（光学专业论文）光纤光栅oadm的理论与应用研究.pdf

硎 z 9 南开大学硕士毕业论文 摘要 在现阶段，建立w d m 光通信系统已是必然趋势；而在 以前的点对点w d m 系统的基础上，以波长路由为基础，引 入分插复用( o a d m ) 节点和光交叉连接( o x c ) ，建立具有高度 灵活性和生存性的光网络，被认为是可行且有发展前途的方 案。本人详细地对w d m 中的关键器件o a d m 进行了理论和 实验研究，制作了四个实用的o a d m 器件，并用于4 * 2 5g b s 的通信系统中。本论文完成的主要工作为： ( 1 )对各种不同结构的o a d m 的原理及结构进行了研 究，特别是基于光纤光栅的o a d m 的结构和理论。 ( 2 )对于光纤光栅的调谐技术进行了研究，特别是用悬 臂梁技术。并把其用于可调谐的光纤光栅o a d m 中。 ( 3 )制作了四个可调谐的o a d m ，并且还制作宽带光源 和掺铒光纤放大器( e d f a ) 来测试o a d m 。 ( 4 )把所制作的o a d m 用于4 * 2 5g b s 的w d m 系统 中，经1 0 0 k m 传输后，眼图能保持较好的形状，由此可 以确认，我们所研制的o a d m 具有良好的性能，信噪比 很高，信道间的串扰也较小。 关键词：波分复用系统，光纤光栅，分插复用器，宽带光源， 掺铒光纤放大器，调谐技术，眼图，信噪比，串扰。 南开大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t od a t e i ti s a n e c e s s a r yt r e n d t of o u n dw d m o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a n dj ti sc o n s i d e r e dap r a c t i c a b l ea n d b e s t - p r o s p e c t e ds c h e m et of o u n dah i g hf l e x i b l ea n ds u r v i v a b l e o p t i c a ln e t w o r k ，b a s e do nw a v e l e n g t hr o u t eb yi n d u c i n go a d m a n do x ct oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h ef o r m e r p o i n t t o - - p o i n t w d m s y s t e m o a d m ，w h i c hi sa ni m p o r t a n te l e m e n ti nw d m ， i ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i st h e s i s a n d f o u rp r a c t i c a lt u n a b l eo a d mi sm a n u f a c t u r e da n du s e di no u r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f4 * 2 5g b i f f s t h e f o l l o w i n g i st h e m a i nc o n t e n ti nt h i st h e s i s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l e a n ds t r u c t u r eo fa l ld i f f e r e n t t y p e s o f o a d m ，e s p e c i a l l y b a s e do nf i b e r g r a t i n g ，i ss t u d i e d ( 2 ) m a n yt u n a b l et e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yc a n t i l e v e rb e a m t e c h n o l o g y , a r es t u d i e d ，a n dt h e ya r ea l s ou s e di nt u n a b l ef i b e r g r a t i n gb a s e do a d m ( 3 ) f o u rt u n a b l eo j 删a r em a n u f a c t u r e da n db r o a db a n d s o u r c ea n de d f aa r ea l s om a d et om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t u n a b l eo a d m ( 4 ) t h eo a d m i sa l s ou s e di nw d m s y s t e mo f 4 2 5g b i t s a n de y ed i a g r a mo p e n se n o u g ha f t e rt r a n s m i t t i n g10 0k m t h u s ， t h eo a d mm a d eb yo u r s e l v e si s p r o v e dt oh a v eh i g hs i g n a l n o i s e r a t i o ，s m a l lc r o s s - t a l ka n db ep r a c t i c a l k e y w o r d s ：w d ms y s t e m ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，o a d m ， b r o a db a n ds o u r c e ，e d f a ，t u n a b l e t e c h n o l o g y , e y ed i a g r a m ，s i g n a ln o i s er a t i o ，c r o s s t a l k 南开大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1课题背景 1 1 1复用方式 在信息时代，人们一直都是十分需要更高容量，更低成本的网络的。这 种需要是由很多不同因素引起的。i n t e m e t 和w w w ( w o r l d w i d e w e b ) 的迅速增 长把越来越多的用户带到网上，从而消耗了大量的带宽用于包括视频( v i d e o ) 和图像( i m a g e ) 的数据传输。而且，通过电话线接到网上的用户要比普通的电 话用户占用更长的时间，从而导致了电话网的负担大量增加。同时，企业在 他们每天的运作中也越来越依靠内部 n ( i n t r a n e t ) 和外部n ( e x t r a n e t ) ，尤其是高 速网络。更何况，信息时代的最终目标是信息可以在任何地方很方便地存储 和使用，就好像它在本地一样【1 】。这就需要用巨大容量的网络作为其基础设 施。而所有这些因素导致了对更大的网络带宽及新的网络服务的需求。 但是现有的第代光网络链路，如作为欧洲的通讯网基础设施核心的同 步光网络( s o n e t ：s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 和成为欧洲和亚洲的通讯网础 设施核心的同步数字系y u ( s d h ：s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) b ”，以及大量 的例如光纤分布式数据接口( f d d i ：f i b e r d i s t r i b u t e d d a t a i n t e r f a c e ) t 4 1 的企业网， 还是不能满足其要求，为了进一步增加它的通信容量，从本质上来说，可有 三种方法： ( 1 ) 空分复用技术( s d m ：s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ：即保持同样的通信 速率但敷设更多的光纤。对于新的电信运营商和那些正准备大规模增加已敷 设光缆数量的电信运营商，这是一个完全合理的解决方案。然而，对于其他 的运营商，这是一个十分费时、费钱的巨大工程。 ( 2 ) 时分复用技术( t d m ：t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ：即在每根光纤上增加 通信系统的传输速率。目前，大多数传输系统是o c 4 8 ( 2 5 g b s ) 的，当码速 提高到1 0 g b s 或更高时，光纤将会出现严重的群速度色散g v d ( g r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n ) 年i i 偏振模色散p m 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 ) ，而且理 论、实验都表明，最高码速只能达到4 0 g b s 左右。 ( 3 ) 波分复用技术( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ：即在同一根 光纤中以相同的传输速率来同时传输很多个不同光波长的光信号。密集波分 复用( d e n s ew d m ) 允许更为接近的各种波长信号( 例如，间距为0 8 n m 或 0 4 n m ) 在同一光纤中传输。掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 技术的成熟使得大规模的d w d m 应用成为可能。 南开大学硕士毕业论文 当然我们也可以同时使用这三种方法，这取决于敷设这些网络时所能获 得的经营成本。作为一条不成文的规定，当网络经营商增加其链路通信容量 时，他们通常希望仅仅只是以2 倍的价格来得到至少要增加4 倍的通信容量。 不过现在人们都普遍看好的是d w d m 系统。 1 1 2d w d m 系统 光网络大规模的d w d m 系统已经安装在长途主干网中，中国也是最早 安装d w d m 系统的国家之一，d w d m 系统目前正向城域网逼近。随着越来 越多的不同波长信道在网络中的使用，产生了在光域层来管理网络容量的强 烈需求，从而避免信号光电转换的高昂代价。在光域层中，传统的网络功能， 包括分插复用、交叉连接、信号再生等，都将在光域范围内执行1 5 6 j 。 得益于d w d m 系统大规模的安装，光放大器、滤波器、激光器和光纤 已经取得了相当的进展。为了实现全光网络，这些领域的进一步发展是必需 的。光波分插复用器o a d m ( o p t i c a lw a v e l e n g t ha d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 在光网 络中的作用类似于电域的分插复用器在s d h 网络中的作用。在光传输网节点 中使用这种技术，可以避免传统的光一电一光的转换，而直接在该节点上把 特定波长信号从波分复用的复合光信号中分离出来。o a d m 将波分复用系统 从初期的点到点连接演变到点到多点和多点到多点的连接，使光网络变的更 灵活，最终成为将来光网络中一个不可缺少的关键器件。 1 2 o a d m 发展现状 随着d w d m 系统的广泛应用，人们发现d w d m 技术在提高传输能力的 同时，还具有无比可拟的联网优势。光分插复用器作为光传输网的重要器件， 它的功能是从传输设备中有选择地下路( d r o p ) 通往本地的光信号，同时上 路( a d d ) 本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的 传输，也就是说o a d m 在光域内实现了传统的s d h 设备中的电分插复用器 在时域中的功能，相比较而言，它更具有透明性，可以处理任何格式和速率 的信号，这一点比电的a d m 更优越，使整个光纤通信网络的灵活性大大提 高。1 9 9 8 年，已有固定波长的o a d m 商用产品出现在市场上，可变波长的 o a d m 技术也已经成熟，正逐步从实验室走上商用市场，它主要应用于 d w d m 环形网络。1 9 9 8 年，全球的o a d m 消费( 不包括电的a d m ) 是 2 3 ，0 0 0 ，0 0 0 美元，预计2 0 0 3 年将迅速增长为1 ，6 4 0 ，0 0 0 ，0 0 0 美元；o a d m 消 费平均每年将以3 4 的速度递增，在2 0 0 8 年达到7 ，0 2 0 ，0 0 0 ，0 0 0 美元”】。 南开大学硕士毕业论文 一般来说，o a d m 包括解复用、分插控制滤波单元及复用单元。在解复 用单元中并不意味着所有波长都要从光纤中解复用下来，一般地，o a d m 节 点用解复用器解复用需要下路的光波长，同时把要上路的波长经过复用器复 用到光纤上传输。用不同的方法实现解复用和复用就构成不同的o a d m 结 构。目前也有多种o a d m 方案，但总的说来可以分为可重构和非重构型两种。 前者主要采用复用器解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上下 固定的个和多个波长，也就是说节点的路由是确定的。后者采用光开关、 可调谐滤波器等光器件，能动态调节o a d m 节点上下话路的波长，从而达到 光网络动态重构的能力。相比较而言，前者缺乏灵活性，但性能可靠且没有 延时，后者结构复杂且具有延时，但可以使网络的波长资源得到良好的分配。 从9 0 年代提出光上下话路开始，到目前为止，人们提出了很多种o a d m 方 案，这些方案很大程度上取决于光的新器件的开发和研制，特别是无源光器 件，这些器件的性能最终决定o a d m 的一些主要性能参数，比如插入损耗、 信道之间的隔离度以及上下路的延迟时间等。现有的o a d m 方案归纳起来 主要有如下几种基本形式：( 1 ) 分波器+ 波长交换单元+ 合波器；( 2 ) 耦合单 元+ 滤波单元+ 合波器；( 3 ) 基于声光可调谐滤波器( a o t f ：a c o u s t o o p t i c t u n a b l ef i l t e r ) ；( 4 ) 基于阵列波导光栅( a w g ：a r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g ) 。 具体的实现方案可能有所不同，但一般都是这几种基本方案的演化形式。 1 2 1分波器+ 波长交换单元+ 合波器 在这种方案中，分波器可以是普通的解复用器，如多层介质薄膜滤波器 型或波长光栅路由器( w g r ：w a v e l e n g t hg r a t i n gr o u t e ) 型等。波长交换单元 一般采用光开关或光开关阵列嗍，合波器可以采用耦合器或复用器，因此整 个o a d m 的串扰水平主要是由解复用器所决定的，目前解复用器可以做到的 隔离度达到2 5 d b 0 8 n m 以上，因此可以满足系统的要求。图1 1 和图1 2 是 解复用器光开关复用器 纠三墨卜一 叫三墨卜一 忙兰兰卜 r r 1j r 、 r 图1 1 基于解复用和光开关的o a d m 南开大学硕士毕业论文 对这种方案的具体实现。这种方案的优点在于结构简单，对上下话路的控制 比较容易，特别是在图1 2 所示的情况中，对于采用1 8 的解复用器，则8 + 8 的光交叉矩阵( o s m ：o p t i c a ls e c a n tm a t r i x ) 使光波长具有无阻塞交叉功能， 而且由于采用了光转发器( t r a i l s p o n d e r ) 嘲，任意波长的光信号都可以插入，对 图1 2 基于解复用和开关阵列的o a d m 于通过和插入方式的光信号也不存在输入损耗问题。但此类方案也存在一些 不足。其一是光开关的时延问题，现在的机械光开关的响应速度在毫秒( m s ) 量级，铌酸锂( l i n b 0 3 ) 开关的响应速度在微秒( 1 l s ) 量级，如果上下话路做实时 的交换时，势必会造成数据的大量丢失，否则就要暂停节点的业务。其二就 是因为采用的器件本身的损耗比较大，因此使得整个o a d m 节点的损耗很 大，如图的方案中功率的损耗要大于5 d b 。其三是每一个直通波长( 不需上 下载的波长) ，都被进行了不必要的滤波和重组，导致信号带宽变窄和由于干 涉等现象引起的信号失真。 多层介质薄膜滤波器型解复用器i lo “j 基本原理是利用多层介质膜的滤光 作用进行复用或解复用，即对一个或多个波长反射率高( 或透射率低) ，对其 他波长则反射率低( 或透射率高) 。也就是说通过介质膜材料或结构的不同选 择可以构成长波通，短波通和带通滤波器。一个实际的带通滤光器对波长在 通带宽度内的光有很高的透射率，而对波长在阻带内的光有很高的反射率， 因而它可以作为波长敏感元件来构成解复用器。滤光片通带和阻带透射率的 大小，不仅影响器件的插入损耗，而且也决定了器件的路间串音。滤光片的 通带宽度和阻带宽度决定了复用信道的波长范围，同时也对光源的谱线宽度 提出了一定要求。例如利用在自聚焦透镜端面镀上相应的薄膜，通过设计薄 膜的材料、厚度及层数( 如s i 0 2 和t i 0 2 多层膜) ，实现对某些波长反射或透 射，如图1 3 所示。 南开大学硕士毕业论文 丑l ，旯2 ，a3 ，a4 ( a ) 多层介质薄膜滤波器型复用器 ( b ) 多层介质薄膜滤波器型解复用器 图1 3 多层介质薄膜滤波器型复用器和解复用器 1 2 2 耦合单元+ 滤波单元+ 合波器 这种类型的o a d m 结构简单，所用的器件方便可行，在这种结构中，耦 合单元是一般的概念，根据具体实现的o a d m 的方案不同而有一定的差别， 一般为普通的耦合器( c o u p l e r ) 或光环形器( o p t i c a l c i r c u l a t o r ) 等，滤波单 元有光纤布喇格光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 【l 、法泊腔( f - p ) ”o ”1 等滤 波器，合波器为普通的耦合器或复用器。这类方案的o a d m 性能主要取决 于滤波单元的性能，就目前的器件水平，光纤光栅的隔离度高于2 0 d b 0 8 n m ， 而f p 腔的隔离度性能更好，可以达到4 0 d b 0 8 n m ，但前者温度性能比较好， 比较容易做到温度补偿，而后者的波长随温度的漂移较大，图1 4 和图1 5 给出了此类方案的两个典型的例子。 图1 4 所示的方案是目前较为普通采用的一种o a d m 结构，输入w d m 信号经开关选路，送入一个光纤光栅。每路的光栅对准一个波长，被光栅反 射的波长经环形器下路到本地，其他输入的w d m 信号波长通过光栅经环形 器与本地节点的上路信号波长合波，继续向前传输。这个方案同样可以根据 开关和光栅来任意选择上下话路的波长，但对开关的使用带来和第一类方案 南开大学硕士毕业论文 _ 一 同样的缺点，即延时和损耗问题。因此对图1 4 的方案进行简化，也就是不 使用开关，只做单个固定单波长的上下话路就有很好的性能，整个光路在上 下话路的过程中是没有断路的，几乎没有延时，缺点是没有调谐能力。 光纤光栅 输 下 图1 4 基于光纤光栅和开关的o a d m 图1 5 是采用f - p 腔滤波器实现的o a d m 结构方案。在该方案中输入的 w d m 信号经f - p 腔滤波器后，下路需要的波长到本地节点，其他波长被反 射后继续向前传输。本地节点到干线的业务使用与下路相同的波长上路到输 出线上。在这个方案中一个突出的优点在于f - p 腔滤波器的连续可调性，因 此可以根据需要上下路任意的波长。它的不足之处是前面提到的对温度的不 稳定性。 光环形器 图1 5 采用f _ p 腔滤波器的o a d m 1 2 3 基于声光可调滤波器( a o t d 的o a d m 声光可调谐滤波器( a o t f ) 15 1 8 是利用空间光学和波导光学等分光原 理构成的。波长的调谐是通过声光效应实现的，这种装置有嵌在l i n b 0 3 半 导体物质中的钛波导组成。在运行时，电频信号加在l i n b 0 3 半导体物质上， 产生表面声波。这种波改变了半导体物质上的折射率。而折射率的改变也导 南开大学硕士毕业论文 致了波分复用信号的光学传播特性的改变。a o t f 本身具有良好的特性，包 括大的波长调谐范围、快的调谐速度和高的光信道间的隔离度等，缺点足难 于获得窄带宽( 5 0 g h z 、1 0 0 g h z ) 的滤波器。并且它还存在偏振敏感性问题， 这对实用是一个很大的限制。 图1 6 基于a o t f 的o a d m 如图1 6 所示，上路波长光信号和输入的w d m 信号中的同波长光信号 偏振方向垂直，它们从各自的端口进入a o t f 。输入的w d m 信号经偏振分 柬器( p b s ) 分成t m 模和t e 模后，进入声波波段选频f 控制的模式转换单 元( 一般为l i n b 0 3 晶体) ，选频f 针对不同的下路波长进行调谐。如下路旯。， 选频f 调到一个相应的频率，当w d m 信号经过模式转换单元时，波长兄。的 光的t e 模和t m 模发生转换，t e 模变为t m 模，t m 模变为t e 模，经下 个p b s 后从下路端口输出到本地，其他的w d m 波长则没有发生模式变换 丽从输出端口输出到光纤上，而上路波长经模式转换单元后也从输出端口输 出到光纤上。目前基于a o t f 的o a d m 的调谐速度可以达到u s 量级，在 1 5 5 0 r i m 波段可调谐选路的带宽最大可达到2 5 r i m ，相邻波长的隔离度可达到 3 5 d b 0 8 n m 以上。 1 2 4 基于阵列波导光栅( a w g ) 的o a d m a w g t l ”2 j 是一种光栅型的波长路由器，具有双向性，即一个方向输入为 解复用方式，则另一个方向输入为复用方式。还有一种跟a w g 相类似的器件 是波长光栅路由器( w g r ：w a v e g u i d eg r a t i n gr o u t e ) ，它们都可以看作是m z 干涉仪的一般化。装置结构如图1 7 所示。它由n 个输入波导，n 个输出波 导，2 个聚焦的平面波导和一个阵列波导光栅组成，并且所有这些元件都集 成在同样的基质上，这种基质通常是硅( s i ) 。输入输出端口及阵列波导端口都 是以用作凹陷反射光栅单色器的罗兰圆盘结构( r o w l a n dc i r c l ec o n s t r u c t i o n ) 南开大学硕士毕业论叉 为基础。任何一个阵列波导的端口都正对着相应的中心输入输出波导的端口， 并且端口口径大一些，从而减少在平面波导中的耦合损耗。并且采用多层膜 是以用作凹陷反射光栅单色器的罗兰圆盘结构( r o w l a n d c i r c l ec o n s t r u c t i o n ) 为基础。任何一个阵列波导的端口都正对着相应的中心输入输出波导的端口， 并且端口口径大一些，从而减少在平面波导中的耦合损耗。并且采用多层膜 波片( a p o l y i m i d ef i l mw a v e p l a t e ) 技术，可使得波片的插入损耗减少到0 4 d b ， 消除了其极化的问题，即所通过的波长在t e 和t m 模的转换。因而这些技 术就能导致低于3 d b 的低损耗和偏振无关性的实用的a w g 的实现。主要的 缺点是滤波形状较差、信道间隔离度小、需要温度控制。 图1 7 a w g 的结构示意图 如图1 8 所示，以n * n 的w g r 为例，它的输出端口的解复用下来的波 长次序与输入端口有关，一般是这样的：假设w d m 信号有对应于w g r 的 n 个波长，输入和输出端口排序分别为i n ，输出端口l n 的解复用波长分 别为a 旯。，当w d m 波长信号从输入端口l 进入时，输出端口1 - n 解复用 的波长依次为五a 。，当从输入端2 进入时，输出端口l 心j 的解复用波长依 次为a 。，a 。一a 。，依次类推，因此在w g r 的输入端用光开关来选择w d m 信号的不同输入口，由此来决定下路的波长，实现o a d m 的可调谐性。上路 的信号与通过的信号进入w g r b 以复用方式合波为w d m 信号，经选择- 丌关 1 + n i ： jj r1 7 w 1 3 k , i 光 2 ： 22 2- 1 + n r 开 3 ： n + n 3 ，： n n 3 ： 光 信号 ，r l w o rw g r开 关 ab关 n 。 n mn 。 图1 8 基于w g r 的o a d m 南开大学硕士毕业论文 进入到输出光纤。这种方案的一种简化方式就是w g r b 和后面的1 + n 光开 关用一个n + 1 的耦合器来代替。这种方案能做到相邻通道的隔离度在 2 5 d b 1 6 n m 以上。同样也可以用这种方案同时下路多路波长。还有人采用 w g r 与2 * 2 的光开关组合实现的o a d m ，但相邻通道的间隔低于 2 0 d b 1 6 n m 。 图1 9 是由阵列波导光栅( a w g ) 和光滤波器及光环形器组成的双向 o a d m ，这是一种新颖的o a d m 结构。这种o a d m 的最大优点是它具有双 向传输和上下路的功能。稍作结构变换就能适用于w d m 自愈环形网中，但 它没有波长选择性。 图1 9 基于a w g 和滤波器及光环形器的o a d m 在上面讨论的o a d m 的四种实现结构中，我们主要解释了如何实现上下 路功能，相比较而言，由于器件的原因、实现的方便与否及性能优劣，分波 器+ 波长交换单元+ 合波器和耦合单元+ 滤波器+ 合波器这两种方案更为大家 所青睐，特别是图1 1 与图1 4 所示结构是目前国内外w d m 光试验网广泛采 用的o a d m 结构方案，并具有本地的网元管理系统，它实现对光开关的控制 和中心网管的通信。 此外，目前正在研究的o a d m 方法还有集成纤维型的o a d m 与液晶型 的o a d m ，不过他们现在还处于研究阶段，离商用还有一定的距离。 1 2 5 集成纤维型o a d m 1 9 9 4 年5 月，英国南安普特g a m b l i n g 教授首次提出了“集成纤维光 学”的概念 2 3 , 2 4 1 ，它是以光纤为基质，研究并开发光通信系统中所必 须的有源和无源器件，并加以小型化和集成化。因为利用光纤做基质， 南开大学硕士毕业论文 一方面可以降低单元器件的成本，降低器件的偏振灵敏度，同时还可 以大大的降低与光纤系统的插入损耗。因此，我们认为最有市场潜力的 o a d m 应该是集成纤维型的，但他现在离商用化还有一定的距离。 图1 1 0 光纤m z 干涉型 如图1 1 0 n 示，从结构上讲，集成纤维型的o a d m 是数个m z 干涉 仪组成，其原理相当于数个不等臂的m z 耦合干涉仪，经过每个间段信道的 距离都比前一个间段增加一倍；比如说，a1 2 3 4 依次相差0 8 n m ，那么第一段 信道的两臂长差为0 8 n m ，这样就把旯1 3 与旯2 4 相分离；而第二段信道的两臂 长差为1 6 r i m ，这样就可以把a1 2 3 4 他们都可以分开了。并且其是用普通光纤 耦合而成，插入损耗可以减d , n o 5 d b ，相邻信道串音低于一1 5 d b 。 但在长距离通信系统，是由很多个中间节点构成的，而每个节点 由o a d m 的隔离度引进的串扰进行积累，若系统由n 个节点，这样就 会由n 倍的串扰引进系统，造成系统性能下降，所以要求o a d m 的隔 离度要更高。另外由于两臂长差的漂移对隔离度的影响很大，温度需 要重点考虑，可以把器件整个封装在一个温度系数小的基底上，减小 对隔离度的恶化。但由于它是由普通的光纤构成的，成本低，插入损 耗小，所以市场将可能看好。 1 2 6 液晶型o a d m 作为一种新的工作材料，液晶的折射率可随外加电压的变化而变化，具 有很高的灵敏度，因而液晶器件一般都具有低驱动电压，低功耗等特点，并 且容易控制。以液晶填充的f p 标准具作为带通滤波器，它具有分辨率高， 体积小，重量轻，低电压，低功耗等优点，因而人们也试图用它来制作 o a d me 2 5 2 7 】，但它的应用仍处于萌芽状态，不过它也很有潜力。 南舞大学硕士毕业论文 毽1 。1 1 涟燕戮o a d m 驰德单续擒 图1 1 l 怒液晶型o a d m 的一种方案，程这种方案中，两边两边的偏振 嚣的投化方囱摆月；双辑射波荔就位予两个极化器的巾阉，起光开关的作用， 因而它能提供波长重构的功能( r e c o n f i g u r a t i o n ) 。酋先复霜信号被解复用成 很多的单个波长的信号，再把其中的一个波长信号输入到此器件中。经过第 一个镝强器嚣，信号巍菰交成了线傣光，鲡浆不燕电送，滚菇藏会健入射匏 线偏光扭转9 0 度，这样信号光的偏振方向就跟第二个偏振器的偏振方向互相 垂壹，因嚣裁没有毙羧出；嚣缓絮在波磊上擞逶岂豹魄基，波鑫裁不竣变a 射的线偏光的偏振方向，这样信号光的偏振方向跟第= 个偏搬器的偏振方向 是相平行的，予是就礴输出信号光。 总之，o a d m 因箕良爵的性能、简单的缩梭、穗辩低的成本以及芡活鲮 组网方式，一直吸引着人们的注意力。虽然现在很难做到像s d h 设备那样 在不黼等级上灵逶豹交叉和分援，堡凌曩兹瓣 孽提下，实褒对传统戆点对点 w d m 干线做中间的上下业务，o a d m 仍然怒一种很好的选择。而且在未来 的全光w d m 网络中，o a d m 将会有更大的殿用范围。 7 南开大学硕士毕业论文 1 3 课题来源 1 国家自然科学基金重点项目：全光纤集成波分复用通信系统实验研究 f 批准号：6 9 6 3 7 0 5 0 ) 。 2 国家高技术研究发展计划( 八六三计划) ：w d m 用全光纤激光器与自 调准o a d m 器件( 批准号：8 5 3 3 0 7 一1 5 5 ( 1 】) ) 。 1 4 我的论文的主要工作 本论文中完成的主要工作为： ( 1 ) 研究了各种o a d m 的原理及结构，特别是基于光纤光栅的 o a d m 。 ( 2 )自行研制了四路可调谐的光纤光栅o a d m 。 ( 3 ) 自行研制了用于测试o a d m 的e d f 宽带光源系统。 ( 4 ) 自行研制了一个e d f a ，以实现o a d m 在系统中的应用。 ( 5 ) 完成了全光纤w d m 系统的调试。 南开大学硕士毕业论文 第二章光纤光栅o a d m 理论 2 1 概述 从第一章可知，可用来制作o a d m 的理论和方法很多，在本章里，我们 具体来介绍一下有关用光纤光栅构成的o a d m 的理论及进展。其原因是我们 组在制作光纤光栅方面的设备比较齐全，并且在这方面我们做了很多工作， 相对的就对它有比较深刻的了解。 2 1 1 光纤光栅 光纤光栅( f g ：f i b e rg r a t i n g ) 有很多种，我们一般指的是光纤布喇格光栅 f f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，这是因为它的制作最简单，工艺也比较成熟。 光纤布喇格光栅是利用光纤中掺杂物质的光敏性，通常用准分子脉冲激光器 通过相位模板的一级衍射光打在掺杂光纤上，使其纤芯折射率发生周期性变 化，在光纤芯里形成光栅，对特定的布喇格波长有很高的反射率【2 。光纤光 栅自问世以来，基于光纤光栅的新型光子器件得到了广泛的研究。大批的新 型光纤光子学器件以其工艺简单、体积小、重量轻、结构紧凑、成本低、与 光纤兼容性好、插入损耗小、不受电磁干扰等一系列优良特性，在光纤通讯 和传感测量方面显示了广泛的应用前景。并且现在已有这方面的商用器件。 但是对光纤布喇格光栅来说，它有个令人麻烦的特性，即它是阻带滤波 器而不是通带滤波器；而在很多应用上却需要用通带滤波器，例如我们接收 电台是选择一个频道，而不是在很多频道中去掉这个频道。因而我们需要用 它跟其他技术结合来达到我们所要的功能，而这些所要花费的价格就决定了 它是否会在将来的应用中起重要角色。还要考虑的一点是，所有的f b g 都对 温度和压力很敏感。虽然温度敏感性较低( o 0 2 n m o c ) ，但是在1 0 0 。c 的温 度变化范围之内，光波长也会变化2 n m 左右，这对于w d m 系统( 光波长间 隔为1 0 0 g h z ，即o 8 n m ) 来说还是太大了，因而需要进行波长稳定化。于是 要采用一定的办法来防止这种温度效应以及压力效应。但是有时我们也会利 用光栅的温度和压力敏感特性来实现光分插复用器件的新功能，例如重构 ( r e c o n f i g u r e ) 。 2 1 2 用光纤布喇格光栅制作光分插复用器件( o a d m ) 在用光纤布喇格光栅制作的o a d m 中，前面一般是用普通的耦合器 ( c o u p l e r ) 或光环行器( o p t i c a lc i r c u l a t o r ) 作为分波器件，而光纤布喇格光栅就 南开大学硕士毕业论文 起滤波作用，把所要下载的光信号与其它光信号分离开，最后用合波器把其余 的光信号和所要上载的光信号耦合在一起输出。它的一些典型的结构如图2 1 所示。 ! 一一3 3 4 c a ) 3 d b 耦合器类型的o a d m ( b ) m z 干涉型o a d m ：了盹4 ( c ) 光环行器类型的o a d m ( d ) 极化无关的m z 干涉型o a d m 3 ( e ) i n c o u p l e r 类型的o a d m 图2 1 一些典型的光纤光栅o a d m 图2 i ( a ) 是所有这些类型中最简单的。在所要上下载波长的光纤布喇格 光栅两端接上3 d b 耦合器就可以了。光信号都是从端1 3l 输入，经3 d b 耦合 器的一端输入到光纤光栅，跟光纤光栅中心波长相同的光信号被反射回来， 在端口2 下载；而要上载的光信号从端口3 输入，经光纤光栅反射后，和通 过光纤光栅的其余的输入光信号经3 d b 耦合在一起，从端口4 输出。它属于 非干涉型的，结构简单，易于调节，抗串扰能力也比较好；但他对信号的插 入损耗至少要大于6 d b ( 通过3 d b 两次) ，这是其最主要的缺点。 解决它的办法也很简单，只要把3 d b 耦合器的另外两端也接上一个同样 波长的光纤布喇格光栅。这样就形成了个m z 干涉仪，如图2 1 ( b ) 所示。 这样在输入到3 d b 另外端的光信号也能下载到端口2 或输出到端口4 ，在 原理上，这样会得到较低的插入损耗，较大的回波损耗和较高的抗串扰性能， 也能用于全光纤和光集成；但是它属于干涉型的，需要用其他一些方法( 如用 南开大学硕士毕业论天 紫外光1 2 9 1 或压电陶瓷调节折射率的方法) 对干涉仪的双臂进行精确的控制， 并且它对温度变化比较敏感。 解决第一种方案的另一个办法就是用非互易的光环行器来代替3 d b 耦合 器，如图2 1 ( c ) 所示。它避免了从输入光到光纤光栅之间的3 d b 损耗，因而 其有极好的回波损耗和抗串扰特性，并且很稳定，在理论上来说这种装置是 无损耗的。但在实际应用中，现有的光环行器的插入损耗还是比较大，并且 其价格也比较贵：不过这些问题会随着低损耗、多端面的光环行器的出现而 得到解决。但这种装置最大的缺点在于它的体积较大，不能集成。 对于图2 1 ( b ) q bm z 干涉仪的敏感性问题，我们可以用极化的m z 干 涉仪来解决，我们称其为偏振分束器( p b s ：p o l a r i z a t i o i lb e a ms p l i t t e r ) o a d m ”】。如图2 1 ( d ) 所示。它由两个具有相位控制器( p c ) 的偏振分束器和 两个具有相同反射波长的光纤布喇格光栅组成。具有任意偏振的光信号在端 口1 输入，由偏振分柬器分成两个互相垂直的线偏振光，线偏振光通过九4 的p c ，变为圆偏振光。在遇到布喇格光栅时，布喇格波长的光信号被反射， 反转圆偏振光的手征，再次通过m 4 的p c ，变为线偏振光的信号出现在端口 2 ，其它波长的信号从端口4 输出。由于对称性，在端口3 输入波长为布喇格 长的信号，信号将出现在端口4 。由于是非干涉性的，该a d m 的两臂并不 需要干涉等级的一致性，只要求两臂光程差相对于1 比特周期信号长度( 对 2 5 g b s 约8 c m ) 比较小就可以了。该装置相对易于制造，成本较低，对环境 的温度的变化也比较稳定。在端口4 ，由于信号的泄漏所导致的接收灵敏度 降低将小于0 3 d b 。由于p b s 相对小的带宽，信道只能分布在p b s 透光零点 附近。 还有一种解决m z 干涉仪的敏感性的办法是用耦合的办法，例如图2 1 ( e ) 所示，这种装置也叫做耦合器型( i n c o u p l e r ) 的o a d m 耦合器型o a d m 有很 多种，其中最简单的耦合器型o a d m 是由两个相同的抛光光纤组成，在其中 一个抛光光纤中写入光栅，当信号波长远离光栅布喇格波长时，信号完全耦 合从交叉端出现。当信号波长接近光栅布喇格波长时，两光纤间的b 增大， 于是下载信号到失配的耦合器。将光栅直接写入到耦合器的耦合区中，可以 使得装置更为小型化，温度对m z 干涉仪两臂的温度效应减至最低。 2 2 耦合器型i n c o u p l e r 的o a d m 理论 有很多种光栅型耦合器( g r a t i n gi n - c o u p l e r s ) 来制作耦合器型o a d m 。图 2 2 显示了三种常用的光栅型耦合器：光栅支持耦合- 器r ( g a c ：g r a t i n g a s s i s t e d 南开大学硕士毕业论文 c o u p l e r ) f 3 2 1 ，光栅阻断耦合器( g f c ：g r a t i n gf r u s t r a t e dc o u p l e r ) 【3 3 ，3 4 1 ，光栅反射 耦合器( b r c ：b r a g gr e f l e c t i o nc o u p l e r ) 口5 3 8 】分别来支持，阻断或反射满足相 位条件的特定波长。 图2 2 耦合器型( i n - c o u p l e r ) 的o a 蹦结构图 南开大学硕士毕业论文 g a c 耦合器，如图2 2 ( i ) 所示，是有两根不同传输常数的光纤组成，其 折射率变化周期是由不同光纤的传输常数差来决定的；这个值通常很小，因 而周期要比较长。对于弱重叠场，耦合模方程描述了不同模式之i 刚的相互作 用。光纤间的耦合是以光栅辅佐区的长度为周期而正弦变化。因而除非器件 制作的很长，否则耦合器有相对大的带宽( 1 0 n m 量级) 和较弱的波长选择能 力。 g f c 耦合器，如图2 2 ( i i ) 所示，是由两根相同传输常数的光纤组成的， 但由于光栅的散射，通常的耦合器在布喇格波长附近不能表现出1 0 0 的耦 合。其工作原理如下：两根有相同传输常数的光纤将会完全交换能量，除布 喇格波长以外。在线的光纤光栅是阻断波长的布喇格反射器，其作用就想带 阻滤波器一样，并且它只能在一根光纤中。另一根没有光纤光栅的光纤输入 端口就成为了下载端口。 b r c 耦合器，如图2 2 ( i i i ，i v ) 所示，需要有短周期的扰动，依赖于两个 模式的传输常数的大小的总和。这种器件用在两根光纤中同时写上相同布喇 格波长的光栅或者在熔合的耦合器上写上一个光栅来制作，这是因为扰动必 须在耦合区的全部交叉区域里。下载的信道波长被反射，路由到光纤耦合器 的2 端口。在下面，我们将具体讨论后两个器件的特性。 b r c o a d m 可能是在所有以干涉为原理的o a d m 中最有潜力的。除了 结构简单，插入损耗很低外，b r c 还能做到下载端和输出端的高消光比以及 返回到输入端口的低回波反射。在它的熔合形式中( 图2 2 ( i v ) ) ，它是用两 根光纤熔锥成一个长的耦合区，而后再接上布喇格光栅和另一个长的耦合区， 最后再分成两根光纤。 它的工作原理可能是在所有光栅耦合器中最容易理解的：从端口1 输入 的光绝热地在熔锥区传播，激发出高阶模。在这个熔锥耦合区中，由于两根 光纤熔合在一起，变成没有芯的玻璃棒，其外包层是空气。在通常的没有光 栅的耦合器中，1 0 0 的光从一组模式变成另一组模式在端口4 输出。然而， 假如在耦合区的正中间放置一个理想反射器，那么在模式间所分离的光功率 被反射反向传回到端口1 和2 ，并在端口继续进行耦合，不过要加上由于反 射而产生的石相位差。这样，由于反射，高阶模将会反方向传播，并在耦合 器端口耦合，路由到端口2 。在b r c 中，布喇格光栅代替了反射器，由于它 是有波长选择特性的，因而其只能路由其带宽附近的光到端口2 。尽管在耦 合区中由于光扰动，耦合仍然在进行，不过上面的简单解释还是相当准确的。 b r c 也可以看成是有零臂长的m - z 干涉仪。假如我们把b r c 的理论与m z 南开大学硕士毕业论文 干涉仪理论相比较一下，这结论将会很明显。这不过是b r c 只有一个臂，而 m z 有两个光栅和两个臂。 2 2 1b r c 的理论分析 我们可以用耦合模理论