（凝聚态物理专业论文）离轴全息透镜型波分复用元件的设计与制作.pdf

摘要摘要波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术是扩大通信容量的一种有效途径。波分复用器则是w d m 技术中的关键部件，其性能的优劣对w d m 系统的传输质量有决定性的影响。厦门大学刘守教授领导的研究小组提出的离轴全息透镜型波分复用器是一种发展潜力较大的新型器件，该器件不仅具有衍射光栅型波分复用器可重构的共同优点，还具有结构简单，辅助元件少的优势，此外器件中的主要元件离轴全息透镜型波分复用元件的制作方法和制作过程都较简单，并且适合通过复制技术进行大批量生产。刘守小组已取得的研究进展表明，该新型器件具有在粗波分复用中应用的潜力，但还存在信道间的波长间隔大、隔离度小以及各信道的插入损耗大等问题。为了减小该新型器件的信道间的波长间隔，挖掘器件在密集波分复用中应用的潜力，同时改善器件的各主要性能指标，使其接近实用化水平，本文以离轴全息透镜型波分复用元件的理论设计和制作技术为主要研究内容。文中首先介绍了元件的基本工作原理，总结了元件设计的基本要求以及元件的主要性能要求，进而在分析元件的各主要性能指标的基础上，以相邻信道间的波长间隔为5 n m的情形为例设计了三种元件样品。接着按照设计参数实际制作了三种元件样品，并且测试了分别由它们组成的三种离轴全息透镜型波分复用器的性能，以信道中心波长的设计值分别为1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 n m 和1 5 5 5 n m 的三个相邻信道为代表给出了测试结果，结果表明：由2 群样品组成的波分复用器( 以下简称为2 群器件) 的性能较良好，基本达到实用化水平，仅存在插入损耗大的问题；如果采用腐蚀的方法减小接收光纤的包层直径，则2 # 样品可以组成信道间隔为2 4 r i m 的波分复用器。文中继而讨论了2 撑样品使用过程中应当注意的事项，可以减小2 彝器件的插入损耗的方法，以及可能进一步减小2 拌器件的信道问隔的设计方案。最后介绍了采用电铸技术和热压技术，对大批量生产离轴全息透镜型波分复用元件的制作技术和工艺进行的探索性研究。本文的主要贡献和创新点归纳如下：1 、系统地总结出了设计离轴全息透镜型波分复用元件时应当考虑的元件设计的两个基本要求以及元件的三个主要性能要求。摘要2 、采用耦合波理论分析了离轴全息透镜型波分复用元件的衍射效率，得出了能够使元件具有高衍射效率的条件。3 、通过分析单色像差的形成原因和影响因素得出了全息像差理论的适用范围；进而采用该理论分析了离轴全息透镜型波分复用元件的单色像差，得出了能够使元件具有低单色像差的条件。4 、采用标量衍射理论分析得出了离轴全息透镜型波分复用元件的分辨本领的表达式；并根据具体的实验数据推算出了为了使元件具有足够高的分辨本领，元件被输入光波照射到的光栅条纹数必须达到的最小值“i 。的经验值。5 、设计并制作出了可以组成波长间隔为2 4 n m 的波分复用器的离轴全息透镜型波分复用元件，从而证实了离轴全息透镜型波分复用器具有在密集波分复用中应用的潜力；同时器件的信道隔离度得到了较大的改善，基本符合数字通信系统的要求。关键词：波分复用元件；全息透镜；离轴i ia b s t r a c ta b s t r a c tw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v ew a yt oi n c r e a s ei n f o r m a t i o n c a r r y i n gc a p a c i t y a n dw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r sa n dd e m u l t i p l e x e r s( w d m s ) a r ek e yd e v i c e si nw d mt e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo fw h i c hh a sad e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o ni nw d ms y s t e m w d m sb a s e do no f f - a x i sh o l o g r a p h i cl e n s ( o h l ) a l en e wd e v i c e sh a v i n gg r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l ，w h i c ha r ep r o p o s e db yt h er e s e a r c hg r o u pl e db yp r o f e s s o rl i us h o uo fx i a m e nu n i v e r s i t y t h ed e v i c e sn o to n l yh a v et h ec o m m o na d v a n t a g eo fw d m sb a s e do nd i f f r a c t i o ng r a t i n g s ，v i z b e i n gs c a l a b l e ，b u ta l s oh a v et h ep r e d o m i n a n c eo fh a v i n gs i m p l es t r u c t u r ea n df e wa u x i l i a r yc o m p o n e n t s f u r t h e r m o r e ，t h ef a b r i c a t i o nm e t h o da n dp r o c e s so ft h em a i nc o m p o n e n t ，v i z w d mc o m p o n e n tb a s e do no h l ，a r er e l a t i v e l ys i m p l e ，a n dt h ec o m p o n e n ti ss u i t a b l ef o rm a s sp r o d u c t i o nb yr e p l i c a t i o nt e c h n i q u e t h ep r o g r e s sm a d eb yl i us h o ug r o u ps h o w e dt h a tt h en e wd e v i c e sh a v ea p p l i c a t i o np o t e n t i a li nc o u r s ew d m b u tt h e r es t i l le x i s tt h ep r o b l e m so fb i gw a v e l e n g t hs p a c i n g ，s m a l li s o l a t i o na n dh i g hi n s e r t i o nl o s s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h et h e o r e t i c a ld e s i g na n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo fw d mc o m p o n e n tb a s e do no h l ，a i m i n ga td e c r e a s i n gt h ew a v e l e n g t hs p a c i n go ft h en e wd e v i c e st om i n et h e i ra p p l i c a t i o np o t e n t i a li nd e n s ew d m ，a n da tt h es a m et i m ei m p r o v i n gt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ed e v i c e st om e e tp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s f i r s t l y ，t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec o m p o n e n tw a si n t r o d u c e d ，t h eb a s i cr e q u i r e m e n t sw h e nd e s i g n i n gt h ec o m p o n e n ta n dt h em a i np e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rt h ec o m p o n e n tw a ss u m m a r i z e d ，a n dt h r e es a m p l e so ft h ec o m p o n e n tw e r ed i s i g n e db a s e do na n a l y z i n gt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n t ，t a k i n gt h ec a s ef o re x a m p l ei nw h i c ht h ew a v e l e n g t hs p a c i n gb e t w e e na d j a c e n tc h a n n e l si s5 n m t h e nt h et h r e es a m p l e sw e r ef a b r i c a t e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g np a r a m e t e r s ，p e r f o r m a n c eo ft h et h r e ew d m sb a s e do no h lc o m p o s e do fe a c hs a m p l ew a st e s t e d ，a n dt e s t i n gr e s u l t so ft h et h r e ea d j a c e n tc h a n n e l sw i t ht h ed e s i g n e dc e n t e rw a v e l e n g t h e so fi i ia b s t r a c t15 4 5 n m ，15 5 0 n ma n d15 5 5 n mw e r eg i v e n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ec o m p o s e do fs a m p l e2 群( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sd e v i c e2 撑) i sr e l a t i v e l yg o o da n dc a nm e e tp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sb ya n dl a r g e ，t h e r eo n l ye x i s t st h ep r o b l e mo fh i g hi n s e r t i o nl o s s ；a n di ft h ec l a d d i n gd i a m e t e r so fr e c e i v i n gf i b e r sa red e c r e a s e db ye t c h i n g ，s a m p l e2 撑c a nc o m p r i s ew d m sw i t hw a v e l e n g t hs p a c i n go f2 4 n m m a t t e r sn e e d i n ga t t e n t i o nw h e nu s i n gs a m p l e2 j 6 m e t h o d st or e d u c et h ei n s e r t i o nl o s so fd e v i c e2 撑a n dt h ed e s i g ns c h e m ew h i c hm a yf u r t h e rd e c r e a s ew a v e l e n g t hs p a c i n go fd e v i c e2 群w e r ed i s c u s s e ds u b s e q u e n t l y f i n a l l y , t h ee x p l o r a t o r yr e s e a r c ha b o u tt h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u ea n dp r o c e s so fm a s s - p r o d u c i n gw d mc o m p o n e n tb a s e do no h lu s i n ge l e c t r o f o r m i n gt e c h n i q u ea n dh o t p r e s s i n gt e c h n i q u ew a si n t r o d u c e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ：1 t w ob a s i cd e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h r e em a i np e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fw d mc o m p o n e n tb a s e do no h lh a v eb e e ns u m m a r i z e ds y s t e m a t i c a l l y 2 t h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo fw d mc o m p o n e n tb a s e do no h lh a sb e e na n a l y z e du s i n gc o u p l e d - w a v et h e o r y , a n dt h ec o n d i t i o n si nw h i c ht h ec o m p o n e n tc a nh a v eh i g hd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yh a v eb e e no b t a i n e d 3 t h er a n g ei nw h i c hh o l o g r a p h i ca b e r r a t i o nt h e o r yc a nb eu s e dh a sb e e no b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ef o r m a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fm o n o c h r o m a t i ca b e r r a t i o n ；t h e nt h em o n o c h r o m a t i ca b e r r m i o no fw d mc o m p o n e n tb a s e do no h lh a sb e e na n a l y z e du s i n gt h et h e o r y , a n dt h ec o n d i t i o n si nw h i c ht h ec o m p o n e n tc a nh a v es m a l lm o n o c h r o m a t i ca b e r r a t i o nh a v eb e e no b t a i n e d 4 t h ee x p r e s s i o no fr e s o l v i n gp o w e ro fw d mc o m p o n e n tb a s e do no h lh a sb e e ni vo b t a i n e db ya n a l y s i su s i n gs c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y ；a n dt h em i n i m u mn u m b e ro fg r a t i n gg r o o v e si r r a d i a t e db yt h ei n p u tl i g h t w a v e ，w h i c hc a nm a k et h ec o m p o n e n th a v es u f f i c i e n t l yh i 曲r e s o l v i n gp o w e r , h a sb e e nc a l c u l a t e da c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a la b s t r a c td a t a 5 t h ew d mc o m p o n e n tb a s e do no h lw h i c hc a nc o m p r i s ew d m sw i t l lw a v e l e n g t hs p a c i n go f2 4 n mh a sb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，t h e r e b yi th a sb e e np r o v e dt h a tw d m sb a s e do no h lh a v ea p p l i c a t i o np o t e n t i a li nd e n s ew d m ；a n da tt h es a m et i m e ，i s o l a t i o no ft h ed e v i c e sh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l ya n dc a nb a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n to fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) c o m p o n e n t ；h o l o g r a p h i cl e n s ；o m a x i s v厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人( 签名) ：巷森采力叼年j z 月歹日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。2 、不保密()( 请在以上相应括号内打“ )作者签名：巷表森导师繇赳孝日期：2 傀) 7 年j z 月石日日期：研年瑚日第一章绪论光纤传输与电缆和无线传输相比，具有频带宽、通信容量大、损耗低、中继通信距离长、抗电磁干扰性强、保密性能好和使用轻便等优剧u 】，因此光纤通信自2 0世纪8 0 年代初进入实用阶段后得以迅速发展，并且淘汰已有的其他有线通信方式，成为现代信息社会发展的主要支柱。然而2 0 世纪9 0 年初，随着通信业务的激增，原有基于光电光中继交换的光纤通信系统出现了负载能力饱和的问题。由于光缆线路的敷设费用很高，如何利用现有的光缆系统实现最大限度的扩容成为人们关注的焦点。传统的采用时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 技术的扩容方式受到电子元件技术极限的限制【3 】，难以满足日益增加的业务需要。人们期待更加有效的扩大通信容量的途径，随着掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 的成功商用化，波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术得到迅速的发展。w d m 的基本思想是将工作波长不同、各自携带独立的信息数据流的多个光源发出的信号注入同根光纤传输。采用w d m 技术相当于为光纤通信网络提供了虚拟的光纤，在相同的敷设成本下，能够使原有的系统传输容量增加几倍至几十倍，甚至上百倍。本文的研究对象正是在w d m 技术中起关键作用的波分复用器中的主要元件波分复用元件。本章将在概述波分复用器的定义、主要性能指标及主要类型的基础上，介绍课题的提出及本文的结构安排。1 1 波分复用器的定义3 石i波分复用器和解复用器( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x e r sa n dd e m u l t i p l e x e r s ，w d mm u x sa n dw d md e m u x s ) 是w d m 技术中的关键部件。在如图1 1 所示的w d m 系统中，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为复用器( 也称合波器) ，反之，将经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器( 也称分波器) 。根据光路可逆原理，可以实现解复用功能的器件通常情况下也可以实现复用功能，反之亦然，因此一般将复用器和解复用厦门大学博士学位论文器统一称为波分复用器- ( w d m s ) 。本文所研究的离轴全息透镜型波分复用元件既可作为复用器中的合波元件使用也可作为解复用器中的分波元件使用，但由于实验条件的限制，研究中主要分析该元件用作解复用器中的分波元件的情形。r11r图1 1w d m 系统总体结构示意图1 3 i1 2 波分复用器的主要性能指标波分复用器在超高速、大容量w d m 系统中起着关键作用，其性能的优劣对系统的传输质量有决定性的影响【3 】。为了确保w d m 系统的性能，对波分复用器的基本要求是：插入损耗小、信道间损耗偏差小、信道间的隔离度大、通带内插入损耗平坦、带外插入损耗变化陡峭、低的偏振相关性等。w d m 系统中使用的波分复用器件的性能应满足i t u - - t g 6 7 1 及相关建议的要求【7 1 。如图1 2 所示，波分复用器可以将来自同一个输入端口的刀个波长分别为元，如，以，功率分别为r ( a ) ，昂( 五) ，咒( 以) 的光信号分离后，分别送到刀第一章绪论个输出端口。输出端口f 对应一个特定的标称波长丑( i = i ，2 ，n ) ，与该波长相应的功率为只( 丑) ，而其他波长乃( 歹f ) 在该输出端口的功率为p ( - ) 。波i入i ，入2 ，“，入n坌2复用：器。图1 2 波分复用器的功能示意图入1入2：入n下面将列出波分复用器的各主要性能指标并作简要的说明。1 、插入损耗插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ，i l ) 是指由于加入波分复用器而在光纤传输线中引起的功率损耗5 1 ，其定义是某一波长五的光信号在输入端口的光功率e 0 ( 丑) 与在指定输出端口f 的光功率只( 乃) 之比，结果用船表示，即：比) = - l o l g 器( 1 1 )插入损耗包括波分复用器与光纤传输线的连接点处的连接损耗，以及波分复用器本身存在的任何固有损耗。插入损耗越小对系统越有利，在系统设计中总是希望尽可能多的光信号从指定的输出端1 3 输出。应该注意的是插入损耗不是一个恒定值，而是光波长的函数【8 】，因此在使用时必须了解波长变化时插入损耗的相应变化，即器件的波长响应( 谱响应) 。对于多信道器件应给出最大一路插入损耗的数值，并以小于x d b 表示【9 1 。此时，信道间的插入损耗均匀度也是一个很重要的参数，其定义为最大插入损耗与最小插入损耗之差【4 1 。一般来说，系统要求器件对于各信道有相同的损耗，即要求信道间的插入损耗均匀度越小越好。厦门大学博士学位论文2 、隔离度在波分复用传输系统中，由于是在单根光纤中传输两个或两个以上的多重光信号，因此在各个信道间存在串扰是十分明显的问题【1 0 】。隔离度( i s o l a t i o n ) 是指某一波长的光信号进入非指定输出端口的光能量大小，其定义是某一波长兄的光信号在指定输出端口i 的光功率只( 丑) 与在非指定输出端口j ( j f ) 的光功率乞( 以) 之比，结果用d b 表示，即：讹) = - 1 0 1 9 器( 1 2 )由以上定义可知，隔离度表示了信道之间串扰的大小，串扰越小相应的隔离度越大。光信号进入非指定输出端口将对其他信道形成噪音，降低其他信道的传输质量，从而使接收机的接收灵敏度下降。因此，光信号进入非指定输出端口的能量越小越好，即信道间的串扰越小越好，相应地隔离度越大对系统越有利。对于多信道器件，最大串扰通常产生于相邻的信道，如果最大串扰不是来自相邻信道，则以来自产生最大串扰的信道的串扰作为信道隔离度m 】，并以大于x d b 表示。数字通信系统中一般应大于3 0 d b ，模拟通信中则应大于5 0 d b 【叭。3 、偏振相关损耗由于双折射偏振态沿光纤轴向变化，加上外界条件的变化将引起光纤输出偏振态的不稳定口1 ，因而有必要对偏振态不同时器件的性能( 主要是插入损耗) 进行分析。偏振相关损耗( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ，p d l ) 是指光信号以不同的偏振态( 如线偏振、圆偏振、椭圆偏振) 输入时，对应输出端口插入损耗的最大变化量。偏振相关损耗的数值越小越好，均值一般应小于0 1 d b ，根据应用要求确赳9 1 。考虑到对器件偏振相关损耗的要求，有必要分析输入光的偏振态对决定器件插入损耗的各主要因素的影响。根据第二章的分析可知，对于本论文所研究的离轴全息透镜型波分复用器，离轴全系透镜型分波元件的衍射效率和单色像差是影响器件插入损耗的两个较主要的因素。关于输入光的偏振态对这两个因素的影响也将在第二章中进行分析和讨论。第一章绪论1 3 波分复用器的主要类型1 3 , 6 , 1 1 理论上能够实现波分复用器功能的方案较多，但经过实践的磨合，形成了以下几种切实可行、性能较佳的方案：多层介质薄膜滤光片型1 2 , 1 3 】、阵列波导光栅型【1 舢2 0 1 、光纤布拉格光栅型口m 6 以及衍射光栅型 2 7 - 4 2 1 。下面将逐一简要介绍这几种主要类型。1 、介质薄膜滤光片型波分复用器介质薄膜滤光片型波分复用器( d i e l e c t r i ct h i n f i l mf i l t e rw d m s ，d t fw d m s ) 的结构如图1 3 所示，其基本原理是利用多层介质薄膜的滤光作用进行复用或解复用。介质薄膜滤光片是该类器件的基本单元，它由玻璃衬底上交替地镀上折射率不同的两种光学薄膜制成，实际上就是光学仪器中广泛应用的增透膜。将对应不同波长制作的滤光片以一定的结构配置累加就构成了分波器或合波器。以这种实现方式生产的波分复用器有成熟的镀膜工艺作为基础，且对环境的要求较小，因此易于投入商用化；但是随着信道数目的提升，则因滤光片的等比增加而导致插入损耗迅速增大，所以常用于1 6 信道以下的波分复用系统。图1 3 介质薄膜滤光片型波分复用器的结构示意图3 i厦门大学博士学位论文2 、阵列波导光栅型波分复用器阵列波导光栅型波分复用器( a r r a y e d - w a v e g u i d e - g r a t i n gw d m s ，a w gw d m s ) 是根据光波导的功率耦合与波长、间隔、材料等有关的特性制成的，其结构如图1 4 所示。器件中的平面光波导是在平面型基底材料上，采用半导体加工工艺构筑的光波导结构。各波导路径长度差产生的效应与闪耀光栅沟槽作用相当，从而起到“光栅”的作用。阵列波导光栅( a w g ) 的制作采用标准的半导体工艺，具有较好的集成性，可以实现较多信道的复用和解复用；但是波导较易受温度等环境的影响，在大量商业化前需较好的绝热封装。a i 图1 4 阵列波导光栅型波分复用器的结构示意图3 l端3 、光纤布拉格光栅型波分复用器光纤布拉格光栅型波分复用器( f i b e rb r a g gg r a t i n gw d m s ，f b gw d m s ) 的基本单元是使用紫外光干涉在光纤中形成周期性的折射率变化而制成的光器件，称为光纤第一章绪论布拉格光栅( f b g ) ，也称为反射型光纤光栅。f b gw d m s 的结构如图1 5 所示，其基本原理是，当f b g 折射率的周期性变化满足布拉格光栅条件时，相应波长的光就会产生全反射，而其余波长的光则顺利通过。该类型的器件直接由标准的单模光纤制得，容易与各种光纤系统连接，具有较小的插入损耗，但反向反射高，必须使用光隔离器。同时，因每一通道需用到环行器，故组成多通道的w d m 器件的成本较高。入l图1 5 光纤布拉格光栅型波分复用器的结构示意图0 4 3 i4 、衍射光栅型波分复用器衍射光栅型波分复用器( d i f f r a c t i o n - g r a t i n gw d m s ，d gw d m s ) 是利用衍射光栅对输入光束进行衍射的原理，使每个波长通道对应于空间唯一的衍射角，从而被各自的光纤接收，其结构如图1 6 所示。根据是否对衍射光束具有会聚作用，可以将该类器件中所采用的衍射光栅分为两大类：一类是等间距直条纹平面光栅 2 7 - 3 3 1 ；另一类则包括凹面光栅 3 4 - 3 9 i 、啁啾光栅 4 0 , 4 1 1 ( 一种不等问距直条纹平面光栅) 以及不等间距非直条纹平面光栅【4 2 1 。前者需要与具有准直聚焦功能的光学元件配合使用，后者则可以省去这些光学元件。衍射光栅型器件的最大特点是可重构，有利于系统的升级，但对耦合封装技术要求较高。厦门大学博上学位论文1 lh爿2 - a 3 - 一- - - - j -爿f 十爿2 + 力3图1 6 衍射光栅型波分复用器的结构示意图0 3 l为了便于比较，表1 1 列出了以上介绍的各种波分复用器的主要优缺点。表1 1 ：各种波分复用器的主要优缺点的比较波分复用器的类型主要优点主要缺点介质薄膜滤光片型技术成熟不容易实现信道数目的提升可以实现较多信道的复用和阵列波导光栅型温度稳定性较差解复用容易与各种光纤系统连接，反向反射高，必须使用光隔离器，光纤布拉格光栅型具有较小的插入损耗组成多通道器件的成本较高衍射光栅型可重构，有利于系统的升级对耦合封装技术要求较高1 4 课题的提出及本文的结构安排w d m 技术能够充分挖掘光纤的带宽潜力，是扩大通信容量的一种有效途径。作为w d m 技术中不可缺少的的关键部件，波分复用器的实现方案和制作技术一直是各国科研机构和通信公司的研究热点，研究人员先后提出了多种实现方案和制作技术。根据上一节的分析可知，现有发展较成熟的几种波分复用器各有优缺点。其中，衍射光栅型波分复用器可以简单地通过安装更多的接收光纤，使信道数目较少的器第一章绪论件升级为信道数目较多的器件【4 4 1 ，因而十分有利于系统的升级，具有相当的优势。对于衍射光栅型波分复用器，使用凹面光栅、啁啾光栅或不等间距非直条纹平面光栅的器件与使用等间距直条纹平面光栅的器件相比，可以省去具有准直聚焦功能的光学元件，但还存在以下问题：凹面光栅的制作相对复杂且不易复制，不适合进行大批量生产；啁啾光栅则需要与平面波导【4 0 】或柱透镜h 1 1 配合使用，如图1 7 所示；而已有报道中使用的不等间距非直条纹平面光栅为体全息光栅( 折射率调制型位相光栅) 【4 2 】，无法通过复制技术进行大批量生产，并且目前国内尚缺乏较理想的制作材料【4 5 j 。fp h o t od e t e c t o r a r r a y 、d i p p r a c t e dw a v c h 5i10 u t p u tc h n n e lg u 工d e sz n p u tc h a n n e lg uid e( a ) 与平面波导配合使用的器件结构0 4 0 ic h i r p e dg r a t i n gl巨efi_l厦门大学博士学位论文p d a r r a yc l a h p e dg r a t i n g( b ) 与柱透镜配合使用的器件结构0 4 1 ix图1 7 两种使用啁啾光栅的波分复用器的结构示意图2 0 0 2 年，厦门大学刘守教授领导的研究小组提出了用离轴全息透镜组成波分复用器的设想【4 6 , 4 7 】，并从理论和实验上进行了初步的探索。为了便于叙述，本文将由离轴全息透镜组成的波分复用器称为离轴全息透镜型波分复用器，其结构如图1 8 所示。该波分复用器的基本原理是利用离轴全息透镜所具有的色散和聚焦的双重作用进行复用或解复用，根据离轴全息透镜在器件中所起的作用本文将其称为离轴全息透镜型波分复用元件。该元件本质上为不等间距非直条纹平面光栅，因此离轴全息透镜型波分复用器属于衍射光栅型器件，与其他衍射光栅型波分复用器相比，其优势在于同时具有以下优点：第一章绪论1 、器件的结构简单，辅助元件少，仅需要一个用于准直光束的辅助元件，这有利于缩小器件的模块尺寸，提高器件的稳定性和集成的潜力；2 、器件中的波分复用元件采用全息记录的方法制作而成，具有制作方法简单的优点；3 、器件中的波分复用元件制作在光致抗蚀剂上，因而具有浮雕结构，适合通过复制技术进行大批量生产；4 、由于是透射式器件，器件中的波分复用元件不需要镀反射膜，因此制作过程较简单。离轴全息透镜型波分复用器不仅具有衍射光栅型波分复用器的共同优点，还具有上述优势，因此是一种发展潜力较大的新型器件，开展对该新型波分复用器的理论和应用的研究具有重要的实际意义。入1输离轴全息透镜图1 8 离轴全息透镜型波分复用器的结构示意图纤刘守小组己取得的研究进展【4 8 】表明，离轴全息透镜型波分复用器具有在粗波分复用中应用的潜力，但还存在信道间的波长间隔大、隔离度小以及各信道的插入损耗大等问题。可见该波分复用器作为一种新型器件，在设计和制作方面尚有许多值得探索之处。本文以离轴全息透镜型波分复用元件的理论设计和制作技术为主要研究内容，目的在于减小离轴全息透镜型波分复用器的信道间的波长间隔，挖掘器件在密集波分复用中应用的潜力，同时改善器件的各主要性能指标，使其接近实用化厦门大学博士学位论文水平。本文共分为五章，各章内容如下：第一章概述了波分复用器的定义、主要性能指标及主要类型，并在此基础上介绍了课题的提出及本文的结构安排。第二章首先介绍了离轴全息透镜型波分复用元件的基本工作原理，分析了元件设计的基本要求以及元件的主要性能要求。接着逐一分析了元件的各主要性能指标，包括衍射效率、单色像差和分辨本领，分别找出能够使元件满足各主要性能要求的条件；继而结合元件设计的基本要求，以相邻信道间的波长间隔为5 n m 的情形为例，分别求出能够使元件满足各主要性能要求的参数取值范围。最后根据这些取值范围设计了三种元件样品。第三章首先介绍了按照第二章的设计参数制作三种离轴全息透镜型波分复用元件样品的过程，包括制作光路的设置以及曝光和化学处理。接着介绍了分别由三种元件样品组成的波分复用器的性能测试，包括测试装置、测试原理和测试过程，并给出了测试结果。最后通过对测试结果的分析判断出性能较好的元件样品，继而讨论了该样品使用过程中应当注意的事项，存在的问题和可能的改进方法。第四章介绍了离轴全息透镜型波分复用元件的复制技术，包括电成型的四个工序即表面处理、化学镀、电铸和翻铸的原理、技术关键和化学配方，以及采用热压技术复制元件的原理，复制时材料、工作镍版厚度、温度和压力的选择。第五章对全文进行总结，并提出对未来工作的建议。参考文献：王延恒光纤通信技术基础【m 】天津：天津大学出版社，1 9 9 8 原荣光纤通信技术讲座( 一) ：概述【j 】光通信技术，2 0 0 3 ，2 7 ( 1 0 0 ) ：5 2 5 4 纪越峰光波分复用系统【m 】北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 1 m y n b a e vd k ，s c h e i n e rl l f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ( 英文影印版) 【m 】北京：科学出版社，2 0 0 2 g e r dk e i s e r 著( 李玉权，崔敏，蒲涛等译) 光纤通信【m 】北京：电子工业出版社，2 0 0 2 马声全高速光纤通信i t u t 规范与系统设计【m 】北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 2 李新平d w d m 技术及其在工程中的应用研究 d 】北京：中国人民解放军信息工程大学，1 j1 j1 j1 j1 j1 j ，jn 口ph陋p第一章绪论【8 】 9 】【1 0 】【1 1 】 1 2 】 1 3 】【1 4 】【1 5 】( 1 6 【1 7 】 1 8 】【1 9 】 2 0 】【2 1 】【2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】2 0 0 2 任海兰d w d m 技术中的关键无源器件【j 】电信工程技术与标准化，2 0 0 1 ，4 ：3 2 3 7 林学煌等光无源器件【m 】北京：人民邮电出版社，2 0 0 0 张劲松，陶智勇，韵湘光波分复用技术【m 】北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 2 王恰韵不同d w d m 器件方案的比较【j 】通讯世界，2 0 0 2 ，8 ( 1 ) ：1 7 1 9 h ec ，m ad ，l iw t h i n - f i l mf i l t e r sa r et h eb u i l d i n gb l o c k so fm u l t i p l e x i n gd e v i c e s j 】w d ms o l u t i o n s ，2 0 01 ，5 a s c o b e ym ，f o r t e n b e r r yr m ，s t o k e sl f ，e ta 1 t h i nf i l mi n t e r f e r e n c ef i l t e r sf o r2 5 g h zc h a n n e ls p a c i n g c 】o f c 2 0 0 2 ，a n a h e i m ，u s a ，2 0 0 2 ：3 9 8 3 9 9 v e l l e k o o pa 氏s m i t hm k f o u r - c h a n n e li n t e g r a t e do p t i cw a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e rw i t hw e a kp o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c ef j 】j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，1 9 9 1 ，9 ( 3 ) ：3 1 0 - 3 1 4 t a k a h a s h ih ，s u z u k is ，k a t ok ，e ta 1 a r r a y e d - w a v e g u i d eg r a t i n gf o rw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i d e m u l t i p l e x e rw i t hn a n o m e t e rr e s o l u t i o n 【j 】- e l e c t r o n l e t t ，1 9 9 0 ，2 6 ( 2 ) ：8 7 8 8 d r a g o n ec a n no p t i c a lm u l t i p l e x e ru s i n gap l a n a ra r r a n g e m e n to ft w os t a rc o u p l e r s j i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，1 9 9 1 ，3 ( 9 ) ：8 1 2 8 1 5 o o b an ，h i b i n oyi n o u rve ta 1 a t h e r m a ls i l i c a - b a s e da r r a y e d w a v e g u i d eg r m i n gm u l t i p l e x e ru s i n gb i m e t a lp l a t et e m p e r a t u r e j 】e l e c t r o n l e t t ，2 0 0 0 ，3 6 ( 21 ) ：18 0 0 18 01 t a k a d ak ，a b em ，s h i b a t at ，e ta 1 a2 5g h z - s p a c e dl0 8 0 c h a n n e lt a n d e mm