（光学工程专业论文）基于c透镜结构的密集波分复用器研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着通信技术宽带化、智能化、大众化和个人化的方向发展，骨干传输网、局域 网容量的大幅度增长，网络宽带化的瓶颈已经转移到位于这两者之间的中间网络 城域网。既要提供客户需要的功能，同时又要最大程度地利用现有基础设施的投资， 密集波分复用技术( d w d m ) 成为用智能光网络技术扩展城域网的有效、高性价比的 选择。通过将光纤波长分解为单独的信道，d w d m 使运营商能够根据不同的价格、不 同的服务水平为顾客分配波长，同时增加智能应用。 实现d w d m 的核心器件之一是复用器与解复用器( m u x d e m u x ) 。其功能是采 用光学方法将密集间隔的各波长( 信道) 复用至一根光纤( 合波器o m u ) 传输，或将 已复用的各波长( 信道) 分开( 分波器o d u ) 或实现光波长( 信道) 的上、下复用( 光 分插复用器) ，由于光路可逆，合波器和分波器一般可以互换使用。 当一种商品化的产品在生产稳定后，降低成本是个永恒的话题。c 透镜因其优良 的性能及明显的价格优势而进入成本分析师的视线。本文在简单介绍了d w d m 系统的 优点及各类不同制作工艺的d w d m 器件后，运用矩阵光学、几何光学理论，结合高斯 光束的复参数传输规律对c 透镜的准直特性进行定量分析，确定了光纤头与c 透镜之间 距离的最佳范围，并推导出了c 透镜光纤准直器工作距离的解析表达式和特性曲线，并 导出c 透镜准直器的回波损耗。从理论、实验数据上比较分析c 透镜替代自聚焦透镜 在器件中的作用的可行性。在实践部分，详述薄膜滤光片型c 透镜替代反射端中的自 聚焦透镜的目前局限性所在，提出解决办法。详细说明薄膜滤光片型c 透镜结构d w d m 器件的制作过程后，以实验测试的最后参数说明此结构d w d m 器件的性能参数的优良 性。最后对整个工作进行总结。 关键词：密集波分复用器c 透镜替代自聚焦透镜 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nb r o a d - b a n d , i n t e l l i g e n t i z a t i o n , p o p u l a t i o na n d i n d i v i d u a t i o n ，t h ec a p a c i t yo fl o n gh a u ln e t w o r ka n dl o c a la r e an e t w o r ki n c r e a s e s l a r g e l y t h eb o t t l en e c ko f n e t w o r kb r o a d b a n dh a su a n s f e r e dt om e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k , w h i c hi sb e t w e e nt h ea b o v eb o t hn e t w o r k s b e c a u s en e c e s s a r yf u n c t i o n sa r er e q u f f e dt o p r o v i d et oc o n s u m e r sa n dt h ep r e c o n d i t i o ni su s i n gc u r r e n tb a s i ce s t a b l i s h m e n tf u r t h e s t d e n s ew 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 gh a sb e c o m ea ne f f e c t i v ea n de c o n o m i c a lc h o i c et o e n l a r g em e t r on e t w o r kt h r o u g hs m a r to p t i t e a ln e t w o r kt e c h n i c s d w d mc a nd i v i d e w a v e l e n g t ht os i n g l ec h a n n e l s i th e l p st h eo p e r a t i o no w n e rt od i s t r i b u t ew a v e l e n g t h a c c o r d i n gt od i f f e r e n tp r i c e sa n ds e r v i c el e v e l s a tt h es a m et i m e ，i tc a ni n c r e a s es m a r t a p p l i c a t i o n t h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i d e m u l t i p l e x e r s ( d w d md e v i c e ) i st h ec o r ec o m p o n e n t s i nd w d m s y s t e m s i t sf t m c t i o ni so p t i c a l l ym u l t i p l e x i n gd e n s ew a v e l e g n t h st oo n ef i b e rf o r t r a n s m i s s i o no rd e m u l t i p l e x i n gt h e m o p t i c a lm u l t i p l e x e ra n dd e m u l t i p l e x e rc a nr e p l a c e e a c ho t h e rd u et ot h e i ro p t i c a lp a t hr e v e r s i b i l i t y c o s td o w ni sa ne t e r n a lt o p i cw h e no n ec o m m e r c i a lp r o d u c tc a nb em a n u f a c t u r e d s t e a d i l y c - l e n sb e c o m e sa ne y e - c a t c h e rd u et oi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n do b v i o u sp r i c e a d v a n t a g e a f t e rs i m p l ei n t r o d u c t i o nt od w d ms y s t e ma d a v a n t a g ea n ds e v e r a ld i f f e r e n t f a b r i c a t i o nt e c h n i c s ，t h ec o l l i m a t i n gp r o p e r t yo fc l e n si s a n a l y z e dw i t ht h et r a n m i s s i o n m a t r i xo fc - l e n sa c c o r d i n gt ot h em a t r i xo p t i c s ，g e o m e r t yo p t i c sa n dt h ea b c dp r o p a g a t i o n p r i n c i p l eo fg a u s s i a nb e a m t h eo p t i m a lr a n g eb e t w e e nf i b e rp i g t a i la n dt h ee x p r e s s i o n t o g e t h e rw i t ht h ec u r v eo fw o r k i n gd i s t a n c eo fc - l e n si so b t a i n e d a n dt h er e r u r nl o s so f c 1 e n sc o l l i m a t o ri sc a l c u l a t e d t h e f e a s i b i l i t yo fc l e n sr e p l a c i n gg r i n l e n sa p p l i e di nc o m p o n e n t i sa n a l y z e di nb o t h t h e o r ya n de x p e r i m e n td a t a i np r a t i s ep a r t ，t h ec u r r e n tl i m i to fc - l e n sr e p l a c i n gg r i n l e n s ， w h i c hi su s e di nr e f l e c t i o np o r to fd w d mc o m p o n e n t , i se x p a t i a t e d t h es o l v i n gm e t h o di s a l s ob r o u g h t a f t e rd e t a i le x p l a i n a t i o na b o u tt h e f a b r c a i t o no f c - l e n ss t r u c t u r a lt f fd w d m c o m p o n e n t , t h et e s tr e s u l t so f s a m p l e sp r o v e st h a tt h ep e r f o r m a n c ea n ds p e c i f l c a c t i o no f t h i s t y p ed w d m i se x c e l l e n t f i n a l l y , s u m m a r i z et h em a i np a r to f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：d w d mc - l e n sr e p l a c e m e n tg r i n - - l e n s i i 独创性声明 言薹= 亍霜足 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 。， 不保密讲 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签 日期删 絮造 蘑胁一以 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1d w d m 国内外发展概况 随着通信技术宽带化、智能化、大众化和个人化的方向发展，骨干传输网、局域 弱窑璧匏犬溪凌溪袄，霹终塞蘩稼熬簸颈已经转移舅稼予这嚣者之阗鹣孛瓣弼络 城域瓣# l 。甏黉箍供客户需要瓣动熊，嗣对又鬟最大缓皮逑幂| j 焉瑗鸯鍪麓设藏戆授资， 密集波分复用技术( d w d m ) 成为用智能光网络技术扩展城域网的有效、高性价比的 选择。透过将光纤波长分解为单独的信道，d w d m 便遮营岗能够根攒不阕的价格、不 同的服务水平为顾窖分配波长，阉目寸增加智能应用。 在簸睾豹必逶逶孛，一条爨终仅设诤给一今将定波长静竞传递。自予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 ，波分复爆) 技术虢拜发，健一条光纾搿以由传递一 个讯号变成传递多个讯号。在相同的铺设成本下，将光纤的使用率提高数倍，故w d m 的观念在光纤用于通迅后不久馒被提如。但是经w d m 分波之后，每个波段分到的能 量舔太小，完全无法矮子笼绎谖弩传送。壹到t 9 9 4 每，逶羯予w d m 翡e d f a ( e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i t i e r ，掺锈竞野放大器) 成功蔼嗣纯之嚣，w d m 静後麓才被照界注意。 由于w d m 实现了技术的提升，个w d m 可将一个光源分出越来越多的波长( 或称信 道，c h a n n e l s ) ，所默为了区别越免。鼹分出较少波长赣称搏c w d m ( c o a r s e w a v e i e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，褪波分复罔) ，分爨波长密度较高者称作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 i n g ，密集渡蜂笺翅) 。农先逶迅赛常廷戆d w d m 大多愚 在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 的波段中，熊分蹴3 2 个或更多豹波长。离密度多王分波器技术可以 使原来只能分得较少波长的d w d m 技术允许在每根光纤上容纳更多的波长。通常情况 下，投光纤霹以容纳一个1 0 g b i t s 速度的波长，使褥传输中的“瓶颈”阉题褥到解 决t 2 。 经过送十苹的发袋，d w d m 技术已经取褥了邕大盼突破，并获褥犬瓣瀵商雳。鹾 前，光通信市场已逐渐走出低符，d w d m 设备也不例外。据美国k m i 公司预测，2 0 0 2 年2 0 0 8 年间念球d w d m 设备带场将有l l 的复合肇蠼长率。在光邋僚设蒜市场中， 这一增长率仪次子s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k i n g ，同步必粥终) s d h 华中科技大学硕士学位论文 ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字序列) 。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、宣传展示新产品，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合、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【3 】。在d w d m 市 场中，主导超长距离传输产品的公司主要有c o r v i s 和n o r t e l 两家公司。长距离骨干传 输系统的产品供应商主要以a l e a t e l 、c i e r i m 、f u j i t s u 、l u c e n t 、n o r t e l 、s i m e n s 和s y c a m o r e 等公司为代表。而在城域网领域主要以a d v a ，o n i 、s o r r e n t o 、t e l l a b s 及l u c e n t 、n o r t e l 等公司为代表【4 】。 1 2d w d m 应用与关键技术 归纳起来d w d m 的优点如下： ( 1 ) 容量大。一根d w d m 光纤的传输容量可比单波长的传输容量大几倍乃至几十 倍甚至上百倍。电子瓶颈限制大容量的电t d m ( t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，时分复用) 网络。电子交换系统在数十gb s 的水平上存在着所谓的“电子瓶颈”，尽管高速电子 技术的发展，无疑会使这个上限进一步提高，但是费用的上涨将很可观。 ( 2 ) d w d m 通道对数据格式是全透明的。网络的历史兼容性和空间复杂性要求网 络尽可能透明，与协议无关。由于历史原因，在网络设计时，已有的各种通信设备， 协议不能马上废止，同时网络的设计也必须考虑今后的通信设备和协议，因此一个尽 可能透明的网络是必要的。另一方面，由于网络用户的多样性，不同用户之间所需的 服务是不同的，有的用户要求传输模拟信号，有的用户要求传输高码率的数字信号， 有的用户要求传输低码率的数字信号，这就对网络的透明性提出要求。d w d m 通道能 容纳特性完全不同的信号协议、码速、格式和完成各种电信业务信号的综合与分离， 在网络扩充和发展中是理想的扩容手段，也是引入新业务最方便的手段。因为d w d m 华中科技大学硕士学位论文 利用增加的一个附加波长就可以引入任意新业务或获得所需的容量。波长数目可根据 业务量的增长逐步增加，即可以随时升级扩容以满足用户及业务增长需求。各种信息业 务的上下，交叉连接等都是通过对光信号波长的改变和调度来实现的。 ( 3 ) 非常适应通信技术的发展。网络在运行中希望能实现网络结构的动态调整。网 络运行在一个复杂的环境中，环境的变化要求网络的逻辑拓扑结构能够动态调整。比 如网络的物理链路一光纤被切断时，希望网络有自愈功能，比如某些端之间由于通信 容量剧增，希望网络能提供临时的额外容量。光传送网有许多优点。首先是它的大容 量，这是w d m 技术天生的优点。其次是经济性。在长途主干网中，很人一部分的通 信流量是路过( p a s sb y ) 性的，即这些流量在某一网络节点不做任何处理丽直接发往下一 个节点。在传统的通信网中，这些路过性的流量也做o e ，e o 处理。在光传送网中， 这些流量可以直接发往下一个节点，从而省去了大量的电端机费用。第三，d w d m 具 有传输透明性。由于传送网提供的是一条端到端的纯光路径，它不对信号的形式提出 要求，对于信息的调制方式，传送模式和传输速率透明。这样目前相互独立的s d h 传 送网，p d h 传送网，a t m 网络，i p 网络及模拟视频网络都可以建立在同一光网络上， 共享底层资源，并提供统一的监测和恢复等网管能力。第四，d w d m 有灵活的网络可 重构性。网中信号是按波长路径或虚波长路径传输的，这样就在网络的物理拓扑结构 之上加了一层逻辑拓扑结构。这一逻辑拓扑结构是可以通过改变节点的波长路由状态 而动态改变的。第五，它还具有可扩展性。具有分区、分层的拓扑结构，网络节点采 用模块化设计，在不改变原有网络结构时就能方便地增加网络的波长数，光纤路径数 和节点数，实现网络的扩充。最后，d w d m 与现有的各种光通信技术是兼容的。可以 不必对原有系统作较大改动，接入波分复用器件和光端机、再生器( 光放大器) 即可扩容， 不需铺设新的光纤线路，降低了网络建设费用。 ( 4 ) 波分复用器件是双向可逆器件，同一器件即可作复用器，又可作解复用器。也 就是说d w d m 技术可以实现单纤单向传输或单纤双向传输f 5 1 。 l 。2 1d w d m 应用 ( 1 ) d w d m 技术在城域网中的应用 目前城域网采用的s d h 技术主要针对基于电路交换的语音业务。但从网络扩展角 华中科技大学硕士学位论文 度看，在传统s d h 网络上通过增加设备来满足数据业务的需求，从网络效率角度看， 存在着效率低、成本高以及利用率低等缺点。d w d m 以其特有的技术优势为城域网领 域和数据通信带来极具竞争优势的解决方案。 d w d m 是一种纯粹的物理层技术，它的运转完全独立于所携带信息的类型，能 够提供以波长为基础的透明服务，灵活地传送任何格式的信号 6 1 。 ( 2 ) d w d m 技术在全光网中的应用 d w d m 技术的最主要特点是巨大的传输容量。许多实验室已经完成了容量达t b s ( 1 0 1 2 b s ) 以上的d w d m 系统。这一特点正好能够满足全球通信业务量且益增长的需 求。 。 当前通信业务量的迅速增长，特别是i n t e m e t 的迅猛发展，对通信系统的传输容量 提出了越来越高的要求。据报道，全世界i n t e r n e t 和数据业务每年呈1 0 0 以上增长的态 势。我国1 9 9 9 年i n t e m e t 用户每半年翻一番。 增加光纤通信系统传输容量的途径有： 1 ) 提高单个信道的比特率； 2 ) 增加单芯光纤的信道数： 3 ) 增加光缆中光纤芯数。 第一种方法受电子瓶颈的限制，并且o t d m ( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，光 时分复用) 还不成熟，色散问题也不易解决；第三种方法成本较高。因此，当前增加通 信系统传输容量的最好办法是采用第二种方法，即采用d w d m 技术。同时，单个信道 的比特率也在逐步增加。 d w d m 技术是光纤通信系统扩容的最佳方案，其扩容潜力仍然很大。将来，它可 以与o t d m 结合，满足日益增长的通信系统扩容的需要。其在光网络上的应用同样具 有很大潜力。 ( 3 ) d w d m 技术在c a t v 中的应用 目前，基于s d h 技术的国家光纤干线网已经完成。省级的s d h 网络也初具规模， 随着付费数字电视业务的发展，节目源的增多以及宽带数据的海量传输。传统的传输 技术已经受到挑战。d w d m 技术的出现为有线电视运营商解决它们的带宽瓶颈问题提 4 华中科技大学硕士学位论文 供了最关键和最重要的选择。 d w d m 技术对网络升级、发展宽带业务，如c a t v ( c a b l et e l e v i s i o n ，有线电视) 、 h d t v ( h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ，高清电视) 和i po v e rw d m ( 光因特网) 等充分挖 掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等都具有重要意义。目前e d f a + 密集波分复用 + 非零色散光纤+ 光子集成己成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。 1 2 2d w d m 的关键技术 ( 1 ) 光纤技术的研究 在过去的标准单模光纤( g 6 5 2 ) 、色散位移光纤( g 6 5 3 ) 和非零色散位移光纤( g 6 5 5 ) 的基础上、朗讯公司推出了新型的全波光纤( a 1 1 w a v ef i b e r ) 。它消除了常规光纤在1 3 8 5 n m 附近由o h 根离子造成的损耗峰，将损耗从原来的2 d b k m 降到0 3 d b k m ，这使光 纤的损耗在1 3 1 0 1 6 0 0 r i m 范围内趋于平坦，大大拓宽了光纤的可用带宽。 ( 2 ) 光纤放大器的研究 其主要研究目标是增加光放大器的带宽。 1 ) e d f f a ( 掺铒氟化物光纤放大器) ，据报道可以实现7 5n l n 的放大带宽，增益 为1 8 d b ，增益差别为1 8 d b 。 2 ) e d t f a ( 掺铒碲化物光纤放大器) ，带宽可达7 6 n m ，增益差别为l d b 3 ) 控制掺铒光纤的粒子数反转程度，放大1 5 7 0 1 6 0 0 n m ( l 波段) ，这称为增 益平移掺铒光纤放大器( g s e d f a ) 。 4 ) e d f a 研究的另一个问题是稳定可靠地工作，主要工作有增益平坦、增益控制 和增益锁定以及e d f a 的监控管理。 5 ) 最近比较引人注目的是光纤喇曼放大器的研究。石英光纤中的喇曼增益谱宽达 4 0 t h e ，主峰在1 3 t h z 附近。利用这一特性，普通的石英光纤就可以用作宽带光放大器。 实现喇曼放大器的关键是高功率泵浦，受激喇曼效应的泵浦闽值较高，如4 0 0 m w 。光 纤喇曼放大器的优点是：只要能得到所需的泵浦波长就可以在任何波长处提供增益； 增益介质是传输光纤，可以制成分布式的放大器，噪声低。将喇曼放大器与e d f a 组 合起来，可以得到带宽高于1 0 0 n m 以上的光放大器。 ( 3 ) 色散补偿及色散斜率补偿问题 华中科技大学硕士学位论文 色散问题本身并不是波分复用所独有的，而且目前已发展出很多色散补偿技术， 试图解决色散问题。但在波分复用系统中，由于光纤的色散斜率不为零，导致了色散 特性与波长有关。不同的波长信道的色散大小是不一样的，这就给色散补偿技术带来 新的问题。好的色散补偿技术应同时补偿波分复用的所有波长信道的不同大小的色散， 即可以补偿色散斜率：这种补偿也称作高阶色散补偿。 ( 4 ) 放大器的监测与控制技术的研究 由于实际通信系统的各参数会随时间、环境等外界因素的变动而发生改变这就 要求放大器的工作点也相应地改变，以达到最佳状态，这在超大容量的系统中尤为重 要。这些控制内容包括输出功率的控制、不同波长通道的增益均衡、增益的动态控制。 ( 5 ) 波分复用器和解复用器的研究 随着波分复用数的不断增加、波长通道间隔的不断减小，对d w d m 复用、解复用 器的要求也越来越高，它要求高的中心波长的稳定性、平坦的带通特性、对其他通道 的高抑制能力、陡峭的滚降特性等f 7 1 1 3 本文主要研究内容及其课题来源 典型的d w d m 系统主要由光合波器、光放大器、光分波器和光变换器等组成。 随着光通信市场的复苏，d w d m 系统在要求各器件供应商提供高性能产品的同时也要 求不断降低成本。 本课题来源于本公司自立项目有关d w d m 器件降低成本的研究的一部分。基 于本公司对c l e n s 的开发、生产、利用，目前已有独立的c l e n s 生产线，为多家知 名器件厂家供货。加工过程控制能力很强，由c l e n s 制成的准直器已通过相关的可靠 性实验，性能稳定，且总体成本较低。c l e n s 运用于器件中替代已有的g r i n - l e n s ( 渐 变折射率透镜，其折射率沿径向变化) i s 】，即可保证产品质量，缩短供应链，又能降低 成本。 课题的创新点及完成的主要工作有： ( 1 ) 提出以c l e n s 代替d w d m 器件中的g r i n l e n s ，理论、实验分析此可行性； ( 2 ) 采用通光孔径无胶加固方式制作c l e n s 结构d w d m ； ( 3 ) 经过样品测试验证，c l e n s 结构d w d m 满足i t u - t g 6 9 2 技术规范。 6 华中科技大学硕士学位论文 本章简要说明d w d m 技术出现的背景、国内外发展概况，及其应用与关键技术等。 d w d m 器件基本概念及c - l e n s 结构d w d m 的设计说明将分别于第二章与第三章中说 明。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 d w d m 基本概念及c l e n s 理论分析 2 1 d w d m 基本概念及参数表征 d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i - p l e x e r ) 器件是d w d m 系统的核心器件， 其功能是将密集间隔的各波- k ( 信道) 复用至一根光纤( 合波器o m u ) 或将己复用的各波 长( 信道) 分开( 分波器o d u ) 或实现光波长( 信道) 的上下复用( 光分插复用器) ，由于光路 可逆，光合波器和分波器一般可以互换使用。 2 1 1d w d m 的参数表征 d w d m 的主要参数表征如下： ( 1 ) 中心波长与偏差 d w d m 器件的中心波长是器件特定信道的标称工作波长，而中心波长偏差定义为 标称工作波长与实际中心波长之差。对d w d m 系统来说，由于信道间隔较小，一个极 小的信道偏移，就有可能造成极大的影响。 ( 2 ) 信道带宽 信道带宽为单个信道的通带宽度。按照g 6 9 2 建议，各信道所用激光器光波长频 率的偏差应小于信道间隔的1 5 ( 我国标准为v l o ) 。而d w d m 器件的信道带宽必须大于 信道间隔的1 5 ( 我国为1 1 0 ) 。当然，较宽的信道带宽更有利于系统应用。 ( 3 ) 信道插入损耗 插入损耗是指穿过d w d m 器件的某一个特定光通道所引起的功率损耗，其数值为 无源器件输出光功率( 只) 和输入口光功率( 只) 之比，单位是分贝。插入损耗是d w d m 器件衰减特性的重要指标均匀的信道插损分布更有利于光纤放大器的设计与应用。插 损低，则减少了有用信号功率的损耗，增加了信号再生与放大前的最大传输距离。它 的大小通常取决于复用与解复用技术以及复用信道数量的多少。 i l = 一1 0 l g ( p o 只)( 2 - 1 ) ( 4 ) 回波损耗 回波损耗是指从无源器件的输入端返回的光功率与输入光功率之比，单位是分贝。 华中科技大学硕士学位论文 只为发送进输入端口的光功率，只为从同一个输入端口接收到的返回光功率 r l = 一1 0 1 9 ( p j p ) ( 2 2 ) ( 5 ) 信道隔离度 信道隔离度是在某一特定信道上输出该信道的光功率与接收到的其他某相邻或非 相邻信道的光功率的比值，通常用d b 来表示。信道隔离度是d w d m 器件的一个关键 性指标。隔离度越大，信道问的串扰越j 、 9 4 0 1 。信道间的串扰消除，可减少网络的比特 误码率( b e r ) 。 ( 6 ) 偏振相关损耗 偏振相关损耗是指由于偏振态的变化所造成的插入损耗的最大变化值。 ( 7 ) 温度稳定性 温度稳定性是指插入损耗随温度的变化，以d b 表示。 2 1 2 不同制作方法的d w d m 制作d w d m 的方法很多，目前已投入使用的主要有：光纤布拉格光栅( f i b e r b r a g g g r a t i n g s ，f b g ) 型器件、阵列波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g s ，a w g ) 型器件以及薄 膜滤光片( t h i nf i l mf i l t e r ，t f n 型器件。 此外，近年来涌现出了不少新的制作方案，如：体全息光栅式( v o l u m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g s ，v h g ) d w d m 器件【m 1 2 】和蚀刻衍射光栅( e t c h e dd i f f r a c t i o n g r a t i n g s ， e d g ) 1 3 。1 4 d w d m 器件等。 d w d m 常用三种制作方法如下： ( 1 ) 阵列波导光栅法( a w g ) b s q t l 阵列波导光栅( a w g ) 是通过标准的集成光学工艺，在硅、磷化铟甚至有机聚合物 上制作而成的。它由输入输出波导群，两个盘形波导及a w g 一起集成在衬底上。 a w g 型器件主要由输入输出波导、第一和第二平面耦合波导以及阵列波导3 个部 分组成。这些波导都集成在单一衬底上。输入输出波导的位置和阵列波导的位置满足 罗兰圆规则。阵列波导数目应足够多，以充分接收平面波导区的衍射光功率，阵列波 导连接2 个平面波导区，这种结构使阵列波导呈衍射光栅的特性。根据衍射理论，在 阵列波导的输出端，光信号按波长长短顺序输出，并通过第二个平面波导耦合到相应 9 华中科技大学硕士学位论文 输出波导的输入端，最终实现分波输出。 a w g 法的难点在于波导光栅的制作。要求在硅材料衬底上镀多层玻璃膜来形成光 栅，采用光刻、反应离子刻蚀等标准半导体工艺控制玻璃膜的厚度、成分与欠缺。这 种集成性很好的器件频率间隔可以做到5 0 g h z ，复用通道也可以多于1 6 个。a w g 所 存在的问题主要是偏振相关性与热稳定性于半导体材料可以做到波导芯与包层之间的 大折射率差，所以曲率半径很小的波导回路，就能使整个器件都很小。但是半导体材 料的折射率会因温度及晶体方位的变化而发生大的变化，所以半导体a w g 的温度稳定 性是一个问题。 ( 2 ) 光纤b r a g g 光栅法( f b g ) 【l 耻2 0 】 这种方法基于长周期或者短周期的光纤光栅。光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或 普通载氢光纤按一定的掩膜刻制的光栅。 它利用了紫外激光诱导光纤芯折射率呈周期性变化的机理。当折射率的周期性变化 满足布拉格光栅条件时，相应波长的光就会产生全反射，而其余波长的光会顺利通过， 相当一个带阻滤波嚣。由于光纤b r a g g 光栅是直接采用紫外光写入的，它的反射波长 的反射率可达1 0 0 。 f b g 型d w d m 在小复用波长数( 如4 波长、8 波长) 下隔离度低，成本高，但 用于1 6 波长及1 6 波长以上器件时，其隔离度可做得更高些，各波长的插入损耗比较 均衡，有利于与e d f a 联合使用。 ( 3 ) 薄膜滤光片( t h i nf i l mf i l t e r ，t f f ) 型 薄膜滤光片法，又称介质膜薄膜法。如图2 1 所示，介质薄膜型波分复用器是 由介质薄膜( d t f ) 构成的一类芯交互型d w d m 器件。介质薄膜干涉滤波器是由由几十 层乃至上百层不同材料、不同折射率和不同厚度的高反射膜按照设计要求组合起来， 膜层结构如图2 2 所示，h 、l 为光学厚度是1 4 波长的高、低折射率膜层。由图2 2 可见，中间层2 l 为1 2 波长矗的光学厚度，对波长为厶的光不起作用，可以忽略不 计，剩下的中间层为两个h ，就如同靠在一起而构成一个h h 的l 2 波长厶的光学 厚度，同样可以略去不计，依次类推。可以看出，整个膜系对波长无的光有同基底一 样的透射率，而波长偏离无的光因为中间层不满足半波长的条件，因此透射率迅速下 i o 华中科技大学硕士学位论文 降，每通过一层都要下降一次，最后被滤掉而不能透过，因而最后只有指定波长厶的 光透过，这就达到了滤波的目的。改变膜厚，即可滤出不同波长的光。 自聚焦透镜 图2 - 1 薄膜滤光片法实现波峰复用器和解复用器的示意图 i 薹 l 图2 - 2 光学介质薄膜窄带滤波器的结构 目前有三种沉积技术用于介质薄膜镀膜：离子束辅助沉积( i b a d ) 、等离子体辅 助沉积( p a d ) 和离子束溅射( i b s ) 。它们都基于共同的工作原理：用离子束轰击成 膜材料表面，在基片表面形成致密的薄膜。高能粒子与目标分子之间的碰撞可以避免 薄膜内缺陷的形成，缺陷的减少有几个优点：第一，薄膜密度增大，物理一致性很好， 可提高产量。第二，避免因薄膜缺陷吸附水蒸气及其他分子，而导致薄膜长时间稳定 性变差。第三，从多次重复的薄膜沉积过程来看，折射率变得更加稳定。当有能量辅 助沉积时，s i 0 2 和t a 2 0 5 可产生致密的非晶微结构从而获得表面非常光滑的薄膜。 介质薄膜虽有可靠性很高的专用镀膜机制备其薄膜，先进离子源保证膜层的致密 性，高速旋转工件盘可使滤光片获得较好的均匀性，但高精度监控系统的合理使用仍 是保证成品率的一个很重要工作【2 1 2 4 1 。 薄膜干涉滤光片是目前已知的最有效的方式，它克服了其他分波方法带来的插入 损耗、偏振损耗、偏振模色散、温度稳定性等方面的缺陷，逐渐获得了广泛的应用 2 5 2 8 。 此类介质薄膜滤光片的中心波长的温度系数可小于i p m c ，甚至波长无漂移。对于频 率间隔在1 0 0 g i z 以上通道数目的较小系统，其市场占有率保持在5 0 以上，被认 号黼萱薄 华中科技大学硕士学位论文 为是“实现几十g b s 通信系统的一种首选方案” 2 9 1 。 表2 - 1 三种不同制作方法d w d i i 的优缺点分析【2 9 1 方案名称优点缺点 可以实现十个乃至百个波长的复用解复 温度稳定性较差，插入损耗较大， w g 法 与光纤耦合困难，投资大，设备要 用，波长间隔小，能达到5 0 g h z 求高 技术成熟，可直接写入通信光纤，成本 低，重复性高，适合批量生产； 易与各种光纤系统连接，连接损耗低；机械稳定性差； 光纤b r a g g 光栅波长、带宽以及色散可灵活控制，中心反向反射高，必须使用光隔离器； 法 反射波长可以精确控制，反射带宽可以任温度稳定性差，光栅的中心波长 意选择且可能很小，反射率几近1 0 0 ； 容易随温度而变化 容易进长温度补偿； 成本低 技术成熟，有极好的温度稳定性，偏振不 薄膜滤光片敏感，插入损耗较低，通带特性理想，信 波长通道间隔大，只能工作于固定 波长 道隔离大，有较宽的通带 2 2c l e n s 结构原理 石英光纤在可见光波段有强烈的吸收特性，因此光纤通信系统所有的波长均为红外 波段的不可见光，这一点决定了c l e n s 在材料上与普通透镜的不同，它采用了一种在光 纤通信波段具有高折射率的材料，这种材料具有良好的耐酸碱腐蚀性，并且在c - l e n s 两 个端面镀增透膜的情况下，对光纤通信所用波段有着极高的透过率，可达9 9 9 以上。 图2 - 3c - l e n s 结构 华中科技大学硕士学位论文 c 1 e n s 的结构如图2 - 3 所示，图中l 为c l e n s 的中心长度，中为c 1 e n s 的直径， p 为球面的曲率半径，0 为斜端面的倾角。与传统的g r i n l e n s 相比，c 1 e n s 是一种折 射率为常数的厚透镜，它的一个端面为球面，另一个端面为斜面3 0 1 。 - o - - 一 f ，f 一一一 ，一。一。 图2 4 单球折射面的不意图 图2 - 4 是一个单球折射面的示意图，a b c 是部分球面，曲率半径为r ，b 为部分 球面的中心，称为顶点。o 为球心，球心与顶点的连线为单球面折射面的光轴。上图 球面的左侧是折射率为n 的介质，右侧是空气。则其焦距由下两式决定： f = r ( n - 1 )( 2 - 3 ) = 以r ( n - 2 )( 2 4 ) 通过焦点垂直于光轴的平面就是焦平面。 i ，占一 f ， - - o f 图2 5 理想的c - l e n s 示意图 图2 5 是一个理想的c l e n s 的示意图，可以看作是一段有限长度的介质棒加上一 个单球折射面构成，并且单球折射面的球心位于介质棒的机械中心轴上。由式( 2 3 ) 、 ( 2 - 4 ) 求出焦点f ，f 的位置4 l ：1 f r d o ( 2 5 ) =一 ， 由上式可以看出，理想的c 山i l s 的焦距只受到折射率n 与曲率半径r 的影响当 确定了材料折射率后，焦距的大小只取决于球面曲率半径。 c 1 e n s 生产过程中，存在以下几项影响因素： ( 1 ) 长度公差 c u n s 删c - l e n s 的焦距不产生影响。长度公差为十_ o 0 5 衄 ( 2 ) 曲率半径公差 c - l e n s 的曲率半径直接影响c l e n s 的焦距，曲率半径公差为+ ，1 0 0 0 1 m m ( 1 ) c - l e n s 的偏心 c 删s 的偏心是指c - l e n s 的机械轴和球面的光轴不重合如图2 击中所示胃 c 1 e i l s 机械轴和球面的光轴的夹角e 来度量偏心的大小c - l e i l s 的偏心会对准直器的 出射光偏角产生影响，偏心公差为+ 3 0 m i n 。 图2 - 6c - l e n s 偏心示意图 图2 7 是一种典型的c 。l e n s 光纤准直器的结构。基模高斯光束从光纤的端面竺竺 时的i 散角较大，无法满足出射近似平行光的要求，因此必须对从光纤端面出射的高斯 光束篓雾：旱一种厚的球透镜，高斯光束入射c - l e i l s 和出肌l e l l s 时在透镜前后表 由于c - 1 e i l s 是一种厚的球透镜，高斯光束入射 n s 利出羽。以e 1 1 s 叫伍“8 “。 面的光斑半径不再相等，因此不能按照基模高斯光束在薄透镜中的变换规律分析而 应该桑用矩阵光学结合高斯光束的q 参数a b c d 法则进行研究p 。 一 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 7c - l e n s 光纤准直器的结构 选择的c 1 e n s 参数为：折射率n = 1 7 4 4 7 4 2 ，中心长度l ；3 8 5 m m ，斜面倾角o = 8 。，球面曲率半径p = 1 8 r a m ，直径中= 1 8 m m ，空气折射率n 。= 1 0 。 _ _ _ h , l - i j 。 - - f 一 f ，2 暑， 一 f 图2 - 8c l e n s 基点位置图 图2 - 8 是c 1 e n s 的基点位置图，其中物方截距s 是物方焦点f 离斜端面中心的距 离，像方截距s 是像方焦点f 离球面中心的距离。 当光纤头与c 1 e n s 之间距离b = 0 2 2 m m 时，基模高斯光束入射到c 1 e n s 的斜端面中 心时的光斑半径为0 0 2 2 0 6 6 m m ，该值与c 1 e n s 的直径1 8 m m 相比甚小，因此在分析 c 1 e n s 准直特性时可以把斜端面中心处近似为平面，故在计算c 1 e n s 的传输矩阵时可 以得到简化。 由矩阵光学理论可知c l e n s 的传输矩阵为口2 】 丁恃辨删= 根据传输矩阵与透镜基点之间的关系有 焦只为，i 一寺观。4 埘坍 1l n 0 坚业