第7章光纖通信新技術-2

圖7.10(c)波長路由器中應用

波長路由器l1,l2,l3,l4l1,l2,l3,l411112222l1,l2,l3,l42112l1,l2,l3,l41221

波長路由器是波長選路網(wǎng)絡(WavelengthRoutingNetwork)中的關鍵部件，其功能可由圖7.10(c)的例子說明

它有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每路輸入都載有一組λ1,λ2,λ3和λ4WDM信號。

如果用來標記第i輸入鏈路上的波長λj,則路由器的輸入端口1上的波長記為、、、,輸入端口2上的波長記為、、、。

在輸入端口1上的波長中，如果和由輸出端口1輸出，則和由輸出端口2輸出；在輸入端口2上的波長中，如果和由輸出端口2輸出，則和由輸出端口1輸出，這樣，我們就稱路由器交換了波長λ1和λ4。

在本例中，波長路由器只有兩個輸入端口和兩個輸出端口，每一路上只有4個波長，但是在一般情況下，輸入和輸出的端口數(shù)是N(≥2)，并且每一端口的波長數(shù)是W(≥2)(參看圖7.33)。如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時間變化，則稱之為動態(tài)路由器。靜態(tài)路由器可以用波分復用器來構成，如下圖所示。

波長分插復用器可以看成是波長路由器的簡化形式，它只有一個輸入端口和一個輸出端口，再加上一個用于分插波長的本地端口。

對光濾波器的主要要求有：

(1)一個好的光濾波器應有較低的插入損耗，并且損耗應該與輸入光的偏振態(tài)無關。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，光的偏振態(tài)隨機變化，如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(PDL:PolarizationdependentLoss),則輸出光功率將極其不穩(wěn)定。(2)一個濾波器的通帶應該對溫度的變化不敏感。

溫度系數(shù)是指溫度每變化1℃的波長漂移。一個WDM系統(tǒng)要求在整個工作溫度范圍(大約100℃)內(nèi)，波長漂移應該遠小于相鄰信道的波長間隔。

(3)在一個WDM系統(tǒng)中，隨著級聯(lián)的濾波器越來越多，系統(tǒng)的通帶就變得越來越窄。

為了確保在級聯(lián)的末端還有一個相當寬的通帶，單個濾波器的通帶傳輸特性應該是平直的，以便能夠容納激光器波長的微小變化。單個濾波器的通帶的平直程度常用1dB帶寬來衡量，如圖7.12所示。

圖7.12光濾波器的1dB帶寬

下面將介紹一些波長選擇技術及其在WDM系統(tǒng)中的應用。

1.光柵

光柵(Grating)廣泛地用來將光分離為不同波長的單色光。在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復用器中，以分離出各個波長。圖7.13是光柵的兩個例子，圖7.13(a)是透射光柵，圖7.13(b)是反射光柵。

圖7.13光柵(a)透射光柵；(b)反射光柵光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2光柵平面影像平面l2l1qd1qd2qil1＋l2(a)(b)

我們以透射光柵為例來說明光柵的基本原理。如圖7.14所示，設兩個相鄰縫隙間的距離即柵距為a,光源離光柵平面足夠遠(相對于a而言)，入射角為θi，衍射角為θd，通過兩相鄰縫隙對應光線的光程差由()決定，而其中m為整數(shù)，當a和θi一定時，不同的θd對應不同的波長λ，也就是說，像面上的不同點對應不同的波長，于是可用作WDM中的解復用器。(7.5)光柵方程為:(7.6)7.14透射光柵的工作原理2.布喇格光柵

布喇格光柵(BraggGrating)廣泛用于光纖通信之中。一般情況下，傳輸媒質的周期性微擾可以看作是布喇格光柵；這種微擾通常引起媒質折射率周期性的變化。半導體激光器使用布喇格光波導作分布反饋可以獲得單頻輸出(如DFB激光器)；在光纖中，寫入布喇格光柵后可以用于光濾波器、光分插復用器和色散補償器。

設兩列波沿著同一方向傳播，其傳播常數(shù)分別為β0和β1，如果滿足布喇格相位匹配條件：

其中Λ為光柵周期，則一個波的能量可以耦合到另一個波中去。在反射型濾波器中，我們假設傳播常數(shù)為β0的光波從左向右傳播，如果滿足條件：（7.7）（7.8）

則這個光波的能量可以耦合到沿它的反方向傳播的具有相同波長的反射光中去。設β0=2πneff/λ0，其中λ0為輸入光的波長，neff為波導或光纖的有效折射率。也就是說，如果λ0=2neffΛ，光波將發(fā)生反射，這個波長λ0就稱作布喇格波長。隨著入射光波的波長偏離布喇格波長，其反射率就會降低，如圖7.15(a)所示。如果具有幾個波長的光同時傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上，則只有波長等于布喇格波長的光才反射，而其它的光全部透射。

圖7.15(a)中的功率反射譜是針對折射率均勻周期性變化的光柵而言的，為了消除不需要的旁瓣，新研制成功了一種稱為變跡光柵(ApodizedGrating)的光柵，它與漸變折射率光纖有點類似，其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小，變跡光柵的功率反射譜如圖7.15(b)所示。

注意:變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價的。

圖7.15布喇格光柵的反射譜(a)均勻折射率情形；(b)變跡折射率情形

3.光纖光柵

光纖光柵(FiberGrating)是一種非常有吸引力的全光纖器件，其用途非常廣泛，可用作光濾波器、光分插復用器和色散補償器。對于全光纖器件，其主要優(yōu)點有：

?

插入損耗低

?易于與光纖耦合

?對偏振不敏感

?溫度系數(shù)低

?封裝簡單

?成本較低

利用某種特殊光纖的光敏特性，就可在光纖中寫入光柵。

在傳統(tǒng)光纖的SiO2中摻入少量鍺(Ge)后就具有了光敏特性，再由紫外(UV)光照射，就可引起光纖纖芯的折射率變化。若用兩束相干的紫外光照射摻雜后的光纖纖芯，則照射光束的強度將沿著光纖長度方向周期性地變化，強度高的地方纖芯折射率增加，強度低的地方纖芯折射率幾乎無任何變化，這樣就在光纖中寫入了光柵。形成光柵所要求的折射率變化是極低的，大約為10-4。也可以使用位相版(phasemask)來寫入光柵。

位相版是一種光衍射元件，當用光束照射它時，它將光束分離成各個不同的衍射級，這些衍射級相互干涉就可將光柵寫入光纖。光纖光柵可以分為短周期(shortperiod)光纖光柵和長周期(longperiod)光纖光柵。

短周期光纖光柵也稱光纖布喇格光柵，其周期可以和光波長相比較，典型值大約0.5μm；長周期光纖光柵的周期比光波長大得多，從幾百微米到幾毫米不等。

光纖布喇格光柵(FBG：FiberBraggGrating)是一種反射型光纖光柵，光柵使正向傳輸模(單模光纖中即為基模)同反向傳輸模之間發(fā)生耦合，光柵的波矢應等于傳輸模波矢的2倍，也就是說，光柵的周期應等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長的一半，這種光纖光柵只對在布喇格波長及其附近很窄的波長范圍內(nèi)的光發(fā)生反射，而不影響其它波長的光通過。

光纖布喇格光柵的特點是:

?損耗低(0.1dB左右)

?波長準確度高(可達±0.05nm)

?鄰近信道串擾抑制較高(可達40dB)以及通帶頂部平坦

由于光纖長度隨溫度變化稍微有些變化，光纖布喇格光柵的溫度系數(shù)的典型值為1.25×10-2nm/℃。這個溫度系數(shù)過高了,但這可以通過采用負熱膨脹系數(shù)的材料封裝來改善，改善過的光柵的溫度系數(shù)大約為0.07×10-2nm/℃，這意味著在整個工作溫度范圍(100℃)內(nèi)，中心波長的漂移可以小到0.07nm。

在WDM系統(tǒng)中，光纖布喇格光柵可用作濾波器、光分插復用器和色散補償器(DispersionCompensator)。

圖7.16(a)是一個簡單的光分器，由一個三端口光環(huán)行器和一個光纖布喇格光柵構成，由光柵反射回來的波長λ2從環(huán)行器的端口3取出，余下的波長繼續(xù)前行。在上面簡單的光分器的基礎上加上一個耦合器，就可以實現(xiàn)光的分插功能，如圖7.16(b)所示。

圖7.16(a)基于光纖光柵結構的光分插復用器簡單光分；l1l2l3l4113光纖布喇格光柵l1l3l4lll4(a)2l23l2圖7.16(b)基于光纖光柵結構的光分插復用器光分插l23l1l2l3l41(b)光纖布喇格光柵2l2l1l3l4耦合器l2

長周期光纖光柵的工作原理與光纖布喇格光柵稍微有些不同。

在光纖布喇格光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到反向傳輸模上；而在長周期光纖光柵中，纖芯中正向傳輸模的能量耦合到包層里的正向傳輸模上，包層模沿著光纖傳輸時極容易消逝掉，因此相應波長位置的光波被衰減，出現(xiàn)一些損耗峰。

設纖芯中模的傳輸常數(shù)(假定為單模光纖)為β，p階包層模的傳輸常數(shù)為βpc，相位匹配條件為：

其中Λ為光柵周期。一般情況下，兩個正向傳輸模的傳輸常數(shù)相差很小，為了發(fā)生耦合，通常要求Λ是一個相當大值，一般為幾百微米以上(光纖布喇格光柵大約為0.5μm)。（7.9）

設纖芯和p階包層模的有效折射率分別為neff和npeff，由公式β=2πneff/λ可得：當滿足λ=Λ(neff-npeff)時，λ為光波長，纖芯模的能量便耦合到包層模上去。因此，如果我們知道了傳輸光的波長和纖芯、包層模的有效折射率，就可以設計合適Λ值的長周期光柵來滿足各種需要。

長周期光纖光柵的制作方法與光纖布喇格光柵相同。圖7.17是長周期光纖光柵的傳輸譜，特別適合用作帶阻濾波器，主要用于摻鉺光纖放大器(EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier)中作濾波器，使EDFA增益平坦化。圖7.17長周期光纖光柵的透射譜

4.法布里-珀羅濾波器

法布里-珀羅(FP:FabryPerot)濾波器是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構成的，如圖7.18所示。這種濾波器也叫F-P干涉儀，輸入光垂直到達第一個鏡面，從第二個鏡面出來的光就是輸出。這個器件傳統(tǒng)上用作干涉儀，現(xiàn)在也用在WDM系統(tǒng)中作濾波器。

F-Ｐ濾波器的功率傳遞函數(shù)TFP(f)與光的頻率f有關：（7.10）

圖7.18F-P濾波器輸入信號F-P濾波器反射若用自由空間波長λ表示，則：

TFP(λ)=（7.11）

這里A表示每個鏡面的吸收損耗，R為每個鏡面的反射率(假設兩個鏡相同)，光在腔內(nèi)單程傳播的時延為τ，腔內(nèi)介質的折射率為n，腔長為l,因此τ=nl/c，c為真空中光速。

A=0及R=0.75、0.9和0.99時FP濾波器的功率傳遞函數(shù)如圖7.19所示。反射率R越大，相鄰信道的隔離就越好。圖7.19FP濾波器的功率傳遞函數(shù)

率傳遞函數(shù)TFP(f)是頻率f的周期函數(shù)，當f滿足fτ=k/2，k為正整數(shù)時，傳遞函數(shù)TFP(f)的值處在波峰(通帶)上。FP濾波器的兩個緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱作自由光譜范圍(FSR：FreeSpectralRange)，用FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬，比值FSR/FWHM稱作FP濾波器的精細度(F:Finesse),則F-P濾波器選擇不同的波長時一般有兩種方法：

?

改變腔的長度

?

改變腔內(nèi)介質的折射率。

改變腔長有機械移鏡和用壓電材料(PZT)兩種辦法。

（7.12）

5.多層介質薄膜濾波器

薄膜諧振腔濾波器(ThinFilmResonantCavityFilter)也是一個F-P干涉儀，只不過其反射鏡是采用多層介質薄膜而已，常稱為多層介質薄膜濾波器(MultilayerDielectricThinFilmFilter)。這種濾波器用作帶通濾波器，只允許特定波長的光通過而讓其它所有波長的光反射，腔的長度決定要通過的波長。圖7.20三腔介質薄諧振腔濾波器

薄膜諧振多腔濾波器(ThinFilmResonantMulticavityFilter)的結構如圖7.20所示，由反射介質薄膜隔開的兩個或多個腔構成。圖7.21單腔、雙腔、三腔介質薄膜濾波器的傳輸譜

改成多腔后與單腔相比，通帶頂部更加平坦，邊緣更為尖銳，如圖7.21所示。

這種濾波器多個級聯(lián)后，就可以做成波分復用器，如圖7.22所示。由于這種濾波器通帶頂部平坦，邊緣尖銳，溫度變化時性能穩(wěn)定，插入損耗低，對光的偏振不敏感，所以在系統(tǒng)應用中是非常有吸引力的，如今已經(jīng)廣泛用在商業(yè)系統(tǒng)中。圖7.22基于多層介質薄膜濾波器的波分復用/解復用器

6.馬赫-曾德爾干涉儀

馬赫-曾德爾干涉儀(MZI:MachZehnderInterferometer)使用兩條不同長度的干涉路徑來決定不同的波長輸出。

MZI通常以集成光波導的形式出現(xiàn)，即用兩個3dB定向耦合器來連接兩條不同長度的光通路，如圖7.23(a)所示，襯底通常采用硅(Si)，波導區(qū)采用二氧化硅(SiO2)。一個MZI可用圖7.23(b)表示。圖7.23(a)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)結構圖輸入1輸入2路程差，DL輸出1輸出2(a)MZI(DL)輸入1輸入2輸出1輸出2(b)圖7.23(b)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)方框圖輸入1輸入2輸出1輸出2MZI(DL)MZI(2DL)MZI(3DL)MZI(4DL)(c)圖7.23(c)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)四級MZIMZI可用來作濾波器和波分復用器。雖然多層介質薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好，但在寬帶濾波方面MZI非常有用，例如用來分開1.31μm和1.55μm兩個波長的光信號。當然，通過級聯(lián)幾個MZI也可以做成窄帶濾波器，如圖7.23(c)所示，但是這將導致?lián)p耗大大增加。

從原理上講，級聯(lián)幾個MZI后性能較好，但是在實際工作中存在波長隨溫度和時間的變化而漂移的現(xiàn)象，串擾性能遠不如理想情況，級聯(lián)后的窄帶MZI的通帶不平坦，相反地，多層介質多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦。

現(xiàn)在簡單分析MZI的工作原理。

考慮MZI作為一個解復用器的情況。這時只有一個輸入，假設從輸入端口1輸入，經(jīng)過第一個定向耦合器后，功率平均分配到兩臂上，但是在兩臂上的信號有了π/2的相差，下臂上的信號比上臂滯后π/2。

同理，在輸出2處，兩信號總的相位差為+βΔL-=βΔL。在輸入1的所有波長中，滿足βΔL=kπ(k為奇數(shù))條件的波長，由輸出1輸出；滿足βΔL=kπ(k為偶數(shù))條件的波長由輸出2輸出。而β=,n為介質折射率，λ為光波長，通過適當設計就可以實現(xiàn)波的解復用。

如果下臂與上臂的長度差為ΔL，則下臂信號的相位進一步滯后βΔL,β為光在MZI介質中的傳輸常數(shù)。在第二個定向耦合器的輸出1處，來自下臂的信號又比來自上臂的信號延遲了π/2，因此，在輸出1處，兩信號總的相位差為:+βΔL+。如果將MZI級聯(lián)就構成多級馬赫-曾德爾干涉儀(MultistageMachZehnderInterferometer)。圖7.23(c)示出4級馬赫-曾德爾干涉儀，其中每個MZI以及級聯(lián)后整個4級MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖7.24所示。

如果兩臂長度差為ΔL，只是輸入1輸入，則單個MZI的功率傳遞函數(shù)為:2sin2LDbT11(f)T12(f)=(7.13)其中f為光頻率。

(前4個為每單個MZI的傳遞函數(shù)，最后一個為級聯(lián)后4級MZI的傳遞函數(shù))圖7.24MZI的傳遞函數(shù)

前面討論了MZI用作1×2解復用器情況，由于MZI是一種互易器件，因此也可用作2×1復用器。

7.陣列波導光柵

陣列波導光柵(AWG:ArrayedWaveguideGrating)是MZI的推廣和一般形式。如圖7.25所示，它由兩個多端口耦合器和連接它們的陣列波導構成。AWG可用作n×1波分復用器和1×n波分解復用器。與多級MZI相比，AWG損耗低，通帶平坦，容易集成在一塊襯底上。AWG也可用作靜態(tài)波長路由器，如圖7.26所示。圖7.25陣列波導光柵(AWG)圖7.26基于AWG的靜態(tài)波長路由器

輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成m部分，它們之間的相對相位由從輸入波導到陣列波導在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來決定，輸入波導i和陣列波導k之間的距離用表示，陣列波導k的長度比陣列波導(k-1)的長度長ΔL，同樣，陣列波導k和輸出波導j之間的距離用表示。

下面我們簡單地分析一下AWG的工作原理。

設AWG的輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)均為n，輸入耦合器為n×m形式，輸出耦合器為m×n形式，輸入和輸出耦合器之間由m個波導連接，每相鄰波導的長度差均為ΔL。MZI是AWG在n=m=2情形下的特例。

因此，光信號從輸入波導i到輸出波導j，經(jīng)歷了i與j之間m條不同通路后的相對相位為：

其中n1為輸入和輸出耦合器的折射率，n2為陣列波導的折射率，λ為光信號的波長。在輸入波導i的光信號的波長中，滿足Φijk為2π的整數(shù)倍的波長將在輸出波導j輸出。于是，通過適當設計，可以做成1×n波分解復用器和n×1波分復用器。（7.14）如果設計輸入耦合器和輸出耦合滿足

dinik=dini+kδini和

doutkj=doutj+kδoutj則有（7.15）

在輸入波導i輸入的那些波長中若滿足：n1δini+n2ΔL+n1δoutj=pλ，p為整數(shù)，則波長為λ的光將在輸出波導j輸出。

8.聲光可調諧濾波器

聲光可調諧濾波器(AOTF:AcoustoOpticTunableFilter)是一種多用途器件，是目前已知的惟一能夠同時選擇多個波長的可調諧濾波器，并且可用來構造波長路由器。

AOTF的基本原理是聲與光的相互作用，圖7.27是AOTF的集成光波導形式。圖7.27集成光波導AOTF

一個簡化的AOTF如圖7.28所示，波導材料是一種雙折射物質，僅能支持最低階TE模和TM模。

假設輸入光完全是TE模，一個只能選擇TM模的偏振器放在波導的輸出端。如果在被選擇的波長附近的一個窄譜范圍內(nèi)的光能量轉換為TM模式，而其余光能量仍保持TE模式，這樣就可以制成一個波長選擇性濾波器。圖7.28簡化的AOTF

這種濾波器的實現(xiàn)可以通過沿著光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波來完成。聲波傳播引起媒質的密度周期性變化，其變化周期等于聲波波長，這相當于形成了一個布喇格光柵。（7.16）時，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中Λ為聲波波長，λ為光波長。

設TE和TM模的折射率分別為nTE和nTM，當滿足布喇格條件如果記nTE-nTM=Δn，則布喇格條件可寫為λ=Λ·Δn(7.17)

滿足布喇格條件在波長λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從TE模轉換為TM模，如果這種器件的輸入光只是TE模，輸出只選擇TM模，那么就可以作為一個窄帶濾波器使用。

在LiNbO3晶體中，Δn=0.07。若適當選擇聲波波長Λ，則經(jīng)過模式轉