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

摘要 随着波长交错滤波技术( i n t e r l e a v e r ) 在密集波分复用( d w d m ) 系统中逐渐被应用， 大大降低了系统升级成本和对超窄带滤波器件的严格要求，使得波长交错技术越来越受到人 们的关注。本论文中首次提出利用高双折射光纤s 孵壤c 干涉仪( m f s l ) 为基本单元研制 了一种新型波长交错器，它具有偏振无关、稳定性高、输出谱型良好、全光纤化等优点。本 文以j o n e s 矩阵为出发点对高双折射光纤s a 夸m 干涉仪以及基于高双折射光纤s a 印a c 干涉 仪的波长交错器进行了详细系统的理论分析、数值模拟以及大量的实验进行验证，为高双折 射光纤s a 卸a c 干涉型光纤器件的进一步研究和实用化奠定了基础。同时，本文还对光纤色 散测量、光纤布拉格光纤光栅相位重构、光纤光栅切趾函数进行了相应的理论和实验研究。 本论文的主要工作内容如下： 第一，以j o n 矩阵为基本理论，对一阶高双折射光纤s a 印a c 干涉仪进行了严格地系 统理论推导以及数值模拟。 第二，在一阶高双折射光纤s a 孕l 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 凹a c 和b 吼s a 罂m 干涉仪模型进行了理论分析、数值模拟以及大量的实验研究，理 论模拟结果与实验结果相吻合。 第三。以一阶高双折射光纤s 哪a c 干涉仪为基本单元构造一阶舳f s l 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曲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 ，并进行了卸3 f s i 型波长交错器中心波长调谐的理论分析与实验研究。 第四，以三阶高双折射光纤s o l c s a g l m 干涉仪为基本单元构造了一种具有通带平顶的 三阶船f s i 型波长交错器，数值模拟和实验结果表明该髓f s i 型波长交错器的信道隔离度 超过2 8 d b ，和一阶 玎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 l o o g h z 的三阶皿f s i 型波长交错器，其通带宽度 o 5 d b 为o 2 2 m ，信道隔离度为3 0 d b ， 基本符合通信要求。 第五，研究了3 d b 光纤耦合器的功率耦合比、输出端口反射对皿f s i 型波长交错器传 输性能的影响，分析了 玎3 f s l 型波长交错器的偏振无关特性和稳定性，并分别进行了理论 分析和实验验证。 第六，首次提出了一种基于调制光强测量光纤色散的新方法，并且成功测量了单模光纤 的色散，得到单模光纤色散 1 5 5 0 r 啪为1 7 8 5 p s m n k m ；根据k m m e f s - k n i g 关系提出了一 种新型f b g 相位重构算法并数值模拟f b g 的相位；同时，提出了一种新形式的f b g 切趾 函数，其切趾效果使得阳0 的时延抖动较高斯切趾函数有较大改善。 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 印a cl 和t s a 鲫通带平顶波 长调谐梳状滤波器光纤色散k r e r s k m n i g 关系切趾函数 攻读硕士学位期间参加的科研项目 1 、作为主要完成人，参加了天津市自然科学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 a st l l el l l e o p t i c a li n t e r l e a v m gt e c h n o l o g y i sl l s e d i l l t l l ed e 砸e w a v e l e n g l l l d m s i o n m u l 廿p l e x e r w d o 掣s t e m ，i m e r l e a v e rc a l lb ec o m b i l l c d 埘t h 啊s 吐n g d w d m 五】t e 捂t oi m m e d j a t e l ye x i 曲d 地印讲i c a n o nt on 枷wc b 锄e js p j n g0 rt a k ea d v 黝t a g e o fs p e c i 丘cp e 墒m 如c ec l l a m c t c 嫡s 廿c s ，t l l i sc a p a b i i 蚵i sp a m 砌a d ya 士t r a c i i v ef o r l o n g m l u l s y s e md e s i 印st 1 1 a tr e q i l i 佗t h e 岫苫l l e s t - b a n d 稍d l l ls o l u t i o n f o rl l l i sa p p l i c a t i o i l ，t l l ed e s i 印c y c i e 锄dc o s to f n e wl l i g h e r - b 卸d 、i d i l ls y s t e m sc 锄b er e d u c e db yc o m b i n i n ge ) d s t i n g n 矗l l i i 矧【t e r s o ra r r a y w 剐q g i l i d e 粤a n n g 、i t h 柚i i l t e r l e a v e r t oc f e a t eas y s t e m 埘t t i 铆i c eo r f o w t i l 鼯t l l e c h a n n e lc o 吼to f s y s t e m sc o m p a 托dl l s i i l g j u s tt h ef i n e ro rg r a t i i l gt l l e m s c l v e s an a v e li n t e r l e a v e f s c h e m eb 船e do nm eh 曲b i 叫- 血g e n t 丘b e rs a g 啮ci m 晌m m e t e ri sp r o p o s e di i lt h i st l l e s i s ，w h i c h i s l l e d 舳f s ii n t e r l e a v c r t h e 眦m 锄ya d v 锄t a g e s o ft l i i s 证t e r l e a v e rs u c h 私 p o l a r i 盟n o n _ i n d 印印d e 咄g o o dp 船g b 锄ds i l a p e ，s h a r pe d g e ，a l l f i b c r 舶啊e w o r l ( ，1 1 i g i ls t a b i l i t y 锄d s oo n t h e 删e m 缸i c 锄dd e t a i l 廿l e o r e c a lr c s e a r c ho f 唧fs a 印a ci i l t e l f e m e t e 玮锄d 册f s i i n t e r l e a v e i sl l a v cb c 埘ld e v e l 叩酣i i l1 h i st t l i sm r o l l g ht h ej o m sm 缸xm e i h o d m o r 鲫v e r a g r c a td e a io fs 劬l l 王a t i o n s 锄d 唧e r i m e n 忸a r ed o n et ov c r i 母t l l o s et t l r e t i c a lc o n c i l l s j s m 曲w l i i l e s r c l l s 彻f i b 盯d i s p e r s i m e 如u m m tf b gp h er e c m 蚓叭l c d o n 如dan a v e l f b ga p o d i 冽o nf i l i l c t i o nm 沁l u d 酣i nt l l i st l i e s i s m a i n p o i n 乜o f m y w o r ka r e l i s t e d f o l l o w s ： f i r 瓯r i 9 0 m u s 柚ds y s t e m a t i ct h 。删c a l a 】y s e s 锄dn 啪c r i c a ls i m u l 鲥o f 仃锄s f e f 劬以帆so f m e 皿f s a 驴m 1 班f e r o m e i e ra 陀d e v e l o p e db a s c do nj 0 n 髂m a n 叙m e i l l o d s e c o n d ，仃a n s f hf i l i l 甜o i l so ft l i g l 卜o r d e r 衄fs o l c - s a 印i n t e m m m 咖体a n dl y a t s a 弘 i n t e d 啪m e 妇s 瓣d e d u c e db 豁e do n 出ea b o v ec 曲c j u s j 彻s t h e 如e o f e n c a l 锄脚y s e sa n d s 皿u l 面m 眦hv e r yw e u 埘t t lt h ee x p e r i m e n t a l 删忸 1 1 i i r d ，an o v e ii f n e d e a v 盯b 笛e do nt h e 皿fs a 驴i m e r f e 咖e t e ri sd c m 伽咖r a t e d 1 m l l s 诧r f i m c 丘o o ft t i i si n t e r l e a v 盯a 他d e d u 词蛐dv e r i f i e dw i ml l i es i m u l a 虹o n s 趾de 】q 髓i n l e n 协 a c c o r d i n gt ot t 峙删l 忸，t l l ec h 枷e li s 0 1 撕彻o f l i s 瑚j f s ii m e r l e a v 钉f e a c l l e s2 5 d b m o r e o v e r s e a r c i l s 仰n t 盯w a v e l 锄g i t lt t l i l i n ga 他e x e c m 酣t l l 枷c a u y 甜订e 坤日i m 酬l * f 0 u r l l l ，an o v e lt l l r e e - s t a g e 船f s ii i e r l e a 代rb 雏e d l l l et h r 。州；t a g ch b fs a 盟a c i n 把r f b r o m e t 盯i sb m i l g h tf o n 枷s i m d a n s 蜘de x i ”r i m e 删r 皓i l l 乜i l l u s h m et l l a t 也c t l l i - s t a g c 船f s i b 笛e di n t e r l e a v e rh 笛f l a “叩p a 贼舢dc h 盯a c t 甜s t i c 觚di 协c h 锄e l i l a t i o n e x c e e d s2 8 d b c 蜘p a r e d 诵ml l i eo n e - s t a g c 聃f s i - b 笛e di n t e r l e a v e f ，m ep a s g b a n d 、v i d t l l o 1 d b0 f 虹坞t l l 噼s t a ；g c 腿f s i b a s e di n t e r l e 撇ri se x t 衄d e dm o 他t h 卸6 5 1 1 l ep 鹊s b 柏d w i d 血 o 5 d bo fa l r e e - s 诅g e 册f s i 乜s e di l l 刚e a v e rw h o c h 蛐e ls p a c m gi s1 0 0 g h zi 3 摘要 a b o u t0 2 2 i i i t l f i f u l ，f a c t o r sa 位c t i n g a 惦m i s s i o np e 响m a i l c eo ft i l eh b f s i - b 髂e di n t e r j e a v e rs u c ha sm e p o w e rc o u p l j n gr a t ea n dt 1 1 er e n e c t i v i l y0 f o u l p u tp o n sa r es 伽d 耐c h m c 蜘s t i c so f p o i 撕z a t i o n i i l d e p c n d 朗c y 柚dh i g l ls 妊l b i l i t ya r ed i s c u s s e d 锄dc e n i f i e dt l l m u 曲s i m u l 娟o n s 锄d 懿p e 向e n t a i r e s u l t s s i ) ( t l l ，an o v e lm e t l i o do ff i b c rd i s p e r s i o nm e a s u r e m e n th 如b e e np r o p o s e d 埘t hw l c ht 1 1 e s m fd i s p c f s i o n 1 5 5 0 栅i sm e 如u 坤d 酗1 7 8 5 p 蚋l i n l a l l b 鹳e do nt 量l ek 砌e 巧一k r o n i g 糟l 鲥o n w eh a v es u c c 船s f i l l l yr e c o n s 仉l 曲e dt l l e p h 鹊eo ff b gm e a n 枷l e ，an e wk 砌a p o d i z a 廿o n f i l n 舐o nh 髂b e e np r o p o s 酣w l l i c hh 船b e n e re 彘c t0 n 地f b gt i n l ed e l a y 却p l et l l 蛆g a u s s a d o d i z a n o nf u n c 6 0 n k 叮w o r d s ：i i l t e r l e a v e 髓f ，s a g n i 1 1 t e 咖m e t e s o l c s a g n a c ，l y o t - s a g n a c ，n a t t 叩 p 鹊s b a l l d ，w a v e l e n g t l lt i l n i i l 昌c o m bf i l 储；f i b e rd i s p e r s i o i i k 瑚e r s k r o n i gr e l a t i o n ，印o d i z a 廿o n n m c t i o n 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论 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；在不 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。 学位论文作者签船 加i f 年乡月3 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 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 的研究成果不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。 学位论文作者签 如岳年多月3 勺日 鑫 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展概况 第一章绪论 光纤通信就是利用光纤为信号载体的一种通信方式，将信息通过调制的方式 加载在光波上，通过光纤传输到达目的地，经过解调取出所包含的信息，这就是 光纤通信。 、 在2 0 世纪6 0 年代之前，由于传输介质损耗大，光纤通信并没有得到人们的 足够重视，直到英国标准电信实验室的英籍华人高锟( k c k a o ) 和q a h o c l d l 锄 等人提出了利用低光学损耗的玻璃纤维作为光纤通信传输介质的方案【l 】。根据此 方案，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 恤田 的光纤，从而为光纤做为实用的传输媒质奠定了坚实的基础。在此重大技术突破 后，光纤通信技术被广泛研究并得到了长足的发展。美国贝尔实验室在1 9 7 0 年 研制了可以在室温成功连续振荡的半导体激光器【3 】。1 9 7 4 年贝尔实验室发明用 m c v d l 4 】( 改进的化学气相沉积法) 制造光纤，使光纤损耗降低到了l d b 触。 1 9 7 6 年，日本将光纤损耗进一步降低到了o 5 血l 。同年，美国首先成功地完 成了将4 4 7 3 5 m b i 洮信号传输l o k m 的光纤通信系统现场实验，为光纤通信向实 用化迈出了第一步。1 9 7 9 年日本和美国研制出波长位于第三个通信窗口1 5 5 0 n m 的激光器，并使光纤的损耗达到了0 2 d b 胁 1 5 5 0 i 】衄【5 】，同时进行了多模光纤 1 3 1 0 n m 波长系统的现场实验。 进入2 0 世纪8 0 年代，特别是8 0 年代末期掺铒光纤放大器的出现，加快了 1 5 5 0 i 吼波段光纤通信的发展。2 0 世纪9 0 年代，同步数字体系s d h 光纤传输网 已经达到了2 5 g b i 以的传输速率，中继距离可超过1 0 0 l 。1 9 9 5 年又推出l o g b i 洮 的光纤通信系统。随着波分复用以及光纤色散补偿等先进技术不断被应用于实际 传输系统中，光纤通信网络正朝4 0 g b i 以的传输速率发展。 同其有线电通信方式相比，光纤传输系统有着明显的优势： ( 1 ) 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8 9 个数量级， 故开发的容量很大； ( 2 ) 衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆每公里衰减要 低一个数量级以上； ( 3 ) 体积小，重量轻。 同时有利于施工和运输； ( 4 ) 防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电 磁脉冲能力也很强，保密性好； ( 5 ) 节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光 纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属； ( 6 ) 成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价格却有 第一章绪论 所下降； 自此，光纤通信应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛地用于长 途干线网上，成为宽带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距 离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。光纤通信必将 在网络技术、单模光纤的传输技术、复用，解复用技术、器件集成化以及全光通 信等方面获得进一步的发展与突破。 2 0 世纪9 0 年代后期，随着社会对信息需求的飞速增长，信息传送量与日俱 增，通信网络必须不断提高传输容量才能满足信息日益增长的需求。增加光纤通 信系统传输容量的途径主要有三种方法： 1 、提高单信道的比特率； 2 、增加单芯光纤可传输的信道数； 3 、增加光缆中光纤芯数； 第一种方法受到“电子瓶颈”的束缚，而且光时分复用( 0 t d m ) 技术中色 散问题还得不到很好的解决；第三种方法成本较高；只有第二种方法( d w d m 技术) 是当前增加光纤通信容量的最好办法。 1 2 1w 瑚m 删的基本概念和发展现状 在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自 传输信息，这种技术被称为光波复用技术，简称w d i 严n l 。在发送端将不同波 长的光信号按照不同信道组合起来( 复用) ，耦合进入光缆线路的同一根光纤中 进行传输，在接收端再将复用不同波长的光信号分开( 解复用) ，并做进一步处 理。w d m 系统主要由三部分组成：光发送机、中继放大器以及光接收机【1 2 45 1 。 w d m 技术的发展可以划分为以下五部分：( 1 ) 总体容量持续扩大l l 砚o 】，从 1 9 9 6 年的2 6 1 卸s 【2 1 蜘2 0 0 1 年的l o 2 1 卸s 圈：( 2 ) 传输距离越来越长2 4 】，2 0 0 0 年已达到4 ，0 0 0 k m 瞄】；( 3 ) 复用波数越来越多【2 7 】，从1 9 9 6 年的1 3 2 波到2 0 0 1 年的2 5 6 波口嘲( 单波速率4 2 7 g b s ) ；( 4 ) 单信道速率越来越高【粥羽，从1 9 9 8 年的1 0 g b p s 到2 0 0 2 年的1 6 0 g b p s d 3 】；( 5 ) 信道间隔越来越小m 硼，从1 9 9 6 年 的1 6 n m 到2 0 0 3 年的o 2 衄【3 砌。 w d m 网络体系结构分别经历了由点到点( 图1 1 ) 、带西如m 的本地上下 信道( 图1 2 ) 、带o a d m 的环形网( 图1 3 ) 、带光交叉连接器( 0 x c ) 的m e s h 网( 图1 4 ) 四个阶段p 川，网络结构逐步灵活。应用领域从干线网向城域网扩展 【3 9 删，以建立一个w d m 、0 a d m 和0 x c 为基础的光网络层1 3 9 删为目标，实现 用户端到端的全光网连接，最终实现全光互联网的梦想。 兰二兰竺堡 m l l l t i p l e x gt e m i n a i d e m i i l t i p l e x i n gt e 珊i 蚰l x i 一 娜陆” 镅茎 = k 醢 = b 曲 n ：1n a 比= jk k b k 比= j j = k 凹崩k o p t i ic o m p o n e n t s ： 回t c m i i l a i e 删p m e n t _ w d m t m m 耐n e r 9 w m - e 啦m u m p l “e 慨m u h i p ，“e r o 阳c a l a m p l i n ” 图1 1j s 一点w d m 网络示意图 图1 2 带o | 柚m 的w d m 线形网络示意图 d r o p 锄d c o n 血u e f i l n c t i o n ， 、 、， d r o pa 晶c o n d 删e 矗m c 6 彻 图1 3 带o a d m 的w d m 环形网络示意图 图1 4 带o x c 的m e 曲网络示意图 3 第一章绪论 1 2 2w d m d w d m 系统的特点与优势 1 、充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信 息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱 ( 1 3 1 0 砌- 1 5 5 0 i l m ) 中极小一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽 资源( 约2 5 1 h z ) ，传输带宽充足； 2 、具有在同一根光纤中，传送2 个或数个非同步信号的能力，有利于数字 信号和模拟信号的兼容，同时与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活 取出或加入信道； 3 、对已建光纤通信系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有 功率余量，都可利用波分复用技术进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的 传送，而不用对原系统做较大改动，具有较强的灵活性： 4 、由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本，由于光纤数量少， 当出现故障时，恢复起来也迅速方便； 5 、有源设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本； 6 、系统中有源设备得到大幅减少，这样可以提高系统的可靠性； 7 、引入宽带业务方便，波分复用的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。 1 2 3w d m d 砸m 系统的关键技术问题 w d m 他w d m 系统对增加通信容量、信息网络建设有重大意义。但是在光源、 光中继放大器、光学滤波器、复用，解复用器件、色散补偿以及其它光纤非线性 效应等方面还是存在一些关键的技术问题。 l 、光源技术【4 5 4 9 】 在w d m d w d m 系统中，要求发射机光源对各种制式、各种速率的光信号透 明，要求具有工作波长准确，稳定性高，窄光谱线宽，波长调谐范围宽，动态调 制频率啁啾低等参数。 2 、掺铒光纤放大器( e i ) f a ) 技术【5 0 。5 7 l 1 ) e d f a 增益平坦技术。目前应用于w d m 系统的e d f a 在通带内并不能达 到理想的增益平坦，各信道波长通过e d f a 获得的增益不同，这样经过多级放大 后，增益偏差的积累使各信道信号恶化，降低载噪比，最终导致整个系统性能下 降。因此，用于w d m 系统的e d f a 必须达到增益平坦，使各信道上的增益偏差 在允许范围内。 2 ) e d f a 动态可调谐增益与锁定技术。目前，e d f a 带宽已经达到4 0 n m ，基 第一章绪论 本能满足普通波长密度的w d m 系统要求，然而还不能满足密集波分复用系统的 要求。在d w d m 系统中，各信道之间信号的传输功率有可能发生随机的起伏变 化，这就要求e d f a 能够根据入射信号功率的变化，实时地动态调整自身的增益 系数，从而减小信号功率波动，保证整个信道的稳定。d 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发生输入中断时，剩下信道的增益 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。 3 ) e d f a 的光浪涌问题。采用e d f a 可以使输入光功率迅速增大，但由于 e d f a 动态增益变化较慢，在输入信号跳变的瞬间将产生光浪涌现象，有可能造 成光电转换器或者光连接器的损坏。 4 ) e d f a 级联使用时噪声积累问题。光波信号经过e d f a 放大后，在放大信 号的同时，也对噪声进行了放大，同时引入e d f a 自身的噪声，造成信噪比劣化， 劣化的程度与级联e d f a 的数量和e d f a 之间光纤跨距有关，跨距越大，信噪比 劣化越严重。 3 、复用懈复用器件与光滤波器技术【5 8 4 9 】 随着波分复用不断增加的信道数以及波长信道间隔的不断减小，对d w d m 复用、解复用器件的要求越来越高。为此需要对波分复用懈复用器件提出了更 高的要求，例如中心波长的稳定性高、插入损耗小、信道隔离度大、通带平坦、 带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、解复用的滤波技术通常应用阵列波导光栅( a w g ) 、f a b r y p e m t 干涉仪 【醯7 0 】，阵列波导光栅( a w g ) f 7 1 删，m a c h z e h n d e r 干涉仪( m z i ) m 7 4 】，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8 渊细非线性效应f 蜘 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同，这给色散补偿带来新问题。好的色散补偿 技术应能够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 系统中应用e d l l a 后，随着光功率增大，光纤非线性效应逐渐显现 出来，极大限制了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 效应主要有受激布里渊散射( s b s ) 、受激拉曼散射( s i 塔) 、自相位调制( s p m ) 、 交叉相位调制( m ) 以及四波混频( f w m ) ，这些非线性效应都与注入光纤 的光功率大小有关。 5 墨二垩堑堡 1 3 波长交错器的概况 光波长交错器是一种特殊的复用解复用器件。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间隔减半的光信号；解复用功能是将路多波长 光信号分成两路，一路包含奇信道波长，另外一路包含偶信道波长，两路波长间 隔增倍。如图1 5 所示，它将一路多波长信道间隔为1 0 0 g h z 的信号分成两路， 一路包含奇数路波长，另一路包含偶数路波长，信道间隔增倍至2 0 0 g h z 。另一 方面如果相反方向使用，则可将奇偶交错的两路间隔为2 0 0 g h z 多波长光信号合 并成一路波长问隔为1 0 0 g h z 的多波长光信号。 1 3 1 波长交错器的性能参数问 数： 根据波长交错器的使用功能，衡量波长交错器性能主要有以下几个技术参 1 插入损耗。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，因此低的插入损耗对于整个传输系统非常重要。 2 通带形状。通带要求顶部平坦，用来减小因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。在w d m 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。通带边缘滚降特性是衡量通带矩形化的参数，表征 波长交错器对邻道串扰的抑制能力，因此需要陡峭的边缘滚降特性。 5 色散和非线性效应。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 魄时，波长交错器的色散变得尤为 6 誊 啄警掣 第一章绪论 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 2 波长交错器的研究现状和应用前景 目前波长交错器的结构主要有光纤m a c h z e l l n d e r 干涉仪型、a w g 平面光波 导型、晶体双折射型、g ( g h s _ ，r o 啪o i si n t e r f b r o m e t e r ) 型和光纤光栅组合 型五种类型。 1 、光纤m a c h z c l l l l d e r 干涉仪型波长交错烈8 7 蚓： p o r t l u 图1 6 光纤m a c h z e h d e r 干涉型h t e r i w r 示意图 光纤m a c h z d m d c r 干涉型波长交错器的结构示意图如图1 6 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，经过耦合器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，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 盯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 c h z c b n 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，可以获得平顶通带响应 的波长交错器母5 1 。 2 、a w g 平面光波导型波长交错器陋1 唧 第一章绪论 l u t v | 如九i 1 w + 铂删t m w g i | ；如 乏恕：惫： = 图1 7 w g 平面光波导型波长交错器示意图 口i y 酣懵州喀l 畦d e s a w g 平面光波导型波长交错器的基本思想是利用阵列波导光栅( a w g ) 进 行复用、解复用，其结构示意图如图1 7 所示。a w g 平面光波导型波长交错器 可以看成是级联m a c h z e l l l l 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，而后者只有两束光进行干涉。 通过增加光栅间的光路数可以制成f 0 l | 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1 ：n 的波长交错器。a w g 作为d w d m 波 长交错器的条件是 - n 。瓯 其中n 。是输出波导数。 a w g 平面光波导型波长交错器的输出谱形如图1 8 所示 第一章绪论 5 7 1 s i ，j 5 母日1 5 b jt 捌 1 5 i 1 ，日j w 目曲 图1 8a w g 平面光波导型波长交错器的输出光谱 ( a ) 高斯通带；0 ) 平顶通带 a w g 平面光波导型波长交错器的优点：( 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。同时它也存在着不足之处：( 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【1 0 1 。1 叫 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1 9 ( a ) 是一个典型的偏振光干涉型的波长交错器 示意图。 jj “ 1 ， 、“ i 蕾- k ! 、二 o ，7 k 7 ，一， 。= l ， a e 图1 9 ( a ) 晶体偏振光干涉型波长交错器结构图；删牖振光干涉型波长交错器的原理图 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，并且引入一定的相位差， 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两组，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 9 第一章绪论 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1 1 0 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，需加入偏振分柬器将奇、偶信道的 光信号在空间分离，因此偏振相关损耗较大；对晶体本身加工精度要求较高；对 折射率测量要求很高，且存在温度漂移问题。 4 、g - 1 r i ( g i r e r o 呦o i si n t e 彘m m e i e r ) 型波长交错器f 8 6 1 1 m 1 1 1 】 h r h r 图l - n ( a ) m g 型波长交错器示意图 图1 n ( b ) b g l r i 型波长交错器示意图 g t 型波长交错器主要是利用了g t 干涉仪的周期性相位响应，g t 型波长交 错器主要有两种类型：m g l r i ( m i c h e l s o ng i r c s t o 啪o i si n c e r 咖c t e r ) 型和b g l r i ( b i r e i 渤g e mg s t o 啪o i sh t e m m i n 嘶) 型，分别如图1 1 l ( a ) 、嘞所示。 m g l r i 型波长交错器1 1 1 2 1 1 4 1 基于m i c h d s o n 干涉仪的干涉效应和g t 腔的调相 作用设计的，基本构型是在m i d l c l s o n 干涉仪的两臂分别放置g - t 干涉仪，两臂的 1 0 第一章绪论 相位差为1 8 波长。调节两臂的g t 腔镜使得两个g t 腔的光程差为l ，4 波长，这样 当一个g - t 干涉仪谐振时另一个不发生谐振，不发生谐振的g - t 腔相当于一个全 反射镜。g - t 干涉仪引入的相位差使得m i c h e l s o n 干涉仪的输出波形平坦化。m g l r i 型波长交错器的优点是：插入损耗低，具有平顶的带通响应：中心波长、信道间 隔可调以及偏振无关，不足之处是固有的色散较大，而且由于g t 腔的介质是空 气，其折射率受温度的影响较大，所以温度稳定性较差，另外，调节g t 干涉仪 需要精确的超微型调节对准设备，调节步骤复杂。 b g l l 型波长交错器【1 1 5 】的构型和m g 1 1 型波长交错器基本相似，只是用偏振 分束器代替了m g l l 中的5 0 ：5 0 的功率分束器。两个g t 干涉仪的参数是完全 相同。b g t i 型波长交错器的基本原理是偏振光干涉原理，并利用g t 腔的相移 来改善滤波器的输入波形。图1 1 1 是一个典型的b g t 型波长交错器，和m g ，n 型波长交错器相比，同样具有平顶的带通响应和较低的插入损耗，不同的是减小 了对器件稳定性的严格要求，但是引入偏振损耗，及偏振模色散。 5 、光纤光栅组合型波长交错裂1 1 鲥2 1 】 o t p t h ，1 6 ，b ， o t p u t 2o t p u t 3 h p t h ，k ，b h 图1 1 2 取样光栅型波长交错器的工作原理 l h 光纤光栅组合型波长交错器是基于光纤光栅的窄带滤波特性设计的。对常规 的光纤光栅进行空间取样制成取样光栅，能够实现梳状滤波功能，这种滤波器的 信道间隔可以做锝很窄，一根几厘米长的取样光纤光栅就可以实现多个信道的交 叉复用，将取样光纤光栅和环行器构成波长交错器，如图1 1 2 所示。 波长交错器在光纤通信系统中有很重要的应用前景。首先，对于 w d m d w d m 系统尤其是长途干路系统，通过波长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不改变现有滤波器的基础上将通信容量 升级到两倍、四倍甚至更高，大大降低了系统升级的成本。以1 6 信道1 0 0 g h z 第一章绪论 的系统为例【1 2 2 1 ，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 ，o o o 美元， 而采用2 0 0 g h z 的介质薄膜滤波器和波长交错器，费用仅有8 ，5 0 0 美元。其次， 波长交错器还可以用作城域网节点处的光信号分插复用器件【1 2 3 。2 4 】，利用波长交 错器可以同时上下载一组信号，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，不但在长途干线 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，波长交错器还可以用作梳状滤波器应用于多波长激光器【1 2 5 。1 3 1 】和光纤 传感f 1 3 2 1 3 6 】中。 1 4 色散概况 随着光纤通信技术的发展，人们对光纤特性的认识也经历了一个不断发展的 过程。在光纤通信发展的初期，影响系统性能的最主要参数就是光纤的损耗特性。 在光纤通信的早期，采用多模光纤，它的通信窗口在o 8 5i lm 附近，最校损耗在 2 d b ，k m 左右；第二代光纤通信采用了普通单模光纤，它的工作窗口在1 3 1pm 附近，此时光纤的色散系数为零，而光纤的最低损耗小于o 3 5 d b k m 。到了2 0 世纪8 0 年代末，通信窗口移到了1 5 5um 附近，最低损耗小于0 2 d b l a d l 。随着 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的广泛应用，光纤损耗问题得到了有效的解决，但是在 1 5 5pm 附近大的色散值极大地限制了光纤通信的发展，光纤色散造成了光脉冲 在传输时时域展宽，引起码间干扰，导致通信系统的误码增加，限制了光脉冲无 中继传输距离，降低通讯质量。因此色散成为光纤通信系统继续发展不可避免的 一个问题，色散研究也逐渐成为热点。 为了解决1 5 5pm 处的色散问题，色散补偿技术和色散管理技术得到了广泛 的研究，采用色散补偿光纤以及光纤光栅色散补偿器是最具代表性的方案，目前 光纤的色散补偿与管理仍然是高速密集波分复用系统的热点之一。同时，随着 i n t 锄e t 的不断发展，人们对于带宽的需求越来越大，l o g b i 魄、4 0 g b i 讹的密集 波分复用系统已经得到了商用。而随着单信道的传输速率从l o g b i 以提高到 4 0 c 喊以，另一种光纤的非线性特性一偏振模色散的影响开始显现出来。为使光 纤通信系统得到更好的发展，色散测量、色散补偿与色散管理、偏振模色散的测 量与补偿都将受到人们的关注。 随着光子晶体光纤的出现，其特有的色散特性引起了人们的广泛关注。对于 折射率传导型光子晶体光纤，其色散分为由材料折射率随波长变化引起的材料色 散和由光纤结构引起的波导色散。总色散可以近似地看成是波导色散和材料色散 之和f 1 3 7 。，只要先通过计算或实验确定相应结