【正文】 是聲與光的相互作用 ， 圖 AOTF的集成光波導(dǎo)形式 。 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 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 圖 簡(jiǎn)化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE 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 。 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 。 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 ???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) 。 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 。 如果記 nTEnTM=Δn， 則布喇格條件可寫為 λ=Λ Δ n () 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 。 AOTF的功率傳遞函 T(λ)= () 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 。 ?????/21)/2(12[sin 22???? 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 。 如今 ， AOTF還沒有完全實(shí)用化的原因主要有兩個(gè)：一是存在較大串?dāng)_ ， 二是通帶相對(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 TF?1, ?21 1?1, ?22 2?1, ?22 1?1, ?21 2RF1( a )A O TFRF1, 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 ) 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M(fèi)b/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 。 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) 。 光交換主要有三種方式： 空分光交換、 時(shí)分光交換和波分光交換。 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 。 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 (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 (a) 2 2光交換單元； (b) 平行連接和交叉連接； (c) 4 4光交換單元 1 2 光交換器件平行聯(lián)接交叉聯(lián)接( a )( b )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 。 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)過不同的光延遲器件 ， 獲得不同的延遲時(shí)間；最后用復(fù)接器把這些信號(hào)重新組合起來 。 圖 (c)示出時(shí)分光交換的空分等效 。 圖 (a) 時(shí)分復(fù)用原理； (b) 時(shí)隙互換原理； (c) 等效的空分交換 1復(fù)接器2N…分接器1 2 N12…N1 2 3 4分接器時(shí)隙幀( a )1延遲1延遲22延遲33延遲4 4( b )復(fù)接器輸入 輸出4 1 3 212341234( c ) 波分光交換 (或交叉連接 )是以波分復(fù)用原理為基礎(chǔ) ， 采用波長(zhǎng)選擇或波長(zhǎng)變換的方法實(shí)現(xiàn)交換功能的 。 圖 (a)和 (b)分別示出波長(zhǎng)選擇法交換和波長(zhǎng)變換法交換的原理框圖 。 設(shè)波分交換機(jī)的輸入和輸出都與 N條光纖相連接 ， 這 N條光纖可能組成一根光纜 。 每條光纖承載 W個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào) 。 從每條光纖輸入的光信號(hào)首先通過分波器 (解復(fù)用器 )WDMX分為 W個(gè)波長(zhǎng)不同的信號(hào) 。 所有 N路輸入的波長(zhǎng)為 λi(i=1,2,… ,W)的信號(hào)都送到 λi空分交換器 ， 在那里進(jìn)行同一波長(zhǎng) N路 (空分 )信號(hào)的交叉連接 ， 到底如何交叉連接 ， 將由控制器決定 。 圖 (a) 波長(zhǎng)選擇法交換； (b) 波長(zhǎng)變換法交換 ?1空分交換?2空分交換?3空分交換…?W空分交換?1, ?2… ?W12…N N…21W D M X W M U X分波器 合波器( a )?1, ?2… ?W?1, ?2… ?W?1, ?2… ?W?1, ?2… ?W?1, ?2… ?W?1?2?WNW NW空分交換?1?2?W?1?2?W?1?2?W?1?2?W?1?2?W?1?2?W?1?2?W12…N12…NW D M X W M U X波長(zhǎng)變換器( b ) 然后 ， 以 W個(gè)空分交換器輸出的不同波長(zhǎng)的信號(hào)再通過合波器 (復(fù)用器 )WMUX復(fù)接到輸出光纖上 。 這種交換機(jī)當(dāng)前已經(jīng)成熟 ， 可應(yīng)用于采用波長(zhǎng)選路的全光網(wǎng)絡(luò)中 。 但由于每個(gè)空分交換器可能提供的連接數(shù)為 N N, 故整個(gè)交換機(jī)可能提供的連接數(shù)為 N2W， 比下面介紹的波長(zhǎng)變換法少 。 波長(zhǎng)變換法與波長(zhǎng)選擇法的主要區(qū)別是用同一個(gè) NW NW空分交換器處理 NW路信號(hào)的交叉連接 ， 在空分交換器的輸出必須加上波長(zhǎng)變換器 ， 然后進(jìn)行波分復(fù)接 。 這樣 ， 可能提供的連接數(shù)為 N2W2， 即內(nèi)部阻塞概率較小 。 波長(zhǎng)變換器將在 。 孤 子 通 光孤子 (Soliton)是經(jīng)光纖長(zhǎng)距離傳輸后 ， 其幅度和寬度都不變的超短光脈沖 (ps數(shù)量級(jí) )。 光孤子的形成是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果 。 利用光孤子作為載體的通信方式稱為光孤子通信 。 光孤子通信的傳輸距離可達(dá)上萬公里 ， 甚至幾萬公里 ， 目前還處于試驗(yàn)階段 。 我們知道 ， 光纖通信的傳輸距離和傳輸速率受到光纖損耗和色散的限制 。 光纖放大器投入應(yīng)用后 ， 克服了損耗的限制 ， 增加了傳輸距離 。 此時(shí) ， 光纖傳輸系統(tǒng) ， 尤其是傳輸速率在Gb/s以上的系統(tǒng) ， 光纖色散引起的脈沖展寬 ， 對(duì)傳輸速率的限制 ， 成為提高系統(tǒng)性能的主要障礙 。 為了增加傳輸距離 ， 在光纖線路上 ， 每隔一定的距離 ， 可設(shè)置一個(gè)光纖放大器 ， 以周期地補(bǔ)充光功率的損耗 。 但是多個(gè)光纖放大器產(chǎn)生的噪聲累積又妨礙了傳輸距離的增加 ， 因而要求提高傳輸信號(hào)的光功率 ， 這樣便產(chǎn)生非線性效應(yīng) 。 非線性效應(yīng)對(duì)光纖通信有害也有利 ， 事實(shí)表明 ， 克服其害還不如利用其利 。 光纖非線性效應(yīng)和色散單獨(dú)起作用時(shí) ， 在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)都要產(chǎn)生脈沖展寬 ， 對(duì)傳輸速率的提高是有害的 。 但是如果適當(dāng)選擇相