（电磁场与微波技术专业论文）光纤马赫—曾德尔干涉仪在通信和传感中应用的研究.pdf

海，、学m 荨位论义 光纤马赫一曾德尔干涉仪在 通信和传感中应用的研究 摘要 光纤马赫一曾德尔干涉仪因其机构简单，并且是全光型的结构等优点，在 光纤通信与光纤传感中得到了比较广泛的应用。本文分别对光纤马赫一曾德尔 干涉仪在通信和传感中的应用做了一些研究。 在光纤通信中光纤马赫一曾德尔干涉仪通常用来作为光纤波分复南器，本 文对级联马赫一曾德尔干涉仪进行了理论分析和计算机模拟，并成功制诈了5 0 g h z 的平项型的二级级联马赫一曾德尔干涉仪型间插复用器实验室枵晶。买际 得到的光谱分布与计算机模拟的曲线基本相符合，1d b 带宽达到了03 0 4m ， 占复用波长间隔的7 6 ，得到了比较理想的平项型的光谱分布。整个器件趵附 加损耗约为l d b 。 光纤马赫一曾德尔干涉仪型光纤传感器由于其灵敏度非常高，可以用来潮量 电流、电磁场、温度、压力等微弱的物理量。本文对光纤马赫一曾德尔干涉仪型 弱磁场倦感器做了研究，提出了一种处理传感器的输出信号的模拟电路与数字信 号处理相结合的方法，通过软件来代替传统的复杂的模拟电路，提高了传感器的 稳定性，并且有l 。凹显示输出，从而构成了一个完整的传感器系统。促进了马赫 曾德尔干涉仪型磁传感器从实验阶段走向实用的、灵便的传感群阶段的发展。 关键词：平预型马赫一曾德尔二f 涉仪：峨薅复剧瓣：级联：磁t - 、j j 感鞋 j l l 、学硼十学位论奠 a b s t r a c t b e c a u s eo f m a n ym e r i t s ，s u c h a s s i m p l e a n d a l l o p t i c a ls t r u c t u r e ， m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri s w i d e l yu s e di nf i b e rc o m m u n i c a t i o na n df i b e r s e n s o rf i e l dt h i st h e s i sc o v e r st h er e s e a r c ho ff l a ea p p l i c a t i o no ff i b e rm a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e rb o t hi ng i b e rc o m m u n i c a t i o nf i e l da n di nf i b e rs e n s o rf i e l d i nf i b e rc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri so f t e nu s e da s 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 e r b yt h e o r e t i c a ls t u d ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no n c a s c a d e dm zi n t e r f e r o m e t e r af i a t t o pi n t e r l e a v e rw i t ha 5 0 一g h z s p a c i n g i s s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ，w h i c hi sm a d eo ft h r e ec o u p l e r sa n dt w oi n t e r f e r e n c ea l t n s e x p e r i m e n t a lr e s u l ti sm a t c h e dw i t ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l taw i d e1 一d b p a s s b a n do fn 3 0 4 n mt h a ti s7 6p e r c e n to fs p a c i n gw a v e l e n g t hi sr e a l i z e dag o o d f l a t t o pt r a n s m i s s i o ns p e c t r u mi so b t a i n e d t h ei n s e r t i o nl o s si sa b o u tld b i nf i b e rs e n s o rf i e l d ，s e n s o rb a s e do nm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rc a nm e a s u r e c u r r e n t ，e l e c t r o m a g n e t i s m ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，e t ci nt h et h e s i s ，t h em a g n e t i s m s e n s o rb a s e do nm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri ss t u d i e d am e t h o dc o m _ 1 e c t e d a n a l o gc i r c u i tw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s si sp r o v i d e dt op r o c e s st h eo u t p u ts i g n a l so f t h ef i b e rs e n s o r i n s t e a do ft r a d i t i o n a la n d c o m p l e xa n a l o gc i r c u i t ，s o f t w a r e p r o c e s s i n gi sa d o p t e di ti n c r e a s e st h es t a b i l i z a t i o no ff i b e rs e n s o ra n di th a sf o u rb i t l e dd i s p l a ys oi tp r o v i d e sac o m p l e t ef i b e rs e n s o rs y s t e mw e h o p ei t c a r lp r o m o t e t h e d e v e l o p m e n to ff i b e r s e n s o rb a s e do nm a c h z e t m d e ri n t e r f e r o l n e t e rf i o m e x p e r i m e n tt oa p p l i e da n dc o n v e n i e n ts e n s o r k c 7 0 r d ：f i a t t o pm a c h z e h n d e ri n t er 衙o m e t e r , i n t e r l e a v e r , c a s c a d e ，m a g n e t i s ms e n s o r 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 幽日期：塑! ! ：! ：! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名：锺华导师签名：雕日期：型蛐易 第一章绪论 光纤通信和光纤传感是光纤技术中两个重要领域。目前，光纤通信技术发 展迅猛，应用非常广泛；光纤传感技术也日益显示出其巨大应用潜力。 1 1 光纤通信发展概述 在通信中，传统的传输介质是铜缆，但由于材料本身的特征，不能满足传 输高带宽的要求，且抗电磁干扰能力差，正逐步被光纤所取代。自1 9 7 0 年美国 康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根损耗率为每公里2 0 分贝的套层光纤 后，光纤就以其体积小、带宽高、抗电磁干扰能力强等优点被用作远距离、高 速度、大容量公用网的光传输介质。 光纤通信在理论上给人们提供了无限的带宽，但这种带宽也不是唾手可得 的，它受制于各种光纤通信技术的发展状况。波分复用技术是其重要的技术之 一，它对于光通信技术的发展起到巨大的推动作用，全光网的建设也将以波分 复用技术为基础，而各种光器件则为波分复用技术提供了具体的解决方案。渡 分复用技术在9 0 年代初出现，但在9 5 年以前没有很快发展，其中一个原因是 波分复用受到器件发展水平的制约，关键器件技术还没有完全成熟，如波分复 用器解复用器和光放大器在9 0 年代初才开始商用，而基于掺饵光纤放大器 e d f a 的波分复用系统，在9 0 年代中期才开始进入发展的快车道j 。 通信网络中的关键器件波分复用解复用器，其特性好坏在很大程度上决定 了整个波分复用系统的性能。具有分辨波长的能力、分辨率高、插入损耗小、 、r ：作波成数多、稳定性好及价格低廉等性能的复用解复用器件是当前光纤通 信技术研究的热点： 随着人们对带宽的进一步需求，波分复用系统必须提供更多的复用信道 数，由此信道间隔变得越柬越窄。儿年前，在c 波段( 5 2 8 n m 15 6 5 n m 通常 6 路复用，信道间隔? , o o l , f i z 。：0 年商用系统c 波段复用信道数己迓铜： 信道间隔5 0 g h z 。在带宽就是资源的时代，为了充分利用有限的带宽资溃：、“t 上海夫学硕一i 学位论文 信道间隔已成为发展趋势。信道削隔越窄，对d w d m 系统复周解复用器的要求 越来越高。由于制作工艺的难度加大，l o o g i t z 及更窄信道间隔的波分复用器的 成品率很低，导致窄带器价格极高。在这种情况下，问插复用器( i n t e r i e a v e r ) 就应运而生了，它的使用可以很简单的使原来的i o o g h z 的d w d m 系统扩容，大 大降低了系统的成本，缓解了波分复用系统对器件的压力 2 40 1 。 1 2 光纤传感发展概述 光纤传感技术是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的，是本世纪 7 0 年代末发展起来的一门崭新的技术。在光通信系统中，光纤用作远距离传输 光波信号的煤质。但是，在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响， 如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光波量，如光强度、相位、 频率、偏振态等变化。因此，人们发现如果能测出光波量的变化，就可以知道 导致这些光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小，于是出现了光纤传 感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点。主要优点有： 灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可绕曲性，以及 便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成遥测网络等；还有结构简单、体 积小、重量轻、耗电少等优点。因此，它一出现，就受到世界各国有关学术界 和研究机构的高度重视。在一些工业发达的国家，均投入相当多的人力物力， 先后制定发展规划并在这方面开展了深入研究工作。1 9 8 3 年4 月在英国伦敦召 开了由美国光学工程师学会( o s a ) 主办的第一界国际光纤传感器会议( o f s ) ， 以后又分别在原联邦德国、英国和日本召开了国际光纤传感器学术交流会。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完 成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中 心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；中 国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道：华中理工大学与广东某 公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了 许多光纤无源器件生产厂家。由于光纤传感器未能跨越产i j 。1 1 “( l “。e 、i “ j 门槛，并未象光 海大学碘j 。学位论文 纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切j h - xn 9 s a s ：产s ( 如 交通管理、警报装置等) 和大量的测试仪器依然依赖于进口，亟待发展的空间非 常广阔。 光纤传感器可以探测的物理量很多，包括目前在实验室阶段的研究成果，已 实现光纤传感的物理量已近7 0 种。按照被测对象的不同，光纤传感器可以分为位 移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、转动、弯曲、应变、磁场、电压、 电流以及化学量、生物医学量等各种光纤传感器，其中有的已形成商品，可供实 际应用1 2 8 + 35 1 。 1 3 本文研究概述 光纤马赫一曾德尔干涉仪是用分振幅法产生双光束干涉而构成的光学元 件，因其机构简单，并且是全光型的结构等优点，在光纤通信与光纤传感中得 n t 比较广泛的应用。本文分别对光纤马赫一曾德尔干涉仪在通信与传感中的 应用做了一些研究。 在光纤通信中，光纤马赫一曾德尔干涉仪通常用来作为光纤波分复用器， 本文对级联马赫一曾德尔干涉仪进行了理论分析和计算机模拟，并成功制作了 5 0 g h z 的平顶型的二级级联马赫一曾德尔干涉仪型间插复用器实验室样品。实 际得到的光谱分布与计算机模拟的曲线基本相符合，1d b 带宽达到了0 3 0 4n n 。， 占复用波长间隔的7 6 ，得到了比较理想的平顶型的光谱分布。整个器件的附 加损耗约为1 d b 。 光纤马赫曾德尔干涉仪作为光纤传感器时，它的条臂用作传感臂，另 一条是参考臂。它可以用来测量电流、电磁场、温度、压力等微弱物理量。本 文对光纤马赫一曾德尔干涉仪型弱磁场传感器做了研究，提出了种处理传感 器的输出信号的模拟电路与数字信号处理相结合的方法，通过软件来代替传统 的复杂的模拟电路，提高了传感器的稳定性，并且有l e d 显示输出从而构成 了一个完整的传感器系统。促进马赫一曾德尔于涉仪型磁传感器从实验阶段走 向实用的、灵便的传感a l s ? 段的发展。 淘人学碱! 学位论文 第二章基本原理 2 1马赫一曾德尔干涉仪的基本原理 a b e 卜 6 】 - 图2 1 马赫一曾德尔干涉仪 - l b c 图2 1 为马赫一曾德尔干涉仪示意图，是由两个熔融光纤耦合器d e - 、d e 2 和 l 。、l 2 两条光纤干涉臂组成吼 由a 端或b 端输入频率为f l ，f 2 的混合信号，当a l = l ，一l z 取得合适时， 可将这两个频率的光信号分开，使各从c ，d 端输出，其工组原理基于干涉效应。 从a 端到c 端，光信号由两个传播途径，一是经d c 的直通臂、波导段l ，、d c 2 的直通臂；二是经d c 的交叉臂、波导段l 2 、d c z 的交叉臂。两路信号相互干 涉，使频率为r ，的信号加强，而频率为f z 的信号相消。因而在c 端只输出f ， 信号，由a 端到d 端的情况与此类似，但频率为f z 的信号加强，频率为f j 的信 号相消，因而在d 端只输出f 2 信号。 下面推求a - - c ，a d 之问的功率传输系数r ，和r2 ，从而决定其传输特性。 设a 端输入信号的电场强度为e 。，c 端输出信号的电场强度为d 端输 出信号的电场强度为目，可写出e ne 一与e 的关系为： ：海大学碰h 学位论文 阱 案篇b 0 吣 瞟篙，。， 舯 案篙k 一m 一率 r 1 0 o e x p ( 芦) i 为光纤段的传输矩阵； = 孚l ，世娟一厶) 7 五 ，虬一l 一乜， n 为光纤的有效折射率，一般n = 1 4 4 7 。 考虑到c = o 5 ，可得到： 主； = 。s 丘e t l - i 一- ，e ( 。x + p ( e j x a p ( ，) ) ) 。一：， 因而，石，= 0 5 1 1 一e x p ( j a ) f ：= o 5 _ j ( 1 + e x p ( j a b ) ) 设a 端输入功率为p l ，c 端输出功率为p 3 ，【) 端输出功率为 ，可以算出 ( 2 3 ) ( 2 一c 1 ) e l 里兄 里五 n 唔 幽 # 日 i l = 只 _ j 二海大学碗一卜学位论文 因此传输系数为 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 2 传输系数图 如图2 2 所示，2 - 2 的峰值相应频率为： 2 面q c ， q 为自然数 同样t 1 的峰值相应频率为： 一= 警，q 为自然数 她 虬 堕。堕。 f 疗 幽 虬 越 里五 竺兄 秆 莳 r 1 己 l ：海人学倒叫学位论史 一一 两者之间间隔为 2 一工2 盍 c 由肚7 ，得： 五2 五一 2 i 丽n a l 可见， ， 五，厂，丑，五，a 2 都由两臂长度之差l 块定，l 越 小，a 2 越小，v 越大：反之，a l 9 3 v ，a 2 越大，越小。 当马赫曾德尔干涉仪作为波分复用器时，a l 确定以后，这个光纤 m a c h - z e h n d e r 干涉仪的复用波长间隔和复用波长的数值就完全确定了。也就 是说在通信中要按复用波长的间隔来确定a l ；传感器希望带宽要宽，则要求 马赫曾德尔干涉仪两臂长度之差a l 越小越好。 j 二海大学碗= k 学位论文 2 2 级联马赫一曾德尔干涉仪的基本原理 采用多个3d b 耦合群串联而成的级联马赫曾德尔干涉仪具有光学滤波的优 良性能，在光传感和光通信领域中均具有很重要的应用，例如在光传感领域，将 其用作相位滤波器可对多点、多参量的光纤光栅传感信号进行检测；在光通信领 域中，将其用于分插复用器、波长交错器、声光滤波器及多波长光纤激光器中的 选模器件等。因而近年来得到了科研人员的广泛关注。 e 2 b l b 2 图2 3 级联马赫一曾德尔干涉仪 e 3 如图23 所示，级联马赫一曾德尔干涉仪主要是由多个3 d b f i 光纤耦合器通 过干涉臂级联而成的，这是一个多光束干涉问题，从图中可以看出，当级联干涉 臂的数目n 为2 时，从e 1 端入射、从e 3 端出射的光就被分为四束：e 1 - - a 1 - - i 2 - - e 3 ，e 1 一a 1 一b 2 一e 3 ，e 1 一b 卜a 2 一e 3 ，e 1 一b 卜b 2 一e 3 。级联的干涉臂越多，分开的 光束数就越多，二者之间是2 “倍的关系。 对于一个熔锥型光纤耦合器，其散射矩阵为 s _ 鬟篙 其中，c 为耦合率，当这个耦合器为3 d b 耦合器时，c = 0 5 。 在图2 3 中，假殴输入晚= 0 ，则对于输x e , ，经过耦合器c l ，有： l 一海人学砸j 学位论文 阡s 阡- 三蒹 图2 4第i 级干涉仪示意图 如图2 4 所示，第i 个干涉臂的传输矩阵可表示为 正： ：办) 舯能= 孚 k 为第i 个干涉臂的臂长差( 臂长b 减去臂长a ) 。 设矩阵d ，= st 。，则有 陵h 纠 其中c i 体现了级联马赫一曾德尔干涉仪从第i 级到第i + 1 级的递推关系。 若耦合器为3d b 耦合器，则有 。压1 d f 2 了1 一l ， j e x p ( j k 矽川 e x p ( j a o ，) 由散射矩阵s 和矩阵d ；，可以求出由任意多个单模光纤耦合器级联马赫一曾 德尔干涉仪的输出光的光强关系式3 1 。 利用以上的推导结果，经计算机模拟，即可得到用3 d b 嘏合器级联干涉仪的 海f ：k 学坝一学位论文 干涉谱图。设干涉臂个数为n ，那么3 d b 耦合器的个数为( n + 1 ) 。r 般情况 下，由这种干涉形成的光涪图是各种各样的。但是当干涉臂取系列定值时，就 会得到我们所需要的干涉谱图。 i 海大学顺一l 学位论文 第三章光纤马赫一曾德尔干涉仪在光纤 通信中应用的研究 3 1 概述 由于光是以光波的形式通过光纤的，因此利用这一特性，我们即可以在同一 根光纤中形成具有不同调制方式的多个信道，以同时传输有不同波长的多个信 号。这一过程我们称之为波分复用技术( w d m ) 。国际电信联盟( i t u ) 标准规定 了在1 5 2 8r i m 和1 5 6 5n m ( c 波段) 之间传输窗中( 而且仅在这一传输窗中) 允许 的波长光栅，并以g h z 或n m 两种计量单位规定了光栅的任何两个允许的波长 之间的标准问隔，如2 0 0g h z 或1 6n m 、1 0 0g h z 或o 8n m 等。当光栅 间隔等于或小于1 0 0g h z 或0 8n m 时，w d m 就被称为密集波分复用( d w d m ) 技 术。为了使各厂商生产的d w d m 部件具有通用性，i t u 还为d w d m 技术公布了一 组波长的标准，如表3 1 所示。 表3 1 通道通道 波长( n m )频率( g h z ) 口 丐波长( n m )频率( g h z ) 1 51 5 6 5 4 6 9 11 9 1 5 0 0 4 4 1 5 4 2 1 4 2 5】9 4 4 0 0 1 61 5 6 4 6 7 9 01 9 1 6 0 04 51 5 4 1 3 4 9 61 9 4 5 0 0 1 71 5 6 38 6 2 81 9 1 7 0 0 4 6 1 5 4 0 5 5 7 61 9 4 6 0 0 1 81 5 6 3 0 4 7 5 】9 1 8 0 04 7 1 5 3 9 7 6 6 3 1 9 4 7 0 0 1 91 5 6 2 2 3 2 91 9 1 9 0 04 81 5 3 8 9 7 5 91 9 4 8 0 0 2 01 5 6 l ，4 1 9 3 1 9 2 0 0 04 9 1 5 3 8 1 8 6 31 9 4 9 0 0 2 11 5 6 0 6 0 6 31 9 2 1 0 05 01 5 3 7 3 9 4 71 9 5 0 0 0 2 21 5 5 9 7 9 4 51 9 2 2 0 05 11 5 3 6 6 0 9 41 9 5 1 0 0 2 31 5 5 8 9 8 3 4 1 9 2 3 0 05 21 5 3 5 8 2 2 21 9 5 2 0 0 2 41 5 5 8 1 7 3 1 1 9 2 4 0 05 31 5 3 5 0 3 5 81 9 5 ：3 0 0 2 5 5 5 7 3 6 3 6 1 9 2 5 0 05 41 5 3 42 5 0 31 9 5 4 0 0 2 61 5 5 6 5 8 5 01 9 2 6 0 0 5 5 1 5 3 3 4 6 5 5 1 9 5 i 0 0 2 71 5 5 5 7 4 7 3】9 2 7 0 05 61 5 ：3 2 6 8 1 51 9 5 6 0 0 2 81 5 5 5 4 ，9 4 0 41 9 2 8 0 05 71 5 3 l8 9 8 31 9 5 7 0 0 2 91 5 5 5 4 1 3 4 3】9 2 9 0 05 81 5 3 1 1 1 5 91 9 5 8 0 0 3 0 】5 5 3 3 2 9 01 9 3 0 0 05 915 3 0 3 3 4 4】9 5 9 0 0 上； i 】_ 大学呵! ：i 。学位论文 3 l1 5 5 2 5 2 4 61 9 3 1 0 06 01 5 2 9 5 5 3 61 9 6 0 0 0 3 21 5 5 1 7 2 l o1 9 3 2 0 06 l1 5 2 8 7 7 3 61 9 6 1 0 0 3 31 5 5 0 9 1 8 31 9 3 3 0 0 6 2 1 5 2 7 9 9 4 41 9 6 2 0 0 3 41 5 5 0 1 1 6 3 1 9 3 4 0 06 3 1 5 2 72 1 6 0】9 6 3 0 0 3 51 5 4 9 3 1 5 31 9 3 5 0 0 6 4 5 2 64 3 8 41 9 6 4 0 0 3 61 5 4 8 5 1 5 01 9 3 6 0 06 515 2 5 6 6 1 61 9 6 5 0 0 3 71 5 4 7 7 1 5 51 9 3 7 0 06 61 5 2 48 8 5 61 9 6 6 0 0 3 8 1 5 4 6 9 1 6 91 9 3 8 0 06 71 5 2 4 1 1 0 31 9 6 7 0 0 3 91 5 4 6 1 1 9 l1 9 3 9 0 06 81 5 2 3 3 3 5 91 9 6 8 0 0 4 01 5 4 5 3 2 2 21 9 4 0 0 06 91 5 2 2 5 6 2 21 9 6 9 0 0 4 1 1 5 4 4 5 2 6 01 9 4 1 0 07 01 5 2 1 7 8 9 31 9 7 0 0 0 4 21 5 4 3 7 3 0 71 9 4 2 0 07 l1 5 2 1 0 1 7 31 9 7 1 0 0 4 31 5 4 2 9 3 6 21 9 4 3 0 07 2i 5 2 0 2 5 0 01 9 7 2 0 0 图3 1 所示为密集型波分复用系统的结构图，d w d m 系统是由光组合器( 或 可以复用多波长的光复用单元) 、光放大器和可以提取独立波长的光解复用器， 以及一个任选单元光变换器组成的。光变换器可对缺乏标准的独立波长 进行频率转换。其基本的工作原理是：发端的光发射机发出波长不同且精度和 稳定度能满足一定要求的光信号，经过光波分复用器合在一起送入掺铒光纤功 率放大器，再送入光纤中传输( 光纤线路中可根据需要设置光线路放大器) 。到达 接收端后，经光纤前置放大器放大，送入光波分解复用器进行分解，恢复为原来 的各路光信号 2 4 , 2 5 。 光 波 分 陟复 - f j 光功率 器 救大器 光 r 波 z 7 一 分一九 复 光功率 用 嚣 放大器 图3 1d w d m 系统的结构示意图 自1 9 9 1 年l u c e n t 公司提供第一个现场应用自 g d w d m 系统以来，波分复用器、掺 铒光纤放大器( e d f a ) 、激光器外调制、e i ) f a 监控等d w d m 关键技术e l 趋成熟。 t u t 海大学颁 叠 位论文 主持下的d w d m 技术标准也不断完善。19 9 5 以后，d w d m 以其容量大、成本低、透明 传输、网络简化等优点，迅速占领市场。中国自1 9 9 6 年开始引进o w ) l 技术以 来，d w d m 技术的研究、开发和应用都取得了长足的发展。在下一一代网络中波分复 用( d w d m ) 光传输设备可与光波长交换设备和i p 路由器共同组成一个智能、灵活、 高效、广域的光波长交换网络，成为下一代的高性能信息网络的支撑环境。其中 的d w d m 系统呈现大通道数量、高信号速率的特点，并应具有光学性能自稳定功能。 为了提高光通信技术的核心竞争力，需要广泛借鉴国内、外已有的研究经验，根 据实际应用中存在的具体问题进行针对性研究，在一些关键技术方面获得自主的 知识产权，最终开发出实用的新一代超高密度、超大容量d w d m 光传输设备。这对 于提高我国未来通信网建设质量具有重要意义。现在d w d m 通信系统的研发进入了 一个前所未有的困难时期，这个困难不是某一家公司所要面对的，而使全行业的 困难，是全球i t 业的冬天，包括国内外的运营商、设备商，所有相关行业都包括 进去了，可以说无一幸免。但是伴随着经济的发展，人类对信息的需求是渐进上 升的，若能不断提高d w d m 系统性价比，增强网络的智能度，必将迎来d w d m 光通信 网络建设的又一个高潮 1 4 - 2 3 , 2 6 。 光波分复用器解复用器主要技术参数要求如下 8 1 ： ( 1 ) 插入损耗低： ( 2 ) 通道带宽宽； ( 3 ) 各信道间的串扰小，即隔离度高； ( 4 ) 偏振相关性小； ( 5 ) 波长的温度稳定性好。 3 2 光波分复用器的主要类型 光波分复用器的主要类型有：薄膜型、光栅型、平面波导型( a w g ) 、光纤 m a t h z e h n d e r 型。 一l 舸人学硕二卜学位论卫 3 2 1 薄膜型波分复用器 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( d t f ) 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 反射击光叠加，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，大部分光成了投射光。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3 2 所示。 多层介质膜 入射光( ，五，以) 图3 2 薄膜型波分复用器 它的优点是： ( 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： ( 4 ) 温度特性很好。 缺点是： 淘人学l i | ；! i 学位论义 ( 1 ) 加工复杂，但目前的工艺已经比较成熟 ( 2 ) 适用于1 6 波以下。 3 2 2 光栅型波分复用器 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。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，e h 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，如图3 3 所示。 入射光 图3 3 光栅型波分复用器 它的优点是： ( 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。 缺点是： ( 1 ) 体积较大：( 2 ) 工艺复杂：( 3 ) 通带很窄。 渤人学坝卜牮位论卫 3 2 3 平丽波导型( a w g ) 波分复用器 平面波导型( a w g ) 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 成所需的图案，腐蚀成形。图3 4 所示为一个n n 平面波导型波分复用器的结 构简图。 图3 4nx n 平面波导型波分复用器 与 与 霉 这种波分复用器的工作原理如下：由于阵列波导两相邻波导之间的路长差 为一恒定值，使相邻波导间有一个相位延迟，其延迟量为2 a - a l 丑。在光信号通 过阵列波导之后在输出平板波导的焦点处相干地干涉，焦点地位置与相位延迟 量相关，也就是说，焦点位置取决于信号的波长。通过预先设计，把输出波导 正好设置在解复用光信号的焦点处，便实现光信号的解复用。这个过程的逆过 程便是波长复用。目前利用而氧化硅基a w g 制作的波分复用器，其最大信道数 己超过1 0 0 0 ，信道间隔已达到1 0 g h z 。就其产品而言，二氧化硅基3 2 路a w g 波 分复用器己成为市销主力产品 3 6 , 3 7 j 。 42 优点 ( 】) 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： 上海大学母 十学位论义 ( 3 ) 易于批量生产。 4 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。 3 2 4 光纤马赫一曾德尔干涉仪波分复用器 根据光纤马赫一曾德尔干涉仪的原理，它可以把从一个端口入射的光信号分 开成两路不同频率的光信号，对多信道的w d m 光纤通信系统只须增加光纤马赫 一曾德尔干涉仪的级数。如果把这种单个的光纤马赫一曾德尔干涉仪组合起来， 便可构成如图35 所示的d w d m 器件。 矗， ，一 。 图35 利用光纤马赫一曾德尔干涉仪组合的波分复用器 对于n 个波长来况，需要n 1 个mz 排成树形结构。例如，一个用于1 6 n m 波长间隔的1 6 通道解复用器，其第一一级的干涉仪将波长i r - j 隔1 6 n m 的】6 波长 的复用光信号觯复用为两路波长问隔为32 n m 的8 波长复用信号；第二级有两 塑塑型堑燮 个干涉仪，它们与第一级串连，将两路8 波长解复用为波长间隔为6 4 n j ) 】的4 路4 波长的复用信号；第三级有4 个干涉仪，它们与第二级串连，解复用为波 长间隔为1 2 8 n m 的8 路复用信号；最后是第四级，拥有8 个干涉仪，将8 对复 用信号分离成1 6 个独立的信道。 这种d w d m 器件的插入损耗很小，尽管整个复用器有1 5 个干涉仪，且每个干 涉仪又有两个熔融型耦合器组成，但是每一独立波长只经过4 个干涉仪。此外， 由于所有信道都通过相同数量的元件，故这样的复用器具有非常好的信道均匀 十牛。 3 3 波长进一步压缩的波分复用器：间插复用器 ( i n t e r l e a v e r ) 3 3 1 概述 i n t e r l e a v e r 类似梳状滤波器( 如图3 6 所示) ，可以把两组光信号复用成 一组频谱空间更密集的光信号，反过来，i n t e r l e a v e r 又可把一组密集的复用 光信号解复用成两组信道间隔更稀的光信号，一路包含奇数路波长，另潞包 含偶数路波长【引。 河j 、学倾i 。学位论义 输入光信号interieaver卜 奇通道信号 偶通道信号 图3 6i n t e r l e a v e r 结构简图 2 0 世纪9 0 年代，多数i n t e r l e a v e r 技术方案已开始应用到光纤领域。在 o f c2 0 0 0 会议上，i n t e r l e a v e r 更是出尽了风头，数家公司同时推出i n t e r l e a v e r 产品，主要包括o p l i n k ，c h o r u m ，w a v e s p l i t t e r ，s t a l w a r t sc o r n i n g 以及e - - t e k 等公司。实现i n t e r l e a v e r 的方法有很多种，各公司所采用的方案也不 相同【2 7 】。o p l i n k 、e 2 t e k 等采用晶体双折射型，而w a v e s - - p i i t t e r 和i t fo p t i c a l t e c h n o l o g i e s 则看重光纤熔锥非平衡m - - z 干涉仪型4 ”。 如图3 7 所示，在原有的密集型波分复用系统前加一个i n t e r l e a v e r 器件， 就能简单的实现系统的扩容，使原来的2 0 0 g h z 的波分复用系统，扩容为5 0 g h z 的系统。 光纤马赫一曾德尔干涉仪因为本身具有梳状滤波特性，正好可以用来制作 i n t e r l e a v e r 器件。利用光纤马赫曾德尔干涉仪制成的i n t e r l e a v e r 器件，具有制 作简单、价格低廉等优点，刘原有的波分复用系统进行扩容，光纤马赫一l 酱德 尔干涉仪提供了一个简单、实用、廉价的方法。 上海大学琐_ 学位论文 图3 7i n t e r l e a v e r 应用简图 n 个 l输出 l端口 j 3 3 2 应用马赫一曾德尔干涉仪制成的5 0 g h zi n t e r l e a v e r 应用马赫一曾德尔干涉仪，师兄刘勇峰等已经成功研制出5 0 g h z i n t e r e a v e r ，图3 8 所示为它的结构简图，由三个马赫一曾德尔于涉仪组成， 构成两级树形结构，第一级是一个马赫一曾德尔干涉仪m z i 一1 ：第二级由两个 马赫一曾德尔干涉仪m z i 一2 、m z i 一3 构成 1 , 4 2 】。 上海大学珂| 二| 学位论文 图3 8 5 0 9 h zi n t e r e a v e r 结构示意图 ( 。) 妻( 1 + c 。x ) 2 a c d 淘大学懒i 学位论文 ；( 1 + c o s x ) ( t s 割 图3 9 光纤梳状滤波器各级光谱图 图3 9 a 是m z i l 的传输特性曲线，图3 9 b 是m z l 一2 的传输特性曲线，图 3 9 c 是整个器件串连后的一个端口的传输特性曲线。 图3 1 0 给出了器件四个端口的传输特性曲线( 线性和对数坐标) ，可以看 i 一海大学砸1 学位论文 出四个信道是交错输出的。 两级四 端口交 错梳状 j i h九lr 再了一了了彳一 i 4 i 上一： l u _ l 卫；l | 曩 拙珂 ；i 雨一八一 弘，l 。；+ l 一一j 厂万可行可了可 ( 线性坐标)( 对数坐标) 图3 1 0 两级四端口光纤梳状滤波器传输特性曲线 这种器件可和2 0 0g h z 的密集波峰复用( d w d m ) 器件配合使通道间隔达到 5 0g h z ，从而使原系统的信道数扩充四倍，对现有2 0 0g h z 系统的扩容提供了 一个低成本的方案和相对廉价的器件。 3 4 平顶级联马赫一曾德尔干涉仪型间插复用器的研制 前面提到的应用马赫一曾德尔干涉仪制成的5 0 g h zi n t e r l e a v e r ，我们发 现其1d b 的通带宽度比较窄，给实际使用带来一定的困难。这就希望 i n t e r l e a v e r 实现平项型的光谱分布来拓宽整个系统的通带宽度。根据傅立叶 级数原理，采用多级光纤马赫一曾德尔干涉仪串联，可以实现输出光谱的平顶 分布的形状。 本文对使用三个耦合器进行二级级联平顶型的马赫一曾德尔干涉仪进行研 究，首先对它在5 0g f l z ( o 4r i l l ) 复用问隔进行了理论分析和】计算机模拟，找出 了三个耦合器的最佳耦合比和两组干涉臂臂长差。并实际制作出了器件，测量 一l ：海大学硕士学位论文 出了实际的光谱曲线。实验结果很好的与理论模拟相符合。】d b 带宽达到了 0 3 0 4n m ，占整个复用波长r b j 隔的7 6 ，得到比较理想的平顶型的光谱形状。 拓宽了马赫一曾德尔干涉型i n t e r l e a v e r 的ld b 通带宽度，给实际使用带来了 一定的方便。 3 4 1理论分析 三3 上4 置 图3 1 1 二级平顶型的m z i 图3 1 l 为二级级联马赫一曾德尔干涉仪的示意图，它是由三个耦合器与两 组干涉臂组成。由前面的理论基础，可以得到： 阱愿篙b 0 比2 蝴 | 亲 篙0 x p ( j a ) 嘉篙0乒百il e 小厄乒百l lj 其中，取上，一l ：2 ( 一岛) ：2 ，：孚l ，c i 、c ：、c ：，分别为三个耦合 儿 器的耦合率。则有 海火学坝小学位论文 岛 i 打毛而百旷可一耵砸e x p u 2 矽) 1 日jl 一( 瓶i 丽i 万+ 仃i 丽丽e x p u 2 ) ) 一( c 1 c 2 ( 1 一c 3 ) + c 。( 1 c ：) c 3e x p ( ，2 ) ) e x p ( ，) l 一，( 扛万i 丽e x p ( j 2 a ) 一扛五百) e x p ( j k 痧：i1 ( 3 2 ) 为了计算方便，设c 1 = c o s2 纪，c 2 = c o s2 妒2 ，c 3 = c o s2 ，代入( 3 2 ) 计算得 ( 令输入端的功率为1 ) ： b = s i n ( 0 2c o s ( ( 0 1 + ( 7 ，3 ) c o s ( 3 a c t 2 ) + c o s ( , 0 2s i n ( i ；0 1 + 缈3 ) c o s ( a 矽2 ) 2 + s i ni ；0 2c o s ( 0 1 一妒3 ) s i n ( 3 k # 2 ) 十c o s ( , 0 2s i n ( 缈1 一( 0 3 ) s i n ( a 2 ) 2 ( 3 3 ) 只= s i n i j 0 2s i n 觇+ 0 3 ) c o s ( 3 a # 2 ) 一c o s t & c o s ( ( , o l + ( 0 3 ) c o s ( a 2 ) 2 + s i nf a 2s i n ( c p l c , 0 3 ) s i n ( 3 a 2 ) - c o s 0 2c o s ( 妒1 一( 0 3 ) s i n ( a 2 ) 2 ( 3 4 ) 3 4 2计算机模拟 由( 3 - 3 ) 、( 34 ) 看出，p 3 、p 4 是关于三个光纤耦合器的相位因子p 和马 赫一曾德尔干涉仪两条干涉臂相位差的函数。如果适当地选择耦台器的相位因 子妒，那么功率函