在波分系统中通常将发光,对光进行放大以及产生光电转换的器件称之为有源器件,例如光放,激光器,与此相反,将那些不发光,不对光进行放大,也不产生光电转换的器件称之为无源器件,波分系统中的无源器件种类较多,主要有复用器,解复用器,分光器,耦合器,衰减器,光开关等等,本节课重点学习复用器和解复用器,分光器和耦合器。
复用器和解复用器
所谓复用,就是将发端多路不同波长的发射机输出的光信号,合成到一根光纤上进行传输,这个过程称之为复用,用于实现复用这种功能的器件,称之为复用器,简称MUX,与此相反,将来自一根光纤上的光信号分配给收端不同波长的接收机,这个过程称之为解复用。用于实现解复用这种功能器件称之为解复用器,简称DeMux复用器。复用器,解复用器有时也称为合波器和分波器,常用的复用器,解复用器的类型有阵列波导光栅型(AWG),介质薄膜滤波器(TFF),梳状滤波器型(Interleaver)。
阵列波导光栅复用器
陈列波导光栅复用器一般由三部分组成,输入端的波导光栅,输出端的波导光栅,中间的自由传播区的平板波导和弯曲波导光栅。基功能是将一束光中不同波长的光分解出来。
下面以40路的AWG解复用器为例,说明其工作原理。当一束白光进入输入端的波导光栅,会进行1:40的分光,使之进入中间弯曲的波导阵列之中,这时每一路光还是各种波长的光混在一起,但是中间的弯曲波导阵列每一路的路径长度都不同,因而对不同波长的光造成不同的相位延迟。这样使得对某个特定波长的光,只在相应的输出端口形成建设性干涉(建设性干涉是指当两束或多束具有特定相位关系的波相遇时,由于波的叠加原理,导致某些区域的振动强度增强,形成明暗相间的条纹图案。这种现象不仅在光学领域有着广泛的应用,也在物理学和其他科学领域中具有重要意义。)就是波峰加波峰的增强型干涉,在其一端口形成香蕉型干涉,就是波峰加波谷这种相互抵消的干涉,这样在输出波导光栅的某个特定端口,只输出某个特定波长的光,这样就将一束输入的白光分解为不同波长的光。AWG型复用器的特点是波长间隔小,信道数量多,通带平坦度好,插损小等优点。非常适合超高速大容量的波分系统。代表了波分复用器件的发展方向。
当前波分系统中常用的40路,48路复用器,解复用器都是AWG型的。
介质薄膜滤波器
介质薄膜是由不同材料,不同折射率,十几层介质薄膜材料组合在一起,每层蔳膜的厚度为1/4个波长,一层为高折射率,一层为低折射率交替叠合而成,这样的结构,使得介质薄膜滤光器对一些特定波长范围成通带,对另外一些波长范围成阻带,这样就形成了所要求的带通滤波特性。
介质薄膜滤波器有这些特点:
1,它与光纤参数无关,可以做成结构稳定的小型化器件。
2,信号通带平坦,而且与极化无关。
3,插损相对较小。
4,支持通路数少。一般只能用于少于16波以下的系统。大于16波以上的系统的话,既没有技术优势,也没有成本优势。这时一般采用AWG型的器件。当前的话,波分系统中常用的有两路的,4路的,8路的这三种固定波长上现的OADN器件,都是介质薄膜滤波器型的。16波的OADM(Optical Add-Drop Multiplexer),即光分插复用器系统,目前也基本不再使用。
固定波长上下的介质薄膜滤波器,单板种类很多。例如4路的OADM单板分为1-4路,5-8路等等。一直到36-40波这10种不同的单板,这样的话对波长的规划,运维的管理,备件的管理都是很大的挑战。在这种情况下,波长可配置的分差复用ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,可重构光分插复用器)就应运而生了。
梳状滤波器
梳状滤波器是由很多按照一定频率间隔,相同排列的通带和阻带,即让某些特定范围的信号通过,梳状滤波器的特性曲线就像梳子一样,故称之为梳状滤波器,在80波的波分系统中,梳状滤波器(Interleaver),将频率间隔为50GHz的信号光分为两组,频率间隔为100GHz的信号光分别从Even波段和Odd波段输出,接到这个40路解复用器DeMux之中,通常情况下,从40波复用到80波,从48波复用到96波,从80波复用到160波,都需要使用梳状滤波器(Interleave)。
分光器(spliter)和耦合器(coupler)
分光器和耦合器也是一对功能相仿的无源器件,其作用就是按特定比例将不同端口的功率分开或者合并,通常说1:N的分光器,就是输入1路光分为N路光输出,将分光器反过来使用就是耦合器,
通常说,1*N的耦合器或者N路的耦合器,就是输入N路的光耦合到1路光输出。
分光器和耦合器的工作原理
根据实现原理的不同,分光器可分为熔融拉锥型和平面波导PLC型。
熔融拉锥形的实现原理是将两根光纤的纤芯缠绕,并用氢氧火焰烧熔,使纤芯部分融合在一起,通过融合的比例来控制两个端口的分光比,两个器件的端口呢,数量一般为2 ,通过级联实现多路端口。
平面波导PLC型的实现原理,主要原件为PLC半导体分路芯片,光功率在每个分支点平均分光,多个分支级联可实现多端口分光,端口的数量可以分的比较多,比如说16路的分光比和32路的分光比。
常用的分光器的话,例如我们常用的客户侧,1+1保护分光器,就是发端使用一个1:2的分光器,将光信号分为工作通道,保护通道,两路来发送,在收端采用显收(信号选择机制)。
波分中还有一个常用的1:9的分光器,这个分光器是由两个分光器构成,其中一个是1:2的分光器,另一个是1:8的分光器, 主光路的光首先经过一个1:2的分光器,一分为二,其中一路光的话,在主光路上继续传输,另一路的话接到一个1:8的分光器,将另一路信号再一分为八,这样的话就实现了1:9的分光。
1*9耦合器,由两个耦合器构成,其中一个是1*2的耦合器,另一个是1*8的耦合器,主光路输入的光,跟另一路1*8的耦合器上来的光一起进入了1*2的耦合器,输出光到主光路上,这样就实现了1*9的耦合器。
复用器,解复用器,合波器和分光器有什么不同呢,可以这么说,复用器 解复用器是合波分波器件,其输入输出端口一般对应特定的波长,能够直接接到这个OTU,或者波分线路卡上,耦合器和分光器只是简单的分光合光器件,不能进行波长选择的操作,因此耦合器合上来的光,有可以存在波长冲突,分光器也无法选择出某个特定波长的光,因此非相干的10G 40G OTU,不能直接接到分光器上,对于相干的100G OTU,由于本身自带有显频功能,就是可以自动选择波长,这样的话可以直接接到分光器上,如100G 200G的OTU ,就可以直接接到1:9的分光器或者1:20的分光器上。