基于可调谐F-P腔滤波器的OADM设计

分类：免费论文    更新时间：08-06    来源：网络

 1引言

    信息社会从根本上改变着人们的生活方式，同时也给人们带来了巨大的挑战，通过网络成为新时代的重要发展基础。1996年，高琨博士和霍克哈姆发表了具有巨大意义的论文，分析了玻璃纤维中光传输损耗大的主要原因，大胆的语言，只要能够设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝/公里。1970年美国康宁玻璃公司低损耗光纤的研制成功和当时激光技术的重大突破，使光纤传输成为可能。光纤通信的出现，以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能被誉为通信上的一支“奇葩”，迅速发展起来。它很好的解决了通信当中“电子瓶颈”的限制，极大地提高了网络的容量和吞吐量，同时使系统具有极强的抗电磁干扰性能.采用光电集成和光子集成技术，制造高速光子器件以代替低速的微电子器件，可以大幅简化通信设备、提高通信速率和通信容量，采用全光通信技术，建设超高速、大容量、长距离光纤通信系统成为人们所最求的目标。目前传输容量为1. 6Tb/s WDM系统己经开始商用;在科研实验上，单通道信号的传送速率从过去的45Mbit/s到目前已提高到超过40Gbit/s, 1999年朗讯(Lucent)实现了1022个波道WDM实验。在2001年OFC会议上，口本NEC和法国阿尔卡特公司分别报道了总容量为10. 9Tb/s和总容量为10. 2Tb/s的传输容量最新记录。然而从技术上看，在今后5年左右的时间内，实用化的最大传输链路容量有可能达到5Tb/s-10Th/s。简言之，网络容量将不会受限于传输链路，普通的点到点大容量波分复用通信系统只提供了原始的传输带宽，人们逐渐将焦点集中在网络节点上，通过灵活的节点实现高效的灵活组网能力，来更加充分地利用光纤带宽。光网络化成为波分复用系统发展一个的方向。有专家认为，目前光传输网的组网方式开始从点到点和环网((ring)向网状网(mesh）演变，波分复用也从干线开始向本地及城域网延伸，并提升到应用的层面。这就是说人们在实现超高速、长距离、大容量的传送功能的同时需要以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，以智能方式部署和分配带宽的能力，也就是组建光传送网来实现对各种信号进行有效的传输、调度、保护和管理。这些大容量光传送技术是最先应用于光网络中的技术。光节点在组建光网络中是关键，现有的网络系统是由光传输系统和电子节点组成的，电子节点从发展的速度上看无法跟上网络传输链路容量的增长速度。这种信息的传输在光层信息的处理却在电子领域进行的网络统称为第一代光子网络或称准光子网络(包括现行的PDH, ATM, SDH, IP, WAN等光纤网络)。信息的传输与处理(复用、交换、计算与管理)都在光进行的网络统称为第二代光子网络或称全光网络。全光网概念的本意是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换/选路，中间不经过任何光电转换，以达到全光透明性，实现在任意时间、任意地点、传送任意格式信号的理想目标。它的发展可归为三个:点到点的WDM链路系统;具有波长上下载(OADM)能力的多点M络:具有复杂光交叉互连功能(OXC)的全光网络。

    全光网是由光传输系统和在光域内进行交换/选路的光节点组成，而电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可采用光通道通过光网络直接连接。这样避免使用庞杂的电学处理设备，便于冲破电子电路的速率限制，也便于光子网络的建设、维护与管理。通过采用先进的光器件逐步取代光电转换设备，不断扩大光透明子网的覆盖范围。未来的高速、大容量信息网络系统需要重点解决高速光传输、复用与解复用技术、光分插复用技术、光交叉互连技术、集成阵列波导器件、光波导开关集成面阵、高性能集成探测器和集成光源技术。

光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC)是光网络中的节点。光交换机/选路器、OXC和DM是组建光网络的关键光节点技术，主要完成光节点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路，光交换/选路的带宽粒度可以是光线路级、波长级、分组级甚至比特级。从功能上看，OADM是OXC的特例，主要进行光路上下载，OXC是光交换机/选路器的特例，主要在光路上进行交叉连接，它们主要应用于目前正准备进入实用的WDM光网络。相信WDM,  OTDM和OADM等技术的结合将使今后的全光网络将进入Tbit/s容量的网络时代，光交换技术和网络管理等技术的进步给光纤通信领域展现了更加美好的前景。

2 光分插复用器（OADM）的概述及设计原则

2.1 国内外光分插复用器的研究现状

从90年代提出光波长上下路开始，到目前为止，人们提出了很多种OADM方案。OADM技术也正在逐渐步入商用化。已经有不少国外厂家提供商用的固定波长OADM产品（如加拿大的JDS公司），可变波长OADM技术也已经成熟，正逐步从实验室走上商用市场。国内对OADM的研究刚刚开始。OADM在未来全光网中的作用，已经引起我国有关部门及产业界的日益重视，SHAONET开发了用于该全光试验网的OADM；北京邮电大学光通信中心与中兴通讯公司合作承担了国家863项目，从事全光分插复用器OADM的研制工作；武汉邮电科学研究院参与“中国高速信息示范网”（CAINONET）中OADM项目的研制工作。国内还有不少的公司、研究所以及大学也纷纷加入研究OADM的行列。

一般来说，OADM结构包括解复用，分插滤波单元及复用单元。OADM节点用解复用器解复用需要下路的波长，同时把要上路的波长经过复用器复用到光纤上传输。用不同的方法实现解复用和复用就构成不同的OADM结构。

实现OADM的方案根据上下波长信道是否固定可以分为非可配置和可配置型两种。前者主要采用复用器/解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上下固定的一个和多个波长，也就是说节点的路由是固定的。后者采用光开关、阵列波导光栅（AWG）以及可调谐滤波器等光器件，能动态调节OADM节点上下话路的波长，从而达到光网络动态重构的能力。相比较而言，前者缺乏灵活性，但性能可靠且没有延时；后者结构复杂且具有延时，但可以使网络的波长资源得到良好的分配。

现有的OADM方案归纳起来主要有以下几种基本形式：光开关型，布拉格光栅（FBG）型；声光可调谐滤波器（AOTF）型；阵列波导光栅（AWG）型等。具体的实现方案可能有所不同，但一般都是这几种基本方案的演化形式。

2.2光分插复用器（OADM）的概述

光分插复用（OADM: Optical Add/Drop Multiplexing）,其功能是在节点上有选择地上/下所需速率、格式和协议类型的光波长信号，其它波长信号则光学透明的通过，传输不受影响。其基本结构组成部分有多信道输入端口、多信道输出端口、至少一个下载端口和上载端口组成，端口与光纤连接。

从实用角度，OADM可分为固定型（非常构型）、半可重构型和完全可重构型三种。固定型OADM主要实现在节点处固定地上下载一个或一组波长的信号；完全可重构型OADM是可选择性地将系统使用的任何波长信道设置成上下业务状态或直通状态，具有光波长的可编程交叉连接功能；而半可重构OADM介于二者之间。固定型OADM结构简单，性能稳定，适用于波长信道固定不变、功能较少的简单WDM光通信网；可动态重构的OADM是城域光网络得以实现的根本，目前已成为主要发展趋势。

OADM在光域上实现了传统SDH设备中的电分插复用（EADM）在时域中的功能，相比而言，它具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。根据不同的组网设计、业务需求和资源配置情况，光网络OADM有一定的技术要求，具体体现在以下几个方面：重构性、可扩展性、透明性以及多通道处理能力。OADM节点设备所支持的主要功能包括直通功能、分插功能、指配功能、保护功能、均衡功能和放大功能等。在组网应用中，必须预算OADM对网络带来的信号恶化问题。包括多次上下载带来的串联损耗、信道窄化和同频串扰等。

需要考察的OADM性能参数有：中心波长、信道带宽（包括-0.05dB，-3dB和-20dB带宽）、通道插损及均匀性、上/下载损耗、透过信道隔离度（透过信号的串扰）、下载信号邻道串扰、上载对下载的同频串扰、稳定性（主要是中心波长的温度稳定性等）和偏振不敏感性；另外还包括器件的回波损耗以及中心波长的抖动等。对于动态OADM有时还需考虑调谐速度（上下路延时）、调谐范围及可重复性等

2.3 OADM的设计原则

用于全光网络的理想OADM，至少应该具备以下功能：首先，它应该能顺利实现信道间的直通功能和插/分功能，其次，它应该支持环网保护，最后还应具备对信号的放大和均衡功能。因此，在设计OADM时，必须根据多角度，分层次的设计原则从两个方面展开，一方面从横向角度出发，根据功能差异可以将OADM分为线路处理结构和通道处理结构两个层次，前者指OADM支持光复用段层组网操作功能的光路结构，主要包括线路保护与线路均衡的物理实现，后者指OADM支持光信道层组网操作功能的光路结构，主要包括通道插/分与通道均衡的物理实现。另一方面从纵向角度考虑，OADM可划分为逻辑功能结构，器件物理结构，机架单板结构三个部分，逻辑功能结构是指OADM实现插/分复用和环网保护功能的基本逻辑结构，设计时应该考虑到未来网络性能发展和业务增长的事实，因此器件必须具有兼容性和可扩展性，器件物理结构是指真实OADM器件的具体物理结构，设计时应当满足低串扰，低损耗的传输性能要求，机架单板结构是指OADM的实际组成结构，包括机架和各种单板。

2.4可重构型OADM方案

目前，从波长信道的上/下路方式来看，可重构型OADM主要分为两大类:开关型和调谐型，归纳起来主要有以下几种方案.

2.4.1分波器+光开关+合波器型OADM

其基本原理是由分波器将多波长信号分解成若干单波长信号，然后再由光开关(2x2, 1x2或NxN)根据网络配置要求对单波长信号执行上/下路操作，最后上路和直通信号经合波器组合成多波长信号输出。决定这种结构OADM性能的关键器件是光开关、分波器与合波器。其中光开关的插入损耗和响应时间是最为关键的;分波器决定了它的串扰水平，一般是采用隔离度较高的WDM解复用器来实现的;合波器既可采用WDM复用器来实现，也可采用藕合器，但祸合器插入损耗高且串扰大，不适于密集信道配置应用。

2.4.2波长光栅路由器(WGR )+光开关型OADM

这类结构的OADM主要借助WGR所特有的集解复用、复用、滤波和路由选择功能于一体的优势，实现类似于光开关的作用。它可采用两种结构:环回和折叠。经分析，环回结构OADM的光路彼此之间无任何交叉，易于集成实现，但由于从输入端口直接散射出来的光功率容易和经过环回到达输出端口的光功率发生相干串扰。相比较，折叠结构OADM的串扰就要小的多，但在提供相同分插复用波长数量的情况下，所需要的阵列波导光栅(AWG)规模较大。

2.4.3基于马赫-泽德干涉仪(MZI)的OADM

MZI是采用分振幅法产生双光束干涉而构成的光学器件，OADM可以利用它和可调谐光滤波器来实现波长过滤和信号分离。这种类型的OADM可以有多种变形结构，具体取决于光滤波器类型和MZI通道臂长差值，还可采用级联来实现多波长信道操作。

2.4.4基于方向藕合器(DC)的OADM

实际上是在其祸合臂上写入可调谐FBG来实现波长过滤，借助于类似MZI的祸合干涉机制从多波长信号艺入中选择某路波长信号，如凡下路，同理将波长信号凡上路与其它波长信号藕合输出。该方向藕合器可采用不同的波长祸合机制，如模式变换藕合、超模式藕合、光栅损益祸合、布拉格多模干涉藕合等。它也可以采用多个基本单元的级联来实现多波长信道的操作，其优点是结构简单、体积小、成本低，且不需要相位匹配条件，但插入损耗较大，扩展性差。

2.4.5基于光环形器的OADM

光环形器是一种单向型波导器件，OADM利用该特性来实现选定信号的空间分离，一般可采用两种结构:环形器+FPI+环形器和环形器+FBG十环形器。这种类型的OADM易实现多波长信道操作，且结构简单，仅需在两个环形器之间插入多个可调谐滤波器或多个基本单元级联。其优点在于不需要满足类似于MZI那样的相位匹配条件，不利之处在于较大的插入损耗、串话和昂贵的环形器。

2.4.6基于波长阻塞器(WB)的OADM

WB是一种能够实现频谱内若干波长通道阻断或衰减的光模块。经研究分析，WB对波长信道的衰减水平将直接影响上路信号与直通信号的串扰水平，因此要求每个信道的衰减量足够大，商用化产品一般都大于40dB。同时，WB可以对多个波长通道的功率单独进行部分或全部衰减，容易实现动态增益均衡和阻塞功能，多信道上/下路操作方便。但由于采用光祸合器，下路信道的插入损耗较大，较多信道配置需要采用光放大器来补偿，成本较高。

2.4.7基于可调谐F- P腔滤波器的光分插复用器(OADM)

基于可调谐F- P腔滤波器的光分插复用器(OADM)该OADM具有结构简单、隔离度高；可精密调谐、插损小、成本低和功耗低等特点可广泛应用于现有的密集波分复用((DWDM)系统。这种类型的OADM是本文的重点研究内容，将在下述章节中进行详细讨论研究。

3  法布里—珀罗腔滤波理论分析及滤波特性

    F-P腔光滤波器是一种干涉型光滤波器，当某一入射光波长信号在谐振腔内的往返相位差为2二的整数倍时，则此光波长信号，在谐振腔内产生相长干涉，透过谐振腔反射膜形成强光输出，而对于其他在腔内往返相位差不为二整数倍的光波长信号，由于相长干涉，往返光信号的振幅相互叠加被抵消，很难透过谐振反射膜输出。这是一种典型的光滤波器。

    本文所采用的可调谐F-P腔用K9玻璃制做两片玻璃片基，然后在玻璃片基上分别镀上高反膜，再将两个基片用弹性胶构成滤波片。当光波以θ角度入射时，光线在F-P腔内发生如图3. 1所示的多光束干涉。