光纖通信課件第七章

7.1光放大器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(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價(jià)格，滿足社會(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。第7章光纖通信27.2光波分復(fù)用技術(shù)隨著人類社會(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)。7.2光波分復(fù)用技術(shù)隨著人類社會(huì)信3擴(kuò)容的選擇空分復(fù)用

SDM(SpaceDivisionMultiplexer)時(shí)分復(fù)用

TDM(TimeDivisionMultiplexer)波分復(fù)用

WDM(WavelengthDivisionMultiplexer)TDM和WDM技術(shù)合用擴(kuò)容的選擇空分復(fù)用41310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX空分復(fù)用（SDM）SpaceDivisionMultiplexer空分復(fù)用(SDM）即多對(duì)電線或光纖共用一條纜的復(fù)用方式。比如5類線就是4對(duì)雙絞線共用1條纜。能夠?qū)崿F(xiàn)空分復(fù)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(duì)電線做在一條纜內(nèi)，既節(jié)省外護(hù)套的材料又便于使用。1310131013101310131013101310135光時(shí)分復(fù)用（OTDM）OpticalTimeDivisionMultiplexer光時(shí)分復(fù)用(OTDM）是使用同一波長(zhǎng)光載波的各路信號(hào)光占用不用時(shí)隙。光時(shí)分復(fù)用（OTDM）光時(shí)分復(fù)用(OTDM）是使用同一波長(zhǎng)光6在光時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)中，由于密集的時(shí)隙排列，發(fā)射光應(yīng)是寬度為皮秒量級(jí)的窄脈沖。光時(shí)分復(fù)用技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。目前利用光時(shí)分復(fù)用達(dá)到的最高傳輸速率為640Gb/s。在光時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)中，由于密集的時(shí)隙排列，發(fā)射光應(yīng)是寬度為7波分復(fù)用（WDM）波分復(fù)用（DWM）：將各路信息分別加載在不同波長(zhǎng)的光載波上并且在同一根光纖中傳輸，再借助光學(xué)方法在接收端將各路信息分解。TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmDEM波分復(fù)用（WDM）波分復(fù)用（DWM）：將各路信息分別加載在不87.2.1光波分復(fù)用原理1.WDM的概念光波分復(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(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)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。7.2.1光波分復(fù)用原理9

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。光纖的帶寬有多寬？10

WDM和OFDM

光波分復(fù)用包括頻分復(fù)用和波分復(fù)用，光頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)無(wú)明顯區(qū)別，因?yàn)楣獠ㄊ请姶挪ǖ囊徊糠郑獾念l率與波長(zhǎng)具有單一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常也可以這樣理解，光頻分復(fù)用指光頻率的細(xì)分,光信道非常密集（如頻率間隔10GHz）。光波分復(fù)用指光頻率的粗分,光倍道相隔較遠(yuǎn)，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(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。WDM和OFDM11

1310nm/1550nm窗口的波分復(fù)用

仍用于接入網(wǎng)，但很少用于長(zhǎng)距離傳輸

1550nm窗口的密集波分復(fù)用(DWDM)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?？蓮V泛用于長(zhǎng)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(fù)用WDM和DWDM12WDM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。

WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CA13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)。如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WD142.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)。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(shí)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(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，以實(shí)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(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)。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)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(fù)用通路數(shù)多

?尺寸小等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3.光波分復(fù)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(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)(1)插入損耗插入損耗是指由于增加光波20

(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)(2)串?dāng)_抑制度串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦21(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(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(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。(5)工作波長(zhǎng)范圍工作波長(zhǎng)范圍是指WD24

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。7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)25

?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)，其輸出端滿足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿足長(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)。?光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。26

?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)，要有足夠的電帶寬。?用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)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(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)管所用的開銷字節(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銷字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(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)(如TMN)相連。?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSuperviso28

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；

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;目前國(guó)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(guò)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(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。③日本富士通(Fujitsu):128路30

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

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)。可以利用WDM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)。5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性337.2.4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。7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器34WavelengthfilterWavelengthmultiplexerWavelengthrouter光濾波器的應(yīng)用：?jiǎn)渭兊臑V波應(yīng)用波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用WavelengthWavelengthWavelength35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)波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在:36

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)。

37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)。如果用來(lái)標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長(zhǎng)λj,38如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱之為動(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。如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路39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。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40

(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。(2)一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。41

0/

0濾波器中心波長(zhǎng),

信號(hào)波長(zhǎng).0/0濾波器中心波長(zhǎng),信號(hào)波長(zhǎng).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(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。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。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(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，而我們以透射光柵為例來(lái)說(shuō)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(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。光柵方程為:(7.6)其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，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(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。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(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(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就稱作布喇格波長(zhǎng)。（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50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。隨著入射光波的波長(zhǎng)偏離布喇格波長(zhǎng)，其反射率就51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為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點(diǎn)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(jià)的。

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對(duì)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(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3.光纖光柵對(duì)于全光纖器件，其主要優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度將沿著光纖長(zhǎng)度方向周期性地變化，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(wú)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(lái)寫入光柵。

位相版是一種光衍射元件，當(dāng)用光束照射它時(shí)，它將光束分離成各個(gè)不同的衍射級(jí)，這些衍射級(jí)相互干涉就可將光柵寫入光纖。LaserBeam-1級(jí)+1級(jí)0級(jí)<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(zhǎng)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(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(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)。FBG:lengthPeriod

光纖布喇格光柵(FBG：FiberBra58

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。光纖布喇格光柵的特點(diǎn)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(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。

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(fù)用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2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(b)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插61

長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長(zhǎng)位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。長(zhǎng)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(gè)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(gè)相當(dāng)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(dāng)滿足λ=Λ(neff-npeff)時(shí)，λ為光波長(zhǎng)，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(zhǎng)和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設(shè)計(jì)合適Λ值的長(zhǎng)周期光柵來(lái)滿足各種需要。

長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜圖7.17是長(zhǎng)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(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜圖7.17是長(zhǎng)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(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。輸入信號(hào)F-P濾波器反射4.法布里-珀羅濾波器

輸入信號(hào)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(zhǎng)λ表示，則：

TFP(λ)=（7.11）這里A表示每個(gè)鏡面的吸收損耗，R為每個(gè)鏡面的反射率(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(zhǎng)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(shí)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(shí)F68

功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)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。FP濾波器的兩個(gè)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(xì)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(dāng)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(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。

FSR=C/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長(zhǎng)F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)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(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(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)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長(zhǎng)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(gè)或多個(gè)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(gè)級(jí)聯(lián)后，就可以做成波分復(fù)用器。

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。這種濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)后，就可以做成波分復(fù)用器776.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。6.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x78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)圖7.23(a)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(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?tīng)柛缮鎯x(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(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。輸入1輸入2輸出1輸出2MZI(DL)MZI(2DL)MZI81從原理上講，級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后性能較好，但是在實(shí)際工作中存在波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況，級(jí)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(jiǎn)單分析MZI的工作原理。

考慮MZI作為一個(gè)解復(fù)用器的情況。這時(shí)只有一個(gè)輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)第一個(gè)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(hào)有了π/2的相差，下臂上的信號(hào)比上臂滯后π/2。從原理上講，級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后性能較好，但是在82同理，在輸出2處，兩信號(hào)總的相位差為+βΔL-=βΔL。在輸入1的所有波長(zhǎng)中，滿足βΔL=kπ(k為奇數(shù))條件的波長(zhǎng)，由輸出1輸出；滿足βΔL=kπ(k為偶數(shù))條件的波長(zhǎng)由輸出2輸出。而β=,n為介質(zhì)折射率，λ為光波長(zhǎng)，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用。如果下臂與上臂的長(zhǎng)度差為ΔL，則下臂信號(hào)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(lái)自下臂的信號(hào)又比來(lái)自上臂的信號(hào)延遲了π/2，因此，在輸出1處，兩信號(hào)總的相位差為:+βΔL+。同理，在輸出2處，兩信號(hào)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(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MultistageMachZehnderInterferometer)。圖7.23(c)示出4級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，其中每個(gè)MZI以及級(jí)聯(lián)后整個(gè)4級(jí)MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。如果兩臂長(zhǎng)度差為ΔL，只是輸入1輸入，則單個(gè)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(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Mult85

(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后4級(jí)MZI的傳遞函數(shù))圖7.24MZI的傳遞函數(shù)(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后4867.陣列波導(dǎo)光柵

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。7.陣列波導(dǎo)光柵87圖7.25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)圖7.25陣列波導(dǎo)光柵(AWG)88圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器

圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器89輸入耦合器將某個(gè)輸入端口的輸入信號(hào)分成m部分，它們之間的相對(duì)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來(lái)決定，輸入波導(dǎo)i和陣列波導(dǎo)k之間的距離用表示，陣列波導(dǎo)k的長(zhǎng)度比陣列波導(dǎo)(k-1)的長(zhǎng)度長(zhǎng)ΔL，同樣，陣列波導(dǎo)k和輸出波導(dǎo)j之間的距離用表示。下面我們簡(jiǎn)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(gè)波導(dǎo)連接，每相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)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(gè)輸入端口的輸入信號(hào)分成m部分90因此，光信號(hào)從輸入波導(dǎo)i到輸出波導(dǎo)j，經(jīng)歷了i與j之間m條不同通路后的相對(duì)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(dǎo)的折射率，λ為光信號(hào)的波長(zhǎng)。在輸入波導(dǎo)i的光信號(hào)的波長(zhǎng)中，滿足Φijk為2π的整數(shù)倍的波長(zhǎng)將在輸出波導(dǎo)j輸出。于是，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以做成1×n波分解復(fù)用器和n×1波分復(fù)用器。（7.14）因此，光信號(hào)從輸入波導(dǎo)i到輸出波導(dǎo)j，經(jīng)歷了91如果設(shè)計(jì)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(dǎo)i輸入的那些波長(zhǎng)中若滿足：n1δini+n2ΔL+n1δoutj=pλ，p為整數(shù)，則波長(zhǎng)為λ的光將在輸出波導(dǎo)j輸出。如果設(shè)計(jì)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(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器，并且可用來(lái)構(gòu)造波長(zhǎng)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(dǎo)形式。8.聲光可調(diào)諧濾波器93圖7.27集成光波導(dǎo)AOTF圖7.27集成光波導(dǎo)AOTF94一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖7.28所示，波導(dǎo)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(gè)只能選擇TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端。如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)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(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器。一個(gè)簡(jiǎn)化的AOTF如圖7.28所示，波導(dǎo)材料是95這種濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)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(lái)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(zhǎng)，這相當(dāng)于形成了一個(gè)布喇格光柵。時(shí)，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中Λ為聲波波長(zhǎng)，λ為光波長(zhǎng)。設(shè)TE和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當(dāng)滿足布喇格條件這種濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)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(zhǎng)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(gè)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?yàn)檫@里假設(shè)輸入光完全是TE模。例如，為了選擇1.55μm波長(zhǎng)，若Δn=0.07，則聲波波長(zhǎng)大約為22μm，在LiNbO3晶體中聲速大約為3.75km/s，對(duì)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?yàn)檫@里假設(shè)98圖7.27是一種與偏振無(wú)關(guān)的AOTF，其實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器相類似，將輸入光信號(hào)分解為TE和TM兩個(gè)分量，分別通過(guò)AOTF后再在輸出端組合在一起。圖7.27是一種與偏振無(wú)關(guān)的AOTF，其實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)99布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng)，而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長(zhǎng)度決定，聲光相互作用的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通帶就越窄。布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng)，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(zhǎng)，ε=λ20/(l·Δn)為濾波器通帶寬度的一種量度，l為器件長(zhǎng)度(準(zhǔn)確說(shuō)是聲光相互作用的長(zhǎng)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(zhǎng)101圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)

這說(shuō)明：器件越長(zhǎng)(聲光相互作用長(zhǎng)度越長(zhǎng))，濾波器的通帶就越窄；然而調(diào)諧速度與器件長(zhǎng)度成反比，因?yàn)檎{(diào)諧速度主要由聲波通過(guò)器件的時(shí)間決定。圖7.29AOTF的功率傳遞函數(shù)這說(shuō)明：器件越長(zhǎng)(聲102與偏振無(wú)關(guān)的AOTF可用作2×2波長(zhǎng)路由器，滿足布喇格條件的波長(zhǎng)被交換，如圖7.30(a)所示，這里波長(zhǎng)λ1滿足布喇格條件。如果同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波，就有幾個(gè)光波長(zhǎng)同時(shí)滿足布喇格條件，那么在單個(gè)器件上就可同時(shí)完成幾個(gè)波長(zhǎng)的交換，如圖7.30(b)所示，這里交換的波長(zhǎng)是λ1和λ4。

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

與偏振無(wú)關(guān)的AOTF可用作2×2波長(zhǎng)路由器，滿103前面所指的都是靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，也可以通過(guò)改變聲波的頻率作為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由器，適當(dāng)?shù)丶?jí)聯(lián)2×2路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器。AOTF還沒(méi)有完全實(shí)用化的原因主要有兩個(gè)：?存在較大串?dāng)_，

?通帶相對(duì)較寬。前面所指的都是靜態(tài)波長(zhǎng)路由器，也可以通過(guò)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(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。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(shí)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(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：雖然106

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。

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?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。7.3.1空分光交換107圖7.31(a)是由4個(gè)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(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)圖7.31(a)是由4個(gè)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(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)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(gè)1×2光開關(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)圖7.31(c)是由16個(gè)1×2光開關(guān)器件或110

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。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1復(fù)接器2N…分111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)。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112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。圖7.32(c)時(shí)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(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。7.3.3波分光交換114

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…lW圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)選擇法交換l1115l1l2lWNW×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l1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l116設(shè)波分交換機(jī)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(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過(guò)分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào)。所有N路輸入的波長(zhǎng)為λi(i=1,2,…,W)的信號(hào)都送到λi空分交換器，在那里進(jìn)行同一波長(zhǎng)N路(空分)信號(hào)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(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接，117然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過(guò)合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機(jī)當(dāng)前已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于采用波長(zhǎng)選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個(gè)空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個(gè)交換機(jī)可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的波長(zhǎng)變換法少。波長(zhǎng)變換法與波長(zhǎng)選擇法的主要區(qū)別是用同一個(gè)NW×NW空分交換器處理NW路信號(hào)的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長(zhǎng)變換器，然后進(jìn)行波分復(fù)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(zhǎng)變換器將在7.7節(jié)介紹。然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再1187.4光孤子通信

光孤子(Soliton)是經(jīng)光纖長(zhǎng)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(jí))。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(dá)上萬(wàn)公里，甚至幾萬(wàn)公里，目前還處于試驗(yàn)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(shí)，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(duì)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(gè)光纖放大器，以周期地補(bǔ)充光功率的損耗。但是多個(gè)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(hào)的光功率，這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信有害也有利，事實(shí)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(dú)起作用時(shí)，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)都要產(chǎn)生脈沖展寬，對(duì)傳輸速率的提高是有害的。但是如果適當(dāng)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(shí)，假設(shè)了光纖折射率n和入射光強(qiáng)(光功率)無(wú)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(shí)驗(yàn)良好一致的結(jié)果。然而，在高功率條件下，折射率n隨光強(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)，n0為E=0時(shí)的光纖折射率，約為1.45。這種光纖折射率n隨光強(qiáng)|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(chǎng)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(duì)光纖傳輸特性的影響還是很大的。在強(qiáng)光作用下，光纖折射率n可以表示為式中，E為電場(chǎng)，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(zhǎng)為λ、光強(qiáng)為|E|2的光脈沖在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中傳輸，則光強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)頻率調(diào)制如圖7124現(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長(zhǎng)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(shí)，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?，F(xiàn)在我們回顧一下光纖色散。波長(zhǎng)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(zhǎng)。在λ<λD時(shí)，C(λ)<0,β″0>0，稱為光纖正常色散區(qū)；在λ>λD時(shí)，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