（光学专业论文）dwdm光通信系统波长锁定器和二维光子晶体波导滤波器的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 摘要 密集波分复用( d w d m ) 光通信系统和光子晶体是当前光电子研究领域中 的两个热点。本论文分别对d w d m 光通信系统波长锁定器和二维光子晶体波导 滤波器这两个前沿方向进行了较系统深入的研究。 在论文第一部分。我们先后研制成功两种新型波长锁定器“钒酸钇晶 体波长锁定器”和“f a b r y - p e r o t 多波长锁定器”。主要成果有； 1 以钒酸钇偏振干涉滤波器( y p i f ) 为波长传感元件，研制成“钒酸钇晶 体波长锁定器”。y p i f 的正弦形透射谱周期等于1 0 0 g h z ，峰值频率随晶体温度 的变化率为- 4 3 5 g h z o c 。将波长锁定点设在透射谱中透过率为峰值一半的位 置。保持晶体温度在3 6 7 + 0 1 。c ，连续2 5 小时锁定d f b 激光器波长，测得波 长漂移小于o 0 1 n m ( 即土1 2 5 g h z ) 。钒酸钇晶体波长锁定器可用于频率间距 为1 0 0 g h z 或5 0 g i - l z 的d w d m 系统中的多个信道波长锁定。 2 提出利用钒酸钇偏振干涉滤波器光强互补的两个偏振分量透射谱锁定波 长的方案。以偏振分光器( p b s ) 作为y p i f 中的第二个偏振器，可分别在p b s 的两个出射方向上得到两个光强互补、偏振方向互相垂直的透射谱。将波长锁定 点设在这两个透射谱曲线的交点上，以两个透射光强之间的差值传感波长变化。 双透射谱的测量实验证明了该方案的可行性。 3 以高热稳定的f a b r y p e r o t ( f p ) 滤波器为波长传感元件，研制成 “f a b r y p e r o t 多波长锁定器”。f p 滤波器透射谱的峰值间距为1 0 0 g h z ，峰值与 最小值光强相差1 5 d b ，在1 4 0 。c - 4 8 0 。c 的温度范围内峰值频率的变化小于 1 2 5 g h z 。因此不需要控温即可用于波长锁定。采用副载波调制时分复用方案， 使用一个f p 滤波器同时锁定频率间距为1 0 0 g h z 的八路d f b 波长。该波长锁定 器能够在5 0 。c 到4 5 0 。c 的温度范围内长时工作，测得d f b 波长漂移小于土 o 0 2 n m ( - - + 2 5 0 i - i z ) ，完全达到项目合作方美国p i n ep h o t o n i e s 公司所提出的技 术要求。 第一部分的创新点： 提出利用钒酸钇偏振干涉滤波器制成d w d m 系统多波长锁定器。由于 y v 0 4 晶体双折射较大、易于加工，因此该波长锁定器体积小、适合批量生产。 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 通过改变晶体温度，可以调节锁定波长的位置，因此该波长锁定器不仅可以锁定 国际电信联盟( i t u ) 规定的标准波长，还可以锁定其它波长。将钒酸钇晶体偏 振干涉滤波器应用于d w d m 系统的波长锁定器中，目前国内外尚未见报导。 首次提出利用y p i f 两个光强互补、偏振正交的透射谱之间的交点进行 波长锁定的新方案。该方案的优点是不需要参考光、不要记忆初始值以及灵敏度 倍增，简化了波长锁定器中的光路和电路。 研制成功“f a b r y - p e r o t 多波长锁定器”，实现一个f p 滤波器同时锁定多 路d f b 波长。所设计制作的f p 滤波器具有很高的热稳定度，无需温控。与目前 商用的单波长锁定器相比，提高了d w d m 系统的集成化和智能化程度。 第二部分“二维光子晶体波导滤波器”包括三个工作： 1 理论设计和数值模拟光子晶体偏振分光器。这种二维光子晶体波导滤波 器是由二维六方格圆孔g a a s 光子晶体中三个互成1 2 0 。、缺陷半径不同的线形波 导组成。在0 4 1 5 - 0 4 2 2 归一化频率范围内，在入射波导中存在t e 和t m 两个偏 振导模，而在两个出射波导中，一个只存在t e 导模，另一个只存在t m 导模。 用f d t d 数值模拟光传输过程：当不同偏振光以相同归一化频率( 0 4 1 8 ) 从同 一个波导入射时，从光场分布图可以明显地观察到t e 和t m 分别从两个波导出 射。在这两个出射波导中，t e 和t m 的消光比分别为4 6 7 d b 和1 1 5 d b 。 2 研究了以二维正方格圆柱光子晶体为背景的光子晶体波导滤波器的反射 率随缺陷参数的变化关系。在w 1 波导中加入一个缺陷介质圆柱构成一个光子晶 体波导滤波器。以固定波长( 落在带隙中) 的t m 偏振光入射，用f d t d 计算 相应的波导滤波器反射率。对于缺陷半径和缺陷折射率这两个缺陷参数，保持其 中一个与对应的背景参数相同，只改变另一个。发现当改变的缺陷参数等于对应 背景参数的一倍或两倍时，波导滤波器反射率达到极大值( 大于7 0 ) ；等于一 倍半或两倍半时，反射率为零，即透射率为1 0 0 。 3 在二维正方格圆柱光子晶体耦合腔波导( c c w ) 中，实现了对导模上下 截止频率的独立调节。利用平面波展开法，系统地计算了改变波导中缺陷圆柱的 半径和移动波导两侧圆柱的位置对导模截止频率的影响。发现在一定的变化范围 内，前者对上截止频率影响较大，后者对下截止频率影响较大。将这两个效应结 h 中国科学技术大学博士学位论文 合起来，就可以只改变一个截止频率，同时保持另一个截止频率不变。上、下截 止频率的独立调节范围分别高达带隙宽度的8 6 4 和8 7 _ 3 。在调节过程中，导 模始终为单模，其场分布关于波导偶对称。 第二部分的创新点： 首次设计成功光子晶体偏振分光器( p h c - p b s ) 。它利用光子晶体波导色 散关系的偏振依赖性进行偏振分光，这个工作原理与传统的偏振分光器完全不 同。p h c p b s 的奇特优点包括：偏振消光比大( 原理上为无穷大) 、材料单一( 只 需c r a a s ) 、制造简单( 钻孔即可) 、尺寸非常小( 1 0 倍波长数量级) 和较大的可 能工作频率范围( 接近整个c 波段) 。因而有望在未来的集成光子线路中获得较 大应用。 发现了基于二维正方格圆柱光子晶体的波导滤波器的反射率随缺陷的 半径和折射率变化的一些规律。这些规律为设计光子晶体波导滤波器提供了重要 依据。 在基于二维正方格圆柱光子晶体的耦合腔波导中，通过同时改变波导的 两个参数，首次实现了对传导模式上下截止频率的大范围独立调节，为光子晶体 波导色散关系的自由设计提供了一个有效途径。 本文的两个部分都是以研究滤波器为基础的。第一部分研制用于d w d m 系 统波长锁定这一高新技术中的钒酸钇晶体偏振干涉滤波器和高热稳定 f a b r y p c r o t 滤波器，第二部分研究在未来的光通信系统和集成光路中有应用前景 的光子晶体波导滤波器。这两部分研究工作分别以国际合作项目和自然科学基金 项目为背景。本文针对相关领域的关键问题开展研究，并取得了较有实际意义的 重要成果。 关键词：密集波分复用，波长锁定，偏振干涉滤波器；集成光路，光子晶体，光 学滤波器，偏振分光器，耦合腔波导 i i i 中摩科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g0 ) w d m ) o p t i c a lc o m m u n i z a t i o ns y s t e m sa n d p h o t o n i cc r y s t a l sa r et w oh n p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d si nm o d e r na p p l i e do p t i c s t h es t u d i e si nt h i s t h e s i sf o c u so nw a v e l e n g t hl o c k e r sf o rd w d mt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n do p t i c a lf i l t e r si n2 d p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e s i np a r to n e w eh a v ed e v e l o p p e dt w on o v e lw a v e l e n g t hl o c k 盯s _ y v 0 4c r y s t a lw a v e l e n g t h l o c k e ：a n d f a b r y - p e r d tm u l t l - w a v e l e n g t hl o c k e ：t h em a i n r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a y v 0 4c r y s t a lw a v e l e n g t hl o c k e r w a sd e v e l o p e di n w h i c hay v 0 4p o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c et i l t e r ( 、坤球) w a su s e df o rw a v e l e n g t hs e n s i n g t h es i n u s o i d a it r a n s m i s s i o ns p e c t r u m o fy p i fh a se q u a l s p a c i n g s t h e t r a n s m i s s i o n p e a k w a sd e t e r m i n e dt om o v ew i t hy v o t e m p e r a t u r eb y - 4 3 5g h z ik t h ew a v e l e n g t h - l o c k i n gp o i i i ti nt h et r a n s m i s s i o ns p e c t n a nw a s l o c a t e da tt h eh a l fo f p e a k s i tw a ss h o w n t h a tf r e q u e n c yf l u c t u a t i o no fd f bl a s e rw a sl e s st h a n 士1 2 5g h z t h r o u g ht h ec o n t i n u o u so p e r a t i n gd u r a t i o no f 2 5h o u r sw h e nt h ey p t e m p e r a t u r e w a sk e p ta t3 6 7 士o 1 口c s ot h i sw a v e l e n g t hl o c k e rc a l lb cu t i l i z e di nd w d mn e t w o r k sw i t h f r e q u e n c ys p a c i n g o f1 0 0g h zo r5 0g h z 2 an o v e ls c h e m eo f w a v e l e n g t hm o n i t o r i n gw a sp r o p o s e di nw h i c ht w ot r a n s m i s s i o ns p e c t r a o ft h ey p i fa r ee m p l o y e d t h et w os p e c t r aw i t hp e r p e n d i c u l a rp o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t sa r e c o m p l e m e n t a r yi nl i g h ti n t e n s i t y t h e yc a nb et u n e db yc h a n g i n gy v 0 4t e m p e r a t u r e ，a n dt h e w a v e l e n g t h - 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c a v i t yw a v e g u i d e s ( c c w ) f o r m e di na2 ds q u a r e r o dp h o t o n i ec r y s t a l w f l sf i r s tr e a l i z e d w i t hp w e m ，w eh a v e s y s t e m a t i c a l l yc a l c u l a t e dt h ed e p e n d e n c eo f t h e t w o c u t o f f f r e q u e n c i e so n d e f e c tr a d i u si nac c w a n dr o dp o s i t i o n sn e a r b yt h ec c w i tw a sf o u n dt h a tw i 也t mac e r t a i nv a r i a t i o nr a n g e t h eu p p e r c u t o f f v a r i e sw i t hd e f e c tr a d i u sm u c hf a s t e rt h a nt h el o w e re u t o f t o nt h ec o n t r a r y , t h el o w e rc u t o f f c h a n g e sw i t hn e a r b y r o dp o s i t i o n sm o r er a p i d l yt h a nt h eu p p e rc u t o f f b yc o m b i n i n gt h et w o d i f f e r e n te f f e c t s ，i n d e p e n d e n tc o n t r o lo ft h et w oc u t o f ff r e q u e n c i e so ft h ec c w g u i d e db a n dc a n v 中国科学技术大学博士学位论文 b er e a l i z e d t h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lr a n g e su pt o8 6 4 a n d8 7 3 o fp b gc a mb ea c h i e v e df o r t h eu p p e rc u t o f fa n dt h el o w e ro n e ，r e s p e c t i v e l y d u r i n gt u n i n g ，t h eg u i d e dm o d e sa r ea l w a y so f m o n o m o d ea n dt h e i ro p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n sh a v ee v e ns y m m e t r yw i t h r e g a r d t ot h ec a n t e rp l a n e o f t h ec c w h i g h l i g h t so f p a r t t w o ： ( 1 ) t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep h c p b s i st h ep o l a r i z a t i o n d e p e n d e n c eo fd i s p e r s i o n r e l a t i o n si np h o t o n i ec r y s t a lw a v e g u i d e s ，w h i c hi sq u i t ed i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lp b s t h e o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s o ft h ep h c - p b si n c l u d e ：l a r g e p o l a r i z a t i o n e x t i n c t i o n r a t i o s ，s i n g l e c o n s t i t u e n tm a t e r i a l ，e a s yf a b r i c a t i o n , s m a l ls i z ea n dl a r g ep o s s i b l eo p e r a t i n gf r e q u e n c yr a n g e c o n s e q u e n t l y , i tm a y h a v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n si ni n t e g r a t e dp h o t o n i cc i r c u i t s ( 2 ) 1 1 1 er e f l e c t i v i t yo fo p t i c a lf i l t e r si n2 ds q u a r e - r o dp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e sh a sb e e n d i s c o v e r e dt oc h a n g ew i t hs o m er e g u l a r i t i e sw h i l et h er a d i u sa n dr e f r a c t i v ei n d e xo f t h ed e f e c tm d v a r y t h ec o n c l u s i o n sm a y b eu s e f u li nd e s i g n i n gv a r i o u sp h cf i l t e r s 0 ) m e f f i c i e n tm e t h o df o rc o n t r o l l i n gt h eu p p e ra n dl o w e rc u t o f ff r e q u e n c i e so ft h ec c w g u i d e db a n di n d e p e n d e n t l yh a sb e e nf o u n d i to f f e r s ai m p o r t a n tm e a n st of r e e d e s i g no f d i s p e r s i o nr e l a t i o n si nc c w s b o t ho ft h et w op a r t si nt h i st h e s i sa i ma to p t i c a lf i l t e r s i np a r to n e ，t w of i l t e r sh a v eb e e n d e v e l o p e df o rw a v e l e n g t hl o c k i n gi nd w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ：o n ei st h ey v 0 4 p o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c ef i l t e r , t h eo t h e ri st h eh i g ht h e r m a l l ys t a b l ef a b r y - p e r o te t a l o n i np a r tt w o ，o p t i c a l f i l t e r si n2 d p h o t u n i cc r y s t a lw a v e g u i d e s h a v eb e e n i n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l yw h i c h h a v e p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nf u t u r eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n di n t e g r a t e dp h o t u n i cc i r c u i t s t h et w o w o r k sw e r e s u p p o r t e db y k r li n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i v ep r o j e c ta n d n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n s k a y w o r d s ：d w d m ，w a v e l e n g t hl o c k i n g ，p o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c ef i l t e r ；p h o t u n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t , p h o t o n i cc r y s t a l ，o p t i c a lf i l t e r , p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i u e r c o u p l e d - c a v i t yw a v e g u i d e v i 中国科学技术大学博士学位论文第章d w d m 光通信系统波长锁定器综述 第一部分d w d m 光通信系统波长锁定器【3 第一章d w d m 光通信系统波长锁定器综述 1 1 光通信技术发展历史回顾 1 9 7 0 年被成为光纤通信元年。在这一年发生了通信史上的两件大事：一是 由被称为光纤之父的华裔科学家高锟提出的、用作光通信传输媒质的光导纤维， 其损耗降到2 0 d b k m ：二是美国贝尔实验室制作出可在室温下连续工作的铝镓砷 ( a i g a a s ) 半导体激光器。这两项科学成就为光纤通信的发展奠定了基础。此 后，光纤通信以令人炫目的速度发展起来，7 0 年代中期即迸入了实用化阶段。 至今，光纤通信应用已遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等各领域。 自研制到全面推广，用了不到1 5 年时间。其发展速度之快，应用范围之广，规 模之大，涉及学科之多( 光、电、化学、物理、材料等) ，是此前任何一项新技 术所不能与之相比的。现在，相关的新技术仍在不断涌现，产品生产规模不断扩 大，成本不断下降，显示了光纤通信的强大生命力和广阔应用前景。光纤通信将 成为信息高速公路的主要传输手段。 现代光通信是从1 8 8 0 年贝尔发明“光话”开始的。以日光为光源，大气为 传输媒质，传输距离是2 0 0 m 。但贝尔的光话始终未走上实用化阶段。这是因为： 一是没有可靠的、高强度的光源；二是没有稳定的、低损耗的传输媒质。半导体 激光器和低损耗石英玻璃光纤的出现解决了这两个问题。 光纤通信3 0 多年的发展可分为四代： 第一代光纤通信的工作波长在8 5 0 r i m ，属短波长波段，用多模光纤传输， 光源是铝镓砷半导体激光器。这一代光通信以1 9 7 7 年在美国芝加哥进行的码速 率为4 4 7 3 6m b i t s 的现场实验为标志。 第二代光纤通信的工作波长为1 3 0 0 r i m ，属长波长波段，以多模光纤传输。 该波长是石英光纤的第二个低损耗窗口，且有最低的色散。相应的光源是长波长 i n g a a s p i n p 半导体激光器。 第三代始于1 9 8 4 年，工作波长在1 3 0 0 r i m ，单模传输。单模光纤的色散比 中国科学技术大学博士学位论：丈 第一章d w d m 光通信系统波长锁定器综述 多模光纤低得多，损耗也更小。这代光通信广泛应用于长途干线和跨洋通信中。 第四代始于2 0 世纪8 0 年代后期，工作波长在1 5 5 0 r i m ，单模传输。这个波 长的采用有两个原因：1 5 5 0 n m 是石英光纤的最低损耗窗口，掺铒光纤放大器 ( e d f a - - e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 的发明。1 9 8 6 年英国南安普敦大学首 先制作出了掺铒光纤放大器，它是在光纤基质中加入铒粒子作激光工作物质，用 氩离子激光器作泵浦源，能够对1 5 5 0 n m 的光信号进行直接放大。这就使光电 一光中继变为全光中继，这个极为重要的突破把光通信推向了一个新的阶段。当 作为掺铒光纤放大器泵浦源的9 8 0 r i m 和1 4 8 0 n m 的大功率半导体激光器研制成功 后，掺铒光纤放大器进入了实用阶段。掺铒光纤放大器的意义不仅在于全光中继， 还在于促进了其它光通信技术的发展。其中最突出的是波分复用( w d m 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 ) 在光通信系统中的应用。 1 2 密集波分复用( d w d m ) 技术 波分复用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效 扩展通信容量的光纤通信方式。掺铒光纤放大器在c + l 波段具有约8 0 r i m 的带 宽，如果信道波长间隔足够小( 例如0 8 r i m ) ，就可以用一个掺铒光纤放大器同 时放大几十个信道，实现全光中继。这极大地降低了设备成本，提高了传输质量。 现在e d f a + w d m 已成为高速光纤通信发展的主流。 波分复用可分为稀疏波分复用( c w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 两种。 前者波长数一般小于l o 个，通路间隔较大。后者波长数较多( 可多于4 0 个) ， 通路频率间隔较小，如1 0 0 g h z 或5 0 g h z ，甚至2 5 g h z 。 为了使密集波分复用系统具有互通性，通路的工作中心波长( 频率) 在发 送和接收端必须相同。目前，国际电信联盟( i t u ) 规定在c 波段从1 5 2 8 7 7 n m ( 即1 9 6 1 0 n z ) 开始以5 0 g h z 的倍数递增，至1 5 6 0 6 1 n m ( 即1 9 2 1 0 t h z ) ， 共有8 1 个通路标准中心波长( 频率) 。 通路的数目、道路选择性( 即工作波长是否符合i t u - t 标准) 、每路的频宽 和相邻通路之间的频率间隔，是密集波分复用系统的重要参数。d w d m 光通信 系统的主要特性如下： 容量升级。d w d m 的典型应用是对原有的点对点光传输链路进行容量升 中国科学技术大学博士学位论文第一章d w d m 光通信系统波长锁定器综述 级。如果每个波长支持一个独立的大约每秒几个吉比特的网络信号，则d w d m 可以明显地增加光纤网络的容量。 透明度。d w d m 的一个主要优势是每个光信道可携带任意的传输格式， 因此，使用不同的波长，快或慢的异步和同步数字数据及模拟信息可以在一根光 纤上同时独立发送，而不需要一致的信号结构。 波长路由。除了使用多个波长来增加链路容量和灵活性之外，在设计通 信网络和交换机时，使用具有波长选择性的光路由器件，可以将波长用作除时间 和空间之外的另一维。波长路由网络利用信号的实际波长作为中间或最终地址。 波长交换。虽然波长路由网络是严格的光纤基础设旎，但波长交换结构 允许光层重叠。实现这些网络的主要元件包括光分插复用器、光交叉连接器和 波长交换器。 1 3d f b 半导体激光器特性 1 3 1d f b 激光光谱 通常采用分布反馈式半导体激光器( d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r , d f b ) 作为 光通信光源，外观如图1 1 。它具有波长线宽窄、容易调制、成本低以及体积小 等许多优点。 图1 - id f b 半导体激光器外观 d f b 通常具有如图1 2 所示的光谱结构。其内置的光栅结构使得d f b 具有 单模输出。这个输出模式位于禁带( s t o p b a n d ) 的旁边。输出峰与边模之间光强 相差可达5 5 d b 左右。d f b 光谱的主要参数有： 边模抑制比( t h es i d e m o d es u p p r e s s i o nr a t i o ，s m s r ) 。其定义为： 3 中国科学技术大学博士学位论文第一章d w d m 光通信系统波长镄定器综述 s m s r ( d b ) 2l o x l 0 9 1 0 p ( h i g h e s t p e a k ) p ( 2 n d h i g h e s t p e a k ) 】 ( 1 1 ) 它的典型值是4 5 d b ，至少要大