光纖通信光纖通信新技術(shù)

1、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 光時分復(fù)用技術(shù)7.7 波長變換技術(shù)第 7 章 光纖通信新技術(shù)返回主目錄第一頁，共一百五十八頁。第7章 光纖通信新技術(shù) 光纖通信發(fā)展的目標是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價格，滿足社會需要。進入20世紀90年代以后，光纖通信成為一個發(fā)展迅速、 技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。本章主要介紹一些已經(jīng)實用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，光波分復(fù)用技術(shù)，光交換技術(shù)，光孤子通信，相干光通信，光時分復(fù)用技術(shù)和波長變換技術(shù)等。 第二頁，共一百五十八頁。7.1光 纖 放 大 器 光放大器有半導(dǎo)體

2、光放大器和光纖放大器兩種類型。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點是小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成； 缺點是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小， 因而得到廣泛應(yīng)用。 光纖放大器實際上是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。 20世紀80年代末期，波長為1.55 m的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA： ErbiumDoped Fiber Amplifier)研制成功并投入實用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個重要的里程碑。第三頁，共一百五十八頁。 7.1.1摻鉺光纖放大器工作原理 圖7.1示出

3、摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說明了光信號為什么會放大的原因。從圖7.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個能級： 其中能級1代表基態(tài)， 能量最低；能級2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級；能級3代表激發(fā)態(tài)， 能量最高。當(dāng)泵浦(Pump, 抽運)光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時，鉺離子吸收泵浦光從基態(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2。如果輸入的信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。 第四頁，共一百五十八頁。 圖 7.1摻鉺光纖放大器的工作原理

4、(a) 硅光纖中鉺離子的能級圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜 第五頁，共一百五十八頁。 但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級2。如果輸入的信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)， 產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。由此可見，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。為提高放大器增益， 應(yīng)提高對泵浦光的吸收， 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。 圖7.2(a)示出輸出信號光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系， 由圖可見，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號光功率的效率很高，達到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60 m

5、W時，吸收效率(信號輸入光功率-信號輸出光功率)/泵浦光功率為88%。 第六頁，共一百五十八頁。 圖7.2摻鉺光纖放大器的特性(a) 輸出信號光功率與泵浦光功率的關(guān)系； (b) 小信號增益與泵浦光功率的關(guān)系第七頁，共一百五十八頁。 7.1.2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)為實用光纖放大器構(gòu)成方框圖。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號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。 設(shè)計高增益摻鉺光纖(EDF)是實現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵， EDF的增益取決于Er 3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光

6、功率等多種因素，通常由實驗獲得最佳增益。對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。波長為1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 輸出光功率高達100 mW, 泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在6 dB/mW以上。 第八頁，共一百五十八頁。 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) 實用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖第九頁，共一百五十八頁。 波長為980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達10 dB/mW， 而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。對波分復(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

7、噪聲，對它的基本要求是插入損耗小，反射損耗大。 圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、 噪聲指數(shù)和輸出信號光功率與輸入信號光功率的關(guān)系。在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號光功率較小時，放大器增益不隨輸入信號光功率而變化，基本上保持不變。 當(dāng)信號光功率增加到一定值(一般為-20 dBm)后，增益開始隨信號光功率的增加而下降， 因此出現(xiàn)輸出信號光功率達到飽和的現(xiàn)。第十頁，共一百五十八頁。 圖7.4 摻鉺光纖放大器增益、 噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸 入光功率的關(guān)系曲線第十一頁，共一百五十八頁。表7.1列出國外幾家公司EDFA商品的技術(shù)參數(shù)。 表7.1摻鉺光纖放大器技術(shù)參數(shù) 第十二頁，共一

8、百五十八頁。 7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點和應(yīng)用 EDFA有許多優(yōu)點， 并已得到廣泛應(yīng)用。 EDFA的主要優(yōu)點有： (1)工作波長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， 可達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)無關(guān)。 (3) 噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB; 用于多信道傳輸時， 隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。第十三頁，共一百五十八頁。 (4) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進行多信道傳輸，有利于增加傳輸容

9、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)介紹過的副載波CATV系統(tǒng)，WDM或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)用， 歸納起來可以分為三種形式， 如圖7.5所示。 第十四頁，共一百五十八頁。 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 第十五頁，共一百五十八頁。7.2 光波分復(fù)用技術(shù) 隨著人類社會信息

10、時代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。 在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時分復(fù)用(TDM)技術(shù)外， 還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、 光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。 本節(jié)主要講述WDM技術(shù)。第十六頁，共一百五十八頁。 7.2.1光波分復(fù)用原理 1. WDM的概念 光波分復(fù)用(WDM： Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)

11、是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用， 簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。第十七頁，共一百五十八頁。 圖7.6 中心波長在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)第十八頁，共一百五十八頁。 光纖的帶寬很寬。如圖7.6所示，在光纖的兩個低損耗傳輸窗口： 波長為1.31 m(1.251.35m)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|f|=|-c/2

12、|, 和分別為中心波長和相應(yīng)的波段寬度， c為真空中光速)為17 700 GHz； 波長為1.55 m(1.501.60 m)的窗口， 相應(yīng)的帶寬為12 500 GHz。 兩個窗口合在一起，總帶寬超過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個信道。 由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。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 Wavelength Division Multiplexing)。 第十九頁，共一百五十八頁。 目前該系統(tǒng)是

13、在1550 nm波長區(qū)段內(nèi)，同時用8，16或更多個波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個波長之間的間隔為1.6 nm、 0.8 nm或更低，約對應(yīng)于200 GHz#, 100 GHz或更窄的帶寬。WDM、 DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別。以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM 和DWDM來區(qū)分是1310/1550 nm 簡單復(fù)用還是在1550 nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時，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，只在一些專門場合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM。第二十頁，共一百五十八頁。 WDM技術(shù)

14、對網(wǎng)絡(luò)升級、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更是對現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強大的吸引力。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)”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。 如果一個區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級為WDM傳輸， 我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點)處設(shè)置以波長為單位對光信號進行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來由光纖鏈路組成

15、的物理層上面就會形成一個新的光層。第二十一頁，共一百五十八頁。 在這個光層中，相鄰光纖鏈路中的波長通道可以連接起來，形成一個跨越多個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、動態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、 新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。 2. WDM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，將不同波長的信號結(jié)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，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為各個波長分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(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

16、過來使用， 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)。 第二十二頁，共一百五十八頁。 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傳輸是指所有光通路同時在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖7.7所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長的已調(diào)光信號1,2,n通過光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。 由于各信號是通過不同光波長攜帶的，因而彼此之間不會混淆。在接收端通過光解復(fù)用器將不同波長的信號分開， 完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。 (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向兩個不同

17、的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長相互分開， 以實現(xiàn)雙向全雙工的通信。 第二十三頁，共一百五十八頁。 圖7.7 雙纖單向WDM傳輸?shù)诙捻?，共一百五十八頁。圖7.8 單纖雙向WDM傳輸?shù)诙屙?，共一百五十八頁?雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計和應(yīng)用時必須要考慮幾個關(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)傳輸和自動功率關(guān)斷等問題，同時要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對說來要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器

18、的數(shù)量。 另外，通過在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長光信號進行合流與分流，實現(xiàn)波長的上下路(Add/Drop)和路由分配，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。第二十六頁，共一百五十八頁。 3. 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。 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，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之

19、間的光功率之比，即 =10 lg 其中P0為發(fā)送進輸入端口的光功率；P0為從輸出端口接收到的光功率。 第二十七頁，共一百五十八頁。 (2) 串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信道的信號耦合進某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時也可用隔離度來表示這一程度。 對于解復(fù)用器 其中Pi是波長為i的光信號的輸入光功率，Pij是波長為i的光信號串入到波長為j信道的光功率。 (3) 回波損耗。 回波損耗是指從無源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即 RL=-10 (7.3) 其中Pj為發(fā)送進輸入端口的光功率，Pr為從同一個輸入端口接收到的返回光功率。第二十八頁，共一百五十八頁。 (4) 反射系數(shù)

20、。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Pj之比，即 R=10 (7.4) (5) 工作波長范圍。工作波長范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長范圍(min到max)。 (6) 信道寬度。信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長間隔。 (7) 偏振相關(guān)損耗。偏振相關(guān)損耗(PDL: Polarizationdependent 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。 第二十九頁，共一百五十八頁。 7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 實際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如圖7.9所示 光

21、發(fā)射機位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來自終端設(shè)備(如SDH端機)輸出的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITUT G.957建議的非特定波長的光信號轉(zhuǎn)換成符合ITUT G.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長的光信號。OTU對輸入端的信號波長沒有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號，其輸出端滿足G.692的光接口， 即標準的光波長和滿足長距離傳輸要求的光源； 利用合波器合成多路光信號； 通過光功率放大器(BA： Booster Amplifier)放大輸出多路光信號。第三十頁，共一百五十八頁。圖7.9 實際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第三十一頁，共一百五十八頁。 經(jīng)過一定距離傳輸后，要用摻鉺光纖

22、放大器(EDFA)對光信號進行中繼放大。在應(yīng)用時可根據(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EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對不同波長的光信號具有接近相同的放大增益。與此同時，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時工作的各種情況，保證光信道的增益競爭不影響傳輸性能。 在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號，分波器從主信道光信號中分出特定波長的光信號。 接收機不但要滿足一般接收機對光信號靈敏度、過載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號，要有

23、足夠的電帶寬。 第三十二頁，共一百五十八頁。 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)點產(chǎn)生的波長為s(1510 nm)的光監(jiān)控信號，與主信道的光信號合波輸出；在接收端，將接收到的光信號分離，輸出s(1510 nm)波長的光監(jiān)控信號和業(yè)務(wù)信道光信號。幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等都是通過光監(jiān)控信道來傳送的。 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結(jié)點或接收來自其他結(jié)點的開銷字節(jié)對WDM系統(tǒng)進行管理， 實現(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

24、)相連。第三十三頁，共一百五十八頁。 目前國際上已商用的系統(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)。 實驗室已實現(xiàn)了8240 Gb/s(3.28 Tb/s)的速率，傳輸距離達3100 km=300 km。OFC2000(Optical Fiber Communication Conference)提供的情況有： Bell Labs: 82路40 Gb/s=3.28 Tb/s在3100 k

25、m=300 km的True Wave(商標)光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯(lián)合傳輸； 日本NEC: 16020 Gb/s=3.2 Tb/s， 利用歸零信號沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64 nm的光纖放大器，傳輸距離達1500 km; 第三十四頁，共一百五十八頁。 日本富士通(Fujitsu): 128路10.66 Gb/s， 經(jīng)過C和L波帶注：C波帶為15251565 nm，L波帶為15701620 nm。， 用分布喇曼放大(DRA: Distributed Raman Amplification), 傳輸距離達6140 km=840 km; 日本NTT： 30路42.7 G

26、b/s， 利用歸零信號， 經(jīng)過增益寬度為50 nm的光纖放大器，傳輸距離達3125 km376 km; 美國Lucent Tech: 100路10 Gb/s=1 Tb/s，各路波長的間隔縮小到25 GHz, 利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400 km;第三十五頁，共一百五十八頁。 美國Mciworldcom和加拿大Nortel: 100路10 Gb/s=1 Tb/s， 沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段， 約200 km; 美國Qtera 和Qwest: 兩個波帶4路10 Gb/s和2路10 Gb/s沿NZDF光纖傳輸23105 km=2415 km, 這個試驗雖然WDM路數(shù)

27、不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。 第三十六頁，共一百五十八頁。 7.2.3WDM技術(shù)的主要特點 1. 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)用價值和經(jīng)濟價值。 2. 同時傳輸多種不同類型的信號 由于WDM技術(shù)使用的各波長的信道相互獨立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合傳輸，如PDH信號和SDH信號，數(shù)字信號和模擬信號，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取５谌唔?，共一百五十八頁?3. 節(jié)省線路投資 采用W

28、DM技術(shù)可使N個波長復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，也可實現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長途大容量傳輸時可以節(jié)約大量光纖。另外，對已建成的光纖通信系統(tǒng)擴容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進一步增容而不必對原系統(tǒng)作大的改動。 4. 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)可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現(xiàn)大容量傳輸。 第三十八頁，共一百五十八頁。 5. 高度的組網(wǎng)靈活性、 經(jīng)濟性和可靠性 WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM技術(shù)選擇路由，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實現(xiàn)未來的透明、 靈活、經(jīng)濟

29、且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。 第三十九頁，共一百五十八頁。 7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器 在前面介紹耦合器時，已經(jīng)簡單地介紹了波分復(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，常常用來構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。 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終端和波長路由器以及波長分插復(fù)用器(Wavelength Add/Drop Multiplexer

30、, WADM)中。 第四十頁，共一百五十八頁。 波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Routing Network)中的關(guān)鍵部件， 其功能可由圖7.10(c)的例子說明，它有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每路輸入都載有一組1#,2#, 3和4 WDM信號。 如果用ij來標記第i輸入鏈路上的波長j, 則路由器的輸入端口1上的波長記為11、12、13、14, 輸入端口2上的波長記為21、22、23、24。 在輸入端口1上的波長中，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

31、就稱路由器交換了波長1和4。第四十一頁，共一百五十八頁。 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) 波長路由器中應(yīng)用第四十二頁，共一百五十八頁。 在本例中，波長路由器只有兩個輸入端口和兩個輸出端口， 每一路上只有4個波長，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數(shù)是W(2)(參看圖7.33)。 如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時間變化，則稱之為動態(tài)路由器。 靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來構(gòu)成，如圖7.11所示。 波長分插復(fù)用器可以看成是波長路由器的簡化形式，它只有一個輸入端口和一個輸出

32、端口，再加上一個用于分插波長的本地端口。對光濾波器的主要要求有：第四十三頁，共一百五十八頁。圖7.11 由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器第四十四頁，共一百五十八頁。 (1) 一個好的光濾波器應(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)無關(guān)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機變化， 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。 (2) 一個濾波器的通帶應(yīng)該對溫度的變化不敏感。 溫度系數(shù)是指溫度每變化1的波長漂移。一個WDM系統(tǒng)要求在整個工作溫度范圍(大約100 )內(nèi)，波長漂移應(yīng)該遠小于相鄰信道的波長間隔。 (3) 在

33、一個WDM系統(tǒng)中，隨著級聯(lián)的濾波器越來越多， 系統(tǒng)的通帶就變得越來越窄。為了確保在級聯(lián)的末端還有一個相當(dāng)寬的通帶，單個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的微小變化。單個濾波器的通帶的平直程度常用1 dB帶寬來衡量，如圖7.12所示。第四十五頁，共一百五十八頁。 圖7.12 光濾波器的1 dB帶寬第四十六頁，共一百五十八頁。 下面將介紹一些波長選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。 1. 光柵 光柵(Grating)廣泛地用來將光分離為不同波長的單色光。 在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個波長。圖7.13是光柵的兩個例子，圖7.13(a)是透射光柵，圖7.1

34、3(b)是反射光柵。 我們以透射光柵為例來說明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個相鄰縫隙間的距離即柵距為a, 光源離光柵平面足夠遠(相對于a而言)， 入射角為i，衍射角為d，通過兩相鄰縫隙對應(yīng)光線的光程差由( )決定，而第四十七頁，共一百五十八頁。 圖7.13光柵(a) 透射光柵； (b) 反射光柵 第四十八頁，共一百五十八頁。7.14 透射光柵的工作原理 第四十九頁，共一百五十八頁。光柵方程為 a(sini-sind)=m 其中m為整數(shù)，當(dāng)a和i一定時，不同的d對應(yīng)不同的波長，也就是說，像面上的不同點對應(yīng)不同的波長，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。 2. 布喇格光柵 布喇格光柵(Brag

35、g 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作是布喇格光柵； 這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。第五十頁，共一百五十八頁。 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： 其中為光柵周期， 則一個波的能量可以耦合到另一個波中去。 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：第五十一頁，共一百五十八頁。 則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具

36、有相同波長的反射光中去。設(shè)0=2neff/0，其中0為輸入光的波長，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說，如果0=2neff，光波將發(fā)生反射，這個波長0就稱作布喇格波長。 隨著入射光波的波長偏離布喇格波長，其反射率就會降低， 如圖7.15(a)所示。如果具有幾個波長的光同時傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長等于布喇格波長的光才反射，而其它的光全部透射。 圖7.15(a)中的功率反射譜是針對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類似，其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的功

37、率反射譜如圖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的。 第五十二頁，共一百五十八頁。 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 第五十三頁，共一百五十八頁。 3. 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)用器和色散補償器。對于全光纖器件，其主要優(yōu)點有：插入損耗低，易于與光纖耦合，對偏振不敏感，溫度系數(shù)低，封裝簡單，成本也較低。 利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫入光柵。 在傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光

38、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，則照射光束的強度將沿著光纖長度方向周期性地變化，強度高的地方纖芯折射率增加，強度低的地方纖芯折射率幾乎無任何變化，這樣就在光纖中寫入了光柵。 第五十四頁，共一百五十八頁。 形成光柵所要求的折射率變化是極低的，大約為10-4。 也可以使用位相版(phase mask)來寫入光柵。位相版是一種光衍射元件，當(dāng)用光束照射它時，它將光束分離成各個不同的衍射級， 這些衍射級相互干涉就可將光柵寫入光纖。 光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光纖光柵和長周期(longperiod)光纖光柵。短周期光纖光柵也稱光纖布喇格光

39、柵， 其周期可以和光波長相比較，典型值大約0.5 m；長周期光纖光柵的周期比光波長大得多，從幾百微米到幾毫米不等。光纖布喇格光柵(FBG： Fiber 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，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長的一半， 這種光纖光柵只對在布喇格波長及其附近很窄的波長范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其它波長的光通過。 第五十五頁，共一百五十八頁。 光纖布喇格光柵的特點是損耗低(0.1 dB左右)，波長準確度高(可達0.05 nm)，鄰近信道串?dāng)_抑制較高(可達40

40、 dB)以及通帶頂部平坦。由于光纖長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)的典型值為1.2510-2nm/。這太高了! 但這可以通過采用負熱膨脹系數(shù)的材料封裝來改善， 改善過的光柵的溫度系數(shù)大約為0.0710-2 nm/ ，這意味著在整個工作溫度范圍(100 )內(nèi)， 中心波長的漂移可以小到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)用器和色散補償器(Dispersion Compensator)。圖7.16(a)是一個簡單的光分器，由一個三端口光環(huán)行器和一個光纖布喇格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來的波長2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長繼續(xù)前行。在上面簡單的光

41、分器的基礎(chǔ)上加上一個耦合器， 就可以實現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。第五十六頁，共一百五十八頁。 圖7.16基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器 (a) 簡單光分； (b) 光分插第五十七頁，共一百五十八頁。 長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極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長位置的光波被衰減，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 |-pc|= 其中為光柵周期

42、。一般情況下，兩個正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為了發(fā)生耦合，通常要求是一個相當(dāng)大值， 一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5m)。 第五十八頁，共一百五十八頁。 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)滿足=(neff-npeff)時，為光波長， 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和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設(shè)計合適值的長周期光柵來滿足各種需要。長周期光纖光柵的制作方法與光纖布喇格光柵相同。 圖7.17是長周期光纖光柵的傳輸譜， 特別適合用作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA: Erbium

43、 Doped Fiber Amplifier)中作濾波器，使EDFA增益平坦化。第五十九頁，共一百五十八頁。圖7.17 長周期光纖光柵的透射譜第六十頁，共一百五十八頁。 4. 法布里-珀羅濾波器 法布里-珀羅(FP: FabryPerot)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FP干涉儀，輸入光垂直到達第一個鏡面，從第二個鏡面出來的光就是輸出。這個器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。 F-濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)： TFP(f)= 第六十一頁，共一百五十八頁。 圖7.18 FP濾波器第六十二頁，共一百五十

44、八頁。若用自由空間波長表示，則 TFP()= 這里A表示每個鏡面的吸收損耗，R為每個鏡面的反射率(假設(shè)兩個鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時延為，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n， 腔長為l, 因此=nl/c，c為真空中光速。 A=0及R=0.75、0.9和0.99時FP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。第六十三頁，共一百五十八頁。圖7.19FP 濾波器的功率傳遞函數(shù)第六十四頁，共一百五十八頁。 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，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。FP濾波器的兩個緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱作自由光譜范圍

45、(FSR： Free Spectral Range)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱作FP濾波器的精細度(F: Finesse), 則 F-P濾波器選擇不同的波長時一般有兩種方法：一種是改變腔的長度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長有機械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。 第六十五頁，共一百五十八頁。 5. 多層介質(zhì)薄膜濾波器 薄膜諧振腔濾波器(ThinFilm Resonant Cavity Filter)也是一個F-P干涉儀，只不過其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已， 常稱為多層介質(zhì)薄膜濾波器(Multilayer Dielectric ThinFilm Fil

46、ter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長的光通過而讓其它所有波長的光反射，腔的長度決定要通過的波長。 薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilm Resonant Multicavity Filter)的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個或多個腔構(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。這種濾波器多個級聯(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，溫度變化時性能穩(wěn)定，插入損耗低，對光的偏振不敏感，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。第六十六頁，共一百五十八頁。圖7.20 三

47、腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器第六十七頁，共一百五十八頁。圖7.21 單腔、 雙腔、 三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜第六十八頁，共一百五十八頁。圖7.22 基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器第六十九頁，共一百五十八頁。 6. 馬赫-曾德爾干涉儀 馬赫-曾德爾干涉儀(MZI: MachZehnder Interferometer)使用兩條不同長度的干涉路徑來決定不同的波長輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個3 dB定向耦合器來連接兩條不同長度的光通路，如圖7.23(a)所示，襯底通常采用硅(Si)， 波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。 一個MZI可用圖7.23(b)表示。 MZI可用來作濾

48、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，例如用來分開1.31 m和1.55 m兩個波長的光信號。當(dāng)然，通過級聯(lián)幾個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。 第七十頁，共一百五十八頁。圖7.23 馬赫-曾德爾干涉儀(MZI) (a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 方框圖； (c) 四級MZI 第七十一頁，共一百五十八頁。 MZI可用來作濾波器和波分復(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，例如用來分開1.31m和1.55m兩個波長的光信號。當(dāng)然，通過級聯(lián)幾個MZI也可以

49、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，級聯(lián)幾個MZI后性能較好，但是在實際工作中存在波長隨溫度和時間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠不如理想情況， 級聯(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。 現(xiàn)在簡單分析MZI的工作原理?？紤]MZI作為一個解復(fù)用器的情況。這時只有一個輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過第一個定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號有了/2的相差， 下臂上的信號比上臂滯后/2。 第七十二頁，共一百五十八頁。 如果下臂與上臂的長度差為L，則下臂信號的相位進一步滯后L, 為光在MZI介質(zhì)中的

50、傳輸常數(shù)。在第二個定向耦合器的輸出1處，來自下臂的信號又比來自上臂的信號延遲了/2，因此，在輸出1處，兩信號總的相位差為 +L+ 。 同理，在輸出2處，兩信號總的相位差為 + L- =L。在輸入1的所有波長中，滿足L=k(k為奇數(shù))條件的波長，由輸出1輸出；滿足L=k(k為偶數(shù))條件的波長由輸出2輸出。 而= , n為介質(zhì)折射率，為光波長，通過適當(dāng)設(shè)計就可以實現(xiàn)波的解復(fù)用。如果兩臂長度差為L，只是輸入1輸入， 則單個MZI的功率傳遞函數(shù)為第七十三頁，共一百五十八頁。T11(f)T12(f)=其中f為光頻率。 如果將MZI級聯(lián)就構(gòu)成多級馬赫-曾德爾干涉儀(Multistage MachZehnd

51、er Interferometer)。圖7.23(c)示出4級馬赫-曾德爾干涉儀， 其中每個MZI以及級聯(lián)后整個4級MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。 第七十四頁，共一百五十八頁。 (前4個為每單個MZI的傳遞函數(shù)， 最后一個為級聯(lián)后4級MZI的傳遞函數(shù)) 圖7.24 MZI的傳遞函數(shù) 第七十五頁，共一百五十八頁。 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。 7. 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，它由兩個多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成

52、。AWG可用作n1波分復(fù)用器和1n波分解復(fù)用器。與多級MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，容易集成在一塊襯底上。AWG也可用作靜態(tài)波長路由器，如圖7.26所示。 第七十六頁，共一百五十八頁。圖7.25 陣列波導(dǎo)光柵(AWG) 第七十七頁，共一百五十八頁。圖7.26 基于AWG的靜態(tài)波長路由器 第七十八頁，共一百五十八頁。 下面我們簡單地分析一下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個波導(dǎo)連接， 每相鄰波導(dǎo)的長度差均為L。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成m部分，它

53、們之間的相對相位由從輸入波導(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的長度比陣列波導(dǎo)(k-1)的長度長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相位為第七十九頁，共一百五十八頁。 其中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，為光信號的波長。在輸入波導(dǎo)i的光信號的波長中， 滿足ijk為2的整數(shù)倍的波長將在輸出波導(dǎo)j輸出。于是，通過適當(dāng)設(shè)計，可以做成1n波分解復(fù)用器和n1波分復(fù)用器。 如果設(shè)計輸入耦合器和輸出耦合滿足 din

54、ik=dini+kini和 doutkj=doutj+koutj 在輸入波導(dǎo)i輸入的那些波長中若滿足: n1in i+n2L+n1outj=p，p為整數(shù)，則波長為的光將在輸出波導(dǎo)j輸出。 第八十頁，共一百五十八頁。 8. 聲光可調(diào)諧濾波器 聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF: AcoustoOptic Tunable Filter)是一種多用途器件，是目前已知的惟一能夠同時選擇多個波長的可調(diào)諧濾波器，并且可用來構(gòu)造波長路由器。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。 一個簡化的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

55、光完全是TE模， 一個只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選擇的波長附近的一個窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個波長選擇性濾波器。 第八十一頁，共一百五十八頁。圖7.27 集成光波導(dǎo)AOTF 第八十二頁，共一百五十八頁。圖7.28 簡化的AOTF 第八十三頁，共一百五十八頁。 一個簡化的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附近的一個窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為TM模式， 而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制

56、成一個波長選擇性濾波器。 這種濾波器的實現(xiàn)可以通過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，這相當(dāng)于形成了一個布喇格光柵。設(shè)TE 和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當(dāng)滿足布喇格條件第八十四頁，共一百五十八頁。時，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中為聲波波長，為光波長。滿足布喇格條件在波長附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從TE模轉(zhuǎn)換為TM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窄帶濾波器使用。 如果記nTE-nTM=n，則布喇格條件可寫為 =n (7.17) 第八十五頁，共一百五十八頁。 在Li

57、NbO3晶體中，n=0.07。若適當(dāng)選擇聲波波長，則經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換又位于AOTF通帶內(nèi)的波長能夠被選擇。 例如， 為了選擇1.55 m波長， 若n=0.07，則聲波波長大約為22 m， 在LiNbO3晶體中聲速大約為3.75 km/s，對應(yīng)的聲波頻率為3.75 km/s22 m170 MHz。 由于產(chǎn)生該聲波的射頻頻率容易調(diào)諧，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)，因為這里假設(shè)輸入光完全是TE模。圖7.27是一種與偏振無關(guān)的AOTF，其實現(xiàn)方式和與偏振無關(guān)的隔離器相類似， 將輸入光信號分解為TE和TM兩個分量，分別通過AOTF后再在輸出端組合在一起。第八十六頁，共一百五十八

58、頁。 布喇格條件決定要選擇的波長，而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長度決定，聲光相互作用的長度越長， 通帶就越窄。 AOTF的功率傳遞函 T()= (7.18) 其中=-0, 0為滿足布喇格條件的光波波長， =20/(ln)為濾波器通帶寬度的一種量度，l為器件長度(準確說是聲光相互作用的長度)，濾波器的半高寬FWHM=0.8，如圖7.29所示。這說明器件越長(聲光相互作用長度越長)，濾波器的通帶就越窄；然而調(diào)諧速度與器件長度成反比，因為調(diào)諧速度主要由聲波通過器件的時間決定。 第八十七頁，共一百五十八頁。圖7.29 AOTF的功率傳遞函數(shù) 第八十八頁，共一百五十八頁。 與偏振無關(guān)的AOT

59、F可用作22波長路由器，滿足布喇格條件的波長被交換，如圖7.30(a)所示， 這里波長1滿足布喇格條件。如果同時發(fā)射幾個聲波，就有幾個光波長同時滿足布喇格條件，那么在單個器件上就可同時完成幾個波長的交換， 如圖7.30(b)所示，這里交換的波長是1和4。前面所指的都是靜態(tài)波長路由器，也可以通過改變聲波的頻率作為動態(tài)波長路由器，適當(dāng)?shù)丶壜?lián)22路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器。如今，AOTF還沒有完全實用化的原因主要有兩個：一是存在較大串?dāng)_， 二是通帶相對較寬。 第八十九頁，共一百五十八頁。 圖7.30基于AOTF的波長路由器 (a) 交換波長1; (b) 同時交換波長1和4 第九十頁，共一百五十

60、八頁。7.3光 交 換 技 術(shù) 目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過10 Gb/s， 實驗WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過3.28 Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點對點的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。傳統(tǒng)電子交換機的端口速率只有幾Mb/s到幾百Mb/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高， 而且要求在眾多的接口進行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。 第九十一頁，共一百五十八頁。 雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供15