WDM中的滤波技术及器件.ppt

光纤中的波长复用解复用技术 WDM/Interleaver/OADM/filter,波分复用频带,1）CWDM，DWDM 2）DWDM的复用频带 (1530-1560) nm region called C-band, (1570-1610) nm region called L-band , (1480-1520) nm region called S-band,DWDM系统中，信道间距小，各个光通道的波长稳定性极为重要。ITU-T G.692规定了DWDM系统中每通道允许的波长最大偏移量小于1/5通道间隔。 DWDM系统中使用的主要为DFB激光器，激光器管芯的温度变化会引起材料折射率及腔长的变化，引起激光器的波长变化；激光器的老化同样会引起激光器的波长漂移，有必要采用外部波长基准锁定激光器的波长。 激光器波长的稳定技术就分基于温度反馈的波长控制技术和基于波长反馈的波长控制技术。,CWDM与DWDM的区别： CWDM载波通道间距较宽，因此一根光纤上只能复用2到16个左右波长的光信号。 CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光，它需要冷却技术来稳定波长，实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。 稀疏波分复用系统一般工作在从1260nm到1620nm波段，间隔为20nm，可复用16个信道。1280nm1600nm CWDM目前主要存在以下不足：（1）CWDM在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；（2）复用器、复用调制器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是DWDM相应设备的简单改型。,CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplex） 稀疏(粗）波分复用,CWDM的波长间距一般为20nm 采用DFB激光器 不需要制冷 在0-70 c的温度变化时激光器波长有大约6nm的变化 考虑生产过程造成的离散性有3nm波长变化 共有大约9nm的波长变化 不能采用EDFA作为光放大器 传输距离受限 可以配置OADM，但同时会使传输距离缩短。,DWDM与CWDM技术特点的比较,DWDM的波长间距一般为200GHz（1.6nm），100GHz（0.8nm），50GHz（0.4nm） DFB激光器 温度漂移系数0.08nm/c 需要制冷器制冷稳定波长 可以应用EDFA作为光放大器 可以长距离传输 可以配置OADM,密集波分复用（DWDM）:国际电信联盟ITU-T建议WDM的信道在氪灯谱线波长为1552.52nm附近处频率间隔为 0.1nm、0.2nm和0.4nm ,0.8nm,1.6nm,2.4nm,3.2nm，每个光载波又各自载荷不同的信息业务，而每一信道可以以不同的形式调制的通信方式. 粗波分复用（CWDM）: O-Band：1275.7, 1300.2, 1324.7, 1349.2 E-Band：1380, 1400, 1420, 1440 S+C+L-Band: 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590, 1610,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,波分复用器件在WDM终端的应用 解复用器反之工作,波分复用器,波长路由器是波长选路网络(Wavelength Routing Network)中的关键部件， 其功能可由下图说明,波长路由器,波分复用器件在波长路由器中应用, 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。,OADM,2,关键性能指标： 中心波长及工作范围 插入损耗 波长隔离度、串扰,远端串扰系数,近端串扰系数,WDM： 色散型 熔锥耦合型 FFT 光纤Bragg光栅 AWG,Interleaver： MZI 双折射 MGTI FP 取样光栅,OADM： 分波器空间交换单元合波器； 耦合单元滤波单元合波器； 基于声光可调谐滤波器（AOTF）； 基于波长光栅路由器（WGR）；,可调谐滤波器 FP Ring AOTF 其他,棱镜色散 WDM,a) 用传统的透镜耦合 b) 用自聚焦透镜耦合,衍射光栅型,体光栅型解复用器,角色散本领:角色散本领是相距为单位波长的光波散开角度，其表达式为 色分辨本领: 色分辨本领反映器件分辨波长很接近的谱线的能力。光学元件的色分辨本领定义为 式中，min是瑞利判据所规定的角色散元件能够分辨的两谱线的最小波长差。,半角宽度=,d为光栅常数, k是光栅的衍射级数, N是光栅的槽数。可见,要得到性能好的光栅，总槽数N应尽量多，光栅常数d应尽量小，并尽量选用高的衍射级数。 特点: 并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号，使各路的插损都差不多。,角色散本领,色分辨本领,熔锥光纤型波分复用器结构和特性,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,公共臂,介质薄膜滤波器(TFF) 基于薄膜滤光片的器件可广泛用于多信道复用与解复用器以及光分插复用器(OADM)，同时还被广泛应用于光纤放大器的增益平坦、频带分割、C通道和L通道的分离、泵浦光的合波、波长监控和锁定等等。在新近出现的CWDM和BWDM网络中，薄膜滤光片技术是迄今为止唯一有实用价值的选择。信道间隔每压窄一半，就要多镀上百层薄膜，容易造成局部薄膜厚度与密度波动产生的缺陷增加，成品率下降，价格上升，所以做到100GHz以下很困难。 采用了微等离子体镀膜技术，介质膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善，工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，中心波长温度系数可小于3pm/C。,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，边缘更为尖锐，如图所示。,优点：信道数灵活，且波长的间隔可以不规则； 可以加进多路复用、解复用单元，使系统升级 插入损耗低； 低的偏振相关损耗； 相邻波长之间的隔离度高 完全无源 无须温度控制等 缺点：装配时间较长，且整个器件的损耗和成本与复用信道数成正比，即复用信道数越多，器件损耗和成本都越高。,双光纤准直器尾纤排列方式,双光纤准直器的交叉角度和交叉长度,双光纤准直器输出光束方向,双光纤准直器输出光偏角由水平偏角/和竖直偏角两个分量组成，其中/因光纤位置离轴产生，由端面斜角引起。,Grin-Lens： C-Lens：,光纤布拉格光栅环形器,输入星形耦合器,输出星形耦合器,AWG具有双向操作能力，可以实现光网络的诸多功能，如复用/解复用器、光波长路由器、多波长光源、光开关、色散补偿等。 相对于其它类型的解复用器，AWG有如下优点：插入损耗小，串音低，可靠性高，加工要求较低，器件尺寸小。此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件以及PLC型奇偶交错滤波器等无源器件结合，实现单片集成。 AWG在密集波分复用系统尤其在40波长以上的系统中占据了绝对优势。 发展趋势：增加信道数；平顶频谱响应；消除偏振相关性；有机聚合物AWG,由于因波导和衬底的热膨胀系数差而造成阵列波导的双折射导致TE 和TM 模波长差异，从而使AWG 存在着不希望的偏振依赖性。为消除这种偏振依赖性先后采用各种方法，例如： 1，在阵列波导中间插入一个1/2波片的偏振旋转器以改变TE TM 或TM TE 的偏振方向实现TE和TM入射的相等中心波长这种方法的优点是简便无须降低波导的双折射便可消除偏振依赖性，这种方法可使中心波长的偏振相关性小于0.02nm； 2，在阵列波导上淀积非晶硅a-Si 来消除偏振依赖性,这种方法较之第一种办法的优点是不会增加光学损耗； 3，是通过非双折射波导特别适宜于InP 基AWG,因为通过使用低带隙InGaAsP 材料可以组成非双折射波导; 4，是使AWG的自由光谱范围FSR 等于TE-TM漂移，这种方法对复用器的信道有严格限制即复用器的所有信道必须符合在一个等于TE-TM 漂移的范围内从而限制了信道数和/或信道间隔。,中心波长补偿技术 阵列波导的光程对中心波长影响很大。由于在制作期间所引起的折射率、波导尺寸及波导长度的变化，可产生较大中心波长漂移。为克服阵列波导光程对中心波长的影响，提出了一种基于新型光路和温度调节技术的新补偿方法：通过将附加的输入和输出端口适当地结合，在阵列波导中重新获得所希望的波前。即将输入端口之间的角度设计为输出端口角度的十分之九，可补偿工艺误码差所产生的较大中心波长漂移。采用PLC研制的这种新型AWG复用解复用器，可控制中心波长和实现平坦通带光谱响应，并具低偏振相关性、低的温度相关性、高可靠性和小型化，3dB通带宽度为一般AWG的1.4倍，这种AWG复用解复用器非常适用于DWDM系统。,一般的AWG复用解复用器为抛物线形，光谱响应较窄。为了实现宽通带光谱响应，在每个输入波导和输出平板波导之间引入了Y形分路。通过输出平板波导传输的聚焦光场聚在输出平板波导的入口，当输入信号波长不同时，在与阵列波导产生的波前倾斜相应的另一个输出波导上产生焦点漂移。其光谱响应取决于输出波导的焦场和局部模场间的叠积。在该结构中，该模场是个双峰值，即使波长变化导致焦点稍有漂移，这个叠积值也几乎相同，因而实现了平坦的宽通带响应。所获得的1 X 8 AWG光谱响应，3dB带宽为1.1nm是一般AWG带宽(0.78 nm)的1.4倍。,无热AWG控制技术 由于AWG复用器解复用器以约1nm的信道间隔密集封装光信号，所以中心波长的精确控制很重要。普通AWG中心波长约以0.1 nm的值向长波长方向漂移，这是由于SiO2基波导的折射率变化与温度相关，要稳定中心波长就必须用加热器或peltier器件控制AWG的温度。为扩展应用领域和减少成本，开发了一种无热AWG控制技术，通过采用硅胶填充三角形沟槽的方法来补偿与温度有关的SiO2基波导的光程差，这种硅胶具有负的热系数。由于硅胶中负光路变化比SiO，基波导大几千倍，所以硅胶中的负光路变化可补偿SiO2中的正光路变化，从而获得温度不敏感工作，并将相关温度抑制为传统AWG复用解复用器的120。在0-85温度范围的波长漂移，普通AWG为0.95nm，而无热AWG仅为0.05nih。并波长变化仅为0.02nm，足以实际应用。,低串扰技术 在AWG复用解复用器中，信道间的串扰是衡量器件性能的一个重要指标，10GHz间隔的窄信道AWG是超密集复用解复用器的重要器件。由于窄信道AWG的串扰比一般100GHz间隔的AWG的串扰高得多，对所有阵列波导的相位误差进行外补偿的方法可大大减少信道串扰，但由于要在每个阵列波导上聚焦激光束，补偿系统较为复杂，并且补偿大数量波导的相位误差颇为困难。 减少AWG信道串扰的新技术是利用阵列波导的光敏性，将一个有窗口的金属掩模放在阵列波导上，然后用193nm波长的ArF激光照射无掩模的波导，从而改变其折射率，直到串扰减少到所希望的值。该新技术优点是：可同时补偿所有波导，补偿时间不受波导数量影响；无需对各波导的聚焦激光束进行精密调节，使该系统更为简单。采用该技术，在阵列波导数为81，输入输出波导为32时，获得了10GHz间隔、串扰为-1730dB(TE模)和16-27dB(TE模)的32信道AWG复用器解复用器。,基于AWG的静态波长路由器,WGR,Coupler 1,Coupler 2,k1,K2,L1,L2,M-Z干涉仪的结构原理图,1,2,3,4,New Focus, Inc., 2630 Walsh Ave., Santa Clara, CA 95051-0905. Tel: 408-980-8088; Fax: 408-980-8883.,ITF Optical Technologies, 45 Montpellier BLDV, Ville St-Laurent, Quebec, PQ, Canada, H4N 2G3. Tel: 514-744-1044; Fax: 514-744-4044.,Channel spacing=50GHz, pass band30GHz, cross talk-25dB,kC3 k0.28, C2C3 k=0.5,k=0.15时出现平顶频率响应；k=0.5时信道间隔减半；,数值模拟,(c),(d),c k1 =0.15, k2=0.15 =0.85nm, Iso =14.5dB d k1 =0.20, k2=0.20 =0.85nm, Iso =13.6dB,实验结果,c0,c1,c2,c3,cN-2,cN-1,L,L,L,L,Input,Output,Z Transform,FIR digital filter,Fourier Transform,In1,Out1,Out2,k1,k2,k3,L11,L12,L21,L22,Ein1,Eout1,Eout2,通带频响,阻带频响,=2/(ne-no)d,利用偏振光干涉及晶体双折射 如图所示，波片A与波片B的光轴方向成夹角。一束平面偏振光振幅为A1，振动方向与波片B的光轴方向一致，入射到波片A，在波片A内分为O光和E光，从波片A射出后O光和E光的振幅分别为， Ao=A1sin Ae=A1cos 它们的位相差为,/方向 即B晶片的光轴方向,其中d为波片A的厚度。,进入波片B后，按与光轴垂直及平行在B中Ao分解为Ao 及Ao/ ，Ae分解为Ae 和Ae/，这样， Ao 与Ae 将发生干涉，由于两束光Ao和 Ae在 轴上的投影的方向相反，表示晶片B对两束光引入了位相差，两束光总的相位差为, = += 2/(ne-no)d+ ,/方向 即B晶片的光轴方向,它们的振幅分别为： Ao =Aocos=A1sincos Ae =Aesin= A1sincos,根据双光束干涉的强度公式 I=I1+I2+2 cos,I = Ao + Ae +2 Ao cos(2/(ne-no)d+) =A1 sin 2sin /2,Ae,2,2,2,2,2,同样， Ao/与Ae/将发生干涉，由于两束光Ao和 Ae在/轴上的投影的方向相同，表示晶片B对两束光未引入了位相差，两束光总的相位差为,= 2/(ne-no)d,它们的振幅分别为： Ao/ =Aosin=A1sin Ae/ =Aecos= A1cos ,2,2,根据双光束干涉的强度公式可得：,I / = Ao/ + Ae / +2 Ao/ Ae/ cos(2/(ne-no)d) =A1 （1-sin 2sin /2）,2,2,2,2,2,I =A1 sin 2sin /2,2,2,2,I /=A1 （1-sin 2sin /2）,2,2,2,= 2/(ne-no)d,/方向 即B晶片的光轴方向,令=45度,I =A1 sin /2,I /=A1 （1-sin /2）,2,2,2,2,= 2/(ne-no)d,B 讨论 当= (2m+1) 时， 即=2(no-ne)d/(2m+1) （m=0,1,2 即 =(2m+1)c/2(no-ne)d（m=0,1,2,）, I =A1 I/=0 当= 2m时， 即=(no-ne)d/m （m=0,1,2,） 即 =2mc/2(no-ne)d（m=0,1,2,）, I/=A1 I =0,2,2,这样，入射光经过波片A，在B中即根据频率的不同：=(2m+1)c/2(no-ne)d的及其附近光以O光在B中传播=2mc/2(no-ne)d 的及其附近光光波以E光在B中传播,即ODD CHANEL 以O光在B中传播 两相邻ODD CHANEL的中心波长之间的频率间隔为： d=2c/2(no-ne)d 若d=200GHz，则 d= 2c/2(no-ne) dV = c/(no-ne) dV =3/0.2039/2.0x10-3m =7.36x10-3m =7.36mm 若d=100GHz，则d=14.76mm,显然，d=7.36mm时， 入射的1, 2, 3, 4, 5, 6 频率间隔为100GHz，经过该装置后，分为频率间隔为200GHZ（FSR）的ODD CHANEL 1 3 5 .和频率间隔为200GHZ（FSR）的EVEN CHANEL 2 4 6 。,d=14.76mm时， 入射的1, 2, 3, 4,5,6 频率间隔为50GHz，经过该装置后，分为频率间隔为100GHZ（FSR）的ODD CHANEL和频率间隔为100GHZ（FSR）的EVEN CHANEL。,d,Ae,Ao,A1,A,B,POLARIZATION BEAMSPLITTER,BEAM DISPLACER,YVO4/TiO2,ROTATOR,双折射晶片,1 2 3 4,2 4,1 3,C 实现方法1,A,B,BEAM DISPLACER,YVO4/TiO2,ROTATOR,双折射晶片,1 2 3 4,2 4,1 3,实现方法2,A,B,ODD,EVEN,2m+1,2m+3,2m+2,2m+4,2m,Michelson Gires-Tournois Resonator Interleaver,GT Mirror,L2,Ein,Etrans,Estop,BS(50:50),L1,GT resonator,d,MGTI的原理及特征,公式：,I=Itrans/Iinc=Sin2-tan-1( tan(2),其中=d/,I=Itrans/Iinc=Sin2d/ -tan-1( tan(2d/),其中，R为GT mirror 前镜的光强反射率,两束光的位相差来自部分贡献： 2（L1-L2）* 2/ GT mirror 引起的相移： -2tan-1( tan(2d/),当（L1-L2）/d=0.5时，相干叠加后的光强为：,0,1,2,8,m+1,m,3,4,5,6,7,9,10,p,P,P-1/2,P+1/2,特征参量： BANDWIDTH： =c/(2d)（半高宽） Free Spectral Range：FSR= c/d FINESSE ： F= 1/2,RIPPLE : pd=sin2-tan-1-tan(-2),STEEPNESS FACTOR: =(-)-,CONTRAST : (Imax-Imin)/(Imax+Imin)=1,PHASE RESPOND: K(L1+L2)+ tan-1( tan(2),1-,1+,d,c,1+,1-,Center wavelength tunablity =(p-1/2)*c/d0 =(p-1/2)*c/(d0+d),Variable FSR FSR= c/d 例如： FSR 200GHz , d=1.5mm FSR 100GHz , d=3.0mm,例如：D0=1.5mm P=986 , = 197100GHz d=0.001499mm , = 197200GHz,可变的FSR和可调的中心波长,对RIPPLE和STEEPNESSR的影响,=0.1,=0.34,=0.91,=0.1,=0.34,=0.91,P+1/2,P,P-1/2,P+1,=0.1,=0.34,=0.91,=0.1,=0.34,=0.91,JDS Uniphase Corporation, 570 West Hunt Club Road, Nepean, Ontario, Canada K2G 5W8. Tel: 613-727-1303; Fax: 613-727-8284.,The JDS Uniphase optical frequency interleaver (OFI) offers a wide bandwidth and flat top response, making this OFI not only useful for wide passband MUX/DEMUX applications, but also in cascaded filter architectures, where bandwidth narrowing is a concern. The interleaver is an enabling component in JDS Uniphases next generation of integrated module products, which include 80 channel demultiplexers and fiber-grating-based tunable add/drop modules. Flat top response 50 GHz / 100 GHz input channel spacings Technology platform scalable to 25 GHz,FSR=l2/(2nD); l=(2nD)/m Finesse = FSR/FWHM,FP型,取样光纤光栅型奇偶交错滤波器 光纤布拉格光栅(FBG)属于窄带滤波器，其带宽可以做到50GHz，甚至更小。如果对常规的FBG进行空间取样制备成取样光栅，则可以实现梳状滤波功能12，取样光栅Interleaver的工作原理如图4所示。一根几厘米的取样光纤光栅就能实现多个信道的交叉复用，与光环行器配合使用，可构建大规模的Interleaver器件。,OADMOptical Add/Drop Multiplexer 光分插复用（OADM）可看作是OXC的功能简化。 （1）从传输设备中有选择地下路（Drop）通往本地的光信号； （2）上路（Add）本地用户发往另一节点用户的光信号； 在光域实现传统SDH设备中的电分插复用器在时域的功能，相对更具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。,一般，OADM包括解复用、分插控制滤波单元、复用单元三部分。基本形式： （1）分波器空间交换单元合波器； （2）耦合单元滤波单元合波器； （3）基于声光可调谐滤波器（AOTF）； （4）基于波长光栅路由器（WGR）；,特点：结构简单，对上下路的控制比较方便。,1.分波器空间交换单元合波器,解 复 用 器,复 用 器,上路信号,下路信号,输入信号,输出信号,光转发器,特点：结构简单，对上下路的控制比较方便。采用了光转发器，任意波长光信号均可插入。,光 交 叉 阵 列,耦合单元滤波单元合波器,特点：对单个固定波长的上下路具有较好性能，几乎没有延时。缺点是没有调谐能力。,上路信号,下路信号,输入信号,输出信号,光纤光栅,特点：采用了F-P腔滤波器的连续可调性，可以根据需要上下路任意的波长。但对温度不稳定。,上路信号,下路信号,输入信号,输出信号,耦 合 器,F-P腔,特