（光学工程专业论文）1×4机械式光开关的理论分析与研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光开关是实现全光网络通信的关键器件，它实现了光路的通断和切换。在时分 ( ) m ) 和波分( w d m ) 复用系统中，光开关都有着广泛的应用。在光节点处， 光开关可以实现光信号的交叉连接( o x c ) ，并实现分插复用( o a d m ) 。 本文对1 4 机械式光开关器件进行了系统的理论研究、分析、设计和器件的制 作工作，改进了光开关器件的制作和封装工艺，研制了样品。其插损和串扰的指标 优于国内外同类产品。 论文主要分为以下几个部分： 第一章阐述了光开关的广泛市场前景和用途，以及它的基本类型和特点。简述 其研究进展和发展方向，并概括了全文的主要研究内容。 第二章以c - l e n s 透镜为模型，从理论上计算出了准直器的各项参数，分析各个 参数对准直器性能的影响。讨论了准直器耦合系统中的各项装配误差所引起的附加 损耗和准直器的回波损耗。为后面器件的研制提供理论基础。 第三章将光开关分为三个部分，即光路耦合部分，光路设计部分和电路设计部 分，并对制作光开关器件所需的各种元器件进行了分折和计算，最后将三个部分合 为整体，设计出了符合要求的光开关样品。 第四章介绍了制作光开关所需的工艺流程和封装特点，并描述了光开关器件中 的测试参数、所需设备和基本方法。完成了1 x 4 机械式光开关器件样品，试验结果 表明该器件具有良好的特性参数，各项指标均达到了预期的设计要求。 第五章对全文的工作进行总结。 关键词：机械式光开关c - l e n s 回波损耗插损串扰 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c h i sak e y c o m p o n e n t t h a tc a ns w i t c ho rm a k eo n - o f fo ft h e l i g h tp a t hi n a l l o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，i ti s w i d e l yu s e d i nb o t ht i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n gf r o m ) s y s t e ma n dw 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 ( w d m ) s y s t e m o p t i c a ls w i t c h e sc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fo p t i c a lc r o s sc o m m u n i c a t i o n ( o x c ) a n d o p t i c a la d d o r d r o pm u l t i p l e x i n g ( 0 a d m ) i n t h en o d eo fn e t w o r k s i nt h i s p a p e r ，a 1 4m e c h a n i c a l - o p t i c a ls w i t c h c o m p o n e n tw a ss y s t e m a t i c a l l y s 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 t h em a n u f a c t u r ea n da s s e m b l yp r o c e s so f o p t i c a ls w i t c h w a si m p r o v e di nt h i sp a p e r i ts h o w st h a tt h ei n s e r t i o nl o s sa n dc r o s s t a l k o ft h ec o m p o n e n ta r eb e t t e rt h a nt h a to 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 n c o n t e n to ft h i st h e s i si sc o m p o s e do ff i v ep a r t sa st h ef o l l o w i n g ： t h em a r k e tf o r e g r o u n d ，a p p l i e a t i o n s ，t y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a ls w i t c h c o m p o n e n t s w e r e p r e s e n t e df w s t l y i n c h a p t e r 1 ag e n e r a lo v e r v i e wo fr e s e a r c h p r o g r e s s e sa n d t h ek e y t e c h n i q u e sa b o u to p t i c a ls w i t c h e s w e r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h el i g h tt r a n s m i t t i n gi nc o l l i m a t i n ga n d c o u p l i n gs y s t e mw e r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l y f o rc l e n sb a s e dc o l l i m a t o r p a r a m e t e r so fc - l e n sa n dr e t u r nl o s si n c o l l i m a t o rw e r ea l s oo b t m n e di nt h i sc h a p t e r t h ee x c e s sl o s sd u et ot h em i s a l i g n m e n to f c o u p l i n gs y s t e mw a ss t u d i e d ，p r o v i d i n gt h e o r e t i c a lf u n d m c u t a lf o rt h em a n u f a c t u r i n g o f t h e o p t i c a ls w i t c hc o m p o n e n t s i nc h a p t e r3 ，t h eo p t i c a ls w i t c hc o m p o n e n tw a sm a d e u p o ft h r e ep a r t s ：a sc o u p l i n g s y s t e m ，l i g h tt r a n s m i t t i n gd e s i g na n dc i r c u i td e s i g n a n de a c hc o m p o n e n ti no p t i c a l s w i t c hm o d u l e ，s u c ha sc l e n s ，p r i s mw e r ed i s c u s s e d ，a n a l y z e da n d c a l c u l a t e d f i n a l l ya s w i t c hs a m p l e ，w h i c hm e e t s p e c i f i c a t i o n s ，w a sd e s i g n e db yi n t e g r a t i n gt h et h r e ep a n s i nc h a p t e r4 ，t h em a n u f a c t u r ea n d a s s e m b l yp r o c e s sw a si n t r o d u c e d a n dp a r a m e t e r m e a s u r e m e n t ，d e v i c e sa n dm e t h o d si np r o d u c t i o no fc o m p o n e n t sw e r ea l s od i s c u s s e d w em a n u f a c t u r e dt h es a m p l e so f1 4 m e c h a n i c a l o p t i c a ls w i t c h t h et e s t i n gr e s u l tf o r 华中科技大学硕士学位论文 s a m p l e ss h o w st h a t i th a sg o o dp e r f o r m a n c e ，a n da l lt h e s p e c i f i c a t i o n s a r em e e tt h e r e q u e s to fa n t i c i p a t i v ed e s i g n t h et h e s i si ss u m m a r i z e di nc h a p t e r4 k e y w o r d s ：m e c h a n i c a l o p t i c a ls w i t c h ，c - l e n s ，r e t u r nl o s s ，i n s e r t i o nl o s s ， c r o s s t a l k 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本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：素釜魂 日甥：讪。怍 月j 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或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。 本论文属于 保密口，在 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：衣魂 日期：伽口垆年f 月占日 年解密后适用本授权书。 指导教师签名尸毛记 日期：记呼年f 月汐日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 l 绪论 近1 0 年来，光通信产业的蓬勃发展使以传统声音为中心的通信网络发展到能提 供高速、大容量、多种通信服务的复杂多波长波分复用( wdm ) 网络。虽然最近2 年由于通信业发展速度放慢，影响和延迟了新型网络的发展，但是对用于解决目前光 网络所面临的各种技术挑战的创新技术研究却从未停止。这些创新技术是实现现有 光网络中所蕴含的巨大潜能所必须的，能使通信服务最大限度地利用其目前的网络， 以及在时机成熟时运用更高性能的网络。在wdm 网络中一个不变的事实是，由快速 增长的通信需求所激发的传输能力在稳步增长。最近几年，具有信道数据传输速率为 2 5 gb s 和1 0 gb s 的通信系统已实现商品化，并正在不断地增加更多的信道。与 此同时，4 0 gb s 技术也在加快其从实验室阶段走向成熟的步伐。虽然目前由w d m 提供的巨大传输能力似乎能够满足总的通信量的需要，但是多波长网络的复杂性 则要求创新技术的支持以确保其有效地利用其潜在的能力。这其中的一个关键创新 技术是核心网络使用的光开关技术【l 】口 光开关是新一代全光网络的关键器件【2 】，由于通信用全光网络高速传输大容量 数据及大容量高速交换的需求【3 】如光分插复用( 0a d m ) 系统和光交叉连接( 0x c ) h 】系统等，对光开关一般要求开关时间在ps 甚至fs 量级。器件规模集成，与光 纤耦合效率高，通信带宽大，可靠性高，能够大批量生产，因此，光开关成为研究热点。光 开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换【5 l 其主要的性能参数包括：插入损耗、 回波损耗、偏振相关损耗、切换时间、串扰、重复性、可靠性、开关规模和开关尺 寸等1 6 】。对光开关矩阵，还要求无阻塞特性，即在不改变现有连接状态的前提下，任 输入端都能够与任一输出端相连接。根据工作介质，光开关可分为自由空间光开关和 波导光开关。根据工作原理，光开关又分为机械式与非机械式。机械式光开关以光纤 或光学元件的移动来改变光路，可分为移动光纤型、移动准直器型、移动反光镜型和 华中科技大学硕士学位论文 移动棱镜型等；非机械式光开关则没有机械移动部分，主要利用介质的电光效应、热 光效应、磁光效应、声光效应及极化旋转来改变介质的折射率或其它性质，使光路发 生改变。一般来说，波导光开关的切换速度较快，体积较小，但插入损耗和串扰大，且不 易扩容。机械式光开关是最早商用化的光开关，切换时间一般在毫秒量级，它具有 插入损耗小、不受偏振和波长的影响等优点，而且性价比良好，在很多应用领域有着 广阔的市场需求。目前光开关主要应用包括【m o l ： ( 1 ) 光交叉连接( oxc ) 。0 x c 由光开关矩阵组成，主要实现动态光路径管理、 光网络的故障保护、灵活增加新业务等。光交叉连接对开关的要求主要有低插损、 低串扰、低开关时间以及无阻塞运作。目前微电子机械系统( m e ms ) 技术已经在 光交换应用中进入了现场实验阶段1 7 ，由于其对波长、数据速率和信号格式都透明， 在不远的将来有希望实现光层上的交换： ( 2 ) 光上下路复用( oa d m ) 。光上下路复用器主要应用于环形的城域网中，实 现单个波长和多个波长从光路上自由上下。用光开关实现的0a dm 【1 l 】可以通过软 件控制动态上下任意波长，这样将增加网络配置的灵活性。 ( 3 ) 实现网络监控。在远端光纤测试点通过1 xn 光开关把多根光纤接到一个光 时域反射仪( ot dr ) 上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。另外，利用光开关 也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析； ( 4 ) 光纤通信器件测试。光器件、光缆以及子系统产品在测试过程中，可以使用 光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率； ( 5 ) 网络的自动保护倒换。当光纤断裂或传输发生故障时，就可以通过光开关改 变业务的传输路径，实现对业务的保护。通常这种保护倒换只需1 2 端口的光开关 就可以实现； 由上述应用可知，开发出稳定性好，可靠实用且易集成的光开关成为适应全光 网络发展的必然要求。本课题主要阐述了高效可靠的1 4 机械式光开关的研制及其 中一些关键技术的研究。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外光开关的研究现状 从目前对光开关的研究情况看，光开关可以被分为4 类，即机械式光开关、波导型 光开关、液晶光开关和其他光开关。 1 2 1 机械式光开关 目前应用最为广泛的仍是传统的l x 2 和2 x 2 机械式光开关其主要优点是损耗 小、易于实现锁定缺点是开关时间为m s 量级，体积大，单个器件难以做成4 x 4 以 上的开关阵列，只能通过级联实现近几年对机械式光开关的研究主要集中在微光机 电系统( m o e m s ) 光开判1 2 1 和毛细管效应光开关【1 3 1 。 m o e m s 光开关 m o e m s 光开关是微机电系统( m s ) 技术【1 4 】与传统光技术相结合的新型机械 式光开关。m e m s 技术采用集成电路的标准工艺，在s i 衬底上制作出反射镜阵列， 反射镜尺寸非常小，具有比较好的可集成性。另外它与光信号的波长、协议、调制 方式、偏振和传输方向等均无关，而且在损耗和可扩展性方面都要优于其他类型的 光开关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合基于这些优点， 利用m e m s 技术制作的光开关及光开关阵列旧有可能成为核心光交换器件的主流。 一般m o e m s 光开关的开关时间在m s 量级，与其他技术比较略处于劣势。另 外，由于m o e m s 光开关是利用微镜的机械转动来实现开关功能的，所以任何机械 摩擦、磨损以及外部振动都可能使它的可靠性降低。尽管m e m s 技术在开关速度和 可靠性方面有缺陷，但仍得到了众多公司的推崇，其技术也在蓬勃发展。 m e m s 光开关技术经过多年的发展已渐趋成熟。根据其微镜的转向，m e m s 光 开关器件可分为二维( 2 d ) 结构和三维( 3 d ) 结构，如图1 - 1 所示。二维方法提供了非 常简单的控制接i z l ，微镜和光纤被排成平面的形式，而且这些反射镜只能处在两种状 态之一：开或关，因此其控制电路较简单。但由于二维m e m s 技术需要n 2 个微镜 来完成n 2 个自由空间的光交叉连接，当输入输出端光纤数增加时，光通道路径增加， 光束展宽，而且当微镜数量增加时，所占面积扩大，这对m e m s 的角度公差及均匀 华中科技大学硕士学位论文 性都提出了极高的要求。因此，二维m e m s 光开关规模受到限制。目前，商用产品 的最大开关矩阵规模只有1 6 1 6 为进一步提高开关规模，近几年开发了所谓的三维 图1 - 1m e m s 光开关的二维和三维结构示意图 m e m s 光开关技术。它的原理也是通过移动反射镜来改变光的方向，但反射镜 不被约束在两个位置，而是可以移动到三维空间中的任意位置这是一个2 n 的结构， 需要两组具有n 个镜面的微镜阵列来连接n 个输入光束到达n 个输出光纤。每一 个镜面需独立控制，并且至少要有n 个定位，镜面的位置要控制得非常精确，甚至 要达到百万分之一度。这种方案的优点是光束传输路径不会对输入输出数目的增加 造成限制，可以实现超过1 0 0 0 1 0 0 0 的光互连。2 0 0 0 年l u c e n t 公司推出了采用三 维m e m s 技术的w a v es t a rl a m d ar o u t e r 的全光路由系统，其光交叉连接容量可达 到2 2 4 2 2 4 。在o f c 2 0 0 1 会议上，l u c e m 公司又推出了基于三维m e m s 技术的1 2 9 6 1 2 9 6 端口的光交叉连接原形机。其单端口传送容量达1 6 t b i l s ( 单纤复用信道数为 4 华中科技大学硕士学位论文 4 0 个信道，每个信道传送4 0 g b i t s 信号) ，总传送容量达到1 2 9 6 4 0 4 0 g b i t s ：2 0 7 p b i t s ，具有严格无阻塞特性，插入损耗为5 1 d b ，串话为一3 8 ( m ( 最坏 情况1 。它使光开关的总交换容量达到了新的数量级。 毛细管效应光开关 为了进一步简化m e m s 光开关器件结构，采用了电毛细管效应或热毛细管效应 的光开关结构a g i l e n t 公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出一种二维 光交叉连接系统。其全光交换芯片曾在o f c 2 0 0 0 会议上引起轰动。该设备由许多交 叉的硅波导和位于每个交叉点的微型管道组成，微型管道填充一种与折射率匹配的 液体用以允许缺省条件下的无交换传输。当有入射光照入并要求交换时，一个热敏 硅片会在液体中产生一个气泡，气泡将光从入射波导全反射至输出波导。由于使用 已有的技术。故其成本不高。喷墨气泡光开关交换速度为1 0 m s ，3 2 3 2 子系统损 耗为4 5 d b ，具有偏振不敏感性，因此具有小的极化损耗，能对速率和协议透明， 有较好的可扩展性。与m e m s 技术相比，该芯片没有可移动部分，不需要准直镜等 耦合器件a l - c a t e l 公司已经率先采用这种芯片推出了自己的光交换机。图1 - 2 给出 了a g i l e n t 喷墨气泡光开关的示意图虽然喷墨气泡光开关有许多优点，但是，有两 个重要因素必需考虑：一是如何很好地控制光开关的状态，如光开关频繁动作或长 期维持气泡状态。另一个是喷墨气泡光开关封装后，其内部材料和液体的生存问题。 所以尽管器件结构得到简化，但在一定程度上却牺牲了器件的性能。 图1 - 2a g i l e n t 喷墨气泡光开关的示意图 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 波导型光开关 根据物理效应和所用材料的不同，波导型光开关可分为热光开关、声光丌关、 电光开关i l6 j 和激子电i 吸收开关等。近几年研究较多的是热光开关和电光开关，它们 的结构可以是相i 司的，但是产生开关效应的机理却不同。热光开关【1 7 】利用波导材料 的热光效应实现折射率的调制。由于不同材料的热光系数和导热系数相差比较大， 因此不同材料的开关时间也相差较大。在s i 0 2 热光开关阵列的研究中，n t t 具有领 先优势，马赫曾德尔( m z ) 型网状结构的8 8 热光开关阵列模块已商用化，最近 n t t 公司利用双m z 串联的开关单元代替传统的单m z 型开关【1 9 单元，仅用1 6 级开关单元就构成了无阻塞的1 6 1 6 开关矩阵( 如图l 一3 所示) ，有效地减小了波导 长度，降低了开关损耗。与s i 0 2 相比，s i 波导具有更大的热光系数和导热系数，基 于s i 波导的热光开关的开关时间可达到um 量级现在更多的人把研究转 幢- 、 。，+ 气燃，二 + _ - ：”一? fi ，l 。q 4 i 群 n 一一、 图1 3n t t 开发的光丌关阵列示意图 向了有机聚合物波导，这主要是因为聚合物的导热率很低，而热光系数却很高， 因此热光丌关的功耗一般比较小【2 0 l 。有许多研究小组进行了聚合物热光开关的研 究，如f u j i k u r a 公司研制了基于y 分支器结构的1 2 数字光开关，其插入损耗为 1 8 d b ，隔离度大f4 3 d b 。电光开关是目前唯开关时问可以达到亚微秒甚至n s 量 麓麟g精冀冀薰 华中科技大学硕士学位论文 级的光开关。电光开关有两种类型：直接电光效应型和间接电光效应型。直接电光 效应利用材料的p o c k e l s 效应或f r a n z k e l d y s h 效应通过电场的改变来改变材料的折 射率。这类器件具有很快的开关响应速度，一般开关时间小于l n s 。通常这类器件 的波导材料【2 1 l ( 如l i n b 0 3 、m i v 族化合物以及聚合物等) 有较高的电光系数。最 近f u j i x e r o x 公司研制出了p l z t 电光波导开关( 如图1 4 所示) 。p l z t 即 ( p b ，l a ) ( z r , t i 1 0 3 材料的电光系数大，采用固相外延( s p e ，s o l i d p h a s e e p i t a x y ) 技术来制 作。其优点是速度快，开关速度2 0 n s ，开关电压1 0 v ，可制成1 x 2 、8 x 8 开关与 其他开关材料比较：l i n b 0 3 有驱动电压高、极化相关、d c 漂移的特点；半导体的 耦合损耗大、功耗大；石英或高分子的功耗大，速度慢聚合物同样具有高的电光系 数，人们已经研制出许多高聚物的电光型开关，开关速度可达到g h z ，消光比大于 2 0 d b ，损耗降低到i d b 左右。如果合理设计电极结构，开关速度可超过1 0 0 g h z 。 利用间接电光效应【2 2 】的光开关一般为半导体材料波导光开关。如利用半导体材料的 等离子体色散效应，通过注入电流来实现折射率的调制。由于半导体中的载流子寿 命的限制，这类器件的开关时间一般为ps 或亚微秒。最近几年，人们对这种载流 子注入电光开关作了大量的研究，帝4 作了多种半导体材料如i n p 基、g a a s 基和s i 基 等的波导光开关。 举罨蒜蚕 ! 牡体一 “2 警镑曾搿￥ 尊喀嚣凝：! 峭撕蠛霉盘鬣善三 j 搿 蠹一= ：j ：o 。 “”? 。掘囊一 图1 - 4p l z t l x 2 电光波导开关结构示意图 波导型光开关的结构有许多种，诸如定向耦合器、m z 、b o a 等干涉型、全内 反射和y 分支器结构的数字型等。近几年来，由于传统类型器件的机理性研究比较 成熟，人们更多的是根据市场的需要，对器件的性能进行改进，以满足要求如 t a k a s h i g o h 等闫j 提出了双m z 光开关结构，通过两个m z 光开关的串联提高器件 消光比。他们用s i 0 2 光波导制作的热光开关，开关的消光比可以达到5 5 d b 。 除了基于传统的光开关结构外，人们又提出了许多新的结构。如基于多模干涉 7 华中科技大学硕士学位论文 ( m m i ，m u l t i m o d e i n t e r f e r e n c e ) 耦合器结构的m z 光开关。利用2 2 m m i 耦合器代 替传统的定向耦合器或y 分支器结构，可以大大减小器件的尺寸，同时器件的加工 简单，制作容差大。新型光开关的一个比较引人注意的结构是三维集成，采用三维 集成可以大大提高器件的集成度，利于多通道波导型光开关阵列【驯的制作。相对于 其他材料，有机聚合物材料具有三维集成的优势在o f c 2 0 0 1 会议上，德国h h i 研 究所报道了1 8 聚合物波导和s i 0 2 波导混合集成的三维光开关( 如图1 5 所示) 。这 种开关的串扰 3 2 d b ，开关的功耗 8 0 r o w ，开关的插入损耗为1 5 d b 。 “辩埔幕 薹。2 。1 。+ 翻一蛋l t 。* 。= = ：u 艘曩 “ v 誊衡- 誊鍪湖 ，越 一 _ s u “ i 。 l 鼍：j s f一 - 麓 ：! ! _ _ 执莹- 磷一 毽篡荔誊幕 羲毒蓑冀辩 图i - 5 基于竖直耦合i x 2 y 分支器结构的1 8 光开关示意图 1 2 3 液晶光开关 液晶光开关是近几年才开发出来的一种新型光开关器件，它的出现将对其他光 开关器件构成有力竞争。液晶光开关【2 5 】中，每一个开关元件包括两个基本组件一液 晶( l _ c ，l i q u i dc r y s t a l s ) 片和光束方向器。前者在电压的作用下能改变光的偏振方向， 后者扮演偏振路由器的角色，能把光束反射到由l c 片所决定的光路径中( 有两个路 径可选) 。液晶的电光系数非常高，是铌酸锂的几百倍，这使液晶成为最有效的光电 材料。液晶光开关的优点还在于，其理论上网络重构性可能比较好，但是目前最大 端口数为8 0 ，因此液晶被认为更适用于较小的交换系统中。由于在液晶中光波被分 成偏振方向不同的两束光，最后把它们合起来，如果两束光的传输路径稍有不同， 便会产生损耗( 对1x 2 开关损耗为l d b 。1 8 开关损耗为2 s d b ) ，目前消光比为4 0 5 0 d b 。开关速度方面，可以通过加热液晶来提高速度，但这不可避免地使设备功耗 8 华中科技大学硕士学位论文 增加。f l 前从事这种开关的研究开发商有c o r i n g ，c h o r u m ，k e n to p t r o n i c s 等公司。 1 2 4 其他光开关 光开关的应用需求同样会导致其他开关技术的发展，如近几年发展起来的全息 光丌关、液体光栅开关、半导体光放大嚣( s o a ) j i 。火剧卢光_ l ：关等。 全息光丌关 通过拿息反射在晶体内部生成b r a g g 光栅，当加电压时，b r a g g 光栅把光反射 到输出端口，反之，光就直接通过晶体。利用这种技术可以很容易地组成上千端口 的光交换系统，并且它的开关速度非常快，只需几个n s 就可以把一个波长交换到另 一个波k 。山于没有可移动部件，可靠性比较好。根据t r e l l i sp h o t o n i c s 公司介绍， 2 4 0 x 2 4 0 端口的交换系统的插入损耗 0 ，此时球透镜的传输矩阵可写成 疋一 l 。 胆1 1 若光纤头和透镜之间的间距为d ，对应空气隙的传输矩阵可以写为 ( 2 2 4 ) 詈訾 l 鲁业 卜 爹， 一l 华中科技大学硕士学位论文 叫( 2 - 2 - 5 ) 因此在准直器耦合系统中输入端准直器( 图2 - 6 ( a ) 所示) 和输出端准直器( 图 2 - 6 ( b ) 所示) 的传输矩阵可以写为 m 一五矗( 2 - 2 6 ) m 2 一瓦疋( 2 - 2 - 7 ) 光纤头和透镜之间的间距d 和工作距离z 一2 d 。可由公式( 2 - 1 8 ) 求得。 图2 7c - l e n s 准直器耦合系统的横向失配 如果输入准直器和输出准直器之间产生横向偏移，那么在输出光纤端面上将会 有部分光线位于光纤接收角之外，从而产生能量的损耗。如图2 7 所示，在两个准 直器之间垂直于轴向方向上的某个平面a 内计算输入准直器、输出准直器分别作为 输入端时在该平面内所成高斯光斑之间重叠面积的大小就可以求得横向失配对插入 损耗的影响。为分析简便，我们将这个平面取在两个准直器之间的中间位置，即平 面a 离开准直器端面的距离为耦合系统工作距离的一半。发送光纤出射的高斯光束 到达平丽a 时，所经光路对应的传输矩阵为 n 1 l m l l 。正彳o ( 2 - 2 8 ) 其中，瓦。f 1 三1 为透镜端面和平面a 之间空气隙的传输矩阵。由a b c d 法 i o 1 j 则来求对应高斯光束q 参数的变化情况，令 2 0 华中科技大学硕士学位论文 则可得到： ( 2 2 9 ) 曰。d + 二+ ze 1 一d ( n i - i ) 一d ( n 1 - 1 ) ( 2 - 2 1 0 b ) n ， rrn ，r ，1 1 一n l l l5 r f 2 2 1 0 c ) d 1 。1 一生尘! 二竺一l ( n i - i ) ( 2 - 2 1 0 d ) ， n i t 在平面a 处出射的高斯光束对应的q 参数为 ”糟( 2 - 2 - 1 1 ) 其中g 。f 罢i 立为光纤中出射高斯光束在光纤端面处的q 参数，。o 为模场半径， 为准直器的工作波长。 此时高斯光束光斑的半径满足： 舢； 矿1 百j r i m 孵杀。赫2 2 ( 2 - 2 - 1 2 ) 对于输出端准直器而言，输出光纤发出的高斯光束经过输出端透镜后在平面a 处对应的q 参数用同样的方法可以求出。由于两个准直器到达平面a 时高斯光束经 过的传输矩阵相同，因此对应的光斑半径也相同( q 参数大小相等) 。 当横向偏移为) ( 0 时，球透镜准直器祸合系统对应的耦合效率为 e ( x o ) 一伍c x p 卜堡毪 生 e x p ( 一等脚( 2 - 2 - 1 3 ) j o j o n ，n ，。 华中科技大学硕士学位论文 i j f j l j , 插入损耗为 1 l = - 1 0 l o g 【篱 2 ) ( 2 - 2 - 1 4 ) 其中，毒= 鬲音m u ，o ，为肋向椭雌置删时的耦合效率a 设单模光纤准直器中球透镜对应的材料折射率为n = 1 7 4 4 7 4 2 ，球透镜的半径r = 1 2 t u n a ，c l e n s 的长度为2 6 2 m m ，由此可得出横向偏移和附加损耗变化之间的理论关 系曲线，如图2 - 8 所示。从曲线上我们看出，随着横向偏移的增大，插入损耗急剧 增加。 1 0 耀 转l i x o ) 蜒 0 ，。 ， z _ 一 。 ，一 00 0 50 10 1 5 02 02 5030 3 5 04 0 4 505 o 横向韶( m m ) o 5 图2 8 附加损耗与横向失配的理论关系曲线 如图2 - 9 所示，如果耦合系统中的两个准直器相对于最佳耦合位置发生了角向 的倾斜，那么在输出光纤的端面上入射的高斯光束光斑相对于输出光纤的模场产生 了一个位移，它会导致耦合效率的降低，从而引起损耗。为了分析简便，我们假设 当发送准直器偏移最佳耦合位置。角入射到接收准直器的顶点处时，在接收光纤的 端面仪是光斑的位置沿垂直于光轴的方向上移动了d i ，而其它的参数均可认为基本 不变。 华中科技大学硕士学位论文 输入端透镜 0 ：! ：一 输出端透镜 光轴 图2 - 9c 1 e n s 准直器耦合系统的角向失配 由于角向倾斜的角度非常小，一般在0 2 度以内，因此两个准直器之间的空气 隙的传输矩阵仍可近似的写为 叫( 2 - 2 - 1 5 ) 发送光纤出射的高斯光束到达接收光纤端面时，所经光路对应的传输矩阵为 n 2 一m 2 l m 1 ( 2 2 一1 6 ) 钒。眩。b 2 ：) 那么 4 ：【1 + ( 1 - 0 z 1 一l ( n i - 1 ) 一d ( n 1 - 1 ) + ( 生+ d ) 垫 r n l r r n 1 ， ( 2 2 1 7 ) 占：。2 芦+ s ) 【1 一业一s ( n 2 - i ) + z 【1 一则一s ( n 2 - 1 ) ：( 2 - 2 1 8 b ) j l ，万，r，n rr c ：1 - n l 1 + 坠业】+ 垃( 2 - 2 1 8 c ) r， d 2 ，1 - n t d + l + z d ( n , - 1 ) z l ( n l - 1 ) z + 1 一l ( n , - 1 ) 业( 2 2 1 8 d ) r n ， r n l rn ，r ， 在接收光纤端面处高斯光束对应的q 参数为 旷器告( 2 - 2 - 1 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 此时高斯光束光斑的半径满足 m n 2r l c 2 0 2 ：亨2 一署i m 孝) 2 三毒2 ：再f 1 2 ( 2 2 2 。) 接收光纤端面处高斯光束光斑的位置沿垂直于光轴的方向移动量d 1 满足 ( 2 2 2 1 ) ( 2 2 2 2 ) 所以当角向倾斜为0 时，c l e n s 准直器耦合系统对应的耦合效率为 靴z 扣一号 玛一乏彝螂( 2 - 2 - 2 3 ) 附加插入损耗为 i l = - 1 0 l o g 【器2 其中，三； ；虿五丽 ( 2 2 2 4 ) e ( 0 ，0 ) 为无角向和横向位置失配时的耦合效率。 准直器中球透镜的具体参数和前述分析中的相同，角向倾斜和附加损耗变化之 间的理论关系曲线如图2 1 0 所示，从曲线上我们看出，随着角向偏移的增大，插入 损耗急剧增加，说明光纤准直器耦合效率对角度非常敏感，稍微给两光纤准直器一偏 离角，其耦合损耗及发生很大变化。当两光纤准直器的偏角为0 1 2 度时，耦合损耗 就达3 d b 。因此在进行光纤准直器的耦合时，应特别注意两准直器的角度是否匹配。 另外，楔形棱镜的加工误差同样会带来角度偏差，应保证楔形棱镜的加工一致性。 实验证明，插入损耗随横向失配的理论值和实验值吻合得比较好，后者要略小 于前者。这是因为准直器在横向移动时，并不可能在完全垂直于光轴的方向上运动， 实验中显示的横向位移量要小于实际量，故引起误差。在插入损耗随角向失配的关 儿 ： 坩 m d 划 旧 二 = 华中科技大学硕士学位论文 系曲线巾，实验值要略小于理论值。这是由于准南器发生角向倾斜时，实验中显示 的角向倾斜量小 二实际倾斜量所引起的。这说明上述理论模型可以很好的拙述准直 器耦合系统。l i 位置失配对附加损耗的影响。实验中我们还发现准直器附加损耗剥轴 向叫距的变化不敏感。这是因为随着问距的变化从输入光纤与输出光纤分别发出的 两个高斯光束的光斑在垂直于光轴的某个平面上并没有发生位错，仅仅是光斑的半 径和光束的波i j 发生了微小的变化。这种位置的失配对插损的影l 】向远远小于其他的 两个参数。当准直器工作距离不是很大时，只需考虑角向倾斜和横向倾斜对附加插 入损耗的影响即可。 6 , 5 9 。8 7 2 6 4 56 笔48 耀 鞲i l ( 0 ) 4 蜒 3 2 2 4 16 08 0 0 ， ，一 0l234567891 0 0 舟向偏移0 ( d e 1 0 0 ) l o j 图2 1 0 附加损耗与角向失配的理论关系曲线 2 3 准直器的回波损耗 对 二光纤准直器，回波损耗r l 是一个相当重要的指标，一般情况下，准直器 的回损应大丁5 5 d b 3 4 1 。对于一个光纤准直器，它的回波损耗主要来自三个面的返 网光造成的，这三个面分别是光纤头所在光纤端面的反射、球透镜前端面和后端面 的反射。 华中科技大学硕士学位论文 回波损耗是c a 各元件和空气折射率失配并形成反射引起的，通常平面元件引起 的回波损耗在1 4 d b 左右，但若能通过足够的抗反射膜和恰当的斜面抛光及封装工 艺，整个器件的回波损耗可达5 0 d b 以上，在轴对称的情况下，若元件的界面采用 倾角为。的斜面，则反射光将以20 的角度偏折出入射光路，因此，要提高回波损 耗，在设计时，必须在光纤头的表面镀制反射膜，并采用斜面透镜。 ( 1 ) 单模光纤端面的回波损耗 光在单模光纤中按高斯光束【3 5 】进行传播，其归一化形式为 妒。1 犀上e x p 卜 2 + ) ，2 ) ；】 ( 2 - 3 - 1 ) 其中，一5 0 5 3 3 3 p m 为基模高斯光束的模场半径，x 、y 为垂直光传输方向的 平面坐标。另外，根据模场耦合理论，光场分布为伊，的高斯光束1 和光场分布为妒： 叩。嶂! ：型； ( 2 - 3 2 ) 1 删魏1 2 出仰妒：1 2 凼 一 由公式( 2 - 3 - 1 ) 和( 2 - 3 - 2 ) - - 以求出光纤头端面1 的反射光耦合效率为 -鱼盟c印烯警01ktoon(2-3-3)rl1 + c o s 2 ( 2 ) - 一c x p 譬再芮即 h 其中k 一2 石a 为传输光波矢量， 为光波波长，o 为斜面倾斜角度。常用角 度为口84 ，这时可以保证准直器的回波损耗在7 0 d b 以上。 设各端面镀相同的膜层，而且反射率均为r 0 ，则端面1 的回波损耗为 皿1 - l o l g ( 叩1 r o ) ( 2 ) 斜面球透镜前端面的回波损耗 光从光纤头端面出射时有一定的偏折，为此，将高斯光束分解为x 方向和y 方 向分别进行计算，然后再合并。由矩阵光学理论【3 6 】可知，光从端面1 传到端面2 ， 再反射到端面1 时，x 、y 的传输矩阵分别为 华中科技大学硕士学位论文 篆蒜，蜘石鬻 n l 为光纤纤芯折射率，n 2 为空气隙折射率，d 是斜面插针与透镜的间距。 由上述传输矩阵可以求得式( 2 3 1 ) 描述的高斯光束经端面2 反射后的光场分 布，同样，根据模场耦合理论可以求得球透镜前端面的反射光回到端面1 后与妒。的 耦合效率为 r 2 。( 2 - 3 - 4 ) 其中， 以。丝巫尝生坐+ 2 ，l 。m l y o s i n o c o s 22 0 s i n 2 0 ( 1 + c o s 2 0 ) ： ； 。 + - 挥3 i - h ；k 2 s i n 22 0 ( 1 + 9 2 + c o s 2 2 0 ) i t 九l x q f 册js ，- a l y o 黝； 所以端面2 的回波损耗为 r l 2 - 一1 0 l g 2t r o ) ( 3 ) 球透镜后端面的回波损耗 计算这个面的回波损耗时，仍采用上述方法，即将高斯光束分为x 、y 两个方 向分别考虑，然后再组合，同样可以得到从单模光纤输出的高斯光束经球透镜后端 面反射后，在参考面上的光场分布。 首先用几何光学结合光路对角及光反射后的的位置和角度进行计算。l 表示球 透镜长度，r 代表曲率半径， ，一1 7 4 4 7 4 2 为球透镜折射率。 y 1 = as i n ( n l s i n 0 ) 妒1 ；r l 一0 、l-， 0 印 似h 三， 墨 l b d 4 c ，j_iii、 和 、 0 h s = b d 4 c 其 华中科技大学硕士学位论文 工l ；d 塑c o s 0f ：一石1 t a n 0 一r c o s y l 令声一口t a n ( x i 1 )妒2 一口一y 2 则光在球面上的入射角为 凼( 巡鼍学生) r