光纖布拉格光柵

1、光纖光柵的發(fā)展歷史在光纖中摻入鍺元素后光纖就具有光敏性，通過(guò)強(qiáng)激光照射會(huì)使其纖芯內(nèi)的縱向折射率呈周期性變化，從而形成光纖光柵。光纖光柵的作用實(shí)際上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶濾波器。通過(guò)選擇不同的參數(shù)使光有選擇性地透射或反射。1978年，Hill等首次發(fā)現(xiàn)摻鍺光纖具有光敏效應(yīng)，隨后采用駐波法制造了可以實(shí)現(xiàn)反向模式間耦合的光纖光柵布拉格光柵。但是它對(duì)光纖的要求很高摻鍺量高，纖芯細(xì)。其次，該光纖的周期取決于氬離子激的光波長(zhǎng)，且反射波的波長(zhǎng)范圍很窄，因此其實(shí)用性受到限制。1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉條紋側(cè)面曝光氫載光纖寫(xiě)入布拉格光柵的全息法制作光光柵技術(shù)。與駐波法相比，全息法可以通過(guò)

2、選擇激光波長(zhǎng)或改變相干光之間的夾角在任意波段寫(xiě)入光纖布拉格光柵，推動(dòng)了光纖光柵制作技術(shù)的發(fā)展。全息法對(duì)光源的相干性要求很?chē)?yán)，同時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境的穩(wěn)定性也有較高的要求，執(zhí)行起來(lái)較為困難。1993年，Hill等使用相位掩膜法來(lái)制作光柵，即用紫外線垂直照射相位掩膜形成的衍射條紋曝光氫載光纖。由于這種方法制作的光柵僅由相位光柵的周期有關(guān)而與輻射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以對(duì)光源的相干性的要求大大降低。該方法對(duì)寫(xiě)入裝置的復(fù)雜程度要求有所降低，對(duì)周?chē)h(huán)境也要求較低，這使得光柵的批量生產(chǎn)成為可能，極大地推動(dòng)了光纖光柵在通信領(lǐng)域的應(yīng)用。自1978年首個(gè)光纖光柵問(wèn)世以來(lái)，光纖光柵的制作方法和理論研究都獲得了飛速發(fā)展，這促進(jìn)了

3、其在通信領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。在光纖布拉格光柵的基礎(chǔ)上，人們研制出特殊光柵，比如啁啾光纖光柵，高斯變跡光柵升余弦變跡光柵，相移光纖光柵和傾斜光纖光柵等。1995年，光纖光柵實(shí)現(xiàn)了商品化。1997年，光纖光柵成為光波技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)器件。光柵光纖的應(yīng)用光想光上具有體積小，熔接損耗小，與光纖全兼容，抗電磁干擾能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定和電絕緣等特點(diǎn)，這使得它在光纖通信和光信息處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在光纖通信中，光纖光柵可以用于光纖激光器、光纖放大器、光柵濾波器、色散補(bǔ)償器、波分復(fù)用器，也可以用于全光波長(zhǎng)路由和光交換等。它為全光通信中的許多關(guān)鍵問(wèn)題提供了有效的解決方案。光纖光柵用作激光器。光柵具有窄帶濾波的功能

4、，這可以使其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高功率的線性腔和環(huán)形腔激光輸出。光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)選擇連續(xù)可調(diào)、調(diào)諧范圍大、線寬窄、輸出功率高和相對(duì)強(qiáng)度噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵用作干涉儀。將光纖布拉格光柵和光纖耦合器結(jié)合使用，可以構(gòu)成干涉儀。其中比較常見(jiàn)的有法布利波羅干涉儀、薩格納克干涉儀、馬赫增德?tīng)柛缮鎯x和邁克爾遜干涉儀。法布里波羅干涉儀常用來(lái)制作激光器。光柵光纖用作放大器。光纖放大器的研究主要集中在摻餌光纖上，但摻餌光纖放大器具有增益不平坦性，這導(dǎo)致不同頻率的信號(hào)光的放大倍數(shù)不同，影響了信息的傳輸質(zhì)量。可以使用布拉格光柵的反射或?yàn)V波特性來(lái)提高放大器的性能。把光柵寫(xiě)入摻餌光纖中，可以使增益譜線平坦的同時(shí)又不會(huì)影響放大

5、器的噪聲系數(shù)和飽和輸出功率。光柵光纖用于色散補(bǔ)償。在阻帶附近，普通光柵光纖的色散參量要比普通光纖高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，該特性可以使其用于色散補(bǔ)償。半極大全寬度為40ps的脈沖在長(zhǎng)度為100km、波長(zhǎng)為1550nm色散為-20ps2/km的光纖傳輸后，脈沖展寬為144ps，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為10cm、失諧量為9.9cm-1耦合系數(shù)為50cm-1的光柵補(bǔ)償后脈沖寬度變?yōu)?6ps。啁啾光柵的帶寬和色散都很大，也可以用于色散補(bǔ)償。但和普通光柵相比，啁啾光柵需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，同時(shí)還須要增加一個(gè)光環(huán)行器或耦合器，這會(huì)增加系統(tǒng)的插入損耗。如果增加普通光柵的寫(xiě)入長(zhǎng)度或增加光柵的強(qiáng)度，也可以達(dá)到提高壓縮比率和增加帶寬的目的

6、。光纖光柵用作濾波器。普通光柵在阻帶內(nèi)的反射率很容易超過(guò)90%，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)甚至可以接近100%，而在阻帶邊緣反射率會(huì)急劇減小。這樣的頻率相關(guān)性決定了光纖光柵的濾波特性。將普通光柵放入干涉儀結(jié)構(gòu)或使用莫爾光柵均可構(gòu)造濾波器。通過(guò)將光柵級(jí)聯(lián)可以獲得更高的反射率。光纖光柵用作波分復(fù)用器。光纖通信中的波分復(fù)用/解復(fù)用對(duì)器件要求較高，一般要求在通信頻帶內(nèi)的濾波帶寬窄、體積小及回波損耗小等，而布拉格光纖光柵正好滿足這些條件。在信道間隔為25GHz時(shí)密集波分復(fù)用也能夠很好的實(shí)現(xiàn)。光纖光柵還能夠提高波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，在基于分插復(fù)用（Optical Add and Drop Multiplexing，OA

7、DM）的波分復(fù)用系統(tǒng)中加入光柵可以減小串?dāng)_的影響。有源光纖光柵耦合器傳輸及開(kāi)關(guān)特性研究光纖光柵的分類現(xiàn)根據(jù)光纖光柵的常用名特征來(lái)對(duì)光纖光柵進(jìn)行分類。一種光纖光柵的名字通常需要包括其耦合方向、折射率函數(shù)分布特點(diǎn)和光纖種類，才可以直接明確的看出其簡(jiǎn)要光譜特性。1按耦合方向分類根據(jù)光纖光柵的耦合方向，可將光纖光柵分為FBG和LPFG。這兩種類型的光纖光柵因其耦合方向不同，因而具有截然不同的耦合機(jī)理及分析方法，并決定了光纖光柵最基本的光譜特性。由于這兩種光纖光柵的周期有著明顯差別，因而也有人稱這種分類方法為根據(jù)光柵周期的長(zhǎng)短分類。1.1光纖Bragg光柵FBG的耦合機(jī)理是纖芯基膜向反向傳輸?shù)睦w芯基膜，

8、包層?；蜉椛淠ゑ詈?，是個(gè)反射型的光纖光柵。FBG柵格周期一般為幾百nm，諧振峰帶寬為0.5nm左右。這類光纖光柵是最早發(fā)展起來(lái)的，寫(xiě)制方法以及成柵機(jī)理都已經(jīng)很成熟穩(wěn)定，目前在實(shí)際的應(yīng)用方面最為廣泛。1.2長(zhǎng)周期光纖光柵LPFG的耦合機(jī)理是纖芯基膜向同向傳輸?shù)陌鼘幽；蜉椛淠ゑ詈希莻€(gè)消耗型光纖光柵。LPFG柵格周期一般為幾百m。與FBG相比，LPFG的諧振峰帶寬要大得多，約為幾十nm。2.按折射率函數(shù)分布特征分類光纖光柵是對(duì)光纖中傳導(dǎo)膜有效折射率進(jìn)行周期性空間調(diào)制的器件，其折射率分布可表示為：neffz=neffz1+cos2zz+z其中，z為沿光纖軸向的坐標(biāo)，neff是一個(gè)光柵周期內(nèi)空間平均“

9、dc”折射率改變，是光柵周期，是折射率改變的條紋可見(jiàn)度，一般取1，z表示光纖光柵的啁啾。根據(jù)光柵的折射率函數(shù)的分布特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分類命名，典型的有以下幾種：2.1均勻光纖光柵均勻光纖光柵的折射率函數(shù)為一理想的正弦或余弦函數(shù)。如圖。其柵格周期z，折射率調(diào)制函數(shù)neff(z)和相位函數(shù)z均為常數(shù)，是最早出現(xiàn)也是應(yīng)用最普遍的光纖光柵。2.2傾斜光纖光柵傾斜光纖光柵（Titled fiber grating ,TFG）也稱為閃耀光線光柵的折射率沿光纖軸向的分布為：neffz=neffz1+cos20zcos其中為光柵條紋與光纖軸的夾角。圖為一個(gè)夾角為1°的TFG的折射率分布圖，可以看出它的折射率

10、函數(shù)分布為一個(gè)傾斜的余弦函數(shù)。TFG光譜的特點(diǎn)是：存在很多向前傳輸?shù)睦w芯基膜與高階輻射模耦合形成的諧振峰，并且光柵條紋傾斜有效的降低了光柵條紋的可見(jiàn)度，因此布拉格反射峰會(huì)減小。對(duì)于傾斜角度很小的TFBG，在緊靠Bragg諧振峰的短波長(zhǎng)方向還有一個(gè)由纖芯導(dǎo)模與低階包層模耦合形成的幻影模。由于存在的包層模式的耦合，因此TFBG可用于各類折射率和濃度的傳感器，并且它具有比LPFG更好的溫度穩(wěn)定性。2.3啁啾光纖光柵啁啾光纖光柵（Chirped Fiber grating）的折射率調(diào)制深度neffz為一個(gè)常數(shù)，而光柵周期是一個(gè)與z有關(guān)的函數(shù)z。圖為一個(gè)線性啁啾光纖光柵的折射率沿光纖軸向分布的示意圖。常

11、見(jiàn)的z有一階函數(shù)、分段函數(shù)等等。對(duì)于線性函數(shù)，z為z=-z2ddz啁啾光纖光柵的光譜特點(diǎn)是與均勻光纖光柵相比，它極大地增加了諧振峰的帶寬。如啁啾FBG帶寬可達(dá)幾十nm，因而可應(yīng)用于色散補(bǔ)償和光纖放大器的增益平坦。2.4相移光纖光柵相移光纖光柵（Phase-shifted fiber grating ,PSFG）的相位函數(shù)z為一個(gè)類函數(shù)，也就是沿著光纖軸向上某一點(diǎn)或多點(diǎn)存在突變，除了相位突變區(qū)域外光柵周期及折射率調(diào)制深度均為常數(shù)。圖為一個(gè)單相移PSFG的折射率分布示意圖。相移光纖光柵的光譜特點(diǎn)是：在光柵光譜的諧振峰中打開(kāi)若干個(gè)投射窗口。因此被廣泛的應(yīng)用于可調(diào)諧光器件以及多參量傳感方面，在光通信及

12、光譜分析等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。2.5取樣光纖光柵取樣光纖光柵（Sampled fiber grating ,SFG）可視為均勻光纖光柵的振幅或折射率調(diào)制深度被特殊函數(shù)（如方波函數(shù)、sinc函數(shù)等）調(diào)制的結(jié)果，而每個(gè)單元的光柵折射率調(diào)制深度和周期均為常數(shù)。方波調(diào)制的取樣光纖光柵的折射率分布可表示為：n(z)=combzprectzaneffz1+cos2zzrectzl其中，a是每一段均勻光纖光柵的長(zhǎng)度，p為取樣周期，L為光柵總長(zhǎng)度，如圖。取樣光纖光柵的光譜主要特點(diǎn)是：具有很多帶寬相同的諧振峰。因而在多通道濾波，波分復(fù)用通信系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.6Tapered光纖光柵

13、Tapered光纖光柵可視為FBG的折射率調(diào)制深度被特定的函數(shù)（如正弦或余弦函數(shù)的平方）調(diào)制的結(jié)果，而柵格周期不變。其折射率分布函數(shù)為：nz=n0+2neffF1+cos2z其中F為調(diào)制函數(shù)，它可以為正弦、余弦和高斯函數(shù)。圖為一個(gè)余弦函數(shù)調(diào)制的Tapered光纖光柵折射率沿光纖軸向的分布示意圖。根據(jù)實(shí)際需要，可以通過(guò)改變調(diào)制函數(shù)F及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)控制其諧振峰的形狀。常見(jiàn)的有高斯分布型及正弦調(diào)制型，可用于群色散的補(bǔ)償或多波長(zhǎng)激光器的輸出。2.7Moire光纖光柵Moire光纖光柵即莫爾光纖光柵，其平均折射率調(diào)制深度和柵格周期沿光纖軸向均為非線性變化。其折射率沿光纖軸向分布表達(dá)式為：nz=n0+n

14、eff1+sin(2za)cos2zb如圖，是一種具有慢變包絡(luò)的快變余弦函數(shù)，其中a是快變包絡(luò)周期，b是慢變包絡(luò)周期。Moire光纖光柵大多采用二次曝光法制作，若第一次曝光的頻率為1，第二次曝光的頻率為2，那么形成的莫爾光柵的包絡(luò)周期為：a=2121+2b=2121-2根據(jù)上式，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)曝光的周期得到實(shí)際需要的光譜。Moire光纖光柵的光譜類似于相移光纖光柵，其慢包絡(luò)的零點(diǎn)位置相當(dāng)于引入了一個(gè)相移。均勻的或啁啾的Moire光纖光柵的光纖參量對(duì)光譜的影響不相同。均勻莫爾光柵的慢包絡(luò)零點(diǎn)位置決定了投射窗口的透射率，但增加慢包絡(luò)零點(diǎn)只增加光譜透射峰的帶寬，而透射峰數(shù)量不變。對(duì)于啁啾莫爾光柵，

15、增加慢包絡(luò)的零點(diǎn)，透射窗口也會(huì)增加，并且慢包絡(luò)零點(diǎn)位置變化，透射峰的透射率和位置都會(huì)變化。2.8切趾光纖光柵切趾光纖光柵（Apodized fiber grating ,AFG）的折射率調(diào)制深度從光柵中心向光柵兩端逐漸遞減，在光柵邊緣降為零。其折射率沿光纖軸向分布的表達(dá)式為：neff=nefffz(1+cos2z+z)其中，fx為切趾函數(shù)，常見(jiàn)的有高斯函數(shù)、余弦函數(shù)等。圖為一高斯型切趾光纖光柵的折射率分布示意圖。切趾光纖光柵光譜的主要特點(diǎn)是：光譜的旁瓣被抑制。由于這個(gè)特點(diǎn)使其具有更高的波長(zhǎng)選擇性，避免了在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中的串?dāng)_。3.按光纖種類分類除按光纖的耦合方向，其折射率分布特點(diǎn)分類外，還有重要

16、的一項(xiàng)就是按光纖的種類分類來(lái)說(shuō)明光纖光柵的特點(diǎn)。根據(jù)光纖的材料可分為硅玻璃光纖光柵和塑料光纖光柵。而根據(jù)光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為單模光纖光柵，多模光柵光纖，保偏光纖光柵，微結(jié)構(gòu)光纖光柵（包含光子晶體光纖光柵）。其中微結(jié)構(gòu)光纖光柵根據(jù)不同微孔排列特征又可以進(jìn)行細(xì)分。不同類型的光纖中傳導(dǎo)的模式的有效折射率均不同，所以用其寫(xiě)制的光纖光柵所具有的光譜特性也不相同。采用特殊的光纖寫(xiě)制的光柵會(huì)具有一些特殊的應(yīng)用，例如利用微結(jié)構(gòu)光纖中空氣孔的存在，在其中填充溫度敏感材料或者液晶材料，能實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光纖光柵。在塑料光纖中寫(xiě)制光柵實(shí)現(xiàn)大范圍的波長(zhǎng)可調(diào)諧。新型相移光纖光柵的設(shè)計(jì)及傳感特性研究.pdf光纖布拉格光柵在光

17、纖光柵技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，Hill等人首先在1978年發(fā)現(xiàn)了摻鍺光纖的紫色光敏特性，并展示在光纖芯部形成光柵的可能性。由于制作技術(shù)上的困難，很難重復(fù)制作出相同的光纖光柵。直到十年之后Meltz等人發(fā)展了橫向側(cè)面暴光光纖光柵制作技術(shù)以及在光纖拉制過(guò)程中在線光纖光柵的制作方法，從而使得這種光纖器件具有了可重復(fù)性和規(guī)模制作的現(xiàn)實(shí)性。光纖光柵是通過(guò)改變光纖芯區(qū)折射率，產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成的，其折射率變化通常僅在10-810-2之間。將光纖置于周期性空間變化的紫外光源下，即可在光纖芯中產(chǎn)生這樣的折射率變化。用于制作這種光纖光柵的主要技術(shù)之一是用兩個(gè)之外光束形成的空間干涉斑紋圖來(lái)照射光纖，這樣就在光纖芯部

18、生成了永久的周期性折射率調(diào)制?！竟饫w光柵原理與應(yīng)用（一）光纖光柵原理】光柵光纖開(kāi)關(guān)效應(yīng)的研究光開(kāi)關(guān)是按一定要求將一個(gè)光通道的光信號(hào)裝換到另一個(gè)光通道的器件，可使光路之間進(jìn)行直接交換。在全光網(wǎng)絡(luò)中，光開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)在全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等重要功能；另外，光交叉連接設(shè)備（Optical Cross Connct,OXC）和光差分復(fù)用設(shè)備（Optical Add Drop Multiplex , OADM）是全光網(wǎng)的核心，而光開(kāi)關(guān)是全光通信網(wǎng)中的關(guān)鍵光器件。本章采用了數(shù)值模擬法對(duì)光纖布拉格光柵和長(zhǎng)周期光柵的開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行了理論分析，并討論了不同變量對(duì)光開(kāi)關(guān)性能的影響。1.布拉

19、格光柵的開(kāi)關(guān)效應(yīng)1.1開(kāi)關(guān)原理及模型采用光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的方法有兩種，一種是利用光纖光柵的自相位調(diào)制效應(yīng)。光柵帶隙內(nèi)的光在低功率時(shí)會(huì)被反射，但當(dāng)光功率很高時(shí)，由于光的自相位調(diào)制，使得帶隙內(nèi)的光被調(diào)諧到帶隙外，從而可以通過(guò)光柵；第二種方法是利用光的交叉相位調(diào)制，利用強(qiáng)的泵浦光改變光柵的禁帶特性，從而控制信號(hào)光的開(kāi)關(guān)特性。本節(jié)主要討論交叉相位調(diào)制效應(yīng)引起的光開(kāi)關(guān)現(xiàn)象。在沒(méi)有泵浦光輸入時(shí)，布拉格光柵的耦合模方程可以表示為：Afz+ncAft=iAf+iAb+i(Af2+2Ab2)Af-Abz+ncAbt=iAb+iAf+i(Ab2+2Af2)Ab式中，Af和Ab分別表示前向和后向傳輸波的振幅

20、，為非線性系數(shù)，為失諧量，為交叉耦合系數(shù)。在非線性情況下，考慮泵浦光的輸入，則上式可以表示為：Afz+ncAft=iAf+iAb+i(Af2+2Ab2+2Pp)Af-Abz+ncAbt=iAb+iAf+i(Ab2+2Af2+2Pp)AbPp表示泵浦光功率的大小。通常情況下，泵浦功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)光功率，因此上式可化簡(jiǎn)為：Afz+ncAft=iAf+iAb+i2PpAf-Abz+ncAbt=iAb+iAf+i2PpAb該模型中，光纖布拉格光柵的開(kāi)關(guān)原理是：在沒(méi)有泵浦光的條件下，當(dāng)?shù)凸β实倪B續(xù)信號(hào)光的波長(zhǎng)位于光纖光柵的禁帶內(nèi)時(shí)，信號(hào)光幾乎被完全反射，此時(shí)光纖光柵相當(dāng)于處于關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)輸入泵浦光時(shí)，因

21、三階非線性克爾效應(yīng)，光纖光柵的有效折射率增大，隨著折射率的增大，光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，是的光纖光柵的整個(gè)禁帶向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移，從而使得原來(lái)處于禁帶內(nèi)的信號(hào)光波長(zhǎng)移除到禁帶之外，因此信號(hào)光也由原來(lái)的高反射變成高透射，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)光的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。1.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果2.長(zhǎng)周期光纖光柵的開(kāi)關(guān)效應(yīng)2.1開(kāi)關(guān)原理及模型長(zhǎng)周期光纖光柵最初是作為全光纖帶阻濾波器提出來(lái)的，與短周期相比，長(zhǎng)周期光纖光柵中的能量耦合主要在兩傳輸方向相同、模場(chǎng)分布不同的模式之間進(jìn)行。全光光開(kāi)關(guān)是長(zhǎng)周期光纖光柵的重要應(yīng)用之一。長(zhǎng)周期光纖光柵具有比光纖布拉格光柵更強(qiáng)的非線性效應(yīng)。1997年Eggleton等人利用1.0

22、5m波長(zhǎng)的Q-開(kāi)關(guān)激光脈沖在輸入激光脈沖能量只有5GW/cm2時(shí)觀察到了開(kāi)關(guān)效應(yīng)，這個(gè)能量遠(yuǎn)小于基于布拉格光柵的光開(kāi)關(guān)所需的脈沖能量，并且低于光纖的損傷閾值。因此，這種基于長(zhǎng)周期光纖光柵的全光光開(kāi)關(guān)將在全光網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛應(yīng)用。長(zhǎng)周期光纖光柵中的脈沖傳輸可以用歸一化非線性耦合模方程描述：U+i2122V2=i2U+id1jV+i(c11U2+2c1jV2)UV+VgV+i2222U2=i2V+id1jU+i(c1jU2+2cjjV2)V式中，U和V分別表示纖芯模和包層模的歸一化脈沖振幅；21=21L0/T02、22=22L0/T02，其中21和22分別表示纖芯模和包層模的二階色散系數(shù)；L0和T0

23、分別表示光柵的長(zhǎng)度和輸入脈沖的寬度；=z/L0和=（T-21z)T0分別表示歸一化傳輸距離和時(shí)間；Vg表示歸一化纖芯模和包層模群速度之差；表示歸一化失衡量，當(dāng)=0時(shí)對(duì)應(yīng)諧振情況（即滿足諧振條件的纖芯模將耦合為包層模），而當(dāng)0時(shí)則對(duì)應(yīng)諧振情況（即脈沖仍然以纖芯模的形式在纖芯中傳播，而不會(huì)耦合為包層模）；d1j表示歸一化的纖芯模和第j階包層耦合的線性耦合系數(shù)，它和光柵中由紫外線引起的折射率的變化量以及兩個(gè)耦合模之間的重積分成正比；c11和cjj分別表示歸一化的纖芯模的自相位調(diào)制系數(shù)一集第j階包層模的自相位調(diào)制系數(shù)；而c1j則表示歸一化的纖芯模和第j階包層模的交叉相位調(diào)制系數(shù)，在足夠高的光強(qiáng)下，自相

24、位和交叉相位調(diào)制項(xiàng)將通過(guò)引起一個(gè)與光強(qiáng)有關(guān)的相位改變使得光柵的最小透射譜向長(zhǎng)波長(zhǎng)段偏移。2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果10級(jí)畢設(shè)光開(kāi)關(guān)相移光柵和光纖光柵非線性特性的研究.pdf一：引言可以說(shuō)，沒(méi)有開(kāi)關(guān)就沒(méi)有通信網(wǎng)絡(luò)。從第一代電信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始，即電話交換系統(tǒng)就采用了大量的開(kāi)關(guān)形成交換單元完成用戶間的電路交換。今天，以DWDM為基礎(chǔ)的全光網(wǎng)絡(luò)已稱為新一代電信網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中要實(shí)現(xiàn)路由選擇必然要使用光開(kāi)關(guān)，光開(kāi)關(guān)時(shí)完成交換的核心器件，在目前廣泛使用的光網(wǎng)絡(luò)中具有不可替代的作用。二：光開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用提出了新的要求，未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)需要全光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的光交換機(jī)完

25、成信號(hào)路由功能以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性。評(píng)價(jià)新的光開(kāi)關(guān)技術(shù)必須考慮七個(gè)指標(biāo)。 1長(zhǎng)期可靠性滿足大容量通信系統(tǒng)要求，必須保證高可靠性和非常低的故障率。2低損耗和高耦合效率考慮光開(kāi)關(guān)的大數(shù)量的應(yīng)用，低損耗極為關(guān)鍵，與光纖保持較高的耦合效率也就是減少光功率損耗。3串音小消光比大，串音直接影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，典型隔離度為40或50db。4低驅(qū)動(dòng)和溫度特性，低驅(qū)動(dòng)減少光開(kāi)關(guān)的功耗，溫度變化不敏感可拓寬光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用環(huán)境和領(lǐng)域，使其工作穩(wěn)定，往往通過(guò)精確的溫控電路實(shí)現(xiàn)。5光開(kāi)關(guān)的速率對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，因此對(duì)光開(kāi)關(guān)切換速率會(huì)有特別的要求。6光開(kāi)關(guān)工作帶寬對(duì)應(yīng)于新的光纖、光濾波和放大器技術(shù)的DWDM工作窗

26、口1300nm-1650nm，光開(kāi)關(guān)同樣要與之吻合。7光開(kāi)關(guān)成本和可擴(kuò)展性，光產(chǎn)品價(jià)格整體每年以10%-30%速度下降，并且要考慮長(zhǎng)期成本的下降。光開(kāi)關(guān)是否滿足大規(guī)模陣列擴(kuò)展及相應(yīng)性能參數(shù)的變化也需要注意。三：光開(kāi)關(guān)形式光開(kāi)關(guān)以其高速度、高穩(wěn)定性、低串?dāng)_等優(yōu)勢(shì)成為各大通信公司和研究單位的研究重點(diǎn)。光開(kāi)關(guān)有著廣闊的市場(chǎng)前景，是最具發(fā)展?jié)摿Φ墓鉄o(wú)源器件之一。光開(kāi)關(guān)采用的主要技術(shù)有機(jī)械式、MEMS、鐵電液晶、氣泡、熱光、全息、聲光、熱毛細(xì)管等。在光開(kāi)關(guān)的性能上，主要指標(biāo)有插損、隔離度、消光比、偏振敏感性、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)規(guī)模及開(kāi)關(guān)尺寸等。在各式各樣的光開(kāi)關(guān)中， MEMS光開(kāi)關(guān)具有較好的性能，并且由于采

27、用微電子工藝可以大量生產(chǎn)，適于產(chǎn)業(yè)化。特別是它的工作方式與光信號(hào)的格式、波長(zhǎng)、偏振方向、傳輸方向、調(diào)制方式均無(wú)關(guān)，因此不受帶寬的限制可以處理任意波長(zhǎng)的光信號(hào)。不僅如此，它還具有較低的插損與較高的擴(kuò)展性，可以滿足未來(lái)光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和擴(kuò)展性。這里簡(jiǎn)單介紹幾種光開(kāi)關(guān)。3.1 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)插入損耗較低（<2db）、隔離度高（>45db)，不受偏振和波長(zhǎng)的影響。多路輸入輸出光束的機(jī)械光開(kāi)關(guān)中的關(guān)鍵單元是具有光路二度對(duì)稱的復(fù)合反射鏡。復(fù)合反射鏡是由幾何形狀尺寸和光學(xué)性能完全形同的兩塊鏡子粘合在一起構(gòu)成，以粘合面為對(duì)稱平面，具有二度鏡面對(duì)稱性。對(duì)單個(gè)復(fù)合反射鏡的往

28、返運(yùn)動(dòng)的控制，可同時(shí)改變兩路輸入輸出光路的相互連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光路的平行或交叉連接，形成2X2光開(kāi)關(guān)。采用多個(gè)復(fù)合反射鏡和合理的光路布局，可實(shí)現(xiàn)更多光路之間的相互連接狀態(tài)，形成多路輸入輸出光束無(wú)阻塞交換，同時(shí)大幅度減少光開(kāi)關(guān)矩陣中的光學(xué)元件和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，具有頻帶寬廣、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)。3.2 微電子機(jī)械光開(kāi)關(guān)（MEMS）MEMS光開(kāi)關(guān)是一種自由空間微型光開(kāi)關(guān)，是目前全世界都十分關(guān)注的一項(xiàng)新技術(shù)，MEMS主要是利用移動(dòng)光纖或利用微鏡反射原理進(jìn)行光交換的光開(kāi)關(guān)。MEMS是由半導(dǎo)體材料，如Si等組成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。MEMS光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、易于擴(kuò)展，此種光開(kāi)關(guān)同時(shí)具有機(jī)械光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)光開(kāi)

29、關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)。MEMS光開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有靜電驅(qū)動(dòng)、電致伸縮、磁致伸縮、形變記憶合金、光功率驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)和光子開(kāi)關(guān)等。其原理是微反射鏡和上電極連接在一起，在沒(méi)有電壓輸入時(shí)，上電極的位置不動(dòng)，微反射鏡處在光通路上，從入射光纖發(fā)出的光被微反射鏡反射，改變方向后進(jìn)入到鏡面同一側(cè)的出射光纖中，這是開(kāi)關(guān)的反射狀態(tài)。當(dāng)上電極和下電極之間有電壓輸入時(shí)，靜電力的作用下，上電極帶動(dòng)微反射鏡移開(kāi)光通路，入射光沿直線傳播進(jìn)入前方的出射光纖，這是開(kāi)關(guān)的直通狀態(tài)。作為一種全光開(kāi)關(guān)，由于具有可移動(dòng)的反射表面或反射鏡、可通過(guò)施加電或熱變化方法改變其反射角，光波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)反射面按指令讓光子通過(guò)，或把光信號(hào)分流到

30、另一個(gè)端口。3.3 波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種光開(kāi)關(guān)，它采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)同樣利用電光、聲光、熱光、磁光效應(yīng)來(lái)進(jìn)行控制。最一般的介質(zhì)波導(dǎo)是平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它由襯底、薄膜層和覆蓋層組成。平面波導(dǎo)型開(kāi)關(guān)主要有兩種，熱光型和全內(nèi)反射型。熱光型開(kāi)關(guān)，是利用Si波導(dǎo)的熱感應(yīng)折射率變化原理制作的，其M-Z干設(shè)計(jì)是由兩個(gè)3db定向耦合器和兩個(gè)波導(dǎo)臂組成，臂上還有一個(gè)用作熱光移相器的薄膜加熱器。其工作原理是未受熱時(shí)這種單元結(jié)構(gòu)處于分叉態(tài)，當(dāng)對(duì)熱光移相器加熱時(shí)，開(kāi)關(guān)為條形狀，完成開(kāi)關(guān)功能。全內(nèi)反射型開(kāi)關(guān)的原理是利用在交叉波導(dǎo)中制作的槽里內(nèi)反射，實(shí)現(xiàn)大型的廣播電路開(kāi)關(guān)。3.4 液晶光開(kāi)關(guān)

31、液晶光開(kāi)關(guān)是根據(jù)其偏振特性來(lái)完成交換的，其工作狀態(tài)時(shí)基于對(duì)偏振的控制，工作時(shí)，一路偏振光被反射。而另一路可以通過(guò)。3.5 熱光效應(yīng)開(kāi)關(guān)熱光技術(shù)主要用來(lái)制作小的光開(kāi)關(guān)。現(xiàn)在主要有兩種類型的熱光開(kāi)關(guān)，數(shù)字型光開(kāi)關(guān)和干涉型光開(kāi)關(guān)。干涉型光開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)波長(zhǎng)敏感，因此，通常需要進(jìn)行溫度控制。它們都是在介質(zhì)材料上先做上波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變波導(dǎo)折射率實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。3.6 聲光開(kāi)關(guān)在聲光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中，控制信號(hào)采用聲波，主要作用是用來(lái)控制光線的偏轉(zhuǎn)。聲光開(kāi)關(guān)的交換速度從500ns到10us。由于在聲光開(kāi)關(guān)中沒(méi)有課移動(dòng)的部分，因此，1x2聲光開(kāi)關(guān)的可靠性比較高。3.7 磁光開(kāi)關(guān)磁光開(kāi)關(guān)的原理是

32、利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外加磁場(chǎng)的變化來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面的作用，從而達(dá)到切換光路的作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，慈光開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，而相對(duì)于其他的非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)，因此，磁光開(kāi)關(guān)將是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的光開(kāi)關(guān)。四：應(yīng)用及前景分析光開(kāi)關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用，它不僅構(gòu)成了波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵設(shè)備的交換核心，本身也是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。其應(yīng)用范圍主要有：保護(hù)倒換功能：光開(kāi)關(guān)通常用于網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)。當(dāng)光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時(shí)，利用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護(hù)通常只需要最簡(jiǎn)單的1X2光開(kāi)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功

33、能：在遠(yuǎn)端光纖測(cè)試點(diǎn)通過(guò)1xN光開(kāi)關(guān)把多根光纖接到一個(gè)光時(shí)域反射儀上，通過(guò)光開(kāi)關(guān)倒換實(shí)現(xiàn)對(duì)所有光纖的監(jiān)測(cè)。另外，利用光開(kāi)關(guān)也可以在光纖線路中插入網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線分析。這種光開(kāi)關(guān)也可以用于光纖器件測(cè)試。光器件的測(cè)試：可以將多個(gè)待測(cè)光器件通過(guò)光纖連接，通過(guò)1xN光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來(lái)測(cè)試器件。<應(yīng)用于OADM和光交叉連接：光上下復(fù)用器主要應(yīng)用于環(huán)形的城域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)單個(gè)波長(zhǎng)和多個(gè)波長(zhǎng)從光路上自由上下，而不需要電解復(fù)用或復(fù)用過(guò)程。用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的OADM可以通過(guò)軟件控制動(dòng)態(tài)上下任意波長(zhǎng)，這樣大大增加了網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性。OXC由光開(kāi)關(guān)矩陣組成，它主要用于核心光網(wǎng)絡(luò)的交叉連

34、接，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)，動(dòng)態(tài)的光路徑管理，靈活增加新業(yè)務(wù)等。隨著光傳送網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新型的光開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷出現(xiàn)。同時(shí)，原有的光開(kāi)關(guān)技術(shù)性能不斷地改進(jìn)。隨著光傳送網(wǎng)向超高速、超大容量的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的生存能力、網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換和恢復(fù)問(wèn)題成為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問(wèn)題，而光開(kāi)關(guān)在光層的保護(hù)倒換對(duì)業(yè)務(wù)的保護(hù)和恢復(fù)起到了更為重要的作用。未來(lái)的光傳送網(wǎng)事能支持多業(yè)務(wù)的透明光傳送平臺(tái)，要求對(duì)各種速率業(yè)務(wù)能透明傳送。同時(shí)，隨著業(yè)務(wù)需求的急劇增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)交換容量也急劇增長(zhǎng)。因此，光開(kāi)關(guān)的交換矩陣的大小也要不斷提高。同時(shí)由于IP業(yè)務(wù)的急劇增長(zhǎng)，要求未來(lái)的光傳送網(wǎng)能支持光分組交換業(yè)務(wù)，未來(lái)的核心路由器能在光層交換。這樣，對(duì)光

35、開(kāi)關(guān)的交換速度提出更高的要求（ns數(shù)量級(jí)）?？傊笕萘?、高速交換、透明、低損耗的關(guān)開(kāi)關(guān)將在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中起到更為重要的作用。光開(kāi)關(guān)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選的傳輸端口.其作用是對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行物理切換或邏輯操作的光學(xué)器件.光開(kāi)關(guān)是一種光路轉(zhuǎn)換器件。在光纖傳輸系統(tǒng)，光開(kāi)關(guān)用于多重監(jiān)視器，LAN，多光源，探測(cè)器和保護(hù)以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。在光纖測(cè)試系統(tǒng)，用于光纖，光纖設(shè)備測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，光纖傳感多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。全光通信全光通信是指用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而且其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠、大容量和高度靈活的光交叉連

36、接設(shè)備（oxc）。在全光網(wǎng)絡(luò)中，由于無(wú)需電信號(hào)的處理，所以允許存在不同的協(xié)議和編碼，使信息傳輸具有透明性。它同SDH傳送網(wǎng)一樣，滿足傳送網(wǎng)通信模型，遵循般傳送網(wǎng)的組織原理、功能結(jié)構(gòu)的建模和信息定義，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH傳送網(wǎng)的功能和體系構(gòu)想都可以用于全光通信網(wǎng)。1技術(shù)背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)信息的需求急劇增加，信息量呈指數(shù)增長(zhǎng)，僅Internet用戶需要傳送的信息比特速率每年就增加8倍。通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長(zhǎng)對(duì)通信容量提出越來(lái)越高的要求。光纖近30THz的巨大潛在帶寬容量，使光纖通信成為支撐通信業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)最重要的技術(shù)。現(xiàn)階段采用時(shí)分復(fù)用單波長(zhǎng)的光纖傳輸系統(tǒng)容量已達(dá)10G

37、bit/s，再提高系統(tǒng)速率就會(huì)產(chǎn)生技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的問(wèn)題。人們普遍認(rèn)為波分復(fù)用是充分利用光纖低損耗區(qū)30THz帶寬的一種可行技術(shù)，可以打破單個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)帶寬的限制，是提高光纖容量的一種有效途徑。但是光纖傳輸系統(tǒng)速率的提高也帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題。在這種高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處仍以電信號(hào)處理信息的速度進(jìn)行交換，就會(huì)受到所謂“電子瓶頸”（10Gbps）的限制，節(jié)點(diǎn)將變得龐大而復(fù)雜，超高速傳輸所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將被昂貴的光/電和電/光轉(zhuǎn)換費(fèi)用所抵消。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了全光網(wǎng)AON（All Optical Network）的概念。12系統(tǒng)概述全光通信網(wǎng)，又稱寬帶高速光聯(lián)網(wǎng)，它以波長(zhǎng)路由光交換技術(shù)

38、和波分復(fù)用傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，在光域上實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸和交換，數(shù)據(jù)信號(hào)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的整個(gè)傳輸過(guò)程中始終使用光信號(hào)，在各節(jié)點(diǎn)處無(wú)光/電、電/光轉(zhuǎn)換。全光網(wǎng)，從原理上講就是網(wǎng)中直到端用戶節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通道仍然保持著光的形式，即端到端的全光路，中間沒(méi)有光電轉(zhuǎn)換器。這樣，網(wǎng)內(nèi)光信號(hào)的流動(dòng)就沒(méi)有光電轉(zhuǎn)換的障礙，信息傳遞過(guò)程無(wú)需面對(duì)電子器件處理信息速率難以提高的困難。全光通信網(wǎng)技術(shù)是光纖通訊領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是21世紀(jì)真正的高速公路。許多國(guó)家都把全光網(wǎng)作為建設(shè)“信息高速公路”的基礎(chǔ)，將其提升到戰(zhàn)略地位的高度。13技術(shù)優(yōu)勢(shì)全光通信網(wǎng)與現(xiàn)有光纖網(wǎng)的區(qū)別之一在于其波長(zhǎng)路由，通過(guò)波長(zhǎng)選擇性器件實(shí)現(xiàn)路由選擇。其二

39、是信號(hào)傳輸無(wú)電中繼，具有信號(hào)透明性，即數(shù)據(jù)速率透明和信號(hào)格式透明。另外全光網(wǎng)還具有可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和可操作性。具備以往通信網(wǎng)和現(xiàn)行光通信系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)：1簡(jiǎn)單可靠。全光網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，端到端采用透明光通路連接，沿途沒(méi)有光電轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，網(wǎng)中許多光器件都是無(wú)源的，便于維護(hù)、可靠性高。2可擴(kuò)展性好。加入新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不影響原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，降低成本，具有網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。3透明傳輸。全光網(wǎng)以波長(zhǎng)選擇路由，對(duì)傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可提供多種協(xié)議業(yè)務(wù)，可不受限制地提供端到端業(yè)務(wù)。4靈活重組?？筛鶕?jù)通信業(yè)務(wù)量的需求，動(dòng)態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，具有網(wǎng)絡(luò)可重組性。5快速恢復(fù)

40、。實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間可達(dá)100ms，對(duì)絕大多數(shù)業(yè)務(wù)無(wú)損傷。6提供多種業(yè)務(wù)。全光網(wǎng)提供多種寬帶信息業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)、音頻和視頻通信，可以把全光網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)及應(yīng)用分為3類：傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)速率范圍從低速Kbps至高速Gpbs，如異步傳送模式（ATM）、局域網(wǎng)的互連、多路數(shù)字電話、以太網(wǎng)等。模擬信號(hào)業(yè)務(wù)，如有線電視（CATV）節(jié)目的多路傳送。用戶需要光接口業(yè)務(wù)，高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，包括視頻工作站、大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)和多路高清晰度電視等，這將是全光網(wǎng)業(yè)務(wù)的主流。4主要特點(diǎn)全光通信是用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)

41、點(diǎn)的交換則采用全光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。全光通信與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)相比，具有其獨(dú)具的特點(diǎn)：（1）全光通信是歷史發(fā)展的必然。電子交換機(jī)代替了模擬傳輸，在數(shù)字傳輸之后，引入了數(shù)字交換。采用光傳輸技術(shù)是歷史的螺旋上升，光網(wǎng)絡(luò)是下一步必然的發(fā)展對(duì)象。（2）降低成本。在采用電子交換及光傳輸?shù)捏w系中，光/電及電/光轉(zhuǎn)換的接口是必要的，如果整個(gè)采用光技術(shù)可以避免這些昂貴的光電轉(zhuǎn)換器材。而且，在全光通信中，大多采用無(wú)源光學(xué)器件，從而降低了成本和功耗。（3）解決了“電子瓶頸”問(wèn)題。在光纖系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)容量提高的關(guān)鍵因素是電子器件速率的限制，如電子交換速率大概為每秒幾百兆位，而只在大規(guī)模圖像傳輸研究領(lǐng)

42、域達(dá)Tbit/s的速率。CMOS技術(shù)及ECL技術(shù)的交換機(jī)系統(tǒng)可以達(dá)到Gbii/s范圍，不久的將來(lái)，采用砷化鑄技術(shù)可使速率達(dá)到幾十個(gè)Gbit/s以上，但是電子交換的速率也似乎達(dá)到了極限。為此，網(wǎng)絡(luò)需要更高的速度則應(yīng)采用光交換與光傳輸相結(jié)合的全光通信。總之，“全光通信”是一種無(wú)須進(jìn)行任何光電變化的全新光波通信。在全光通信系統(tǒng)中，圖像和話音信息直接變換為光信號(hào)，并在傳輸媒體中傳輸。在攝像光學(xué)系統(tǒng)、光纖系統(tǒng)和接收放大系統(tǒng)組成的全光通信系統(tǒng)中，由于不要求光電變換，所以沒(méi)有任何電子元件，信號(hào)失真小，能夠在100°C以上的高溫環(huán)境中連續(xù)工作，是理想的通信方式。35網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)全光通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分為服務(wù)

43、層（Service layer）和傳送層（Transport layer），網(wǎng)絡(luò)傳送層分為SDH層、ATM層和光傳送層。光傳送層由光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接（OXC）組成。在光傳送層，通過(guò)迂回路由波長(zhǎng)（Rerouting wavelength），在網(wǎng)絡(luò)中形成大帶寬的重新分配。在光纜斷開(kāi)時(shí)，光傳送層起網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)（Restoration）的作用。在遠(yuǎn)端，光纖環(huán)中的光分插復(fù)用器OADM插入/分離所確定的波長(zhǎng)通道至ATM復(fù)用器，而OXC則連接兩個(gè)光WDM環(huán)路到ATM交換機(jī)。利用波分復(fù)用技術(shù)的全光網(wǎng)將采用三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。0級(jí)（最低一級(jí)）是眾多單位各自擁有的局域網(wǎng)（LAN），它們各自連接若干用戶的光

44、終端（OT）。每個(gè)0級(jí)網(wǎng)的內(nèi)部使用一套波長(zhǎng)，但各個(gè)0級(jí)網(wǎng)多數(shù)也可重復(fù)使用同一套波長(zhǎng)，1級(jí)可看作許多城域網(wǎng)（MAN），它們各自設(shè)置波長(zhǎng)路由器連接若干個(gè)0級(jí)網(wǎng)。2級(jí)可以看作全國(guó)或國(guó)際的骨干網(wǎng)，它們利用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器或交換機(jī)連接所有的1級(jí)網(wǎng)。6關(guān)鍵技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效、可靠的全光通信，應(yīng)采用以下關(guān)鍵技術(shù)：光多址技術(shù)光多址技術(shù)是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。選用哪一種光多址方式直接影響到系統(tǒng)的頻譜利用率、系統(tǒng)容量、設(shè)備的復(fù)雜度及成本等。光多址方式主要有3種：光波分多址、光時(shí)分多址、副載波多址。（1）光波分多址(WDMA)是將多個(gè)不同波長(zhǎng)且互不交疊的光載波分配給不同的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），用以實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的

45、傳輸，即各ONU根據(jù)所分配的光載波對(duì)發(fā)送的信息脈沖進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生多路不同波長(zhǎng)的光脈沖，然后利用波分復(fù)用方法經(jīng)過(guò)合波器形成一路光脈沖信號(hào)來(lái)共享傳輸光纖并送入到光交換局。在WDMA系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)任何允許節(jié)點(diǎn)共享信道的多波長(zhǎng)接入，必須建立一個(gè)防止或處理碰撞的協(xié)議。該協(xié)議包括固定分配協(xié)議、隨機(jī)接入?yún)f(xié)議（包括預(yù)留機(jī)制、交換和碰撞預(yù)留技術(shù)）及仲裁規(guī)程和改裝發(fā)送許可等。WDMA的研究比較廣泛，已提出了兩種WDMA網(wǎng)絡(luò)：?jiǎn)无D(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)和多轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。前者有：IBM BAINBOW的單轉(zhuǎn)發(fā)副載波控制的WDMA網(wǎng)絡(luò)，即在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上只需一個(gè)激光器，并在控制信道上采用副載波多址接入（SCMA）來(lái)解決控制信道競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題；

46、具有低功耗，樹(shù)型或多星型結(jié)構(gòu)的無(wú)源光波分多址網(wǎng)絡(luò)等；后者包括：具有多種可能配置的Gemnet網(wǎng)絡(luò)，具有KAVTE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)、基于超圖理論的超圖網(wǎng)絡(luò)及由斯坦福大學(xué)光通信實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的Starnet網(wǎng)絡(luò)。（2）副載波多址（SCMA）多用于光交換局到不同ONU的控制信號(hào)的傳送。其基本原理是將多路基帶控制信號(hào)調(diào)制到不同頻率的射頻（超短波到微波頻率）波上，然后將多路射頻信號(hào)復(fù)用后再去調(diào)制一個(gè)光載波。在ONU端進(jìn)行二次解調(diào)，首先利用光探測(cè)器從光信號(hào)中得到多路射頻信號(hào)，并多中選出該單元需要接收的控制信號(hào)，再用電子學(xué)的方法從射頻波中恢復(fù)出基帶控制信號(hào)。在控制信道上使用SGMA接入，不僅可降低網(wǎng)絡(luò)成本，

47、還可解決控制信道的競(jìng)爭(zhēng)。（3）光時(shí)分多址（OTDM）是在同一光載波波長(zhǎng)上，把時(shí)間分割成周期性的幀，每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（無(wú)論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），然后根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使每個(gè)ONU在每幀內(nèi)只按指定的時(shí)隙發(fā)送信號(hào)，然后利用全光時(shí)分復(fù)用方法在光功率分配器中合成一路光時(shí)分脈沖信號(hào)，再經(jīng)全光放大器放大后送入光纖中傳輸。在交換局，利用全光時(shí)分分解復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確，可靠的光時(shí)分多址通信，避免各ONU向上游發(fā)送的碼流在光功率分配器合路時(shí)可能發(fā)生碰撞，光交換局必須測(cè)定它與各ONU的距離，并在下行信號(hào)中規(guī)定ONU的嚴(yán)格發(fā)送定時(shí)。除以上多址技術(shù)以外，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)出現(xiàn)其他的多址方式

48、，如利用不同的代碼序列來(lái)區(qū)分各ONU的光碼分多址，利用不同的光纖或?qū)⒐饫w中的光速沿空間分割給不同的ONU來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的空分多址方式等。當(dāng)然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如將光時(shí)分多址與光波分多址相結(jié)合，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。全光信息再生技術(shù)在光纖通信中，光纖的損耗和色散嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。損耗導(dǎo)致光信號(hào)的幅度隨傳輸距離按指數(shù)規(guī)律衰減，這可以通過(guò)全光放大器來(lái)提高光信號(hào)功率。色散會(huì)導(dǎo)致光脈沖發(fā)生展寬，發(fā)生碼間干擾，使系統(tǒng)的誤碼率增大，嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量。因此，必須采取措施對(duì)光信號(hào)進(jìn)行再生。對(duì)光信號(hào)的再生都是利用光電中繼器，即光信號(hào)首先由光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路整形放大后，再重新驅(qū)動(dòng)一個(gè)光源，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的再生。這種光電中繼器具有裝置復(fù)雜、體積大、耗能多的缺點(diǎn)。出現(xiàn)了全光信息再生技術(shù)后，即在光纖鏈路上每隔幾個(gè)放大器的距離接入一個(gè)光調(diào)制器和濾波器，從鏈路傳輸?shù)墓庑盘?hào)中提取同步時(shí)鐘信號(hào)輸入到光調(diào)制器中，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行周期性同步調(diào)制，使光脈沖變窄、頻譜展寬、頻率漂移和系統(tǒng)噪聲降低，光脈沖位置得到校準(zhǔn)和重新定時(shí)。全光信息再生技術(shù)不僅能從根本上消除色散等不利因素的影響，而且克服