（物理电子学专业论文）全光纤滤波技术研究.pdf

摘要 中文摘要 随着宽可调谐激光光源、全波光纤和超宽带光放大器的出现，密集波分复 用日益成为光纤通信的主流技术，作为复用解复用器核心的光滤波技术备受关 注。单信道速率不断提高以及网络拓扑由单一的点对点传输向可上下载的环网 和可动态选择波长路由的智能型格形光网络演进，对光滤波器的常规性能指标、 时域特性和动态可调谐特性提出了更加苛刻的要求，鉴于此，本论文全面研究 了全光纤熔锥型奇偶交错滤波技术、数字光滤波技术、基于g t 全通滤波器的 奇偶交错滤波技术以及熔锥型全波耦合器和偏振泵浦合波器。内容包括： 1 首次开发出了连续精确熔拉两个3 d b 耦合器和准确控制干涉臂长差的新工 艺，使滤波器的隔离度达到了1 5 7 d b 。对耦合器分光比精度和干涉臂扭转应力 对器件隔离度的影响做了理论分析和实验研究。提出了多个耦合器级联并令耦 合器的分光比按一定规律分布来降低旁瓣提高隔离度的技术方案，并做了数值 模拟。 2 对全光纤反射式奇偶交错滤波器进行了理论分析和数值模拟，发现当两个耦 合器的分光比均为1 5 时产生了平顶高隔离度的通带频晌特性，做了相关实验， 结果与理论分析基本符合。 3 将成熟的电子学里的格型数字滤波器的概念和设计算法移植到光学滤波器， 给出了根据目标滤波传递函数求解光格型阵列具体参数的算法。用傅立叶级数 展开数值逼近的方法进行了高隔离度平顶通带频晌全光纤奇偶交错滤波器的优 化设计，提出了隔离度大于4 5 d b 通带平坦滤波器的制作方案。 4 对基于光全通滤波技术的奇偶交错滤波器进行了理论分析、数值模拟和实验 研究工作。详细分析了滤波器的群时延特性和色散特性，讨论了该滤波器的动 态可调谐性质。 5 首次提出熔锥型全波耦合器的概念，应用耦合模理论对器件的耦合机理做了 详尽的分析，得出了在模传播常数失配的情况下耦合器分光比带宽增加的结论。 提出了非对称熔拉带宽拓展工艺，并应用自行研制的拉锥机制作了全波耦合器， 其带宽达到了3 9 0 n m ( 1 2 6 0 1 6 5 0 r i m ) ，覆盖了光通信系统的o + e + s + c + l 波段， 均匀性l d b ；附加损耗o 1 d b 。最后专门针对全波耦合器的偏振相关损耗( p d l ) 特性进行了研究，得到了降低p d l 的具体方案并经过了实验验证。另外研制了 全光纤偏振泵浦合波器，消光比达到了1 6 5 d b 。 关键词：熔锥型奇偶交错滤波器，反射式奇偶交错滤波器，光数字滤波器，g t 全通滤波器，熔锥型全波耦合器，偏振泵浦合波器 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ek e yc o m p o n e n to fm u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ，o p t i c a lf i l t e rt e c h n o l o g y h a sb e e nf u e l i n gg r e a ti n t e r e s tw i t ht h ee m e r g e n c eo fw i d er a n g et u n a b l el a s e r s o u r c e ，a l l - w a v ef i b e r ，a n dw i d e b a n do p t i c a la m p l i f i e r s ，w h i c hi sp r o m o t i n g d w d mt oa l e a d i n ge d g eo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t h ei n c r e a s i n go fs i n g l e c h a n n e lc a p a c i t i e sa n de v o l u t i o no fo p t i c a ln e t w o r k st o p o l o g y ，f r o ms i m p l e p o i n t t o - p o i n t t oi n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k s ，c a l lf o rs t r i c td e m a n d st oo p t i c a l f i l t e r s i nt h i sp a p e r ，t h ec r u c i a lt e c h n o l o g i e so fo p t i c a lf i l t e r ss u c ha si n t e r l e a v e r ， o p t i c a ld i g i t a lf i l t e r ，f u s e db i c o n i c a lt a p e ra l l - w a v ec o u p l e r a sw e l la s p o l a r i z a t i o n - p u m pc o m b i n e rh a v e b e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y ， w h i c hi n c 】l j d e ： 1 an e wp r o c e s s ，c a s c a d e df b t ( f u s e db i c o n i c a lt a p e r ) w i t hp r e c is ec o n t r o la s w e l la ss t r i c ti n t e r f e r e n c ea r ml e n g t hd i f f e r e n c e ，i sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t oo u rk n o w l e d g e t h ei n f l u e n c e so fc o u p l er a t i oa c c u r a c ya n dt w i s ts t r e s so f i n t e r f e r e n c ea r m so nd e v i c e si s o l a t i o nl h a v eb e e ni n v e s t i g h t e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t h ei s o l a t i o nc anr e a c ha b o u t17 5 d b a tt h es a m et i m e t h e d e s i g no fc a s c a d e dc o u p l e rw i t hag i v e nr a t i od i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c h canl e a dt oh i g h e ri s o l a t i o nb ys u p p r e s s i n gs i d e l o b e 2 ，a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n t e r l e a v e rc a b s h o wf l a t - t o pa n dh i g hi s o l a t i o n p a s s b a n dc h a r a c t e r i s t i cw h e nt h et w o c o u p l e r s r a t i oi sa s s i g n e dt o15p e r c e n t t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h a tt h e s i m u l a t e dc a l c u l a t i o n sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 t h ec o n c e p t i o na n da l g o r i t h ms i m u l a t i o no fl a t t i c ed i g i t a lf i l t e ri ne l e c t r o n i c s a r et r a n s p l a n t e di n t oo p t i c a lf i l t e r , w i t han o v i c ea l g o r i t h mt or e s o l v eo p t i c a l l a t t i c e a r r a y c o n c r e t e p a r a m e t e r b a s e d o nt h ef o u r i e rs e r i e sd i g i t a l a p p r o x i m a t i o nm e t h o d ，t h eo p t i m a ld e s i g no ff l a t t o pa n dh i g hi s o l a t i o np a s s b a n df r e q u e n c yr e s p o n s ei n t e r l e a v e rh a sb e e ns t u d i e d a tl a s tas o l u t i o no fh i g h i s o l a t i o n ( 4 5 d b ) a n df l a tp a s sb a n di si n t r o d u c e da c c o r d i n gt oa l lf i b e r i n t e r i e a v e rs c h e m e 天津大学博士学位论文 4 b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h e i n t e r l e a v e rb a s e do no p t i c a la l l p a s sf i l t e r t e c h n i q u ei si n v e s t i g a t e d g r o u p d e l a ya n dd i s p e r s i o nc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ea b o v ef i l t e r i n a d d i t i o n ，t h ed y n a m i ct u n a b l ef e a t u r ei sd i s c u s s e d 5 - a l l 。w a v ec o u p l e ri sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m et oour k n o w l e d g e t h i sp a p e r ，o n t h eb a s i so fc o u p l e d m o d ee q u a t i o n s ，a n a l y z e dt h eb a n d w i d t hc h a r a c t e r i s t i co f a s y m m e t r i cf b tc o u p l e r ，p r o p o s e da n dp r o v e das o l u t i o no fa 1 1 w a v ec o u p l e r f o + e + s + c + lb a n d ) w ea s os u c c e e d e di n m a k i n ga l l - w a v ec o u p l e r sw i t ha b a n d w i d t ho f3 9 0 r i m ，w h i l et h ee x c e s sl o s si so n l y0 1d ba n dt h eu n i f o r m i t yi s a b o u t1d b as p e c i f i cs o l u t i o nt od e c r e a s et h ep d l ( p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n t l o s s ) o fa l l - w a v ec o u p l e ri sp r e s e n t e da n dd e m o n s t r a t e db y e x p e r i m e n t ， m o r e o v e r ，a l lf i b e rp o l a r i z a t i o n p u m pc o m b i n e ri ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dw i t h 】6 5 d be x t j n c t i o nr a t i 0 k e yw o r d s ：f b ti n t e r l e a v e r ，r e f l e c t i o ni n t e r l e a v e r ，o p t i c a ld i g i t a lf i l t e r ，g t a l l - p a s sf i l t e r ，f b ta l l - w a v ec o u p l e r ，p o l a r i z a t i o n p u m pc o m b i n e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的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。 学位论文作者签名 张绵峰 签字日期：2 口p 弓年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 ；长瑞晦 导师签名 高、谐组 签字日期：z 护哆年月日签字日期：厶力3 年，月，日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从过去2 0 多年的电信发展史看，网络容量的需求和传输速率的提高一直是 一对主要矛盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用( t d m ) 方式进行， 每当传输速率提高4 倍，传输每比特的成本大约下降3 0 4 0 ；因而高比特 率系统的经济效益大致按指数规律增长，这就是为什么光纤通信系统的传输速 率在过去2 0 多年来一直在持续增加的根本原因。目前商用系统已从4 5 m b p s 增 加到1 0 g b p s ，其速率在2 0 年时间里增加了2 0 0 0 倍，比同期微电子技术的集成 度增加速度还要快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为 各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。 在理论上，上述基于时分复用的高速系统的速率还有望进一步提高，例如在 实验室传输速率已能达到4 0 g b p s ，采用色度色散和偏振模色散补偿以及前向纠 错等技术已能使5 t b p s ( 1 2 5 4 0 g b p s ) 信号传输1 5 0 0 k m 。然而，采用电的时分 复用来提高传输容量的作法已经接近硅和镓砷技术的极限，没有太多潜力可挖 了。此外，电的4 0 g b p s 系统在性能价格比及在实用中是否可取尚待时日，因而 目前更现实的出路仍是光的复用方式。 光复用方式有很多种，空分复用( s d m ) 、光时分复用( o t d m ) 【l 】、光波 分复用( w d m ) 【2 】、光码分复用( o c d m ) 3 1 、偏振复用m j 、副载波复用1 7 、 相干复用等，但目前只有波分复用( w d m ) 方式进入大规模商用阶段，而其它 方式尚处于试验研究阶段。 现在实验室d w d m 的水平已经达到n e c 的2 7 3x4 0 g b s = lo 9 2 t b s i 鄙和 a l c a t e l 的2 5 6 4 2 7 g b s = 1 0 2 t b s ，频带利用率已经达到1 2 8 b i t s h z l 9 。现今， d w d m 的关键技术很多，如：复用解复用、色散补偿和管理【1 0 - 1 4 、功率和增益 控制管理、宽带光纤放大器【1 5 。6 1 、前向( 或后向纠错) 1 1 9 1 、超长距离无电中 继传输、宽带多波长源、可调谐光源卧2 2 1 、集成小型化封装、新型光纤( 低 损耗、低色散、色散平坦) 、动态波长路由和交换、光信道监测、信号编码调 制【2 3 】、光3 r 2 4 - 2 5 等技术，特别是在接入技术中的应用。 由于作者水平、时间所限，本文我们仅仅从d w d m 中复用解复用的核心技 天津大学博士学位论文 术一光滤波技术分析入手，对现有的几种滤波技术进行了深入的讨论。 1 2 波分复用系统中的光滤波技术 1 2 1 光滤波技术在系统中的应用 光滤波技术在系统中的主要应用有：复用解复用器r ( m u l t i p l e x i n ga n d d e m u l t i p l e x i n g ) ，光分插复用器( 0 a d m ) ，光交叉连接( o x c ) ，增益平坦化( g e f ) 2 6 - 2 7 1 ，色散补偿( d c ) 1 2 8 - 2 9 1 ，泵浦合波器( p b c ) ，动态增益均衡器( d g e ) ， o c d m a 编解码器【3 0 l ，波长锁定器( w a v el o c k e r ) 等，如图1 - 1 所示。 d i s o e r s i o n】p u m ps t a b i l i z e r & c o r n p e n s a t i o nf i l t e rg a i nf l a t t e n i n gf i l t e d i s p e r s i o n m u l t i p l e x e rc o n t r o l d e m u l t i p l e x e r e d f a u 口亟画圃 m o n i t o r 幽1 - 1 光滤波器在系统中的应用 1 2 2 复用解复用技术 d w d m 系统的核心器件之一是光波分复用解复用器( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p e x e r d e m u l t i p l e x e r ) 3 t - 3 2 1 ，它实质主要是一个光学波段的滤波器，将不同 波长的信号光在频率域和空间域分离开；或者逆向应用，实现合波功能。光滤 波器件根据制作方法主要分为五类【3 3 l ：多腔介质膜滤波器( m u l t i c a v i t yd i e l e c t r i c t h i nf i l mf i l t e r s ) ；阵列波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ) ；光纤布拉格光 栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ：全光纤熔融拉锥器件( a l lf i b e rf u s e db i c o n i c a lt a p e r c o u p l e r ) i 奇偶交错滤波器( i n t e r l e a v e r ) 。当然除此而外还有其它一些，比如 传统的闪耀光栅、全息光栅；全光纤马赫曾德干涉仪滤波器【3 4 3 6 和全光纤f - p 2 习 m 一帐一 d 泣 一n 一 队 姒垂 d 一 m 一鑫 第一章绪论 腔滤波器【3 ”等等。但其基本原理无非是根据光的干涉或者衍射，合理选择和设 计滤波参数得到波长相关的传递函数从而实现光学滤波。 d w d m 器件与常见的光无源器件相比，表征d w d m 复用解复用器性能参 数的指标较多。除常规插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 、偏振相关损耗( p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tl o s s ) 、回波损耗( r e t u r nl o s s ) 、工作温度( o p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ) 等参 数外，表征d w d m 器件的主要参数还有中心波长、信道间隔、信道带宽、隔离 度、通带内起伏、温度稳定性、偏振相关波长( p d w ) 、偏振模色散( p m d ) 口。当前光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高对d w d m 系 统的性能提出了空前严格的要求。在d w d m 器件一连串的参数要求中，最重要 的莫过于精确的中心波长、宽且平坦的通带、小而均匀的插损、相邻和非相邻 通道间高的隔离度，以及比特率与数据格式透明。 目前主流光滤波技术有：多腔介质膜光滤波器( t f f ) ：阵列波导光栅( a w g ) ： 光纤布拉格光栅( f b g ) ；体光栅( v p g ) ：熔融拉锥型( f b t ) 全光纤器件： 声光可调谐滤波器( a o t f ) ；奇偶交错滤波器( i n t e r l e a v e r ) 。 1 多腔介质膜光滤波器( t f f ) 1 3 9 - 4 0 d w d m 器件可以有多种实现方式，其中以薄膜滤光片技术为基础的器件凭 借其优良的特性而成为最具竞争力的选择之_ 。薄膜滤光片本身具有非常低的 温度系数( l 1 ) ： 忙生j1 。望幽l 。： “ j ，f 1 8 ) ，：一o ll + c o s 垫堕二型j。 2l五 j 实现了奇偶信道分离的i n t e r l e a v e r 功能。 复用信道间隔：丑= 竺_ 一f 1 ，9 ) 2 n ( l 2 一厶) 非平衡m z i 型i n t e r l e a v e r 属于全光纤型无源器件，与其它类型相比其最大 优点就是和光纤的耦台效率比较高，偏振无关，制作工艺简单，生产成本低。 缺点也是存在温度飘移问题，解决方法主要有，p z t 负反馈控制；紫外激光光 折变效应修正；半导体帕尔帖效应控温等， i t fo p t i c a lt e c h n o g o l i e s 公司和 w a v e s p l i t t e r 公司采用全光纤m z i 方案制作i n t e r l e a v e r , 并有成熟产品出售【9 5 1 。 类似的方案也可用平面光波回路技术来实现，由于平面波导型的m z 干涉仪 工艺比较精细，能精确控制干涉臂长差，而且可以在干涉臂上加入相位控制器 或者相移器以及微环谐振腔型光全通滤波器等，所以可以得到非常好的输出特 性。此类器件的优点是设计相对简单，易于集成和温度补偿，信道均匀性好， 偏振相关损耗低，并且适合于大规模生产。 d 取样光纤光栅型奇偶交错滤波器 光纤布拉格光栅( f b g ) 属于窄带滤波器，其带宽可以做到5 0 0 h z 甚至更 第一章绪论 小。对常规的f b g 进行空间取样制备成取样光栅，能够实现梳状滤波功能p 6 1 。 一根几厘米的取样光纤光栅就可以实现多个信道的交叉复用，与光环行器配合 使用，可构建大规模的i n t e r | e a v e r 器件。 2 , 31 4 1 5 1 6 图1 - 8 取样光栅i n t e r l e a v e r 的t 作原理 e 光纤光栅组合型in t e re a v e r 器件1 9 ” 美国e t e kd y n a m i c s 公司( 现已被j d s u 收购) 推出一种组合型波分复用 器件，采用熔融拉锥耦合器、环行器、光纤布拉格光栅、介质薄膜带通滤波器 ( b w d m ) 组合而成，其信道间隔达到0 4 n m ，图1 - 9 为复用器的工作原理图。 在8 信道复用器中，首先将信道间隔为o 4 n m 的8 波长光信号分别输入到 对应的b w d m 。奇数波长 ，五；的间隔为1 6 n m ，从环行器1 的1 端口进入2 端 口，经两个光纤光栅反射到3 端i ；3 ； ， 的信道问隔也为1 6 n m ，直接从环行 南 丑 也 图1 - 9 光纤光栅组合型8 波| 殳奇偶交错复用器工作原理图 器1 的2 端口进入3 端口。这样的话在环行器1 的3 端口得到信道间隔为o 8 n m 的 ，如，五，四个波长，实现奇偶交错复用。同样道理，偶数波长五， ，九，五合 成到环行器2 的3 端口，最后经3 d b 耦合器复用到单根光纤输出。 天津大学博士学位论文 fa w g 型奇偶交错滤波器 阵列波导光栅可以看成非对称m z 干涉仪，其输出波导的传输谱是自由光谱 范围的周期函数。阵列波导光栅型i n t e r l e a v e r 的结构如图1 1 0 所示。 ，也 ， t ， a r r a y e dw a v e g u i d e 图1 一1 0a w g 型i n t e r l e a v e r 的原理幽 利用三维光束传播法( 3 d b p m ) ，可以设计制作信道间隔为5 0 g h z 的a w g 型i n t e r l e a v e r 器件，串绕为4 0 d b ，相对于其它技术来说是较低的【9 8 】。如果在输入 波导中加入适当的多模干涉结构( m m i ) ，可以得到平顶的通带特性，这样可以 设计出串绕为一6 0 d b ，l d b 带宽为信道间隔4 0 ，而且可以设计得到极优良的串 绕隔离度和通带形状9 9 1 。此类器件具有成本低、结构紧凑、大批量生产稳定性 好等优点。 g 光纤f - p 型奇偶交错滤波器 光纤f p 谐振腔型i n t e r l e a v e r 器件是基于多光束干涉原理。由一根单模保偏 光纤( 构成腔体) 和光纤端面上的高反膜和增透膜( 一端为增透另一端为高反) 组成。光束在光纤腔体内往返传播而形成多光束干涉，只有当入射光频接近与 谐振腔频率时，f p 腔列有一定的输出。反射和透射光谱互补，分别包含奇偶波 长，奇偶波长的波长间隔由f p 腔的自由光谱范围( f s r ) 决定i 】j 。 单腔f p 干涉仪的透过峰过窄，为解决这个问题采用多个f p 腔级联的方法， 透过峰展宽，而且过渡带变得更陡峭，随着级数的增加，性能会更趋完美i 】“j 。 1 3 光滤波技术的发展趋势 从目前的情况看，薄膜型滤波器仍是工艺最成熟、性能最稳定的产品，市场 上占主导地位，从以下几方面可以得到印证：1 、虽然目前在m u x d e m u x ( 复 第一章绪 论 用解复用) 应用方面，薄膜型滤波器正受到来自a w g 的挑战，但由于a w g 在 材料、封装等方面仍存在不少的问题，导致其性能、价格相对薄膜型仍有差距； 另外随着镀膜工艺的日趋完善，f i l t e r ( 滤波片) 的质量在价格降低的同时反而提 高，2 0 0 2 年a g e r e 公司宣布推出基于薄膜滤波片技术的5 0 g h zm u x d e m u x 产 品，因而薄膜型滤波器的性价比也在逐步提高；薄膜型滤波器在应用方面的灵 活性和可扩缩性是a w g 型无法比拟的，而这对于减少和保护用户的初期投资及 系统扩容是非常有吸引力的。因此，未来几年在m u x d m u x 市场上，究竟a w g 占多少份额还是未知数。一种可能的情况是：1 6 c h 以上a w g 占优势：1 6 c h 以 下仍是薄膜型唱主角。2 、在o a d m 应用方面，尤其是固定波长的o a d m ， 目前仍是薄膜型滤波器的天下：未来对其造成冲击的有f b o 型o a d m 和s o a 型的o a d m ，特别是在可调谐o a d m 的应用中。3 、在o x c 和波长路由应用 方面，薄膜型需要光开关等器件的配合，结构较复杂；相比之下，a w g 可以很 容易实现波长路由。据有关资料统计，在小于1 6 通道的d w d m 滤波器中，薄 膜技术占6 5 ，a w g 占2 5 ，f b g 占1 0 ；而在大于1 6 通道的模块制作中， 薄膜技术占15 ，a w g 占6 5 ，全息技术2 0 。由此统计结果可知，在现今薄 膜技术仍是主流，而发展趋势是a w g 技术。 i n t e r l e a v e r 的出现巧妙地解决了d w d m 系统信道问隔不断细化同传统光学 滤波技术之间的矛盾，是一种快速发展的很有前景的新型复用解复用器件。 光滤波技术主要发展趋势：1 信道间隔向两个方向发展，超密集波分复用和 粗波分复用，各有市场。2 通带形状，向平顶通带频响发展。3 对其它通道较强 的抑制能力，陡峭的滚降特性，高隔离度。4 可调谐滤波器，信道间隔和带宽 动态可调。5 向可编程方向发展。6 低的色度色散和偏振膜色散。7 优良的时域 特性，对光信号的损伤尽可能小。 高速系统中对滤波器时域特性提出更苛刻的要求，迄今为止，光纤通信中 滤波器的研究都只是着重于其幅频响应) 而对相频响应) 研究的较少，随 着单信道速率的不断提高，对滤波器的相频特性进行深入透彻研究的需要越来 越突出。4 0 g b i t s 系统中，若滤波器的通带宽度过窄，通带纹波较大，则无法充 分保留输入信号的光谱，导致信号波形变坏，并可能带来误码和串扰，对光信 号造成损伤。文献【1 0 2 埘复用解复用器的滤波特性作了细致的研究，考虑了滤波 器的通带特性，主要是非平坦通带顶部出现的抖动或者凹陷，在噪声为高斯分 布的前提下，分析了光网络节点对传输速率为1 0 g b i t s 的光信号的影响，结果表 天津大学博士学位论文 明，光网节点传输函数中央平坦区域的微小抖动( 0 2 d b - - - 0 5 d b ) ，引起系统性能 的严重恶化，最坏情况下功率代价增加2 d b 6 d b ；并且中央区域凹陷个数不同， 引起功率代价的差别达到了l d b 5 d b 。文献i l0 3 】对f b g 用作滤波器时的输出光 脉冲波形作了分析，计算了矩形光脉冲信号经强、弱f b g 滤波器、f b g 匹配滤 波器和f p 滤波器的输出信号波形，发现弱f b g 滤波器和理想匹配f b g 滤波器 很相似，而对f p 滤波器当它的精细常数比较大时，输出信号波形将有一个很长 的拖尾，这样在信号判决的时候会影响下一个信号的判决，使误码率上升【l “j 。 d w d m 虽然已经广泛应用，但基本上处于利用d w d m 终端与光放大器组 成点对点传输线路的状态。随着光节点技术的进步，单纯点间传输的现状正在 改变，开始引入光分插复用( o a d m ) 设各构成可上下载的环网，最终还要采 用光交叉连接( o x c ) 构成可选择波长路由的互联环网和格形光网。光分插复 用器和光交叉连接设备的核心器件也是光滤波器。届时将会对滤波技术的灵活 性和动态可调谐性能提出更高的要求。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是和天津市金飞博光通讯技术有限公司合作完成的，大部分内容是 新产品的研发工作，并作了理论上的升华和开拓，再反过来用理论指导生产实 践同时也检验了理论的j 下确性。我们围绕目前热门的光网节点器件技术做了如 下工作： 一全光纤熔锥型奇偶交错滤波技术 1 首先对器件的基本原理进行了理论分析，在此基础上详细研究了：耦合器分 光比精度对器件隔离度性能的影响，干涉臂长差与器件中心波长和信道间隔的 关系，环境温度对器件性能的影响，并提出了一种增加器件性能环境稳定性的 方案。 2 在熔锥型奇偶交错滤波器的实验过程中，开发出了连续精确熔拉两个3 d b 耦 合器和准确控制干涉臂长差的新工艺，使滤波器的隔离度达到了1 5 7 d b 。 3 研究发现严格的等幅干涉和干涉光场偏振态的一致性是提高信道隔离度的 关键，器件的隔离度不够高的主要因素是光波的偏振态发生了演化，因此对干 涉臂扭转应力对器件隔离度的影响做了理论分析和定性的实验研究。 4 为了改善滤波器的性能，提出了多个耦合器级联并令耦合器的分光比按一定 规律分布来降低旁瓣提高隔离度的技术方案，并做了数值模拟。 第一章绪 论 5 对全光纤反射式奇偶交错滤波器采用散射矩阵理论进行了分析和数值分析， 发现当两个耦合器的分光比均为1 5 时产生了平顶高隔离度的通带频响特性， 做了相关实验，结果与理论分析基本符合。 二数字光滤波技术 将成熟的电子学里的格型数字滤波器的概念和设计算法移植到光学滤波 器，由多个2 2 耦合器用具有恒定时延差的干涉臂级联构成光的格型滤波器， 建立了目标滤波传递函数和光格型阵列具体参数的对应关系，并给出了相应算 法。理论上该方法可以设计任意频率响应的滤波器，为光滤波技术提供了崭新 的发展思路。重点研究了傅立叶变换型光滤波器，用傅立叶级数展开数值逼近 的方法进行了高隔离度平顶通带频响全光纤奇偶交错滤波器的优化设计，提出 了隔离度大于4 5 d b 通带平坦滤波器的制作方案。 三基于g t 全通滤波器的奇偶交错滤波技术 1 对基于光全通滤波技术的奇偶交错滤波器进行了理论分析、数值模拟和实验 研究工作。当g t 干涉仪周期等于m i 干涉仪的一半且前镜反射率r = 0 1 2 时， 可以得到平顶高隔离度的幅频响应。 2 分析了滤波器的群时延特性和色散特性，得到了在r 0 1 2 情况下其色散很小 的结论。讨论了该滤波器的动态可调谐性质，包括对中心波长和信道间隔以及带 宽的调节。 3 在理论分析的基础上，设计了信道间隔为2 5 g h z 的奇偶交错滤波器。最后进 行了全光纤m i 型奇偶交错滤波器和基于g t 全通滤波器的m i 型奇偶交错滤波 器的实验，得到了较好的实验结果。 四熔锥型全波耦合器 首次提出了熔锥型全波耦合器的概念，应用耦合模理论对器件的耦合机理作 了详尽的分析，得出了在模传播常数失配的情况下耦合器分光比带宽增加的结 论。提出了非对称熔拉带宽拓展工艺，并应用自行研制的拉锥机和s m f 2 8 光纤 制作了全波耦合器，其带宽达到了3 9 0 n m ( 1 2 6 0 1 6 5 0 n m ) ，覆盖了光通信系统 的o + e + s + c + l 波段，均匀性l d b ：附加损耗o 1 d b 。最后专门针对全波耦合器 的偏振相关损耗( p d l ) 特性进行了研究，得到了降低p d l 的具体方案并经过 了实验验证。 五熔锥型偏振泵浦合波器 根据组合波导理论，耦合区内的几何双折射和应力双折射导致的对称模和反对 天津大学博士学位论文 称模分别在x 偏振方向和y 偏振方向上的传播常数差不一致引起两个偏振方向的 光波在光纤间耦合的空间周期不同，存在相位差别，当相位差正好达到“时实现 偏振分离。在此理论基础上我们实际制作了偏振合波器，消光比达到了1 6 5 d b ， 并结合自行研制的拉锥机摸索出了最佳工艺条件。 2 0 第二章全光纤熔锥型奇偶交错滤波器 第二章全光纤熔锥型奇偶交错滤波器 2 1 引言 1 9 9 4 年5 月，英国南安普顿大学w a g a m b l i n g 教授首次提出了“集成纤维 光学”的概念，含义是以光纤为基质研究并开发光通信系统所必须的有源和无 源器件，并加以小型化和集成化，加强和集成光学竞争的实力。目前，以全光 纤器件为代表的纤维光学和以平面光波回路( p l c ) 器件为基础的波导集成光学 长期共存是光器件产业的一个真实写照，二者各有优缺点，在应用中可以互相 补充，虽然最终的趋势是波导器件占优势，但其无法完全取代全光纤器件。研 制全光纤的滤波器是光纤通信领域的一个重要课题，已经提出多种方案，如光 纤布拉格光栅( f b g ) 2 - 3 1 、熔融单锥的增益平坦滤波器和色散补偿器【4 6 j 、各种 波段的偏振合波器【7 9 】、全光纤的声光可调谐滤波器吟“1 、粗波分复用器等。1 9 9 4 年，j b u r e s 等人报导了m z 干涉滤波器形成的波分复用器件，滤波频谱具有与 干涉臂光程差成反比的等频率间隔理想梳状滤波特性，两输出端口互补，其工 作波段在1 4 5 0 一1 5 0 0 n m ，波长间隔可以小于1 3 9 n m ，隔离度只有81 5 d b ，无法 满足实际通信的需要，但其为窄间隔波分复用提供了一条新的思路f 】2 1 。 传统的光学滤波技术实现1 0 0 g h z 以下的信道间隔存在一定的工艺困难， 器件的造价和成本提高，比如最成熟的t f f ，尽管其有信道隔离度高、频响平坦、 温飘小等诸多优点，但是在实现1 0 0 g h z 以下的频率间隔非常困难，而a w g 虽 然能实现，但其制作成本提高。于是，为了实现5 0 g h z 信道间隔的密集波分系 统，同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，在2 0 0 0 年3 月的o f c 展会上， 多家公司纷纷提出一种群组滤波器，c h r o u m 公司称之为s l i c e r , w a v e s p l i t t e r 和 j d su n i p h a s e 等公司称之为i n t e r l e a v e r 1 3 】。 这种器件的基本工作原理如图2 1 ，通过两个中心波长交错而频率间隔均为 目标间隔两倍的普通复用解复用器组合使用，一个专门配合偶信道，另一个专 门配合奇信道。再接续一个可以将信号按奇偶信道分开的i n t e r l e a v e r ，就可以实 现目标频率间隔，如果级联两级i n t e r l e a v e r ，即可实现1 4 普通解复用器频率间 隔的密集波分复用。 i n t e r l e a v e r 的出现减轻了普通光学滤波器的设计制作压力，将其与普通光学 滤波器组合使用可有效的提高滤波组件的性能价格比。 2 天津大学博士学位论文 滤波器组合使用可有效的提高滤波组件的性能价格比。 幽2 一i 奇偶交错滤波器原理幽 2 2 熔锥型奇偶交错滤波器的原理和性质分析 2 2 1 熔锥型奇偶交错滤波器的原理 全光纤马赫一曾德干涉结构是有两个2 x 2 的3 d b 熔锥型光分路器级联而 成，两干涉臂长度不等，光程差为址。 il：i 图2 - 2m z 干涉型光滤波器结构示意图 两个耦合器的散射矩阵为： s ，：f 。8 一。、一鲥“t ：一1 ，：1 ，2 ( 2 - 1 ) l js i n ( k j z ，)c o s ( k , z ，) j 其中k 和k ：分别是耦合器1 , 2 的耦合系数，z ，z ：分别是器件的有效耦合长度。 而中间臂的传输矩阵为： r ：p 脚? 1 ( 2 - 2 ) 0【1j 式中：卢为光纤中基模的传输常数，为两臂的几何长度差。 第二章全光纤熔锥型奇偶交错滤波器 ( 咎s 2 t s ，( 乏 ( 2 _ 3 ) 假设器件的初始输入条件为：e 。= 1 ，e 2 = 0 ；于是有 髓唑毛!惑蠢凛轰盐卜sin(k,z1)s南in()cok2z。2)e j c o s ( k j s i n ( k ( 2 - 。) i4 = 一l ：i ) s i n e 2 2 2 ) e x p 哳龇) 一南) c o s g 2 = 2 ) 1 7 取电场振幅的模方得到输出功率的解析表达式 b = s i n o c i ：1 ) 2s i n 2 ( 盯2 ：2 ) + c o s 2 ( 盯l = 1 ) c o s 2 ( f 2 2 2 ) ，2s i n ( 2 x t ze ) 5 m ( 2 , v 2 2 2 ) 。0 5 ( 肚) ( 2 - 5 ) 只= c o s ( 盯1 ：1 ) 2s i n2 ( 石2 2 2 ) + s i n 2 ( r l ：【) c o s 2 ( r 2 ：2 ) + 1 2s i n ( 2 p c i 毛) s i n ( 2 x 2 = 2 ) c o s ( 肛心) 熔锥型祸合器的耦合系数并不是一个常数，是祸合区位置和工作波长及耦 合器波导结构参数的函数，对于在耦合器中的特定波长，在满足单模传输的条 件下，k ，= j ：娩，在实际应用中一般要求两个3 d b 耦合器，即耦合角 只嘟，= e 胁= 三 ( 2 - 6 ) 只有这样，器件才有较高的隔离度。此时( 2 5 ) 式简化成 b = d c o s ( 女x o 1 尸4 = 去【l + c o s ( f i a ) 】 奇偶交错滤波器的信道间隔是单个输出端口的半 ，2 a 2 = 竺1 ( 2 - 8 ) 2 n ( l 2 一厶) 3 和4 两个输出端口的滤波特性如图2 3 所示，分别对应奇信道和偶信道。 n o m l a l i z e df r e q u e n c y 图2 - 3 熔锥型奇偶交错滤波器的幅频特性 p，舌ii品j上 天津大学博士学位论文 2 2 2 耦合器的分光精度对器