《WDM概念与器》PPT课件.ppt

第十章 WDM概念与器件,关注的问题,1. 什么是波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,10.1 WDM的工作原理,在13001600 nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播,例： 这两个低损耗波长 窗口可以容纳 290 个40-Gb/s PSK信号,点到点的波分复用系统,波分复用器,100 GHz间隔的WDM信道频谱,WDM系统的优点,1. 系统容量可以很容易升级 如果每个波长可以承载40 Gb/s的信息，那么一根光纤若同时 传输100个波长就能实现4 Tb/s的传输,2. 可以保持数据的透明性 所有信道都能独立地携带信息，它们之间可以不同步，数据 速率可以不同，调制格式可以不同，可以是模拟或数字信号,3. 可以用于构造波长路由光网络 光网络交换节点除了可以执行时间和空间两个维度的交换之 外还可以利用波长进行交换，多维的交换让光网络具有更高 的灵活性,关注的问题,1. 什么波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 光耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,光耦合器,22,耦合器的应用：功率分配,耦合器的分类,光纤耦合器,两根以上光纤除去涂覆层并靠拢 在高温加热下熔融并向两侧拉伸 加热区形成双锥体形式的波导,波导耦合器,22 光纤耦合器,拉伸区 2L + W,L：由拉伸时决定,W：由加热的火焰宽度决定,光耦合过程简介,P1和P2跟什么因素有关?,P2,P1,P0,耦合器内的光功率分布：随位移的变化,假设耦合器无损耗,k 是耦合系数,P1和P2与拉伸区宽度有关,z 是光在耦合区的传播距离,耦合器内的光功率分布：随波长的变化,P1和P2与入射波长有关,例如成品上会标注：1550 nm 50 : 50,给定拉伸区长度(如15 mm),影响耦合光功率的参数,耦合光功率P2跟以下参数有关： 拉伸区长度2L+W 注入光束的波长l 拉伸区内逐渐变小的光纤半径r k 耦合区中两根光纤的半径差Dr k 纤芯间的距离 k 光纤折射率分布 k,散射矩阵：无损耗,假设器件无损耗,k是耦合系数，z是耦合区长度 e=sin(kz),例,e = 0.5的散射矩阵可以写成 令Ein,2 = 0，则有 那么可以得到两个端口的输出功率为,和,P1 : P2 = 1 : 1的2x2光耦合器称为3 dB耦合器,散射矩阵：有损耗,a是损耗系数,22光纤耦合器的参数,例,22双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0 = 200 mW，另外三 个端口的输出功率分别为P1 = 90 mW， P2 = 85 mW，可以求得 为：,22 波导耦合器,可改变量 - w：宽度；S：间距；n：折射率,NN 星型耦合器,多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器,P,P/N,级联的办法构造大规模光耦合器,类似于交换结构中的baseline network,构成一个NN耦合器所需3 dB耦合器的数量：,一个NN星形耦合器附加损耗：,级联光耦合器的损耗,其中FT (01) 为通过每个3 dB耦合器的附加损耗比。,相关知识：crossbar, Clos, Benes, baseline,关注的问题,1. 什么波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,Mach-Zehnder Interferometer (MZI),应用：外调制器、波分复用/解复用器、DPSK解调,控制w1和w2中光的相位差，并使之在输出端产生相长/消干涉,w1,w2,3dB coupler,3dB coupler,MZI 复用器/解复用器,22 MZI解复用工作原理,如果输入波长满足bDL = (2k-1)p,p/2,bDL+p/2,bDL+p,bDL,信号只从上端口输出,如果输入波长满足bDL = 2kp,信号只从下端口输出,解复用,22 MZI复用器,对于给定的两个间隔为Dv的波长信道，当DL满足关系： 时，l1和l2可以被复用在一起。,多端口的MZI复用器,关注的问题,1. 什么波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,基于相位阵列的WDM器件,阵列波导光栅AWG是MZI的扩展,AWG工作原理简介,l从输入波导i经阵列波导到输出波导j时，若所有支路经历的相对光程差等于l的整数倍， l将从输出波导j输出,AWG应用,1. 复用/解复用器 2. 波长路由选择开关：j个端口的li 会被交换到k端口 三个标号之间满足 (i-j) mod Nl = k Nl为系统波长总数 (注：所有编号均从0开始),配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器,端口号,波长号,基于AWG的WDM 交换结构,*注：此种方法由香港中文大学Yun Deng和Tony T. Lee 设计并证明,关注的问题,1. 什么波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,光栅：材料中的周期性扰动,光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性，这可以使用光栅方程描述： 不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。,反射型光栅,角色散是光栅、棱镜等分光元件的重要参数，它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距：,由光栅方程对微分，可得光栅的角色散:,重要指标：角色散,光栅的应用,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,光纤光栅工作原理,设两列波沿同一方向传播，如果传播常数b1和b2满足所谓的布拉格相位匹配条件： 一个波的能量可以耦合到另一个波上去。在光纤光栅中，假设传播常数为 b0 的光波射入光栅，如果满足条件： 则光波的能量可以耦合到沿传播方向相反的具有同一波长的反射光上去。将b0 = 2pneff/l0代入上式，可以得到会发生强烈反射的波长为：,光纤光栅工作原理示意,光纤光栅的应用,光滤波器 光分插复用器 色散补偿器 传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 温度6度的变化导致0.6 nm的中心波长的漂移,关注的问题,1. 什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,10.3 可调谐光源,可调谐DFB： 1. 改变激光器的温度 使内置布拉格光栅中心频率漂移 2. 改变注入有源区的电流 改变有源区载流子浓度 改变有源区有效折射率 峰值输出波长的漂移,可调谐范围,WDM系统中为避免邻近波长信道的串扰,可调范围取决于有效折射率的变化量 折射率1%的改变导致1015 nm的调谐范围,那么，在LD可调范围内可容纳的波长信道数为,ITU-T 100 GHz,例,对于一个工作在1550 nm的DBR激光器，假定其最大折射率改 变为0.65%。则调谐范围是： 如果每个波长信道的调制速率为2.5 Gb/s，即占用谱宽为0.02 nm (1550 nm波长附近0.08 nm对应于10 GHz)，则该调谐范围 内可以容纳的信道数目是：,阵列可调光源,宽带光源 + 频谱切割,关注的问题,1. 什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？ 2. WDM系统中使用的无源器件 - 耦合器 - 马赫-曾德复用器 - 阵列波导光栅 - 光纤光栅 3. WDM系统中使用的有源器件 - 可调光源 - 可调滤波器,10.4 可调滤波器,参数： 1. 调谐范围 2. 滤波带宽 3. 调谐速度 (取决于应用场合) 4. 插入损耗 5. 对环境变化的敏感度 ,可调非对称方向耦合器,通过调节电极选择波长,特点： 调谐范围宽 60 nm 信道切换较快 ns 信道区分度低 1 nm,n,可调MZI,通过热光或电光控制改变干涉仪的臂长,特点： 频谱分辨率 0.4 nm 调谐时间 50 ns 对环境十分敏感：偏振态、相位,光纤F-P滤波器,向压电陶瓷施加电压调节电介质镜面的距离改变谐振条件,特点： 调谐