（物理电子学专业论文）新型波长可配置oadm器件的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 、f 光分插复用器( o a d m ，o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 是全光网的关键器件之一。 近年来国内外提出了不少的o a d m 方案，但大多只能上下路固定波长，这使其应用 受到很大限制。研制性能可靠、成本低廉且波长可以灵活配置的新型器件成为目前 o a d m 技术领域内的一个发展趋势。r i 本文对现有o a d m 方案进行了分析和比较，在此基础上提出了一种光分插复用 单元设计方案。该方案基于窄带介质膜滤光片和球透镜( c 1 e n s ) 准直器设计而成。这两 种基本无源器件的性能将直接影响光分插复用单元的主要性能参数，如插入损耗，通 道隔离度等。 介质膜干涉滤光片是目前光通信领域内使用很广泛的一种滤波器件。本文利用波 动光学的有关理论对滤光片的滤波原理进行了研究，分析了入射光角度对滤光片透射 中心波长的影响，推导出了两者之间的数学关系。 c 1 e n s 准直器是近年来才发展起来的一种新型准直器。本文利用高斯光学以及矩 阵光学的有关理论研究了c l e n s 准直器的特性。在此基础上介绍了准直器之间的耦合 失配因素，重点分析了滤光片放置位置对c l e n s 准直器反射插入损耗的影响，这些对 于光分插复用单元的光路调试都有着重要的指导意义。 本文还建立了光分插复用单元的测试系统，并给出了测试结果。测试结果表明， 本文所设计的光分插复用单元具有性能突出，结构简单，扩展性好，成本低等诸多优 点。 。f 在光分插复用单元的基础上，本文利用直线步进电机驱动滤光片阵列，实现了一 种新型多通道波长可配置的0 a d m 。该器件在主要的性能指标如插入损耗以及信道隔 离度方面都远远优于目前国内外已有的方案，可广泛用于接入网和城域网的建设。丫一 关键词：全光网光分插复用波苌可是三c l e n s 滤光片 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) i so n eo f t h ek e yc o m p o n e n t sf o ra l l 。o p t i c n e t w o r k m a n yt y p e so fo a d m d e v i c e sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e di nr e c e n ty e a r s ，b u tm o s t a v a i l a b l eo a d m sa r ei n f l e x i b l e w i mt h ea d d i n go rd r o p p i n go fs p e c i f i cw a v e l e n g t h s a f f e c t e du n d e rp r e p l a n n e do rm a n u a lc o n t r 0 1 t h u st h e i ra p p l i c a t i o n sa r el a r g e l yr e s t r i c t e d d e v e l o p i n gr e c o n f i g u r a b l e o a d m sw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e si s at r e n di n o p t i c a l c o r n m u i l i c a t i o nf i e l d i nt h i s p a p e r , am o d i f i e da d d d r o p u n i ti s p r e s e n t e d a f t e rr e v i e w i n gt h er e c e n t p r o g r e s s f o ro a d mr e s e a r c h e s t h ed e s i g nc o n t a i n st w ob a s i c o p t i c a lc o m p o n e n t s ： n a l t o w b a n dt h i nf i l mf i l t e ra n dc - l e n sc o l l i m a t o r s t h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e s et w o c o m p o n e n t s w i l la f f e c tt h ef i n a lp e r f o r m a n c e so f t h e a d d d r o p u n i t t h i nf i l mf i l t e ri sw i d e l yu s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d i nt h i sp a p e rw es t u d i e d t h ew a v e l e n g t hf i l t e r i n gp r i n c i p l e so ft h i nf i l mf i l t e rt h r o u g hw a v eo p t i c st h e o r ya n dg o t t h en u m e r i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n c i d e n t a n g l e o fi n c i d e n t r a y a n dc e n t r a l w a v e l e n g t h o ft h et h i nf i l mf i l t e r c l e n sc o l l i m a t o ri so n ek i n do fn e ws e r i e so fc o l l i m a t o r sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s i n t h i sp a p e rw es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l e n sc o l l i m a t o rt h r o u g hg a u s so p t i c sa n d m a t r i xo p t i c st h e o r i e s t h e nw ei n t r o d u c et h r e et y p e so fm i s a l i g n m e n tb e t w e e nc l e n s c o l l i m a t o r sa n dt h ee x c e s sl o s so ft h ec o l l i m a t o rd u et ot h em i s a l i g n m e n t w ee s p e c i a l l y s t u d i e dt h er e f l e c t i v ei n s e r t i o nl o s sc a u s e db yt 1 i nf i l mf i l t e rb e c a u s eo fi t sd i f f e r e n t p o s i t i o n a l lo fa b o v ei se x t r e m e l yu s e f u lf o rt h ea a j u s t i n ga n dm a k i n go f t h ea d d d r o p u n i t t h e nw ed e s i g n e dt h et e s ts y s t e mo ft h ea d d d r o pu n i ta n dg a v et h et e s tr e s u l t s t h e r e s u l t si n d i c a t et h a t 0 1 1 1 d e s i g n h a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s i t s c o n f i g u r a t i o ni ss i m p l e c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lo a d m s y s t e ma n d i t sc o s ti s1 0 w i nt h ee n d ，an o v e lc o n f i g u r a t i o no faw a v e l e n g t h - r e c o n f l g u r a b l eo a d mi sp r e s e n t e d ， w h i c hi sb a s e do na p r o g r a m - - c o n t r o l l e dm i c r om e c h a n i c a la c t u a t o ra n d an a r r o w - b a n df i l t e r a r r a y t h ed e v i c eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e st h a nm a n yo t h e ro a d md e m o n s t r a t e d ，s u c ha s i i 华中科技大学硕士学位论文 i n s e r t i o nl o s sa n dc h a n n e li s o l a t i o n t h i sr e c o n f i g u r a b l eo a d mi sap r o m i s i n gt u n i n g d e v i c ef o rm u l t i c h a r m e lw d m s y s t e m s ，e s p e c i a l l yf o ra p p l i c a t i o n s i nt h em e t r o p o l i t a n n e t w o r ka n dt h ea c c e s sn e t w o r kb e c a u s eo fi t sl o wc o s ta n d g o o dp e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：a l l o p t i cn e t w o r k o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g w a v e l e n g t hr e c o n f i g u r a b l e c - l e n st h i nf i l mf i l t e r i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 随着网络化时代的到来，人们对于信息的需求与日俱增。i p 业务在全球范围突飞 猛进的发展，给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供了新的机 遇。从当前信息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务网已成为现代 信息技术发展的必然趋势。为了适应这种需求，通信的两大部分一传输与交换，都 在不断的发展与变革之中。 9 0 年代以来，波分复用( w d m ) 技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径， 使点到点的光纤大容量技术取得了突出进展。波分复用技术，尤其是密集波分复用 ( d w d m ) 技术是为了扩大光纤通信容量而被广泛应用的技术方案【”。这种技术采用 在一根光纤中同时传输多个不同波长光载波的方法，把光纤可能应用的波长划分为若 干个波段，每个波段用一个独立的通道传输一种预定波长的信号。这样w d m 系统就 可以利用已经埋设的光纤，使单根光纤的传输容量在高速时分复用( t d m ) 的基础上 成倍地增加。 波分复用技术的实用化，使光纤的传输容量极大提高，为高速大容量宽带综合业 务网的传输提供了有效途径。而传输容量的飞速增长带来的是对交换系统发展的压力 和动力。通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高，未来的大型交换系 统将需要处理总量达几百、上千太比特每秒的信息。但是目前的电子交换和信息处理 网络的发展已接近了电子速率的极限。其中所固有的r c 参数、钟歪、漂移、串话、 响应速度慢等缺点限制了交换速率的提高。由于电子器件本身的物理极限，传统的电 子设备在交换容量上难以再有质的提高，交换过程引入的“电子瓶颈”问题成为限制 通信网络吞吐能力的主要因素口】【4 1 。为了解决电子瓶颈限制问题，研究人员开始在交 换系统中引入光子技术，实现光交换、光交叉连接( o x c ) 和光分插复用( o a d m ) ， 即全光通信网迅速发展1 5 。7 】。 全光网络( a o n ，a l l - o p t i c a ln e t w o r k ) 是指用户与用户之间的信号传输与交换全 部采用光波技术完成的先进网络。它包括光传输、光放大、光再生、光交换、光存储、 光信息处理、光信号多路复接分插、进n l i i 网等许多先进全光技术嘲。w d m 全光网 有如下主要优点： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 可以极大提高光纤的传输容量和节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信网 的要求。 ( 2 ) 0 x c 和0 a d m 对信号的速率和格式完全透明，可以建立一个支持多种电信 格式的、透明的光传送平台。 ( 3 ) 以波长路由为基础，可实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高 度灵活性和生存性的光传送网。 如图1 1 所示为一种典型的全光网结构。在核心骨干网的结点上配置0 x c 来实 现波长的动态路由，在次级的局域网以及城域网的节点上配置o a d m ，实现本地用户 通信业务的上下路功能：且网络拓扑一般采用双纤w d m 环形结构，这样光网络就具 有良好的灵活性和生存性。0 x c 和0 a d m 是全光网的两个基本组成单元，0 a d m 可 以看作是0 x c 结构的功能简化。就目前的经济和技术水平而言，0 x c 的发展主要还 处在理论和实验室阶段，尚没有大规模的实际应用。而o a d m 已经开始用于w d m 点到点系统的升级，实现本地节点信息的上下路，并且广泛应用于国内外各种系统性 的大规模网络试验中。 图1 1典型的全光网原理示意图 w d m 环形网络是0 a d m 的主要应用形式。在光网络中采用0 a d m 可以方便灵 活的实现本地波长的上下路，使网络具备动态重构和自愈功能；通过采用波长转换模 块实现开放式结构，具有波长兼容性和业务透明性；同时引入o a d m 也有利于实现 全光网络的性能监测和网络管理。0 a d m 可以灵活实现多个可选波长的分插复用，但 波长的分插复用会带来一系列的问题，对光网络的传输特性产生一定的影响。建立有 华中科技大学硕士学位论文 o a d m 节点组成的光网络需要解决以下一些关键技术，如o a d m 的节点结构；光网 络的自愈保护功能：系统的功率均衡和功率管理问题；通信网的性能监测以及网络管 理等。 w d m 全光网一经问世，就引起人们极大的兴趣，并被认为是通信网向宽带，大 容量发展的首选方案，成为目前光纤通信领域的研究热点和前沿。各国投入了大量的 人力、物力进行研究和现场实验。以美国为代表的北美地区，欧洲联盟以及亚洲的日 本都已开展了光网络技术的研究，并进行了系统性的大规模网络应用试验，如美国的 “m o n e t ”网络实验，欧洲的“o p e n ”系统，“p h o t o n ”网络试验等。i t u t 也 正抓紧研究有关光网络的建议。我国也在1 9 9 6 年开始设立国家级项目，研究波分复 用全光网，并取得突出进展。1 9 9 9 年国家高技术项目( 8 6 3 ) 智能计算机主题，光电 子主题和通信主题联合提出实施“中国高速信息示范网”( c a i n o n e t ) 研究开发项 目。截止2 0 0 0 年底，已经建立了一个基于光因特网技术的高速信息网试验环境 1 2 光分插复用器( 0 a d m ) 光分插复用器( o a d m ，o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 作为w d m 全光网的关键 器件之一，它的功能是从传输设备中有选择的下路( d r o p ) 通往本地的信号，同时上 路( a d d ) 本地用户发往另一节点用户的光信号，而不影响其他波长信道的传输，也 就是说o a d m 在光域内实现了传统的s d h 设备中的电分插复用器在时域中的功能， 相比较而言，它更具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一点比电的a d m 更优越，使整个光网络的灵活性大大提高。 波长分插模块 图1 2 o a d m 功能结构参考模型 华中科技大学硕士学位论文 如图1 2 为可重构型o a d m 的功能结构参考模型。o a d m 的节点结构主要由光 放大设备，保护倒换模块，波长分插模块，网元管理单元( e m u ) 和光监控信道单元 ( o s c ) 等组成。 光放大设备用来补偿o a d m 器件带来的线路光功率损耗：保护倒换模块的使用 可以实现网络的自愈功能。核心的o a d m 主要由解复用器，分插滤波单元和复用器 组成，这些组成部分都具有一定的模块性，便于根据实际需要进行增减，实现系统的 平滑升级。其中的分插滤波单元采用不同的核心光硬件即实现不同结构形式的 o a d m 。光转发器的采用使任意波长的光信号均可以插入。o a d m 作为w d m 网管 系统中的一个被管理对象，有自己独立的性能监测和网元管理系统，包括网元管理单 元和光监控信道单元。另外，o a d m 需要考虑不同波长上下路后的功率均衡问题。也 应该注意到，实用的o a d m 一般都是双向的分插复用结构。 在全光网络中o a d m 节点的基本工作过程是：节点首先对输入的w d m 信号进 行解复用，然后提取监控信道信息，其余信号波长则由分插控制模块根据监控信道信 息以波长为单位进行本地业务上下路以及其它配置，在这里，波长可以透明地在 o a d m 设备中直通以及分插复用：各信号波长再经过功率控制模块进行功率均衡，然 后和加入的监控信号一起经复用器合波后通过保护倒换模块，最后被光放大设备放大 输出，从而实现本地信号的全光透明分插复用。 1 3 国内外光分插复用器研究现状 从9 0 年代提出光波长上下路开始，到目前为止，人们提出了很多种o a d m 方案 9 1 1 1 0 l 和专利u - i s 。o a d m 技术也正在逐渐步入商用化。已经有不少国外厂家提供商用 的固定波长o a d m 产品( 如加拿大的j d s 公司) ，可变波长o a d m 技术也已经成熟， 正逐步从实验室走上商用市场。国内对o a d m 的研究刚刚开始。o a d m 在未来全光 网中的作用，已经引起我国有关部门及产业界的h 益重视，s h a o n e t 开发了用于该 全光试验网的o a d m ；北京邮电大学光通信中一i i , 与中兴通信公司合作承担了国家8 6 3 项目，从事全光分插复用器o a d m 的研制工作；武汉邮电科学研究院参与“中国高 速信息示范网”( c a i n o n e t ) 中o a d m 项目的研制工作。国内还有不少的公司、研 究所以及大学也纷纷加入研究o a d m 的行列。 一般来说，o a d m 结构包括解复用，分插滤波单元及复用单元。o a d m 节点用 解复用器解复用需要下路的波长( d ) ，同时把要上路的波长( 。) 经过复用器复用 华中科技大学硕士学位论文 到光纤上传输。用不同的方法实现解复用和复用就构成不同的o a d m 结构。 实现o a d m 的方案根据上下波长信道是否固定可以分为非可配置和可配置型两 种。前者主要采用复用器解复用器以及固定滤波器等无源光器件，在节点上下固定的 一个和多个波长，也就是说节点的路由是固定的。后者采用光开关、阵列波导光栅 ( a w g ) 以及可调谐滤波器等光器件，能动态调节o a d m 节点上下话路的波长，从 而达到光网络动态重构的能力。相比较而言，前者缺乏灵活性，但性能可靠且没有延 时；后者结构复杂且具有延时，但可以使网络的波长资源得到良好的分配。 现有的o a d m 方案归纳起来主要有一下几种基本形式：光开关型，布拉格光栅 ( f b g ) 型：声光可调谐滤波器( a o t f ) 型；阵列波导光栅( a w g ) 型：自由空间 型o a d m 等。具体的实现方案可能有所不同，但一般都是这几种基本方案的演化形 式。 1 3 1 基于光开关的o a d m 在这种方案中，o a d m 可由一对解复用器复用器以及光开关阵列组成。解复用 器和复用器可以采用现在广泛商用化的各种结构，如多层介质膜类型或阵列波导光栅 ( a w g ) 等。光开关阵列可以采用l 2 的光开关 1 9 】，也可以采用2 x 2 的光开关 2 1 1 。 如图1 3 所示为基于解复用器和2 2 光开关的o a d m 具体实现。如果相应端口连接 的光开关处于交叉连接的状态，那么该端口的每一个波长都可以灵活的上下路。这样 就得到一个所有波长均可以动态配置的o a d m 。 上路下路 图1 3 基于光开关阵列的o a d m 另外，也可以用一个( w + t ) x ( w + t ) 的基于微机械结构( m e m s ) 的光交叉 矩阵1 来代替2 2 光开关矩阵，如图1 4 所示。这里t 表示上下路波长的数目，w 华中科技大学硕士学位论文 表示解复用器复用器的端口数目，也即来纤中总的波长数。这样，光交叉矩阵的采用 允许每个端口任意的上下路w 个波长中的某一个波长，使波长具有无堵塞交叉能力。 同时可以在复用器的每个端口使用光转发器( t r a n s p o n d e r ) ，任意波长信号均可以插 入，大大提高该结构o a d m 的灵活性。 图1 4 基于光交叉矩阵的o a d m 基于光开关阵列o a d m 的串扰水平主要是由解复用器所决定，目前解复用器的 隔离度可以达到o 8 n m 2 5 d b 以上，因此可以满足系统的要求。光开关的引入使o a d m 获得调谐能力的同时，也带来了时延和插入损耗问题。在功率预算有限的情况下，该 型o a d m 的插入损耗通常比较大。现在的机械式光开关的响应速度在毫秒( m s ) 量 级，铌酸锂( l n 妯0 3 ) 开关的响应时间在微秒( ) 量级，但它的插入损耗比机械式 开关大得多。另外，当数个这样的o a d m 级联时，直通波长( e x p r e s sw a v e l e n g t h s ) 会经过一系列的光滤波器，而光滤波器的中心波长偏移和带宽窄化效应会使直通波长 发生变化，从而影响系统的性能。 1 3 2 基于光纤布拉格光栅( f b q ) 的o a d m 基于f b g 的o a d m 结构简单，器件方便易得，因此被广泛采用2 2 5 1 。这种类型 的o a d m 一般由光纤布拉格光栅( f b g , f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 和光环形器构成。其典 型结构如图1 5 所示。输入的w d m 信号经过光环形器进入一个光纤光栅，光纤光栅 对应着一个特定的波长，被光栅反射的波长经环形器下路到本地，其它输入的w d m 信号波长通过光栅经环形器与本地节点的上路信号波长合波，继续向前传输。 光纤光栅是通过在光纤中产生周期性的折射率变化而制成的，是种性能非常好 的窄带滤波器，它对于光栅特性波长之外的波长是完全透明的，因此它对于直通波长 6 华中科技大学硕士学位论文 基本没有性能上的劣化。由于光纤光栅的插入损耗可以做得非常小，这种结构o a d m 的插入损耗主要产生自光环形器。其典型损耗值在4 6 5 d b 之间，相邻波长隔离度 在2 0 d b 1 6 r i m 以上。图1 5 所示为单个固定波长的上下路，整个光路在上下路的过程 中没有断路，几乎没有延时，但缺点是没有调谐能力。光纤光栅可以通过热效应以及 机械应力来改变其周期性折射率分布从而获得反射波长的连续可调谐f 2 ”。通过多个不 同特性反射波长的f b g 一光环形器结构的级联，可以同时实现多个上下路波长的分插 复用。应该注意的是，随着上下路波长数目的增加，整个o a d m 的插入损耗也会线 性增加。 固定波长 光环形器 f b g 光环形器 下路上路 图1 5 基于固定波长f b g d 的o a d m 1 3 3 基于声光可调谐滤波器( a o t f ) 的0 a d m 集成声光可调谐滤波器( a o t f ) 是w d m 通信系统中的一个研究热点之。a o t f 自身有很多的优点，包括调谐速度快，调谐带宽范围广和隔离度高等特性1 2 6 1 。 其波长调谐原理如图1 6 所示。上路波长光信号和输入的w d m 信号中的同波长 光信号偏振方向垂直，它们进入a o t f 后，输入的w d m 信号经偏振分束器( p b s ) 分成t m 模和t e 模后进入表面声波( s a w ) 控制的模式转换单元( 一般为l i n b o ， 晶体) 。表面声波( s a w ) 用来产生一个双折射光栅，对入射的信号偏振光进行调制， 从而对不同下路波长进行调谐。下路某一波长 时，可将表面声波调到一个相应的频 率f ，当w d m 信号经过模式转换单元时，波长 的t e 模和t m 模发生转换，t e 模 变为t m 模，t m 模变为t e 模，经过下一个偏振分束器( p b s ) 后从下路端口输出到 本地，其它的w d m 波长没有发生模式转化从输出端口输出到光纤，而上路波长经模 式转化单元后也从输出端口输出到光纤上。相位匹配条件保证了下路波长有很窄的 3 d b 带宽。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 目 p b 8 p b s 图1 6 基于可调谐声光滤波器( a o t f ) 的o a d m 以铌酸锂( l i n b 0 3 ) 为衬底将声光可调谐滤波器( a o t f ) 与光波导集成在一起 可以获得较小的体积和良好的性能。a o t f 的另一个优点是级联时通带带宽不会变窄， 因此可以通过级联实现多个波长的分插复用。但是a o t f 在多波长应用的情况下信道 间串扰会随着波长数的增多及信道间隔变窄而增加。另外，a o t f 也存在偏振敏感性 问题，这对实用是一个很大的限制。目前基于a o t f 的o a d m 的调谐速度也可以达 到l - ts 量级，在1 5 5 0 n m 波段可调谐选路的带宽最大可达到2 5 n m ，相邻波长的隔离度 可达到3 5 d b 0 8 n m 以上。 1 3 4 基于阵列波导光栅( a w g ) 的0 a d m 自从m k s m i t 利用弯曲平面波导阵列实现调焦及色散功能后【28 1 ，集成阵列波导 光栅( a w g ，a r r a y e d w a v e g u i d eg r a t i n g ) 就应运而生。它是一种平面光波回路( p l c ， p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ) 器件，将一个阵列波导光栅与输入、输出波导阵列、星形平 板波导集成在同一块衬底上。通过精，t l , 设计阵列波导中相邻波导臂的长度差，对于入 射光而言，该集成波导群相当于一个衍射光栅，可以将不同的波长从各自对应的端口 输出。与介质膜滤波器和光纤布拉格光栅( f b g ) 相比，a w g 可以实现更窄的波长 间隔，特别适合于密集波分复用应用。由于a w g 是采用集成光学方法制作的，因而 体积小，可靠性高，并且插入损耗低，适合大规模生产【3 0 】。a w g 的基本工作方式 有复用、解复用、分插复用和交叉互连。a w g 特有的结构和性能使其一诞生就在 w d m 光网络中得到广泛的应用。 通过将a w g 的输出端1 3 和对应的输入端口连接起来形成一个光回路，即可以实 现基于a w g 的光分插复用器 3 l 】。如图1 7 所示为一个基于n na w g 复用器的 o a d m 典型配置，在输入和输出的n n 个端口中各自保留一个端1 3 作为传输线路的 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = ；= = = ；= = = = = = ；= = = 一 公共端口，剩余的( n 1 ) 个端1 2 1 作为光环路或上下路复用端口。如果将所有的输出端1 2 1 和对应的输入端口连接起来( 在这里，假定第i 个输出端1 2 1 对应第i 个输入端口) ，那么 对于输入的w d m 信号1 l ，12 ，1n ，首先被解复用，分配到各自对应的输出端口， 然后经过光回路又回到输入端口，再次被复用通过公共输出端口输出。由于复用和解 复用是在同一个a w g 器件内进行的，因此复用器和解复用器的波长特性的匹配一致 性非常好。这也是n na w g 复用器的对称性所决定的。如果要上路和下路特定的 波长，那么打开相应的光环路即可实现该波长的分插复用。对于一个n n 的a w g 型o a d m ，可配置的波长数最多可达( n 1 ) 个。 输入 w d m 信号 n 直通波长 图1 7 基于阵列波导光栅( a w g ) 的o a d m 输出 w d m 信号 眭 利用阵列波导光栅制成的o a d m 结构紧凑，性能可靠，插入损耗低，它的最大 优点就是上下路波长数可以灵活进行配置以及具有双向传输的功能，稍做结构变换就 可以用于w d m 环形自愈网。y t a c h i k a w a 等人利用a w g 复用器制作了1 6 通道和3 2 通道，信道间隔1 0 0 g h z 的光分插复用器【3 1 ，其插入损耗为3 5d b ，串扰水平大于 2 5 d b 。 1 3 5 自由空间型o a d m 以上描述的o a d m 都是基于光波导的，即多波长光信号和支路光波都是在光纤 或光波导设备中传输。另外也可以基于空间光学原理设计o a d m 系统，这种结构使 用较大面积的光学器件而且以空间作为连接载体。空间互联增加了对信号进行操作的 最大距离，这一点也是它的一大优点。光开关常使用微机械镜( t i n ym e c h a n i c a lm i r r o r s ) 华中科技大学硕士学位论文 ：。一 或声表面波滤波器( a c o u s t i c s u r f a c ew a v ef i l t e r s ) 技术实现开关功能。 基于微电子机械系统m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术的微镜阵列在 光通信系统中的应用给光通信的发展注入了新活力，成为近年来光通信发展的亮点。 a t & t 利用微机械制成的光交叉连接器如图1 8 所示口2 1 。控制信号可使某微镜片直立 或倒下，实现光信号传送到某光纤输出端或者不作用。在各光纤输出端有4 5 。光分束 器和光检测器可检测光信号连接结果。一个8 8 的微机械光交叉连接器的尺寸可达 l c m 1 c m ， 小。 光井 图1 8 微机械光交叉连接器 贝尔实验室利用平面衍射光栅实现的自由空间型o a d m ，光纤到光纤的总的插入 损耗低于5 d b ，对上下路信号的插入损耗为8 d b ，偏振相关性引起的损耗0 2 d b 。n o r t h c a r o l i n a 微电子中心通过微机械制造技术实现了1 6 镜的微镜开关设备，该设备对所有 输入输出状态的交换反差优于3 0 d b ，交换时间2 0 um 。在光网络中使用m e m s 技术 相对于传统的电子设备具有低成本、快速、体积小、通信容量大，而且体积小、灵活 可变、对比特率和协议透明、跨越电子限制提高网络速度等优点。 1 4 本文的主要研究内容 现有o a d m 设计方案很大程度上取决于光的新器件的开发和研制，特别是无源 光器件，这些器件的性能最终决定o a d m 的一些主要性能参数，比如插入损耗、通 道之间的隔离度等。从已报道的o a d m 实验方案来看，多数器件的插入损耗比较大， 且器件成本很高；市场上已有不少商用化o a d m 产品，但是大多是波长不可配置的， 只能下路固定波长，应用范围有限。研制性能优良、成本低廉且波长可以灵活配置的 新型器件成为目前o a d m 技术领域内的一个研究趋势。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 本文作者基于光无源器件提出了一种改进的光分插复用单元并进行了实验研究， 测试结果表明这种器件有着良好的技术指标，在插入损耗、通道隔离度等方面均优于 现有的o a d m 实验方案。在分插复用单元的基础上，我们成功研制一种多通道的波 长可配置型光分插复用器，它有着性能可靠，成本低以及配置灵活等优点，在光网络 建设中有着广泛的应用前景。 全文各章节内容安排如下： 第一章绪论，介绍了光分插复用器( o a d m ) 的功能、结构以及在全光网中的 应用；概述了国内外已有的基于不同光器件的o a d m 设计方案，并对其性能作了分 析和比较，指出目前光分插复用器的研究方向。 第二章基于d w d m 滤光片的光分插复用单元，在现有的基于介质膜干涉滤光片 的o a d m 方案基础上，提出了一种改进的光分插复用单元，并对器件设计中用到的 两种基本光器件的特性进行了理论分析。 第三章光分插复用单元的实验研究，重点介绍了光分插复用单元的实验和测试。 本章设计了光分插复用单元的测试系统，给出测试结果并分析了系统的光谱性能。 第四章新型波长可配置型o a d m ，本章基于直线步进电机和滤光片阵列设计了 一种新型多通道波长可配置的光分插复用器。介绍了系统硬件电路、控制软件以及机 械驱动部分的设计，最后给出了四通道波长可配置型o a d m 的测试结果。 第五章总结了本课题的主要研究工作以及取得的成果。 “ 华中科技大学硕士学位论文 2 基于d w d m 滤光片的光分插复用单元 绪论中提到，现有o a d m 设计方案很大程度上取决于光的新器件的开发和研制， 特别是无源光器件。介质膜干涉滤光片和光纤准直器是光通信领域内使用很广泛的两 种无源光器件，本章在这两种器件的基础上提出了一种改进的光分插复用单元设计方 案。这两种光器件的特性将决定光分插复用单元的基本性能，本章将对这两种器件进 行深入的理论分析。 2 1现有方案 如图2 1 是传统的利用介质膜干涉滤波器制成的复用解复用器的结构原理图。其 核一1 1 , 元件是由多层介质薄膜构成的窄带干涉滤光片，再加上自聚焦透镜和一个通光基 体，就组成了波分复用解复用器 3 3 】。入射光以一定的角度入射，器件的回波损耗可以 做到低于一5 0d b ，完全满足2 5 0 b s 和1 0 g b s 系统的应用要求。按上述原理和方法制 作的8 通道器件，复用波长间隔1 6 r i m ，插入损耗小于4 d b 。利用这种方法可以制成 o a d m ，但其缺点是只能下路固定的波长，缺乏选择性。 4 图2 1 传统的复用解复用器的结构原理图 另外的方法是将介质膜干涉滤波器与光准直器集成在一起，即将介质膜镀在双光 纤准直器的端面上，制成最基本的波长分插单元。现在有很多国内外公司都提供这种 产品。如图2 2 是利用集成介质膜分插复用单元和光开关制作的波长可配置的o a d m 0 4 1o 第一个三端r 2 1 滤波单元用来选择下路波长：第二个滤波单元进一步消除残留的下 路波长信号，降低下路波长与其它信道间的串扰；第三个滤波单元实现上路波长与 w d m 信号的耦合。图中1 2 光开关用来实现下路波长重新插入w d m 信号流的功 1 2 华中科技大学硕士学位论文 能。这种方案有一定的波长选择性。这种o a d m 的下路波长插损一般在2 4 d b ，其 它波长损耗在4 - - - 5 d b 之间。 图2 2 单通道波长可选择o a d m 如图2 3 是另一种使用介质膜干涉滤光片的集成单通道开关型o a d m ，它比前一 种方案的集成度要高，插入损耗也小一些【3 4 1 。上面两种方案都是只能下路单个的波长， 如果要实现多个波长的下路，可以采取级联的办法，但是器件的插入损耗会线性增加。 这两种方案的共同缺点是使用了较多的分离光器件，加工工艺比较复杂。 图2 3 集成单波长开关型o a d m 根据滤光片的入射角度一透射波长关系特性，也可通过一定的方法( 如步进电机 驱动) 来旋转滤光片，改变信号光入射在滤光片上的角度，实现波长的连续可调谐 ”l ， 以此来制作波长可调谐的o a d m 。这种方案理论上可行，但是在实用上有着致命的缺 点：波长调谐范围比较窄，且偏角增大时系统的插入损耗非常大。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 2 改进型光分插复用单元 基于上述研究结果，本文提出一种改进的光分插复用单元设计方案。这种方案利 用一对双光纤准直器和介质膜干涉滤光片构成一个基本的光分插复用单元，如图2 4 所示。图中的两个准直器是同型号的双光纤球透镜( c 1 e n s ) 准直器，该型准直器的最佳 反射位置距离透镜端面有一定的长度，便于其它光学元件的安放。介质膜干涉滤光片 置于两个准直器的最佳反射点重合处。 图2 4 光分插复用单元结构原理图 该分插复用单元的工作原理是：从第一个双光纤准直器的一端输入w d m 信号流 ( ， 2 ， n ) ，当该信号流通过介质膜干涉滤光片时，对应滤光片特性波长的信 号( 1d ) 被滤出，由第二个准直器接收下路到本地，完成波长的下路功能：剩余的 w d m 信号波长被滤光片反射从第一个准直器的另一端口输出。如果要上路本地信号， 则可以从第二个准直器的上路端口输入上路波长九。( 其中凡。= d ) ，该波长通过滤 光片后插入w d m 信号流输出。 这种方案的主要优点是工艺结构简单，成本低；由于使用的光无源分离器件数目 较少，因此系统的插入损耗也很小。与前面的几种方案相比，该方案中滤光片并非固 定在准直器的端面，这为设计波长可配置的光分插复用器提供了可能。 在这种方案中用到了两种基本的光器件一光纤准直器和介质膜滤光片。绪论中提 到，现有o a d m 设计方案很大程度上取决于光的新器件的开发和研制，特别是无源 光器件，这些器件的性能最终决定o a d m 的一些主要性能参数，比如插入损耗、通 道之间的隔离度等。因此基本光器件的选择和设计将对光分插复用单元的性能起到决 1 4 华中科技大学硕士学位论文 定性的作用。 2 3 介质膜干涉滤光片特性分析 2 3 1 介质膜干涉滤光片 介质薄膜干涉滤光片是光无源器件中使用极其广泛的一种滤波器，主要应用在 4 0 0 g h z 到2 0 0 g h z 频率间隔的低通道波分复用系统中。这种技术十分成熟，可以提 供良好的温度稳定性和通道隔离度以及很宽的带宽，且有良好的滤波特性。目前其频 率间隔可以做到1 0 0 g h z ，最近更有报道称已做出频率间隔为5 0 g h z 的介质薄膜干 涉滤波器【3 “。介质膜干涉滤波器可以与很多w d m 器件集成在一起制成混和光器件和 调制器，与其它分立器件相比，这种集成光器件有着体积小，结构简单和插入损耗低 等诸多优点。 从波动光学的角度来看，干涉滤光片是利用多光束干涉原理制成的一种从白光中 过滤出带宽很窄的近单色光的多层膜系【3 ”。通过计算适当折射率的膜层结构和膜层的 数目，可以精确地设计膜系结构，以达到控制入射光波的频谱特性、相位差等特殊的 功能。 目前在光通信领域内比较常用的窄带介质膜干涉滤光片是基于f a b r y p e r o t 干涉 原理设计而成的薄膜器件【3 ”。在光学薄膜设计中用一个完全的薄膜组代替标准具。一 般来说，为了使滤光片具有良好的通带波形，在膜系中必须包含许多f p 腔，常用窄 带干涉滤光片膜层数都在1 0 0 层以上。干涉滤光片中包含的f p 腔的个数越多，透射 光谱的形状就越理想。矩形是最理想的形状，但是一般很难达到。 2 32 滤光片中心波长与入射光角度的关系 对于滤光片中的一个f - p 腔单元来说，当入射光以一定的角度入射时，光线在两 层高折射率膜层内多次反射后相继透射，从而产生多光束干涉，相继光束的光程差 为【3 7 】： = 2 n h c o s i 2( 2 3 1 ) 式中， 间隔层介质折射率，h 为间隔层厚度，i ：为多次反射的角度。 由多光束干涉理论可以知道，当光程差= k a 时，透射光有极大光强值， k = 1 , 2 ，3 ，a 为透射光波长。影响干涉光强变化的根本原因是相位差占，而 1 5 华中科技大学硕士学位论文 嬲= 一2 丌万a ( 2 。2 ) 式中的负号表示在光程差为常量时，波长增加则相位差减小。 对于某一固定的滤光片，当白光以某一角度i ，入射，则相继光束的光程差为一常 量，且有a = 2 n h c o s i ：。由于白光为复合光，对于某一波长五，相应的相位差万为： 占：2 丌_ a ：4 n n h - c o s i 2( 2 3 3 ) l 当占= 2 k z ( k = 1 , 2 ，j ) 3 ) 时，此波长的光有极大的光强，该波长即为滤光片透过光 波的中心波长。其它波长的光则由于相位差的改变，透射光强迅速减弱。这样就达到 由式( 2 3 3 ) 可得干涉滤光片透射中心波长和滤光片其它