基于分束器与双向型的光分插复用器分析研究

朱丹丹, 骈斐斐, 郑 红, 张 昆, 陈杰运(燕山大学 电气工程学院, 河北 秦皇岛 066004)

1 引 言

光分插复用器是波分复用光通信网络的关键器件之一,其功能是从传输光路中有选择地上路或下载信号,同时不影响其它波长信道的传输。据Infonetics预计,基于光设备的波分复用光分插复用器将保持快速增长,其2013～2018年复合增长率为13%。而今天,随着P2P和IPTV的快速发展,光分插复用器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[1-3]。目前,基于不同技术且较为成熟的光分插复用器的结构有很多种,可以按照功能和结构2种方式来划分。按功能的不同光分插复用器有可重构的和非重构的2种;按结构不同,光分插复用器可以分成基于波长复用型光分插复用器、基于光纤光栅和环形器的光分插复用器、基于光纤光栅和马赫-曾德尔干涉仪的光分插复用器、基于声光可调谐滤波器的光分插复用器和基于法布里-珀罗腔的光分插复用器。近些年,光纤光栅作为一种新型的灵巧传感元件,对传感信息采取波长编码[4-6]、易于多点复用、与普通的光纤系统完全兼容,因而在光纤传感领域和光纤通信领域得到广泛而深入的研究。基于光纤光栅的光分插复用器因其插入损耗低、结构简单和与偏振无关等特点,在未来的光传送网中将会有广阔的应用前景[7-9]。本文设计了2种光分插复用器,一种基于双向型的光分插复用器,另一种为基于分束器与双向型的光分插复用器。

2 光分插复用器结构

基于光纤光栅的光分插复用器结构如图1所示。图1(a)为双向型光纤光栅光分插复用器结构,它是由两个3端口的光学环形器连接两个光纤布拉格光栅作为一个双向的可重构光分插复用器结构。图1(b)为基于分束器与双向型光分插复用器结构。信号从光发送器发出,有多个波长的信号经过光环形器到达功率分束器分别传送到两个通道,两个通道的可调谐光纤光栅1和2中心反射波长不同,与光栅的中心谐振波长一致的信号,就被反射回来,因此可实现对光纤光栅的中心谐振波长的下载,其它光信号则透过光栅到达耦合器。另一个方向的过程相同。

光发送器的重要作用是将电信号转化为光信号,并有效地将光信号传入光纤。光发送器由光源、脉冲驱动电路和光调制器组成。

图1 基于光纤光栅的光分插复用器结构

3 基于光纤光栅的光分插复用器仿真

3.1 基于双向型的光纤光栅光分插复用器仿真

采用OptiSystem软件对双向型的光纤光栅光分插复用器进行仿真,其仿真系统框图如图2所示。

图2 基于双向型的光分插复用器仿真系统框图

图3 光源输出谱

图2中波分复用子系统和波分复用子系统1为相同结构,代表了整个波分复用系统的光源。图2中下半部分结构与上半部分结构基本相同。只是布拉格光栅波长不同,下半部均匀布拉格光栅频率为194 THz,波长为1 545.3 nm。下半部分主要实现1 545.3 nm波长信号下载和上路。图3显示波分复用系统4个光源光功率峰值都近似为- 7.9 dBm,其波长分别是1 552.5,1 550.1,1 547.7,1 545.3 nm。波分复用信号输入到第一个环形器中,经环形器到达频率为193.1 THz的均匀布拉格光栅,经过此光栅反射后的光谱图通过光谱仪1来观测,光谱图如图4(a)所示;经过此光栅透射后的光谱图用光谱仪来观测,如图4(b)所示;上路信号波长为1 552.5 nm,上路信号光谱图用光谱仪5来观测,其光谱图如图4(c)所示;1 552.5 nm波长上路后的信号谱如图4(d)所示,用光谱仪7来观测。从图4(b)中可以看出1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm波长峰值大致都为-8 dBm,说明1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信号波长基本无损耗地通过了光栅;图4(d)显示1 552.5 nm波长上路与1 550.1,1 547.7,1 545.3 nm信号复合后,1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信号峰值功率为-8.8 dBm,1 552.5 nm波长信号峰值功率大约为-9 dBm。同样是经过2个环形器到达输出端,但1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信号的损耗比1 552.5 nm波长信号损耗少0.2 dB,主要原因是1 552.5 nm波长信号经环形器上路时,由于光栅对1 552.5 nm和1 550.1 nm不是100%反射,能量有所丢失,而1 550.1,1 547.7 nm和1 545.3 nm信号是直接通过光分插复用器到达输出端的。

图4 1 552.5 nm波长信号谱

3.2 基于分束器与双向型的光分插复用器仿真

图5所示为基于分束器与双向型的光分插复用器仿真系统。发送的信号光由一个四端口耦合器合波,将它产生的波分复用信号输入到第一个环形器中;入射光通过分束器分2个方向通向光纤光栅,与光栅的中心波长一致的信号,就被反射回来,进入一个理想复用器下载,与另一个通道的光信号耦合,经过一个二端头复用器复用到一条光纤上,其它光信号则透过光栅。另一个方向过程相同。

图5 基于分束器与双向型的光分插复用器仿真系统框图

波分复用系统光源仿真结构框图见图6。

图6 波分复用系统光源仿真结构框图

波分复用系统光源由4个连续波激光器组成,相当于四路外调制光发送器,其波长分别是1 552.5,1 550.1,1 547.7,1 545.3 nm。其中一路外调制光发送器光源为193.1 THz的连续波激光器,同时用仿真软件OptiSystem模拟所需数字信号序列,经过非归零脉冲发生器转化成所需电脉冲信号,让该信号通过调制器加载到光波上。其它3路光源频率分别为193.4,193.7,194 THz。

图7所示为仿真系统上半段的波长信号谱。由于光分插复用器为一个双向的可重构结构,上下两部分是对称的,仅信号波长不同,在此仅列出上半段的信号谱,下半段同理。图7(a)为光源输出谱,图7(b)为1 552.5 nm波长下载后的光谱仪光谱,图7(c)为1 547.7 nm波长下载后光谱仪6的光谱,图7(d)为1 547.7 nm波长下载后光谱仪8的光谱,图7(e)为上路后光谱仪12的光谱。仿真实验结果显示,基于分束器与双向型的光分插复用器实现了1 552.2 nm和1 547.7 nm波长的下载,通过下载后的波形图以及上路后的信号谱可以看出,系统可以实现任意不连续波长下载而且邻间串扰减小。

图7 波长信号谱

4 结 论

设计了双向型和基于分束器与双向型的光纤光栅光分插复用器,对其结构做了介绍,并利用OptiSystem软件进行仿真实验。仿真系统包括波分复用系统光源、分束器、环形器、光纤光栅等。采用传统的单向型光分插复用器实现两个波长的上路和下载需要两套单向型光分插复用器或者需要增加环形器来实现;采用双向型光分插复用器结构可以节省器件,提高器件利用率,且双向型结构具有高灵活性、串扰小等优点;分束器与双向型光分插复用器系统相对较少地使用环形器,减少了系统损耗,输出光谱与原光谱更接近;相比较双向型光纤光栅光分插复用器,分束器与双向型光分插复用器增加了传输的路数,增加了信号上路和下载的通道数。两种结构的光纤光栅光分插复用器均可以实现任意不连续波长上路和下载。

[参考文献]

[1] 胡台光. 波分复用现状[J]. 光通信技术, 2000, 24(2):79-82.

[2] 惠战强, 陈素果. 光网络中的光分/插复用器研究[J]. 西安邮电学院学报, 2007, 12(1):59-61.

[3] 杨康, 李国玉, 李燕, 等. 光纤布拉格光栅可调谐双向光分插复用器关键技术[J]. 激光与光电子学进展, 2015, 52(12):120604.

[4] 刘卫东, 王友清, 路艳芳, 等. TFBG的Fabry-Perot干涉型纵向微位移传感研究[J]. 中国计量学院学报, 2015, 26(3):300-304.

[5] 蔡璐璐,万玉良,吴飞. 高双折射光纤光栅扭转特性分析与应用[J].计量学报, 2016,37(4):342-346.

[6] 李丰丽, 陈哲, 钟金刚. 采用光纤布喇格光栅对的窄带光谱测试[J]. 计量学报, 2006, 27 (1): 36-38.

[7] 董海峰, 蔡茂国, 杨淑雯. 光分插复用器技术及其应用[J]. 深圳大学学报(理工版), 2002, 19(2):34-41.

[8] 王梓宇, 黄勇林, 范 红, 等. 基于可调谐光纤光栅的 OADM 两级组网方案[J]. 南京邮电大学学报(自然科学版), 2015, 35(6): 51-55.

[9] Tsai C M, Lo Y L. Fiber-grating add-drop reconfigurable multiplexer with multichannel using in bi-directional optical network[J].OpticalFiberTechnology， 2007，13(3) :260-266.