【導(dǎo)讀】格，滿足社會(huì)需要。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，光纖通信成為一。個(gè)發(fā)展迅速、技術(shù)更新快、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的領(lǐng)域。信，相干光通信，光時(shí)分復(fù)用技術(shù)和波長(zhǎng)變換技術(shù)等。光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類型。性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。史上一個(gè)重要的里程碑。能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)。能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級(jí)2。如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，光功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)光功率的效率很高，達(dá)到%。光功率小于6mW時(shí)，增益系數(shù)為。等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命。工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段；10～15dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可。進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。

　　

【正文】 s2 LD?() f 為光頻率。 (前 4個(gè)為每單個(gè) MZI的傳遞函數(shù) ， 最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后 4級(jí) MZI的傳遞函數(shù) ) 圖 MZI的傳遞函數(shù) 第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)所有級(jí)的級(jí)聯(lián)?0 / ? 前面討論了 MZI用作 1 2解復(fù)用器情況 ， 由于 MZI是一種互易器件 ， 因此也可用作 2 1 復(fù)用器 。 7. 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG: Arrayed Waveguide Grating)是MZI的推廣和一般形式 。 如圖 所示 ， 它由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成 。 AWG n 1波分復(fù)用器和 1 n波分解復(fù)用器 。 與多級(jí) 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(zhǎng)路由器 ， 如圖 。 圖 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 輸出耦合器輸入耦合器輸出波導(dǎo)陣列波導(dǎo)輸入波導(dǎo)圖 基于 AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器 A W G?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?43 3 3 3?1, ?2, ?3, ?44 4 4 4?1, ?2, ?3, ?41 2 3 4?1, ?2, ?3, ?44 1 2 3?1, ?2, ?3, ?43 4 1 2?1, ?2, ?3, ?42 3 4 1 輸入耦合器將某個(gè)輸入端口的輸入信號(hào)分成 m部分 ， 它們之間的相對(duì)相位由從輸入波導(dǎo)到陣列波導(dǎo)在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來決定 ， 輸入波導(dǎo) i和陣列波導(dǎo) k之間的距離用 表示 ，陣列波導(dǎo) k的長(zhǎng)度比陣列波導(dǎo) (k1)的長(zhǎng)度長(zhǎng) ΔL， 同樣 ， 陣列波導(dǎo) k和輸出波導(dǎo) j之間的距離用 表示 。 inikdoutkjd 下面我們簡(jiǎn)單地分析一下 AWG的工作原理 。 設(shè) 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(gè)波導(dǎo)連接 ， 每相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)度差均為 ΔL。 MZI是AWG n=m=2情形下的特例 。 因此 ， 光信號(hào)從輸入波導(dǎo) i到輸出波導(dǎo) j， 經(jīng)歷了 i與 j之間 m條不同通路后的相對(duì)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(dǎo)的折射率 ， λ為光信號(hào)的波長(zhǎng) 。 在輸入波導(dǎo) i的光信號(hào)的波長(zhǎng)中 ， 滿足 Φijk為 2π的整數(shù)倍的波長(zhǎng)將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 于是 ， 通過適當(dāng)設(shè)計(jì) ， 可以做成 1 n波分解復(fù)用器和 n 1波分復(fù)用器 。 mkdnLkndn outkjinikijk ,...,2,1)(2 121 ??D??? ??（ ） 如果設(shè)計(jì)輸入耦合器和輸出耦合滿足 dinik=dini+kδini 和 doutkj=doutj+kδoutj mknLnnkdndn outjinioutjiniijk ,...,2,1)(2)(2 12111 ??D????? ?????? （ ） 在 輸 入 波 導(dǎo) i 輸 入 的 那 些 波 長(zhǎng) 中 若 滿 足 ： n1δin i+n2ΔL+n1δoutj=pλ， p為整數(shù) ， 則波長(zhǎng)為 λ的光將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 8. 聲光可調(diào)諧濾波器 聲光可調(diào)諧濾波器 (AOTF: Acousto Optic Tunable Filter)是一種多用途器件 ， 是目前已知的惟一能夠同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器 ， 并且可用來構(gòu)造波長(zhǎng)路由器 。 AOTF的基本原理是聲與光的相互作用 ， 圖 AOTF的集成光波導(dǎo)形式 。 圖 集成光波導(dǎo) AOTF 輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2TE ＋ TM TETMTM TE TE ＋ TM輸入偏振器聲傳感器聲波輸出偏振器 一個(gè)簡(jiǎn)化的 AOTF如圖 ， 波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì) ， 僅能支持最低階 TE模和 TM模 。 假設(shè)輸入光完全是 TE模 ， 一個(gè)只能選擇 TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端 。 如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)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(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器 。 圖 簡(jiǎn)化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE 這種濾波器的實(shí)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(zhì)的密度周期性變化 ， 其變化周期等于聲波波長(zhǎng) ， 這相當(dāng)于形成了一個(gè)布喇格光柵 。 ???1??TETM nn（ ） 時(shí)，光波從一種模式耦合到另一種模式，其中 Λ為聲波波長(zhǎng)， λ為光波長(zhǎng)。 設(shè) TE 和 TM模的折射率分別為 nTE和 nTM， 當(dāng)滿足 布喇格條件 如果記 nTEnTM=Δn， 則 布喇格條件 可寫為 λ=ΛΔn () 滿足 布喇格條件 在波長(zhǎng) λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從 TE模轉(zhuǎn)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(gè) 窄帶濾波器 使用 。 在 LiNbO3晶體中， Δn=。若適當(dāng)選擇聲波波長(zhǎng) Λ，則經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換又位于 AOTF通帶內(nèi)的波長(zhǎng)能夠被選擇。 例如， 為了選擇 μm波長(zhǎng)， 若 Δn=，則聲波波長(zhǎng)大約為 22 μm， 在 LiNbO3晶體中聲速大約為 km/s，對(duì)應(yīng)的聲波頻率為 km/s247。 22 μm≈170 MHz。由于產(chǎn)生該聲波的射頻頻率容易調(diào)諧，所以這種濾波器也很容易調(diào)諧。 圖 AOTF與偏振有關(guān) ， 因?yàn)檫@里假設(shè)輸入光完全是 TE模 。 圖 AOTF， 其實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器相類似 ， 將輸入光信號(hào)分解為 TE和 TM兩個(gè)分量 ，分別通過 AOTF后再在輸出端組合在一起 。 布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng) ， 而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長(zhǎng)度決定 ， 聲光相互作用的長(zhǎng)度越長(zhǎng) ， 通帶就越窄 。 其中 Δλ=λλ0, λ0 為滿足 布喇格條件 的光波波長(zhǎng) ， ε=λ20/(lΔn)為濾波器通帶寬度的一種量度 ， l為器件長(zhǎng)度 (準(zhǔn)確說是聲光相互作用的長(zhǎng)度 )， 濾波器的半高寬 FWHM=， 如圖 。 這說明： 器件越長(zhǎng) (聲光相互作用長(zhǎng)度越長(zhǎng) )， 濾波器的通帶就越窄；然而調(diào)諧速度與器件長(zhǎng)度成反比 ， 因?yàn)檎{(diào)諧速度主要由聲波通過器件的時(shí)間決定 。 222)/2(1])/2(12[s i n?????D?D?AOTF的功率傳遞函 T(λ)= () 圖 AOTF的功率傳遞函數(shù) － 4 － 2 0 2 4－ 40－ 30－ 20－ 100△? / ?功率傳遞函數(shù) / dB 與偏振無(wú)關(guān)的 AOTF可用作 2 2波長(zhǎng)路由器 ， 滿足 布喇格條件 的波長(zhǎng)被交換 ， 如圖 (a)所示 ， 這里波長(zhǎng) λ1滿足 布喇格條件 。 如果同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波 ， 就有幾個(gè)光波長(zhǎng)同時(shí)滿足 布喇格條件 ， 那么在單個(gè)器件上就可同時(shí)完成幾個(gè)波長(zhǎng)的交換 ， 如圖(b)所示 ， 這里交換的波長(zhǎng)是 λ1和 λ4。 前面所指的都是 靜態(tài)波長(zhǎng)路由器 ， 也可以通過改變聲波的頻率作為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由器 ， 適當(dāng)?shù)丶?jí)聯(lián) 2 2路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器 。 AOTF還沒有完全實(shí)用化的原因主要有兩個(gè)： ? 存在較大串?dāng)_ ， ? 通帶相對(duì)較寬 。 圖 AOTF (a) 交換波長(zhǎng) λ1。 (b) 同時(shí)交換波長(zhǎng) λ1和 λ4 A O T F?1, ?21 1?1, ?22 2?1, ?22 1?1, ?21 2RF1( a )A O T FRF1, R F4?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( b ) 光 交 換 技 目前的商用光纖通信系統(tǒng) ， 單信道傳輸速率已超過 10 Gb/s， 實(shí)驗(yàn) WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過 Tb/s。 但是 ， 由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 ， 今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠 。 原因是 在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中 ， 高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段 ， 網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù) 。 傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾 Mb/s到幾百 Mb/s， 不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高 ， 而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用 /解復(fù)用 ， 光 /電和電 /光轉(zhuǎn)換 ， 因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本 ， 降低了系統(tǒng)的可靠性 。 光交換 主要有三種方式： ? 空分光交換 ? 時(shí)分光交換 ? 波分光交換 雖然采用 異步轉(zhuǎn)移模式 (ATM)可提供 155 Mb/s或更高的速率 ， 能緩解這種矛盾 ， 但電子線路的極限速率約為 20 Gb/s。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾 ， 只有實(shí)現(xiàn)全光通信 ，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(shù) 。 空分光交換 的功能是： 使光信號(hào)的傳輸通路在空間上發(fā)生改變 。 空分光交換 的核心器件是光開關(guān) 。 光開關(guān)有 電光型 、 聲光型和磁光型 等多種類型 ， 其中 電光型光開關(guān) 具有開關(guān)速度快 、 串?dāng)_小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn) ， 有很好的應(yīng)用前景 。 典型光開關(guān)是用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰 (Ti: LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導(dǎo)構(gòu)成的 ， 并通過對(duì)電壓的控制改變輸出通路 。 圖 (a)是由 4個(gè) 1 2光開關(guān)器件組成的 2 2光交換模塊 。1 2 光開關(guān)器件就是 Ti: LiNbO3定向耦合器型光開關(guān) ， 只是少用了一個(gè)輸入端而已 。 圖 (a) 2 2光交換單元 1 2 光交換器件 (a) 這種 2 2光交換模塊是最基本的光交換單元，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，通過電壓控制，可以實(shí)現(xiàn)平行連接和交叉連接，如圖 (b)所示。 圖 (b) 平行連接和交叉連接 平行聯(lián)接 交叉聯(lián)接 (b) 圖 (c)是由 16個(gè) 1 2光開關(guān)器件或 4個(gè) 2 2光交換單元組成的 4 4光交換單元 。 圖 (c) 4 4光交換單元 定向 耦合器 光波導(dǎo) 光信號(hào)輸出 光信號(hào)輸入 (c) 時(shí)分光交換 時(shí)分光交換 是以時(shí)分復(fù)用為基礎(chǔ) ， 用時(shí)隙互換原理實(shí)現(xiàn)交換功能的 。 時(shí)分復(fù)用 是把時(shí)間劃分成幀 ， 每幀劃分成 N個(gè)時(shí)隙 ， 并分配給 N路信號(hào) ， 再把 N路信號(hào)復(fù)接到一條光纖上 。 在接收端用分接器恢復(fù)各路原始信號(hào) ， 如圖 (a)所示 。 1 復(fù) 接 器 2 N … 分 接 器 1 2 N 1 2 … N 時(shí)隙 幀 ( a ) 圖 (a) 時(shí)分光交換 時(shí)分復(fù)用原理 所謂 時(shí)隙互換 ， 就是把時(shí)分復(fù)用幀中各個(gè)時(shí)隙的信號(hào)互換位置 。 如圖 (b)， 首先使時(shí)分復(fù)用信號(hào)經(jīng)過分接器 ， 在同一時(shí)間內(nèi) ， 分接器每條出線上依次傳輸某一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)；然后使這些信號(hào)分別經(jīng)過不同的光