1 引 言
为了满足日益增长的带宽需求，波分复用(WDM)被广泛应用于光网络中，但是，最早用于WDM系统的分插复用器还需要借助于电子器件，以“光-电-光”的处理方式，逐一处理每个信号波长。面对WDM和密集波分复用(DWDM)系统中几个甚至几十个信道，所需集成的电子器件数越来越多，而电子速率根本无法满足对光信号的及时响应，这就催生了替代传统分插复用器[1-2] 的光分插复用器(OADM)。OADM由全光器件构成，可透明传输各种接入方式的数据，在光域上可实现信息流的选路、交换、传输和故障恢复等功能，一方面提高了网络信号上下载的灵活性，另一方面也增加了整个网络的可控性和生存性，在光通信系统中有着举足轻重的地位[3-4]。
近几十年里，OADM在业界特别是发达国家和地区，有相当大的声势，这在很大程度上是由于几个重要的运营商(包括AT & T Corp、SBS Communication Inc、Version Communication Inc)对用OADM来升级自己的网络产生了浓厚的兴趣[5-6]。2013年美国电信操作商Palemetto Net在他们长达3 km的全光网络中利用Ciena公司的可重构光分插复用器(ROADM)技术，提高了网络容量和设备的灵活性。根据权威市场调研公司Infonetics于2014年发布的ROADM组件市场报告，2013年上半年全球ROADM组件市场收入为1.11亿美元，相比上半年上涨4%，2013年基于光设备(不包括零部件) WDM ROADM的全球收入相比2012年增长11%，即达到45亿美元，据Infonetics预计，基于光设备的WDM ROADM将保持快速增长，预计其2013~2018年复合增长率(CAGR)为13%，由此可见，OADM特别是ROADM仍有较大的发展潜力。
我国早在2001年，在国家863项目的支持下，中国高速信息示范网(CANONET) 就部署了国内厂家和高校研制的光交叉连接器(OXC)和可调谐OADM设备，但那时设备还不够成熟，市场应用环境还不具备，且成本高昂，因此为适应广泛应用的需求，固定波长上/下的OADM占据了市场的主流位置。而今天，随着市场形势的发展，特别是P2P和IPTV的快速发展，ROADM的应用特别是在本地/城域网络中的应用，引起了业内特别是运营商的关注[7]。
本文提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的可调谐双向OADM (Bi-OADM)，分析了Bi-OADM的基本理论，描述了系统模型和选择路径的机制，并对提出的这种Bi-OADM结构进行了实验，实现了双向传输。
2 理论分析及系统模型的建立
马赫-曾德尔干涉仪(MZI)由于其便于连接、结构紧凑、损耗低、稳定性高，被广泛应用于波分复用中[8-10]。
本文提出的可调谐Bi-OADM基于FBG的MZI结构。采用的FBG是利用掩模板在紫外激光下暴露写制而成[11]，光栅周期可由著名的布拉格光栅方程获得：
式中 λB 表示中心波长，neff 表示纤芯的有效折射率，Λ 表示光刻掩模板的周期。由于FBG的中心波长会随着外力、温度、湿度等外界因素的改变而发生调谐，可调谐的OADM正是基于此原理(主要是应力)进行不同波长信号的下载和上传。实验中利用压电陶瓷(PZT) 对Bi-OADM的上/下载波长进行调谐[12]。波长调谐的大小与外界应力成正比，即
式中 εx 表示水平方向的应变，可进一步表示为
其中E表示杨氏模量，S为光纤的横截面积，F表示应力。因此在有效折射率和模板周期一定的前提下，λB不变，如果想要增加波长调谐量，只能增加 εx 的值。由(2)和(3)式可以看出，增加F应力的大小或者减小横截面积S均可增大调谐量。减小横截面积能够在相同应力的前提下获得更大的波长调谐，但是减小横截面积之后的光纤由于其纤芯变得非常细，在利用紫外光刻法进行写制光栅时，非常不易聚焦，写制过程大大加长，且写制深度有限，因此主要讨论增加应力F的值，增加波长的调谐量，以获得更多的波长下载个数。
图1为可调谐Bi-OADM的原理图。正常工作状态下，入射端(Tx)光开关1(Optical switch1)指向端口1，此时信号按顺时针(CW)方向通过耦合器1的1端口，经过MZI反射后下载信号(中心波长与FBG1和FBG2的中心波长一致)由耦合器 1的 2端口输出给接收端(Rx，此时光开关 2指向端口 1)，上载信号由耦合器upload1输入，通过MZI反射与下载后的信号整合输出给接收端(此时光开关2指向端口2)，最终由光谱仪(OSA)测出输出光谱特性。
如果这部分光路发生断路，在接收端不能正常接收到下载信号和上传信号，就可以启动备用模式，让光开关1指向端口2，此时信号按逆时针(CCW)方向通过耦合器2的4端口，经过MZI后下载信号通过耦合器2的3端口输出给接收端(此时光开关2指向端口2)，上载信号由耦合器upload2输入，通过MZI反射与下载后的信号整合输出给接收端(此时光开关2指向端口1)。可调谐范围为1547~1553 nm。
3 实验结果与分析
在实验中，将MZI的2个臂上的FBG严格对准后中心波长为1547.64 nm，3 dB带宽为0.3 nm，调制深度为15 dB。由于顺时针和逆时针方向信号传输的原理相同，因此主要以顺时针方向分析可调谐Bi-OADM的各项性能指标。
宽带光源通过梳状滤波器以实现多波长传输，其中每个信道间隔为0.8 nm，3 dB带宽为0.3 nm，符合实际光通信中WDM的要求。输入光谱如图2(a) 所示。如图2(b) 表示下载端信号的光谱图(光开关2打到1端口的输出)，中心波长为1547.58 nm，深度为15 dB。图2(c)表示耦合器2的3端口未加载上载信号时的光谱图，通过与图2(b) 对比，可见下载波长与此时耦合器2的3端口输出信号缺失波长完全对应，表明该结构OADM能够完成特定波长的下载功能，插入损耗小于5 dB。图2(d) 表示增加上载信号后输出的光谱图(光开关2达到2端口的输出)。
可调谐光分插复用器的调谐范围依赖于MZI的2个臂长的FBG中心波长的调谐范围。本文对这种BiOADM的FBG进行了调谐实验，图3为基于PI(power integratiions)公司PZT进行开环控制的波长调谐曲线图，图4为基于芯明天公司PZT闭环控制的波长调谐曲线图，以方形点连接的曲线代表峰值波长随着电压的升高而增加，以圆形点连接的曲线代表峰值波长随着电压的降低而减小。调谐电压范围为0~150 V，步进为 5 V，中心波长调谐范围从 1544.69~1551.97 nm，由图 3、图 4可见，无论是加载曲线还是卸载曲线基本重合，这就说明了此方法调谐具备重复性。通过对比开环控制和闭环控制PZT的实验结果发现，当控制电压小于60 V时，开环控制的电压加载和卸载曲线的重合性要优于闭环控制时2条曲线的重合性，故在小电压时宜采用开环控制；同理在大电压时(特别是控制电压超过80 V)采用闭环控制的电压加载和卸载曲线的重合性要优于开环控制时2条曲线的重合性，故在大电压(控制电压超过80 V)时，闭环控制的2条曲线重复性好。
4 结 论
本文提出一种全新的可调谐Bi-OADM，并对其调谐范围和性能进行了实验和分析，OADM的下载波长主要依靠PZT对MZI的2臂上的FBG进行应力调谐，调谐范围能够达到6 nm，在调谐过程中要使2个FBG的中心波长完全一致，否则下载波长会有较大的损耗，从而影响OADM的性能。在进行调谐实验时分别采用了开环控制和闭环控制，通过实验结果发现在小电压时采用开环控制PZT，加载电压和卸载电压的曲线重复性好，在大电压(超过80 V)时，采用闭环控制PZT，加载电压和卸载电压的曲线重复性好。另外，这种双向光分插复用器在正常工作状态下，信号由顺时针方向下载输出给光开关2的1端口，当这部分光路出现断路时，信号还可由逆时针方向(此时光开关 1打到 2端口)下载输出给光开关 2的 2端口，这样大大提高了OADM的可靠性。
参 考 文 献
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