引入

对于一个光纤通信系统，其基本的组件主要有：

发射器：发射光的半导体设备，然后，来自发射器的光被耦合到传输介质中，也就是一段光纤。
光纤：在较长的距离上，光会完全被限制在一段光纤中
光电探测器：最终，光线会到达另一端，然后这部分光线会被光电探测器检测到

但现在我们转向 WDM 系统， WDM 是一种更先进的通信系统，它将光波系统的容量扩展到超过 1 Tb/s。由于多个光学载波间隔50–100 GHz，同时在同一光纤上传输数据，除了现有的三种类型的组件，还需要能精确处理这些信道的组件。

WDM中有许多基于波导的无源和有源组件：

可调谐光滤波器（Tunable optical filters）用于信道选择
解复用器和复用器（Demultiplexers and multiplexers）用于组合信道
分插复用器（Add–drop multiplexers）用于添加或下路信道
WDM 发射机（transmitters ）用于多信道输入
光开关用于开/关

光滤波器（optical filters）

光滤波器的核心本质，是对特定波长的光信号具备高透射 / 高反射的波长选择特性。一个理想的光滤波器需要满足：

宽调谐范围 (Wide tuning range): 能够覆盖尽可能多的波长信道（例如整个C波段）。
极小的串扰 (Negligible crosstalk): 在滤出目标波长时，能够有效隔离并抑制相邻信道的干扰。
速调谐速度 (Fast tuning speed): 能够迅速从一个波长切换到另一个波长，这对动态路由光网络至关重要。
小插入损耗 (Small insertion loss): 信号通过器件后产生的光功率衰减要尽量小。
对信号偏振不敏感 (Insensitivity to signal polarization): 无论输入光束的偏振态如何，滤波器的性能和输出保持一致。
低成本 (Low cost) & 抗环境变化稳定性 (Stability against environmental changes): 易于大规模制造，且不易受温度波动、机械振动等外界因素影响。

大多数光学滤波器本质上都是在利用光波的干涉效应来实现波长选择。

相消干涉 (Destructive Interference)：当两列波在空间某点汇合时，如果相位正好相反（即一正一负，波峰遇波谷），它们会相互抵消，导致该波长的光强度为零（被滤除）。

光在进入光滤波器后，被分为2条路（2 arms），通过调节干涉结构中其中一条“臂”的长度（延迟 $\tau$），可以精确改变两列光波到达汇合点时的相位差。控制臂长 $\rightarrow$ 控制相位差 $\rightarrow$ 决定干涉结果（相消或相长）。这就是让特定波长通过、让其他波长抵消的通用工作逻辑。

常见的光滤波器有下面这四种：

Fabry–Perot filter (法布里-珀罗滤波器)

FP滤波器工作原理

FP滤波器最关键的部分是两根光纤端面之间的两面平行反射镜 (Mirrors)。这两个高反射率的镜面构成了一个法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）。

滤波原理：镜面谐振腔

当包含多个波长的光信号从左侧光纤射入腔体后，光会在两面反射镜之间来回弹射。并非所有波长的光都能顺利通过这个腔体。只有满足谐振条件的特定波长，其多次反射透射出来的光波才会发生相长干涉（Constructive Interference，即波峰与波峰对齐），从而高强度地从右侧光纤输出。

调谐机制：压电换能器 (Piezoelectric transducer)

压电材料有一个特性，当在它两端施加电压时，它的物理尺寸会发生微小的改变（伸长或缩短）。将压电换能器与反射镜连接。通过改变施加在压电换能器上的控制电压，就可以极其精确地控制两面反射镜之间的距离 $L$。

这个滤波器的传输函数是：（不考）

$H_f(\omega) = \frac{(1 - R_m)e^{i\pi}}{1 - R_m \exp(i\omega\tau_r)}$

$R_m$ (Mirror reflectivity): 反射镜的反射率。
$\omega$: 光信号的角频率。
$\tau_r$ (Round-trip cavity time): 光在腔内往返一次所需的时间。它的计算公式为：$\tau_r = \frac{2L_f}{v_g}$，其中 $L_f$ 是腔长（如空气隙的宽度），$v_g$ 是光在介质中的群速度。这个时间参数 $\tau_r$ 决定了干涉效应中的相位差。

下图是光滤波器的性能图，纵轴是透射率（光能通过的比例），横轴是归一化的频率。

谐振峰 (Resonance Peaks)：图中可以看到多个周期性的波峰。当入射光的频率恰好与谐振腔的纵模 (Longitudinal mode) 重合时，透射率达到最大（理论上为1，即100%透射）。这发生在满足特定条件的频率点：$v = v_m = m/\tau_r$ （$m$ 为整数）。在这些频率上，腔内发生完美的相长干涉。

自由光谱区 (Free Spectral Range, FSR)：这是图中两个相邻透射峰之间的水平距离。公式表达为：

$\Delta\nu_L = \frac{1}{\tau_r} = \frac{v_g}{2L_f}$

FSR 是滤波器极其关键的指标。在波分复用（WDM）系统中，FSR 决定了滤波器的无混叠调谐范围。如果你要过滤的多个波长信道超出了这个范围，相邻周期里的峰就会造成干扰。

反射率 $R_m$ 对滤波性能的决定性影响

当 $R_m = 0.5$（浅色虚线）： 透射峰非常宽缓。这意味着不仅中心频率的光能通过，附近频率的光也会大量漏过来，在通信系统中这会导致严重的信道串扰 (Crosstalk)。
当 $R_m = 0.9$（深蓝色实线）： 透射峰变得非常尖锐和狭窄。这表示滤波器具有很高的精细度 (Finesse)，波长选择性极强，能够精准地把目标波长“剔”出来，同时有效抑制相邻信道的噪声。

液晶FP滤波器（Liquid-Crystal FP Filters）

引入：物理距离（Physical length）与光学距离（optical length）

这里指的注意的点是物理距离与光学距离的差异：光在进入折射率大于 1 的介质（如玻璃、铌酸锂等）时，它的传播速度会变慢 ($v = c/n$)，波长也会被压缩 ($\lambda’ = \lambda/n$)。因此，光在介质中走过相同的物理距离 $L$，会比在真空中经历更多的周期变化，积累更多的相位。干涉现象只看相位，所以我们必须用“光学长度”来计算。

物理长度：就是用尺子实际测量出来的真实几何距离
光程 (Optical Path Length, $OPL$)：光在折射率为 $n$ 的介质中，走过物理长度为 $L$ 的距离时，相当于它在真空中走过的距离。$OPL = n \times L$

回到前面的传输函数，$\tau_r = \frac{2L_f}{v_g}$，我们知道，光在介质中的群速度 $v_g = \frac{c}{n_g}$ （$c$ 是真空中光速，$n_g$ 是介质的群折射率）。将 $v_g$ 代入上面的公式，得到：

$\tau_r = \frac{2 \times (n_g \times L_f)}{c}$

看这个展开后的公式，分子上的 $n_g \times L_f$ 正是光学长度。

压电FP滤波器的缺点

上面提FP滤波器有一个显著的缺点：腔长的调整是通过压点效应引起的机械运动进行的，机械运动的稳定性会随着时间的推移而下降。

如何改善这个缺点呢？由于$OPL = n \times L$，我们可以不改变L，而是改变介质折射率n。我们将使用另一种材料来填充这个空腔，我们填充这个空腔的材料，一旦施加电场，它的折射率就会发生变化。这就是液晶法布里-珀罗滤波器 (Liquid-Crystal FP Filters) 的核心设计理念。

为何液晶可以调整n？

当你从不同角度观察液晶时，这种液晶能够提供不同的折射率。如果我们能施加一个电场，到液晶层，这些液晶分子就会旋转。这样就可以通过电场调节n。

一个液晶FP滤波器的例子

大多数电极都是由金属制成的，然而，对于金属，光线会被完全反射回去。因此我们需要在这里选用新的材料。而且，由于液晶本身的双折射特性，不同偏振态的光进入普通液晶层后感受到的折射率是不同的。这违背了对信号偏振不敏感的理想特性要求，会导致严重的信号失真。

因此，液晶FP滤波器：

电极与反光镜合一： 器件两侧使用了涂有薄膜 ITO（氧化铟锡）的石英板。ITO 是光电领域的明星材料，它既透明透光，又能导电。因此它既作为透明窗口，又充当施加电压的电极 (Transparent electrode)。内侧再涂覆介质膜形成法布里-珀罗腔的两面反射镜。
纳米液晶液滴 (LC droplets)： 这是最核心的创新。腔内填充的不是一整层纯液态液晶，而是用聚合物 (Polymer) 将尺寸极小（直径 $<100 \text{ nm}$）的液晶包裹成无数个微小液滴。因为这些成千上万的微小液滴在聚合物基质中的排列方向是完全随机的 (random orientation)。当光穿过它们时，对所有偏振态的宏观平均折射率效应变得完全一致。

Mach–Zehnder filter (马赫-曾德尔滤波器)

滤波原理

它的原理也是基于光的相长和相消。输入光信号首先遇到第一个定向耦合器（Directional coupler 1），被平分为两路。这两路光分别进入上下两条干涉臂，最后在第二个耦合器汇合。

上方臂的物理长度比下方臂长了 $\Delta L$，这段额外的路径会导致两路光在重新汇合时产生相位差。相位差的计算公式与波长 ($\lambda$) 密切相关：$\Delta \phi = \frac{2\pi n_{eff}}{\lambda} \Delta L$。

当光在第二个耦合器干涉时，波长 $\lambda_1$ 可能刚好满足相长干涉从 Port 1 输出，而波长 $\lambda_2$ 可能满足相长干涉从 Port 2 输出。这就完美实现了波长路由/滤波。

实际应用：级联

MZ滤波器的主要问题是：滤波特性不够锐利 (Not sharp enough)。 单个MZ滤波器的透射光谱呈正弦波形状（如下图虚线）。在密集的WDM系统中，信道间距非常小，这种平缓的滚降边缘会导致严重的相邻信道串扰。

解决这个问题的方法就是级联，将多个MZ干涉仪串联起来（图中的 $T_1, T_2, T_3$）。通过精心设计每一级的臂长差，多个干涉光谱叠加后，可以得到上图实线所示的响应曲线。

如何调谐

一旦MZ滤波器的$\Delta L$被制造出来，物理距离差就确定了，那么如何进行调谐呢？答案是使用加热垫（heating pad）(下图绿色)。由于材料的n与T相关，因此改变当前材料的温度，就可以改变折射率n，从而改变光程。

集成MZ滤波器

复杂级联结构可以直接被集成在芯片内。如下图所示

其中Thermo-optic phase shifter实则是一小片金子，它被放在波导的顶部，当我们施加电流时，它会产生热量，以此调整光程。

这种热调谐机制相对简单且成本低，但受限于热传导的物理过程，其切换速度在毫秒量级 ($\sim 1\text{ ms}$)。

Bragg-Grating Filters（布拉格光栅滤波器）

前面的谐振腔和干涉仪通常依赖宏观的光程差，而布拉格光栅则是在微观材料层面上做文章。

布拉格光栅本质上是在光纤（或波导）内部制造了一段折射率周期性交替变化的区域。

当包含多个波长的光信号经过这段区域时：

大部分波长的光会直接穿透过去（Transmission）。
但唯独满足布拉格条件（$\lambda_B = 2n_{eff}\Lambda$，其中 $\Lambda$ 是光栅的周期）的极小一段窄带波长，会在每一个微小的折射率变化界面处发生反射，并且这些微弱的反射光会发生相长干涉，最终像一堵墙一样被100%反射回去（Reflection）。

声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filters）

光弹效应 (Photoelastic effect): 当声波（本质是一种机械压力波）在介质中传播时，它会周期性地挤压和拉伸材料的晶格。这种物理形变会导致材料的折射率发生周期性的变化。

这个由声波“压”出来的折射率周期性起伏，在光学上就等效于一个布拉格光栅。而声波可以通过施加电压来产生。

改变输入声波的频率，就能直接改变声波的波长，也就是改变了这个“折射率光栅”的周期。根据布拉格衍射条件，光栅周期的改变会直接导致被衍射（滤出）的光信号波长发生改变。这使得 AOTF 可以通过纯电学手段（改变射频信号频率）实现微秒级的极速波长扫描。

铌酸锂 ($\text{LiNbO}_3$) 平台在这类器件中很常用，因为铌酸锂同时具备极其优异的压电效应（易于激发电声波）和光弹效应，是制作此类器件的绝佳基底材料。

. 分离 (Split): 输入光首先通过一个 TE-TM 分束器。把混合偏振的光强行拆分成走在两条平行波导上的 TE 模和 TM 模。
声光转换 (Conversion): 中间的叉指换能器 (Acoustic Transducer) 激发出表面声波 (SAW) 横穿这两条波导。在满足相位匹配的特定波长下，声波的能量会促使光子的偏振态发生翻转：TE 变成 TM，TM 变成 TE。未被选中的波长则保持原样。
重组输出 (Recombine): 尾部的第二个 TE-TM 分束器起到了路由的作用。经历过偏振翻转的目标波长会被交叉路由到“Filtered Output”端口，而没有翻转的其他波长则直通进入“Unfiltered Output”。

解复用器与复用器（Demultiplexers and Multiplexers）

光栅解复用器（Grating-Based Demultiplexers）

解复用原理

当包含多个波长的混合光束打在光栅上时，光栅表面的周期性刻痕会使光发生衍射。根据衍射定律，不同波长的光，其衍射角度是不同的。波长越长，衍射角通常越大。这样一来，原本重合在一起的光束，就被像一把扇子一样在空间中“扇开”了。波长的差异被完美转化为了空间位置的差异。

这就是光栅解复用器的原理，光栅把光按角度分开了。然后将反射的光塞进极细的输出光纤中。

塞进光纤的透镜有两种：

传统透镜方案 (Conventional lens)：混合光从输入光纤射出，经过凸透镜变成平行光打在光栅上。光再次穿过透镜，透镜将不同角度的光聚焦到物理空间上不同的点，刚好对应接收光纤阵列的各个端口。这是一个典型的“空间光学 (Free-space optics)”结构，体积大，且光纤、透镜、光栅之间的空间对准要求极其苛刻，抗震动性差。
渐变折射率透镜方案 (Graded-index lens, GRIN lens)：GRIN 透镜内部的折射率不是均匀的，而是从中心到边缘呈抛物线规律渐变。光在里面传输时会像走曲线一样自动汇聚或发散。它的最大优势是端面平整。光栅可以直接贴合（粘接）在透镜的一个端面上，输入和输出光纤阵列也可以直接贴合在另一端。消除了空气间隙，整个器件变成了一个坚固的实心整体，体积大幅缩小，稳定性极大地增强。

空间光栅解复用器的最大痛点：极大的插入损耗 (Relatively large insertion loss, >20 dB)。

光栅复用器

基于光栅的器件是双向互易的。复用器 (MUX) 和解复用器 (DEMUX) 在物理上使用完全相同的结构，两者的唯一区别在于光的传输方向。

因此，对于光栅复用器，只需要将光路逆过来，就可以实现复用。

基于光纤的解复用器（Fiber-Based Demultiplexers）

Fiber-Based DEMUX和光栅DEMUX的区别在于，它把光栅结构做进了光纤内。这种解复用器分为前后两个关键部分来协同工作：

前半部分：$1 \times N$ 光纤耦合器 (Fiber Coupler)：左侧包含 $M$ 个波长（通道 $1, 2, 3… M$）的混合光束输入后，首先进入一个 $1 \times N$（图中标注为 $1 \times M$）的光纤分束器。

后半部分：相移光栅 (Phase-shifted grating)，普通的布拉格光栅是一个反射镜，会把特定波段的光挡住。如果我们在一段均匀光栅的正中间，人为引入一个突变的相位延迟（Phase shift，图中的 $\Phi_1, \Phi_2…$），就会在光栅原本的“阻带（不透光区域）”中间，撕开一个极其狭窄的“透射窗口”。这使得相移光栅变成了一个拥有极高精细度的带通滤波器。

优势 (低耦合损耗)： 由于全程在光纤内部进行，没有光束离开光纤进入空气的过程，完美避开了上一页空间光栅方案中最大的痛点——光纤到空间的耦合损耗。

劣势 (固有的分光损耗)： 它的致命伤在于第一步的 $1 \times N$ 分束器。如果有 100 个通道，输入光首先会被硬生生分成 100 份，这就意味着每个通道还没开始滤波，就已经损失了 99%（约 20dB）的光功率。

基于波导的解复用器

这是现代波分复用（WDM）系统中最为核心、应用最广的解复用器件：阵列波导光栅 (Arrayed Waveguide Grating, AWG)

包含多波长的混合光从 (1) 进入。区域 (2) 是一个没有波导限制的自由空间传播区（Free Propagation Region, FPR）。光在这里像扇面一样发散开来，进入后方的阵列波导。
阵列波导 (Phased array of optical waveguides)：光被分配到几十甚至上百根平行的波导中传输。相邻两根波导之间存在一个精确的、恒定的物理长度差 $\Delta L$。当光穿过这些波导时，由于路径长度不同，会产生相位差。对于不同的波长 $\lambda$，这个相位差积累的速度是不同的。这相当于在微观层面上实现了一个相控阵 (Phased array)。
当带有不同相位信息的各路光束进入输出耦合器 (4) 时，它们会发生多光束干涉。波长 $\lambda_1$ 的光会在空间位置 A 发生相长干涉（聚焦），而波长 $\lambda_2$ 的光会在空间位置 B 聚焦。我们只需在这些焦点位置放置输出波导 (5)，就能将不同波长的光完美分离开来。

通过在增加（3）中的阵列波导数量，即可实现更细分的聚焦点，让DEMUX的每个信道带宽更窄。

这项技术的性能极好，已被大规模商用。下图是其频谱。

能够同时分离 256个信道，且信道间距仅为 25-GHz。看图中的光谱（Transmission dB），256个波长的透射峰密密麻麻地排列在 1525 nm 到 1585 nm 的频带内，且每个峰的顶部相对平坦，边缘非常陡峭，能极好地抑制信道间的串扰。

为了实现如此精细的波长分辨率，它的阵列区包含了多达 712根波导，且相邻波导的长度差精确控制在 27.7 μm。尽管包含了如此复杂的结构，整个器件的尺寸仅为 7.5 × 5.5 cm²。它通常使用二氧化硅-硅 (silica-on-silicon) 工艺制造。

相比于空间光栅动辄 >20 dB 的损耗，这个 256 通道的超复杂 AWG 芯片，其插入损耗仅为 2.7 到 4.7 dB。因为它全程在波导内部传输，没有空间对准的漏光和严重的模场失配问题。

基于滤波器的复用/解复用器

滤波器的复用/解复用器的基本构建模块是我们之前学过的 马赫-曾德尔干涉仪 (MZ interferometer)。为了处理 4 个波长，芯片上集成了 3 个 MZ 干涉仪（$MZ_1$, $MZ_2$, $MZ_3$），它们被排列成一个经典的倒树状结构。

工程师会极其精确地计算并制造 $MZ_1$ 两条干涉臂的路径长度差 ($\Delta L$)。其目的是让 $\lambda_1$ 和 $\lambda_2$ 这两个特定波长的光，在经过各自的相位积累后，能在干涉仪尾部的同一个输出端口发生相长干涉。这样，$\lambda_1$ 和 $\lambda_2$ 就被无损地合并到了同一根波导中。
同理，$MZ_2$ 的臂长差被专门设计用来合并 $\lambda_3$ 和 $\lambda_4$。
包含 $(\lambda_1 + \lambda_2)$ 的光束和包含 $(\lambda_3 + \lambda_4)$ 的光束进入 $MZ_3$。$MZ_3$ 的臂长差再次经过专门设计，使得这四个波长最终在尾部的单一端口汇聚，完成复用。

如果将包含 $\lambda_1 + \lambda_2 + \lambda_3 + \lambda_4$ 的混合 WDM 信号从右侧的单端口输入，信号通过 $MZ_3$ 时，干涉效应会把 $\lambda_1, \lambda_2$ 路由到上面那条臂，把 $\lambda_3, \lambda_4$ 路由到下面那条臂。接着信号进入 $MZ_1$ 和 $MZ_2$，会进一步被剥离成 4 个独立的波长，从左侧的 4 个端口分别输出，此时它就是一个解复用器 (DEMUX)。

这种结构包含极其复杂的波导网络和精确到纳米级的臂长差控制，用分立的光纤去拼凑是不可能的。它必须采用硅基二氧化硅 ($SiO_2$ on silicon) 平面光波导技术，像制造电脑 CPU 一样，通过光刻工艺将整个干涉仪树状网络一次性刻蚀在同一块硅衬底上。

光分插复用器（Add–Drop Multiplexers）

什么是Add-Drop MUX

光分插复用器 (Optical Add-Drop Multiplexers, OADM)，的作用就是在这个“光速高速公路”的立交桥上，把特定波长（相当于特定车辆）“卸下”（Drop），把新的波长“装上”（Add），同时让其他波长不受干扰地直接通过（Through）。

设计的核心指标：

插入损耗 (Insertion loss)： 信号在执行 Add、Drop 或 Through 操作时损失的光功率。
串扰 (Crosstalk)： 添加功能和拦截功能发生在同一设备中。只是方向不同。如果它们同时发生，就会产生所谓的串扰，这种串扰会严重降低信号质量。
通道容量： 能够处理的 Add/Drop 通道数以及直通通道的数量。

基于马赫-曾德尔(MZ)干涉仪 + 布拉格光栅

结构： 在传统的 MZ 干涉仪的两条臂上，刻写了相同的布拉格光栅 (Gratings) 。

混合光从 Port 1 进入后，特定波长被光栅反射，经过干涉后从 Port 2 (Drop 端口) 掉落。
其余不需要下路的波长则直接穿过光栅，从 Port 4 直通输出。
需要新加入的同波长信号从 Port 3 注入，被光栅反射后同样进入 Port 4，完成复用。

对光栅的严苛要求： 为了将串扰降到最低，光栅的反射率必须达到 100%，并且 MZ 干涉仪的两条臂必须完美平衡。在这种情况下，它只能处理有限数量的通道。所以现在对于这种类型的光栅结构，我们不再使用它了。

MUX/DEMUX + 光开关架构

原理： 这是一种比较“暴力”但极其灵活的设计。首先把所有波长全部解复用（分开），然后在每条独立的光路上放置一个 2x2 光开关。通过控制光开关的状态，可以动态地决定任何一个波长是直接通过，还是被 Drop 掉并换上新的信号。

但对于每个信道，都有一个光开关，这将大大增加整个结构设计的难度。因此这种设计也不再使用。

基于环形器 (Circulator) + 布拉格光栅 (FBG)

这是现在正在大规模使用的技术。

工作原理

环形器的工作机制：例如下图，一个有三个端口的环形器，如果光从端口一进入，就会从端口二输出。如果有任何光进入端口 2，它将在内部循环，并从下一个端口输出，即端口 3。

一个典型的环形器+FBG插分器结构如下：

输入光从环形器1的端口1进入，从端口2出来遇到 FBG 。
FBG 反射目标波长（如 λa），反射光再次进入环形器1的端口2，被迫从端口3输出（完成 Drop）。
其他波长穿过 FBG，进入环形器2的端口2，最终从端口3输出。Add 信号则从环形器2的端口1注入，然后从端口2输出；它会被FBG反射回2，从而继续在端口3输出。
通过级联多个这样的单通道模块，可以实现多通道的 OADM 。

上图的这个结构只能对$\lambda_a$的波进行剔除或插入，那么如何实现更多波段呢？答案是插入更多的FBG，每个FBG都对对应频率的光进行反射。

上图这种设计的最大问题在于，下路出来的光是一束“混合光”，通道必须进行进一步的解复用。为避免这个，也可以通过级联多个单通道OADM实现多路添加/删除通道。

但是上面这些的结构使用了多个环形器，会增加插入损耗。如果使用单个多端口环形器的优化方案，能有效降低损耗，如下图。

上图（a）的工作流程：

下路 (Drop)： 包含所有波长 ($\lambda_1 \dots \lambda_n$) 的混合 WDM 信号从 Port 1 输入，并被路由至 Port 2 输出。当光束遇到下方的光栅 (Grating $\lambda_i$) 时，特定的目标波长 $\lambda_i$ 被阻挡并反射回 Port 2 。进入 Port 2 后，它顺着内部环形路径被引导至 Port 3，在此处完成下路输出 (DROP) 。
直通 (Through)： 混合光中其余不需要下路的波长，会直接穿透该光栅，进入对面的 Port 5 。随后在环形器内部被引导至 Port 6 并输出 (OUT)，继续在光纤中传输。
上路 (Add)： 需要新加入网络的同波长信号 $\lambda_i$ 从 Port 4 注入。它在内部循环到 Port 5 输出，打在光栅上后同样被反射回 Port 5 。再次进入环形器后，从 Port 6 输出，与直通信号完美汇合。

图 (a) 的潜在风险是 Add 和 Drop 物理上过于接近，如果单一光栅的反射率不达标，极易产生严重的信号串扰。图 (b) 则升级为 8 端口，并引入了双光栅 (FBG1, FBG2) 来显著降低串扰。

下路 (Drop)： 混合光从 Port 1 进，Port 2 出。光束打在 FBG1 上，$\lambda_i$ 被精准反射回 Port 2，并在内部路由后从 Port 3 干净地下路。
直通 (Through)： 剩余波长穿透 FBG1，进入 Port 4 。它们在环形器内部循环至 Port 5 出，再穿透右侧的 FBG2，进入 Port 7 。最后从 Port 8 统一输出 (Out) 。
上路 (Add)： 新的信号 $\lambda_i$ 从下方的 Port 6 注入。它循环至 Port 7 出来后，打在 FBG2 上被反射回 Port 7 。最后顺着环形路径同样从 Port 8 输出，完成复用。

通过这种巧妙的对称设计，输入端 (FBG1) 和输出端 (FBG2) 各自拥有独立的滤光屏障，等于对直通信号进行了“双重过滤”，极大提升了系统的信噪比。

微环谐振器 (Microring Resonators)

这是光子集成电路（如硅光技术）中目前极其热门的器件结构。

核心是一个靠近直波导的微小环形波导。看下图（a）:

Drop：当输入光的波长刚好与微环的纵模（谐振条件）重合时，该波长的光就会被耦合进环内，并最终转移到上方的波导中（完成 Drop 操作）。其余不发生谐振的波长则继续留在原来的波导中直通传输。
Add：同样的，右上角的输入信号如果匹配谐振条件，则会被耦合到下方的波导中。完成add。

上图(b)是它在芯片中的样子。

WDM收发器（Transmitter & Receivers）

在现代光纤传输标准中，WDM系统对光源的要求极其苛刻。

单频与高稳定性要求： WDM系统的每一个信道都需要一个独立的 DFB（分布反馈）激光器。普通激光器光谱太宽，而DFB激光器能够输出极窄线宽的单纵模光，这是保证密集信道不发生串扰的前提。
极窄的信道间隔： 相邻两个信道的波长必须保持极其精确的间隔，通常在 50 到 100 GHz 之间（在DWDM系统中甚至更窄）。
遵循 ITU 标准网格： 就像公路上必须画好车道线一样，所有激光器的输出波长必须绝对精准地落在 ITU (国际电信联盟) 规定的标准波长网格上，不能有丝毫漂移。

早期系统采用“分立发射机”，即每个信道一个独立的激光器模块。当系统扩容到40波甚至80波时，体积、功耗巨大。更致命的是库存和维护问题：如果某个波长的激光器坏了，运营商必须在仓库里准备所有80种不同波长的备件，成本极高。

为了解决这个问题，出现了：

可调谐半导体激光器 (Tunable Lasers)： 一个激光器可以调节输出几十种不同的波长，彻底解决备件库存问题。
多波长发射机 / 光电集成 (Multi-wavelength Transmitters)： 直接把多个波长的发射模块做在同一块芯片上。

光电集成电路 (Optoelectronic Integrated Circuits, OEIC)

这是早期阶段的解决方案。它将原本需要占据一个机柜的多个分立器件，全部“浓缩”到了一块微米级的半导体基片上。

它的输入端（A1-A6）有多个DFB激光源，然后通过合光器组合到一起，构成输出。它最多只支持16个DFB激光，因此它如今被淘汰了。

基于阵列波导光栅（AWG）的发射机

上面的发射机是“先发光，后复用”；而这个器件是“在发光的过程中完成复用和波长锁定”。这个方案是现在正在使用的方案之一。

当Amplifier被注入电流时，会产生自发辐射 (Spontaneous emission)。这是一种包含很宽波长范围的“宽谱光”。
这束宽谱光向右进入中心的 AWG 结构（Waveguide Grating + Free-space Region）。同上面的波导DEMUX一样，它把这束宽谱光“切”成了 24 份极窄的光谱带，并将它们精准路由到右侧对应的 24 根波导中（通道 1 到 24）。
每个通道都进入一个独立的放大器中，最终形成多个稳定的窄带波长光源。

它利用宽带 ASE 光源，通过 AWG 进行光谱切片，再用放大器阵列分别放大每个窄带通道，从而生成多波长的 WDM 发射器。截止2019年，它最高支持100个通道。

Hybrid Integration（混合集成）

Hybrid Integration 结合和上述的两种设计。AWG（阵列波导光栅）将 WDM 信号按波长分解成多个通道。

(a) 发射端：InP 激光器 + SiO₂ PLC 合波器

将多个 DFB 激光器都放在 InP 芯片上。
激光器的光通过光纤或直接键合方式耦合到 PLC（Planar Lightwave Circuit）平台。
然后通过IMM合波器进行合波。最终得到一个多波长 WDM 发射器。

(b) 接收端：AWG + 微镜 + PD 阵列

AWG（阵列波导光栅）将 WDM 信号按波长分解成多个通道。
每个通道通过微镜反射到 PD（光电探测器）阵列
每个波长对应一个 PD，最终得到多通道的电信号输出。

Fiber-Laser Transmitters（光纤激光发射器）

多个泵浦激光器通过 3 dB 耦合器互联，形成一个 8×8 的泵浦共享网络。每个泵浦激光器的光被分配到所有 DFB 光纤激光器，每个 DFB 光纤激光器不是由单一泵浦驱动，而是由所有泵浦共同驱动。如果某一个泵浦激光器坏了，其他泵浦仍然会继续给所有光纤激光器供能，输出功率只会略微下降，系统不会中断。这就是所谓的 pump redundancy（泵浦冗余）
泵浦的光注入激光器阵列，每个光纤激光器对应一个 WDM 通道。
光纤激光器的输出通过全光纤合波器合成到一根光纤中，产生输出。

这种方案的优势是提供泵浦故障冗余性，并且由于功率平均，有较低噪声。

光开关（optical switching）

对于光开关，其功能非常直接：针对特定波长进行开启和关闭。

这不是物理开关，而是光开关。这意味着我们需要考虑这并不像这种开关那么简单。你只需打开和关闭它，基本上就能切断光线。但这里是光开关，我们如何仅通过光学方式来控制它的开启和关闭呢？

Y 结光开关（Y-Junction Switch）

不加任何控制的时候，原生的 Y 结只是一个光分束器：输入的光信号会平均分成两束，同时从上下两个输出口输出，没有开关选路的能力。

我们只需要给它加一套可控机制：让输入光只从指定的某一个端口输出，另一个端口关断，普通分束 Y 结就变成了可控光开关。

最简单的改造方法是：在 Y 结的两个输出支路里，各嵌入一个 SOA（半导体光放大器）。SOA 本身就自带 “通 / 断” 二态特性：

不加电（无注入电流）：SOA 是一个很强的光吸收器，光信号到这里直接被衰减、吸收，支路关断；
加电（注入电流）：SOA 变成光放大器，对光信号进行放大，支路导通。

依靠「选择性放大、选择性吸收」来实现通断的这一类光开关，统一命名为门开关，SOA 型 Y 结开关就属于典型的门开关。

半导体波导光开关（Semiconductor-Waveguide Switches）

这是基于半导体波导的光开关阵列，是上面Y结光开关的集成电路版本。这仍是现在最常用的。

电光光开关（Electro-Optic Switches）

在前面我们提到，光在干涉时有相消和相长。可以使用相消作为off，相长作为on。

如下图，对于（a）（b）这两种结构，外加电场直接改变光波导的折射率，从而改变光程，进而让arm1和arm2的光相长或相消，以此来实现开/关。

它的开关响应速度极快，量级在1 纳秒（ns），属于高速光开关，能适配高速光网络的切换需求。

热光电开关开关（Thermo-Optic Switches）

它的原理和上面的电光开关一样。但是由于它是使用加热来改变光程的，它的响应速度慢得多（~1ms）。

微机械光开关（Micro-Mechanical Switches）

通过倾斜反射镜，改变光信号的传播方向，光往哪个方向反射，就走哪条光路，以此实现光路切换。哪里的镜子立起来，光就朝着哪个通道输出。

由于这是一个机械开关，所以稳定性相当差。所以我们不再使用它。

超快干涉开关（Ultrafast Interferometric Switches）

光开关最主要的挑战是开关速度，因为现在我们在处理高速通信，系统开关速度能有多快更为重要。

超快干涉型光开关是目前速度最快的一类光开关，面向超高速比特级交换。它的响应时间在10 皮秒（ps）量级。

它的核心思路是：光开关作为光的信息源，它一直以来使用的都是幅频调制。那么，我们能不能跳出这个思路，把光改用相位调制，然后再把相位调制通过干涉结构转换为幅度调制？

那么我们如何调整相位呢？相位与时间有关。在这种情况下，如果在两个臂之间的长度，我们就能调整相位。

一个典型的例子是马赫－曾德开关（Mach–Zehnder Switches）

(a) 基于空间不对称（$\Delta x_{soa}$）的全光开关

MZI的两个干涉臂上的SOA在物理位置上存在一个空间偏移量 $\Delta x_{soa}$
微弱的输入信号（Input）被前端耦合器均分为两束，分别进入上下两臂。在没有控制光的情况下，MZI通常被偏置为相消干涉（输出端无信号输出）。
强烈的控制脉冲（Control）从右侧注入，同样被均分为两束进入两个SOA。
产生开关窗口：由于两个SOA存在空间偏移 $\Delta x_{soa}$，控制脉冲到达两个SOA的时间会有一个微小的时间差。在这个时间差内，其中一个干涉臂的SOA折射率被改变，而另一个尚未改变。这导致两臂之间产生相位差，破坏了原有的相消干涉条件，MZI处于“开”状态，输入信号从输出端（Output）射出。
当控制脉冲通过两个SOA后，两臂的相位差恢复一致，MZI再次关闭。

(b)：基于推挽控制（Push-Pull）的全光开关

输入信号（Input）被分成两路进入干涉臂。
开启开关（Push）：Control 1 脉冲首先进入上臂的SOA，引发折射率变化，导致上臂信号发生相位偏移。此时两臂相位不再平衡，MZI开启，信号开始从输出端射出。
关闭开关（Pull）：经过 $\Delta t_{cs}$ 的时间延迟后，Control 2 脉冲进入下臂的SOA，引发与上臂相同的折射率变化。此时两臂的相位偏移再次同步并相互抵消，MZI重新平衡并关闭，信号停止输出。
滤波：由于控制光和信号光通常处于不同的波长，输出端的滤波器（Filter）用于滤除强烈的控制光，仅保留所需的输出信号。

开关窗口的宽度完全由两个控制脉冲的时间差 $\Delta t_{cs}$ 决定。这种设计巧妙地避开了SOA载流子恢复时间较慢的物理限制，能够实现具有极陡峭边缘的超高速（皮秒级）开关。

(a) 只需要一路控制信号，系统复杂度较低，但开关窗口不可调。

(b) 的开关时间调节极其灵活（调节 $\Delta t_{cs}$ 即可），是高速光时分复用（OTDM）系统中进行信号提取或波长转换的典型方案。