（物理电子学专业论文）光通信用interleaver器件的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 随着光纤通信的迅速发展，曾出现了所谓的“带宽枯竭”和对带宽的“无限渴 求“瑰象。在这种情况下，为了提高通信系统的性价比，满足不断增长的电信和i n t c m e t 业务的需求，如何提高通信系统的通信容量，即增加单光纤的复用通道数就成为了 焦点。传统的密集波分复用( d w d m ) 技术随着复用通道数的增加，面临的困难越 来越多，已无法满足日益增长的带宽需求。交叉复用( i n t e r l e a v e r ) 技术的出现更新了 密集波分复用中分波合波器件的理念，从奇偶信道交叉复用角度解决了压缩信道间 隔，提高通信容量的问题，大大降低了传统d w d m 器件的设计压力，使许多成熟的 d w d m 的技术得以在新应用中继续发挥作用。y 本文首先简要介绍了h t c r l e a v e r 技术出现的背景、发展状况、与传统d w d m 技 术的关系，分析了两者原理、实现方法上的异同点。然后，分析了双折射晶体型、 马赫一曾德( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪型、迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪型、光纤光 栅( f b g ) 型和阵列波导光栅( a w g ) 型凡种i n t e r l e a v e r 技术的实现方法。着重讨论了双 折射晶体型、m a c h z e h n d e r 干涉仪型i n t e r l e a v e r 的理论计算，包括传输公式的推导 及性能参数的计算，并进行横向比较。详细研究了改善两者性能的共同方法傅 里叶( f o u r i e r ) 光学改善i n t e r l e a v e r 输出波形和利用反射消除色散法。为双折射g t ( b g t ) 型i n t e r l e a v e r 器件的原理及特性研究奠定了理论基础。 在以上工作的基础上，本文从多光束干涉和偏振光干涉的角度，计算推导了 b g t 型i n t e r l e a v e r 的传输函数，分析b g t 腔的奇偶信道特性、带宽、色散、温度 等性能，以及它们之间的相互关系，说明b g t 型i n t e r l e a v e r 的可调谐性。设计、调 试实验设备及光路，分析实验数据和结论，从理论和实验两个方面对b g t 型 i n t e r l e a v e r 器件的原理，特性及其应用进行了系统的研究。 在以上分析研究的基础上，提出一种单b g t 腔型1 9 t e r l e a v e r ，并从结构、原理、 实验、封装、性能等方面对其进行详细叙述和研究。y 本文还提出了g t 腔和1 4 波片用于膜系检测的方案，及与其它i n t e d e a v e r 的 级联使用的方案和计算程序。最后，介绍了i n t e r l e a v e r 在波分复用、分插复用、环 行器、光开关、及波长路由器、网络扩容升级等方面的应用。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ! = ! = = = = = = ! ! ! = ! = ! ! ! = = ! = = 兰! ! = g = ! ! ! = ! ! ! ! a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p t i e a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，i ti ss a i d t h a tb a n de x h a u s t i o n i st a k e np l a c ea n db a n d w i d t hi su n l i m i t e d l yr e q u e s t e d o nt h i se n v i r o n m e n t , i no r d e rt o i m p r o v es y s t e m sp e r f o r m a n c e - t o - p r i c e r a t i oa n dt o s a t i s f ye v e r - i n c r e a s i n g t e l e c o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c ts e r v i c e s ，h o wt oe n l a r g et h ec a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dc o m b i n em o r ec h a n n e l si no l l e f i b e ri st h ek e yp r o b l e m t r a d i t i o n a ld e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x o r 巾w d m ) c a l ln o tm e e tt h ee v e r - i n c r e a s i n gb a n d w i d t h r e q u i r e m e n t w i t hm o r ec h a n n e l si no n ef i b e rt h e e m e r g e n c e o fi n t e r l e a v e r t e c h n o l o g yh a s r e n e w e dt h e d e s i g n i d e ao fm u x d e m u xd e v i c e su s e di nd w d ms y s t e m b y i n t e r l e a v i n go d d a n de v e nc h a n n e l st od e n s et h ec h a n n e ls p a c i n g ，c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y c a nb es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d a n da l s ot h ec o m p l e x i t yo fd e s i g nw i l lb e g r e a t l yr e d u c e d i n c o m p a r i s o n w i t l lt r a d i t i o n a ld w d md e v i c e i nt h i st h e s i st h eb a c k g r o u n do f i n t e r l e a v e r , c o m p a r i s o nb e t w e e n t r a d i t i o n a ld w d m t e c h n o l o g ya n di n t e r l e a v e rt e c h n o l o g ya r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ，t h ed i f f e r e n c eo nt h e o r ya n d r e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h e s et w ot e c h n o l o g i e sa r ea l s od e a l tw i t h t h e n ，s e v e r a lk i n d so f m e t h o d ss u c ha sb i r e f r i n g e n tc r y s t a l ，m a c h z e h n d e ri n t e r f e r e n c e ，m i c h e l s o ni n t e r f e r e n c e ， f ih e rb r a g gg r a t i n ga n da r r a y e dw a v e g u i d ea r ea n a l y z e d e m p h a s i si sl a i do nt h e o r i t i c a l c r d c u l a t i o no fb i r e f r i n g e n ta n dm - zi n t e r f e r e n c e i n t e r l e a v e r , i n c l u d i n ge v o l u t i o n o f m m s m i s s i o ne q u a t i o n sa n dc a l c u l a t i o no fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s b yc o m p a r i s o n ，t w o k i n d so fm e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt oi m p r o v ep e r f o r m a n c ea r es t u d i e di nd e t a i l s t h o s e a r ei m p r o v i n gb a n d w i d t hb yf o u r i e ro p t i c sa n dc o m p e n s a t i n gd i s p e r s i o nb yr e f l e c t i o n a l la b o v ei sl a i dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t u d yo f t h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i ca b o u tb g t i n t e r l e a v e r o nt h eb a s i so fa b o v es t u d y ，s t a r t e df r o mm u l f i b e a mi n t e r f c r e n c ea n dp o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c e t r a n s m i s s i o nf u n c t i o no fb g t ( b i r e 伍n g e n tg i r e s - t o u r n o i s ) i n t e r l e a v e ri s i n d u c e da n dc h a n n e lc h a r a c t e r s i n c l u d i n gb a n d w i d t h ，d i s p e r s i o n a n d t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t yo fo d da n de v e nc h a n n e la r ea n a l y z e d ，t h et u n a b l ec h a r a c t e ri sd e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n td e s i g na n do p t i c a ld e v i c e sa r eb u i l tu p ，e x p e r i m e n td a t ai s a n a l y z e da n d c o n c l u s i o ni sr e a c h e d s y s t e m a t i c a lr e s e a r c hi sd o n eo nt h i sb g t i n t e r l e a v e rf r o mt h e o r y i l 华中科技大学硕士学位论文 a n d e x p e r i m e n t b a s e do na b o v er e s e a r c h ，s i n g l eb g ti n t e r l e a v e ri sp r o v i d e di nt h i sp a p e r , d e t a i l e d s t u d yi s f i d f i l l e df r o ma l la s p e c t si n c l u d i n gs t r u c t u r e ，t h e o r y ，e x p e r i m e n t ，p a c k i n ga n d p e r f o r m a n c e t h eu s e a g eo fg - t ( g i r e s - t o u m o i s ) c a v i t ya n d1 4w a v e p l a t ei nt h i nf i l mi n s p e c t i o n i sa l s op r o v i d e di nt h i st e x t c a l c u l a t i o np r o g r a m m eo f s t a g e di n t e d e a v e r si sa l s od e a l t w i t h f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no f i n t e r l e a v e ro nw d m ，o a d m ，o p t i c a l c i r c u l a t o r , o p t i c a l s w i t c h , w a v e l e n g t h r o u t e ra n dn e t w o r k u p g r a t ei si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：i n t e r l e a v e rw d mb a n d w i d t hc o n t r a s t g i r e s - t o u r n o i s b i r e f r i n g e n t m 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 光纤技术自2 0 世纪7 0 年代末至今在短短三十多年的时间里以惊人的速度发展 成为信息技术领域内的支柱性的高新技术。然而，随着现代社会对信息技术更新更 高的要求，光纤通信正面临着新的挑战【1 1 。在当前尤其是因特网的发展，使人们对诸 如家庭办公、电子商务、远程教育、交互式视频业务h d t v 等新型信息服务有了越 来越迫切的需求，在这种需求下每个家庭要求占有i o - - - i o o m h z 的信息带宽，而目前 的信息带宽远远不能满足人们的需求闭。为充分开拓光纤带宽潜力，密集波分复用 ( d w d m ) 系统已得到广泛应用【3 】。在密集波分复用系统中，有两种技术方案能提 高光纤带宽的利用率，一种是减小信道间隔而增加信道数目，另一种是增加单信道 速率。对于后一种扩容方案，人们正着手对单信道速率达4 0 g b i t s 的传输系统进行 商业化开发：而对于前一种扩容方案，人们需要研制信道间隔更小的d w d m 器件1 2 。 d w d m 器件有多种制造方法，目前已广泛商用的d w d m 器件可以分为四类，即光 纤光栅( f b g ) 型、介质薄膜干涉滤波器( d t f ) 型、熔锥光纤型和阵列波导光栅( a w g ) 型【4 5 】。其中介质薄膜干涉滤波器是目前应用最广，技术最成熟，性能较好的一类 d w d m 器件 6 1 。它不仅可以实现结构稳定的小型化器件，还具有信号通带较平坦， 与偏振无关，插入损耗较低，邻道和非邻道隔离度高，温度特性很好可达0 0 0 1 r i m o c 以下等优良的性能。但是介质薄膜干涉滤波器的复用信道数不会很多，目前可达 3 2 路【刀。而且，镀膜工艺很难将介质薄膜型器件的信道间隔做到5 0 g h z 以下，因为 信道间隔压窄一半，就要多镀上百层薄膜，蒸镀误差增加，成品率下降，产品价格 上升【2 l ，所以无法满足复用波长数越来越多的光纤通信的需求，也不利于网络的扩容、 升级【8 19 1 。交叉复用( i n t e r l e a v e r ) 技术最初是针对这一问题而出现的，它回避了传统 镀膜工艺的局限，从奇、偶信道交叉复用角度解决压缩信道间隔、提高通信容量的 问题。2 0 0 0 年3 月的o f c 展览上，多家公司也纷纷展示了这种群组滤波器，c h o r 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 , 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 t ”1 。国内常称 之为交叉复用器、梳状滤波器等i l ”。 i n t e f l e a v e r 技术与传统的d w d m 技术相结合，可以在不增加新光纤及器件技术 难度的基础上使原有d w d m 系统的复用波长数增加一倍。可以说i n t e r l e a v e r 的出现 华中科技大学硕士学位论文 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已的位置，从而大 ：赶减低了器件设计制作的压力，降低了整个系统的成本i l l 】。在通信网络升级，扩大 容量方面，i n t e r l e a v e r 更发挥着不可忽视的作用。在i n t e r l e a v e r 出现以前，用d w d m 器件来使用网络升级扩容时，要替换原有系统的复用解复用器件。例如当一复用的 波长( 或信道) 间隔为2 0 0 g h z 的通信系统要升级为波长间隔为1 0 0 g h z 的系统时， 要将原有的按2 0 0 g h z 设计的复用解复用器件完全用i o o g h z 的复用解复用器件代 替，这无疑会带来资金的浪费。利用i n t e r l e a v e r 技术，我们可轻易地避免上述困难。 涛i n t e r l e a v e r 器件与传统d w d m 器件级联使用，可以很容易的获得一个复用信道间 隔更密( 如5 0 g h z 、2 5 g h z ) 的复合式d w d m 器件，而不会太大地增加它的成本。 在网络升级扩容时，例如要将复用的波长( 或信道) 间隔为2 0 0 g h z 的通信系统升 级为波长间隔为1 0 0 g h z 的系统时，不用将原有的按2 0 0 g h z 设计的复用解复用器 件完全用1 0 0 g h z 的复用解复用器件代替，只需用i n t e r l e a v e r 器件将2 0 0 g h z 与 i o o g h z 的器件连接即可【”】。由此可见，i n t e r l e a v e r 是不断拓展带宽的重要器件。 此外，i n t e r l e a v e r 的分波合波功能还可用于光分插复用( o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r 简称o a d m ) 【l ，光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 【l “，波长路由器( w a v e l e n g t h r o u t e r ) 1 5 l 光环行器( o p t i c a lc i r e u l a t o r ) 【l6 j 等光无源器件。若将i n t e r l e a v e r 多层 级联还可以作为波分复用器，解复用器l l ”。 地国内外i n t e r l e a v e r 研究概况 i n t e r l e a v e r 的出现引起了世界各国的高度重视，美国、加拿大、日本等发达国家 都投入了大量的人力和资金并取得了一定的进展【1 8 】，国内也正在逐步开展i n t e r l e a v c r 的研制工作。 早在1 9 8 6 年，g t e 实验室的g a r l s e n ，w j o h n ，m e l m a n 和p a u l 等人就利用双 折射晶体( 如石英晶体、钒酸钇y v 0 4 、锂酸铌等) 制作d w d m 器件，一般复用数 为2 个信道，多个双折射晶体d w d m 器件级联用作多信道d w d m 器件【1 9 1 。在过去 的十几年中，这种双折射晶体型d w d m 器件各方面的性能及制作工艺都得到了充分 的发展。近几年由于d w d m 器件已无法满足带宽的日益增长，i n t e r l e a v e r 技术应运 而生，1 9 9 9 年以c h o r u m 、e - t e k 公司为代表的某些大型光无源器件公司分别以双 折射晶体型d w d m 器件为基本模型研制出双折射晶体型h a t e r l e a v e r 器件【2 0 1 。这种 i a t e r l e a v e r 器件是目前市场上主流器件之一。 2 华中科技大学硕士学位论文 在双折射晶体型d w d m 器件和i n t e r l e a v e r 器件发展的同时，全光纤马赫- 曾德 ( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪型d w d m 器件和i n t e r t e a v e r 器件也得到充分发展。9 0 年 代，l u c e n t 、e t e k 等公司就提出并大力发展全光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪型d w d m 器件【2 1 1 ，随着i n t e d e a v e r 技术的出现，l u c e n t 公司及时将此类型d w d m 器件发展成 i n t e d e a v e r 器件【2 2 1 ，并在此基础上研制了另一种应用广泛的i n t e r l e a v e r 器件环行 腔型i n t e r l e a v e 一2 3 1 。全光纤m a t h z e h n d e r 干涉仪型i n t e d e a v e r 具有插损小、一致性 好等优点，i t f 公司推出的i n t e r l e a v e r 就是用这种办法制作的，国内有条件制作耦合 器等产品的公司可以试制这种产品。但是这种产品对制作工艺要求比较高1 9 1 。 1 9 9 9 年，e t e k 公司还利用棱镜、反射镜等基本光学原件研制组装了迈克尔逊 干涉仪型i n t e r l e a v e r ，这套装置含有双折射晶体、棱镜、偏振分束器p b s 、反射镜、 环行器等元件，造价昂贵，至今仍未商品化盼2 4 2 5 】。 2 0 0 1 年3 月，o f c 展览会上，a v a n e x 公司展示了一种利用双折射晶体和 g - t ( g i r e s - t o u m o i s ) 腔技术的新型低色散i m e r l e a v e r 器件，此类型i n t e r l e a v e r 是目前市 场上另一主要i n t e r l e a v e r 产品【2 6 】。 在光纤通信中，人们对产品的要求非常苛刻，例如要求二十五年使用寿命的可 靠性，0 8 0 。c 的工作温度范围，“斤斤计较”的插损，以及要求器件具有非常小的体 积等。因此一个新概念从被提出以后，在研发与最终产品之间仍然存在着一道鸿沟。 正是因为这一点，在i n t e r l e a v e r 的概念提出来近三年的今天，目前国内仍仅有少数几 家公司可以提供i n t e r l e a v e r 产品。 其中，美国o p l i n k 公司在大陆的子公司所生产的i n t e r l e a v e r 揉合了o p l i n k 公司 的多项专利技术，并采取了温度补偿措施。因为其优越性能指标，于2 0 0 1 年3 月在 美国加州被授予了“t h e2 0 0 0t e c h n o l o g ya w a r d s ”奖项。目前，该器件已经形成了 信道间隔为2 0 0 g h z 、1 0 0 g h z 与5 0 g h z 的i n t e r l e a v e r 系列。此外，o p l i n k 的2 5 g h z i n t e f l e a v e r 也正在研发过程中。现在正在将o p l i n k 公司的i n t e r l e a v e r ，与o p l i n k 公司 自己的镀膜滤光片技术相结合，公司已经在为客户提供高达1 6 0 通道的d w d m 的模 块【2 7 、2 8 1 。 此外，国内还有c a s i x 、k o n c e n t 、n e w f o c u s 等公司也都致力于h a t e r l e a v e r 器件 的研究开发【2 9 0 “。 目前，i n t e r l e a v e r 主要有全光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪、双折射晶体、迈克尔逊 ( m i c h c l s o n ) 干涉仪、双折射g t 腔( b g t ) 、光纤光栅( f b g ) 和平面阵列波导f a w g ) 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! = ! ! = ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = = = ! ! ! = ! ! = = = ! ! ! = = ! ! = = ! = = ! ! ! = = = ! ! = = ! ! ! = 等几种实现方法。其中光纤光栅和平面阵列波导型i n t e d e a v e r 还在研制中：迈克尔逊 = = 涉仪型i n t e r l e a v e r 已由e t e k 公司试制出来，由于温度性能欠佳和成本较高等问 题仍未商业化；全光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪型和双折射晶体型i n t e r l e a v e r 的理论研 究已发展成熟，但m a c h - z e h n d e r 干涉仪型i n t e r l e a v e r 的制作工艺难度较高；双折射 晶体型i n t e r l e a v e r 的制作与使用较为普遍，然而双折射晶体型i n t e d e a v e r 的成本较高。 基于环行腔、b g t 型的i n t e r i e a v e r 大受青睐。这种i n t e r l e a v e r 器件体积更小，成本 更低，制作简单，是i n t e r l e a v e r 器件发展的主要方向。 总的说来，i n t e d e a v e r 器件的发展趋势可归纳如下： ( 1 ) 工艺简单，成本更低，体积小： ( ：2 ) 插损小，隔离度高，色散小，透射谱类似方波； ( 3 ) 温度稳定性好，中心波长漂移补偿好； 4 ) 偏振相关损耗p d l 、偏振模色散p m d 小； ( 5 ) 模块化设计【”】。 1 3 课题的来源与研究内容 宽带网是未来光纤通信技术发展的必然趋势。i n t e r l e a v e r 技术由于其成本低，制 作技术及工艺比传统d w d m 器件有明显的优势，应用灵活和体积小等优点，对网络 升级扩容、充分利用原有d w d m 器件和光纤带宽极为有利。由此可见，开展 i n t e d e a v e r 技术的研究有重大的实用价值，而b g t 型i n t e r l e a v e r 是今后几年国内外 i n t e r l e a v e r 器件发展的主要趋势，所以有必要及时开展b g t 型i n t e d e a v e r 的研制工 作。 本文的研究是在福建省华科光电有限公司的横向合作下完成的。以双折射晶体 型、m a c h z e h n d e r 干涉仪型n t e r l e a v e r 的研究为基础，以b g t 型i m e r l e a v e r 为主要 研究对象，对此类型i n t e r l e a v e r 的光谱特性、带宽、色散、对比度、插损、微扰、偏 振模色散p m d 、偏振相关损耗p d l 、温度等性能作了较为系统的理论和实验研究。 并在此基础上设计了一种新型的单b g t 腔i n t e r l e a v e r 。本文还从原理、光路、实验、 元件装配等方面对其进行详细叙述。最后，论述了b g t 腔和i n t e r l e a v e r 在光纤通信 及其它方面的一些应用。 4 华中科技大学硕士学位论文 全文的内容组织如下： 第一章简述了i n t e r l e a v e r 技术出现的背景，i n t e r l e a v e r 的作用及应用，国内外 i n t e r l e a v e r 研制方面的概况以及i n t e d e a v e r 的发展趋势。 第二章概述了i n t e r l e a v e r 技术的原理，并与d w d m 技术进行比较，分析了它们 的异同点。探讨了i n t e r l e a v e r 器件的几种实现方法，和i n t e r l e a v e r 器件的几个主要性 能指标。着重分析推导了i n t e r l e a v e r 器件的传输函数和改善其滤波特性的方法。 第三章分析b g t 型i n t e r l e a v e r 的光路，从多光束干涉和偏振光干涉的角度，计 算推导了b g t 型i n t e r l e a v e r 的传输函数，分析各项性能参数及它们之间的关系。设 计、调试实验，分析实验结果。 第四章提出一种性能较好，元件更少，装配调试更简单的单b g t 腔型i n t e r l e a v e r ， 并对其光路，原理及性能进行了详细描述，设计实验验证其可行性。 第五章系统的论述了i n t e r l e a v e r 技术在光纤通信方面的应用和b g t 腔在膜系测 量方面的应用，提出了一种利用g t 腔和1 4 波片检测高反膜、增透膜的方案。还 详述了b g t 腔和其它i n t e r l e a v e r 器件级联使用的方法，和性能参数计算程序。 第六章总结全文。 华中科技大学硕士学位论文 = ! = ! ! ! = ! = ! = ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! = ! = = = ! ! ! ! ! = = = ! = = = = ! = = ：! 1 引言 2i n t e r l e a v e r 技术研究 i n t e r l e a v e r 技术是d w d m 技术发展到一定阶段的产物，被称为d w d m 家族的 新宠儿，它与d w d m 技术一样都应用于波分复用解复用系统( 即w d m 系统) 。与 通常的d w d m 技术不同，i n t e r l e a v e r 技术采取的是一种交叉滤波方案。通常的 d w d m 技术是把一串信号流中的某个单独信道给过滤出来，或者把某个单独信道耦 合进一串信号流1 3 3 】如图2 1 所示；而i n t e r l e a v e r 是按照奇偶分配的原则，把一串信号 分解为两组信号流，或把两组信号流复合成一串信号如图2 2 所示。 x l k w d m ( a ) 合淡器 h k 一 一如，k - w r ) m 图2 1合波器分波器原理图 ( b ) 分渡器 l k 图2 2i n t e r l e a v e r 工作原理图 详细地说，当i n t e r l e a v e r 用于复用器时，它将两束光信号合成一束空间频率间隔 ：勾原信号频率间隔一半的光信号：用作解复用器时，可将一束光信号分成两束频率 6 华中科技大学硕士学位论文 间隔为原频率间隔两倍的光信号。例如，频率间隔为i o o g h z 的i n t e r l e a v e r 可将两束 频率间隔为2 0 0 g i - - i z 的光信号合成一束频率间隔为1 0 0 g h z 的光信号，从而使网络容 量翻倍：也可以将一束频率间隔为1 0 0 g h z 的光信号分成两束频率间隔为2 0 0 g h z 的光信号1 2 1 。这种器件的基本工作原理还是两束光的干涉，干涉产生了周期性的原 来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组 输 9 1 。换句话说通过合适的干涉参数设计可以使i r t t e r l c a v e r 的透射谱成为类似梳状 波的形状。在数学上，这样的滤波函数有一个很形象的专业名词，叫做“梳状滤波 函数”。意思是说，该函数可以象一把梳子，对信号的频谱进行梳理和分叉。基于这 样的观察角度，i n t e r l e a v e r 甚至可以被看成一架能够实现这类梳状滤波运算的微型光 计算机。然而实现这种貌似复杂的光学运算功能所依赖的核心原理其实就是高阶的 光学干涉效应【”1 。 2 2i n t e r l e a v e r 技术的实现方法 如前所述，i n t e r l e a v e r 技术的实现方案多种多样，主要包括全光纤马赫曾德 ( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪型、双折射晶体型、迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪型、双 折射g t 型( 在第三章中详细介绍) 、光纤光栅( f b g ) 型和阵列波导光栅( a w g ) 型等。 2 2 1 全光纤马赫曾德( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪型 实现i n t e r l e a v e r 最简单的办法可能就是通过熔融拉锥工艺制作m a c h z e h n d e r 干 涉仪。一个简单的m a c h - z e h n d e r 干涉仪可由两个耦合器和一对不等长光纤组成，如 图2 3 所示。光从一个端口输入，经过一个3 d b 耦合器被分成等强度的两束光，它 们分别在不等长度的两干涉臂中传输产生一定光程差，通过精确控制两段不等长光 纤的长度差就可以实现所需要的频率间隔，最终在另一个3 d b 耦合器中干涉输 3 4 1 。 图2 3m a e h - z e h n d e r 干涉仪 7 华中科技大学硕士学位论文 传输矩阵是光纤通信系统中一种常用的计算方法，下面我们通过推导 m a c h z e h n d e r 干涉仪型i n t e r l e a v e r 的传输矩阵来说明它的交叉复用功能。耦合器和 ，i 等长光纤的传输功能见图2 4 ，图中西= u u 2 ，l 为耦合器的有效长度l 。对耦合 器，设从，：端口输入的光为 盖 ，从s ，。端口输出的光为 爱 ，则有 2 广a 2 = a lc o s + b l i s i n ( l b 2 = a l i s i n + b lc o s 妒 写成矩阵形式： 爱 = c o s 。二i 。s 。i n 。止 i 且a 1 由北舢易知耦合器的传输矩轧为：乃= 盏竺约 同理，不等长光纤的相位延迟矩阵t 一为：乃= 式中6 为两条光路产生的位相差 e x p ( 一f 霎) o o e x p ( 焉 占：垒”出 式中n 为光纤折射率，出为两光纤的长度差，九为波长。 l v a c h z e h n d e r 干涉仪的传输矩阵可写为： 丁蝴驴暖端戮妇 e x p ( 焉 o o e x p ( 一f 争 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 盛j 竺搠沼s ，l f s i n 渤) c o s 畅) j “。 华中科技大学硕士学位论文 相应的多级m a c h z e h n d e r 干涉仪的传输矩阵可表示为： l = 乙毛一，0 。一0 ：乃。 ( 2 - 6 ) 式中r 。表示第n 级耦合器的传输矩阵，r 妇表示第，l 级光纤的延迟矩阵。 对于图2 3 所示的单级m a c h z e l m d e r 谳，假设输入光振幅为f ：f ，则输入光 强为1 ，两不等长光纤引入的光程差如式( 2 4 ) 所定义，前后两个3 d b 耦合器传输 矩阵为： 铲驴鼎； 协， 单级m a c h - z e h n d e r 干涉仪输出光振幅 乏 为： 乏 = a e i 。x p 一0 f 鲁 e x p 0 害 ：l e a o 2j 1阡 叶气。诽= j ，。= 爿。z = i 1 2 ( 1 - c o s 占) = c o s 2 李 小b o x b * o = i 1 2 ( 1 s 占) = s i n 2 害 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 易知： 满足万= m 2 9 r 即疗世= m 3 的波长( 如奇信道信号) 从一个端口输出；满足 1 、厂1 、 万= l 小+ 寺1 2 ：r 即h a = i 臃+ 去恤的波长( 偶信道信号) 从另一个端口输出，从而将 二z 奇偶信道分开。多级m a c h - z e l m d e r 干涉仪的分析可以此类推。 除了熔融拉锥工艺以外，也有用平面波导技术来实现m a c h - z e h n d e r 干涉仪的。 因为平面波导型m a c h z e h n d c r 干涉仪可以在干涉臂上加入相位控制器或者相移器 口”，比较容易调节干涉臂的长度。这类器件的优点是设计简单，插入损耗小，信道 均匀性好，偏振相关损耗低。 9 匀訇 新新争卜心 唧 唧 华中科技大学硕士学位论文 ! ! = = ! ! ! ! ! = = = = = ! ! ! ! ! ! = = = ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! = = = ! ! ! = z 2 2 双折射晶体型i n t e r l e a v e r 利用双折射晶体也能实现i n t e r l e a v e r 技术，它是利用晶体中双折射现象产生两束 传播方向一致，有固定相位差的相干光。通过精确地控制晶体的尺寸，就可以实 现所需的频率间隔。目前，使用较多的双折射晶体是钒酸钇( y v 0 4 ) 晶体口7 1 。其工 作原理如图2 5 所示，自然光入射到第一个偏振分束器( p b s ) 上分成偏振态为p ( 偏 振方向平行于纸面，用短线表示) 、s ( 偏振方向垂直于纸面，用点表示) 的两束光。 s 光经全反镜反射后，和p 光一起平行入射到双折射晶体y v o 。上。w 0 4 的光轴垂 直于入射面与p ，s 成4 5 。，它对某些波长的光相当于全波片，这些波长的光通过 y v 0 4 后偏振态不变：对另一些波长的光相当于半波片，这些波长的光通过y v 0 4 后， 偏振态将旋转9 0 。假设y v 0 4 对奇信道的光有旋转作用，奇信道的s 光经y v o 。 后旋转为p 光，被全反镜反射后，经第二个p b s 由2 端口输出；奇信道的p 光经y v o 。 后旋转为s 光，被第二个p b s 反射后，由2 端口输出。偶信道的s 光经y v 0 4 后仍 为s 光，被全反镜反射后，又被第二个p b s 反射从1 端口输出：偶信道的p 光经y v o 。 后仍为p 光，经第二个p b s 后，从1 端口输出【l g - 2 0 。最后奇信道信号由2 端口输出， 偶信道信号由l 端口输出。 双折射晶体的传输矩阵推导及旋光作用分析如下：设入射线偏振光为in 1l ，如 l 占j 图2 6 所示a l 、b l 在晶体快、慢轴上的分量之和a 2 、b 2 分别为： r 4 2 = a lc o s + b 1s i n 0 c l b ，= a ，s i n o b lc o s 目 一_ _ _ 一 l o 华中科技大学硕士学位论文 慢b y 写成矩阵形式 乏 = 。c 。m o s 口8 一s 。i n 。0 曰且1 1 且 1 c z ，- ， 光通过晶体后，在快轴和慢轴上的复振幅a 3 和b 3 分别为 ，4 ，2 一：e x p c 一，孝， l b ：b 2e x p ( i - 手) 写成矩阵形式 爱 = 。冲：李) “p 。0 害， 尸4 。4 口+ b s 抽占 b = 呜s i n o + b 3 c o s 0 ( 2 1 2 ) 写成矩阵形式 爱 = 。c 。o i n s 护o s 。i n 。0 目且 a 马a c z ， 将式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 3 ) 得双折射晶体的传输矩阵： ， c o c os i n o 1 8 。l s i l l 口一c 。s 口j c o s os i n o l s i n 曰一。口j ( 2 1 4 ) 1j 4 岛 1 j j o z l l 1j ) 万一2 0 o p xe ) 万一2 卜 o p x 一 旧 一 华中科技大学硕士学位论文 式中口表示晶体光轴与入射线偏振光间的夹角，艿表示晶体厚度d 引起的位相型m 。 扣车i 疗。一卜 ( 2 1 5 ) 式中九是波长，凡、n 。分别是双折射晶体中0 光、e 光的折射率，d 是晶体的厚度。 多级双折射晶体的传输矩阵可表示为： 2 j = 瓦2 ( 2 1 6 ) 式中表示第n 级双折射晶体的传输矩阵。 当一振幅为 习的p 偏振光与晶体光轴成4 s 。角入射时，输出光振幅 乏 为： e 冲( 一 。 。 e d ，习匿 ( 2 - 1 7 ) 输出光强为： = 以爿：= d _ lx 2 0 - - c o s 占) c o s 2 导 ( 2 1 8 ) 。= 爿。4 ：= i 1 2 ( 1 + c o s 占) = s i n 2 昙 ( 2 1 9 ) 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 易