第4章 光通信器件4

基本原理：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸在接收端將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端波分復(fù)用技術(shù)

光波分復(fù)用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項(xiàng)技術(shù)。將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用技術(shù)，簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。4.5.7波分復(fù)用器可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力大容量長途傳輸時可以節(jié)約大量的光纖波分復(fù)用通道對數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號速率及電調(diào)制方式無關(guān)。

同一光纖中傳輸?shù)男盘柌ㄩL彼此獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號，完成各種電信業(yè)務(wù)信號的綜合和分離，包括數(shù)字信號和模擬信號的綜合與分離。主要特點(diǎn)發(fā)展過程在80年代初，光纖通信興起之初，人們想到并首先采用的是在光纖的兩個低損耗窗口1310nm和1550nm窗口各傳送1路光波長信號，也就是131Onm／155Onm兩波分的WDM系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在我國也有實(shí)際的應(yīng)用。很長一段時間內(nèi)在人們的理解中，WDM系統(tǒng)就是指波長間隔為數(shù)十nm的系統(tǒng)例如1310nm／1550nm兩波長系統(tǒng)（間隔達(dá)200多nm）。因?yàn)樵诋?dāng)時的條件下，實(shí)現(xiàn)幾個nm波長間隔是不大可能的。發(fā)展過程隨著1550nm窗口EDFA的商用化，WDM系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)入了一個新時期。人們不再利用1310nm窗口，而只在1550nm窗口傳送多路光載波信號。由于這些WDM系統(tǒng)的相鄰波長間隔比較窄（一般（1.6nm），且工作在一個窗口內(nèi)共享EDFA光放大器，為了區(qū)別于傳統(tǒng)的WDM系統(tǒng)，人們稱這種波長間隔更緊密的WDM系統(tǒng)為密集波分復(fù)用系統(tǒng)。密集，是指相臨波長間隔而言。過去WDM系統(tǒng)是幾十nm的波長間隔，現(xiàn)在的波長間隔小多了，只有（0.8～2）nm，甚至<0.8nm。密集波分復(fù)用技術(shù)其實(shí)是波分復(fù)用的一種具體表現(xiàn)形式。由于DWDM光載波的間隔很密，因而必須采用高分辨率波分復(fù)用器件來選取，例如平面波導(dǎo)型或光纖光柵型等新型光器件，而不能再利用熔融的波分復(fù)用器件。波分復(fù)用器件1、熔錐型波分復(fù)用器件利用熔錐型耦合器的波長依賴性可以制作WDM器件，耦合器的耦合長度Lc隨波長而異。對于一特定的耦合器，不同波長的理想功率耦合比(即抽頭比或相對輸出功率)呈正弦形，從而形成對不同波長具有不同通透性的濾波特性，據(jù)此可以構(gòu)成WDM器件。1550nm980nm1550nm980nm1550nm980nm雙波長熔錐型波長耦合器的特性2、光柵型波分復(fù)用器輸入的多波長復(fù)合信號聚焦在反射光柵上；光柵對不同波長光的衍射角不一樣，從而把復(fù)合信號分解為不同波長的分量；然后由透鏡聚焦在每根輸出光纖上。

光纖硅衍射光柵普通透鏡

l1l2l3lll123++d硅光柵漸變折射透鏡

光纖l1l2l3lll123++入射光波dsinqqd12qLl1l2光柵成像平面y2y1(a)透射光柵(b)普通透鏡反射光柵(c)漸變折射率透鏡反射光柵光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖（透鏡型）光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖（棒透鏡型）3、介質(zhì)薄膜干涉型波分復(fù)用器介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器利用光的干涉效應(yīng)選擇波長。連續(xù)反射光在前表面相長干涉復(fù)合，在一定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，就使一些波長的光通過，而另一些波長的光透射。入射光反射光透射光折射率高高低低4l高濾波器1濾波器2l1321,,lll2l3l32,ll介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器件的工作原理用介質(zhì)薄膜構(gòu)成典型的解復(fù)用器波導(dǎo)光柵自由空間耦合區(qū)輸入輸出12N......DL=常數(shù)neffl1l2lN...lNl1l2扇形波導(dǎo)列陣波導(dǎo)型光柵（AWG）波分復(fù)用器4、列陣波導(dǎo)型波分復(fù)用器件工作原理

AWG是由長度不同的幾個通道波導(dǎo)構(gòu)成，輸入輸出波導(dǎo)群和兩個扇形平面波導(dǎo)一起集成在襯底上。 入射的光經(jīng)過第一個扇形波導(dǎo)衍射而被擴(kuò)散，AWG的各個波導(dǎo)是無耦合的分離配置，其長度差為ΔL，透過波導(dǎo)后，在輸出的扇形波導(dǎo)中傳輸?shù)墓馐窍嗷ジ缮娴模诙瞬枯敵霾▽?dǎo)中依據(jù)干涉條件輸出，各波導(dǎo)輸出的中心波長為： 式中n為波導(dǎo)折射率，m為衍射級數(shù)。 這個過程就是分波過程，若光進(jìn)行的方向反過來，就是合波器的工作原理。光波分復(fù)用器的性能參數(shù)

光波分復(fù)用器是波分復(fù)用系統(tǒng)的重要組成部分，為了確保波分復(fù)用系統(tǒng)的性能，對波分復(fù)用器的基本要求是：

?插入損耗小

?隔離度大

?帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭

?

溫度穩(wěn)定性好

?復(fù)用通路數(shù)多

?尺寸小等調(diào)制有直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。直接調(diào)制是信號直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)。外調(diào)制是信號通過外調(diào)制器對連續(xù)輸出光進(jìn)行調(diào)制。激光器激光器輸出調(diào)制光電信號直接調(diào)制幅度或相位調(diào)制器輸出調(diào)制光電信號連續(xù)光信號外調(diào)制4.5.8調(diào)制器外調(diào)制外調(diào)制方式是讓激光器連續(xù)工作，把外調(diào)制器放在激光器輸出端之后。用承載信息的信號通過調(diào)制器對激光器的連續(xù)輸出進(jìn)行調(diào)制。只要調(diào)制器的反射足夠小，激光器的線寬就不會增加。為此，通常要插入光隔離器。最常用的調(diào)制器是電光調(diào)制器和電吸收調(diào)制器。激光器幅度或相位調(diào)制器輸出調(diào)制光電信號連續(xù)光信號外調(diào)制調(diào)制器的工作原理

調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。 這種晶體的折射率n和外加電場E的關(guān)系為n=n0+αE+βE2 式中，n0為E=0時晶體的折射率。α和β是張量，稱為電光系數(shù)。根據(jù)不同取向，當(dāng)β=0時，n隨E按比例變化，稱為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)效應(yīng)。

當(dāng)α=0時，n隨E2按比例變化，稱為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。調(diào)制器是利用線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檎凵渎蕁隨外加電場E(電壓U)而變化，改變了入射光的相位和輸出光功率。由于外加電場控制著兩