光纤通信ppt课件第七章

1、7.1 光放大器光放大器7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 光交换技术光交换技术7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 波长变换技术波长变换技术第第 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术返回主目录 第第 7 章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 光纤通信发展的目标是提高通信能力和通信质量，降低价格，满足社会需要。进入20世纪90年代以后，光纤通信成为一个发展迅速、 技术更新快、新技术不断涌现的领域。 本章主要介绍一些已经实用化或者有重要应用前景的新技术，如光放大技术，光波分复用技术，光交换技术，光孤子通光放大技术，光波

2、分复用技术，光交换技术，光孤子通信，相干光通信，光时分复用技术和波长变换技术信，相干光通信，光时分复用技术和波长变换技术等。 7.2 光波分复用技术光波分复用技术 随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现随着人类社会信息时代的到来，对通信的需求呈现加速增长的趋势。加速增长的趋势。 发展迅速的各种新型业务发展迅速的各种新型业务(特别是高速数据和视频特别是高速数据和视频业务业务)对通信网的带宽对通信网的带宽(或容量或容量)提出了更高的要求。提出了更高的要求。 为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交为了适应通信网传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求，产生了各种互性、灵活性的要求

3、，产生了各种复用技术复用技术。 sdm(space division multiplexer)时分复用时分复用 tdm(time division multiplexer)波分复用波分复用 wdm(wavelength division multiplexer)1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtx40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrt

4、xtx1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtx1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtx1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtx1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtx1310rptr1310rptr1310rptr1

5、310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtx1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptr1310rptrtxtxsdm）space division multiplexer空分复用空分复用(sdm）即多对电线或光纤共用一条缆的复用即多对电线或光纤共用一条缆的复用方式。比如方式。比如5类线就是类线就是4对双绞线共用对双绞线共用1条缆。能够实现条缆。能够实现空分复用的前提条件是光纤或电线的直径很小，可以空分复用的前提条件是光纤或电线的直径很小，可以将多条光纤或多对电线做在一条缆内，既节省外

6、护套将多条光纤或多对电线做在一条缆内，既节省外护套的材料又便于使用。的材料又便于使用。tdm）optical time division multiplexer光时分复用光时分复用(otdm）是使用同一波长光载波的各路信是使用同一波长光载波的各路信号光占用不用时隙。号光占用不用时隙。在光时分复用通信系统中，由于密集的时隙排列，发在光时分复用通信系统中，由于密集的时隙排列，发射光应是宽度为射光应是宽度为皮秒量级的窄脉冲皮秒量级的窄脉冲。光时分复用技术尚处于实验室研究阶段。目前利用光光时分复用技术尚处于实验室研究阶段。目前利用光时分复用达到的最高传输速率为时分复用达到的最高传输速率为640gb/s

7、。txedfaedfatxtxtxtxtxtxtxtxtxtxtxtxtxtxtxmux120 km120 km120 kmd de em m 7.2.1 光波分复用原理光波分复用原理 1. wdm的概念的概念 光波分复用（光波分复用（wdm）的基本原理是：的基本原理是：在发送端将在发送端将不同波长的光信号组合起来不同波长的光信号组合起来(复用复用)，并耦合到光缆线路，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开光信号分开(解复用解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因

8、此将此项技术称为后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复光波长分割复用用， 简称简称光波分复用技术光波分复用技术。 光纤的带宽有多宽？光纤的带宽有多宽？ 如图如图7.6所示，在光纤的两个低损耗传输窗口：所示，在光纤的两个低损耗传输窗口： 波波长为长为1.31 m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽的窗口，相应的带宽(, 和和分别为中心波长和相应的波段宽度，分别为中心波长和相应的波段宽度， c为为真空中光速真空中光速)为为17700 ghz； 波长为波长为1.55 m(1.501.60 m)的窗口，的窗口， 相应的带宽为相应的带宽为12500 ghz。 两个窗口合在一起，总带宽超过两

9、个窗口合在一起，总带宽超过30thz。 wdm和和ofdm 光波分复用包括光波分复用包括频分复用频分复用和和波分复用波分复用，光频分复用，光频分复用(ofdm)技术和光波分复用技术和光波分复用(wdm)技术无明显区别，因为技术无明显区别，因为光波是电磁波的一部分，光的频率与波长具有单一对应关光波是电磁波的一部分，光的频率与波长具有单一对应关系。通常也可以这样理解，光频分复用指光频率的细分系。通常也可以这样理解，光频分复用指光频率的细分,光信道非常密集（如频率间隔光信道非常密集（如频率间隔10ghz）。光波分复用指光）。光波分复用指光频率的粗分频率的粗分,光倍道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口。光

10、倍道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口。 由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要由于目前一些光器件与技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的实现光信道十分密集的光频分复用光频分复用(ofdm)还较为困难。还较为困难。 1310nm/1550nm窗口的波分复用窗口的波分复用 仍用于接入网，但很少用于长距离传输仍用于接入网，但很少用于长距离传输 1550nm窗口的密集波分复用窗口的密集波分复用(dwdm) 在在1550 nm波长区段内，同时用波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤或更多个波长在一对光纤上上(也可采用单光纤也可采用单光纤)构成的光通信系统，其中各个波长之间的间隔构成的

11、光通信系统，其中各个波长之间的间隔为为1.6 nm、 0.8 nm或更低，约对应于或更低，约对应于200 ghz, 100 ghz或更窄的带或更窄的带宽。宽。 可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络 wdm和和dwdm wdm技术对网络升级、发展宽带业务技术对网络升级、发展宽带业务(如如catv， hdtv 和和ip over wdm等等)、充分挖掘光纤带宽潜力、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是wdm加上加上edfa更是对现代信息网络具有强大的吸引更是对现代信息网络具有强大的吸引

12、力。力。 目前，目前，“掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(edfa)+密集波分复用密集波分复用(wdm)+非零色散光纤非零色散光纤(nzdsf，即，即g.655光纤光纤)+光子集光子集成成(pic)”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。术方向。 如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为wdm传输，传输， 我们就可以在这些我们就可以在这些wdm链路的交叉链路的交叉(结点结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连光交叉连接设备接设备(oxc)，或进行光上下路的

13、，或进行光上下路的光分插复用器光分插复用器(oadm)，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个新的光层。形成一个新的光层。 在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多个接起来，形成一个跨越多个oxc和和oadm的光通路，的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要完成端到端的信息传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、灵活、动态地建立和释放，这就是目前引人注目的、 新一代的新一代的wdm全光网络全光网络。 2. wdm系统的基本

14、形式系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是光波分复用器和解复用器是wdm技术中的关键部技术中的关键部件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的件，将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称为器件称为复用器复用器(也叫合波器也叫合波器)。 反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为各个波长分别输出的器件称为各个波长分别输出的器件称为解复用器解复用器(也叫分波器也叫分波器)。 从原理上讲，从原理上讲， 这种器件是互易的这种器件是互易的(双向可逆双向可逆)，即，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，

15、 就是就是复用器。复用器。因此复用器和解复用器是相同的因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。 wdm系统的基本构成主要有以下两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单双纤单向传输向传输和和单纤双向传输。单纤双向传输。 (1) 双纤单向传输。双纤单向传输。 单向单向wdm传输是指所有光通路同时在一根光纤上传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送。沿同一方向传送。 光发射机光发射机复用器光纤放大器解复用器光接收机光接收机1n1n1n1n光接收机光接收机解复用器光纤放大器复用器光发射机光发射机1n1n1n1n (2) 单纤双向传输。单纤双向传输。 双向双向

16、wdm传输是指光通路传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图在一根光纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相互分开，所示，所用波长相互分开， 以实现双向全双工的通以实现双向全双工的通信。信。 光发射机光发射机光接收机光接收机1n1n1n1n光接收机光接收机复用/解复用器光纤放大器光发射机光发射机1nn 12n1n复用/解复用器n 12n图图7.8 单纤双向单纤双向wdm传输传输 双向双向wdm系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系统因素：统因素： 如为了抑制如为了抑制多通道干扰多通道干扰(mpi)，必须注意到光反射的影响

17、、，必须注意到光反射的影响、 双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、率电平值和相互间的依赖性、光监控信道光监控信道(osc)传输和自动功传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。率关断等问题，同时要使用双向光纤放大器。 所以双向所以双向wdm系统的开发和应用相对说来要求较高，但系统的开发和应用相对说来要求较高，但与单向与单向wdm系统相比，双向系统相比，双向wdm系统可以减少使用光纤和线系统可以减少使用光纤和线路放大器的数量。路放大器的数量。 另外，通过在中间设置另外，通过在中间设置光分插

18、复用器光分插复用器(oadm)或或光交叉连光交叉连接器接器(oxc)，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的，可使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路上下路(add/drop)和和路由分配路由分配，这样就可以根据光纤通信线路，这样就可以根据光纤通信线路和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。和光网的业务量分布情况，合理地安排插入或分出信号。 插入损耗小插入损耗小 隔离度大隔离度大 带内平坦，带外插入损耗变化陡峭带内平坦，带外插入损耗变化陡峭 温度稳定性好温度稳定性好 复用通路数多复用通路数多 尺寸小等尺寸小等3. 光波分复用器的性能参数光波分复用器的性能参数 光波分复用器

19、是波分复用系统的重要组成部分，光波分复用器是波分复用系统的重要组成部分，为了确保波分复用系统的性能，为了确保波分复用系统的性能，对波分复用器的基本对波分复用器的基本要求是：要求是： (1) 插入损耗插入损耗 插入损耗是指由于增加光波分复用器插入损耗是指由于增加光波分复用器/解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入解复用器而产生的附加损耗，定义为该无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比，即和输出端口之间的光功率之比，即 其中其中pi为发送进输入端口的光功率；为发送进输入端口的光功率；po为从输出为从输出端口接收到的光功率。端口接收到的光功率。 oipplg10(db) (7.1) (2

20、) 串扰抑制度串扰抑制度 串扰是指其他信道的信号耦合进某串扰是指其他信道的信号耦合进某一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也一信道，并使该信道传输质量下降的影响程度，有时也可用隔离度来表示这一程度。可用隔离度来表示这一程度。 对于解复用器对于解复用器 其中其中pi是波长为是波长为i的光信号的输入光功率，的光信号的输入光功率，pij是波是波长为长为i的光信号串入到波长为的光信号串入到波长为j信道的光功率。信道的光功率。)(lg10dbppciijij(7.2)(7.3)(lg10dbpprljr其中其中pj为发送进输入端口的光功率，为发送进输入端口的光功率，pr为从同一个输为从同一个输

21、入端口接收到的返回光功率。入端口接收到的返回光功率。 (3) 回波损耗回波损耗 回波损耗是指从无源器件的输入端回波损耗是指从无源器件的输入端口返回的光功率与输入光功率的比，即口返回的光功率与输入光功率的比，即 (4) 反射系数反射系数 反射系数是指在反射系数是指在wdm器件的给定端器件的给定端口的反射光功率口的反射光功率pr与入射光功率与入射光功率pj之比，即之比，即jrpprlg10(7.4) (5) 工作波长范围工作波长范围 工作波长范围是指工作波长范围是指wdm器件器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围能够按照规定的性能要求工作的波长范围(min到到max)。 (6) 信道宽度信道宽度

22、 信道宽度是指各光源之间为避免串信道宽度是指各光源之间为避免串扰应具有的波长间隔。扰应具有的波长间隔。 ( 7 ) 偏 振 相 关 损 耗偏 振 相 关 损 耗 偏 振 相 关 损 耗偏 振 相 关 损 耗 ( p d l : polarizationdependent loss)是指由于偏振态的变化是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。所造成的插入损耗的最大变化值。 7.2.2 wdm系统的基本结构系统的基本结构 实际的实际的wdm系统主要由五部分组成：系统主要由五部分组成：光发射机、光中继放光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统大、光接收机、光监控信道和网络管

23、理系统，如下图所示，如下图所示。光转发器 1光合波器光转发器 nba1n1n光纤光监控信道接收/发送la光纤接收 1光分波器接收 npa1n1n光监控信道发送器ssss光监控信道接收器网络管理系统光中继放大光接收机光发射机 位于位于wdm系统的发送端。系统的发送端。 在发送端首先将来自终端设备在发送端首先将来自终端设备(如如sdh端机端机)输出的输出的光信号，利用光信号，利用光转发器光转发器(otu)把符合把符合itu-t g.957建议建议的非特定波长的光信号转换成符合的非特定波长的光信号转换成符合itu-t g.692建议的建议的具有稳定的特定波长的光信号。具有稳定的特定波长的光信号。 对

24、输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼对输入端的信号波长没有特殊要求，可以兼容任意厂家的容任意厂家的sdh信号，其输出端满足信号，其输出端满足g.692的光接口，的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号；波器合成多路光信号； 通过通过光功率放大器光功率放大器(ba： booster amplifier)放大输出多路光信号。放大输出多路光信号。 用用掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(edfa)对光信号进行对光信号进行中继放大中继放大。 在应用时可根据具体情况，在应用时可根据具体情况， 将将edfa用作用作“线放线放(l

25、a： line amplifier)”, “功放功放(ba)”和和“前放前放(pa： preamplifier)”。 在在wdm系统中，对系统中，对edfa必须采用必须采用增益平坦技术增益平坦技术，使得，使得edfa对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道还要考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况，保证光信道的增益竞争不影响传输性能。的增益竞争不影响传输性能。 在接收端，在接收端，光前置放大器光前置放大器(pa)放大经传输而衰减的主信道光放大经传输而衰减的主信道光信号，分波

26、器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。 接收机接收机不但要满足一般接收机对光信号不但要满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率灵敏度、过载功率等参数的要求，等参数的要求，还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。还要能承受有一定光噪声的信号，要有足够的电带宽。 光监控信道光监控信道(osc： optical supervisory channel)的主要功能是：的主要功能是： 监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生监控系统内各信道的传输情况，在发送端，插入本结点产生的波长为的波长为s(1510 nm)的光监控信号，与主信道的

27、光信号合波输出；的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；在接收端，将接收到的光信号分离，输出在接收端，将接收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监波长的光监控信号和业务信道光信号。控信号和业务信道光信号。 帧同步字节、公务字节帧同步字节、公务字节和和网管所用的开销字节网管所用的开销字节等都是通过光等都是通过光监控信道来传送的。监控信道来传送的。 通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点通过光监控信道物理层传送开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对或接收来自其他结点的开销字节对wdm系统进行管理，系统进行管理， 实现实现配配置管理、故障管理、性能管理和安全管理置管理、故障

28、管理、性能管理和安全管理等功能，并与上层管理等功能，并与上层管理系统系统(如如tmn)相连。相连。 目前国际上已商用的系统有：目前国际上已商用的系统有：42.5 gb/s(10 gb/s), 82.5 gb/s(20 gb/s), 162.5 gb/s(40 gb/s), 402.5 gb/s(100 gb/s), 3210 gb/s(320 gb/s), 4010 gb/s(400 gb/s)。 实验室已实现了实验室已实现了8240 gb/s(3.28 tb/s)的速率，传输距离的速率，传输距离达达3100 km=300 km。ofc2000(optical fiber communicat

29、ion conference)提供的情况有：提供的情况有： bell labs: 82路路40 gb/s=3.28 tb/s在在3100 km=300 km的的true wave(商标商标)光纤光纤(即即g.655光纤光纤)上，利用上，利用c和和l两个波两个波带联合传输；带联合传输； 日本日本nec: 16020 gb/s=3.2 tb/s， 利用归零信号沿色利用归零信号沿色散平坦光纤，经过增益宽度为散平坦光纤，经过增益宽度为64 nm的光纤放大器，传输距离的光纤放大器，传输距离达达1500 km; 日本富士通日本富士通(fujitsu): 128路路10.66 gb/s， 经过经过c和和l波

30、波带注：带注：c波带为波带为15251565 nm，l波带为波带为15701620 nm。，。， 用用分布喇曼放大分布喇曼放大(dra: distributed raman amplification), 传输距离传输距离达达6140 km=840 km; 日本日本ntt： 30路路42.7 gb/s， 利用归零信号，利用归零信号， 经过增益经过增益宽度为宽度为50 nm的光纤放大器，传输距离达的光纤放大器，传输距离达3125 km=375 km; 美国美国lucent tech: 100路路10 gb/s=1 tb/s，各路波长的间，各路波长的间隔缩小到隔缩小到25 ghz, 利用利用l波带

31、，沿波带，沿nzdf光纤光纤(g.655光纤光纤)传输传输400 km; 美国美国mciworldcom和加拿大和加拿大nortel: 100路路10 gb/s=1 tb/s， 沿沿nzdf光纤在光纤在c和和l波带传输波带传输4段，段， 约约200 km; 美国美国qtera 和和qwest: 两个波带两个波带4路路10 gb/s和和2路路10 gb/s沿沿nzdf光纤传输光纤传输23105 km=2415 km, 这个试验虽然这个试验虽然wdm路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。路数不多，但在陆地光缆中却是最长距离。 7.2.3 wdm技术的主要特点技术的主要特点 1. 充分利用光纤的巨大

32、带宽资源充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源光纤具有巨大的带宽资源(低损耗波段低损耗波段)，wdm技术使一根技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍， 从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。济价值。 2. 同时传输多种不同类型的信号同时传输多种不同类型的信号 由于由于wdm技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输特性和速率完

33、全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输，如输，如pdh信号和信号和sdh信号，数字信号和模拟信号，多种业务信号，数字信号和模拟信号，多种业务(音频、视频、数据等音频、视频、数据等)的混合传输等。的混合传输等。 3. 节省线路投资节省线路投资 采用采用wdm技术可使技术可使n个波长复用起来在单根光纤中传输，个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对

34、原系统作大的改统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。动。 4. 降低器件的超高速要求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已明随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用显不足，使用wdm技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。同时又可实现大容量传输。 5. 高度的组网灵活性、高度的组网灵活性、 经济性和可靠性经济性和可靠性 wdm技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网。可以利用网、多路多址局域网。可

35、以利用wdm技术选择路由，实现技术选择路由，实现网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、网络交换和故障恢复，从而实现未来的透明、 灵活、经济且灵活、经济且具有高度生存性的光网络。具有高度生存性的光网络。 7.2.4 光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器 在前面介绍耦合器时，已经简单地介绍了在前面介绍耦合器时，已经简单地介绍了波分复波分复用器用器(wdm)。 在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术，在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术， 即即光滤波技术光滤波技术。 光滤波器在光滤波器在wdm系统中是一种重要元器件，系统中是一种重要元器件， 与与波分复用有着密切关系，常常用来构成

36、各种各样的波分复用有着密切关系，常常用来构成各种各样的波波分复用器和解复用器分复用器和解复用器。单纯的滤波应用单纯的滤波应用 波分复用波分复用/ /解复用器中应用解复用器中应用 波长路由器中应用波长路由器中应用波分复用器和解复用器主要用在波分复用器和解复用器主要用在: wdm终端终端 波长路由器波长路由器 波长分插复用器波长分插复用器(wavelength add/drop multiplexer, wadm) 图图7.10 (c)波长路由器中应用波长路由器中应用 波长路由器1,2,3,41,2,3,4111122221,2,3,421121,2,3,41221 波长路由器波长路由器是是波长选

37、路网络波长选路网络(wavelength routing network)中的关键部件，中的关键部件， 其功能可由图其功能可由图7.10(c)的例子说明的例子说明 它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组1,2,3和和4 wdm信号。信号。 如果用如果用 来标记第来标记第i输入链路上的波长输入链路上的波长j, 则路由器的输入端则路由器的输入端口口1上的波长记为上的波长记为 、 、 、 , 输入端口输入端口2上的波长记上的波长记为为 、 、 、 。 ij1112131421222324 在输入端口在输入端口1上的波长中，如果上的波长中，

38、如果 和和 由输出端口由输出端口1输出，输出，则则 和和 由输出端口由输出端口2输出；在输入端口输出；在输入端口2上的波长中，如果上的波长中，如果 和和 由输出端口由输出端口2输出，则输出，则 和和 由输出端口由输出端口1输出，这样，输出，这样，我们就称路由器交换了波长我们就称路由器交换了波长1和和4。1213111422232124 在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口，在本例中，波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口， 每一路上只有每一路上只有4个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口个波长，但是在一般情况下，输入和输出的端口数是数是n(2)，并且每一端口的波长数是，并且

39、每一端口的波长数是w(2)(参看图参看图7.33)。12341,2,3,411111,2,3,422221,2,3,421121,2,3,41221解复用器复用器 如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化，就称为称为静态路由器静态路由器；路由方式随时间变化，则称之为；路由方式随时间变化，则称之为动态动态路由器路由器。 静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。静态路由器可以用波分复用器来构成，如下图所示。 波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式，它只有一个输入端口和一个输出端口，再加上一式，它只有一

40、个输入端口和一个输出端口，再加上一个用于分插波长的本地端口。个用于分插波长的本地端口。 对光滤波器的主要要求有：对光滤波器的主要要求有： (1) 一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且一个好的光滤波器应有较低的插入损耗，并且损耗应该与输入光的偏振态无关。损耗应该与输入光的偏振态无关。 在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤在大多数系统中，光的偏振态随机变化，如果滤波器的波器的插入损耗与光的偏振有关插入损耗与光的偏振有关(pdl: polarization dependent loss), 则输出光功率将极其不稳定。则输出光功率将极其不稳定。 (2) 一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感

41、。一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。 温度系数是指温度每变化温度系数是指温度每变化1的波长漂移。一个的波长漂移。一个wdm系统要求在整个工作温度范围系统要求在整个工作温度范围(大约大约100 )内，内，波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。 (3) 在一个在一个wdm系统中，随着级联的滤波器越来系统中，随着级联的滤波器越来越多，越多， 系统的通带就变得越来越窄。系统的通带就变得越来越窄。 为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带，单个滤波器的通带传输特性应该是平直的，个滤波器的通带传输特性应该是平直的， 以

42、便能够容以便能够容纳激光器波长的微小变化。纳激光器波长的微小变化。 图图7.12 光滤波器的光滤波器的1 db带宽带宽 400.9960.99811.0021.004 30 20 100通 带 边 缘20-db带 宽串 扰 能 量3-db带 宽1-db带 宽相 邻信 道1 db3 db0 / 滤 波 器 的 幅 度 传 输 特 性 / db 下面将介绍一些下面将介绍一些波长选择技术波长选择技术及其在及其在wdm系统中的系统中的应用。应用。 1. 光栅光栅 光栅光栅(grating)广泛地用来将光分离为不同波长的广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。单色光。 在在wdm系统中，光栅主要用在解复用

43、器中，以分系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。离出各个波长。 图图7.13是光栅的两个例子，图是光栅的两个例子，图7.13(a)是是透射光栅透射光栅，图图7.13(b)是是反射光栅反射光栅。 图图7.13光栅光栅(a) 透射光栅；透射光栅； (b) 反射光栅反射光栅 光栅平面影像平面21qd1qd2qi1 2光栅平面影像平面21qd1qd2qi1 2(a)(b) 我们以透射光栅为例来说明光栅的基本原理。我们以透射光栅为例来说明光栅的基本原理。如图7.14所示，设两个相邻缝隙间的距离即栅距为a, 光源离光栅平面足够远(相对于a而言)， 入射角为i，衍射角为d，通过两相邻缝隙对应光线

44、的光程差由( )决定，而cdab )sin(sindiacdabqqqiqdadcba光栅平面去影像平面来自光源光栅方程为:qqmadisinsin(7.6)其中其中m为整数，为整数，当当a和和i一定时，不同的一定时，不同的d对应不同的波长对应不同的波长，也就是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是可用作也就是说，像面上的不同点对应不同的波长，于是可用作wdm中的解复用器。中的解复用器。 2. 布喇格光栅布喇格光栅 布喇格光栅布喇格光栅(bragg grating)广泛用于光纤通信之广泛用于光纤通信之中。中。 一般情况下，传输媒质的周期性微扰可以看作是一般情况下，传输媒质的周期性微扰可以看作是

45、布喇格光栅；布喇格光栅； 这种微扰通常引起媒质折射率周期性的这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。变化。 半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出获得单频输出(如如dfb激光器激光器)；在光纤中，写入布喇；在光纤中，写入布喇格光栅后可以用于格光栅后可以用于光滤波器光滤波器、光分插复用器光分插复用器和和色散补色散补偿器偿器。 设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和和1，如果满足，如果满足条件：条件： 其中其中为光栅周期，为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合则一个波的能量可以耦合到另一个波中

46、去。到另一个波中去。 在在反射型反射型滤波器中，我们假设传播常数为滤波器中，我们假设传播常数为0的的光波从左向右传播，如果满足条件：光波从左向右传播，如果满足条件：210（7.7）22)(000（7.8） 则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。的具有相同波长的反射光中去。 设设0=2neff/0，其中，其中0为输入光的波长，为输入光的波长，neff为波为波导或光纤的有效折射率。也就是说，如果导或光纤的有效折射率。也就是说，如果0=2neff，光波将发生反射，这个波长光波将发生反射，这个波长0就称作就称作。 22)(000

47、（7.8） 随着入射光波的波长偏离随着入射光波的波长偏离，其反射率，其反射率就会降低，就会降低， 如图如图7.15(a)所示。所示。 如果具有几个波长的光同时传输到如果具有几个波长的光同时传输到上，上，则只有波长等于则只有波长等于的光才反射，而其它的光的光才反射，而其它的光全部透射。全部透射。 图图7.15(a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研性变化的光栅而言的，为了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一种称为制成功了一种称为变迹光栅变迹光栅(apodized grating)的光栅，的光栅，它与渐变折射率光纤有点类似

48、，其折射率沿光栅纤芯它与渐变折射率光纤有点类似，其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小。到边沿逐渐减小。 注意注意: 变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。 3. 光纤光栅光纤光栅 光纤光栅光纤光栅(fiber grating)是一种非常有吸引力的全光纤器是一种非常有吸引力的全光纤器件，件， 其用途非常广泛，可用作其用途非常广泛，可用作光滤波器光滤波器、光分插复用器光分插复用器和和色色散补偿器。散补偿器。对于全光纤器件，其主要优点有：对于全光纤器件，其主要优点有： 插入损耗低插入损耗低 易于与光纤耦合易于与光纤耦合 对偏振不敏感对偏振不敏感 温度系数低温度系

49、数低 封装简单封装简单 成本较低成本较低 利用某种特殊光纤的光敏特性，就可在光纤中写入利用某种特殊光纤的光敏特性，就可在光纤中写入光栅。光栅。 在传统光纤的在传统光纤的sio2中掺入少量锗中掺入少量锗(ge)后就具有了后就具有了光光敏特性敏特性，再由紫外，再由紫外(uv：)光照射，就可引起光纤光照射，就可引起光纤纤芯的折射率变化。纤芯的折射率变化。 若用两束若用两束相干相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，则的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化，强度高的地方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率度高的地方纤芯折

50、射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无任何变化，这样就在光纤中写入了光栅。几乎无任何变化，这样就在光纤中写入了光栅。 形成光栅所要求的折射率变化是极低的，大约为形成光栅所要求的折射率变化是极低的，大约为10-4。 也可以使用也可以使用来写入光栅。来写入光栅。 是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它是一种光衍射元件，当用光束照射它时，它将光束分离成各个不同的衍射级，将光束分离成各个不同的衍射级， 这些衍射级相互干涉这些衍射级相互干涉就可将光栅写入光纤。就可将光栅写入光纤。 光纤光栅可以分为光纤光栅可以分为和和。 也称也称光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅，其周期可，其周期可以和光波长相比较，典型值大约

51、以和光波长相比较，典型值大约0.5 m；的周期比光波长大得多，从几百微米到几毫米不的周期比光波长大得多，从几百微米到几毫米不等。等。 光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅(fbg： fiber bragg grating)是一种反射是一种反射型光纤光栅，光栅使型光纤光栅，光栅使正向传输模正向传输模(单模光纤中即为基模单模光纤中即为基模)同同反向反向传输模传输模之间发生耦合，光栅的波矢应等于传输模波矢的之间发生耦合，光栅的波矢应等于传输模波矢的2倍，倍，也就是说，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一也就是说，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半，半， 这种光纤光栅只对在这种光纤光栅只对

52、在及其附近很窄的波长范及其附近很窄的波长范围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。围内的光发生反射，而不影响其它波长的光通过。 光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅的特点是的特点是: 损耗低损耗低(0.1 db左右左右) 波长准确度高波长准确度高(可达可达0.05 nm) 邻近信道串扰抑制较高邻近信道串扰抑制较高(可达可达40 db)以及通带顶部平坦以及通带顶部平坦 由于光纤长度随温度变化稍微有些变化，由于光纤长度随温度变化稍微有些变化，的温度系数的典型值为的温度系数的典型值为1.2510-2nm/。这个温度系数过高了。这个温度系数过高了, 但这可以通过采用负热膨胀系数的材料封装来改善，但这可以通

53、过采用负热膨胀系数的材料封装来改善， 改善过的改善过的光栅的温度系数大约为光栅的温度系数大约为0.0710-2 nm/ ，这意味着在整个工，这意味着在整个工作温度范围作温度范围(100 )内，内， 中心波长的漂移可以小到中心波长的漂移可以小到0.07 nm。 在在wdm系统系统中，中，光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅可用作可用作滤波器、滤波器、 光分插光分插复用器复用器和和色散补偿器色散补偿器(dispersion compensator)。 图图7.16(a)是一个简单的光分器，由一个三端口光环行器和是一个简单的光分器，由一个三端口光环行器和一个光纤布喇格光栅构成，由光栅反射回来的波长一个光纤布

54、喇格光栅构成，由光栅反射回来的波长2从环行器从环行器的端口的端口3取出，余下的波长继续前行。取出，余下的波长继续前行。 1 2 3 411 3光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅 1 3 4 42 23 2图图7.16 (b) 基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插基于光纤光栅结构的光分插复用器光分插 23 1 2 3 41(b)光纤布喇格光栅光纤布喇格光栅22134耦合器耦合器2 在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器，在上面简单的光分器的基础上加上一个耦合器， 就可以实就可以实现光的分插功能，如图现光的分插功能，如图7.16(b)所示。所示。 长周期光纤光栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍长周期光纤光

55、栅的工作原理与光纤布喇格光栅稍微有些不同。微有些不同。 在光纤布喇格光栅中，纤芯中正向传输模的能量在光纤布喇格光栅中，纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中，纤芯耦合到反向传输模上；而在长周期光纤光栅中，纤芯中正向传输模的能量中正向传输模的能量耦合到包层耦合到包层里的正向传输模上，里的正向传输模上，包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉，因此相应波长包层模沿着光纤传输时极容易消逝掉，因此相应波长位置的光波被衰减，出现一些损耗峰。位置的光波被衰减，出现一些损耗峰。 其中其中为光栅周期。为光栅周期。 一般情况下，两个正向传输模的传输常数相差很一般情况下，两个正向传输模的传输常数相

56、差很小，为了发生耦合，通常要求小，为了发生耦合，通常要求是一个相当大值，是一个相当大值， 一一般为般为几百微米以上几百微米以上(光纤布喇格光栅大约为光纤布喇格光栅大约为0.5m)。 2pc（7.9） 设纤芯中模的传输常数设纤芯中模的传输常数(假定为单模光纤假定为单模光纤)为为， p阶包层模的传输常数为阶包层模的传输常数为 ，相位匹配条件为：，相位匹配条件为：pc 设纤芯和设纤芯和p阶包层模的有效折射率分别为阶包层模的有效折射率分别为neff和和npeff，由公式由公式=2neff/可得：当满足可得：当满足=(neff-npeff)时，时，为光波为光波长，长， 纤芯模的能量便耦合到包层模上去。纤

57、芯模的能量便耦合到包层模上去。 因此，如果我们知道了传输光的波长和纤芯、包层因此，如果我们知道了传输光的波长和纤芯、包层模的有效折射率，就可以设计合适模的有效折射率，就可以设计合适值的值的来来满足各种需要。满足各种需要。 的制作方法与的制作方法与相同。相同。图图7.17 长周期光纤光栅的透射谱长周期光纤光栅的透射谱1.53 6 5 4 3 2 101.541.551.561.571.58波 长 / m透 射 谱 / db图图7.17是是的传输谱，特别适合用作带阻滤波器，的传输谱，特别适合用作带阻滤波器，主要用于主要用于掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(edfa: erbium doped fibe

58、r amplifier)中作滤波器，使中作滤波器，使edfa增益平坦化。增益平坦化。 4. 法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器 法布里法布里-珀罗珀罗(fp: fabryperot)滤波器滤波器是由两块平行放置是由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的，如图的高反射率的镜面形成的腔构成的，如图7.18所示。所示。 这种滤波器也叫这种滤波器也叫f-p干涉仪干涉仪，输入光垂直到达第一个镜面，输入光垂直到达第一个镜面，从第二个镜面出来的光就是输出。这个器件传统上用作干涉从第二个镜面出来的光就是输出。这个器件传统上用作干涉仪，现在也用在仪，现在也用在wdm系统中作滤波器。系统中作滤波器。输入信号输

59、入信号f-p滤波器滤波器反射反射 22)2sin(121)11 (frrraftfp（7.10） f-滤波器的功率传递函数滤波器的功率传递函数tfp(f)与光的频率与光的频率f有关：有关：若用自由空间波长表示，则： tfp()= （7.11）22)2sin(121)11 (nlrrra 这里这里a表示每个镜面的吸收损耗，表示每个镜面的吸收损耗，r为每个镜面的反射率为每个镜面的反射率(假设两个镜相同假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为，光在腔内单程传播的时延为，腔内介质，腔内介质的折射率为的折射率为n， 腔长为腔长为l, 因此因此=nl/c，c为真空中光速。为真空中光速。 a=0及及r=0

60、.75、0.9和和0.99时时fp滤波器的功率传递函数如滤波器的功率传递函数如图图7.19所示。所示。 反射率反射率r越大，相邻信道的隔离就越好。越大，相邻信道的隔离就越好。图图7.19fp 滤波器的功率传递函数滤波器的功率传递函数 40 30 20 100 1.5 1 0.500.511.5r 0.99r 0.90r 0.75f / fsr功 率 传 递 函 数 / db 功率传递函数功率传递函数tfp(f)是频率是频率f的周期函数，当的周期函数，当f满足满足f=k/2，k为正整数时，传递函数为正整数时，传递函数tfp(f)的值处在波峰的值处在波峰(通带通带)上。上。fp滤波器的两个紧邻的通