簡介
波分復(fù)用器和解復(fù)用器幾乎是所有WDM系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。從傳統(tǒng)意義上講，多路復(fù)用/解復(fù)用器（de/mux）都屬于靜態(tài)器件，隨著溫度的變化波長范圍會(huì)有少許改變。幾乎在第一個(gè)靜態(tài)復(fù)用/解復(fù)用器獲得商用的同時(shí)，人們就夢(mèng)想出現(xiàn)一種能實(shí)現(xiàn)波長快速調(diào)諧版本的復(fù)用/解復(fù)用器。快速可調(diào)的復(fù)用/解復(fù)用器可以廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域，包括應(yīng)用在時(shí)間/波長二維光碼分多址（OCDMA）系統(tǒng)里的快速跳碼（code hopping）技術(shù)上，從而既提高了QoS性能又增強(qiáng)了安全性[1]。
先前可調(diào)復(fù)用器幾乎沒有什么新的進(jìn)展，最近有利用一個(gè)1xN MEMS驅(qū)動(dòng)的Gires-Tournois干涉儀（GTI）來制作快速調(diào)諧復(fù)用/解復(fù)用器的報(bào)道[2]，采用這種方法的GTI是利用一個(gè)可編程的微反射鏡陣列來取代傳統(tǒng)GTI結(jié)構(gòu)里的背向反射平面（back reflection
plane），從功能上來說，這種GTI實(shí)際上扮演著類似可調(diào)陣列波導(dǎo)光柵（AWG）的角色[3]，輸出端口都是與相關(guān)波長呈周期性關(guān)系。例如，對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)端口的多路解復(fù)用器來說，第一路波長從端口1輸出，第N路波長從端口N輸出，而第N+1路波長則又從端口1輸出。經(jīng)過調(diào)諧后，第N-1路波長可以從端口N輸出，而第N路波長則可以由端口1輸出，第N+1路波長由端口2輸出。在我們的原型器件中，鄰近端口之間的串?dāng)_為8 dB，而MEMS反射鏡的調(diào)諧速度達(dá)到了10μs。盡管基本的器件測(cè)量論文已有公開發(fā)表[2]，但系統(tǒng)級(jí)的研究還尚未被報(bào)道。
在本篇論文里，我們將演示一個(gè)基于GTI的1x3波長復(fù)用/解復(fù)用器的系統(tǒng)級(jí)性能以及快速轉(zhuǎn)換能力，當(dāng)中采用的GTI帶有一個(gè)可調(diào)諧的中心波長。對(duì)GTI的群延遲波紋（GDR）測(cè)量發(fā)現(xiàn)其GDR低于5ps。而在對(duì)這款復(fù)用/解復(fù)用器進(jìn)行10Gb/s數(shù)據(jù)傳輸演示時(shí)發(fā)現(xiàn)其功率損耗低于0.5 dB。
另外，由于2D的OCDMA系統(tǒng)里的異步光正交碼的周期性頻率位移現(xiàn)象，也導(dǎo)致了正交碼現(xiàn)象[4]。因此，用這種可調(diào)多路器來實(shí)現(xiàn)編碼跳躍（Code hopping）便成為一種簡單易行的方式。由于偷聽者需要在監(jiān)聽編碼本身的同時(shí)還要發(fā)現(xiàn)跳碼的次序，這就增加偷聽的難度，因此系統(tǒng)安全性大大提高。同時(shí)由于可調(diào)編碼器/解碼器在出現(xiàn)其他用戶的MAI（Multiple Access Interference，多址接入干擾）降低接收信號(hào)質(zhì)量的情況下可以允許一個(gè)用戶跳躍到一個(gè)新的編碼上，因此跳碼技術(shù)也被證明可以維護(hù)服務(wù)的品質(zhì)（QoS）。而這款MEMS GTI則可以被用來完成編碼跳躍，同時(shí)相比其他潛在競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)（如溫度調(diào)諧FBG或延遲線開關(guān)）性能也作了重大改進(jìn)（如速度和簡單性）。下面我們就介紹一下采用GTI的2D OCDMA系統(tǒng)的跳碼試驗(yàn)情況。
將GTI作為一個(gè)高速開關(guān)
每一個(gè)多路器的輸出端口都表現(xiàn)出一個(gè)周期性的濾波器光譜。通過改變加載于靜電MEMS驅(qū)動(dòng)器上的電壓，我們可以改變微發(fā)射鏡的垂直方位，因此我們引入了入射光束的相位移概念。這種相位移在光纖陣列的輸出端會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龈缮鎴D樣的周期性位移（cyclic shift）[2]。舉例而言，從端口3到端口1的被稱為第3rd個(gè)波長位移，從端口1到端口2的是第1個(gè)波長位移，依次類推（見圖1a）。圖2a則展示了轉(zhuǎn)換程序。一個(gè)承載2Gb/s數(shù)據(jù)的波長穿越多路器。通過在兩個(gè)不同的電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（速率為15 kHz），引入的數(shù)據(jù)輸出端口將從端口2轉(zhuǎn)換到端口1。圖中顯示了10μs的轉(zhuǎn)換速度。我們還觀察到在轉(zhuǎn)換的過程中比特并未出現(xiàn)降級(jí)退化現(xiàn)象，不過峰對(duì)峰值（peak to peak）卻發(fā)生了改變。這些端口處于關(guān)閉位置時(shí)的串?dāng)_為5-8dB，標(biāo)準(zhǔn)插入損耗為11.5dB。之所以會(huì)出現(xiàn)這么高的插損和串?dāng)_的主要原因是元件和自由空域耦合未對(duì)準(zhǔn)的緣故。因此，我們可以通過使用一個(gè)階躍光束分路器（分光比可調(diào)）以及增加微反射鏡數(shù)量（目前一般為6個(gè)）的方法來大幅改進(jìn)插損和串?dāng)_性能。模擬的結(jié)果顯示[2]插損最低可降到3dB，串?dāng)_也能達(dá)到13dB。
圖1（a）通過改變MEMS結(jié)構(gòu)，多路器便獲得周期性的輸出波長，轉(zhuǎn)換速率為10μs，而多路器的帶寬為30nm。FSR也可以從0.6nm 調(diào)節(jié)到1.2nm。（b）GTI的周期性位移也可以被用來進(jìn)行正交OCDMA碼間的跳躍。
圖2b則展示了貫穿濾波器通帶的群時(shí)延波紋GDR，數(shù)據(jù)顯示其peak-to-peak波紋在整個(gè)濾波器帶寬范圍內(nèi)都低于5 ps，并且具有一個(gè)比較均勻的平坦斜率——這說明濾波器有效減少了色度色散現(xiàn)象。GDR采用的是調(diào)制相法測(cè)量的，fmod = 1 GHz ，lstep= 0.01nm。
圖2（a）在端口2和3之間轉(zhuǎn)換的l2，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs。(b) 貫穿GTI濾波器通帶的群時(shí)延波紋GDR圖，
其peak-to-peak波紋在整個(gè)濾波器帶寬范圍內(nèi)都低于5 ps，GDR采用的是調(diào)制相法測(cè)量的，fmod = 1 GHz ，lstep= 0.01nm。（c）10G調(diào)制1548nm信號(hào)穿過每一端口的BER測(cè)量。在穿越CTI過程中比特未出現(xiàn)失真現(xiàn)象。
圖2c顯示了10G調(diào)制1548nm信號(hào)穿過每一端口的BER測(cè)量情況。結(jié)果顯示功率損耗低于0.5dB。
在一個(gè)時(shí)間-波長二維OCDMA系統(tǒng)中的快速跳碼試驗(yàn)
光碼分多址（OCDMA）技術(shù)因其能實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶之間安全，異步的數(shù)字通訊而受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注[5]。一種有助于傳統(tǒng)OCDMA系統(tǒng)消除對(duì)小型碼片時(shí)間（chip time）需求的方法就是采用二維OCDMA架構(gòu)，在上述架構(gòu)中，每個(gè)比特被分離成一些碼片時(shí)間和一組不連續(xù)波長的集合[6]。圖1b顯示了一個(gè)OCDMA比特是如何按時(shí)域和波長來編碼的。由于異步正交碼的波長周期位移通常是正交碼本身，因此GTI周期性的波長調(diào)諧特性結(jié)合MEMS驅(qū)動(dòng)器的快速調(diào)制速度將使這些基于MEMS的可調(diào)GTI成為跳碼OCDMA系統(tǒng)的不錯(cuò)選擇。
試驗(yàn)裝備
圖3顯示了跳碼演示中的試驗(yàn)配置圖。每個(gè)數(shù)據(jù)比特被編寫進(jìn)一個(gè)三波長（1543.2 nm, 1548 nm, 1552.8 nm）和8個(gè)碼片（每個(gè)碼片間隔為100ps）的組合。如果數(shù)據(jù)為“1”，那10Gb/s圖樣發(fā)生器就在一個(gè)比特周期內(nèi)（800 ps）產(chǎn)生一個(gè)100ps的脈沖，如果數(shù)據(jù)為“0”則沒有脈沖。光纖布拉格光柵陣列（FBGA）則作為固定編碼器來延遲相關(guān)碼字的波長。編碼數(shù)據(jù)接著再穿過不同長度的光纖（~20 m）分配到各個(gè)用戶手中。
圖3：在一個(gè)時(shí)間-波長OCDMA系統(tǒng)中采用GTI作為可調(diào)解碼器的試驗(yàn)配置圖。傳輸速率為1.25Gb/s，每個(gè)碼片為10Gb/s。
圖4：通過調(diào)節(jié)GTI的電壓，使之達(dá)到30V，用戶1就可以被解碼了。將電壓調(diào)節(jié)到80V，第二個(gè)用戶將被解碼。圖a和B顯示了當(dāng)只有一個(gè)用戶存在時(shí)候的編碼/解碼情況。圖c顯示了存在兩個(gè)用戶時(shí)的跳碼情況。
來自兩個(gè)用戶的編碼數(shù)據(jù)被集合在一起，再通過可調(diào)GTI解碼器。連接到GTI輸出端口的光纖長度都是不一樣的，從而對(duì)用戶波長進(jìn)行重新排列并產(chǎn)生一個(gè)三級(jí)峰值脈沖。接收器的輸出 端是一個(gè)閥值探測(cè)器，可以復(fù)原1.25Gb/s數(shù)據(jù)。圖4a和b顯示了只需調(diào)節(jié)GTI的電壓就可以對(duì)用戶1和用戶2的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，而無須改變延遲線長度。圖4c顯示了兩個(gè)用戶同時(shí)存在的情況，當(dāng)一個(gè)用戶被解碼時(shí)，剩余的用戶將會(huì)對(duì)先前用戶產(chǎn)生噪音。來自GTI的串?dāng)_也跟MAI類似。