（光学工程专业论文）色散补偿光纤的设计和波分复用系统.pdf

f 研究生学习阶 k 通信系统。本文回顾 应用最广泛的色散补 用标量近似法推导了 摘要 碴9 3 6 1 8 结构。然后根据色散方程( 特征方程) ，用基因法优化色散补偿光纤的负色散， 樽到了求得最大负色散时的色散补偿光纤的光纤结构，同时保证基模在光纤中的 传输。接着对这种结构的光纤作了分析，包括它的色散与波长之间的关系，色散 在c - b a n d 的变动范围，标量场的分布，基模在光纤中的功率分布，在1 5 5 0 处的 宏弯损耗等。在此基础上，分析了色散补偿光纤的结构对色散的影响，包括纤芯 对色散的影响和凹陷包层对色散的影响。除了理论计算之外，设计了8 通道， 2 5 0 b s 的波分复用系统，对系统的光源，各器件的选择，中继距离，最大传输 距离，功率预算，上升时间作了分析，并根据实验室现有条件实现了2 通道的波 ； 分复用系统，分析了各传输节点上的频谱图，为全光网络打下基础，同时归纳了 ，一 波分复用系统设计和搭建中需要注意的问题。 a b s t r a c t t h i st h e s i ss u m m a r i z e dm yr e s e a r c hr e s u l t si nt h ep a s tt w oy e a r sf r o mt w oa s p e c t s ： d e s i g n o f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r s c f ) ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s n o w a d a y s ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n f i b e r sa r et h eo n l yc o m m e r c i a l i z e dm e t h o d o f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ed i s p e r s i o nr e l a t i o n ( e i g e nv a l u ee q u a t i o n ) o f d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r s 虹o b t a i n e db y as c a l a r - w a v e - n _ i y s h t h ee q u a t i o ni sa l s oa u n i f i e da p p r o a c ht ot h ed e s i g no fc o m m o nt r i b l e - c l a do p t i c a lf i b e r s b yg e n e t i ca l g o r i t h m ， t h eo p t i m i z e dr e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e ( r i p lo fd c fi sc a i c u l a t e dt oo b t a i nm a x i m a lv a l u eo f n e g a t i v ed i s p e r s i o n t h i sr i p e n s u r e st h ep r o p a g a t i o no fb a s i cm o d ei nd c f s d e t a h so f d c f sw i t ht h er i p 括a n a l y z e d i n c l u d i n gt h er e l a t i o no fd i s p e r s i o na n dw a v e l e n g t h ， v a r i a t i o no fd i s p e r s i o nl nt h ec h a n d ，c u t o 仃w a v e l e n g t ho ft h eb a s i cm o d e d i s t r i b u t i o no f s c a l a rf i e l da n dp o w e r , m a c r o - b e n d i n gl o s sa t1 5 5 0 u m b a s e do ht h e o p t i m i z e d r ip i m p a c t i o no fr a d i u so ff o r ea n dw i d t ho fd e p r e s s e dc l a d d i n gi ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ，a w a v e l e n g t hd e r i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e mc o n t a i n s8c h a n n e l sw i t h r a t eo f2 5 g b sp e rc h a n n e l c o n s i d e r i n ga v a i l a b l ec o n d i t i o n sj ut h el a b as y s t o mw i t h2 c h a n n e l si sr e a l i z e d s f i e c t r a la n a l y s i si na l li m p o r t a n tn o d e si sr e p o r t e d t h i ss y s t e mi st h e b a s i co fac o m i n g _ u o p t i c a l n e t w o r k 第一章光纤通信概述 i 1 光通信的发展及展望 1 1 1 光通信的概况 光通信的发展是从3 0 年前进入飞速发展时期的，从8 0 年代末的p n h 系统9 0 年代中 期的s d h 系统以及近来风起云涌的波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统光纤通信系统自身在快速地更新换代从基础性理论的提出到如今光通信的技术发 展经历了数个里程碑： 1 8 5 4 年j o h nt y n d a l l 提出了光波导； 1 9 6 0 年在t h e o d o r e - a i g a n 的实验室里诞生了第一个激光器： 1 9 6 6 年高锟先生提出用光纤传输介质进行通信： 1 9 7 2 年制造了4 d b k m 的光纤比世界上第一根光纤的损耗( 2 0 d b k m ) 小了很多； 1 9 9 1 年有关单模光纤的第一次报告： 1 9 9 5 年密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd e r i s i o n 妇i t i p l e x i n g ，简称d w i 瑚) 以及掺铒光纤放大器e d f 开始受通信领域目： 1 9 9 8 年1 兆兆字节系统产生，在一根光纤上实现了) i t b s 的信号传输( _ q ) m + t d m ) ； 2 0 0 0 年l b a n d 系统出现，单根光纤传输码率4 0 g b s 的系统尚在实验室阶段 光纤通信出现以前有线通信网很长时期主要是为电话通信服务，其线路是利用铜线， 包括架空明线，对绞铜线电缆和同轴电缆5 0 年代起。在铜线线路上大量利用新的复用技 术，称为载波电话，包括明线的3 路，1 2 路，对绞铜线电缆的6 0 路和小同轴电缆的3 0 0 路 及中同轴的1 0 8 0 0 路载波电话，当时称“频分复用”( f 蹦) ，用载波遏止、单边带传统方式， 每路都是模拟电话，频带3 0 0 3 4 0 0 h z ，即各路载波频率相隔4 k h z ，在频谱上依次排列到 了7 0 年代，数字通信兴起，利用脉冲编码( p 嘣) 技术，每路数字电话传输速率6 4 k b s ， 而且进一步利用“时分复用”( t d m ) 技术。3 0 路数字电话组成基群2 m b s 同样在7 0 年代，“光纤之父”高锟先生提出的光纤作为传输媒质的理论被事实验证。 从此，光纤光缆开始代替铜线传输数字电话信号，在通信领域掀起了一场革命光纤和光器 件崭露头角。就很快在世界各地通信网上推广应用光纤线路本身的损耗低和潜在容量大等 特点确实优于铜线电缆。光纤系统本身的技术越来越完善，而通信网越来越需要向“超高速 率、超大容量、超长距离”发展因此长途和市内干线无可怀疑地广泛使用光纤代替电缆。 只有在一般用户末端，距离较短的用户线因光纤及光端机系统目前的成本还嫌较高，难以 替代原来的对绞铜线也就是说，目前一段时期还不能指望实现光纤连至每一住家( f t t h ) 至于通信网本身，长期以来的传统是公用交换电话网( p s t n ) 但9 0 年代中期国际互 联网( i n t e r n e t ) 异军突起引起全世界广大计算机用户的兴趣，纷纷争取上网通信。以致 数据信息业务量爆炸性增长，其每年增长率远远大于传统电话业务量的增长率，以致通信网 对数据通信提供的带宽容量每隔6 1 24 j q b 一番据国际上可靠的估铡进入新世纪后 仪仪几年全世界通信网承担的数据通信业务量总数超过电话通信业务量总数( 见圈卜1 ) - i 差 1 l m 图卜1 世界网络业务的数据化趋向 因此可以断言。未来的图家通信核心网必将是以数据信息为重心( d a t a c e n t r i c ) 的 分组交换网( p a c k e ts w i t c h i n g ) ，它将以互联网规约i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 为依据， 承担所有信息业务包括传统p s l n 的电话业务，并保证必要的业务质量( q o s ) 。总之通 信网必然全是运行于数字通信，计算机越来越瞢遍它们功能齐全从数据通信推广至多媒 体通信伴有压缩数字化的音频和视频信息移动用户的便携计算机也要经过无线接入固定 有线通信网实现数据通信和多媒体通信这样看来，有线通信网提供通信业务的容量必将与 年俱增远远超过以往的情况光通信有提供大容量的潜在能力，应付未来通信的庞大容量 需求，只能依靠光通信网和光纤线路”1 1 1 2 波分复用系统 波分复用技术“从光纤通信出现伊始就出现了，两波长w d m ( 1 3 1 0 1 5 5 0 n = ) 系统8 0 年代就在美园a t & t 冈中使用，速率为2 1 7 g b s 但是到9 0 年代中期，_ d m 系统发展速 度并不快，主要原因在于：( 1 ) t d m ( 时分复用) 技术的发展。1 5 5 硼o s _ 6 2 2 抽s - - 2 5 g b st d m 技术相对简单据统计。在2 5 g b s 系统以下( 含2 5 g b s 系统) ，系统每升级 一次每比特的传输成本下降3 0 左右正由于此，在过去的系统升级中，人们首先想到 并采用的是t d m 技术( 2 ) 波分复用器件还没有完全成熟，波分复用器解复用器和光放 大器在9 0 年代初才开始商用化 1 9 9 5 年开始，w d m 技术的发展进入了快车道。特别是基于掺饵光纤放大器e d f a 的1 5 5 0 r m 窗口密集波分复用( d 删) 系统埘l u c e n t 率先推出8 x 2 5 g b s 系统，c i e n a 推出了1 6 x 2 5 g b s 系统到1 9 9 8 年大约9 0 的长途通信线路装用肼蹦系统。容许一根光纤同时 传输更多路光载波，也让光纤具有较大的传输容量实际装用的啪h 系统已达到根光纤 传输的总容量4 0 0 g b s 与此同时，光纤放大器e d f ( e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 的 产品已成熟可靠它们能与隔蹦系统联合运用大约每隔8 0 1 i o o k = 设要一个线路中间放大 站，k 途线路的传输距离可达1 0 0 0 k m 在1 9 9 9 年，匮际会议报道几个单位各自所作实验示 2 范表演有一份报告说e - t 蹦组合的数字信号速率达4 0 g b s 用于4 0 路d u 系统一根光 纤的传输容量达1 6 t b s 传输距离4 0 0 k i n 另一份报告说光纤上装用删系统，总的传 输容量已达3 t b s 世界上各大设备生产厂商和运营公司都对这一技术的商用化表现出极大 的兴趣w 蹦系统在全球范围内有了较广泛的应用发展迅速的主要原因在于： ( 1 ) 光电 器件的迅速发展特别是e d f 的成熟和商用化使在光放大器( 1 5 3 0 1 5 6 5 m = ) 区域采用 w d m 技术成为可能( 2 ) t d g l o g b s 面临着电子元器件的挑战，利用r 叫方式已日益接近 硅和镓砷技术的极限，t 嘲已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高( 3 ) 已 敷设g 6 5 2 光纤1 5 5 0 r t m 窗口的高色散限制了t i ) i h i o g b s 系统的传输，光纤色度色散和极化 模色散的影响日益加重。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，而粕m 技术是目前能够商用化最简单的光复用 技术 目前的w 删系统是在1 5 5 0 n = 窗口实施的多波长复用技术最近利用波分复用密集波 分复用( - 蹦d 唧i ) 技术，一根单模光纤在波长1 5 5 0 n m 窗口能够周时传输十几路或几十路 光载波。有实验报道达到一百路，传输数字速率最高达到原来传送一个光载波时的一百倍， 即1 0 0 x l o g b s = l t h s 并预测2 0 1 0 年左右。光纤传送数字速率有可能再提高十倍，达到 l o t b s 因此可以得出这样的结论：- 蹦是发掘利用光纤巨大潜在容量的利器，未来通信网的传 输线路肯定是越来越多地采用删，并且越来越多的路数可同时传输。这对于扩大通信网容 量，适应通信业务量快速增长非常有利并且。采用w d k 来扩大容量是符合经济节约原则的， 很显然，当通信业务量增加1 0 0 倍时一根光纤采用1 0 0 路w 蹦系统比敷设1 0 0 根光纤、 每根光纤只传送一路光载波的方案要经济得多删将是适应通信业务快速发展和扩大通信 网容量的最佳选择而且。由于盯m 的经济性直接降低了用户支付资费用户更加乐于使 用通信业务。从而进一步促使通信网扩大带宽容量预料未来的骨干通信网容量不到几年就 可能从g b s 级升至t b s 级，而光通信的肼删技术提供数字速率t b s ，完全有把握适应未 来通信网的需要所以说，最重要的光通信技术是波分复用w 喇肼瑚技术。 1 1 3 光纤和光器件的量近发展 盘红 从光纤通信发展的几个阶段看，所应用的技术都与光纤密切相关“1 8 0 年代初期的多 模光纤通信，所戍用的是多模光纤的8 5 0 n m 窗口：8 0 年代未、9 0 年代初期的p d h 系统，所 应用的是单模光纤1 3 1 0 h m 窗口；1 9 9 3 年开始的s d h 系统开始转向1 5 5 0 n m 窗口；i d m 是在光 3 纤上实行的顿分复用技术更是与光纤有着不可分割的联系有关光纤的具体内容可以参考 2 5 节 目前推广使用w d m d w i 瑚和e d f a 的量好光纤是l u c e n t 商标为t r u e w a v e 的单模光纤 这1 5 5 1 , m 总的窗1 3 又分两个波带：1 5 3 0 “1 5 6 5 n m 称为c 波带( c o n v e n t i o n a l b a n d ) t 1 5 6 5 1 6 1 0 n m 称为l 波带( l o n g i s v e l e n g t hb a n d ) 各有宽度4 0 r t m 两个共8 0 m 这样 e d f a 也可分为两个波带的放大器肼嘲的载波波长阃隔先是0 8 后又缩小至0 4 n m 因 此，每一波带至少容纳5 0 路d _ 嘲。两个波带( 即一个1 5 5 1 j 窗口) 共容纳1 0 0 路i ) w d m 系 统对e d f a 配合运用满意所以，长途光纤线路决定使用和1 5 5 1 自窗口的非零色散单模光 纤( n z d f n o nz e r od i s p e r s i o nf i b e r ) 。 最近，光纤制造时已能消灭s 肝在1 3 8 0 h m 出现的叫。吸收高峰，因而提供平坦损耗 和不太大色教的较宽波长窗口，称为1 4 0 p r o 窗口，l u c e n t 商标为 1 1w a v e 的新型单模光 纤。虽这波长在且前尚无集总的光纤放大器，但容许城市骨干弼中距离不长的线路，如采用 这种新型光纤，可装用d w i ) m 所以这1 4 0 啪窗口将是值得推广的重要窗口，大有发展前途， 应该给予高度重视 盎援 光纤通信系统发送端的半导体激光管是主要的。也是制造难度最大的光器件自从决 定发展应用长波长光纤通信后1 3 l 坤和1 5 5 1 m 的激光管相继研制成功并提供商用它们 采用i n g a a s p i n p 材料已有多年近来又有利用i n g a a l a s i n p 。以期获得更好的效果对 1 5 5 1 激光管特别精心研究最佳结构，认为应该采用分布反馈d f b ( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) 和多量子阱m o w ( m u l t i p l eq u a n t u mw e l l ) ，产生单纵横，适合于数字信号在较高速率g b s 级的运用但在高速数字信号对激光管直接调制时容易产生频率扫动( c h i r p ) ，使频谱加宽。 在d w i ) m 系统运用不利为此1 5 5 p r o 窗口d i f l ) m 系统的发送激光管大多施行外部调制例如 电子吸收式调制器，把它与激光管集成在同一芯片上。1 3 1 m 激光管可以用于c a t v 的模拟 电视信号，能提供良好线性的光强一电流特性满足传输系统的要求在数字通信的w d m 系统，有必要把多路的发送激光管集成在一块芯片上。以减少终端设备，有一份报道叙述试 验翻用垂直腔西发射激光管v c s e l 把1 0 1 2 路不同波长的这种激光管集成在同一芯片上， 连用半导体光放大器s o a 和温度控制器集成一起这是光子集成p i c ( p h o t o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 对于发展粕m d w d m 是必不可少的。对于d w d m ，还要求每一激光管的发射波长是 可调谐的( t u n a b l e ) 或可选择的( s e l e c t a b l e ) 。有份报道叙述一种激光管复用分布勃拉 格反射体d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ) ，包含可调谐勃拉格滤波器。能在1 5 4 8 、1 5 5 6 n m 4 范围的8 n m 宽度选择2 0 个相隔0 4 n m 的不同波长 滥红越塞器 一段光纤的纤芯掺饵在得到0 9 8 1 j 或1 4 8 m 半导体激光管输出功率的抽引( p u 叩) 后能成为光纤放大器e d f a 对1 5 5 巾波长窗口提供有用的功率放大自从1 9 8 9 年研制 成功1 9 9 4 年首次在海底光缆中应用以后发展得很好它促使d w i ) m 能真正在光纤通信发 挥扩大传输容量的作用，使原来只能传输几个g b s 跃升至现在几百g b s 甚至几千g b s 即 l 3 t b s ，作出很大贡献现在，e d f a 很可靠地放大c 波带或l 波带。最新的宽带w e d f a ( w i d e b a n de d f a ) 能同时放大c 和l 波带共8 0 n t o 宽度，提供平坦的功率增益4 0 d b 和足够 大的输出功率及良好的信嗓比在长途线路几百公里，基于一千公里避免使用光电和电 光转换的再生器每隔6 0 l o o k m 设置线路中闻的光纤放大器。实现全光传输。迄今为止， 还没有其它波长的光纤放大器像e d f a 那样真正普遍推广应用 值得注意的是拉曼放大( r a m a na m p l i f i e r ) 最近开始在光纤线路上实际运用当光纤 受到比传输信号较短波长的足够大功事抽引后，能在很宽的信号波带提供有用的功率增益， 甚至在1 2 7 0 。1 6 7 0 h m 整个长波长波段提供放大增益达4 0 d b ，输出功率+ 2 0 d b m 。噪声系数 4 2 d b 从报道得知，拉曼放大在三种情况试验成功：一是在i 3 p m 对c a t v 光纤线路提供放 大，噪声性能良好二是对a l lw a v e 光纤在1 4 0 p r o 波长窗口的肼蹦系统提供有用放大 三是对t r u ew a v e 光纤在1 5 5 啪波长窗口，拉曼放大与e d f a 联合运行。对d i d m 的4 0 路波 长每路4 0 g b s ，共1 6 t b s 沿4 0 0 k r a 光纤长途线路传输运用都有良好结果。 重燕数玉遂整佳 光通信系统还有几种重要的无源光器件在最近有良好的发展，适应光通信的需要例 如波分复用系统必需的合波器一分波器( m u x - - d e m u x ) ，包括插分合波器o a d m ( o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) ”，即一种分波器一合波器组合，w d m 信号由分波器分成不同 波长路由，有些路就“分下”由结点使用，其它路进入合波器，结点把与分下的波长相同的 路数“插上”合波器。与其它直达路由合波器合为删信号输出这些无源光器件都需要最 新的设计。现时很多利用集成光学制成平面光路p l c ( p l a n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ) 特别 有种阵列波导光栅a w g ( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 可以用作w d m 的合波器、分波器 或o d m 例如n 路- 删使用的a 孵，输入和输出各有n 个出入口，当用于分波器时，n 个人 u 只用一个入口，让n 路删信号输入。而n 个出口则让n 路不同波长分别输出。当用于合 波器时tn 个入口输入不同波长的n 路，而输出的n 路w d m 信号则仅用n 个出口中的一个出 u 。输入n 路入口连接输入n 路星形耦合器，输出n 路出口连接输出星形耦合器。两个星形 5 耦台器之问才是波导光栅它是平面波导。其加工过程是利用低压化学蒸汽沉积法( l p c v d ) 或p e c v d 在纯硅片上沉积几种不同掺杂的二氧化硅层，相当于下包层、芯层、上包层、折 射率差约为06 ，以与单模光纤匹配波导长度约2 0 c m 按不同波长有长度差l ，波导 损耗约0 0 2 d b c m 这样n 条不同长度的平面波导构成阵列，各自传输n 路不同的波长从 输入星形耦合器至输出星形耦合器波导的长度差可以制作得很精细使n 路不同波长的相 互自】隔很小例如0 8 n m 或0 4 r m ，配合肼删的合波和分波信号使用 这样的平面波导阵列有可能用来提供其它不同应用例如选寻路由，光交换动态增 益均钨光纤色散补偿等应用，甚至有可能参照掺饵光纤放大器e d f a 。制成掺饵波导放大 器e d w a ( e r b i u m - d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r ) 曾试验一个1 4 c m 长的e d n a ，在9 8 0 n t o 的 1 5 0 r o w 功率的抽引下对1 5 5 0 r m 波长产生增益1 5 d b ，所以，集成光学的s i o t o n s i 。或者说 s i o b ( s i i i c o no p t i c a lb e n c h ) 技术和工艺是大有发展的前途的，值得重视其研究与试验。 1 i 4 光纤传输线路和光通信网 上面讲的许多新技术发展情况。主要是袁明大容量和长距离通信全靠光纤线路来传输 “1 。现在和将来都指望光纤传输线路来执重担。有了d w d m 和e d f a ，一根光纤的最大传输容 量从1 0 g b s 跃升至i t b s ，还可能继续跃升，面全光传输的距离可以延伸至几百公里和一 千公里以上特别是单模光纤本身和激光管及无源光器件集成光学，都曾建立了大功而且 这些有源和无源光器件还要继续大发展在不需要光放大的短距光纤线路。也在积极推广应 用，城市两的骨干线路( 即结点与结点间的线路，或称局问线路) ，和接入网的无源光网p o n ( 即结点与用户集中点间线路) 都有显著改进进入新世纪后，通信线路将普遍是光纤传输 线路数量与质量都是与日俱增当然，在未来的通信，无线线路有其独特用途也要大量 发展总的趋向是光纤线路和无线线路共同朝前发展。 然而。应该深刻认识到，光纤传输线路并不代表光通信的一切，光纤传输线路固然很 普遍、很重要但它们仅提供光信号的点点传输不能忘记还有同样的重要的一方面，即光 通信网本身简称光网o p t i c a ln e t w o r k 现在通信界科技工作者正注意研究这个问题，已 大致确定光网将以波分复用w d m 为基础。深入研究如何组建和设计这样的光网这种工作称 为o p t i c a ln e t w o r k i n g 简单地说光网的结构是类似于现代数字通信网i p b a s e d 和p a c k e t s w i t c h i n gc o r en e t w o r k 的结构。将有许多结点( n o d e ) 但现在各结点将由光纤载荷的w d m 信号连通。每一结点的内部各有若干个插分复接器a 嗍和交叉连接o x c ( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) “。但这些组件在光网是适应波长操作称为光的o a d m 或波长的w a d m 以及光 的o x c 或波长的w x c 当然结点内也有w d m 使用的合波器m u x 和分波器d e m u x 和光纤放大 6 器还可能设置波长转换器，咀便在光交叉连接时按需要改变波长这样波长的w a d i ( 容 许在结点内分下或插上若路波长的光信号，而其它路波长可从分波器输出赢通合波器输入- 都不必把光信号转换为电信号或把电信号转换为光信号这样统统由光信号在网内运用，使 通信网成为“透明一( t r s p a r e n t ) 的光网另外光网宜予优先考虑采用双纤环形结构 使网内某处如出现故障。仍有能力迅速自愈( s e l f - h e a l i n g ) 或恢复通信- 不让韭务运行中 断 综上所述未来通信网将是以数据业务为重点的分组交换网，统一使用i p 的路由器 和交换机形成大容量通信网，稍后。如对通信容量的要求超越大，那就只有从电网过渡至 光网才能满足要求因此可以断定将来必是全光通信网( a o n a l lo p t i c a ln e t w o r k ) ( t m ) h * ) h i h s ) o 正好光纤传输线路发展波分复用删技术取得相当成功，就自然地把删移植 至光网成为多波长光网h o i q e t 当然，大量的具体工作等待人们去探索研究和实验，但发 展光网的趋向是完全肯定的估计2 0 1 0 年有新的全光网在世界上出现。 i 2 波分复用系统中的关键器件 舳m 系统“1 本质上是光域上的模拟系统，瑚技术第一次把复用方式从电域转移到光域。 在光域上用彼长复用( 即频率复用) 的方式提高传输速率，光信号实现了童接复用和放大， 丽不再回到电信号上处理，因而大大增加了光电器件。而且光模拟系统的性能很大程度上取 决于各器件的特性相对于s d h 系统。- 蹦系统增加了波分复用器( 解复用器) 、光放大器 等器件。另外对激光器信号的波长准确性和稳定性也提出了较高的要求下面我们分3 部分 介绍w d ) 4 系统中的光电器件即激光器、波分复用器和光放大器。 i 2 i 激光器 过去s d h 系统工作波长是在一个很宽的区域内，而w d m 系统的最重要特点是每个系统 采用不同的波长，一般波长间隔为l o o g l l z 或2 0 0 g h z ，这对激光器提出了较高要求除了准 确的工作波长外，在整个寿命期闻波长偏移量都应在一定的范围之内，以避免不同的波长相 互干扰即激光器必须工作在标准波长、且具有很好的稳定性。 另一方面，由于采用了光放大器珊系统的无再生中继距离大大延长s d h 系统再生 距离一般在5 0 6 0 k m ，由再生器进行整形、定时和再生恢复成数字信号继续传输。而i d m 系统中，每隔8 0 1 c m 有一个e d f a 只进行放大，没有整形和定时功能不能有效去除因线路 色散和反射等带来的不利影响，系统经5 0 0 6 0 0 k m 传输后才进行光电再生，因而要求光 源的色散受限距离大大延长由过去的5 0 6 0 k m 提高到6 0 0 k i n 以上这对光源的要求大大 提高总体上应用在w 嘲系统上的光源有2 个突出特点：( l ) 比较大的色散容纳值( 2 ) 标准而稳定的波长 挫遘劐撼苤 对于直接调制来讲单纵模激光器引起的啁啾( c h i r p ) 噪声己成为限制其传输距离的 主要因素即使采用a 值较小的应变型超晶格激光器在g 6 5 2 光纤上传输2 5g b s 的色散受限距离也只有1 2 0 k s 左右这对于国家干线w d m 系统要求的5 0 0 6 0 0 k m 是不够的 从原理上讲，很难消除直接调制带来的c h i r p 噪声人们把眼光转向了外调制 与直接调制不同，在外调制情况下高速电信号不再直接调制激光器，而是加载在某 一媒介上，利用该媒介的物理特性使通过的激光器信号的光波特性发生变化，从而间接建立 了电信号与激光的调制关系在外调制情况下，激光器产生稳定的大功率激光，而外调制器 以低啁啾对它进行调制从而获得远大于直接调制的色散受限距离目前。投入实用的主要 育两种：一种是电吸收型外调制器，一种是波导型铌酸锂马赫一曾德尔调制器 1 电吸收外谓制器( i n i l 激光器) 电吸收外调制器是一种强度调制器，也是第一种大量生产的钢镓砷磷( i n g a a s p ) 光电 集成器件它将激光器和调制器集成到一片芯片上e m l 激光器芯片的激光器段工作子恒定 功率或c _ 模式输入信号加在调制器上，因此调制器像一个开关。让光通过或把光关断。 这使得产生的信号的啁啾声( c h i r p ) 非常小囚此可以在标准的光纤上传播非常长的距离， 并且信号的失真很小。典型的删l 激光器支持超过6 0 0 k m 的距离 电吸收外调制器的最突出的优点是体积较小，集成度好。另外驱动电压低，耗电量小， 在已有的w 蹦陆地系统中，绝大部分公司的产品都采用了这种类型的外调制器。 2 马赫一曾德尔( m a c h z e h n d e r ) 外调制器 马赫一曾德尔波导型外调制器也是一种强度调制器。它使用单独的一个单纵模d f b 激光 器和一个外调制器激光器也工作于连续波( c 1 ) 状态在外加调制电场的情况下，由于银 酸锂( l i n b o ，) 良好的电光效应。使波导的折射率发生改变，通过波导的光的强度相应发生 变化实现波导输出的光幅度调制马赫一曾德尔调制器在原理上其啁嗷参数可以为零，因 而调制速率极高，几乎不受光纤色散的限制调制线宽很窄，消光比高缺点是调制器与偏 振矿态相关，激光器和调制器之问的连接必须使用保偏光纤在l o g b 5 以上超高速w d m 系统传输时，m z 外调制器成为克服光纤色散影响的主要手段 这埏猛定技垄 w d m 系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各个 通路的信号波长不同，而且对中心频率偏移有严格规定。如对于8 x2 5 g b sw i ) m 系统， 8 通路甘】隔选择2 0 0 g h z 到寿命终了时的波长偏移不大于2 0 g h z 相邻两个通路如果波长偏 移过大，就会造成通路问的串扰过大，产生误码就目前技术而言鼍简单的方法是依靠稳 定激光器的温度和偏流保证但这种方法无法解决由于激光器老化、温度变化引起的波长变 化当波长辅度要求较高时。需要使用更严格的波长控制技术 使用波长敏感器件对 可调制连续波光源的波长进行控制的原理如图卜2 所示波长敏感器件的输出电压随l d 发 射光波长变化而变化，这一电压变化信息经适当处理可用来赢接或间接控制l d 发射的光波 长使其稳定在规定的工作波长上 图1 - 2 波长控制原理 1 2 2 波分复用器件 波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分将不同光源波长的信号结合在一起经 一根传输光纤输出的器件称为合渡器。如图i - 3 ( a ) 所示。反之，经同一传输光纤送来的 多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器，如霉i - 3 ( b ) 所示有时同一器件 既可作分波器，又可以作合波器 1 l b w t ) m ( a ) 合谴鼍 k b 竹l - | k h k 田1 3 波分复用器件 c b ) 分t 靠 w 蹦器件有多种制造方法目前已广泛商用的删器件可以分为4 类。即角色散器件、 干涉滤波器、熔锥型波分复用器和集成光波导型。下面分别进行介绍。 9 盘扭型进盆复田墨 光栅型波分复用器件属于角色散型器件当人射光照射到光栅上后，由于光栅的角色散 作用，使不同波长的光信号以不同的角度出射。然后经透镜会聚到不同的输出光纤，从而完 成波长的选择作用如图卜4 所示 圈1 4 光攮型波分复用嚣件的典型结构 总的来看，光栅型w d m 器件具有优良的波长选择特性。可以使波长间隔缩小到数i l 到 0 5 1 n m 左右另外，光栅型器件是并联工作的插入损耗不会随复用信道的增多而增加， 己能实现3 2 1 3 1 个波长的复用，但对温度稳定性要格外注意以1 6 通路釉m 为例由于 光源在1 5 5 0 h m 波长的温度系数大约为0 4 r i m 环境温度变化3 0 c 就足以引起约0 4 n m 的波长偏移对于通路带宽仅0 3 1 的情况将至少导致3 d 8 的失配损耗，其严重性可见一 斑。因而采用温控措施是必要的 图1 - 5 光纤中布拉格光撮滤波嚣 除上述传统光栅器件外，近来一种利用紫外光将折射率光栅刻在光纤芯区的光纤光栅受 到了很大重视，如图卜5 所示据报道其性能甚佳带内频响很平坦。带外抑制比很高插 入损耗不大，性能十分稳定，1 5 6 0 h m 的温度系数为0 o l n m ，滤波特性滚降斜率优于1 5 0 d b 1i m ，带外抑制比可以高达5 0 d b 。 它具有理想的滤光特性、便于设计制造、效率高等优点，因此可制作成倍道间隔非常小 的带通、带阻滤波器目前已广泛用于w d m 系统中 1 0 佥魇簋毯淀滚墨翌弦筮复盟墨 光滤波器有两类，一类为干涉滤波器，另一类是吸收滤波器，两者均可由介质薄膜( d t f ) 构成d t f 干涉滤波器由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度豹介质膜按照设计要求组 合起来，每层的厚度为v 4 波长。一层为高折射率，一层为低折射率交替叠合而成当光 入射到高折射率层时，反射光没有相移当光入射到低折射率层时。反射光经历1 8 0 。相移。 由于层厚l 4 波长( 9 0 。) 因而经低折射率层反射的光经历3 6 0 相移与经高折射率层 的反射光同相叠加这样在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反 射光在这高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光据此可以使之对一定波 长范围星通带，对另外波长范围呈阻带，从而形成所要求的滤波特性利用这种具有特定波 长选择特性的干涉滤波器就可以将不同的波长分离或者合并起来，如图卜6 所示。 1 鲫i 一- j 圈1 - 6 d t f 千涉滤波嚣原理 采用d t f 干涉滤波器型粕m 器件的主要优点是设计与所用光纤参数几乎完全无关可以 实现结构稳定的小型化器件，信号通带较平坦，与极化无关插入损耗较低，温度特性很好， 可达0 0 0 1 n m 以下，但通路数不会很多，目前可达1 6 路 缱燕型控发复旦墨 熔拉双锥( 熔锥) 型光纤耦台器即将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形并稍加扭 曲t 使其熔融在一起由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合达 到所需要的耦合功率熔锥型咖器件制造简单。更易于批量生产因而应用更广泛( 图卜7 ) 。 图 7 熔锥型光纤耦合器 熔锥型w d m 器件的特点是插入损耗低( 最大僮 5 d b 。典型0 2 d b ) 。无需波长选择器 件，此外还具有较好的光通路带宽通路间隔比和温度稳定性，不足之处是尺寸稍大，复用 波长数少，隔离度较差( 2 0 d b 左右) 一般不用在目前的密集波分复用系统中 塞盛迸遮曼型! 丝昼住 输人簟出光圩 c = = = = = ：= = = = ， 输出输入光拜 c ：= = = = = = = ， 圈i - 8 基于光栅的波分复用器件 图i 一8 所示是基于蚀刻光檐的集成波分复用器件( e d g ，e t c h e dd i f f r a c t i o n g r a t i n g s ) 。入射光由光纤导入输入波导。再由蚀刻光栅把不同波长的光聚焦在不同的位置， 由输出波导导出实现波分复用，器件集成在单片半导体基底上，其设计核心是蚀刻光栅。 本人在这方面也参与了一些设计工作( 蚀刻衍射光栅波分复用器件的设计与模拟，光子学报， v 0 1 3 0 ，n o 5 2 0 0 1 ) 光波导型w d m 器件是以光集成技术为基础 的平面波导型器件，具有一切平面波导技术的潜 在优点，诸如适于批量生产、重复性好、尺寸小， 可以在光掩膜过程中实现复杂的光路、与光纤的 对准容易等等，因而代表了一种先进的w d m 器件 技术。目前平面波导型w d m 器件有各种实现方 图1 9 龙骨型平面波导w d m 器件案，其中一种称为龙骨型的平面波导w d m 器件 较有前途又称阵列波导光栅( a w g ，a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 器件由2 个星形耦合 器经m 个非耦合波导构成，耦含波导不等长从而形成光栅两端的星形耦合器由平面设置 的两个共焦阵列径向波导构成这种波导型w d m 器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但 带内频响尚不够平坦图i - 9 所示为一个龙骨型平面波导w d m 器件的结构原理 备弛! 鲤爨在的往能出筮 表卜l 是各种w d x 器件主要特性的比较结果需要注意特性参数是随波长数不同而变化 的，表中数值只是大致范围，仅供参考 表1 1 各种删器件性能比较 器件类 批量生通路间插入损耗主要缺 机埋通路数串音( d b ) 型( r i m )( d b ) 占 衍射光 温度敏 角色散一般0 5 1 04 1 3 1一3 03 6 栅型 感 干涉吸 通路数 d t f 型 一般i 1 0 02 3 2- 2 52 6 收 较少 波长依 一 通路数 熔锥型 较容易 1 0 1 0 02 6 02 1 5 赣性( 1 5 - 4 5 ) 少 集成光平面波 插入损 容易l 54 3 2 2 56 “ 波导型导 耗大 在台波器上8 1 6 路删系统几乎所有的公司都采用了无源的星型光耦合器作为 波分复用器的合波器，有的采用1 ：n ，有的出于线路保护的考虑，采用了2 ：n 耦合器，一 路输出接工作通路另一个接保护通路这主要是因为简单、便宜相互间隔离度好缺点 是引入的损耗大以i ：8 耦合器为倒可以达1 0 d b 左右。而在解复用器上，对于8 1 6 路的删系统，现在的厂家大部分选用了d t f 干涉滤波器解复用器或平面波导型解复用器； 而对于1 6 路以上的_ 明系统复用嚣和解复用器大多都选用平面波导型复用器，因为该类 型复用器的损耗与通路数无关 1 2 3 光放大器 在嘲i 系统中光放大器”1 有3 种应用：发送侧波分复用器之后放大信号的光 放大器一功率放大器。线路上的光放大嚣一线路放大器接收侧解复用器之前的光放大 器前量放大器迄今为止，人们已研究成功3 种光放大器，即半导体激光放大器、非线 性光纤拉曼放大器和掺稀土元素的光纤放大器掺稀土元素的光纤放大器又可分为掺铒光纤 放大器( e d f a ) 和掺镨光纤放大器( p d f a ) ，其中e d f a 适合于长波长1 5 5 0 n m 窗口的光信 号放大而p d f 适用于1 3 1 0 r m 窗口的光信号目前已经达到实用化水平并在w d m 系统应用 的就是掺铒光纤放大器e d f a 出照态整匮矍 一个典型的e d f 由掺铒光纤、泵浦源和波