实验6 波分复用解复用系统模拟 - 下载本文

光信息专业实验指导材料(试用)

实验6 波分复用/解复用系统模拟

[实验目的]

1、了解WDM的特性及其简单应用;

2、掌握WDM的复用方法,实现单纤单向和单纤双向的双波长复用/解复用; 3、了解OADM的概念,实现单纤单向和双向的OADM结构;

4、搭建无波长变换的单纤双向、单纤单向双波长简易光交叉互连通信系统,了解光交叉互连系统的结构与工作原理;

5、搭建有波长变换的单纤双向、单纤单向双波长简易光交叉互连通信系统,了解光交叉互连系统的结构与工作原理。

[实验仪器]

实验室提供:半导体激光器(1310nm)2台,半导体激光器(1550nm)2台,光接收机4台,光交叉链接机1台,波长变换器2台,CCD4台,监视器4台,单模跳线若干,4盘5Km长的光纤。

[实验原理]

一、WDM系统的基本原理

光纤通信发展的20多年来,传统的电时分复用的光通信系统的速率几乎以每10年100倍的速度稳定增长,但其发展速度最终受到电子器件速率瓶颈的限制,在40Gbit/s以上很难实现。光纤的带宽(如朗讯的全波光纤和康宁的城域网光纤)和色散指标(如G.653,G.655)的不断提高以及各种光纤放大器技术的不断进步,大力促进了波分复用技术(WDM)的发展,以较低的成本较简单的结构形式成几倍、数十倍地扩大单根光纤的传输容量,逐步成为未来宽带光网络中的主导技术。

波分复用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,恢复出原信号送入不同的终端。目前波长域的复用技术主要有三种:粗波分复用(CWDM),密集波分复用(DWDM)和光频分复用(OFDM)。三者本质上都是波长的分割复用,不同的是复用信道的波长间隔不同,间隔为几十到几百纳米的称为粗波分复用;间隔为0.8nm的整数倍(0.8nm,1.6nm,2.4nm,3.2nm)称为密集波分复用;复用间隔仅为几个GHz至几十GHz的称之为光频分复用。

目前光网络领域的重点正在由长途骨干网向城域网转移,与长途网相比,城域网面临着更加复杂多变的业务环境,需要直接支持大的用户,因而需要频繁的业务量疏导和带宽管理能力。若传输距离较短,光纤色散也不成问题,但如果照搬主要应用于长途传输的DWDM,可能会带来成本上的提高,为了节约成本,人们提出了粗波分复用CWDM(Corase WDM)的概念。CWDM技术充分分析了城域传

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输网传输距离短的特点,指出城域网中的波分复用不必受EDFA放大波段的限制,而是可以在整个光纤传输窗口上,以比DWDM 系统宽得多的信道间隔(20nm)进行波分复用。由于信道间隔宽、传输距离短,CWDM无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器,无须选择成本昂贵的密集波分复用器和解复用器,只需选择廉价的粗波分复用器和解复用器;无须采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求;无须采用EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继。由于器件成本和系统要求的降低,使得CWDM系统的造价比DWDM系统大幅下降,整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。CWDM国际上目前有三个可用波段,分别是:(单位:nm)

O-Band:1275.7, 1300.2, 1324.7, 1349.2 E-Band:1380, 1400, 1420, 1440

S+C+L-Band: 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590, 1610 考虑到实验室的可操作性,我们只模拟简单的两路波长的WDM系统。

二、OADM的实验原理

长途光纤通信多节点网络系统中间节点处的光分插复用(Add/Drop Multiplexer,ADM也有人称之为上/下载复用器)的作用是下载(Drop)通道中的通往本地的信号,同时上载(Add)本地用户发往另一节点用户的信号,以及位于终端将信道下载解复用器。可以方便地在节点处加载和下载信号,使整个光纤通信网络系统的灵活性大大提高。

从传输网络中间节点处上/下载信道是否固定,可以分为静态型和动态型两种。 1 静态型的ADM

这种ADM适用于节点间使用固定的信道,功能较少的简易光纤WDM通信系统。这些ADM结构简单,性能稳定,易于应用。但不能解决节点间通信业务发生拥塞或出现其他突发性紧急事件。

2 动态型的ADM

在长途多节点通信网络中,可能随时出现各种突发事件,所以需要上载和下载的信道变化,而不是上/下载固定的信道。图6.1给出了几种常见的动态ADM的原理图,图6.1-a所示的是一可调谐单信道ADM的结构原理图,复用信号经1*N的解复器解复,下载信道经M×N波长光栅路由器(Wavelength Grating Router,WGR)后由其端口N下载。波长光栅路由器是由光开关组成,作用是把输出的N个信道顺序在控制信号控制下进行交换。图6.1-b的工作原理是解复后由光开光控制其上载和下载;图6.1-c是利用阵列波导光栅与热-光开关(Thermo-Optic Switch,TOS)进行多信道信号的上载和下载。

考虑到实验室的可操作性,我们只模拟简单的两路波长的OADM系统,而且OADM器件是由两个WDM器件组成。如图6.2所示。

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1 1*N21212 N*1 . . . ?1,2…n ?1,2…n

M*NM*NOptical Optical... WGRWGR...Switch SwitchNNN

?i ?i drop

add

(a)

12..?1,2…n .Ninoutdrop

.......out. .?1,2’…n

AWG1

TOSAWG21add2...?1’…n’ N1*N DEMUXdrop.. .

2*2 Switch

inAWG3addN*1 MUX(b) (c) (c) (b)

图6.1 动态的ADM

WDM WDM WDM WDM

图6.2 OADM的原理图

三、OXC简介

为了有效地利用和共享巨大的传输信息量,同时也为了满足城域间用户的服务需求,每个骨干网都通过若干接点(称为交叉互连节点)交叉连接起来,构成一个链状结构,称为网络体系的拓扑结构(如星型、网孔型等)。对如此巨大的信息吞吐量和很高的入线速率,只有通过实时的光-光交叉互连才是可行的,因此这个节点就称为光交叉互连节点,缩写为OXC。每个骨干层传输网可以直接与用户发生OADM的关系,但更多的则是把骨干网中的信息下载到区域网中去对用户进行分配,既便于发挥骨干层的传输潜力,又能使整个网络系统造价降低。

实现OXC功能的硬件结构,也有多种方案,比较现实可行的是基于光开关矩阵和AWG复用/解复用器,同时辅有波长变换器组成的OXC功能结构,它分别由N个AWG复用器和

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解复用器作为输入节点,每个输入节点都含有M个复用波长,因此解复用后的信道总数为M×N,通过MN×MN光开关矩阵,可实现实时的任意选路交换,为了避免信道波长的重复,经波长变换器作必要的变换后再由AWG复用往下继续传送。现有的OXC节点功能目前还限于波长路由交叉连接(WRXC),而随着波长转换器件的成熟,则向波长转换交叉连接(WIXC)发展,因而在网络管理上就需考虑虚波长通道的设置,以保证光交叉互连畅通无阻。

根据ITU-T建议的标准信道间隔为0.8nm,全波光纤窗口宽达340nm,可以传输425个独立信道,若信道间隔压缩为0.1nm,加上偏振复用,则信道数可增达7000个,因此在区域网中就可以波长为标识分配给各个管理区中的用户,网络中信息流的走向完全可以由波长选通直接解决,无须再作波长转换。这样的网络体系复杂度较小,造价低,可靠性高。但是信源的上载发送和用户的下载接收对波长的精确度就有更高的要求,何者更为经济合理与光子器件的发展水平和网络管理的有效性、经济性直接相关。尽管如此,波长变换在OXC系统中仍然是不可缺少的,相邻的环形网络中,同等数量的波长信道都已分配给各自的用户,但各个环形网中的信道并非都处于工作状态,因而总是存在一定数量的空闲信道。网络1中的n信道经过OXC接入网络2时,可能在网络2中的n信道正在紧张地工作,因此就出现了阻塞效应,一时无法实现交叉互连,波长变换就是将n信道波长转变为其中某一个空闲信道的波长,而使网络的运行处于无阻塞的畅通状态,最大限度地利用了网络中的波长资源。这就是波长转换光交换的方案(WIXC)。

实际上为了节约波长资源的消耗在广域环形骨干网与各区域网间波长变换也是需要的,例如节目点播有可能在同一时间内有许多用户都需要,此刻骨干网向区域网的传送无需以1,2,??N的信道同时传送节目的信息,只需用一路信道传送到各区域网的节点,在节点处按用户信道的波长标识实现复转换为1,2,??N后直接输送给用户。可见波长转换的同时还需要有光放大的功能,网络管理是一项重要工作。

目前商用的波长变换是采用光-电-光的间接方法,但由于响应速度受到“电子瓶颈”的限制,成本代价也高,又难以集成化,不能适应DWDM光网络的需求。下一代的方案里将采用光-光直接波长转换的技术,其主要实现技术是使用光纤中的非线性作用,目前理论上光-光波长变换没有什么困难,但实现工艺尚需进一步完善。

WDM系统性能指标有很多,但光域的测试设备一般比较昂贵,因此在本实验中,我们只使用1310nm和1550nm信道作为系统的使用信道作演示实验。并且这里的波长变换也采用的是光-电-光的办法。

[实验内容]

1、 点对点WDM系统模拟

搭建点对点的WDM系统,模拟两路视频点对点单纤双向和单纤单向的复用传输和解复用传输,观察实验现象; 画出两种情况下的实验示意图。

提示:

1)假如接入衰减器,对实验结果有何影响;

2)如果从1310nm/1550nm的WDM的两个输入端反过来分别输入1550nm和1310nm的光信号(接错的时候),会出现什么情况?

3)使用高隔离度WDM和低隔离度WDM,图象的清晰程度有什么不同?为什么? 2、OADM系统模拟

用无源器件WDM和OADM模拟三个地方的视频通信,观测三路视频模拟信号点对

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点的复用传输和解复用传输。通过更换不同衰减量的衰减器,观察图象的清晰程度和衰减量的关系;更换高隔离度和低隔离度的OADM,观察图像的清晰程度如何变化; 搭建单纤单向和单纤双向两种实验系统,画出实验连接示意图。

提示:使用高隔离度OADM和低隔离度OADM,图象的清晰程度为什么不同? 3、带OXC的波分复用系统模拟

实际中的光网络简图,参见最后的图6.4,下图6.3是附图6.4的简化网络模型。 节点1-1 节点1-2 网络1 OXC 网络2 节点2-1 节点2-2 图3.2 模拟两个光网络(各带两个节点)的光传输系统

按照图6.3设计并搭建实验系统,画出具体实验搭建系统图,观察带波长变换的OXC系统,通过视频信号判断网络是否正常运行;

3. 按照图6.3的示意图,设计并搭建无波长变换的OXC系统。

提示:仔细观察输出结果,判断是否得到了预期的输出?记录所观察到的现象,并分析原因,尝试作理论分析。 [必做思考题]

1、实验中,不管用1310nm还是1550nm的发射端发射信号,用任何一个接收端都能接收,请解释这种现象。

2、在OADM实验中,如果我们使用衰减器代替光纤,(在1550nm处,光纤的衰减可以认为是0.18dB/km,考虑各种因素,可以认为是0.25dB/km,这样10dB衰减器可以近似为40km的光纤衰减),加入不同的衰减器,结果会不一致,当衰减小于一定的值的时候,图像基本没有变化,当衰减大到很大的程度,图像才开始明显变差,请思考这是什么原因? 3、OXC为什么分为带波长变换和不带波长变换情况?各使用于什么样的环境?

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图6.4实际商用光网络简图

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