(集成光电子学导论)第七章波分复用器

光纤激光器的光纤光栅谐振腔
足够长，接近 100%反射率
较短，部分反 射，部分透射
类比如图光纤激光器的结构，请猜测 光纤放大器的构成形式
光纤激光器 光纤放大器
啁啾光纤光栅用于光通信色散补偿
• 不同波长在光纤里具有不同折射率，因此 具有不同传播速度
思考：在光纤里长波和短 波那个传的快？
短波长折射率更大，由此思 考在光纤中长波和短波那个 传的更快？
• 密集波分复用 (DWDM) 有较小的波长间隔 (0.8 nm) ，一般超过 16个波长复用 – 高容量 复用技术
关注的问题
1. 什么波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？
2. WDM系统中使用的无源器件
-波长选择器 -波分复用器 -波长路由器
波长选择系统的工作类型
l1,l2,l3,l4 l2,l3,l4
据 速率可以不同，调制格式可以不同，可以是模拟或数字信
3号. 可以用于构造波长路由光网络 光网络交换节点除了可以执行时间和空间两个维度的交换之 外还可以利用波长进行交换，多维的交换让光网络具有更高 的灵活性
WDM, CWDM and DWDM
• WDM 技术是将多个波长复用到一根光纤里传 输
• 粗波分复用 (CWDM) 只复用的波长间隔较宽 （20 nm) – 低成本WDM
l1 2n
布拉格（Bragg）共振条件
满足共振条件时，如果光栅足够厚，对共振波长将接近100%的能量被反射
布拉格声光衍射 当声波频率较高，声光作用长度较长，光线与超声
波波面有一定角度斜入射，会产生布拉格声光衍射
入射波 （）
O
AB
i
B
布拉格衍射波 （ + s ）
如不满足共振条件 则
声波(Sonic wave)
光纤光栅——波长滤波器
FBG的发现与发展
光纤布拉格光栅（简称FBG）是在 单模光纤的纤芯内通过某种方式 对其折射率产生周期性的调制而 形成的一种全光纤器件 (如右图 所示)。
1978年，加拿大Hill 等人使用如左图 所示的实验装置将488nm的氩离子激光 注入到掺锗光纤中，首次观察到入射 光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉 条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴 向的周期性调制，从而发现了光纤的 光敏特性，并制成了世界上第一个光 纤布拉格光栅。
O’
波面（ s ）
布拉格条件
布拉格衍射
l ll n d s i n i s i n d m 2 n s s i n i衍射光最强
此时，衍射光是不对称，只有正一级或负一级，衍射效率高
l2 … ln
光纤光栅
l1 l1 l1 l1 l1 l1 l1
l1 l2 … ln
λ1
光纤光栅对共振波长全反射的条件是反射光 栅周期足够的多，也就是是说光栅部分足够 的长，如果光栅不够长则反射率低于100%
例： 这两个低损耗波长 窗口可以容纳 290 个40-Gb/s 信号
波分复用系统
波分复用器
100 GHz间隔的WDM信道频谱
WDM系统的优点
1. 系统容量可以很容易升级 如果每个波长可以承载40 Gb/s的信息，那么一根光纤若同时 传输100个波长就能实现4 Tb/s的传输
2. 可以保持数据的透明性 所有信道都能独立地携带信息，它们之间可以不同步，数
光滤波器 (a)
l1
llll1234
波分复用器 (b)
l1,l2,l3,l4
l11,l21,l31,l14 l21,l22,l32,l42
波长路由器 (c)
l12,l21,l31,l24 l11,l22,l32,l14
(a) 单纯的滤波应用； (b) 波分复用器中应用； (c) 波长路由器中应用
思考：可以用于波长滤波器的结构
波分复用
1. 什么是波分复用(WDM)技术？ 为什么要使用WDM技术？
2. WDM系统中使用的无源器件
-波长选择器 -波分复用器 -波长路由器
WDM的工作原理
在1300~1600 nm光谱范围内，以一定的间隔隔开的多个波长 可以在同一根光纤中独立传播
100 GHz
WDM 40 Gb/s PSK
透射式/反射式光栅
θd
透射式光栅
θi
θd
反Baidu Nhomakorabea式光栅
θi
思考：如何由光栅方程推导光纤光栅的共 振条件
l2 … ln
l1 l1 l1 l1 l1 l1 l1
l1 l2 … ln
λ1
l 光 栅 方 程 ： n d s in i s ind m
是否曾经讲过类似 的Bragg共振？
n sin 9 0 sin 9 0 l1
• 请利用已有的光学知识，思考可以实现波 分复用的器件都有哪些？
波分复用器
• 我们分析这个问题，还原到最本质的应用 目标，就是实现一个光学系统，能够把不 同波长的光分开，或和在一起。回忆光学 的知识，能将光按波长分开的光学原理都 有哪些呢？
棱镜、光学薄膜、光栅。。。。许多元件都 能实现这个目的，但最理想的又是什么呢？
相位掩模板
紫外掩模写入法
nz n1nmcos2z
+1级
-1级
包层 芯层
光纤光栅的应用
光纤光栅(Fiber Grating)是一种非常有吸引力的全 光纤器件， 其用途非常广泛，可用作光滤波器、光分 插复用器、色散补偿器、传感器等。对于全光纤器件， 其主要优点有：插入损耗低，易于与光纤耦合，对偏 振不敏感，温度系数低，封装简单，成本也较低。
啁啾光纤光栅用于色散补偿 lB 2n
光纤光栅在传感中的运用
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阵列波导光栅
• 阵列波导光栅是光通信骨干网 最核心的器件之一。要了解它 是什么，怎么产生的，我们可 以将它作为一个工程案例分析
• 注意整个思考过程，请跟着我 一起思考！
波分复用
• 波分复用器件是光通信应用里非常重要的 一类器件。基于波分复用的光通信，一个 波长相当于一个IP，不同波长携带不同的信 息，波分复用器件就是将多个波长的光耦 合到一根光纤内进行传输，并可以在传输 终端将多个波长信号分开，到目标客户端 分别输出。
光纤光栅的类型 光栅周期 影响什么？
• 均匀周期光栅 • 非均匀周期光栅（啁啾光栅）
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光纤光栅的制作
• 光纤芯层里由于含有少量锗（Ge）元素， 因此对紫外光非常敏感
• 当以折射率周期性分布的紫外光照射光纤 时，光纤芯层折射率将也呈现这种周期性 分布
紫外掩模写入法： 1. 用两束紫外光照射光纤并发生干涉 2. 掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加 3. 光栅永久写入光纤