WDM中的濾波技術及器件課件

光纖中的波長復用解復用技術WDM/Interleaver/OADM/filter波分復用頻帶1）CWDM，DWDM2）DWDM的復用頻帶(1530-1560)nmregioncalledC-band,(1570-1610)nmregioncalledL-band,(1480-1520)nmregioncalledS-bandCWDM與DWDM的區(qū)別：CWDM載波通道間距較寬，因此一根光纖上只能復用2到16個左右波長的光信號。CWDM調制激光采用非冷卻激光，而DWDM采用的是冷卻激光，它需要冷卻技術來穩(wěn)定波長，實現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。CWDM避開了這一難點，CWDM系統(tǒng)采用的DFB激光器不需要冷卻，因而大幅降低了成本，整個CWDM系統(tǒng)成本只有DWDM的30%。稀疏波分復用系統(tǒng)一般工作在從1260nm到1620nm波段，間隔為20nm，可復用16個信道。1280nm—1600nmCWDM目前主要存在以下不足：（1）CWDM在單根光纖上支持的復用波長個數(shù)較少，導致日后擴容成本較高；（2）復用器、復用調制器等設備的成本還應進一步降低，這些設備不能只是DWDM相應設備的簡單改型。CWDM（CoarseWavelengthDivisionMultiplex）稀疏(粗）波分復用CWDM的波長間距一般為20nm采用DFB激光器不需要制冷在0-70°c的溫度變化時激光器波長有大約6nm的變化考慮生產(chǎn)過程造成的離散性有±3nm波長變化共有大約9nm的波長變化不能采用EDFA作為光放大器傳輸距離受限可以配置OADM，但同時會使傳輸距離縮短。DWDM與CWDM技術特點的比較DWDM的波長間距一般為200GHz（1.6nm），100GHz（0.8nm），50GHz（0.4nm）DFB激光器溫度漂移系數(shù)0.08nm/°c需要制冷器制冷穩(wěn)定波長可以應用EDFA作為光放大器可以長距離傳輸可以配置OADMDWDMCWDM光器件致冷激光器、精密復用解復用器、光放大器、色散補償器無致冷激光器、粗復用解復用器系統(tǒng)設計光信噪比、色散補償、功率均衡、非線性抑制，不必考慮光信噪比、色散補償、功率均衡、非線性抑制，系統(tǒng)大為簡化容量大，160波小、8波，16/18波結構系統(tǒng)復雜，體積大，恒溫、無塵環(huán)境機房體積小，重量輕，安裝靈活方便功耗大功耗小接口2.5G以上速率100M—10G速率（目前主要以2.5G為主)應用長途傳輸，或特大容量的城域核心節(jié)點城域網(wǎng)骨干層、城域網(wǎng)匯聚層、城域網(wǎng)接入層帶寬C+L波段O、E、S+C+L波段、光纖G655、G652G655、G653、G652頻率(THz)波長(nm)頻率(THz)波長(nm)頻率(THz)波長(nm)196.1001528.77194.8001538.98193.5001549.32196.0001529.55194.7001539.77193.4001550.12195.9001530.33194.6001540.56193.3001550.92195.8001531.12194.5001541.35193.2001551.72195.7001531.90194.4001542.14193.1001552.52195.6001532.68194.3001542.94193.0001553.33195.5001533.47194.2001543.73192.9001554.13195.4001534.25194.1001544.53192.8001554.94195.3001535.04194.0001545.32192.7001555.75195.2001535.82193.9001546.12192.6001556.55195.1001536.61193.8001546.92192.5001557.36195.0001537.40193.7001547.72192.4001558.17194.9001538.19193.6001548.51192.3001558.98頻率間隔=100GHz波長間隔約0.8nm192.2001559.79192.1001560.61波分復用器件在WDM終端的應用解復用器反之工作波分復用器l1l2l3l4l1,l2,l3,l4

波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(WavelengthRoutingNetwork)中的關鍵部件，其功能可由下圖說明l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221波長路由器波分復用器件在波長路由器中應用

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。

OADMl1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l42關鍵性能指標：中心波長及工作范圍插入損耗波長隔離度、串擾WDMl1P1(l1)N2(l1)WDMl1P1(l1)N2(l1)遠端串擾系數(shù)近端串擾系數(shù)棱鏡色散WDMa)用傳統(tǒng)的透鏡耦合b)用自聚焦透鏡耦合衍射光柵型體光柵型解復用器d為光柵常數(shù),k是光柵的衍射級數(shù),N是光柵的槽數(shù)?？梢?要得到性能好的光柵，總槽數(shù)N應盡量多，光柵常數(shù)d應盡量小，并盡量選用高的衍射級數(shù)。特點:并行器件，它可以同時分開多路不同波長的信號，使各路的插損都差不多。角色散本領色分辨本領1，221直通臂耦合臂12P0P1P2熔錐光纖型波分復用器結構和特性1

21212121

21

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2公共臂介質薄膜濾波器(TFF)基于薄膜濾光片的器件可廣泛用于多信道復用與解復用器以及光分插復用器(OADM)，同時還被廣泛應用于光纖放大器的增益平坦、頻帶分割、C通道和L通道的分離、泵浦光的合波、波長監(jiān)控和鎖定等等。在新近出現(xiàn)的CWDM和BWDM網(wǎng)絡中，薄膜濾光片技術是迄今為止唯一有實用價值的選擇。信道間隔每壓窄一半，就要多鍍上百層薄膜，容易造成局部薄膜厚度與密度波動產(chǎn)生的缺陷增加，成品率下降，價格上升，所以做到100GHz以下很困難。采用了微等離子體鍍膜技術，介質膜窄帶濾光片的光學性能有了很大改善，工藝也較為成熟。透過率高，帶寬窄，中心波長溫度系數(shù)可小于3pm/°C。由反射介質薄膜隔開的兩個或多個腔構成。圖7.21單腔、雙腔、三腔介質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，如圖所示。優(yōu)點：信道數(shù)靈活，且波長的間隔可以不規(guī)則；可以加進多路復用、解復用單元，使系統(tǒng)升級插入損耗低；低的偏振相關損耗；相鄰波長之間的隔離度高完全無源無須溫度控制等缺點：裝配時間較長，且整個器件的損耗和成本與復用信道數(shù)成正比，即復用信道數(shù)越多，器件損耗和成本都越高。雙光纖準直器尾纖排列方式子午面雙光纖準直器的交叉角度和交叉長度軸線透鏡端面子午面雙光纖準直器輸出光束方向雙光纖準直器輸出光偏角由水平偏角θ//和豎直偏角θ⊥兩個分量組成，其中θ//因光纖位置離軸產(chǎn)生，θ⊥由端面斜角引起。Grin-Lens：C-Lens：光纖布拉格光柵＋環(huán)形器輸入星形耦合器羅蘭圓輸出星形耦合器AWG具有雙向操作能力，可以實現(xiàn)光網(wǎng)絡的諸多功能，如復用/解復用器、光波長路由器、多波長光源、光開關、色散補償?shù)?。相對于其它類型的解復用器，AWG有如下優(yōu)點：插入損耗小，串音低，可靠性高，加工要求較低，器件尺寸小。此外，AWG還比較容易與光放大器、半導體激光器等有源器件以及PLC型奇偶交錯濾波器等無源器件結合，實現(xiàn)單片集成。AWG在密集波分復用系統(tǒng)尤其在40波長以上的系統(tǒng)中占據(jù)了絕對優(yōu)勢。發(fā)展趨勢：增加信道數(shù)；平頂頻譜響應；消除偏振相關性；有機聚合物AWG由于因波導和襯底的熱膨脹系數(shù)差而造成陣列波導的雙折射導致TE和TM模波長差異，從而使AWG存在著不希望的偏振依賴性。為消除這種偏振依賴性先后采用各種方法，例如：1，在陣列波導中間插入一個1/2波片的偏振旋轉器以改變TETM或TMTE的偏振方向實現(xiàn)TE和TM入射的相等中心波長這種方法的優(yōu)點是簡便無須降低波導的雙折射便可消除偏振依賴性，這種方法可使中心波長的偏振相關性小于0.02nm；2，在陣列波導上淀積非晶硅a-Si來消除偏振依賴性,這種方法較之第一種辦法的優(yōu)點是不會增加光學損耗；3，是通過非雙折射波導特別適宜于InP基AWG,因為通過使用低帶隙InGaAsP材料可以組成非雙折射波導;4，是使AWG的自由光譜范圍FSR等于TE-TM漂移，這種方法對復用器的信道有嚴格限制即復用器的所有信道必須符合在一個等于TE-TM漂移的范圍內從而限制了信道數(shù)和/或信道間隔。中心波長補償技術

陣列波導的光程對中心波長影響很大。由于在制作期間所引起的折射率、波導尺寸及波導長度的變化，可產(chǎn)生較大中心波長漂移。為克服陣列波導光程對中心波長的影響，提出了一種基于新型光路和溫度調節(jié)技術的新補償方法：通過將附加的輸入和輸出端口適當?shù)亟Y合，在陣列波導中重新獲得所希望的波前。即將輸入端口之間的角度設計為輸出端口角度的十分之九，可補償工藝誤碼差所產(chǎn)生的較大中心波長漂移。采用PLC研制的這種新型AWG復用／解復用器，可控制中心波長和實現(xiàn)平坦通帶光譜響應，并具低偏振相關性、低的溫度相關性、高可靠性和小型化，3dB通帶寬度為一般AWG的1.4倍，這種AWG復用／解復用器非常適用于DWDM系統(tǒng)。一般的AWG復用／解復用器為拋物線形，光譜響應較窄。為了實現(xiàn)寬通帶光譜響應，在每個輸入波導和輸出平板波導之間引入了Y形分路。通過輸出平板波導傳輸?shù)木劢构鈭鼍墼谳敵銎桨宀▽У娜肟冢斴斎胄盘柌ㄩL不同時，在與陣列波導產(chǎn)生的波前傾斜相應的另一個輸出波導上產(chǎn)生焦點漂移。其光譜響應取決于輸出波導的焦場和局部模場間的疊積。在該結構中，該模場是個雙峰值，即使波長變化導致焦點稍有漂移，這個疊積值也幾乎相同，因而實現(xiàn)了平坦的寬通帶響應。所獲得的1X8AWG光譜響應，3dB帶寬為1.1nm是一般AWG帶寬(0.78nm)的1.4倍。無熱AWG控制技術

由于AWG復用器／解復用器以約1nm的信道間隔密集封裝光信號，所以中心波長的精確控制很重要。普通AWG中心波長約以0.1nm／℃的值向長波長方向漂移，這是由于SiO2基波導的折射率變化與溫度相關，要穩(wěn)定中心波長就必須用加熱器或peltier器件控制AWG的溫度。為擴展應用領域和減少成本，開發(fā)了一種無熱AWG控制技術，通過采用硅膠填充三角形溝槽的方法來補償與溫度有關的SiO2基波導的光程差，這種硅膠具有負的熱系數(shù)。由于硅膠中負光路變化比SiO，基波導大幾千倍，所以硅膠中的負光路變化可補償SiO2中的正光路變化，從而獲得溫度不敏感工作，并將相關溫度抑制為傳統(tǒng)AWG復用／解復用器的1／20。在0-85℃溫度范圍的波長漂移，普通AWG為0.95nm，而無熱AWG僅為0.05nih。并波長變化僅為0.02nm，足以實際應用。低串擾技術

在AWG復用／解復用器中，信道間的串擾是衡量器件性能的一個重要指標，10GHz間隔的窄信道AWG是超密集復用／解復用器的重要器件。由于窄信道AWG的串擾比一般100GHz間隔的AWG的串擾高得多，對所有陣列波導的相位誤差進行外補償?shù)姆椒纱蟠鬁p少信道串擾，但由于要在每個陣列波導上聚焦激光束，補償系統(tǒng)較為復雜，并且補償大數(shù)量波導的相位誤差頗為困難。

減少AWG信道串擾的新技術是利用陣列波導的光敏性，將一個有窗口的金屬掩模放在陣列波導上，然后用193nm波長的ArF激光照射無掩模的波導，從而改變其折射率，直到串擾減少到所希望的值。該新技術優(yōu)點是：可同時補償所有波導，補償時間不受波導數(shù)量影響；無需對各波導的聚焦激光束進行精密調節(jié)，使該系統(tǒng)更為簡單。采用該技術，在陣列波導數(shù)為81，輸入／輸出波導為32時，獲得了10GHz間隔、串擾為-17~30dB(TE模)和16--27dB(TE模)的32信道AWG復用器／解復用器?；贏WG的靜態(tài)波長路由器WGRCoupler1Coupler2k1K2L1L2M-Z干涉儀的結構原理圖1234NewFocus,Inc.,2630WalshAve.,SantaClara,CA95051-0905.Tel:408-980-8088;Fax:408-980-8883.ITFOpticalTechnologies,45MontpellierBLDV,VilleSt-Laurent,Quebec,PQ,Canada,H4N2G3.Tel:514-744-1044;Fax:514-744-4044.Channelspacing=50GHz,passband>30GHz,crosstalk<-25dBk<0.28,C2>C3k>0.28,C2<C3k=0.5k=0.15時出現(xiàn)平頂頻率響應；k=0.5時信道間隔減半；數(shù)值模擬(c)(d)ck1=0.15,k2=0.15△λ=0.85nm,Iso=14.5dBdk1=0.20,k2=0.20△λ=0.85nm,Iso=13.6dB實驗結果…c0c1c2c3cN-2cN-1△L△L△L△LInputOutputZTransformFIRdigitalfilterFourierTransformIn1Out1Out2k1k2k3L11L12L21L22Ein1Eout1Eout2通帶頻響阻帶頻響Δ=2π/λ(ne-no)d

利用偏振光干涉及晶體雙折射如圖所示，波片A與波片B的光軸方向成夾角θ。一束平面偏振光振幅為A1，振動方向與波片B的光軸方向一致，入射到波片A，在波片A內分為O光和E光，從波片A射出后O光和E光的振幅分別為，Ao=A1sinθAe=A1cosθ它們的位相差為//方向即B晶片的光軸方向YA晶片的光軸方向

方向X入射光

A1AoAeAo//Ae//AoAeθO其中d為波片A的厚度。進入波片B后，按與光軸垂直及平行在B中Ao分解為Ao及Ao//，Ae分解為Ae和Ae//，這樣，Ao與Ae將發(fā)生干涉，由于兩束光Ao和Ae在軸上的投影的方向相反，表示晶片B對兩束光引入了位相差π，兩束光總的相位差為Δ=Δ+π=2π/λ(ne-no)d+πYA晶片的光軸方向

方向X入射光

A1AoAeAo//Ae//AoAeθO//方向即B晶片的光軸方向它們的振幅分別為：Ao=Aocosθ=A1sinθcosθ

Ae=Aesinθ=A1sinθcosθ根據(jù)雙光束干涉的強度公式I=I1+I2+2cosδ

I1I2I=Ao+Ae+2Aocos(2π/λ(ne-no)d+π)=A1sin2θsin/2Ae22222同樣，Ao//與Ae//將發(fā)生干涉，由于兩束光Ao和Ae在//軸上的投影的方向相同，表示晶片B對兩束光未引入了位相差，兩束光總的相位差為Δ=2π/λ(ne-no)d它們的振幅分別為：Ao//=Aosinθ=A1sinθ

Ae//=Aecosθ=A1cosθ22根據(jù)雙光束干涉的強度公式可得：I//=Ao//+Ae//+2Ao//Ae//cos(2π/λ(ne-no)d)=A1（1-sin2θsin/2）22222I=A1sin2θsin/2222I//=A1（1-sin2θsin/2）222Δ=2π/λ(ne-no)dYA晶片的光軸方向

方向X入射光

A1AoAeAo//Ae//AoAeθO//方向即B晶片的光軸方向令θ=45度I=A1sin/2I//=A1（1-sin/2）2222Δ=2π/λ(ne-no)dB討論當Δ=(2m+1)π時，即λ=2(no-ne)d/(2m+1)（m=0,±1,±2即υ=(2m+1)c/[2(no-ne)d]（m=0,±1,±2,…）,I=A1I//=0當Δ=2mπ時，即λ=(no-ne)d/m（m=0,±1,±2,…）即υ=2mc/[2(no-ne)d]（m=0,±1,±2,…）,I//=A1I

=022這樣，入射光經(jīng)過波片A，在B中即根據(jù)頻率的不同：υ=(2m+1)c/[2(no-ne)d]的及其附近光以O光在B中傳播υ=2mc/[2(no-ne)d]的及其附近光光波以E光在B中傳播即ODDCHANEL以O光在B中傳播兩相鄰ODDCHANEL的中心波長之間的頻率間隔為：

dυ=2c/[2(no-ne)d]

若dυ=200GHz，則

d=2c/[2(no-ne)dV]=c/[(no-ne)dV]=3/0.2039/2.0x10-3m=7.36x10-3m=7.36mm

若dυ=100GHz，則d=14.76mm顯然，d=7.36mm時，入射的υ1,υ2,υ3,υ4,υ5,υ6……頻率間隔為100GHz，經(jīng)過該裝置后，分為頻率間隔為200GHZ（FSR）的ODDCHANELυ1υ3υ5…...和頻率間隔為200GHZ（FSR）的EVENCHANELυ2υ4υ6。

d=14.76mm時，入射的υ1,υ2,υ3,υ4,υ5,υ6……頻率間隔為50GHz，經(jīng)過該裝置后，分為頻率間隔為100GHZ（FSR）的ODDCHANEL和頻率間隔為100GHZ（FSR）的EVENCHANEL。

dAeθAoA1ABPOLARIZATIONBEAMSPLITTERBEAMDISPLACERYVO4/TiO2ROTATOR雙折射晶片λ1λ2λ3λ4λ2λ4λ1λ3C實現(xiàn)方法1ABBEAMDISPLACERYVO4/TiO2ROTATOR雙折射晶片λ1λ2λ3λ4λ2λ4λ1λ3實現(xiàn)方法2ABODDEVENλ2m+1λ2m+3λ2m+2λ2m+4λ2mMichelsonGires-TournoisResonatorInterleaverGTMirrorL2EinEtransEstopBS(50:50)L1GTresonatordMGTI的原理及特征公式：I=Itrans/Iinc=Sin2[Ω-tan-1(tan(2Ω))]其中Ω=Πd/λ1-R1+RI=Itrans/Iinc=Sin2[Πd/λ

-tan-1(tan(2Πd/λ))]1-R1+R其中，R為GTmirror前鏡的光強反射率兩束光的位相差來自部分貢獻：2（L1-L2）*2Π/λGTmirror引起的相移：-2tan-1(tan(2Πd/λ))]1-R1+R當（L1-L2）/d=0.5時，相干疊加后的光強為：Ω0=PΩ1=P+ΩminΩ2=P+Ωα

Ω5=Ω0-1/2Ωα=1/2*SIN-1[（-----------）1/2]Ωmin=1/2*TAN-1[（-------）1/2]3ρ2+ρ-14ρ3ρ-11+ρΩ0Ω1Ω2Ω8Ωm+1ΩmΩ3Ω4Ω5Ω6Ω7Ω9Ω10pPP-1/2P+1/2特征參量：BANDWIDTH：Δυ=c/(2d)（半高寬）FreeSpectralRange：FSR=c/dFINESSE：F=1/2RIPPLE:εpd=sin2{-Ωα-tan-1[----tan(-2Ωα)]}STEEPNESSFACTOR:βν=(---)----CONTRAST:(Imax-Imin)/(Imax+Imin)=1PHASERESPOND:K(L1+L2)+tan-1(tan(2Ω))1-ρ1+ρdπc1+ρ1-ρ1-R1+RCenterwavelengthtunablityυ=(p-1/2)*c/d0υ=(p-1/2)*c/(d0+δd)VariableFSRFSR=c/d例如：FSR200GHz,d=1.5mmFSR100GHz,d=3.0mm例如：D0=1.5mmP=986,υ=197100GHzδd=0.001499mm,υ=197200GHz可變的FSR和可調的中心波長ρ對RIPPLE和STEEPNESSR的影響ρ=0.1ρ=0.34ρ=0.91ρ=0.1ρ=0.34ρ=0.91P+1/2PP-1/2P+1ρ=0.1ρ=0.34ρ=0.91ρ=0.1ρ=0.34ρ=0.91JDSUniphaseCorporation,570WestHuntClubRoad,Nepean,Ontario,CanadaK2G5W8.Tel:613-727-1303;Fax:613-727-8284.TheJDSUniphaseopticalfrequencyinterleaver(OFI)offersawidebandwidthandflattopresponse,makingthisOFInotonlyusefulforwidepassbandMUX/DEMUXapplications,butalsoincascadedfilterarchitectures,wherebandwidthnarrowingisaconcern.TheinterleaverisanenablingcomponentinJDSUniphase'snextgenerationofintegratedmoduleproducts,whichinclude80channeldemultiplexersandfiber-grating-basedtunableadd/dropmodules.Flattopresponse

50GHz/100GHzinputchannelspacings

Technologyplatformscalableto25GHzFSR=l2/(2nD);l=(2nD)/mFinesse=FSR/FWHMFP型取樣光纖光柵型奇偶交錯濾波器光纖布拉格光柵(FBG)屬于窄帶濾波器，其帶寬可以做到50GHz，甚至更小。如果對常規(guī)的FBG進行空間取樣制備成取樣光柵，則可以實現(xiàn)梳狀濾波功能[12]，取樣光柵Interleaver的工作原理如圖4所示。一根幾厘米的取樣光纖光柵就能實現(xiàn)多個信道的交叉復用，與光環(huán)行器配合使用，可構建大規(guī)模的Interleaver器件。SampledFBGλ2,4,6...12,14,16CirculatorCirculatorSampledFBGλ1,5,9,13SampledFBGλ4,8,12,16λ1,2,3...14,15,16l2,6,10,14l4,8,12,16l3,7,11,15l1,5,9,15OADM－－OpticalAdd/DropMultiplexer光分插復用（OADM）可看作是OXC的功能簡化。（1）從傳輸設備中有選擇地下路（Drop）通往本地的光信號；（2）上路（Add）本地用戶發(fā)往另一節(jié)點用戶的光信號；在光域實現(xiàn)傳統(tǒng)SDH設備中的電分插復用器在時域的功能，相對更具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號。一般，OADM包括解復用、分插控制濾波單元、復用單元三部分。基本形式：（1）分波器＋空間交換單元＋合波器；（2）耦合單元＋濾波單元＋合波器；（3）基于聲光可調諧濾波器（AOTF）；（4）基于波長光柵路由器（WGR）；解復用器復用器上路信號下路信號輸入信號輸出信號光開關特點：結構簡單，對上下路的控制比較方便。1.分波器＋空間交換單元＋合波器1*NDEMUXN*1MUX解復用器復用器上路信號下路信號輸入信號輸出信號光轉發(fā)器特點：結構簡單，對上下路的控制比較方便。采用了光轉發(fā)器，任意波長光信號均可插入。光交叉陣列ISO耦合單元＋濾波單元＋合波器特點：對單個固定波長的上下路具有較好性能，幾乎沒有延時。缺點是沒有調諧能力。上路信號下路信號輸入信號輸出信號光纖光柵特點：采用了F-P腔濾波器的連續(xù)可調性，可以根據(jù)需要上下路任意的波長。但對溫度不穩(wěn)定。上路信號下路信號輸入信號輸出信號耦合器F-P腔特點：調諧范圍寬、調諧速度快、隔離度高，但對偏振敏感。偏振分束器PBS選頻f，將需下路波長的TE、TM模式發(fā)生變換TE－TM模式轉換上路波長下路波長輸入WDM信號輸出WDM信號基于聲光可調諧濾波器（AOTF）特點：具有雙向性，即一個方向輸入為解復用方式，則另一個方向輸入為復用方式。1×N光開關N×NWGRN×NWGR1×N光開關上路波長下路波長基于波長光柵路由器（WGR）F－P腔型濾波器基本原理相位條件波長可調諧