波分复用技术：光子学设计基础

本节需要的主题内容：

i）光纤衰减（本书8.6.1节）

ii）光纤色散（本书8.6.2节）

iii）光纤放大器（本书10.10.1节）

iv）光纤耦合器（本书10.10.3节）

v）光谱分析（本书10.4节）

利用上一节讨论的波分复用技术有可能会使光纤放大器具有大的光学带宽，提高光纤的带宽能力。该技术有许多重要优点，是当今前沿技术中引人瞩目的课题，所以值得花费较多时间进行详细探讨。

波分复用技术依据下面事实：与激光的光谱宽度相比，当波长处于较大的变化范围时，大部分天然物理效应完全保持不变。例如，图10.36a所示石英光纤在1550nm“窗口”范围内的衰减光谱相对于典型的1nm半导体线宽的关系，对应着大约125GHz的频率范围。显然，在这个窗口内，可以填充大约30个这样的线宽，谱线间隔约1nm。因此，可以设想有多达30个通信通道，其中心波长相隔1nm；在光纤中的所有传输都是独立的，具有相当好的、可以接受的衰减。显然，这将使线路带宽提高30倍。波分复用就是具有这种优越性的技术。

图10.36　波分复用技术中光纤放大器波长的变化范围

但是，色散的情况又如何呢？对于色散位移光纤（Dispersion Shifted Fiber，DSF，见图10.36b），在同样的波长范围内色散的变化相当小。若使用平色散光纤（Dispersion Flattened Fiber，DFF），还可以进一步减小。这种光纤利用一种比较复杂的折射率分布图形，以提供一种波导效应，将所需范围内的色散拉平（见图10.36b）。因此，其色散仍保持在可接受的范围，恰好位于30nm之内。(www.xing528.com)

波分复用真正重要的优点是，光纤放大器在这样的范围内也能够提供良好的（和相当稳定不变的）放大。因此，利用该放大器的中继站就可以放大此范围的波分复用波长及其携带的数字调制信号，无需任何电子设备。没有任何技术难度就能做到这一点。并且，在建造许多中继站时包括了这项费用。每个中继站具有多条通道，每条通道都有能以超过1Gb/s速度工作的电子设备。

在传输终端，或许会通过一个光纤耦合器阵列（下一节将讨论该课题），必须将每个分离通道“混合”到单束光纤中。在接收端，首先从光学上分成多个通道，单独进行探测和解码。因此，只要安装一组探测器/解码器，每一个都可以在较低的通道速度下运行，无需在整个线路带宽范围内都设置电子设备（见图10.37）。

图10.37　波分复用技术中的光学复用和解复用

可以用多种方式实现光学分离。图10.38a给出了一种简单方法，利用一块棱镜，如艾萨克·牛顿（Isaac Newton）棱镜，将光束分成许多组分波长。棱镜使每一族波长偏转不同的角度，所以，在主干光纤发出的波分复用信号中，每个通道都会偏转一个不同的角度。从而使每一个通道都指向本身的光电探测器，以实现探测和后续处理。实际上，这是一种相当简单粗略分离（解复用）波分复用信号的方法。还有更好的方法，包括使用波导耦合器（记住，耦合强度取决于波长（见图10.38b））和干涉滤光片。必须认真设计这些复用/解复用成分，以便不引入太多损耗。因为，引入太多损耗的话，波分复用系统的许多优越性都会随之丧失。

图10.38　光学解复用原理

现在，该技术的研发重点是开发多达100个通道的系统，每个通道的带宽是40Gbit/s，总的带宽是4000Gbit/s（即4Tbit/s）。这些系统使用本书7.2.2.4节介绍的专用激光器，具有窄的波长扩散（小于0.01nm），通常称该系统为“密集波分复用（Dense WDM，DWDM）系统”。现在，讨论“Tbit技术”领域的问题。

在波分复用系统，用线路中光学放大中继站的方式（每50km间隔）补偿光纤中的衰减。然而，色散并没有得到补偿，所以系统通常会受到色散的限制。如果要求进一步提高性能，就必须解决上述问题。