（光学工程专业论文）粗波分复用器件的设计与制作.pdf

摘要 波分复用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 ) 是一种进行光纤通信扩容的 有效手段，特别是近年来随着城域网建设的兴起。由于c w d m 系统优异的性价比 而在城域网中获得了广泛的应用。c w d m 器件是构筑c w d m 系统的重要基石，因 而开发出一款高性能，低成本且能满足欧盟最新提出的r o h s ( r e s t r i c t i o no n t h e u s e o f h a z a r d o u ss u b s t a n c e ) 绿色环保要求的c w d m 器件具有重要意义。 本文提出了一种全新的c w d m 器件的设计，器件核心部件基本由玻璃管制成， 简称为“a 1 1 g l a s s ”结构，目前业界也称为“全胶结构”。即该器件所有玻璃部件由 胶全部粘接而成。玻璃管的连接巧妙地采用了一种能够实现自适应调节的“球关节” 结构，使得制作过程大大简化，制作的工艺周期相对于传统焊接器件的生产方法大 大缩短。文中详尽地描述了器件的整体制作步聚并分析了影响器件关键性能的各种 因素。最后对所试制的样品进行了测试，结果表明该器件不仅具有优异的光学性能， 还通过了界业所规定的全套可靠性测试，为将来的商业化垫定了良好的基础，同时 也为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 i n g ) 等其它光纤无源器件的全玻璃 化，全胶化提供了重要的设计参考。 关键词粗波分复用薄膜滤光片全胶高斯光束 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ) i s a ne f f e c t i v ew a yt o e x p a n dt h e c a p a c i t yf o rf i b e rt e l e - c o m m u n i c a t i o n ，e s p e c i a l l y , w i t ht h em e t r on e t w o r kc o n s t r u c t i o n b e c o m i n gm o r ep o p u l a r ，t h ec w d ms y s t e ma r ea d o p t e di nm e t r on e t w o r kw i d e l yd u et o t h eh i g hp e r f o r m a n c et oc o s tr a t i o c w d md e v i c ei st h ec o n l e r s t o n ef o rt h ec w d m s y s t e mc o n s t r u c t i o n s o ，i tw i l lm a k eg r e a ts e n s et od e v e l o pah i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s t c w d mc o m p o n e n tw h i c ha l s oi sc o m p l i a n tt ot h er o l l s ( r e s t r i c t i o no nt h eu s eo f h a z a r d o u ss u b s t a n c e ) an e wd e s i g nf o rt h ec w d m c o m p o n e n ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h ek e yp a r t sa l e b a s i c a l l ym a d e o fg l a s st u b e s ，w h i c hi sa l s on a m e da s a l l g l a s s s t r u c t u r eo r “a l l g l u e ”t e c h n o l o g y i tm e a n st h a ta l lo ft h ep a r t sa r ej o i n e dt o g e t h e rb yt h eg l u e a s p e c i a ls e l f - a d a p t a b l e “s p h e r i c a lj o i n t ”s t r u c t u r ei sa d o p t e dh e r e ，w h i c hc a nm a k et h e a s s e m b l yp r o c e s se a s i e ra n dc u ts h o r tt h ew h o l ep r o c e s st i m eg r e a t l yw h e nc o m p a r e dt o t h et r a d i t i o n a ls o l d e r i n gp r o c e s s m o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o ni sp r e s e n t e dh e r ef o rt h et o t a l a s s e m b l yp r o c e s sa n ds o m ef a c t o r sa r ea n a l y z e d ，w h i c hm a y a f f e c tt h el o s sp e r f o r m a n c e f i n a l l y , w eg o ta w h o l e t e s t i n ga b o u tt h es a m p l e s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h i sc o m p o n e n t n o to n l ya c h i e v e dh i g hp e r f o r m a n c eb u ta l s op a s s e dt h ew h o l es e tr e l i a b i l i t yt e s t i n g t h i s w o r kc a nb et a k e na st h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ec o m m e r c i a l i z a t i o na n dg i v eag o o d r e f e r e n c et ot h ed e v e l o p i n go fn e x td 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 i n g ) a n do t h e rf i b e rp a s s i v ec o m p o n e n t si na l l - g l a s s k e y w o r d sc w d mt h i n - f i l mf i l t e ra l l - g l u e g a u s sb e a m i i 福建师范大学光学工程硕士学位论文 中文文摘 随着全球大多数国家长途主干网( l o n gh a u l ) 的建成，目前城域网的建设正方兴 未艾。c w d m 以其高性能、低成本及其灵活的业务组网方式在城域网中获得了广泛 的应用，而c w d m 器件是构成c w d m 系统的基石，因而研发一种高性能的c w d m 器件将变得不仅具有技术创新意义，也将更具有其商业价值，特别是自欧盟提出所 有进入欧盟国家的光电子产品在2 0 0 6 年7 月1 日起需满足其绿色环保要求即著名的 r o l l s 。由于传统的手工焊接的c w d m 器件中会用到一种含“铅”量很高的焊料( 铅 是一种严重危害人体健康的有害物质) 因而推出一款无铅的，真正“绿色环保”的 c w d m 器件成为目前国内外众多光纤器件厂商、研究所、大学等研究单位所追逐的 目标。目前光纤无源器件无铅化的生产工艺有两个方向，其一，是采用无铅焊锡进 行焊接，其二，便是采用全玻璃化，全胶化。由于无铅焊锡有着焊接温度较高，不 易控制及容易出现虚焊等缺点，因而大多数无源器件厂商纷纷展开了对器件全玻璃 化，全胶化的研究，本文正在这样个行业背景下展开了对a 1 1 g l a s s 器件的研究。 第一章，概述了光纤通信的发展历史及c w d m 的相关背景知识，在成本，功 耗及设备体积等方面对c w d m 与d w d m 之优缺点进行了比对。对目前实现波分复 用的几种技术方式作了介绍，主要包括熔融拉锥型、光栅型、介质薄膜型、集成光 波导型及i n t e r l e a v e r 等几种技术方案，并对各种实现波分复用的技术进行了原理介 绍和优缺点分析比对，使读者对波分复用技术有一定的了解。章末强调了本文选题 的重要意义及本文所做的主要工作及创新点：设计开发出了一款高性能、低成本、 短生产周期的c w d m 器件，并对目前光纤器件制作行业所采用传统焊接工艺的更 新换代提供了一定的参考。 第二章，由于介质薄膜滤光片是构筑介质型波分复用器件的基本单元，本章首 介绍了介质薄膜滤光片的实现w d m 的原理及其透射光谱特性。并对目前所用的几 种薄膜滤光片的镀制工艺：i a d ( 离子辅助法) ，a p s ( 等离子体辅助法) ，s ( 离子束溅射 法1 进行分析对比，列举了业界膜片的主要供应厂商及其所采用的镀膜机种类：配合 器件的透、反射光谱曲线详细地给出了c w d m 器件的各项光学指标的定义；对目 前所用的常规指标的测试系统的组成及测试原理进行了分析对比。章末介绍了目前 业界所普遍采用的由美国b e l l c o r e 公司制定的无源器件可靠性测试标准 g r q 2 0 9 一c o r e 和g r 一1 2 2 1 c o r e 。 中文文摘 第三章，本章详细地介绍了本文所研究的c w d m 器件结构，列出了本课题所 选用的几种粘胶剂的特性参数( 主要包括用于制作准直器部分的美国e p o - t e c 公 司3 5 3 n d 、用于玻璃管球关节粘接的a b l e s t i k 公司的生产的a a 5 0 t 、用于器件侧壁 加固的3 5 3 n d t 及器件整体防水抗冲击的m a s e r b o n d 硅橡胶) ，并对所选用玻璃管 的清洗环节作了重点介绍。 按照器件的实际制作工艺流程，依次阐述光纤准直器的调试装配、介质膜滤光 片的与桥接玻璃管的粘接、器件反射端的制作、透射端的制作、器件半成品成品的 封装等工艺过程及其制作过程所需要注意事项。 第四章，介绍了本文所选用的光纤参数，从高斯光束的传输及模场耦合理论出 发，详尽地分析了影响器件主要光学性能的因素：包括反射端玻璃管球关节或滤光 片由于胶水的热固化过程中或外界环境温度的变化所引起的微小倾角与反射损耗的 关系，应用光线追迹及高斯光束通过c l e n s 分别进行光束准直，反射，聚焦进入反 射端光纤时光能量的耦合与影响因素的关系曲线；假定c w d m 介质膜滤光片不对 准直光束产生波前畸变及其对光的透射吸收相对固定的前提下，对透射端的错位、 间隔及倾角等三种情况下所产生的附加耦合损耗进行了理论分析，并模拟了其影响 程度的关系曲线，为结构设计过程中制定各个零部件的几何尺寸公差时提供了一定 的理论参考依据。 第五章，对所试制的器件样品分别进行了反射损耗、透射损耗、反射端温度相 关性及透射端温度相关性进行测试，实验结果表明该器件具有非常优越的光学性能， 特别是透、反射端的温度相关性能，其温度相关损耗t d l ( t e m p e r a t u r ed e p e n d e n t l o s s l 只有传统焊接工艺制作的c w d m 器件的一半。最后对所试制的样品严格按照 b e l l c o r e 公司的要求进行了全套的可靠性测试，测试结果表明该批样品具有非常盼优 异的可靠性，所选用的每组样品均通过了严格的老化测试，特别是高温高湿，机械 冲击等非常残酷的可靠性测试。 文章最后对本课题所做工作进行了全面总结，分析了研究开发该项目所具有的 重要意义，为下一步的d w d m 及用于光纤到户的嗍( f i b e r t o t h e h o m e ) 等所需基 于介质薄膜型的各种特殊w d m 器件的设计提供了重要参考意义，对于其它的光纤 无源器件如：光纤隔离器件、光开关、光功率探测器、光环形器件等的全胶化、全 玻璃化也提供了一定的设计参考。 第一章绪论 第i 章绪论 1 1 引言 光纤通信的历史可追溯到1 9 世纪中叶。1 8 5 4 年英国物理学家发现光线随着下 水道小洞里漏出的水而发生弯曲，这是光随线路传输( c h a n n e l ) 的最早发现。1 8 8 0 年贝尔应用了这个概念进行光电话的实验，他在华盛顿利用光束传声音信号。在这 个相对简单的试验中，他用镜子对太阳进行聚焦把光束在大楼之间传输，在信号发 生端，把声音信号转化为镜子的振动，接受端的探测器再把振动的光束转化为声音 信号。然而最终贝尔放弃了光电话，因为光束抗干扰能力差，传输距离短，而且由 于是利用太阳光，一旦天气转阴，整个系统就瘫痪了。缺乏光源和损耗大的问题一 直影响了光通信的应用。1 9 6 0 年激光器的发明解决了第一个问题，随后人们的注 意力集中到寻找用激光进行通信的途径。6 0 年代提出了许多方法解决光传输通道问 题，其中最值得注意的是用气体透镜序列进行光限制传输。1 9 6 6 年英籍华人高琨博 士提出光纤可能是最佳选择，因为它能像铜线传导电子那样导光。主要的问题是光 纤的高损耗，6 0 年代能得到的光纤损耗超过了1 0 0 0 d b k m 。1 9 7 0 年出现了突破，在 l 微米附近波长区光纤损耗降低到约2 0 d b k m 。几乎在同时，室温下运行的g a a s 半 导体激光器的研究成功。小型光源和低损耗光纤的同时问世，在全世界范围内掀起 了发展光纤通信的高潮“1 ，美国政府首先应用光纤连接了北美航空防御指挥中心 ( n o r a d ) 的计算机。”。 随着现代通上信容量的不断增加，已有的光纤通信系统面临着急需扩容的问 题。目前扩容的方法主要有：空分复用s d m ( s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，时分复 用t i j m ( t m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 干l l 波分复用w d m 4 - 6 1 0 光波分复用器是对光波 波长进行合成与分离的光纤无源器件7 。8 】，由于不必废弃原有来铺设原有的光传输设 备而寝为被看好，成为目前光纤通信网中用于通信容量拓展的核心技术。光纤通信 网以其通信容量大，速率高，兼容性好等优点成为未来通信发展的主要方向，而作 为波分复用光纤通信网络的核心技术，w d m 又分为粗波分复用c w d m 及密集波 分复用d w d m 两种。目前，d w d m 是长途骨干网建设的主流技术，但在城域网和 接入网建设方面，由于d w d m 技术高昂的系统成本极大地限制了它的应用，而 c w d m 与d w d m 相比，尽管传输距离和波分数量都较少，但由于它有很高的性价 比，特别适合宽带城域网的应用，因而有着很广阔的发展前景【9 - 1 0 ，c w d m 目前已 福建师范大学光学工程硕士学位论文 成为城域网市场的主流技术。光纤遇信的最终目标是实现众光网络( 灿lo p t i c a l n e t w o r k ，a o n ) 遴售，兔主下载复雳( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r , o a d m ) 葶l l 竞交叉连 接( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，o x c ) 椁技术是全光通信网络的关键4 ”。 1 2c w d m 与d w d m 之 | ：对 。 c w d m 技术与d w d m 技术在概念上比较楣似，都是农通信系统的发射端采用光波 分复用技术将调制于多个波长上的信号耦合进入单根光纤，然后在系统的终端采用 鳃复髑技本燎不弱波长的售号分开( 如下中图l 一1 所承) 图l - l ( a ) 波分复用传输原理 f i gi - i 国t h ep r i n c i p l eo f t r a n s m i s s i o no v e r w d m 、譬寰囊； 鬻 吲。 0 ” i 灏豢 x l 盖2x ，x 4 薹垡冀 八八厂： 蕊蠢 萋鬟 圈i - l ( b ) 信号爱用与解复崩 f i gi - l ( b ) s i g n a lm u xa n dd e m u x 出于d w d m 技术潜在的巨大带宽及其传输数据的透明性，人们自然而然地希望将 d w d m 也终菇缓域及按入网孛翡转输平台。褒长途转竣孛，由警采用了掺锤光终教大 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 ) 可将光信母直接放大，节省了大量的进行 先一瞧一先转换懿中继设各，麸嚣太大节省了逶馈袋本，毽与藏嚣露峦予e d f a 增益荣 第一章绪论 宽及某些增益特性的限制，人们不得不采用造价更高的带有p e l t i e r 冷却设备的蝶 形封装的d f b 激光器及d w d m 器件；此外，由于电中继传输距离加长，对激光器的色 散容限各啁啾特性也提出了更高的要求。由于这些高性能器件的应用自然提高的系 统的设备成本。然而，在城域及接入网方面由于传输距离短( 一般为1 0 0 公里以内) 无需使用e d f a ，增加一根光纤的成本也不高，如果简单沿用d w d m 系统，将得不偿 失。城域网短距离的通信特点决定了其对于w d m 技术的需求需满足：低成本，承载 业务灵活及业务质量可靠，c w d m 技术正迎合了这些特点： 首先，在成本方面由于c w d m 技术充分利用了城域网传输距离短的特点，不必受 e d f a 放大波段的限制，而是可以在1 2 9 0 1 6 1 0 的整个光纤传输窗口上，以比d w d m 系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽，传输距离短，c w d m 只须选 择价格低廉的无高波长稳度及高色散容限要求的同轴封装的激光器( 在系统整个工 作温度范围对d w d m 光源波长容差典型值为0 1 n m 。而c w d m 激光器的波长容差却高 达2 - 3 n m ) 。另，整个系统也无需选择昂贵的密集波分复用器和解复用器，只须选 择廉价的粗波分复用器和解复用器( d w d m 系统中使用的i o o 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 h m 滤波器大约有5 0 层。) 通常c w d m 器件的成本只有d w d m 器件的5 0 。 其次，在功耗方面由于光传输系统的运营成本主要取决于系统的维护和系统消 耗的功率。例如，单是激光光源方面，d w d m 系统光源由于冷却器及相关控制电路平 均每波长消耗的功率约是c w d m 系统光源的8 倍。四波c w d m 光传输系统大约消耗 1 0 1 5 w 的功率，而类似的d w d m 系统却要消耗高达3 0 w 的功率。在d w d m 系统中，随着 复用的信道数的增加及单信道传输速率的增加，功率损耗及其温度管理变成了电路 设计的关键问题。 最后在c w d m 设备在体积方面要比d w d m 设备小得多，不带冷却器的激光器一般是 由激光片和监控光电二极管采用t o 封装构成，只有d w d m 激光发射机体积的五分之 一id w d m 与c w d m 设备对器件技术性能及系组成的要求比较参照表卜1 1 另，c w d m 与d w d m 在其信道间隔及信道本身带宽的规定上，在2 0 0 2 年4 月2 7 日 一5 月1 0 日的国际电联i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 标准化组织 i t u ts g l 5 会议上讨论并通过的g 6 9 4 2 与g 6 9 4 1 标准，分别对c w d m 系统的频率 栅及d w d m 系统的频率栅进行了规定“”。 其中，g 6 9 4 2 定义了从1 2 7 0 n m - - 1 6 1 0 n m 共1 8 个c w d m 标准波长( 分别为： 福建师范大学光学工程硕士学位论文 1 2 7 0 n m ，1 2 9 0 n m ，1 3 1 0 n m ，1 3 5 0 n n ，1 3 7 0 n m ，1 3 9 0 n m ，1 4 1 0 n m ，1 4 3 0 n m ，1 4 5 0 n m ， 1 4 7 0 n m ，1 4 9 0 h m ，1 5 1 0 n m ，1 5 3 0 n m ，1 5 5 0 n m ，1 5 7 0 n m ，1 5 9 0 n m 。1 6 1 0 n m ) 这些波长 间隔为2 0 h m ，该间隔的设计可以允许在使用无致冷光源条件下，几个间隔较大的波 长的同时传输，同时使用无致冷光源也正符合c w d m 系统器件体积紧凑、功率低、成 本小的要求：g 6 9 4 1 对d w d m 频谱栅的划分是以1 9 3 1 t h z 这中心，支持从1 2 5 1 0 0 g ( 或更高) 的多种信道间隔。其计算中心频率方法如下： 对信道间隔为xg h z ，信道频率为( t h z ) 1 9 3 1 + n x 1 0 - 5 ( n 为正、负整数或0 )( 1 - 1 ) 例如：对信道问隔为i o o g h z ，信道频率为( t h z ) 其对应的中心频率为： 1 9 3 1 + n o 1 ( n 为正、负整数或0 )( 1 - 2 ) 表1 - 1d w d m 与c w d m 对器件及系统的要求比较 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r i s o no f d w d mv sc w d mo nt h er e q u i r e m e n to f c o m p o n e n ta n ds y s t e m 比较项目啪mc 删 应用范围及点对点传输距离长途干线( 8 0 1 6 0 k m )城域网( 2 0 、4 0 、6 0 k r a ) 波长间隔( n 皿)1 6 、0 8 ，0 4 ，0 2 2 0 波长范围( n ) 1 5 3 0 1 5 6 51 2 6 0 1 6 2 5 波长数目1 6 0 2 7 3 8 1 8 激光器波长容差 0 12 3 调制技术采用外调制可不采用外调制 激光器恒温系统需要 不需要 激光器物理尺寸大 小 对光滤光器技术要求高 低 光滤波器成本比较高低 每波长功耗( w )大约4 w 大约0 5 w 、 相同波蚝数的设备体积比较 体积大体积小 系统采用e d f a 放大技术 需要不需要 系统采用色散补偿技术需要不需要 系统采色散均稀技术 需要不需要 设备成本价格比较高 低 笫章绪论 1 3w d m 器件的发展现状 波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即光复用器和光解复用器( 有时也 称合波器和分波器) ，实际均为光学滤波器，其特性好坏在很大程度上决定了整个系 统的性能。光波分复用器的种类很多，按照其制造的方法可以分为熔锥光纤型、介 质膜干涉型、光栅型和波导型等，下面就几种常用的波分复用技术作一简要介绍。 ( 一) 熔锥型波分复用器 熔锥型波分复用器是最早使用的种波分复用器，它是将两根或多根光纤靠贴 在一起通过适度熔融而形成的一种表面交互式器件，可以通过控制融合段的长度和 不同光纤之间的互相靠近程度，实现不同波长的复用或解复用。熔锥型波分复用器 的原理可用消逝波理论进行描述f 2 0 。当两根单模光纤的纤芯充分靠近时，单模光 纤中的两个基模( l p 0 1 横电横磁混合模) 会通过消逝波产生相互耦合，在一定的耦 合系数和耦合长度下，便可以造成不同波长成分的波道分离，而实现分波，同时由 于其光路的可逆性也可用作合波。在传统的1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 波分复用系统中多采用 两纤的熔锥型滤波器，这种滤波器的插入损耗小( 单级最大小于o 5 d b ，典型值为 0 2d b ) ，无需波长选择器件，工艺简单，适于批量生产，但相邻信道的隔离度较差 ( 典型值为2 0 d b 左右) 且外型尺寸稍大。采用多个熔融式耦合器级联应用的方法， 可以改进隔离度( 提高到3 0 - - - 4 0 d b ) 。两纤的x 形熔锥型耦合器如图1 - 2 所示。) h ，h 三= = ：；= = = x - 、 一 一一、 ， 、= 主 2 图1 - 2 熔锥型光纤波分复用器 f i g1 - 2f b tb a s e dw d m ( 二) 光栅型波分复用器 ： 光栅型波分复用器属于角色散型器件，是利用角色散元件来分离和合并不同波 长的光信号 2 1 - 2 2 】。最流行的衍射光栅，是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后再在环 氧橱脂上制造光栅线，构成所谓反射型闪烁光栅。入射光照射到光栅上后，由于光 栅的角色散作用，不同波长的光信号以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的 输出光纤，从而完成波长选择功能，反过程即实现合波，如图2 - l 所示。闪烁光栅 福建师范大学光学工程硕士学位论文 的优点是高分辨的波长选择作用，可以将特定波长的绝大部分能量与其他波长进行 分离，且方向集中。 l 2 3 x r ”x 。 亍射光栅 & 畛弋 图1 - 3 光栅型波分复用器 f i g1 - 3g r a t i n gb a s e dw d m lx2 。输入( 出) 闪烁光栅型滤波器具有优良的波长选择性，可以使波长的间隔缩小到数纳米甚 至o 5 r i m 左右。另外，光栅型器件旧并联工作的，插入损耗不会随复用通路波长数 的增加而增加，因而可以获得较多的复用通路数，已能实现1 3 1 个波长间距o 5 r i m 的复用。其隔离度也较好，当波长间隔为l n m 时可以高达5 5 d b 。它的缺点是插入 损耗较大，通常有3 8 d b ，对极化很敏感，光通路带宽通路间隔比尚不很理想，使 光谱利用率不够高，对光源和w d m 器件的波长容差要求较高。此外，其温度漂移 随所用材料的热膨胀系数和折射率变化而变化，典型器件的温度漂移大约为 0 0 1 2 n m c ，比较大。若采用温度控制措施，则温度漂移可以减少至0 0 0 0 4 n n d 。 因j h j ，对于d w d m 器件采用温控措施是可行和必要的。 这类光栅在制造上要求较精密，不适合于大批量生产，因此往往在实验室的科 学研究中应用较多。 ( 羔) 介质薄膜型波分复用器 介质薄膜型波分复用器是由介质薄膜d t f ( d i e e l e c t r i ct h i n - f i l m - f i l t e r ) 构成的一 类芯交互型w d m 器件 2 3 - 2 4 】。d t f 干涉滤波器是由几十层不同材料、不同折射率和 不同厚度的介质膜，按照设计要求组合起来的，每层的厚度为1 4 波长( 9 0 。) ，一 层为高折射率，一层为低折射率，交替迭合而成。当光入射到高折射层时，反射光 没有相移；当光入射到低折射层时，反射光经历1 8 0 。相移。由于层厚1 ，4 波长，因 而经低折射率层反射的光经历3 6 0 。相移后与经高折射率层的反射光同相叠加。这 第一章绪论 样在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面形成很强的反射光。在这高 反射区之外，反射光突然降低，大部分光成为透射光。据此可以使之对一定波长范 围呈通带，而对另外波长范围呈阻带，形成所要求的滤波特性。薄膜干涉型滤波器 的结构原理如图1 - 4 所示。 g l a s sf e r r u l e 图1 - 4 介质薄膜型波分复用器 f i g1 - 4d t fb a s e dw d m 介质薄膜型波分复用器的主要特点是，设计上可以实现结构稳定的小型化器 件，信号通带平坦，且与极化无关，插入损耗低，通路间隔度好。目前该种结构的 w d m 主要通过焊接的方式进行封装，如上图1 4 所示，制作时先将薄膜滤光片粘贴 于o 2 4 8 p 的g r i n l e n s ( g r a d e di n d e x l e n s ) 上，用双光纤头与g r i n l e n s 调试后粘 接，然后与另外一端的g r i n l e n s 所构成的准直器对调，并对过金属管进行焊接封 装。其缺点是，通路数不会很多，通常需通过级联形成多路合分波。且焊接器件的 透、反射端的温度相关性较差，所选用的焊锡中通常会含有对人体有害的铅，不符 合环保要求。 ( 四) 集成光波导波分复用器 集成光波导型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件，典型制造 过程是在硅晶片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃，并利用光刻技术形成所需要的图 案，腐蚀成型。该器件可以集成生产，在今后的接入网中有很大的潜在应用，而且 除了波分复用器之外，还可以做成矩阵结构，对光信道进行上下分插( o a d m ) ，是 今后光传送网络中实现光交换的优选方案。 使用集成光波导波分复用器较有代表性的是日本n t t 公司制作的阵列波导 a w g ( a r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n g ) 光合波分波器 2 5 1 ，它具有波长间隔小、信道数多、 福建师范大学光学工程硕士学位论文 通带平坦等优点 2 6 - 2 8 】。 图1 - 5 a w g 型波分复用器 f i g1 - 5 a w g w d m 此外，对于密集型波分复用目前还有用到光间插器件i n t e r w e a v e d 2 9 - 3 3 1 ，主要是用 于实现5 0 g 间隔的密集波分系统。 1 4 研究a 1 1 g l a s sc w d m 的意义 山于c w d m 技术在城域及接入网中的应用有着其不可代替的技术及成本上的优 势，因于研发出款高性价比的c w d m 器件将变得不仅具有技术创新意义也将更具有 其商业价值，特别是自欧盟提出自2 0 0 6 年7 月1 日起所有进入欧盟的光电子产品必 符其官方规定的六种有害物质的最高含量规定即著名的r o h s 指令m 1 。符合r o h s 要 求的产品，任何一种下列物质含量应当满足：均质材料中该物质含量不超过下面规 定的最大值，除非这种物质是r o h s 指令豁免的物质( 见图1 - 6 ) 。”：铅( p b ) 、汞 ( h g ) 、六价铬( c r 6 + ) 、聚合溴化联笨( p b b ) ，以及聚合溴化联笨乙醚( p b d e ) 含 量不超过总重量的o 1 ：镉( c d ) 含量不超过总重量的0 0 1 9 6 。 图1 - 6r o h s 对六种有限物质的规定 f i g1 - 6r o h sr e q u i r e m e n to nt h e6 t y p e so f h a z a r d o u ss u b s t a n c e 第一章绪论 由于采用传统的焊锡焊接方式的工艺介质薄膜型c w d m 器件在焊接过程中不可 避免地采用了焊丝( 焊丝中的铅含量较多不符合r o h s 要求) ，即使采用无铅焊料其焊 接难度也较大，因而该种工艺将渐渐被迫退出其历史舞台。 1 5 论文的主要工作及创新点 本文在研究了目前国内外一些主流光纤器件公司的c w d m 器件结构及其现有工 艺流程的基础上，在导师的悉心指导之下并依托福州高意科技公司的实验设备及其 工艺平台创新地开发出一种全玻璃，全胶化的c w d m 器件，所做主要工作内容及创新 点如下所列： 1 ) 完成该课题所研发器件的整体结构设计，设计过程中巧妙地采用一种能够“自适 应”的玻璃管“球关节”结构，使得器件的反射端及透射端在制作过程中能够在 光纤调整架上自由地调节以实现透、反射光路光能的最佳耦合。 2 ) 在器件的结构设计过程中采用了c l e n s ，代替了传统的g r i n l e n s 从而进一步 降低了器件整体的成本，所有部件都采用了符合r o h s 要求的原材料，是符合无 铅工艺的“绿色环保产品”。 3 ) 制订出了完整的器件装配工艺，在装配工艺设计中主要采用了3 5 3 n d 热固化胶 及另外一种双固化胶a a 5 0 t ( 紫外光固化和热固化) 用于各个玻璃部件的粘接。 所采用的胶粘工艺无需经过用于应力释放的高温烘烤及温度循环过程，从而大大 缩短了整个器件的装配生产时间。 4 ) 从高斯光束模场耦合理论出发，分析了影响器件透、反射端光学性能的因素，对 各部件在加工的精度控制及在装配过程中的装配精度要求做出了详尽的理论分 析。 5 ) 对所试制的样品进行了完整的测试，测试结果表明该器件光学性能非常优越，特 别是具有非常小的“温度相关性”即器件的透、反射端损耗受外界温度影响非常 小。该设计通过了完整的可靠性测试，为其将来的规模化生产垫定了良好的基础。 6 ) 为下一步的d w d m 器件等其它光纤无源器件的全玻璃化、全胶化的结构及工艺设 计提供了非常有价值的借鉴。 福建师范大学光学工程硕士学位论文 第2 章介质薄膜型c w d m 2 1 介质薄膜型滤光片 介质薄膜滤波片以其信道带宽平坦、插入损耗低、结构尺寸小、性能稳定及与 偏振无关等优点在w d m 中获得了广泛的应用“1 ，是组成w d m 器件的基石。制作时采用 在玻璃衬底上按设计要求交替地镀上折射率不同的两种光学介质薄膜( 如t i o ：和 s i o ：) 制成，设计及蒸镀过程每层厚度控制为 4 ，一层为高折射率。一层为低折射 率，如下图2 1 所示。 a 打 h i g hi n d e x l o wi n d e x h i g hi n d e x l o wi n d e x h i g hi n d e x g l a s ss u b s t r a t e t r a n s m i t t e d b e a m 图2 - 1 介质膜滤光片组成结构 f i g2 - 1s t r u c t u r eo f t h i n - f i l mf i l t e r 当光入射到高折射率层时，反射光不产生相移，当光入射到低折射率时，反射 光会经历1 8 0 0 相移，由于膜层设计厚度为 4 ( 9 0 0 ) ，因而经低折射率层反射的光 经历3 6 0 。相移，与经高折射率层的反射光同相相干叠加，这样在中心波长附近，各 层反射光相干叠加，在滤波器输入端面形成很强的反射光。在偏离高反射波长两侧， 反射光因不满足相干条件而成为透射光。因而器件整体该滤光片对某一波长范围呈 带通，而对其他波长范围呈带阻，通对设计上的优化及严密监控膜层厚度便能得到 所要求的滤波特性。在实际制作时将大片的玻璃基板一面镀完所需的滤波特性的w d m 膜后，通常在玻璃基板的另一面再镀上层数较少的增透膜以提高膜片对于透射波长 的透过率，其带通光学膜特性曲线如下图2 - 2 所示。通常，对于波分复用滤光片， 规定其透射曲线的3 d b 带宽所对应的中心波长为以为i t u 所推荐的中心波a 。对 于c w d m 其3 d b 带宽通常需大于1 4 n m 。 第2 章介质薄膜型c w d m ， 1 0 0 5 0 r 。 7 卜带宽( 3 d b ) j 足 幽2 - 2 窄带滤光片透过率曲线 f i g2 - 2t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e ro f n a r r o w - b a n dt h i n - f i l t e r c w d m 膜层通常在5 0 层左右，而d w d m 要由一百至两百多层膜组。每一层膜的厚 度都要很精密的控制才能镀出来，滤光片在大气中及在物理力的作用下必须保持特 性不变。这就是说，组成滤光片的微小构造的薄膜材料对于环境的变化需处于非常 稳定的状态。另外，这些滤光片在大量生产时很难保持每次生产的重复性。这就需 要具有镀膜时能保持长期安定性、沉积的高速性、在线精密光学膜厚控制等性能的 镀膜机。近年来，许多薄膜技术人员进行了不懈的研究，采用了各种镀膜制成技术 来进行探索”。4 “。目前所主要采用的镀制技术有： 1 ) i a d ( 离子辅助法) 2 ) a p s ( 等离子体辅助法) 3 ) i b s ( 离子束溅射法) 其优缺点对比如下表2 一l 所列 表2 - 1 几种镀膜方式比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tc o a t i n gm e t h o d s 镀膜方法优点缺点 i ) 镀膜速度快，膜层均匀 i a d ( 离子辅助法) 2 ) 内应力较小1 ) 重复性较差 3 ) 插入损耗较小 p s ( 等离子体辅助法) 1 ) 镀膜速度快，膜层均匀1 ) 重复性较差 2 ) 内应力较小2 ) 插入损耗较大 i ) 成膜速度很慢，均匀性不好 i b s ( 离子束溅射法) i ) 速度稳定重复性很好 2 ) 内部应力比较大 福建师范大学光学工程硕士学位论文 目前，业所采用了主要镀膜设计为l e y b o l d 公司的电子束蒸发镀膜机和 v e e c o i o nt e c h 公司的离子束溅射镀膜机。l e y b o l d 镀膜机将二氧化硅和五氧化二 钽交地蒸镀到正在高速旋转的平板玻璃盘上，玻璃盘被放置在蒸发室的中心处，通 过非接触式红外线测温仪发出的信号来控制基质温度，离子枪用氩离子和氧离子轰 击基质。通过这种大剂量的离子流生产出高物理密度的薄膜；v e e c o 镀膜机利用可 调激光辐射源和相关的计算机软件来控制膜层的厚度，每层薄膜被淀积后，其整个 膜系的透过率便得到测量。 目前国内外主要膜片供应商名称及其网址列表： i ) 美国b o o kh a mb ! ! q ：! ! 笪：b ! ! k h i 巴：! q 里 2 ) 美国北极光电 b ! ! b ；塑型：业! 丛i ：! ! 堕 3 ) 台湾新世代b ! e ；! 业：! ! ! ! ! ! ! b ：! ! 坐：塑 4 ) 台湾东典光电 j ! q ；! 业：2 i i ! 二! 幽曼! ：! 她 5 ) 广州奥普镀膜! ! ! ! q ；! 型：q q 血：! ! 里：业 6 ) 深圳飞莱特! ! ! n ；! 业：i ! ! ! 曲：! ! ! ：! 翌 本课题所用的c w d m 滤光片为美国a u r o r a 公司生产，其详细光学指标如下表2 2 所示1 在这里值得注意的是：滤光片所设计的m g l eo fi n c i d e n c e 即“入射角”为1 8 度，这主要是考虑与自聚焦透镜装配时其光轴要与自聚焦透镜的光轴成一很小的角 度，这样可使反射光束被同一个自聚焦透镜重新聚焦在双光纤尾纤的第二根光纤而 进入反射端传输( 以日本板玻璃公司n i p p o ns h e e tg l a s s n s g 公司“”的s l n l 8 型 号透镜为例，其0 2 5 p 的g r i n l e n s ，若双光纤的间距为1 2 5um 时可计算得其双光 线准直后的出光夹角刚好为3 6 度“”) 入射光纤与反射光纤之间相隔很小的距离，透 射光则由第二个自聚焦透镜聚焦进入对面的单光纤传输。本课题所设计的c - l e n s 双 光纤准直器，其双光线出光的夹角也为3 6 度，主要考虑与目前业界所用主流膜片供 应商的设计相匹配。另，滤光片的玻璃基片设计中引入了“w e d g ea i l9 1 e ”主要是为了 减小镀膜面与增透面之间干涉的产生。 介质薄膜型c w d m 所采用传统焊接结构请参考绪论中的1 3 节所述。 1 2 始2 章介质薄膜型c w d m 表2 - 2 c w d m 膜片指标 t a b l e2 - 2s p e c i f i c a t i o no f c w d mf i l t e r p a r a m e t e ru n i t s p e c i f i c a t i o n s o p e r a t i o nw a v e l e n g t h 1 2 6 0 1 6 2 0 a n g l eo f i n c i d e n c e 1 8 p a s sb a n d d e g ( xc 7 ) ( c + 7 ) r e f l e c t i o nb a n d 1 2 6 0 ( c i 3 ) ( x 叶1 3 ) 1 6 2 0 r i p p l ew i t h i np a s sb a n d d bo 2 0 t r a n s m i s s i o ni s o l a t i o nd b3 0 m a x i m u mi lw i t h i np a s sb a n dd b0 4 0 r e f l e c t i o nl s o l a t i o nd b1 4 r i p p l ew i t h i nr e f l e c t i o nb a n d d b0 1 5 p d lw i t h i np a s sb a n d