光纤光栅在全光通信网中的应用

摘要：随着社会对通信业务需求的不断增加，基于WDM的全光网络已成为未来光通信的发展趋势。光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，这将使光纤光栅成为未来全光网中的基石。从目前的研究来看，光纤光栅已经能够为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、OTM（光终端复接器）、OTDM（光时分复用）、OXC（光交叉连接）等等关键部件提供优秀的解决方案。

　　关键词：光纤光栅　全光网络　光纤

　　1　引言

　　人类社会进入信息时代，对通信的需求量不断增长，从而对通信的带宽容量提出更高的要求。然而电子线路的极限速率只有20Gb/s左右，这就是所谓的“电子瓶颈”。尽管当前已经有许多光纤通信线路，但是光纤线路中各种复用/解复用和光电/电光的转换限制了信息的传输速率。进入20世纪90年代，以时分复用（TDM）为基础的电传送网难以适应需要，这就导致以光波分复用（WDM）为基础的全光通信网（AON）成为人们研究的热点。

　　全光通信是解决“电子瓶颈”的最根本途径，全光通信意味着在通信过程中的各个环节都用光波来完成，中间无需任何光－电－光的变换。全光通信的发展完全取决于网络中光放大、光补偿、光交换以及光处理等关键技术的发展。光纤光栅具有带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的器件。通过近年来的研究，光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决全光通信系统中许多关键技术。

　　2　光纤光栅是实现全光通信系统的关键技术

　　未来基于WDM的全光通信系统与现有的光纤通信系统有许多不同，突出表现在全光通信系统每路波长复用数多、每路信道速率高，因此整个系统对于光源、信号放大、色散补偿、复用/解复用、OADM（光分插复用器）、OXC等一系列设备都有更严格的要求。

　　2.1光源

　　光纤光栅激光器产生的光信号更符合全光通信系统对光源的要求。同时基于光波分复用（WDM）的全光通信网（AON）中，光纤复用的路数将大大提高。而半导体激光器的波长比较难符合ITU-T建议的WDM波长标准要求，相反利用光纤光栅做成的激光器则能非常准确地控制波长，且制作成本低。



　　图1所示的就是利用一段的参稀土光纤和一对光纤光栅作为谐振腔而构成的光纤光栅激光器。这种激光器可以实现在380-390nm带宽范围内的激光输出，光栅优异的选频性能使输出的激光信号具有线宽窄、功率高的特性。由于光栅的Bragg波长随温度、应力作用的变化呈良好的线性关系，因此通过对光栅加纵向拉伸力或改变温度可以实现输出激光频率的连续调谐。因此这种光源将是未来全光网中理想的光源。

　　2.2　色散补偿

　　光纤的损耗、色散和非线性是影响光纤传输能的三个最主要的因素。掺铒光纤放大器的研制成功基本解决了损耗的问题。随着全光通信速率的提高，色散和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显著。可喜的是，经过近年来的研究，光纤光栅色散补偿器已经基本解决了光纤传输系统中的色散问题。



　　图2是光纤光栅作为色散补偿器的工作原理图，光纤光栅被偿色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纤光栅的不同反射点有不同的反射波长，我们让红移分量在光栅前端反射，而让蓝移分量在光栅末端反射，即蓝移分量比红移分量多走了2L的距离。这样，由于色散在光脉冲中红蓝移分量之间产生的距离差，经过光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量，这样就消除了色散效应。目前光纤光栅作为色散补偿已经达到实用阶段。

　　2.3　OTM

　　OTM（Optical Terminal Multiplexer）光终端复接器的作用是将终端用户光波长复用进系统中，或在终端从系统中解出用户需要的波长。光终端复接器是基于WDM全光网系统中不可缺少的设备。它的核心部件就是复用/解复用器，也叫分波/合波器。它可以实现在一根光纤中传输多个波长的信道，并在终端将不同的波长分别解出。由于全光网系统中波长之间的间隔很小，因此对复用/解复用设备提出了很高的要求。



　　图3是用Mach-Zehnder干涉仪与光纤光栅构成的复用/解复用器原理。多个波长的传输信号从端口1入射（设为λ1，λ2……），若光栅的反射波长为λ3，则由于光栅的反射作用，λ3的光信号将在端口2出现，而其余的光输出到端口4。根据干涉仪的内在对称性可知，λ3也可以从端口复用入传输线路中。如果在干涉仪上加上与原光栅对Bragg波长不同的光栅对，还可以同时插入和解出不同波长的信道。该复用/解用器与输入光的偏振状态无关，对外界温度变化也不敏感，且复用/解复用过程中绝无光－电、电－光的转换过程。实验中为100GHz（0.8nm）的信号进行有效的复用/解复用。

　　2.4　波长交换

　　未来全光网络中为了克服“电子瓶颈”，网络路由方式也将采用波长路由方式，由于通信波长资源的有限性，使得全光波长变换技术在全光通信网系统中成为不可缺少的关键技术之一。波长变换技术是把光信号从一个波长转换为另一个波长的一种手段，它可以实现波长重用、波长路由波长选择开关、全光交换等功能。到目前为止，已经报道了多种结构和机制的波长转换器，这些波长转换器都各　具有自己的特色和欠缺。



　　图4为一种新近报道的基于光纤光栅的波长转换器，FBG-ECL是由光纤光栅和腔面增透的F-P（法布里-珀罗）腔激光器管芯所构成的外腔激光器。这种波长转换器的工作波长由光纤光栅的反射谱峰值波长（λ0）决定，待转换波长为λ1的光信号，工作机理是所谓的增益饱和效应。从功率探测器（PD）端探测到的光谱可以看出，当信号光（λ1）的注入引起激光器（λ0）波长输出功率的下降，因而把输入光信号转移到 （λ0）波长上。这种基于光纤光栅的波长转换器不经过光电转换和二次发光过程，具有对光信号速率和格式的透明性，而且具有简单、高效、可靠、经济等优点。

　　2.5OADM

　　OADM（光分插复用器）实际是合波器与分波器的组合。光分插复用器作为全光网中重要的器件，它的功能是从分波器中有选择地取下几路通过本地的光信号，其余几路波长直　通合波器，另外可以有几路本地波长信号输入，与直通的信号复合在一起输出（Add）。也就是说OADM在光域内实现了传统的SDH设备中电的分插复用器在时域中的功能。



　　图5是用光纤光栅实现的、普通采用的一种OADM结构，输入WDM信号经过开关送入一个光纤光栅。每路光栅对准一个波长，被光栅反射的波长经环形器下路到本地，其他输入的WDM信号波长通过光栅经环形器与本地节点的上路信号波长通过环形器合波，继续向前传输。这种基于光纤光栅的OADM实现方案已经是目前普遍采用的一种OADM结构。

　　3　光纤光栅在全光通信网中应用展望

　　目前全光通信的研究还处于起步阶段，有许多的技术难点需要不断的克服。从本文可以看出，光纤光栅极可能成为未来全光通信网中的基石。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅以及基于光纤光栅的器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。从光源、光放大、色散补偿，到OTM、OTDM、OXC等全光网中不可缺少的部件，光纤光栅都可以提供优秀的解决方案。可以相信，对光纤光纤的研究可以促进全光通信网的早日实现。

摘自《光纤与电缆及其应用技术》

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