（光学工程专业论文）基于体块结构的梳状滤波器研制与性能测试.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光学梳状滤波器( i n t e r l e a v e r ) 又称群组交叉复用器，是密集型波分复用d w d m ( 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 ) 系统中的核心器件，它的出现更新了波分复用 系统中分波，合波器件的理念，从奇偶信道交叉复用角度解决了如何压缩信道问隔，如 何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 技术得以在新应用中继续发挥作用。 本文对现今各种商售的光学梳状滤波器器件作了简单的介绍，对光学梳状滤波器 器件的方波波长响应，温度补偿，色散补偿作了详细的介绍。本文把全光纤马赫泽 德干涉仪型的i n t e r l e a v e r 器件结构转化成体块光胶的结构，使马赫泽德干涉仪型的 i n t e r l e a v e r 器件在体块结构中得到了新的应用。采用小角度入射，很好地避开了全光纤 马赫泽德干涉仪型i n t e d e a v e r 偏振相关损耗大的缺点，大大地提高了成品率。为得 到更好的方波波长响应。对基于马赫一泽德干涉仪基础上复合型( 单环形腔和双环形腔) 的i n t e r l e a v e r 器件以及基于迈克尔逊干涉仪和g - t 腔基础上的i n t e d e a v e r 器件的原理， 性能及其应用进行了系统的研究。 对自行设计的体块光胶i n t e r l e a v e r 器件进行制作和指标测试及验证。结果表明达 到了预期设计的目标。其指标和各种商售的i n t e r l e a v e r 器件的性能指标均具有可比性， 有的性能更为优越。 关键词：体块结构梳状滤波器密集波分复用器带宽色散 方波波长响应 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r l e a v e ri st h ec o r ec o m p o n e n ti nd w d m s y s t e m 。s i n c et e l e c o m m u n i c a t i o n su s a g e i n c r e a s e sa sar e s u l to f t h ei n c r e a s e di n t e m e tu s a g e ，i n c r e a s e dt y p e so f c o m m u n i c a t i o n s ，a n d p o p u l a t i o ng r o w t h , t e l e c o m m u n i c a t i o n sp r o v i d e r sa l er e q u i r e dt op r o v i d eg r e a t e rv o i c e a n d d a t a - c a r r y i n gc a p a c i t y i no r d e rt or e d u c ec o s ta n d t h ea m o u n to f t i m er e q u i r e dt op r o v i d et h e i n c r e a s e dc a p a c i t y , o p t i c a li n t e d e a v e rh a sb e e ni n n o v a t e d , w h i c hp r o v i d ei n c r e a s e dc a p a c i t y w i t h o u tr e q u i r i n gn e wf i b e ro p t i cc a b l e so rr e m o v i n gt h ee x i s t e dw d mo rd w d m c o m p o n e n t s i nt h i sp a p e r , w ei n 仃o d u c es o m ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l eo p t i c a li n t e f l e a v e r s n o v e l m e t h o d so f t e m p e r a t u r ea n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na r ea l s os t u d i e di nap r a c t i e a iw a ya n d p r e f e r a b l es t r u c t u r e w ed e s i g ns e v e r a lt y p e so f b u l k o p t i c a l i n t e r l e a v e r st h a th a v e c o m p e t i t i v ep e r f o r m a n c e o n eo fw h i c hi se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d 1 1 l eb u l ko p t i c a l i n t e r l e a v e r sa r eb a s e do nm a t h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ro rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r 1 1 1 c y i e l di si n c r e a s e db yu s i n gt h es m a l la n g l ei n c i d e n c e t h ep d l i sm u c hl e s ss i n c eas m a l l a n g l eo fi n c i d e n c ei su s e d p r a c t i c a lm e a n st oo b t a i nt h es q u a r ew a v e l e n g t hr e s p o n s ea r e s t u d i e di nd e t a i lb yc a s c a d i n go rm o u n t i n ga r i n go s c i l l a t o ri no n e a r n lo rt w o r i n go s c i l l a t o r s i ne a c ha r mo fm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t o ro rt w og - tc a v i t i e sc o u p l e dt or e c e i v e s u b - b e a m si ne a c ha 吼o f m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t o r w ea s s e m b l ea n dt e s tt h eb u l ko p t i c a lb o n d i n gi n t e r l e a v e r 髓et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a t w em e e tt h eg o a lo fd e s i g na n dt h i sk i n do fi n t e r l e a v e rh a v ec o m p e t i t i v ep e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht h ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l eo p t i c a li n t e r l e a v e r s ，s o m ep e r f o r m a n c ea r em u c h b e t t e r k e yw o r d s ：b u l ko p t i c a li n t e r l e a v e r d w d mb a n d w i d t h d i s p e r s i o n s q u a r ew a v e l e n g t h r e s p o n s e 独创- 1 4 声明 y 1 0 1 6 6 6 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导颊指导下进行的研究工作及取褥| l q 研究 成果。尽我掰知，除文中已经标明零l 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究傲出贞献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。零人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：亚芨劈 日期；口6 年f7 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被蠢阅和借阅。本 人授权牮中科技大学可以将本学位论文的全部域部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密盟，巍年解密后适用本授权书。 本论文属予 不保密露。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名。曼饭努 弱期： 汐6 年f f 月2 - 网 艚教师妣咝钟临 日期：知占年t 1 月2 翻 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 在带宽就是资源的时代，为了充分利用有限的带宽资源，小波道间隔已成为发展 趋势。为了满足迅速增长的带宽需求，更有效地使用当前技术成熟的掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的增益带宽密集型波分复用( d 1 | d m ) 系统必须提供更多的复用波道数，由此 波道间隔变得越来越窄。3 2 波和4 0 波i o o g h z 间隔的d w d m 系统已经得到广泛商用。为 了更进一步提高带宽利用率，波道间隔已从i o o g h z 向5 0 g h z ( 或更窄) 的方向发展。 波道间隔越窄，对d w d m 系统复用解复用器的要求就越来越高，对传统制作工艺的难 度也就越大。用作解复用器的i o o g h z 及更窄带滤波器的成品率很低，导致窄带滤波器 价格极高。从技术和工艺的角度来看，当前d w d m 技术也正在渐渐趋向于一个极限，正 是在这样的背景下，波长交错复用技术( i n t e r l e a v e r ) 的概念也应运而生，成为推动 d w d m 技术继续发展的有力支持。经过几年的发展，i n t e r l e a v e r 技术已经逐渐成熟。 i n t e r l e a v e r 的运用大大降低系统的成本，缓解d w d m 系统对滤波器件的压力。 i n t e r l e a v e r 的出现巧妙地解决了d w d m 系统信道间隔不断细化与传统光学滤波技术之 间的矛盾，是一种快速发展的很有前景的新型复用解复用器件。 1 1 国内外研究概况 目前美国、加拿大、日本等发达国家的通信器件的生产产家纷纷投入了大量的人 力和资金对i n t e r l e a v e r 进行研究和开发，并取得了一定的进展。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、铌酸锂等) 制作了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 件级联用做多信道d w d m 器件。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。1 9 9 9 年以c h o r u m 公司为代表的某些大型光 无源器件公司以双折射晶体型d w 咖器件为基本模型研制出双折射晶体型i n t e r l e a v e r 器件“捌这种i n t e r l e a v e r 器件是目前市场上主要的i n t e r l e a v e r 器件之一。图1 1 所示是c h o r u m 公司所制作的晶体型i n t e r l e a v e r 光路原理图。它是利用多块晶体薄片 层叠成一个晶体片堆，称为i n t e r l e a v e rc o r e 。偏振光通过此i n t e r l e a v e rc o r e 时， 华中科技大学硕士学位论文 对某些特定波长来说，此i n t e r l e a v e rc o r e 可以等效为一个1 2 波片，偏振态转9 0 度；而对于某些特定波长来说，可以等效为一个全波片，偏振态不发生旋转，从而奇 偶信道的波长在双折射晶体1 0 8 中分开。 1 0 3 - - - - y - _ 一 弋 l 一 般最 幽1 1c h o r u m 公司晶体型i n t e r l e a v e r 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，全光纤和波导马赫一 泽德干涉仪型i n t e r l e a v e r 因其具有插损小、一致性好等优点，也得到充分发展。 8 0 年代，l u c e n t 公司就提出并大力发展全光纤马赫一泽德干涉仪型d w d m 器件，随着 i n t e r l 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 r l e a v e r 器 件“捌。同时，性能更好的环行腔型的i n t e r l e a v e r 也得到了充分的发展删。其中2 0 0 1 年o f c 报导了用级联的全光纤马赫一泽德干涉仪构成的i n t e r l e a v e r 器件实现了对传 输谱的很好展宽，并通过相位共轭的方法进行了色散补偿，且插损小( 5 0d b ) 嘲。 1 9 9 9 年，卜t e k ( j d s u ) 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+ g - t 腔型i n t e r l e a v e r e ”j ，该器件具有很小的插损，很好的传输谱和较大的 对比度。但是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。图1 2 为e - t e k 公司( j d s u ) 的g - t 腔方案。图中5 3 0 为标准具，5 2 0 为分光棱镜，5 4 0 为f a b r y - p e r o t 位相延迟器。该方案采用与偏振无关的分 束盒来进行光的分束与合束，大大提高了对比度。 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 1 腔技 术的新型低色散i n t 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 2 华中科技大学硕士学位论文 i n t e r l e a v e r 产品。 图1 2e - t e k 公司的基于g t 腔的i n t e r l e a v e r 虽然我国在光电子技术方面是与国际水平差距相对较小的一个领域，与世界发达 国家几乎同时起步，但是由于我国制造技术的落后和材料水平的有限，所以在 i n t e r l e a v e r 这个概念提出来好几年的今天，国内仍仅有少数几家公司能够提供 i n t e r l e a v e r 产品。 其中，美国o p l i n k 公司在大陆投资的企业群，是目前国内最大的无源器件生产厂 商。该公司的i n t e r l e a v e r 揉合了o p l 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 y a w a r d s ”奖项。该器件已经形成了2 0 0g h z ，1 0 0g h z 与5 0g h z 的系列。2 0 0 3 年5 月光迅科技推出2 5 g h zi n t e r l e a v e r 。 1 2 课题研究内容 宽带网是未来光纤通讯技术发展的必然趋势。在用于拓宽网络容量的主要手段 d w d i 技术正趋向一个极限之时，i n t e r l e a v e r 技术由于其成本低，制做技术及工艺比 传统d w d m 器件有明显的优势，应用灵活，体积小，对于网络升级扩容，充分利用原有 d w d m 器件和光纤带宽极为有利。因此，开展i n t e r l e a v e r 技术的研究有着重大的实用 价值。 由于i n t e r l e a v e r 的信道间隔非常窄，任何一点变化都会对i n t e r l e a v e r 器件产 生严重的影响。如发射端激光光源的老化，中心波长的微小偏移，环境温度的变化， 材料色散、波长色散和偏振模色散的影响等等。科学工作者也针对这些情况提出了行 3 华中科技大学硕士学位论文 之有效的带宽展宽嘲、温度补偿嘲1 和色散补偿哺蚓等方法。因此，本文综合考虑上述各 种因素，设计了多种新型的基于马赫一泽德干涉仪( i z i ) 基础上和基于迈克尔逊干涉 仪基础上的i n t e r l e a v e r 器件，对此类m z i 型及其复合干涉型的i n t e r l e a v e r 的光谱 特性、带宽、色散、插损、串扰、偏振相关损耗( p d l ) 等性能作了系统的研究；对其 传输谱线进行整形，使得其顶部平坦，通带和阻带带宽变宽，从而具有很好的方波波 长响应特性，以至于在严酷的环境下仍能正常工作。并从原理、光路、传输谱等方面 对其进行详细叙述。对自行设计的体块光胶i n t e r l e a v e r 器件进行制作和指标测试及 验证。 1 3 关键技术 ( 1 ) 设计调试和封装极为方便的体块二级级联的马赫一泽德干涉仪型的 i n t e r l e a v e r 器件。 ( 2 ) 设计基于马赫一泽德干涉仪基础上的两种体块复合型i n t e r l e a v e r 器件，基于 迈克尔逊干涉仪和g - t 腔基础上复合型i n t e r l e a v e r 器件，并对各种相关性能指标进 行较为深入的研究与讨论。 。 ( 3 ) 对i n t e r l e a v e r 器件的温度补偿和色散补偿方法进行讨论，并提出了相应的解 决办法。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 梳状滤波器的带宽展宽、温度补偿及色散补偿方法研究 2 1 梳状滤波器的工作原理 梳状滤波器( i n t e f l e a v e r ) 技术是目前光纤通信的热点技术之一。它与密集波分复 用器( d w d m ) 技术一样都应用于波分复用系统( w d m 系统) 。但却与传统d w d m 系统不同。传统的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( 其工作原理示意图如图2 1 所示) ；i n t e d e a v e r 采取 的是一种交叉滤波方案。是按照奇偶分配的原则，把这串信号分解为两组信号流。 i n t e r l e a v e r 技术是一种可把一列频率间隔为f 的光信号分成两列频率间隔为2 f 的光信 号，分别从两个信道输出的光滤波技术，称其中一个信道为奇信道，另一个为偶信道。 也称之为群组滤波，即光学梳状滤波。具体地说，当它用于复用器时，i n t e r l e a v e r 将两束光信号合成一束空间频谱间隔为原信号频谱间隔一半的光信号。用作解复用器 时，可将一束光信号分成两束频率间隔为原频率间隔两倍的光信号。比如，通过两个 频率间隔为目标间隔两倍( 如1 0 0g h z ) 的普通复用解复用器的组合使用，一个专门 配合对应偶信道的波长，另一个专门配合对应奇信道的波长。再配合一个可以将信号 按奇偶分开组合的i n t e r l e a v e r ，就可以实现5 0 g h z 的频率间隔。从而使网络容量翻 倍。 w d m 2 1 ，2 2 2 n w d m 合波器分波器 图2 1 合波器份波器示意图 2 2i n t e r l e a v e r 器件的分类 i n t e d e a v e r 有很多的实现方式，有：晶体双折射型。m - z 干涉仪型，g t 型，光纤 5 华中科技大学硕士学位论文 光栅型。图2 2 为一个5 0 g h z 的i n t e d e a v e r 工作示意图【3 8 1 。他的功能是将一列5 0 g h z 频率间隔的光信号分成两列频率间隔为i o o g h z 的光信号，或者反过来将两列频率间 隔为i o o g h z 的光信号复用成一列5 0 g i - i z 频率间隔的光信号。 图2 25 0 g h zi n t e r l e a v e r 工作示意图 目前最成熟的是双折射晶体型。双折射晶体型i n t e r l e a v e r 具有隔离度高，通带宽 且平坦，稳定性可靠等优点。此种类型的器件一般由一种或两种不同的晶体搭配组合 而成。 ( 1 ) 双折射晶体型i n t e d e a v e r 原理 a 图2 3 晶体滤波片的原理图 双折射晶体型i n t e r l e a v e r 原理是利用光在晶体中的双折射现象，制成各种符合 i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 波长的晶体波片，使得宽带光源的 不同波长的光在晶体波片中产生不同的时延，从而使得不同波长的光信号分开。在晶 6 华中科技大学硕士学位论文 体型梳状分波器中，基核心是晶体滤波片，而晶体滤波片的基本原理简单地说就是波 片的原理，是不同波长的光在双折射晶体中传播时，由于其波长的不同而在相同的长 度的光程差上，产生不相同的相位延迟，从而造成偏振方向的改变，将d w d m 光纤通信 系统奇偶信道信号光分开为偏振态正交的两组。如图2 3 所示，同是垂直方向偏振的 1 和 2 ，经过晶体滤波片作用后， l 保持垂直偏振不变，而 2 变成水平偏振。 图2 4 晶体双折射型i n t e r l e a v e r 结构示意图 霪鬣：j by ， v 黼晃 向 图2 5 晶体双折射型i n t e r l e a v e r 原理示意图 晶体双折射型的i n t e r l e a v e r 结构如图2 4 所示，它利用的是晶体的双折射效应+ 偏 振光干涉，最终目的是实现双光束干涉【删。波片a 和b 的光轴方向夹角为0 ，输入线 偏振光的振幅为e ( 偏振方向平行于b 波片的光轴) ，进入波片a 后由于双折射效应， 光被分解为0 光和e 光，振幅分别为e 0 和e ，位相差为巾，进入波片b 后由于双折 射效应，光再次被分解为0 光和e 光，振幅分别为k 、k 、k 、e 。，如图2 5 所示。 由于偏振光干涉可知，艮和k 、艮和e - 分别发生双光束干涉，且波片b 对艮和k 引入了的相移。奇数波长与偶数波长由于偏振态正交而分成两组，其后再加一个偏 振分束器，将奇、偶信道的光在空间上分离出来，再分别级联具有相应信道间隔的普 7 华中科技大学硕士学位论文 通滤波器，即可实现普通信道的复用与解复用。其优点是可以灵活设计满足不同信道 间隔要求的器件，稳定性好，可靠性高。但因与偏振相关，需加入偏振分束器将奇、 偶信道的光在空间分离开来，因此插入损耗较大；对晶体本身的加工精度要求较高； 对折射率测量要求很高，且存在温度漂移问题。 ( 2 ) 迈克尔逊干涉仪+ g t 腔型 迈克尔逊干涉仪+ g t 腔型i n t e r l e a v e r ；原理是利用两束或多束光的叠加干涉使 得不同波长的光载波分开。此类型的i n t e r l e a v e r 由于采用与偏振无关的分束盒，获 得很好的对比度，但该分束盒加工难度大，成品率低，成本高；且奇偶信道的传输谱 线中一个信道要接环形器才能与入射信号分开该种结构成本较高，所以到现在一直 未商品化。 ( 3 ) 光纤光栅型 光纤光栅是一种窄带滤波器，它的信道间隔可以做到5 0g h z 甚至小于5 0g h z 。对 常规光纤光栅进行空间取样制备成取样光栅，能够实现梳状滤波功能。这种器件的信 道间隔可以做得很窄，一根几厘米长取样光纤光栅就可以实现多个信道的交叉复用。 将取样光栅与光环行器配合使用，可构成大规模多信道波分复用系统。 ( 4 ) 阵列波导光栅( a w g ) 型 阵列波导光栅是基于干涉原理形成的波分复用器件。阵列波导光栅型i n t e r l e a v e r 由输入自由传播区、阵列波导区和输出自由传播区组成。波导区中每个波导之间有固 定光程差，使得不同波长的光信号在输出自由传播区干涉，并从不同输出波导口输出。 a w g 属于集成光学范围，容易以小体积实现大规模信道复用和解复用，且a w g 本身具有 信道间隔较窄( 能做到小于5 0g h z ) ，信道损耗均衡，信道串扰较小和通带顶部较平等 特点，但其温度性能不佳，温度变化的影响较大。 ( 5 ) 光纤马赫一泽德干涉仪型 光纤马赫一泽德干涉仪型i n t e r l e a v e r 是通过熔融拉锥工艺制作。一个简单的b e i 可由两个耦合器和一对不等长光纤组成，如图2 6 所示。光从一个端口输入经过一个 耦合器分为等强度两束光，分别在不等长度的两干涉臂传输产生一定光程差，通过精 确控制两段不等长的光纤的长度差就可以实现所需要的频率间隔，最终在另一个耦合 8 华中科技大学硕士学位论文 器中干涉输出。 图2 6 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪i n t e r l e a v e r 示意图 上述各种类型的i n t e r l e a v e r 的功能是完全相同的，它们都是把波长进行奇偶分 开或复用，通过两束光的干涉，产生具有周期性信号波长的输出，通过控制两束光的 光程差就可以选择合适的频率组输出，并通过调整相应的干涉参数，就能使得所产生 的信号输出类似于梳状波的结构。在多级级联的情况下，它们可以把宽带光源输入的8 通、1 6 通、3 2 通甚至6 4 通完全分开或合波，并按网络协议传输到特定的终端。到现 在为止，所有这些互相竞争的滤波器制作技术中还没有明显的胜利者，但信道更窄、 具有方波波长响应特性、工作性能更稳定的i n t e r l e a v e r 器件将是未来发展的趋势。 2 3i n t e r l e a v e r 传输谱的方波响应方法 图2 7c a s i x 公司5 0g h zi n t e r l e a v e r 传输谱图 在2 1 节中已介绍i n t e r l e a v e r 的基本工作原理，它是利用多光束干涉产生周期性信 9 华中科技大学硕士学位论文 号输出( 奇偶信道分离) ，通过控制干涉的相应参数就可以选择合适的频率组输出。如 标准具，它的反射谱和透射谱是周期性信号，两个谱型差石相位，通过改变标准具两 块反射镜的间隔和反射镜的反射率，可获得不同的频率组输出。如何使得所输出的频 率组具有方波响应特性，是制作i n t e f l e a v e r 器件要解决的重要技术指标之一。既如何 对传输谱进行顶部展平，0 5d b 通带带宽展宽，- 2 5d b 阻带带宽展宽。 如图2 7 所示，横坐标为波长，纵坐标为插损，亦可看成是对比度。波形项部和0 刻度的差值为插损，波峰与波谷之间的差值称之为对比度或隔离度。离波形顶部0 5d b 处的通带带宽称为一o 5d b 通带带宽，离波形顶部2 5d b 处的阻带带宽称为一2 5d b 阻 带带宽。考虑激光光源输出波长漂移以及中心波长随温度漂移及色散等因素，要求 i n t e r l e a v e r 的传输谱- 0 5 d b 处通带带宽越宽越好且顶部尽可能平坦；我们希望信道 问串扰尽可能小，所以一2 5 d b 处通带带宽越窄越好，即2 5 d b 处阻带带宽越宽越好，对 比度越大越好。总的来说，波形越接近方波越好。从f o u r i e r 级数角度来看，周期性 的方波可展开成一系列余弦波或正弦波的叠加。因此，我们可以利用满足f o u r i e r 关 系的多个余弦波的叠加来构造方波。但必须注意到导致i n t e r l e a v e r 干涉产生合适的 频率组合输出的相位差不能随意选择，因为随意选择的相位差所构成的光场函数不能 与方波的f o u r i e r 级数相吻合。如方波的奇展开，其f o u r i e r 级数展开式中含有谐波 项口、3 p 、5 口( 2 n 1 ) 口，而任意选择相位差将会导致所构成的谐波项并非方波奇展 开中的谐波项，从而不能构成方波奇展开的f o u r i e r 级数。如果相位差满足一定的条 件，那么i n t e r l e a v e r 输出端的光场函数就成为有限项的方波f o u r i e r 级数。下面我 们就以全光纤马赫一泽德干涉仪( m z i ) 型i n t e r l e a v e r 为例来讨论f o u r i e r 级数修正 i n t e r l e a v e r 的传输谱。如图2 8 所示的两个m z i 级联1 ，由3 个耦合器和2 对光纤 oe 组成。每对光纤引起的相位差依次为届：0 ，尾i 0 ，该i n t e r l e a v e r 输出端口的光 二 二 场由光从入射端口到输出端口的所有路径组成。如图所示，着光从a 端口输入，则d 端口的输出由4 条路径( i a + 2 a ，i a + 2 b ，i b + 2 a ，1 b + 2 b ) 组成。适当选择屈的值，可 使每一条路径具有特定的时延，从而使得光强表达式中的各项与f o u r i e r 级数中的各 个谐波项相对应，而适当选择耦合器的分光比可调整谐波的振幅( 既光路中的时延对应 f o u r i e r 级数中的谐波项，耦合器的分光比对应f o u r i e r 级数中的谐波项前的系数) ， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 两者结合可有效改善m z i 传输谱的形状。对于多级级联，我们通常取屈的值为1 ， 2 ，2 。若光从a 端口输入，振幅为1 ，届= l ，历- - - 2 ，则d 端i = i 的输出由以下4 条路径组成； a b c d + 图2 81 级级联f i z i 示意图”“ ( 1 ) l a + 2 a 驯c i c ：s s e 叫乃竽l 卅z b 易= i c , s z c , e 斗，掣i 甜z a 马一码曼墨砷竽i ( 4 ) 1 b + 2 b 日= 强c 2 g 斗f 3 挈i 输出端口光场表达式为： = 置+ 最+ 最+ 臣 = 喝q 曼唧 1 3 铡+ i c , s ：gc x p - z 掣 旺， 一毽足s 唧 ，蚪+ 吗g g 唧 书挈 ， 光场表达式中e 表示第j 条路径的传输函数，艿( 旯) 为第一个m z i 两条臂产生的位 相差，c s = c o s 。，s l = s i n 以( i = 1 , 2 ，3 ) 。 输出端口光强表达式为； ，( = 瓦 = c 。2 l 2 2 0 j 2 + c ；s j c ；+ s ：c j c j + s t 2 0 2 2 0 3 2 + 2 ( 研一砰) c 2 岛墨c 3 c o s 【2 万( 见) 】卜非方波奇展开的谐波项( 2 2 ) + 2 c i s i s z ( c z c ；一c 2 岛一s z s , c d c o s a ( ；o 】 + 2 c ；s 凹& gc o s 3 艿( a ) 1 ， 华中科技大学硕士学位论文 从光强表达式可以看出此光强表达式含有方波奇展开的谐波项，但亦有非方波奇 展开的谐波项。但可以设置非方波奇展开的谐波项前的系数为零，就可以获得有限项 的方波奇展开的f o u r i e r 级数。因此，1 级级联的m z i 的输出谱相当于在单个m z i 的输 出谱上叠加了三次谐波项，同理，2 级级联的m z i 的输出谱将会在l 级级联m z i 的输出 谱基础上叠加上新的高次谐波项( 相位差的设定决定谐波的次数) ，从而改善其带宽特 性。d 端e l 的输出也可以通过矩阵来表示： 瑟 。吲 s ， 式中= c e 蝴s ( # ) ) 嚣) 为耦合器的传输矩阵( i = 1 , 2 , 3 ) ； 瓦，：f c x p t ( 乃2 ) o 1 为m z i 两条臂的传输矩阵( j = 1 , 2 ) 。0 。一一【 e x p ( - i 8 j ( a ) 2 ) ) “。1 ”“。”、 “ 以上讨论均为理想情况，若要考虑温度对光程差、耦合器耦合区长度的影响，以 及折射率随波长变化而引起色散等因素还需对各级屈做一定的修正。 2 4 温度补偿方法 随着网络的信息容量及传输速度不断提高，i n t e r l e a v e r 器件的信道间隔越来越 窄，达到1 0 0g h z 、5 0g h z 甚至更小，同时，为了减小光源中心波长因温度变化或老 化而产生漂移的影响，对i n t e r l e a v e r 器件要求也越来越苛刻。温度的变化将会使构 成i n t e r l e a v e r 器件的光学元器件或金属元器件发生热胀冷缩，导致设定的光程差偏 离理论值，从而使得输出波形畸变，中心波长偏离i t u 波长，这无疑对i n t e r l e a v e r 器件的性能有着严重的影响。为此，有一种很好的温度补偿方法 设计思想如下：光路结构图( 针对晶体型i n t e r l e a v e r ) 如图2 9 所示。3 0 1 、3 0 2 、 3 0 3 为双折射晶体，3 0 4 ( 衬底2 ) 为低热膨胀材料，如c o r n i n g 公司出产的u l e 、z e r o d u r 材料，其热膨胀系数分别为o 0 3 x 1 0 1 k 和0 5 1 旷k 。3 0 5 、3 0 6 ( 衬底1 ) 为金属 件或有机玻璃，衬底2 的热膨胀系数相对于衬底1 所使用的材料低2 4 个数量级，从 而可忽略衬底2 因温度的影响而引入的横向、纵向位移量；亦可通过衬底1 材料的选 取使得衬底1 材料的厚度和宽度随温度的变化来补偿3 0 4 因温度变化而引入的横向、 1 2 华中科技大学硕士学位论文 纵向( 垂直光轴方向) 位移量。三块晶体的横向位移量可互相低消。而纵轴上的尺寸 变化和折射率随温度变化而导致的光程差变化以及空气隙所引入的附加光程差完全由 3 0 5 、3 0 6 横向上的膨胀或收缩改变3 0 2 ，3 0 3 的通光长度来补偿；而3 0 5 、3 0 6 纵向上 的膨胀或收缩，使得3 0 1 与3 0 2 ，3 0 1 与3 0 3 之间的间隔始终维持不变。3 0 5 的左上： 右下顶点和3 0 6 的右上、左下顶点用硬胶胶合，3 0 5 的右上、左下顶点和3 0 6 的左上、 右下顶点用软胶胶合。此种结构可消除0 光和e 光的偏离现象，使出射光3 0 8 仍为一 束光。三块晶体的楔面互相平行，各楔面之问有一小间隔，两端面互相平行。由于光 程差在一4 0 c 蛩j8 5 c 范围内的变化是接近于线性的，所以这种方法是非常具有实用性 的。这种方法的思想亦可用于非晶体型i n t e r l e a v e r 器件中，保证光程差不随外界温 度的改变而发生变化，从而确保i n t e r l e a v e r 在恶劣的环境下仍能正常工作。 p 7 个 | 陆 、 | 十3 0 8 山 飞墨玉 小 3 0 2 3 0 1 3 0 3 1 3 华中科技大学硕士学位论文 都进行色散补偿，确保光信号在通过该器件时不受色散的影响，从而能很好地保持原 有的信号特征。在进行色散补偿时，往往只对光信号因频率不同所导致不同的光程差 而产生的色散进行补偿，而不考虑材料色散。从i n t e r l e a v e r 器件的光学传输矩阵来 看，从1 端口入射和从2 端口入射所输出的传输谱是完全一样的，卜3 信道与2 - 4 信道 完全对应，1 4 信道与2 - 3 信道完全对应，而卜3 信道与2 - 4 信道( 卜4 信道与2 - 3 信 道) 的相位常数却是分别共轭的“卅。如图2 1 0 所示，光信号从1 端口入射，从3 端口输出，然后再让该信号从4 端口入射，从2 端口输出，则色散被完全补偿，即光 信号通过i n t e r l e a v e r 色散为零。同理，光信号从1 端口入射，从4 端口输出，然后 再让该信号从3 端口入射，从2 端口输出，则色散也被完全补偿。 k 。k k 。_ # 2 ，b ，b o k ，- 晕l 毒2 x l b h - ，。# 2 图2 1 0 色散补偿原理示意图“1 2 5 小结 本章介绍了i n t e r l e a v e r 器件的多种实现方法，其中光纤马赫一泽德干涉仪型， 晶体型、和迈克尔逊干涉仪+ g t 腔型是较常用的几种类型。它们各有优缺点，可根据 实际生产设备、技术水平、应用环境而选择。此外，本章还重点讨论i n t e r l e a v e r 器 件修正输出波形的通用方法；傅立叶级数展宽通带带宽，和温度补偿及色散补偿方法。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 基于体块光胶结构的马赫一泽德干涉仪型梳状滤波器设计 马赫泽德干涉仪( m z i ) 型i n t e r l e a v e r 的工作原理是利用多光束的干涉形成奇偶信 道的分开。本文设计的体块光胶结构m z i 型i n t e r l e a v e r 是采用二级级联来产生多光束 的干涉。如第2 章图2 8 所示的两个m z i 构成一个一级级联的m z i 型i n t e r l e a v e r ，在 每个输出端口共产生4 束光束干涉。若增加级联数，输出光束的数目将会呈指数式上 升( 2 “，n 为级联数) 。本文所设计的i n t e r l e a v e r 器件，每个输出端口共有8 束光束 叠加干涉，从而使i n t e f l e a v e r 的传输谱更接近方波。由于光器件的体积是光器件的一 个指标之一，所以通常不采用高次级联，同时高次级联将会给参数的确定带来很大的 难度，而通过修改谐波项前的系数，可以很好的修正波形，使波形接近方波。 3 1 传输谱的计算 本设计采用二级级联( 三个马赫泽德干涉仪级联) ，在每个输出端1 ：3 共有8 个光 束相干干涉，如图3 1 所示。1 0 1 为入射端准直器，1 0 2 、1 0 3 为出射端准直器，1 0 4 - - 1 0 7 华中科技大学硕士学位论文 为不同分束比的分束片，1 0 8 ，1 0 9 ，1 1 0 为时延片，1 1 1 为全反镜。光从1 0 1 入射到1 0 4 上分成两柬，一束光经1 0 8 时延，反射后到达1 0 5 后，又被分成两束；另一束光经1 0 4 ， 1 1 1 反射后同样到达1 0 5 ，也被分成两束。当光继续通过1 0 6 、1 0 7 后，分别在3 、4 端口出射，1 0 2 、1 0 3 分别接收出射光的干涉光谱。每一端口的光束数量为2 “束，n 为级联数。由于各个m z i 的相位差是由空气隙厚度，分束片的厚度和时延片的厚度共 同决定的。所以适当选择这些厚度可以使各个m z i 的相位差满足一定的关系；同时， 通过控制分束片的分束比，可以使得出射端口的光强表达式中的各项为f o u r i e r 级数 的谐波项。通过修改分束片的分束比，可以使得2 、3 端口的传输谱具有很好的方波波 长响应。图中第一个m z i 的时延片，分束片和空气隙厚度产生的时延为万( 名) ，第二个 m z i 的时延片，分束片和空气隙厚度产生的时延为2 8 ( 2 ) ，第三个m z i 的时延片，分 束片和空气隙厚度产生的时延为2 j ( 五) ，也就是说时延比为1 ：2 ：2 ，假设分束片反 射系数是c o s 纯( 简写为g ) ，透射系数为s i n 妒( 简写为& ) n 为第n 个分束片。 这时在3 端口出射的光束的光场为： e o u t 3 ( 2 ) = c , g g s , e x p - i s s ( 五) 一c , g s , c , e x p - i s ( , t ) 】 + c , s 2 g g e x p i 3 8 ( 2 ) + c j s 2 s 3 s 4e x p 一话( 五) 】 ，qj 、 一s c 2 c j c e x p 【一f 3 艿( a ) 卜$ 1 c 2 s ，s 4e x p i s ( a ) 】 ”“7 + s i s z g $ 4e x p i 8 ( 2 ) - s l s 2 s 3 ge x p 【f 5 万( 五) 】， 3 端口出射的光束的光强为： l o u t 3 ( 2 ) = e o u t 3 ( a ) + e o u t 3 ( a ) ， ( 3 2 ) 4 端口出射的光束的光场为： e o u t 4 ( 2 ) = c l c 2 c j qe x p 一i 5 6 ( 2 ) + q g s 3 s , e x p 一谬( 五) 】 一c , s , g s , e x p i 3 5 ( 2 ) + c 1 s 2 s 3 ge x p 一话( 五) 】 + s i c z c 3 s 4 e x p 一f 3 艿( 旯) 卜s c 2 s c e x p 【谬( 五) 1 + s 是c ，c e x p 【话( 旯) 】+ 墨岛马墨唧【f 5 艿( 五) 】， 4 端口出射的光束的光强为： i o u t 4 ( 2 ) ：e