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全光磁调谐光纤Bragg光栅的光分/插复用器

王天枢  
【摘要】:自 1978 年第一个光纤通信实验开始,光纤通信技术逐步 投入了商用,距今已经历了 20 多年。光通信的速率也从当时 的 45Mbit/s 发 展 到 现 在 的 10Gbit/s。 目 前 商 用 的 波 分 复 用 (WDM)系统基本上都是点到点的干线系统。一旦这些系统连 成网,就会暴露其中的不足,一个重要问题就是在中间节点上 缺乏灵活的上下业务的功能,如果还是采用传统的光/电/光来 从干线上取出本节点的业务,同时将本地节点的业务发送到干 线,必将使系统的传输速度受到电子器件处理速率的限制,这 也就是所谓的“电子瓶颈”。因此具有信道级上下话路的光分 /插复用(OADM)起了人们的兴趣。新型高性能全光多路分 /插复用器目前已成为国内外研发的热点技术之一。 OADM 是 波分复用全光通信网的一种关键器件,被设计用来上载网络一 个信道波长和下载一个信道波长。OADM 无需光/电/光转换, 即可实现高速全光网中对 WDM 的多个信道实施分/插操作。 可简化软件和硬件设计的复杂性,便于方便灵活地开展上/下 路业务,从而实现用户对信息的接入实用化,实现全光网络信 道波长的再利用,提高网络的波长利用率和网络灵活性。 作者在攻读研究生期间,有幸参加了导师郭玉彬教授主持 的多项科研项目,其中包括吉林省科技发展计划项目——“基 于磁调谐光纤 Bragg 光栅的全光纤型多路分/插复用器”。在导 师的指导下,主要从事结构设计和实验研究,设计了一种基于 磁调谐光纤 Bragg 光栅的全光纤型分/插复用器。经过文献查 询,迄今国内尚未见相关的研究结果报导,该类研究尚属国内 先进研究,因此本文以此为题开展研究并实验。希望通过研究, 能为设计光纤 Bragg 光栅调谐方法、开发 OADM 产品提供理 论及实验参考。 本文共分五个部分,其中第一部分是基础研究,第二、三 88 WP=95 吉林大学硕士学位论文 部分是理论探讨,第四、五部分是实验研究。首先,本文在对 现有的各类光分/插复用器(OADM)进行总结和比较的基础上, 按结构特点将其归纳为 5 类基本形式,即分波器+波长交换单 元 +合 波 器 型 ,波 长 光 栅 路 由 器 (WGR)型 ,声 光 可 调 谐 滤 波 器 (AOTF)型 ,解复用器 /复用器型和耦合单元 +滤波单元 +合波器 型。论述了各类 OADM 的工作原理、结构、性能特点、技术 水平及相应的关键技术,为发展相关技术、开发 OADM 产品、 设计具有分/插复用功能的波分复用系统提供了依据和参考。 其次,提出了耦合单元+滤波单元+合波器型的 OADM 形 式,耦合单元采用光环行器,滤波单元选用光纤 Bragg 光栅 (FBG)、珐-珀(F-P)腔或带通滤波器,合波器为波分复用器。 FBG 可调滤波器具有良好的调谐速度,带宽及稳定性,且价 格较廉。其 OADM 性能主要取决于滤波单元的性能。设计了 一种新型的多信道切换的光分/插复用器,它主要由光纤 Bragg 光栅和一对光环行器组成。用 4 只相同的光纤光栅与波长叠加 技术相结合,可建立能提供 15 种不同下路信道方式的全光分/ 插复用器。 本文简单介绍了光纤 Bragg 光栅的制备、对其 Bragg 波长 漂移特性进行了分析。通过理论分析和公式推导,比较光纤光 栅 Bragg 波长随温度及轴向应力变化的效果,提出用应力来调 谐光纤光栅的方案。采用了一种高效的超磁致伸缩材料(GMM) 使光纤光栅产生有效的 Bragg 波长偏移。GMM 是一种高效的微 位移材料,响应速度快,重复性好。采用 GMM 调谐 FBG,可以 用控制电流来调控光纤光栅的应变和 Bragg 波长偏移。设计并 加工了光纤光栅的调谐装置,经过反复实验和改进达到理想的 调谐效果。实验结果表明调谐范围可达 1.4nm,且光纤光栅反 射光谱形态完好。 最后,根据理论设计,研制了一种新型的多信道切换的分 /插复用器 ,它由一个可调谐 FBG 和一对光环行器组成,可以模 89 WP=96 吉林大学硕士学位论文 拟多个信道下路。采用高效的超磁致伸缩材料使 FBG 产生有 效的 Bragg 波长偏移。用控制电流来调控 FBG 的应变和 Bragg 波长偏移。采用符合 ITU-T 标准信道波长的 DFB-LD 作为输 入信号进行实验,获得该 OADM 的信道插入损耗<2.0dB,端 口隔离度>30dB,邻道串扰<-35dB。其结构简单,与系统兼 容性好,可实现信道波长再利用,提高了网络灵活性。 本文设计并实验的采用新型材料调谐的 OADM,由于该 复用器均由全光纤型无源器件构成,因此稳定可靠、体积小、 结构简单、信息容量大、响应速度快、串音小、与光纤系统耦 合效率高、插入损耗低、不受环境尘埃等影响、易于实现,便 于操作。多路磁调谐 OADM 装置是在一根光纤上刻有多个特 定 Bragg 反射波长的光纤光栅,比当前广泛地沿用传统的非光 纤型调谐器件插入损耗低。通过控制电流的方式实时高速地完 成从全光传输网络中间节点处上/下路,信道切换等操作。基 于 FBG 的 OADM 具有很好的频谱特性,但是通常 FBG 只能 应用于预先设定的固定波长上,这使得它应用的灵活性受到了 限制。而可调谐 OADM 是提高网络灵活性所必需的。将可调 谐 FBG 装置与光环行器相结合可构成可调谐 O


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