（光学专业论文）光学梳状滤波器技术研究.pdf

摘要 摘要 波分复用技术( w d m ) 对于光通信技术的发展起到了巨大的推动作用，以 d w d m 技术为核心的光传送网将成为电信网的主要传送平台。在密集波分复用 技术中，随着信道复用密度的提高，一种薪型光器件一一光学梳状滤波器 ( i n t e r l e a v e r ) 应运而生。本文对实现光学梳状滤波器的几种主要技术方案进行 了较为深入的理论分析，对m g t i 型光学梳状滤波器进行了实验研究，取得了较 好的结果。 1 、分析了m g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器的基本原理，讨论了输出光谱参数和 设计参数之间的关系，获得了实现矩形化光谱的最佳设计参数；根据d w d m 系 统的实际要求，具体给出了信道阳j 隔为5 0 g h z 的m g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器设 计参数及其误差分析；从多镜f p 腔光谱特性出发，讨论了g t 腔的特性，进而 分析了m g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器的色散特性：理论结合实验，分析了i n t e r l e a v e r 滤波器中偏振分光镜偏振效应对器件隔离度的影响。 2 、设计了信道间隔为5 0 g h z 的m g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器，获得了该滤波 器的原型器件；实验得到了该器件在c 波段两组交错分波的矩形化光谱，其纹 波小于0 1 d b ，通过对器件时延的测量，间接获得了其色散特性；首次提出m f p i 型不等带宽5 0 g h z 的i n t e r l e a v e r 滤波器技术方案。 3 、分析了p b i 型i n t e r l e a v e r 滤波器的基本原理，给出了一种p b i 型i n t e r l e a v e r 滤波器结构；设计了5 0 g h z 光学梳状滤波器，实验得到了该器件两组交错分波 类余弦输出光谱；采用不同光程差的晶体级联方案，实现了输出光谱平顶化。 4 、分析了f m z i 型i n t e r l e a v e r 滤波器的工作原理，其输出光谱曲线为类余 弦函数；采用级联f m z i 方案，实现了i n t e r l e a v e r 滤波器的光谱平顶光谱输出；最 后，基于偏振光干涉和多光束干涉原理，分析了b g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器工作 原理，模拟了g t 腔部分反射系数r 与输出光谱的关系，获得了5 0 g h zb g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器平顶化输出光谱。 关键词：光学梳状滤波器；密集波分复用器；光器件；滤波器 中国科学院博十学位论文：光掌梳状滤波器技术研究 a b s t r a c t w d mh a sp r o m o t e dg r e a t l yt h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s o p t i c a l n e tb a s e do nw d m t e c h n o l o g yw i l lb e c o m e t h em a i n t r a n s m i t t i n gf l a tr o o f i nt e l e c o m i n e t i nw d m w i t h i n c r e a s i n g t h ec h a n n e l d e n s i t y an e w k i n do f o p t i c a l c o m p o n e n t ，i n t e r l e a v e r , e m e r g e s a s t h et i m e s r e q u i r e i n t h i s p a p e r , s e v e r a l m a i n i n t e r l e a v i n gt e c h n o l o g i e s a r e a n a l y z e dq u i t ed e e p l y , a n d m g t ii n t e r l e a v e ri s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , o n ep r o t o t y p ed e v i c ew i t l l b e t t e re x p e r i m e n tr e s u l t si s a c h i e v e d 1 t h ep r i n c i p l e so fm g t ii n t e r l e a v e ri s a n a l y z e d t h r o u g hd i s c u s s i n g t h e r e l a t i o no fi t so u t p u t s p e c t r ac h a r a c t e r sa n dd e s i g np a r a m e t e r s ，w eg e ts u c c e s s f u l l yt h e b e s t d e s i g np a r a m e t e r sa n dr e c t a n g l ei n t e r l e a v e ds p e c t r a ；t h i n k i n g o v e rp r a c t i c a l r e q u i r e m e n to fw d ms y s t e m ，t h ed e s i g np a r a m e t e r so f 5 0 g h zi n t e r l e a v e ra n dt h e i r e r r o r sa r ep r e s e n t e dc a r e f u l l y ；a c c o r d i n gt ot h es p e c t r a lf u n c t i o no f f pi n t e r f e r o m e t e r w i t hm u l t i m i r r o r , w ed i s c u s st h es d e c t r ac h a r a c t e ro fg tr e s o n a t o r , a n da n a l y z et h e d i s p e r s i o no fm g t ii n t e r l e a v e r ；t h e e f r e c to ft h ep o l a r i z a t i o ne f f e c to fs p l i t t e ro n i s o l a t i o no f m g t ii n t e r l e a v e ri sa n a l y z e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y 2 t h ei n t e r l e a v e rw i t hc h a n n e ls p a c i n go f5 0 g h 2i sd e s i g n e da n dp r o t o t y p e d e v i c ei sa c h i e y e d w et e s te x p e r i m e n t a l l yt h ei n t e r l e a v e ds p e c t r u mi nt h ec b a n d w h i c hi s r e c t a n g l ew i t hr i p p l eo fl e s st h a n0 1 d b a n dt h r o u g hm e a s u r i n gi t st i m e d e l a y 。w eo b t a i nt h ec h a r a c t e ro fi 招d i s p e r s i o n an o v e la r c h i t e c t u r eo f5 0 g h z m f p i i n t e r l e a v e rw i t hd i f f e r e n tp a s s b a n dw i d t h si sp u tf o r w a r da tf i r s t 3 1 1 1 ep r i n c i p l eo f t h ei n t e r l e a v e rb a s e do nt h ei n t e r f e r e n c eo f p o l a r i z e dl i g h ti s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a n dt h ei n t e r l e a v e ra r c h i t e c t u r eo ft h i s k i n di s p r e s e n t e d a 5 0 g h zi n t e r l e a v e ri sd e s i g n e da n dt h et w os e r i e so fi n t e r l e a v e ds p e c t r u ml i k ec o s i n e f u n c t i o ni so b t a i n e de x p e r i m e n t a l l y ；b yu s i n gt h et a n d e mo ft w ob i r e f f i n g e n tc r y s t a l s w i t l ld i 航r e n to p t i c a lp a t hd i f f e r e n c e ，w eg e tt h ef l a t t o ps p e c t r u n l 4 t h e p r i n c i p l e o ft h ei n t e r l e a v e rw i t h o u t p u ts p e c t r a s i m i l a rt oc o s i n e f u n c t i o n ，b a s e do n m z i ，i sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y b y u s i n g t h e t a n d e m o f t w o m z i s ， w eg e tt h ef l a t t o ps p e c t r u m ；l a s t ，g r o u n d i n go nt h ep o l a r i z e dl i g h ti n t e r f e r e n c ea n d n l u l t i b e a mi n t e r f e r e n c e w ea n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fb g t ii n t e r l e a v e r , a n ds i m u l a t e t h er e l a t i o n sb e t w e e n o u t p u ts p e c t r aa n dr e f l e c t a n c eo f g tr e s o n a t o r f u r t h e r m o r et h e f l a t t o po u t p u ts p e c t r u mo f b g t i i n t e r l e a v e ri sa c h i e v e d k e y w o r d s ：o p t i c a li n t e r l e a v e r ；d w d m ；o p t i c a ld e v i c e ；f i l t e r i i 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责 任。 一 茎皇丝羔塑童 w d m d w d m a w g f b g a p d p i n e t d m e d f a o a d m f - p g t m g t l b g t i m f p i l t u t f m z i c p c p c o s a b s p b s h w p p r c p b i 英文缩写词表 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 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 i n g a r r a y e dw a v e g u i d eg r m i n g f i b e rb r a g g g r a t i n g a v a l a n c h ep h o t od e t e c t o r p - i n t r i n s i c n t y p e e l e c t r o n i ct i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r f a b r y p e r o t g i r e s - t o u r n o i s m i c h e l s o n - g i r e s t d u m o i s i n t e r f e r o m e t e r b i r e f f i n g e n c e - g i r e s - t o u r n o i s i n t e r f e r o m e t e r m i c h e l s o n f a b r y - p e r o t i n t e r f e r o m e t e r i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n - t e l e c o m f i b e rm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r c r y s t a lp o l a r i z o r c r y s t a lp o l a r i z o rc o l l i m a t o r o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r b e a m s p l i t t e r p o l a r i z e db e a ms p l i t t e r h a l f w a v e l e n g t hp l a t e p h a s er e t a r d a t i o nc r y s t a l p o l a r i z e db e a m si n t e r f e r o m e t e r 第审绪论 1 1 光纤通信的发展史 第一章绪论 在整个光纤通信的发展过程中，可将光纤通信的发展大致归纳为下面四代。 第一代光纤通信的工作波长8 5 0 n m 附近，属短波长波段，传输光纤用多模 光纤。光源使用砷化铝镓半导体激光器，光电检测器为硅材料的半导体p i n 光电 二极管或半导体雪崩光电二极管( a p d ) 。这一代光通信以1 9 7 7 年美国亚特兰大 进行的码速率为4 4 7 3 6 m b i t s 的现场实验为标志【l j 。 第二代光纤通信的工作波长1 3 1 0 n m 附近，传输用多模光纤1 2 j 。该段属长波 长波段，是石英光纤的第二个低损耗窗l i ，有较低的损耗且有最低的色散。相应 的光源是氏波长i n g a a s p i n p 半导体激光器，光电探测器采用g e 材料。 1 9 8 4 年实现了波长1 3 1 0 n m 附近单模光纤通信系统，是第三代光纤通信1 3 j 。 单模光纤较多模光纤色散低得多，损耗也更小。这一代光纤通信广泛的用于长途 f 线和跨洋通信中。 2 0 世纪8 0 年代中后期又实现了波长1 5 5 0 n m 附近单模光纤通信系统1 4 j ，这 是第四代光纤通信。1 5 5 0 n m 是石英光纤的最低损耗窗口。后来，工作波长为 1 5 5 0 n m 的掺铒光纤放大器的问世，又使这一波长具有更重要的意义。 1 2 光纤通信的发展方向 光纤向保偏光纤方向发展：随着光纤通信系统容量不断增大、中继距离不断 增长，不仅要求光纤的损耗越来越低，而且要求光纤的色散也要越来越小。 光纤通信系统的中继距离越来越长：光纤通信系统的中继距离受光纤损耗和 带宽两个因素的限制，因此，光纤通信系统分为受损耗限制的光纤通信系统和受 带宽限制的光纤通信系统。由于光纤损耗不断降低，光纤带宽不断增宽，使得光 纤通信系统的中继距离越来越长，从十来公里一个中继站发展到，l 百公里一个中 继站。 光纤通信系统向波分复用系统方向发展：波分复用是光纤通信系统中的一种 中国科学院博士学位论文：光学械状滤波器技术研究 特殊复用方式，采用波分复用可以充分利用光纤宽阔的低损耗区域，在不改变现 有的安装好的光纤通信线路的基础上，可以很容易的成倍的提高光纤通信系统的 容量。现在e d f a + w d m 已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光 纤通信技术。在光纤全部可用的巨大带宽资源( 2 5 t h z ) 中，采用单路波长电时 分复用技术( e t d m ) 只利用了其中不到1 ，单路波长的传输速率是有上限的 ( 4 0 g b i t s ) 5 1 ，以e t d m 方式扩容的潜力终究是有限的。采用w d m 技术是有 效利用光纤带宽资源的重要手段，相当丁由串行处理变成并行处理，会几十倍或 几百倍的提高传输容量。 采用w d m 技术具有许多优越性m 例如，利用w d m 技术扩大光纤通信容 量不需要敷设新的光纤线路，降低了网络建设费用；w d m 网络可以随时升级扩 容，以满足用户及未来通信、j e 务的需求；w d m 通信网是一个协议透明、格式透 明、调制方式透明的网络，可以彳i 断地将现有的电网络叠d 口至0 光网络上；将w d m 与掺铒光纤放大器( e d f a ) 组合使用不仅可以提高网络的容量，而且还具有较 高的灵活性和经济性等。 光纤通信系统向相干光通信方向发展：目前大多数光纤通信系统采用的都是 直接探测方式，在相干光纤通信系统中将采用相干探测方式。相干探测方式的最 大优点是能提高光纤通信系统接收机的探测灵敏度。 光纤通信系统向全光通信方向发展：全光通信【7 j 是指所有的信号都是采用光 学的方法进行处理，而不需要把它们变成电信号来进行处理。 1 3 光波分复用解复用器技术理论和新进展 光波分复用器件在超高速大容量波分复用系统中起者关键作用，其性能好坏 对系统传输质量有决定性的影响。对波分复用器件的基本要求是i s 】：插入损耗小、 隔离度高、纹波小、串扰小、色散小、复用路数多等。为了更好的利用掺铒光纤 放大器的增益谱，人们一直在追求更窄的频率间隔。w d m 器件的核心实质就是 色散元件，所有现存的w d m 器件的工作原理都可以归结为干涉滤波或衍射滤 波。w d m 器件按工作原理与制作方法的不同可以分为：熔融拉锥全光纤型w d m 器件【9 , 1 0 1 ，光栅型w d m 器件i i l l ，介质薄膜滤波器型w d m 器件 1 2 , 1 3 , 1 4 1 ，光纤光 栅型w d m 器件【1 5 , 1 6 , 1 7 j ，阵列波导光栅( a w g ) 型w d m 器件 1 8 , 1 9 0 0 i 等。下面介 2 第一章绪论 绍几种典型器件的工作原理、应用范围和研究进展。 1 3 1 介质薄膜滤波器型w d m 器件 介质薄膜滤波器型w d m 器件是利用介质薄膜滤光片与微光学元件及尾纤组 装在一起构成的，如图1 - 1 所示2 1 i 。其基本原理是利用多层介质薄膜对光波的干 涉作用进行光波复用或解复用。该滤光片允许一个特定通道波长的光透过而反射 其它波长的光。其制作方法是在玻璃基底上镀制多层介质薄膜，基底材料和膜料 必须仔细选择，考虑温度匹配，通常选用大膨胀系数的基底，膜层厚度必须精确 控制，通常膜层数为1 0 0 2 0 0 。通过对材料和膜系结构的不同选取设计，可以制 成长波通、短波通、带通滤波器和增益平坦滤波器等器件。这种器件的优点是： 信道数灵活，波长间隔可以不均匀，插入损耗低，带宽较宽，相邻信道隔离度 2 5 d b ，偏振相关损耗低，体积小，温度特性较好( 温度系数 o 0 0 2 n m 。c ) 。 介质薄膜滤波器型w d m 器件是一个很经济的解决方案，技术也十分成熟， 是日前使用最广泛的一种w d m 器件，主要用于4 0 0 g h z 到1 0 0 g h z 频率间隔的 低通道数波分复用系统中瞄l 。但该结构的缺点是：装配所需时间较长，且整个器 件的损耗与成本都与复用的信道数成正比，因此不适合于多信道窄间隔的情况。 据报道，国外目前介质薄膜滤波器通道间隔也已达到5 0 g h z ，国内未见报道 2 9 1 。 输入，输出波导 图1 - 1 介质薄膜滤波器型w d m 器件 f i g 1 1 d i e l e c t r o n i cf i l t e rd w d m 幽1 - 2 a w g 型w d m 器件 f i g 1 - 2a r r a y e dw a v e g u i d e d w d m 1 3 2 阵列波导光栅( a w g ) 型w d m 器件 阵列波导光栅的概念首先是由荷兰d e l f t 大学的s m i t 在1 9 8 8 年提出的2 3 1 ， 其重要的应用价值引起了n t t 公司和b e l l 实验室的关注，研究人员在s i 基波导、 中国科学院博l 二学位论义：光学梳状滤波器技术研究 s i o 基波导、p o l y m e r 波导以及i n g a a s p i n p 基波导等材料上已经研制了彳；同指 标的a w g 器件样品，并开始应用于系统。波导阵列型d w d m 器件工作原理如 图1 2 所示【2 4 】，这种器件采用两个沉基于s i 衬底上的平面星形光栅耦合构成。 星形耦合器的平面波导分别与输入输出波导和阵列光栅( a w g ) 耦合构成1 ：l 成像系统，使衍射光聚焦在输出平面波导的光斑与输入平面波导的相同。连接平 面波导的a w g 由规则排列的波导组成，相邻波导的长度相差固定值，因而产生 的相移随波长而变，这样a w g 的工作类似于凹面衍射光栅。对于在某指定端口 输入的多波长信号被分解到不同的输出端口输出，实现多波长复合信号的分接。 通过合理设计a w g 凹面光栅的形状、间距、输入输出平面波导的位置、间距和 连接两个a w g 的长度，即可实现多波长光信号的分接。图1 2 中两个a w g 的 平面波导中间接入的波片是为降低偏振敏感特性。 阵列波导光栅采用集成光学技术，具有尺寸小、结构紧凑、性能稳定、制作 成本低、大批量生产稳定性好等优点，容易以小体积实现大规模信道复用及解复 用。阵列波导光栅型d w d m 器件频率间隔可以做到5 0 g h z ，并且信道损耗均衡、 信道串扰较小。据报道，l u c e n tm i c r o e l e c t r o n i c s 公司己研发出2 5 g h z 信道间隔 的a w g 型d w d m l 2 “。虽然存在插入损耗较大，偏振相关损耗高，温度稳定性 不好、要求主动温度控制、功率消耗达瓦级等缺点，但对于信道数量很大的 d w d m 系统的应用中，插入损耗较低，占有明显的优势，具有强大的发展潜力。 据文献报道 2 ”，利用a w g 复用解复用的w d m 传输演示实验系统的指标达到 1 0 0 信道，1 t b i t s s 的速率。 1 3 3 熔融拉锥全光纤型w d m 器件 如图1 3 所幂27 1 ，熔融拉锥全光纤型w d m 器件是将两根或两根以上去除覆 盖层的光纤以一定的方法靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区 形成双锥体形式的特殊波导结构，来实现传输光功率的耦合，其耦合系数与波长 有关，所以可以制作成w d m 器件。这种器件多是作为分别在两个窗口上的两波 复用解复用，只适合于复用度低的系统应用，其优点是插损小( o 2 0 ，5 d b ) ，具 有较高的光信号带宽和较高的温度稳定性，易批量生产，成本低。其缺点是尺寸 偏大，路数偏少，隔离度低。 第一苹绪 论 目前，实用化的熔融拉锥全光纤型w d m 器件是两波复用的，复用更多波长 的器件正在试制之中，尚未实现实用化闭。两波复用的该类器件已获得广泛应用， 如粗波分复用通信系统用1 3 1 0 1 5 5 0 n m w d m 器件来扩大通信容量或在原 1 3 1 0 n m 通信系统上丌展新业务；e d f a 泵浦用9 8 0 1 5 5 0 n m 或1 4 8 0 1 5 5 0 n m w d m 器件使e d f a 泵谱光与信号光合波：光学监控系统所用的1 5 1 0 1 5 5 0n m w d m 器 件使i t u - t g 6 9 2 建议的1 5 1 0n m 监控波长和1 5 5 0n m 信号波长合波。 图1 - 3 熔融拉锥型w d m 器件 f i g 1 3 f u s i o n d r i l l e dd w d m 1 3 4 光纤光栅型w d m 器件 t _ b r a g g i 七帮 图1 - 4 光纤光栅型w d m 器件 f i g1 4 f i b e rg r a t i n gw d m 臼从1 9 8 9 年m e l t z 等人用紫外光写入技术制备出第。根实用化光纤光栅以 来，光纤光栅在光电子领域及光纤通信系统中就获得了广泛的应用，其中一个主 要的应用就是基于光纤光栅窄带滤波特性的密集波分复用器。光纤光栅型w d m 器件如图1 - 4 所示，该器件的分光元件是b r a g g 光纤光栅。在低损耗窗口，光 纤是一种无频率选择性的均匀媒质，但当光纤芯径充氢气处理，并在强光干涉谱 照射+ 段时间后，将导致折射率沿轴产生周期性扰动，即形成了光纤光栅。当折 射率的周期性变化满足b r a g g 衍射条件时，相应波长的光就会产生全反射，理论 上，反射率可达1 0 0 ，而且其余波长的光全部透过，相当于一个带阻滤波器。 它的优点是：中心反射波长可以精确控制，反射带宽可以任意选择并且可以做得 很小，具有优异的滤波特性，滤波函数陡峭，与普通光纤连接简便等等，使其在 信道间隔一 2 7 d b ) ，其 传输特性如图1 8 中插图a 所示，利用此i n t e r l e a v e r 滤波器保证相干与非相干串 扰分别在4 0d b 和3 5d b 以下。 在o f c 2 0 0 1 会议上，贝尔实验室的c y r i lh u l l i n 小组，报道了在超越2 0 0 k m 的光纤上第一个d w d m 双向传输演示实验【5 7 1 。利用两个i n t e r l e a v e r 滤波器把光 纤上反向传输的c 波段信道间隔为2 0 0 g h z 的1 6 个波长信号变为间隔为1 0 0 g h z 的信号，符合i t u - t 建议的标准。并且两个i n t e d e a v e r 滤波器把上行下行的信号 各自独立的分开。四波混频、相干与非相干串扰代价被系统的交错信道传输过程 和放大增益控制所克服。 1 6 论文的主要工作 本文主要围绕m g t i 型光学梳状滤波器技术进行了大量的理论分析和实验 研究，探索出实用化m g t i 型光学梳状滤波器技术设计方案；同时，也对其它几 种光学梳状滤波器技术进行了分析和研究。具体内容主要包括： l 、根据光学分振幅干涉原理和多光束干涉原理分析了m g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器的基本原理，获得了输出光谱平顶化的i n t e r l e a v e r 滤波器的设计参数并进 行了误差分析：通过适当选择g t 腔的腔长和m i c h e l s o n 干涉仪的两臂长，在一 定的干涉级次条件下就可以得到符合i t u tg 6 9 2 建议中心波长的i n t e r l e a v e r 滤 波器；分析比较了g t 腔色散和i n t e r l e a v e r 滤波器色散特性和插损特性，实验分 析了i n t e r l e a v e r 滤波器中偏振分光镜偏振比对器件隔离度的影响。 2 、具体设计了信道间隔为5 0 g h z 的m g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器，实验得到 了该器件在c 波段两组交错分波的信道间隔约为o 8 n m 的矩形化光谱，矩形化 程度相当于介质薄膜窄带滤光片水平，其纹波接近于零( 小于o 1 d b ) ，测得了 其周期分布的色散特性沩了获得温度稳定的g _ t 腔，考虑材料的热光系数和热 膨胀系数的相互补偿，提出了温度补偿的g t 腔设计方案；首次提出了充分利用 系统带宽资源的不等带宽5 0 g h z 的i n t e d e a v e r 滤波器技术方案。 3 、基于偏振光干涉的原理，采用琼斯矩阵方法，分析了p b i 型i n t e r l e a v e r o 第一章绪论 滤波器的基本工作原理，设计了5 0 g h zp b i 型光学梳状滤波器，实验得到了该 器件在c 波段两组交错分波的信道间隔约为0 8 r i m 的类余弦输出光谱，波长位 置基本满足i t u t 建议，0 5 d b 带宽为0 1 3 n m ，纹波小于0 4 d b ，基本实现了 d w d m 系统要求的梳状滤波功能；采用级联方案实现了输出光谱平项化设计， 给出了相位延迟器为单轴晶体y v 0 4 时的设计参数：当d l = 7 3 5 1 m m ， d 2 = 1 4 7 0 2 9 m m ，01 = 4 5 0 ，02 = 7 5 。时，得到近似方波分布的平顶形状通带光谱 特性，实现了通带顶部平坦化。 4 、分析了f m z i 型i n t e r l e a v e r 滤波器的工作原理，其输出光谱曲线为类余 弦函数；为了满足d w d m 系统对光谱平顶化滤波的要求，采用级联f m z l 方案， 实现了i n t e r l e a v e r 滤波器的光谱平顶滤波： 5 、分析了b g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器工作原理，获得了平顶化交错滤波光 谱；利用m a t l a b 工具模拟了g t 腔部分反射系数r 与输出光谱的关系，获得了 5 0 g h zb g t i 型i n t e r l e a v e r 滤波器平顶化的输出光谱。 1 7 本文的创新点 本文的研究取得了很多有学术价值和潜在的经济效益的研究成果，创新点主 要有： 1 、从理论方面，分析了m g t i 型光学梳状滤波器的输出光谱参数与设计参 数之间的关系，结合实际，进行了误差分析；在分析g t 腔色散特性基础上， 分析得出了m g t i 型光学梳状滤波器的色散特性及色散函数。 2 、首次将偏振器和s - 光分光棱镜结合替代m g t i 型光学梳状滤波器中的消 偏振分光棱镜，构成新的m g t i 型滤波器。实验获得了基本符合i t u t 建议波 长要求的矩形化输出光谱，其光谱水平相当于介质薄膜窄带滤光片光谱水平，且 纹波小于o 1 d b ，形成了信道间隔为5 0 g h z 的i n t e r l e a v e r 滤波器原型器件。 3 、提出了温度稳定g - t 腔的设计方案，首次报道了由三镜f p 干涉仪代替 m g t i 型光学梳状滤波器中g t 腔构成新的m f p i 型不等带宽光学梳状滤波器设 计方案，比常规i n t e r l e a v e r 滤波器更能充分利用系统带宽资源。 本论文的研究工作得到了上海浦东新区科技专项资金项目和中科院知识创 新工程项目的支持。 中国科学院博士学位论文：光学梳状滤波器技术研究 第二章m g t i 型光学梳状滤波器理论研究 以往有关m g t i 型光学梳状滤波器文献 5 7 ，5 8 5 9 】都是采用一个g - t 腔结构， 即图2 1 中g t 2 腔由全反镜代替，该结构由于对称性不好，所以器件的实用化 制作难度大。本章针对另一种新的m g t i 型光学梳状滤波器帕o 】进行了大量理论 分析和误差分析，对将来该器件的实用化设计提供理论依据和指导。该m g t i 型光学梳状滤波器采用g t 2 腔实现温度补偿作用，因此，比文献【6 l 】中器件更具 有实用性。不特殊声明，论文中m g t i 型光学梳状滤波器均包含两个g t 腔。 2 1m g t i 型光学梳状滤波器工作原理 m g t i 型光学梳状滤波器是基于m i c h e l s o n 干涉仪的干涉效应和g - t 腔的调 相作用设计的，结构如图2 1 所示【6 2 ，删，用g t 腔2 代替文献删中m g t i 型光学 梳状滤波器的另一全反射镜，对应原理如图2 2 所示。 图2 - lm g t i i n t e r l e a v e r 结构 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m g t i i n t e r l e a v e r 图2 2m g t i i n t e r l e a v e r 原理图 f i g 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a m o f m g t i - i n t e r l e a v e r 器件工作原理分析如下：一束光入射到分束器b s ( 强度比5 0 ：5 0 ) ，被分 成两束e 1 和e 2 ，e l 入射到g t i 腔调相后被沿原路返回到分束器，又被分束器 分成反射光e l ，和透射光e l 。两束；另一路e 2 入射到g t 2 腔调相后沿原路返回 到分束器，也被分束器分成反射光e 2 ，和透射光e 2 。两束，则e 1 。和e 2 t 在透射方 向叠加，叠加振幅为e 。e l t 和e 2 ，在反射方向叠加，叠加振幅为e 。，。具体 推导过程如下，设入射光e i 。= 2 a e x p ( i t ) ，则 第一二章m g t i 型光学梳状滤波器 e 1 r = a e x p i ( ot l 一2 k n l l ) e ) t 2 a e x p i ( ( i ) t 一 l 2 k n l 0 e 2 r 2 a e x p i ( ( i ) t 一 2 2 k n l 2 一n ) e 2 t = a e x p i ( ( i ) t 一 2 2 k n l z ) 其中， ，和o ：分别为g t 腔1 ，2 的相移例，即 池一) 一2 w c 增【鲁留( m ) 】 ：( 2 , d 2 ) 一2 c f g 【鲁培( 姒) 】 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 式中d 和d ，分别为g t 1 腔和g t 2 腔的腔长，和，2 分别为g - t 1 腔和g - t 2 腔 的光波电振幅部分反射系数，式中e 。为入射光波电振幅，2 a 为入射光波电振幅 厶和厶为m i c h e l s o n 干涉仪的两个臂长，n 为两干涉臂的有效折射率，n 为g t 腔腔内介质折射率( 这里取空气介质n = 1 ) ，k 为波数，即t = 等，五为真空波长， 则由于e j ，和e 2 。叠加产生透射方向合振幅e m 。为 e d 。，2 e 1 r + e 2 t 2a e x p i ( t 一0 】一2 k n l l ) + e x p i ( ( i ) t 一 2 2 k n l z ) 】 a e x p ( iu 1 ) ( 2 c o s 0 1 + 0 2 + 2 k 2 n l l + 2 k n l 2 c o s 坠坠等 一i 2 s i n t + 9 2 + 2 k n l , + 2 k n l zc o s 2 竺 竺2 三丝t 2 a e x p ( iu t ) 。2 c o s 生坠挚p - i ( 坠坠挚) 即 s 【型l 号坐l 二盟】e x p 【_ f 型型号垫盟慨2 7 同理可得，由于e 1 t 和e 2 。叠加产生透射方向合振幅e 为 一袖 型生号垫二盟】e x p _ f 型生号! 鱼马瓦2 8 中国科学院博l ：学位论义：光学梳状滤波器技术研究 若用归一化条件4 a 2 = 1 表示透射和反射光强，则 ，= c o s 2 塑堕兰苎幽】 ，州：s i n ：【型坠掣型 2 9 2 一1 0 由式2 - 9 和2 1 0 可知，若胁( 三。一l ：) = 删f ，m = 0 ，q - 1 ，4 - 2 ，。更简便的情 况取l 。= l ：，则滤波器最终的输出特性由两个g t 腔的相移o ，和 ：决定。当 1 一0 2 = 2 m t r ，m = 0 ，4 - 1 ，2 ，时，奇数通道j 。；取极大值1 ，偶数通道j r e ，取 极小值o ；当o 。一o2 = ( 2 m + 1 ) t r ，m = 0 ，1 ，2 ，时，奇数通道，取极小值 0 ，偶数通道i s c f 取极大值1 。 2 25 0 g h zm g t i 型i n t e r l e a v e r 的设计 为了使5 0 g h z 光学梳状滤波器的中心频率与i t u t 建议的中心频率一致， 必须选择g t 1 腔的透射峰值和g t 2 腔的峰谷值对应频率值与i t u t 建议的中 心频率一致，即 ，：。= 研导= 2 d ， 钒一2 奇 ：2 专2 言 2 1 1 2 1 2 2 1 3 对于5 0 g h z 光学梳状滤波器，根据公式晚一= 云2 5 0 g h z 计算得 d i = 2 9 9 7 9 2 m m ，d 2 = 1 4 9 8 9 6 m m 。由2 5 6 节知r t - - o 4 2 ，r 2 = o 0 3 6 。 图2 3 和图2 4 分别给出了g t l 腔和g t 2 腔的归一化强度随频率变化曲线。 图中考虑实际情况，取两个g t 腔的全反镜的反射率为r = 9 9 6 ，这也是两g t 腔的透射峰值小于1 的原因，反之，若取r = 1 0 0 ，则透射蜂值应等于l ，即g t 1 4 第j 章m g t i 型光学梳状滤波器 腔理论i 二引入的插损应为零。g t 1 腔和g t 2 腔产生的相移如图2 5 所示，从图 中可知：g t l 腔产生的相移是非线性的，g t 2 腔产生的相移是线性的；随着 g t 腔部分振辐反射系数r 增大，相移由线性变化变为非线性变化，而相移 o = 所石点不随反射系数r 变化，该点只与g t 腔腔内光程有关。光学梳状滤波 器输出谱曲线如图2 - 6 所示，曲线表明：g t l 腔的频率周期与梳状滤波器的信 道间隔一致，其透射峰值位置( 图2 - 4 中o 一0 2 = 2 ，z 厅和o l 一 2 = ( 2 + 1 弦点) 对应于图2 - 6 中滤波器的奇数通道中心和偶数通道中心：在相移差等于( 2 m + 1 ) n 时，反射谱出现极大，在相移差等于2 mn 时，透射谱出现极大值，相移差由 2 mn 向( 2 m + 1 ) 变化过程中，对应的波长变化范围越窄，器件信道隔离度就 越高；通过利用g - t 腔的调相作用，适当选取部分振幅反射系数r ，获得在条件 0 。- ( 9 ：= 2 m ，r 和o ，- ( 9 ：= ( 2 m + l 沙下对应更大的波长范围，实现矩形化光谱输 出。 阁2 - 3g t 1 腔输山光谱曲线 f i g 2 3 t h e o u t p u ts p e c t r ao f g - t i 一r 2 = 0 r ：。9 、 ，k，l r e q u e n e y ( h 日 图2 4g t 2 腔输出光谱曲线 f i g 2 4 t h e o u t p u ts p e c t r a o f g t 2 中国科学院博士学位论文：光学梳状滤波嚣技术研究 t i 墨 芒 京 竺 鬯 ： 墨 l： l r 1 = f l4 2 d l = 29 9 7 盯m m 【。 虚= d d 2 = 明m m ； 、x 、 、 。、 j 、 、 j frr 1 1 f r e q u e n c y t h z 圈2 5g - t 腔相移随频率变化。实线代表g - t 1 腔，虚线代表g - t 2 腔 f i g 2 - 5 t h e p h a s e s h i f io f g ta saf u n c t i o no f t h ef r e q u e n c y , s o l i dl i n er e p r e s e n t i n gg - t i d a s h e dl i n er e p r e s e n t i n gg t 2 frbquenc