光纖通信-光纖通信新技術(shù)

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光時分復(fù)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，降低價格，滿足社會需要。進(jìn)入20世紀(jì)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(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，光時分復(fù)用技術(shù)和波長變換技術(shù)等。7.1光纖放大器

光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成；缺點(diǎn)是性能與光偏振方向有關(guān)，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(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。光纖放大器實(shí)際上是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。20世紀(jì)80年代末期，波長為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)水平推向一個新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個重要的里程碑。

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，說明了光信號為什么會放大的原因。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：其中能級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(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))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。

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(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。為提高放大器增益，應(yīng)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(a)示出輸出信號光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系，由圖可見，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60mW時，吸收效率［(信號輸入光功率-信號輸出光功率)/泵浦光功率］為88%。

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(guān)系；(b)小信號增益與泵浦光功率的關(guān)系

7.1.2摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性圖7.3(a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖，圖7.3(b)為實(shí)用光纖放大器構(gòu)成方框圖。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號光耦合在一起的波分復(fù)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(shè)計高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)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(shí)驗(yàn)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(dá)100mW,泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在6dB/mW以上。

圖7.3光纖放大器構(gòu)成方框圖(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖；(b)實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖波長為980nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10dB/mW，而且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。對波分復(fù)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(fù)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，對它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(guān)系。在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)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(dāng)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(dá)到飽和的現(xiàn)。圖7.4摻摻鉺鉺光纖放大大器增益、、噪聲指指數(shù)和輸出出光功率與與輸入光功率的的關(guān)系曲線線表7.1列列出國外幾幾家公司EDFA商商品的技術(shù)術(shù)參數(shù)。表7.1摻摻鉺光纖放放大器技術(shù)術(shù)參數(shù)7.1.3摻鉺光纖纖放大器的的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)應(yīng)用EDFA有有許多優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，并已已得到廣泛泛應(yīng)用。EDFA的的主要優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)有：(1)工作作波長正好好落在光纖纖通信最佳佳波段(1500～～1600nm)；其主主體是一段段光纖(EDF)，，與傳輸光光纖的耦合合損耗很小小，可達(dá)達(dá)0.1dB。(2)增增益高，約約為30～～40dB;飽飽和輸出光光功率大，，約為10～15dBm;增益益特性與光光偏振狀態(tài)態(tài)無關(guān)。(3)噪噪聲指數(shù)小小，一般般為4～7dB;用于多多信道傳輸輸時，隔隔離度大，，無串?dāng)_，，適用于波波分復(fù)用系系統(tǒng)。(4)頻頻帶寬，在在1550nm窗窗口，頻帶帶寬度為20～40nm，，可進(jìn)行行多信道傳傳輸，有利利于增加傳傳輸容量。。如果加上1310nm摻鐠鐠光纖放大大器(PDFA)，，頻帶可以以增加一倍倍。所以““波分復(fù)用用+光纖放放大器”被被認(rèn)為是充充分利用光光纖帶寬增增加傳輸容容量最有效效的方法。。1550nmEDFA在在各種光纖纖通信系統(tǒng)統(tǒng)中得到廣廣泛應(yīng)用，，并取得了了良好效果果。已經(jīng)介介紹過的副副載波CATV系統(tǒng)統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，，相干光系系統(tǒng)以及光光孤子通信信系統(tǒng)，都都應(yīng)用了EDFA，，并大幅度度增加了傳傳輸距離。。EDFA的應(yīng)用用，歸納納起來可以以分為三種種形式，如如圖7.5所示。。圖7.5光光纖放大器器的應(yīng)用形形式(a)中中繼放大器器；(b)前置置放大器和和后置放大大器7.2光光波分復(fù)用用技術(shù)隨著人類社社會信息時時代的到來來，對通信信的需求呈呈現(xiàn)加速增增長的趨勢勢。發(fā)展迅迅速的各種種新型業(yè)務(wù)務(wù)(特別是是高速數(shù)據(jù)據(jù)和視頻業(yè)業(yè)務(wù))對通通信網(wǎng)的帶帶寬(或容容量)提出出了更高的的要求。為為了適應(yīng)通通信網(wǎng)傳輸輸容量的不不斷增長和和滿足網(wǎng)絡(luò)絡(luò)交互性、、靈活性的的要求，產(chǎn)產(chǎn)生了各種種復(fù)用技術(shù)術(shù)。在光纖通信信系統(tǒng)中除除了大家熟熟知的時分分復(fù)用(TDM)技技術(shù)外，還還出現(xiàn)了了其他的復(fù)復(fù)用技術(shù)，，例如光時時分復(fù)用(OTDM)、光波波分復(fù)用(WDM)、光頻頻分復(fù)用(OFDM)以及副副載波復(fù)用用(SCM)技術(shù)。。本節(jié)主主要講述WDM技術(shù)術(shù)。7.2.1光波分復(fù)復(fù)用原理1.WDM的概念念光波分復(fù)用用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技技術(shù)是在一一根光纖中中同時傳輸輸多個波長長光信號的的一項(xiàng)技術(shù)術(shù)。其基本本原理是在在發(fā)送端將將不同波長長的光信號號組合起來來(復(fù)用)，并耦合合到光纜線線路上的同同一根光纖纖中進(jìn)行傳傳輸，在接接收端又將將組合波長長的光信號號分開(解解復(fù)用)，，并作進(jìn)一一步處理，，恢復(fù)出原原信號后送送入不同的的終端，因因此將此項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)稱為為光波長分分割復(fù)用，，簡稱光光波分復(fù)用用技術(shù)。圖7.6中中心心波長在1.3μμm和1.55μμm的硅光光纖低損耗耗傳輸窗口口(插圖表示示1.55μm傳傳輸窗口的的多信道復(fù)復(fù)用)光纖的帶寬寬很寬。如如圖7.6所示，在在光纖的兩兩個低損耗耗傳輸窗口口：波長長為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口口，相應(yīng)的的帶寬(|Δf|=|-ΔΔλc/λλ2|,λλ和Δλλ分別為中中心波長和和相應(yīng)的波波段寬度，，c為真真空中光速速)為17700GHz；波長長為1.55μm(1.50～1.60μμm)的窗窗口，相相應(yīng)的帶寬寬為12500GHz。。兩個窗窗口合在一一起，總帶帶寬超過30THz。如果果信道頻率率間隔為10GHz，在在理想情況況下，一一根光纖可可以容納3000個個信道。由于目前一一些光器件件與技術(shù)還還不十分成成熟，因此此要實(shí)現(xiàn)光光信道十分分密集的光光頻分復(fù)用用(OFDM)還較較為困難。。在這種情情況下，人人們把在同同一窗口中中信道間隔隔較小的波波分復(fù)用稱稱為密集波波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目前該系統(tǒng)統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)區(qū)段內(nèi)，同同時用8，，16或更更多個波長長在一對光光纖上(也也可采用單單光纖)構(gòu)構(gòu)成的光通通信系統(tǒng)，，其中各個個波長之間間的間隔為為1.6nm、0.8nm或更更低，約對對應(yīng)于200GHz#,100GHz或或更窄的帶帶寬。WDM、DWDM和和OFDM在本質(zhì)上上沒有多大大區(qū)別。以以往技術(shù)人人員習(xí)慣采采用WDM和DWDM來區(qū)區(qū)分是1310/1550nm簡簡單復(fù)用還還是在1550nm波長區(qū)區(qū)段內(nèi)密集集復(fù)用，但但目前在電電信界應(yīng)用用時，都采采用DWDM技術(shù)。。由于1310/1550nm的的復(fù)用超出出了EDFA的增益益范圍，只只在一些專專門場合應(yīng)應(yīng)用，所以以經(jīng)常用WDM這個個更廣義的的名稱來代代替DWDM。WDM技術(shù)術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升升級、發(fā)展展寬帶業(yè)務(wù)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、、充分挖掘掘光纖帶寬寬潛力、實(shí)實(shí)現(xiàn)超高速速光纖通信信等具有十十分重要意意義，尤其其是WDM加上EDFA更是是對現(xiàn)代信信息網(wǎng)絡(luò)具具有強(qiáng)大的的吸引力。。目前，““摻鉺光纖纖放大器(EDFA)+密集集波分復(fù)用用(WDM)+非零零色散光纖纖(NZDSF，即即G.655光纖)+光子集集成(PIC)”正正成為國際際上長途高高速光纖通通信線路的的主要技術(shù)術(shù)方向。如果一個區(qū)區(qū)域內(nèi)所有有的光纖傳傳輸鏈路都都升級為WDM傳輸輸，我們們就可以在在這些WDM鏈路的的交叉(結(jié)結(jié)點(diǎn))處設(shè)設(shè)置以波長長為單位對對光信號進(jìn)進(jìn)行交叉連連接的光交交叉連接設(shè)設(shè)備(OXC)，或或進(jìn)行光上上下路的光光分插復(fù)用用器(OADM)，，則在原來來由光纖鏈鏈路組成的的物理層上上面就會形形成一個新新的光層。。在這個光層層中，相鄰鄰光纖鏈路路中的波長長通道可以以連接起來來，形成一一個跨越多多個OXC和OADM的光通通路，完成成端到端的的信息傳送送，并且這這種光通路路可以根據(jù)據(jù)需要靈活活、動態(tài)地地建立和釋釋放，這就就是目前引引人注目的的、新一一代的WDM全光網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。2.WDM系統(tǒng)的的基本形式式光波分復(fù)用用器和解復(fù)復(fù)用器是WDM技術(shù)術(shù)中的關(guān)鍵鍵部件，將將不同波長長的信號結(jié)結(jié)合在一起起經(jīng)一根光光纖輸出的的器件稱為為復(fù)用器(也叫合波波器)。反反之，經(jīng)同同一傳輸光光纖送來的的多波長信信號分解為為各個波長長分別輸出出的器件稱稱為解復(fù)用用器(也叫叫分波器)。從原原理上講，，這種器器件是互易易的(雙向向可逆)，，即只要將將解復(fù)用器器的輸出端端和輸入端端反過來使使用，就就是復(fù)用器器。因此復(fù)復(fù)用器和解解復(fù)用器是是相同的(除非有特特殊的要求求)。WDM系統(tǒng)統(tǒng)的基本構(gòu)構(gòu)成主要有有以下兩種種形式：(1)雙雙纖單向傳傳輸。單向向WDM傳傳輸是指所所有光通路路同時在一一根光纖上上沿同一方方向傳送。。如圖7.7所示，，在發(fā)送端端將載有各各種信息的的、具有不不同波長的的已調(diào)光信信號λ1,λ2,…,λn通過光復(fù)用用器組合在在一起，并并在一根光光纖中單向向傳輸。由由于各信信號是通過過不同光波波長攜帶的的，因而彼彼此之間不不會混淆。。在接收端端通過光解解復(fù)用器將將不同波長長的信號分分開，完完成多路光光信號傳輸輸?shù)娜蝿?wù)。。反方向通通過另一根根光纖傳輸輸?shù)脑砼c與此相同。。(2)單單纖雙向傳傳輸。雙雙向WDM傳輸是指指光通路在在一根光纖纖上同時向向兩個不同同的方向傳傳輸。如圖圖7.8所所示，所用用波長相互互分開，以以實(shí)現(xiàn)雙雙向全雙工工的通信。。圖7.7雙雙纖單向向WDM傳傳輸圖7.8單單纖雙向向WDM傳傳輸雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)設(shè)計和應(yīng)用用時必須要要考慮幾個個關(guān)鍵的系系統(tǒng)因素，，如為了抑抑制多通道道干擾(MPI)，，必須注意意到光反射射的影響、、雙向通通路之間的的隔離、串串?dāng)_的類型型和數(shù)值、、兩個方向向傳輸?shù)墓β孰娖街抵岛拖嗷ラg間的依賴性性、光監(jiān)控控信道(OSC)傳傳輸和自動動功率關(guān)斷斷等問題，，同時要使使用雙向光光纖放大器器。所以雙雙向WDM系統(tǒng)的開開發(fā)和應(yīng)用用相對說來來要求較高高，但與單單向WDM系統(tǒng)相比比，雙向WDM系統(tǒng)統(tǒng)可以減少少使用光纖纖和線路放放大器的數(shù)數(shù)量。另外，通過過在中間設(shè)設(shè)置光分插插復(fù)用器(OADM)或光交交叉連接器器(OXC)，可使使各波長光光信號進(jìn)行行合流與分分流，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)波長的上上下路(Add/Drop)和路由分分配，這樣樣就可以根根據(jù)光纖通通信線路和和光網(wǎng)的業(yè)業(yè)務(wù)量分布布情況，合合理地安排排插入或分分出信號。。3.光波波分復(fù)用器器的性能參參數(shù)光波分復(fù)用用器是波分分復(fù)用系統(tǒng)統(tǒng)的重要組組成部分，，為了確保保波分復(fù)用用系統(tǒng)的性性能，對波波分復(fù)用器器的基本要要求是：插插入損耗小小，隔離度度大，帶內(nèi)內(nèi)平坦，帶帶外插入損損耗變化陡陡峭，溫度度穩(wěn)定性好好，復(fù)用通通路數(shù)多，，尺寸小等等。(1)插插入損耗。。插入損損耗是指由由于增加光光波分復(fù)用用器/解復(fù)復(fù)用器而產(chǎn)產(chǎn)生的附加加損耗，定定義為該無無源器件的的輸入和輸輸出端口之之間的光功功率之比，，即α=10lg其中P0為發(fā)送進(jìn)輸輸入端口的的光功率；；P0為從輸出端端口接收到到的光功率率。(2)串串?dāng)_抑制度度。串?dāng)_是是指其他信信道的信號號耦合進(jìn)某某一信道，，并使該信信道傳輸質(zhì)質(zhì)量下降的的影響程度度，有時也也可用隔離離度來表示示這一程度度。對于于解復(fù)用器器其中Pi是波長為λλi的光信號的的輸入光功功率，Pij是波長為λλi的光信號串串入到波長長為λj信道的光功功率。(3)回回波損耗。?；夭〒p損耗是指從從無源器件件的輸入端端口返回的的光功率與與輸入光功功率的比，，即RL=-10(7.3)其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸輸入端口的的光功率，，Pr為從同一個個輸入端口口接收到的的返回光功功率。(4)反反射系數(shù)。。反射系數(shù)數(shù)是指在WDM器件件的給定端端口的反射射光功率Pr與入射射光功率Pj之比，，即R=10(7.4)(5)工工作波長范范圍。工作作波長范圍圍是指WDM器件能能夠按照規(guī)規(guī)定的性能能要求工作作的波長范范圍(λmin到λλmax)。(6)信信道寬度。。信道寬度度是指各光光源之間為為避免串?dāng)_擾應(yīng)具有的的波長間隔隔。(7)偏偏振相關(guān)損損耗。偏振振相關(guān)損耗耗(PDL:PolarizationdependentLoss)是指指由于偏振振態(tài)的變化化所造成的的插入損耗耗的最大變變化值。7.2.2WDM系系統(tǒng)的基本本結(jié)構(gòu)實(shí)際的WDM系統(tǒng)主主要由五部部分組成：：光發(fā)射機(jī)機(jī)、光中繼繼放大、光光接收機(jī)、、光監(jiān)控信信道和網(wǎng)絡(luò)絡(luò)管理系統(tǒng)統(tǒng)，如圖7.9所示示光發(fā)射機(jī)位位于WDM系統(tǒng)的發(fā)發(fā)送端。在在發(fā)送端首首先將來自自終端設(shè)備備(如SDH端機(jī))輸出的光光信號，利利用光轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)器(OTU)把符符合ITUTG.957建建議的非特特定波長的的光信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成符合合ITUTG.692建議議的具有穩(wěn)穩(wěn)定的特定定波長的光光信號。OTU對輸輸入端的信信號波長沒沒有特殊要要求，可以以兼容任意意廠家的SDH信號號，其輸出出端滿足G.692的光接口口，即標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的光波波長和滿足足長距離傳傳輸要求的的光源；利利用合波波器合成多多路光信號號；通過過光功率放放大器(BA：BoosterAmplifier)放大輸輸出多路光光信號。圖7.9實(shí)實(shí)際WDM系統(tǒng)的基基本結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定距離離傳輸后，要要用摻鉺光纖纖放大器(EDFA)對對光信號進(jìn)行行中繼放大。。在應(yīng)用時可可根據(jù)具體情情況，將EDFA用作作“線放(LA：LineAmplifier)”#,“功放放(BA)””和“前放(PA：Preamplifier)”。在在WDM系統(tǒng)統(tǒng)中，對EDFA必須采采用增益平坦坦技術(shù)，使得得EDFA對對不同波長的的光信號具有有接近相同的的放大增益。。與此同時，，還要考慮到到不同數(shù)量的的光信道同時時工作的各種種情況，保證證光信道的增增益競爭不影影響傳輸性能能。在接收端，光光前置放大器器(PA)放放大經(jīng)傳輸而而衰減的主信信道光信號，，分波器從主主信道光信號號中分出特定定波長的光信信號。接收收機(jī)不但要滿滿足一般接收收機(jī)對光信號號靈敏度、過過載功率等參參數(shù)的要求，，還要能承受受有一定光噪噪聲的信號，，要有足夠的的電帶寬。光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)的主主要功能是監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各各信道的傳輸輸情況，在發(fā)發(fā)送端，插入入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生生的波長為λλs(1510nm)的光監(jiān)控信信號，與主信信道的光信號號合波輸出；；在接收端，，將接收到的的光信號分離離，輸出λs(1510nm)波波長的光監(jiān)控控信號和業(yè)務(wù)務(wù)信道光信號號。幀同步字字節(jié)、公務(wù)字字節(jié)和網(wǎng)管所所用的開銷字字節(jié)等都是通通過光監(jiān)控信信道來傳送的的。網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系系統(tǒng)通過光監(jiān)監(jiān)控信道物理理層傳送開銷銷字節(jié)到其他他結(jié)點(diǎn)或接收收來自其他結(jié)結(jié)點(diǎn)的開銷字字節(jié)對WDM系統(tǒng)進(jìn)行管管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)配置管理、、故障管理、、性能管理和和安全管理等等功能，并與與上層管理系系統(tǒng)(如TMN)相連。。目前國際上已已商用的系統(tǒng)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)現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率率，傳輸距離離達(dá)3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提提供的情況有有：①BellLabs:82路路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的的TrueWave(商標(biāo))光纖纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個波波帶聯(lián)合傳輸輸；②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利利用歸零信信號沿色散平平坦光纖，經(jīng)經(jīng)過增益寬度度為64nm的光纖放放大器，傳輸輸距離達(dá)1500km;③日本富士士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)經(jīng)過C和L波帶注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為為1570～～1620nm。，用用分布喇曼曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距距離達(dá)6×140km=840km;④日本NTT：30路×42.7Gb/s，利用用歸零信號，，經(jīng)過增益益寬度為50nm的光光纖放大器，，傳輸距離達(dá)達(dá)3×125km376km;⑤⑤美國LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波波長的間隔縮縮小到25GHz,利利用L波帶帶，沿NZDF光纖(G.655光光纖)傳輸400km;⑥美國Mciworldcom和和加拿大Nortel:100路路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在在C和L波帶帶傳輸4段，，約200km;⑦美國Qtera和和Qwest:兩個波波帶4路×10Gb/s和2路××10Gb/s沿NZDF光纖傳傳輸23×105km=2415km,這這個試驗(yàn)雖雖然WDM路路數(shù)不多，但但在陸地光纜纜中卻是最長長距離。7.2.3WDM技術(shù)的的主要特點(diǎn)1.充分利利用光纖的巨巨大帶寬資源源光纖具有巨大大的帶寬資源源(低損耗波波段)，WDM技術(shù)使一一根光纖的傳傳輸容量比單單波長傳輸增增加幾倍至幾幾十倍甚至幾幾百倍，從從而增加光纖纖的傳輸容量量，降低成本本，具有很大大的應(yīng)用價值值和經(jīng)濟(jì)價值值。2.同時傳傳輸多種不同同類型的信號號由于WDM技技術(shù)使用的各各波長的信道道相互獨(dú)立，，因而可以傳傳輸特性和速速率完全不同同的信號，完完成各種電信信業(yè)務(wù)信號的的綜合傳輸，，如PDH信信號和SDH信號，數(shù)字字信號和模擬擬信號，多種種業(yè)務(wù)(音頻頻、視頻、數(shù)數(shù)據(jù)等)的混混合傳輸?shù)??！?.節(jié)省線線路投資采用WDM技技術(shù)可使N個個波長復(fù)用起起來在單根光光纖中傳輸，，也可實(shí)現(xiàn)單單根光纖雙向向傳輸，在長長途大容量傳傳輸時可以節(jié)節(jié)約大量光纖纖。另外，對對已建成的光光纖通信系統(tǒng)統(tǒng)擴(kuò)容方便，，只要原系統(tǒng)統(tǒng)的功率余量量較大，就可可進(jìn)一步增容容而不必對原原系統(tǒng)作大的的改動。4.降低器器件的超高速速要求隨著傳輸速率率的不斷提高高，許多光電電器件的響應(yīng)應(yīng)速度已明顯顯不足，使用用WDM技術(shù)術(shù)可降低對一一些器件在性性能上的極高高要求，同時時又可實(shí)現(xiàn)大大容量傳輸。。5.高度的的組網(wǎng)靈活性性、經(jīng)濟(jì)性性和可靠性WDM技術(shù)有有很多應(yīng)用形形式，如長途途干線網(wǎng)、廣廣播分配網(wǎng)、、多路多址局局域網(wǎng)?？梢砸岳肳DM技術(shù)選擇路路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換和故故障恢復(fù)，從從而實(shí)現(xiàn)未來來的透明、靈靈活、經(jīng)濟(jì)濟(jì)且具有高度度生存性的光光網(wǎng)絡(luò)。7.2.4光光濾波器與光光波分復(fù)用器器在前面介紹耦耦合器時，已已經(jīng)簡單地介介紹了波分復(fù)復(fù)用器(WDM)。在這這一部分我們們將介紹各種種各樣的波長長選擇技術(shù)，，即光濾波波技術(shù)。光濾濾波器在WDM系統(tǒng)中是是一種重要元元器件，與與波分復(fù)用有有著密切關(guān)系系，常常用來來構(gòu)成各種各各樣的波分復(fù)復(fù)用器和解復(fù)復(fù)用器。圖7.10為為光濾波器的的三種應(yīng)用：：單純的濾波波應(yīng)用(圖7.10(a))、波分分復(fù)用/解復(fù)復(fù)用器中應(yīng)用用(圖7.10(b))和波長路由由器中應(yīng)用(圖7.10(c))。。波分復(fù)用器器和解復(fù)用器器主要用在WDM終端和和波長路由器器以及波長分分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)中。。波長路由器是是波長選路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中中的關(guān)鍵部件件，其功能能可由圖7.10(c)的例子說明明，它有兩個個輸入端口和和兩個輸出端端口，每路輸輸入都載有一一組λ1#,λ2#,λ3和λ4WDM信號。。如果用λij來標(biāo)記第i輸入鏈路上上的波長λj,則路由由器的輸入端端口1上的波波長記為λ11、λ12、λ13、λ14,輸入端口口2上的波長長記為λ21、λ22、λ23、λ24。在輸入端端口1上的波波長中，如果果λ12和λλ13由輸輸出端口1輸輸出，則λ11和λ14由輸出端口2輸出；在輸輸入端口2上上的波長中，，如果λ22和λ23由輸出端口2輸出，則λλ21和λ24由輸出端口1輸出，這樣樣，我們就稱稱路由器交換換了波長λ1和λ4。圖7.10光光濾波器的三三種應(yīng)用(a)單純純的濾波應(yīng)用用；(b)波分復(fù)用用器中應(yīng)用；；(c)波長路由由器中應(yīng)用在本本例中，波長長路由器只有有兩個輸入端端口和兩個輸輸出端口，每每一路上只只有4個波長長，但是在一一般情況下，，輸入和輸出出的端口數(shù)是是N(≥2)，并且每一一端口的波長長數(shù)是W(≥≥2)(參看看圖7.33)。如果一個波長長路由器的路路由方式不隨隨時間變化，，就稱為靜態(tài)態(tài)路由器；路路由方式隨時時間變化，則則稱之為動態(tài)態(tài)路由器。靜靜態(tài)路由器器可以用波分分復(fù)用器來構(gòu)構(gòu)成，如圖7.11所示示。波長分插復(fù)用用器可以看成成是波長路由由器的簡化形形式，它只有有一個輸入端端口和一個輸輸出端口，再再加上一個用用于分插波長長的本地端口口。對光濾波波器的主要要要求有：圖7.11由由波分復(fù)復(fù)用器構(gòu)成靜靜態(tài)路由器(1)一個個好的光濾波波器應(yīng)有較低低的插入損耗耗，并且損耗耗應(yīng)該與輸入入光的偏振態(tài)態(tài)無關(guān)。在大大多數(shù)系統(tǒng)中中，光的偏振振態(tài)隨機(jī)變化化，如果濾濾波器的插入入損耗與光的的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則則輸出光功功率將極其不不穩(wěn)定。(2)一一個濾波器器的通帶應(yīng)該該對溫度的變變化不敏感。。溫度系數(shù)數(shù)是指溫度每每變化1℃的的波長漂移。。一個WDM系統(tǒng)要求在在整個工作溫溫度范圍(大大約100℃℃)內(nèi)，波波長漂移應(yīng)該該遠(yuǎn)小于相鄰鄰信道的波長長間隔。(3)在在一個個WDM系系統(tǒng)中中，隨隨著級級聯(lián)的的濾波波器越越來越越多，，系系統(tǒng)的的通帶帶就變變得越越來越越窄。。為了了確保保在級級聯(lián)的的末端端還有有一個個相當(dāng)當(dāng)寬的的通帶帶，單單個濾濾波器器的通通帶傳傳輸特特性應(yīng)應(yīng)該是是平直直的，，以以便能能夠容容納激激光器器波長長的微微小變變化。。單個個濾波波器的的通帶帶的平平直程程度常常用1dB帶帶寬來來衡量量，如如圖7.12所所示。。圖7.12光光濾波波器的的1dB帶寬寬下面將將介紹紹一些些波長長選擇擇技術(shù)術(shù)及其其在WDM系統(tǒng)統(tǒng)中的的應(yīng)用用。1.光光柵柵光柵(Grating)廣泛泛地用用來將將光分分離為為不同同波長長的單單色光光。在在WDM系統(tǒng)統(tǒng)中，，光柵柵主要要用在在解復(fù)復(fù)用器器中，，以分分離出出各個個波長長。圖圖7.13是光光柵的的兩個個例子子，圖圖7.13(a)是是透射射光柵柵，圖圖7.13(b)是是反射射光柵柵。我們以以透射射光柵柵為例例來說說明光光柵的的基本本原理理。如如圖7.14所所示，，設(shè)兩兩個相相鄰縫縫隙間間的距距離即即柵距距為a,光光源源離光光柵平平面足足夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)(相相對于于a而而言)，入入射射角為為θi，衍衍射角角為θθd，，通過過兩相相鄰縫縫隙對對應(yīng)光光線的的光程程差由由()決定定，而而圖7.13光柵柵(a)透透射光光柵；；(b)反反射光光柵7.14透透射射光柵柵的工工作原原理光柵方方程為為a(sinθi-sinθd)=mλ其中m為整整數(shù)，，當(dāng)a和θθi一定時時，不不同的的θd對應(yīng)不不同的的波長長λ，，也就就是說說，像像面上上的不不同點(diǎn)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)不同同的波波長，，于是是可用用作WDM中的的解復(fù)復(fù)用器器。2.布布喇喇格光光柵布喇格格光柵柵(BraggGrating)廣廣泛用用于光光纖通通信之之中。。一一般情情況下下，傳傳輸媒媒質(zhì)的的周期期性微微擾可可以看看作是是布喇喇格光光柵；；這這種微微擾通通常引引起媒媒質(zhì)折折射率率周期期性的的變化化。半導(dǎo)體體激光光器使使用布布喇格格光波波導(dǎo)作作分布布反饋饋可以以獲得得單頻頻輸出出(如如DFB激激光器器)；；在光光纖中中，寫寫入布布喇格格光柵柵后可可以用用于光光濾波波器、、光分分插復(fù)復(fù)用器器和色色散補(bǔ)補(bǔ)償器器。設(shè)兩列列波沿沿著同同一方方向傳傳播，，其傳傳播常常數(shù)分分別為為β0和β1，如果果滿足足布喇喇格相相位匹匹配條條件：：其中ΛΛ為光光柵周周期，，則則一個個波的的能量量可以以耦合合到另另一個個波中中去。。在反射射型濾濾波器器中，，我們們假設(shè)設(shè)傳播播常數(shù)數(shù)為ββ0的光波波從左左向右右傳播播，如如果滿滿足條條件：：則這個個光波波的能能量可可以耦耦合到到沿它它的反反方向向傳播播的具具有相相同波波長的的反射射光中中去。。設(shè)ββ0=2ππneff/λ0，其中中λ0為輸入入光的的波長長，neff為波導(dǎo)導(dǎo)或光光纖的的有效效折射射率。。也就就是說說，如如果λλ0=2neffΛ，光光波將將發(fā)生生反射射，這這個波波長λλ0就稱作作布喇喇格波波長。。隨隨著入入射光光波的的波長長偏離離布喇喇格波波長，，其反反射率率就會會降低低，如如圖圖7.15(a)所所示。。如果果具有有幾個個波長長的光光同時時傳輸輸?shù)焦夤饫w布布喇格格光柵柵上，，則只只有波波長等等于布布喇格格波長長的光光才反反射，，而其其它的的光全全部透透射。。圖7.15(a)中中的功功率反反射譜譜是針針對折折射率率均勻勻周期期性變變化的的光柵柵而言言的，，為了了消除除不需需要的的旁瓣瓣，新新研制制成功功了一一種稱稱為變變跡光光柵(ApodizedGrating)的的光柵柵，它它與漸漸變折折射率率光纖纖有點(diǎn)點(diǎn)類似似，其其折射射率沿沿光柵柵纖芯芯到邊邊沿逐逐漸減減小，，變跡跡光柵柵的功功率反反射譜譜如圖圖7.15(b)所所示。。注意意變跡跡光柵柵旁瓣瓣的減減少是是以主主瓣加加寬為為代價價的。。圖7.15布喇喇格光光柵的的反射射譜(a)均均勻勻折射射率情情形；；(b)變變跡跡折射射率情情形3.光光纖纖光柵柵光纖光光柵(FiberGrating)是一一種非非常有有吸引引力的的全光光纖器器件，，其其用途途非常常廣泛泛，可可用作作光濾濾波器器、光光分插插復(fù)用用器和和色散散補(bǔ)償償器。。對于于全光光纖器器件，，其主主要優(yōu)優(yōu)點(diǎn)有有：插插入損損耗低低，易易于與與光纖纖耦合合，對對偏振振不敏敏感，，溫度度系數(shù)數(shù)低，，封裝裝簡單單，成成本也也較低低。利利用某某種特特殊光光纖的的光敏敏特性性，就就可在在光纖纖中寫寫入光光柵。。在在傳統(tǒng)統(tǒng)光纖纖的SiO2中摻入入少量量鍺(Ge)后后就具具有了了光敏敏特性性，再再由紫紫外(UV)光光照射射，就就可引引起光光纖纖纖芯的的折射射率變變化。。若用用兩束束相干干的紫紫外光光照射射摻雜雜后的的光纖纖纖芯芯，則則照射射光束束的強(qiáng)強(qiáng)度將將沿著著光纖纖長度度方向向周期期性地地變化化，強(qiáng)強(qiáng)度高高的地地方纖纖芯折折射率率增加加，強(qiáng)強(qiáng)度低低的地地方纖纖芯折折射率率幾乎乎無任任何變變化，，這樣樣就在在光纖纖中寫寫入了了光柵柵。形成光光柵所所要求求的折折射率率變化化是極極低的的，大大約為為10-4。也也可以以使用用位相相版(phasemask)來來寫入入光柵柵。位位相版版是一一種光光衍射射元件件，當(dāng)當(dāng)用光光束照照射它它時，，它將將光束束分離離成各各個不不同的的衍射射級，，這這些衍衍射級級相互互干涉涉就可可將光光柵寫寫入光光纖。。光纖纖光光柵柵可可以以分分為為短短周周期期(shortperiod)光光纖纖光光柵柵和和長長周周期期(longperiod)光光纖纖光光柵柵。。短短周周期期光光纖纖光光柵柵也也稱稱光光纖纖布布喇喇格格光光柵柵，，其其周周期期可可以以和和光光波波長長相相比比較較，，典典型型值值大大約約0.5μμm；；長長周周期期光光纖纖光光柵柵的的周周期期比比光光波波長長大大得得多多，，從從幾幾百百微微米米到到幾幾毫毫米米不不等等。。光光纖纖布布喇喇格格光光柵柵(FBG：：FiberBraggGrating)是是一一種種反反射射型型光光纖纖光光柵柵，，光光柵柵使使正正向向傳傳輸輸模模(單單模模光光纖纖中中即即為為基基模模)同同反反向向傳傳輸輸模模之之間間發(fā)發(fā)生生耦耦合合，，光光柵柵的的波波矢矢應(yīng)應(yīng)等等于于傳傳輸輸模模波波矢矢的的2倍倍，，也也就就是是說說，，光光柵柵的的周周期期應(yīng)應(yīng)等等于于傳傳輸輸光光波波在在光光纖纖內(nèi)內(nèi)部部的的波波長長的的一一半半，，這這種種光光纖纖光光柵柵只只對對在在布布喇喇格格波波長長及及其其附附近近很很窄窄的的波波長長范范圍圍內(nèi)內(nèi)的的光光發(fā)發(fā)生生反反射射，，而而不不影影響響其其它它波波長長的的光光通通過過。。光纖纖布布喇喇格格光光柵柵的的特特點(diǎn)點(diǎn)是是損損耗耗低低(0.1dB左左右右)，，波波長長準(zhǔn)準(zhǔn)確確度度高高(可可達(dá)達(dá)±±0.05nm)，，鄰鄰近近信信道道串串?dāng)_擾抑抑制制較較高高(可可達(dá)達(dá)40dB)以以及及通通帶帶頂頂部部平平坦坦。。由由于于光光纖纖長長度度隨隨溫溫度度變變化化稍稍微微有有些些變變化化，，光光纖纖布布喇喇格格光光柵柵的的溫溫度度系系數(shù)數(shù)的的典典型型值值為為1.25××10-2nm/℃℃。。這這太太高高了了!但但這這可可以以通通過過采采用用負(fù)負(fù)熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)的的材材料料封封裝裝來來改改善善，，改改善善過過的的光光柵柵的的溫溫度度系系數(shù)數(shù)大大約約為為0.07××10-2nm/℃℃，，這這意意味味著著在在整整個個工工作作溫溫度度范范圍圍(100℃℃)內(nèi)內(nèi)，，中中心心波波長長的的漂漂移移可可以以小小到到0.07nm。。在在WDM系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，光光纖纖布布喇喇格格光光柵柵可可用用作作濾濾波波器器、、光光分分插插復(fù)復(fù)用用器器和和色色散散補(bǔ)補(bǔ)償償器器(DispersionCompensator)。。圖圖7.16(a)是是一一個個簡簡單單的的光光分分器器，，由由一一個個三三端端口口光光環(huán)環(huán)行行器器和和一一個個光光纖纖布布喇喇格格光光柵柵構(gòu)構(gòu)成成，，由由光光柵柵反反射射回回來來的的波波長長λλ2從環(huán)環(huán)行行器器的的端端口口3取取出出，，余余下下的的波波長長繼繼續(xù)續(xù)前前行行。。在在上上面面簡簡單單的的光光分分器器的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上加加上上一一個個耦耦合合器器，，就就可可以以實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)光光的的分分插插功功能能，，如如圖圖7.16(b)所所示示。。圖7.16基基于于光光纖纖光光柵柵結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的光光分分插插復(fù)復(fù)用用器器(a)簡簡單單光光分分；；(b)光光分分插插長周期光光纖光柵柵的工作作原理與與光纖布布喇格光光柵稍微微有些不不同。在在光纖布布喇格光光柵中，，纖芯中中正向傳傳輸模的的能量耦耦合到反反向傳輸輸模上；；而在長長周期光光纖光柵柵中，纖纖芯中正正向傳輸輸模的能能量耦合合到包層層里的正正向傳輸輸模上，，包層模模沿著光光纖傳輸輸時極容容易消逝逝掉，因因此相應(yīng)應(yīng)波長位位置的光光波被衰衰減，出出現(xiàn)一些些損耗峰峰。設(shè)設(shè)纖芯中中模的傳傳輸常數(shù)數(shù)(假定定為單模模光纖)為β，，p階階包層模模的傳輸輸常數(shù)為為βpc，相位位匹配條條件為|β-ββpc|=其中Λ為為光柵周周期。一一般情況況下，兩兩個正向向傳輸模模的傳輸輸常數(shù)相相差很小小，為了了發(fā)生耦耦合，通通常要求求Λ是一一個相當(dāng)當(dāng)大值，，一般般為幾百百微米以以上(光光纖布喇喇格光柵柵大約為為0.5μm)。設(shè)纖芯和和p階包包層模的的有效折折射率分分別為neff和npeff，由公式式β=2πneff/λ可得得：當(dāng)滿滿足λ=Λ(neff-npeff)時，λλ為光波波長，纖纖芯模模的能量量便耦合合到包層層模上去去。因因此，如如果我們們知道了了傳輸光光的波長長和纖芯芯、包層層模的有有效折射射率，就就可以設(shè)設(shè)計合適適Λ值的的長周期期光柵來來滿足各各種需要要。長周周期光纖纖光柵的的制作方方法與光光纖布喇喇格光柵柵相同。。圖7.17是長周周期光纖纖光柵的的傳輸譜譜，特特別適合合用作帶帶阻濾波波器，主主要用于于摻鉺光光纖放大大器(EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier)中中作濾波波器，使使EDFA增益益平坦化化。圖7.17長長周周期光纖纖光柵的的透射譜譜4.法法布里-珀羅濾濾波器法布里-珀羅(FP:FabryPerot)濾波波器是由由兩塊平平行放置置的高反反射率的的鏡面形形成的腔腔構(gòu)成的的，如圖圖7.18所示示。這種種濾波器器也叫FP干干涉儀，，輸入光光垂直到到達(dá)第一一個鏡面面，從第第二個鏡鏡面出來來的光就就是輸出出。這個個器件傳傳統(tǒng)上用用作干涉涉儀，現(xiàn)現(xiàn)在也用用在WDM系統(tǒng)統(tǒng)中作濾濾波器。。F-Ｐ濾濾波器的的功率傳傳遞函數(shù)數(shù)TFP(f)與與光的頻頻率f有有關(guān)：TFP(f)=圖7.18FP濾波波器若用自由由空間波波長λ表表示，則則TFP(λ)=這里A表表示每個個鏡面的的吸收損損耗，R為每個個鏡面的的反射率率(假設(shè)設(shè)兩個鏡鏡相同)，光在在腔內(nèi)單單程傳播播的時延延為τ，，腔內(nèi)介介質(zhì)的折折射率為為n，腔腔長為為l,因因此ττ=nl/c，，c為真真空中光光速。A=0及及R=0.75、0.9和0.99時FP濾波器器的功率率傳遞函函數(shù)如圖圖7.19所示示。反射射率R越越大，相相鄰信道道的隔離離就越好好。圖7.19FP濾濾波器器的功率率傳遞函函數(shù)率傳遞函函數(shù)TFP(f)是是頻率f的周期期函數(shù)，，當(dāng)f滿滿足fττ=k/2，k為正整整數(shù)時，，傳遞函函數(shù)TFP(f)的的值處在在波峰(通帶)上。FP濾波器的的兩個緊緊鄰的通通帶之間間的光譜譜范圍稱稱作自由由光譜范范圍(FSR：：FreeSpectralRange)，用FWHM表示傳傳遞函數(shù)數(shù)的半高高寬，比比值FSR/FWHM稱作FP濾波波器的精精細(xì)度(F:Finesse),則F-P濾濾波器選選擇不同同的波長長時一般般有兩種種方法：：一種是是改變腔腔的長度度；另一一種是改改變腔內(nèi)內(nèi)介質(zhì)的的折射率率。改變變腔長有有機(jī)械移移鏡和用用壓電材材料(PZT)兩種辦辦法。5.多多層介質(zhì)質(zhì)薄膜濾濾波器薄膜諧振振腔濾波波器(ThinFilmResonantCavityFilter)也也是一個個F-P干涉儀儀，只不不過其反反射鏡是是采用多多層介質(zhì)質(zhì)薄膜而而已，常常稱為為多層介介質(zhì)薄膜膜濾波器器(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。這這種濾波波器用作作帶通濾濾波器，，只允許許特定波波長的光光通過而而讓其它它所有波波長的光光反射，，腔的長長度決定定要通過過的波長長。薄薄膜諧振振多腔濾濾波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)的的結(jié)構(gòu)如如圖7.20所所示，由由反射介介質(zhì)薄膜膜隔開的的兩個或或多個腔腔構(gòu)成。。改成成多腔后后與單腔腔相比，，通帶頂頂部更加加平坦，，邊緣更更為尖銳銳，如圖圖7.21所示示。這種種濾波器器多個級級聯(lián)后，，就可以以做成波波分復(fù)用用器，如如圖7.22所所示。。由于這這種濾波波器通帶帶頂部平平坦，邊邊緣尖尖銳，溫溫度變化化時性能能穩(wěn)定，，插入損損耗低，，對光的的偏振不不敏感，，所以在在系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用中是是非常有有吸引力力的，如如今已經(jīng)經(jīng)廣泛用用在商業(yè)業(yè)系統(tǒng)中中。圖7.20三三腔介介質(zhì)薄膜膜諧振腔腔濾波器器圖7.21單單腔、、雙腔腔、三三腔介質(zhì)質(zhì)薄膜濾濾波器的的傳輸譜譜圖7.22基基于于多層介介質(zhì)薄膜膜濾波器器的波分分復(fù)用/解復(fù)用用器6.馬馬赫-曾曾德爾干干涉儀馬赫-曾曾德爾干干涉儀(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩兩條不同同長度的的干涉路路徑來決決定不同同的波長長輸出。。MZI通常以以集成光光波導(dǎo)的的形式出出現(xiàn)，即即用兩個個3dB定向向耦合器器來連接接兩條不不同長度度的光通通路，如如圖7.23(a)所所示，襯襯底通常常采用硅硅(Si)，波波導(dǎo)區(qū)區(qū)采用二二氧化硅硅(SiO2)。一一個MZI可用用圖7.23(b)表表示。MZI可可用來作作濾波器器和波分分復(fù)用器器。雖然然多層介介質(zhì)薄膜膜濾波器器在窄帶帶濾波方方面性能能較好，，但在寬寬帶濾波波方面MZI非非常有用用，例如如用來分分開1.31μμm和和1.55μμm兩個個波長的的光信號號。當(dāng)然然，通過過級聯(lián)幾幾個MZI也可可以做成成窄帶濾濾波器，，如圖圖7.23(c)所示示，但是是這將導(dǎo)導(dǎo)致?lián)p耗耗大大增增加。圖7.23馬馬赫赫-曾德德爾干涉涉儀(MZI)(a)結(jié)結(jié)構(gòu)圖圖；(b)方方框圖圖；(c)四四級MZIMZI可可用來作作濾波器器和波分分復(fù)用器器。雖然然多層介介質(zhì)薄膜膜濾波器器在窄帶帶濾波方方面性能能較好，，但在寬寬帶濾波波方面MZI非非常有用用，例如如用來分分開1.31μμm和1.55μm兩兩個波長長的光信信號。當(dāng)當(dāng)然，通通過級聯(lián)聯(lián)幾個MZI也也可以做做成窄帶帶濾波器器，如圖圖7.23(c)所示示，但是是這將導(dǎo)導(dǎo)致?lián)p耗耗大大增增加。從從原理上上講，級級聯(lián)幾個個MZI后性能能較好，，但是在在實(shí)際工工作中存存在波長長隨溫度度和時間間的變化化而漂移移的現(xiàn)象象，串?dāng)_擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如理理想情況況，級級聯(lián)后的的窄帶MZI的的通帶不不平坦，，相反地地，多層層介質(zhì)多多腔薄膜膜濾波器器的通帶帶和阻帶帶都比較較平坦。?，F(xiàn)在簡單單分析MZI的的工作原原理?？伎紤]MZI作為為一個解解復(fù)用器器的情況況。這時時只有一一個輸入入，假設(shè)設(shè)從輸入入端口1輸入，，經(jīng)過第第一個定定向耦合合器后，，功率平平均分配配到兩臂臂上，但但是在兩兩臂上的的信號有有了π/2的相相差，下下臂上上的信號號比上臂臂滯后ππ/2。。如果下臂臂與上臂臂的長度度差為ΔΔL，則則下臂信信號的相相位進(jìn)一一步滯后后βΔL,ββ為光在在MZI介質(zhì)中中的傳輸輸常數(shù)。。在第二二個定向向耦合器器的輸出出1處，，來自下下臂的信信號又比比來自上上臂的信信號延遲遲了π/2，因因此，在在輸出1處，兩兩信號總總的相位位差為+ββΔL+。。同同理，，在輸出出2處，，兩信號號總的相相位差為為+βΔΔL-=ββΔL。。在輸入入1的所所有波長長中，滿滿足βΔΔL=kπ(k為奇數(shù)數(shù))條件件的波長長，由輸輸出1輸輸出；滿滿足βΔΔL=kπ(k為偶數(shù)數(shù))條件件的波長長由輸出出2輸出出。而而β=,n為為介質(zhì)折折射率，，λ為光光波長，，通過適適當(dāng)設(shè)計計就可以以實(shí)現(xiàn)波波的解復(fù)復(fù)用。如如果兩臂臂長度差差為ΔL，只是是輸入1輸入，，則單單個MZI的功功率傳遞遞函數(shù)為為T11(f)T12(f)=其中f為光光頻率。。如果將MZI級級聯(lián)就構(gòu)構(gòu)成多級級馬赫-曾德爾爾干涉儀儀(MultistageMachZehnderInterferometer)。圖圖7.23(c)示出出4級馬馬赫-曾曾德爾干干涉儀，，其中中每個MZI以以及級聯(lián)聯(lián)后整個個4級MZI的的傳遞函函數(shù)曲線線如圖7.24所示。。(前4個個為每單單個MZI的傳傳遞函數(shù)數(shù)，最最后一個個為級聯(lián)聯(lián)后4級級MZI的傳遞遞函數(shù))圖圖7.24MZI的傳傳遞函數(shù)數(shù)前面討論論了MZI用作作1×2解復(fù)用用器情況況，由于于MZI是一種種互易器器件，因因此也可可用作2×1復(fù)復(fù)用器器。7.陣陣列波導(dǎo)導(dǎo)光柵陣列波導(dǎo)導(dǎo)光柵(AWG:ArrayedWaveguideGrating)是是MZI的推廣廣和一般般形式。。如圖7.25所示示，它由由兩個多多端口耦耦合器和和連接它它們的陣陣列波導(dǎo)導(dǎo)構(gòu)成。。AWG可用作作n××1波分分復(fù)用器器和1××n波分分解復(fù)用用器。與與多級MZI相相比，AWG損損耗低，，通帶平平坦，容容易集成成在一塊塊襯底上上。AWG也可可用作靜靜態(tài)波長長路由器器，如圖圖7.26所示示。圖7.25陣陣列列波導(dǎo)光光柵(AWG)圖7.26基基于于AWG的靜態(tài)態(tài)波長路路由器下面我們們簡單地地分析一一下AWG的工工作原理理。設(shè)AWG的的輸入端端口數(shù)和和輸出端端口數(shù)均均為n，，輸入耦耦合器為為n×m形式，，輸出耦耦合器為為m×n形式，，輸入和和輸出耦耦合器之之間由m個波導(dǎo)導(dǎo)連接，，每相相鄰波導(dǎo)導(dǎo)的長度度差均為為ΔL。。MZI是AWG在n=m=2情情形下的的特例。。輸入耦耦合器將將某個輸輸入端口口的輸入入信號分分成m部部分，它它們之間間的相對對相位由由從輸入入波導(dǎo)到到陣列波波導(dǎo)在輸輸入耦合合器中傳傳輸?shù)木嗑嚯x來決決定，輸輸入波導(dǎo)導(dǎo)i和陣陣列波導(dǎo)導(dǎo)k之間間的距離離用dinik表示，陣陣列波導(dǎo)導(dǎo)k的長長度比陣陣列波導(dǎo)導(dǎo)(k-1)的的長度長長ΔL，，同樣樣，陣列列波導(dǎo)k和輸出出波導(dǎo)j之間的的距離用用doutkj表示。。因此此，光光信信號從從輸入入波導(dǎo)導(dǎo)i到到輸出出波導(dǎo)導(dǎo)j，，經(jīng)歷歷了i與j之間間m條條不同同通路路后的的相對對相位位為其中n1為輸入入和輸輸出耦耦合器器的折折射率率，n2為陣列列波導(dǎo)導(dǎo)的折折射率率，λλ為光光信號號的波波長。。在輸輸入波波導(dǎo)i的光光信號號的波波長中中，滿滿足足Φijk為2ππ的整整數(shù)倍倍的波波長將將在輸輸出波波導(dǎo)j輸出出。于于是，，通過過適當(dāng)當(dāng)設(shè)計計，可可以做做成1×n波分分解復(fù)復(fù)用器器和n×1波分分復(fù)用用器。。如如果設(shè)設(shè)計輸輸入耦耦合器器和輸輸出耦耦合滿滿足dinik=dini+kδδini和doutkj=doutj+kδoutj在輸入入波導(dǎo)導(dǎo)i輸輸入的的那些些波長長中若若滿足足:n1δini+n2ΔL+n1δoutj=pλλ，p為整整數(shù)，，則波波長為為λ的的光將將在輸輸出波波導(dǎo)j輸出出。8.聲聲光光可調(diào)調(diào)諧濾濾波器器聲光可可調(diào)諧諧濾波波器(AOTF:AcoustoOpticTunableFilter)是是一種種多用用途器器件，，是目目前已已知的的惟一一能夠夠同時時選擇擇多個個波長長的可可調(diào)諧諧濾波波器，，并且且可用用來構(gòu)構(gòu)造波波長路路由器器。AOTF的的基本本原理理是聲聲與光光的相相互作作用，，圖7.27是是AOTF的集集成光光波導(dǎo)導(dǎo)形式式。一一個個簡化化的AOTF如如圖7.28所所示，，波導(dǎo)導(dǎo)材料料是一一種雙雙折射射物質(zhì)質(zhì)，僅僅能支支持最最低階階TE模和和TM模。。假設(shè)設(shè)輸入入光完完全是是TE模，，一一個只只能選選擇TM模模的偏偏振器器放在在波導(dǎo)導(dǎo)的輸輸出端端。如如果在在被選選擇的的波長長附近近的一一個窄窄譜范范圍內(nèi)內(nèi)的光光能量量轉(zhuǎn)換換為TM模模式，，而其其余光光能量量仍保保持TE模模式，，這樣樣就可可以制制成一一個波波長選選擇性性濾波波器。。圖7.27集集成成光波波導(dǎo)AOTF圖7.28簡簡化的的AOTF一個簡簡化的的AOTF如圖圖7.28所示示，波波導(dǎo)材材料是是一種種雙折折射物物質(zhì)，，僅能能支持持最低低階TE模模和TM模模。假假設(shè)輸輸入光光完全全是TE模模，一一個只只能選選擇TM模模的偏偏振器器放在在波導(dǎo)導(dǎo)的輸輸出端端。如如果在在被選選擇的的波長長附近近的一一個窄窄譜范范圍內(nèi)內(nèi)的光光能量量轉(zhuǎn)換換為TM模模式，，而而其余余光能能量仍仍保持持TE模式式，這這樣就就可以以制成成一個個波長長選擇擇性濾濾波器器。這種濾濾波器器的實(shí)實(shí)現(xiàn)可可以通通過沿沿著光光波的的傳播播方向向或逆逆著光光波的的傳播播方向向發(fā)射射一列列聲波波來完完成。。聲波波傳播播引起起媒質(zhì)質(zhì)的密密度周周期性性變化化，其其變化化周期期等于于聲波波波長長，這這相當(dāng)當(dāng)于形形成了了一個個布喇喇格光光柵。。設(shè)TE和和TM模模的折折射率率分別別為nTE和nTM，當(dāng)當(dāng)滿足足布喇喇格條條件時，光光波從從一種種模式式耦合合到另另一種種模式式，其其中ΛΛ為聲聲波波波長，，λ為為光波波長。。滿足足布喇喇格條條件在在波長長λ附附近的的窄譜譜范圍圍內(nèi)的的光將將從TE模模轉(zhuǎn)換換為TM模模，如如果這這種器器件的的輸入入光只只是TE模模，輸輸出只只選擇擇TM模，，那么么就可可以作作為一一個窄窄帶濾濾波器器使用用。如果記記nTE-nTM=Δn，則則布喇喇格條條件可可寫為為λλ=Λ··ΔΔn(7.17)在LiNbO3晶體中中，ΔΔn=0.07。若若適當(dāng)當(dāng)選擇擇聲波波波長長Λ，，則經(jīng)