图说光纤波分复用技术

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信道是信号传输的通道。按照所用的传输介质不同，信道可以分为有线信道和无线信道。有线信道需要利用具体的传输介质，无双绞线、同轴电缆、光纤等传输信号，无线信道则是直接利用电磁波在空气中传播信号的方式。通信质量的好坏，主要取决于信道的特性。目前最好的通信方式是光纤，受制于光纤的材料色散、损耗等因素，光纤主要有三个低损耗的波长区间，分别为860nm,1310nm和1550nm波段，因此这三个波段通常称之为光纤通信的三个窗口。由于光纤传输的光波长不是任意的，因此实现光通信就要充分利用这几个为数不多的窗口，目前常采用信号复用技术实现大容量的光通信。

▲图1 光纤通信的3个窗口

信号复用是指将若干路彼此独立的信号在同一信道中传输的技术，复用的目的是将多个用户公用一个信道传输信息，以提高信道的传输效率，进而降低通信系统的成本。在光纤通信中常用的技术是波分复用技术。

波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing）是把工作在不同载波波长上的多路光信号复用进一根光纤中传输，并能够在接收端实现各信道分离的光通信系统。它通过将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送。因此波分复用技术是释放光纤带宽潜能的钥匙。

▲图2 波分复用原理

波分复用中相邻光复用通道的频率间隔可以是均匀的也可以是非均匀的，目前大都采用均匀的通道间隔，间隔一般是100GHz（即0.8nm）。

常用的波分复用器有棱镜色散型波分复用器、熔锥光纤型波分复用器、衍射光栅型波分复用器、介质薄膜型波分复用器等。

1、棱镜色散型波分复用器

棱镜色散型波分复用器主要器件是三棱镜，我们知道三棱镜具有分光作用，如图3所示，当一束白光通过三棱镜后，分为7中颜色，而这里三棱镜的分光实际上是分波长。


▲图3 一束白光通过上棱镜后分为7种颜色

如图4所示，是棱镜色散型解波分复用器的结构图，混合光通过三棱镜后，其折射角不同，最终分别耦合到对应的光纤中，实现不同波长的分离。对于波分复用器是解波分复用器反过来用。


▲图4 棱镜色散型光波分复用器结构示意图

2、熔锥光纤型波分复用器

熔锥光纤型波分复用器的制作是将两根或多根光纤靠贴在一起，通过适度熔融而形成的一种表面交互式器件, 可以通过控制融合段的长度和不同光纤之间的互相靠近程度实现不同波长的复用或解复用。如图5所示，1×2型是熔锥光纤型波分复用器的结构图，混合光从公共臂摄入，最终分别在直通臂和耦合臂输出不同波长的光束。


▲图5 熔锥光纤型波分复用器结构

在熔融光纤型波分复用器各参数一定的情况下，两输出端光功率与波长的关系如图6所示，其中横轴是不同的波长，纵轴为输出功率大小。熔锥光纤型波分复用器对于特定波长的输出功率与光纤纤芯半径，熔锥区光纤间距，光纤纤芯折射率以及熔锥区的耦合长度（拉伸长度）有关，也就是说对于特定波段范围内波分复用器可以达到的最小信道间隔是受以上参数影响的，可以通过控制上述参数可以制作出不同波长的波分复用器。


▲图6 输出端光功率随波长的变化

3、衍射光栅型波分复用器
   
衍射光栅，通常简称为“光栅”，是一种由密集﹑等间距平行刻线构成一种光学器件。它主要利用多缝衍射和干涉作用﹐将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐因此它可以用来分波长。衍射光栅主要有两类：透射式和反射式，图7是反射式衍射光栅的工作原理，不同波长的光束照射到光栅将在空间上分离开来。


▲图7 衍射光栅工作原理

图8是衍射光栅型波分复用器的结构图，其主要器件由凸透镜和衍射光栅组成。其工作原理如下：携带有不同信息的多波长光束平行照射到凸透镜上，衍射光栅放置于透镜后焦面上，此时多光束放生衍射，不同波长的光束衍射角不同，最终各波长光束通过透镜平行射出，然后耦合到不同的光纤中，实现波长的分离。


▲图8 衍射光栅波分复用器结构示意图

由于自聚焦透镜也具有类似于凸透镜的效果，目前也有利用自聚焦透镜代替凸透镜的衍射型光栅波分复用器，如图9所示，其工作原理类似于用凸透镜的衍射光栅波分复用器。


▲图9 采用自聚焦透镜的衍射型光栅波分复用器结构示意图

4、介质薄膜型波分复用器
     
如图10所示，介质薄膜是是由不同材料，不同折射率的几十层介质薄膜材料组合在一起，每层薄膜的厚度为λ/4，每层折射率高低交替组合。当光在高折射率层反射时没有相移，而当光在低折射率层反射式经历π相移，层厚λ/4，低折射率层反射的光总共经历2π的相移，这与高折射率层的光相干叠加，因此在反射中心波长处，每层反射的光相干叠加，而在反射中心波长外的光，透射介质薄膜，形成滤波器特性。


▲图10 介质薄膜干涉滤波器结构

图11是采用自聚焦透镜的薄膜干涉型波分复用器器件结构示意图，它可以实现两个波长的调制解调。


▲图11采用自聚焦透镜的薄膜干涉型波分复用器器件结构

要实现更多波长的调制解调可以采用图12所示的结构。


▲图12采用自聚焦透镜的薄膜干涉型多波长波分复用器器件结构