光纖課件chap7教材

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(shí)分復(fù)用技術(shù)7.7波長(zhǎng)變換技術(shù)第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄

第7章光纖通信新技術(shù)光纖通信發(fā)展的目標(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價(jià)格，滿(mǎn)足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個(gè)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(shí)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(shí)分復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)變換技術(shù)等。為什么要進(jìn)行光信號(hào)放大？7.1光纖光放大器光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)電放大器光光電電光放大器光光早期：現(xiàn)代：光放大器優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)小型化，容易與其它半導(dǎo)體器件集成性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大半導(dǎo)體光放大器(SOA)光纖光放大器摻雜光纖放大器拉曼光纖放大器

（摻鉺/鐠/銩）Er2O3

光纖放大器的實(shí)質(zhì)是：把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱(chēng)為光纖激光器。

20世紀(jì)80年代末期，波長(zhǎng)為1.55μm的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。7.1.1摻鉺光纖放大器(EDFA)工作原理EDFA的工作機(jī)理基于受激輻射原理從下圖可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)存在容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的三個(gè)能級(jí)：泵浦光980nm基態(tài)（0ev）τsp=1μs泵浦光1480nm受激輻射光（1500～1600nm）亞穩(wěn)態(tài)（0.80ev/1530nm）泵浦態(tài)（1.27ev/980nm）τsp=10ms基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)（1530nm）泵浦態(tài)（980nm）無(wú)輻射躍遷粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布泵浦光鉺離子在980nm光泵浦下受激吸收演示基態(tài)信號(hào)光受激輻射信號(hào)光放大放大器噪聲亞穩(wěn)態(tài)泵浦態(tài)鉺離子在1550nm光信號(hào)下受激輻射演示損耗或增益(dbm/m)波長(zhǎng)/μmEDFA的工作波長(zhǎng)1550nm附近吸收和增益頻譜吸收增益吸收＞增益吸收＜增益EDFA構(gòu)成原理圖輸入信號(hào)光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號(hào)摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，EDFA的增益與摻鉺光纖中鉺離子濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑有關(guān)，還與泵浦光源的光功率成正比。7.1.2EDFA的構(gòu)成和特性波分復(fù)用器的是：使泵浦光和信號(hào)光一同進(jìn)入EDF中對(duì)波分復(fù)用器基本要求：插入損耗小，減少光能損失。光隔離器的作用是:防止光反向傳播，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲對(duì)光隔離器的的基本要求是：插入損耗小，反射損耗大。1.同向泵浦三種泵浦摻鉺光纖方式泵浦光能量分布輸入端容易增益過(guò)飽和，引入的量子噪聲小但是由于過(guò)飽和的存在使轉(zhuǎn)換效率較低。信號(hào)光能量分布2.反向泵浦泵浦光能量分布兩個(gè)分布相同不易發(fā)生增益飽和從而轉(zhuǎn)換效率較高，但引入的量子噪聲大。信號(hào)光能量分布泵浦光能量分布選擇合適的泵浦功率可使光能量分布均勻，從而引入的量子噪聲很小，同時(shí)也能達(dá)到較高轉(zhuǎn)換效率。3.雙向泵浦泵浦光功率反向泵浦雙向泵浦輸出光功率同向泵浦(a)轉(zhuǎn)換效率的比較Fn輸出光功率雙向泵浦反向泵浦同向泵浦(b)噪聲系數(shù)與放大器輸出功率的關(guān)系不同泵浦方式下轉(zhuǎn)換效率及噪聲特性比較隨著輸出功率的增加，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)將下降，結(jié)果是使噪聲系數(shù)增大。隨著泵浦功率的增加，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)將上升，從而使輸出光功率增大。監(jiān)視和告警電路泵浦監(jiān)視和控制電路泵浦LDPD探測(cè)器泵浦LD輸入隔離器輸入WDM輸出耦合器輸出隔離器輸出WDM摻鉺光纖熱沉光輸入＋5V0V－5V電源監(jiān)視激光器驅(qū)動(dòng)輸入光輸出實(shí)用EDFA外形圖及其構(gòu)成方框圖

7.1.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：

工作波長(zhǎng)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(dá)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(wú)關(guān)。

?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(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。

?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。

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(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)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(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過(guò)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。

圖7.5(a)光纖放大器的應(yīng)用形式中繼放大器

LDPD中繼放大器EDFA的應(yīng)用，歸納起來(lái)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(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線網(wǎng)的傳輸距離）前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對(duì)噪聲要求非?？量?。后置放大器

（BA：BoosterAmplifier)置于光接收機(jī)的后面，以提高發(fā)射機(jī)功率。對(duì)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)。圖7.5(b)光纖放大器的應(yīng)用形式前置放大器和后置放大器

LDPD后置放大器前置放大器光纖7.2光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類(lèi)社會(huì)信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。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(duì)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(zhǎng)和滿(mǎn)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(shí)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(shí)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)。

7.2.1光波分復(fù)用原理1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(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（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。

圖7.6中心波長(zhǎng)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)例：這兩個(gè)低損耗波長(zhǎng)窗口可以容納290個(gè)40-Gb/sPSK信號(hào)

光纖的帶寬有多寬？

如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長(zhǎng)為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長(zhǎng)為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)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(shí)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(chēng)為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。

目前該系統(tǒng)是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒(méi)有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550nm簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專(zhuān)門(mén)場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱(chēng)來(lái)代替DWDM。

WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)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(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)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(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。

如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)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)，則在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè)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(dòng)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(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱(chēng)為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱(chēng)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過(guò)來(lái)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)。

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)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(shí)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(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)λ1,λ2,…,λn通過(guò)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(hào)是通過(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開(kāi)，完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。

波分解復(fù)用器100GHz間隔的WDM信道頻譜圖7.8單纖雙向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(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長(zhǎng)相互分開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)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(lèi)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(lài)性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)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(guò)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(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(hào)。

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(duì)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(wú)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(jìn)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?dāng)_抑制度串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)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，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。對(duì)于解復(fù)用器

其中Pi是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為λj信道的光功率。(7.2)(7.3)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

回波損耗是指從無(wú)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(zhǎng)范圍

工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)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?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。

(7)偏振相關(guān)損耗

偏振相關(guān)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(jié)構(gòu)

實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：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)，如下圖所示。光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿(mǎn)足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)；通過(guò)光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號(hào)。用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)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(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)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(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。接收機(jī)不但要滿(mǎn)足一般接收機(jī)對(duì)光信號(hào)靈敏度、過(guò)載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號(hào)。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(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出λs(1510nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)等都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳送的。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)光監(jiān)控信道物理層傳送開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)對(duì)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，并與上層管理系統(tǒng)相連。波長(zhǎng)計(jì)劃分類(lèi)簡(jiǎn)單WDM（簡(jiǎn)稱(chēng)WDM）：1310nm/1550nm，用于PON接入網(wǎng)絡(luò)CWDM（CoarseWDM）：傳統(tǒng)的CWDM:850nm窗口，主要用于多模光纖的接入網(wǎng)中WWDM(WideWDM):10GEWAN城域CWDM:主要用于城域網(wǎng)DWDM(DenseWDM）主要用于長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)單WDM：主要用于采用單纖雙向傳輸方式的光纖接入網(wǎng)中（如PON），在上下行方向采用不同的波長(zhǎng)，1310nm為上行波長(zhǎng)（用戶(hù)到中心局）；1550nm為下行波長(zhǎng)(用戶(hù)到中心局)。采用熔融光纖波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的復(fù)用/解復(fù)用Downstream1550nmUpstream1310nmCWDM-傳統(tǒng)CWDM20世紀(jì)80年代提出，用于850nm傳輸窗口的多模光纖局域網(wǎng)（如：視頻分配網(wǎng)，雙向單纖網(wǎng)絡(luò)等）波長(zhǎng)間隔25nm20世紀(jì)90年代后期，隨著10G以太網(wǎng)技術(shù)的興起，采用850窗口的4波長(zhǎng)傳送10GE被列入10GELAN的標(biāo)準(zhǔn)之一（IEEE802.3)CWDM-WWDM：IEEE802.310GEWAN標(biāo)準(zhǔn)之一：多模光纖，1310nm窗口，間隔為25nm的4個(gè)光波長(zhǎng)信道，單信道速率3.125Gb/s，傳輸距離10km.CWDM-城域CWDM隨著DWDM技術(shù)在長(zhǎng)距離通信中的應(yīng)用。寬帶城域網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題逐漸成為通信網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。寬帶、靈活及低成本是城域網(wǎng)追求的主要目標(biāo)。采用CWDM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段。ITU-TG.694.2規(guī)定了城域CWDM的波長(zhǎng)分配方案DWDMITU-TG.694.1規(guī)定了DWDM的波長(zhǎng)分配方案波長(zhǎng)間隔包括200GHz,100GHz,50GHz目前長(zhǎng)距離系統(tǒng)主要使用C-band(1530nm~1565mn)和L-band(1565nm~1625nm)的波長(zhǎng)ITU－TDWDM標(biāo)稱(chēng)波長(zhǎng)

頻率(THz)波長(zhǎng)(nm)頻率(THz)波長(zhǎng)(nm)頻率(THz)波長(zhǎng)(nm)196.1001528.77194.8001538.98193.5001549.32196.0001529.55194.7001539.77193.4001550.12195.9001530.33194.6001540.56193.3001550.92195.8001531.12194.5001541.35193.2001551.72195.7001531.90194.4001542.14

193.1001552.52195.6001532.68194.3001542.94193.0001553.33195.5001533.47194.2001543.73192.9001554.13195.4001534.25194.1001544.53192.8001554.94195.3001535.04194.0001545.32192.7001555.75195.2001535.82193.9001546.12192.6001556.55195.1001536.61193.8001546.92192.5001557.36195.0001537.40193.7001547.72192.4001558.17194.9001538.19193.6001548.51192.3001558.98

頻率間隔=100GHz波長(zhǎng)間隔約0.8nm192.2001559.79192.1001560.61WDM系統(tǒng)波長(zhǎng)信道中心頻率

目前國(guó)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(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)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(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波帶聯(lián)合傳輸；C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm。②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500km;

③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過(guò)C和L波帶注：，用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達(dá)6×140km=840km;④日本NTT：

30路×42.7Gb/s，利用歸零信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3×125km=375km;⑤美國(guó)LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長(zhǎng)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(guó)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(guó)Qtera

和Qwest:

兩個(gè)波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個(gè)試驗(yàn)雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長(zhǎng)距離。

2006年6月，烽火科技所承擔(dān)的國(guó)家863計(jì)劃重大科研項(xiàng)目“3Tnet可擴(kuò)展到80×40GDWDM傳輸系統(tǒng)設(shè)備工程化與試驗(yàn)”成功通過(guò)國(guó)家科技部的鑒定驗(yàn)收。烽火科技開(kāi)通了世界上第一條80×40Gb/sDWDM工程——“上海－杭州”國(guó)家一級(jí)干線，實(shí)現(xiàn)了單對(duì)光纖傳輸?shù)淖畲笕萘俊?.2Tb/s。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)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(zhǎng)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(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2.同時(shí)傳輸多種不同類(lèi)型的信號(hào)由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(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(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。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(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性

WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。

7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(lái)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))

?波長(zhǎng)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

?波長(zhǎng)路由器

?波長(zhǎng)分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)l1

光濾波器圖7.10(a)單純的濾波應(yīng)用l1,l2,l3,l4l,l,l234

波分復(fù)用器l1l2l3l4圖7.10(b)波分復(fù)用器中應(yīng)用l1,l2,l3,l4

圖7.10(c)波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用

波長(zhǎng)路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221

波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中的關(guān)鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說(shuō)明

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λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號(hào)。如果用來(lái)標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長(zhǎng)λj,則路由器的輸入端口1上的波長(zhǎng)記為、、、,輸入端口2上的波長(zhǎng)記為、、、。在輸入端口1上的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(chēng)路由器交換了波長(zhǎng)λ1和λ4。在本例中，波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每一路上只有4個(gè)波長(zhǎng)，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(zhǎng)數(shù)是W(≥2)(參看圖7.33)。

如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱(chēng)為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來(lái)構(gòu)成，如下圖所示。

波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式，它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口。對(duì)光濾波器的主要要求有：(1)一個(gè)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(wú)關(guān)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。(2)一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。(3)在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄。為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)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(zhǎng)的微小變化。單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來(lái)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(zhǎng)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(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)。圖7.13是光柵的兩個(gè)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(lái)說(shuō)明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間的距離即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對(duì)于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過(guò)兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線的光程差由()決定，而其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，不同的θd對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)λ，也就是說(shuō)，像面上的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。(7.5)光柵方程為:(7.6)7.14透射光柵的工作原理反射型光柵

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(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(xiě)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(bǔ)償器。

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(mǎn)足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去。在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿(mǎn)足條件：（7.7）（7.8）

則這個(gè)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(zhǎng)的反射光中去。設(shè)β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長(zhǎng)，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說(shuō)，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)λ0就稱(chēng)作布喇格波長(zhǎng)。隨著入射光波的波長(zhǎng)偏離布喇格波長(zhǎng)，其反射率就會(huì)降低，如圖7.15(a)所示。如果具有幾個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長(zhǎng)等于布喇格波長(zhǎng)的光才反射，而其它的光全部透射。l1

l2

…

lnl2

…

lnl1l1l1l1l1l1l1

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對(duì)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(chēng)為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點(diǎn)類(lèi)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(jià)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(fù)用器和色散補(bǔ)償器。對(duì)于全光纖器件，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

?插入損耗低

?易于與光纖耦合

?對(duì)偏振不敏感

?溫度系數(shù)低

?封裝簡(jiǎn)單

?成本較低光纖光柵紫外掩模寫(xiě)入法：1.用兩束紫外光照射光纖并發(fā)生干涉2.摻鍺的高光敏纖芯在光強(qiáng)部分折射率增加3.光柵永久寫(xiě)入光纖

光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光纖光柵和長(zhǎng)周期(longperiod)光纖光柵。短周期光纖光柵也稱(chēng)光纖布喇格光柵，其周期可以和光波長(zhǎng)相比較，典型值大約0.5μm；長(zhǎng)周期光纖光柵的周期比光波長(zhǎng)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(yīng)等于傳輸模波矢的2倍，也就是說(shuō)，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長(zhǎng)的一半，這種光纖光柵只對(duì)在布喇格波長(zhǎng)及其附近很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其它波長(zhǎng)的光通過(guò)。

光纖布喇格光柵的特點(diǎn)是:?損耗低(0.1dB左右)

?波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高(可達(dá)±0.05nm)

?鄰近信道串?dāng)_抑制較高(可達(dá)40dB)以及通帶頂部平坦由于光纖長(zhǎng)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(gè)溫度系數(shù)過(guò)高了,但這可以通過(guò)采用負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料封裝來(lái)改善，改善過(guò)的光柵的溫度系數(shù)大約為0.07×10-2nm/℃，這意味著在整個(gè)工作溫度范圍(100℃)內(nèi)，中心波長(zhǎng)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(fù)用器和色散補(bǔ)償器(DispersionCompensator)。圖7.16(a)是一個(gè)簡(jiǎn)單的光分器，由一個(gè)三端口光環(huán)行器和一個(gè)光纖布喇格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長(zhǎng)繼續(xù)前行。在上面簡(jiǎn)單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)耦合器，就可以實(shí)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(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2

（7.10）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F-P干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面出來(lái)的光就是輸出。這個(gè)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(guān)：

圖7.18F-P濾波器輸入信號(hào)F-P濾波器反射圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)

F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法：

?

改變腔的長(zhǎng)度

?

改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。

改變腔長(zhǎng)有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。

（7.12）率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)f滿(mǎn)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。FP濾波器的兩個(gè)緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱(chēng)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(chēng)作FP濾波器的精細(xì)度(F:Finesse),則5.多層介質(zhì)薄膜濾波器qq薄膜諧振腔濾波器(ThinFilmResonantCavityFilter)也是一個(gè)F-P干涉儀，只不過(guò)其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已，常稱(chēng)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(zhǎng)的光通過(guò)而讓其它所有波長(zhǎng)的光反射，腔的長(zhǎng)度決定要通過(guò)的波長(zhǎng)。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(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開(kāi)的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)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(gè)級(jí)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(shí)性能穩(wěn)定，插入損耗低，對(duì)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。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6.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)決定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個(gè)3dB定向耦合器來(lái)連接兩條不同長(zhǎng)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(gè)MZI可用圖7.23(b)表示。圖7.23(a)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)結(jié)構(gòu)圖輸入1輸入2路程差，DL輸出1輸出2(a)2×2

MZI解復(fù)用工作原理如果輸入波長(zhǎng)滿(mǎn)足bDL=(2k-1)pp/2bDL+p/2bDL+pbDL信號(hào)只從上端口輸出如果輸入波長(zhǎng)滿(mǎn)足bDL=2kp信號(hào)只從下端口輸出解復(fù)用b=2pnn/cMZI(DL)輸入1輸入2輸出1輸出2(b)圖7.23(b)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)方框圖2×2

MZI復(fù)用器對(duì)于給定的兩個(gè)間隔為Dv的波長(zhǎng)信道，當(dāng)DL滿(mǎn)足關(guān)系：時(shí)，l1和l2可以被復(fù)用在一起。多端口的MZI復(fù)用器輸入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?tīng)柛缮鎯x(MZI)四級(jí)MZI

MZI可用來(lái)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(lái)分開(kāi)1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)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。

7.陣列波導(dǎo)光柵前面討論了MZI用作1×2解復(fù)用器情況，由于MZI是一種互易器件，因此也可用作2×1復(fù)用器。陣列波導(dǎo)光柵(AWG:ArrayedWaveguideGrating)是MZI的推廣和一般形式。如圖7.25所示，它由兩個(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(jí)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(zhǎng)路由器，如圖7.26所示。圖7.25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)AWG工作原理簡(jiǎn)介l從輸入波導(dǎo)i經(jīng)陣列波導(dǎo)到輸出波導(dǎo)j時(shí)，若所有支路經(jīng)歷的相對(duì)光程差等于l的整數(shù)倍，l將從輸出波導(dǎo)j輸出輸入耦合器將第i個(gè)輸入端的輸入信號(hào)分成m份，它們?cè)诖私?jīng)歷的相位變化由輸入波導(dǎo)到陣列光波導(dǎo)之間的距離din決定。每一份光沿著不同的陣列波導(dǎo)傳播，相鄰的波導(dǎo)長(zhǎng)度相差DL。同樣，在輸出耦合器中，每個(gè)分路的光到達(dá)第j個(gè)輸出端口時(shí)還會(huì)引入一個(gè)相位變化，由dout決定。AWG應(yīng)用1.復(fù)用/解復(fù)用器2.波長(zhǎng)路由選擇開(kāi)關(guān)：j個(gè)端口的li

會(huì)被交換到k端口三個(gè)標(biāo)號(hào)之間滿(mǎn)足(i-j)modNl=k

Nl為系統(tǒng)波長(zhǎng)總數(shù)

(注：所有編號(hào)均從0開(kāi)始)配合波長(zhǎng)變換器可成為動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由選擇器端口號(hào)波長(zhǎng)號(hào)圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器

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(guò)10Gb/s，實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò)3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jī)的端口速率只有幾Mb/s到幾百M(fèi)b/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(jìn)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。

雖然采用異步轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。光交換主要有三種方式：

?空分光交換

?時(shí)分光交換

?

波分光交換

7.3.1空分光交換空分光交換的功能是：使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變?？辗止饨粨Q的核心器件是光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類(lèi)型，其中電光型光開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

典型光開(kāi)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)成的，并通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。圖7.31(a)是由4個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開(kāi)關(guān)器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開(kāi)關(guān)，只是少用了一個(gè)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(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可以實(shí)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(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件或4個(gè)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(dǎo)光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入(c)1復(fù)接器2N…分接器12N12…N時(shí)隙幀(a)

圖7.32(a)時(shí)分光交換時(shí)分復(fù)用原理7.3.2時(shí)分光交換時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙，并分配給N路信號(hào)，再把N路信號(hào)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(hào)，如圖7.32(a)所示。

1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復(fù)接器輸入輸出4132圖7.32(b)時(shí)分光交換時(shí)隙互換原理所謂時(shí)隙互換，就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。如圖7.32(b)，首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來(lái)。圖7.32(c)時(shí)分光交換等效的空分交換12341234(c)圖7.32(c)示出時(shí)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(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。圖7.33(a)和(b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)變換器(b)圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)變換法交換光傳送網(wǎng)（OTN）基于WDM和波長(zhǎng)選路的光通道網(wǎng)絡(luò)光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）光交叉連接設(shè)備（OXC）路由與波長(zhǎng)分配光通道網(wǎng)絡(luò)的管理與控制光網(wǎng)絡(luò)的生存性O(shè)XC：OpticalCross-connect光交叉連接設(shè)備E-XC：ElectricalCross-connect電的交叉連接設(shè)備A

（如SONET或ATMVP網(wǎng)的交叉連接設(shè)備）OLT：OpticalLineTerminal光線路終端，光通道連接不同OLT光通道網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

NE：NetworkElement網(wǎng)元；OpticalPath:光通道

REP：Repeater中繼器

MS：MultiplexSection復(fù)用段；

OMS：OpticalMultiplexSection光復(fù)用段

OTS：OpticalTransmissionSection光傳輸段光通道網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元連接模型光接口數(shù)字化用戶(hù)層光通道層光復(fù)用段層光傳輸段層ITU－TG.872光層光傳送網(wǎng)的功能：為透明傳送SDH、PDH、ATM、IP等業(yè)務(wù)信號(hào)提供光通道。光通道層：負(fù)責(zé)選路和波長(zhǎng)分配，提供端到端的連接；負(fù)責(zé)光通道的運(yùn)行、維護(hù)和管理(OAM)。光復(fù)用段層：保證相鄰兩個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用設(shè)備間多波長(zhǎng)復(fù)用光信號(hào)的完整傳輸，負(fù)責(zé)該段的OAM。光傳輸段層：為光信號(hào)在不同的媒質(zhì)（如G.652,G.655光纖）上提供傳輸功能。光傳送網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)光通道是一個(gè)波長(zhǎng)的端到端連接。根據(jù)結(jié)點(diǎn)是否提供波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能，分為波長(zhǎng)通道和虛波長(zhǎng)通道。光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）OADM(OpticalAdd/DropMultiplexer)的功能：從OWDM系統(tǒng)中分下和插入一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)信道OADM的原理：在結(jié)點(diǎn)本地先分接后復(fù)接OADM的幾種實(shí)現(xiàn)方法：（1）平衡MZI＋FBG

（2）FBG＋環(huán)形器（3）DTMF＋環(huán)形器

見(jiàn)下頁(yè)的圖輸入λ1λ2…λN輸出λ1λ2…λNλxλx多波長(zhǎng)輸入多波長(zhǎng)輸出DropAddODOM光分插復(fù)用設(shè)備（續(xù)）FBGatλs平衡MZI＋FBGλdropλaddλ1λ2…λN

λ1λ2…λN

輸入輸出3dB耦合器FBG＋環(huán)行器環(huán)行器環(huán)行器123123多個(gè)波長(zhǎng)輸入多個(gè)波長(zhǎng)輸出……DropAddDEMUXMUX3dB耦合器光分插復(fù)用設(shè)備（續(xù)）DTMF＋環(huán)行器環(huán)行器環(huán)行器11