光纖通信課件第七章

7.1光放大器7.2光波分復用技術(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7.1光放大器第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄1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)，光波分復用技術(shù)，光交換技術(shù)，光孤子通信，相干光通信，光時分復用技術(shù)和波長變換技術(shù)等。第7章光纖通信27.2光波分復用技術(shù)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(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)生了各種復用技術(shù)。7.2光波分復用技術(shù)隨著人類社會信3擴容的選擇空分復用

SDM(SpaceDivisionMultiplexer)時分復用

TDM(TimeDivisionMultiplexer)波分復用

WDM(WavelengthDivisionMultiplexer)TDM和WDM技術(shù)合用擴容的選擇空分復用41310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX空分復用（SDM）SpaceDivisionMultiplexer空分復用(SDM）即多對電線或光纖共用一條纜的復用方式。比如5類線就是4對雙絞線共用1條纜。能夠?qū)崿F(xiàn)空分復用的前提條件是光纖或電線的直徑很小，可以將多條光纖或多對電線做在一條纜內(nèi)，既節(jié)省外護套的材料又便于使用。1310131013101310131013101310135光時分復用（OTDM）OpticalTimeDivisionMultiplexer光時分復用(OTDM）是使用同一波長光載波的各路信號光占用不用時隙。光時分復用（OTDM）光時分復用(OTDM）是使用同一波長光6在光時分復用通信系統(tǒng)中，由于密集的時隙排列，發(fā)射光應(yīng)是寬度為皮秒量級的窄脈沖。光時分復用技術(shù)尚處于實驗室研究階段。目前利用光時分復用達到的最高傳輸速率為640Gb/s。在光時分復用通信系統(tǒng)中，由于密集的時隙排列，發(fā)射光應(yīng)是寬度為7波分復用（WDM）波分復用（DWM）：將各路信息分別加載在不同波長的光載波上并且在同一根光纖中傳輸，再借助光學方法在接收端將各路信息分解。TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmDEM波分復用（WDM）波分復用（DWM）：將各路信息分別加載在不87.2.1光波分復用原理1.WDM的概念光波分復用（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(shù)稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用技術(shù)。7.2.1光波分復用原理9

光纖的帶寬有多寬？

如圖7.6所示，在光纖的兩個低損耗傳輸窗口：波長為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長和相應(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)的帶寬為12500GHz。兩個窗口合在一起，總帶寬超過30THz。光纖的帶寬有多寬？10

WDM和OFDM

光波分復用包括頻分復用和波分復用，光頻分復用(OFDM)技術(shù)和光波分復用(WDM)技術(shù)無明顯區(qū)別，因為光波是電磁波的一部分，光的頻率與波長具有單一對應(yīng)關(guān)系。通常也可以這樣理解，光頻分復用指光頻率的細分,光信道非常密集（如頻率間隔10GHz）。光波分復用指光頻率的粗分,光倍道相隔較遠，甚至處于光纖不同窗口。

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用(OFDM)還較為困難。WDM和OFDM11

1310nm/1550nm窗口的波分復用

仍用于接入網(wǎng)，但很少用于長距離傳輸

1550nm窗口的密集波分復用(DWDM)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(gòu)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(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。可廣泛用于長距離傳輸，用于建設(shè)全光網(wǎng)絡(luò)

WDM和DWDM1310nm/1550nm窗口的波分復用WDM和DWDM12WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升級、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。

WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CA13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(luò)。如果一個區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級為WD142.WDM系統(tǒng)的基本形式光波分復用器和解復用器是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)，即只要將解復用器的輸出端和輸入端反過來使用，就是復用器。因此復用器和解復用器是相同的(除非有特殊的要求)。2.WDM系統(tǒng)的基本形式15

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在一根光纖上沿同一方向傳送。

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：雙纖單16(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(2)單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通17

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(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的數(shù)量。另外，通過在中間設(shè)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(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號。雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計和應(yīng)用時必須要考慮幾個關(guān)18?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：?插入損耗小3.光波分復用器的性能19

(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)(1)插入損耗插入損耗是指由于增加光波20

(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)(2)串擾抑制度串擾是指其他信道的信號耦21(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(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22

(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)(4)反射系數(shù)反射系數(shù)是指在WDM器件的23

(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(yīng)具有的波長間隔。

(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。(5)工作波長范圍工作波長范圍是指WD24

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)，如下圖所示。7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)25

?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(shè)備(如SDH端機)輸出的光信號，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長的光信號轉(zhuǎn)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。?光發(fā)射機位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。26

?用摻鉺光纖放大器(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：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(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，要有足夠的電帶寬。?用摻鉺光纖放大器(EDFA)對光信號進行中繼放大。27

?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(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)相連。?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSuperviso28

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;目前國際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb29③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3×125km=375km;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。③日本富士通(Fujitsu):128路30

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?.2.3WDM技術(shù)的主要特點313.節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)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(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。3.節(jié)省線路投資32

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，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(luò)。5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性337.2.4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(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，與波分復用有著密切關(guān)系，常常用來構(gòu)成各種各樣的波分復用器和解復用器。7.2.4光濾波器與光波分復用器34WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter光濾波器的應(yīng)用：單純的濾波應(yīng)用波分復用/解復用器中應(yīng)用波長路由器中應(yīng)用WavelengthWavelengthWavelength35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)波分復用器和解復用器主要用在:36

圖7.10(c)波長路由器中應(yīng)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(luò)(WavelengthRoutingNetwork)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λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號。

37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)。如果用來標記第i輸入鏈路上的波長λj,38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(gòu)成，如下圖所示。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39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(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:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。波長分插復用器可以看成是波長路由器的簡化形式40

(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(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長的微小變化。(2)一個濾波器的通帶應(yīng)該對溫度的變化不敏感。41

0/

0濾波器中心波長,

信號波長.0/0濾波器中心波長,信號波長.42

圖7.12光濾波器的1dB帶寬圖7.12光濾波器的1dB帶寬43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。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。44

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)圖7.13光柵光柵平面影像平面l245

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，而我們以透射光柵為例來說明光柵的基本原理。如圖46光柵方程為:(7.6)其中m為整數(shù)，當a和θi一定時，不同的θd對應(yīng)不同的波長λ，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中的解復用器。光柵方程為:(7.6)其中m為整數(shù)，當a和θi一定時，不同的472.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。2.布喇格光柵48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：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(shè)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）設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β49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(shè)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。（7.8）則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的50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。隨著入射光波的波長偏離布喇格波長，其反射率就51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。

注意:變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價的。

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對折射率均52

切趾型光柵apodisation：兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，從而使反射譜不存在旁瓣高斯切趾平均值為零的升余弦切趾切趾型光柵apodisation：高斯切趾平均值為零533.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3.光纖光柵對于全光纖器件，其主要優(yōu)點有：54

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：~244nm)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。利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫入55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。LaserBeam-1級+1級0級<3%TranslationofUVBeam相位模板光纖干涉區(qū)域形成光柵所要求的折射率變化是極低的，大約為10-4。56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。

光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光57

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，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。FBG:lengthPeriod

光纖布喇格光柵(FBG：FiberBra58

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。光纖布喇格光柵的特點是:由于59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(gòu)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。

l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll42l23l2在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、60圖7.16(b)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2在上面簡單的光分器的基礎(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。圖7.16(b)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復用器光分插61

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。長周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍62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(shè)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，相位匹配條件為：其中Λ為光柵周期。（7.9）63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(shè)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。

設(shè)纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff64圖7.17長周期光纖光柵的透射譜圖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圖7.17是長周期光纖654.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。輸入信號F-P濾波器反射4.法布里-珀羅濾波器

輸入信號F-P濾66（7.10）F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：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(shè)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。（7.10）F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻67A=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)A=0及R=0.75、0.9和0.99時F68

功率傳遞函數(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（7.12）功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當69FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器70F-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。

FSR=C/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長F-P濾波器選擇不同的波長時一般有兩種方法：71可調(diào)光纖F-P濾波器(FFP)可調(diào)光纖F-P濾波器(FFP)725.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)。5.多層介質(zhì)薄膜濾波器73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。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長的74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)薄膜隔開的兩個或多個腔構(gòu)成。圖7.20三腔介質(zhì)薄諧振腔75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。圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜76這種濾波器多個級聯(lián)后，就可以做成波分復用器。

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。這種濾波器多個級聯(lián)后，就可以做成波分復用器776.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。6.馬赫-曾德爾干涉儀78圖7.23(a)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)圖輸入1輸入2路程差，DL輸出1輸出2(a)圖7.23(a)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)圖79MZI(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MZI(DL)輸入1輸入2輸出1輸出2(b)圖7.2380輸入1輸入2輸出1輸出2MZI(DL)MZI(2DL)MZI(3DL)MZI(4DL)MZI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。輸入1輸入2輸出1輸出2MZI(DL)MZI(2DL)MZI81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(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π/2的相差，下臂上的信號比上臂滯后π/2。從原理上講，級聯(lián)幾個MZI后性能較好，但是在82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(shè)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+。同理，在輸出2處，兩信號總的相位差為+83Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=k

k為偶數(shù)Output2k為奇數(shù)Output1Input1Output2Output1/2+L84如果將MZI級聯(lián)就構(gòu)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。如果將MZI級聯(lián)就構(gòu)成多級馬赫-曾德爾干涉儀(Mult85

(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4個為每單個MZI的傳遞函數(shù)，最后一個為級聯(lián)后4867.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(gòu)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。7.陣列波導光柵87圖7.25陣列波導光柵(AWG)圖7.25陣列波導光柵(AWG)88圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長路由器

圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長路由器89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(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。輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成m部分90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(shè)計，可以做成1×n波分解復用器和n×1波分復用器。（7.14）因此，光信號從輸入波導i到輸出波導j，經(jīng)歷了91如果設(shè)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。如果設(shè)計輸入耦合器和輸出耦合滿足（7.15）928.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(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的集成光波導形式。8.聲光可調(diào)諧濾波器93圖7.27集成光波導AOTF圖7.27集成光波導AOTF94一個簡化的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(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。一個簡化的AOTF如圖7.28所示，波導材料是95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。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(shè)TE和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當滿足布喇格條件這種濾波器的實現(xiàn)可以通過沿著光波的傳播方向或96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(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=Δn，則布喇格條件可寫為97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。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(yīng)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。布喇格條件可寫為:λ=Λ·Δn圖7.28的AOTF與偏振有關(guān)，因為這里假設(shè)98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。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)99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。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100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。AOTF的功率傳遞函T(λ)=(7.18)其中Δλ=λ-λ0,λ0為滿足布喇格條件的光波波長101圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)

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。圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)這說明：器件越長(聲102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，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。

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

與偏振無關(guān)的AOTF可用作2×2波長路由器，滿103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(gòu)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。前面所指的都是靜態(tài)波長路由器，也可以通過改1047.3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(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用/解復用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。7.3光交換技術(shù)目前的商用105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(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：雖然106

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(guān)。光開關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關(guān)具有開關(guān)速度快、串擾小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，有很好的應(yīng)用前景。

典型光開關(guān)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(gòu)成的，并通過對電壓的控制改變輸出通路。7.3.1空分光交換107圖7.31(a)是由4個1×2光開關(guān)器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開關(guān)器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開關(guān)，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)圖7.31(a)是由4個1×2光開關(guān)器件組成108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)這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它109圖7.31(c)是由16個1×2光開關(guān)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)圖7.31(c)是由16個1×2光開關(guān)器件或110

7.3.2時分光交換

時分光交換是以時分復用為基礎(chǔ)，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7.3.2時分光交換1復接器2N…分111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所謂時隙互換，就是把時分復用幀中各個時隙的112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。圖7.32(c)時分光交換等效的空分交換1234123113

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(chǔ)，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。7.3.3波分光交換114

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…lW圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長選擇法交換l1115l1l2lWNW×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l1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l116設(shè)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。設(shè)波分交換機的輸入和輸出都與N條光纖相連接，117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(yīng)用于采用波長選路的全光網(wǎng)絡(luò)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。然后，以W個空分交換器輸出的不同波長的信號再1187.4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(yīng)相互平衡的結(jié)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(yīng)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。

7.4光孤子通信光孤子(119為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距離，可設(shè)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(yīng)。非線性效應(yīng)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(yīng)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(guān)參數(shù)，使兩種效應(yīng)相互平衡，就可以保持脈沖寬度不變，因而形成光孤子。為了增加傳輸距離，在光纖線路上，每隔一定的距1207.4.1光孤子的形成在討論光纖傳輸理論時，假設(shè)了光纖折射率n和入射光強(光功率)無關(guān)，始終保持不變。這種假設(shè)在低功率條件下是正確的，獲得了與實驗良好一致的結(jié)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(yīng)。7.4.1光孤子的形成121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(yīng)，=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。在強光作用下，光纖折射率n可以表示為式中，E為電場，n122(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(shè)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(yīng)的折射率變化Δn(t)=|E(t)|2，由此引起的相位變化為(7.21)(7.20)這種使脈沖不同部位產(chǎn)生不同相123圖7.34脈沖的光強頻率調(diào)制如圖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，<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)制如圖7124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。現(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長為λ的光纖125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式(7.25)描述的單模光纖色散特性如