西電-光通信技術基礎chap7課件

7.1光纖放大器7.2光波分復用技術7.3光交換技術7.4光孤子通信7.5相干光通信技術7.6光時分復用技術7.7波長變換技術第7章光纖通信新技術返回主目錄第7章光纖通信新技術光纖通信發(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、技術更新快、新技術不斷涌現(xiàn)的領域。

本章主要介紹一些已經(jīng)實用化或者有重要應用前景的新技術，如光放大技術，光波分復用技術，光交換技術，光孤子通信，相干光通信，光時分復用技術和波長變換技術等。7.1光纖放大器

光放大器有半導體光放大器和光纖放大器兩種類型。

?

半導體光放大器的優(yōu)點是：小型化，容易與其他半導體器件集成

?

半導體光放大器的缺點是：性能與光偏振方向有關，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，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應用。

7.1.1摻鉺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，說明了光信號放大的原因。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：

?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)(1→3)。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)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。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)(2→1)，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換為信號光的結果。

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圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜為提高放大器增益，應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系；(b)小信號增益與泵浦光功率的關系

7.1.2摻鉺光纖放大器的構成和特性圖7.3(a)為光纖放大器構成原理圖，圖7.3(b)為實用光纖放大器構成方框圖。

摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關鍵器件，把泵浦光與信號光耦合在一起的波分復用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。

設計高增益摻鉺光纖(EDF)是實現(xiàn)光纖放大器的技術關鍵，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1480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達100mW,泵浦光轉換為信號光效率在6dB/mW以上。圖7.3(a)光纖放大器構成原理圖輸入信號光隔離器波分復用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號圖7.3(a)波長為980nm的泵浦光轉換效率更高，達10dB/mW，而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。

?對波分復用器的基本要求是：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

?

對光隔離器的的基本要求是：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系。

在泵浦光功率一定的條件下，當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。當信號光功率增加到一定值(一般為-20dBm)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)。

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系曲線－10.0－40－5.00.05.010.015.020.025.030.035.0－35－30－25－20－15－10－50IIIIIII噪聲指數(shù)/dB輸出光功率/dBm增益/dB輸入光功率/dBm增益/dB

7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點和應用EDFA的主要優(yōu)點有：?工作波長正好落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達0.1dB。

?增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為10～15dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無關。

?噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB；用于多信道傳輸時，隔離度大，無串擾，適用于波分復用系統(tǒng)。

?頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。如果加上1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復用+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。1550nmEDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用，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)，都應用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。

圖7.5(a)光纖放大器的應用形式中繼放大器LDPD中繼放大器EDFA的應用，歸納起來可以分為三種形式，如圖7.5所示。

?中繼放大器（LA：LineAmplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設置一個光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離）

?前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收機的前面，放大非常微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對噪聲要求非?？量獭?后置放大器

（BA：BoosterAmplifier)置于光接收機的后面，以提高發(fā)射機功率。對后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數(shù)。7.2光波分復用技術隨著人類社會信息時代的到來，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(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務)對通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復用技術。在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時分復用(TDM)技術外，還出現(xiàn)了其他的復用技術，例如光時分復用(OTDM)、光波分復用(WDM)、光頻分復用(OFDM)以及副載波復用(SCM)技術。

7.2.1光波分復用原理

1.WDM的概念

光波分復用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。光波分復用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，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(解復用)，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用技術。

圖7.6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用)目前該系統(tǒng)是在1550nm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)構成的光通信系統(tǒng)，其中各個波長之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對應于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別以往技術人員習慣采用WDM和DWDM來區(qū)分是1310/1550nm簡單復用還是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)密集復用，但目前在電信界應用時，都采用DWDM技術。由于1310/1550nm的復用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場合應用，所以經(jīng)常用WDM這個更廣義的名稱來代替DWDM。WDM技術對網(wǎng)絡升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(如CATV，HDTV和IPoverWDM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)絡具有強大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復用(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(結點)處設置以波長為單位對光信號進行交叉連接的光交叉連接設備(OXC)，或進行光上下路的光分插復用器(OADM)，則在原來由光纖鏈路組成的物理層上面就會形成一個新的光層。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。

WDM系統(tǒng)的基本構成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(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λ1,λ2,…,λn通過光復用器組合在一起，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用器將不同波長的信號分開，完成多路光信號傳輸?shù)娜蝿?。反方向通過另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。

圖7.7雙纖單向WDM傳輸(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。圖7.8單纖雙向WDM傳輸

雙向WDM系統(tǒng)在設計和應用時必須要考慮幾個關鍵的系統(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、串擾的類型和數(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的數(shù)量。另外，通過在中間設置光分插復用器(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)務量分布情況，合理地安排插入或分出信號。?

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

?復用通路數(shù)多

?尺寸小等3.光波分復用器的性能參數(shù)光波分復用器是波分復用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復用系統(tǒng)的性能，對波分復用器的基本要求是：

(1)插入損耗

插入損耗是指由于增加光波分復用器/解復用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即其中Pi為發(fā)送進輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。(dB)(7.1)

(2)串擾抑制度串擾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。對于解復用器其中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。(7.2)(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。

(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

(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Pj之比，即(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(λmin到λmax)。

(6)信道寬度

信道寬度是指各光源之間為避免串擾應具有的波長間隔。

(7)偏振相關損耗

偏振相關損耗(PDL:PolarizationdependentLoss)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。

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結構

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)絡管理系統(tǒng)，如下圖所示。

?光發(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備(如SDH端機)輸出的光信號，利用光轉發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號轉換成符合ITU-TG.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：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號。

?用摻鉺光纖放大器(EDFA)對光信號進行中繼放大。在應用時可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”,“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，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，要有足夠的電帶寬。

?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)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，插入本結點產(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；在接收端，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)務信道光信號。

幀同步字節(jié)、公務字節(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。

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網(wǎng)絡管理系統(tǒng)通過光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結點或接收來自其他結點的開銷字節(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)相連。

目前國際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實驗室已實現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標)光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波帶聯(lián)合傳輸；

②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號沿色散平坦光纖，經(jīng)過增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達1500km;③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過C和L波帶注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm。，用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達6×140km=840km;

④日本NTT：30路×42.7Gb/s，利用歸零信號，經(jīng)過增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達3×125km376km;⑤美國LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;

⑥美國Mciworldcom和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;

⑦美國Qtera和Qwest:兩個波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個試驗雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長距離。

7.2.3WDM技術的主要特點

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(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?/p>

3.節(jié)省線路投資采用WDM技術可使N個波長復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速度已明顯不足，使用WDM技術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。

5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性WDM技術有很多應用形式，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技術選擇路由，實現(xiàn)網(wǎng)絡交換和故障恢復，從而實現(xiàn)未來的透明、靈活、經(jīng)濟且具有高度生存性的光網(wǎng)絡。

7.2.4光濾波器與光波分復用器在前面介紹耦合器時，已經(jīng)簡單地介紹了波分復用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長選擇技術，即光濾波技術。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復用有著密切關系，常常用來構成各種各樣的波分復用器和解復用器。波分復用器和解復用器主要用在:

?WDM終端

?波長路由器

?波長分插復用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)圖7.10為光濾波器的三種應用：

?單純的濾波應用(圖7.10(a))

?波分復用/解復用器中應用(圖7.10(b))

?波長路由器中應用(圖7.10(c))。l1光濾波器圖7.10(a)單純的濾波應用l1,l2,l3,l4l,l,l234波分復用器l1l2l3l4圖7.10(b)波分復用器中應用l1,l2,l3,l4

圖7.10(c)波長路由器中應用波長路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(WavelengthRoutingNetwork)中的關鍵部件，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λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號。如果用來標記第i輸入鏈路上的波長λj,則路由器的輸入端口1上的波長記為、、、,輸入端口2上的波長記為、、、。在輸入端口1上的波長中，如果和由輸出端口1輸出，則和由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長中，如果和由輸出端口2輸出，則和由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長λ1和λ4。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用器來構成，如下圖所示。波長分插復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：

(1)一個好的光濾波器應有較低的插入損耗，并且損耗應該與輸入光的偏振態(tài)無關。

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(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。(2)一個濾波器的通帶應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)，波長漂移應該遠小于相鄰信道的波長間隔。

(3)在一個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寬的通帶，單個濾波器的通帶傳輸特性應該是平直的，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1dB帶寬來衡量，如圖7.12所示。

圖7.12光濾波器的1dB帶寬下面將介紹一些波長選擇技術及其在WDM系統(tǒng)中的應用。

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7.13(b)是反射光柵。

圖7.13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2(a)(b)

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θi，衍射角為θd，通過兩相鄰縫隙對應光線的光程差由()決定，而其中m為整數(shù)，當a和θi一定時，不同的θd對應不同的波長λ，也就是說，像面上的不同點對應不同的波長，于是可用作WDM中的解復用器。(7.5)光柵方程為:(7.6)7.14透射光柵的工作原理2.布喇格光柵

布喇格光柵(BraggGrating)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。半導體激光器使用布喇格光波導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、光分插復用器和色散補償器。設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：其中Λ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，我們假設傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：（7.7）（7.8）則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去。設β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0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(ApodizedGrating)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。

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

3.光纖光柵

光纖光柵(FiberGrating)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。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(phasemask)來寫入光柵。

位相版是一種光衍射元件，當用光束照射它時，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柵，其周期可以和光波長相比較，典型值大約0.5μm；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：FiberBraggGrating)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，光柵的波矢應等于傳輸模波矢的2倍，也就是說，光柵的周期應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。

光纖布喇格光柵的特點是:

?損耗低(0.1dB左右)

?波長準確度高(可達±0.05nm)

?鄰近信道串擾抑制較高(可達40dB)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1.25×10-2nm/℃。這個溫度系數(shù)過高了,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0.07×10-2nm/℃，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0.07nm。在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復用器和色散補償器(DispersionCompensator)。

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成，由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。在上面簡單的光分器的基礎上加上一個耦合器，就可以實現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。

圖7.16(a)基于光纖光柵結構的光分插復用器簡單光分；l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll4(a)2l23l2圖7.16(b)基于光纖光柵結構的光分插復用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2

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，因此相應波長位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。設纖芯中模的傳輸常數(shù)(假定為單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為βpc，相位匹配條件為：其中Λ為光柵周期。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Λ是一個相當大值，一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5μm)。（7.9）設纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff和npeff，由公式β=2πneff/λ可得：當滿足λ=Λ(neff-npeff)時，λ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，就可以設計合適Λ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:ErbiumDopedFiberAmplifier)中作濾波器，使EDFA增益平坦化。圖7.17長周期光纖光柵的透射譜

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-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關：（7.10）

圖7.18F-P濾波器輸入信號F-P濾波器反射若用自由空間波長λ表示，則：TFP(λ)=（7.11）這里A表示每個鏡面的吸收損耗，R為每個鏡面的反射率(假設兩個鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時延為τ，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長為l,因此τ=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。圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)

率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當f滿足fτ=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(FSR：FreeSpectralRange)，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：

?改變腔的長度

?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。

（7.12）

5.多層介質(zhì)薄膜濾波器

薄膜諧振腔濾波器(ThinFilmResonantCavityFilter)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(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。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。圖7.20三腔介質(zhì)薄諧振腔濾波器薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)的結構如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個或多個腔構成。圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜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。圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復用/解復用器

6.馬赫-曾德爾干涉儀

馬赫-曾德爾干涉儀(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩條不同長度的干涉路徑來決定不同的波長輸出。MZI通常以集成光波導的形式出現(xiàn)，即用兩個3dB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)，波導區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個MZI可用圖7.23(b)表示。圖7.23(a)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)結構圖輸入1輸入2路程差，DL輸出1輸出2(a)MZI(DL)輸入1輸入2輸出1輸出2(b)圖7.23(b)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)方框圖輸入1輸入2輸出1輸出2MZI(DL)MZI(2DL)MZI(3DL)MZI(4DL)(c)圖7.23(c)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)四級MZIMZI可用來作濾波器和波分復用器。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1.31μm和1.55μm兩個波長的光信號。當然，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，串擾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。

考慮MZI作為一個解復用器的情況。這時只有一個輸入，假設從輸入端口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π/2的相差，下臂上的信號比上臂滯后π/2。同理，在輸出2處，兩信號總的相位差為+βΔL-=βΔL。在輸入1的所有波長中，滿足βΔL=kπ(k為奇數(shù))條件的波長，由輸出1輸出；滿足βΔL=kπ(k為偶數(shù))條件的波長由輸出2輸出。而β=,n為介質(zhì)折射率，λ為光波長，通過適當設計就可以實現(xiàn)波的解復用。如果下臂與上臂的長度差為ΔL，則下臂信號的相位進一步滯后βΔL,β為光在MZI介質(zhì)中的傳輸常數(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π/2，因此，在輸出1處，兩信號總的相位差為:+βΔL+。如果將MZI級聯(lián)就構成多級馬赫-曾德爾干涉儀(MultistageMachZehnderInterferometer)。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。如果兩臂長度差為ΔL，只是輸入1輸入，則單個MZI的功率傳遞函數(shù)為:2sin2LDbT11(f)T12(f)=(7.13)其中f為光頻率。

(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7.24MZI的傳遞函數(shù)前面討論了MZI用作1×2解復用器情況，由于MZI是一種互易器件，因此也可用作2×1復用器。

7.陣列波導光柵

陣列波導光柵(AWG:ArrayedWaveguideGrating)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構成。AWG可用作n×1波分復用器和1×n波分解復用器。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。圖7.25陣列波導光柵(AWG)圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長路由器

輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成m部分，它們之間的相對相位由從輸入波導到陣列波導在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來決定，輸入波導i和陣列波導k之間的距離用表示，陣列波導k的長度比陣列波導(k-1)的長度長ΔL，同樣，陣列波導k和輸出波導j之間的距離用表示。下面我們簡單地分析一下AWG的工作原理。

設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，輸入和輸出耦合器之間由m個波導連接，每相鄰波導的長度差均為ΔL。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。因此，光信號從輸入波導i到輸出波導j，經(jīng)歷了i與j之間m條不同通路后的相對相位為：其中n1為輸入和輸出耦合器的折射率，n2為陣列波導的折射率，λ為光信號的波長。在輸入波導i的光信號的波長中，滿足Φijk為2π的整數(shù)倍的波長將在輸出波導j輸出。于是，通過適當設計，可以做成1×n波分解復用器和n×1波分復用器。（7.14）如果設計輸入耦合器和輸出耦合滿足dinik=dini+kδini和doutkj=doutj+kδoutj則有（7.15）在輸入波導i輸入的那些波長中若滿足：n1δini+n2ΔL+n1δoutj=pλ，p為整數(shù)，則波長為λ的光將在輸出波導j輸出。

8.聲光可調(diào)諧濾波器

聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF:AcoustoOpticTunableFilter)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的集成光波導形式。圖7.27集成光波導AOTF一個簡化的AOTF如圖7.28所示，波導材料是一種雙折射物質(zhì)，僅能支持最低階TE模和TM模。

假設輸入光完全是TE模，一個只能選擇TM模的偏振器放在波導的輸出端。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。圖7.28簡化的AOTF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，這相當于形成了一個布喇格光柵。（7.16）時，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中Λ為聲波波長，λ為光波長。設TE和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當滿足布喇格條件如果記nTE-nTM=Δn，則布喇格條件可寫為λ=Λ·Δn(7.17)

滿足布喇格條件在波長λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從TE模轉換為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。在LiNbO3晶體中，Δn=0.07。若適當選擇聲波波長Λ，則經(jīng)過模式轉換又位于AOTF通帶內(nèi)的波長能夠被選擇。例如，為了選擇1.55μm波長，若Δn=0.07，則聲波波長大約為22μm，在LiNbO3晶體中聲速大約為3.75km/s，對應的聲波頻率為3.75km/s÷22μm≈170MHz。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，因為這里假設輸入光完全是TE模。圖7.27是一種與偏振無關的AOTF，其實現(xiàn)方式和與偏振無關的隔離器相類似，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。

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。其中Δλ=λ-λ0,λ0為滿足布喇格條件的光波波長，ε=λ20/(l·Δn)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=0.8ε，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。AOTF的功率傳遞函T(λ)=(7.18)圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)

與偏振無關的AOTF可用作2×2波長路由器，滿足布喇格條件的波長被交換，如圖7.30(a)所示，這里波長λ1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λ1和λ4。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?shù)丶壜?lián)2×2路由器可以構成多輸入多輸出路由器。AOTF還沒有完全實用化的原因主要有兩個：

?存在較大串擾，

?通帶相對較寬。

圖7.30基于AOTF的波長路由器(a)交換波長λ1;(b)同時交換波長λ1和λ4

7.3光交換技術目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過10Gb/s，實驗WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務的出現(xiàn)和國際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當點對點的傳輸手段，網(wǎng)絡中重要的交換功能還是采用電子交換技術。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)絡速率的提高，而且要求在眾多的接口進行頻繁的復用/解復用，光/電和電/光轉換，因而增加了設備復雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。光交換主要有三種方式：

?空分光交換

?時分光交換

?波分光交換雖然采用異步轉移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，但電子線路的極限速率約為20Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾，只有實現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關鍵技術。

7.3.1空分光交換

空分光交換的功能是：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。光開關有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關具有開關速度快、串擾小和結構緊湊等優(yōu)點，有很好的應用前景。典型光開關是用鈦擴散在鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導構成的，并通過對電壓的控制改變輸出通路。圖7.31(a)是由4個1×2光開關器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開關器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開關，只是少用了一個輸入端而已。

圖7.31空分光交換(a)2×2光交換單元1×2光交換器件(a)這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個輸入端和兩個輸出端，通過電壓控制，可以實現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖7.31(b)所示。圖7.31空分光交換(b)平行連接和交叉連接平行聯(lián)接交叉聯(lián)接(b)圖7.31(c)是由16個1×2光開關器件或4個2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。圖7.31空分光交換(c)4×4光交換單元

定向耦合器光波導光信號輸出光信號輸入(c)

7.3.2時分光交換

時分光交換是以時分復用為基礎，用時隙互換原理實現(xiàn)交換功能的。時分復用是把時間劃分成幀，每幀劃分成N個時隙，并分配給N路信號，再把N路信號復接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復各路原始信號，如圖7.32(a)所示。1復接器2N…分接器12N12…N時隙幀(a)

圖7.32(a)時分光交換時分復用原理所謂時隙互換，就是把時分復用幀中各個時隙的信號互換位置。如圖7.32(b)，首先使時分復用信號經(jīng)過分接器，在同一時間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個時隙的信號；然后使這些信號分別經(jīng)過不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時間；最后用復接器把這些信號重新組合起來。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復接器輸入輸出4132圖7.32(b)時分光交換時隙互換原理圖7.32(c)時分光交換等效的空分交換12341234(c)圖7.32(c)示出時分光交換的空分等效。

7.3.3波分光交換

波分光交換(或交叉連接)是以波分復用原理為基礎，采用波長選擇或波長變換的方法實現(xiàn)交換功能的。

圖7.33(a)和(b)分別示出波長選擇法交換和波長變換法交換的原理框圖。

圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長選擇法交換l1空分交換l2空分交換l3空分交換…lW空分交換l1,l2…lW12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)l1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lW12…N12…NWDMXWMUX波長變換器(b)圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長變換法交換設波分交換機的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。每條光纖承載W個波長的光信號。從每條光纖輸入的光信號首先通過分波器(解復用器)WDMX分為W個波長不同的信號。所有N路輸入的波長為λi(i=1,2,…,W)的信號都送到λi空分交換器，在那里進行同一波長N路(空分)信號的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。然后，以W個空分交換器輸出的不同波長的信號再通過合波器(復用器)WMUX復接到輸出光纖上。這種交換機當前已經(jīng)成熟，可應用于采用波長選路的全光網(wǎng)絡中。但由于每個空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個交換機可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的波長變換法少。波長變換法與波長選擇法的主要區(qū)別是用同一個NW×NW空分交換器處理NW路信號的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長變換器，然后進行波分復接。這樣，可能提供的連接數(shù)為N2W2，即內(nèi)部阻塞概率較小。波長變換器將在7.7節(jié)介紹。7.4光孤子通信

光孤子(Soliton)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)。光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應相互平衡的結果。利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信。光孤子通信的傳輸距離可達上萬公里，甚至幾萬公里，目前還處于試驗階段。我們知道，光纖通信的傳輸距離和傳輸速率受到光纖損耗和色散的限制。光纖放大器投入應用后，克服了損耗的限制，增加了傳輸距離。此時，光纖傳輸系統(tǒng)，尤其是傳輸速率在Gb/s以上的系統(tǒng)，光纖色散引起的脈沖展寬，對傳輸速率的限制，成為提高系統(tǒng)性能的主要障礙。為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距離，可設置一個光纖放大器，以周期地補充光功率的損耗。但是多個光纖放大器產(chǎn)生的噪聲累積又妨礙了傳輸距離的增加，因而要求提高傳輸信號的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應。非線性效應對光纖通信有害也有利，事實表明，克服其害還不如利用其利。光纖非線性效應和色散單獨起作用時，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柖家a(chǎn)生脈沖展寬，對傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當選擇相關參數(shù)，使兩種效應相互平衡，就可以保持脈沖寬度不變，因而形成光孤子。7.4.1光孤子的形成在討論光纖傳輸理論時，假設了光纖折射率n和入射光強(光功率)無關，始終保持不變。這種假設在低功率條件下是正確的，獲得了與實驗良好一致的結果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強而變化，這種特性稱為非線性效應。在強光作用下，光纖折射率n可以表示為n=n0+|E|2

(7.19)式中，E為電場，n0為E=0時的光纖折射率，約為1.45。這種光纖折射率n隨光強|E|2而變化特性，稱為克爾(Kerr)效應，=10-22(m/V)2，稱為克爾系數(shù)。雖然光纖中電場較大，為106(V/m)，但總的折射率變化Δn=n-n0=|E|2還是很小(10-10)。即使如此，這種變化對光纖傳輸特性的影響還是很大的。(7.20)這種使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相移的特性，稱為自相位調(diào)制(SPM)。設波長為λ、光強為|E|2的光脈沖在長度為L的光纖中傳輸，則光強感應的折射率變化Δn(t)=|E(t)|2，由此引起的相位變化為(7.21)設光纖無損耗，在光纖中傳輸?shù)囊颜{(diào)波為線性偏振模式，其場可以表示為E(r,z,t)=R(r)U(z,t)exp［-i(ω0t-β0z)］(7.22)式中，R(r)為徑向本征函數(shù)，U(z,t)為脈沖的調(diào)制包絡函數(shù)，ω0為光載波頻率，β0為調(diào)制頻率ω=ω0時的傳輸常數(shù)。如圖7.34所示，在脈沖上升部分，|E|2增加，>0，得到Δω<0，頻率下移；在脈沖頂部，|E|2不變，=0，得到Δω=0，頻率不變；在脈沖下降部分，|E|2減小，Δnt<0，得到Δω>0，頻率上移。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。這種情況稱脈沖已被線性調(diào)頻，或稱啁啾(Chirp)。圖7.34脈沖的光強頻率調(diào)制設已調(diào)波E(r,z,t)的頻譜在處有峰值，頻譜較窄，則可近似為單色平面波。由于非線性克爾效應，傳輸常數(shù)應寫成（7.23）式中，P為光功率，Aeff為光纖有效截面積。由此可見，β不僅是折射率的函數(shù)，而且是光功率的函數(shù)。式中,，Vg為群速度，即脈沖包絡線的運動速度。，比例于一階色散，描述群速度與頻率的關系。。令β2P=，稱為非線性長度，表示非線性效應對光脈沖傳輸特性的影響。在β0和P=0附近，把β展開成級數(shù)，得到（7.24）式(7.24)雖然略去高次項，但仍較完整地描述了光脈沖在光纖中傳輸?shù)奶匦?，式中右邊第三項和第四項最為重要，這兩項正好體現(xiàn)了光纖色散和非線性效應的影響。如果β″0<0，同時β2P>0，適當選擇相關參數(shù)，使兩項絕對值相等，光纖色散和非線性效應便相互抵消，因而輸入脈沖寬度保持不變，形成穩(wěn)定的光孤子。現(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長為λ的光纖色散系數(shù)C(λ)的定義為（7.25）式中,τ=dβ／dω=1/Vg為群延時，Vg為群速度；ω=2πf=2πc/λ為光載波頻率，c為光速；β″0=d2β/dω2,比例于一階色散。式(7.25)描述的單模光纖色散特性如圖7.35所示，圖中λD為零色散波長。在λ<λD時，C(λ)<0,β″0>0，稱為光纖正常色散區(qū)；在λ>λD時，C(λ)>0,β″0<0，稱為光纖反常色散區(qū)。圖7.35單模光纖的色散特性圖7.36脈沖在反常色散光纖中傳輸因啁啾效應可被壓縮或展寬

圖7.36示出光脈沖在反常色散光纖中傳輸時，由于非線性效應產(chǎn)生的啁啾被壓縮或展寬。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，而載頻低的部分則傳播得慢。對正常色散光纖，結論正相反。因此，具有正啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時，脈沖前部(頭)頻率低，傳播得慢，而后部(尾)頻率高，傳播得快。這種脈沖形象地被稱為“紅頭紫尾”光脈沖。在傳播過程中，“紫”尾逐漸接近“紅”頭，因而脈沖被壓縮，如圖7.36(a)。相反，具有負啁啾的光脈沖通過反常色散光纖時，前部(頭)傳播得快，后部(尾)傳播得慢，“紫”頭和“紅”尾逐漸分離，結果脈沖被展寬，如圖7.36(b)所示。由此可見，適當選擇相關參數(shù)，可以使光脈沖寬度保持不變。

7.4.2光孤子通信系統(tǒng)的構成和性能圖7.37(a)示出光孤子通信系統(tǒng)構成方框圖。光孤子源產(chǎn)生一系列脈沖寬度很窄的光脈沖，即光孤子流，作為信息的載體進入光調(diào)制器，使信息對光孤子流進行調(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，進入光纖進行傳輸。為克服光纖損耗引起的光孤子減弱，在光纖線路上周期地插入EDFA，向光孤子注入能量，以補償因光纖傳輸而引起的能量消耗，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，恢復光孤子所承載的信息。孤子源調(diào)制脈沖源EDFA隔離器探測光纖傳輸系統(tǒng)EDFAEDFAEDFA(a)圖7.37光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)(a)光孤子通信系統(tǒng)構成方框圖

光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關鍵。要求光孤子源提供的脈沖寬度為ps數(shù)量級，并有規(guī)定的形狀和峰值。光孤子源有很多種類，主要有摻鉺光纖孤子激光器、鎖模半導體激光器等。目前，光孤子通信系統(tǒng)已經(jīng)有許多實驗結果。例如，對光纖線路直接實驗系統(tǒng)，在傳輸速率為10Gb/s時，傳輸距離達到1000km；在傳輸速率為20Gb/s時，傳輸距離達到350km。對循環(huán)光纖間接實驗系統(tǒng)(參看圖7.37(b))，傳輸速率為2.4Gb/s，傳輸距離達12000km；改進實驗系統(tǒng)，傳輸速率為10Gb/s，傳輸距離達106km。

圖7.37光孤子通信系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)(b)循環(huán)光纖間接光孤子實驗系統(tǒng)圖

(b)→光隔離器調(diào)制器→鎖模激光器EDFA光隔離器1dB耦合器微波頻譜分析儀EDFA光纖EDFA光纖EDFA光纖25km25km25km事實上，對于單信道光纖通信系統(tǒng)來說，光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長工作的常規(guī)(非光孤子)系統(tǒng)更好。循環(huán)光纖間接實驗結果表明，零色散波長常規(guī)系統(tǒng)的傳輸