（电路与系统专业论文）基于数字信号处理理论的光学交错复用器的设计研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

上海大学硕上学位论文 摘要 光学交错复用( o p t i c a li n t e r l e a v e r ) 是密集波分复用( d e n 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 d w d m ) 系统中的重要器件。本文基。j ：数字信号处理中的 有限脉冲响应( f 瓜) 和无限脉冲响应( i i r ) 理论，对双折射晶体型和迈克尔 逊g i r e s t o u m o i s 干涉仪型( m g t i ) i n t e r l e a v e r 进行设计研究，具体内容包括： 结合f i r 理论详细分析了双折射晶体型i n t e r l e a v e r 的设汁原理，给出了三 块晶体级联结构的占空比1 ：3 的5 0 g h z 不等带宽i n t e r l e a v e r 的具体设计实例。 在此基础上，系统分析了每块晶体波片和检偏器的方位角以及6 矗体厚度刈光谱 透射率波形的影响。最后分析了运用同种f i r 设计方法在不阶数情况下和在 同种阶数下运用不同f i r 设计方法的不同设计结果。 提出了一种新颖简单的m g t i 型i n t e r l e a v e r 的设计方法。甬先鉴于i i r 理 论建立该结构滤波器所对应的数字滤波器模型，在此基础上，利用z 变换简化 光谱透射率函数的表达式，然后通过对滤波器的零极点特性分析，【! | 】| | “接求 解g t 腔的腔长、臂长差和g t 腔各镜面的反射率。文中给f l j 了该疗法的等带 宽和不等带宽i n t e r l e a v e r 的具体设计实例，分析了利用不同多镜g t 腔结构设计 不同i n t e r l e a v e r 的带宽利用率，最后比较了运用不同i i r 滤波器函数没计彳：等 带宽i n t e r l e a v e r 的仿真结果。该方法相比传统设计方法大大6 ；j 化，汁钟：的复杂 性，对g t 腔镜数较多的情况下该方法则更显其优越性。 分析了实现任意占空比m g t i 型i n t e r l e a v e r 的设计原理。文中给出了3 阶 结构情况下的五组不同占空比i n t e r l e a v e r 的设计实例，并分折j ，占空比对奇偶 路输出光谱l d b 处通带宽度和陡度的影响。同时也给出了巧：阶数卜占审比为 1 ：4 的i n t e r l e a v e r 的具体设计结果。 关键词：密集波分复用；光学交错复用器；数字信号处理：双折射晶体； g i r e s t o u m o i s 谐振腔；不等带宽 上海大学硕上学位论文 a bs t r a c t i n t e r l e a v e ri so n eo ft h ek e yd e v i c e si nd 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 ( d w d m ) i nt h i sp a p e r , b a s e do nf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ( f i r ) a n di n f i n i t ei m p u l s e r e s p o n s e ( i i r ) t h e o r y , b i r e f r i n g e n tc r y s t a l a n dm i e h e l s o n g i r e s - t o u m o i s i n t e r f e r o m e t e r ( m g t i ) i st h er e s e a r c ho b j e c t t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： d e s i g np r i n c i p l eo fb i r e f r i g e n ti n t e r l e a v e ri sa n a l y z e db ym a t h e m a t i c a lm e t h o d b a s e do nf i rt h e o r y a na s y m m e t r i c a l5 0g h zi n t e r l e a v e rw h o s ed u t yc y c l ei s1 ：3 i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，t h e nt h ei n f l u e n c eo fe a c hc r y s t a l sa z i m u t ha n g l e ， t h i c k n e s s ，a n da n a l y s e r sa z i m u t ha n g l eo nt h ew h o l ei n t e r l e a v e ra r ea n a l y s e d a t l a s t ，t h r e ed e s i g nr e s u l t sw h i c ha r er e s p e c t i v e l yg o tb yt h r e ed i f f e r e n tf i rd e s i g n m e t h o d si nt h es a m eo r d e ra r ec o m p a r e d ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k so f d i f f e r e n tm e t h o d sa r ea n a l y z e d an o v e lm e t h o df o rd e s i g n i n gi n t e r l e a v e rb a s e do nm g t ii sp r e s e n t f i r s t ，t h e m o d e lo fd i g i t a lf i l t e rc o r r e s p o n d i n gt om g t is t r u c t u r ei sb u i l db a s e do ni i rt h e o r y t h ee x p r e s so fl i g h t w a v ee l e c t r i c i t yv e c t o ri nt r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o nc a nb e s i m p l i f i e db yzt r a n s f o r m t h e nt h el e n g t h o fg i r e s t o u m o i se t a l o n ( g t e ) 、 i n t e r f e r o m e t e ra r i nl e n g t hd i f f e r e n c ea n dg t ef r o n ts u r f a c em i r r o rr e f l e c t a n c ec a nb e o b t a i n e dw i t hp o l e z e r ol o c a t i o nb yu s i n gi i r f i l t e r t h ed e s i g ne x a m p l e so f s y m m e t r i c a la n da s y m m e t r i c a li n t e r l e a v e ra r eg i v e nb yu s i n gt h em e t h o d a n dt h e b a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t i o so fd i f f e r e n ti n t e r l e a v e r sg o t t e nb yd i f f e r e n tg t e sa r e a n a l y z e d a tl a s t ，t h r e es i m u l a t i o nr e s u l t sg o t t e nb yd i f f e r e n ti i rf i l t e rf u n c t i o n sa r e c o m p a r e d t h i sm e t h o dc a ns i m p l i f yt h ec o m p l e x i t yo fc a l c u l a t i o nb yc o m p a r i n g w i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d ，i tc a ns h o wm o r ea d v a n t a g ee z p e c i a l l ya tt h ec a s eo f m o r eg t e s t h ep r i n c i p l eo fd e s i g n i n gr a n d o md u t yc y c l ei n t e r l e v e ri sa n a l y z e d ，t h ef i v e d e s i g ne x a m p l e sw i t hd i f f e r e n td u t yc y c l e sa tt h r e eo r d e ra r eg i v e n ，a n dt h er e s u l t s c o n f i r mt h a tt h e d u t yc y c l eh a v ed i f f e r e n t i n f l u e n c eo nf l a t t o pp a s s b a n da n d i l 上海大学硕士学位论文 g r a d i e n to nt w oo u t p u ts p e c t r u m s m e a n t i m e ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e c o r r e s p o n d i n gd e s i g np a r a m e t e r sw h o s ed u t yc y c l ei s 1 ：4 a td i f f e r e n to r d e r sa r e g i v e na n dc o m p a r e d k e y w o r d s ：d e n 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 ；i n t e r l e a v e r ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ；b i r e f r i g e n tc r y s t a l ；g i r e s t o u r n o i se t a l o n ；a s y m m e t r i c a lb a n d w i d t h i i i 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己发 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。 本论文使用授权说明 期： 砷。7 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) 才勿d 哳矽 签名：搦! 导师签名：垄拯砀日期： 卜海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目，项目名称：频域密集光波信号的啦对称 群组分离原理、实现方法研究，项目批准号：1 0 8 0 4 0 7 0 。 1 2 课题研究目的和意义 光通信技术是成熟的电通信技术与先进的光子技术的结合。在光通f 膏发展 之前，人们主要靠的是电通信，进入1 9 世纪以来，人们在电领域取得了突蹲陛 的进展，电报、电话的发明标志着 类进入了一个通信新纪元。到了2 0 【i f ：纪 7 0 年代，电通信得到完全发展，同时开始遭遇技术瓶颈，很难再突破1 0 0 m b ，7 s j k m 的速率，于是人们把眼光瞄向了光通信。光通信作为一种新兴的通信技术， j 于其显示出带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，j f 起了人们的极大的关注。1 9 6 0 年第一台激光器的问世、7 0 年代低损耗光纤和，j 皂 在室温下连续工作的半导体激光器的研制成功，使得光通信技术从实验i i 止进 了人们的视野，在短短三十多年中取得了迅速的发展。从多模光纤到单模光乡f ， 工作波长从最初的8 5 0 r i m 到1 3 1 0 n m 直到最近的1 5 5 0 r i m 。随着网络化t l 、r 代的到 来，人们对通信质量、传输容量、传输速率提出更高的要求，为了对光纤通信 网进行扩容从而满足各种需求，并且充分利用现有的通信设施，在光通信领域 产生了各种复甩技术【1 】，主要有时分复用技术、空分复用技术、码分复川技术、 波分复用技术等。其中最有效及发展最迅速的解决方法是采用波分复j t j ( w d m ) 技术 2 一钉，即在一根光纤内同时传播多个波长信号，不改变现有光纤通信，坛路而 成倍提高系统容量。w d m 技术存在很多优点：它大大降低了网络建设货川， 可以使网络随时升级扩容；w d m 通信网本身是个协议透明、格式透眇j 、调制 方式透明的网络，可以将现有电网络叠加到光网络上；将w d m 与掺铒) 匕纤放 大器( e d f a ) 组合使用还具有较高的灵活性和经济性等【硒】。 随着复用信道数的增加和信道间隔越来越窄，出现了密集波分复用( d w d m ) 上海大学硕士学位论文 技术，如今以d w d m 技术为核心的光传送网正在成为电信网、互联网的主要 传送平台，当然作为复用解复用器核心的光滤波技术也就会备受关注。随着信 道数目的不断增加使得信道间隔不断减小，这对传统的复用器解复用器提出了 严峻的挑战，不仪制作成本会很高，而且在工艺上很难满足要求。因此又提出 了一种新型光子器件光学交错复用器( i n t 刚e a v e r ) ，它将两路密集波分复 用信号按照奇偶分为两组，使输出间隔增加一倍【7 j ，可与传统光学波分复用器 组合，使许多传统滤波器技术在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位 置。目前国内外己对1 1 1 t e r l e a v e r 的做了大量的研究，提出了很多种方案 8 - 1 8 】：迈 克尔逊干涉仪与g t 干涉仪组合型( m g t i ) ，级联非平衡m z 干涉仪型，马赫 曾德尔干涉仪与环行谐振腔的组合型( m z 承) ，阵列波导光栅型( a w g ) ，级 联双折射晶体型，薄膜多腔f p 干涉仪型，光纤光栅型，双折射光纤环镜型、 双折射g t 干涉仪型( b g t i ) 等等。其中大部分是针对奇偶两路输出谱带宽相 等的等带宽型i i l t e r l e a v e r 进行研究的。为了扩宽现有网络容量更好地提高带宽 利用率，降低系统升级的成本以及有助于光分插复用( 0 a d m ) ，实现不同速率 的同步传输【1 9 。2 ，近两年开始出现了奇偶两路输出谱带宽不相等的不等带宽型 i i l t e r l e a v e r 。本文研究利用数字信号处理中的有限脉冲响应( f 瓜) 和无限脉冲 响应( i m ) 理论设计i n t 训e a v e r 。主要包括：利用f i r 理论对级联双折射晶体 型不等带宽1 1 1 t e r l e a v e r 进行设计；利用i m 理论对m g t i 型等带宽和不等带宽 i i l t e r l e a v e r 进行设计。所提出的设计方法相比传统设计方法大大简化，尤其在 g t 腔反射镜数目较多时更显其优越性。另外，还提出了实现任意占空比m g t i 型h l t 甜e a v e r 的设计原理。任意占空比不等带宽1 1 1 t e r l e a v e r 的设计可以更加灵 活的利用光纤频段的带宽利用率。 1 3 论文主要内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要以双折射 晶体型1 1 1 t e r l e a v e r 和m g t i 型i i l t 刚e a v e r 为研究对象，结合数字信号处理的f i r 和i 瓜理论设计不同带宽要求的i i l t 甜e a v e r ，并分析了实现任意占空比的不等带 宽i i l t 甜e a v e r 的设计原理。该研究对基于全通滤波器结构的任意光谱特性要求 2 上海大学硕士学位论文 的光学滤波器的设计具有重要的指导意义。 全文分为六章，主要内容包括： 1 、第二章概括介绍i n t e r l e a v e r 的基本原理以及基本方案、改进方案，同时 详细介绍了几种典型不等带宽i n t e r l e a v e r 的实现方案，并对比了它们的优缺点。 2 、第三章分析了基于f i r 理论设计双折射晶体型不等带宽i n t e r l e a v e r 的设 计原理和设计方法，并给出了不等带宽i n t e r l e a v e r 的具体优化设计实例，同时 分析了晶体方位角和厚度以及阶数等对光谱透射率波形的影响，最后对采用不 同f i r 设计方法进行设计进行了分析。 3 、第四章对m g t i 型i n t e r l e a v e r 进行系统性分析，从原理出发构造了相应 的数字滤波器模型，提出了新颖简单的设计方法，并给出了运用此方法设计等 带宽和不等带宽的具体设计实例，分析了利用不同多镜g t 腔结构设计不同 i n t e r l e a v e r 的带宽利用率，最后比较了运用三种不同i i r 滤波器函数设计 i n t e r l e a v e r 的方案。 4 、第五章提出了实现任意占空比m g t i 型i n t e r l e a v e r 的设计原理和思想， 给出了具体设计实例，并分析了不同占空比对奇偶路输出光谱的l d b 处通带带 宽和陡度的影响，最后设计和分析了其它阶数情况下的具体方案。 5 、第六章总结全文，并提出研究工作中有待进一步解决的的问题，对未来 工作进行展望。 1 4 本文主要创新点 本文以双折射晶体型i n t e r l e a v m 和m g t i 型i n t e r l e a v e r 为研究对象，将数 字信号处理中的f i r 和i i r 理论分别引入两种结构中，从原理出发分别对其进 行了深入的设计研究，主要创新点包括： 1 、结合数字信号处理中的f i r 理论，巧妙地利用光谱透射率函数的零点关 系和待定系数法，分析提出了双折射晶体型不等带宽i n t c r l e a v m 的设计方法。 相比传统直接求解非线性方程的设计方法，该方法更简便的求出了所需光谱特 性要求的所有设计参数。 2 、结合数字信号处理中的i i r 理论，建立了m g t i 型i n t e r l e a v e r 的数字滤 卜海大学硕十学位论文 波器模型，提出了利用零极点特性即可直接设计i n t e r l e a v e r 的新颖设计方法， 该方法具有普遍性，对等带宽和不等带宽i n t e r l e a v e r 的设计均适用，且简单、 有效，对级联g t 腔镜数较多的结构情况下该方法则更显其优越性。在此苯：i j | 上，还分析提出了实现任意不同占空比m g t i 型i n t e r l e a v e r 的设计原理和方法。 该研究对基于全通滤波器结构的任意光谱特性要求的光学滤波器的设计! ： 有重要的指导意义。 4 上海大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章背景综述 自9 0 年代初以来，人类社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代：i n t e r n e t 的飞速发展，数字移动通讯的革命，多媒体通信业务的出现。信息爆炸刺激了全 球通信业务的疯狂增长，而这种增长的最直接后果是出现了所谓的“光纤耗尽” 现象。对于如何利用现有光缆系统实现最大限度的扩容，人们首先想到了t d m ( 时分复用) ，时分复用方式固然是数字通信提高传输速率、降低传输成本的有 效措施，但是随着传输容量的急剧加大，传输设备的价格很高以及光纤色散的影 响也日益加重，所以人们把目光移向了波分复用技术w d m ( w 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 ) 。w d m 技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。 根据每一信道光波的频率( 或波长) 不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信 道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器，将不同规定波长的信号 光载波合并起来送入一根光纤进行传输，在接收端，再由一波分复用器将这些不 同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独 立，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。w d m 系统的核心器件之 一就是光波分复用解复用器，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或空间域分离；或者逆向应用，实现解复用功能 2 2 1 。目前制 作复用解复用器的主要技术有熔融拉锥全光纤型滤波器、介质薄膜滤波器、阵 列波导光栅( a w g ) 和光纤布拉格光栅【2 3 】等。 在w d m 系统中，有三种技术方案可以用来提高光纤带宽的利用率：一是 增加单信道容量，一方面致力于拓宽光纤的带宽，另一方面是减小信道间隔增 加信道数目。前一种方案受“电子瓶颈”的限制，较难取得进一步的发展：对于 中间方案，人们已经开发出全光通信，通带范围大4 0 0 n m ：对于后一种扩容方 案，即d w d m 技术，可充分发挥现有的通信设施功能，它通过增加复用信道 数目，极大增加了系统传输容量，但同时这也要求超窄带波分复用器【2 4 1 。当信 m 学碗” 论z 道间隔要求少于1 0 0 g h z 时，复用器解复用器就面临技术难度的挑战，出现误 差增大，成品率下降，产品价格上升。针对这一问题，人们提出了i n t e r l e a v e r ， 它回避了镀膜工艺的局限，利用光学t 涉原理，实现奇偶信道交错分波，解决 压缩信道间隔、提高通信容量的问题。 在2 0 0 0 年3 月的o f c 会议上，多家公司纷纷展示了基 二这种奇偶交叉复 用技术的群组滤波器，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 _ l e r l e a v e r ，我们把它称为光学交错复用器。i m e r | e a 。e r 技术是群 组滤波技术，如图21 所示，i n t e f l e a v e r 分为解复用和复用两种功能，解复用是 将一路波长光信号分成两路分圳包含奇数和偶数信道的间隔倍增的光信号，复 用功能与此相反阱i 。基本原理是两束光的t 涉，由于t 涉产牛r 阁期性的原来 信号波长重复整数倍的输出，通过控制t 涉的边缘图案就可以逃择台适的频率 组的输出。 输入间隔l ， 输出间隔2 r l ， 随21i n t e r l a y e r 功能示意阿 信道 喻出 衡量i n t e r l e a v e r 性能最重要的几个参量是通带形状、插入损耗、串扰特性、 色散以及复用路数。平顶的通带形状将降低系统对激光器波长稳定性的要求， 从而降低系统成本。由于在d w d m 系统中，i n t e f l e a v e r 之后要串接d w d m 滤波器件，因此低的插入损耗非常重要。复用信道数目的增加非常容易引起信 道间的串扰，等强度烈光束干涉可以产生高的消光比，从而提高信道隔离度t 减少串扰。此外，色散也足一个相当重要的参数，在高速通信系统中，器什引 上海大学硕二1 ：学位论文 入的色散严重影响系统传输距离和误码率从而降低光通信系统的可靠性。 i n t e r l e a v e r 在密集波分复用系统中有非常重要的地位。它能有效利用现有光 纤网络和光纤器件实现系统平稳升级，大大降低系统升级成本，还可用作城域 网节点处的光信号分插复用器( o a d m ) ，可作为梳状滤波器应用于多波长激光 器【2 7 】和光纤传感中2 8 1 。总之，i n t e r l e a v e r 的出现大大减小了后续滤波器的设计 制作难度，使许多传统滤波器技术在d w d m 系统的应用中重新找到了自己的 位置，使许多已经十分成熟的滤波器技术能够继续发挥自己的作用，降低了整 个系统的成本。 根据两路输出谱3 d b 处的通带宽度是否相等可以分为等带宽i n t e r l e a v e r 和不 等带宽i n t e r l e a v e r 。实现等带宽i n t e r l e a v e r 功能的典型方案主要有：迈克尔逊 g i r e s t o u m o i s 干涉型【2 9 3 0 1 、全光纤熔融拉锥非平衡m a t h z e h n d e r 干涉仪型【2 6 】【3 1 1 、 晶体双折射型【3 2 。3 4 1 、阵列波导光栅型 3 5 - 3 6 】、光纤光栅组合型【3 7 铷】、正负折射率交 替一维光子晶体型【3 9 训1 等。目前研究等带宽的i n t e r l e a v e r 的方法比较多且较为成 熟，已经成功研制出t 2 5 5 0 g h z 的交错滤波器，所以本文不再详细叙述等带宽 i n t e r l e a v e r 的各种实现方案。 为了扩宽现有网络容量更好地提高带宽利用率，降低系统升级的成本以及有 助于光分插复用( o a d m ) ，实现不同速率的同步传输，不等带宽i n t e r l e a v e r 具有 较强的灵活性。与前者相比较，不等带宽i n t e r l e a v e r 的研究才刚刚开始不久，主 要包括马赫曾德尔( m z ) 级联型4 2 1 、迈克尔逊g i r e s t o u m o i s 干涉型( m g t i ) 【4 3 删、双折射g i r e s t o u m o i s 标准具型【1 7 , 4 5 】、双折射光纤环镜型【4 6 】等方案，此外还 有针对以上类型的改进方案及其它类型结构。下面对上述结构进行介绍分析。 2 2 不等带宽i n t e r l e a v e r 典型类型 2 2 1 马赫一曾德尔( m z ) 级联型 马赫曾德尔( m z ) 级联型的网络由不同分光比的耦合器通过有单位延时 的干涉臂级联构成，如图2 2 所示。 l ：海大学硕十学位论文 图2 2 耦合器级联型i n t e r l e a v e r 结构示意图 2 b 从端口l a 输入一个8 ( t ) 的光信号，端e ll b 不输入任何信号，信号经过耦 合器分成两路，两路信号又通过两个不同长度的延迟线，再经耦合器进行干涉， 通过多次的相位延迟和干涉作用最后从2 a 和2 b 端口输出。根据能量守恒，两 路输出光谱必定功率谱互补，所以只要考虑一路输出光谱幅频特性就可以。以 考察输出端口2 b 的响应特性为例，可知从输入到输出有+ 1 条路径，相邻路 径所需的时间依次相差a r ，最后在输出端口这+ 1 路光权重相加，得到 m = b 8 ( t - k a r ) ( 2 1 ) k = 0 b 。为权重因子。对上式傅里叶变换可得 ( 2 2 ) 式中c o 是光角频率。上式的b o ，6 l ，b v 代表吼，p ：，o n 任意组合的和项，差项 或者和差项，其关系式可以由琼斯矩阵求的。所以可以利用数字信号处理的有 限脉冲响应滤波器设计出h ( c o ) 时，利用其系数钆求出吼，就能设计滤波器。 对于阶数较大的情况，可以借助于z 变换( 将上式中的e - j t o a 7 用z 一- 代替) 和待 定系数法求的相对应的物理参数。 文献 4 2 将设计目标定为通带和阻带宽度之比7 ：3 ，用于传输4 0 g b s 信号， 通带纹波为0 0 0 1 d b ，阻带衰减r 。为3 5 1 9 d b ，阶数为3 2 ，利用m a t l a b 软件 的信号处理工具箱得出目标函数，利用z 变换和待定系数法求解各耦合器的耦 合角。最终得到一个由3 3 个耦合器组成的耦合角呈对称分布的i n t e r l e a v e r ，2 b 和2 a 端口3 d b 带宽分别为7 0 8 0 g h z 和2 9 2 0 g h z ，通带纹波小于0 0 0 1 d b ，隔 m 钆 脚 = 、， 缈 ，l 日 上海大学硕士学位论文 离度大于3 5 d b ，可用于传输4 0 g b s 和1 0 g b s 的信号。 基于光格型的有限脉冲响应滤波不等带宽i n t e r l e a v e r ，得到的输咒，? 有较 高的隔离度，较宽的平坦带宽，较小的通带纹波，并且可以预先设j z 子：、性能 参数后进行设计，有很大的灵活性。但由于耦合器个数较多，而且多数婴求比 较苛刻，故最好选择集成光波导工艺来实现。 2 2 2m g t i 型 m g t i 型i n t e r l e a v e r 的结构示意如图2 3 所示，在迈克尔逊干涉仪。7m i ) 其中 的两个干涉臂加上两个腔距分别为d 和出的g t e ( g i r e s t o u m o i se t a l o n ，g t e 是一 个非对称的法布里一珀罗腔( f pr e s o n a t o r ) ，由前镜反射率为，、后锐反射率为 1 0 0 的两个平行平面镜组成，没有波长选择性，相当于全通滤波器，”是对不 同波长的光波能产牛不同的相移，起到了相位调制器的作用啦 一束光入射到分束器b e a m s p l i t t e r ( b s ) 后分成强度相同的两束光，l ? j 求分别 沿着m i 的两臂l l 和l 2 行进，然后又分别被g t e l 和g t e 2 反射，在b s 处，q i 两两 干涉叠加后分成两路，从而实现奇偶信道信号从不同的输出端口输，卜。亍偶信 道信号分离。 图2 3 不等带宽m g t i 型i n t e r l e a v e r 结构示意图 g t e l 和g t e 2 引起的相移分别如下： = - 2 一 ( 等灿( 孕) ( 2 3 ) 9 上海大学硕士学位论文 ：= 2 t a i l - 1 ( 鼍胁( 孕) ( 2 4 ) 其中d l ，d 2 为g t e l 和g t e 2 的间距，吒，吃为g t e 前镜反射率。 由迈克尔逊干涉仪臂长差引起的相移： 加= 2 ( 厶一l ：) 2 x ( 2 5 ) 几 由于在下面干涉的两束干涉光分别被b s 的上、下面反射，有刀的附加相移，由双 光束干涉公式可知干涉光强度为 ，刚：ls i n z ( 丛生笔选) ( 2 6 ) 另一路的两束相干光之间没有万的附加相移，故其干涉光强度为 i 嘶：i i nc o s 2 ( 丛生连监) ( 2 7 ) 由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式可知，两路输出的光强度功率互补，m g t i 结构实现了 信道的奇偶分离。 文献 1 1 采用此种结构参数分别为d 1 = 3 d 2 ，l 2 - l l = d ，1 = 0 2 1 ，r 2 = 0 5 3 设计了2 0 0 g h z 不等带宽i n t e r l e a v e r ，奇偶输出谱的隔离度都在3 0 d b 以上，且 有较宽的通带宽度。同样还可以采用两个三镜g t 谐振腔代替m i c h e l s o n 干涉仪 的两面全反镜的结构来设计不等带宽i n t e r l e a v e r ，文献 4 3 采用此结构设计 5 0 g h z 不等带宽i n t e r l e a v e r ，得到3 d b 处奇数信道带宽大于3 0 g h z 、偶数信道 带宽大于6 0 g h z ，通带纹波小于0 0 5 d b ，隔离度在3 0 d b 以上。但其窄口输出 谱不平坦，带宽利用率不高，且当构成g t 腔的反射镜个数较多时，由于循环 变量较多，故求解结构参数的计算量较大。 m g t i 型i n t e r l e a v e r 属偏振无关器件，因此无需进行偏振控制，在结构上较简 单，可设计成全光纤器件，并且它的信道间隔、中心波长、滤波特性都可通过调 整反射率、腔长和两干涉臂长差来实现，设计简单灵活。但是它价格昂贵，对周 围环境有较高的稳定要求，并且固有色散较大。 l o 上海大学硕上学位论文 2 2 3 双折射光纤环镜型 双折射光纤环镜不等带宽h l t 训e a v c r 的构成女姻2 j 旃，孓它由1 个3 d b 耦合 彳 器、2 段长度比为1 ：2 的双折射光纤、2 个偏振控制器和1 个，环形器构成。 p m f l 0 2 p m f 2 只 _ - 一 图2 4 双折射光纤环镜型i n t e r l e a v c r 结构刁： 假定初始的信号光光强为1 ，它由3 d b 耦合器的l 端输叭， 、3 端和4 端输出， 各自经过2 段双折射光纤和2 个偏振控制器产生相位差，再n 1j 耦合器处发生干 涉。端口最的透射光功率输出为 最= c 。s 半s i n ( 0 1 + 岛) c o s 吼+ c o s 鱼鱼二笋文1 9 1 + 岛) s i n 0 2 1 ( 2 8 ) 式中屈= 2 碰，a n c ( f _ 1 或2 ) ，其中厶、厶分别为双 f “t 光纤的长度， a n = j 厅。一n 。j 为光纤快、慢轴的折射率差，c 为光速，厂为黔。的工作频率，q 、 0 ：和曰，分别为信号光在单模光纤和偏振控制器中传播时偏扯向转过的角度a 根据能量守恒，另一路输出谱e 正好与最的透射光功率f | 补 由式( 2 8 ) 可 以看出，当履：o 、q - o 时对应的是一段双折射光纤，得纠乱偷出为正余弦函 数，没有平坦的带宽，因此通过选择两段双折射光纤构成光! _ 不镜，引进附加 上海大学硕士学位论文 相位差和角度系数达到满足平坦带宽要求的目的。 文献 4 4 设计一种信道间隔为5 0 g h z 的不等带宽i n t e r l e a v e r ，优化计算得 到奇信道3 d b 带宽为6 8 8 7 g h z ，偶信道3 d b 带宽为3 0 8 7 g h z ，通带纹波小于 0 0 5 d b ，得到了较好性能的不等带宽输出光谱，可以满足速率分别为4 0 g b s 和 1 0 g b s 的传输系统。 双折射光纤环镜型不等带宽i n t e r l e a v e r 中心波长符合i t u 规定，宽口输出 谱比较理想，但其窄口输出谱通带不平坦呈正弦状。该结构中的偏振控制器角 度误差、两段双折射光纤长度的匹配精确度误差都会对输出光谱造成较大影响。 并且光谱仪最小分辨率对输出光谱隔离度特性有很大的影响。 2 2 4 双折射g t 型 双折射g t 型i n t e r l e a v e r ( b g t i ) 的核心元件是双折射g t ( b g t ) 腔结构 如图2 5 所示，在g t 腔内有一个厚度为a 4 玻片，在腔内有一个厚度为p 8 的 玻片。 rm | s 1 l弋 7 一 图2 5b g t 腔结构不葸图 若一振幅为1 的偏振光入射到b g t 腔中，偏振光将在腔内多次反射，使出 射光含有多束平行光束。利用偏振光于涉和多束光干涉原理，将出射的多束偏 振光叠加，可得到出射光中含有偏振态相互垂直的两种光，其光强分别为： 厶( a ) ：i 1 1 + c o s 2 导 办( a ) 一九( a ) ) ， ( 2 9 ) 1 2 ( a ) ：i 1 l + s i n 2 昙 办( 五) 一九( 旯) ) ， ( 2 1 0 ) 1 2 上海大学硕士学位论文 其中， m ) 地留 篇留 争， ( 7 _ 1 1 ) m ) = 之吲等留 等+ 等 ) + 等， 旯为波长，l 为b g t 腔的腔长，决定了滤波器的光谱自由程。r 为g t k 的反 射率，决定输出通道的带宽性能。通过调节r ，口，可以通过仿真玛任 意带宽比的输出波形。 文献【1 7 】利用此结构通过仿真得到了r = 0 4 2 ，口= 0 3 5 ，= o 1 8 带宽比为1 ： 3 以及r = 0 6 0 ，a = 0 1 9 ，口= o 1 5 带宽比为1 ：7 的8 0 g h z 的不等带宽i n t e r l c a 、e r ， 其通带带宽都较为平坦，隔离度在i s d b 和2 0 d b 左右。双折射g t 型i n t e r l e a v e r 具有结构简单、体积小、成本低、插入损耗小、温度稳定性好等优点，址矮 缺点是色散比较大，所得到的波形隔离度较低。 2 2 5 改进方案及其它结构类型 除上述几种不等带宽i n t e r l e a v e r 类型外，还有其它类型结构也能实州1 i 写常 宽输出，如文献【4 7 】在级联马赫曾德尔干涉仪的延迟线中插入g t 腔，如1 5 1 2 f 】；行 示。入射光在腔的两个平板之间发生多光束干涉，平板内侧镀有不分透 ，- i z 洲 膜。加入g t 腔的不等带宽i n t e r l e a v e , 在透过频率附近相位变化相对较小，l 叮舀_ = 离 开透过频率区域的相位变化较大，因此经过调制后的干涉光谱曲线将在所, i f 7 - j - 透j 豆 频率处有一个透过带，而在相邻频率处有一个截止带，即具有较好的平顶斗0 陀。耳i j 用这种结构不仪使通带带宽大大增加，同时可以获得较高的隔离度，充j ，利： 有效带宽资源。 上海大学硕上学位论文 l 1 l 2 l 4 3 图2 6 平项不等带宽i n t e r l e a v e r 结构 由于g t 腔是一个全通滤波器，只改变幅频特性，所以可以将上述中的g t 腔用环形谐振器来代替，文献 4 8 禾j j 用在单级的马赫曾德尔干涉仪的其中一干 涉臂上引入环形器，可以设计出站空比为1 ：3 的1 0 0 g h z 的不等带宽i n t e r l e a v e r 。 利用谐振器反馈回路对光信号引入的相位调节，实现了马赫曾德尔干涉仪滤波 通带响应的最大平坦和过渡带滚将特性的加强，并有效抑制了色散对传输信号 造成的失真。 文献 4 9 提出用8 个3 3 光纤耦合器组成三端口格型滤波器，如图2 7 所 示，实现了开口比为1 ：3 的不等带宽输出，并给出了具体的合成递归算法用于 e ：k l 耳磊，： 图2 7 三端v ii n t e r l e a v e r 结构示意图 计算设计参数以产生期望的频谱响应。其中输出光谱中通带平坦宽度占通带宽 度的8 5 ，隔离度高达2 3 d b ，0 5 d b 带宽与2 0 d b 带宽比值达到6 3 3 ，而且 输出光谱传输信道中基本没有旁瓣。同样也可以运用类似结构做5 路输出谱的 i n t e r l e a v 一5 0 税】，文献 5 0 n 用用多个格型滤波器构成i n t e r l e a v e r ，该结构有一个 输入端口和m 个输出端口，以m = 5 的结构为例，如下图2 8 所示。这种基于 f i r 结构可以设计得到一路信道范围内通带与阻带比值为1 ：5 的不等带宽输出 光谱，隔离度达到3 0 d b 以上。 1 4 卜海大学硕：上学位论文 i s y ( ：) 图2 8 基于f i r 的5 个输出端口的i n t e r l e a v e r 结构示意图 也可以在延迟线上加入环形腔，借助i i r 思想来设计i n t e r l e a v e r ，相比之下在阶 数相同的情况下可以达到更好的幅频特性，文献 5 3 利用i i r 结构如图2 8 所示， 获得每一路信道范围内通带与阻带比值为1 ：3 的不等带宽输出光谱，其输出波 形有更高的矩形度，隔离度达到6 0 d b 以上。 s 0 图2 9 2 3 小结 ， ：一一j - 一 s l ( z ) s 。( ：) s n ( ：) 基于i i r 的3 个输出端口的i n t e r l e a v e r 结构示意图 本章丰要介绍了四种典型的不等带宽i n t e r l e a v e r 以及一些改进方案和新类 型结构。从上述每种结构可知，各种类型都有各自的优缺点，都有各自发展的 优势和面临的问题，目前还没有一种性能符合各项要求且成本低、制作简单的 i n t e r l e a v e r 器件。因此要针对实际要求采用不同类型的器件，以求达到最好的效 果。 2 co ( z ) 一面 上海大学硕士学位论文 第三章基于f i r 设计双折射晶体型i n t e r l e a v e r 3 1 引言 对于前面提过的i n t e r l e a v e r 器件结构中，双折射晶体型i n t e r l e a v e r 具有工艺 成熟、隔离度高以及可以采用不同晶体波片进行温度补偿等优点，所以很多研究 都