（电路与系统专业论文）50ghz光纤梳状滤波器的研制.pdf

上海大学碳士学位论文 摘要 波分复用技术对于光通信技术的发展起到了巨大的推动作用，全光网的建设 也将以波分复用技术为基础，而各种光器件则为波分复用技术提供了具体的解决 方案。在密集波分复用技术中，随着通信速率和信道复用密度的提高，一种新型 的光器件光学交错梳状滤波器( i n t e r l e a v e r ) 应运而生。本文对实现利用 m a c h z e h n d e r 干涉仪的光学交错梳状滤波器的技术方案进行了较为深入的理论 分析，并研制成了基于此原理的光学交错梳状滤波器，取得了较好的结果。 采用偏振光干涉理论以及琼斯矩阵方法分析了基于n a c h z e h n d e r 干涉仪的 i n t e r l e a v e r 滤波器的传输特性，设计了这种器件的一种基本结构，采用了三个 全光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪构成。研制出了三个5 0 g h z 光纤梳状滤波器原型器 件，实验测了器件的传输特性曲线，达到了i t u t 的标准。该器件在2 0 0 gd w d m 系统中对原系统的信道分割，使得原来系统的容量扩充了三倍，并且不需要对原 系统进行其他改造。 m a c h z e h n d e r 干涉仪为原理的i n t e r l e a v e r 滤波器的结构设计；通过采用多种 工艺手段和改进制造工具等多种手段来提高其稳定性，从而有效的发挥了他的优 点，使这一类型的无源光器件具有实用化能力。本文还在既有的基础上分析和研 制了级联型的m a t h z e h n d e r 干涉仪，并观察了他的光谱特性，得到个平顶的 传输特性曲线。这为基于m a c h z e h n d e r 干涉仪方案的i n t e r l e a v e r 滤波器进一步 改善光谱通带特性提供了方向。 关键词：应用光学；光纤梳状滤波器； 密集波峰复用；m a c h z e h n d e r 干涉仪 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fd 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 ) g a v ea n i m p e t u s t ot h e r a p i dp r o g r e s so fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，a n dd w d m t e c h n o l o g yw i l lp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o rt h eb u i l d i n go fa l l - o p t i c a ln e t w o r k i n g ( a o n ) i nt h ef u t u r e ，a n dd w d ms o l u t i o nd e p e n do na l lk i n d so fo p t i c a ld e v i c e s w i t hp r o g r e s so fh i g hs p e e da n dt h i sn o v e lo p t i c a ld e v i c es e p a r a t e sd w d ms i g n a l c h a n n e l sw i t he q u a ls p a c i n gi n t ot w og r o u p sw i t ht w i c et h es p a c i n g i nt h i st h e s i s ， o n ef i b e r o p t i ci n t e r l e a v e rs o l u t i o nb a s e do nm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r sa r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt r e es a m p l e sw i t h5 0 g h z s p a c i n ga n df o u r o u t - p o g sh a sb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h r e ef i b e r o p t i c m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r s ，a n di t u ts t a n d a r do nw a v e l e n g t hg r i di sa c h i e v e d t h eo p t i c a l s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a li n t e r l e a v e rb a s e d o ni m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r sa r ea n a l y z e db yu s i n gi n t e r f e r e n c et h e o r yo fp o l a r i z e d b e a ma n dj o n e sm a t r i xm e t h o da ne l e m e n t a r yc o n f i g u r a t i o no ft h i so p t i c a li n t e r l e a e r i sd e s i g n e d ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h r e ef i b e r - o p t i cm a t h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r s t h ei n t e r l e a v e d o p t i c a ls p e c t r u mo ft h i so p t i c a l i n t e r l e a v e ri nc b a n do ff i b e r c o m m u n i c a t i o n si sa r c h i v e de x p e r i m e n t a l l y , w h i c hc a nb eu s e di n2 0 0 g h zc h a m m l s s p a c i n gd w d ms y s t e m s s o ，t h ec a p a c i t yo ft h ew h o l ed w d ms y s t e mw i l li n c r e a s e 3t i m e sw h i l em a i n t a i n i n gl o wc o s t ，f a s td e l i v e r ya n dh i g hq u a l i t y t h e 。h a r a c t e r i s t i c so fi n s e r t i o nl o s s ，o p t i c a ls p e c t r u m ，a n dt e m p e r a t u r ee f f e c t so f p a s s i v eo p t i c a ld e v i c e si nf i b e rc o m m u n i c a t i o n sa r es t r i n g e n tac o u p l eo fs p e c i a l m e t h o d sw e r eu s e dt oo v e r c o m et h ei n s t a b i l i t yo fw h i c h i sd e f a u l ti no r d e rt o a c h i e v et h ew i d e rt r a n s m i s s i o ns p e c t r a ，ac a s c a d e dm zi n t e r f e r o m e t e rh a sb e e nm a d e aw i d e 1 - d bp a s s - b a n do fo 3 0 4w h i c hi s7 6p e r c e n to fs p a c i n gw a v e l e n g t hw a s r e a l i z e d t h eb e h a v eo f t h ei n t e r l e a v e rb a s e do nt h a ti st op e r f o r mw e l l k e y w o r d ：a p p l i e do p t i c s ；f i b e r - o p t i ci n t e r l e a v ef i l t e r ；d w d m ：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 v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明舞豪暴了谢意。 签名日期巡：j ：l 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送k 论文复印件，允许论文被查阋和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 翮签名：逝他 日期：型堕： ：i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 2 1 吐纪是信息经济时代，信息产业将成为国民经济的支柱产业。信息产业由 电信服务、电信设备、计算机硬件与软件及计算机服务这几方面组成，这几方面 的增长通常高于国民经济的增长【”。人们常提到我们已经进入信息社会，通信是 信息社会的基础之一，随之提出构筑国家信息基础设施n i l ( n a t i o n a li n f o r m a t i o n i n f r a s t r u c t u r e ) 和全球信息基础设施g i i ( g l o b a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) ，就是 建设“信息高速公路” 2 3 1 ，光纤通信技术在信息高速公路的建设中占有非常重 要的地位。 1 1 光纤通信的发展 1 9 6 2 年半导体激光器( l d ) 的发明，以及后来d f b 、d b r 、m q w 等激光器 的发明，为光纤通信发展提供了最重要的光源；1 9 6 6 年高锟博士和h o c k h a m 预 见n 用s i 0 2 石英玻璃可以制成衰减为2 0 d b l ( m 的低损耗光纤，1 9 7 0 年美国康宁 ( c o m i n g ) 公司率先研制出低于2 0 d b k m 的低损耗光纤，光纤传输的损耗首次 低于铜线传输，光纤远距离传输成为可能。到1 9 8 0 光纤衰减降低到0 2 d b k m ( 1 ，5 5 um ) ，接近理论值，使超大容量长距离光纤通信成为可能。后来的光纤放大器 e d f a 的发明3 1 1 w d m 技术的提出使得光纤通信推进到一个更快发展的新阶段。 光纤传输技术的发展十分迅速，从早期的多模光纤，传输速度4 5 m b i t s ，中 继距离1 0 k m 发展到目前传输速率达到3 2 0 g b i t s ，中继距离超过6 0 0 k m ，换句话 说可以让7 6 8 万人同时通话。在传输技术上，全波( a t t w a v e ) 光纤的出现将1 3 j o h m 波段与】5 5 0 h m 波段连接起来，大大扩展了光纤的传输带宽，但是使用带宽的增 大对光纤放大器的带宽、增益的平坦性及高效性都提出了更高、更严格的要求。 另外，目前商用光纤通信的单信道调带u g , 率己达到1 0 g b i t s ，并正进行4 0 g b i t s 系统的商用开发，但是受限于电子处理瓶颈效应，在未来全光网的解决方案中必 须采用更巧妙、更有效的光学手段。 上海大学硕士学位论文 最大限度地增加光纤中复用的波长数、减小信道间隔，是增加光纤通信传输 容量的重要而且有效的手段。据报道的实验室水平传输速率已经能超过l o t b i v s ， 这主要归功于密集波分复用( d w d m ) 技术的采用。目前d w d m 技术主要采用 介质薄膜滤波器、阵列波导光栅、光栅型等技术，随着进一步提高通信系统传输 容量而减小信道间隔趋势的发展，这些成熟的技术有接近其技术极限的趋势，并 且技术成本将急剧提高。这样人们跳出思维定式、另辟蹊径，采用光的高阶干涉 效应，提出了光学交错梳状滤波器( i n t e r l e a v e r ) 解决方案，实现d w d m 各信道 的交错分波。这是光纤波分复用技术的一个研究热点，也是d w d m 技术发展的 个重要方向。本论文将选择这器件和熔融拉锥全光纤m a c h z e h n d e r 干涉仪 技术的研究作为主要内容。 1 2 光纤通信产业发展趋势 随着通信量的急剧增加，特别各种宽带接入设备的大量普及随至产生的各种 应用多导致了通信数据量的爆炸式增长。而光纤通信已经无可争议地成为通信网 的主要传输手段，而且未来i p 传输业务、数据通信业务只能依靠光纤通信方式f 4 。 这就是光通信产业大发展的直接动力。通信业务的不断增加、网络通信容量压力 的增大，传输宽带化的发展，促使现有网络向光网络演进，从而对光通信产品产 生巨大的市场需求，给光通信产业带来了广阔的市场前景。 由于2 0 0 0 2 0 0 2 年网络经济泡沫，光通信产业的发展也受到了沉重的打击， 但是就光纤通信市场的长期发展来看，应该保持比较乐观的态度 4 1 。特别是中国 市场仍将保持较快的增长速度。根据信息产业部“十五”规划，通信业将至少 两倍于国民经济发展速度的增长。电信业的重组、加入w t o 后国外电信公司进 入中国市场，都将带来大量的通信基础设旌建设，因此，光纤通信市场将保持比 较快的增长速度。 上海大学硕士学位论文 1 3 本文结构安排 可以看出，光纤通信技术对于推动信息时代的发展起到了非常重要的作用； 而关键光器件的突破对于推动光纤通信技术进步的作用是不言而喻的。从世界范 围来看，各种调研、预测报告都显示，未来光纤通信长远发展是乐观的，随着世 界经济的恢复以及中国经济的持续发展，光纤通信必将继续大发展，这就需要在 一些关键光电器件的研发方面下大力气。 本文主要论述了基于m a c h z e h n d e r 干涉仪的光学交错梳状滤波器 ( i n t e r l e a v e r ) 的理论分析和实验研究。首先，第二章综述了各种实现i n t e r l e a v e r 滤波器的技术方案以及其优缺点和i n t e r l e a v e r 滤波器在双向光纤通信系统中的应 用；然后，第三章详细论述m a c h z e h n d e r 干涉仪和以其为基础构建各种 i n t e r l e a v e r 器件的结构和理论分析；第四章用m a c h z e h n d e r 干涉仪为基础研制成 功了5 0 g h z 光纤梳状滤波器，并进行了理论分析和实用化研究，针对这类型器件 稳定性差的缺点采用了多种措施进行克服，研制成功三个样品器件，推动了这类 型器件的实用化；第五章为进一步提高信道带宽内的平坦度，讨论了级联结构， 对级联型结构的几个重要参数进行了探讨和比较，研制成功了级联型 m a c h z e h n d e r 干涉仪样品，为以后进一步提高器件指标打下了基础。 上海大学硕士学他论文 第二章综述 弟一早琢尬 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要的革命。随着国民经济的持续 发展，信息交流的日益增多语音、图象、数据等信息量成爆炸式增长，尤其是 i n t e r n e t 的迅速普及，广大用户对通信网的带宽提出了更高的要求，扩大网络容 量成为网络运营商的当务之急。利用密集波分复用( d w d m ) 技术扩大通信系 统容量在当前是切实可行被广泛产用的技术方案。 2 ，1 几种常用的d w d m 器件 波分复用技术是指在一根光纤上同时传送多路载波的传输方式，波长划分有 一定的间隔，不至于发生相互干扰，而各波长可以由同一光纤放大器提供均衡的 功率增益。石英光纤可用的带宽资源十分巨大，并且还在不断拓宽。而且利用密 集型波分复用技术可蚍在原有的光纤传输系统中仅仅只要增加密集型波分复用 解复用器( d w d m ) 就可以成倍地扩充信道数，这是增加信息传输容量的首选 方案。常见的d w d m 器件有介质薄膜型、列阵波导型和光栅型等。 2 1 1 介质薄膜型d w d m 器件 介质薄膜型d w d m 器件是利用多层介质薄膜列光波的干涉来进行复剧和解 介质薄膜型d w d m 器件是利用多层介质薄膜列光波的干涉来进行复用和解 入 气、 l 多层介质腱 i 雇7 图21 介质薄膜型d w d m 器件 等 上海大学硕士学位论文 第二章综述 弗一早琢尬 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要的革命。随着国民经济的持续 发展，信息交流的日益增多，语音、图象、数据等信息量成爆炸式增长，尤其是 i n t e r n e t 的迅速普及，广大用户对通信网的带宽提出了更高的要求，扩大网络容 量成为网络运营商的当务之急。利用密集波分复用( d w d m ) 技术扩大通信系 统容量在当前是切实可行被广泛产用的技术方案。 2 。1 几种常用的d w d m 器件 波分复用技术是指在一根光纤上同时传送多路载波的传输方式，波长划分有 一定的间隔，不至于发生相互干扰，而各波长可以由同一光纤放大器提供均衡的 功率增益。石英光纤可用的带宽资源十分巨大，并且还在不断拓宽。而且利用密 集型波分复用技术可以在原有的光纤传输系统中仅仅只要增加密集型波分复用 解复用器( d w d m ) 就可以成倍地扩充信道数，这是增加信息传输容量的首选 方案。常见的d w d m 器件有介质薄膜型、歹u 阵波导型和光栅型等。 2 1 1 介质薄膜型d w d m 器件 介质薄膜型d w d m 器件是利用多层介质薄膜对光波的干涉来进行复用和解 气 底 图2 1 介质薄膜型d w d m 器件 多层介质腆 、11一，iif 上海大学硕士学位论文 复用的。既对一个或多个波长反射率高( 或者透射率高) 对其他波长则反射率低 ( 或透射率低) 。其制作方法是在玻璃衬底上镀上厚度严格控制的不同折射率的 多层介质薄膜，使得其对某些波长透射，而对另一些波长进行反射，再对镀膜后 的滤波片进行切割与光纤准直器装在一起的。这种器件可以设计不同的膜的结构 形成长波通滤波器、短波通滤波器或者帝通滤波器。它的特点是信道数灵活，波 长间隔可以不均匀，插入损耗较低带宽较宽，相邻信道隔离度高( ， 2 5 d b ) ， 偏振敏感度小，温度特性好【5 】等优点。目前此类器件已经广泛地应用在通信线路 中。它主要用于通道间隔为4 0 0 g h z ，2 0 0 g h z f i1 0 0 g h z 。该类器件的缺点是装 配所需时间较长，要实现通道间隔1 0 0 g h z 以下非常困难。另外整个器件的损耗 和成本都与复用信道数成正比，所以一般在c 波段只用到1 6 信道。如图2 1 所示。 2 1 2 阵列波导光栅( a w g ) 型d w d m 器件 阵列波导光栅( a w g ) 的概念首先是由荷兰d e l r 大学的s m i t 在1 9 8 9 年提出 的【嗣，其重要的应用价值引起t n t t 公n , i i b e l l 实验室的关注，研究人员在s i 基 波导、s o l 基- 波导、p o l y m e r ( 高聚物) 波导以及i n g a a s p ，i n p 基波导等材料上已 经研制了不同指标的a w g 器件样品，并开始应用于系统。列阵波导光栅( a w g ) 型d w d m 器件是利用多光束干涉原理形成的波分复用器件，a w g 由阵列波导， 图2 2 阵列波导光栅( a w g ) 型d w d m 器件 上海大学硕士学位论文 两个具有罗兰( r o w l a n d ) 网结构的平面波导以及输入输出波导构成。阵列波导 中各波导的基本参数相同，相邻波导的光程差为一定值，等间距排列，光波通过 该阵列波导发生衍射，使得不同波长的光信号在输出自由传播区产生多光束干 涉，所以该阵列波导对入射光波起到光栅的作用，不同波长入射光波将分布到不 同的输出波导中，由此实现了解复用的功能。根据光路可逆原理，将输入输出波 导反用，就得到复用的功能( 如图2 2 所示) 。据文献 7 1 报道，利用a w g 复用 解复用器件的d w d m 传输演示实验系统的指标达到1 0 0 信道，l t b i t s 的速率。 a w g 的制作方法是采用光纤生产中应用的火焰水解淀积和反应离子蚀刻工 艺，在s i 材料衬底上形成纯s i 0 2 包层与g e 掺杂的s i 0 2 芯层，芯层与包层之间折射 率为百分之零点几，严格控制材料的成分，使其对入射光有设计所需要的折射率， 制作这种光波导的主要难点在于精密控制材料的厚度、成分以及其中的缺陷。 这类器件属于集成光学范围，具有尺寸小、结构紧凑、一次复用的通道数多、 容易大批量生产等优点，频率间隔可以作到5 0 g h z ，并且信道损耗均衡、信道 串扰较小；间隔为2 5 g h z 的器件也已有报道。虽然存在插入损耗较大，偏振相 关损耗高，温度稳定性较差、要求主动温度控制功率消耗达瓦级等缺点，但是对 于信道数量很大的d w d m 系统的应用中，占有明显的优势，具有强大的发展潜 力。特别是最近1 2 年，由于工艺技术的完善，a w g 器件发展迅速，预计今后 很有可能a w g 器件会一统天下。 2 1 3 光栅型的d w d m 器件 光栅型的d w d m 器件，它是把不同波长的光器件由平面或凹面光栅色散以后 按不同波长重新注入到一排光纤列阵中去。虽然这种器件也已经商业化，但利薄 膜型器件相比存在着损耗大、带宽较窄等缺点，所咀现在基本上已经不用了。结 构如图2 3 所示 上海大学顼士学位论文 光纤 l + 一涩琵z 勉一 2 一z 乏z 夏互琵 一 也+ 盈理琵琵琵 一 + 2 z z z l z z z 盈一一一一一 五i + 2 2 + 图2 3 光栅型的d w d m 器件 2 1 4 光纤光栅( f b g ) 型d w d m 器件 自从1 9 8 9 年m e l t z 等人用紫外光( u v ) 写入技术制备出第一根实用化光纤光 栅以来”，光纤光栅在光电子领域以及光纤通信系统中就获得了广泛应用，其 中一个主要应用就是基于光纤光栅窄带滤波特性的密集波分复用器。光纤光栅一 般常用的制作方法是利用紫外光干涉在光纤纤芯中形成周期性的折射率变化，当 折射率的周期性变化满足布拉格( b r a g g ) 衍射条件时，该布拉格光栅相应波长 的光波就会产生全反射，反射率几乎可达到1 0 0 ，而且其余波长的光会顺利通 过，相当于一个带阻滤波器。 这类d w d m 器件特别适用于d w d m 系统中使用，它具有如下的一系列优 点：中心反射波长可以精密控制，反射带宽可以任意选择并且可以做得很小，具 有优异的滤波特性，滤波函数陡峭，与普通光纤连接简单等等，使其在信道间隔 ( ( 5 0 g h z 的d w d m 系统中应用很有利。尽管光纤光栅型d w d m 器件具有美好 的发展与应用前景，但是也存在不足之处，当构成实际的w d m 器件时，需要使 用价格昂贵的光环行器或者马赫曾德尔( m a c h - z e h n d e r ) 干涉仪，并且随着要 信道数增加，复杂性与成本随之增加，此外f b g 的典型尺寸为厘米量级或更长， 级联很多个f b g 将使器件体积庞大，由于光纤光栅的中心波长会随着温度而漂 移，而导致温度稳定性差，所以实用化器件必须解决此问题。把f b g 和薄膜滤 波器组合起来列于d w d m 系统是很好的解决方案。 上海大学硕士学位论文 2 1 5 熔融拉锥全光纤d w d m 器件 熔融拉锥熔融拉锥全光纤d w d m 器件是将两根( 或两根以上) 除去包层的裸 光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时在两侧拉伸，最终在加热区形 成双锥体形式的特殊波导结构，他是实现传输光功率耦合的一种方法。采用熔融 拉锥工艺实现传输光功率耦合的耦合系数是光波长的函数，采用一些特殊的方法 可以控制耦合器的耦合系数和传输的光波长方向的敏感系数程度，例如改变两根 光波导传输常数的一致性，可制成宽带器件。目前市场上已经出现带宽大4 0 0 r a n 的全波段耦合器；当然也可阻延长拉锥，增强耦合系数对波长的敏感性从而得到 波分复用器，目前市场上销售的1 3 1 15 5 波分复用器就是这种类型。但每进一 步压缩复用波长间隔，需把锥拉得很长，此时又遇到偏振分离等一些问题，虽然 有报道拉锥时越过两个偏振分离点，使得复用波长达到1 0 n m 左右，但此时锥部 分的光纤直径已达到微米量级，不但制作困难而且波长振动稳定性和温度稳定性 均很差，已失去了实用价值( ”。当然这类型器件具有结构简单，全光纤，制作设 备和工艺成本低等优点，缺点就是稳定性差。 2 2 光交错梳妆滤波器( i n t e r l e a v e r ) 技术 为了满足人类永无至境的需求，在上面的d w d m 系统中为了进一步拓宽容 量，通常采用三种方法：第一是提高单信道速率，例如据报道人们正在对单信道 图2 4 二级三个i n t e r l e a v e r 器件实现解复用示意到 上海大学硕士学位论文 速率达4 0 g b i t s 的传输系统进行商业化开发；第二是把目前只能用于1 3 lum 和 1 5 5 “m 两个窗1 2 1 的传输光纤向全波光纤扩展( 通常达4 0 0 n m ) ：第三则是进步 压缩信道问隔。由于目前在d w d m 系统中普遍采用的是薄膜型器件。这种利用 镀膜工艺制造的器件很难将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，就要多镀上几百层薄膜，蒸镀误差增加，成品率下降，产品价格急剧上 升。但是，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，再进一步缩短各信道间的波长间隔已经成为巨大的挑战。正是这样的背景 下面，光学交错梳状滤波器( 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， 采i n t e r l e a v e r 实现全光纤滤波” ，成为推动d w d m 技术继续发展的有力支持。 它回避了镀膜工艺的局限，利用奇偶信道交错分波手段解决压缩信道间隔、提高 通信容量的问题。 i n t e r l e a v e r 滤波器是一种专用的复用解复用器，其功能类似于电子器件中的 i n t e r l e a v e r ( 交织器) 。它不是通常所说将多个波长分离为单个波长的波分的波分 复用器，而是将一组信道间隔为4 ，的光信号分成信道间隔为2a ，的奇偶两组光 信号，其中一组包含奇信道信号光，另一组包含偶信道信号光。图2 4 是利用二 级三个i n t e r l e a v e r 器件把信道间隔为5 0 g h z ( o4 n m ) 的系统解复为信道间隔为 2 0 0 g h z ( 1 ，6 n m ) 的信号3 示意图。利用这种技术可以减轻现有的w d m 器件复 用对波长间隔要求的负担。 在d w d m 系统中使用交错梳状滤波器( n t e r l e a v e r ) 的目的和好处：一、降 低分波器信道间隔要求。当一种分波器的信道间隔接近其技术极限的口弓候，技术 上进一步的提高可能需要付出巨大的经济代价。i n t e r l e a v e r 滤波器把系统的技术 瓶紧转移到了一个比较容易解决的地方。二、对于已经安装的较低信道密度的 d w d m 系统，可以通过i n t e r l e a v e r 滤波器将信道间隔压缩一倍，有利丁系统的 扩容以及升级。三、采用基于偏振干涉分波的i n t e r l e a v e r 滤波器司阱利用光的偏 振性，实现偏振复用。四、在双向光纤姬信中利用i n t e r l e a v e r 滤波器可以实现抑 制串扰、减少信道突发误差的作用。 上海大学硕士学位论文 交错梳状滤波器( i n t e r l e a v e r ) 常见的技术方案有光纤m a c h z e h n d e r 干涉型1 ” ”1 ，晶体偏振光干涉型m 15 6 峙n 平面波导型等等。但是现在商削的i n t e r l e a v e r 滤波器只有j d su n i p h a s e 和o p l i n k 采用晶体偏振光干涉原理的方案。 2 2 1 光纤m a c h z e h n d e r 干涉型 a 8 c d 图2 5 光纤m a c h ，z e h n d e r 干涉仪 光纤m a c h z e h n d e r 干涉型能较为简单地实现i n t e r l e a v e r 功能，它是由两个分束 比为l ：l 的光纤耦合器( c l 、c 2 ) 和两条光纤干涉臂( l l 、l 2 ) 组成( 如图25 ) 。 它的信道复用间隔完全取决于二条干涉臂之间的光程差。只要严格控制两条干涉 臂光纤的长波差l 就可以得到所需的复用间隔。由于目前光纤耦合器的制造技 术已经非常完善。所以光纤m a t h z e h n d e r 型i n t e r l e a v e r 器件制作成本很低。其主 要困难有两点：第一是干涉臂长度差l 的精度要求很高，其干涉极大点和极小 点的波长要正好落在i t u t 规定的波长上：第二是由于干涉臂长度一般为数厘米 量级，对如此长的光程，当环境稍有变化就会引起干涉臂不稳定从而使得通道波 长点变化，所以整个器件一定要严格的恒温环境。 2 2 2 晶体偏振光干涉型 另一种方案是晶体偏振光干涉型i n t e r l e a v e r ) i 图2 6 ，当一束偏振光初入晶体 后由于晶体的各向异性，这束光的电场矢量很自然地按晶体的快慢轴分成两个分 量，这两个分量的相位差除了依赖于折别率i 、。和n 。之差以外，还处决于晶体的厚 度d ，这样i n e r l 。 d 就是两束光的光程差，相当于上述m a c h z e h n d e r 二f 涉中| ! ( , j n a l 。 上海大学硕士学位论文 对于选定的晶体只要控制厚度d 就可以控制信道的复用间隔。但是由于一 尖慢轴上 场的分量是处于正交状态，不能直接干涉，r 一股在后面放个偏振器，并使得偏 振器的通光方向与晶体的快慢轴成4 5 0 。这样快慢轴上的两个正交分量各自再在 偏振器的两个通光方向分解成两个分量，共计四个分量，因而形成在偏振器的两 个方向上各有一个快轴场分量和一个慢轴场分量，它们干涉后分别在偏振器的两 个通光方向形成两束光，类似与光纤m a t h z e h n d e r 干涉仪的两个输出端口一样。 在实际系统中，由于输入光的偏振方向是任意的，所以在前面还必须加一个偏振 分光器把任意方向的偏振光分解为两个固定方向正交的线偏振光，每个偏振分量 再经过上述偏振光干涉系统，然后再加上偏振合波器，并连接上光准直器 ( c e l l i m a t o r ) 为了保证干涉的极大点符合i t u t 波长标准，双折射晶体加工精度 要求较高，一般要优于1pm ，并也需处于恒温状态，才能保持波长的稳定。所 以偏振光干涉型i n t e r l e a v e r 器件结构复杂、加工要求高、装配耗时、很难推广大 量使用。 图26 晶体偏振光干涉仪 2 2 3 平面波导型i n t e r l e a v e r 器件 平面波导型i n t e r l e a v e r 器件是在制作d w d m 的同一衬底上再制作一个平i 昕 波导型的m a c h z e h n d e r 干涉仪。如图2 7 所示，这类器件前期设备和技术的投 上海大学硕士学位论文 图2 7 平面波导干涉仪 入很大，并且在制作技术上还有待进一步完善，但是集成光波导的器件肯定是发 展的方向，今后也许会一统天下。 2 3 i n t e r l e a v e r 滤波器在光纤传输中的应用 2 3 1 i n t e r l e a v e r 滤波器的基本应用 这种i n t e r l e a v e r 滤波器的基本工作原理还是基于双束光的干涉，通过合适的 干涉参数的设计可以使i n t e r l e a v r 滤波器的输出光谱成为类似于方波形状的分 布。可以说i n t e r l e a v e r 滤波器的出现，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己的位置，大大降低了器件设计制作的压力，降低了整个 系统的成本。 介质薄膜滤波器型d w d m 器件是目前最成熟的技术，也是d w d m 系统应用 的最主要技术，而在缩短这种器件的信道间隔来扩大光纤传输容量时，比如由 1 0 0 g h z 间隔缩短到5 0 g h z 间隔，我们可以采用一种与i n t e r l e a v e r 滤波器组成的混 合结构，在技术上可能更成熟一些，在经济上可能更划算一些。在光纤传输两端 薄膜滤波器的前面增加i n t e r l e a v e r 滤波器( ”1 ，如图2 8 所示，可以使现在i t u 。t 建 议的d w d m j 匕纤通信系统的传输容量倍增，而1 0 0 g h z 的薄膜滤波器技术在 上海大学硕士学位论文 5 0 g h z l 日q 隔d w d m 系统中得到应用。 j1 j 。+ 匹立睁! # 徉13 5 7 ll l 1 曩耻滋 24 6 l 图2 8i n t e r t e a v e r 滤波器与薄膜滤波器混合结构的d w d m 系统 2 3 2 i n t e r l e a v e r 滤波器光纤双向通信中的应用 光纤通信传输制式有单向传输和双向传输两种。在单波长传输和1 0 0 g h z 间 隔阱上d w d m 传输时，单向传输获得了极大的成功，光纤通信的容量得到极大 的提高。在某些特殊的场合，常常需要在一根光纤中进行通信，以最大可能地利 用光纤资源。双向光纤通信可以是利用不同波段的波长，如1 3 0 0 n m 和1 5 5 0 h m 两个波段的双向复用：可以是同一波段中的相同或不同波长进行双向复用。随着 密集波分复用技术的发展，进行双向多波长复用技术的研究是很有现实意义的 眦i 9 1 。 但是在利用新技术进一步缩短d w d m 信道间隔以提高传输容量时，受到四波 混频和瑞利背向散射等的严重影响。在双向通信系统中必须要考虑信道之间的串 扰问题。串扰可以分为带内串扰和带外穿扰两种，分别来自于相同波长信道和不 同波长信道之间，在双向传输过程中由于光纤器件的反射和通道间隔度、光纤的 瑞利散射等因素造成串扰。带外串扰可以通过在接收端前设置窄线宽的光滤波器 来消减，而存在带内串扰是，则因为串扰与信号是在同一波段内，无法通过光滤 波器来消除串扰。因此在双向信道波长的选择时般都选用不同的波长。采用不 同波长的双向光纤通信系统实际上可以作为d w d m 网络来研究带外串扰问题 上海大学硝士学位论文 f 2 0 。 应用i n t e r l e a v e r 滤波器技术在2 5 g h z 频率间隔的d w d m 系统中作解复器以有 实验报道，然而非常稠密的信道间隔将导致增加四波混频代价 2 2 】。在o f c 2 0 0 1 会议上，贝尔实验室的s r a d i c j 、组，提到一种不需要采用喇曼发达器的另一种 一一 一一一一 图2 92 5 g h z 双向交错传输示意图 手段来降低四波混频。如图2 9 所示，通过双向交错传输的方式，信号间保持 2 5 g h z 的间隔。由于邻近的反向传输信号之间相位失匹配，这样四波混频代价是 由邻近的同向传输信道间隔为5 0 g h z 的信号之间产生。 s r a d i c 小组报道的实验结果是采用新型交错与放大技术同时抑制四波混频 与瑞利背向散射( 相干非相干串扰) 。在非零色散位移光纤( n z d s f ) 上1 0 0 b i t s s 的光信号以双向交错传输方式构成实验系统，两套4 0 信道5 0 g h z 间隔的发射机， 分别置于系统的东西两端，工作波长是在15 3 0 8 2 n m 1 5 4 6 8 6 r i m 之间，调制速率 是1 0 g b i t s s 。它是无误玛传输的酋次演示，传输距离是4 0 0 k m ，跨距是8 0 k r n ， 2 5 g h z 间隔交错传输4 0 + 4 0 双向信号。双向交错传输方式对于抑制四波混频实 际上是一种有效的方法，环形传输实验如图21 0 所示，用一个四端口i n t e r l e a v e r 滤波器来强烈抑制串扰( 2 7 d b ) ，利用此i n t e r l e a v e r 滤波器保证相干与非相干串 扰分别在4 0 d b 和3 5 d b 以下。 在o f c 2 0 0 1 会议上，贝尔实验室的c y r i lh u l l i n d 、组，报道了在超过2 0 0 k m 的 光纤上第一个d w d m 双向传输演示实验1 2 ，利用两个i n t e r l e a v e r 滤波器把光纤r 冀乜 n q _ 5 卜7一j 乞 。皿 上海大学硕士学位论文 反向传输的c 波段信道间隔2 0 0 g h z 的1 6 个波长信号变为间隔】0 0 g h z 的信号， 符合i t u ，t 建议标准，相干与非相干串扰代价被系统的交错信道传输过程和放大 增益控制所克服。 图2 ，1 0 双向交错传输实验配置 上海大学硕士学位论文 第三章光纤马赫一曾德尔干涉仪 光纤马赫曾德尔( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪是较为简单的实现i n t e r l e a v e r 滤波 器的技术，早在1 9 9 3 年就有人提出。其主体部分由两个常见的带宽3 d b 耦台器 构成。这种i m e f l e a v e r 滤波器的工作原理是：输入光场经过第一个3 d b 耦合器分 为等强度的两束光，这两束光在光纤马赫增德尔干涉仪不等长度的两条干涉臂 中传输，产生一定光程差，最后在另一个3 d b 耦合器中叠加干涉输出而得到交 错分波的功能。 3 1 光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪 光纤方向耦合器可以看成一个四端口的光网络，如图3 1 所示，在不考虑光纤 耦合器损耗的情况下，个端口上的光场复振幅的关系为： e 一 e b 一 一e c 一e d 图31 光纤方向耦台器结构示意 e c = c o s 妒e + s i n 妒e 口( 3 一l a ) e d = is i n 9 e _ + c o s 妒e b( 3 一1 6 ) 其中是光纤偶合嚣的相位因子，与耦台系数和耦台长度有关。上式的虚部符号 _ k ：兰掣( 3 2 ) 一= 一 i1 一z ， k 一1s i n 2 口 、 i 表示分束后，二光波的光场有2 的相位差。 将3 ，1 式写成矩陈的形式，既： 阱c o 唧sq ，i 螂s i n 讪( o lf 纠e a 光纤偶合嚣的分束比定义 ( 3 3 ) 也就是说光纤方向耦合器的传输矩陈为： = 僻：埔m ：f ( 3 - 4 ) s i l z n 妒 c o s 妒j 7 光纤马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 的结构如图3 2 所示，它是在两根相同的单模光 a b - - - e d 图3 2 单摸光纤m z 干涉仪的结构示意图 c d 纤上连续熔融拉制c l ，c 2 两个熔融光纤耦合器而构成的。两个耦合器分束比分别 用相位因子铆，9 2 表示，当两条干涉臂l 一，l 2 之问存在几何长度差l 时，光程差 表示为： 印= ”a l ( 3 5 ) 其中n 为光纤折射率，为两臂之间的几何长度差。对产生干涉的两路信号的作用 ， e x p ( i 6 ) 0 2 l o e x p ( - i f i ) j 弓= je x p 。一0 ：2 j ， 可以用以下的传输矩阵来表示： 其中2 万= 了2 7 龇n ，表示马赫曾德尔干涉仪两臂之间的相位差。 3 2 光纤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 r 3 6 a ) ( 3 6 6 ) m a c h - z e h n d e r 干涉仪输出光谱特性是关于相位差的函数，通过控制臂长差 a l 来改变震荡周期，可以得到类似于余弦震荡的光谱输出特性，使得两个输出 端口分别得到奇数波长组信号光和偶数波长组信号光。利用平面光波导型 m a c h z e h l l d e r 干涉仪实现的i n t e r l e a v e r 滤波器可以使通带光谱平顶化，但是存在 上海大学硕士学位论文 波导与光纤系统耦合的困难。而采用全光纤型m a