（光学专业论文）wdm系统中光分插复用解复用技术研究.pdf

摘要 近年来，光纤光栅技术和光纤通信在全球范围内得到了迅速发展。由于波 分复用( w d m ) 技术能增加网络的容量，因此在光纤通信中引起广泛关注。在 w d m 光网络中，每个光节点必须完成上、下载所需要光信号或将输入信号传 输到下一个节点等功能，光分插复用器( o a d m ) 和复用解复用器在实现这些 功能中起着重要的作用。本文从总结各种o a d m 方案入手，着重研究了基于光 纤光栅和环形器的固定和可调谐( 重构) o a d m s 和几种基于m a t h z e h n d e r 干 涉型复用，解复用器件。本论文完成的主要工作有： 1 利用耦合模理论对光纤布喇格光栅的光谱特性、色散和时延特性进行了 分析和计算机模拟，探讨了光纤布喇格光栅的调谐方法，着重介绍了我们用悬 臂梁对光纤光栅中心波长的调谐以及对光栅的啁啾调谐，同时介绍了磁场调谐 光纤光栅中心波长方面的工作。 2 对基于光纤光栅和环形器的o a d m 进行了研究。首先采用悬臂梁方法对 可调谐光纤光栅o a d m 进行了实验研究；其次，对基于光纤光栅、马赫一曾德 尔干涉仪和光纤光栅可重构的o a d m 进行了实验研究；最后对o a d m 的串扰 进行了理论研究，对三种不同结构的0 a d m 的同频串扰进行了实验研究，给出 了两种新颖结构的o a d m ，与常规结构相比，泄漏到下载端的同频串扰分别减 少了2 4 4 d b 和3 9 3 d b ，由下载端泄漏到上载端的同频串扰分别减少了2 3 6 d b 和2 4 6 d b 。 3 对光纤光栅的温度补偿方法进行了研究。分别采用两种不同热膨胀系数 的材料和负温度系数的材料对光纤光栅的温度补偿进行了实验研究，与补偿前 相比，补偿后的光纤光栅波长温度漂移是未补偿的1 2 3 和1 8 。 4 研制出了基于光纤光栅和环形器的o a d m 单元及其技术( 其中包括单波 长o a d m 单元和四波长o a d m 单元) ，对其性能进行了测试，其下载中心波长 和我们自行研制的四波长激光器的波长相对准，分别是1 5 5 0 9 2 n m ，1 5 5 1 7 2 r i m ， 1 5 5 2 5 2 r i m ，1 5 5 3 3 2 n m ，波长间隔0 8 r i m ，符合国际i t u t 标准。相邻通道的 隔离度达3 5 d b 以上。 我们分别采用两种方案对o a d m 单元中的光栅进行封装，对单波长o a d m 单元，用具有负的热膨胀系数的材料进行封装，在一2 0 0 c 6 0 0 c 温度范围内，平 均波长变化为o 0 0 2 7 n m f l c ：对四波长o a d m 单元，使整个光纤光栅调谐机构 工作在一个保持恒定温度的局部环境下，避开了环境温度对0 a d m 中心波长的 影响，2 0 0 c 6 0 0 c 环境温度范围内，信道中心波长变化o 0 0 4 n m o c 。这两方 面的研究成果以申报国家发明专利。 5 把全光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的一臂缠绕于压电陶瓷上，通过加直流 电压改变干涉仪的输出，测定了特定波长移动和外加电压的关系。在5 8 v 的 电压范围内，得到了3 8 6 n m 的调谐，干涉仪的相位改变3 5 。 6 ，提出了一种利用m a c h - z e h n d e r 干涉仪和光环形镜组成的高消光比复用 解复用器，与常规的m a e h z e l m d e r 干涉仪相比输出谱的消光比得到了很大提高， 用光纤光栅代替光环形镜，组成了一单通道光开关，调节m a c h - z e h n d e r 干涉仪 的臂长差，实现了3 7 4 d b 的开关范围。同时提出了一种高消光比双通m a e h z e h n d e r 干涉仪复用解复用器，与常规的m a c h - z e h n d e r 干涉仪相比输出谱的消 光比得到大大改善，理论与实验很好地吻合。 关键词：光纤光栅，光分插复用器，悬臂粱，光环形器，复用解复用器，压电 陶瓷，马赫一曾德尔干涉仪，串扰，消光比，温度补偿，封装，环形 镜。 攻读博士学位期间参加的科研项目 在攻读博士学位期间，作为项目主要参加人，完成了国家高科技研究发 展计划( 8 6 3 计划) 项目“d w d m 用全光纤激光器与自调准o a d m 器件”和 天津市科委重大攻关项目“w d m 系统设备及o a d m 器件”的研制工作。 作为主要申请人申报国家发明专利一项。 i 工 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) t e c h n o l o g ya n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n h a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l ya l lo v e rt h ew o r d w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m l i sa na t t r a c t i v ef i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u eb e c a u s ei ti n c r e a s e st h e c a p a c i t yo ft h en e t w o r k i nw d m n e t w o r k s e a c ho p t i c a ln o d en e e d st oh a v ev a r i o u s f u n c t i o n sl i k ed r o p p i n gaw a n t e ds i g n a l ，a d d i n gan e ws i g r l a lo rp a s s i n ga l lo ft h e i n c o m i n gs i g n a l s t ot h en e x tn o d e o a d m ( o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) a n d m u l t i p l e x e f f d e m u l t i p l e x e r c a l l p l a yi m p o r t a n t r o l e si no r d e rt o c o m p l e t e t h e s e f u n c t i o n s b e g i n n i n gf r o ms u m m a r i z i n gd i f i e r e n tk i n d so fs c h e m e so fo a d m s ，t h i s t h e s i se m p h a s i z e so nt h es t u d yo ff i x e da n d t u n a b l e ( c o n f i g u r a b l e ) f i b e rb r a g gg r a t i n g 0 a d m sb a s e do nt h ef i b e rg r a t i n g sa n dc i r c u l a t o r sa n do t h e rf o m - i so fm a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r m u l d p l e x e r s d e m u l t i p l e x e r s t h ef o l l o w i n ga r et h em a i n c o n t e n t s ： 1 t h es p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c s d i s p e r s i o na n dt i m ed e l a yo ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n g a r ca n a l y z e da n ds i m u l a t e dw i 血c o u p l e d m o d et h e o r y f i b e rb r a g gg r a t i n gt u n i n g m e t h o d sa r cd i s c u s s e d 1 1 l el i n e a r l yt u n a b l ef b ga n dc h i r pt u n a b l ef b g u t i l i z i n g c a n t i l e v e rb e a m sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h em e t h o do ft h eu s eo f m a g n e t i cf o r c et o s t r a i n - t u n ef b gi sa l s oi n 乜o d u c e d 2 o a d m sb a s e do nt h ef b g sa n dc i r c u l a t o r sa r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h e y i n c l u d eat u n a b l ef b go a d mw i t ht h ec a n t i l e v e rb e a m t u n i n gs c h e m e ，a r e c o r i f t g u r a b l e0 a d mu s i n gt w of b g sa n dah y b r i dr e c o n f i g u r a b l eo a d mu s i n g m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) a n df b g n l ec r o s s t a l ko fo a d m i sa n a l y z e d h o m o d v n cc r o s s t a l kp e r f o r m a n c eo f t h r e ek i n d so f0 a d m si ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y 。 f o rt h e i i t y p e s t r u c t u r ea n d i i i t y p e s t r u c t u r e t h e r ea r es i g n i f i c a n th o m o d y n e c r o s s t a l kr e d u c t i o no fa b o u t2 4 4 d b 3 9 3 d ba n d2 3 6 d b ，2 4 6 d bo nt h ed r o p p e da n d a d d e dc h a n n e l s ，r e s p e c t i v e l y , f o rt h eb e s t p r o p o s e di i - t y p e s t r u c t u r ea n di i i t y p e s t r u c t u r ea sc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a li - t y p es t r u c t u r e ， 3 t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nf o rf i b e rb r a g gg r a t i n gi s s t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l yb yu s i n gt w om a t e r i a l sh a v i n gd i f i e r e n tt h e l t n a le x p a n s i o nc o e f f i e i e n t a n das p e c i a lm a t e r i a lw i t han e g a t i v et h e r m a le x p a n s i o nt o e f f i c i e n t t b et o t a l v a r i a t i o n si nw a v e l e n g t hf o rc o m p e n s m i n gf i b e rb r a g gg r a t i n g sa r e1 2 3a n d1 8o f t h e u n c o m p e n s a t e dt i b e rb r a g gg r a t i n g s ，r e s p e c u v e l y 4 f i x e dw a v e l e n g t ho a d mu n i t sa n dt e c h n i q u eb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n ga n d o p t i c a lc i r c u l a t o r sa r ed e s i g n e da n dm a d e ，i n c l u d i n gs i n g l e - w a v e l e n g t ho a d m u n i t s a n df o u r w a v e l e n g t ho a d mu n i t s t h ed r o p p i n gc e n t r a lw a v e l e n g t h sa c c o r dw i t ha f o u r w a v e l e n g t ht r a n s m i t t e r n l c f o b r w a v e l e n g t h s a r e 1 5 5 0 9 2 n m ，1 5 5 1 7 2 姗， 15 5 2 5 2 n m ，15 5 3 3 2 n m ，r e s p e c t i v e l y n l ew a v e l e n g t hs p a c i n gi so 8 n mc o n f o r m i n gt o t h en a t i o n a ii t u tg r i d t h ec o r r e s p o n d i n ga d j a c e n ti s o l a t i o ni sn o t1 e s st h a n3 5 d b t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo f t h eo a d m si sc o n s i d e r e d t h ef i b e rb r a g g g r a t i n gi nt h e s i n g l e w a v e l e n g t ho a d m i s p a c k a g e db yu s i n gs p e c i a l m a t e r i a lw i t han e g a t i v e t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t t h ed e p e n d e n c eo ft h eb r a g gw a v e l e n g t ho v e rt h e r a n g e o f - 2 0 6 0 0 ci s0 0 0 2 7 n m o c i no r d e l t oa v o i dt h ea f f e c t i o n o ft h e e n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e ，t h ed e v i c e f o rt u n i n gf i b e rb r a g gg r a t i n gi nt h ef o u r w a v e l e n g t ho a d m i sp l a c e di nac o n s t a n tt e m p e r a t u r eb o x t h ed e p e n d e n c eo ft h e b r a g gw a v e l e n g t ho v e rt h er a n g eo f _ 2 0 6 0 ”ci s0 0 0 4 n m o c 。t h e s et w ok i n d so f p a c k e dt e c h n i q u eh a v e b e e n a p p l i e dc h i n e s ei n v e n tp a t e n t 5 t h r o u g hc h a n g i n gt h ep a t hd i f i e f e n c eo ft h et w oa l m so ft h em a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e rb yp z t w ec a l lg e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e c i f i cw a v e l e n g t ha n d t h ev o l m g e a p p l i e do n t h ep z t n 圮t u n i n gr a n g ei s3 8 6 n mw h i l et h ev o l t a g er a n g ei s f r o m - 5 6 vt o5 6 v , a n d 山ep h a s ec h a n g ei s3 5 6 an o v e ls t r u c t u r eo fh i g i le x t i n c t i o nr a t i om u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e rb a s e do na m a c h - z e t m d e ri n t e r f e r o m e t e ra n daf i b e rl o o pm i r r o r ( f l m ) i sc a r r i e do u t n l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t i n c t i o nr a t i oc a nb e i m p r o v e dg r e a t l yi nc o m p a r i s o nw i t l lt h ec o n v e n t i o n a lm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r i f lt h es a m ep a r a m e t e r s a s i n g l e c h a n n e lo p d c a ls w i t c hi sa l s od e m o n s t r a t e db y u s i n ga f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i n s t e a do ft h ef l m t h ed y n a m i cr a n g eo f g r e a t e r t h a n3 7 4 d ba t w a v e l e n g t h s e l e c t i v ep o r t i so b t a i n e d an o v e ls t r u c t u r eo fh i g h e x t i n c t i o nr a t i o m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r b a s e do n d u a l - p a s s m a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e ri sc a r r i e do u t t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s m i s s i o n s p e c t r u mi s i m p r o v e dg r e a t l yi nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm z i t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w g o o dc o n s i s t e n c yw i t h t h et h e o r e t i c a lo n e s k e y w o r d s ：f i b e rb m g gg r a t i n g ，o p t i c a la d d - d r o pm u l 邱l e x e r ，c a n t i l e v e rb e a m ，o p t i c a l c i r c u l a t o r , m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r , p z t , m a c h - z e t m d e ri n t e r f e r o m e t e r , c r o s s t a l k ， e x t i n c t i o nr a t i o ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，p a c k a g e ，f i b e rl o o pm i r r o r 面的研究成果以申报国家发明专利。 5 把全光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪的一臂缠绕于压电陶瓷上，通过加直流 电压改变干涉仪的输出，测定了特定波长移动和外加电压的关系。在5 8 v 的 电压范围内，得到了3 8 6 n m 的调谐，干涉仪的相位改变3 5 。 6 ，提出了一种利用m a c h - z e h n d e r 干涉仪和光环形镜组成的高消光比复用 解复用器，与常规的m a e h z e l m d e r 干涉仪相比输出谱的消光比得到了很大提高， 用光纤光栅代替光环形镜，组成了一单通道光开关，调节m a c h - z e h n d e r 干涉仪 的臂长差，实现了3 7 4 d b 的开关范围。同时提出了一种高消光比双通m a e h z e h n d e r 干涉仪复用解复用器，与常规的m a c h - z e h n d e r 干涉仪相比输出谱的消 光比得到大大改善，理论与实验很好地吻合。 关键词：光纤光栅，光分插复用器，悬臂粱，光环形器，复用解复用器，压电 陶瓷，马赫一曾德尔干涉仪，串扰，消光比，温度补偿，封装，环形 镜。 攻读博士学位期间参加的科研项目 在攻读博士学位期间，作为项目主要参加人，完成了国家高科技研究发 展计划( 8 6 3 计划) 项目“d w d m 用全光纤激光器与自调准o a d m 器件”和 天津市科委重大攻关项目“w d m 系统设备及o a d m 器件”的研制工作。 作为主要申请人申报国家发明专利一项。 i 工 第一章绪论 1 1w d m 光纤通信系统的发展 信息社会给人们带来了巨大的挑战，人们希望能够实现无论何时、无论何地、 无论通过何种方式都能够方便的获取需要的信息。信息爆炸刺激了全球通信业务 的疯狂增长，丽这种疯狂增长的最直接后果是出现了所谓的对代表通信容量的带 宽的“无限渴求”现象。目前，可商用化的电子设备速率最高可达几十个g b i t s ，而 光通道带宽可达几十个t b i t s 。要弥补这样大的带宽差距，就得建立适宜的机制和 协议，进而把大量电子终端( 如工作站、网关等) 的数据复用到光通道中去。因 此，人们面临的任务就是充分挖掘光通信技术的潜力，不遗余力地消除带宽不匹 配现象，以满足2 1 世纪信息互联需要。 目前的光通信网络的复用技术有波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 和码分 复用( c d m ) 三种。其中t d m 和c d m 对电子器件的要求很高，而在w d m 中， 电子设备的速率只需要一个波长信道的速率即可( 波长信道的速率在理论上可以 是任选的) 。因为w d m 对电子速率没有特别的要求，所以它成为最吸引人的光域 复用技术1 1 。”。 波分复用技术从光纤通信出现伊始就出现了。首先出现的是两波长的w d m ( 1 3 1 0 1 5 5 0 n m ) 系统，此系统在2 0 世纪8 0 年代就在美国a t & t 网中使用，速率 为2 xi 7 g b i t s 。但是一直到2 0 世纪9 0 年代中期，w d m 系统发展速度并不快， 从1 9 9 5 年开始，波分复用技术的发展进入了一个崭新的阶段，主要原因在于： ( 1 ) 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现及商品化大大促进了波分复用技术的 发展。利用掺铒光纤放大器可以在线路中继点同时放大多个波长的光信号，无需 电中继，这就大大降低了整个系统的复杂程度和成本，使波分复用的商用化成为 可能。 ( 2 )其他有源无源器件的成熟。到了2 0 世纪9 0 年代中期，多波长高隔离度 的复用器解复用器、波长稳定窄线宽的激光器和高速的外调制模块的成熟使得波 分复用系统可以比较稳定的使用。 ( 3 ) 电时分复用( e t d m ) 技术的瓶颈。e n ) m 面临着电子元器件的挑战， 利用t d m 方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限，e t d m 已没有太多的潜力可 挖，并且传输设备的价格也很高。 ( 4 )己敷设g 6 5 2 光纤1 5 5 0 r i m 窗口的高色散限制了e t d m l o g b i “s 系统的 传输，光纤的色度色散和极化模色散的影响f ；i 益加重，人们正越来越多地把兴趣 从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用 速率，而w d m 技术是目前能够商用化的最简单的光复用技术。 ( 5 )通信网络业务量的飞速增加。从9 0 年代中期开始，i n t e m e t 在全球进入 了一个高速发展的过程，电信网中的数据业务流量据保守估计也保持着每半年翻 一番的速度。原有的通信网络已无法满足业务的要求，网络的发展也推动了波分 复用技术的发展。 基于以上原因，从9 0 年代中期开始，波分复用技术首先在北美开始了飞速发 展，并向密集波分复用d w d m 系统方向发展。1 9 9 5 年l u c e n t 的8 2 5 g b i t s 密 集波分复用系统正式投入商用。1 9 9 7 年，北美所有的电信运营业务商都已经使用 了密集波分复用系统。到1 9 9 8 年，利用密集波分复用设备，北美长途传输主干线 上单纤所承载的业务量已达1 0 0 g b i 以左右。单信道容量从2 5 g b i t 上升到1 0 g b i t s ， 波长数从4 、8 波长增加到3 2 、4 0 直至上百个信道，发展非常迅速。在欧洲，从 1 9 9 7 年开始，受业务量大幅度增加的推动，密集波分复用系统大规模的进入商用。 欧洲各国各大电信运营商安装了大量点对点密集波分复用系统，这些系统以1 6 2 5 g b i t s 密集波分复用通信系统为主。 在波分复用特别是密集波分复用系统大规模进入商用，实现了产品化的同时， 波分复用技术不断的向着更多的波长，更高的单信道速率，更大的容量发展。在 1 9 9 9 年的o f c 会议上，日本n t t 网络创新实验室报道了1 9 路、传输速率为 3 0 4 t b i 如的w d m 系统 4 i 。系统的1 9 路光载波分别位于c 波段和l 波段，载荷 是用o t d m 技术产生的1 6 0 g b i t s 的数字信号，延4 0 k m 的色散位移光纤传输。2 0 0 0 年，这个实验室又报道了一种3 0 路、传输速率为1 2 t b i t s 的w d m 传输系统。 系统单路速率为4 2 7 g b i 以，是将四路1 0 ，7 g b i “s 信号经时分复用复合而成的。系 统传输了3 7 6 公里，中继距离为1 2 5 公里，每段传输由一段单模光纤和一段反 色散光纤完成，中继放大器为碲基掺铒光纤放大器( t e e d f a ) 。 在1 9 9 9 年的o f c 会议上，法国电信公司报道了5 l 路、传输速率为1 0 2 t b i 以 的w d m 系统【i “。系统单路传输速率为2 0 0 b i t s ，并进行了1 0 0 0 k m 的长距离传输， 传输是在标准单模光纤上进行，并用色散补偿光纤( d c f ：d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n f i b e r ) 进行了色散补偿。 2 0 0 0 年月本的f u j i s u 公司报道了一种l 波段w d m 系统i l ”。系统单路传输速 率为1 0 g b i t s ，共有6 4 个波长，全部位于1 5 7 0 n m 1 6 0 5 n m 的l 波段。系统所用 放大器为9 8 0 n m 1 4 8 0 n m 混合泵浦长波段掺铒光纤放大器( l b a n de d f a ) 。系统 进行1 0 1 2 7 k m 的长距离传输后，仍保持了l o 9 的误码率。 总的来晚，w d m d w d m 的发展确实迅速惊人【i2 i 。据专家估计，到2 0 0 3 2 年底很可能制成4 0 0 路，甚至1 0 0 0 路系统，到2 0 1 0 年有可能出现1 5 0 0 0 路系统， 可能称为超密集波分多路( u d w d m ) 。贝尔实验室于2 0 0 0 年报道一种1 0 2 2 路 u d w d m 系统，系统利用一只超高速激光器，同时产生1 0 2 2 个波长，相隔9 5 g h z 。 每路载荷信号3 7 m b s ，总的数字速率大于3 7 g b s ；若每路载荷2 5 g b s ，则总共 可达8 t b s 。另一报道称，d w d m 不仅应用于长途通信网，而且最近推广应用至 城市通信网，以适应快速增长容量的需要。例如城市网已敷设4 3 2 根光纤的线路， 加装d w d m4 0 路系统，每路1 0 g b s ，可使总容量提高至4 3 2 x 4 0 0 g b s = 1 7 2 8 t b s 。 在国内，w d m 技术的研究和开发不仅活跃，而且进展也十分迅速。武汉邮 电科学研究院、北京大学、清华大学、南开大学、邮电部五所先后进行了传输实 验或者建设实验工程。其中武汉邮电科学研究院于1 9 9 8 年在济南一青岛4 6 2 k m 线路上建起了2 0 g b i t y s ( 8 2 5 g b i t s ) 实验工程。1 9 9 9 年1 月由信息产业部、国家 经贸委、国家科技部等部委组成的鉴定委员会在现场召开了鉴定会，对设备进行 了鉴定，认为该设备技术性能达到了9 0 年代后期国际先进水平。济南一青岛工程 是我国目前最高传输速率的国家一级干线工程，它标志着我国的8 2 5 g b i t s w d m 传输设备完成了从科研到商品的转换过程，具备了在干线上与进口设备竞争的能 力。此外，更密集的w d m 技术的研究与实验也取得了可喜的成果。例如：武汉 邮电科学研究院在1 9 9 7 年l o 月成功地进行了1 6 2 5 g b i “s 6 0 0 k r n 单向传输实验， 1 9 9 8 年1 0 月在北京9 8 国际通信展览会上展示了3 2 2 5 g b i l s 的w d m 传输系统。 烽火通信在2 0 0 0 年容量为4 0 2 5 g b i t s 的w d m 系统也进行了传输实验，更高技 术水平的w d m 系统亦将陆续面世。 目前数百吉比特每秒的w d m 系统已经在网络中实际运行，太比特每秒级的 w d m 系统技术也在成熟，将要入网应用。w d m 不论是在应付信息流通巨增、保 护原有线路投资和利用光纤传输带宽潜力、降低建设和运营成本方面，还是在建 设应用灵活性而又富于发展前景的光子网络方面，都将是其他技术无法比拟的。 w d m 技术在发展超大容量的光传输，为实现全球范围内的信息传递不受距离、 时间、传输带宽、业务种类的限制的目标方面将充分发挥作用，为人们尽情享受 丰富多彩的信息服务创造条件。 1 2o a d m 在w d m 通信技术发展中的作用及分类 1 2 1o a d m 在w d m 通信技术发展中的作用 随着w d m 系统的广泛使用，人们发现w d m 技术在提高传输能力的同时， 还具有无可比拟的联网优势。光网络的爆炸式发展造成了对光器件和子系统的 巨大需求，在网络传输已不成问题的时候，另一个显而易见的能提高网络效率 和灵活性的选择是在网络中使用节点。目前商用的波分复用系统，基本上都是 点到点的干线系统，一旦这些系统连接成网络，就暴嚣出其中的不足之处。一 个很重要的问题就是在中间节点上缺乏灵活的上下信息的功能，如果采用传统 的光电光来从干线上取出本地节点需要的信息，同时将本地节点信息发送到干 线，必将使系统的传输速率受到限制，这也就是所谓的“电子瓶颈”。因此具有 通道级上下话路的光波长分插复用器( o a d m ) 引起人们的广泛兴趣。使用 o a d m 可以减少光信道上信息的处理和等待时间，减少节点上设备的复杂性， 而且可以使光信号透明的传输和上下光波长和各种业务，特别是在光的环网上， 更能体现其优越性【“”“j 。 o a d m 是波分复用( w d m ) 光网络的关键器件之一，其功能是从传输光 路中有选择地上下本地接收和发送某些波长信道，同时不影响其它波长信道的 传输。也就是说，o a d m 在光域内实现了传统的s d h ( 电同步数字层次结构) 分插复用器在时域内完成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率 的信号，这一点比电a d m 更优越。 鉴于o a d m 在骨干网节点及本地接入中的重要作用，国内外各大学、公司 和团体都展开了比较深入的研究，有力的推动了o a d m 商业化进程。美国于1 9 9 4 年开始的m o n e t 计划，包含基于声光可调谐滤波器结构的8 波长通道o a d m 节点的研究。欧盟于1 9 9 5 年开始的a c t s 计划中有c o b n e t ( 联合光干线通信 网) 和m e t o n ( 光城域通信网) 两个项目都与o a d m 有关，该计划对o a d m 器件进行了广泛而深入的研究。 从商业化程度来看，目前l u c e n t 公司已经研制出4 0 1 0 g b s 带有完善网络 接口的o a d m 节点，并成功推向市场。其它如a l c a t e l ，s i e m e n s ，n e c 等公司 也都有成熟产品推出。固定的o a d m 进入市场已经有几年了，而可重配置的 o a d m 在2 0 0 2 年上市，2 0 0 2 年o a d m 市场销售收入为l 亿美元，到2 0 0 6 年， o a d m 市场将是现在的1 0 倍，达到1 0 多亿美元”l 。目前国内对o a m d 的研 究也取得了很大进展，在8 6 3 。3 0 0 项目“中国高速信息示范网”中，大唐、武 邮、中兴分别完成了8 路波长，任意上下的o a d m 节点，具有完善的网络管理 接口，可根据网络需求，对o a d m 进行灵活配置。 1 2 2o a d m 功能结构分类 。 o a d m 作为光传送网用于组网的重要器件，其基本原理示意图如图1 1 所示。 一般的0 a d m 节点可以用四端口模型来表示，基本功能包括三种：下路需 要的波长信道，复用进上路信号，使其它波长信道尽量不受影响地通过。o a d m 具体的工作过程如下：从线路来的w d m 信号包含n 个波长信道，进入o a d m 的“m a i ni n p u t ”端，根据业务需求，从n 个波长信道中，有选择性地从下路端 ( d r o p ) 输出所需的波长信道，相应地从上路端( a d d ) 输入所需的波长信道。 而其它与本地无关的波长信道就直接通过o a d m ，和上路波长信道复用在一起 后，从o a d m 的线路输出端( m a i no u t p u t ) 输出。 在o a d m 节点用解复用器解复用需要下路的光波长，同时把要上路的波长 经过复用器复用到光纤上传输。用不同的方法实现解复用和复用就构成不同的 o a d m 结构。但总的说来可以分为固定型和可重构型两类。前者主要采用复用 器解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上，下固定的一个和多个波 长，也就是说节点的路由是确定的。后者采用光开关、可调谐滤波器等光器件， 能动态调节0 a d m 节点上下话路的波长，从而达到光网络动态重构的能力。相 比较而言，前者缺乏灵活性，但性能可靠且没有延时，后者结构复杂且具有延 时，但可以使网络的波长资源得到良好的分配。 可重构的光域分插复用器又可分为两种：第一种是半可重构，这类分插复 用器只可以通过软件将选定的波长设置成上下业务状态或直通状态；另一种是 完全可重构的，是在第一种所有的功能基础上再加入波长转换功能。研究证明， 采用这种完全可重构的光域分插复用器，可以无阻塞地提供端到端的波长通道。 实现o a d m 的技术多种多样，从材料上可分为：波导、光纤、微型全反射 镜和棱镜等：调谐方式有热光、声光、微机械等：从传输路径看，有的属于波导 光学范畴，有的属于空间光学。o a d m 节点的核心器件是滤波器件，由滤波器 件选择要上下路的波长，实现波长路由。目前应用于o a d m 中的比较成熟的滤 波器有声光可调谐滤波器、多层介质膜、阵列波导光栅( a w o ) 、体光栅、光纤 布喇格光栅( f b g ) 等。从o a d m 实现的具体形式来看，最具代毒性的o a d m 是： 分波合波器加光开关阵列的o a d m 、基于声光可调的o a d m 和基于光纤光栅 的o a d m 。 1 分波合波器加光开关阵列 这种结构的波长路由采用分波合波器，o a d m 的直通与上下的切换由光开 关或光开关阵列来实现m ”l 。其系统结构如图1 - 2 所示。这种结构的支路与群路 间的串扰由光开关决定，波长间串扰由分波合波器决定。由于分波合波器的损 耗一般都比较大，所以这种结构的主要不足是插损较大。 图1 2 基于解复用和光开关的o a d m 目前分波合波器多采用体光栅、多层介质膜和阵列波导光栅等器件。从物 理上看分波器反过来用就成为合波器，当然在实际设计上分波器与合波器的考 虑还是略有不同的，下面从构成分波器的角度对这三种器件分别加以简要介绍。 介质膜滤波器型【1 ” 介质膜滤波器型解复用器的结构如图1 - 3 所示，其基本原理是利用多层介质膜 的滤光作用进行复用或解复用，即对一个或多个波长反射率高( 或透射率高) ， 对其它波长则反射率低( 或透射率低) 。 2 t 、如、毛、丑 图1 3 介质膜滤波器型解复用器结构图 通过对介质膜系进行选择，可以构成长波通、短波通和带通滤波器。一个 6 实际的带通滤波器对波长处于通带宽度内的光有很高的透射率，而对波长处于 阻带内的光有很高的反射率，因此它可以作为波长敏感元件来构成解复用器。 在制作干涉膜滤波器时，经常用自聚焦透镜作准直器件，直接在自聚焦透 镜的端面上镀膜形成滤波器。自聚焦透镜的长度应为1 4 节距，这样通过两个 自聚焦透镜和中间的介质膜就可以实现两个波长的分波和合波。 介质膜通带和阻带透射率的大小，不仅影响器件的插入损耗，而且也决定了 器件的路际串扰。精确设计膜系的材料和层数，可以实现插损和串扰都很低的 解复用器。 阵列波导光栅型“3 a w g 型波分复用解复用器的结构如图1 4 所示，它是由输入波导、两个 平面耦合波导、阵列波导和输出波导构成的。 图1 4n x n 阵列波导光栅型波分复用，衡! 复用嚣结构图 阵列波导的各路径长度差所产生的效应与闪耀光栅的沟槽作用相当，从而 起到光栅的作用，被称为阵列波导光栅。当多波长信号进入某一输入波导时， 此信号将在第一个平面波导中发生衍射而耦合进阵列波导。阵列波导由很多长 度依次递增的路径构成，光信号经过不同的波导路径到达第二个平面耦合波导 时，产生不同的相位延迟，在第二个平面耦合波导中相干叠加。精确设计阵列 波导的路径数和长度差，可以使不同波长的光信号在第二个平面耦合波导输出 端的不同位置形成主极强，分别耦合到不同的输出波导中，从而起到解复用器 的作用。 a w g 型波分复用解复用器具有插损小、波长间隔小、信道数多、通带平 坦等优点，适合高速、大容量w d m 系统使用，但是串扰不易达到很小，而且 对工艺精度要求很高。a w g 目前己成为研制、开发的重点。 体光栅型【l 2 5 。2 8 i 体光栅是指在一块能够透射或反射的平面上刻划平行且等距的狭缝，当含 有多波长的光信号通过光栅时产生衍射，不同波长的光信号将以不同的角度出 射。光栅的种类较多，用于w d m 系统的主要是闪耀光栅。体光栅型解复用器 的结构如图1 5 所示。当光纤阵列中的某根输入光纤中的光信号经透镜准直后， 以平行光束射向闪