（光学工程专业论文）一种新型解复用器的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ，7 随着技术的发展，密集波分复用( d 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 ) 系统已经广泛应用在光纤通信网络中，而波分复用解复用器 ( m u x d e m u x ) 是d w d m 系统中的核心器件，其功能是将密集间隔的各个符 合i t u 标准的波长( 信道) 复用到一根光纤( 复用器) ，或者将已复用的各个 波长( 信道) 分开( 解复用器) 。y 本文对利用电介质干涉薄膜滤波片( d i e l e c t r i ci n t e r f e r e n c et h i n f i l mf i l t e r ) 胄4 作的解复用器件进行了系统的理论研究、分析、设计和器件制作工作，摸索了 新型解复用器件的制作工艺，成功研制出样品，其插损和温度性能远远优于国 内外同类产品。 论文主要内容分为以下几个部分： l 阐述了复用解复用器件的概念、基本类型和特点。简述其研究背景、进 展和发展方向，并概括了全文的主要研究内容。 2 说明了干涉滤光片的结构、基本原理和设计制作方法。从理论上分析了 入射光角度对窄带介质膜干涉滤光片中心波长的影响。 3 建立器件的理论模型，并从理论上对该模型进行分析、计算，得出一些 对研制工作具有指导意义的结论。 4 器件的研制工作。制作出器件样品，并对该器件样品进行了测试。 5 对全文的工作进行总结。 关键词： 密集波分复用解复用器c 1 e n s 透镜插入损耗 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 ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , d 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 ) s y s t e mi sb e i n gw i d e l yo p e r a t e d i n o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s a so n ek i n do f k e yc o m p o n e n t s i nd w d m s y s t e m ， m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e ( m u x d e m u x ) i sw o r k e df o rc o m b i n i n gs i g n a lw i t h d i f f e r e n tw a v e l e n g t h ( c h a n n e l ) t os i n g l ef i b e r ( m u x ) o rd i v i d es i n g l ew i t h d i f f e r e n tw a v e l e n g t h ( d e m u x ) i nt h i sp a p e r ，t h ed e m u xc o m p o n e n tb a s e do nd i e l e c t r i ci n t e r f e r e n c et h i n f i l m f i l t e rw a s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，a n a l y z e d ，d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d a k i n d o fm a n u f a c t u r ea n da s s e m b i yt e c h n i c sf o rt h en e wt y p ed e m u xc o m p o n e n tw a s e x p l o r e di nt h i sp a p e n w i t ht h i st e c h n i c s ，s o m ed e m u x s a m p l e s w e r em a d e t h e t e s tr e p o r t ss h o w e dt h a tt h ei la n dt d lo ft h i sc o m p o n e n ta r eb e t t e rt h a n t h o s eo fo t h e r sp r o v i d e db yo t h e rc o m p a n i e s t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si s c o m p o s e d o ff i v ep a r t sa st h e f o l l o w i n g ： t h e c o n c e p t ，t y p e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fm u x d e m u x c o m p o n e n t s a r e p r e s e n t e df i r s t l yi np a r t1 ag e n e r a lo v e r v i e wo f r e s e a r c hp r o g r e s s ，b a c k g r o u n d a n dt h ek e yt e c h n i q u ea b o u tm u x d e m u xa r ei n t r o d u c e d i np a r t2 ，t h eb a s i ct h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d so fi n t e r f e r e n c et h i n - f i l mf i l t e r a r ep r e s e n t e d t h e o r ya n dp l o to ft h ec e n t r a lw a v e l e n g t hs h i f tv si n c i d e n c e a n g l e a r es t u d i e da n ds h o w n i np a r t3 ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fc l e n st y p ed e m u xi se s t a b l i s h e d t h el i g h t t r a n s m i t t i n g i n c o l l i m a t i n g a n d c o u p l i n gs y s t e m w i t hc l e n sa r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l y t h e o r ya n dp l o t so fi lv sp a r a m e t e r so fd e m u xc o m p o n e n ta r e a l s od i s c u s s e di nt h i sc h a p t e l i np a r t4 ，t h eu e w t y p ec - l e n sd e m u xc o m p o n e n t sw e r em a n u f a c t u r e da n da k i n do fa s s e m b l yt e c h n i c sw a se x p l o r e d t h et e s t i n gr e s u l t sf o rt h en e w t y p e d e m u xc o m p o n e n ts h o w e dt h a ti th a se x c e l l e n ti n s e r t i o nl o s sa sw e l la s t e m p e r a t u r e e f f e c t s k e y w o r d s ：d e n s ew a v e l e n g t bd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d e m u x ，c l e n s ，i n s e r t i o n l o s s l l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 目前，光纤通信已成为现代通信网的基本组成部分【1 1 ，对全光网络的研究 也越来越广泛和深入【2 1 。随着经济的发展，语音、图像、数据等信息量成爆炸 式增长，用户对通信网带宽的要求越来越大。显然，现有的通信网已满足不了 这种要求，扩大网络容量、增加带宽已成为网络营运者的当务之急。目前来看， 扩大光纤通信容量的主要技术方案有电时分复用( e t d m ) 、光时分复用( o t d m ) 、 波分复用( w d m ) 、光孤子等。目前，e t d m 技术方案的实用化水平己达到1 0 g b s 。 由于受电子器件处理速度的限制，很难实现大于2 0 g b s 的商用e t d m 。o t d m 和 光孤子技术对扩大光纤通信容量具有极大的潜力。尽管这两种技术的研究进展 很快，但因涉及的技术很复杂，一些关键技术还有待进一步解决，因此也没有 达到实用化的程度。再则，采用光时分复用( 0 t d i ) 方法的前提是必须实现更 高的比特率。例如，从1 0 g b s 提高到2 0 g b s ，甚至4 0 g b s 。即使这样，单根 光纤的传输容量仍然是有限的。况且，从2 0 g b s 到4 0 g b s 的速率倍增，受到 电子电路物理极限限制【3 】，近期内实现是有很大难度的。除电子电路的因素外， 单一光载波传输过高的数据速率还要受到光纤线路色散的限制。因此这几种方 案都不太实用。 利用波分复用( w d m - - w 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 ) 技术，尤其是其 中的密集波分复用( d w d m ) 技术扩大光纤通信容量在当前是切实可行并被广 泛应用的技术方案1 3j 。它是光纤通讯中一种传输技术，它利用了一根光纤可以 同时传输多个不同波长的光载波的特点，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率t d m 的基础上成倍 地增加，即实现了扩容。这不仅能快速解决通信网络与能力不足的问题，而且 是一种“理想的装备技术”。 迄今，我国已有多个w d m 系统在光纤通信线路中运营，利用w d m 技术扩大 光纤通信容量方兴未艾，波分复用系统复用的波长数越来越多 4 1 。w d m 技术具 华中科技大学硕士学位论文 有许多优越性【5 】，譬如：利用w d m 技术扩大光纤通信容量不需铺设新的光纤线 路；降低了网络建设费用；w d m 网络可以随时升级扩容，以满足用户及未来新 业务的需求；w d m 通信网是一个协议透明、格式透明的网络，可以不断地将现 有的电网络迭加到光网络上；将w d m 与掺铒光纤放大器( e d f a ) 组合使用，不仅 可以提商网络的容量，而且还具有较高的灵活性和经济性等等。不言而喻，w d m 技术是克服电路限制、扩大通信带宽以及在光纤通信网络中实现波长路由和信 道重复使用的关键技术。由于光纤具有的巨大带宽资源( 约2 5 t h z ) ，利用w d m 技术将是有效利用光纤带宽资源的重要手段，虽然该技术经过2 0 年的试验， 直至1 9 9 5 年秋才实现实用化，但是，经过3 年短暂的发展，基于w d m 技术的 商用光纤通信系统，总数据率已达4 0g b s ，并已在世界各地铺设。c i e n a 公司 于1 9 9 8 年3 月建成一个4 0 信道的多波d w d m 系统，并应用于s p r i n t 公司的 网络中。该系统与s p r i n t 公司的o c 一4 8 s o n e t 设备配套使用，使系统容量达到 l o o g b s ，大约相当于一根光纤可传输3 l o 万条话路。在实验室中己实现2 6 t b s 的百千米级传输。波分复用系统的原理如图1 1 1 所示。 信道 信 信 信道 图1 1 1 波分复用系统原理 w d m 技术不仅在光纤通信干线传输中获得广泛应用，而且在光纤接入网和 混合光纤同轴接入网中的应用也很普及。网络拓扑正从点一点为主逐渐向环行 网和网状网发展，最终目标是实现全光网络( a l lo p t i c a ln e t w o r k ，a o n ) 通信。 光上下路复用器( o p t i c a la d d d r o pb t u l t i p l e x e r ，o a d m ) 和光交叉连接 ( o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ，o x c ) 等新技术是全光通信网络的关键【6 】 7 1 8 1 ，而新 一代光电子器件是实现全光通信的基础。 在早期光通信的研究中，人们沿用电载波的频分复用的观念，将光波长间 隔较大的复用技术称为波分复用，用光的波长来表示；将光波长间隔低于l n m 华中科技大学硕士学位论文 的复用技术称为频分复用，用光的频率来表示。应用较早的波分复用系统是 1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 的两波长复用，随着科技的进步，在1 5 5 0 n m 附近，复用光信道 的相邻波长之间的间隔已经可以达到几个纳米或零点几个纳米，通过研究发现 夏用信道的波长间隔减小只是在器件的技术要求上变的更加严格而已，波分复 用和频分复用没有严格的界限，因此，光波的频分复用的提法己越来越少。 8 0 年代初光纤通信兴起之时，人们想到并首先采用在光纤的两个低损耗窗 口1 3 l o n m 和1 5 5 0 r i m 窗口各传送l 路光波长信号，也就是1 3 l o n m 1 5 5 0 h m 的两 面三刀波长复用系统，这种系统现在在国内也被普遍使用。该系统比较简单， 一般采用熔融的波分复用器件，插入损耗小，在每个中继站，两个波长都进行 解复用和光电光再生中继，然后再进行复用传送到下一站。 随着1 5 5 0 r i m 窗口e d f a 的商用化，光传输工程可以利用e d f a 对传送的光信 号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，w d m 系统的应用进入了一个新 时期，在1 5 5 0 n m 窗口传送多路的载波信号，这些信道相邻波长间隔较窄，且工 作在一个共享的e d f a 工作带宽内，为了与两波长的w d m 系统进行区分，人们将 这种波长间隔紧密的w d m 系统称为密集型波分复用系统，所谓密集是指特定波 长区内有更多的工作波长。d w d m 系统的频谱分布图1 1 2 所示。i t u tg 6 9 2 建议，d w d m 系统的绝对参考频率为1 9 3 1t h z ( 对应的波长为1 5 5 2 5 2 n m ) ，不 同密集型波分复用系统的波长间隔较小，必须采用高分辨率的波分复用器件来 选取，熔融的波分复用器件已达不到要求。 图1 1 2d w d m 系统的频谱分布 波长 华中科技大学硕士学位论文 可以看出，d w d m 系统是指波长间隔相对较小，波长复用相对密集，各信道 共用光纤一个低损耗窗口，在传输过程中共享光纤放大器的高容量w d m 系统。 可以认为d w d m 是w d b l 的一种特殊形式，一般来讲，在不特指1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 的两面三刀波长w d m 系统的情况下，平时人们谈论的w d m 系统指的都是d w d m 系统。 系统与器件的发展是相辅相成的，光波分复用解复用器件( m u x d e m u x l 作为w d m 系统中的关键光电子器件之一，其应用市场是非常巨大的。 光波分复用解复用器件是对光波波长进行合成与分离的光无源器件i 9 】【i 。 它在高速光通信系统、接入网、全光网络等领域中，有着广泛的应用。同时在 构成光纤网络中的光纤、光缆动态状况监测也必须利用波分复用解复用技术。 光波分复用器件的一个端口，作为器件的输出输入端：n 个端口作为器件的输 入输出端。解复用器件工作示意图如图1 1 _ 3 所示。 p d o # 端口) 厂1 + hp 1 # 端口 i 引解复用器p k p 2 捌端口 图1 1 3 解复用器原理图 复用器和解复用器器件的结构是完全相同的。当器件用作解复用器时，注 入到入射端( 单端口) 的各种波长的光波信号，分别按波长传输到对应的出射 端( n 个端口之一) ，对于不同的工作波长其输出端口是不同的。对于给定的工 作波长的光信号从输入单端口传输到对应的输出端口时，器件具有最低的插入 损耗，而其他的输出端对该输入光信号具有比较理想的隔离度。 在器件用作复用器时，其作用同上述情况恰好相反。给定的工作波长的光 信号从对应输入端口( n 个端口之一) 被传输到单端口时，具有最低的插入损 耗。而其他输入端口对该输入光则有理想的隔离度。 1 2国内外波分复用解复用器件的研究现状 4 华中科技大学硕士学位论文 波分复用解复用器件是w d m 系统的重要组成部分，实际上为光学滤波器， 其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。对不同应用的w d m 系统，波 分复用解复用器件有不同的技术要求和不同的制造方法。按波分复用解复用 器件的制作方法的不同，可将其分为介质膜干涉滤光片型、熔锥全光纤型、光 栅型等。 、 一、 介质膜干涉滤光片型波分复用器件 介质膜干涉滤光片型波分复用器件是由介质薄膜( d t f ) 构成的一类w d m 器件。是使用最广泛的一种滤波器1 ，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。此类型器件中的滤波器是由几十层不同材料，即不同折射率和不 同厚度的介质膜，按照设计要求组合起来的，每层的厚度为1 4 a 【1 2 1 ，一层为高 折射率膜，一层为低折射率膜，交替迭合而成。当光入射到高折射率膜层时， 反射光没有相移；当光入射到低折射膜层时，反射光经历1 8 0 。相移。由于膜 层厚1 4 h ，因而经低折射率膜层反射的光经历3 6 0 。相移后与经商折射率膜层 的反射光同相叠加。这样在中心波长附近，各层反射光叠加，在滤波器前端面 形成很强的反射光。在这高反射区之外，反射光突然降低，大部分光成为透射 光。据此可以使之对一定波长范围呈通带，而对另外波长范围呈阻带，形成所 要求的滤波特性。 介质膜干涉滤光片型波分复用器的主要特点是，在设计上可以实现结构稳 定的小型化器件，信号通带平坦，且与极化无关，插入损耗低，通路间隔度好 1 1 2 1o 缺点是，通路数不会很多。一般不超过3 2 通路，常见的有4 、8 、1 6 通路 复用解复用器。对于3 2 通路以上的器件一般采用光间插技术( i n e r l e a v e r ) 或 其它技术形式。此种滤波器的具体特点还与结构有关，例如，薄膜滤波器型波 分复用器在采用软型材料的时候，由于滤波器容易吸潮，受环境的影响而改变 波长；采用硬介质薄膜时材料的温度稳定性优于0 0 0 0 5n m c 。另外，这种器 件的设计和制造过程较长，产量较低，光路中使用环氧树脂时隔离度不易很高， 带宽不易很窄。 在d w d m 系统中，当只有4 至8 个波长波分复用时，使用该类型的波分复用 器件，是比较理想的。 目前介质膜干涉滤光片型波分复用器件主要有两种型式。其一是串接型， 华中科技大学硕士学位论文 即将多个三端口器件串接在一起组成模块。这是最为普遍的型式。如图1 2 1 ( a ) 所示。其二是整合型，即不用光纤串接，直接组成模块。如图1 2 1 ( b ) 所示。 干涉滤光片 ( a ) 串接型 。 y ： ? ，y 图1 2 1 干涉滤光片型解复用器 ( b ) 整合型 滤光片 这种技术的不足之处在于要实现频率间隔1 0 0 g h z 以下非常困难，而且信 道较多时插损较大，从而限制了通道数只能在1 6 以下。 介质膜干涉滤光片型波分复用器件已有多项专利”卜1 s l ，国外供货商有 c o m i n g ，o p l i n k ，d i e o n ，c h o r u m 等，国内包括武汉邮电科学院光迅公司，福 州康顺公司等。 二、 熔锥全光纤型波分复用器件 熔锥型全光纤型波分复用器是将两根或多根光纤靠贴在一起适度熔融而成 的一种表面交互式器件，可以通过控制融合段的长度和不同光纤之间的互相靠 近程度，实现不同波长的复用或解复用。在传统的1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 波分复用系 统中多采用两纤的熔锥全光纤型滤波器，这种滤波器的插入损耗小( 单级最大 小于0 5 d b ，典型值为0 2d b ，无需波长选择器件，工艺简单，适于批量生产， 但相邻信道的隔离度较差( 2 0 d b 左右) ，且外型尺寸稍大。采用多个熔融式耦 合器级联应用的方法，可以改进隔离度( 提高到3 0 4 0 d b ) 。 三、光栅型波分复用器件 华中科技大学硕士学位论文 光栅型波分复用器属于角色散型器件，是利用角色散元件来分离和合并不 同波长的光信号。 最流行的衍射光栅( d i f f r a c t i o ng r a t i n g ) ，是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然 后再在环氧树脂上制造光栅线，构成所谓反射型闪烁光栅。入射光照射到光栅 上后，由于光栅的角色散作用，不同波长的光信号以不同的角度反射，然后经 透镜会聚到不同的输出光纤，从而完成波长解复用功能：由光路可逆原理，也 可以对波长进行复用。如图l ，2 2 所示。闪烁光栅的优点是高分辨的波长选择 作用，可以将特定波长的绝大部分能量与其他波长进行分离，且方向集中。 图1 2 2 衍射光栅型复用解复用器 衍射光栅中心波长随温度变化的漂移非常小，只有o 0 0 1 n m c ，不需要 温度控制。使用波导阵列代替光纤阵列可以缩小体积。 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 ，a w g ) 型波分复用器具有波 长间隔小、波道数多、通带平坦等优点【1 9 1 2 0 l ，是一种非常适合d w d m 系统用 的光波分复用解复用器。制作原理是在硅晶片上沉积一层薄薄的二氧化硅玻璃， 并利用光刻技术形成所需要的图案，腐蚀成型。这些玻璃层按一定形状用光刻、 反应离子刻蚀等标准的半导体工艺制备在硅衬底上，可以形成光栅，入射光在 光栅中则产生干涉滤波。如图1 2 3 所示。这种器件的优点在于集成性好，频 率间隔可以达到1 0 0 g h z 甚至5 0 g h z 。缺点是温度稳定性不好，而且插损较大。 美国的l i g h t w a v em i c r o s y s t e m ，p i p r ，日本的n t t 等公司都有成熟的产品，频 率间隔可到5 0 g 【2 “，4 0 路解复用器件的插损可达到6 d b 。 华中科技大学硕士学位论文 九i 丸 波导结构示意图 a w g 复用解复用器工作示意图 图1 2 3a w g 型复用倩￥复用器 另外一种基于光栅的滤波器是布拉格光纤光栅型( f i b e rb r a g gg r a t i n g f b g l 波分复用解复用器，如图i 2 4 。光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或普通氢载 光纤上按一定的掩膜刻制光栅的器件【2 “，它可以提供非常窄的频率间隔，具有 理想的滤光特性、环境稳定性好、便于设计制造、成本低，可制成信道间隔非 常小的带通、带阻滤波器或者上下路复用器。光纤光栅的插损与一致性也非常 好，缺点是温度稳定性能不太理想，因为光栅的中心波长会随温度的变化而变 化。目前国际市场上提供光纤光栅器件的厂商比较多，主要的如j d su n i p h a s e ， e t e k 和b r a g gp h o t o n i c s 等。e t e k 公司的5 0 g h zf b g 型解复用器件的插损可 达o 2 d b ，隔离度为3 0 d b ，1 0 0 g h z 解复用器件波长温度特性己经可以达到 o5 p r r d 。 图1 2 4 布拉格光纤光栅型解复用器 四、光间插器件 光间插器件或称i n t e r l e a v e r z 3 卜是为了实现5 0 g h z 间隔的密集波分系 统，同时避免器件技术上的过分复杂和太高成本而出现的一种辅助的密集波分 复用器件。在2 0 0 0 年3 月的o f c 展览上，多家公司纷纷提出了这种滤波器， 华中科技大学硕士学位论文 c h o r u m 公司称之为s p 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 。 光间插器通过两个频率间隔为目标间隔两倍的普通解复用器的组合使用， 一个专门配合偶数的频道数，一个专门配合奇数频道数，再加上一个可以将信 号按奇偶分开的i n t e r | e a v e r ，就可以将宽的通道间隔( i o o g 或2 0 0 g ) 复用为一 路间隔更窄( 5 0 g 甚至更密) 的光。相反，也可以将窄间隔的密集复用的光扩 展到更宽间隔的通道中，从而达到密集波分复用的目的。如图1 2 5 所示。 图1 2 5 光间插器原理图 按制作方法的不同，光间插器件可以分为干涉型、f p 腔型和m z 干涉 仪型等。三种方法都是利用光的干涉原理，利用两束或多束光的干涉，通过合 适的干涉参数设计可以使i n t e r l e a v e r 的通过谱成为类似梳状波的形状。其中最 简单的方法是通过熔融拉锥工艺制作m z 干涉仪型的i n t e r l e a v e r 。在这种设 计中，利用两个3 d b 耦合器中的两段不等长的光纤就可以实现梳状滤波。通过 精确控制干涉臂的长度差就可以实现所需要的频率间隔。同时由于是全光纤器 件又具有插损小和一致性好等优点。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。 目前生产光间插器的厂家大致有e - t e k ，o p l i n k ，c h o r u m ，a v a n i x ，j d s u 等。 以e - t e k 公司生产的i n t e r l e a v e r 为例，该产品的一个重要优势在于其低色散， e - t e k 的i n t e r l e a v e r 低色散典型值小于l o p s n m ，这相对其他公司4 0 p s n m 以上的色散是很有优势的，插入损耗小于1 8 d b ，绝缘度为2 5 d b ，5 0 g h z 型号 9 华中科技大学硕士学位论文 的净带宽大于1 6 g h z ：1 0 0 g h z 型号的净带宽大于3 0 g h z 。其温度漂移系数低， 仅为0 2 g h z 。c ，无需进行温度控制。而在o f c 2 0 0 0 上c h o r u m 公司展示的 i n t e r l e a v e r 产品则具有体积小，完全无源的优点。 1 3 论文主要研究内容及关键技术 本论文对自行研制的新型c - l e n s 结构解复用器进行研究，研究的主要内容 有： 1 用波动光学的理论对窄带介质膜干涉滤光片的原理进行较为深入的研 究，详细分析入射光的入射角度对干涉滤光片的中心波长的影响，推导出 二者的关系式。并用实验对此关系式进行验证。 2 运用高斯光学和矩阵光学的理论对c 1 e n s 结构解复用器模型进行分析 和计算。从理论上研究器件中几个关键参量变化对光路以及所引起豹器件 损耗的影响。 3 在理论分析的基础上研制出c 1 e n s 结构解复用器，摸索出制作该器件 的工艺。 本论文的研究课题是在福州康顺光通信有限公司的大力支持和协助下完成 的，课题的来源是国家8 6 3 高科技发展计划全光通信网络中关键光电子器件 主流发展的研究( 项目编号：8 6 3 3 0 7 1 6 0 6 ) 及康顺公司的新品研发项目。本 论文的关键技术如下： 1 分析干涉滤光片的结构、基本原理和设计制作方法。从理论上分析入 射光角度对窄带介质膜干涉滤光片中心波长的影响，并与实验结果进行比较， 验证理论对实际的符合程度。 2 建立器件的理论模型，并运用高斯光学和矩阵光学工具对该模型进行 分析、计算，得出对研制工作具有指导意义的结论。为器件的研制作好理论准 备。 3 摸索并制定制作该类型解复用器的工艺。分析备种方案的优缺点，选 择一种方案作为最终设计，制作出器件样品，并对该器件样品进行测试，根据 测试结果对器件的性能作出评价。 l o 华中科技大学硕士学位论文 2 入射光角度对干涉滤光片 中心波长的影响研究 2 1 窄带介质膜干涉滤光片 2 1 1 窄带介质膜干涉滤光片 干涉滤光片是以多波场干涉理论为基础【3 0 】，利用光学薄膜对波长的选择特 性制作的广泛应用于光通信领域的滤波器件。它是将薄膜材料以大约光波1 4 波长的厚度，由物理蒸镀或化学反应方式镀至在一基板上，利用光波在相邻膜 层处的光学特性与膜层对入射、反射及透射三束光波的干涉作用，达到使光波 在选择波段具有特殊的光谱性能。计算适当折射率的膜层厚度和膜层的数目， 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、偏光性 等特殊的功能【3 l 】。 窄带介质膜干涉滤光片就是一种窄带通的滤光片，目前最常用的也是最简 单的窄带滤光片是f a b r y p e r o t 滤光片。它是基于f a b r y p e r o t 干涉原理设 计而成的薄膜器件【3 2 】 3 3 1 。在光学薄膜设计中，可以用一个完全的薄膜组合代换 标准具。即两个多层介质反射膜堆代替平行反射板，中间夹一个间距为d 的介 质层，并称之为间隔层，结构示意图如图2 1 1 。除了间隔层具有大于l 的折 射率以外，这种薄膜滤光片的特性分析与常用的标准具是完全类似的【3 “。 干涉膜系 平板玻璃 增透膜 高反膜系 f p 腔 高反膜系 图2 1 1 干涉滤光片示意图 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 1 只是反映了窄带介质膜干涉滤光片中膜层的几个基本的单元f - p 腔，事实上，为了使滤光片具有良好的带通波形，在膜系之中必须包含许多f - p 腔。一般窄带干涉滤光片镀的膜层数要超过1 0 0 ，下- - d , 节将对此作详细讨论。 图2 1 2 反映了透射光谱与f - p 腔个数的简单关系。为方便计，图中只表明了3 个腔的情形 3 1 1 。 图2 1 2 透射光谱与f - p 腔个数关系图 由图2 1 2 可知，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。而矩形是最为理想的形状。 2 1 2 窄带介质膜干涉滤光片的设计和制作 一般而言，设计窄带介质膜干涉滤光片，都是应用f - p 干涉仪的原理来 进行的。通过组合多腔的f - p 干涉仪来达到设计要求。关键的问题就是根据给 定的材料来设计出带宽满足要求，同时损耗、抖动尽可能小的膜系结构。而膜 系的结构参数应该包括各层膜的折射率，厚度及膜系的层数。 膜系的设计特别是优化设计非常复杂，目前一般采用针法膜系自动设计的 方法f 3 5 卜 s s l 。其他优化设计方法，如最小二乘法、变尺度法、单纯形法、统计 实验法等都只能优化膜层的折射率或厚度，而不能优化膜系的层数。因此只能 达到局部极值，无法达到最优值。相比较而言，针法自动设计则解决了同时优 化膜层折射率、厚度和层数的问题。 光学镀膜的方法大多数是采用物理气相沉积法【3 9 】。窄带介质膜干涉滤光片 华中科技大学硕士学位论文 要求极高的波长定位精度和曲线陡度，以1 0 0 g 和5 0 g 的m u x d e m u x 滤光片 来说，波长定位精度要求达到十万分之一，陡度从一o 5 d b 到一2 5 d b 对波长 1 5 5 0 n m 的1 0 0 g 和5 0 g 滤光片分别为 o 4 n m 和 _ 暴 州 哥 d c ( i n m ) 12 4 乙凸9 9 捌 娄1 3 7 4 采 善 0 4 9 坚0 2 5 - 2 - a 1 0 ， 1 jl22 i2 4273 d c ( m m ) ( a ) 反射光出射点y 向距离随d 。变化曲线( b ) 反射光出射角度随d 。变化曲线 图3 3 6 反射光出射点处的位置参数随干涉滤光片放置位置关系曲线 从图3 3 6 ( a ) 可以看出。反射光经过c - l e n s 之后的位置随干涉 滤光片放置的轴向位置变化比较敏感。在d 。为c - l e n s 的焦距时，出射 点就是反射端接收光纤处。这表明，在制作器件时，干涉滤光片放置的 轴向位置正确与否将直接影响反射端接收光纤对反射光的接收。从图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 6 ( b ) 可以看出。反射光经过c - l e n s 的聚焦之后，出射的角度很小， 且随干涉滤光片放置轴向位置的变化不大，在此，出射角度对反射光的 接收影响不大，因此在下面的计算中可以忽略此项。 影响反射端接收光纤接收反射光的因素除了干涉滤光片放置的轴向 位置之外，还与干涉滤光片放置的角度偏差有关。为了便于计算反射点 的位置与干涉滤光片放置的角度变化关系，假设于涉滤光片放在“最佳 轴向位置”处，即d 。= ，。干涉滤光片放置的角度偏差可以分别投影为在 x o z 平面内的6 。和y o z 平面内的6 ，。同样的，设反射光到达c - l e n s 后 主面时的位置为m 。和，由几何关系易知： m o x = p 2 4q ( 3 。1 3 ) 2 ji u j ，；陉州2 小扎l ( 3 3 1 4 ) ，5 l2 d ，埙j p 将( 3 3 1 3 ) 式和( 3 3 1 4 ) 式分别代入( 3 3 1 2 ) 式，可以得到 t = do h 。； ( 3 3 1 5 ) 及： l = 1o b 。 ( 3 3 1 6 ) y 。和y ，分别为反射光经过c 1 e n s 之后的出射点的x 轴向和y 轴向 的位置，出射点离反射端接收光纤的距离为： r = i y ? + ( y y 1 2 5 x 1 0 - 3 ) 2 聊研 ( 3 3 1 7 ) 将各计算参数代入( 3 3 1 7 ) 式，设定6 ；和6 ，的变化范围均为o 1 0 。 可以得到出射点距反射端接收光纤的距离随干涉滤光片放置的两方向上 的角度偏差的关系曲线图，如图3 3 7 所示。 华中科技大学硕士学位论文 x o z 面内角度偏差8 ；( 。) 图3 3 7 出射点距反射端接收光纤的距离随干涉滤光 片放置两投影面内的角度偏差的关系曲线图 分析图3 3 7 可知，干涉滤光片放置的角度偏差对反射光的接收影响 很大。角度偏差在x o z 面内的投影和在y o z 面内的投影比较而言，前者对 反射光接收的影响比后者要大一些，这就为实际设计器件的精度要求提供 了理论依据。 二、反射端耦合损耗的计算 由3 2 2 中c - l e n s 结构的理论模型分析可知，干涉滤光片在这里可以 等效为一面理想平面反射镜。由式( 3 3 7 ) 可得反射光的初始q 参数为： q c = 群 s 5 丽 u j 。 由式( 3 3 6 ) 可得对于反射光c - l e n s 的传输矩阵为【5 3 】： c = 匕外 一芋m 川。一半 一上1 一生 ( 3 3 1 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 兀。 其中，4 ，、b ，、c ，、口为对于反射光c - l e n s 传输矩阵的四个矩阵 反射光经过c - l e n s 后出射点处的q 参数为 ”瓮告 由式( 3 3 8 ) 可知，出射点处的光斑半径为 1 ( 3 3 1 9 ) ( 3 3 2 0 ) 根据高斯光束的计算公式，该处的波阵面的曲率半径为： 1 r ，= 二f( 3 3 2 1 ) r e ( 二 q ， 以下分两种情况计算反射端耦合损耗： 1 干涉滤光片的放置仅有轴向位置偏差，没有角度偏差。 根据式( 3 3 1 2 ) ，由于干涉滤光片放置轴向位置偏差导致的反射光接收 处的偏差量y 。f f z 为： k ：卜罕 1 0 ，小脚 ( 3 3 2 2 ) 干涉滤光片放置轴向位置偏差将导致反射光接收处的光斑半径变化， 其耦合效率为( 5 5 l ： 由位置偏差导致的损耗啦为5 6 ( 3 - 3 ，2 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 铲4 3 4 3 ( 争 ( 3 3 “) 由耦合效率引起的损耗三。为： k = 4 3 4 3 1 n ( ) ( 3 3 2 5 ) 由于干涉滤光片放置轴向位置偏差导致的反射光接收的总损耗： 为： 工：= l 啦+ l 。 ( 3 3 2 6 ) 设定干涉滤光片放置的位置范围为：1 o 5 o m m 。则l 随d 。的变化 曲线如图3 3 8 所示。 3 拦 疆 餮 ， 距离d 。( m m ) 图3 3 8 反射光接收的总损耗与干涉滤光 片放置轴向位置偏差的关系曲线 由图3 3 8 可以看出，由干涉滤光片放置的轴向位置的偏差导致的反 射端接收处的耦合损耗很大。在距离c - l e n s 一倍焦距处的损耗为最小。 在实际制作时，我们正是将干涉滤光片置于距c - l e n s 一倍焦距处的。 2 干涉滤光片的放置仅有角度偏差，没有轴向位置偏差。 设干涉滤光片置于c 1 e n s 像方一倍焦距处即d c = ，根据式( 3 3 1 7 ) ， 华中科技大学硕士学位论文 由于干涉滤光片放置角度偏差导致的反射光接收处的偏差量为y ，。 干涉滤光片放置角度偏差将导致反射光接收处的光斑半径变化，其耦 合效率k ：为： f 3 3 2 7 ) 由位置偏差导致的损耗l o l r o 为： 们“3 4 3 ( ( 3 3 2 8 ) 由耦合效率引起的损耗l ，。为： 一= 4 3 4 3l n ( 亡) ( 3 3 2 9 ) 由于干涉滤光片放置角度偏差导致的反射光接收的总损耗k 为 日= 凹口+ 婶日 ( 3 _ 3 3 0 ) 设定6 ，和6 ，的变化范围均为o 1 0 。，则l 随6 ，和6 ，的变化曲线如图 3 39 所示。 由图3 3 9 可知，反射端的耦合损耗与干涉滤光片放置的角度偏差有很 大的关系，在理想状态下，忽略其他附加损耗，如图3 3 9 所示，耦合损 耗应该为零。在实际制作器件之中，我们在就是利用玻璃管很高的侧垂精 度来保证干涉滤光片放置的角度与光线主轴严格准直的。 蠢 一一 也 华中科技大学硕士学位论文 0 x o z 面内角度偏差6 ；( 。) 图3 3 9 反射光的接收总损耗与干涉滤光 片放置角度偏差的关系曲线 3 3 4 透射光的计算 由理论模型的分析可知，高斯光束经过干涉滤光片选波之后，通带范 围内的光束继续传输。由于，干涉滤光片的基底与膜层的夹角很小。所以经 过的干涉滤光片可以等效为一平行平板。透射光将被透射端输出光纤接收。 在透射光的计算中，以i t u 规定的3 3 通道的1 5 5 0 9 2 n m 波长的光为例。 设干涉滤光片置于反射端c - l e n s 一倍焦距处，且没有角度偏差。透射 端输出光纤水平放置，即没有所谓的“歪脖子”情况。为计算方便，以干涉 滤光片的基底为起点，用d 。来表示透射光束任一点距基底的距离。在式( 3 3 7 ) 中只要将以+ 吐：c o s ( y ：) 代替d c 则很容易确定透射端c l e n s 球面处高斯光 束的q 参数吼。 根据( 3 3 8 ) 式，透射端c 1 e n s 球面处的光斑半径埘，为： 华中科技大学硕士学位论文 根据高斯光束计算光式，透射端c - l e n s 球面处的曲率半径r ，为5 ( 3 3 31 ) f 3 3 3 2 ) 同理由式( 3 3 7 ) 和( 3 3 2 1 ) 也可以算出基底处的光斑半径国。和曲率半径 r g 。 差y ： 由于透射端输出光纤水平放置，故透射光到达透射端时有个位置偏 r = 以2s i n ( 2 , 2 )( 3 3 3 3 ) 透射光传输一段距离之后光斑半径和曲率半径变化，其耦合效率为 ( 3 3 3 4 ) 由距离d c 2 变化导致的损耗啦为： 铲4 3 4 3 ( ( 3 3 3 5 ) 由耦合效率引起的损耗。为： k 刘_ 3 4 3 l n ( 古) ( 3 3 3 6 ) 由于透射端c - l e n s 与干涉滤光片基底之间距离变化导致的透射光 3 8 厚 h j 吼 = r 华中科技大学硕士学位论文 接收的总损耗上，为 l ，= 础+ 。， ( 3 3 3 7 ) 设定透射端c 1 e n s 与干涉滤光片基底之间距离变化范围为：0 4 o m m 。则厶随d c 2 的变化曲线如图3 3 1 0 所示。 距离d 日( t a m ) 图3 3 1 0 透射光的接收总损耗和透射端c - l e n s 与 干涉滤光片基底之间距离关系曲线 从图3 3 1 0 可以知道，透射端在靠近干涉滤光片的基底时的耦合损耗 较小，这一点实际上是由透射光光线的几何性质决定的。因此，一般认为 的干涉滤光片应放在出射端c - l