71光纤放大器72光波分复用技术73光交换技术74光孤子

71光纤放大器72光波分复用技术73光交换技术74光孤子内容摘要：

km。 ⑥ 美国 Mciworld和加拿大 Nortel: 100路 10 Gb/s=1 Tb/s， 沿 NZDF光纤在 C和 L波带传输 4段 ， 约 200 km。 ⑦ 美国 Qtera 和 Qwest: 两个波带 4路 10 Gb/s和 2路 10 Gb/s沿 NZDF光纤传输 23 105 km=2415 km, 这个试验虽然 WDM路数不多 ， 但在陆地光缆中却是最长距离。 WDM技术的主要特点 1. 充分利用光纤的巨大带宽资源 光纤具有巨大的带宽资源 (低损耗波段 )， WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍 ， 从而增加光纤的传输容量 ， 降低成本 ， 具有很大的应用价值和经济价值。 2. 由于 WDM技术使用的各波长的信道相互独立 ， 因而可以传输特性和速率完全不同的信号 ， 完成各种电信业务信号的综合传输 ， 如 PDH信号和 SDH信号 ， 数字信号和模拟信号 ， 多种业务(音频 、 视频 、 数据等 )的混合传输等。 3. 采用 WDM技术可使 N个波长复用起来在单根光纤中传输 ，也可实现单根光纤双向传输 ， 在长途大容量传输时可以节约大量光纤。 另外 ， 对已建成的光纤通信系统扩容方便 ， 只要原系统的功率余量较大 ， 就可进一步增容而不必对原系统作大的改动。 4. 随着传输速率的不断提高 ， 许多光电器件的响应速度已明显不足 ， 使用 WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求 ，同时又可实现大容量传输。 5. 高度的组网灵活性 、 经济性和可靠性 WDM技术有很多应用形式 ， 如长途干线网 、 广播分配网 、 多路多址局域网。 可以利用 WDM技术选择路由 ， 实现网络交换和故障恢复 ， 从而实现未来的透明 、 灵活 、 经济且具有高度生存性的光网络。 光滤波器与光波分复用器 在前面介绍耦合器时 ， 已经简单地介绍了 波分复用器(WDM)。 在这一部分我们将介绍各种各样的波长选择技术 ， 即 光滤波技术。 光滤波器在 WDM系统中是一种重要元器件 ， 与波分复用有着密切关系 ， 常常用来构成各种各样的 波分复用器和解复用器。 波分复用器和解复用器主要用在 : • WDM终端 • 波长路由器 • 波长分插复用器 (Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM) 图 光滤波器的三种应用： • 单纯的滤波应用 (图 (a)) • 波分复用 /解复用器中应用 (图 (b)) • 波长路由器中应用 (图 (c))。  1 光滤波器 图 (a) 单纯的滤波应用  1 ,  2 ,  3 ,  4  ,  ,  2 3 4 波分复用器  1  2  3  4 图 (b) 波分复用器中应用  1 ,  2 ,  3 ,  4 图 (c) 波长路由器中应用 波长路由器  1 ,  2 ,  3 ,  4  1 , 2 ,  3 ,  4 1 1 1 1 2 2 2 2  1 ,  2 ,  3 ,  4 2 1 1 2  1 ,  2 ,  3 ,  4 1 2 2 1 波长路由器 是 波长选路网络 (Wavelength Routing Network)中的关键部件 ， 其功能可由图 (c)的例子说明 它有两个输入端口和两个输出端口 ， 每路输入都载有一组λ1,λ2,λ3和 λ4 WDM信号。 如果用 来标记第 i输入链路上的波长 λj, 则路由器的输入端口 1上的波长记为 、 、 、 , 输入端口 2上的波长记为 、 、 、。 ij11 12 13 1421 22 23 24 在输入端口 1上的波长中 ， 如果 和 由输出端口 1输出 ，则 和 由输出端口 2输出；在输入端口 2上的波长中 ， 如果 和 由输出端口 2输出 ， 则 和 由输出端口 1输出 ， 这样 ，我们就称路由器交换了波长 λ1和 λ4。 12 1311 1422 23 21 24 在本例中 ， 波长路由器只有两个输入端口和两个输出端口 ， 每一路上只有 4个波长 ， 但是在一般情况下 ， 输入和输出的端口数是 N(≥2)， 并且每一端口的波长数是 W(≥2)(参看图 )。 12341, 2, 3, 41 1 1 11, 2, 3, 42 2 2 21, 2, 3, 42 1 1 21, 2, 3, 41 2 2 1解复用器 复用器 如果一个波长路由器的路由方式不随时间变化 ， 就称为 静态路由器 ；路由方式随时间变化 ， 则称之为 动态路由器。 静态路由器可以用波分复用器来构成 ， 如下图所示。 波长分插复用器可以看成是波长路由器的简化形式 ， 它只有一个输入端口和一个输出端口 ， 再加上一个用于分插波长的本地端口。 对光滤波器的主要要求有： (1) 一个好的光滤波器应有较低的插入损耗 ， 并且损耗应该与输入光的偏振态无关。 在大多数系统中 ， 光的偏振态随机变化 ， 如果滤波器的插入损耗与 光的偏振有关 (PDL: Polarization dependent Loss), 则输出光功率将极其不稳定。 (2) 一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感。 温度系数是指温度每变化 1℃ 的波长漂移。 一个 WDM系统要求在整个工作温度范围 (大约 100 ℃ )内 ， 波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔。 (3) 在一个 WDM系统中 ， 随着级联的滤波器越来越多 ， 系统的通带就变得越来越窄。 为了确保在级联的末端还有一个相当宽的通带 ， 单个滤波器的通带传输特性应该是平直的 ， 以便能够容纳激光器波长的微小变化。 单个滤波器的通带的平直程度常用 1dB带宽来衡量 ， 如图。 图 光滤波器的 1 dB带宽 － 400 . 9 9 60 . 9 9 8 1 1 . 0 0 2 1 . 0 0 4－ 30－ 20－ 100通带边缘20 dB带宽串扰能量3 dB带宽1 dB带宽相邻信道1 d B3 d B0 / 滤波器的幅度传输特性 / dB 下面将介绍一些 波长选择技术 及其在 WDM系统中的应用。 1. 光栅 (Grating)广泛地用来将光分离为不同波长的单色光。 在 WDM系统中 ， 光栅主要用在解复用器中 ， 以分离出各个波长。 图 ， 图 (a)是 透射光栅 ， 图 (b)是 反射光栅。 图 (a) 透射光栅； (b) 反射光栅 光栅平面 影像平面  2  1 q d 1 q d 2 q i  1 ＋  2 光栅平面 影像平面  2  1 q d 1 q d 2 q i  1 ＋  2 (a) (b) 我们以透射光栅为例来说明光栅的基本原理。 如图 示 ， 设两个相邻缝隙间的距离即栅距为 a, 光源离光栅平面足够远 (相对于 a而言 )， 入射角为 θi， 衍射角为 θd， 通过两相邻缝隙对应光线的光程差由 ( )决定 ， 而 CDAB 其中 m为整数 ， 当 a和 θi一定时 ， 不同的 θd对应不同的波长 λ，也就是说 ， 像面上的不同点对应不同的波长 ， 于是可用作WDM中的解复用器。 )s i n( s i n diaCDAB qq () 光栅方程为 :   qq ma di  s i ns i n() 透射光栅的工作原理 qiqdaDCBA光栅平面去影像平面来自光源2. 布喇格光栅 (Bragg Grating)广泛用于光纤通信之中。 一般情况下 ， 传输媒质的周期性微扰可以看作是布喇格光栅； 这种微扰通常引起媒质折射率周期性的变化。 半导体激光器使用布喇格光波导作分布反馈可以获得单频输出 (如 DFB激光器 )；在光纤中 ， 写入布喇格光栅后可以用于光滤波器 、 光分插复用器 和 色散补偿器。 设两列波沿着同一方向传播 ， 其传播常数分别为 β0和 β1，如果满足 布喇格相位匹配 其中 Λ为光栅周期 ， 则一个波的能量可以耦合到另一个波中去。 在反射型滤波器中 ， 我们假设传播常数为 β0的光波从左向右传播 ， 如果满足条件：  210（ ）  22)(000（ ） 则这个光波的能量可以耦合到沿它的反方向传播的具有相同波长的反射光中去。 设 β0=2πneff/λ0， 其中 λ0为输入光的波长 ， neff为波导或光纤的有效折射率。 也就是说 ， 如果 λ0=2neffΛ， 光波将发生反射 ，这个波长 λ0就称作 布喇格波长。 随着入射光波的波长偏离 布喇格波长 ， 其反射率就会降低 ， 如图 (a)所示。 如果具有几个波长的光同时传输到 光纤布喇格光栅 上 ，则只有波长等于 布喇格波长 的光才反射 ， 而其它的光全部透射。 图 (a)中的功率反射谱是针对折射率均匀周期性变化的光栅而言的 ， 为了消除不需要的旁瓣 ， 新研制成功了一种称为变迹光栅 (Apodized Grating)的光栅 ， 它与渐变折射率光纤有点类似 ， 其折射率沿光栅纤芯到边沿逐渐减小 ， 变迹光栅的功率反射谱如图 (b)所示。 注意 : 变迹光栅旁瓣的减少是以主瓣加宽为代价的。 图 (a) 均匀折射率情形； (b) 变迹折射率情形 0 2 4－ 2－ 4－ 40－ 30－ 20－ 100( a )( b )△ /△ /0 2 4－ 2－ 4－ 40－ 30－ 20－ 100反射功率谱 / dB反射功率谱 / dB 3. 光纤光栅 光纤光栅 (Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全光纤器件 ， 其用途非常广泛 ， 可用作 光滤波器 、 光分插复用器 和 色散补偿器。 对于全光纤器件 ， 其主要优点有： • 插入损耗低 • 易于与光纤耦合 • 对偏振不敏感 • 温度系数低 • 封装简单 • 利用某种特殊光纤的光敏特性 ， 就可在光纤中写入光栅。 在传统光纤的 SiO2中掺入少量锗 (Ge)后就具有了光敏特性 ， 再由紫外 (UV)光照射 ， 就可引起光纤纤芯的折射率变化。 若用两束相干的紫外光照射掺杂后的光纤纤芯 ， 则照射光束的强度将沿着光纤长度方向周期性地变化 ， 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任何变化 ， 这样就在光纤中写入了光栅。 形成光栅所要求的折射率变化是极低的 ， 大约为 104。 也可以使用 位相版 (phase mask)。