（光学工程专业论文）衍射光栅型器件的模拟分析及设计.pdf

浙江大学硕l 学位沦文 摘要 摘要 衍射光栅型器件在当今信息时代中的应用正在同益增加。在光通信领域，基于 平面波导技术的集成型衍射光栅器件在密集波分复用系统中以其优异的性能成为 了波分复用器件的主要发展方向之一。在信息存储领域，从c d 到今天的d v d 以 及未来的蓝光光盘( b d ) ，基于二维光栅衍射的光盘存储是高容量高密度信息存储 的最成功并最具潜力的技术之一。本文针对上述两种应用对衍射光栅型器件的模 拟、分析及优化设计展开了研究。 本文对衍射光学中常用的两种分析方法严格耦合波分析( r c w a ) ：和j 时域有 限差分法( f d t d ) 进行了总结。针对在光通信以及光盘存储领域的具体应用，着重 对二维及三维金属光栅衍射问题的严格耦合波分析以及色散媒质散射问题的时域 有限差分方法进行了公式推导。 本文提出了一种用于模拟分析平面集成型衍射光栅的新的混合衍射方法。该方 法结合了基尔霍夫一惠更斯衍射公式和严格耦合波分析，能够同时准确描述平面 集成型衍射光栅器件的成像特性以及偏振相关衍射特性。针对实际光通信应用中 对通带带宽的需求，本文提出了“结合空气槽的渐变输出波导结构方法”、“三焦 点方法”及“显式公式空间相位调制法”三种使平面集成型衍射光栅波分复用器 件获得平顶型频谱响应的优化设计方法。针对目前衍射光栅器件在损耗、偏振敏 感性等方面的不足，本文对金属反射型以及内全反射型凹面光栅的偏振相关的衍 射特性进行了矢量分析，并基于混台衍射方法提出了更为准确有效的优化设计方 法。 结合矢量衍射公式和时域有限差分方法，本文给出了一种精确模拟光盘存储系 统中的光学信号读取的三维混合矢量方法。基于其在模型设定方面很好的通用性， 此方法能够准确的模拟光盘光学信号读取过程，并能够直接给出三维近场全矢量 衍射分布、远场矢量衍射图样及输出信号。利用这种混合方法，对d v dr o m 光 盘、蓝光r o m 光盘的光学信号读取过程进行了模拟，并研究了光盘信息层几何结 构参数( 主要是信息坑的坑角) 对读出光信号的影响。同时，研究了超高密度光 盘光学读取的偏振特性，对主要信号的偏振敏感度进行了模拟，并分析了其产生 偏扳相关性原因。 关键字： 衍射理论，衍射光栅，严格耦合波分析，时域有限差分法，通带平坦 化，偏振相关损耗，内全反射，光存储，光盘 浙江大学硕匕学位论文摘要 a b s t r a c t d i f f r a c t i o ng r a t i n gb a s e dd e v i c e sa r ee x e r t i n gag r e a ti m p a c to nv a f f o u sf i e l d si nt o d a y si n f o r m a t i o n e r a i no p t i c sc o m m u n i c a t i o n s ，i n t e g r a t e dd i f f r a c t i o ng r a t i n gd e v i c e sb a s e do f ft h ep l a n a rl i g h t w a v e c i r c u i t ( p l c ) t e c h n o l o g y a r co n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts o l u t i o n sf o r t h ew a v e l e n g t hd i v i s i o r tm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，f r o mt h ec o m p a c td i s k ( c d ) t ot o d a y sd i g i t a lv e r s a t i l ed i s k ( d v d ) a n d t h ec o m i n gb l u e 。r a yd i s k ( b d ) ，o p t i c a ld i s k s ，w h i c ha r eb a s e do nt w o - d i m e n s i o n a lm e t a l l i cg r a t i n g s a r e p e r h a p so n eo f t h em o s ts u c c e s s f u la n dh o p e f u lm e d i af o rh i g h c a p a c i t ya n dh i g h - d e n s i t yi n f o r m a t i o n s t o r a g e t h ea b o v et w ot y p e so fd i f f r a c t i o ng r a t i n gb a s e dd e v i c e sa r es t u d i e d ，w h i c hm u c he m p h a s i so n s i m u l a t i o n ，n u m e r i c a la n a l y s i sa n do p t i m a ld e s i g n t w o p o p u l a r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sf o rd i f f r a c t i v e o p t i c s ，n a m e l y , t h er i g o r o u s c o u p l e d w a v ea n a l y s i s ( r c w a ) a n dt h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) ，a r es u m m a r i z e di n s p e c i f i c ，t h ef o r m u l a t i o no ft h er c w af o r2 - da n d3 - dm e t a l l i cg r a t i n g sa n dt h ef o r m u l a t i o no ft h e f d t dm e t h o df o rd i s p e r s i v em e d i aa r ep r e s e n t e d an o v e lh y b r i dd i f f r a c t i o nm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h e k i r c h h o f f - h u y g e n sd i f f r a c t i o nf o r m u l a a n dt h er c w a ，i s p r o p o s e d t os i m u l a t et h ew o r k i n go f a p l a n a ri n t e g r a t e dd i f f r a c t i o ng r a t i n gt h eh y b r i d m e t h o dc a ns i m u l a t ea c c u r a t e l yb o t ht h ei m a g i n ga n d p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n td i f f r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f ac o n c a v eg r a t i n g t om e e tt h eg r o w i n gn e e df o rf l a a e n e dp a s s b a n di nap r a c t i c a lw d m s y s t e m ，t h r e e d e s i g nm e t h o d s ，n a m e l y , t h et a p e r e do u t p u tw a v e g u i d es t r u c t u r ew i t ha i r - s l o t s ，t h et h r e e f o c a l p o i n t m e t h o da n dt h e a n a l y t i e a l m e t h o do f s p a t i a lp h a s em o d u l a t i o n ，a r e i n t r o d u c e dt oa c h i e v ea p a s s b a n d - f l a t t e n e dd i f f r a c t i o ng r a t i n gd e v i c e t h ep o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n td i f f r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e m e t a l l i ce c h e l l ea n dt h et o t a li n t e m a lr e f l e c t i o n ( t i r ) t y p e so fd i f f r a c t i o n g r a t i n g sa r es t u d i e d ，a n d o p t i m a ld e s i g nm e t h o d b a s e do f ft h eh y b r i dd i f f r a c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d at h x e e d i m e n s i o n a l h y b r i dv e c t o r i a lm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h ef d t da l g o r i t h ma n dt h e v e c t o r i a ld i f f r a c t i o nf o r m u l a t i o n ，i si n t r o d u c e dt o a n a l y z et h er e a do u to fa no p t i c a ld i s kw i t ht h e m o d e l i n gv e r s a t i l i t yi nd i s kg e o m e t r ya n dm a t e r i a l ，t h e3 - dh y b r i dm e t h o dc a ns i m u l a t ea c c u r a t e l yt h e r e a d o u to fa no p t i c a ld i s kw i t hd i r e c ti n v e s t i g a t i o n so f ft h e3 - df u l l w a v en e a r - f i e l d d i s t r i b u t i o n ，t h e f a r - f i e l dp a t t e r na n dt h er e a d o u ts i g n a l t h er e a d o u to fad v dr o m d i s ka n do fab dr o md i s ki s s i m u l a t e d t h ed e p e n d e n c eo ft h er e a d o u td a t as i g n a lo fab l u e r a yr o md i s ko nt h eg e o m e t r yo fi t s i n f o r m a t i o n l a y e r ( t h es l o p e a n g l e o ft h e p i t s ，i np a r t i c u l a t ) i sa n a l y z e d ，f u r t h e r m o r e ，t h e p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n td i f f r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa nu l t r a _ ( t e n s i t yo p t i c a ld i s k “e at w od i m e n s i o n a l p e r i o d i cm e t a l l i cg r a t i n g ) a r es t u d i e d ，w i t hs p e c i f i ce m p h a s i so f ft h ep o l a r i z a t i o ne f f e c to f fm a j o r s i g n a l s k e y w o r d s d i f f r a c t i v et h e o r y , d i f f r a c t i o ng r a t i n g ，r i g o r o u s c o u p l e w a v ea n a l y s i s ( r c w a ) ，f i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) ，p a s s b a n d f l a t t e n i n g ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ( p d l ) t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ( t i r ) ，o p t i e a ld a t a s t o r a g e ，o p t i c a ld i s k i i 致谢 本文是作者对在2 0 0 1 年9 月至2 0 0 4 年1 月约两年半时间里在浙江大学光及 电磁波研究中心学习研究的小结。本文的完成得到了浙江省重大项目“光通信密 集型波分复用器件的研制”( 项目编号0 0 1 1 0 1 0 2 7 ) 以及浙江大学一飞利浦合作项 目“有损d v d 光盘系统的读耿过程模拟”( 项目编号0 2 1 1 1 3 0 8 4 ) 的支持。本文 的完成离不开身边各位老师、同学、朋友及亲人的支持和帮助。 首先要感谢我的导师何赛灵教授。本文是在何教授的悉心指导和热情关怀下 完成的。四年多来，何教授在学业上指导我、鼓励我，将其在学术科研方面的优 秀经验、心得传授给我；在生活上关心我、帮助我，教我做人的道理，为我提出 了很多宝贵的意见。何教授的身教言传使我在学习、科研上得到了明显的进步， 并养成了宝贵的科研习惯和思维方式。他严谨的治学态度、勤恳的工作作风以及 平易近人的长者风范对我影响至深并将使我受益终身。 感谢l i g h t i pt e c h n o l o g i e s ，i n c 的何建军博士，几年来一直激励和指导我在光 通信集成器件方面的学习，使我能够了解最新的科研动态，对相关领域取得较深 层次的理解和认识；并不断的激发我的创造力，促进我的成长。何建军博士一丝 不苟、求是创新的科研态度也极大的帮助我在科研上进步、在思想上成熟。 感谢c o e r 原e d g 小组的组员：文泓桥博士、盛钟延博士、娄丽芳硕士、 宋军博士、肖丙刚博士、张建立硕士、廖宇峰博士、王建硕士以及集成光学组的 全体成员。感谢他们为我在平面集成光器件的学习提供了无私的帮助和支持，在 这里我感受到了集体的力量和温暖，留下了毕生难忘的美好回忆。 感谢飞利浦东亚研究院的钟建毅博士、c o e r 的刘柳博士、吴良博士。他们 在光存储以及f d t d 数值计算等方面深刻的认识和丰富的经验给了我极大的帮助， 使我能够顺利的进入这一领域，并在工作中取得进步。感谢竺可桢学院邓坚、张 月、章杰和胡鑫同学，是他们的奋斗和拼搏保证了光盘存储模拟软件的j q 娇t j 开发。 感谢沈林放教授、奥野洋一教授( 日本熊本大学) 、王谦博士、戴道锌博士、 林青春博士、周勤存博士、殷源博士、陈方荣硕士等，感谢他们在学术和精神上 给我提供的帮助和关心。感谢陈洪璎教授、胡鑫松老师在e d g 制造工艺等方面对 我的指导和帮助。 感谢浙江大学光电系光及电磁波研究中心对我的学习提供了良好的软件和硬 件环境，感谢中心的全体老师、工作人员和同学对我的鼓励和支持，使我能够顺 利完成硕士论文。 感谢父母多年来的辛勤养育，感谢他们在过去的两年多时间里对我完成学业 的支持和鼓励。 在此谨对所有关心、帮助、鼓励过我的所有老师、同学、朋友和亲人表达最 诚挚的谢意! 石志敏 2 0 0 4 1 1 6 于求是园 衍射光栅型器件的模拟分析及设计 销一章绪论 第1 章绪论 提要 本章综述了光通讯产业和w d m 技术、光存储产业和光盘光学系统的发展历 史，概迷了w d m 波分复用器件的现状以及光盘系统光学拾取部分的数值模拟的 现状，并介绍了本文的工作和各部分的主要内容。 关键词：光通讯、波分复用、光存储、光盘、数值模拟 1 1 目的和意义 1 1 1光通讯产业和w d m 技术 经济全球化的进程将人类社会引入了信息时代。随着社会迈向信息时代，全球 正经历着一场通讯技术的革命。信息高速公路的出现，对传统的社会模式产生了 强大的冲击；信息全球化使得近十几年来全世界对通信容量的需求呈爆炸性增长， 通信产业得到突飞猛进的发展。全球范围内通信业务突飞猛进的发展，包括商务 通信、个人通信，以及越来越丰富的多媒体通信的应用需求，迫切需要迅速提高 通信的速度和容量，这给传统电信业务带来巨大冲击和挑战。随着光通信网络成 为现代通信网的基础平台，光通讯在整个通讯产业中的比重日益增加( 目前全球 通讯量8 0 都通过光纤传播) ，光通讯也成了通讯产业的主要发展方向之一。 在微电子技术中，有一条著名的摩尔定律，即集成电路的集成度每1 8 个月翻 一番。但目前光通讯正在以超摩尔定律的速度发展，光纤容量及光电器件的一眭能 平均每9 个月就翻一番。常规石英单模光纤本身在1 5 5 9 m 波段提供了约2 5 t h z 的低损耗窗口，也就是说在不考虑光纤损耗对传输的限制时，1 5 5 9 m 的单一光载 波能够以近2 5 t b s 的比特率进行基带调制。但是由于系统中光电器件，特别是集 成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率( 其余还包括传输媒质的色散和极化模色 散，所开发系统的性能价格比，商用经济价值等) ，使得实际光纤通信系统中单 信道容量一般不超过1 0 0 g h z 。所以，光纤的全部可用带宽资源仅仅利用了不到 浙江大学颂士学位论文石志敏 1 ，9 9 的资源尚待发掘。目前的通信网络主干线所采用的光纤传输系统曾经被 认为有足多的带宽盈余，如今却不堪重负而无法承载与日俱增的信息交通量。世 界上些主要的通讯公司都在寻找一种方法，使得他们既能方便地增加通讯带宽 而且可以灵活地组网，但是又不必过多地耗费成本和时间去铺设新的光缆。 依靠单路高速信道只可能利用光纤带宽的极小一部分，因此进一步扩容的出路 是转向光的复用方式；要提高光纤带宽的利用率，必须依靠多信道系统。光复用 方式有很多种，常用的复用方式有光时分复用( o t d m ) 【2 1 【3 ) 、光波分复用( w d m ) h 或频分复用( f d m ) 、码分复用( o c d m ) 吲。其中波分复用( w a v e t e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，简称w d m ) 作为实现高可靠性、高容量及高速度的通信网络的关键 技术，是最经济有效解决主干网瓶颈问题的技术方案。 哑爿1 墅苎竺血k rk n“纠1 h 丑s “拖r 画$ 差薹警卜誉一睡雾 吲塑坐：r h冽t r a n s n f i t k r 殴 c o - - r i g h t s o f a d l 4 , d m 点垮蛔僻牡h 渤c ：鲫籼抬配鲥溉t 9 9 9 ) 图1 w d m 系统构成原理图 f i g 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f w d ms y s t e m w d m 技术是一种基于光学域的复用技术。所谓w d m ( w a v e l e l l g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，波分复用) ，就是在单一光纤内同时传输多个以不同波长光波为载波 的信道( 如图1 所示) 。具体说来，就是将光纤的光通信窗口( 如1 5 5 0 n m ) 按一定问 隔分成若干个区间，每个区间为一个信道，每个信道对应的中心波长不同，将不 通的信号加载在不同的信道载波上，通过复用器将这多个信道合在一起在一根光 纤中传播，然后在接收端用解复用器将各个信道分离出来。这种方案能够实现数 据传输容量的成倍增长。与电载波传输系统不同的是，同一光纤中的不同光载波 在线路中进行传输时互不干涉( 不考虑光纤传输的非线性效应【6 1 ) ，这样不但可以 将同一光纤中的信道数增加到百路以上，双向传输问题也迎刃而解。对于通道间 隔很窄的w d m 系统，称为密集波分复用( d e n s ew d m ) 系统。一般认为d w d m 是指信道波长间隔小于1 0 0 g h z 的w d m 系统，但实际应用中也把信道间隔为 4 0 0 g h z 、2 0 0 g h z 、1 0 0 g h z 、或5 0 g h z 的w d m 系统都称为d w d m 系统。 w d m 技术主要优点在于i7 】 ( 1 ) 超大容量。波分复用可以充分利用光纤的巨大带宽资源，g 6 5 2 光纤在波长 1 5 0 0 1 6 0 0 蛳之间光纤传输的衰耗较小( o 2 0d b k m ) ，有1 0 0n l n 宽的低损 耗波段，以i t u t 规定的最小间隔1 0 0g h z 为标准，该频带可提供1 2 5 个中 衔射光栅型器件的模拟分析及设计 第一章绪论 ，t ：, 5 2 作波长。若按照每个波长传输2 0g b s 的信息量计算，一根光纤传输速率 可以达1 2 5t b s 。 f 2 ) 数据透明。w d m 系统是按不同的光波波长进行复用和解复用，与信号的速 率和调制方式无关，对数据率是“透明”的，因此可以传输信息格式( 模拟，数 字信号，p d h s d h 信号等) ，信号速率及电调制的信号等特性完全不同的信 号，实现多媒体信息传输，完成各种电信业务信号的综合和分离。 ( 3 1 扩容方便。使用n 个波长复用，在大容量长途传输时可节约大量光纤，对于 早期敷设的芯数少的光纤系统，不必做较大改动。最大限度的保护已有投资， 可以轻松扩容。 r 4 )降低成本。d w d m 的引入，使用多个波长复用在单模光纤中传输及在大容 量长途传输时可以大量节约光纤，使成本下降，再生中继距离愈长，传输速 率愈高。总容量相同的情况下，d w d m 系统相对于时分多路复用系统( t d m ) 就更经济。 同时，由于掺铒光纤放大( e d f a ) 技术的成熟，进一步促进了密集波分复用技 术的应用。目前密集波分复用( d w d m ) 和i p 技术一起成为通信技术的两大热点， 并在近年内成为发展最为迅速的通信技术。基于w d m 技术和光纤放大器的光纤传 输系统，已被认为是下一代大容量光纤传输系统的首选。 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现，使得1 5 5 0 r a n 窗口w d m 系统在1 9 9 5 年之 后迅速发展和广泛应用。世界上许多国家已开始利用w d m 技术进行全光网实验， 以寻求一种具有透明性、可扩性、可重构性的全光网的有效方案，为实现未来的 宽带通信网奠定坚实的基础。除了北电、阿尔卡特和富士通的3 2 0 g b s 系统和朗讯 的4 0 0 g b s 系统已现场投入使用外，c o r v i s 公司在芝加哥到西雅图的3 2 0 0 k m 的线 路上成功地实现了1 6 0 2 5 g b s 信号的传输，创造了波长数最多、传输距离最长 的实地传输世界记录。西门子则在实验室完成了3 2 t b s ( 8 0 4 0 g b s ) 传输4 0 k m 的 试验，创造了传输总容量最高的新世界记录，揭示了w d m 技术的巨大发展潜力。 d w d m 技术总体上具有如下发展趋势： f 1 ) 提高单通道速率。目前基于1 0 g b s 的多波长系统已达到实用化阶段，基于 4 0 g b s 速率的技术也日渐成熟。此外应用光时分复用( o t d m ) 技术可将单 通道速率进一步提高，目前的实验系统已经使通道速率达到了1 6 0 g b s 。 f 2 ) 增加复用通道数目。已经得到广范围应用的d w d m 系统有8 、1 6 、3 2 个波 长系统，1 0 0 个波长的系统即将商业化。在实验室里，已完成了1 0 1 0 个波长 的复用试验 1 7 1 。由于光通信窗口有限，要进一步增加复用通道数，必须通过 减小通道间隔才能实现。在目前的d w d m 实验系统中，通道间隔已达到 2 5 g h z 。 浙江太学硕士学位论文 石志敏 f 3 1 拓展系统波段范围。目前的波分复用系统使用的波段主要是“c 波段”，为了 拓宽波分复用系统的波长范围，d w d m 系统的应用波长正在向“l 波段”发展， 甚至将l 波段的长波延伸到1 7 0 0 n m 。此外，对“s 波段”的应用也在研究之中。 打通1 3 1 0 h m 和1 5 5 0 n m 窗口之间的氢氧根吸收峰( 1 3 8 5 a r n ) 以后，s 波段 与1 3 1 0 n m 窗口便连接起来，光纤在o 3 5 d b 以下的低损耗可用带宽可增加到 5 0 t h z ，非常丰富。而对于短距离传输，应用波长范围更是扩宽至1 1 0 0 n m 1 7 0 0 h m 。 ( 4 )开发光再生中继器。d w d m 信号经过长距离传输后，虽然能量能够通过光放 大器补充，但是受光信噪比恶化、光信号波形恶化等因素限制，再生段距离 不可能无限制地增长。由于电再生方式的设备庞杂、构造和运行成本高，开 发光再生中继器十分必要。目前这方面正处于实验室研究阶段。 由于目前各大运营商的骨干网带宽已较富裕，而各种高速的宽带接入业务蓬 勃发展使得现有的城域网将成为瓶颈【i3 】【1 ”。与骨干网相比，城域网具有业务种类 多、业务调度转接多、业务流量变化大的特点。其应用的技术主要之一便是粗波 分复用( c o a r s ew d m ，c w d m ) 技术。 c w d m 技术充分分析了城域传输网传输距离短的特点，指出城域网中的波分 复用不必受e d f a 放大波段的限制，而是可以在1 3 1 0 n m 1 5 6 0 r i m 的整个光纤传输 窗口，以比d w d m 系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽、传输 距离短，c w d m 无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器。这可 以大幅度降低激光器成本。此外，c w d m 无须选择成本昂贵的密集波分解复用器 和复用器，只须选择廉价的粗波分复用器和解复用器；无须采用比较复杂的控制 技术以维护较高的系统要求；无须采用e d f a ，只须采用便宜得多的多通道激光收 发器作为中继。由于器件成本和系统要求的降低，使得c w d m 系统的造价比 d w d m 系统有大幅下降。 和d w d m 相比，c w d m 系统有较低的硬件成本，功耗和体积也较小。但是， c w d m 系统也能和d w d m 一样提供多种业务的透明传输，并可以得到充分的发 挥。例如可以提供s d h 接口，实现i p ，e t h e m e to v e rs d h 、a t mo v e rs d h ；可以 为路由器和a t m 交换机提供光纤直连接口，实现i p e t h e m e t o v e r o p t i c a l 和a t m o v e ro p t i c a l 等等。c w d m 系统也可以通过使用o t u 和o a d m ，同使用标准波 长的d w d m 系统互连、成环或接入d w d m 骨干层。此外，c w d m 可以兼容在 城域网己得到广泛应用的1 3 1 0 r i m 的老的s d h 系统，而目前的d w d m 还做不到 这点。c w d m 技术还具有应用于长途传输的潜在能力，一旦宽带l a m a n 光放大 器进入商用，c w d m 技术就有可能进入长途传输市场。因此c w d m 在城域网和 接入网的应用较为经济实用。 衍射光栅型器件的模拟分析及设计 第一章绪沦 波分复用系统的核心器件是波分复用解复用器件。要发展d w d m 技术，研发 高性能、低成本的波分复用解复用器件显然是至关重要的。d w d m 复用器需要实现 的功能是将要复用的各信道波长在空间上进行复合，相应的，解复用器的功能是 将复合在一起的各个信道波长在空间上进行分离。利用波分复用器件，还能实现 光波氏的上下路复用，这种d w d m 器件一般称为光插分复用器( o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r ，o a d m ) 。 波分复用器件可分为两大类：分立型波分复用器和集成型波分复用器。对分 立型波分复用器件而言，例如多层介质膜滤波器( t f f ) 、光纤b r a g g 光栅( f b g ) 等，体积相对较大，通道数少( 损耗随级联增加) ，封装成本较高，而且分立器件 的耦合技术难度较大，对于多通道系统和大规模的应用都有极大的局限，不适合 通信量飞速膨胀的需要。相反，集成型密集波分复用器件，特别是基于平面集成 技术的集成光波导型波分复用器件，具有体积小、信道数量大、平均成本低等特 点，将是波分复用器件的发展趋势。另外，基于体全息技术的体光栅波分复用器 件进来也得到了较快的发展，其在一定范围内的性能指标也达到了较高的水平。 集成光波导型波分复用器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有 所有平面波导技术的优点，适于批量生产、重复性好、尺寸小，可以在光掩膜过 程中实现复杂的光路、与光纤对准容易等等。阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d e g r a t i n g ( a w g ) “) 和蚀刻衍射光栅( e t c h e dd i f f r a c t i o ng r a t i n g ( e d g ) “”) 是 最典型的平面集成光波分复用器件。a w g 和e d g 复用器件都具有集成度高，适合于 实现大通道数、窄通道间隔的波分复用器件。同时，其低成本，高性能，有利于 实现大规模的生产。除了最基本的复用和解复用功能外，波分复用器件的功能可 不断扩展，还可和放大器和光开关等器件集成，构成多功能的模块，如波长路由 器、多波长接收器、多波长激光器、波长选择性开关和上路下路器( o a d m ) 等。 对于实际的波分复用系统来说，波分复用器件的的性能参数非常的重要，其 中主要包括工作频段范围，插入损耗、通带带宽、偏振敏感度。 对于蚀刻衍射光栅( e d g ) 来说，由于其分光主要由凹面光栅实现，因此可 以具有相当大的工作频段范围，并且可以根据需要的工作频段范围确定衍射光栅 的衍射级。 至于器件的插入损耗，主要由器件和光纤连接时的耦合损耗、平面波导传播 损耗、衍射光栅衍射效率以及器件内部耦合损耗等。器件和光纤的耦合损耗通常 取决于模场耦合，不同材料和形状的波导结构有不同的耦合损耗，对于s i 0 2 材料 而言，由于其折射率和光纤折射率非常接近，这一耦合损耗通常可以控制在0 1 d b 左右。 平面波导的传播损耗取决与器件材料，通常工艺参数非常相关。器件内部耦 浙江大学硕士学位论文石，占敏 合损耗和光栅衍射效率可以用数值模拟方法进行准确有效的估算。 通道带宽是影向波分复用器件广泛使用的重要因素之一。普通的a w g 的频谱 响应是高斯型的，其一l d b 带宽通常为通道间隔的百分之十几，一3 d b 带宽也仅为通 道间隔的百分之四十左右。这严重影响了波分复用器件在波分复用系统中的应用。 通过频谱平坦化后的宽通道带宽的d w d m 波分复用器件具有以下显著优点： ( 1 ) 允许系统中多个器件的并联；而使总的频谱响应不至于过窄； ( 2 ) 允许高速调制，使得器件中信号脉冲在传输中保持形状： ( 3 ) 当l d 的发射波长发生偏移时信道传输质量变化不大： ( 4 ) 当器件受温度变化影响引起的信道中心波长偏移时信道传输质量变化不大； ( 5 ) 当器件存在少许由于双折射效应引起两个偏振波长偏移时信道传输质量变化 不大。 器件对偏振的敏感度主要表现在偏振相关损耗( p d l ) 以及偏振相关波长( p d ) 。对于e d g 来说，p d l 主要由光栅对t e 和t m 波的衍射效率决定，p d 主要由 器件的材料特性决定。 1 1 2 光存储产业和光盘光学系统 信息的传递、处理和存储是信息技术的三大要素。2 l 世纪将是社会经济信息 化、信息数字化的高科技时代，信息技术的发展对于人类整体文明的发展已经变 得举足轻重，信息海量存储与高速传输的要求已提到日程。常用的信息存储介质 有纸张、缩微胶卷、磁带、磁盘( 软盘和硬盘) 和光盘( o p t t e a ld i s c ) 等。光 存储包括信息载体为光子的各种存储形式。光存储可以进入到电子载体所不能进 入的超高密度、超快速率以及并行输入输出、高度互连的领域，正在逐渐替代传 统的电子载体。其中光盘以其容量大、价格低廉、携带方便等优点，正在迅速成 为现代存储介质的主流。2 0 0 1 年，全球移动存储贸易总额为7 9 亿美元，光盘存储 占了其中的3 9 。 光存储的历史可以追溯到上个世纪。光存储设想的首次提出是在5 0 年代。6 0 年代，美国、荷兰、日本开始在实验室进行电视录像盘的研究。7 0 年代，光盘技 术趋于成熟。7 0 年代末8 0 年代初，光盘存储和播放系统开始推向市场。1 9 7 8 年 1 2 月，p h i l i p s 公司在美国的子公司m a g n a v a x 开始出售v h - 8 0 0 0 型播放机。1 9 8 1 年l o 月，先锋公司开始出售采用半导体激光器作为读出光源的l d 1 0 0 0 型播放机， 光存储产品开始走向商品化( l d l a s e rd i s c ) 。1 9 8 2 年( 谁) 确立了直径为1 2 0 m m 、 厚度为1 2 m m 的小型数字唱盘的标准( c o m l 3 a e td i s c ，即通常的c d ) 。随着c d 唱 片和c d 播放机在市场上的出售，c d 系列的具有各种新功能的光盘系统不断推出。 9 0 年代，c d 系列光盘( c d a u d i o 、c d v i d e o 、c d r o m 、c ) - r 、c o - r ) 和磁光光 衍日光栅型器件的模拟分析及设计 第一章绪论 盘( m 0 ) 大量涌现，c d 也成为众多数字音频、视频和数据存储以及发布的主要媒 质。 图2 光盘以及光学拾取头的主要结构 f i g2o p t i c a ld i s ka n do p t i c a lp i c k u pu n i t ( o p u ) 图3 光盘记录的微观结构 f i g 3m u c r i - s t r u c t u r eo f t h ei n f o r m a t i o nl a y e ro f a no p t i c a ld i s k 光存储从其本质上来说，就是用光信号的强弱来记录和读取数据，数字信息 在光盘上是以一个一个小凹坑( 相对于介质层来说，有凹坑的地方称之为坑( p i t ) ， 没有凹坑的地方称之为岛( l a n d ) ) 来表示的。在读取信息的时候，光学拾取头 ( o p t i c a lp i c k u pu n i t ，简称：o p u ) 将半导体激光器发出的激光汇聚在光盘的 信息层上( 即小坑上) ，根据其反射光的强度变化来区分光盘所记录的数字信息。 浙江大学硕士学位论文石志敏 在写入信息的时候，主要是利用光对记录介质的物理或化学效应去改变介质的某 些光学性能，如对光的反射、吸收或相移等，从而实现二值化数据的写入。一个 典型的光盘系统的光学拾取头部分以及光盘信息层结构如图2 、图3 所示。 1 2 国际国内研究状况和进展 1 2 1 w d m 波分复用器件的发展 表1 列举了目前应用最多的几种波分复用器件的典型技术参数，比较了他们 之间的性能差异。 表1 不同波分复用器件的性能比较 t a b l elp e r f o r m a n c e so f d i f f e r e n tt y p e so f w d md e v i c e s 通道问一般大于 隔 1 0 0 g h z 插入损较低，随通 耗道数增加 偏振敏低，p d l 一 感性般小于 02 5 d b 一般大于 1 0 0 g h z 很低 低 可低于5 0 g h z可低于 5 0 g h z 较低，一般为 3 - 4 d b 较大，需要偏 振补偿 较大 较大，需要 偏振补偿 可低于 5 0 g h z 很低 低，p d l 约 为o2 d b 热稳定好 好 差，需用温控差，需用温好 性控 串扰较低。低通很低，小于较低，般为 较大很低，小于 道数时可小 一3 0 d b 一2 5 至3 5 d b 一3 0 d b 于3 0 d b 器件尺 随通道数增随通道数增较小，受通道 小，受通道大 寸加而迅速增加而迅速增 数和信道间隔数影响不大 加 加影响 信道均差 差好好 好 匀性 工艺成 高高 较低较低高 熟度 衍射光栅型器件的模拟分析及设计第一章绪论 从表1 可以看出，在众多的密集波分复用技术中，适合于实现大通道数、窄通 道间隔、最有前景的当属是后三种波分复用器件：基于蚀刻光栅( e t c h e d d i f f r a c t i o ng r a t i n g ) 、阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 和体光栅 ( v o u m ep h a s eg r a t i n g ) 的密集波分复用器件。它们具有低成本，高性能等优 点，有利于实现大规模的生产。 削4 a w g 结构不蕙幽 f i g4s c h e m a t i cd i a g r a mo f a n a w g 阵列波导光栅a w g 主要由两个自由传播区和一个波导阵列组成( 如图4 所 示) ，波导阵列中的波导长度有规律的变化。实际上阵列波导区相当于将e d g 的 反射光栅转变成透射光栅，通过改变波导的长度使这个透射光栅“闪耀”，从而实 现波分复用。由于不需要象e d g 一样刻蚀陡直的光栅面，a w g 工艺相对简单和 成熟。而且它的各方面性能都能够较好的满足现有波分复用系统的要求，因此它 在目前波分复用系统中得到广泛采用。 幽5 e d g 结构示意图 f i g5s c h e m a t i cd i a g r a mo f a ne d g e d g 型波分复用器件是平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的一种， 和其它结构的波分复用器件相比，它具有结构紧凑、波长分辨率高等优点，适用 于多通道的波长分离。图5 为e d g 波分解复用器件的示意图。典型的e d g 器件 由输入输出波导、凹面衍射光栅、衍射区组成。由于凹面光栅同时有会聚和色 散的功能，所以不同波长的入射光经反射后会聚在不同的位置，再由不同的输出 波导输出。器件集成在单片半导体基底上，其设计的核心是凹面衍射光栅1 1 8 1 1 1 9 i 。 和a w g 波分复用器件相比，因为它用凹面光栅代替了a w g 中的阵列波导， 所以e d g 器件具有更小的体积，在结构上更为紧凑。并且，由于光栅的槽面数目 浙江人学硕士学位论文石志敏 远大于a w g 中的阵列波导数目，所以e d g 具有更高的光谱分辨率，使其更能适 应高密度，多通道的通信系统。e d g 的制作工艺和a w g 相似，但e d g 的制作工 艺更为复杂，这成为目前影响其应用的主要问题。e d g 需要深刻蚀的反射光栅槽 面，而且光栅槽面的垂直度和粗糙度都会对器件的性能产生严重的影响，因此它 对工艺的要求更为严格；为了增加光栅的反射效率，光栅槽面上通常要蒸发一层 金属，同样增加的工艺的复杂度。 同时，一种新型的体光栅波分复用器1 2 0 】也越来越受到关注。对于已经得到广泛 应用的a w g 型波分复用器而言，它存在两个问题：一是温度敏感性高，需要温度 控制器对系统进行精确的控温：二是制作工艺较复杂，成本太高。和a w g 波分复 用器相比，体光栅不仅具有a w g 的波长分辨率高、通带宽、信道均匀性好等优点， 而且，它的温度敏感性低，不需要温控进行控温，它对偏振不敏感，损耗低，制 作成本也低于a w g 。由于这些优点，使体光栅正在成为光通信网络中很有吸引力 的波分复用器件。 图6v p g 波分复用器件示意图 f i g 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f av p g 体光栅波分复用器由入射光纤、准直透镜、体光栅、聚焦透镜和接收光纤阵列 组成【2o 】( 如图6 所示) 。体光栅被两层起保护作用底基底夹住，基底本身是低散射 的玻璃，并且在内表面度了防反膜以减小损耗。包含了h 个不同波长的入射光经 准直透镜准直后照射到体光栅上，由于光栅的色散作用，不同波长的入射光被衍 射到不同的方向，经过聚焦透镜后被不同的接收光纤所接受。通过合理的设计， 体光栅可以具有很高的衍射效率和角色散，衍射效率最高可达9 9 。体光栅的制 作采用全息技术，工艺很成熟，它的主