
光纤chap7.pptx
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第一章,ssss,概述,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第,7,章 光纤通信新技术,光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量,降低价格,满足社会需要。进入,20,世纪,90,年代以后,光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断涌现的领域。,本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术,如,光放大技术,光波分复用技术,光交换技术,光孤子通信,相干光通信,光时分复用技术和波长变换技术,等。,为什么要进行光信号放大?,7.1,光纤光放大器,光接收机,光发射机,电放大器,光,光,电,电,光放大器,光,光,早期:,现代:,光放大器,优点,缺点,小型化,容易与其它,半导体器件集成,性能与光偏振方向有关,,器件与光纤的耦合损耗大,半导体光放大器,(SOA),光纤光放大器,掺杂光纤放大器,拉曼光纤放大器,(,掺,铒,/,镨,/,铥,),Er,2,O,3,光纤放大,器,的实质是:,把工作物质制作成光纤形状的固体激光器,所以也称为,光纤激光器。,20,世纪,80,年代末期,波长为,1.55 m,的,掺铒,(Er),光纤放大器,(EDFA,:,Erbium Doped Fiber Amplifier),研制成功并投入实用,把光纤通信技术水平推向一个新高度,成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。,7.1.1,掺铒光纤放大器,(,EDFA),工作原理,EDFA,的工作机理基于,受激辐射,原理,从下图可以看到,在,掺铒光纤,(EDF),中,铒离子,(Er,3+,),存在容易形成,粒子数反转分布,的三个能级:,泵浦光,980 nm,基态(,0ev,),sp,=1s,泵浦光,1480 nm,受激辐射光(,1500,1600 nm,),亚稳态(,0.80ev/1530nm,),泵浦态(,1.27ev/980nm,),sp,=10ms,基态,亚稳态(,1530nm,),泵浦态(,980nm,),无辐射跃迁,粒子数反转分布,泵浦光,铒离子在,980nm,光泵浦下,受激吸收,演示,基态,信号光,受激辐射信号光放大,放大器噪声,亚稳态,泵浦态,铒离子在,1550nm,光信号下,受激辐射,演示,损耗或增益,(dbm/m),波长,/m,EDFA,的工作波长,1550nm,附近吸收和增益频谱,吸收,增益,吸收增益,吸收增益,EDFA,构成原理图,输入信号,光隔离器,波分复用器,泵浦,掺铒,光纤,光隔离器,输出信号,掺铒光纤,(EDF),和,高功率泵浦光源,是关键器件,,EDFA,的增益与掺铒光纤中铒离子浓度、光纤长度和直径有关,还与泵浦光源的光功率成正比。,7.1.2 EDFA,的构成和特性,波分复用器的是:,使泵浦光和信号光一同进入,EDF,中,对波分复用器基本要求:,插入损耗小,减少光能损失。,光隔离器的作用是,:,防止光反向传播,保证系统稳定工作和减小噪声,对光隔离器的的基本要求是:,插入损耗小,反射损耗大。,1.,同向泵浦,三种,泵浦掺铒光纤方式,泵浦光能量分布,输入端容易增益过饱和,引入的,量子噪声小,但是由于过饱和的存在使,转换效率较低。,信号光能量分布,2.,反向泵浦,泵浦光能量分布,两个分布相同不易发生增益饱和从而,转换效率较高,,但引入的,量子噪声大。,信号光能量分布,泵浦光能量分布,选择合适的泵浦功率可使光能量分布均匀,从而引入的,量子噪声很小,,同时也能达到,较高转换效率。,3.,双向泵浦,泵浦光功率,反向泵浦,双向泵浦,输,出,光,功,率,同向泵浦,(a),转换效率的比较,F,n,输出光功率,双向泵浦,反向泵浦,同向泵浦,(b),噪声系数与放大器输出功率的关系,不同泵浦方式下转换效率及噪声特性比较,随着输出功率的增加,粒子反转数将下降,结果是使噪声系数增大。,随着泵浦功率的增加,粒子反转数将上升,从而使输出光功率增大。,监视和,告警电路,泵浦监视,和控制电路,泵浦,LD,P,D,探测器,泵浦,LD,输入隔离器,输入,WDM,输出耦合器,输出隔离器,输出,WDM,掺铒,光纤,热 沉,光输入,5 V,0 V,5 V,电源,监视,激光器驱动输入,光输出,实用,EDFA,外形图及其构成方框图,7.1.3,掺铒光纤放大器的优点和应用,EDFA,的主要优点有:,工作波长正好落在光纤通信最佳波段,(1500,1600 nm),;其主体是一段光纤,(EDF),,与传输光纤的耦合损耗很小,可达,0.1 dB,。,增益高,,约为,30,40 dB;,饱和输出光功率大,约为,10,15 dBm,;增益特性与光偏振状态无关。,噪声指数小,,一般为,4,7 dB,;用于多信道传输时,隔离度大,无串扰,适用于波分复用系统。,频带宽,,在,1550 nm,窗口,频带宽度为,20,40 nm,,可进行多信道传输,有利于增加传输容量。,如果加上,1310 nm,掺镨光纤放大器,(PDFA),,频带可以增加一倍。,所以,“波分复用,+,光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。,1550 nm EDFA,在各种光纤通信系统中得到广泛应用,并取得了良好效果。,已经介绍过的副载波,CATV,系统,,WDM,或,OFDM,系统,相干光系统以及光孤子通信系统,都应用了,EDFA,,并大幅度增加了传输距离。,图,7.5(a),光纤放大器的应用形式,中继放大器,LD,PD,中继放大器,EDFA,的应用,归纳起来可以分为三种形式,如图,7.5,所示。,中继放大器,(,LA,:,Line Amplifier,)在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器,以延长干线网的传输距离),前置放大器,(,PA,:,Preamplifier),置于光接收机的前面,放大非常微弱的光信号,以改善接收灵敏度。作为前置放大器,对噪声要求非常苛刻。,后置放大器,(,BA,:,Booster Amplifier),置于光接收机的后面,以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高,而饱和输出光功率是主要参数。,图,7.5(b),光纤放大器的应用形式,前置放大器,和,后置放大器,LD,PD,后置放大器,前置放大器,光纤,7.2,光波分复用技术,随着人类社会信息时代的到来,对通信的需求呈现加速增长的趋势。,发展迅速的各种新型业务,(,特别是高速数据和视频业务,),对通信网的带宽,(,或容量,),提出了更高的要求。,为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求,产生了各种复用技术。,在光纤通信系统中除了大家熟知的,时分复用,(TDM),技术外,还出现了其他的复用技术,例如,光时分复用,(OTDM),、,光波分复用,(WDM),、,光频分复用,(OFDM),以及,副载波复用,(SCM),技术。,7.2.1,光波分复用原理,1.WDM,的概念,光波分复用,(WDM,:,Wavelength Division Multiplexing),技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。,光波分复用(,WDM,),的基本原理是:,在发送端将不同波长的光信号组合起来,(,复用,),,并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,在接收端又将组合波长的光信号分开,(,解复用,),,并作进一步处理,恢复出原信号后送入不同的终端,因此将此项技术称为,光波长分割复用,,简称,光波分复用技术,。,图,7.6,中心波长在,1.3 m,和,1.55 m,的硅光纤低损耗传输窗口,(,插图表示,1.55 m,传输窗口的多信道复用,),例:,这两个低损耗波长,窗口可以容纳,290,个,40-Gb/s PSK,信号,光纤的带宽有多宽?,如图,7.6,所示,在光纤的两个低损耗传输窗口:波长为,1.31 m(1.25,1.35m),的窗口,相应的带宽,(,|f|=|-c/,2,|,和,分别为中心波长和相应的波段宽度,,c,为真空中光速,),为,17700 GHz,;波长为,1.55 m(1.50,1.60 m),的窗口,相应的带宽为,12500 GHz,。,两个窗口合在一起,总带宽超过,30THz,。如果信道频率间隔为,10 GHz,,在理想情况下,一根光纤可以容纳,3000,个信道。,由于目前一些光器件与技术还不十分成熟,因此要实现光信道十分密集的,光频分复用,(OFDM),还较为困难。在这种情况下,人们把在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称为,密集波分复用,(DWDM,:,Dense Wavelength Division Multiplexing),。,目前该系统是在,1550 nm,波长区段内,同时用,8,,,16,或更多个波长在一对光纤上,(,也可采用单光纤,),构成的光通信系统,其中各个波长之间的间隔为,1.6 nm,、,0.8 nm,或更低,约对应于,200 GHz,100 GHz,或更窄的带宽。,WDM,、,DWDM,和,OFDM,在本质上没有多大区别,以往技术人员习惯采用,WDM,和,DWDM,来区分是,1310/1550 nm,简单复用还是在,1550 nm,波长区段内密集复用,但,目前在电信界应用时,都采用,DWDM,技术。,由于,1310/1550 nm,的复用超出了,EDFA,的增益范围,只在一些专门场合应用,所以,经常用,WDM,这个更广义的名称来代替,DWDM,。,WDM,技术对网络升级、发展宽带业务,(,如,CATV,,,HDTV,和,IP over WDM,等,),、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义,尤其是,WDM,加上,EDFA,更是对现代信息网络具有强大的吸引力。,目前,,“掺铒光纤放大器,(EDFA)+,密集波分复用,(WDM)+,非零色散光纤,(NZDSF,,即,G.655,光纤,)+,光子集成,(PIC)”,正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为,WDM,传输,我们就可以在这些,WDM,链路的交叉,(,结点,),处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的,光交叉连接设备,(OXC),,或进行光上下路的,光分插复用器,(OADM),,则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。,在这个光层中,相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来,形成一个跨越多个,OXC,和,OADM,的光通路,完成端到端的信息传送,并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放,这就是目前引人注目的、新一代的,WDM,全光网络。,2.WDM,系统的基本形式,光波分复用器和解复用器是,WDM,技术中的关键部件,将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为,复用器,(,也叫合波器,),。,反之,经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为,解复用器,(,也叫分波器,),。,从原理上讲,这种器件是互易的,(,双向可逆,),,即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用,就是复用器。,因此复用器和解复用器是相同的,(,除非有特殊的要求,),。,WDM,系统的基本构成主要有以下两种形式:,双纤单向传输,和,单纤双向传输。,(1),双纤单向传输。,单向,WDM,传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。,如图,7.7,所示,在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号,1,2,n,通过光复用器组合在一起,并在一根光纤中单向传输。,由于各信号是通过不同光波长携带的,因而彼此之间不会混淆。,在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开,完成多路光信号传输的任务。,反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。,波分解复用器,100 GHz,间隔的,WDM,信道频谱,图,7.8,单纤双向,WDM,传输,(2),单纤双向传输。,双向,WDM,传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图,7.8,所示,所用波长相互分开,以实现双向全双工的通信。,双向,WDM,系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素:,如为了抑制,多通道干扰,(MPI),,必须注意到光反射的影响、双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、,光监控信道,(OSC),传输和自动功率关断等问题,同时要使用双向光纤放大器。,所以双向,WDM,系统的开发和应用相对说来要求较高,但与单向,WDM,系统相比,双向,WDM,系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。,另外,通过在中间设置,光分插复用器,(OADM),或,光交叉连接器,(OXC),,可使各波长光信号进行合流与分流,实现波长的,上下路,(Add/Drop),和,路由分配,,这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况,合理地安排插入或分出信号。,3.,光波分复用器的性能参数,光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分,为了确保波分复用系统的性能,,对波分复用器的基本要求是:,插入损耗小,隔离度大,带内平坦,带外插入损耗变化陡峭,温度稳定性好,复用通路数多,尺寸小等,(1),插入损耗,插入损耗是指由于增加光波分复用器,/,解复用器而产生的附加损耗,定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比,即,其中,P,i,为发送进输入端口的光功率;,P,o,为从输出端口接收到的光功率。,(dB),(7.1),(2),串扰抑制度,串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道,并使该信道传输质量下降的影响程度,有时也可用隔离度来表示这一程度。对于解复用器,其中,P,i,是波长为,i,的光信号的输入光功率,,P,ij,是波长为,i,的光信号串入到波长为,j,信道的光功率。,(7.2),(7.3),其中,P,j,为发送进输入端口的光功率,,P,r,为从同一个输入端口接收到的返回光功率。,(3),回波损耗,回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比,即,(4),反射系数,反射系数是指在,WDM,器件的给定端口的反射光功率,P,r,与入射光功率,P,j,之比,即,(7.4),(5),工作波长范围,工作波长范围是指,WDM,器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围,(min,到,max),。,(6),信道宽度,信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。,(7),偏振相关损耗,偏振相关损耗,(PDL:Polarizationdependent Loss),是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。,7.2.2 WDM,系统的基本结构,实际的,WDM,系统主要由五部分组成:,光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统,,如下图所示。,光发射机,位于,WDM,系统的发送端。,在发送端首先将来自终端设备,(,如,SDH,端机,),输出的光信号,利用,光转发器,(OTU),把符合,ITU-T G.957,建议的非特定波长的光信号转换成符合,ITU-T G.692,建议的具有稳定的特定波长的光信号。,OTU,对输入端的信号波长没有特殊要求,可以兼容任意厂家的,SDH,信号,其输出端满足,G.692,的光接口,即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源;利用合波器合成多路光信号;通过,光功率放大器,(BA,:,Booster Amplifier),放大输出多路光信号。,用,掺铒光纤放大器,(EDFA),对光信号进行,中继放大,。,在应用时可根据具体情况,将,EDFA,用作,“线放,(LA,:,Line Amplifier)”,“,功放,(BA)”,和,“前放,(PA,:,Preamplifier)”,。,在,WDM,系统中,对,EDFA,必须采用,增益平坦技术,,使得,EDFA,对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时,还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况,保证光信道的增益竞争不影响传输性能。,在接收端,,光前置放大器,(PA),放大经传输而衰减的主信道光信号,分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。接收机不但要满足一般接收机对光信号,灵敏度、过载功率,等参数的要求,还要能承受有一定光噪声的信号。,光监控信道,(OSC,:,Optical Supervisory Channel),的主要功能是:,监控系统内各信道的传输情况,在发送端,插入本结点产生的波长为,s(1510 nm),的光监控信号,与主信道的光信号合波输出;在接收端,将接收到的光信号分离,输出,s(1510 nm),波长的光监控信号和业务信道光信号。,帧同步字节、公务字节,和,网管所用的开销字节,等都是通过光监控信道来传送的。,网络管理系统,通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对,WDM,系统进行管理,实现,配置管理、故障管理、性能管理和安全管理,等功能,并与上层管理系统相连。,波长计划,分类,简单,WDM,(简称,WDM,):,1310nm/1550nm,,用于,PON,接入网络,CWDM,(,Coarse WDM,):,传统的,CWDM:850nm,窗口,主要用于多模光纤的接入网中,WWDM(Wide WDM):10GE WAN,城域,CWDM:,主要用于城域网,DWDM(Dense WDM,)主要用于长距离传输系统,简单,WDM,:,主要用于采用单纤双向传输方式的光纤接入网中(如,PON,),在上下行方向采用不同的波长,,1310nm,为上行波长(用户到中心局);,1550nm,为下行波长,(,用户到中心局,),。,采用熔融光纤波分复用器实现波长的复用,/,解复用,Downstream 1550nm,Upstream 1310nm,CWDM-,传统,CWDM,20,世纪,80,年代提出,用于,850nm,传输窗口的多模光纤局域网(如:视频分配网,双向单纤网络等),波长间隔,25nm,20,世纪,90,年代后期,随着,10G,以太网技术的兴起,采用,850,窗口的,4,波长传送,10GE,被列入,10GE LAN,的标准之一(,IEEE802.3),CWDM,-,WWDM,:,IEEE802.3 10GE WAN,标准之一:,多模光纤,,1310nm,窗口,,间隔为,25nm,的,4,个光波长信道,,单信道速率,3.125Gb/s,,,传输距离,10km.,CWDM,-,城域,CWDM,随着,DWDM,技术在长距离通信中的应用。宽带城域网络问题逐渐成为通信网络的瓶颈。宽带、灵活及低成本是城域网追求的主要目标。采用,CWDM,技术是实现这一目标的有效手段。,ITU-T G.694.2,规定了城域,CWDM,的波长分配方案,DWDM,ITU-T G.694.1,规定了,DWDM,的波长分配方案,波长间隔包括,200GHz,100GHz,50GHz,目前长距离系统主要使用,C-band(1530nm1565mn),和,L-band(1565nm1625nm),的波长,ITU,T DWDM,标称波长,频率,(THz),波长,(nm),频率,(THz),波长,(nm),频率,(THz),波长,(nm),196.100 1528.77 194.800 1538.98 193.500 1549.32,196.000 1529.55 194.700 1539.77 193.400 1550.12,195.900 1530.33 194.600 1540.56 193.300 1550.92,195.800 1531.12 194.500 1541.35 193.200 1551.72,195.700 1531.90 194.400 1542.14,193.100 1552.52,195.600 1532.68 194.300 1542.94 193.000 1553.33,195.500 1533.47 194.200 1543.73 192.900 1554.13,195.400 1534.25 194.100 1544.53 192.800 1554.94,195.300 1535.04 194.000 1545.32 192.700 1555.75,195.200 1535.82 193.900 1546.12 192.600 1556.55,195.100 1536.61 193.800 1546.92 192.500 1557.36,195.000 1537.40 193.700 1547.72 192.400 1558.17,194.900 1538.19 193.600 1548.51 192.300 1558.98,频 率 间 隔,=100GHz,波 长 间 隔 约,0.8nm 192.200 1559.79,192.100 1560.61,WDM,系统波长信道中心频率,目前国际上已商用的系统有:,42.5 Gb/s(10 Gb/s),82.5 Gb/s(20 Gb/s),162.5 Gb/s(40 Gb/s),402.5 Gb/s(100 Gb/s),3210 Gb/s(320 Gb/s),4010 Gb/s(400 Gb/s),。,实验室已实现了,8240 Gb/s(3.28 Tb/s),的速率,传输距离达,3100 km=300 km,。,OFC2000(Optical Fiber Communication Conference),提供的情况有:,Bell Labs:,82,路,40 Gb/s=3.28 Tb/s,在,3100 km=300 km,的,True Wave(,商标,),光纤,(,即,G.655,光纤,),上,利用,C,和,L,两个波带联合传输;,C,波带为,1525,1565 nm,,,L,波带为,1570,1620 nm,。,日本,NEC:,16020 Gb/s=3.2 Tb/s,,利用归零信号沿色散平坦光纤,经过增益宽度为,64 nm,的光纤放大器,传输距离达,1500 km;,日本富士通,(Fujitsu):,128,路,10.66 Gb/s,,经过,C,和,L,波带注:,用分布喇曼放大,(DRA:Distributed Raman Amplification),传输距离达,6140 km=840 km;,日本,NTT,:,30,路,42.7 Gb/s,,利用归零信号,经过增益宽度为,50 nm,的光纤放大器,传输距离达,3125 km=375 km;,美国,Lucent Tech:,100,路,10 Gb/s=1 Tb/s,,各路波长的间隔缩小到,25 GHz,利用,L,波带,沿,NZDF,光纤,(G.655,光纤,),传输,400 km;,美国,Mciworldcom,和加拿大,Nortel:,100,路,10 Gb/s=1 Tb/s,,沿,NZDF,光纤在,C,和,L,波带传输,4,段,约,200 km;,美国,Qtera,和,Qwest:,两个波带,4,路,10 Gb/s,和,2,路,10 Gb/s,沿,NZDF,光纤传输,23105 km=2415 km,这个试验虽然,WDM,路数不多,但在陆地光缆中却是最长距离。,2006,年,6,月,烽火科技所承担的国家,863,计划重大科研项目“,3Tnet,可扩展到,8040G DWDM,传输系统设备工程化与试验”成功通过国家科技部的鉴定验收。烽火科技开通了世界上第一条,8040Gb/s DWDM,工程,“,上海杭州”国家一级干线,实现了单对,光纤,传输的最大容量,3.2Tb/s,。,7.2.3 WDM,技术的主要特点,1.,充分利用光纤的巨大带宽资源,光纤具有巨大的带宽资源,(,低损耗波段,),,,WDM,技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍,从而增加光纤的传输容量,降低成本,具有很大的应用价值和经济价值。,2.,同时传输多种不同类型的信号,由于,WDM,技术使用的各波长的信道相互独立,因而可以传输特性和速率完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合传输,如,PDH,信号和,SDH,信号,数字信号和模拟信号,多种业务,(,音频、视频、数据等,),的混合传输等。,3.,节省线路投资,采用,WDM,技术可使,N,个波长复用起来在单根光纤中传输,也可实现单根光纤双向传输,在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外,对已建成的光纤通信系统扩容方便,只要原系统的功率余量较大,就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。,4.,降低器件的超高速要求,随着传输速率的不断提高,许多光电器件的响应速度已明显不足,使用,WDM,技术可降低对一些器件在性能上的极高要求,同时又可实现大容量传输。,5.,高度的组网灵活性、经济性和可靠性,WDM,技术有很多应用形式,如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用,WDM,技术选择路由,实现网络交换和故障恢复,从而实现未来的透明、灵活、经济且具有高度生存性的光网络。,7.2.4,光滤波器与光波分复用器,在前面介绍耦合器时,已经简单地介绍了,波分复用器,(WDM),。,在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术,即,光滤波技术,。,光滤波器在,WDM,系统中是一种重要元器件,与波分复用有着密切关系,常常用来构成各种各样的,波分复用器和解复用器,。,图,7.10,为,光滤波器的三种应用:,单纯的滤波应用,(,图,7.10(a),波分复用,/,解复用器中应用,(,图,7.10(b),波长路由器中应用,(,图,7.10(c),。,波分复用器和解复用器主要用在,:,WDM,终端,波长路由器,波长分插复用器,(Wavelength Add/Drop Multiplexer,WADM),l,1,光滤波器,图,7.10(a),单纯的滤波应用,l,1,l,2,l,3,l,4,l,l,l,2,3,4,波分复用器,l,1,l,2,l,3,l,4,图,7.10(b),波分复用器中应用,l,1,l,2,l,3,l,4,图,7.10(c),波长路由器中应用,波长路由器,l,1,l,2,l,3,l,4,l,1,l,2,l,3,l,4,1,1,1,1,2,2,2,2,l,1,l,2,l,3,l,4,2,1,1,2,l,1,l,2,l,3,l,4,1,2,2,1,波长路由器,是,波长选路网络,(Wavelength Routing Network),中的关键部件,其功能可由图,7.10(c),的例子说明,它有两个输入端口和两个输出端口,每路输入都载有一组,1,2,3,和,4,WDM,信号。,如果用 来标记第,i,输入链路上的波长,j,则路由器的输入端口,1,上的波长记为 、,输入端口,2,上的波长记为 、。,在输入端口,1,上的波长中,如果 和 由输出端口,1,输出,则 和 由输出端口,2,输出;在输入端口,2,上的波长中,如果 和 由输出端口,2,输出,则 和 由输出端口,1,输出,这样,我们就称路由器交换了波长,1,和,4,。,在本例中,波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口,每一路上只有,4,个波长,但是在一般情况下,输入和输出的端口数是,N(2),,并且每一端口的波长数是,W(2)(,参看图,7.33),。,如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化,就称为,静态路由器,;路由方式随时间变化,则称之为,动态路由器,。,静态路由器可以用波分复用器来构成,如下图所示。,波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式,它只有一个输入端口和一个输出端口,再加上一个用于分插波长的本地端口。,对光滤波器的主要要求有:,(1),一个好的光滤波器应有较低的插入损耗,并且损耗应该与输入光的偏振态无关。,在大多数系统中,光的偏振态随机变化,如果滤波器的插入损耗与,光的偏振有关,(PDL:Polarization dependent Loss),则输出光功率将极其不稳定。,(2),一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。,温度系数是指温度每变化,1,的波长漂移。一个,WDM,系统要求在整个工作温度范围,(,大约,100),内,波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。,(3),在一个,WDM,系统中,随着级联的滤波器越来越多,系统的通带就变得越来越窄。,为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带,单个滤波器的通带传输特性应该是平直的,以便能够容纳激光器波长的微小变化。,单个滤波器的通带的平直程度常用,1dB,带宽来衡量,如图,7.12,所示。,图,7.12,光滤波器的,1 dB,带宽,下面将介绍一些,波长选择技术,及其在,WDM,系统中的应用。,1.,光栅,光栅,(Grating),广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。,在,WDM,系统中,光栅主要用在解复用器中,以分离出各个波长。,图,7.13,是光栅的两个例子,图,7.13(a),是,透射光栅,,图,7.13(b),是,反射光栅,。,图,7.13,光栅,(a),透射光栅;,(b),反射光栅,光栅平面,影像平面,l,2,l,1,q,d,1,q,d,2,q,i,l,1,l,2,光栅平面,影像平面,l,2,l,1,q,d,1,q,d,2,q,i,l,1,l,2,(a),(b),我们以透射光栅为例来说明光栅的基本原理。,如图,7.14,所示,设两个相邻缝隙间的距离即栅距为,a,光源离光栅平面足够远,(,相对于,a,而言,),,入射角为,i,,衍射角为,d,,通过两相邻缝隙对应光线的光程差由,(),决定,而,其中,m,为整数,当,a,和,i,一定时,不同的,d,对应不同的波长,,也就是说,像面上的不同点对应不同的波长,于是可用作,WDM,中的解复用器。,(7.5),光栅方程为,:,(7.6),7.14,透射光栅的工作原理,反射型光栅,2.,布喇格光栅,布喇格光栅,(Bragg Grating),广泛用于光纤通信之中。,一般情况下,传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅;这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。,半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出,(,如,DFB,激光器,),;在光纤中,写入布喇格光栅后可以用于,光滤波器,、,光分插复用器,和,色散补偿器,。,设两列波沿着同一方向传播,其传播常数分别为,0,和,1,,如果满足,布喇格相位匹配,条件:,其中,为光栅周期,则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。,在反射型滤波器中,我们假设传播常数为,0,的光波从左向右传播,如果满足条件:,(,7.7,),(,7.8,),则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。,设,0,=2n,eff,/,0,,其中,0,为输入光的波长,,neff,为波导或光纤的有效折射率。也就是说,如果,0,=2n,eff,,光波将发生反射,这个波长,0,就称作,布喇格波长,。,随着入射光波的波长偏离,布喇格波长,,其反射率就会降低,如图,7.15(a),所示。,如果具有几个波长的光同时传输到,光纤布喇格光栅,上,则只有波长等于,布喇格波长,的光才反射,而其它的光全部透射。,l,1,l,2,l,n,l,2,l,n,l,1,l,1,l,1,l,1,l,1,l,1,l,1,图,7.15(a),中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的,为了消除不需要的旁瓣,新研制成功了一种称为,变迹光栅,(Apodized Grating),的光栅,它与渐变折射率光纤有点类似,其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小,变迹光栅的功率反射谱如图,7.15(b),所示。,注意,:,变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。,图,7.15,布喇格光栅的反射谱,(a),均匀折射率情形;,(b),变迹折射率情形,3.,光纤光栅,光纤光栅,(Fiber Grating),是一种非常有吸引力的全光纤器件,其用途非常广泛,可用作,光滤波器,、,光分插复用器,和,色散补偿器。,对于全光纤器件,其主要优点有:,插入损耗低,易于与光纤耦合,对偏振不敏感,温度系数低,封装简单,成本较低,光纤光栅,紫外掩模写入法:,1.,用两束紫外光照射光纤并发生干涉,2.,掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加,3.,光栅永久写入光纤,光纤光栅可以分为,短周期,(shortperiod),光纤光栅,和,长周期,(longperiod),光纤光栅,。,短周期光纤光栅,也称,光纤布喇格光栅,,其周期可以和光波长相比较,典型值大约,0.5 m,;,长周期光纤光栅,的周期比光波长大得多,从几百微米到几毫米不等。,光纤布喇格光栅,(FBG,:,Fiber Bragg Grating),是一种反射型光纤光栅,光栅使,正向传输模,(,单模光纤中即为基模,),同,反向传输模,之间发生耦合,光栅的波矢应等于传输模波矢的,2,倍,也就是说,光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半,这种光纤光栅只对在,布喇格波长,及其附近很窄的波长范围内的光发生反射,而不影响其它波长的光通过。,光纤布喇格光栅,的特点是,:,损耗低,(0.1 dB,左右,),波长准确度高,(,可达,0.05 nm),邻近信道串扰抑制较高,(,可达,40 dB),以及通带顶部平坦,由于光纤长度随温度变化稍微有些变化,,光纤布喇格光栅,的温度系数的典型值为,1.2510-2nm/,。这个温度系数过高了,但这可以通过采用负热膨胀系数的材料封装来改善,改善过的光栅的温度系数大约为,0.0710-2 nm/,,这意味着在整个工作温度范围,(100),内,中心波长的漂移可以小到,0.07 nm,。,在,WDM,系统,中,,光纤布喇格光栅,可用作,滤波器、光分插复用器,和,色散补偿器,(Dispersion Compensator),。,图,7.16(a),是一个简单的光分器,由一个三端口光环行器和一个光纤布喇格光栅构成,由光栅反射回来的波长,2,从环行器的端口,3,取出,余下的波长继续前行。,在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器,就可以实现光的分插功能,如图,7.16(b),所示。,图,7.16(a),基于光纤光栅结构的光分插复用器简单光分;,l,1,l,2,l,3,l,4,1,1,3,光纤布喇格光栅,l,1,l,3,l,4,l,l,l,4,(a),2,l,2,3,l,2,图,7.16(b),基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插,l,2,3,l,1,l,2,l,3,l,4,1,(b),光纤布喇格光栅,2,l,2,l,1,l,3,l,4,耦合器,l,2,(,7.10,),4.,法布里,-,珀罗滤波器,法布里,-,珀罗,(FP:FabryPerot),滤波器,是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的,如图,7.18,所示。,这种滤波器也叫,F-P,干涉仪,,输入光垂直到达第一个镜面,从第二个镜面出来的光就是输出。这个器件传统上用作干涉仪,现在也用在,WDM,系统中作滤波器。,F-,滤波器的功率传递函数,TFP(f),与光的频率,f,有关:,图,7.18 F-P,滤波器,输入信号,F-P,滤波器,反射,图,7.19FP,滤波器的功率传递函数,F-P,滤波器选择不同的波长时一般有两种方法:,改变腔的长度,改变腔内介质的折射率。,改变腔长有,机械移镜,和,用压电材料,(PZT),两种办法。,(,7.12,),率传递函数,TFP(f),是频率,f,的周期函数,当,f,满足,f,=k/2,,,k,为正整数时,传递函数,TFP(f),的值处在波峰,(,通带,),上。,FP,滤波器的两个紧邻的通带之间的光谱范围称作,自由光谱范围,(FSR,:,Free Spectral Range),,用,FWHM,表示传递函数的半高宽,比值,FSR/FWHM,称作,FP,滤波器的,精细度,(F:Finesse),则,5.,多层介质薄膜滤波器,qq,薄膜谐振腔滤波器,(ThinFilm Resonant Cavity Filter),也是一个,F-P,干涉仪,只不过其反射镜是采用多层介质薄膜而已,常称为,多层介质薄膜滤波器,(Multilayer Dielectric ThinFilm Filter),。,这种滤波器用作带通滤波器,只允许特定波长的光通过而让其它所有波长的光反射,腔的长度决定要通过的波长。,图,7.20,三腔介质薄谐振腔 滤波器,薄膜谐振多腔滤波器,(ThinFilm Resonant Multicavity Filter),的结构如图,7.20,所示,由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成。,图,7.21,单腔、双腔、三腔介质薄膜滤波器的传输谱,改成多腔后与单腔相比,通带顶部更加平坦,- 配套讲稿:
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