（无线电物理专业论文）全光网络中可重构光插分复用器（roadm）系统的研制.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 未来业务特性和增长的不可预测性要求网络必须具有足够的灵活性和可扩展 性，以应对未来业务容量的增长。而在全光网络中，完全管理的可重构光分插复用 器( r o a d m ) 是实现网络灵活性的核心设备，它可以可选择性地分插复用任意需要的 波长通道，动态增益均衡其输入光强度，还可通过网络对波长业务上下路进行远端 配置，实现任意波长到任意端口的操作，极大地方便了新型业务的开展，降低或消 除了对网络前期规划的要求。本文旨在设计并实现一种r o a d m 系统，使其具有波长 路由，动态增益均衡和远程可重构三大特性，围绕这个目的，我们开展了以下几个 方面的工作： l 、从光网络节点的功能要求出发，研究了当前r o a d m 系统的主要实现方式，提出了 一种r o a d m 系统结构，并根据结构框图阐述了其工作原理。相比传统r o a d m 系统 结构，我们所并提出的r o a d m 系统在成本和体积以及可靠性上有一定优势。 2 、根据我们所提出的设计思路，对系统中所涉及到的光器件进行了分析，描述了 各种器件的工作特性和控制方式，重点对a w g 器件和v o a 一0 s w 器件进行了研究。 3 、针对光器件的特性，我们对系统其进行了具体的实现。从硬件和软件两个方面 阐述了整个控制电路的设计思路，其中重点对系统的波长路由特性，动态增益 均衡特性和远程可重构特性的控制机理进行了论述，针对具体应用对系统硬件 设计和程序算法提出了一些改进和创新，并对整个系统模块增加了在线升级功 能，方便了后期维护。 4 、最后对整个系统的光学性能指标和功能特性进行测试和分析，测试结果表明， 系统功能达到设计要求，完全能够满足全光网络的需求。 关键词：全光网络，可重构光分插复用器，分阶段模糊自适应p i d 算法，s n m p ， 在线升级 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t s t h en e 帆o r kn e e d se n o u 曲a g i l i t ya n de x p a n s i b i l 时f o rm en e wc h a r a c t e r i s t i ci n 1 e 矗m 鹏a 1 1 dt 1 1 eu n p r e d i c 协b l ed e v e l o p m e n tt 0r e p l yt ot h ei n c r e a s i n go fs e i c ec a p a b i l i 够 i i la g i l en e 觚o r k ，a b s o l u t e l ym a l l a g e dr o a d m ( i 沁c o 血g u r a b l eo p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r s ) i st h et l a r d - c o r ee q u i p m e n t i tb r i n g st h ec o n v e i l i e n c eo fn e 、卜咖es e r v i c e ， d e c 豫a s e so re l i m i l l a t e st h er e q u i r e m e n tt on e “旧r kp r o 孕a m m i n ga n dr e d u c e st 1 1 cc o s to f m a i n t e n a l l c ea n do p e r a t i o n 吐l a tr o a d mc a j la d da 1 1 dm u l t i p l ya i l yn e e d e d 删e l e n g m ， c o i l f i g u 鹏虹l es e r v i c ea d do rd r o pb yn e t 、o r ks y s t e mml o n g - d i s 切n c e ，a n dr e a l i z et l l e w a v e l e n g t ht od i s c r e t i o n a lp o r ta n dp o 、e rr e 叫a t i o n t h i sa r t i c l ei i lo r d e rt od e s i g na n d m a l ( ean e wl 【i 1 1 do fr c i a d ms y s t 锄，w 1 1 i c hh a st l 矾eb i gc h 撇c t 翻s t i c s ：t 1 1 e 、 ，a v e l e n g t hr r l u l t i p l y i n g ，n l ed ) ，i l a m i cg a i l lb a l a i l c e da n dl o n g d i s t a n c e a c c o r d i n g t ot h i st a 玛e t ， 、eh a v ed o n es e v e r a la s p e c tw o r k s ： 1 r e q u e s t e d6 o mt l l el i 曲tn o d e 劬c t i o nt 0e m b a r k ，w eh a d 蚰l d i e dm er o a d m s y s t e mm a i nr e a l i z a t i o nw a y ，p r o p o s e do n e 虹n do fr o a d ms y s t e ms t n j c t u r e ，a 1 1 d e l a b o r a t e di t sp r i n c i p l eo fw o r ka c c o r d i n gt 0t l l es t m c t u r ed i a g r 锄c o m p a r e s 吐1 e 仃a d i t i o n a lr o a d m s y s t e ms t m c t i j r e ，o u ri n s t i t u t ea n dp r o p o s e dt h er o a d ms y s t e mh a s c 洲ns u p e r i o r i t ) ，i 1 1t h ec o s ta n dt h ev o l 啪e 嬲w e l la st l l er e l i a b i l i t ) r 2 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no ft h es y s t e m ，、v ea i l a l y z e dt h eo p t i c a lc o m p o n e n t st l l a t t h es y s t e mr e f e r st 0 ，a r l dd e s c r i b e dw o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e m o d so fv a r i o u s d e v i c e s ，f o c u s i n go nt h es t u d y m go ft h ea w g d e v i c e sa i l dv o a - 0 s wd e v i c e s 3 i i ls y s t e md e v e l o p m e n t ，t h er e a l i z a t i o no fas y s t e md e s i g ni nh a r d w a r e ，s o f h a r e f r o mt h eh a r d w a r e 锄ds o 胁a r eo nt 、v oa s p e c t so ft 1 1 ee n t i r e 、v ee x p o u i l d e dt h ed e s i 印 i d e a s ，、h i c hf o c u so nt l l ew a v e l e n g t l li n u l t i p l e x i i l gf - e 咖r e s ，d y n 锄i cg a i no fb a l a l l c e d 甜l dl o n g r a l l g er e c o n f i g u r a t i o no fm ec o n n o lm e c h 枷s m ，、em a k eu ps o m ei d e a st 0 i n l p r o v et h e 印p l i c a t i o n s p e c m c h a r d 、v a r e d e s i g no ft h es y s t e ma l g o r i m m a l l d p r o c e d u r e s ，a 1 1 dt 1 1 e n m ew h o l es y s t e mm o d u l et oi n c r e a s em e0 1 1 l i n eu p d a t ef e a t u r et o f - a c i l i t a t et h em a i n t e n a n c er o u t i n ei nt h e 丘l t l l r e 4 f i n a l l y ，w et e s t e dt l l ee n t i r es y g t e mo fo p t i c a lp e r f b n l l a n c ea n df e a t u r e s ，t l l er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es y s t e m 如n c t i o n sc o u l dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dt o t a l l ym e e t t 1 1 en e e d so fa l lo p t i c a ln e t 、 ，o r l ( k e yw o r d s ：a no p t i c a ln e 饥r o r k ，r e c o 血g u r a b l eo p t i c a lm u l t i p l e x e r ，f u z z ) ，a d 印t i v e a l g o r i t h m ，s n m p ：0 i l l i n eu p g r a d e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：。宦氏钢日期：知衫年多月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月 日 导师挑荔晰导师签名：匆伊r 日期：刎年6 月日7 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握童后进厦! 旦圭生；旦= 生；卤兰生蕉查! 作者签名： 日期：年 月日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 1 1 研究背景 第1 章绪论 我们所处的时代是一个信息化的时代，社会信息需求以超摩尔定律的速度增长， 近年来随着对i p r r v 、v o d 和v o i p 等电信业务的爆炸性需求，传统通信网络已经无 法满足人们日益增长的超大容量和多业务需要，因此，对于具有良好的透明性，波 长路由特性，兼容性和可扩展性的全光网络( a o n ) 需求的呼声也越来越高。 所谓全光网络，就是指网络中直到用户端节点之间的信号通路仍保持着光的形 式。其主要包括了光多址技术，光插分复用技术，光交叉技术和网络控制技术n _ 1 。 其中，光插分复用技术中的核心设备是光插分复用器( 0 a d m ) ，它可以处理 任何格式和速率的信号，能提高网络的可靠性，提高网络运行效率，是组建全光网 络必不可少的关键设备。 一般从结构上可将0 a d m 设备划分为两大类：非重构型光插分复用器( f o a d m ) 和重构型光插分复用器( r o a d m ) n 1 1 。f o a d m 主要是利用光波长路由器解复用器 和固定波长的光滤波器等无源光器件在节点处固定地上下一组波长，这类0 a d m 器 件的结构简单，性能稳定，适用于波长信道固定不变，功能较少的简单w d m 光通信 网络n 吨1 。而r o a d m 则通常采用光波长路由器解复用器，再加上可控光开关等光器 件构成，适用于密集波分复用( d w d m ) 光通信网络，由于在节点处上下波长和数 量是可编程的，故使用r o a d m 可很方便的对光网络进行动态重构，是一种比较先进 的技术卜2 1 。 1 2r o a d m 系统的发展和应用情况 由于r o a d m 这些显著的优点，在过去的一年时间内，r o a d m 在业界特别是发达 国家和地区，有相当大的发展态势，几个重要的运营商( 主要在北美，包括a t t c o r p ，s b sc o 咖u n i c a t i o ni n c 和v e r i z o nc o m m u n i c a t i o n si n c 等) 都表现出用 它来升级自己基础网络的兴趣。v e r i z o nc o 姗u n i c a t i o n si n c 继2 0 0 6 年秋采用 r o a d m 技术升级t e x a sa m 大学的宽带网络之后，于日前又发布了1 0 亿美元的光设 备需求建议书，据分析，其中r o a d m 设备的份额可能高达2 亿美元n q l 。 国内研究方面，目前国内对r o a d m 的研究也取得了很大进展。在8 6 3 3 0 0 项目 “中国高速信息示范网”中，大唐、武邮、中兴分别完成了8 路波长，任意上下的 r o a d m 节点，具有完善的网络管理接口，可根据网络需求，对r o a d m 进行灵活配置。 在8 6 3 项目的协调下，中国高速信息示范网部署了自主研制的0 x c 和r o a d m ，而r o a d m 项目也已被列入国家“十五计划和国家“9 7 3 ”项目口q 3 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 1 3r o a d m 系统特性和主要实现技术 r o a d m 是一个自动化的光学系统，可以对输入光纤中的波长路由进行重新配置， 有选择的下路和上路一个或多个波长。由r o a d m 系统构成了下一代光传送系统，则 具有远程可重构，支持波长重用，可扩展的上下路能力，动态增益能力以及无须 预先规划等传统技术无可比拟的优点n 圳。 而根据不同的应用需求，实现r o a d m 系统的方式也各种各样，主要实现技术有 三种n 吲：可调谐滤波器技术，集成的平面光波导( p l c ) 技术和微电机械( m e m s ) 技术。 基于可调谐滤波器技术的r o a d m 系统如图卜1 所示，它是利用可调谐滤波器作 为波长上下路器件，来选择任意波长下路，同时允许其他波长直通，通常可选择的 可调谐滤波器有薄膜滤波器，微环行谐振腔等n 嘲。可调谐滤波器技术的关键要求是 在任何两个波长间调谐时不能影响其他通道，即无中断调谐，而只有部分滤波器能 够实现无中断调谐u 刊。 输 出 上下路 图卜l 基于可调谐滤波器技术的r o a d m 系统 基于p l c 技术的r o a d m 系统设计起来比较复杂，但是在系统稳定性和体积成本 上具有其它方式所没有的优势。一般由阵列波导光栅( a w g ) 来实现分波及合波， 采用以热激励m z i 干涉技术为基础的光开关来实现上下路波长通道，其波长通道 的交换和切换也可以达到毫秒级别。此外，可控光衰减器( v o a ) 用于各通道的均 衡，而高速的光通道监控器则分布于r o a d m 中进行实时监控n 删，图卜2 就给出了一 种基于p l c 技术的r o a d m 系统。 一阁国一 图卜2基于p l c 技术的r o a d m 系统 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 基于m e m s 技术来实现r o a d m 系统则是未来发展的趋势。其中，以波长选择开关 技术( w s s ) 为代表的r o a d m 系统近几年得到一些发展。它可以实现在任意节点上 下任意波长。典型的w s s 技术实现的r o a d m 系统结构如图卜3 所示，其中的复用器 解复用器可以是衍射光栅技术或者a w g 技术，衰减器光开关技术可以采用液晶技 术或者m e m s 技术等1 。7 1 。 图卜3 基于w s s 技术的r o a d m 系统 表卜1 就给出了基于p c l 技术和m e m s 技术的r o a d m 系统的比较h 1 。 表卜l基于p l c 技术与基于m e m s 技术的r o a d m 系统比较 技术成本损耗集成度对网状网支持功率监测 p l cy 低高通过升级支持可以 m e m sy y y底 中等支持可选 从上表中，我们不难发现，这两种结构的r o a d m 系统有各自的特点，但是成本始终是网 络升级中比较关键的一个因素。因此从成本角度来考虑，基于p l c 技术的r o a d m 系统将在 近年来依旧会有比较快的发展【1 9 1 。 1 4 我们所设计的r o a d m 系统框图 e 啊k 、e 耵 e l d e 墨t e i d e t 口托 图卜4我们所设计的的r o a d m 系统框图 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 我们所设计的r o a d m 系统结合了p l c 技术和m e m s 技术的光器件，采用将下路波长 和上路波长分离的思想来实现一个具有东西两个方向的r o a d m 系统。完整系统方框 图如图卜4 所示，由2 个r o a m 子系统和2 个解复用器( d e m u x ) 模块共同实现，具有 个输入端口，一个输出端口，一组下路波长端口和一组上路波长端口。其中，上路 端口由r o a m 子系统完成，下路端口由d e 删x 模块完成，从而能够从输入端口上下任 一或任一组波长，而其它波长则保持直通状态，其设计切换通道的响应时间小于 1 0 m s ，这样在网络重构时就可以保证不会中断光通信。整个r o a d m 系统还具有比较 好的模块化设计和扩展能力，支持在线升级，方便后期维护。 r o a d m 系统中的一个r o a m 子系统方框图如图卜5 所示，主要由解复用复用模 块，光均衡光切换模块和光功率监测矩阵所共同配合完成。其中解复用复用模块 由2 个4 8 通道a w g 器件分别负责完成，光均衡光切换模块由4 8 个可变光衰减器一 光开关( v o a o s w ) 器件负责完成，而光功率监测矩阵负责对v o a 一0 s w 前后9 6 处光 功率采集，协助v o a 一0 s w 实现开闭环控制。其中a w g 器件和v o a o s w 器件是核心 光器件，分别基于p l c 技术和m e m s 技术。这样的器件搭配，就结合了两种技术的 优点，即一方面减小了传统波分器件的体积，另外一方面直接利用m e m s 技术将光 开关集成在v o a 上，避免使用大规模光开关矩阵，从而大大降低了成本和复杂度。 图卜5r o a m 子系统方框图 r o a m 子系统工作过程如下：首先前一个r o a m 子系统采用2 0 分光比的光功率分 配器( s p l i t t e r ) 从线路上取出2 0 的复合光信号进入d e 删x 模块进行信号下路， 其余8 0 的复合光信号则输入到后一个r o a m 子系统中进行信号直通或者信号上路。 利用a w g 的解复用特性来按一定间隔波长来分解输入的复合光信号，每个波长的光 信号再分别输入到对应的v o a 一0 s w 器件进行动态增益均衡和光信号直通阻塞，在 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 每个v o a o s w 前后采用2 分光比的t a p 光探测器配合其精确控制，最后再利用a w g 的复用特性进行光合波输出。 考虑到我们所设计的r o a d m 系统中的两个r o a m 子系统和两个d e 删x 模块的对称 性，为了简化设计，在本文中只对其中一个r o a m 子系统进行详细阐述。 1 5 本文的主要创新点和论文结构 本文对我们所设计的一种新型r o a d m 系统的设计思路进行了阐述，根据设计思 路，我们对其进行了控制电路的设计，从而实现了该系统，最后对系统进行了测试。 主要创新点有： 设计思路上：采用了上下路光信号分离的思想，构成了一个东西方向 r o a d m 系统，采用这种双回路结构的r o a d m 系统更能有效保证链路可靠性。 控制算法上：将控制算法中的数字p i d 算法改进为模糊自适应数字p i d 算 法，并在系统启动阶段引入步进算法，减小了系统过冲环节，从而增加了 系统可靠性。整个系统还增加了在线升级功能，方便了后期维护。 对外接口上：可提供多种对外接口，并利用s n m p 网络协议使系统具有分布 式网络监控功能。 本论文结构如下： 1 ) 第一章介绍了r o a d m 系统在全光网络中的地位，分析了目前国内外研究和应 用状况，简单阐述了几种常见设计方案，引出了我们的设计方案，最后对其中的一 个r o a m 子系统进行原理分析。 2 ) 第二章从光的角度分析了r o a m 子系统中所涉及到的几种无源光器件，其中 重点研究了关键光器件a w g 器件和v o a 一0 s w 器件。 3 ) 第三章从电的角度详细阐述了r o a m 子系统控制电路的设计思路，分析了各 控制功能模块的实现形式，在整个设计过程中，对硬件和软件设计进行了部分改进 和创新。 4 ) 第四章是从系统测试角度来验证我们r o a m 子系统的参数功能特性，最后给 出了系统的光学性能指标。 5 ) 第五章是结论与展望。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第2 章r o a m 子系统光器件原理分析 在前章里，已经就我们所提出的r o a d m 系统方案进行了阐述，由于我们所设计 的r o a d m 系统是由两个r o a m 子系统和两个d e m u x 模块所组成，而系统的波长路由 特性，动态增益均衡特性都是依靠r o a m 子系统中的精密光器件结合一定的控制方 式来实现的，因此有必要对r o a m 子系统中关键的光学器件原理和特性进行说明。 2 1a w g 原理分析 图2 1a w g 器件 a w g 是一种基于p l c 技术的角色散型无源光器件，如图2 一l 所示。与其他光栅 技术相比，a w g 具有插入损耗( i l ) 低，滤波特性良好，性能长期稳定，以及易与 光纤有效耦合等优点。因此，a w g 成为d w d m 光网络中最理想的解复用复用器件乜1 1 。 2 1 1a w g 器件理论分析 漱影 、 、 a w g 图2 2a w g 器件结构 a w g 器件由n 个输入波导、m 个输出波导和两个星形耦合器以及一个相邻波导间 具有恒定路径长度差的波导阵列组成瞳。1 1 ，如图2 2 ，输入光从第一个星形耦合器的 输入端同一输入波导输入，该耦合器把光功率分配到每一个阵列波导中。由于波导 阵列中的波导长度不等，从而产生不同的相位延迟，在输出星型耦合波导中相干叠 加，就表现出光栅的功能和特性。输出端口与波长有一一对应的关系，即不同光波 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 长的入射光束经阵列波导光栅传输后，根据其波长的不同而出现在不同的波导端口 上，精确设计阵列波导的长度差，就可以使不同波长的光信号从不同的输出端口输 出，从而起到解复用器的作用瞳。2 1 。 扳导阵夕 图2 3星型耦合器结构 星型耦合器的结构如图2 3 所示，星型耦合器由一个具有罗兰圆结构的平板波 导以及与之相连接的阵列波导以及输入输出波导所构成阻引。在实际应用中，输入 和输出星型耦合器通常都是对称设计，假设相邻输入输出波导在与罗兰圆连接处 的中心间距为缸，相邻阵列波导在与罗兰圆连接处的中心间距为d ，平板波导的聚 焦半径为f ，相邻阵列波导长度差为址，则波长为见的输入光从第f 根输入波导输 入，可以得到其光栅方程： 甩s d s m b + 疗g 三+ 力j d s i n 口七= m 五 一 ， 其中 9 - i 缸圩8 k = k 缸汴 ， n 。和n 。为平板波导与阵列波导的有效折射率，m 为衍射级数，k 为输出波导序号。 上式表明，从同一个输入波导输入的不同波长的光会从不同的输出波导输出， 这就是a w g 作为解复用器的原理。根据可逆性原理可知，如果从输出波导输入相应 波长的光也会从a w g 的同一个输入波导输出，这就是a w g 作为复用器的原理瞳吲。 2 1 2a w g 器件基本特性 利用a w g 器件的解复用原理就可以实现d e m u x 解复用模块，来达到分解不同波 长的输入光信号，从而实现r o a d m 系统的下路特性，同理，也可以得到利用a w g 器 件作为姗x 复用模块的结构，如图2 4 所示。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s i d e m u x 一 ；i m u x j ；。二。 ：，强i 7 ：r 镶： 一t ；。、 - ； 一 二 。工 黼 w g 1 了 1 f 至 i il ； if 一 图2 4d e 删x 和删x 结构图 此外，对于传统硅基材料的a w g 器件，易受到外部环境温度变化而导致光传输 路径发生变化，这种变化就会直接体现在输出波导的光波长变化瞳吲。一般而言，在 1 5 5 0 n m 波段的中心波长变化率为1 1 p m 。为了满足d w d m 系统的传输，就必须要 求a w g 器件的中心波长必须与国际标准波长相匹配，而为了严格保证这种匹配，就 需要对a w g 器件进行温度补偿，即通过温度传感器把a w g 器件的实时温度反馈给控 制器，再利用加热元件以高于工作组件温度的恒温来控制a w g 器件。 因此，对a w g 器件的控制就是一个恒温系统的控制，目的就是为了让密集波分 后各通道光信号的中心波长不发生漂移，表2 1 给出了我们所选用的4 8 通道1 0 0 g h z 间隔a w g 器件的部分光学参数指标。 表2 14 8 通道1 0 0 g h z 间隔a w g 光学指标 光学参数特性 最小值i 典型值i 最人值 单位 通道数4 8 c h 通道间隔1 0 0g h z 中心波长精度 0 0 5n m o 5 d b 带宽 0 2n m 1 d b 带宽0 4 n m 3 d b 带宽 0 6n m 插损 6 od b 相邻通道隔离度 2 5d b 非相邻通道隔离度 3 0 d b 偏振相关损耗 0 5d b 回损 4 5d b 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2m e m s 型v o a o s w 原理分析 图2 5 m e m sv o a o s w 可变光衰减器( v o a ) 是光纤通信中最基本的光无源器件之一，被广泛用于d w d m 光通信网络。随着m e m s 技术的飞速发展，m e m s 型v o a 已成为光衰减器研究中的一个 崭新的发展方向。与p l c 型v o a 不同，m e m s 型v o a 具有体积小、重量轻、成本低、加 工工艺稳定等优点，有着巨大的应用前景乜刊。 而光开关( 0 s w ) 作为r o a d m 系统中的关键器件，可实现光信号在同一通道中的 通断和光信号上下路的作用，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用 率以及进行网络灵活配置等具有重要意义乜。7 1 。 本节将介绍的是一种反射旋转型的新型光衰减器件，如图2 5 所示，它不但基于 m e m s 技术，并且本身集成了光开关，非常适合r o a d m 系统的使用，利用该器件就可 以对各个光通道信号实现动态增益均衡。 2 2 1m e m s 型v o a o s w 光衰减和光开关特性 m e m s 型v o a 一0 s w 的基本结构如图2 6 所示。被固定在玻璃毛细管中的两根光纤为 光信号的输入输出通道，球透镜将来自输入光纤的高斯光束转换成腰斑半径较大而 发散角较小的高斯光束，光束经由微反射镜反射后，再经球透镜会聚到输出光纤， 由此完成光信号在器件中的传输。玻璃毛细管与球透镜之间设计成斜8 度角是基于 增加光信号回波损耗( r l ) 并降低i l 的综合考虑乜。8 1 。 o d b l n p u t o u t p u tf i b e r c 一1 e n sm i r r o r 图2 6v o a o s w 器件光功率衰减原理 设定输入和输出为同一根光纤，如图2 6 所示，当微反射镜面因外加驱动电压 而发生任意微小角度旋转时，将改变反射光的方向，即改变了经透镜耦合后的高斯 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 光束的束腰位置，使耦合进输出光纤的功率发生变化，从而实现对信号光光功率的 任意衰减乜嘲。 而当微反射镜面因外加驱动电压而发生小角度旋转时，可以使来自输入光纤中 的高斯光束，经反射镜反射后有效耦合至邻近的另一个光纤中输出，如图2 5 中所 示。通过旋转微反射镜，器件可以实现光信号在不同信道间的切换传输，从而实现 了1 x 2 光开关功能。 d o u t p u tf i b e ri n p u tf i b e r 图2 7v o a _ 0 s w 器件光开关原理 2 2 2新型v o a o s w 器件i l 值理论分析 利用高斯光束矩阵光学和几何光学分析方法帅1 ，可以推得光功率损耗与微反射 镜偏转角度的对应关系，求得器件耦合效率公式。假设光路定义如图2 8 所示，下 面计算器件的耦合效率公式。 y _ f 咔气一 图2 8计算光路图 由双光纤头端面出射的光束依次经过空气隙a b ，透镜b c ，空气隙c d 以及m e m s 反射镜d ，然后光束沿z 轴再次穿过整个光学系统，先后经过空气隙d e ，透镜e f 及 空气隙f g 。双芯插针的折射率为，z l ；空气隙的折射率为刀：，长度为西，且伤= ； 透镜折射率为，曲率半径为r ，长度为幺；透镜到反射镜的距离为吐。 由矩阵光学理论乜。1 们可知，平行平板介质( 即空气隙) 的在x o z 和y o z 平面的传 输矩阵分别为( 三 ，( 三 ，其中，口表示平行平板的斜面角度。 t = 碍瑶c o s 口( 1 一s i n 2 口) 4 ( 瑶一砰s i n 2 口) - 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 句= ，z lc o s 口西 ( 瑶一砰s i n 2 口) - 耵c o s 卯南壤黼嘲：l 赫针l 等c o s 针舯腚 入射光线与c 一1 e n s 的轴线z 所成的角度，= 口一f 。 y o z 平面的传输矩阵m ，m ，且 川) 岛黔删 硝培即辩删 从双芯插针发射出的光为圆形高斯光束，复参数为吼，束腰半径为，根据矩 m 而。9 0 + m 勒。 吼j2 瓦赢 q z2 m 帕。9 0 + m 肋，。 吼2 弑 q j ，5 g 。，和g l ，分别表示到达反射镜时，高斯光束在x o z 和y o z 平面的复参数，q ，和 劬，分别表示到达反射镜时，高斯光束在x o z 和y o z 平面的束腰半径。 令光从双芯插针出射时，离开轴线z 的垂直距离为，光线传播方向和z 轴成 的角度为碌，在到达反射镜时的光线离开轴线z 的垂直距离为五，光线传播方向和z 轴成的角度为鼠，根据几何光学可知，在x o z 平面内， 五= m 郇而+ m m 岛q = m h 。+ m m 岛 根据我们定义的坐标轴，m e m sv o a 中反射镜的转动时，只在x o z 平面内有角度 变化，在y o z 平面内角度没有发生变化。则设x o z 平面内，反射镜与z 轴的垂直线 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 所成的角度为占。经过反射镜时，高斯光束在x o z 和y o z 平面的复参数为g ：一g ：， 束腰半径为哆，、吡，光线离开轴线z 的垂直距离为屯，光线传播方向和z 轴成的 角度为岛与根据几何关系原理： 口2 ，= 口1 ，哆，= q ，恐，= 蜀，屯= 五岛= b + 2 占 从反射镜到双芯插针另外一端时，光线沿一z 轴穿过这个光学系统，根据 j 万兰而( ：三) ，则可以推导出在x 。z 和y 。z 平面的传输矩阵坞，心y 同理可以 计算出到达双芯插针另一端时在x o z 和y o z 平面的复参数为g ，g ，束腰半径为 q ：，q ，。根据几何关系，我们也可以计算在x o z 平面内的光线离开轴线z 的垂直距 离为，光线传播方向和z 轴成的角度岛位。1 。 根据高斯光束模耦合理论分析可得m e m sv o a 耦合效率： 力： ( ! 垦垦兰竺竺! 旦 吖 ( i 巨i ) 2 出砂e ( i 巨i ) 2 出咖 且： 巨：辱压辱掣毛陬，e ：层去p 掣 其中： 血= 一圳 目= 最后根据尼= 一1 0 l o g 刁，就可以得到不同波长在反射镜转动不同角度的i l 陋1 1 3 。 2 2 3m e m s 型v o a o s w 器件基本特性 v o a 一0 s w 器件常温条件下1 5 5 0 n m 波长的光电曲线如图2 1 0 所示，可以观察到当实 现0 d b 到2 0 d b 动态衰减范围时所需静电驱动电压小于1 6 v ，其衰减分辨率小于 0 0 5 d b ，因此，我们对它的控制就需要寻找合适的高压数模转换器。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 口z1 口l 1 v b l h e ( t ) 图2 1 0v o a 一0 s w 典型光电曲线图 此外，由于基于m e m s 技术的光器件易受环境温度影响乜。1 副，因此，当外部环境 温度发生变化时，v o a o s w 器件的光电曲线也会有所变化。因此，对于这种技术的 v o a o s w 器件的控制，最关键的就是在不同环境温度下拟合光电曲线再对其进行电 压控制。 我们所选取的v o a o s w 器件指标可参见表2 2 。 表2 2v o a 一0 s w 器件部分光学指标 光学参数指标单位 波长范罔 1 5 2 5 一1 5 6 8n m 衰减范围0 3 0 ( 非线性) d b 衰减开关插入损耗o 8d b 衰减响应速度开关时间 1 0m s 回波损耗 4 5d b 开关串扰 5 5d b b r o a d b a n d 0 2 0 d ba t td b 0 4 波长相关损耗 n a r r o w b a n d 0 2 0 d ba t td b 硼 0 1 5 偏振相关损耗 0 2 0 d ba t td b 0 2 温度相关损耗 0 2 0 d ba t td b 3 0 0m w 停 忸 5 a 目v18=旨o： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 3光功率分配器与光功率探测器性能分析 2 3 1光功率分配器 图2 1 l 光功率分配器 光功率分配器( s p l i t t e r ) ，如图2 1 1 ，是将一个光路中光功率按照一定比例 分配到不同光路中去的一种光无源器件，在光通信系统中有着广泛的应用乜。1 引。在 整个r o a d m 系统中，我们选用1 分2 的光功率分配器来实现d e m u x 模块和r o a m 子系统之 间的光功率分配，即将2 0 的光信号下路输出，而其余8 0 的光信号输送给r o a m 子系 统进行上下路或直通。 而目前主流的光功率分配器主要有两类：基于熔融拉锥技术以及基于p l c 技术的 s p l i t t e r 。由于p l c 型s p l i t t e r 在大功率，模块尺寸，光学参数以及可靠性上有着 比基于熔融拉锥技术的s p l i t t e r 更好的性能乜删，因此我们选择p l c 型s p l i t t e r 。 p l c 型s p l i t t e r 主要是基于玻璃衬底，这主要是因为基于玻璃衬底的波导层与衬 底间线胀系数相近，从而有着更好的偏振相关损耗特性。 目前应用比较多的p l c 型光s p l i t t e r 的基本结构为级联y 分支结构与星型耦合器 结构。在3 2 或低于3 2 通道时，多采用级联y 分支结构，而在通道数大于3 2 时，多采 用星型耦合器结构幢删，如图2 一1 2 所示。 图2 一1 2 级联y 分支结构和星型耦合器结构 表2 3 给出了我们所选取的1 分2 通道的p l c 型光功率分配器的部分光学指标。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表2 3 p l c 型1 分2 通道s p l l l v r e r 部分光学指标 。- ? 参数 ? ； j = ：j i 性能黪誓|鬻；警位豢i 川：* 。 工作波长范围1 2 6 0 1 6 5 0 n m 插损 典型值 6 5d b 1 3 1 0 1 5 5 0 最大值 7 0 d b n m 偏振相关损耗 0 3 d b 一致性 0 8d b 回损 5 5d b 操作温度 一4 0t o + 8 5 最大输入光功率 2 5 0m w 2 3 2光功率探测器 图2 1 3 分光探测器 在目前光功率探测器中，最具有代表性的是分光探测器( t a p p d ) ，如图2 1 3 所示，它是利用膜层反射特性和光电导效应制成的一种光探测器件，光电导效应就 是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，即通过监测材料的电导变 化情况，来获知器件所接收的光功率大小乜1 州。 其基本工作过程是，被监测的信号光进入t a p p d 的输入光纤后到达透镜的反射 端面，其中约9 8 左右的光功率被反射耦合至t a p p d 输出光纤，回到传输信道，而 透射的约2 的光功率入射到芯片表面，转换为暗电流信号而被监测电路所检测到。 对于t a p p d 我们最关心的指标是其响应度特性，是指在光检测器上施加的光功 率跟其输出的电流之比，单位是a w 。响应度是一个与输入光中心波长有关的参量， 只有和中心波长相匹配的区域才可以保证输出电流和光功率为线性关系，而在其它 区域则是非线性关系，如图2 1 4 所示。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 1 o o 8 o 6 o 4 ， 一- 一_ 呻， ， j 。 专 。， r 之 副0 01 0 1 2 1 o1 6 1 8 w 窖岫i e n g mi n m ) 图2 1 4t a p p d 响应度与波长 我们所选取的t a p p d 光器件性能指标测试结果如表2 3 所示 表2 3 t a p p d 指标测试结果 参数 指标备注 单位 波长范罔 1 5 l o 1 6 1 0 f n m 分光比 2 ：9 8 插入损耗 0 4 i n l i 】 波k 相关损耗 0 3 f d b 偏振相关损耗 o 1 0 0 3 t y p d b 同波损耗 4 5|d b 相应度 8 对输入端 ua m w 暗电流 l v r = 5 v ，2 5 n a 电容 3 0 0 r l = 5 0 q ，5 v a ，一3 d bm i l z 最人输入功率 2 5 d b m 2 4 本章小结 由于整个r o a m 子系统的基本光学功能是基于这些器件之上，因此本章简单介绍 了r o a m 子系统中所利用的各种光器件原理，阐述了其控制要点，为下一章控制电路 的设计打下了基础。 1 6 之乏一l苫s蓉正 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第3 章r o a m 子系统硬件和程序设计 在第二章里，我们从所利用的光学器件方面阐述了r o a m 子系统的特点，而一个 r o a d m 系统除了依靠精密的光器件外，还需要控制电路的支持，只有这样，才可以 实现系统的三大特性。因此，本章将从系统控制角度阐述r o a m 子系统的设计过程， 将从硬件设计和软件设