【文章內(nèi)容簡介】 WDM技術選擇路由 ， 實現(xiàn)網(wǎng)絡交換和故障恢復 ， 從而實現(xiàn)未來的透明 、 靈活 、 經(jīng)濟且具有高度生存性的光網(wǎng)絡 。 在前面介紹耦合器時 ， 已經(jīng)簡單地介紹了波分復用器(WDM)。 在這一部分我們將介紹各種各樣的波長選擇技術 ， 即光濾波技術 。 光濾波器在 WDM系統(tǒng)中是一種重要元器件 ， 與波分復用有著密切關系 ， 常常用來構成各種各樣的波分復用器和解復用器 。 圖 ：單純的濾波應用 (圖(a))、 波分復用 /解復用器中應用 (圖 (b))和波長路由器中應用 (圖 (c))。 波分復用器和解復用器主要用在 WDM終端和波長路由器以及波長分插復用器 (Wavelength Add/Drop Multiplexer, WADM)中 。 波長路由器是波長選路網(wǎng)絡 (Wavelength Routing Network)中的關鍵部件 ， 其功能可由圖 (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λ4 WDM信號 。 如果用 λij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 λ1 λ1 λ1 λ14, 輸入端口 2上的波長記為 λ2 λ2 λ2 λ24。 在輸入端口 1上的波長中 ， 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 λ1和 λ4。 圖 (a) 單純的濾波應用； (b) 波分復用器中應用； (c) 波長路由器中應用 光濾波器? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 4? 2 , ? 3 , ? 4? 1( a )波分復用器( b )? 1? 2? 3? 4? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 4波長路由器? 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 )。 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 ， 如圖 。 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 。 圖 由波分復用器構成靜態(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解復用器 復用器 (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: Polarization dependent Loss), 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 1 dB帶寬來衡量 ， 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帶寬串擾能量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選擇技術及其在 WDM系統(tǒng)中的應用 。 1. 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 ， 圖 (a)是透射光柵 ， 圖(b)是反射光柵 。 我們以透射光柵為例來說明光柵的基本原理 。 如圖 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 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自光源 )sin(sin diaCDAB ?? ???光柵方程為 a(sinθi sinθd)=mλ 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 。 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， ??? ??? 221 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： ????????? 22)(000 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 (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 (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 (Apodized Grating)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 (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 (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 ， 成本也較低 。 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 104。 也可以使用位相版 (phase mask)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 (short period)光纖光柵和長周期 (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相比較 ， 典型值大約 μm；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： 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 ( dB左右 )， 波長準確度高 (可達 177。 nm)， 鄰近信道串擾抑制較高 (可達 40 dB)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 102nm/℃ 。 這太高了 ! 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 102 nm/ ℃ ， 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 nm。 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 (Dispersion Compensator)。 圖 (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 (b)所示 。 圖 (a) 簡單光分； (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 |ββpc |= ??2 其中 Λ為光柵周期 。 一