（物理电子学专业论文）基于interleaver的密集波分复用器研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， r、o 随着波分复用技术的迅速发展，系统中复用信道之间的间隔越来越j 啦本文着 眼于满足密集波分复用系统升级的需要，研制了基于交叉波长波分复用器 ( i n t e r l e a v e r ) 和介质膜滤光片的新型密集波分复用器。该器件实现了模块化设计， 较好的解决了系统升级问题。本文从理论和实验两个方面对上述新型密集波分复用 器进行了探讨和研究，主要内容包括： l 、利用波动光学和高斯光束传输理论，建立了自聚焦透镜和球透镜准直器耦合 系统附加损耗的理论模型，重点分析了准直器之间横向偏移和角向倾斜两种位置失 配对耦合系统附加损耗的影响。( 实验结果显示该理论模型比较精确地描述了位置失 配和耦合系统附加损耗之间的关系： 厂 2 、分析了不同双光纤间距和双光纤准直器中出射光束主光线与光轴夹角以及交 点位置之间的关系。通过改变双光纤准直器中两根光纤间距和自聚焦透镜长度以及 球透镜半径实现对滤光片透射波长偏移的纠正； 3 、设计了基于晶体波片的i n t e r l e a v e r 器件。刖用傅立叶级数的方法，采用两级 串联的形式优化了i n t e r l e a v e r 的带宽性能，导出了最佳带宽下器件的结构参数，并 术，扩展波分复用信道间隔，降低复用难度；利用双光纤准直器实现d w d m 滤波 单元的级联复用和解复用，简化器件结构，有效地改善器件性能。根据理论分析选 用了相关的元件实验结果和性能参数分析显示，该器件的指标能够很好的满足实 际应用的需要，从而验证了理论分析的正确性和设计方案的可行性。) 、 ， 关键词：密集波分复用，光无源器件，光纤准直器，光交叉波长波分复用器， 密集波分复用器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fd e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g y , t h ec h a n n e ls p a c i n gg e t sn a r r o w e r a n dn a r l o w e r i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d o fu p g r a d i n gt h es y s t e m ，an e wt y p eo fd w d m m u x d e m u xd e v i c eb a s e do no p t i c a l i n t e r l e a v e ra n dd i e l e c t r i ct h i n f i l mf i l t e ri sp r e s e n t e di nt h et h e s i s i tc a nm a k e t h ed e s i g n a n du s a g eo fm u x d e m u xm o d u l a r i z a t i o n ，a n di se a s yt ou p g r a d e m a i nr e s u l t sa c h i e v e d i i ln l i st h e s i sa r eo u t l i n e da s 也ef o l l o w i n g ： 1 am o d e lo ne x c e s sl o s si na c o u p l i n gs y s t e mc o n s i s t i n go f t w oc o l l i m a t o r s ，t h a ti s g r i n 1 e n sc o l l i m a t o r so rs p h e r i c a l - l e n sc o l l i m a t o r s ，i ss e tu pb yu s i n gt h et h e o r yo f w a v e o p t i c sa n dp r o p a g a t i o n o fg a u s s i a ub e a m a n di ti su s e dt od i s c u s st h el a t e r a lo f f s e ta n d a n g u l a r t i l t 2 r e l a t i o n s h i po f t h ep o s i t i o na n da n g l eo fo u t p u tr a ya tt h es u r f a c eo fd u a lf i b e r c o l l i m a t o rw i t hd i f f e r e n td i s t a n c eb e t w e e nt w of i b e r si sa l s oa n a l y z e d s i n c et h ec e n t r a l w a v e l e n g t ho ft h ed i e l e c t r i ct h i n - f i l mf i l t e rd e p e n d so nt h ei n c i d e n ta n g l e ，a n dt h ei t u w a v e l e n g t hg r i dc o u l db em a t c h e db yc h a n g i n gt h ed i s t a n c eo ft w of i b e r so rl e n g t ho f g r i nl e n so rr a d i u so f s p h e r i c a ll e n si nc o l l i m a t o r 一3 a ni n t e r l e a v e rb a s e do nc r y s t a lw a v e p l a t ei sd e s i g n e da n dt h ep r o p e r t i e so fi t s o u t p u ts p e c t r aa r ea n a l y z e dt h r o u g h f o u r i e re x p a n s i o n n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a t t h ef l a t t e n e dt r a n s m i s s i o na n dr e j e c t i o nb a n do fi n t e r l e a v e rc a nb eg o r e ni nt e r m so fu s i n g t w os t a g e so fc r y s t a lw a v e p l a t eo fas p e c i a la n g l eb e t w e e no p t i c sa x e s e x p e r i m e n t a l r e s u l t sg i v ee x c e l l e n ta g r e e m e n t s 、i t l lt h e o r i c a la n a l y z a t i o n 4 an o v e ls t r u c t u r eo fd w d mm u x d e m u xd e v i c ei sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h es p a c e o fa d j a c e n tc h a n n e l si s e n l a r g e db yi n t e r l e a v e r a n dd i f f e r e n tw a v e l e n g t hs i g n a l sa r e f i l t e r e di ns e r i e s b yd u a lf i b e rc o l l i m a t o r s a n dd i e l e c t r i ct h i n - f i l m f i l t e r s e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h i sk i n do f m u x d e m u xc a nd ow e l li np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：d w d m ，o p t i c a l p a s s i v e c o m p o n e n t ，f i b e rc o l l i m a t o r , i n t e r l e a v e r m u x f d e m u x n t ，a - - 廖 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 引言 随着信息时代的到来，网络中的业务类型逐步由传统的p s t n 网中的话音和传 真向移动业务和i n t e r n e t 业务( 话音、数据、图象) 以及其他口业务扩展。各种业 务的容量要求也不断增长：i n t e m e t 的发展使得其带宽需求每三到四个月就增长一倍， 三年后i n t e m e t 通信量将是今天的一千倍左右。同时企业和用户的需求日益增长。目 前，企业的每台p c 的带宽规划为1 0 m b i t s ，大型的商业网点将达到2 0 5 g b i t s 。通 信技术向着宽带化、数字化、综合化的方向发展，宽带综合业务数字网已成为现代 通信技术的首选目标。大容量、高速率、长距离光纤通信系统的发展和全光网络的 研究与开发 1 1 为宽带综合业务数字网的建立和发展提供了必要条件【2 1 。 在新一代超高速光通信系统中，常用的扩容技术主要有时分复用( t d m ) 、波分 复用( w d m ) 以及时分复用和波分复用合用( t d m & w d m ) ，其中最具有代表性的 就是波分复用技术。所谓w d m 技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨 大带宽资源，采用波分复用器( 合波器) ，在发送端将不同波长的光载波合并起来并 送入一根光纤进行传播。在接收端，再由一波分解复用器( 分波器) 将这些不同波 长承载的不同信号的光载波分开的复用方式。它是提高光通信容量最有效的方法之 一【3 】。在不考虑非线性效应时，不同波长的光载波可以看成互相独立的，因而双向传 输的问题很容易得到解决。当波分复用中的光载波波长间隔非常小( 2 0 0 g h z ) ， 且复用的波长数目非常多( 8 个波长) ，此时就称之为密集波分复用( d w d m ) 。 密集波分复用技术的特点如下： 1 、可以节约光纤，充分利用光纤的巨大带宽资源，使得传输容量比单波长传输 增加几倍至几十倍。此外对于早期安装的光缆，利用波分复用技术可以不必对原有 系统做太大的改动，进行扩容比较方便。 2 、波分复用对于数据格式是透明的，与信号速率及电调制方式无关( 即对其透 明) ，是引入宽带新业务( c a ，h d t v 和b i s d n ) 的方便手段。通过增加一个附 加波长即可引入需要的新业务或新容量。 3 、能够减少色散对系统的影晌，容易实现全光网络。 华中科技大学硕士学位论文 密集波分复用器是密集波分复用系统和全光网络的核心基础。密集波分复用器 可以衍生多种重要功能器件，如光上下路器【4 l 一用于指定波长的上下路；光波长 路由器【5 】用于光交叉连接。因此对于密集波分复用器的研究具有重要的理论意 义和良好的市场前景。 1 2 国内外研究状况 密集波分复用器的核心是窄带光滤波技术。目前常见的光通信用滤波器主要有 以下几种：介质膜滤光片( d i e l e c t r i ct h i n - f i l mf i l t e r ) ，光纤光栅( f i b e rg 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 ) ，马赫- 泽德干涉仪( m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ) ，法布里白洛标准具( f a b r y p e r o te t a l o n ) 等。 介质膜滤光片由两个或者两个以上的用反射介电薄膜层来分隔的腔所构成的， 实际上就是多个法布里一白洛标准具叠加的结果【6 】，其腔体附近的反射面是通过使用 多层反射介电薄膜镀层来实现的。这种器件可以用作带通滤波器，即通过某一个特 定的波长而反射其它的波长。那些可以通过滤波器的波长由腔的长度而定。随着腔 的增加，介质膜滤光片通带的顶部将变得更加平坦，带尾则更加陡峭，这些都是我 们所期望的特性。 光纤光栅是近几年逐渐发展起来的一种新型器件，它在滤波、光分插复用以及 色散补偿等领域得到广泛应用【7 】。光纤光栅一般是用紫外光照射高掺锗或氢载光纤， 使得光纤纤芯折射率分布呈周期变化，产生布拉格效应来获得。光纤光栅在满足布 拉格条件的波长上发生全反射，而其余波长则被通过。由于光纤光栅是直接在单模 光纤上制作而成，所以具有低损耗( 0 1 d b ) 、高波长精度( o 0 5 n m ) 、相邻信道串 扰小、通带顶部平坦等特点。经过温度补偿以后，其输出波长受环境影响小，因此 是一种较为理想的滤波器件。 马赫一泽德干涉仪通常是利用集成光学技术来构造的平面波导器件【引。它包括两 个通过不同长度的路径所互连而成的具有一定分光比的定向耦合器。该器件的衬底 通常是硅，而波导区则是折射率较高的石英。利用熔融拉锥工艺也可以制造成全光 纤型的马赫一泽德干涉仪器件【9 】。马赫一泽德干涉仪既可以用作滤波器也可以用作宽 带复用器解复用器，实现1 3 p a n 和1 5 5 p r o 波段波长的分离。窄带马赫一泽德干涉 滤波器可以通过一定数量的各级滤波器级联起来制作【1 0 1 。 阵列波导光栅是马赫一泽德干涉仪的通用形式，它由两个通过阵列波导互连而 2 华中科技大学硕士学位论文 成的多端口耦合器构成f l l 】。马赫一泽德干涉仪可以看作是一种最简单的阵列波导光 栅器件。阵列波导光栅有多种用途，首先它可以作为，l 1 的波长复用器。在这种功 能中，它是一个具有n 个输入端口和1 个输出端口的器件，n 个输入端口的信号具有 不同的波长值，最后耦合到同一个输出端口。与这种功能相反的，即1 ”的解复用 器，也可以通过使用阵列波导光栅而实现。阵列波导光栅具有较低的损耗，平坦的 通带特性和在集成光学衬底上易于实现等特点，其输入和输出波导、多端口耦合器 以及阵列波导均可以在同一衬底上制作。衬底材料通常是硅，而波导材料通常是二 氧化硅。由于阵列波导光栅的温度系数( o ，o l n m 。c ) 不像光纤光栅和介质膜滤光片 那样低，因此我们需要采用有效的温度控制方法来保障在不同温度下器件的稳定工 作。 常见的滤波器还有声光可调滤波器和f a b r y - - p e r o t 标准具，最近也有关于其它 类型滤波器的报导【l “。 目前关于密集波分复用器以及相关应用的专利非常多【1 3 1 【2 7 】，按滤波器类型来分 类，密集波分复用器可以分为干涉滤波器、阵列波导光栅( a w g ) 、角色散器件以及 光纤光栅和f a b r y p e m t 标准具等多种类型。 s m fs m f 图1 - 2 1 介质膜滤波器型密集波分复用器 图l 2 1 表示的是由介质膜干涉滤光片所构成的密集波分复用器的结构简图。目 前多采用这种方法来制造密集波分复用器。这种器件一般由不同透射波长的介质膜 滤光片和1 4 节距的自聚焦透镜准直器构成。为了实现复用器和解复用器的功能，可 以将很多这样的滤波器级联起来。输入的多个波长的光每遇到一个指定波长的滤光 片，对应该波长的光被透过，而其余波长的光则被反射，一直到所有波长的光从相 华中科技大学硕士学位论文 应的端口输出。 目前，国内外生产介质膜滤光片型密集波分复用器的厂家很多，国外著名的公司 有j d s u ，o p l i n k 等，国内的公司有光迅、光炬等。表1 2 1 为不同厂家1 6 1 0 0 g h z 介质膜滤光片型密集波分复用器性能比较。 表1 2 1 不同厂家1 6 1 0 0 g h z 介质膜滤光片型密集波分复用器性能比较 性能参数 o p l i n kj d s - u n i p h a s e 光迅 通带宽度( n m ) 三0 2 20 20 2 插入损耗( d b ) 郢! ，06 0 8 0 相邻信道隔离度( d b ) 2 5 2 5 2 5 非相邻信道隔离度( d b ) 3 5 4 0 3 8 波长温度漂移( p m c ) 盟9 偏振相关损耗( d b ) ! 抑2兰r 。11 2 回波损耗( d b ) 4 5 4 5 4 5 图l 一2 2 所示为闪耀光栅所构成的密集波分复用器。闪耀光栅对于确定的中心波 长，具有很高的反射率。整个器件插入损耗小，复用波长之间的间隔可以很窄，并 且温度性能好。但是对于反射曲面的设计需要精确的计算和加工，难度比较大。现 在只有少数厂家采用这种方式进行密集波分复用器的制作。 图i - 2 - 2 闪耀光栅型密集波分复用器 图1 2 - 3 所示为阵列波导光栅型密集波分复用器，它主要由n 个输入波导、n 个 4 华中科技大学硕士学位论又 输出波导、两个聚焦平板波导和波导阵列组成。它们都集成在同一个衬底上。输入 和输出波导位于罗兰圆周上。波导阵列中相邻波导间的长度差为常数，因而可以对 入射光的相位周期性地调制。这样在输出端就能对不同波长进行选择性滤波，实现 解复用的功能。阵列波导光栅最大的优点是易于集成，复用波长间隔小，复用波长 数目大。随着波分复用系统的发展，阵列波导光栅有可能成为主要的合波分波器件， 此外阵列波导光栅在色散补偿【28 1 、波长路由等方面也有着广泛的用途。 f p r ：自由传播薄 图1 - 2 3 阵列波导光栅型密集波分复用器( 1 x n ) 表1 2 2 给出了不同类型密集波分复用器性能之间的比较。从表中可以看出介质 膜滤光片型的密集波分复用器性能比较稳定成熟，但是不太适合复用信道间隔十分 密集和复用波长数目非常大的情况。阵列波导光栅虽然可以满足上述要求，但是在 偏振相关损耗和器件工作稳定性上还需要进一步改进。 表1 2 2 不同类型密集波分复用器的性能比较 复用波长间隔复用波长隔离度插入损耗 i类型主要缺点 ( n i n ) 数目 ( d b )( d b ) 复用波长间隔 介质膜滤波器0 8 1 0 0 1 1 0 02 5d b0 2 o 5 较大 光纤光栅 04 1 04 1 3 23 0 d b0 2 o 5 温度稳定性差 插损和偏振相 阵列波导光栅 04 54 3 2 02 5 d b6 1 0 关损耗大 华中科技大学硕士学位论文 随着波分复用技术的迅速发展，系统中复用信道之间的间隔逐步由1 0 0 g h z 升 级到5 0 g h z ，甚至有到2 5 g i l z 的趋势。这样对波分复用解复用器制造技术要求越来 越高，从而增加了系统的运营成本，也不利于系统的升级换代。为了实现5 0 g h z 和 更窄间隔的密集波分复用，一种有效的解决途径就是通过光交叉波长波分复用器 ( i n t e r l e a v e r ) ，将上一级复用波长中的奇偶波长分开，使得波长间隔变为原来的两 倍，在信号的输出端应用现有的1 0 0 g h z 或者2 0 0g h z 器件即可以实现相应的系统 功能。像这样基于i n t e r l e a v e r 技术和传统的介质膜滤光片的密集波分复用器件能够较 好地满足密集波分复用系统中复用波长间隔越来越小的需要，使得器件的设计和使 用模块化，极大地降低了系统运营的成本和器件设计制作的压力，较好的解决了系 统升级所带来的设备更新问题，使得系统和器件具有良好的向下兼容性。 1 3 本文的研究工作 本课题来源于“教育部跨世纪优秀人才培养计划”以及“武汉市科委重大科技 攻关计划”( 项目编号：2 0 0 0 1 0 0 1 0 0 5 ) 。论文的主要任务是研究开发基于i n t e r l e a v e r 的密集波分复用器，实现器件的模块化设计，以满足密集波分复用系统升级和扩容 的需要。全文的内容组织如下： 第一章概略地介绍密集波分复用器和对应光滤波器地研究现状，对比了不同密 集波分复用器的工作原理和优缺点： 第二章利用高斯光束传输的有关理论，对准直器出射高斯光束束腰位置( 像距) 、 束腰半径、入射光纤与透镜之间的长度( 物距) 三者间的相互关系进行了讨论。采 用几何光学的方法分析了不同双光纤间距和双光纤准直器中出射光束主光线与光轴 夹角以及交点位置之间的关系。通过改变双光纤准直器中两根光纤间距、自聚焦透 镜长度以及球透镜半径实现对滤光片透射波长偏移的纠正。建立了自聚焦透镜和球 透镜准直器附加损耗的理论模型，重点分析了准直器之间横向偏移和角向倾斜两种 位置失配对耦合系统附加损耗的影响，并从实验上验证了该理论模型的正确性： 第三章简要的介绍了各种i n t e r l e a v e r 的工作原理。设计了基于晶体波片的 i n t e r l e a v e r 器件。运用傅立叶级数展开的方法，对器件的输出光谱特性进行了分析。 采用两级晶体串联的形式改善了i n t e d e a v e r 器件的带宽性能，导出了最佳带宽下器件 的结构参数，并且用实验验证了带宽优化方法的正确性。此外，本章对i n t e r l e a v e r 的温度补偿问题也进行了一些初步的讨论； 华中科技大学硕士学位论文 第四章针对新型密集波分复用器的结构进行了设计。器件整体上采用并联和串 联相结合的混合结构通过交叉波长波分复用器来改变信道之间的间隔，降低复用 和解复用的难度；采用双光纤准直器、介质膜滤光片以及单光纤准直器构成可级联 扩充的滤波单元，实现不同波长光信号的滤波。根据前述几章的分析选用了器件所 需的相关元件。最后对器件的整体性能进行了实验分析和研究： 第五章总结了作者通过本论文的研究工作所获得的结论与成果。 7 华中科技大学硕士学位论文 第二章准直器特性分析 单模光纤准直器是光纤通信和光纤传感系统中常用的无源器件。它可以对单模 光纤中传输的高斯光束进行准直和聚焦，以提高光纤与光纤之间的耦合效率。光纤 准直器一般由尾纤( 光纤) 、光纤插针( 毛细管) 、透镜、玻璃套管以及金属套管等 五个部分组成【2 9 1 。按照其尾纤数的不同来分类可以分为单光纤准直器和双光纤准直 器；按照准直器中透镜的不同，又可分为自聚焦透镜准直器和球透镜准直器。随着 无源器件的发展，光纤准直器的重要地位日益突出，它被广泛地应用于复用解复用 器、衰减器、隔离器、光开关等领域口。 在本章的讨论中，我们首先利用波动光学和高斯光束传输的有关理论，对准直 器出射高斯光束束腰位置( 像距) 、束腰半径、入射光纤与透镜之间的长度( 物距) 三者间的相互关系进行了分析。然后采用几何光学的方法对双光纤准直器出射光线 与光轴之间的夹角和交点位置关系进行了讨论。最后建立了准直器耦合效率的理论 模型，并从实验上验证了理论分析的正确性。 2 1 单光纤准直器性能分析 本节利用高斯光束传输的有关理论，导出了准直器出射高斯光束束腰位置( 像 距) 、束腰半径和入射光纤与透镜之间距离( 物距) 之间的数值解关系。 图2 - 1 1 单光纤准直器工作原理图 光轴 单光纤准直器的工作原理如图2 - 1 - 1 中所示。图中准直器透镜可以是自聚焦透 镜，也可以是球透镜。参考平面0 为单模光纤的出射端面，可以近似地认为从光纤 华中科技大学硕士学位论文 出射的高斯光束束腰位于参考平面0 处【3 ”，其对应的q 参数为 q o ：f 掣王 ( 2 - 1 1 ) 2 p 2 u 一卜1 ) 在参考平面1 ，对应的q 参数为 g l ：g 。+ d ：d + f _ ! 兽( 2 1 2 ) 在透镜的出射端面，即参考平面2 处，对应的q 参数为 q 2 ：要蝶 (21_3)dc 赢+ 、叫 g = 曙匐 p ，川 对于自聚焦透镜而言，设h 。为自聚焦透镜中心的折射率，爿为透镜的聚焦参数，三 为透镜的长度，公式( 2 1 - 4 ) 1 3 1 1 g ：f 咖m - l 南8 i n ( 扛d 1( 2 1 5 ) - - n o 压s i n ( 历三)c o s ( 历上) 对于球透镜来说，n ，为球透镜的折射率，为透镜的球面半径，l 为透镜的长度，公 g = 土旦1 一 ， ( 2 - 1 6 ) 在参考平面3 ，即准直器出射高斯光束的束腰处，对应的q 参数为 吼= q 2 + 屯( 2 - 1 7 ) 由高斯光束的性质，其波前在束腰处曲率半径为无穷大，所以 9 d 一 告等 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 1 8 ) 由公式( 2 1 8 ) ，准直器的工作距离( 像距) 和入射光纤与透镜之间的长度( 物距) 的 关系式可以写成 d 。= 一( c d 可+ 万d ) ( 历a d 再+ b 虿) + r a c m 2 其中，。：；墼 几 由公式( 2 1 7 ) ，出射高斯光束的束腰半径满足 孑1 = 一署h 妻) 巧3 2 m脚 1 一t g 面c d i 可了万m、(+ d ) 2 + c 2 ( 2 1 9 ) f 2 1 1 0 ) 将公式( 2 1 5 ) 、公式( 2 一l - 6 ) 、代入公式( 2 - l - 9 ) 以及公式( 2 1 i o ) ，即可以得出自聚 焦透镜和球透镜准直器输出高斯光束的相关特性。图2 1 。2 和图2 1 3 给出了这两种 类型准直器输出光束特性的理论计算曲线，其中单模光纤出射高斯光束的束腰半径 疗。= 5 2 5 p a - n t 3 2 1 ，工作波长为1 5 5 p m 。自聚焦透镜的型号为s l w - 1 8 0 3 1 ，中心折射率 = 1 5 9 ，聚焦参数4 a = o 3 2 6 m m ，透镜的节长p = 4 8 2 r a m ，长度l = 4 4 3 m m ( 对 应o 2 3 倍节长) 。而对于球透镜，其参数为n = 1 7 4 4 7 4 2 ，= 1 4 m m ，三= 2 9 3 m m 。 从图2 1 2 和图2 1 3 可以看出，当光纤和透镜端面之间的距离d 等于透镜的后 截距( 即光纤位于透镜的焦点上) 时，出射高斯光束的柬麒半径最大。当d 大于后 截距时，随着d 的增大，束腰距离透镜端面( 参考平面3 ) 的距离先变大后变小。对 于由两个完全相同的准直器所组成的耦合系统来说，耦合系统的工作距离实际上就 是束腰位置距离参考平面3 长度的两倍。也就是说改变d 的值，可以实现准直器工 作距离的变化。在实际生产中，正是应用这种方法来实现特定工作距离准直器的制 备。 1 0 上蚓 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 2 自聚焦透镜准直器输出光束特性曲线 o 0 0 10 2 0 3 0 4 o 50 6 0 7 0 8 o 1 0 0 捌 0 1 0 。，i “住蠢 0 1 0 非 。襞 。0 6 。 o 0 0a 10 2o 30 4050 60 7o o 口 1o 光纤和遗镜端面之间的距离( _ ) 图2 - 1 3 球透镜准直器输出光束特性曲线 2 2 双光纤准直器性能分析 由单光纤准直器发展而来的双光纤准直器在密集波分复用器、光开关、偏振光 合束器( p b c ) 以及光交叉波长复用器( i n t e r l e a v c r ) 等领域有着广泛的用途。在这 些器件的设计中，双光纤准直器出射光束主光线与光轴之间的夹角以及交点位置( 最 佳反射位置) ，对器件性能的影响十分明显。本节利用几何光学的方法从理论上分析 了不同类型双光纤准直器中光纤离轴距离与出射角度、交点位置之间的数值解关系。 设双光纤准直器中两根光纤之间的距离为d ，光纤纤芯的折射率为h 0 1 空气的 o o a o l v 坦稿联 华中科技大学硕士学位论文 折射率为一，透镜与光纤头( 由尾纤和毛细管构成) 两者之间的距离为d 。为了增 加器件的回波损耗，透镜与光纤头相邻的端面均加工成角度为目的楔角【3 4 】。 准直器透镜 ( a ) ( b ) 图2 - 2 1 双光纤准直器示意图 如图2 2 1 ( a ) ，在垂直于楔角面的主截面( 设为平面m ) 内考虑中心光线经过 透镜后的偏折情况。设光纤发出的主光线入射到透镜端面上对应的位置和角度分别 为，l 和研，经过透镜传输后分别为，。和如，那么 ( 品 = ( 矗) = d o s i n 8 ， c o s 8 j s i n e , t 9 0 留s i n ( 塑一口) 盯 g ( 品 由公式( 2 - 2 2 ) 计算可以知道，楔角口的存在使得准直器在平面m 内出射的主光 线相对于光轴有一定的偏折。不过由于光纤头与透镜之间的距离而很小，所以楔角口 的影响可以忽略不计。 如图2 - 2 - 1 ( b ) ，在垂直于平面m 的主截面( 设为平面n ) 内考虑双光纤出射光 f ) ) 1 ， _ _ 2 2 2 2 华中科技大学硕士学位论文 线之间夹角、交点和间距的关系。为了分析简便起见，忽略楔角口的影响。由于两根 光纤相对于光轴对称摆放，所以每根光纤的离轴距离为d 2 。从光纤发出的主光线 入射到透镜端面上对应的位置和角度关系满足公式( 2 - 2 - 3 ) 。 鼢 p z 司 透镜的传输矩阵仍可近似为g ，经过透镜传输后出射主光线对应的位置和角度关系 满足公式( 2 - 2 4 ) 。 卜j q 2 _ 4 ， 将公式( 2 - 1 5 ) 和公式( 2 1 6 ) 分别代入到公式( 2 2 - 4 ) 中，即得到双光纤准直器e n 从不同 i v 4 根光纤出射的光束其主光线之间的夹角妒和对应交点距离透镜端面的长度。 = 2 0 。 ：乓 1 9 8 ， 罄一 冀 署 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( a )( b ) 图2 - 2 - 2 自聚焦透镜双光纤准直器中双光纤间距 与夹角和交点位置之间的关系 华中科技大学硕士学位论又 图2 2 2 ( a ) 和( b ) 给出双光纤自聚焦透镜准直器中双光纤间距、透镜长度与出射光 束主光线和光轴的夹角、交点位置之间的关系，具体参数和前述的相同。计算结果 表明，双光纤之间的间距越大，出射光束主光线与光轴的夹角也越大，交点位置却 几乎不变。随着透镜的长度的增大( 1 4 节长范围内) ，出射光束主光线与光轴的夹 角将变大，而交点位置距离透镜端面的长度将变小。 图2 2 3 ( a ) 和( b ) 给出了双光纤球透镜准直器中双光纤间距、球透镜球面半径与出 射光线与光轴的夹角、交点位置之间的关系。计算结果表明，双光纤之间间距越大， 出射光束主光线与光轴的夹角也越大，而交点位置却几乎不变。随着透镜球面半径 的增大，出射光束主光线与光轴的夹角将变小，而交点位置距离透镜端面的长度将 变大。 l j 冀 苦 一n t 6 * 一r ；22 t * 一 一r 1 3 o 毫* ( a )( b ) 图2 - 2 3 球透镜双光纤准直器中双光纤间距 与夹角和交点位置之间的关系 上述的分析给出了不同类型双光纤准直器中光纤离轴距离与出射角度、交点位 置之间的数值解关系。这些结论在无源器件的设计中有着广泛的应用价值。比如： 在介质膜滤光片型d w d m 器件中，滤光片的输出中心波长通常会与i t u 规定值存 在一定的偏差。为了使输出波长能够较好地符合i t u 标准，可以利用滤光片透射波 1 4 华中科技大学硕士学位论文 长与入射角度之间的关系来进行调节【3 5 】。由前面的分析可知，改变双光纤的间距、 自聚焦透镜的长度以及球透镜的半径，可以使入射到滤光片上的光线的角度发生变 化，这样滤光片的透射波长也会随之改变，从而实现波长偏差的纠正。在机械式光 开关和交叉波长波分复用器中，经常需要使用双光纤准直器进行光束的耦合。最佳 反射位置距离透镜端面越远，越有利于光学元件的安放。由前面的分析可知，改变 自聚焦透镜的长度或者球透镜的球面半径可以达到这个目的。有关双光纤准直器在 d w d m 器件中的具体应用将在4 1 节讨论。 2 3 准直器耦合效率理论模型 两个准直器耦合效率的高低一方面取决于准直器固有的损耗机制，另一方面也 取决于耦合系统位置失配所引起的附加损耗。一般说来，由像差，吸收，散射和机 械公差等因素所引起的固有损耗非常小，因此耦合系统中准直器之间的位置失配是 影响耦合效率的主要原因。在光纤准直器耦合系统中，附加损耗来源于三种类型的 位置失配【3 6 】：两个准直器纵轴之间的横向偏离，角向倾斜和轴向的间距，如图2 3 1 所示。理论计算和实验研究表明：附加损耗对角向倾斜和横向偏离的变化最为敏感， 而对轴向间距的变化不敏感。我们在这里主要讨论角向倾斜和横向偏离对附加损耗 的影响，同时利用波动光学的方法建立一个理论模型来描述准直器耦合系统的耦合 效率。 o f b ( c ) 日i ：辜：日 ) 移：= ：二= 臼一 ( a ) 横向偏离( b ) 间距( c ) 角向倾斜 图2 - 3 1 影响附加损耗的位置失配因素 华中科技大学硕士学位论文 单模光纤准直器的耦合效率可以用类似于多模光纤自聚焦透镜准直器的方法来 处理【”1 。在荦模光纤准直器耦合系统中，垂直于光轴截面上的功率密度可以用高斯 型分布来近似描述。输入端准直器将来自输入光纤的光进行扩束，并以高斯型光束 进行传播。输出端准直器则把光束会聚进输出光纤。如果准直器之间存在位置失配， 那么从两根输入和输出光纤分别出射的高斯光束模场通过准直器后在同一个空间位 置上所产生的像斑具有不同的尺寸，并且相互间产生位移( 如果不存在位置失配， 则不会出现这些现象) 。因此准直器耦合系统的附加损耗可以采用二重积分的方式通 过计算两个圆形高斯光斑之间的重叠面积来得到。 2 3 1 准直器耦合效率的理论分析 在单模光纤准直器耦合系统中，两个准直器之间如果存在横向偏离将会引起附 加损耗。这是因为横向偏移的存在使得入射到输出光纤的光线发生了倾斜，其中部 分光线位于输出光纤的接收角之外。图2 - 3 2 给出了出射光线角度随输入光线横向位 移增大而变大的情况。通过计算输入端准直器出射高斯光束在输出端准直器透镜端 面所成的光斑l 和输出光纤模场相对于接收透镜在其输入端所成扩大的高斯光束的 光斑2 之间的重叠面积，就能确定横向偏移引起的附加损耗。 7 图2 3 2 出射光线的倾角随着输入光 线的横向位移的增加而变大 图2 - 3 3 入射光线倾角0 引起接收光纤端面 上光斑发生大小为d 目的偏移 角向倾斜引起的附加损耗可以通过计算输入光纤模场经过两个准直器后在输出 光纤端面上所成像与输出光纤模场之间的重叠面积来得到。图2 3 3 表示输入光纤模 场在输出光纤端面所成光斑的横向位移随准直器之间角向偏移的增加而增大。 下面我们将重点分析位置失配对球透镜准直器耦合效率的影响，得出的有关结 论同样适用于自聚焦透镜准直器对应的情况。为了建立一个比较精确的模型来描述 位置失配对插入损耗的影响，首先我们根据厚透镜的传输矩阵推导出球透镜准直器 的传输矩阵，求出在某一个确定面上由输入光纤出射的高斯光束q 参数的变化情况， 并得出对应光斑的大小。然后用同样的方法得到接收光纤出射高斯光束在同一个平 1 6 华中科技大学硕士学位论文 面上的光斑特性。最后利用二重积分的方法计算两个高斯光斑的重叠面积，从而求 出耦合效率和对应的附加损耗。 设空气的折射率为疗= 1 ，厚透镜的折射率为啊，长度为，其两个球面的半径 分别为r ，r 2 。由几何光学的符号规则，r l o ，r ： o ) ， 材料折射率相同，对比以下两种情况求球透镜的传输矩阵： 输入端透镜 输出端透镜 ( a )( b ) 图2 - 3 - 5 球透镜传输矩阵参数示意图 在图2 3 5 ( a ) 中r l = * ，r 2 = - - r ，r 0 ，此时球透镜的传输矩阵可以写成 华中科技大学硕士学位论文 z = 玎 1 一垫l 二1 2 门， 在图2 3 5 ( b ) 中r l = r ，r 2 = o o ，r 0 ，此时球透镜的传输矩阵可以写成 疋= l 一垫二! ! 三 啊r胛l 生堕 1 r f 2 3 - 2 ) ( 2 3 3 ) 若光纤头和透镜之间的间距为d ，对应空气隙的传输矩阵可以写为 瓦= f p s 川 因此在准直器耦合系统中输入端准直器( 图2 - 3 5 ( a ) 所示) 和输出端准直器( 图 2 - 3 5 ( b ) 所示) 的传输矩阵可以分别写为 m l = 7 1 l 死( 2 3 5 ) m 2 = r o 疋( 2 - 3 6 ) 光纤头和透镜之间的间距d 与工作距离z = 2 d 之间的关系可以由公式( 2 1 9 ) 求得。 厂 4 口掣 鼽艄l 一。h 一玑一一! 一h 一。一产 图2 - 3 - 6 球透镜准直器耦合系统的横向失配 如果输入准直器和输出准直器之间相对于最佳耦合位置产生了横向偏移，那么 在输出光纤端面上将会有部分光线位于光纤的接收角之外，从而产生能量的损耗。 如图2 3 6 所示，在两个准直器之间垂直于轴向方向上的某一个平面a 内计算输入准 华中科技大学硕士学位论文 直器、输出准直器分别作为输入端时在该平面内所成高斯光斑之间重叠面积的大小 就可以求得横向失配对插入损耗的影响。为了分析的简便，我们可以将这个平面取 在两个准直器之间的中间位置上，也就是说平面a 离开准直器端面的距离为耦合系 统工作距离的一半。 发送光纤出射的高斯光束到达平面a 时，所经光路对应的传输矩阵为 n l = 五m - = 正正瓦f 2 - 3 7 1 其中，正= 0 。：2 为透镜端面和平面4 之间空气隙的传输矩阵。 求对应高斯光束q 参数的变化情况，令 卟( 三盖 那么可以得到： 一：1 + ! ! 二竺! 坚 1 2 r 耻d + 当+ 争1 一垫生一垫 z ， 打l ， 4 g = 字 d ：1 一空亟= ! ! 一幽 ， 玎l ， 在平面爿处出射的高斯光束对应的q 参数为 由a b c d 法则来 ( 2 3 8 ) r 2 3 9 a ) ( 2 - 3 - 9 b ) r 2 3 9 c ) ( 2 - 3 - 9 d ) ( 2 3 1o ) 其中吼= f 孚为光纤中出射高斯光束在光纤端面处的q 参数，为模场半径，a 为 准直器的工作波长。 此时高斯光束光斑的半径满足： _ l 一 1 9 目一日 吐一 鱼钿 = 吼 华中科技大学硕士学位论文 一1 ：一要i i n 上 ： 巧； a q 2 三丑 a ( 4 孕) 2 + 砰 ：? 翌l 膏 ( 2 3 1 1 ) 4 = 一 i 二一一 42 石2 + b , 2 牙 、 对于输出端准直器而言，输出光纤发出的高斯光束经过输出端透镜后在平面a 处对应q 参数用同样的方法可以求出。由于两个准直器到达平面a 时高斯光束经过 的传输矩阵相同，因此对应的光斑半径也相同( g 参数大小相等) 。 当横向偏移为x o 时，球透镜准直器耦合系统对应的耦合效率为 = 亘x p 【一鱼旦旧( 一三) 螂( 2 - 3 - 1 2 ) 附加插入损耗为 i l = - 1 0 l o g 【黜】2 ) ( 2 - 3 - 1 3 ) 其中， 1 口： 石2 珂； 虿忑而 e ( o ，0 ) 为无角向和横向位置失配时的耦合效率。 图2 - 3 7 附加损耗与横向失配的理论关系曲线 设单模光纤准直器中球透镜对应的材料折射率为n = 1 7 4 4 7 4 2 ，球透镜的半径r = 1 4 m m ，透镜的后截距为0 2 m m ，那么可以求得透镜的长度为2 9 3 r a m ，准直器出 华中科技大学硕士学位论文 射高斯光束的束腰位置距离透镜的端面为2 5 m m ，即耦合系统的工作距离为5 m m 。 由此可以得出横向偏移和附加损耗变化之间的理论关系曲线，如图2 3 7 所示。从曲 线上我们看出，随着横向偏移的增大，插入损耗急剧增加。当横向偏移为1 0 0 1 a m 时， 耦合系统的附加插入损耗将达到3 d b 。 如图2 3 8 所示，如果耦合系统中的两个准直器相对于最佳耦合位置发生了角向 的倾斜，那么在输出光纤的端面上入射的高斯光束光斑( 即输入光纤发出的高斯光 束光斑在此处所成的像) 相对于输出光纤的模场( 也可以看成输出光纤发出的高斯 光束光斑) 产生了一个位移，它会导致耦合效率的降低，从而引起损耗。 为了分析的简便，我们假设当发送准直器偏移最佳耦合位置0 角入射到接收准直 器的顶点处时，在接收光纤的端面仅是光斑的位置沿垂直于光轴的方向上移动了d ， 而其它的参数均可认为基本不变。 图2 - 3 8 球透镜准直器耦合系统的角向失配 由于角同倾斜阴角厦非鬲，j 、，一股征0 2 厦以内，凼此两个准亘器之间的空气隙 的传输矩阵仍可以近似的写为 l = f ( 2 - 3 - 1 4 ， 发送光纤出射的高斯光束到达接收光纤端面时，所经光路对应的传输矩阵为 n 2 = m 2 五m l( 2 - 3 1 5 ) 讹= 眭。b 2 ：) ( 2 - 3 - 1 6 ， 2 l 一旦 一雪盆 华中科技大学硕士学位