多波长滤波器（通用4篇）
多波长滤波器 篇1
在过去的几十年中,相移光纤光栅已经被全面的研究并广泛应用于全光通信和传感领域[1]。相比使用普通布拉格光纤光栅(FBG)作反射型带阻滤波器件,需要借助于光耦合器、环形器,成本较高,相移光纤光栅能在反射谱的阻带中打开一个或多个透射窗口,实现透射型滤波[2]。而且,透射窗口的位置可以通过改变相移量的大小调整;窗口的通透率以及线宽也可以根据相移位置的不同而不同,因而可以根据不同的需要设计得到不同滚降特性、不同线宽的透射峰[3]。相移光纤光栅同时具有波长选择性能好、插入损耗低和偏振态无关等优点,这些优点使得它在窄带滤波、波分复用/解复用以及光纤传感领域得到深入研究和广泛应用[4]。基于这些优点,国内外已经有很多关于均匀相移光纤光栅的研究和应用,但是对啁啾相移光栅的特性分析和实验却非常少。啁啾相移光纤光栅的透射峰波长和数量由相移点的位置和数量来确定,且啁啾光栅具有较宽的带宽,反射谱中可容纳更多的透射峰[5],更加适用于多波长滤波[6]。一般而言对啁啾相移光纤光栅的研究方法主要是传输矩阵法[7]和多层膜法[8],而V-I传输矩阵法[9,10]已被证实可以用来分析光纤布拉格光栅(FBG)的特性,该方法简化了传输矩阵,提高了计算效率,但是至今还没有基于该方法对啁啾相移光纤光栅传输特性的研究分析。
利用V-I传输矩阵模型对啁啾相移光纤光栅的传输特性进行了分析。结果表明,在啁啾光纤光栅中同时引入多相移时生成的多陷波滤波器的波长间隔与以同样的位置引入单相移时陷波滤波器的波长偏离间隔基本一致。依据仿真分析结果,可合理选择啁啾相移光栅的啁啾系数、相移数量、相移位置和相移量,实现多波长滤波。
1 啁啾相移光纤光栅V-I理论模型
啁啾相移光纤光栅是指在啁啾光纤光栅的某些点,通过采用一些方法破坏其周期的连续性而得到的,这些不连续的连接就会产生相移。相移点把啁啾光栅分为多段,相当于多个啁啾光纤光栅的无缝级联而成[11]。
当在布拉格光纤光栅的zi处引入相移量为θi(i=1,2……,M)的相移时,折射率调制可以表示为[8]
其中,;L为光栅长度;F为线性啁啾系数;z为光栅位置;为栅格周期;λB为布拉格波长;neff为有效折射率;n为调制前的纤芯折射率;δn为折射率调制深度。
V-I传输矩阵法的理论分析在文献[8]、文献[9]已详细介绍,这里直接引用。相移调制矩阵可由V-I变换表示为
其中,θi表示相移量的大小;Z=(120π)/neff,neff为有效折射率。整个啁啾相移光纤光栅的传输矩阵可表示为
其中,VI1为每小段光栅的传输矩阵。啁啾相移光纤光栅的反射系数表示为[10]
2 仿真分析
2.1 相移大小不同时的传输特性
根据以上V-I理论模型,在光栅的中间位置引入单点相移,分析不同相移量对啁啾相移光纤光栅透射谱特性的影响。选取的光栅参数是:光栅长度为1 cm,纤芯有效折射率为neff=1.451 3,折射率调制量为△n=1.46×10-4,啁啾系数为0.000 5,中心波长为1 550 nm,条纹可见度为1。图1为不同相移量下仿真模拟得到的啁啾相移光纤光栅的透射谱,相移角θ分别为π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3。
从图1中可知,如果引入的相移量以π对称,则透射峰的位置是关于相移为π时对称的。若相移量逐渐偏离π,则透射峰也将逐渐偏离中心位置。相移量越接近π,透射峰的线宽越窄,透射峰的通透率越高。若相移θ<π,透射峰的波长将大于相移为π时的透射峰波长;若θ>π,则透射峰的波长将小于相移为π时的透射峰波长,并且随着相移量的增大,透射峰波长将会朝着短波长的方向移动。
2.2 啁啾系数不同时的传输特性
图2所示的是在不同啁啾系数下仿真模拟得到的啁啾相移光栅透射谱。光栅的相移量为π,相移位置取光栅中间位置,其他参数同图1选取的参数一致。
由图2可知,当啁啾系数f逐渐增大时,啁啾相移光纤光栅的反射带宽随之逐渐增大,透射峰的线宽也随之增大,但反射峰峰值会稍微下降。啁啾系数f的变化不会对透射峰的位置以及通透率产生影响,不同的啁啾系数对旁瓣的抑制效果也不同。因此,啁啾系数的选择并非是越大越好,应该选择合适的啁啾系数使得能够增大带宽的同时又能够对旁瓣有一定抑制,从而能够尽量去避免由于旁瓣产生信道串扰。
2.3 相移位置不同时的传输特性
图3为在不同相移位置下仿真模拟得到的啁啾相移光栅透射谱。光栅的相移量为π,相移位置为a×L ,a取值分别为0.3、0.7、0.4、0.6,其他参数同图1选取的参数一致。
由图3可知,对均匀相移光纤光栅而言,当相移点位置变化时,透射峰始终位于布拉格波长处,相移位置的变化只会对透射峰的通透率有影响,而不会使透射峰的位置发生变化。而对于啁啾相移光纤光栅而言,相移位置变化时,透射峰的通透率始终保持不变,透射峰的位置会发生变化。当相移位置以光栅中心为对称时,透射峰的位置也是关于中心波长对称的。若相移位置逐渐远离光栅中心点,则透射峰的位置也将逐渐远离中心波长。
2.4 多相移及位置不同时的传输特性
基于V-I传输矩阵模型,对啁啾FBG在不同的位置引入相移进行模拟仿真,观察陷波滤波器波长的变化。选取的光栅参数是:线性啁啾光栅长度为12 cm,纤芯有效折射率为neff=1.477 4,折射率调制量为△n=2.65×10-4,啁啾系数 为0.003,中心波长为1 550 nm,条纹可见度为1。图4a为分别在光栅的3个不同位置引入π相移时的透射谱,其中蓝实线为在光栅中间位置引入π相移时的透射谱线图,紫色虚线为在光栅中间位置向左偏离12 mm处引入π相移时的透射谱线图,红色虚线则是在光栅中间位置向 右偏离12 mm处引入π相 移的透射 谱线图。
由图4a可以看出,当在光栅中间位置向左偏离12 mm处引入π相移时,产生的陷波波长相对于在中间位置引入π相移时的陷波波长向左偏离0.47 nm;当相移点距离啁啾光栅中间位置向右偏离12 mm时,陷波波长向右偏离0.47 nm。使用同样的模型,在啁啾光栅中引入多个相移,可以形成多陷波滤波器。图4b为同时在光栅的中间位置、中间位置向左偏离12 mm、中间位置向右偏离12 mm处引入3个π相移时的透射谱线图,发现当同时加3个相移时,会产生3个陷波滤波器,对比图4a可以发现,将同时引入的3个相移的相移位置间隔设定为12 mm时,这3个陷波滤波器仍然有一个0.47 nm的波长间隔,符合预期设想。
使用与图4同样的模型,在啁啾光栅的0.2、0.4、0.6处同时引入3个π相移,即这3个相移点的位置间隔为24 mm,产生的透 射谱线图 如图5所示。发现图5中的3个陷波滤波器之间的波长间隔为0.93 nm。对比图4b,当啁啾光栅上引入的相移点之间的间隔增大时,对应生成的多个陷波滤波器之间的波长间隔会相应的增大。
综上所述,在啁啾光栅中同时引入3个π相移时,生成的3个陷波滤波器的波长间隔与在光栅同样的位置引入单个相移时的陷波滤波器波长的偏离间隔基本一致,并且改变各个相移点之间的间距,陷波滤波器之间的波长间隔也会发生相应的变化。根据仿真结果,通过在啁啾光栅上引入多个相移点,并合理设计相移量、啁啾系数、相移位置以及位置间隔,可获得所需的滤波器通道数、通道间隔以及中心波长。
3 结 论
利用V-I传输矩阵法仿真分析了相移量、相移位置以及啁啾系数的变化对啁啾相移光纤光栅的透射谱特性的影响。通过数值模拟,发现在啁啾光纤光栅中同时引入多相移时生成的多陷波滤波器的波长间隔与以同样的位置引入单相移时陷波滤波器的波长偏离间隔基本一致;相移点之间的间隔增大,对应生成的多个陷波滤波器之间的波长间隔也会相应的增大。根据仿真分析结果,合理的设计相移数量、相移位置,选定合适的啁啾系数,可以获得实际所需的波长,设计出滤波器,实现多波长滤波。
摘要：使用Ⅴ-Ⅰ传输矩阵法分析了相移量、相移点位置以及啁啾系数对啁啾相移光纤光栅透射谱特性的影响,并分析了在啁啾光纤光栅中同时引入多相移时生成的多陷波滤波器的波长间隔,发现其与以同样的位置引入单相移时陷波滤波器的波长偏离间隔基本一致。依据仿真分析结果,可以优化啁啾相移光栅相移数量、位置间隔、啁啾系数和相移量的参数选择,设计出实际需要的多波长滤波器。
关键词：啁啾相移光纤光栅,Ⅴ-Ⅰ传输矩阵法,多波长滤波器
多波长滤波器 篇2
由于信息技术迅猛发展，密集波分复用技术已成为解决网络扩容的有效方法。为了提高光纤带宽的利用率，相应出现了一种新型无源光子器件——波长交错滤波器。它的作用是将光纤中一组信道间隔较窄的多个波长光信号分成两组信道间隔较宽的信号[1]，在密集波分复用系统中该器件起到复用和解复用的作用。
目前波长交错滤波器技术有多种，如光纤马赫-曾德尔干涉仪型，液晶型，阵列波导光栅型，利用偏振光干涉的晶体双折射型等。这些技术实现的波长交错滤波器均属于等带宽(如200 GHz,100 GHz,50 GHz,25 GHz，…)器件。而目前商用系统中，最佳带宽∆f和传输速率v存在近似关系：∆f≥1.5v，对于传输速率为10 Gb/s和40 Gb/s所对应的最佳带宽分别为15 GHz和60 GHz。因此在40 Gb/s的系统中，不等带宽器件的设计存在着较大的灵活性[1,2]。由于光纤熔融拉锥技术的成熟，全光纤马赫-曾德尔干涉仪型波长交错滤波器结构简单、制作成本低、信道均匀性好、与系统的兼容性强，较低的偏振相关损耗和附加损耗等优点[3,4]，我们可以采用不同的改进方法，通过合理优化，得到平顶的不等带宽波长交错滤波器。
本文提出了一种新型非平衡马赫-曾德尔干涉仪型不等带宽波长交错滤波器，通过改变干涉臂长差和耦合器的耦合角来决定输出波的周期和波形，同时利用光纤环型腔产生的多光束干涉效应，对输出波形进行改善，使波形更加平坦，隔离度更高。
1 器件结构和理论基础
这种新型不等带宽波长交错滤波器的设计是基于非平衡马赫-曾德尔干涉仪的干涉效应和光纤环型腔的相位调节作用[5,6,7]，结构如图1。利用二级马赫-曾德尔干涉仪，即三个光纤定向耦合器C1,C2,C3级联构成非平衡马赫-曾德尔干涉仪，在耦合器C2和C3之间的干涉短臂上分别加入光纤环型腔C4,C5，这能使得该滤波器的通带形状得以改善，实际上是因为光纤环型腔的加入，其作用相当于在短臂的传输系数上加入了一个相位延迟因子φ，使得奇偶两信道输出的波形更加平坦，也使得隔离度大大提高。
光纤2×2定向耦合器的传输矩阵Tci表示为
其中：i=1,2,3;bi为定向耦合器的耦合角。利用耦合模方程可推导出光纤环型腔产生相移φ的表达式[8]：
式(2)中：arg为复数取幅角的运算，θ=βR,R是环周长，β为光纤中基模的传输常数，Ai=1-ki是与耦合比有关的参数，ki=cos2Фi是组成光纤环型腔的耦合器的耦合比(其中i=4,5)。当满足共振条件时，θ=π+2β∆L,R=2∆L-λ0/2n，λ0为中心波长，n为光纤的有效折射率，∆L为原马赫-曾德尔干涉仪两臂的几何长度差。
两对干涉臂的传输矩阵分别为
式(3)中∆L1和∆L2分别为两对干涉臂的长度差。
∆φ为光波通过两个光纤环型腔产生的相移，表达式如下：
式(4)中φ4和φ5分别为光纤环型腔C4和C5产生的相移。
根据定向耦合器和干涉臂的传输矩阵，忽略光纤，光纤环型腔及耦合器的损耗，利用式(1)～(4)，可推导出该器件的输入输出关系表达式：
根据光强公式P=EE*(其中E*是E的共轭复数)，假设光源仅从E1输入，得到输入端口E1的光强为P1=E1E1*，输出端口E3和E4的光强分别为P3=E3E3*和P4=E4E4*，归一化的输出光强分别为P′3=10log(P3/P1)和P′4=10log(P4/P1)[9,10]。
2 数值分析
利用以上的推导结果，经过计算机模拟，即可获得该滤波器的输出图谱。在计算中，假设E1=1,E2=0，λ0=1 550 nm,n取1.454，耦合器C1,C2,C3的耦合角分别为b1=π/7.5,b2=π/4,b3=π/7.5，∆L1=∆L2=1.5 mm。如果不考虑光纤环型腔的相位调节作用，得到图2(a)的输出光谱，该图显示了归一化输出光强随频率变化的曲线，实线代表宽带宽，虚线代表窄带宽，分析结果表明：0.5 dB透过带宽分别为13.3 GHz和46.8 GHz,25 dB截止带宽分别为18.5 GHz和53.5 GHz,3 dB处带宽分别为32.5 GHz和72.5 GHz。
由于光纤环型腔和干涉臂长差的相位调节，通过调整两个光纤环型腔的耦合比和干涉臂长差，使其相位差之和在透过带附近尽量接近零，而在截止带的区域尽可能的大。这样，经过这种周期相位调制的干涉光谱曲线将产生陡峭边缘，得到近似于方波的曲线。经过优化计算，满足密集波分复用所需的截止度和平坦度的光纤环形腔的最佳耦合比为k4=0.75,k5=0.85。将两个光纤环型腔的非线性相位差∆φ和干涉臂长差取得1.5 mm时产生的线性相位画在同一张图上，如图3所示，该图显示了非线性相位差∆φ和线性相位随频率变化的情况。
将耦合器C2和C3之间加入两个光纤环型腔C4,C5，得到图2(b)的输出图谱，图谱显示了归一化输出光强随频率变化的曲线，实线代表宽带宽，虚线代表窄带宽，该不等带宽波长交错滤波器的0.5 dB透过带宽度分别为22.3 GHz和49.8 GHz,25 d B截止带宽度分别为25.5GHz和55.6 GHz，分析结果表明，本文设计的新型不等带宽波长交错滤波器具有更宽的0.5 dB的透过带和25 dB的截止带。实线X信道在3 dB处带宽为73.2 GHz，虚线Y信道在3 dB处带宽为38.5 GHz，比旧系统有所提高，且满足奇信道带宽大于15 GHz用于10 Gb/s的传输，偶信道带宽大于60 GHz用于40 Gb/s的传输，同时满足DWDM系统需要的信道隔离度大于25 dB的要求。
2.1 光纤环型腔的耦合比对输出光谱的影响
决定和影响波长交错滤波器性能的因素有很多，对于新加入两个光纤环的不等带宽波长交错滤波器，新增参量的变化是影响其滤波性能的关键因素。系统对光纤环的长度有严格的要求，假设两对干涉臂的长度差∆L1和∆L2保持不变，当光纤环的长度产生微小的变化时，就会破坏了条件式R=2∆L-λ0/2n的匹配要求，使得滤波器的信道隔离度降低，中心波长发生漂离。文献[6]和文献[7]已经讨论了光纤环长度对输出光谱的影响，这里就不在赘述。系统对光纤环型腔的耦合比也有严格的要求，由于两个光纤环型腔C4和C5的耦合比k4和k5的选取决定了输出谱的形状和隔离度的大小，因此分析其耦合比偏离最佳值对滤波性能的影响是很重要的。
图4是当k5=0.85时，光纤环型腔C4的耦合比k4单独发生变化时，对输出的宽带和窄带波形的影响。当k4大于0.75时，窄带波形顶端变得比较陡峭，不是很平坦;当k4小于0.75时，波形的隔离度会大大降低。通常器件的波纹度应当小于0.3 dB，考虑波纹度对器件性能的影响，经过计算模拟，得出k4的变化范围是0.68～0.80。
图5是当k4=0.75时，耦合比k5单独变化时对输出的宽带和窄带的影响。当k5大于0.85时，宽带的波纹度逐渐大于0.3 dB，窄带的隔离度逐渐降低;当k5小于0.85时，窄带波形顶端变得比较陡峭，不是很平坦。经过计算模拟，得出k5的变化范围是0.82～0.90。因此，对于同一方波而言，光纤环型腔C5的耦合比需要更加精确的控制。
2.2 干涉臂长差对输出光谱的影响
数值模拟中，发现所设计的不等带宽波长交错滤波器的输出谱对干涉臂长差变化特别敏感，这主要是本文所设计的结构，要求两组光纤的干涉臂长差相等，即∆L1=∆L2。我们假设其他参数不变，模拟∆L1和∆L2长度不相等时，对器件宽带和窄带波形的影响，如图6所示。分析表明，两组干涉臂长差的偏离将对器件的窄带隔离度产生特别大的影响，随着偏离值的增加，隔离度会逐渐下降，而纹波度也会稍微增大;对于器件宽带，随着偏离值的增加，对纹波度产生了特别大的影响，波形波纹度逐渐大于0.3 dB。综上所述，要想使器件的波纹度小于0.3 dB，并且获得25 dB以上的隔离度，必须要求偏差在35 nm范围内。
在实验中，控制干涉臂长差的方法可以参照文献[11]和[12]。文献[11]利用微小放大原理，将长度测量转化为角度测量;文献[12]利用光谱分析仪(OSA)技术和干涉臂上加入移相器的方法对臂长差进行监控。我们可以根据实验条件，合理选择方案。
3 结论
本文提出了一种将光纤环型腔加入非平衡马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂中构成的新型的不等带宽波长交错滤波器，模拟分析结果表明改进后的光纤熔锥非平衡马赫-曾德尔干涉仪型波长交错滤波器具有更好的滤波效果。利用光纤环型腔的相移作用，合理地配制好系统各个参数后，可以得到具有平顶和低谷的不等带宽波长交错滤波器。这种滤波器单个信道的透过带宽较宽，这样就降低了对入射信号的要求，充分有效的利用带宽资源;但是，同时系统要求更加严格的制作和封装工艺，以满足系统各参数的需要。
摘要：为改善常规马赫-曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的输出特性,提出了一种将光纤环型腔加入非平衡马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂中构成的新型波长交错滤波器,运用光纤传输理论和矩阵理论,得到该器件的输出表达式。通过数值模拟分析了光纤环型腔的耦合比和光纤臂长差对该波长交错滤波器性能的影响。结果表明:组成滤波器干涉臂的两对臂长差相等时,光纤环型腔的耦合比取一些定值可得到平坦的输出光谱,该器件在3dB处,奇信道带宽大于15GHz用于10Gb/s的传输,偶信道带宽大于60GHz用于40Gb/s的传输。这种滤波器在10Gb/s向10Gb/s+40Gb/s升级过程中作为复用-解复用器具有很大优势。
关键词：不等带宽波长交错滤波器,非平衡马赫-曾德尔干涉仪,光纤环型腔,耦合器,密集波分复用
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多波长PON体系结构研究 篇3
随着接入网技术的快速发展,MW-PON(多波长无源光网络)已成为未来接入网发展的热点。它可使运营商现有的GPON(吉比特PON)接入带宽增加到原来的16倍,达到40 Gbit/s以上,可同时为居民用户、商业客户和无线回传(包括前传)3类客户提供统一的混合接入。
传统的TDM-PON(时分复用PON)采用一对固定的上下行波长实现多个ONU(光网络单元)与一个OLT(光线路终端)通信。XG-PON(10 Gbit/s能力的PON)的通信体制即是这样,通过采用1 270/1 577 nm上下行波长,实现了多个ONU共享一对波长,局端ODN(光分配网络)馈线的容量为10 Gbit/s/2.5 Gbit/s。事实上,10 Gbit/s速率的TDM-PON已经到了光模块低成本的极限,为了进一步提高系统带宽的容量,简单地将光调制速率增大到40 Gbit/s的方法已不可行。MW-PON另辟新径,采用增加上下行波长对(波长堆叠)的方法来增加系统带宽的容量。例如采用4对波长,每对波长传输10 Gbit/s/2.5 Gbit/s下/上行XG-PON帧,使得ODN馈线容量达到下/上行40 Gbit/s/10 Gbit/s的速率。因而MW-PON系统具有多个OLT和多个ONU通信的机制,并同时保留了多个ONU共享一对波长的优势。引入多个波长以后,MW-PON系统的设计便存在诸多挑战,主要难点在于系统结构的设计、波长的分配和管理,ONU激活以及流氓ONU的管理等方面。
1 MW-PON体系结构
1.1 MW-PON物理架构
在MW-PON物理架构上,局端系统可以有两种构成方式[1]:单个OLT和多个OLT,分别如图1和图2所示。物理架构包括OLT(一个或多个)、ONU和ODN。事实上,图2是图1在实现上的一种特例,因为图2中的OLT只包含处理一对波长的功能,每个OLT位于不同的物理位置(机盘卡),而图1中的OLT表示在同一个物理位置(机盘卡)包含4对以上波长的处理功能(即后文中的OLTp)。
在下行方向,OLT发送多波长信号(λa,…,λa+n)到多个ONU,ODN是点到多点的无源光装置(光功率分路器或波长复用/解复用器)。根据部署的场景,ODN可以是一级也可以是多级的。在上行方向,一个ONU工作在上行波长组中的一个波长上,在自己分配到的时隙内发送数据,由RN(远端节点)合路多个上行波长到馈线光纤。OLT接收和处理多个波长的上行信号(λb,…,λb+m)。
当RN不采用光功率分路器,而采用波长复用/解复用器时,可以降低ODN由于光功率分光而带来的高损耗,适用于单个ONU独占一对波长的P2P WDM (点到点波分复用) ONU的情况(即后文中的OLTq)。后者往往应用于企业用户或无线回传,该应用场景要求有较高的光通道预算。无论是采用光功率分路器,还是采用波长复用/解复用器,MW-PON系统都要管理和分配系统所使用的波长。
1.2 波长管理和分配
图3所示为一个MW-PON系统针对波长管理和分配的功能结构示意图。图中给出了两类MW-PON 的OLT:OLTp和OLTq。
其中,OLTp是一个处理4对波长的MW-PON的局端系统,又称为TWDM-PON(波分时分复用PON)系统,OLTq可以是另一个TWDM-PON局端系统,或者是P2P WDM局端系统。
为了实现MW-PON系统一组(多个)OLT共享一组波长来为一组ONU提供服务的功能,系统拥有波长管理的几个实体,包括DC(域控制器)、IDC(域间控制器)和波长池。图3中虚线表示各波长管理实体之间的通信通道。OLT的上行和下行波长就由这几个管理实体决定,通过一个称为波长池的数据库机制来同步协调[2]。
首先,ODN的关键资源是波长组,这些波长组在光纤设施上共存。即ODN在光谱上被分成互不相交的域,不同的域之间通过DC的逻辑功能协调,该DC作为后端控制器负责所在光谱(域)的波长分配管理。其次,IDC协调DC间的公共活动,通常的功能包括ONU行为分析、流氓ONU的分析和减轻、光纤网络测试和发现以及解决故障等。IDC可能作为管理波长池的一个代理,作为这个角色,IDC也可以执行DC的波长协调管理功能。再其次,波长管理实体DC和IDC是通过调用OPC来完成协商波长的过程的,而OPC又具体控制图3中下层的OLT端口来实施波长通道的建立。
2 系统的功能
MW-PON系统的功能涉及到波长处理的逻辑功能和OLT、ONU相关的传输汇聚处理功能。
2.1 OPC功能
在OPC中,MW-PON系统波长处理的逻辑功能分为4个部分:波长分配、波长调谐、波长资源管理和波长通道性能监控[1]。
波长分配:在基于分路器的MW-PON接入网的ODN中,波长分配对于非激活ONU进入工作状态是至关重要的。当一个新的ONU加入到MW-PON中时,对最初的下/上行波长需要在OLT与新ONU之间自动地远程分配。波长分配过程必须作为ONU激活的一部分来实现,且在激活过程中可能需要波长调谐。OPC充当与ONU波长通道协商和建立的角色。为了与OLT正常通信,在波长管理实体指定ONU的下/上行波长的过程中,OPC发送和接收有关波长指定和ONU注册过程的消息。在基于Cyclic -AWG(周期性阵列波导光栅)的MW-PON接入网的ODN中,或者通过共享波长穿越ODN由OPC传送波长信息至ONU,或者通过OLT和ONU的光层自带的波长指定机制确定波长信息。在后一种情况下,波长指配在设备上电阶段就已经完成,OPC只需将波长信息在波长池备案。除非ONU收到一个来自OLT的注明了上行频率(波长)和发送时隙的授权,否则不允许该ONU发送客户信息。
波长调谐:如果ONU具有波长调谐的能力,那么在ONU激活的过程中,可能需要在遵循OLT指令的条件下调谐波长,即在具有波长调谐能力的MW-PON接入网的运行过程中,可能需要更改指配的波长[3]。还有,在一个多波长域内,如果某些波长上的负载很重,而其他一些波长是完全空闲的,则OPC推荐将ONU从负载很重的波长调谐到空闲波长上,这样可以在所有可用波长间平衡负载,从而使域的状态保持稳定。通过在轻负载情况下(例如,午夜到凌晨6点)关闭某些OLT端口,同时将工作在这些波长上的ONU调谐到其他可用波长上,可以实现OLT节能。此外,为了提高波长资源的利用率,对于某些MW-PON技术,还可通过波长快速调谐方式来实现动态波长变更。
波长资源管理:在MW-PON系统中,波长资源成为对ONU接入到ODN进行仲裁的关键。不论是基于光分路器还是Cyclic-AWG的MW-PON系统,OLT都应该在OPC确认ONU的波长分配,以支持一般情况下的波长维护。为了实现波长资源管理,需要提供波长资源可用性和波长分配等信息。对于某些特定的PON技术,可以通过控制和管理通道来实现传统的PON管理机制。作为给定域内的波长资源管理功能,OPC需要针对原有的特定技术,如DBA(动态带宽分配),进行扩展和增强,包括DWBA(动态波长和带宽分配)。
波长通道性能监控:波长通道性能监控主要包括波长漂移监控和波长稳定性监控。其中,波长漂移监控的对象是相对于目标波长的偏移量,因为在基于分路器的MW-PON接入网中,波长漂移会对其他ONU造成干扰。
2.2 传输汇聚功能
2.2.1 OLT端口功能
一个OLT端口可以理解为在指定波长上产生和接收特征信号的一个实例。产生的特征信号如GbE(吉比特以太网)、CPRI(通用公共无线接口)或G.987 XG PON信号。OLT端口的功能是在多个指定波长上接收一个特征信号。该指定波长是OLT端口的传输(下行)和接收(上行)波长,由半永久性的硬件或软件配置,并记录在波长数据库中。
在下行方向,OLT在每个分配的波长上连续发送数据。由于一些原因(如节能),OLT也可能在某一给定波长上停止收发。在上行方向,根据技术类型的不同,OLT的接收可能是连续或突发模式。
2.2.2 ONU功能
ONU由一个下行接收机和一个上行发射机组成。在多数情况下,一个ONU可属于任意给定时间的一个域,ONU另一个特征是通过波长控制机制而具有接收一个或多个特征信号格式的能力(如GbE、10GE和RF视频等)。波长锁定可通过光层自带的波长指定机制外部硬件(如Cyclic-AWG)或根据光层自协商硬件调谐,或在ONU与一个OLT连接的软件反馈回路中调谐。
MW-PON允许上行和下行波长单独调谐。在某种情况下,可能有一个固定关系,比如ODN的RN中有一个Cyclic-AWG器件,ONU的上行和下行波长就相差n个周期的FSR(自由空间范围光谱)。一个波长灵敏的ONU可以按照瞬时、快速(μs量级)和慢速(ms量级)等级别进行波长的有效调谐,在热调谐的情况下进行慢调谐可能需要许多ms的时间。此外,ONU也可能没有波长灵活性,比如在有P2P WDM系统的情况下。
局端OPC必须考虑一个ONU的响应时间。当ONU从一个OPC重新定位到另一个OPC时,必须把自己的能力和速度等信息提供给OPC。各ONU之间可能在频域或时域上共享一个单独的上行波长。ONU可能以连续或突发模式传输。当ONU的波长由Cyclic-AWG来确定时,则ONU总是以这个波长传输。
3 ONU激活和运行管理功能
对于ONU激活,必须先在DC与候选ONU之间建立通信。类似于消息协议一致,也需要波长与帧格式一致。进一步说就是先确定物理层一致,再做激活尝试。一个待激活的ONU会将它的波长调整到其DC指定的下行波长上;或者通过扫描波长来寻找一个属于它自己域中的广播帧,从广播帧中,ONU接收到一个激活请求后,通过指定上行的激活波长以及一个合法的时隙作为一个激活请求[4]。在TMD/TDMA情况下,这个激活请求消息会包含在扩展的突发帧头或者在TDM的发现帧中。
ONU根据授权参数响应授权,DC完成ONU基本激活,并且重分配到宿主OLT波长上。最低限度,基本激活需要DC识别ONU。DC或宿主OLT执行完整的鉴权。DC会通知宿主OLT接管新激活的ONU控制。如果ONU与宿主OLT通信失败,ONU须重回DC以便重激活[5],同时宿主OLT应通知DC,告知 ONU中断。如果帧格式不一致,甚至待激活ONU侦听到错误的DC发来消息,则不能解码出信号,也不能响应激活授权。
即使MW-PON接入网包含多个DC,且均对候选ONU可用,ONU也只会响应一个DC,此DC的激活广播指定了ONU所在的域名。
3.1 激活过程
图4给出了一个新P2P WDM ONU正常激活的过程。ONU预分配了域和子域,子域通常是OLT端口标识。OPC周期性地发送广播消息和发现授权给ONU,域(子域)内的ONU接收广播/授权消息,系统允许由通配符来开放ONU在指定域任何OLT端口激活。
初始化后,ONU处于接收状态,其接收波长设置为预配置的广播波长,或ONU扫描所有波长,搜索广播信息。不论是哪种情况,ONU最终将找到下行波长和OPC。广播消息包含域名、子域名标识和可选的重定向信息到同域或其他域的OPC,这些参数可以确保ONU侦听到正确的OPC,或有选择地快速找到其期望的域。
如果已收到域和子域的广播消息,ONU便知道了OPC的上行波长和激活请求可能使用的技术特征参数。ONU自行调谐到上行指定波长λu和OPC。在调谐时间内,OPC可能传输ONU接收的附加广播消息。当发射机调谐到λu和OPC后,ONU等待发现授权消息来确定时间和它发送的激活请求的其他参数。OPC收到ONU激活请求消息(消息中指定超时、回退和重试等参数)后,进行初步的ONU认定操作。后续的ONU激活、授权、审计和配置功能则按照通常使用的技术方法。之后,OPC再向DC登记/注册新激活的ONU。
TDM/TDMA系统ONU的激活过程与P2P WDM ONU激活过程类似,如图5所示。其原理适用于TWDM-PON(EPON系统也可以采用类似的机制激活)。主要区别是消息的格式有所改变,系统采用扩展或适配已有的或新制定的G.98x帧及其PLOAM(物理层操作管理维护消息)来传送广播消息和发现授权。
3.2 重定向操作
图6所示为重定向操作过程。初始状态时一个ONU在OPC1下正常工作。出于流量分析、保护或其他目的,DC可能做出该ONU应切换到OPC2的决定,当然,也可能由OPC1做出该决定。
OPC1将ONU重定向到OPC2(如果OPC1是自行决定的,则首先需要查询OPC2的参数),重定向命令指定了OPC2的波长(包括上行和下行)和其他可能的参数。在离开λu和OPC1波长之前,ONU需要先向OPC1确认该重定向命令,这一步骤之所以重要是因为系统允许ONU拒绝响应重定向命令的消息。收到确认的重定向命令消息后,OPC1使用重定向消息通知OPC2和DC。
ONU按照自己的速度重新调谐发射机和接收机波长,使其与重定向命令要求的一致。当调谐到OPC2波长时,ONU将侦听OPC2周期发送的发现授权消息。ONU发送激活请求消息,该消息由OPC2识别,进而进行初始化,并根据指定的业务需求进行后续步骤。由于重定向是做切换操作而非新激活动作,因此该ONU可以快速地进入全业务工作状态[6]。系统支持这一特性所需OPC1和OPC2之间的交换状态和配置信息等步骤,这里不再赘述。
3.3 流氓ONU行为减轻机制
图7描述了一种产生流氓ONU的故障处理过程。初始状态时,ONU和OPC1处于正常操作状态,在失效情况下,ONU将自身的发射和接收波长转到了其他波长上[6]。OPC1向DC报告信号丢失,此报告包括ONU标识。由于流氓ONU可能影响多个域,DC必须与IDC互相协作。一些其他OLT的OPC2可能检测到流氓ONU的指纹(也可能包括ONU标识),如果不能解码出所传输的信息,只能向DC上报遭受流氓干扰。为了辅助识别流氓ONU,所有ONU需要被指配域内唯一的标识,ONU在每次突发发送或者连续发送时定时发送此标识。提供ONU唯一标识的功能显然应该由波长池数据库来承担。DC终将找到流氓的身份,并发出抑制流氓的命令消息。
如果出现ONU发送波长漂移,流氓ONU非法信号也可能出没在多个OLT之间。DC应对的办法是请求域中每个OLT在下行波长上发送相同的去使能SN(序列号)的PLOAM消息。这种案例情况在图7中有显示,在图的右下方,ONU接收到λd波长OPC3发来的下行去使能SN消息后,便进入静默状态。
4 结束语
MW-PON系统在光层堆叠了多个波长,增加了系统通过传统ODN的接入容量,由此开启了下一代PON技术新的发展通道。国际标准组织ITU-T正在制定MW-PON系统有关的标准,其中G.989.1已经定义了40 Gbit/s速率能力的MW-PON。虽然MW-PON系统需要增加波长分配、波长调谐、波长资源管理和波长通道性能监控等逻辑功能,并引入包括全新的OLT端口和ONU设备功能实体, ONU激活和流氓ONU行为的减轻机制等关键技术,但本文分析表明,只要合理定义标准功能实体,MW-PON采用光层堆叠多个波长的方案就能够满足系统运行的需要,具有ONU可管理、可运营、高带宽的优良特性。相关技术的进一步研究也将促进MW-PON技术的成熟和商用。
参考文献
[1]ITU-T G.multi.Multiple Wavelength Passive OpticalNetworks(MW-PON)[DB/OL].http://www.itu.int/md/dologin_md.asp?lang=en&id=T09-SG15-120910-TD-WP1-0788!!MSW-E,2012-09.
[2]Hood Dave,Khotimsky Denis.Proposed text for G.multi[DB/OL].http://ifa.itu.int/t/2009/sg15/ex-change/wp1/q2/12-05-16-PhoneCall/Domainsarchi-tecture-R0.doc,2012-05.(下转第14页)
[3]Asaka Kota,Nakamura Hirotaka.Proposal for ONUregistration and wavelength tuning functions required inMW-PONs with wavelength-splitter-based ODN[DB/OL].http://www.itu.int/md/dologin_md.asp?lang=en&id=T09-SG15-C-2130!!MSW-E,2012-09.
[4]Gengdan,Denis KHOTIMSKY.General discussion onwavelength tuning for G.multi[DB/OL].http://www.itu.int/md/dologin_md.asp?lang=en&id=T09-SG15-C-2227!!MSW-E,2012-09.
[5]ZHANG DeZhi,YUAN LiQuan.General discussion onregistration for G.multi[DB/OL].http://www.itu.int/md/dologin_md.asp?lang=en&id=T09-SG15-C-2226!!MSW-E,2012-09.
基于光纤环镜的多波长光纤激光器 篇4
关键词：光纤激光器,光纤环镜,掺铒光纤,偏振无关
1、引言
随着波分复用 (WDM) 技术在光纤通讯中的广泛应用, 多波长光源的研制已经成为了一个新的热点。传统的利用半导体激光器的方案需要对每一个输出波长进行分别控制, 不仅成本高, 而且系统稳定性差。最近, 人们利用法布里-珀罗标准距、波分复用系统[1]和光纤环镜等手段实现了掺杂光纤中的多波长输出。在本文中我们将提出一种基于高双折射保偏光纤环镜的光纤激光器。通过用液氮冷却铒纤, 可以得到间隔为1.9nm的7个波长的激光输出。
2、实验原理
光纤环镜的原理人们已经作了充分的讨论与研究。在这里将介绍一些与我们实验密切相关的性质, 特别是光纤环镜的反射率随波长以及保偏光纤双折射率的变化情况。在由理想器件构成的光纤环镜中, 其对于某一波长的反射率是可以通过控制环镜的双折射在0~100%的范围内任意调节的。
利用琼斯矩阵理论描述光在光纤环镜中的传播, 可得到光纤环镜的反射率公式:R (λ) =0.5+0.5cos (2π△n L/λ) (针对耦合器的耦合系数是0.5的情况) , 其中△n为保偏光纤快轴与慢轴的折射率差、L为保偏光纤的长度。由公式可知反射率R是波长λ的函数。众所周知, 当掺铒光纤在976nm的半导体激光器泵浦下会产生很宽的自发辐射谱 (通常为50nm左右) , 所以能够同时得到多个波长的振荡输出。由公式形式可以得知输出谱线的线间距与保偏光纤长度和保偏光纤的双折射率成反比。
3、实验结果及分析
实验方案如下:在由液氮冷却的掺铒光纤作为增益介质的两端分别用两个光纤环镜构成谐振腔。光纤环镜的工作原理如上所述。其中一个光纤环镜由保偏光纤和偏振控制器构成, 另一个由铒纤、泵浦源、10:90宽带耦合器和光隔离器构成。宽带耦合器的作用是将10%的激光输出到光谱分析仪进行观测, 其余90%的激光继续在系统内振荡放大。由高双折保偏光纤构成的光纤环镜除起到“腔镜”作用外, 还起到“选频”的作用, 是系统的重要组成部分。光纤环内的偏振控制器 (PC) 要严格设定为π/2, 只有这样才能得到最佳的干涉效果, 形成多波长稳定输出。为了使偏振控制器 (PC) 设定严格等于π/2, 我们还设计了一套“检偏系统”以确定光通过偏振控制器 (PC) 前后偏振态相差π/2。该系统由一个1550nm光源、一个偏振控制器、保偏分束器、保偏准直镜和光功率计组成。所有器件均为慢轴定位。当调整整个系统使光功率计读数最大, 表明系统内光功率均延慢轴传播。这时接人待测偏振控制器 (PC) 并调整使的光功率计读数最小, 即可保证待测偏振控制器 (PC) 两端光偏振态相差π/2。
整个实验过程中都要保持掺铒光纤在液氮的冷却中。这是因为掺铒光纤在室温下是均匀增益介质, 其均匀增益线宽约为l Onm, 所以在室温下铒纤内部会产生强烈的模式竞争从而无法实现稳定的多波长光波振荡。图1给出了在没有加注液氮冷却情况下的输出谱线。可以看到只有两、三个波长的激光输出, 且输出功率和波长很不稳定。
在液氮的冷却下 (77K) 掺铒光纤的均匀增益线宽极大的减小, 因此可以得到稳定的多波长激光输出。图2给出了在液氮冷却下的输出谱线, 此时激光器的光纤环镜由双折射为4.16e—4的长度为3m的保偏光纤构成。由图可见7条谱线等间距分布, 两输出峰间隔1.9nm。通过用MATLAB编程进行数值模拟可知, 若要得到符合国际电信联盟规定信道宽度 (两输出峰间隔O.8nm) 的多波长激光只需将保偏光纤长度增加到7m。
4、结论
本文对由高双折射保偏光纤构成的光纤环镜的滤波原理进行了详细讨论, 并给出了其反射率表达式;提出多波长光纤激光器的实验方案;做了在有、无液氮冷却铒纤两种情况下输出谱线的对比;在有液氮冷却条件下实现了同时稳定输出间隔为1.9nm的7个波长的激光;通过数值模拟计算, 给出了要产生符合国际电信联盟规定信道宽度的多波长激光的实验参数。
参考文献