（光学工程专业论文）基于光栅光阀（glv）技术的高速可调谐光通信器件的研究.pdf

浙江大学硕1论义 y 摘要 d wd m网络由于可以在单根光纤上传输多个波长，所以具有超大的容量，可 以大幅度节省光纤数量，这种技术现在被越来越广泛的应用在光通信网络中， d wd m技术的核心就是针对 一 各个波长的操作和控制。随着 d wd m技术的发展将 会要求整个网络和器件具有更快的速度， 更低的成本， 更灵活的控制方式。 本文正 是针对这种发展趋势，以光栅光阀( g l v) 技术的特性为基础设计几种高运行速度 的光通信器件。 g l v是一种新型的m e ms 器件， 因为具有较高的光学效率， 快速的调制速率， 以及较低的量产成本， 受到了很大的关注， 己经被成功的运用在投影显示和电脑制 版领域中，取得很好的效果。 文中首先针对g l v的材料和结构特点， 从理论上计算了g l v的特性， 如运行 时条带可以达到几十mh z 的振荡频率， 即可知道它可以达到n s 级的调谐速度， 同 时计算了在g l v处于光栅状态时的衍射效果， 通过计算衍射时条带之间的相位差， 得到了发生衍射时的光强分布情况。 基于 g l v的基本特性计算，针对现在已有的可调谐外腔半导体激光器以及可 凋谐衰减器技术中存在的优缺点，提出了基于 g l v技术的新的调谐器件结构。首 先设训了基于g l v 技术的可调谐外腔半导体激光器系统的结构， 在结构中利用g l v 的易于控制的特性和共焦结构， 使得可以很方便的控制外腔振荡的波长选择， 对此 系统结构的性能参数进行了详细的分析， 在文中给出的结构下可以得到1 4 0 n 。的波 长调谐范围，和 5 . 7 5 * 1 0 v n i二的输出线宽即0 . 7 5 m h z 的输出频带宽度。 计算和分析了用g i n作为可变光强调谐器件时的参数性能， 由于g l v的衍射光 中的 0级光光强可以随可动条带的下降距离而变化，所以可以得到需要的光强衰 减， 当使用 1 0 位电压驱动器时， 计算得到0 . 0 3 d b 的衰减精度， 而且衰减范围大于 4 0 d b ， 这种结构的优势是可以用一个g l v 一维器件阵列代替网络中的多个v o a 器件， 既简化了结构，又节省了成本。同时提出了基于g l v 技术的光滤波器的应用前景， 虽然还未得到完善的结构，可是可以看到这种结构应用的可行性。 关键词:光栅光阀，高速，可调谐激光器， 可调 谐衰减器 浙江大学硕 卜 论文 a b s t r a c t s i n c e t h e d wd m w e b h a s a g r e a t w a v e l e n g t h v o l u m e , m u l t i p l e w a v e l e n g t h s c a n b e t r a n s p o r t e d i n a s i n g l e f i b e r , a n u m b e r o f f i b e r s c a n b e s a v e d i n t h i s w a y . s o t h e d wd m t e c h n o l o g y i s a p p l i e d i n t h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n w e b m o r e a n d m o r e n o w . wit h t h e p r o g r e s s o f t h i s t e c h n i q u e , s o m e r e q u e s t s h o u l d b e m e t , s u c h a s h i g h e r s p e e d , c o s t m o r e fl e x i b l e c o n t r o l . f o l l o w i n g t h i s t r e n d , s e v e r a l o p t i c a l d e v i c e s i s d e s i g n e d b a s e d g r a t i n g l i g h t v a lv e t e c h n o l o g y ( g l v ) in t h i s p a p e r . g l v i s a t y p e o f n o v e l m e m s d e v i c e s , w h i c h i s h i g h l y r e g a r d e d f o r i t s h i g h o p t i c a l e f f i c i e n c y ; h i g h s w i t c h i n g s p e e d a n d l o w m a n u f a c t u r e c o s t . i t h a s b e e n a p p l i e d in t h e p r o j e c t a n d c o m p u t e r p l a t e - m a k i n g f i e l d s u c c e s s f u l l y . f i r s t ly t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n i s g i v e n i n t h i s p a p e r b a s e d o n t h e m a t e r i a l a n d m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f g l v , in c lu d i n g t h e r e s o n a t e f r e q u e n c y o f t h e g l v r i b b o n s w h ic h c a n p r o v e t h e h i g h s w i t c h i n g s p e e d ; m e a n w h i l e t h e d i f f r a c t i o n e ff e c t p r i n c i p l e w h e n g l v i s i n t h e s t a t e o f g r a t i n g i s g i v e n , b y c a l c u l a t e t h e p h a s e e r r o r b e t w e e n t h e r i b b o n s , w e g e t t h e o p t i c a l i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n . b a s e d o n t h e e l e m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c s c a l c u l a t i o n a b o v e , t h e n o v e l d e v i c e c o n f i g u r a t i o n i s p r e s e n t e d . a t f ir s t a t u n a b l e e x t e r n a l - c a v it y l d s t r u c t u r e i s d e s i g n e d , w h i c h u t i l i z e s t h e e a s y - c o n t r o l l i n g a d v a n t a g e a n d a c o n f o c a l s t r u c t u r e t o g e t a s p e e d y a n d c o n v e n i e n t w a v e l e n g t h s e l e c t i n g , a n d t h e t u n in g r a n g e i s b i g g e r t h a n 1 0 0 n m , t h e o u t p u t l i n e w i d t h i s a b o u t 5 .7 5 * l 0 -6 n m . a n o th e r d e v i c e d e s ig n e d b a s e d o n t h e g l v i s v o a ; th e o p e r a t i n g p r in c i p l e i s p r e s e n t e d t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e z e r o m a x i m u m c a n v a r y w i t h t h e d i s p l a c e m e n t o f t h e m o v a b l e r i b b o n s . wh e n u s i n g a 1 0 - b i t v o lt a g e d r iv e r , a 0 .0 3 d b a t te n u a t in g p r e c i s i o n c a n b e g e t a n d t h e a t t e n u a t i n g r a n g e i s b i g g e r t h a n 4 0 d b . k e y w o r d s : g r a t i n g l i g h t v a l v e ; h i g h s p e e d ; t u n a b l e l a s e r ; v o a 浙江大学硕 : 论文 第一章绪论 1 . 1 d w d m 技术发展现状及前景 1 . 1 . 1 技术背景和主要技术特点 d w d m t l 2 1 技术这几 年在我国 光缆干 线和 一些省内 干线得到了 广 泛的 应 用， 发展十分 迅速， 有着广阔的前景。 它最初为波分复用技术( w d m ) ， 是两波长的w d m ( 1 3 1 0 / 1 5 5 0 n m ) 系统，在 8 0年代就出现了，但并没有得到较大的发展，主要是因为波分复用器件还没 有完全成熟的原因。 因此， 人们首先想到并采用的是t d m 时分复用) 技术， 因为2 . 5 g b / s 以下的t d m 技术相对简单。 但是， 随着速率、 电子元器件集成度的提高和硅器件的限制， i o g b / s以上的 t d m己经没有太多发展空间，并且传输设备的价格也很高，还有 g . 6 5 2 光纤1 5 5 0 n m 窗口的光纤色度色散和极化模色散的影响也限制了t d m 1 0 g b / s 以上系统的 传输距离。 进入9 0 年代中期， 特别是随着掺饵光纤放大器e d f a 的1 5 5 0 窗口密集波分 复用 ( d w d m ) 技术的出 现， 使得d w d m 技术的发展成为可能， 人们正 越来越多地把兴趣 从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率， 从而促使 d w d m技术飞速的发展，成为现在光域网的基础，也成为现代通信网的基础平 乙角 d w d m 的主要技术特点是具有超大容量， 可以充分利用光纤的传输容量比单波长传输 增加几倍至几十倍乃至上百倍， 多个波长复用起来的大容量长途传输， 可以节约大量光 纤。另外， 对于以 前敷设芯数较少的光缆， 可以 较方便地进行扩容;由 于同一光纤中 传 输的信号波长彼此独立， 波分复用通道对数据格式是透明的，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， 可以 承载 p d h , s d h , a t m , i p 1 3 或者 将来有可能出现的信号， 通过增加波长的方式， 可以 非常方便地做到在线扩容升级和引 入新地业务，而不影响已 运行地系统，因d w d m系统完成地是透明传输， 对于业务层信 号 来说， 每个波长就像“ 虚拟” 地光纤一样: e d f a 光线路放大地应用可以大大减少长途 干线系统s d h 中继器地数目， 从而减少成本; 利用d w d m 的o a d m 技术将来实现网络业务 颗粒的交叉连接和保护回复机制， 从而可能实现未来透明的、 具有高度组网灵活性、 生 存性和经济的全光网络， 是未来全光网 14 1 的 基础。 第_帝绪论 1 . 1 . 2 d w d m 技术原理 在发送端把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送 ( 每个波长承载一个t d m 电信号)， 在接收端采用解复用器将各信号光载波分开的方式统称为波分复用。 我们习 惯上 把在光的频域上不同的信号频率成为不同的波长。 谈到d w d m技术，需要介绍以下光纤的 1 3 1 0 和 1 5 5 0 两个低衰减窗口，多数国际商 用光纤在这两个窗口的典型数值为:1 3 1 0 n m 窗口的衰减在 ( 0 . 3 0 . 4 ) d b / k m ; 1 5 5 0 n m 窗口的衰减在 ( 0 . 1 9 -0 . 2 5 ) d b / k m 。 除了在1 3 8 0 有一个o h -根离子吸收峰导致损耗比 较大之外， 其它区域光纤损耗都小于0 . 5 d b / k m 。 现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱 !8 1 ( 1 3 1 0 - 1 5 5 0 )中极少一部分。 以常规s d h 2 . 5 g b / s 系统为例，在光纤的带宽中只占很小一部分，大约只有0 . 0 2 n m 左右; 全部利用掺饵光纤放大器e d f a 的 放大区域带宽 ( 1 5 3 0 - 1 5 6 5 ) n m 的3 5 n m 带宽， 也只是占用光纤全部带宽 1 3 1 0 - 1 5 7 0 )的1 / 6 左右。理论上w d m 技术可以利用的单模 光纤带宽达到2 0 0 n m ，即2 5 t h z 带宽，即使按照波长间隔为0 . 8 n m ( 1 0 0 0 h z )计算，理 论上也可以开通2 0 0 多个波长的d w d m 系统， 因而日 前光纤的带宽还没有充分利用。 d w d m 技术的出现正是为了充分利用这一带宽，而光纤本身的宽带宽， 低损耗特性也为 d w d m 系统的应用和发展提供了可能。 d 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 大宽待资源， 根据每一信道 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信道， 把光波作为信 号的载体， 在发送端采用波分复用器将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光 纤进行传输。 在接收端， 再由一波分复用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 看作互相独立 ( 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单向传输( 见图1 . 1 ) o根据波分复用器的不 同，可以复用的波长数也不同，从2 个至几十个不等， 现在商用化的一般是8 波长，1 6 波长和3 2 波长。 浙江大学硕 : 论文 图1 . 1 d w d m 系统结构模刑 d wd m本质上是光域上的频分复用技术，是在光纤上频分复用， n ( 8 , 1 6 , 3 2 ) x 2 . 5 ( 1 0 ) g b / s d wd m的系统则是光域上的f d m模拟技术和电 域上t d m数字技术 的结合。 现在我们谈论d wd m ( 密集波分复用) 技术。最初称为wd m ( 波分复用)技术， 应用的是同一种技术， 8 0 年代初， 光纤通信兴起之初， 人们首先采用的是在光纤的两个 低损耗窗口1 3 1 0 n m / 1 5 5 0 n m两波分的复用系统， 是在两个低损耗窗口 的波长复用技术， 该系统比较简单，一般采用熔融的波分复用器件， 插入损耗小，没有光放大器，在每个 中继站上， 两个波长都进行解复用和光/ 电/ 光再生中继， 然后再复用在一起传向下一站。 随 着1 5 5 0 n m窗口e d f a 19 1 的 商 用 化， w d m系 统的 应用 进 入了 一 个 新时 期。 人 们 不 再利用 1 3 1 0 n m窗口，而只在 1 5 5 0 n m窗口传送多路光载波信号。由于这些wd m系统 的相邻波长间隔比较窄 ( 一般 1 .6 n m ) ，且工作在一个窗口内共享 e d f a光放大器，为 了区别于传统的wd m系统， 人们称这种波长间隔更紧密的wd m系统为密集波分复用 系统。 所谓密集是指相邻波长间隔而言。过去wd m系统是几十n m的波长间隔，现在 的波长间隔小的多，只有 ( 0 .4 - 2) n m，现在商用的d wd m频率间隔为 1 o o g赫兹或 2 0 0 0赫兹，密集波分复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。 在d wd m长途光缆系统中， 波长间隔较小的多路光信号可以公用e d f a光放大器。 在两个波分复用终端之间， 采用一个e d f a代替多个传统的电再生中继器， 同时放大多 路光信号，延长光传输距离。在d wd m系统中， e d f a光放大器和普通的光/ 电光再生 中继器将共同存在，e d f a用来补偿光纤的损耗，而常规的光/ 电 / 光再生中继器用来补 偿色散，噪声积累带来的信号失真。 最初的d wd m系统非常简单，只是点对点的系统，中间没有光中继放大设备，后 弟- - 章绪论 来不断改进发展，增加了光中继设备，一直到今天的既有光中继设备，又有光波长的上 下复用设备1 1 ( o a d m) ， 且具备了 环路功能。 现在好多开发商都在积极地开发新一代 基于d w d m地全光网系 统， 将现在地3 r ( r e g e n e r a t o r , r e s t o r a t i o n 和: e t i m e )由 光转化 为电再转化为光上下 复用技术发展到全光地交叉连接技术el l ( o x c ) 技术。 1 . 1 . 3 d w d m 的发展前景 经过近十年的发展， d w d m 技术已 经取得了巨 大的突破， 并获得大规模商用。目 前， 光通信市场已 逐渐走出低谷， d w d m 设备也不例外。 据美国k m i 公司预测0 2 0 0 2 年2 0 0 8 年间全球d w d m 设备市场将有 1 1 %的复合年增长率。在光通信设备市场中，这一增长率 仅次于s o n b i 丫 s d ii 。 但就其本身来说， d w d m 仍是一项很 “ 年轻” 的技术。 距离人们对它 的期望仍有很大的差距， 有着巨大的发展空间，其相关技术的研究、开发、 应用仍是十 分活跃的领域。 体现在设备制造公司纷纷投入巨额资金研究开发、 宜传展示新产品， 器 件制造公司不断推出新的高性能的器件以满足系统应用的要求。 甚至出现公司之间的联 介、兼并，以 增强在波分复用技术领域里的竞争能力。 运营公司纷纷着手用 d w d m技术 建造宽带光网络或改造现有的光传输网络。 可以预见，以多波长传输为基础的波分复用 技术将具有广阔的发展空间。 从目前来看，d w d m 技术的发展趋势可以归结为更大的传输容量、更长的传输距离、 系统的优化、更强的组网能力、更灵活的接入和控制等几个方面。 a )更 大的 传 输 容 量 jil l d w d m 迅速推广并成为主流传输技术的最主要原因就在于它提供了有效的扩容方案， 扩 容可基于更宽的波分复用窗口、 更密集的信道间隔和更高的单信道传输速率。 其中要 实现更宽的波长复用窗口，需要考虑的技术突破包括宽带光放大、低色散( 兼低色散斜 率) 光纤、色散 兼色散斜率) 补偿等，要实现更密集的信道间隔，需要考虑的技术突破 包括高隔离度波分复用器/ 去复用器、高波长稳定度光源等;要实现更高的单信道传输 速率， 除了 需突破电子处理速度的限制以外， 还需考虑色散、 偏振模色散对高速率传输 的限制。 从展示的产品看， 1 9 9 7 年d w d m 系统还是以数十g b / s 的系统为主， 到2 0 0 3 年， 通信 公司推出的1 6 0 x 1 0 g b / s 商用d w d m 系统的传输容量已 达到t b / s 级，更高传输容量的 实验系统也已经出现，如在2 0 0 1 年的o f c 会议上展示的2 7 3 x 4 0 g b / s 系统传输速率达 浙江人学硕 丁 论文 到1 0 . 9 2丁 b / s ，传输距离为工 1 7 k m , 1 个中继光放大站， 采用了s , c 和l 三个光波段。 线路中采用了分布喇曼放大和集中的光纤放大， 并应用纯硅芯大有效面积光纤( 1 1 0 11 耐 ) 作为传输光纤。同时采用了极化复用，提高了频带利用率( 达到0 . 8 b / s / h z ) 。同期展示 的还有a l c a t e l 公司的2 5 6 x 4 2 . 7 g b / s 系统，传输速率达到 1 0 . 2 t b / s ，传输 1 0 0 k m ( 无 中间放大) ， 在线路接收端采用了分布喇曼放大， 系统用了c , l 两个波段。 线路采用了 产品名为“ t e r a l i g h t ”的光纤， 其色散斜率为0 . 0 5 7 p s / ( n m * k m ) , 损耗为0 . 2 0 5 d b / k m , 也采用了极化复用，使频带利用率达1 . 2 8 b / s / h z e 色散补偿是实现大容量传输的关键技术，因此相关技术的进展一直是受人关注的。 目 前商用的色散补偿技术都是采用负色散光纤， 补偿线路传输引 起的色散。 但这种方法 存在色散斜率匹配不佳、衰耗大的缺陷。色散补偿器件的领先供应商在2 0 0 3 年9月的 h c o c 展会上， 推出了最新的可以 覆盖整个c 波段的色散补偿器件， 它采用光纤光栅技术 进行补偿。月 . 具有产品体积小、 插入损耗非常低的优点， 可以在正负或者零色散区提供 很宽的调节范围，并可在l 波段应用。该产品相比色散补偿光纤技术， 在很多指标上都 有胜.i i ，非常适合未来以4 0 g b / s 单信道速率、以更宽的波长应用窗口为基础的大容量 d w d m 系统的应用。 在采用具有更严格的偏振模色散系数要求的光纤的 基础上， 偏振模色散补偿技术在 目 前的以 0 g b / s 单信道速率为基础的d w d m 系统中暂时可以不去考虑， 但一旦单信道 速率达到4 0 g b / : 以上，必须在系统中应用偏振模色散补偿。为了 适应这种需要，2 0 0 4 年2 月， 玻璃高折射率平面光波导产品厂商推出了系列偏振管理的光集成产品，这些产 品包括偏振分束器、偏振台波器、 偏振旋转器、偏振相关的相位变换或延迟产品。所有 这些产品都具有插入损耗低、 消光比高的特点， 可以在芯片级实现完全的偏振控制还可 以同光开关等器件一起集成，为提供4 0 g b / s 系统所需的偏振模色散补偿提供有力的技 术支持。 在波分复用器件方面，2 0 0 3 年9 月，高密度w d m 器件的领先公司在n f o f c ( 美国全 国光纤工程会议 ) 上推出了一种新的超精细 w d m去复用器，该产品的通道间隔达到了 工 2 . 5 g 日 : ，性能达到了应用于 商用系统的技术规格和性能要求，可应用于信道间隔密集 的d w d m 系统。 b )更长的传输距离 除了 利用。 w d m 实现超大容量以 外， 超长距离密集波分复用( u l h d w d m ) i4 传输也是 一 个很重要的发展方向。超长距离传输是指无电中继距离超过 2 0 0 0 k m的传输，可适用 第一帝绪论 于核心网的长 途和超长途陆地通信应用及无中继水下通信应用。 以解决网络节点间无电 中继传输， 保证对多种数字业务的透明传输特性。为运营商开辟了一条改善核心网性能 优化成本的途径。 从展示的产.晶 看，2 0 0 4 年推出的u l id d w d m 光传输系统，完成了完全模拟工程现场 实现实际光纤 ( g . 6 5 2 / g . 6 5 5 ) 3 0 4 0 k m的无电中继传输，单跨距最大已达到 1 0 0多k m . 该 系统以1 6 0 x i o g b / s 波分复用设备作为平台， 同时使用c + l 波段， 采用5 0 g h z 的波道 间隔，采用的技术包括宽带色散补偿技术、分布式喇曼放大技术、非线性效应抑制补偿 技术。超强f c c 技术、动态增益均衡技术和多种编码技术。系统具有 1 : n波道保护功 能，并可采用可配置的o a d m 实现在中间站点分插波道。 从国外相关产品的情况看，2 0 0 3 年1 0 月推出的超密集波分复用商用系统传输距离 4 5 0 0 k m ，并将传输容量扩展至1 9 2 x i o g b / s 。该产品的设计以减少投资和优化运营成本 为宗旨 ，在应用该平台升级时，运营商仍能继续使用其原有的网络设备，并且可确保 不中断通信业务的在线升级。 这种超密集波分复用系统结构紧凑。 功耗低单一机架可容 纳所有配置， 可配备全光谱可调转发器， 能进行自 动调试和自 我维护等。 此外该产品还 集成了可配置的光分插复用和交叉连接功能， 可支持现有网络向 全自 动光传输网络的演 进。 c )系统的优化 d w d m 一干 线的特点是高速率、大容量、超长距离承载重要业务。由于当前d w d m技术 实现的巨大传输容量已能满足实际的需求，因此在现有的 d w d m容量基础上 加强系统 性能的优化以 获得最佳的传输效果成为值得考虑的现实问 题o d w d m 系统优化包括工程期 间系统参数的优化和在维护中保持系统的运行状态优化两个方面。 系统参数的优化，是指根据实际线路光缆的各种参数( 如衰耗和色散) ， 利用科学的 算法工具对 d w d m链路进行最优化计算和配置，并在工程执行期间进行具体的优化调整 尽可能消除或抑制信号传输过程中的失真和劣化， 尤其是 l o g b / s以 上的高速率信号对 这些信号失真非常敏感，受影响很大。失真包括线性失真和非线性失真两种， 线性失真 主要是山于线路光纤的色度色散和衰耗引起，与 信号强度无关， 而非线性失真由光信号 强度过大产生的各种非线性效应引 起。 削弱或消除失真的主要措施有色散和色散斜率的 精确补偿、光功率斜率和光信噪比斜率的精确补偿， 器件设计的噪声抑制， 控制入纤功 牢在合适范围适当的残留色散以抑制f w m 、信号预加重调整等等，由于多种参数之间相 互制约只有进行科学严谨， 精确有效的折衷平衡和系统优化， 才能在一定程度上摆脱传 浙江大学硕 : 论文 统 d w d m链路在长距离和高速率、大容量之间很难完全兼得的限制，真正实现高速率、 人容量长距离、高性能的传输。 维护中保持系统的优化是指提高系统运行的可靠性， 降低运行的功耗和提高系统的 集成度，以达到降低成本，减少维护费用的目的，并且增加升级的灵活性。其中采用可 调1 皆 器件成为降低维护费用 ，提高系统灵活性的重要途径。 d )更强的组网能力 虽然目 前d w d m 技术己成为光传输的主流技术， 但其应用仍主要解决点到点的传输。 由于组网能力有限， 其本身有很大的局限性， 最大的局限性是不能在光层为业务提供完 善的保护机制。 d w d m 系统要为业务提供有效的保护， 只能采用线路保护的方式， 即敷设 备用线路来进行业务保护但这种方式成本较高，实际应用中很难为运营商所接受。 普遍 采用的仍是基于业务层 ( 如s d h 层，s t m 层) 的保护，保护倒换由电来完成，d w d m系统 与保护倒换完全无关。 传输系统容量的快速增长对发展相应的交换系统提出了迫切要求， 而电子交换处理 的发展已 接近极限， 无法满足大容量信息交换的需求， 因此要在光传输的基础上发展相 应的光交换/ 选路技术。由于基于波长复用的d w d m 传输技术已普遍应用，因此发展波长 交换与选路成为必然的选择，即开发光分插复用 ( o a d m )和光交叉连接( o x c ) 等光交换 节点设备， 为进入节点的高速信息流提供动态光域处理， 仅将属于该节点及其子网的信 息以波长为单位上下路， 并交由电交换设备继续处理。 这样不仅可以克服纯电子交换的 容量瓶颈问 题， 而且还可以大大增加网络重构的灵活性， 从而在光域实现高速信息流的 传输、 交换、 路由、 性能监测和故障恢复等功能。 d w d m 技术从多波长传输向多波长组网 发展是历史的必然，是未来实现透明的、具有高度生存性的光网络的需求。 虽然对光交换的呼声己久.但光分插复用 ( o a d m )和光交叉连接 ( no 设备能否 大规模商用， 主要取决于相关关键器件的性价比能否达到一个可接受的程度， 就近几年 的发展来看，相关的技术进展缓慢。据报道，美国v e r i z o n公司2 0 0 3 年秋采用 r o a d m ( i丁 重配置光 了; 多路复用器) 技术升级t e x a s a 按调谐机理划分， 有 电调谐、热调谐和机械调谐三大类;按整个调谐波长范围内的调谐特征划分，则有连续 可凋. 非连续可m和准连续可调三类， 下面对几种典型的可调谐激光器进行简要的总结。 ( 1 )多电 极结构可调谐激光器 目前沿着光电子集成方向发展的是多电极结构可调半导体激光器，也是国际上研 第一章绪论 究最多的一类可调谐激光器.按基本结构可分为可调谐分布反馈( d f b ) 激光器和分布布 拉格反射器( d b r ) 2 7, 2 8 1 激光器两大类， 波长的调谐有两种途径: 热调谐和电 调谐.早期 对此结构的激光器多用热调谐，其物理机理可理解为通过在半导体光波导上制作加热 器， 利用局部温度变化引起的折射率变化进行波长调谐， 也可以理解为利用温度与能隙 之间的依赖关系进行波长 调谐. 电调谐机理是通过改变各电极上注人电流的变化引起半 导体材料中自由 载流子浓度发生变化，由于等离子色散效应引起材料的有效折射率改 变 如图1 . 2 )沂 示一 个三级d b r 调 谐激光器。 第一级是光实际 得到增益的 激活区。 通过改 变电流l 可以建立所需要的输出光的功率。第二级提供了反射波的相移。为了达到产 生激光效应，光波在激光谐振腔来回一圈后相移必须等于2 n 。因此如果我们改变传播 光波的相移，我们就改变了它的波长。 这相当于说我们将改变谐振腔的光程。 这样通过 改变电流工 : ， 我们能改变辐射波长。 第三级就是分布式布拉格反射器 ( d b r ) ， 它实质上 是一 个布拉格光栅。 正如我们已经知道， 布拉格光栅只反射满足布拉格条件的波长人 b 。 通过改变电流l ，我们能改变有效折射率从而改变布拉格反射器的波长。 i n g a a s p mq w 激活区相位调整区 分布式布拉格 反射器 p - i n p n - i n p 到工 . 2 二级d b r 激光器 多电 极结构集成度高， 可实现大范围的准连续调谐. 但是由于采用多次外延生长以 及多段波导间的对接技术， 使外延片的制作工艺非常困难， 取样光栅以及超结构光栅的 制作需要高精度的电子束曝光技术.国外在d f b , d b r 激光器制作非常完善的基础上， 对 此类可调谐激光器已经进行了深人的研究，目 前技术己经比较成熟 该类器件由于成本 极高， 因此目前的应用不是很广， 但是可以预计， 集成的可调谐激光器是发展的潮流. 国 内 对此器件的研究非常有限， 仅有中国科学院半导休研究所光电 子研究发展中心的课题 浙江大学硕 卜 论义 组进行过多电极可调谐激光器的初步研究， 不连续的调谐范围达到了7 . 8 n m ，大调谐范 围的研究工作正在进行中 ( 2 )垂直面发射激光器 近年来， 垂直面发射激光器( v e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i t t i n g l a s e r , v c s e l ) 发展异常迅速，由于它的谐振腔短，具有极宽的纵模间隔，因此可以通过改变腔长连续 的调谐波长而没有跳模的产生.对 一可调谐v c s e l 的研究主要集中在微机电系统 ( m i c r o e l e c t r o -m e c h a n i c a l s y s t e m s , m e m s ) 调谐，如图1 . 3 所示.反射镜是微机电结 构，是通过在v c s e l 上沉积半一导 体介质层并刻蚀掉中间层形成柔性层而制成，通过在电 极上的电场作用，使该柔性层上下的移动，以改变v c s e l 腔长，从而调谐谐振频率。日 前v c s e l 主要是8 5 0 n m 短波长技术，用于中短距离超高速系统;对于1 . 5 5 u m 长波长的器 件，采用1 . 3 3 u m 光抽运v c s e l 中 的有源区， 从背向 产生1 . 5 5 u m 光的技术，同时通过 调 节薄 膜和l n p 基间的 偏 压来改 变腔长 2 9 实 现了 4 4 n 。 范围内 无 跳 模调 谐。 么 微机械调节区 ， 有源 区 ，/ r l_.j_一_一 三 : 三 : 兰三 : 三 万: 共 道 : 三 : 三 注 竺 共 : ; 兰 : 三三 三 : 三 丁 三 : 彭 三 三三 二 王 : 三 : 三 一 : 竺 三 : 兰 奋盆 二二二 监二 公二 二司之二盆 广、j 八、 2 八 、/、厂 、厂、厂、/ 、2 内 、 i 布拉格反射器 图1 . 3微机电系 统( m e m s ) v e c s e l 结构示意图 国内对v c s e l 的基础研究还处于初步的研究阶段，与国外的差距还相当大.光电子 器件国家工程中心正在积极开展长波长可调谐v c s e l 的工作. ( 3 )可调谐光纤激光器 光纤激光器不完全属于半导体激光器范畴， 而且该类激光器不属于集成概念上的器 件，但是由于 其自 身的优点，因此发展非常迅速。目前可调谐光纤激光器有可能成为高 速大容量光通信系统中的关键部件，特别是它较宽的增益带宽和简便稳定的调谐结构， 线宽可做到小于2 . 5 k l l z ，以及可以与光纤通信系统很好的连接等诸多独特优点，己成 为 通信用激光 器领 域的 一 个 研究 热点 3 0 1 。 一 种调 谐方 案是 用光 纤光栅 作为调 谐装置。 光 纤光栅d b r 激光器如图1 . 4 所示， 其调谐机理模型与多电极d b r 类似。 还可以利用其他 的调谐方式，如利用声光晶体滤波器等进行调谐 13 1 1 第 一 章绪论 半导体抽运源光隔离器光栅掺饵光纤光栅 图1 . 4 光纤光栅可调谐激光器 可调谐光纤环形激光器近年研究非常多， 其结构配置较为复杂， 一般都用半导体光 放大器( s o a ) 或者掺饵光纤放大器( e d f a ) 作为增益介质，同时利用各种调谐机制，如电 光、声光晶体，滤波器等等来实现调谐。 它们连续调谐范围较大， 线宽窄， 边模抑制比 高，缺点是各种复杂的调谐机制使输出功率一般比 较低;不同波长的输出功率不平坦， 并且长期稳定性是亚待解决的问题. ( 4 )外腔结构可调谐激光器 外腔可调谐激光器用变化激光波长的谐振条件来改变它们的波长， 由于外腔结构可 以明显压窄半导体激光器的线宽， 得到主边模抑制比 很高的的单模输出， 并且可以获得 极大的 调谐范围3 2 .3 3 ， 人们从2 0 世纪8 0 年 代开 始便对外腔结 构进 行了 深入的研究， 目 前的研究已经比较成熟了。 a )体光栅外腔结构 这个 方 法是 基于使 用 衍射光栅作为 激光器的反 射器3 3 的， 如图1 . 5 所示 衍射光栅工作像一个反射波长 ( 人 。 )的高反射镜面，它满足条件: d s i n b 二 。 凡 准直透镜 衍射光栅 多量子阱滋光二极管活性介质 ( 5 0 n m ) ghz 图1 . 5 使用衍射光栅作为波长 调谐 浙江大 学硕 二 论文 其中， d 是衍射光栅的周期，。 是入射角 ( 倾斜角) ，m = 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 。 仅仅是那些 在激光器谐振腔来回一圈后重新产生自 身的反射波长被辐射。 我们称这个条件为共振条 件。对于图中所示的装置，共振条件与 倾斜角和光栅与活性介质之间的长度有关。改变 这两个参数我们能调谐激光器产生的波长。 图1 . 6 中给出了 一种被成为l i t t m a n 方法的 外部谐振腔可调谐激光器。 其光栅是固 定的， 但增加使用的反光镜是倾斜的， 使调谐更精确。自 动增益控制使用户从输出端获 得所需要的光能。 因为驱动电 流和谐振腔长度是稳定的， 这种形式的可调谐激光器显示 了 优越的性能: 可调谐范围从1 5 0 0 n m到l 5 8 0 n m ; 波长设定精度为i p m , 波长绝对精 度为o . i n m; 7 0 0 k h z 的谱线宽度被紧紧控制着。 输 出光 图1 . 6使用l i t t m a n方法调谐的激光器 外腔可调谐激光器因为具有较高的输出功率、极宽的调谐范围和窄线宽特性，因 此有广泛用途， 但是它们的体积太大， 光路对准困难， 特别是它们的机械调谐设计会具 有滞后性并产生细微磨损， 这将影响光通信应用所要求的器件长期可靠性， 因而在光网 络上难有实用价值，但是在实验室以及各种测量仪器中应用非常广泛。 b )光纤光栅外腔半导体激光器 随着光纤光栅3 4 的出 现以 及m e h a 等人提出 侧面写入光纤光栅技术3 5 1 后， 用光纤光 栅作外腔不但结构简单， 波长可精确控制( 可达0 . 1 n m ) ， 而且输出光更容易祸合到光纤 中. 早在 1 9 8 2 年， s u 1 1 . i v a n 等人便首先提出 用光纤光栅作为反馈来提高f p 腔结构半导 体激光器的工作性能。图1 . 7 中所示是可调谐光纤光栅外腔半导体激光器的结构，波长 的调谐通过机械、电、热调谐等方式拉伸光纤光栅反射器实现。它的结构简单，用普通 第一章绍论 条形激光器管芯做增益介质， 一端镀成高反射膜( h r c o a t i n g ) ， 另一端镀成抗反射膜( a r c o a t i n g ) ，来减少管芯自 身的f p 模式。光纤光栅相当 于一个外反射镜对特定波长实现 反馈， 通过拉伸或压缩改变光纤光栅的周期便可以改变反射峰值， 从而使不同的纵模振 荡。拉伸光纤光栅的同时改变了外腔长度，仔细改变布拉格波长和外腔长度，可以实现 一定范围的连续调谐。 高 反 射 膜有 源区 增透膜 l g 月-一一-份 l n 图1 . 7 光纤光栅外腔半导体激光器结构 这种激光器结构简单， 线宽窄， 但在机械性能、 封装方面存在一定难度， 端面抗反 射膜的剩余反射率的存在使藕合腔之间的空气隙也产生附加的 f p模式，使之成为复合 腔结构， 对连续调 谐可能产生不良的影响， 因此应将激光器和光纤端面都镀上抗反射膜， 同时通过光纤端面拉锥以及制作透镜光纤等技术尽量增大它们之间的祸合效率. 普通的 外加应力实现光纤光栅拉伸的调谐范围不大，一般约5 n m .目前通过特殊装置的应力方 法使光纤光栅最大波长调谐范围达到了1 0 0 n m ，然而大范围的调谐是以昂贵的仪器设备 以及高复杂性为代价的，所以大范围的调谐离实用化还有相当的距离 以上总结了各种可调谐激光器的各种不同结构， 表1 . 1 给出了i l 种典型可调谐半导 体激光器的性能比较.表1 . 1 ) l 种可调谐半导 体激光 器的 性能比 较 激光器类型调谐机制线宽输出 功率 调谐范围调谐速度成本 多电极激光器电流 l o m w 7 0 n m ns 高 体光栅外腔 激光器 机械， m e m s 1 0 m wmo m ms低 光纤环形徽光器机械，热 儿 m w儿十 n m慢 高 光纤光栅外腔 激光器 机械，热 儿 m w5 n m .i9 低 浙江大学坝十论义 1 2 3 可变光衰减器件( v o a ) 衰减器是在控制状态下减少传输光功率的装置，虽然一般关心的是增加传输光的功 率，然而在光纤网络中衰减器有很多重要的应用，包括以下几个方面： 防止接收器达到饱和( 也就是保持输入功率在接收器的动态范围内) 。 在w d m 系统中的多路复用前和e d f a 放大前的波长平衡( 信道功率均衡) 在多光纤分布网络，例如c a t v ，节点涮功率均衡。 组成e d f a 的比特误码率测试，功率计，系统损耗模拟、接收机灵敏度和一般实 验室评测。 举例考虑在放大前光功率均衡的需要。假设进入e d f a 的两个信道( 波长) 和丑有 不同光强。但是任何的光放大器都存在着增益饱和如图1 8 所示。 增黼f d b 505 输入光功率( d b m ) 蚓1 8 光放火器的增黼饱平| l 这意味着e d f a 的增益依赖于输入功率。因此为了相等的放大所有信道，它们的输 入功率需要相等，这就需要用衰减器来获得。如下图1 9 所示，进入e d f a 之前的两个 频带的光原本功率相差很大，功率较大的光经过衰减之后得到了与其他频带近似相等的 光频率。 n 厂、 、 塑姥 e d f a 。 | 整| 1 9 放火前的功率均衡 如 如 m o 第一章绪论 有两种衰减器功能类型：插入型衰减器和在线衰减器。插入型衰减器做阴一阳连接 器用，衰减发生在器件内部，即在从一个堵塞头到另一个堵塞头的光路上。在线衰减器 通过结合它的两根尾纤连到一个传输光纤上。衰减器分成两大类：固定的和可变的。固 定衰减器引入一个预定损耗，例如5 d b ，l o d b 等，它们的主要优点是尺寸小和价格低， 例如以预定方式吸收光和以热能分散吸收能量的传输材料掺杂的的衰减器。 可变衰减器允许网络安装人员和操作人员依据最初的要求量改变衰减，去补偿发送 器或放大器的老化或反映新的网络的工作条件。因此，对比静态固