（信号与信息处理专业论文）基于高双折射光纤环境的波长交错器研究.pdf

摘要 波长交错器( i n t e r l e a v e r ) 在密集波分复用系统( d w d m ) 中有很重要的应用前景。 它的采用可大大降低系统升级的成本和对超窄带滤波器的严格要求，已经引起了广泛的 关注。 本文结合天津市自然科学基金重点项目，提出一种性能优良的新型波长交错器 基于高双折射光纤环镜的s a g n a c 干涉仪型波长交错器，它具有许多优异的特性，如偏 振无关、极低的色度色散和偏振模色散、平顶带宽、全光纤化、中心波长可调谐等，从 而具有广泛的应用前景。 本文以j o n e s 矩阵理论为基础构建了高双折射光纤环镜的s a g n a c 干涉仪的理论模 型，以此为出发点，进行了大量数值模拟和实验研究，在此基础上研制出了b f s i - i 型波 长交错器，制作了样机，并通过了鉴定 本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，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，在一阶高双折射光纤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 t 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，以一阶高双折射光纤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 干涉仪为基本单元构造了一种具有平顶通 带的三阶h 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 l 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 0 1 d b 展宽 了6 5 。对于i o o g h z 的三阶h b f s i 型波长交错器，其通带宽度 0 5 d b 为0 2 2 r i 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，研究了光纤色散测量的方法，并对波长交错器进行了色度色散和偏振模色散 的测量，为进一步进行色散研究奠定了基础。 关键词：波长交错器梳状滤波器高双折射光纤s a g n a c 于涉仪偏振无关波长可调谐 色度色散偏振模色散 a b s t r a e t o p t i c a li n t e f l e a v e rp o s s e s s e s n i li m p e r a t i v ep e r s p e c t i v eo fa p p l i c a t i o n si nd w d m ( d 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 i n g ) s y s t e m i t sa p p l i c a t i o nc a nd e c r e a et h ec o s t so f s y s t e mu p g r a d ea n dm i t i g a t et h er i g i dr e q u i r e m e n t so fu l t r a - n a r r o wb a n d w i d t hf i l t e rt oal a r g e e x t e n t s oe x t e n s i v ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h i sf i e l d t l l i st h e s i si ss u p p o r t e db yt i a n j i nk e yp r o j e c to fa p p l i e da n db a s i cr e s e a r c hp r o g r a m s u n d e rg r a n tn o 0 4 3 8 0 0 9 1 1 i nt h i st h e s i san o v e la n df u n c t i o n a li n t e d e a v e ri sp r e s e n t e d t h i st y p eo fi n t e r l e a v e ri sb a s e do i lh i - b i r e f r i g e n c tf i b e rs a g n a cl o o pi n t e r f e r o m e t e r , b e a r i n g m a n ya t t r a c t i v ef e a t u r e s , s u c ha sp o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n c e ，u l t r a l o wc da n dp m d ，f i a tt o p ， a l l f i b e r , t u n a b l ec e n t r a lw a v e l e n g t h , e t c s ot h i si n t e r l e a v e rh a sap r o m i s i n gf u t u r e b a s e do nt h et h e o r yo fj o n e sm a t r i x ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r b a s e do nh i g h - b i r e f f i n g e n tf i b e rl o o pi sc o n s t r u c t e d , s t a r t i n gf r o mt h i sp o i n t , al a r g ea m o u n t o fn u m e r i c a ls 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 e a r c h e sh a v eb e e nt a k e n , b a s e do nw h i c ht h e p r o t o t y p em a c h i n en a m e db f s i ii sa s s e m b l e da n dt r i u m p h a n t l yp a s s e st h ep r o j e c ta p p r a i s a l p r e s i d e db yt i a n j i nm u n i c i p a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s i o n m a i n p a r t so fm yw o r ka l el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t , t 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 eh b fs a g n a ci n t e r f e r o m e t e ra r e r i g o r o u s l y a n ds y s t e m a t i c a l l y d 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 sag r e a t d 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 nc e r t i f i e dt h a to u r c o n c l u s i o n sc a n d 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 ep 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 fh i g h - o r d e rh b fs o i c - 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 ci n t e f f e r o m e t e r sa r ed e r i v e db a s e d0 1 3 t h o s ea b o v ec o n c l u s i o n s a n dm a n y s i m u l a t i o n sa d 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 e r o m e t e ri sd 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 hs i m u l a t i o n sa n d e 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 ec h a n n e li s o l a t i o no ft h i s h b f s i b 嬲e di n t e f 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 eh b f s a g n a ci n t e r f e r o m e t e ri sp r o p o s e 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 sd e m o n s t r a t et h a tt h e t h r e e - s t a g eh b f s l - 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 s 2 8 d b c o m p a r e dw i t ht h eo n e s t a g eh b f s l 一b a s e di 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 舔e di n t e r l e a v e ri se x t e n d e dm o r et h a n6 5 1 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 eh 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 s1 0 0 g h zi sa b o u t 0 2 2 r i m f i n h s o m ef 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 np e r f o r m a n c eo ft h eh b f s i - b a s e d i 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 fo u t p u tp o r t sa l es t u d i e da n d m 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 ne 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 e t 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 ri n c l u d i n gc 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 n i n d e p e n d e n c ya n dh i g hs t a b i l i t y a r cd i s c u s s e da n dc e f t i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i n a l l y ，d i s p e r s i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r es t u d i e da n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o na n d p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o nm e a s u r e m e n t sa r ec a r r i e do n ，l a y i n gag o o df o u n d a t i o nf o rn e x t s t u d yo nd i s p e r s i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：i n l e r l e a v e r , c o m bf i l t e r ，i - l i g h - b i r e f r i n g e n tf i b e r ( h b f ) ，s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r , p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n c e ，t u n a b l ew a v e l e n g t h , c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ( c d ) ， p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n 口m d ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生堡墨太望 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ，正， 学位论文作者签名：万彳衫 签字日期：2 7 年，月矽日 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多伟导师签名：马磐棠 | 签字日期：2 ，矽年，月o 日签字日期：夕7 年1 月f 刁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信概述 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，从理论上证明了使用光导纤维传输光波信号的可能。到1 9 7 0 年， 美国康宁( c o m i n g ) 公司第一次宣布其所研制的高硅酸盐玻璃单模光纤的损耗已小于 2 0 d b k m ，向使用光纤作为传输介质迈出了最重要的一步。几年之后，光纤损耗迅速下 降，1 9 8 0 年，光纤损耗进一步降低到0 2 d b k m ，为光纤通信的大范围的应用铺平了道 路【1 1 。 光纤通信是综合性的技术，光纤通信的发展，和与之相关的关键器件的发展是紧密 相联的。 作为传输介质的光纤当然是其中最关键的元器件之一，光纤的实用化后，光纤通信 才发展起来，光纤的损耗进一步降低后，已经不构成光纤通信发展的瓶颈。除光纤之外， 光源和光电探测器，也是光纤通信系统中的关键器件。 在2 0 世纪5 0 年代末和年代，固体技术、半导体材料和工艺技术等得到了迅速 的发展，作为可见光和近红外波段的半导体硅光电探测器的工艺水平已经相当成熟，因 此，作为光纤通信系统来说，这些光电探测器技术完全可以借用，不存在重大问题。 但是，作为光纤通信系统中的光源半导体激光器来说，在这时仍是一个重大障 碍。虽然半导体激光器已经于1 9 6 2 年问世，但开始它只能在低温液氮下以脉冲方式工 作，阈值高、寿命短。值得庆幸的是，由于采用所谓的异质结结构这一关键工艺技术， 使得半导体激光器阈值迅速下降，并开始在室温工作。特别是在1 9 7 0 年，由于采用双 异质结结构，使得g a a s g a a i a s 半导体激光器实现了室温连续运转工作，为光纤通信 走向实用化在光源方面奠定了基础。虽然半导体激光器实现了室温连续运转，但开始工 作寿命很短，只能工作一两小时，要使光纤通信真正走向实用化，半导体激光器的工作 寿命必须在百万小时以上。又经过近十年的努力，在7 0 年代末，这一目标终于实现了。 光纤通信才完全走上实用化、商业化的轨道。 在光纤通信发展史上另一重要里程碑是在光域可直接放大光信号的掺铒光纤放大 器( e d f a ，e r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 的发明。1 9 8 6 年英国南安普顿大学制作出了 最初的掺铒光纤放大器。e d f a 的发明使光一电一光中继的方式转变为全光中继，大大 降低了系统成本，加速了光纤通信的发展，引起了光纤通信的革命性的变革，其中最突 出的是在波分复用( w d m ，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 ) 光纤通信系统中的应用。 在整个光纤通信的发展过程中，可将光纤通信的发展大致归纳为以下几个阶段： 第一代光纤通信的工作波长在九= 8 5 0 n m ，属短波长波段，传输光纤用多模光纤。 第一章绪论 光源使用铝镓半导体激光器，光电检测器为硅( s i ) 材料的半导体p i n 光电二极管或半 导体雪崩光电二极管( a p d ，a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ) 。这一代光通信以1 9 7 7 年美国芝 加哥进行的码速率为4 4 7 3 6 m b i t s 的现场实验为标志。 第二代光纤通信的工作波长九= - 1 3 1 0 r i m ，传输用多模光纤。该波段属长波长波段， 是石英光纤的第二个低损耗窗口，有较低的损耗且有最低的色散。相应的光源是长波长 铟镓砷磷铟磷( i n g a a s p i n p ) 半导体激光器，光电探测器采用锗( g e ) 材料。 第三代光纤通信是从1 9 8 4 年实现了波长九= 1 3 1 0 n m 的单模光纤通信系统开始的。 单模光纤较多模光纤色散低得多，损耗也小，此代光纤通信广泛地用于长途干线和跨洋 通信中。 第四代光纤通信是在8 0 年代中后期实现的九= 1 5 5 0 n - m 的单模光纤通信系统。 1 5 5 0 r i m 是石英光纤的最低损耗窗口后来，工作波长为1 5 5 0 n m 的掺铒光纤放大器问 世，又使这一波长具有更重要的意义。 目前光纤通信的发展趋势主要体现在以下几个方面f 2 】： 1 光纤接入，尤其是光纤到户( f t l l ，f i b e r - t o - t h e h o m e ) 仍有很大的发展空 ： 间。 光纤到户( f 1 1 h ) 作为未来的接入技术可为终端用户提供非常高的带宽，这已经 在很长一段时间引起了重视然而，这种演进趋势受到了速度不断增长的铜线宽带解决 方案如数字用户线( x d s l ) 和电缆调制解调( c a b l em o d e m ) 的限制。毋庸讳言，对新 的高宽带服务的需求( 尤其是阳) 1 v ) 会促使光纤接入网络的到来。这种趋势在世界上 一些地方已经显露出来1 3 】。如日本m r r 已经发展了2 0 0 万的兀1 1 用户，目前在中国尚 处于试点阶段 2 向全光交换的方向发展。 通信实质是传输加交换光纤解决的是传输的问题，整个系统性能的提升仍需解决 交换的问题。由于光开关器件的不成熟，目前仍采用的是“光一电一光”的方式，即将 光信号转换成电信号，用电的方式交换后，再转换成光信号，由于受电方式物理瓶颈的 制约，这种方法是效率不高的，也是不经济的。目前正在开发大容量的光开关，以实现 在光域交换的网络，即所谓自动交换光网络( a s o n , a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a l n e t w o r k s ) 。 光纤通信中的交换方式有光空分交换和光波长交换。光空分交换般采用光开关把 光信号从某一光纤转到另一光纤。空分的光开关有机械式、半导体和热光开关等。近来， 采用集成技术，已开发出1 2 9 6 x1 2 9 6 的m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 光 交换机( i m c e n t ) ，不过尚处于试验阶段。光波长交换是对各交换对象赋于一个特定的波 长，于是，发送某一特定波长就可以对某特定对象通信。实现光波长交换的关键是开发 实用化的可变波长的光源、光滤波器和集成的低功耗的可靠的光开关阵列等。目前已开 发出6 4 0 6 4 0 半导体光开关和a w g ( a r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n g , 阵列波导光栅) 的空 2 第一章绪论 分与波长相结合的交叉连接试验系统( c o m i n g ) 。 采用光空分和光波分可构成非常灵活的光交换网。自动交换的光网络，是进一步研 究的目标，也是光纤通信的一个发展方向。 3 集成光电子器件的发展 为了提高性能，降低成本，光电子器件也要像电子器件一样，走集成化的发展道路。 目前发展的平面光波导线路( p l c ) ，可以将光电子器件组装于其上，也可以直接集成 为一个光电子器件。无论要实现唧还是a s o n ，均需要新的、体积小的和廉价的集 成光电子器件。日本n 1 1 r 已经采用p l c 技术研制出1 6 1 6 的热光开关和1 1 2 8 热光 开关阵列，用集成和混合工艺把3 2 通路的a w g 和可变光衰减器以及光功率监测集成 在一起，将8 波长每波速率为8 0 g b p s 的w d m 复用和去复用分别集成在一块芯片上， 其尺寸仅为1 5 7 m m 。n 兀采用以上集成器件构成了3 2 通路的o a d m 。 4 光纤通信与微波毫米波技术的结合 随着微波光子学的迅速发展，光纤通信与微波毫米波结合的技术也日益成为光纤通 信领域的一个热点吲。其中的一个重要应用领域是微波光纤传输链路系统( r o f ， r a d i o - o v e r - f i b e r ) 。r o f 系统使射频微波在光纤中实现无衰减、无信道问互相干扰的传 输，将光纤通信的大容量、高速率传输与无线通信的灵活性结合在一起，具有十分广阔 的应用前景。目前主要研究的r o f 应用领域有：r o f 无线局域网，天线遥感，宽带视频 分配网络，宽带无线接入网络，以及r o f 无线个人通信网络等。 1 2w d m d w d m 系统概述 1 2 1 波分复用( w d m ) 的概念及发展 面对市场的需求增长、现有通信网络规模、传输能力不相适应等多方面的问题，需 要从多种可供选择的方案中找出低成本的解决方法，目前主要有以下三种方法： 第一种途径是敷设更多的光纤，这对于那些光纤安装耗资少的网络来说，不失为一 种解决方案，但这不仅受到许多物理条件的制约，也不能有效地利用光纤宽带。 第二种选择方案是采用时分复用( t d m ) 方法提高比特率，即通过时间分割，增加 每秒传输的信息量来扩大单根光纤的传输容量，使用这种方法的前提是必须实现更高的 比特率。例如，从1 0 g b s 提高到2 0 g b s ，甚至4 0 g b s 。即使这样，单根光纤的传输容 量仍然是有限的。况且，从2 0 g b s 到4 0 g b s 的速率倍增，对电子器件提出了更高的要 求，采用高速的电子器件也也增加了系统成本。除电子电路的因素外，单一光载波传输 过高的数据速率还要受到光纤线路的色散的限制。 第三种可供选择的方案是波分复用( w d m ) 技术，尤其是密集波分复用( d w d m ) 技术。w d m 系统利用已经埋设的光纤，使单根光纤的传输容量在高速率t d m 的基础 上成n 倍地增加，即实现了扩容。采用d w d m 技术是当前增加通信系统传输容量的最 好办法。 3 第一章绪论 波分复用是光纤通信中的一种传输技术。由于一根光纤可以同时传输多个不同的波 长的光载波，因此可以把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一 个独立的通道传输一种特定波长的光信号。其本质是光载波的频分复用。如图1 - 1 所示 为一典型的d w d m 系统的实现方案。 可调谐光源 接收机( 可包 括光滤波器) 图1 - 1 一种包含各种类型放大器的典型w d m 网络的实现方案 波分复用系统具有如下优势： 1 在降低建设与营运成本的基础上实现大容量、高速率的网络传输 对于希望能满足用户不断增长的需求的运营者来说，d w d m 能使他们的网络向优 化的方向演变利用d w d m 可以提供必要的扩容能力的特点，在最初阶段只要为 d w d m 打下运行基础，再按照市场需求逐渐发展，就可降低初始建设成本。 d w d m 系统中的光纤放大器直接放大输入的光信号，无需进行光电转换，减少了 再生中继器的数量，降低了系统成本。 目前，每信道l o g b i t s 的d w d m 系统已经实现商用，而且正向着4 0 g b i t s 甚至更 高的速率迈进。已有报道显示，将拉曼前向和后向放大器应用在目前的商用类型光纤上 可以实现6 4 4 0 g b i t s 的d w d m 系统，并且成功传输1 0 0 0 k i n 以上m 2 可使各种信号透明传输，从而可综合现有网络的不同技术方案 w d m 技术除了能经济地使光网络获得超大传输容量外，还有应用灵活方便的优点 w d m 系统各信道上的光信号可以具有彼此独立的比特率和体系，因此用一根光纤能够 同时传输不同体系、不同速率、不同业务类型( 图像、语音、数据) 的多种信号。无论 是s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a l h i e r a r c h y ，同步数字系列) 还是p d h ( p l e s i o c h r o n o u s d i 百t a l h i e r a r c h y ，准同步数字系列) ，无论是数字信号还是模拟信号，都无需对它们进行体系 转换，能保持原貌进行传输。 3 w d m 技术可适应全光网络的建设要求 w d m 的应用形式灵活，最普遍的应用是点对点的大容量传输，其次是在组建光子 网络中必不可少的光分插复用( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) 。o a d m 、o x c 把目前 以电子实现的a d m ( a d d d r o pm u l t i p l e x e r ，分插复用器) 和d x c ( d i g i t a lc r o s s c o n n e c t i o n ，数字交叉连接设备) 上升到光学处理的水平，避免使用庞大的电学处理设 备，便于突破电子电路的速率限制，便于全光网络的建设、维护与管理。 4 第一章绪论 1 2 2d w d m 系统中的关键器件及其对系统性能的影响 d w d m 系统的性能要受到系统各组成部分特性的影响。 光纤是构成d w d m 系统传输链路的重要组成部分，光纤本身的特性对系统影响是 巨大的。影响d w d m 系统性能的光纤的主要特性有色散和非线性效应【7 l 【8 】1 9 l ：光纤的色 散特性主要包括色度色散( c d ，c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ) 和偏振模色散( p m d ，p o l a r i z a t i o n m o d ed i s p e r s i o n ) ；光纤的非线性效应分为受激散射非线性和折射率非线性( 克尔效应 ( k e r re f f e c t ) ) ，其中受激散射非线性又包括受激布里渊散射( s r s ，s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g ) 、受激拉曼散射( s b s ，s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) ，折射率非线性包括四 波混频( f w m ，f o u r - w a v em i x i n g ) 、自相位调制( s p m ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ) 、交叉相 位调制( x p m ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ) 。 除了光纤链路外，d w d m 系统组成中其他器件的特性对系统总体性能的影响也是 重大的【1 0 l ： 1 激光器 半导体分布反馈( d f b ) 激光器作为光通信的光子源器件已占据不可替代的重要地 位。相对于f - p 腔激光器，d f b 激光器波长稳定性好，而且具有动态单纵模窄线宽振荡 的特性，即在高速调制下也能保持单纵模振荡。 然而，d w d m 光网络对光源提出了更高的要求，主要有以下几点：( 1 ) 波长范围 宽；( 2 ) 尽可能多的信道数；( 3 ) 每信道波长的光谱宽度应尽可能窄；( 4 ) 各信道波长 及其间隔应高度稳定。为了满足d w d m 系统对光源的要求，人们发明了量子阱一分布 反馈激光器( m q w d f b ) ，这种激光器具有阈值电流低、功耗低、温度特性好、线宽窄、 频率啁啾小、动态单纵模特性好、横模控制能力强等优点，很好地满足了d w d m 系统 的要求，获得了广泛的应用。 上面提到的d f b 和量子阱激光器都是固定波长的激光器，这种激光器一旦制作好， 波长便难以改变，而在密集波分复用系统中需要若干不同波长的激光，如果使用一系列 的固定波长激光器，不仅工艺制作困难，而且成本也增加因此可调波长的激光器便应 运而生。目前，可调波长激光器已成为研究的热点，按工作原理可分为机械调谐、电调 谐和热调谐。 至于激光器的调制方式，如果使用电信号对激光器直接进行强度调制，其响应速率 难以超过5 g b s ，在高速率下，频移啁啾效应比较严重。因此d w d m 系统中宜采用外 调制技术，以便使激光器工作在连续波方式，能有效克服频率啁啾。 2 光放大器 波分复用光信号在光纤中传输时，不可避免地存在着一定的损耗和色散，损耗导致 光信号能量的降低，色散致使光脉冲展宽，解决这一问题的常规方法是采用光电光中 继器，但这种处理方式由于受到电域信号处理速度的限制且设备复杂成本昂贵，在一定 程度上已满足不了现代电信传输的要求。掺铒光纤放大器( e d e a ) 的出现，取代了传 统的电方式的中继器，将光信号的功率放大在光域实现，实现了全光中继。e d f a 具有 耦合效率高，能量转换效率高，增益高、噪声低、输出功率大，增益特性稳定，可实现 5 第一章绪论 透明传输等优点，已得到了广泛应用。但是e d f a 也有其固有的缺点，如波长固定，增 益不平坦等。 光纤拉曼放大器( f r a ) 是新生代光放大器的代表，具有宽带、低噪声、增益可调 等优占，弥补了e d f a 工作带宽不足的缺陷，是推动高速、大容量、长距离w d m 光纤 通信发展的关键所在。 3 波分复用解复用器 光波分复用器和解复用器是w d m 技术中的关键部件，作用是将不同光源波长的信 号结合在一起经一根传输光纤输出，或者将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。 光波分复用器和解复用器在超高速、大容量波分复用系统中起着关键作用，其性能 的优劣对系统的传输质量有决定性影响。其性能指标主要有插入损耗和串扰。因此， d w d m 系统对光波分复用器和解复用器的特性要求是：损耗及其偏差小；信道间的串 扰小；通带损耗平均；低的偏振相关性等 w d m 系统中用的光波分复用器和解复用器主要有介质膜滤波器、各种光栅、星形 祸合器等形式。其中a w g 型光波分复用器具有波长间隔小、信道数多、通带平坦等优 点。非常适合超高速、大容量w d m 系统使用，因此已成为目前研制、开发与应用的重 点。 4 光滤波器 光滤波器是光w d m 系统中控制光信号的关键器件之一。光滤波器可在光域实现对 光信号的处理、选择、变换，在波分复用系统、全光交换系统等领域具有广泛的应用价 值。 光滤波器按照工作原理和应用角度不同有不同的分类方法。 按工作原理区分，光滤波器可分为有限脉冲响应( f i r ，f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 移动平均( m a ，m o v i n g a v e r a g e ) 滤波器和无限脉冲响应( i i r ，i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) ，自回归( a r ，a u t o r e g r e s s i v e ) 滤波器前者不依赖于任何反馈机制，例如不依赖于光 反射，这种滤波器有时也称为前馈滤波器，例如m a c h z e h n d e r 干涉仪1 1 1 1 2 1 和阵列波导 光栅1 1 3 1 1 4 j 滤波器；后者基于多级反射，例如光纤布拉格光栅( f b g s ) i 椰1 6 1 ，多层膜滤 波器( t f f s ) 1 1 7 儿1 8 】等。 按在光w d m 系统中所起的作用区分，光滤波器可分为：信道选择滤波器，如w d m 复用解复用烈1 9 1 ，光分插复用器( o a d m ) 【刎，波长交错器( i n t e r l e a v e r ) 2 1 l ，e d f a 增益平坦滤波器【矧，色散补偿滤波器i 】等。在光w d m 系统中，信道和波长联系紧密， 有波长信道的概念，所以对波长的选择等效为对信道的选择。对光波长的选择正是光滤 波器的功能之一。本文只涉及信道选择滤波器。 按所选择波长是否可重构，光滤波器可分为固定滤波器和可调谐滤波器例。固定滤 波器允许预先确定的、固定的波长通过，而可调谐滤波器可以动态地选择通过的波长。 按滤波实现方案区分，光滤波器可分为：平面光栅陋j ，f a b r y p e r o t 干涉仪1 2 6 ，阵列 波导光栅( a w g ) 2 7 1 ，m a c h z e h n d e r 干涉仪( m z i ) 1 2 8 l ，薄膜电解质干涉滤波器，声 光可调滤波器i 捌，光纤光栅i 蚓和高双折射光纤( h b f ) s a g n a c 干涉仪。 6 第一章绪论 光滤波器在光纤通信系统中占有重要的地位，它具有以下主要设计指标，也是今后 发展的方向： ( 1 ) 超平顶滤波特性 项部平坦特性非常重要，因为必须保证l d b 通带足够宽，以容纳1 0 g n t s 传输的载 波信号。依系统结构设计的不同，通带宽度要为总带宽的一半或更多些。 ( 2 ) 高隔离度 来自相邻或非相邻光通路的串扰会限制传输距离和传输速率。为了达到更好的通信 效果，有时需要高达5 0 d b 的通路隔离度。 邸) 低损耗 损耗越低，传输距离越长，或所需的功率放大越少。 ( 4 ) 模块化 现在可以有数百个通路，而电信运营商希望在滤波器、激光器和公共设备上的初期 投资最小。因此模块化的滤波技术很有吸引力 ( 5 ) 宽工作窗口 新的光纤和放大器技术正在使从1 3 0 0 n m 到1 6 5 0 n m 的整个带宽都可实现d w d m ， 因此滤波技术也必须支持这个带宽。 ( 6 ) 窄信道间隔 为了充分利用工作窗口，必须支持非常窄的通路间隔( 5 0 g h z 或更窄) 。 1 3 1 波长交错器的基本概念 1 3 波长交错器 波长交错器( i n t e f l e a v e r ) 是一种周期性的光滤波器，它可将一系列的密集波分复 用信号实现祸合和分离。波长交错器的周期特性减少了平顶带通和高隔离禁带所需的傅 立叶成分的阶数，可大大降低d w d m 系统升级的成本【翊。 用于组合或分离d w d m 系统的梳状信号。交错器有多种形式，本文所涉及的波长 交错器用于完成d w d m 梳状信号的奇偶信道分离，如图1 2 所示。它一方面将一路多 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。另一方 面将奇偶交错的两路多波长光信号合并成一路波长间隔减半的光信号波长。 光波长交错器是一种特殊的复用解复用器，其功能类似于电子器件的串并或并串 转换器。光滤波器的功能类型有多种，最基本的如图1 2a ) 所示，它可将d w d m 梳状 信号实现奇偶信道的分离或合并，也就是所说的1 ：2 波长交错器，在此基础上周期扩展 就可以得到1 ：2 t , 波长交错器，图1 - 2 ”实现了l ：4 的信号分离。图1 2c ) 是一种与前面 不同的波长交错器，它实现了通带间的交错，这种交错器的制备较有难度，因为需要滤 波器的陡降特性非常好。与前三种滤波器相比，图1 2d 1 是一种非对称的波长交错器， 它可以从n 个信道中分离出一个信道。 7 第一章绪论 小 曲 9 i i i i i i i o ! ii9 k 8 8 8 9 k 98 8i 8 8 仇 8 k 幽 。 i i i i 图i - 2 波长交错器工作原理 k k l k 7 作为光滤波器的一种，波长交错器( i n t e r l e a v e r ) 的推出可以说是密集波分复用系统中 复用解复用器技术的一个重大突破。d w d m 旨在提高每根光纤所传的波数( 信道数) 。 由于系统所用传输光纤和其它器件带宽的限制，若要进一步增加波数，则需通过减小信 道间隔来实现。i n t e r l e a v e r 器件的出现使许多传统滤波器技术在密集波分复用的应用中 重新找到了自己的位置，大大降低了器件设计制作的压力，降低了整个系统的成本。 随着信道间隔的减小，系统对其内部滤波器的性能要求提高。目前主要的滤波技术 包括薄膜滤波器，阵列波导光栅和光纤b r a g g 光栅。每种技术都面临窄信道间隔的技术 挑战。薄膜滤波器适合于信道间隔为4 0 0 和2 0 0 g i - i z 的d w d m 系统，对信道间隔为1 0 0 和5 0 g h z 的系统则难以适应。目前商用a w g 可达到4 0 个信道间隔为1 0 0 g h z 的信道。 随着信道间隔的减小a w g 的设计和制造难度增加。另外4 0 个信道以上a w g 的成本和 插入损耗非常大。b r a g g 光栅适合于单信道窄带滤波，但对大信道数d w d m 则需要多 个光栅，另外还需要环形器配合。利用i n t e r l e a v e r 器件可以使复用器】肄复用器的端口密 度降低一半，然后再利用已有的成熟滤波技术对光信号实施处理，大大减少了系统成本， 降低了系统研发难度。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。 波长交错器的设计目标是： 8 母母 第一章绪论 1 应具有较大的平顶带宽、较小的插入损耗和较快的边缘滚降； 2 通带色散必须足够小； 3 阻带必须提供高的消光比，以消除邻带干扰： 4 要降低偏振相关的参数。偏振相关参数包括：偏振相关频移( p d - a ， p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tw a v e l e n g t h ) 、偏振相关损耗( p