7.1光纖放大器7.2光波分復(fù)用技術(shù)7.3光交換技術(shù)7.4光孤子通信7.5相干光通信技術(shù)7.6光時(shí)分復(fù)用技術(shù)7.7波長(zhǎng)變換技術(shù)第7章光纖通信新技術(shù)返回主目錄

第7章光纖通信新技術(shù)光纖通信發(fā)展的目標(biāo)是提高通信能力和通信質(zhì)量，降低價(jià)格，滿足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一個(gè)發(fā)展迅速、技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。

本章主要介紹一些已經(jīng)實(shí)用化或者有重要應(yīng)用前景的新技術(shù)，如光放大技術(shù)，光波分復(fù)用技術(shù)，光交換技術(shù)，光孤子通信，相干光通信，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)變換技術(shù)等。7.1光纖放大器

光放大器分類：光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。

?

半導(dǎo)體光放大器：放大媒質(zhì)為半導(dǎo)體晶體材料構(gòu)成的正向偏壓的PN結(jié)。優(yōu)點(diǎn)：小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成。缺點(diǎn)：性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。

?光纖放大器：放大媒質(zhì)為光纖或摻稀土元素的光纖。光纖放大器的性能與光偏振方向無(wú)關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)放大機(jī)制不同分光纖放大器為兩類：摻鉺光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)喇曼光纖放大器（RFA：RamanFiberAmplifier)

光纖放大器的實(shí)質(zhì)是：把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱為光纖激光器。

20世紀(jì)80年代末期，波長(zhǎng)為1.55μm的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。

7.1.1摻鉺光纖放大器工作原理圖7.1示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說(shuō)明了光信號(hào)放大的原因。從圖7.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級(jí)：

?能級(jí)1代表基態(tài)，能量最低

?能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)

?能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)，能量最高

當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收0.98μm波長(zhǎng)泵浦光子能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快通過(guò)非輻射躍遷返回到能級(jí)2。亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。輸入的1.55μm波段信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)光得到放大。由此可見(jiàn)，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的結(jié)果。EDFA中的泵浦光源為信號(hào)光的放大提供了足夠的能量，它使處于低能級(jí)的Er3+被提高到高能級(jí)上，使摻鉺光纖達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

圖7.1摻鉺光纖放大器的工作原理

(a)硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜

為提高放大器增益，應(yīng)提高對(duì)泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖7.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。

圖7.2(a)示出輸出信號(hào)光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60mW時(shí)，吸收效率［(信號(hào)輸入光功率-信號(hào)輸出光功率)/泵浦光功率］為88%。

圖7.2(b)是小信號(hào)條件下增益和泵浦光功率的關(guān)系，當(dāng)泵浦光功率小于6mW時(shí)，增益系數(shù)為6.3dB/mW。

圖7.2摻鉺光纖放大器的特性(a)輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系；(b)小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系

7.1.2摻鉺光纖放大器的構(gòu)成圖7.3(a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖，圖7.3(b)為實(shí)用光纖放大器構(gòu)成方框圖。摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和各部分作用1.摻鉺光纖：提供放大。設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，

EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。2.泵浦光源：提供足夠強(qiáng)的泵浦功率?；疽笫谴蠊β屎烷L(zhǎng)壽命。波長(zhǎng)為1480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達(dá)100mW,泵浦光轉(zhuǎn)換為信號(hào)光效率在6dB/mW以上。。

3.波分復(fù)用器：將泵浦光與信號(hào)光耦合在一起輸入到摻鉺光纖中?；疽笫遣迦霌p耗小。熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。4.光隔離器：保證光單向傳輸，以防由于光反射形成光振蕩以及反饋光信號(hào)引起激光器工作狀態(tài)的紊亂?；疽螅翰迦霌p耗小，反射損耗大。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件。圖7.3(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖輸入信號(hào)光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號(hào)圖7.3(a)監(jiān)視和告警電路泵浦監(jiān)視和控制電路泵浦LDPD探測(cè)器泵浦LD輸入隔離器輸入WDM輸出耦合器輸出隔離器輸出WDM摻鉺光纖熱沉光輸入＋5V0V－5V電源監(jiān)視激光器驅(qū)動(dòng)輸入光輸出圖7.3(b)圖7.3(b)實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖

波長(zhǎng)為980nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10dB/mW，而且噪聲較低，是未來(lái)發(fā)展的方向。

7.1.3EDFA的基本性能EDFA在增益、輸出功率和噪聲這三方面特性。圖7.4是EDFA商品的特性曲線，圖中顯示出增益、噪聲指數(shù)和輸出信號(hào)光功率與輸入信號(hào)光功率的關(guān)系。

在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號(hào)光功率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入信號(hào)光功率而變化，基本上保持不變。當(dāng)信號(hào)光功率增加到一定值(一般為-20dBm)后，增益開始隨信號(hào)光功率的增加而下降，因此出現(xiàn)輸出信號(hào)光功率達(dá)到飽和的現(xiàn)。

圖7.4摻鉺光纖放大器增益、噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系曲線－10.0－40－5.00.05.010.015.020.025.030.035.0－35－30－25－20－15－10－50IIIIIII噪聲指數(shù)/dB輸出光功率/dBm增益/dB輸入光功率/dBm增益/dB下表列出國(guó)外幾家公司EDFA商品的技術(shù)參數(shù)。

7.1.4摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：?工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。

?增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為10～15dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。

?噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB；用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。

?頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。

如果加上1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。

1550nmEDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過(guò)的副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。

圖7.5(a)光纖放大器的應(yīng)用形式中繼放大器LDPD中繼放大器EDFA的應(yīng)用，歸納起來(lái)可以分為三種形式，如圖7.5所示。

?中繼放大器（LA：LineAmplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線網(wǎng)的傳輸距離）

?前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對(duì)噪聲要求非?？量?。

?后置放大器

（BA：BoosterAmplifier)置于光接收機(jī)的后面，以提高發(fā)射機(jī)功率。對(duì)后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數(shù)。圖7.5(b)光纖放大器的應(yīng)用形式前置放大器和后置放大器

LDPD后置放大器前置放大器光纖7.2光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類社會(huì)信息時(shí)代的到來(lái)，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對(duì)通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長(zhǎng)和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外，還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時(shí)分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)用(WDM)、光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。

7.2.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。

圖7.6中心波長(zhǎng)在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)

光纖的帶寬有多寬？

如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長(zhǎng)為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；波長(zhǎng)為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過(guò)30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。

目前該系統(tǒng)是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM在本質(zhì)上沒(méi)有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來(lái)區(qū)分是1310/1550nm簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來(lái)代替DWDM。WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。

如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來(lái)由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來(lái)，形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。

2.WDM系統(tǒng)的基本形式

光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來(lái)的多波長(zhǎng)信號(hào)分解為各個(gè)波長(zhǎng)分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。

因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。

(1)雙纖單向傳輸。

單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送。如圖7.7所示，在發(fā)送端將載有各種信息的、具有不同波長(zhǎng)的已調(diào)光信號(hào)λ1,λ2,…,λn通過(guò)光復(fù)用器組合在一起，并在一根光纖中單向傳輸。由于各信號(hào)是通過(guò)不同光波長(zhǎng)攜帶的，因而彼此之間不會(huì)混淆。在接收端通過(guò)光解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的信號(hào)分開，完成多路光信號(hào)傳輸?shù)娜蝿?wù)。反方向通過(guò)另一根光纖傳輸?shù)脑砼c此相同。

圖7.7雙纖單向WDM傳輸(2)單纖雙向傳輸。雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。如圖7.8所示，所用波長(zhǎng)相互分開，以實(shí)現(xiàn)雙向全雙工的通信。圖7.8單纖雙向WDM傳輸

雙向WDM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須要考慮幾個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)因素：

如為了抑制多通道干擾(MPI)，必須注意到光反射的影響、雙向通路之間的隔離、串?dāng)_的類型和數(shù)值、兩個(gè)方向傳輸?shù)墓β孰娖街岛拖嗷ラg的依賴性、光監(jiān)控信道(OSC)傳輸和自動(dòng)功率關(guān)斷等問(wèn)題，同時(shí)要使用雙向光纖放大器。所以雙向WDM系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)說(shuō)來(lái)要求較高，但與單向WDM系統(tǒng)相比，雙向WDM系統(tǒng)可以減少使用光纖和線路放大器的數(shù)量。另外，通過(guò)在中間設(shè)置光分插復(fù)用器(OADM)或光交叉連接器(OXC)，可使各波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行合流與分流，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的上下路(Add/Drop)和路由分配，這樣就可以根據(jù)光纖通信線路和光網(wǎng)的業(yè)務(wù)量分布情況，合理地安排插入或分出信號(hào)。?

插入損耗小

?隔離度大

?帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭

?

溫度穩(wěn)定性好

?復(fù)用通路數(shù)多

?尺寸小等3.光波分復(fù)用器的性能參數(shù)光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對(duì)波分復(fù)用器的基本要求是：

(1)插入損耗

插入損耗是指由于增加光波分復(fù)用器/解復(fù)用器而產(chǎn)生的附加損耗，定義為該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比，即

其中Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。(dB)(7.1)

(2)串?dāng)_抑制度串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。對(duì)于解復(fù)用器

其中Pi是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為λj信道的光功率。(7.2)(7.3)其中Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。

(3)回波損耗

回波損耗是指從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即

(4)反射系數(shù)反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率Pr與入射光功率Pj之比，即(7.4)

(5)工作波長(zhǎng)范圍

工作波長(zhǎng)范圍是指WDM器件能夠按照規(guī)定的性能要求工作的波長(zhǎng)范圍(λmin到λmax)。

(6)信道寬度

信道寬度是指各光源之間為避免串?dāng)_應(yīng)具有的波長(zhǎng)間隔。

(7)偏振相關(guān)損耗

偏振相關(guān)損耗(PDL:PolarizationdependentLoss)是指由于偏振態(tài)的變化所造成的插入損耗的最大變化值。

7.2.2WDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

實(shí)際的WDM系統(tǒng)主要由五部分組成：光發(fā)射機(jī)、光中繼放大、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，如下圖所示。

?光發(fā)射機(jī)位于WDM系統(tǒng)的發(fā)送端。在發(fā)送端首先將來(lái)自終端設(shè)備(如SDH端機(jī))輸出的光信號(hào)，利用光轉(zhuǎn)發(fā)器(OTU)把符合ITU-TG.957建議的非特定波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU-TG.692建議的具有穩(wěn)定的特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。

OTU對(duì)輸入端的信號(hào)波長(zhǎng)沒(méi)有特殊要求，可以兼容任意廠家的SDH信號(hào)，其輸出端滿足G.692的光接口，即標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)和滿足長(zhǎng)距離傳輸要求的光源；利用合波器合成多路光信號(hào)；通過(guò)光功率放大器(BA：BoosterAmplifier)放大輸出多路光信號(hào)。

?

用摻鉺光纖放大器(EDFA)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)具體情況，將EDFA用作“線放(LA：LineAmplifier)”,“功放(BA)”和“前放(PA：Preamplifier)”。在WDM系統(tǒng)中，對(duì)EDFA必須采用增益平坦技術(shù)，使得EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有接近相同的放大增益。與此同時(shí)，還要考慮到不同數(shù)量的光信道同時(shí)工作的各種情況，保證光信道的增益競(jìng)爭(zhēng)不影響傳輸性能。在接收端，光前置放大器(PA)放大經(jīng)傳輸而衰減的主信道光信號(hào)，分波器從主信道光信號(hào)中分出特定波長(zhǎng)的光信號(hào)。接收機(jī)不但要滿足一般接收機(jī)對(duì)光信號(hào)靈敏度、過(guò)載功率等參數(shù)的要求，還要能承受有一定光噪聲的信號(hào)，要有足夠的電帶寬。

?光監(jiān)控信道(OSC：OpticalSupervisoryChannel)的主要功能是：

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各信道的傳輸情況。在發(fā)送端，插入本結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λs(1510nm)的光監(jiān)控信號(hào)，與主信道的光信號(hào)合波輸出；在接收端，將接收到的光信號(hào)分離，輸出λs(1510nm)波長(zhǎng)的光監(jiān)控信號(hào)和業(yè)務(wù)信道光信號(hào)。

幀同步字節(jié)、公務(wù)字節(jié)和網(wǎng)管所用的開銷字節(jié)等都是通過(guò)光監(jiān)控信道來(lái)傳送的。

?

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)通過(guò)光監(jiān)控信道物理層傳送開銷字節(jié)到其他結(jié)點(diǎn)或接收來(lái)自其他結(jié)點(diǎn)的開銷字節(jié)對(duì)WDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，并與上層管理系統(tǒng)(如TMN)相連。

目前國(guó)際上已商用的系統(tǒng)有：4×2.5Gb/s(10Gb/s),8×2.5Gb/s(20Gb/s),16×2.5Gb/s(40Gb/s),40×2.5Gb/s(100Gb/s),32×10Gb/s(320Gb/s),40×10Gb/s(400Gb/s)。實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)了82×40Gb/s(3.28Tb/s)的速率，傳輸距離達(dá)3×100km=300km。OFC2000(OpticalFiberCommunicationConference)提供的情況有：

①BellLabs:82路×40Gb/s=3.28Tb/s在3×100km=300km的TrueWave(商標(biāo))光纖(即G.655光纖)上，利用C和L兩個(gè)波帶聯(lián)合傳輸；

②日本NEC:160×20Gb/s=3.2Tb/s，利用歸零信號(hào)沿色散平坦光纖，經(jīng)過(guò)增益寬度為64nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)1500km;③日本富士通(Fujitsu):128路×10.66Gb/s，經(jīng)過(guò)C和L波帶注：C波帶為1525～1565nm，L波帶為1570～1620nm。，用分布喇曼放大(DRA:DistributedRamanAmplification),傳輸距離達(dá)6×140km=840km;④日本NTT：30路×42.7Gb/s，利用歸零信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益寬度為50nm的光纖放大器，傳輸距離達(dá)3×125km376km;⑤美國(guó)LucentTech:100路×10Gb/s=1Tb/s，各路波長(zhǎng)的間隔縮小到25GHz,利用L波帶，沿NZDF光纖(G.655光纖)傳輸400km;⑥美國(guó)和加拿大Nortel:100路×10Gb/s=1Tb/s，沿NZDF光纖在C和L波帶傳輸4段，約200km;⑦美國(guó)Qtera和Qwest:兩個(gè)波帶4路×10Gb/s和2路×10Gb/s沿NZDF光纖傳輸23×105km=2415km,這個(gè)試驗(yàn)雖然WDM路數(shù)不多，但在陸地光纜中卻是最長(zhǎng)距離。

7.2.3WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)

1.充分利用光纖的巨大帶寬資源光纖具有巨大的帶寬資源(低損耗波段)，WDM技術(shù)使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍甚至幾百倍，從而增加光纖的傳輸容量，降低成本，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.同時(shí)傳輸多種不同類型的信號(hào)由于WDM技術(shù)使用的各波長(zhǎng)的信道相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性和速率完全不同的信號(hào)，完成各種電信業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合傳輸，如PDH信號(hào)和SDH信號(hào)，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，多種業(yè)務(wù)(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)的混合傳輸?shù)取?/p>

3.節(jié)省線路投資采用WDM技術(shù)可使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來(lái)在單根光纖中傳輸，也可實(shí)現(xiàn)單根光纖雙向傳輸，在長(zhǎng)途大容量傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖。另外，對(duì)已建成的光纖通信系統(tǒng)擴(kuò)容方便，只要原系統(tǒng)的功率余量較大，就可進(jìn)一步增容而不必對(duì)原系統(tǒng)作大的改動(dòng)。

4.降低器件的超高速要求隨著傳輸速率的不斷提高，許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足，使用WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。

5.高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性

WDM技術(shù)有很多應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線網(wǎng)、廣播分配網(wǎng)、多路多址局域網(wǎng)?？梢岳肳DM技術(shù)選擇路由，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明、靈活、經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò)。

7.2.4光濾波器與光波分復(fù)用器在前面介紹耦合器時(shí)，已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù)，即光濾波技術(shù)。光濾波器在WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件，與波分復(fù)用有著密切關(guān)系，常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器。波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在:

?WDM終端

?波長(zhǎng)路由器

?波長(zhǎng)分插復(fù)用器(WavelengthAdd/DropMultiplexer,WADM)圖7.10為光濾波器的三種應(yīng)用：

?單純的濾波應(yīng)用(圖7.10(a))

?

波分復(fù)用/解復(fù)用器中應(yīng)用(圖7.10(b))

?波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用(圖7.10(c))。l1

光濾波器圖7.10(a)單純的濾波應(yīng)用l1,l2,l3,l4l,l,l234

波分復(fù)用器l1l2l3l4圖7.10(b)波分復(fù)用器中應(yīng)用l1,l2,l3,l4

圖7.10(c)波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用

波長(zhǎng)路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221

波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò)(WavelengthRoutingNetwork)中的關(guān)鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說(shuō)明

它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號(hào)。

如果用來(lái)標(biāo)記第i輸入鏈路上的波長(zhǎng)λj,則路由器的輸入端口1上的波長(zhǎng)記為、、、,輸入端口2上的波長(zhǎng)記為、、、。

在輸入端口1上的波長(zhǎng)中，如果和由輸出端口1輸出則和由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長(zhǎng)中，如果和由輸出端口2輸出，則和由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長(zhǎng)λ1和λ4。

在本例中，波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，每一路上只有4個(gè)波長(zhǎng)，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(≥2)，并且每一端口的波長(zhǎng)數(shù)是W(≥2)(參看圖7.33)。

如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化，則稱之為動(dòng)態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來(lái)構(gòu)成，如下圖所示。

對(duì)光濾波器的主要要求有：

(1)一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗，并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān)(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。

(2)一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感。

溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長(zhǎng)漂移。一個(gè)WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔。

(3)在一個(gè)WDM系統(tǒng)中，隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄。

為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶，單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的，以便能夠容納激光器波長(zhǎng)的微小變化。單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來(lái)衡量，如圖7.12所示。

圖7.12光濾波器的1dB帶寬

下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.光柵

光柵(Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。圖7.13是光柵的兩個(gè)例子，圖7.13(a)是透射光柵，圖7.13(b)是反射光柵。

圖7.13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2(a)(b)

我們以透射光柵為例來(lái)說(shuō)明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間的距離即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(yuǎn)(相對(duì)于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過(guò)兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線的光程差由()決定，而其中m為整數(shù)，當(dāng)a和θi一定時(shí)，不同的θd對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)λ，也就是說(shuō)，像面上的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，于是可用作WDM中的解復(fù)用器。(7.5)光柵方程為:(7.6)7.14透射光柵的工作原理2.布喇格光柵

布喇格光柵(BraggGrating)廣泛用于光纖通信之中。一般情況下，傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可以看作是布喇格光柵；這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化。半導(dǎo)體激光器使用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可以獲得單頻輸出(如DFB激光器)；在光纖中，寫入布喇格光柵后可以用于光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。

設(shè)兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去。在反射型濾波器中，我們假設(shè)傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：（7.7）（7.8）

則這個(gè)光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長(zhǎng)的反射光中去。設(shè)β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長(zhǎng)，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率。也就是說(shuō)，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個(gè)波長(zhǎng)λ0就稱作布喇格波長(zhǎng)。隨著入射光波的波長(zhǎng)偏離布喇格波長(zhǎng)，其反射率就會(huì)降低，如圖7.15(a)所示。如果具有幾個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長(zhǎng)等于布喇格波長(zhǎng)的光才反射，而其它的光全部透射。

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對(duì)折射率均勻周期性變化的光柵而言的，為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點(diǎn)類似，其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的功率反射譜如圖7.15(b)所示。

注意:變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價(jià)的。

圖7.15布喇格光柵的反射譜(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形

3.光纖光柵

光纖光柵(FiberGrating)是一種非常有吸引力的全光纖器件，其用途非常廣泛，可用作光濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器。對(duì)于全光纖器件，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

?

插入損耗低

?易于與光纖耦合

?對(duì)偏振不敏感

?溫度系數(shù)低

?封裝簡(jiǎn)單

?成本較低

利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫入光柵。

在傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纖纖芯的折射率變化。若用兩束相干的紫外光照射摻雜后的光纖纖芯，則照射光束的強(qiáng)度將沿著光纖長(zhǎng)度方向周期性地變化，強(qiáng)度高的地方纖芯折射率增加，強(qiáng)度低的地方纖芯折射率幾乎無(wú)任何變化，這樣就在光纖中寫入了光柵。形成光柵所要求的折射率變化是極低的，大約為10-4。也可以使用位相版(phasemask)來(lái)寫入光柵。

位相版是一種光衍射元件，當(dāng)用光束照射它時(shí)，它將光束分離成各個(gè)不同的衍射級(jí)，這些衍射級(jí)相互干涉就可將光柵寫入光纖。

光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光纖光柵和長(zhǎng)周期(longperiod)光纖光柵。

短周期光纖光柵也稱光纖布喇格光柵，其周期可以和光波長(zhǎng)相比較，典型值大約0.5μm；長(zhǎng)周期光纖光柵的周期比光波長(zhǎng)大得多，從幾百微米到幾毫米不等。

光纖布喇格光柵(FBG：FiberBraggGrating)是一種反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模(單模光纖中即為基模)同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢應(yīng)等于傳輸模波矢的2倍，也就是說(shuō)，光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長(zhǎng)的一半，這種光纖光柵只對(duì)在布喇格波長(zhǎng)及其附近很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其它波長(zhǎng)的光通過(guò)。

在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器(DispersionCompensator)。

圖7.16(a)是一個(gè)簡(jiǎn)單的光分器，由一個(gè)三端口光環(huán)行器和一個(gè)光纖布喇格光柵構(gòu)成，由光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng)λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長(zhǎng)繼續(xù)前行。在上面簡(jiǎn)單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)耦合器，就可以實(shí)現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。

圖7.16(a)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器簡(jiǎn)單光分；l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll4(a)2l23l2圖7.16(b)基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2

長(zhǎng)周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍微有些不同。

在光纖布喇格光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上；而在長(zhǎng)周期光纖光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層里的正向傳輸模上，包層模沿著光纖傳輸時(shí)極容易消逝掉，因此相應(yīng)波長(zhǎng)位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。

設(shè)纖芯中模的傳輸常數(shù)(假定為單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為，相位匹配條件為：

其中Λ為光柵周期。一般情況下，兩個(gè)正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為了發(fā)生耦合，通常要求Λ是一個(gè)相當(dāng)大值，一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5μm)。（7.9）

設(shè)纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff和npeff，由公式β=2πneff/λ可得：當(dāng)滿足λ=Λ(neff-npeff)時(shí)，λ為光波長(zhǎng)，纖芯模的能量便耦合到包層模上去。因此，如果我們知道了傳輸光的波長(zhǎng)和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設(shè)計(jì)合適Λ值的長(zhǎng)周期光柵來(lái)滿足各種需要。

長(zhǎng)周期光纖光柵的制作方法與光纖布喇格光柵相同。圖7.17是長(zhǎng)周期光纖光柵的傳輸譜，特別適合用作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier)中作濾波器，使EDFA增益平坦化。圖7.17長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜

4.法布里-珀羅濾波器

法布里-珀羅(FP:FabryPerot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的，如圖7.18所示。這種濾波器也叫FP干涉儀，輸入光垂直到達(dá)第一個(gè)鏡面，從第二個(gè)鏡面出來(lái)的光就是輸出。這個(gè)器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。

F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關(guān)：TFP(f)=

圖7.18FP濾波器若用自由空間波長(zhǎng)λ表示，則

TFP(λ)=

這里A表示每個(gè)鏡面的吸收損耗，R為每個(gè)鏡面的反射率(假設(shè)兩個(gè)鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時(shí)延為τ，腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為n，腔長(zhǎng)為l,因此τ=nl/c，c為真空中光速。

A=0及R=0.75、0.9和0.99時(shí)FP濾波器的功率傳遞函數(shù)如圖7.19所示。反射率R越大，相鄰信道的隔離就越好。圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)

功率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當(dāng)f滿足fτ=k/2，k為正整數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。FP濾波器的兩個(gè)緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱作自由光譜范圍(FSR：FreeSpectralRange)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱作FP濾波器的精細(xì)度(F:Finesse),則

F-P濾波器選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)一般有兩種方法：一種是改變腔的長(zhǎng)度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率。改變腔長(zhǎng)有機(jī)械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。

5.多層介質(zhì)薄膜濾波器薄膜諧振腔濾波器(ThinFilmResonantCavityFilter)也是一個(gè)F-P干涉儀，只不過(guò)其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已，常稱為多層介質(zhì)薄膜濾波器(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)而讓其它所有波長(zhǎng)的光反射，腔的長(zhǎng)度決定要通過(guò)的波長(zhǎng)。薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個(gè)或多個(gè)腔構(gòu)成。改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更為尖銳，如圖7.21所示。這種濾波器多個(gè)級(jí)聯(lián)后，就可以做成波分復(fù)用器，如圖7.22所示。由于這種濾波器通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時(shí)性能穩(wěn)定，插入損耗低，對(duì)光的偏振不敏感，所以在系統(tǒng)應(yīng)用中是非常有吸引力的，如今已經(jīng)廣泛用在商業(yè)系統(tǒng)中。圖7.20三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器圖7.21單腔、雙腔、三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜圖7.22基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用/解復(fù)用器

6.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩條不同長(zhǎng)度的干涉路徑來(lái)決定不同的波長(zhǎng)輸出。MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn)，即用兩個(gè)3dB定向耦合器來(lái)連接兩條不同長(zhǎng)度的光通路，如圖7.23(a)所示，襯底通常采用硅(Si)，波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個(gè)MZI可用圖7.23(b)表示。

MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。圖7.23馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)方框圖；(c)四級(jí)MZIMZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器。雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來(lái)分開1.31μm和1.55μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)然，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加。從原理上講，級(jí)聯(lián)幾個(gè)MZI后性能較好，但是在實(shí)際工作中存在波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間的變化而漂移的現(xiàn)象，串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況，級(jí)聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦，相反地，多層介質(zhì)多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦。現(xiàn)在簡(jiǎn)單分析MZI的工作原理?？紤]MZI作為一個(gè)解復(fù)用器的情況。這時(shí)只有一個(gè)輸入，假設(shè)從輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)第一個(gè)定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號(hào)有了π/2的相差，下臂上的信號(hào)比上臂滯后π/2。

如果下臂與上臂的長(zhǎng)度差為ΔL，則下臂信號(hào)的相位進(jìn)一步滯后βΔL,β為光在MZI介質(zhì)中的傳輸常數(shù)。在第二個(gè)定向耦合器的輸出1處，來(lái)自下臂的信號(hào)又比來(lái)自上臂的信號(hào)延遲了π/2，因此，在輸出1處，兩信號(hào)總的相位差為+βΔL+。同理，在輸出2處，兩信號(hào)總的相位差為+βΔL-=βΔL。在輸入1的所有波長(zhǎng)中，滿足βΔL=kπ(k為奇數(shù))條件的波長(zhǎng)，由輸出1輸出；滿足βΔL=kπ(k為偶數(shù))條件的波長(zhǎng)由輸出2輸出。而β=,n為介質(zhì)折射率，λ為光波長(zhǎng)，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用。如果兩臂長(zhǎng)度差為ΔL，只是輸入1輸入，則單個(gè)MZI的功率傳遞函數(shù)為T11(f)T12(f)=其中f為光頻率。如果將MZI級(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MultistageMachZehnderInterferometer)。圖7.23(c)示出4級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，其中每個(gè)MZI以及級(jí)聯(lián)后整個(gè)4級(jí)MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。

(前4個(gè)為每單個(gè)MZI的傳遞函數(shù)，最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后4級(jí)MZI的傳遞函數(shù))圖7.24MZI的傳遞函數(shù)什么是交換？交換就是在通信的源和目的之間建立通信信道，實(shí)現(xiàn)通信信息傳送的過(guò)程。7.3光交換技術(shù)

目前的商用光纖通信系統(tǒng)，單信道傳輸速率已超過(guò)10Gb/s，實(shí)驗(yàn)WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò)3.28Tb/s。但是，由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠。原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段，網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù)。傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾Mb/s到幾百M(fèi)b/s，不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高，而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用/解復(fù)用，光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

光交換主要有三種方式：

?空分光交換

?時(shí)分光交換

?

波分光交換

雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)可提供155Mb/s或更高的速率，能緩解這種矛盾，但電子線路的極限速率約為20Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾，只有實(shí)現(xiàn)全光通信，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù)。

7.3.1空分光交換

空分光交換的功能是：使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變。

空分光交換的核心器件是光開關(guān)。光開關(guān)有電光型、聲光型和磁光型等多種類型，其中電光型光開關(guān)具有開關(guān)速度快、串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。典型光開關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的，并通過(guò)對(duì)電壓的控制改變輸出通路。

圖7.31(a)是由4個(gè)1×2光開關(guān)器件組成的2×2光交換模塊。1×2光開關(guān)器件就是Ti:LiNbO3定向耦合器型光開關(guān)，只是少用了一個(gè)輸入端而已。

圖7.31空分光交換(a)2×2光交換單元1×2光交換器件(a)

這種2×2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過(guò)電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖7.31(b)所示。圖7.31空分光交換(b)平行連接和交叉連接平行聯(lián)接交叉聯(lián)接(b)

圖7.31(c)是由16個(gè)1×2光開關(guān)器件或4個(gè)2×2光交換單元組成的4×4光交換單元。圖7.31空分光交換(c)4×4光交換單元

定向耦合器光波導(dǎo)光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入(c)

7.3.2時(shí)分光交換

時(shí)分光交換是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ)，用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的。

時(shí)分復(fù)用是把時(shí)間劃分成幀，每幀劃分成N個(gè)時(shí)隙，并分配給N路信號(hào)，再把N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上。在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào)，如圖7.32(a)所示。1復(fù)接器2N…分接器12N12…N時(shí)隙幀(a)

圖7.32(a)時(shí)分光交換時(shí)分復(fù)用原理

所謂時(shí)隙互換，就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置。如圖7.32(b)，首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過(guò)分接器，在同一時(shí)間內(nèi)，分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延遲器件，獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來(lái)。1234分接器1延遲1延遲22延遲33延遲44(b)復(fù)接器輸入輸出4132圖7.32(b)時(shí)分光交換時(shí)隙互換原理圖7.32(c)時(shí)分光交換等效的空分交換12341234(c)圖7.32(c)示出時(shí)分光交換的空分等效。

7.3.3波分光交換

波分光交換(或交叉連接)是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ)，采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的。

圖7.33(a)和(b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)變換法交換的原理框圖。

圖7.33(a)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)選擇法交換l1空分交換l2空分交換l3空分交換…lW空分交換l1,l2…lW12…NN…21WDMXWMUX分波器合波器(a)l1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1,l2…lWl1l2lWNW×NW空分交換l1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lWl1l2lW12…N12…NWDMXWMUX波長(zhǎng)變換器(b)圖7.33(b)波分交換的原理框圖：波長(zhǎng)變換法交換

設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與N條光纖相連接，這N條光纖可能組成一根光纜。每條光纖承載W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過(guò)分波器(解復(fù)用器)WDMX分為W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào)。所有N路輸入的波長(zhǎng)為λi(i=1,2,…,W)的信號(hào)都送到λi空分交換器，在那里進(jìn)行同一波長(zhǎng)N路(空分)信號(hào)的交叉連接，到底如何交叉連接，將由控制器決定。

然后，以W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過(guò)合波器(復(fù)用器)WMUX復(fù)接到輸出光纖上。這種交換機(jī)當(dāng)前已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于采用波長(zhǎng)選路的全光網(wǎng)絡(luò)中。但由于每個(gè)空分交換器可能提供的連接數(shù)為N×N,故整個(gè)交換機(jī)可能提供的連接數(shù)為N2W，比下面介紹的波長(zhǎng)變換法少。波長(zhǎng)變換法與波長(zhǎng)選擇法的主要區(qū)別是用同一個(gè)NW×NW空分交換器處理NW路信號(hào)的交叉連接，在空分交換器的輸出必須加上波長(zhǎng)變換器，然后進(jìn)行波分復(fù)接。這樣，可能提供的連接數(shù)為N2W2，即內(nèi)部阻塞概率較小。波長(zhǎng)變換器將在7.7節(jié)介紹。7.5相干光通信技術(shù)

目前已經(jīng)投入使用的光纖通信系統(tǒng)，都是采用光強(qiáng)調(diào)制-直接檢測(cè)(IM-DD)方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)制和解調(diào)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因而成本較低。但是這種方式?jīng)]有利用光載波的頻率和相位信息，限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。

相干光通信，像傳統(tǒng)的無(wú)線電和微波通信一樣，在發(fā)射端對(duì)光載波進(jìn)行幅度、頻率或相位調(diào)制；在接收端，則采用零差檢測(cè)或外差檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)稱為相干檢測(cè)。

和IMD方式相比，相干檢測(cè)可以把接收靈敏度提高20dB，相當(dāng)于在相同發(fā)射功率下，若光纖損耗為0.2dB/km，則傳輸距離增加100km。同時(shí)，采用相干檢測(cè)，可以更充分利用光纖帶寬。我們已經(jīng)看到，在光頻分復(fù)用(OFDM)中，信道頻率間隔可以達(dá)到10GHz以下，因而大幅度增加了傳輸容量。所謂相干光，就是兩個(gè)激光器產(chǎn)生的光場(chǎng)具有空間疊加、相互干涉性質(zhì)的激光。實(shí)現(xiàn)相干光通信，關(guān)鍵是要有頻率穩(wěn)定、相位和偏振方向可以控制的窄線譜激光器。

7.5.1相干檢測(cè)原理

圖7.38示出相干檢測(cè)原理方框圖，光接收機(jī)接收的信號(hào)光和本地振蕩器產(chǎn)生的本振光經(jīng)混頻器作用后，光場(chǎng)發(fā)生干涉。由光檢測(cè)器輸出的光電流經(jīng)處理后，以基帶信號(hào)的形式輸出。

單模光纖的傳輸模式是基模HE11模，接收機(jī)接收的信號(hào)光其光場(chǎng)可以寫成

ES=ASexp［-i(ωSt+φS)］(7.26)式中,AS、ωS和φS分別為光載波的幅度、頻率和相位。

圖7.38相干檢測(cè)原理方框圖光檢測(cè)器電信號(hào)處理基帶信號(hào)本地光振蕩器混頻器wL信號(hào)光wS同樣，本振光的光場(chǎng)可以寫成

EL=ALexp［-i(ωLt+φL)］(7.27)式中,AL為本振光的幅度、ωL為本振光的頻率φL為本振光的相位。保持信號(hào)光的偏振方向不變，控制本振光的偏振方向，使之與信號(hào)光的偏振方向相同。

本振光的中心角頻率ωL應(yīng)滿足

ωL=ωS-ωIF或ωL=ωS+ωIF

(7.28)式中，ωIF是中頻信號(hào)的頻率。這時(shí)光檢測(cè)器輸出的光功率P與光強(qiáng)|ES+ＥL|2成比例，即P=K|ES+EL|2

(7.29)式中，K為常數(shù)。式中,PS=KAS2,PL=KAL2,ωIF=ωS-ωL。顯然，式(7.30)右邊最后一項(xiàng)是中頻信號(hào)功率分量，它實(shí)際上是疊加在PS和PL之上的一種緩慢起伏的變化，如圖7.39所示。由此可見(jiàn)，中頻信號(hào)功率分量帶有信號(hào)光的幅度、頻率或相位信息，在發(fā)射端，無(wú)論采取什么調(diào)制方式，都可以從中頻功率分量反映出來(lái)。所以，相干光接收方式是適用于所有調(diào)制方式的通信體制。

相干檢測(cè)有零差檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種方式。

由式(7.26)～式(7.29)，根據(jù)模式理論和電磁理論計(jì)算的結(jié)果，輸出光功率近似為

P(t)≈PS+PL+2cos［ωIFt+(φS-φL)］(7.30)圖7.39干涉后的瞬時(shí)光功率變化

1.零差檢測(cè)選擇ωL=ωS，即ωIF=0，這種情況稱為零差檢測(cè)。這時(shí)，濾去直流分量，中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為

I(t)=cos(φS-φL)(7.31)零差檢測(cè)信號(hào)平均光功率與直接檢測(cè)信號(hào)平均光功率之比為4ρ2〈PS〉PL/(ρ2〈PS〉2)=4PL/〈PS〉。式中，ρ為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。通常PL>>PS，同時(shí)考慮到本振光相位鎖定在信號(hào)光相位上，即φL=φS，這樣便得到零差檢測(cè)的信號(hào)光電流為

IP=(7.32)

由于PLPS，零差檢測(cè)接收光功率可以放大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然噪聲也增加了，但是靈敏度仍然可以大幅度提高。零差檢測(cè)技術(shù)非常復(fù)雜，因?yàn)橄辔蛔兓浅ｌ`敏，必須控制相位，使φS-φL保持不變，同時(shí)要求ωL和ωS相等。

與零差檢測(cè)相似，外差檢測(cè)接收光功率放大了，從而提高了靈敏度。外差檢測(cè)信噪比的改善比零差檢測(cè)低3dB，但是接收機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰辔绘i定。2.外差檢測(cè)選擇ωL≠ωS，即ωIF=ωS-ωL>0，這種情況稱為外差檢測(cè)。通常選擇fIF(=ωIF/2π)在微波范圍(例如1GHz)。這時(shí)中頻信號(hào)產(chǎn)生的光電流為Iac(t)=cos［ωIFt+(φS-φL)］(7.33)

7.5.2調(diào)制和解調(diào)如前所述，相干檢測(cè)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：可以對(duì)光載波實(shí)施幅度、頻率或相位調(diào)制。對(duì)于模擬信號(hào)，有三種調(diào)制方式，即幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，也有三種調(diào)制方式，即幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。圖7.40示出ASK、PSK和FSK調(diào)制方式的比較，下面分別介紹這三種調(diào)制方式。圖7.40ASK、PSK和FSK調(diào)制方式比較

1.幅移鍵控(ASK)

基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的幅度變化，稱為幅移鍵控(ASK)。ASK的光場(chǎng)表達(dá)式

ES(t)=AS(t)cos［ωSt+φS］(7.34)式中,AS為光場(chǎng)的幅度、ωS為光場(chǎng)的中心角頻率和φS為光場(chǎng)的相位。在ASK中，φS保持不變，只對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制，在大多數(shù)情況下，“0”

碼傳輸時(shí)，使AS=0，“1”碼傳輸時(shí)，使AS=1。ASK相干通信系統(tǒng)必須采用外調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣只有輸出光信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)而變化，而相位保持不變。如果采用直接光強(qiáng)調(diào)制，幅度變化將引起相位變化。外調(diào)制器通常用鈦擴(kuò)散的鈮酸鋰(Ti:LiNbO3)波導(dǎo)制成的馬赫-曾德?tīng)?MZ)干涉型調(diào)制器，如圖3.37所示。這種調(diào)制器在消光比大于20時(shí)，調(diào)制帶寬可達(dá)20GHz。2.相移鍵控(PSK)

基帶信號(hào)只控制光載波的相位變化，稱為相移鍵控(PSK)。PSK的光場(chǎng)表達(dá)式為

ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］(7.35)

在PSK中，AS保持不變，只對(duì)相位進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時(shí)，分別用兩個(gè)不同相位(通常相差180°)表示。如果傳輸“0”時(shí)，光載波相位不變，傳輸“1”碼時(shí)，相位改變180°，這種情況稱為差分相移鍵控(DPSK)。和ASK使用的MZ干涉型調(diào)制器相比，設(shè)計(jì)PSK使用的相位調(diào)制器要簡(jiǎn)單得多。這種調(diào)制器只要選擇適當(dāng)?shù)拿}沖電壓，就可以使相位改變?chǔ)摩?π。但是在接收端光波相位必須非常穩(wěn)定，因此對(duì)發(fā)射和本振激光器的譜寬要求非常苛刻。3.頻移鍵控(FSK)

基帶數(shù)字信號(hào)只控制光載波的頻率，稱為頻移鍵控(FSK)。

FSK的光場(chǎng)表達(dá)式為

ES(t)=AScos［(ωS±Δω)t+φS］(7.36）

在FSK中，AS保持不變，只對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制。傳輸“0”碼和傳輸“1”碼時(shí)，分別用頻率f0(=ω0/2π)和f1(=ω1/2π)表示。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用(ωS-Δω)和(ωS+Δω)分別表示“0”碼和“1”碼。2Δf(=2Δω/2π)稱為碼頻間距。在式(7.36)中，［(ωS±Δω)t+φS］和［ωSt+(φS±Δωt)］是等效的，因此FSK可以認(rèn)為一種PSK，雖然技術(shù)上有所不同。

相干檢測(cè)的解調(diào)方式有兩種：

同步解調(diào)和異步解調(diào)。用零差檢測(cè)時(shí)，光信號(hào)直接被解調(diào)為基帶信號(hào)，要求本振光的頻率和信號(hào)光的頻率完全相同，本振光的相位要鎖定在信號(hào)光的相位上，因而要采用同步解調(diào)。同步解調(diào)雖然在概念上很簡(jiǎn)單，但是技術(shù)上卻很復(fù)雜。用外差檢測(cè)時(shí)，不要求本振光和信號(hào)光的頻率相同，也不要求相位匹配，可以采用同步解調(diào)，也可以采用異步解調(diào)。同步解調(diào)要求恢復(fù)中頻ωIF(微波頻率)，因而要求一種電鎖相環(huán)路。異步解調(diào)簡(jiǎn)化了接收機(jī)設(shè)計(jì)，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。

圖7.41和圖7.42分別示出外差同步解調(diào)和外差異步解調(diào)的接收機(jī)方框圖。

兩種解調(diào)方式的差別在于接收機(jī)的噪聲對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。異步解調(diào)要求的信噪比(SNR)比同步解調(diào)高，但異步解調(diào)接收機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)光源和本振光源的譜線要求適中，因而在相干通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著主要作用。圖7.41外差同步解調(diào)接收機(jī)方框圖

光檢測(cè)器帶通本振光wL信號(hào)光wS低通基帶信號(hào)載波恢復(fù)圖7.42外差異步解調(diào)接收機(jī)方框圖光檢測(cè)器帶通本振光wL信號(hào)光wS低通基帶信號(hào)包絡(luò)檢波

7.5.3誤碼率和接收靈敏度相干光通信系統(tǒng)光接收機(jī)的性能可以用信噪比