第十章WDM概念与器件知识分享

第十章WDM概念与器件关注的问题1.什么是波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器10.1WDM的工作原理在1300~1600nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长可以在同一根光纤中独立传播例：这两个低损耗波长窗口可以容纳290个40-Gb/sPSK信号WDM40Gb/sPSK100GHzWDM系统的优点1.系统容量可以很容易升级如果每个波长可以承载40Gb/s的信息，那么一根光纤若同时传输100个波长就能实现4Tb/s的传输2.可以保持数据的透明性所有信道都能独立地携带信息，它们之间可以不同步，数据速率可以不同，调制格式可以不同，可以是模拟或数字信号3.可以用于构造波长路由光网络光网络交换节点除了可以执行时间和空间两个维度的交换之外还可以利用波长进行交换，多维的交换让光网络具有更高的灵活性关注的问题1.什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-光耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器光耦合器N×N1×NP1/NP1/NP1/N2×2耦合器的应用：功率分配耦合器的分类光纤耦合器(1)两根以上光纤除去涂覆层并靠拢(2)在高温加热下熔融并向两侧拉伸(3)加热区形成双锥体形式的波导波导耦合器2×2光纤耦合器耦合区W锥形区L锥形区L拉伸区2L+WL：由拉伸时决定W：由加热的火焰宽度决定光耦合过程简介P1和P2跟什么因素有关?P2P12/122212nnaVP062/30879.2619.165.022VVaWzPP202sinzPPPP20201cos耦合器内的光功率分布：随位移的变化假设耦合器无损耗是耦合系数f2=f1-/2f1=f2-/2P1和P2与拉伸区宽度有关zz是光在耦合区的传播距离耦合器内的光功率分布：随波长的变化P1和P2与入射波长有关例如成品上会标注：1550nm50:50给定拉伸区长度(如15mm)影响耦合光功率的参数耦合光功率P2跟以下参数有关：拉伸区长度2L+W注入光束的波长拉伸区内逐渐变小的光纤半径r耦合区中两根光纤的半径差Dr纤芯间的距离光纤折射率分布散射矩阵：无损耗aSbba2121,bbaa11cossinsincosiiezzizizezjzjS假设器件无损耗是耦合系数，z是耦合区长度=sin(z)ziazaebzjsincos211zaziaebzjcossin212例=0.5的散射矩阵可以写成令Ein,2=0，则有那么可以得到两个端口的输出功率为2,1,2,1,1121ininoutoutEEjjEE1,1,21inoutEE1,2,21inoutEE和021,*1,1,1,2121PEEEPinoutoutout022,*2,2,2,2121PEEEPinoutoutoutP1:P2=1:1的2x2光耦合器称为3dB耦合器散射矩阵：有损耗a是损耗系数a11iieezjzS%100122PPP光功率分配的百分比012log10PPP附加耦合损耗0log10PPj插入损耗03log10PP串扰2×2光纤耦合器的参数例2×2双锥形光纤耦合器的输入光功率为P0=200mW，另外三个端口的输出功率分别为P1=90mW，P2=85mW，可以求得为：48.6%%100859085%100122PPP耦合比dB58.08590200log10log10120PPP附加损耗dB3.4790200log10log10)10(10PP端口端口到插入损耗dB3.7285200log10log10)20(20PP端口端口到插入损耗2×2波导耦合器可改变量-w：宽度；S：间距；n：折射率N1log10分路损耗N×N星型耦合器inNiioutPP1,log10附加损耗多根光纤一起熔融技术难度大，主要是众多光纤之间的耦合响应控制比较困难，因此难以制作大规模的光耦合器PP/N级联的办法构造大规模光耦合器N2log类似于交换结构中的baselinenetworkNFNFNNFTTNTlog)log322.31(10log2logloglog10log102log附加损耗分路损耗总损耗NNNc2log2NTF2loglog10附加损耗构成一个N×N耦合器所需3dB耦合器的数量：一个N×N星形耦合器附加损耗：级联光耦合器的损耗其中FT(0~1)为通过每个3dB耦合器的附加损耗比。相关知识：crossbar,Clos,Benes,baseline关注的问题1.什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器Mach-ZehnderInterferometer(MZI)应用：外调制器、波分复用/解复用器、DPSK解调…控制w1和w2中光的相位差，并使之在输出端产生相长/消干涉w1w23dBcoupler3dBcouplerMZI复用器/解复用器2×2MZI解复用工作原理DL如果输入波长满足DL=(2k-1)/2DL/2DLDL信号只从上端口输出如果输入波长满足DL=2k信号只从下端口输出解复用LncveffDD2DL212×2MZI复用器12/200/202DL/21DL2DL/2/21DL+/2/2DL对于给定的两个间隔为Dv的波长信道，当DL满足关系：时，1和2可以被复用在一起。DDeffncL2DDD2221effncLL1322LncLeffDDD多端口的MZI复用器是总级数nnjncLeffjnj,2DD关注的问题1.什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器基于相位阵列的WDM器件阵列波导光栅AWG是MZI的扩展AWG工作原理简介从输入波导i经阵列波导到输出波导j时，若所有支路经历的相对光程差等于的整数倍，将从输出波导j输出AWG应用1.复用/解复用器2.波长路由选择开关：j个端口的i会被交换到k端口三个标号之间满足(i-j)modN=kN为系统波长总数(注：所有编号均从0开始)0,01,02,00,11,12,10,21,22,20,00,10,21,11,21,02,22,02,1配合波长变换器可成为动态的波长路由选择器端口号波长号基于AWG的WDM交换结构*注：此种方法由香港中文大学YunDeng和TonyT.Lee设计并证明关注的问题1.什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器mndisinsin光栅：材料中的周期性扰动光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性，这可以使用光栅方程描述：不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。nmidsinarcsin反射型光栅diSSsin;sin21DD角色散是光栅、棱镜等分光元件的重要参数，它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距：由光栅方程对λ微分，可得光栅的角色散:重要指标：角色散)rad/nm(12ddddD)rad/nm(cosdmD光栅的应用光纤光栅紫外掩模写入法：1.用两束紫外光照射光纤并发生干涉2.掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加3.光栅永久写入光纤光纤光栅工作原理设两列波沿同一方向传播，如果传播常数1和2满足所谓的布拉格相位匹配条件：一个波的能量可以耦合到另一个波上去。在光纤光栅中，假设传播常数为0的光波射入光栅，如果满足条件：则光波的能量可以耦合到沿传播方向相反的具有同一波长的反射光上去。将0=2neff/0代入上式，可以得到会发生强烈反射的波长为：22122000effn20光纤光栅工作原理示意12…n2…n1111111220222nn290sin90sinn光纤光栅的应用光滤波器光分插复用器色散补偿器传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变温度6度的变化导致0.6nm的中心波长的漂移关注的问题1.什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器10.3可调谐光源可调谐DFB：1.改变激光器的温度使内置布拉格光栅中心频率漂移2.改变注入有源区的电流改变有源区载流子浓度改变有源区有效折射率峰值输出波长的漂移TxRxRxTxRxTxTxRxStarcouplermLnc2effefftunennDDsignalchannelDD10channeltuneNDD可调谐范围WDM系统中为避免邻近波长信道的串扰可调范围取决于有效折射率的变化量折射率1%的改变导致10~15nm的调谐范围那么，在LD可调范围内可容纳的波长信道数为ITU-T100GHznm100065.01550DDeffefftunenn5002.0101010DDDDsignaltunechanneltuneN例对于一个工作在1550nm的DBR激光器，假定其最大折射率改变为0.65%。则调谐范围是：如果每个波长信道的调制速率为2.5Gb/s，即占用谱宽为0.02nm(1550nm波长附近0.08nm对应于10GHz)，则该调谐范围内可以容纳的信道数目是：阵列可调光源基片N到1的合路器1N光栅周期四分之一波长移相的DFBMQW激光器1,2,...,N12......N12N宽带光源宽带光源+频谱切割关注的问题1.什么波分复用(WDM)技术？为什么要使用WDM技术？2.WDM系统中使用的无源器件-耦合器-马赫-曾德复用器-阵列波导光栅-光纤光栅3.WDM系统中使用的有源器件-可调光源-可调滤波器10.4可调滤波器参数：1.调谐范围2.滤波带宽3.调谐速度(取决于应用场合)4.插入损耗5.对环境变化的敏感度……可调非对称方向耦合器通过调节电极选择波长特点：调谐范围宽~60nm信道切换较快ns信道区分度低~1nmn可调MZI通过热光或电光控制改变干涉仪的臂长特点：频谱分辨率0.4nm调谐时间~50ns对环境十分敏感：偏振态、相位光纤F-P滤波器向压电陶瓷施加电压调节电介质镜面的距离改变谐振条件压电陶瓷电介质镜d单模光纤特点：调谐范围大几十个纳米频谱分辨率~GHz(商用已经出现10MHz)但是调谐速度0.1ms可调多光栅滤波器应用场合：分插复用器123手段：热调、机械应力可调滤波器的类型5.声光滤