创新技术讲座1

1、创新技术讲座（1）光通信新技术光通信新技术 光纤放大器光纤放大器 光波分复用技术光波分复用技术 光交换技术光交换技术 光孤子通信光孤子通信 相干光通信技术相干光通信技术 光时分复用技术光时分复用技术 波长变换技术波长变换技术一、一、 光光 纤纤 放放 大大 器器 1. 半导体光放大器的优点是小型化，易与其他半导体器件集成； 缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。2. 光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小。光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。光纤放大器是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，称光纤激光器。20世纪80年代末期，推出掺铒光纤放大器。1.

2、 掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级： 能级1代表基态， 能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。掺铒光纤放大器工作原理掺铒光纤放大器工作原理2. 当泵浦(抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(13)。但激发态不稳定，Er3+很快返回到能级2。3. 若输入信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，处于能级2的Er3+将跃迁到基态(21)，产生受激辐射光，信号光得到放大。 掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理: 图 1掺铒光纤放大器的工作原理(a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频

3、谱 4F9 / 24I9 / 24I11 / 24I13 / 24I15 / 21.48 m泵浦0.65 m0.80 m0.98 m1.53 m123光信号1.481.501.521.541.5602460246810吸收增益波长 / m损耗或增益 /( dBm1)(b)(a)截面 / (1025m2)4. 激发态不稳定，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(21)， 产生受激辐射光，信号光得到放大。泵浦光能量转换为信号光。5. 为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态。 图2 掺铒

4、光纤放大器的特性(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系002040608020406080转换效率92.6输入泵浦光功率 / mW输出信号光功率 / mW02001030405101520增益系数6.3 dB / mW输入泵浦光功率 / mW增益 / dB(a)(b)掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器的构成和特性掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤(EDF)、高功率泵浦光源、波分复用器和光隔离器组成。 波分复用器要求插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。高增益掺铒光纤(EDF)的增益取决于Er

5、3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等，通常由实验获得最佳增益。隔离器作用是防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声，要求插入损耗小，反射损耗大。输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号(a)监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD 探测器泵浦LD输入隔离器输入WDM输出耦合器 输出隔离器输出WDM掺铒光纤热 沉光输入5 V0 V5 V电源监视激光器驱动输入光输出(b)图3-1 光纤放大器构成方框图 图3-2 实用光纤放大器外形图及其构成方框图输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号(a)监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD 探测器泵浦LD输入隔离器输

6、入WDM输出耦合器 输出隔离器输出WDM掺铒光纤热 沉光输入 5 V0 V 5 V电源监视激光器驱动输入光输出(b)EDFA特性：在泵浦光功率一定的条件下，输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率变化，基本保持不变。 当信号光功率增加到一定值 (一般为20dBm)，增益随信号光功率增加而下降， 输出信号光功率达到饱和。 图4 掺铒光纤放大器增益、 噪声指数和输出光功率与输 入光功率的关系曲线10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪声指数 / dB输出光功率 / dBm增益 / dB输入光功率 / dBm

7、增益 / dB掺铒光纤放大器的优点和应用掺铒光纤放大器的优点和应用1. 工作波长落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)；主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。2. 增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1016 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。3. 噪声指数小， 一般为47 dB; 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。EDFA主要优点：4. 频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为2040nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。若加1310nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可增加一倍。“波分复用+光纤放大器”

8、可充分利用光纤带宽增加传输容量。1550nmEDFA应用：副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统应用EDFA增加传输距离。 图5 光纤放大器的应用形式 (a) 中继放大器； (b) 前置放大器和后置放大器 LDPD中继放大器(a)LDPD后置放大器(b)前置放大器光纤LDPD中继放大器(a)LDPD后置放大器(b)前置放大器光纤二、二、 光波分复用技术光波分复用技术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(WDM)是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。基本原理：在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤

9、中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开(解复用)，作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，称光波分复用技术。 图6 中心波长在1.3 m和1.55 m的硅光纤低损耗传输窗口 (插图表示1.55 m传输窗口的多信道复用)80001.02.03.04.010001200140016001800载波频率信道间隔110 GHz波长 / nm衰减 / (dBkm1)在光纤两个低损耗传输窗口：波长为1.31m(1.251.35m)的窗口，相应的带宽 为中心波 长 和 相 应 的 波 段 宽 度 ， c 为 真 空 中 光 速 ) 为17700GHz；波长为1.55m(1.501.60m)的窗口，相

10、应带宽为12500GHz。两个窗口合在一起，总带宽超过30THz。和,/2Cf在同一窗口中信道间隔较小的波分复用称密集波分复用(DWDM)。 该系统是在1550 nm波长区段内，同时用8，16或更多个波长在一对光纤上构成光通信系统，其中各个波长间的间隔为1.6nm、0.8nm或更低。用WDM 和DWDM区分是1310/1550 nm 简单复用还是在1550 nm波长区段内密集复用。 1310/1550 nm复用超出EDFA的增益范围，用WDM来代替DWDM。在光层中，相邻光纤链路中的波长通道连接形成跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息传送，光通路可根据需要灵活、动态地建立和释放，

11、即为WDM全光网络。在WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下路的光分插复用器(OADM)，可在原来由光纤链路组成的物理层上面形成新的光层。2. WDM系统的基本形式系统的基本形式将不同波长的信号结合在一起经一根光纤输出的器件称复用器(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各个波长分别输出的器件称为解复用器(也叫分波器)。两种器件互易(双向可逆)，即将解复用器的输出端和输入端反过来用， 为复用器。WDM系统的基本构成：1. 双纤单向传输：在发送端将载有信息的、不同波长已调光信号1,2,n通过光复用器组合，在一根光纤

12、中单向传输。 各信号通过不同光波长携带，彼此之间不混淆。在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路光信号传输的任务。2. 单纤双向传输：双向WDM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，所用波长相互分开， 以实现双向全双工的通信。 系统设计考虑的系统因素：光反射、 双向通路间的隔离、串扰类型以及数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性，使用双向光纤放大器。设置光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)，使各波长光信号进行合流与分流，实现波长的上下路(Add/Drop)和路由分配，合理插入或分出信号。双向WDM系统开发和应用要求较高，但可减少使用光纤和线路放大

13、器的数量。 图7 双纤单向WDM传输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图8 单纤双向WDM传输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其中Pi为发送进输入端口的光功率；P0为从输出端口接收到的光功率。 010lg()(1)iPdBP1. 插入损耗：由于增加光波分复用器/解复用器产生的附加损耗，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3. 光波分复用器的性能参数光波分复用

14、器的性能参数波分复用器的基本要求：插入损耗小，隔离度大，带内平坦，带外插入损耗变化陡峭，温度稳定性好，复用通路数多，尺寸小等。2. 串扰抑制度：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。10lg()(2)ijijipCdBp 其中Pi是波长为i的光信号的输入光功率，Pij是波长为i的光信号串入到波长为j信道的光功率。其中Pj为发送进输入端口的光功率，Pr为从同一个输入端口接收到的返回光功率。10lg()(3)rjpRLdBp 3. 回波损耗：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4. 反射系数：在WDM器件的给定端口的反射光功率Pr与入射光功率Pj之比，即

15、10lg(4)ripRp 5. 工作波长范围：指WDM器件能够按照规定的性能要求工作的波长范围(min到max)。6. 信道宽度：光源间为避免串扰应具有的波长间隔。7. 偏振相关损耗：由于偏振态的变化造成插入损耗的最大变化值。WDM系统的基本结构系统的基本结构WDM系统的组成：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。OTU输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成多路光信号； 通过光功率放大器(BA)放大输出多路光信号。光发射机：位于WDM系统的发送端，将来自终端设备输出的光信号，利用光转发器(OTU)把非特定波长的光信号转换成具有

16、稳定的特定波长的光信号。图9 实际WDM系统的基本结构光转发器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经过一定距离传输后，用掺铒光纤放大器(EDFA)对光信号进行中继放大。根据具体情况，将EDFA用作“线放(LA)”, “功放(BA)”和“前放(PA)”。增益平坦技术：使EDFA对不同波长的光信号具有接近相同的放大增益。接收端，光前置放大器(PA)放大经传输而衰减的主信道光信号，分波器从主信道光信号中分出特定波长的光信号。 接收机要能承受有一定光噪声的信号，有足

17、够电带宽。光监控信道(OSC)：监控系统内各信道的传输情况；网络管理系统：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WDM系统进行管理， 实现配置管理、故障管理、性能管理和安全管理等功能，与上层管理系统相连。1. 发送端，插入本结点产生的波长为s(1510nm)的光监控信号，与主信道的光信号合波输出；2. 接收端，将接收到的光信号分离，输出s(1510 nm)波长的光监控信号和业务信道光信号。传送帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节。 WDM技术的主要特点技术的主要特点1. 充分利用光纤巨大的带宽资源(低损耗波段) 。2. WDM技术使用各波长的信道相互独立，

18、可传输特性和速率完全不同的信号。3. WDM技术使N个波长复用在单根光纤中传输，实现单根光纤双向传输，节省线路投资。 4. 降低器件的超高速要求5. 高度的组网灵活性、 经济性和可靠性光滤波器与光波分复用器光滤波器与光波分复用器光滤波器的应用：单纯的滤波应用、波分复用/解复用器中应用和波长路由器中应用。波分复用器和解复用器主要用在WDM终端和波长路由器以及波长分插复用器(WADM)中。 波长路由器用于波长选路网络，它有两个输入端口和两个输出端口，每路输入都载有一组WDM信号。 路由器交换波长1和4 ：在输入端口1上的波长中，若12和13由输出端口1输出，11和14由输出端口2输出；在输入端口2

19、上的波长中，若22和23由输出端口2输出，则21和24由输出端口1输出。 图10 光滤波器的三种应用(a) 单纯的滤波应用； (b) 波分复用器中应用； (c) 波长路由器中应用光滤波器1,2,3,42,3,41(a)波分复用器(b)12341,2,3,4波长路由器1,2,3,42,3,4(c)11112221,2,3,421121,2,3,412212光滤波器1,2,3,42,3,41(a)波分复用器(b)12341,2,3,4波长路由器1,2,3,42,3,4(c)11112221,2,3,421121,2,3,4122121. 有较低的插入损耗，且损耗与输入光的偏振态无关。若波长路由器的

20、路由方式不随时间变化，称静态路由器；路由方式随时间变化，称动态路由器。 静态路由器可用波分复用器构成。光滤波器的要求：波长分插复用器可看成波长路由器的简化形式，它有一个输入端口、一个输出端口，一个用于分插波长的本地端口。2. 滤波器的通带对温度的变化不敏感。3. 单个滤波器的通带传输特性平直，以便能够容纳激光器波长的微小变化。平直程度常用1 dB带宽衡量。图11 由波分复用器构成静态路由器12341,2,3,411111,2,3,422221,2,3,421121,2,3,41221解复用器复用器 图12 光滤波器的1 dB带宽400.9960.99811.0021.0043020100通带边

21、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 / dBa：用于将光分离为不同波长的单色光。 WDM系统中光栅用在解复用器中，分离出各个波长。波长选择技术及其在WDM系统中的应用：1. 光栅：光栅：CDAB b：光栅基本原理：设两个相邻缝隙间距即栅距为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的光程差由( )决定，(sinsin)(5)idABCDa 图13 光栅(a) 透射光栅； (b) 反射光栅 光栅平面影像平面21d1d2i1 2光栅平面影像平面21d1d2i1 2(a)(b)图14 透

22、射光栅的工作原理 idaDCBA光栅平面去影像平面来自光源a：传输媒质的周期性微扰可看作布喇格光栅；微扰常引起媒质折射率周期性的变化。其中m为整数，当a和i一定时，不同d对应不同的波长，像面上不同点对应不同的波长。 光栅方程为(sinsin)(6)idam2. 布喇格光栅布喇格光栅b：半导体激光器用布喇格光波导作分布反馈可获得单频输出(如DFB激光器)；光纤中写入布喇格光栅后用于光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。 一个波的能量可耦合到另一个波中。 为光栅周期.012(7)c：设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为0和1，如果满足布喇格相位匹配条件： e：设0=2neff/0，如果0=2n

23、eff，光波发生反射，0称作布喇格波长。 随入射光波的波长偏离布喇格波长，反射率降低.0002()2(8) d：反射型滤波器中，假设传播常数为0的光波从左向右传播，如果满足条件：光能可耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中。 图15 布喇格光栅的反射谱(a) 均匀折射率情形； (b) 变迹折射率情形 如图：具有几个波长的光同时传输到光纤布喇格光栅上，只有波长等于布喇格波长的光才反射，其它的光全部透射。 3. 光纤光栅光纤光栅b：传统光纤的SiO2中掺入少量锗(Ge)后具有光敏特性，由紫外(UV)光照射，引起光纤纤芯的折射率变化。a：光纤光栅可作光滤波器、光分插复用器和色散补偿器。对于全

24、光纤器件，主要优点有：插入损耗低，易于与光纤耦合，对偏振不敏感。c：用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯，照射光束的强度沿光纤长度方向周期性变化，强度高的地方纤芯折射率增加，强度低的地方纤芯折射率几乎无变化，即在光纤中写入光栅。d：位相版写入光栅：当用光束照射位相版时，光束分离成各个不同的衍射级， 衍射级相互干涉可将光栅写入光纤。1. 短周期光纤光栅称光纤布喇格光栅，其周期可和光波长相比较。2. 光纤布喇格光栅(FBG)是反射型光纤光栅，光栅使正向传输模同反向传输模之间发生耦合，光栅的波矢等于传输模波矢的2倍，光栅的周期应等于传输光波在光纤内部的波长的一半， 这种光纤光栅只对在布喇格波长及其

25、附近很窄的波长范围内的光发生反射，不影响其它波长的光通过。光纤光栅分短周期光纤光栅和长周期光纤光栅3. 光纤布喇格光栅特点是损耗低，波长准确度高(可达0.05 nm)，邻近信道串扰抑制较高，通带顶部平坦，光纤长度随温度变化稍有变化.WDM系统中，光纤布喇格光栅可用作滤波器、光分插复用器和色散补偿器。光分器由三端口光环行器和光纤布喇格光栅构成，光栅反射回来的波长2从环行器的端口3取出，余下的波长继续前行。在光分器基础上加一个耦合器，可实现光的分插功能。1. 光纤布喇格光栅：纤芯中正向传输模的能量耦合到反向传输模上。2. 长周期光纤光栅：纤芯中正向传输模的能量耦合到包层正向传输模，包层模沿光纤传输

26、时易消逝，相应波长位置的光波被衰减，出现一些损耗峰。工作原理 图16 基于光纤光栅结构的光分插复用器 (a) 简单光分； (b) 光分插123423光纤布喇格光栅13412134(a)123423光纤布喇格光栅13412(b)耦合器222图17 长周期光纤光栅的透射谱1.5365432101.541.551.561.571.58波长 / m透射谱 / dB2(9)pc为光栅周期。一般情况，两个正向传输模的传输常数相差很小，为发生耦合，要求是一个相当大值。设纤芯中模的传输常数(单模光纤)为， p阶包层模的传输常数为 ，相位匹配条件为pc已知传输光波长和纤芯、包层模的有效折射率，可设计合适值的长周

27、期光栅满足需要。 长周期光纤光栅适合作带阻滤波器，主要用于掺铒光纤放大器(EDFA)中作滤波器,使EDFA增益平坦化。 4. 法布里法布里-珀罗滤波器珀罗滤波器22(1)1( )(10)21 sin(2)1FPARTfRfR F-滤波器的功率传递函数TFP(f)与光的频率f有关：法布里-珀罗(FP)滤波器由两块平行放置的高反射率的镜面形成的腔构成的，也称FP干涉仪，输入光垂直到达第一个镜面，从第二个镜面输出。可作干涉仪及WDM系统中作滤波器。 图18 FP滤波器输入信号F-P滤波器反射若用自由空间波长表示，则22(1)1( )(11)221 sin()1FTARTRnlRA为每个镜面的吸收损耗

28、，R是每个镜面反射率(假设两个镜相同)，光在腔内单程传播的时延为，腔内介质的折射率为n， 腔长为l, =nl/c。 功率传递函数TFP(f)是频率f的周期函数，f满足f=k/2，k为正整数时，传递函数TFP(f)的值处在波峰(通带)上。图19 FP 滤波器的功率传递函数4030201001.510.500.511.5R0.99R0.90R0.75f / FSR功率传递函数 / dB由图可见：反射率R越大，相邻信道的隔离就越好。F-P滤波器两个紧邻通带间的光谱范围称自由光谱范围(FSR)，用FWHM表示传递函数的半高宽，比值FSR/FWHM称作F-P滤波器的精细度F, 则(12)RFR1. 改变

29、腔的长度；2. 改变腔内介质的折射率。改变腔长有机械移镜和用压电材料(PZT)两种办法。 F-P滤波器选择不同波长的两种方法：5. 多层介质薄膜滤波器多层介质薄膜滤波器薄膜谐振腔滤波器是F-P干涉仪，反射镜采用多层介质薄膜，称多层介质薄膜滤波器。用作带通滤波器时，只允许特定波长的光通过而其它所有波长的光反射，腔长决定通过的波长。滤波器特点：通带顶部平坦， 边缘尖锐，温度变化时性能稳定，插入损耗低，对光的偏振不敏感，滤波器多个级联可做波分复用器。薄膜谐振多腔滤波器结构：由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成。 改成多腔后与单腔相比，通带顶部更加平坦，边缘更尖锐。图20 三腔介质薄膜谐振腔滤波器腔

30、3腔 2腔 1反射介质玻璃衬底图21 单腔、 双腔、 三腔介质薄膜滤波器的传输谱0.9964030200100.99811.0021.0043腔2腔1腔0 / 滤波器的传输谱 / dB图22 基于多层介质薄膜滤波器的波分复用/解复用器透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜透镜窄带滤波器光纤13571,2,8光纤2486玻璃衬底光纤6. 马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪马赫-曾德尔干涉仪(MZI)使用两条不同长度的干涉路径决定不同的波长输出。MZI以集成光波导形式出现，用两个3dB定向耦合器连接两条不同长度的光通路。级联几个MZI后，由于波长随温度和时间变化漂移，串扰性能不如理想情况， 级联后的窄带

31、MZI的通带不平坦。MZI用作滤波器和波分复用器，在宽带滤波方面MZI用于分开1.31m和1.55m两个波长的光信号。通过级联几个MZI可做窄带滤波器，但导致损耗增加。 图23 马赫-曾德尔干涉仪(MZI) (a) 结构图； (b) 方框图； (c) 四级MZI 输入1输入2路程差，L输出1输出2(a)MZI(L)输入1输入2输出1输出2(b)MZI(L)MZI(2L)MZI(3L)MZI(4L)输入1输入2输出1输出2(c)1. MZI作解复用器时，有一个输入，假设从输入端口1输入，经过第一个定向耦合器后，功率平均分配到两臂上，但在两臂上的信号有/2的相差， 下臂的信号比上臂滞后/2。 2.

32、 下臂与上臂长度差L，则下臂信号的相位进一步滞后L, 为光在MZI介质中的传输常数。在第二个定向耦合器的输出1处，来自下臂的信号比来自上臂的信号延迟/2，在输出1处，两信号总相位差为/2+L+ /2 。MZI工作原理：3. 输出2处，两信号总相位差为 输入1的所有波长中，满足 (k为奇数)条件的波长，由输出1输出,满足 (k为偶数)条件的波长由输出2输出。 通过适当设计可实现波的解复用。LL22kL kL n2)13. 7(2cos2sin)()(221211LLfTfT其中f为光频率。若两臂长度差为L，输入1输入， 则单个MZI的功率传递函数为将MZI级联可构成多级马赫-曾德尔干涉仪。 MZ

33、I是互易器件，也可作21 复用器。 (前4个为每单个MZI的传递函数， 最后一个为级联后4级MZI的传递函数 图24 MZI的传递函数 第一级第二级第三级第四级所有级的级联0 / 7. 阵列波导光栅阵列波导光栅阵列波导光栅(AWG)是MZI的推广和一般形式，由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成。AWG可用作n1波分复用器和1n波分解复用器。与多级MZI相比，AWG损耗低，通带平坦，易集成在一块衬底上。AWG可作静态波长路由器。 图25 阵列波导光栅(AWG) 输出耦合器输入耦合器输出波导阵列波导输入波导图26 基于AWG的静态波长路由器 AWG1,2,3,411111,2,3,42222

34、1,2,3,433331,2,3,444441,2,3,412341,2,3,441231,2,3,434121,2,3,423411. 设AWG的输入端口数和输出端口数均为n，输入耦合器为nm形式，输出耦合器为mn形式，输入和输出耦合器间由m个波导连接，每相邻波导的长度差均为L。2. MZI是AWG在n=m=2情形的特例。输入耦合器将某个输入端口的输入信号分成m部分，各部分相对相位由从输入波导到阵列波导在输入耦合器中传输的距离决定。AWG工作原理：8. 声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器(AOTF)AOTF能同时选择多个波长，可构造波长路由器。其基本原理是声与光的相互作用。AOTF原理：波导材

35、料是双折射物质，能支持最低阶TE模和TM模。假设输入光是TE模，只能选择TM模的偏振器放在波导输出端。如果在被选择波长附近的一个窄谱范围内光能量转换为TM模式，其余光能量仍保持TE模式，可制成波长选择性滤波器。 图27 集成光波导AOTF 输入1输入2输出1输出2TETMTETMTMTETETM输入偏振器声传感器声波输出偏振器图28 简化的AOTF 偏振器声传感器声波输入输出TMTE滤波器可通过沿光波的传播方向或逆着光波的传播方向发射一列声波完成。声波传播引起媒质的密度周期性变化，其变化周期等于声波波长，相当于形成布喇格光栅。1(16)TMTEnn光波从一种模式耦合到另一种模式，为声波波长，为

36、光波长。设TE和TM模折射率为nTE和nTM，当满足布喇格条件满足布喇格条件在波长附近的窄谱范围内的光从TE模转换为TM模，如果输入光只是TE模，输出只选择TM模，可作窄带滤波器使用。若nTE-nTM=n，布喇格条件写为 (17)n 适当选择声波波长，经模式转换又位于AOTF通带内的波长被选择。布喇格条件决定选择的波长，滤波器通带宽度由声光相互作用的长度决定，声光相互作用的长度越长， 通带越窄。与偏振无关的AOTF，实现方式和与偏振无关的隔离器类似， 将输入光信号分解为TE和TM两个分量，分别通过AOTF后在输出端组合在一起。=-0, 0为满足布喇格条件的波长， 为滤波器通带宽度的量度，l为器

37、件长度，滤波器的半高宽FWHM=0.8。器件越长(声光相互作用长度越长)，滤波器通带就越窄；调谐速度与器件长度成反比，由声波通过器件的时间决定。)/(20nl AOTF的功率传递函数为22sin 1(2/ )2( )(18)12/T图29 AOTF的功率传递函数 42024403020100 / 功率传递函数 / dB与偏振无关的AOTF可用作22波长路由器，满足布喇格条件的波长被交换，若同时发射几个声波，有几个光波长同时满足布喇格条件，在单个器件上可同时完成几个波长的交换。通过改变声波频率可作动态波长路由器，适当级联22路由器可构成多输入多输出路由器。 图30 基于AOTF的波长路由器 (a

38、) 交换波长1; (b) 同时交换波长1和4 AOTF1,2111,2221,2211,212RF1(a)AOTFRF1,RF41,2,3,411111,2,3,422221,2,3,421121,2,3,41221(b)三、光三、光 交交 换换 技技 术术光交换有三种方式： 空分光交换、 时分光交换和波分光交换。 1、空分光交换、空分光交换空分光交换的功能：使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换的核心器件是光开关。它有电光型、 声光型和磁光型等，电光型光开关速度快、串扰小,结构紧凑，有很好的应用前景。典型光开关是用钛扩散在铌酸锂(Ti:LiNbO3)晶片上形成两条相距很近的光波导构成

39、，通过对电压的控制改变输出通路。由4个12光开关器件组成22光交换模块，12 光开关器件是Ti: LiNbO3定向耦合器型光开关，只是少用一个输入端。22光交换模块是最基本的光交换单元，它有两个输入端和两个输出端，通过电压控制，可实现平行连接和交叉连接。 图31 空分光交换(a) 22光交换单元； (b) 平行连接和交叉连接； (c) 44光交换单元 12光交换器件平行联接交叉联接(a)(b)定向耦合器光波导光信号输出光信号输入(c)2、 时分光交换时分光交换时分光交换以时分复用为基础，用时隙互换原理实现交换。时隙互换：把时分复用帧中各个时隙的信号互换位置。将时分复用信号经过分接器，在同一时间

40、内，分接器每条出线依次传输某一时隙的信号；使这些信号经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间；用复接器重新组合。时分复用：把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙分配给N路信号，再把N路信号复接到一条光纤上。在接收端用分接器恢复各路原始信号。 图32 时分光交换(a) 时分复用原理； (b) 时隙互换原理； (c) 等效的空分交换1复接器2N分接器12N12N1 2 3 4分接器时隙帧(a)1延 迟1延 迟22延 迟33延 迟44(b)复接器输入输出4 1 3 212341234(c)3、波分光交换、波分光交换1. 设波分交换机输入和输出与N条光纤连接，N条光纤可组成一根光缆。每条光纤承载W个波长的

41、光信号。 从每条光纤输入的光信号先通过分波器(解复用器)WDMX分为W个波长不同的信号。波分光交换(或交叉连接)：以波分复用原理为基础，采用波长选择或波长变换实现交换功能。基本原理：2. 所有N路输入的波长为i(i=1,2,W)的信号送到i空分交换器，进行同一波长N路(空分)信号的交叉连接，如何交叉连接由控制器决定。 图33 波分交换的原理框图(a) 波长选择法交换； (b) 波长变换法交换 1空分交换2空分交换3空分交换W空分交换1,2W12NN21WDMXWMUX分波器合波器(a)1,2W1,2W1,2W1,2W1,2W12WNWNW空分交换12W12W12W12W12W12W12W12N

42、12NWDMXWMUX波长变换器(b)3. W个空分交换器输出的不同波长的信号通过合波器(复用器)WMUX复接到输出光纤上。波长变换法是用同一个NWNW空分交换器处理NW路信号的交叉连接，空分交换器输出须加波长变换器， 后进行波分复接。提供连接数为N2W2，内部阻塞概率较小。四、光四、光 孤孤 子子 通通 信信1、光孤子的形成、光孤子的形成光孤子是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲(ps数量级)。光纤传输理论：假设光纤折射率n和入射光强(光功率)无关，保持不变。在低功率条件下成立，但在高功率条件下，折射率n随光强变化，称非线性效应。光孤子的形成是光纤的群速度色散和非线性效应相互

43、平衡的结果。利用光孤子作载体的通信称光孤子通信。202(19)nnn E式中E为电场，n0为E=0时的光纤折射率，约为1.45。强光作用下，光纤折射率n可表示为2( )( )( )(20)wLtn t Ln tc引起相位变化为光强感应的折射率变化的光纤中传输，的光脉冲在长度光强为设波长为,)()(222tEntnLE光纤折射率n随光强|E|2变化特性，称克尔效应。）。很小（但总折射率变化，场较大为称克尔系数。光纤中电102206222210)/(10,)/(10EnnnnmVVmn( )2( )( )(21)tLtn ttt 使脉冲不同部位产生不同相移的特性， 称自相位调制(SPM)。 频移使

44、脉冲频率改变分布，其前部(头)频率降低，后部(尾)频率升高，称脉冲已被线性调频，或称啁啾。 在脉冲上升部分，|E|2增加， 0， 得0，频率下移；脉冲顶部，|E|2不变， =0， 得=0，频率不变；脉冲下降部分，|E|2减小， 0，频率上移。tt)(tntn图34 脉冲的光强频率调制 151050510151050510250250.00.51.0时间 / ps时间 / ps频率 / cm1光强设光纤无损耗，光纤中传输的已调波为线性偏振模式，场可表示为00( , , )( ) ( , )exp()(22)E r z tR r U z titz式中，R(r)为径向本征函数，U(z,t)为脉冲的调

45、制包络函数,0为光载波频率，0为调制频率=0时的传输常数。式中，P为光功率，Aeff为光纤有效截面积。 是折射率和光功率的函数。输常数写成由非线性克尔效应，传可近似为单色平面波。处有峰值，频谱较窄，）的频谱在，（设已调波0tzrE02( , )()(23)effPpnnnccA 群速度和频率的关系。比例于一阶色散，描述线的运动速度。为群速度，即脉冲包络，式中,|1|002200wwggwwwvvw冲传输效应的影响。表示非线性效应对光脉称为非线性长度，。令NLNLeffeffpLLPcAnwAp1/|/22020和P=0附近， 把展开成级数，得20000021( , )()()(24)2PP 式

46、(24)略去高次项，但仍描述光脉冲在光纤中传输的特性，式中右边第三项和第四项最重要，体现光纤色散和非线性效应的影响。如果00，适当选择相关参数，使两项绝对值相等，光纤色散和非线性效应相互抵消，输入脉冲宽度保持不变， 形成稳定的光孤子。022( )()(25)dddcCdddw 波长为的光纤色散系数C()的定义为220122ggddVVfccdd式中为群延时，为群速，为光载波频率， 为光速；，比例于一阶色散。图35 单模光纤的色散特性 2010010201.1 1.21.4 1.5 1.6 1.7201001020色散位移光纤普通光纤0 / (ps2km1)C() / (ps(nmkm)1)(m

47、)D为零色散波长。D时，C()0，称光纤正常色散区；D时，C()0, 0PS。零差检测信号与直接检测信号平均光功率之比为。SLSLSPPPPP/4/4222相干检测有零差检测和外差检测两种方式。2(32)PSLIP P考虑本振光相位锁定在信号光相位上，即L=S，得零差检测的信号光电流为PL PS，零差检测接收光功率可放大几个数量级。 噪声增加，但灵敏度大幅度提高。( )2( )cos()(33)acSLIFsLItP t Pt2. 外差检测：外差检测：选择LS ，即IF=S-L0，称外差检测。选择fIF(=IF/2)在微波范围。中频信号产生的光电流为外差检测接收光功率放大，提高了灵敏度。信噪比

48、的改善比零差检测低3dB，但接收机设计相对简单，不需相位锁定。 零差检测技术复杂，相位变化灵敏， 必须控制相位， 使S-L保持不变，L和S相等。1. 幅移键控幅移键控(ASK)：基带数字信号只控制光载波的幅度变化， 称幅移键控(ASK)。2、调制和解调、调制和解调相干检测优点：可对光载波实施幅度、频率或相位调制。ASK的光场表达式( )( )cos(34)ssssE tA tt式中, AS、S和S为光场幅度、中心角频率和相位。 数字信号有三种调制方式即幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。图 40 ASK、 PSK和FSK调制方式比较 100110(a)(b)(c)(d)

49、电二进制信号ASKPSKFSKASK相干通信系统用外调制器实现，输出光信号幅度随基带信号变化，相位保持不变。如采用直接光强调制，幅度变化将引起相位变化。ASK中，S保持不变，只对幅度进行调制。对于二进制数字信号调制，多数情况，“0” 码传输，使AS=0，“1”码传输，使AS=1。2. 相移键控相移键控(PSK)：基带信号只控制光载波的相位变化， 称相移键控(PSK)。( )cos( )(35)sssE tAtt PSK的光场表达式为PSK中，AS保持不变，只对相位进行调制。传输“0”码和“1”码时，分别用两个不同相位表示。传输“0”时，光载波相位不变，传输“1”码时，相位改变180，称差分相移

50、键控(DPSK)。设计PSK只须选择适当的脉冲电压， 可使相位改变=。但接收端光波相位必须非常稳定，对发射和本振激光器的谱宽要求苛刻。3. 频移键控频移键控(FSK)：基带数字信号只控制光载波的频率，称频移键控(FSK)。( )cos ()(36)ssssE tAtt FSK的光场表达式为FSK中，AS保持不变，只对频率进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用频率f0(=0/2)和f1(=1/2)表示。对于二进制数字信号，用(S-)和(S+)分别表示“0”码和“1”码,2f(=2/2)称码频间距。1. 零差检测时，光信号直接被解调为基带信号，要求本振光的频率和信号光频率完全相同，本振光相

51、位锁定在信号光相位上，采用同步解调。相干检测的解调方式有两种： 同步解调和异步解调。2. 外差检测时，不要求本振光和信号光频率相同，也不要求相位匹配，可采用同步解调，也可采用异步解调。3. 同步解调要求恢复中频IF(微波频率)，要求电锁相环路。 异步解调简化接收机设计， 技术上容易实现。4. 两种解调方式差别在于接收机噪声对信号质量的影响。异步解调要求信噪比(SNR) 高，但异步解调接收机设计简单，对信号光源和本振光源的谱线要求适中。 图41 外差同步解调接收机方框图 光检测器带通基带信号本振光信号光SL低通载波恢复图42 外差异步解调接收机方框图 光检测器带通基带信号本振光信号光SL低通包络

52、检波3、误码率和接收灵敏度、误码率和接收灵敏度相干光通信系统光接收机性能可用信噪比(SNR)定量描述。22242 ()(37)nsTLkTiiie IId BBR式中, 和 分别为散粒噪声功率和热噪声功率， e为电子电荷，Id为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽，kT为热能量，RL为光检测器负载电阻，I为光电流，由式(31)或式(32)确定。2Ti2ni系统总平均噪声功率(均方噪声电流)为22222(38)2 ()acsLnLdTIppSNRIepIBI外差检测的信噪比光检测器的响应度=e/hf, 为光检测器量子效率，e和hf为电子电荷和光子能量；等效噪声带宽B=fb/2，fb为传输速率，平均信

53、号光功率PS用每比特时间内光子数NP表示为(40)SPbPN hff相干光接收机噪声由本振光功率PL引入的散粒噪声支配，与信号光功率大小无关，式(38)中Id和i2T项可略去，得SP 39SNReB（ ）把上述关系代入式(39)得到2(41)pSNRN零差检测的平均信号光功率是外差检测的2倍，其信噪比4(42)PSNRN2. 误码率：误码率：由信噪比(SNR)确定。 以ASK零差检测为例，设判决信号为1()(43)2aPcIIi式中,Ip=2(PsPL)1/2为信号光电流，ic为高斯随机噪声。11211()(45)22IQSNRN,0101NNIIQ）（式中， N0和N1分别为“0”码和“1” 码的等效噪声功率，设N0=N1，I0=0，则得到设“0”码和“1”码时，IP取I0和I1，理想情况下误码率1()(44)22QBERerfc121()(46)22PNBERerfc把式(45)和式