1 引 言

光分插复用器(OADM)作为光波分复用(WDM)光通信网络的关键器件之一，一直是国内外的研究热点，其功能是从传输光路的众多波长信道中有针对地上下载某一个或某一批波长信道，同时不影响其他波长信道的业务传输。目前已有多种OADM 的结构方案，如基于分波/合波器与波长交换单元相结合的波长复用型OADM，但光开关时延较大，温度稳定性差，器件串扰水平高[1-4]，且体积偏大；基于声光可调滤波器的OADM，虽然调谐速度快，调谐范围大，但实现难度大，串扰大，对偏振敏感[5-6]；基于法布里-珀罗(F-P)腔的OADM，波长可连续调谐，但受温度影响大，性能不易控制[7]；基于光纤光栅(FBG)和Mach-Zehnder (M-Z)干涉仪[8-11]型OADM和基于光纤光栅[12-13]和环形器[14]型OADM技术成熟，集成度高，插入损耗较小[15]，但也都存在一些缺陷：不能满足信号的直通功能，不可重构[16]，不能上下载任意不同波长的光信号，灵活性不强。本文提出了一种基于M-Z干涉仪和光纤光栅的新型结构光分插复用器。

2 OADM结构和原理

实验装置如图1所示，它是由M-Z干涉仪、环形器a和环形器b、3个FBG和1个隔离器构成。在平衡的M-Z干涉仪上下2个干涉臂上写入FBG1、FBG2，FBG1和FBG2具有可调谐性，目的是为了下载不同波长的光信号。图中FBG3也是波长可调的光纤光栅，用来对下载信号的直通或下载选择。OADM光路有4个端口：输入端( ① )、输出端( ② )、下载端(drop)、上载端(add)。工作过程：先调节FBG1和FBG2使中心波长一致，都为 λ0 ，进入M-Z干涉仪中波长为 λ0 的光信号将被FBG1和FBG2反射，从端口 ② 下载后进入环形器a。调节FBG3的中心波长，若为 λ0 ，则波长为 λ0 的光信号在drop端被下载；若FBG3中心波长不为 λ0 ，通过FBG3，经过隔离器，由环形器b的3端口进入干涉仪的 ③ 端口与其他透过的光信号一起耦合从 ④ 端口输出，从而实现信号的直通功能。

新型结构OADM不仅能够实现特定波长光信号的上下载、直通功能，而且通过调谐FBG1、FBG2、FBG3的各自中心波长可实现多波长的下载需求。同时改变所有FBG的中心波长，可以上下载不同的光信号通道；当FBG1、FBG2、FBG3的中心波长都不一致，通过控制各自的中心波长大小，可以实现对下载波长的可调谐。

FBG反射波长为

式中，Λ为FBG的栅格周期(即光栅间距); neff 为纤芯有效折射率。FBG受到拉力后，光栅间距将发生变化，从而FBG的布拉格波长也随之发生变化。将FBG3粘在压电陶瓷片(PZT)上，通过压电陶瓷调谐FBG3，改变电压大小，控制中心波长 λB 的漂移。在室温为25 ℃的条件下，FBG中心波长变化与加载电压 U 的关系为

式中，n 为压电陶瓷片的数量；d31 为横向压电应变常数；d 为电极间厚度；pe 为光纤的有效弹光系数。

3 实验结果分析

实验中，光纤光栅FBG1(FBG1与FBG2相同)的中心波长为1547.536 nm，透射深度为15 dB，反射谱3 dB带宽为0.4 nm，反射率高于97%，FBG1和FBG2的反射率越高，边模抑制比越大，OADM的隔离度就越高，同频串扰也就越小。光纤光栅FBG3的中心波长为1547.542 nm，透射深度为23 dB，反射谱3 dB带宽为0.4 nm，反射率高于99%。固定FBG1和FBG2的中心波长，将光纤光栅FBG3进行微调，在中心波长1547.536 nm调谐范围可达1.6 nm，FBG3起到了光开关的作用。

经入射端( ① )输入OADM中的光信号为宽带光源经过梳状滤波器后的输出光，梳状滤波器的频率间隔为0.8 nm。影响光分插复用器性能关键的2个参数：隔离度、同频串扰。为了提高结构新型OADM的性能，控制干涉仪两臂的臂长 ΔL ，保持一致，减小环境温度等其他因素的干扰，将搭好的OADM实验器件封装在一个盒子中，固定在光学平台上，搭建起来的实验装置图如图2所示。

光谱仪AQ6370C显示OADM的输出端、下载端及上载端的光谱图，逐渐增大压电陶瓷的电压微量改变陶瓷片的形变，控制FBG3中心波长的漂移。在0~192 V电压范围内，压电陶瓷可实现对FBG3中心波长为1.6 nm范围的调谐。测得波长漂移与电压的关系曲线如图3所示，OADM初始输入端输入光谱图如图4所示。

图6是在光谱仪上观测到的OADM下载端最大和最小的输出光谱，图中曲线a为FBG1和FBG3的中心波长相同，曲线b为FBG1和FBG3中心波长不同的情况。当FBG3的中心波长与FBG1和FBG2的中心波长一致时，可得最大下载光谱，不一致时可得最小下载光谱，类似光开关的开关2种状态。图6中a曲线处于压电陶瓷未加电压，FBG3自然状态下，中心波长为1547.542 nm的光信号被完全下载，逐渐增大压电陶瓷的电压值至192 V时可得到图中b曲线，相当于开关处于关闭状态，此时可得OADM的最大隔离度可达23 dB。对于23 dB的通道隔离度足以满足新型OADM在实际光纤通信中的应用。

OADM下载端得到最大、最小下载谱后，其相应输出端的光谱图如图7所示。对比输入谱由图4可知，该新型结构直通光信号的插入损耗(以下简称插损)测量值为5.98 dB，当FBG3与FBG1、FBG2中心波长一致时，OADM输出谱如图7(a)所示，此时OADM开始进行光信号的上下载，测得下载插损为7.81 dB，上载插损为6.05 dB；当FBG3与FBG1、FBG2中心波长不一致时；OADM输出谱如图7(b)所示，此时OADM实现光信号的直通功能，没有光信号的上下载，测得信号光峰值波长处的透射插损为6.44 dB。由各种插损参数可知，该结构新型OADM满足对波长可选择上下载的功能要求。

影响OADM性能的另一个重要参数是同频串扰。由于实际应用的FBG反射率达不到100%，光纤器件本身具有固有损耗，引起了系统功率恶化。为了减小串扰对OADM性能的影响，必须把此结构新型OADM的同频串扰降低到合适范围内，如图8所示。

由图8(a)所示，较上面的曲线是中心波长为1547.542 nm光信号的下载谱，下面的曲线是上载通道泄露到下载通道的光信号，可以看出OADM下载端的同频串扰为-24.3 dB。这是由于实验中所用FBG的反射率不到100%造成的。为了降低同频串扰，如图8(b)所示，在OADM中FBG3的右侧增加1个隔离器，此时同频串扰为-41 dB，相比未加隔离器的OADM同频串扰水平减小了16.7 dB，实验结果表明在OADM中添加1个隔离器对同频串扰具有很强的抑制作用。

串扰会使系统功率衰减，同频串扰可产生最大恶化功率[17]为

式中 ε = (1 -R)/R 。其中 R 为FBG峰值反射率，两者关系如图9所示。

图9中横坐标代表FBG3的透射率，透射率越低，反射率越高，FBG3的反射率越高，相应的功率恶化就小，反之就变大。在光栅透射率相同的情况下，增加1个隔离器能有效地抑制由同频串扰引起的功率恶化，与实验结果一致。

以上所做OADM的实验只针对特定波长进行了具体分析，该新型结构还可以用于从多路中选出某1个频道的调谐。同时调谐FBG1、FBG2、FBG3，使FBG1、FBG2的中心波长发生漂移（FBG1和FBG2的中心波长保持一致），然后调谐FBG3对准FBG1和FBG2的中心波长，此时可以实现对下载波长的可调谐，下载端可下载不同频道的光信号，如图10所示。

由图10可知，通过同时调谐FBG1、FBG2、FBG3的中心波长，该OADM实现了对中心波长为1548.356 nm光信号的下载。 如果初始调谐 FBG1和 FBG2的中心波长不一致，使其频率间隔为 0.8 nm，再逐渐调谐FBG3的中心波长与其一一对应，该器件还可以实现对每个光纤光栅的中心波长分别下载。

初始调谐FBG1的中心波长为1547.540 nm，FBG2的中心波长为1548.340 nm，在环形器a的输入端口1测得光谱图如图11所示。逐渐调谐FBG3的中心波长向长波长方向漂移，当FBG3的中心波长为1547.540 nm时，OADM 的下载端输出谱如图 12(a)所示，由图可知，波长为 1547.540 nm 的光信号被下载，而波长为1548.340 nm的光信号未被下载；继续调谐FBG3的中心波长，当为1547.940 nm时，OADM的下载谱如图12(b)所示，此时FBG3的中心波长介于FBG1和FBG2的中心波长之间，由于FBG3的反射谱带宽略大于0.8 dB，因此，波长分别为1547.540 nm，1548.340 nm的2个光信号全被下载；继续增大FBG3中心波长的漂移，波长为 1547.540 nm 的光信号通过该 OADM不再被下载，当FBG3的中心波长为 1548.140 nm 时，波长为1548.340 nm的光信号开始被下载，当FBG3的中心波长漂移到1548.340 nm时，OADM下载端得到最大下载谱如图12(c)所示，此时，波长1548.340 nm的光信号被完全下载。由此可见，该OADM不仅能够针对特定波长光信号进行上下载或直通，还可以实现对上下载波长的可调谐。

4 结 论

提出了一种新型的基于M-Z干涉仪和FBG可调谐的OADM，实验证明该新型结构插入损耗低、可调谐范围大、串扰水平低、通道隔离度高、灵活性强。通过控制FBG1、FBG2、FBG3的中心波长的漂移实现了可调谐的光信号上下路，对非上下载光信号能够实现直通功能。该器件的指标完全符合在光纤通信波分复用系统应用要求，具有良好的应用前景。

参 考 文 献

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