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
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。
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%
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
lB 2n
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。
• 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？
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？
透射式/反射式光栅
θd
透射式光栅
θi
θd
反射式光栅
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
Байду номын сангаас
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
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
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。
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
• 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
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)
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