光纤通信第四章4-波分复用

v
( L1 L2 )]
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基于M-Z滤波器的四波分复用器
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（3）阵列波导光栅 Arrayed Waveguide Grating

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集成光器件，可作为波长路由器； 对温度较为敏感 邻近信道隔离度较差.
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第4.4讲 波分复用技术
一、WDM系统的概况 二、WDM复用器件
1、角色散型（光删型）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2、干涉型
3、单模光纤耦合器型
三、相干光通信
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一、WDM系统的概况
1、波分复用频带
1）WDM，DWDM和OFDM
2）DWDM的复用频带 (1530-1560) nm region called C-band, (1570-1610) nm region called L-band , (1480-1520) nm region called S-band
,
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2、干涉型
（1）干涉膜滤波器型
构成:

多层介质薄模 自聚焦透镜
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多层介质薄膜
A1和A2路程差：
相位差：
l cos 2 l AB BC l 2l cos cos cos
透射波长：
2 l n
dr r0 dz
'

r0
'

sin z
2 a
r ' ( z ) r0 sin z r0 ' cos z
z 0
, Ln
2

Ln 为节距
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在自聚焦棒中, 当
z Ln ,
z Ln / 2
z Ln / 4
r ( Ln ) r0 ,
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2、系统组成
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3、混频原理
已调光波 HE11模 本振光波 混频后光波
Em ( x, y, t ) Em ( x, y )ei (s t m ) m(t )i m Es ( x, y, t ) B ps f ( x, y )ei (s t s ) m(t g )is EL ( x, y, t ) B pL h( x, y )ei (Lt L ) i L E B{ ps f ( x, y )ei (s t s ) m(t g )is pL h( x, y )ei (Lt L ) iL }
波长
3
二、WDM复用器件
1、角色散型（光栅型） 2、干涉型(干涉膜滤波器型, AWG型) 3、单模光纤耦合器型
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对波分复用器件的主要要求
1）插入损耗小，隔离度大;
2）带内平坦，带外插入损耗变化陡峭; 3）温度稳定性好，工作稳定、可靠； 4）复用通路数多，尺寸小等。 目前，WDM复用系统中常用的复用、解复用 器主要有角色散型(光栅型)、干涉型、光纤方 向耦合器型、光滤波器型。
相位偏差：
( , t ) L ( , t ) s ( , t ) L (t ) L ( , t ) s (t ) s ( , t )
相位偏差的概率密度函数：
f ( ) 1 2 ( ) 2 exp( ) 2 2
r r0
r r0
r( Ln / 4) r0
r ( Ln / 2) r0
r ( Ln / 4) r0 /
r (3Ln / 4) r0 /
z 3Ln / 4
r(3Ln / 4) r0
从自聚焦透镜端面上某一点入射的光线，经过1/4 节距的自聚焦透镜后，斜率相等，即变为平行光，也 就是说，1/4节距的自聚焦透镜具有准直作用。
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2 2
c0 Le c( z)dz


sin 2 ( c0 Le ) 1 1
和
或0
( c0 Le ) 1 ( c0 Le ) 2
m=0, +/-1, +/-2,….

2
m
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波长信道交织器(Interleaver)

用于复用波长数目较多的场合
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光电检测器进行检波，输出电流正比 Et Et Et
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e0 Is h

ps p L {e i [( L s ) t (L s )]m(t g ) C .C}
(is iL ) f ( x, y )h ( x, y )dxdy
干涉膜型解复用器特性示例
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（2）Mach-Zahnder滤波器型
pi E i E i Ei Aeit i l pi1 pi 2 A2 2

T Po / p1 cos [
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A i ( t L1 / v ) E1 e il 2 A i ( t L2 / v ) E2 e il 2 2
2e0 Is h ps pL
可见混频效率与信号光波和本振光波的偏振方向和空间 分布有关，必须保持信号光波和本振光波的空间分布和偏 振状态完全一致，才能获得最高的混频效率，此时 ρ =1， 检测器输出的信号电流的幅度最大。 混频增益.
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4、相位噪声的影响
阵列波导光栅的滤波特性
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3、单模光纤耦合器型
用途：多路复用，双路解复用
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双路解复用
p0
p1
求解线性耦合方，得到
p2
p1 p0 cos2 ( cz) p0 cos2 ( c0 Le ) p2 p0 sin ( cz) p0 sin ( c0 Le )
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1、角色散型

角色散本领:角色散本领是相距为单位波长的光波 散开角度，其表达式为 色分辨本领: 色分辨本领反映器件分辨波长很接 近的谱线的能力。光学元件的色分辨本领定义为
D

min
min
D
半角宽度△θ=δθ
式中，δλmin是瑞利判据所规定的角色散元件能够 分辨的两谱线的最小波长差。
2 ( ) 2 (f L f s )
4 f
若τ=10ns,需要
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f 540 KHz , 才能保证误码率小于10-9。
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5、关键技术


光源的稳频：温度精确控制 偏流精确控制 与参考光谱锁定 光谱的窄化：DFB+外腔 中频跟踪、锁定。
应尽量小，并尽量选用高的衍射级数。 特点: 并行器件，它可以同时分开多路不同波长的信号， 使各路的插损都差不多。
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自聚焦透镜（1/4节距的自聚焦棒）
折射率分布： 近轴光线轨迹：
1 2 2 n ( r ) n0 (1 r ) 2
r ( z ) r0 cos z
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光栅型
a) 用传统的透镜耦合 b) 用自聚焦透镜耦合 c) 体光栅型解复用器
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光栅型
角色散本领 色分辨本领
k D 2d cos
R Nk
d为光栅常数, k是光栅的衍射级数, N是光栅的槽数。可 见,要得到性能好的光栅，总槽数N应尽量多，光栅常数d
1 3 …
1 2 3 4 …
2 4 …
=50GHz
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=100GHz
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三、相干光通信
1、调制形式
幅移键控： m(t ) 码

n
a g (t nT )
n
an 1
=0

对“1” 对“0”
码 m(t ) 相移键控：
码
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2. 波分复用系统构成原理
1 2 波 分 复 用 器
N
光功率 放大器
光线路 放大器
光线路 放大器
光前置 放大器
波 分 解 复 用 器
1 2
N
1 2 3 4 5 6
N
光 谱
单信道
光 谱
WDM信号
波长
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干涉膜滤光片型解复用器具 有插损小、隔离度高、工作 稳定等优点; 通带特性好,边沿陡峭,顶部有 较大的平顶,对波长漂移的容 差较大; 但它是一种串行器件，当复 用路数较多时，各路的插损 差异较大。
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注 1：本测试使用 Q8347 光谱仪传输特性测试模式测得。 注 2：输入信号使用白噪声光源。
2nl cos T m
m是整数。
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薄膜透射性质
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安装在自聚焦轴上的波分复用器件
采用光垂直入射到 干涉膜上,消除偏振 敏感性。
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特点:
D－WDM 系统测试
解复用器特性
终端编号：№ A
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an = 1
n
a g (t nT )
n
对“1” 对“0”
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码
=-1
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频移键控
m(t )
n
imt int g ( t nT ) ( a e a e ) n n

an =1
对“1”码
=0
对“0”码
an
是an的逻辑非
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