（微电子学与固体电子学专业论文）粗波分复用器（cwdm）的研制.pdf

中文摘要 中文摘要 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 ) 是实现全光网络的关键技 术，c w d m ( c o a r s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统是实现城域网 的重要方案。本课题主要研究采用熔融拉锥技术制作粗波分复用器及其 封装技术。 本文从双锥光纤及由其构成的器件的研制及应用角度出发，提出了 实用的双锥光纤等效模拟方法。该方法基于容易测量的工艺参数，用简 单的公式定量反映出工艺参数如何影响双锥光纤的传播特性，它能很好 地指导器件的设计与研制。通过探讨单模光纤的耦合机理和熔融拉锥理 论，对粗波分复用器进行了详细的分析，讨论了用熔融拉锥法拉制 c w d m 的关键器件复用器和解复用器的基本方法和基本思路和基本流 程，并成功地制作了粗波分复用器，效果良好。最后通过对实验结果中 所出现问题进行分析，提出最佳封装方案。 关键词：粗波分复用器熔融拉锥光纤耦合器封装 英文摘要 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 st h ek e yt e c h n i q u ei n i m p l e m e n t i n g a l l o p t i c a ln e t c w d m ( c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) s y s t e mi s a ni m p o r t a n tw a yt o i m p l e m e n t i n gm e t r o p o l i t a n n e t w o r k t h i s t o p i c i s m a i n l y c o n e e m e dw i t ht h em e t h o d o f m a k i n gc w d mm u l t i p l e x e rb yu s i n gf u s e db i c o n i c a lt a p e rt e c h n i q u ea n d t h e p a c k a g i n gt e c h n i q u e b a s e do nt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f b i c o n i c a lf i b r ea n dt h d c o m p o n e t sm a d eb yb i c o n i c a lf i b e r , ap r a c t i c a lb i c o n i c a lf i b r ee q u i v a l e n t s i m u l a t i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h em e t h o di sb a s e do nt h ep a r a m e t e r so f t h ed e v e l o p i n g t e c h n i q u e ，t h ep a r a m e t e r sa r ee a s yt ob em e a s u r e d b yu s i n g t h i sm e t h o d ，h o wd ot h et e c h n i q u ea f 诧c tt h et r a n s m i t t i n gc h a r a c t e r i s t i co f b i c o n i c a lf i b r ec a nb e q u a n t i t i v l yr e f l e c t e db yt h es i m p l ef o r m u l a s t h e m e t h o dc a nd i r e c th o wt od e v i s ea n d d e v e l o pt h ec o m p o n e t sv e r yw e l l b y d i s c u s s i n gt h ec o u p l i n gm e c h a n i s mo fs i n g l em o d u l ef i b r ea n dt h et h e o r yo f f u s e db i c o n i c a lt a p e r , c w d m i sd e t a i l e da n a l y z e d t h e m e t h o d s ，w a y sa n d t h ef l o wo f m a k i n g t h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t so fc w d m m u l t i p l e x e ra n d d e m u l t i p l e x e r a r ep r o p o s e d b yu s i n gf u s e db i c o n i c a lt a p e r m e t h o d ，t h e c w d m m u l t i p l e x e ri ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da n di tw o r k sw e l l f i n a l l y ，t h e b e s t w a yo fp a c k a g i n gi s p r o p o s e db ya n a l y z i n gt h e i t 英文摘要 p r o b l e m st h a ta r o s ea m o n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d s ：c o a r 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 ( c w d m ) f u s e db i c o n i c a lt a p e r ( f b t ) o p t i c a lf i b e rc o u p l e r p a c k a g e 1 1 1 第1 章c w d m 系统的发展现状 1 1 概述 第1 章c w d m 系统的发展现状 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 ，波分复用) 技术是在一根 光纤中同时传输多波长光信号的一项技术( 如图1 1 所示) ，其基本原 理是在发送端将不同波长的光信号复合起来( 复用，如图1 2 a 所示) ，送 入同一根光纤中传输，在接收端又将复合的光信号波长分开( 解复用，如 图1 2 b 所示) ，接收解调，恢复出原信号送入不同的终端。 图1 1 波分复用器传输示意图 图1 2 复用与解复用示意图 随着数据、语音、视频各种通信业务的飞速发展，现在已铺设的光 黑龙江大学硕士学位论文 纤容量越来越不能满足迅速增长的通信业务的需要，如果通过重新铺设 光纤增加容量，由于涉及挖地沟，架空，埋管道等，给城市建设带来麻 烦，且铺设光纤的工期很长，往往需要几个月的时间，期间还需要大量 的入力资源，因此虽然目前的光纤价格已经降得很低，但如果不是大规 模的城域网建设，成本也会特别高。从另一方面分析，大客户接入大多 情况都希望能快速开通，重铺光纤的时间是肯定不能接受的。因此，无 论是从工程的合理性来讲还是从成本来说，能够充分利用现有的光纤资 源无疑是最好选择。w d m 充分利用了现有的资源，在一根光纤中传输 多路信号，尤其是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 、密集 波分复用) 在骨干网中的应用，增加了巨大的带宽，但随着运营商的竞 争重点从骨干网转向城域网，建设高效经济的支持多业务的城域网已经 成为各运营商的共同目标。目前主要的光城域网传输技术方案有以下三 种：m s t p ( m u l f i s e r v i c et r a n s p o r tp l a t f o r m ，多业务传送平台、技术、 r j r ( r e s i l i e n t p a c k e t r i n g r p r ，弹性分组环) 技术、 d w d m c w d m ( c o a r 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 ) 技术。 1 m s t p 是s d h ( 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 ) 技术在新技术条件下 的重要发展，客观上延长了s d h 的生命。有些人甚至称之为“新一代 s d h ”。m s t p 技术的优点是能提供t d m 业务，可对数据网进行优化， 替代少量的数据接入和路由设备。它的缺点为：m s t p 由于映射方式和 带宽管理等有不同的实现方式，因此目前不同厂家的设备还无法实现互 连互通，从而影响了端到端数据业务的提供，限制了m s t p 在网络中大 规模的应用。m s t p 技术是对数据网优化的，而不是替代数据设备，它 的辅助的地位不会改变。 2 r p r 技术是一项基于分组的全新的传输技术，它综合了以太网和 s d h 的优点，将i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 路由技术对带宽的高效利用、丰富 的业务融合能力和光纤环路的高带宽及自愈能力结合起来，更好地满足 。，一 第1 章c 粕m 系统的发展现状 城域网的多业务需求。目前r p r 的标准没有正式公布，它只是个草案， 厂家提供的为非标准r p r 产品，将来需要对产品进行升级，另外组网 能力差，业务能力不统一。只是适于城域数据网的汇聚、骨干，支持数 据业务。 3d w d m c w d m 域波分技术是波分复用技术在城域范围内的应用。 它对信号具有透明性，可以直接对从不同设备出来的信号不进行速率和 帧结构调整，直接进行透明传输。这可给用户，特别是租用波长的用户 以最大的灵活性。c w d w 和d w d m 技术都属于w d m 技术，w d m 技术的优点是节省光纤资源，透明传输业务。适合光纤紧缺的环境，主 要用于城域核心层，在中短距离范围内对业务进行透明传输。另外国际 电信联盟通过最新的g 6 9 5 标准，新标准的推出具有重大的意义，它标 志w d m 技术正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。 三种方案各有利弊，这里我们主要谈谈d w d m c w d m 域波分技 术的一些问题。在过去的一年中，各大运营商都开展了城域传送网的建 设，一些系统也相继投入商用。d w d m 的巨大带宽和传输数据的透明 性，无疑是当今光纤应用领域的首选技术。人们自然也希望能将其作为 城域网的传输平台。但是城域网具有传输距离短、拓扑灵活( 环型、星 型、网状网等) 和业务接口复杂多样化，而d w d m 一般不提供低速接 口，所以不能适应城域网复杂的各种接入方式，如照搬主要用于长途传 输的d w d m ，必然带来成本上过高，同时d w d m 对城域网的灵活多 样性也难以适应。是否有可能以较低的成本享用波分复用技术呢? 面对 这一宽带需求，c w d m ( c o a r 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 ，粗 波分复用) 应运而生( 如图1 4 所示) 。 从全球电信技术市场来看，宽带城域网是一个成长迅速的巨大市场。 城域组网的特点是距离短、要承载i p 、s d h 、a t m ( a s y n c h r o n o i l st r a n s f e r m o d e ) 和图像等多种业务。而粗波分复用技术c w d m 不仅拥有 1 黑龙江大学硕士学位论文 d w d m 所具备的巨大带宽、传输数据的透明性等技术优势特点，更重要 的是它还具有d w d m 技术所不具备的多业务接口、低成本、低功耗、小 尺寸等优点，采用这种方式对于城域网建设或网络扩容，可极大地减少 组网成本，适应业务的不断丰富和增加，能够满足未来城域网汇接、接 入网业务所需要的带宽，在成本、容量、可扩展性方面有非常大的优势 8 1 一 图1 3 城域波分示意图 图1 4c e ) m 城域网 第1 章啪m 系统的发展现状 1 2 c w d m 标准化 c w d m 传输技术出现，使电信运营商找到一种低价格、高性能的 传输解决方案，由于c w d m 技术的低成本、低功耗、小体积等诸多优 点，在城域传输网有了较多的应用。2 0 0 2 年6 月，i t u t 第1 5 工作组 定义了c w d m 系统的光谱栅：c w d m 系统的波长栅，即i t u t6 9 4 2 。 i t u t6 9 4 2 定义了1 8 个从1 2 7 0 n m - - 1 6 1 0 n m 的c w d m 的标称波长， 这些波长的间隔为2 0 r i m ，这种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。无致冷光源的使用也正符合 c w d m 系统器件体积紧凑、功率低、成本小的要求。对“c w d m 系统 应用光接口”中的光波长偏移指标，与会专家经充分讨论，最后决定决 定将g 6 9 4 2 的波长栅格偏移( + l n m ) ，并保持g c a p p 中的对波长偏移定 义。 2 0 0 3 年1 1 月5 日，国际电联0 t u ) 通过最新的g 6 9 5c w d m 标 准，i t ug 6 9 5 对现有的g 6 9 4 2 建议定义的从1 2 7 1 n m 到1 6 1l n m 之间 每隔2 0 n m 间距的1 8 个波长通道内容做出了补充。不仅标准的g 6 5 2 a & b 单模光纤可以利用，新的无水峰光纤g 6 5 2c & d 也将被推荐使用。 新的标准根据市场需求对双纤双向的传输从现有支持8 通道增加到支 持1 6 通道，针对单纤双向传输从现有2 + 2 的发展到支持8 + 8 通道传输。 同时新的标准还在原来2 , 5 g b p s 标准基础上增加了支持低速接口 1 2 5 g b p s 速率，4 0 公里和8 0 公里两种链路距离也是新增加的内容。 c w d m 的应用涵盖了单模光纤系统的o 、e 、s 、c 、l 等五个波段( b a n d ) ， 各段波长分别是： o b a n d ：1 2 7 1 ，1 2 9 1 ，1 3 1 1 ，1 3 3 l ，1 3 5 1 黑龙江大学硕士学位论文 eb a n d ：1 3 7 1 ，1 3 9 1 ，1 4 1 1 ，1 4 3 1 ，1 4 5 1 s + c + lb a n d ：1 4 7 1 ，1 4 9 l ，1 5 1 1 ，1 5 3 1 ，1 5 5 1 ，1 5 7 1 ，1 5 9 1 ，1 6 1 1 ( 单位： n l t l ) ，因此一个光纤链路最大可容纳1 8 个波长。 c w d m 系统的最大特点是成本低，此外还具有功率损耗低和体积 小等特点。但是在实际应用中，c w d m 产品主要有两种形式，8 波长 系统和1 6 波长系统。8 波长系统是目前应用比较多的系统。从理论上 讲，从i t u 给出的1 8 个波长选择中任意选择8 个都可以作为工作波长。 但是考虑到已经敷设光纤的类型和损耗特性，8 波长一般选在 ( 1 4 6 0 1 6 2 0 ) n n q ，也就是s + c + l 波段，避开了光纤水峰e 波段和损 耗较大的o 波段。1 6 波长的系统将对光纤的类型提出要求，也就是必 须采用损耗平坦的“全波”光纤，目前美国朗讯开发的全波光纤和康宁公 司的s m f 2 8 一e 光纤( g 6 5 2 c ) 基本消除了水峰损耗和宏弯损耗，而其 它性能与常规单模g 6 5 2 光纤相同：日本推出了两种适于c w d m 的低 含水量光纤，该纤最大限度消除纤中o h 一离子残留量，降低了传输损 耗。而2 0 0 4 年5 月1 3 日，i t u 日前发布g 6 5 6 标准，新的标准称为 “r e c o m m e n d a t i o n g 6 5 6 ”，它能够更容易地在大城市地区部署c w d m ， g 6 5 6 能够使运营商利用c w d m 部署系统，而不必补偿色散。色散度 较低有助于抑制失真，色散度较高则会导致信号不可用。随着w d m 系 统中使用的波长数目不断升高，对色散的管理却显得愈来愈重要。预计 这些光纤的使用，将极大促进c w d m 技术的广泛普及，尤其在中长距 离通信的应用。 1 3c w d m 系统在城域网中的应用 由于d w d m 的巨大带宽和传输数据的透明性，人们自然希望能把 d w d m 作为城域网中的传输平台。但是，由于城域网传输距离短，业 第1 章c w d m 系统的发展现状 i i 渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术，c w d m 技术比d w d m 在城 域网中具有如下几个方面的优势： i c w d m 光调制采用非冷却激光，用电子调谐；而d w d m 采用的是冷却 激光，用温度调谐。由于在一个很宽的光波长区段内温度分布很不均匀， 因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。 2c w d m 系统采用的d f b ( d i s t r i b u t i o nf e e d b a c k ) 激光器不需要冷却， 当c w d m 系统工作在o c 到7 0 。c 的温度范围内，其热漂移系数约为 0 0 8 n m 。c 。一般认为无源器件标称中心波长应该对准激光器3 5 。c 时的 输出信号波长，因为3 5 0 c 在整个工作温度范围的中间。也就是说，无 源器件标称中心波长应该是九。( 是指在常温下即2 3 。c 激光器输出波长) 加上激光器输出从2 3 0 c 到3 5 0 c 的波长漂移值，即k + 0 0 8 n m o c $ ( 3 5 。c 一2 3 0 c ) = k + i n m 。为了解决激光器波长标称温度与实际工作温度不同 造成的波长差异问题。i t u 将建议g 6 9 4 2 波长上移l n m ( 为 1 2 7 1 n m 1 2 9 1 n m 1 6 1i n t o ) ，从而使激光器波长在实际环境刚好工作在 ( 1 2 7 0 n m 1 2 9 0 n m 1 6 1 0 h m ) 。无致冷激光器的波长一般会有6 n m 的漂 移在0 。c 7 0 。c 。这个波长漂移再加上激光器生产过程造成的3 n m 波 长变化，总共大约有6 n m 的变化。这样就要求光波分复用器的通带和 激光器信道间距必须足够宽。在这些系统中，在信道带宽为1 3 r i m 的情况 下信道间距一般为2 0 n m 。当复用的信道数为1 6 或者更少时，在成本、 功耗要求和设备尺寸方面，c w d m 系统比d w d m 系统更有优势。 3 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 6 0 1 6 2 0r i m 的整个光纤传输窗口上，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 无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器，这 可以大幅度降低激光器成本。 4 c w d m 无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和复用器，只须选择廉 7 黑龙江大学硕士学位论文 价的粗波分复用器和解复用器，无须采用比较复杂的控制技术以维护较 高的系统要求，无须采用g d f a ( e r b i u m d o p e do p t jc a l f i b e r a m p l i f i e r ) ，只须采用便宜得多的多通道激光收发器作为中继。 5c w d m 激光器要比d w d m 激光器小得多，由于c w d m 采用的为不带冷却 器的激光器，它一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的 监控光电二极管构成的，因此其激光发射机体积是d w d m 激光发射机的 尺寸的五分之一。 6 c w d m 系统的功耗要比d w d m 系统的功耗要低得多，例如，d w d m 激光器 采用的冷却器及其控制电路每波长要消耗大约4 w 的功率。而没有冷却 器的c w d m 激光器仅消耗0 5 w 的功率。在d w d m 系统中，随着复用的波长 总数的增加以及单信道传输速率的增加，功率损耗及其温度管理变成了 电路板设计的关键问题，而系统的维护和系统消耗的功率直接影响光传 输系统的运营成本。 1 4 光波分复用器和解复用器类型及参数要求 光波分复用器采用无源光器件，将n 路的光信号以模拟的方式汇集 到一根光纤里，各信号在功率上是相互叠加，在频谱上是分开的。其特 性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。光波分解复用技术主要包 括光栅型、介质膜滤波器型、阵列波导型及熔融拉锥耦合器型。( 如图 1 5 所示) 1 9 - 2 4 。 第1 章删蹦系统的发展现状 ( a ) 滤菠器颦 ( b ： 辩光播撩 e ) 耦台器燮 薄捌菠警妊辩燃 图1 5 常用的光波分复用技术 1 4 ，1 光波分复用器解复用器主要技术参数要求 l 插入损耗低； 2 通道带宽宽； 3 各信道问的串扰小即隔离度高 4 偏振相关性小： 5 波长的温度稳定性好。 1 4 2 各种类型光波分复用器的原理及特点 1 4 2 1 光栅型复用器解复用器 最流行的光栅，是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后再在环氧树脂 上制造光栅线，构成所谓的反射型闪烁光栅。 黑龙江大学硕士学位论文 l 原理 光栅型复用器解复用器属于角色散型器件，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来实现不同波 长的分离；反过程也同样可行，实现波长的合并，原理如图1 6 所示。 t l 辅 图1 6 光栅型解复用器的原理示意图 2 优点 1 ) 波长选择特性优良，可以使波长间隔小到o 5 n m 左右，可以 将绝大部分的能量集中反射到所需要的波长，使光强大大增加； 2 ) 并联工作，插入损耗不会随复用信道的数目增加而增加。 3 缺点 体积较大。 1 422 介质薄膜滤波器型 1 原理 介质薄膜滤波器型复用器解复用器利用光滤波技术，由介质薄膜 1 0 第1 章c 帅m 系统的发展现状 d t f ( d i e l e c t r i ct h i n f i l mf i l t e r ) 构成。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，每 层的厚度为1 4 波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替迭合 而成。当光入射到高折射率层时，反射光没有相移；当入射到低折射率 层时，反射光经历1 8 0 度相移。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 度相移后与经高折射率层的反射光同相叠加，这样在 中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端形成很强的反射光。在 这高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成了透射光。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，形成具有特定波长 选择特性的干涉滤波器就可以实现将不同的波长分离或合并。介质薄膜 分波器功能框图如图1 。7 所示。 豺= i 鼍_ e 氮“毒z 一誊矬， 鲁飘1 多嫠介魇膜 图1 7 介质薄膜分波器功能框图 2 优点 1 ) 与光纤参数无关可以实现结构稳定的小型化器件 2 ) 信号通带比较平坦： 3 ) 插入损耗较低； 1 l 一 置l l3 黑龙江大学硕士学位论文 4 ) 温度特性很好。 3 缺点 加工复杂。 1 423 耦合器型复用器 1 原理 耦合器型复用器通过将多根光纤熔融在一起，使多个输入波长可以 耦合在一起，达到波长合并的目的。1 6 波耦合型合波器功能框图如图 1 8 所示。 图1 8 波耦合型合波器功能框图 2 优点 1 ) 温度特性很好； 2 ) 光通道带宽较好； 3 ) 制造简单，易于批量生产。 3 缺点 偏振相关损耗比较大。 t ， 第1 章c w d m 系统的发展现状 1 4 2 4 阵列光波导型复用器解复用器 1 原理 阵列光波导型复用器解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的图案，腐蚀成形。 2 优点 1 ) 并联工作，可以复用的通道数多，多用于1 6 波以上系统； 2 ) 尺寸小： 3 ) 易于批量生产。 3 缺点 1 ) 需要温度补偿，使用起来比较麻烦； 2 ) 通带内的频率响应不够平坦。 1 5 基于熔融拉锥技术的c w d m 技术 1 光波分复用器解复用器是w d m 系统中的关键部件。在w d m 系统中 用的典型光波分复用器解复用器主要有光栅型、介质膜滤波器型、 阵列波导( a w g ) 型及熔融拉锥型。在这里我们主要讨论熔融拉锥型 波分复用器的制作。熔融拉锥( f u s e db i c o n i c a lt a p e r ，f b t ) 法 是将两根( 或两根以上) 除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在 高温加热下熔融，同时由步进电机带动夹具向两侧拉伸，最终在加 热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输功率祸合的一种方 法。 2 熔融光纤之间的耦合，其理论基础是“迅衰场”( e v a n e s c e n t ) 及其 耦合理论，在单模光纤中，传导模式是两个正交的基模( h e ) 信号。 当传导模进入熔锥区时，随着纤芯的不断变细，归化频率 13 黑龙江大学硕士学位论文 矿= 2 册2 一2 ) ”2 五迅速减小，越来越多的光功率渗入光纤包 层。实际上光功率是在由包层作为芯，纤外介质( 一般是空气) 作为 新包层的复合波导中传输的，在输出端，随着纤芯的逐渐变粗，v 值重新变大，光功率被两根纤芯以特定的比例“捕获”。在熔锥区， 两根光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，形成弱耦合。简单地说， 就是在单模光纤传导光纤信号的时候，光的能量并不是全部集中在 光纤中传播，而是有少量是通过靠近纤芯的包层中传播的，通常定 义光强度达到峰值( 纤芯中心处) 的3 7 处的直径为模场直径 ( m f d m o d ef i e l dd i a m e t e r ) ，可以理解为光纤传导的有效纤芯， 比光纤的几何纤芯略大，与光纤内部的折射率分布和传导波长有关。 以常用的c o r n i n gs m f 2 8 单模光纤为例，其纤芯直径为8 3m 。而 在1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 处的模场直径分别为9 2 0 4 p m 和l o 4 0 8 p m ，由这一现象，如果两根光纤的纤芯足够靠近的话，在一根光 纤中传播的光的模场可以进入另一根纤芯，光信号在两个纤芯之间 得到重新分配，称为光的耦合。由于两个输出端口的光功率与波长 相关，从而可以用来制作复用器解复用器。制造熔锥型w d m 时，首 先将两根很细的光纤并排加热，使其处于熔接状态，然后拉伸软化 的光纤，随着纤芯变细的同时，两根纤芯更加靠近。在这种条件下， 从一根光纤入射的光的模场就激励另一根光纤，并形成相同的模式， 也就是说两根光纤实现了耦合。我们称1 0 0 耦合的长度为周期长 度，当耦合区长度超过周期长度时，会出现反耦合，a ，b 问的光功 率转移周期性不断地进行着( 如图1 9 ) 。这种变化周期的长度，根 据两光纤之间的耦合强度而定，耦合越强，周期长度越短，反之， 周期长度越大。 第1 章c w 嗍系统的发展现状 零剥 。a； 气”、，_ 照_ ，! _ 、k 囊。，、。 一峨瞳湎幽t 图l9 光功率输出 求解耦合方程组得到标准熔融拉锥单模光纤耦合器功率耦台比与 拉伸长度的关系式 i 乌( z ) = c o s 2 ( 巴) 【岛( z ) = s i n 2 ( c z ) 耦合系数：c 一( 2 a ) y 2 u z 了k o = ( w d r ) ，耦合系数的参数的含义见 ，矿2 k f ) 4 1 8 式，在单模光纤中，波长越长，归一化频率越小，耦合系数越大， 扩展到包层的光越多，使两光纤之间的耦合越强，因而，变化的周期长 度越短。换言之，不同波长的光在两根光纤之间的周期长度是不一样的。 当我们选择一点恰好使得在a 光纤中波长为 。的光功率达到1 0 0 ，而 在b 光纤中波长为 。的光功率也达到1 0 0 ，这样，我们就可实现对 和x ：的分离。 1 6 小结 c w d m 技术解决了现已铺设光纤容量的不足和多业务透明传输两个 问题，能在一根光纤内同时传送多个不同波长的信号，实现多媒体信号 黑龙江大学硕士学位论文 的混合传输，而用熔融拉锥的方法生产c w d m 的关键器件复用器和解复 用器，更是减少了成本，积极推动了全光网的建设。尽管g 6 9 5 标准的 推出获得业界积极的响应，但它并不能解决所有的问题，很多新的问题 也正浮出水面，例如一些供应商和运营商正在讨论的l o g b p sc w d m 转发 器。目前要获得一个1 0 g b p s 链路需要并联4 个独立的2 5 g b p s 接口， 在未来，供应商们希望只须一个简单的连续i o g b p s c w d m 就可完成。而 且用熔融拉锥技术制作的c w d m 复用器p d 。( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n t l o s s ) 的值还不很理想，因此c w d m 还需要不断的完善。 第2 章熔融拉锥理论 2 1 概述 第2 章熔融拉锥等效模拟 双锥光纤的特点是制作简单，与光纤系统兼容，附加损耗小，对 偏振不敏感，无背向反射，成本低。从双锥光纤和器件研制及应用角度 看，拥有一套实用的双锥光纤及器件设计理论，具有十分重要的意义。 在制作中，工艺参数如何影响双锥光纤及器件的特性，不同的应用如何 对双锥光纤甚至研制工艺参数提出不同的要求，如何进一步开辟双锥的 新应用等等，都需要建立一个使用的双锥光纤及器件设计模型。 已有的双锥光纤理论模型，可用于理解双锥光纤的基本特性。但是 这些模型没有与研制工艺参数相联系，不能直接指导研制工作。尽管少 数文献也报道过将理论模型与研制工艺参数相联系，但是要么使用范围 窄，要么需要知道不易测量的温度分布和粘度。因此，需建立一种能用 来直接指导双锥光纤和器件研制及应用的较全面的设计理论。本节将从 双锥光纤的工艺实现和技术应用目的出发，根据双锥光纤成形原理和光 纤电磁理论并结合实验，论述双锥光纤几何成形及光学特性等效模拟方 法。其要点有二：一是采用实验容易测量的研制工艺参数( 熔锥条件) ； 二是采用双锥光纤几何成形的高斯等效模型。 2 2 双锥光纤成形的等效模拟 光纤熔融拉锥工艺简化图( 如图2 1 所示) 。 黑龙江大学硕士学位论文 挝伸 掘熬 图2 1 光纤熔融拉锥工艺简化图 当被加热的光纤段软化后，光纤直径随着拉伸逐渐收缩并在中央处形成 腰部( 如图2 2 所示) ，是熔融光纤受轴向拉伸的一种变形。 图2 2 双锥形光纤剖面图 一般认为，光纤在高温熔融状态下的流变行为是服从牛顿流体规律 的。理论与实验研究表明：工艺参数例如拉伸速度、拉伸时间、融烧温 度等都将影响双锥光纤的成形。在锥腰处，通常温度最高，其直径最小。 第2 章熔融拉锥理论 在相同融锥温度下，拉伸长度越长，锥腰就越小。在相同拉锥速度与时 间下，温度越高，锥腰越小。 对双锥光纤成形来说，光纤粘度是一个很重要的但又很难直接测量 的量。而且光纤粘度与光纤的组成有关系，则更加增加了使用的复杂性。 为了实用，有必要建立一个既符合粘度变化物理规律又避开粘度这一物 理量的模型。 温度分布t ( z ) 对双锥光纤的成形起十分关键的作用。进一步研究 双锥光纤成形基本原理可以发现，只要融锥湿度分布不变，成形后的光 纤直径d 分布函数形式也不变。导致双锥光纤形成抛物线形、高斯形、 指数形、梯形等分布的本质原因是融锥温度分布t ( z ) 的不同。由于拉 伸速度慢，拉伸速度对双锥光纤的成形影响不大。 尽管温度分布是不均匀的，但是，对于任一峰值融锥温度t p ，可 引入加热器有效加热区长度l 。的概念。光纤在这个有效加热区长度之外 是“冷”的，即光纤的粘度很大，不软化。在有效加热区长度之内的光 纤最终形成双锥结构。根据体积不变，以及锥形是相对于z 轴对称的， 可以得到下列方程： “铲z 州制2 沈 - ， 式中d o 为光纤的初始直径，d ( z ) 为双锥光纤位于z 处的直径，l 。为双锥 长度。实验测量表明。对于( 如图2 3 所示) 加热器温度分布，d ( z ) 比较符合高斯分布。 黑龙江大学硕士学位论文 ，一1 4 0 , g a 髓蛙1 2 0 0 鬻曩 1 0 0 0 ol o钧 由d 热霸 傻t c - ) 图2 3 加热温度分布图 即：d ( z ) = d oe x p ( - z 2 l o 2 )0 z l t 2 ( 2 2 ) 厶是一个与加热区宽度有关的量，可通过测量锥形分布求出。 对( 2 1 ) 式进行积分，可得： 岛= 恤坝厶佤) ( 2 3 ) 在实际中，通常厶 2 6 l 0 1 ，此时，e r r ( l , 弛t ) 斗1 ，因此( 2 3 ) 式可化 为： 厶= 屈 ( 2 4 ) 厶为一个反映燃烧器有效加热区宽度的量。可以通过测量锥的长 度厶与拉伸长度t 的关系厶= 三。+ 上。确定厶。将( 2 4 ) 式代入( 2 2 ) 式， 可得： d ( z ) = d oe x p ( 一忽2 2 9 2 ) o z l 。2( 2 5 ) 根据( 2 5 ) 式通过测量锥形分布可以确定厶，但是不如通过测量锥 第2 章熔融拉锥理论 i 的长度和拉伸长度确定4 显得更方便。并根据( ( 2 5 ) 式可以求得锥腰 直径： 以= d oe x p 一硝( 厶+ l e 一厶) 2 s l 0 2 】 ( 2 6 ) i ：i z ，, 决于4 l e 。厶t 越大巩越小，对于相同的 燃烧器，拉伸长度越长锥腰越小。对于相同拉伸长度，燃烧嘴越小锥腰 也越小。 因此可得双锥几何分布为： d ( z ) d o e x p - n z 2 2 窜】 d o e x p - m ( 。+ 厶一厶) 2 8 4 2 = 屯 益z s 生 22 ( 2 7 ) o z 益 三个实验易测的工艺参数厶、厶、t 分别为加热器的有效加热区长度、 有效等温加热区长度、拉伸长度。对于加热器有效等温加热区长度厶和 厶一样，不仅与加热器结构和加热方式有关，而且与拉伸长度有关， 它也可以通过简单的实验来确定。 三 ( 巧) = 爿( 0 ) + b ( t p ) l 。 ( 2 8 ) 式中系数a 、b 可以通过测量毛一t 关系曲线确定。与双锥长度相比， 通常厶很短。 上式( 2 7 ) 就是双锥光纤结构参量等效模拟结果，等效模拟结构既 遵循基本的物理规律，又十分简单，并与研制工艺参数相联系，因此非 常实用。 利用这个等效模拟结果，可以方便地根据融锥条件预测双锥光纤的 形成。图2 4 是在融锥条件相同情况下不同拉伸长度下双锥光纤直径的 分布。 2 1 黑龙江大学硕士学位论文 l0 = s m ml h 莘，l 牛d ll c _ 、 。 嗄0 9 。 弘叫翔稠 、 。 j 图2 4 不同拉伸长度下锥形光纤的直径 o m 瓤 ( - 蕾 从图中可以看出，当拉伸长度为l o m m 时，双锥长度为1 8 m m ，锥腰 为2 2 i l l ；当拉伸长度为1 5 m ，双锥长度2 3 m m ，锥腰减小到7 5 m 。可 见，当有效拉伸长度l 0 同时，拉伸长度越长，双锥长度越长，锥腰越小。 第2 蠹熔融拉锥理论 王一e = 1 0 畦啦 l h 。机j + o 1l 掌鼍毫 图2 5 不同有效加热区长度下的锥形光纤直径 图2 5 为不同有效加热区长度l 0 下双锥光纤直径的分布。从图可以看 出，当有效加热区长度从8 m m 减小到6 4 m m 时，双锥长度从1 8 m m 降到 1 6 4 m m ，锥腰从2 2 仙m 降到1 3 m 。可见，当拉伸长度相同时，有效 加热区长度越短，则双锥长度就越短，锥腰就越小。 根据双锥光纤成形等效模拟方法，对于一个固定加热器及加热方式 来说，双锥光纤几何分布d ( z ) 函数形式是一定的。它可能是抛物型、 指数型或高斯型等。这可以通过实验来确定。该等效方法把需要知道光 纤中的融锥温度分布、光纤粘度等复杂而难以测量的物理参数简化成测 量融锥参数l 。( t p ) 、l h ( t p ) 及l 。等简单的几何问题。 2 3 双锥光纤的光学特性的等效模拟 双锥光纤的光学特性强烈依赖于双锥光纤的几何分布。一但几何分 布和光纤类别确定，双锥光纤的传播特性也就完全确定了。 黑龙江大学硕士学位论文 23 1 双锥光纤的等效光学模型 因为拉锥，形成双锥结构的单模光纤的直径( 包括芯径) 变小，导致 光场渗透至包层。这样，来自双锥光纤输入端的芯模h e 。模被转换成包 层h e 。模和模h e 。在双锥光纤的输出端，包层模又转换成单模光纤中 的芯模f e 。，模，高阶模在包层中损耗掉。这种模式转换与波长有关，所 以双锥光纤的透射特性也与波长有关。 为避免分析双锥光纤模式耦合区间模式转换的复杂性，在这里采用 阶跃不连续模型近似。该模型假设在锥的斜率小于s t e w a r t l o v e 临界 斜率的区间，符合绝热近似：在锥的斜率大于s t e w a r t l o v e 临界斜率 的区间，符合突变近似，此时，总场保持不变。经推导可得光纤透射谱 的周期八 土：掣( 2 9 ) a j t 式中n a 为振荡次数( 定义为双锥光纤输出功率与拉伸长度关系曲线中输 出功率最大值的个数) 。 m ：罂( t + 岛一2 z b ) ( 2 1 0 ) 7 0 “ d 。= d oe x p 一万( 厶+ l o 一厶) 2 8 l 0 2 ( 2 1 1 ) 式中， 为光波波长，r l 。为光纤包层的折射率，d ，为双锥锥腰直径，z 。 为绝热区长度起点的位置。根据这些公式，即可以研究融锥条件对双锥 光纤光学特性的影响，用以指导研制和应用。 2 3 2 双锥光纤光学特性的理论分析 利用双锥光纤光学特性等效模拟方法，对双锥光纤的光学特性进行 详细的分析。当光纤纤芯半径为4 肛m ；加热器有效加热区长度l o = s m m ： - 2 4 第2 章熔融拉锥理论 加热器有效等温加热区长度l = 0 1 + 0 1 l 。 2 3 2 1 场分布 根据前面分析，在绝热区模式特性可以用局部正规模来描述。 图2 6 为未拉伸时和拉伸使光纤芯半径从4 “m 降到3 2 “m 时双锥光 纤腰部中心光场的分布。其中光源波长为1 3 0 3 n m 。从图2 6 可以看出， 由于拉伸长度都很短，光场主要集中在双锥光纤的芯层。 0l 疆 淞；j r 壁篝 图2 6 拉伸前和轻微拉伸后双锥腰部的场图 在其他工艺条件相同情况下，随着拉伸长度的增加，光场从纤芯渗 透至包层，如图2 7 所示。这是因为由于纤芯减小，使归一化频率变小， 当纤芯归一化频率降至一定程度时，纤芯对导模传输的约束作用大大下 降，纤芯己不起主要导光作用，取而代之的是包层模的传播。此时的光 束被放大。随着拉伸长度的进一步增加( l o ：1 5 7 m m ) ，波导边界完全包 层一空气边界来确定。由于包层半径很小，所以光束被缩小。 媾嚣谴 黑龙江大学硕士学位论文 a - 参 2 胍即缀m 2 o l o 囊or ( 图2 7 拉伸前后双锥腰部的场图 2 3 2 2 双锥光纤输出功率振荡特性 p ) 当归一化频率y 2 1 n s ( s 为包层与芯层半径比) 时，he 1 ，模绝 热传输，所以双锥光纤输出功率不出现振荡。当矿正面时，出现 多模传输。由于出现多模传输( 主要是h e 。和h e 。：双模传输) ，单模输出 功率依赖于它们的相位差，所以双锥输出功率出现了随拉伸长度的振荡 变化。图2 8 是双锥光纤单模输出功率振荡次数与拉伸长度的关系，其 中光源波长为1 5 4 3 n m ，绝热长度起点的位置z 。= s m m ，l o = s m m ，l h = 0 1 + 0 1 l 。 从图2 8 可以看出，除了曲线拐弯区域，振荡次数与拉伸长度近似 成线性关系。这一特性对于下面耦合器及波分复用的研制工作都很有帮 助。从拉锥的工艺角度看，拉伸长度容易监测和控制。 錾f 嚣瓣 第2 章熔融拉锥理论 图2 8 振荡次数与拉伸长度关系图 从双锥光纤和器件的研制及应用角度出发，一套实用的基于容易测 量的研制参数( 融锥条件) 双锥光纤等效模拟方法，以简单的公式反映 出工艺参数如何影响双锥光纤的传播特性。因此能具体指导双锥光纤和 器件的设计研制及应用。 2 4 本章小结 本章从双锥光纤和器件的研制及应用角度出发，提出了一套实用的 双锥光纤等效模拟方法，该方