（光学工程专业论文）光纤光栅及其在全光网络节点设备中的应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 目前传统的光纤通信网正向下一代全光通信网快速演进，全光网络成为宽带通信网未来 的主要发展目标，光纤光栅作为一种在光纤通信中有着广泛应用前景的基础性光学器件， 对其特性和应用的研究与开发一直是国际热门课题。其中基于光纤光栅( f b g ) 的o a d m 具 有很好的频谱特性，并显示出全光纤型器件的优点，在全光通信领域具有广泛的应用价值。 因此利用f b g 型的o a d m 是一种有前途的o a d m 。 本课题首先全面介绍了全光网络的概念，关键技术、节点设备，重点指出o a d m 在 全光通信中的重要性和应用，按照四种分类对其工作原理、特性做了分析，特别是光纤光 栅型o a d m 的应用价值和原理，对主流的三种f b g 型o a d m 进行了分析比较。继而重 点分析了光纤光栅的耦合模理论，结合该理论介绍了几种常见的用来计算光纤光栅的数值 计算方法，分别对计算原理和过程进行了分析推导，通过比较，选择传输矩阵法作为本文 研究的主要方法贯穿于整个模拟仿真当中。在对不同类型光纤光栅光谱特性理论分析的基 础上，j 讨论了各种参数对其滤波特性的影响，获得了一些有益的结论。特别是对海明函数 的切趾效果与传统的高斯切趾等做了详细比较，得出其用于光栅滤波的优势。进而重点分 析了光纤光栅的光谱特性在o a d m 中的应用，实现了光纤光栅在全光网络节点设备，主 要是o a d m 中的应用：选择了滤波特性优良且实现简易的摩尔光栅，通过数值仿真分析 讨论了其光谱特性随光栅长度、折变量和啁啾量三个参变量的变化特性，依据规律设计实 现了符合d w d m 信道标准的次上下1 2 个波长的o a d m ；采用取样光栅，通过大量数 值仿真，总结得出其光谱特性随光栅长度、折变量、取样周期、取样率、啁啾系数五个参 变量变化的规律，实验设计出可用于全光传输一次上下1 6 路波长的o a d m 。论文并对光 纤光栅在o x c 当中的应用做了简要分析和展望。 关键字：光纤光栅光分插复用器传输矩阵法全光网络节点波分复用 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et r a d i t i o n a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sc h a n g i n gt ot h en e x to p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n s ，a l l o p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) h a sb e e nt h em a i ng o a lo ff u t u r eb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n s f i b e rg r a t i n g sa r ea t t r a c t i n gm o r ea a e n t i o ni ni n t e m a t i o n a lf i e l db e c a u s eo f t h e i rb r i g h tp r o s p e c t si no p t i c mf i b e rc o m m u n i c a t i o n s t h eo a d m b a s e do nf b g sh a st h eg o o d s p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea d v a n t a g e s o fa l l - o p t i c a ld e v i c e ，s h o w i n gt h e c o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o ni na l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sf i e l d s oi ti sau s e f u la n dp r a c t i c a lo a d mb a s e do n f b g s b a s e do nt h ec o u p l i n gt h e o r yo fl i g h tw a v eg u i d e ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st r a n s f e rm a t r i x m e t h o dt oc r e a t eam o d e lt os i m u l a t ed i f f e r e n tt y p e sf i b e rg r a t i n g ss o a st o a n a l y z em a i n c h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rg r a t i n g st h e o r e t i c a l l ya n dd i s c u s sv a r i o u sp a r a m e t e r s a f f e c t i n g t h e a t t r i b u t e so ff i b e rg r a t i n g sa n do b t a i ns o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s f u r t h e r m o r e ，s e l e c tt h em o i r e f i b e rg r a t i n g sa n ds a m p l e df i b e rg r a t i n g st oa n a l y z et h e i rp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ef e a t u r e so f f i l t e r i n gi nd e t a i lr e s p e c t i v e l y , t h e na p p l yt h eg e n e r a lr u l e st oa l l - o p t i c a ln e t w o r kn o d e sd e v i c e s ， c o m p l e t et h eo a d ma c c o r d i n gt ot h ed w d m c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d f i r s t l y , t h ec o n c e p tk e yt e c h n o l o g ya n dc o m p o n e n t so fa o na r ei n t r o d u c e di ng e n e r a l ， w i t he m p h a s i so nt h ei m p o r t a n c ea n d 印p l i c a t i o no fo a d mi na o n ，a n d0 a d m ss c h e m ei s a n a l y z e da c c o r d i n gt of o u rp a r e m s ，e s p e c i a l l yt h et h r e ek i n d so fo a d mb a s e do nf b g s s e c o n d l y , t h ec o u p l i n gm o d e le q u a t i o n so fo p t i c a lf i b e rg r m i n g sa r ea n a l y z e d ，a n dv a r i o u s n u m e r i c a la l g o r i t h m s 黜i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d t h e nc h o o s et r a n s f e rm a t r i xm e t h o da st h e b e s ta l g o r i t h mt or e s o l v et h ec o u p l i n ge q u a t i o ni nw h o l es i m u l a t i o n t h i r d l y , t r a n s f e rm a t r i x m e t h o di su s e dt oc r e a t eam o d e lt os i m u l a t ed i f f e r e n tt y p e sf i b e rg r a t i n g ss oa st oa n a l y z em a i n c h a r a c t e r i s t i c so ff i b e rg r a t i n g st h e o r e t i c a l l ya n dd i s c u s sv a r i o u sp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h e a t t r i b u t e so ff i b e rg r a t i n g si no r d e rt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rn u m e r i c a la n a l y s i sa n dp a r a m e t e r c h o i c e f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no f s p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c so f f i b e rg r a t i n g si no a d mi sd i s c u s s e d ， a n du s a g eo ff i b e rg r a t i n g si na o nn o d e sd e v i c e sm a i n l yi no a d mi sc o m p l e t e d i ns i m u l a t i o n ， m o i r ef i b e rg r a t i n g sa n ds a m p l e df i b e rg r a t i n g sa r es e l e c t e dt oo b t a i nt h er u l e sb yw h i c r 】j p a r a m e t e r sa f f e c tf i l t e r i n g ，t h e nt h eo a d ma c c o r d i n gt ot 1 1 ed w d mc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di s d e s i g n e d i na d d i t i o n , t h ea p p l i c a t i o na n dt h ef u t u r eo f f b g si no x c a r ea n a l y z e db r i e f l y k e y w o r d ：f i b e rg r a t i n g s ，o a d m ，t r a n s f e rm a t r i x ，a l l - o p t i c a ln e t w o r kn o d e s ，w d m i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：l 至l 尚参日期丝幽6 ， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：坠导师签名 塑日期 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：光纤通信及其接入技术 作者：2 0 0 3 级研究生周海蓉 指导教师邵钟浩 题目：光纤光栅及其在全光网络节点设备中的应用 英文题目：t h ea p p l i c a t i o no ft h ef i b e rg r a t i n g sa n di t sc h a r a c - t e r i s t i c si na l l o p t i c a ln e t w o r kn o d e s 主题词：光纤光栅光分插复用器传输矩阵法 全光网络节点波分复用 k e y w o r d s ： f i b e rg r a t i n g so a d m t r a n s f e rm a t r i x a l l o p t i c a ln e t w o r kn o d e s w d m 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章：绪论 1 1 全光网络 1 1 1 全光网络概念与结构 第一章：绪论 光纤通信自2 0 世纪7 0 年代发展至今仅2 0 多个年头，已全面取代了第一代全电网络， 形成了成熟的第二代电光网络，它以其高速率、大容量以及良好的抗干扰性、保密性等优 越性能给通信领域的发展作出了重要的贡献，特别是在核心网方面更加突出。但在电光网 络中，网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，节点将变得庞大而复杂，超高速传 输所带来的经济效益将被昂贵的光电和电光转换费用所抵消，光纤通信的巨大潜在带宽 容量受到电子线路的严重限制，为了克服“电子瓶颈”，笫三代全光网络概念开始被提出和 研究。 所谓全光网络( a o n ，a l lo p t i c a ln e t w o r k ) ，就是指用户与用户之间的信号传输与交换 全部采用光波技术完成的先进网络( 图1 ) 。信号只有在进入和离开网络时才进行电，光和 光电转换，而在端到端的链路之间不存在光电转换。它包括光传输、光放大、光再生、光 交换、光存储、光信息处理、光信号多路复接分插、进网出网等许多先进全光技术。在 全光网络中，由于整个传输过程中没有电的处理，所以a t m 、s d h 等各种方式均可使用， 提高了网络资源利用率，同时传输具有透明性，允许存在多种不同协议和编码格式，这使 得全光网络成为宽带通信网未来的主要发展目标。 尚 堕室些皇查兰堡主旦塞生兰堡笙塞苎二皇：堕堡 宽分成很多光波带，每个光波带以电子速率( 约1 0 g b i f f s ) 携带信息：而o t d m 系统将光纤 带宽分成几个较宽的波带，以很高速率( 1 0 0 0 0 b i t s ) 传送信息，然后这些脉冲流经过光 的分接处理之后，速率下降，以便交换和分配给用户。就目前技术水平而言，w d m 技术 远比o t d m 技术成熟，所以大多数全光网络是以w d m 为基础的全光网络。 全光网络的结构分为服务层( s e r v i c el a y e r ) 和传送层( t r a n s p o r tl a y e r ) 。网络传送层 分为s d h 层、a t m 层和光传送网。光传送层由光分，插复用器( o a d m ) 和光交叉连接器组 成。图2 给出了典型的全光网络结构。在光传送层，通过迂回路由波长在网络中形成大带 宽的重新分配。当光缆断开时，光传送层起网络恢复作用，在远端，光纤环中的o a d m 插 入分离所确定的波长通道至a t m 复用器，而o x c 则连接两个光w d m 环路到a t m 交换机。 图2 典型全光网络的构形 利用波分复用技术的全光网络将采用三级体系结构：零级是众多单位各自拥有的局域 网，它们各自连接若干用户的光终端。每个零级网的内部使用一套波长，但各个零级网多 数也可重复使用同一套波长，一级网可看作许多城域网，它们各自设置波长路由器连接若 干零级网。二级网可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有 的一级网。 1 1 2 全光网络关键技术与发展状况 为了实现真正意义的全光通信，全光网络必须具备下列关键技术： 1 光交换技术。光交换技术具有传输速率高、容量大、抗干扰能力强等优点，是实现全光 通信的关键技术之一。传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光，交换容量都要受 到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。而全光交换可省去光 2 堕塞塑皇墨兰堡主旦塑兰兰些笙兰 塑二芏! 堕堡 宽分成很多光波带，每个光波带以电子速率( 约1 0 g b i t s ) 携带信息；而o t d m 系统将光纤 带宽分成几个较宽的波带，以很高速率( 1 0 0 0 g b i t s ) 传送信息，然后这些脉冲流经过光 的分接处理之后，速率下降，以便交换和分配给用户。就目前技术水平而言，w d m 技术 远比o t d m 技术成熟，所以大多数全光网络是以w d m 为基础的全光网络。 全光网络的结构分为服务层( s e r v i c e l a y e r ) 和传送层( t r a n s p o r t l a y e r ) 。网络传送层 分为s d i - i 层、a t m 层和光传送网。光传送层由光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接器组 成。图2 给出了典型的全光网络结构。在光传送层，通过迂回路由波长在网络中形成大带 宽的重新分配。当光缆断开时，光传送层起网络恢复作用，在远端，光纤环中的o a d m 插 入分离所确定的波长通道至a t m 复用器，而o x c 则连接两个光w d m 环路到a t m 交换机。 图2 典型全光网络的构形 利用波分复用技术的全光网络将采用三级体系结构：零级足众多单位各自拥有的局域 网，它们各自连接若干用户的光终端。每个零级网的内部使用一套波长，但各个零级网多 数也可重复使用同一套波长，一级网可看作许多城域网，它们各自设置波长路出器连接若 干零级网。二级网可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有 的一级网。 1 , 1 2 全光网络关键技术与发展状况 为了实现真正意义的全光通信，全光网络必须具备下列关键技术： 1 光交换技术。光交换技术县有传输速率高、容量大、抗干扰能力强等优点，是实现全光 通信的关键技术之一。传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光，交换容量都要受 到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。而全光交换可省去光 到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。而全光交换可省去光 妻室塑皇查堂堡圭里! 塞生兰垡丝墨苎二童! 堡堡 电转换过程，充分利用光通信的宽带特性。可分为空分( s d ) 、时分( t d ) 、波分( w d ) 、 复合型光交换和自由空间光交换等种类。空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点 可由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道 相连，完成信息的交换；时分光交换的关键是开发高速光逻辑器件；波分光交换则是信号 通过不同的波长选择不同的分路来实现由波长开关进行交换。 2 w d m 技术。w d m 是指在一根光纤上传输许多个有一定间隔的波长系列。每个波长上运 行一个系统，通过增加工作波长的数量来增大传输容量。w d m 能够实现一根光纤上的多 路传输，其本质上讲是在光纤上实行的f d m ，即光域上的f d m 技术。是为了充分利用单模 光纤低损耗区巨大的带宽资源，根据每一个信道光波频率( 或波长) 的不同而将光纤的低 损耗窗口划分成若干个信道的技术。w d m 技术是把光波作为信号的载波，在发端采用波 分复用器( 合波器) 将不同规格波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输；在接 收端再由一波分复用器( 分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。 由于不同波长的光载波信号可以看作是相互独立的( 不考虑光纤的非线性效应) ，从而在 一根光纤内可实现多路光信号的复用传输。“w d m + e d f a ”被认为是挖掘光纤通信容量的 最好方法。目前w d m 之外的其他几种复用技术均不成熟。 3 光分插复用技术。在波分复用( w d m ) 光网络领域，人们的兴趣越来越集中到光分插复 用器上。这些设备在光波长领域内具有传统s d h 分插复用器( s d ha d m1 在时域内的功 能。特别是o a d m 可以从一个w d m 光束中分出一个信道( 分出功能) ，并且一般是以相同 波长往光载波上插入新的信息( 插入功能) 。对于o a d m ，在分出口和插入1 ：3 之间以及输入口 和输出口之间必须有很高的隔离度( 2 5 c m ) ，以最大限度地减少同波长干涉效应否则将严重 影响传输性能。已经提出了实现o a d m 的几种技术：w d md e m u x 和m u x 的组合；光循 环器间或在m a c h z e h n d e r 结构中的光纤光栅；用集成光学技术实现的串联m a c h - z e h n d r 结 构中和干涉滤波器。前两种方式使隔离度达到最高，但需要昂贵的设备如w d m m u x d e m u x 或光循环器。m a t h z e h n d e r 结构( 用光纤光栅或光集成技术) 还在开发这中， 并需要进一步改进以达到所要求的隔离度。 本文所讨论的主要课题就是利用光纤光栅的特性来改善o a d m 性能，从而提出更适用 于光通信系统的o a d m 实现方案。这将在以后章节展开讨论。 4 光交叉连接。o x c 是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够有效 灵活地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护3 恢复以及自动配线和监控的重现可靠 的网络保护恢复以及自动配线和监控的重要手段。o x c 主要由光交叉连接矩阵、输入，输 出接口、管理控制单元等模块组成。光交叉连接矩阵是o x c 的核心，它要求无阻塞、低延 3 壹塞堂皇查兰堡圭旦壅皇兰垡笙塞墨二皇! 竺堡 迟、宽带和高可靠性。 除此之外，还有光放大技术、全光信息再生技术、网络管理与控制技术等，在这里不 作详述。 基于波分复用的全光通信网比传统的电信网具有更大的通信容量，具备以往通信网和 现行光通信系统所不具备的优点：有更大的通信容量；结构简单，网络中无光电转换和存 储，许多光器件都是无源的，便于维护，可靠性高：加入新的网络节点时，不影响原有网 络结构和设备，具有网络扩展性；具有更高效的保护和恢复能力以及更简单的网络控制 管理功能。但全光网不可能一步到位，很多标准还在制定当中，i t u t 建议按照光传送网 ( o t n ) 的概念来研究和开发光网技术并制订相应标准。光传送网进程可分为三个阶段： 近期为全光传送网，即在点对点光纤传输系统中，全程不需要任何光电转换。长距离传输 完全靠光波沿光纤传播，称为发端与收端间点对点全光传输。中期为o a d m o x c 光传送 网。由于引入o a d m 可以动态选择分插波长，灵活地组网；引入o x c 可为光网络提供经济 有效的恢复和路由功能，形成超大容量的网络节点。在该阶段中除完成端到端的光传送外， 还要完成进出网的光交换和处理等功能，是全光网络的重点阶段。远期则为具有快速光交 换和光的分组交换的全光网。就目前的技术水平来看，由于技术和经济的原因，o x c 的发 展相对缓慢一些，而采用o a d m 的组环技术已经有了实际的应用。具有灵活管理带宽能力 的o a d m 是最先可能实用化的设备，采用o a d m 组网可以方便灵活地实现波长的上下路， 使网络具备动态重构和自愈功能；通过采用波长转换模块实现开放式结构，具有波长兼容 性和业务透明性。因此，对o a d m 技术和设备的研究和开发已逐渐成为热点。国际上许多 发达国家大都在运行和开发的全光实验网络中采用了o a d m 节点。如欧洲r a c e ( r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n ti na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e si ne u r o p e ) 计划中的m w t n 和 a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ) 计划中的城域光通信网 ( m e t o n ) ，美国a 砒a ( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 资助的m o n e t ( m u l t i w a v e l e n g t h o p t i c a ln e t w o r k i r l g ) 等。 1 2 光分插复m4 1 t 导( o a d m ) 1 2 1 光分插复用器在全光网络中的作用 光复用技术是增大光通信系统的通信容量的一种有效手段。目前研究开发的光复用技 术有波分复m ( w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 、副载波复用( s c m ) 和光码分复j 习( o c d m ) 等， 4 妻室坚皇查兰堡圭堕塞生兰垡笙塞 苎二童：堑堡 它们具有各自的特点和优势，应用环境也有所不同。其中密集波分复用( d w d m ) 技术现已有 商业应用。全球w d m 系统已超过2 0 0 0 个，o w d m 的最高实验记录已经达到2 6 4 t b i t sf 由日 本n e c 创造，复用路数为1 3 2 ，每路速率为2 0 g b i t s ) 。 光分插复用( o a d m ) 技术使得在全光网络中灵活地上下信道和实现信道的重分配成为 可能，由o a d m 组成的环路将在全光网时代的接入网中大显身手。o a d m 只以波长为基本 操作单位，它使得环内的路由操作不受传输信号类型和传输速率的影响，实现了本地网的 透明传输。未来的全光网可以实现端对端的波长业务，任何形式的信号都可以承载在某一 波长上传输，网络只负责此波长。o a d m 的作用是下载通道中的通往本地的信号，同时上 载本地用户发往另节点用户的信号( 图3 ) 。它使光纤通信网具有灵活性、选择性和透 明性等优越功能。o a d m 具有以下特点：避免了不必要的解复用和处理过程；简化了 节点的硬件并减少了相关的管理操作；网络节点的吞吐量大大增加。o a d m 的优劣将直 接影响光通信网络的性能。而由s d h 构成的w d m 网络也可使用o a d m ，并能进一步增加 网络传输容量。利用o a d m 还能提高网络的可靠性，降低节点成本，提高网络运行效率， 因此是组建全光网的关键技术之。 图3o a d m 功能图 1 2 2 光分，插复用器的基本要求和分类 可用阵列波导、光纤光栅等多种滤波器件构造出不同结构的o a d m ，也可全部用光纤 技术构造出全光纤结构的o a d m 。但无论采用何种结构，其基本要求是相同的：插入损耗要 小，信道之间的隔离度要高，对环境温度变化和偏振不敏感，能容忍信号源的波长在一定 范围内漂移和抖动。另外在上下话路过程中要能够保证传输的各信道间的功率基本保持一 致。晟后，o a d m 的操作应力求做到简单、方便，能实现较高的性能价格比。 实现o a d m 的方案根据上下波长信道是否固定，基本可分为两大类：非重构型和重 构型。非重构型o a d m ( 图4 ) 主要使用光波分复用懈复用器和固定波长的光滤波器等州 无源器件，在节点处固定地上下一个或一组波长。这种o a d m 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。重构型o a d m ( 图5 ) 通常采用波 分复用解复用器，再加上可控光开关构成，也有基于可调谐滤光器的重构型o a d m 。节点 5 幸l 平 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章：绪论 处上下的波长和数量是可编程的。使用重构型o a d m 可以对光网络进行动态重构。 图4 非可重构型o a d m图5 可重构型单波长o a d m 现有的o a d m 从结构类型上可以分为以下4 类基本结构形式：分波器+ 波长交换单元 + 合波器型；波长光栅路由器型( w g r ) ；声光可调谐滤波器型( a o t f ) ；耦合单元+ 滤波单 元+ 合波器型。 ( 1 ) 分波器+ 波长交换单元+ 合波器型：这种方案的优点是结构简单，对上下路的分插复 用控制方便，器件成熟。其中合分波器可以是普通的解复用器，例如，多层介质膜类型 或阵列波导光栅型( a w g ) 等。空间交换单元一般采用光开关和光开关阵列，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，目前解复用 器可以做到的隔离度达到0 8n m 2 5 d b 以上，能够满足系统要求。图6 和图7 是对这种方案的 具体实现。图6 是基于解复用器和光开关的o a d m ，空间交换单元采用光开关，图7 是基于 解复用器和开关阵列的o a d m ，空间交换单元采用光开关阵列，采用1 + 8 的解复用器，则 8 * 8 的光交叉矩阵使光波长具有无堵塞交叉能力，由于采用了光转发器( t r a n s p o n d e r ) ， 任意波长光信号均可以插入。这种方案的主要问题，一是光开关的延时，机械2 * 2 光开关 的插损、隔离度性能相当优越，但开关速度较慢，在毫秒量级；固态光开关的开关速度虽 然较快，在微秒甚至纳秒量级，但插入损耗、隔离度等重要指标目前均不如机械光开关。 二是由于解复用复用器采用的器件本身损耗较大( 1 0 d b ) ，所以整个o a d m 节点的损耗 很大。这对于长距离传输是很致命的弱点。 光开关 线一 线气赫户 图6 基于解复用器和开关的o a d m图7 基于解复用器和开关阵列的o a d m ( 2 ) 波长光栅路由器型( w g r ) ：w g r 是一种光栅型的波长路由器，具有双向性( 图8 ) 。 其输出端口的解复用下载的波长顺序与输入端口有关：假如w d m 信号有n 个波长，输入 和输出端口排序分别为l n ，输出端口1 n 的解复用波长为a t 五w ，当w d m 信号从 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章：绪论 输入端口1 进入时，输出端口1 n 的解复用波长顺序为 w ，l - n 一- ，而当从输入端口2 进入时，输出端口1 n 的解复用波长的顺序为以一，w ， ， 一。依次类推。因此在 w g r 的输入端，用光开关选择w d m 信号的不同输入端口，以决定其下路波长，可实现 o a d m 的可调谐性。w g r 的作用是把输出的n 个波长顺序在控制信号控制下进行交换，其 复用信号可经l n 解复用器解复用。上路的信号与通过信号进入w g rb 以复用方式合波 为w d m 信号，经选择开关进入到干线。该结构方案亦可同时下载多路波长。其上下载信 道的插入损耗为6 5d b ，其余信道为1 3 d b ，信道间隔为1 6n n l ，邻道隔离度为2 5 d b 。w g r 具 有较高的隔离度，信号的s n r 高，因此适用于波长数较多的大规模o a d m 节点。但是其结 构复杂，设备成本高。 w 信号 图8 w g r 构成的o a d i v i ( 3 ) 声光可调谐滤波器型( a o t f ) ：声光可调谐滤波器由换能器和声光晶体构成，通 过声波产生一个周期性的折射系数的调制( 也称为光栅格) ，它具有调谐范围宽、调谐速 度快，以及隔离度高等良好的特性。图9 示出基于声光可调滤光器( a o t f ) 的重构型o a d m ， 它采用t l i n b 0 3 为基础并利用声表面波( s a w ) 技术的a o t f p a 实现灵活的光信号分出。其 工作原理是，将1 7 0 18 0 m h z 的射频信号加于换能器将其转换成声表面波，由声波产生一 个周期性折射率调制，从而产生一个光栅，而该光栅可从入射光中分离出绕射的信号，所 以只要施加不同频率的信号就可分出所需多个波长的信号，目前已可实现波长间隔为 o 3 7 n m 的光信号的分出，可变波长范围为8 0 n m ，可满足3 2 波d w d m 的要求。基于a o t f 的 o a d m 迄今尚未实用化，主要原因之一是串话率高；其次是现有的a o t f 带宽相当大，而制 造具有较大声光干涉长度的a o t f 又较为困难。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章：绪论 五 五 鞠出光馆毋 ， 山光f l 号 五厶 图9 基于a o t f 的可重构型o a d m ( 4 ) 耦合单元+ 滤波单元+ 合波器型：这种o a d m 方案结构简单，所用器件方便可得。耦 合单元是普通的耦合器或光环行器等，滤波单元有f b g 、法布里一珀罗型( f p 腔) 或带通滤 波器等，合波器为普通的耦合器或复用器。这类方案的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 r i m ，f - p 腔的隔离度性能更好，可达 4 0 d b n m ，但前者温度性能较好，后者的波长随温度漂移较大。在1 2 3 节中我们将专门讨论 光纤光栅型o a d m 。图1 0 年1 3 图1 1 分别给出了以光纤光栅和f p 腔作为滤波单元的典型结构。 图1 0 基于光栅和光开关的o a d m图1 l 基于f p 腔的o a d m 1 2 3 光纤光栅型o a d m 光纤b r a g g 光栅( f b g ) 具有良好的波长选择性、低的插损、偏振不敏感和可构成全光 纤器件等优点，同时通过调节光栅的反射谱，可以改变插损、串扰等性能指标。由于f b g 纤 芯中的周期性折射率变化所产生的b r a g g 反射特性，可将其作为窄带型光纤反射滤波器使 用。与声光调谐滤波器、相位波导列阵等频率选择器件相比，基于光纤b r a g g 光栅( f b g ) 的 o a d m 具有很好的频谱特性，并显示出全光纤型器件的特点，稳定可靠、抗震动、体积小、 结构简单，不受环境尘埃等影响，响应速度快，信息容量大，功能全，效率高，对光传播的 附加损耗低，易于与光纤通信系统耦合连接等，在全光通信领域具有广泛的应用价值。因 此利用f b g 型的o a d m 是一种有前途的o a d m 。 目前主流的f b g 型o a d m 主要有以下三类：基于f b g 和光环形器的o a d m ：基于f b g 和耦合器的o a d m ；基于f b g 的m z i ( 马赫泽德) 型o a d m 。在这里先分别概括介绍一下 妻室塑皇查兰堡主堡塞圭堂垡笙塞 塑二兰! 堕堕 它们的原理，具体设计和实现方案将作为重点在本论文的第三、四章进行研究讨论。 基于f b g 和光环形器的o a d m ：f b g 和光环行器构成的o a d m 结构属于全光纤结构， 容易与其他器件连接，插入损耗小，能够对w d m 的多个信道实施分插操作，插入损耗比简 单地级联多个复用器小得多。基本的光环行器光纤光栅o a d m 由2 个3 端口的光环行器和1 个窄带布拉格反射光纤光栅( f b g ) 构成，如图1 2 ( a ) 所示。光纤光栅从传输的信号中反射 要下载或加载的话路的信号，光环行器让光纤光栅反射的信道的信号改变传输方向。如果 对w d m 各信号 i f 插复用，简单方法是对上述的单路o a d m 级联，级联的各个o a d m 所 用f b g 的中心波长要与w d m 各信道中心波长相同，各个f b g 的反射带宽应足够窄，防 止信道间信号串扰，n 个f b g 级联的o a d m 结构如图1 2 ( b ) 所示。这样若要x 寸n 路信号 进行上下话路，需要2 n 个环行器势必对传输信号有较大损耗，影响下一级对信号的分插， 而且对非下载信号传输也有恶化。为克服上述缺点，s ey o o nk i m 等构造了新型结构的 o a d m ，如图1 2 ( c ) 所示。它是在一段光纤上刻有4 个完全相同的可调谐光纤光栅和2 个 环行器构成，调节压电转换器的电压来改变光纤光栅的布拉撂波长。在l 根光纤上刻有多个 特定反射谱的光纤光栅，工艺复杂，技术要求高。为简化工艺，可把几个不同中心波长的光纤 光栅连接在一起，效果是一样的。c r g i l e s 等用该原理研制的o a d m ，插入损耗 5 0d b 。用于4 个信道，波长间隔为0 8 n m ，传输1 0 0 k i n 的w d m 网络传输实验，效果很 好。若通过光放大器，可传输更远距离。但这种方案的缺陷是不够稳定，成本偏高。 阳j g i卯0 2 d 唧1 a d d i 咖2 d d 2d 唧肯a 酣 ( a ) 单f b g 构成的o a d m( b ) 级联f b g 型o a d m ( c ) 基于可调谐f b g 和光环形器的o a d m 图1 2 光纤光栅，光环形器构成的o a d m 基于f b g 和耦合器的o a d m ( 图1 3 ) ： 复用信号( 丑，兄：a 。) 从端口1 输入，f b g d p 心； 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章：绪论 长为五：，因此波长为五：的信号被f b g 反射，经1 ：2 耦合器分束，从端1 2 1 3 - f 载，其余波长无附 加损耗地通f b g ，与端口4 上载的波长为五：信号通过2 ：1 耦合器耦合，由端口2 输出。它的插 入损耗小于3 5 d b ，相邻信道串音低于一2 2 d b 。但因插入隔离器和耦合器而引入了附加损耗， 并且因隔离器的反射会造成下载信号的信噪比降低。该o a d m 原理简单，实际应用中在形 式上可作相应变化。 ”知 一_ - - 一一_ f 1 _ 1 。2 瞄2 ；1 | “由 蘩井t 麓 讯! 吵气、! 竺厢 ! 曼i 弋、f b g 厂塑坠 目_ 图1 3 基于f b g 和耦合器的o a d m图1 4 基于f b g 的m z i 型o a d m 基于f b g 的m z i ( 马赫泽德) 型o a d m ；m a c h z e h n d e r 型的耦合干涉o a d m 是基于光 纤耦合原理的。如图1 4 所示，其结构相当于一个干涉仪( m z i ) ，是一种全光纤的o a d m 。在 m z i 的两个臂上用紫外写入两个相同波长的f b g ，压电陶瓷口z t ) 在电信号驱动下来调制 通过f b g 的光信号相位。用锁相环电路的控制器来控制干涉仪的相位误差，作端口间的交 换。控制器通过锁定干涉仪到干涉极大和极小来选择上“下路的波长。如f b g 反射波长为 a ，不同波长的光( 包括a ，) ，将在耦合器两臂之间被相等地分开。但是，五，波长的信号将 被两个相同光栅反射，在耦合器中存在连贯的重组。波长为名的信号将从端1 2 1 3 输出，其 余波长的信号将继续传播、重组并在端d 4 输出。由于仪器具有对称性，故波长为a 的信 号可以从端口2 加入，与其他波长信号一起从端口4 输出。引入紫外微调均衡器f u v t r i m m i n g ) ，当有紫外光照射时，均衡器将改变光纤纤芯的折射率，从而使两干涉臂长度满 足o d a m 的工作条件。这种o a d m 的下载效率达9 9 4 ，附加损耗为0 5 d b ，相邻通道的 串音为2 0 d b ，每个信道的带宽为0 2 n m 。 1 3 论文的主要内容 论文首先介绍了全光网络的概念，全光网络的结构和关键技术、关键器件，重点指 出o a d m 在全光通信中的重要性和应用；概述了o a d m 在全光网络中的作用和基本结构， 按照四种分类对其工作原理、特性、性能做了分析，特别分析了光纤光栅型o a d m 的应 用价值和原理，对主流的三种f b g 型o a d m 进行了概述。 论文第二章对光纤光栅的基础理论做了简单介绍，包括光纤光栅的光学特性、制作 l o 堕室塑皇查兰堡主堕壅生堂垡堡壅兰二雯! 堕堡 方法和可调谐技术等，指出其在全光网络中的作用。重点分析了光纤光栅的耦合模理论， 这也是后面讨论光纤光栅光学特性的理论基础，结合该理论介绍了几种常见的用来计算光 纤光栅的数值计算方法，分别对计算原理和过程进行了分析推导，通过比较选择传输矩阵 法作为本文研究的主要方法贯穿于整个模拟仿真当中。 论文第三章在耦合模理论的基础上通过数值仿真首先分析了常见的几种光纤光栅的 特性，在分类分析当中讨论了有关参数对滤波性能的影响，如切趾函数、啁啾系数等，然 后对各类光纤光栅的共有参数，如光栅长度、折射率变化量等的改变对滤波性能的影响做 了仿真和分析，为下一章选择合适的光栅构造o a d m 打下数值分析的基础。 论文第四章重点分析和实现了光纤光栅在全光网络节点设备，主要是o a d m 中的应 用。首先对全光网络节点设备作了简要介绍，重点分析了光纤光栅的光谱特性在o a d m 中的应用。分别采用摩尔光栅和取样光栅，通过大量数值仿真，总结得出光谱特性随各参 数变化的规律，依据规律实验得出符合d w d m 通信标准，可用于全光传输的f b g 型 o a d m ，并分别给出了合理实用的实现方案。并对光纤光栅在o x c 当中的应用做了简要 分析和展望。 第五章对本课题的研究进行了简要的总结。 参考文献： 1 纪越峰著现代光纤通信技术北京：人民邮电出版社，1 9 9 7 2 黄章勇编著光纤通信用新型光无源器件北京邮电大学出版社，2 0 0 3 3 何登平等全光