[转帖]INTERLEAVER-神奇的光梳

大骗子 · 发表于 2003-3-21 01:08:00

陈亚

珠海光联通讯技术有限公司工程技术部

背景-DWDM家族的新宠儿

在当今的网络时代，人们对信息的渴求几乎是无限的；相应的，光通讯系统的容量也呈现爆炸式的增长。而之所以能够实现这一点，很大程度上是凭借着波分复用（DWDM）技术的利用，使得人们可以在一根光纤内同时传播多路信号。频率已经成为人们继时间、空间以后可以驾驭的第三个维度。然而，如何充分地利用这“第三维”，充分地利用大自然赐予给光纤的丰富带宽资源，给光通讯技术带来了前所未有的挑战。为此，人们一方面致力于拓宽光纤的带宽范围；另一个方面，也在不断地减小光纤中的各个通讯频道间的间隔，使单根光纤能够承载更多的信道。经过若干年的发展，DWDM技术已经逐渐成熟，目前市场上已经有了50GHz甚至25GHz的波分复用产品。但是，从技术与工艺的角度来看，当前DWDM技术也正在渐渐趋向于一个极限，再进一步缩短各信道间的波长间隔已经成为巨大的挑战。正是在这样的背景下面，INTERLEAVER的概念应运而生，成为推动DWDM技术继续发展的有力支持。

二、原理-交叉地进行分波或合波

与通常的DWDM技术不同，INTERLEAVER采取的是一种交叉滤波方案。也就是说，它不象DWDM那样，把一串信号流中的某个单独信道给过滤出来，而是按照奇偶分配的原则，把这串信号分解为两组信号流。分解后的每组信号频道间隔比原来增大了一倍（如图1），从而降低了后面密集波分复用的难度。换句话说，INTERLEAVER能够在原有基础上将系统的容量成倍地提高。这也正是INTERLEAVER甫一问世，便极大地吸引了人们的注意力的重要原因。

interleaver

………

………

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  红




  蓝

图1：INTERLEAVER的功能-奇偶分波。上图兰色竖条表示奇数列的信号，红色表示偶数列的信号

在数学上，这样的滤波函数有一个很形象的专用名词，叫做“梳状滤波函数”。意思是说，该函数可以象一把梳子，对信号的频谱进行梳理和分叉。基于这样的观察角度，INTERLEAVER甚至可以被看成是一架能够实现这类梳状滤波运算的微型光计算机。

然而实现这种貌似复杂的光学运算功能所依赖的核心原理其实却是非常简单，其实就是高阶的光学干涉效应。拿一个具体的例子来说明。下图是一个典型的马赫-贞德干涉仪的光路，调节两干涉臂的光程差DL使之很大，例如是某个特定波长l的数千倍，则对于中心波长在l附近的一系列输入光信号，将按照上述的奇偶分波原则，从两条不同的干涉通道输出。所谓的奇偶波长，可以用更加清晰的数学公式来描述，即必须满足：

DL/lodd=m+0.5  (m为干涉级次，取正整数， odd指奇数通道)

DL/leven=m (even指偶数通道)          (1)

Output 1

Output 2

图2：用马赫-贞德方案实现交叉滤波的光路图。图中绿色镜子是半透半反镜，咖啡色镜子是全反镜。

其中相邻的奇、偶通道的分波间隔为Dl=l/(2m)。因此当干涉级次m很高的时候，分波间隔就越窄。

上述的方案仅仅是原理性的。从技术的角度来说，人们可以选择多条途径来实现这种大光程差的高阶干涉。例如麦克尔逊干涉、法布里-帕罗干涉、晶体干涉、光纤光栅干涉等等不一而足。原则上讲，任何分振幅的干涉装置，都有可能成为INTERLEAVER的原型。人们要衡量和判断的，只是哪条途径能够最好、最方便地满足光通讯产业对无源器件苛刻的性能要求。

在简单地讨论了INTERLEAVER的原理之后，我们不禁要问，为什么常规的光学滤波方法在目前的密集波分复用频道间隔条件下会遇到强劲的阻力，而INTERLEAVER却能进一步有所突破呢？请大家再回顾一下目前的波分复用手段所依赖的原理与基础。仅以两个代表性的例子，滤光片的途径（光纤光栅是与此类似的东西），以及阵列光波导（AWG）的方案来说明。其中滤光片也是分振幅的干涉、AWG则是一种分波前的干涉方式。然而两者之间有一个共同点，就是为了实现对特定的频率进行滤波，它们采取的都是低阶干涉（零级干涉）的途径。如滤光片的膜层厚度、以及AWG相邻波导的光程差都只是在波长量级。大家知道，在这种低级次干涉情况下，为了得到尽可能窄的光学干涉条纹（即提高色分辨率），唯一的途径几乎就是增加干涉的次数。因此，当波分复用的频率间隔越来越窄的时候，滤光片的膜层不得不越镀越多，AWG的波导也不得不越刻越精细，这对当前的精密加工技术提出了过高的要求。而INTERLEAVER所借助的高阶干涉的途径，恰恰非常好的解决了这个问题。在高阶干涉的模式下，无论多窄的分波间隔，都只需要直接提高干涉的级次就可以了，而不需要增加干涉的次数。这是两条迥然不同的技术途径。

三、应用-追求完美的波形

如果做一个简单的计算，可以发现上面提供的关于马赫-贞德干涉的INTERLEAVER原理性方案中还存在一个小小的问题，那就是波形。仅以输出端口1中的偶数列信号为例，其输出光强与频率的关系为：

Iµ 1+cos[2p×(DL/l)]    (2)

这样简单的一个直流项加上一个余弦函数的谱分布，是无法满足现今光通讯系统的苛刻要求的。首先是通带宽度过于狭窄，无法充分地保留进入信号光谱，从而引起信号波形变坏并可能会带来误码；同时，对相邻的信号也不能充分地隔离，容易造成信道间的串扰。

因此，一个真正的、可以实际应用的INTERLEAVER器件，必定要设法对上述波形进行修正，才能满足光通讯的需求。这种修正的基础，就是古老的光学概念-傅立叶变换。通过光学傅立叶变换的途径，我们甚至有可能做到使INTERLEAVER最终的输出波形与所需要的实际波形任意的接近。当然，这种接近会增加器件的复杂程度和成本，所以根据实际应用要求，选择在适当的条件下截止。

突破了这一障碍，INTERLEAVER才真正地成为了密集波分复用技术舞台上一颗璀璨的明珠。

四、市场- 苛求高质量的产品

在光通讯这个行业，人们对产品的要求非常苛刻，例如通常包括：二十五年使用寿命的可靠性要求、0~80摄氏度的工作温度范围、斤斤计较的插损，以及要求器件具有非常小的体积等等。因此一个新概念从被提出以后，在研发与最终产品之间仍然存在着一道鸿沟。正是因为这一点，虽然INTERLEAVER的概念提出来已经近三年了，然而目前世界上仍仅有少数几家公司可以提供INTERLEAVER的产品。

其中，美国OPLINK公司在大陆投资的企业群，是目前国内最大的无源器件生产厂商，也可能是唯一在国内生产该器件的厂商。该公司的INTERLEAVER糅合了OPLINK公司的多项专利技术，并采取了温度补偿措施。因为其优越的性能指标，于2001年3月在美国加洲被授予了“The 2000 Technology Awards”奖项。目前，该器件已经形成了200GHz, 100GHz与50GHz的系列。此外，OPLINK的25GHz INTERLEAVER也正在研发过程中。利用100GHz与50GHz的INTERLEAVER，再结合OPLINK公司自己的镀膜滤光片技术，公司已经在为客户提供高达160通道的DWDM模块。

从INTERLEAVER今后的发展来看，要做到分波间隔小于25GHz也存在着一定的技术障碍。因为过高的干涉级次将迫使两干涉通道的光程差越来越大，从而在相对精度控制方面提出了更高的要求。同时器件对温度的敏感度也会随着长度的增加而进一步提高。这一切似乎都暗示着，密集波分复用技术领域中再一次革新的时机已经在酝酿之中了。

after · 发表于 2003-3-21 01:32:00

有一个杂志上的论文，写的更详细，连通道基本要求，计算方法都描述了，但是杂志名我记不清了。

aliangking · 发表于 2003-7-31 23:08:00

程博士，又回来了

after · 发表于 2003-8-4 18:03:00

在光纤通信新产品杂志上好像有一篇更新更详细的介绍。

shootingstar · 发表于 2003-8-5 08:24:00

我也想看看原文，哪位知道哪有？谢谢

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