基于分束器與雙向型的光分插復(fù)用器分析研究

朱丹丹, 駢斐斐, 鄭 紅, 張 昆, 陳杰運(yùn)(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004)

1 引 言

光分插復(fù)用器是波分復(fù)用光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件之一,其功能是從傳輸光路中有選擇地上路或下載信號,同時不影響其它波長信道的傳輸。據(jù)Infonetics預(yù)計,基于光設(shè)備的波分復(fù)用光分插復(fù)用器將保持快速增長,其2013～2018年復(fù)合增長率為13%。而今天,隨著P2P和IPTV的快速發(fā)展,光分插復(fù)用器的應(yīng)用特別是在本地/城域網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,引起了業(yè)內(nèi)特別是運(yùn)營商的關(guān)注[1-3]。目前,基于不同技術(shù)且較為成熟的光分插復(fù)用器的結(jié)構(gòu)有很多種,可以按照功能和結(jié)構(gòu)2種方式來劃分。按功能的不同光分插復(fù)用器有可重構(gòu)的和非重構(gòu)的2種;按結(jié)構(gòu)不同,光分插復(fù)用器可以分成基于波長復(fù)用型光分插復(fù)用器、基于光纖光柵和環(huán)形器的光分插復(fù)用器、基于光纖光柵和馬赫-曾德爾干涉儀的光分插復(fù)用器、基于聲光可調(diào)諧濾波器的光分插復(fù)用器和基于法布里-珀羅腔的光分插復(fù)用器。近些年,光纖光柵作為一種新型的靈巧傳感元件,對傳感信息采取波長編碼[4-6]、易于多點(diǎn)復(fù)用、與普通的光纖系統(tǒng)完全兼容,因而在光纖傳感領(lǐng)域和光纖通信領(lǐng)域得到廣泛而深入的研究。基于光纖光柵的光分插復(fù)用器因其插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡單和與偏振無關(guān)等特點(diǎn),在未來的光傳送網(wǎng)中將會有廣闊的應(yīng)用前景[7-9]。本文設(shè)計了2種光分插復(fù)用器,一種基于雙向型的光分插復(fù)用器,另一種為基于分束器與雙向型的光分插復(fù)用器。

2 光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)

基于光纖光柵的光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)為雙向型光纖光柵光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu),它是由兩個3端口的光學(xué)環(huán)形器連接兩個光纖布拉格光柵作為一個雙向的可重構(gòu)光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)。圖1(b)為基于分束器與雙向型光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)。信號從光發(fā)送器發(fā)出,有多個波長的信號經(jīng)過光環(huán)形器到達(dá)功率分束器分別傳送到兩個通道,兩個通道的可調(diào)諧光纖光柵1和2中心反射波長不同,與光柵的中心諧振波長一致的信號,就被反射回來,因此可實現(xiàn)對光纖光柵的中心諧振波長的下載,其它光信號則透過光柵到達(dá)耦合器。另一個方向的過程相同。

光發(fā)送器的重要作用是將電信號轉(zhuǎn)化為光信號,并有效地將光信號傳入光纖。光發(fā)送器由光源、脈沖驅(qū)動電路和光調(diào)制器組成。

圖1 基于光纖光柵的光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)

3 基于光纖光柵的光分插復(fù)用器仿真

3.1 基于雙向型的光纖光柵光分插復(fù)用器仿真

采用OptiSystem軟件對雙向型的光纖光柵光分插復(fù)用器進(jìn)行仿真,其仿真系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于雙向型的光分插復(fù)用器仿真系統(tǒng)框圖

圖3 光源輸出譜

圖2中波分復(fù)用子系統(tǒng)和波分復(fù)用子系統(tǒng)1為相同結(jié)構(gòu),代表了整個波分復(fù)用系統(tǒng)的光源。圖2中下半部分結(jié)構(gòu)與上半部分結(jié)構(gòu)基本相同。只是布拉格光柵波長不同,下半部均勻布拉格光柵頻率為194 THz,波長為1 545.3 nm。下半部分主要實現(xiàn)1 545.3 nm波長信號下載和上路。圖3顯示波分復(fù)用系統(tǒng)4個光源光功率峰值都近似為- 7.9 dBm,其波長分別是1 552.5,1 550.1,1 547.7,1 545.3 nm。波分復(fù)用信號輸入到第一個環(huán)形器中,經(jīng)環(huán)形器到達(dá)頻率為193.1 THz的均勻布拉格光柵,經(jīng)過此光柵反射后的光譜圖通過光譜儀1來觀測,光譜圖如圖4(a)所示;經(jīng)過此光柵透射后的光譜圖用光譜儀來觀測,如圖4(b)所示;上路信號波長為1 552.5 nm,上路信號光譜圖用光譜儀5來觀測,其光譜圖如圖4(c)所示;1 552.5 nm波長上路后的信號譜如圖4(d)所示,用光譜儀7來觀測。從圖4(b)中可以看出1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm波長峰值大致都為-8 dBm,說明1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信號波長基本無損耗地通過了光柵;圖4(d)顯示1 552.5 nm波長上路與1 550.1,1 547.7,1 545.3 nm信號復(fù)合后,1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信號峰值功率為-8.8 dBm,1 552.5 nm波長信號峰值功率大約為-9 dBm。同樣是經(jīng)過2個環(huán)形器到達(dá)輸出端,但1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信號的損耗比1 552.5 nm波長信號損耗少0.2 dB,主要原因是1 552.5 nm波長信號經(jīng)環(huán)形器上路時,由于光柵對1 552.5 nm和1 550.1 nm不是100%反射,能量有所丟失,而1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信號是直接通過光分插復(fù)用器到達(dá)輸出端的。

圖4 1 552.5 nm波長信號譜

3.2 基于分束器與雙向型的光分插復(fù)用器仿真

圖5所示為基于分束器與雙向型的光分插復(fù)用器仿真系統(tǒng)。發(fā)送的信號光由一個四端口耦合器合波,將它產(chǎn)生的波分復(fù)用信號輸入到第一個環(huán)形器中;入射光通過分束器分2個方向通向光纖光柵,與光柵的中心波長一致的信號,就被反射回來,進(jìn)入一個理想復(fù)用器下載,與另一個通道的光信號耦合,經(jīng)過一個二端頭復(fù)用器復(fù)用到一條光纖上,其它光信號則透過光柵。另一個方向過程相同。

圖5 基于分束器與雙向型的光分插復(fù)用器仿真系統(tǒng)框圖

波分復(fù)用系統(tǒng)光源仿真結(jié)構(gòu)框圖見圖6。

圖6 波分復(fù)用系統(tǒng)光源仿真結(jié)構(gòu)框圖

波分復(fù)用系統(tǒng)光源由4個連續(xù)波激光器組成,相當(dāng)于四路外調(diào)制光發(fā)送器,其波長分別是1 552.5,1 550.1,1 547.7,1 545.3 nm。其中一路外調(diào)制光發(fā)送器光源為193.1 THz的連續(xù)波激光器,同時用仿真軟件OptiSystem模擬所需數(shù)字信號序列,經(jīng)過非歸零脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)化成所需電脈沖信號,讓該信號通過調(diào)制器加載到光波上。其它3路光源頻率分別為193.4,193.7,194 THz。

圖7所示為仿真系統(tǒng)上半段的波長信號譜。由于光分插復(fù)用器為一個雙向的可重構(gòu)結(jié)構(gòu),上下兩部分是對稱的,僅信號波長不同,在此僅列出上半段的信號譜,下半段同理。圖7(a)為光源輸出譜,圖7(b)為1 552.5 nm波長下載后的光譜儀光譜,圖7(c)為1 547.7 nm波長下載后光譜儀6的光譜,圖7(d)為1 547.7 nm波長下載后光譜儀8的光譜,圖7(e)為上路后光譜儀12的光譜。仿真實驗結(jié)果顯示,基于分束器與雙向型的光分插復(fù)用器實現(xiàn)了1 552.2 nm和1 547.7 nm波長的下載,通過下載后的波形圖以及上路后的信號譜可以看出,系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意不連續(xù)波長下載而且鄰間串?dāng)_減小。

圖7 波長信號譜

4 結(jié) 論

設(shè)計了雙向型和基于分束器與雙向型的光纖光柵光分插復(fù)用器,對其結(jié)構(gòu)做了介紹,并利用OptiSystem軟件進(jìn)行仿真實驗。仿真系統(tǒng)包括波分復(fù)用系統(tǒng)光源、分束器、環(huán)形器、光纖光柵等。采用傳統(tǒng)的單向型光分插復(fù)用器實現(xiàn)兩個波長的上路和下載需要兩套單向型光分插復(fù)用器或者需要增加環(huán)形器來實現(xiàn);采用雙向型光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)可以節(jié)省器件,提高器件利用率,且雙向型結(jié)構(gòu)具有高靈活性、串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn);分束器與雙向型光分插復(fù)用器系統(tǒng)相對較少地使用環(huán)形器,減少了系統(tǒng)損耗,輸出光譜與原光譜更接近;相比較雙向型光纖光柵光分插復(fù)用器,分束器與雙向型光分插復(fù)用器增加了傳輸?shù)穆窋?shù),增加了信號上路和下載的通道數(shù)。兩種結(jié)構(gòu)的光纖光柵光分插復(fù)用器均可以實現(xiàn)任意不連續(xù)波長上路和下載。

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