光耦合器的模拟及设计和光波导器件的制作工艺研究-硕士论文

浙江大学 硕士学位论文 光耦合器的模拟及设计和光波导器件的制作工艺研究 姓名：王莉蓉 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：何赛灵 2003.3.1 浙江大学硕士学位论文 摘要嗡 9 3 艿7 f 在两年半的硕士学习期间，我将光通信器件的模拟与设计和光波导器件的制 作 立研究作为自己的研究方向。本论文总结了我两年来的研究成果。它分为理 论设计和实验两个部分a 寸 。4 第一部分是光耦合器的模拟与设计。光耦合器是光网络中的重要器件，在 W D M 系统中，光耦合器几乎无所不在。本论文对各种平面波导型耦合器：M M I 、 分支波导、定向耦合器和M a c h Z e h n d e r 进行了模拟和优化设计。首先建立了光 束传播法( B P M ) 的模拟平台，解决了边界问题。利用建立的三维B P M 平台设 计了渐变折射率波导的M M I 耦合器。在设计Y 分支波导结构时，考虑常规工艺 误差的影响，引入多模波导作为Y 分支波导结构的过渡区，利用参数空间搜索 法来设计结构参数，实现低损耗的Y 分支结构。运用超模解方法，比较了定向 耦合器计算模型( 二维模型和三维模型) 对计算结果的影响，指出由于等效折射率 法的精度问题，应用二维计算模型设计结果与实际器件的性能指标有着较大的差 别，因此定向耦合器的设计应选用三维计算模型。f 实际的设计过程中，考虑到定 向耦合器输入波导和输出波导部分的耦合影响，围绕耦合模理论计算结果手动调 节耦合区长度，并应用三维B P M 来模拟设计，得到耦合区长度，设计了精确的 3 d B 定向耦合器。为了设计对波长不敏感的S O l 材料的M z 功分器，利用柬传播 法( B P M ) 和有限差分模式解方法( F D M ) 对M a c h Z e h n d e r 结构的组成部分定向 耦合器和相位延迟部分做了波长相关特性的计算，然后通过遗传算法优化设计了 M a t h Z e h n d e r 的结构参数。计算得到的波长特性曲线表明该S O I 功分器波长平 坦而且偏振相关性小。此外，提出了用遗传算法来优化设计S i O ：掩埋型波导材料 的M z 波长平坦功分器的上层结构参数。一 第二部分是对光波导器件制作工艺的研究。工艺掌握的成熟程度直接关系到 能否制作出合格的平面波导器件，从而实现理论设计的结果。本论文中具体研究 的工艺内容有：光刻的工艺参数研究；剥离法光刻工艺的研究；用溶胶凝胶法制 每三氢丝壁堕；N a ? 矗。离子交换玻璃波导的制作。探讨了以上工艺的实验原理， 给出了实验结果，并对各种实验结果进行了定量或定性的分析。 关键词：耦合器，光波导j 束传播法 塑翌查堂堡主堂垡堡苎 一一 A b s t r a c t I nt w oa n dh a l fy e a r s g r a d u a t es t u d y , 1f o c u s e dm ye f f o r t so ns i m u l a t i o na n dd e s i g nf o r o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n ds t u d yo ff a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e sf o ro p t i c a lw a v e g u i d e d e v i c e s fs u m m a r i z e dm ym a i nr e s e a r c hr e s u l t sa n dw r o t et h i st h e s i s T h ef i r s tp a r to f t h i st h e s i si sf o rs i m u l a t i o na n dd e s i g no f p l a n a rw a v e g u i d eo p t i c a lc o u p l e r s O p t i c a lc o u p l e r sp l a yf u n d a m e n t a lr o l e si np a s s i v eo p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n dc o m p l e x p h o t o n i c si n t e g r a t e dc i r c u i t s I nt h i st h e s i s ，o p t i c a lc o u p l e r sc o n s i s t i n go f m u l t i m o d e i n t e r f e r e n c e ( M M I ) c o u p l e r , Yb r a n c h ，d i r e c t i o n a lc o u p l e r ( D C ) a n dM a c h Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( M Z l ) w e r e a n a l y z e da n ds i m u l a t e d F i r s t ，I m a d ea n di m p r o v e ds o m eB e a mP r o p a g a t i o nM e t h o d ( B P M ) p r o g r a m s ，c o n s i s t i n go f2 D ( E I M - B P M ) a n d 3 DB P M ，w i t ht r a n s p a r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n ( T B C ) a n dp e r f e c t l ym a t c h e dl a y e r ( P M L ) b o u n d a r yc o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y A p p l y i n ga ne x a c tm o d a l p r o p a g a t i o na n a l y s i sm e t h o da n ds e l f - i m a g i n gt h e o r y , Ia n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fM M Ic o u p l e r T h e n ，t h es e l f - i m a g i n ge f f e c ti ng r a d e d - i n d e xw a v e g u i d eh a sb e e na n a l y z e da n ds i m u l a t e du s i n g t h r e e d i m e n s i o n a lB P M C o n s i d e r i n gn o r m a lt e c h n o l o g ye r r o r , al o wl o s sY - b r a n c hs t r u c t u r e ( s y m m e t r i co ra s y m m e t r i c ) w i t ham u l t i m o d ew a v e g u i d et r a n s i t i o n s e c t i o ni si n t r o d u c e da n d d e s i g n e d Aw i d er a n g eo f t h eb r a n c h i n g r a t i oC a na l s ob ea c h i e v e df o rt h ea s y m m e t r i c c a s e U s i n g s u p e r m o d et h e o r y , Ic o m p a r e d t h ed e s i g nr e s u l t so fd i r e c t i o n a lc o u p l e rb ym e a n so f2 Dm o d ea n d 3 Dm o d ea n dd e s i g n e d3 d Bd i r e c t i o n a lc o u p l e ru s i n g3 DB P Ma n dc o u p l em o d et h e o r y I no r d e r t od e s i g nw a v e l e n g t hi n s e n s i t i v ep o w e rs p l i a e rb a s e do nS O l ，t h ew a v e l e n g t hc h a r a c t e r i s t i co f M a c h Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fB P Ma n dF D M ( f i n i t e - d i f i e f e n c e m e t h o d ) T h e nt h ep a r a m e t e r so fM a c h - Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rw e r eo p t i m u md e s i g n e du s i n g g e n e t i ca l g o r i t h m B e s i d e s ，g e n e t i ca l g o r i t h mi sa l s ou s e d t oo p t i m i z et h eu p p e rt i e rp a r a m e t e r so f M Z lb a s e ds i l i c a - o n s i l i c o nt oa t t a i naf i a ts p e c t r a lr e s p o n s e + T h e s e c o n d p a r t o f t h i s t h e s i s i s f o r t h es t u d yo f f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g i e s o f o p t i c a l w a v e g u i d e d e v i c e s T h et e c h n o l o g i e sIe x p l o r e dc o n s i s to f p h o t o l R h o g r a p h yt e c h n o l o g y , L i f t - o f f l i t h o g r a p h y p r o c e s s ，t e c h n o l o g y o fg r o w i n gs i l i c o nd i o x i d ef i l m s u s i n gS o l G e lc o a t i n gt e c h n i q u e ，a n d f a b r i c a t i o no fN a - - K + i o n - e x c h a n g e dg l a s sw a v e g u i d e I nt h i st h e s i s t h ee x p e r i m e n tp r i n c i p l e s w e r ei n v e s t i g a t e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r eg i v e na n dd i s c u s s e d K e y w o r d s ：C o u p l e r ；O p t i c a lw a v e g u i d e ；B e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( B P M ) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光通讯发展的现状及展望 1 1 1 光通信技术概况 自“电通信”问世以来，同轴电缆便独占鳌头，成为信息传输的主力，但其 通信容量有限，当今最先进的同轴电缆载波通信系统也只不过是“万线系统”( 即 同时只允许l 万多对用户通话) 而己。无线电中波与短波可以传递声音，微波可 以传递图像，然而，它们的频率远远不能适应人类对信息量的传输需求。为了寻 找通信快车道，人们把触角伸向了比无线电短波、超短波和微波频率更高的光波 波段，于是现代光通信应运而生。激光是最理想的光通信光源，它频率极高，颜 色极纯，射向极好。光纤则是合适的传光介质。1 9 6 6 年7 月，英籍华人科学家 高琨集同行们研究之大成，提出了利用光导纤维( 简称光纤) 传递信息的设想。 1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司拉制出了世界上第一根可供实用的光纤，实现了高琨 的预言，产生了通信史上场化时代的变革，高琨也由此享誉“光纤通信之父” 的美称。 光纤是一根头发丝般的玻璃丝，携带信息的激光束就在它的纤芯中传播。如 今光纤通信干线已遍布世界。光纤通信技术具有许多非凡的特性。概括说，主要 体现在通信容量大、传输速率高、通信稳定、保密性能好、能节省大量非常昂贵 和稀有的有色金属、通信距离远、线路寿命长等方面。 光纤通信一经问世，就以其优异的性能博得使用者们的青睐。光纤通信的用 途非常广泛。诸如电话局之间的联线( 中继线) ，建立大容量通信干线和高速数 据传输以及卫星、微波地面信号引接( 即将卫星、微波信号在地面进行远距离传 输) 等都可一显身手，大有替代电缆通信之势，传递宽频带高速率的图像信号则 非它莫属。在过去的1 0 年里，光传输速率提高了1 0 0 倍，预计在未来的1 0 年里 还将提高1 0 0 倍左右。目前I P 业务呈指数式增长，对光通信的发展带来了新的 机遇和挑战。 由于光纤的最大优点在于它具有传输长距离、大容量信息无可比拟的潜在能 力，又由于电子技术延伸至光子技术研究，显示出光予有很多优点可以发掘利用， 光纤通信利用光子技术将有无可限量的发展前途，因此，人们对光纤通信技术最 近阶段进展的注意力将集中于如下几方面：( 1 ) 、密集波分多路( D W D M ，d e n s e 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 ) 。【1 - 1 1 - 4 ( 2 ) 、宽带光纤放大器( E D F A ，e r b i u md o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) 。 1 5 1 7 】( 3 ) 、非零色散单模光纤( N Z D F ，n o nz e r od i s p e r s i o n f i b e r ) 。 1 _ 8 1 9 】( 4 ) 、光子器件阵列集成( P I C ，p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 。 浙江大学硕士学位论文 1 1 0 1 11 】( 5 ) 、光时分多路( O T D M ，o p t i c a l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) 。【1 1 2 1 1 6 ( 6 ) 、全光通信网( A O N ，a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 。【1 一l 弘l - 2 0 】 需要指出的是，现在的光纤通信实际上还不是真正意义上的光通信，只是一 种“电光通信”或者叫“半光通信”，因为在通信过程中要有电信号的参与，要 有电信号与光信号的相互转换。在“声电互变、电光互变”的通信系统中，光束 只是在光纤中传播，通信两端仍是电信号在起作用。此外，光束沿光纤传输时， 难免要产生能量衰耗，因此在沿途要对光转换成电信号，对电信号进行放大处理， 再用放大后的电信号去控制光信号，继续送往下游光纤。实现“全光通信”不是 一件一蹴而就的事，在技术上要解决一系列问题。首先，要找到一种适合于进行 全光传输的通信方式；其次，要研制、生产出能让各种“非电”信号( 例如话音、 图像等) 直接转换成光信号和将光信号直接还原成“非电”信号的器件；第三， 要有能对光信号直接进行放大以补偿光能对光信号进行存储、处理的物件等。伴 随着科学技术的发展，诸如此类的问题都已得到了相应的解决。在实现实用化的 光通信方式方面，“掺铒光纤放大器”的研制成功，一改以往对沿光纤传播的信 号进行中继放大时需要经历“光变电电放大电变光”过程的局面，使信 息存储技术进入一个崭新的阶段。 1 1 2 波分复用全光通信光纤网的发展是必然趋势 随着信息时代的到来，对于通信的需求量迅速增长。虽然电话仍是基本的通 信方式，然而近年来众多用户对信息业务的需求远远不止与此。用户终端不仅安 装了电话机，还可能有个人计算机。用户不仅需要计算机数据( d a t a ) 通信，还 需要图像和可视( v i d e o ) 通信甚至需要由语音、文本、图像等几种信息紧密配 合一起的多媒体( m u l t i m e d i a ) 通信，这些都属于宽带和高速数据通信。最近又 有众多的用户需要I n t e r a c t 上网，得到电子信函( E m a i l ) 和信息浏览等新型通 信便利。总之，近年的明显迹象是广大用户对通信容量的需求急剧上涨，估计今 后还会继续有上涨势头。传统的电通信扩容方法是采用空分复用( S D M ) 和时分复 用( T D M ) 。光纤通信中采用空分复用方法就是铺设铺设新的光纤以承担新增的通 信业务量。但挖掘路面、敷设地下管道和在已有的管道内加设新的光缆，都需要 大量人力和物力，如在地下和海底每海里的光缆安装费用约在5 万到1 0 万美金， 都不是轻而易举的事，不能草率决定。采用T D M 方法就是提高每根光纤的传输 速率，例如在长途干线上，按照S D H 标准，最高数字速率的系列为2 5 G b s 和 1 0 0 b s ，虽然有报道说将来最高可商达4 0 G b s ，但这些由电的十分多路( ) M ) 组成的数字脉冲群在线路上传输，如数字速率高、脉冲宽度窄，将受到光纤本身 的偏振模色散特性( P M D ，p o l a I i z a l i m o d ed ! s p e r s i o n ) 的限制。因此，每根光 纤的传输容量，如仅依靠电的T D M 技术，已经日益接近硅和镓砷电子技术的极 限，目前以1 0 G b s 为限度，很难再有所提高。 2 浙江大学硕士学位论文 更好的办法是利用光纤传输窗口较宽的特点，在同一低损耗、低色散的窗口 内，几路有足够间隔的不同波长的光载波，各自载荷一定数字速率的信息，同时 沿一根光纤向前传输。这是光的波分多路( W D M ，w a v e l e n g t h d i v i s i o n i n u l t i p l e x i n g ) 技术，每根光纤同时传输多路光载波，而每一根光载波各自载荷由 电的时分多路( T D M ) 组合的数字速率。所以，这个办法是光的W D M 和电的 T D M 两种技术相组合。对于n 路W D M ，一根光纤总的传输数字速率将是每路 数字速率的n 倍。例如每路传输T D M 的数字速率降为2 5 G b s ，现在利用8 路 W D M ，则一根光纤同时传输的数字速率将为8 2 5 = 2 0 G b s 。显然，光纤使用 W D M 技术，是发掘利用现有光纤的潜在带宽能力，提高通信线路的传输容量， 适应市场急剧增长的需要的最好办法。这正是今年来通信领域中W D M 技术在光 纤线路上快速推广应用的原因。实践证明，密集波分多路( D W D M ，d e n s eW D M ) 在长途干线的应用中取得了显著效果，准备继续加快、加多建设。同时，市内通 信的局间线路使用W D M 也很有利。而且，W D M 技术引申至通信网内部，很可 能促使全光通信网的实现。 A D W D M 在长途干线应用效果显著 长途主干线路是通信业务量最集中的线路，毫无疑问，它们必然利用光纤光 缆，因为光纤具有低损耗和巨大带宽能力的无比优越性。长途干线总是选用单模 光纤，工作波长1 5 5 u r n 。在这一波长的传输窗口，约1 5 0 0 一1 6 0 0 n m ，即宽度1 0 0 n m 以内，光纤损耗最低，O 2 d B k m ，光纤色散可以设法降低2 p s u m k m ，但不为零。 在这样的波长窗口内，可以选用多路互相间隔的不同波长的光载波，实现W D M 非常适宜。在实际上，4 路、8 路的W D M 是不难实现的。如果邻近波长的互相 间隔很近，例如I r m a ，就可能设置路数很多的W D M ，例如3 2 路，这就成为密 集波分多路( D W D M ，d e n s eW D M ) ，光纤的传输容量更大。而且，非常重要的 是在这波长1 5 5 0 n m 附近3 5 n m 宽度范围内的各种波长，能够同样得到同一光纤 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 ) 提供的功率增益约4 0 d B 。长途干 线如果沿线每隔一定长度，例如8 0 一1 2 0 k i n 设置这样的光纤放大器，可以延长 线路传输总距离至成千上万公里。这样的E D F A 经过技术改进，可以扩大增益特 性的宽度，就是说，它可以在波长1 5 5 0 n m 附近8 0 n m 宽度范捆内提供同样的功 率增益。这样就成为宽带光纤放大器( W E D F A ，w i d e - b a n dE D F A ) 。而在这8 0 n t o 波带宽度范围内，有可能安排邻近波长间隔为O 8 n m 、共约1 0 0 路的D W D M ， 合用同一个W E D F A 。 上面说的3 2 路D W D M 连同3 5 r i m 宽度提供增益的E D F ：A ，已经开始在长途 干线上实际应用，每路光载波的T D M 数字速率为1 0 G b s ，一根光纤3 2 路D W D M 总的数字速率达到3 2 x1 0 = 3 2 0 G b s ，这样的容量实际应用于长途干线的距离已 经达到6 4 0 k i n 。上面提到1 0 0 路D W D M 连同8 0 n m 宽度提供增益的W E D F A ， 浙江大学硕士学位论文 目前还处于实验室阶段，如每路载荷T D M 的数字速率为1 0 G b s ，即1 T b s 。这 是电的T D M 于光的W D M 结合使用的典型例子，是发掘光纤潜在带宽能力和有 效提高线路传输容量以适应市场对通信业务量急剧增长的好办法，估计这办法一 定会继续推广应用。 传统的单模光纤原来选用1 3 l u m 为工作波长，因而设计制造光纤时指定在 1 3 l u m 出现零色散，0 p s n m k m 。后来为了在光纤上加装W D M ，还要使用E D F A ， 决定改用1 5 5 u r n 为工作波长。这是最低损耗波长0 2 d B k r n ，对传播有利，但这 波长的光纤色散较大，对长途传输不利。于是在制造时改变设计，对波长1 5 5 u r n 既是低损耗，又是零色散。就是说，改变光纤设计，使零色散波长从1 3 l u m 移 位至1 5 5 u r n ，称为“色散移位光纤”( D S F ，d i s p e r s i o ns h i f t e df i b e r ) 。然而，在 使用W D M 和E F D A 时，发现E D F A 的高功率时光纤出现非线性，尤其是四波 混频( F W M ，f o u rw a v em i x i n g ) 是W D M 出现路际串扰，非常不利。又发现如 有小量光纤色散，却对遏制非线性起作用。于是立即否定零色散移位至1 5 5 u r n 的D S F 设计，重新考虑减少1 5 5 u r n 附近光纤色散至较小值，例如0 2 p s n m k m ， 但不是减小至零的新设计，称之为“非零色散光纤”( N Z D F ，n o n z e r o d i s p e r s i o n 矧) c r ) 由此，长途干线如敷设新光纤，宜于考虑使用N Z D F ，加装D W D M 和 W E D F A ，这是最理想和完善的方案。采用多少路的D W D M ，在设计确定后却不 必把全部设备一次装好，而是可以考虑分期加装，例如今年先装几路，明年加装 几路等等，实际上这也是波分多路系统的特点。如果地下管道中的光缆尚有若干 根光纤没有用过，它们俗称“暗光纤”( d a r kf i b e r ) ，这些光纤应能加装 W D M D W D M 系统，但因这些光纤是过去敷设的传统单模光纤，即零色散特性 出现在波长1 3 1 u m ，而在波长1 5 5 u r n 中却存在过大的光纤色散，所以加装W D M 之前应先采取必要的色散补偿措旅( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ) 上面讲到了电的T D M 本身强求提高数字速率有困难，也许暂以1 0 0 b s 为限 度，但电的T D M 与光的W D M D W D M 结合使用是很适宜的，可能大大发掘光 纤潜在带宽能力和提高光纤传输容量，以致试验报道达到1 T b s 的好成绩。这里 不能忘记光的T D M ( O T D M ，o p t i c a lT D M ) ，它利用很窄的脉冲，例如飞秒( f s ， f e m t os e c o n d ，1 0 - 1 5 S ) 脉冲，可以实现很高的数字速率。根据最近国际学术会议 报道，O T D M 也有单位积极研究实验。如果技术难度得到妥善解决，也可能与 光的D W D M 结合使用，成为提高光纤传输容量的又一有效途径。 B W D M 在市内局间线开始实际应用 虽然W D M D W D M 和E D F A 一起在长途干路装置运用很成功，证明这是提 高线路传输容量最经济有效的好办法，但W D M 并没有较早地推广应用于市内通 信网。诚然，市内网的局间线路( i n t e r o f f i c el i n e ) 也是集中传输众多用户不断上 浙江大学硕士学位论文 涨的通信业务量，因用户倾向于高速数据和宽带视频信息的应用和I n t e m e t 上网， 以致局间线路传输数字速率快速增长，但市内局间线路的平均长度比长途线路段 的多，市内与长途两者情况不完全类似。 市内电话局为了建设长期需要的局间线路和用户接入线路，曾经做过全面规 划，在城市范围内密布较多的地下管道，敷设一定数量的铅包电缆和光纤光缆。 如果现在由于通信业务激增，原于敷设在地下管道光缆中的光纤不够使用，那就 应该查明有无空余的地下管道，加设单模光纤的光缆，这是市内网适应通信业务 量迅速增长最切合实际的办法。只有在没有多余地下管道、无法加设光纤的情况 下，才在原有的单模光纤考虑提高这根光纤传输容量的方案。这就是在原有单模 光纤采用电的T D M 与光的W D M 相结合的方案，例如T D M 利用至2 5 G b s ，而 W D M 利用4 路至8 路作为开始( 有人说W D M 系统的一路波长相当于一根“虚 拟”光纤( v i r t u a lf i b e r ) ，这也未尝不可) ，但这样利用的光纤必须是单模光纤， 不能是多模光纤，并且于必要时采用色散补偿措施。 在大城市，往往有许多大企业单位，其总部设在某一个市内交换局所辖地区 内，但它的分支办事机构散布于其他几个交换局地区内，总部与分支机构之间需 要频繁和密切的通信联系，随时能够互相通信，而且有一定的通信业务量。对于 这种情况，大企业单位希望向市话网运营者租借若干局间线上W D M 系统的一个 波长，供他们每天2 4 小时专用。这就是说，企业单位原来准备向市话网租用光 纤专线，现在可以用局间线上租借专用波长，构成虚拟的专用网，这对于企业和 市话网运营者都显得比较经济合理。另外，在现代的市内通信网，常常含有很多 的光纤环形网( r i n g ) ，它们原来是1 ：l 的工作保护光纤，现在这种环形网的每 一根光纤上用了W D M 系统，可以容许n 路工作波长有1 路保护波长，当任一工 作波长遇到故障而不能工作时，立即有那一路保护波长接替，保持工作运行正常。 在市内网的用户接入线部分，也有可能考虑W D M 的应用。最明显的是在“光纤 连至大楼”的场合( F T T B ，f i b e rt ot h eb u i l d i n g ) ，大企业或大的行政管理单位在 一幢大楼或一个地区内有许多部门一起工作，这些企业或单位连网市内交换局的 通信业务量，各部门总加起来必然有很高的数字速率，而且逐年迅速增长。由此， 这些办公大楼连往市内交换局的光纤接入线上装用W D M ，即采取T D M 与W D M 结合使用的办法是很合适的。另外，市内交换局连往一群用户的线路，如果利用 “无源光纤网”方案( P O N ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ，那也可以考虑装置W D M ， 由不同波长通往不同用户，可以确保用户通信的安全性。 C W D M 可能促使全光通信网成为现实 本文前面讲到W D M D W D M 在长途干线和市内局间线的各种应用，都是指 “点对点”的光纤传输线路上装有波分多路系统，相信它们有极其美好的发展前 途，将对“信息高速公路”发挥重大作用。实际上，近年又进一步认识到，W D M 浙江大学硕士学位论文 技术可能有利地推向“组建光网”( o p t i c a ln e t w o r k i n g ) ，典型的研究试验称为“多 波长光网”( M O N E T ，m u l t i w a v e l e n g t h o p t i c a ln e t w o r k ) ，目标则是“全光通信网” ( A O N ，a l lo p t i c a ln e t w o r k ) ，这应该说是很有意义和有广阔前途，而且有把握做 成的课题。 光信号与电信号相比有明显的优势，宽带性能就是光的特点。既然在传输线 路方面光纤战胜了铜线，人们自然地联想到，在广大的通信网内部，有无可能由 光完成各种必要的过程，不再利用的电呢? 过去一段时问曾经有人研究“光子开 关”( p h o t o n i cs w i t c h i n g ) 和光计算，以替代传统的电子开关，但因没有显示预 测的效果而暂作罢论。现在，波分多路技术在点至点系统已得到充分肯定，当带 有多路不同波长的光纤连接通信网时，各个不同光波长的信号是否可以不需要转 换为电信号，而在网内由光波长选寻路由和进行交换呢? 这就是当今“组建光网” 研究课题的主要内容，有不同的光波长在通信网中完成备种必要的过程，不在通 信网中实行光电转换，通信网是透明的。 在组建光网时，首先要设计和装配几种关键性的“光网单元”( n e t w o r k e l e m e n t s ) 。主要是波长路由器( w a v e l e n g t hr o u t e r ) ，光插分合波一分波器 ( O A D M ，o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) ， 1 - 2 1 1 - 2 3 波长交叉连接或光交叉连接 ( O X C ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) ，【l - 2 4 1 2 5 】波长转换器( w a v e l e n g t hc o n v e r t o r ) 等等。 可见，这些光网单元都与光波长有直接关系，W D M 技术是未来全光网的灵魂。 当然，除了硬件以外，还有软件控制操作，以及光网的运行、管理和维护( O A M ， O p e r a t i o n ，A d m i n i s t r a t i o n & M a i n t e n a n c e ) 【1 - 2 6 等等，都要配合研究。先由少数 几家实际较强的研究单位完成小规模试验网，加以严格考核，决定是否能够达到 实际应用的目的。接着，制定技术标准也有国际组织跟上。我们满怀信心，希望 看到“全光网”能够真正取得成功和实际应用，这是现代通信技术的大跃进。 D D W D M 的研究进展 B e l lL a b s 报道沿4 0 0 k m 长的N Z D F 上传输1 0 0 路D W D M ，每路1 0 G b s ，总 容量1 T b s 。与两年前相比，一根光纤传输的总容量没有加大，仍为1 T b s ，但线 路路用了6 段N Z D F ，总长4 0 0 k m ，文章声称这是第一条长途D W D M 传输系统， 可供陆地主干通信线路应用。文章表明，为了加多D w D M 的路数以获得更大的 传输容量，必须具备增益平坦的宽带光纤放大器。这个试验把1 0 0 路分成两组， 其中6 0 路占用波带从1 5 3 6 6 r i m 至1 5 6 0 2 n m ，另外4 0 路占用波带从1 5 6 9 4 m u 至1 6 0 1 4 m u 。所用N Z D F 对工作波长保持小量的正色散，以防至非线性四波混 频引起路际不良影响，但总长度保持较低色散，仍需要适当加用色散补偿光纤 ( D C F ) 。 1 2 7 l 3 1 】 N T T 的文章报道了沿6 0 0 k i n 传输5 0 路D W D M ，每路2 0 G b s ，总容量1 T b s 。 这个试验把5 0 路分成两组，其中2 0 路占用波带1 5 4 3 0 n m 至1 5 5 8 3 n m ，另外3 0 6 塑垩查堂堡主兰堡堡奎 一 。 路占用波带从1 5 7 3 ，7 r i m 至1 5 9 8 0 r i m 。前波段用一只E D F A ，后波段用增益位移 ( G S , g a i ns h i f l e d ) 的E D F A 。这个试验利用色散移位光纤( D S F ) ，也用到色散 补偿光纤( D C F ) 。这个试验的特点是每路光载波的调制信号虽然也是使用电的 时分多路( E T D M ) ，但得到较高数据速率2 0 G b s ，高于目前大多数是试验所用 的1 0 G b s 。N T T 于1 9 9 8 年报道了另一种D W D M 系统试验，是2 8 路，每路1 0 G b s ， 总容量2 8 0 G b s ，在色散移位光纤( D S F ) 上传输3 2 0 k m 。 B e l lL a b s 又报道了3 0 路D W D M 短距离试验，每路调制信号是由光的时分 多路( 0 T D M ) 组合，数据速率高达4 0 G b s ，总容量达1 2 T b s ，这是迄今大容 量传输的最高记录，但没有进行长距离传输试验，仅仅沿非零色散光纤( N Z D F ) 传输8 5 k m 。 关于W D M 中等大容量，即1 0 0 G b s 5 0 0 G b s 和长距离，即几百公里的试验， 有几篇报道。A T & T 和意大利联合进行8 路W D M 长距离试验，一是每路2 0 9 b s ， 总容量1 6 0 G b s ，传输3 1 5 k i n ，二是每路1 0 G b s ，总容量8 0 G b s ，传输4 8 0 k m ， 都是利用常规单模光纤，每段8 0 k m ，用色散补偿。M C I 和意大利联合进行4 路 W D M 长距离试验，每路1 0 G b s ，是利用色散管理的光孤子沿常规单模光纤传输 4 5 0 k m 。N T T 报道4 路W D M 长距离试验，每路4 0 G b s ，总容量16 0 G b s ，沿零 色散平坦传输线路1 7 0 k m ，没有色散补偿。 还有w D M 中等大容量和超长距离、准备用于越洋海底光缆的试验。B e l l L a b s 和T y c o 进行的试验是6 4 路W D M ，每路5 G b s ，总容量3 2 0 G b s ，用归零 信号沿色散移位光纤传输，并且邻近各路利用正交偏振，总距离7 2 0 0 k i n 。K D D 的试验是2 0 路W D M ，每路1 0 G b s ，总容量2 0 0 G b s ，用色散补偿器，传输总距 离为9 0 0 0 k m 。 综上所述，所谓W D M 技术就是为了充分利用单模光纤的低损耗区带来的巨 大带宽资源，采用波分复用器( 合波器) ，在发送端将不同波长承载不同信息的 光载波分开的复用方式。其主要特点是： 1 ) 可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长的传输 增加几倍、几十倍甚至上百倍。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱区 ( 1 3 1 0 n m - 1 5 5 0 n m ) 极少的一部分。即使全部利用掺铒光纤放大器( E D F A ) 的 放大区域( 1 5 3 0 n m 1 5 6 5 n m ) ，也只是占用其带宽的l 6 左右。W D M 技术可以充分 利用1 3 0 0 n m 1 6 8 0 n m 全波单模光纤的巨大带宽( 约5 0 T H Z ) 来扩大传输容量。 2 ) 使N 个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以节约大量 的光纤，另外，对于早期安装的芯数不多的光缆，利用波分复用技术可以不必对 原有系统做较大的改动，进行扩容比较方便。 3 ) 与同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号， 完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及P D H 信 浙江大学硕士学位论文 号和S D H 信号的综合与分离。 4 ) 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制的方式无关。在 网络扩容和发展中，是理想的扩容手段，也是引进宽带新业务( 例如C A T V 、 H D T V 和B I S D N 等) 的方便手段。通过增加一个附加波长即可引入任意想要 的新业务或新容量。 5 ) 利用W D M 技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的，具 有高度生存性的光网络。 在这样的背景下，波分复用器件成为目前光通信研究的前沿和热点之一。 1 2 本文工作 本文主要分为两大部分：平面波导光耦合器的设计与模拟和光波导器件的制 作工艺。 关于平面波导光耦合器部分首先建立了耦合器的设计平台束传播B P M ( B e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ) ，并且对B P M 的精度，尤其是在边界处理上作了一 番研究，有了一个强壮的设计工具。设计的耦合器有：( 1 ) 用3 D B P M 设计了I x 8 离子交换玻璃波导型的M M I 耦合器( 2 ) 在引入多模干涉区的基础上设计了低损 耗Y 分支耦合器。( 3 ) 讨论了3 d B 定向耦合器的具体设计过程，并给出了计算实 例。( 4 ) 提出了用遗传算法来设计基于M a c h Z e h n d e r 的波长平坦功分器的设计 思路，给出了波长特性曲线。 关于光波导器件的制作工艺部分主要探讨了超净室的常用工艺，主要有：f 1 ) 总结了影响光刻实验的因索，分析了实验数据。( 2 ) 详细总结了剥离法( L i f t o f f ) 光刻工艺，并提出采用剥离胶代替实验困难的负胶来使用。( 3 ) 介绍了用钨丝蒸 发制备铝掩模的方法。( 4 ) 用溶胶凝胶法( s o l g e I ) 制备二氧化硅膜，分析了实验 结果。( 5 ) 讨论了硅片v 型槽的制作方法，比较了两种掩模的方法。( 6 ) 介绍 了离子交换玻璃波导的性质，讨论了制作实验和退火实验的结果，分析折射率分 布曲线。 8 塑坚查堂堡圭兰垡堡壅 第一章参考文献 【1 1 1 5 0 c h a n n e ls u p e r c o n t i n u u mC Wo p t i c a ls o u r c ew i t hh i g hS N Ra n dp r e c i s e2 5G H z s p a c i n gf o r1 0G b i t sD W D M s y s t e m s ”，Y a m a d a , E ；T a k a r a , H ；O h a r a , 下；S a t o ，K ；M o r i o k a , T ； J i n g u j i ，K ；l t o h ，M ；I s h i i ，M E l e c t r o n i c sL e t t e r s ，V 0 1 3 7I s s u e 5 ，2 0 0 1 ，P P 3 0 4 - 3 0 6 1 - 2 D y n a m i cg a i ne q u a l i z a t i o nf o rn e x t g e n e r a t i o nD W D M t r a n s p o r ts y s t e m sT o m l i n s o n ”，W J A d v a n c e dS e m i c o n d u c t o rL a s e r sa n d A p p l i c a t i o n s U l t r a v i o l e t a n dB l u eL a s e r sa n dT h e i r A p p l i c a t i o n s U I t r a l o n gH a u lD W D M T r a n s m i s s i o na n dN e t w o r k i n g C W D MC o m p o n e n t s ，2 0 0 1 D i g e s to f t h eL E O S S u m m e r T o p i c a l