創(chuàng)新技術(shù)講座1

創(chuàng)新技術(shù)講座

（1）光通信新技術(shù)

光纖放大器

光波分復(fù)用技術(shù)

光交換技術(shù)

光孤子通信

相干光通信技術(shù)

光時(shí)分復(fù)用技術(shù)

波長變換技術(shù)一、光纖放大器

半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，易與其他半導(dǎo)體器件集成；缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。2.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。光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。光纖放大器是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，稱光纖激光器。20世紀(jì)80年代末期，推出摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級：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。摻鉺光纖放大器工作原理2.當(dāng)泵浦(抽運(yùn))光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，Er3+很快返回到能級2。3.若輸入信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，信號光得到放大。摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理:

圖1摻鉺光纖放大器的工作原理(a)硅光纖中鉺離子的能級圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜4.激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，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)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，信號光得到放大。泵浦光能量轉(zhuǎn)換為信號光。5.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)系摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、高功率泵浦光源、波分復(fù)用器和光隔離器組成。波分復(fù)用器要求插入損耗小，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。對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。高增益摻鉺光纖(EDF)的增益取決于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。隔離器作用是防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲，要求插入損耗小，反射損耗大。圖3-1光纖放大器構(gòu)成方框圖

圖3-2實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖EDFA特性：在泵浦光功率一定的條件下，輸入信號光功率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入信號光功率變化，基本保持不變。當(dāng)信號光功率增加到一定值(一般為—20dBm)，增益隨信號光功率增加而下降，輸出信號光功率達(dá)到飽和。

圖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)系曲線摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用工作波長落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。2.增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為10～16dBm;增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。3.噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB;用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。EDFA主要優(yōu)點(diǎn)：4.頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。若加1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可增加一倍?！安ǚ謴?fù)用+光纖放大器”可充分利用光纖帶寬增加傳輸容量。1550nmEDFA應(yīng)用：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)應(yīng)用EDFA增加傳輸距離。

圖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二、光波分復(fù)用技術(shù)光波分復(fù)用原理1.WDM的概念光波分復(fù)用(WDM)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長光信號的技術(shù)?；驹恚涸诎l(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(jìn)行傳輸，在接收端將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，稱光波分復(fù)用技術(shù)。

圖6中心波長在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)在光纖兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為中心波長和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)帶寬為12500GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過30THz。在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱密集波分復(fù)用(DWDM)。該系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長在一對光纖上構(gòu)成光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低。用WDM和DWDM區(qū)分是1310/1550nm簡單復(fù)用還是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用。1310/1550nm復(fù)用超出EDFA的增益范圍，用WDM來代替DWDM。在光層中，相鄰光纖鏈路中的波長通道連接形成跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，光通路可根據(jù)需要靈活、動態(tài)地建立和釋放，即為WDM全光網(wǎng)絡(luò)。在WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長為單位對光信號進(jìn)行交叉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)，可在原來由光纖鏈路組成的物理層上面形成新的光層。2.WDM系統(tǒng)的基本形式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(gè)波長分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(也叫分波器)。兩種器件互易(雙向可逆)，即將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來用，為復(fù)用器。WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成：雙纖單向傳輸：在發(fā)送端將載有信息的、不同波長已調(diào)光信號λ1,λ2,…,λn通過光復(fù)用器組合，在一根光纖中單向傳輸。各信號通過不同光波長攜帶，彼此之間不混淆。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)。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，所用波長相互分開，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的系統(tǒng)因素：光反射、雙向通路間的隔離、串?dāng)_類型以及數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性，使用雙向光纖放大器。設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，使各波長光信號進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長的上下路(Add/Drop)和路由分配，合理插入或分出信號。雙向WDM系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用要求較高，但可減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。

圖7雙纖單向WDM傳輸圖8單纖雙向WDM傳輸其中Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；P0為從輸出端口接收到的光功率。插入損耗：由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即3.光波分復(fù)用器的性能參數(shù)波分復(fù)用器的基本要求：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。2.串?dāng)_抑制度：指其他信道的信號耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度。其中Pi是波長為λi的光信號的輸入光功率，Pij是波長為λi的光信號串入到波長為λj信道的光功率。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。3.回波損耗：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4.反射系數(shù)：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5.工作波長范圍：指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長范圍(λmin到λmax)。6.信道寬度：光源間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長間隔。7.偏振相關(guān)損耗：由于偏振態(tài)的變化造成插入損耗的最大變化值。WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)WDM系統(tǒng)的組成：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)。OTU輸出端滿足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)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)放大輸出多路光信號。光發(fā)射機(jī)：位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端，將來自終端設(shè)備輸出的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把非特定波長的光信號轉(zhuǎn)換成具有穩(wěn)定的特定波長的光信號。圖9實(shí)際WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定距離傳輸后，用摻鉺光纖放大器(EDFA)對光信號進(jìn)行中繼放大。根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA)”,“功放(BA)”和“前放(PA)”。增益平坦技術(shù)：使EDFA對不同波長的光信號具有接近相同的放大增益。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(jī)要能承受有一定光噪聲的信號，有足夠電帶寬。光監(jiān)控信道(OSC)：監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況；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(diǎn)或接收來自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對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，與上層管理系統(tǒng)相連。發(fā)送端，插入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號，與主信道的光信號合波輸出；2.接收端，將接收到的光信號分離，輸出λs(1510nm)波長的光監(jiān)控信號和業(yè)務(wù)信道光信號。傳送幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)。

WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)1.充分利用光纖巨大的帶寬資源(低損耗波段)。2.WDM技術(shù)使用各波長的信道相互獨(dú)立，可傳輸特性和速率完全不同的信號。3.WDM技術(shù)使N個(gè)波長復(fù)用在單根光纖中傳輸，實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，節(jié)省線路投資。4.降低器件的超高速要求5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性光濾波器與光波分復(fù)用器光濾波器的應(yīng)用：單純的濾波應(yīng)用、波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用和波長路由器中應(yīng)用。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(WADM)中。波長路由器用于波長選路網(wǎng)絡(luò)，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WDM信號。路由器交換波長λ1和λ4：在輸入端口1上的波長中，若λ12和λ13由輸出端口1輸出，λ11和λ14由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長中，若λ22和λ23由輸出端口2輸出，則λ21和λ24由輸出端口1輸出。

圖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)用有較低的插入損耗，且損耗與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)。若波長路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，稱靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，稱動態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可用波分復(fù)用器構(gòu)成。光濾波器的要求：波長分插復(fù)用器可看成波長路由器的簡化形式，它有一個(gè)輸入端口、一個(gè)輸出端口，一個(gè)用于分插波長的本地端口。2.濾波器的通帶對溫度的變化不敏感。3.單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性平直，以便能夠容納激光器波長的微小變化。平直程度常用1dB帶寬衡量。圖11由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器

圖12光濾波器的1dB帶寬a：用于將光分離為不同波長的單色光。WDM系統(tǒng)中光柵用在解復(fù)用器中，分離出各個(gè)波長。波長選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用：1.光柵：b：光柵基本原理：設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間距即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過兩相鄰縫隙對應(yīng)光線的光程差由()決定，

圖13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵圖14透射光柵的工作原理a：傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可看作布喇格光柵；微擾常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，不同θd對應(yīng)不同的波長λ，像面上不同點(diǎn)對應(yīng)不同的波長。光柵方程為2.布喇格光柵b：半導(dǎo)體激光器用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可獲得單頻輸出(如DFB激光器)；光纖中寫入布喇格光柵后用于光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。一個(gè)波的能量可耦合到另一個(gè)波中。Λ為光柵周期.c：設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：e：設(shè)β0=2πneff/λ0，如果λ0=2neffΛ，光波發(fā)生反射，λ0稱作布喇格波長。隨入射光波的波長偏離布喇格波長，反射率降低.d：反射型濾波器中，假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：光能可耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中。

圖15布喇格光柵的反射譜(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形如圖：具有幾個(gè)波長的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，只有波長等于布喇格波長的光才反射，其它的光全部透射。

3.光纖光柵b：傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后具有光敏特性，由紫外(UV)光照射，引起光纖纖芯的折射率變化。a：光纖光柵可作光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。對于全光纖器件，主要優(yōu)點(diǎn)有：插入損耗低，易于與光纖耦合，對偏振不敏感。c：用兩束相干的紫外光照射摻雜后的光纖纖芯，照射光束的強(qiáng)度沿光纖長度方向周期性變化，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變化，即在光纖中寫入光柵。d：位相版寫入光柵：當(dāng)用光束照射位相版時(shí)，光束分離成各個(gè)不同的衍射級，衍射級相互干涉可將光柵寫入光纖。短周期光纖光柵稱光纖布喇格光柵，其周期可和光波長相比較。2.光纖布喇格光柵(FBG)是反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢等于傳輸模波矢的2倍，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，不影響其它波長的光通過。光纖光柵分短周期光纖光柵和長周期光纖光柵3.光纖布喇格光柵特點(diǎn)是損耗低，波長準(zhǔn)確度高(可達(dá)±0.05nm)，鄰近信道串?dāng)_抑制較高，通帶頂部平坦，光纖長度隨溫度變化稍有變化.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。光分器由三端口光環(huán)行器和光纖布喇格光柵構(gòu)成，光柵反射回來的波長λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長繼續(xù)前行。在光分器基礎(chǔ)上加一個(gè)耦合器，可實(shí)現(xiàn)光的分插功能。光纖布喇格光柵：纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上。2.長周期光纖光柵：纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層正向傳輸模，包層模沿光纖傳輸時(shí)易消逝，相應(yīng)波長位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。工作原理

圖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)光分插圖17長周期光纖光柵的透射譜Λ為光柵周期。一般情況，兩個(gè)正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為發(fā)生耦合，要求Λ是一個(gè)相當(dāng)大值。設(shè)纖芯中模的傳輸常數(shù)(單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為，相位匹配條件為已知傳輸光波長和纖芯、包層模的有效折射率，可設(shè)計(jì)合適Λ值的長周期光柵滿足需要。長周期光纖光柵適合作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA)中作濾波器,使EDFA增益平坦化。

4.法布里-珀羅濾波器F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：法布里-珀羅(FP)濾波器由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，也稱FP干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面輸出?？勺鞲缮鎯x及WDM系統(tǒng)中作濾波器。

圖18FP濾波器若用自由空間波長λ表示，則A為每個(gè)鏡面的吸收損耗，R是每個(gè)鏡面反射率(假設(shè)兩個(gè)鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時(shí)延為τ，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長為l,τ=nl/c。功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，f滿足fτ=k/2，k為正整數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。圖19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)由圖可見：反射率R越大，相鄰信道的隔離就越好。F-P濾波器兩個(gè)緊鄰?fù)◣чg的光譜范圍稱自由光譜范圍(FSR)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱作F-P濾波器的精細(xì)度F,則改變腔的長度；2.改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。F-P濾波器選擇不同波長的兩種方法：5.多層介質(zhì)薄膜濾波器薄膜諧振腔濾波器是F-P干涉儀，反射鏡采用多層介質(zhì)薄膜，稱多層介質(zhì)薄膜濾波器。用作帶通濾波器時(shí)，只允許特定波長的光通過而其它所有波長的光反射，腔長決定通過的波長。濾波器特點(diǎn)：通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定，插入損耗低，對光的偏振不敏感，濾波器多個(gè)級聯(lián)可做波分復(fù)用器。薄膜諧振多腔濾波器結(jié)構(gòu)：由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個(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，邊緣更尖銳。圖20三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器圖21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜0.996－40－30－200－100.99811.0021.0043腔2腔1腔l0/l濾波器的傳輸譜/dB圖22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器6.馬赫-曾德爾干涉儀馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)使用兩條不同長度的干涉路徑?jīng)Q定不同的波長輸出。MZI以集成光波導(dǎo)形式出現(xiàn)，用兩個(gè)3dB定向耦合器連接兩條不同長度的光通路。級聯(lián)幾個(gè)MZI后，由于波長隨溫度和時(shí)間變化漂移，串?dāng)_性能不如理想情況，級聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦。MZI用作濾波器和波分復(fù)用器，在寬帶濾波方面MZI用于分開1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長的光信號。通過級聯(lián)幾個(gè)MZI可做窄帶濾波器，但導(dǎo)致?lián)p耗增加。圖23馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)方框圖；(c)四級MZIMZI作解復(fù)用器時(shí)，有一個(gè)輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過第一個(gè)定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但在兩臂上的信號有π/2的相差，下臂的信號比上臂滯后π/2。2.下臂與上臂長度差ΔL，則下臂信號的相位進(jìn)一步滯后βΔL,β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1處，來自下臂的信號比來自上臂的信號延遲π/2，在輸出1處，兩信號總相位差為π/2+βΔL+π/2。MZI工作原理：3.輸出2處，兩信號總相位差為輸入1的所有波長中，滿足(k為奇數(shù))條件的波長，由輸出1輸出,滿足(k為偶數(shù))條件的波長由輸出2輸出。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用。其中f為光頻率。若兩臂長度差為ΔL，輸入1輸入，則單個(gè)MZI的功率傳遞函數(shù)為將MZI級聯(lián)可構(gòu)成多級馬赫-曾德爾干涉儀。MZI是互易器件，也可作2×1復(fù)用器。

(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級聯(lián)后4級MZI的傳遞函數(shù)圖24MZI的傳遞函數(shù)7.陣列波導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)光柵(AWG)是MZI的推廣和一般形式，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n×1波分復(fù)用器和1×n波分解復(fù)用器。與多級MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，易集成在一塊襯底上。AWG可作靜態(tài)波長路由器。圖25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)圖26基于AWG的靜態(tài)波長路由器設(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n×m形式，輸出耦合器為m×n形式，輸入和輸出耦合器間由m個(gè)波導(dǎo)連接，每相鄰波導(dǎo)的長度差均為ΔL。2.MZI是AWG在n=m=2情形的特例。輸入耦合器將某個(gè)輸入端口的輸入信號分成m部分，各部分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決定。AWG工作原理：8.聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)AOTF能同時(shí)選擇多個(gè)波長，可構(gòu)造波長路由器。其基本原理是聲與光的相互作用。AOTF原理：波導(dǎo)材料是雙折射物質(zhì)，能支持最低階TE模和TM模。假設(shè)輸入光是TE模，只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)輸出端。如果在被選擇波長附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)光能量轉(zhuǎn)換為TM模式，其余光能量仍保持TE模式，可制成波長選擇性濾波器。圖27集成光波導(dǎo)AOTF圖28簡化的AOTF濾波器可通過沿光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波完成。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，相當(dāng)于形成布喇格光柵。光波從一種模式耦合到另一種模式，Λ為聲波波長，λ為光波長。設(shè)TE和TM模折射率為nTE和nTM，當(dāng)滿足布喇格條件滿足布喇格條件在波長λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光從TE模轉(zhuǎn)換為TM模，如果輸入光只是TE模，輸出只選擇TM模，可作窄帶濾波器使用。若nTE-nTM=Δn，布喇格條件寫為適當(dāng)選擇聲波波長Λ，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換又位于AOTF通帶內(nèi)的波長被選擇。布喇格條件決定選擇的波長，濾波器通帶寬度由聲光相互作用的長度決定，聲光相互作用的長度越長，通帶越窄。與偏振無關(guān)的AOTF，實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無關(guān)的隔離器類似，將輸入光信號分解為TE和TM兩個(gè)分量，分別通過AOTF后在輸出端組合在一起。Δλ=λ-λ0,λ0為滿足布喇格條件的波長，為濾波器通帶寬度的量度，l為器件長度，濾波器的半高寬FWHM=0.8ε。器件越長(聲光相互作用長度越長)，濾波器通帶就越窄；調(diào)諧速度與器件長度成反比，由聲波通過器件的時(shí)間決定。AOTF的功率傳遞函數(shù)為圖29AOTF的功率傳遞函數(shù)與偏振無關(guān)的AOTF可用作2×2波長路由器，滿足布喇格條件的波長被交換，若同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波，有幾個(gè)光波長同時(shí)滿足布喇格條件，在單個(gè)器件上可同時(shí)完成幾個(gè)波長的交換。通過改變聲波頻率可作動態(tài)波長路由器，適當(dāng)級聯(lián)2×2路由器可構(gòu)成多輸入多輸出路由器。

圖30基于AOTF的波長路由器

(a)交換波長λ1;(b)同時(shí)交換波長λ1和λ4

三、光交換技術(shù)光交換有三種方式：空分光交換、時(shí)分光交換和波分光交換。1、空分光交換空分光交換的功能：使光信號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關(guān)。它有電光型、聲光型和磁光型等，電光型光開關(guān)速度快、串?dāng)_小,結(jié)構(gòu)緊湊，有很好的應(yīng)用前景。典型光開關(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，通過對電壓的控制改變輸出通路。由4個(gè)1×2光開關(guān)器件組成2×2光交換模塊，1×2光開關(guān)器件是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開關(guān)，只是少用一個(gè)輸入端。2×2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，通過電壓控制，可實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接。

圖31空分光交換(a)2×2光交換單元；(b)平行連接和交叉連接；(c)4×4光交換單元2、時(shí)分光交換時(shí)分光交換以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換。時(shí)隙互換：把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號互換位置。將時(shí)分復(fù)用信號經(jīng)過分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線依次傳輸某一時(shí)隙的信號；使這些信號經(jīng)過不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；用復(fù)接器重新組合。時(shí)分復(fù)用：把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙分配給N路信號，再把N路信號復(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。

圖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3、波分光交換設(shè)波分交換機(jī)輸入和輸出與N條光纖連接，N條光纖可組成一根光纜。每條光纖承載W個(gè)波長的光信號。從每條光纖輸入的光信號先通過分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個(gè)波長不同的信號。波分光交換(或交叉連接)：以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長選擇或波長變換實(shí)現(xiàn)交換功能。基本原理：2.所有N路輸入的波長為λi(i=1,2,…,W)的信號送到λi空分交換器，進(jìn)行同一波長N路(空分)信號的交叉連接，如何交叉連接由控制器決定。

圖33波分交換的原理框圖(a)波長選擇法交換；(b)波長變換法交換3.W個(gè)空分交換器輸出的不同波長的信號通過合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。波長變換法是用同一個(gè)NW×NW空分交換器處理NW路信號的交叉連接，空分交換器輸出須加波長變換器，后進(jìn)行波分復(fù)接。提供連接數(shù)為N2W2，內(nèi)部阻塞概率較小。四、光孤子通信1、光孤子的形成光孤子是經(jīng)光纖長距離傳輸后，其幅度和寬度都不變的超短光脈沖(ps數(shù)量級)。光纖傳輸理論：假設(shè)光纖折射率n和入射光強(qiáng)(光功率)無關(guān)，保持不變。在低功率條件下成立，但在高功率條件下，折射率n隨光強(qiáng)變化，稱非線性效應(yīng)。光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。利用光孤子作載體的通信稱光孤子通信。式中E為電場，n0為E=0時(shí)的光纖折射率，約為1.45。強(qiáng)光作用下，光纖折射率n可表示為光纖折射率n隨光強(qiáng)|E|2變化特性，稱克爾效應(yīng)。使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性，稱自相位調(diào)制(SPM)。頻移使脈沖頻率改變分布，其前部(頭)頻率降低，后部(尾)頻率升高，稱脈沖已被線性調(diào)頻，或稱啁啾。在脈沖上升部分，|E|2增加，>0，得Δω<0，頻率下移；脈沖頂部，|E|2不變，=0，得Δω=0，頻率不變；脈沖下降部分，|E|2減小，<0，得Δω>0，頻率上移。圖34脈沖的光強(qiáng)頻率調(diào)制設(shè)光纖無損耗，光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，場可表示為式中，R(r)為徑向本征函數(shù)，U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡(luò)函數(shù),ω0為光載波頻率，β0為調(diào)制頻率ω=ω0時(shí)的傳輸常數(shù)。式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。β是折射率和光功率的函數(shù)。β0和P=0附近，把β展開成級數(shù)，得式(24)略去高次項(xiàng)，但仍描述光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦裕街杏疫叺谌?xiàng)和第四項(xiàng)最重要，體現(xiàn)光纖色散和非線性效應(yīng)的影響。如果β″0<0，β2P>0，適當(dāng)選擇相關(guān)參數(shù)，使兩項(xiàng)絕對值相等，光纖色散和非線性效應(yīng)相互抵消，輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子。波長為λ的光纖色散系數(shù)C(λ)的定義為圖35單模光纖的色散特性λD為零色散波長。λ<λD時(shí)，C(λ)<0,β″0>0，稱光纖正常色散區(qū)；λ>λD時(shí)，C(λ)>0,β″0<0，稱光纖反常色散區(qū)。光脈沖在反常色散光纖中傳輸時(shí)，由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生啁啾被壓縮或展寬。對反常色散光纖，群速度與光載波頻率成正比，在脈沖中載頻高的部分傳播得快，載頻低的部分傳播得慢。對正常色散光纖，結(jié)論相反。具有負(fù)啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時(shí)，前部(頭)傳播得快，后部(尾)傳播得慢，“紫”頭和“紅”尾逐漸分離，脈沖被展寬。具有正啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時(shí)，脈沖前部(頭)頻率低，傳播得慢，而后部(尾)頻率高，傳播得快。稱“紅頭紫尾”光脈沖。在傳播過程中，“紫”尾逐漸接近“紅”頭，脈沖被壓縮。圖36脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應(yīng)可被壓縮或展寬2、光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成和性能光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成：光孤子源產(chǎn)生脈寬很窄的光脈沖，即光孤子流，作為信息載體進(jìn)入光調(diào)制器，信息對光孤子流進(jìn)行調(diào)制。被調(diào)制的光孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器和光隔離器后，進(jìn)入光纖傳輸。在光纖線路上周期插入EDFA，向光孤子注入能量，補(bǔ)償因光纖傳輸引起的能量消耗，確保光孤子穩(wěn)定傳輸。在接收端，通過光檢測器和解調(diào)裝置，恢復(fù)光孤子承載的信息。

圖37-1光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成方框圖；圖37-2循環(huán)光纖間接光孤子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖光孤子源提供脈沖寬度為ps數(shù)量級，有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導(dǎo)體激光器等。光孤子系統(tǒng)可用于WDM系統(tǒng)，使傳輸速率大幅度增加。五、相干光通信技術(shù)光強(qiáng)調(diào)制-直接檢測(IM-DD)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制和解調(diào)簡單，易實(shí)現(xiàn)，成本較低。但沒有利用光載波的頻率和相位信息，限制系統(tǒng)性能的提高。相干光是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實(shí)現(xiàn)相干光通信，要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制的窄線譜激光器。相干光通信，在發(fā)射端對光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，采用零差檢測或外差檢測，稱相干檢測。1、相干檢測原理相干檢測原理：光接收機(jī)接收的信號光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場發(fā)生干涉。由光檢測器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號的形式輸出。單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機(jī)接收的信號光其光場寫成式中,AS、ωS和φS為光載波的幅度、頻率和相位。

圖38相干檢測原理方框圖式中,AL、ωL和φL分別為本振光的幅度、頻率和相位。本振光的光場可寫成式中，ωIF是中頻信號的頻率。保持信號光偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，使之與信號光的偏振方向相同。本振光的中心角頻率ωL應(yīng)滿足K為常數(shù)。光檢測器輸出光功率P與光強(qiáng)|ES+ＥL|2成比例，由式(26)～式(29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果，輸出光功率近似為式(30)右邊最后一項(xiàng)是中頻信號功率分量，是疊加在PS和PL上緩慢起伏的變化。中頻信號功率分量帶有信號光的幅度、頻率或相位信息，在發(fā)射端，無論采取什么調(diào)制方式，都可從中頻功率分量反映出來。圖39干涉后的瞬時(shí)光功率變化零差檢測：選擇ωL=ωS，即ωIF=0，稱零差檢測。濾去直流分量，中頻信號產(chǎn)生的光電流為式中，ρ為光檢測器的響應(yīng)度，通常PL>>PS。零差檢測信號與直接檢測信號平均光功率之比為相干檢測有零差檢測和外差檢測兩種方式。考慮本振光相位鎖定在信號光相位上，即φL=φS，得零差檢測的信號光電流為PL

>>

PS，零差檢測接收光功率可放大幾個(gè)數(shù)量級。噪聲增加，但靈敏度大幅度提高。2.外差檢測：選擇ωL≠ωS

，即ωIF=ωS-ωL>0，稱外差檢測。選擇fIF(=ωIF/2π)在微波范圍。中頻信號產(chǎn)生的光電流為外差檢測接收光功率放大，提高了靈敏度。信噪比的改善比零差檢測低3dB，但接收機(jī)設(shè)計(jì)相對簡單，不需相位鎖定。零差檢測技術(shù)復(fù)雜，相位變化靈敏，必須控制相位，使φS-φL保持不變，ωL和ωS相等。幅移鍵控(ASK)：基帶數(shù)字信號只控制光載波的幅度變化，稱幅移鍵控(ASK)。2、調(diào)制和解調(diào)相干檢測優(yōu)點(diǎn)：可對光載波實(shí)施幅度、頻率或相位調(diào)制。ASK的光場表達(dá)式式中,AS、ωS和φS為光場幅度、中心角頻率和相位。

數(shù)字信號有三種調(diào)制方式即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。圖40ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較

ASK相干通信系統(tǒng)用外調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，輸出光信號幅度隨基帶信號變化，相位保持不變。如采用直接光強(qiáng)調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。ASK中，φS保持不變，只對幅度進(jìn)行調(diào)制。對于二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制，多數(shù)情況，“0”

碼傳輸，使AS=0，“1”碼傳輸，使AS=1。2.相移鍵控(PSK)：基帶信號只控制光載波的相位變化，稱相移鍵控(PSK)。PSK的光場表達(dá)式為PSK中，AS保持不變，只對相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和“1”碼時(shí)，分別用兩個(gè)不同相位表示。傳輸“0”時(shí)，光載波相位不變，傳輸“1”碼時(shí)，相位改變180°，稱差分相移鍵控(DPSK)。設(shè)計(jì)PSK只須選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，可使相位改變δφ=π。但接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，對發(fā)射和本振激光器的譜寬要求苛刻。3.頻移鍵控(FSK)：基帶數(shù)字信號只控制光載波的頻率，稱頻移鍵控(FSK)。FSK的光場表達(dá)式為FSK中，AS保持不變，只對頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時(shí)，分別用頻率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。對于二進(jìn)制數(shù)字信號，用(ωS-Δω)和(ωS+Δω)分別表示“0”碼和“1”碼,2Δf(=2Δω/2π)稱碼頻間距。零差檢測時(shí)，光信號直接被解調(diào)為基帶信號，要求本振光的頻率和信號光頻率完全相同，本振光相位鎖定在信號光相位上，采用同步解調(diào)。相干檢測的解調(diào)方式有兩種：同步解調(diào)和異步解調(diào)。2.外差檢測時(shí)，不要求本振光和信號光頻率相同，也不要求相位匹配，可采用同步解調(diào)，也可采用異步解調(diào)。3.同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻ωIF(微波頻率)，要求電鎖相環(huán)路。異步解調(diào)簡化接收機(jī)設(shè)計(jì)，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。4.兩種解調(diào)方式差別在于接收機(jī)噪聲對信號質(zhì)量的影響。異步解調(diào)要求信噪比(SNR)高，但異步解調(diào)接收機(jī)設(shè)計(jì)簡單，對信號光源和本振光源的譜線要求適中。圖41外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖圖42外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖3、誤碼率和接收靈敏度相干光通信系統(tǒng)光接收機(jī)性能可用信噪比(SNR)定量描述。式中,和分別為散粒噪聲功率和熱噪聲功率，e為電子電荷，Id為光檢測器暗電流，B為等效噪聲帶寬，kT為熱能量，RL為光檢測器負(fù)載電阻，I為光電流，由式(31)或式(32)確定。系統(tǒng)總平均噪聲功率(均方噪聲電流)為外差檢測的信噪比光檢測器的響應(yīng)度ρ=ηe/hf,η為光檢測器量子效率，e和hf為電子電荷和光子能量；等效噪聲帶寬B=fb/2，fb為傳輸速率，平均信號光功率〈PS〉用每比特時(shí)間內(nèi)光子數(shù)NP表示為相干光接收機(jī)噪聲由本振光功率PL引入的散粒噪聲支配，與信號光功率大小無關(guān)，式(38)中Id和〈i2T〉項(xiàng)可略去，得把上述關(guān)系代入式(39)得到零差檢測的平均信號光功率是外差檢測的2倍，其信噪比2.誤碼率：由信噪比(SNR)確定。以ASK零差檢測為例，設(shè)判決信號為式中,Ip=2ρ(PsPL)1/2為信號光電流，ic為高斯隨機(jī)噪聲。