（物理电子学专业论文）一种新颖的晶体型interleaver的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 近三十年来，光通信飞速发展，d w d m 器件大规模实用，而原有的大波长间隔 系统到新引进的小波长间隔传输光纤之间的转换器件我们称之为波长梳状滤波器， 英文为i n t e r l e a v e r 椿文的研究重点就是一种新颖的晶体型i n t e r l e a v e r 设计与实现。 本文介绍了i n t e r l e a v e r 器件的特点、应用和结构；总结和对比了几种典型的 i n t e r l e a v e r 器件实现技术。提出了一种新颖的晶体型i n t e r l e a v e r 器件结构方案，阐述 了总体结构、工作原理及其特点，并分成四个功能单元进行了详细设计。 阐述了带有斜8 。角的球透镜光纤准直器的设计过程，并与自聚焦透镜单光纤准 直器相关结论进行了对比，利用准直器之间耦合损耗相关结论分析了器件调试中应 该注意的问题；重点分析了波长滤波器的设计，从数学上完备地利用傅立叶级数的 方法对晶体型i n t e r l e a v e r 设计中带宽优化进行了讨论：详细分析了器件设计中必须注 意的几个重要问题，例如精度补偿，偏振相关损耗计算以及温度补偿等等。 f 对该新型i n t e r l e a v e r 器件方案进行了实验研究，其中在玻璃平台上实验结果的指 标较好，达到了预期指标，并提出了误差来源分析以及改进的建议；封装后器件的 性能有所下降，但经过改进之后，有望达到预期指标。因此，该方案具有可行性。 本文的创新点在于总体结构实现工艺相对简单，具有自动p m d 补偿、p d l 低等 优势，同时具有很小的外观尺寸，比较有市场潜力；创造性地提出了二次精度补偿的 方法，节约了成本，实验证明该方法具有一定的可行性。木 关键词：光纤通信i 密集波分复用器? 波长梳状滤波器；带宽优化? 精度补偿 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h el a s tt h i n yy e a r s ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y ， d w d md e v i c e sh a v eb e e nu s e dp r a c t i c a l l y t h ec o m p o n e n tw h i c hi su s e dt oc o n v e r tt h e i n h e r e 谢d ew a v e l e n g t hg r i ds y s t e mt ot h en e w - c o m i n gd e n s ew a v e l e n g t h 鲥d o p t i c a lf i b e r i sc a l l e di n t e d e a v e r t h es t u d y e m p h a s i so f t h e a r t i c l el i e si nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa n e wk i n d o f b i r e f r i n g e n t - e r y s t a li n t e r l e a v e r c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o n sa n ds t r u c t u r eo f i n t e r l e a v e rc o m p o n e n ta r ei n t r o d u c e di n t h i st h e s i s a n ds e v e r a lt y p i c a lr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fi n t e r l e a v e rc o m p o n e n t sa r e c o m p a r e d an o v e ls c h e m ef o rb i r e f i i n g e n t c r y s t a li n t e r l e a v e rc o m p o n e n t i sp r e s e n t e d ，t h e w h o l e s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e s a n di t sc h a r a c t e r i s t i c s a r e i l l u s t r a t e d ，a n d f o u r f u n c t i o n a lp a r t sa r es p e c i f i c a l l yd e s i g n e d t h ed e s i g np r o c e s so f t h ec - l e n s o p t i c a l f i b e rc o l l i m a t o rw i t has l o p ea n e g eo f8d e g i s p r e s e n t e d ，t h e r e s u l to fc o u p l i n gl o s sb e t w e e nc o l l i m a t o r si su s e dt o a n a l y z et h e e x p e r i m e n t a lp r o c e s s o fo u rc o m p o n e n t t h es e l f - c o n t a i n e dp r o o fi nm a t h e m a t i c so f w a v e l e n g t hf i l t e r i s a n a l y z e d o ne m p h a s i s 、衍t l lt h em e t h o do ff o u r i e rs e r i e s ；s e v e r a l i m p o r t a n tp r o b l e m si n t h ec o m p o n e n td e s i g na r ea n a l y z e di nd e t a i l s ，s u c ha st o l e r a n c e c o m p e n s a t i o n ，p d lc o m p u t a t i o n a n d t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , e ta 1 e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h en e wk i n d o f b i r e f r i n g e n t - c r y s t a li n t e r l e a v e rc o m p o n e n t i s c a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n tr e s u l to nt h eg l a s sf l a tr o o fi sal i t t l eb e t t e r , a n dr e a c h e dt h e e x p e c t e dt a r g e t a n a l y s i so f t h ee r r o rs o u r c e sa n di m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sa r ep r e s e n t e d t h e p e r f o r m a n c e a f t e re n c a p s u l a t i o nh a sal i t t l er e d u c t i o n , b u te x p e c t a t i o ni sr e a c h a b l ea f t e r i m p r o v e m e n t h c o n c l u s i o n 、t h i ss c h e m ei sf e a s i b l e ，7 t h ec r e a t i v i t yo ft h ep a p e rl i e si nt h a ti th a st h ef e a t u r eo f s i m p l e r c r a f t sr e a l i z a t i o n 、 a u t o m a t i cp m d c o m p e n s a t i o n 、l o wp d l a n ds m a l ld i m e n s i o n sw i 也p o t e n t i a lm a r k e t ；i t c r e a t i v e l yp r o p o s e dt h es e c o n d t i m et o l e r a n c ec o m p e n s a t i o nm e t h o d ，w h i c hd e c r e a s et h e c o s ta n dw h o s ef e a s i b i l i t yi sp r o v e d b y t h el a t e re x p e r i m e n t a lr e s u l t k e y w o r d s ：o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，d w d m ，i n t e r l e a v e r ，b a n d w i d t h 1 2 垒型! 坐i ! 旦：! ! ! ! 璺坚! ! ! 翌p ! 箜苎! ! 呈 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 选题背景 随着英特网信息量的急剧提高，以及通信服务类型的增加，通信网络必须提供 巨大的数据通信容量和宽带音像容量。光纤拥有极大的可用通信带宽，以及较电缆 更为吸引的价格和性能优势，而成为现代宽带通信不可替代的传输媒介【l “。同时， 为了降低成本和提高光纤的带宽利用率，人们提出了波分复用技术( w d m ) 和密集 波分复用技术( d w d m ) f 6 - - “1 。利用这些技术，可以在一根光纤里传输多个波长的 光信号，提高了通信容量，同时又不需要增加光纤数目。自a t & t 公司于1 9 9 6 年3 月建立了世界上第一条8 通道的d w d m 系统以来，密集波分复用技术得到了迅速的 发展，通信容量的爆炸式发展，要求光纤中的波长间隔越来越小，以传播更多的通 道。i t u _ t2 0 0 g 、1 0 0 g 甚至5 0 g ，2 5 g 的波长间隔必将成为未来光通信的标准。 光波长信道的复用和解复用有很多种方法，常用的有：干涉滤光膜型p 1 ”、光 纤光栅型和波导型1 5 1 ( 主要是阵列波导光栅a w g ) 。而现在最成熟的商用技术 还是干涉滤光膜型的。要解复用多个波长信道，就需要多层介质膜。然而随着波长 间隔的减少，多层介质膜的制作难度和制作成本也呈非线性的提高；同时，随着使 用时间的增加，多层介质膜会破损脱落，特别是在光功率密度很大时( 这在密集波 分复用中是很普通的) ，情况更加明显和严重。 另外，由于目前已铺设的光通信系统大多是工作在2 0 0 g h z 的【l ”。1 引。所以，如 果为了提高通信容量，单纯地将光纤中的波长间隔从2 0 0 g h z 减少到1 0 0 g h z 、甚至 是5 0 g h z 、2 5 g h z 时，已铺设的系统就不能工作，而必须升级和更换，从而极大的 增加了成本，阻碍了光通信市场更进一步的发展。 显然，进一步的市场发展需要种光器件，以提供大波长间隔系统到小波长间 隔传输光纤之间的接口。例如，它可以将1 0 0 g h z 的波长间隔变为2 0 0 g h z 的间隔， 或是将5 0 g h z 的波长间隔变为1 0 0 g h z ，再变为2 0 0 g h z 。这种器件我们称之为波长 梳状滤波器，英文为i n t e r l e a v e r 。其工作原理可以用下图表示。 华中科技大学硕士学位论文 图1 1i n t e r l e a v e r 工作原理图 由图1 1 可见，输入周期性波长间隔光谱，经i n t e f l e a v e r 后，输出两个2 倍波长 间隔的信号，分别对应原输入信号的奇信道和偶信道。另外，i n t e r l e a v e r 还可以级 联，最后输出原输入信号波长间隔4 倍的信号。这样输出的大波长间隔的几路光信 号就可以用干涉滤光膜型的解复用器来处理了。整个器件工作原理可以图1 2 来说 明： 图1 2 带有i n t e r l e a v e r 的解复用器件工作原理图 1 2 国内外i n t e d e a v e r 技术进展 近年来，随着主干网光纤通信容量的提高，波长间隔已趋于i o o g i - i z ；国内外学 术界和业界对i n t e r l e a v e r 技术开展了深入的研究工作。目前为止，所研究的 i n t e r l e a v e r 可以分为四大类：晶体型i n t e r l e a v e r 1 9 吲1 、马赫泽德干涉仪( m z i ) 型 i n t e r l e a v e r 陋29 l 、迈克尔逊干涉仪型i n t e r l e a v e r 3 0 3 2 】和f - p 干涉仪型i n t e r l e a v e r 刚。 下面分别阐述四种类型i n t e d e a v e r 的工作原理。 1 晶体型i n t e r l e a v e r 晶体型i n t e r l e a v e r 实际上是利用晶体中的偏振光干涉原理，从而将奇、偶信道光 信号用不同的偏振态分开，分别为e 光和。光，再利用分柬器( d i s p l a c e r ) 将它们分 2 华中科技大学硕士学位论文 路输出。从专利来看已有几家公司申请了此类专利，而从结构来看大体有下述三 种： 一彩伊 断 、 _ 、 ii i 一_ 一 图1 3 三种主要的晶体型i n t e r l e a v e r 结构图 从以上各图可以看出，在已有的晶体型i n t e d e a v e r 结构中，要么采用了复杂而又 庞大的结构，要么是用到了p b s 棱镜，给装配过程带来了很大的困难。 2 马赫泽德干涉仪( m z i ) 型i n t e r l e a v e r 通过设计两个臂之间的长度差异使得奇偶波道波长光波产生相位差j ，满足一 定相位条件的波长所对应的光信号从一个端口输出( 如奇数波道波长) ，而其他的 光信号( 如偶数波道波长) 从另一个端口输出，这样就可以达到奇偶波长分离的目 的。m z i 型i n t e r l e a v e r 既可以用光纤的方法实现，也可以用平面光波导的方法实现。 一般来说，光纤型马赫一泽德干涉仪实现的工艺难度较大，且温度补偿和p m d 补偿 华中科技大学硕士学位论文 问题较麻烦：所以，一般来说业界普遍看好平面光波导( p l c ) 的方法，它不仅易于 处理，而且便于与后面的a w g 型解复用器集成在一块基片上。图1 4 为基于p l c 的 马赫泽德干涉仪( m z i ) 型i n t e f l e a v e r 的工作原理图。 图1 4 m z i 型i n t e r | e a v e r 结构图 3 迈克尔逊干涉仪型i n t e f l e a v e r 迈克尔逊干涉仪型i n t e r l e a v e r 是利用双光束干涉的原理来实现奇、偶信道的光信 号分开输出。类似于m z 的形式，由于两个干涉臂之间的光程不同，使得奇偶波长 的光信号产生不同的相位差。在这种类型的器件中，为了改善输出光谱的带宽特 性，通常将g t 谐振器( 非对称标准具) 来取代干涉仪某一臂上的反射镜。图1 5 是 迈克尔逊干涉仪型i n t e r l e a v e r 的工作原理图。 图1 5 迈克尔逊型i n t e r l e a v e r 结构图 4 f - p 干涉仪型i n t e r l e a v e r 由于f - p 标准具对透射和反射波长具有选择性，因此，也可以用来实现奇、偶 波长的分离。对于普通对称型的f - p 标准具来说( 即两个腔面的反射率相等) ，其 华中科技大学硕士学位论文 透射谱和反射谱具有互补性。但同时，也很难同时优化两个输出支路的通带带宽和 阻带带宽，以及隔离度等参数。一般是采用类似于多层介质膜滤光片的方法，即将 多腔的f - p 标准具串联起来以改善输出光谱的带宽特性，实现i n t e r l e a v e r 功能。图 1 6 是f p 干涉仪型i n t e r l e a v e r 的工作原理图。 御也忍 御怨 f pf - p 1 3 本文的研究内容 图1 6f - p 标准具型i n t e r l e a v e r 结构图 本课题为自选课题，由作者提出，在曹明翠老师和罗风光老师的指导下完成方 案设计和实验研究。 第一章简要介绍了i n t e r l e a v e r 器件的特点、应用和结构；总结和对比了几种典型 的i n t e r l e a v e r 器件实现技术。 第二章中提出了一种新颖的晶体型i n t e r l e a v e r 器件结构方案，阐述了总体结构、 工作原理及其特点，并分成四个功能单元进行了详细设计。 第三章阐述了带有斜8 。角的球透镜光纤准直器的设计过程，并与自聚焦透镜单 光纤准直器相关结论进行了对比，利用准直器之间耦合损耗相关结论分析了器件调 试中应该注意的问题，并详细设计了双光纤准直器。 第四章重点分析了波长滤波器的设计，从数学上完备地利用傅立叶级数的方法 对晶体型i n t e r l e a v e r 设计中带宽优化进行了讨论。 第五章详细分析了器件设计中必须注意的几个重要问题，例如精度补偿，偏振 相关损耗计算以及温度补偿等等。 第六章对阐述了器件的实验研究过程及其实验结果，并提出了误差来源分析以 及改进的建议。 第七章简要总结了作者所做的工作以及所获得的成果和结论。 华中科技大学硕士学位论文 2 总体方案设计 前面提到，在已有的晶体型i n t e r l e a v c r 结构中，要么采用了复杂而又庞大的结 构，要么是用到了p b s 棱镜，给装配过程带来了很大的困难。本章提出了一种新颖 的晶体型i n t e r l e a v e r 结构，并给出了相应的预期指标。 2 1 整体结构 我们的i n t e r l e a v e r 结构如图2 1 所示，从左边单光纤准直器出来的光1 0 0 经双折 射晶体l 后变为两束光，上面的e 光经半波片l 后成为0 光1 0 1 ，下面的为0 光 1 0 2 。1 0 1 和1 0 2 经过一个组合波长滤波器2 ，3 后变成光1 0 3 和1 0 4 。光1 0 3 包含了 0 光1 0 5 ( 对应奇波道的光) ，和e 光1 0 7 ( 对应偶波道的光) ；光1 0 4 包含了0 光 1 0 6 ( 对应奇波道的光) ，和e 光1 0 8 ( 对应偶波道的光) 。经双折射晶体4 分光 后，e 光1 0 7 和。光1 0 6 再经过半波片2 ，分别变为0 光1 0 7 和e 光1 0 6 。随后通过一 个双折射晶体5 合光，输出光1 0 9 ( 对应奇波道) 和11 0 ( 对应偶波道) 。最后，经 屋脊棱镜6 耦合到双光纤准直器中。可见，整个器件可以封装在一个略大于准直器 直径的圆筒内，因此具有很小的外观尺寸。 2 2 单元结构 图2 1 本方案整体结构图 该方案结构可以分为输入分光器、波长滤波器、双折射晶体组合和分光耦合器 四个功能单元，其结构分别设计如下。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 输入分光器 输入分光器由单光纤准直器和钒酸钇晶体( y v 0 4 ) 的d i s p l a c e r 组成，以及半 波片组成。整个输入分光器的结构如图2 2 所示。 扛 j 图2 2 输入分光器结构图 单光纤准直器中所用g r i n l e n s 为n s g ( n i p p o ns h e e tg l a s s ) 公司生产的 s l w 一1 8 型，0 2 3 节距，外径1 8 m m ，将一端面加工成8 。斜角，两端面均镀中心 波长为1 5 5 0 t t m 的增透膜，其他参数如表2 1 中所示。由表2 1 可见，对于输入中心 波长为1 5 5 0 7 2 n m ( 即i t u t3 l 波长通道) ，输入波长间隔为0 8 n m 的l o 个波长的 光来说，这种自聚焦透镜的参数都是一样的。因此在考虑光纤准直器的耦合时，只 需以1 5 5 0 7 2 a m 为例考虑就可以了。以上为n s g 公司提供的标准产品参数，根据公 司网站上提供的计算服务【3 “，我们计算得到对应其他波长的0 2 3 节距透镜参数如表 2 1 所示。 表2 1g r i n - - l e n s 参数 ( n l r l )n o 万( m m 1 ) z ( 1 n l r l ) 1 5 4 7 5 21 5 9 0 20 3 2 6 1 4 8 2 1 5 4 9 1 21 5 9 0 20 3 2 6 1 4 8 2 1 5 5 0 7 21 5 9 0 20 3 2 6 l 4 8 2 1 5 5 2 3 21 5 9 0 20 3 2 6 1 4 8 2 1 5 5 3 9 21 5 9 0 20 3 2 6 1 4 8 2 注：n o 为透镜轴线上在波长为入处的折射率，i 为自聚焦常数 z 为透镜在轴线上的长度。 华中科技大学硕士学位论文 由y v 0 4 晶体做成的d i s p l a c e r 是由浙江上虞市国泰光电有限公司购买的。y v 0 4 晶体是一种典型的正单轴晶体，具有良好的机械和物理特性。y v 0 4 晶体的光学特 性如下表所示。可见，y v 0 4 具有很宽的透射光谱和很大的折射率差，特别适合做 光学双折射晶体。广泛用于隔离器，环形器，d i s p l a c e r 以及其它一些偏振光学元件 中。 表2 2y v 0 4 晶体的光学特性 透射光谱范围：0 4 - 5p a n 晶元大小：a = b = 7 1 2 a ，c = 6 2 9 a 密度：4 2 2g c m 3 热膨胀系数：= 4 4 3x 1 0 国r a m k ；= 1 1 3 7 x1 0 - 6 m m k 晶体分类：正单轴，n o = n a = r i b ，t i e - - g c 折射率，折射率差，w a l k - - o f f 角度 n o = 1 9 4 4 7 ，n e = 2 1 4 8 6 ，a n = 0 2 0 3 9 ，p25 6 9 。1 5 5 “m s e l l m e i e r 方程ni nh m ) ： n 0 2 = 3 7 7 8 3 4 + 0 0 6 9 7 3 6 ( z 2 0 0 4 7 2 4 ) 0 0 10 8 13 3 ，1 2 n e 2 = 4 5 9 9 0 5 + 0 110 5 3 4 ( a 2 0 0 4 8 13 ) 0 0 12 2 6 7 6 ；l 2 热光系数：d n 州t = 8 5 x 1 0 6 k ；d n j d t = 3 0 x 1 0 击k 由于w 0 4 晶体双折射率差较大，因此，用它来做d i s p l a c e r ，可以做到较短的长 度而分开较大的距离。输入分光器的d i s p l a c e r 特性如表2 3 所示。我们采用的 d i s p l a c e r 长度为5 m m ，因此在输出端分开o 5 m m 的距离。输入光正好打在d i s p l a c e r 的正中间，即距顶端l m m 处，所以e 光在距顶端o 5 m m 处输出。由于e 光和o 光的 间距为o 5 m m ，而从准直器出来的光斑半径大小大约o 2 r a m 左右，所以在顶部放置 一个0 7 5 m m 大小的半波片就可以将e 光转化为。光，并且对。光的传输不会有任何 的影响。这样，从输入分光器出来的两束光就都是。光了。 半波片购买的是福建华科的产品。其光谱曲线如图2 3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 表2 3d i s p l a c e r 特性 图2 3 半波片实测光谱图 2 2 2 波长滤波器 波长滤波器的设计采用类似两级l y o t o h e m a n 滤波器形式【3 5 1 ，第一块滤波晶体 的长度为d ，第二块滤波晶体的长度为2 d ，这时输出波长间隔为，其中c 为真 a n d 空中的光速，加为滤波波片所用双折射晶体的折射率差，根据所需输出的波长间隔 就可以确定d 值。适当选择两块波片的晶轴角度就可以使输出光达到系统所需的要 9 华中科技大学硕士学位论文 求。目前为止，i t u t 对1 0 0 g 间隔的w d m 器件并没有一个明确的技术规定。但 是，对于一个1 0 0 g 输入波长间隔的商用系统来说，一o 5 d b 带宽应大于0 3 r i m ，而 隔离度则越大越好，一般为产品为- - 2 5 d b 。为了达到这个要求，滤波晶体的长度， 以及每块晶体的晶轴角度必须经过深入地分析。具体的滤波器的设计过程见第三 毫。 单一的偏振光( o 光) 经过波长滤波器之后，变成混和偏振光。其中，每束偏振 光表示奇或偶通道波长的光。这样，就实现了i n t e d e a v e r 的基本功能：即将输入光的 波长间隔变为原来的2 倍输出。 2 2 3 双折射晶体组合 双折射晶体组合将两束混和偏振光变成两束单一偏振光，即实现o 光合并和e 光 合并。它主要由两块y v 0 4d i s p l a c e r 以及一块半波片组成。其光路原理图如图2 , 4 所 示。 a a 图2 4 双折射晶体组合的光路原理图 y v 0 4 晶体规格与输入分光器的y v 0 4 晶体一样，即5 m m 长，分光距离为 o 5 m m ；晶体高度为2 0 0 m m 。输入两束混和偏振光的间距为0 5 r a m ，经过第一块 y v 0 4 分光后，上面那束光的e 光与下面那束光的o 光重合，并经过半波片转换偏振 方向。半波片高度为o 5 m m ，正好保证四束光都不会被切到光斑，能够正常传输。 第二块y v 0 4 晶体将上面那束光的o 光与下面那束光的o 光( 经半波片转换为e 光) 合并在一起；并且，也把上面那束光的e 光( 经半波片转换为o 光) 和下面那束 光的e 光合并在一起。这样，就实现了奇、偶通道的光分开传输的目的。 这种结构的双折射晶体组合与其它的结构相比，有如下好处：第一，结构非常 地精简、紧凑，便于装配与调试，实际上只要半波片粘的比较好的话，调试起来非 1 0 华中科技大学硕士学位论文 常容易：第二，两块y v 0 4 晶体以及前面输入分光器用到的y v 0 4 晶体大小规格一 样，因此加工方便，并且降低了成本。 2 2 4 分光耦合器 分光耦合器单元包括分光棱镜和双光纤准直器，其中分光棱镜尺寸如图2 5 所 示，材料为k 9 玻璃，在1 5 5 0 n m 处的折射率为1 4 9 3 5 ，其中l # ，2 # 和3 # 面镀增 透膜，镀膜以1 5 5 0 r i m 为中- i i , 波长。分光棱镜中的光路如图2 5 所示，两束输入单一 偏振光从分光棱镜的1 # 面垂直入射，被分成间距为o 5 m m 、夹角为3 6 8 3 。的两束光 出射，这个角度正好与双光纤准直器的输入夹角相同。 双光纤准直器如图2 6 所示，所采用的g r i n - - l e n s 型号与输入分光器所用的 单光纤准直器相同，即节距为o 2 3 ，直径1 8 r a m ，设计该准直器的工作距离为 4 5 m m 。从两根尾纤输入的光经g r i n - - l e n s 准直后，变成夹角为3 6 8 4 0 的两束光 出射；也就是说，两束夹角为3 6 8 4 。的光恰好能够耦合到该准直器的两根尾纤中。 双光纤准直器与分光棱镜配合，从分光棱镜出射的两束单一偏振光分别耦合到准直 器的两根尾纤和中，每束光的角向失配为o 0 0 0 5 0 。 图2 5 分光棱镜结构与光路图 图2 6 双光纤准直器示意图 华中科技大学硕士学位论文 2 3 金属装配件 在整个器件中，除以上光学元件之外，还需要一些金属装配件，用于光学元件 的装夹和整个器件的封装，所需配件有金属装夹具和金属桥。 2 3 1 金属装夹具 。器 o ：錾 图2 7 金属装夹具示意图 金属装夹具用来装夹所有的光学组件，包括输入分光器，波长滤波器，双折射 晶体组件以及分光耦合器。其外形尺寸如图2 7 所示，材料为不锈钢，采用线切割方 式加工。所有光学组件都放在方槽之内。方槽表面打磨光滑，垂直度误差小于1 。 金属装央具的长度设计是依据光路长度和准直器的工作距离要求。 2 3 2 光纤准直器夹具 图2 8 所示为两头光纤准直器夹具，因为两者同轴，而输出光路相对于输入光路 偏移了0 2 5 r a m ，因此右边的准直器夹具内孔直径大一些，用于补偿光路的偏移。上 述的金属装夹具外径和光纤准直器夹具内径是紧密配合的，所以直接将它们插在一 起就可以了。夹具两端各有三个巾2 0 的圆孔，称为焊孔，夹具与准直器在此处焊 接。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 b 广 簸3x 0 2 建； 2 3 3 金属桥 图2 8 光纤准直器夹具示意图 图2 9 金属桥示意图 金属桥用来将金属装夹具封装在一起，并为整个混合器件提供一个统一的外径 封装，其结构和尺寸如图2 9 所示。 2 4 预期指标 考虑预期指标时，主要考虑由加工误差所带来的性能下降。而加工误差主要考 虑波长滤波器中波片厚度及光轴夹角的加工误差。在目前工艺下，晶体厚度的加工 误差可以控制在1 个微米，角度加工误差加上装配误差可以控制在1 度角以内。考 华中科技大学硕士学位论文 虑精度补偿之后的输出光谱波长漂移仅有0 0 3 n m 左右；平顶宽度变化不大，只有 0 0 2 n m 左右，同时隔离度为- - 3 0 d b ( 后续章节有具体的分析) 。 因此，器件的预期指标如下：输出波长间隔2 0 0 g ( 1 6 r i m ) ，中心波长1 5 5 0 7 2 n m ( 符合i t u t 2 0 0 g 波长间隔标准) ，平顶宽度( - - 0 5 d b 带宽) 大于o 4 r i m ，隔离度 大于一2 0 d b 。隔离度之所以预期为- - 2 0 d b 是因为光谱仪的分辨率( 我们的只有 0 1 n m ) 加上贴半波片所造成的隔离度下降。但是，如果实验室能够作出- - 2 0 d b 隔 离度的器件，那么在熟练的装配工人加上较好的光谱仪就能够实现一2 5 d b 以上的隔 离度，这已经接近一般的商用水平。 2 5 本章小结 本章提出了一种新颖的晶体型i n t e r l e a v e r 器件方案，主要包括输入分光器、波长 滤波器、双折射晶体组合和分光耦合器四个功能单元。本章对整体结构、各功能单 元以及金属装配件进行了详细设计。其中包括几个关键之处，一是经过精心设计的 波长滤波器，使得输入光的波长间隔变为原来的2 倍，并且具有非常好的平顶宽度 和隔离度：二是十分精简、方便的双折射晶体组合，可以大大提高装配、调试难 度，并降低成本；三是分光棱镜，可以把两束平行入射光分成一定间距和夹角的两 束光，与双光纤准直器进行耦合。 由此可见，本文提出的i n t e r l e a v e r 结构可以在目前的工艺情况下制作和装配，并 达到系统要求。方案具有很高的可行性。 1 4 3 光纤准直器 叫，苎嚣纛嚣鬻篙黧慧鬈茹显龚墓釜篡 戮裟篡篙黧：霉噤耄蒜；篇鬣茹磊 光斑较大的平行光耦合到光纤中。本节中我1 i j 评础刃们牛几“8 一“。 枷。然竺量慧黥= 黧。然篓嚣 竺芝霉鬈鬻燃篇黧。器羔嚣茹荨蒜萧 銮竺熙焉黧燕。舞茹需蒜 燃慧= 裟鬣黧鬻n ”1 吧篓黧：纛鬟浆名怒嚣槲，姗如 ，絮兰艺篙竺嚣：) ? 呈= 茹赢( 茹 图3 1 所示，参数有工作距离2 z w 、光斑半径。o 、束暇半任”1 开”腻1 8 5 i 光的离轴角度) 吼。其中点精度用光线理论计算，如图3 1 ( a ) 所示；工作距离、光 ( b ) 舞誊 瑟 中一 器一喜一 准一纤一单一 s e t | ) & 一 a 一 华中科技大学硕士学位论文 从光纤出射的是类高斯光束，可以用高斯光束的q 参数来描述 11 q 。r 。 l 册t n ) ? ( 3 1 ) 其中u i 为高斯光束的模场半径，r i 为波面曲率半径， 为光在真空中的波长，n 为介质折射率。高斯光束传输遵循a b c d 法则： 礼，= 揣 ( 3 2 ) 其中 苫暑 为所经过介质或界面的近轴光线传输矩阵，吼和“。分别为高斯光 束在经过介质或界面之前和之后的q 参数。 具体的计算过程如下。光纤输出端面处的q 参数为：f 三要，其中，为光 纤输出端面的光斑半径( 取值5 “r a ) ，五为真空中的波长，我们采用1 5 5 0 n m 进行计 算。从光纤输出端面的左侧到球透镜的输出端面的传输矩阵为： g = 1 拧。d 。+ 生瓦 睾”燃r + 号警r胄 。 甩 ( 3 3 ) 其中，r l 。为光纤纤心处的折射率( 取值1 4 6 8 1 ) ，r l 为c - l e n s 的折射率( 取值 1 7 4 4 7 ) ，d 。为光纤与c - l e n s 之间的间距，r 为球透镜曲率半径( 取值1 8 m m ) ，t 。 为c - l e n s 的中心厚度( 取值3 8 5 r a m ) 。将式3 3 中的四个矩阵分量a ，b ，c 和d 代 入式3 2 ，就可以计算出c - l e n s 输出端面处的q 参数q 。，则束腰处的q 参数q 2 为： q 2 = i i m ( q 1 ) ( 3 4 ) 因此，工作距离z ，以及束腰半径分别为： z 。= q 2 一q w = ( 3 5 ) ( 3 6 ) 1 6 掣 自e萼毛叠 她 泽 融 删 粕 觥 。 彬 传 引 线 蝌 批 戋 ， 砬 脚雅 朋 彬 避 叻 时 十 邢晦 靴 铲 悯 她 鄯 “ o 黼 准 占 卅 离 雅 一 一椭 光 曲 叶 度 单 抑 伟 雕篡瑟 删 甜 黼 鳓 一 枞凇 匿 尸 删蜥 r 喃 懒 如 峨 懈 荆 撇 萎 杓 离 山 ，螽 滞 托 觖 瘕 涟 籼 桷 谶 尉 触黜 华中科技大学硕士学位论文 另外，对于g r i n - l e n s 的单光纤准直器来说，我们采用的是下图3 4 所示模 型。这里直接给出文献 3 6 中的相关结论曲线图3 5 ： z w ( d 0 ) 1 0 。 ( a ) 图3 4g r i n l e n s 单光纤准直器中的光路 ( b ) d o l 0 3d o l o ) ( a )( b ) 图3 5g r i n - l e n s 单光纤准直器相关关系曲线图 将图3 2 、图3 3 与图3 5 所示曲线进行对比，可以发现：c - l e n s 单光纤准直 器的工作距离以及束腰半径曲线都存在最大值，而g r i n - l e n s 准直器则没有；在常 用的0 2 m m 到0 5 m m 区域内，c - l e n s 单光纤准直器的工作距离为递减函数，而 g r i n l e n s 准直器的为递增函数；c - l e n s 单光纤准直器的工作距离明显以较大幅度 大于g r i n - l e n s 准直器的工作距离，因此，在制作长工作距离的准直器时，采用c l e n s 准直器具有较大优势；另外，在束腰半径上c - l e n s 准直器也是略大于g r i n l e n s 的，但是差值不大，只有0 0 2 n 日n 左右。显然，以上的对比结论对于单光纤准直 器的设计与选用都具有重要的指导意义。 3 1 2 两单光纤准直器的耦合影响 经光纤准直器准直后的高斯光束，经过光路上的功能单元之后，仍需用另一准 直器耦合到光纤中输出，因此，有必要对两个光纤准直器的耦合情况进行分析。 华中科技大学硕士学位论文 两光纤准直器对准耦合，其插入损耗由界面反射、透镜材料吸收以及透镜像差 等因素引起，可以通过镀增透膜、改进透镜材料和加工工艺来改善。另外，准直器 耦合失配也会引起插入损耗，耦合失配包括轴向失配z o 、径向失配x o 和角向失配 0 ，如图3 6 所示，文献【3 6 对此进行了详尽的分析。本小节利用其结论对单光纤准 直器耦合失配给i n t e r l e a v e r 器件带来的影响进行分析。 图3 6 准直器耦合失配情况 两个单光纤准直器耦合时的插入损耗i l ，是二者束腰半径u t 和6 0 t 的函数，而 从上一小节准直器的设计过程可知，准直器的束腰半径与工作距离有关，因此插入 损耗也是两个准直器工作距离z 。和z w 的函数。由此，可以计算出插入损耗i l 与轴 向失配量z o 、径向失配量x o 和角向失配量e 之间的关系。 z o ( m m ) ( a ) i l z 0 ( x 0 = 0 ，0 = 0 ) 一 x 0 ( m m ) ( b ) 1 l x 0 ( z 0 = 0 ，0 - - - 0 ) 了 0 ( d c g ) ( c ) m 0 ( z 0 = 0 ，x 0 = 0 ) 图3 7 准直器耦合插入损耗与失配量之间的关系 采用m a t h c a d 软件以及文献 3 6 】的结论，对波长为1 5 5 0 n m ，输入和输出准直器 束腰半径均取o 2 m m 的情况，计算得到插入损耗与各失配量之间的关系曲线如图3 7 所示，从图中可以看出，插入损耗对角向失配最敏感，其次为径向失配，对轴向失 配则不敏感。这是在我们器件调试过程中必须注意的地方。另外，对于我们的器件 来晚，由于光路长度为4 5 m m 左右，因此由于径向失配带来的插入损耗将有o 5 d b ， 显然这是非常可观的，在最后实验结果的误差分析中是不可忽略的一部分。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 3 2 双光纤准宣器 现在我们来分析双光纤准直器，双光纤准直器的两根尾纤相对与g r i n l e n s 的 斜面，存在两种排列方式，分别为垂直排列和水平排列，如图3 8 所示。我们设计的 双光纤准直器采用水平排列方式，此处只对水平排列的双光纤准直器进行分析。 g l e n s ( a ) 垂直排( b ) 水平排 光纤 图3 8 双光纤准直器中尾纤的排列方式 与单光纤准直器一样，双光纤准直器也是先确定需要的工作距离2 z 。，由文献 3 6 计算光纤端面至g r i n l e n s 前端面的距离l 0 ，再计算光斑半径。o 和束腰半径 u t 。不同的是，双光纤准直器没有点精度概念，取而代之的是交叉角( c r o s s a n g l e ) 中，定义为输出的两束准直光夹角。交叉角的产生原因是光纤的轴线与 g r i n - l e n s 的轴线不重合，使得输出的两束准直光分别向透镜轴线两边偏离，如图 3 9 和图3 1 0 所示。 在图3 9 中，r 为裸光纤的半径1 2 5 2 = 6 2 5 1 a m ，r l 为图3 1 ( a ) 中的n ：在图 3 1 0 中，偏角的垂直分量e 为图3 1 ( a ) 中的巩，水平分量e ，由离轴距离r 引 起，由( 3 7 ) 式得到劭= i c 2 ，i ( 在与g r i n l e n s 子午面正交的平面内，光束正入 射，0 = o ) 。经过简单的几何推导，可以得到交叉角为： = 2 a r c t a n ( c o s ( 0 j _ ) t a n ( o # ) ) ( 3 8 ) 采用m a t h c a d 软件对双光纤准直器的设计过程进行计算，具体的计算过程参见 刚录3 所示。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 苎兰? 兰辛三世竺l e n 8 前 图3 1 0 输出的两束准直光夹角 端面上的入射位置 。 双光纤准直器所用g r i n l e n s 为0 2 3 节距，与单光纤准直器之间的光程约为 4 5 r a m ，因此确定该准直器工作距离为2 z w = 4 5 m m 。取表2 1 中对应信号光 ( 1 5 5 0 r i m ) 的 、n o 、j 等参数，依照上述方法，由附录3 计算( ) o 、( ) t 和0 上、 e ，、巾，双光纤准直器参数如表3 1 所示。 表3 1 输出双光纤准直器参数 2 z 。ot0 i 0 。巾 ( n l t l ) ( 1 i l m ) ( p a n ) ( 哪) ( d e g )( d e g )( d e g ) 1 5 5 04 51 9 21 8 9 o 6 1 51 8 4 23 6 8 4 双光纤准直器的插入损耗由透镜的材料吸收和像差、界面反射引起。 3 3 本章小节 本章阐述带有斜8 。角c l e n s 单光纤准直器的设计过程，并与g r i n l e n s 单 光纤准直器相关结论进行了对比。利用两准直器耦合损耗结论对我们的器件调试进 行了分析；设计了水平排列的双光纤准直器。这些计