（凝聚态物理专业论文）基于全息菲涅耳透镜的波分复用光通信器件.pdf

中文摘要 摘要 社会信息化的发展对高速大容量通信网络的发展提出了迫切的要求。波分 复用技术已经被公认是大容量光通信网络的主流技术。而光无源器件是构成光 网络的基础。由于全息菲涅耳透镜具有良好和丰富的光谱特性，以及重量轻、 成本低等优点，因此，本文认为基于全息透镜的新型光无源器件在波分复用网 络中将有着广泛的应用前景。 本文对全息菲涅耳透镜的基本特性进行了深入的理论分析，以此为基础， 着重探讨和研究了其作为解复用器和光耦合器的特性以及它们在波复用系统中 的应用。 本论文的主要研究内容和创新之处包括： 指出全息菲涅耳透镜是一种特殊类型的光栅。分析并说明光栅的标量衍射 理论是计算衍射效率的一种近似方法因此它的应用是有限制条件的。继而提 出本文所研究的对象应采用严格的耦合波理论来分析。 首次提出可以利用全息透镜的色散特性来完成波分复用系统中的分波功 能。简要介绍了这类光学成像元件的前身一菲涅耳波带片，并概述了离轴全息 透镜的制作、成像以及色散等光学现象，目的是为了证实以其为模型制作分波 器的有效性和可行性。 由于本分波器能同时实现色散和聚焦两种功能，因此其明显优于其它类型 的器件。文中总结了本课题组研究开发的全息型器件所拥有的优点和创新之处， 并以示意图的方式阐明了其基本工作原理。 对本分波器可能存在的问题进行了研究和探讨：首先指出在制作器件过程 中，应采取镀增透膜和加光阑等措施来降低可能引入的噪声。接着在详细分析 光栅色分辨本领的基础上，推导出本复用器的分辨率与光栅结构等各项参数之 间的关系，同时说明为使分辨率满足系统需求，对分波器表面被照射面积有一 定的要求。最后通过对电子全息图实现可见光重现的描述，排除了放大全息图 中文摘要 以消除像差的有效性。继而提出利用像差补偿的方法，求解出优化的光路结构， 以使重现波长不同于记录波长所产生的像差达到最小值。 为论证全息型分波器的空间频率、衍射效率和角色散能力之间的关系，设 计出能实现指定波长间隔的分波器，本论文重点分析了4 种制作光路，并对其 制作的器件进行了比较和分析。同时从全息透镜的成像原理和分波器件的实际 应用条件出发，本文选取了最优记录结构系统。 本文总结了波分复用系统中，为满足其系统方面的要求，判断性能的三个主 要标准。重点分析了全息型分波元件的工作波长范围和其所能实现的理论线色 散。在以上所选取的最优记录系统的基础上。根据具体情况对某些参数进行调整， 制作了记录参数不同的4 种全息分波器。通过分波器在可见光波段的测试，发现 其已能将两不同波长的激光束在焦平面实现分离，分离距离与理论计算值相吻 合。然后，在红外波段，使用带有接收尾纤的光谱仪进行性能参数的测量，并对 所得数据进行了必要的讨论以优化分波器的制作系统。最后，总结出考虑像差因 素所设计的分波器为最佳类型，同时列举了三个平均波长间隔为2 5 r i m 的信道的 信道带宽、插入损耗和串扰性能，以说明本器件已接近实用水平。 根据本文前面内容的分析，得出微型全息透镜还可应用于光源与光纤、波 导之间的耦合。本论文对此进行了探讨和尝试，利用全息透镜的角放大率公式， 设计并制作了一个全息型外耦合器，通过光纤耦合实验测得其耦合效率比直接 耦合提高了一倍。本论文给出了初步的实验结果，并对结果进行了深入的分析 和讨论。 本文最后总结了本项目由于时间和客观条件的限制，还存在的一些问题和 今后改进的方案，以及产业化的设想。全息解复用器的不足之处有插入损耗较 大，平均插入损耗约为1 0 d b ，因此本论文考虑是否选取其它类型的全息记录材 料，以提高全息衍射元件的衍射效率。另外目前所能实现的波长间隔仅为 2 5 n m ，更密集的信道间隔有待进一步开发研究。 关键词：波分复用器；全息透镜i 外耦合器 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n go fi n f o r m a t i o n s o c i e t y r a i s e sa nu 唱e n t r e q u e s tf o r h i g h - s p e e d ，h u g e - c a p a c i t y c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) h a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e da s t h em a i na n dm o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g yt oa c h i e v eh u g e c a p a c i t yo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k o p t i c a lp a s s i v ed e v i c e sa r et h eb a s i so fo p t i c a ln e t w o r k i n g b e c a u s eo ft h e i r g o o da n dr i c hs p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，l i g h tw e i g h ta n dl o wc o s t ，h o l o g r a p h i c f r e s n e ll e n s e sm f l s ) a n dr e l a t e dn e wo p t i c a lp a s s i v ed e v i c e sa r eb e l i e v e dt o h a v ew i d ea p p l i c a t i o n si nw d mn e t w o r k i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，b a s e d o nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fh f l s ，w e i n v e s t i g a t et h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n si nw d m n e t w o r ko fs o m e n e wd e v i c e s ，e s p e c i a l l yf o r o p t i c a lm u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r a n de x t e r n a l c o u p l e r t h em a i nc o n t e n t sa n di r m o v a t i o n so f 血i sd i s s e r t a t i o na l ea sf o l l o w s ： i ti sp o i n t e do u tt h a th f l sa l es p e c i a lg r a t i n g s w es h o wa n di l l u m i n a t e t h a tt h es c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r yi sa na p p r o x i m a t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t et h e d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo fg r a t i n g ，a n dt h e r ea r er e s t r i c t i o n so ni t sa p p l i c a t i o n t h e c o u p l e d w a v et h e o r yi si n t r o d u c e df o r0 1 1 1 - r e s e a r c ho b j e c t s i ti sp r o p o s e d ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h a tt h ed e m u l t i p l e x i n gi nw d m c a l lb e r e a l i z e db yt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i co fh o l o g r a p h i cl e n s t op r o v et h e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fh o l o g r a p h i cw d m ，w ei n t r o d u c eb r i e f l yt h ef r e s n e l z o n ep l a t e s ，t h ep r e d e c e s s o ro ft h i sk i n do fo p t i c a lp a s s i v ed e v i c e s ，a n d s u m m a r i z et h ef a b r i c a t i o n ，i m a g i n ga n dd i s p e r s i o no f o f f - a x i sh o l o g r a p h i cl e n s 一1 1 1 a b s t r a c t h o l o g r a p h i cw d m i ss u p e r i o rt oo t h e rg e n e t i cd e v i c e ss i n c ei th a sb o t h f u n c t i o n so ff o c u s i n ga n dd e f o c u s i n g e x c e l l e n c ea n di n n o v a t i o no fh o l o g r a p h i c w d ma r ep r e s e n t e di nt h ei s s u e ，a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h ed e m u l t i p l e x e r i si l l u s t r a t e db yd i a g r a m m a t i cs k e t c h i n h e r e n ti s s u e si nh o l o g r a p h i cw d ma r ci n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d f i r s t l y , i ti si n d i c a t e dh o wt od e p r e s st h en o i s ed u r i n go p e r a t i o np r o c e s s t h e no nt h e b a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so fg r a t i n gr e s o l u t i o na b i l i t y , w ed e d u c e dt h er e l a t i o n b e t w e e nr e s o l u t i o na n dg r a t i n gp a r a m e t e r s w ea l s os h o w e dt h e o r e t i c a l l yt h a t t h e r ei sal o w e rl i m i to ft h ei r r i t a t i o na r e at om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n ti n r e s o l u t i o n w es h o wt h a t z o o m i n go u th o l o g r a mi sn o te f f e c t i v et oc a n c e l a b e r r a t i o nb yg o i n gt h r o u g ht h ep r o c e s so f r e c o n s t r u c t i n ge l e c t r o nh o l o g r a mw i t h v i s i b l el i g h t i nt h ee n d ，w ep o i n to u to n e c a nm i n i m i z et h ew a v e f r o n ta b e r r a t i o n d u et ow a v e l e n g t hs h i f tb yo p t i m i z i n gc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so ft h eo p t i c a l h o l o g r a p h i cw a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e rb yt h ea b e r r a t i o nr e d e e m i n gm e t h o d i no r d e rt od e m o n s t r a t et h er e l a t i o n s a m o n gf r e q u e n c y ，d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c ya n dd i s p e r s i o na b i l i t y o fh o l o g r a p h i cw d m ，a n dt o d e s i g n a d e m u l t i p l e x e rw i t hap r e s e l e c t e df r e q u e n c yc h a n n e l ，f o u rr e c o r d i n go p t i c a l c o n f i g u r a t i o n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e i rr e l a t e dd e v i c e sa r ec o m p a r e da n d a s s a y e di nt h i sd i s s e r t a t i o n o p t i m a lr e c o r d i n gc o n f i g u r a t i o ni ss e l e c t e d ，w i t ht h e a i do ft h e i m a g i n gp r i n c i p l eo fh o l o g r a p h i cl e n sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n c o n d i t i o no fw d m t h r e e k e y c r i t e r i aa r e p r o v i d e d f o r m e a s u r i n g t h e c a p a b i l i t y o f d e m u l t i p l e x e r f s ra n dt h e o r e t i c a ll i n e a rd i s p e r s i o no fh o l o g r a p h i cw d m a r e s t u d i e d d e t a i l e d l y b a s e d o nt h eo p t i m i z e dr e c o r d i n gc o n f i g u r a t i o n ，f o u r d e m u l t i p l e x e r sw i t hd i f f e r e n tr e c o r d i n gp a r a m e t e r sa r em a n u f a c t u r e da c c o r d i n g i v a b s t r a c t t o p r a c t i c a l c o n d i t i o n s t h et e s t i n gi nv i s i b l er e g i o ns h o w st h e i ra b i l i t yt o s e p a r a t et w ol a s e rb e a m sw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t h so nt h ef o c u sp l a n e ，a n dt h e s e p a r a t i n gd i s t a n c e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ev a l u e sf r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h e nw eo p t i m i z ew d m b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ff u r t h e rt e s t i n g i ni n f r a r e dr e g i o n i nt h ee n d ，w el i s tt h ec h a n n e ls p a c i n g ，i n s e r t i o nl o s sa n d c r o s s t a l ko ft h r e ec h a n n e l sw i t h2 5 n ms p a c i n g ，a n dc o n c l u d et h a tt h ew d m i s t h eb e s tw a yt ot a k e c a r eo fa b e r r a t i o na n do u rd e v i c ei sc l o s et op r a c t i c a l r e q u i r e m e n t a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sd i s c u s s i o n ，w ef o u n dt h a tm i c r oh o l o g r a p h i c l e n s e sc a nb eu s e da st h ee x t e r n a lc o u p l e r st oc o u p l et h el i g h te m i t t e df r o mal d t oaf i b e r , w a v e g u i d ea n ds oo n w ed e s i g n e da n df a b r i c a t e dah o l o g r a p h i c c o u p l e r ，u t i l i z i n ga n g l ea m p l i f i e rf o r m u l ao fh o l o g r a p h i cl e n s e sa n df o u n d i th a s t w i c ec o u p l i n ge f f i c i e n c yt h ed i r e c tc o u p l i n gh a s e m b e d d e da n a l y s i sa n d d i s c u s s i o na r ep r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i n a l l y , d e f i c i e n c i e s i n t h i sd e v i c ea r es u m m a r i z e da n dt h e i rf u r t h e r i m p r o v e m e n t sa r ed i s c u s s e d f o ri n s t a n c e ，t h ea v e r a g e i n s e r t i o nl o s so ft h i s d e v i c ei sa sh i g ha s10 d b ，a n dw ea r ec o n s i d e r i n go t h e rr e c o r d i n gm a t e r i a l st o e n h a n c et ot h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y f u r t h e ri n v e s t i g a t i o n sa r en e e d e df o rj l s i n d u s t r i a l i z a t i o n k e yw o r d s ：m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ：h o l o g r a p h i cl e n s ；e x t e r n a lc o u p l e r v 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 w d m 的产生是满足社会需求的结果 随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形 式膨胀【”。信息时代要求越来越大容量的传输网路。自2 0 世纪9 0 年代初以 来，人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代，其中最具影响的三大事 件是： 伴随着个人电脑普及而来的i n t e m e t 的飞速发展； 由数字移动通信业务导向个人通信而引发的常规通信的革命： 多媒体通信业务的出现。 信息爆炸刺激了全球通信业务的疯狂增长，而这种疯狂增长的最直接后果就 是对通信带宽要求的急剧猛增b 】。 就建设资金而言，光纤通信系统的初期投资是非常大的，主要原因是光 缆线路的敷设费用很高，那么，如何利用现有光缆系统实现最大限度的扩容 呢? 当承载长途传输使用的光纤都已经被占用时，承载商首先考虑的绝不是 按原有路由增放一条新的光缆，而是尽可能利用已有的光纤通过技术创新以 进行扩容。 传统的扩容方法是采用t d m ( 时分复用) 方式，即对电信号进行时问 分隔复用。无论是p d h p ( 准同步数字体系) ，还是s d h 州( 同步数字体系) ， 都是按照这一原则进行的。据统计，当系统速率不高于24 8 8 m b i t s 时，系 统每升级一次，每比特的传输成本下降3 0 左右。因此，在过去的系统升级 中，人们首先想到并采用的是t d m 技术。 厦门大学博士学位论文 第l 章 采用这种时分复用技术方式固然是数字通信提高传输效率、降低传输成 本的有效措施但是随着现代电信网对传输容量要求的急剧提高，利用t d m 方式已日益接近硅和砷化镓技术的极限，并且传输设备的价格也很高，光纤 色度色散和偏振模色散的影响也日益加重。因此人们正越来越多地把兴趣从 电时分复用转移到光复用，即从光域上用波分复用( w d m - 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 ) 方式来改进传输效率，提高复用速率。 近几年来，世界上的运营公司及设备制造厂家把目光更多地转向了波分 复用技术，并对其投以越来越多的关注，主要是由于w d m 技术具有以下突 出优点【5 l ： 可缓解光纤带宽耗尽问题； 减少再生器使用量： 先进的网络结构可节省网元设备； 通过在网络中引入光层的灵活性和可重构性机理，降低网络的开发 成本： 不需要安装新光纤就可以扩容，降低了网络费用； 网络可随时升级扩容，以满足用户及未来新业务的需求； 信号传输比特率及调制格式透明。 从世界范围来看，目前正在建设和将要建设的商用光纤通信系统，基本 上都是w d m 光纤通信系统，原有的光纤通信系统也都将陆续被改造成 w d m 系统。波分复用技术是利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同频 率( 波长) 的光信号混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的 数字信号可以是相同速度、相同数据格式，也可以是不同速度，不同数据格 式。波分复用扩容方案可以通过增加新的波长，按照用户的需求确定网络容 量，是一种可以将一根光纤当多根光纤来使用的十分有效的扩容方案。从理 论上来说，利用同一根光纤同时传输峰值发射波长具有适当间隔的多个不同 第一章绪论 光源输出的光信号，可以大大增加光纤的信息容量。由于每个光源是以不同 峰值波长工作的，因此当其后在接收端转换成电信号时，可以完整地保持来 自每个光源的独立信息。这一特性是波分复用的基础。 理论上一根光纤在1 5 3 0 n m 1 5 6 5 n m 的带宽范围内传输容量约为 4 t b i 讹，而目前实际得到利用的还不到1 t b i v s ( 如图1 1 所示) ，如何开发 利用光纤的传输资源，是一项十分有意义的研究。 对于2 5 g b i t s 以下速率的w d m 系统，目前的技术已经完全可以克服 由于光纤色散和光纤非线性效应带来的限制，满足对传输容量和传输距离的 各种要求。最早使用的波分复用是1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 n m 的两波长复用，但随 着通信业务量的迅速增长，两波长复用早已不能够满足要求，因此更多波长 的波分复用技术逐渐成熟起来，已经投入商用的系统有8 波长、1 6 波长、 3 2 波长等。有时候，把这些系统称为密集波分复用( d w d m ) ，以区别于早 期使用的两波长系统。 图1 1 光纤容量的示意图 厦门大学博士学位论文第l 章 1 2w d m 的基本工作原理 所谓w d m 技术，就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽 资源，根据每一通路光波的频率( 或波长) 不同可以将光纤的低损耗窗口划 分成若干个通路，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器( 合波 器) 将不同波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输【6 】：在接收端， 再由一波分复用器( 分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的 复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作相互独立( 不考虑光纤非线 性时) ，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题 也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据 波分复用器的不同，可复用的波长数也不同，从2 个至2 “( n n ) 个不等， 现在商用化的一般是8 波长、1 6 波长和3 2 波长等系统，这取决于所允许的 光载波波长的间隔大小，图1 2 给出了其系统组成。 s d h ，s o n e l 图1 2 波分复用系统原理图 ( s d h 为同步数字体系，s o n e t 为同步光网络) 由于在光的频域上信号频率的差别比较大，人们更喜欢采用波长来描述 频率上的差别，因而这样的复用方法被称为波分复用。关于光波长与频率的 对应关系，如图1 3 所示。 第一章绪论 频率 茹p h 器t h ； 1 ( 1 0 g h z )1 ( m w h z ) 1 ( 1 0 k h - - - - _ 一 - 4 - - 一- 一- 一- - i - 波长( 1 伊p r o )( 1 0 l n m 一)揣( 1 1 0 1 mr n ) - - 一, , , - - 4 - - 一- - 一一一- - 卜 图1 3 光频率与波长的对应关系 可以用下面的公式进行光波长与频率的换算。 ，- 五= c 式中厂表示光波的频率， 表示波长，c 表示光在真空中的传播速度。一般 使用3 0 x1 0 8 m s 。 w d m 本质上是光域上的频分复用( f d m ) 技术。要想深刻理解w d m 系统的本质，有必要对传输技术的发展进行一下总结。从我国几十年应用的 传输技术来看，走的是f d m t d m t d m f d m 的路线。开始的明线、中同 轴电缆采用的都是f d m 模拟技术，即电域上采用的是频分复用技术，每路 语音的带宽为4 1 d - i z ，每路语音占据传输媒质( 如同轴电缆) 的一段带宽； p d h 、s d h 系统则是在光纤上传输的t d m 基带数字信号每路语音的速率 为6 4 k b i t s ；而w d m 技术是光纤上的频分复用技术，n x 2 5 g b i t s 的w d m 系统则是光域上的f d m 模拟技术和电域上的t d m 数字技术的结合。 w d m 系统的每个信道通过频域的分割来实现，如图1 4 所示。每个信 道占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆f d m 技术不同的是： ( 1 ) 传输媒质不同，w d m 系统是光信号上的频率分割，而同轴系统是 电信号上的频率分割利用。 ( 2 ) 在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟的4 k h z 语音信号而 厦门大学博十学位论文 第1 章 w d m 系统目前每个波长通路上传输的是2 5 g b i t ss d h 或更高速率的数字 信号。 光 谱 强 度 图1 4w d m 系统的光谱分割 l - 3 w d m 、c w d m 和d w d m 随着网络时代的到来，人们对信息的需求与日俱增，数据速率不断提高 1 7 , 8 1 。光通信正朝着高速、大容量的方向发展。在长途干线及骨干网中，采 用密集波分复用( d 、d m ) 技术，使单光纤的传输速率达到1 0 t b s 以上【9 - l o 】； 而在局域网( l a n ) 及城域网( m a n ) 中，稀疏波分复用 i m 2 i ( c w d m ) 则是解 决容量瓶颈的希望【1 3 】。在局域网( l a n ) 内以以太网为例，其速率正从 1 0 m b s 升级到快速以太网( 0 0 m b s ) 、到千兆比特( o h s ) 、甚至1 0 0 b s 。不 但传统电缆带宽己不能满足需要( 1 0 g b s 的信号在铜线电缆中仅能传输几 米) ，即使在多模光纤中单路1 0 g b s 信号在8 5 0 n m 的传输距离仅为几十米。 当速率达到或超过1 g b s 时，多模光纤的带宽距离积已接近极限，限制多模 光纤带宽的主要原因是模式色散。采用c w d m 技术可将多模光纤带宽升级 第一章绪论 到原来的4 1 6 倍，可较好地满足未来的业务要求。 w a v e l e n g t h ( n m ) 图1 5 四波长c w l ) m 系统的波长分布图 波分复用( w d m ) 技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技 术。早期的w d m 是指在单根光纤中实现1 3 1 0 1 5 5 0 n m 简单复用，以对己铺 设的1 3 1 0 r i m 系统进行扩容。密集波分复用( d w d m ) 是指在1 5 5 0 r i m 波长区 段内，8 、1 6 、3 2 、6 4 或更多个波长复用后在一根光纤上同时传输，每个波长 之间的间隔为0 8 n m 、0 4 n m 或更小。每个波长上的传输速率为2 5 g b s 、 1 0 g b s 、甚至4 0 g b s 。总速率最高已达1 0 t b s 以上。d w d m 系统已成为当 代高速大容量光纤通信系统的主流。与d w d m 系统相比，稀疏波分复用 ( c w d m ) 光纤通信系统的波长间隔要大得多，在1 0 到2 5 r i m 左右，典型值为 2 0 n m 。图1 5 为一个典型的8 5 0 r i m 波段c w d m 系统的波长分布图共四个 一dcoisi_工jc弹-卜 厦门大学博士学位论文第1 章 波长中心波长分别为8 2 0 、8 3 5 、8 5 0 、8 6 5 n m ，波长间隔为1 5 帆【1 4 1 。 正是由于c w d m 系统如d w d m 系统那样采用多个波长在单根光纤上 复用后同时传输，而且波长间隔又大，因此显示出了其突出的优势，主要表现 在： ( 1 ) 可充分利用光纤带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输容 量增加数倍，对已铺设的光缆，采用c w d m 技术后，不必对原系统做较大改 动，便可顺利实现升级，以满足需要。大大节省了重新铺设光缆的投资。 ( 2 ) 由于同一根光纤中传输的信号波长彼此独立，因此可传输不同速率 及格式的信号，实现各种业务的综合传输。 ( 3 ) 由于波长间隔宽，c w d m 无须选择成本昂贵的d w d m 系统中使用 的复用器和解复用器，可使用廉价的粗波分复用器和解复用器；收发器不需 要温控，并进行直接调制，不仅耗电省，价格也可显著下降。无须采用比较复 杂的控制技术以实现较高的系统维护要求。这样，由于器件成本和系统要求 的降低，使得c w d m 系统的性价比显著提高。 由于c w d m 系统的上述优点，使其在局域网( 接入网) 及城域网中具有 很强的竞争力。目前在局域网的应用中，大多采用多模光纤及垂直腔表面发 射激光器( v c s e l ) 为光源工作在8 5 0 n m 附近或1 3 1 0 r i m 附近：在城域网的 应用中，由于一般范围较大、传输距离较长，通常采用单模光纤及非致冷的分 布反馈激光器( d f b ) 为光源，工作在1 3 1 0 1 5 6 0 n m 的波长段。如图1 6 所 示。 第一章绪论 w a v e lc n g t h r m 图1 6c w d m 在局域网与城域网中波长范围分布图 光波分复用器解复用器是w d m 系统中的关键部件 9 , 1 5 】。在w d m 系 统中用的典型光波分复用器解复用器主要有光栅型、介质膜滤波器型、阵 列波导( a w g ) 型。其中介质薄膜滤波器是使用最广泛的一种滤波器。在 c w d m 网络中。薄膜滤光器技术也是目前最为有实用价值的选择。基于薄膜 滤波技术的d w d m 和c w d m 复用器解复用器的造价差别主要是由于 c w d m 的滤波器包含的层数少，工艺要求低，故c w d m 滤波器的成本比 d w d m 滤波器的成本低。d w d m 系统中使用的1 0 0 g h z 滤波器一般大约有 1 5 0 层，而c w d m 系统的2 0 n m 滤波器大约只有5 0 层。c w d m 滤波器的成 本比d w d m 滤波器的成本要少5 0 。 1 4 本课题的提出 前面我们分析了w d m 是目前解决通信容量危机的最佳方案，那么传统 的全息制造技术是否能在此领域分得一杯羹? 在2 0 0 0 年1 1 月的h o l o - - p a c k h o l o - - p f i n t 会议【1 6 1 - ，g i o v a n n i b a r b o r o s s a 发表了一篇文章说明a v a n e x 公司是如何将全息光学元件( h o e s ) 制作进他们先进的“波长分割多路传输产品”。w d m 是减小光纤中每个通 一9 - 口。一一一昌一一 厦门大学博士学位论文 第1 章 讯通道带宽所必需的关键技术之一，可增加每条光纤可通过的通道数目。 a v a n e x 公司在它的w d m 中利用h o e 来降低成本和提高生产速度，以 此作为策略性的一步。b a r b o r o s s a 说，全息技术可能在制作成本( 对于同向、 双向及加，减元件) 、减小对外部( 滤波器) 制作的依赖，及平均每个波长较 低的组装费用上，优于选择性光学滤波器。当然衍射元件必须满足它们支持 的光学系统的高工作要求。 他们在制作时，先制作一个h o e 母版，翻制成模压垫片，涂上一层光 致聚合物，紫外线照射并坚膜。这个听起来很像紫外照射的“湿模压”系统， 每个母版可生产几千个h o e 。 b a r b o r o s s a 总结说：a v a n e x 公司相信，在w d m 应用中，全息衍射光栅 是比干涉滤波器更好的替代品。对比干涉滤波器，基于全息光栅的w d m 技 术在成本方面具有竞争优势，尤其是在多通道方面。a v a n c x 公司复制全息 光栅的方法远比制作滤波器的设备投资要小得多。 以上例子说明，全息术和衍射光学在建设w d m 网络系统的核心技术的 道路上是很有潜力的赢家。 全息光学元件的特点是制作灵活、可大批量生产、成本低、小巧轻便、 可离轴使用。美国、英国和丹麦等世界先进国家已有研究机构在进行这些器 件的设计和制作 1 7 , 1 8 , 19 】。我们若从现在就开始进行这方面的研究，就能和世 界先进国家保持较接近的水平。 然而，尽管各国专家对这些器件进行了多年的研究，器件性能也在不断 提高，但其在商用系统中的应用还存在一些缺点。就目前情况看，w d m 器 件的研究和开发水平还低于系统应用的要求哪】。随着w d m 系统的迅猛发 展，需要更高质量和更高密集度的器件。 本文所研究的全息型波分复用器就是在这样的大背景下提出的，旨在制 造具有全息特点的分波器件。 第一章绪论 1 5本论文的主要工作和内容 全光通信以其高速、大容量的优势，有望在地面通信主干网中全面采用 1 2 1 , 2 2 1 。目前全光通信系统与器件的需求供不应求，至少在可以预见的未来5 年内，市场没有饱和的趋势，例如电话和国际互联网( i n t e m e t ) 均考虑采 用光纤通讯，其中的电子元器件正日益被光学器件所代替，将来全波段全光 网络将变得越来越重要。为充分发挥利用光纤的宽带宽，就采取在光纤中传 播几个不同波长的光，其中每个波长的光作为传播信息的一个通道，这就是 波分复用的概念。然而，要实现这个功能，就需要波分复用器，因此光波分 复用器件( w d m ) 将有很大的市场。到目前为止，已经有好几个方案正在 被研究，f a b r y p e r o t 或m a c h z e h n d e r 干涉仪结构，位相阵列光栅，光纤b r a g g 光栅，然而，所有这些技术都有一些缺点。2 0 0 0 年l a s e rf o c u sw o r l d 杂志 对当前的w d m 产品和技术出了本专集予以介绍口3 2 4 1 。到目前为止，没有一 个主导的w d m 技术在性能、价格、可靠性及灵活性等指标上能满足客户的 所有需要，因此，很有必要研制出新型的波分复用器件，这不仅有重要的应 用前景，也有重要的学术价值。 本博士论文的研究目的就是根据经典的相干光干涉和衍射理论，采用现 有并已十分成熟的激光全息技术来制作菲涅耳( f r e s n e l ) 全息透镜进行分波 并同时聚焦，即“菲涅耳全息型波分复用器”。我们提出的波分复用器件基 于激光全息的概念，根据全息透镜的色散和会聚效应可以实现波长选择性， 实现不同波长的光对应于不同的衍射角采用传统的双光束干涉技术，制作 出平面光栅，以实现波分复用的功能。由于本工艺技术具有大批量、低成本 复制的可能性，并且随着技术的进步，更细更深的线宽可以加工出来，所以 我们提出的“菲涅耳全息型波分复用器”的性能会不断提高，价格会不断下 降，极有可能成为发展的方向之一。 厦门大学博士学位论文 第l 章 本论文所述及的工作主要是在福建省科委国际合作重点项目 ( 2 0 0 2 1 0 0 9 ) “微型全息光学元件制作技术及应用研究”和厦门市科委重点 项目( 3 5 0 2 2 2 0 0 2 1 0 5 3 ) “菲涅耳全息型密集光波分复用器的制作技术”的 规定范围内完成的。 为了具体地介绍本博士论文的工作内容和重点，我们按以下章节来安排 本论文的撰写： 第一章概述了w d m 光纤通信系统和技术诞生的时代历史背景，以及其 基本工作原理。分析了w d m 、c w d m 和d w d m 之间的区别，并重点介绍 作为本论文课题背景，且在局域网和城域网中有很大市场前景的稀疏波分复 用技术。 第二章简要介绍了w d m 系统的关键技术问题之一一光分波合波技术， 以及国内外光波分复用器的研究概况。同时提出了一种新的全息型波分复用 器，最后介绍了本论文各部分的主要内容。 第三章首先指出全息透镜是一种特殊类型的光栅，分析并说明光栅的标 量衍射理论是一种近似的方法，因此它的应用是有限制条件的。继而提出本 论文所研究的分波元件应采用严格的耦合波理论来分析其衍射机理。接着介 绍了最早的成像衍射元件一菲涅耳波带片。最后描述了全息透镜的制作以及 成像、色散等光学特性，以此为依据，提出本论文正是利用其色差严重的特 点来制作一种新型解复用器。 第四章介绍了本复用器相比较其它波分复用器而言，所具有的优点和创 新所在。并以工作示意图方式清晰地阐明本器件实现解复用功能的原理。并 且就本器件可能存在的三个问题分别进行了深入研究和讨论：首先指出在器 件制作过程中，应采用何种措施以尽量避免引入噪声：接着推导出为满足系 统的分辨率要求，器件被照射面积所要求的理论下限：最后用像差补偿的方 法求解出优化的全息解复用器光路结构参量。 第一章绪论 第五章首先精确计算了波长补偿，并通过光纤的数值孔径和全息透镜的 尺寸大小等条件，设计了本论文的实验参数之一。深入研究了干涉记录光路 参数、空间频率、衍射效率和分波元件角色散能力等因素之间相互影响的关 系。详细分析了典型的4 种记录光路系统，并对其进行系统描述，以实现记 录装置的优化选择。在简要介绍几种全息记录材料的基础上，选择了本论文 实验的制作材料，并指出了对全息分波元件制作有实际指导意义的几个问 题。 第六章系统介绍了判断w d m 中分波元件性能的三个主要标准。重点分 析了全息型分波元件的工作波长范围及其所能实现的理论线色散。由于实验 条件有限，我们先对分波元件在可见光波段进行了测试：而后用卤素灯和带 有接收尾纤的光谱仪相结合检测了