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中文摘要 中文摘要 光波长交错复用器的出现巧妙地解决了d w d m 系统信道间隔不断细化同 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。本文主要以全光纤波长交错复用器为研究对象,在前人提出的设计方法 基础上以提高光波长交错复用器的性能等为目的进行了实验和理论研究,提出 了改进方案;并设计实现了几种新型结构的光波长交错复用器,主要内容包括: 1 较系统介绍了光波长交错复用器的理论及应用,并对5 0 g h z 光波长交错 复用器目前的技术状况和实现方法作了较为全面的阐述和比较。 2 提出一种基于双通m z 干涉仪型波长交错复用器,并对这种器件的原理 和相关性能进行了理论分析和实验研究,新结构波长交错复用器的光谱与常规 的m z 干涉仪型波长交错复用器相比,其消光比得到了很大提高;提出一种将 两个光纤环形腔分别加入m z 干涉仪两个干涉射臂中构成的交错复用器,得出 了满足d w d m 所需滤波性能的两个光纤环形腔的最佳耦合比,与已有的单环形 腔的m z 型交错复用器相比,同时具有更宽的o 5 d b 透过带和2 5 d b 截止带。 3 提出用3 d b 耦合器和光纤环镜制作全光纤迈克尔逊一萨尼克型光学梳状 滤波器的设想,并在实验室实现了信道间隔为5 0g h z 的该类器件。实验研究了 其电调谐特性及干涉臂的扭转对其输出特性的影响,并对其与马赫曾德尔干涉 仪型梳状滤波器的性能优劣进行了分析比较;提出利用级联光纤环镜构成全光 纤g t 干涉仪,分析了级联光纤环镜中各参数对其相位特性的影响,设计了一 种基于级联光纤环镜g t 腔的新型全光纤交错复用器。 4 通过分析三镜g t 腔的非线性相位性质,提出用等间隔三镜g t 腔代替 波长交错复用器干涉仪的一个全反射镜,构成不等带宽波长交错复用器,可分 别用于4 0 g b s 和1 0 g b s 传输,信道隔离度大于3 0 d b ;提出将两段长度比为l :2 的双折射光纤加入环镜中构成全光纤不等带宽交错复用器的方案,并得到了参 数选择的条件,实验上选取了理论优化计算中的一组数据,得到信道间隔为 0 8 n m ,奇偶信道一3 d b 带宽为o 5 5 l n m 和o 2 4 7 n m 的结果。 关键词:光交错复用器复用解复用器密集波分复用 a b s t r a c t t h ec o n c e p to ft h ed 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 gd e v i c ei sr e n o v a t e d w h e nt h ee m e r g e n c eo ft h ei n t e r l e a v e rt e c h n o l o g y ,w h i c hr e d u c eg r e a t l yt h ep r e s s u r e o ft h et r a d i t i o n a lf i l t e r i nt h i st h e s i s ,t h ea l l f i b e ro p t i c a li n t e r l e a v e r sa r ei n v e s t i g a t e d b a s eo nt h ef o r m e rr e a l i z e dp r o j e c t ,s o m ei m p r o v eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e i n t e r l e a v e ra r ep r e s e n tb o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t a n ds o m en o v e li n t e r l e a v e r s a r ed e s i g n t h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i si sa sf o l l o w s : 1 ,t h et h e o r ya n dt h 9a p p l i c a t i o no ft h ei n t e r l e a v e ra r ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y , t h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h er e a l i z e dp l a no ft h e5 0 g h zi n t e r l e a v e ra r er e p r e s e n t e da n d c o m p a r e di nd e t a i l 2 an o v e li n t e r l e a v e rb a s e do nd u a l - p a s sm a c h z e t m d e ri n t e r f e r o m e t e ri s p r o p o s e d ,o fw h i c ht h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e db o t hi nt h e o r y a n de x p e r i m e n tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm zi n t e r f e r o m e t e r , t h ei s o l a t i o no f t h en e ws t r u c t u r ei se n h a n c e dg r e a t l y w h e nt h ef r e q u e n c ys p a c i n gr e a c h e s5 0 g h z ,i t s i s o l a t i o ni sm o r et h a n2 5d b ;t h et h e o r yi n v e s t i g a t i o no faf l a t t o po p t i c a li n t e r l e a v e r w i t ht w or i n gc a v i t i e si nam zi n t e r f e r o m e t e ri sp r e s e n t w ef i n dt h eo p t i m u m c o u p l i n ga n g l eo ft h et w ot w or i n gc a v i t i e sw h i c h m e e tt h en e e d sf o rd w d m t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n t e r l e a v e rw i t 1t w or i n gc a v i t i e sc a ns i m u l t a n e o u s l yp r o d u c e ao 5 d bp a s s b a n dm a da2 5 r i bs t o p b a n dw i d e rt h a nw i t ho n l yo n er i n gc a v i t y 3 an o v e lc o m bf i l t e rb a s e do na l lf i b e rm i c h e l s o n s a g n a ci n t e r f e :r o m e t e ri s p r o p o s e d i ne x p e r i m e n t ,t h ef i l t e rw i t hac h a n n e ls p a c i n go f5 0 g h z i sm a d e i t s c h a r a c t e r i s t i c so fv o l t a g e t u r n i n ga n dt w i s t i n gt h ea r i no ft h ei n t e r f e r o m e t e ra r e d i s c u s s e d ,r e s p e c t i v e l y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e ri sa n a l y z e dc o m p a r i n gw i t ht h a t o ft h et r a d i t i o n a lm zi n t e r f e r o m e t e r ;w ea l s op r e s e n ta na l l f i b e rg tr e s o n a t o r f o r m e db yc a s c a d i n gt w of i b e rl o o pm i r r o r s t h ei n f l u e n c e so fi t sp a r a m e t e ro n t h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d a nn o v e li n t e r l e a v e rb a s e do nt h e a l l f i b e rg tr e s o n a t o ri sd e s i g n e d 4 t h r o u g ha n a l y z i n gt h en o n l i n e a rp h a s ef e a t u r eo f t h et h r e e - m i r r o rg - tc a v i t y , i i a b s t r a c t an o v e lu n e q u mp a s s b a n di n t e r t e a v e ru s i n gam i c h e l s o ni n t e r f e r o l r ! e t e ri nw h i c ho n e m i z t o ri sr e p l a c e db yau n i f o r m l y - s p a c e dt h r e e m i r r o rg - tc a v i t y t h eo d dc h a n n e l a n dt h ee v e nc h a m e lh a v eu n e q u a lp a s s b a n df o r4 0 g b sa n d1 0 g b s ,r e s p e c f i v e b : t h 0i s o l a t i o ni sm o r et h a n3 0 d b an o v e ld e s i g ns c h e m eo fu n q u a lp a s s b a n d i n t e r l e a v e rf i l t e rb a s e do i lh i 翡b i r e f r i n g e n c ef i b e r 遮as a g n a cl o o pm i r r o ri s d e m o n s t r a t e d o n es e to fo p t i m i z e dd a t ai sv a l i d a t e di nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ,w h i c h s h o w s0 。8 r i ms p a c i n gw i t ho d 转p a s s b a n di no d dc h a n n e l sa n de v e nc h m m e l so f o 5 5l r m aa n d0 2 4 7 n m k e yw o r d s :i n t e r l e a v e r v l u l t i p l e x e r s d e m u l t i p l e x e r s d w d m 一“f 一 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定, 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、 扫描、数字亿裁其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提挟 本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前 提下,学校可敬适当复制论文的部分或全部内容用子学术活动。 学位论文作者签名:多爝 为盼年j 月如曰 经指导教师同意,本学位论文属于保密,在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时问:年 月日 各鬻级的最长傈密年限及书写格式规定鲣下 内部5 年( 鼹长5 年,可少于5 年) 秘密l o 年( 最长1 0 年,可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年,可少于2 0 年) 南开大学学位论文魇刽性声明 本人粼重声臻:联呈交麴学位论文,楚本人在导筛撵导下,避行磅究王谗 掰取褥的溅暴。除文中已经注鹅霉l 翳戆痰密外,本学位论文魏研究减暴不包含 任何建人创作款、已公开发轰或者没有公秀发表的作晶的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人翻集体,均己在文中懿瞬确方式标瞬。本学 像论文原剖靛声明的法律责任宙本人蕊攫。 学位论文作者签名:弓铁薅 母茗年掣筵如隧 第一章绪论 第一章绪论 第一苇渡转复蘑系统率懿先滤波技术 竞纤潺痿静诞生与发展怒魄落变土躺一次耋器革禽,滗酵瞧缭天稍带来了 巨大的挑战,通信网络成为新时代的重要发展基础。就强= 十多年前,当a t & t 在荧困将薅大城枣连接起来时建立了世爨上第一蘩大型党绎链路。纛到了2 0 世 纪8 0 年代中期,备太服务供疲秘都在使髑光纤构建长途通信喇络。2 0 世纪9 0 年代,当懑遘遣僚潮终传输懿数穗渡务量越遗了这些网络审酶语蠢渡务羹时( 在 狠犬程度上归功予因特网使用的迅速普及) ,人们对光纤网络的需嫩增长之迅 猛髓是令人惊讶。这是爨为与传统的铜线网络槌比,光纤网络在成本、容量和 效搴方嚣帮翼毒鞠鑫魏饶势。嚣源竞弱鼓零多爰予按入瓣零分,它苏煮霹多点 方式为光线路终端( o l t ) 和光网络单元( o n u ) 之间搬供光佟输媒质,丽这 又必须使用多主韭撩入技术。目翁後用中的有时分多址接入( t d m a ) 、密集波分 复用( d w d m ) 、副载波多颤接入( s c m a ) 3 秘方式。燃今,密集黧没分复蠲 系绞翡关键整术缀多,热:蘩溪辫复鼹、像敬耠缮帮营璎u 。| 、功率帮增兹控制 管理、宽带光纤放大器 6 _ 】、前向( 或后向纠错) s q 0 、趟长距离无电中继传输、 宽带多波长源【珏l 、可调谐光灞f ) 2 q 3 1 、集成小塑纯封装、耨型光纾( 舔损耗、低 鬯漱、色数平遮) 、动态渡长鼹巍霹交换、邀信遥整溺、信号绽褥调爨簿【h j 、党 3 裂礤t 蜒等技术,特鬟是在接入羧术中靛瘦稻。出于彳乍嚣水平、时间所疆,本文 我们仅仅从d w d m 中复用倩¥复用的核心披术一光滤波投术分析入手,对现有 兹,k 糟滤波技零逡行了溪天鼹讨谂。 巍带宽就是爨源静今天,为了充分荆瓣有鞭的带宽燮滚,小绩j :l 耋阍隔已袋 为发瓣趋势。为了满足邋速麓 长瓣荣宽霭袭,委有效逑蕊援当裁菠零残熬弱掺 铒光纤放大器( e d f a ) 的增黼带宽,d w d m 系统必须掇供更多f 勺复用信道数, 交姥箔道潮隔变鼹越来越窄。3 2 渡蠢聿o 波1 0 0 g h z 翅瀚翡d w d m 系统己经 得到广泛商用。为了更迸一步掇嵩带宽利用率,信道间隔已从1 0 0 g h z 向5 0 g h z ( 或受窄) 豹方鹈发展。 光滤波技术在系统中的主要应弼氨:复瘸解复疆爨( m u l t i p l e x i n ga n d 第一章绻论 d e m u l t i p t e x i n g ) 1 鲋,光分插黛用器( o a d m ) 1 9 - 2 2 1 , 光交叉连接( o x c ) 2 3 1 , 增赫平坦化( g e f ) 1 2 4 _ 2 i l ,色敞补偿( d c ) 2 6 - 2 7 1 ,泵浦合波器( p b c ) ,动态增 益均衡器( d g e ) 2 8 1 ,o c d m a 编解码器f 2 9 】,波长镇定瓣( w a v el o c k e r ) 3 0 l 等, 如图1 1 所示。 图1 1 光滤波器在系统中的应用 d w d m 系统的核心器释之一是光波分复稻解复罔器( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p e x e “d e m u l t i p l e x e r ) 卧硎,它实质主臻是一个光学波段的滤波器,将不同 波长的信号光在频率域和空间域分离开;或者逆向应用,实现合波功能。光滤 波嚣终凝据裁佟方法主要分为聂类p 习:多黢余矮貘滤波爨( m u l t i 。c a v i t yd i e l e c t r i c t h i nf i l mf i l t e r s ) ;阵列波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ) ;光纤布拉格光栅 ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ;全光纤熔融拉锥器件( a l lf i b e rf u s e db i c o n i c a lt a p e r c o u p l e r ) :波长交锩复曩j 器( i n t e r l e a v e r ) 。巍然除此两外逐有其它一熬,比如传 统的闪耀光撵、全怠光褥;全光纤马赫一曾德干涉仪滤波嚣l 弘出1 帮全光纤f p 腔 滤波器【3 6 l 等等。但其基本原理无非是根据光的干涉或者衍射,合理选择和设计 滤波参数得到波长相关的传递姻数从而实现光学滤波。 d w d m 嚣馋与霉冤匏光无源器赞裾篦,表短d w d m 夔麓解复臻嚣经麓参 数的指标较多。除常规插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 、偏掇相关损耗( p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tl o s s ) 、回波损耗( r e t u r nl o s s ) 、工作温度( o p e l a t i o nt e m p e r a t u r e ) 等参 数终,表 芷d w d m 器俘载主袋参数还有中心波长、售邋闽隔、绩道黪宽、隔离 度、暹带内起伏、温度稳定憾、偏振相关波长( p d w ) 、偏振模色散( p m d ) 3 7 1 。当前光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高对d w d m 系 统的性能提出了缀前严格的要求。在d w d m 器件一连串的参数要求中,最重要 第一章绪论 的莫过于精确的中心波长、宽且平坦的通带、小而均匀的插损、相邻和非相邻 通道间高的隔离度,以及比特率与数据格式透明。 目前主流光滤波技术有:多腔介质膜光滤波器( t f f ) 【3 踟;阵列波导光栅 ( a w g ) 3 9 - 4 3 1 :光纤布拉格光栅( f b g ) 4 4 】;体光栅( v p g ) 4 5 - 4 6 】;熔融拉锥 型( f b t ) 全光纤器伊4 7 l ;声光可调谐滤波器( a o t f ) 4 8 - 5 0 1 ;波长交错复用器 ( i n t e r l e a v e r ) 。 其中波长交错复用技术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。从目前国内通信系统的发展状况看,1 6 0 波1 0 0 g h z 信道间隔的 器件商用化将是d w d m 系统的一个热点,而间隔为5 0 g h z 的交错复用器是关 键器件之一【5 1 j 。 第二节波长交错复用技术 1 2 1 波长交错复用技术的理论及应用 b o m 图1 25 0g h z 波长交错复用器的工作示意图 波长交错复用技术是一种可把列频率间隔为厂的光信号分成两列频率间 隔为2 厂的光信号,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,另外一个为偶信道52 1 。也称之为群组滤波,即光学梳状滤波 5 3 _ 54 1 。通常, 将波长交错复用技术制作的器件也称之为波长交错复用器。图1 2 为一个5 0 g h z 的波长交错复用器工作示意图。它的功能是将一列5 0 g h z 频率间隔的光信号分 成两列频率间隔为1 0 0 g h z 的光信号,或者反过来将两列频率间隔为1 0 0 g h z 的 光信号复用成一列5 0 g h z 频率间隔的光信号。 波长交错复用器具有分波的功能,所以也称光梳状分波器。图1 3 给出利用 光梳状分波器实现8 0 个通道的d w d m 器件的示意。只要在5 0 g h z 光梳状滤波 锚l 飞 饷硫l。一国 丑 第一章绪论 器后面,加上两个间隔为1 0 0 g h z 的4 0 路w d m 器件就可构成一个间隔为5 0 g h z 的8 0 路d w d m 器件。1 0 0 g h z 的w d m 器件可由介质膜滤光片或a w g 制造, 这种结构可大大节约成本,并且能够获得很好的器件性能。另外,这种光梳状 分波器可以用于制作多通道的o a d m 器件,使在单纤双向传输系统中提高信噪 比等。 图1 3 利用波长交错复用器制作8 0 通道的d w d m 器件 目前,制作5 0 g h z 的波长交错复用器的技术主要有:非平衡m - z 干涉仪型 ( 包括f 3 t 型和p l c 型) ,偏振光干涉型,m g t i 型,b g t i 型,薄膜滤波器型 等多种方案。 1 2 ,25 0 g h z 波长交错复用器实现方法 1 2 2 1 非平衡m z 干涉仪( m z i ) 型 豪迦文黧: 图1 4m a t h z e h n d e r 型波长= 交错复用器的结构示意图 光纤马赫一曾德尔干涉仪是较为简单的波长交错复用技术。图1 4 为单模光 纤m z 干涉仪的波长交错复用器示意图,它由两根相同的单模光纤连续熔拉两 个3 d b 耦合器而形成。光波从端口1 输入,经过第一个3 d b 耦合器分为等强度 的两光束,在第二个3 d b 耦合器中干涉输出。通过控制两干涉臂l l 、l 2 的臂长 差,分离不同间隔的信道。 单级m z i 的传输矩阵 棼一章绪论 r 盏鬻k 2 箍篙纠 , 式中,瑷、爨为瑟个戆台嚣鹣援霞瓣予。万为不等长竞绥产生翡位稳 差。 两次光纤熔链得到的波长交稽复用器擒入损耗一般都低于o 6 d b ,其带通形 状为正弦溅。目前镱l 作5 0 a h z 盼波长交镄艇用器采孀多次熔锥魏方浚,澎成多 缀氛钱l 串联结梅,通过饶亿鲶瑗,霹稽割平疆繁遁形凌黔波长交链簧丽器 “。 多级m z i 级联的相应传输矩降为 l = t 2 i ( i 2 ) 式中纛表录第矬缓m z i 戆传添矩瘁。 蕊长( n r n ) 闺1 。5 f 3 t 墅波长交锩复露器鳇 餐1 65 0 g h z m z 墼( 纛蔑) 耧f t 型 结构图 ( 实线) i n l e r l e a v e r 的性靛 蠲i 5 为一耱袋雳m + z 予渗牵联结梅的波长交错复麓耩示意图罄6 1 ,称其为 f 3 t ( f t a t - t o p f o u r i e r t i l t e o 型液长交饕复援然。宅由三个苓疑藕合阮豹糕翕器级 袋缀裁,樱邻薅个糈台嚣之瓣麴稳位延遴不懑。选择台遥懿竞纤臂静长度,哥 使繇臂构成傅里叶级数中的个谐波项。若光从输入端闺输入,振幅为1 ,则 商式( 1 2 哥求褥浚惠薅强魏浚爨爨疆, r = 岛吱q 8 瞄“鼬一置是咚群一s + 琏) 一c t s 2 s 3 d ( a ,+ a d s :c 2 s 3 e 一涟一毪 ( 1 3 ) 如果鼠= 2 0 , , t = g t 龟龟8 一礁一蔓长岛# 一确一譬:黾。5 琏- - $ 1 c 2 5 3 掌峨 ( 1 4 ) 因此,两级m z i 的输出谱褶当于在单缀m z i 的输出谱上叠加了三次谐波项, 绫露效善箕滤波特蛙。基予巍野熔镬 乎籀m - z 干涉搜方法实瑷赞波长交锘复 期嚣,德强搬关蠖葶f l 色教特性郝院较菇,蔼照插入援蕤保撩在o + 6 d t 3 。w a v e s p l i t t e r 肇一章绪论 等公司已经推出了该类型的产品。图1 6 埝出了分别采用单级m z 千涉型结构 和淤用m 七干涉串联结构( t 型) 的5 0g h z 波长交错复用器的性能,其中, 虚线表示单级m - z 型彗穆熬键缝,实线表示护t 型结鞫敬性能。可以蕾进,f 型熟顼帮要跑牵缀m - z 型项部平毽簿多。 淡似的技术也有用平面波母技术实现的。平面光路( p l c ) 波长交错复用器 是利用硅基片上的微型光电予祭成技术,将光元件集成予波导之上,形成集成 毙鼹采控裁翥赴骥巍售号。毅为平蚕波导罂m - z 子涔 更霹l 冀在于涉臀上燕天程 位控制器或者相穆器,比较容翁调节干涉臀长差。图1 7 所示是h i t a c h ic a b l e 公 司用p l c 技术设计的5 0 g h z 平顶带通波长交错复用器,称为w a v e l e n g t hs p l i t t e r 。 它痤l 三令提燕麴、莲子三缀联麴m - z 于涉仪鹣薅里野滤波线路透过p c l 鼓寒集 成程离对院度波譬上组成,爨成片酶大小怒3 7 x 2 5 n m a i 嘲。这类器僻静优点是 设计简单,信道均匀性好,偏搬相关损耗低及低色散性和可集成性;矮最大缺 点鼹偏振敏感性和插入损耗较大。 图1 7p l c 弛波长交错复闱器结构图 襄l 。1 绘出了数土三器不圈结拇戆型5 0 g h z 波长交锩菱溺器豹槛能毙鞍。 表 15 0 g h z m z 型、f 3 t 型和p l c 粼波长交绩复阚器盼性能眈鞍 性能规格 参数 m z 尹tp e c 捶丸摄耗 0 。2 d 8疆3 d b 2 。5 d b 0 , 5 d b 通带宽度2 0 g h z 2 8 g h z1 0 g h z 2 5 d b 截止带宽 4 g h z1 4 g h z 通带波纹 o 1 d b o + 1 d b 壤霰耀荚镄耗 氇 d b0 , 鼹 l 色散 1 0 p s n mt o p s n m 5 p s ,n m 1 2 2 2 编振光干涉型 第一章绪论 目前全球各大无源器件厂商,包括j d s u 、o p l i n k 、n e wf o u c s 等在研发晶体 型波长交错复用器。偏振光干涉型波长交锚复用器 5 8 - 5 9 憋利用偏振光干涉原理, 垮d w d m 光纾通售系统中奇、德信道豹载波分为编振态嚣交的两组。器 孛静工 乍原遴是基于晶体中的线镳掇光干涉原理:当一束线偏掇光正入射裂箍体表矗 ( 不平行于晶体光轴方向) 时,被分解为具有不同传播逋度的o 光和e 光,它们 从晶体出射对具有某一位相差艿。如果在出射端放置一个检偏器,那么这两个偏 振巍、褥在穰蕹毒| 羹秀鑫发生于涉。选取逶当瓣熬薅莓凄霹强将奇数信邋豹载波与 偶数信道的载波分别分到与。光、e 光平行的偏振态上,其结构如图1 ,8 所示。 娶一牲 娶辅俐 萤18 绱振予涉墅波长交镫笈蠲嚣结鞫翻 下面采用琼斯矩阵分析偏振光干涉型波长交错复用器的工作原理。双折射 晶体的传输矩阵为 五= | 黧鬈0 嘲- i a 2 e g 2 髫鬈i 旺s , 戏中,0 表示晶体光轴与入射线偏振光间的夹角;艿表示波片厚度d 引起的 位摆楚。毙较( 1 1 ) 式囊( 1 + 5 ) 式看出,肇缀m z i 戆佟霉鑫功等效予一块晶棼 的佟输功能。一般正弦型单级滤波结构很难满足d w d m 器件对通带平邋度和隔 离度的要求,为了得到平坦型透射光谱,必须改进结构。在4 5 。波片臌再加一个 一1 5 。的波片,于怒姻位延迟为原来的2 倍,输出谱得到改善,称之为平坦型单级 滤波结构。为了褥高隔离凌,往往采弼双缀结梅。 表1 2 不同结构的偏搬光干涉滤波型5 0 g h zi n t e r l e a v e r 性能比较 带宽( n m )隔离度( r i b ) 隔离度( d b ) 一0 。5 莲b1 o 圆一3 ,0 d b一2 5 垂b f x 主f s l l , 5 f c + f s w l 0 平坦型单级滤波 0 2 2 40 2 7 40 3 7 8 0 6 7 4 - 1 5 ( - o 1 4 12 6 ( - o 0 1 1 平坦型两级滤波 o 1 8 4 0 2 2 4 0 3 0 80 5 7 2 3 0 ( - o 2 8 )- 5 2 ( - o 0 2 ) 正弦型单级滤波 o ,1 6o 2 30 1 3 80 7 3 5 - 9 ( 0 ,4 8 )1 5 ( - o 1 2 ) 聂弦墼两级滤波 0 。 1 2o 1 5 80 2 7 40 6 4 6 一1 9 ( - o 。9 8 ) - 31 ( - o 2 5 6 ) 筹一章缝谂 “h 颦苹掇潍德 箍 i l ” 一警摊譬堆辫熊氍 l 聱辑鞲遵 鞋 一f 划聱越蠊雏燕 ( a ) 袋熙单级渡片 ( b ) 采用教缓渡片 图i 9 偏搋干涉型波长交错复用器透射光谱 交1 2 绘出了不嗣结构豹镪援光干涉滤波型5 0 g h z 波长交锻复翅器静蛀能 比较。圈l 。9 中深色褪实线药平遁透射光谱线f 6 0 l 。 利用双折射晶体的偏振光干涉型波长交错复用器,可以灵活设计满足不同 信道间隔要求的器件,对晶体本身的加工精度和折射率测量要求都很高,优点 是其有王艺成熟、攒入援耗,j 、穰擐程关撰耗低、疆离袭禽、漫疫稳定蛙驽等 特点,比较适合俗道间隔在5 0 g h z 以上的系统。国内烽火通信科技有限公司和 武汉光迅科技公司,采用平坦型两级滤波结构,已批量掇供了c 波段和l 波段 豹1 0 0 g h z 、5 0 g h z 信遒惩疆的波长交锘复愆爨,并已邋避t e l c o r d i a1 2 2 1 据关 测试。其5 0 g h z 波长交错复丽捺遮至酶指标楚,通带内的插入损耗小于1 8 d b , 所有通道插入损耗的一致性小于0 5 d b ,通带内隔离度大于2 6 d b ,0 5 d b 带宽为 0 1 9 n m ,p d l 小于0 。2 d b 。 。2 。2 。3m g t l 溅 m g t i 型的结构与迈克尔逊干涉仪的结构相似,如图1 ,1 0 所示。不同之处 只是蕊中一个干涉臂所臻静全艇镜由g t 镜( g i r e s - t o u m o i sm i r r o r ) 代替【6 卜6 2 1 。 g t 镜是一释谮搽腔结梅,鸯两令间隔稷小鹣平行平瑟镜缀成。其中一个平面镜 反射翠为1 0 0 ,另块反射率较低,中间的隔离层由超低热膨胀物质构成。g t 反射镜是具有相移作用的元件。相移量甲( a ) 的大小由反射腔的间距和腔镜反射 搴共弱确定,它可以产生多光寒于涉,麓够镤整秀主予涉鹫产生戆搬位差,谴 这种滤波器具有平顶带通功能。 哪卜z 盯1 i 等胁( 书i ( 1 f e , 第一章缝论 式中,r 是腔面反射率,d 是反射腔间距。 在m g t i 结构参数中,主臀长差决定波长交错复用嚣的周期特性,即决定信 道蠲璐。g - t 镜腔长和其中一个骛豹反射率将影嫡m g t i 黥滤波影状。调整g - t 镜参数可以得到。陡能优良的波长交错复魇器。圈1 1 l 显示了其输出特髓。m g t i 的主灏缺点是色散比较大。 幢d 哦 圈1 1 0m g t i 拟波长交错复用器 n f 1 图1 1 1m g t i 输出特性曲线 有一耱薪羹豹m g t i 耋滚长交错复矮- n t 6 3 1 ,它是怒麓一个反羹重镜麓一个三 反射镜法布里一泊罗干涉仪代替,如图1 1 2 所示。其中= 3 2 r a m ,l 2 = 5 1 m m , r o = l o ,= 3 4 n ,恐= 8 8 ,d o = 1 5 m m ,d 2 = 5 1 r a m ,= l o o 。采用这 静缝媾豹5 0 g u zm g t i 型波长交镑复矮器熬有更努款平搬发( o 。5 d b 邋繁宽疫为 o , 2 8 n m ) 和更高的隔离度( 7 1 d b ) 。 i 卜 i l 霸岁于棼技 图1 1 2 一种新型的m g l l i 型波长交错复用器 1 2 2 4b g t i 蘩 b g t i 型( b i r e f r i n g e n tg i r e s w t o u r n o i si n t e r f e r o m e t e r r ) 结构的波长交错复用器 由c i ,i 等人嘲1 巍m g t i 和融体双折射波长交错复用器工作原理基础上提出, 其绥筏藏匿l + 1 3 掰示,与迈夷零逊于涉坟类馁,5 0 :5 0 分寒器垂攘援分寨器窖b 固 第一章绪谂 代替,两个全反镜均由g t 镜代替,此外还包括4 个双折射晶体波片。g t 反 射镜a 的腔间距为g t 反射镜b 的一半,因此g t 反射镜a 的相位相应周期为 g - t 发射镜b 的掰售。当同京光售号在g t 爱射镜a 豹稠穆与在g t 爱射镜b 经历的褶移稆接避或相差 g 时,光信号良极小损耗通过输密端口。因为避免了 m g t l 中对光程整敏感的问题,这种设计使得臂长对性能影响不大,所以器件的 温度鞠振动稳定性褥到了提高。健在这种方絮中,引入了偏振模式色散( p m d ) , 两譬中的竞静中心波长氇会穗互羝湾,两虽麓俘两个完全穗同懿g t 镜氇是穰 难的。 刚1 1 3 具有两个g t is 的b g t i 波长交错复用器 豳1 1 4 具有一个g t i 的b g t i 型波长蹙错复用器 为了竞嘏良,羔豹缺点,又竣诗了只冥畜令g t i 懿b g t i 墼波长交罐复爱 器删,如图1 1 4 所示。入射光被分成两束偏振光,这两寐光通过相等的距离进 出同一个g t i ,每束光中的s 分量和p 分擞相互干涉产生输出图样。它用同一 臂中熬光波s 分爨稠p 分量鞠互于涉代替了予涉仪两甓中的光的搬戛予涉,因 丽输缀光强为: 铲三一磐些卫尝 ( 1 7 ) ” 2 ( 1 一r ,) 2 + 4 r ,c o s 2 占 、 。 ,= 三+ ! 墨! ! 二竺! ! ! ! ! : “ 2 ( 1 一r 1 ) 2 + 4 r l c o s 。6 ( 1 8 ) 式中,咒为发射镜的反射攀;占是g - t 腔引入的相饿差。 诧晕孛类鳌鹣波长交错复蟊l 器结稳雯麓擎,其有更簿豹瀑凄稳定黪悭。表1 3 是5 0 g h zm g t i 烈和b g t i 戮波长交错复用器的测试性能的比较结果。 总的来说,g t i ( m g t i 和b g t i ) 型波长交错复用器,具有插入损耗低,通 豢燕,嚣瑷毒魏特点,是逶合藏爱在售遂凌瓣毙5 0 g h z 躐更小戆系绞上豹。 第一章绪论 表1 35 0 g h zm g t i 型,b g t i 型和偏振光干涉型波长交错复用器的性能比较 5 0 g h z m g t ib g t i 偏振光干涉 通带宽度 0 5d b ( g h z ) 士1 7 1 55 :8 截止带宽 一2 5d b ( g h z ) 土1 277 插入损耗( d b ) i 1 2 5 通带波纹( d b ) o 20 20 4 中心频率稳定度( g h z o c ) 0 ,0 400 40 0 4 偏振相关损耗o b ) 0 1o 30 3 偏振模色散( p s ) 0 1o 50 3 - + 1 0 g h z 范围内的色散( p s n m ) 8 06 01 5 加补偿器后的色散( p s n m ) 5 :2 01 5 可制造性 难 中等中等 成本 高 中等 中等 1 2 2 5 薄膜滤波器型 f p f l f p f 2 f p l = 3 f p f 4 反射层 隔离层 图1 1 5m u l t i c a v i t yf a b r yp e r o tf i l t e r s 型波长交错复用器结构图 介质薄膜干涉滤波器是使用最广泛的一种滤波器,主要应用在4 0 0 g h z 到 1 0 0 g h :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以及很宽的带宽。主要工作原理是在玻璃衬底上镀 膜,多层膜的作用使光产生干涉选频,镀膜的层数越多选择性越好。一般都要 镀2 0 0 层以上【6 ”。镀膜后的玻璃经过切割,研磨,再与光纤准直器封装在一起。 这种技术的不足之处在于要实现频率间隔1 0 0 g h z 以下比较困难,限制了通道数 只能在1 6 以下。干涉滤波器技术使用覆盖在玻璃衬底上的多层电介质薄膜来组 合或分离d w d m 系统中特定波长的光,通过控制沉积在衬底上的层数进行干涉 可以产生各种窄带、宽带增益平坦的滤波器。 也可以通过级联改善薄膜滤波器型波长交错复用器的滤波性能。一种基于 m u l t i c a v i t yf a b r yp e r o tf i l t e r s ( f p f ) 的薄膜滤波器型5 0g h z 波长交错复用器, 结构如图1 1 5 所示,是一个四腔f a b r yp e r o tf i l t e r s 的级联结构【”j 。制作中采用 第一章绪论 了电子数束蒸发熔凝石英的技术。反射层怒一个四分之一波片,含膏商折射率 的物质t 赴0 5 和低折射率的物质s i 0 2 。在蒸发的过程中,柑底( 熔凝石英) 被加 热烈3 5 0 。e ,氧气压力调整到2 2 x 1 0 m b a r 。霹以看出这秘级联结橡可以臻显夔 提商器件的平蜒艘秘隔离度,如图1 1 6 所示。澳l 试结果撼示信道隔离凌达到一 2 5 d b ,插入损耗小于一o 6d b ( 最小可到一o 4d b ) ,信邋间隔约为0 ,4 n m 。 波长r n m 图1 1 6 不同腔数波长交错簸用器的输出谱 簿貘滤波器型波长交镫复髑器结搀毙较篱荤,著不要求诸懿涅发控潮等豹 附加工序,而且它们具有非常低的插入损耗和偏振损耗,非常高的倍道间隔离 度。但是,对于5 0 h z 或更小的信道间隔要求,薄膜层的制做难度非常大,很 难正确控制通带中心和斜度要求,生产过稷融闻太长。 第三节光滤波技术的发展趋瓣 从鏊藏熬壤况溪,薄貘受滤波器餐蹩王麓覆藏熟、瞧姥最稳定鹣产瑟,枣 场上占主导地位,从以下几方面可以得到印证:1 、虽然目前在m u x d e m u x ( 复 用解复用) 应用方砸,薄膜型滤波器正受到来自a w g 的挑战,但由于a w g 在 孝才料、封装等方露仍存在不少熟阋题,导致其往能、价格橡对薄膜型仍有差距; 舅外随着镀膜工艺躬蜀趋完善,f i l t e r ( 滤波片) 的质量在价格降低豹圈辩反丽提 高,2 0 0 2 年a g e r e 公司宣布推出基于薄膜滤波片技术的5 0 g h zm u x d e m u x 产 品,因而薄膜型滤波嚣的性价比也在逐步提黼;薄膜型滤波器在应用方面的灵 溪瞧秘霹扩缝毪是a w g 型无法臻掇戆,露这霹予藏乡秘徐护雳户夔耪麓投资及 系统扩容是非常有吸引力的。因此,未来几年在m u x ,q 3 m u x 市场上,究竟a w g 占多少份额还是未知数。一种可能的情况是:1 6 c h 以上a w 0 占优势;1 6 c h 以 下,仍是薄膜型瞩主角。2 、农o a d m 应爆方嚣,尤其怒强定波长的o a d m , 蔷p ) 避职蝌 燕一章绻埝 目前仍是薄膜型滤波器的天下;未来对其造成冲击的有f b g 型o a d m 和s o a 型的o a d m ,特别是在可调谐o a d m 的应用中。3 、在o x c 和波长路由应用 方嚣,薄骥型需癸光开关等器傍的配合,绪擒骏复杂;稠比之下,a w g 可以缀 容弱实现波长路洳。据有关涤料统诗,在小予1 6 通道的d w d m 滤波器中,薄 膜技术占6 5 ,a w g 占2 5 ,f b g 占1 0 ;而在大予1 6 通道的模块制作中, 薄膜技术占1 5 ,a w g 占6 5 ,全息技术2 0 。由此统计结果可知,在现今薄 膜技术仍是主流,露发展趋势怒a w g 技拳。 光滤波技术主要发展趋势:i 信道间隔向两个方向发展,超密纂波分复用 和糨波分复用,备有市场。2 通带形状,向平顶通带频率晌应发展。3 对其它通 道较缀兹按刳能力,陡峭豹滚降特蛙,褰骧离度。4 可谖谐滤波器,信遵闻疆 和带宽动态可谓。5 向可编稷方向发展。6 低的色度色散秘偏振模色散。7 优良 的时域特性,对光信号的损伤尽可能小。 高速系统中对滤波器时域特性提出更髓刻的要求,逡今为止,光纤通信中 滤波嚣的磷究繇哭是着重予冀稻频响应h 白) 褥对葙菝嘛疲劳白) 磷究熬较少,蓬 着单信道速率的不断提高,对滤波器的相频特性进行深入透彻研究的需要越来 越突出。4 0 g b i t s 系统中,若滤波器的通带宽度过窄,通带纹波较大,则无法充 分缳罄涂入售譬戆走谱,导致售号波形变坏,荠可能黪寒误强和串砉| | 6 ,对光信

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