光纤布拉格光栅

光纤光栅的发展历史在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。光栅光纤的应用光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm-1耦合系数为50cm-1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚至可以接近100%，而在阻带边缘反射率会急剧减小。这样的频率相关性决定了光纤光栅的滤波特性。将普通光栅放入干涉仪结构或使用莫尔光栅均可构造滤波器。通过将光栅级联可以获得更高的反射率。光纤光栅用作波分复用器。光纤通信中的波分复用/解复用对器件要求较高，一般要求在通信频带内的滤波带宽窄、体积小及回波损耗小等，而布拉格光纤光栅正好满足这些条件。在信道间隔为25GHz时密集波分复用也能够很好的实现。光纤光栅还能够提高波分复用系统的性能，在基于分插复用(OpticalAddandDropMultiplexing，OADM)的波分复用系统中加入光栅可以减小串扰的影响。有源光纤光栅耦合器传输及开关特性研究光纤光栅的分类现根据光纤光栅的常用名特征来对光纤光栅进行分类。一种光纤光栅的名字通常需要包括其耦合方向、折射率函数分布特点和光纤种类，才可以直接明确的看出其简要光谱特性。1按耦合方向分类根据光纤光栅的耦合方向，可将光纤光栅分为FBG和LPFG这两种类型的光纤光栅因其耦合方向不同，因而具有截然不同的耦合机理及分析方法，并决定了光纤光栅最基本的光谱特性。由于这两种光纤光栅的周期有着明显差别，因而也有人称这种分类方法为根据光栅周期的长短分类。1.1光纤Bragg光栅FBG的耦合机理是纤芯基膜向反向传输的纤芯基膜，包层模或辐射膜耦合，是个反射型的光纤光栅。FBG栅格周期一般为几百nm,谐振峰带宽为0.5nm左右。这类光纤光栅是最早发展起来的，写制方法以及成栅机理都已经很成熟稳定，目前在实际的应用方面最为广泛。1.2长周期光纤光栅LPFG的耦合机理是纤芯基膜向同向传输的包层模或辐射膜耦合，是个消耗型光纤光栅。LPFG栅格周期一般为几百卩m。与FBG相比，LPFG的谐振峰带宽要大得多，约为几十nm。2按折射率函数分布特征分类光纤光栅是对光纤中传导膜有效折射率进行周期性空间调制的器件，其折射率分布可表示为：2?=?1+?2os(丽？?)其中，z为沿光纤轴向的坐标，？?是一个光栅周期内空间平均“de”折射率改变，A是光栅周期，是折射率改变的条纹可见度，一般取1,?表示光纤光栅的啁啾。根据光栅的折射率函数的分布特点来进行分类命名，典型的有以下几种：2.1均匀光纤光栅均匀光纤光栅的折射率函数为一理想的正弦或余弦函数。如图。其栅格周期川？?，折射率调制函数？?細和相位函数？?均为常数，是最早出现也是应用最普遍的光纤光栅。2.2倾斜光纤光栅倾斜光纤光栅(Titledfibergrating,TFG)也称为闪耀光线光栅的折射率沿光纤轴向的分布为：2?他？=?初?(?1+?2os(?Cos?)其中B为光栅条纹与光纤轴的夹角。图为一个夹角为1。的TFG的折射率分布图，可以看出它的折射率函数分布为一个倾斜的余弦函数。TFG光谱的特点是：存在很多向前传输的纤芯基膜与高阶辐射模耦合形成的谐振峰，并且光栅条纹倾斜有效的降低了光栅条纹的可见度，因此布拉格反射峰会减小。对于倾斜角度很小的TFBG在紧靠Bragg谐振峰的短波长方向还有一个由纤芯导模与低阶包层模耦合形成的幻影模。由于存在的包层模式的耦合，因此TFBG可用于各类折射率和浓度的传感器，并且它具有比LPFG更好的温度稳定性。2.3啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅(ChirpedFibergrating)的折射率调制深度？?为一个常数，而光栅周期是一个与z有关的函数？?。图为一个线性啁啾光纤光栅的折射率沿光纤轴向分布的示意图。常见的？?有一阶函数、分段函数等等。对于线性函数，？?为?=-代啁啾光纤光栅的光谱特点是与均匀光纤光栅相比，它极大地增加了谐振峰的带宽。如啁啾FBG带宽可达几十nm,因而可应用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。2.4相移光纤光栅相移光纤光栅(Phase-shiftedfibergrating,PSFG)的相位函数？?为一个类8函数，也就是沿着光纤轴向上某一点或多点存在突变，除了相位突变区域外光栅周期及折射率调制深度均为常数。图为一个单冗相移PSFG的折射率分布示意图。相移光纤光栅的光谱特点是：在光栅光谱的谐振峰中打开若干个投射窗口。因此被广泛的应用于可调谐光器件以及多参量传感方面，在光通信及光谱分析等领域具有很高的应用价值。2.5取样光纤光栅取样光纤光栅(Sampledfibergrating,SFG)可视为均匀光纤光栅的振幅或折射率调制深度被特殊函数(如方波函数、sine函数等)调制的结果，而每个单元的光栅折射率调制深度和周期均为常数。方波调制的取样光纤光栅的折射率分布可表示为：2?2?n其中，a是每一段均匀光纤光栅的长度，p为取样周期，L为光栅总长度，如图。取样光纤光栅的光谱主要特点是：具有很多带宽相同的谐振峰。因而在多通道滤波，波分复用通信系统中的色散补偿方面具有潜在的应用价值。2.6Tapered光纤光栅Tapered光纤光栅可视为FBG的折射率调制深度被特定的函数(如正弦或余弦函数的平方)调制的结果，而栅格周期不变。其折射率分布函数为：n(z)=?+2?1+?2os(二)其中F为调制函数，它可以为正弦、余弦和高斯函数。图为一个余弦函数调制的Tapered光纤光栅折射率沿光纤轴向的分布示意图。根据实际需要，可以通过改变调制函数F及有关结构参数来控制其谐振峰的形状。常见的有高斯分布型及正弦调制型，可用于群色散的补偿或多波长激光器的输出。2.7Moire光纤光栅Moire光纤光栅即莫尔光纤光栅，其平均折射率调制深度和栅格周期沿光纤轴向均为非线性变化。其折射率沿光纤轴向分布表达式为：n(z)=?+?+?n()eos()AaAb如图，是一种具有慢变包络的快变余弦函数，其中為是快变包络周期，是慢变包络周期。Moire光纤光栅大多采用二次曝光法制作，若第一次曝光的频率为Ai，第二次曝光的频率为筠，那么形成的莫尔光栅的包络周期为：2 AA?2AiAA-A-A根据上式，我们可以通过设计曝光的周期得到实际需要的光谱。Moire光纤光栅的光谱类似于n相移光纤光栅，其慢包络的零点位置相当于引入了一个n相移。均匀的或啁啾的Moire光纤光栅的光纤参量对光谱的影响不相同。均匀莫尔光栅的慢包络零点位置决定了投射窗口的透射率，但增加慢包络零点只增加光谱透射峰的带宽，而透射峰数量不变。对于啁啾莫尔光栅，增加慢包络的零点，透射窗口也会增加，并且慢包络零点位置变化，透射峰的透射率和位置都会变化。2.8切趾光纤光栅切趾光纤光栅（Apodizedfibergrating,AFG）的折射率调制深度从光栅中心向光栅两端逐渐递减，在光栅边缘降为零。其折射率沿光纤轴向分布的表达式为：2?刃？初?刃?？（1+?2os二？?刃）其中，？?？为切趾函数，常见的有高斯函数、余弦函数等。图为一高斯型切趾光纤光栅的折射率分布示意图。切趾光纤光栅光谱的主要特点是：光谱的旁瓣被抑制。由于这个特点使其具有更高的波长选择性，避免了在多波长系统中的串扰。3按光纤种类分类除按光纤的耦合方向，其折射率分布特点分类外，还有重要的一项就是按光纤的种类分类来说明光纤光栅的特点。根据光纤的材料可分为硅玻璃光纤光栅和塑料光纤光栅。而根据光纤的结构特点可分为单模光纤光栅，多模光栅光纤，保偏光纤光栅，微结构光纤光栅（包含光子晶体光纤光栅）。其中微结构光纤光栅根据不同微孔排列特征又可以进行细分。不同类型的光纤中传导的模式的有效折射率均不同，所以用其写制的光纤光栅所具有的光谱特性也不相同。采用特殊的光纤写制的光栅会具有一些特殊的应用，例如利用微结构光纤中空气孔的存在，在其中填充温度敏感材料或者液晶材料，能实现可调谐的光纤光栅。在塑料光纤中写制光栅实现大范围的波长可调谐。新型相移光纤光栅的设计及传感特性研究.pdf光纤布拉格光栅在光纤光栅技术发展过程中，Hill等人首先在1978年发现了掺锗光纤的紫色光敏特性，并展示在光纤芯部形成光栅的可能性。由于制作技术上的困难，很难重复制作出相同的光纤光栅。直到十年之后Meltz等人发展了横向侧面暴光光纤光栅制作技术以及在光纤拉制过程中在线光纤光栅的制作方法，从而使得这种光纤器件具有了可重复性和规模制作的现实性。光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常仅在10-810-2之间。将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下，即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制作这种光纤光栅的主要技术之一是用两个之外光束形成的空间干涉斑纹图来照射光纤，这样就在光纤芯部生成了永久的周期性折射率调制。【光纤光栅原理与应用(一)一一光纤光栅原理】光栅光纤开关效应的研究光开关是按一定要求将一个光通道的光信号装换到另一个光通道的器件，可使光路之间进行直接交换。在全光网络中，光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能；另外，光交叉连接设备(OpticalCrossConnct,OXC)和光差分复用设备(OpticalAddDropMultiplex,OADM)是全光网的核心，而光开关是全光通信网中的关键光器件。本章采用了数值模拟法对光纤布拉格光栅和长周期光栅的开关特性进行了理论分析，并讨论了不同变量对光开关性能的影响。1布拉格光栅的开关效应1.1开关原理及模型采用光纤布拉格光栅实现光开关的方法有两种，一种是利用光纤光栅的自相位调制效应。光栅带隙内的光在低功率时会被反射，但当光功率很高时，由于光的自相位调制，使得带隙内的光被调谐到带隙外，从而可以通过光栅；第二种方法是利用光的交叉相位调制，利用强的泵浦光改变光栅的禁带特性，从而控制信号光的开关特性。本节主要讨论交叉相位调制效应引起的光开关现象。在没有泵浦光输入时，布拉格光栅的耦合模方程可以表示为：?Afn?Af22=i?A+i?Ab+i?(Af|2+2|Ab|2)Af?zc?t?Abn?Ab22-+=i?/b+i?A+i?(Ab|2+2|Af|2)Ab?zc?t式中，Af和Ab分别表示前向和后向传输波的振幅，？为非线性系数，？为失谐量，?为交叉耦合系数。在非线性情况下，考虑泵浦光的输入，则上式可以表示为：?Afn?Af22云+药=i?A+i?Ab+i?|Af|2+2|Ab|2+2Pp)Af?Abn?Ab22-云+c可=i?Ab+i?A+i?(Ab|2+2|Af|2+2Pp)AbPp表示泵浦光功率的大小。通常情况下，泵浦功率远远大于信号光功率，因此上式可化简为：?Afn?Af-+-=i?A+i?A3+i2?PAf?zc?tpf?Abn?Ab-+=i?A+i?A+i2?pAb?zc?tp该模型中，光纤布拉格光栅的开关原理是：在没有泵浦光的条件下，当低功率的连续信号光的波长位于光纤光栅的禁带内时，信号光几乎被完全反射，此时光纤光栅相当于处于关的状态。当输入泵浦光时，因三阶非线性克尔效应，光纤光栅的有效折射率增大，随着折射率的增大，光纤光栅的布拉格波长向长波长方向移动，是的光纤光栅的整个禁带向长波长方向偏移，从而使得原来处于禁带内的信号光波长移除到禁带之外，因此信号光也由原来的高反射变成高透射，从而实现了对信号光的开关转换。1.2数值计算结果2长周期光纤光栅的开关效应2.1开关原理及模型长周期光纤光栅最初是作为全光纤带阻滤波器提出来的，与短周期相比，长周期光纤光栅中的能量耦合主要在两传输方向相同、模场分布不同的模式之间进行。全光光开关是长周期光纤光栅的重要应用之一。长周期光纤光栅具有比光纤布拉格光栅更强的非线性效应。1997年Eggleton等人利用1.05艸波长的Q-开关激光脉冲在输入激光脉冲能量只有5GW/?时观察到了开关效应，这个能量远小于基于布拉格光栅的光开关所需的脉冲能量，并且低于光纤的损伤阈值。因此，这种基于长周期光纤光栅的全光光开关将在全光网络中有着广泛应用。长周期光纤光栅中的脉冲传输可以用归一化非线性耦合模方程描述:2?2)?丽+?2褊=?+?秽？?(1?2+?2?22（?+?+?T?=?+?+?（的?2+2?2）?式中，U和V分别表示纤芯模和包层模的归一化脉冲振幅；？右=?1?/To、?2=?2?/T2，其中？?1和?2分别表示纤芯模和包层模的二阶色散系数；？?和？?分别表示光栅的长度和输入脉冲的宽度；？?=z/?$和工=（T-却z）To分别表示归一化传输距离和时间；Vg表示归一化纤芯模和包层模群速度之差；？表示归一化失衡量，当？=0时对应谐振情况（即满足谐振条件的纤芯模将耦合为包层模），而当？工0时则对应谐振情况（即脉冲仍然以纤芯模的形式在纤芯中传播，而不会耦合为包层模）；？?表示归一化的纤芯模和第j阶包层耦合的线性耦合系数，它和光栅中由紫外线引起的折射率的变化量以及两个耦合模之间的重积分成正比；?和?分别表示归一化的纤芯模的自相位调制系数一集第j阶包层模的自相位调制系数；而？?则表示归一化的纤芯模和第j阶包层模的交叉相位调制系数，在足够高的光强下，自相位和交叉相位调制项将通过引起一个与光强有关的相位改变使得光栅的最小透射谱向长波长段偏移。2.2数值计算结果10级毕设光开关相移光栅和光纤光栅非线性特性的研究.pdf:引言可以说，没有开关就没有通信网络。从第一代电信网络开始，即电话交换系统就采用了大量的开关形成交换单元完成用户间的电路交换。今天，以DWD为基础的全光网络已称为新一代电信网络研究的热点和发展方向，不同波长的光信号在网络中要实现路由选择必然要使用光开关，光开关时完成交换的核心器件，在目前广泛使用的光网络中具有不可替代的作用。二：光开关的关键指标通信网络的发展为光开关的应用提出了新的要求，未来的全光网络需要全光开关构成的光交换机完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。评价新的光开关技术必须考虑七个指标。1长期可靠性满足大容量通信系统要求，必须保证高可靠性和非常低的故障率。2低损耗和高耦合效率考虑光开关的大数量的应用，低损耗极为关键，与光纤保持较高的耦合效率也就是减少光功率损耗。3串音小消光比大，串音直接影响信号传输质量，典型隔离度为40或50db。4低驱动和温度特性，低驱动减少光开关的功耗，温度变化不敏感可拓宽光开关的应用环境和领域，使其工作稳定，往往通过精确的温控电路实现。5光开关的速率对应不同的应用场合，因此对光开关切换速率会有特别的要求。6光开关工作带宽对应于新的光纤、光滤波和放大器技术的DWD工作窗口1300nm-1650nm，光开关同样要与之吻合。7光开关成本和可扩展性，光产品价格整体每年以10%-30%速度下降，并且要考虑长期成本的下降。光开关是否满足大规模阵列扩展及相应性能参数的变化也需要注意。三：光开关形式光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。光开关采用的主要技术有机械式、MEMS铁电液晶、气泡、热光、全息、声光、热毛细管等。在光开关的性能上，主要指标有插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模及开关尺寸等。在各式各样的光开关中，MEMS光开关具有较好的性能，并且由于采用微电子工艺可以大量生产，适于产业化。特别是它的工作方式与光信号的格式、波长、偏振方向、传输方向、调制方式均无关，因此不受带宽的限制可以处理任意波长的光信号。不仅如此，它还具有较低的插损与较高的扩展性，可以满足未来光通信网络发展所要求的透明性和扩展性。这里简单介绍几种光开关。3.1 机械式光开关传统的机械式光开关插入损耗较低（45db），不受偏振和波长的影响。多路输入输出光束的机械光开关中的关键单元是具有光路二度对称的复合反射镜。复合反射镜是由几何形状尺寸和光学性能完全形同的两块镜子粘合在一起构成，以粘合面为对称平面，具有二度镜面对称性。对单个复合反射镜的往返运动的控制，可同时改变两路输入输出光路的相互连接状态，实现光路的平行或交叉连接，形成2X2光开关。采用多个复合反射镜和合理的光路布局，可实现更多光路之间的相互连接状态，形成多路输入输出光束无阻塞交换，同时大幅度减少光开关矩阵中的光学元件和相应驱动器数量，具有频带宽广、结构紧凑、体积小的特点。3.2 微电子机械光开关（MEM）SMEMS开关是一种自由空间微型光开关，是目前全世界都十分关注的一项新技术，MEM宝要是利用移动光纤或利用微镜反射原理进行光交换的光开关。MEMS!由半导体材料，女口Si等组成的微机械结构。MEMS光开关结构紧凑、重量轻、易于扩展，此种光开关同时具有机械光开关和波导光开关的优点，又克服了它们的缺点。MEMS光开关的驱动方式主要有静电驱动、电致伸缩、磁致伸缩、形变记忆合金、光功率驱动、热驱动和光子开关等。其原理是微反射镜和上电极连接在一起，在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，这是开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时，静电力的作用下，上电极带动微反射镜移开光通路，入射光沿直线传播进入前方的出射光纤，这是开关的直通状态。作为一种全光开关，由于具有可移动的反射表面或反射镜、可通过施加电或热变化方法改变其反射角，光波长对准反射面按指令让光子通过，或把光信号分流到另一个端口。3.3 波导型光开关波导型光开关是近年来发展起来的一种光开关，它采用波导结构。波导型光开关同样利用电光、声光、热光、磁光效应来进行控制。最一般的介质波导是平板波导结构，它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。平面波导型开关主要有两种，热光型和全内反射型。热光型开关，是利用Si波导的热感应折射率变化原理制作的，其M-Z干设计是由两个3db定向耦合器和两个波导臂组成，臂上还有一个用作热光移相器的薄膜加热器。其工作原理是未受热时这种单元结构处于分叉态，当对热光移相器加热时，开关为条形状，完成开关功能。全内反射型开关的原理是利用在交叉波导中制作的槽里内反射，实现大型的广播电路开关。3.4 液晶光开关液晶光开关是根据其偏振特性来完成交换的，其工作状态时基于对偏振的控制，工作时，一路偏振光被反射。而另一路可以通过。3.5 热光效应开关热光技术主要用来制作小的光开关。现在主要有两种类型的热光开关，数字型光开关和干涉型光开关。干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏感，因此，通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料上先做上波导结构，通过改变波导折射率实现光的开关动作。3.6 声光开关在声光开关结构中，控制信号采用声波，主要作用是用来控制光线的偏转。声光开关的交换速度从500ns到10us。由于在声光开关中没有课移动的部分，因此，1x2声光开关的可靠性比较高。3.7 磁光开关磁光开关的原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的作用。相对于传统的机械式光开关，慈光开关具有开关速度快、稳定性高等优势，而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优点，因此，磁光开关将是一种具有竞争力的光开关。四：应用及前景分析光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用网络中关键设备的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1X2光开关。网络监视功能：在远端光纤测试点通过1xN光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。另外，利用光开关也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析。这种光开关也可以用于光纤器件测试。光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1xN光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。应用于OADM和光交叉连接：光上下复用器主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下，而不需要电解复用或复用过程。用光开关实现的OADM可以通过软件控制动态上下任意波长，这样大大增加了网络配置的灵活性。OXC由光开关矩阵组成，它主要用于核心光网络的交叉连接，实现光网络的故障保护，动态的光路径管理，灵活增加新业务等。随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现。同时，原有的光开关技术性能不断地改进。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。未来的光传送网事能支持多业务的透明光传送平台，要求对各种速率业务能透明传送。同时，随着业务需求的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长。因此，光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。同时由于IP业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分组交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。这样，对光开关的交换速度提出更高的要求（ns数量级）。总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的关开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口.其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作的光学器件.光开关是一种光路转换器件。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太网的转换。在光纤测试系统，用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测系统。全光通信全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（oxc）。在全光网络中，由于无需电信号的处理，所以允许存在不同的协议和编码，使信息传输具有透明性。它同SDH专送网一样，满足传送网通信模型，遵循般传送网的组织原理、功能结构的建模和信息定义，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH专送网的功能和体系构想都可以用于全光通信网。1技术背景随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长，仅Internet用户需要传送的信息比特速率每年就增加8倍。通信业务需求的迅速增长对通信容量提出越来越高的要求。光纤近30THZ的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为支撑通信业务量增长最重要的技术。现阶段采用时分复用单波长的光纤传输系统容量已达10Gbit/s，再提高系统速率就会产生技术和经济上的问题。人们普遍认为波分复用是充分利用光纤低损耗区30THz带宽的一种可行技术，可以打破单个波长系统带宽的限制，是提高光纤容量的一种有效途径。但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”（lOGbps）的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网AON（AllOpticalNetwork）的概念。12系统概述全光通信网，又称宽带高速光联网，它以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，在各节点处无光/电、电/光转换。全光网，从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。全光通信网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。许多国家都把全光网作为建设“信息高速公路”的基础，将其提升到战略地位的高度。1技术优势全光通信网与现有光纤网的区别之一在于其波长路由，通过波长选择性器件实现路由选择。其二是信号传输无电中继，具有信号透明性，即数据速率透明和信号格式透明。另外全光网还具有可扩展性、可重构性和可操作性。具备以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点：1简单可靠。全光网结构简单，端到端采用透明光通路连接，沿途没有光电转换与存储，网中许多光器件都是无源的，便于维护、可靠性高。2可扩展性好。加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，降低成本，具有网络可扩展性。3透明传输。全光网以波长选择路由，对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提供多种协议业务，可不受限制地提供端到端业务。4灵活重组。可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网络资源，具有网络可重组性。5.快速恢复。实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms,对绝大多数业务无损伤。6提供多种业务。全光网提供多种宽带信息业务，包括数据、音频和视频通信，可以把全光网支持的业务及应用分为3类：传统数字信号业务，其数据速率范围从低速Kbps至高速Gpbs,如异步传送模式（ATM、局域网的互连、多路数字电话、以太网等。模拟信号业务，如有线电视（CATV节目的多路传送。用户需要光接口业务,高速数据和多媒体业务,包括视频工作站、大规模数据库和多路高清晰度电视等,这将是全光网业务的主流。3 主要特点全光通信是用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术,即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行,而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。全光通信与传统的通信网络与现有的光纤通信系统相比,具有其独具的特点：（1）全光通信是历史发展的必然。电子交换机代替了模拟传输,在数字传输之后,引入了数字交换。采用光传输技术是历史的螺旋上升,光网络是下一步必然的发展对象。（2）降低成本。在采用电子交换及光传输的体系中,光/电及电/光转换的接口是必要的,如果整个采用光技术可以避免这些昂贵的光电转换器材。而且,在全光通信中,大多采用无源光学器件,从而降低了成本和功耗。（3）解决了“电子瓶颈”问题。在光纤系统中,影响系统容量提高的关键因素是电子器件速率的限制,如电子交换速率大概为每秒几百兆位,而只在大规模图像传输研究领域达Tbit/s的速率。CMOS技术及ECL技术的交换机系统可以达到Gbii/s范围，不久的将来，采用砷化铸技术可使速率达到几十个Gbit/s以上，但是电子交换的速率也似乎达到了极限。为此，网络需要更高的速度则应采用光交换与光传输相结合的全光通信。总之，“全光通信”是一种无须进行任何光电变化的全新光波通信。在全光通信系统中，图像和话音信息直接变换为光信号，并在传输媒体中传输。在摄像光学系统、光纤系统和接收放大系统组成的全光通信系统中，由于不要求光电变换，所以没有任何电子元件，信号失真小，能够在100C以上的高温环境中连续工作，是理想的通信方式。34 网络结构全光通信网络的结构分为服务层（Servicelayer）和传送层（Transportlayer），网络传送层分为SDH层、ATM层和光传送层。光传送层由光分插复用器（OADM和光交叉连接（OXC组成。在光传送层，通过迂回路由波长（Reroutingwavelength），在网络中形成大带宽的重新分配。在光缆断开时，光传送层起网络恢复（Restoration）的作用。在远端，光纤环中的光分插复用器OADM1入/分离所确定的波长通道至ATM复用器，而OXC则连接两个光WDM环路到ATM交换机。利用波分复用技术的全光网将采用三级体系结构。0级（最低一级）是众多单位各自拥有的局域网（LAN，它们各自连接若干用户的光终端（OT。每个0级网的内部使用一套波长，但各个0级网多数也可重复使用同一套波长，1级可看作许多城域网（MAN，它们各自设置波长路由器连接若干个0级网。2级可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有的1级网。5 关键技术为了实现准确、有效、可靠的全光通信，应采用以下关键技术：光多址技术光多址技术是光纤通信系统的关键技术之一。选用哪一种光多址方式直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、设备的复杂度及成本等。光多址方式主要有3种：光波分多址、光时分多址、副载波多址。（1）光波分多址（WDMA是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元（ONU，用以实现上行信号的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。在WDM系统中为了实现任何允许节点共享信道的多波长接入，必须建立一个防止或处理碰撞的协议。该协议包括固定分配协议、随机接入协议（包括预留机制、交换和碰撞预留技术）及仲裁规程和改装发送许可等。WDM的研究比较广泛，已提出了两种WDM网络：单转发网络和多转发网络。前者有： IBMBAINBOW的单转发副载波控制的WDM网络，即在每一个节点上只需一个激光器，并在控制信道上采用副载波多址接入（SCM）A来解决控制信道竞争问题； 具有低功耗，树型或多星型结构的无源光波分多址网络等；后者包括：具有多种可能配置的Gemnet网络，具有KAVTE拓扑结构的多转发网络、基于超图理论的超图网络及由斯坦福大学光通信实验室开发的Starnet网络。（2）副载波多址（SCMA多用于光交换局到不同ONU的控制信号的传送。其基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ONI端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并多中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用SGMAI入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。（3）光时分多址（OTDM是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每个ONU在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ONL向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ONU的距离，并在下行信号中规定ONU勺严格发送定时。除以上多址技术以外，随着光纤通信技术的发展，还会出现其他的多址方式，如利用不同的代码序列来区分各ONU勺光码分多址，利用不同的光纤或将光纤中的光速沿空间分割给不同的ONU来实现通信的空分多址方式等。当然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如将光时分多址与光波分多址相结合，可进一步提高系统容量。全光信息再生技术在光纤通信中，光纤的损耗和色散严重影响通信质量。损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。出现了全光信息再生技术后，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。3网络管理控制为了充分发挥光通信的优势，必须研究开发行之有效的网络管理控制系统。网络的配置管理、信道的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需要解决的技术。由于全光网络采用了先进的多址技术，因此如何根据当前的业务负载及信道的使用情况来动态地分配信道资源，对于全光网络尤为重要。只有高效地分配信道，才可使系统达到最大容量和最佳通信质量。光交换网络技术光交换是指光纤传送的信息直接进行交换。与电子数字程控交换相比，光交换无需在光纤传输线路和交换机这间设置光端机进行光/电、电/光变换，并且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。光交换技术作为全新的交换技术，与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络，从而将通信网和广播网综合在一个网中，成为通信的未来发展方向。它主要有5种交换方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换、复合型光交换及自由空间光交换。（1）空分光交换是指空间划分的交换。其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等。如耦合波导型交换元件铌酸锂，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸锂为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光速将发生能量交换。能量交换的强弱随复全系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光速就在波导上完全交错。如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。时分光交换方式的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种方式下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。（2）时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合阵列开关）以进行相应的交换。（3）波分光交换方式能充分利用光跌的宽带特性，可以获得以电子线路所不能实现的波分型交换网。可调波长滤波器和波长变换器是实现波分交换的基本元件，前者的作用是从输入的多路波分光信号中选出所需波长的光信号，后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换成适当的波长后输出。这可以通过DFB（分布反馈型）和DBR（分布DBR反射）型的半导体激光器来实现。（4）复合型光交换是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。例如，在波分技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多极链路连接，链路连接在各级内均采用波分交换技术。因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施是在链路上利用波分复用方法，实现多路化链路的连接，空分-波分复全型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。除此之外，还可将波分和时分技术结合起来得到另一种极有前途的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为16，则可实现256路的时分波分复合型交换。（5）自由空间光交换可以看作是一种空分交换，然而这种交换方式在空分复用方面具有显著的特点，尤其是它在1mm范围内具有高达10um量级的分辩率，因此自由空间光交换方式被认为是一种新型交换技术。除以上必须采取的关键技术外，为了进一步提高全光通信的系统容量及获得最大的传输距离，还可采用非线性（光孤子）传输技术、变换极限超短光脉冲的产生等技术。