（光学专业论文）基于高双折射光纤环境的波长交错器（interleaver）研究.pdf

摘要 波长交错滤波技术( i n t e r l e a v e r ) 是密集波分复用( d w d m ) 系统研究中的 一个新课题，波长交错器配合现有的窄带滤波器件能方便为现有系统升级，大 大降低了升级成本和对超窄带滤波器件的严格要求。本文提出一种新型的波长 交错器高双折射光纤s a g n a c 下涉仪型( h b f s i ) 波长交错器，它具有稳定 性高、输出谱型良好、全光纤化、偏振无关等优点。本文以j o n e s 矩阵为基本数 学方法对高墩折射光纤s a g n a c 干涉仪以及基于高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的波 欧交错器和梳状滤波器进行了详细系统的理论分析，并做了大量的实验验证， 为高双折射光纤s a g n a c 干涉型器件的进一步研究和实用化奠定基础。 本论文的主要工作内容如下： 第一，以j o n e s 矩阵理论为基本理论，对一阶高双折射光纤s a g n a c 干涉仪 进行了严格系统地理论推导，得到和已知文献不同的结论。数值模拟和实验证 明本文的结论更准确合理的描述了实验现象。 第二，在一阶高烈折射光纤s a g n a c 干涉仪理论推导的基础上对高阶高双折 射光纤s o l c - s a g n a c 和l y o b s a g n a c 干涉仪模型进行了理论研究和大量的数值模 拟。 第三，以阶高双折射光纤s a g n a c 干涉仪为基本单元构造了一阶h b f s i 型 波长交错器，详细地推导了其传输函数并进行了实验验证，数值模拟和实验结 果表明一阶h b f s i 型波长交错器的奇偶信道输出谱型为余弦型且稳定性良好， 信道隔离度达到2 5 d b 。 第四，以三阶高双折射光纤s o l c s a g n a c 十涉仪为基本单元构造了一种具有 平顶通带的三阶t t b f s i 型波长交错器，数值模拟和实验结果表明该h b f s i 型波 长交错器的信道隔离度超过2 8 d b ，和一阶h b f s i 型波长交错器输出光谱相比通 带宽度 o 1 d b 展宽了6 5 。对于1 0 0 g h z 的三阶h b f s i 型波长交错器，其通 带宽度 o 5 d b 为0 2 2 n m ，信道隔离度为3 0 d b ，基本符合通信要求。 第五，研究了耦合器的功率耦合比和输出端口反射对h b f s i 型波长交错器 传输性能的影响，讨论了h b f s i 型波长交错器的中心波长调谐、偏振无关特性 和稳定性，分别进行了理论分析和实验验证。 第六，提出了一种基于二阶高双折射光纤s o l c s a g n a c 干涉仪的全光纤窄带 通梳状滤波器，具有窄带通和宽信道间隔的特点，与对照的方案相比，消光比 高出3 d b ：提出了一种基于二阶高双折射光纤u y o t s a g n a c 干涉仪的梳状滤波器。 实现了平顶通带，同时消光比达到3 0 d b ；利用二阶高双折射光纤l y o t s a g n a c 干涉仪实现了一种信道间隔可动态切换的梳状滤波器，该滤波器的峰值波长间 隔可通过一个光开关方便地实现加倍或减半。 关键词：波长交错器高双折射光纤s a g n a c 干涉仪s o l c s a g n a cl y o t s a g n a c 通带平顶波长调谐梳状滤波器窄带通动态切换 攻读硕士学位期间参加的科研项目 1 、作为主要完成人，参加了天津市自然基金重点项目基于高双折射光纤 干涉仪的波长交错器。 2 、参与了国家科技部9 7 3 计划项目“基于微结构光纤的光电子功能器件的 创新与研究”。 a b s t r a c t o p t i c a li n t e r l e a v i n gi sa n e wf i e l do ft h ed e n s ew 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 e r w d m ) r e s e a r c h a ni n t e r l e a v e ri s ap e r i o d i c o p t i c a l f i l t e rt h a tc o m b i n e so r s e p a r a t e sac o m bo fd w d ms i g n a l s t h ep e r i o d i cn a t u r eo ft h ei n t e r l e a v e rf i l t e r r e d u c e st h en u m b e ro ft h ef o u r i e rc o m p o n e n t sr e q u i r e df o raf l a tp a s s b a n da n d h i g h - i s o l a t i o nr e j e c t i o nb a n d a ni n t e r l e a v e rc a l lb ec o m b i n e dw i t he x i s t i n gd w d m f i l t e r st oi m m e d i a t e l ye x t e n di t sa p p l i c a t i o nt on a r r o w e rc h a n n e ls p a c i n go rt a k e a d v a n t a g eo fs p e c i f i cp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s t h ec a p a b i l i t y i s p a r t i c u l a r l y a t t r a c t i v ef o rl o n g h a u ls y s t e md e s i g n st h a tr e q u i r et h eh i g h e s t b a n d w i d t hs o l u t i o n + f o rt h i sa p p l i c a t i o n ，t h ed e s i g nc y c l ea n dc o s to fn e w h i g h e r - b a n d w i d t hs y s t e m sc a n b er e d u c e db yc o m b i n i n ge x i s t i n gt h i n f i l mf i l t e r so ra r r a yw a v e g n i d eg r a t i n gw i t ha n i n t e r l e a v e rt oc r e a t eas y s t e mw i t ht w i c eo rf o u rt i m e st h ec h a n n e lc o u n to fs y s t e m s u s i n gj u s tt h ef i l t e ro rg r a t i n gt h e m s e l v e s an o v e li n t e r l e a v i n gs c h e m et h a tb a s e do n t h eh i g hb i r e f r i n g e n tf i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e ri sb r o u g h tf o r w a r di nt h i st h e s i s w e n a m ei th b f s i - b a s e di n t e r l e a v e r t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e so ft h i si n t e r l e a v e rs u c h a sg o o dp a s s b a n ds h a p e ，s h a r pe d g e ，p o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n t ，a l l - f i b e r , h i g hs t a b i l i t y a n ds oo n t h es y s t e m a t i ca n dd e t a i lt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fh b fs a g n a c i n t e r f e r o m e t e r s ，h b f s i - b a s e di n t e r l e a v e r sa n df i l t e r sh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i s t h e s i st h r o u g ht h ej o n e sm a r xm e t h o d m o r e o v e r , ag r e a td e a lo fs i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sa r ed o n et ov e r i f yt h o s et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n s m a i np o i n t so f m yw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，r i g o r o u sa n ds y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s e so ft r a n s f e rf u n c t i o n so ft h e i - i b fs a g n a ci n t e r f e r o m e t e ra r ed e v e l o p e du s i n gj o n e sm a t r i xm e t h o d t h e r ei sa g r e a td i f f e r e n c eb e t w e e no u rc o n c l u s i o n sa n do u t c o m e si ns o m ep a p e r i t sb e e n c e a i f i e dt h a to u rc o n c l u s i o n sc a nd e p i c tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm o r e p e r f e c t l y s e c o n d ，t r a n s f e rf u n c t i o n so fhj i 曲一o r d e rh b fs o l e s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r sa n d l y o t s a g n a ei n t e r f e r o m e t e r sa r ed e r i v e db a s e do nt h o s ea b o v ec o n c l u s i o n s a n d m a n ys i m u l a t i o n sa r ed o n ea l s o t h i r d ，an e ws o r to fi n t e r l e a v e rb a s e do nt h eh b fs a g n a ci n t e r f b r o m e t e ri s d e m o n s t r a t e d t r a n s f e rf u n c t i o n so ft h i si n t e r l e a v e ra r ed e r i v e da n dv e r i f i e dw i t h s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt os i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e c h a r l n e l i s o l a t i o no f t h i sh b f s i b a s e di n t e r l e a v e rr e a c h e s2 5 d b f o u r t h ，an o v e lt h r e e s t a g eh b f s i b a s e di n t e r l e a v e rb a s e do nt h et h r e e s t a g e h b fs a g n a ci n t e f f e r o m e t e ri sb r o u g h tf o r w a r d s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i l l u s t r a t et h a tt h et h r e e - s t a g ei - i b f s i b a s e di n t e r l e a v e rh a sf l a t - t o pp a s s b a n da n di t s c h a n n e li s o l a t i o ne x c e e d s2 8 d b c o m p a r e dw i t ht h e o n e s t a g e h b f s i b a s e d i n t e r l e a v e r , t h ep a s s b a n dw i d t h 0 1 d bo f t h et h r e e s t a g eh b f s l - b a s e di n t e d e a v e r i se x t e n d e dm o r et h a n6 5 t h ep a s s b a n dw i d t h 0 5 d bo fat h r e e s t a g e h b f s i b a s e di n t e r l e a v e rw h o s ec h a n n e ls p a c i n gi s10 0 g h zi sa b o u t0 2 2 n m f i f t h ，s o m e f a c t o r sw h i c ha f f e c t e dt r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e o ft h e h b f s i - b a s e di n t e r l e a v e rs u c ha st h ep o w e rc o u p l i n gr a t ea n dt h er e f l e c t i v i t yo f o u t p u tp o r t sa r es t u d i e da n dm e n d e dw i t hp r o p e rs c h e m e st h a th a v eb e e np r o o f e di n e x p e r i m e n t s c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e e s t a g eh b f s i b a s e di n t e r l e a v e ri n c l u d i n g c e n t e rw a v e l e n g t ht u n i n g ，p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n c ya n dh i g hs t a b i l i t ya r ed i s c u s s e d a n dc e g i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u i t s s i x t h ，an o v e la l l f i b e rn a r r o wp a s s b a n dc o m bf i l e rw h i c hi sb a s e do na t w o s t a g eh b fs o l e s a g n a ci n t e r f e r o m e t e ri sd e s c r i b e d i t si s o l a t i o ni se n h a n c e d3 d b c o m p a r e dw i t ht h ef i l t e rm e n t i o n e di nt h er e f e r e n c ep a p e la n a l l f i b e rf l a t - t o pc o m b f i l t e rb a s e do nat w o s t a g ei i b fl y o t - s a g n a ci n t c r f e r o m e t e ri sd e m o n s t r a t e d ，t o o s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ef l a t - t o pp a s s b a n do f t h i sc o m b f i l t e rw h o s ec h a n n e ls p a c i n gi s4 0 r i mr e a c h e s1 2 n ma n di s o l a t i o ne x c e e d s3 0 d b f u r t h e r m o r e ，a no r i g i n a l c o m bf i l t e rw h o s ec h a n n e ls p a c i n gc a nb es w i t c h e d d y n a m i c a l l yi sp r e s e n t e d t h ec h a n n e ls p a c i n go ft h i sc o m bf i l t e rc a nb e c o m et w i c e o rh a l f c o n v e n i e n t l yb yc o n t r o l l i n ga l lo p t i c a ls w i t c h k e yw o r d s ：i n t e r l e a v e hh b f , s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r , s o l e s a g n a e ，l y o t s a g n a c ， f l a t t o pp a s s b a n d ，w a v e l e n g t ht u n i n g ，c o m bf i l t e r ，n a r r o wp a s s b a n d ， d y n a m i c a l l ys w i t c h 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存沦文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；存不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：关右蒡 p 哆等f 只扣 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果= 1 = ：包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位敝作者虢关丢蒡 渺f 年；其弘b 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1光纤通信的发展概测1 】 从广义的角度米说，通信就是彼此之间的信息传递。所谓光通信就是发出 包含了某种信息的，将这种光通过媒质光纤传到对方，然后从这种光中取 出所包含的信息，这就是光纤通信。光纤通信和其他通信方式相比有明显的优 越性： 1 1 传输容量大 2 ) 传输损耗小，中继距离长 3 1 泄漏小，保密性好 4 1 节省大量有色金属 5 1 抗电磁干扰性能好 重量轻，可挠性好，敷设方便 1 9 6 6 年，英国标准电信实验室的英籍华人高锟( k c k a o ) 首先提出用 玻璃纤维作为光纤通信的媒质 2 1 。到1 9 7 0 年美国康宁公司用超纯石英为材料， 首先拉制出损耗为2 0 d b k m 3 1 的光纤，向使用光纤作为传输媒质迈出了最重要的 一步。 就在光纤有了重大突破的i 司一年，美国贝尔实验室研制成功可以在室温下 连续振荡的( g a a l a s ) 半导体激光器 4 】，为光纤通信找到了合适的光源。1 9 7 7 年，g a a l a s 激光器的寿命达到了1 0 0 万小时，为光纤通信的商用化奠定了基础。 1 9 7 4 年贝尔实验室发明用m c v d 口j ( 改进的化学气相沉积法) 制造光纤， 使光纤的损耗下降到l d b k m 。1 9 7 6 年，口本把光纤的衰减降到0 5 d b k m ，这 一年美国首先成功地进行了4 4 7 3 6 m b i t s 传输1 0 k m 的光纤通信系统现场试验， 为光纤通信向实用化迈出了第一步。1 9 7 9 年美国和日本均研制出1 5 5 0 n m 激光 器，日本做出超低损耗光纤( 0 2 d b k m ，1 5 5 0 n m ) 6 1 ，同时进行了多模光纤1 3 1 0 n m 波长系统的现场试验。在此后的儿年里光纤通信更是飞速发展。 从世界各国的光通信技术发展的情况来看，光纤通信系统的发展大致经历 了以下几个阶段： 第一代光纤通信系统2 0 世纪7 0 年代后期投入使用，工作波长为 , = 8 5 0 n m 波 长段的多模光纤系统。光纤的衰减为2 5 4 0 d b k m ，系统的传输比特率在2 0 1 0 0 m b i t s 之间，使用的系统容量为p c m 三次群，最高传输速率为3 4 m b i t s ，中 第l 章绪论 继距离为8 1 0 k m 。接着存2 0 世纪8 0 年代初，工作波长为 = 1 3 1 0 n m 的多模 光纤系统投入使用，光纤衰减为0 5 5 10 d b k m ，传输速率大1 4 0 m b i t s ，中继 距离为2 0 3 0 k m 。 第二代光纤通信系统存2 0 世纪8 0 年代中期投入使用，工作波长为 旯= 1 3 1 0 n m 波艮段的单模光纤通信系统。光纤的衰减为0 3 o 5d b k m ，可传 送准同步数字体系( p d h ) 的各次群信号最高传输速率可达i 7 g b i t s 。中继 距离约为5 0 k m 。 第三代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代后期投入使弁j ，工作被跃为2 = j 5 5 0 n m 波长段的单模光纤通信系统。光纤衰减为0 2 d b k m 。应用在同步数宁体系( s d h ) 光纤传输网，传输速率达2 5g b i t s ，中继距离可超过1 0 0 k m 。 第四代光纤通信系统足采用光放人器增加中继距离和采用波分复用和频分 复用技术来提高传输速率为特征。已完成的有单信道速率为2 5 g b i t s ，不采用阿 牛器，光纤损耗用光纤放大器补偿，传输距离达2 2 2 3 k m 的试验。2 0 世纪9 0 年 代初光纤放人器的研制成功并投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。 第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性雎缩，抵消由于光纤色散产 生的脉冲展宽的新概念的光孤子，来实现光脉冲信号的保彤传输。2 0 世纪9 0 年 代后，各国的试验都取得丫重大的进展。例如在日本，已经试验分别将1 0g b i t s 和2 0g b i t s 的数据传输了2 5 0 0 k m 和1 0 0 0 k m 。 纵观现代光纤通信技术发展的趋势和特点，光纤通信将会在网络技术、单 模光纤的传输技术、复用技术、器件集成化、全光通信等方而获得进一步的发 展和突破。 1 2w d m d w d m 技术的发展 图11l 刊绷眦务量预测 i 冬| 1 2 光纤通信系统传输容量发展趋势0 7 i 第l 章绪论 当前，全球通信业务量迅速增长，因特网发展尤其迅猛，对通信系统传输 容量的要求越来越高。据报道，全世界因特恻和数据业务每年增长1 0 0 以上。 1 9 9 9 年，我国因特网用户每半年翻一番。数据业务增长的总趋势如图1 1 所示。 同时，单个信道的比特率也在逐步增加，光纤通信系统的传输容嚣总的发展趋 势如图1 2 所示。 增加光纤通信系统传输容量的途径有：( 1 ) 提高单个信道的比特率；( 2 ) 增加单芯光纤的信道数；( 3 ) 增加光缆中光纤j 蕊致。第一种方法受“电子瓶颈” 的限制，且光时分复用( o t d m ) 技术还不成熟，色散问题也不易解决；第三种 方法成本较高；第二种方法( d w d m 技术) 则是当前增加通信系统传输容量的 最好办法。 1 2 1 光波分复用的基本概念 光波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 3 j 技术是存一根 光纤上能同时传送多个波长光信号的一项技术。它是在发送端将不同波 = = 的光 信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收 端再将组合波长的光信号分开( 解复用) 并作进一步处理，恢复出原信号送入 不同的终端。因此，此项技术又称为光波长分割复用，简称为光波分复用技术。 w d m 系统主要有三部分组成：光发送机、中继放大器和光接收机 ”。”。 w d m 系统结构可根据波长转换器的运用与否分为两种类型【l ”：一是开放式系 统，即s d h 信号通过波长转换器接入波分复用系统，其s d h 光接口符合g 9 5 7 标准，如图1 3 所示；是集成式系统，即s d h 信号不通过波长转换器接入波 分复用系统，其s d h 光接口符合g 6 9 2 的要求，如图1 4 所示。 发射机 发送端 光合波 光线路 前置 接收端 接收机 光转换器s 1 r m l 功放 放大器 光分波s d lr l 光转换器 s s n r s d nr n r 图j3开放式波分复用光线路系统 注：s 为发射机的光连接器输出端光纤的参考点，为g 9 5 7 接口：r 为接收机光连接器 输入端的参考点，为g 9 5 7 接口； 3 第1 章绪论 发射机 光台波 s l 础l 功放 光线路 放大器 前置 接收机 光分波s d lr 1 蚓1 4集成式波分复用光线路系统 注：s s 。分别为光通路ln 发射机的光连接器输 l 端光纤的参考点，为g 6 9 2 接口； r ，r 。为接收机光连接器输入端的参考点。 1 2 2 口m 仍w d m 系统的特点 1 、可以充分利h j 光纤的带宽资源。w d m d w d m 技术充分利用了光纤的低 损耗区波段，增加了光纤的传输容量。 2 、可以完成多种电信业务的综合和分离。在同一根光纤中传输的不同波长 是彼此独立的，因此可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务的综合 和分离( 如数字信号和模拟信号p d h 信号币is d h 信号) 。可以实现多媒体信 号( 如音频、视频、文字、图像等) 混合传输。 3 、可以实现单纤双向传输，节省大量投资。 4 、节省大量光纤。n 个波长复用起来在单根光纤上传输，节省了n 一1 根 光纤。对早期安装的芯数不多的光缆，利用w d m d w d m 技术扩容方便。 5 、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 应速度己显不足。使用w d m 技术可以降低对一些器件性能上的极高要求，同 时又能实现大容量传输。 6 、适用于多种网络形式。根据需要w d m d w d m 技术可以有多种应用形 式，如长途干线网、广播式分配网、多路多址局域网等。 7 、引入宽带业务方便。波分复用通道对信息和数据格式是透明的，即与信 号速率及调制方式无关。这就对在原有系统卜复用新系统提供了很大的便利， 通过增加个附加波长即可引入任意想要的信业务。 8 、高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 第1 章绪论 1 2 3 w d m d w d m 系统的关键技术问题 w d m d w d m 系统的应用对增加通信容量、信息网络的建设有重大意义。 但是还存在一些关键的技术问题，对光源、光放大器、光学滤波器、复用解复 用器等提出了更高要求。 1 、光源技术1 ”3 】 在w d m d w d m 系统中，要求对各种制式、各种速率的光信号透明，对发 射光源要求工作波长准确，波长稳定性高，光谱线宽窄波长可调谐范围宽， 动态调制频率啁啾低等。 2 、光放火器( e d f a ) 技术【2 ”1 】 1 ) e d f a 的动态可调谐增益与锁定技术。目前，e d f a 的带宽已经达到了 4 0 n m ，基本能满足普通波长密度的w d m 系统的要求，然而对于密集波分复用 系统传输还不够。在w d m 系统中，各光信道之间的信号传输功率有可能发生起 伏变化，这就要求e d f a 能够根据信号的变化，实时地动态调整自身的工作状态， 从而减小信号波动的影响，保证整个信道的稳定。在w d m 系统中，如果有一个 或者几个信道的输入光功率发生变化甚至输入中断时，剩下的信道增益会产生 跃变，甚至引起线路阻塞。所以e d f a 必须具有增益锁定功能来避免某些信道完 全断路时对其他信道的影响。 2 ) e d f a 的增益平坦问题。目前在w d m 系统使用的e d f a 在通带内的增益 平坦度并不十分理想，各信道的波长通过e d f a 获得的增益有偏差，经过多级放 大后，增益偏差积累使各信道信号恶化，最终造成整个系统不能正常工作。因 此，要使各信道上的增益偏差在允许范围内，放大器的增益必须平坦。 3 ) e d f a 的光浪涌问题。e d f a 的采用可以使输入光功率迅速增大，但由于 e d f a 的动态增益变化较慢，在输入信号跳变的瞬间将产生光浪涌，有可能造成 光电转换器和光连接器的损坏。 4 ) e d f a 级联使用时的噪声积累问题。信号经过e d f a 传输后，信噪比会产 生劣化，而且信噪比的劣化与级联的e d f a 的数量和放大器之间的光纤段跨距有 关，跨距越大，信噪比劣化就越严重。 3 、光波分复用解复用器与光滤波器技术b 2 “1 随着波分复用数不断增加和波长通道间隔不断减小，对d w d m 复用、解复 用器的要求越来越高。为了确保波分复用系统的性能对波分复用器件提出了基 本要求，主要是中心波长的稳定性高、插入损耗小、隔离度人、带内平坦、带 第l 章绪论 外插入损耗变化陡峭、温度稳定性好、复用路数多、尺寸小等。实现d w d m 复 用、解复用的技术通常有阵列波导光栅( a w g ) 、f a b r y p e r o t 干涉仪 4 “，阵列 波导光栅( a w g ) 4 6 - 4 ”，m a c h z e h n d e r 干涉仪( m z i ) 4 s “】，光纤光栅( f b g ) 、 体光栅和其它干涉型滤光器件( 多层介质膜滤波器) 。 4 、色散补偿技术5 4 4 8 1 和非线性效应【5 叼问题 色散问题本身并非波分复用所独有，目前己开发出多种色散补偿技术。在 波分复用系统中，由于光纤的色散斜率不为零，导致色散特性与波长有关， 不同波长信道的色散大小不一，这就给色散补偿技术带来新问题。好的色散补 偿技术应同时补偿波分复用所有波长信道不同大小的色散，即可以补偿色散 斜率，或称高阶色散补偿。 在w d m 系统中采用了e d f a 后，光功率增大，光纤的非线性效应逐渐突出。 极人地限制了e d f a 的放大性能和长距离无中继传输的实现。光纤的非线性效应 主要有散射效应( 包括受激布里渊散射s b s 和受激拉曼散射s r s ) 干折射率效应 ( 包括自相位调制s p m 、交叉相位调, 制x p m 和“网波混频”f w m ) ，这些效应都 和注入到光纤的光功率有关。 1 3 波长交错器( o p t i c a li n t e r l e a v e r ) 的概况 在密集波分复用系统中，有两种技术方案可以用来提高光纤带宽的利用率： 是减小信道间隔增加信道数目，另一是增加单信道容量。对于后一种扩容方 案，人们正在着手对单信道速率达到4 0 g b i t s 的传输系统进行商业化的开发；而 对于前一种扩容方案，需要研制超窄带滤波器。采用镀膜工艺生产的介质薄膜 滤波器件是性能良好的窄带滤波器，具有透射谱顶部较平，邻道和非邻道隔离 度高、插入损耗较小和温度稳定性好等特性。但是镀膜工艺很难将介质薄膜型 器件的信道间隔做到5 0 g h z 以下，因为信道间隔压窄。半，就要多镀上百层薄 膜，蒸镀误差增大，成品率下降，产品价格上升。针对这一问题。人们提出了 一种从奇偶信道交叉复用角度解决压窄信道间隔、提高通信容量的技术。在2 0 0 0 年3 月的o f c 会议上，多家公司纷纷展示了基于这种奇偶交叉复用技术的群组 滤波器，c h r o u m 公司称之为s l i c e r ，w a v e s p l i t t e r 和j d su n i p h a s e 等公司称之为 i n t e r l e a v e r ，我们把它称为波长交错器。 波长交错器的复用功能是将两路分别包含多个波长的光信号合并成一路波 长问隔减半的光信号：解复用功能是将一路多波长信号分成两路，一路包含奇 数路波长，另一路包含偶数路波长，间隔倍增。例如，若进入光纤的光波的相 第1 章绪论 邻频率间隔为5 0 g i - l z ，则经过波| 炙交错解复用器后，每个奇数( 偶数) 组相邻 频率间隔为1 0 0 g h z ( 如图1 5 ) 。 图i5 被长交错器功能不蒽图 1 3 1 波长交错器的应用前景 波长交错器在密集波分复用系统中有很重要的应用前景。首先，对于 w d m d w d m 系统尤其是长途十蹄系统，更换光滤波器来扩容升级需要很高的 费用，而通过波艮交错器和现有的介质薄膜滤波器或者阵列波导光栅结合使用 可以在小改变现有滤波器的基础上升级到两倍、四倍甚至更高信道容量的系统， 大大降低了系统升级的成本。以1 6 信道1 0 0 g h z 的系统为侧唧l ，如果使用 1 0 0 g h z 的介质薄膜滤波器，其费用约为1 5 ，0 0 0 美元，而采用2 0 0 g h z 的介质薄 膜滤波器雨啵k 交错器，费用仅有8 ，5 0 0 美元。其次，波长交错器的还可以卅作 城域网节点处的光信号分插复用器“，利用波长交错器可以同时上下载组 信号，节省大量的光分插复用设备。波长交错器的研究可推动d w d m 系统向更 窄信道间隔，更高带宽容量方向发展，小但在长途干线通信中发挥很大作用 同时还将加速d w d m 系统进入城域网和接入网的步伐。 另外，波长交错器还口j 以川作梳状滤波器应用于多波长激光器 6 3 6 9 和光 纤传感 7 ”4 1 中。 1 3 2 波长交错器的性能参数 7 5 】 鉴丁波长交错器的使片j 情况，衡黄波长交错器性能主要有以下儿个技术要 求： 第l 章绪论 1 插入损耗低。在d w d m 系统中，波长交错器之后要串接d w d m 滤波 器件，因此低的插入损耗非常重要。 2 通带宽且顶部平坦。通带顶部平坦可以减小凶激光器波长漂移引起的信 道功率抖动，避免经过多级光放大器放大后影响系统的信噪比。 3 信道隔离度高。在w d m j d w d m 系统中，一般要求信道隔离度2 5 d b ， 所以要求波长交错器的隔离度也不能低于2 5 d b ，否则将会影响整个系 统的性能。 4 通带边缘滚降特性陡峭。通带边缘滚降特性是衡量通带矩形化的参数， 表征波长交错器队邻道串扰的抑制能力。 5 色散和非线性效应小。在高速通信系统中，器件引入的色散和非线性效 应严重影响系统传输距离和误码率，降低光通信系统的可靠性。当光纤 通信系统的工作速率达到或超过1 0 g b i t s 时，波长交错器的色度色散变 得尤为重要。 6 偏振无关特性。理想的波长交错器应当是偏振无关的，避免因偏振相关 带来的额外插入损耗及相关器件的偏振化问题。 1 3 3 研究现状 波长交错器的诸多优点以及广泛的应用前景引起了许多学者的广泛重视。 目前研究的比较多的波长交错器有光纤m a c h z e h n d c r 干涉仪型、a w g 平面光 波导型、晶体双折射型、g - t i ( g i r e s - t o u m o i si n t e r f c r o m e t e r ) 型和光纤光栅组合型 五利r 类型。 1 、光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪型波长交错器7 “8 ”： 图1 6 光纤m a e h - z e h n d e r 干涉型i n t e r l e a v e r 示意图 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉型波长交错器的结构示意图如图所示，由两个3 d b 耦合器和两段单模光纤构成。其基本原理是m a c h z e h n d e r 干涉效应。光从端口 1 输入，经过藕合器1 分成两束光分别沿着l 1 和l 2 传输，引入一定的相位差， 第1 章绪论 最后在耦合器2 干涉并从端口3 和端口4 输出。 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉型波长交错器有很多优点，理论上可以做到信道间 隔很小，全光纤设计，结构简单，插入损耗小，单级光纤m a t h - z e l m d e r 干涉型 波长交错器的输出波形为正弦形，信道均匀性好，偏振相关损耗低，体积小， 成本低等。缺点是温度稳定差，对于两臂光程差和耦合器的分光比要求高，难 于实用化。 通过级联多个光纤m a c h z e h n d e r 干涉型波长交错器，可以获得平顶带通响应 的波长交错器【8 2 “ 。 2 、a w g 平面光波导型波长交错器f 8 5 。1 图1 7a w g 平面光波导型波长交错器示意图 a w g 平面光波导型波长交错器的基本思想足利用阵列波导光栅( a w g ) 进 行解复用，其结构示意图如图1 7 所示。a w g 平而光波导型波长交错器训以看 成是级联m a c h z e h n d e r 阵列滤波器，一个a w g 可以看成是一个广义的m z 干 涉仪，所不同的是前者是多路光共同干涉，而后者只有两柬光进行干涉。通过 增加光栅间的光路数町以制成f o u r i e r 滤波器件，每条光路的长度和相邻光路相 比以一固定值递增( 或者递减) 。a w g 平面光波导型波长交错器可以用一路输 入光输出多路光，可以用来制作单级l ：n 的波长交错器。a w g 作为d w d m 波 第1 章绪论 长交错器的条件是 。2 n 。( 1 + 1 ) 其中n 。是输出波导数。 a w g 甲面光波导型波艮交错器的输出谱形如图1 8 所示 7m0 w n ” 图1 8 a w g 平面光波导型波长交错器的输出光谱 ( a ) 高斯通带； ( b ) 平项道带 a w g 平面光波导型波氏交错器的优点：( 1 ) 传输谱型容易控制；( 2 ) 可设计 成多组输出；( 3 ) 制作工艺成熟，易于批量生产；( 4 ) 体积小，可以制成集成 化器件。同时它也存在着卜足之处：( 1 ) 隔离度难以作的很高；( 2 ) 温度稳定 性差；( 3 ) 色散度高， 3 、晶体双折射型( 也称偏振光干涉型) 波长交错器【9 ”9 8 j 利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原理可以制作成偏振光干涉型的波长 交错器，将d w d m 系统中的奇偶信道的信号光分成偏振态正交的两组，同样可 以实现通信容量倍增的效果。图6 ( a ) 是一个典型的偏振光十涉型的波长交错器示 意图。 口 a 1 ， 、，r ； l t 妒n 。， o 鲰 t 7 暑l 图19 ( a ) 晶体偏振光干涉型波艮变错器结构图；( ”偏振光干涉型波长交错器的原理图 椰 柚 * 曲 直4il_ 第l 章绪论 假设一束线偏振光垂直入射到平行平面的波片上，线偏振光与波片光轴的 夹角为0 ，偏振光经过波片后分解成偏振态正交的两束光，并且引入一定的相短 差，最后在检偏器上干涉输出。选取适当的波片厚度，可以使得奇数波长与偶 数波长由于偏振态正交而分为硬组，将奇、偶信道的光在空间上分离出来，再 分别级联具有相应信道间隔的普通滤波器，即可实现普通信道的复用与解复用。 在实际应用中为了减少信号光的损耗，在核心部分的输入端和输出端加上偏振 分束器，充分利用光信号的两个偏振态，如图所示 图1 1 0 晶体双折射型波长交错器示意图 偏振光干涉型波长交错器优点是可以灵活设计满足不同信道间隔要求的器 件，稳定性好，可靠性高。但因与偏振相关，需加入偏振分束器将奇、偶信道 的光在空间