【正文】 1 復(fù) 接 器 2 N … 分 接 器 1 2 N 1 2 … N 時隙 幀 ( a ) 圖 (a) 時分光交換 時分復(fù)用原理 所謂 時隙互換 ， 就是把時分復(fù)用幀中各個時隙的信號互換位置 。 時分復(fù)用 是把時間劃分成幀 ， 每幀劃分成 N個時隙 ， 并分配給 N路信號 ， 再把 N路信號復(fù)接到一條光纖上 。 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 1 2光開關(guān)器件或 4個 2 2光交換單元組成的 4 4光交換單元 。1 2 光開關(guān)器件就是 Ti: LiNbO3定向耦合器型光開關(guān) ， 只是少用了一個輸入端而已 。 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 ， 并通過對電壓的控制改變輸出通路 。 空分光交換 的核心器件是光開關(guān) 。要徹底解決高速光纖通信網(wǎng)存在的矛盾 ， 只有實現(xiàn)全光通信 ，而光交換是全光通信的關(guān)鍵技術(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 。 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 。 圖 AOTF (a) 交換波長 λ1。 前面所指的都是 靜態(tài)波長路由器 ， 也可以通過改變聲波的頻率作為動態(tài)波長路由器 ， 適當(dāng)?shù)丶壜?lián) 2 2路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器 。 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 與偏振無關(guān)的 AOTF可用作 2 2波長路由器 ， 滿足 布喇格條件 的波長被交換 ， 如圖 (a)所示 ， 這里波長 λ1滿足 布喇格條件 。Δn)為濾波器通帶寬度的一種量度 ， l為器件長度 (準(zhǔn)確說是聲光相互作用的長度 )， 濾波器的半高寬 FWHM=， 如圖 。 布喇格條件決定要選擇的波長 ， 而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長度決定 ， 聲光相互作用的長度越長 ， 通帶就越窄 。 圖 AOTF與偏振有關(guān) ， 因為這里假設(shè)輸入光完全是 TE模 。 22 μm≈170 MHz。若適當(dāng)選擇聲波波長 Λ，則經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換又位于 AOTF通帶內(nèi)的波長能夠被選擇。Δn () 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(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 窄帶濾波器 使用 。 ???1??TETM nn（ ） 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。 圖 簡化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE 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 。 假設(shè)輸入光完全是 TE模 ， 一個只能選擇 TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端 。 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 。 mkdnLkndn outkjinikijk ,...,2,1)(2 121 ??D??? ??（ ） 如果設(shè)計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 中 若 滿 足 ： n1δin i+n2ΔL+n1δoutj=pλ， p為整數(shù) ， 則波長為 λ的光將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 在輸入波導(dǎo) 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(dǎo) j輸出 。 MZI是AWG n=m=2情形下的特例 。 inikdoutkjd 下面我們簡單地分析一下 AWG的工作原理 。 AWG也可用作靜態(tài)波長路由器 ， 如圖 。 AWG n 1波分復(fù)用器和 1 n波分解復(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 : 2 sin 2 L D ? T11(f) T12(f) = 2cos2 LD?() f 為光頻率。 如果將 MZI級聯(lián)就構(gòu)成 多級馬赫 曾德爾干涉儀 (Multistage Mach Zehnder Interferometer)。 2?2?2???n22?2? 如果下臂與上臂的長度差為 ΔL， 則下臂信號的相位進(jìn)一步滯后 βΔL, β為光在 MZI介質(zhì)中的傳輸常數(shù) 。 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 。 這時只有一個輸入 ， 假設(shè)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。 現(xiàn)在簡單分析 MZI的工作原理 。 當(dāng)然 ，通過級聯(lián)幾個 MZI也可以做成窄帶濾波器 ， 如圖 (c)所示 ，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加 。 圖 (a) 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI)結(jié)構(gòu)圖 輸入 1 輸入 2 路程差， D L 輸出 1 輸出 2 (a) MZI ( D L ) 輸入 1 輸入 2 輸出 1 輸出 2 (b) 圖 (b) 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI)方框圖 輸入 1 輸入 2 輸出 1 輸出 2 MZI ( D L ) MZI (2 D L ) MZI (3 D L ) MZI (4 D L ) (c) 圖 (c) 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI)四級 MZI MZI可用來作 濾波器 和 波分復(fù)用器 。 MZI通常以集成光波導(dǎo)的形式出現(xiàn) ， 即用兩個 3 dB定向耦合器來連接兩條不同長度的光通路 ， 如圖 (a)所示 ， 襯底通常采用硅 (Si)， 波導(dǎo)區(qū)采用二氧化硅 (SiO2)。 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(yīng)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 單腔 、 雙腔 、 三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜 0 . 9 9 6－ 40－ 30－ 200－ 100 . 9 9 8 1 1 . 0 0 2 1 . 0 0 43 腔2 腔1 腔?0 / ?濾波器的傳輸譜 / dB 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 。 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 。 改變腔長有 機(jī)械移鏡 和 用壓電材料 (PZT)兩種辦法 。 圖 FP 濾波器的功率傳遞函數(shù) － 40－ 30－ 20－ 100－ 1 . 5 － 1 － 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5R ＝ 0 . 9 9R ＝ 0 . 9 0R ＝ 0 . 7 5f / F S R功率傳遞函數(shù) / dB 率傳遞函數(shù) TFP(f)是頻率 f的周期函數(shù) ， 當(dāng) 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 。 A=0及 R=、 FP濾波器的功率傳遞函數(shù)如圖 。 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 。 圖 長周期光纖光柵的透射譜 1 . 5 3－ 6－ 5－ 4－ 3－ 2－ 101 . 5 4 1 . 5 5 1 . 5 6 1 . 5 7 1 . 5 8波長 ? / ? m透射譜 / dB 4. 法布里 法布里 珀羅 (FP: Fabry Perot)濾波器 是由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構(gòu)成的 ， 如圖 。 長周期光纖光柵 的制作方法與 光纖布喇格光柵 相同 。 ?????? 2pc（ ） 設(shè)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(dāng)滿足 λ=Λ(neffnpeff)時 ， λ為光波長 ， 纖芯模的能量便耦合到包層模上去 。 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： 其中 Λ為光柵周期 。 圖 ( a) ? 1 ? 2 ? 3 ? 4 1 1 3 光纖布喇格光柵 ? 1 ? 3 ? 4 ? ? ? 4 (a) 2 ? 2 3 ? 2 圖 (b) 基于光纖光柵結(jié)構(gòu)的光分插復(fù)用器光分插 ? 2 3 ? 1 ? 2 ? 3 ? 4 1 (b) 光纖布喇格光柵 2 ? 2 ? 1 ? 3 ? 4 耦合器 ? 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 。 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(gòu)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 。這個溫度系數(shù)過高了 , 但這可以通過采用負(fù)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。 光纖布喇格光柵 的特點(diǎn)是 : ? 損耗低 ( dB左右 ) ? 波長準(zhǔn)確度高 (可達(dá) 177。 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 。 位相版 是一種光衍射元件 ， 當(dāng)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 。 形成光柵所要求的折射率變化是極低的 ， 大約為 104。 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 。 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 。