【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 WDM技術(shù)選擇路由 ， 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和故障恢復(fù) ， 從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)的透明 、 靈活 、 經(jīng)濟(jì)且具有高度生存性的光網(wǎng)絡(luò) 。 在前面介紹耦合器時(shí) ， 已經(jīng)簡(jiǎn)單地介紹了波分復(fù)用器(WDM)。 在這一部分我們將介紹各種各樣的波長(zhǎng)選擇技術(shù) ， 即光濾波技術(shù) 。 光濾波器在 WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件 ， 與波分復(fù)用有著密切關(guān)系 ， 常常用來(lái)構(gòu)成各種各樣的波分復(fù)用器和解復(fù)用器 。 圖 ：?jiǎn)渭兊臑V波應(yīng)用 (圖(a))、 波分復(fù)用 /解復(fù)用器中應(yīng)用 (圖 (b))和波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用 (圖 (c))。 波分復(fù)用器和解復(fù)用器主要用在 WDM終端和波長(zhǎng)路由器以及波長(zhǎng)分插復(fù)用器 (Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)中 。 波長(zhǎng)路由器是波長(zhǎng)選路網(wǎng)絡(luò) (Wavelength Routing Network)中的關(guān)鍵部件 ， 其功能可由圖 (c)的例子說(shuō)明 ， 它有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口 ， 每路輸入都載有一組 λ1,λ2, λ3和λ4 WDM信號(hào) 。 如果用 λij來(lái)標(biāo)記第 i輸入鏈路上的波長(zhǎng) λj, 則路由器的輸入端口 1上的波長(zhǎng)記為 λ1 λ1 λ1 λ14, 輸入端口 2上的波長(zhǎng)記為 λ2 λ2 λ2 λ24。 在輸入端口 1上的波長(zhǎng)中 ， 如果 λ12和λ13 由輸出端口 1輸出 ， 則 λ11和 λ14由輸出端口 2輸出；在輸入端口 2上的波長(zhǎng)中 ， 如果 λ22和 λ23由輸出端口 2輸出 ， 則 λ21和 λ24由輸出端口 1輸出 ， 這樣 ， 我們就稱路由器交換了波長(zhǎng) λ1和 λ4。 圖 (a) 單純的濾波應(yīng)用； (b) 波分復(fù)用器中應(yīng)用； (c) 波長(zhǎng)路由器中應(yīng)用 光濾波器? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 4? 2 , ? 3 , ? 4? 1( a )波分復(fù)用器( b )? 1? 2? 3? 4? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 4波長(zhǎng)路由器? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 4? ? ?? 2 , ? 3 , ? 4( c )1 1 1 12 2 2? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 42 1 1 2? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 41 2 2 12 在本例中 ， 波長(zhǎng)路由器只有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口 ， 每一路上只有 4個(gè)波長(zhǎng) ， 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(zhǎng)數(shù)是 W(≥2)(參看圖 )。 如果一個(gè)波長(zhǎng)路由器的路由方式不隨時(shí)間變化 ， 就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時(shí)間變化 ， 則稱之為動(dòng)態(tài)路由器 。 靜態(tài)路由器可以用波分復(fù)用器來(lái)構(gòu)成 ， 如圖 。 波長(zhǎng)分插復(fù)用器可以看成是波長(zhǎng)路由器的簡(jiǎn)化形式 ， 它只有一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口 ， 再加上一個(gè)用于分插波長(zhǎng)的本地端口 。 圖 由波分復(fù)用器構(gòu)成靜態(tài)路由器 ?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解復(fù)用器 復(fù)用器 (1) 一個(gè)好的光濾波器應(yīng)有較低的插入損耗 ， 并且損耗應(yīng)該與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān) 。 在大多數(shù)系統(tǒng)中 ， 光的偏振態(tài)隨機(jī)變化 ， 如果濾波器的插入損耗與光的偏振有關(guān) (PDL: Polarization dependent Loss), 則輸出光功率將極其不穩(wěn)定 。 (2) 一個(gè)濾波器的通帶應(yīng)該對(duì)溫度的變化不敏感 。 溫度系數(shù)是指溫度每變化 1℃ 的波長(zhǎng)漂移 。 一個(gè) WDM系統(tǒng)要求在整個(gè)工作溫度范圍 (大約 100 ℃ )內(nèi) ， 波長(zhǎng)漂移應(yīng)該遠(yuǎn)小于相鄰信道的波長(zhǎng)間隔 。 (3) 在一個(gè) WDM系統(tǒng)中 ， 隨著級(jí)聯(lián)的濾波器越來(lái)越多 ， 系統(tǒng)的通帶就變得越來(lái)越窄 。 為了確保在級(jí)聯(lián)的末端還有一個(gè)相當(dāng)寬的通帶 ， 單個(gè)濾波器的通帶傳輸特性應(yīng)該是平直的 ， 以便能夠容納激光器波長(zhǎng)的微小變化 。 單個(gè)濾波器的通帶的平直程度常用 1 dB帶寬來(lái)衡量 ， 如圖 。 圖 光濾波器的 1 dB帶寬 － 400 . 9 9 6 0 . 9 9 8 1 1 . 0 0 2 1 . 0 0 4－ 30－ 20－ 100通帶邊緣20 dB帶寬串?dāng)_能量3 dB帶寬1 dB帶寬相鄰信道1 d B3 d B?0 / ?濾波器的幅度傳輸特性 / dB 下面將介紹一些波長(zhǎng)選擇技術(shù)及其在 WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用 。 1. 光柵 (Grating)廣泛地用來(lái)將光分離為不同波長(zhǎng)的單色光 。 在 WDM系統(tǒng)中 ， 光柵主要用在解復(fù)用器中 ， 以分離出各個(gè)波長(zhǎng) 。 圖 ， 圖 (a)是透射光柵 ， 圖(b)是反射光柵 。 我們以透射光柵為例來(lái)說(shuō)明光柵的基本原理 。 如圖 示 ， 設(shè)兩個(gè)相鄰縫隙間的距離即柵距為 a, 光源離光柵平面足夠遠(yuǎn) (相對(duì)于 a而言 )， 入射角為 θi， 衍射角為 θd， 通過(guò)兩相鄰縫隙對(duì)應(yīng)光線的光程差由 ( )決定 ， 而 CDAB ? 圖 (a) 透射光柵； (b) 反射光柵 光柵平面 影像平面?2?1?d 1?d 2?i?1＋ ?2光柵平面影像平面?2?1?d 1?d 2?i?1＋ ?2( a ) ( b ) ?i?daDCBA光柵平面去影像平面來(lái)自光源 )sin(sin diaCDAB ?? ???光柵方程為 a(sinθi sinθd)=mλ 其中 m為整數(shù) ， 當(dāng) a和 θi一定時(shí) ， 不同的 θd對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng) λ， 也就是說(shuō) ， 像面上的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng) ， 于是可用作 WDM中的解復(fù)用器 。 2. 布喇格光柵 (Bragg Grating)廣泛用于光纖通信之中 。 一般情況下 ， 傳輸媒質(zhì)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(zhì)折射率周期性的變化 。 半導(dǎo)體激光器使用布喇格光波導(dǎo)作分布反饋可以獲得單頻輸出 (如 DFB激光器 )；在光纖中 ， 寫(xiě)入布喇格光柵后可以用于光濾波器 、 光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器 。 設(shè)兩列波沿著同一方向傳播 ， 其傳播常數(shù)分別為 β0和 β1， ??? ??? 221 其中 Λ為光柵周期 ， 則一個(gè)波的能量可以耦合到另一個(gè)波中去 。 在反射型濾波器中 ， 我們假設(shè)傳播常數(shù)為 β0的光波從左向右傳播 ， 如果滿足條件： ????????? 22)(000 則這個(gè)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(zhǎng)的反射光中去 。 設(shè) β0=2πneff/λ0， 其中 λ0為輸入光的波長(zhǎng) ，neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率 。 也就是說(shuō) ， 如果 λ0=2neffΛ， 光波將發(fā)生反射 ， 這個(gè)波長(zhǎng) λ0就稱作布喇格波長(zhǎng) 。 隨著入射光波的波長(zhǎng)偏離布喇格波長(zhǎng) ， 其反射率就會(huì)降低 ， 如圖 (a)所示 。如果具有幾個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)傳輸?shù)焦饫w布喇格光柵上 ， 則只有波長(zhǎng)等于布喇格波長(zhǎng)的光才反射 ， 而其它的光全部透射 。 圖 (a)中的功率反射譜是針對(duì)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 (Apodized Grating)的光柵 ， 它與漸變折射率光纖有點(diǎn)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 (b)所示 。 注意變跡光柵旁瓣的減少是以主瓣加寬為代價(jià)的 。 圖 (a) 均勻折射率情形； (b) 變跡折射率情形 0 2 4－ 2－ 4－ 40－ 30－ 20－ 100( a )( b )△ ? / △△ ? / △0 2 4－ 2－ 4－ 40－ 30－ 20－ 100反射功率譜 / dB反射功率譜 / dB 3. 光纖光柵 光纖光柵 (Fiber Grating)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(fù)用器和色散補(bǔ)償器 。 對(duì)于全光纖器件 ， 其主要優(yōu)點(diǎn)有：插入損耗低 ， 易于與光纖耦合 ， 對(duì)偏振不敏感 ， 溫度系數(shù)低 ， 封裝簡(jiǎn)單 ， 成本也較低 。 利用某種特殊光纖的光敏特性 ， 就可在光纖中寫(xiě)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(qiáng)度將沿著光纖長(zhǎng)度方向周期性地變化 ， 強(qiáng)度高的地方纖芯折射率增加 ， 強(qiáng)度低的地方纖芯折射率幾乎無(wú)任何變化 ， 這樣就在光纖中寫(xiě)入了光柵 。 形成光柵所要求的折射率變化是極低的 ， 大約為 104。 也可以使用位相版 (phase mask)來(lái)寫(xiě)入光柵 。 位相版是一種光衍射元件 ， 當(dāng)用光束照射它時(shí) ， 它將光束分離成各個(gè)不同的衍射級(jí) ， 這些衍射級(jí)相互干涉就可將光柵寫(xiě)入光纖 。 光纖光柵可以分為短周期 (short period)光纖光柵和長(zhǎng)周期 (long period)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(zhǎng)相比較 ， 典型值大約 μm；長(zhǎng)周期光纖光柵的周期比光波長(zhǎng)大得多 ， 從幾百微米到幾毫米不等 。光纖布喇格光柵 (FBG： Fiber Bragg Grating)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(yīng)等于傳輸模波矢的 2倍 ， 也就是說(shuō) ， 光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長(zhǎng)的一半 ， 這種光纖光柵只對(duì)在布喇格波長(zhǎng)及其附近很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光發(fā)生反射 ， 而不影響其它波長(zhǎng)的光通過(guò) 。 光纖布喇格光柵的特點(diǎn)是損耗低 ( dB左右 )， 波長(zhǎng)準(zhǔn)確度高 (可達(dá) 177。 nm)， 鄰近信道串?dāng)_抑制較高 (可達(dá) 40 dB)以及通帶頂部平坦 。 由于光纖長(zhǎng)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 102nm/℃ 。 這太高了 ! 但這可以通過(guò)采用負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料封裝來(lái)改善 ， 改善過(guò)的光柵的溫度系數(shù)大約為 102 nm/ ℃ ， 這意味著在整個(gè)工作溫度范圍 (100 ℃ )內(nèi) ， 中心波長(zhǎng)的漂移可以小到 nm。 在 WDM系統(tǒng)中 ， 光纖布喇格光柵可用作濾波器 、 光分插復(fù)用器和色散補(bǔ)償器 (Dispersion Compensator)。 圖 (a)是一個(gè)簡(jiǎn)單的光分器 ， 由一個(gè)三端口光環(huán)行器和一個(gè)光纖布喇格光柵構(gòu)成 ， 由光柵反射回來(lái)的波長(zhǎng) λ2從環(huán)行器的端口 3取出 ， 余下的波長(zhǎng)繼續(xù)前行 。 在上面簡(jiǎn)單的光分器的基礎(chǔ)上加上一個(gè)耦合器 ， 就可以實(shí)現(xiàn)光的分插功能 ， 如圖 (b)所示 。 圖 (a) 簡(jiǎn)單光分； (b) 光分插 ?1?2?3?4?23光纖布喇格光柵?1?3?41 2?1?3?4( a )?1?2?3?4?23光纖布喇格光柵?1?3?41 2( b )耦合器?2?2?2 長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)極容易消逝掉 ， 因此相應(yīng)波長(zhǎng)位置的光波被衰減 ， 出現(xiàn)一些損耗峰 。 設(shè)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 |ββpc |= ??2 其中 Λ為光柵周期 。 一