（物理电子学专业论文）wdm光纤通信用光学薄膜的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t m a n y k i n d s o f o p t i c a l c o a t i n g h a v e b e e n i n c r e a s i n g l y a n d w i d e l y u s e d i n w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( wd m ) o p t i c a l - f i b e r tr a n s m i s s i o n s y s t e m . t h i s t h e s i s m a k e s a d e e p t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n t h e n a r r o w b a n d - p a s s f i l t e r ( n b f ) u s e d a s m u l t i/ d e m u lt i p l e x e r ( m u x / d e m u x ) i n wd m s y s t e m a n d t w o k i n d s o f a n t i - r e fl e c t i n g ( a r ) f i l m s d e p o s i t e d a t t h e o t h e r e n d o f n b f a n d t h e c l e a v a g e s u r f a c e o f a s e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a ) . b a s e d o n v a s t c a l c u l a t i o n a n d a n a ly s i s o n t h e o p t i c a l p r o p e rt i e s o f v a r i o u s n a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c e f i l t e r s , t h i s t h e s i s c r e a t i v e l y p u t s t h e w h o l e s t r u c t u r e o f a f a b ry - p e r o t n a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c e f i lt e r w i t h s i n g l e - c a v it y a s t h e o p t i m a l v a r i a b l e a n d u s e s t h e i n t e g e r o p t i m i z a t i o n p r i n c i p l e t o a u t o m a t i c a l l y d e s i g n m u l t i - c a v i t y d i e le c tr i c s q u a r e b a n d p a s s f i l t e r . t h i s t h e s i s a l s o p u t s f o r w a r d a n e w d e s i g n t e c h n i q u e b y a d d i n g f e w i r r e g u l a r l a y e r s o n t h e m u l t i p l e q u a rt e r w a v e s t a c k t o s a t i s f y t h e d e s i g n t a r g e t s . a p r o g r a m m e r , f o r a u t o m a t i c a l l y d e s i g n i n g t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o f t h e i r r e g u l a r c o m p e n s a t i n g l a y e r s b y u s i n g m u l t i - g r a d o 详 i m i z a t i o n a p p r o a c h , h a s b e e n d e b u g g e d . s e v e r a l n a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c e f i l t e r s w i t h i r r e g u la r c o m p e n s a t i n g l a y e r s h a v e b e e n d e s i g n e d b y t h i s p r o g r a m m e r . t h e d e s i g n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e wa v e - s h a p e c o e f f i c i e n t , t h e r i p p l e i n p e a k - b a n d w i d t h and t h e d e l i c a c y g e n e o f t h e f i l t e r s w i t h c o m p e n s a t i n g l a y e r s m a y b e b e tt e r t h a n t h e o r d in a ry m u lt i- c a v it y n a r r o w - b an d i n t e r f e r e n c e f i lt e r s .t h i s , t h e s i s a ls o s t u d ie s th e a u t o - d e s ig n t e c h n i q u e s f o r n o n - q u a rt e r - fi l m . t h e o p t i m a l s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o f t h e an t i - r e fl e c t i n g c o a t i n g s w h i c h s u b s tr a c t i s g a a s o r k 9 g l a s s h a v e b e e n d e s i g n e d b a s e d o n t h e s t u d i e s . t h i s t h e s i s e s t a b l i s h e s a m a t h e m a t i c a l m o d e l o f s i m u l a t i n g t h e q u a rt e r - f i l m d e p o s i t i o n w h i c h m o n it o r i n g a p p r o a c h i s o v e r s h o t t u rn i n g p o i n t m o n i t o r i n g t e c h n i q u e . o n t h e b a s i s o f r e s e a r c h o n s i m u l a t i o n o f c o a t i n g d e p o s i t i o n , a n e w w a y o f c a l c u l a t i n g t h e l a y e r t o l e r anc e t h i c k n e s s e r r o r , w h i c h c o v e r s n o t o n l y t h e a c c u m u l a t e d e r r o r s m a d e b y p r e - l a y e r s and t h e c o m p e n s a t i o n p r o v i d e d b y p o s t - l a y e r s , b u t a l s o t h e i n fl u e n c e o f t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o f c o a t i n g d e p o s i t i o n , i s p u t f o r w a r d e d . t h i s n e w w a y i s o f g r e a t g u i d i n g s i g n i f i c a n c e i n r a i s i n g t h e r a t e o f f i n i s h e d p r o d u c t s w h e n a c t u a l l y d e p o s i t i n g m u l t i - l a y e r c o a t i n g . t h i s t h e s i s m a k e s a s t u d y o n t h e a c c u r a t e ly o p t i c a l m o n i t o r i n g a p p r o a c h e s o f t h i n f i l m . a r e f o r m a t i v e m o n i t o r i n g m e t h o d , w h i c h c o n tr o l s t h e t h i c k n e s s o f d i ff e r e n t l a y e r s b y s t o p p i n g 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 d e p o s i t i o n a t t h o s e p o i n t s w h e r e t h e r e fl e c t a n c e o v e r s h o o t d i ff e r e n t q u a n t i t i e s t o t h e i r t u rn i n g v a l u e s an d i m p r o v e s t h e p r e c i s i o n o f t u rn i n g p o i n t m o n i t o r i n g t e c h n i q u e , i s d e v e l o p e d . t h e e x p e r i m e n t r e s u lt s h a v e i n d i c a t e d t h a t w h e t h e r t h e d e p o s i t e d f i l m i s a q u a r t e r - f i l m o r n o n - q u a rt e r - f i l m , t h i s m e t h o d c an m o r e a c c u r a t e l y c o n t r o l t h e l a y e r t h i c k n e s s o f a c o a t i n g c o m p a r i n g w i t h t h e c o m m o n r e fl e c t anc e o v e r s h o t - t u rn i n g p o i n t m o n it o r i n g t e c h n i q u e . t h i s t h e s i s a l s o m a k e s r e s e a r c h o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e m o n i t o r in g c h i p c h ang i n g t a c t i c s and t h e d e p o s i t i o n r e s u lt s o f m u l t i - l a y e r c o a t i n g t h a t m o n it o r i n g b y s e p a r a t i n g c o n tr o l t e c h n i q u e . a n e w w a y t h a t d e t e r m i n e s t h e o p t i m a l c h i p c h ang i n g t a c t i c s b y o p t i m i z a t i o n p r i n c i p l e i s p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r . s e v e r a l m o n i t o r i n g m e t h o d s f o r d e p o s i t i n g n a r r o w - b and f i lt e r a r e c h e c k e d and t h e c o n c l u s i o n , c o m b i n i n g t h e tr ans m itt anc e t u rn i n g p o i n t m o n i t o r i n g a p p r o a c h and q u a r t z - c ry s t a l m o n i t o r i s t h e b e s t w a y f o r m u l t i - c a v i t y n a r r o w - b and i n t e r f e r e n c e f i l t e r d e p o s i t i o n , i s r e a c h e d . a n e w v i e w p o i n t o f d e p o s i t i n g n a r r o w - b and f i l t e r b y s e p a r a t i n g c o n tr o l t e c h n i q u e m a k i n g u s e o f r e fl e c t anc e t u rn i n g p o i n t m o n i t o r i n g . t h i s t h e s i s c o m p l e t e d l o t s o f e x p e r i m e n t s o n o p t i c a l c o a t i n g d e p o s it i o n an d d e t e r m i n e d s o m e t e c h n o l o g i c a l and c o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s f o r d e p o s it i n g a n t i - r e fl e c t i n g c o a t i n g a n d n a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c e f i lt e r u s e d i n wd m o p t i c a l - f i b e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m a t t h e n e w e b s - 2 6 b c o a t i n g - d e p o s i t i n g m a c h i n e . i t a l s o o b t a i n s s o m e r e s u l t s w h i c h a r e o f g u i d i n g s i g n i f i c a n c e t o d e p o s i t in g q u a rt e r - f i l m and n o n - q u a rt e r - f i l m . k e y w o r d : h a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c e f i l t e r , a n t i - r e fl e c t i n g c o a t i n g , wd m o p t i c a l - f i b e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m , t h i n f i l m a u t o d e s i g n , o p t i c a l c o a t i n g d e p o s i t i o n , o p t i c a l m o n i t o r i n g t e c h n i q u e , c o m p u t e r s i m u l a t i o n iii 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章研制光纤通信用光学薄膜的意义 1 . 1 光纤通信及w d m 通信系统 光纤通信技术的问世和发展给世界电信带来了革命性的变化。 短短2 0 多年里， 光纤通信技 术的发展速度之快。大大超出了当 初人们的预料和想象。光纤通信网络已成为现代通信网的基 础平台p j 。 现在世界 上大 约有6 0 % 的 通信业务经光 纤传输(2 1 ，到2 1 世纪初将 达a 5 % , . 光载 波的 频率 很高， 但由 于 光纤色散w 和电 子集成电 路的极限 速率s7 的限 制， 单模光纤单 信 道的 传输 速 率 常常 被限 制 到4 0 g b i t / s 或者 更 低u 1 。 而 随 着 世界 经 济的 发 展， 语 音、 图 像、 数据等信息量成爆炸式的增长， 尤其是因 特网的迅速崛起，广大用户对扩大光纤通信网络容量 的 要求十分迫切， 如美国因 特网的 业务 量每月 增长1 0 % 至2 0 % ， 每半年翻一 番d $ ， 现有的 通 信网 络根本满足不了 这种要求，扩大网络容量已 成为网络营运者的当务之急。 为解决 通信容量不足，可采用波分复用 ( w d m ) ,空分复用 ( s d m ) .电时分复用 ( e t d m ) 和 光时分复 用( o t d m ) 以 及光 孤子 等 技术来 充分 挖掘光纤通信系 统的 潜在通信 容量 . s d m 系 统需 要沿主要线路敷设 新的 光缆，在人口 密集的 地区或特大城市， 每敷设l k m 光缆都需 要数万元费 用“ 1 ， 代价过于 高昂; 一 度独领风骚的e t d m 由于 受“ 电 子瓶 颈， ii i 的限 制， 其扩容的 潜力己 基 本 挖 掘 殆 尽 ” ; 而o t d m 和 光 孤 子 技 术 对 扩 大 光 通 信 容 量 虽 然 具 有 极 木 的 潜 力 ， 但 其 涉 及 的 技 术 很复杂， 一些关键技术还有待 进一 步解决，尚 未 达到实 用化的 程度囚 。 所以， 近年来 风起云涌的w d m 系统就成为光 纤通信系统最有效的 扩容手段x9 1 - d l 1 . 1 . 1 w d m 光纤通信系统 w d m系统以不同波长的光波作为信号载波而将光纤的低损耗窗口划分为若干个信道，先在 发送段， 采用复波器将不同的标准 波长的信号光载波合并起来送入 一根光纤进行传输，再在接收端， 由分波器将这些承载着不同信号、 具有不同波长的光载波分开， 于是 可以通过一根光纤传送多路信号， 尹， 一 二如，一- - - 一气 图 1 . 1 . 1 波分复用光纤通信系统工作原理示意图 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 在 不 敷设 新 光缆的 前 提 下 扩 充网 络的 通信 容 量 p o t 。 图1 . 1 . 1 所示 为w d m 光 纤 通信 系 统工 作原 理 示意图。 1 . 1 . 2 w d m光纤通信系统的特点 单模光纤的低损耗带宽资源约有6 0 t h z 。如图1 . 1 . 2 所示是单模光纤的损耗频谱图，其 1 5 0 0- 1 6 0 0 n m 之间衰减小于 0 . 2 d b / k m ，所对应的频带带宽为 3 5 t h z ，以最小间隔 1 0 0 g h z 信道间g - 1 l- 了111 血仁，/ 到t-与 该引卜/ 收ll 、1一、 (剔。 该频带可提供 3 5 0个中 心波氏 “ ” ; 其 1 2 9 0 - 1 3 5 8 n m之间的衰减小于 0 . 3 6 d b 在计在 毖车盅长 / k m ， 该频 带也 可 提 供2 5 0 个中 心 波 长 le t 这意味着只要工作在1 3 1 0 n m 的掺错光纤放 大器is l ( p d f a ) 和量子阱结构的半导体激 光器6 ， 商 用化后， 采用密 集波分 复用技术， 可使一根光纤的传输容量比单波长传输增 加六百多倍1 1 4 1 了 5 议 长 (目a 图t . t .z 单模光纤的 损耗频潜 与光纤通信系统的其他扩容手段相比， w d m 技术具有以下特点: w d m 系统使n 个波r. 复用起来在一根光纤中传输， 对于早期安装的芯数不多的通信光缆， 不 必 对原有系 统作 较大的 改 动即 可大 幅度地 扩充 其通信容量ii ， 不仅与 现有的 通信网 有良 好的 兼容性，还可以大量节约光纤; w d m 系统以波长 选择路由， 同一光纤中所传输的不同信息是通过载波波长 来识别的， 因而它 对所传信号的调制格式 ( 模拟或数字) 、 转移模式 ( a t m , s t m 等) 、 传输速率、电调 制方式 等 特性没有限 制， ” ， 可 采用一 根光纤实 现多 媒体信号的 混合传输【 18 1 11 s 1 w d m 系 统具有可 扩充性和可重构性 ( 12 ， 当 用户通信量增 加或网 络出 现故障时， 只须 增加一 个 附 加波长即可引入任意想要的 新业务， 对网 络进行重构; w d m 系统具有高的灵活性和可靠性， 在组网 方面， 通过波长选路由， 简化了网络硬件， 可提 高网 络的 灵活性， 光 纤放大器的 使用大大减少长 途干 线系统s d h中 继器的 数目 2n 1 ， 使网 络 的可靠性更高; w d m 系统很容易升级扩容， 如果在设计通信系统时考虑其最佳线路和环形光路保护， 就可以 通过引入 ( ) a d m( 光分插复用器)和 o x c( 光交换)设 备构成最佳光路由 选择，逐步过渡到 全光通信网 络川 。 因此，信息界人士已达成共识:w d m 十 光纤放大器是充分挖掘光纤带宽能力，实现高速通信 的 最佳途径p221-di， 也是未来 具有高度生成 性的巨 容量全光通信网 络的基本 模式(2 41 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 1 . 3 w d m 光纤通信系统研究现状 两波长的 波分复 用系 统 ( 1 3 1 0 n m / 1 5 5 0 n m ) 八十 年代就在美国的a t 其商用水乎也已 实现4 0 x 4 0 g b i t / s o 我国的光通信起步较早，光纤通信是我国高新技术中与国际差距最小的领域之一，w d m光 纤 通信系统的发 展与国 际上的 发 展基本同 步m i . 1 9 %年底，国内 的 第一台4 x 2 . 5 g b / s 波分 复 用系 统科研样机通过了8 6 3 鉴 定 1 ; 1 9 9 9 年， 大唐s c w 2 0 型密 集波分复 用系统已 经应用在厂 州一汕头8 x 2 . 5 g b / s d w d m 实验s程中 0 / 建设一个高度灵活和超大容量的国家骨干光纤通信网络，不仅可以为未来国家信息基础的 实施奠定一个坚实的基础， 而且也对2 1 世纪我国的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全 保障具 有极其重要的 战略意 义川 。 w d m 系统 采用在同 一根光纤上 传输多 个信道的 通信 模式， 提供 了一 种利用现有光纤通信网 络设 备大大扩充通信容量的简单 方式，非常适合中国的国情， 基于 w d m技术的网 络升级被认为 是 传输网 络容量发 展的 最佳选择(y n l 。因 此， 我 们要积极开展与w d m 系统相关技术的深入研究，跟踪世界先进水平，发展我国的w d m 光纤通信网络。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 夸 1 . 2光学薄膜在w d m 通信系统中的应用 各种光学薄膜在w d m 网 络中 得到了 十分广泛的应 用” 。 图1 . l . 1 中的 所有关键光学或 光电 子元器件， 如激光光源、 光放大器 ( 包括光纤放大器和半导体光放大器) 、 分波/ 复波器、 光插/ 分复 用器等，都 可以 利用光学薄膜技术 提高 其光学性能 is p 1 . 2 . 1窄带滤光片 分波 / 复波器是 波分复用系统的 核心器件is l 。 将不同 光 波长的 信号结合在一 起经一 根光纤输 出的器件称为复波器，将同一根光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为分 波器。 有时同一器件 ( 例如介质薄膜型滤光片) 既可作分波器， 又可以作复波器。 分波/ 复波器 的 性能指标im 包括光插入损耗 ( 2 5 - we) 、 光反射系数(- 4 0 d b ) 、 工 作波长范围、极 化 ( 偏振) 相关损耗 ( 0 . 4 - 0 . 5 d b ) 、 各 通 路插入损耗的 最大差异 ( 1 d b ) 等。 目 前己广泛商用的分波/ 复波器共有四种:光栅型、介质薄膜型、熔锥型和集成光波导型。 光栅型波分复用器件利用光栅的角色散作用，使不同波长 的光信号以不同的角度出射，然后经 透镜会聚到不同 的 输出光 纤以 完成波长 的 选择作用朋 l - lafi l33熔锥型 波分复 用器是将多 根光纤 在 热熔融条件 卜 拉成锥形，并稍加扭曲后熔融在一起，由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以 通过锥形区的消失波祸合达到所需要的祸合功率， 川 ; 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， 目 前平面波导型波分复用器有各种实现方案， 其中一种称为d r e g o n e 型的平面波导w d m 器件较有前途， 其由平面设置的两个共焦阵列径向 波导构成两个星形祸合器， 星 形 祸 合 器的# 个 不 等长 的 祸 合 波 导 可 形 成 光 栅 达 到 分 光目 的 ca 介质薄 膜型 波分复用 器iss l -m i 是在 温度 性能 稳定的 基片上淀积多 层介质薄 膜， 使之具有 对某 一波长范围呈通带，对另外波长 范围呈阻带的滤波特性，利用这种具有特定波民选择特性的窄 图 1 . 2 . 1窄带滤光片在8 路w d m 光纤通信系统中的应用 带干涉滤光片就可以将不同的 波长分离或者合并起来。如图 1 . 2 . 1 所示是在8 路w d m 光纤通 信系统中充当分波/ 复波器的窄 带滤光片的工作原理示意图。 从 图中可以看出， 具有矩形通带形 状的全介质窄带滤光片 n b f ) 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 或通带分离滤光片与光隔离器相结合， 不仅可充当分波器， 也可充当 复波器， 还可完成双向( 即 全双工) 光通信1 4 5 1 表1 . 2 . 1 是这四 种分波/ 复波器特性的比 较结果。 与其它形式的波分复用器相比， 采用全介 质窄带干涉滤光片用作分波/ 复波器的主要优点是其设计和所用参数与w d m 系统凡乎完全无关， 可以 制成结 构稳定的 小型 化器件im 0 1 ; 其信号 通带较平 坦14. 1144 1 ， 插入 损耗较低14 11 14 l 1 、 与 极化无 关， 温度特性很好14 e 1 10 11s z 1 ( 可达。 . 0 0 1 n m 以下) ， 完全符 合w d m 系统中的 分 波/ 复波器性能 指标。其唯一的缺点只是通路数不如光栅型波分复用器件多，但已 足以 满足目 前w d m 光纤通信 系统对分波/ 复波器路数的要求， 而目 前还没有很好的手段克服光栅型波分复用器件对于 环境温 度的 敏感性lzs l所以， 对于8 - 1 6 路的w d m 系 统，大 部分厂家 都选 用全介质窄带干 涉滤光片 用 作解复用器，国际上对用于w d m 系统的光学滤波器的研究十分重视，各公司、实验室纷纷研究 具有矩形通带形状和通带内损耗及纹波小、截止带截止度深等特性的窄带滤光片膜系的设计与 镀制技术1 4a - 1 5 5 1 表 1 . 2 . 1 各种w d m分波/ 复波器性能比较 器件类型机型批f生产 通路间偏 ( n m ) 通路数申音 ( d b ) 插入损耗 ( d b ) 主要缺点 衍射光姗型角色敬一般0 . 5 - 1 04 - 1 : 3 1( 一3 ( 13 -6温度敏感 光学傅腆型干涉 / 吸收一般i - 1 0 02 :3 2i- 一2 52 6 通路数较少 熔钊 仁 型波e 依较性较容易1 0 - 1 0 02 - 6 蕊 一( 1 5 一 4 5 ) 0 . 2 - i . 5通路数少 集成光波导型平面波导容易1 -5 4 -1 5 (1 ( 一2 56 - 1 i 抽入损耗大 1 . 2 . 2光放大器中的光学薄膜 具有足够增益带宽的光放大器是w d m 系统所必须的。如果没有这样的器件，中继方式必然 是先解复用，再对每一个波长进行光一电 一光式的中继放大，可想而知，这样的一个系统不仅 复 杂庞大， 而且造成很 大的设 备 投资 资本 和系统营 运成 本lzo l ， 所以 当 年正 是由 于e d f a的 研制 成功， 才推动了w d m 光纤 通信系 统发 展和 应用x 5 1 ， 而各 种光学薄 膜则是光放大器 不 可或缺的 重 要配角。 一、s o a 的腔面增透膜 光放大器的 研究工 作是 从光纤放大器 和半导 体光放大器 ( s o a ) 两个不同的 方向 展开的1训 。 受e d f a 的影响， 人们一开 始将 解决 第二窗口 10 7 1 ( 即1 3 1 0 n m ) 光放大问 题的 希望寄 托在掺错光纤 放大 器( p d f a ) 的 身上， 然而， 多 年的 研究 表明 sx - m z i : p d f a 的 泵浦效率 太低， 要获 得3 0 d b 的 增 益， 需 要功率 为3 0 0 m w以 上、 峰值 增益波长为1 0 7 0 n m 左右的 泵浦 光源5b 1 ; 加上掺错技术比 掺 饵技术 复杂， 制作成本高， 温度一 增益 特性又不很理想 1. 1 ; 还存在着易 脆、 与 其他光纤 熔接较 为困 难等缺点 n i 。 而s o a 电 光转换效率高、 成本 低， 体 积小， 重量轻， 便于 集成， 峰 值增益波 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一二 竺 竺 二 二 二 巴 竺 二 二 竺 竺 竺 竺 二 长与 光网 络中半导 体激光器的 波长相匹 配， 增益带宽 较大且平坦性较好iaa l -1x 7 1 ， 人们自 然而然地 将视线转移到s o a 上。 实际上， s o a己在光通信领域中扮演着十分重要的脚色， 在信息传输方面， s o a 用于色散补 偿、 全光再生和光时分复 用和前置 放大、 线路放大、 功率 放大等(6 4 1 ; 在信息交换方面， s o a用 于 波长 转换、 光开 关等16 5 1- fa 7 1 ; 在 信号处理 方面， s o a 构成的非 线性光环形镜 用于 光脉冲整形、 光数 据信号 再定时的 光相关器和高 速( 1 0 0 0 b i t / s ) 解复 用等1x s 1 ， 因 此， 世界 各国都十分重视s o a 的研究。 s o a 腔面增透是 制作s o a 的 关 键技术 之一88 1 。 对于 在三种不同 的 类型s o a ( 行波型、 f - p 腔 型和注入锁定s o a ) 中 较有发展前景的 行波s o a 来说，由 于其增益为单程， 腔长一般很长( 净增 益为2 5 d b 的s o a ，腔长为6 0 0 u m 左右) ，工作电流很高( 一般在 1 5 0 m a以上) ，为了抑制激射， 必须 要求腔面具 有很高的 透 射率1. 1 ， 例如2 0 d b 左右净增益的s o a ， 假设两个 端面的反 射率 相等， 端面反 射率必须小于1 . 7 x 1 0 ， 才能 满足行波条件; 若单 程增益为3 0 d b , 端面反 射率必 须小于 1 . 7 x1 0 : 在w d m 系统中用作功率放大器、 前置放大器和线路放大器的s o a ， 要求净增益一般 应大于2 0 d b ， 考虑到两端光纤的 祸合损耗以 及用于抑制外腔反射的隔离 器、 透镜组件的 插入损 耗可能要高达9 d b 以 上， 故s o a 的 芯片的总增益不应小于3 0 d b ， 即 解理面的反射率要求小到1 0 - ; 在w d m 系统中用作构成光开关矩阵、 波长转换器的s o a 也需要一定的净增益， 假设其为5 d b , 考虑损耗后，内 增益不应小于1 5 d b ，即 端面反射率也不能大于5 . 4 x 1 0 ;至于纤对纤净增益 须达到3 3 d b的s o a ，则要求腔面 剩余反射率达到 1 0 0 量级。 所以， s o a的腔面增透膜是目 前 w d m光纤通信系统的重点研究方向之一。 二、选择 e d f a 泵浦源的长波长透射型分色滤光片 如图1 . 2 . 2 所示是光纤放大器光路结构原理图。 光纤放大器的 泵浦源有两种， 即9 8 0 n 。 和 1 4 8 0 n m , 9 8 0 ，泵浦源可以保持较低的噪声系数;而 1 4 8 0 n m 泵浦源有着更高的泵浦效率，可以 获得 较大的输出功率71 11 因 此， w d m系 统中 的功率放大器和前置放大器应分别采用 1 4 8 0 n m 和9 8 0 n m 泵浦源进行泵浦， 有必要在 光纤放大器光路中设置长波长透射型分色滤 光片s v 7 分色波长分别为 9 8 0 / 1 5 5 0 n m和 1 4 8 0 n m / 1 5 5 0 n m o 抓 挤 g 号 f l i 卜一州，仁 图 1 . 2 . 2 e d f a光路结构原理图 三、滤除e d f a 的a s e 的宽带滤光片 在光纤放大器对信号放大的过程中， 跃迁到亚稳态的饵离子也会以自 发辐射的形式产生光 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 子 并 被 放大， 这 种 放 大的自 发 辐 射 ( a s e ) 会 消 耗 泵 浦功 率并引 入噪 声 【, ii 。 如图1 . 2 . 3 所 示 是 1 5 3 0- 1 5 5 0 n 山】 不多 19 h a s e f t 、 不、 光纤放大器所输出的光信号，必须利用宽带滤光片滤除 a s e 部 分 s l 四、充当e d f a 增益均衡器的r u g a t e 滤光片 w d m系统中的线路放大器的 主要功能是对其中的多 路光信号进行放大，为了能够在 1 5 5 0 n m窗口中很宽的频 带内 提供大致相等的增益，必须使e d f a具有平坦的增益 谱1e s 1 。 一般e d f a 在1 5 3 0 n m 附 近有 一个增益峰 ( 如图1 . 2 . 4 所示) ，可插入光学薄膜型无源增益均衡器，即镀制透射 谱 与e d f a 的 增益谱 相反的r u g a t e 滤光 片e 1 ， 平滑其增益谱。 五、s o a 波长转换器中的滤波器 波长转换是w d m( 尤其是d w d m ) 系统的关键技术之一。 利 用波长转换不仅可提高w d m 中同一波长的利用效率， 减少所需 波长的数量， 放松其对光源线宽和温度稳定性以 及用于解复用 的光学滤波器的带宽的苛刻要求; 还可用于网络重构， 即自动 o u t p u t v s . w a v e l e n g t h 图1 . 2 . 3 e d f a的输出 人 一 4 - l g a i n v s . w a v e l e n g t h 图 1 . 2 . 4 级联 e d f a的增益潜 地将某一业务阻塞或暂时失效的信道转移到另一信道上，提高网络的效率和可靠性并简化了网 络 管 砂ro 利用s o a 的非线性效应可实现波长转换，基于s o a 的波长转换器共有三类:交又增益波k 转换器、交叉相位波长转换器和四波混频波长 转换器1m 。 其中 交叉增益波长转换器因具有转 换波长范围宽、 效率高、结构简单和容易实现 等 特性而 得到了 更 广泛的 应用 i ，图1 . 2 . 5 所 示的交叉增益波长转换器基本结构示意图表 明，全介质光学薄膜滤波器是其中必不可少的 关键器件。 1 . 2 . 3 w d m 系统中的其他光学薄膜 一、利用光学薄膜提高激光器的输出特性 佑 人伯 研 1，1九1. 论 波 封 田 j丁 . 出 佰 甘乒 - 图1 .2 .5交叉增益波长转换器的基本结 构 光纤通信系统的 光载 波一 般是半导 体激光器所发出的 激光， ， 如 果在半导 体激光器的 解理 面端面镀制不同 质量的光学薄膜， 可以改变激光器所输出 激光的光学特性1 e 1 工作波长为1 5 5 0 n m 的半导体g a i n a s p / i n p 量子阱结构分布反馈 ( d f b ) 激光器 ( 利用在器 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 件内 制备微小光栅形成光波选模振荡)是当 前在长 距离高频信号光纤传输系统中首选的光频发 射源172 1 ， 其 在较宽的工 作 温度和电 流范围内， 能 抑制普 通腔半 导体 激光器常见的 模式跳变， 有 很高的边模抑制比， 特别是在高速调 制下仍保持动态单纵模特性， 可避免长距离传输中色散延 迟导致的波形崎变，是w dm光纤通信系统的理想光源。到目 前为止，已 报导了 许多能使d f b 激 光器实现单模工作的方法， 其中 最为现实和容易实现的方法是在激光器解理面端面镀制光学薄 膜， 使激光器两个端面的反 射形成不对称结构， 即在激光器的一个端面镀高反膜 ( h r ) ， 另一个 端面 镀减反 膜 ( a r ) ， 可使d f b 激光器的单 模工作 特性 得到改善17 :11 。 w d m光纤通信系统是通过光载波波长 来选择通信路由的，其激光光源发射波氏以及波长 间 隔必须等于i t u - t 的 规定 值i74 1 ， 为了 稳定 波长， 可使用中 心波长温 度漂移量小于0 . 0 0 1 n m / 的 窄带 滤光片 形成波长 基准m i ; 而改 变窄 带干涉滤光片的 入射角， 又可使其中 心波长向 短波方向 移动， 只要改 变光纤准直管间 插入的 滤光片角 度， 就能实现 撇光器输出 波长的 调谐 i- 1 ， 从而为 w d m 系统提供具有不同中心波长的激光载波。 二、减反膜 当在高比特率的光纤通信系统中为了增加中继间距而提高发送功率时， 信号和光纤之间会 出 现非线性相互作用， 特别是 在w d m 这样使用窄谱线宽 度的强度调制系统中，一旦信号光功率 超过受激布里渊散射 ( s b s ) 门限， 将有很强的前向 传输信号光转化为后向 传输7 2 1 o s b s 极大地 限制了 光纤中 可能 传输的光功率，因 此， 要提高 光纤传输的效率， 最简单的方法就是尽量减小 器件的 插入损耗;e 1 ， 所以， 研究涂覆于w d m 光纤 通信系统中的 各种 光学 或光电 子 元器件 ( 包括 光纤本身和光纤祸合器)端面的各种减反膜是十分必要的。 三 、插/ 分复用器 光通信网 络有时需要在传输线路的中 途取出特定波长的信号或把信号加载与那个波长 送回 系统，信息快速入网和出网 ( 即上路和下路)的分派能力决定了光纤通信系统所传输的巨大信 息量能实时 利用的 有效 性， 也是 对主干网 传输潜力充分利用的决定因素 17 5 l ，以 光学薄膜元件充 当 光 插/ 分复用器， 即 在光 路中 插入 镀有分 光膜的 光学元件是 最快速、 廉价和 方便的 方法127 1 14 5 1 四、高反膜 随着 w d m和 d w d m光纤通信系统的不断发展，波分复用的波长数越来越多，信道间距也越 来越小， 各光路间 信号的串 扰问 题已 不容忽视r l ， 在器件的 端面上 涂攫高 反 膜可 有效 地克 服信 号的串扰圈。 总之， 光学薄膜元器件不仅是一种结构简单的无源器件， 还具有多功能、 低损耗、 高效率、 高频率、 结构简单、 易批量低成本产出、 易与其他元器件兼容等特性， 加上7 0 年代以来，以热 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 蒸发 技术为 基础的 新的 镀膜技术 178 1 ( 离 子 镀或低压反 应离子 镀17 9 1 、 离 子辅 助镀1- 1及等离 子体辅 助镀 p ) 相继研制成功， 使光学薄 膜产品的 光学性能稳定性好， 可 靠性高， 可以 满足光纤通 信 系统 对其中 元器 件的长 寿命、高 可靠 性和环境稳定 性等严格要求s 2 1 。 所以， 尽管可以 在w d m 系 统中采用多种技术来实现诸如激光光波长的调谐与稳定、光纤放大器的增益均衡以及光载波的 上路和下路、分波和合波，但光学薄膜元器件却因其所独有的优点被越来越多地应用于w d m 光 纤通信系统中，而且，随 着未来采用以 光子作载体的全光通信网 络技术的不断发展，用于w d m 通信系统的光学薄膜必将在人类对于超大容量光纤通信网络的迫切需求下