1、n电时分复用（电时分复用（TDMTDM）存在的问题：）存在的问题：n“电子瓶颈电子瓶颈”限制：限制：10Gb/s40Gb/s10Gb/s40Gb/sn光纤色散限制光纤色散限制n单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽signal1signal21 0 1 11 0 0 11 1 0 0 1 0 1 1TDM signal问题的提出问题的提出光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性 仅利用光纤的两个低损耗传输窗口，总带宽超过仅利用光纤的两个低损耗传输窗口，总带宽超过30THz，全波光纤的带宽更宽。全波光纤的带宽更宽。光纤的可利用带宽非常宽。光纤的可利用带宽非常宽。L 若一根光
2、纤仅传输一个波长信号，是对光纤带宽资源的若一根光纤仅传输一个波长信号，是对光纤带宽资源的极大浪费。极大浪费。1.波分复用的定义波分复用的定义2.波分复用的原理波分复用的原理3.波分复用技术的发展波分复用技术的发展4.波分复用系统的基本结构波分复用系统的基本结构5.波分复用的技术优势波分复用的技术优势光波分复用光波分复用(WDM:Wavelength Division Multiplexing)：在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术.光波分复用的基本原理：光波分复用的基本原理：u在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用）；在发送端将不同波长的光
3、信号组合起来（复用）；u并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输；并耦合进光缆线路上同一根光纤中进行传输；u在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），在接收端将组合波长的光信号进行分离（解复用），并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。并作进一步处理后恢复出原信号送入不同终端。波分复用原理示意图波分复用原理示意图光发送机光发送机1 1光发送机光发送机22光发送机光发送机33光接收机光接收机33光接收机光接收机22光接收机光接收机11复复用用器器解解复复用用器器1 2 1 2 NN单根光纤单根光纤v CWDM：利用：利用1.3和和1.55m附近两个低损耗窗口构附近两个低损耗窗口构 成两个波长
4、的成两个波长的WDM系统。系统。由于由于1310/1550 nm的复用超出了的复用超出了EDFA的增益范围，的增益范围，只在一些专门场合应用。只在一些专门场合应用。v DWDM：在：在1.55(1.501.60)m窗口，同时用窗口，同时用8，16 或更多个波长的或更多个波长的WDM系统，其中各波长之系统，其中各波长之 间的间隔约为间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应或更小，对应 于于200GHz,100GHz或更窄的频率间隔。或更窄的频率间隔。DWDM技术得到广泛应用。技术得到广泛应用。v 目前水平：商用系统：目前水平：商用系统：4010Gb/s 实验室：实验室：8240Gb/s=3
5、.28Tb/sv 基于基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心和波长选路的光传送网已成为主要的核心 网。网。光转发器1光转发器n光合波器BALAPA光分波器光接收器1光接收器n光监控信道发送器光监控信道接收/发送器光监控信道接收器光发送机光接收机光中继放大 光 纤 光 纤网络管理系统ssss1nn1n1n1 光发送机光发送机将来自不同终端的多路光信号分别由光将来自不同终端的多路光信号分别由光转发器（转发器（OTU）转换为各自特定波长的光信号后，经转换为各自特定波长的光信号后，经光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（光合波器合成组合光信号，再通过光功率放大器（BA）放大输出至光纤中传
6、输。放大输出至光纤中传输。光中继放大光中继放大采用了增益平坦技术的采用了增益平坦技术的EDFA（LA）实现对不同波长光信号的相同增益放大。实现对不同波长光信号的相同增益放大。光接收机光接收机先由前置光放大器（先由前置光放大器（PA）放大经传输衰放大经传输衰减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分减的主信道光信号，再用分波器从主信道光信号中分出不同特定波长的光信号。出不同特定波长的光信号。光监控信道（光监控信道（OSC）监控系统内各信道的传输情监控系统内各信道的传输情况。在发送端，插入本节点产生的波长为况。在发送端，插入本节点产生的波长为s的光监控的光监控信号（如帧同步、公务及各种网管开销
7、字节），与主信号（如帧同步、公务及各种网管开销字节），与主信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号信道的光信号合波输出；在接收端，将收到的光信号进行分离，输出为进行分离，输出为s波长的光监控信号和业务信道光波长的光监控信号和业务信道光信号。信号。网络管理系统网络管理系统通过光监控信道物理层传送的开销通过光监控信道物理层传送的开销字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对字节到其他结点或接收来自其他结点的开销字节对WDM进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等进行管理，实现配置、故障、安全、性能管理等功能，并与上级管理系统通信。功能，并与上级管理系统通信。WDM系统的基本构成主要有以下
8、两种形式：系统的基本构成主要有以下两种形式：双纤单向传输双纤单向传输和单纤双向传输。单纤双向传输。(1)双纤单向传输双纤单向传输 单向WDM传输：指所有光通路同时在一根光纤上沿 同一方向传送；由于各信号是通过不同光波长携带 的，彼此之间不会混淆；在接收端通过光解复用器将不同波 长的信号分开，完成多路光信号传 输的任务。双纤单向传输双纤单向传输(2)单纤双向传输单纤双向传输 双向WDM传输：指光通路在一根光纤上同时向两个不同的 方向传输。所用波长相互分开，以实现双 向全双工的通信。光发射机光发射机光接收机光接收机1n1n1n1n光接收机光接收机复用/解复用器光纤放大器光发射机光发射机1nn 12
9、n1n复用/解复用器n 12n 单纤双向单纤双向WDM传输传输双向双向WDM系统的优点：系统的优点：可以减少使用光纤和线路放大器的数量。双向双向WDM系统的缺点：系统的缺点：其开发和应用相对说来要求较高。其开发和应用相对说来要求较高。如为了抑制多通道干扰如为了抑制多通道干扰(MPI)，必须注意，必须注意 光反射的影响光反射的影响、双向通路之间的隔离双向通路之间的隔离、串扰的类型和数值串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性两个方向传输的功率电平值和相互间的依赖性、光监控信道光监控信道(OSC)传输、传输、自动功率关断等，自动功率关断等，要使用双向光纤放大器双向光纤放大器。C
10、充分利用光纤的巨大带宽资源。充分利用光纤的巨大带宽资源。C 同时传输多种不同类型的信号。同时传输多种不同类型的信号。C 节省线路投资。节省线路投资。C 降低器件的超高速要求。降低器件的超高速要求。C 高度的组网灵活性、经济性和可靠性。高度的组网灵活性、经济性和可靠性。1.插入损耗插入损耗2.串音串音3.通带带宽通带带宽：信道之间的间隔、信道的带宽10logiiiiiPLP10logijciPLP棱 镜 解 复 用棱 镜 解 复 用器器.n2n1n1n1n2i21NN21p213是一种用来是一种用来的光信号或者的光信号或者的光信号的光信号的无源器件。的无源器件。1.波分复用器的波分复用器的 从原
11、理上讲，从原理上讲，这种器件是互易的这种器件是互易的(双向可逆双向可逆)，即只要将解复用器，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。就是复用器。因此复用器和解复用器是相同的因此复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求除非有特殊的要求)。2.波分复用器的波分复用器的 中心波长中心波长 中心波长范围中心波长范围；（平均信道间隔的（平均信道间隔的1010）中心波长对应中心波长对应 的最小插损；的最小插损；隔离度。隔离度。解复用器波长插入损耗关系曲线图 中心波长中心波长 中心波长范围中心波长范围；（平均信道间隔的（平均信道间隔的1010）中心波长对应中心波
12、长对应 的最小插损；的最小插损；复用器波长插入损耗关系曲线图3.几种波分复用器几种波分复用器 C 全光纤构成，省去准直元件，降低了插入损耗；全光纤构成，省去准直元件，降低了插入损耗；C 光纤和滤光片有一定角度，有效地抑制了回波损耗；光纤和滤光片有一定角度，有效地抑制了回波损耗；C 易于批量生产，产品一致性好。易于批量生产，产品一致性好。熔锥光纤型波分复用器结构和特性熔锥光纤型波分复用器结构和特性c.c.熔锥光纤型波分复用器熔锥光纤型波分复用器对特定波长为对特定波长为1和和2，选择光纤，选择光纤参数，调整耦合长度，使：参数，调整耦合长度，使：在直通臂：在直通臂：P1out(1)=1，P1out(
13、2)=0;在耦合臂：在耦合臂：P2out(1)=0，P2out(2)=1;21cosoutinPzPKz 22sinoutinPzPKz对于对于1和和2分别为分别为1.3m和和1.55 m的的，可以做，可以做到到为为0.5 dB，大于大于20 dB。21sin1(0)s或12+2ssm11=sKz（）22=sKz（）c.c.熔锥光纤型波分复用器熔锥光纤型波分复用器 Multilayer Dielectric Thin-Film Filter 多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长滤波器1滤波器21321,2332,光纤棒透镜干涉滤波器光纤干涉滤波器反射镜光纤321,321干涉滤波器棒透镜棒透镜
14、光纤光纤干涉滤波器光纤光纤光纤 基于窄带介质薄膜滤光片的基于窄带介质薄膜滤光片的8通道波分复用通道波分复用/解复用器解复用器 L 波长数不大于波长数不大于16CH；波长间隔不小于；波长间隔不小于0.8nm；L 价格较高；价格较高；L 是是16通道通道WDM系统中主要选用的器件。系统中主要选用的器件。C 通带特性好（平顶、隔离度高通带特性好（平顶、隔离度高25dB）；）；C 偏振相关损耗小（偏振相关损耗小（0.2dB）；）；C 插损低（插损低（57dB）；）；C 采用高稳定的带通滤光片，温度敏感性小（采用高稳定的带通滤光片，温度敏感性小（0.0005nm/oC，不需温控）。不需温控）。采用普通透
15、采用普通透镜的镜的WDMWDM采用渐变采用渐变折射率透折射率透镜，简化镜，简化了装置的了装置的校准。校准。在在Si衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和衬底上沉积环氧树脂后制造成光栅。多波长信号经光纤输入和普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然普通透镜或棒透镜聚焦在反射光栅上，反射光栅将各波长分开，然后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。后经透镜将各个波长的光聚焦在各自的光纤。L 温度敏感（温度敏感（0.01nm/oC），需温度补偿（温控、材料补偿）；），需温度补偿（温控、材料补偿）；L 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大损耗）。高斯型通带（采用特
16、殊技术可实现平顶，但增大损耗）。C 波长通道数大（波长通道数大（132Ch）；）；C 通道间隔小（商用通道间隔小（商用0.4nm）；）；C 插损不随通道数增加（插损不随通道数增加（67dB）。）。f.f.阵列波导光栅解复用器（阵列波导光栅解复用器（AWGAWG）阵列波导光栅星形耦合器星形耦合器输入输出12N.DL=常数123412341234neff12N.N12LneffDD22.工作原理罗兰圆与凹面光栅 罗兰圆的半径为r，凹面光栅的曲率半径为R=2r，二者内切且罗兰圆通过光栅中心。通过光路分析及近似可得，罗兰圆上任一点发出的光，经凹面光栅衍射之后仍聚焦在罗兰圆上，不同衍射级次对应不同衍射角
17、。AWG的工作原理AWG的输入/输出星形耦合器采用类似凹面反射式光栅和罗兰圆的结构。输入/输出波导的端口位于罗兰圆的圆周上，阵列波导位于凹面光栅的圆周上，但阵列波导相当于透射式光栅。输入星形耦合器与输出星形耦合器成镜像关系，输入波导发出的光信号经阵列波导衍射，不同波长聚焦到不同输出波导阵列波导阵列波导输入波导输入波导输出波导输出波导输入星形耦合器输入星形耦合器输出星形耦合器输出星形耦合器 图中罗兰圆上C点发出的光信号经凹面光栅反射衍射，不同波长聚焦到罗兰圆上的不同点。对于AWG来说，波导C相当于某输入波导，在该位置输入的光信号，经阵列波导反射衍射并聚焦到不同输出波导中，1-7所在位置相当于不同
18、的输出波导。sindm阵列波导区域相邻波导间的阵列波导区域相邻波导间的长度差是固定的，记为长度差是固定的，记为L传统的衍射光栅的光栅方程为，传统的衍射光栅的光栅方程为，其中其中m为主极大的级次，为主极大的级次，为光程差为光程差AWG满足的方程为满足的方程为输入耦合器输入耦合器+阵列波导阵列波导 +输出耦合器输出耦合器=m)2,1,0(DmmDAWG的光栅方程 传统AWG满足的光栅方程为，满足的光栅方程为，mdnLndnoscisDsinsind为阵列波导的周期为阵列波导的周期m为为AWG工作的衍射级工作的衍射级数数对于由中心波导输入并由中对于由中心波导输入并由中心波导输出的中心波长满足心波导输
19、出的中心波长满足通过对通过对 的设定可以决定的设定可以决定衍射级数，一般较大的衍射级数，一般较大的m可可以产生较高的分辨率以产生较高的分辨率.0/cnLmD0mLncDLD相邻阵列波导的长度差相邻阵列波导的长度差 为光在输入输出平为光在输入输出平板波导上的衍射角，板波导上的衍射角，i、j为输入输出波导为输入输出波导的序列号的序列号(中心波导记为中心波导记为0)，为输为输入输出端的波导间隔，入输出端的波导间隔，Lf 为平板波导的聚为平板波导的聚焦长度焦长度fiiLxiDfooLxjD阵列波导折射率阵列波导折射率平板波导折射率平板波导折射率oixxDD、3.AWG的应用 复用和解复用4321,12
20、434321,12434321,22Add4321,上下话路上下话路(OADM)AWGAWGAWG并入串出，串入并出并入串出，串入并出 阵列波导光栅(AWG)，也称作相位阵列(Phased Array)，是WDM 通信系统中的关键器件，除了可作为波分复用/解复用器外,它还是光互连器件的关键组成部分,已经成为WDM系统中不可缺少的核心器件。列阵波导光栅复用器能同时提供有波长选择的N N 联结。它可以工作在高衍射级，因而可有10-2纳米级的分辨率。同时，它还可用作分波器、合波器、波长选择开关、多波长激光器等。用SiO 2，InGaAsP/In 以及多种有机材料制备的实用化器件已经出现。它结构紧凑，集成度高，性能稳定，信号畸变小，通道间窜扰小，误码率低，输入输出及片内的损耗都较低。可以确信，采用列阵波导光栅的高可靠性的N 通道的DWDM 光互联系统是可以实现的。AWG由三个主要部分，即输入/输出（I/O）光波导阵列、两个相同的自由传播区的平板波导和弯曲的波导阵列。I/O光波导阵列和弯曲的波导阵列通过平板波导连接。SiO2/Si和InGaAsP/InP是目前最为成熟的材料系统。AWG器件器件实物样品实物样品55 AWG器件樣品1010 AWG器件樣品g.g.偏振波分复用器偏振波分复用器
