（通信与信息系统专业论文）偏振干涉型晶体交错梳状滤波器（interleaver）的研究.pdf

摘要 零论文对晶体镳援予涉型i n t e r l e a v e r ( 以下麓称麓晶倦i n t e r - l e a v e r ) 作了深入的毽论研究与仿真诗舞。首先，深入讨论了晶体i n t e r l e a v e r 的基本工作原理，结合h a r r i s 算法、光功率半带滤波器理论以 及f i r 数字滤波器理论，实现了基于理想情况下的晶体i n t e r l e a v e r 系 统饿的最优设计。然簌介绍了采用琼颧矩阵分析晶体i n t e r l e a v e r 性能 特狡静方法。重点分凝了藻傣i n t e r l e a v e r 豹嚣令重要装矮：( 1 售道 闯隔决定于晶体相位。频率曲线的斜率；( 2 ) 晶体相位频率曲线沿相 位轴平移将使器件输出功率谱沿频率轴产生平移。给出了设计实例及 其琼斯矩阵的分析结果。 分辑了鑫俸材料色教对晶体i n t e r l e a v e r 性能的影穗。并在越基雅上 首次提盘了一个简单掰有效豹材辩色散补偿方法。该方法通过微调晶 体长度，使器件的相俄，频率曲线最佳地平行于理想相位，频率曲线， 并使两条曲线的差值锻接近于频谱周期的整数倍。一方嘲使信道间隔 恢复到原设计值，另一方面又使信道中心波长的偏移最小化。这个研 究成莱瑟经发表在a p o c2 0 0 2 1 2 2 会议上。本论文将对该方法徽窭瑾 论上的分析，并给出了其体的补偿实例分析。 本论文作者还讨论了理想情况下溉度漂移对器件性能影响的问 题，介绍了利用两种晶体组合搭配实现器件温度补偿的方法，并深入 分析了该补偿方法的基本工作机理。然震在考虑材料色散补偿的基磴 上，缝合器箨的溢度孝 偿，首次提出了羽焉嚣释螽傣鳇缀合搭配嗣时 实现温度与材料色散最佳补偿的方法。并给出了具体的补偿步骤。作 为一个应用，给出了一个补偿设计实例及其仿真结果。 在色散补偿和温度补偿的基础上，进一步讨论了晶体i n t e r l e a v e r 的 麴王误差对器锌性戆的影响阂嚣及英季 楼方法。在裁麓蒙特卡罗 方法，深入分析了晶体i n t e r l e a v e r 的潞体长度加工误夔、晶体方位 角误麓对器件性能影响的基础上。首次提出了一种采用普通加工精 度( 一o 6 肛m ) ，对加工后的晶体进行优化组合以实现晶体长度误差补偿 的研究方法。 本论文最后介绍了作者在研究过程中所编制的关于晶体i n t e r - l e a v e r 的设计、分析及仿真的设计平台。同时介绍了采用这一设计平 台所设计出的晶体i n t e r l e a v e r 实验方案。 在最后的章节里，作者对整个研究过程给予一个回顾，对晶 体i n t e r l e a v e r 器件的发展前景以及目前所存在的问题给出作者本人的 意见和想法。 关键词：晶体偏振干涉型i n t e r l e a v e r ，h a r r i s 算法，琼斯矩阵，材料 色散，材料色散补偿，温度补偿，蒙特卡罗方法 a b s t r a c t a ni n d e p t ht h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i n gs t u d yo nb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r i s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r f i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l e so fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e ri sd e s c r i b e d t h e n c o m b i n i n gh a r r i sm e t h o d o p t i c a l h a l fb a n df i l t e rt h e o r ya n dd i g i tf i rf m t e rt h e o r y , a u t h o rh a sd e v e l o p e das y s t e m a t i co p t i m u md e s i g nm e t h o df o r b i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r w h i c h i sb a s e do na na s s u m p t i o no fi d e a lc o n d i - t i o n ；nw h i c ht h e r ea r en om a t e r i a ld i s p e r s i o n n ot e m p e r a t u r es h i f t i n g ，n o d i m e n s i o n a lt o l e r a n c ea n dn oo p t i c a li o s s b a s e do nj o n e sm a t r i xm e t h o d a na n a l y s i sm e t h o df o rc h e c k i n gp e r f o r m a n c e so fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e ri s i n t r o d u c e d a u t h o ra l s oh a sd i s c u s s e da n da n a l y z e dt h et w oi m p o r t a n tp r o p - e r t i e sa b o u tb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r o n eo fp r o p e r t i e si st h a tt h ec h a n n e l i n t e r v a lo fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e ri sd e t e r m i n e db yt h es l o p eb yt h ep h a s e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fc r y s t a l ，a n da n o t h e ri st h a tt h es h i f t i n go f t h ep h a s e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fc r y s t a la l o n gt h ep h a s ea x i sw i l l r e s u l ti nt h es h i f t i n go fo u t p u tp o w e rs p e c t r u mo ft h ed e v i c ea l o n gt h ef r e - q u e n c ya x i s ad e s i g ne x a m p l ei sg i v e na n da n a l y t i cr e s u l t s b a s e do nj o n e s m a t r i xm e t h o da r eg i v e n i nt h i sd i s s e r t a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so fc r y s t a l m a t e r i a l d i s p e r s i o n o nt h ep e r f o r m a n c eo fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r ，a u t h o rb r i n g s f o r w a r df o rt h ef i r s tt i m eas i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o da b o u td i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n b yr e - a d j u s t i n gt h ec r y s t a ll e n g t hw i t h i no u rm e t h o dw ec a n m a k et h ep h a s e - f r e q u e n c yc u r v eo p t i m a l l yp a r a l l e lt ot h e i d e a lo n ea n da tt h e s a m et i m em a k et h ed i f i e ! r e n c e sb e t w e e nt h et w o c u r v e sk e e pt ot h ei n t e g e r t i m e so f2 w h i c hh e n c ew i l l r e s t o r et h ec h a n n e li n t e r v a lo ft h ed e v i c et o t h ei d e a lo n ea n dm o d b t h ec e n t e rf r e q u e n c yd e v i a t i o n so fo u t p u t c h a n n e l s f r o mi t u tf r e q u e n c ys t a n d a r d t h i ss t u d yr e s u l t h a sb e e np r e s e n t e di n t h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo fa p o c 2 0 0 2 【2 2 i nt h i sd i s s e r t a t i o n a u t h o r w i l ln o to n l yg i v eat h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h i sm e t h o db u ta l s o p r e s e n ta n e x a m p l eo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n a f t e rd i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r es h i f t i n g a u t h o rw i l li n t h i sd i s s e r t a t i o ng i v ea ni n t r o d u c t i o no fb a s i cm e t h o df o rt h et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nb yc o m b i n a t i o no f t w od i f f e r e n tk i n d so f c r y s t a l s t h e n ，b a s e d o na ni n d e p t ha n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e so ft h i sm e t h o d ，an o v e lm e t h o df o r s i m u l t a n e o u s l yc o m p e n s a t i n g t h ei n f l u e n c e so f t e m p e r a t u r es h i f t i n ga n dm a t e r i a l d i s p e r s i o no fc r y s t a lo nt h ep e r f o r m a n c e so fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r i s p r o p o s e d i nt h i sm e t h o d c o m b i n i n gap r e v i o u s l yp r o p o s e dm e t h o d lf o r d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，a u t h o rw i l l u s et w ok i n d so fc r y s t a lm a t e r i a l st o c o n s t i t u t eab a s i cu n i tt oc o m p e n s a t et e m p e r a t u r es h i f t i n go fc r y s t a lm a t e - r i a l sa n dr e - a d j u s tt h el e n g t h so fc r y s t a lu n i t st oc o m p e n s a t et h em a t e r i a l d i s p e r s i o n t h eb a s i cp r i n c i p l ea n de s s e n t i a lo p e r a t i o ns t e p so ft h i so p t i m a l m e t h o da r ed e s c r i b e d a sa na p p l i c a t i o n ，a d e s i g ne x a m p l ei sg i v e na n d s o m e s t i m u l a t i n gr e s u l t sa r ep r e s e n t e d b a s e do nt h es t u d yr e s u l t so ft h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na n dt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，a u t h o rf u r t h e ri nt h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sa n d a n a l y z e st h ee f f e c t s o fd i m e n s i o n a ld e v i a t i o n si nt h el e n g t h sa n da n g l e so f c r y s t a l so nt h ep e r f o r m a n c e so fi n t e r l e a v e rb yu s i n gt h em e n t oc a r l os t a t i s t i c a lm e t h o d b a s e do na l a r g ea m o u n to fs t a t i s t i c a la n a l y s i s ，a u t h o ri n t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r das i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o df o rd e v i a t i o n c o m p e n s a t i o nt h r o u g had e v i a t i o nc l a s s i f i c a t i o na n do p t i m a la s s e m b l yw a y w i t ht h i sm e t h o d t h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n t sf o rm a n u f a c t u r i n gc r y s t a la r e r e d u c e dt oa b o u t0 6 # m a sap o w e r f u ld e s i g na n da n a l y s i st 0 0 1 d u r i n gt h es t u d yp r o c e s s a u t h o r d e v e l o p e dac o m p u t i n gp l a t f o r mu s e df o r t h ed e s i g n 。a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n o fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r l a s t l y ，a ne x p e r i m e n ts c h e m ea sad e s i g nr e s u i t b a s e do nt h i sp l a t f o r mi sd e s c r i b e d nt h ei a s tc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n 。a u t h o rw i l r e v i e wt h ew h o l e s t u d yp r o c e s sa n dg i v es o m ep e r s o n a lv i e w p o i n t sa n dc o n s i d e r a t i o n sf o rt h e d e v e l o p i n gp e r s p e c t i v e so fb i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e ra n dp r o b l e m se x i s t i n gi n t h er e c e n ts t e p k e y w o r d s ：b i r e f r i n g e n c ei n t e r l e a v e r ，h a r r i s m e t h o d j o n e sm a t r i x ， m a t e r i a ld i s p e r s i o n ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n 。t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n m e n t oc a r l os t a t i s t i c a lm e t h o d 第1 章引言 语音、图像、数据等信息的爆炸式增长，迫切要求通信系统有更高的性能和更 宽的带宽。正是这一增长的需求的直接推动下，各种通信新技术不断涌现并获得快 速发展。光纤通信技术的快速发展，便是这些技术当中的一朵奇芭，在人类通信历 史上具有里程碑似的意义。使用光纤这种低损耗的传输介质可以在全球范围内快速 大量地传输语音、视频和数据业务。光纤通信技术是构筑国家信息基础设施和全球 信息基础设施f 1 ，2 1 的基石。 波分复用技术【3 4 1 的出现以及光纤放大器e d f a 3 】的发明是光纤通信技术的发 展历史上的两个里程碑。前者使原有光纤通信系统的容量成倍增加，而后者则将光 纤通信的无电中继距离大大增加。这两种技术的广泛商用，使光纤通信技术推进到 一个更快发展的新阶段。 本章先将概述波分复用技术的发展现状、趋势。在此基础上，对i n t e r l e a v e r 器 件出现的必然性、i n t e r l e a v e r 的功能与特点、实现i n t e r l e a v e r 的各种方案及其比较进 行论述。然后，讨论研制晶体i n t e r l e a v e r 的意义及其必要性。最后将介绍本文的结 构与内容安排。 1 1 波分复用技术 波分复用技术p ，4 】是指在一根光纤上同时传送多路光载波的传输方式，波长划 分有一定的间隔，不产生相互干扰，各信号波长可以由同一光纤放大器提供均衡的 功率增益。石英光纤可用的带宽资源十分巨大，并且在不断地拓宽。如在目前常 用的c 波段就有约4 4 t h z 的带宽资源，采用单路波长电视仅仅利用了石英光纤可 用带宽资源的1 还不到。而且由于电子处理的瓶颈，单路波长的传输速率是有 上限的，该种方式来扩容的潜力终究是有限的。采用密集波分复用d w d m ( d e n s e w a v e l e n 时hd i v i s i o na n dm u l t i p l e x i n g ) 的技术能够有效利用光纤带宽资源的重要手 段，能够数十倍、数百倍的提高传输容量。采用d w d m 技术具有很多优越性【6 】。 主要有如下几点： 1 利用d 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 设成本。 j 2 波长交错复用器( i n t e r l e a v e r ) 技术j 引言 2 d w d m 网络可以随时升级扩容，以满足未来新业务的需求。 3 可以不断地将现有的电网络叠加到光网路上。 可见，密集波分复用( d w d m ) 技术是满足日益增长的带宽需要的最好途 径。目前这技术已在主干网实现并将在城域网上得到广泛应用。目前1 6 通 道1 0 0 g h z 间隔的密集波分复用( d w d m ) 技术已普遍采用。通道数更多，间隔更 密的系统技术也正在蓬勃发展之中。不断迅速增长的英特网综合数据业务，对网络 传输带宽提出了越来越高的要求。研制更密集的波分复用系统，尽可能使现有带宽 容纳更多波长信道，成为近年来光通信行业研究热点之一。 1 2 波长交错复用器( i n t e r l e a v e r ) 技术 合波一分波器是波分复用系统的关键技术之一。研制更密集波分复用系统就 需要研制带宽更窄的滤波器。目前常用的合波一分波器有三大类f 5 】，滤波片型、阵 列波导型、光纤光栅型。其中滤波片型目前最为成熟，性能稳定，成本低廉。但 是当间隔为5 0 g h z 、2 5 g h z 时滤波片透过曲线很窄，技术难度极大。即使研制成 功，批量生产的合格率一时也难以提高，因此性价比也难以令人满意。当信道问 隔减小为5 0 g h z 、2 5 g h z 时，其他类型的合波一分波器也有类似的问题。可见，从 技术和工艺角度来说，当前常用的合波- 分波技术正在渐渐趋向一个极限，迸一 步减小信道间的波长间隔已经成为巨大的挑战。正是在这种背景下，波长交错复 用技术( w a v e l e n g t hi n t e r l e a v i n g ) 应运而生。新型器件i n t e r l e a v e r 5 ，6 1 是突破当前 常用的合波一分波器技术、研制窄带滤波器的一种成本较低的方法。这种器件能将 一根光纤巾的多个波长按奇数和偶数分为两组，如果各通道相邻间隔为5 0 g h z 。 那么经过i n t e r l e a v e r 之后，每个奇数( 偶数) 组相邻频率间隔将变为i o o g h z 。如 图1 1 所示。这样，后接分波器件的滤波难度就大大降低。在d w d m 系统中应 用i n t e r l e a v e r 具有以下优点： 1 系统成本低。应用i n t e r l e a v e r 后，后接分波器件的滤波难度大大降低，系统成 本也随之降低 2 便于升级，极大的提高了d w d m 网络的灵活性。例如，对于通道数为1 6 、 间隔为i o o g h z 的系统，只要将现有的系统增加1 6 路合波一分波器和一个上述 的i n t e r l e a v e r 器件，就可升级为通道数为3 2 、间隔为5 0 g h z 的系统，无需对 现有系统做大的更改。如图1 2 所示。 因此，不论是研制全新的通道数更多、间隔更密的密集波分复用系统，还是扩 容现有的波分复用系统，i n t e r l e a v e r 都成为首选的器件，有着很好的应用前景。这 2 1 3 晶体型i n t e r i e a v e r 技术1 引言 图1 1 ：i n t e r l e a v e r 的基本功能示意图 一器件一经提出，便成为各国争相研究的热点。i n t e d e a v e r 器件应当具有如下基本 要求： 通带宽且平坦； 通带与阻带对称； 插入损耗小； 隔离度高： 性能优异的器件还应具有抗扰动能力强( 例如，温度灵敏度低) 、结构紧凑、 色散小等优点。 目前可供选择的技术方案【5 ，6 】主要有：m z i 型，f p 型，平面波导l a t t i c e 结构以 及双折射晶体级联等等。m i c h e l s o n 型体积偏大，在较宽的通带附近有尖锐的边 锋。f p 型器件当反射率r 较小时，透射谱和反射谱的峰和谷以及线宽差异较大，通 带与阻带呈非对称分布。而采用光半带滤波理论设计的l a t t i c e 结构i n t e r l e a v e r 性能 优异，结构简单，适于做成平面波导器件。但插入损耗大，丁艺要求较高。从综合 技术指标来看，基于双折射晶体的方案是目前最稳定，最成熟的方案。相对结构而 言，理论较为成熟，工艺也较为简单。本文将重点研究这一方案。 1 3 晶体型i n t e r l e a v e r 技术 晶体i n t e r l e a v e r 是利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原理将一根光纤中多波 长信号奇偶分组输出。该器件实际上是一个基于偏振光干涉的晶体光滤波器。这种 3 i 3 晶体型i n t e r l e a v e r 技术 1 引言 图1 2 ：利用n t e r l e a v e r 升级现有d w d m 系统的示意图 滤波器有一个漫长的发展历史。早年l y o t 、s o l c 、e v a n s 、h a r r i s e ta 7 】等人对此 都作出了重要贡献，尤其是h a r r i se ta l 提出了一套成熟的经典算法，用这个算法可 以合成任意指定传递函数的晶体滤波器。早年所实现的极窄带光滤波器主要用于天 文观察。后来随着光通信技术的发展，波分复用技术的提出，晶体滤波器又在光通 信领域焕发出异彩。8 0 年代中期c a l s e n 【8 ，9 1 0 ，1 1 】、b u h r e r 【8 1 2 ，1 3 1 4 1 5 】等 人首先将晶体滤波理论用于波分复用器并对之作了大量研究，申请了早期几乎全 部有关的美国专利9 ，1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 。这一技术目前正逐步走向成熟，获 得广泛的应用。目前j d s u 、o p l k 、c h o r u m 等公司都采用了双折射晶体方案研 制晶体i n t e r l e a v e r 。近年来，随着i n t e r l e a v e r 器件的出现，晶体滤波器的优越性能 又引起研究者的广泛关注，并进一步把目光投向d w d m 系统中豹其他滤波器件 如o a d mf 1 6 1 、e d f a 增益均衡以及波段滤波等等。 虽然国外对此研究已很深入成熟，国内目前对这方面的研究尚不够深入，所以 对基于双折射晶体的波分复用器件或i n t e r l e a v e r 的研究，在国内还是有很大现实意 义的。这一方案相对其它方案而言，理论较为成熟，工艺相对简单。理论计算表 明，对输入d w d m 信号波长间隔为1 0 0 g h z 的系统，5 片长度相同的晶体级联而成 的器件的l d b 信道带宽就可达到8 1 g h z ，占输出信号的信道间隔的4 0 ；2 5 d b 阻带 带宽为5 1 g h z ，占信道间隔的4 0 ，隔离度可达2 5 d b 以上( 只要光源波长带宽 凸 分 c ： f e u o p t i c a lf r e q u e n c y ，( t h z ) 图3 8 ：材料色散补偿后各信道中心频率偏移的分布图。最大偏差均小于等于1 g h z 。 3 3 本章小结 本章分析了材料色散对器件性能的影响，并提出了一个简单有效的材料色散的 补偿方法。通过微调晶体长度，使受材料色散影响的6 一，特征曲线调整到近似地平 行于理想情况下的6 一，特征曲线，并同时使两条曲线的差值接近于2 ”的整数倍。 通过晶体长度的最佳调整不仅会使信道间隔恢复到原设计值，而且又能使信道中心 波长的偏移限制在最小范围之内。通过一个实例介绍，证实了我们所提出的补偿方 案是合理的，其补偿效果也是明显而有效的。 最后应提及的是，为补偿材料色散影响，所确定的晶体长度并不是唯一的。在 实例中，我们在7 1 0 1 2 r a m 附近，大约每隔4 到5 # m 就能找到一个晶体长度最优 值。因此，我们所提出的补偿方法具有很宽的适用范围，这将为根据不同的技术指 标所设计的晶体i n t e r l e a v e r 进行材料色散补偿时提供了个很宽的晶体长度选择范 围。 第4 章晶体i n t e r l e a v e r 的温度漂移影 响与补偿 本章首先讨论在理想情况下( 不考虑材料色散影响) 温度漂移对晶体i n t e r - l e a v e r 特性影响的阉题。然后介缨光炬公司李会士等 2 3 l 所提出的利用嬲种晶体搭 配组合的方法实现温度补偿。我f f j 在深入研究分析了该补偿方法的基础上，裰掭稀 料色散补偿的要求，结仑第三章提出的材料色散补偿方= 去，提出了我们自己的利用 嚣释鑫棒懿维会弱嚣实袋温度漂移窝穆辩色数最佳蛰嫠鹣方寨1 2 q 。著瓣其傣戆 偿步骤给与详细地说明介绍。作为一个成用，我们将给出了一个补偿设计实例和仿 囊缝果。 4 。1 漾度漂移的影嚷 器件周围环境的温艘变化一方面会引起晶体体积的热膨胀使鼹体在长度上发生 微小交仡，勇一方面也会导致葫体的双拼射率陡着温度窝纯而改变。两方面雏综台 影响将会导致光线晶体中行走光程差产生一个变化p ，a p 可以表示如下： a p = f ( m 一扎。) + 乳一踞o l a t( 4 1 ) 这里三袋示晶体鳆长度，氇表暴鑫体的e 光热巍系数；稻表示爨体的。光热光系 数。a t 表示温度变化徽，礼。表示e 光的折射率，表示o 光的折射率，a 表示体 积热膨胀系数。光程差焚化量a p 的存谯必将使晶体中的快轴与慢轴光线的相位延 遂偏离瑷怒萤。获稻导致信道中心波长镳离1 t u t 波长标称。专p 相辩应的籀缆 延迟变化量d 表示为： 5 = 2 帮芦2 渗如( 4 2 ) 考虑到温度的影响，此时相位延迟应改霹为 a 5 2 7 r f l a n c + 6 = 2 z ：f ( l a n + a p ) l c f 4 3 如果不考虑毒手料的魏数，a n ，即l 啦一n 。i 为一常量。因此当激度不变时，a p 也 为一常鬣。由式4 3 可以看出，当考虑温度漂移后，6 ，特征曲线静斜率将褒 4 0 4 2 温度漂移的补偿4 晶体i n t e d e a v e r 的温度漂移影响与补偿 为2 r ( l a n + a p ) l c ，而理想6 一，特征曲线的斜率则为2 w l a n c 。斜率的不同， 表明两条直线不平行。考虑到温度漂移后，d 一，特征曲线的斜率是大于还是小于理 想6 一，特征曲线的斜率则应取决于p 值的正负。由前面章节的论述，我们知道， 信道问隔的大小仪仅取决于d 一，特征曲线斜率的大小。既然温度漂移引起6 一，特 征曲线的斜率偏离理想值，那么作为一个结果，其影响必将会导致信道间隔大小的 改变，从而使信道的中心波长偏离i t u t 波长标称。因此旮必要采取措施进行温度 补偿。下面我们将讨论其补偿方法。 4 2 温度漂移的补偿 如果我们能调整考虑了温度漂移影响后的d 一，特征曲线的斜率使之平行于理 想6 一，特征曲线，那么我们就能完成对晶体的温度漂移补偿。我们不妨再仔细研 究。下6 一，特征曲线的斜率s l o p e ，写为 s l o p e = 2 w ( l a n + a p ) l c ( 4 4 ) 从上式不难得出，式中可改变的量只有晶体长度上和p 。温度变化a t 取决于环 境温度的变化，其变化范围无法事先确定。所以如果通过调整晶体长度进, 1 7 4 1 偿的 手法，也无法满足宽范围的温度补偿需要。因此通过调整晶体长度的方法对于温度 补偿来说并不合适。所阻有必要考虑其他的补偿措施。这里可供考虑的调整因子只 有了。般来讲，不同种类的晶体具有不同的热光系数、不同的热膨胀系数。有些 晶体的热光系数符号还恰好相反，这就为利用不同种类晶体进行组合搭配实现温度 补偿提供了可能。这里应该指出的是，光炬公司李会士等人 2 3 l 首先提出了该温度 补偿方法。下面对该补偿方法作一个简要地介绍。 k 上一卜u 图4 1 ：两种热光系数具有相反符号的晶体进行组合代替单个晶体实现温度补偿。点线表示 光轴，备光轴互相平行。 在晶体i n t e r l e a v e r 设计过程t 扎我们不妨可以采 j 两块具有不同热光系数的晶 体( 两剩t 晶体的光轴须一致，且热光系数虑相反) 进行组合来替代原有的甲、块晶 4 1 4 ，2 温度漂移的补偿 4 晶体i n t e d e a v e l 的温度漂移影响与补偿 体，如图4 1 。因此，式4 4 可改写成为 s l o p e = 2 r ( l i a n l + l 2 a n 2 + a p l + p 2 ) c( 4 5 ) 这里三”l 2 分别表示晶体1 和晶体2 的长度。下标1 表示为晶体1 的参数，下 标2 表示为晶体2 的参数。当两种晶体的长度满足于式4 6 的关系时 e = 笔一等焉常篡 。， p = ( ( i 一1 ) + ( ，z 。1 一n 0 1 ) 口l 】己i + f ( 2 一r 0 2 ) + ( n 。2 一n 0 2 ) a ：l l 2 a t( 4 7 ) 式4 7 中a p = p l + 锄= 0 ，晶体i n t e r l e a v e r 的6 一，特征曲线的斜率s l o p e 将 不会受温度漂移的影响而改变，因此可以说温度漂移影响得到了补偿。进一步 当l a 凡满足 l a n = l 1 a n l + l 2 a n 2( 4 8 ) 时，6 一，特征曲线可调整到与理想特征曲线相重合，从而使信道间隔恢复到原设 计值。根据式4 6 和式4 8 ，当l 已知后，可以计算出l l 、l 2 来。 卜_ k _ 图4 2 ：两种热光系数具有相同符号的晶体进行组合代替单个晶体实现温度补偿。点线表示 光轴，备光轴互相垂直。 实际上，除了利用两利t 热光系数符号相反的晶体组合搭配方法之外，还可以利 川两矛 热光系数具有相同符号的晶体来组合搭配实现温度补偿功能。在这种场合 下，两利- 晶体的光轴必须保持垂直，如图4 2 所示。如果偏振光在第。块晶体l i 沿 快轴传播后，进入第二块晶体时必然沿晶体慢轴传播。这种蒯整方法能使光线在第 + 块晶体c | j 所受到的温度漂移的影响在第二块晶体t i ，得到补偿。偏振光经过两块晶 体后所产生的光程差为l ，a n 】一l 2 a n 2 ，要想达到同样的光程差l a n ，就需要晶体 长度远远大于光轴互相平行时的第。一种情况，这样采川这种温度补偿方法，晶体的 体积会有所增大，会导致器件制造成本的增加。由于该方法存在以上这些缺点，本 章将对此不作详细地讨论。 4 2 4 3 材料色散和温度漂移的同时补偿4 晶体i n t e r l e a v e r 的温度漂移影响与补偿 4 3 材料色散和温度漂移的同时补偿 4 1 3 1 材料色散对两种晶体长度比k 的影响 以上在讨论温度漂移影响及其补偿方法时，并没有考虑晶体材料色散影响的问 题。然而在实际问题r 仉i晶体材料色散的影响必须要同时考虑和进行补偿。在这一 小节里，我们首先讨论一下材料色散对两种晶体组合长度比的影响，为方便起见， 重写式4 6 如下 七= 云l 1 一鲁老篇篡 ( 4 。) 般来说，晶体的双折射率差a n 随波长或频率的改变而变化，其变化的数 量级般在1 0 _ 3 到1 0 “之间，而晶体的热光系数的数量级一般在1 0 ，晶体的 热膨胀系数的数量级一般也可达1 0 一。晶体的双折射差与晶体的热膨胀系数的乘 积则为1 0 6 的数量级，所以式4 9 分子分母的数量级均为1 旷6 。晶体双折射率差 的变化量与晶体的热膨胀系数的乘积在1 0 “到1 0 _ 1 0 之间，远远小于式4 9 分子 分母的数量级，因此可以忽略不计。因此式4 9 中的k 值随光频率变化的影响可 以忽略不计，k 可以看作为一个常数。只要两种晶体的长度比保持为k ，温度漂移 影响将容易得到恰当的补偿。例如，当晶体1 采用y v 0 4 晶体2 采用t i 0 2 时， 有i p i oo。c丁叮8j止 4 4 材料色散和温度漂移补偿实例 4 晶体i n t e r i e a v e r 的温度漂移影响与补偿 o p t i c a lf r e q u e n c y ，f r h z ) o p t i c a lf r e q u e n c y ，( 1 h z ) 图46 ：温度变化l o o k 时，温度补偿后的相位曲线与理想曲线的对比图。从( a ) 中可以看 到，补偿后考虑温度漂移的相位曲线与理想曲线重合。( b ) 表示两条相位曲线的差。 o p t i c a lf r e q u e n c yf ( t h z )o p t i c a lf r e q u e n c y ，( t h z ) 图4 7 ：( a ) 补偿前，理想6 一，特征曲线和有色散的d 一，特征曲线的对比。( b ) 两条d 一，特 征曲线的相位差变化，最大值约为 。 4 7 管一司oc9j芒!ac正 【sc毋弓bj一婚。们c山 4 4 材料色散和温度漂移补偿实例4 晶体i n t e r l e a v e t 的温度漂移影响与补偿 4 4 4 材料色散的补偿 在上小节的基础上，在这一节里我们将进一步讨论如何补偿器件的材料色散问 题。对于金红石，它的双折射折射率仉、n 。用s e l l m e i e r 公式表示为 n 2 _ 7 1 9 7 + 3 3 2 2 1 0 7 ( a 2 1 0 8 0 8 4 3 1 0 7 ) o 5 n ：= 5 1 9 3 + 2 4 4 1 1 0 7 ( a 2 i 0 8 0 8 0 3 1 0 7 ) o 5 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( b ) o p t i c a lf r e q u e n c y ，f r h z ) o p t i c a lf r e q u e n c yr ( t h z ) 图4 8 ：( a ) 补偿后，理想6 - ，特征曲线和有色散的d 一，特征曲线的对比。( b ) 两条d 一，特 征曲线的相位羞变化。最大值不大于0 0 1 3 。 y v 0 4 的双折射折射率t l 。n 。的s e l l m e i e r 公式可参见式3 1 与式3 2 。 的单位 均为p m 。如果不对两种晶体的材料色散进行补偿，那么考虑材料色散后的6 一，特 征曲线的斜率略大于理想曲线的斜率，相位偏差将介t0 到7 r 之间，如图47 。 各信道中心频率偏离i t u - t 标称频率的偏离值将介丁在0 到1 0 0 g h z 之间，如 图4 9 ( a ) 所示。可见，虽然温度漂移的影响得到消除但两种晶体的材料色散仍将 严重影响器件性能，冈此必须采取措施同时对材料色散进行补偿。 下面来看按照4 2 节介绍的方法所得到的补偿结果。最佳的晶体长度应调整 为三】= 1 8 9 7 8 m m ，l 2 = 4 ，1 1 8 0 m m 。在整个c 波段中，由l o o k 的温度变化引起 的相位偏差不大于o 0 0 0 6 2 7 rr a d i a n s ，而由材料色散所引起的相位偏差的最大值不 大于o 0 1 3 7 rr a d i a n s ( 图4 8 ( b ) ) ，补偿后的6 一，特征曲线和理想曲线近似平行 ( 见图4 8f a ) ) 。可见，温度补偿效果是非常理想的。材料色散的补偿也做到相当 满意的( 理论上材料色散引起的相位偏差可以补偿到接近丁0 ，但此时对晶体长度 的加工精度要求非常高，毫无现实意义) 。通过琼斯矩阵验证表明，各信道中心频 率偏离i t u - t 标称频率的最大值不大于1 g h z ( 见图4 9 ( b ) ) 。 【s 亡要d e o夏一o可c乱 45 本章小结 4 晶体i n t e r l e a v e r 的温度漂移影响与补偿 图4 9 ：( a ) 补偿前，材料色散所引起的偶数信道中心频率的偏移分布a 频率偏移值 在0 到i o o g h z 之间。( b ) 补偿后，各信道频率偏移分布。其最大值不超过1 g h z 。 4 5 本章小结 本章提出了采用两种晶体组合搭配的方法同时补偿温度变化和材料色散对晶 体i n t e r l e a v e r 性能影响。对具体的步骤进行了介绍，同时给出了一个设计实例，通 过计算机仿真获得了满意的结果。 4 9 柏o柏阳5； (z工。一|f司co筝耍中凸 第5 章晶体i n t e r l e a v e r 加工误差分析 第兰耄、第四章已详细讨论了晶体i n t e r l e a v e r 的温度朔材料色散的影响及其补偿 方法。本章在材料色散补偿以及溢度补偿晦羹磷上，进一步讨论晶体i n t e r i e a v e r 的 加_ 丁谈差对器件性能的影响