密集波分复用系统中的新型光器件

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摘 要:介绍了密集波分复用系统中几种重要的新型光器件(包括光子晶体光纤、掺铒波导放大器、基于阵列波导光栅的光复用/解复用器等)的性能优势和发展状况。

关键词:光子晶体光纤 掺铒波导放大器阵列波导光栅光分插复用器 光交叉连接器

中图分类号: TN801文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-072-03

近年来,人们日益膨胀的信息需求,刺激了全球通信业务的迅猛增长,为光纤通信网的发展带来了巨大的机遇和挑战。密集波分复用(dense wavelength division multiplexing, DWDM)技术能够在一根光纤上同时传送超过200个波长信号,使光纤传输系统的容量达到10Tb/s以上,是目前最具吸引力的光域复用技术。以DWDM技术为核心的光纤通信系统采用光交换技术从本质上降低或消除了系统对光电转换和光电处理的需求,推动光纤通信系统向着超高速、大容量的全光网络方向迈进。

DWDM系统的优势要依赖关键光器件的优越性能才能充分发挥。新型光器件是推动DWDM系统速度、容量不断跃上新台阶的物质基础,因而成为近年来研究的热点内容。DWDM系统涉及的主要光器件有光纤、波分复用/解复用器、光放大器、光分插复用器和光交叉连接器等。

1光子晶体光纤

目前工程中广泛应用的光纤是G.652光纤,它在1550nm附近传输损耗最低,但偏振色散系数较大,要实现长距离、 高速率传输需要加入色散补偿光纤进行色散调节。

朗讯公司发明的全波光纤ALL-wave Fiber将光纤可利用的波长增加了100nm左右,相当于125个波长通道(100MHz通道间隔)。但是它在色散和非线性方面并没有很大改善。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)利用光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)来导光。原理如图1所示。PCF纤芯是在周期性的结构中抽取几个空气孔而构成。光波在空气孔形成的缺陷中传播。由于空气传导具有更低的本征散射损耗和吸收损耗,因此PCF的性能参数(色散、损耗、非线性效应等)要小于常规光纤。

图1PBG-PCF

结构合理的PCF具有极宽的通信带宽,可以在几乎全波段内实现单模传输。并且,即使放大光纤的结构尺寸,这种“无截止单模特性”仍能保持。目前,光子晶体光纤的模式面积已经达到普通光纤的十倍以上,这大大降低了光在芯中传输的光功率密度,减小了非线性效应。PCF在低于1.3um波长处可获得反常色散,同时保持单模传输,这是常规光纤无法做到的。改变空气孔的排列和大小,光线的色散和色散斜率会随之剧烈变化。合理设计的PCF可以获得超过-2000ps/nm•k m的色散值。普通单模光纤以二氧化硅为材料,不可避免的本征吸收和瑞利散射使得其能量消耗很高。而PCF具有极低的光波能量损耗(

2掺铒波导放大器

光放大器(optical amplifier,OA)的出现和发展解决了衰减对光网络传输速度和距离的限制、开创了1550nm频段的波分复用,是光纤通信发展史上的一个划时代事件。

掺铒波导放大器(Erbium Doped Waveguide Amplifier,EDWA)是继目前已经获得广泛应用的掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器之后的又一种具有发展前途的光放大器。

EDWA是由嵌入非晶体掺铒玻璃基片上的波导组成的。在波导中掺入高浓度的Er3+作为增益介质,利用光波导结构将抽运光能量约束在截面积非常小的区域。从而提高抽运光功率密度和有效作用长度,实现在1550nm波长内单位长度波导的高信号增益。EDWA中的泵浦激光器、泵浦复用器、绝缘器和平坦增益滤波器都可以集成在一个极小的封装之内。最小的EDWA模块体积只有1301mm3。

与半导体光放大器比较,EDWA的噪声指数低,振相关性低且无通道串扰。与掺铒光纤放大器比较,EDWA尺寸更小,成本低,便于集成,在特定节点可提供10dB左右的特定增益。

在接入网和城域网中,波分复用器、隔离器、调制器、光交叉连接器等器件都需要与放大器组合使用来补偿其损耗。在网络的多个地点安装少量的小放大器,显然可以获得更高的性价比。

3基于阵列波导光栅的光复用器和解复用器

DWDM系统中的光复用器和解复用器十分关键。实现方法有很多,有干涉滤光器型、光纤耦合器型、光栅型、集成光波导型等。

阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, AWG)复用/解复用器属于集成光波导型,具有波长间隔小、通道平坦、低偏振相关性、低插入损耗性等优点,被认为是DWDM系统中光复用/解复用器最可行的实现方案。AWG是一种平面光波导的无源器件,基于平面光波回路技术,将输入波导、输出波导、阵列波导和两个平板波导(自由传播区域)集成在同一个衬底上制成。

来自输入光纤的多波长信号经过AWG之后,在输出端的各个光纤上可以得到具有一定排列顺序的单波长信号。AWG具有双向传输特性,一个方向输入为复用方式,另一个方向输入为解复用方式。

为了达到DWDM系统的性能要求,复用/解复用器件必须满足插入损耗小、隔离度大、带内平坦、偏振不敏感、温度稳定性好、复用通路数多、尺寸小等特点。

目前AWG的制作技术不断进步,使得其性能有了很大提高。采用氟甲基丙烯聚合物,能够制造出信道间隔为0.65nm、14信道的AWG复用器。其3dB带宽为0.19nm,偏振导致的波长偏差仅为0.3nm,几乎是偏振不相关的。在阵列波导上放置一个有窗口的金属掩膜,可以将信道串扰降低到所希望的水平。采用该技术,在阵列波导数为81,输入/输出波导为32时,获得了10Hz间隔,串扰为-17～-30dB(TE模)和16～-27dB(TE模)的32信道AWG复用/解复器。另外,无热AWG控制技术使得AWG几乎可以做到对温度不敏感。而低损耗槽技术能够在100GHz信道间隔的16信道无热硅基AWG复用/解复用器中获得小于3.2dB的插入损耗。

4基于声光可调谐滤波器的光分插复用器

光交换是未来全光网中最为显著的特点之一,它既克服了电交换产生的速率瓶颈,又为智能光网络提供了技术保障。光交换技术可分为光路交换、光分组交换和光突发交换。

光路交换,又称为波长路由,是目前研究比较成熟的技术。波长路由利用动态路由和波长分配、通过光分插复用(Optical Add-Drop Multiplexes,OADM)设备光交叉连接(Optical Cross Connect,OXC)设备,使信号回避电层处理直接通过透明的波长通道或“虚波长通道”(由波长值不同的一系列波长连接起来的一条光路)到达目的节点。

光分插复用器OADM是针对本地网络的关键节点设备,可以分为固定OADM和可配置OADM(ROADM)。后者能够根据网络环境的变化在一条DWDM链路中随意上下路几个波长,而不影响其它信号的透明传输。较之固定OADM更加灵活。一个功能齐备的OADM节点主要包括分插滤波模块、上/下路控制单元、光功率均衡单元、色散补偿单元、保护倒换模块、网元管理单元和光功率监测单元。波长信道的上下路是OADM节点的核心功能,实现技术已有很多,按组成方式可做如下分类:

(1) 分波器+波长交换单元+合波器

(2) 耦合单元+滤波单元+合波器

(3) 波导型OADM

(4) 基于阵列波导光栅

(5) 基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)

基于AOTF的可配置OADM是目前的研究热点。基于LiNbO3晶体的波导型声光滤波器由嵌在LiNbO3晶体中的钛波导组成。结构如图2所示,包括两个对称的偏振分束器(polarization beam splitter,PBS),中间是声光模式转换器。输入光被第一个偏振分束器分为两个方向相互垂直的偏振态(TE/TM)沿着波导两臂传播。射频信号将声波引入波导并沿声表面波导传播,引起光波导折射率呈周期性的调制,折射率的变化引起被选择的波长偏振方向发生变化,TE模式变为TM模式,TM模式变为TE模式,其它光的偏振模式不变。波长的选择由声波的频率决定。第二个偏振分束器用来将被选择的光从入射光中分离出来经下路端口输出,而其他光经直通端口输出。上路波长经上路端口输入,在相应频率声波作用下,模式转换后由直通端口输出。从当输入多个声波频率时,还能实现多路波长同时上下路。

图2AOTF工作原理图

较之其他的OADM方案,基于AOTF的OADM波长寻址范围大、没有可移动的部件、调谐速度快而且隔离度高。AOTF便于集成,有利于减小OADM系统的体积。

5基于光纤Bragg光栅的光交叉连接器

光交叉连接(OXC)能够使不同输入链路间的波长在光域上实现交叉连接,使单独的DWDM网和链路连接起来,形成全局性的DWDM网络。OXC节点的主要功能是实现波长级的波长选路和交叉连接。在此基础上实现波长指配(根据需要为进入光交叉连接的节点的光通道提供合适的波长,建立波长通道连接或者虚波长通道连接)、波长恢复和网络的重构。

基于光纤Bragg光栅(fiber Bragg gratings,FBG)的OXC能够将任何一条入口光纤上的任何一路波长交叉连接到任何一条出口光纤的一路相同波长上。这种波长选择交叉连接功能目前在网络中应用十分广泛。

一种新型的基于FBG的OXC基本结构如图3所示:

图3 新型的2无阻碍交换

一个环形器和两个可调FBG组成了2的OXC。通过调节FBG可以实现任意两路波长信号无阻碍地的平行或交叉连接。

波长为 1、 2的输入信号经输入端口1进入环形器,调节两个FBG使其布拉格反射波长分别为 1、 2,则波长、经FBG反射由输出端口1输出。当FBG的布拉格反射波长均偏离 1、 2时波长 1、 2经FBG透射,由输出端口2输出。若调节其中一个FBG布拉格反射波长为 1或者 2,可使得一个波长相对于输入交叉输出,另一个则平行输出。

以上述2的OXC为基本单元可以组成4的OXC结构如图4。完成任意四路波长信号无阻碍地平行或交叉连接。

图4新型的4无阻碍交换

这种结构OXC具有插入损耗小、使用器件少、可重构性好等优点。

6 结束语

DWDM技术在新的光纤通信系统中获得了越来越多的应用,正在从骨干网向城域网、接入网渗透。但光器件技术的局限影响了DWDM网络的普及和发展。国内外很多公司如Alcatel、华为,中兴等均致力于新型光器件的研究和开发,并不断取得新的进展。未来功能强大、性能优越、价格低廉的新型器件必将促进DWDM网络的发展,加快全光网络进程。

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