1、第7章光纖通信新技術(shù) 第7章光纖通信新技術(shù) 7.1光纖放大器7.2光波分復(fù)用技術(shù)7.3光交換技術(shù)7.4光孤子通信7.5相干光通信技術(shù)7.6光時(shí)分復(fù)用技術(shù)7.7波長(zhǎng)變換技術(shù)第7章光纖通信新技術(shù) 7.1光光 纖纖 放放 大大 器器7.1.1摻鉺光纖放大器工作原理?yè)姐s光纖放大器工作原理圖7.1示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說(shuō)明了光信號(hào)被放大的原因。從圖7.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級(jí)： 其中能級(jí)1代表基態(tài)，能量最低；能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)；能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。當(dāng)泵浦(Pump, 抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子

2、吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(13)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級(jí)2。如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)光得到放大。由此可見(jiàn)，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光能量的結(jié)果。為提高放大器增益，應(yīng)提高對(duì)泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖7.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖 7.1摻鉺光纖放大器的工作原理(a) 硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖；(b) EDFA的吸收和增益頻譜第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.2(a)示出輸出信號(hào)光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系，由圖

3、可見(jiàn)，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60 mW時(shí)，吸收效率(信號(hào)輸出光功率信號(hào)輸入光功率)/泵浦光功率為88%。圖7.2(b)是小信號(hào)條件下增益和泵浦光功率的關(guān)系，當(dāng)泵浦光功率小于6 mW時(shí)，增益線性增加，增益系數(shù)為6.3 dB/mW。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.2摻鉺光纖放大器的特性 (a) 輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系；(b) 小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系第7章光纖通信新技術(shù) 7.1.2摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性圖7.3(a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖，圖7.3(b)為實(shí)用光纖放大器的構(gòu)成方框圖。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵

4、浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號(hào)光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.3光纖放大器構(gòu)成方框圖 (a) 光纖放大器構(gòu)成原理圖；(b) 實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖第7章光纖通信新技術(shù) 設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，EDF的增益取決于Er3+的濃度、 光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命。波長(zhǎng)為1.480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達(dá)100 mW, 泵浦光轉(zhuǎn)換為信號(hào)光效率在6 dB/mW以上。 波長(zhǎng)為980 nm

5、的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10 dB/mW，而且噪聲較低，是未來(lái)發(fā)展的方向。對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。光隔離器的作用是防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲，對(duì)它的基本要求是插入損耗小，反射損耗大。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、 噪聲系數(shù)和輸出信號(hào)光功率與輸入信號(hào)光功率的關(guān)系。在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號(hào)光功率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入信號(hào)光功率而變化，基本上保持不變。當(dāng)信號(hào)光功率增加到一定值(一般為20 dBm) 后，增益開(kāi)始隨信號(hào)光功率的增加而下降，因此出現(xiàn)輸出信號(hào)光功率達(dá)到飽和的

6、現(xiàn)象。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.4摻鉺光纖放大器增益、 噪聲系數(shù)和輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系曲線第7章光纖通信新技術(shù) 表7.1列出國(guó)外幾家公司EDFA商品的技術(shù)參數(shù)。 第7章光纖通信新技術(shù) 第7章光纖通信新技術(shù) 7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用EDFA有許多優(yōu)點(diǎn)，并已得到廣泛應(yīng)用。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，只有0.1 dB。(2) 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大，約為1015 dBm; 增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。(3) 噪聲系數(shù)

7、小，一般為47 dB; 用于多波長(zhǎng)信道傳輸時(shí)，隔離度大，串?dāng)_小，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 第7章光纖通信新技術(shù) (4) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm，可進(jìn)行多波長(zhǎng)信道傳輸，有利于增加傳輸容量。如果加上1310 nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過(guò)的副載波CATV系統(tǒng)，波分復(fù)用(WDM)或光頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。EDFA的應(yīng)

8、用，歸納起來(lái)可以分為三種形式，如圖7.5所示。第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.5光纖放大器的應(yīng)用形式 (a) 中繼放大器；(b) 前置放大器和后置放大器第7章光纖通信新技術(shù) (1) 中繼放大器(LA，Line Amplifier)。在光纖線路上每隔一定距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線網(wǎng)的傳輸距離。(2) 前置放大器(PA，Preamplifier)。此放大器置于激光器前面，放大非常微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對(duì)噪聲要求非常苛刻。(3) 后置放大器(BA，Booster Amplifier)。此放大器置于激光器后面，以提高發(fā)射光功率。對(duì)后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是

9、主要參數(shù)。 第7章光纖通信新技術(shù) 7.2光波分復(fù)用技術(shù)光波分復(fù)用技術(shù)7.2.1光波分復(fù)用原理光波分復(fù)用原理1. WDM的概念的概念波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。 第7章光纖通信新技術(shù) 光纖的帶寬很寬。如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口： 波長(zhǎng)為1.31 m(1.251.35 m)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|f |=|c/2|, 和分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，

10、c為真空中光速)為17 700 GHz；波長(zhǎng)為1.55m(1.501.60 m)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12 500 GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30 THz。如果信道頻率間隔為10 GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.6中心波長(zhǎng)在1.3 m和1.55 m的硅光纖低損耗傳輸窗口 (插圖表示1.55 m傳輸窗口的多信道復(fù)用)第7章光纖通信新技術(shù) 由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還十分困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM，Dense Wavel

11、ength Division Multiplexing)。目前該系統(tǒng)是在1550 nm波段內(nèi)，同時(shí)用8、 16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的頻率間隔為200 GHz、 100 GHz或50 GHz, 約對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)間隔1.6 nm、0.8 nm或0.4 nm。WDM、 DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒(méi)有多大區(qū)別。以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM 和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550 nm 簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550 nm波段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550 nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門(mén)場(chǎng)合應(yīng)用，所以

12、經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來(lái)代替DWDM。 第7章光纖通信新技術(shù) WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV、HDTV 和IP over WDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)方向。 第7章光纖通信新技術(shù) 如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉

13、連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)信道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、新一代的WDM光網(wǎng)絡(luò)。 第7章光纖通信新技術(shù) 2. WDM系統(tǒng)的基本形式系統(tǒng)的基本形式光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)組合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，將同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱為解復(fù)用器

14、(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。 第7章光纖通信新技術(shù) WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：(1) 雙纖單向傳輸。單向WDM傳輸是指所有波長(zhǎng)信道同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳輸。如圖7.7所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同載波波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)1,2 , ,n通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號(hào)是通過(guò)不同波長(zhǎng)的光載波攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開(kāi)，完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)另一根光纖傳

15、輸?shù)脑砼c此相同。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.7雙纖單向WDM傳輸?shù)?章光纖通信新技術(shù) (2) 單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長(zhǎng)相互分開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。 雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素，如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光

16、纖和線路放大器的數(shù)量。第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.8單纖雙向WDM傳輸?shù)?章光纖通信新技術(shù) 另外，通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下路(add/drop)和路由選擇，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)。 第7章光纖通信新技術(shù) 3. 光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是： 插入損耗小，隔離度大，帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭，溫度穩(wěn)定性好，復(fù)用通路數(shù)多，尺寸小等。(1) 插入損耗。

17、插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即其中, Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率, Po為從輸出端口接收到的光功率。 (dB) lg 10oiPP(7.1)第7章光纖通信新技術(shù) (2) 串?dāng)_。串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。對(duì)于解復(fù)用器，隔離度定義為其中, Pi是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為i的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為j信道的光功率。 (7.2)(dB) lg 10iijijPPC第7章光纖通信新技術(shù) (3) 回波損耗。回波損耗是指返回到無(wú)源器件

18、輸入端口的光功率與輸入光功率的比，即其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。 (7.3)(dB) lgRLjrPP第7章光纖通信新技術(shù) (4) 反射系數(shù)。反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率(5) 工作波長(zhǎng)范圍。工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍(min到max)。(6) 信道間隔。信道間隔是指各個(gè)光載波之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。(7) 偏振相關(guān)損耗。偏振相關(guān)損耗(PDL，Polarization-Dependent Loss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。 (7.4)(dB)

19、lg 10jrPPR第7章光纖通信新技術(shù) 7.2.2WDM傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)實(shí)際的WDM傳輸系統(tǒng)主要由五部分組成： 光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如圖7.9所示。第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.9實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第7章光纖通信新技術(shù) 光發(fā)射機(jī)位于WDM傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-T G.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-T G.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端是滿足G

20、.692的光接口，即采用標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源； 利用合波器合成多路光信號(hào)；通過(guò)光功率放大器(BA，Booster Amplifier)放大輸出多路光信號(hào)。 第7章光纖通信新技術(shù) 經(jīng)過(guò)一定距離傳輸后，要用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA，Line Amplifier)”、“功放(BA)”和“前放(PA， Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光波長(zhǎng)信道同時(shí)工作的各種情況，保證光波長(zhǎng)信道之間的增益

21、競(jìng)爭(zhēng)不影響傳輸性能。 第7章光纖通信新技術(shù) 在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的多路光信號(hào)，分波器從多路光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。光接收機(jī)不但要滿足一般接收機(jī)對(duì)靈敏度、過(guò)載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號(hào)，要有足夠的電帶寬。光監(jiān)控信道(OSC，Optical Supervisory Channel)的主要功能是監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況，在發(fā)送端，插入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為s(1510 nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與承載業(yè)務(wù)信息的多路光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出s(1510 nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。 第7章光纖通信新技術(shù) 在基于WDM的

22、光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，可以通過(guò)光監(jiān)控信道傳送開(kāi)銷(overhead)字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷字節(jié)進(jìn)而對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)(如TMN)相連。目前國(guó)際上已商用的系統(tǒng)有42.5 Gb/s(10 Gb/s), 82.5 Gb/s(20 Gb/s), 162.5 Gb/s(40 Gb/s), 402.5 Gb/s(100 Gb/s), 3210 Gb/s(320 Gb/s), 4010 Gb/s(400 Gb/s)。實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3100 km=300 km。OF

23、C 2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情況有： 第7章光纖通信新技術(shù) Bell Labs: 8240 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 km=300 km的True Wave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波段聯(lián)合傳輸； 日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s，利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)通帶寬度為64 nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500 km; 日本富士通(Fujitsu): 12810.66 Gb/s，經(jīng)過(guò)C和L波段，用分布喇曼放大(DRA，Distributed Raman Ampli

24、fication), 傳輸距離達(dá)6140 km=840 km; 第7章光纖通信新技術(shù) 日本NTT： 3042.7 Gb/s，利用歸零信號(hào)，經(jīng)過(guò)通帶寬度為50 nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3125 km376 km; 美國(guó)Lucent Tech: 10010 Gb/s=1 Tb/s，各路載波的頻率間隔縮小到25 GHz, 利用L波段，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400 km; 美國(guó)Mciworldcom和加拿大Nortel: 10010 Gb/s=1 Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波段傳輸4段，約200 km。 第7章光纖通信新技術(shù) 7.2.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)技術(shù)的主要特點(diǎn)1. 充

25、分利用光纖的巨大帶寬資源充分利用光纖的巨大帶寬資源光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2. 同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)信號(hào)的混合傳輸?shù)取?第7章光纖通信新技術(shù) 3. 節(jié)省線路投資節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)

26、單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。4. 降低器件的超高速要求降低器件的超高速要求隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。第7章光纖通信新技術(shù) 5. 高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如構(gòu)成長(zhǎng)途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、局域網(wǎng)。可以利用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)路由選擇與波長(zhǎng)分配，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生

27、存性的光網(wǎng)絡(luò)。 7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器光濾波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù)，即光濾波技術(shù)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.10為光濾波器的三種應(yīng)用： 單純的濾波應(yīng)用(圖7.10(a)、波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用(圖7.10(b)和波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用(圖7.10(c)。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在WDM終端和波長(zhǎng)路由器以及波長(zhǎng)分插復(fù)用器(WADM，Wavelength Add/Drop Multipl

28、exer)中。波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Routing Network)中的關(guān)鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說(shuō)明，它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組1、2、3和4 WDM信號(hào)。第7章光纖通信新技術(shù) 如果用ij來(lái)標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長(zhǎng)j, 則路由器的輸入端口1上的波長(zhǎng)記為11、12、13、14, 輸入端口2上的波長(zhǎng)記為21、22、23、24。在輸入端口1上的波長(zhǎng)中，如果12和13 由輸出端口1輸出，則11和14由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長(zhǎng)中，如果22和23由輸出端口2輸出，則21和24由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長(zhǎng)1和

29、4。在本例中，波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每一路上只有4個(gè)波長(zhǎng)，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(2)，并且每一端口的波長(zhǎng)數(shù)是W(2)(參看圖7.33)。第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.10光濾波器的三種應(yīng)用(a) 單純的濾波應(yīng)用；(b) 波分復(fù)用器中應(yīng)用；(c) 波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用第7章光纖通信新技術(shù) 如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱之為動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來(lái)構(gòu)成，如圖7.11所示。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.11由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器第7章光纖通信新技術(shù) 波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式

30、，它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。對(duì)光濾波器的主要要求有：(1) 一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL, PolarizationDependent Loss), 則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。 第7章光纖通信新技術(shù) (2) 一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。溫度系數(shù)是指溫度每變化1的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100 )內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。(3) 在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多，系統(tǒng)的

31、通帶就變得越來(lái)越窄。為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長(zhǎng)的微小變化。單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用1 dB帶寬來(lái)衡量，如圖7.12所示。 第7章光纖通信新技術(shù) (0: 濾波器的中心波長(zhǎng)；： 光信號(hào)的波長(zhǎng))圖7.12光濾波器的1 dB帶寬第7章光纖通信新技術(shù) 下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。1. 光柵光柵光柵(Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。圖7.13是光柵的兩個(gè)例子，圖7.13(a)是透射光柵，圖7.13(b)是反射光柵。 第7章

32、光纖通信新技術(shù) 圖7.13光柵(a) 透射光柵；(b) 反射光柵第7章光纖通信新技術(shù) 我們以透射光柵為例來(lái)說(shuō)明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間的距離即柵距為a, 光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對(duì)于a而言)，入射角為i，衍射角為d，通過(guò)兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線的光程差由(ABCD)決定，而ABCDa(sinisind) (7.5)光柵方程為a(sinisind)=m(7.6)其中m為整數(shù)，當(dāng)a和i一定時(shí)，不同的d對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)。也就是說(shuō)，像面上的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.14透射光柵的工作原理第7章光纖通信新技術(shù) 2. 布喇格光柵布喇

33、格光柵布喇格光柵(Bragg Grating)廣泛用于光纖通信之中。一般情況下，傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可以看做是布喇格光柵；這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。半導(dǎo)體激光器使用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可以獲得單頻輸出(如DFB激光器)；在光纖中，寫(xiě)入布喇格光柵后可以用于光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為0和1，如果滿足布喇格相位匹配條件： 210(7.7)第7章光纖通信新技術(shù) 其中為光柵周期，則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去。在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：則這個(gè)光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相

34、同波長(zhǎng)的反射光中去。設(shè)0=2neff/0，其中0為輸入光的波長(zhǎng)，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說(shuō)，如果0=2neff，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)0就稱為布喇格波長(zhǎng)。隨著入射光波的波長(zhǎng)偏離布喇格波長(zhǎng)，其反射率就會(huì)降低，如圖7.15(a)所示。如果具有幾個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長(zhǎng)等于布喇格波長(zhǎng)的光才反射，而其他的光全部透射。 22)(000(7.8)第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.15(a)中的反射功率譜是針對(duì)折射率均勻周期性變化的光柵而言的，為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱為變跡光柵(Apodized Grating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點(diǎn)類似，其折射率

35、沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的反射功率譜如圖7.15(b)所示。注意變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價(jià)的。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.15布喇格光柵的反射譜(a) 均勻折射率情形；(b) 變跡折射率情形第7章光纖通信新技術(shù) 3. 光纖光柵光纖光柵光纖光柵(Fiber Grating)是一種非常有吸引力的全光纖器件，其用途非常廣泛，可用作光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。對(duì)于全光纖器件，其主要優(yōu)點(diǎn)有： 插入損耗低，易于與光纖耦合，對(duì)偏振不敏感，溫度系數(shù)低，封裝簡(jiǎn)單，成本也較低。第7章光纖通信新技術(shù) 利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫(xiě)入光柵。在傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(G

36、e)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纖纖芯的折射率變化。若用兩束相干的紫外光照射摻雜后的光纖纖芯，則照射光束的強(qiáng)度將沿著光纖長(zhǎng)度方向周期性地變化，強(qiáng)度高的地方纖芯折射率增加，強(qiáng)度低的地方纖芯折射率幾乎無(wú)任何變化，這樣就在光纖中寫(xiě)入了光柵。形成光柵所要求的折射率變化是極低的，大約為104。也可以使用位相版(phase mask)來(lái)寫(xiě)入光柵。位相版是一種光衍射元件，當(dāng)用光束照射它時(shí)，它將光束分離成各個(gè)不同的衍射級(jí)，這些衍射級(jí)相互干涉就可將光柵寫(xiě)入光纖。 第7章光纖通信新技術(shù) 光纖光柵可以分為短周期(short-period)光纖光柵和長(zhǎng)周期(long-period)光纖光柵。

37、短周期光纖光柵也稱光纖布喇格光柵，其周期可以和光波長(zhǎng)相比較，典型值大約0.5 m；長(zhǎng)周期光纖光柵的周期比光波長(zhǎng)大得多，從幾百微米到幾毫米不等。 第7章光纖通信新技術(shù) 光纖布喇格光柵(FBG，F(xiàn)iber Bragg Grating)是一種反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模(單模光纖中即為基模)同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢應(yīng)等于傳輸模波矢的2倍，也就是說(shuō)，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長(zhǎng)的一半，這種光纖光柵只對(duì)在布喇格波長(zhǎng)及其附近很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其他波長(zhǎng)的光通過(guò)。光纖布喇格光柵的特點(diǎn)是損耗低(0.1 dB左右)，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高(可達(dá)0.05 nm)，鄰近信道串?dāng)_抑

38、制較高(可達(dá)40 dB)以及通帶頂部平坦。第7章光纖通信新技術(shù) 由于光纖長(zhǎng)度隨溫度變化稍微有些變化，光纖布喇格光柵的溫度系數(shù)的典型值高達(dá)1.25102 nm/。但這可以通過(guò)采用負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料封裝來(lái)改善，改善過(guò)的光柵的溫度系數(shù)大約為0.07102 nm/ ，這意味著在整個(gè)工作溫度范圍(100 )內(nèi)，中心波長(zhǎng)的漂移可以小到0.07 nm。在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器(Dispersion Compensator)。圖7.16(a)是一個(gè)簡(jiǎn)單的光分器，由一個(gè)三端口光環(huán)行器和一個(gè)光纖布喇格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長(zhǎng)繼續(xù)前

39、行。在上面簡(jiǎn)單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)耦合器，就可以實(shí)現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.16基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器(a) 簡(jiǎn)單光分；(b) 光分插第7章光纖通信新技術(shù) 長(zhǎng)周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍微有些不同。在光纖布喇格光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上；而在長(zhǎng)周期光纖光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層里的正向傳輸模上，包層模沿著光纖傳輸時(shí)極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長(zhǎng)位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。設(shè)纖芯中模的傳輸常數(shù)(假定為單模光纖)為，p階包層模的傳輸常數(shù)為pc，相位匹配條件為 2cp(7.9)第7章光纖通信新技術(shù)

40、 其中為光柵周期。一般情況下，兩個(gè)正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為了發(fā)生耦合，通常要求是一個(gè)相當(dāng)大的值，一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5 m)。設(shè)纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff和npeff，由公式=2neff/可得： 當(dāng)光波長(zhǎng)滿足=(neffnpeff)時(shí)，纖芯模的能量便耦合到包層模上去。因此，如果我們知道了傳輸光的波長(zhǎng)和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設(shè)計(jì)合適值的長(zhǎng)周期光柵來(lái)滿足各種需要。長(zhǎng)周期光纖光柵的制作方法與光纖布喇格光柵相同。圖7.17是長(zhǎng)周期光纖光柵的傳輸譜，可見(jiàn)它特別適合用作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA，Erbium Doped Fibe

41、r Amplifier)中作濾波器，使EDFA增益平坦化。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.17長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜第7章光纖通信新技術(shù) 4. 法布里法布里-珀羅濾波器珀羅濾波器法布里-珀羅(F-P，F(xiàn)abry-Perot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，如圖7.18所示。這種濾波器也叫F-P干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面出來(lái)的光就是輸出。這個(gè)器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.18F-P濾波器 第7章光纖通信新技術(shù) F-P濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：若用自由空間波長(zhǎng)表示，則22FP)2s

42、in(12111)(fRRRAfT(7.10)22FP)2sin(12111)(nlRRRAT(7.11)第7章光纖通信新技術(shù) 這里A表示每個(gè)鏡面的吸收損耗，R為每個(gè)鏡面的反射率(假設(shè)兩個(gè)鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時(shí)延為，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長(zhǎng)為l, 因此=nl/c，c為真空中光速。A=0及R=0.75、0.9和0.99時(shí)F-P濾波器的功率傳遞函數(shù)如圖7.19所示。反射率R越大，相鄰信道的隔離就越好。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.19F-P濾波器的功率傳遞函數(shù)第7章光纖通信新技術(shù) 功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)f滿足f=k/2，k為正整數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波

43、峰(通帶)上。F-P濾波器的兩個(gè)緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱做自由光譜范圍(FSR，F(xiàn)ree Spectral Range)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱做F-P濾波器的精細(xì)度(F，F(xiàn)inesse), 則 F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法： 一種是改變腔的長(zhǎng)度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長(zhǎng)有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。 (7.12)RRF第7章光纖通信新技術(shù) 5. 多層介質(zhì)薄膜濾波器多層介質(zhì)薄膜濾波器薄膜諧振腔濾波器(Thin-Film Resonant Cavity Filter)也是一個(gè)F-P干涉儀，只不過(guò)其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而

44、已，常稱為多層介質(zhì)薄膜濾波器(MDTF, Multilayer Dielectric Thin-Film Filter)。這種濾波器作帶通濾波器，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)而讓其他所有波長(zhǎng)的光反射，腔的長(zhǎng)度決定要通過(guò)的波長(zhǎng)。第7章光纖通信新技術(shù) 薄膜諧振多腔濾波器(Thin-Film Resonant Multicavity Filter)的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)成。改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更為尖銳，如圖7.21所示。這種濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)后，就可以做成波分復(fù)用器，如圖7.22 所示。由于這種濾波器通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定，插入損

45、耗低，對(duì)光的偏振不敏感，所以在系統(tǒng)應(yīng)用中是非常有吸引力的，如今已經(jīng)廣泛用在商業(yè)系統(tǒng)中。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.20三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器第7章光纖通信新技術(shù) 6. 馬赫馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x曾德?tīng)柛缮鎯x馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)決定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個(gè)3 dB定向耦合器來(lái)連接兩條不同長(zhǎng)度的光通路，如圖7.23(a)所示，襯底通

46、常采用硅(Si)，波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個(gè)MZI可用圖7.23(b)表示。第7章光纖通信新技術(shù) MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開(kāi)1.31 m和1.55 m兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。從原理上講，級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后性能較好，但是在實(shí)際工作中存在波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況，級(jí)聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦，相反地，多層介質(zhì)多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦。 第7章光纖通信新技術(shù)

47、圖7.23馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)(a) 結(jié)構(gòu)圖；(b) 方框圖；(c) 四級(jí)MZI 第7章光纖通信新技術(shù) 現(xiàn)在簡(jiǎn)單分析MZI的工作原理。考慮MZI作為一個(gè)解復(fù)用器的情況。這時(shí)只有一個(gè)輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)第一個(gè)定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號(hào)有了/2的相差，下臂上的信號(hào)比上臂滯后/2。如果下臂與上臂的長(zhǎng)度差為L(zhǎng)，則下臂信號(hào)的相位進(jìn)一步滯后L, 為光在MZI介質(zhì)中的傳輸常數(shù)。在第二個(gè)定向耦合器的輸出端口1處，來(lái)自下臂的信號(hào)又比來(lái)自上臂的信號(hào)延遲了/2，因此，在輸出端口1處，兩信號(hào)總的相位差為+L+。同理，在輸出端口2處，兩信號(hào)總的相位差為+L=L。 2222

48、第7章光纖通信新技術(shù) 在輸入端口1的所有波長(zhǎng)中，滿足L=k(k為奇數(shù))條件的波長(zhǎng)，由輸出端口1輸出；滿足L=k(k為偶數(shù))條件的波長(zhǎng)由輸出端口2輸出。而=(2n)/，n為介質(zhì)折射率，為真空中的光波長(zhǎng)，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用。如果兩臂長(zhǎng)度差為L(zhǎng)，只是從輸入端口1輸入，則單個(gè)MZI的功率傳遞函數(shù)為其中f為光頻率。 2cos2sin )()(221211LLfTfT(7.13)第7章光纖通信新技術(shù) 如果將MZI級(jí)聯(lián)，就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Multistage Mach-Zehnder Interferometer)。圖7.23(c)示出4級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，其中每個(gè)MZI以及級(jí)聯(lián)

49、后整個(gè)4級(jí)MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。前面討論了MZI用作12解復(fù)用器情況，由于MZI是一種互易器件，因此也可用作21 復(fù)用器。 第7章光纖通信新技術(shù) (前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后4級(jí)MZI的傳遞函數(shù))圖7.24MZI的傳遞函數(shù)第7章光纖通信新技術(shù) 7. 陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG，Arrayed Waveguide Grating)是MZI的推廣和一般形式。如圖7.25 所示，它由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成。AWG可用作n1波分復(fù)用器和1n波分解復(fù)用器。與多級(jí)MZI相比，AWG損耗低、通帶平坦，容易集成在一塊襯底上。AWG也可用

50、作靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，如圖7.26所示。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器第7章光纖通信新技術(shù) 下面我們簡(jiǎn)單地分析一下AWG的工作原理。設(shè)AWG的輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)均為n，輸入耦合器為nm形式，輸出耦合器為mn形式，輸入和輸出耦合器之間由m個(gè)波導(dǎo)連接，每相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)度差均為L(zhǎng)。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。輸入耦合器將某個(gè)輸入端口的輸入信號(hào)分成m部分，它們之間的相對(duì)相位由從輸入波導(dǎo)到陣列波導(dǎo)在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來(lái)決定，輸入波導(dǎo)i和陣列波導(dǎo)k之間的距離用dinik表示，陣列波導(dǎo)k的長(zhǎng)度比陣列波導(dǎo)(k1)

51、的長(zhǎng)度長(zhǎng)L，同樣，陣列波導(dǎo) k 和輸出波導(dǎo) j 之間的距離用doutkj表示。因此，光信號(hào)從輸入波導(dǎo) i 到輸出波導(dǎo) j ，經(jīng)歷了 i 與 j 之間m條不同通路后的相對(duì)相位為第7章光纖通信新技術(shù) mkdnLkndnkkk, 2 , 1)(2inj12ini1ij(7.14)式中，n1為輸入和輸出耦合器的折射率，n2為陣列波導(dǎo)的折射率，為光信號(hào)的波長(zhǎng)。在輸入波導(dǎo) i 的光信號(hào)的波長(zhǎng)中，滿足ijk為2的整數(shù)倍的波長(zhǎng)將在輸出波導(dǎo) j 輸出。于是，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以做成1n波分解復(fù)用器和n1波分復(fù)用器。如果設(shè)計(jì)輸入耦合器和輸出耦合器滿足第7章光纖通信新技術(shù) 和則有在輸入波導(dǎo) i 輸入的那些波長(zhǎng)中，若滿

52、足: n1ini+n2L+n1outj=p，p為整數(shù)，則波長(zhǎng)為的光將在輸出波導(dǎo) j 輸出。 outjoutjoutjiniiniinikddkddkk(7.15)mknLnnkdndnk, 2 , 1)(2)(2outj12ini1outj1ini1ij第7章光纖通信新技術(shù) 8. 聲光可調(diào)諧濾波器聲光可調(diào)諧濾波器聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF，Acousto-Optic Tunable Filter)是一種多用途器件，是目前已知的惟一能夠同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器，并且可用來(lái)構(gòu)造波長(zhǎng)路由器。AOTF的基本原理是聲與光的相互作用，圖7.27是AOTF的集成光波導(dǎo)形式。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7

53、.27集成光波導(dǎo)AOTF 第7章光纖通信新技術(shù) 一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖7.28所示，波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì)，僅能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光完全是TE模，一個(gè)只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為T(mén)M模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器。這種濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)沿著光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波來(lái)完成。聲波傳播引起媒質(zhì)的密度周期性變化，其變化周期等于聲波波長(zhǎng)，這相當(dāng)于形成了一個(gè)布喇格光柵。設(shè)TE 和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當(dāng)滿足布喇格條件第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.28簡(jiǎn)

54、化的AOTF 第7章光纖通信新技術(shù) 時(shí)，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中為聲波波長(zhǎng)，為光波長(zhǎng)。滿足布喇格條件在波長(zhǎng)附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從TE模轉(zhuǎn)換為T(mén)M模，如果這種器件的輸入光只是TE模，輸出只選擇TM模，那么就可以作為一個(gè)窄帶濾波器使用。如果記nTEnTM=n，則布喇格條件可寫(xiě)為=n (7.17)(7.16)1TETMnn第7章光纖通信新技術(shù) 在LiNbO3晶體中，n=0.07。若適當(dāng)選擇聲波波長(zhǎng)，則經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換又位于AOTF通帶內(nèi)的波長(zhǎng)能夠被選擇。例如，為了選擇1.55 m波長(zhǎng)，若n=0.07，則聲波波長(zhǎng)大約為22 m，在LiNbO3晶體中聲速大約為3.75 km/s，對(duì)應(yīng)的聲波頻率

55、為3.75 km/s22 m170 MHz。由于產(chǎn)生該聲波的頻率容易改變，所以這種濾波器也很容易調(diào)諧。圖7.28 的AOTF與偏振有關(guān)，因?yàn)檫@里假設(shè)輸入光完全是TE模。圖7.27是一種與偏振無(wú)關(guān)的AOTF，其實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器相類似，將輸入光信號(hào)分解為T(mén)E和TM兩個(gè)分量，分別通過(guò)AOTF后再在輸出端組合在一起。 第7章光纖通信新技術(shù) 布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng)，而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長(zhǎng)度決定，聲光相互作用的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通帶就越窄。AOTF的功率傳遞函數(shù)為其中=0, 0為滿足布喇格條件的光波波長(zhǎng)，=20/(ln)為濾波器通帶寬度的一種量度，l為器件長(zhǎng)度(準(zhǔn)確說(shuō)是聲光相互

56、作用的長(zhǎng)度)，濾波器的半峰值寬度FWHM=0.8，如圖7.29所示。這說(shuō)明器件越長(zhǎng)(聲光相互作用長(zhǎng)度越長(zhǎng))，濾波器的通帶就越窄；然而調(diào)諧速度與器件長(zhǎng)度成反比，因?yàn)檎{(diào)諧速度主要由聲波通過(guò)器件的時(shí)間決定。 (7.18)222)/2(1)/2(12sin)(T第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù) 第7章光纖通信新技術(shù) 與偏振無(wú)關(guān)的AOTF可用作22波長(zhǎng)路由器，滿足布喇格條件的波長(zhǎng)被交換，如圖7.30(a)所示，這里波長(zhǎng)1滿足布喇格條件。如果同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波，就有幾個(gè)光波長(zhǎng)同時(shí)滿足布喇格條件，那么在單個(gè)器件上就可同時(shí)完成幾個(gè)波長(zhǎng)的交換，如圖7.30(b)所示，這里交換的波長(zhǎng)是1和4。

57、前面所指的都是靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，也可以通過(guò)改變聲波的頻率作為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由器，適當(dāng)?shù)丶?jí)聯(lián)22路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器。如今，AOTF還沒(méi)有完全實(shí)用化的原因主要有兩個(gè)： 一是存在較大串?dāng)_，二是通帶相對(duì)較寬。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.30基于AOTF的波長(zhǎng)路由器(a) 交換波長(zhǎng)1; (b) 同時(shí)交換波長(zhǎng)1和4第7章光纖通信新技術(shù) 7.3光光 交交 換換 技技 術(shù)術(shù)光交換主要有三種方式： 空分光交換、時(shí)分光交換和波分光交換。7.3.1空分光交換空分光交換空分光交換的功能是使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。空分光交換的核心器件是光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開(kāi)

58、關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。 第7章光纖通信新技術(shù) 典型光開(kāi)關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰(Ti: LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的，并通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。圖7.31(a)是由4個(gè)12光開(kāi)關(guān)器件組成的22光交換模塊。12 光開(kāi)關(guān)器件就是Ti: LiNbO3定向耦合器型光開(kāi)關(guān)，只是少用了一個(gè)輸入端而已。這種22光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖7.31(b)所示。圖7.31(c)是由16個(gè)12 光開(kāi)關(guān)器件或4個(gè)22光交換單元組成的44光交換單元。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.

59、31空分光交換(a) 22光交換單元；(b) 平行連接和交叉連接；(c) 44光交換單元第7章光纖通信新技術(shù) 7.3.2時(shí)分光交換時(shí)分光交換時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙，并分配給N路信號(hào)，再把N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào)，如圖7.32(a)所示。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.32時(shí)分光交換 (a) 時(shí)分復(fù)用原理；(b) 時(shí)隙互換原理；(c) 等效的空分交換 第7章光纖通信新技術(shù) 所謂時(shí)隙互換，就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。如圖7.32(b)，首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一

60、時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來(lái)。圖7.32(c)示出時(shí)分光交換的空分等效。7.3.3波分光交換波分光交換波分光交換(或交叉連接)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。圖7.33(a)和(b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)變換法交換的原理框圖。 第7章光纖通信新技術(shù) 圖7.33波分交換的原理框圖 (a) 波長(zhǎng)選擇法交換；(b) 波長(zhǎng)變換法交換 第7章光纖通信新技術(shù) 設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接。 每條光纖承載W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。從每條光纖輸入的