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1、7.1光纤放大器光纤放大器7.2光波分复用技术光波分复用技术7.3光交换技术光交换技术7.4光孤子通信光孤子通信7.5相干光通信技术相干光通信技术7.6光时分复用技术光时分复用技术7.7波长变换技术波长变换技术第第7章章光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录第第7章章光纤通信新技术光纤通信新技术光光纤纤通通信信发发展展的的目目标标是是提提高高通通信信能能力力和和通通信信质质量量，降降低低价价格格，满满足足社社会会需需要要。进进入入20世世纪纪90年年代代以以后后，光光纤纤通通信信成成为为一一个个发发展展迅迅速速、技技术术更更新新快快、新新技技术术不不断涌现的领域。断涌现的领域。本本章章主主要要
2、介介绍绍一一些些已已经经实实用用化化或或者者有有重重要要应应用用前前景景的的新新技技术术，如如光光放放大大技技术术，光光波波分分复复用用技技术术，光光交交换换技技术术，光光孤孤子子通通信信，相相干干光光通通信信，光光时时分分复复用用技技术和波长变换技术等。术和波长变换技术等。7.1光光纤纤放放大大器器光光放放大大器器有有半半导导体体光光放放大大器器和和光光纤纤放放大大器器两两种种类类型型。半半导导体体光光放放大大器器的的优优点点是是小小型型化化，容容易易与与其其他他半半导导体体器器件件集集成成；缺缺点点是是性性能能与与光光偏偏振振方方向向有有关关，器器件件与与光光纤纤的的耦耦合合损损耗耗大大。
3、光光纤纤放放大大器器的的性性能能与与光光偏偏振振方方向向无无关关，器器件件与与光光纤纤的的耦耦合合损损耗很小，耗很小，因而得到广泛应用。因而得到广泛应用。光光纤纤放放大大器器实实际际上上是是把把工工作作物物质质制制作作成成光光纤纤形形状状的的固固体体激激光光器，所以也称为光纤激光器。器，所以也称为光纤激光器。20世世纪纪80年年代代末末期期，波波长长为为1.55m的的掺掺铒铒(Er)光光纤纤放放大大器器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研研制制成成功功并并投投入入实实用用，把把光光纤纤通通信信技技术术水水平平推推向向一一个个新新高高度度，成成为为光光纤纤通通信信发
4、展史上一个重要的里程碑。发展史上一个重要的里程碑。7.1.1掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA工作原理工作原理图图7.1掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理(a)硅光纤中铒离子的能级图；硅光纤中铒离子的能级图；(b)EDFA的吸收和增益频谱的吸收和增益频谱图图7.2掺铒光纤放大器的特性掺铒光纤放大器的特性(a)输输出出信信号号光光功功率率与与泵泵浦浦光光功功率率的的关关系系；(b)小小信信号号增增益益与与泵泵浦浦光光功功率率的的关关系系7.1.2掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性图图7.3光纤放大器构成方框图光纤放大器构成方框图(a)光纤放大器构成原理图；光纤放
5、大器构成原理图；(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图实用光纤放大器外形图及其构成方框图波波长长为为980nm的的泵泵浦浦光光转转换换效效率率更更高高，达达10dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。而且噪声较低，是未来发展的方向。掺掺铒铒光光纤纤(EDF)和和高高功功率率泵泵浦浦光光源源是是关关键键器器件件，把把泵泵浦浦光光与与信信号号光光耦耦合合在在一一起起的的波波分分复复用用器器和和置置于于两两端端防防止止光光反反射射的的光光隔离器也是不可缺少的。隔离器也是不可缺少的。对对泵泵浦浦光光源源的的基基本本要要求求是是大大功功率率和和长长寿寿命命。波波长长为为1480m的的InGaAsP
6、多多量量子子阱阱(MQW)激激光光器器，输输出出光光功功率率高高达达100mW,泵浦光转换为信号光效率在泵浦光转换为信号光效率在6dB/mW以上。以上。图图7.4掺铒光纤放大器增益、掺铒光纤放大器增益、噪声指数和输出光功率与输噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线入光功率的关系曲线EDFA有许多优点，并已得到广泛应用。EDFA的主要优点有：(1)工工作作波波长长正正好好落落在在光光纤纤通通信信最最佳佳波波段段(15001600nm)；其其主主体体是是一一段段光光纤纤(EDF)，与与传传输输光光纤纤的的耦耦合合损损耗耗很很小小，可可达达0.1dB。(2)增增益益高高，约约为为3040dB;饱
7、饱和和输输出出光光功功率率大大，约约为为1015dBm;增益特性与光偏振状态无关。增益特性与光偏振状态无关。(3)噪声指数小，一般为47dB;用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。(4)频频带带宽宽，在在1550nm窗窗口口，频频带带宽宽度度为为2040nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。可进行多信道传输，有利于增加传输容量。7.2光波分复用技术光波分复用技术在在光光纤纤通通信信系系统统中中除除了了大大家家熟熟知知的的时时分分复复用用(TDM)技技术术外外，还还出出现现了了其其他他的的复复用用技技术术，例例如如光光时时分分复复用用(OTDM)、光光波波分分复复用用(W
8、DM)、光光频频分分复复用用(OFDM)以以及及副副载载波波复复用用(SCM)技技术术。本本节节主主要要讲讲述述WDM技技术术。7.2.1光波分复用原理光波分复用原理1.WDM的概念的概念光光 波波 分分 复复 用用(WDM：Wavelength DivisionMultiplexing)技技术术是是在在一一根根光光纤纤中中同同时时传传输输多多个个波波长长光光信信号号的的一一项项技技术术。其其基基本本原原理理是是在在发发送送端端将将不不同同波波长长的的光光信信号号组组合合起起来来(复复用用)，并并耦耦合合到到光光缆缆线线路路上上的的同同一一根根光光纤纤中中进进行行传传输输，在在接接收收端端又又
9、将将组组合合波波长长的的光光信信号号分分开开(解解复复用用)，并并作作进进一一步步处处理理，恢恢复复出出原原信信号号后后送送入入不不同同的的终终端端，因因此此将将此此项项技技术术称称为为光光波波长长分分割割复用，复用，简称光波分复用技术。简称光波分复用技术。图图7.6中心波长在中心波长在1.3m和和1.55m的硅光纤低损耗传输窗口的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示插图表示1.55m传输窗口的多信道复用传输窗口的多信道复用)1500 1700 nm 1500 1700 nm 1500 1700 nm 1500 1700 nm 1300 1300 1300 1300 2.WDM系统的基本形式系统的基
10、本形式光光波波分分复复用用器器和和解解复复用用器器是是WDM技技术术中中的的关关键键部部件件，将将不不同同波波长长的的信信号号结结合合在在一一起起经经一一根根光光纤纤输输出出的的器器件件称称为为复复用用器器(也也叫叫合合波波器器)。反反之之，经经同同一一传传输输光光纤纤送送来来的的多多波波长长信信号号分分解解为为各各个个波波长长分分别别输输出出的的器器件件称称为为解解复复用用器器(也也叫叫分分波波器器)。从从原原理理上上讲讲，这这种种器器件件是是互互易易的的(双双向向可可逆逆)，即即只只要要将将解解复复用用器器的的输输出出端端和和输输入入端端反反过过来来使使用用，就就是是复复用用器器。因因此此
11、复复用用器器和解复用器是相同的和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：(1)双双纤纤单单向向传传输输。单单向向WDM传传输输是是指指所所有有光光通通路路同同时时在在一一根根光光纤纤上上沿沿同同一一方方向向传传送送。如如图图7.7所所示示，在在发发送送端端将将载载有有各各种种信信息息的的、具具有有不不同同波波长长的的已已调调光光信信号号1,2,n通通过过光光复复用用器器组组合合在在一一起起，并并在在一一根根光光纤纤中中单单向向传传输输。由由于于各各信信号号是是通通过过不不同同光光波波长长携携带带的的，因因而
12、而彼彼此此之之间间不不会会混混淆淆。在在接接收收端端通通过过光光解解复复用用器器将将不不同同波波长长的的信信号号分分开开，完完成成多多路路光光信信号号传传输输的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。的任务。反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。(2)单单纤纤双双向向传传输输。双双向向WDM传传输输是是指指光光通通路路在在一一根根光光纤纤上上同同时时向向两两个个不不同同的的方方向向传传输输。如如图图7.8所所示示，所所用用波波长长相相互互分分开开，以实现双向全双工的通信。以实现双向全双工的通信。双双向向WDM系系统统在在设设计计和和应应用用时时必必须须要要考考虑虑几几个个关关键键的的系
13、系统统因因素素，如如为为了了抑抑制制多多通通道道干干扰扰(MPI)，必必须须注注意意到到光光反反射射的的影影响响、双双向向通通路路之之间间的的隔隔离离、串串扰扰的的类类型型和和数数值值、两两个个方方向向传传输输的的功功率率电电平平值值和和相相互互间间的的依依赖赖性性、光光监监控控信信道道(OSC)传传输输和和自自动动功功率率关关断断等等问问题题，同同时时要要使使用用双双向向光光纤纤放放大大器器。所所以以双双向向WDM系系统统的的开开发发和和应应用用相相对对说说来来要要求求较较高高，但但与与单单向向WDM系系统统相相比比，双双向向WDM系系统统可可以以减减少少使使用用光光纤纤和和线线路路放放大器
14、的数量。大器的数量。另另外外，通通过过在在中中间间设设置置光光分分插插复复用用器器(OADM)或或光光交交叉叉连连接接器器(OXC)，可可使使各各波波长长光光信信号号进进行行合合流流与与分分流流，实实现现波波长长的的上上下下路路(Add/Drop)和和路路由由分分配配，这这样样就就可可以以根根据据光光纤纤通通信信线线路路和和光光网网的的业业务务量量分分布布情情况况，合合理理地地安安排插入或分出信号。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的性能参数光光波波分分复复用用器器是是波波分分复复用用系系统统的的重重要要组组成成部部分分，为为了了确确保保波波分分复复用用系系统统的的性性能
15、能，对对波波分分复复用用器器的的基基本本要要求求是是：插插入入损损耗耗小小，隔隔离离度度大大，带带内内平平坦坦，带带外外插插入入损损耗耗变变化化陡陡峭峭，温温度度稳稳定定性好，复用通路数多，尺寸小等。性好，复用通路数多，尺寸小等。(1)插插入入损损耗耗。插插入入损损耗耗是是指指由由于于增增加加光光波波分分复复用用器器/解解复复用用器器而而产产生生的的附附加加损损耗耗，定定义义为为该该无无源源器器件件的的输输入入和和输输出出端端口之间的光功率之比，即口之间的光功率之比，即=10lg其中其中P0为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口接为从输出端口接收到的光功率。收到的
16、光功率。(2)串串扰扰抑抑制制度度。串串扰扰是是指指其其他他信信道道的的信信号号耦耦合合进进某某一一信信道道，并并使使该该信信道道传传输输质质量量下下降降的的影影响响程程度度，有有时时也也可可用用隔隔离离度度来表示这一程度。来表示这一程度。对于解复用器对于解复用器其其中中Pi是是波波长长为为i的的光光信信号号的的输输入入光光功功率率，Pij是是波波长长为为i的光信号串入到波长为的光信号串入到波长为j信道的光功率。信道的光功率。(3)回回波波损损耗耗。回回波波损损耗耗是是指指从从无无源源器器件件的的输输入入端端口口返返回的光功率与输入光功率的比，即回的光功率与输入光功率的比，即RL=-10(7.
17、3)其其中中Pj为为发发送送进进输输入入端端口口的的光光功功率率，Pr为为从从同同一一个个输输入入端端口接收到的返回光功率。口接收到的返回光功率。(4)反反射射系系数数。反反射射系系数数是是指指在在WDM器器件件的的给给定定端端口口的的反反射光功率射光功率Pr与入射光功率与入射光功率Pj之比，即之比，即R=10(7.4)(5)工工作作波波长长范范围围。工工作作波波长长范范围围是是指指WDM器器件件能能够够按按照规定的性能要求工作的波长范围照规定的性能要求工作的波长范围(min到到max)。(6)信信道道宽宽度度。信信道道宽宽度度是是指指各各光光源源之之间间为为避避免免串串扰扰应应具具有的波长间
18、隔。有的波长间隔。(7)偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗。偏偏 振振 相相 关关 损损 耗耗(PDL:PolarizationdependentLoss)是是指指由由于于偏偏振振态态的的变变化化所所造造成成的的插入损耗的最大变化值。插入损耗的最大变化值。WDM系统的基本结构系统的基本结构实实际际的的WDM系系统统主主要要由由五五部部分分组组成成：光光发发射射机机、光中继放大、光接收机、光监控信道和光中继放大、光接收机、光监控信道和图图7.9实际实际WDM系统的基本结构系统的基本结构将将EDFA用作用作“线放线放(LA：LineAmplifier)”#,“功放功放(BA)”和和“前放前放(PA
19、：Preamplifier)”。WDM技术的主要特点技术的主要特点1.充分利用光纤的巨大带宽资源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.节省线路投资节省线路投资采用WDM技术可使N
20、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、高度的组网灵活性、经济性和可靠性经济性和可靠性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
21、度生存性的光网络。7.2.4光滤波器与光波分复用器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光滤波器的三种应用(a)单纯的滤波应用；(b)波分复用器中应用；(c)波长路由器中应用如如果果一一个个波波长长路路由由器器的的路路由由方方式式不不随随时时间间变变化化，就就称称为为静静态态路路由由器器；路路由由方方式式随随时时间间变变化化，则则称称之之为为动动态态路路由由器器。静静态态路路由由
22、器器可可以以用用波波分分复复用用器器来来构构成，如图成，如图7.11所示。所示。波波长长分分插插复复用用器器可可以以看看成成是是波波长长路路由由器器的的简简化化形形式式，它它只只有有一一个个输输入入端端口口和和一一个个输输出出端端口口，再再加加上上一个用于分插波长的本地端口。一个用于分插波长的本地端口。图7.11由波分复用器构成静态路由器下下面面将将介介绍绍一一些些波波长长选选择择技技术术及及其其在在WDM系系统统中中的的应应用。用。1.光栅光栅光光栅栅(Grating)广广泛泛地地用用来来将将光光分分离离为为不不同同波波长长的的单单色色光光。在在WDM系系统统中中，光光栅栅主主要要用用在在解
23、解复复用用器器中中，以以分分离离出出各各个个波波长长。图图7.13是是光光栅栅的的两两个个例例子子，图图7.13(a)是是透透射射光光栅栅，图图7.13(b)是反射光栅。是反射光栅。我我们们以以透透射射光光栅栅为为例例来来说说明明光光栅栅的的基基本本原原理理。如如图图7.14所所示示，设设两两个个相相邻邻缝缝隙隙间间的的距距离离即即栅栅距距为为a,光光源源离离光光栅栅平平面面足足够够远远(相相对对于于a而而言言)，入入射射角角为为i，衍衍射射角角为为d，通通过过两两相相邻邻缝缝隙对应光线的光程差由隙对应光线的光程差由()决定，而决定，而(a)透射光栅；透射光栅；(b)反射光栅反射光栅7.14透
24、射光栅的工作原理透射光栅的工作原理光栅方程为光栅方程为a(sini-sind)=m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。2.布喇格光栅布喇格光栅布喇格光栅(BraggGrating)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。半半导导体体激激光光器器使使用用布布喇喇格格光光波波导导作作分分布布反反馈馈可可以以获获得得单单频频输输出出(如如DFB激激光光器器)；在在光光纤纤中中，写写入入布布喇喇格格光光栅栅后后可可以以用用于于光滤波器、光分
25、插复用器和色散补偿器。光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。设设两两列列波波沿沿着着同同一一方方向向传传播播，其其传传播播常常数数分分别别为为0和和1，如果满足布喇格相位匹配条件：如果满足布喇格相位匹配条件：其其中中为为光光栅栅周周期期，则则一一个个波波的的能能量量可可以以耦耦合合到到另另一一个个波中去。波中去。在在反反射射型型滤滤波波器器中中，我我们们假假设设传传播播常常数数为为0的的光光波波从从左左向右传播，如果满足条件：向右传播，如果满足条件：则则这这个个光光波波的的能能量量可可以以耦耦合合到到沿沿它它的的反反方方向向传传播播的具有相同波长的反射光中去。的具有相同波长的反射光中去。设设0=
26、2neff/0，其其中中0为为输输入入光光的的波波长长，neff为为波波导导或光纤的有效折射率。也就是说，如果或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光光波波将将发发生生反反射射，这这个个波波长长0就就称称作作布布喇喇格格波波长长。随随着着入入射射光光波波的的波波长长偏偏离离布布喇喇格格波波长长，其其反反射射率率就就会会降降低低，如如图图7.15(a)所所示示。如如果果具具有有几几个个波波长长的的光光同同时时传传输输到到光光纤纤布布喇喇格格光光栅栅上上，则则只只有有波波长长等等于于布布喇喇格格波波长长的光才反射，而其它的光全部透射。的光才反射，而其它的光全部透射。图图7.15(a)中
27、中的的功功率率反反射射谱谱是是针针对对折折射射率率均均匀匀周周期期性性变变化化的的光光栅栅而而言言的的，为为了了消消除除不不需需要要的的旁旁瓣瓣，新新研研制制成成功功了了一一种种称称为为变变迹迹光光栅栅(ApodizedGrating)的的光光栅栅，它它与与渐渐变变折折射射率率光光纤纤有有点点类类似似，其其折折射射率率沿沿光光栅栅纤纤芯芯到到边边沿沿逐逐渐渐减减小小，变变迹迹光光栅栅的的功功率率反反射射谱谱如如图图7.15(b)所所示示。注注意意变变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。图图7.15布喇格光栅的反射谱布喇格光栅的反射谱(a)均匀折射率情形；
28、均匀折射率情形；(b)变迹折射率情形变迹折射率情形3.光纤光栅光纤光栅光纤光栅(FiberGrating)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，成本也较低。11 22nn芯层芯层芯层芯层包层包层包层包层 包层折射率包层折射率包层折射率包层折射率nn2 2芯层折射率芯层折射率芯层折射率芯层折射率nn1 1感光折射率感光折射率感光折射率感光折射率nn 1 1 22nn芯层芯层包层包层+1+1级级-1-1级级紫外掩模写入法相位掩模板相位掩模板光光纤纤布布喇
29、喇格格光光栅栅(FBG：FiberBraggGrating)是是一一种种反反射射型型光光纤纤光光栅栅，光光栅栅使使正正向向传传输输模模(单单模模光光纤纤中中即即为为基基模模)同同反反向向传传输输模模之之间间发发生生耦耦合合，光光栅栅的的波波矢矢应应等等于于传传输输模模波波矢矢的的2倍倍，也也就就是是说说，光光栅栅的的周周期期应应等等于于传传输输光光波波在在光光纤纤内内部部的的波波长长的的一一半半，这这种种光光纤纤光光栅栅只只对对在在布布喇喇格格波波长长及及其其附附近近很很窄窄的的波波长长范范围围内内的的光光发发生反射，而不影响其它波长的光通过。生反射，而不影响其它波长的光通过。图图7.16基于
30、光纤光栅结构的光分插复用器基于光纤光栅结构的光分插复用器(a)简单光分；简单光分；(b)光分插光分插4.法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器法法布布里里-珀珀罗罗(FP:FabryPerot)滤滤波波器器是是由由两两块块平平行行放放置置的的高高反反射射率率的的镜镜面面形形成成的的腔腔构构成成的的，如如图图7.18所所示示。这这种种滤滤波波器器也也叫叫FP干干涉涉仪仪，输输入入光光垂垂直直到到达达第第一一个个镜镜面面，从从第第二二个个镜镜面面出出来来的的光光就就是是输输出出。这这个个器器件件传传统统上上用用作作干干涉涉仪仪，现现在也用在在也用在WDM系统中作滤波器。系统中作滤波器。F-滤波器的功率
31、传递函数滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率与光的频率f有关：有关：TFP(f)=图7.18FP滤波器若用自由空间波长表示，则TFP()=这里A表示每个镜面的吸收损耗，R为每个镜面的反射率(假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为，腔内介质的折射率为n，腔长为l,因此=nl/c，c为真空中光速。A=0及FP滤波器的功率传递函数如图7.19所示。反射率R越大，相邻信道的隔离就越好。图7.19FP滤波器的功率传递函数功率传递函数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
32、围(FSR：FreeSpectralRange)，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F-P滤波器选择不同的波长时一般有两种方法：一种是改变腔的长度；另一种是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。5.多层介质薄膜滤波器多层介质薄膜滤波器薄膜谐振腔滤波器(ThinFilmResonantCavityFilter)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(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。这种滤波器用作带通滤波器，只允许
33、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。薄膜谐振多腔滤波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)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。改成多腔后与单腔相比，通带顶部更加平坦，边缘更为尖锐，如图7.21所示。这种滤波器多个级联后，就可以做成波分复用器，如图7.22所示。由于这种滤波器通带顶部平坦，边缘尖锐，温度变化时性能稳定，插入损耗低，对光的偏振不敏感，所以在系统应用中是非常有吸引力的，如今已经广泛用在商业系统中。图7.20三腔介质薄膜谐振腔滤波器图7.21单腔、双腔、三腔介质薄膜滤波器的传输谱图7.22基于多
34、层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器6.马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪马赫-曾德尔干涉仪(MZI:MachZehnderInterferometer)使用两条不同长度的干涉路径来决定不同的波长输出。MZI通常以集成光波导的形式出现，即用两个3dB定向耦合器来连接两条不同长度的光通路，如图7.23(a)所示，衬底通常采用硅(Si)，波导区采用二氧化硅(SiO2)。一个MZI可用图7.23(b)表示。MZI可用来作滤波器和波分复用器。虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好，但在宽带滤波方面MZI非常有用，例如用来分开1.31m和1.55m两个波长的光信号。当然，通过级联几个MZI也可以做
35、成窄带滤波器，如图7.23(c)所示，但是这将导致损耗大大增加。图7.23马赫-曾德尔干涉仪(MZI)(a)结构图；(b)方框图；(c)四级MZIMZI可用来作滤波器和波分复用器。虽然多层介质薄膜滤波器在窄带滤波方面性能较好，但在宽带滤波方面MZImm两个波长的光信号。当然，通过级联几个MZI也可以做成窄带滤波器，如图7.23(c)所示，但是这将导致损耗大大增加。从原理上讲，级联几个MZI后性能较好，但是在实际工作中存在波长随温度和时间的变化而漂移的现象，串扰性能远不如理想情况，级联后的窄带MZI的通带不平坦，相反地，多层介质多腔薄膜滤波器的通带和阻带都比较平坦。现在简单分析MZI的工作原理。
36、考虑MZI作为一个解复用器的情况。这时只有一个输入，假设从输入端口1输入，经过第一个定向耦合器后，功率平均分配到两臂上，但是在两臂上的信号有了/2的相差，下臂上的信号比上臂滞后/2。如果下臂与上臂的长度差为L，则下臂信号的相位进一步滞后L,为光在MZI介质中的传输常数。在第二个定向耦合器的输出1处，来自下臂的信号又比来自上臂的信号延迟了/2，因此，在输出1处，两信号总的相位差为+L+。同理，在输出2处，两信号总的相位差为+L-=L。在输入1的所有波长中，满足L=k(k为奇数)条件的波长，由输出1输出；满足L=k(k为偶数)条件的波长由输出2输出。而=,n为介质折射率，为光波长，通过适当设计就可
37、以实现波的解复用。如果两臂长度差为L，只是输入1输入，则单个MZI的功率传递函数为T11(f)T12(f)=其中f为光频率。如 果 将 MZI级 联 就 构 成 多 级 马 赫-曾 德 尔 干 涉 仪(Multistage MachZehnder Interferometer)。图7.23(c)示出4级马赫-曾德尔干涉仪，其中每个MZI以及级联后整个4级MZI的传递函数曲线如图7.24所示。(前4个为每单个MZI的传递函数，最后一个为级联后4级MZI的传递函数)图7.24MZI的传递函数前面讨论了MZI用作12解复用器情况，由于MZI是一种互易器件，因此也可用作21复用器。7.阵列波导光栅阵列
38、波导光栅阵列波导光栅(AWG:ArrayedWaveguideGrating)是MZI的推广和一般形式。如图7.25所示，它由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成。AWG可用作n1波分复用器和1n波分解复用器。与多级MZI相比，AWG损耗低，通带平坦，容易集成在一块衬底上。AWG也可用作静态波长路由器，如图7.26所示。图7.25阵列波导光栅(AWG)图7.26基于AWG的静态波长路由器下面我们简单地分析一下AWG的工作原理。设AWG的输入端口数和输出端口数均为n，输入耦合器为nm形式，输出耦合器为mn形式，输入和输出耦合器之间由m个波导连接，每相邻波导的长度差均为L。MZI是AWG在n=
39、m=2情形下的特例。输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成m部分，它们之间的相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离来决定，输入波导i和阵列波导k之间的距离用dinik表示，阵列波导k的长度比阵列波导(k-1)的长度长L，同样，阵列波导k和输出波导j之间的距离用doutkj表示。因此，光信号从输入波导i到输出波导j，经历了i与j之间m条不同通路后的相对相位为其中n1为输入和输出耦合器的折射率，n2为阵列波导的折射率，为光信号的波长。在输入波导i的光信号的波长中，满足ijk为2的整数倍的波长将在输出波导j输出。于是，通过适当设计，可以做成1n波分解复用器和n1波分复用器。如果设计输
40、入耦合器和输出耦合满足dinik=dini+kini和doutkj=doutj+koutj在 输 入 波 导 i输 入 的 那 些 波 长 中 若 满 足:n1ini+n2L+n1outj=p，p为整数，则波长为的光将在输出波导j输出。8.声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器(AOTF:AcoustoOpticTunableFilter)是一种多用途器件，是目前已知的惟一能够同时选择多个波长的可调谐滤波器，并且可用来构造波长路由器。AOTF的AOTF的集成光波导形式。一个简化的AOTF如图7.28所示，波导材料是一种双折射物质，仅能支持最低阶TE模和TM模。假设输入光完全是TE模，
41、一个只能选择TM模的偏振器放在波导的输出端。如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，这样就可以制成一个波长选择性滤波器。图7.27集成光波导AOTF图7.28简化的AOTF一个简化的AOTF如图7.28所示，波导材料是一种双折射物质，仅能支持最低阶TE模和TM模。假设输入光完全是TE模，一个只能选择TM模的偏振器放在波导的输出端。如果在被选择的波长附近的一个窄谱范围内的光能量转换为TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，这样就可以制成一个波长选择性滤波器。这种滤波器的实现可以通过沿着光波的传播方向或逆着光波的传播方向发射一列声波来完成。声波传播引
42、起媒质的密度周期性变化，其变化周期等于声波波长，这相当于形成了一个布喇格光栅。设TE和TM模的折射率分别为nTE和nTM，当满足布喇格条件时，光波从一种模式耦合到另一种模式，其中为声波波长，为光波长。满足布喇格条件在波长附近的窄谱范围内的光将从TE模转换为TM模，如果这种器件的输入光只是TE模，输出只选择TM模，那么就可以作为一个窄带滤波器使用。如果记nTE-nTM=n，则布喇格条件可写为=n(7.17)在LiNbO3晶体中，n=0.07。若适当选择声波波长，则经过模式转换又位于AOTF通带内的波长能够被选择。例如，为了选择1.55m波长，若n=0.07，则声波波长大约为22m，在LiNbO3
43、晶体中声速大约为3.75km/s，对应的声波频率为3.75km/s22m170MHz。AOTF与偏振有关，因为这里假设输入光完全是TEAOTF，其实现方式和与偏振无关的隔离器相类似，将输入光信号分解为TE和TM两个分量，分别通过AOTF后再在输出端组合在一起。布喇格条件决定要选择的波长，而这种滤波器的通带宽度则由声光相互作用的长度决定，声光相互作用的长度越长，通带就越窄。AOTF的功率传递函T()=(7.18)其 中=-0,0为 满 足 布 喇 格 条 件 的 光 波 波 长，=20/(ln)为滤波器通带宽度的一种量度，l为器件长度(准确说是声光相互作用的长度)，滤波器的半高宽FWHM=0.8
44、，如图7.29所示。这说明器件越长(声光相互作用长度越长)，滤波器的通带就越窄；然而调谐速度与器件长度成反比，因为调谐速度主要由声波通过器件的时间决定。图7.29AOTF的功率传递函数与偏振无关的AOTF可用作22波长路由器，满足布喇格条件的波长被交换，如图7.30(a)所示，这里波长1满足布喇格条件。如果同时发射几个声波，就有几个光波长同时满足布喇格条件，那么在单个器件上就可同时完成几个波长的交换，如图7.30(b)所示，这里交换的波长是1和4。前面所指的都是静态波长路由器，也可以通过改变声波的频率作为动态波长路由器，适当地级联22路由器可以构成多输入多输出路由器。如今，AOTF还没有完全实
45、用化的原因主要有两个：一是存在较大串扰，二是通带相对较宽。AOTF的波长路由器(a)交换波长1;(b)同时交换波长1和47.3光光交交换换技技术术目前的商用光纤通信系统，单信道传输速率已超过10Gb/s，实验WDM系统的传输速率已超过3.28Tb/s。但是，由于大量新业务的出现和国际互联网的发展，今后通信网络还可能变得拥挤。原因是在现有通信网络中，高速光纤通信系统仅仅充当点对点的传输手段，网络中重要的交换功能还是采用电子交换技术。传统电子交换机的端口速率只有几Mb/s到几百Mb/s，不仅限制了光纤通信网络速率的提高，而且要求在众多的接口进行频繁的复用/解复用，光/电和电/光转换，因而增加了设备
46、复杂性和成本，降低了系统的可靠性。虽然采用异步转移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能缓解这种矛盾，但电子线路的极限速率约为20Gb/s。要彻底解决高速光纤通信网存在的矛盾，只有实现全光通信，而光交换是全光通信的关键技术。光交换主要有三种方式：空分光交换、时分光交换和波分光交换。7.3.1空分光交换空分光交换空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。光开关有电光型、声光型和磁光型等多种类型，其中电光型光开关具有开关速度快、串扰小和结构紧凑等优点，有很好的应用前景。典型光开关是用钛扩散在铌酸锂(Ti:LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光
47、波导构成的，并通过对电压的控制改变输出通路。图7.31(a)是由4个12光开关器件组成的22光交换模块。12光开关器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光开关，只是少用了一个输入端而已。这种22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可以实现平行连接和交叉连接，如图7.31(b)所示。图7.31(c)是由16个12光开关器件或4个22光交换单元组成的44光交换单元。图7.31空分光交换(a)22光交换单元；(b)平行连接和交叉连接；(c)44光交换单元时分光交换是以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换功能的。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分
48、配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图7.32(a)所示。所谓时隙互换，就是把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。如图7.32(b)，首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条出线上依次传输某一个时隙的信号；然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；最后用复接器把这些信号重新组合起来。图7.32(c)示出时分光交换的空分等效。图7.32时分光交换(a)时分复用原理；(b)时隙互换原理；(c)等效的空分交换7.3.3波分光交换波分光交换波分光交换(或交叉连接)是以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换的方法实现交换功能
49、的。图7.33(a)和(b)分别示出波长选择法交换和波长变换法交换的原理框图。设波分交换机的输入和输出都与N条光纤相连接，这N条光纤可能组成一根光缆。每条光纤承载W个波长的光信号。从每条光纤输入的光信号首先通过分波器(解复用器)WDMX分为W个波长不同的信号。所有N路输入的波长为i(i=1,2,W)的信号都送到i空分交换器，在那里进行同一波长N路(空分)信号的交叉连接，到底如何交叉连接，将由控制器决定。图7.33波分交换的原理框图(a)波长选择法交换；(b)波长变换法交换然后，以W个空分交换器输出的不同波长的信号再通过合波器(复用器)WMUX复接到输出光纤上。这种交换机当前已经成熟，可应用于采
50、用波长选路的全光网络中。但由于每个空分交换器可能提供的连接数为NN,故整个交换机可能提供的连接数为N2W，比下面介绍的波长变换法少。波长变换法与波长选择法的主要区别是用同一个NWNW空分交换器处理NW路信号的交叉连接，在空分交换器的输出必须加上波长变换器，然后进行波分复接。这样，可能提供的连接数为N2W2，即内部阻塞概率较小。波长变换器将在7.7节介绍。7.4光光孤孤子子通通信信光孤子(Soliton)是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达