一、波分复用演示实验（WDM）

【实验目的】

了解WDM的特性及其简单应用。
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。

【实验原理】

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G653，G655）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地传输容量，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，几十到几百纳米的称为波分复用；0.8nm(波分复用是指一条光纤中同时传输具有不同波长（国际电信联盟ITU-T建议WDM的信道在氪灯谱线[波长为1552.52nm]附近处频率间隔为100GHz整数倍，即在此处波长间隔为0.8nm的整数倍，每个光载波又各自载荷不同的信息业务，而每一信道可以以不同的形式调制的通信方式。）的整数倍的（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（最近两三年，由于波分复用技术突飞猛进的发展，对于光频分复用也笼统的列入密集波分复用[DWDM]内，ITU－T规定的信道间距分别为：12.5、25、50GHz，基本相当于0.1nm、0.2nm和0.4nm。下面我们给出一些常见的通信系统中的数据供大家参考：

8、16信道电介质膜解复用器的典型特性

	8信道（200 GHz间隔）	16信道（100 GHz间隔）
波长温度相关性(GHz)	～ 3.6pm/℃	～ 1.2 pm/℃
带宽 (GHz)	±25 (0.5dB带宽、全温范围 )	±12.5 (0.5dB带宽、全温范围 )
相邻通道隔离度 (dB )	25 （已考虑波长变化）	> 22 （已考虑波长变化）
非相邻通道隔离度 (dB )	> 45	> 45
插损 (dB )	< 4	< 8.8（串）< 5.7（单）
偏振相关衰耗 (dB )	< 0.2	< 0.2
偏振模色散（ps）	< 0.1	< 0.1
光反射衰耗 (dB )	> 45	> 45
允许最大输入光功率(dBm)	+20	+20
环境温度（℃）	0~+55	0~+55

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。其传输距离较短，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

光纤的弯曲损耗

光纤在实际应用中，不可避免地要发生弯曲，而产生光纤弯曲损耗。近些年，光纤的弯曲损耗问题引起了众多学者越来越广泛的关注。除去由于弯曲损耗在光纤通信中的不利影响之外，许多光纤光学传感器也利用了这一传感机理，例如弯曲光纤传感器、可变光衰减器(VOA)以及可利用弯曲损耗识别光纤等。

根据光纤理论，在正常情况下，光在光纤里沿轴向传播的常数N应满足关系式:n2k0<β<n1k0 。当光纤弯曲时，光电磁波在弯曲部分中进行传输，要想保持同相位的电场和同相位的磁场在一个平面里，即保持导行的情况，那么越靠近外侧，其速度就会越大(即β越小)。待传到某一位置时，其相速就会等于所在物质中的光速，待超过这一位置后，电磁波就会成为辐射波，即β< n2k0 ，导波成为辐射波。如把从这一位置起到无穷远处的能量进行积分，就是在光纤弯曲部分中传输所损耗的能量或损耗功率。

按机械学概念，直杆的轴线发生弯曲或曲杆的曲率发生改变，就叫做弯曲。光纤的弯曲有两类，即宏观弯曲和微观弯曲。光纤的弯曲损耗也有两类：宏弯损耗和微弯损耗。

第一，宏观弯曲。光纤轴心弯成环形。其直径远大于光纤本身的直径，约几个毫米，光功率就在环形弯曲处从光纤内部向外辐射，以致光纤传输损耗加大。这段光纤往往弯成环形，属于宏观弯曲。

第二，微观弯曲。光纤轴心发生偏移。其直径小于光纤本身的直径。它们沿光纤长度随机地分布，各偏转的间隔约几个微米。光功率就沿光纤长度间断地从光纤内部向外辐射。引起微弯损耗微弯起源于光纤、涂层、加套及成缆等尺寸非常小的变化。像GeO2过量掺杂导致的瑞利散射，波导不完善，拉丝造成的芯、皮不规则，光缆材料收缩与膨胀，光缆安装时变形等等均可造成微弯引起的微弯损耗。

从几何光学观点出发，如图1.1（a）所示，凡是入射角i小于数值孔径角θ0的入射光线都将通过在笔直光纤芯、皮界面上接连不断地全(内)反射从一端传到另一端；倘若一传输模的光线在纤芯、包层的界面上与光纤轴线夹角为θ，则当光纤弯曲时，如图1.1（b）所示。此θ角将变成θ1，依角的大小不同，该传输模将转变成其它的传输模式或泄漏到包层中。这种现象就是模式变换，泄漏到包层的光就成为辐射模，由此使光纤性能发生诸多变化。

图1.1（a）直光纤中光线传播

图1.1（b）弯曲光纤中光线传播

图1.1 光线在光纤中的传输

传统的理论模型是将弯曲光纤看作只有两层，即芯层和无限宽的包层，基于这种模型得到弯曲损耗与弯曲半径或工作波长呈单调的关系。随着弯曲半径的增大，弯曲损耗呈下降趋势，而且变化变得平缓；单模光纤中的弯曲损耗随波长的增加呈增长趋势，在较大弯曲半径时，1550nm波长较1310nm 波长更易产生弯曲损耗。而实际应用中的标准单模光纤往往有多层用于保护纤芯的包层，这样的光纤的特性和传统理论模型的光纤的特性有很大不同。研究发现，由于在包层和涂覆层中传播的WG(Whispering—gallery)模和纤芯中的基模之间的耦合，引起弯曲损耗随弯曲半径和波长的变化呈现振荡。振荡的周期由弯曲的形状和光纤的包层以及涂覆层的光学和物理性质决定。弯曲损耗振荡谱的低谷，即最小值，是因为此处在包层和涂覆层中传播的WG模和纤芯中的基模之间的相位同步，即同相耦合；反之，弯曲损耗振荡谱的峰值，即最大值，是因为此处在包层和涂覆层中传播的WG模和纤芯中的基模之间的相位不同步，即异相耦合。

ITU-T对G.652光纤和G.653光纤在1550nm波长区弯曲损耗的明确规定是:对于G.652光纤，用半径R为37.5mm的松绕100圈，在1550nm波长测得的损耗增加值(即因弯曲产生的损耗)应小于1dB;对于G.653光纤，用半径R为37.5mm的札烧100圈，在1550nm波长测得的损耗增加值应小于0.5dB。由于在光缆敷设、光纤接头热缩保护、接头盒中余纤的收容盘放、成端尾纤收容、光跳线布放及余长收容等过程中都会产生光纤弯曲的问题，按照计算，应注意使光纤弯曲半径不小于20mm ，否则，在1550nm波长区就会产生明显的弯曲损耗。因为光纤线路在1550nm波长区对弯曲状况特别敏感(特别是局内尾纤和光跳线部分)，轻微的碰撞、挤压、扭曲或移动都会使线路的损耗猛增。值得注意的是，波长对弯曲损耗的影响也是很大的。例如用目前光缆线路工程及维护工作常用的测试仪表OTDR进行测试

日本NTT公司1985年报道了一种适于色散位移的凸型折射率光纤，其弯曲损耗很小。然而引人注目的还是1980年美国AT&T公司设计推出的压低包层光纤。它除保留常规光纤本征损耗，色散和截止波长等关键性质外,比匹配包层光纤有较小的模场直径，而且在1.3μm 工作的λC可做到1.35μm。采用此设计光纤可容许较小的弯曲半径，这就太大减小了宏弯和微弯损耗。原先只供1.3μm工作的光纤现在可以供1.3μm 和1.55μm双窗口同时工作，并且可使光缆结构和材料设计比较灵活。2007年7月23日，康宁公司宣布一项创新性的抗弯曲损耗光纤技术。这种技术基于nanoStructures光纤结构，可以实现小弯曲半径下几乎零损耗，可以支持光纤到户的部署。现在常用的光纤产品由于弯曲损耗太大而不适应室内部署。康宁公司称这是一项改变游戏规则的技术，他们发明了一种像铜线一样好用的光纤。他们的新光纤比现在普通光线的弯曲性能可以提升100倍。

【实验设计】

图1.2 波分复用系统图

图1.3 点到点的WDM系统（上图：单纤双向传输；下图：单纤单向传输）

1．根据所提供的如下实验器材，设计实验方案：

实验器材：视频光纤发端机两台（发射波长分别为1310nm和1550nm），视频光纤收端机两台，摄像头两台，监视器两台，视频电缆4根，WDM，法兰盘。

动手搭建实验，观测两路模拟视频信号点对点的波分复用传输系统（包括单纤单向和单纤双向）。

2．观察以下实验现象，分析产生的机理或原因：

（1）．单芯单向传输时，发射端接反（1310发射端接WDM的1550波长端，1550发射端接WDM的1310波长端），观察监视器上的图像。如果接收端也反接，观察监视器上图像的变化。

（2）．如下图1.4所示，观察接收端R1,R2的图像。（发射端波长为1310nm或1550nm，在接收端用一个高隔离度的13/15的WDM）

图1.4

实验中要注意光纤连接头的清洁，用无纺布（或镜头纸、脱脂棉球等）蘸少量酒精，然后轻轻将要连接的两个端面擦干净（一般往一个方向擦，效果更好一些）。

二、光交叉互联实验（OXC）

光交叉互连机是光交叉互连实验系统中的必备设备，可以单独进行2×2的光纤交叉互连，也可以配合波分复用器进行波长交叉互连，以及配合波分复用器和波长变换器进行波长变换交叉互连。

光纤交叉连接：以一根光纤上所有波长的总容量为基础进行的交叉连接，容量大但灵活性差，本交换机可实现此功能。

波长交叉连接：将一根光纤上的某个波长交叉连接到使用相同波长的另一根光纤上。本交换机配合波分复用器可实现此功能。

波长变换交叉连接：可将输入光纤上的某个波长交叉连接到另外一输出光纤上。本交换机配合波分复用器和波长变换器可实现此功能。

1、面板指示操作说明

前面板指示说明

输入指示灯：用红、绿两色LED分别表示两个输入端口，如

上图所示，红灯对应port1，绿灯对应port2。

输出指示灯：用红、绿两色LED表示，port3和port4的右侧

分别有两个指示灯，一红一绿。哪个颜色的灯亮，表示该端口与对应颜色的输入端口连通。如port3右侧的红灯亮，表示port3与port1是连通的。

输入法兰盘：port1和port2两个输入端口。

电源指示灯：机器供电的指示。

输出法兰盘：port3和port4两个输出端口。

切换开关：切换输入端口和输出端口的对应状态（“直通”和“交叉”两个状态，）

接通光交换机后，“直通”状态为port1连通port3，port2连通port4。

“交叉”状态为port1连通port3，port2连通port4。

3、实验内容

（1）如上图，搭建试验系统。

（2）改变光交叉互联机的状态（“直通”或“交叉”），观察接收端图像的变化，并分析原因。

注意事项：

法兰盘输出为红外激光，不要将眼睛直接对准法兰盘以及从法兰盘输出的跳线端面，以免照伤眼睛。
应保证连接跳线端面清洁，否则影响输出光功率。如输出法兰盘内端面脏了，可用牙签等（非坚硬的物体）绕上脱脂棉球或者无纺布等蘸酒精轻轻探入法兰盘内清洁。

三、光分插复用演示实验（OADM）

【实验目的】

模拟三点OADM单芯单向和单芯双向的WDM系统，进而理解系统对OADM的要求
通过实验，对系统器件的特性参数有一个量的概念。

【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。

对于不同的应用领域，光波分复用/解复用器件（以及OADM）有不同的技术要求和制造方法。从广义上说，以色散、偏振、干涉等物理现象都可用来制作光波分复用/解复用器件。大体上可分为光栅色散型、干涉型、光滤波器型、全光纤型等。

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。主要方案有：多层介质膜滤波器型、阵列波导光栅型(AWG)、直接利用FBG的光谱特性、利用耦合干涉原理等等。

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2.1给出了几种常见的动态ADM的原理图，图2.1（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2.1（b）的工作原理是解复后由光开光控制其上载和下载；图2.1（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。