (1)光源的调制 将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。直接调制 方法适用于半导体光源，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应 的光信号输出，是一种光强度调制(M)。间接调制是利用晶体的电光、磁光和 声光效应等性质对光辐射进行调制，可以采用铌酸锂调制器(LM)、电吸收调制 器(EA-M)和干涉型调制器(MZ-M)实现。对强度调制直接检测(M/DD)光波系 统，并非一定要采用外调制方案，但在高速长距离光波系统中，采用间接调制有 利于提高系统性能。 直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基 本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。按 调制信号的形式，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制两种。 C 图1：半导体光源的直接调制原理 (a)LED模拟调制(b)L印数字调制(c)LD数字调制 模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如话音和视频信号）对光源进行调 制，如图1()所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。适当选择直 流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。数字信号调制主要指PCM 编码调制，先将连续变化的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制 脉冲代码，用矩形脉冲的1码、0码来表示信号，如图1(b)和(c)所示

语音、图像光纤传输及波分复用（WDM） [实验目的] 1. 了解光纤模拟通信和数字通信的工作原理； 2. 了解光纤波分复用技术(WDM)的工作原理； [实验原理] （1）光源的调制 将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制。直接调制 方法适用于半导体光源，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应 的光信号输出，是一种光强度调制(IM)。间接调制是利用晶体的电光、磁光和 声光效应等性质对光辐射进行调制，可以采用铌酸锂调制器(L-M)、电吸收调制 器(EA-M)和干涉型调制器(MZ-M)实现。对强度调制直接检测(IM／DD)光波系 统，并非一定要采用外调制方案，但在高速长距离光波系统中，采用间接调制有 利于提高系统性能。 直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基 本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。按 调制信号的形式，光调制可分为模拟信号调制和数字信号调制两种。 图 1：半导体光源的直接调制原理 (a) LED 模拟调制 (b)LED 数字调制 (c)LD 数字调制 模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音和视频信号)对光源进行调 制，如图 1(a)所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。适当选择直 流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。数字信号调制主要指 PCM 编码调制，先将连续变化的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制 脉冲代码，用矩形脉冲的 1 码、0 码来表示信号，如图 1(b)和(c)所示。 1

(2)光纤通信系统中的波分复用技术 ①WDM的概念 光波分复用(Wavelength Division Multiplexing,wDM0技术是在一根光纤中 同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信 号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又 将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同 的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。 光纤的带宽很宽。如图2所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为1.31 (1.25-1.31um)的窗口，相应的带宽(A=-△c/,元和△1分别为中心波长 和相应的波段带宽，c为真空中的光速)为17700Gz:波长为1.55um(1.50~1.60 m)的窗口，相应的带宽为12500Gz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。 如果信道频率间隔为10Gz,在理想情况下，一根光纤可以容纳3000个信道。 40 。信首间磊 目3.050200GH …山 思20 载波颊率 1.0 80010001200140016001800 波长/nm 图2中心波长在1.3m和1.55m硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示1.55um传输窗口的多信道复用) 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光 频分复用(OFDM)还十分困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较 小的波分复用称为密集波分复用(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)。目前该系统是在1550nm波段内，同时用8、16或更多个波长在 一对光纤上（也可采用单光纤）构成的光通信系统，其中各个波长之间的频率间隔 为200GHz、100GHz或50GHz,约对应于波长间隔1.6nm、0.8nm或0.4 nm。WDM、DWDM和OFDM在本质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用 WDM和DWDM来区分是1310/1550nm简单复用还是在1550nm波段内密集 复用，但目前在电信界应用时，都采用DWDM技术。由于1310/1550nm的复 2

（2）光纤通信系统中的波分复用技术 ① WDM 的概念 光波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技术是在一根光纤中 同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信 号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又 将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同 的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。 光纤的带宽很宽。如图 2 所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：波长为 1．31um (1.25~1.31um)的窗口，相应的带宽( 2 −= ΔΔ cf / λλ , λ 和 Δλ 分别为中心波长 和相应的波段带宽，c为真空中的光速)为 17700GHz；波长为 1.55um (1.50～1.60 um)的窗口，相应的带宽为 12500 GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过 30 THz。 如果信道频率间隔为 10 GHz，在理想情况下，一根光纤可以容纳 3000 个信道。 图 2 中心波长在 1.3um 和 1.55um 硅光纤低损耗传输窗口 （插图表示 1.55um 传输窗口的多信道复用） 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光 频分复用(OFDM)还十分困难。在这种情况下，人们把在同一窗口中信道间隔较 小的波分复用称为密集波分复用(DWDM ， Dense Wavelength Division Multiplexing)。目前该系统是在 1550 nm 波段内，同时用 8、16 或更多个波长在 一对光纤上(也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的频率间隔 为 200 GHz、100 GHz 或 50 GHz，约对应于波长间隔 1．6 nm、0．8 nm 或 0．4 nm。WDM、DWDM 和 OFDM 在本质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用 WDM 和 DWDM 来区分是 1310／1550 nm 简单复用还是在 1550 nm 波段内密集 复用，但目前在电信界应用时，都采用 DWDM 技术。由于 1310／1550 nm 的复 2

用超出了EDFA的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用WDM这个更 广义的名称来代替DWDM。 WDM技术对网络升级、发展宽带业务（如CATV、HDTV和IP over WDM 等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要的意义，尤 其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺饵光 纤放大器(EDFA+密集波分复用(WDM+非零色散光纤NZDSF,即(G.655光 纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信系统的主要技术方向。 如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输，我们就可以在这 些WDM链路的交叉（结点）处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交 叉连接设备(OXC),或进行光上下路的光分插复用器(OADM),则在原来由光纤 链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中 的波长信道可以连接起来，形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成 端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这 就是目前引人注目的、新一代的WDM光网络。 ②WDM系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，将不同波长的信号组 合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器（也叫合波器）。反之，将同一传输光 纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器（也叫分波 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)。 WDM系统的基本构成主要有以下两种形式： a.双纤单向传输。 单向WDM传输是指所有波长信道同时在一根光纤上沿同一方向传输。如图 3所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同载波波长的已调光信号入，无2…元n 通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同波 长的光载波携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波 长的信号分开，完成多路光信号的传输任务。反方向通过另一根光纤传输的原理 与此相同。 b。单纤双向传输。 双向WDM传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图 3

用超出了 EDFA 的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用 WDM 这个更 广义的名称来代替 DWDM。 WDM 技术对网络升级、发展宽带业务(如 CATV、HDTV 和 IP over WDM 等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要的意义，尤 其是 WDM 加上 EDFA 更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光 纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即(G.655 光 纤)+光子集成(PIC)”正成为国际上长途高速光纤通信系统的主要技术方向。 如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为 WDM 传输，我们就可以在这 些 WDM 链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交 叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤 链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中 的波长信道可以连接起来，形成一个跨越多个 OXC 和 OADM 的光通路，完成 端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这 就是目前引人注目的、新一代的 WDM 光网络。 ② WDM 系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是 WDM 技术中的关键部件，将不同波长的信号组 合在一起经一根光纤输出的器件称为复用器(也叫合波器)。反之，将同一传输光 纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波 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)。 WDM 系统的基本构成主要有以下两种形式： a. 双纤单向传输。 单向 WDM 传输是指所有波长信道同时在一根光纤上沿同一方向传输。如图 3 所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同载波波长的已调光信号λ λ λn ,....., 21 通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同波 长的光载波携带的，因而彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同波 长的信号分开，完成多路光信号的传输任务。反方向通过另一根光纤传输的原理 与此相同。 b. 单纤双向传输。 双向 WDM 传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图 3

4所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。 双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑 制多通道干扰MP即，必须注意到光反射的影响、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(O$C) 传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向WDM系统 的开发和应用相对来说要求较高，但与单向WDM系统相比，双向WDM系统 可以减少使用光纤和线路放大器的数量。 另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC),可使 各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(add/drop)和路由选择，这样 就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理安排插入和分出信号 1光发射机 光接收机一 [复用器②光纤放大器②解复用器 A一光发射机 …入 光接收机一n 1”一光接收机 光发射机-一1' 解复用器②光纤放大器②复用器上 m'光接收机 … 无光发射机 图3双纤单向WDM传输 1一光发射机 光楼收机→1 n一光发射机 “2 光接收机一n 汉m义用图⊙開w用☐ 1一光接收机 4p7 光发射机一1 n一光接收机 光发射机- 图4单纤双向WDM传输 [实验装置]

4 所示，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。 双向 WDM 系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素，如为了抑 制多通道干扰(MPI)，必须注意到光反射的影响、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) 传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。所以双向 WDM 系统 的开发和应用相对来说要求较高，但与单向 WDM 系统相比，双向 WDM 系统 可以减少使用光纤和线路放大器的数量。 另外，通过在中间设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，可使 各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(add／drop)和路由选择，这样 就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理安排插入和分出信号。 图 3 双纤单向 WDM 传输 图 4 单纤双向 WDM 传输 [实验装置] 4

型爆 网 红色接头 OAM G.652单光杆2km s P 图5光纤通信及波分复用实验装置示意图 [实验内容] 1.按图5所示结构进行实验系统连接，设置LD1、LD2工作模式(MOD)为模 拟调制模式(OAM):按动液晶面板下方“ESA”键，随后在液品面板右侧 “ESAMOD”模块中将模拟接收机工作模式置于模拟接收模式(ARX),检 查无误后打开系统电源。 ★注意：“摄像头”和“监视器”中白色接口为语音信号接口，黄色接口 为视频信号接口。 2.使用1550nm传输视频信号，使用1310nm传输语音信号，进行单模光纤波分 复用技术实验。 a.旋转主机面板圆形旋钮在0mA~300mA之间调节LD2偏置电流(Ic),使 得监视器图像有最小失真。 b.旋转主机面板圆形旋钮在0mA~300mA之间调节LD1偏置电流(Ic),使 得监视器声音输出有最小失真。 最终在监视器中可以观察到无失真的拍摄图像、听到清晰的声音。 ★注意：LD1和LD2的调节电流不得超过300mA! 3.旋转主机面板圆形旋钮分别将LD1、LD2的驱动电流缓慢降置OmA,关闭主 机电源

图 5 光纤通信及波分复用实验装置示意图 [实验内容] 1. 按图 5 所示结构进行实验系统连接，设置 LD1、LD2 工作模式(MOD)为模 拟调制模式(OAM)；按动液晶面板下方“ESA”键，随后在液晶面板右侧 “ESAMOD”模块中将模拟接收机工作模式置于模拟接收模式（ARX），检 查无误后打开系统电源。 ★注意：“摄像头”和 “监视器”中白色接口为语音信号接口，黄色接口 为视频信号接口。 2. 使用 1550nm 传输视频信号，使用 1310nm 传输语音信号，进行单模光纤波分 复用技术实验。 a. 旋转主机面板圆形旋钮在 0mA~300mA 之间调节 LD2 偏置电流(Ic)，使 得监视器图像有最小失真。 b. 旋转主机面板圆形旋钮在 0mA~300mA 之间调节 LD1 偏置电流(Ic)，使 得监视器声音输出有最小失真。 最终在监视器中可以观察到无失真的拍摄图像、听到清晰的声音。 ★注意：LD1 和 LD2 的调节电流不得超过 300mA！！ 3. 旋转主机面板圆形旋钮分别将 LD1、LD2 的驱动电流缓慢降置 0mA，关闭主 机电源。 5

[思考题] 如何使用两套设备在一根单模光纤中进行双向可视电话传输？请画出系统 光路。 [注意事项] 1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。 2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或 接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。 3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30m

[思考题] 如何使用两套设备在一根单模光纤中进行双向可视电话传输？请画出系统 光路。 [注意事项] 1. 系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。 2. 光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或 接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。 3. 所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于 30mm。 6