波分復(fù)用器(第八章光波分復(fù)用技術(shù)及關(guān)鍵器件)

1、n電時(shí)分復(fù)用（電時(shí)分復(fù)用（TDMTDM）存在的問題：）存在的問題：n“電子瓶頸電子瓶頸”限制：限制： 10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/sn光纖色散限制光纖色散限制n單波長(zhǎng)通信系統(tǒng)遠(yuǎn)不能有效利用光纖帶寬單波長(zhǎng)通信系統(tǒng)遠(yuǎn)不能有效利用光纖帶寬signal1signal21 0 1 11 0 0 11 1 0 0 1 0 1 1TDM signal問題的提出問題的提出光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性 僅利用光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口，總帶寬超過僅利用光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口，總帶寬超過30THz，全波光纖的帶寬更寬。全波光纖的帶寬更寬。 光纖的可利用帶寬非常寬。光纖的可利用帶寬非常寬。 L 若

2、一根光纖僅傳輸一個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，是對(duì)光纖帶寬資源的若一根光纖僅傳輸一個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，是對(duì)光纖帶寬資源的 極大浪費(fèi)。極大浪費(fèi)。1. 波分復(fù)用的定義波分復(fù)用的定義2. 波分復(fù)用的原理波分復(fù)用的原理3. 波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展4. 波分復(fù)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)波分復(fù)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)5. 波分復(fù)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)波分復(fù)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)光波分復(fù)用光波分復(fù)用(WDM: Wavelength Division Multiplexing)： 在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù). 光波分復(fù)用的基本原理：光波分復(fù)用的基本原理：u在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來（復(fù)用）

3、；在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來（復(fù)用）；u并耦合進(jìn)光纜線路上同一根光纖中進(jìn)行傳輸；并耦合進(jìn)光纜線路上同一根光纖中進(jìn)行傳輸；u在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行分離（解復(fù)用），在接收端將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行分離（解復(fù)用），并作進(jìn)一步處理后恢復(fù)出原信號(hào)送入不同終端。并作進(jìn)一步處理后恢復(fù)出原信號(hào)送入不同終端。 波分復(fù)用原理示意圖波分復(fù)用原理示意圖光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)1 1光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)22光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)33光接收機(jī)光接收機(jī)33光接收機(jī)光接收機(jī)22光接收機(jī)光接收機(jī)111 2 1 2 NN單根光纖單根光纖v CWDM：利用：利用1.3和和1.55m附近兩個(gè)低損耗窗口構(gòu)附近兩個(gè)低損耗窗口構(gòu) 成兩個(gè)波長(zhǎng)的

4、成兩個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)。系統(tǒng)。 由于由于1310/1550 nm的復(fù)用超出了的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，的增益范圍， 只在一些專門場(chǎng)合應(yīng)用。只在一些專門場(chǎng)合應(yīng)用。v DWDM：在：在1.55 (1.501.60) m窗口，同時(shí)用窗口，同時(shí)用8，16 或更多個(gè)波長(zhǎng)的或更多個(gè)波長(zhǎng)的WDM系統(tǒng)，其中各波長(zhǎng)之系統(tǒng)，其中各波長(zhǎng)之 間的間隔約為間的間隔約為1.6nm，0.8nm或更小，對(duì)應(yīng)或更小，對(duì)應(yīng) 于于200GHz, 100GHz或更窄的頻率間隔?；蚋念l率間隔。 DWDM技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。v 目前水平：商用系統(tǒng)：目前水平：商用系統(tǒng)：4010Gb/s 實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)室：8240G

5、b/s=3.28Tb/sv 基于基于WDM和波長(zhǎng)選路的光傳送網(wǎng)已成為主要的核心和波長(zhǎng)選路的光傳送網(wǎng)已成為主要的核心 網(wǎng)。網(wǎng)。 光轉(zhuǎn)發(fā)器1光轉(zhuǎn)發(fā)器n光合波器BALAPA光分波器光接收器1光接收器n光監(jiān)控信道發(fā)送器光監(jiān)控信道接收/發(fā)送器光監(jiān)控信道接收器光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)光中繼放大 光 纖 光 纖網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)ssss1nn1n1n1 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)將來自不同終端的多路光信號(hào)分別由光將來自不同終端的多路光信號(hào)分別由光轉(zhuǎn)發(fā)器（轉(zhuǎn)發(fā)器（OTU）轉(zhuǎn)換為各自特定波長(zhǎng)的光信號(hào)后，經(jīng)轉(zhuǎn)換為各自特定波長(zhǎng)的光信號(hào)后，經(jīng)光合波器合成組合光信號(hào)，再通過光功率放大器（光合波器合成組合光信號(hào)，再通過光功率放大器（BA）放大輸

6、出至光纖中傳輸。放大輸出至光纖中傳輸。 光中繼放大光中繼放大用采用了增益平坦技術(shù)的用采用了增益平坦技術(shù)的EDFA（LA）實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的相同增益放大。實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的相同增益放大。 光接收機(jī)光接收機(jī)先由前置光放大器（先由前置光放大器（PA）放大經(jīng)傳輸衰放大經(jīng)傳輸衰減的主信道光信號(hào)，再用分波器從主信道光信號(hào)中分減的主信道光信號(hào)，再用分波器從主信道光信號(hào)中分出不同特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。出不同特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。 光監(jiān)控信道（光監(jiān)控信道（OSC）監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況。在發(fā)送端，插入本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為況。在發(fā)送端，插入本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為s的光監(jiān)控的光監(jiān)控信號(hào)（如幀同

7、步、公務(wù)及各種網(wǎng)管開銷字節(jié)），與主信號(hào)（如幀同步、公務(wù)及各種網(wǎng)管開銷字節(jié)），與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將收到的光信號(hào)信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將收到的光信號(hào)進(jìn)行分離，輸出為進(jìn)行分離，輸出為s波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。信號(hào)。 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送的開銷通過光監(jiān)控信道物理層傳送的開銷字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對(duì)字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對(duì)WDM進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置、故障、安全、性能管理等進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置、故障、安全、性能管理等功能，并與上級(jí)管理系統(tǒng)通信。功能，并與上級(jí)管理系統(tǒng)通信。 WD

8、M系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式： 雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。單纖雙向傳輸。 (1) 雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸 單向WDM傳輸：指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿 同一方向傳送； 由于各信號(hào)是通過不同光波長(zhǎng)攜帶 的，彼此之間不會(huì)混淆； 在接收端通過光解復(fù)用器將不同波 長(zhǎng)的信號(hào)分開，完成多路光信號(hào)傳 輸?shù)娜蝿?wù)。雙纖單向傳輸雙纖單向傳輸 (2) 單纖雙向傳輸單纖雙向傳輸 雙向WDM傳輸：指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的 方向傳輸。所用波長(zhǎng)相互分開，以實(shí)現(xiàn)雙 向全雙工的通信。 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)1n1n1n1n光接收機(jī)光接收機(jī)復(fù)用/解復(fù)

9、用器光纖放大器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)1nn 12n1n復(fù)用/解復(fù)用器n 12n 單纖雙向單纖雙向WDM傳輸傳輸雙向雙向WDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。雙向雙向WDM系統(tǒng)的缺點(diǎn)：系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 其開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說來要求較高。其開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說來要求較高。 如為了抑制多通道干擾如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意，必須注意 光反射的影響光反射的影響、 雙向通路之間的隔離雙向通路之間的隔離、 串?dāng)_的類型和數(shù)值串?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)控信道光監(jiān)控信道(OSC)傳輸、傳輸、 自動(dòng)功率關(guān)斷等

10、，自動(dòng)功率關(guān)斷等， 要使用雙向光纖放大器雙向光纖放大器。C 充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。C 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)。C 節(jié)省線路投資。節(jié)省線路投資。C 降低器件的超高速要求。降低器件的超高速要求。C 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。 插入損耗插入損耗2. 串音串音3. 通帶帶寬10logiiiiiPLP10logijciPLP4.1 棱鏡解復(fù)用器棱鏡解復(fù)用器.n2n1n1n1n2i21NN21p.N21N213N213是一種用來是一種用來的光信號(hào)或者的光信號(hào)或者的光信號(hào)的光信號(hào)的無源器件。的無源器件

11、。1. 波分復(fù)用器的波分復(fù)用器的 從原理上講，從原理上講， 這種器件是互易的這種器件是互易的(雙向可逆雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來使用，的輸出端和輸入端反過來使用， 就是復(fù)用器。就是復(fù)用器。因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。 2. 波分復(fù)用器的波分復(fù)用器的 中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng) 中心波長(zhǎng)范圍中心波長(zhǎng)范圍； （平均信道間隔的（平均信道間隔的1010） 中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) 的最小插損；的最小插損； 隔離度。隔離度。解復(fù)用器波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線圖 中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng) 中心波長(zhǎng)范圍中心波長(zhǎng)范圍； （平均

12、信道間隔的（平均信道間隔的1010） 中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) 的最小插損；的最小插損；復(fù)用器波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線圖3. 幾種波分復(fù)用器幾種波分復(fù)用器 C 全光纖構(gòu)成，省去準(zhǔn)直元件，降低了插入損耗；全光纖構(gòu)成，省去準(zhǔn)直元件，降低了插入損耗；C 光纖和濾光片有一定角度，有效地抑制了回波損耗；光纖和濾光片有一定角度，有效地抑制了回波損耗；C 易于批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好。易于批量生產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好。熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性對(duì)特定波長(zhǎng)為對(duì)特定波長(zhǎng)為1和和2，選擇光纖，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整耦合長(zhǎng)度，使：參數(shù)，調(diào)整耦合長(zhǎng)度，使：在直通臂：在直通臂：P1out(1)=1，

13、P1out(2)=0;在耦合臂：在耦合臂：P2out(1)=0， P2out(2)=1; 21cosoutinPzPKz 22sinoutinPzPKz對(duì)于對(duì)于1和和2分別為分別為1.3m和和1.55 m的的，可以做，可以做到到為為0.5 dB，大于大于20 dB。 21sin1(0)s或12+2ssm11=sKL（）22=sKL（） CzPzPinout21cos CzPzPinout22sin4.3 介質(zhì)膜濾干涉濾波器解復(fù)用器 Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多層介質(zhì)膜：通過某一波長(zhǎng)，阻止其它波長(zhǎng)入射光 反射光透射光折射率高高低低4高濾波器1濾

14、波器21321,2332,光纖棒透鏡干涉濾波器光纖干涉濾波器反射鏡干涉濾波器棒透鏡棒透鏡光纖光纖干涉濾波器光纖光纖光纖321,321光纖棒透鏡干涉濾波器光纖干涉濾波器反射鏡干涉濾波器棒透鏡棒透鏡光纖光纖干涉濾波器光纖光纖光纖321,321 基于窄帶介質(zhì)薄膜濾光片的基于窄帶介質(zhì)薄膜濾光片的8通道波分復(fù)用通道波分復(fù)用/解復(fù)用器解復(fù)用器 L 波長(zhǎng)數(shù)不大于波長(zhǎng)數(shù)不大于16CH；波長(zhǎng)間隔不小于；波長(zhǎng)間隔不小于0.8nm；L 價(jià)格較高；價(jià)格較高；L 是是16通道通道WDM系統(tǒng)中主要選用的器件。系統(tǒng)中主要選用的器件。 C 通帶特性好（平頂、隔離度高通帶特性好（平頂、隔離度高25dB）；）；C 偏振相關(guān)損耗小

15、（偏振相關(guān)損耗?。?.2dB）；）；C 插損低（插損低（57dB）；）；C 采用高穩(wěn)定的帶通濾光片，溫度敏感性?。ú捎酶叻€(wěn)定的帶通濾光片，溫度敏感性?。?.0005nm/oC， 不需溫控）。不需溫控）。采用普通透采用普通透鏡的鏡的WDMWDM采用漸變采用漸變折射率透折射率透鏡，簡(jiǎn)化鏡，簡(jiǎn)化了裝置的了裝置的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)。 在在Si襯底上沉積環(huán)氧樹脂后制造成光柵。多波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)光纖輸入和襯底上沉積環(huán)氧樹脂后制造成光柵。多波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)光纖輸入和普通透鏡或棒透鏡聚焦在反射光柵上，反射光柵將各波長(zhǎng)分開，然普通透鏡或棒透鏡聚焦在反射光柵上，反射光柵將各波長(zhǎng)分開，然后經(jīng)透鏡將各個(gè)波長(zhǎng)的光聚焦在各自的光纖。后經(jīng)透鏡

16、將各個(gè)波長(zhǎng)的光聚焦在各自的光纖。 L 溫度敏感（溫度敏感（0.01nm/oC），需溫度補(bǔ)償（溫控、材料補(bǔ)償）；），需溫度補(bǔ)償（溫控、材料補(bǔ)償）；L 高斯型通帶（采用特殊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)平頂，但增大損耗）。高斯型通帶（采用特殊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)平頂，但增大損耗）。 C 波長(zhǎng)通道數(shù)大（波長(zhǎng)通道數(shù)大（132Ch）；）；C 通道間隔小（商用通道間隔?。ㄉ逃?.4nm）；）；C 插損不隨通道數(shù)增加（插損不隨通道數(shù)增加（67dB）。）。3、 陣列波導(dǎo)光柵解復(fù)用器（陣列波導(dǎo)光柵解復(fù)用器（AWG）陣列波導(dǎo)光柵星形耦合器星形耦合器輸入輸出12N.DL = 常數(shù)123412341234neff12N.N12LneffDD2AW

17、G器件器件實(shí)物樣品實(shí)物樣品55 AWG器件樣品1010 AWG器件樣品 陣列波導(dǎo)光柵(AWG)，也稱作相位陣列(Phased Array)，是WDM 通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，除了可作為波分復(fù)用/解復(fù)用器外, 它還是光互連器件的關(guān)鍵組成部分, 已經(jīng)成為WDM系統(tǒng)中不可缺少的核心器件。 列陣波導(dǎo)光柵復(fù)用器能同時(shí)提供有波長(zhǎng)選擇的N N 聯(lián)結(jié)。它可以工作在高衍射級(jí)，因而可有10- 2納米級(jí)的分辨率。 同時(shí)，它還可用作分波器、合波器、波長(zhǎng)選擇開關(guān)、多波長(zhǎng)激光器等。 用SiO 2， InGaAsP/ In 以及多種有機(jī)材料制備的實(shí)用化器件已經(jīng)出現(xiàn)。它結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，性能穩(wěn)定，信號(hào)畸變小，通道間竄擾小，誤碼率低，輸入輸出及片內(nèi)的損耗都較低?？梢源_信， 采用列陣波導(dǎo)光柵的高可靠性的N 通道的DWDM 光互聯(lián)系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。AWG由三個(gè)主要部分，即輸入/輸出（I/O）光波導(dǎo)陣列、兩個(gè)相同的自由傳播區(qū)的平板波導(dǎo)和彎曲的波導(dǎo)陣列。 I/O光波導(dǎo)陣列和彎曲的波導(dǎo)陣列通過平板波導(dǎo)連接。SiO2/Si和InGaAsP/InP是目前最為成熟的材料系統(tǒng)。iMdsnLiniDsinAWG得主要性能指標(biāo)包括低的中心波長(zhǎng)偏移，高的通帶光譜響應(yīng)、低的信道串?dāng)_、低的插入損耗和低的偏損依賴性